CN102967542A - 一种识别、计量烟雾粒子的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种识别、计量烟雾粒子的方法及装置，利用烟雾离子灰尘散射在一定数目浓度下不相干原理，以及烟雾粒子是从无到有逐步产生的使用环境，通过连续检测烟雾粒子、非烟雾粒子的综合浓度变化，以接收不同波长或不同角度的粒子散射光，来识别、计量烟雾粒子浓度，大大减少了非烟雾粒子干扰，降低了火警误报，保持烟雾粒子浓度的相对灵敏度不变，减少了火警迟报、漏报情况，提高了火灾预警的可靠性，既可以用于普通光电烟感探头，又可以用在极早期火灾预警中，拓宽了极早期产品的使用范围。

Description

一种识别、计量烟雾粒子的方法及装置

技术领域

本发明涉及火灾预警领域，尤其是一种利用光电技术，识别并计量烟雾粒子的方法及装置。

背景技术

在火灾预警领域，减少迟报、杜绝漏报、降低误报，争取尽可能早期、准确可靠的智能探测是火灾预警技术的发展方向。光电探测技术相较于其他技术，如离子、火焰、烟雾、声音，具有灵敏度高、环保、成本低等优势，所以目前得到了最广泛运用。根据采样空气方式不同，光电探测方式分为主动方式、被动方式。被动方式就是利用监视区域的空气对流来检测烟雾粒子，响应速度慢，探测气流易受干扰。主动方式就是将监视区域的空气抽取到探测腔，采用光电技术进行检测；可以在火灾酝酿的早期，以极高的灵敏度探测到烟雾颗粒，又称极早期火灾探测技术，是光电技术探测的发展方向。火灾产生的烟雾粒子直径一般都在1微米以下，而环境中的灰尘、水蒸汽等非烟雾粒子直径一般都在1微米以上，由于光电探测方式，灵敏度高，易受灰尘、水蒸汽等干扰，产生误报、漏报、迟报，特别在极早期火灾探测中，由于灵敏度非常高，易受环境中灰尘干扰，造成误报的可能性比较高，极大地限制了极早期火灾探测技术的运用范围，使之只能运用于环境比较干净的场合，如机房、洁净厂房等。因此，减少非烟雾粒子干扰，提高探测可靠性，是光电探测方式亟待解决的问题。

为解决上述问题，一般有两种技术方案可以选择。

一种技术方案就是采用滤网方式，将直径1微米以上的非烟雾粒子滤除，这种由于滤网阻塞，一方面降低了烟雾浓度，存在火警迟报、漏报问题，另一方面需要定期更换滤网，也带来了维护、安装不便等问题。

另一种技术方案利用光散射原理来识别烟雾粒子，如美国专利号为US08269639、US07724367的发明，公开了一种烟雾粒子的探测设备及方法， US07724367的技术方案利用两束不同波长的光照射采样气流，获取两个不同测量信号，通过计算两个信号的差值（用信号1减去信号2），求出烟雾粒子浓度，同时排除了非烟雾粒子（灰尘）干扰，是目前去除灰尘干扰的最有效方式，但这种方式也存在一个问题，信号差值与信号1相比，灵敏度受到了损失，特别是在1微米附近，信号损失更大，对该区域的烟雾粒子不敏感，会造成火警迟报、漏报。US08269639提出的技术方案是对US07724367的完善，一方面，该技术方案提出烟雾粒子的上限值可以修改，可以由1微米改为其他更小的值，如0.8微米，以适应不同探测环境的需要；另一方面，该技术方案通过粒子尺寸大小，对上述提到的信号损失进行修补，使修复后的信号接近信号1；事实上修复受损信号是不可能的，在烟雾、非烟雾粒子的混合测量中，无法准确获得烟雾粒子尺寸大小，所以依然存在US07724367的火警迟报、漏报问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种识别、计量烟雾粒子的方法及装置，以解决上述技术方案存在的问题。

