本發(fā)明涉及火災(zāi)探測、報警技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于火災(zāi)探測、報警的、一種極早期吸氣式氣體火災(zāi)探測器及探測方法。

背景技術(shù)：

火災(zāi)是火在時間和空間上失去控制的一種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象。它是當(dāng)今世界上嚴(yán)重威脅人類生存和發(fā)展的災(zāi)害之一，是發(fā)生最頻繁且極具毀滅性的一種災(zāi)害，其直接財產(chǎn)損失約為地震的五倍，僅次于洪澇和干旱，但是其發(fā)生的頻度處于各種災(zāi)害的首位?；馂?zāi)遍及城市鄉(xiāng)村，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失、導(dǎo)致環(huán)境污染甚至生態(tài)失衡。僅在我國，2003年就發(fā)生火災(zāi)253，932起，死亡2，485人，受傷3，087人，造成的直接財產(chǎn)損失高達(dá)15.9億元；2004年共發(fā)生火災(zāi)252，704起，死亡2，558人，受傷2，969人，造成的直接財產(chǎn)損失則高達(dá)16.7億元。此外火災(zāi)產(chǎn)生的大量煙霧和CO、CO₂、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物等有害氣體，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞更是不可估量。

正是因為火災(zāi)具有很嚴(yán)重的危害，所以必須盡早有效地探測到火災(zāi)的發(fā)生，快速發(fā)出準(zhǔn)確的報警信號，從而能夠?qū)崿F(xiàn)早期滅火，并為人員安全疏散爭取寶貴的時間，盡量保護(hù)人民生命和財產(chǎn)的安全。當(dāng)前隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，財產(chǎn)和人口越來越相對集中，而且新能源、新材料、新設(shè)備更加廣泛地開發(fā)利用，因此火災(zāi)的發(fā)生也隨之不斷增加。為了在更早期探測到火災(zāi)的發(fā)生，我們必須在充分掌握火災(zāi)早期特性和火災(zāi)初期發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究更合理、有效的火災(zāi)探測技術(shù)。

1、火災(zāi)探測技術(shù)的歷史

1847年美國牙科醫(yī)生Channing和緬因大學(xué)教授Farmer研究出了世界上第一臺用于城鎮(zhèn)火災(zāi)報警的發(fā)送裝置，直到1890年英國成功研制了第一個感溫式火災(zāi)探測器，從此，人類開創(chuàng)了火災(zāi)自動探測報警技術(shù)的新紀(jì)元。一百六十多年來，在世界科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的浪潮中，火災(zāi)探測技術(shù)也得到快速的發(fā)展，基于各種火災(zāi)識別模式的火災(zāi)探測器相繼問世，并日臻完善。

從19世紀(jì)40年代至20世紀(jì)40年代，漫長的一百年中，感溫探測器一直處于主導(dǎo)地位，其靈敏度比較低，探測火災(zāi)的速度比較慢。最初，這樣的感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍事用途，受當(dāng)時國際環(huán)境的影響，軍事上的應(yīng)用是刺激火災(zāi)探測技術(shù)發(fā)展的一個很自然的原因。

到了20世紀(jì)50年代，瑞士物理學(xué)家Emst Meili制造出現(xiàn)代離子感煙探測器的雛形，感煙探測技術(shù)使人類早期火災(zāi)探測技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。離子感煙探測器出現(xiàn)之后，感溫探測器地位下降。截至1970年，離子感煙探測器己經(jīng)在歐洲安裝了近百萬只，迄今仍然占已經(jīng)安裝火災(zāi)探測器的90％。離子感煙探測器以絕對的優(yōu)勢統(tǒng)治了30年之久，在此期聞人們也在研究光電感煙技術(shù)，只是受限于種種技術(shù)原因不能得到實際應(yīng)用。20世紀(jì)70年代木，高壽命的光電元件技術(shù)取得突破，光電感煙探測器應(yīng)運(yùn)而生。離子感煙和光電感煙各有千秋，且有一定的互補(bǔ)性，如離子感煙對陰燃(沒有火焰的嫩燒)的響應(yīng)較慢，而光電感煙卻對粒徑小于0.4um的不可見煙不響應(yīng)。國外一直致力于研究發(fā)展光電感煙探測器，并取得長足進(jìn)步。在日本，光電感煙探測器的銷售量己經(jīng)占到90％，歐洲也在大幅度減少離子感煙探測器，在我國也是呈現(xiàn)這種趨勢。

2、火災(zāi)探測技術(shù)的現(xiàn)狀

現(xiàn)在，火災(zāi)探測技術(shù)得到了空前廣泛的應(yīng)用，尤其在歐美各國，火災(zāi)探測器幾乎應(yīng)用于各個領(lǐng)域，家庭住宅、寫字樓、工廠、政府機(jī)構(gòu)和軍事設(shè)施到處都有火災(zāi)探測技術(shù)的應(yīng)用。現(xiàn)有的火災(zāi)探測技術(shù)可以分為下面幾種主要類型

