本申请涉及气密性检测领域，特别是涉及定量监测密闭空间气密性的方法和装置。
背景技术：
一些具有防水、防尘要求的设备，不但需要在出厂前进行气密性检测，有些还需要在使用过程中进行有关气密性的全程监测和评估，以便及早发现气密性失效的情况，采取措施、确保使用安全。另外，气密性检测也应用在建筑领域，具有一定的气密性是房屋节能环保的基本要求；随着人们生活水平的日益提升，对房屋进行气密性检测、以及在使用过程中进行气密性的全程监测和评估是技术发展的必然趋势。
现有的对设备进行气密性检测的技术，一般只能给出分类结果，例如检测通过或检测失败，而无法给出一个表征气密性程度的数值。这使得无法对同一设备进行气密性程度的历史比较，也无法对同规格的设备进行气密性程度的横向比较，更无法对不同规格的设备进行气密性程度的横向比较。
另外，一种称为鼓风机门的设备，可以对房屋进行气密性的定量测量。但在检测时必须把一个专门的装置安装到房屋的门框上，向房屋内鼓风或从房屋内抽风，达到一定的正压或负压，然后测量空气流量，再根据体积最终计算出换气次数。这一技术方案需要增加额外的成本，并且影响房屋的正常使用。显然，这类设备并不适合在房屋的使用过程中进行气密性程度的全过程监测和评估。
技术实现要素：
本发明提供了一种定量监测密闭空间气密性的方法和装置，可以通过测量一个或两个压力数据、然后经过计算得到密闭空间的气密性定量值，解决上述技术问题。
第一方面，本申请公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括以下步骤：a)测量密闭空间内部的空气压力与时间相关的变化pi(t)和密闭空间外部与内部的空气压力差与时间相关的变化pd(t)；或者测量pi(t)和密闭空间外部的空气压力与时间相关的变化po(t)，由po(t)-pi(t)得到pd(t)；或者测量po(t)和pd(t)，由po(t)-pd(t)得到pi(t)；b)根据pi(t)的时间变化率和pd(t)，计算密闭空间的气密性定量值s，s与pi(t)的时间变化率成正比，s与pd(t)成反比。
为了确定气密性定量值s与pi(t)和pd(t)的关系，本申请发明人对密闭空间的气体泄漏机制进行了研究。密闭空间可以抽象为一个被刚性壳体包裹的空间。在理想情况下，当该空间具备完全的气密性时，壳体是完全密封的，没有任何缝隙和孔洞，空间外部与内部没有任何气体交换。而在现实中，壳体或多或少地会存在一些缝隙和孔洞，通过这些缝隙和孔洞会发生气体交换；当空间外部与内部存在空气压力差时，密闭空间内部的空气压力会跟随压力差的方向发生变化，直到压力差为0。我们可以将这些缝隙和孔洞等效为一个孔隙，很容易理解，孔隙越小，气体交换越慢，气密性越高；孔隙越大，气体交换越快，气密性越低；另外，同样大小的孔隙，出现在一个体积较大空间的壳体上与出现在一个体积较小空间的壳体上相比较，前者气密性较高，后者气密性较低。为了科学地衡量气密性程度，某些行业领域会采用完全由孔隙进行的气体交换所造成的每小时换气次数作为衡量气密性程度的定量值。每小时换气次数也可以解释为整个空间的气体换气一次的时间的倒数。
由流体力学的有关公式得到通过孔隙进入密闭空间的流量q与密闭空间外部相对内部的压力差pd的关系为：
q＝k*a*pdm；
k：与孔隙的形状和尺寸有关的系数；
a：孔隙的等效通流面积；
m：由孔隙的形状，即孔径与孔长的相对大小，决定的指数。0.5≤m≤1。对于薄壁小孔m＝0.5，对于细长孔m＝1，短孔介于二者之间；当小孔的通道长度与孔径之比小于等于0.5时，称为薄壁小孔；当小孔的通道长度与孔径之比大于4时，称为细长孔；当小孔的通道长度与孔径之比大于0.5小于等于4时，称为短孔。
上述公式可以简化为公式1：
q＝k1*pd(t)m；
另由克拉伯龙方程得到：
pi*v＝r*t*q；
t：热力学温度；
r：气体常数；
q：密闭空间内的气体量；
pi：密闭空间内的空气压力；
假定密闭空间的内部温度和体积不变，上述公式可以简化为：
q＝k2*pi；
两边对时间求导得到公式2：
假定密闭空间内部的气压变化完全是通过孔隙的气体交换造成的，由公式1和公式2得到公式3：
压差为pd时的空气流量计算全部空气换气一遍的所用时间t：
气密性定量值s定义为换气次数，为t的倒数，得到公式4：
