CN104508717A - 使用电容器空气电介质的电容率的变化的烟雾检测 - Google Patents

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约瑟夫·朱利谢
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Abstract

本发明提供一种在极板之间具有空气电介质的电容器，其可用于检测在所述电容器的所述极板上方通过的介电空气中的烟雾及其它污染物的存在。来自典型火灾的烟雾主要由已扩散于周围空气中且随着火灾的热一起上升的未燃碳构成。碳粒子的电容率是干净空气的电容率的约10倍到约15倍。所述碳粒子到所述空气中的添加引起所述空气的电容率的变化，所述变化足够大以通过测量具有所述空气电介质的所述电容器的电容变化而测量，负载碳粒子的空气通过所述电容器。

Description

使用电容器空气电介质的电容率的变化的烟雾检测
技术领域
本发明涉及烟雾检测装置，更特定地说，本发明涉及一种在烟雾通过传感器电容器的极板之间时使用所述电容器中的空气电介质的电容率的变化的烟雾检测装置。
背景技术
烟雾检测器一般使用含有耦合到高输入阻抗运算放大器的放射性离子源的电离室。然而，当在高温下操作时，所述运算放大器的输入泄漏电流会增大。此会影响电离室烟雾检测功能的总体性能。此外，所述电离室含有放射性物质，其在制造期间必须符合与存储及处置这些放射性物质有关的法规要求。归因于烟雾检测器内所含的放射性元素(离子源)，具有含有放射性离子源的电离室的烟雾检测器日益受到更严格的政府法规控制。
发明内容
因此，需要一种用烟雾检测器来检测来自火灾的烟雾的方法，所述烟雾检测器无需放射性电离室作为烟雾检测传感器的部分。
根据实施例，一种使用空气电介质电容器作为烟雾传感器的烟雾检测器可包括：空气电介质电容器，其具有多个极板，其中当干净空气在所述多个极板的表面上方流动时，所述空气电介质电容器具有第一电容值，且当烟雾进入在所述多个极板上方流动的空气中时，所述空气电介质电容器具有第二电容值；电容测量电路，其耦合到所述空气电介质电容器，其中所述电容测量电路测量所述空气电介质电容器的电容值；及警报电路，其耦合到所述电容测量电路，其中当所述所测量的电容值实质上为等于第二电容值时，由所述电容测量电路致动所述警报电路，及当所述所测量的电容值实质上处于所述第一电容值时，不致动所述警报电路。
根据另一实施例，第二电容值大于第一电容值。根据另一实施例，存在空气电介质电容器从第一电容值变化到第二电容值的时间限制，否则将不会致动警报电路。根据另一实施例，电容测量电路是充电时间测量单元(CTMU)电路。根据另一实施例，警报电路具有停机电路。根据另一实施例，数字处理器耦合到电容测量电路及警报电路。根据另一实施例，所述数字处理器是微控制器。根据另一实施例，电容测量电路、警报电路及数字处理器被制造于集成电路裸片上。
根据另一实施例，温度传感器耦合到数字处理器，且温度补偿查询表存储于耦合到数字处理器的存储器中且用于补偿第一电容值及第二电容值的温度诱发变化。根据另一实施例，湿度传感器耦合到数字处理器，且湿度补偿查询表存储于耦合到数字处理器的存储器中且用于补偿第一电容值及第二电容值的湿度诱发变化。根据另一实施例，由警报电路致动听觉警示。根据另一实施例，由警报电路致动视觉警示。
根据另一实施例，一种使用空气电介质电容器作为烟雾传感器的烟雾检测器可包括：空气电介质电容器，其具有多个极板，其中当干净空气在所述多个极板的表面上方流动时，所述空气电介质电容器具有第一电容值，且当烟雾进入在所述多个极板上方流动的所述空气中时，所述空气电介质电容器具有第二电容值；电容变化检测电路，其耦合到所述空气电介质电容器，其中所述电容变化检测电路确定所述空气电介质电容器何时从所述第一电容值变化到所述第二电容值；及警报电路，其耦合到所述电容变化检测电路，其中当所述电容变化检测电路指示所述第一电容值已变化到所述第二电容值时，致动所述警报电路，否则不致动所述警报电路。
根据另一实施例，第二电容值大于第一电容值。根据另一实施例，电容变化检测电路进一步包括空气电介质电容器从第一电容值变化到第二电容值的时间限制，否则将不会致动警报电路。根据另一实施例，电容变化检测电路是电容性分压器(CVD)电路。根据另一实施例，电容变化检测电路是电容性感测模块(CSM)电路。
根据另一实施例，电容变化检测电路可包括：频率产生电路，其使用空气电介质电容器作为其的频率确定电路的部分；及频率鉴别器电路，其耦合到所述频率产生电路，所述频率鉴别器电路在空气电介质电容器处于第一电容值时具有第一输出且在空气电介质电容器处于第二电容值时具有第二输出。根据另一实施例，警报电路进一步包括停机电路。
