KR20140111287A - 이온화 챔버 내의 연기 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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벤자민 티. 쿡
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마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

연기 검출 센서 이온화 챔버(102a, 102b)는 커패시턴스를 갖고, 또한 커패시턴스 유전체(챔버 내의 이온화된 공기)의 유전율의 변화가 챔버 내의 연기의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다. 전형적인 불들로부터의 연기는 주로, 주변 공기 중에서 확산되고, 또한 불의 가열로 상승하는 타지 않은 탄소로 구성된다. 탄소 입자들의 유전율은 신선한 공기의 약 10 내지 15배이다. 이온화 챔버 내의 공기 내로의 탄소 입자들의 추가로 인해 이온화 챔버의 커패시턴스의 변화를 측정함으로써 측정하기에 충분히 큰 챔버 내의 유전율에 변화가 있게 된다. 특히, 커패시턴스는 마이크로컨트롤러(330)에서 용량형 감지 모듈(208)을 이용하여 측정된다.

Description

이온화 챔버 내의 연기 검출 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING SMOKE IN AN ION CHAMBER}
본 출원은 Benjamin T. Cooke, Joseph Julicher와 Keith Edwin Curtis에 의해 "Methodd and Apparatus for Detecting Smoke"라는 발명의 명칭으로 2011년 12월 14일 출원된 공동 소유의 미국 가 특허출원 제61/570,418호의 우선권 이익을 주장하고, 본 출원은 또한 Joseph Julicher, Keith Curtis과 Paul N. Katz에 의해 "Differential Current Measurements to Determine Ion Current in the Presence of Leakage Current"라는 발명의 명칭으로 2012년 10월 2일 출원된 미국 특허출원 제13/633,686호의 일부 계속 출원이며, 이 두 출원은 모든 목적을 위해 본 발명에 참조로 통합된다.
본 개시는 연기 검출 디바이스들에 관한 것으로, 특히 연기가 이온화 챔버 내부에 유입될 때 이온화 챔버의 커패시턴스 값에 영향을 미치는 유전율의 변화를 이용하는 연기 검출 디바이스에 관한 것이다.
연기 검출기는 일반적으로 고 입력 임피던스 연산 증폭기에 결합되는 방사성 이온 소스를 함유하는 이온화 챔버를 이용한다. 도 1은 연기 입자들의 존재로 인해 감소되는 매우 작은 전류(nA)를 생성하기 위한 연기 검출기에 사용되는 전형적인 이온화 챔버를 도시한다. 이후 연기의 존재를 결정하도록 측정되는 전압으로 이러한 전류를 변환하는데 연산 증폭기들이 이용된다. 온도의 상승으로 인해 연기 검출기의 연산 증폭기의 입력들에는 누설 전류들이 증가한다. 이는 이온화 챔버 연기 검출 기능의 전체적인 성능에 영향을 미친다. 따라서 이러한 누설 전류들의 증가는 연기 검출기를 설계할 때 있어서 추가의 보상 회로들을 필요로 할 수 있고 따라서 디바이스의 비용을 증가시킬 수 있는, 부정확성 등과 같은, 다양한 문제들을 일으킬 수 있다.
더욱이, 이온화 챔버의 임피던스가 극히 높아지고 또한 임의의 누설 전류 예를 들어, 인쇄 회로 기판 누설 전류가 이온화 챔버 전류를 가린다(mask). 따라서 연기 검출 이온화 챔버들은 감지 집적 회로 연산 증폭기의 핀들이 굴곡되고 또한 공중에서 이온화 챔버에 직접적으로 용접되는 복잡한 제조 프로세스를 필요로 한다. 전술한 바와 같이, 이온화 챔버 내부의 연기의 존재로 인해 야기되는 이온화 챔버를 통한 소 전류 변화를 검출하기 위한 특수 저 누설 회로들이 필요하다.
따라서 감도가 높고 고가의 부품들이나 복잡한 제조 프로세스들을 필요로 하지 않는 연기 검출기의 이온화 챔버 내의 연기를 검출하는 방식이 필요하다.
