顆粒監測器及其方法的改進的製作方法

2024-01-25 08:09:15

專利名稱：顆粒監測器及其方法的改進的製作方法
技術領域：
本發明涉及懸浮在流體中的物質或顆粒的探測、分析和/或確定的領域。
在一種特殊形式中，本發明涉及煙霧探測器，其用於探測物質中不希望的熱解或燃燒。在另一種形式中，本發明涉及早期探測類型的煙霧探測器，其可用於特殊區域的通風、空調、或者管道監測。在又一種形式中，本發明涉及監視監測，例如建築、消防、或安全監測。在又一種形式中，本發明涉及環境監測，例如流體、地帶、區域和/或周圍環境(包括商業和工業環境)的監測、探測和/或分析。
顯然，本發明具有廣泛的應用，因而僅以實例的方式給出上述的特殊形式，而本發明的範圍並不限於這些形式。
背景技術：
本發明人確定了一種認識在各種熱解和燃燒環境中產生的煙霧類型是不同的。快速燃燒的火焰易於產生大量極小的固體顆粒，這些固體顆粒可聚集成不規則的形狀而形成菸灰。相反地，熱解的早期易於產生較少量較大的液體顆粒(具有高沸點)，該液體顆粒通常以可凝聚形成更大的、半透明的球體的懸浮塵粒存在。
本發明人還確定了一種認識探測到在整個持續時間內相對較大的顆粒在數量上緩慢地增加，通常表示熱解或不完全燃燒(悶燒)的狀況，而探測到快速出現大量的小顆粒並且沒有早期的熱解或不完全燃燒則表示使用包括使用助燃劑的縱火。
本發明人還確定了一種認識塵土顆粒是由環境中的天然物質或生物體的磨蝕或非熱分解所產生的，而且與煙霧顆粒相比，這些顆粒一般非常大。
本發明人還確定了以下認識傳統的點型煙霧探測器起初設計用於在所保護區域中的天花板安裝。這些探測器具有較低的靈敏度，難以探測在大量的氣體通過所監測的區域的情況下的不希望的熱解的存在，因此削弱了該探測器感應不希望的熱解的存在的能力。
為了克服這些缺陷，開發了高靈敏度的吸入式煙霧探測器，並經常配置在管道上用於監測某一區域。這些探測器提供了比傳統的點型探測器的靈敏度高几百倍的檢測。這些吸入式系統通過氣泵利用負壓，並且還利用濾塵器以減少不希望的塵土汙染，其汙染了探測器、或不能區別與煙霧的探測而引起觸發錯誤報警。
吸入式系統中優選使用的煙霧探測器為濁度計。這是一種對多種尺寸的顆粒(例如在火災中，或在過熱、熱解、或不完全燃燒的早期所產生的多種煙霧顆粒)敏感的探測器。
現有技術的光學型煙霧(或氣載顆粒)探測器通常使用單光源照射可能包含該種顆粒的探測地帶。對一些探測器已經提出了使用兩個光源。顆粒使這種光的一部分散射到一個或多個接收器元件(或傳感器)。從接收器元件輸出的信號用於觸發報警信號。
其他探測器利用提供偏振的單色光源的通常在近紅外波長範圍內的雷射光束。但是，認為這些探測器不是真正的濁度計，因為它們傾向於對特定的粒度(顆粒尺寸)範圍過度敏感，而以犧牲其他的尺寸範圍為代價。
上述探測器的缺陷是其對早期熱解和初期火災、以及某些快速燃燒的火災的極小顆粒特性較為不敏感。
另一方面，電離煙霧探測器利用諸如鋂的放射性元素在探測室內電離空氣。這些探測器對燃燒性火災產生的極小顆粒較敏感，但是對熱解或不完全燃燒產生的較大顆粒較不敏感。還發現它們較傾向於用於置換探測室內經電離的空氣的通風，並由此觸發錯誤報警。這就產生了對其有用的靈敏度的實際限制。
其他的煙霧探測器使用了氙氣燈作為單光源。氙氣燈產生類似於太陽光的連續光譜，包括紫外、可見以及紅外波長範圍。利用這種光源可探測所有尺寸的顆粒，並且該探測器產生與煙霧的質量密度成比例的信號，這是真正的濁度計的特性。但是，該探測器不能表徵火災的類型，這是因為其不能辨別(區分)特定的粒度。而且氙氣光(源)只有約4年的較短的壽命期，並且已知其光強度是變化的，這影響了靈敏度。
本發明人還認識到，為了在靈敏度方面提供寬的輸出範圍，現有技術的探測器提供用於將煙霧濃度數據應用於微處理器的模擬數字轉換器(ADC)。通過仔細的設計，基本上使用ADC的所有容量來表示最大的煙霧濃度，例如(通常)20％/m。以8比特解析度運行的ADC很有效，而10比特或更大的ADC則較為昂貴並且需要較大的微處理器。已經發現10比特的ADC允許將20％/m的濃度分成1024級，每一級都表示20/1024＝0.02％/m的增量(增益)。所以各級是0、0.02、0.04、0.06等，而沒有用於更精細的增量的可能。在低煙霧濃度時，其被認為是非常粗略的解析度，使得難以精細地設置報警閾值。但是，在高煙霧濃度時，0.02％/m的解析度就不必要了，例如即使有在10.00％/m或10.02％/m設置報警閾值的能力也沒什麼益處。所以認為現有技術的探測器的解析度在低煙霧濃度時太粗略而在高煙霧濃度時又太精細。
包含在本說明書中的文獻、裝置、作用(act)或知識的任何討論都用於解釋說明本發明的上下文內容。不應該將其當作是承認任何材料形成了在本文的公開內容和權利要求的優先權日或之前的、在澳大利亞或其他地方的相關技術的現有技術基礎或的公知常識的一部分。
本發明的一個目的在於提供一種顆粒探測裝置和方法，該裝置和方法能夠改進顆粒、熱解、不完全燃燒(悶燒)、和/或著火事件以及塵土的探測、辨別和/或分析，從而提供對流體攜帶的顆粒的探測的相應改進。
本發明的另一目的在於提供一種適於結合管道使用或用作獨立的探測器和/或監測器的顆粒探測裝置。
本發明的又一目的在於減少與現有技術相關的至少一個缺陷。

發明內容
根據本發明的各個方面，顆粒、環境、流體、煙霧、地帶、或區域的監測、監視、測定、探測和/或分析依據本發明給定的特殊應用的要求可以包括顆粒的存在和/或顆粒特性的確定。
在這點上，本發明一方面提供了一種用於在流體樣品中確定大致具有預定尺寸或尺寸範圍的顆粒存在的方法和設備，該方法包括以下步驟用第一波長的光照射樣品，獲得表示第一照射的第一響應信號，用第二波長的光照射樣品，獲得表示第二照射的第二響應信號，以及通過比較第一和第二信號而確定具有該尺寸或該尺寸範圍的顆粒的存在。
優選地，該照射是水平和/或垂直偏振的(polarised)。
本發明的另一方面，提供了一種適於在顆粒監測器中提供增益控制的增益控制設備，所述設備包括具有第一放大器的第一增益級、具有第二放大器的第二增益級、以及從第二增益級的輸出到第一增益級的輸入的電壓或電流受控反饋(裝置)，以使放大器的頻率響應不受所述反饋(信號)的影響。
在本發明的又一方面，提供了一種確定顆粒監測器的保養間隔的方法，該方法包括如下步驟確定塵土顆粒的存在，提供該顆粒存在的檢測，以及當檢測到達預定閾值時提供保養指示。
在本發明的再一方面，提供了一種顆粒監測室，其包括與照射源可操作結合的第一透鏡、用於將入射光聚焦到接收器元件的第二透鏡、以及主要用於阻止光直接從第一透鏡散射(發散)而入射到第二透鏡的主光闌。
在本發明的另一方面，提供了一種用來確定流經給定區域的流體速率的方法和設備，該方法包括如下步驟在流體流動通道中較低流速的位置提供第一傳感器，在流體流動通道中相對較高流速的位置提供第二傳感器，第二傳感器具有大致與第一傳感器類似的溫度特性，以及基於流過該第一和第二傳感器的流體的冷卻效果的檢測而確定流速。
另外，根據本發明的另一方面提供了一種用於在管道上安裝殼體的方法和設備，該方法包括如下步驟提供至少一個與該殼體相結合的接頭件，將殼體定位在靠近管道的安裝區域，修整(shaping)該接頭件以基本適合於靠近安裝區域的管道外廓，以及使用接頭件連接殼體。
本發明還提供了一種用於監測流體介質中微粒的存在、濃度和特性的監測器。
本發明還提供了一種對數信號，作為觸發探測器的閾值或報警的輸出。其是指一種振幅可以按照對數函數或標度而被壓縮的信號。該對數信號可以表示所探測顆粒的各種特性，例如存在、數量、頻率、濃度和/或持續時間。
實質上，在本發明的一個方面，利用不同的波長、各種波長範圍和/或偏振來探測流體中的預定顆粒。
