粉基劑的測量系統的製作方法

2023-08-01 01:30:31

專利名稱：粉基劑的測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量乾粉基劑的測量系統。
背景技術：
為了認證在諸如飛機的交通工具上的乾粉滅火系統，將滅火劑排放到受保護空間 中，且分析器同時記錄在受保護空間的各區域內的滅火劑的量。滅火劑的量必須在某個預 定水平以上，該預定水平被設置成足以在一段時間內同時撲滅所有區域中的所有可能火焰。分析器必須是被校準的且可示蹤的，使得分析器輸出證明乾粉滅火系統能夠撲滅 受保護空間內的任何火焰。沒有已知的系統能夠同時測量氣溶膠雲滅火劑濃度且被校準以 為飛機乾粉滅火系統認證測試而測量滅火劑濃度。

發明內容
根據本發明的一個示例性方面的用於乾粉劑傳感頭的校準系統包括傳感器系 統，其包括至少部分位於粉末校準柱內的至少一個傳感頭。控制系統與傳感器系統連通。根據本發明的一個示例性方面的粉化器(powderizer)校準柱包括觀測管。測試 部分與觀測管流體連通。粉末捕獲盒與觀測管流體連通。粉末給料系統可操作以與粉末捕 獲盒相對地向觀測管內按限定速率輸送乾粉劑，惰性氣體分配系統可操作以與粉末捕獲盒 相對地向觀測管內按限定速率輸送惰性氣體。


本領域技術人員將從下面對所公開的非限定性實施例的詳細描述中明了本發明 的各種特徵。伴隨詳細描述的附圖可以簡要描述如下圖1是用於乾粉劑的帶有粉化器校準柱(PCC)的測量系統的示意圖；圖2是安裝在代表性受保護結構中的用於粉基化學滅火劑的傳感器系統的示意 圖；圖3A是用於乾粉劑的粉化器校準柱(PCC)的示意圖；圖3B是用於與粉化器校準柱(PCC)連通的粉末給料系統和氣體分配系統的示意 圖；圖3C是位於粉化器校準柱(PCC)內的傳感頭的立體圖；圖4A是用於乾粉劑的傳感頭的分解圖；圖4B是與控制系統連通的傳感頭的放大圖；圖4C是用於乾粉劑的傳感頭的一個實施例的立體圖；圖4D是圖4C的傳感頭本體的縱向剖視圖；圖4E是用於乾粉劑的傳感頭的另一實施例的立體圖；圖5是傳感頭的感測空間的示意圖6是沒有多重反射的帶有可能光路徑的傳感頭感測空間的示意圖；圖7是用於乾粉劑的質量密度濃度與透光率之間的試驗性關係；圖8是說明為了確定針對所需乾粉劑(如氣溶膠雲滅火劑)的質量密度濃度與透 光率之間的試驗性關係而對測量系統進行校準的流程圖；以及圖9是說明位於受保護結構測試設備(如代表性的發動機短艙)內的傳感頭操作 的流程圖。
具體實施例方式圖1示意性地示出了用於測量乾粉劑基化學滅火劑的測量系統20。系統20通常 包括粉末校準柱(PCC) 22、傳感器系統24和控制系統26。PCC 22通常用於校準傳感器系統 24的傳感器，之後傳感器系統可被安裝在受保護結構測試設備28中，例如發動機短艙(圖 2)。應當理解，發動機短艙僅是一個非限定性實施例中的一個代表性結構，也可安裝在粉基 化學滅火系統30內部，並且諸如陸地車輛發動機艙、機艙或其它結構的其它受保護結構28 也能從中獲益。參照圖3A，PCC 22通常包括粉末給料系統40、氣體分配系統42、觀測管44、內部安 裝有至少一個傳感頭24A(有時也稱為粉化器)的測試部分46、和粉末捕獲盒48。觀測管 44、測試部分46和粉末捕獲盒48沿著Z軸限定。在一個非限定性實施例中，限定測試部分 46的觀測管44在至少一個傳感頭24A之前的長度至少為20倍的直徑，以確保來自粉末給 料系統40的粉劑和來自氣體分配系統42的惰性氣體均勻分布。這便於用傳感頭24A對穿 過氣溶膠雲的透光率進行直接測量。在一個非限定性實施例中，粉末給料系統40包括諸如由Moonachie，NJ, USA的 Acrison,Inc.製造的螺旋機(auger)。粉末給料系統40限定了乾粉劑被送入觀測管44的速率。氣體分配系統42輸送惰性氣體以散開(breakup)並充分分散乾粉劑，在一個非限 定實施例中，惰性氣體包括氮氣。