TWI510772B - 氣體檢測器裝置 - Google Patents

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Alasdair James Williamson
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Description

氣體檢測器裝置 發明領域
本發明係關於檢測環境中的一條件。特別地，本發明係關於一種用以檢測氣體存在的裝置及方法。較佳地，本發明係關於一種用以檢測指示一威脅，例如一漏氣或一燃燒的氣體的裝置及方法。
 發明背景
氣體檢測器被用以檢測及量測氣體或其他揮發性組分的存在與濃度。除了其他用途，它們可被用於一監測系統以供例如檢測下列之存在
(i)毒氣(例如(a)釋放於一封閉空間中的氨，(b)產自一控制燃燒事件，諸如燃料燃燒爐、燃氣熱水加熱器、煤氣爐、氣體乾燥器、空間加熱器、木炭烤架、壁爐、車輛(包括停車場中的集結)，以及剪草機的二氧化碳或一氧化碳，及(c)從一工業製造廠意外被釋放的異氰酸甲酯氣體)；
(ii)一可燃漏氣(為了防止燃燒)，或可燃氣體聚集(例如污水系統中的甲烷)；及/或
(iii)指示一即將發生的燃燒(即悶燒或熔化材料)，或預存在燃燒(即燃燒材料)或一燃燒性質(即，燃燒材料的類型)的一氣體或其他揮發性組分。
雖然在本說明書中，為易於瞭解起見氣體檢測器將主要是相對於後者(即，一不良燃燒事件的防止及檢測)被描述，但是這不應限制本發明之範圍。很明顯，一氣體檢測器在其他情況中也是有用的。
本發明之一目的是提供一改良氣體檢測器裝置。在一些層面上，本發明旨在提供一改良氣體檢測器裝置，其包含或可與一探煙器一起使用。在一些層面上，本發明旨在提供一改良氣體檢測裝置，其可與空氣取樣污染監測設備，諸如一具有一關聯取樣管網的吸氣式探煙器一起使用。
在本說明書中提到任何先前技藝並非且不應被視為是對於此一先前技藝構成澳大利亞或任一其他管轄權中之通常一般知識的一部份，或對於此一先前技藝可合理預期被該技藝中具有通常知識者獲知、了解及認為與發明相關的一種承認或任一形式的暗示。
 發明概要
在一第一層面，提供一氣體檢測裝置，與一類型上為包括一空氣取樣流動於其中之一導管與一分析至少一部份流動於導管中之空氣取樣的粒子檢測器的一空氣取樣粒子檢測系統一起使用，該氣體檢測裝置包括：一適於與該粒子檢測系統的一導管流體連通的外殼，及至少一個對一目標物種敏感，被佈置成與該外殼流體連通的氣體檢測器，以檢測在該導管中流動的至少一部份空氣樣本中的目標物種之存在。
較佳地，該氣體檢測裝置的外殼包括一導管部份，被組配成在使用中被插入一粒子檢測系統的一導管中。有利地，這允許該氣體檢測裝置改造成一粒子檢測的一現有取樣導管。
該氣體檢測裝置可進一步包括：一入口，被佈置成由粒子檢測系統的導管，或外殼的導管部份中流動的空氣樣本抽取一子樣本，以供藉由氣體檢測裝置分析；一出口，被佈置成排出該空氣子樣本；及一從入口延伸至出口的流徑，且至少一個對一目標物種敏感的氣體檢測器被佈置成與該流徑流體連通，以檢測該子樣本中目標物種的存在。
該感測裝置進一步包括：一界定流徑的樣本通道；一測試區；至少一膜，提供樣本通道與測試區之間的流體連通，使得樣本中的一目標物種能夠通過該膜而進入測試區。在此情況中，該樣本通道可包括一流動控制結構以將至少一部份樣本氣體導向該膜。
該流動控制結構可有利地在該樣本通道中界定一曲線，且該膜是位於該曲線的一外部上。
該流體控制結構可包括下列任一或一者以上：
(i)樣本通道的一窄化；
(ii)界定該樣本通道之一壁之一表面上的球形凸出；
(iii)由界定該樣本通道之至少一表面延伸至該樣本通道的一擋板；及
(iv)在該樣本通道內阻塞該樣本流之一物體。
較佳地，該入口包括一導流元件，延伸至該粒子檢測系統的導管或該外殼的導管部份內，以將一子樣本從該空氣樣本導向該樣本通道。該導流元件最佳地是凹形的。
該出口較佳地也與導管流體連通，使得子樣本返回該粒子檢測系統的導管中的空氣樣本流。
在一較佳形式中，該入口與出口被置於該導管的氣流中，使得在導管中入口與出口之間的一壓降可用於抽取空氣流徑。
該氣體檢測裝置可進一步包括將氣體引入入口的裝置，例如一風扇，或泵可被提供。
該氣體檢測裝置可進一步包括一第二進氣口，被組配成向測試區提供一校準氣體。較佳地，第二進氣口向測試區提供的氣體從測試區通過一或一以上相關聯膜湧流至流徑中。
在一些實施例中，該氣體檢測裝置可包括一粒子檢測裝置，被佈置成檢測流徑中粒子的存在。該粒子檢測裝置較佳地是一濁度計，其被佈置成將一束光發送穿過該箱式檢測裝置的空氣流徑。
在一較佳實施例中，該氣體檢測裝置的流徑不包括一粒子過濾器。
該氣體檢測裝置的一些實施例可包括下列任一或一以上：一防爆外殼；一或一以上阻火器；本質安全的電子電路。氣體檢測裝置的一些實施例可為本質安全的。
在本發明的另一層面上，提供一種用於檢測一環境中之一條件的系統，包括：一粒子檢測器；一導管系統，與該環境及粒子檢測器流體連通；一抽氣器，造成一空氣樣本流從環境被抽取到粒子檢測器；及至少一個本文所述類型的氣體檢測裝置。
每一氣體檢測裝置最佳形成一專屬模組。該專屬模組較佳地適於配置成該粒子檢測系統的導管系統。一氣體檢測裝置最佳被置於一粒子檢測器的導管系統上游。
在一較佳形式中，該氣體檢測裝置可被佈置成在空氣樣本被導入粒子檢測器之前從該空氣樣本抽取一子樣本。其也可被佈置成將該子樣本返回至導管系統而非將其排至大氣中。在氣體檢測系統被置於粒子檢測器上游的情況中，此方法可有利地最小化空氣樣本導管中的壓力損失及/或最小化可能由氣體檢測裝置導致的輸送時間延遲。
