CN101858864B - 用于干粉剂的校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于干粉剂的传感头。具体地，提供了根据本发明的示例性方面的用于干粉剂的传感头，包括：外壳，其沿着轴线限定，光沿所述轴线传播，外壳限定了多个垂直轴线的孔，该多个孔与沿着轴线的测量空间连通。镜子位于外壳中，用于反射穿过测量空间的光。

Description

用于干粉剂的校准系统

技术领域

本发明涉及测量干粉基剂的测量系统。

背景技术

为了认证在诸如飞机的交通工具上的干粉灭火系统，将灭火剂排放到受保护空间中，且分析器同时记录在受保护空间的各区域内的灭火剂的量。灭火剂的量必须在某个预定水平以上，该预定水平被设置成足以在一段时间内同时扑灭所有区域中的所有可能火焰。

分析器必须是被校准的且可示踪的，使得分析器输出证明干粉灭火系统能够扑灭受保护空间内的任何火焰。没有已知的系统能够同时测量气溶胶云灭火剂浓度且被校准以为飞机干粉灭火系统认证测试而测量灭火剂浓度。

发明内容

根据本发明的示例性方面的用于干粉剂传感头的传感头，包括：外壳，其沿着光传播的轴线限定，外壳限定了多个垂直轴线的孔，该多个孔与沿着轴线的测量空间连通。镜子位于外壳中，用于反射穿过测量空间的光。

根据本发明的示例性方面的用于干粉剂的校准系统，包括：粉化器(powderizer)校准柱。传感器系统包括至少部分位于粉末校准柱内的至少一个传感头，该至少一个传感头具有：外壳，其沿着轴线限定，光沿所述轴线传播，外壳限定了多个垂直轴线的孔，该多个孔与沿着轴线的测量空间连通。镜子位于外壳中，用于反射穿过测量空间的光。光源将光传播到测量空间内。接收器用于接收测量空间内的来自镜子的反射光。控制系统与光源和接收器连通。

根据本发明的示例性方面的用于干粉剂的测量系统，包括：受保护结构测试设备。传感器系统包括至少部分位于受保护结构测试设备内的至少一个传感头，该至少一个传感头具有：外壳，其沿着轴线限定，光沿所述轴线传播，外壳限定了多个垂直轴线的孔，该多个孔与 沿着轴线的测量空间连通。镜子位于外壳中，用于反射穿过测量空间的光。光源将光传播到测量空间内。接收器用于接收测量空间内的来自镜子的反射光。控制系统与光源和接收器连通。

其中所述多个孔的每一个沿所述轴线为3mm。或者所述多个孔的每一个沿所述轴线为17mm。

附图说明

本领域技术人员将从下面对所公开的非限定性实施例的详细描述中明了本发明的各种特征。伴随详细描述的附图可以简要描述如下：

图1是用于干粉剂的带有粉化器校准柱(PCC)的测量系统的示意图；

图2是安装在代表性受保护结构中的用于粉基化学灭火剂的传感器系统的示意图；

图3A是用于干粉剂的粉化器校准柱(PCC)的示意图；

图3B是用于与粉化器校准柱(PCC)连通的粉末给料系统和气体分配系统的示意图；

图3C是位于粉化器校准柱(PCC)内的传感头的立体图；

图4A是用于干粉剂的传感头的分解图；

图4B是与控制系统连通的传感头的放大图；

图4C是用于干粉剂的传感头的一个实施例的立体图；

图4D是图4C的传感头本体的纵向剖视图；

图4E是用于干粉剂的传感头的另一实施例的立体图；

图5是传感头的感测空间的示意图；

图6是没有多重反射的带有可能光路径的传感头感测空间的示意图；

图7是用于干粉剂的质量密度浓度与透光率之间的试验性关系；

图8是说明为了确定针对所需干粉剂(如气溶胶云灭火剂)的质量密度浓度与透光率之间的试验性关系而对测量系统进行校准的流程图；以及

图9是说明位于受保护结构测试设备(如代表性的发动机短舱)内的传感头操作的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于测量干粉剂基化学灭火剂的测量系统20。系统20通常包括粉末校准柱(PCC)22、传感器系统24和控制系统26。PCC 22通常用于校准传感器系统24的传感器，之后传感器系统可被安装在受保护结构测试设备28中，例如发动机短舱(图2)。应当理解，发动机短舱仅是一个非限定性实施例中的一个代表性结构，也可安装在粉基化学灭火系统30内部，并且诸如陆地车辆发动机舱、机舱或其它结构的其它受保护结构28也能从中获益。

