CN104392577A - 一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法及其在火灾烟雾探测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法,同时还涉及此方法在火灾烟雾探测中的应用，属于消防报警技术领域。该方法包括接收到气溶胶以蓝光散射光功率 P_BL 和红外光散射光功率 P_IR 反映的相应散射信号后，计算蓝光和红外光散射功率比值 R ；根据蓝光和红外光散射功率比值 R 与气溶胶中值粒径 d_med 的关系确定中值粒径 d_med ；将蓝光散射光功率 P_BL 和红外光散射光功率 P_IR 与所设定的对应门限 P_BLth 、 P_IRth 进行比较，发出相应的干扰提示信号或相应的火灾报警信号。采用本发明后，可以判断并发出火灾种类报警信号，以便采取针对性的合理措施，同时避免非火灾气溶胶引起误报警。

Description

一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法及其在火灾烟雾探测中的应用

技术领域

本发明涉及一种气溶胶的探测传感方法，尤其是一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法,同时还涉及此方法在火灾烟雾探测中的应用，属于消防报警技术领域。

背景技术

基于气溶胶光散射原理的烟雾火灾探测技术自上世纪70年代问世以来获得了广泛应用，但已有技术不能感知气溶胶粒径的大小，无法区分火灾烟雾和灰尘、水蒸气，因此误报警成为探测有效性的最大问题。

通常，物质燃烧产生的火灾气溶胶的粒径小于1μm，水蒸气、灰尘等非火灾气溶胶粒径大于1μm。

专利号为200410031104.5和201180039383.8的专利均公开了采用气溶胶粒子对两种不同波长散射光信号来区分大于或小于1μm粒子的方法，以期减少火灾烟雾报警器误报警。

然而，以上现有方法仅能通过探测判断出气溶胶的粒径是否大于或小于1μm界限，而不能够“感知”出其具体粒径，因此难以根据气溶胶的特性判断火灾的性质以采取有效的针对性措施。

发明内容

本发明的目的是：针对上述技术存在的不足，提出一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，进而根据粒径值识别不同种类的火灾和水蒸气、灰尘干扰，并以相应的报警信号告警，做出相应的提示，以便采取针对性的合理措施。

气溶胶粒径有不同的度量方法，中值粒径不仅是度量气溶胶粒径的方法之一，而且还可以在一定程度上反映粒子粒径的分布情况。由于物质燃烧生成的气溶胶粒径的数量分布基本都可以用对数正态分布函数描述，因而该分布可以用中值粒径与标准差这两个参数表征。一般燃烧物的粒径分布标准差大约在1.6-1.9之间，变化不大，因此中值粒径就可以作为确定粒径分布的主要特征。

申请人通过研究发现，当气溶胶粒径服从对数正态分布和分布的标准差在1.6-1.9范围内时，在一定散射角度上(通常要求发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角在15度以上)粒子对两种波长的光散射功率之比，与气溶胶中值粒径直接对应，由此可以得出气溶胶中值粒径数值，并以此作为传感器的气溶胶中值粒径输出信号。同时，由于气溶胶浓度与散射光功率直接对应，因此把两个波长的散射光功率作为传感器的气溶胶浓度输出信号。

本发明按以下步骤实现基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法：

第一步、接收到气溶胶以蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR反映的相应散射信号后，按下式计算蓝光和红外光散射功率比值R：

$R=\frac{P_{\mathrm{BL}}}{P_{\mathrm{IR}}}$

式中P_BL为蓝光散射光功率，P_IR为红外光散射光功率；

第二步、根据蓝光和红外光散射功率比值R与气溶胶中值粒径d_med的关系确定中值粒径d_med；

第三步、将蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR与所设定的对应门限P_BLth、P_IRth进行比较：

当蓝光散射光功率P_BL、红外光散射光功率P_IR分别低于各自对应的预定门限P_BLth、P_IRth进时，返回第一步；

当至少蓝光散射光功率P_BL、红外光散射光功率P_IR之一高于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth时，判断中值粒径d_med是否大于设定的分界值d_medth；如是，则发出相应的干扰提示信号；如否，则发出相应的火灾报警信号。