可供選擇地，該氣體檢測裝置被佈置成在空氣樣本從粒子檢測器排出之後從該空氣樣本抽取一子樣本。
較佳地，該導管系統包括至少一個空氣取樣管，包括複數個沿導管連續佈置的空氣樣本入口，且該氣體檢測裝置被佈置成從至少兩個空氣樣本入口的空氣取樣管下游取得一子樣本，且以一反映在氣體檢測裝置的空氣取樣管上游的該等複數樣本入口的一稀釋效應的稀釋因數被校準。
在一些實施例中，該系統包括至少兩個氣體檢測裝置。在此情況中，每一氣體檢測裝置可被佈置成在一各自位置從一空氣取樣管取得一子樣本，且以一反映氣體檢測裝置各自位置的空氣取樣管上游之樣本入口的一稀釋效應的對應稀釋因數被校準。
在導管系統包括至少兩個空氣樣本入口被佈置成從環境的各自部份抽取空氣樣本的一系統中，該系統可進一步包括至少兩個氣體檢測裝置，它們對欲在緊鄰各自空氣樣本入口的一部份環境中被檢測的至少一個目標物種敏感。
在上述系統中，至少兩個氣體檢測裝置可相對導管系統被放置成使得每一檢測裝置能夠從包括一空氣樣本流的導管抽取一子樣本，該空氣樣本流從不同的空氣樣本入口的一對應子集抽取。在此情況中，該對應一個氣體檢測裝置的空氣樣本入口子集與另一粒子檢測裝置的空氣樣本入口子集至少有一空氣樣本入口不同。對應一個氣體檢測裝置的空氣樣本入口子集可能不包括任何形成對應另一粒子檢測裝置的空氣樣本入口子集之一部份的空氣樣本入口。
在具有多個氣體檢測裝置的示範性系統中，至少兩個氣體檢測裝置可對至少一個不同目標物種敏感。
在一些系統中，氣體檢測裝置可為本質安全的。該粒子檢測器，或該系統的任一(或可能全部)組件也可以是本質安全的。
該系統可包括一隔離裝置以向本質安全的粒子檢測器或本質安全的氣體感測裝置中的一者或兩者，或該系統的任一其他組件提供電力。
發明者已發現，在包括與一氣體樣本區藉由一膜分隔的一檢測器測試區的一氣體檢測器裝置中，包含一流動控制結構以將至少一部份取樣氣體導向膜可導致氣體檢測器裝置的改進。因此，在本發明的另一層面，提供一氣體檢測器裝置，用於檢測一大宗氣體內的一目標物種之存在，該氣體檢測器裝置包括一樣本入口
-一樣本通道，一樣本氣體從樣本入口流動通過該通道，該樣本氣體是至少一部份之該大宗氣體；
-一測試區；
-至少一膜，用於提供樣本通道與測試區之間的流體連通，使得在樣本中的一目標物種能夠通過該膜進入測試區，及；
-至少一對目標物種敏感的氣體檢測器，與該測試區流體連通；
其中該樣本通道包括一流動控制結構，以將至少一部份該樣本氣體導向該膜。
在本發明的另一層面，提供一種用於檢測一氣體檢測器裝置中一大宗氣體內的一目標物種之存在的方法，該方法包括如下步驟
-將一樣本氣體抽取通過一樣本入口且進入一樣本通道，該樣本氣體是該大宗氣體的至少一部份；
-允許至少該目標物種通過提供樣本通道與測試區之間之流體連通的至少一膜進入一測試區；及
-使用至少一與測試區流體連通的氣體檢測器測試在測試區中目標物種之存在；
其中該方法包括藉由樣本通道中的一流動控制結構將該樣本氣體的至少一部份導向該膜。
在樣本通道中流動的樣本氣體將具有至少一第一流向(即，一第一淨方向)。將進一步描述，在一些實施例中，該流動控制結構將使在樣本通道中流動的樣本氣體具有至少一第二流向。該第二流向可僅指一部份樣本氣體流、樣本氣體流的一大部份，或實質上全部樣本氣體流(即，一第二淨方向)。
該流動控制結構可以是界定樣本通道的表面(而非一分離結構)。在一些實施例中，該樣本通道被製成樣本氣體的凈流向從第一流向改變其至一第二流向的形狀，在此等實施例中，該膜可被放置成使得該第一流向將被導向該膜。例如該流動控制結構可在管中界定一彎曲或曲線，一膜位於該彎曲或曲線之外部。
在其他實施例中，該第一流向不朝向該膜。在此等實施例中，該樣本通道包括一轉向器，該流動控制結構及該樣本通道的橫截面輪廓沿其長度改變。該轉向器可(i)與界定樣本通道之表面成一整體，(ii)附接於界定樣本通道的表面，或(iii)與界定樣本通道的表面分離。在此等實施例中，界定樣本通道之表面導致樣本氣體具有一第一流向，而轉向器使至少一部份樣本氣體被改變方向以具有至少一朝向該膜的第二流向。該轉向器必定是接近該膜，使得至少一些改變方向樣本氣體接觸該膜。
較佳地，該轉向器是一表面或物體，其被調準以使得第二流向朝向該膜。在此等實施例中，該轉向器相對於該膜成一角度(即，不平行於樣本通道中的膜之表面)。較佳地，該轉向器是朝向而非背離該膜成傾斜。例如，該轉向器可以是(i)界定該樣本通道之表面的一平滑或突然窄化/收縮，或(ii)界定樣本通道的一平面上的一球形凸出((i)與(ii)是整體性轉向器的實例)，(iii)延伸自界定樣本通道之諸平面中至少一表面的一平坦或曲線擋板(例如一附接轉向器)，或(iv)在樣本通道內但不與界定樣本通道的表面連接的一物體(諸如一珠)，其阻塞樣本流動(為一轉向器與界定樣本通道之表面分離的實例)。
較佳地，該轉向器是一窄化該樣本通道使得流經膜的樣本氣體體積被減少的一表面。不欲以理論約束，此窄化導致一增加的速度，且被認為也導致在該區域中的樣本氣體流動之擾流性質增加。伴隨於增加擾流(及速度)的是樣本氣體分子朝向界定樣本通道之表面及朝向膜的動量通量/對流上的增加。即，進入收縮之前樣本氣體分子在一第一流向上的流動量將藉由窄化而以一朝向該膜的第二流向流動(然而，此量與仍在第一流向流動的樣本氣體分子的量相比可能是小的)。據信此一被導向膜的樣本氣體分子之量與速度的增加導致(a)通過該膜到測試區的一較大數目的樣本氣體分子，及(b)樣本氣體分子通過該膜到測試區的較快擴散。此等因素分別導致一氣體檢測器裝置以一較低活化閾值更早檢測到一不良燃燒事件(即，一低度燃燒可被檢測到)且具有一更快的回應時間(即，氣體檢測器裝置中的固有遲緩所造成的警報滯後時間被減少)。