参照图3A，PCC 22通常包括粉末给料系统40、气体分配系统42、观测管44、内部安装有至少一个传感头24A(有时也称为粉化器)的测试部分46、和粉末捕获盒48。观测管44、测试部分46和粉末捕获盒48沿着Z轴限定。在一个非限定性实施例中，限定测试部分46的观测管44在至少一个传感头24A之前的长度至少为20倍的直径，以确保来自粉末给料系统40的粉剂和来自气体分配系统42的惰性气体均匀分布。这便于用传感头24A对穿过气溶胶云的透光率进行直接测量。

在一个非限定性实施例中，粉末给料系统40包括诸如由Moonachie，NJ，USA的Acrison，Inc.制造的螺旋机(auger)。粉末给料系统40限定了干粉剂被送入观测管44的速率。

气体分配系统42输送惰性气体以散开(breakup)并充分分散干粉剂，在一个非限定实施例中，惰性气体包括氮气。气体分配系统42通常位于粉末给料系统40的上面并与粉末给料系统40垂直(图3B)。气体分配系统42限定了惰性气体被输送入观测管44的速率，使得传感头24A中所接收到的干粉剂和惰性气体的流动是已知的，从而可以确定干粉剂浓度和透光率之间的关系。这允许干粉剂给料和惰性气体的速率完全已知。

粉末捕获盒48提供较大的空间，以阻止粉剂再循环回到测试部分46内。粉末捕获盒48还阻止压力升高和阻止通过过滤器48F向外流的气流促进的干粉剂气溶胶云的回流。

PCC 22用于校准相对于以质量/体积为单位的气溶胶云浓度的传感头24A的透光率测量结果。PCC 22的圆柱形截面减小了角效应和其它几何效应。干粉剂在惰性气体入口的正下方被送入观测管44(图3B)。

惰性气体的高速射流经过粉末给料系统40，使得干粉剂湍流混合入惰性气体流以产生气溶胶云，这在气溶胶云灭火剂中是典型的。将干粉剂送入惰性气体射流的过程使得干粉剂团散开成基本微粒(principle particles)。这些微粒与惰性气体混合的微粒产生了干粉剂气溶胶云。

气溶胶云在观测管44内在重力的作用下向下行进，以促进气溶胶云的均匀混合，以便传感头24的测量(图3c)。向下流动是必要的，因为不同大小的干粉剂微粒的行进速度不同。稳定状态的向下流动由于每种微粒尺寸的浓度向下游地保持恒定而形成随时间的稳态浓度，以允许传感器系统24的精确测量。

参照图4A-4D，传感头24A的一个非限定性实施例提供了透过干粉剂气溶胶云的透光率测量。每个传感头24A包括沿轴线S限定的外壳50，光沿着光路径穿过该外壳50传播。外壳限定了与轴线S垂直的孔52、光源54、探测器56、窗58、镜窗60和镜子62(图4D)。在一个非限定性实施例中，光源54是以650nm操作的红色发光二极管(LED)，而探测器56是可见光谱光电二极管。

每个传感头24A以遮光原理操作。从光源54发出的光沿着纤维光缆64传播，穿过透明窗58，进入与孔52连通的测量空间66(图4B)，由镜子62反射后，通过纤维光缆64传播(图4B)。窗58大致与镜子62相对，使得光通过测量空间66两次：从窗58通过测量空间66，从镜子62反射后通过测量空间66；通过窗58和纤维光缆进入探测器56。探测器56向控制系统26输出与光强度成比例的模拟信号。光强度与测量空间66内的干粉剂微粒的浓度成函数关系地变化。传感头24A与热电偶、压力传感器、应变仪或其它仪器(其中信号强度与被测量现象直接相关)不同。

