专利名称：探测火焰的方法及实施该方法的火焰报警器的制作方法
发明涉及一种通过火焰辐射的强度变化来探测火焰的方法，其中，处于一个确定的频带之外的信号被测定为干扰信号。
这类方法利用火焰在很低频的振荡范围内的典型闪烁作为由火焰辐射和干扰辐射之间的区别特征。在最简单的情况下，频带的确定是通过设在用于放射的辐射的传感器之前的滤波器或通过设在滤波器之后的选频放大器进行的，在这两种情况下，得到一个确定的、譬如5～25赫兹的通带范围。纵使频带与火焰的闪烁理想地协调一致，仍往往有干扰和误显示，因为在通带范围中会一再地产生偶然出现的外界辐射引起的强度变化。这种强度变化譬如可通过振动的或慢速运动的物体的遮暗或反射、通过阳光在水面上的反射或通过闪光的或摆动的光源造成。
在us-A-3,739,365中描述了一种本文开始所述的类型的方法，其中，改进对干扰光的不敏感性的措施在于，应用具有不同的光谱灵敏度的两种类型的传感器并在一个确定的、低频的振荡范围内形成了传感器输出信号的差别。
实践经验表明，受其它辐射光源影响的可能性和据此出现误报警的概率还是相当大的，因为不能杜绝在临界频率范围内出现干扰辐射。基于这种原因，在新式的火焰报警器中，临界频率范围限定在少量的、很窄的频带上。譬如在一种在us-A-4,280,058中描述的火焰报警器中，只限定波长范围约4.4微米，即二氧化碳燃烧时的典型光谱范围的辐射，但是这仍不能排除一个恰恰在该光谱范围内出现的干扰辐射导致的误报警。
发明的任务在于提供一种本文开始所述类型的方法，该方法可明确无误和可靠地鉴定并从而排除干扰辐射并据此具有高的防误报警可靠性，并且该方法还可得到极其广泛的应用。
按照本发明，解决以上任务的技术方案在于，分析辐射的频率并从中得出中心频率和截止频率，并按照周期和非周期信号区分这些频率，并且把具有高于第一频率值的周期信号和具有高于第二频率值的非周期信号确定为干扰信号，其中，第一频率值是通过一个稳定的、其大小相当于待探测的最低小火焰的闪烁频率确定的，选定第二频率值大于第一频率值。
本发明的方法从以下事实出发，即一方面，每个火焰可具有两个状态，一个是稳定状态。一个是似稳定状态，在火焰稳定地并且不受干扰地燃烧(所谓周期火焰)的情况下，通常出现稳定状态，在火焰不稳定地燃烧(所谓非周期火焰)的情况下，通常出现似稳定状态，另一方面，周期火焰具有一个带一明显频率尖峰的频谱，而非周期火焰具有一个带一最大频率或截止频率的、宽带的频谱。
可能存在的干扰辐射源的情况是类似的诸如焊接设备或通过树叶投下的阳光这样的干扰光源，这些干扰源具有一个很宽的傅里叶频谱，还存在诸如点燃的灯或通过风扇运动产生的热风这样的干扰源，这些干扰源具有一个窄的频率尖峰。
上述事实构成了本发明赖以认识的基础。这种经过实验研究证实的认识在于，一个周期火焰的频率约为一个同样大小的非周期火焰的截止频率的三分之一至二分之一。从这一认识出发，既为周期信号，又为非周期信号确定了抑制干扰信号标准。
本发明还涉及一种用以实施上述方法的火焰报警器，具有至少一个用于由火焰辐射的传感器，并具有一个设在至少一个传感器之后的电子处理系统。本发明的火焰报警器的特征在于，电子处理系统具有用以分析接收的辐射和这些辐射的中心频率和截止频率并用以将这些频率与传感器信号相联系的装置。
本发明的火焰报警器的一个优选的实施形式的特征在于，上述装置由一个微处理机构成，该微处理机包括一个模糊控制器。
下面借助一个实施例和附图详细说明本发明。附图所示为
