CH660244A5 - Photoelektrischer rauchdetektor und dessen verwendung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Rauchdetektor mit einer von einer Steuerschaltung intermittierend betriebenen Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger, der mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, die ein Rauchsignal abzugeben vermag, wenn der Strahlungsempfänger durch Rauchpartikel beeinflusste Strahlung synchron mit dem Betrieb der Strahlungsquelle empfängt.

Der Rauchdetektor kann dabei z.B. als Streustrahlungsdetektor ausgebildet sein, bei dem die an Rauchpartikeln gestreute Strahlung ausgewertet wird, oder als Strahlungsex-

tinktionsdetektor, der die Strahlungsschwächung oder Absorption durch Rauchpartikel ausnützt, oder auch als photoakustischer Rauchdetektor, bei dem die Rauchpartikel bei Absorption von Strahlungsimpulsen akustische Impulse s abgeben, die von einem akustisch-elektrischen Wandler in elektrische Impulse umgesetzt werden, wie z.B. in der europäischen Patentanmeldung EP 14 251 beschrieben. Der Rauchdetektor kann als Rauchsensor dienen, bei dem der Wert des abgegebenen Rauchsignales ein Mass für die io Rauchdichte ist, oder als Rauchmelder, der das Auftreten einer bestimmten Rauchdichte signalisiert.

Bei solchen Rauchdetektoren, beispielsweise den in der PCT-Anmeldung WO 80/01 326 beschriebenen Streustrah-lungs-Rauchdetektoren, die vorzugsweise zur Brandmeldung is dienen, wird elektromagnetische Strahlung, worunter sichtbares Licht, Infrarot- oder Ultraviolett-Strahlung zu verstehen ist, in ein Messvolumen eingestrahlt, z.B. mittels einer lichtemittierenden Diode (LED), und die an Rauchpartikeln im Messvolumen gestreute Strahlung von einem ausserhalb 20 des Strahlungsbereiches der Strahlungsquelle angeordneten Streustrahlungsempfänger aufgenommen, und mittels einer Auswerteschaltung wird ein Rauchalarmsignal gegeben, wenn das Streustrahlungsniveau eine bestimmte Schwelle übersteigt.

25 Ein entscheidendes Problem ist es hierbei, sicherzustellen, dass ein Rauchalarmsignal nur durch Streustrahlung an Rauchpartikeln ausgelöst wird, jedoch nicht durch in das Messvolumen eindringende Störstrahlung, die ebenfalls vom Strahlungsempfänger aufgenommen wird und die Anwesen-30 heit strahlungsstreuender Rauchpartikel vortäuscht. Besonders wichtig ist dies bei Rauchdetektoren, bei denen nur eine beschränkte Strahlungs-Intensität im Messvolumen zur Verfügung steht, beispielsweise bei Rauchdetektoren, bei denen die Strahlung mittels strahlungsleitender Elemente 35 oder Fiber-Optik in das Messvolumen geleitet und daraus abgenommen wird, wie z.B. in der DE-Patentanmeldung 3 037 636 beschrieben.

Um eine falsche Rauchsignalabgabe durch Störstrahlung zu verhindern, ist es bereits bekannt, z.B. aus den europä-40 ischen Patenten EP 11 205 oder EP 14 779, die Strahlungsquelle nur in sehr kurzzeitigen Impulsen zu betreiben und den Strahlungsempfänger an eine Koinzidenzschaltung anzuschliessen, die nur dann ein Rauchsignal erzeugt, wenn Streustrahlung während der kurzzeitigen Strahlungsimpulse 45 empfangen wird, jedoch nicht bei Auftreten von Störstrahlungsimpulsen in den Zwischenzeiten. Der seltene Fall, dass ein Störimpuls in der kurzen Zeit eines Strahlungsimpulses eintrifft, kann dabei durch eine Repetierschaltung eliminiert werden, die nur dann ein Rauchsignal weitergibt, wenn meh-50 rere Koinzidenzen hintereinander auftreten.