我们知道，烟雾颗粒基本上由粒径小于1微米的粒子群组成，粒子群的合成散射究竟是单个粒子散射的多少倍，这涉及各粒子散射波之间的相互作用问题。这种作用至少表现在两个方面：（1）、粒子之间的相互距离太近，一个粒子表面就成了另一个粒子散射场的边界，产生近场相互作用；（2）、粒子相对位置随着时间固定不变，各部分波相干叠加，产生相干散射。相关的理论实践表明，各部分波相位独立，粒子群的合成散射波强度等于各个粒子部分波强度的代数和。只要粒子之间的距离比粒径大10倍以上，就可以认为各部分波相位独立。烟雾颗粒粒径一般在1微米以下，而且烟雾颗粒数目浓度一般在10⁵（Particle/cm³）以下，即使加上相当一部分非烟雾粒子，只要不超过10¹⁰（Particle/cm³）都可以满足不相关单散射的要求。在实际运用中，烟雾粒子、非烟雾粒子的数目浓度都不会超过10¹⁰（Particle/cm³），所以说，N个烟雾粒子与M个非烟雾粒子的合成散射强度是N个单个烟雾粒子散射强度与M个单个非烟雾粒子散射强度的代数和。 为了检测烟雾粒子浓度，排除非烟雾粒子干扰，需要从烟雾粒子、非烟雾粒子的合成散射强度中分离出烟雾粒子浓度或非烟雾粒子浓度。实际运用中，烟雾粒子是从无到有逐步产生的，因此，通过连续检测合成散射强度的变化，判断变化部分的强度是属于烟雾粒子引起的，还是属于非烟雾粒子引起的，就可以从合成浓度中分离出烟雾粒子浓度，从而达到识别、计量烟雾粒子浓度的目的。

为了判断变化部分的强度（主信号）是否属于烟雾粒子引起，需要一个辅助信号。根据米散射理论，在0.1-1微米之间散射强度与粒径的关系，辅助信号与主信号可以来源与不同波长光源，也可以来源于相同波长光源，不同的散射接收角度。

 根据上述原理，本发明的技术方案如下。

一种识别、计量烟雾粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、发射光照射采样气流，光电传感器测量得到的信号包括两个信号S₁、S₂，相应地，上次照射得到的两个测量信号为S_1P、S_2P，令△S₁=S₁-S_1P，△S₂=S₂-S_2P；

B、通过逻辑分析单元，判断△S₁是否是烟雾粒子的浓度，通过逻辑计算单元，就可以计算得到烟雾浓度S_M、非烟雾浓度S_D；

C、执行S_1P= S₁，S_2P= S₂；

D、重复A、B、C步骤，就可实现连续检测烟雾浓度S_M、非烟雾浓度S_D。

上述逻辑计算单元，其特征在于，包括如下逻辑：如果△S₁是烟雾粒子的浓度，则S_M=S_M+△S₁，S_D= S₁-S_M；否则S_D=S_D+△S₁，S_M= S₁-S_D。

所述信号S1、S2来源于不同波长的散射光，或者来源于不同的散射角。

上述逻辑分析，信号S1、S2来源于不同波长散射光，其特征在于，包括如下逻辑：如果|△S₁|大于K×|△S₂|+B的值，则是烟雾粒子的浓度，否则是非烟雾粒子的浓度，其中K、B为预先设定的值，修改K、B值，可以改变烟雾粒子范围的上限值。

上述逻辑分析，信号S1、S2来源于不同的散射角，其特征在于，包括如下逻辑：如果|△S₁|与|△S₂|的比值大于K_S，则是烟雾粒子的浓度，否则是非烟雾粒子的浓度，其中K_S为预先设定的值，修改K_S值，可以改变烟雾粒子范围的上限值。

一种识别、计量烟雾粒子的装置，包括发射光源、光电传感器及逻辑运算部件，其特征在于：逻辑运算部件控制发射光源，从光电传感器读取信号，并执行上述识别、计量烟雾粒子的方法。

上述装置，其特征在于：逻辑运算部件包括单片机或微处理器以及模拟数字转换模块；光电传感器用于将粒子散射光转换为电信号，并放大；逻辑运算部件通过模拟数字转换模块读取测量信号。

上述装置，其特征在于：发射光源包括两个不同波长的光源，逻辑运算部件控制发射光源交替照射采样气流，包括一个光电传感器，用于接收采样气流中粒子的散射光，得到至少两个采样信号S₁、S₂。

上述不同波长的光源，其特征在于：一个光源为蓝光，波长范围为400-550纳米，用于照射采样气流，产生信号S₁，另一个光源为红光或红外光，波长范围为650-1050纳米，产生信号S₂。

上述装置，其特征在于：发射光源包括一个相同波长的光源，逻辑运算部件控制发射光源照射采样气流，包括两个光电传感器，两个光电传感器的接收角度不同，用于接收采样气流中粒子的散射光，得到两个采样信号S₁、S₂。

