KR20070093154A - 유동체가 제1 속도로 통과하여 흐르는 입구를 갖는 입자탐지기를 위한 챔버 구성 - Google Patents

유동체가 제1 속도로 통과하여 흐르는 입구를 갖는 입자탐지기를 위한 챔버 구성 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체가 제1 속도로 통과하여 유동하는 입구를 갖는 입자 탐지기를 위한 챔버 구성에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는,
유체가 제1 속도로 통과하여 유동하는 입구를 갖는 입자 탐지기를 위한 챔버 구성에 있어서, 상기 챔버는,
제1 속도의 유체 유동을 확산시키고 제2 속도로 유체 유동을 제공하기 위한 제1 확산기;
상기 제1 확산기는 입자 탐지 지역에 상기 제2 속도로 유체 유동을 제공하는 것을 특징으로 하는 챔버 구성을 제공한다.
입자 모니터, 부유 물질, 탐지, 분석, 연기, 먼지, 탐지기, 환경 모니터링

Description

유동체가 제1 속도로 통과하여 흐르는 입구를 갖는 입자 탐지기를 위한 챔버 구성{A chamber configuration adapted for a particle detector having an inlet through which fluid is adapted to flow at a first velocity}
본 발명은 유체에 부유하는 물질이나 입자들의 탐지, 분석 및/또는 측정분야에 관한 것이다.
한가지 특별한 형태에 있어서, 본 발명은 재료의 원하지 않는 열분해나 연소를 탐지하는 연기 탐지기들에 관한 것이다. 다른 형태에 있어서, 본 발명은 환기, 공기조화 또는 특정 지역의 덕트 모니터링과 같은 감시 모니터링에 적용될 수 있는초기 탐지 타입의 연기 탐지기들에 관한 것이다. 또 다른 형태에 있어서, 본 발명은, 빌딩과 같은 건물의 화재나 안전 감시 모니터링에 관한 것이다. 또 다른 형태에 있어서, 본 발명은 상업적 및 산업적 환경들을 포함하여 유체, 영역, 지역 및/또는 주위 환경의 모니터링, 탐지 및/또는 분석과 같은 환경 모니터링에 관한 것이다.
하기에서 명백하게 밝혀지는 바와 같이, 본 발명은 넓은 응용분야를 가지므로, 상기에서 언급한 특별한 형태들은 단지 설명을 위해서 제시된 것이며, 본 발명 의 영역은 이러한 형태들로서 제한받지 않는다.
본 발명은 여러가지 열분해 및 연소 환경들에서 생성된 연기의 형태가 다르다고 결론내리고 있다. 빠른 화염은 매우 많은 수의 매우 작은 고체 입자들을 생성하는 경향이 있는데, 이러한 입자들은 그을음을 형성하도록 임의의 형상으로 응집하는 경향이 있다. 이에 비교하여, 열분해 초기 단계들에서는, 보다 작은 수의 상대적으로 큰 액체 입자들(높은 끓는 점을 가짐)이 생성되는 경향이 있는데, 이러한 액체 입자들은 큰 반투명의 구들을 형성하도록 응집하는 경향이 있는 에어졸로서 존재한다.
본 발명자는, 연장된 시간 간격 동안에 양적으로 천천히 증가하는 상대적으로 큰 입자들의 탐지는 통상적으로 열분해 또는 그을림 조건을 나타내는 반면, 초기의 열분해나 그을림이 없이 신속하게 발생하는 수많은 작은 입자들을 탐지하기 위해서는 촉매의 사용이 필요하다는 것을 알게 되었다.
본 발명자는, 먼지 입자들은 환경에서 천연 물질들이나 유기체들의 마모나 비 열적 분해에 의해서 발생되고 그 입자들은 연기 입자들에 비해서 매우 큰 입자라는 사실을 알게 되었다.
본 발명자는 다음의 사실을 또한 이해하였다.
종래의 포인트 타입의 연기 탐지기들은 주로 보호 지역에서 천정에 설치하도록 고안되었다. 이러한 탐지기들은 상대적으로 낮은 민감도를 가지며, 모니터되는 지역을 큰 체적의 공기가 통과하는 경우 원하지 않는 열분해의 존재를 탐지하는데 있어서 문제점이 있고, 그래서 원하지 않는 열분해를 감지하기 위한 탐지기의 능력이 약화된다.
이러한 결점들을 극복하기 위해서, 고도로 민감한 흡기형 연기 탐지기들이 개발되었는데, 이들은 소정의 지역을 모니터하기 위한 목적으로 덕트 상에 자주 설치하였다. 이러한 탐지기들은 종래의 포인트 타입의 탐지기들 보다 몇백배 큰 민감도의 측정을 제공한다. 이러한 흡기형 장치들은 공기 펌프를 경유하는 흡입 압력을 채용하고, 또한 탐지기를 오염시키거나 연기와 구분할 수 없어서 오작동 경고신호를 발생시킬 수 있는 원하지 않는 먼지 공해를 줄이기 위하여 먼지 필터를 채용한다.
흡기 시스템에서 바람직하게 채용되는 연기 탐지기로는 탁도계(nephelometer)를 들 수 있다. 이것은 화재시에 발생하거나 과열, 연소 또는 그을림의 초기단계 동안에 생성되는 많은 연기 입자들과 같은 다양한 크기의 입자들에 대하여 민감하다.
통상적으로 종래의 광학형 연기(또는 공기로 운반되는 입자) 탐지기들은 그러한 입자들을 포함하게될 탐지 영역을 조사(照射)하기 위해 단일의 광원을 사용한다. 이와는 달리, 2개의 광원을 사용하는 것이 몇가지 탐지기들을 위해 제안된바 있다. 이러한 광원은 하나 또는 그이상의 리시버 셀들(또는 센서들)을 향하는 입자들을 산란시킨다. 리시버 셀(들)로부터 나오는 출력 신호(들)은 경보를 발생시키도록 사용된다.
다른 탐지기들은 통상적으로 적외선 파장 근처에서 편광된 단색성 광원을 제공하는 레이저 빔을 사용한다. 그런데, 이러한 탐지기들은 특정한 입자 크기 범위에 대하여 지나치게 민감한 경향이 있으므로, 진실한 탁도계라고 할 수 없다.
상기한 탐지기들의 결점은 초기 열분해와 초기 화재 뿐만아니라 엄청나게 빠른 화재의 매우 작은 입자 특성들에 대하여 상대적으로 덜 민감하다는 것이다.
다른 한편으로, 이온화 연기 탐지기들은 탐지 챔버 내에서 공기를 이온화하기 위하여 아메리슘(Americium)과 같은 방사성 원소를 사용한다. 이러한 탐지기들은 큰 화재에서 생성되는 매우 작은 입자들에 대하여 상대적으로 민감하지만, 열분해나 그을림에서 생성되는 큰 입자들에 대해서는 상대적으로 덜 민감하다. 이러한 큰 입자들은 비교적 용이하게 부유하는 경향이 있고, 탐지실 내에서 이온화된 공기를 이동시키고 그로 인하여 잘못된 화재 경보를 유발시키는 원인이 되고 있다. 따라서, 이온화 연기 탐지기들은 그들의 유용한 민감도에도 불구하고 실제적인 사용에 있어서 한계가 있는 것이다.
다른 연기 탐지기로는 단일 광원으로서 사용되는 크세논(Xenon) 램프를 들 수 있다. 크세논 램프는 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 포함하는 태양 빛과 유사한 빛의 연속적인 스펙트럼을 만들어낸다. 이러한 광원을 사용하면 모든 크기들의 입자를 탐지할수 있으며, 탐지기들은 진실한 탁도계의 특징인 연기의 매스 밀도(mass density)에 비례하는 신호를 생성한다. 그러나, 특정한 입자 크기를 식별하지 못하므로 불의 형태를 특성화할 수 없다. 크세논 램프는 비교적 짧은 약 4년 동안의 수명을 나타내는데, 그 빛의 세기가 변하고 민감도에도 영향을 끼치는 것으 로 알려져 있다.
본 발명자는, 민감도에 있어서 광범위한 출력 범위를 제공하기 위해서, 마이크로프로세서에 연기 레벨 데이터를 인가하도록 사용되는 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 종래의 탐지기들이 제공할 수 있게 하였다. 주의깊은 설계를 통해서, ADC의 모든 용량은 (통상적으로)20%/m와 같은 최대 연기 레벨을 나타내도록 사용된다. 8비트 분해능에서 ADC의 작동은 유용한 반면, 10비트 또는 그 이상의 분해능에서 ADC의 작동에는 비용이 많이 들고 큰 마이크로프로세서가 필요하다. 10비트 ADC는 이러한 20%/m 수준을 1024 단계들로 분할할 수 있는데, 이때 각각의 단계는 20/1024 = 0.02%/m의 증분을 나타낸다. 그러므로, 단계들은 0, 0.02, 0.04, 0.06 등으로서, 미세 증분들에 대해서는 기회를 제공하지 못한다. 낮은 연기 레벨에서, 이것은 매우 조악한 분해능으로 판단되고, 경보 경계를 미세하게 설정하는 것을 어렵게 만든다. 그런데, 높은 연기 레벨에서는, 0.02%/m의 분해능은 불필요하다. 예를 들면 10.00%/m 또는 10.02%/m에서 경보 경계를 설정하는 능력은 작다. 종래의 탐지기들의 분해능은 낮은 연기 레벨에서는 너무 조악하고 높은 연기 레벨에서는 너무 미세한 것으로 판단된다.
본 명세서에서 언급된 문헌들, 장치들, 작용들 또는 지식은 본 발명의 배경을 설명하기 위하여 포함된 것이다. 본 명세서와 특허청구에 기재된 발명의 우선일과 동일날짜 또는 그 이전에 호주나 다른 나라에서 종래 기술분야 또는 관련 분야에서 알려진 일반적인 지식을 형성하는 소정의 자료들은 참고사항으로 고려될 것이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 입자 탐지기의 챔버 구성을 제시하여 효과적으로 입자를 탐지할 수 있는 구성을 제안하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 입자들, 열분해, 그을림 및/또는 화재 사건들 및 먼지의 개선된 탐지, 식별 및/또는 분석을 가능하게 하는 입자 탐지 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 먼지와 함께 사용되거나 또는 독립형의 탐지기 및/또는 모니터로서 사용되기에 적합한 입자 탐지장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 종래 기술과 연관된 적어도 하나의 결점을 완화시키는데 있다.
본 발명의 실시 양태들에 따르면, 모니터링, 감시, 측정, 탐지 및/또는 입자들의 분석, 환경, 유체, 연기, 지역 또는 영역은 입자들의 존재 및/또는 특성들의 결정을 포함하게 되는데, 이것은 본 발명의 특정 적용에서 요구된다.
이러한 관점에서, 본 발명의 일 실시 양태는 유체 샘플에서 소정의 크기 또는 크기(들)의 범위를 갖는 입자들의 존재를 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시 양태에 따른 방법은, 상기 유체 샘플에 제 1 파장의 빛을 조사(illuminating; 照射)하는 단계; 제 1 조사를 나타내는 제 1 반응 신호를 얻는 단계; 상기 샘플에 제 2 파장의 빛을 조사하는 단계; 제 2 조사를 나타내는 제 2 반응 신호를 얻는 단계; 그리고 상기 제 1 반응 신호와 상기 제 2 반응 신호를 비교하여 상기 크기 또는 크기 범위를 갖는 입자들의 존재를 결정하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 조사는 수평으로 및/또는 수직으로 편광된다.