1)感溫火災(zāi)探測器是用來探測由于火災(zāi)而產(chǎn)生的溫度變化來發(fā)出報警信號。感溫火災(zāi)探測器種類繁多，根據(jù)其感溫方式可分為定溫式、差溫式及差定溫式三類。場地空間太高或空氣的氣流速度大于5m/s，都會影響感溫探測器的感應(yīng)。

2)感煙型火災(zāi)探測器是用來探測火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣并發(fā)出報警信號。感煙火災(zāi)探測器又可分為離子型、光電型、激光型、紅外光束型、圖像型和吸氣型感煙探測器等。

火災(zāi)發(fā)生后，溫度較高的火災(zāi)煙氣向上運(yùn)動，安裝于頂棚上的感煙探測器探測到煙氣的濃度大于某一極限濃度，就會發(fā)出報警信號。但如果火災(zāi)煙氣上升到十幾米或幾十米高處時，受到空氣的稀釋，其溫度和濃度都大大降低，到達(dá)頂棚的煙氣濃度達(dá)不到報警極限，感煙探頭就不會產(chǎn)生報警信號。另外，環(huán)境中的粉塵濃度過大也會引起感煙火災(zāi)探測器誤報警，并且長期的粉塵環(huán)境和過大的濕度也會使感煙型探測器失效，產(chǎn)生誤報或不報。

3)感光火災(zāi)探測技術(shù)是響應(yīng)火焰輻射的紅外光、紫外光或者可見光的火災(zāi)探測技術(shù)，主要是火焰探測技術(shù)。目前主要有紅外火焰探測器、紫外火焰探測器、紅外紫外感光融合后的雙波段或三波段火焰探測器，以及采用CCD成像器件的雙波段火焰探測器。這種探測器由于判據(jù)單一，容易對高功率熱源或強(qiáng)光產(chǎn)生誤報警。

4)復(fù)合型的火災(zāi)探測器并沒有完全消除以上的缺點(diǎn)，只是增加判據(jù)的數(shù)目，使探頭的整體性能有改善。

3、火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展趨勢和火災(zāi)氣體探測

盡管經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，火災(zāi)探測技術(shù)仍需要大力發(fā)展，早期報警、減少誤報和漏報始終是困擾各國火災(zāi)科技工作者的重要問題。由前面的分析可知各種火災(zāi)探測技術(shù)都有其適用范圍，且存在一些固有的問題。現(xiàn)今火災(zāi)探測研究的重點(diǎn)是如何量化探測器所處的火災(zāi)和非火災(zāi)環(huán)境，更早更可靠地發(fā)出火災(zāi)危險信號，其發(fā)展趨勢主要有兩個方向：

1.發(fā)展新的傳感技術(shù)以及基于此的火災(zāi)探測技術(shù)。

2.基于現(xiàn)有的探測原理方法，與其它技術(shù)交叉，改進(jìn)信號采集、處理電路和方法，發(fā)展新的火災(zāi)辨識算法等，來改善系統(tǒng)性能。

具體的研究熱點(diǎn)集中在火災(zāi)氣體探測和復(fù)合探測兩個主要方向，并且越來越多的研究表明，火災(zāi)氣體探測是實現(xiàn)火災(zāi)早期可靠報警極有前景的方向?；馂?zāi)氣體濃度作為火災(zāi)探測的特征參量，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?；馂?zāi)所產(chǎn)生的氣體需要更少的熱量驅(qū)動就可以快速上升，一些氣體(如CO和CH₄)由于比空氣輕，甚至不需要熱量的驅(qū)動，就能非常容易地擴(kuò)散和上升：而且，火災(zāi)氣體探測系統(tǒng)能夠采用主動吸氣采樣的工作方式，這對于火災(zāi)探測器的布置靈活性和在火災(zāi)早期探測到火災(zāi)信息非常重要?？偟膩碚f與其他技術(shù)相比較在大多數(shù)情況下更適合于火災(zāi)早期探測，且在抗干擾方面更具有優(yōu)勢，所以針對火災(zāi)探測技術(shù)所追求的更高靈敏度和可靠性的火災(zāi)早期報警，火災(zāi)氣體探測受到火災(zāi)探測科技工作者的廣泛重視。這幾年，氣體傳感技術(shù)有了長足進(jìn)步，尤其基于紅外氣體分析的能同時監(jiān)測多種氣體濃度的多通道紅外熱釋電氣體探測器技術(shù)取得了突破，因此，我公司順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢。研發(fā)了一種極早期吸氣式氣體火災(zāi)探測，彌補(bǔ)了當(dāng)前技術(shù)及產(chǎn)品空缺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種極早期吸氣式氣體火災(zāi)探測器及探測方法，通過氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)、風(fēng)速流量測量系統(tǒng)和火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)實現(xiàn)極早期吸氣式氣體火災(zāi)報警，不易產(chǎn)生誤報警，具有更高靈敏度和更高的可靠性。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

一種極早期吸氣式氣體火災(zāi)探測器，包括裝置本體，以及設(shè)在裝置本體上的氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)、風(fēng)速流量測量系統(tǒng)和火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)；