图1表示一个周期火焰和一个非周期火焰的闪烁频率的频谱，图2表示图1所示频谱的截止频率的模糊关系函数的一个例子。
图3是本发明的火焰报警器的方框图。
公知的是，一个火焰的闪烁频率近似地只与火焰直径有关，其中，该关系适用于极不相同的燃料，例如所有含有碳氩化合物的液体、固体(PMMA)或氦，并且该关系在火焰直径为1厘米至100米的的情况下得到实验证实。如果人们要确定火焰的傅利叶频谱，则得到两种型式的频谱之一，或者是一个具有明显的、窄的尖峰的频谱，或者是一个没有尖峰的、宽带的、“模糊的”频谱。这两种型式的频谱示于图1，其中，横座标为频率ω，纵座标为振幅F(ω)。
用实线绘出的、具有明显的尖峰的频谱有一个中心频率ωmp和一个上截止频率ωgp其中ωgp≈ωmp…………………(式1)这种型式的频谱是一个不受干扰的和稳定燃烧的、所谓周期的火焰的典型频谱，其中，中心频率ωmp当火焰直径为10厘米时低于5赫兹，并随火焰直径的增大而缓慢减小。用虚线绘出的包络线所表示的宽带频谱同样具有一个中心频率ωmc和一个截止频率ωgc。该宽带频谱是一个处于非稳定状态下的火焰的典型频谱，下面把这种火焰称作非周期火焰。如图所示，宽带的频谱的截止频率ωgc高于周期火焰的中心频率ωmp，即ωgc＞ωmp…………………(式2)如分析大量火焰的傅利叶频谱的结果所表明的那样，如下关系式也适用于截止频率ωgcωgc＜3ωmp……………………(式3)之所以在非周期火焰中出现截止频率ωgc的原因可在于，如果一个火焰不受干扰地燃烧并且处在稳定的状态中，则形成该火焰的对流晶胞按数量和大小而言是稳定的，并且该火焰具有一个恒定的闪烁频率ω1，其中，ω1≈ωmp≈ωgp；但如果该火焰处于外来影响之下，如处于风下，则对流晶胞会分裂或对流晶胞形成有多个晶胞组成的聚合体，其中，为两个过程设定了一个极限。
以上考虑连同式1至3导致了如下结果，即一个非周期的火焰的(宽带的)频谱很可能不包括那些高于一个同样大小的、稳定的火焰的闪烁频率ω0的三倍的频率。并且该闪烁频率ω0在具体的情况下可被计算并因此被假设为已知。计算是按下式进行的 在该式中，K表示一个系数，g表示地心引力，D为火焰的大小，通过一个在其内具有相关大小的火焰的液体燃烧的碗形容器的直径表示。K和g可合而为一并得出求得ω0的如下关系式 在碗的直径为0.1米时，从式5中得出的ω0值为4.7赫兹。如果测量闪光频率，则得出的ω0值低于4.7赫兹。
为了调整报警器，首先确定待探测的火或燃烧的最小直径。如果该最小直径譬如为10厘米，则一个周期火焰的频率ωmp≈ωgp低于5赫兹并且一个同样大小的非周期火焰的极限频率肯定不高于15赫兹。然后确定周期干扰信号和非周期干扰信号的两个极限值G1和G2；周期干扰信号的极限值G1按照式2，G1＞ωmp，即约为5赫兹，并且非周期干扰信号的极限值G2按照式3，G2＞3ωmp，即约为15赫兹。
在运行中，分析报警器的传感器产生的信号的周期性并分为两个类别，即周期性或非周期性中的一种，分别与相关的极限值G1或者G2比较并在超过极限值时被评定为干扰信号。对信号的周期性或非周期性的分析譬如是这样进行的，即通过极限频率减去中心频率形成差值并且该差值被极限频率除，如果商数为一位数，则为一个非周期信号；如果该商数明显小于1，则为一个周期信号。
传感器信号的参数化是通过确定如下三个量进行的平方信号Xi2(Xi2=ΣXi2,i:1···10)]]>
傅利叶频谱的中心频率ωm(ωm＝ωmp)傅利叶频谱的截止频率ωg(ωg＝ωgc)原则上可借助如下准则对第一种信号进行评定·平方信号必须超过一个确定的最低值，以便评定得以开始。
