KR20140088553A - 누설 전류의 존재하에서 이온 전류를 결정하기 위한 차동 전류 측정 - Google Patents

누설 전류의 존재하에서 이온 전류를 결정하기 위한 차동 전류 측정 Download PDF

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KR20140088553A
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Abstract

이온 챔버는 외부 조건들 예를 들어, 클린 에어 또는 연기의 영향에 따른 특성들을 갖는 전류 표현들을 제공한다. 제1 극성의 직류(DC) 전압이 상기 이온 챔버에 인가되고, 또한 그 결과 생기는 이온 챔버 내의 전류와 기생 전류가 제1 극성에서 측정되고, 제2 극성의 DC 전압이 이온 챔버에 인가되고, 또한 그 결과 생기는 이온 챔버 내의 전류와 기생 전류가 제2 극성에서 측정된다. 제2 극성에서는 실질적으로 이온 챔버 내에 어떤 전류도 흐르지 않으므로, 공통 모드 기생 전류 기여는 상기 제1 극성에서 측정된 전류로부터 상기 제2 극성에서 측정된 전류를 감산함으로써 총 전류 측정으로부터 제거될 수 있고, 따라서 이온 챔버 내의 전류를 만을 생성한다.

Description

누설 전류의 존재하에서 이온 전류를 결정하기 위한 차동 전류 측정{DIFFERENTIAL CURRENT MEASUREMENTS TO DETERMINE ION CURRENT IN THE PRESENCE OF LEAKAGE CURRENT}
본 발명은 이온 챔버 인터페이스에 관한 것으로, 특히 누설 전류의 존재하에서 이온 전류를 결정할 때 공통 모드 전류 누설을 제거하는(reject) 전류 입력 인터페이스를 갖는 마이크로컨트롤러용 이온 챔버 인터페이스에 관한 것이다.
연기 검출기는 일반적으로, 고 입력 임피던스 연산 증폭기에 결합되는 방사능 이온 소스를 함유하는 이온 챔버(ion/ionization chamber)를 이용한다. 연기 검출기에 사용되는 전형적인 이온 챔버는 연기 입자들의 존재하에서 감소되는 아주 작은 전류(nA)를 제공한다. 연산 증폭기들은 연기의 존재를 결정하기 위해 측정되는 이 전류를 전압으로 변환하는데 사용된다. 온도가 상승하면 연기 검출기의 연산 증폭기의 입력들에서 누설 전류가 증가한다. 이는 이온 챔버의 연기 검출 기능의 전체 성능에 영향을 미친다. 따라서 이러한 누선 전류의 증가는 부정확성 등과 같은 다양한 문제를 일으킬 수 있으며, 이 문제로 인해 연기 검출기를 설계할 때 추가의 보상 회로들을 필요로 할 수 있어서 디바이스의 비용을 증가시킬 수 있다.
또한, 이온 챔버의 임피던스가 극도로 높고, 임의의 누설 전류들 예를 들어 인쇄회로기판 누설 전류가 이온 챔버 전류를 가린다. 따라서 연기 검출 이온 챔버들은 복잡한 제조 프로세스가 필요한데, 이 복잡한 제조 프로세스에서 감지 집적 회로 연산 증폭기의 핀들을 구부려서 공중(mid-air)에서 이온 챔버에 바로 용접한다. 전술한 바와 같이, 이온 챔버에 연기가 존재함으로 인해 생기는 이온 챔버 내의 소 전류 변화를 검출하는데(to detect the small current change through the ion chamber) 특수한 저 누설 회로들이 필요하다.
따라서 민감하고 고가의 부품들을 필요로 하지 않고 또한 복잡한 제조 프로세스도 필요로 하지 않는 연기 검출기의 이온 챔버 내의 연기를 검출하는 방식이 필요하게 된다.
일 실시예에 따르면, 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는(determining) 방법은, 이온 챔버의 제1 전극 및 제2 전극을 제1 극성의 전압에 결합하는 단계; 상기 제1 극성의 전압에 의해 생기는 이온 챔버의 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 전류를 결정하는 단계; 상기 이온 챔버의 제1 전극 및 제2 전극을 제2 극성의 전압에 결합하는 단계; 상기 제2 극성의 전압에 의해 생기는 이온 챔버의 제1 전극과 제2 전극 사이의 제2 전류를 결정하는 단계; 및 제1 전류와 제2 전류 사이의 차이를 결정하는 단계를 포함할 수 있으며 상기 차이는 상기 이온 챔버의 이온 전류(ion current through the ion chamber)일 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 극성은 상기 제1 극성과 반대일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전압은 직류 전압(DC) 전압일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온 챔버는 그 내부의 가스 분자들을 이온화하기 위한 방사선 소스를 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온 챔버는 연기 입자들을 검출하는데 사용될 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전류와 제2 전류 사이의 차이를 결정하는 단계는, 상기 제1 및 제2 전류 결정치들을 메모리에 저장하는 단계; 및 하나의 전류 결정치를 다른 하나의 전류 결정치로부터 감산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전압은 복수의 전압 펄스들일 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 이온 챔버 내에서 이온 전류를 결정하는 방법은, 커패시터를 개시 전압으로 설정하는 단계; 이온 챔버의 제1 전극을 전원 전압에 결합하는 단계; 상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계; 상기 커패시터를 제1 시간 주기 동안 충전하는 단계; 상기 커패시터의 제1 충전 전압을 그의 제1 디지털 표현으로 변환하는 단계; 상기 제1 디지털 표현을 메모리에 저장하는 단계; 상기 커패시터를 상기 개시 전압으로 설정하는 단계; 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극을 전원 전압에 결합하는 단계; 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계; 상기 커패시터를 제2 시간 주기 동안 충전하는 단계; 상기 커패시터의 제2 충전 전압을 그의 제2 디지털 표현으로 변환하는 단계; 상기 제2 디지털 표현을 상기 메모리에 저장하는 단계; 및 상기 제1 디지털 표현과 상기 제2 디지털 표현 사이의 차를 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 상기 차는 상기 이온 챔버 내의 이온 전류의 디지털 표현일 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 개시 전압은 실질적으로 제로(0) 볼트일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 개시 전압은 실질적으로 전원 전압일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 차이가 알람 조건 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 차이가 알람 조건 범위 내에 있을 때 알람을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전압은 복수의 출력 전압 펄스들을 포함하는 펄스 발생기 전압일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 전압으로 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법은, 커패시터를 개시 전압으로 설정하는 단계; 상기 이온 챔버의 제1 전극을 펄스 원에 결합하는 단계; 상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계; 상기 커패시터를 상기 펄스 원으로부터의 복수의 펄스들로 제1 시간 주기 동안 충전하는 단계; 상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는 데 필요한 상기 복수의 펄스들의 제1 수(a first number of the plurality of pulses)를 카운트하는 단계; 메모리에 상기 복수의 펄스들의 제1 수를 저장하는 단계; 상기 커패시터를 전원 전압으로 설정하는 단계; 상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 펄스 원에 결합하는 단계; 상기 이온 챔버의 제1 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계; 상기 커패시터를 상기 펄스 원으로부터의 상기 복수의 펄스들로 제2 시간 주기 동안 충전하는 단계; 상기 커패시터를 상기 제2 전압으로 충전하는 데 필요한 상기 복수의 펄스들의 제2 수를 카운트하는 단계; 메모리에 상기 복수의 펄스들의 제2 수를 저장하는 단계; 및 상기 제1 수와 상기 제2 수의 차를 결정하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 차는 상기 이온 챔버 내의 상기 이온 전류의 디지털 표현일 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 개시 전압은 실질적으로 제로(0) 볼트일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면 상기 개시 전압은 실질적으로 전원 전압일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 차가 알람 조건 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 차가 알람 조건 범위 내에 있을 때 알람을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 전압으로 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 또 하나의 실시예에 따르면, 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법은, 커패시터를 제1 전압으로 설정하는 단계; 이온 챔버의 제1 전극을, 실질적으로 제로 볼트로부터 실질적으로 일정 전압까지의 시간 주기들 및 전압 진폭들을 갖는 복수의 전압 천이들에 결합하는 단계; 상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계; 상기 정의된 시간 주기들을 갖는 상기 복수의 전압 천이들로 상기 커패시터를 충전 및 방전하는 단계; 및 상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는데 필요한 상기 복수의 전압 천이들의 천이들의 수를 카운트하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 천이들의 수가 알람 조건 범위를 나타내는지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 커패시터의 충전 전압을 측정하는 단계; 실질적으로 제로 볼트에 있을 때 및 실질적으로 상기 전압에 있을 때 상기 복수의 전압 천이들에 대한 상기 시간 주기들을 조정하는 단계를 포함할 수 있으며; 여기서 상기 커패시터의 상기 충전 전압이 상기 전압의 1/2 보다 작을 때, 제로 볼트 진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 상기 시간 주기들은 상기 전압 진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 상기 시간 주기들 보다 클 수 있고; 상기 커패시터의 상기 충전 전압이 실질적으로 상기 전압의 1/2일 때, 상기 제로 볼트의 상기 시간 주기들과 상기 복수의 전압 천이들의 전압 진폭들은 실질적으로 같을 수 있으며; 그리고 상기 커패시터의 상기 충전 전압이 실질적으로 상기 전압의 1/2보다 클 때, 제로 볼트 진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 상기 시간 주기들은 상기 전압 진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 상기 시간 주기들보다 작을 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 상기 충전 전압으로 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법은, 커패시터를 개시 전압으로 설정하는 단계; 이온 챔버와 커패시터를 제1 극성의 전원 전압에 직렬로 결합하는 단계; 상기 커패시터를 제1 시간 주기 동안 충전하는 단계; 상기 이온 챔버 및 상기 커패시터를 제2 극성의 상기 전원 전압에 직렬로 결합하는 단계; 상기 커패시터를 제2 시간 주기 동안 방전하는 단계; 및 검출 시간 주기 이후 상기 커패시터의 충전 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면 상기 개시 전압은 실질적으로 제로(0) 볼트일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면 상기 개시 전압은 실질적으로 전원 전압일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 측정된 충전 전압이 알람 조건 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 측정된 충전 전압이 알람 조건 범위 내에 있는 경우 알람을 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전원 전압은 복수의 전압 펄스들을 포함하는 출력을 갖는 펄스 발생기 전압일 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은, 상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 상기 충전 전압으로 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 연기 결정 장치는, 방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방될 수 있는 이온 챔버(ionization chamber); 및 마이크로컨트롤러를 포함하며, 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합되는 제1 스위치; 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 제2 스위치; 상기 제1 및 제2 스위치들의 제1 위치들에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버; 상기 제1 및 제2 스위치들의 제2 위치들에 결합되는 커패시터; 상기 커패시터와 전원 공통단 사이에 결합되고, 상기 커패시터를 방전하도록 구성된 제2 스위치; 상기 디지털 드라이버의 입력에 결합되고 시간 주기를 갖는 펄스를 생성하는 타이머; 아날로그-디지털 변환기(ADC); 상기 커패시터와 상기 ADC 사이에 결합되는 제4 스위치; 및 디지털 프로세서와 메모리를 포함하며, 상기 디지털 프로세서는, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치들에 결합되어 이 스위치들을 제어할 수 있고; 상기 ADC 및 타이머는 상기 디지털 프로세서에 결합될 수 있고; 상기 제1 스위치가 상기 제1 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합될 수 있고, 상기 제1 스위치가 상기 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 커패시터에 결합되고, 상기 제2 스위치가 상기 제1 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합될 수 있고, 상기 제2 스위치가 상기 제2 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 커패시터에 결합될 수 있고, 상기 제3 스위치가 폐쇄될 수 있을 때 상기 커패시터는 실질적으로 제로(0) 볼트에 있을 수 있고, 그리고 상기 제4 스위치가 폐쇄될 수 있을 때 상기 커패시터는 상기 ADC에 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온 챔버는, 제3 전극에 의해 분리되는 두 개의 챔버 -상기 두 개의 챔버 중 하나는 연기 침투에 개방될 수 있고 다른 하나는 연기 침투에 폐쇄될 수 있음-; 및 상기 제3 전극에 결합되는 제5 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제5 스위치들은 세 개의 위치들을 갖고, 제3 위치는 개방될 수 있고, 상기 디지털 드라이버는 상기 제5 스위치의 제1 위치에 결합될 수 있고, 그리고 상기 커패시터는 상기 제5 스위치의 제2 위치에 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 마이크로컨트롤러는 알람 드라이버를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 청각/시각 알람기가 상기 알람 드라이버에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면 가드 링이 상기 이온 챔버 주위에 있을 수 있고, 여기서 상기 가드 링은 상기 커패시터의 충전 전압과 실질적으로 동일한 가드 링 전압으로 