JP5833923B2 - 粒子特性の光検出 - Google Patents

Description

本発明は、光学的な粒子検出に関する。

一つの形態では、本発明は、複数の波長の電磁放射線を用いて所定寸法範囲での粒子検出を可能にする光学煙検出器に関する。好適な形態では、本発明は４つの波長の光を用いた煙検出を行なう文脈において説明することにするが、本発明がこの例示用途あるいは実装に限定されると考えるべきではない。

空気中の粒子を検出する様々な方法が、知られている。一つの方法は、空気試料を収容した検出チャンバ全体に１本の光ビームを投射し、特定の散乱角でビームから散乱する光の量を計測する工程を含むものである。この種の粒子検出器は、これらが空気を能動的にその中に吸入し、あるいは別の選択肢としてこれらが検出チャンバ内に空気を流動させる自然通風に頼ることができる点で、吸入状態とすることができる。

粒子の角散乱性が粒子寸法に対する入射光の波長に依存することが、知られている。従って、煙および粒子検出器は、複数の散乱角および／または複数の波長を用いて問題とする所定寸法の粒子を検出してきた。例えば、紫外光は煙等の小粒子によって比較的強く散乱させられるが、赤外光はこの種の粒子による散乱は少ない。他方、紫外光と赤外光は、システム内の経時変動やシステム内の光学系の汚れ、あるいは塵埃等の大粒子の検出チャンバ内への導入などの要因によって引き起こされる受光強度の変動に等しく感応することになる。

この種の複数波長あるいは散乱角粒子検出システムでは、複数の散乱角あるいは波長での受信信号が問題とする粒子あるいは塵埃等の厄介な粒子が原因なのかどうか正確に判定できる必要性が存在する。経時的に粒子群の特性の追尾、例えば煙粒子寸法の分布が変化する際の火災の成り行きの追尾に、この散乱光の波長感度あるいは角度感度を用いることも可能である。

従って、本発明の一態様の一つの目的は、電磁放射線の２以上の波長を用い、問題とする粒子が検出チャンバ内に侵入したかどうか判定する手段を提供することにある。

本明細書中のあらゆる先行技術に対する参照は、先行技術がオーストラリア国内あるいは他の法域内での慣用的一般知識の一部を形成したり、あるいはこの先行技術が当業者に確認され、理解され、関連するとみなされたりするよう無理なく期待しうるとの承認あるいは任意の形式の示唆ではなく、またそうあってはならない。

本発明の一態様では、空気流中の粒子の検出方法が提供され、それは、空気流で散乱させられた複数波長の光強度を示す信号を受け取る工程と、各波長での受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとを処理し、空気流中の粒子の少なくとも１つの特性を示す出力信号を生成する工程とを含む。

処理工程には、受光強度を示す信号とその対応する波長依存パラメータとに対し少なくとも１つの関数を当てはめる工程と、複数のプロット値に対し当てはめた少なくとも１つの関数に基づき、空気流中の粒子の少なくとも１つの特性を示す出力信号を特定する工程とを含めることができる。都合よくは、この関数は下記に説明する仕方で空気流内の粒子の特性の特性解明に用いることができる。

受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータに対し、複数の関数あるいは単一の関数を当てはめることができる。

１（または複数）の関数は、例えば多項式とすることができる。

一部実施例では、出力信号は前記関数のうちの少なくとも１つの関数の少なくとも１点における勾配に基づき特定することができる。複数の線形関数が、２以上の信号とそれらの対応する波長依存パラメータとに当てはめうるものである。この場合、出力信号は、複数の前記線形関数の勾配に基づき、例えば勾配を平均することで特定することができる。

各線形関数を当てはめるのに用いる２以上の信号は、隣接波長の散乱光で代表させることができる。別の選択肢として、各線形関数を当てはめるのに使用する２以上の信号に共通の波長に対応する信号を含めることができる。

代替実施形態では、各波長での受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータの処理工程には、各波長での受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとに対し統計的な方法を適用し、空気流中の粒子の特性を示す出力信号を生成する工程が含まれる。

これらの方法では、波長依存パラメータは、波長やエネルギや周波数、あるいは波長やエネルギや周波数に基づくパラメータ、あるいは他の何らかのパラメータとしうる。

一部実施形態では、本方法には空気流中の粒子の１以上の特性に対応する１以上の所定の痕跡に対し少なくとも１つの関数を比較する工程を含めうる。

各波長での受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータを処理して空気試料内の粒子の特性を示す出力信号の生成工程には、複数の波長の受光強度を示す信号を空気流中の粒子の１以上の特性に対応する１以上の所定の痕跡に対し比較する工程を含めることができる。

