微粒检测器的制作方法

专利名称：微粒检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于,检测的装置和方法，包括微粒的监视，并涉及管 道系统。
背景技术：
在4艮多情况下，Wi的存在至少是一种损害，并且最坏甚至是灾难性 的或违法的。微粒可以将杂质携带到不期望其存在的地方。这种地方包括 工业车间和包含空^t量监视的环境。例如，在发电站中，进入涡轮入口中的微粒必需保持最少，以便减少 涡轮叶片上的微粒沉积；这种沉积必须清除，通常是用水喷洗，否则，如 果不执行，就导致涡轮性能的降低和最终具有明显破坏结果的叶片碎裂。 在两种情况下，发电时间都减少。上面所给示例中的无微粒状况应存在于气体、通常是空气iiA^目关区 域的入口中。然而，,不应当通过区域的出口而被排出。例如，来自电 站的废气、包括化工厂处理的工业处理不应当将,排放到大气中。这种 实施是环保不可接受的，并且，,排放必须保持在允许的最大量或法定 的限度之内。在很多发动机系统的设计测试和使用中，排放的,的数量和类型是 发动机效率的函数。包括环境温度和空气压力的很多因素可以影响这个效 率。不充分的运行会是燃料的浪费，会导致损害发动机，使得产生进一步 的低效，以及可能破坏环境、和或发动机系统操作员的健康。所以，为了 优化性能，能够分析发动机的,排放将是有用的。如果实时地运行这种 系统，这也将是有益的。如果这种系统能够反馈到发动机管理系统，使得 允许性能被优化，这将是一种好处。通常，通过一定范围的消除系统的使用来减少1或离开区域的微 粒，所述消除系统通常位于管道中，其中，气体通过所述管道被供应到某 区域或从某区域清除。这类消除系统包括例如过滤器，过滤器、静电除尘
器、湿法捕获器的组合。如果消除系统安装不正确或错误，或者消除系统 恶化时，消除系统在减少通过消除系统的微粒方面的效率就下降。普通的 实践是在给定时段之后更换消除系统，所述给定时段通过可接受的消除系 统的性能的经验而确定。然而，也发现，在那个时段过去之前消除系统可 能灾难性地失效了，并且允许不可接受的微粒通过过滤器系统。例如，当 气流很强或消除系统包含一组过滤器而该组中的一个过滤器过早地失效 时，这就特别成问题。当消除失效是不可接受的时，那么，在到达系统寿命之前，应当更换 消除系统或一个或更多的失效的过滤器。这种缺乏更换可能与下列情况有关 由于其减少了过滤器的适当使用而导致的成本不利。 资源的浪费，并且因此破坏资源。 由于工厂停工期将出现得更频繁导致的成本不利。-在一些情况下，对通过消除系统的微粒和气体的抑制失败的可能性 增加，则对人、或对环境、或对由消除系统保护的处理的风险增加。在消除系统中，经常存在对被排除的微粒的最小尺寸的限制，因为更 小尺寸的,对被保护的处理不会产生问题。因为包括那些无关紧要的微 粒的所有,都被计数，微粒计数或信号综合技术可能因此失效。在很多 应用中，情况进一步复杂，因为那些不应当被分析的微粒可能不具有连续 的、稳定的或已知的级别。它们的结果可能是很多复杂M的函数，并可 能是或显得混乱。例如，花粉通过过滤器是无关紧要的，但是，日久天长， 花粉的变化将4吏得微粒计数或整个阻塞测量变得无用。通过传统手段对整个过滤器失效的分析是有局P艮性的，原因在于损害 已经产生。在失效的开始，通过过滤器的微粒可能仅仅比假定将要被排除 的微粒稍大，而传统手段可能不能分辨失效即将来临。所以，需要在管道的横截面上的、用于检测悬浮在这类管道中的气体 中的微粒的装置和方法。基于定期的,检测也导致管道的连续或定期监 视，以便检测高于其正常零值或低可接受水平的瞬时微粒的存在，而本发 明的装置提供这种便利。在这些管道中，当消除系统有效地工作时， 的正常级别^是零(也就是无微粒的)或是非常低和可接受的水平。本 发明的优选实施例的装置避免了以横截面的小的样品来代表整个横截面 的假设。
当消除系统包括横穿大横截面面积管道而设置的一组过滤器时，就关系到一个特别尖锐的问题。这类管道可以是20平方米的，尽管更典型的 是在5平方米的区域内。例如，可以在发电站的涡^^入口中找到这类过滤 器组，但在其他领域中也很常见。上述的其他m^检测器产生关于管道的整个横截面上的,级别的信息；如果因此发现不可接受的,水平，那 么，必须更换全部消除系统。这种整个更换是昂贵的，并且在一组过滤器 的情况下是不必要的，因为在这组过滤器中可能仅仅一个这种过滤器是失 效的。所以，需要一种,检测器，不但险测管道内不可接受的级别的微 粒，还确定消除系统的何处失效，例如一组过滤器中的哪个过滤器失效并 从而导致不可接受的级别的微粒。然而，由于当在管道中需要维护或运行设备时所遇到的困难，所以， 伴随用于这种环境的,检测器的实施而遇到了微粒问题。发明内容根据本发明，提供了 一种用于检测管道内的气体中的瞬时,的存在的装置，包括(i) 至少一个发光的发射器，能够从管道和外面对管道的基本整个 横截面进行扫描；以及(ii) 至少一个检测器，用于在光束扫射管道的横截面上时检测来自 照明内的任何微粒的照明闪光的存在和位置，其中，该检测器被配置成安 装在管道的外部，并且在投射管道的扫射区的区域之外。通常，这将意味着观测角基本偏离垂直于管道的扫射横截面平面的 方向。这样，针对不能在投射扫射区的区域中设置相机的管道提供了 一种解 决方案。在一些管道中，管道的角度的改变可以使得相W^设置在投射扫 射区的区域中，然而，在很多应用中，这是不现实的。关于管道的横截面的术语"基本上整个"的意思是充分的管道横截面 被照明，这样，就不需要对所选择的管道的横截面部分的采样和,浓度 的近似均匀性的假设，所以，本发明可以在管道的整个横截面上精确而实际地险测微粒的存在。术语"j^上整个"最好要求管道的整个横截面被 照明，但一些空缺是可以容忍的。照明角的范围应当超过管道横截面的50%, 80%更好，最好是卯％。
