CN101120243A - 在电单元中减轻凝结的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种非分散性红外气体检测器，包括凝结消除加热器。该加热器能够响应从环境传感器接收的信号，而间歇性地通电。来自检测器中气体传感器的信号可以被处理，以确定何时给加热器通电。
Description
技术领域
本发明涉及环境条件检测器，所述检测器包括易受凝结影响的光学元件。尤其是，本发明涉及包括至少一个光学元件的气体检测器。
背景技术
各种公知类型的气体和烟雾检测器包含光学元件。这些光学元件可以包括透镜或反射体，它们用于相对于传感元件(例如光电二极管或其它形式的光/电转换器)指引光线或汇聚光线。这种光学元件在以下方面被认为是有用的和适合的：即在这种检测器中，它们可以提供改善的性能和减小的尺寸。然而，它们易受凝结在其上的空中水蒸气的影响，从而恶化它们的性能。
应当承认，凝结能够发生在较冷(相对于较暖的、引入的携带湿气的环境空气)的光学表面上。这种温差导致空中水蒸汽凝结在光学表面上。
在许多实例中，如果检测器被从较冷的环境条件带到较暖的环境条件，则尤其易于发生凝结。如果较暖的环境空气的湿度较高，这更加成为一个问题。
已知在一种检测器中连续地加热光学表面，以保持其温度超过露点。在这种已知的检测器中，加热处理是连续地进行。当然，这样要求连续地向检测器提供一定量的电能，而仅仅是为了加热相应的光学元件。
对检测器持续地存在这样的需求，即要求较低的平均能量，而同时还要执行相关光学元件的适当的加热功能，也就是现有的情况。此外，需要能够改善电池寿命和降低用于将多个检测器和公共电能以及遥控系统互相连接的任何电线的能量需求。优选的是，在能够实现这种改善的运转功效时，不相当大地提高元件成本、制造成本或这种检测器的复杂性。
附图说明
图1为根据本发明的检测器的侧剖视图；
图1A为图1的检测器的方框图，其中示出了所述检测器的附加特征；
图2示出了根据本发明的一种形式的信号处理；
图3A和图3B一起示出了根据本发明的第二种形式的信号处理；
图4为示出了根据本发明的信号处理方法的流程图；以及
图5为根据本发明的处理信号的替代方法。
具体实施方式
尽管本发明的实施例可以采取许多不同的形式，然而在附图中示出并且将在此进行详细描述的本发明的具体实施例应当被理解为：当前的公开被认为是本发明的原理的例证，而并不旨在将本发明限制在示出的具体实施例。
在公开的实施例，NDIR(非分散性红外)检测器包含传感器腔室，所述传感器腔室被包封在检测器壳体中。所述传感器腔室具有空气入口，所述空气入口可以由气体可渗透过滤器封闭，以将污染物阻挡在传感腔室外。
传感腔室的一端具有辐射能或光发射器，其朝向位于腔室的另一端的反射体发光。所述光发射器发射初始亮度的光频，所述光频被所传感的气体吸收。反射体聚焦所反射的光线至设置在发射器附近的接收器。存在气体时接收光的亮度与不存在气体时的亮度的比率确定了气体浓度。
在一个实施例中，光将传播传感腔室的长度两次，以增加被传感的气体的吸收特征。光发射器和光接收器连接成回路，该回路提供驱动和传感电路。这种电路解析光接收器信号，从而确定气体浓度。
如上所述的腔室在2003年7月25日递交的、名称为“用于气体检测器的腔室(Chamber for Gas Detector)”的、并且已经转让给受让人的美国专利申请No.10/627,361中公开。该申请在此通过参考并入。
检测器还包含用于，至少部分地用于控制传感腔室中或传感腔室附近的电路，这样当向加热器供电时，该电路将加热反射体。可以利用至少一个环境传感器来传感环境的预定特征。传感器连接至能够随着该特征变化地控制加热器的电路。所述环境传感器可以是温度传感器、湿度传感器、凝结传感器、或其它类型的，提供能够用于评估发生在反射体上的凝结的潜在性的信息的传感器中的一种。
可以选择至少一个内部传感器来传感传感腔室的内部特征。该内部传感器可以是温度传感器、湿度传感器、凝结传感器、或其它类型的，提供能够用于评估发生在反射体上的凝结的潜在性的信息的传感器中的一种。
