專利名稱：一種識別、計(jì)量煙霧粒子的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域，尤其是一種利用光電技術(shù)，識別并計(jì)量煙霧粒子的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域，減少遲報(bào)、杜絕漏 報(bào)、降低誤報(bào)，爭取盡可能早期、準(zhǔn)確可靠的智能探測是火災(zāi)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展方向。光電探測技術(shù)相較于其他技術(shù)，如離子、火焰、煙霧、聲音，具有靈敏度高、環(huán)保、成本低等優(yōu)勢，所以目前得到了最廣泛運(yùn)用。根據(jù)采樣空氣方式不同，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(jiān)視區(qū)域的空氣對流來檢測煙霧粒子，響應(yīng)速度慢，探測氣流易受干擾。主動方式就是將監(jiān)視區(qū)域的空氣抽取到探測腔，采用光電技術(shù)進(jìn)行檢測；可以在火災(zāi)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(zāi)探測技術(shù)，是光電技術(shù)探測的發(fā)展方向。火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧粒子直徑一般都在I微米以下，而環(huán)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，由于光電探測方式，靈敏度高，易受灰塵、水蒸汽等干擾，產(chǎn)生誤報(bào)、漏報(bào)、遲報(bào)，特別在極早期火災(zāi)探測中，由于靈敏度非常高，易受環(huán)境中灰塵干擾，造成誤報(bào)的可能性比較高，極大地限制了極早期火災(zāi)探測技術(shù)的運(yùn)用范圍，使之只能運(yùn)用于環(huán)境比較干凈的場合，如機(jī)房、潔凈廠房等。因此，減少非煙霧粒子干擾，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(shù)方案可以選擇。一種技術(shù)方案就是采用濾網(wǎng)方式，將直徑I微米以上的非煙霧粒子濾除，這種由于濾網(wǎng)阻塞，一方面降低了煙霧濃度，存在火警遲報(bào)、漏報(bào)問題，另一方面需要定期更換濾網(wǎng)，也帶來了維護(hù)、安裝不便等問題。另一種技術(shù)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(fā)明，公開了一種煙霧粒子的探測設(shè)備及方法，US07724367的技術(shù)方案利用兩束不同波長的光照射采樣氣流，獲取兩個不同測量信號，通過計(jì)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(shí)排除了非煙霧粒子(灰塵)干擾，是目前去除灰塵干擾的最有效方式，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(qū)域的煙霧粒子不敏感，會造成火警遲報(bào)、漏報(bào)。US08269639提出的技術(shù)方案是對US07724367的完善，一方面，該技術(shù)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(yīng)不同探測環(huán)境的需要；另一方面，該技術(shù)方案通過粒子尺寸大小，對上述提到的信號損失進(jìn)行修補(bǔ)，使修復(fù)后的信號接近信號I ;事實(shí)上修復(fù)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(zhǔn)確獲得煙霧粒子尺寸大小，所以依然存在US07724367的火警遲報(bào)、漏報(bào)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種識別、計(jì)量煙霧粒子的方法及裝置，以解決上述技術(shù)方案存在的問題。