传感器系统24的每个传感头24A都与控制系统26连通，控制系统26起动系统20的操作并控制从传感头24A的数据采集。在一个非限定性实施例中，以1至1000Hz的可变频率采集数据，总点数最大值是30,000。最大采集时间是30,000除以采集速率(在100Hz的情况下是300秒)。应当理解，控制系统26也可以采用替代的数据采集速率。

应当注意，计算装置可以被用于执行多种功能，例如由控制系统26引发的功能。在硬件结构方面，此类计算装置可以包括处理器、存储器、和一个或多个输入和/或输出(I/O)装置接口，这些接口通过本 地接口连通地联接。本地接口可包括，例如但不限于，一个或多个总线和/或其它有线或无线连接。本地接口可以具有额外元件，例如能实现连通的控制器、缓冲器(高速缓冲存储器)、驱动器、中继器、和探测器，出于简化目的省略了这些元件。而且，本地接口可以包括地址、控制和/或数据连接以实现上述部件间的适当连通。

处理器可以是用于执行软件、特别是存储在存储器中的软件的硬件装置。处理器可以是用户自制的或市场上购买的处理器，中央处理单元(CPU)，在与计算装置相关联的若干个处理器之间的辅助处理器，半导体基微处理器(以微芯片或芯片组的形式)或通常的用于执行软件指令的任何装置。

存储器可以包括易失存储器元件(例如，随机存取存储器(RAM，如DRAM、SRAM、SDRAM、VRAM等))和/或非易失存储器元件(例如ROM、硬盘驱动器、磁带、CD-ROM等)中的任何一个或组合。而且，存储器可以包括电的、磁的、光的、和/或其它类型的存储介质。要注意的是，存储器还可以具有分布的结构，其中各个部件相互远离地设置，但都可被处理器访问。

存储器中的软件可以包括一个或多个独立程序，每个程序包括用于执行逻辑功能的可执行指令的有序列表。实施为软件的系统部件也可以被解释为源程序、可执行程序(结果代码)、脚本或任何其它包括一组待执行指令的实体。当被解释为源程序时，该程序通过编译程序、汇编程序、解释程序等翻译，其可以包含或不包含在存储器中。

可与系统I/O接口联接的输入/输出装置可包括输入装置，例如但不限于，键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、摄像机、近似装置(proximity device)等。而且，输入/输出装置还可包括输出装置，例如但不限于，打印机、显示器等。最后，输入/输出装置可还包括连通为输入和输出的装置，例如但不限于，调制器/解调器(调制解调器，用于访问另一装置、系统或网络)、射频(RF)或其它收发器、电话接口、桥接器、路由器等。

当计算装置操作时，处理器可被构造成执行存储在存储器内的软件，向存储器或从存储器传送数据，并大致按照该软件控制计算装置的操作。存储器中的软件整体地或部分地被处理器读取，可能在处理器内缓冲，接着被执行。

参照图5，传感头24A直接测量穿过干粉剂气溶胶云的透光率，其可通过试验的或理论的关系而与空间质量密度浓度直接相关。

干粉剂气溶胶云进入测量空间66并穿过从纤维光缆64行进到镜子62又返回到探测器56的光。因为干粉剂气溶胶云穿过光，透过的总光线与气溶胶云的浓度成比例地减少。镜子是凹面的，以将光线聚焦回纤维光缆54。

参照图6，示意性地示出了光的代表性路径。忽略第一污垢层(fouling layer)以外的物体反射，因为光返回量很小。探测器56接收到的光强度是路径1、1B、2和来自背景的杂散光的和。在路径1中，接收到窗58的反射光的一部分。当窗58上存在污垢层时出现路径1B，而且路径1B必须穿过窗58两次。