實質上，在本發明的另一方面，兩個信號的減法或提供兩個信號的比例使得表示對顆粒和粒度探測的輸出更易測量。
實質上，在本發明的另一方面，根據兩種信號放大了表示顆粒探測的這種輸出。
在說明書中披露了和/或在形成了本發明的說明的一部分的所附的權利要求書中限定了其他的方面和優選方面。
已經發現本發明可產生多種優點，例如減小的尺寸、成本和能耗，並同時實現了對靈敏度、可靠性、保養周期和錯誤報警極小化的最高的工業標準，和/或用於對環境中煙霧和/或塵土顆粒的存在進行監測，使得可以提供對煙霧的極高靈敏度而不會因為塵土而發生錯誤報警。
貫穿本說明書，提及了多種具有特定波長的不同的光源。所提及的光源和波長只是因為它們是現在商業上可獲得的光源。應該理解的是成為本發明基礎的原理對於不同波長的光源具有同等的適用性。
監測器可包括提及的探測器或類似設備。
本發明適用性的進一步範圍由下文所給出的詳細描述將變得顯而易見。但是，應該理解，在表示本發明優選實施方式時，僅以舉例說明的方式給出詳細的描述和具體實例，因為通過該詳細描述，在本發明的精神和範圍內的各種變化和修改對於本領域技術人員將變得顯而易見。


通過參考以下結合附圖的優選實施例的描述，相關領域的技術人員可以更好地理解本申請的進一步的公開內容、目的、優點和方面，附圖僅以圖式說明的方式給出，而不用於限制本發明，附圖中圖1示出了藍光430nm波長和紅光660nm波長對整個粒度範圍內的顆粒的結果；圖2示出了藍光430nm波長和綠光530nm波長對整個粒度範圍內的顆粒的結果；圖3示出了藍光470nm波長和紅外光940nm波長對整個粒度範圍內的顆粒的結果；圖4示出了由藍光信號相對減去紅光信號後的結果；圖5示出了由藍光信號相對減去綠光信號後的結果；圖6示出了由藍光信號相對減去紅外光信號後的結果；
圖7示出了對各種類型的燃燒劑在整個時間內粒度的變化；圖8示出了紅外光通道和藍光通道對來自各種燃燒劑和/或火災增長的各個階段的煙霧的對比響應；圖9示出了在跟蹤過程中由給定燃燒劑響應於氣載顆粒的通道B輸出和通道A輸出的相對比率；圖10示出了根據本發明的一個實施例的煙霧監測器的示意性方框圖；圖11示出了根據本發明的一個實施例的一種形式的增益控制放大器的電路圖；圖12、圖13示出了包括指示光路的優選的控制室的幾何形狀；圖14示出了根據本發明的一個方面的雙凸透鏡的用途；圖15示出了根據本發明的一個方面的非球面透鏡的相關操作；圖16示出了根據本發明的一個方面的非球面鏡的用途；圖17示出了根據本發明的一個方面的雙凸透鏡的相關操作；以及圖18示出了將探測器單元安裝到管道裝置上的實例。
具體實施例方式
在所描述的實施例中，至少提及雙通道，一個是通道A，其使用諸如紅光或紅外光波長的波長，另一個是通道B，其使用諸如藍光波長的波長。可以使用其它的通道，例如通道C，其使用諸如綠光波長的波長。根據本發明也可以使用其他波長，其將在下列描述中變得顯而易見。通常，如果由較長波長確立的讀數與由較短波長確立的讀數匹敵，則其是優選的。更優選地，由較短波長減去較長波長。還可以使用比率來比較波長讀數。
光的波長在本發明的一方面，發明人已確定了所採用的光的波長嚴重影響本裝置對粒度的靈敏度。Bohren CF和Huffman DR在「Absorptionand Scattering of Light by Small Particles」，ISBN 0471-05772-X中描述了在各種尺寸範圍內來自顆粒的光的散射(發散)。
已經確定了米氏方程(Mie equation)適用於考察合乎常規煙霧和塵土的尺寸範圍的顆粒。快速燃燒性火災易於產生非常大量的極小含碳顆粒，其可聚集成不規則的形狀而形成菸灰。相反的，熱解的早期易於產生較少量的較大的液體顆粒(具有高沸點)，通常以懸浮微粒存在，並可凝聚而形成更大的半透明球體或小液滴(微滴)。塵土顆粒一般由機械磨蝕所產生，並且具有不規則的形狀，其可以由用於模型化目的的更大球體來近似。煙霧或塵土的來源不可能是單分散性的(包含一種粒度)，而更可有能是多分散性的，具有可遵循高斯分布的尺寸範圍。發明人已經發現用於尺寸分布的通常標準偏差在1.8到2附近。
還發現城市中的氣載顆粒分布是雙峰分布，在約0.1微米和10微米處出峰。通常，煙霧顆粒處在0.01微米到1微米的範圍內，而氣載塵土顆粒處在1微米到100微米的範圍內。但是，在1微米界線處有部分重疊，因為在自然界中最小的塵土小於可能的最大煙霧顆粒。
本發明人還確定了某些粒度更易於被特定(不同)波長的光所辨別。假定如此，我們使用兩種波長的入射光。光可以在藍光到紅光(以及紅外光)的任何範圍內。一個實例為從400nm(藍光)到1050nm(紅光)的範圍內的光。例如，可使用430nm(藍光)和660nm(紅光)。
通過對總體平均直徑在0.01微米到10微米範圍內的粒度應用米氏理論(Mie theory)並使用1.8的標準偏差，圖1示出了兩種波長的入射光(430nm(藍光)和660nm(紅光))的結果，每一種光都是非偏振的(unpolarised)、垂直偏振的或水平偏振的，並相對於光軸以相同的角度發射。
圖1中，結果中的藍光系(B＝非偏振的藍光，BV＝垂直偏振的藍光，BH＝水平偏振的藍光)很適合於煙霧和塵土的探測，而結果中的紅光系(R，RV和RH)同樣適合於塵土的探測，但在探測寬範圍的煙霧顆粒時由於缺少對小顆粒的響應而比較弱。圖1中所有的曲線在高於約0.8微米處聚集在一起，而粒度小於0.8微米的曲線之間存在顯著的差異。實現了對垂直藍光(BV)與水平紅光(RH)的最佳分離。在更大的直徑處不能有效地分離這些曲線。由於給定波長和給定粒度之間的相互作用導致的相位消除和加強引起了曲線中的周期性(邊緣效應或共振)。
如果改為考察波長430nm(藍光)和530nm(綠光)的組合，得到圖2所示的結果。這裡，各個曲線圖相互之間更加相似，而難以在高於約0.5微米處使這些曲線分離。
所選擇用於例示性說明的波長限於商業可獲得的發射器的波長。基於在圖2(530nm)中所獲得的信息，橙色光(620nm)的結果與圖1(660nm)相似。
圖3中示出了藍色光(470nm)與紅外光(940nm)的結果。在圖3中，波長分離基本為一個倍頻程(octave)。可以看出在低於1微米(煙霧和塵土之間的標準界線)的區域中，曲線更清晰地分離。
雖然這在甚至更寬地分離的波長下操作監測器有一些優點，但目前可用的技術是一個限制因素。用於探測散射光的接收器元件是具有提高的藍光響應的PIN光電二極體。由於在850nm處具有峰值響應，其響應在400nm和1050nm處降低約30％，所以為了實用，目前發射器波長限於這個範圍。當然，如果可使用另一種接收器元件，則可以改變射入顆粒的光的波長以獲得更大的分離。
從上述結論可以看出，在本發明的一個實施例中，用於兩個發射器照射待探測顆粒的波長應優選在400nm到500nm範圍內的藍光/紫外光和在650nm到1050nm範圍內的紅光/紅外光。
在本發明的另一個方面，已經發現如果將接收信號的結果相互對比，例如，通過比較比率或通過相互消減(即從一個信號中減去另一個信號)，則可以產生更可靠的「觸發」或探測信號，其表明在本發明的監測器所適用的應用中存在具有感興趣粒度的顆粒。因此，例如，如果將本發明的監測器設置為「煙霧」監測器，那麼應該對較小的顆粒比對較大的(塵土)顆粒更感興趣。因此，本發明人認識到，對於煙霧監測器來說，例如，已經發現藍光對較小的以及較大的粒度有響應，而紅外光只對較大的顆粒有響應。通過獲取基於「藍光」響應信號少於「紅外光」響應信號的信號，可將監測器設置成對小顆粒具有相對較高的響應率，而對較大的顆粒具有較低的或零響應率。