Mit derartigen Auswerteschaltungen lässt sich eine störun-anfällige Brandmeldung erreichen, sofern ausreichend intensive Strahlungsimpulse zur Verfügung stehen. Viele Strahlungsquellen lassen jedoch nur eine beschränkte Maximalin-55 tensität ohne Schädigung oder schnelle Alterung zu, und bei Fiberoptik-Übertragung erfolgt eine Strahlungsdämpfung, so dass es zweckmässig oder notwendig ist, längere Einschaltzeiten der Strahlungsquelle zu wählen, um eine genügende Streustrahlungs-Leistungzu bekommen. Die beschriebenen 60 Auswerteschaltungen arbeiten hier nicht mehr ausreichend störsicher, einerseits da das Auftreten von Störimpulsen in den Einschalt-Intervallen viel wahrscheinlicher wird, andererseits da beim Strahlungsempfänger das Signal-/ Rausch-Verhältnis so klein werden kann, dass einzelne 65 Rausch-Impulse das Signal-Niveau erreichen und ein fehlerhaftes Signal auslösen können. Besonders geringe Rauchkonzentrationen, bei denen das Signal innerhalb des Rauschpegels liegt, konnten auf diese Weise überhaupt nicht detektiert

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werden, d.h. die Empfindlichkeit von Brandmeldern mit solchen Auswerteschaltungen war begrenzt.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere einen photoelektrischen Rauchdetektor zu schaffen, der eine verbesserte Störsicherheit aufweist und der eine grössere Rauchempfindlichkeit auch bei verminderter Strahlungsintensität und Leistung zulässt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung eine phasenempfindliche Schaltung aufweist, die von der Steuerschaltung gesteuert wird und die das Wechselsignal des Strahlungsempfängers je nach der Phasenlage des Wechselsignales der Steuerschaltung umkehrt, sowie eine Integrationsschaltung, die das Ausgangssignal der phasenempfindlichen Schaltung mit einer bestimmten Zeitkonstante integriert und eine Anzeigeschaltung entsprechend dem integrierten Signal ansteuert.

Die Erfindung sowie zweckmässige und vorteilhafte Weiterbildungen derselben werden an Hand der in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiele und Diagramme erläutert.

Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Blockschaltschemas eines Streustrahlungs-Rauchdetektors,

Figur 2 zeigt ein Beispiel für den konstruktiven Aufbau eines Streustrahlungs-Rauchdetektors,

Figur 3 zeigt eine für die Rauchdetektoren nach Figur 1 und 2 geeignete Signalverarbeitungsschaltung, und

Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der an verschiedenen Punkten der Signalverarbeitungsschaltung nach Figur 3 auftretenden Signale.

Bei dem in Figur 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel eines photoelektrischen Rauchdetektors ist eine Detektoreinheit D mittels strahlungsleitender Elemente oder Lichtleiter Li und L2 an eine Auswerteschaltung A angeschlossen. Die Art der Lichtleiter ist dabei zweckmässigerweise an die verwendete Strahlung angepasst. Es können auch mehrere Detektoreinheiten mittels derselben Lichtleiter über bekannte Verzweigungselemente oder mittels verschiedener Lichtleiter parallel an die Auswerteschaltung A angeschlossen sein. In der dargestellten Anordnung steuert eine in der Auswerteschaltung A vorgesehene Steuerschaltung 1 eine als strahlungsemittierende Diode LED ausgebildete Strahlungsquelle 2 intermittierend an, beispielsweise mit einer Frequenz von 0.1 -40 kHz. Die Einschaltzeit liegt dabei vorzugsweise in der gleichen Grössenordnung wie die Ausschaltzeit. Die von der Strahlungsquelle 2 ausgesandte Strahlung, je nach LED-Typ sichtbares Licht, Infrarot- oder Ultra-violett-Strahlung wird in den Lichtleiter Li eingekoppelt und über diesen zur Detektoreinheit D geleitet.

Am Ausgang 3 dieses Lichtleiters ist eine Kollimations-Einrichtung 4 angeordnet, d.h. eine spezielle Optik, die die aus dem Lichtleiter austretende Strahlung in ein wenigstens angenähert paralleles Strahlungsbündel kollimiert. Ausserhalb dieses Strahlungsbündels ist, durch eine Blende 5 von direkter Strahlung abgeschirmt, eine weitere Kollimations-Einrichtung 6 angeordnet, deren Empfangsbereich so ausgerichtet ist, dass diese an Rauchpartikeln gestreute Strahlung aus einem Streuvolumen 7 aufnimmt und dem Eingang 8 eines zweiten Lichtleiters L2 zuführt, der die empfangene Streustrahlung einer Solarzelle 9 zuleitet. Diese Solarzelle wandelt die empfangene Strahlung, d.h. das optische Signal in ein elektrisches Signal um, das von einem Empfangsverstärker 10 verstärkt wird. Das Verstärker-Ausgangssignal wird von einer Signalverarbeitungsschaltung aufgenommen, die andererseits über eine Leitung 12 ein Referenzsignal von der Steuerschaltung 1 erhält, und die nur dann ein Signal an die nachgeschaltete Anzeigeschaltung 13 weitergibt, wenn ausgesandte und empfangene Strahlung in Koinzidenz sind. Diese Anzeigeschaltung 13 zeigt, bei Verwendung als Rauchsensor, die Rauchkonzentration entsprechend dem Wert des Streustrahlungssignales an, oder sie löst, bei Verwendung als Brandmelder, eine Alarmeinrichtung 14 aus, wenn das Streustrahlungssignal eine vorgegebene Schwelle übersteigt, und zeigt somit einen Brandausbruch an.