본 발명의 다른 실시 양태에 따르면, 입자 모니터에서 이득 조절(gain control)을 제공하기에 적합한 이득 조절 장치가 제공되는데, 이 장치는, 제 1 증폭기를 갖는 제 1 이득 스테이지(gain stage); 그리고 제 2 증폭기 및 전압 또는 전류 조절 피드백을 갖는 제 2 이득 스테이지로, 상기 전류 조절 피드백은 상기 제 2 이득 스테이지의 출력으로부터 상기 제 1 이득 스테이지의 입력으로 제공되고, 그래서 상기 증폭기의 주파수 반응이 상기 피드백에 의해 영향을 받지 않는 제 2 이득 스테이지;를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시 양태에 따르면, 입자 모니터에 대한 서비스 시간간격을 결정하기 위한 방법이 제공되는데, 이 방법은, 연기 입자들로부터 먼지 입자들의 존재를 뚜렷하게 결정하는 단계; 상기 먼지 입자들의 존재에 대한 측정을 제공하는 단계; 그리고 측정이 소정의 경계에 도달하는 경우 서비스 표시를 제공하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시 양태에 따르면, 입자 모니터링 챔버로서, 조명 공급원과 작동가능하게 연관된 제 1 아이리스(iris); 리시버 셀(receiver cell) 쪽으로 빛을 집중시키기에 적합한 렌즈; 및 상기 렌즈 상에 충돌하도록 빛이 상기 제 1 아이리스로부터 직접적으로 나오는 것을 방지하도록 구성된 주 아이리스;를 포함하는 입자 모니터링 챔버를 제공한다.
본 발명의 또다른 실시 양태에 따르면, 주어진 지역을 통해서 유동하는 유체의 속도를 결정하기 위한 방법이 제공되는데, 이 방법은, 유량의 경로에서 상대적으로 낮은 유체속도의 지점에 제 1 센서를 제공하는 단계; 유량의 경로에서 상대적으로 높은 유체속도의 지점에 상기 제 1 센서보다 작은 온도 특성을 갖는 제 2 센서를 제공하는 단계; 그리고 상기 제 1 센서와 상기 제 2 센서를 통과하는 유체의 냉각 효과 측정을 기초로하여 유체 속도를 결정하는 단계;를 포함한다.
추가적으로, 본 발명의 또다른 실시 양태가 제공되는데, 이 실시 양태는 덕트 상에 하우징을 장착하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은, 하우징과 연관된 적어도 하나의 탭 요소를 제공하는 단계; 상기 덕트의 장착 영역에 인접하여 상기 하우징을 위치시키는 단계; 상기 장착 영역에 인접하여 상기 덕트의 프로파일(profile)에 부합하도록 상기 탭 요소를 형상화하는 단계; 그리고 상기 탭 요소를 사용하여 상기 하우징을 부착시키는 단계;를 포함한다.
본 발명은 또한 유체 매체에 있는 입자들의 존재, 농도 및 특성들을 모니터하기 위한 모니터를 제공한다.
본 발명은 또한 탐지기의 임계나 경보를 기동하기 위한 출력으로서 대수 신호를 제공한다. 이것은 진폭이 대수 함수나 스케일(scale)에 따라 축소될 수 있는 신호를 의미한다. 대수 신호는 탐지될 입자들의 존재, 수, 빈도, 농도 및/또는 주기와 같은 여러가지 특질들을 나타낸다.
필수적으로, 본 발명의 일 실시 양태에 있어서, 각기다른 파장들, 여러범위 의 파장들 및/또는 분극화(polarisation)가 유체에서 소정의 입자들을 탐지하는데 사용된다.
필수적으로, 본 발명의 다른 실시 양태에 있어서, 두 신호들의 차감 또는 비율의 제공은 입자들 및 입자들의 크기 탐지를 나타내는 있어서 보다 측정가능한 출력을 가능하게 한다.
필수적으로, 본 발명의 또다른 실시 양태에 있어서, 입자들의 탐지를 나타내는 이러한 출력은 두 신호들에 따라서 증폭된다.
다른 실시 양태들 및 바람직한 실시 양태들은 명세서에 기재되고 및/또는 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 특허청구 범위에서 한정된다.
본 발명은 크기의 축소, 비용 절감 및 에너지 소비의 감소와 같은 다수의 잇점을 제공하고, 민감도, 신뢰성, 보수 기간 및 경보 발생 오류의 최소화와 같은 고도의 산업 표준을 달성하고 및/또는 먼지로 인한 잘못된 경보를 발생시킴이 없이 연기에 대한 고도의 민감도를 제공할 정도로 연기 및/또는 먼지 입자들의 존재에 대한 환경적인 모니터링을 달성한다.
명세서를 통해서 기재된 참조는 일정한 파장들을 갖는 소정의 각기 다른 광원들에 대해 이루어진다. 광원들과 파장들에 대한 참조는 이들이 현재 시판중에 있는 광원들인 경우에만 이루어진다. 본 발명의 원리는 각기 다른 파장들의 광원들에 대하여 동등한 적용능력을 갖는다.
모니터는 탐지기나 유사한 장치들에 대한 참조를 포함할 것이다.
본 발명의 적용능력에 대한 추가적인 범위는 하기의 상세한 설명을 통해서 명백하게 밝혀질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정한 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예들을 단지 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하고, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 상세한 설명으로부터 이러한 사실들을 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 유체가 제1 속도로 통과하여 유동하는 입구를 갖는 입자 탐지기를 위한 챔버 구성은,
제1 속도의 유체 유동을 확산시키고 제2 속도로 유체 유동을 제공하기 위한 제1 확산기;
상기 제1 확산기는 입자 탐지 지역에 상기 제2 속도로 유체 유동을 제공하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제2 속도는 상기 제1 속도에 비하여 상대적으로 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 속도는 상기 제1 속도에 비해 25배 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 속도 유체 유동은 실질적으로 층류(laminar flow)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 속도 유체 유동을 가속화하고 제3 속도 유체 유동을 제공하기 위한 제2 확산기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 속도는 실질적으로 상기 제1 속도와 같은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 확산기는 상기 제1 확산기를 통과하여 지나가는 유체의 층류(laminar flow)를 증진(promote)하도록 디자인된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 입자 탐지 지역은 상기 입자 탐지 지역을 통과하여 지나가는 유체의 층류(laminar flow)를 증진(promote)하도록 디자인된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐지 지역을 통과하여 유체 유동이 지나감에 따라 방향의 변화가 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 확산기를 통과하여 유체 유동이 지나감에 따라 방향의 변화가 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 확산기는 탐지 지역 내에서 유체 유동을 보조하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탐지 지역은 최소의 입자 보유(retention)를 갖도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버는 상기 입자 탐지기 내에서 압력 강하(pressure drop)를 실질적으로 최소화하도록 디자인된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버 구성을 포함하는 입자 탐지기, 연기 탐지기, 흡기(aspirated) 탐지기를 특징으로 한다.
한편, 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법으로서, 상기 방법은,
유체가 통과하여 유동하기 위한 입구를 상기 탐지기에 제공하는 단계;
상기 입자 탐지 지역에 들어가기에 앞서 유체 유동을 확산시키는 단계;
상기 확산된 유체 유동을 입자 탐지 지역으로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 확산된 유체 유동은 상기 입구에서의 유체 유동 속도에 비하여 상대적으로 낮은 속도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 입구에서의 상기 유체 유동 속도는 상기 확산된 유체 유동 속도 보다 실질적으로 25배 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확산된 유체 유동은 층류(laminar flow)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확산된 유체 유동 내의 어떠한 먼지 입자라도 상기 탐지 지역을 통과하여 지나감에 따라 상대적으로 낮은 모멘텀을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확산된 유체 유동은 상기 확산된 유체 유동 내에 있을 수 있는 실질적으로 모든 먼지 입자들이 원심력에 의하여 유동 내에서 부유물이 스핀 아웃(spun-out)되지 않는 방식으로 상기 탐지 지역을 통과하여 지나가는 것을 특징으로 한다.
또한, 원심력에 의하여 탐지 지역을 통과하는 유체 유동 내의 부유물이 스핀-아웃(spun-out) 되는 유체 유동 내의 잔여 먼지 입자들은 근접한 상기 탐지 지역의 제1 오리피스로부터 떨어지도록 편향되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 확산된 유체 유동은 방향의 변화를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방향의 변화는 상기 유체 유동이 상기 탐지 지역을 통과하여 지 나감에 따라 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방향의 변화는 상기 유체 유동이 상기 확산기를 통과하여 지나감에 따라 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방향의 변화는 상기 유체 유동의 상대적으로 낮은 속도에 의하여 상대적으로 낮은 손실을 입는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 유동은 상기 탐지 지역을 벗어남에 따라 더 확산되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 유동을 가속화(acelerate)하기 위하여 더 확산시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벗어나는 유체 유동은 상기 입구에서의 유체 유동의 속도와 실질적으로 같은 속도로 가속화되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 유체가 제1 속도로 통과하여 유동하는 입구를 갖는 입자 탐지기를 위한 챔버 구성에 따르면, 다양한 속도의 유체 유동 확산이 가능하고, 층류를 증진시킬 수 있으며, 효과적으로 입자를 검출할 수 있다.
하기에서 설명되는 본 발명의 실시 예에 있어서, 적어도 2개의 채널들중 하 나는 적색광이나 적외선 파장과 같은 파장을 사용하는 채널 A, 다른 하나는 청색광 파장과 같은 파장을 사용하는 채널 B로서 언급된다. 녹색광 파장과 같은 파장을 사용하는 채널 C와 같은 추가 채널이 채용될 수 있다. 다른 파장들은 본 발명에 따라서 채용되는데, 하기의 설명에서 명백하게 밝혀진다. 일반적으로, 장파장으로부터 주어진 판독은 단파장으로부터 주어진 판독과 비교된다. 보다 바람직하게는, 장파장은 단파장으로부터 차감된다. 비율은 파장 판독 값들을 비교하는데 사용될 것이다.
빛의 파장
본 발명의 일 실시 양태에 있어서, 본 발명에 따른 장치의 민감성도는 입자 크기에 따라 좌우되므로 채용된 빛의 파장은 입자 크기와 중요하게 연관된다는 사실이 본 발명의 발명자에 의해서 밝혀진다. 다양한 입자 크기 범위에 걸쳐서 입자들로 인한 빛의 산란은, Bohren CF and Huffman DR에 의해 "Absorption and Scattering of Light by Small Particles'라는 타이틀로 ISBN 0-471-05772-X에 발표된 바 있다.
Mie 방정식은 공통의 연기와 먼지에 대하여 적합한 크기 범위의 입자들을 고려하기에 적합한 것으로 밝혀졌다. 빠른 화염들은 그을음을 형성하도록 임의의 형상들로 응집하는 매우 큰 수의 매우 작은 탄소질 입자들을 생성한다. 비교하면, ㅇ열분해의 초기 단계들은, 더욱 큰 반투명 구 또는 액적들을 형성하도록 응집하는 에어졸로서 존재하는 작은 수의 상대적으로 큰 액체 입자들(높은 끓는 점)을 생성하는 경향이 있다. 먼지 입자들은 기계적인 마모로부터 발생되고, 모델링 목적을 위해서 큰 구와 같은 임의의 형상을 갖는다. 연기나 먼지의 소오스는 단일 산란(mono-disperse)(하나의 입자크기를 포함)을 이루지는 않으며, 가우스 분포(Gaussian distribution)를 수반하는 다중 산란(poly-disperse)을 이룬다. 크기 분포에 대하여 통상적인 표준 편차가 1.8 내지 2 근처에 도달한다는 사실이 본 발명자에 의해서 발견되었다.
도시에서 공기에 의해 운반되는 입자 분포들은 두가지 모드를 가지는데, 0.1미크론 및 10미크론에서 피크를 이룬다. 통상적으로, 0.01 내지 1 미크론의 범위내에 연기 입자들이 놓이는 반면에, 공기에 의해 운반되는 먼지 입자들은 1 내지 100미크론의 범위내에 놓인다. 그러나, 자연에서 최소 먼지 입자들이 최대의 가능한 연기 입자들 보다 작기 때문에, 약 1미크론 영역에서 몇몇의 중첩이 존재하게 된다.