上述装置，其特征在于：发射光源包括两个相同波长的光源，两个发射光源的发射角度不同，发射光源交替照射采样气流，包括一个光电传感器，用于接收采样气流中粒子的散射光，依次得到两个采样信号S₁、S₂。

本发明通过连续检测烟雾粒子、非烟雾粒子的综合浓度变化，来识别、计量烟雾粒子浓度，保持烟雾粒子浓度的相对灵敏度不变，减少了火警迟报、漏报情况，大大提高了火灾预警的可靠性。特别是与发明人另外申请的两个发明：一种高灵敏度的烟雾检测装置、一种高精度的流量计，一起结合使用，具有高可靠、高灵敏度、低成本的特点，大大拓宽了极早期火灾预警产品的运用范围。

附图说明

图1是本发明中识别、计量烟雾粒子方法的一个实施例。

图2是双波长浓度变化相对灵敏度与粒径的关系。

图3是装置中包含不同波长光源与光电传感器的一个实施例。

图4是装置中包含不同波长光源与光电传感器的另一个实施例。

图5是装置中包含一个光源与两个光电传感器的一个实施例。

图6是装置中包含两个光源与一个光电传感器的一个实施例

图7是比值△S₁/△S₂在不同散射角度情况下与粒径的关系。

具体实施方式

 在图1中，该流程图包含了本发明中的识别、计量烟雾粒子的方法。逻辑分析是基于S1、S2来源于不同波长的情况。预设值△S_P用于控制粒子浓度变化的大小，理论上讲，△S_P越小，识别出来的烟雾粒子浓度准确性越高，实际中，受数据采样、处理影响，△S_P太小，误差会比较大，一般设置在火灾报警阈值1/4—1/2之间。由于烟雾浓度S_M、非烟雾浓度S_D在累加运算中，有可能出现负值，而在实际环境不存在负值情况，因此增加了一个置零修正操作。

在图2中，△S₁由蓝光产生，根据前面提到的不相关单散射原理，与S₁曲线相同，△S₂由红光产生，与S₂曲线相同。烟雾粒子上限值为1微米，可以通过修改K、B值，线性变化△S₂，从而增大或较小烟雾粒子上限值，以满足某些特殊场合非烟雾粒子粒径小于1微米，或者某些特殊烟雾超过1微米的情况；K、B的值也可以通过测量现场环境的非烟雾粒子来确定。在烟雾粒子、非烟雾粒子的识别、计算中，其信号都来源于S₁，信号S₂主要用于辅助判断△S₁是否属于烟雾粒子，△S₁没有受到损失，保持了原有信号S₁相同的相对灵敏度，减少了迟报、漏报，提高了报警可靠性。