일 실시예에 따르면, 연기 검출을 위한 방법은: 용량형 감지 모듈(capacitive sensing module; CSM)에 이온화 챔버를 결합하는 단계; 상기 CSM을 이용하여 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계; 및 상기 커패시턴스의 소정의 변화를 검출함으로써 연기의 존재를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계는: 상기 이온화 챔버가 제1 극성에 있을 때 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 제1 변화를 결정하는 단계; 상기 이온화 챔버가 제2 극성에 있을 때 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 제2 변화를 결정하는 단계; 상기 제1 변화와 상기 제2 변화 사이의 차이를 결정하는 단계; 및 상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정할 때 상기 차이를 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 커패시턴스의 소정의 변화는 특정 시간 내에서의 상기 커패시턴스의 변화일 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계는: 상기 커패시턴스의 전하가 제1 전압에 있게 될 때까지 제1 정전류원으로 상기 이온화 챔버의 커패시턴스를 충전하고, 이어서 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제2 전압에 있게 될 때까지 제2 정전류원으로 상기 이온화 챔버의 커패시턴스를 방전하고, 이어서 상기 커패시턴스 충전을 반복하는 단계; 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 특정 시간 주기 내에서 상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압에 있게 되는 회수를 카운트하는 단계; 및 임의의 하나 이상의 이후의 시간 주기들의 카운트 수가 특정 카운트들의 수만큼 변화되었는지 여부를 결정하도록 이후의 시간 주기들의 카운트 수들을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계는: 제1 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제1 전압에 있게 될 때까지 제1 정전류원으로 연기 입구 쪽으로 개방된 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스를 충전하고, 이어서 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제2 전압에 있게 될 때까지 제2 정전류원으로 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스를 방전하고, 이어서 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스 충전을 반복하는 단계; 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 특정 시간 주기 내에서 상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압에 있게 되는 회수를 카운트하는 단계; 제2 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제1 전압에 있게 될 때까지 상기 제1 정전류원으로 연기 입구 쪽으로 폐쇄된 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스를 충전하고, 이어서 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 상기 제2 전압에 있게 될 때까지 상기 제2 정전류원으로 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스를 방전하고, 이어서 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스 충전을 반복하는 단계; 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 특정 시간 주기 내에서 상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압에 있게 되는 회수를 카운트하는 단계; 및 상기 제2 이온화 챔버의 카운트 수로부터 상기 제1 이온화 챔버의 카운트 수를 차감하고, 상기 제2 이온화 챔버의 카운트 수로 나누는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 측정에 있어서, 상기 이온화 챔버의 하우징이 상기 CSM에 결합될 수 있고, 그리고 제2 측정에 있어서, 상기 이온화 챔버의 콜렉터 플레이트가 상기 CSM에 결합될 수 있다.
상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 추가의 단계들로서, 상기 제2 측정의 측정값으로부터 상기 제1 측정의 측정값을 차감한 다음 상기 제2 측정값으로 나누는 단계; 및 임의의 하나 이상의 이후의 시간 주기들의 카운트 수가 특정 카운트들의 수만큼 변화되었는지 여부를 결정하도록 이후의 시간 주기들의 카운트 수들을 비교하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 추가의 단계로서, 온도 센서로부터의 온도 정보로 온도 변화를 보상하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 추가의 단계로서, 상대 습도 센서로부터의 상대 습도 정보로 상대 습도 변화를 보상하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 추가의 단계로서, 전압 센서로부터의 전압 정보로 전압 변화를 보상하는 단계가 더 포함될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 연기 검출 장치는: 이온화 챔버의 커패시턴스를 결정하기 위한 용량형 감지 모듈(CSM)에 결합된 상기 이온화 챔버를 포함할 수 있고; 여기서, 상기 이온화 챔버의 커패시턴의 소정의 변화는 상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재를 나타낸다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 이온화 챔버의 제1 커패시턴스를 결정하기 위해 제1 극성으로 상기 이온화 챔버에 교대로 결합하고 또한 상기 이온화 챔버의 제2 커패시턴스를 결정하기 위해 제2 극성으로 상기 이온화 챔버에 결합하는 회로들이 제공될 수 있고, 이에 의해 상기 제1 및 제2 커패시턴스들의 차이가 상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재를 결정하는데 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 CSM은 마이크로컨트롤러 내의 주변 장치일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 디지털 프로세서 및 메모리는 상기 CSM과 알람 회로에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 온도 센서는 상기 디지털 프로세서, 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 상기 메모리에 저장되어 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 온도 유도 변화들을 보상하는데 사용되는 온도 보상 룩업 테이블에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 습도 센서는 상기 디지털 프로세서, 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 상기 메모리에 저장되어 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 습도 유도 변화들을 보상하는데 사용되는 습도 보상 룩업 테이블에 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 전압 센서는 상기 디지털 프로세서, 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 상기 메모리에 저장되어 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 전압 유도 변화들을 보상하는데 사용되는 전압 보상 룩업 테이블에 결합될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 가청 경보기는 상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재에 의해 작동될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 시각 경보기는 상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재에 의해 작동될 수 있다.
또 하나의 다른 실시예에 따르면, 연기 검출 장치는: 제1 이온화 챔버의 커패시턴스를 결정하기 위한 용량형 감지 모듈(CSM)에 결합되는 상기 제1 이온화 챔버, - 여기서, 상기 제1 이온화 챔버는 연기 입구 쪽으로 개방될 수 있음 -; 및 제2 이온화 챔버의 커패시턴스를 결정하기 위한 상기 용량형 감지 모듈(CSM)에 결합되는 상기 제2 이온화 챔버, - 여기서, 상기 제2 이온화 챔버는 연기 입구 쪽으로 폐쇄될 수 있음 - 을 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 이온화 챔버들의 커패시턴스들의 소정의 차이는 상기 제1 이온화 챔버의 연기의 존재를 나타낸다.
본 발명에 의하면, 감도가 높고 고가의 부품들이나 복잡한 제조 프로세스들을 필요로 하지 않는 연기 검출기의 이온화 챔버 내의 연기를 검출하는 방식이 제공된다.
도 1은 방사선 원을 갖고, 연기 검출기로서 사용되는 이온화 챔버의 개략도를 도시한다.
도 1a는 방사선 원을 갖는 이온화 챔버와 상기 이온화 챔버에 대한 다른 극성의 전압원 연결들의 경우에 상기 이온화 챔버를 통과하는 전류 흐름들을 나타내는 개략도들을 도시한다.
