DE2911429C2

DE2911429C2 - Rauchdetektor

Info

Publication number: DE2911429C2
Application number: DE2911429A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Herzogenbuchsee Schnell
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1979-02-26
Filing date: 1979-03-23
Publication date: 1981-11-05
Also published as: JPS6217693B2; US4288790A; DE2911429B1; CH641584A5; JPS55117942A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen bestimmten Raumbereich aussendet, und einem Strahlungsempfänger, der außerhalb des direkten Strahlungsbereiches angeordnet ist, und dem die an Partikeln im Strahlungsbereich gestreute Strahlung zugeführt wird, wobei die Strahlungsquelle eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik besitzt und der Strahlungsempfänger in der Kegelachse angeordnet ist, nach Patent 26 19 082.

Solche insbesondere als Brandmelder verwendeten Rauchdetektoren werten die Tatsache aus, daß die in einen Meßraum von einer Strahlungsquelle ausgesandte, mit Vorteil impulsförmige Strahlung, z. B. UV, sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung bei Anwesenheit von Rauchpartikeln oder Brandaerosol im Meßraum oder der Meßkammer in bestimmter Weise beeinflußt wird.

Vorteilhafterweise arbeiten diese Brandmelder nach dem Streustrahlungsprinzip, wobei ein nicht von direkter Strahlung getroffener Streustrahlungsempfänger vorgesehen ist, welcher die an Rauchpartikeln gestreute Strahlung empfängt und ein Brandalarmsignal auslöst, sobald die Streustrahlungsintensität eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Nachteilig ist bei solchen Brandmeldern jedoch, daß sie nur auf stark streuenden Rauch reagieren, sogenannten weißen Rauch, wie er beispielsweise bei einem Brand feuchten Materials entsteht. Sie reagieren jedoch ungenügend auf stark Strahlungsabsorbierenden und daher nur wenig Streustrahlung erzeugenden Rauch, sogenannten schwarzen Rauch, wie er bei sich schnell entwickelnden Bränden oder bei unvollständiger Verbrennung häufig auftritt. Vorbekannte Streustrahlungsbrandmelder waren daher nicht in der Lage, Brandtypen, die mit dem Auftreten von stark strahlungsabsorbierendem, also schwarzem Rauch verbunden sind, zu melden. Besonders nachteilig ist dies bei sich schnell entwickelnden Bränden, bei denen Streustrahlungsbrandmelder häufig erst zu spät ein Alarmsignal auslösen.

Andere vorbekannte optische Rauchdetektoren arbeiten nach dem Extinktionsprinzip. Dabei wird ein Strahlungsempfänger von der Strahlungsquelle direkt bestrahlt. Bei Anwesenheit von Rauch vermindert sich dessen Bestrahlung infolge der Strahlungsabsorption an Rauchpartikeln und der Strahlungsstreuung. Bei einer bestimmten Bestrahlungsverminderung wird ein Brandalarmsignal ausgelöst. Solche Brandmelder sind zwar in der Lage, auch stark absorbierenden, also schwarzen Rauch nachzuweisen, sie erfordern jedoc^h relativ große Absorptionsweglängen in der Größenordnung eines Meters, wenn bereits, wie in der Praxis erforderlich, schon eine geringe Rauchdichte mit hinreichender Empfindlichkeit nachgewiesen werden soll. Extinktions-Brandmelder lassen sich daher nur sehr schwer in den in der Praxis erforderlichen Abmessungen von höchstens 10 cm herstellen, wenn nicht komplizierte, empfindliche, teure und verstaubungsanfällige Umlenkspiegelsysteme

verwendet werden.

Extinktionsbrandmelder sind zwar in der Lage, verschiedene Rauchtypen mit relativ gleichmäßiger Empfindlichkeit nachzuweisen. Ihnen haftet jedoch der Nachteil an, daß eine relativ geringe Änderung eines relativ großen Bestrahlungswertes sicher nachgewiesen werden muß, was in der Praxis eine extrem gute und entsprechend komplizierte und teure Langzeitstabilisierung der Strahlungsquelle erforderlich macht. Daher haben sich in der Praxis Streulichtbrandmeider weitgehend durchgesetzt, bei welchen die viel leichter und ohne großen Stabilisierungsaufwand feststellbare Abweichung eine Größe von Null bestimmt wird, wobei jedoch der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß solche Streulichtbrandmelder nicht auf alle Brandtypen gleich gut reagieren.

