CN1392952A - 光声测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

测量装置包括各自一个测量光电元件和参考光电元件(9，10)和属于这些的麦克风(11或者12)，在其上连接了一个处理电子装置(7，8)，在其上将麦克风(11，或者12)的信号减去，以及一个辐射源(5)用于将测量光电元件(9)调制地加负荷。辐射源(5)的调制频率与测量光电元件(9)的参考频率一致，和测量光电元件和参考光电元件(9或者10)相对于准备证实的气体和/或烟雾剂至少一边是开着的。将测量装置使用作为烟雾警报器，气体警报器，火警警报器或组合的烟雾警报器和气体警报器，其中各个测量光电元件(9)被一种波长的辐射加负荷，有关准备证实的物质吸收这种波长的辐射和因此产生一个光声效应。

Description

光声测量装置及其应用

本发明涉及到证实气体和/或烟雾剂的一种光声测量装置，每个具有一个测量光电元件和一个参考光电元件和属于这些的麦克风，在其上连接了处理电子装置，在其上减去麦克风信号，和具有一个辐射源用于调制测量光电元件的负荷，此时辐射源的调制频率与测量光电元件的参考频率一致。

在光声效应时通过照射准备检测的一种气体由于调制光引起声的压力波，其大小直接与有关气体浓度成比例。因为气体吸收光辐射和因此而变热，从而产生声的压力波。从而产生热膨胀和对应于光辐射的调制产生周期的压力波动。光电元件通常被称为测量光电元件和参考光电元件，和将测量装置这样构成，或者两个光电元件相互隔开和辐射穿过两个光电元件(C.F.Dewey，Jr.：光声波谱学和检测，[Y.H.Pao，ed]，科学出版社，纽约，1977，47-77)或者两个光电元件相互连接和辐射只穿过测量光电元件(G.Busse和D.Herboeck：微分的Helmholz谐振器作为光声检测器，应用光学，18卷，23号，3959)。

当证实烟雾剂时情况是类似的，烟雾剂也吸收被调制的辐射，因此产生被调制的热和从而产生被调制的压力。目前叙述的测量烟雾剂的光声传感器大多数是只具有一个测量光电元件的单传感器。如果烟雾剂测量传感器具有两个光电元件，所谓的具有一个测量光电元件和一个参考光电元件的双传感器则建议将这个这样构成，参考光电元件相对于烟雾剂是屏蔽的。后者是这样达到的，当空气到达参考光电元件之前将空气过滤。此外还要指出的是共振频率与温度有很强的依赖关系，这就要求修正信号大小。

当使用双原理时气体或烟雾剂的光声传感器的证实灵敏度位于光学烟雾报警器范围内。因为光声信号是通过吸收和不是通过辐射产生的，用光声原理不仅可以检测大的而且可以检测直到小于μ范围的小的烟雾剂和可以同样好的测量亮的和暗的烟雾类型。即使如此目前将光声原理不使用在烟雾检测上，这主要是由于空气过滤和信号大小修正所要求的附加费用决定的。

现在通过本发明应该规定开始叙述方式的一种光声测量装置，其成本与漫射光报警器的成本是有竞争力的。

按照本发明这些任务是这样解决的，测量光电元件和参考光电元件相对于准备证实的气体和/或烟雾剂至少一边是开着的。

因为按照本发明的光声测量装置中两个光电元件相对于准备证实的气体和/或烟雾剂是开着的，不要求对准备试验的气体/烟雾剂进行过滤。在正常情况下传感器信号是零，和只有当存在烟雾剂和可以燃烧的气体吸收由辐射源发出的辐射时，在测量光电元件中产生一个信号，为了处理这个信号只需要相对简单的电子装置。

按照本发明测量装置的第一个优异实施形式的特征是，处理电子装置包括一个微分放大器和一个相位敏感的整流器。

按照本发明测量装置的第二个优异实施形式的特征是，这样选择由辐射源发出的辐射的波长，将辐射被准备证实的一种气体吸收。有益的是在辐射源范围安装第一个光电管用于监控由辐射源发出的辐射的强度。