比較は、好ましくは少なくとも３つの波長で行なわれる。例示的実施形態では、比較は４つの波長で行なわれる。

１以上の所定の痕跡には、空気流中の粒子の特性、すなわちこれらに限定はされないが、粒子濃度、粒子寸法、粒子寸法分布、粒子色、粒子組成、粒子種別、粒子形状、火災種別、延焼進行段階、粒子を生ずる燃焼材料の種別を関連付けることができる。

一例を挙げるに、痕跡は、下記の粒子種別、すなわち煙粒子や塵埃粒子や繊維屑（lint）粒子や他の不快粒子や眼に見える異物や所定の寸法範囲の粒子に対応させうる。

本方法には、受光強度を示す信号もしくはそれらの対応する波長依存パラメータの一方または両方の正規化工程を含めうるものであり、例えばその値を最高値もしくは最低値に合わせ正規化しうる。

本方法にはさらに、前記方法を１回以上反復し、経時的に出力信号が特性解明した（characterised）空気流中の粒子の少なくとも１つの特性を追尾する工程を含めることができる。

本方法には、経時的に追尾した少なくとも１つの特性の時間準拠痕跡に対する比較工程が含まれる。これにより、特定の一時的特性を有するしかるべき事象や状態が識別できるようになる。このことを念頭に、本方法は前記比較に基づく状態の識別工程を含めることができる。識別する適当な条件や事象には、これらに限定はされないが、火災、火災の変容すなわち例えば大きさの増大、燃料や燃焼状態の変化、延焼段階の進行すなわち例えば燻りから有煙への燃焼、火災の種類すなわち例えば燃焼材料の種類や喫煙の煙や電気的な火災等、塵埃生成事象すなわち例えば塵埃の生成やまぜ返し、過渡的な不快な状態すなわち例えば塵埃生成事象、検出器の故障すなわち例えば光源や光検出器の故障、検出チャンバ内への異物の侵入すなわち例えば検出チャンバに侵入する虫や繊維屑片を含めることができる。

本方法には、所定波長の受光強度を示す信号を前処理し、背景光の影響を取り除く工程を含めることができる。

本方法には、出力信号に基づき所定の寸法範囲内の粒子濃度を特定する工程を含めることができる。

本発明の別の態様は粒子検出システムを提供し、それは、空気試料を受容するよう適合させた検出チャンバと、複数波長で空気試料を照光する手段と、空気試料で散乱させられた光を複数の波長で受光し、各波長の受光強度を示す信号を出力する手段と、本願明細書にて説明する方法を用い、各波長の受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとを処理し、空気試料中の粒子の少なくとも１つの特性を示す出力信号を生成する処理手段とを含むものである。

さらなる態様において、粒子検出システムが提供され、それは、空気試料を受容するよう適合させた検出チャンバと、少なくとも第１の波長で空気試料の第１の空間（volume）を照光する第１の光源と、第１の空間と交差する視野を有し、検出チャンバで散乱させられた光を受光して受光散乱光を示す第１の信号を出力する第１の受光器とを含む第１の粒子検出手段と、少なくとも第２の波長で空気試料の第２の空間を照光する第２の光源と、第２の空間と交差する視野を有し、検出チャンバで散乱させられた光を受光して受光散乱光を示す第２の信号を出力する第２の受光器とを含む第２の粒子検出手段と、第１の時間期間に第１の光源を、また第２の時間期間に第２の光源を選択的に起動するよう適合させた光源起動手段と、第１の時間期間に対応して第１の受光器から第１の信号を、第２の受光器から第２信号を受け取り、受け取った信号を処理し、背景光について補正された第１の時間期間に対応する第１の出力を生成するとともに、第２の時間期間に対応して第１の受光器から第１の信号を、第２の受光器から第２信号を受け取り、受け取った信号を処理し、背景光について補正された第２の時間期間に対応する第２の出力を生成するよう適合させた処理手段とを含むものである。

好ましくは、検出チャンバは第１と第２の受光器のそれぞれの視野内に少なくとも１つの壁を含み、第１と第２の受光器は前記チャンバ壁の実質同一部分が第１と第２の受光器のそれぞれの視野内に存在するよう位置決めする。

第１と第２の受光器は、好ましくは対応する第１と第２の光源に対し位置決めし、第１の受光器の視野と第２の空間とが交差せず、第２の受光器の視野と第１の空間とが交差しないようにする。