当环境传感器和相联结的电路确定预定特征存在时，电路将接通至加热器的电压驱动，这样加热器加热，并由此加热反射体。当电路确定反射体已经被加热到相对于环境的预定温度时，电路将切断至加热器的电压驱动，以节约电能。
仅在可能引起在反射体上发生凝结的环境条件下，并且由此仅在有限的时间内，电能被接通至加热器。由此，用于加热反射体，以防止凝结所要求的平均电能在绝大部分时间都非常低。所要求的加热随着环境传感而变化。
在另一方面，检测器还可以包含传感腔室的条件的内部传感器，以向电路提供附加信息，来确定应当被施加至加热器的电压驱动的时间。这种内部传感器信号可以向电路提供腔室温度的反馈。内部传感器提供附加信息源，以评估凝结潜在性。
在一个实施例中，环境传感器为温度传感器，并且内部传感器为温度传感器。在这种情况下，控制电路监控环境传感器，以确定温度和温度的变化。电路还监控内部传感器，以确定温度和温度的变化。当环境温度和内部温度在预定关系内时，可以确定不会发生凝结。
一种发生的情况是，将检测器从温暖的环境带到寒冷的环境，从而环境传感器检测到温度的快速下降，而内部传感器检测到温度的缓慢下降；另一种发生的情况是，将检测器从温暖的环境带到更温暖的环境，从而来自环境传感器和内部传感器的温度指示反射体将保持在合理的露点上，这样不会发生凝结。当环境传感器信号和内部传感器信号为可能发生凝结时，则电路将向加热器供电，以在过渡条件期间加热反射体。
在另一实施例中，环境传感器能够被实施为凝结传感器。由于这种传感器实质上位于传感腔室的外部，因此其首先响应环境条件，这样在反射体上发生凝结之前，能够将电能供应至加热器，以加热反射体。内部传感器可以用作并实施为凝结传感器，以检测在反射体上凝结的潜在性。
在又一实施例中，两个光接收器可以用在检测器中。第一光接收器用作气体传感接收器，并且具有滤光器，这种滤光器透过能够被所传感的气体吸收的光频。第二光接收器用作参照接收器，其具有滤光器，这种滤光器抑制被所传感的气体吸收的光频。因此，来自第二光接收器的信号作为改变从第一光接收器获得的信息的参照。
在本发明的又一方面，反射体将具有两个部分。一部分将来自光发射器的光的一部分反射至传感接收器。另一部分将来自光发射器的光的一部分反射至参照接收器。
当在反射体的这些部分上发生凝结时，在各接收器处接收的信号将衰减。来自参照传感器的衰减信号是异常的。这样可以作为凝结的指示。这种信号的衰减能够被用于在进行气体浓缩处理之前，对来自传感器的信号进行调节。此外，附连至光接收器的控制电路能够处理信号传感器输出和参照传感器输出，以确定何时向加热器供电，以加热反射体。反射体可以被加热预定的时间期限，或者加热直到被传感的条件返回至正常。
检测器的控制电路可以包括处理器，所述处理器通过传感信号和参照信号确定气体浓度。传感信号和参照信号的关系取决于凝结和电元件中的变量。例如，如果从光发射器发出的光下降10％，则传感信号和参照信号将均下降10％。这首先被解释为凝结状态，于是电路将开启加热器。
如果加热器开启，并且传感信号和参照信号在预定时间周期后保持不变，则电路可以断定不存在凝结，从而关闭加热器。随后，电路可以将参照信号用在比例方法中，以补偿传感信号，从而确定气体浓度。进入加热器中的电能可以被监控，以确定加热器适当地运行。内部传感器也可以用于评估加热器的适当运行，并确定腔室温度。
在本发明的又一方面，其中气体隔膜与气体传感腔室一起使用，环境空气的流入率下降。因此，在凝结积累至影响到传感器的运转的水平之前，可能存在时间间隔。在凝结积累之前，来自没有气体的传感器的信号可以预先引发光学元件的加热，以从而中断凝结过程。
存在有环境传感器、内部传感器、传感信号、以及参照信号的其它结合，以间歇地控制加热器。本发明的实施例使加热器开关，以使节约平均电能，并延长任何可以与检测器联结的电池的寿命。这些实施例还降低了附连至检测器的电线的能量要求。