例如，圖4示出了從藍光(B)數據中減去紅光水平(偏振)的(RH)、紅光非偏振的(R)、或紅光垂直(偏振)(RV)的數據的結果。以這些方式設置的監測器以更高的靈敏度(以來自B-RH組合的最佳靈敏度)響應於小於1微米的顆粒。為了避免混亂，沒有示出BH和BV的結果，但它們是一致的。
為了與圖4對比，從B中減去GH、G和GV產生了圖5的結果。儘管邊緣效應很顯著，但是相對於較小的粒度還是比較大(塵土狀)的粒度更易於辨別。
圖6示出了在從B中減去IRH後的結果。為了清楚，省略了其他的結果。另外，還示出了對於薰香、棉燈芯、烤麵包片和波特蘭水泥(一種塵土替代品)所獲得的平均粒度的一些公布的數據。可以看出，用於實施這種減法的監測器對常規煙霧類型具有合適的靈敏度，並能夠在相當大的程度上(相對地)排斥塵土。
根據該減法的方面，已經開發了本發明的又一方面，因為可利用合理構造的增益放大器提供由警報或其他報警裝置或系統使用的適當的輸出信號。以下將更充分地披露這個方面。
除了上面所披露的兩種波長之外，如果可使用第三或其它波長，就有可能根據所使用的波長不僅識別小顆粒和大顆粒，而且可以識別其他(中間)尺寸的顆粒。
雙通道設計根據本發明的一個方面，通過使用雙通道設計提供另一個特性，即本文中所述的通過從B(樣品)通道中減去A(參照物)通道(或反之亦然)，我們可實現零點平衡。已經發現如果監測室的背景隨時間變化時該平衡不會顯著地變化。本發明人已經認識到，當監測室在長時間範圍(即通過使用塵土濾器而極大延長的時間)內老化或汙染時，背景光級會發生改變。通道相減的好處在於，由於雙通道(特別是對塵土堆積)的響應基本相同，因此其影響自相抵消，這使得由加法電路所得到的輸出隨時間的任何改變最小。值得注意的是，由塵土獲得的信號不依賴於其是氣載的-或其可停留在表面上。這對於比塵土更大的任何物質-塵土狀凝聚物或甚至(牆)壁同樣成立。
依據保養標準，認為這種由於汙染所導致的趨於零的偏移是一有價值的特性。
信號電平分析參照煙霧監測器的應用，對本發明做進一步的披露。但是，值得注意的是本發明並不僅限於這種應用。
傳統的安裝於天花板(頂棚)的「光學」煙霧探測器通常提供相當於約10％/m(3％/ft)的遮光率(obscuration)的靈敏度，用於產生報警。對極高靈敏度的煙霧探測所設立的基準需要至少高出兩個數量級的靈敏度，相當於在整個量程具有低於0.1％/m遮光率這個水平的報警設定點。Eccleston、King和Packham(Eccleston AJ，King NK和Packham DR，1974The Scattering Coefficient and MassConcentration of Smoke from some Australian Forest fires，APCAJournal，v24 no11)已經證明對於桉樹森林火災煙霧，該0.1％/m水平對應於4km的可視範圍和0.24mg/m3的煙霧濃度。如此高的靈敏度能夠進行早期熱解的探測，並由此對建築物中的潛在火災提供最早的報警，同時具有較低的錯誤報警率。
如今大多數極高靈敏度煙霧探測器利用具有紅外固態雷射二極體的光學(監測)室。紅外光的長波長有利於探測塵土以及來自某些類型火災的煙霧懸浮顆粒的較大的氣載顆粒特性，但在探測其他火災中所含有的非常小的顆粒時比較差。優選在更短的可見光波長下操作的傳統的固態雷射器很昂貴，或者在升高的環境溫度(60℃)下不能可靠地操作。為了克服這些困難，在應用於煙霧監測器的本發明的優選實施例中，決定使用在可見光譜藍光端(470nm)操作的發光二極體(LED)發射器。
如以下將進一步說明的，監測器設置結合了這種設置為與光學監測室內的接收器元件軸成60°角的藍光發射器。監測器還包括設置為以相同角度、但與藍色發射器水平相對的940nm(紅外光)的參考發射器。在10°的有效發射器照射錐角下，這種配置提供了相對最佳的設置，其使得系統的靈敏度最大化，而同時使得可能干擾接收器元件的背景光最小化。
對於指定的煙霧密度(0.1％/m)，包括(比方說)0.3μm的物質平均粒徑(具有1.8的實際幾何標準偏差)的顆粒，Weinert(WeinertD，2002Assessment of Light Scattering from Smoke Particles for aPrototype Duct-mounted Smoke Detector，unpublished)已經確定在所使用的監測器設置中，這種煙霧通過用非偏振藍光源輻照所接收的信號強度約為每單位輻照4.5E-8的數量級。將在470nm和940nm的Weinert數據繪圖並在圖3中示出。關鍵地，這意味著，由於來自監測室壁的有害的殘留反射，由元件接收的「背景」光強度必須比發射器光束強度低至少8個數量級，以使得不幹擾需要的光信號(散射自煙霧的)。
在一種形式中，指定藍光發射器在500mA的驅動電流下具有40坎德拉(cd)的發光強度。根據定義，1cd的功率水平為每球面度(sr)1.464mW，所以額定功率是1.464*40＝58.6mW/sr。5°半角轉換為2π(1-cos(5))＝0.024sr，所以輸出功率是58.6*0.024＝1.4mW。附帶地，在這種驅動電流下，發射器電壓降是4.0V，所以如果使用0.1％的負載循環，則對發射器的輸入功率是0.5*4.0*0.001＝2.0mW，這比其最大功率耗散額定值小1％。
因此，在脈衝發射器功率輸出為1.4mW時，對所使用的設置定向至元件的散射光信號是1.4*4.5E-8＝6.3E-5μW。這種水平的照射被引向並聚焦而落到接收器元件上，該元件是接收器模塊中的PIN光電二極體。指定該元件的靈敏度在400nm時為0.2A/W，在470nm時變為0.31μA/μW。因此，在指定的92％(未塗層的)的透鏡透光率下，由被照射的元件所轉換的信號為0.31*6.3E-5*0.92＝1.8E-5μA。
在一種形式中，該接收器模塊包括三級的AC-耦合的脈衝預放大器，該脈衝預放大器包括電流到電壓轉換器和其後的兩個電壓放大器。該轉換器是具有差動連接在反相和正相輸入之間的PIN光電二極體而忽略串聯電阻的運算放大器。反饋電阻器可以是3.9M(用3.9pF分流)，所以在中頻帶頻率，對於1μA的輸入信號，從這一級的輸出將是3.9E6*1E-6＝3.9V/μA。響應於指定的元件照射，輸出變為3.9*1.8E-5＝7.0E-5V或70μV。
在一種形式中，接下來的兩級是各自具有中頻帶增益為10的運算放大器，所以在指定的照射下的接收器模塊輸出應為7.0mV。用於信號處理的標準全量程輸出電平可以是3V，所以主放大器電壓增益將為3/7.0E-3＝429。採用兩個相似的級，這种放大器將需要每級的增益為21。實際上已經發現每級增益為17時已足夠用來產生符合全量程所需要的額定0.1％/m的靈敏度。
無疑，所有煙霧探測器的靈敏度都取決於粒度，並且有意義的標準將需要指定這個尺寸(或尺寸範圍)。不過，完善的性能國際基準是新近由Vision Systems Australia公司使用氙氣光源製造的VESDA MK3監測器。事實上，這種光源比得上藍光發射器，因為氙氣燈的光譜特性，結合了PIN光電二極體的光譜響應和來自小懸浮顆粒或分子(其有利於如1/λ4的短波長)的光散射，確定對於基於氙氣的監測器的基準的特徵波長為470nm，與藍光發射器相同。為此，可連續使用諸如氮氣和FM200的可靠氣體用作標準(這對基於紅外雷射的探測器是不可能的)。