根据另一实施例，数字处理器耦合到电容变化检测电路及警报电路。根据另一实施例，所述数字处理器是微控制器。根据另一实施例，电容变化检测电路、警报电路及数字处理器被制造于集成电路裸片上。根据另一实施例，温度传感器耦合到所述数字处理器，且温度补偿查询表存储于耦合到所述数字处理器的存储器中且用于补偿第一电容值及第二电容值的温度诱发变化。根据另一实施例，湿度传感器耦合到所述数字处理器，且湿度补偿查询表存储于耦合到所述数字处理器的存储器中且用于补偿第一电容值及第二电容值的湿度诱发变化。根据另一实施例，由警报电路致动听觉警示。根据另一实施例，由警报电路致动视觉警示。
根据又一实施例，一种用于检测空气中的烟雾的方法可包括以下步骤：使干净空气在空气电介质电容器的多个极板上方流动；当所述干净空气在所述空气电介质电容器的所述多个极板上方流动时，确定所述空气电介质电容器的电容值；检测所述空气电介质电容器的所述电容值的指示所述流动空气中的烟雾的增大；及当检测到所述空气电介质电容器的所述电容值的所述增大时，产生烟雾警报。
根据又一实施例，一种用于检测空气中的烟雾的方法可包括以下步骤：使空气在空气电介质电容器的多个极板上方流动；检测所述空气电介质电容器的电容值的增大何时发生，因而指示所述流动空气中的烟雾；及当检测到所述空气电介质电容器中的所述电容值的所述增大时，产生烟雾警报。
附图说明
可通过参考结合附图的详述而获取本发明的更充分理解，其中：
图1说明根据本发明的教示的使用空气电介质电容器作为烟雾传感器的烟雾检测设备的示意框图；
图2说明根据本发明的具体实例性实施例的用作为回风增压室中的烟雾传感器的空气电介质电容器的示意侧视图及示意前视图；
图3说明根据本发明的另一具体实例性实施例的用作为顶置式(ceiling mounted)烟雾检测器中的烟雾传感器的空气电介质电容器的示意前视图及示意正视图；
图4说明根据本发明的又一具体实例性实施例的烟雾检测系统的示意框图；
图5说明根据本发明的又一具体实例性实施例的烟雾检测系统的示意流程图；及
图6说明根据本发明的又一具体实例性实施例的烟雾检测系统的示意流程图。
虽然本发明易做出各种修改及替代形式，但本发明的具体实例性实施例已展示于图式中且在本文中详细描述。然而，应了解，本文中具体实例性实施例的描述并不意图使本发明受限于本文中所揭示的特定形式，相反，本发明将涵盖如由所附权利要求书所界定的全部修改及等效物。
具体实施方式
根据本发明的教示，在极板之间具有空气电介质的电容器可用于检测在所述电容器的极板上方通过的介电空气中的烟雾及其它污染物的存在。来自典型火灾的烟雾主要由扩散于周围空气中且随着火灾的热一起上升的未燃碳构成。碳粒子的电容率为干净空气的电容率的约10倍到约15倍。碳粒子到空气中的添加引起空气的电容率的变化，所述变化足够大以通过测量具有空气电介质的电容器的电容变化而测量，负载碳粒子的空气通过所述电容器。举例来说，即使空气中的碳粒子浓度较低(例如400PPM)，但其仍引起电容率从约1.00054(干净空气)变化到约1.00494，因而使22皮法电容器的电容增大约0.44％(0.0967皮法＝96.7毫微微法)。
湿度及温度变动可使空气的电容率显著变化，但可用外部湿度传感器及温度传感器来予以补偿。归因于环境湿度及温度变化的电容率变动一般经历比电容器的极板之间的空气中的污染物(碳粒子等等)的数量的突然变化更长的时间段。因此，包络检测或平均化过程可用于忽略归因于湿度及/或温度变化的缓慢电容漂移，但用于识别归因于传感器电容器的空气电介质中的碳粒子突然出现的空气的电容率的更突然(快速)变化。可使用用于测量电容变化的各种技术，且本文中预期所述技术用于全部目的。电容器测量电路领域且受益于本发明的技术人员可将所述电容器测量电路容易地应用于烟雾检测设备。
现参考图式，图中示意性说明具体实例性实施例的细节。将由相同标号表示图式中的相同元件，且将由具有不同小写字母后缀的相同元件标号表示类似元件。
参考图1，图中描绘根据本发明的教示的使用空气电介质电容器作为烟雾传感器的烟雾检测设备的示意框图。空气电介质电容器(大体上由数字102表示)包括第一导电板110、第二导电板112及其间的绝缘空气电介质。电容器102可由金属板、经导电箔包覆的印刷电路板等等制成。电容测量电路104分别耦合到第一导电板110及第二导电板112，且用于确定由第一导电板110与第二导电板112之间的空气电介质的电容率的变化引起的电容器102的电容值。电容性变化检测电路106可用于检测由电容测量电路104测量的电容的变化。警报及/或停机电路108可耦合到电容性变化检测电路106，且经调适以使装备发出警报及/或停机(例如听觉或视觉警示)、使空气处置器鼓风机停机等等。