본 발명자는 일정한 입자 크기가 특별한(다른) 빛의 파장에 의해서 보다 쉽게 식별되는 것을 알아 내었다. 이것을 근거로하여, 두파장의 입사광을 사용한다. 이 빛은 청색광으로부터 적색광(및 적외선)의 범위가 될 수 있다. 예를 들면, 400nm(청색) 내지 1050nm(적색) 범위의 빛이다. 또한, 예를 들면, 430nm(청색)와 660nm(적색) 범위의 빛이 사용될 수 있다.
0.01 내지 10미크론 매스(mass) 평균 직경 범위의 입자 크기들에 Mie 이론을 적용하고 1.8의 표준편차를 사용하여 그 결과를 도 1에 나타내었는데, 도 1에서 두파장의 입사광, 즉 420nm(청색)와 660nm(적색) 파장의 입사광에 대하여, 각각 분극되지 않거나, 수직으로 분극되거나 또는 수평으로 분극되고 광학 축에 대하여 동일 한 각도로 투영된 결과들이 도시되어 있다.
도 1에 있어서, 청색군의 결과들(B = 청색광 분극되지 않음, BV = 청색광 수직하게 분극됨, BH = 청색광 수평으로 분극됨)은 연기와 먼지의 탐지에 대하여 매우 적합한 반면, 적색군의 결과치들(R, RV 및 RH)은 먼지의 탐지에 적합하지만 작은 입자들에 대한 반응의 결핍으로 인하여 넓은 범위의 연기 입자들을 탐지하는데 있어서 상대적으로 빈약하다.
도 1에 도시된 그래프들 모두는 약 0.8미크론 이상에서 서로 겹쳐지는 반면에, 이보다 작은 입자 크기들 에서는 그래프들 사이에서 상당한 차이를 나타낸다. 최대의 분리는 수직하게 분극된 청색광(BV) 대 수평으로 분극된 적색광(RH)에 대하여 달성된다. 그래프들은 큰 직경들에서 효과적으로 분리될 수 없다. 곡선에 있어서 주기성(프린징-fringing 또는 공진)은 주어진 파장과 주어진 입자 크기 사이에서의 상호작용의 결과로서 상 취소 및 보강에 의해서 야기된다.
430nm(청색광)와 530nm(녹색광)의 조합이 조사되는 경우, 도 2에 도시된 결과가 얻어진다. 여기에서 여러 가지 그래프들은 서로 유사하고 그래프들을 약 0.5미크론 이상으로 분리시키는 것이 어렵다.
예시적으로 선택된 파장은 상업적으로 유용한 프로젝터들의 파장으로서 한정된다. 도 2(530nm)에 도시된 정보를 기초로 하여, 오렌지색 광(620nm)에 대한 결과치들은 도 1(660nm)에 도시된 것과 유사하다.
*도 3에는 청색광(470nm)과 적외선(940nm)의 결과들이 나타나 있다. 도 3에 있어서, 파장 분리는 실질적으로 단일 옥타브(octave)이다. 1미크론 이하의 지역, 즉 연기와 먼지 사이의 두드러진 경계에서 그래프들의 보다 명확한 분리가 있음을 잘 알 수 있다.
보다 폭넓게 분리된 파장들에서 모니터를 작동시키는 몇가지 장점들이 있으나, 현재 유용한 기술은 한정 요소이다. 산란된 광을 탐지하도록 사용된 리시버 셀은 향상된 청색 반응을 갖는 PIN 광다이오우드이다. 850nm의 피크 반응에 있어서, 반응은 400nm와 1050nm에서 약 30%가 실패했다. 그래서, 실제적인 목적에 있어서 프로젝터 파장은 현재 이러한 범위로 제한된다. 물론, 다른 리시버 셀이 사용 가능하지만, 입자들에 충돌하는 빛의 파장은 큰 분리를 가지도록 변경될 수 있다.
상기한 결과로부터, 본 발명의 일 실시 예에 있어서 탐지될 입자들을 조사하기 위한 2개의 프로젝터들에 대한 파장들은 청색광/자외선에 대하여 400nm 내지 500nm 그리고 적색광/적외선에 대하여 650 내지 1050nm의 범위에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 양태에 있어서, 만일 수신된 신호의 결과가 비율을 비교하거나 서로 차감하는 것, 즉 하나의 신호가 다른 신호로부터 차감되는 것과 같이 서로 비교하면, 보다 신뢰성 있는 "트리거(trigger)" 또는 탐지 신호가 본 발명의 모니터가 적용되는 적용 예에 적합한 크기를 갖는 입자들의 존재를 나타내도록 생성될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 만일 본 발명의 모니터가 "연기" 모니터로서 구성되면, 상대적으로 작은 입자들이 큰(먼지) 입자들보다 세력이 커진다. 그러므로, 발명자는 연기 모니터에 대한 요구를 실현한 것이다. 예를 들면, 청색광은 큰 입자들 뿐만 아니라 작은 입자들에도 반응하는 것으로 밝혀졌고 적외선은 단지 상대적으로 큰 입자들에만 반응하는 것으로 밝혀졌다. "적외선" 반응신호보다 작은 "청색광" 반응신호를 기초로 하여 신호를 얻음으로써, 모니터는 작은 입자들에 대하여 상대적으로 크게 반응하고 상대적으로 큰 입자들에 대해서는 작게 반응하거나 전혀 반응하지 않도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 4는 청색광(B) 데이터로부터 수평으로 편광된 적색광(RH), 편강되지 않은 적색광(R) 또는 수직으로 편광된 적색광(RV)을 차감하여 얻어진 결과를 보여준다. 이러한 방식으로 구성된 모니터는 B-RH 조합으로부터 우수한 민감도로서 1미크론보다 작은 입자들에 대하여 보다 민감하게 반응한다. BH 및 BV 결과들의 혼란을 피하기 위하여 이들은 도시하지 않았지만 그 거동에는 일관성이 있다.
도 4와 비교하여, 청색광(B) 데이터로부터 GH, G 및 GV를 차감하여 얻어진 결과가 도 5에 도시되어 있다. 상대적으로 작은 입자 크기들은 비록 충돌효과가 상당할지라도 큰(먼지형) 입자 크기들보다 명확하게 식별된다.
도 6은 B로부터 IRH를 차감한 후에 그 결과를 나타낸 그래프이다. 다른 결과들은 설명을 위해서 생략하였다. 추가적으로, 향, 솜 램프 심지, 토스트 및 포틀랜드 시멘트(Portland cement)(먼지 대용물)에 대해 얻어진 입자 평균 크기에 대한 몇몇 공지된 데이터가 도시되어 있다. 이러한 차감을 수행하도록 구성된 모니터는 상당한 범위로 먼지를 (상대적으로)거절하는 반면, 공통 연기 타입들에 대해서는 적당한 민감성을 갖는다.
이러한 차감의 실시 양태를 실행한 후에, 본 발명의 다른 실시 양태가 발전 하였는데, 적절하게 구성된 이득 증폭기는 경보기나 다른 경보장치들에 의해서 사용하기에 적당한 출력 신호들을 제공하도록 사용될 수 있다. 이러한 실시 양태는 하기에서 보다 완전하게 설명될 것이다.
제 3의 또는 그 이상의 파장(들)이 상기 2개 파장에 추가하여 사용되는 경우, 사용된 파장에 따라서 작은 입자나 큰 입자들 뿐만아니라 다른 (중간)크기의 입자들을 구별하는 것이 가능할 것이다.
2개 채널 디자인
본 발명의 실시 양태에 따른 2개 채널의 디자인을 사용하는 다른 특징은 B(샘플) 채널로부터 A(참조) 채널을 차감하는(또는 그 역으로 차감하는) 것이며, 제로(0) 균형을 달성할 수 있다. 이러한 균형은 채널의 배경이 시간에 따라 변하는 경우에도 실질적으로 변하지 않는 것으로 밝혀졌다. 본 발명자는 챔버 수명 또는 챔버 표면이 오랜시간 동안 유지되는 것(먼지 필터의 사용에 의해서 시간이 크게 연장됨)을 달성하였으나, 배경 빛의 레벨은 변한다. 양 채널들의 반응(특히 먼지 축적)이 실질적으로 동일하기 때문에, 채널들의 차감 효과는 자체적으로 취소되고, 결과적으로 소정시간 동안 가산 회로로부터 얻은 출력에서의 변화를 최소화한다. 먼지로부터 얻어진 신호는 먼지가 공기로 운반되고 표면 상에 정착할 수 있다는 사실에 좌우되지 않는다. 먼지 덩어리들 또는 심지어 벽들과 같이 먼지보다 큰 것들에 대해서도 유효한 사실이다.
표면개질(soiling)로 인한 드리프트(drift)의 널링(nulling)은 보정을 유지하기 위한 견지에서 가치있는 특징으로 고려된다.
신호 수준 분석
본 발명의 하기 설명은 연기 모니터 응용을 참고하여 이루어진다. 그러나, 본 발명은 이러한 응용에 의해서 제한되지 않는다.
종래의 천정 장착형 "광학" 연기 탐지기들은 경보를 발생시키기 위해서 약 10%/m(3%/ft) 암흑화(obscuration)에 대하여 동등한 민감도를 제공한다. 매우 민감한 연기 탐지를 위한 기준은 0.1%/m 암흑화 보다 크거나 동등한 적어도 2개의 오더들(orders)에 민감성을 요구하고 이 수준 아래에서는 경보 설정 지점을 갖는다. Eccleston, King & Packham (Eccleston AJ, King NK and Packham DR, 1974: The Scattering Coefficient and Mass Concentration of Smoke from some Australian Forest Fires, APCA Journal, v24 no11)에는 유칼리 숲 화재 연기에 대한 것이 개시되어 있는데, 여기에서는 0.1%/m 수준이 4km에 달하는 가시적인 거리 및 0.24mg/㎥의 연기 밀도에 대응한다. 그렇게 높은 민감도는 초기 단계의 열분해 탐지를 가능하게 하고, 이에 의해 빌딩에서의 잠재적인 화재에 대한 조기 경보를 제공하면서 잘못된 경보에 대한 비율은 낮아지게 된다.
오늘날 매우 높은 민감성 연기 탐지기들은 적외선 고체상태 레이저 다이오드를 갖춘 광학 챔버를 사용한다. 적외선 빛의 긴 파장은 상대적으로 큰 공기로 운반되는 입자 특성의 먼지 뿐만아니라 일정 타입의 화재로부터 연기 에어졸들을 탐지하는데 유용하다. 그러나, 다른 화재들에서 발달된 매우 작은 입자들을 탐지하는 것에는 상대적으로 취약하다. 짧은 가시적인 파장들에서 작동하는 종래의 고체 상태 레이저들은 가격이 비싸거나 증가된 주위 온도(60℃)에서 신뢰성있게 작동할 수 없다. 이러한 어려움들을 극복하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는, 연기 모니터들에 적용됨에 따라 가시적인 스펙트럼(470nm)의 청색광 말단에서 작동하는 발광다이오우드(LED) 프로젝터를 사용하도록 결정되었다.
모니터 구성은 광학 챔버 내에서 리시버 셀 축에 대하여 60°각도로 설정한 청색 프로젝터를 통합하였는데, 이는 하기에서 보다 상세히 설명될 것이다. 940nm(적외선)에서 동일한 각도로 설정되고 청색 프로젝터에 대하여 수평으로 대향하는 참조 프로젝터를 포함한다. 10°의 원뿔각을 갖는 유효 프로젝터를 사용하면, 장치는 배경 라이트를 최소화함으로써 리시버 셀을 제거하게 되고 장치 민감도를 최대화하는 최적의 구성을 제공한다.
