DE19809763A1

DE19809763A1 - Fire detection method and sensor

Info

Publication number: DE19809763A1
Application number: DE19809763A
Authority: DE
Inventors: Valentin Magori; Heinrich Ruser
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-12-02
Also published as: EP0940789A2; ES2186261T3; ATE226747T1; DE59903134D1; EP0940789A3; EP0940789B1

Abstract

Ein kombinierter Sensor zur Brandmeldung beinhaltet Sende/Empfangs-Einheiten für Ultraschall und entweder Mikrowelle oder Licht oder für sämtliche Wellenarten. Das Verfahren zur Auswertung verarbeitet die reflektierten und empfangenen Signale so, daß für den Fall eines veränderten Ultraschall-Empfangssignals eine Branddetektion vorliegt, wenn nicht gleichzeitig bei einer weiteren Wellenart eine Bewegung registriert wird.A combined sensor for fire detection contains transmitter / receiver units for ultrasound and either microwave or light or for all types of waves. The evaluation method processes the reflected and received signals in such a way that there is fire detection in the event of a changed ultrasound received signal, unless a movement is registered at the same time in another type of wave.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor zur Brandmeldung, wobei ausgesandte Signale zwischen einer Sende einheit und einer Empfangseinheit den zu überwachenden Be reich passieren und reflektiert werden.The invention relates to a method and a sensor for Fire alarm, whereby emitted signals between a transmission unit and a receiving unit to be monitored happen richly and be reflected.

Automatischen Brandmeldern kommt in Sicherheitssystemen im privaten Haushalt und in öffentlichen Einrichtungen grundle gende Bedeutung zu. Zur schnellen Einleitung von Löschmaßnah men ist es wichtig, daß ein Brandherd möglichst schon während seiner Entstehung detektiert und lokalisiert wird. Ein Brand läßt sich dabei in folgende Phasen einteilen, wobei jeweils unterschiedliche detektierbare Materien freigesetzt werden, [1],:
Automatic fire detectors are of fundamental importance in security systems in private households and in public facilities. For the quick initiation of extinguishing measures it is important that a source of fire is detected and localized as soon as possible as it arises. A fire can be divided into the following phases, whereby different detectable materials are released, [1] ,:

1. Initial phase (small invisible smoke particles),
2. Smoldering phase (larger visible smoke particles),
3rd flame phase (electromagnetic energy and Schallener gie, gases),
4. Heat phase (heat, gases).

Die vier Phasen laufen je nach Brandart zeitlich aufein anderfolgend oder fast parallel ab. Für eine optimale Bran derkennung mit hoher Empfindlichkeit und gleichzeitig hoher Sicherheit gegenüber falschen Alarmen ist somit eine Detekti on möglichst vieler Brandmerkmale, wie beispielsweise Rauch, Gase, Hitze, notwendig, da jede Komponente für sich genommen nicht unbedingt ein Feuer als Ursache haben muß (z. B. Ziga rettenrauch, Sonneneinstrahlung, Heizkörperwärme). Aus diesem Grund vereinen konventionelle Brandmelder verschiedene Syste me zur Detektion von Rauch und Gasen und zur Temperatur bestimmung [2]. The four phases coincide depending on the type of fire following or almost in parallel. For an optimal branch detection with high sensitivity and at the same time high Security against false alarms is therefore a detective on as many fire features as possible, such as smoke, Gases, heat, necessary because each component is taken on its own does not necessarily have to be caused by a fire (e.g. Ziga saving smoke, solar radiation, radiator heat). For this This is why conventional fire detectors unite different systems me for the detection of smoke and gases and for temperature determination [2].

Die Mehrzahl der Gebäudebrände beginnt, bedingt durch den ho hen Kunststoffanteil der Einrichtung, mit starker Rauch- und Rauchgasentwicklung. Für eine Brandfrüherkennung spielen so mit Rauchmelder eine wichtige Rolle. Hier werden hauptsäch lich optische Melder und Ionisationsmelder eingesetzt [3]. Ionisationsmelder unterliegen aufgrund der Freisetzung radio aktiver α-Strahlung strengen Auflagen und sind daher u. a. im privaten Bereich nicht einsetzbar. Bei optischen Meldern er folgt die Auswertung von Luftproben in einer bis zu 4 cm gro ßen Rauchkammer, wohin die Luftproben zugeführt werden müs sen. Für eine optimale Raumüberwachung muß also für eine gün stige Luftzirkulation gesorgt werden bzw. die Anzahl der Mel der muß groß sein und gleichmäßig im Raum verteilt werden. Gleichzeitig ist die Rauchdetektion, wie erwähnt, für eine Branderkennung nicht immer ausreichend, so daß zur Wärmede tektion zusätzliche Temperaturfühler angebracht werden müs sen, wobei jedoch die Regeln der Anbringung denen der Rauch melder entgegenstehen (nicht in der Nähe von Heizkörpern und gerade nicht in der Nähe von Lüftungen). Ein weiterer Nach teil optischer Melder ist die Anfälligkeit gegenüber falschen Alarmen: Aus einem nichtkonstanten Signalpegel des ausgesen deten Signals, aus Temperaturschwankungen, Alterungserschei nungen oder verschiedenen Diffraktions- und Beugungserschei nungen resultiert eine Schwächung des Lichtstrahls, aus der fälschlicherweise auf Rauch auf dem Weg vom Sender zum Emp fänger geschlossen wird.The majority of building fires start due to the ho hen plastic part of the facility, with strong smoke and Smoke gas development. Play for early fire detection with smoke detectors plays an important role. Here are mainly optical and ionization detectors are used [3]. Ionization detectors are subject to radio emissions active α-radiation strict requirements and are therefore u. a. in the cannot be used in private areas. With optical detectors follows the evaluation of air samples up to 4 cm in size where the air samples have to be taken sen. For optimal room surveillance, it must be constant air circulation or the number of mel it must be large and distributed evenly throughout the room. At the same time, as mentioned, smoke detection is for one Fire detection is not always sufficient, so that the heat additional temperature sensors must be attached sen, however, the rules of attachment to those of smoke oppose detectors (not near radiators and just not near ventilation). Another after Part of optical detectors is the susceptibility to false Alarms: From a non-constant signal level of the outside signal, from temperature fluctuations, signs of aging different diffraction and diffraction patterns results in a weakening of the light beam, from which wrongly on smoke on the way from the transmitter to the emp catcher is closed.