도 2는 연기 검출 센서로서 사용되는 전형적인 이온화 챔버의 개략 단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 특정 일례의 실시예에 따른 연기 검출기의 개략 블록도를 도시한다.
도 4는 도 3에 도시한 용량형 감지 모듈의 개략 블록도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 다른 특정 예시의 실시예에 따른, 공통 모드 누설 전류를 거절하는데 사용되는 스위칭 수단을 도시하는, 도 3에 도시된 용량형 감지 모듈의 일 부분의 개략 블록도를 도시한다.
본 개시는 첨부 도면들과 연계하여 얻어진 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안적인 형태들로 될 수 있으며, 본 개시의 특정 예시의 실시예들은 도면에서 도시되고 또한 여기에서 상세히 설명된다. 그러나 특정 예시의 실시예들에 대한 여기서의 설명은 여기에서 개시된 특정 형태들로 개시를 한정하고자 하는 것이 아니고, 오히려 본 개시는 부속 청구범위들에 정의된 변형들 및 균등물들을 포괄하는 것으로 이해해야 할 것이다.
이온화 챔버 내의 방사선 원(radioactive source)에 의해 챔버 내의 일부의 가스(예를 들어, 공기)가 이온화한다. 그 결과 전기적으로 극성을 띠는(이온화된) 가스 분자들의 수가 정상 수보다 더 많아짐으로 인해 가스의 유전율이 정상 유전율보다 더 높아진다. 연기가 이온화 챔버로 들어가면, 연기는 이온화된 가스 분자들과 반응하여 그 가스의 유전율을 변화시킨다. 이온화 챔버는 이온화 챔버의 충전 플레이트들(104 및 106)(도 1) 사이의 이온 흐름에 의해 결정된 누설 전류의 양을 갖는 누설성향 커패시터(leaky capacitor)로서 특징지어질 수 있다. 플레이트들(104 및 106)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스 C는 전도성 플레이트들(104 및 106)의 면적 A; 상기 플레이트들(104 및 106) 사이의 거리 d; 및 상기 플레이트들 사이의 유전체(공기)의 유전율 ε의 함수로서, 다음 식 C =εA/d에 따른다. 따라서 이온화 챔버 내의 가스의 유전율의 변화가 또한 이온화 챔버의 커패시턴스 값을 변화시킨다. 그러므로 커패시턴스 측정 기능 예를 들어, 마이크로컨트롤러 내의 용량형 감지 모듈(CSM)을 이용함으로써, 상기 누설성향 커패시터의 가스 유전체의 유전율 변화로 인한 커패시턴스 값 변화가 용량형 감지 모듈 내의 연기의 존재를 결정하기 위해 검출될 수 있다.
본 개시의 교시들에 따른 주기 방식 및 용량형 감지 모듈(CSM)을 이용한 용량 감지는 www.micirochip.com에서 입수가능한 출원 노트들 AN1101, AN1171, AN1268, AN1312, AN1334 및 TB3064와 Keith E. Curtis 등에 의한, 발명의 명칭이 "Capacitive Touch System With Noise Immunity"인 공동 소유의 미국 특허 출원 제 US2011/0007028호에 상세히 기술되어 있으며, 이들은 본 명세서에서 모든 목적을 위해 참조로 통합된다. 또한 필요한 분해능을 갖는 임의 형태의 커패시턴스 측정 회로가 이온화 챔버의 커패시턴스 값 및/또는 커패시턴스 값 변화를 결정하는데 사용될 수 있으며, 전자공학 분야에서 통상의 지식을 갖는 자 및 본 개시의 혜택을 갖는 자는 이러한 커패시턴스 측정 회로를 구현할 수 있다는 것은 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
온도 및 배터리 전압 변화들은 제1 이온화 챔버의 커패시턴스 측정들에서의 상응 변화들에 의해 가스(공기)의 유전율에서 상당한 차이들을 만들 수 있다. 연기 유입으로부터 밀봉된 제2 이온화 챔버를 제공함으로써, 각각의 제1 및 제2 이온화 챔버에서 측정된 커패시턴스 값들의 비교가 이들 변화들을 보상하는데 사용될 수 있고, 연기 입자들을 검출하는 감도가 높은 방법을 제공한다. 예를 들어, 제2 이온화 챔버 커패시턴스 값으로부터 제1 이온화 챔버 커패시턴스 값을 차감한 다음, 제2 이온화 챔버 커패시턴스 값으로 나누면, 온도 및 배터리 전압 효과들이 제거되어, 제1 이온화 챔버의 연기의 존재에 의해 주로 영향을 받는 결과 값이 산출된다.