图1、图1A示出了根据本发明的检测器10。应当理解，检测器10仅仅是示例性的，并且被认为是实践本发明的最好的模式。然而，本发明不限于气体检测器。
本发明用于包含所有类型的光学元件的电元件。代表性的替代实例包括烟雾检测器和光学扫描仪，在光学扫描仪中，凝结成为一个问题。
检测器10包含气体传感腔室12，其构造为用于容纳大气的环境气体的入流。到达腔室12的入流可选地通过过滤器14，过滤器14被设计为容许被选择的气体流入，而同时排除其它气体。本领域的技术人员应当理解，过滤器14并不是本发明的限制性条件。
传感腔室12相应地包含辐射能发射器，例如激光器二极管等16a，以及一个或多个相应的接收器16b-1、-2。腔室12以及发射器16a和接收器16b-1、-2能够被构造为如2003年7月25日递交的、名称为“用于气体检测器的腔室(Chamber for Gas Detector)”的申请No.10/627,361中所描述的那样，该申请在此通过参考并入。
传感腔室12还包括反射体表面20，其将来自发射器16a的光束通过腔室12中包含大气的气体反射至接收器16b-1、-2。
加热器22连结至反射表面20。加热器22能够附连至表面20，或者也可以与表面20整体地形成。加热器22能够增加反射体的温度，从而使反射体超过露点，以消除反射体表面20上的凝结，或使反射体表面20上不形成凝结。
检测器10还包含环境传感器24，其构造为传感外部环境条件，诸如温度、湿度、凝结等均不受限制。在检测器10中存在在图1中示出的、具有元件30a、30b的控制电路30，以适当地给发射器16a通电、接收来自接收器16-1、-2的信号、以及至少部分地确定腔室12中气体的浓度，正如本领域技术人员所能够理解的。可以与电路30a耦合的电路30b通过环境感测器24接收信号，并且可以根据需要给加热器22通电。
检测器10还可以包含可选的内部传感器32，其设置在腔室12中。传感器32可以响应环境温度、湿度、凝结、或任何其它能够用于评估发生在反射体20上的凝结的潜在性的条件。图1A为示出了检测器10的各种元件的方框图。在图1和图1A中，采用相同的附图标记表示共同的元件。
检测器10还包含接口线路34，其能够通过无线36a，或者通过电缆36b与替代的报警/监控系统M连通。与检测器10相应的多个检测器10-1...10-n也可以与系统M连通。
在优选的模式中，控制电路30a、30b可以由可编程处理器38a和程序设备38b执行，其中程序设备38b可以是可执行指令的形式。
简言之，第一传感器传感反射离开反射体的光，并且提供指示传感腔室中预定气体的第一信号。第二传感器传感从反射体反射的光，并且提供指示预定气体的第二信号，第二信号不同于第一信号。可以包括编程处理器和相关程序设备的控制电路接收第一信号和第二信号，并处理它们。控制电路根据处理信号的结果，使电能间歇性地消耗在加热器中。控制电路至少部分地确定预定气体的存在。可选的是，第三传感器可以提供不指示预定气体的第三信号。控制电路处理至少第二信号和第三信号。除了响应处理结果，使得电能间歇性地消耗在加热器中，控制电路至少部分地确定预定气体的存在。
图2示出了检测器10的一种运转模式，其中使得针对诸如元件20的光学元件的凝结问题最小化。如图2中所示，其中环境传感器24在时间t1处开始发射信号，该信号为存在潜在的凝结(由于例如高湿度)的指示，该信号可以提供线路24a与控制电路30耦合。当线路24a上的信号指出潜在的凝结时，控制电路30可以间歇性地给加热器22通电，直到已经确定避免了凝结问题，同样如图2所示。
例如，控制电路30可以确定加热器22已经有效地将反射体20加热至相对于环境的预定温度。在这种情况下，控制电路30能够停止给加热器22通电，以节约电能。加热器22能够在预设的时间间隔内通电。
例如，不受限地，内部传感器32能够被实现为热传感器或温度传感器，以向控制电路30提供关于腔室的温度的反馈。可选的是，热传感器可以耦合至反射体20，从而提供关于反射体的温度的额外的反馈。
