固、液危化品侦检装置的制作方法

1.本发明属于火灾场景下固液危化品侦检的技术领域，尤其是涉及一种固、液危化品侦检装置。


背景技术：

2.石油化工是许多国家的基础产业和支柱产业。我国石油化工产业在国民经济中占有重要的战略地位，每年总体产值约占gdp20％。面对高温、黑暗、有毒、易爆和浓烟等恶劣事故，如果没有相应的方法、装备或设施，救援人员便难以获取现场的有效信息，若在无信息支撑的情况下贸然进入，往往容易造成更多的伤亡，付出惨痛的代价。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种固、液危化品侦检装置，以缓解上述的技术问题。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种固、液危化品侦检装置，包括防护模块及功能模块，所述防护模块为球壳结构，所述功能模块设于所述防护模块的内部；所述功能模块包括电控单元、数据采集单元及样品收集单元；所述数据采集单元和所述样品收集单元分别与所述电控单元电性连接。
6.进一步地，所述防护模块包括减震隔热层及吸热层，所述减震隔热层设于所述吸热层的外部，所述防护模块开设有进样孔和出样孔。
7.进一步地，所述减震隔热层为阻燃耐高温硅胶层。
8.进一步地，所述吸热层包括上半球壳和下半球壳，两者通过法兰连接，且两者均为中空结构，内部填充有纳米水溶液，其外表面设有排气孔，每个所述排气孔设有微型排气阀；所述减震隔热层包括两个半球壳，且均与所述法兰连接。
9.进一步地，所述电控单元包括电池、电路板、天线及开关；所述吸热层内设有安装架，所述电池和所述天线分别与所述电路板电性连接，且三者均固定于所述安装架上；所述开关与所述电路板电性连接，且所述开关固定于所述吸热层上。
10.进一步地，所述数据采集单元为拉曼光谱分析仪，且与所述电路板电性连接，并固定于所述安装架上。
11.进一步地，所述样品收集单元包括微型真空泵和收集槽，所述微型真空泵与所述电路板电性连接，且固定于所述安装架上；所述收集槽设于所述拉曼光谱仪的观测端。
12.进一步地，所述收集槽包括槽体、进样端管、出样端管及电磁泵；所述进样端管和所述出样端管分别设于所述槽体的两侧，所述电磁泵设于所述槽体的内部，所述槽体的观测面设有透明镜片。
13.进一步地，所述下半球壳的底部设有配重块，所述进样孔设于所述下半球壳的底部，所述出样孔设于所述下半球壳的上方，所述收集槽设于所述配重块的上方。
14.进一步地，所述天线的信号发射端位于所述上半球壳的内部，所述上半球壳设有天线孔。
15.相对于现有技术，本发明提供的固、液危化品侦检装置具有以下优势：
16.1、本发明针对侦检危化品事故的场景，采取抛投式的固液危化品侦检装置，代替消防员进入高危环境完成固液危化品的无人化侦检，提供事故现场燃烧物质的有效信息，为后续消防部队灭火救援做准备。
17.2、本发明通过吸热层中的纳米水溶液吸热蒸发成水蒸气，并从排气口排出，进而降温，保护内部的功能模块。
18.3、本发明通过手动控制开关，在将本侦检装置投入至事故现场中时，打开开关，接通电路板，进而控制其他功能模块。
附图说明
19.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1为本发明所述的固、液危化品侦检装置的整体结构示意图；
21.图2为本发明去掉减震隔热层后的第一轴侧图；
22.图3为本发明去掉减震隔热层后的第二轴侧图；
23.图4为收集槽的结构示意图；
24.图5为功能模块结构示意图；
25.图6为拉曼散射光产生机理图。
26.附图标记说明：
27.1-减震隔热层；2-吸热层；3-进样孔；4-出样孔；5-上半球壳；6-下半球壳；7-纳米水溶液；8-排气孔；9-电池；10-电路板；11-天线；12-开关； 13-安装架；14-拉曼光谱分析仪；15-微型真空泵；16-收集槽；17-槽体；18-进样端管；19-出样端管；20-透明镜片；21-配重块；22-法兰；23-天线孔。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内单元的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术
语在本发明中的具体含义。
31.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
32.如图1-5所示，本发明提供了一种固、液危化品侦检装置，包括防护模块及功能模块，所述防护模块为球壳结构，所述功能模块设于所述防护模块的内部；所述功能模块包括电控单元、数据采集单元及样品收集单元；所述数据采集单元和所述样品收集单元分别与所述电控单元电性连接。
