EP0578189A1 - Optic smoke detector - Google Patents
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- G08B17/113—Constructional details
Definitions
- the invention relates to an optical smoke detector according to the preamble of claim 1.
- Smoke detectors of this type are generally known. They are used in particular as automatic fire detectors for the early detection of fires.
- Smoke detectors occupy a special position among the multitude of types of automatic fire detectors on the market, since they are best suited to detect fires at such an early stage that countermeasures can still be successfully initiated.
- ionization smoke detectors There are two main types of smoke detectors: ionization smoke detectors and optical smoke detectors.
- ionization smoke detectors the accumulation of smoke particles in air ions is used. Since a radioactive source is required to adequately ionize the air molecules, the handling of which during production and disposal is problematic, optical smoke detectors are increasingly being used.
- These optical detectors use the optical properties of aerosols to detect smoke.
- either the weakening of a light beam by smoke (“extinction smoke detector '') or the scattering of light on smoke particles is used.
- the electromagnetic radiation scattered on smoke particles is measured by a scattered radiation receiver arranged outside the direct beam path.
- a scattered radiation receiver can be set up very sensitively, since no scattered radiation occurs in the absence of aerosol particles in the measuring section, the signal is practically zero and, in the presence of aerosol in the measuring room, a signal occurs that is very large compared to the zero value and therefore easy to determine is.
- a disadvantage of scattered-light smoke detectors is that they only respond to types of smoke that strongly scatter light. White smoke that contains a lot of water vapor, for example, scatters light very strongly, whereas black smoke, which contains a lot of soot, probably absorbs light, but scatters it only to a small extent.
- the measuring distance for extinction smoke detectors must be quite long in order to enable clear and reliable detection of smoke.
- line detectors e.g. Light source and receiver are arranged separated from each other by a longer measuring section and the light beam passes through the measuring section once.
- the light source and receiver are located in the same housing and the light beam passes through the measurement section twice by being reflected back to the housing by a reflector. This already enables the length of the measuring section to be halved; nevertheless, a reflector to be installed outside the smoke detector is required, the alignment and mechanical stabilization of which can be problematic. With both types of detectors there is a risk of false alarms due to accidental interruption of the measuring section, mechanical displacement of the components or similar faults.
- the extinction module m in [dB / m] and the light opacity module D in [% / m] can easily be calculated from the transmission T:
- the extinction calculated from the measured value Q is thus a function of the sub-ratios K1, K2 and the amplification factors Ri (fj) of the signal amplification, which are generally dependent on the modulation frequency.
- Ri (fj) the amplification factors of the signal amplification
- the object of the invention is to create an extinction smoke detector which avoids the disadvantages of the known smoke detectors and in particular has increased stability and can detect the same extinction values over a considerably shorter measuring distance.
- FIGS. 2 and 3 show a practical application example for a punctiform extinction smoke detector according to the invention.
- the smoke detector has a measuring section T1 accessible to the outside atmosphere and comparison sections U which are not accessible to the outside atmosphere and which are arranged in an integrated optical chip in the form of a glass plate G.
- This integrated optical component is shown in FIG. It contains all the optical and optoelectronic elements necessary for the sensor.
- the most important component is a 60 mm x 30 mm x 1.5 mm glass substrate, in which the waveguides U are contained, which serve to guide light in the direction of the arrow.
- the light is generated by two radiation sources S1 and S2, the light of which is modulated with different frequencies f1 and f2.
- the light is coupled into the waveguide U, which is contained within the glass chip, on the principle of "end-fire coupling".
- AlGaAs LEDs are expediently used as light sources S1 and S2.
- the light from one radiation source S1 is guided through a Y-shaped division of the waveguide (bifurcation) into two waveguides, the division of the light beam at this bifurcation being given by the division ratio K1.
- a radiation receiver D2 e.g. a photodiode
- the second waveguide in a 90 ° arc to the measuring section T1, which is sawn into the side of the glass plate G as a 34 mm long space.
- the light is emitted at the beginning of the measuring section T1 through a collimation lens L1, e.g. a gradient-index lens, coupled out of the waveguide U and, after passing through the measurement section T1, coupled through a second collimation lens L2 of the same type as the lens L1 into the second waveguide U, through which it is guided to the other radiation receiver D1.