Figur 2 zeigt den Aufbau der Detektoreinheit D eines speziell zur Brandmeldung geeigneten Streustrahlungs-Rauchdetektors. Eine Kunststoff-Basisplatte 20 trägt ein luftdurchlässiges, die Messkammer M umschliessendes Gehäuse 21 und im Inneren ein Trägerelement 22. In der Basisplatte 20 ist eine bekannte Anschluss- oder Steckverbindung C vorgesehen, die zum Anschluss der Lichtleiter Li und Li an die Lichtleiter-Verbindungen 23 und 28 im Detektor-Inneren dient, deren Enden mit den Kollimations-Einrichtungen 24 und 26 zusammenwirken. Im zentralen Teil des Trägerelements sind mehrere Blenden 25 zur Abschirmung der Reststrahlung vom Kollimator 26 aufgesetzt. Zur Vermeidung von Störstrahlung ist die optische Anordnung im Inneren des Gehäuses 21 von einem luftdurchlässigen, aber strahlungsab-sorbierenden, labyrinth-artigen Element 27 umgeben, das z.B. ineinandergeschachtelte Lamellen oder strahlungsabsor-bierende Rippen 29 auf den Oberflächen aufweisen kann. Zum Auffangen der Direktstrahlung kann eine geeignete Strahlungsfalle 30 vorgesehen sein, sowie eine entsprechende Strahlungsfalle 31 zum Abschluss des Empfangsbereiches.

Obwohl die Erfindung speziell für solche Detektoreinheiten von Vorteil ist, bei denen die Speisung und Signalübertragung mittels Lichtleitern oder Fiber-Optik vorgenommen wird, wo meist nur eine kleine Strahlungsleistung zur Verfügung steht, erweist sie sich jedoch auch von besonderem Vorteil bei klassischen Rauchdetektoren mit elektrischer Übertragung, speziell wenn eine besonders hohe Empfindlichkeit verlangt wird, d.h. wenn geringste Rauchkonzentrationen nachgewiesen werden sollen. Bei der Anordnung nach Figur 1 tritt dabei die Strahlungsquelle 2 an die Stelle der Einrichtung 4, und der Strahlungsempfänger 9 an die Stelle der Einrichtung 6, und die Lichtleiter-Verbindungen Li und L2 entfallen. Der konstruktive Aufbau solcher Rauchdetektoren kann dabei beispielsweise entsprechend US-Patent 4181 439 ausgeführt sein.

Figur 3 zeigt ein Beispiel einer für den Rauchdetektor nach Figur 1 und 2 geeigneten Signalverarbeitungsschaltung 11. Bei dieser wird das Ausgangssignal des Empfänger-Verstär-kers und Signalwandlers 10 über einen rauscharmen Vorverstärker 15 einem Frequenzfilter 16 zugeleitet, das bevorzugt für die Frequenz der Steuerschaltung 1 durchlässig ist und das Rauschen dämpft. Vorverstärker 15 und Frequenzfilter 16 können auch zu einem frequenzselektiven Verstärker zusammengefasst sein. Das gefilterte Signal gelangt zu einer phasenempfindlichen Schaltung 17, die andererseits von der Steuerschaltung 1 über eine Triggerschaltung 32 und einen Phasenschieber 33 angesteuert wird. Diese phasenempfindliche Schaltung 17 bewirkt, dass die Polarität des vom Empfänger 10 kommenden Signals je nach Phasenlage des Wechselsignals der Steuerschaltung 1 beibehalten oder umgekehrt wird. Beispielsweise wird während der Einschaltphasen der Strahlungsquelle die Polarität beibehalten, das Empfängersignal also unverändert weitergegeben, während der dazwischenliegenden Ausschaltphasen jedoch umgekehrt, d.h. ein positives Signal in ein negatives verwandelt und umgekehrt ein negatives Signal in ein positives. Das so veränderte Ausgangssignal der phasenempfindlichen Schaltung 17 gelangt nun zu einer nachgeschalteten Integrationsschaltung 18 mit einer vorgegebenen Zeitkonstante, die einstellbar sein kann, z.B. mittels eines Kondensators 19. Die gesamte Signalverar5

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beitungsschaltung 11 kann auch als eine einzige Hybrid-Schaltung oder ein entsprechendes Gerät ausgeführt sein, z.B. als sogenannter Lock-In-Amplifier.