我們知道，煙霧顆?；旧嫌闪叫∮贗微米的粒子群組成，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(xiàn)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(chǎn)生近場相互作用；(2)、粒子相對位置隨著時(shí)間固定不變，各部分波相干疊加，產(chǎn)生相干散射。相關(guān)的理論實(shí)踐表明，各部分波相位獨(dú)立，粒子群的合成散射波強(qiáng)度等于各個粒子部分波強(qiáng)度的代數(shù)和。只要粒子之間的距離比粒徑大10倍以上，就可以認(rèn)為各部分波相位獨(dú)立。煙霧顆粒粒徑一般在I微米以下，而且煙霧顆粒數(shù)目濃度一般在105(Particle/cm3)以下，即使加上相當(dāng)一部分非煙霧粒子，只要不超過101° (Particle/cm3)都可以滿足不相關(guān)單散射的要求。在實(shí)際運(yùn)用中，煙霧粒子、非煙霧粒子的數(shù)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(qiáng)度是N個單個煙霧粒子散射強(qiáng)度與M個單個非煙霧粒子散射強(qiáng)度的代數(shù)和。為了檢測煙霧粒子濃度，排除非煙霧粒子干擾，需要從煙霧粒子、非煙霧粒子的合成散射強(qiáng)度中分離出煙霧粒子濃度或 非煙霧粒子濃度。實(shí)際運(yùn)用中，煙霧粒子是從無到有逐步產(chǎn)生的，因此，通過連續(xù)檢測合成散射強(qiáng)度的變化，判斷變化部分的強(qiáng)度是屬于煙霧粒子引起的，還是屬于非煙霧粒子引起的，就可以從合成濃度中分離出煙霧粒子濃度，從而達(dá)到識別、計(jì)量煙霧粒子濃度的目的。為了判斷變化部分的強(qiáng)度(主信號)是否屬于煙霧粒子引起，需要一個輔助信號。根據(jù)米散射理論，在0.1-1微米之間散射強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系，輔助信號與主信號可以來源與不同波長光源，也可以來源于相同波長光源，不同的散射接收角度。根據(jù)上述原理，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。一種識別、計(jì)量煙霧粒子的方法，其特征在于，包括如下步驟
A、發(fā)射光照射采樣氣流，光電傳感器測量得到的信號包括兩個信號SpS2，相應(yīng)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(jì)算單元，就可以計(jì)算得到煙霧濃度SM、非煙霧濃度Sd ；
C、執(zhí)行Sip= S1, S2p= S2 ；
D、重復(fù)Α、B、C步驟，就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測煙霧濃度SM、非煙霧濃度SD。上述邏輯計(jì)算單元，其特征在于，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來源于不同波犮的散射光，或者來源于不同的散射角。上述邏輯分析，信號SI、S2來源于不同波長散射光，其特征在于，包括如下邏輯如果I AS1I大于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(yù)先設(shè)定的值，修改K、B值，可以改變煙霧粒子范圍的上限值。上述邏輯分析，信號SI、S2來源于不同的散射角，其特征在于，包括如下邏輯如果I AS1I與I AS2I的比值大于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(yù)先設(shè)定的值，修改Ks值，可以改變煙霧粒子范圍的上限值。一種識別、計(jì)量煙霧粒子的裝置，包括發(fā)射光源、光電傳感器及邏輯運(yùn)算部件，其特征在于邏輯運(yùn)算部件控制發(fā)射光源，從光電傳感器讀取信號，并執(zhí)行上述識別、計(jì)量煙霧粒子的方法。上述裝置，其特征在于邏輯運(yùn)算部件包括單片機(jī)或微處理器以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊；光電傳感器用于將粒子散射光轉(zhuǎn)換為電信號，并放大；邏輯運(yùn)算部件通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊讀取測量信號。上述裝置，其特征在于發(fā)射光源包括兩個不同波長的光源，邏輯運(yùn)算部件控制發(fā)射光源交替照射采樣氣流，包括一個光電傳感器，用于接收采樣氣流中粒子的散射光，得到至少兩個采樣信號SpS215上述不同波長的光源,其特征在于一個光源為藍(lán)光，波長范圍為400-550納米，用于照射米樣氣流，產(chǎn)生信號S1,另一個光源為紅光或紅外光,波長范圍為650-1050納米，
產(chǎn)生信號S2。上述裝置，其特征在于發(fā)射光源包括一個相同波長的光源，邏輯運(yùn)算部件控制發(fā)射光源照射采樣氣流，包括兩個光電傳感器，兩個光電傳感器的接收角度不同，用于接收采 樣氣流中粒子的散射光，得到兩個采樣信號SpS215上述裝置，其特征在于發(fā)射光源包括兩個相同波長的光源，兩個發(fā)射光源的發(fā)射角度不同，發(fā)射光源交替照射采樣氣流，包括一個光電傳感器，用于接收采樣氣流中粒子的散射光，依次得到兩個采樣信號SpS215本發(fā)明通過連續(xù)檢測煙霧粒子、非煙霧粒子的綜合濃度變化，來識別、計(jì)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(bào)、漏報(bào)情況，大大提高了火災(zāi)預(yù)警的可靠性。特別是與發(fā)明人另外申請的兩個發(fā)明一種高靈敏度的煙霧檢測裝置、一種高精度的流量計(jì)，一起結(jié)合使用，具有高可靠、高靈敏度、低成本的特點(diǎn)，大大拓寬了極早期火災(zāi)預(yù)警產(chǎn)品的運(yùn)用范圍。