根据公式C＝εA/d，电容器102的电容C是导电板110及112的面积A＝长度×宽度、面向彼此的极板110与极板112之间的距离d及极板110与极板112之间的电介质(空气)的电容率ε的函数。当添加多个极板(参看图2及3)时，电容会成正例地增大，例如C＝(εA/d)*(极板数目-1)。优选地，电容器102可具有电容测量电路104的精确电容测量分辨率范围内的电容值。也可针对特定应用(例如回风管道安装(图2)、顶置式烟雾警报(图3)等等)而在物理上配置电容器102，例如极板数目、极板间隔、形状等等。
电容测量电路104可为具有所需电容分辨率的任何一或多个电容测量电路。举例来说(但不限于)，充电时间测量单元(CTMU)可用于非常精确的电容测量。在以下各项中更充分地描述CTMU：可从www.microchip.com取得的微芯片应用批注AN1250及AN1375；及詹姆斯E巴特灵(James E.Bartling)的共同拥有的第US 7,460,441 B2号美国专利(名为“测量长时段(Measuring a long time period)”)及第US 7,764,213 B2号(名为“当前时间数模转换器(Current-time digital-to-analog converter)”)两者；其中以上各项的全部内容以引用方式并入本文中用于全部目的。
此外，电容测量电路104及电容性变化检测电路106可组合为电路以只检测电容器102的电容变化。举例来说，可根据以下各项而使用电容性分压器(CVD)电路：可从www.microchip.com取得的AN1298；及迪特尔皮特(Dieter Peter)的共同拥有的第US2010/0181180 A1号美国专利申请公开案(名为“使用模数转换器(ADC)的内部电容器及电压参考进行电容性触摸感测(Capacitive Touch Sensing Using an Internal Capacitor of anAnalog-to-Digital Converter(ADC)and a Voltage Reference)”)。可根据以下各项而使用电容性感测模块(CSM)电路：可从www.microchip.com取得的AN1171、AN1312及AN1334；及基斯E柯蒂斯(Keith E.Curtis)等人的共同拥有的第US 2011/0007028A1号美国专利申请案(名为“具有噪声抗扰性的电容性触摸系统(Capacitive Touch System With NoiseImmunity)”)；其中以上各项的全部内容以引用方式并入本文中用于全部目的。
另一电容性变化检测电路可为调谐电路，其使用电容器102作为频率确定元件及频率鉴别器电路中的一者，如撒迦利亚马蒂拉斯斯密特(Zacharias Marthinus Smit)等人的名为“当检测传感器或频率源激活频率变化时处于低功率休眠模式中的电子装置的中断/唤醒(Interrupt/Wake-Up of an Electronic Device in a Low Power Sleep Mode WhenDetecting a Sensor or Frequency Source Activated Frequency Change)”且以引用方式并入本文中用于全部目的的共同拥有的第US 2008/0272826 A1号美国专利申请公开案中更充分描述。
现参考图2，图中描绘根据本发明的具体实例性实施例的用作为回风增压室中的烟雾传感器的空气电介质电容器的示意侧视图及示意前视图。图2(a)描绘多板式空气电介质电容器102的侧视图，其展示位于极板上方及通过极板的气流方向。图2(b)描绘多板式空气电介质电容器102的前视图，其中气流进入多板式空气电介质电容器102的前面。此物理配置可经容易地调适以装配于供气及/或回风增压室(图中未展示)内或装配于返回或供应寄存器(图中未展示)处。电容器102的极板110及极板112可为金属或任何其它导电材料，例如经导电箔包覆的印刷电路板。
现参考图3，图中描绘根据本发明的另一具体实例性实施例的用作为顶置式烟雾检测器中的烟雾传感器的空气电介质电容器的示意前视图及示意正视图。图3(a)描绘可用在顶置式烟雾检测器320中的多板式空气电介质电容器102a的前视图。图3(b)描绘安装于天花板322下方的烟雾检测器320中的多板式空气电介质电容器102a的正视图，其展示到其中定位多板式空气电介质电容器102a的烟雾检测器320的前下部分中的气流。当来自火灾的热及烟雾上升时，烟雾流动通过烟雾传感器电容器102a的极板110及112。烟雾检测器电容器102a的此物理配置可经调适以装配于用在住宅及商用建筑中的普通烟雾检测器的任一者内。电容器102a的极板110及112可为金属或任何其它导电材料，例如经导电箔包覆的印刷电路板。