窄化樣本通道以增加擾流且因此將更多樣本氣體分子導向膜之外，最好該轉向器也更明顯地將樣本氣體流對準該膜。即，該轉向器最好是能使得最初在一第一流向流動的一大部份樣本氣體分子被改變方向以具有朝向膜的一第二流向。例如，該轉向器可以是一延伸自界定樣本通道之表面的平坦或曲線表面，或一分離物體，例如所在位置與樣本氣體的第一流向相交的一矩形稜柱、三稜柱，或半圓柱，以對該流及朝向膜的第二流向產生一擾動。即，樣本氣體分子流藉由轉向器被轉向/改變方向/擾亂/中斷，且被迫使流向該膜。
本發明之氣體檢測器裝置也包括一樣本入口與該樣本通道流體連通。該樣本入口也必然與大宗氣體流體連通。較佳地，該樣本入口可被放置於在一大宗氣體導管的一大宗氣體流中。在此等實施例中，該樣本入口適於將該大宗氣體流導入樣本通道。此較佳地係藉由一凹形樣本入口(相對於大宗氣體流的方向)被實現。例如，該樣本入口是勺形的。大宗氣體的典型流率高達大約120L/min。可供選擇地，大宗氣體可被饋入樣本入口。在此等實施例中，一泵/風扇/鼓風機可被提供以將大宗氣體導向樣本入口。在任一情況中，樣本通道內所需樣本氣體之流率範圍從大約1L/min到大約5L/min。
本發明之氣體檢測器裝置較佳地也包括一樣本出口，與該樣本通道連通。該樣本出口可以是與樣本入口相同的實體，但最好不同。更佳地，該樣本出口與大宗氣體流體連通，使得通過氣體檢測器裝置的樣本氣體可被返回至其原始源。在此情況中，該樣本出口適於將樣本氣體導向大宗氣體流。
膜通常被用在氣體檢測器中，用於過濾干擾元素(例如灰塵)，且使樣本氣體/目標物種能夠稀釋。該膜由該技藝中習知的任一適當材料製成。例如，該膜可以是聚四氟乙烯(例如Gore-tex)或Zitex。較佳地，該膜是Gore-tex。該膜必須多孔的，以允許樣本氣體及目標物種通至測試區及氣體檢測器。該膜之尺寸可為允許一足夠量的樣本氣體及目標物種通過(使得它們在測試區的濃度在檢測極限之上)，且允許它們在一可接受時間範圍內通過(例如在一不良燃燒事件檢測應用中是迅速地)的任一尺寸。較佳地，能夠通過該膜的樣本氣體及目標物種之量顯著在檢測器飽和點之下，使得不需要經常更換氣體檢測器。適當性質是孔徑從大約4微米到大約20微米，且膜厚度從大約0.28毫米到大約0.56毫米，惟本發明不應受限於此一特徵。可能有不止一膜。
該氣體檢測器裝置的測試區包含一測試氣體，即，直接與檢測器接觸的氣體。在氣體檢測器裝置的正常運作期間，測試氣體將是從樣本通道通過該膜的樣本氣體。然而，為了校準目的，該測試氣體將是一校準氣體(諸如該技藝中所習知的)。校準氣體將被注入測試區，使得測試區內的全部樣本氣體經由該膜被推出回到樣本通道中，此過程有效地提供該膜的反沖洗，以掃清碎屑，及(ii)該檢測器之校準(當測試氣體是一校準氣體時)。反沖洗及校準可以是使用者控制的，可程式間歇式的或對操作條件自動回應的。具有通常知識者將理解反沖洗所需要及校準應被實施的頻率。
可能有不止一個氣體檢測器及/或檢測器。較佳地，有兩個氣體檢測器。每一氣體檢測器可具有其本身相關聯的轉向器及/或膜，或可共用一公共轉向器及/或膜。
為了最大化回應時間及檢測極限，該氣體檢測器較佳地被放置成接近該膜。同樣，該轉向器較佳地被放置成接近該膜。
該氣體檢測器裝置可與該技藝中任一類型的一粒子檢測器，例如一吸氣式探煙器一起被操作。可供選擇地，一粒子檢測器可被包括在本發明的氣體檢測器裝置中。在任一情況中，探煙器及氣體檢測器較佳地能夠取得經由空氣取樣污染監測設備，諸如一取樣管線網獲得的一大宗氣體。在此一情況中，該大宗氣體可在進入樣本入口之前被預先過濾微粒。
因此，在本發明的另一層面中，提供一感測系統用以檢測一空氣體積中的一異常情況，該感測系統包括一粒子檢測級及與該空氣體積流體連通的一氣體檢測級。該氣體檢測級較佳地是本文所述類型。該粒子檢測級較佳地包括一光學探煙器，例如諸如由Xtralis Pty Ltd提供的一VESDA粒子檢測器。較佳地該感測系統被維持藉由一空氣取樣網與該空氣體積流體連通。
圖式簡單說明
本發明之示範性實施例現在將僅參考附圖以非限制性範例的方式被描述，該等附圖中：第1圖繪示本發明的一實施例，說明置於一大宗氣體導管上的氣體檢測器裝置；第2圖繪示第1圖之實施例的截面圖，說明氣體檢測器、膜及流體控制結構的內部佈置；第3圖繪示氣體檢測器裝置的一第二實施例的一截面透視圖，說明氣體檢測器、膜及流體控制結構的內部佈置；第4圖繪示一習知空氣取樣污染監測系統；第5圖繪示已增加依據本發明一實施例之一氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統的一第一實施例；第6圖繪示已增加依據本發明之一實施例之一氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統的一第二實施例；第7圖繪示依據本發明之一實施例的一氣體檢測裝置，被安裝於一加熱、通風，及空調(HVAC)系統上；第8圖繪示依據本發明之的一氣體檢測裝置的一獨立吸氣式實施例；第9圖繪示依據本發明之一實施例，包括複數個氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統另一實施例；及第10圖繪示依據本發明之一實施例，包括複數個氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統的又一實施例。
 較佳實施例之詳細說明
本發明藉由參考目前較佳實施例的下列詳細描述將獲得最佳的理解。