圖I是本發(fā)明中識別、計(jì)量煙霧粒子方法的一個實(shí)施例。圖2是雙波長濃度變化相對靈敏度與粒徑的關(guān)系。圖3是裝置中包含不同波長光源與光電傳感器的一個實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(guān)系。
具體實(shí)施例方式在圖I中，該流程圖包含了本發(fā)明中的識別、計(jì)量煙霧粒子的方法。邏輯分析是基于S1、S2來源于不同波長的情況。預(yù)設(shè)值Λ Sp用于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(zhǔn)確性越高，實(shí)際中，受數(shù)據(jù)采樣、處理影響，Λ Sp太小，誤差會比較大，一般設(shè)置在火災(zāi)報(bào)警閾值1/4一 1/2之間。由于煙霧濃度SM、非煙霧濃度Sd在累加運(yùn)算中，有可能出現(xiàn)負(fù)值，而在實(shí)際環(huán)境不存在負(fù)值情況，因此增加了一個置零修正操作。在圖2中，Λ S1由藍(lán)光產(chǎn)生，根據(jù)前面提到的不相關(guān)單散射原理，與S1曲線相同，AS2由紅光產(chǎn)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于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(xiàn)場環(huán)境的非煙霧粒子來確定。在煙霧粒子、非煙霧粒子的識別、計(jì)算中，其信號都來源于S1，信號S2主要用于輔助判斷Λ S1是否屬于煙霧粒子，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(bào)、漏報(bào)，提高了報(bào)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(lán)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(yùn)算部件控制Tl、T2交替發(fā)光，Rl依次接收粒子散射信號，記為S0S20在圖4中，兩個發(fā)光光源T1、T2波長不同，Tl為藍(lán)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(yùn)算部件控制Tl、Τ2交替發(fā)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(jù)米散射原理，隨著粒徑增大，散射光隨著散射角的不同，會發(fā)生變化，散射光越來越集中在前向散射上，因此不同。邏輯運(yùn)算部件控制Tl發(fā)光，R1、R2同時(shí)接收粒子散射信號，記為SpS215在圖6中，兩個發(fā)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(jù)米散射原理，隨著粒徑增大，散射光隨著散射角的不同，會發(fā)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(yùn)算部件控制Tl、T2交替發(fā)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，采光立體角為12°，散射角分別在fl2=20ο,0!=30\1 2=40ο,B^,02=50°時(shí)，比值ΛS1/Δ S2與粒徑的關(guān)系圖。由圖可以看出，散射角為β 05100°時(shí)，曲線具有單調(diào)性，Ks設(shè)置范圍較大，但分辨率要低，比值Λ S1/Λ S2小于Ks時(shí)，Λ S1為煙霧濃度，否則，為非煙霧濃度。散射角為1=30^=40°時(shí)，在I微米附近比值小于1，KS設(shè)置范圍較小，比值Λ S1/ Δ S2大于Ks時(shí)，Δ S1為煙霧濃度，否則，為非煙霧濃度。散射角Si1=SO^2=SOt5時(shí)，曲線具有多值性，已無法使用。另外加大立體采光角，可以有效減少曲線的起伏震蕩情況，改善Ks設(shè)置范圍及分辨率。
權(quán)利要求