氣體分配系統42通常位於粉末給料系統40的上面並與 粉末給料系統40垂直(圖3B)。氣體分配系統42限定了惰性氣體被輸送入觀測管44的速 率，使得傳感頭24A中所接收到的乾粉劑和惰性氣體的流動是已知的，從而可以確定乾粉 劑濃度和透光率之間的關係。這允許乾粉劑給料和惰性氣體的速率完全已知。粉末捕獲盒48提供較大的空間，以阻止粉劑再循環回到測試部分46內。粉末捕 獲盒48還阻止壓力升高和阻止通過過濾器48F向外流的氣流促進的乾粉劑氣溶膠雲的回 流。PCC 22用於校準相對於以質量/體積為單位的氣溶膠雲濃度的傳感頭24A的透光 率測量結果。PCC 22的圓柱形截面減小了角效應和其它幾何效應。乾粉劑在惰性氣體入口 的正下方被送入觀測管44 (圖3B)。惰性氣體的高速射流經過粉末給料系統40，使得乾粉 劑湍流混合入惰性氣體流以產生氣溶膠雲，這在氣溶膠雲滅火劑中是典型的。將乾粉劑送 入惰性氣體射流的過程使得乾粉劑團散開成基本微粒(principl印articles)。這些微粒與 惰性氣體混合的微粒產生了乾粉劑氣溶膠雲。氣溶膠雲在觀測管44內在重力的作用下向下行進，以促進氣溶膠雲的均勻混合， 以便傳感頭24的測量(圖3c)。向下流動是必要的，因為不同大小的乾粉劑微粒的行進速度不同。穩定狀態的向下流動由於每種微粒尺寸的濃度向下遊地保持恆定而形成隨時間的 穩態濃度，以允許傳感器系統24的精確測量。參照圖4A-4D，傳感頭24A的一個非限定性實施例提供了透過乾粉劑氣溶膠雲的 透光率測量。每個傳感頭24A包括沿軸線S限定的外殼50，光沿著光路徑穿過該外殼50 傳播。外殼限定了與軸線S垂直的孔52、光源54、探測器56、窗58、鏡窗60和鏡子62 (圖 4D)。在一個非限定性實施例中，光源54是以650nm操作的紅色發光二極體(LED)，而探測 器56是可見光譜光電二極體。每個傳感頭24A以遮光原理操作。從光源54發出的光沿著纖維光纜64傳播，穿 過透明窗58，進入與孔52連通的測量空間66(圖4B)，由鏡子62反射後，通過纖維光纜64 傳播(圖4B)。窗58大致與鏡子62相對，使得光通過測量空間66兩次從窗58通過測量 空間66，從鏡子62反射後通過測量空間66 ；通過窗58和纖維光纜進入探測器56。探測器 56向控制系統26輸出與光強度成比例的模擬信號。光強度與測量空間66內的乾粉劑微粒 的濃度成函數關係地變化。傳感頭24A與熱電偶、壓力傳感器、應變儀或其它儀器(其中信 號強度與被測量現象直接相關)不同。傳感器系統24的每個傳感頭24A都與控制系統26連通，控制系統26起動系統20 的操作並控制從傳感頭24A的數據採集。在一個非限定性實施例中，以1至1000Hz的可變 頻率採集數據，總點數最大值是30，000。最大採集時間是30，000除以採集速率(在100Hz 的情況下是300秒)。應當理解，控制系統26也可以採用替代的數據採集速率。應當注意，計算裝置可以被用於執行多種功能，例如由控制系統26引發的功能。 在硬體結構方面，此類計算裝置可以包括處理器、存儲器、和一個或多個輸入和/或輸出 (1/0)裝置接口，這些接口通過本地接口連通地聯接。本地接口可包括，例如但不限於，一個 或多個總線和/或其它有線或無線連接。本地接口可以具有額外元件，例如能實現連通的 控制器、緩衝器(高速緩衝存儲器)、驅動器、中繼器、和探測器，出於簡化目的省略了這些 元件。而且，本地接口可以包括地址、控制和/或數據連接以實現上述部件間的適當連通。處理器可以是用於執行軟體、特別是存儲在存儲器中的軟體的硬體裝置。處理器 可以是用戶自製的或市場上購買的處理器，中央處理單元(CPU)，在與計算裝置相關聯的若 幹個處理器之間的輔助處理器，半導體基微處理器(以微晶片或晶片組的形式)或通常的 用於執行軟體指令的任何裝置。