一種識別、計量煙霧粒子的方法及裝置的製作方法
2023-04-24 20:24:21
專利名稱：一種識別、計量煙霧粒子的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及火災預警領域，尤其是一種利用光電技術，識別並計量煙霧粒子的方法及裝置。
背景技術：
在火災預警領域，減少遲報、杜絕漏 報、降低誤報，爭取儘可能早期、準確可靠的智能探測是火災預警技術的發展方向。光電探測技術相較於其他技術，如離子、火焰、煙霧、聲音，具有靈敏度高、環保、成本低等優勢，所以目前得到了最廣泛運用。根據採樣空氣方式不同，光電探測方式分為主動方式、被動方式。被動方式就是利用監視區域的空氣對流來檢測煙霧粒子，響應速度慢，探測氣流易受幹擾。主動方式就是將監視區域的空氣抽取到探測腔，採用光電技術進行檢測；可以在火災醞釀的早期，以極高的靈敏度探測到煙霧顆粒，又稱極早期火災探測技術，是光電技術探測的發展方向。火災產生的煙霧粒子直徑一般都在I微米以下，而環境中的灰塵、水蒸汽等非煙霧粒子直徑一般都在I微米以上，由於光電探測方式，靈敏度高，易受灰塵、水蒸汽等幹擾，產生誤報、漏報、遲報，特別在極早期火災探測中，由於靈敏度非常高，易受環境中灰塵幹擾，造成誤報的可能性比較高，極大地限制了極早期火災探測技術的運用範圍，使之只能運用於環境比較乾淨的場合，如機房、潔淨廠房等。因此，減少非煙霧粒子幹擾，提高探測可靠性，是光電探測方式亟待解決的問題。為解決上述問題，一般有兩種技術方案可以選擇。一種技術方案就是採用濾網方式，將直徑I微米以上的非煙霧粒子濾除，這種由於濾網阻塞，一方面降低了煙霧濃度，存在火警遲報、漏報問題，另一方面需要定期更換濾網，也帶來了維護、安裝不便等問題。另一種技術方案利用光散射原理來識別煙霧粒子，如美國專利號為US08269639、US07724367的發明，公開了一種煙霧粒子的探測設備及方法，US07724367的技術方案利用兩束不同波長的光照射採樣氣流，獲取兩個不同測量信號，通過計算兩個信號的差值(用信號I減去信號2)，求出煙霧粒子濃度，同時排除了非煙霧粒子(灰塵)幹擾，是目前去除灰塵幹擾的最有效方式，但這種方式也存在一個問題，信號差值與信號I相比，靈敏度受到了損失，特別是在I微米附近，信號損失更大，對該區域的煙霧粒子不敏感，會造成火警遲報、漏報。US08269639提出的技術方案是對US07724367的完善，一方面，該技術方案提出煙霧粒子的上限值可以修改，可以由I微米改為其他更小的值，如O. 8微米，以適應不同探測環境的需要；另一方面，該技術方案通過粒子尺寸大小，對上述提到的信號損失進行修補，使修復後的信號接近信號I ;事實上修復受損信號是不可能的，在煙霧、非煙霧粒子的混合測量中，無法準確獲得煙霧粒子尺寸大小，所以依然存在US07724367的火警遲報、漏報問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種識別、計量煙霧粒子的方法及裝置，以解決上述技術方案存在的問題。
我們知道，煙霧顆粒基本上由粒徑小於I微米的粒子群組成，粒子群的合成散射究竟是單個粒子散射的多少倍，這涉及各粒子散射波之間的相互作用問題。這種作用至少表現在兩個方面(I)、粒子之間的相互距離太近，一個粒子表面就成了另一個粒子散射場的邊界，產生近場相互作用；(2)、粒子相對位置隨著時間固定不變，各部分波相干疊加，產生相干散射。相關的理論實踐表明，各部分波相位獨立，粒子群的合成散射波強度等於各個粒子部分波強度的代數和。只要粒子之間的距離比粒徑大10倍以上，就可以認為各部分波相位獨立。煙霧顆粒粒徑一般在I微米以下，而且煙霧顆粒數目濃度一般在105(Particle/cm3)以下，即使加上相當一部分非煙霧粒子，只要不超過101° (Particle/cm3)都可以滿足不相關單散射的要求。