在图3中，一个光源包含两个不同波长的光，一个是蓝光T1、另一个是红光T2，与光电传感器R1形成的前向散射角                                                

₁为60度。逻辑运算部件控制T1 、T2交替发光，R1依次接收粒子散射信号，记为S₁、S₂。

在图4中，两个发光光源T1、T2波长不同，T1为蓝光，T2为红外光；它们与光电传感器R1形成的前向散射角

₁、

₂均为60度。逻辑运算部件控制T1 、T2交替发光，R1依次接收粒子散射信号，记为S₁、S₂。

 在图5中，光源T1为单波长光源，波长为532纳米，两个光电传感器R1、R2与T1形成的散射角为

₁、

₂，根据米散射原理，随着粒径增大，散射光随着散射角的不同，会发生变化，散射光越来越集中在前向散射上，因此

₁、

₂不同 。逻辑运算部件控制T1 发光，R1、R2同时接收粒子散射信号，记为S₁、S₂。

 在图6中，两个发光光源T1、T2波长相同，波长为532纳米，T1、T2与光电传感器R1形成散射角为

₁、 ₂，根据米散射原理，随着粒径增大，散射光随着散射角的不同，会发生变化，散射光越来越集中在前向散射上，因此

₁、

₂不同；逻辑运算部件控制T1 、T2交替发光，R1依次接收粒子散射信号，记为S₁、S₂。

在图7中，展示了在波长为532纳米，采光立体角为12^o，散射角分别在

₁=15^o、

₂=20^o， ₁=30^o、

₂=40^o，

₁=30^o、

₂=50^o时，比值△S₁/△S₂与粒径的关系图。由图可以看出，散射角为

₁=15^o、

₂=20^o时，曲线具有单调性，K_S设置范围较大，但分辨率要低，比值△S₁/△S₂小于K_S时，△S₁为烟雾浓度，否则，为非烟雾浓度。散射角为

₁=30^o、

₂=40^o时，在1微米附近比值小于1，K_S设置范围较小，比值△S₁/△S₂大于K_S时，△S₁为烟雾浓度，否则，为非烟雾浓度。散射角为

₁=30^o、

₂=50^o时，曲线具有多值性，已无法使用。另外加大立体采光角，可以有效减少曲线的起伏震荡情况，改善K_S设置范围及分辨率。

Claims (10)

1.一种识别、计量烟雾粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、发射光照射采样气流，光电传感器测量得到的信号包括两个信号S₁、S₂，相应地，上次照射得到的两个测量信号为S_1P、S_2P，令△S₁=S₁-S_1P，△S₂=S₂-S_2P；

B、通过逻辑分析单元，判断△S₁是否是烟雾粒子的浓度，通过逻辑计算单元，就可以计算得到烟雾浓度S_M、非烟雾浓度S_D；

C、执行S_1P= S₁，S_2P= S₂；

D、重复A、B、C步骤，就可实现连续检测烟雾浓度S_M、非烟雾浓度S_D。

2.根据权利要求1所述的识别、计量烟雾粒子的方法，其特征在于：所述信号S1、S2来源于不同波长的散射光，或者来源于不同的散射角。

3.根据权利要求1所述的识别、计量烟雾粒子的方法，其特征在于，

信号S1、S2来源于不同波长的散射光时，所述逻辑分析单元包括如下逻辑：判断|△S₁|大于K×|△S₂|+B的值，则△S₁是烟雾粒子的浓度，否则是非烟雾粒子的浓度，其中K、B为预先设定的值，修改K、B值，可以改变烟雾粒子范围的上限值；

或者信号S1、S2来源于不同的散射角时，所述逻辑分析单元包括如下逻辑：

根据|△S₁|与|△S₂|的比值与K_S关系，判断△S₁是否是烟雾粒子的浓度，其中K_S为预先设定的值，修改K_S值，可以改变烟雾粒子范围的上限值。

4.根据权利要求1所述的识别、计量烟雾粒子的方法，其特征在于，所述逻辑计算单元包括如下逻辑：如果△S₁是烟雾粒子的浓度，则S_M=S_M+△S₁，S_D= S₁-S_M；否则S_D=S_D+△S₁，S_M= S₁-S_D。

5.一种识别、计量烟雾粒子的装置，包括发射光源、光电传感器及逻辑运算部件，其特征在于：逻辑运算部件控制发射光源，从光电传感器读取信号，并执行权利要求1所述识别、计量烟雾粒子的方法。

6.根据权利要求5所述的识别、计量烟雾粒子的装置，其特征在于：所述逻辑运算部件包括单片机或微处理器以及模拟数字转换模块；光电传感器用于将粒子散射光转换为电信号，并放大；逻辑运算部件通过模拟数字转换模块读取测量信号。

7.根据权利要求5所述的识别、计量烟雾粒子的装置，其特征在于：发射光源包括由两个不同波长的光源，逻辑运算部件控制发射光源交替照射采样气流；包括一个光电传感器，用于依次接收采样气流中粒子的散射光，得到两个采样信号S₁、S₂。

8.根据权利要求7所述的不同波长的光源，其特征在于：一个光源为蓝光，波长范围为400-550纳米，用于照射采样气流，产生信号S₁，另一个光源为红光或红外光，波长范围为650-1040纳米，产生信号S₂。

9.根据权利要求5所述的识别、计量烟雾粒子的装置，其特征在于：发射光源包括一个相同波长的光源，逻辑运算部件控制发射光源照射采样气流；包括两个光电传感器，两个光电传感器的接收角度不同，用于接收采样气流中粒子的散射光，得到两个采样信号S₁、S₂。

10.根据权利要求5所述的识别、计量烟雾粒子的装置，其特征在于：发射光源包括两个相同波长的光源，两个发射光源的发射角度不同，发射光源交替照射采样气流，包括一个光电传感器，用于依次接收采样气流中粒子的散射光，得到两个采样信号S₁、S₂。

Images