온도, 상대 습도(RH) 및/또는 배터리 전압 센서들은 연기 검출을 위해 사용되는 이온화 챔버의 커패시턴스 측정을 하는데 필요한 보상을 결정하기 위해 연기 검출 시스템 내로 통합될 수 있다. 온도, RH 및/또는 전압 변화들로 인한 유전율 변화들은 이온화 챔버 커패시터의 플레이트들 사이의 공기 내의 오염물들(탄소 입자들 등)의 양의 갑작스런 변화보다 더 긴 시간 주기에 걸쳐 있게 된다. 온도, RH 및/또는 전압 변화들로 인한 유전율 변화들을 무시하는 보다 감도가 낮은 다른 방식은 전압 및/또는 온도 변화들로 인한 이온화 챔버 커패시턴스의 느린 드리프트를 무시하지만, 이온화 챔버에서 갑작스럽게 나타나는 탄소 입자들로 인한 공기의 유전율의 보다 갑작스런(급속한) 변화를 인식하도록 인벨로프(envelope) 검출 또는 평균화 프로세스를 사용하는 것이다. 커패시턴스들의 변화들을 측정하기 위한 다양한 기술들이 사용될 수 있고, 모든 목적을 위해 여기에서 예상된다. 커패시턴스 측정 회로들에 통상을 지식을 갖고, 본 개시의 혜택을 갖는 사람들은 연기 검출 장치에 이들 커패시터 측정 회로들을 용이하게 적용할 수 있을 것이다. 커패시턴스 측정들, 예를 들어, 이온화 챔버 내에 연기가 존재하는지를 결정하고 또한 온도, RH, 및/또는 배터리 전압 변화들로 인한 유전율 변화들을 보상하고 및/또는 평균화하는데 필요한 계산들을 수행하는 CSM을 위해 혼합 신호(아날로그 및 디지털 기능들) 마이크로컨트롤러가 사용될 수 있다.
도면들을 보면, 특정 예시의 실시예들에 대한 상세가 개략적으로 도시된다. 도면들에 있어서, 동일한 요소들에 대해서는 동일한 번호들로 나타내고, 또한 유사한 요소들은 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타낸다.
도 1을 보면, 방사선 원을 갖고 연기 검출 센서로서 사용되는 이온화 챔버의 개략도가 도시되어 있다. 이온화 챔버(102)는 커패시터 플레이트들(104 및 106) 사이에서 일부 이온화된 가스 분자들을 갖는 커패시터로서 특징지어질 수 있다. 가스 분자들은 방사선 원에 의해 이온화되고, 전압이 두 개의 커패시터 플레이트들(104 및 106) 사이에 인가될 때, 전류가 이온화된 가스 및 상기 커패시터 플레이트들(104 및 106)과 직렬로 연결되는 저항(108)을 통해 흐른다. 이 전류는 저항(108) 양단에 전압을 생성한다. 저항(108)에 걸리는 전압을 측정함으로써 가스의 유전율 ε가 결정될 수 있다. 이온화 챔버 내의 연기는 유전율 ε의 갑작스런 변화를 일으킬 수 있고, 이로 인해 전류 흐름 및 저항(108)에 걸리는 전압에서 갑작스런 변화를 일으킬 수 있다. 이 전압은 복잡한 회로와 제조 프로세스들을 필요로 하는 초 고 임피던스 연산 증폭기(도시 않음)에 의해 측정된다. 본 개시의 교시들에 따른 더 좋은 방식은 이온화 챔버 내에 연기가 유입되기 전후에 이온화 챔버의 커패시턴스 값들을 측정하는 것이다. 이온화된 가스 유전율 ε가 변화함에 따라 이온화 챔버의 커패시턴스 값 변화가 일어난다. 충분히 높은 커패시턴스 값 측정 분해능을 갖는 용량형 측정 모듈을 사용함으로써, 이온화 챔버 내에 연기 유입에 의해 야기된 커패시턴스의 변화가 검출될 수 있고 연기 검출 알람을 생성하는데 사용될 수 있다.
도 1a를 보면, 방사선 원을 갖는 이온화 챔버와 상기 이온화 챔버에 대한 다른 극성의 전압원 연결들의 경우에 상기 이온화 챔버를 통과하는 전류 흐름들을 나타내는 개략도들이 도시되어 있다. 이온화 챔버(102)는 사이에 일부 이온화된 가스(예를 들어, 공기) 분자들을 갖는 3개의 전극들 예를 들어, 전극들(104, 106 및 210)로서 특징지어질 수 있다. 가스 분자들은 방사선 원(108)에 의해 이온화된다. 전압 포텐셜(112)이 제1 극성으로(전극(106)에 (+)이고, 전극(104)에 (-)임) 2 개의 전극들(104 및 106) 사이에 인가되는 경우에, 양으로 바이어스된 이온화 전자 전류(116) Ichamber는 이온화된 가스를 통해 흐를 것이다. 전압 포텐셜(112)이 제2 극성으로(전극(104)에 (+)이고, 전극(106)에 (-)임) 2 개의 전극들(104 및 106) 사이에 인가되는 경우에, 이제 전극(104)은 이온화된 가스 전자들을 밀어낼 것이므로, 실질적으로 어떠한 음으로 바이어스된 이온화 전자 전류(116a)도 이온화된 가스를 통해 흐르지 않을 것이다. 그러나 누설 전류(114) Ileakage는 예를 들어, 인쇄 회로 기판 오염물들, 기름, 먼지 등에 의한 전압 포텐셜(112)의 연결된 극성과 무관하게 흐르게 될 것이다.