0.3㎛ 매스 평균 직경(실제적으로 1.8의 기하학적 표준 편차)의 입자들을 포함하는 특정한 연기 밀도(0.1%/m)에 대하여, Weinert(Weinert D, 2002: Assessment of Light Scattering from Smoke Particles for a Prototype Duct-mounted Smoke Detector, unpublished)는 사용된 모니터 구성에서 편광되지않은 청색광 소오스에 의해 이러한 연기의 조사로 인하여 수신된 신호 강도가 단위 조사(irradiance) 당 4.5E-8의 오더(order)라고 판단하였다. 470nm 및 940nm에서의 Weinert 데이터는 도 3에 도시한 바와 같은 그래프로서 표현된다. 결정적으로, 이것은 챔버 벽들의 원하지 않는 잔여 반사로 인하여 셀에 의해서 수신된 "배경" 빛 강도가 프로젝터 빔 강도 보다 낮은 크기의 적어도 8 오더가 되고, 그리하여 원하는 빛 신호(연기로부터 산란됨)는 제거되지 않는다는 것을 의미한다.
한가지 형태에 있어서, 청색 프로젝터는 500mA의 구동 전류에서 40칸델 라(cd)의 발광강도를 갖도록 특정된다. 정의에 의해서, 1cd에서 전력수준은 스테라디안(steradian; sr) 당 1.464mW이고, 그래서 전력은 1.464*40 = 58.6mW/sr이다. 5° 절반각도는 2π(1-cos(5)) = 0.024sr이고, 그래서 출력 파워는 58.6*0.024 = 1.4mW이다. 이러한 구동 전류에서 프로젝터 전압 강하는 4.0V이고, 그래서 0.1% 듀티 ㅅ사이틀(duty cycle)을 사용하여 프로젝터에 대한 입력 파워는 0.5*4.0*0.001 = 2.0mW이다. 이것은 최대 전력 산란 비율의 1%보다 작다.
따라서, 1.4mW의 펄스형 프로젝터 파워 출력에서, 셀을 향하는 산란된 광 신호는 사용된 구성에 대하여 1.4*4.5E-8 = 6.3E-5㎼이다. 조사의 이러한 수준은 리시버 모듈 내에서 PIN 광다이오우드인 리시버 셀 위 쪽으로 집중되도록 설정된다. 셀의 민감도는 400nm에서 0.2A/W이고 470nm에서 0.31㎂/㎼로 변환되는 것으로서 특정된다. 92%(피복되지 않음)의 특정된 렌즈 투과율에서, 조사된 셀에 의해서 개발된 신호는 0.31*6.3E-5*0.92 = 1.8E-5㎂ 이다.
한가지 형태에 있어서, 리시버 모듈은 전류 대 전압 변환기와 2개의 전압 증폭기들을 포함하는 3상 교류 결합 펄스 예비 증폭기를 포함한다. 컨버터는 직렬 저항에 관계없이 역전화와 비역전화 사이에서 차이나게 연결된 PIN 광다이오우드를 구비한 작동 증폭기이다. 피드백 레지스터는 3.9M(3.9pF)가 되고 그래서 중간 대역 주파수들에서 1㎂의 입력 신호에 대하여 이 단계로부터 발생된 전압은 3.9E6*1E-6 = 3.9V/㎂. 특정화된 셀 조사에 반응하여, 출력은 3.9*1.8E-5 = 7.0E-5V 또는 70㎶이다.
한가지 형태에 있어서, 다음의 두 스테이지들은 작동 증폭기들이다. 이들은 각각 10의 중간대역 이득을 가지며, 그래서 리시버 모듈 출력은 특정한 조사에서 7.0mV가 될 것이다. 신호 처리에 대한 보정 전체 크기 출력 수준은 3V이고, 그래서 주 증폭기 전압 이득은 3/7.0E-3 = 429이다. 2개의 유사한 스테이지들을 채용함으로써 이 증폭기는 각 스테이지당 21의 이득을 요구한다. 실제로, 스테이지당 17의 이득은 필요에 따라서 전체 규모에 걸쳐서 정상적인 0.1%m의 민감도 일관성을 제공하기에 적합하다.
명백하게, 모든 연기 탐지기들의 민감도는 입자크기에 의존하며 의미심장한 표준은 이러한 크기(또는 크기의 범위)가 특정될 것을 요구한다. 그럼에도 불구하고, 잘 조성된 국제 기준은 크세논 광원을 사용하여 Vision Systems Australia사에 의해서 최근에 생산된 VESDA Mk3이다. 사실, 이 광원은 청색광 프로젝터와 비교가능하다. 왜냐하면 크세논 램프의 스펙트럼 특성은 PIN 광다이오우드의 스펙트럼 반응 및 작은 에어졸 입자들 또는 분자들을 산란시키는 빛과 결합하기 때문이다. 그리하여 크세논 기초 모니터들의 보정을 위한 특징적인 파장이 청색광 프로젝터와 동일한 470nm인 것을 결정한다. 이러한 이유로 인하여, 질소 및 FM200과 같은 신뢰성 있는 가스들이 보정을 위해서 계속적으로 사용될 수 있다(적외선 레이저 기초 탐지기들에 대해서는 불가능함).
위에서 초기에 언급한 바와 같이, 모니터는 각기다른 파장에서 작동하는 2개의 프로젝터들을 채용한다. 도 3을 참조하면, 비교적 큰 입자들(＞1μ)에 대하여, 반대로 설계되는데, 청색광에 대한 경우에서와 마찬가지로, 동일한 신호 수준이 적외선 신호에 의해서 발생된다. 940nm의 적외선 파장에 있어서, 리시버 셀은 0.55㎂ /㎼의 민감도를 갖는다(470nm에서 0.31㎂/㎼와 비교하여). 940nm에서 렌즈 투과율이 92%로 유지되면, 모든 관련 방정식들이 선형이고 기하학은 상대적으로 동일하므로, 적외선 프로젝터 출력 파워는 0.31/0.55 = 0.56의 요소에 의해 줄어들 수 있다. 500mA의 전류에서, 적외선 프로젝터는 343mW/sr의 전력 수준을 가지며(청색광 프로젝터에 대하여 58.6mW/sr과 비교하여), 그래서 적외선 프로젝터에 대하여 필요한 구동 전류는 500*0.56*58.6/343 = 48mA이다. 이러한 구동 전류는 이러한 필터에서 손실을 극복하기 위하여 편광 필터가 사용되는 경우 증가될 필요가 있다.
필요한 프로젝터가 제 1 근사치로 구동 설정되면, 리시버 셀에 의해서 볼 수 있는 바와 같이 챔버 벽들의 응집형 반사에 의해서 야기된 작은 배경 신호는 프로젝터에 대하여 동일한(매우 낮은) 수준에 놓여야 한다. 이것은 챔버 벽들의 반사(또는 흡수)가 사용된 파장에서의 차이에 독립적이여야 한다는 것을 요구한다. 그러므로, 챔버에서 연기가 없으면, 2개의 채널 출력들 간의 차동 전압은 약 제로(0)가 된다(또는 조정될 수 있다).
연기를 채널 내로 도입함에 따라서, 각각의 채널 상에 작용하는 전압은 상승하고, 채널들 사이의 차동 전압은 빈번하게 제로(0)가 될 것이다. 이러한 차동 전압은 공기에 의해서 운반되는 입자들의 특성을 나타낸다. 도 6은 적외선 채널이 청색광 채널로부터 차감되는 경우 합성 민감도를 나타낸다. 이것은 1μ매스 평균 직경 보다 작은 입자들의 존재를 부각시키도록 사용될 수 있다. 도 6에 포함된 선들은 몇몇 시판중인 재료들, 포틀랜드 시멘트 "먼지", 토스트, 솜 램프 심지 및 ㅎ햐향료로부터 만들어진 입자들의 매스 평균 직경에 대하여 공표된 데이터를 확인하는 라인들이다. 차동 전압은 제 1 실시 예(큰 입자들)에서 제로(0)가 되거나 다소 음의 값이 되어야 한다. 그러나, 다른 3개의 예들(작은 입자들)에서는 상당히 큰 양의 값이 되어야 한다. 이것은 양호한 연기 탐지를 유지하는 동안에 먼지에 대한 식별의 기회를 나타낸다.
연기 에어졸에서 입자크기는 사용된 연료, 온도, 시간 간격 뿐만아니라 산소 공급, 냉각 및 연기 희석을 결정하는 공기 유동 조건들에 따라서 실질적으로 변할 수 있다. 도 7에 있어서, Cleary, Weinert and Mulholland(Cleary TG, Weinert, DW and Mulholland GW, 2001: Moment Method of obtaining Particle Size Measures of Test Smokes, NIST)로부터 얻은 데이터는 쿠킹 오일(전열기 상의 유리 접시), 토스트(토스터), 폴리우레탄 폼(그을림) 및 너도밤나무 목재 블록들(전열기)의 4개 연료들에 의해서 발생된 에어졸 크기들의 그래프들을 만들어 내도록 평균을 낸 것이다. 각각의 경우에 있어서 평균 입자는 초기에는 작고 크기가 증가하다가 연료가 완전히 소비됨에 따라서 떨어지는 것을 볼 수 있다. 작은 입자들의 탐지는 초기 화재에 대한 최초의 가능한 경고를 위해서 중요하다고 할 수 있다. 다른 데이터는 각각의 기간 그래프의 후반부에서 에어졸 매스 농도가 피크에 도달한 후 말기에서 떨어지는 것을 보여준다.
도 8은 공지된 입자 크기의 순서에 따라 배열된 재료들의 수에 대하여 기대되는 2개 채널들의 상대적인 반응의 보다 포괄적인 비교를 제공한다. 여기에서, 반응은 0.64의 요소에 의해 적외선 프로젝터 신호를 감소시킴으로서 포틀랜드 시멘트(먼지 대용)의 그것에 대하여 표준화한 것이다. Douglas fir and rigid polyurethane(Bankston et al; Bankston, Zinn BT, Browner RF and Powell EA, 1981: Aspect of the Mechanisms of Smoke Generation by Burning Materials, Combustion and Flame no 41 pp273-292)에 대한 데이터는 같은 정도의 차동 전압 신호를 만들어내는 복사열 방출율의 3개 다른 단계들의 진행을 나타낸다.
제 1 근사치 및 초기에 서술한 이유들에 대하여, 도 8은 표준 크세논 및 전류 레이저 기초 (적외선) 탐지기 사이에서 기대 성능의 비교로서 간주될 수 있다.
또한, 2개 채널 모니터의 경우에 있어서, 도 8은 열분해 및 그을림을 수반하는 화재사건을 초기에 알리고 먼지로 인하여 잘못된 경보에 대한 민감도를 크게 줄이기 위해서, 이들 적외선 탐지기들(4개 또는 5개의 요소에 이르기까지)과 비교하여 증가된 민감도에 대한 기회를 나타낸다. 이와는 반대로, 먼지 여과는 더러워지는 것을 최소화하고 이에 의해 보존 기간 및 모니터의 전체 서비스 수명을 최대화하는 것이 바람직하다. 먼지에 대한 완벽한 필터는 연기 또한 포획할 수 있고, 먼지 식별 능력은 실제적인 필터를 불가피하게 통과하는 작은 양의 먼지에 의해서 야기된 원하지 않는 경보가 발생되는 것을 피하는데 사용될 수 있다.
또한, 채널(A)가 먼지에 대하여 두드러지게 반응하기 때문에, 채널(A)로부터 얻어진 출력은, 연기와는 확연히 구별되는 먼지에 대한 챔버 및 필터 요소의 실제적인 노출을 기록하기 위해서 시간에 따라(월별로 또는 년별로 측정됨) 축적될 수 있다. 이에 의해, (자주 예측할 수 없는) 주위 환경에 따라서 서비스 시간 간격이 결정되어 알려질 수 있다. 예를 들면, 서비스 시간 간격은 먼지 수치가 탐지되는 횟수를 축적하거나 세는 것을 기초로하여 먼지 필터에 대하여 결정된다. 일단, 카 운트한 수치가 소정의 임계값에 도달하거나 이 임계값을 초과하면, 서비스 표시기는 조사되거나 또는 연결된다. 바람직하게는, 서비스 표시기 회로는 실제적인 먼지 수준과 그 주기를 통합하여야 한다.