这样，使用中的观测角基本偏离气体流的方向。所以，本发明的装置和方法不但适用于在气体经过消除系统之后，尤 其是在例如涡轮的、例如分别在工业处理之前和之后的上游入口中或下游出口中iM^测工业处理的入口或出口中的气体中的瞬时,的存在，而且 适用于确定消除系统中哪里存在着允许微粒通过的故障。本说明书中的术语"微粒"的意思是如銜险形式的动物、植物或矿物 质的、 一个或多个散射中心。尤其是，该术语包括大气中存在的、以及工 业处理和发动机内产生的微小的,材料。本说明书中的术语"气体"的 意思是不与消除系统中使用的材料发生显著的化学反应的g气体材料， 尤其是空气。本发明的装置和方法依赖于对被照明的、发光微粒的闪光的检测。术 语"闪光"的意思是来自微粒的亮光的闪烁和闪光。由于发光是来自,的反射，所以闪光可以是在,方向上；至少一些闪光将是在检测器的方 向上。在气体流的区域中，本发明的装置及其方法可以更准确地确定在管 道的"整个横截面上的、气体流中悬浮的微粒。如果接近过滤器的出口 的气体基本呈层状，那么，本发明的装置最^H殳置在层状流的区域中。在 本发明的装置和方法中，检测器与发射光束的同步使得基本只有沿着那条 光束的闪光能够被检测到。其具有的优点是可以检测到光束中的闪光的位 置、并且因此险测消除系统的特定区域、例如过滤器阵列中的过滤器的失 效。另夕卜，从管道的任何其他区域中的微粒产生的闪光不会被检测到，并 且因此不会产生非期望的闪光检测。所以，可以实现过滤器平面阵列中特 定过滤器的故障位置的精确确定。应当理解，在没有,存在的气体中， 发光U本不可见的。本发明的装置将被设置在将气体导入特定区域或从特定区域导出的 入口或出口管道内。所述管道可以是诸如例如导管、烟囱、KLit、通风道、 航空器发动机之类的任何封闭的或半封闭的空间，其中，气体可以通过所 述管道而流动。管道可以由技术领域中的任何已知的合适材料构成。管道 的示例包括金属，典型地，有镀层的或无镀层的(例如电镀的)钢材、 不锈钢、铝；塑性材料，例如刚性或柔性聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃、聚苯 乙烯、低或高密聚乙烯、ABS等等；并且，管道可以是可伸缩的。管道 可以是透明的或不透明的。管道可以;l诸如例如矩形(即方形)、圆形、 椭圆形之类的任何方便的或合适的横截面，并且可以具有横截面可以容纳 发射器和检测器的任何横截面尺寸。尽管发射器输出和检测器灵敏度应
相对管道M进行优化，但是，管道的横截面积相对地不重要，并且，本 发明的装置和方法可以用于任何尺寸或形状的管道。发射器和成检测器可以位于管道的横截面内；然而，当气体的流量非常大时，发射器和检测 器最妤没置在管道的壁上，或贴近管道壁中的窗口 (透光的)，这样，发 射器和检测器就不会减小气体的流量，并且可以减小发射器或检测器的任 何部件脱落并损坏管道或i更备的风险。优选具有从300nm到1.5 n m波长的照明。使用更短波长是有益的， 因为散射最大。微粒的散射效率与光源波长的四次方成反比地增加。然而， 应当选择该波长，以便降低吸^应。在大量水蒸气或水滴存在的环境中， 这可以排除IR和UV照明的使用。除了散射效率，照明必须被检测到，并且，检测器具有波长敏感性。 当使用固态检测器时，通常检测器对光镨的红端更有效率。当使用基于磷 的检测器和电子倍增检测器时，通常检测器对光谱的蓝端更有效率。红外 照明趋向于被认为是比可见/UV激光对眼睛更安全，因为这种照明在视网 膜前强烈地衰减，并且眼睛无法将IR照明聚焦到视网膜上。红外照明具 有一个安全限制，即用户不能容易地观察到光束，并且不知道它的位置 或它的激励状态。当使用基于半导体材料的检测器时，如果将检测器冷却以减小热噪声 是有好处的。由于热物体^LIR辐射，所以，在拍摄热样品时，即M 被冷却的检测器也可能遭受增加的热效应的影响。如果相机包含阻止大于 激光使用的波长的所有IR照明的滤光器是有好处的。如^f目机包含只允 许发射器的波长范围的照明被检测的滤光器是有好处的。所以，本发明不 限于特定的波长或检测器类型。这里可以使用多种源。这些源包括在 633nm到几微米之间的很多波长上可用的激光二极管源。另外，基于钇 晶体(钇铝石榴石和类似材料)的激光可以通过二敗管激光器高效率地泵 浦，并在1000-1100nm区域产生稳定的高功率光束。发射器可以包括谐 波地发生的光源。使用这种技术，YAG激光器可以被用于产生在532nm 到355nm量级的波长的发射。谐波发生是非线性效应，并且，脉冲光源 通常提供更高的效率。另外，发光二极管和超高亮二极管可用于产生在宽 范围的波长上的光源。诸如弧光灯之类的热光源可以用于产生高强度光脉 冲或连续光束。为了使用激光的稳定运行，最好使用偏振的激光光源。为 了使用激光的稳定运行并实现高质量的准直光束，那么，最好只使用单横 模、或主要单横模的激光。