现参考图4，图中描绘根据本发明的又一具体实例性实施例的烟雾检测系统的示意框图。所述烟雾检测系统可包括电容测量电路404及/或耦合到数字处理器及存储器406的电容变化检测电路106。耦合到数字处理器及存储器406的输出端的警报/停机驱动器408可用于驱动听觉及/或视觉警示信号。在其中定位烟雾检测器的将空气推入到增压室中的空气处置器鼓风机的应用中，警报/停机驱动器408还可驱动停机电路。烟雾检测器电容器402耦合到电容测量电路404或耦合到具有并入其内的电容测量电路404的电容变化检测电路106。
数字处理器406可进一步分别耦合到温度传感器432及/或湿度传感器434，且具有某一类型的补偿方法以调整可在不同温度及湿度条件下变化的电容测量，例如使用含有烟雾传感器电容器402的校准及补偿数据的查询表。另外，数字处理器406可具有平滑、时间平均化、噪声抑制、过取样及/或数字信号处理以提高电容变化检测敏感度及/或降低噪声拾取。电容测量电路404、数字处理器及存储器406及警报/停机驱动器408可被制造于集成电路裸片430上。集成电路裸片430可被囊封于集成电路封装(图中未展示)中。
举例来说(但不限于)，数字处理器406可为微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)等等。存储器可为易失性及/或非易失性存储器。软件及/或固件操作程序以及温度及/或湿度补偿表可存储于耦合到数字处理器406的存储器中。可在集成电路装置430的测试期间通过测量电容或电容变化且使任何变化与随温度及/或湿度而变的所述电容相关而界定温度及/或湿度补偿表。
参考图5，图中描绘根据本发明的又一具体实例性实施例的烟雾检测系统的示意流程图。在步骤542中，使空气在空气电介质电容器的极板上方通过。在步骤544中，测量空气电介质电容器的电容值。在步骤546中，确定所测量的电容值是否大于先前所确定的已存储电容值。如果当前所测量的电容值与已存储的电容值大致相同，那么在步骤548中存储当前所测量的电容，接着重复步骤544且测量新电容值。然而，如果当前所测量的电容值大于已存储的电容值，那么在步骤550中产生烟雾警报。
参考图6，图中描绘根据本发明的又一具体实例性实施例的烟雾检测系统的示意流程图。在步骤642中，使空气在空气电介质电容器的极板上方通过。在步骤644中，由所述空气电介质电容器的电容确定参数值。在步骤646中，确定所述参数值是否大于预期参数值。如果参数值与预期参数值大致相同，那么重复步骤644且测量新参数值。然而，如果当前所测量的参数值不同于所述预期参数值，那么在步骤650中产生烟雾警报。
虽然已通过参考本发明的实例性实施例而描绘、描述及界定本发明的实施例，但这些参考不隐含对本发明的限制且无法推断此限制。如相关领域且受益于本发明的技术人员将了解，所揭示的标的物能够实现形式及功能上的诸多修改、改动及等效物。本发明的所描绘及所描述实施例只是实例，且并非为本发明的范围的详述。

Claims (28)

1.一种使用空气电介质电容器作为烟雾传感器的烟雾检测器，所述烟雾检测器包括：
空气电介质电容器，其具有多个极板，其中当干净空气在所述多个极板的表面上方流动时，所述空气电介质电容器具有第一电容值，且当烟雾进入在所述多个极板上方流动的所述空气中时，所述空气电介质电容器具有第二电容值；
电容测量电路，其耦合到所述空气电介质电容器，其中所述电容测量电路测量所述空气电介质电容器的电容值；及
警报电路，其耦合到所述电容测量电路，其中当所述所测量的电容值实质上处于所述第二电容值时，由所述电容测量电路致动所述警报电路，且当所述所测量的电容值实质上处于所述第一电容值时，不致动所述警报电路。
2.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
3.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其中所述电容变化测量电路进一步包括所述空气电介质电容器从所述第一电容值变化到所述第二电容值的时间限制，否则将不会致动所述警报电路。
4.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其中所述电容测量电路是充电时间测量单元CTMU电路。
5.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其中所述警报电路进一步包括停机电路。
6.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其进一步包括耦合到所述电容测量电路及所述警报电路的数字处理器。
7.根据权利要求6所述的集成电路装置，其中所述数字处理器是微控制器。
8.根据权利要求6所述的烟雾检测器，其中所述电容测量电路、所述警报电路及所述数字处理器被制造于集成电路裸片上。