대수 출력( Logarithmic output )
상기한 바와 같이, 민감도에 있어서 폭넓은 출력범위를 제공하기 위해서, 종래의 탐지기들은 마이크로프로세서에 연기 수준 데이터를 적용하도록 사용된 아날로그 대 디지털 변환기(ADC)를 제공한다. 주의깊은 설계에 따라서, ADC의 실질적으로 전체 능력은 (통상적으로)20%/m과 같은 최대 연기 수준을 나타내도록 사용된다. 8비트 해상도에서 ADC의 작동은 유용하지만, 10비트 또는 그보다 큰 해상도에서 ADC는 보다 비용이 많이 들고 큰 마이크로프로세서들을 필요로 한다. 10비트 ADC는 이러한 20%/m 연기 수준을 210 = 1024 단계들로 분할되게 하는 것으로 밝혀졌다. 이때, 각각의 단계는 20/1024 = 0.02%/m의 증가를 나타낸다. 그래서, 단계들은 0, 0.02, 0.04, 0.06 등이 되는데, 이는 미세한 증가들에 대한 기회를 제공할 수 없게된다. 낮은 연기 수준은 매우 조악한 해상도로서 판단되는데, 이는 경고신호 임계치를 미세하게 설정하는 것을 어렵게 한다. 그러나, 높은 연기 수준에서는, 0.02%/m의 해상도는 불필요하다. 예를 들어 경고신호 임계치를 10.00%/m 또는 10.02%/m에 설정하도록 하는 능력은 조금 있다. 종래 기술에 따른 탐지기들의 해상도는 낮은 연기 수준에서는 너무 조악하고 높은 연기 수준에서는 너무 미세한 것으로 판단된다.
그러나, 본 발명의 실시 양태에 따르면, 상기한 바와 같은 이러한 종래 기술의 결점들은 대수 또는 십분위수(decile)의 출력 범위를 제공함으로써 극복된다. 본 발명에 따르면, 이러한 해상도는 주어진 연기 수준에 대하여 적합하다. 즉, 낮은 연기 수준에서는 미세하고 높은 연기수준에서는 조악하다. 본 발명에 따르면, 대수 출력 범위를 사용하는 설명에 있어서, 낮은 연기 수준에서, 경보 임계값은 동등한 경우에 따라 0.010%/m 또는 0.011%/m로 설정될 수 있고, 높은 연기 수준에서, 경보 임계값은 10%/m 또는 11%/m로 설정될 수 있다.
다시 말해서, 연기는 매우 가변적인 상황이고 2개의 상당한 계산 보다 정확한 밀도(농도) 측정에 있어서 약간의 이득이 존재한다. 대수 출력의 채택은 상대적으로 넓은 범위의 연기 수준 및/또는 임계 설정치들에 걸쳐서 양호한 민감 해상도를 제공한다.
연기 테스트 결과
일련의 시도들은 연기 모니터링 장치로서 구성되고 상기한 신호 수준 분석에 따라서 설정된 본 발명을 사용하여 실행되었다. 모니터는 200nm 직경 통기덕트 위로 장착되는 반면, 탐침은 덕트를 통과하는 공기를 샘플화 하기 위하여 덕트 내로 삽입된다. 흡기 팬에 의해서 덕트를 통과하는 유동의 상대적으로 연속적인 유동이 유지되고, 공기에 의해서 움직이는 입자들은 유입된 신선한 공기와 혼합된다. 덕트의 출력은 가스도관을 거쳐서 배기된다. 약 350℃로 작동하는 전열판은 팬과 덕트 입구에 위치하고 그래서 작은 연료 샘플들은 전열판 상에 위치할 수 있다.
배열은 고려할만한 희석이 발생하도록 이루어진다. 왜냐하면, 연기는 실험실 내로부터 덕트내로 연속적으로 유입된 신선한 공기의 두드러진 유동에 포획되어 혼합된다. 이러한 상황은 초기 화재 성장의 초기 단계 동안에 높은 수준의 희석이 예상되는 곳에서 실제로 보호된 환경을 모의실험 하도록 의도된 것이다. 몇몇의 각기 다른 연료 샘플들이 연기 에어졸을 발생시키도록 전열판 상에서 별도로 가열된다. 또한, 몇몇 먼지 샘플들은 팬과 덕트 입구에서 먼지들을 섞고 방출함으로써 전열판없이 평가되었다.
2개의 모니터 채널들(A,B)의 출력은 공기로 운반되는 입자들이 모니터로 도입된 후에 정지(깨끗한 공기) 조건을 넘어서는 전압 편위를 제공하도록 측정된다.
여러가지 연료 타입들이 각기 다른 비율과 농도로 연기 에어졸들을 생성하는 것이 관찰되었다. 여러가지 연료들이 가열되고 소비됨에 따라서, 에어졸 입자크기는 시간에 따라 변하고 그래서 채널(A)와 (B)로부터 나온 상대적인 출력은 조화롭게 변하는 것으로 예측되었다. 도 9는 (측정 설정 과도현상을 가능하게 한 후에) 입자 소오스들의 수에 반응하여 채널(A)의 출력의 비로서 표현된 채널(B) 출력을 나타낸다. 이러한 데이터는 현재 관심을 특정 크기로 주어진 후에 각기 다른 공기로 운반하는 입자 밀도들에 대하여 카운트하기 위한 비로서 나타낸다. 각각의 수평 바의 길이와 위치는 각각의 실행 과정 동안에 일어난 비율의 범위를 나타낸다. 많은 경우에 있어서, 비율은 최대로 높은 값으로 신속하게 올라간 후에 천천히 떨어진다. 몇몇 경우에 있어서, 비율은 일정 기간후에 낮은 값으로 다시 올라간다. 몇몇 패턴들(신호들)이 뚜렷하게 통계로서 관찰되었다.
도 9는 평균 입자 크기로 배열된 이러한 연료들, 먼지 소오스들에 대한 모니 터의 상대적인 민감도를 나타낸다. 따라서, 나일론 튜브는 가장 작은 크기의 입자들(피크 비율 5.3)을 초기에 생성한다. 실험이 절반쯤 진행된 후에, 비율은 천천히 떨어지고, 연료는 전열판 상에서 용해되고, 긴 시간동안에 에어졸을 만들어 낸다. 스티렌 발포체는 동일한 효과를 갖는다. 연료들이 타서 고체의 탄소질 잔류물을 만들게 됨에 따라서 챠트는 하강한다.
초기 단계 열분해에서 생성되는 과열 케이블을 모의실험 하기 위하여, 2V AC "스코프(scope)" 변압기에 의해서 운반된 고전류를 통과시킴에 의해서 가열되는 2m 길이의 PVC 절연 와이어가 고온 와이어 테스트에 사용되었다.
접합 수지의 결과는 짧은 길이의 수지 코어형 땜납의 용융으로부터 얻어지고 챠트에서 비교적 큰 입자들(고 융점 액적들)이 생성되는 것을 나타낸다.
끓는 솥 소오스로부터 얻어진 출력 값들이 매우 작은 크기를 갖고 경고 조건을 발생시키지 않으며 비율들은 챠트의 하단에서 입자 크기에 개입되므로, 증기에 대한 결과가 변칙적으로 나타난다. 이에 비해서, 모든 다른 소오스들은 큰 출력 값을 제공하며, 여러가지 먼지 소오스들(활석 분말을 포함하는)의 경우에 있어서 단지 채널 출력 비율이 작다.
입자 크기를 기초로 하여 연기 에어졸과 먼지 사이에는 큰 차이가 존재한다. 그래서 본 발명에 따르면 경보을 발생시키는 과정에 있어서 원하는 연기 소오스와 원치않는 먼지 소오스들 사이를 구별하는 것이 가능해진다.
비율이 1에 접근함에 따라서, 채널(B)(청색광과 같이)로부터 채널(A)(적외선과 같이)를 차감하면 크게 줄어든 값들이 얻어지고 그 결과 이들 소오스로부터 원 하지 않는 경보들이 회피되는 것을 알 수 있다. 비율이 1 보다 커지면, 채널(B)로부터 채널(A)를 차감하면 여전히 경보에서 결과를 얻을 수 있다. 비록 차감 과정은 일정 형식의 연기에 대한 모니터의 출력을 줄일 수 있지만, 먼지 소오스로부터 원하지 안흔ㄴ 경보들이 회피될 수 있고 다른 경우에서와는 달리 모니터가 고도으 민감감도로서 작동할 수 있다는 것이 사실이다.
또한, 결과들은 많은 연료들에 대하여 공지된 데이터가 일관성이 있음을 고려되고, 열분해에 의해서 방출된 제 1 입자들은 비교적 작다. 그러므로, 여기에서 사용된 모니터 타입은 열분해의 초기 경고를 제공할 수 있다.
회로 설명
도 10은 연기를 탐지하기 위한 본 발명의 일 실시 예의 블록 다이어그램을 개략적으로 나타낸 것이다. 회로는 한쌍의 광 프로젝터(1,2)를 구동시키는데, 각각의 프로젝터는 각기다른 특성의 파장(컬러) 및/또는 편광을 갖는다. 각각의 프로젝터는 150mS와 350mS의 시간 간격에서 짧은 주기(예를 들면 0.4mS)의 펄스의 빛을 제공하도록 독립적으로 구동한다. 이것은 초당 공기 질을 2배 업데이트할 수 있게 하는데, 이는 낮은 전력 소비와 균형이 잡힌 고도의 샘플링 리프레쉬 비율이다.
모니터 챔버(3)를 통과하는 공기로 운반되는 입자들의 빛 산란중 일부는 리시버 모듈(4) 내에서 광전지 셀(도시되지 않음)에 의해서 수신된다. 이 신호는 리시버 모듈(4)에서 증촉되고 이득 컨트롤(6)을 거쳐서 주 중폭기(5)로 전달된다. 그러면, 증폭된 신호는 판별장치(한쌍의 동기 탐지기들(7,8) 및 한쌍의 버퍼 샘플 및 고정 회로(9,10))로 전달되며, 여기에서 2개의 프로젝터들로부터 파생된 신호들은 2개의 채널로 분리된다. 이때, 채널 A는 참조부호 "9"로 나타내고 채널 B는 참조부호 "10"으로 나타낸다. 2개 채널들은 공기중에 있는 입자들의 형식에 대한 정보를 제공한다. 채널 A는 특히 먼지 입자들에 대하여 반응하는 반면, 채널 B는 먼지에 대하여 어느정도 민감도를 가지지만 연기에 대하여 보다 민감하게 반응한다. 먼지와 연기 입자들은 각각 넓은 범위의 입자 크기를 커버하는데, 이 범위는 어느정도 겹쳐질 수 있기 때문이다. 그러므로, 부수적인 회로에 있어서, 채널 A의 먼지 판독값은 가산기(11)에 의해서 채널 B의 연기 판독값으로부터 차감되며, 그 결과 연기 밀도를 단독으로 나타내는 신호가 얻어진다.
탐지될 화재 위험의 수준에 반응하여 일련이 3개 램프들과 릴레이들(13)을 작동시키는 임계치 감지 회로(12)에 이러한 연기 밀도 신호가 인가된다. 이러한 램프들과 릴레이들(13)은 A1(경고, 또는 레벨 1), A2(작용, 또는 레벨 2) 및 A3(화재, 또는 레벨 3)로 나타낸다. 통상적으로 이러한 3개의 경고 레벨들은, 비록 모니터가 다른 설정치들로 보정될 수 있지만, 0.03, 0.06 및 0.1.%/m와 거의 동등한 연기 밀도를 나타낸다. 신호와 설정치들은 본 발명의 특정한 용도에 적합하도록 구성된 것으로 이해할 수 있다.
또한, 채널 A로부터 얻은 직접 출력(14)은 연기 밀도 수준과는 독립적으로 먼지 수준이 높은 경우에 이를 나타내도록 사용된다. 이것은 테스팅, 임무수행 및 증명을 지원한다. 이러한 출력은 모니터가 먼지 제거 프로세스에 있는 경우를 나타낸다.