准直激光束是被设置成具有最小发散的激光束。 在实践中，用于准直光束的光学器件设置必须非常地稳定，而真正的准直 是不可能实现的。然而，在本领域中公知，在远大于扫描距离的一距离上 聚焦的激光束发出的光束根据本发明可以被认为是准直的。准直光束可以是球形的或非球形的。激光束的形状是激光腔的函数。 二极管激光器的制造方法是提供一个腔体，该腔体发生于电学结处，所以，该腔体关于itiL射轴是不对称的，这样，发射的光束是不对称的，而是椭 圃。通常，这些椭圆具有1:2或更大的纵横比。本发明不限于球形光束， 椭圆的或其他光束形状也可以^吏用。将椭圃的主轴对准流动方向，^吏, 在光束内的时间最大化。将光束的主轴橫向对准气流，4吏在单步中分析的 管道的横截面最大化。可以使用将椭圆光束变为圆形光束的光学器件，但 是，这减弱了总激光强度，并JJft本发明并不产生显著的好处。通过激光的横模特性，可以定义其他激光束形状。单模激光产生最少 的发散，因此产生最优的准直光束。在要求大激光功率的应用中和/或在 使用经济型激光的应用中，可以使用多模激光。通过横模的控制，激光束 可以被设计成发出限定的强度轮廓。 一种这样的模式类型在本领域中被公 知为是大礼帽轮廓(top hat profile),并且，这种模式的优点是照明强 度跨光束直径基本不变，减少了由于光束内的,位置而引起的测量上的 变化。使用准直光束具有的优点是在光束内产生高功率密度。散射是线性现 象，因此更高的功率密度产生更强的散射，并且提高了信噪比。使用准直 光束就可以使用更小的光学器件，从而节省了成本。使用宽准直光束具有 的优点是准直光束的发散反比于光束的直径，因此宽直径光束在远离激 光器的地方分"ft得i^慢，并且减少了图像上的照明的变化。光束尺寸应当针对管道的尺寸进行优化，由于管道越大光束直径越 大，因此发散降低是更可取的。商用激光器经常和激光腔一起制造，其输出能提供接近准直的光束。 标准商用激光的典型直径是在0.5到5mm的范围内。在这个范围内的光 束直径适合大部分管道，但对于更大的管道可以使用光束扩展器(本领域 已知的)来增加光束尺寸。二极管激光器不提供准直输出，可以使用单透镜来限定准直椭圆光 束。减小单透镜的焦距就减小了准直光束直径，且因此可以使用通过改变 一个透镜而允许多个光束直径的激光二极管模块。 包含激光器的发射器可以^沖的，并且在脉冲模式中，峰值能量通 常可以增加，使得总的发射能量不变或甚至通过脉冲而增加。
与微粒被激励多长时间相反，散射是线性效应，并且检测的照明量是 传递到微粒的光量的函数。相机中的热噪声是膝光时间的函数。利用脉沖 激光器，可以(使用反馈回路)减少相机的实际膝光时间，并且因此减少 了热噪声而不带来微粒的散射强度的减小，这是有益的。
通过在短时间中将功率传递到微粒, 仅仅在缩短的飞行#长度 上散射照射，并且这增加了微粒的图像分辨率，并且改进了分析，这是有 益的。在微粒经过期间，激光器必须向m^输入充足的照明，以便将其从热 噪声中分辨出来。脉冲激光器的使用允许激光器在一个单曝光时间中比通常为使用相同平均功率的cw激光器的情况输出更多的光，这是有益的。
激光器可以选择由于它们的内部特性导致的自调制、或通过激光激励或腔品质(腔的品质是^M5域技术人员已知的技术术语)的控制而被外调制。最好使用外调制激光器，这类控制设备可以控制激光器、相机快门和 扫描激光器的装置。
很多激光器是通过以小时计的运行寿命来定义的。通过使用在激光束 的扫描期间和当系统不获取要求的数据时被禁止的调制激光器，可以增加 激光器的寿命，这是有益的。
通过交错测量，可以进一步减少运行。例如， 一幅图像可以由在IOO 个角度的每一个上的很多膝光组成。然而，不必测量4^P100个角度来更 新图像，可以使用波动和交织系统，使得由于每个新角度被分析，其替 换在那个角度的先前的图像部分，并且，使用这个新数据和先前的99个 测量来重新显示和分析图像。当已经检测不到尘埃时，图像可以仅仅由覆 盖测量体积范围的少数角度形成；只有当系统检测到銜险时才切换到^艮多 角度。这允许更快的更新时间，或系统/激光器具有更多的停机时间。可 以包括反馈，这样，只测量特定的角度组，除非检测到微粒，然后系统才 增加那个范围内的扫描的次数。
优选的发射器是激光器。已经发现激光可使微粒产生强烈的闪光，并 且激光设备具有比较长的运行寿命。根据预期的微粒尺寸和要求的光设备 灵敏度可确定适当的激光器输出。尽管在整个光镨中的照明都可以使用， 但在可见光镨的较短端的可见照明、例如532nm是优选的，因为它与例
如在可见光镨的较长端的照明，例如780nm相比更不易受湿汽的干扰。 将单频率发射器与专用于该频率的检测器进行匹配，可以在检测中获得更 大的信噪比和本发明装置的更大的灵敏度。可以在与发射器相对的管道侧 上给管道设置束流收集器来吸收照射、特别是来自激光器的照明，这样， 照射就不会从管道的相对侧反射回来。激光器或激光器后面的光学器件可以包括滤光器，以便滤除不希望的 光。不合要求的照射可以由激光器通过自JOL射而发射，或可以是作为来 自激光器泵浦源的泄漏而发射。滤光器可以包括光学滤光器。滤光器可以 包括空间滤光器。 一个或更多的检测器可以安装滤光器，以^t减少来自所 关心区域外侧的光。 一个或更多的检测器可以安装滤光器，以便减少对可 以产生热噪声的、低于该激光器频率的频率的IR检测。检测器可以包括 偏振滤光器，其可以平行或正交于照明源而偏振。