更具体而言，所述第三步中，发出相应的干扰提示信号包括仅红外光散射光功率P_IR大于其预定门限P_IRth，则提示为大粒子灰尘或水蒸气干扰；蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别大于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth，则提示为高浓度的大粒子灰尘或水蒸气干扰。

进一步，所述第三步中，发出相应的火灾报警信号包括蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别大于对应的预定门限P_BLth、P_IRth，则报警为高浓度的火灾烟雾气溶胶；仅蓝光散射光功率P_BL大于对应的预定门限P_BLth，且中值粒径d_med小于一个区分火灾烟雾粒径大小的界限值，则报警为较小粒径火灾烟雾气溶胶；仅红外光散射光功率P_IR大于对应的预定门限P_IRth，且中值粒径介于所述区分火灾烟雾粒径大小的界限值与d_medth之间，则报警为较大粒径的火灾烟雾气溶胶。

采用本发明后，由于不仅可以通过气溶胶中值粒径判断气溶胶粒径的大小，从而及时鉴别出是否发生了火灾，及时正确地发出火灾报警信号或提示非火灾干扰；而且可以通过两种波长的散射光功率的比值与气溶胶中值粒径的函数关系得到被探测气溶胶的中值粒径数值，从而判断并发出火灾种类报警信号，以便采取针对性的合理措施。

通常把气溶胶中值粒径1微米作为火灾烟雾和灰尘、水蒸气的分界线，由于使用场合各异，此分界线会在0.8-1.1微米或更宽范围变化。由于小粒径粒子的光散射功率较小，因此势必会影响到传感器对不同粒径气溶胶灵敏度的均衡性。

为此，本发明进一步的完善是，所述第二步之后，还判断中值粒径是否小于150nm(通常实际判断是否在50-150nm区间)；如否，则直接进行第三步，如是，则将接收得到的蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别乘以加权系数150nm/d_med，再进行第三步。这样，可以通过对散射光功率信号按对应的中值粒径数值作权因子处理，适当提升小粒子的散射光功率信号，以克服小粒子散射光功率较小的缺点，均衡传感器对气溶胶浓度响应的一致性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的***构成示意图。

图2为按照粒子Mie散射公式计算得到的气溶胶粒径为对数正态分布的蓝光和红外光散射功率比值与中值粒径的关系曲线图。

图3为一种复印纸阴燃时气溶胶的归一化粒子粒径分布：蓝光(波长470nm)散射光功率在散射角120°下获得，红外光(波长950nm)散射光功率在散射角30°下获得，其坐标横轴以粒径nm为单位按对数形式给出。

图4为本发明一个实施例的流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法应用于图1所示的火灾烟雾探测***中，该***含有蓝光和红外光两个波长的发射装置1、2，以及蓝光和红外光散射光功率的接收装置3，接收装置3的信号输送到电子信号处理与控制单元4，该电子信号处理与控制单元4中具有含CPU的处理控制电路(其典型构成可以参见申请号为200810084923.4、名称为《火灾探测器》的中国专利等现有技术资料)，该处理控制电路对图3所示的复印纸气溶胶通过以下步骤(参见图4)后输出探测结果，实现基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感：

第一步、接收到以蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR反映的相应散射信号后，按下式计算蓝光和红外光散射功率比值R：

$R=\frac{P_{\mathrm{BL}}}{P_{\mathrm{IR}}}$

式中P_BL为蓝光散射光功率，P_IR为红外光散射光功率，通常以其所对应的电信号表达，单位为V，本实施例接收到的蓝光散射光功率P_BL为4.1V，红外光散射光功率P_IR为1.1V，则蓝光和红外光散射功率比值R由上式算得为3.7。

第二步、根据蓝光和红外光散射功率比值R和中值粒径d_med的关系确定中值粒径d_med

借助气溶胶光学米散射公式(详见Pual A.Baron,KlausWilleke,Aerosol Measurement:Principle,Techniques,andApplications,Second Edition,ISBN 978-7-5025-9476-3,第15章，第427页，式(15-17)或中译本《气溶胶测量：原理、技术及应用第二版》[美]巴伦等编著，白志鹏等译，北京：化学出版社，2007年，ISBN 0-471-78492-3第15章、第290页——第294页)，在某一散射角上给定接收孔径内被探测气溶胶的散射光功率Pn为