第1圖繪示氣體檢測器裝置10的一外部視圖。該氣體檢測器裝置10具有一下方主外殼30及一蓋室20。主外殼30之下端界定一導管70，大宗氣體可容納於其中。在使用中，該大宗氣體導管70可被連接至一大宗氣體源，例如，一形成一吸氣式粒子檢測系統之一取樣網之一部份的管道，一粒子檢測器的入口或排出口，與一HVAC系統或其他空氣源的一導管流體連通的一氣體輸送探針，或僅放置成與被監測目標物種的一空氣體積流體連通。
該大宗氣體被導入導管70，使得氣體檢測器裝置10內的一或多個氣體檢測器可感測到大宗氣體中一或多目標物種的水平，或由其取得的一子樣本。一測試或校準氣體可被輸入測試區62，用於校準收容在裝置10中的氣體檢測器，且反沖洗裝置10之過濾膜。
將理解該系統可包括一通信介面，例如USB、乙太網路等等，以能夠與其他系統通信，例如一火警警報系統、建築監測、HVAC等等。
第2圖繪示一示意截面圖，說明更多內部細節(將稍後討論)，且進一步證明與大宗氣體導管70的交互作用。如第2圖所示，氣體檢測器裝置10包含如下主要組件：
‧ 　一主外殼30，界定一內部隔室31，該檢測器之諸組件被收容在該內部隔室31中。在外殼30的一第一端界定一導管70，在使用中大宗氣體在該導管70中流動。此導管在安裝期間可被連接至一空氣輸送系統的另一的管道或導管，或可事實上是一空氣輸送系統的一部份。
‧ 　一蓋20，其閉合主外殼30的頂部；蓋20閉合外殼30之頂部，且可從外殼30移開，以使氣體檢測裝置10的組件能夠依需要維修、更換或交換。
‧ 　一中心插件50，其延伸至導管70中且提供一勺型結構(樣本入口54)以將一樣本流導入一界定在檢測器裝置內的樣本通道56中。該中心插件50的下游側界定一通入導管70的出口埠(樣本出口55)，以在分析後將空氣樣本排回至導管70。通過入口與由中心插件所形成之出口以及進入導管70的插件凸出的壓降足以吸引空氣通過樣本通道56而不需要一附加風扇。
該中心插件50也界定一樣本流在其內流動之該樣本通道一內壁的至少一部份，且在此範例中其提供流動控制結構，例如轉向器52與53，以設定通道56中的一所需空氣流動性質。
中心插件50可從裝置10移除以進行清潔或改變，且可較佳地從下(如果沒有大宗氣體導管70)或從上(當沒有檢測器匣40時)被插入主外殼30中。
‧ 　一通道界定插件51。通道界定插件51被可移除地安裝在主外殼30的一凹部中，且與中心插件50協作以界定樣本通道56。通道插件51包括一或一以上由膜44與45封閉的孔，氣體在操作期間通過該等膜擴散。通道界定插件51被安裝至該外殼，且由一o型環密封其周邊。
‧ 　一氣體檢測器匣40，其包含一或一以上氣體檢測器42及43，且被可移除地安裝於主外殼30內。檢測器匣40可移除且可替換，使得被收容於其內的檢測器能夠修護交換或升級。該氣體檢測器匣40被安裝成使得其與通道界定插件51分離，以在膜44、45與氣體檢測器匣40的氣體檢測器42、43之間提供一測試區62。該外殼也被提供一測試入口60，其與測試區62流體連通，以將校準氣體引入測試區62。該氣體檢測器匣以一o型環對外殼30密封。
氣體檢測器42或43可為該技藝中習知的任一者。例如，該氣體檢測器可以是用於檢測至少一目標物種，諸如SO2 、NO2 、CL2 、CLO2 、CO2 、NH3 、HCL、HCN、NO、O2 、H2 、CO、H2 S、或CH4 之存在的氣體檢測器。在該技藝中習知的其他揮發性有機物(VOCs)也可是一目標物種。不同的氣體檢測器已知係對不同氣體反應。適當檢測器類型可能是電化感測器、催化擴散感測器、測爆計、紅外點感測器、非分散紅外感測器、固態金氧半導體，及/或光電離檢測器。
在使用中，大宗氣體72在大宗氣體導管70中流動。當大宗氣體到達樣本入口54時，一部份被轉向至樣本通道56中以形成樣本氣體57。樣本氣體57以一第一流向被引向轉向器52。在遇到轉向器52時，至少一部份樣本氣體57被轉向以具有一不同的第二流向。此第二流向朝向膜44。進而，一部份樣本氣體57及其內的任一目標物種將通過膜44，且進入測試區62。氣體混合物由此處能夠與氣體檢測器42交互作用(該交互作用的精確性質將取決於檢測器類型)，且氣體混合物中的任一目標物種將被檢測到。
除了其他方式外，流動可由流線、條紋線及徑線描述；一流線是流動之速度向量的一瞬時切線的曲線，一條紋線是在某一時間範圍通過一特定空間點的全部氣體分子的軌跡，而一徑線是一個別氣體分子將具有的軌跡。在通過一管的層流中(i)流線、條紋線及徑線是相同的，(ii)沿管之速度接近零時存在一邊界層，及(iii)高動量擴散、而低動量對流發生在朝向管之表面的方向。在通過一管的擾流中，混合被顯著增加，且(i)流線、條紋線及徑線是不同的，(ii)一未被充分瞭解的相對較大的邊界層存在，且(iii)高動量對流、低動量擴散發生在朝向該管之表面的方向。除了其他因素，一在速度上的增加引起一從層流到擾流的過渡。
想像在一樣本通道中的一流動。在該流動的任一截面中，大部份分子將沿樣本通道的主體方向移動。然而，一些分子也將以「被動發生」動量擴散(主要在層流情況中)及「被動發生」動量對流(主要在擾流情況中)的方式朝界定樣本通道的表面移動(即，與流動之主體方向相交)。「被動發生」意指流向並非本發明之流動控制結構之結果。此「被動發生」動量擴散及動量對流並非在本發明中所被理解的「朝向膜」。相反，在此發明中，「朝向膜」應被理解為意指「由流動控制結構導出的」動量擴散、動量對流及/或主體流向。