按照本发明测量装置的第三个优异实施形式的特征是，在测量光电元件旁边安装第二个光电管，当存在烟雾剂时这个光电管受到通过烟雾剂产生的辐射源的散射负荷。

用这种方法构成的测量装置不仅可以证实一种烟雾剂，即烟雾，而且可以证实一种气体和特别适合于使用作为所谓的烟雾和气体双判据报警器。实际上其特性是吸收在确定波长范围内的确定的烟雾剂，其中烟雾剂种类与燃烧物有关。但是因为一种火灾的烟雾始终还包括有机物质的混合物，例如木头，这在整个红外范围内是很强吸收的和在可见光范围内始终还是足够吸收的，选择证实烟雾剂的最佳波长不是很严格的。

如果只应该证实烟雾时不需要第二个光电管，因为在这种情况下可以选择不吸收可燃烧气体的波长。当证实烟雾和气体时无论如何需要侧面的光电管，如果应该检测一种气体其吸收范围位于烟雾的吸收范围时。

按照本发明测量装置的第四个优异实施形式的特征是，测量光电元件是用不同频率驱动的两个辐射源照射的。这种装置适合于证实烟雾和两种气体。

按照本发明测量装置其他优异实施形式的特征是，安排了双边开着的两对测量光电元件和参考光电元件，这些各自有不同的长度和因此有不同的共振频率，每一个麦克风属于每个参考光电元件和每个测量光电元件，和每个测量光电元件被一个辐射源加负荷。

具有两对测量光电元件和参考光电元件的测量装置适合于证实烟雾和两种气体。通过加入其他一对具有一个测量光电元件和一个参考光电元件的测量装置的证实范围可以扩展到第三种气体。

本发明还涉及到将上述测量装置应用作为烟雾报警器。这种应用的特征是，测量装置有一个测量光电元件，这个受到一种波长的辐射的负荷，准备证实的烟雾剂吸收这种波长的辐射和因此产生一个光声效应。

本发明还涉及到将上述测量装置应用作为火警报警器。这种应用的特征是，测量装置有一个测量光电元件，这个受到一种波长的辐射的负荷，准备证实的可燃烧的或可爆炸的物质吸收这种波长的辐射和因此产生一个光声效应。

本发明还涉及到将上述测量装置应用作为组合的烟雾和气体报警器。这种应用的特征是，测量装置有一个测量光电元件，这个受到一种波长的辐射的负荷，准备证实的可燃烧的或可爆炸的物质吸收这种波长的辐射和因此产生一个光声效应，和在测量光电元件旁边这样安装一个光电管，使光电管受到由于烟雾引起辐射的漫射光的负荷。

本发明还涉及到将上述测量装置应用作为组合的火灾报警器和火警报警器。这种应用的特征是，测量装置有两个测量光电元件，其中一个受到一种波长的辐射的负荷，准备证实的烟雾剂或一种燃烧气体吸收这种波长的辐射和其中另外一个受到一种波长的辐射的负荷，准备证实的可燃烧的或可爆炸的物质吸收这种波长的辐射和因此产生一个光声效应。

下面借助于实施例和附图详细叙述本发明，附图表示：

附图1一边开着的引起反应的烟雾和气体光声的双传感器的简图，

附图2双边开着的引起反应的烟雾和气体光声的双传感器的简图，

附图3附图2双传感器的扩展结构。

在附图1上表示的光声测量装置是引起反应的一边开着的双传感器具有管子形状的测量光电元件1和具有管子形状的参考光电元件2，每一个麦克风3或者4是属于它们的。此外安排了，例如LED的一个辐射源5，这个给测量光电元件1的内部空间用确定波长的辐射加负荷。在辐射源5旁边安装了第一个光电管6用于监控从辐射源5发射的辐射的强度。将两个麦克风3和4的出口引导到微分放大器7上，在其中将麦克风信号相互相加。将微分放大器7的输出信号引导到相位敏感的整流器(禁闭)8上。

长度l的一边开着的管子有共振频率为υ_k，这是通过以下公式给定的 $\mathrm{\υk}=\frac{2k+1}{4l}c,$

(k＝0，1，2，3，…，c＝在空气中的声速)。

当长度1为2cm时共振频率为υ₀＝4.1kHz；双边开着的管子时共振频率双倍大。在管子中出现驻波，此时在一边开着的管子中在封闭端出现压力波对(＝运动节点)和在开放端出现压力节点(＝运动波对)。在双边开着的管子上在管子中间有一个压力波对和在每个开放端各自有一个运动波对。