Ein weiterer, allen vorbekannten optischen Brandmeldern anhaftender Nachteil ist, daß sie nur auf Rauchpartikel ansprechen, deren Abmessungen größer als etwa die Strahlungswellenlänge, d. h. gi ößer als etwa 1 μηι sind. Kleinere Partikel, welche bevorzugt im Anfangsstadium eines Brandes auftreten, können nicht nachgewiesen werden, so daß solche optischen Brandmelder ein Alarmsignal häufig erst zu einem zu späten Zeitpunkt auslösen, weshalb meist anderen, schneller ansprechenden Brandmeldertypen, wie z. B. Ionisationsfeuermeldern, der Vorzug gegeben wird, wobei dann allerdings der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß radioaktive Präparate verwendet werden müssen, die wiederum andere unerwünschte Auswirkungen haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile vorbekannter optischer Brandmelder zu vermeiden und einen solchen Brandmelder zu schaffen, welcher auf die verschiedenen in der Praxis auftretenden Brandtypen sicher und mit schnellerem Ansprechverhalten und höherer Empfindlichkeit reagiert, insbesondere sowohl auf schwarzen als auch auf weißen Rauch, als auch auf nicht sichtbare Aerosolpartikel, und welcher zudem einfach aufgebaut ist und kleine Abmessungen aufweist

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Rauchdetektor der eingangs genannten Art die Strahlungsquelle Strahlungsimpulse aussendet und daß zusätzlich im Raumbereich ein akustischer Aufnehmer vorgesehen ist, welcher die durch die Absorption der Strahlungsimpulse von den Partikeln erzeugten Luftschwingungen aufnimmt und an eine Auswerteschaltung angeschlossen ist, welche ein Signal auslöst, sobald die Intensität dieser Luftschwingungen so eine vorgeschriebene Schwelle überschreitet, oder sobald die vom Strahlungsempfänger aufgenommene Streustrahlung ein vorgegebenes Maß übersteigt.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Tatsache ausgenützt, daß durch die Absorption der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlungsimpulse an Partikeln im Strahlungsbereich durch die momentane Erhitzung ein Luftdruckimpuls entsteht. Die während jedes Strahlungsimpulses erzeugten Luftdruckschwankungen werden von einem akustischen Aufnehmer gesammelt und summiert, an dessen Ausgang also in Koinzidenz mit den Strahlungsimpulsen ein Ausgangsimpuls auftritt, Welcher von einer Auswerteschaltung weiter zur Alarmsignalgabe ausgewertet wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der fc5 Unteransprüche.

Die Erfindung wird anhand eines in den Figuren dargestellten AusführungsDeispieles eines Brandmelders erläutert

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Meßkammer eines Brandmelders sowie eine geeignete Auswerteschaltung in Blockform.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Meßkammer dieses Brandmelders.

Der in den Figuren dargestellte Brandmelder weist eine Meßkammer 1 auf, welche in einem Gehäuse eingeschlossen wird, welches beispielsweise aus einer zylindrischen oder leicht konischen Wand 2, einem oberen Deckel 3 und einem unteren Deckel 4 bestehen kann. Zu dieser Meßkammer 1 hat die auf die Anwesenheit von Rauch oder Brandaerosol zu untersuchende Luft Zutritt. Dies kann beispielsweise durch Zuführung der zu untersuchenden Luft über eine Eintrittsöffnung fund eine Austrittsöffnung A erfolgen oder durch Konvektion, wobei in der Kammerwand 2 oder im unteren Deckel 4 geeignete Öffnungen vorgesehen sein können, durch welche die unigebende Luft in die Meßkammer 1 eintreten kann. Diese öffnungen können in bekannter Weise lichtdicht ausgebildet sein, um das Umgebungslicht von der Meßkammer 1 fernzuhalten.

In der Meßkammer am oberen Deckel 3 befindet sich eine Strahlungsquelle 5, beispielsweise ein Laser oder eine Licht- oder Infrarotstrahlung emittierende Diode. Diese Strahlungsquelle wird von einem Oszillator 6 impulsweise betrieben und sendet in das Meßkammerinnere Strahlungsimpulse mit einer bestimmten Impulsfrequenz, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 20 kHz aus.