；即：
k1＝k2*pd(t)1-m*s
；带入公式3得到：
；得到公式5：
由上述研究和公式推导可以得到以下事实：在密闭空间的体积和温度不变且密闭空间内部的气压变化完全由通过孔隙的气体交换造成的条件下，密闭空间的换气次数仅与密闭空间内的空气压力的时间变化率
将密闭空间的换气次数作为表征密闭空间的气密性定量值s，则意味着仅须测量两个压力值与时间相关的变化pi(t)和pd(t)，就可以计算得到气密性定量值s，s与pi(t)的时间变化率成正比，s与pd(t)成反比。实际上，也可以测量pi(t)和pd(t)的函数，例如气压变化引起的应变电阻的阻值变化，同样可以计算得到气密性定量值s。
本技术方案的有益效果十分明显：可以得到气密性的定量值，而且这一气密性定量值仅与两个压力值与时间相关的变化pi(t)和pd(t)有关，而与密闭空间的其它参数无关，这为同类型以及不同类型的待测密闭空间进行气密性程度的横向比较提供了可能性。通过对pi(t)和pd(t)进行不断的监测，还可以得到密闭空间气密性定量值的历史变化，有利于预测和评估因密封器件老化导致的气密性逐步失效的趋势。
为了方便微处理器的运算，在步骤b)中可以根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算s，算法可以参考数值微分的计算方法。
本申请提供了一个在步骤b)中可以根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算s的公式：
上述根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算s的公式的推导如下：
取pi(t)时间变化率的极限值：
；由公式5得到：
；采用离散的采样值对一段时间内的s进行计算，得到公式6：
密闭空间在正压和负压下，空气泄漏的机制可能不同，导致s可能存在差异，在步骤b)中，可以选择pd(t)全部为正值或全部为负值的某一时间段内的pi1、pi2...pin和pd1、pd2...pdn计算s，得到密闭空间处于负压或正压下的气密性定量值。该步骤还有一个好处是：在pd(t)全部为正值或全部为负值的时间段内，pi1、pi2...pin的变化将是单调的，从而pi1、pi2...pin可以积累较大的极差，有利于提高公式6的运算精度。
ach和ach50是某些领域内普遍采用作为衡量气密性的指标之一，本方法还包括以下步骤：c)计算ach，即每小时换气次数，计算公式为：
进一步地，还包括以下步骤：d)计算ach50，即密闭空间的外部与内部空气压力差为50帕斯卡时的每小时换气次数，计算公式为：
计算ach50的公式推导如下：
由公式4得到：
k1＝k2*p501-m*ach50
；带入公式3得到：
；得到公式7：
；取极限值：
；由公式7得到：
；采用离散的采样值对一段时间内的ach50进行计算，得到公式8：
在一些实际应用中，并不注重上述气密性定量值的物理意义，换句话说在这些应用中不需要得到换气次数，而只需要得到一个可以进行比较的气密性定量值。为此，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括以下步骤：a)测量密闭空间内部的空气压力与时间相关的变化pi(t)；b)根据pi(t)的时间变化率，计算密闭空间的气密性定量值s，s与pi(t)的时间变化率成正比。
本技术方案的有益效果是：在同一测量时间段，密闭空间的外部空气压力存在同样的变化，例如一天之内同一地区的多个房屋外部具有同样的气压变化，仅须测量内部压力值与时间相关的变化pi(t)，就可以通过多个密闭空间的气密性定量值s的比较，衡量气密性程度。
为了方便微处理器的运算，在步骤b)中，根据pi(t)的离散的采样值计算s。
本申请提供了一个利用pi(t)的离散的采样值计算s的公式：
进一步地，在步骤b)中，选择pi(t)的起点值和终点值分别为极小值和极大值或极大值和极小值的某一时间段内的pi1、pi2...pin计算s。这一步骤可以积累较大的极差，有利于提高上述计算公式的运算精度。