第１と第２の波長は好ましくは異なる波長であるが、同じ波長としうる。この原理は、付加的な光源と受光器にも拡張しうるものである。

第１の時間期間に対応する第１の出力は、好ましくは第１の時間期間に対応する受光散乱光を示す第２の信号を第１の時間期間に対応する受光散乱光を示す第１の信号から減算する工程を含む処理により、背景光について補正する。

同様に、第２の時間期間に対応する第２の出力は、好ましくは第２の時間期間に対応する受光散乱光を示す第１の信号を第２の時間期間に対応する受光散乱光を示す第２の信号から減算する工程を含む処理により、背景光について補正する。

本願明細書に使用する用語「備える」と、この用語の「備えている」や「備える（三人称単数形の）」や「備えた」等の変形例は、文脈がそれ以外を要求しない限り、さらなる添加物や構成要素や整数や工程を排除する意図を有するものではない。

本発明の好適な実施形態を、添付図面だけを参照し非限定的な実施例を介してここで説明することにする。

本発明の一実施形態に従って作成した粒子検出チャンバの斜視図を示す。 ２−２線に沿う図１の検出チャンバの断面図を示す。 ４−４線に沿う検出チャンバを通る空気流路の下側部分の断面図を示す。 ３−３線に沿う検出チャンバの空気流路の頂部の断面図を示す。 本発明の一実施形態において、検出器の光源が照光する空間と受光器の視野とを示す検出チャンバの一部の一部斜視図を示す。 本発明の一実施形態において、受光器の視野と光源の照光場との間の交差部分もまた示す検出チャンバの上側部分の断面図を示す。 本発明の一実施形態に使用する変調方式を示す。 本発明の一実施形態に使用する粒子検出工程のフローチャートを示す。 本発明の一実施形態とこれに関連する処理方法を用いた４つの波長の例示出力を示す。 本発明の一実施形態とこれに関連する処理方法を用いた４つの波長の例示出力を示す。 本発明の一実施形態とこれに関連する処理方法を用いた４つの波長の例示出力を示す。 検出チャンバの光学面の汚れが引き起こす煙検出システムにおける時間経過に伴う変動を示すグラフである。

図１は、煙検知器の検出チャンバ１００の斜視図を示す。検出チャンバ１００は、吸引システム（図示せず）によりそこに吸引される空気試料を受容し、空気流中の粒子の存在を検出するよう適合させてある。１以上の警報条件に合致する場合、粒子検出警報を鳴り響かせることができる。図１の検出チャンバでは、空気試料は流入ポート１０２内に吸入され、検出チャンバを通る空気流路を通過し、排気ポート１０４を介して検出チャンバ１００から排気される。排気空気流の一部を濾過し、微粒子が堆積しがちの検出器の光学面の浄化に使用する清浄な流れを提供することができる。

図２は図１に示す２−２線に沿う検出チャンバ１００を通る断面図を示し、図３および図４はそれぞれ流路の下側アームと上側アームを通る直交断面を示す。

まず最初に、空気が流入ポート１０２に導入される。次に、空気は流量センサ１０６を横切る。本実施形態では、流量センサはＶｉｓｉｏｎ Ｆｉｒｅ ＆ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｐｔｙ Ｌｔｄ．社名義で出願された国際公開第２００４／１０２４９９号に従って動作する超音波流量センサである。流量センサの超音波変換器１０８および１１０は流動チャネルの中心線の両側に据えられており、流路の中心線を挟んで対角的にオフセットさせてある。超音波流動センサ１０６内の流路の断面は、概ね矩形である。所望に応じ、この箇所での流路は流量センサ内の流路の断面が入力ポート１０２の断面積との一致を維持するよう選択することができる。これら断面を一致させることで、超音波流量センサによって圧力変化が生ずることはなく、さらに比較的平坦な矩形形状（あるいは、他の細長い形状、例えば楕円形）を選択することで、超音波流量センサの垂直方向範囲を最小化することができる。より具体的には、それは超音波信号の移動方向に垂直な流量センサの寸法の一つをセンサ内の不要な反響（マルチパス効果）を阻止すべく低く保てるようにする。次に、空気流は流路の下側部分に沿って通過し、曲管１１２を巡って流れ、検出チャンバの上側部分内の問題とする領域に侵入する。