存儲器可以包括易失存儲器元件(例如，隨機存取存儲器(RAM，如DRAM、SRAM、 SDRAM、VRAM等))和/或非易失存儲器元件(例如ROM、硬碟驅動器、磁帶、CD-ROM等)中 的任何一個或組合。而且，存儲器可以包括電的、磁的、光的、和/或其它類型的存儲介質。 要注意的是，存儲器還可以具有分布的結構，其中各個部件相互遠離地設置，但都可被處理 器訪問。存儲器中的軟體可以包括一個或多個獨立程序，每個程序包括用於執行邏輯功能 的可執行指令的有序列表。實施為軟體的系統部件也可以被解釋為源程序、可執行程序 (結果代碼)、腳本或任何其它包括一組待執行指令的實體。當被解釋為源程序時，該程序 通過編譯程序、彙編程序、解釋程序等翻譯，其可以包含或不包含在存儲器中。可與系統1/0接口聯接的輸入/輸出裝置可包括輸入裝置，例如但不限於，鍵盤、 滑鼠、掃描儀、麥克風、攝像機、近似裝置(proximitydevice)等。而且，輸入/輸出裝置還可包括輸出裝置，例如但不限於，印表機、顯示器等。最後，輸入/輸出裝置可還包括連通為 輸入和輸出的裝置，例如但不限於，調製器/解調器(數據機，用於訪問另一裝置、系統 或網絡)、射頻(RF)或其它收發器、電話接口、橋接器、路由器等。當計算裝置操作時，處理器可被構造成執行存儲在存儲器內的軟體，向存儲器或 從存儲器傳送數據，並大致按照該軟體控制計算裝置的操作。存儲器中的軟體整體地或部 分地被處理器讀取，可能在處理器內緩衝，接著被執行。參照圖5，傳感頭24A直接測量穿過乾粉劑氣溶膠雲的透光率，其可通過試驗的或 理論的關係而與空間質量密度濃度直接相關。乾粉劑氣溶膠雲進入測量空間66並穿過從纖維光纜64行進到鏡子62又返回到 探測器56的光。因為乾粉劑氣溶膠雲穿過光，透過的總光線與氣溶膠雲的濃度成比例地減 少。鏡子是凹面的，以將光線聚焦回纖維光纜54。參照圖6，示意性地示出了光的代表性路徑。忽略第一汙垢層(fouling layer)以 外的物體反射，因為光返回量很小。探測器56接收到的光強度是路徑1、1B、2和來自背景 的雜散光的和。在路徑1中，接收到窗58的反射光的一部分。當窗58上存在汙垢層時出 現路徑1B，而且路徑1B必須穿過窗58兩次。在路徑2中，光必須穿過每個窗58、60、每個汙垢層、測量空間66兩次，然後從鏡子 62反射。在這些計算中假設鏡子62反射全部的光。兩個窗58、60具有相同的性質。在沒有汙垢層的情況下，傳感頭24A的輸出可以表示為I = UPJs ++ 4 方程 1在測試之前，通過用不反射的介質將鏡子62遮擋使得僅測量從窗58反射的光和 環境光，以將、設置為0，這樣可測得遮擋輸出(blockedoutput)。Ibl = fwl p WIS+I ①方程 2在、為1，即在測量空間內沒有氣溶膠雲且允許光從鏡子反射回光源時，得到參 考值。代入測得的遮擋值lref 二 Tw\jTc22Is + 方程 3通過將方程3和方程2代入方程1，在測試過程中通過感測空間的雙程透光率可表 示為
1-hlTv = -方程 4
1 ref~ 1 bl此時，因為假設在整個測量中遮擋值是恆定的，所以可以方便地定義減去遮擋值 的修正傳感頭24A輸出。I* = I-Ibl方程 5方程4可以改寫為
2 I*Tv2 = p方程 6質量密度濃度_理論關係在分散雲中透光率和微粒濃度之間的關係可由下式給出
比爾定律(Beer's Law)，在此求平方以給出雙程透光率，這是方程7的解，其中只 有光強度隨距離變化。
可求解方程8以得到數值密度濃度，當乘以一個微粒的質量時，就得到感測空間 中的質量密度濃度。
f ,、
方程9
1 V < = —-f 通過感測空間的透射項被平方，因為光通過測量空間66兩次。米氏理論(Mie Theory)證實當微粒的尺寸從3倍的光的波長增加時，散射截面積接近兩倍的微粒截面積。 在這個例子中，平均微粒直徑是3 y m以上，而光的波長是0. 65 u m。因為感興趣的是單個微 粒的表面積和質量，所以使用索特平均直徑(Sauter Mean diameter) 0這是與全部氣溶膠 雲群體具有相同的表面積與質量(體積)比的微粒的直徑。方程9簡化為索特平均直徑的 函數