类似地，在某些应用中，还可以通过测量密闭空间外部与内部的压力差获得气密性定量值。为此，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括以下步骤：a)测量密闭空间外部与内部的空气压力差与时间相关的变化pd(t)；b)根据pd(t)，计算密闭空间的气密性定量值s，s与pd(t)成反比。
本技术方案的有益效果是：在同一测量时间段，密闭空间的外部空气压力存在同样的变化，仅须测量外部与内部的压力差pd(t)，就可以通过多个密闭空间的气密性定量值s的比较，衡量气密性程度。
为了方便微处理器的运算，在步骤b)中，根据pi(t)的离散的采样值计算s。
由公式6根据pd(t)的离散的采样值计算s的公式为：
进一步地，在步骤b)中，选择pd(t)全部为正值或全部为负值的某一时间段内的pd1、pd1...pdn计算s。
在某些实际应用中，可以对气密性状态进行分类指示。为此，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，除了上述方法的步骤外还包括以下步骤：e)s小于阈值，则提示气密性有效或气密性过高；或s大于阈值，则提示气密性失效或气密性过低。
在某些实际应用中，可以对多个密闭空间的气密性定量值进行比较。为此，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，除了上述方法的步骤外还包括以下步骤：f)对在同一时间段内进行测量并采用相同的步骤b)计算的多个密闭空间的气密性定量值s进行比较，s较小的气密性较高。
在某些实际应用中，可以利用大气压的自然变化进行气密性监测。即便在同一地点，大气压一年四季或者一日之内都经历一个较为显著但却缓慢的变化周期，利用大气压的变化周期，就可以对密闭空间的气密性定量值进行测定。为此，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，除了上述方法的步骤外还包括以下步骤：g)在足够长的时间段内进行测量，以便密闭空间外部与内部的空气压力发生显著不平衡。
在某些实际应用中，可以利用现有装置改变密闭空间内部或外部的气压。为此，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的方法，除了上述方法的步骤外还包括以下步骤：h)施加作用，以便密闭空间外部与内部的空气压力发生显著不平衡，施加作用的方式包括以下之一：充气，抽气，加热，冷却。在一个已经具备风扇的系统中，使密闭空间外部与内部的空气压力发生显著不平衡是可能的。但应注意，为了正确计算气密性定量值，压力值测量应选取风扇关闭的时间段内进行，因为s的计算公式推导的假定条件之一是密闭空间内部的气压变化完全是壳体的孔隙造成的。当然，如果风扇的气流量是已知的，也可以在风机工作期间进行测量，并在计算s时去除风扇气流量造成的影响。
最后，本申请还公开了一种定量监测密闭空间气密性的装置，包括：处理器和存储器；存储器用于存储程序指令；处理器执行存储器中的程序指令，以实现定量监测密闭空间气密性的方法。
进一步地，还包括：一个或多个压力传感器；压力传感器，测量密闭空间内部的空气压力和密闭空间外部与内部的空气压力差；或测量密闭空间内部的空气压力和密闭空间外部的空气压力；或测量密闭空间外部的空气压力和密闭空间外部与内部的空气压力差；或测量密闭空间内部的空气压力；或测量密闭空间外部与内部的空气压力差。
本申请提供的技术方案的有益效果如下：提供了一种定量监测密闭空间气密性的方法和装置，可以给出气密性程度的定量值，并且提供了对同一待测物的气密性程度进行历史对比的可能性，以及对同类待测物的气密性程度进行横向比较的可能性，甚至对非同类待测物的气密性程度进行横向比较的可能性。这一技术方案不需要大量额外投资，并且适合在房屋或设备的使用过程中进行气密性程度的全过程监测和评估。
附图说明
图1密闭空间内部的空气压力、外部的空气压力、以及外部与内部的空气压力差随时间的变化关系。
图2气密性不同的两个密闭空间，在相同的外部空气压力的作用下，内部的空气压力和外部与内部的空气压力差随时间的变化关系的比较。
图3通过测量密闭空间内部的空气压力和密闭空间外部与内部的空气压力差定量监测密闭空间气密性的装置。
图4通过测量密闭空间内部的空气压力定量监测密闭空间气密性的装置。