如上所述，監測器採用兩個在不同波長下操作的發射器。參照圖3，對於較大的顆粒(＞1μ)，設計目標為由紅外信號在元件處產生相同的信號電平，這與對藍光信號的情形相同。在940nm的紅外光波長下，接收器元件具有0.55μA/μW(可與在470nm下的0.31μA/μW相比較)的靈敏度。由於在940nm處透鏡透光率保持92％，又因為所有的相關方程都是線性的，並且幾何圖形相對統一，所以可以使紅外光發射器輸出功率通過0.31/0.55＝0.56的係數而降低。由於在500mA的電流下，紅外光發射器具有343mW/sr(可與藍光發射器的58.6mW/sr相比較)的功率電平，因此紅外光發射器所需要的驅動電流變為500*0.56*58.6/343＝48mA。如果使用偏振濾光片，則需要增大該驅動電流，以便克服在這種濾光片中的損失。
在所需要的發射器驅動設置下，如從接收器元件所看到那樣，對於由來自監測室壁的累積反射引起的小的背景信號對於任意一個發射器都應處於大致相同(非常低)的電平。這就需要監測室壁的反射(或吸收)在很大程度上獨立於所使用的波長的差異。因此，在監測室中沒有任何煙霧時，雙通道輸出之間的差分電壓應該接近於零(或者可以被調整成這樣)。
通過將煙霧引入監測室，在每個通道上的電壓都應該增大，但在通道之間的差分電壓可能經常不為零。這種差分電壓提供了對氣載顆粒特性的指示。圖6示出了當從藍光通道減去紅外光通道時所得到的靈敏度。這個結果可用來突出顯示小於1μ質量平均粒徑的顆粒的存在。圖6中包括一些直線，與由一些現有材料(波特蘭水泥「塵土」、烤麵包片、棉燈芯以及薰香)產生的顆粒的質量平均粒徑的公布數據相一致。在第一實例(大的顆粒)中差分電壓應為零或略為負值，但在其他三個實例(小的顆粒)中顯著為正值。這表明在保持良好的煙霧探測的同時辨別塵土的可能性。
煙霧懸浮顆粒中的粒度基本可以根據所使用的燃燒劑、溫度和時段(周期)、以及決定氧氣供應、冷卻和煙霧稀釋的氣流條件而變化。在圖7中，將來自Cleary、Weinert和Mulholland(Cleary TG，Weinert，DW和Mulholland GW，2001Moment Method of obtainingParticle Size Measures of Test Smokes，NIST)的數據取平均值以製成懸浮顆粒粒度的曲線，該懸浮顆粒由四種燃燒劑，即食用油(電爐上的玻璃皿)、烤麵包片(烤箱)、聚氨酯泡沫塑料(不完全燃燒或悶燒)和山毛櫸木塊(電爐)所產生。可以看出，在每種情形下，平均的顆粒起初很小，隨著燃燒劑完全消耗而尺寸增大然後落下。作為總結，可以說小顆粒的探測對於早期火災的儘可能最早的報警是很重要的。其他數據表明懸浮顆粒質量濃度在所繪製的每個周期的後半部分達到最高值，而在末端下降。
圖8提供了對雙通道的相對響應的更廣泛的對比，期望對於大量物質按公布的粒度順序進行排列。這裡，已經通過0.64的係數使紅外光發射器信號降低而使波特蘭水泥(塵土替代品)的響應標準化。花旗松和硬聚氨基甲酸酯的數據(Bankston等；Bankston CP，Zinn BT，Browner RF and Powell EA，1981Aspects of theMechanisms of Smoke Generation by Burning Materials，Combustionand Flame no 41 pp273-292)表明輻射熱釋放速率的三個不同階段的進展，其應該產生相應的差分電壓信號。
大致地並因為前面所述的原因，可以將圖8作為基於標準氙氣和目前基於雷射的(紅外光)探測器之間的期望性能的對比。
此外，就雙通道監測器而言，圖8證實與這些紅外探測器相比提高了對包括熱解和不完全燃燒的早期火災事故的靈敏度(提高4或5倍)而同時極大地降低對源自塵土的錯誤報警的靈敏度的可能性。這意味著不需要濾塵器。與之相反，期望用塵土過濾來使汙染最小化，並由此使監測器的保養周期和總的工作壽命最大化。假定塵土的優良過濾器也可捕獲煙霧，則可以利用塵土辨別能力來避免由不可避免通過實際過濾器的少量塵土引起的不希望的錯誤報警。
而且，因為通道A主要對塵土響應，因此可以對整個時間內(以月或年計算的)來自通道A的輸出求積分(累計)，用來記錄監測室和過濾器元件當區別於煙霧時對塵土的實際暴露，由此能夠根據(經常不可預測的)周圍環境來確定和預告保養間隔。例如，可基於累計或計算的探測塵土讀數的次數來確定濾塵器的保養間隔。一旦計數達到或超過一預定的閾值，保養指示器就會亮起或以其他方式連通。優選地，保養指示器電路應該對實際塵土水平及其持續周期求積分。
對數輸出如上所述，為了提供靈敏度的寬輸出範圍，現有技術的探測器提供用於將煙霧濃度數據提供給微處理器的模擬數字轉換器(ADC)。經過仔細的設計，基本上利用ADC的所有容量來表示最大的煙霧濃度，例如(通常)20％/m。在8比特解析度下操作的ADC很有用，而10比特或更大的ADC則較為昂貴，並且需要更大的微處理器。已經發現10比特的ADC允許將該20％/m的濃度分成210＝1024個級，每一級表示20/1024＝0.02％/m的增量。所以各級是0、0.02、0.04、0.06等，而沒有用於更精細的增量的可能性。在低煙霧濃度時，其被認為是非常粗糙的解析度，使得難以精細地設置報警閾值。但是，在高煙霧濃度時，0.02％/m的解析度就不必要了—例如，即使有在10.00％/m或10.02％/m設置報警閾值的能力也沒什麼益處。所以認為現有技術的探測器的解析度在低煙霧濃度時太粗糙，而在高煙霧濃度時又太精細。
然而，根據本發明的這個方面，通過提供對數或十分位數的輸出範圍而克服了上述這些現有技術的缺陷。根據本發明，已經發現解析度適合於給定的煙霧濃度，即，在低煙霧濃度時精細而在高煙霧濃度時粗糙。如所舉例說明的，對於本發明，通過使用對數輸出範圍，在低煙霧濃度時可在0.010或0.011％/m處設定報警閾值，而在高煙霧濃度時，可同樣容易地在10％/m或11％/m處設定報警閾值。
換句話說，由於認識到煙霧是一種非常易變的物質，而對其密度(濃度)的測量達到高於2位有效數字的精度沒有什麼益處，因此採用對數輸出對整個較寬的煙霧濃度範圍和/或閾值設定提供了有利的靈敏度解析度。
煙霧測試結果利用本發明構造成的煙霧監測設備並根據上述的信號電平分析的公開內容而進行構造和裝配，從而進行了一系列跟蹤。將監測器安裝在200mm直徑的通風管道上，並將探測器(探針)插入該管道，以採集經過該管道的空氣樣品。進口風扇保持管道內相對連續的流動，並確保氣載顆粒與進入的新鮮空氣徹底混合。管道的出口通過煙道排出。將在約350℃下操作的電爐放置在風扇和管道入口處，使得可以將少量的燃燒劑樣品放置在電爐上。
因為煙霧被夾帶並與由試驗室內連續吸入到管道內的主要的新鮮空氣流混合，這種裝置可發生相當顯著的稀釋。這種情形用來模擬真實的受保護的環境，預料在早期火災成長的初期在該環境中具有高度的稀釋水平。將幾種不同的燃燒劑樣品分別在電爐上加熱以產生煙霧懸浮顆粒。此外，還評估了不用電爐而是通過攪拌在風扇和管道入口處釋放的一些塵土樣品。
測定兩個監測器通道A和B的輸出，以提供在氣載顆粒被引入監測器之後超出靜止狀態(乾淨空氣)的電壓偏移。
觀察到各種燃燒劑類型以不同的速率和濃度產生煙霧懸浮顆粒。在加熱和消耗各種燃燒劑時，預期懸浮顆粒粒度隨時間而變化，由此來自通道A和B的相關輸出應該相應地變化。圖9示出了被表示為通道A輸出的比率的、響應於若干顆粒源(在對檢測穩定瞬態進行修正之後)的通道B輸出。這些數據以比率表示是為了說明所包括的不同的氣載顆粒密度(假定我們現在關注的是粒度)。每個水平條的長度和位置表示在每個跟蹤試驗期間發生的範圍的比率。在很多情形下，比率很快增大到最高值，然後緩慢下降。一些情形下，比率在一個周期之後在較低值處再次增大。所觀察到的一些這樣的模型(信號)是明顯的雙峰。
圖9還示出了監測器對這些燃燒劑源和塵土源的相對靈敏度(以平均粒度的表觀順序排列)。相應地，尼龍管道起初產生最小的顆粒(峰比率5.3)。在試驗進行一半之後，比率緩慢下降，燃燒劑在比較長的時間內真正地在電爐上熔化並產生懸浮顆粒。泡沫聚苯乙烯具有類似的結果。圖表中再向下的燃燒劑易於燒焦並產生固體碳質殘渣。
