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专利名称：针对干粉剂的传感器头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对基于干粉的制剂进行测量的测量系统。
技术背景
为了验证交通工具(例如，航空器)携带的干粉灭火系统是否合格，将制剂释放 到所保护的空间、并且分析器同时记录下所保护的空间的各个区中的灭火剂的量。灭火 剂的量必须高于某种预先设定的水平，该预先设定的水平已被确立为足以在一定时间内 同时扑灭所有区中的所有可能的火。
分析器必须被校准并且可追踪，从而使得分析器输出能证实干粉灭火系统能够 扑灭所保护的空间内的任何火。已知系统都不能够既测量出气溶胶云(aerosol cloud)灭 火剂的浓度、又进行校准以便针对航空器干粉灭火系统检验测试而测量出灭火剂浓度。发明内容
根据本发明的示例性方面的干粉剂的传感器头包括一种沿光传播的轴线加以限 定的壳，该壳限定了与该轴线横交/垂直、并且与沿该轴线的测量空间相连通的多重 孔。该多重孔中的每个限定了一种沿该轴线的纵向长度，且该纵向长度小于围绕该轴线 限定的横向长度。反射镜位于该壳内，用于反射穿过该测量空间的光。
根据本发明的示例性方面的干粉剂的校准系统包括粉碎机(powderizer)校准柱。 传感器系统包括至少部分位于粉末校准柱内的至少一个传感器头，该至少一个传感器头 具有沿光传播所沿循着的轴线而加以限定的壳，该壳限定了与该轴线横交/垂直、并且 与沿该轴线的测量空间相连通的多重孔。该多重孔中的每个限定了一种沿该轴线的纵向 长度，且该纵向长度小于围绕该轴线限定的横向长度。该壳内的反射镜反射穿过该测量 空间的光。光源将光传送至该测量空间内。接收器用以接收在该测量空间内从该反射镜 反射的光。控制系统与该光源和该接收器相连通。
根据本发明的示例性方面的干粉剂的测量系统包括一种受保护结构测试固定装 置。传感器系统包括至少部分位于受保护结构测试固定装置内的至少一个传感器头，该 至少一个传感器头具有沿光传播所沿循着的轴线而加以限定的壳，该壳限定了与该轴线 横交/垂直、并且与沿该轴线的测量空间相连通的多重孔。该多重孔中的每个限定了一 种沿该轴线的纵向长度，且该纵向长度小于围绕该轴线限定的横向长度。该壳内的反射 镜反射穿过该测量空间的光。光源将光传送至该测量空间内。接收器用以接收在该测量 空间内从该反射镜反射的光。控制系统与该光源和该接收器相连通。


基于下文的对所披露的非限制性实施例的详细描述，本领域技术人员将清楚各 种特征。伴随详细描述的附图能够被简要地描述如下
图1是具有针对干粉剂的粉碎机校准柱(PCC)的一种测量系统的示意图2是安装在代表性受保护结构中的基于粉末的化学灭火剂的传感器系统的示 意图3A是针对干粉剂的粉碎机校准柱(PCC)的示意图3B是与粉碎机校准柱(PCC)相连通的粉末进料器系统和气体分布系统的示意 图3C是粉碎机校准柱(PCC)内的传感器头的透视图4A是针对干粉剂的传感器头的分解图4B是图4A的传感器头的放大透视图4C是安装有夹具附连件的图4A的传感器头的放大透视图4D是传感器头体的纵向截面图4E是传感器头体内的测量空间的示意图4F是传感器头体内的测量空间形成的浓度边界的示意图4G是大致在传感器头体内的测量空间内、在多重孔的每个附近所形成的流线 的示意图4H是在传感器头体内的测量空间内、穿过多重孔的主要颗粒路径的示意图41是与控制系统相连通的传感器头的示意图5是传感器头感测空间的示意图6是具有可能的光路、而没有多重反射的传感器头感测空间的示意图7是针对干粉剂的质量密度浓度(mass density concentration)与透光率之间的经验关系；
图8是流程图，示出了针对期望的干粉剂(例如，气溶胶云灭火剂)的质量密度 浓度与透射率之间的经验关系的测量系统的校准；以及
图9是流程图，示出了位于受保护结构测试固定装置(例如，代表性引擎机舱) 内的传感器头的运行。
具体实施方式