추가적인 램프와 릴레이(13)는 모니터가 적당한 민감도로 기능하지 않는 경 우에 오류 경보을 제공하기 위해서, 가산기(11)에 적용된 "페일-세이프(fail-safe)" 회로로서 구성된다. 가산기(11)로부터 나온 아날로그 출력은 오류와 경고 예고의 원거리 처리를 위해 제공될 것이다. 이와는 달리, 아날로그 출력들은 신호 분석과 오류 및 경고 예고의 원거리 수행을 가능하게 하기 위하여 각각의 채널(A,B)로부터 제공될 것이다.
클럭 발생기(15)는 필요한 적절한 타이밍 신호를 제공하고, 파워 서플라이 구간(16)은 적절한 전압에서 회로의 모든 부분들에 그물형 파워를 제공할 것이다.
식별기 채널로부터 나온 출력 신호는 높은 수준의 연기나 먼지와 마주치는 경우에 포화되지 않는다. 그러한 포화는 2개의 프로젝터들에 의해서 생성된 상대적인 신호 수준들에 대하여 정보를 상실하고, 이에의해 식별 기능이 불가항력적이 된다. 첫번째로, 증폭기는 완전한 규모의 작동이 포화의 신호 레벨 절반에 달성할 정도로 큰 "헤드룸(headroom)"으로서 제공된다. 두번째로, 자동 이득 조절이 제공된다. 식별기 채널로부터 나온 직류 출력 전압은 포화 수준들이 도달할 수 없게 보장하도록 이득 조절 장치로 피드백 된다.
이득 조절
도 11을 참조하면, 작동 증폭기의 중간 대역 이득은 입력 레지스터에 대한 피드백 레지스터의 비에 의해서 결정된다. 도 11에서 IC3a의 경우에 있어서 전압 이득은 R4/R3이고, IC3b의 경우에 있어서 전압 이득은 R6/R5이다. 고주파수 구분점은 C4ㆍR4 및 C6ㆍR6인 반면, 저주파수 구분점은 C1ㆍ(R1/R2), C3ㆍR3 및 C5ㆍR5에 의해서 결정된다. 증폭기들은 직류 연결되고, 직류 바이어스는 R1 및 R2에 의해서 설정된다.
이득 조절 장치(IC4)는 통상적으로 라이트 타이트(light-tight) 박스에서 밀접하게 결합된 LDR(광 독립 레지스터) 및 LED(광 방출 다이오우드)를 포함한다. LDR은 조정가능한 저항을 제공하는데, 그 값은 R7에 의해서 외부적으로 제어되는 LED를 통해서 전달된 전류에 의해서 결정된다. R7을 통해서 전류가 통하지 않으면, LED 저항은 무한하며, 10 내지 20mA의 전류에서 10㏀ 내지 100㏀의 범위에 있다. 정상적으로는, 이 LDR은 R4나 R6를 가로질러서 연결된다. 이것은 작동중에 고주파수 구분(C4ㆍR4 또는 C6ㆍR6)을 야기하여 증폭기의 원하지 않는 주파수 반응과 위상 특성이 망가지는 문제점이 있다. 또한, 이러한 배열은 이득 조절의 불충분한 동적 범위를 만들어 낸다.
왜냐하면, 2단계 회로는 증폭된 신호에 대하여 역전되지 않기 때문에, 제 2 단계(IC3b)의 출력으로부터 나온 LDR을 제 1 단계(IC3a)에 연결할 수 있다. 이것은 유효 동적 범위를 크게 증가시킨다. 또한, C4ㆍR4 및 C6ㆍR6은 IC4가 작동하는 경우에 영향을 받지 않는다.
신호 수준이 상당히 커질때 까지 이득 조절 작용이 효과를 나타내지 않도록 하기 위하여, 전류 구동 R7은 제너 다이오우드 D5와 D6을 거쳐서 채널 A와 채널 B의 샘플 및 고정 전압 신호들(high-going-low)로부터 파생된다.
중요하게도, LDR, LED 및 제너 다이오우드 조합의 특성은 가파른 곡선이나 선형을 나타내지 않는다. 비선형에 있어서, 대수 이득 함수를 제공하는 효과가 있다. 높은 신호수준은 이득에서 갑작스런 감소를 야기하기 때문에 이득에서의 가파 른 변화는 불안정성이나 잘못된 거동을 야기시킬 수 있다. 이는 출력에서 갑작스런 감소를 야기하고, 드라이브를 IC4로 줄이고 그 결과 이득이 다시 상승하게 된다. 반대로, 이것은 경보 출력 릴레이들이 딸각딸각 소리내게 한다. 비선형 디자인으로 인하여 입력이 높은 수준으로 증가함에 따라 출력에서 작은 증가가 일어날 수 있고, 제어의 폭넓은 동적 범위를 제공한다.
최대 경보 임계치("화재")에 대응하여, 모니터의 정상적인 전체 규모 민감도는 0.1%/m 암흑화와 동등하다. 이때, 이러한 수준 아래의 중간 경보 임계값들이 유용하다. 이러한 대수 특징을 사용함으로서, 경보 출력 임계치들을 배열하는 것이 가능하다. 그래서, 최고 수준의 경보이 비선형 지역에서 존재할 수 있다. 이러한 수단에 의해서, 0.1%/m와 같은 매우 낮은 연기 밀도들에서 제 1 수준 경보("경고")을 제공하기에 적당한 해상도가 제공될 수 있으며, 반면에 최고수준의 경보이 1%/m, 10%/m 또는 그 이상으로 증가될 수 있다.
챔버 광학
도 12는 각기 다른 파장들 및/또는 극성들에서 작동하는 프로젝터들의 광선 다어그램들을 보여준다. 명확한 설명을 위해서, 예시적인 광선들이 빔의 중앙(1201), 좌측 또는 우측 끝단(1202)에 놓이는 그들의 위치에 따라 도시되어 있다. 실제적으로, 이러한 빔들은 짧은 펄스 주기 동안에 번갈아서 작동된다. 빔들은 렌즈 프로젝터 본체(1203,1204)에 의해서 형성되고 그래서 챔버의 중앙, 모니터링 지역 또는 영역(1207)을 통과한다는 사실을 알 수 있다. 만일 연기나 먼지가 이 지역(1207)을 통과하면, 빔 에너지의 작은 부분은 그러한 입자들을 여러 방향으로 산 란시킨다. 이러한 에너지의 일부는 렌즈 아이리스(1208)의 방향으로 산란되고, 리시버 모듈(1210) 내에서 광전지 위로 에너지를 향하게 하는 렌즈(1209) 상에 입사된다. 이러한 경로에 있는 중간 아이리스들은 광선이 챔버 특성들을 반영하여 부적당한 방향으로부터 나오기 때문에 회피된다. 이는 이러한 중간 아이리스들이 렌즈들 내로 반영한다.
그러면, 직접적인 빔(1201,1202)은 흡수 갤러리(1211) 내로 들어가는데, 여기에서는 고도의 흡수성 벽들(1212)의 다중 반사들이 빛 에너지를 분산시킨다. 갤러리는 다중 반사들이 갤러리(1213)의 말단을 향하도록 설계되고, 그래서 소정의 공진 광이 나타나기 전에 많은 반사들이 일어난다. 챔버 및 빔 아이리스들과 관련하여 상기 흡수 및 초기 아이리스의 기하학 간의 조합은 초기 빔의 공진에 의해서 연기나 먼지 입자들의 광 산란이 제거되는 것을 피한다.
광선(1214)은 렌즈와 주 아이리스를 수용함으로써 광전지에 보다 민감한 지역을 나타낸다. 이러한 민감한 지역은 모니터링 지역(1207) 내에서 포커스가 맞추어지고 광전지(1210)는 이 지역을 넘어서는 광축을 따라서 민감도를 보유한다. 이렇게 확대된 민감도는 챔버의 전단부에서 흡수 지역(1215)에 의해서 한정된다. 이러한 설계의 목적은 프로젝터들(1203,1204)로부터 나오는 무시할만한 광 에너지가 이러한 지역에 떨어질 수 있음을 보장하기 위한 것이다. 이는 입자들을 산란시키는 빛을 휩쓰는 경향이 있다. 이렇게 원하지 않는 빛은 초기에 프로젝터 아이리스(1205,1206)의 반사로부터 발생한다. 이러한 흡수 지역의 그늘과 이러한 지역으로부터의 광선의 반사 조합은 이렇게 휩쓰는 빛을 최소화한다. 또한, 흡수 지역의 벽들은 입사광을 흡수하도록 흑색으로 채색된다.
도 13은 프로젝터 아이리스들(1205,1206)로부터 나오는 원하지 않는 광선들이 중앙 흡수 지역(1215)에 도달하는 것을 방지하는 것을 나타낸다. 이 다이어그램은 원하지 않는 광선(1216)을 또한 포함하는데, 이 광선은 초기 아이리스(1217)를 통과하고 리시버 갤러리(1218) 내로 흡수된다. 또한, 초기 아이리스(1217)로부터 반사되는 원하지 않는 광선(1219)은 리시버 모듈(1210) 내에서 광전지로부터 축에서 벗어나서 집중되고, 리시버 모듈(1210) 내에서 광전지 아이리스에 의해서 회피된다(도 14에서 1401로 도시됨).
모든 이러한 방법들의 조합은 공기로 운반되는 입자들을 산란하는 빛을 휩쓰는 것을 피하도록 기능한다. 이러한 임무의 어려움은 산란된 빛의 세기가 프로젝터 광선 보다 억배 낮다는 것이다.
다시 도 12를 참조하면, 프로젝터로부터 광선(1202)의 중앙 원뿔각 내에서의 밝기는 챔버 내에서 밝기의 첫번째 순서로서 간주된다. 이렇게 밝은 광선은 다수의 반사후에 효과적으로 흡수됨에 따라서 흡수기 갤러리(1211) 쪽으로 향한다. 이러한 중앙 원뿔 각의 외부는 프로젝터의 광학 및 프로젝터 아이리스의 반사에 의해서 야기되는 밝기(1220)의 두번째 순서이다. 그러므로, 프로젝터 아이리스 영역의 전체는 여러 방향에서 밝은 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 프로젝터 아이리스는 리시버나 렌즈 아이리스에 의해서 보여지는 것으로부터 그늘지어야 하며, 이것은 초기 아이리스(1217)를 위치시킴에 의해서 달성된다. 이러한 그늘지는 것을 달성하기 위해서, 챔버 기하학은 프로젝터 아이리스(1205,1206)의 최외각 주변부로부터 초기 아이리스(1217)의 최내부 말단에 대하여 그리고 렌즈 아이리스(1222)의 최외각 주변부에 대하여 라인(1221)(도 13에서 점선으로 도시됨)에 의해서 설정된다. 이것은 본 발명의 바람직한 실시 예의 목적이 최소 실행가능한 크기 및 최대 가능한 민감도를 갖는 모니터를 만들어 내도록 정의된 기하학으로서 고려된다.
중앙 프로젝터 콘(1202)의 외부에서, 첫째 아이리스(1217)는 프로젝터 아이리스(1203,1204)로부터 나오는 제 2 순서 밝기(1220)의 빛에 노출된다. 그러므로, 초기 아이리스(1217)는 제 3 순서 밝기(1219)를 여러 방향으로 반사하게 될 것이다. 이러한 토론으로부터, "밝기의 순서"는 10개의 요소를 필요로하지 않는다. 입사광의 99%를 흡수할 수 있는 주어진 검은 표면은 비스펙트럼형 반사로 인한 분산으로써 줄어드는 단지 1%를 반사하고, 밝기 순서는 1000 또는 그 이상의 요소로 줄어들 수 있다. 따라서, 제 3 순서의 밝기는 정확한 측정이 아니고 상대적인 표시를 제공한다. 이러한 제 3 순서의 밝기 광(1219)의 작은 비율은 렌즈 아이리스(1208,1209) 쪽으로 반사될 것이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 렌즈들(1209)은 이렇게 원하지 않는 빛(1219)을 리시버 아이리스(1401)에 의해서 중단되도록 리시버 셀(1210)로부터 축에서 벗어나게 집중시킨다. 양볼록 렌즈들, 비교적 긴 촛점 길이와 넓은 초기 아이리스를 사용하면, 초기 아이리스(1217)로부터 반사된 원하지 않는 광선(off-axis)이 리시버 셀(1210)의 측면으로 떨어지고 리시버 아이리스(1401)에 의해서 완화될 수 있게 한다.