在路径2中，光必须穿过每个窗58、60、每个污垢层、测量空间66两次，然后从镜子62反射。在这些计算中假设镜子62反射全部的光。两个窗58、60具有相同的性质。

在没有污垢层的情况下，传感头24A的输出可以表示为：

I＝f_w1p_wI_s+τ_w ⁴τ_c1 ²τ_v ²τ_c2 ²Ix+I_∞             方程1

在测试之前，通过用不反射的介质将镜子62遮挡使得仅测量从窗58反射的光和环境光，以将τ_v设置为0，这样可测得遮挡输出(blocked output)。

I_bl＝f_w1ρ_wI_s+I_∞                              方程2

在τ_v为1，即在测量空间内没有气溶胶云且允许光从镜子反射回光源时，得到参考值。代入测得的遮挡值：

I _ref＝τ_w ⁴τ_c1 ²τ_c2 ²I_s+I_bl                      方程3

通过将方程3和方程2代入方程1，在测试过程中通过感测空间的双程透光率可表示为：

${{\mathrm{\τ}}_v}^2=\frac{I-I_{\mathrm{bl}}}{I_{\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{bl}}}$ 方程4

此时，因为假设在整个测量中遮挡值是恒定的，所以可以方便地定义减去遮挡值的修正传感头24A输出。

I^*≡I-I_bl                                      方程5

方程4可以改写为： 

${{\mathrm{\τ}}_v}^2=\frac{I^{*}}{{I_{\mathrm{ref}}}^{*}}$ 方程6

质量密度浓度-理论关系

在分散云中透光率和微粒浓度之间的关系可由下式给出：

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dx}}=-n_v^{\′\′\′}{A}_{s}i$ 方程7

比尔定律(Beer’s Law)，在此求平方以给出双程透光率，这是方程7的解，其中只有光强度随距离变化。

${{\mathrm{\τ}}_v}^2\≡{\left(\frac{i}{i_i}\right)}^2=\exp (-2n_v^{\′\′\′}{A}_{s}L)$ 方程8

可求解方程8以得到数值密度浓度，当乘以一个微粒的质量时，就得到感测空间中的质量密度浓度。

$m_v^{\′\′\′}=\frac{1}{2L}\frac{V_p}{A_s}{\mathrm{\ρ}}_s\ln \left(\frac{1}{{{\mathrm{\τ}}_v}^2}\right)$ 方程9

通过感测空间的透射项被平方，因为光通过测量空间66两次。米氏理论(Mie Theory)证实当微粒的尺寸从3倍的光的波长增加时，散射截面积接近两倍的微粒截面积。在这个例子中，平均微粒直径是3μm以上，而光的波长是0.65μm。因为感兴趣的是单个微粒的表面积和质量，所以使用索特平均直径(Sauter Mean diameter)。这是与全部气溶胶云群体具有相同的表面积与质量(体积)比的微粒的直径。方程9简化为索特平均直径的函数：

$m_v^{\′\′\′}=\frac{1}{3}\frac{d_{\left[\mathrm{3,2}\right]}}{2L}{\mathrm{\ρ}}_s\ln \left(\frac{1}{{{\mathrm{\τ}}_v}^2}\right)$ 方程10

如果已经表征了微粒直径，方程10就产生了质量密度浓度与透射之间的理论关系。然而，该关系仅在高透射下有效。

因为粉化器将测量低于方程9中有效投射的透射，所以使用PCC来推导透射和空间质量密度浓度之间的试验关系。

实验在PCC 22(图3A)中进行，其提供了干粉剂和惰性气体的恒定流动。这提供了充分展开的流动，使得干粉剂气溶胶云在观测管44的截面上均匀分布。然后充分混合的干粉剂气溶胶云从传感头24A经 过，在传感头24A测量透光率。通过变化惰性气体的流动速率和干粉剂的给料速率，可以测试多种质量密度浓度。

在PCC中确定的透射和空间质量密度浓度之间的关系对于传感头24A的设计以及干粉的成分和尺寸是特定的。如果这些的任一个发生改变，可确定新的关系。

从传播中的散射可发现空间质量密度浓度数据的测量误差。对于图4C中的传感头24来说，误差是+/-16g/m³。该误差对于传感头24的设计以及干粉的成分和尺寸是特定的。