由于控制电路仅在反射体20上可能导致出现凝结时给加热器22通电，因此绝大多数时间，加热反射体所要求的平均电能很低。由此，所需加热随着本地环境和检测器10的传感条件而变化。
图3A和图3B示出了检测器10的替代运转方法。如在此通过参考并入的′361申请中所描述的，腔室12可以包含第一接收器16b-1和第二接收器16b-2。它们中的一个(例如16b-1)运转作为气体传感接收器。滤光器与该气体传感接收器联结，该滤光器传播由被传感的气体吸收的频率的光。第二接收器16b-2为参照接收器，其具有不传播由被传感的气体吸收的频率的滤光器。来自传感器16b-1、-2的信号可以在控制电路30中被处理，以确定腔室12中的气体浓度。
在本实施例中，反射体20具有两个区域。一个区域将来自发射器的光的一部分反射至传感接收器16b-1。另一区域将来自发射器的光的一部分反射至参照接收器16b-2。当在反射体20的这些部分上发生凝结时，在各接收器16b-1、-2处接收的相应的信号将衰减。
如图3A所示，来自传感接收器16b-1和参照接收器16b-2的接收信号的衰减能够指示反射体20上的凝结。此时，控制电路30可以给加热器22通电，如图3A中所示。如图3A所示，由于从两个传感器16b-1和16b-2的输出同时变化，因此，如在′361申请中所公开的，控制电路30可以通过从16b-2接收的参照信号补偿来自接收器16b-1的传感信号。可选的是，控制电路30可以停止响应从接收器16b-1接收的信号，直到从接收器16b-2接收的参照信号返回至正常，以避免对所关心的气体的错误的判定。
用于使加热器22从反射体20上清除凝结的代表性时间间隔可以为30s或更少的等级。在该时间间隔之后，控制电路30可以利用来自接收器16b-1、-2的信号，再次开始评估气体浓度。
如图3B所示，在另一实施例中，尽管实际上来自气体传感器16b-1的信号已经失落，然而来自接收器16b-2的参照信号不发生变化。这是不指示凝结的条件。在这种情况中，控制电路30不给加热器22通电。
图4为示出了利用来自两个传感器16b-1、-2的输出，通过电路30进行的示例性处理的流程图。应当理解，处理100仅仅是示例性的，在本发明的精神和范围内可以采用其它形式的处理。
在初始步骤102中，来自接收器16b-1、b-2的传感器信号和参照信号通过控制电路20获得。在步骤104中，确定指示来自接收器16b-1的传感器信号的变化的微分值。在步骤106中，确定参照传感器信号16b-2中的类似变化。
在步骤108中，凝结因子CF被确定为随着在步骤102中接收的信号以及在步骤104和106中确定的递增量而变化。在步骤110中，如果凝结因子超过预定阈值，则在步骤112中，加热器22被通电。否则，在步骤114中，加热器22不工作。
步骤116：相同的信号组可以以如本领域的技术人员所能够理解的那样处理，以确定腔室12中的气体浓度。最后，如果需要，可以显示气体浓度，即步骤118，需要时，显示包含在相应的检测器上和监控系统M中。本领域的技术人员应当理解，处理100可以周期性地重复。
图5为处理200的替代方法的流程图。在图5中，来自三个传感器的输出能够被处理，以确定凝结因子和气体浓度，如本领域的技术人员所理解的。在步骤202中，通过控制电路30获得各种信号值。在步骤204、206和208中，对每一所获得的信号，可以确定递增量。
在步骤210中，信号值和相应的递增量可以被处理，以确定凝结因子CF。在步骤212中，因子CF与预定阈值进行比较。如果因子超过阈值，则加热器22被通电，即步骤214，否则加热器被关闭，即步骤216。
在步骤218中，如本领域的技术人员所理解的，所获得的信号和信号的递增量能够被处理，以确定腔室12中预定气体的浓度。最后，在步骤220中，气体浓度可以选择性地显示在检测器中或监控系统M中。