主體方向之流動，即，沿樣本通道之流動，可被視為如果一流動控制結構被使用來改在一緊鄰膜位置的淨主體流向時是朝向該膜的。例如，如果樣本通道包含一肘型管道，且該膜位於該管道的肘部外側，那麼管道中之流(不管是層流還是擾流)在該肘處意欲為朝向該膜，在肘部處撞擊該膜，且進而繞過該肘形成的角被轉向。該流動是「流動控制結構導出的」，因為該管道在肘部的膜處導引主體流向。如果該膜未被放置於該肘處，而代以僅被放置在與一未有淨流向改變被引起的位置與整體流動方向平行的一壁上，且不存在流動控制結構，那麼在一橫向於主體流向(即朝向該膜)的方向上將僅具有樣本氣體分子的「被動發生」擴散及對流。在此情況中，一產生一第二主體流向，即，一朝向該膜的「流動控制結構導出的」流動之流動控制結構被需要。
不欲受理論拘束，相信此朝向該膜的「流動控制結構導出的」流動大於發生在「被動發生」流動中者。因此，本發明之流動控制結構是提供比發生在(i)藉由動量擴散的層流條件(主要的)，或(ii)擾流條件動量對流(主要的)中更大的朝向膜之流動的結構，且因此是一種增進樣本氣體與混入之目標物種通過該膜的結構。
為了達成膜44及45周圍的樣本流中的適當流動條件，各種流動控制結構可被替代插件50的球狀部52及53。例如一與中心插件50及樣本通道界定插件51分離的斜向轉向器可被提供。
樣本氣體57未通過膜44到檢測器22的餘部繼續在樣本通道56中。一相似情景可發生在膜45及檢測器43，此處同一或另一供選擇之目標物種可被測試。接著，任何剩餘樣本氣體經由樣本出口55離開氣體檢測器裝置10，且回到大宗氣體導管70內。
為了膜44與45之校準及/或反沖洗，校準氣體通過測試入口60被饋入測試區62。就校準而言，測試氣體63將是校準氣體。就單獨反沖洗而言，測試氣體63可以是校準氣體(雖然這通常是昂貴的)或僅是反沖洗氣體(例如環境或較佳為過濾氣體)。
為了執行校準，該系統需要一校準氣體源，例如，一或多氣體瓶，以經由校準埠64透過一或多電磁閥被附接至測試入口60。在測試入口60中放置一例如由一彈性材料製成的鴨嘴閥，其在數個裝置被同時校準時防止氣體從測試區62返回至測試入口60。該校準氣體輸送系統藉由對電磁閥通電而被週期啟動，以針對每一感測器類型注入所需零或量程校準氣體。校準週期可由內部或外部裝置控制，且可以是自動的，例如，依一預定時程，或當某一特性準則被滿足時操作，或可供選擇地，回應一使用者輸入按需要被執行。
警報在此一期間被禁止且適當時間延遲被引入以允許感測器安置。在校準期間，校準氣體63湧到測試區62且經由膜44與45離開。此動作用以反沖洗此等膜。來自每一感測器在校準時間的讀數被儲存且隨後被用以調整樣本讀數。
該電磁圈進而被關閉以允許樣本氣體57再次從樣本室56透過膜44及45擴散，且填充測試區62。測試區62被組配成具有低無效體積以便快速回應。
上述組件之佈置較佳地提供一密封空氣流徑，其將全部樣本氣體返回至導管70中的整體流動。有利地，這使得此一實施例之檢測器特別適於在粒子檢測器上游的一位置安裝在一粒子檢測系統之一空氣取樣導管中，例如，如第6圖、第9圖及第10圖之範例所示，因為沒有樣本空氣經由從該氣體檢測裝置系統洩露而損失。顯然，此一氣體檢測裝置也可被用在一粒子檢測器之排出上。
第3圖之實施例與第2圖相似，除了其附加地包括一非必須的濁度計80，例如一光電探煙器及一風扇74。
濁度計80包括一光源81。較佳地，該光源是一雷射(例如大約5mW)或LED光源，適於發射一越過樣本通道56頂部且沿界定在中心插件50之中心的一通道61的光束。一光接受器(未示於圖中)，例如矽光二極體或類似物，相對該光束偏軸置放且接收由粒子，例如混在樣本流57中的煙所散射的光。為了最小化散亂反射，通道61終止於由一斜向反射器82形成的一束流收集器，這防止回返反射照射在濁度計80的光二極體上。
安裝在大宗氣體導管72上的風扇74被包括在不存在大宗氣體之一現存流動的實施例中，例如，在獨立系統或外部流動低的系統中。樣本通道56也可藉由以足以產生湧流的高速率間歇操作風扇74，或另一未繪示的風扇被沖洗。此風扇間歇操作之功率或風扇間歇增加速度可得自於一可定址火警環路。
氣體檢測器之操作可以是使用者控制的、間歇的或連續的。為了最小化功率牽引，間歇操作可能是較佳的。在一較佳實施例中，如果氣體檢測裝置被用以擴充此一系統，該系統之電功率直接藉由裝置10，或經由一相關聯粒子檢測系統自一火警環路。
在此範例中，氣體檢測裝置之導管70包括一從其邊緣到中心的一分階式窄化。在此範例中，導管70的最外部份91與導管70的內側相鄰部份92相比具有一相對大的直徑，內側相鄰部份92具有一較窄內部直徑。中心部份93仍是較窄的。此一階式佈置易於安裝，特別是當改造成現有粒子檢測系統時，因為其允許同一氣體檢測裝置配合不同粒子檢測系統，該等不同粒子檢測系統具有不同外徑的空氣取樣導管。導管中相鄰段之間的步階也可用作限深擋塊，使得在安裝期間，空氣取樣導管插入氣體檢測裝置之導管70的程度不致太遠，使得該主空氣取樣導管不干擾空氣進入氣體感測裝置的空氣流徑56。一錐形導管也可被使用。
第4圖繪示一習知空氣取樣粒子檢測系統500。系統500包括被耦接至一樣本管網504形式的導管的粒子檢測器502。該樣本管網包括複數個空氣樣本入口508。在使用中，空氣經由典型地形成粒子檢測器502之一部份的一抽氣器被吸入空氣樣本入口508並進入粒子檢測器502。透過系統500吸入的空氣經由一排氣口510被排回至大氣。
此範例中的粒子檢測器502包括一介於其入口514與排氣口510之間的空氣流徑512。一空氣樣本藉由一抽氣器518而從開始被監測的環境，沿著空氣取樣導管，被抽取進入檢測器流徑512。此空氣樣本流之一部份接著被吸入一分析空氣流徑520而其進入一粒子檢測室522。通過檢測室522的空氣被分析以測定空氣中之一粒子水平。響應於檢測到的 粒子水平及可能的其他準則，該檢測器被組配成依據其控制器應用的警報及/或故障邏輯產生一輸出。