参照图8，示出了PCC 20的操作示例，其中操作测量系统20来确定如气溶胶云灭火剂的所需干粉剂的质量密度浓度和透射之间的试验关系(图7)。

在步骤200，将粉末给料系统40校准至所需干粉剂速率。然后以所需惰性气体速率(m³/sec)操作气体分配系统42以提供气溶胶云混合时(步骤204)以所需干粉剂速率(g/sec)操作粉末给料系统40(步骤202)。然后允许稳定气溶胶云一段时间(步骤206)。在一个示例中，所需的干粉剂速率可包括从＜10g/m³到＞300g/m³，这可通过变化螺旋机给料速率和流动速率实现。在一个示例中，所需惰性气体速率可包括从～0.5m/sec到～3.5m/sec的整体速度，以及比整体速度高约35％的中心线速度。

然后将传感头24A插入到PCC 22的测试部分46中(步骤208)。在预定时间段上从传感头24A采集数据(步骤210)，然后取出传感头24A(步骤212)。然后通过遮挡(例如，用黑橡胶塞)所有进入传感头24A的光线来从传感头24A确定PCC 20内的0％的透射(步骤214)。然后将步骤202-214重复多次以获得曲线的数据点，该曲线表示所需干粉剂的质量密度浓度和透射平方之间的试验关系(步骤218，图7)。

参照图9，一旦确定了所需干粉剂的质量密度浓度和透光率之间的试验关系(图7)，一个或多个传感头24可位于受保护结构测试设备28内，例如代表性的发动机短舱(图2)。

在步骤300，传感头24被安装在所需受保护结构测试设备28内。为每个传感头24A确定参考的0％的透射输出(步骤302)。也就是说，确定了PCC 20中的0％的透射和所需受保护结构测试设备28之间的 差。然后在受保护结构测试设备28内激活气溶胶云灭火剂，并在测试期间由控制系统26记录来自每个传感头24A的数据(步骤304)。每个传感头24A减去参考的0％的透射输出以确定事后测试(post test)参考的原始输出(步骤308)并将该原始输出转换成随时间的透光率(步骤310)。传感头相对较小从而位于较远的舱内，以测量气溶胶云相对于时间的透光率。然后将随时间的透光率和所需干粉剂的质量密度浓度与透光率之间的试验关系(图7)一起使用以确定随时间的浓度(步骤312)。

表2

术语表

术语表

应当理解，相关的位置术语(例如前、后、上、下、以上、以下等)都参照车辆的正常操作姿态，不应被认为有其它限制。

应当理解，在整个附图中相同的附图标记表示相应的或类似的元件。还应当理解，虽然在描述的实施例中公开了特定的部件布置，但是其它的布置也将从中获益。

虽然示出的、描述的和要求保护的是特定的步骤顺序，但应当理解，除非有其他的指示，可以以任何顺序、独立地或组合地执行这些步骤，且仍将从本发明中获益。

上述描述是示例性的，而非由其中的限制所限定。虽然本发明公开了多种非限定性实施例，但本领域技术人员应当认识到，在上述教导下的多种变形和改变都落入所附的权利要求的范围。因此应当理解，在所附权利要求的范围内，可以不按照具体描述来实施本发明。因此，应当学习所附权利要求以确定真正的范围和内容。

Claims (6)

1.一种用于干粉剂的校准系统，包括：

粉化器校准柱；

传感器系统，其包括至少部分位于所述粉化器校准柱内的至少一个传感头，所述至少一个传感头包括：

    外壳，其沿着轴线限定，光沿所述轴线传播，所述外壳限定了多个垂直所述轴线的孔，所述多个孔与沿着所述轴线的测量空间连通；以及

    镜子，其位于所述外壳中，用于反射穿过所述测量空间的所述光；

光源，其将光传播到所述测量空间内；

接收器，用于接收所述测量空间内的来自所述镜子的反射光；以及

控制系统，其与所述光源和所述接收器连通。

2. 如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统通过连接到所述外壳的纤维光缆与所述光源和所述接收器连通。

3. 如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统可操作以确定干粉剂的质量密度浓度与透光率之间的试验关系。

4. 如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统可操作以校准所述至少一个传感头。

5. 如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统可操作以相对于所述干粉剂气溶胶的质量密度浓度校准所述至少一个传感头的透光率测量结果。

6. 如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统可操作以相对于所述粉化器校准柱内的以质量/体积为单位的干粉剂气溶胶的浓度校准所述至少一个传感头的透光率测量结果。