따라서 챔버(102) 전극들(104 및 106)에 걸리는 제1 극성으로 전압 포텐셜(112)이 연결되는 경우, 전류계(110)를 통한 총 전류 흐름은 이온화된 전자 전류(116a)와 누설 전류(114) Ileakage의 합이다. 그리고 챔버(102) 전극들(104 및 106)에 걸리는 제2 극성으로 전압 포텐셜(112)이 연결되는 경우, 전류계(110)를 통한 총 전류 흐름은 실질적으로 이온화된 전자 전류(116a)와 누설 전류(114), Ileakage의 합이 아니고 실질적으로 단지 누설 전류(114) Ileakage일 뿐이다. 그러므로, 총 전류 흐름으로부터 누설 전류(114) Ileakage를 차감으로써 실제 이온화된 전자 전류(116) Ichamber가 결정될 수 있다. 이로 인해 이온화된 전자 전류(116) Ichamber의 임의의 변화를 보다 감도 좋게 측정할 수 있고, 이러한 변화들은 소망하지 않는 누설 전류(114), Ileakage에 의해 가려지지 않는다. 이온 소스(108)에 의해 이온화될 수 있는 임의의 유체, 예를 들면 가스 또는 액체는 전술한 바와 같이 기능할 것이라는 것은 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다.
도 2를 보면, 방사선 원을 갖는 전형적인 2 챔버 연기 검출 센서의 개략 단면도가 도시되어 있다. 이온화 챔버(102)는 2개의 챔버들(102a 및 102b)로 구성된다. 상부 챔버(102a)는 내부에 연기의 유입을 위해 개방되어 있고, 하부 챔버(102b)는 연기 유입에 폐쇄되어 있다. 전도성 스크린(210)이 2개의 챔버들(102a 및 102b) 사이에 위치한다. 이온화 챔버(102)에 근접해 있거나 또는 이온화 챔버 내에 있는 방사선 원(108)은 챔버들(102a 및 102b) 내의 가스의 일부를 이온화한다. 챔버들(102a 및 102b) 내의 가스의 이온화에 의해 2개의 챔버들(102a 및 102b)을 통해 흐르는 이온화 전류(116) Ichamber가 이온화 챔버(102)의 전극들(104 및 106) 사이에서 증가한다.
상부 챔버(102a) 내에 연기가 존재하면, 연기는 이온화된 가스와 혼합하여 이온화 전류(116) Ichamber의 전류 경로로부터의 이온화된 가스의 일부를 중화시킨다. 그 결과, 상부 챔버(102a)의 유전율은 그것이 하부 챔버(102b)의 유전율보다 작아진다. 이온화 전류(116) Ichamber는 챔버들(102a 및 102b)을 통해 연속해서 흐르므로 연기가 챔버(102a) 내에 있을 때 낮아지게 된다. 챔버들(102a 및 102b)에 걸리는 전압이 역으로 되는 경우, 실질적으로 역 이온화 전류(116a)는 흐르지 않고 또한, 단지 전극(104 및 106) 사이의 전류 흐름은 누설 전류(114)가 된다. 누설 전류(114)의 존재는 이온화 전류(116)의 측정 변화들의 감도를 감소시킨다. 이온화 챔버(102a) 내의 연기의 결정으로부터 이 공통 모드 누설 전류(114)를 제거함으로써, 보다 감도 좋은 연기 검출기가 얻어진다.
도 3을 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른 연기 검출기의 개략 블록도가 도시되어 있다. 연기 검출기는 일반적으로 참조 번호 300으로 표시되고, 용량형 감지 모듈(208), 연기 검출 센서 이온화 챔버(102a), 디지털 프로세서 및 메모리(314), 알람 드라이버(316), 및 가청/시각 경보기(318)를 포함할 수 있다. 용량형 감지 모듈(208), 디지털 프로세서 및 메모리(314), 그리고 알람 경보기(316)는 집적 회로 마이크로컨트롤러(330) 내에 제공될 수 있다. 연기 검출 센서 이온화 챔버(102a)는 용량형 감지 모듈(208)에 결합되어 있고, 여기서 상기 연기 검출 센서 이온화 챔버(102a)의 커패시턴스 값들의 표현들이 측정되고 이어서 각 대표적 커패시턴스 값이 상기 디지털 프로세서 및 메모리(314)에 의해 판독되고, 처리된다. 특정 시간 내에 커패시턴스 값 표현들에서 변화가 있는 경우에, 디지털 프로세서(314)는 알람 드라이버(316)를 인에이블시킬 것이고, 이 알람 드라이버는 연기 검출기(300) 내부에 연기의 존재를 나타내도록 가청/시각 경보기(318)를 턴온한다.
연기 검출기(300)는 또한 연기를 포함할 수 있는 외부 공기에 대해 폐쇄된 제2 이온화 챔버(102b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 이온화 챔버들(102a 및 102b)은 제1 및 제2 이온화 챔버들(102a 및 102b) 각각의 측정된 커패시턴스 값들을 비교하는데 사용될 수 있고, 또한 이들 변화들을 보상하여 위에서 상세히 기술한 바와 같이, 연기 입자들을 보다 감도 좋게 검출하는 방식을 제공한다.