図４は、この箇所での検出チャンバ１００の断面図を示す。検出チャンバ１００のこの部分には、その壁の中に幾つかの開口、例えば１１４および１１６が含まれ、検出チャンバに関連する光源が空気流を照らし、また受光器が照光空間内からの散乱光を受光できるようにしている。図２と図４の断面図では、光学組立体１１８および１２０を見てとることができる。これらの光学組立体１１８および１２０は、１以上の光源と検出チャンバ１００内の空間を照光する関連光学系とを含んでいる。各光学組立体１１８および１２０を有する関連する光学系には、所望の照光空間を規定するよう１以上のレンズと空間開口を含めることができる。後に明らかになる理由から、光源組立体１１８および１２０は検出チャンバ１００の中心線に対し所定角度で光を伝送するよう適合、すなわち中心線に対し角度を持たせてある。

このことは、各光源が生ずる照光円錐体と受光器の視野を示す図５と図６により良く示されている。先ず図５を参照するに、同図は検出チャンバ１００の一部の部分破断図を示すものである。この図では、検出チャンバ筺体１２５の一部が図示してある。この筺体の後方部分１２６には、回路基板１３０上の表面実装ＬＥＤを含む光学組立体１１８の一つが装着してある。レンズ１３２もまた、配設してある。開口を通って光が輝き、この開口が、第１の照光空間１３４を生成する視準絞りを形成している。この図に示されていない鏡像光源組立体は、第２の照光空間１３６もまた生成する。

図６に見てとれるように、流路の中心線に対する光源の角度オフセットが故に、被照光空間１３４および１３６は一部重複し、チャンバ筺体１２５の外壁に交差することはない。照光空間１３４および１３６は、筺体１２５の屈曲背面壁１２７により終端されている。壁１２７は、表面１２７からの反射を制御する１以上のバッフルを含むよう構成することができる。

照光空間１３４および１３６は、対応して整列配置された受光器、例えばフォトダイオード１４２の視野１３８および１４０と交差する。他のフォトダイオードは、この図に示されてはいない。この図では、視野１３８および１４０は理解を手助けするよう円錐として図示してある。被照光空間１３４と対応視野１３８の交差が対応する問題とする領域１４４を生み出すのに対し、照光空間１３６と対応する受光器視野１４０は第２の問題とする領域１４６を形成する。本実施形態では、フォトダイオードの視野の中心線はその対応する光源が形成する被照光空間の中心線に対し６７度の角度に設定してある。

使用時に、検出器１００を通過する空気流中の粒子が一方の受光器の視野内に侵入すると、被照光空間内でそれらへの入射光の一部が対応する受光器の視野内へ散乱させられることになる。空気流中の粒子の濃度を特定するのに、受光強度を用いることができる。

本発明の好適な実施形態では、光源１１８および１２０は異なる波長の照射光を照射する。最も好ましくは、光源は多数の波長で照射させることができる。例えば、光源１２０は赤外光内の波長で光を照射するよう適合させることができるのに対し、他の光源１１８は複数の波長、例えば電磁スペクトルのうちの１つは青色部分、１つは緑色部分、１つは赤色部分の３つの波長で光を照射するよう適合させることができる。当業者には理解されるように、他の光照射構成も使用しえ、例えば１以上の広帯域光源を使用しうる。

受光器、例えばフォトダイオード１４２は、好ましくはそれらの対応する第１の照光空間１３４と第２の照光空間１３６に対し位置決めし、第１の受光器１４２の視野と第２の光源が照らす空間１３６とが交差しないようにし、その逆も可能である。しかしながら、当業者には理解されるように、被照光空間は明確に形成された円錐体とはならず、何故なら光源からの光強度は被照光空間の中心から径方向に降下していくことになるからである。その厳密な輪郭は、使用する光源とシステムの光学的な構成とに依存することになる。第１の受光器の視野と第２の被照光空間（と第２の受光器と第１の被照光空間）との非交差に関する選好性は、光源からの光が受光器の視野内に一切存在しないことを必要とすると理解すべきではなく、ただ光源からの光レベルが受光器の視野内のしかるべき許容可能な閾値未満であること、例えば光レベルがピーク強度の−３ｄＢ点あるいは何らかの他の百分率（例えば、１％）未満に低下することだけを必要とすると理解すべきである。同様に、照光された空間のエッジは光エネルギのレベルに基づき特定しうる。

２個のフォトダイオードの視野１３８および１４０はまた、それらがそれらが入射する検出チャンバの表面で実質重複するように配置してある。これは、下記に示す如く背景減算アルゴリズムが検出器内で実行できるよう行われる。