图1示意性示出了用于对基于干粉剂的化学灭火剂进行测量的测量系统20。系 统20通常包括粉末校准柱(PCC) 22、传感器系统M和控制系统26。PCC 22通常用于 校准传感器系统M的传感器，然后传感器系统M安装到例如引擎机舱这样的受保护结构 测试固定装置观中(图幻。应该明白，引擎机舱仅仅是一个非限制性实施例中的一种 代表性结构(在引擎机舱内可以安装基于粉末的化学灭火系统30)并且其它的受保护结构 28(例如，陆地交通工具引擎室、箱或其它结构)将同样从此受益。
参照图3A，PCC 22通常包括粉末进料器系统40、气体分布系统42、观察管 44、测试部段46和粉末收集盒48，其中，在测试部段46内安装了至少一个传感器头 24A(有时候称作粉碎机)。沿Z轴线限定了观察管44、测试部段46和粉末收集盒48。在一个非限制性实施例中观察管44限定出测试部段46，该观察管44的长度在至少一个传 感器头24A之前至少是20个直径从而确保来自粉末进料器系统40的粉末剂和来自气体分 布系统42的惰性气体的均勻分布。这便利了通过传感器头24A执行对于穿过气溶胶云的 光透射的直接测量。
一个非限制性实施例中的粉末进料器系统40包括例如由Acrison，Inc.of Moonachie, NJ, USA制造的螺旋推进器(auger)。粉末进料器系统40限定了干粉剂传送进入观察管44内的速度。
气体分布系统42传送惰性气体(在一个非限制性实施例中包括氮气)以分解并 充分地分散干粉剂。气体分布系统42大致位于粉末进料器系统40的上方并且与之垂直 /横交(图3B)。气体分布系统42限定了惰性气体传送进入观察管44的速度从而在传感 器头24A中接收到已知的干粉剂和惰性气体流，从而使得可以确定出干粉剂浓度与透光 率之间的关系。基于此能够绝对获知干粉剂进料和惰性气体的速度。
粉末收集盒48具有相对大的空间，用于防止粉末剂重新循环回到测试部段46 内。由于气流经由过滤器48F流出，粉末收集盒48还能够防止压力形成/积聚、并且防 止干粉剂气溶胶云的回流。
PCC 22用于针对以单位体积的质量来表示的气溶胶云的浓度而校准传感器头 24A透光率测量。PCC 22的圆筒截面减小了边角效应和其它几何效应。干粉剂刚好在 惰性气体引入口的下方传送进入观察管44 (图3B)。惰性气体的高速射流(jet)穿过粉末 进料器系统40来使得干粉剂与惰性气体流进行湍急混合用以产生气溶胶云，正如通常将 会在气溶胶云灭火剂中那样。基于将干粉剂传送至惰性气体的射流中的过程，能够将干 粉剂团块分解成基本颗粒。这些颗粒与惰性气体相混合形成干粉剂气溶胶云。
气溶胶云在重力作用下在观察管44中向下行进来促进气溶胶云的均勻混合以利 于由传感器头24A(图3C)进行的测量。由于不同大小/粒度的干粉剂的颗粒以不同速 度行进，所以向下流动是必需的。由于下游处每种颗粒大小/粒度的浓度保持恒定，所 以稳定条件下的向下流动形成一种随时间流逝的稳态浓度，以使得传感器系统M能够进 行准确测量。
参照图4A，传感器头24A的一个非限制性实施例提供穿过干粉剂气溶胶云的透 光率测量。每个传感器头24A通常包括壳50和多重孔52，其中，壳50沿轴线S得以限 定，多重孔52与轴线S垂直，光沿光路在壳50内传播(图4B)。传感器头24A通常包 括光源M、检测器56、窗58、镜窗60、反射镜62、端块64、附连件66以及垫圈68A和 68B。
附连件66可以包括法兰端或凸缘端(flanged end)，用来接纳夹具C或其它附连 件(图4C)。夹具C易于附连在受保护结构观内以定位传感器头24A(图2)。在一个 非限制性实施例中，垫圈68A、68B是导电垫圈以便通过夹具C在窗58、镜窗60、反射 镜62、壳50和附连件66之间形成电接地，从而使得整个传感器头24A接地到受保护结 构观。在这个非限制性实施例中，壳50、端块64和附连件66可由导电材料(例如，涂 覆铬化剂(alodine)的铝)形成。由于传感器头24A接地，所以能够防止在窗58和镜窗 60上积聚静电，由此最小化了对干粉剂的吸引。替代地或补充地，窗58和镜窗60可以 包括抗静电涂层并且可以是相对较薄的。在一个非限制性实施例中，每个的厚度均小于6Imm(0.04英寸)。这种厚度最小化了变形并且减小了原本会吸引干粉剂的静电。