- a collimation lens L1 e.g. a gradient-index lens
- the light from the second radiation source S2 is likewise guided through a Y-shaped bifurcation into two waveguides, the division being given by the division ratio K2, and in 180 ° arcs with a radius of curvature of 10 mm each to the radiation receivers D1 and D2.
- the four light signals from S1 and S2 detected by the radiation receivers D1 and D2 are amplified in a first amplifier stage R1 and R2 and synchronously rectified in a second stage, a synchronous rectifier SG with a low-pass filter on the output side; this distinguishes the signals by their different modulation frequencies f1, f2.
- the waveguides U are gradient-index multimode strip waveguides which are introduced into the substrate glass by an ion exchange process and are buried under the substrate surface by approximately 10 ⁇ m by ion exchange with an applied electric field. This protects the waveguides from surface influences.
- a second substrate of the same glass type and size is applied to the first glass substrate using an adhesive which has the same refractive index as the glass.
- the glass is a sodium glass, the sodium ions of which are locally replaced by silver ions and increase the refractive index at these local points. Since the waveguides must have a strip geometry, the ion exchange is only carried out locally according to the desired geometry of the strips.
- a mask made of evaporated aluminum is applied to the substrate by means of a photolithographic process before the ion exchange process.
- the aluminum mask just releases the strips where the waveguides are to be formed. After the ion exchange, the mask is removed again and the second protective glass plate is stuck on.
- FIG. 3 shows an optical bridge circuit according to the present invention with an upstream electronic time-division multiplex bridge. In operation, there is an alternation between switch positions b and c.
- FIG. 6 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with a combination of the extensions a) to c) as were implemented in a bridge circuit according to the invention. It is the overall circuit of an optical bridge with two extinction paths, an upstream electronic time-multiplex bridge and active offset and crosstalk compensation.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Rauchmelder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Rauchmelder dieser Art sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere als automatische Brandmelder zur Früherkennung von Branden eingesetzt.The invention relates to an optical smoke detector according to the preamble of
Unter der Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Typen von automatischen Brandmeldern nehmen die Rauchmelder eine besondere Stellung ein, da sie am besten geeignet sind, Brände in einem derart frühen Zeitpunkt zu erkennen, daß Gegenmaßnahmen noch erfolgreich eingeleitet werden können.Smoke detectors occupy a special position among the multitude of types of automatic fire detectors on the market, since they are best suited to detect fires at such an early stage that countermeasures can still be successfully initiated.
Man unterscheidet im wesentlichen zwei Arten von Rauchmeldern: Ionisationsrauchmelder und optische Rauchmelder. Bei den Ionisationsrauchmeldern wird die Anlagerung von Rauchpartikeln an Luftionen ausgenutzt. Da für eine ausreichende Ionisation der Luftmoleküle eine radioaktive Quelle erforderlich ist, deren Handhabung bei der Produktion und bei der Entsorgung problematisch ist, werden in zunehmendem Maße optische Rauchmelder verwendet Bei diesen Rauchmeldern werden die optischen Eigenschaften von Aerosolen zur Detektion von Rauch herangezogen. Hierbei nutzt man entweder die Schwächung eines Lichtstrahls durch Rauch ("Extinktionsrauchmelder'') oder die Streuung von Licht an Rauchpartikeln aus.There are two main types of smoke detectors: ionization smoke detectors and optical smoke detectors. In the case of ionization smoke detectors, the accumulation of smoke particles in air ions is used. Since a radioactive source is required to adequately ionize the air molecules, the handling of which during production and disposal is problematic, optical smoke detectors are increasingly being used. These optical detectors use the optical properties of aerosols to detect smoke. Here, either the weakening of a light beam by smoke ("extinction smoke detector '') or the scattering of light on smoke particles is used.