再度光源１１８および１２０に着目するに、好適な形態では、光源は赤外光ＬＥＤ１２０と赤色・緑色・青色（ＲＧＢ）ＬＥＤ１１８とを含んでいる。このことで、４つの波長の光が比較的小さな物理空間内にあるようにできる。無論、可視範囲内外の光あるいは電磁放射線の多少の波長を、本発明の他の実施形態に使用しうる。

好適な形態にあっては、試料空間は４つの波長のそれぞれで順次照光される。例えば、表１に掲載するＬＥＤ切り換え方式を実装することができる。

このサイクルは、８．８ｍｓごとに繰り返される。４つの波長に関する駆動波長の８．８ｍｓサイクルのグラフ表現が、図７に示してある。

４つの散光光読み取り値の使用時に、一対の光源１１８および１２０が照射する光の各波長に対応するものが上記の変調方式に従って順次検出されることになる。図８は、本発明の一態様に従い４つの散乱光読み取り値を処理して煙検出レベルを生成する仕方のフローチャート８００を示す。

下記の説明では、信号Ｂ（ｔ）〜Ｈ（ｔ）は、それぞれ赤外光、赤色光、緑色光、青色光成分である。例えば、Ｃ（ｔ）は赤外光と赤色光と緑色光と青色光の４つの波長にそれぞれ対応する成分Ｃ_ＩＲ（ｔ），Ｃ_Ｒ（ｔ），Ｃ_Ｇ（ｔ），Ｃ_Ｂ（ｔ）を有する。

信号Ｉ（ｔ）は、例えば赤色光から赤外光まで、あるいは青色光から緑色光まで延びる帯域である波長帯域に対応する３個の信号を含むことがある。

信号Ｌ（ｔ），Ｋ（ｔ），Ｊ（ｔ）は、それぞれ単一信号である。

先ず、前記した如く、光源を照光させ、対応する問題とする領域内の粒子によって光を散乱させる。散乱光Ａ（ｔ）は対応する主光検知器により工程８０１において検出され、続いて増幅される。受光強度に応じ、高利得または低利得のいずれかの増幅器を選択することができる。

次に工程８０２において、増幅信号Ｂ（ｔ）はＡ／Ｄ変換器によりデジタル化される。本発明の１つの形では、対応するＬＥＤが点灯しているときに各波長の８個の読み取り値が採取され、続いて累積値に合計される。対応するＬＥＤを消灯したときに８つの読み取り値もまた採取し、続いて積算総和から減算する。この工程では、正の幅狭のスパイク（すなわち、過渡的な高レベルの信号）もまた取り除くことができる。何故ならこれらのスパイクは問題とする領域を通過する塵埃粒子に起因すると考えることができるからである。その総和は、１２８サイクル（１１２６．４ｍｓ）に亙り積算され、各波長Ｃ（ｔ）ごとに生の煙レベルをもたらす。

背景レベルは、そこで下記に説明する仕方で工程８０５において減算される。結果は、信号Ｇ（ｔ）である。

次に８０６において、塵埃選別モードが設定されている場合、工程８０７〜８１１が実行される。塵埃選別が停止している場合、そのときは工程８１２〜８１４が実行される。

塵埃選別路では、工程８０７において、信号Ｇ（ｔ）は被計測塵埃正規化係数ＮＩＲ，ＮＲ，ＮＧ，ＮＢを乗算される（ここで、ＮＩＲ，ＮＲ，ＮＧ，ＮＢは粒子寸法が大きい場合、すなわち塵埃の場合の値に実質等価とする被計測正規化値である）。結果は、信号Ｈ（ｔ）である。

工程８０８において、下記に記載する仕方で様々な波長帯域について「生の煙」レベルを算出する。

一つの事例では、生の煙値は下記の如く算出される。すなわち、
赤色光帯域から赤外光帯域までの生の煙＝（Ｒ_Ｒ−Ｒ_ＩＲ）／（λ_Ｒ−λ_ＩＲ） （１）
（ただし、λ_Ｒは赤色光の波長である）
緑色光帯域から赤外光帯域までの生の煙＝（Ｒ_Ｇ−Ｒ_ＩＲ）／（λ_Ｇ−λ_ＩＲ） （２）
青色光帯域から赤外光帯域までの生の煙＝（Ｒ_Ｂ−Ｒ_ＩＲ）／（λ_Ｂ−λ_ＩＲ） （３）