辐射源5调制地辐射进入测量光电元件1，此时辐射源5的调制频率与测量光电元件的共振频率一致。如果测量光电元件1包括一种烟雾剂，于是测量光电元件将调制的辐射吸收，因此产生调制热。调制热产生调制压力和因此产生具有测量光电元件1共振频率的声音，从而将在测量光电元件中的空气柱激励为振动。同样适合于当测量光电元件1中存在一种气体时。位于驻波的压力波对地点的麦克风3测量在管子中的振动(＝声音)。一旦麦克风3测量到与测量光电元件1共振频率一致的声音时，在测量光电元件1中存在一种烟雾剂和/或一种气体。

与漫射光烟雾报警器不同的是，被表示的测量装置对暗的和亮的烟雾剂产生同样好的反应：暗的烟雾剂产生大的信号，因为在辐射源5出现第一次辐射时已经将很多辐射功率粒子吸收。和亮的烟雾剂同样产生大的信号，因为亮粒子上的辐射多次被反射和总之同样被很强的吸收。此外光声传感器不仅对大的烟雾剂而且对在μ范围以下非常小的烟雾剂产生反应，因为光声信号是通过吸收不是通过辐射产生的。

麦克风3不只测量在测量光电元件1中的共振，而且还测量在空间内可以导致干扰的噪声。通过参考光电元件2和麦克风4将这些干扰消除。因为参考光电元件2没有受到辐射源的辐射的负荷。麦克风4也可能测量不到由辐射源引起的振动，而只测量空间内的噪声。在微分放大器8中将参考麦克风4的信号被测量麦克风3信号减去，从而消除了空间内的噪声。同时将同样作用在两个麦克风上的振动消除。两个光电元件，测量光电元件和参考光电元件，也可以是双边开着的。

将具有双边开着的测量光电元件9，双边开着的参考光电元件10，测量麦克风11和参考麦克风12的这种装置表示在附图2上。此外在附图2上还表示了安装在辐射源5和测量光电元件1之间范围的第二个光电管13。第二个光电管13的位置是这样选择的，在辐射源5和测量光电元件1之间范围内当存在粒子时由此而产生的辐射源5辐射的漫射光的一部分落在光电管13上。第二个光电管13使区别两种烟雾剂和气体成为可能。如果不仅测量光电元件1而且第二个光电管13提供一个信号，于是存在一种烟雾剂，如果只是测量光电元件1提供一个信号，于是或者存在一种气体或存在非常小的和因此不会漫射的一种烟雾剂。

如果可以放弃在空间内抑制噪声和振动，原则上有可能发现用没有参考光电元件2和属于这个的麦克风4的测量装置就足够了。如果人们用这种装置时将辐射源5的波长设置在CO₂线上，于是测量装置一方面非常敏感地测量火焰气体CO₂的浓度和另外一方面非常敏感地测量烟雾剂的浓度。

将附图1和2上表示的测量装置可以设计为气体报警器，烟雾(烟雾剂)报警器，组合的气体报警器和烟雾报警器和可以将它用不同结构使用作为火灾报警器或作为火警报警器。火灾报警器检测烟雾和/或火灾气体，或代表火灾特征的材料。火警报警器一方面检测通过烟雾剂证实已经存在的火灾或在火灾中产生的物质，另外一方面火警报警器证实在火灾中产生的有毒物质，和它借助于检测空气中存在可以燃烧的材料识别可能的火灾或可能的爆炸的危险。

代表火灾特征的材料特别是以下这些：CO₂，CO，NO，NO₂，SO₂，NH₃，HCI，HF，HCN，氨化物，氨氢化合物，碳水化合物，包括C，O，和H的化合物；烟雾剂。可燃烧的物质一般来说是碳水化合物，特别是CH₄，C₂H₆，C₃H₈，C₄H₁₀，C₂H₂，C₂H₄，以及普通的溶剂，酒精，乙醚，酮，乙醛，氨化物和氨氢化合物，特别是甲醇，乙醇，n-丙酮，乙醚，丙酮。火警报警器应该证实其他可燃烧的物质是包括C，O和H的化合物和碳酸物。有毒材料是CO₂，CO，NO，NO₂，SO₂，NH₃，HCL，HF，HCN，H₂S，腈，磷酸醇，硫醇盐，卤素化合物。

因为在空气中的声速与温度有关和火灾报警器中的温度范围可以从-20℃到+70℃变化到30％。共振频率也可以相应地变化。同样水蒸气也影响声速和因此影响共振频率。为了消除这些影响人们可以用温度测量计算出共振频率的大概范围和通过空气中的水蒸气含量的变化计算出频率范围附加可能的扩展和在这个范围内在时间上改变(摇摆不定)辐射源的调制频率。