Bei einer praktisch ausgeführten Auswerteschaltung wurden die folgenden auf dem Markt erhältlichen Komponenten verwendet:

- Steuerschaltung l:555-Timer(Signetics)

mit 7473 Flip-Flop

- Strahlungsquelle 2:2 SE 3352 (Honeywell)

- Strahlungsempfänger 9: PIN BPX 65 (Siemens)

- Empfängerverstärker 19: ICL 7621 (Intersil)

- Signalverarbeitungsschaltung 11:0181 (Novasina)

oder Gerät: 5206 Lock-In (EG & G)

Die Funktion der Schaltung wird an Hand der in Figur 4 wiedergegebenen zeitlichen Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Signalverarbeitungsschaltung nach Figur 3 erläutert. Die phasenempfindliche Schaltung 17 erhält an ihrem Steuereingang a das verstärkte Signal der Steuerschaltung 1, wobei mit dem Phasenschieber 33 allfällige Phasenverschiebungen des Empfängersignals beim Signaldurchlauf korrigiert werden können, und an ihrem Signaleingang b das verstärkte und gefilterte Empfängersignal. Das Ausgangssignal der phasenempfindlichen Schaltung 17 erscheint am Ausgang c und wird von der Integrationsschaltung 18 zu einem Ausgangssignal d integriert. Während des Zeitabschnittes X wird keine Streustrahlung empfangen. Das Signal b ist dann ein reines Rauschsignal ohne jeden Frequenzanteil der Steuerschaltung 1. Das Signal c ist dann ebenfalls ein reines Rauschsignal, welches integriert das Signal d = 0 ergibt. Im folgenden Zeitabschnitt Y sind dem allgemeinen Rauschen zwei unregelmässige Störsignale bi und b2 überlagert. Da diese Signale nicht synchron mit dem Steuersignal a auftreten, werden sie durch die periodische Phasenumkehr in unregelmässige Signale c verwandelt, so dass das integrierte Signal d nicht wesentlich von 0 abweicht. Ist jedoch im Zeitabschnitt Z im empfangenen Signal b auch nur ein geringer periodischer Anteil enthalten, der frequenzgleich und phasengleich mit dem Steuersignal a ist, so wird dieser Anteil, auch wenn er wesentlich schwächer als das gleichzeitig vorhandene Rauschen und in diesem kaum wahrnehmbar ist, durch die periodische Phasenumkehr in ein konstant positives Signal c verwandelt. Die Integration ergibt daher ein stetig zunehmendes Signal d. Die Anstiegsgeschwindigkeit wird dabei durch die Zeitkonstante der Integrationsschaltung 18 bestimmt und kann durch eine geeignete Wahl oder Einstellung der Zeitkonstanten an die zu erwartende Störimpuslhäufigkeit angepasst werden, so dass ein bestimmter Anstieg zwar durch eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender synchroner Empfängerimpulse,

jedoch niemals durch unregelmässig auftretende Störimpulse erreicht wird. Sobald nun das integrierte Signal d eine vorgegebene Schwelle do überschreitet, d.h. die Alarmschwelle erreicht, so wird eine Anzeigeschaltung 13 an sich bekannter Art angesteuert, die ein visuelles, akustisches oder elektrisches Alarmsignal auslöst.

Es sei bemerkt, dass sich die Schaltung vereinfachen lässt, wenn die von der Steuerschaltung 1 abgegebene Steuerspannung rechteckförmig ausgebildet ist. In diesem Falle schwankt das aus der als einfaches Frequenzfilter ausgebildeten Schaltung 32 herauskommende Wechselsignal zwischen den Extremwerten (+1) und (-1) periodisch hin und her. Die phasenempfindliche Schaltung kann dann als einfache Multiplikationsschaltung 17 ausgeführt sein, da die abwechselnde Multiplikation mit (+1) und -1) genau die erforderliche Wirkung hat, nämlich die Polaritätsumkehr des Signales im Rhythmus des Steuersignales.