충전될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 제2 커패시터가 상기 커패시터에 결합될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 연기 결정 장치는, 방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방될 수 있는 이온 챔버: 및 집적 회로를 포함하며, 상기 집적회로는, 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합되는 제1 스위치; 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 제2 스위치; 상기 제1 및 제2 스위치들의 제1 위치들에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버; 상기 제1 및 제2 스위치들의 제2 위치들에 결합되는 제1 입력 및 기준 전압에 결합되는 제2 입력을 갖는 전압 비교기; 상기 전압 비교기의 상기 제1 입력과 제2 입력 사이에 결합되는 커패시터; 상기 전압 비교기의 출력에 결합되는 D-입력 및 상기 클록 발생기에 결합되는 클록 입력을 가지는 플립플롭으로서, 클록 신호가 상기 클록 발생기로부터 수신될 때마다 상기 D-입력에서의 로직 값이 상기 플립플롭의 Q-출력에 전달될 수 있는 플립플롭; 상기 커패시터를 충전 및 방전하기 위해 상기 플립플롭의 Q-출력과 상기 전압 비교기의 제1 입력 사이에 결합되는 궤환 레지스터; 상기 전압 비교기의 제1 입력과 전원 공통단 사이에 결합되는 전류 측정 레지스터; 상기 플립플롭의 Q-출력이 소정의 시간 주기 동안 로직 하이에 있을 수 있을 때 상기 클록 발생기로부터의 클록 펄스들의 제1 수를 카운트하는 제1 카운터; 및 소정의 시간 주기 동안 상기 클록 펄스 발생기로부터의 클록 펄스들의 제2 수를 카운트하는 제2 카운터를 포함하고, 상기 전압 비교기의 상기 제1 입력의 전압이 상기 기준 전압으로부터의 전압보다 클 때, 상기 전압 비교기의 상기 출력은 로직 로우에 있을 수 있고, 또한 커패시터는 방전될 수 있고, 그리고 상기 전압 비교기의 상기 제1 입력의 전압이 상기 기준 전압으로부터의 전압 보다 작을 수 있을 때, 상기 전압 비교기의 출력은 로직 하이에 있을 수 있고, 또한 상기 커패시터는 충전될 수 있고: 상기 제1 스위치가 제1 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합될 수 있고, 상기 제1 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 전압 비교기의 제1 입력에 결합될 수 있고, 상기 제2 스위치가 제1 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합될 수 있고, 상기 제2 스위치가 제2 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 전압 비교기의 상기 제1 입력에 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 집적 회로는 디지털 프로세서 및 메모리를 갖는 마이크로컨트롤러일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러의 상기 디지털 프로세서 및 메모리는 상기 제1 및 제2 카운터들로 카운트되는 동안 저 전력 슬립 모드에 진입할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 집적 회로는 알람 드라이버를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 청각/시각 알람기가 상기 알람 드라이버에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 가드 링이 상기 이온 챔버 주위에 있을 수 있으며, 여기서, 상기 가드 링은 상기 커패시터의 충전 전압과 실질적으로 동일한 가드 링 전압으로 충전될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 제2 커패시터는 상기 커패시터에 결합될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 연기 결정 장치는, 방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방될 수 있는 이온 챔버: 및 마이크로컨트롤러를 포함하며, 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합되는 제1 스위치; 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 제2 스위치; 상기 제1 및 제2 스위치들의 제1 위치들에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버; 상기 제1 및 제2 스위치들의 제2 위치들에 결합되는 커패시터; 상기 커패시터와 전원 공통단 사이에 결합되고 상기 커패시터를 방전하도록 구성된 제3 스위치; 상기 커패시터에 결합되는 제1 입력 및 기준 전압에 결합되는 제2 입력을 갖는 전압 비교기; 상기 디지털 드라이버의 입력에 결합되는 펄스 발생기; 상기 펄스 발생기에 결합될 수 있고 상기 펄스 발생기로부터의 펄스들의 수를 카운트하는 펄스 카운터; 및 디지털 프로세서 및 메모리를 포함하며, 상기 디지털 프로세서는 상기 제1, 제2 및 제3 스위치들, 상기 펄스 발생기 및 상기 펄스 카운터에 결합될 수 있고, 상기 제1, 제2 및 제3 스위치들, 상기 펄스 발생기 및 상기 펄스 카운터를 제어할 수 있으며, 상기 제1 스위치가 제1 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합될 수 있고, 상기 제1 스위치가 제2 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 제1 전극은 상기 커패시터에 결합될 수 있고, 상기 제2 스위치가 제1 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 제2 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합될 수 있고, 상기 제2 스위치가 제2 위치에 있을 수 있을 때 상기 이온 챔버의 제2 전극은 상기 커패시터에 결합될 수 있고, 그리고 제3 스위치가 폐쇄될 수 있을 때, 상기 커패시터는 실질적으로 제로(0)볼트에 있을 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러의 상기 디지털 프로세서 및 메모리는 펄스 카운터로 펄스 카운트되는 동안 저 전력 슬립 모드에 진입할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러는 알람 드라이버를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 청각/시각 알람기가 상기 알람 드라이버에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 가드 링이 상기 이온 챔버 주위에 있을 수 있으며, 여기서, 상기 가드 링은 상기 커패시터의 충전 전압과 실질적으로 동일한 가드 링 전압으로 충전될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 제2 커패시터가 상기 커패시터에 결합될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 연기 결정 장치로서, 방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방될 수 있는 이온 챔버; 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합된 펄스 발생기, - 상기 펄스 발생기의 출력은 제로 볼트로부터 한 전압으로의 전압 천이들을 포함할 수 있음 - ; 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 커패시터; 프리차지 전압 기준부; 상기 프리차지 전압 기준부와 상기 커패시터 사이에 결합되고, 상기 커패시터를 제1 전압으로 충전하기 위해 상기 프리차지 기준 전압을 상기 커패시터에 초기에 결합하는 프리차지 스위치; 상기 커패시터에 결합되는 전압 결정 회로; 및 상기 펄스 발생기에 결합되어 그로부터의 펄스들의 수를 카운트하고, 상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는데 필요한 상기 펄스 발생기로부터의 펄스들의 수를 카운트하는 펄스 카운터를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 펄스 발생기는 프로그램가능한 시간 주기들을 갖는 펄스폭 변조(PWM) 발생기일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전압은 상기 전압의 약 1/2일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전압 결정 회로는 전압 비교기를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전압 결정 회로는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 펄스 발생기, 상기 커패시터, 상기 프리차지 기준 전압, 상기 프리차지 스위치, 상기 전압 결정 회로, 및 상기 펄스 카운트는 마이크로컨트롤러 내에 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러는 알람 드라이버를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 청각/시각 알람기가 상기 알람 드라이버에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 가드 링이 상기 이온 챔버 주위에 있을 수 있으며, 상기 커패시터의 충전 전압과 실질적으로 동일한 가드 링 전압으로 충전될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 제2 커패시터가 상기 커패시터에 결합될 수 있다.
본 발명에 의하면, 민감하고 고가의 부품들을 필요로 하지 않고 또한 복잡한 제조 프로세스도 필요로 하지 않는 연기 검출기의 이온 챔버 내의 연기를 검출하는 방식을 제공할 수 있다.
도 1은 방사선 소스를 가지며 이온 챔버에 다른 극성의 전압을 연결한 경우의 이온 챔버 내의 전류 흐름들을 나타내는 이온 챔버의 개략도를 도시한다.
도 2는 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 시간-전압 그래프를 도시한다.
도 3은 본 개시의 교시들에 따른 마이크로컨트롤러의 입력 및 출력 인터페이스들에 결합되는 전류원의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 교시들에 따라, 도 3에 도시한 주변장치 기능들의 동작을 위한 개략적인 타이밍도들을 도시한다.
도 5는 본 개시의 특정 예시의 실시예들에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예들에 따른 2 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 7은 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예들에 따른 차동 델타-시그마 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하는 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 8은 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 9는 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도이다.
도 10은 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도이다.
도 11은 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도이다.
도 12는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 개시 및 기술된 실시예들과 결합하여 사용될 수 있는 단일 챔버 이온 연기 검출기의 프런트 엔드 부분의 개략적인 블록도이다.
도 13은 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 외부 충전 커패시터를 이용하는 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도이다.
도 14는 그라운드된 전도성 평면에 매우 근접한 용량형 플레이트를 에워싸는 정전계 라인들의 개략적인 표현들을 도시하고 또한 용량형 플레이트와 그라운드된 전도성 평면 사이의 가드 링을 구비한 용량형 플레이트를 에워싸는 정전계 라인들의 개략적인 표현들을 도시한다.
도 15, 16, 17 및 18은 본 개시의 교시들 및 실시예들에 따른 동작 개략 프로세스 흐름도들을 도시한다.
첨부한 도면들과 관련한 다음의 설명을 참조하면, 본 발명을 더욱 완전하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변형물 및 대체 형태들이 가능하지만, 본 발명의 구체적이고 예시적인 실시예들이 도면에서 도시되었고 또한 여기에서 상세히 설명된다. 그러나 여기에서 구체적이고 예시적인 실시예들의 설명은, 본 발명을 여기에 개시된 특정 형태들로 제한하려는 것이 아니며, 오히려 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 모든 변형물들 및 균등물들을 포함해야 한다.
본 명세서에 설명되는 개시의 실시예에 따른다면, 특히 소 전류들이 전류 출력을 가지는 센서, 예를 들면, 연기 검출 이온 챔버를 제외하고는 외부 부품들 없이 마이크로컨트롤러로 직접 측정될 수 있을 것이다. 이온 챔버는 이온 챔버 내의 전류 누설을 갖는 커패시터로서 또는 이온 챔버 내의 가스의 이온화에 따른 가변 고저항 값으로서 모델링될 수 있다. 가스의 이온화는 연기 검출 이온 챔버 내의 이온 소스(ion source)에 의해 유발된다. 불필요한 누설 전류는 또한 연기 검출 이온 챔버가 결합되는 인쇄 회로 기판(PCB)에 존재한다.
연기를 검출하는데 사용되는 이온 챔버는 챔버 내의 일부 가스(예를 들면, 공기) 분자를 이온화시키게 하는 이온 챔버 내의 방사성 소스를 포함한다. 이로 인해, 전기적으로 분극된(이온화된) 가스 분자의 정상 개수보다 더 많은 개수로 인해 가스의 정상 유전율보다 더 높은 유전율이 야기된다. 따라서 이온 챔버 전극들의 2 개 양단에 전압이 인가되면(도 1 참조) 소전류가 이 이온화된 가스를 통해 흐른다. 연기가 이온 챔버 내에 유입되면, 연기는 이온화된 가스 분자와 반응하고, 그 결과 그 유전율(ε)을 변화시키고, 이온화된 가스 분자의 개수를 감소시킨다. 이로 인해, 이온 챔버 내의 누설 전류가 더 적어진다. 이온 챔버 전류 누설은 온도, 상대 습도 및 전압 변화들에 의해 변할 것이다. 그러나 이들 변화는 그 변경이 매우 느리다. 하지만, 연기는 이온 챔버 누설 전류의 돌발적인 변경을 유발한다(이온 전류를 감소시킨다).
이온 챔버의 양단에 제 1 극성의 전압 포텐셜을 인가하고, 이온 챔버 내의 총 전류 및 PCB 누설 전류를 측정한 후에, 이어서 이온 챔버의 양단에 제 2 (반대) 극성의 전압 포텐셜을 인가하고 PCB 누설 전류만을 측정한다. 공통 모드 쌍극 PCB 누설 전류는 단극 이온 전류로부터 절연될 수 있고, 이에 의해 이온 챔버 내의 연기 검출의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 고가의 물리적 누설 보상 기법이 더 이상 요구되지 않는다.
아날로그-디지털 변환기(ADC)에서 사용되는 샘플링 커패시터는 소정의 제약들을 갖는다. 하지만, 이러한 제약들은 공지되어 있다. 외적 해결책은 설비 인쇄 회로 기판(PCB)의 기생성 영향들 및 다른 환경 조건들에 대처하기 위한 추가의 증폭 단계들을 필요로 한다. 필요한 회로 파트들을 마이크로컨트롤러 및 ADC 내로 이동시키면, 이들 기생성 영향은 용이하게 알려지고, 제어되지만, 이 회로 해결책은 더욱 콤팩트하고 센서 입력에 대해 민감해진다.
이러한 전류/전압 인터페이스는 이온 챔버 연기 검출기와 함께 유리하게 사용될 수 있고, 또한 이온 챔버 연기 센서에 대한 인터페이싱의 비용을 상당히 감소시킬 것이다. 다양한 실시예들에 따르면, 이온 챔버와 같은 외부 디바이스로부터의 전류는 ADC의 입력에 연결된다. ADC의 내부 샘플링 커패시터는 전류 충전을 받아들이고, 시간 주기에 걸쳐 전압을 생성한다. 시간 주기가 경과된 후, S/H 커패시터의 전압은 ADC로 아날로그로부터 디지털로의 변환을 개시함으로써 측정될 수 있다. 대안으로, 소정의 전압(전압 목표)이 S/H 커패시터 상에서 도달하면, S/H 커패시터를 소정의 전압으로 충전하는데 필요한 시간이 결정될 수 있다. 어느 쪽이든, 이온 챔버 연기 센서 내의 이온 전류는 결정될 수 있고, 이온 전류의 변화는 이온 챔버에서의 연기를 나타낸다.
이러한 전류는 제 1 극성 전압이 이온 챔버 전극에 인가되는 경우의 이온 챔버 내의 가스 이온 전류 및 인쇄 회로 기판 누설 전류를 나타낸다. 제 2 극성 전압(제 1 극성 전압의 반대 전압)이 이온 챔버 전극에 인가되는 경우, 충전 전류는 단지 인쇄 회로 기판 누설 전류일 것이다. 제 1 극성 전압을 이용하여 결정되는 전류로부터 제 2 극성 전압을 이용하여 결정되는 전류를 빼면, 가스 이온 전류가 결정될 수 있다.