由2m長的PVC絕緣線構成的電熱絲試驗，該絕緣線通過由2V AC「範圍」變壓器輸送的高電流而加熱，以模擬導致早期熱解的過熱電纜。
焊料樹脂的結果來自長度較短的松脂芯軟釺料的熔化，其在表中的位置表明產生了相當大的顆粒(高熔點微滴)。
蒸汽的結果異常是因為從沸騰的燒水源獲得的輸出讀數具有非常小的數量級而不能產生報警狀態，但是該比率包括在圖表下端設置的粒度。相反，在各種塵土源(包括滑石粉)的情況下，所有的其它源都產生大的輸出讀數，並且只有通道輸出比率較小。
在煙霧懸浮顆粒和塵土之間明顯存在基於粒度而產生的巨大區別，所以有可能在產生報警過程中利用本實施例來辨別報警所需要的煙霧源和不需要的塵土源。
在比率接近一的情況下，可以理解為從通道B(如藍光)中減去通道A(如紅外光將導致很大程度地降低讀數，從而可以避免由這些源引起的不希望的報警。在比率遠高於一的情況下，從通道B中減去通道A仍會導致產生報警。減法處理雖然確實可以降低監測器對某些煙霧類型的輸出，事實上也可以避免由塵土源引起的不希望的報警，允許監測器在比其他情形更高的靈敏度下操作。
而且，認為這些結果與所公布的表示多種燃燒劑的數據相一致，由熱解所釋放的第一顆粒相當小。因此，這裡所使用的監測器的類型可以提供熱解的最早期警報。
電路描述圖10用方框圖示意性說明了用於探測煙霧的本發明的一種形式。電路驅動一對光發射器1和2，每一個發射器具有不同的波長(顏色)和/或偏振特性。獨立驅動每個發射器以提供具有短持續期(例如0.4ms)的光脈衝，可選地以(比方說)150ms和350ms的間隔(提供)。這樣能夠使空氣品質每秒鐘更新兩次，成為與低功率消耗相稱的高取樣更新率。
散射(發散)自通過監測室3的氣載顆粒的部分光被接收器模塊4內的光電元件(未示出)所接收。在接收器模塊4中放大該信號，並將其傳送至具有增益控制器6的主放大器5。放大的信號接著通過鑑別器(鑑頻器)(包括一對同步探測器7、8和一對緩衝取樣與保持電路9、10)，該鑑別器將源自兩個相應發射器的信號分離到雙通道中，用數字9表示通道A，數字10表示通道B。雙通道提供關於空氣中顆粒類型的信息。通道A特別響應於塵土顆粒，而通道B主要對煙霧敏感，對塵土也有點敏感。這是因為塵土和煙霧顆粒各自覆蓋一個寬的尺寸範圍，其在一定程度上可以重疊。因此在隨後的電路中，依靠加法器11從通道B的煙霧讀數中減去通道A的塵土讀數，得到基本上只提供煙霧密度(濃度)的指示信號。
將該煙霧密度信號施加到閾值敏感線路12，該線路響應於所探測到的火災危險的等級而操作一系列的三個燈和繼電器13。這些燈和繼電器，例如表示為A1(警告、或1級)、A2(活動、或2級)以及A3(火災、或3級)。通常這三個報警等級表示煙霧密度大約相當於0.03、0.06和0.10％/m的遮光率，儘管監測器可以調整為其他設置，但應該理解，信號和設定可以被設置成適合於本發明的特定應用。
此外，來自通道A的直接輸出用於表示獨立於煙霧濃度等級何時塵土等級較高。這還可以有助於測試、試運轉和論證。該輸出還表明何時該監測器處於識別塵土的過程中。
可以將附加的燈和繼電器13設置為應用於加法器11的「自動防故障(fail-safe)」電路，以便在監測器不能以足夠的靈敏度正確運行的情況下提供故障報警。還可以對故障和警戒通報的遠程處理提供來自加法器11的模擬輸出。可選替換地，可以由從通道A和B中的每一個提供該模擬輸出，以允許進行遠程信號分析以及故障和警戒通報的處理。
時鐘脈衝發生器(clock generator)15可以在需要時提供合適的定時信號，而電源部分16可以在適當電壓下將電力分配給電路的各個部分。
當遇到非常高的煙霧或塵土濃度時，來自鑑別器通道的輸出信號不飽和是有必要的。這種飽和會損失關於由兩個發射器產生的相對信號電平的信息，從而壓制了辨別功能。首先，放大器設置有大的「淨空高度(headroom)」，使其能夠在(比方說)信號電平半飽和時實現滿量程運轉。其次，提供了自動增益控制器。將來自辨別器通道的DC輸出電壓反饋給增益控制裝置，以確保不會達到飽和濃度。
增益控制器參照圖11，由反饋電阻與輸入電阻的比率來確定運算放大器的中頻帶增益。就圖11中的IC3a而言，電壓增益為R4/R3，而就IC3b而言，電壓增益為R6/R5。由C4·R4和C6·R6確定高頻率斷點，而由C1·(R1/R2)、C3·R3和C5·R5確定低頻率斷點。放大器為DC耦合的，並且由R1和R2設定DC偏壓。
增益控制裝置IC4通常包括在不透光盒子中緊密耦合的LDR(光敏電阻)和LED(發光二極體)。LDR提供可調節的電阻，其值由輸送通過LED的電流來確定，該LED由R7從外部控制。在沒有電流通過R7時，LDR的電阻實際上無窮大，而在電流為10mA到20mA時，電阻降低到10kΩ到100kΩ的範圍內。通常這種LDR會跨過R4或R6進行連接。這在操作中的優點是增大了高頻率斷點(C4·R4或C6·R6)，從而增強(upsetting)了放大器的期望的頻率響應和相位特性。另外，已經發現這種裝置產生不完全動態範圍的增益控制。
由於兩級電路對放大的信號是非反相的，因此有可能將來自第二級(IC3b)的輸出的LDR連接到第一級(IC3a)的輸入。這極大地增大了可用的有效動態範圍。而且，當IC4生效時，斷點C4·R4和C6·R6都不受影響。
電流驅動R7源自通道A和通道B的樣品與保持電壓信號(高變低)，通過齊納二極體(穩壓二極體)D5和D6，以確保增益控制動作直到信號電平相當大時才開始生效。
重要地，LDR、LED和齊納二極體組合的特性既不是突變的也不是線性的。它是非線性的，具有提供對數增益功能的作用。增益中的突變可引起不穩定性或不規則的行為，因為高信號電平會引起增益的突然降低，這會引起輸出的突然降低，而這又會降低對IC4的驅動，從而引起增益再次增大。而且，這會使得報警輸出繼電器振動。非線性設計考慮到了在輸入達到高電平時的較小的輸出增加，並提供了寬動態範圍的控制。
對應於最高的報警閾值(「火災」)，監測器的標準滿量程靈敏度相當於0.1％/m的遮光率，可用的中間報警閾值低於該水平。通過利用這種對數特性，就可能改變設置報警輸出閾值，以便更高級別的報警能夠在非線性範圍內。通過這種方式，能夠提供足夠的解析度，以便在非常低的煙霧密度(例如0.01％/m)下提供第一級報警(「警告」)，而最高級別的報警可以達到1％/m、10％/m或甚至更高。
監測室光學圖12示出了發射器的射線圖，該發射器在不同的波長和/或偏振作用下運行。為清楚起見，根據射線在光束的中心1201、左或右末端1202的位置示出樣品射線。可選替換地，實際上在短脈衝持續時間內操作這些光束。可以看出，光束通過帶有透鏡的發射體1203、1204形成，並由光闌1205、1206限制，以便穿過監測室的中心、監測區域或地帶1207。如果煙霧或塵土正通過這個區域1207，則這些顆粒使光束能量的一小部分散射向多個方向。該能量的部分散射向主接收光闌1208的方向，並由此散射到透鏡1209，該透鏡將這些能量聚焦到接收器模塊1210中的光電池上。值得注意的是，在該路徑中免去了中間光闌，因為由監測室構件反射並因此而來源於不合適的方向的漫射光可以由這些中間光闌反射而入射到透鏡。
之後直接光束1201、1202進入吸收通道1211，在該吸收通道中源自高度吸收壁1212的多重反射消耗了光能。該通道設計用於將多重反射光引向通道1213的遠端，以便在任何殘留光出現之前發生多次反射。這種吸收和對於監測室及光束光闌的主光闌的幾何形狀的組合，避免了起始光束的殘留對散射自煙霧或塵土顆粒的光的幹擾。