所述氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)包括多循環(huán)吸氣室和紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)；

所述多循環(huán)吸氣室包括設(shè)在吸氣室上的進(jìn)氣孔、與進(jìn)氣孔相連通的吸氣泵、與吸氣泵對應(yīng)的氣流腔，在氣流腔的末端吸氣室上設(shè)有出氣孔，在氣流腔的一側(cè)連通有過濾裝置；

所述紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)包括與過濾裝置相連通的循環(huán)腔，循環(huán)腔中對稱設(shè)置有紅外多光路氣體測量機(jī)構(gòu)，在循環(huán)腔中設(shè)有循環(huán)氣孔，循環(huán)氣孔連通至進(jìn)氣孔；

所述風(fēng)速流量測量系統(tǒng)與系統(tǒng)火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)相連；

所述火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)包括主芯片控制電路CPU，主芯片控制電路CPU分別與風(fēng)速流量測量系統(tǒng)、多循環(huán)吸氣室和紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)相連，火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)上設(shè)有聲光報警電路及繼電器輸出電路、顯示電路和鍵盤輸入系統(tǒng)。

進(jìn)一步，所述氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)分布有多個，在每個氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)上均設(shè)有一個探測器數(shù)據(jù)處理電路。

進(jìn)一步，所述過濾裝置包括導(dǎo)流板，與導(dǎo)流板相對應(yīng)設(shè)置的過濾層，在過濾層中分別設(shè)有不同密度的濾材，其中在進(jìn)氣口中的濾材密度小于出氣口的濾材密度。

進(jìn)一步，所述紅外多光路氣體測量機(jī)構(gòu)在循環(huán)腔腔體內(nèi)分布有兩組，分別是兩個紅外發(fā)光管、四個紅外光探測器、兩組透鏡及反光鏡，兩個紅外發(fā)光管、四個紅外光探測器分別相向交錯布置；紅外發(fā)光管設(shè)在循環(huán)腔室壁上，紅外光探測器上帶有濾光片，與紅外發(fā)光管設(shè)在同一個循環(huán)腔室壁上，透光鏡設(shè)在紅外發(fā)光管室壁的對應(yīng)面上，在透光鏡中部設(shè)有鍍有鍍膜的反光鏡。

進(jìn)一步，所述紅外發(fā)光管采用直徑在3.17mm的白熾燈作為光源，屬于熱輻射型光源，波長從可見光到20μm，適合CO4.65μm和參考光源3.91μm的測量。

進(jìn)一步，所述濾光片為不同的濾光片，分別為中心波長是4.65μm、半帶寬是180nm的信號濾光片，或為中心波長是3.91μm、半帶寬是90nm的參考濾光片。

進(jìn)一步，所述火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)的主芯片控制電路CPU分別與風(fēng)速流量測量系統(tǒng)中的流量傳感器和紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)中的紅外光探測器相連，主芯片控制電路CPU通過電源電路連接紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)中的調(diào)制電路、紅外發(fā)光管和多循環(huán)吸氣室；流量傳感器上設(shè)有傳感器數(shù)據(jù)處理電路，紅外光探測器上設(shè)有探測器數(shù)據(jù)處理電路。

進(jìn)一步，所述氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)中的多循環(huán)吸氣室為敞開式，紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)為對射和反射式；同時鏡面凝霧、灰塵等污染對測量的結(jié)果沒有影響，光路及氣室更可靠地工作。

相應(yīng)地，本發(fā)明給出了一種極早期吸氣式氣體火災(zāi)探測器的火災(zāi)探測方法，包括下述步驟：

1)由吸氣泵負(fù)壓將被測氣體自進(jìn)氣孔吸入氣流腔，一部分被測氣體自出氣孔流出，一部分被測氣體自樣氣進(jìn)氣孔經(jīng)過濾裝置進(jìn)入循環(huán)腔；

2)被測氣體經(jīng)過濾裝置中不同密度濾棉過濾后，在循環(huán)腔中經(jīng)紅外多光路氣體測量機(jī)構(gòu)中由兩個交替的以脈沖方式發(fā)光的紅外發(fā)光管，和四個紅外光探測器各自交替產(chǎn)生共八個信號，經(jīng)探測器數(shù)據(jù)處理電路將該信號傳輸至火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)的主芯片控制電路；

3)被測氣體經(jīng)循環(huán)氣孔至進(jìn)氣孔，再在吸氣泵負(fù)壓作用下與進(jìn)氣孔中新進(jìn)入的被測氣體共同進(jìn)入氣流腔至循環(huán)腔中，經(jīng)紅外多光路氣體測量機(jī)構(gòu)循環(huán)測量，火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)得到火災(zāi)探測值；

4)如果火災(zāi)探測值大于系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的警戒值，則聲光報警電路發(fā)出報警，并經(jīng)顯示電路輸出。