例如，通过固态器件或 Peltier冷却器件可以冷却检测器，以便减少热噪声.检测器可以包括用于 最小化不希望的照射的軍。所述軍可以安装有用于最小化不希望的照射的 阻板。可以控制检测器的焦深，使得在扫描激光的平面内^t射的照射能够比 源自该平面外的照射^L优先检测到。通过小孔、或光團或其他装置的使用， 检测器的光学器件可被设置为使景'3M^—定P艮度内。也可以提供带通滤波器来减少非发射器发出的光照的影响。发射器应 当提供准直的照射光束，通常，光束越窄越好，因为那样对任何闪光的确 定将更准确，并且改善了信噪比。发射器^Li殳置成在管道的整个横截面上步进扫射照射；可以通过使用 例如透镜、反射镜或棱镜来扫射，它们可以通过步进电机、以期望的步进 角度、基本连续的步进移动来移动或旋转。当管道具有大的横截面积时， 最好增加步进的数量。在这种装置中，光照被导到棱镜或反射镜上，用作 扫射的光照；然而，最好是，光照发射器，例如激光器直接附着到步进电 机。尽管最好使用单个光照发射器，但也可以使用多个发射器，特别是， 当管道的横截面几何形状不规则、或管道结构不规则时。通过例如透镜或基本连续的;Wfe运动的反射镜的方式，来自发射器的 光束的;Wfe扫描使得光束通过期望的扫描角度而步进扫射。通常，反射镜 用伺服检流计或步进电机来控制，当要求装置的机械强壮性时，最好采用 步进电机；步进电机的另外的优点是可以使用与发射器光束的位置相关 的信息来屏蔽任何伪信号。这种系统的优点是允许沿光束的长度方向强
度不变(排除任何吸收)，维持高强度，即不同于正常发散的、更小的光 束分散，并且，可以容易地控制诸如扫射角度、扫射率和步进率之类的扫 描参数。通常，尽管根据系统的参数，步进器将自由运行，从而光束的位置是已知的；然而，如果需要的话，光束的位置可以被反馈回来，以便分 析和进一步控制位置。
扫射期间可以是从每秒几十次的扫射到每分钟几次的速率；更长的扫 射时间允许用于非常灵敏的小微粒踪迹检测，因为，在每个位置的更长的 停留时间可允许拍摄更多数目的图像，从而可以增加灵敏度和进行更小微 粒的检测。可以在几秒的时间段上累积小闪光的检测，以便于更大的可靠 性和再现性的微粒测量；通常，在灾难性的消除系统失效事件中，更快的 扫射率允许更快的补救行动。典型的扫射次数将是在每分钟1到20次， 和在每次扫射中1到100个之间的发射器输出，但是，这些参数依赖于发 射器和检测器的灵敏度和预期的微粒。闪光呈现为从检测器的单个输出的检测到的信号光强度的峰值；然 而，如果如所优选的，在每一步中有多个来自检测器的输出，则检测器的 输出将是来自不同,粒子的单个峰值的平均值。该平均值将显得要减小 在每一步中由来自检测器的闪光所引起的总输出，这样，装置中的噪声可 能将基本屏蔽所检测的闪光。因此，在对检测的闪光进行平均时，期望能 减小背景噪声的影响。应当使用至少一个门限装置来减少噪声。噪声可能 由系统的任何部分引起，所述部分包括而不专指检测器系统内的热噪声、 检测器放大器或其他读出装置中的热噪声、由于管道中的热成像而存在的 热噪声、管道内的部件反射的光、二次散射，其中，所述二次^t射是光通 过尘埃粒子^t射，并且然后从管道或管道内的部件^JN"。有多种方式设置门限。
门P艮可以是膝光的区域内的、或在那一步进角度上的所有膝光的区域 内的、或那幅图像内的所有4象素的区域内的所有4象素的平均值。对图像/瀑it/扫描区域使用限定的门限，可允许由于从管道内的尘埃 或部件反射而引起的更亮的图像区域。可以通过应用到瀑光的区域的线性或非线性函数来定义门限值。
所述门限可以根据先前记录的图像来限定。该图像可以是无尘埃存在 时记录的图像。图像可以是当#^存在时的长时间的积分，使得,的效 果被平均显示出来。可以通过很多曝光的求和、或使用单个或较少数目的 长时间膝光来产生长积分时间。可以通过将那个扫描角度的、限定数目的 先前的图傳ii行平均来定义门限，使得门限是稳定的、但又持续地被更新。通过使用比较，门限可用于确定微粒的存在，其中，图像中的相对于 门限值的任何显著变化表明,负荷已经改变。减少门限的另 一方法是通过考虑图像内激光光束的位置。可以应用空间门限，其中只有位于激光束范围内的点被定义为信号，而位于该体系 外的点被认为是噪声。空间门限可以被用于产生量值门限。激光束范围之 外的区域可以被分析，并且可以定义像素值的至少一个M，其可以是峰 值、平均值、中值或一些其他数学定义的值。图像中的所有像素可以被定义为零，只要它们具有低于这种门限的 值。激光束之夕卜的像素也可以被定义为零。这样，在这种情况下，门限依 赖逻辑算子而作用，该逻辑算子定义是乘以0还是1。门限可以包括时间信息。例如，分析可以包括考虑相继拍摄的一系列 曝光中的一个或更多像素的变化，并且其中，当一个像素在大多数曝光中 具有显著的值时，那么，它被认为是由于噪声产生的，然而，如果像素仅 仅在一个或少数曝光中具有显著值时，那么，该信号被认为是由于微粒产 生的。分析可以包括减少一个或多个门限。分析可以包括分析门限的数目。 例如，分析可以考虑在装置安装时定义的历史门限、和由那个扫描角度的先前ioo个膝光定义的门限。以此方式，从安M校准以;su^先前的测量 开始的系统中的变化都可以被分析。分析可以包括笫二门限，此时，在特定步进角度上的、曝光求和之后 的膝光将进一步减少噪声或简化分析。检测器可以是能够检测来自微粒的照明闪光的任何合适的检测器。合适的检测器系统包括例如相机、光电晶体管和pin二极管。合适的相机应 当具有适当的灵敏度和空间分辨率,其中，空间分辨率是像素数目的函数。 检测器可以安装有一个光学滤光器或多个滤光器，这样，例如，滤光器可 以使得照相M照明的窄波长之外不敏感。最好是可以提供单个检测器或 光电晶体管系统，但不排除多个检测器系统。在发射器从一步进位置到下 一步进位置的移动期间，来自检测器系统的输出可以被忽略；这种忽略对 检测没有显著影响。发射器和检测器的相对定位可以被优化，并且依赖于所使用的检测器