射線1214表示通過接收透鏡和主光闌而使得對光電池敏感的區域。可以看出，該敏感區集中在監測區域1207內，但光電池1210沿著超出該區域的光軸保持靈敏度。這種擴展的靈敏度由在監測室遠端的吸收區1215所限制。該設計目的在於確保來自發射器1203、1204的可忽略的光能可以落在這個吸收區上，該可忽略的光易於幹擾顆粒所散射的光。這種有害(不希望)的光主要來源於發射器光闌1205、1206的反射。對這個吸收區域的遮蔽(屏蔽)與從這個區域中將漫射光反射出去的組合使得這種幹擾光最小化。另外，吸收區域的壁優選著色為黑色，以吸收入射光。
圖13示出了典型的、由發射器光闌1205、1206反射產生的有害的射線，該射線被阻止到達中心吸收區域1215。該圖還包括穿過主光闌1217並在接收通道1218中被吸收的有害射線1216。另外，如圖所示，反射自主光闌1217的有害射線1219聚焦在偏離接收器模塊1210內的光電池的中心軸外，並藉助接收器模塊1210內的光電池(如圖14中的1401所示)而被避免。
所有這些方法的組合用於避免對散射自氣載顆粒的光的幹擾。散射的光密度通常比發射器的光低1億倍，由此可意識到這一任務的困難。
再次參照圖12，來自發射器的光1202的中心錐形區內的亮度被認為是監測室內的第一級亮度。該亮光被引向吸收通道1211，沿著該通道該亮光在多重反射之後被有效吸收。在這個中心錐角的外部是由發射器的光學器件和發射器光闌反射引起的第二級亮度1220。因此，認為整個發射器光闌區域在多個方向上必須是光亮的。相應地，從接收器或透鏡光闌的視角來看發射器光闌必須是遮蔽的，這可以通過主光闌1217的定位而實現。為了實現這種遮蔽，通過從發射器光闌1205、1206的最外末端、到主光闌1217的最裡末端、再到透鏡光闌1222的最外末端的直線1221(在圖13中以虛線示出)來設定監測室的幾何形狀。假定本發明的實施例的目的是製備具有最小的可用尺寸和儘可能最高的靈敏度的監測器，則認為該幾何形狀是一確定的幾何形狀。
由於處在中心發射錐1202的外面，因而主光闌1217暴露於來自發射器光闌1203、1204的第二級亮度1220的光線中。因此，主光闌1217會在多個方向反射第三級亮度1219的光。值得注意的是，在本討論中，「亮度數量級」不一定是指十倍。假定黑色表面可以吸收99％的入射光，只反射1％，並且這1％又被由非鏡面反射導致的散射進一步減少，則亮度減少的數量級可能是1000倍或更多。由此，亮度的第三級並非精確的測定值，只提供相對的表示。該第三級亮度光1219的一小部分將被反射向透鏡光闌1208和透鏡1209。如圖14所示，透鏡1209將聚焦這種偏離接收器元件1210中心軸的有害的光1219，並被接收器光闌1401所阻止。雙凸透鏡、較長的焦距和較寬的主光闌的使用，能夠使反射自主光闌1217的有害射線(偏離中心軸的)落到接收器元件1210的側面上，並可以被接收器光闌1401減弱。
可以預期有必要對透鏡的聚焦進行較為精確的控制，以便控制不需要(有害)的光與需要的光的分離。提出了一種具有較短焦距的非球面透鏡1501(如圖15所示)。這種透鏡在接收器元件的整個表面上提供對聚焦的精確控制，避免了球面像差並形成具有照片品質的圖像。圖15示出了這種透鏡1501在聚焦散射光中的操作，該散射光接收自在監測區域1207(圖12)中探測到的顆粒。圖15還示出了透鏡1501相對於主光闌1217、以及元件1210的位置。然而，圖16示出了利用這種非球面透鏡反射自主光闌的有害光的一部分落在元件上。這會干擾需要的信號。
再回到圖12，使用了較厚的雙凸透鏡(具有兩個凸面)，並在圖14和圖17中更詳細地示出了該凸透鏡。如圖14所示，由於有害的光1219從偏離中心軸的方向到達，所以這種類型的透鏡1402的球面像差有助於提高這兩組光線的分離。通過使用較長的焦距(而且已經發現這種分離與焦距成比例)進一步促進該分離。在圖17中，可以看出，有可能使用雙凸透鏡1402，因為不需要在接收器元件1210處形成精確的如照片的圖像，而只需要聚集光線，所以聚焦點不及所包含的光線通道重要。這樣，接收器元件1210和透鏡1402的幾何形狀優選設置為使得來自所探測到的顆粒的最大量的散射光能夠落在接收器元件上(如圖所示，其中光基本上照亮了元件1210的整個表面)，同時不需要的光或者被上述接收器光闌1401所阻擋，或者被允許通過該元件的側面。
流體動力學從流體動力學觀點看，監測室的設計很重要。本發明的一個實施例包括微型管道探測器，用於採集流過通風管道的空氣的連續的少量但有代表性的樣品，例如，本發明人在共同未決的美國專利申請2003/0011770中所披露的探測器。
參照圖13，從環境中採集的諸如空氣的流體樣品通過入口1301被吸入到本發明的監測室內，流經探測室和監測區域1207(圖12)，並經出口1302流出。這就有可能使用能在長時間的運轉內有效除去塵土的較大的過濾器1303，而不會引起顯著的壓頭損失(壓降)。使用中優選的過濾器類型為大孔的、具有大深度的開口泡沫塑料過濾器。該過濾器設計用來去除的最小塵土顆粒通常比過濾器的平均孔徑小至少10倍。實現塵土的去除是布朗運動(快速熱振動)的結果，通過布朗運動，塵土顆粒表現為似乎比它們的物理尺寸大許多倍。當流體流經深的過濾器時，統計性地去除掉塵土，使得基本上所有被認為有害的塵土在流體從過濾器出口1314流出之前就被去除。已經發現這可以使在監測室內堆積(汙染)的塵土最少，從而極大地延長了保養周期。然而，過濾器的開口結構避免了發生在現有技術的吸入式煙霧探測器中的嚴重問題，即隨時間增加煙霧顆粒去除的靈敏度降低了。而且，這種過濾器為如下類型過濾器內的壓頭損失並不隨過濾器負載有塵土而明顯地增加。
通常，煙霧顆粒在0.01微米到1微米的範圍內存在，而氣載塵土顆粒在1微米到100微米的範圍內存在。但是，在1微米邊界處有部分重疊，因為自然界中最小的塵土顆粒比可能最大的煙霧顆粒小。因此，認為過濾器應當是優良的吸塵器是不恰當的。為了避免對煙霧的靈敏度降低，小部分的塵土顆粒必定會因此而通過過濾器，這需要以其他方式(如後文所披露的)進行調節。
過濾器1303的每邊都有鏡像擴散器1312、1313。過濾器的出口面引向擴散器1313，該擴散器有效地重組流體，使流體進行90°轉向，並將流體引至通道1304。在本發明的優選實施例中，這個通道變窄為橫截面積仍然比進口管大5倍，從而保持非常低的損失，但是局部空氣速率比在過濾器的出口面1314處的速率快約8倍。
在優選的實施例中，可以安裝兩個傳感設備1305、1306，一個傳感設備1306在過濾器出口，而一個傳感設備1305在該狹窄區1304內。在這種設置中，傳感器1306受到從過濾器流出的相當低速的空氣流的影響，以致傳感器極少發生冷卻。可藉助於管罩1307進一步防止傳感1306冷卻。相反地，傳感器1305較為充分地暴露於明顯更高速率的空氣流中，並因此比傳感器1306更易於冷卻。兩個傳感器1305、1306優選暴露於相同的環境空氣溫度。可以優選使用具有已知溫度依賴性的匹配設備，由此由它們所暴露於的不同的空氣流速引起的不同的冷卻速率，可用於產生跨每個傳感器的不同的電壓，從而以在很大程度上獨立於環境空氣溫度的方式提供空氣速率的測定。
傳感器可以是美國專利US 4,781,065中所披露的類型，但是，在本發明的裝置中傳感器的定位是獨有不同的。
同樣，在本裝置中，傳感器在氣流通過塵土過濾器1303之後被暴露在氣流中，因此使得汙染最小。汙染可影響傳感器1305、1306的冷卻特性，由此降低空氣流檢測線路的準確性。