图5通过测量密闭空间外部与内部的空气压力差定量监测密闭空间气密性的装置。
具体实施方式
图1描绘了密闭空间内部的空气压力pi、外部与内部的空气压力差pd、以及外部的空气压力po随时间的变化关系，横轴为时间轴，纵轴为压力。当po上升时，pd上升为正值，密闭空间的壳体的孔隙发生气体交换，使得pi跟随po上升，但有一定滞后；po上升到最大值后开始回落，由于仍然存在压力差pd，使得pi将继续上升，直到pi与po相交于t1，此时压力差pd为0。
图2描绘的是在同样的外部的空气压力po作用下，具有不同气密性程度的两个密闭空间内部的空气压力分别为pi1和pi2，两个密闭空间外部与内部的空气压力差分别为pd1和pd2。pi2相对于pi1上升更快，并且更早地与po相交于t0，同时pd2相对于pd1上升的幅度较小，且更早地在t0时回落到0。显然，pi1和pd1代表的密闭空间相对于pi2和pd2代表的密闭空间具有更高的气密性。
本申请实施方式一，如图3所示，通过测量密闭空间内部的空气压力和密闭空间外部与内部的空气压力差定量监测密闭空间气密性的装置。
定量监测密闭空间气密性的装置10放置于居室1的内部。定量监测密闭空间气密性的装置10包括微控制器5、存储器6、第一压力传感器7、第二压力传感器8和指示模块9。微控制器5与第一压力传感器7、第二压力传感器8、指示模块9和存储器6连接。存储器6存储了压力测量采集和计算气密性定量值s的程序指令。
第一压力传感器7是一个高精度绝压型压力传感器，型号为bmp380；第一压力传感器7的通气孔71与居室1内部连通，感应居室1内部的空气压力；第二压力传感器8同样是一个高精度绝压型压力传感器，型号为bmp380；第二压力传感器8的通气孔81与居室1外部连通，感应居室1外部的空气压力；微控制器5每隔10秒从第一压力传感器7和第二压力传感器8分别采集一次数据，得到数组pi1、pi2...pin和数组po1、po2...pon，经计算得到数组pd1、pd2...pdn，n为4320，即12个小时的采样数据。
微控制器5根据pi1、pi2...pin和pd1、pd2...pdn计算气密性定量值s的公式为：
微控制器5每采集一次数据，即在原来的数组的尾部增加一个数据，并在数组的头部去掉一个数据，然后将数组用于计算s，这样可以每隔10秒计算得到一次s。
也可以选择12个小时内pd1、pd2...pdn全部为正值或全部为负值的时间段内的数值计算s，得到居室1处于负压或正压下的气密性定量值。
也可以计算ach，即每小时换气次数，公式为：
也可以计算ach50，即密闭空间的外部与内部空气压力差为50帕斯卡时的每小时换气次数，公式为：
指示模块9具备一个lcd显示屏，在lcd显示屏上显示气密性定量值s。当s大于阈值，lcd显示屏显示气密性过低；当s小于阈值，lcd显示屏显示气密性过高。
本申请实施方式一的技术方案中，将测量时间段内设置为12小时，在这一较长的时间段内，大气压力将发生足够显著的变化，从而得以计算居室的气密性定量值s。
在实际应用中，对于已经具备风扇的系统，如果巧妙利用风扇可以缩短测量时间、提高测量效率。即可以启动风扇向居室内部充气，在短时间内改变居室内部的空气压力，在风扇停止后的一段时间内进行数据采集，可以在较短的时间内计算得到居室的气密性定量值s。
本申请实施方式二，如图4所示，通过测量密闭空间内部的空气压力定量监测密闭空间气密性的装置。
定量监测密闭空间气密性的装置20放置于防水设备2的内部。定量监测密闭空间气密性的装置20包括微控制器5、存储器6、第一压力传感器7和指示模块9。微控制器5与压力传感器7、指示模块9和存储器6连接。存储器6存储了压力测量采集和计算气密性定量值s的程序指令。
压力传感器7是一个高精度绝压型压力传感器，型号为bmp380；压力传感器7的通气孔71与防水设备2内部连通，感应防水设备2内部的空气压力；微控制器5每隔10秒从压力传感器7采集一次数据，得到数组pi1、pi2...pin，n为4320，即12个小时的采样数据。
微控制器5根据pi1、pi2...pin计算气密性定量值s的公式为：
微控制器5每采集一次数据，即在原来的数组的尾部增加一个数据，并在数组的头部去掉一个数据，然后将数组用于计算s，这样可以每隔10秒计算得到一次s。