檢測器502也可包括附加組件，包括但不限制於，一流率感測器524及一過濾器526，該流率感測器524係用以測定空氣通過該粒子檢測器之流率，而該過濾器526係用於從空氣流移除無用粒子，例如灰塵等等，以最小化或防止檢測室522內部隨時間經過而玷污。
檢測室522可使用任意粒子檢測原理操作，包括但不限制於光散射、光視障、電離等等。例如該粒子檢測器可以是一來自Xtralis Pty Ltd.的VESDA LaserPLUS檢測器或也來自Xtralis Pty Ltd.的ICAM IAS檢測器，或某一其他檢測器。
第5圖到第8圖繪示本發明一實施例的一氣體檢測裝置的數個利用。
第4圖中所示空氣取樣粒子檢測系統的類型可使用依據本發明之實施例製成的一氣體檢測裝置被擴充。第5圖、第6圖、第9圖及第10圖繪示各種不同方法中的兩個方法，在其中一粒子檢測系統與第4圖的相似，可被設定成包括一氣體檢測裝置。在此等圖示中，與第4圖中系統共同之特徵將共用共同的參考數字。
第5圖繪示一空氣取樣粒子檢測系統600，包括一與一取樣管網504流體連通的粒子檢測器502。在此範例中，粒子檢測器502的排氣口510被耦接至上述類型的一氣體檢測裝置602。從粒子檢測器502之排氣口排出的空氣在最終經由其排氣口604被送回大氣之前進入氣體檢測器602。
第6圖繪示繪示本發明之一較佳形式的範例。在此範例中，下方探煙系統大體與第4圖相同。然而，樣本管網504具有一氣體檢測器702，如上所述，位於粒子檢測器沿其一分支的上游。在這點上，來自取樣管網504之一第一分支504.1的空氣直接被引入粒子檢測器502，而引入樣本管網504之第二分支504.2的空氣在到達粒子檢測器502之前，首先經過空氣檢測器702以供氣體分析。此一實施例在局部化氣體釋放有可能的環境中可能是有用的。例如，在一端具有一致冷單元的倉庫中，可能有必要使用粒子檢測器監測整個空間的煙霧。然而，監測致冷劑洩露僅在致冷單元附近區域有必要，且因此，提供一相對性局部氣體檢測器單元諸如704是有利的。
第9圖及第10圖繪示另兩個示範性粒子檢測系統，該等系統中包括氣體檢測裝置。首先轉往第9圖，繪示一粒子檢測系統920，其包括一如上所述的抽氣粒子檢測器502。粒子檢測器502被連接至一空氣取樣網504，其包括四個分支504.1、504.2、504.3、504.4，各具有複數個空氣被吸入的取樣點或孔508。導管件的每一分支504.1、504.2、504.3、504.4包括其自身的氣體檢測裝置922.1、922.2、922.3及922.4。每一氣體檢測裝置922.1、922.2、922.3及922.4可對相同或不同目標物種敏感，取決於安裝性質。重要的是，每一氣體檢測裝置922.1、922.2、922.3及922.4將從該系統的取樣孔508的一各自子集接收空氣。在此情況中，各該氣體檢測裝置922.1、922.2、922.3及922.4上游的該子集取樣 點具在其上游有一不同數目的空氣取樣孔。此對敏感度有影響(對通過每一取樣孔被抽取之樣本)且因此影響檢測器之校準，或每一檢測器之檢測及/或警報閾值之設定。
第10圖繪示另一粒子檢測系統940。粒子檢測器502被連接至一空氣取樣網504，其包括一樹形結構。網504具有兩個中間分支504.5及504.6，它們接著分支至四個分支504.1、504.2、504.3及504.4中，各具有複數個空氣所被吸入的取樣點或孔508。導管件504的各該中間分支504.5與504.6包括一氣體檢測裝置，942.1與942.2。將瞭解每一氣體檢測裝置接收係透過位於其上游之8個取樣點的一各自子集所吸入的空氣。
當將一諸如第5圖及第6圖的系統投入使用時必需考慮的因素是氣體檢測單元602與702之校準必然有差異。這主要歸因於兩個系統中存在的稀釋比之差。在第5圖之系統中，通過樣本管網504之八個取樣孔中任一個取得的空氣將通過氣體檢測器602。因此，如果氣體進入樣本孔的任一個，其將藉由進入樣本管網504的整組取樣孔的空氣以一7：1之比率被稀釋。相反地，在第6圖中，任何進入樣本管網504之第二臂504.2中的孔的氣體將僅以3：1稀釋。在此情況下，不同氣體檢測閾值及飽和閾值將需要在氣體檢測裝置602及702中被設定。
因此，本發明的一個層面提供基於一或一以上系統特徵，例如該系統所附接至一取樣網之組配，該系統之安裝位置，及/或該系統附近可能的氣體源自動決定一氣體檢測器的校準值的軟體。
該軟體可以一與使用在抽氣粒子檢測系統，例如Xtralis Pty Ltd所供應的Aspire中的流動模型化軟體相似的方法操作。
例如，該軟體被組態成計算在一特定系統組配中的一氣體警報的警報閾值。當系統稀釋氣體樣本時，閾值計算是根據對於取樣網導入之稀釋的補償。
氣體分佈之補償也被執行，使得應用特定參數被計入。例如在一停車場中，CO分佈是均一的，且因此一相似水平的氣體被導入每一樣本孔。在此種情況不需要警報閾值補償。
警報閾值分析結果可以一檔案被提供給操作員組配該儀器，或可被直接下載至檢測設備。警報可被設定在一中央控制器中或分佈在每一感測器。
該較佳實施例之氣體檢測裝置之密封組配允許氣體檢測裝置形成粒子檢測系統導管的上游部份之一部份，而沒有壓力、洩露或輸送時間的缺失。
第7圖繪示本發明的一氣體檢測器的另一實施例，但是這次其被安裝在一HVAC系統的一導管上。在此範例中，氣體檢測系統800包含一安裝至一HVAC導管804的氣體檢測器802，空氣在導管804中以箭頭806方向流動。氣體檢測器802被提供一導管探針808，其具有一上游入口810及一下游出口812。入口與出口810與812的壓力差透過氣體檢測器802吸入氣體以供分析。