响应于端块64螺纹连接至壳50以及附连件66螺纹连接至壳50，垫圈68A和 68B用作相应窗58和镜窗60的衬垫/缓冲件。S卩，端块64和附连件66螺纹连接到壳 50内以允许实现拆卸和接近窗58和镜窗60以进行清洗或其它维护。这种螺纹接合还便 利了窗58、镜窗60和反射镜62的轴向对齐，从而使得光源M将总是重复聚焦在反射镜 62上的同一点上以确保响应于端块64和附连件66螺纹连接到壳50内而进行对齐。也就 是说，光学对齐是设计中不可或缺的部分。
响应于端块64和附连件66螺纹连接到壳50内，各台肩70A和70B (图4D)分 别与窗58和镜窗60相邻接。台肩70A和70B还促成了组件的长度可重复性，从而使得 光源M与反射镜62之间的距离是可重复的。应该明白，还可以作为替代或者补充而提 供用于进行校准和结合的各种垫圈、O形环、密封件、中性密度过滤器/滤光器。
壳50限定了测量空间72，测量空间72的一部分由多重孔52加以限定。由于螺 纹接口和台肩70A、70B布置，即使发生了在受保护结构观中常见的温度变化、冲击震 动和振颤的过程中，测量空间72仍紧密地保持在光源M与反射镜62之间。
多重孔52通常是直线的并且与轴线S横交或垂直。在一个非限制性实施例中， 多重孔52中的每个限定了沿轴线S的纵向长度和围绕轴线S限定的横向长度，其中，该 纵向长度小于该横向长度，从而使得例如横向长度小于10mm(0.39英寸)，更具体地讲， 可以是3mm(0.12英寸)。
参照图4E，由多重孔52部分限定的测量空间72通常是梯形的。多重孔52的 形状和大小易于减少在高流量和湍急环境中的光学污染。测量空间72的形状形成了一个 浓度边界，这本质上在传感器头24A内形成了层流状态的鼓包(图4F)。这由大致在多 重孔52的每个附近所形成的流线加以表示(图4G)。
来自传感器头24A之外的总体流经由多重孔52进入测量空间72以形成层流状 态，从而使得本质上在测量空间72内部不会形成湍流。通过测量空间72的流形成venturi 效应，来从测量空间72牵引出干粉剂。仅仅相对少量的干粉剂可以经由浓度梯度而沉积 在光学器件上。更具体地讲，来自进入测量空间72的总体流的干粉剂的实例颗粒将会要 么以最小矢量变化而流过多重孔52 (A)；经由venturi效应进入腔循环并且被牵引出测量 空间72 (B)；要么从湍急漩涡进入并且撞击光学器件(C)(图4G)。撞击光学器件的干粉 剂的总量相对较少并且通常小于穿过传感器头24A的总量的2%。这不会显著影响浓度 曲线，这是因为将干粉剂沉积到光学器件上的外部湍流是在与浓度测量时间相比更短的 时段期间发生的。
光源M可以包括以650nm进行工作的红光发光二极管(LED)，并且检测器56是 可见光谱光电二极管。光源M和检测器56通过光纤线缆74与传感器头MA相连通，该 光纤线缆74包括多重光纤。在一个非限制性实施例中，32个光纤光学器件与光源M相 连通并且32个光纤光学器件与检测器56相连通。这些光纤光学器件可以利用SMA905 连接74C捆绑在一起以形成光纤线缆74连接，用于附连到壳50内。
每个传感器头24A基于遮光原理进行工作。光从光源M通过光纤线缆74的多 重光纤光学器件进行传播，穿过透明窗58，进入与孔52连通的测量空间72，从反射镜62 进行反射并且通过光纤线缆74的多重光纤光学器件进行传播。窗58大致与反射镜62相对着，从而使得光两次穿过测量空间72 (S卩，从窗58穿过测量空间72，由反射镜62进行 反射然后穿过测量空间72、并且经由窗58和光纤线缆74进入检测器56)。检测器56向 控制系统26输出与光强成比例的一种模拟信号(图41)。光强与测量空间72中的干粉剂 颗粒的浓度成函数关系而变化。传感器头24A与热电偶、压力变换器、应变计、或信号 强度与所测量现象直接相关的其它仪器不同。
传感器系统M的每个传感器头24A与控制系统沈相连通，控制系统沈启动系 统20的操作并且控制从传感器头24A进行数据采集。在一个非限制性实施例中，以1到 IOOOHz的变化频率针对最大30000个全部点来采集数据。最大采集时间是30000除以采 集率(在IOOHz的情况下是300秒)。应该明白，控制系统沈还可以利用其它的数据采集率。