可以选择12个小时内的极小值和极大值或极大值和极小值作为pi1和pin计算s。
指示模块9具备一个led报警灯，当s大于阈值，led报警灯显示闪烁，指示气密性失效或气密性过低。
本申请实施方式二的技术方案中，可以将置于同一地区大气压下的设备，计算得到的气密性定量值s上传至服务器进行比较，s较小的气密性较高。
本申请实施方式三，如图5所示，通过测量密闭空间外部与内部的空气压力差定量监测密闭空间气密性的装置。
定量监测密闭空间气密性的装置30放置于防尘设备3的内部。定量监测密闭空间气密性的装置30包括微控制器5、存储器6、压力传感器7和指示模块9。微控制器5与压力传感器7、指示模块9和存储器6连接。存储器6存储了压力测量采集和计算气密性定量值s的程序指令。
压力传感器7是一个差压型压力传感器；压力传感器7的一个通气孔71与防尘设备3内部连通，感应防尘设备3内部的空气压力；压力传感器7的另一个通气孔72与防尘设备3外部连通，感应防尘设备3内部的空气压力；微控制器5每隔10秒从压力传感器7采集一次数据，得到数组pd1、pd2...pdn，n为4320，即12个小时的采样数据。
微控制器5根据pd1、pd2...pdn计算气密性定量值s的公式为：
微控制器5每采集一次数据，即在原来的数组的尾部增加一个数据，并在数组的头部去掉一个数据，然后将数组用于计算s，这样可以每隔10秒计算得到一次s。
可以选择12个小时内选择全部为正值或全部为负值的时间段内的数据计算s。
指示模块9具备一个led报警灯，当s大于阈值，led报警灯显示闪烁，指示气密性失效或气密性过低。
本申请实施方式三的技术方案中，可以将置于同一地区大气压下的设备，计算得到的气密性定量值s上传至服务器进行比较，s较小的气密性较高。
1.一种定量监测密闭空间气密性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)测量所述密闭空间内部的空气压力与时间相关的变化pi(t)和所述密闭空间外部与内部的空气压力差与时间相关的变化pd(t)；或者测量pi(t)和所述密闭空间外部的空气压力与时间相关的变化po(t)，由po(t)-pi(t)得到pd(t)；或者测量po(t)和pd(t)，由po(t)-pd(t)得到pi(t)；
b)根据pi(t)的时间变化率和pd(t)，计算所述密闭空间的气密性定量值s，s与pi(t)的时间变化率成正比，s与pd(t)成反比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算s。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算s的公式为：
其中，pi1、pi2...pin是在某一时间段内对pi(t)进行多次采样得到的数组，pd1、pd2...pdn是对pd(t)进行多次采样得到的数组，δt为采样间隔时间，n为总的采样次数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，选择pd(t)全部为正值或全部为负值的某一时间段内的pi1、pi2...pin和pd1、pd2...pdn计算s，得到所述密闭空间处于负压或正压下的所述气密性定量值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
c)计算ach，即每小时换气次数，计算公式为：
其中，时间单位为小时，pi(t)和pd(t)的单位相同；
根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算ach的公式为：
其中，δt的单位为小时，pi1、pi2...pin和pd1、pd2...pdn的单位相同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
d)计算ach50，即所述密闭空间的外部与内部空气压力差为50帕斯卡时的每小时换气次数，计算公式为：
其中，0.5≤m≤1，p50为所述密闭空间的外部与内部空气压力差为50帕斯卡时压力换算值，p50、pi(t)和pd(t)的单位相同；
根据pi(t)和pd(t)的离散的采样值计算ach50的公式为：