충전 시간 측정 유닛(CTMU)의 일부는 S/H 커패시터의 충전 전압 값을 결정하는데 사용될 수 있다. 이 CTMU는 www.microchip.com에서 입수할 수 있는 Microchip의 애플리케이션 노트인 AN1250, AN1375, 등 및 미국 특허 번호 7,460,441 B2 및 7,764,213 B2에 더 상세히 기재되어 있고, 이들 문헌들 모두는 모든 목적을 위해 여기에 참조로서 통합된다. CTMU 전압 충전(charge voltage) 측정 정확도는 기지의 시간 주기에 걸쳐 기지 값의 커패시터를 전류원으로부터 충전하고, 이어서 충전된 커패시터에서 생긴 전압을 샘플링함으로써 달성된다. 이 샘플링된 전압은 이어서 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털 값으로 변환되고, 선택적으로 룩업 테이블이 사용될 수 있거나 또는 샘플링된 전압의 디지털 값을 기준값에 대한 비교 값으로 변환시키는 다른 수단이 사용될 수 있다. 예를 들면, 연기 검출과 같은 경보 조건과 같이, 샘플링된 전압 값이 기준 값과 상당히 다른 경우에는, 경보가 시작될 수 있다. 샘플링된 전압 값이 소망하는 값 내에 있으면, 경보 조건은 존재하지 않는다.
본 명세서에 기재된 다양한 실시예는 전류 출력들을 가지는 센서를 사용하는 애플리케이션을 비용 효율적인 해결책을 창안해내는 능력을 제공한다. 따라서, 고가의 연산 증폭기들 및 관련 회로망의 필요성이 제거된다. 다양한 실시예들에 따른 인터페이스는 빠르게 발생하는 연기를 동반한 화재를 검출하기 위한 연기 검출기 이온 챔버와 결합하여 유리하게 사용될 수 있다.
도면들을 참조하면, 예시적인 실시예들의 상세 내용이 도식적으로 도시되어 있다. 도면들에서 동일 요소들은 동일 번호들로 표시될 것이며, 유사한 요소들은 상이한 소문자 첨가를 갖는 동일 번호들로 표시될 것이다.
도 1을 참조하면, 방사선 소스를 갖고 이온 챔버로의 다른 극성의 전압 연결에 대해 이온 챔버 내의 전류 흐름들을 나타내는 이온 챔버의 개략도가 도시되어 있다. 이온 챔버(102)는 2 개의 전극, 예를 들면, 전극들(104, 106)로서 특징지을 수 있으며, 2 개의 전극 사이에 일부의 이온화된 가스(예를 들면, 공기)를 구비할 수 있다. 가스 분자는 방사선 소스(108)에 의해 이온화된다. 전압 포텐셜(112)이 2 개의 전극들(104, 106) 사이에 제 1 극성으로(전극(106)에 대해 양 및 전극(104)에 대해 음) 인가되면, 양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116)는 이온화된 가스를 통해 흐를 것이다. 전압 포텐셜(112)이 2 개의 전극들(104, 106) 사이에 제 2 극성(전극(104)에 대해 양 및 전극(106)에 대해 음)으로 인가되면, 이제는 전극(104)이 이온화된 가스 전자를 밀어내므로, 음으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116a)는 이온화된 가스를 통해 흐를 수 없을 것이다. 그러나, 누설 전류(114), 예를 들면, 인쇄 회로 기판 오염물, 그리스(grease), 먼지 등은 전압 포텐셜(112)의 결합 극성과 무관하게 흐를 것이다.
따라서, 제1 극성의 전압 포텐셜(112)이 챔버(102) 전극들(104, 106) 양단에 제 1 극성으로 연결되면, 전류계(110)를 통과하는 총 전류 흐름은 이온화된 전자 전류(116)와 누설 전류(114)의 합이다. 그리고, 전압 포텐셜(112)이 챔버(102) 전극들(104, 106) 양단에 제 2 극성으로 연결되면, 전류계(110)를 통과하는 총 전류 흐름은 비이온화된(no ionized) 전자 전류(116a)와 누설 전류(114)의 합이며, 이 합은 결국 누설 전류(114)만이다. 따라서, 총 전류 흐름으로부터 누설 전류(114)를 빼면 실제의 이온화된 전자 전류(116)가 결정될 수 있다. 이로 인해, 이온화된 전자 전류(116)의 임의의 변화에 대해 더 감도있는 측정들이, 이들 변화가 원하지 않는 누설 전류(114)에 의해 가려지지 않고도 가능하게 된다. 이온 소스(108)에 의해 이온화될 수 있는 임의의 유체, 예를 들면, 가스 또는 액체는 전술한 바와 같이 기능할 것이라는 점에서 본 개시의 범위 내에서 고려될 수 있다.
도 2를 참조하면, 정전류원으로부터 충전되는 커패시터의 시간-전압 그래프가 도시되어 있다. 커패시터(220)가 정전류원(222)을 통해 충전되면, 커패시터(220)의 양단 전압(V)은 I = C * dV/dT[식 (1)]에 따라 시간에 대해 선형적으로 증가한다. 여기서 C는 커패시터(220)의 용량 값이고, I는 정전류원(222)으로부터의 전류이고, V는 시간 T에서의 커패시터(220)의 전압이다. 전류(I); 시간(T); 및 전압(V) 중 임의의 2 개 값을 알고 있는 경우, 미지의 값은 2 개의 기지의 값으로부터 연산될 수 있다. 예를 들면, 커패시터(220)의 용량 및 시간 T = T2-T1을 알고 있고, 또한 커패시터(220)의 전압(V)이 측정되면, 전류 충전량이 측정될 수 있다. 이로 인해, 충전 전압(예를 들면, 커패시터(220)의 전압)의 측정된 프로세스 변수, 예를 들면, 이온화된 전자 전류(116)와 누설 전류(114)의 합, 및 누설 전류(114)(전류(116a) + 전류(114))로의 변환이 가능해진다. 프로세스 변수 값 룩업 테이블에 대한 간단한 전압이 또한 제공될 수 있고, 디지털 프로세서(326)(도 3)의 메모리에 저장될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 교시에 따른 마이크로컨트롤러의 입력 및 출력 인터페이스에 결합되는 전류원의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 마이크로컨트롤러(324)는 관련된 샘플 및 홀드(S/H) 커패시터(220)를 구비하는 내부 아날로그-디지털 변환기(ADC)(328)를 포함한다. 더욱이, 샘플 및 홀드 스위치(336) 및 방전 스위치(332)가 제공된다. 방전 스위치(332)는 S/H 커패시터(220)를 영(0) 볼트로 방전시킨다. 아날로그-디지털 변환 사이클 동안에 S/H 커패시터(220)에 ADC(328)를 결합하기 위해 ADC 스위치(334)가 제공된다.
샘플 및 홀드 스위치(336)를 정확하게 제어하기 위해 타이머(330)가 사용될 수 있다. 방전 스위치(332) 및 ADC 스위치(334)(또는 ADC(328) 주변장치는 스위치(334)를 제어할 수 있음)를 제어하고 타이머(330)를 기동시키기 위해 마이크로컨트롤러(324) 내의 디지털 프로세서 및 메모리(326)가 사용될 수 있고, 또는 독립 제어 유닛(도시되지 않음)이 S/H 커패시터(220)를 충전 및 샘플링하는 동작을 독립적으로 제어하기 위해 마이크로컨트롤러(324) 내의 디지털 프로세서(326)로부터 분리되어 제공될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 이러한 제어 유닛(도시되지 않음)은, 예를 들면, 프로그램가능한 상태 머신 또는 마이크로컨트롤러(324) 내의 임의의 다른 적절한 시퀀셜 제어 유닛일 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다.
전류원(222)은 전류 출력, 예를 들면, 이온 연기 챔버(102)(도 1 참조)를 갖는 센서일 수 있다. 출력 드라이버(327)는 전류원(222)을 구동하고, 그리고 전력의 절약, 예를 들면, 배터리 수명의 증가를 위해 전류원(222)에 동작 전압(112)(도 1)을 주기적으로 공급하는데 사용될 수 있다. 이온 연기 챔버(102)는 또한 내부에 연기의 도입과 함께 변화(증가)되는 매우 높은 저항을 갖는 가변 저항으로서 특징지을 수 있다. S/H 커패시터(220)에서 얻어지는 충전 전압은 저항 값 및 S/H 커패시터(220) 용량과 동등한 이온 연기 챔버(102)의 RC 시정수의 결과이다. 바람직하게, 출력 드라이버(327)는 ADC(328)에 의해 최상의 전압 분해능을 가능하게 하는 전압으로 S/H 커패시터(220)를 충전하는 시간 주기들에 걸쳐 공급 동작 전압(112)을 인가할 수 있다. 더욱이, 시간 주기들은 S/H 커패시터(220)의 충전 전압, 예를 들면, 정지 샘플링 조건들 동안에 공급 전압의 1/2를 최적화하는 동작 조건을 변화시키기 위해 변경될 수 있으며, 이것으로 인해 정지 전압 샘플링 조건으로부터 상하로 충전 전압의 측정 가능한 변경들의 범위 분해능을 최대화할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 개시의 교시들에 따라, 도 3에 도시된 주변장치 기능의 동작을 위한 개략적인 타이밍도가 도시되어 있다. 스위치(332)는 S/H 커패시터(220)의 임의의 충전량을 실질적으로 제로 볼트로 제거하기 위해 폐쇄된다. 이어서, 타이머(330)는 기지의 고정된 시간 주기(T = T2-T1) 동안 샘플 및 홀드 스위치(336)를 폐쇄시킨다. 이어서, 시간(T) 후에 샘플 및 홀드 스위치(336)가 개방된다. 이로 인해, 샘플 및 홀드 커패시터(220)는 출력 드라이버(327)에 의해 구동되는 전류원(222)에 의해 결정되는 속도로 충전될 수 있다. 시간 주기(T)가 경과된 후, ADC 스위치(334)는 폐쇄되고, ADC(328)는 S/H 커패시터(220)의 충전 전압을 그 디지털 표현으로 변환시킨다. 그 후 디지털 프로세서(326)는 추가의 처리, 예를 들면, 연기 검출 및 그 검출에 따른 경보 통지를 위해 이 디지털 표현을 판독할 수 있다. 스위치(336)는 타이머(330)의 출력으로 드라이버(327)를 구동함으로써 제거될 수 있고, 드라이버(327)의 출력은 로직 로우 출력 조건일 때 드라이버(327) 내로 S/H 커패시터의 방전을 방지하기 위해 양방향 전류 다이오드(329)와 직렬 결합될 수 있다. 드라이버(327)의 출력은 또한 일단 S/H 커패시터(220)에 대한 펄스가 종료되면 높은 임피던스 상태로 위치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 개시의 특정의 예시 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 마이크로컨트롤러(524)는 관련된 샘플 및 홀드(S/H) 커패시터(220)를 구비하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(328), 타이머(330), 디지털 프로세서 및 메모리(326), 방전 스위치(332), ADC 샘플 스위치(334), 디지털 출력 드라이버(536) 및 외부 GPIO 연결부들(538)에 결합되는 범용 입력/출력(GPIO) 스위치들(540, 542)을 포함한다. 방전 스위치(332)는 S/H 커패시터(220)를 영(0) 볼트로 방전시킨다. ADC 샘플 스위치(334)는 아날로그-디지털 변환 사이클 동안에 ADC(328)를 S/H 커패시터(220)에 결합한다. 마이크로컨트롤러(524)는 청각/시각 알람기(550), 예를 들면, 경음기, 사이렌, 등에 결합되는 알람 드라이버(548)를 더 포함할 수 있다. 연기 검출 이온 챔버(102)는 GPIO 연결부들(538)에 결합된다. 외부 커패시터(220a)는 이온 챔버(102)가 충전하는 총 용량을 증가시키기 위해 입력-출력(I/O) 연결부(544)에 추가될 수 있다. 이러한 외부 커패시터(220a) 및 I/O 연결부(544)는 본 명세서에 개시된 임의의 실시예들에 추가될 수 있다.
이온 챔버(102)에 대한 전압 펄스를 제어하기 위해 타이머(330)가 사용될 수 있다. 디지털 프로세서(326)는 방전 스위치(332), ADC 샘플 스위치(334)를 제어하고 그리고 타이머(330)를 기동시키기 위해 사용될 수 있고, 대안으로 ADC(328)의 주변장치는 ADC 샘플 스위치(334)를 제어하고 또한 타이머(330)를 기동시킬 수 있고, 또는 대안으로 독립 제어 유닛(도시되지 않음)이 이들 부품의 동작을 독립적으로 제어하기 위해 디지털 프로세서(326)로부터 분리되어 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 이러한 제어 유닛(도시되지 않음)은, 예를 들면, 프로그램가능한 상태 머신 또는 마이크로컨트롤러(524) 내의 임의의 다른 적절한 시퀀셜 제어 유닛일 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. 출력 드라이버(536)는 타이머(330)에 의해 결정되는 시간 지속의 펄스폭을 갖는 전압(112)을 인가하고, 정지 동작 조건 동안에 출력 드라이버(536)로부터 공급되는 전압의 약 1/2로 커패시터(220)를 충전할 수 있는 펄스 지속 시간을 가질 수 있다. 주기적으로 발생되는 펄스는 전력, 예를 들면, 배터리 전력을 절약할 수 있다. 주기적인 펄스들 사이에서는, 마이크로컨트롤러(524)가 저 전력 슬립 모드로 진입할 수 있다.
GPIO 스위치들(540, 542)로 인해, 전극들(104, 106)은 드라이버(536) 및 커패시터(220)의 출력에 교대로 연결될 수 있다. GPIO 스위치(540)가 위치 a에 있을 때, 전극(104)은 GPIO 연결부(538a)를 통해 드라이버(536)의 출력에 결합된다. GPIO 스위치(542)가 위치 b에 있을 때, 전극(106)은 GPIO 연결부(538b)를 통해 커패시터(220)에 결합된다. 이러한 구성에서는 양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116)가 전극들(104, 106) 사이에서 흐를 것이다. GPIO 스위치(540)가 위치 b에 있을 때, 전극(104)은 GPIO 연결부(538a)를 통해 커패시터(220)에 결합된다. GPIO 스위치(542)가 위치 a에 있을 때, 전극(106)은 GPIO 연결부(538b)를 통해 드라이버(536)의 출력에 결합된다. 이러한 구성에서는 음으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116a)가 전극들(104, 106) 사이에서 흐르지 않을 것이고, 연결부들(538) 사이의 유일한 전류 흐름은 누설 전류(114)에 기인할 것이다.