应该注意计算装置能够用于执行例如可归于控制系统沈(图41)所属的各种功 能。在硬件架构方面，这种计算装置可以包括经由本机接口进行通信耦合的处理器、存 储器、以及一个或多个输入和/或输出(I/O)装置接口。该本机接口例如能够包括但不 限于一个或多个总线和/或其它有线或无线连接。该本机接口可以具有能进行通信的附 加元件(为简化而省去)(例如，控制器、缓冲器(高速缓存器)、驱动器、转发器和检测 器)。另外，该本机接口可以包括地址、控制和/或数据连接，以使得能够在上述的组件 之间进行恰当通信。
该处理器可以是用于执行软件(特别是存储在存储器中的软件)的硬件装置。该 处理器可以是定制或商购的处理器、中央处理器(CPU)、与计算装置关联的若干处理器 之中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(呈微芯片或芯片组的形式)或者用于执行软 件指令的大概任何装置。
该存储器可以包括易失性存储器元件(例如，随机访问存储器(RAM，例如 DRAM、SRAM、SDRAM、VRAM等等))和/或非易失性存储器元件(例如，ROM、硬盘驱动器、磁带、CD-ROM等等)中的任何一个或者组合。另外，该存储器可以包括 电子、磁、光学和/或其它类型的存储介质。注意该存储器还能够具有一种分布式架 构，其中，各种组件彼此远离而置但能够由处理器进行访问。
存储器中的软件可以包括一个或多个独立程序，这些独立程序的每个包括用于 执行逻辑功能的顺序列出的可执行指令。作为软件而实现的系统组件还可以解释为源程 序、可执行程序(目标代码)、脚本或者包括着待执行的一组指令的任何其它实体。当构 建为源程序时，经由编译器、汇编器、解释器等等(可以包括在也可以不包括在存储器 内)来翻译该程序。
可联接到系统I/O接口的输入/输出装置可以包括输入装置(例如但不限于键 盘、鼠标、扫描仪、麦克风、摄像头、接近装置(proximitydevice)等等)。另外，输入 /输出装置还可以包括输出装置(例如但不限于打印机、显示器等等)。最后，输入/输 出装置还可以包括既作为输入又作为输出而进行通信的装置(例如但不限于调制器/解调 器(调制解调器；用于访问另外装置、系统或网络)、射频(RF)或其它收发器、电话接 口、桥接器、路由器等等)。
当计算装置进行工作时，处理器能够被配置来执行存储在存储器中的软件，与 存储器进行往来的数据通信，以及根据该软件而一般性控制计算装置的操作。存储器中的软件(整体地或部分地)由处理器进行读取，或许在处理器内进行缓冲，然后加以执 行。
参照图5，传感器头24A直接测量透过干粉剂气溶胶云的透光率，这能够经由经 验或理论关系而与空间质量密度浓度直接相关。
干粉剂气溶胶云进入测量空间72，并且穿过从光纤线缆74向反射镜62行进并且 返回到检测器56的光。当干粉剂气溶胶云穿过光时，传播的全部光与气溶胶云的浓度成 比例下降。反射镜62是凹面镜并且将光聚焦返回到光纤线缆M。
参照图6，示意性示出了代表性的光路。由于返回的光量不明显，则已忽略了在 第一污垢层之外的物体的反射。检测器56接收到的光强是路径1、IB和2以及来自背景 的杂散光的总和。在路径1中，接收到由窗58反射的光的一部分。如果在窗58上存在 着污垢层，则路径IB出现，并且必须传送穿过窗58两次。
在路径2中，光必须两次穿过每个窗58和60、每个污垢层、测量空间72，于是 从反射镜62反射。假设反射镜62反射这些计算中的所有光。窗58和60具有相同的属 性。
在没有污垢层的情况下，传感器头24A输出能够表达如下
I = fwl P WIS+ τ w4 τ cl2 τ ν2 τ c22Is+I ①方程 1
在测试之前，通过采用非反射介质来阻挡反射镜62从而使得仅仅测量到窗58反 射的光和环境光，则将τ ν设置为0能够测量到受阻的输出。
Ibl = L1PwIjIoo 方程 2
当τν是1时(g卩，在测量空间内没有气溶胶云、并且光能够由反射镜反射回到 光源)找到基准值。针对所测量到的受阻值进行代入
Iref= τ w4 τ cl2 τ/[s+Ibl 方程 3
通过将方程3和方程2代入方程1，测试过程中穿过感测空间的双通透光率能够 表达如下
权利要求
1.一种用于干粉剂的传感器头，包括壳，沿光传播的轴线加以限定，所述壳限定与所述轴线横交并且与沿所述轴线的测 量空间连通的多重孔，所述多重孔的每个限定出沿所述轴线的纵向长度，所述纵向长度 小于围绕所述轴线限定的横向长度；以及反射镜，位于所述壳内，用于反射穿过所述测量空间的光。