在實際運用中，煙霧粒子、非煙霧粒子的數目濃度都不會超過101°(Particle/cm3)，所以說，N個煙霧粒子與M個非煙霧粒子的合成散射強度是N個單個煙霧粒子散射強度與M個單個非煙霧粒子散射強度的代數和。為了檢測煙霧粒子濃度，排除非煙霧粒子幹擾，需要從煙霧粒子、非煙霧粒子的合成散射強度中分離出煙霧粒子濃度或 非煙霧粒子濃度。實際運用中，煙霧粒子是從無到有逐步產生的，因此，通過連續檢測合成散射強度的變化，判斷變化部分的強度是屬於煙霧粒子引起的，還是屬於非煙霧粒子引起的，就可以從合成濃度中分離出煙霧粒子濃度，從而達到識別、計量煙霧粒子濃度的目的。為了判斷變化部分的強度(主信號)是否屬於煙霧粒子引起，需要一個輔助信號。根據米散射理論，在0.1-1微米之間散射強度與粒徑的關係，輔助信號與主信號可以來源與不同波長光源，也可以來源於相同波長光源，不同的散射接收角度。根據上述原理，本發明的技術方案如下。一種識別、計量煙霧粒子的方法，其特徵在於，包括如下步驟
A、發射光照射採樣氣流，光電傳感器測量得到的信號包括兩個信號SpS2，相應地，上次照射得到的兩個測量信號為S1P、S2p，令Λ S1=S1-Sip, Δ S2=S2-S2p ；
B、通過邏輯分析單元，判斷ΛS1是否是煙霧粒子的濃度，通過邏輯計算單元，就可以計算得到煙霧濃度SM、非煙霧濃度Sd ；
C、執行Sip= S1, S2p= S2 ；
D、重複Α、B、C步驟，就可實現連續檢測煙霧濃度SM、非煙霧濃度SD。上述邏輯計算單元，其特徵在於，包括如下邏輯如果Λ S1是煙霧粒子的濃度，則Sm=Sm+ Δ S1, Sd= S「Sm ;否則 Sd=Sd+ Δ S1, Sm= S1-Sdo所述信號SI、S2來源於不同波犮的散射光，或者來源於不同的散射角。上述邏輯分析，信號SI、S2來源於不同波長散射光，其特徵在於，包括如下邏輯如果I AS1I大於KX I Λ S21+B的值，則是煙霧粒子的濃度，否則是非煙霧粒子的濃度，其中K、B為預先設定的值，修改K、B值，可以改變煙霧粒子範圍的上限值。上述邏輯分析，信號SI、S2來源於不同的散射角，其特徵在於，包括如下邏輯如果I AS1I與I AS2I的比值大於Ks，則是煙霧粒子的濃度，否則是非煙霧粒子的濃度，其中Ks為預先設定的值，修改Ks值，可以改變煙霧粒子範圍的上限值。一種識別、計量煙霧粒子的裝置，包括發射光源、光電傳感器及邏輯運算部件，其特徵在於邏輯運算部件控制發射光源，從光電傳感器讀取信號，並執行上述識別、計量煙霧粒子的方法。上述裝置，其特徵在於邏輯運算部件包括單片機或微處理器以及模擬數字轉換模塊；光電傳感器用於將粒子散射光轉換為電信號，並放大；邏輯運算部件通過模擬數字轉換模塊讀取測量信號。上述裝置，其特徵在於發射光源包括兩個不同波長的光源，邏輯運算部件控制發射光源交替照射採樣氣流，包括一個光電傳感器，用於接收採樣氣流中粒子的散射光，得到至少兩個採樣信號SpS215上述不同波長的光源,其特徵在於一個光源為藍光，波長範圍為400-550納米，用於照射米樣氣流，產生信號S1,另一個光源為紅光或紅外光,波長範圍為650-1050納米，
產生信號S2。上述裝置，其特徵在於發射光源包括一個相同波長的光源，邏輯運算部件控制發射光源照射採樣氣流，包括兩個光電傳感器，兩個光電傳感器的接收角度不同，用於接收採 樣氣流中粒子的散射光，得到兩個採樣信號SpS215上述裝置，其特徵在於發射光源包括兩個相同波長的光源，兩個發射光源的發射角度不同，發射光源交替照射採樣氣流，包括一個光電傳感器，用於接收採樣氣流中粒子的散射光，依次得到兩個採樣信號SpS215本發明通過連續檢測煙霧粒子、非煙霧粒子的綜合濃度變化，來識別、計量煙霧粒子濃度，保持煙霧粒子濃度的相對靈敏度不變，減少了火警遲報、漏報情況，大大提高了火災預警的可靠性。特別是與發明人另外申請的兩個發明一種高靈敏度的煙霧檢測裝置、一種高精度的流量計，一起結合使用，具有高可靠、高靈敏度、低成本的特點，大大拓寬了極早期火災預警產品的運用範圍。