연기 검출기(300)는 또한 온도 센서(320), 상대 습도 센서(322) 및/또는 전압 센서(324)를 포함할 수 있는데, 이들은 전원 예를 들어, 배터리(도시 않음)에 결합되어 있다. 여기서, 디지털 프로세서(314)는 예를 들어, 연기 센서 이온화 챔버(102)를 위한 교정 및 보상 데이터를 포함하고 있는 룩업 테이블을 이용하여 다른 온도, 습도 및/또는 전압 조건들에서 변화할 수 있는 커패시턴스 측정치에 대해 보상할 수 있다. 또한, 디지털 프로세서(314)는 커패시턴스 변화 검출 감도를 향상시키고 및/또는 노이즈 픽업을 감소시키기 위해 평활화(smoothing), 시간 평균화, 노이즈 억제, 오버 샘플링 및/또는 디지털 신호 처리를 수행할 수 있다.
도 4를 보면, 도 3에 도시된 용향형 감지 모듈의 개략 블록도가 도시되어 있다. 용량형 감지 모듈(CSM)(208)은 완화 발진기 기법(relaxation oscillator methodology)을 기반으로 커패시턴스를 측정한다. CSM(208)는 이온화 챔버(102)의 커패시턴스에 의존하는 주파수에서, 주파수 결정 회로에 의한 측정을 위한 발진 전압 신호를 생성한다. CSM(208)가 발진 전압 신호를 생성하는 주파수는 연기가 이온화 챔버(102a) 내에 도입될 때 변화할 것이다. 주파수에서의 이러한 변화는 이온화 챔버(102a) 내에 연기가 존재하는 것을 나타낸다. 또한, 보다 신뢰성 있는 연기 검출을 더욱 향상시키기 위해서는 온도, 상대 습도 및/또는 공급 전압(예를 들어, 도시되지 않은 배터리)에서의 변화들로 인한 느린 주파수 변화를 거부하기 위해 주파수의 변화가 특정 시간 주기보다 작거나 또는 동일한 시간 주기에 발생할 것을 필요로 한다.
용량형 감지 모듈(CSM)(208)은 이온화 챔버 선택 스위치(440), 전류원 선택 스위치(442), 내부 또는 외부 커패시터(444), 제1 정전류원(446), 제2 정전류원(448), 제1 전압 비교기(450), 제2 전압 비교기(452), RS 플립플롭(454), 파형 카운터(들)(456), 래치(들)(458), 및 주기 타이머(460)를 포함할 수 있다. 선택 스위치(440)는 이온화 챔버들(102a 및 102b) 둘 중 하나를 선택하기 위해 디지털 프로세서(314)에 의해 제어될 수 있다. 커패시터(444)는 발진 주파수를 하향시키기 위해 이온화 챔버(102)의 커패시턴스에 병렬로 추가될 수 있다. 전류원 선택 스위치(442)는 제1 정전류 원(446) 또는 제2 정전류원(448) 둘 중 하나를 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스에 결합한다. 비교기들(450 및 452)은 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면, 커패시터(444))의 커패시턴스의 전압의 충전/방전을 모니터링한다.
발진 삼각 전압 파형은 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스를 충전하는 제1 정전류원(446) 및 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스를 방전하는 제2 정전류원(448)에 의해 생성된다. RS 플립플롭(454)은 다음과 같이 전류원 선택 스위치(442)를 제어한다: 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스의 전압(충전)이 전압 VH에 도달할 때, 제1 전압 비교기(450)의 출력은 로직 1로 되고, 이 출력이 또한 RS 플립플롭(454)의 Q-출력을 로직 1로 "셋"함으로써, 정전류원 스위치(442)가 제2 정전류원(448)을 선택하게 하고 이에 의해 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스는 제2 정전류 원(448)을 통해 방전하기 시작한다. 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스의 전압(방전)이 전압 VL에 도달할 때, 제2 전압 비교기(452)의 출력은 로직 1로 되고, 이 출력이 또한 RS 플립플롭(454)의 Q-출력을 로직 0으로 "리셋"함으로써, 정전류원 스위치(442)가 제1 정전류원(446)을 선택하게 하고 이에 의해 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스는 제1 정전류 원(446)을 통해 충전하기 시작한다. 스위치들(440 및 442)은 고체 상태 전계 효과 트랜지스터(FET) 스위치들일 수 있다.
2개의 충전 및 방전 정전류원들(450 및 452) 사이의 이러한 스위칭 발진은 각기 이온화 챔버(102)(및 사용할 수 있다면 커패시터(444))의 커패시턴스 값에 의존하는 발진 주파수를 갖는다. 이온화 챔버(102) 커패시턴스 값이 증가하면, 발진 주파수는 감소하고, 또한 상기 커패시턴스 값이 감소하면, 발진 주파수는 증가한다. 이 발진 주파수를 정확하게 측정함으로써, 커패시턴스 변화(예를 들어, 연기)의 검출이 결정될 수 있다.