進(jìn)一步，設(shè)兩個紅外發(fā)光管的輻射強(qiáng)度分別為I₁和I₂，四個紅外光探測器的響應(yīng)度分別為R₁，R₂，R₃，R₄；當(dāng)驅(qū)動紅外發(fā)光管Ⅰ發(fā)出脈沖光時，紅外光探測器Ⅰ和紅外光探測器Ⅱ接收到的是直接來自紅外發(fā)光管Ⅰ的輻射，紅外光探測器Ⅲ和紅外光探測器Ⅳ接收到的是穿過氣室的紅外輻射；由于被測氣體對λ₂的紅外輻射不吸收，所以紅外光探測器Ⅳ的輸出僅與腔室的透射比有關(guān)；被測氣體對λ₁的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收，所以紅外光探測器Ⅲ的輸出不僅與氣室的透射比有關(guān)，還與吸收氣體的透射比有關(guān)；四個紅外光探測器輸出的電壓分別為

式中，λ₁為被測氣體的特征波長，稱為測量波長；λ₂為被測氣體及混合氣體中主要干擾組分不吸收的波長，稱為參比波長；τ_a為被測氣體的透射比；τ₀為氣室的透射比；

當(dāng)驅(qū)動紅外發(fā)光管Ⅱ發(fā)出脈沖光時，紅外光探測器Ⅲ和紅外光探測器Ⅳ接收到的是直接來自紅外發(fā)光管Ⅱ的輻射，紅外光探測器Ⅰ和紅外光探測器Ⅱ接收到的是穿過氣室的紅外輻射，四個紅外光探測器輸出的電壓分別為

由關(guān)系式

得到一個與紅外光探測器響應(yīng)度和紅外發(fā)光管輻射強(qiáng)度無關(guān)并且與成正比的信號；τ_a與氣室長度和被測氣體濃度存在如下關(guān)系

τ_a＝e^-kcl (4)

式中，k為吸收氣體的吸收截面；c為被測氣體濃度；l為氣室長度。

本發(fā)明的有益效果是:

1)本發(fā)明設(shè)計了一種由主動吸氣式氣體火災(zāi)探測器；其中主動循環(huán)吸氣式紅外多光路氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)，在氣體濃度檢測方面，不僅補(bǔ)償了由于溫度變化所帶來的影響，而且也補(bǔ)償了由于紅外發(fā)光管輸出功率的變化、探測器響應(yīng)度的變化產(chǎn)生的信號波動、探測器的失配、由灰塵或光學(xué)元件的磨損而引起的氣室透射比的變化帶來的影響，實現(xiàn)了光源和探測器光譜特性與被測氣體特征吸收帶的匹配。同時氣體濃度測量系統(tǒng)依靠吸氣室循環(huán)腔內(nèi)的循環(huán)氣流取樣檢測氣體濃度，保證對環(huán)境氣體時時采集計量，并且由于吸氣泵進(jìn)氣孔產(chǎn)生的負(fù)壓，擴(kuò)大氣體濃度測量采集范圍，使氣體濃度測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大到高達(dá)空間等領(lǐng)域。

2)此發(fā)明在火災(zāi)報警領(lǐng)域能夠在傳統(tǒng)火災(zāi)報警的基礎(chǔ)上，提前30-60分鐘報警。

本發(fā)明的主要特點(diǎn)：

A、極高的靈敏度：獨(dú)特的火災(zāi)探測介質(zhì)決定了探測器更高的靈敏度及更穩(wěn)定的效果。在火災(zāi)的形成階段，CO比煙霧的生成時間更早，同時CO的比重比煙霧更小(比空氣輕)，更易于發(fā)散，以CO作為火災(zāi)探測的依據(jù)比煙霧探測能夠更早更及時發(fā)現(xiàn)潛在火災(zāi)；并且，同時利用CO2或更多氣體作為參照比傳統(tǒng)的吸氣式煙霧探測器的誤報率更低。

B、獨(dú)特的探測方式：多通道多路傳感器保證探測器準(zhǔn)確度不受元器件信號波動的影響，并且不受光路污染的影響。探測器采集管路可在普通PVC管上打幾個孔即可。還可用軟管直接從被保護(hù)的設(shè)備里直接取樣，因此安裝形式靈活多樣、調(diào)試簡單、保護(hù)范圍廣。

C、“零”誤報率：以往吸氣式感煙探測器的靈敏度和誤報率是一對矛盾，靈敏度越高，誤報率也會越高。但多參量極早期吸氣式氣體火災(zāi)報警系統(tǒng)卻能徹底解決這一矛盾，達(dá)到零誤報的目的，這主要基于它采用了以下的技術(shù)：環(huán)境自動學(xué)習(xí)功能，可以對環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)；然后，傳感器不受灰塵(微小顆粒)，同樣，傳感器只針對CO和CO2感應(yīng)(感應(yīng)的參量可以設(shè)置增加)，不受非目標(biāo)測量物的干擾；同時，探測器根據(jù)探測目標(biāo)之間的標(biāo)準(zhǔn)差作為火災(zāi)的判斷，而不是單獨(dú)一種氣體的測量參數(shù)，完全杜絕了環(huán)境因素的影響。