$P_n=C_n\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(d\right)P_{\mathrm{\λ}}(d,\mathrm{\λ},m)\mathrm{dd}---\left(1\right)$

其中

C_n为气溶胶的质量浓度；f(d)为粒径分布函数；P_λ(d,λ,m)为单个粒子米散射光强。由于f(d)通常都是对数正态分布，可用中值粒径d_med和标准差表达，而标准差一般为1.6-1.9，因此f(d)可以近似视作d_med的函数。λ为入射光波长，这里为蓝光波长或红外光波长。m为粒子折射率。由式(1)中散射光功率P_n正比于粒子质量浓度C_n可以看出，蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR与气溶胶浓度成正比关系。

对于具体实施例而言，散射角、接收孔径和蓝光、红外光波长均是确定的，且在同样质量浓度和折射率的气溶胶中，粒子的质量浓度C_n相同，因此蓝光和红外光散射功率的比值R可以简化为：

$R=\frac{P_{\mathrm{BL}}}{P_{\mathrm{IR}}}=\frac{\underset{0}{\overset{\∞}{\text{\∫}}}f\left(d\right)P_{\mathrm{\λ}}(d,{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{BL}})\mathrm{dd}}{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(d\right)P_{\mathrm{\λ}}(d,{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{IR}})\mathrm{dd}}---\left(2\right)$

其中λ_BL和λ_IR分别是蓝光和红外光波长。

显然式(2)是蓝光和红外光散射功率比值R与中值粒径d_med的函数，可用图2的曲线形式表述。对于本实施例而言，蓝光散射角度120度，红外光散射角度为30度时，从根据式(2)得出的R与中值粒径d_med的关系曲线中不难得知，当R＝3.7时，中值粒径约为300nm。

至于判断中值粒径是否小于150nm，本实施例的结果显然为否，则直接进行第三步(如判断结果为是，则需要将接收得到的蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别乘以加权系数150nm/d_med，再进行第三步)。

第三步、将蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR与所设定的对应门限P_BLth、P_IRth进行比较，对各种可能的情况分别处理如下：

(1)当蓝光散射光功率P_BL、红外光散射光功率P_IR分别低于各自对应的预定门限P_BLth、P_IRth进时，返回第一步。

(2)当至少蓝光散射光功率P_BL、红外光散射光功率P_IR之一高于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth时，判断中值粒径d_med是否大于设定的分界值d_medth，本实施例设定为1μm(通常为0.8到1.1μm，可根据使用环境酌情设定)：

如是，则发出相应的干扰提示信号，包括仅红外光散射光功率P_IR大于其预定门限P_IRth，则为大粒子灰尘或水蒸气干扰；蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别大于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth，则为高浓度的大粒子灰尘或水蒸气干扰；

如否，则发出相应的火灾报警信号，包括蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别大于对应的预定门限P_BLth、P_IRth，则为高浓度的火灾烟雾气溶胶；仅蓝光散射光功率P_BL大于对应的预定门限P_BLth，且中值粒径d_med小于一个区分火灾烟雾粒径大小的界限值，本实施例为0.5μm，则为较小粒径火灾烟雾气溶胶；仅红外光散射光功率P_IR大于对应的预定门限P_IRth，且中值粒径介于0.5μm与d_medth之间，则为较大粒径的火灾烟雾气溶胶。

本实施例的预定门限P_BLth、P_IRth分别为P_BLth＝4V，P_IRth＝2.5V，由于蓝光散射光功率P_BL＝4.1V大于对应的预定门限P_BLth和红外光散射光功率P_IR＝1.1V小于对应的预定门限P_IRth，而中值粒径d_med＝300nm小于设定的d_medth＝500nm，因此最终输出的是小粒径火灾烟雾气溶胶。

蓝光可以采用波长为280-490nm的紫外至蓝光光源，红外光可以采用波长为830-1050nm的光源。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，也可以采用R的倒数，即判断气溶胶中值粒径d_med。