圖I是本發明中識別、計量煙霧粒子方法的一個實施例。圖2是雙波長濃度變化相對靈敏度與粒徑的關係。圖3是裝置中包含不同波長光源與光電傳感器的一個實施例。圖4是裝置中包含不同波長光源與光電傳感器的另一個實施例。圖5是裝置中包含一個光源與兩個光電傳感器的一個實施例。圖6是裝置中包含兩個光源與一個光電傳感器的一個實施例 圖7是比值Λ S1/ Δ S2在不同散射角度情況下與粒徑的關係。
具體實施例方式在圖I中，該流程圖包含了本發明中的識別、計量煙霧粒子的方法。邏輯分析是基於S1、S2來源於不同波長的情況。預設值Λ Sp用於控制粒子濃度變化的大小，理論上講，Δ Sp越小，識別出來的煙霧粒子濃度準確性越高，實際中，受數據採樣、處理影響，Λ Sp太小，誤差會比較大，一般設置在火災報警閾值1/4一 1/2之間。由於煙霧濃度SM、非煙霧濃度Sd在累加運算中，有可能出現負值，而在實際環境不存在負值情況，因此增加了一個置零修正操作。在圖2中，Λ S1由藍光產生，根據前面提到的不相關單散射原理，與S1曲線相同，AS2由紅光產生，與S2曲線相同。煙霧粒子上限值為I微米，可以通過修改K、B值，線性變化Λ S2,從而增大或較小煙霧粒子上限值，以滿足某些特殊場合非煙霧粒子粒徑小於I微米，或者某些特殊煙霧超過I微米的情況；K、B的值也可以通過測量現場環境的非煙霧粒子來確定。在煙霧粒子、非煙霧粒子的識別、計算中，其信號都來源於S1，信號S2主要用於輔助判斷Λ S1是否屬於煙霧粒子，Δ S1沒有受到損失，保持了原有信號S1相同的相對靈敏度，減少了遲報、漏報，提高了報警可靠性。在圖3中，一個光源包含兩個不同波長的光，一個是藍光Tl、另一個是紅光Τ2，與光電傳感器Rl形成的前向散射角0工為60度。邏輯運算部件控制Tl、T2交替發光，Rl依次接收粒子散射信號，記為S0S20在圖4中，兩個發光光源T1、T2波長不同，Tl為藍光，Τ2為紅外光；它們與光電傳感器Rl形成的前向散射角I 」0 2均為60度。邏輯運算部件控制Tl、Τ2交替發光，Rl依次接收粒子散射信號，記為SpS215 在圖5中，光源Tl為單波長光源，波長為532納米，兩個光電傳感器R1、R2與Tl形成的散射角SS1J2，根據米散射原理，隨著粒徑增大，散射光隨著散射角的不同，會發生變化，散射光越來越集中在前向散射上，因此不同。邏輯運算部件控制Tl發光，R1、R2同時接收粒子散射信號，記為SpS215在圖6中，兩個發光光源T1、T2波長相同，波長為532納米，Τ1、Τ2與光電傳感器Rl形成散射角為I i、| 2，根據米散射原理，隨著粒徑增大，散射光隨著散射角的不同，會發生變化，散射光越來越集中在前向散射上，因此I1J2不同；邏輯運算部件控制Tl、T2交替發光，Rl依次接收粒子散射信號，記為Si、S2。在圖7中，展示了在波長為532納米，採光立體角為12°，散射角分別在fl2=20ο,0!=30\1 2=40ο,B^,02=50°時，比值ΛS1/Δ S2與粒徑的關係圖。由圖可以看出，散射角為β 05100°時，曲線具有單調性，Ks設置範圍較大，但解析度要低，比值Λ S1/Λ S2小於Ks時，Λ S1為煙霧濃度，否則，為非煙霧濃度。散射角為1=30^=40°時，在I微米附近比值小於1，KS設置範圍較小，比值Λ S1/ Δ S2大於Ks時，Δ S1為煙霧濃度，否則，為非煙霧濃度。散射角Si1=SO^2=SOt5時，曲線具有多值性，已無法使用。另外加大立體採光角，可以有效減少曲線的起伏震蕩情況，改善Ks設置範圍及解析度。
權利要求