流體接著進入另一個擴散器1308，其也是用於發射器1203(圖12)的光吸收通道1308。當空氣流到達吸收通道1308的入口時，對其進行方向的改變而使其速度變慢至比入口管處的速度小約25倍。因此，在氣流經過通道1308、穿過監測區域1207(圖12)並進入第二通道1309的過程中只引起非常小的損失。由於這裡的速度較慢，可以在氣流中存在的任何在數量和尺寸上都較小的殘留塵土顆粒(因為過濾器1303)具有非常低的衝量，因此通過離心力並不能使其從流體中的懸浮物中甩出，由此使得在監測區域1207附近範圍內的潛在汙染最小化。在存在對塵土顆粒的離心分離趨勢的情況下，其衝量的方向為使得這些顆粒無害地偏轉並遠離主光闌1217的方向。
空氣流被吸入第二吸收通道1309，並通過擴散作用逐漸並有效地被加速，從而變得匹配廢氣出口1302。如以上所引用的US4,781,065中所描述的，然後將廢氣，例如塵土有效地返回到取樣的環境。
已經解釋說明了氣流如何以一種使損失最小化並增進層流的方式通過一系列的階段。因此，用新鮮的空氣樣品非常有效並快速地淨化了監測室，而只保留極少量的煙霧。儘管大的橫截面積引起低的局部速率，但是已經證明監測室組件對煙霧濃度變化的響應是非常迅速的，並適合用於煙霧監測報警的目的。
由於在本發明的監測器內只有非常小的壓降，因此監測器內任何位置的絕對壓強都與管道內部的相近。由於管道內部與放置監測器的周圍環境之間可以有大的壓差，因此監測器必須保持良好的壓力密封以避免任何位置的洩漏。通過監測室的設計使洩漏的可能性最小化，其包括兩個平面連接的相似半部——對接法蘭1310。因此，只需要一個平墊片用來密封監測室。在一個實施例中，優選為厚密封泡沫塑料墊片，因為其易於適應監測室內法蘭平面的變化，從而克服了注塑成型中可能產生的少量彎曲和翹曲變形。通過延長在兩個監測室半部的中心接合處搭接的小邊1311，而將監測室的區域、特別是對監測室壁的光吸收能力敏感的接近監測區域1207的區域對墊片隱藏起來。優選監測室的兩個半部之間的實際接觸僅在這些邊上，這極大地簡化了對於製造對接件平面的需要。
前面的描述已原則討論了管道探測器的使用，但是，在本發明其他的實施例中，探測器可用其他裝置替換以獲取待監測的流體樣品，例如空氣。這種其它裝置(在US 4,781,065中所披露的)可以是在例如20mm直徑的小口徑管道內的文丘裡管裝置。這種管道可連接於置於文丘裡管上遊或者下遊的抽吸泵或風機(吸氣器)。如果置於下遊，則多個監測器可連接於單個吸氣器。在每個監測器的上遊，小口徑管道可延伸到整個火災區(消防區)。取樣管道可設置為延伸至待監測或探測的流體區域或地區內的網狀管道或分支狀管道。每個所述管道可以包括分支管道。每個所述管道和分支管道可包括多個小孔，以便將每個孔附近的空氣吸入到管道中。來自所有這些孔的空氣樣品的組分接著被間歇或相對連續地吸入到文丘裡管。設置文丘裡管使得管道內的部分空氣被抽吸通過監測器，以便在監測器氣流返回到管道之前可以感應到煙霧或塵土的存在。然後所有的空氣被吸入到吸氣器並排出。
值得注意的是，優選在管道探測器或者文丘裡管的情況下，只有一部分可用的空氣通過監測器。這部分空氣或空氣樣品含有與主要流體相同密度的煙霧和/或塵土。但是，通過謹慎地使流過監測器的流體最小化，可以使濾塵器中的塵土堆積速率減到最小，從而使得保養間隔最大化，而不影響監測器的靈敏度。
在本發明的另一個可選實施例中，代替文丘裡管，可以將監測器直接連接於諸如5mm內徑的小口徑管。這適於運行諸如幾米的短距離。在這種情況下，整個空氣流會通過監測器，但是流速會低，因此應該不一定會影響保養間隔期。為了實現小口徑管在長距離上的快速響應時間，壓降將會非常高，被迫使用具有高壓和高能耗的吸氣器監測器的安裝參照圖18，監測器1801(例如，根據本發明的監測器)可以安裝在有扁平邊的、圓形的或其他形狀的表面上，如帶有安裝接頭1803的管道1802。可利用如螺釘、或其他合適的裝置(未示出)固定監測器1801。在安裝監測器的過程中，簡單地使接頭1803彎曲直到接頭與被固定的監測器表面匹配。例如，如圖18所示，在管道上安裝時，使接頭彎曲直至它們緊扣或與管道的表面相匹配。該管道可以小到直徑為200mm(8英寸)。接頭1803可以與監測器1801的殼體一體形成，在這種情況下，在該殼體中形成的狹槽(未示出)可以限制接頭，並能使接頭在沒有變形的情況下彎曲，以便緊扣到管道表面或其他安裝表面上。雖然本發明連同其具體實施例進行了描述，但是可以理解本發明能夠進一步改變。本申請趨於從總體上覆蓋本發明任何變化使用或改進、本發明的原理和包括作為已知範圍內的當前披露或在本發明所述技術領域內的慣例以及在上文中提出的可應用到的必要裝置的變更。
雖然結合本發明的具體實施例描述了本發明，但是可以理解，本發明能夠進一步修改。本申請用來覆蓋總體上遵循本發明原理的本發明的任何變化方案的使用或改進，並且包括偏離本申請的公開內容而來自本發明所屬技術領域內已知的或慣常手段、以及可應用於上文中所提出的必要特徵的本發明的任何變化方案的使用或改進。
由於可以以多種方式具體實施本發明而不脫離本發明的必要特徵的精神，因此應當理解，除非有另外的說明，上述實施例並不限制本發明，而應該在由所附的權利要求所限定的本發明的精神和範圍內廣泛地解釋。各種改變和等效設置也應包括在本發明和所附的權利要求的精神和範圍內。因此，具體實施例應被理解為用於實現本發明的原理的多種方式的舉例說明。在所附的權利要求中，裝置加功能條款用來覆蓋作為執行所限定功能的結構，並且不僅是結構上的等效物，而且是等效的結構。例如，儘管釘子和螺釘不是結構上的等效物，因為釘子採用圓柱形表面將木質部件固定到一起，而螺釘採用螺旋狀表面將木質部件固定到一起，但是在固定木質部件的情況下，釘子和螺釘是等效結構。
當本說明書使用「包括/包含」時，其用來說明所述特性、整體、步驟或組分的存在，但不排除另外的一個或多個其他特性、整體、步驟、組分或它們的組合的存在。
權利要求
1.一種確定流體樣品中基本上具有預定尺寸或尺寸範圍的顆粒存在的方法，所述方法包括下列步驟用第一波長的光照射所述樣品，獲得表示所述第一照射的第一響應信號，用第二波長的光照射所述樣品；獲得表示所述第二照射的第二響應信號，以及通過比較所述第一和第二信號來確定具有所述尺寸或尺寸範圍的所述顆粒的存在。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，從所述第二信號響應中減去所述第一信號響應。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，獲得所述第一和第二信號的比率。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其中，所述第二波長既對基本上具有所述尺寸或在所述預定範圍內的粒度、又對基本上不具有所述尺寸或在所述預定範圍之外的粒度提供響應信號，而所述第一波長對基本上不具有所述尺寸或在所述預定範圍之外的粒度提供響應信號。
5.根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括如下步驟在探測到具有所述預定尺寸的顆粒時，觸發報警信號。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述報警信號表示對於熱解、不完全燃燒和/或煙霧事件的報警狀態。
7.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述第一波長是紅外光，而所述第二波長是藍光。
8.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述第一波長的光在650nm到1050nm的範圍內，而所述第二波長的光在400nm到500nm的範圍內。