드라이버(536)로부터의 전압 펄스가 완료된 후, ADC 스위치(334)는 폐쇄되고, ADC(328)는 커패시터(220)의 충전 전압을 그 디지털 표현으로 변환시킨다. 이러한 디지털 표현은 추가의 처리를 위해 디지털 프로세서(326)의 메모리에 저장될 수 있다. 대안으로, 양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116)가 흐르고, 이어서 음으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116a)가 흐르지 않을 때 커패시터(220)로부터의 충전 전압들을 변환하고 저장함으로써, 더 큰 충전 전압(양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116) 및 누설 전류(114)에 의해 생성됨)으로부터 더 작은 충전 전압(누설 전류(114)에 의해서만 생성됨)을 뺌으로써 연기 검출기 챔버(102) 내의 이온화된 전자 전류만을 결정할 수 있게 된다.
연기 존재 조건을 나타내는 측정된 충전 전압의 변화가 존재하는 경우, 디지털 프로세서(326)는 연기의 존재를 나타내는 청각/시각 알람기(550)를 턴온시키는 알람 드라이버(548)를 인에이블할 수 있다. 이러한 변화는 소정의 시간 주기 내에 측정될 수 있다. 급속한 충전 전압 변화율은 또한 연기의 존재를 표시하는데 사용될 수 있고, 여기서 느린 충전 전압 변화는 환경 조건, 예를 들면, 공기 내 및/또는 인쇄 회로 기판 상의 온도, 상대 습도, 오염물 등의 변화에 의해 유발될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 또 다른 특정의 예시적 실시예에 따른 2 개의 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 2 개의 챔버 이온 연기 검출기는 청정 공기 기준 챔버(102b), 제 3 GPIO 연결부(538c) 및 관련된 GPIO 스위치(544)를 추가로 구비하여 전술된 도 5에 도시된 연기 검출기와 동일한 방식으로 동작된다. 충전 전압 샘플들이 전술된 바와 같이 연기 챔버(102a) 및 청정 공기 챔버(102b)에 대해 교대로 취해질 수 있고, 이어서 청정 공기 및 연기 챔버 전압 샘플들은 임의의 공통 모드 누설 전류를 제거하기 위해 처리되고, 이어서 비교된다. 이 차이가 충분히 큰 경우, 연기 검출이 결정되고, 청각/시각 알람기(550)가 동작될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 개시의 또 다른 특정의 예시적 실시예에 따른 차동 델타-시그마 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하는 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 이러한 예시적 실시예에 따른 연기 검출기는 연기 검출 센서 이온 챔버(102), 디지털 프로세서 및 메모리(326), 알람 드라이버(548), 청각/시각 알람기(550), 클록 발생기(726), 제 1 카운터(732), 제 2 카운터(728), 전압 비교기(736), D 플립플롭(734), 피드백 저항기(738), 내부 커패시터(740), 전압 기준부(742), 및 전류 측정 저항기(744)를 포함할 수 있다. 이온 챔버(102) 및 청각/시각 알람기(550)를 제외한 전술한 요소들의 모두는 집적 회로 마이크로컨트롤러(724) 내에 제공될 수 있다. 디지털 프로세서(326)에서 연기가 존재함을 결정하면, 알람 드라이버(548)는 청각/시각 알람기(550), 예를 들면, 경음기, 사이렌 등을 동작시킬 수 있다.
이온 챔버(102) 전극들(104, 106)은 GPIO 연결부들(538a, 538b)에 각각 결합된다. GPIO 연결부들(538a, 538b)은 GPIO 스위치들(540, 542)에 각각 결합된다. GPIO 스위치들(540, 542)로 인해, 전극들(104, 106)은 드라이버(536) 및 커패시터(220)의 출력에 교대로 연결될 수 있다. GPIO 스위치(540)가 위치 a에 있을 때, 전극(104)은 GPIO 연결부(538a)를 통해 드라이버(536)의 출력에 결합된다. GPIO 스위치(542)가 위치 b에 있을 때, 전극(106)은 GPIO 연결부(538b)를 통해 커패시터(220)에 결합된다. 이러한 구성에서는 양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116)가 전극들(104, 106) 사이에서 흐를 것이다. GPIO 스위치(540)가 위치 b에 있을 때, 전극(104)은 GPIO 연결부(538a)를 통해 커패시터(220)에 결합된다. GPIO 스위치(542)가 위치 a에 있을 때, 전극(106)은 GPIO 연결부(538b)를 통해 드라이버(536)의 출력에 결합된다. 이러한 구성에서는 음으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116a)가 전극들(104, 106) 사이에서 흐르지 않을 것이고, 연결부들(538) 사이의 유일한 전류 흐름은 누설 전류(114)에 기인할 것이다.
비교기(736)는 높은 임피던스 차동 입력단들 및 로직 로우 "0" 및 로직 하이 "1" 레벨을 제공하는 낮은 임피던스 출력단을 갖는다. 비교기(736)의 양의 입력은 대략 VDD/2의 기준 전압을 제공할 수 있는 전압 기준부(742)에 결합될 수 있다. 다른 기준 전압들이 전압 기준부(742)에 의해 제공될 수 있고, 본 명세서에서 모든 목적을 위해 고려된다. 커패시터(740)는 비교기(736)의 음의 입력 및 양의 입력 사이에 결합된다. 전류 측정 저항기(744)는 이온 챔버(102)로부터의 전류에 비례하는 비교기(736)의 양의 입력에 전압을 제공한다. 비교기(736)의 양의 입력에서의 전압은 GPIO 스위치(540)가 위치 a에 있고, GPIO 스위치(542)가 위치 b에 있을 때의 이온 챔버(102)의 이온 전류(116) 및 누설 전류(114)에 의해 결정되는 제 1 전압이며, 또한 GPIO 스위치(540)가 위치 b에 있고, GPIO 스위치(542)가 위치 a에 있을 때의 누설 전류(114)에 의해서만 측정되는 제 2 전압이다.
비교기(736)의 음의 입력에서의 전압이 비교기(336)의 양의 입력에서의 전압보다 큰 경우(또는 동등한 경우)에는 그 출력이 로직 "0", 예를 들면, VSS이다. 비교기(336)의 음의 입력에서의 전압이 비교기(336)의 양의 입력에서의 전압보다 작은 경우에는 그 출력이 로직 "1", 예를 들면, VDD이다.
비교기(736)의 출력은 플립플롭(734)의 D-입력에 결합되고, 클록부(726)로부터의 클록 신호가 플립플롭(734)의 클록 입력에서 수신될 때마다 D-입력에서의 로직 레벨은 플립플롭(734)의 Q-출력, 예를 들면, VDD 또는 Vss으로 전달된다. 피드백 저항기(738)는 플립플롭(734)의 Q-출력단 및 비교기(736)의 음의 입력단 사이에 결합되고, 비교기(736)의 음의 입력은 또한 커패시터(740)의 상부에 결합된다. 플립플롭(734)의 Q-출력이 로직 "1"에 있는 경우, 커패시터(740)는 더 높은 전압으로 충전되고, 플립플롭(734)의 Q-출력이 로직 "0"에 있는 경우, 커패시터(740)는 더 낮은 전압으로 방전될 것이다. 비교기의 음의 입력 및 양의 입력이 동일한 전압에 있을 때, 정지 평형이 달성될 것이다. 연기가 검출되지 않은 동안의 정지 평형의 경우에는 저항기(744)의 저항 값이 VDD/2 및 VDD/2로 전압 기준부(742)를 생성하도록 선택되고, 플립플롭(734)의 로직 1/0 출력들은 50 퍼센트 듀티 사이클에 있을 것이다. 전압 기준부(742) 출력이 VDD/2보다 작은 경우에는 정지 듀티 사이클이 50 퍼센트 보다 작을 것이고, 전압 기준부(742) 출력이 VDD/2보다 큰 경우에는 정지 듀티 사이클이 50 퍼센트 보다 클 것이다. 비교기(736), 플립플롭(734), 피드백 저항기(738) 및 커패시터(740)는 시그마-델타 변조기를 형성한다.
제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)의 클록 입력들은 클록 발생기(726)에 결합되고, 인에이블될 때에만 증분되는 제 1 카운터(732)를 제외하고는 클록 신호가 수신될 때마다 증분된다. 제 1 카운터(732)의 인에이블 입력은 플립플롭(734)의 Q-출력에 결합되고, 이에 의해 그 카운트는 Q-출력이 하이이거나 다른 로직 레벨, 예를 들면, 로직 "1"에 있는 경우에만 카운트하도록 제어된다. 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)의 최대 카운트 값은 필요한 크기, 예를 들면, 16 비트일 수 있다. 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)은 이어진, 예를 들면, 복수의 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)일 수 있다. 카운트 값이 크면 클수록, 분해능이 더 커지지만 또한 아날로그-디지털 변환을 위해 요구되는 시간도 증가한다. 적절한 클록 속도 및 피드백 저항기(738), 전류 측정 저항기(744) 및 커패시터(740)를 위한 적절한 값을 적용함으로써 매우 높은 분해능을 얻을 수 있을 수 있기 때문에, 디지털 프로세서는 연기 검출 이온 챔버(102) 내의 연기 검출 이벤트가 발생한 경우를 용이하게 포착할 수 있게 될 것이다.
디지털 프로세서(326)는 각각의 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)의 제 1 및 제 2 카운트 값을 판독하고, 이어서 다시 카운팅을 개시하도록 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)을 리세트한다. 판독된 제 1 및 제 2 카운트 값들로부터 디지털 프로세서(326)는 연기 이벤트가 발생했는지를 결정할 수 있다. 디지털 프로세서(326)는 이들 카운트 값의 데시메이션(decimation), 평균화 등도 실행할 수 있다. 디지털 프로세서(326)는 또한 소망하는 이온 챔버 전류(116)로부터의 공통 모드 누설 전류(114)를 제거하기 위해 총 전류(이온 챔버 전류(116)와 누설 전류(114)의 합)로부터 누설 전류(114)를 뺄 수 있다.
또한, 디지털 프로세서(326)는 누설 전류 변화 검출 감도를 향상시키고 및/또는 노이즈 픽업을 감소시키기 위해 평활화, 시간 평균화, 노이즈 억제, 오버 샘플링, 데시메이션, 및/또는 디지털 신호 처리를 수행할 수 있다. 또한 더 신뢰할 수 있는 연기 검출을 위한 추가의 개선책은 온도, 상대 습도 및/또는 공급 전압(예를 들면, 도시되지 않은 배터리)의 변화들에 기인하는 느린 측정된 전류 변화를 제거하기 위해, 누설 전류 변화가 소정의 시간 주기 이하에서 생길 것을 요구할 수 있다.
디지털 프로세서 및 메모리(326)는 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)이 카운트 중에 있는 동안에는 저 전력 슬립 모드로 진입될 수 있고, 그리고 제 1 및 제 2 카운터들(732, 728)로부터 카운트 값들을 판독하기 위해서만 웨이크 업(wake up)되고, 이온 챔버(102) 내에 연기가 존재하는지의 여부를 결정하기 위해 적절한 계산을 실행하는 것은 본 개시의 범위 내에서 고려될 수 있다. 상술한 다른 모든 기능 및 회로는 액티브 모드에 유지되어 있지만 모두 극히 저 전력 상태에 있다. 또한 제 2 카운터(728)은 마이크로컨트롤러에서 저 전력, 스탠바이 슬립 모드 기능을 가지도록 본래 만들어진 웨이크업 타이머일 수 있다. 슬립 모드는 연기 검출기의 배터리의 수명을 더 증가시킬 수 있다. 디지털 프로세서(326)는 시그마-델타 변조기가 저항기(744)의 양단 전압을 변환하고 있을 때에는 드라이버(536)를 로직 하이 "1"로 구동할 수 있고, 시그마-델타 변조기가 전력을 절약하기 위해 스탠바이 모드에 있을 때에는 로직 로우 "0"로 구동할 수 있다. 전력 소모의 추가의 감소를 위해 연기 검출기 이온 챔버(102)의 샘플이 주기적으로 취해질 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 또 다른 특정의 예시적 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 마이크로컨트롤러(824)는 펄스 발생기(850), 펄스 카운터(852), 커패시터(220), 전압 비교기(860), 전압 기준부(856), 디지털 프로세서 및 메모리(326), 방전 스위치(858), 및 외부 GPIO 연결부들(538)에 결합되는 범용 입력/출력(GPIO) 멀티플렉서들(스위치들)(840, 842)을 포함한다. 방전 스위치(858)는 커패시터(220)를 영(0) 볼트로 방전시킨다. 마이크로컨트롤러(824)는 청각/시각 알람기(550), 예를 들면, 경음기, 사이렌, 등에 결합되는 알람 드라이버(548)를 더 포함할 수 있다. 연기 검출 이온 챔버(102)는 GPIO 연결부들(538)에 결합된다. 전압 기준부(856)는 프로그램가능한, 예를 들면, 디지털 프로세서(326)에 의해 제어되는 디지털-아날로그 변환기(DAC)일 수 있다.
선택적으로, VDD대신 멀티플렉서(840)에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버(536)는, 커패시터(220)가 VDD로 충전하는데 더 많은 시간을 취할 수 있도록, 일정 포지티브 전압, 예를 들면, VDD대신 펄스 발생기(850)로부터 이온 챔버(102)로 짧은 지속 펄스를 공급할 수 있다. 이로 인해, 마이크로컨트롤러(824) 타이밍이 더 유연해질 수 있다.