第8圖繪示依據本發明之一實施例的一氣體分析系統的另一實施例。該系統900包括一直接連接至一取樣管904的氣體檢測器902，取樣管904具有複數個取樣孔906。在此實施例中，沒有個別粒子檢測器被提供。然而，氣體檢測器902可被提供諸如上述的一內部粒子檢測系統。在此系統使空氣通過樣本管904抽取到氣體檢測器902是必需的。為了此一目的，氣體檢測器902設置一風扇908以抽取空氣至檢測器902內。
再次參考第2圖及第3圖，氣體檢測器42與43的輸出，及非必須之濁度計可被單獨處理、或與一或一以上機載資料處理系統，例如一基於微處理器的控制系統相組合被處理，或被發送至一外部資料處理系統以確定是否有一異常情況存在於被監測的體積中。在這點上，處理系統將如同該技藝中具有通常知識者所習知地應用警報及或故障邏輯，藉以判定是否一異常氣體檢測事件、煙霧檢測事件，故障或其他事件已發生，及是否一動作，例如產生一警報，增加一指示威脅位準、啟動抑制系統，關閉某些場及裝備之操作等等需被執行。
該氣體檢測器裝置之結構可以適當材料製成以成為防爆性，或將其組配成用於一爆炸風險區域中。另外，內部組件可以適當化合物裝罐以防止一火焰傳播出。在此一實施例中，膜44及45在此情況中較佳地是阻火器，例如由一適當類型及厚度的燒結材料製成，以防止一火焰從控制電路及檢測器傳播到樣本通道56中。另外，因為具有此一類型的氣體檢測器具有極低電力需求，檢測器被製成本質上安全而使其可被用於危險區域中是可能的。尤其是不包括一分離抽氣器或濁度計的實施例的情況，例如第2圖所示實施例。
將理解在本說明書中所揭露及界定之發明延伸至本文或圖示所提到或為顯然的二或二以上獨立特徵的所有選擇性組合。所有此等組合構成本發明的各種不同可供選擇層面。
10、602、922.1~922.4、942.1、942.2．．．氣體檢測裝置
20．．．蓋室
30．．．主外殼
31．．．內部隔室
40．．．檢測器匣
42、43、702、802、902．．．氣體檢測器
44、45．．．膜
50．．．中心插件
51．．．通道界定插件
52、53．．．轉向器
54．．．樣本入口
55．．．樣本出口
56．．．樣本通道
57．．．樣本氣體
60．．．測試入口
61．．．通道
62．．．測試區
63．．．測試氣體
64．．．校準埠
70、804．．．導管
72．．．大宗氣體
74、908．．．風扇
80．．．濁度計
81．．．光源
82．．．斜向反射器
91．．．最外部份
92．．．內側相鄰部份
93．．．中心部份
500、600、800．．．空氣取樣粒子檢測系統
502．．．粒子檢測器
504．．．樣本管網
504.1~504.6．．．504之分支
508．．．空氣樣本入口
510、604．．．排氣口
512．．．空氣流徑
518‧‧‧抽氣器
520‧‧‧分析空氣流徑
522‧‧‧粒子檢測室
806‧‧‧箭頭
808‧‧‧導管探針
810‧‧‧上游入口
812‧‧‧下游出口
900‧‧‧氣體分析系統
904‧‧‧取樣管
906‧‧‧取樣孔
920、940‧‧‧粒子檢測系統
第1圖繪示本發明的一實施例，說明置於一大宗氣體導管上的氣體檢測器裝置；
第2圖繪示第1圖之實施例的截面圖，說明氣體檢測器、膜及流體控制結構的內部佈置；
第3圖繪示氣體檢測器裝置的一第二實施例的一截面透視圖，說明氣體檢測器、膜及流體控制結構的內部佈置；
第4圖繪示一習知空氣取樣污染監測系統；
第5圖繪示已增加依據本發明一實施例之一氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統的一第一實施例；
第6圖繪示已增加依據本發明之一實施例之一氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統的一第二實施例；
第7圖繪示依據本發明之一實施例的一氣體檢測裝置，被安裝於一加熱、通風，及空調(HVAC)系統上；
第8圖繪示依據本發明之的一氣體檢測裝置的一獨立吸氣式實施例；
第9圖繪示依據本發明之一實施例，包括複數個氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統另一實施例；及
第10圖繪示依據本發明之一實施例，包括複數個氣體檢測裝置的一空氣取樣污染監測系統的又一實施例。
10．．．氣體檢測裝置
20．．．蓋室
31．．．內部隔室
40．．．檢測器匣
42、43．．．氣體檢測器
44、45．．．膜
51．．．通道界定插件
52、53．．．轉向器
54．．．樣本入口
55．．．樣本出口
56．．．樣本通道
57．．．樣本氣體
60．．．測試入口
62．．．測試區
63．．．測試氣體
64．．．校準埠
70．．．導管
72．．．大宗氣體

Claims (21)

  1. 一種用於檢測一環境中的多數條件的系統，該系統包括：一粒子檢測器，其係配置為用以檢測一空氣樣本中的粒子之存在；一取樣管網路，其包括與該環境及該粒子檢測器呈流體連通的多數空氣樣本入口；一抽氣器，其透過該取樣管網路自該環境抽取一空氣樣本至該粒子檢測器；及至少一氣體檢測裝置，其具有一外殼且經配置成於該粒子檢測器的一上游位置處與該取樣管網路呈流體連通，且具有係對目標物種敏感的至少一氣體檢測器，該氣體檢測器係經配置成用以檢測在該取樣管網路中流動的該空氣樣本之至少一部份中的該目標物種之存在。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該外殼包括一插入該取樣管網路的導管部分。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該氣體檢測裝置更包括：一入口埠，其配置成用以自取樣管網路中流動的該空氣樣本抽取一子樣本，以供該氣體檢測裝置之分析；一出口埠，其配置成用以排放該空氣之子樣本；及一流動路徑，其自該入口埠延伸至該出口埠，及係對目標物種敏感的至少一氣體檢測器，其配置成 與該流動路徑呈流體連通，用以檢測該子樣本中的該目標物種之存在。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該氣體檢測裝置更包括：一界定該流動路徑之樣本通道，且其包括：一測試區；至少一膜，其提供該樣本通道與該測試區之間的流體連通，使得該樣本中的目標物種能夠通過該膜且進入該測試區；及其中該樣本通道包括一流動控制結構，用以導引樣本氣體的至少一部分朝向該膜。