Ziel einer aussagekräftigen Brandfrüherkennung ist es, die Empfindlichkeit gegenüber Merkmalen in der Frühphase des Brandes zu erhöhen und gleichzeitig die Möglichkeit eines falschen Alarms zu minimieren.The aim of meaningful early fire detection is to: Sensitivity to characteristics in the early phase of the Increase fire and at the same time the possibility of one minimize false alarms.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. 15.This problem is solved by the features of Claims 1 and 15, respectively.

In der Erfindung wird ein kombinierter Brandmelder auf Mikro wellen- und Ultraschallbasis, oder auch in Kombination mit Licht, beschrieben, welcher erfindungsgemäß Mikrowellen- und Ultraschallsignale aus sendet und die Störung der normalerwei se, d. h. im Nicht-Brandfall, gegebenen Dopplerfrequenz- Kohärenz [4] zwischen den Mikrowellen-Empfangssignalen und den Ultraschall-Empfangssignalen als Erkennungskriterium nutzt. Mit der Umkehrung des Koinzidenzprinzips kann das neue Verfahren als "Anti-Inzidenz"-Verfahren bezeichnet werden.In the invention, a combined fire detector on micro wave and ultrasound basis, or in combination with Light described, which according to the invention microwave and Ultrasound signals from sending and the disturbance of normally se, d. H. in the event of no fire, given Doppler frequency Coherence [4] between the microwave reception signals and the ultrasound reception signals as a recognition criterion uses. With the reversal of the principle of coincidence, the new Procedures can be referred to as "anti-incidence" procedures.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent nommen werden.Advantageous refinements can be found in the subclaims be taken.

Durch intelligente Signalauswertung können mehrere Brand merkmale allein schon aus dem Schallsignal extrahiert werden:
Through intelligent signal evaluation, several fire characteristics can be extracted from the sound signal alone:

1) Smoke on the transmission path from the sensor to the receiver causes a loss of level of the sound wave due to absorption tion and diffraction,
2) heat generation causes a changed sound Speed and Doppler shifts through the air door lumens on the transmission route,
3) Flames cause characteristic rhythmic changes doppler frequency (flickering movements).

Durch eine Auswertung der Signalamplitude und des Spektrums ist damit eine eingeschränkte Branderkennung mit nur einem Sensortyp realisierbar. Die hohe Falschalarmwahrscheinlich keit macht einen akustischen Brandmelder jedoch unzuverläs sig. Die Zuverlässigkeit der Branddetektion wird durch den parallelen Einsatz eines zweiten Sensors, der auf einem ande ren physikalischen Prinzip beruht, wesentlich erhöht. Dies kann beispielsweise ein Mikrowellendetektor sein.By evaluating the signal amplitude and the spectrum is a limited fire detection with only one Realizable sensor type. The high false alarm likely However, speed makes an acoustic fire detector unreliable sig. The reliability of the fire detection is determined by the parallel use of a second sensor on another ren physical principle, significantly increased. This can be, for example, a microwave detector.

Die Kombination des akustischen Detektors mit einem Mikrowel lensensor hat dabei den Vorteil, daß Mikrowellensignale als Referenz verwendet werden können, da sie durch Rauch oder Wärmeerscheinungen auf dem Ausbreitungsweg kaum berührt wer den, während die von Objekten im Raum reflektierten Signale, werden sie etwa von der selben Stelle aus in den zu über wachenden Raum ausgesandt, kohärente Dopplerfrequenzen besit zen, d. h. sie verhalten sich reziprok zur jeweiligen Wellen länge von Ultraschall und Mikrowelle. Treten also im Raum bei den Ultraschallsignalen fluktuierende Veränderungen auf, wel che im Mikrowellensignal nicht beobachtet werden, so ist dies ein Hinweis auf entsprechende Fluktuationen im Ausbrei tungsmedium, welche bei einem entstehenden Brand typisch sind, wie Aufsteigen von Luft und Brandgase. Die Ausnutzung des Mikrowellen-Ultraschall-Koinzidenzprinzips ermöglicht so mit eine empfindliche und zuverlässige Branddetektion. Zudem wird damit eine zum Bewegungsmelder [5; 6; 7] zusätzliche wich tige Nutzung des Mikrowellen-Ultraschall-Dopplerfrequenz- Prinzips vorgeschlagen.The combination of the acoustic detector with a microwave lensensor has the advantage that microwave signals as Reference can be used because of smoke or smoke Signs of heat on the propagation path hardly touched anyone the while the signals reflected by objects in space, they are about from the same place in the over sent out waking space, coherent Doppler frequencies possess zen, d. H. they are reciprocal to the respective waves length of ultrasound and microwave. So join in the room fluctuations in the ultrasonic signals on wel che are not observed in the microwave signal, so it is an indication of corresponding fluctuations in the spread medium, which is typical in the event of a fire are like rising air and combustion gases. The exploitation of the microwave-ultrasound coincidence principle with a sensitive and reliable fire detection. In addition thus becomes a motion detector [5; 6; 7] additional wich use of the microwave ultrasound Doppler frequency Principle proposed.