再如，采用蓝光散射光功率在不同时段差值和红外光散射光功率在不同时段差值即变化的比值，获得气溶胶中值粒径。其中不同时段可以选择在无火灾烟雾气溶胶存在时与有火灾烟雾气溶胶存在时的两个时段。例如，当无火灾烟雾气溶胶存在时蓝光散射光功率为P_BL0，红外光散射光功率为P_IR0，有火灾烟雾气溶胶存在时蓝光散射光功率为P_BL，有火灾烟雾气溶胶存在时红外光散射光功率为P_IR，则采用：判断气溶胶中值粒径d_med。

凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、接收到气溶胶以蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR反映的相应散射信号后，按下式计算蓝光和红外光散射功率比值R：

$R=\frac{P_{\mathrm{BL}}}{P_{\mathrm{IR}}}$

式中P_BL为蓝光散射光功率，P_IR为红外光散射光功率；

第二步、根据蓝光和红外光散射功率比值R与气溶胶中值粒径d_med的关系确定中值粒径d_med；

第三步、将蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR与所设定的对应门限P_BLth、P_IRth进行比较：

当蓝光散射光功率P_BL、红外光散射光功率P_IR分别低于各自对应的预定门限P_BLth、P_IRth进时，返回第一步；

当至少蓝光散射光功率P_BL、红外光散射光功率P_IR之一高于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth时，判断中值粒径d_med是否大于设定的分界值d_medth；如是，则发出相应的干扰提示信号；如否，则发出相应的火灾报警信号。

2.根据权利要求1所述基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于：所述第三步中，发出相应的干扰提示信号包括仅红外光散射光功率P_IR大于其预定门限P_IRth，则提示为大粒子灰尘或水蒸气干扰；蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别大于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth，则提示为高浓度的大粒子灰尘或水蒸气干扰。

3.根据权利要求2所述基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于：所述第三步中，发出相应的火灾报警信号包括蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别大于对应的预定门限P_BLth、P_IRth，则报警为高浓度的火灾烟雾气溶胶；仅蓝光散射光功率P_BL大于对应的预定门限P_BLth，且中值粒径d_med小于一个区分火灾烟雾粒径大小的界限值，则报警为较小粒径火灾烟雾气溶胶；仅红外光散射光功率P_IR大于对应的预定门限P_IRth，且中值粒径介于所述区分火灾烟雾粒径大小的界限值与d_medth之间，则报警为较大粒径的火灾烟雾气溶胶。

4.根据权利要求3所述基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于：所述第二步之后，还判断中值粒径是否小于150nm；如否，则直接进行第三步；如是，则将接收到的蓝光散射光功率P_BL和红外光散射光功率P_IR分别乘以加权系数150nm/d_med，再进行第三步。

5.根据权利要求4所述基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于：所述蓝光采用波长为280-490nm的光源，所述红外光采用波长为830-1050nm的光源。

6.一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、接收到气溶胶以不同时段蓝光散射光功率和红外光散射光功率反映的相应散射信号后，按下式计算蓝光和红外光散射功率比值R：

$R=\frac{P_{\mathrm{BL}}-P_{\mathrm{BLO}}}{P_{\mathrm{IR}}-P_{\mathrm{IRO}}}$

式中P_BL和P_BLO分别为第一和第二时段蓝光散射光功率，P_IR和P_IRO分别为第一和第二时段红外光散射光功率；

第二步、根据蓝光和红外光散射功率比值R与气溶胶中值粒径d_med的关系确定中值粒径d_med；

第三步、将对应时段的蓝光散射光功率和红外光散射光功率与所设定的对应门限P_BLth、P_IRth进行比较：

当对应时段的蓝光散射光功率、红外光散射光功率分别低于各自对应的预定门限P_BLth、P_IRth进时，返回第一步；

当至少对应时段的蓝光散射光功率、红外光散射光功率之一高于其对应的预定门限P_BLth、P_IRth时，判断中值粒径d_med是否大于设定的分界值d_medth；如是，则发出相应的干扰提示信号；如否，则发出相应的火灾报警信号。

7.根据权利要求6所述基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法，其特征在于：所述第一时段为无火灾烟雾气溶胶存在时段，所述第二时段为有火灾烟雾气溶胶存在时段。

8.根据权利要求1至7任一所述基于双波长散射信号的气溶胶粒径传感方法在火灾烟雾探测中的应用。