的类型。例如，相机现场最好偏离发射器的方向线，以便能够获得被照亮平面的二维图片。然而，如果检测器被设置得临^JL射器，这样，光M 穿管iUL送时，检测的闪光将^Ul射回来(后散射)；然而，关于,的 位置信息不能在两维上确定。使用设置在管道外面的发射器，上面描述的 图^i示扭曲的或歪曲的、管道的二维图像，被称为透视扭曲。为了描绘 从实际消除系统到透视扭曲视图的坐标，可以使用公知的算法(例如 Wolberg， Digital image warping 1990, IEEE计算机科学出版社，1990; Performance Metrics for Robot Coverage Tasks, Sylvia C Wong等人，学 报2002关于机器人和自动化的澳大利亚^i义，奥克兰2002年11月27-29 日，7-12页)。当光束在管道的横截面上扫射时，检测器维持对光束的聚焦；以此方 式，检测器检测从准直光束的每一步进位置产生的闪光。这样，当光M 管道扫射时，来自每个位置的闪光就被检测。根据这样检测到的闪光的信 息，就在记录器上产生跨管道被检测的,微粒的二维图像。于是，这幅 图4象显示出消除系统的那些部分不能阻止微粒的通过。微粒的确定可以包括最终图像的面积的合计、并且可以包括最终图像 内的面积或体积的合计。所述确定可以包括峰值数目的计数。该分析可以 包括J^值的一些^t的分布的产生。所述^lt可以是量值、面积或体积。 所述分析可以包括分布形状的分析。所述确定可以包括进一步的门P艮值，佳L得当 一个或更多定义的M的 特定量改变已发生时，由系统中的实质变化而引起触发。从管道的边缘使用扫描的激光的方法限定了对于理想准直光束，一 次扫描中，由激光传递的总的能量密度随着离激光器位置的距离的平方而 减小。使用准直光束，所有粒子具有相同的入射通量，但是，在较接近激 光器的不同步进角度上存在更大的光束的交迭，使得更多的粒子将被测 量。最好是，所述确定步骤包括根据传递到区域的能量密度而使图像或、 图像结果归一化的步骤。从管道的边缘使扫描的激光成像的方法引起图像中的变形。最好是， 所述确定步骤包括从图像去除或减少变形。最好是，本发明的方法包括设置至少一个校准目标以便允许分析图像 系统的增益的步骤；并且包括根据系统的增益来使瀑光归一化的第二规一 化步骤。最好是，相对于整个图像，这种规一化针对每个扫描角发生。最 好是，相对于所有曝光的总合计时，这种规一化针对每个曝光发生。在本发明中，图4象系统的增益被定义为总增益，并且考虑到了激光波 动、窗口上的污垢、检测器灵歉变变化、以及影响测量的信号量值的任何 改变。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测管道内的气体中的微粒的存在的方法，该方法包括(i)利用来自至少一个光照发射器的照明光束在管道的基本整个横 截面上扫射管道；(ii M吏用至少一个检测器**测来自光束内的任何微粒的照明闪光， 其中检测器安装在管道的外面、并在投射管道的扫射区的区域之外；以及(iii)检测来自微粒的照明的任何闪光，由此可以确定管道中出现的 任何微粒的存在。合适地，所述方法还包括(i) 设置门限水平；(ii) 将在光束的每一步i^M^r测器检测的闪光的水平进行合计；(iii) 记录所检测的闪光，以及(iv) 检测管道中的任何出现的微粒的存在、数量和位置。应当理解，本发明的装置和方法能够被用于多种环境，例如，用于不 同尺寸的管道来检测各种粒子尺寸的,，以及用于管道中的具有一定流 速范围的气体。与本发明相关的>#^当针对每种环境进行优化。通常， 根据本发明，能够检测微粒中的粒子的膝光时间应当被最大化，以便提高 其检测枳^会。可以作出几个一般原则膝光时间应当约与穿itil射器光束的粒子经过时间相同。曝光时间必须能将信号从噪声中区分出来。检测器输出应当被调整，最好通过调整门限，以便去除噪声。通过增加发射器输出功率可以增加检测闪光的可能性，而任何相 关的噪声产生应当被最小化。记录器可以是能够提供有关穿过管道的微粒的信息的任何设备。例 如，记录器可以是任何可视的显示单元，其可以持续足够长时间，以便产 生步进扫射管道横截面的平面位置指示。在另一类型的记录器中，检测器系统提供管道的横截面的X-Y矩阵，该矩阵最好是从其透视扭曲图校正 到管道的坐标。在又另一类型的记录器中，,浓度的可接受性限度可以 被设置成高于该可接受性限度就指示不可接受的#^浓度，例如消除系统 失效。例如，所述失效可以是由于一个或更多消除系统元件的不良性能引 起的。于是，该失效的位置可以被显示在例如工业车间控制面板的LED 或LCD显示器上，和/或伴随例如高音喇叭的告警噪声发生器。在本发明 的又另一个实施例中，记录器可以是激活例如发动机管理系统的、管理系 统的反馈环，以便根据失效来改正性能。