9.根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括如下步驟用至少一其它波長的光照射所述樣品，其中，具有至少一其它尺寸或尺寸範圍的顆粒對於所述其它波長的光相對敏感，獲得至少一個表示所述其它照射的其它響應信號，以及通過比較所述第一、第二和/或其它信號來確定具有所述其它尺寸或尺寸範圍的所述顆粒的存在。
10.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，至少一個所述照射是偏振的。
11.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，至少一個所述照射是水平和/或垂直偏振的。
12.根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述第一照射是水平偏振的相對較長的波長而第二照射是垂直偏振的相對較短的波長。
13.根據權利要求1到11中任一項所述的方法，其中，所述第一照射是水平偏振的紅光或紅外光而所述第二照射是垂直偏振的藍色波長光。
14.根據權利要求1到11中任一項所述的方法，其中，所述第一照射是水平偏振的紅光或紅外光而所述第二照射是非偏振的藍光。
15.一種適於確定流體樣品中具有預定範圍的尺寸的顆粒存在的顆粒監測器，所述監測器包括第一照射裝置，用於以第一波長的光照射所述樣品，所述第一光具有的波長是具有第一尺寸的顆粒對其相對敏感的波長，第一信號裝置，用於提供表示所述第一照射的第一信號，第二照射裝置，用於以第二波長的光照射所述樣品，所述第二光具有的波長為具有第二尺寸的顆粒對其相對敏感的波長，第二信號裝置，用於提供表示所述第二照射的第二信號，邏輯裝置，用於比較所述第一和第二信號，以確定在所述預定範圍內的顆粒的存在。
16.一種適於探測流體樣品中具有預定範圍的尺寸的顆粒的設備，所述設備包括處理器裝置，用於根據預定指令系統進行操作，所述設備，結合所述指令系統，用於實施權利要求1到14中任一項所述的方法。
17.一種適於在顆粒監測器中提供增益控制的增益控制設備，所述設備包括具有第一放大器的第一增益級；第二增益級，具有第二放大器，以及從所述第二級的輸出到所述第一級的輸入的電壓或電流的受控反饋，使得所述放大器的頻率響應不受所述反饋的影響。
18.根據權利要求17所述的設備，其中，所述反饋至少包括一光敏電阻。
19.根據權利要求17或18所述的設備，其中，增益控制函數是非線性的。
20.根據權利要求16所述的設備，包括權利要求17到19中任一項所述的增益控制設備。
21.根據權利要求15所述的監測器，包括權利要求17到19中任一項所述的增益控制設備。
22.一種確定顆粒監測器的保養間隔的方法，所述方法包括如下步驟確定煙霧顆粒中塵土顆粒的存在，提供所述塵土顆粒存在的檢測，以及當所述檢測達到預定閾值時提供保養指示。
23.根據權利要求22所述的方法，所述檢測是對顆粒數量、頻率、濃度和/或探測的持續時間的檢測。
24.一種顆粒監測室，包括與照射源可操作結合的第一光闌，適於將入射光聚焦到接收器元件的透鏡，以及主光闌，用於充分地阻止光從所述第一光闌直接散射而入射到所述透鏡。
25.一種顆粒監測室，包括與照射源可操作結合的第一透鏡，適於將入射光聚焦到接收器元件的第二透鏡，以及主光闌，用於充分地阻止光從所述第一透鏡直接散射而入射到所述第二透鏡。
26.一種顆粒監測室，包括照射源，適於將入射光聚焦到接收器單元的透鏡，以及主光闌，用於充分地阻止光從所述照射源直接散射而入射到所述透鏡。
27.根據權利要求24、25或26所述的監測室，其中，所述主光闌對所述直接散射的光形成物理屏障。
28.根據權利要求24到27中任一項所述的監測室，其中，所述透鏡進一步用於充分地阻止光從所述主光闌反射到所述接收器元件上。
29.根據權利要求24到28中任一項所述的監測室，其中，所述透鏡是雙凸透鏡。
30.根據權利要求24到28中任一項所述的監測室，其中，所述透鏡是非球面透鏡。
31.根據權利要求24到30中任一項所述的監測室，其中，所述入射光是從所述主光闌反射而散射的第二和/或第三級光，而其中所述入射的第二和/或第三級光聚焦到所述接收器的相對非活性部分。
32.一種顆粒監測器，包括權利要求24到31中任一項所述的監測室。
33.雙凸透鏡和權利要求15、21或32任一項所述的監測器的組合。
34.一種確定流經給定區域的流體速率的方法，該方法包括如下步驟在所述流體流動的通道中相對低流速的位置設置第一傳感器；在所述流體流動的通道中相對較高流速的位置設置第二傳感器，所述第二傳感器具有基本與所述第一傳感器相似的溫度特性；基於對流經所述第一和第二傳感器的流體的冷卻效果的檢測來確定所述流體速率。
35.根據權利要求34所述的方法，其中，所述第一傳感器被屏蔽於所述流體流動。
36.根據權利要求34或35所述的方法，其中，所述冷卻效果的檢測基於冷卻的速率。
37.根據權利要求34、35或36所述的方法，其中，所述區域在顆粒監測器內。
38.一種適於確定流經給定區域的流體流速的設備，包括第一傳感器，用於設置在所述流體流動的通道中相對低流速的位置；第二傳感器，用於設置在所述流體流動的通道中相對較高流速的位置，所述第二傳感器具有基本與所述第一傳感器相似的溫度特性；比較裝置，用於基於流經所述第一和第二傳感器的所述流體的冷卻效果的檢測來確定所述流速。
39.一種在管道上安裝殼體的方法，所述方法包括如下步驟提供至少一個與所述殼體相結合的接頭件；將所述殼體定位在靠近所述管道的安裝區域；修整所述接頭件，使其基本適合於靠近所述安裝區域的所述管道的外廓；以及利用所述接頭件連接所述殼體。
40.根據權利要求39所述的方法，其中，所述接頭件與所述殼體是一個整體。
41.一種適於安裝到管道上的殼體裝置，包括至少一個與所述殼體相結合的接頭件；以及所述接頭件適於修整為基本適合於靠近安裝區域的所述管道的外廓。
42.根據權利要求41所述的裝置，其中，所述接頭與所述殼體是一個整體。
43.根據權利要求41或42所述的裝置，是顆粒監測器殼體。
44.一種適於探測顆粒的設備，所述設備包括適於根據預定的指令系統運行的處理器裝置；所述設備，與所述指令系統結合，用於實施權利要求1到14中任一項所述的方法。
45.一種電腦程式產品，包括計算機可用介質，具有包括在所述介質上的計算機可讀程序編碼和計算機可讀系統編碼，用於與數據處理系統結合根據權利要求1到14中任一項所述的方法探測顆粒，所述電腦程式產品包括在所述計算機可用介質中的計算機可讀編碼，用於確定流體中顆粒的存在並表徵所述顆粒。
46.一種適於確定流體樣品具有預定尺寸或尺寸範圍的顆粒存在的顆粒監測器，所述監測器包括適於提供對數標度信號作為顆粒的指示的輸出裝置。
47.根據權利要求46所述的監測器，其中，所述監測器是本文中所披露的監測器。
48.根據權利要求46所述的監測器，其中，所述標度信號被提供給報警器。
49.一種煙霧探測器，包括權利要求46、47或48所述的監測器。
全文摘要
本發明涉及懸浮在流體中的物質或顆粒的探測、分析和/或確定的領域。在一種特定的形式中，本發明涉及煙霧探測器，其探測物質的不希望的熱解或燃燒。在另一種形式中，本發明涉及早期探測類型的煙霧探測器，而其可用於特定區域的通風、空調或管道監測。在又一種形式中，本發明涉及監視監測，例如建築、消防或安全監測。在又一種形式中，本發明涉及環境監測，例如流體、地帶、區域和/或周圍環境(包括商業環境和工業環境)的監測、探測和/或分析。
文檔編號G08B17/107GK1871624SQ200480031342
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月20日 優先權日2003年10月23日
發明者馬丁·T·科爾 申請人:馬丁·T·科爾