2.根据权利要求1所述的传感器头，其中，由所述多重孔限定的所述测量空间是大致 梯形的。
3.根据权利要求1所述的传感器头，还包括端块和螺纹连接至所述壳内的附连件。
4.根据权利要求3所述的传感器头，还包括光源，用于经由通过所述附连件进行通信 的光纤线缆而将光发送至所述测量空间内。
5.根据权利要求4所述的传感器头，还包括与所述反射镜相对着而安置的透镜，所述 透镜保持在所述壳内的台肩与所述附连件之间。
6.根据权利要求5所述的传感器头，还包括与所述反射镜相邻而置的反射镜透镜，所 述反射镜透镜保持在所述壳内的台肩与所述端块之间。
7.根据权利要求1所述的传感器头，其中，所述多重孔的每个沿所述轴线小于 IOmm0
8.根据权利要求1所述的传感器头，其中，所述多重孔的每个沿所述轴线是3mm。
9.一种用于干粉剂的校准系统，包括粉碎机校准柱；传感器系统，包括至少部分位于所述粉碎机校准柱内的至少一个传感器头，所述至 少一个传感器头包括壳，沿光传播的轴线加以限定，所述壳限定与所述轴线横交并且与沿所述轴线的测 量空间连通的多重孔，所述多重孔的每个限定出沿所述轴线的纵向长度，所述纵向长度 小于围绕所述轴线限定的横向长度；反射镜，位于所述壳内，用于反射穿过所述测量空间的光；光源，将光传送至所述测量空间；接收器，用以接收所述测量空间内从所述反射镜反射的光；以及控制系统，与所述光源和所述接收器进行通信。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统经由附连到所述壳的一种光纤 线缆而与所述光源和所述接收器进行通信。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统可操作以针对干粉剂而确定出 质量密度浓度与透光率之间的经验关系。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统可操作以校准所述至少一个传 感器头。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统可操作以校准所述至少一个传 感器头的透光率测量与干粉剂的气溶胶云的质量密度浓度的比。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制系统可操作以在所述粉碎机校准柱 内校准所述至少一个传感器头的透光率测量与以每体积的质量为单位的干粉剂的气溶胶 云的浓度的比。
15.—种用于干粉剂的测量系统，包括 受保护结构测试固定装置；传感器系统，包括至少部分位于所述粉碎机校准柱内的至少一个传感器头，所述至 少一个传感器头包括壳，沿光传播的轴线加以限定，所述壳限定与所述轴线横交并且与沿所述轴线的测 量空间连通的多重孔，所述多重孔的每个限定处沿所述轴线的纵向长度，所述纵向长度 小于围绕所述轴线限定的横向长度；反射镜，位于所述壳内，用于反射穿过所述测量空间的光； 光源，将光传送至所述测量空间；接收器，用以接收所述测量空间内从所述反射镜反射的光；以及 控制系统，与所述光源和所述接收器进行通信。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制系统可操作以测量所述受保护结构 测试固定装置内的干粉剂的气溶胶云的浓度。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述受保护结构测试固定装置是汽轮引擎机舱。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述受保护结构测试固定装置是汽轮引擎机舱。
全文摘要
根据本发明的示例性方面的干粉剂的传感器头包括沿光传播的轴线加以限定的壳，该壳限定与该轴线横交并且与沿该轴线的测量空间连通的多重孔。该多重孔的每个限定的沿该轴线的纵向长度小于围绕该轴线限定的横向长度。反射镜位于该壳内，用于反射穿过该测量空间的光。
文档编号G01N15/06GK102023126SQ20101029306
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月22日
发明者A·吉尔达里, D·L·西巴卢克, S·艾尔斯 申请人:基德科技公司