디지털 프로세서(326)는 방전 스위치(858)를 제어하고, 펄스 카운터(852)를 리세팅하는데 사용될 수 있고, 대안으로 주변장치는 스위치(858)를 제어하고 또한 펄스 카운터(852)를 리세팅할 수 있으며, 또는 대안으로 독립 제어 유닛(도시되지 않음)은 이들 부품의 동작을 독립적으로 제어하기 위해 디지털 프로세서(326)로부터 분리되어 제공될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 이러한 제어 유닛(도시되지 않음)은, 예를 들면, 프로그램가능한 상태 머신 또는 마이크로컨트롤러(824) 내의 임의의 다른 적절한 시퀀셜 제어 유닛일 수 있다. 출력 드라이버(536)는 펄스 발생기(850)에 의해 결정되는 시간 지속의 펄스폭들을 갖는 전압 펄스(112)를 인가할 수 있다.
이온 챔버(102)로의 전압(펄스)은 커패시터(220)를 충전할 것이다. 커패시터(220)의 충전이 전압 기준부(856)의 기준 전압, 예를 들면, VDD/2보다 크면, 비교기(860)의 출력은 로직 "0"이 되어 펄스 발생기(850)를 디스에이블한다(로직 "1"은 펄스 발생기(850)를 인에이블함). 펄스 카운터(852)는 커패시터를 소정의 전압, 예를 들면, VDD/2으로 충전하는데 필요한 펄스 발생기(850)로부터의 펄스들의 개수를 카운트한다. 이온 챔버(102)는 가변 전류원으로서 작용하고, 커패시터를 VDD/2까지 충전하는데 더 작은 시간(더 적은 수의 펄스들)이 요구되는 경우에는 이온 챔버(102) 내의 전류가 더 많아지고(전류(116) + 전류(114)), 커패시터를 VDD/2까지 충전하는데 더 큰 시간(더 많은 수의 펄스들)이 요구되는 경우에는 이온 챔버(102) 내의 전류가 더 적어진다(전류(114) 단독). 이온 챔버(102)는 내부에 연기가 존재하지 않을 때보다 연기의 존재하에서 이온 챔버(102)를 통해 더 적은 전류(더 적은 수의 이온화된 가스 분자)가 흐를 것이다.
따라서 커패시터(220)를 소정의 전압, 예를 들면, VDD/2로 충전하는데 요구되는 펄스들의 개수를 비교함으로써 이온 챔버(102) 내의 연기 존재 여부를 결정할 수 있다. 디지털 프로세서(326)는 펄스 카운터(852)로부터의 카운트 값들을 판독하고, 그 값들을 메모리에 저장하고, 이어서 커패시터(220)를 방전시키도록 스위치(858)를 폐쇄한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, GPIO 멀티플렉서들(스위치들)(840, 842)이 디지털 프로세서(326)에 의해 변경되면, 이 사이클은 계속 반복된다. 복수의 펄스를 주기적으로 발생시키면, 전력, 예를 들면, 배터리 전력을 절약할 수 있다. 주기적인 다수의 펄스들 사이에서, 마이크로컨트롤러(824)는 저 전력 슬립 모드로 진입할 수 있다.
GPIO 멀티플렉서들(스위치들)(840, 842)에 의해 전극들(104, 106)은 VDD에 교대로 연결되거나, 드라이버(536)의 출력 및 커패시터(220)에 교대로 연결될 수 있다. GPIO 멀티플렉서(840)가 위치 0에 있을 때, 전극(104)은 GPIO 연결부(538a)를 통해 VDD, 또는 드라이버(536)의 출력에 교대로 결합된다. GPIO 멀티플렉서(842)가 위치 1에 있을 때, 전극(106)은 GPIO 연결부(538b)를 통해 커패시터(220)에 결합된다. 이러한 구성에서는 양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116)가 전극들(104, 106) 사이에서 흐를 것이다. GPIO 멀티플렉서(840)가 위치 1에 있을 때, 전극(104)은 GPIO 연결부(538a)를 통해 커패시터(220)에 결합된다. GPIO 멀티플렉서(842)가 위치 0에 있을 때, 전극(106)은 GPIO 연결부(538b)를 통해 VDD에 결합되거나, 드라이버(536)의 출력에 교대로 결합된다. 이러한 구성에서는 음으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116a)가 전극들(104, 106) 사이에서는 흐르지 않고, GPIO 연결부들(538) 사이의 유일한 전류 흐름은 누설 전류(114)에 기인될 것이다. 디지털 프로세서(326)는 펄스 카운터(852)를 판독 및 리세팅할 수 있고, 배터리 전력 절약을 위해 펄스 발생기(850)를 기동 및 정지시킬 수 있고, 멀티플렉서들(스위치들)(858, 840, 842)을 제어할 수 있다.
카운팅된 펄스의 수는 음으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116a)가 흐르지 않고 누설 전류(114)만이 커패시터(220)를 충전할 때보다 양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116) 및 누설 전류(114)가 흐를 때에, 더 적어진다. 이온 챔버(102) 내의 전류가 더 적을 때, 커패시터(220)를 VDD/2로 충전하는데 더 많은 펄스가 필요하다. 이로 인해, 더 많은 수의 펄스들(누설 전류(114)만을 나타냄)로부터 더 적은 수의 펄스들(양으로 바이어싱된 이온화 전자 전류(116) 및 누설 전류(114)를 나타냄)을 뺌으로써 연기 검출기 챔버(102) 내의 이온화된 전자 전류(116)를 결정할 수 있다. 그 결과 생기는 차이 펄스 카운트는 이온화된 전자 전류(116)를 나타낸다.
연기 존재 조건을 나타내는데 충분한 결과적인 차이 펄스 카운트의 변화가 존재하는 경우, 디지털 프로세서(326)는 연기의 존재를 나타내도록 청각/시각 알람기(550)를 턴온시킬 수 있는 알람 드라이버(548)를 인에이블할 수 있다. 이러한 카운트 변화는 특정의 시간 주기 내에 측정될 수 있다. 급속한 카운트의 변화는 또한 연기의 존재를 표시하는데 사용될 수 있고, 여기서 느린 카운트의 변화는 환경 조건, 예를 들면, 공기 내 및/또는 인쇄 회로 기판 상의 온도, 상대 습도, 오염물 등의 변화를 표시할 수 있을 뿐이다.
도 9를 참조하면, 본 개시의 또 다른 특정의 예시적 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 실시예는 도 8에 도시되고 위에서 설명된 실시예와 동일한 방식으로 동작하고, 여기서 아날로그-디지털 변환기(328) 및 샘플 스위치(334)가 비교기(860) 및 전압 기준부(856) 대신 대체된다. 또한 펄스 카운터(852a)는 소정의 펄스 카운트로 프리로딩(preloading)되고, 펄스 발생기(850)로부터 수신되는 각 펄스에 대해 제로까지 카운트 다운될 것이다. 펄스 카운터(852a)가 제로 카운트에 도달하면, 펄스 발생기(850)는 정지한다. ADC(328)에 의해 커패시터(220)의 전압의 최상의 분해능을 위해 적절한 카운트 값을 선택함으로써, 커패시터(220)의 전압의 극히 감도가 우수한 분해능은 카운터 수로 변환될 수 있다. 이에 의해, 이온 챔버 전류(116) 및 누설 전류(114)를 위해 결정된 카운트 수는 역 극성 누설 전류(114)만을 위해 결정된 카운트 수와 비교될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 개시의 또 다른 특정의 예시적 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 마이크로컨트롤러(1024)는 펄스폭 변조(PWM) 발생기(1050), 펄스 카운터(852), 커패시터(220), 전압 비교기(860), 제 1 전압 기준부(856), 제 2 전압 기준부(857), 디지털 프로세서 및 메모리(326), 프리차지 스위치(859), 및 디지털 출력 드라이버(536)를 포함한다. 프리차지 스위치(859)는 커패시터(220)를 제 2 전압 기준부(857)로부터의 공칭의 양의 제 2 기준 전압, 예를 들면, VDD/2까지 충전한다. 마이크로컨트롤러(1024)는 청각/시각 알람기(550), 예를 들면, 경음기, 사이렌, 등에 결합되는 알람 드라이버(548)를 더 포함할 수 있다. 연기 검출 이온 챔버(102)는 GPIO 연결부들(538)에 결합된다. 제 1 및 제 2 전압 기준부들(856, 857)은 각각 프로그램가능한, 예를 들면, 디지털 프로세서(326)에 의해 제어되는 디지털-아날로그 변환기들(DACs)이거나, 고정된 출력 전압 값일 수 있다. 제 1 전압 기준부(856)으로부터의 제 1 기준 전압 출력은 제 2 전압 기준부(857)로부터의 제 2 기준 전압 출력보다 크다.
PWM 발생기(1050)는 드라이버(536)를 통해 이온 챔버(102)로 예를 들어 실질적으로, 50 퍼센트 듀티 사이클 펄스들 또는 이하에서 보다 상세히 설명되는 임의 퍼센트의 듀티 사이클 펄스들을 제공할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 디지털 프로세서(326)는 프리차지 스위치(859)를 제어하고, 또한 PWM 발생기(1050)를 시동하는데 사용될 수 있고, 대안으로, 주변장치는 프리차지 스위치(859)를 제어하고 또한 PWM 발생기(1050)를 시동할 수 있으며, 독립 제어 유닛(도시 않음)은 이들 부품들을 독립적으로 제어하기 위해 디지털 프로세서(326)로부터 분리되어 제공될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 이러한 제어 유닛(도시 않음)은 예를 들어 프로그램가능한 상태 머신 또는 마이크로컨트롤러 내의 임의의 다른 적절한 시퀀셜 제어 유닛일 수 있다. 출력 드라이버(536)는 선택가능한(프로그램가능한) 듀티 사이클들로 하이 및 로우 레벨들 예를 들어 VDD 및 Vss 전압 포텐셜을 이온 챔버(102)의 전극(104)에 인가한다. 다른 전극(106)이 프리차지 스위치(859)를 통해 제2 기준 전압 예를 들어 VDD/2로 프리차지된 커패시터(220)에 결합되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이온 챔버(102)의 전극(104)에 인가되는 전압 펄스들이 로직 하이(VDD)에 있다면, 제2 기준 전압, 이에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어 VDD/2로 커패시터(220)에 결합되는 전극(106)에 대해 전극(104)은 포지티브 포텐셜에 있을 것이다. 따라서 이온 전류(116) 및 누설 전류(114)의 결합은 커패시터(220)를 보다 포지티브 전압으로 충전할 것이다. 이온 챔버(102)의 전극(104)에 인가되는 전압 펄스들이 로직 로우(Vss)에 있다면, 제2 기준 전압, 이에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어 VDD/2로 커패시터(220)에 결합되는 전극(106)에 대해 전극(104)은 네거티브 포텐셜에 있을 것이다. 따라서 누설 전류(114)만이 흐르므로, 커패시터(220)는 방전되어 낮은 포지티브 전압이 될 것이다. 드라이버(536)로부터의 전압 펄스들이 이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 약 50퍼센트 듀티 사이클을 가질 수 있으므로, 펄스들의 로직 하이 부분들은 펄스들의 로직 로우 부분들이 커패시터(220)를 방전시키는 것보다 더 포지티브하게 커패시터(220)를 충전시킨다. 결국, 커패시터(220)의 충전 전압은 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜에 도달하는데, 이는 이온 챔버(102) 내의 로직 하이 전류(전류 116 + 전류 114)가 이온 챔버(102)를 통해 반대 방향으로 흐르는 로직 로우 전류(전류(114)만)보다 크기 때문이다(도 1 참조). 이온 챔버(102) 내에 연기가 존재하지 않으면, 이온 전류(116)는 최대로 되고 또한 커패시터(220)는 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜로 충전될 것이므로, 이온 챔버(102) 내에 연기가 존재하여 이에 의해 이온 전류(116)가 감소되는(이온화된 가스 분자들이 적음) 경우보다 카운트가 더 적을 것이다. 커패시터(220)를 소정의 시간 주기 내에 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜로 충전하는데 필요한 펄스들의 수 또는 커패시터(220)를 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜로 충전하는데 필요한 시간(타이머 도시 안됨)을 결정함으로써, 이온 챔버(102) 내의 연기 검출이 확실하게 이루어질 수 있다. 커패시터(220)를 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜로 충전하는 요인으로부터 존재하는 공통 모드 누설 전류(114)를 제거함으로써 연기 존재의 검출이 아주 민감하게 이루어진다.
디지털 프로세서(326)는 펄스 카운터(852)로부터 이 카운트 값들을 판독한 다음, 그 값들을 그 메모리에 저장하고 이어서 커패시터(220)를 프리차지하기 위해 스위치(859)를 폐쇄한다. 이 사이클은 반복하여 계속된다. 복수의 펄스들을 주기적으로 생성하면, 전력 예를 들어 배터리 전력이 절약될 수 있다. 주기적인 복수의 펄스들 사이에서, 마이크로컨트롤러(1024)는 저 전력 슬립 모드에 진입할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도 11에 도시한 실시예는 도 10에 도시되고 위에서 설명한 실시예와 동일한 방식으로 동작하며, 여기서, 아날로그-디지털 변환기(328) 및 샘플 스위치(334)는 비교기(860) 및 전압 기준부(856) 대신 대체된다. 또한 펄스 카운터(852a)가 소정의 펄스 카운트로 프리로딩되고, PWM 발생기(1050)로부터 수신되는 각 로직 하이 펄스에 대해 제로로 카운트 다운된다. 펄스 카운터(852a)가 제로 카운트에 도달하면, 펄스 카운터는 PWM 발생기(1050)를 정지시킨다. ADC(328)의 최적 분해능을 위해 커패시터(220)의 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜에 대해 적절한 카운트 값들을 선택하고 또한 선택적으로 DAC(857)로부터 프리차지 전압을 선택함으로써, 아주 민감한 분해능, 즉 카운트 수의 임의의 변화는 이온 챔버 내의 연기를 표시할 수 있다. 커패시터(220)를 VDD에 근접하는 포지티브 포텐셜로 충전하는 요인으로부터 존재하는 공통 모드 누설 전류(114)를 제거함으로써 연기 존재의 검출이 아주 민감하게 이루어진다.