33.更为优选地，所述防护模块包括减震隔热层1及吸热层2，所述减震隔热层1设于所述吸热层2的外部，所述防护模块开设有进样孔3和出样孔4。
34.更为优选地，所述减震隔热层1为阻燃耐高温硅胶层。
35.更为优选地，所述吸热层2包括上半球壳5和下半球壳6，两者通过法兰22连接，且两者均为中空结构，内部填充有纳米水溶液7，其外表面设有排气孔8，每个所述排气孔8设有微型排气阀；所述减震隔热层1包括两个半球壳，且均与所述法兰22连接。
36.更为优选地，所述电控单元包括电池9、电路板10、天线11及开关12；所述吸热层2内设有安装架13，所述电池9和所述天线11分别与所述电路板10电性连接，且三者均固定于所述安装架13上；所述开关12与所述电路板10电性连接，且所述开关12固定于所述吸热层2上。
37.更为优选地，所述数据采集单元为拉曼光谱分析仪14，且与所述电路板 10电性连接，并固定于所述安装架13上。
38.更为优选地，所述样品收集单元包括微型真空泵15和收集槽16，所述微型真空泵15与所述电路板10电性连接，且固定于所述安装架13上；所述收集槽16设于所述拉曼光谱仪的观测端。
39.更为优选地，所述收集槽16包括槽体17、进样端管18、出样端管19 及电磁泵；所述进样端管18和所述出样端管19分别设于所述槽体17的两侧，所述电磁泵设于所述槽体17的内部，所述槽体17的观测面设有透明镜片20。
40.更为优选地，所述下半球壳6的底部设有配重块21，所述进样孔3设于所述下半球壳6的底部，所述出样孔4设于所述下半球壳6的上方，所述收集槽16设于所述配重块21的上方。
41.更为优选地，所述天线11的信号发射端位于所述上半球壳5的内部，所述上半球壳5设有天线11孔。
42.消防领域目前的液体危化品事故中的种类识别主要通过问询、经验判断、接触采样送至实验室或用机器人采样送至消防车的方法进行人工实验测试，其中在各种实验室测试方法中，根据技术原理不同，可分为化学、光谱、质谱、色谱以及联用方法等。光谱检测以其快速、无损、高灵敏度等优点，成为非接触式检测的关键技术并广泛应用于各领域，其中拉曼光谱检测技术以其快速、与样品非接触、分析模型免标定等优点，逐渐成为近年来在线分析领域的研究热点之一，成功应用于食品、宝石、农业、安防等领域。目前，美国wiley的bio-rad以及国内同方威视等研究出版机构和拉曼光谱仪供应商等都建立了拉曼光谱数据库，包含多种环境污染物、易制毒化学品、药品及易燃易爆危险品，然而首先国外数据库普遍不提供原始数据，只提供谱图 6，无法做到在现有设备上检索匹配，其次国外试剂和国产试剂会有差异，多数光谱数据不适用于国内试剂的光谱探测识别，再次使用拉曼波长不同
导致光谱分辨率不同，试剂浓度不同会导致峰位偏移，探测器不同会导致峰位不同，信噪比不同可能存在部分峰不能显示，因此针对消防领域事故频发且事故后果严重的重点监管危化品，利用市售的数据库很难实现有效识别，需要针对选用的小型拉曼光谱仪建立有针对性的危化品拉曼光谱数据库，确保装备的可用及实用性。本文针对消防领域我国重点监管液体危化品，建立拉曼光谱数据库，并基于该数据库研发危化品侦检装备，为消防救援中的危化品快速初步侦检提供技术及装备支撑。
43.危化品火场所提取固体的拉曼散射效应中光与物质相互作用可以分为以下三种情况：
44.如果光所通过的物质是均匀的，且假设物质不存在热起伏，此时光与物质之间不存在任何相互作用，即光通过该物质后将不发生任何变化，出射光波仍沿原光波传播方向行进。
45.如果物质不是均匀的，存在某种起伏，且该起伏与时间无关，那么光波通过该物质后只有传播方向发生改变，频率不发生变化，这种现象叫做弹性散射。
46.如果物质的不均匀性与时间有关，那么光波通过该物质后将与该物质发生能量交换，使得出射光的能量发生变换，即频率发生改变，这种现象叫做非弹性散射。
47.拉曼散射属于非弹性散射，其量子力学解释如下：
48.物质的分子不断地运动，分子运动的能量包含以下四部分：平动能、电子能、振动能和转动能。平动能是连续变化的，而电子能、振动能和转动能均是量子化的。分子的这些量子化的能量状态称之为能级。正常状态下分子处于较低的能级，称为基态。分子的某些能级十分不稳地，称为虚态，如图6所示。图6下方的两条实线表示分子的基态，上方的虚线表示分子的虚态。当一束激光入射到某物质上时，该物质的分子与光子相互作用，分子吸收光子的能量，由原来的基态跃迁到虚态，由于虚态十分不稳定，分子将立即由虚态回到基态，释放出光子。如果分子回到它原始的那个基态上，如图6中最左侧的箭头所示，分子将释放出与入射光子能量相同的光子，亦即出射光的波长或者频率与入射光相同，称为瑞利(rayleigh)散射，由于出射光子的能量不发生改变，只有传播方向发生变化，可知瑞利散射属于弹性散射。