Bei den letztgenannten ''Streulichtrauchmeldern'' wird die an Rauchpartikeln gestreute elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung, von einem außerhalb des direkten Strahlengangs angeordneten Streustrahlungsempfänger gemessen. Ein solcher Strahlungsempfänger kann sehr empfindlich eingerichtet werden, da bei Abwesenheit von Aerosolteilchen in der Meßstrecke keine Streustrahlung auftritt, das Signal also praktisch gleich Null ist und bei Anwesenheit von Aerosol im Meßraum ein Signal auftritt, das gegenüber dem Nullwert sehr groß ist und daher leicht festzustellen ist. Nachteilig bei Streulichtrauchmeldern ist, daß sie nur auf Rauchtypen ansprechen, welche Licht stark streuen. Weisser, stark wasserdampfhaltiger Rauch z.B. streut Licht sehr stark, wogegen schwarzer Rauch, welcher stark rußhaltig ist, wohl Licht absorbiert, es jedoch nur in geringem Mass streut.In the latter “scattered light smoke detectors”, the electromagnetic radiation scattered on smoke particles, preferably visible light or infrared radiation, is measured by a scattered radiation receiver arranged outside the direct beam path. Such a radiation receiver can be set up very sensitively, since no scattered radiation occurs in the absence of aerosol particles in the measuring section, the signal is practically zero and, in the presence of aerosol in the measuring room, a signal occurs that is very large compared to the zero value and therefore easy to determine is. A disadvantage of scattered-light smoke detectors is that they only respond to types of smoke that strongly scatter light. White smoke that contains a lot of water vapor, for example, scatters light very strongly, whereas black smoke, which contains a lot of soot, probably absorbs light, but scatters it only to a small extent.
Da die Abschwächung, oder Extinktion, von Licht durch Rauch verhältnismäßig gering ist, muß die Meßstrecke bei Extinktionsrauchmeldern ziemlich lang sein, um eine klare und sichere Detektion von Rauch zu ermöglichen. Sie wurden daher in der Vergangenheit meist als "Linienmelder" ausgebildet, bei denen z.B. Lichtquelle und -empfänger durch eine längere Messstrecke voneinander getrennt angeordnet sind und der Lichtstrahl die Messstrecke einmal durchläuft. In einem ähnlichen Beispiel befinden sich Lichtquelle und -empfänger in demselben Gehäuse und der Lichtstrahl durchläuft die Messstrecke zweimal, indem er durch einen Reflektor zum Gehäuse zurückreflektiert wird. Dies ermöglicht bereits eine Halbierung der Länge der Meßstrecke; trotzdem ist ein außerhalb des Rauchmelders anzubringender Reflektor erforderlich, dessen Ausrichtung und mechanische Stabilisierung problematisch sein kann. Bei beiden Typen von Meldern besteht die Gefahr von Fehlalarmen durch zufälligen Unterbruch der Meßstrecke, mechanischer Versetzung der Komponenten oder ähnlichen Störungen.Since the attenuation, or extinction, of light through smoke is relatively small, the measuring distance for extinction smoke detectors must be quite long in order to enable clear and reliable detection of smoke. In the past, they were therefore mostly designed as "line detectors", in which e.g. Light source and receiver are arranged separated from each other by a longer measuring section and the light beam passes through the measuring section once. In a similar example, the light source and receiver are located in the same housing and the light beam passes through the measurement section twice by being reflected back to the housing by a reflector. This already enables the length of the measuring section to be halved; nevertheless, a reflector to be installed outside the smoke detector is required, the alignment and mechanical stabilization of which can be problematic. With both types of detectors there is a risk of false alarms due to accidental interruption of the measuring section, mechanical displacement of the components or similar faults.
Es ist deshalb seit langem das Bestreben gewesen, auch die Extinktionsmelder als sogenannte ''Punktmelder" auszubilden, d.h. als Melder, bei denen Lichtquelle und -empfänger in demselben Gehäuse angeordnet sind und ausserhalb dieses Gehäuses keine weiteren Bestandteile erforderlich sind. Dies ist auch im Hinblick auf eine einfach durchzuführende Wartung von Vorteil. Das Hauptproblem bei punktförmigen Extinktionsrauchmeldem besteht darin, daß es verhältnismäßig schwierig ist, die über eine kürzere Messtrecke sich ereignende geringfügige Abschwächung eines Lichtstrahls durch ein Brandaerosol sicher festzustellen. Das für die Alarmgebung ausgewertete Signal wird durch Differenzbildung zweier verhältnismäßig großer Signale erhalten. Die Anforderungen an die Stabilisierung der Lichtquelle und des Lichtstrahls sowie an die Empfindlichkeit des Lichtempfängers sind dementsprechend sehr hoch.It has therefore long been the aim to also designate the extinction detectors as so-called "point detectors", ie detectors in which the light source and receiver are arranged in the same housing and no further components are required outside of this housing The main problem with punctiform extinction smoke alarms is that it is relatively difficult to reliably determine the slight attenuation of a light beam that occurs over a shorter measuring distance due to a fire aerosol. The signal evaluated for the alarm is made relatively different by the difference between the two The requirements for the stabilization of the light source and the light beam as well as for the sensitivity of the light receiver are accordingly very high.