D、超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能：多參量極早期吸氣式氣體火災(zāi)報警系統(tǒng)可與點(diǎn)型感煙、感溫探測器、手動報警按鈕等兼容成為一個完整的消防自動報警系統(tǒng)。此外空氣采樣式感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)各主機(jī)間可用RS485接口通過電纜等組成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)集中式網(wǎng)絡(luò)化管理。

E、用戶接口：空氣采樣式感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)為用戶提供了故障、預(yù)警、火警等繼電器無源接點(diǎn)輸出和RS485標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可方便用于聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程通訊。

F、無源的探測和傳輸方式：由于采用PVC管直接從被保護(hù)區(qū)域或被保護(hù)對象直接采取空氣樣本。探頭與主機(jī)之間沒有電源線和信號傳輸線。所以，可以在防爆場所和強(qiáng)電磁干擾場所大顯身手，讓傳統(tǒng)系統(tǒng)望塵莫及。

G、簡單的管路安裝方式：與傳統(tǒng)探測器的布線不同，早期報警設(shè)備采用PVC管網(wǎng)布置，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于：安裝極其簡便，避免了繁瑣的連線、安裝調(diào)試工作。安裝形式多樣，可以采用不同的布設(shè)方式，例如：架設(shè)在天花板的下方、地板的下方、回風(fēng)口處等，以適應(yīng)不同環(huán)境的要求?？捎糜趥鹘y(tǒng)探頭無法探測的區(qū)域，例如：變電柜、高架地板、電纜槽、冷凍室、開闊高挑空間等、有易燃易爆物和強(qiáng)電磁強(qiáng)輻射干擾的場所等。

H、維護(hù)、保養(yǎng)方便：只需定期對抽取樣本的PVC管道作氣壓式清潔，根據(jù)環(huán)境要求，不定期地清潔或更換過濾網(wǎng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是多光路氣體測量機(jī)構(gòu)的多循環(huán)式吸氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是多光路氣體測量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)原理框圖；

圖5是本發(fā)明測量裝置正面顯示圖。

圖中：1、進(jìn)氣孔；2、吸氣泵；3、氣流腔；4、出氣孔；5、過濾裝置；6、樣氣進(jìn)氣孔；7、循環(huán)腔；8、多光路氣體測量機(jī)構(gòu)；01、紅外發(fā)光管Ⅰ；801、紅外光探測器Ⅰ；802、紅外光探測器Ⅱ；02、紅外發(fā)光管Ⅱ；803、紅外光探測器Ⅲ；804、紅外光探測器Ⅳ；811、濾光片Ⅰ；812、濾光片Ⅱ；813、濾光片Ⅲ；814、濾光片Ⅳ；815、透光鏡Ⅰ；816、反光鏡Ⅰ；817、透光鏡Ⅱ；816、反光鏡Ⅱ；9、循環(huán)氣孔；10、火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)；11、風(fēng)速流量測量系統(tǒng)；12、液晶顯示器；13、按鍵；14、指示燈。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不作為對發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1所示，本發(fā)明極早期吸氣式氣體火災(zāi)探測器，包括裝置本體，設(shè)在裝置本體上的氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)、風(fēng)速測量系統(tǒng)11和火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)10。

如圖2所示，氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)包括多循環(huán)吸氣室和多光路光學(xué)系統(tǒng)；氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)分布有一個或多個，在每個氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)上均設(shè)有一個探測器數(shù)據(jù)處理電路。

多循環(huán)吸氣室包括設(shè)在吸氣室上的進(jìn)氣孔1、與進(jìn)氣孔1相連通的吸氣泵2、與吸氣泵對應(yīng)的進(jìn)氣通道3，在進(jìn)氣通道的末端吸氣室上設(shè)有排氣孔4，在進(jìn)氣通道的一側(cè)連通有過濾裝置5。

多光路光學(xué)系統(tǒng)包括與過濾裝置5相連通的循環(huán)腔7，循環(huán)腔7中對稱設(shè)置有多光路氣體測量機(jī)構(gòu)8，在循環(huán)腔7中設(shè)有循環(huán)氣孔9，循環(huán)氣孔9連通至進(jìn)氣孔1。

風(fēng)速流量測量系統(tǒng)包括風(fēng)速測量傳感器和電子控制部分；風(fēng)速測量傳感器采用雙溫度傳感器，風(fēng)速傳感器與系統(tǒng)火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)相連。電子控制部分包括主芯片及放大運(yùn)算電路。

火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)10包括主芯片控制電路CPU，主芯片控制電路CPU分別與風(fēng)速流量測量系統(tǒng)中的流量傳感器、多循環(huán)吸氣室和多光路光學(xué)系統(tǒng)的紅外光探測器相連，主芯片控制電路CPU通過電源電路連接紅外多光路光學(xué)系統(tǒng)中的調(diào)制電路、紅外發(fā)光管和多循環(huán)吸氣室；流量傳感器上設(shè)有傳感器數(shù)據(jù)處理電路，紅外光探測器上設(shè)有紅外光探測器數(shù)據(jù)處理電路?；馂?zāi)分析控制電路系統(tǒng)上設(shè)有聲光報警電路及繼電器輸出電路、顯示電路和鍵盤輸入系統(tǒng)。本發(fā)明氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)分布有多個，在每個氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)上均設(shè)有一個探測器數(shù)據(jù)處理電路。