렌즈의 포커싱의 비교적 정확한 제어는 원하지 않는 광선을 원하지 않는 빛으로부터 분리하는 것을 제어하기 위하여 필요하다. 비교적 짧은 초점 길이의 비구 면 렌즈(1501)(도 15에 도시된 바와 같이)가 제안되었다. 그러한 렌즈는 리시버 셀의 전체 면을 가로지르는 포커싱의 정확한 제어를 제공하며, 구형 탈선을 피하고 사진과 같은 질의 이미지를 형성한다. 도 15는 모니터링 영역(1207)(도 12)에서 탐지된 입자들로부터 수신된 산란된 광을 포커싱하는데 있어서 그러한 렌즈(1501)의 작동을 보여준다. 도 15는 또한 초기 아이리스(1217) 및 셀(1210)에 대하여 렌즈(1501)의 변위를 나타낸다. 도 16은 그러한 비구면 렌즈들을 사용하여 초기 아이리스로부터 반사된 원하지 않는 광선이 셀 위로 떨어지는 것을 보여준다. 이것은 원하지 않는 신호를 제거한다.
다시 도 12를 참조하면, 비교적 두꺼운 양볼록 렌즈들(2개의 볼록면을 갖는)이 사용되고, 이는 도 14 및 도 17에 보다 상세하게 도시되어 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 원하지 않는 빛(1219)이 축을 벗어난 방향으로 도달하기 때문에, 이러한 타입의 렌즈(1402)의 구형 탈선은 두 세트의 광선의 분리를 증가하도록 돕는다. 이러한 분리는 상대적으로 긴 초점 길이를 사용함으로써(그리고 그 분리는 초점 길이에 비례한다는 것이 밝혀졌다) 추가적으로 지원된다. 도 17에 있어서, 리시버 셀(1210)에서 정확한 사진 이미지를 형성하는 것이 필요없고 단지 빛을 수집하는 것이 필요하기 때문에, 양볼록 렌즈들(1402)를 사용하는 것이 가능하다. 그래서 초점의 지점은 개입되는 광선 경로 만큼 중요하지 않다.
이러한 방식에 있어서, 리시버 셀(1210) 및 렌즈들(1402)은 기하학적으로 바람직하게 배열되고, 그래서 탐지된 입자들로부터 비교적 최대 양의 산란된 빛은 리시버 셀 위로 떨어질 수 있다(도면에서 셀(1210)은 모든 셀 표면(1210)에 걸쳐서 칩으로 조사되는 것으로 도시된 바와 같이). 반면에, 원하지 않는 빛은 상기한 바와 같이 리시버 아이리스(1401)에 의해서 셀로부터 차단되거나 셀의 측면으로 통과할 수 있다.
유체 역학
유체 역학의 관점에서 챔버를 설계하는 것은 매우 중요하다. 본 발명의 일 실시 예는 통기 덕트를 통과하는 공기의 연속적인 작은 샘플을 모으기 위해서 최소형 덕트 탐침을 포함한다. 예를 들어, 탐침은 본 발명자에 의해서 출원되어 계류중인 미합중국 특허출원 2003/0011770 호에 개시된 바 있다.
도 13을 참조하면, 환경으로부터 샘플화된 공기와 같은 유체는 입구(1301)를 통해서 본 발명의 챔버 내로 도입되고, 탐지 챔버와 모니터링 영역(1207)을 통과하여 출구(1302)를 통해서 배출된다. 오랜 서비스 기간 동안 상당한 헤드 손실(압력 강하)을 일으킴이 없이 먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 비교적 큰 필터(1303)를 사용할 수 있다. 사용에 있어서 바람직한 타입의 필터는 큰 깊이를 갖는 큰 공극 열린 셀 발포 필터이다. 필터가 제거하도록 설계된 최소 먼지 입자들은 필터의 평균 공극 크기보다 적어도 10배 정도 작다. 먼지 제거는 먼지 입자들이 그들의 물리적인 크기 보다 수배 크기 때문에 먼지 입자들이 반작용함으로써, 브라운 운동의 결과로서 달성된다. 먼지는 유동이 깊은 필터를 통과함에 따라서 만족스럽게 제거되고, 해롭게 간주된 모든 먼지는 유동이 필터 출구(1314)를 통해서 빠져나가기 전에 제거된다. 이것은 챔버 내에서 먼지 축적(soiling)을 최소화하고 보수 기간은 크게 연장되는 것을 알 수 있다. 그러나, 필터의 열린 구조는 종래의 흡기형 연기 탐지기들에서 일어나는 상당한 문제, 즉 연기 입자들의 제거가 시간에 따라 증가하고 민감도가 줄어드는 문제를 회피한다. 또한, 필터는 필터가 먼지로 덮힘에 따라서 필터에서의 헤드 손실이 증가하지 않는 형식이다.
통상적으로, 연기 입자들은 0.01 내지 1미크론 범위내에 있고, 반면에 공기로 운반되는 먼지 입자들은 1 내지 100미크론 범위 내에 있다. 그러나, 최소 먼지 입자들이 본래 최대의 가능한 연기 입자들 보다 작기 때문에, 1미크론 경계에서는 몇몇 중첩이 존재한다. 그러므로, 필터가 완벽한 먼지 억류기가 되는 것은 부적합하다. 연기에 대한 민감도의 저하를 방지하기 위하여, 작은 분율의 먼지 입자들은 필터를 통과해야하고, 다른 방식에서 축적될 필요가 있다(추후에 설명함).
필터(1303)의 양면에는 거울 이미지 산란기들(1312,1313)이 존재한다. 필터의 출구면(1314)은 유동을 효과적으로 재결합하는 산란기(131)로 존재하고, 그래서 유동은 90도 각도로 유동하고 통로(1304)를 통과한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 이 통로는 입구 튜브 보다 5배정도 큰 단면적으로 축소되고, 그래서 손실은 매우 낮게 유지되고, 국부적인 공기 속도는 필터의 출구 면(1314)에 존재하는 것보다 8배정도 빠르다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 2개의 감지 장치들(1305,1306)이 장착될 수 있는데, 하나(1306)는 필터 출구에 놓이고, 다른 하나(1305)는 이러한 좁은 지역(1304) 내에 놓인다. 이러한 배열에 있어서, 센서(1306)는 필터를 빠져나가는 상대적으로 낮은 속도의 공기 유동을 받기 쉽고, 그래서 센서의 매우 작은 냉각이 일어난다. 이 센서(1306)는 가리개(1307)에 의해서 냉각으로부터 보호된다. 이 에 비해서, 센서(1305)는 고도로 빠른 속도의 공기 유동에 완전히 노출되고, 그러므로 센서(1306) 보다 더 냉각되기 쉽다. 2개의 센서들(1305,1306)은 동일한 주위 공기 온도에 노출되는 것이 바람직하다. 공지된 온도 의존관계를 갖는 바람직하게 부합된 장치들은 이용될 수 있고, 이에 의해 장치들이 노출된 각기 다른 공기 유동 속도에 의해서 각기다른 비율의 냉각이 야기되고, 각각의 센서를 가로질러서 각기다른 전압을 발생시키도록 사용될 수 있으며, 이에 의해 주위온도와는 독립적인 방식으로 공기 속도를 측정하게 된다.
센서들은 미합중국 특허 4,781,065 호에 개시되어 있는데, 이는 본 발명에서 센서들의 위치와는 다르다.
또한, 본 발명에 따르면, 센서들은 공기 유동이 먼지 필터(1303)를 통과한 후에 공기 유동에 노출되고, 그러므로 먼지 축적(soiling)이 최소화된다. 먼지 ㅊ축적은 센서들(1305,1306)의 냉각특성들에 의해서 방해받고, 공기유동 측정 회로의 정확도가 떨어지게 된다.
유동은 프로젝터(1203)(도 12)에 대한 광 흡수기 갤러리(1308)인 추가의 확산기(1308) 내로 계속해서 들어간다. 공기 유동이 흡수기 갤러리(1308)의 마우스에 도달함에 따라서, 방향의 변화가 부여되는 반면, 공기 유동의 속도가 유입구 튜브에서의 속도보다 약 25배정도 작게 낮아진다. 그러므로, 갤러리(1308)를 통과하여 모니터링 영역(1207)(도 12)을 가로질러서 제 2 갤러리(1309) 내로 들어가는 공기 유동에서 매우 낮은 손실이 일어난다. 왜냐하면, 여기에서의 속도는 매우 낮아서, 공기 흐름에 존재할 잔류 먼지 입자들은 수와 크기 면에서 작고(왜냐하면 필 터(1303)가 있어서), 매우 낮은 모멘텀을 가지며, 원심력에 의해 유체 내에서 부유물이 스핀 아웃(spun-out)되지 않고, 이에 의해 모니터링 영역(1207)의 근처 내에서 먼지 축적에 대한 잠재능력이 최소가 된다. 먼지 입자들의 원심력 분리의 경향이 존재하고, 모멘텀의 방향은 이들 입자들이 제 1의 오리피스(1217)로부터 해롭게 떨어지도록 편향된다.
공기 유동은 제 2 흡수기 갤러리(1309) 쪽으로 도입되고, 확산기 작용에 의해서 점진적으로 그리고 효과적으로 가속되고, 배출구(1302)에 부합하도록 방향전환된다. 배출 공기는 상기한 미국특허 제 4,781,065 호에 개시된 바와 같이 덕트와 같은 샘플링 환경으로 효과적으로 복귀한다.
층류의 유동에서의 손실을 최소화하고 증진시키는 방식으로 공기 유동이 일련의 단계들을 어떻게 통과하는지를 설명한다. 따라서, 챔버는 최소 연기를 보유하도록 신선한 공기로 매우 효율적이고 신속하게 정화된다. 낮은 국부적인 속도들이 큰 단면적에 의해서 야기됨에도 불구하고, 연기 수준들에서 변화들에 대한 챔버 어셈블리의 반응은 급속하게 이루어지는 것으로 판명되고, 연기 모니터링 경보들의 목적에 적합하다.
왜냐하면, 본 발명의 모니터 내에서 매우 작은 압력 강하가 있기 때문에, 모니터 내부의 절대 압력은 덕트 내부의 압력과 유사하다. 덕트의 내부와 모니터가 위치하는 주위 환경 사잉 큰 압력차가 존재하기 때문에, 모니터는 모든 지점에서 누설을 방지하기 위하여 양호한 압력 밀봉을 유지하여야만 한다. 누설에 대한 기회는 평평한 플랜지들(1310)에 의해서 연결된 2개의 유사한 절반부들을 포함하는 챔 버 디자인에 의해서 최소화된다. 그러므로, 챔버를 밀봉하는데 있어서 단지 하나의 편평한 개스킷이 요구된다. 본 발명의 일실시 예에 있어서, 두꺼운 폐쇄 셀 발포체 개스킷이 바람직하다. 왜냐하면, 이것은 챔버 플랜지 편평도에 있어서의 변화에 쉽게 부합할 수 있고 플라스틱 사출 성형물들에서 일어날 수 있는 작은 양의 변형(bowing and warpage)을 극복하기 때문이다. 특히 모니터링 영역(1207)에 가까운 챔버의 영역들은 챔버 벽들의 광 흡수 질에 민감하고, 2개의 챔버 절반부들의 중앙 결합위치에서 만나는 작은 림들(1311)의 연장에 의해서 개스킷으로부터 감추어진다. 챔버의 2개의 절반부들 사이의 실제적인 접촉은 3개의 림들에서 바람직하며, 제조할 때 어울리는 부분들의 편평함에 대한 요구조건들을 크게 단순화한다.