Im kombinierten Brandmelder können verschiedene Signal formen (CW, FMCW, Impuls; Continuous Wave; Frequence Modulated-CW) zur Anwendung kommen. Werden unmodulierte Dauerstrichsignale (CW-Signale) verwendet, können grundsätzlich nur Bewegungen detektiert werden. Die Dopplerverschiebungen können über die Bestimmung der Signalphase oder mittels Spektralanalyse mit FFT (Fast Fourier Transformation) ausgewertet werden. Die Si gnifikanz der Aussage wird erhöht, wenn das Alarmkriterium für mehrere hintereinanderliegende Auswertebereiche erfüllt sein muß, bevor auf Brand geschlossen wird.Different signals can form in the combined fire detector (CW, FMCW, Impuls; Continuous Wave; Frequency Modulated-CW) come into use. Become unmodulated continuous wave signals (CW signals) can only be used for movements can be detected. The Doppler shifts can be done via the Determination of the signal phase or using spectral analysis with FFT (Fast Fourier Transformation) can be evaluated. The Si The significance of the statement is increased if the alarm criterion for several successive evaluation areas must be before a fire is concluded.

Verschiedene Brandarten besitzen typische Spektren, welche in einer Datenbank abgelegt und zum Vergleich herangezogen wer den können. Für eine Klassifikation können neuronale Netze oder Methoden der Fuzzy Logik vorteilhaft angewendet werden [8]. Die Einteilung der Signalparameter der Ultraschall- und Mikrowellen-Empfangssignale zur Entscheidungsfindung, bei spielsweise Signalpegel, Ausbreitungsdämpfung, Flackerfre quenz, detektierte Objektabstände, ist oft nur unter Berück sichtigung bestimmter übergreifender Regeln und deren Abar beitung mittels "unscharfer" (fuzzy) Logik oder eines trai nierten Entscheidungsnetzwerkes möglich. Different types of fire have typical spectra, which in stored in a database and used for comparison purposes that can. Neural networks can be used for classification or methods of fuzzy logic can be used advantageously [8th]. The classification of the signal parameters of the ultrasound and Microwave receive signals for decision making, at for example signal level, propagation damping, flicker-free frequency, detected object distances, is often only considered viewing certain general rules and their abar processing using "fuzzy" logic or a trai nated decision-making network possible.

Mit dem Einsatz von frequenzmodulierten Dauerstrichsignalen (FMCW-Signalen) kann die Entfernung zu Objekten bestimmt wer den. Ein periodisch frequenzmoduliertes Signal wird ausgesen det, an einem Objekt reflektiert und erreicht den Empfänger: Die Frequenz des Differenzsignals aus Sende- und Empfangs signals ist dann proportional zum Objektabstand. Wenn Ultra schall- und Mikrowellensignale auf einen gemeinsamen Reflek tor ausgerichtet werden, kann ein Störeinfluß beispielsweise durch den vom Ultraschallsensor unter verändertem Abstand ge genüber dem Mikrowellensignal detektierten Reflektor erkannt werden. Damit muß der Abstand zum jeweiligen Objekt vorher nicht bekannt sein. Da für Ultraschall-FMCW-Systeme im Ver gleich zu Mikrowellensystemen eine große relative Bandbreite realisierbar ist und die Entfernungsauflösung, beispielsweise durch Interpolation des Spektrums, leicht im Bereich von ei nigen Millimetern liegt, kann durch die Verfolgung des Ab standes zu einem starken Reflexionsobjekt, beispielsweise ei ner senkrechten Wand, welche durch die Mikrowellenreferenz als feststehend erkannt wurde, die Veränderung der Schallge schwindigkeit aufgrund einer Wärmeentwicklung verfolgt wer den. Werden gleichzeitig Flackerfrequenzen im Spektrum fest gestellt, die wiederum im Mikrowellensignal fehlen, kann auf Brand als Ursache geschlossen werden. Eine Fuzzy-Auswertung, die Nutzung einer Datenbank oder die Integration über mehrere Auswertebereiche (sweep-Intervalle) erhöhen auch hier die Si gnifikanz der Aussage. Mit FMCW-Signalen wird außerdem eine Lokalisierung des Brandherdes über eine Strecke von mehreren Metern hinweg möglich. Eine Abgrenzung des Erfassungs bereiches wird mit einfachen Mitteln, wie beispielsweise Tiefpaß, erreicht.With the use of frequency-modulated continuous wave signals (FMCW signals) the distance to objects can be determined the. A periodically frequency-modulated signal is emitted det, reflected on an object and reaches the recipient: The frequency of the difference signal from transmit and receive signals is then proportional to the object distance. If ultra sound and microwave signals on a common reflect Tor can be aligned, for example by the distance from the ultrasound sensor detected with respect to the microwave signal detected reflector become. So the distance to the respective object must be beforehand not be known. As for ultrasonic FMCW systems in Ver a large relative bandwidth, similar to microwave systems is feasible and the distance resolution, for example by interpolation of the spectrum, easily in the range of egg a few millimeters, can be by tracking the Ab a strong reflection object, for example egg ner vertical wall, which by the microwave reference was recognized as fixed, the change in Schallge who follows speed due to heat development the. Flicker frequencies become fixed in the spectrum at the same time can be set, which in turn are missing in the microwave signal Fire can be closed as the cause. A fuzzy evaluation, the use of one database or the integration over several Evaluation ranges (sweep intervals) also increase the Si here significance of the statement. With FMCW signals also a Localization of the source of the fire over a distance of several Meters away possible. A delimitation of the coverage area with simple means, such as Low pass, reached.