An einer anderen Stelle der Meßkammer 1 ist ein akustischer Aufnehmer 7 vorgesehen, z. B. ein kapazitives Elektret-Mikrophon mit elektrisch polarisierter Folie. Befindet sich nun Rauch oder Brandaerosol in der Meßkammer 1, so werden die Strahlungsimpulse von den Partikeln im Strahlungsbereich absorbiert. Dabei erwärmen sich diese Partikel kurzzeitig und es entsteht eine Luftdruckwelle von jedem Partikel. Die einzelnen Druckimpulse summieren sich und können somit vom akustischen Aufnehmer 7 als Luftschwingung oder als Druckimpuls wahrgenommen werden.

Das Auftreten solcher Luftschwingungen während eines Strahlungsimpulses ist also ein untrügliches Zeichen, daß im bestrahlten Meßraum 1 strahlungsabsorbierende Partikel vorhanden sind. Dabei zeigt sich im übrigen, daß auch Partikel, weiche kleiner sind als die Wellenlänge der Strahlung, bereits einen Beitrag liefern, d. h. daß auch die im Frühstadium eines Brandes auftretenden Aerosolpartikel nachgewiesen werden können. Zur Auswertung der Luftschwingungen ist der akustische Aufnehmer 7 an eine Auswerteschaltung S angeschlossen. Zunächst wird das Ausgangssignal des akustischen Aufnehmers 7 einem Phasenkomparator 8 zugeführt, welcher in Koinzidenz mit der Strahlungsquelle 5 vom Oszillator 6 angesteuert wird. Damit wird erreicht, daß nur während der Impulsdauer der Strahlungsimpulse das vom akustischen A.ufnehmer 7 abgegebene Signal ausgewertet und an den nachgeschalteten Schwellenwertdetektor 9 weitergegeben wird. Sobald die Intensität der Ausgangsimpulse des akustischen Aufnehmers 7 eine bestimmte Schwelle überschreitet, liefert dieser Schwellenwertdetektor 9 an den von ihm angesteuerten Signalgeber 10 ein Alarmsignal. Dabei können in bekannter Weise wie bei anderen optischen Brandmeldern Integrations- oder Verzögerungsglieder zwischengeschaltet sein, um fehlerhafte Alarmauslösungen durch einzelne Impulse zu

vermeiden. Weiterhin können zur Vermeidung von störenden Einschwingimpulsen bekannte Maßnahmen zur Unterdrückung der Einschwingvorgänge, beispielsweise im Phasenkomparator8, vorgesehen sein.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Impulsfreqi cnz der Strahlungsimpulse, also die Frequenz des Oszillator 6 und die Abmessungen der Meßkammer 1 derart aufeinander abgestimmt sind, daß in der Meßkammer stehende akustische Wellen entstehen. Bei einer zylindrischen Meßkammer mit einem Durchmesser von 5 cm liegt beispielsweise die tiefste zylindersymmetrische Resonanzschwingung bei 8,2 kHz. Weiten: Resonanzschwingungen mit anderen Frequenzen lassen sich ebenfalls anregen und benützen, sind aber in der Regel etwas stärker gedämpft und liefern ein entsprechend schwächeres Signal. Infolge der auftretenden Resonanz läßt sich jedenfalls eine wesentliche Verstärkung des Signales am akustischen Aufnehmer 7 erreichen.

Besonders günstige Abmessungen, wie sie in der Praxis von einem Brandmelder gefordert werden, lassen sich also wie vorstehend erläutert beispielsweise erreichen, wenn eine Strahlungsimpulsfrequenz in der Größenordnung von 8 kHz gewählt wird. Überraschenderweise zeigte sich, daß trotz dieser sehr kleinen Abmessungen der Meßkammer der akustische Aufnehmer 7 ein so großes Ausgangssignal Hefen, daß sich auf einfache Weise störsicher auswerten läßt. Somit war es möglich, die Meßkammerabmessungen um mindestens eine Größenordnung kleiner zu wählen, als dies bei Extinktionsbrandmeldern üblich war, ohne daß wie bei Extinktionsbrandmeldern nötig, eine Vielzahl von empfindlichen, genau zu justierenden und verstaubungsanfälligen Umlenkspiegeln erforderlich war. Trotzdem läßt sich mit der beschriebenen Anordnung insbesondere stark absorbierender, d.h. schwarzer Rauch mit überraschend hoher Empfindlichkeit nachweisen.