·分析并确定信号的周期性和非周期性。
·抑制所有的、具有一个中心频率ωm＞G1(G1＞ωmp)的周期信号。
·抑制所有的、具有一个截止频率ωg＞G2(G2＞3ωmp)的非周期信号。
·这种形式的信号评定会保证潜在的干扰信号几乎完全受到抑制并从而保证很高的防误报警安全性。如果借助模糊逻辑进行信号评定，则可使误报警安全性及可靠性得到进一步改进。假设模糊逻辑的基础是已知的(参见譬如H.-J.Zimmermann所著的1991年Kluver Academic出版社出版的“Fuzzy Set Theoryand ist Applications”一书或Cerberus公司的欧洲专利申请94113876.0)。这里只需提醒的是，模糊逻辑的中心概念是模糊集合或模糊量，其中，元素对一个模糊集合的关系是通过关系函数或元数函数定义的。在精确量中，1意味着隶属，零意味着非隶属，而在模糊集合中，不仅允许零和1做为关系函数的值，而且还允许零和1之间的任意的数值做为关系函数的值。
把精确的数转换成模糊量称作模糊化。在模糊化时，每个输入变量，即前述信号之一，都至少有一个以矩阵反映出来的关系函数。该函数的x标度在具体的信号中有一个对应值，并且y标度与真值或与具体内容的近似度相对应并可假设零至1的任何值。
图2示出的是，在较高的、经计算的极限值的基础上，在火焰直径为10厘米的情况下，对截止频率ωg的关系函数进行定义的一个举例。对傅利叶频谱的平方信号Xi2和中心频率ωm相类似的关系函数进行了定义，并且列出了用于评定这三个量的模糊规则。模糊规则举例如下·如果[(ωg－ωm)/ωg＝大，并且ωg＝小或中，并且Xi2＝大]，则为火焰。
·如果[(ωg－ωm)/ωg＝大，并且ωg＝大，并且Xi2＝大]，则为宽带干扰物。
·如果Xi2＝小，则为正常状态。
·如果[(ωg－ωm)/ωg＝小，并且ωg＝小，并且Xi2＝大]，则为火焰。
如果[(ωg－ωm)/ωg＝小，并且ωg＝中或大，并且Xi2大，则为周期的干扰物。
对频率ωm和ωg的确定可用一个快速的傅利叶转换(FFT)或用更简单的和/或更快的方法，如确定过零点或确定尖峰之间的间距或子波分析或频谱分析的方法(参见M.Kunt所著Traitement Numérigue des Signaux，Presses PolytechniguesRomandes)进行。
众所周知，火焰报警器探测可能着火地点的火焰幅射，其中，是一个热辐射并从而是一个红外辐射的该火焰辐射通过直接的或间接的辐射到达报警器。报警器一般包括两个热电传感器，这两个传感器对两个不同的波长敏感。第一传感器对特性为CO2频谱范围4.1至4.7微米内的、红外激活的、在烧损含有碳的物质时生成的火焰气体起反应，第二传感器测量处于波长范围5至6微米内的红外能，该红外能是由干扰源，如阳光、人造光或热幅射器放射的。
图3示出了一个本发明的火焰报警器的极其简化的方框图。该火焰报警器主要由一个对红外敏感的传感器1、一个放大器2和一个包括一个模拟/数字转换器的微处理机或微控制器3构成。一个滤波器4设在具有一个阻抗变换器的传感器1之前。该滤波器4只让来自前述特性的CO2频谱范围的辐射通过，特别是让4.3微米波长的幅射通过。撞击到传感器1的该波长的幅射在该传感器的输出端生成一个相应的电压信号，该电压信号在放大器2中放大后到达微处理机3中并在其中被处理。该微处理机确定三个量，即平方信号Xi2、中心频率ωm和截止频率ωg并对这三个量进行处理，其中，可用前面提到的第一种方式或借助一个模糊逻辑对信号进行处理。