別の選択肢として、生の煙値は下記の如く算出することもできる。
青色光帯域から緑色光帯域までの生の煙＝（Ｒ_Ｂ−Ｒ_Ｇ）／（λ_Ｂ−λ_Ｇ） （４）
緑色光帯域から赤色光帯域までの生の煙＝（Ｒ_Ｇ−Ｒ_Ｒ）／（λ_Ｇ−λ_Ｒ） （５）
赤色光帯域から赤外光帯域までの生の煙＝（Ｒ_Ｒ−Ｒ_ＩＲ）／（λ_Ｒ−λ_ＩＲ） （６）

これらの生の煙値は、信号レベルＨ（ｔ）対波長のグラフの勾配である。これらの信号は、図８の信号Ｉ（ｔ）である。

各帯域の生の煙信号、例えば「青色光から緑色光までの生の煙」、「緑色光から赤色光までの生の煙」等は、青色光から緑色光までと緑色光から赤色光までの波長によりそれぞれ最も強く散乱させられる粒子寸法範囲内の粒子濃度の測度とみなすことができる。所定の帯域内の生の煙値を用い、粒子あるいは煙の種別（あるいは粒子の他の特性や粒子の放出原因となる事象）を識別することができ、例えば「緑色光から赤色光までの生の煙」範囲内に存在するものよりも、信号「青色光から緑色光までの生の煙」により計測された寸法範囲により多量の粒子が存在する場合、火災が有煙燃焼段階にあるとの結論を下すことができる。

図９Ａと図９Ｂは、図８の工程８０８に関して説明する代替処理方式をグラフにて示すものである。これらの図には、４つの波長（青色光、緑色光、赤色光、赤外光）のそれぞれのＨ（ｔ）のプロットが示されている。

図９Ａにおいて、３本の直線９０１および９０２，９０３の勾配がそれぞれ式（１）および（２），（３）を用いて算出される。

図９Ｂにおいて、３本の直線９０４および９０５，９０６の勾配がそれぞれ式（４）および（５），（６）を用いて算出される。

いずれの場合も、そこで３つの生の煙信号の平均をとり、８０９において３つの勾配値を複合してＪ（ｔ）を生成する。別の選択肢として、信号Ｊ（ｔ）は図９Ｃに関連して下記に説明する如く、信号Ｈ（ｔ）の赤外光と赤色光と緑色光と青色光の成分対波長のグラフを介する最小二乗誤差適合直線の勾配として算出しうる。この版の処理は、工程８０８と８０９を単一の工程に実質複合するものである。図９Ｃは、４波長（青色光、緑色光、赤色光、赤外光）のそれぞれにおけるＨ（ｔ）のプロットである。図９Ｃに示す例では、４つの強度読み取り値に直線を当てはめ、直線の勾配を特定する。

他の実施形態では、異なる関数を計測値に当てはめることができる。例えば、放物関数あるいは他の関数とその関数の１以上のパラメータを用いて煙の存在を特定することができる。例えば、その曲線の接線勾配を特定し、問題とする粒子あるいは不快粒子が散乱光の原因であるかどうか判定するのに用いうる。一部の実装では関数の適合は実際には一切行なわれないが、等価な算術処理を実行し、指示された組み合わせ（ｘ，ｙ）により特性解明されるシステム挙動の概算が形成でき、ここでｘは所定波長の受光強度を示す信号であり、ｙは対応する波長依存パラメータである。代替実施形態では、アルゴリズムは複数の計測値に対し統計的方法を適用することができる。例えば、平均散乱レベルは幾つかの波長全体とその平均からの標準偏差について特定しうる。

工程８１０において、信号Ｊ（ｔ）に較正利得係数を乗算し、「メートル当たり掩蔽率（obscuration）％」単位で煙レベルを生成する。結果は、信号Ｋ（ｔ）である。信号Ｋ（ｔ）の負の値は、工程８１１で取り除かれる。Ｋ（ｔ）が負である場合、結果Ｌ（ｔ）はゼロにセットされる。さもなくば、Ｌ（ｔ）はＫ（ｔ）に等しく設定される。好ましくは、信号Ｌ（ｔ）もまた最大煙レベル、例えば３２％／ｍに制限される。

工程８０６において、塵埃除去モードが構成されていない場合、煙レベルは下記の如く算出される。

工程８１２において、信号Ｇ（ｔ）に較正利得係数（好ましくは、各波長ごとに１つの利得係数）を乗算する。工程８１３において、４個の値を複合、例えば加算あるいは平均（係数の乗算（scaling）を用いたりあるいは用いずに）することができ、負の値を全て工程８１４において取り除き、煙レベルを出力することができる。