1 d m;=一~In
v 3 2L
,丄、 J
方程10如果已經表徵了微粒直徑，方程10就產生了質量密度濃度與透射之間的理論關 系。然而，該關係僅在高透射下有效。因為粉化器將測量低於方程9中有效投射的透射，所以使用PCC來推導透射和空 間質量密度濃度之間的試驗關係。實驗在PCC 22(圖3A)中進行，其提供了乾粉劑和惰性氣體的恆定流動。這提供 了充分展開的流動，使得乾粉劑氣溶膠雲在觀測管44的截面上均勻分布。然後充分混合的 乾粉劑氣溶膠雲從傳感頭24A經過，在傳感頭24A測量透光率。通過變化惰性氣體的流動 速率和乾粉劑的給料速率，可以測試多種質量密度濃度。在PCC中確定的透射和空間質量密度濃度之間的關係對於傳感頭24A的設計以及 乾粉的成分和尺寸是特定的。如果這些的任一個發生改變，可確定新的關係。從傳播中的散射可發現空間質量密度濃度數據的測量誤差。對於圖4C中的傳感 頭24來說，誤差是+/_16g/m3。該誤差對於傳感頭24的設計以及乾粉的成分和尺寸是特定 的。參照圖8，示出了 PCC 20的操作示例，其中操作測量系統20來確定如氣溶膠雲滅 火劑的所需乾粉劑的質量密度濃度和透射之間的試驗關係(圖7)。在步驟200，將粉末給料系統40校準至所需乾粉劑速率。然後以所需惰性氣體速 率(m7sec)操作氣體分配系統42以提供氣溶膠雲混合時(步驟204)以所需乾粉劑速率 (g/sec)操作粉末給料系統40 (步驟202)。然後允許穩定氣溶膠雲一段時間(步驟206)。 在一個示例中，所需的乾粉劑速率可包括從 300g/m3，這可通過變化螺旋機 給料速率和流動速率實現。在一個示例中，所需惰性氣體速率可包括從 0. 5m/sec到
83. 5m/sec的整體速度，以及比整體速度高約35%的中心線速度。然後將傳感頭24A插入到PCC 22的測試部分46中(步驟208)。在預定時間段上 從傳感頭24A採集數據(步驟210)，然後取出傳感頭24A(步驟212)。然後通過遮擋(例 如，用黑橡膠塞)所有進入傳感頭24A的光線來從傳感頭24A確定PCC 20內的0%的透射 (步驟214)。然後將步驟202-214重複多次以獲得曲線的數據點，該曲線表示所需乾粉劑 的質量密度濃度和透射平方之間的試驗關係(步驟218，圖7)。參照圖9，一旦確定了所需乾粉劑的質量密度濃度和透光率之間的試驗關係(圖 7)，一個或多個傳感頭24可位於受保護結構測試設備28內，例如代表性的發動機短艙(圖 2)。在步驟300，傳感頭24被安裝在所需受保護結構測試設備28內。為每個傳感頭 24A確定參考的0%的透射輸出(步驟302)。也就是說，確定了 PCC 20中的0%的透射和 所需受保護結構測試設備28之間的差。然後在受保護結構測試設備28內激活氣溶膠雲滅 火劑，並在測試期間由控制系統26記錄來自每個傳感頭24A的數據(步驟304)。每個傳 感頭24A減去參考的0%的透射輸出以確定事後測試(post test)參考的原始輸出(步驟 308)並將該原始輸出轉換成隨時間的透光率(步驟310)。傳感頭相對較小從而位於較遠 的艙內，以測量氣溶膠雲相對於時間的透光率。然後將隨時間的透光率和所需乾粉劑的質 量密度濃度與透光率之間的試驗關係(圖7) —起使用以確定隨時間的濃度(步驟312)。表2術語表 術語表 應當理解，相關的位置術語(例如前、後、上、下、以上、以下等)都參照車輛的正常 操作姿態，不應被認為有其它限制。應當理解，在整個附圖中相同的附圖標記表示相應的或類似的元件。還應當理解， 雖然在描述的實施例中公開了特定的部件布置，但是其它的布置也將從中獲益。雖然示出的、描述的和要求保護的是特定的步驟順序，但應當理解，除非有其他的 指示，可以以任何順序、獨立地或組合地執行這些步驟，且仍將從本發明中獲益。上述描述是示例性的，而非由其中的限制所限定。雖然本發明公開了多種非限定 性實施例，但本領域技術人員應當認識到，在上述教導下的多種變形和改變都落入所附的 權利要求的範圍。因此應當理解，在所附權利要求的範圍內，可以不按照具體描述來實施本 發明。因此，應當學習所附權利要求以確定真正的範圍和內容。