9.根据权利要求6所述的烟雾检测器，其进一步包括：温度传感器，其耦合到所述数字处理器；及温度补偿查询表，其存储于耦合到所述数字处理器的存储器中且用于补偿所述第一电容值及所述第二电容值的温度诱发变化。
10.根据权利要求6所述的烟雾检测器，其进一步包括：湿度传感器，其耦合到所述数字处理器；及湿度补偿查询表，其存储于耦合到所述数字处理器的存储器中且用于补偿所述第一电容值及所述第二电容值的湿度诱发变化。
11.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其进一步包括由所述警报电路致动的听觉警示。
12.根据权利要求1所述的烟雾检测器，其进一步包括由所述警报电路致动的视觉警示。
13.一种使用空气电介质电容器作为烟雾传感器的烟雾检测器，所述烟雾检测器包括：
空气电介质电容器，其具有多个极板，其中当干净空气在所述多个极板的表面上方流动时，所述空气电介质电容器具有第一电容值，且当烟雾进入在所述多个极板上方流动的所述空气中时，所述空气电介质电容器具有第二电容值；
电容变化检测电路，其耦合到所述空气电介质电容器，其中所述电容变化检测电路确定所述空气电介质电容器何时从所述第一电容值变化到所述第二电容值；及
警报电路，其耦合到所述电容变化检测电路，其中当所述电容变化检测电路指示所述第一电容值已变化为所述第二电容值时，致动所述警报电路，否则不致动所述警报电路。
14.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
15.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其中所述电容变化检测电路进一步包括所述空气电介质电容器从所述第一电容值变化到所述第二电容值的时间限制，否则将不会致动所述警报电路。
16.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其中所述电容变化检测电路是电容性分压器CVD电路。
17.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其中所述电容变化检测电路是电容性感测模块CSM电路。
18.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其中所述电容变化检测电路包括：
频率产生电路，其使用所述空气电介质电容器作为其的频率确定电路的部分；及
频率鉴别器电路，其耦合到所述频率产生电路，所述频率鉴别器电路在所述空气电介质电容器处于所述第一电容值时具有第一输出且在所述空气电介质电容器处于所述第二电容值时具有第二输出。
19.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其中所述警报电路进一步包括停机电路。
20.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其进一步包括耦合到所述电容变化检测电路及所述警报电路的数字处理器。
21.根据权利要求20所述的烟雾检测器，其中所述数字处理器是微控制器。
22.根据权利要求20所述的烟雾检测器，其中所述电容变化检测电路、所述警报电路及所述数字处理器被制造于集成电路裸片上。
23.根据权利要求20所述的烟雾检测器，其进一步包括：温度传感器，其耦合到所述数字处理器；及温度补偿查询表，其存储于耦合到所述数字处理器的存储器中且用于补偿所述第一电容值及所述第二电容值的温度诱发变化。
24.根据权利要求20所述的烟雾检测器，其进一步包括：湿度传感器，其耦合到所述数字处理器；及湿度补偿查询表，其存储于耦合到所述数字处理器的存储器中且用于补偿所述第一电容值及所述第二电容值的湿度诱发变化。
25.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其进一步包括由所述警报电路致动的听觉警示。
26.根据权利要求13所述的烟雾检测器，其进一步包括由所述警报电路致动的视觉警示。
27.一种用于检测空气中的烟雾的方法，所述方法包括以下步骤：
使干净空气在空气电介质电容器的多个极板上方流动；
当所述干净空气在所述空气电介质电容器的所述多个极板上方流动时，确定所述空气电介质电容器的电容值；
检测所述空气电介质电容器的所述电容值的指示所述流动空气中的烟雾的增大；及
当检测到所述空气电介质电容器的所述电容值的所述增大时，产生烟雾警报。
28.一种用于检测空气中的烟雾的方法，所述方法包括以下步骤：
使空气在空气电介质电容器的多个极板上方流动；
检测所述空气电介质电容器的电容值的增大何时发生，因而指示所述流动空气中的烟雾；及
当检测到所述空气电介质电容器的所述电容值的所述增大时，产生烟雾警报。
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