出力煙レベルはそこで、警報規範に従って任意の既知の方法にてさらに処理し、警報を立ち上げることができる。

上記計算では、各波長の受光強度を示す信号と、それらの対応する波長依存パラメータのいずれかあるいはその両方を正規化することが好都合なことがある。

例えば、生の煙レベルは波長のうちの１つあるいは１つの波長帯域にて煙レベルを正規化することができる。一例では、煙値は最長の波長にてその煙値に正規化することができる。同様に、波長依存パラメータはパラメータのうちの１つ、例えば最長の波長に対応するパラメータに対し正規化することができる。

前記した如く、本発明の好適な実施形態では、粒子検出読み取り値を一つの痕跡と比較し、チャンバ内の粒子あるいは粒子を生み出す事象を特性解明することができる。痕跡とのこの比較は、上記した処理工程内の多くの異なる時点で行なうことができ、例えば信号Ｂ（ｔ）〜（Ｌｔ）のうちの任意の１つあるいはこれらの信号中の変動を対応する痕跡と比較し、チャンバ内の粒子あるいは粒子を生み出す事象を特性解明することができる。

本発明の好適な実施形態では、粒子検出読み取り値に当てはめた１以上の関数の（１以上の点での）勾配を既知の痕跡と比較する。

場合によっては、経時的に検出粒子の特性を追尾することが好都合である。この時間準拠データは、時間準拠痕跡と比較することができる。都合よくは、このことが特定の一時的な特性を有する幾つかの事例あるいは状態を識別できるようにする。

様々な粒子特性あるいは事象に対応する痕跡は、経験的に特定することができる。

工程８０５において、煙読み取り値Ｅ（ｔ）に対し背景相殺工程を実行する。この工程は、経時的にチャンバ壁の汚染が、光検出器により受光された背景光における増大を引き起こすことになるが故に行なうものである。

図１０は、本発明の一実施形態においてこの背景相殺原理を実行する仕方を示す。例示実施形態のチャンバの物理構造により、各受光器を用いて他の受光器に関する「背景」光レベル読み取り値を提供することができる。これを果たすべく、システムの構造は次のように構成され、すなわち、２つの受光器の視野をチャンバの壁において可及的最大限に亙り重複させること、これにより計測背景光が比較可能とされるよう保証され、各受光器の視野を他の検出器に対応する光源の照光野に一致させてはならないこと、これにより一方の検出器に関連するビームが他方の受光器内に直接散光されないよう保証される。

こうして、各受光器は「主検出器」として動作し、その関連する光源が照光するときに主散乱光を検出し、他方の光源に関連する光源が照光するときは背景光を検出する「副検出器」としても動作する。この考え方は表１に示されており、これは一方が赤外光ＬＥＤで他方がＲＧＢ ＬＥＤである２個のＬＥＤを含む図４から図６に示したシステム内の各照光状態に対応する光検出器の状態を示すものである。

都合よくは、これにより追加のハードウェアを含めることなく全ての計測値について背景相殺の実行が可能になる。

図１０のグラフ１０００は、数年に亙る検出器からの長期の散乱光読み取り値や煙読み取り値を示すものである。プロット１０１０は、何らかの補償が適用される前の検出器からの受光散乱光レベル、例えばＢ（ｔ）を示す。見てとれるように、プロット１０１０は検出チャンバの視野と被照光面の汚染が発生するのに合わせ経時的に着実に増大し、背景光レベルを増大させる。

作成期間中、清浄な空気内の主センサを用いて背景光レベルを計測し、「主センサ作成背景」値１０１１を入手することができる。清浄な空気内の副センサを用いて背景レベルを計測し、「副センサ作成背景」１０２１を入手することもできる。

使用時、定期的（例えば、１分あるいは１時間ごと）に副センサ値を計測し、グラフ１０２０としてプロットする「視野背景内の副センサ」値を特定することが可能である。見てとれるように、プロット１０２０はまた検出チャンバの視野と被照光面の汚染が発生するのに合わせ、経時的に増大する。次に、予測視野内背景値を下記の如く特定することが可能である。
視野背景内の予測値＝主センサ作成背景＋（視野背景内の副センサ−副センサ作成背景）

「視野背景内の予測」値は、チャンバ内に清浄な空気が存在していた場合に視野内で主センサが遭遇する筈の値を予測するものであり、これはプロット１０３０にて示される。
したがって、単一色に関する図８の信号Ｇ（ｔ）は、下式により与えられる。
Ｇ（ｔ）＝Ｂ（ｔ）主センサ−視野背景内の予測値
これは、図１０のグラフ１０４０としてプロットされる。