简言之，控制电路30可以通过传感信号和参照信号确定气体浓度。传感信号和参照信号之间的关系将取决于浓度和相应电元件中的变量而变化。如果，由发射器16a发射的辐射能或光下降10％，例如则来自接收器16b-1、-2的传感信号和参照信号将下降类似的数量。控制电路30能够响应这种作为凝结条件的指示的变化，在这种情况下，加热器22能够被通电预定的时间周期。如果在响应中信号电平保持不变，则由于实际上可能并未传感到凝结问题，因此加热器22可被关闭。气体浓缩处理可以重新开始。
供应至加热器22的电能也可以被监控，以确定加热器是否适当地运行。内部传感器32也可以根据腔室12的温度的表现，来提供加热器是否适当地运行的信息。
如前所述，可以说不脱离本发明的精神和范围可以实现多种变化和改型。应当了解，可以断定对在此示出的具体装置没有任何限制。当然，本发明旨在通过所附权利要求覆盖所有落入权利要求的范围内的改型。
Claims (32)
1.一种检测器，包括：
环境条件传感器，其包括至少一个光学元件，其中所述光学元件的功能性响应光学元件上的凝结而变化；
不同的第二传感器，其响应被传感的条件产生输出；
加热器，其构造为当加热器被通电时，消除光学元件上的凝结；以及
控制电路，其耦合至所述第二传感器和所述加热器，所述控制电路响应所述输出，间歇性地给加热器通电，以消除凝结。
2.如权利要求1所述的检测器，其包括耦合至所述环境条件传感器的第二电路，以至少部分地确定报警条件的存在。
3.如权利要求1所述的检测器，其中，所述环境条件传感器包括气体传感器，所述气体传感器产生气体浓度信号和参照信号，这些信号与控制电路耦合，所述控制电路响应来自第二传感器的输出和来自气体传感器的信号间歇性地给加热器通电，以消除凝结。
4.如权利要求2所述的检测器，其中，所述环境条件传感器包括气体传感器，所述气体传感器产生气体浓度信号和参照信号，这些信号与控制电路耦合，所述控制电路响应来自第二传感器的输出和来自气体传感器的信号间歇性地给加热器通电，以消除凝结。
5.如权利要求1所述的检测器，其中，所述环境条件传感器包括环境大气入流过滤器，所述过滤器具有暴露在未经过滤的环境大气中的所述第二传感器。
6.如权利要求5所述的检测器，其中，所述控制电路在预期到形成凝结时，开始间歇性地给加热器通电。
7.如权利要求4所述的检测器，其中，所述气体传感器限定传感腔室和没有气体的内部传感器。
8.如权利要求7所述的检测器，其中，所述控制电路响应第二传感器或内部传感器中的至少一个，以间歇性地给加热器通电。
9.如权利要求4所述的检测器，其中，所述至少一个光学元件包括反射体，所述加热器邻近所述反射体的至少一部分。
10.如权利要求7所述的检测器，其包括过滤器，以将不必要的气体排除在传感腔室之外，并且所述腔室的外侧的第二传感器提供预测腔室中形成凝结的信号。
11.一种用于传感预定气体的气体检测器，包括：
处理器和相联结的电路；
传感腔室，至少从环境选出的气体可以流入所述传感腔室中；
光发射器；
反射体，其反射来自光发射器的光，并且具有加热器，所述加热器为附连至反射体或反射体一部分中的至少一种，其中，加热器与处理器和相联结的电路电连接；
第一传感器，其传感从反射体反射的光，并且提供指示传感腔室中预定气体的第一信号；
第二传感器，其提供不指示预定气体的第二信号，所述处理器和相联结的电路接收所述第一信号和第二信号；
处理器，包括软件，所述软件处理第一信号和第二信号的，并且响应所述处理，处理器使电能间歇性地消耗在加热器中，并且所述处理器至少部分地确定预定气体的存在。
12.如权利要求11所述的气体检测器，其中，所述第二传感器传感从反射体反射的光。
13.如权利要求11所述的气体检测器，其中，所述第二传感器包括凝结传感器、温度传感器或湿度传感器中的一个。
14.如权利要求11所述的气体检测器，其包括外部环境的传感器。
15.如权利要求14所述的气体检测器，其中，来自外部环境的传感器的信号预测冷凝的形成。
16.如权利要求11所述的气体检测器，其中，当处理器确定反射体上的凝结可能发生或已经发生时，处理器使电能消耗在加热器中。