另夕卜，根据本发明的优选实施例的装置和方法的使用，当,经过例 如激光时，通过检测器系统可以检测到反射光的小闪动，即闪光。尽管由 于粒子尺寸和折射率的不同(以及光学器件上的任何污垢)，针对每个尘 埃粒子闪光的幅度将会不同，然而闪光的速率和持续时间可以^于确定 微粒流量和,含量。所以，可以记录闪光的速率和持续时间，并且，闪 光的幅度可以是微粒强度的指示。于是，除了确定微粒实际是从哪里经过 消除系统的之外，闪光的速率和持续时间可以通过例如合计来记录，以便 提供管道中,数量的指示。在建立和使用本发明的装置、以及执行本发明的方法时，将管道的 X-Y横截面的矩阵适当地提供在计算机上，并将关于在扫射管道期间的照 明的位置的所记录的闪光的图像*测器提供给该矩阵是方便的。以此方 式，可以获得消除系统图及其阻止微粒通过的效果。最好是，在建立本装 置和使用本方法来险测微粒的存在时，本装置和管道首先应使用在已知无 微粒的情况中，以便可以获得用于比较运行中的结果的基线情况。本发明扩展到在管道系统中引入本装置以及使用本方法。本发明的进一步的特4Mt权利要求中陈述。


现在将参考附图仅仅通过示例的方式描述本发明，其中 图1是根据本发明的、引入检测装置的管道的概略平面图; 图2是图l的细节的透视图； 图3是典型的平面位置的指示器； 图4是#^立的散射的说明；
图5是在一些图像处理之后的图4的图像说明； 图6是被分成10xl0矩阵的消除系统视图； 图7是图6的阵列图；图8和图9是与图7相对应的、^在,流的图。
具体实施方式
图1示出了安装有根据本发明的装置的管道(1)的平面图。消除系 统(2)包括在跨管道整个横截面以蜂窝格式设置一组过滤器。具有20 毫瓦的连续波束、近似2毫米x4毫米的纵横比的准直椭圃光束的激光器 (3) 4^供660nm (红色)波长的光照，其光束(4)穿过消除系统的下 游侧而被导向横穿管道的整个横截面。通过步进器(5)，光束在平行于过 滤器的位置横穿管道而扫射，其中，步进器(5)包括定位在相对于步进 电机的齿轮箱轴上的激光器；所述步进电机具有1,8度的步进角(半步进 模式为0.9度)，步进角精度为5%，电压为5V，额定电流0.5~相。齿轮 箱扫描管道的"整个横截面，其比率为100:1。这种扫描装置被证明是 强壮的、抗震动的，能够在宽温度范围、在扫描逸变范围上利用可重复位 置信息来扫描。管道(1)最好是t电涡轮管道。投射管道的扫射区的区域从扫射区垂直扩展，所以，在该实施例中将 包括管道的基本整个容积。图2非常详细地示出了扫描装置。通过C/CS装配CCD相机(1004XA型，RF Concepts有FIU^司， Belfast, N.爱尔兰BT16 1QT) ( 6 )錄测来自管道中的任何微粒的闪 光，所勤目机具有1:1.2视场的12毫米Compatar透镜，其视场的中心以 大约45度角横穿管道。视角(10)基本偏离垂直于光束扫射的平面(4)的方向。对于5平方米的管道，相;ta巨离消除系统的上边缘的平面近似为3米。于是，它偏离到管道的侧边。发射器和相机二者都被设置在管道壁 的壁外面。相机^Li殳置在激光器的下游，其中，所述激光器本身在消除系 统的下游。检测器方向与光束的扫射平面不垂直。在可选的实施例中，相积^L设置在激光器的上游并面对着下游；可以 优选这种设置，因为气体中的任何微粒不容易污染相机，并可以减少《Jt和由于来自消除系统的光的散射而引起的噪声。然而，由于层流减少和/ 或微粒的扩散，这将减小装置的空间分辨率。当发射器光束扫射管道横截面时，对于发射器光束的每一步进，获得闪光的图像；该图像仅仅对于照明光束的位置是唯一的。然后，对于每一 步进，来自检测器相机的输出被提供给记录器(7)，这样就获得了沿光束 的^微粒的闪光的强度值，其中，所述记录器利用来自检测器相机的输 出将其时基与来自发射器的照明光束的位置同步。在发射器光M管道中 扫射时，针对每一步进重复该过程。在使用本发明的装置和方法之前根据管道上的X-Y坐标先定义管道 的几何形状是很方便的。闪光强度的阵列可以因此与管道横截面的X-Y 坐标相联系，以便形成管道中的微粒的图像或图。使用这个信息，可以监 视消除系统中的单个过滤器的性能，并且，可以检测出一个或任何过滤器 的性能中的,恶化。为了使用本装置和方法，希望首先进行本装置的安装，以便确保发射 器、检测器和同步器协同工作。然后，开始让气流^Vf道而不引入,。 通常，气流将继续几分钟，以便让装置清除管道上的任何残留微粒，并使 任何瞬态效应减小。然后，开始在每一步进上以10秒的周期开始执行本 发明的方法；在每一步进上检测100幅图像，以便从50个发射器步进中 的每个产生合并的图像。图3中示出了来自记录器的典型平面位置指示，在下面描述随后的处理。图4说明了超过100个曝光的、来自单激光光束的微粒的散射。蜂窝 背景是过滤器组元件上的保护栅格。那两条模糊的线条是粘着在过滤器的 网孔面上的区域。应当理解，所检测的图像可包含激光束内部和外部的大量的闪光。也 可以手动设置门限以减少发生在光束外部的闪光，并将该门限应用到整个 图像，以便进一步减少噪声。从而，忽略低于该门限级别的任何闪光。图 5示出了单个曝光，来自其的背景噪声已经通过门限处理。在单个步进器 位置上，通过将100次曝光进行平均来执行门限处理，以便确定噪声，其 1^从单个瀑光中减去，从而产生图5。