其中，δt的单位为小时，p50、pi1、pi2...pin和pd1、pd2...pdn的单位相同。
7.一种定量监测密闭空间气密性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)测量所述密闭空间内部的空气压力与时间相关的变化pi(t)；
b)根据pi(t)的时间变化率，计算所述密闭空间的气密性定量值s，s与pi(t)的时间变化率成正比。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，根据pi(t)的离散的采样值计算s。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，根据pi(t)的离散的采样值计算s的公式为：
其中，pi1、pi2...pin是在某一时间段内对pi(t)进行多次采样得到的数组，δt为采样间隔时间，n为总的采样次数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，选择pi(t)的起点值和终点值分别为极小值和极大值或极大值和极小值的某一时间段内的pi1、pi2...pin计算s。
11.一种定量监测密闭空间气密性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)测量所述密闭空间外部与内部的空气压力差与时间相关的变化pd(t)；
b)根据pd(t)，计算所述密闭空间的气密性定量值s，s与pd(t)成反比。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，根据pd(t)的离散的采样值计算s。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，根据pd(t)的离散的采样值计算s的公式为：
其中，pd1、pd2...pdn是在某一时间段内对pd(t)进行多次采样得到的数组，δt为采样间隔时间，n为总的采样次数。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，选择pd(t)全部为正值或全部为负值的某一时间段内的pd1、pd1...pdn计算s。
15.一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括权利要求1至14任一项所述的方法和以下步骤：
e)s小于阈值，则提示气密性有效或气密性过高；或s大于阈值，则提示气密性失效或气密性过低。
16.一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括权利要求1至14任一项所述的方法和以下步骤：
f)对在同一时间段内进行测量并采用相同的步骤b)计算的多个密闭空间的气密性定量值s进行比较，s较小的气密性较高。
17.一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括权利要求1至14任一项所述的方法和以下步骤：
g)在足够长的时间段内进行测量，以便所述密闭空间外部与内部的空气压力发生显著不平衡。
18.一种定量监测密闭空间气密性的方法，包括权利要求1至14任一项所述的方法和以下步骤：
h)施加作用，以便所述密闭空间外部与内部的空气压力发生显著不平衡，施加作用的方式包括以下之一：充气，抽气，加热，冷却。
19.一种定量监测密闭空间气密性的装置，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器用于存储程序指令；所述处理器执行所述存储器中的程序指令，以实现权利要求1至18任一项所述的方法。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，还包括：一个或多个压力传感器；
所述压力传感器，
测量所述密闭空间内部的空气压力和所述密闭空间外部与内部的空气压力差；
或测量所述密闭空间内部的空气压力和所述密闭空间外部的空气压力；
或测量所述密闭空间外部的空气压力和所述密闭空间外部与内部的空气压力差；
或测量所述密闭空间内部的空气压力；
或测量所述密闭空间外部与内部的空气压力差。
技术总结