如果分子回到与它原始状态相比较高的那个基态上去，如图6中中间的箭头所示，分子所释放出的光子的能量将小于入射光子的能量，亦即出射光的波长或者频率小于入射光，这种散射称为斯托克斯(stokes)拉曼散射。如果分子回到与它原始状态相比较低的那个基态上去，如图6中最右侧的箭头所示，分子所释放出的光子的能量将大于入射光子的能量，亦即出射光的波长或者频率大于入射光，这种散射称为反斯托克斯(anti-stokes)拉曼散射。对于斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射，光波与物质都发生了能量交换，使得出射光频率发生改变，二者均属于非弹性散射。斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射统称为拉曼散射。拉曼散射光由于受到了物质结构的调制，因此携带了物质的信息。
49.由拉曼散射光产生的机理可知，拉曼散射光的强度与入射光照射到的物质的分子数成正比。斯托克斯拉曼散射光的强度与处于图6中低的基态的分子数成正比，反斯托克斯拉曼散射光的强度与处于图6中高的基态的分子数成正比。热平衡时，处于某一振动能级的分子数目相对于另外一能级的分子数目之比服从玻耳兹曼(boltzman)分布：
50.n2/n1＝(g2/g1)exp[-(δe)/kt]
[0051]
其中，n2和n1分别表示处于较高和较低能级的分子数，g2和g1分别表示较高和较低能级的简并度，k表示玻耳兹曼常数，t表示温度。由于热平衡时，处于低能级的分子数总是大于次高能级的分子数，因此斯托克斯拉曼散射光的强度总是大于反斯托克斯拉曼散射光的强度。通常我们所说的拉曼散射都是指斯托克斯拉曼散射。
[0052]
具体实施过程中，使用机器人搭载或者直接抛掷的方式使固、液危化品侦检装置(侦检球)进入火场，用于对大型危险品火场泄漏的液体和固体粉末进行种类判别，识别爆炸物和有毒有害物质的种类，为火场态势的研判提供帮助。使用时，将侦测物体采取空中投放或者投射的方法，使之进入火场环境进行检测，并通过无线把数据发送到后台计算机中。侦察球的设计由以下几部分组成：
[0053]
减震隔热层1：用于包覆在侦察球表面，当投入到火场内时，起到减震和保护的作用。减震层分为上下半球，采用阻燃耐高温硅胶材料(350℃) 制作而成，具体可以为掺杂氧化铝的硅胶材料，平时附着于球壳表面形成一个弹性体结构。一旦投入火场，着地时减震层起到缓冲动能防止球体损坏，当到达火场中时包覆层起到绝热作用，延缓高温热能量传递到球体内部。由于球体的设计是不倒翁结构，底部设有配重块21，侦察球泵吸口向下露出，功能模块开始工作时就可吸入固液物进入球体内。
[0054]
吸热层2：同样分为上下半球，各半球均设计有内球壳和外球壳，并通过法兰22连接。内外半球的空腔内充入纳米水溶液7，当高温热能量传递到球体内部时，首先利用自身的热沉进行吸热升温冷却，当到达95度时纳米水溶液7开始气化，能够保证最主温度不超过95度，起到保护侦察球，以此起到隔绝高温保证正常工作。外腔上设有压力泄放孔(入水口)，当水受热汽化时，泄放口的密封盖将被顶开，并将气体排出。在下半球设计有配重块21，保证侦察球的重心始终处于下半球。
[0055]
纳米水溶液7具有较大的比热容，在侦察球处于高温环境中时，可有效吸收外围传来的热量，纳米水溶液7温度升高，直至汽化。此时吸热层2内将产生高压环境，并冲破排气口的排气阀，将蒸汽排出。当纳米水溶液7耗尽时，隔热层将失去隔热效果。
[0056]
侦察球采用较低的重心设计，类似于不倒翁原理。在滚动过程中，由于重心作用，泵吸口总是位于正下方，可以更好的与待吸液体或者固液混合物接触，提高真空水泵的工作效率。
[0057]
按下开关12，开关12无线控制电路板10接通，进而控制功能模块运行，微型真空泵15开始吸气，将环境中的固液微粒从进样孔3吸入至装置的内部，电磁泵控制样本微粒从进样端管18进入槽体17内，拉曼光谱分析仪14 通过透明镜片20对样本进行检测并将得到的数据通过天线11传输给后台计算机，得到物质识别的结果；样本在电磁泵的控制下会从槽体17内排出，装置内过多的样本从出样孔4排出。另外，上半球壳5和下半球壳6均有排气孔8，电池9可以为锂离子蓄电池9。
[0058]
清洗：当侦察球设备工作结束，可对其进行回收与清洗。清洗时，排水 (气)口用作进水口，泵吸口用作出水口，对搜集槽进行反向清洗。换上新的减震层，以及排气口压板，侦察球便可以再次使用。
[0059]
维修：侦察球出现损坏，无法工作时，法兰22连接可以方便的拆卸，进行更换元器件或者相关的维修操作。
[0060]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。