然后，通过将每个像素与3个像素的半宽度高斯(Gaussian)进行交 叉关联处理，噪声进一步减少和偏向减少。关联是数值上的复杂分析且很 耗时，但是由于Gaussian是关于轴对称的，因此可以通过巻积执行所述 关联。二维中的巻积其自身是不简单的，但是，分析是可分离的，并且， 可以作为每一维中的巻积的序列来执行处理。然后，通过峰值检测算法，由处理器8分析图像中的闪光中心的数目 和量值。该算法使用5x5像素尺寸的滑动掩模(slidingmask)。该滑动掩 模被用于图像中的每个像素，并且如果滑动掩模的中心是该掩模的最大 值，那么，这个像素就被定义为峰值，并记录该X-Y位置。如果X-Y位 置位于激光束的范围之外，那么，这个中心就被作为噪声而忽略。于是， 本方法允许通过X-Y位置和量值来定义每个散射中心，从而显著地减少 数据。图6示出了作为通过检测器看到的透视扭曲图的、被分成10x10矩阵 的消除系统的视图。通过图像调整器(9)，使用上面描述的Wolberg方 法将这个图转换成微粒系统的真实几何形状；这种方法也被用于将激光位 置映射成扭曲的图像。在方块40到49和在方块50到59中所示的线条示 出了来自激光器的两条光束的位置。图7中示出了被分成10X10阵列的、具有方形横截面的管道的典型 图，其中，每个方块被从1到99编号。该阵列代4^来自检测器的输出 的管道的透^曲图纠正的、横穿管道的X-Y图。在图7的图中，呈现 了没有#^被故意地引入进管道时的扫描；阵列的每个方块的中心的数字 代表管道中的任何,的相对密度，其中，使用刻度0表示没有#^，直 到9表示很重的,浓度。可以看出，在部分管道中，,仅仅呈现出低 的浓度。这个图被用作为基线。图8示出了当,的连续注射被引入管道时的、类似图7的扫描的图。 如图上的数字所示，,不是随着窄流，而M向于扩散到管道横截面的 大部分。图9示出了类似图7的扫描的图，其中，4吏用手动泵浦的微粒源，将 微粒注射到横穿管道的消除系统的特定部分；可以看出，在方块24和34 发现了很重的,浓度。这显示出本发明的装置和方法可以检测出在消除 系统的输出中的特定点上的銜险。图8和图9两个图考虑了图7中所示的 基线条件。在数字表示管道中的各块的微粒的相对浓度的图7、图8和图9所表 示的图可以被替换成具有不同颜色和深浅而不是数字的图来表示微粒密
度；例如，无色(白色)可以表示没有微粒，浅蓝色表示轻微的,浓度， 直到绿色、黄色、橙色和红色，最后一个表示很重的,浓度。应当注意与本申请相关的、同时或先于本说明书提交的以及向公众公 开以检验本说明书的所有文章和文件，所有此类文章和文件的内容都通过 引用合并于本申请中。本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)、 和/或如此公开的任何方法和过程的所有步骤可以被结合到任何结合体 中，除了那些至少一些此类特征和/或步骤是相互排斥的结合体。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征 可以替换为作用相同、等同或类似目的的可选的特征，除非另外清楚地声 明。这样，除非另外清楚地声明，所公开的每个特征仅仅是众多的等同或 类似特征的一个示例。本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展到该i兌明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的^r新颖的一个、或任何 新颖的组合，或扩展到如此公开的^方法或过程的步骤中的,新颖的 一个、或任何新颖的组合。
权利要求
1. 提供一种用于检测管道内的气体中的瞬时微粒的存在的装置，所述装置包括(i) 至少一个照明发射器，其能够从管道外侧和管道对管道的基本 整个横截面进行扫射；以及(ii) 至少一个检测器，用于当光束在所述管道的所i^截面上扫射中，当光束扫射到所述管道的所述横截面上时，所述检测器被配置成安装 在所述管道的外部，并且在投射所述管道的扫射区的区域之外。
2. 如权利要求l所述的装置，其中，所述照明是准直光束。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所iOL射器被配 置成步进扫射。
4. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，所述检测器 对所述照明是可聚焦的。
5. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，进一步提供 了记录器，其用于当所述光束在所述管道扫射时的所述照明内检测的W^T 闪光。
6. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，进一步提供 了图像调整器，其被配置成调整由所逸险测器接收的图像，以考虑从所述 管道外侧接收的图像。
7. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，所iOL射器 是激光器。
8. 如权利要求7所述的装置，其中，所述激光器提供660nm的照明。
9. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置包括步进电机，用以 在管道上步进地扫射发射器光束。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所^射器附着到所述步进电 机的轴。
11. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，包括一个发射器。
12. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，所述检测器 是调节到所iOL射器的波长的相机。
13. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，包括用于对所述装 置中的噪声水平进行门限处理的装置，所述装置用于掩蔽所检测的闪光。
14. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，所述记录器 是用于所检测的微粒的平面位置指示器。
15. 如权利要求1到权利要求13的任何一个中所述的装置，其中， 所述记录器是用于显示所述管道的所述横截面的X-Y矩阵的监视器。
16. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，所述记录器 是告警高音喇叭。
17. 如权利要求1到权利要求13的任何一个中所述的装置包括一个 用于激活管理系统的反馈回路，其可以纠正性能以考虑消除系统的失效。
18. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置，其中，提供了用于 根据所述检测器的输出来纠正所述管道的透视扭曲图的装置。
19. 如前述权利要求中的任何一个中所述的装置包括管道。
20. 如权利要求19所述的装置，其中，所^il射器和/或所述检测器 ^Li殳置在所述管道的内侧。
21. 如权利要求19所述的装置，其中，所U射器和所逸险测器二 者^Li更置在所述管道的外侧。
22. —种管道系统包括管道；至少部分在所述管道内的消除系统； 以及根据前i^利要求的任何一个的、用于检测所述管道内的气体中的瞬 时微粒的存在的装置。
23. 如权利要求22所述的管道系统，其中，所#测器的视角偏离 所述扫射横截面平面的垂线至少20度、优选30度、以及更优选40度。
24. 如权利要求22或权利要求23所述的管道系统，其中，所述管道 包括涡4^入口。
25. 如权利要求24所述的管道系统，其中，所述涡轮入口是良电涡 轮的。
26. 提供一种用于检测管道内的气体中的微粒的存在的方法，所述方 法包括(i)用来自至少一个照明发射器的照明光束在管道的基本整个横截 面上进行扫射；(ii )使用用于检测来自所述光束内的所述微粒的所述照明的任何闪 光的至少一个检测器，并检测来自所述,的照明的任何闪光，从而可以 确定所述管道中出现的任何微粒的存在，其中，所述检测器安装在管道夕卜 部，并且位于投射所述管道的扫射区的区域之外。
27. 如权利要求26所述的方法包括没置用于检测噪声的门限水平的 步骤。
28. 如权利要求26所述的方法，其中，所述门限至少部分是空间限 定的。
29. 如权利要求26或权利要求28所述的方法，其中，所述门限至少 部分是时间限定的。
30. 如权利要求26到权利要求29的任何一个中所述的方法，包括 当在给定步iiJi存在超过一个检测器输出时，对在所述光束的每个步进上 的、从所述检测器检测到的闪光水平进行合计的步骤。
31. 如权利要求26到权利要求30的任何一个中所述的方法，其中， 所述光束以每分钟1到20次的速率扫射，每个扫射具有20和100个之间 的发射器步进。
32. 如权利要求26到权利要求31的任何一个中所述的方法，其中， 所述光束以每个扫射具有20和100个之间的发射器步来进来扫射。
33. 如权利要求26到权利要求32的任何一个中所述的方法，包括将 显示从透视扭曲的图像纠正到管道的X-Y坐标的步骤。
34. —种用于检测管道内的气体中的微粒的存在的方法，所述方法包括(i) 用来自至少一个照明发射器的准直的照明光束在管道的基本整 个横截面上步进扫射管道；(ii) 将至少一个检测器聚焦在所述准直光束上，用于在所述光束的 每个步进上检测来自所述光束内的微粒的所述照明的任何闪光；(iii) 检测来自所述,的所述照明的任何闪光；(iv) 设置门限水平；(v) 在所述光束的每个步进，对从所述检测器检测的闪光水平进行 合计；以及 (vi) 记录所检测的闪光；以及(vii) 确定所述管道内出现的W^P^的存在、数量和位置。全文摘要
提供了一种用于检测管道(1)内的气体中的瞬时微粒的存在的装置，包括(i)用于照明(4)的至少一个发射器(3)，其能够从管道的外侧和管道扫射管道的基本整个横截面；以及(ii)至少一个检测器(6)，用于当光束在管道的横截面上扫射时，检测来自照明内的任何微粒的所述照明的任何闪光的存在和位置，其中，当光束扫射到管道的横截面上时，所述检测器被配置成安装在管道的外部，并且在投射管道的扫射区的区域之外。
文档编号G01N15/06GK101124474SQ200680002237
公开日2008年2月13日 申请日期2006年1月13日 优先权日2005年1月14日
发明者伦纳德·弗雷德里克·乔治·威廉姆斯, 叶戈尔·彼得罗维奇·赞迪, 约翰·理查德·班 申请人:联合数据欧洲有限公司