Man kann bei entfernungsauflösenden Verfahren, wie Laufzeit verfahren, FMCW, Korrelationsverfahren mit PN-Code (Pseudo- Noise) Objekte aufgrund ihres Abstandes unterscheiden und insbesondere im Sinne der vorliegenden Erfindung erkennen, vor welchem der Objekte eine fluktuierende Störung vorhanden ist. Damit können entstehende Brandherde lokalisiert werden. Durch jeweils getrennte Ultraschall- und Mikrowellen-Sensoren ist dabei sogar die Möglichkeit einer zweidimensionalen Er kennung gegeben.One can use distance-resolving methods, such as runtime procedure, FMCW, correlation procedure with PN code (pseudo Noise) distinguish objects based on their distance and recognize in particular in the sense of the present invention, in front of which of the objects there is a fluctuating disturbance is. This enables localized sources of fire to be located. Through separate ultrasonic and microwave sensors is even the possibility of a two-dimensional Er given.

Die Werkzeuge der beschriebenen Auswertung, wie Quadraturde modulation, Arcustangens-Berechnung, Phasenverfolgung, Schwellenauswertung, ggf. Hilberttransformation und FFT wer den in gleicher Weise zur Bewegungsdetektion genutzt, so daß die beiden Alarmmelder, Feuer- und Einbruchalarm, ohne zu sätzliche Hardware zu einem universellen leistungsfähigen Raumüberwachungssystem kombiniert werden können. Das be schriebene Auswerteprinzip läßt sich vorteilhaft mit Digital signalen umsetzen, vorzugsweise auf einem Mikrocontroller oder Digitalen Signalprozessor (DSP).The tools of the evaluation described, such as Quadraturde modulation, arctangent calculation, phase tracking, Threshold evaluation, if necessary Hilbert transformation and FFT who used in the same way for motion detection, so that the two alarms, fire and burglar alarm, without closing additional hardware to a universal powerful Room surveillance system can be combined. That be The evaluation principle written can be advantageously used with digital implement signals, preferably on a microcontroller or digital signal processor (DSP).

Der beschriebene Brandmelder hat den Charakter eines Strec kensensors: die zu sensierenden Größen beeinflussen das aus gesendete Signal auf dem Ausbreitungsweg. Der Empfindlich keitsbereich des Sensors entspricht somit seinem Erfassungs bereich, der sich aus der Reichweite und dem Öffnungswinkel der Abstrahlung ergibt. Damit sind für eine Überdeckung des gesamten Raumbereiches deutlich weniger Brandmelder vonnöten als mit herkömmlichen Punktmeldern, wie optischen Meldern und Ionisationsmeldern. Eine optimale Anbringung der Sensoren kann durch Rauchversuche mit Testfeuern ermittelt werden, wo bei sich ein spezifisches Sensibilitätsprofil für den Raum ergibt. In normalgroßen Räumen wird oft ein Melder ausrei chen, der auch die Funktion des Bewegungsmelders umfaßt.The fire detector described has the character of a street kensensors: the sizes to be sensed influence this transmitted signal on the propagation path. The sensitive range of the sensor thus corresponds to its detection area, which results from the range and the opening angle the radiation results. So that for a coverage of the significantly fewer fire detectors are required in the entire room area than with conventional point detectors, such as optical detectors and Ionization detectors. Optimal attachment of the sensors can be determined by smoke tests with test fires, where a specific sensitivity profile for the room results. A detector is often sufficient in normal-sized rooms Chen, which also includes the function of the motion detector.

Durch die Kombination mit einem aktiven oder passiven IR- Detektor (Infrarot) mit Strahlenfächer wird eine laterale Zu ordnung des Brandherdes möglich, womit seine Lokalisierung verbessert wird. Mit dem Einsatz eines aktiven IR-Detektors ist zusätzlich eine Abstandsmessung zu räumlich positionier ten Objekten gegeben. Im Extremfall kann daraus berechnet werden, wie die Mikrowellensignale auszusehen haben - es er gibt sich also ein "virtueller Mikrowellen-Dopplersensor". By combining with an active or passive IR Detector (infrared) with a fan of rays becomes a lateral one order of the fire source possible, with which its localization is improved. With the use of an active IR detector is a distance measurement too spatially positioned given objects. In extreme cases it can be calculated from it become what the microwave signals have to look like - he so there is a "virtual microwave Doppler sensor".