在后一种情况下，微处理机(微控制器)3包括一个模糊控制器，该模糊控制器公知地包括一个具有前面述及的模糊规则的规则库和一个推理机。火焰报警器当然也可具有一个以上的传感器，譬如两个传感器。
以上描述的火焰报警器的优点在于，分析闪烁频率的周期性和求得中心频率及截止频率并用此两频率与两频率值G1和G2比较为区别有用辐射和干扰辐射提供了一个简单的标准。借助模糊逻辑对信号进行处理还有另一优点，即能采用比较简单的算法，据此，可使计算机和存储费用保持在低的范围内。
权利要求
1.一种通过分析由火焰辐射的强度变化来探测火焰的方法，其中，处于一个确定的频带之外的信号被评定为干扰信号，其特征在于，分析辐射的频率并从中得出中心频率和截止频率(ωmp，ωmc；ωgp，ωgc)，并按照周期的和非周期的信号区分这些频率，并且把具有高于第一频率值(G1)的周期信号和具有高于第二频率值(G2)的非周期信号评定为干扰信号，其中，第一频率值是通过一个稳定的、其大小相当于待探测的最小火焰的闪烁频率确定的，选择第二频率值大于第一频率值。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定第一频率值(G1)，计算出一个上述最小的稳定火焰的闪烁频率，并且选择第一频率值，该第一频率值大于以上闪烁频率。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，第二频率值(G2)不小于所述闪烁频率值的三倍并据此，选择出的第二频率值(G2)约为第一频率值(G1)的三倍。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，为了区别周期的和非周期的信号，截止频率减去中心频率(ωg－ωm)得出的差被截止频率(ωg)除得出商数，并且该商数的大小被用作评定信号的周期性或非周期性的标准。
5.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，分析辐射的频率是通过快速傅利叶转换、通过确定过零点或通过频谱分析进行的。
6.一种用来实施权利要求1所述的方法的火焰报警器，具有至少一个用于由火焰辐射的传感器(1)和一个设在至少一个传感器之后的电子处理装置，其特征在于，电子处理装置具有用以分析接收的辐射和该辐射的中心频率和截止频率(ωmp，ωmc；ωgp，ωgc)并用以将以上频率与传感器信号相联系的装置。
7.按照权利要求6所述的火焰报警器，其特征在于，上述装置是由一个微处理机(3)构成的，并且该微处理机包括一个模糊控制器。
8.按照权利要求7所述的火焰报警器，其特征在于，模糊控制器包含如下一个或多个模糊规则·如果传感器信号小，则正常状态，·如果[信号不是周期的并且截止频率(ωgc)小或中，并且传感器信号大]，则为火焰，·如果[信号不是周期的并且截止频率(ωgc)大并且传感器信号大]，则为宽带干扰物，·如果[信号是周期的并且截止频率(ωgp)小并且传感器信号大]，则为火焰，·如果[信号是周期的并且截止频率(ωgp)中或大，并且传感器信号大]，则为周期干扰物。
全文摘要
由分析火焰辐射的强度变化可探测火焰，分析辐射的频率并从中得出中心频率和截止频率(ω
文档编号G08B17/02GK1132889SQ9512089
公开日1996年10月9日 申请日期1995年12月19日 优先权日1994年12月19日
发明者M·P·普拉德 申请人:塞比卢斯有限公司