其他的干扰可能性是通过与共振频率一致的空间内的频率产生的。这些频率将两个光电元件激励产生振动，但是通过微分电路不可能完全减为零，因为这些频率由于从测量光电元件1，9的中心至参考光电元件2，10的中心的距离在光电元件上出现一个时间位移和将光电元件激励为轻微相位移的振动。可以通过尽可能低的共振频率将这种相位移最小化，于是因为干扰声的频率有大的声的波长和将相位移变小。或者如果人们可以单独测量参考光电元件2，10的信号时和当在参考光电元件中出现一个信号时，这个只可以是从外边产生的，将测量装置的警报阈值提高。

其他潜在的干扰量是光电元件不同的长度。人们可以这样消除这些干扰量，人们测量两个光电元件中一个的共振频率和相应地改变另外的光电元件的长度。人们还可以测量参考光电元件的共振频率和将辐射源5这样安排，使其位置影响测量光电元件的共振频率和使其与参考光电元件一致。

作为其他的检查建议监控麦克风的灵敏度借助于从测量光电元件1，9壁上的辐射源产生的在所有环境条件下出现的零点信号。

将附图1和2上表示的测量/检测烟雾和一种气体的装置可以通过附加测量/检测一种其他气体的光电元件对进行扩展。按照附图3安排了附加的测量光电元件14，附加的参考光电元件15和附加的辐射源16，其中例如测量光电元件9测量烟雾剂和第一种气体和测量光电元件14测量第二种气体。两个测量光电元件9和14和对应的还有两个参考光电元件10和15有不同的长度和因此也有不同的共振频率和两个测量光电元件被辐射源5或者16用不同的波长加负荷。两个不同的共振频率可以只用一个麦克风11测量。同样监控两个辐射源5和16的发射只要求一个参考麦克风12和一个唯一的光电管6。

例如测量光电元件和参考光电元件可以有以下尺寸：

测量光电元件9，参考光电元件10：每个长度为2cm，每个的共振频率为8.2kHz

测量光电元件14，参考光电元件15：每个长度为2.2cm，每个的共振频率为7.6kHz。

对于检测第二种气体的附加费用只是第二个光电元件对和第二个辐射源的费用。很容易看出来检测第三种气体的结构只要求其他的光电元件对和其他的辐射源。

在两个不同长度对的测量光电元件和参考光电元件(9，10；14，15)的地方用两个辐射源5和16同时照射荷，人们可以在附图2的装置中将一个光电元件对的测量光电元件9用两个辐射源5和16同时照射和将这些用不同的频率驱动。例如辐射源5具有基本频率和辐射源16具有第一个高次谐波。因此与附图3装置比较人们只需要一半数目的光电元件和麦克风和相应地节约了成本。

除了引起反应的一边或双边开着的光声双传感器之外还已知不引起反应的，封闭的双传感器(例如见EP-A-0855592)，将这个同样可以这样构成，用它们证实烟雾剂和气体是可能的。如从EP-A-0855592中获悉这种光声的双传感器包括通过各自一个薄膜相对于环境是封闭的测量光电元件和参考光电元件，和包括一个辐射源。气体通过薄膜可以进入光电元件。安排了一个测量麦克风和一个参考麦克风，其中参考麦克风相对于准备证实的气体/烟雾剂的光声信号是屏蔽的。因此烟雾剂粒子也可以进入光电元件，如果将薄膜的气孔宽度放大。

但是因此薄膜对于低于500Hz的频率在声音上是软的，在光电元件中不再可能建立压力和灵敏度下降的很快。通过将薄膜频率提高到几个千赫薄膜重新变成在声音上是硬的和灵敏度不再下降。人们可以这样监控薄膜的或许的堵塞，人们单独测量产生烟雾的基本电平的参考信号，和借助于这个基本电平跟踪灵敏度。如果人们将辐射源的波长例如设置在CO₂线上，于是测量装置非常敏感地测量火焰气体CO₂的浓度。但是另外一方面也非常敏感地测量烟雾剂的浓度，因为在整个的红外范围内非常强地吸收纤维素和碳化的纤维素。每个光电元件的体积大约为2×2×2cm³。

Claims (15)