Die Erfindung wurde vorstehend zwar an Hand eines Streustrahlungs-Rauchdetektors beschrieben. Der Erfindungsgedanke lässt sich analog, mit ähnlichen Vorteilen auch bei anderen Typen von photoelektrischen Rauchdetektoren, wie z.B. Strahlungsextinktions- oder photoakustischen Rauchdetektoren anwenden. Die dazu erforderlichen Anpas-sungsmassnahmen sind dem Fachmann geläufig. In jedem Falle kann erreicht werden, dass eine Anzeige oder ein Alarmsignal mit ausserordentlicher Sicherheit nur dann ausgelöst wird, wenn das Empfängersignal genau synchron, d.h. absolut frequenzgleich und phasengleich mit dem die Strahlungsquelle steuernden Signal ist, jedoch durch keine anderen Störsignale. Die Schaltung arbeitet auch dann noch sicher und zuverlässig, wenn das Empfängersignal äusserst schwach ist und das Rauschen das Nutzsignal völlig überdeckt, so dass geringere Rauchkonzentrationen nachgewiesen oder gemessen werden können als bisher. Dabei weicht die Erfindung bewusst von der bisherigen, dem Fachmann naheliegenden Tendenz ab, das Signal-/Rausch-Ver-hältnis dadurch zu verbessern, dass die Strahlungsimpuls-Höhe vergrössert und die Strahlungsimpuls-Breite verkleinert wird. Die erfindungsgemässe Schaltung arbeitet mit besonderem Vorteil auch in Fällen, wo es zweckmässig oder notwendig ist, die Impulsbreiten in der gleichen Grössenord-nung wie die Zwischenzeiten zu wählen.

Der beschriebene Rauchdetektor dient zwar vorzugsweise als Brandmelder, ist jedoch auch für andere Verwendungen geeignet, z.B. als Rauchgasüberwachung, Rauchdichtemessung etc.

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660244 PATENTANSPRÜCHE

1. Photoelektrischer Rauchdetektor mit einer von einer Steuerschaltung ( 1 ) intermittierend betriebenen Strahlungsquelle (2) und einem Strahlungsempfänger (9), der mit einer Auswerteschaltung (A) verbunden ist, die ein Rauchsignal abzugeben vermag, wenn der Strahlungsempfänger (9) durch Rauchpartikel beeinflusste Strahlung synchron mit dem Betrieb der Strahlungsquelle (2) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (A) eine phasenempfindliche Schaltung ( 17) aufweist, die von der Steuerschaltung (1) gesteuert wird und die das Wechselsignal (b) des Strahlungsempfängers (9) je nach der Phasenlage des Wechselsignals (a) der Steuerschaltung (1) umkehrt, sowie eine Integrationsschaltung ( 18), die das Ausgangssignal (c) der phasenempflindlichen Schaltung (17) mit einer bestimmten Zeitkonstante integriert und eine Anzeigeschaltung (13) entsprechend dem integrierten Signal (d) ansteuert.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Strahlungsempfängers (9) der phasenempfindlichen Schaltung (17) über ein Frequenzfilter (16) zugeführt wird.

3. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der Steuerschaltung (1) der phasenempfindlichen Schaltung (17) über einen Phasenschieber (33) zugeführt wird.

4. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante der Integrationsschaltung ( 18) veränderbar ist.

5. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) zum Betrieb der Strahlungsquelle (2) und zum Ansteuern der phasenempfindlichen Schaltung (17) ein periodisches Signal (a) erzeugt, bei dem die Einschaltzeiten in der gleichen Grössenordnung liegen wie die Zwischenzeiten.

6. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung ( 1 ) ein wenigstens angenähert rechteckförmiges Signal (a) erzeugt, dessen Wechselanteil der phasenempfindlichen Schaltung (17) zugeführt wird.

7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die phasenempfindliche Schaltung (17) als Multiplikationsschaltung ausgebildet ist.

8. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeschaltung (13) ausgebildet ist, ein Signal auszulösen, sobald das integrierte Signal (d) einen vorgegebenen Schwellenwert (do) überschreitet.

9. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger (9) ausgebildet und angeordnet ist, an Rauchpartikeln gestreute Strahlung zu empfangen und ein Signal in Abhängigkeit von der Intensität der empfangenen Streustrahlung abzugeben.

10. Verwendung des Rauchdetektors nach einem der Ansprüche 1-9 zur Brandmeldung, wobei die bei einem Brand entstehenden Rauchpartikel detektiert werden.