Ein aktiver IR-Detektor könnte somit anstelle des Mikrowel lensensors die "Kontrolle" des Ultraschallsensors übernehmen oder zusätzlich zu erhöhten Sicherheit gegen Störsignale ein gesetzt werden.An active IR detector could therefore replace the microwave take over the "control" of the ultrasonic sensor or in addition to increased security against interference signals be set.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh rungsbeispiele beschrieben:In the following, diagrammatic figures will be used Example examples described:

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines kombinierten Mikrowel len- Ultraschall-Brandmelders mit Fuzzy-Auswertung auf ei nem Mikrocontroller und Fuzzy-Kompressor, Fig. 1 shows a block diagram of a combined micro wave LEN ultrasonic fire detector with Fuzzy-evaluation on egg nem microcontroller and fuzzy compressor,

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines kombinierten Mikrowel len-Ultraschall-Brandmelders mit Auswertung auf einem DSP (Digitaler Signal Prozessor) mit FMCW-Signalen, Fig. 2 shows a block diagram of a combined micro wave len ultrasonic fire detector with evaluation on a DSP (Digital Signal Processor) with FMCW signals,

Fig. 3 zeigt den Phasengang der Ultraschall- und Mikrowellen- Empfangssignale für vier verschiedene Scenarien und Fig. 3 shows the phase response of the ultrasound and microwave reception signals for four different scenarios and

Fig. 4 zeigt das Verhalten des Melders bei offenem Buchenholz brand. Fig. 4 shows the behavior of the detector with open beech wood fire.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Mikrocontroller basierten (z. B. 8 bit Mikrocontroller SAB 80537) kombinierten Brandmelders mit Fuzzy-Auswertung. Der Sendekanal SK des Ul traschallsensors umfaßt einen Signalgenerator G und Baugrup pen zur Signalaufbereitung des Sendesignals s_us(t) (Sendeverstärker V, Anpassung A). Nach dem Empfangswandler EM wird das Empfangssignal e_us(t) nach Verstärkung und Bandpaß filterung BP durch Quadraturdemodulation QDM in zwei ortho gonale Anteile i_us(t) und q_us(t) aufgeteilt. Die Ultraschall- Sendewandler SW und Empfangswandler EW sind vorzugsweise Ul traschallwandler mit hoher Güte und Empfangsempfindlichkeit, wie z. B. piezokeramische Biegeschwinger. An den Mikrowellen- Dopplersensor (z. B. 2,5; 5,8; 10; 24 GHz) werden normaler weise relativ geringe Anforderungen gestellt, weil die über wachten Entfernungen und die Anforderungen an das Auflösungs vermögen moderat sind. Fig. 1 shows the block diagram of a microcontroller based (z. B. 8 bit microcontroller SAB 80537) combined fire detector with Fuzzy-evaluation. The transmission channel SK of the ultrasonic sensor comprises a signal generator G and modules for signal processing of the transmission signal s _us (t) (transmission amplifier V, adaptation A). After the receive converter EM, the receive signal e _us (t) after amplification and bandpass filtering BP by quadrature demodulation QDM is divided into two orthogonal components i _us (t) and q _us (t). The ultrasonic transmitter transducer SW and transducer EW are preferably ultrasonic transducers with high quality and sensitivity, such as. B. piezoceramic bending vibrators. The microwave Doppler sensor (e.g. 2.5; 5.8; 10; 24 GHz) is usually subject to relatively low requirements because the monitored distances and the resolution requirements are moderate.

Die demodulierten Empfangssignale des Ultraschallsensors und des Mikrowellensensors werden in 4 Kanälen (2 Ultraschallsi gnale i_us, q_us, 2 Mikrowellensignale i_mw, q_mw) im Wechseltakt in Blöcken von beispielsweise 256 Punkten über den internen A/D- Wandler eingelesen. Für 40-kHz-Ultraschall- und 24-GHz- Mikrowellen-Dauerstrichsignale ergeben sich bei einem über wachten Geschwindigkeitsbereich von 2 cm/s bis 2 m/s Doppler frequenzen von etwa 5 bis 480 Hz für Ultraschall und von etwa 3 bis 320 Hz für Mikrowelle. Die durch Branderscheinungen hervorgerufenen Bewegungen liegen im Bereich bis ca. 200 Hz. Entsprechend kann eine Abtastfrequenz von etwa 1 kHz verwen det werden.The demodulated received signals of the ultrasonic sensor and the microwave sensor are read in 4 channels (2 ultrasound signals i _us , q _us , 2 microwave signals i _mw , q _mw ) in alternating cycles in blocks of, for example, 256 points via the internal A / D converter. For 40 kHz ultrasound and 24 GHz microwave continuous wave signals, there are Doppler frequencies of about 5 to 480 Hz for ultrasound and of about 3 to 320 Hz for a monitored speed range from 2 cm / s to 2 m / s Microwave. The movements caused by fire appear in the range up to approx. 200 Hz. Accordingly, a sampling frequency of approx. 1 kHz can be used.