如圖2所示，過濾裝置5包括導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的通道為樣氣進(jìn)氣孔6；與導(dǎo)流板相對應(yīng)設(shè)置的過濾層，在過濾層中分別設(shè)有不同密度的濾材，其中在進(jìn)氣口中的濾材密度小于出氣口的濾材密度。

如圖3所示，多光路氣體測量機(jī)構(gòu)8在循環(huán)腔腔體內(nèi)分布有兩組，分別是兩個紅外發(fā)光管Ⅰ01和Ⅱ02、四個紅外光探測器Ⅰ801、Ⅱ802、Ⅲ803、Ⅳ804，兩組透光鏡Ⅰ815和Ⅱ817及反光鏡Ⅰ816和Ⅱ818，兩組分別相向交錯布置；紅外發(fā)光管Ⅰ01設(shè)在循環(huán)腔室壁上，四個紅外光探測器上分別帶有濾光片Ⅰ811、Ⅱ812、Ⅲ813、Ⅳ814，與紅外發(fā)光管設(shè)在同一個循環(huán)腔室壁上，透光鏡設(shè)在紅外發(fā)光管室壁的對應(yīng)面上，在透光鏡中部設(shè)有鍍有鍍膜的反光鏡。

下面分別對本發(fā)明多光路氣體測量機(jī)構(gòu)采用的器件進(jìn)行說明。

1.紅外光源

本發(fā)明多光路氣體測量機(jī)構(gòu)8包括兩個2-20μm紅外發(fā)光管，兩個集成3.90μm和為4.65μm濾光片、全反射反光鏡及紅外光探測器光學(xué)器件(如果要探測C0₂和CH₄把4.65μm的濾光片及紅外光探測器換成4.24μm或3.3μm就可以，同時計量多種氣體的話，可以把多種波長的濾光片及紅外光探測器集成一起。)

由于一氧化碳的紅外吸收峰在4.65μm左右處，大氣窗口波長在3.90um左右，所以為了保證光源在這個范圍內(nèi)有較強(qiáng)的光強(qiáng)，我們選用一種直徑在3.17mm左右的白熾燈作為光源，屬于熱輻射型光源，波長從可見光到20μm，適合CO4.65μm和參考光源3.91μm的測量。

紅外光源有如下特點(diǎn)：

輸出譜線擴(kuò)展到中紅外區(qū)的20μm左右；高可靠性；穩(wěn)定的輸出；短時間常數(shù)τ＝12ms；長壽命：工作在5伏電源時?？蛇_(dá)40000小時。

濾光片：采用雙波長雙光路方案，光源采用紅外光源，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)計適當(dāng)?shù)臑V光片。在檢測氣室后、探測器之前，使用兩塊中心波長不同的濾光片進(jìn)行濾光。濾光片的中心波長一般選擇在一氧化碳吸收峰和在一氧化碳吸收很弱或不吸收處(參考波長)同時要避免其他氣體分子的吸收。

2.濾光片

我們使用的是中紅外4.65μm附近的一氧化碳?xì)怏w吸收帶，根據(jù)所選擇的白熾燈發(fā)光特性，這里選擇干涉濾光片的性能參數(shù)如下

信號濾光片：中心波長是4.65，半帶寬是180nm。

參考濾光片：中心波長是3.91μm，半帶寬是90nm。

3.紅外傳感器

熱釋電探測器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的。當(dāng)紅外光照射到物體上時，物體表面快速的溫度變化使晶體自發(fā)極化強(qiáng)度改變，表面電荷發(fā)生變化，這就是熱釋電效應(yīng)。熱釋電探測器一般不需要制冷，易于使用和維護(hù)、可靠性好，光譜響應(yīng)與波長無關(guān)，為無選擇性探測器，制備工藝相對簡單，成本較低。紅外熱釋電探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用方便。

基于本發(fā)明所用的紅外輻射變化迅速，對反應(yīng)速度要求快，我們選用一款雙通道補(bǔ)償型型熱釋電探測器。

傳感器性能如下：

時間常數(shù)：τ＝12ms；響應(yīng)：150,000V/W；響應(yīng)波長：4.65(180)μm和3.91(90)μm。

4.吸氣泵參數(shù)

尺寸：40*40*28mm；工作電壓：12VDC(7-13.2VDC)；轉(zhuǎn)速：15000R.P.M(REF)；風(fēng)速：0.76m³/min。