本明細書に開示し規定される本発明が、文章や図面に記述されあるいはこれらから明白な２以上の個別の特徴の全ての代替的な組み合わせにまで及ぶことを理解されたい。これらの異なる組み合わせの全てが、本発明の様々な代替態様を構成する。

Claims (23)

1. 空気流中の粒子検出方法であって、
   複数波長の前記空気流からの散乱光強度を示す信号を受け取る工程と、
   各波長の受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとを処理する工程であって、受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとに少なくとも１つの関数を当てはめることを含む工程と、
   前記少なくとも１つの関数の少なくとも１つの点での勾配に基づき空気流中の粒子の少なくとも１つの特性を示す出力信号を特定する工程であって、前記勾配が、複数の波長の受光強度の差と前記複数の波長の前記対応する波長パラメータの差との割合である工程とを含む、方法。
2. 受光強度を示す信号とそれらの対応する波長依存パラメータとに複数の関数を当てはめる工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 関数群またはそのうちの１つは多項式である、請求項２に記載の方法。
4. ２以上の信号とそれらの対応する波長依存パラメータに複数の線形関数を当てはめる、請求項３に記載の方法。
5. 前記出力信号は、複数の前記線形関数の勾配に基づき特定する、請求項４に記載の方法。
6. 線形関数の適合に用いる２以上の信号は、隣接波長の散乱光で代表される、請求項４に記載の方法。
7. 各線形関数の適合に使用する２以上の信号は、共通の波長に対応する信号を含む、請求項４に記載の方法。
8. 各波長の受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータの処理工程は、各波長の受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータに統計的な方法を適用し、空気流中の粒子の特性を示す出力信号を生成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記波長依存パラメータは、
   波長かエネルギか周波数、
   あるいは波長かエネルギか周波数に基づくパラメータから選択される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 少なくとも１つの関数の勾配を、空気流中の粒子の１以上の特性に対応する１以上の所定の痕跡と比較する工程をさらに含む、請求項２から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 各波長の受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとを処理する工程は、複数波長の受光強度を示す信号を空気流中の粒子の１以上の特性に対応する１以上の所定の痕跡と比較することを含む、請求項１に記載の粒子検出方法。
12. 少なくとも３つの波長を用いる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の粒子検出方法。
13. ４つの波長を用いる、請求項１から１２のいずれか１項に記載の粒子検出方法。
14. １以上の所定痕跡は、空気流中の粒子の下記の特性のうちの任意の１以上に関連付けることができ、
    それは粒子寸法、粒子寸法分布、粒子色、粒子組成、粒子種別、粒形、火災種別、火災進行段階、特定の燃焼材料により生成される粒子である、請求項１０に記載の方法。
15. 所定の痕跡は、下記の粒子種別に対応させることができ、
    それは煙粒子、塵埃粒子、繊維屑粒子、他の不快粒子、眼に見える異物、所定寸法範囲の粒子、特定材料の燃焼により生ずる粒子である、請求項１２に記載の方法。
16. 受光強度を示す信号またはそれらの対応する波長依存パラメータの一方または両方の正規化工程を含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記方法を１回以上反復し、経時的に出力された出力信号により特性解明された前記空気流中の粒子の少なくとも１つの特性を追尾する工程をさらに含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 時間準拠痕跡に対し経時的に追尾した少なくとも１つの特性を比較する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記比較に基づいて状態を識別する工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記状態は、火災、火災の変容、延焼段階の進行、塵埃生成事象、過渡的な不快状態、検出器故障、検出チャンバへの異物の侵入、特定材料の燃焼から選択される、請求項１８に記載の方法。
21. 所定波長の受光強度を示す信号を前処理し、背景光の影響を取り除く工程を含めることのできる、請求項１から２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 出力信号に基づき所定の寸法範囲の粒子の濃度を特定する工程をさらに含む、請求項１から２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 粒子検出システムであって、
    空気試料を受容するよう適合させた検出チャンバと、
    複数波長で空気試料を照光する手段と、
    空気試料で散乱させられた光を複数波長で受光し、各波長の受光強度を示す信号を出力する手段と、
    請求項１から２２のいずれか１項に記載の方法を用い、各波長の受光強度を示す信号と対応する波長依存パラメータとを処理し、空気試料中の粒子の少なくとも１つの特性を示す出力信号を生成する処理手段とを含む、粒子検出システム。

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