파형 카운터(456)는 특정 시간 주기 내에서 발진 파형(예를 들어, RS 플립플롭(454)의 Q 출력으로부터 양의 진행 로직 레벨들)의 사이클들의 수를 카운트하는데 사용될 수 있다. 카운팅의 시간 주기 및 상기 시간 주기 내의 사이클들의 수를 알고 있는 경우, 상기 파형의 주파수가 결정될 수 있다. 그러나 단지 커패시턴스 값의 변화가 관심 대상이기 때문에, 이온화 챔버(102a) 내에 연기가 있는지의 여부를 결정하는데 있어서는 다른 시간 주기들 내의 사이클들의 수를 비교하는 것만으로 충분하다. 파형 카운터들(456a 및 456b)은 연결될 수 있고 및/또는 고분해능 카운터(타이머)는 예를 들어 24 또는 32비트일 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 고분해능 주기 타이머(460)는 시간 주기들 각각에 있어서 발진 파형의 사이클들의 수를 결정하기 위한 정확한 시간 주기들을 제공한다. 래치(들)(458)은 각 시간 주기 동안 파형 카운터(들)(456)에서 카운트된 사이클들의 수를 포착하고, 그러면 디지털 프로세서는 상기 래치(들)(458)로부터의 발진 파형의 시간 주기마다 사이클 카운트를 판독할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 하나의 측정에서, 이온화 챔버(102a)의 하우징(106)(도 2)은 내부 커패시터(444)와 병렬로 결합될 수 있고, 또한 각각의 파생 주파수가 측정될 수 있다. 다른 측정에 있어서, 이온화 챔버(102a)의 내부 콜렉터 플레이트(104)는 내부 커패시터(444)와 병렬로 연결될 수 있다. 이온화 챔버(102b) 커패시턴스 값으로부터 이온화 챔버(102a) 커패시턴스 값을 차감하고 또한 이온화 챔버(102b) 커패시턴스 값으로 나눔으로써, 온도 및 배터리 전압 영향들이 제거되고 이온화 챔버(102a) 내의 연기의 존재에 의해 주로 영향을 받는 커패시턴스 값이 남겨진다.
도 5를 보면, 본 개시의 다른 특정 예시의 실시예에 따른, 공통 모드 누설 전류를 거부하는데 사용되는 스위칭 수단을 보여주는, 도 3에 도시된 용량형 감지 모듈의 일 부분의 개략 블록도가 도시되어 있다. 스위치들(550 및 552과 554 및 556)은 챔버들(102a 및 102b) 각각의 극성 연결들을 변화시킨다. 챔버(102a 및 102b) 각각의 2개의 샘플 카운트들이 취해지는데, 하나의 샘플 카운트는 제1 극성에 있고, 또한 제2 샘플 카운트는 제1 극성과 반대의 제2 극성에 있다. 추가의 연산 처리 예를 들어, 각 이온화 챔버(102a 및 102b)의 높은 샘플 카운트 값으로부터 낮은 샘플 카운트 값을 차감하고 이에 의해 누설 전류(114)로 야기된 것을 제거하여 챔버 이온화 전류(116)의 표현만이 남도록 하기 위해 이 샘플 카운터 값들은 디지털 프로세서(314)의 메모리에 저장된다. 각 챔버(102a 및 102b)는 독립적으로 측정되므로, 2개의 챔버들의 이온화 전류들(116)에서의 임의의 차이가 챔버(102a) 내의 가스의 이온화에 대한 연기의 영향을 나타낸다. 폐쇄된 챔버의 이온화 전류(116)를 나타내는 카운트 값을 연기 이온화 챔버(102b)를 나타내는 상기 카운트 값으로 결정함으로써, 챔버(102a)를 위한 기초 카운트 기준 값을 추적 또는 "플로팅(floating)"하는데 사용될 수 있는 기초 값이 얻어지게 되어 챔버(102a)의 작은 변화가 챔버(102a) 내부의 연기의 검출을 나타내는 것으로 보다 용이하게 인식될 수 있다.
본 개시의 실시예들은 본 개시의 예시 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되고 정의되었지만, 이러한 참조는 본 개시의 한정을 의미하지 않고 이러한 한정이 추정되지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야에 통상의 기술을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 사람들에게는 형태와 기능에 있어서 상당한 수정, 대체, 및 균등물들이 가능하다. 본 개시의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 개시의 범위를 한정하지 않는다.