5.風(fēng)速傳感器

本發(fā)明設(shè)計一種兩個溫度傳感器組成氣流計量裝置。采用一個恒功率即恒流源給傳感器加熱,產(chǎn)生一定的恒定功率輸出,傳感器總比周圍環(huán)境空氣介質(zhì)溫度高出一定的恒定溫度?？諝饬鲃訒r帶走傳感器(1)的熱量的多少與空氣流體的流速、流量、氣體分子的多少成正比,熱敏電阻傳感器(2)阻值亦隨之減小,于此同時,加熱傳感器自動補(bǔ)充被氣體分子帶走的熱量,由于傳感器(1)有恒定的熱功率輸出,傳感器Ⅰ與傳感器Ⅱ之間有一個溫度差，即恒溫差。測量電路就是抓住恒溫差轉(zhuǎn)換的電壓差信號,通過加減乘除和開1/4次方儀表芯片運(yùn)算放大及熱電阻非線性信號的模擬電路信號處理。既使氣體的溫度變化,介質(zhì)溫度變化,但沒有流動,模擬檢測的輸出仍然是零。

腔體內(nèi)分布兩個紅外發(fā)光管、四個紅外光探測器、兩組透鏡及反光鏡組成紅外多光路氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)。其中由兩個紅外發(fā)光管交替的以脈沖方式發(fā)光，經(jīng)過兩組透鏡及反光鏡組成光學(xué)機(jī)構(gòu)，使得四個探測器各自交替產(chǎn)生兩個信號，共八個信號。由兩組四個信號對比，得到一個氣體濃度只與透射比、室長、室橫截面積有關(guān)的函數(shù)。室長和室橫截面積固定，氣體濃汁只與氣體濃度有關(guān)系。

此設(shè)計不僅補(bǔ)償了由于溫度變化所帶來的影響，而且也補(bǔ)償了由于紅外發(fā)光管輸出功率的變化、探測器響應(yīng)度的變化產(chǎn)生的信號波動、探測器的失配、由灰塵或光學(xué)元件的磨損而引起的氣室透射比的變化帶來的影響，實現(xiàn)了光源和探測器光譜特性與被測氣體特征吸收帶的匹配。

其中吸氣泵處于樣氣進(jìn)氣孔與循環(huán)氣孔之間，造成循環(huán)氣孔處負(fù)壓，循環(huán)氣室的氣體自動由樣氣進(jìn)氣孔的高壓區(qū)自動向循環(huán)氣孔流動。此設(shè)計不僅補(bǔ)償了由于溫度變化所帶來的影響，而且也補(bǔ)償了由于紅外發(fā)光管輸出功率的變化、探測器響應(yīng)度的變化產(chǎn)生的信號波動、探測器的失配、由灰塵或光學(xué)元件的磨損而引起的氣室透射比的變化帶來的影響，實現(xiàn)了光源和探測器光譜特性與被測氣體特征吸收帶的匹配；同時由循環(huán)氣流處于動態(tài)，保證檢測結(jié)果的時時性。

系統(tǒng)依靠吸氣室循環(huán)腔內(nèi)的循環(huán)氣流取樣檢測氣體濃度，保證對環(huán)境氣體時時采集計量，同時由于吸氣泵進(jìn)氣孔產(chǎn)生的負(fù)壓，擴(kuò)大測量系統(tǒng)采集范圍，使測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大到高達(dá)空間等領(lǐng)域。

火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)包括主芯片控制電路、電源轉(zhuǎn)換電路、顯示及信號輸入輸出電路。

如圖4所示，火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)10包括主芯片控制電路CPU，主芯片控制電路CPU分別與風(fēng)速流量測量系統(tǒng)中的流量傳感器和多光路光學(xué)系統(tǒng)中的紅外光探測器相連，主芯片控制電路CPU通過電源電路連接多光路光學(xué)系統(tǒng)中的調(diào)制電路、紅外發(fā)光管和多循環(huán)吸氣室。流量傳感器上設(shè)有傳感器數(shù)據(jù)處理電路，紅外光探測器上設(shè)有紅外光探測器數(shù)據(jù)處理電路。多循環(huán)吸氣室和多光路光學(xué)系統(tǒng)相連，火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)上設(shè)有聲光報警電路及繼電器輸出電路、顯示電路和鍵盤輸入系統(tǒng)。

圖5是本發(fā)明測量裝置正面解雇示意圖，在裝置面板上分別設(shè)有液晶顯示器12、按鍵13和指示燈14。

下面通過多光路紅外氣體濃度檢測系統(tǒng)工作原理來進(jìn)一步說明本發(fā)明。

1、多光路光學(xué)系統(tǒng)

本發(fā)明主要原理是針對CO一種氣體，采用雙光源四探測器組成的多光路紅外氣體濃度測量光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2、3所示。設(shè)λ₁為被測氣體的特征波長，稱為測量波長；λ₂為被測氣體及混合氣體中主要干擾組分不吸收的波長，稱為參比波長。在紅外光探測器Ⅰ801和紅外光探測器Ⅲ803之前均放置波長為λ₁的濾光片，使得照射到這兩個紅外光探測器上的紅外輻射僅為λ₁的輻射；在紅外光探測器Ⅱ802和紅外光探測器Ⅳ804之前均放置λ₂的濾光片，使得照射到這兩個紅外光探測器上的紅外輻射僅為λ₂的輻射。兩個紅外發(fā)光管交替地以脈沖方式發(fā)射，這使得每個紅外光探測器都交替產(chǎn)生兩個信號，共八個信號。這八個信號取決于紅外發(fā)光管的輻射強(qiáng)度I、紅外光探測器的響應(yīng)度R、被測氣體的透射比τ_a以及氣室的透射比τ₀。