17.如权利要求11所述的气体检测器，其中，当处理器确定反射体上的凝结不可能发生或不可能继续发生时，处理器不使电能消耗在加热器中。
18.如权利要求11所述的气体检测器，其中，所述处理器指示预定气体的存在。
19.如权利要求11所述的气体检测器，其中，所述处理器指示预定气体的浓度。
20.一种气体检测器，用于传感预定气体，包括：
控制电路；
传感腔室，至少从环境选出的气体可以流入所述传感腔室中；
辐射能量发射器；
反射体，其反射来自光发射器的光，并且具有联结至所述反射体的加热器，所述加热器电连接至所述控制电路；
第一传感器，其传感从反射体反射的辐射能量，并且提供指示预定气体的第一信号；
第二传感器，其提供不指示预定气体的第二信号；
至少第三传感器，其提供不指示预定气体的至少第三信号，其中，所述控制电路接收第一信号、第二信号和至少第三信号；
所述控制电路包括处理第一信号、第二信号和第三信号的程序；以及
其中，根据所述第一信号、第二信号和第三信号的处理，电能间歇性地消耗在加热器中，所述控制电路至少部分地确定所述预定气体的存在。
21.如权利要求20所述的气体检测器，其中，所述第二传感器传感从反射体反射的光。
22.如权利要求20所述的气体检测器，其中，所述至少第三传感器为凝结传感器。
23.如权利要求20所述的气体检测器，其中，所述至少第三传感器为温度传感器。
24.如权利要求20所述的气体检测器，其中，所述至少第三传感器为湿度传感器。
25.如权利要求20所述的气体检测器，其中，所述控制电路包括处理器，当所述处理器确定反射体上的凝结可能发生或已经发生时，处理器使电能消耗在加热器中。
26.如权利要求20所述的气体检测器，其中，当所述控制电路确定反射体上的凝结不可能发生或不可能继续发生时，控制电路不使电能消耗在加热器中。
27.如权利要求25所述的气体检测器，其中，所述处理器指示预定气体的存在。
28.如权利要求25所述的气体检测器，其中，所述处理器指示预定气体的浓度。
29.如权利要求20所述的气体检测器，其包括用于排除非选择的环境气体的过滤器。
30.一种气体检测器，用于传感预定气体，包括：
处理器和相联结的电路；
气体传感腔室；
光发射器；
反射体，其反射来自光发射器的光，并且具有加热器，所述加热器为附连至反射体或反射体一部分中的至少一种，其中，加热器与处理器和相联结的电路电连接；
第一传感器，其传感来自反射体的反射光，并且提供指示传感腔室中预定气体的第一信号；
第二传感器，其传感来自反射体的反射光，并且提供指示预定气体的第二信号，但是所述第二信号不同于所述第一信号；
所述处理器和相联结的电路接收第一信号和第二信号，并且处理所述信号；
其中，所述处理器根据处理信号的结果，使电能间歇性地消耗在加热器中，并且其中，所述处理器至少部分地确定预定气体的存在。
31.如权利要求30所述的气体检测器，其包括至少第三传感器，所述第三传感器提供不指示预定气体的至少第三信号，所述处理器和相联结的电路接收第一信号、第二信号和至少第三信号，所述处理器包括处理第一信号、第二信号和第三信号的可执行程序，其中所述处理器根据处理结果，使电能间歇性地消耗在加热器中；以及
其中，所述处理器至少部分地确定所述预定气体的存在。
32.一种气体检测器，用于传感预定气体，包括：
控制电路；
传感腔室，其允许气体从环境中进入；
光发射器；
反射体，其反射来自光发射器的光，并且具有联结至所述反射体的加热器，所述加热器电连接至所述处理器和控制电路；
第一传感器，其传感从反射体反射的光，并且提供指示预定气体的第一信号；
第二传感器，其传感从反射体反射的光，提供指示预定气体的不同的第二信号；
至少第三传感器，其提供不指示预定气体的第三信号；
所述控制电路接收并处理至少第二信号和第三信号；
其中，所述控制电路根据处理结果，使电能间歇性地消耗在加热器中；以及
其中，所述控制电路至少部分地确定所述预定气体的存在。
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