Claims (20)

  1. 연기 검출을 위한 방법으로서,
    용량형 감지 모듈(capacitive sensing module; CSM)에 이온화 챔버를 결합하는 단계;
    상기 CSM을 이용하여 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계; 및
    상기 커패시턴스의 소정의 변화를 검출함으로써 연기의 존재를 검출하는 단계를 포함하는, 연기 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계는:
    상기 이온화 챔버가 제1 극성에 있을 때 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 제1 변화를 결정하는 단계;
    상기 이온화 챔버가 제2 극성에 있을 때 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 제2 변화를 결정하는 단계;
    상기 제1 변화와 상기 제2 변화 사이의 차이를 결정하는 단계; 및
    상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정할 때 상기 차이를 이용하는 단계를 더 포함하는, 연기 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커패시턴스의 소정의 변화는 특정 시간 내에서의 상기 커패시턴스의 변화인, 연기 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계는:
    상기 커패시턴스의 전하가 제1 전압에 있게 될 때까지 제1 정전류원으로 상기 이온화 챔버의 커패시턴스를 충전하고, 이어서 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제2 전압에 있게 될 때까지 제2 정전류원으로 상기 이온화 챔버의 커패시턴스를 방전하고, 이어서 상기 커패시턴스 충전을 반복하는 단계;
    상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 특정 시간 주기 내에서 상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압에 있게 되는 회수를 카운트하는 단계; 및
    임의의 하나 이상의 이후의 시간 주기들의 카운트 수가 특정 카운트들의 수만큼 변화되었는지 여부를 결정하도록 이후의 시간 주기들의 카운트 수들을 비교하는 단계를 포함하는, 연기 검출 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 챔버의 상기 커패시턴스의 변화를 결정하는 단계는:
    제1 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제1 전압에 있게 될 때까지 제1 정전류원으로 연기 입구 쪽으로 개방된 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스를 충전하고, 이어서 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제2 전압에 있게 될 때까지 제2 정전류원으로 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스를 방전하고, 이어서 상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스 충전을 반복하는 단계;
    상기 제1 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 특정 시간 주기 내에서 상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압에 있게 되는 회수를 카운트하는 단계;
    제2 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 제1 전압에 있게 될 때까지 상기 제1 정전류원으로 연기 입구 쪽으로 폐쇄된 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스를 충전하고, 이어서 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 상기 제2 전압에 있게 될 때까지 상기 제2 정전류원으로 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스를 방전하고, 이어서 상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스 충전을 반복하는 단계;
    상기 제2 이온화 챔버의 커패시턴스의 전하가 특정 시간 주기 내에서 상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압에 있게 되는 회수를 카운트하는 단계; 및
    상기 제2 이온화 챔버의 카운트 수로부터 상기 제1 이온화 챔버의 카운트 수를 차감하고, 상기 제2 이온화 챔버의 카운트 수로 나누는 단계를 포함하는, 연기 검출 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 측정에 있어서, 상기 이온화 챔버의 하우징이 상기 CSM에 결합되고, 그리고
    제2 측정에 있어서, 상기 이온화 챔버의 콜렉터 플레이트가 상기 CSM에 결합되는, 연기 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 측정의 측정값으로부터 상기 제1 측정의 측정값을 차감한 다음 상기 제2 측정값으로 나누는 단계; 및
    임의의 하나 이상의 이후의 시간 주기들의 카운트 수가 특정 카운트들의 수만큼 변화되었는지 여부를 결정하도록 이후의 시간 주기들의 카운트 수들을 비교하는 단계를 더 포함하는, 연기 검출 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    온도 센서로부터의 온도 정보로 온도 변화를 보상하는 단계를 더 포함하는 연기 검출 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상대 습도 센서로부터의 상대 습도 정보로 상대 습도 변화를 보상하는 단계를 더 포함하는 연기 검출 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    전압 센서로부터의 전압 정보로 전압 변화를 보상하는 단계를 더 포함하는 연기 검출 방법.
  11. 연기 검출 장치로서,
    이온화 챔버의 커패시턴스를 결정하기 위한 용량형 감지 모듈(CSM)에 결합된 상기 이온화 챔버를 포함하고;
    상기 이온화 챔버의 커패시턴의 소정의 변화는 상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재를 나타내는, 연기 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이온화 챔버의 제1 커패시턴스를 결정하기 위해 제1 극성으로 상기 이온화 챔버에 교대로 결합하고 또한 상기 이온화 챔버의 제2 커패시턴스를 결정하기 위해 제2 극성으로 상기 이온화 챔버에 결합하는 회로들을 더 포함하고, 이에 의해 상기 제1 및 제2 커패시턴스들의 차이가 상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재를 결정하는데 사용되는, 연기 검출 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 CSM은 마이크로컨트롤러 내의 주변 장치인, 연기 검출 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 CSM과 알람 회로에 결합되는 디지털 프로세서 및 메모리를 더 포함하는 연기 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합되는 온도 센서, 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 상기 메모리에 저장되어 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 온도 유도 변화들을 보상하는데 사용되는 온도 보상 룩업 테이블을 더 포함하는 연기 검출 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합되는 습도 센서, 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 상기 메모리에 저장되어 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 습도 유도 변화들을 보상하는데 사용되는 습도 보상 룩업 테이블을 더 포함하는 연기 검출 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 디지털 프로세서에 결합되는 전압 센서, 및 상기 디지털 프로세서에 결합되는 상기 메모리에 저장되어 상기 이온화 챔버의 커패시턴스의 전압 유도 변화들을 보상하는데 사용되는 전압 보상 룩업 테이블을 더 포함하는 연기 검출 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재에 의해 작동되는 가청 경보기를 더 포함하는 연기 검출 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 이온화 챔버 내의 연기의 존재에 의해 작동되는 시각 경보기를 더 포함하는 연기 검출 장치.
  20. 연기 검출 장치로서,
    제1 이온화 챔버의 커패시턴스를 결정하기 위한 용량형 감지 모듈(CSM)에 결합되는 상기 제1 이온화 챔버, - 상기 제1 이온화 챔버는 연기 입구 쪽으로 개방됨 -; 및
    제2 이온화 챔버의 커패시턴스를 결정하기 위한 상기 용량형 감지 모듈(CSM)에 결합되는 상기 제2 이온화 챔버, - 상기 제2 이온화 챔버는 연기 입구 쪽으로 폐쇄됨 - 를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 이온화 챔버들의 커패시턴스들의 소정의 차이는 상기 제1 이온화 챔버의 연기의 존재를 나타내는, 연기 검출 장치.
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