PWM 발생기(1050)로부터의 펄스 열의 듀티 사이클은 커패시터(220)의 충전 전압에 비례하여 변화할 수 있음이 본 개시의 범위 내에서 고려될 수 있을 것이다. 예를 들어, 커패시터의 충전 전압이 VDD의 50%(VDD/2)이면, 펄스 열의 듀티 사이클은 50%에서 최적화 될 수 있다. 커패시터(220)의 충전 전압이 VDD의 50%(VDD/2)보다 크면, 펄스 열의 포지티브 부분은 또한 50% 보다 더 클 수 있고, 제로(Vss) 부분은 50% 보다 더 작을 수 있는데, 이는 커패시터(220)의 충전 전압과 VDD 사이의 전압 차가 커패시터(220)의 충전 전압과 Vss 사이의 전압 차 보다 작게 되고, 그에 따라서 VDD에서 더 긴 펄스 주기는 더 작은 전압 차로 커패시터를 비례적으로 충전시키기 때문일 것이다. 이러한 방식으로 프리차지 전압은 (더 큰 분해능 정확도를 위해) 임의의 전압 값으로 선택될 수 있고 또한 커패시터(220) 충전 전압이 VDD로 증가함에 따라 펄스 스트림 듀티 사이클이 비례적으로 조정될 수 있다. 커패시터(220)의 충전량 변화의 시간 비율(샘플 시간 주기당 펄스들)이 이온 챔버에서 연기 검출을 결정하는데 사용될 수 있다.
커패시터(220)의 용량값을 증가시키기 위해 외부 충전 커패시터(220a)가 GIPO 연결부(538b)에 추가될 수 있다. 이에 의해 커패시터(220)를 VDD에 근접하는 포지티브 전압으로 충전하는데 필요한 시간이 증가되고, 이에 의해 연기가 이온 챔버(102)에 진입되었는지 여부를 결정하는데 사용될 수 있는 펄스들의 수가 증가할 것이다.
도 12를 참조하면, 본 개시의 특정 예시의 실시예들 및 교시들에 따라 여기에 도시되고 개시된 실시예들과 결합하여 사용될 수 있는 단일 챔버 이온 연기 검출기의 프런트 엔드 부분의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도 12(a)를 참조하면, 이온 챔버(102)는 커패시터(220)와 직렬로 결합되며, 여기서, 포지티브 전압, 예를 들어 VDD는 전극(104)에 결합되고, 공통단, 예를 들어 Vss는 이온 챔버(102)의 전극(106)에 결합되지 않은 커패시터(220) 일단에 결합된다. 이러한 구성에서는 이온화 전자 전류(116) 및 누설 전류(114)가 커패시터(220)를 이온 챔버(102)의 전극(106)에 결합되는, "+"로 표시되는 커패시터(220) 일단의 포지티브 전압으로 충전한다.
도 12(b)를 참조하면, 이온 챔버(102)는 커패시터(220)와 직렬로 결합되며, 여기서, 공통단, 예를 들어 Vss는 전극(104)에 결합되고, 포지티브 전압, 예를 들어 VDD는 이온 챔버(102)의 전극(106)에 결합되지 않은 커패시터(220)의 일단에 결합된다. 이러한 구성에서는 단지 누설 전류(114)만이 흐르고, 커패시터(220)는 방전되어 포지티브 전압 이하가 된다. 사실상, 직렬 결합되는 이온 챔버(102) 및 커패시터(220)에 결합되는 전압의 극성은 도 12(a)와 도 12(b)에 도시된 구성들 사이에서 반대로 된다. 따라서, 커패시터(220)와 이온 챔버(102)가 도 12(a)에 도시한 바와 같이 구성되는 경우에는 커패시터(220)가 미약한 누설 전류(114)로 방전되는 도 12(b)에 도시된 바와 같이 구성되는 경우보다 커패시터(220)는 높은 전류(이온 전류(116) + 누설 전류(114))로 충전된다. 소정의 시간 주기에 걸쳐서 커패시터(220)를 교대로 충전 및 방전함으로써 누설 전류(114)가 효과적으로 제거되므로, 그 결과로 생긴 커패시터의 충전량은 이온 전류(116)로부터의 충전량이다.
포지티브 전압은 연속 전압, 예를 들어 VDD일 수 있거나 또는 고정 또는 가변 시간 지속들, 예를 들어 펄스폭들을 갖는 펄스들 일 수 있다. 포지티브 전압에 대해 짧은 시간 지속들을 갖는 펄스들을 사용하면, 커패시터(220)가 예를 들어 스위치(332)에 의해 방전되어야 하기 전에 커패시터(220)를 충전하기 위해 더 긴 시간을 필요로 할 것이다. 가변 지속 펄스들, 예를 들어 펄스폭 변조(PWM)가 커패시터(220)의 충전/방전 비율들을 초기화하기 위해 더 사용될 수 있다. 충전 전압이 1/2VDD보다 작다면, 긴 펄스 지속이 커패시터(220)를 방전하는데 사용될 수 있고, 또한 짧은 펄스 지속이 소정의 전압 변화의 시간 비율들 동안 커패시터를 충전하는데 사용될 수 있다. 충전 전압이 약 1/2VDD이면, 동일한 펄스 지속들이 대략 전압 변화의 동일한 충전 및 방전 시간 비율들을 생성할 것이다. 충전 전압이 1/2VDD보다 크면, 더 짧은 펄스 지속이 커패시터(220)를 방전하는데 사용될 수 있고, 또한 더 긴 펄스 지속이 커패시터(220)를 충전하는데 사용될 수 있다.
도 12(c)에 도시한 회로는 직렬 결합되는 이온 챔버(102)와 커패시터(220)에 걸쳐 전술한 전압 극성 반전을 구현하는 회로 실시예이다. 이 회로는 본 개시의 교시에 따라 도 5 내지 도 11에 도시한 실시예들 중 임의의 실시예에 대해 사용될 수 있다. 또한, 이온 전류(116) 및 누설 전류(114)의 충전 비율에서 얻은 제1 충전 전압 샘플과 누설 전류(114)만의 충전 비율에서 얻은 제2 충전 전압으로부터 유도된 충전 전압들에 대한 메모리 저장장치가 필요하지 않으므로, 디지털 로직 오버헤드를 상당하게 절감할 수 있다. 도 12(c)에 도시한 회로는 디지털 출력 드라이버(536)로부터의 하나 걸른 펄스마다 누설 전류(114)의 공통 모드 거절을 수행한다.
멀티플렉서(1270 및 1272)는 직렬 결합되는 이온 챔버(102) 및 커패시터(220)에 인가된 전압 극성들을 제어한다. 플립플롭(1274)의 Q 출력이 로직 "0"이면, 이온 챔버(102) 및 커패시터(220)는 도 12(a)에 도시한 바와 같이 제1 전압 극성에 결합된다. 플립플롭(1274)의 Q 출력이 로직 "1"이면, 이온 챔버(102) 및 커패시터(220)는 도 12(b)에 도시한 바와 같이 제2 전압 극성에 결합된다. 플립플롭(1274)의 Q 출력은 드라이버(536)로부터의 펄스들의 각 네거티브 진입 천이들에서 변화한다. 따라서, 도 12(a)에 도시한 구성은 커패시터(220)를 이온 전류(116) 및 누설 전류(114)로 충전하는 하나의 펄스를 수신하고, 도 12(b)에 도시한 구성은 커패시터(220)를 누설 전류(114)로 방전하는 하나의 펄스를 수신한다.
커패시터(220)의 이러한 충전/방전은 커패시터(220)가 소정의 포지티브 전압에 도달 할 때까지 복수의 펄스들 동안 진행되고, 아날로그-디지털 변환기(ADC)(1228)에서 그 샘플이 취득될 수 있고, 이어서 커패시터(220)는 스위치(232)에 의해 방전될 수 있다. 전압 샘플들은 주기적으로 취득될 수 있고(예를 들어 도 5, 6, 9 및 11 참조), 따라서 펄스들의 펄스폭들(PWM)이 조정될 수 있다. 정전압 VDD는 드라이버(536)로부터의 펄스들 대신 다이오드(329)를 통해 대체될 수 있다. 다이오드(329)는 펄스들이 로직 "0"에 예를 들어 공통전압에 있는 경우 커패시터(220)를의 역방전을 방지하는데 사용될 수 있다. 가드 링(844) 및 아날로그 드라이버(842)가 도 12(c)에 도시된 회로 실시예에 추가될 수 있음이 본 개시의 범위 내에서 고려될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 개시의 또 다른 특정 예시의 실시예에 따른 외부 충전 커패시터를 이용하는 단일 챔버 이온 연기 검출기의 개략도가 도시되어 있다. 도 13에 도시한 회로는 이온 챔버(102)와 결합하여 외부 커패시터(220b)에 결합되는 매우 단순한 범용 마이크로컨트롤러(1324)이다. 전극(104)과 전극(106)과 직렬로 결합되는 커패시터(220b)의 전압 극성들이 디지털 출력 드라이버들(536 및 1354)에 의해 설정되는데, 여기서, 드라이버(536)로부터의 로직 레벨 출력은 드라이버(1354)로부터의 로직 레벨 출력과 반대이다. 따라서, GPIO 연결부(538a)에 드라이버(536)로부터 로직 하이가 공급되면, 전극(104)은 포지티브 전압, 예를 들어 VDD에 있고, GIPO 연결부(538b)에 결합되는 커패시터(220b)의 단부는 실질적으로 제로(0) 전압, 예를 들어 Vss에 있다.(도 12(a) 참조). 인버터(1356)는 디지털 출력 드라이버(1354)를 출력 드라이버(536)의 로직 레벨과 반대의 로직 레벨로 구동한다.
펄스 발생기(1050), 예를 들어 펄스폭 변조(PWM) 발생기는 GPIO 연결부들(538a 및 538b)에 정의된 펄스폭들을 갖는 펄스들을 제공한다. PWM 발생기(1050)를 사용하면, 커패시터(220b)의 충전 전압 값에 따라 높고 또한 낮은 펄스폭들(듀티 사이클)을 변화시킬 수 있다. 위에서 상세히 기술한 바와 같이, PWM 발생기(1050)로부터의 펄스 열의 듀티 사이클은 커패시터(220b)의 충전 전압의 변화에 비례하여 변할 수 있다.
샘플 스위치(334)가 폐쇄되면, ADC(328)가 커패시터(220b)의 충전 전압을 샘플링할 수 있도록 디지털 출력 드라이버(1352)는 커패시터(220b)를 방전한 다음, 고 임피던스 출력 상태 예를 들어 3 상태로 진입하는데 사용될 수 있다. ADC(328) 및 스위치(334)는 변화하는 커패시터(220b)의 충전 전압을 주기적으로 샘플링하고 이들 전압 샘플들을 그 디지털 표현들로 변환한다. 디지털 프로세서(326)는 본 명세서에 상세하게 설명된 바와 같이, 이들 디지털 표현들을 판독하고 연기가 이온 챔버(102)에 진입되었는지 여부를 결정하는데 이들을 사용할 수 있다. 디지털 프로세서(326)는 샘플링된 충전 전압 값들에 기초하여 펄스폭 듀티 사이클을 변화시키도록 PWM 발생기를 제어할 수 있다.
도 14를 참조하면, 그라운드된 전도성 평면에 매우 근접하게 용량형 플레이트를 에워싸는 정전계 라인들의 개략적인 표현들이 도시되어 있고(도 14(a)) 또한 용량형 플레이트와 그라운드된 전도성 평면 사이에 가드 링을 구비한 용량형 플레이트를 에워싸는 정전계 라인들의 개략적인 표현이 도시되어 있다(도 14(b)). 서로 다른 전압 포텐셜들에 있는 전극(106)과 에워싸는 전도체들 사이의 정전계의 개략적인 표현이 도 14(a)에 도시되어 있다. 전극(106)과 에워싸는 금속 및/또는 전도체들 예를 들어, 그라운드 평면(846) 사이의 강한 정전계 라인들을 주목하라. 이러한 기생 용량이 연기가 챔버(102) 내로 진입하는 동안 생기는 전극(106)의 용량 값의 변화에 대한 검출 분해능을 제한한다. 기생 용량은 유사하게 전극(106)과 마이크로컨트롤러(1024 또는 1124) 사이의 연결들에 영향을 미친다. 또한 이 기생 용량은 이온 챔버 연기 검출기들에 사용될 수 있는 노이즈 차폐량을 제한한다.
가드 링(844)이 이온 챔버(102)의 전극 주위에 도입될 수 있다. 가드 링(844)의 전압을 전극(106)의 전압과 같게 유지함으로써 기생 용량들이 크게 저감될 수 있다. 따라서 연기가 이온 챔버(102) 내로 진입하는 동안 생기는 이온 챔버(102)의 누설 용량 값의 변화에 대한 검출 분해능을 증가시킨다. 또한, 가드 링(844)이 전극(106)과 이온 챔버(102)의 노이즈 차폐를 향상시킬 수 있다.