1.证实烟雾剂和/或气体的光声测量装置，

具有

各自一个测量光电元件和参考光电元件(1，9，14或者2，10，15)和属于这些元件的麦克风(3，11或者4，12)，一个处理电子装置(7，8)连接在其上，在其中将麦克风信号进行减法，和具有一个辐射源(5，16)用于对测量光电元件(1，9，14)调制地加负荷，此时辐射源(5，16)的调制频率与测量光电元件(1，9，14)的共振频率一致，

其特征为，

测量光电元件和参考光电元件(1，9，14或者2，10，15)相对于准备证实的气体和/或烟雾剂至少一边是开着的。

2.按照权利要求1的测量装置，

其特征为，

处理电子装置包括一个微分放大器(7)和一个相位敏感的整流器(8)。

3.按照权利要求1的测量装置，

其特征为，

这样选择从辐射源(5，16)发送的辐射的波长，辐射被一种准备证实的气体吸收。

4.按照权利要求3的测量装置，

其特征为，

在辐射源(5，16)范围安装第一个光电管(6)用于监控由辐射源(5，16)发送的辐射的强度。

5.按照权利要求3的测量装置，

其特征为，

在测量光电元件(9，14)旁边安装第二个光电管(13)，当存在烟雾剂时光电管被通过烟雾剂引起的辐射源(5，16)的散射加负荷。

6.按照权利要求1至5之一的测量装置，

其特征为，

用不同频率驱动的两个辐射源(5，16)照射测量光电元件(9)。

7.按照权利要求6的测量装置，

其特征为，

辐射源(5)是用基本频率和另外的辐射源是用第一个高次谐波驱动的。

8.按照权利要求4或5的测量装置，

其特征为，

安排了双边开着的两对测量光电元件和参考光电元件(9，14；10，15)，这些各自有不同的长度和因此不同的共振频率，各自一个麦克风(11或者12)属于每个参考光电元件和每个测量光电元件(9，14或者10，15)，和每个测量光电元件(9，14)被一个辐射源(5或者16)加负荷。

9.按照权利要求1至8之一的测量装置，

其特征为，

安排了用于测量环境温度的一个传感器，这个传感器将辐射源(5，16)的调制频率调整到对应于被测量环境温度的频率范围和在这个频率范围内将调制频率进行时间上的改变。

10.将按照权利要求1至9之一的测量装置作为烟雾报警器的应用，

其特征为，

测量装置有一个测量光电元件(1，9，14)，这个测量光电元件被一个波长的辐射加负荷，准备证实的烟雾剂吸收这个波长的辐射和因此产生一个光电效应。

11.将按照权利要求1至9之一的测量装置作为火警报警器的应用，

其特征为，

测量装置有一个测量光电元件(1，9，14)，这个测量光电元件被一个波长的辐射加负荷，准备证实的可以燃烧和可以爆炸的物质吸收这个波长的辐射和因此产生一个光声效应。

12.按照权利要求11的应用，

其特征为，

准备证实的可燃烧的或可爆炸的物质是由一种或多种以下材料构成的：碳氢物，特别是CH₄，C₂H₆，C₃H₈，C₄H₁₀，C₂H₂，C₂H₄，以及普通溶剂，酒精，醚，酮，乙醛，氨化物和氨氢化合物，特别是甲醇，乙醇，n-丙酮，乙醚，丙酮，包括C，O和H的化合物，碳酸物。

13.按照权利要求11的应用，

其特征为，

测量装置有一个测量光电元件(1，9，14)，这个测量光电元件被一个波长的辐射加负荷，准备证实的有毒物质吸收这个波长的辐射和因此产生一个光声效应。

14.按照权利要求13的应用，

其特征为，

准备证实的有毒物质是由一种或多种以下材料构成的：CO₂，CO，NO，NO₂，SO₂，NH₃，HCL，HF，HCN，H₂S，腈，磷酸醇，硫醇盐，卤素化合物。

15.将按照权利要求1至9之一的测量装置作为组合的烟雾报警器和气体报警器的应用，

其特征为，

测量装置有一个测量光电元件(9，14)，这个测量光电元件被一个波长的辐射加负荷，准备证实的可以燃烧或可以爆炸的物质吸收这个波长的辐射和因此产生一个光声效应，和在测量光电元件(9，14)旁边这样设置一个光电管(13)，这个光电管被烟雾剂引起的辐射的漫射光加负荷。

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