設(shè)紅外發(fā)光管Ⅰ01和紅外發(fā)光管Ⅱ02的輻射強(qiáng)度分別為I₁和I₂，紅外光探測器Ⅰ801、紅外光探測器Ⅱ802、紅外光探測器Ⅲ803和紅外光探測器Ⅳ804的響應(yīng)度分別為R₁，R₂，R₃，R₄。當(dāng)驅(qū)動紅外發(fā)光管Ⅰ01發(fā)出脈沖光時，紅外光探測器Ⅰ801和紅外光探測器Ⅱ802接收到的是直接來自紅外發(fā)光管Ⅰ01的輻射，紅外光探測器Ⅲ803和紅外光探測器Ⅳ804接收到的是穿過氣室的紅外輻射。由于被測氣對λ₂的紅外輻射不吸收，所以紅外光探測器Ⅳ804的輸出僅與腔室的透射比有關(guān)。被測氣體對λ₁的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收，所以紅外光探測器Ⅲ803的輸出不僅與氣室的透射比有關(guān)，還與吸收氣體的透射比有關(guān)。紅外光探測器Ⅰ801、紅外光探測器Ⅱ802、紅外光探測器Ⅲ803和紅外光探測器Ⅳ804輸出的電壓分別為

當(dāng)驅(qū)動紅外發(fā)光管Ⅱ02發(fā)出脈沖光時，紅外光探測器Ⅲ803和紅外光探測器Ⅳ804接收到的是直接來自紅外發(fā)光管Ⅱ02的輻射，紅外光探測器Ⅰ801和紅外光探測器Ⅱ802接收到的是穿過氣室的紅外輻射。與上述原理相同，紅外光探測器Ⅰ801、紅外光探測器Ⅱ802、紅外光探測器Ⅲ803和紅外光探測器Ⅳ804輸出的電壓分別為

結(jié)合關(guān)系式

由此產(chǎn)生出一個與紅外光探測器響應(yīng)度和紅外發(fā)光管輻射強(qiáng)度無關(guān)并且與成正比的信號。τ_a與氣室長度和被測氣體濃度存在如下關(guān)系

τ_a＝e^-kcl (4)

式中，k為吸收氣體的吸收截面；c為被測氣體濃度；l為氣室長度。則可表示成

K、e、τ_a和l為定值。

本發(fā)明紅外氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，可以將上述光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成反射式，氣室設(shè)計成敞開式。同時消除鏡面凝霧對測量的影響、防止灰塵對氣室的污染，使光路及氣室更可靠地工作。

2、吸氣泵的管路設(shè)計----多循環(huán)式吸氣室

本發(fā)明多循環(huán)式吸氣室中循環(huán)氣孔9出口位于進(jìn)氣孔1位置，吸氣泵2處于樣氣進(jìn)氣孔6與循環(huán)氣孔9之間，由于吸氣泵2的動力造成進(jìn)氣孔1處的負(fù)壓區(qū)和墻體內(nèi)的高壓區(qū)，造成氣體主動從樣氣進(jìn)氣孔6流向循環(huán)氣孔9；這樣，光學(xué)測量系統(tǒng)可以循環(huán)測量被測氣體，保證測量腔體內(nèi)氣體與環(huán)境時時流通的同時，彌補(bǔ)光學(xué)系統(tǒng)燈光閃爍間隙，由于氣流過快，損失探測機(jī)會，保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3、風(fēng)速流量測量系統(tǒng)

本發(fā)明設(shè)計一種兩個溫度傳感器組成氣流計量裝置。采用一個恒功率即恒流源給傳感器加熱，產(chǎn)生一定的恒定功率輸出，傳感器總比周圍環(huán)境空氣介質(zhì)溫度高出一定的恒定溫度?？諝饬鲃訒r帶走傳感器Ⅰ的熱量的多少與空氣流體的流速、流量、氣體分子的多少成正比，熱敏電阻傳感器Ⅱ阻值亦隨之減小，于此同時，加熱傳感器自動補(bǔ)充被氣體分子帶走的熱量，由于傳感器Ⅰ有恒定的熱功率輸出，傳感器Ⅰ與傳感器Ⅱ之間有一個溫度差，即恒溫差。測量電路就是抓住恒溫差轉(zhuǎn)換的電壓差信號，通過加減乘除和開1/4次方儀表芯片運(yùn)算放大及熱電阻非線性信號的模擬電路信號處理。既使氣體的溫度變化，介質(zhì)溫度變化，但沒有流動，模擬檢測的輸出仍然是零。

4、火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)

火災(zāi)分析控制電路系統(tǒng)包括主芯片控制電路、電源轉(zhuǎn)換電路、顯示及信號輸入輸出電路。

本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。