도 14(b)는 전극(106), 가드 링(844) 및 그라운드 평면(846) 사이의 정전계들의 개략적인 표현을 도시하는데, 가드 링(844)이 있으면 전극(106) 및 가드 링(844)은 같은 전압 포텐셜이다. 전극(106)과 그라운드 평면(846) 사이의 정전계 라인들(긴 라인들)이 더 약해져 있음에 주목하라. 전극(106)과 가드 링(844) 둘 다 동일 전위 포텐셜에 있기 때문에 전극(106)과 가드 링(844) 사이에 기생 용량이 거의 없다. 다시 도 10 및 도 11을 참조하면, 아날로그 드라이버(842)는 GPIO 연결부(840) 및 커패시터(220)에도 연결될 수 있는 아날로그 버스(846)에 결합될 수 있다. 가드 링(844)은 아날로그 드라이버(842)에도 연결될 수 있는 GPIO 연결부(840)에 결합될 수 있다. 아날로그 드라이버(842)는 가드 링(844)을 전극(106)의 전압과 같을 수 있는 커패시터(220)의 전압으로 구동하므로 전극(106)과 에워싸는 그라운드된 금속 사이의 정전계들을 저감할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 개시의 교시들 및 실시예들에 따른 개략적인 동작 프로세스 흐름도가 도시되어 있다. 단계(1506)에서, 연기 검출기 이온 챔버(102)의 제1 전극 및 제2 전극이 제1 극성의 전압에 결합된다. 단계(1508)에서, 애플리케이션으로부터 제1 극성의 이온 챔버(102)에 초래되는 제1 전류가 결정된다. 단계(1510)에서, 상기 제1 전류는 그의 제1 디지털 표현으로 변환된다. 단계(1512)에서, 상기 제1 디지털 표현이 추가 처리를 위해 메모리에 저장된다. 단계(1518)에서, 연기 검출기 이온 챔버(102)의 제1 전극 및 제2 전극이 제2 극성의 전압에 결합된다. 단계(1520)에서, 제2 극성 전압의 애플리케이션으로부터 초래되는 제2 전류가 결정된다. 단계(1522)에서, 상기 제2 전류는 그 제2 디지털 표현으로 변환된다. 단계(1524)에서, 상기 제2 디지털 표현이 추가 처리를 위해 메모리에 저장된다.
단계(1526)에서, 제1 및 제2 디지털 표현들 사이의 차이의 절대 값 즉, 포지티브 값이 메모리에 저장된다. 이 차이 값은 이온 챔버(102) 내의 이온 전류(116)를 나타내며, 공통 모드 누설 전류(114)는 그것으로부터 제거된다. 단계(1528)에서, 상기 차이값으로부터 연기 검출 알람 조건이 존재하는지 여부가 결정된다. 이러한 결정은 차이 값을 기준 값과 비교하고, 이전의 차이 값을 현재의 차이값과 비교하고, 및/또는 복수의 차이 값들에 대한 변화율을 비교함으로써 수행된다. 알람 조건이 존재하는 경우, 단계(1530)에서 알람이 생성될 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 개시의 교시들 및 실시예들에 따른 개략적인 동작 프로세서 흐름도가 도시되어 있다. 단계(1602)에서, 커패시터(220)는 개시 전압, 예를 들어 제로(0) 전압, 예를 들어 Vss로 설정되고 예를 들어 전원 전압, 예를 들어 VDD에 결합된다. 단계(1604)에서, 연기 검출 이온 챔버(102)의 제1 전극(104)이 전원 전압(112)에 연결된다. 단계(1606)에서, 연기 검출 이온 챔버(102)의 제2 전극(104)이 커패시터(220)에 연결된다. 단계(1608)에서, 커패시터(220)는 제1 시간 주기 동안 이온 챔버(102) 내의 이온 전류(116)와 누설 전류(114)로 충전된다. 단계(1610)에서, 커패시터(220)의 최종 충전 전압이 그의 제1 디지털 표현으로 변환된다. 단계(1612)에서 상기 제1 디지털 표현이 추가 처리를 위해 메모리에 저장된다.
단계(1614)에서, 커패시터(220)는 개시 전압으로 설정된다. 단계(1616)에서, 연기 검출 이온 챔버(102)의 제2 전극은 전원 전압(112)에 연결된다. 단계(1618)에서, 연기 검출 이온 챔버(102)의 제1 전극(104)은 커패시터(220)에 연결된다. 단계(1620)에서, 커패시터(220)는 그 제2 시간 주기 동안 누설 전류(114) 만으로 충전된다. 단계(1622)에서, 커패시터(220)의 최종의 충전 전압은 그 제2 디지털 표현으로 변환된다. 단계(1624)에서, 상기 제2 디지털 표현은 추가 처리를 위해 메모리에 저장된다.
단계(1626)에서, 상기 제1 및 제2 디지털 표현들의 차이의 절대 값, 즉 포지티브 값이 메모리에 저장된다. 이 차이 값은 공통 모드 누설 전류(114)가 그것으로부터 제거된 상태에서 이온 챔버(102) 내의 이온 전류(116)를 나타낸다. 단계(1628)에서, 상기 차이 값으로부터 연기 검출 알람 조건이 존재하는지 여부가 결정된다. 이 결정은 차이 값을 기준 값과 비교하고, 이전의 차이 값을 현재의 차이 값과 비교하고, 및/또는 복수의 차이 값들에 대한 변화율을 비교함으로써 수행된다. 알람 조건이 존재하는 경우, 단계(1630)에서 알람이 생성될 수 있다.
도 17을 참조하면, 본 개시의 교시들 및 실시예들에 따른 개략적인 동작 프로세스 흐름도가 도시되어 있다. 단계(1702)에서, 커패시터(220)는 제1 전압으로 설정된다. 단계(1704)에서, 연기 검출 이온 챔버(102)의 제1 전극이 펄스 발생기(1050)로부터 정의된 시간 주기들을 갖는 복수의 전압 천이들에 연결된다. 단계(1706)에서 연기 검출 이온 챔버의 제2 전극(106)은 커패시터(220)에 연결된다. 단계(1708)에서, 제1 시간 주기 동안의 실질적인 제로 전압으로부터 제2 시간 주기 동안의 전원 전압으로의 복수의 전압 천이들이 연기 검출 이온 챔버(102)의 제1 전극(104)에 인가된다. 여기서, 커패시터(220)는 전압 천이들이 전원 전압에 있을 때에는 이온 챔버(102) 내의 이온 전류(116)와 누설 전류(114)의 합으로 충전되고, 상기 전압 천이들이 실질적으로 제로 전압에 있을 때에는 누설 전류(114)로 방전된다. 단계(1710)는 커패시터를 제2 전압으로 충전하는데 필요한 전압 천이들의 수를 결정한다. 단계(1728)에서, 전압 천이들의 수로부터 연기 검출 알람 조건이 존재하는지 여부가 결정된다. 알람 조건이 존재하는 경우, 단계(1730)에서 알람이 생성될 수 있다. 전압 천이들의 수는 알람 조건 및/또는 알람 조건의 소정의 시간 주기들 내의 전압 천이들의 수를 결정하는데 사용될 수 있다.
제1 및 제2 시간 주기들은 커패시터(220)의 충전 전압값에 따라 같거나 또는 조정될 수 있으며, 여기서 충전 전압이 전원 전압의 절반 보다 작은 경우에는 제1 시간 주기가 제2 시간 주기보다 클 수 있고 또한 충전 전압이 상기 전원 전압의 절반 보다 클 경우에는 상기 제1 시간 주기가 상기 제1 시간 주기보다 작을 수 있다. 이러한 특징은 커패시터의 충전 전압이 전원 전압의 절반 보다 작은 값에서 큰 값으로 진행하는 동안, 커패시터(220)를 보다 선형적으로 충전하고 방전하는데 사용될 수 있다. 커패시터(220)의 충전 전압이 전원 전압의 약 절반일 때에는 제1 및 제2 시간 주기들이 실질적으로 같은 수 있다. 펄스폭 변조 발생기(PWM) 발생기(1050)가 커패시터(220)를 충전 및 방전하는 이들 가변 듀티 사이클 펄스들을 생성하는데 사용될 수 있다.
도 18을 참조하면, 본 개시의 교시들 및 실시예들에 따른 개략적인 동작 프로세스 흐름도가 도시되어 있다. 단계(1802)에서, 커패시터(220)는 개시 전압 예를 들어 제로(0) 전압, 예를 들어 Vss로 설정되고, 전원 전압, 예를 들어 VDD에 결합된다. 단계(1804)에서, 연기 검출 이온 챔버(102) 및 커패시터(220)는 제1 극성의 전원 전압에 직렬로 연결된다. 단계(1806)에서, 커패시터(220)는 제1 시간 주기 동안 이온 챔버(102) 내의 이온 전류와 누설 전류로 충전된다.
단계(1808)에서, 연기 검출 이온 챔버(102)와 커패시터(220)는 제2 극성의 전원 전압에 직렬로 연결되고, 여기서, 제2 극성은 제1 극성과 반대일 수 있다. 단계(1810)에서, 커패시터(220)는 제2 시간 주기 동안 누설 전류로 방전된다. 단계(1812)에서, 커패시터(220)의 전압은 검출 시간 주기 이후에 측정된다.
단계(1814)에서, 상기 측정된 충전 전압으로부터 연기 검출 알람 조건이 존재하는지 여부가 결정된다. 이 결정은 측정 전압을 기준 값과 비교하고, 이전의 측정 전압을 현재의 측정 전압과 비교하고, 및/또는 측정된 복수의 차이 전압들의 변화율을 비교함으로써 수행된다. 알람 조건이 존재하는 경우, 단계(1816)에서 알람이 생성될 수 있다.
커패시터는 실질적으로 제로(0) 전압으로 방전되는 대신에 먼저 일정 전압으로 완전하게 충전될 수 있고 이어서 이온화 전자 전류(116) 및 누설 전류(114)가 커패시터(220)를 방전하고 단지 누설 전류(114)만이 커패시터(220)를 충전하는 방식으로 커패시터(220)에 결합됨이 본 개시의 범위 내에서 고려될 수 있다. 이온화 전자 전류(116)와 누설 전류(114)의 결합이 단지 누설 전류 단독보다 크므로, 커패시터는 결국은 대략 제로(0) 볼트로 방전될 것이다.
본 발명의 실시예들이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 묘사되고, 설명되고 정의되었을지라도, 그러한 참조는 본 발명의 한정을 암시하는 것이 아니며 이러한 한정이 추론되어서도 안된다. 개시된 주제는, 본 발명과 관련된 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자 및 본 발명의 이득을 얻는 자에게 있어서, 형태 및 기능에서 다양한 수정물, 대체물 및 균등물이 가능하다. 본 발명의 묘사되고 설명된 실시예들은 단지 예시로서, 본 발명의 범위 전부가 아니다.