權利要求
一種用於乾粉劑傳感頭的校準系統，包括粉化器校準柱；傳感器系統，其包括至少部分位於所述粉末校準柱內的至少一個傳感頭；以及與所述傳感器系統連通的控制系統。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述粉化器校準柱包括觀測管、與所述觀測管流體 連通的測試部分和與所述觀測管流體連通的粉末捕獲盒。
3.如權利要求2所述的系統，其中所述觀測管和粉末捕獲盒沿軸線限定。
4.如權利要求2所述的系統，其中所述觀測管限定了圓柱形截面直徑，所述觀測管的 長度至少是二十倍的所述直徑。
5.如權利要求2所述的系統，還包括粉末給料系統和惰性氣體分配系統，所述粉末給 料系統可操作以與所述粉末捕獲盒相對地向所述觀測管內按限定的速率輸送乾粉劑，所述 惰性氣體分配系統可操作以與所述粉末捕獲盒相對地向所述觀測管內按限定的速率輸送 惰性氣體。
6.如權利要求5所述的系統，其中所述乾粉劑和所述惰性氣體都大致沿著沿所述觀測 管長度的軸線被輸送入所述觀測管。
7.如權利要求6所述的系統，其中所述惰性氣體被輸送入所述乾粉劑。
8.如權利要求6所述的系統，其中所述乾粉劑被輸送入所述惰性氣體的射流，以使得 所述乾粉劑團散開成基本微粒以形成氣溶膠雲。
9.如權利要求5所述的系統，其中所述粉末給料系統包括螺旋機。
10.如權利要求1所述的系統，其中所述至少一個傳感頭位於所述粉末校準柱的測試 部分內。
11.如權利要求10所述的系統，其中所述測試部分位於粉末捕獲盒的最接近上遊。
12.如權利要求11所述的系統，其中與所述觀測管相比，所述粉末捕獲盒限定了較大 的空間，以阻止乾粉劑再循環回到所述測試部分內。
13.如權利要求9所述的系統，其中所述至少一個傳感頭可操作以向所述控制系統提 供所述測試部分內的透光率的直接測量結果。
14.一種粉化器校準柱，包括觀測管；與所述觀測管流體連通的測試部分；與所述觀測管流體連通的粉末捕獲盒；粉末給料系統，其可操作以與所述粉末捕獲盒相對地向所述觀測管內按限定的速率輸 送乾粉劑；以及惰性氣體分配系統，其可操作以與所述粉末捕獲盒相對地向所述觀測管內按限定的速 率輸送惰性氣體。
15.如權利要求14所述的粉化器校準柱，還包括粉末給料系統和惰性氣體分配系統， 所述粉末給料系統可操作以與所述粉末捕獲盒相對地向所述觀測管內按限定的速率輸送 乾粉劑，所述惰性氣體分配系統可操作以與所述粉末捕獲盒相對地向所述觀測管內按限定 的速率輸送惰性氣體。
16.如權利要求15所述的粉化器校準柱，其中所述乾粉劑和所述惰性氣體都大致沿著沿所述觀測管長度的軸線被輸送入所述觀測管。
17.如權利要求16所述的粉化器校準柱，其中所述乾粉劑被輸送入所述惰性氣體的射 流，以使得所述乾粉劑團散開成基本微粒以形成氣溶膠雲。
18.如權利要求17所述的粉化器校準柱，其中所述粉末給料系統包括螺旋機。
19.如權利要求14所述的粉化器校準柱，其中，與所述觀測管相比，所述粉末捕獲盒限 定了較大的空間，以阻止乾粉劑再循環回到所述測試部分內。
全文摘要
本發明涉及粉基劑的測量系統。具體地，提供了一種用於乾粉劑的測量系統，包括傳感器系統，其包括至少部分位於粉末校準柱內的至少一個傳感頭；以及與傳感器系統連通的控制系統。
文檔編號G01N15/06GK101858846SQ20101016273
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者S·艾爾斯 申請人:基德科技公司