Die Amplitude der Empfangssignale wird fortlaufend verfolgt und eine Dopplerauswertung vorgenommen. Die Phase der komple xen Ultraschall- und Mikrowellensignale wird über eine Arcus tangens-Berechnung bestimmt. Die Dopplerfrequenz ergibt sich aus der Ableitung der Phase, die Bewegungsrichtung aus dem Vorzeichen. Durch eine Verfolgung der Signalphase in aufein anderfolgenden Abtastpunkten ist eine Detektion von Flacker- (Pendel-)bewegungen leicht möglich. Die extrahierten Merkma le Dopplerfrequenz, Flackerbewegung und Intensitätsprofil werden zur Alarm-Entscheidung über mehrere aufeinanderfolgen de Auswerteintervalle verfolgt.The amplitude of the received signals is tracked continuously and performed a Doppler evaluation. The phase of the complete xen ultrasound and microwave signals is transmitted via an arc tangent calculation determined. The Doppler frequency results from the derivation of the phase, the direction of movement from the Sign. By tracking the signal phase in on each other other sampling points is a detection of flickering (Pendulum) movements easily possible. The extracted features le Doppler frequency, flickering movement and intensity profile are used for alarm decision over several successive de Evaluation intervals followed.

Die Dopplerauswertung kann alternativ erst vorgenommen wer den, wenn eine Veränderung registriert wird, die größer als ein eingestellter Toleranzbereich ist. Als weitere Möglich keit ergibt sich, zur Detektion von "Unregelmäßigkeiten" den Ultraschallsensor fortlaufend aktiv zu halten und den Mikro wellensensor quasi zur Kontrolle erst zuzuschalten, wenn nen nenswerte Dämpfungen und Fluktuationen auf dem Ausbreitungs weg des Schallsignals registriert werden.Alternatively, the Doppler evaluation can only be carried out by who when a change is registered that is greater than is a set tolerance range. As another possibility speed results for the detection of "irregularities" Keep ultrasound sensor active and keep the micro Activate the shaft sensor as a control only when you have done so noteworthy damping and fluctuations on the spread be registered away from the sound signal.

Für eine Fuzzy-Auswertung müssen Algorithmen zur Fuzzifizie rung, Regelabarbeitung und Defuzzifizierung bereitgestellt werden. Dies könnte mit einer reinen Software-Implementierung oder mit einer Hardware-Realisierung erreicht werden. Als Mischform bietet sich der Einsatz eines Fuzzy-Logik- Koprozessors (z. B. SAE 81C199) an, der diese Prozesse selb ständig abarbeitet und damit den Mikrocontroller entlastet. Die Zugehörigkeitsfunktionen und die Regeln eines Fuzzy-Sets werden adreßkodiert in sog. Wissensbasen geschrieben und in EPROMs abgelegt.For a fuzzy evaluation, algorithms for fuzzification provision, rule processing and defuzzification provided become. This could be done with a pure software implementation or can be achieved with a hardware implementation. As Mixed form offers the use of a fuzzy logic Coprocessor (e.g. SAE 81C199), which processes these same works continuously and thus relieves the load on the microcontroller. The membership functions and the rules of a fuzzy set are written in address-coded form in so-called knowledge bases and in EPROMs filed.

In Fig. 2 ist das Blockschaltbild eines Systems mit FMCW- Auswertung auf einem DSP (z. B. DSP56000) dargestellt. Zusätz lich zu den Informationen aus Intensität und Dopplerverschie bung der Empfangssignale kann aus der Abweichung der entfer nungsproportionalen Frequenzen der Differenzsignale von Ul traschall und Mikrowelle auf Störungen auf dem Ausbrei tungsweg geschlossen und der Brandherd lokalisiert werden. Die Auswertung kann dabei zur Vereinfachung der Hard wareanforderungen weitgehend auf dem DSP erfolgen. Das Ultra schallsignal s_us(t) kann softwaremäßig generiert und über ei nen D/A-Wandler ausgegeben werden. Über eine A/D- Wandlerplatine werden das Ultraschall-Empfangssignal e_us(t) und das heruntergemischte Mikrowellen-Differenzsignal d_mw(t) eingelesen. Im Empfänger wird durch Softwaremultiplikation das Differenzsignal d_us(t) gebildet, womit der Ultraschall sensor nur noch aus dem Ultraschall- Sendewandler SW und dem Empfangswandler EW (vorzugsweise piezokeramische Biege schwinger) besteht. Als Mikrowellen-FMCW-Modul wird vorzugs weise ein Sensor mit guter Linearität der Frequenzmodulation eingesetzt. Mittels einer FFT über Blöcke von beispielsweise 1024 Abtastpunkten wird von beiden Empfangssignalen das (reelle) Spektrum gebildet und auf Maxima untersucht.In Fig. 2 is a block diagram of a system with FMCW evaluation on a DSP (z. B. DSP56000) shown. In addition to the information from the intensity and Doppler shift of the received signals, the deviation of the distance-proportional frequencies of the differential signals from ultrasound and microwave can be used to infer faults on the propagation path and the source of the fire can be localized. The evaluation can largely be done on the DSP to simplify the hardware requirements. The ultrasound signal s _us (t) can be generated by software and output via a D / A converter. The ultrasound received signal e _us (t) and the downmixed microwave difference signal d _mw (t) are read in via an A / D converter board. The difference signal d _us (t) is formed in the receiver by software multiplication, so that the ultrasound sensor only consists of the ultrasound transmitter transducer SW and the receiver transducer EW (preferably piezoceramic bending transducers). A sensor with good linearity of frequency modulation is preferably used as the microwave FMCW module. Using an FFT over blocks of, for example, 1024 sampling points, the (real) spectrum of both received signals is formed and examined for maxima.