  5. 如申請專利範圍第4項中任一項所述之系統，其中該流動控制結構界定該樣本通道中的一曲線，且該膜係位在該曲線的一外側部分上。
  6. 如申請專利範圍第4項中任一項所述之系統，其中該流動控制結構包括下列的任一者或多者：(i)該樣本通道的一窄化；(ii)界定該樣本通道之一壁之一表面上的一球形凸出；(iii)由界定該樣本通道之至少一表面而延伸進入該樣本通道的一擋板；及(iv)在該樣本通道內阻塞該樣本流之一物體。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之系統，其中該氣體檢測裝置之該入口埠及該出口埠係定位在該外殼 之該導管部分中、或該取樣管網路中的該氣流中，使得該入口埠與該出口埠之間的一壓降可用來抽取空氣通過該流動路徑。
  8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之系統，其更包括用來抽取空氣進入該氣體檢測裝置之該入口埠的構件。
  9. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之系統，其更包括一第二進氣口，該第二進氣口係組配成用以提供一校準氣體至該氣體檢測裝置之該測試區。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中由該第二進氣口提供至該測試區的氣體，係從該測試區透過一或更多相關聯的膜沖進該流動路徑。
  11. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之系統，其更包括粒子檢測裝置而其經配置成用以檢測該氣體檢測裝置之該流動路徑中的粒子之存在。
  12. 如申請專利範圍第2至6項所述之系統，其中該取樣管網路包括至少一空氣取樣管，該至少一空氣取樣管包括係沿該導管部分連續佈置的多數空氣樣本入口，該氣體檢測裝置被佈置成從至少兩個空氣樣本入口之下游處的該空氣取樣管取得一子樣本，且以一稀釋因數被校準，而該稀釋因數可反映出在該氣體檢測裝置之上游處的該空氣取樣管上之該等樣本入口的一稀釋效應。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，該系統包括至少兩個氣體檢測裝置，每一氣體檢測裝置可被佈置成在一各 自位置處從一空氣取樣管取得一子樣本，且以一對應稀釋因數被校準，而該對應稀釋因數可反映出在該氣體檢測裝置之各自位置之上游處的該空氣取樣管中之該等樣本入口的一稀釋效應。
  14. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之系統，其中該取樣管網路包括至少兩個空氣樣本入口，被佈置成從該環境的各自部份抽取空氣樣本，且其中該系統進一步包括至少兩個氣體檢測裝置，該等至少兩個氣體檢測裝置對至少一目標物種敏感，而該至少一目標物種係可在該環境中之接近各自空氣樣本入口的一部份中被檢測。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之系統，其中該等至少兩個氣體檢測裝置相對該取樣管網路被放置成可使得每一氣體檢測裝置能夠從包括一空氣樣本流的該導管部分抽取一子樣本，而該空氣樣本流從不同的空氣樣本入口的一對應子集抽取。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該對應一氣體檢測裝置的空氣樣本入口之子集，與另一粒子檢測裝置的該空氣樣本入口之子集，至少有一空氣樣本入口不同。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該對應一氣體檢測裝置的空氣樣本入口之子集，不包括任何空氣樣本入口而其形成係對應於另一粒子檢測裝置的該空氣樣本入口之子集之一部份。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之系統，其中該等至少兩個氣體檢測裝置對不同之至少一目標物種敏感。
  19. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之系統，其中該氣體檢測裝置包括下列任一者或更多者：一防爆外殼；一或更多阻火器；本質安全的電子電路。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之系統，進一步包括一本質安全的粒子檢測器。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之系統，其包括一隔離裝置，以向該本質安全的粒子檢測器提供電力。
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