Um jedoch gleichzeitig auch weniger stark absorbierende Rauchpartikel, welche lediglich eine Strahlungsstreuung verursachen, z. B. wasserdampfhaltigen oder weißen Rauch nachzuweisen, ist, wie im Patent 26 19 082 beschrieben, ein Streustrahlungsempfänger 11 in der Meßkammer 1 vorgesehen, wobei die Strahlungsquelle 5 eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik besitzt und der Strahlungsempfänger 11 in der Kegelachse, jedoch außerhalb des direkten Strahlungsbereiches, angeordnet ist Außerdem wird der Strahlungsempfänger 11 von der direkten Strahlung durch ein Blendensystem B abgeschirmt, beispielsweise zur Fernhaltung der Strahlungsstreuung an den Kanten als Doppelblende ausgeführt.

Dieser Streustrahlungsempfänger it ist an einen weiteren, ebenfalls vom Oszillator 6 angesteuerten Phasenkomparator 12 angeschlossen, welcher ebenso wie der erste Phasenkomparator 8 das eintreffende Signal in Koinzidenz mit den Strahlungsimpulsen verstärkt und an einen zweiten Schwellenwertdetektor 13 weitergibt. Sobald die Intensität des Ausgangssignales des Streustrahlungsempfängers 11 während, der Dauer der Strahlungsimpulse nun eine weitere Schwelle überschreitet steuert der Schwellenwertdetektor 13 nun ebenfalls einen Signalgeber an. Dabei kann es sich um den gleichen Signalgeber 10 handeln, wie derjenige, der durch die Ausgangssignale des akustischen Aufnehmers 7 angesteuert wird, wobei die Schwellenwertdetektoren beider Kanäle 9 und 13 jeweils mit den Eingängen eines ODER-Tores 14 oder einer entsprechenden Schaltung verbunden sind, an dessen Ausgang der gemeinsame Brandalarm-Signalgeber 10 angeschlossen ist. In jedem der beiden Kanäle können jedoch auch separat gewisse Signalgeber oder Hilfsgeräte angesteuert werden, deren Ausiösung je nach Auftreten einer bestimmten Rauchart zweckmäßig ist. Beispielsweise kann durch den akustischen Auswertekanal,

ic welcher bevorzugt bei schnell sich ausbreitenden Bränden ansprechen wird, eine Brandlöschanlage 15 angesteuert werden, während durch den Streustrahlungskanal, welcher bevorzugt bei Auftreten von weißem Rauch ansprechen wird, wegen der damit

ι⁵ verbundenen Sichtbehinderung Fluchtweg- oder Evakuationsanzeigeeinrichtungen 16 betätigt werden. Die beiden zusätzlichen Hilfsgeräte 15 und 16 können jedoch auch als separate Signalgeber ausgebildet sein, um in einer Signalzentrale erkennen zu können, welche Art von Rauch, d. h. welcher Brandtyp gemeidet wird. In dieser Weise, d. h. durch Einführung eines akustischen Auswertekanales in den genannten Streustrahlungsrauchdetektor läßt sich also ein universell einsetzbarer Brandmelder schaffen, welcher alle in der Praxis auftretenden Brandtypen mit erhöhter Emfpindlichkeit und sicherer und schneller nachzuweisen vermag, wobei die Melderabmessungen außerordentlich klein gehalten werden können und keine Gefährdung durch die Verwendung radioaktiver Substanzen eintreten kann.

Die Erfindung läßt sich noch dadurch weiterbilden, daß die Wellenlänge der verwendeten Strahlung im Bereich der Resonanzstrahlung eines Kohlenoxids gewählt wird, beispielsweise von Kohlendioxid oder auch Kohlenmonoxid. Dazu eignet sich als Strahlungsquelle z. B. ein Halbleiter-LASER, welcher bevorzugt im Wellenlängenbereich einer solchen Resonanzstrahlung liegt, beispielsweise bei 4,7 μητ, 43 μΐη oder 2,7 μιη. Als besonders geeignet haben sich dazu Dreielement-LA-SER-Dioden (three metals LASER diodes) erwiesen,