Mit dem kombinierten Dopplersensor sind Messungen zur Unter suchung der Detektionseigenschaften des kombinierten Brand melders durchgeführt worden. In Fig. 3 ist als Auswertemerk mal die Phasenentwicklung der Empfangssignale aufgetragen, welche die Empfindlichkeit des Sensors auf Veränderungen auf dem Übertragungsweg demonstriert. In Fig. 3a) sind minimale Phasenfluktuationen aufgrund von Hintergrundrauschen zu er kennen. Fig. 3b) zeigt den Einfluß von Luftbewegungen auf die Phase des Ultraschallsignales. Rauch verursacht dagegen star ke Fluktuationen der Ultraschallphase, wie Fig. 3c) darstellt. Die Mikrowellenphase bleibt dagegen nahezu unberührt. Unter Berücksichtigung der Amplitudeninformationen wird die Detek tion brandtypischer Phänomene zusätzlich unterstützt. Im Ver gleich dazu ist in Fig. 3d) die Auswertung der Empfangssignale bei Personenbewegung dargestellt.The combined Doppler sensor was used to carry out measurements to investigate the detection properties of the combined fire detector. In Fig. 3, the phase development of the received signals is plotted as an evaluation feature, which demonstrates the sensitivity of the sensor to changes in the transmission path. In Fig. 3a) minimal phase fluctuations due to background noise can be seen. FIG. 3b) shows the effect of air movement on the phase of the ultrasonic signal. In contrast, smoke causes strong fluctuations in the ultrasound phase, as shown in FIG. 3c). In contrast, the microwave phase remains almost unaffected. Taking into account the amplitude information, the detection of fire-typical phenomena is additionally supported. In comparison to this, the evaluation of the received signals during movement of people is shown in FIG. 3d).

Unter Testbedingungen nach EN 54/7 wurde sodann die Detekti onsfähigkeit des kombinierten Sensors anhand eines Testfeuers TF 1, Buchenholzbrand - kleine helle Partikel, untersucht. Der Sensor wurde unter der Raumdecke angebracht, sein Abstand zum Brandherd betrug 3 m. In Fig. 4a) und 4b) sind die Amplitu den der Empfangssignale über der Zeit von 5 Minuten darge stellt. Das Ultraschallsignal zeigt beträchtliche Amplituden, wie sie ähnlich auch durch Personenbewegung hervorgerufen sein können. Eine eindeutige Unterscheidung ermöglicht der Vergleich mit dem Mikrowellensignal zusammen mit einer Aus wertung der Fluktuationen der Dopplerfrequenz; siehe Fig. 4c).The test capability of the combined sensor was then examined under test conditions according to EN 54/7 using a test fire TF 1, beech wood fire - small bright particles. The sensor was installed under the ceiling, its distance from the source of the fire was 3 m. In Figure 4a). And 4b) which are the Amplitu of the received signals is about the time of 5 minutes Darge. The ultrasound signal shows considerable amplitudes, which can also be caused by movement of people. A clear distinction is made possible by the comparison with the microwave signal together with an evaluation of the fluctuations in the Doppler frequency; see Fig. 4c).

Die Ergebnisse bestätigen das Potential eines kombinierten Ultraschall-Mikrowellen-Sensors zur Branderkennung.The results confirm the potential of a combined Ultrasonic microwave sensor for fire detection.

Für eine Klassifizierung der Brandmerkmale (Signalpegel, Aus breitungsdämpfung, Flackerfrequenz) können vorteilhaft neuro nale Netze oder Methoden der Fuzzy Logik angewendet werden, die Vergleiche mit katalogisierten Spektren verschiedener Brandarten ermöglichen, siehe [4].For a classification of the fire characteristics (signal level, off attenuation, flicker frequency) can be advantageous neuro networks or methods of fuzzy logic are used, comparisons with cataloged spectra of different Enable types of fire, see [4].

Über die Ankopplung an einen Hausinstallationsbus kann das System in ein komplexes Raumüberwachungssystem eingebunden werden. This can be done by connecting to a house installation bus System integrated in a complex room surveillance system become.