1.一種識別、計(jì)量煙霧粒子的方法，其特征在于，包括如下步驟 A、發(fā)射光照射采樣氣流，光電傳感器測量得到的信號包括兩個信號SpS2，相應(yīng)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(jì)算單元，就可以計(jì)算得到煙霧濃度SM、非煙霧濃度Sd ；C、執(zhí)行Sip= S1, S2p= S2 ； D、重復(fù)Α、B、C步驟，就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測煙霧濃度SM、非煙霧濃度SD。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的方法，其特征在于所述信號S1、S2來源于不同波犮的散射光，或者來源于不同的散射角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的方法，其特征在于， 信號SI、S2來源于不同波長的散射光時(shí)，所述邏輯分析單元包括如下邏輯判斷Δ S1大于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(yù)先設(shè)定的值，修改K、B值，可以改變煙霧粒子范圍的上限值； 或者信號SI、S2來源于不同的散射角時(shí)，所述邏輯分析單元包括如下邏輯 根據(jù)I AS1I與I AS2I的比值與Ks關(guān)系，判斷Λ S1是否是煙霧粒子的濃度，其中Ks為預(yù)先設(shè)定的值，修改Ks值，可以改變煙霧粒子范圍的上限值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的方法，其特征在于，所述邏輯計(jì)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(jì)量煙霧粒子的裝置，包括發(fā)射光源、光電傳感器及邏輯運(yùn)算部件，其特征在于邏輯運(yùn)算部件控制發(fā)射光源，從光電傳感器讀取信號，并執(zhí)行權(quán)利要求I所述識另U、計(jì)量煙霧粒子的方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的裝置，其特征在于所述邏輯運(yùn)算部件包括單片機(jī)或微處理器以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊；光電傳感器用于將粒子散射光轉(zhuǎn)換為電信號，并放大；邏輯運(yùn)算部件通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊讀取測量信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的裝置，其特征在于發(fā)射光源包括由兩個不同波長的光源，邏輯運(yùn)算部件控制發(fā)射光源交替照射采樣氣流；包括一個光電傳感器，用于依次接收采樣氣流中粒子的散射光，得到兩個采樣信號SpS215
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的不同波長的光源,其特征在于一個光源為藍(lán)光，波長范圍為400-550納米，用于照射采樣氣流，產(chǎn)生信號S1，另一個光源為紅光或紅外光，波長范圍為650-1040納米，產(chǎn)生信號S2。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的裝置，其特征在于發(fā)射光源包括一個相同波長的光源，邏輯運(yùn)算部件控制發(fā)射光源照射采樣氣流；包括兩個光電傳感器，兩個光電傳感器的接收角度不同，用于接收采樣氣流中粒子的散射光，得到兩個采樣信號SpS215
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識別、計(jì)量煙霧粒子的裝置，其特征在于發(fā)射光源包括兩個相同波長的光源，兩個發(fā)射光源的發(fā)射角度不同，發(fā)射光源交替照射采樣氣流，包括一個光電傳感器，用于依次接收采樣氣流中粒子的散射光，得到兩個采樣信號Si、s2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種識別、計(jì)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(shù)目濃度下不相干原理，以及煙霧粒子是從無到有逐步產(chǎn)生的使用環(huán)境，通過連續(xù)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(jì)量煙霧粒子濃度，大大減少了非煙霧粒子干擾，降低了火警誤報(bào)，保持煙霧粒子濃度的相對靈敏度不變，減少了火警遲報(bào)、漏報(bào)情況，提高了火災(zāi)預(yù)警的可靠性，既可以用于普通光電煙感探頭，又可以用在極早期火災(zāi)預(yù)警中，拓寬了極早期產(chǎn)品的使用范圍。
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(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者樂志明 申請人:樂志明