1.一種識別、計量煙霧粒子的方法，其特徵在於，包括如下步驟 A、發射光照射採樣氣流，光電傳感器測量得到的信號包括兩個信號SpS2，相應地，上次照射得到的兩個測量信號為S1P、S2p，令Λ S1=S1-Sip, Δ S2=S2-S2p ； B、通過邏輯分析單元，判斷ΛS1是否是煙霧粒子的濃度，通過邏輯計算單元，就可以計算得到煙霧濃度SM、非煙霧濃度Sd ；C、執行Sip= S1, S2p= S2 ； D、重複Α、B、C步驟，就可實現連續檢測煙霧濃度SM、非煙霧濃度SD。
2.根據權利要求I所述的識別、計量煙霧粒子的方法，其特徵在於所述信號S1、S2來源於不同波犮的散射光，或者來源於不同的散射角。
3.根據權利要求I所述的識別、計量煙霧粒子的方法，其特徵在於， 信號SI、S2來源於不同波長的散射光時，所述邏輯分析單元包括如下邏輯判斷Δ S1大於KX I Δ S21+B的值，則Λ S1是煙霧粒子的濃度，否則是非煙霧粒子的濃度，其中K、B為預先設定的值，修改K、B值，可以改變煙霧粒子範圍的上限值； 或者信號SI、S2來源於不同的散射角時，所述邏輯分析單元包括如下邏輯 根據I AS1I與I AS2I的比值與Ks關係，判斷Λ S1是否是煙霧粒子的濃度，其中Ks為預先設定的值，修改Ks值，可以改變煙霧粒子範圍的上限值。
4.根據權利要求I所述的識別、計量煙霧粒子的方法，其特徵在於，所述邏輯計算單元包括如下邏輯如果Λ S1是煙霧粒子的濃度，則Sm=Sm+ Δ S1, Sd= S「Sm ;否則Sd=Sd+ Δ S1,Si- Sj-S11O
5.一種識別、計量煙霧粒子的裝置，包括發射光源、光電傳感器及邏輯運算部件，其特徵在於邏輯運算部件控制發射光源，從光電傳感器讀取信號，並執行權利要求I所述識另U、計量煙霧粒子的方法。
6.根據權利要求5所述的識別、計量煙霧粒子的裝置，其特徵在於所述邏輯運算部件包括單片機或微處理器以及模擬數字轉換模塊；光電傳感器用於將粒子散射光轉換為電信號，並放大；邏輯運算部件通過模擬數字轉換模塊讀取測量信號。
7.根據權利要求5所述的識別、計量煙霧粒子的裝置，其特徵在於發射光源包括由兩個不同波長的光源，邏輯運算部件控制發射光源交替照射採樣氣流；包括一個光電傳感器，用於依次接收採樣氣流中粒子的散射光，得到兩個採樣信號SpS215
8.根據權利要求7所述的不同波長的光源,其特徵在於一個光源為藍光，波長範圍為400-550納米，用於照射採樣氣流，產生信號S1，另一個光源為紅光或紅外光，波長範圍為650-1040納米，產生信號S2。
9.根據權利要求5所述的識別、計量煙霧粒子的裝置，其特徵在於發射光源包括一個相同波長的光源，邏輯運算部件控制發射光源照射採樣氣流；包括兩個光電傳感器，兩個光電傳感器的接收角度不同，用於接收採樣氣流中粒子的散射光，得到兩個採樣信號SpS215
10.根據權利要求5所述的識別、計量煙霧粒子的裝置，其特徵在於發射光源包括兩個相同波長的光源，兩個發射光源的發射角度不同，發射光源交替照射採樣氣流，包括一個光電傳感器，用於依次接收採樣氣流中粒子的散射光，得到兩個採樣信號Si、s2。
全文摘要
本發明提供了一種識別、計量煙霧粒子的方法及裝置，利用煙霧離子灰塵散射在一定數目濃度下不相干原理，以及煙霧粒子是從無到有逐步產生的使用環境，通過連續檢測煙霧粒子、非煙霧粒子的綜合濃度變化，以接收不同波長或不同角度的粒子散射光，來識別、計量煙霧粒子濃度，大大減少了非煙霧粒子幹擾，降低了火警誤報，保持煙霧粒子濃度的相對靈敏度不變，減少了火警遲報、漏報情況，提高了火災預警的可靠性，既可以用於普通光電煙感探頭，又可以用在極早期火災預警中，拓寬了極早期產品的使用範圍。
文檔編號G01N15/06GK102967542SQ201210527218
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者樂志明 申請人:樂志明