literature

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[2] W. Friedl (Hrsg.): "Fehlalarme minimieren: Brand- und Einbruchmeldeanlagen", VDE-Verlag 1994.
[3] R. Rivoir: "Smoke detection", First European School on Sensors (ESS94), 12.-17.9.94, Lecce, Italien, pp. 120-129.
[4] W. Heywang, M. Guntersdorfer, P. Kleinschmidt: "Die Dopplerverschiebung der Reflexion von elektromagnetischer und Ultraschall-Strahlung auswertendes Einbruchalarm system", Patent DE 26 13 845, 26.10.78.
[5] P. Kleinschmidt: "Gerät zur Einbruchssicherung", Erfin dungsmeldung v. 19.6.78.
[6] V. Mágori: "Verfahren zur Taubstellenunterdrückung und Richtungsauswertung brei Doppler-Bewegungsdetektoren", Er findungsmeldung v. 7.11.78.
[7] H. Ruser, M. Vossiek, V. Mágori, H.-R. Tränkler: "Kombinierter Ultraschall-Mikrowellen-Sensor für die zu verlässige Detektion von Anwesenheit und Bewegung", Sen sor'97, 13.-15.5.97, Nürnberg, vol. 1, pp. 229-234.
[8] H.C. Müller, A. Fischer: "A robust fire detection algo rithm for temperature and optical smoke density using fuz zy logic", Proc. 1995 Carnahan Conf. on Security Technolo gy, Sanderstead, UK, pp. 197-204, 1995.[1] K. Bartels: "Fire and intrusion detection systems", RPB paperbacks No. 5, Franzis'-Verlag 1980.
[2] W. Friedl (ed.): "Minimizing false alarms: fire and intrusion detection systems", VDE-Verlag 1994.
[3] R. Rivoir: "Smoke detection", First European School on Sensors (ESS94), September 12-17, 1994, Lecce, Italy, pp. 120-129.
[4] W. Heywang, M. Guntersdorfer, P. Kleinschmidt: "Intrusion alarm system evaluating the Doppler shift of the reflection of electromagnetic and ultrasound radiation", patent DE 26 13 845, October 26, 1978.
[5] P. Kleinschmidt: "Device for burglar protection", invention report by. 19.6.78.
[6] V. Mágori: "Method for suppressing dew points and evaluating the direction of broad Doppler motion detectors", 7.11.78.
[7] H. Ruser, M. Vossiek, V. Mágori, H.-R. Tränkler: "Combined ultrasonic microwave sensor for the reliable detection of presence and movement", Sen sor'97, May 13-15, 1997, Nuremberg, vol. 1, pp. 229-234.
[8] HC Müller, A. Fischer: "A robust fire detection algo rithm for temperature and optical smoke density using fuz zy logic", Proc. 1995 Carnahan Conf. on Security Technology, Sanderstead, UK, pp. 197-204, 1995.

Claims

1. Fire alarm procedure in which

- At least one transmitter sends ultrasonic signals and at least one other transmitter sends microwave or light signals or a combination of all three different types of waves,
- Reflected Doppler signals are received by the receivers of objects assigned to the transmitters,
- The evaluation of reception signals occurs individually and in combination, so that a change in one wave type received signal in the event that a receive signal indicates no movement in one or more other wave types, smoke, particles or changes in the gas composition in the detection range is detected.

2. The method according to claim 1, with the microwave and ultrasonic signals with min at least one transmitter and one assigned receiver be set.

3. The method according to any one of the preceding claims, where from the mismatch of frequencies of the Microwave and ultrasound output signals from the receivers a person or object within a tolerance range movement excluded as a cause of external influences becomes.

4. The method according to any one of the preceding claims, in the case of detection of strong fluctuations in amplitude and Frequency of the output signals of the receiver of the ultrasound sensors with low amplitude and frequency at the same time fluctuation of the output signals of the receivers of the microwave lens sensors on, fire is closed as the cause.

5. The method according to any one of the preceding claims, in which the characteristics of the output signals of the receiver are based a threshold evaluation are extracted.

6. The method according to any one of the preceding claims, in which by using distance-selective transmission signals, like pulses, frequency modulated signals, in addition to amplitudes de and Doppler frequency the distance to strong reflectors in common detection range of the sensors is determined.

7. The method according to claim 6, in which from under an ultrasonic or light sensor changed distance compared to a microwave sensor detected reflectors for changes typical of the fire the signal transmission path is closed.

8. The method according to claims 6 or 7, in which by evaluating the distance information in the Output signals from the ultrasonic or light sensors The source of the fire is localized.

9. The method according to any one of the preceding claims, with the additional use of active or pas active infrared detectors with a fan beam a lateral one Assignment of the source of the fire becomes possible, with which its location is improved.

10. The method according to any one of the preceding claims, with the typical characteristics of microwave and ultrasound Output signals from various external influences as Mu ster are stored in a database and for decision about a fire situation with the characteristics of the current exit signals are compared.

11. The method according to any one of the preceding claims, in which with the use of active infrared detectors Distance measurements to spatially positioned objects in an egg ner calibration phase is calculated, like the microwave signals have to look and in this way without the use of micro wave sensors pattern signals for the evaluation of the output signals from the ultrasonic sensors regarding a fire be made available.

12. The method according to any one of the preceding claims, with the typical characteristics of external influences to the Defini tion of feature spaces, corresponding membership radio tions and rules of the assignment serve and from the assignment the characteristics of the current output signals using methods of Fuzzy logic is decided on a fire situation.

13. The method according to any one of the preceding claims, in which the evaluation of the characteristics of the current output signals with neural networks.

14. The method according to any one of the preceding claims, where using the same hardware and signal processing methods by reversing the evaluation principle nation of a motion and fire detector and thus a uni universal room monitoring system is created.

15. Sensor for fire detection, which has at least one ultrasound Sending / receiving unit and at least one other sen de / receiving unit for microwave or light or a com combination of all, with received signals an off unit values can be fed.