Claims (60)

  1. 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는(determining) 방법으로서,
    이온 챔버의 제1 전극 및 제2 전극을 제1 극성의 전압에 결합하는 단계;
    상기 제1 극성의 전압에 의해 생기는 상기 이온 챔버의 제1 전극과 제2 전극 사이의 제1 전류를 결정하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제1 전극 및 제2 전극을 제2 극성의 전압에 결합하는 단계;
    상기 제2 극성의 전압에 의해 생기는 제1 전극과 제2 전극 사이의 제2 전류를 결정하는 단계; 및
    제1 전류와 제2 전류 사이의 차이를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 차이는 상기 이온 챔버 내의 이온 전류(the ion current through the ion chamber)인, 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 극성은 상기 제1 극성과 반대인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압은 직류 전압(DC) 전압인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온 챔버는 그 내부의 가스 분자들을 이온화하기 위한 방사선 소스를 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온 챔버는 연기 입자들을 검출하는데 사용되는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류와 제2 전류 사이의 차이를 결정하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 전류 결정치들을 메모리에 저장하는 단계; 및
    다른 하나의 전류 결정치로부터 하나의 전류 결정치를 감산하는 단계를 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전압은 복수의 전압 펄스들인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  8. 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법으로서,
    커패시터를 개시 전압으로 설정하는 단계;
    이온 챔버의 제1 전극을 전원 전압에 결합하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계;
    상기 커패시터를 제1 시간 주기 동안 충전하는 단계;
    상기 커패시터의 제1 충전 전압을 그의 제1 디지털 표현으로 변환하는 단계;
    상기 제1 디지털 표현을 메모리에 저장하는 단계;
    상기 커패시터를 상기 개시 전압으로 설정하는 단계;
    상기 이온 챔버의 상기 제2 전극을 전원 전압에 결합하는 단계;
    상기 이온 챔버의 상기 제1 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계;
    상기 커패시터를 제2 시간 주기 동안 충전하는 단계;
    상기 커패시터의 제2 충전 전압을 그 제2 디지털 표현으로 변환하는 단계;
    상기 제2 디지털 표현을 상기 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 제1 디지털 표현과 상기 제2 디지털 표현 사이의 차이를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 차이는 상기 이온 챔버 내의 이온 전류의 디지털 표현인, 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 개시 전압은 제로(0) 볼트인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 개시 전압은 전원 전압인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 차이가 알람 조건 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 차이가 알람 조건 범위 내에 있을 때 알람을 동작시키는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전압은 복수의 출력 전압 펄스들을 포함하는 펄스 발생기 전압인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 전압으로 충전하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  15. 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법으로서,
    커패시터를 개시 전압으로 설정하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제1 전극을 펄스 원에 결합하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계;
    상기 커패시터를 상기 펄스 원으로부터의 복수의 펄스들로 소정의 제1 시간 주기 동안 충전하는 단계;
    상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는 데 필요한 복수의 펄스들의 제1 수를 카운트하는 단계;
    상기 복수의 펄스들의 제1 수를 메모리에 저장하는 단계;
    상기 커패시터를 전원 전압으로 설정하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 펄스 원에 결합하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제1 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계;
    상기 커패시터를 상기 펄스 원으로부터의 상기 복수의 펄스들로 제2 시간 주기 동안 충전하는 단계;
    상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는 데 필요한 상기 복수의 펄스들의 제2 수를 카운트하는 단계;
    상기 복수의 펄스들의 제2 수를 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 제1 수와 상기 제2 수의 차이를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 차이는 상기 이온 챔버 내의 이온 전류의 디지털 표현인, 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 개시 전압은 제로(0) 볼트인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 개시 전압은 전원 전압인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 차이가 알람 조건 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 차이가 알람 조건 범위 내에 있을 때 알람을 동작시키는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 전압으로 충전하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  21. 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법으로서,
    커패시터를 제1 전압으로 설정하는 단계;
    이온 챔버의 제1 전극을 제로 볼트로부터 일정 전압까지의 시간 주기들 및 전압 진폭들을 갖는 복수의 전압 천이들에 결합하는 단계;
    상기 이온 챔버의 제2 전극을 상기 커패시터에 결합하는 단계;
    상기 정의된 시간 주기들을 갖는 상기 복수의 전압 천이들로 상기 커패시터를 충전 및 방전하는 단계; 및
    상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는데 필요한 상기 복수의 전압 천이들의 천이들의 수를 카운트하는 단계를 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 천이들의 수가 알람 조건 범위를 나타내는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 커패시터의 충전 전압을 측정하는 단계;
    제로 볼트에 있을 때 및 상기 전압에 있을 때 상기 복수의 전압 천이들에 대한 시간 주기들을 조정하는 단계를 포함하고;
    여기서, 상기 커패시터의 충전 전압이 상기 전압의 1/2보다 작을 때, 제로 볼트 진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 상기 시간 주기들은 상기 전압진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 시간 주기들 보다 크고,
    상기 커패시터의 상기 충전 전압이 상기 전압의 1/2일 때, 상기 제로 볼트의 시간 주기들과 상기 복수의 전압 진폭들의 전압 진폭들은 같으며, 그리고
    상기 커패시터의 상기 충전 전압이 상기 전압의 1/2보다 클 때, 제로 볼트 진폭에 있을 때의 상기 복수의 전압 천이들의 시간 주기들은 상기 전압 진폭에 있을 때의 복수의 전압 천이들의 시간 주기들 보다 작은 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 상기 충전 전압으로 충전하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  25. 이온 챔버 내의 이온 전류를 결정하는 방법으로서,
    커패시터를 개시 전압으로 설정하는 단계;
    이온 챔버와 커패시터를 제1 극성의 전원 전압에 직렬로 결합하는 단계;
    상기 커패시터를 제1 시간 주기 동안 충전하는 단계;
    상기 이온 챔버 및 상기 커패시터를 제2 극성의 전원 전압에 직렬로 결합하는 단계;
    상기 커패시터를 제2 시간 주기 동안 방전하는 단계; 및
    검출 시간 주기 이후 상기 커패시터의 충전 전압을 측정하는 단계를 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 개시 전압은 제로(0) 볼트인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 개시 전압은 전원 전압인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 측정된 충전 전압이 알람 조건 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 측정된 충전 전압이 알람 조건 범위 내에 있는 경우 알람을 동작시키는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 전원 전압은 복수의 전압 펄스들을 포함하는 출력을 갖는 펄스 발생기 전압인 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  31. 제25항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 상기 커패시터의 상기 충전 전압으로 충전하는 단계를 더 포함하는 이온 챔버 내의 이온 전류 결정 방법.
  32. 연기 결정 장치로서,
    방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방되는 이온 챔버: 및
    마이크로컨트롤러를 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러는,
    상기 이온 챔버의 제1 전극에 결합되는 제1 스위치;
    상기 이온 챔버의 제2 전극에 결합되는 제2 스위치;
    상기 제1 및 제2 스위치들의 제1 위치들에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버;
    상기 제1 및 제2 스위치들의 제2 위치들에 결합되는 커패시터;
    상기 커패시터와 전원 공통단 사이에 결합되고, 상기 커패시터를 방전하도록 구성된 제2 스위치;
    상기 디지털 드라이버의 입력에 결합되고 시간 주기를 갖는 펄스를 생성하는 타이머;
    아날로그-디지털 변환기(ADC);
    상기 커패시터와 상기 ADC 사이에 결합되는 제4 스위치; 및
    디지털 프로세서 및 메모리를 포함하고,
    상기 디지털 프로세서는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치들에 결합되어 이 스위치들을 제어하고;
    상기 ADC 및 타이머는 상기 디지털 프로세서에 결합되고;
    상기 제1 스위치가 제1 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합되고,
    상기 제1 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 커패시터에 결합되고,
    상기 제2 스위치가 제1 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합되고,
    상기 제2 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 커패시터에 결합되고,
    상기 제3 스위치가 폐쇄될 때 상기 커패시터는 제로(0) 볼트에 있고, 그리고
    상기 제4 스위치가 폐쇄될 때 상기 커패시터는 상기 ADC에 결합되는 연기 결정 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 이온 챔버는,
    제3 전극에 의해 분리되는 두 개의 챔버들 - 상기 두 개의 챔버들 중 하나는 연기 침투에 개방되고 다른 하나는 연기 침투에 폐쇄됨 - ; 및
    상기 제3 전극에 결합되는 제5 스위치를 포함하고,
    상기 제1 및 제5 스위치들은 세 개의 위치들을 갖고, 제3 위치는 개방되고,
    상기 디지털 드라이버는 상기 제5 스위치의 제1 위치에 결합되고, 그리고
    상기 커패시터는 상기 제5 스위치의 제2 위치에 결합되는 연기 결정 장치.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 알람 드라이버를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 알람 드라이버에 결합되는 청각/시각 알람기를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위의 가드 링을 더 포함하고, 여기서 상기 가드 링은 상기 커패시터의 충전 전압과 동일한 가드 링 전압으로 충전되는 연기 결정 장치.
  37. 제32항에 있어서,
    상기 커패시터에 결합되는 제2 커패시터를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  38. 연기 결정 장치로서,
    방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방되는 이온 챔버: 및
    집적 회로를 포함하고,
    상기 집적 회로는,
    상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합되는 제1 스위치;
    상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 제2 스위치;
    상기 제1 및 제2 스위치들의 제1 위치들에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버;
    상기 제1 및 제2 스위치들의 제2 위치들에 결합되는 제1 입력 및 기준 전압에 결합되는 제2 입력을 갖는 전압 비교기;
    상기 전압 비교기의 상기 제1 입력과 제2 입력 사이에 결합되는 커패시터;
    상기 전압 비교기의 출력에 결합되는 D-입력 및 클록 발생기에 결합되는 클록 입력을 가지는 플립플롭으로서, 클록 신호가 상기 클록 발생기로부터 수신될 때마다 상기 D-입력에서의 로직 값이 상기 플립플롭의 Q-출력에 전달되는 플립플롭;
    상기 커패시터를 충전 및 방전하기 위해 상기 플립플롭의 상기 Q-출력과 상기 전압 비교기의 제1 입력 사이에 결합되는 궤환 레지스터;
    상기 전압 비교기의 제1 입력과 전원 공통단 사이에 결합되는 전류 측정 레지스터;
    상기 플립플롭의 Q-출력이 소정의 시간 주기 동안 로직 하이에 있을 때 상기 클록 발생기로부터의 클록 펄스들의 제1 수를 카운트하는 제1 카운터; 및
    소정의 시간 주기 동안 상기 클록 펄스 발생기로부터의 클록 펄스들의 제2 수를 카운트하는 제2 카운터를 포함하고,
    상기 전압 비교기의 제1 입력의 전압이 상기 기준 전압으로부터의 전압 보다 클 때, 상기 전압 비교기의 출력은 로직 로우에 있고, 또한 커패시터는 방전되고, 그리고 상기 전압 비교기의 제1 입력의 전압이 상기 기준 전압으로부터의 전압 보다 작을 때, 상기 전압 비교기의 출력은 로직 하이에 있고, 또한 상기 커패시터는 충전되고,
    상기 제1 스위치가 제1 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합되고,
    상기 제1 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 전압 비교기의 제1 입력에 결합되고,
    상기 제2 스위치가 제1 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합되고,
    상기 제2 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 전압 비교기의 제1 입력에 결합되는 연기 결정 장치.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 집적 회로는 디지털 프로세서 및 메모리를 갖는 마이크로컨트롤러인 연기 결정 장치.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서 및 메모리는 상기 제1 및 제2 카운터들로 카운트되는 동안 저 전력 슬립 모드로 진입하는 연기 결정 장치.
  41. 제38항에 있어서,
    상기 집적 회로는 알람 드라이버를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 알람 드라이버에 결합되는 청각/시각 알람기를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  43. 제38항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위에 있으며, 상기 커패시터의 충전 전압과 동일한 가드 링 전압으로 충전되는 가드 링을 더 포함하는 연기 결정 장치.
  44. 제38항에 있어서,
    상기 커패시터에 결합되는 제2 커패시터를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  45. 연기 결정 장치로서,
    방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방되는 이온 챔버: 및
    마이크로컨트롤러를 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러는,
    상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합되는 제1 스위치;
    상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 제2 스위치;
    상기 제1 및 제2 스위치들의 제1 위치들에 결합되는 출력을 갖는 디지털 드라이버;
    상기 제1 및 제2 스위치들의 제2 위치들에 결합되는 커패시터;
    상기 커패시터와 전원 공통단 사이에 결합되고 상기 커패시터를 방전하도록 구성된 제3 스위치;
    상기 커패시터에 결합되는 제1 입력 및 기준 전압에 결합되는 제2 입력을 갖는 전압 비교기;
    상기 디지털 드라이버의 입력에 결합되는 펄스 발생기;
    상기 펄스 발생기에 결합되고 상기 펄스 발생기로부터의 펄스들의 수를 카운트하는 펄스 카운터; 및
    디지털 프로세서 및 메모리를 포함하고,
    상기 디지털 프로세서는 상기 제1, 제2 및 제3 스위치들, 상기 펄스 발생기 및 상기 펄스 카운터에 결합되어 상기 제1, 제2 및 제3 스위치들, 상기 펄스 발생기 및 상기 펄스 카운터를 제어하고,
    상기 제1 스위치가 제1 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합되고,
    상기 제1 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제1 전극은 상기 커패시터에 결합되고,
    상기 제2 스위치가 제1 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 디지털 드라이버에 결합되고,
    상기 제2 스위치가 제2 위치에 있을 때 상기 이온 챔버의 상기 제2 전극은 상기 커패시터에 결합되고
    제3 스위치가 폐쇄될 때, 상기 커패시터는 제로(0)볼트에 있는 연기 결정 장치.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러의 디지털 프로세서 및 메모리는 상기 펄스 카운터에 의해 펄스 카운트되는 동안 저 전력 슬립 모드로 진입하는 연기 결정 장치.
  47. 제45항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 알람 드라이버를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 알람 드라이버에 결합되는 청각/시각 알람기를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  49. 제45항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위에 있으며, 상기 커패시터의 충전 전압과 동일한 가드 링 전압으로 충전되는 가드 링을 더 포함하는 연기 결정 장치.
  50. 제45항에 있어서,
    상기 커패시터에 결합되는 제2 커패시터를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  51. 연기 결정 장치로서,
    방사선 소스를 갖고 또한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며 연기 침투에 개방되는 이온 챔버;
    상기 이온 챔버의 상기 제1 전극에 결합되는 펄스 발생기, - 상기 펄스 발생기의 출력은 제로 볼트로부터 한 전압으로의 전압 천이들을 포함함 - ;
    상기 이온 챔버의 상기 제2 전극에 결합되는 커패시터;
    프리차지 전압 기준부;
    상기 프리차지 전압 기준부와 커패시터 사이에 결합되고, 상기 커패시터를 제1 전압으로 충전하기 위해 상기 프리차지 전압 기준부를 상기 커패시터에 초기에 결합하는 프리차지 스위치;
    상기 커패시터에 결합되는 전압 결정 회로; 및
    상기 펄스 발생기에 결합되어 그로부터의 펄스들의 수를 카운트하고, 상기 커패시터를 제2 전압으로 충전하는데 필요한 상기 펄스 발생기로부터의 펄스들의 수를 카운트하는 펄스 카운터를 포함하는 연기 결정 장치.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 펄스 발생기는 프로그램가능한 시간 주기들을 갖는 펄스폭 변조(PWM) 발생기인 연기 결정 장치.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 제1 전압은 상기 전압의 1/2인 연기 결정 장치.
  54. 제51항에 있어서,
    상기 전압 결정 회로는 전압 비교기를 포함하는 연기 결정 장치.
  55. 제51항에 있어서,
    상기 전압 결정 회로는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하는 연기 결정 장치.
  56. 제51항에 있어서,
    상기 펄스 발생기, 상기 커패시터, 상기 프리차지 전압 기준부, 상기 프리차지 스위치, 상기 전압 결정 회로, 및 상기 펄스 카운트는 마이크로컨트롤러 내에 제공되는 연기 결정 장치.
  57. 제51항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 알람 드라이버를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  58. 제57항에 있어서,
    상기 알람 드라이버에 결합되는 청각/시각 알람기를 더 포함하는 연기 결정 장치.
  59. 제51항에 있어서,
    상기 이온 챔버 주위에 있으며, 상기 커패시터의 충전 전압과 동일한 가드 링 전압으로 충전되는 가드 링을 더 포함하는 연기 결정 장치.
  60. 제51항에 있어서,
    상기 커패시터에 결합되는 제2 커패시터를 더 포함하는 연기 결정 장치.
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