⁴« z.B. mit der Zusammensetzung (Pb^₁Sn₁)Te oder (Pbi-^n»)Se. Weitere zweckmäßige LASER-Dioden sind solche der Zusammensetzung Ga (AS₁Pi -*) und (CdjHgi _ x) Te, auch Pb S Se hat sich als geeignete Diode für die Erzeugung von Strahlung im Gebiet von 4_8,5 μιη erwiesen. Der Vorteil der Verwendung einer Strahlung dieser spektralen Zusammensetzung besteht darin, daß sie auch von Kohlenoxid-Molekülen in der Meßkammer absorbiert wird. Es zeigte sich, daß bei Auftreten von Kohlenoxid ebenfalls synchron mit den Strahlungsimpulsen Druckwellen in der Meßkammer erzeugt werden, welche ebenfalls vom akustischen Aufnehmer 7 registriert werden. Auch die Anwesenheit von Kohlenoxid in der Luft führt also zur Auslösung eines Signales. Da bei einem Brand in der Regel neben anderen Brandfolgeprodukten auch Kohlenoxid entsteht ist dieser Nachweis von Kohlenoxid in'einem Brandmelder ohnehin sehr erwünscht Ein solcher Brandmelder spricht also in idealer Weise sowohl auf alle vorkommenden Raucharten, d. h. sowohl schwarzen als auch weißen Rauch an, als auch auf gasförmige Brandfolgeprodukte, wie Kohlenoxide. Eine sichere und frühzeitige Brandalarmauslösung ist daher mit dem beschriebenen Rauchdetektor auch bei den verschiedenartigsten Brandtypen gewährleistet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rauchdetektor, mit einer Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen bestimmten Raumbereich aussendet, und einem Strahlungsempfänger, der außerhalb des direkten Strahlungsbereiches angeordnet ist, und dem die an Partikeln im Strahlungsweg gestreute Strahlung zugeführt wird, wobei die Strahlungsquelle eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik besitzt und der Strahlungsempfänger in der Kegelachse angeordnet ist, nach Patent26 19 082, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (5) Strahlungsimpulse aussendet und daß zusätzlich im Raumbereich ein akustischer Aufnehmer (7) vorgesehen ist, welcher '5 die durch die Absorption der Strahlungsimpulse von den Partikeln erzeugten Luftschwingungen aufnimmt und an eine Auswertjschaltung (S) angeschlossen ist, welche ein Signal auslöst, sobald die Intensität dieser Luftschwingungen eine vorgegebene Schwelle überschreitet, oder sobald die vom Strahlungsempfänger (11) aufgenommene Streustrahlung ein vorgegebenes Maß übersteigt.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Oszillator (6) vorgesehen ist, welcher die Strahlungsquelle (5) impulsweise mit einer bestimmten Impulsfrequenz steuert und gleichzeitig die Auswerteschaltung (S) in Koinzidenz mit den Strahlungsimpulsen ansteuert.

3. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (S) einen vom Oszillator (6) angesteuerten Phasenkomparator (8) aufweist, welcher im wesentlichen nur während der Dauer der Strahlungsimpulse das Ausgangssignal des akustischen Aufnehmers (7) -*⁵ auswertet, sowie einen Schwellenwertdetektor (9), welcher ein Signal an einen Signalgeber (10) abgibt, sobald die Intensität des Ausgangssignales des akustischen Aufnehmers (7) eine vorgegebene Schwelle überschreitet.

4. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in einer Meßkammer (1) erfolgt, deren Abmessungen so gewählt sind, daß bei der für den Betrieb der Strahlungsquelle (5) gewählten Impulsfrequenz in der Meßkammer (1) stehende akustische Wellen vorhanden sind.

5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz der Strahlungsquelle zwischen 1 und 20 kHz, vorzugsweise in der Umgebung von 8 kHz liegt.

6. Rauchdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen vom Oszillator (6) in Koinzidenz gesteuerten weiteren Phasenkomparator (12) aufweist, der mit dem Streustrahlungsempfänger (11) verbunden ist, sowie einen weiteren Schwellenwertdetektor (13), welcher einen Signalgeber (10) ansteuert, sobald das Ausgangssignal des Streulichtempfängers (11) eine vorgegebene Schwelle überschreitet.

7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (S) eine ODER-Schaltung (14) aufweist, deren Eingänge von den beiden Schwellenwertdetektoren (9, 13) angesteuert werden, und deren Ausgang den Signalgeber ^b' (10) ansteuert.

8. Rauchdetektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß von den Ausgangssignalen der

60 Schwellenwertdetektoren (9_r 13) wahlweise Hilfsgeräte (15,16) direkt ansteuerbar sind.

9. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daS die Strahlungsquelle (5) Strahlung im Welleniängenbereich der Resonanzstrahlung eines Kohlenoxids aussendet