상기한 설명은 덕트 탐침의 사용과 관련하여 설명한 것이지만, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서 탐침은 모니터될 공기와 같은 유체의 샘플을 붙들기 위해서 다른 수단으로 대체될 것이다. 이러한 다른 수단(미합중국 특허 4,781,065 호에 개시됨)은 20mm 직경과 같은 작은 공극 파이프 내에서 벤츄리 장치가 된다. 이러한 파이프는 벤츄리의 상류나 하류에 위치하는 흡기 펌프나 팬에 연결될 것이다. 만일 하류에 위치하면, 다수의 모니터의 상류에서, 작은 공극의 파이프는 화재 지역을 통해서 연장될 것이다. 샘플링 파이프들은 유체가 모니터되거나 탐지될 지역이나 영역들 내로 연장되는 네트워크나 브랜치들로서 구성된다. 각각의 파이프는 브랜치들을 포함한다. 각각의 파이프와 브랜치는 다수의 작은 구멍들을 구비하고 있어서 각각의 구멍 근처의 공기는 파이프 내로 도입된다. 모든 그러한 구멍들로부터 공기 샘플들의 분포는 벤츄리를 통해서 간헐적으로 또는 비교적 연속적으로 도입된다. 벤츄리는 파이프 내의 공기의 일부가 모니터를 통해서 도입되고 그래서 모니터 공기 유동이 파이프로 복귀하기 전에 연기나 먼지의 존재가 감지되도록 설계된다. 모든 공기는 흡인기(aspirator)로 인출되어 배기된다.
덕트 탐침이나 벤츄리의 경우에 있어서, 단지 유용한 공기가 모니터를 통과하는 것이 바람직하다. 이러한 공기의 일부나 샘플은 주 유동에서와 같이 동일한 밀도로 연기 및/또는 먼지를 함유한다. 그러나, 모니터를 통한 유동을 주의깊게 최소화함으로써, 먼지 필터에 쌓이는 먼지의 비율이 최소화할 수 있고, 이에 의해 모니터의 민감도에 영향을 끼침이 없이 보수 시간 간격을 최대화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 벤츄리 대신에, 모니터를 5mm 내부 직경과 같은 작은 공극 튜브에 직접적으로 연결될 수 있다. 이것은 수 미터와 같은 짧은 거리에 대하여 적합하다. 이러한 경우에, 전체 공기 유동은 모니터를 통과하고, 유량은 낮다. 그러므로, 보수 간격은 영향을 받을 필요가 없다. 긴 거리에 걸쳐서 작은 공극 튜브들에 따른 급속한 반응 시간을 달성하기 위해서, 압력 강하는 매우 크고, 고압 및 고 에너지 소비의 흡인기가 필수적이다.
모니터 장착
도 18을 참조하면, 본 발명에 모니터(1801)는 장착 탭(1803)에 의해서 덕트(1802)와 같은 편평한 측면, 원형 또는 다른 형상의 표면에 장착된다. 모니터(1801)는 예를 들어 나사 또는 다른 적당한 수단(도시되지 않음)에 의해서 고정된다. 모니터를 장착하는데 있어서, 탭들(1803)은 모니터가 고정될 표면에 부합할 때까지 간단하게 구부러진다. 예를 들면, 덕트에 장착하는데 있어서, 탭들은 이들 이 도 18에 도시된 바와 같이 덕트의 표면에 부합할 때까지 구부러진다. 이 덕트는 200mm (8인치) 직경만큼 작다. 탭들(1803)은 모니터(1801)의 하우징과 일체로 형성되며, 이 경우에 있어서, 하우징에 형성된 슬롯(도시되지 않음)은 덕트나 다른 장착 면의 표면 상에 단단히 위치시키기 위해서 탭들에 한정되고 나사결합없이 탭들을 구부릴 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 본 출원은 본 발명의 모든 변형들을 포괄하며, 본 발명의 원리들은 본 발명이 속하는 해당 기술분야에서 실행이 가능하고 지금부터 설명하는 필수적인 특징들에 적용될 것이다.
본 발명은 본 발명의 필수적인 특성들의 사상으로부터 벗어남이 없이 몇가지 형태로 실현되기 때문에, 상기한 실시 예들은 본 발명을 제한하지 않으며, 첨부된 특허청구 범위에서 한정되는 본 발명의 사상과 영역 내에서 광범위하게 구성될 수 있다. 여러가지 변경들과 동등한 배열들은 본 발명 및 첨부된 청구범위의 사상과 영역 내에 포함된다. 그러므로, 본 발명의 원리들이 실행되는 다양한 방식으로 특정 실시 예들을 설명한 것으로 이해될 것이다. 다음에 기재된 청구범위에서, 기능적으로 기술된 절은 기능면에서 구조물, 구조적인 동등물들 뿐만아니라 동등한 구조물들을 포괄할 수 있도록 의도된 것이다. 예를 들면, 비록 못과 나사는 못이 목제 부분들을 함께 고정시키도록 원통형 표면을 채용하는 점에서 구조적으로 동등하 지 않다. 그러나, 나사는 목재 부분들을 함께 고정시키도록 나선형 표면을 채용한다. 그러므로, 목재 부분들을 고정시키는 환경에서 못과 나사는 동등한 구조물들이다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하다/포함하는"은 본 발명의 특징, 완전체, 단계들 또는 성분들의 존재를 특정하도록 사용된 것이지만, 하나 또는 그이상의 다른 특징들, 완전체들, 단계들, 성분들을 또는 그룹들의 추가 존재를 배제하지는 않는다.
본 발명의 목적들, 장점들 및 실시 양태들은 첨부도면을 참조한 하기의 바람직한 실시 예들을 통해서 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 보다 양호하게 이해할 수 있도록 설명될 것이며, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로서 본 발명을 제한하지는 않는다. 첨부 도면에서,
도 1은 일정 범위의 입자 크기들에 대한 청색광 430nm 파장과 적색광 650nm 파장의 조사 결과 그래프;
도 2는 일정 범위의 입자 크기들에 대한 청색광 430nm 파장과 녹색광 530nm 파장의 조사 결과 그래프;
도 3은 일정 범위의 입자 크기들에 대한 청색광 470nm 파장과 적외선 940nm 파장의 조사 결과 그래프;
도 4는 청색 신호들로부터 적색 신호들을 상대적으로 차감한 결과 그래프;
도 5는 청색 신호들로부터 녹색 신호들을 상대적으로 차감한 결과 그래프;
도 6은 청색 신호들로부터 적외선 신호들을 상대적으로 차감한 결과 그래프;
도 7은 여러가지 타입의 연료들에 대하여 시간 변화에 따른 입자 크기의 변화를 나타낸 그래프;
도 8은 여러가지 연료들 및/또는 화재 발달의 단계들로부터 나오는 연기에 대한 적외선 및 청색 채널들의 반응을 비교하여 나타낸 그래프;
도 9는 주어진 연료들로부터 공기로 운반되는 입자들에 반응하여 채널 B 출력과 채널 A 출력의 상대적인 비율을 나타낸 그래프;
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연기 모니터의 개략적인 블록 다이어그램;
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이득 조절 증폭기의 한가지 실시형태의 회로 다이어그램;
도 12 및 13은 빛 경로들의 표시를 포함하는 바람직한 챔버 기하학을 나타낸 도면;
도 14는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 양볼록 렌즈의 사용을 나타낸 도면;
도 15는 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 상대적인 작용을 나타낸 도면;
도 16은 본 발명에 따른 비구면 렌즈의 사용을 나타낸 도면;
도 17은 본 발명에 따른 양볼록 렌즈의 상대적인 작용을 나타낸 도면; 그리고
도 18은 탐지기 유니트를 덕트 장치 위로 장착시킨 예를 나타낸 도면이다.

Claims (30)

  1. 유체가 제1 속도로 통과하여 유동하는 입구를 갖는 입자 탐지기를 위한 챔버 구성에 있어서, 상기 챔버는,
    제1 속도의 유체 유동을 확산시키고 제2 속도로 유체 유동을 제공하기 위한 제1 확산기;
    상기 제1 확산기는 입자 탐지 지역에 상기 제2 속도로 유체 유동을 제공하는 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 속도는 상기 제1 속도에 비하여 상대적으로 낮은 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 속도는 상기 제1 속도에 비해 25배 낮은 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 속도 유체 유동은 실질적으로 층류(laminar flow)인 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 속도 유체 유동을 가속화하고 제3 속도 유체 유동을 제공하기 위한 제2 확산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 속도는 실질적으로 상기 제1 속도와 같은 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 확산기는 상기 제1 확산기를 통과하여 지나가는 유체의 층류(laminar flow)를 증진(promote)하도록 디자인된 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자 탐지 지역은 상기 입자 탐지 지역을 통과하여 지나가는 유체의 층류(laminar flow)를 증진(promote)하도록 디자인된 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탐지 지역을 통과하여 유체 유동이 지나감에 따라 방향의 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 확산기를 통과하여 유체 유동이 지나감에 따라 방향의 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  11. 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 확산기는 탐지 지역 내에서 유체 유동을 보조하도록 구성된 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탐지 지역은 최소의 입자 보유(retention)를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 입자 탐지기 내에서 압력 강하(pressure drop)를 실질적으로 최소화하도록 디자인된 것을 특징으로 하는 챔버 구성.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 챔버 구성을 포함하는 입자 탐지기.
  15. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 챔버 구성을 포함하는 연기 탐지기.
  16. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 챔버 구성을 포함하는 흡기(aspirated) 탐지기.
  17. 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법으로서, 상기 방법은,
    유체가 통과하여 유동하기 위한 입구를 상기 탐지기에 제공하는 단계;
    상기 입자 탐지 지역에 들어가기에 앞서 유체 유동을 확산시키는 단계;
    상기 확산된 유체 유동을 입자 탐지 지역으로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 확산된 유체 유동은 상기 입구에서의 유체 유동 속도에 비하여 상대적으로 낮은 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    입구에서의 상기 유체 유동 속도는 상기 확산된 유체 유동 속도 보다 실질적으로 25배 큰 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유 동할 수 있도록 하는 방법.
  20. 청구항 17, 청구항 18, 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산된 유체 유동은 층류(laminar flow)인 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  21. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산된 유체 유동 내의 어떠한 먼지 입자라도 상기 탐지 지역을 통과하여 지나감에 따라 상대적으로 낮은 모멘텀을 갖는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  22. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산된 유체 유동은 상기 확산된 유체 유동 내에 있을 수 있는 실질적으로 모든 먼지 입자들이 원심력에 의하여 유동 내에서 부유물이 스핀 아웃(spun-out)되지 않는 방식으로 상기 탐지 지역을 통과하여 지나가는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  23. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    원심력에 의하여 탐지 지역을 통과하는 유체 유동 내의 부유물이 스핀-아웃(spun-out) 되는 유체 유동 내의 잔여 먼지 입자들은 근접한 상기 탐지 지역의 제1 오리피스로부터 떨어지도록 편향되는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  24. 청구항 17 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산된 유체 유동은 방향의 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 방향의 변화는 상기 유체 유동이 상기 탐지 지역을 통과하여 지나감에 따라 발생하는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 방향의 변화는 상기 유체 유동이 상기 확산기를 통과하여 지나감에 따라 발생하는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  27. 청구항 24 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방향의 변화는 상기 유체 유동의 상대적으로 낮은 속도에 의하여 상대적으로 낮은 손실을 입는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  28. 청구항 17 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 유동은 상기 탐지 지역을 벗어남에 따라 더 확산되는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 유체 유동을 가속화(acelerate)하기 위하여 더 확산시키는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 벗어나는 유체 유동은 상기 입구에서의 유체 유동의 속도와 실질적으로 같은 속도로 가속화되는 것을 특징으로 하는 입자 탐지기의 탐지 지역을 통과하여 유체가 유동할 수 있도록 하는 방법.
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