Man kann davon ausgehen, daß bei den üblichen Linienextinktionsmeldern, bei denen eine Meßstrecke von vielen Metern vorhanden ist, die Empfindlichkeit so groß sein muß, daß eine Abschwächung des Signals von 4% pro Meter sicher erkannt werden kann. In Punktextinktionsmeldern beträgt die Länge der Meßstrecke jedoch nur etwa 5 bis 20 cm. Beträgt die Messstrecke z.B. 10 cm, so liegt das Alarmiveau bei einer Abschwächung von 0,4 %. Damit dieser Wert sicher gemessen werden kann, wird eine Auflösung, bzw. Drift über den gewünschten Temperaturbereich des Detektionssystems von weniger als 0,04 % gefordert. Wegen des Temperaturgangs der einzelnen Elemente des Systems kann dieses Problem nur mit speziellem Referenzmessverfahren gelöst werden.It can be assumed that with the usual line extinction detectors where there is a measuring section of many meters, the sensitivity must be so great that a weakening of the signal of 4% per meter can be reliably detected. In point extinction detectors, however, the length of the measuring section is only about 5 to 20 cm. If the measuring distance is e.g. 10 cm, the alarm level is 0.4% attenuation. So that this value can be measured reliably, a resolution or drift of less than 0.04% over the desired temperature range of the detection system is required. Due to the temperature response of the individual elements of the system, this problem can only be solved with a special reference measurement method.
Eine mögliche Lösung besteht in der optischen Brückenschaltung (vgl. Figur 1):
Werden die Ausgangssignale der optischen Brücke A1(f1), A1(f2), A2(f1) und A2(f2) durch Produkte aus den Sendeleistungen der Strahlungsquellen S1 und S2, den Strahlteilverhältnissen K1 und K2 sowie der Empfindlichkeiten der Strahlungsempfänger D1 und D2 ausgedrückt und wird der Quotient Q aus diesen vier Brückensignalen gebildet, so fallen die Sendeleistungen der Strahlungsquellen sowie die Empfindlichkeiten der Strahlungsempfänger heraus:
Es bedeuten:
- T =
- Transmission der Luftstrecke T1 = 10 -m·d/10 , wobei m = Extinktionsmodul (ISO ''optical density'') in [dB/m] und d = Länge der optischen Strecke
- f1, f2 =
- Modulationsfrequenz der Strahlungsquellen S1 bzw. S2
- K1, K2 =
- die optischen Teilverhältnisse bei den Strahlungsteilern
- R1(f), R2(f) =
- Signalverstärkung folgend den Strahlungsempfängern D1 bzw. D2 als Funktion der Modulationsfrequenz f
- SG =
- Synchrongleichrichter mit ausgangsseitiger Tiefpaßfilterung
- Ai(fj) =
- resultierendes Ausgangssignal vom Strahlungsempfänger i entsprechend dem Signalanteil bei der Modulationsfrequenz fj,
wobei i=1,2 und j=1,2.
Are the output signals of the optical bridge A1 (f1), A1 (f2), A2 (f1) and A2 (f2) expressed by products from the transmission powers of the radiation sources S1 and S2, the beam split ratios K1 and K2 and the sensitivities of the radiation receivers D1 and D2 and if the quotient Q is formed from these four bridge signals, the transmission powers of the radiation sources and the sensitivities of the radiation receivers drop out:
It means:
- T =
- Transmission of the air path T1 = 10 -m · d / 10 , where m = extinction module (ISO '' optical density '') in [dB / m] and d = length of the optical path
- f1, f2 =
- Modulation frequency of the radiation sources S1 and S2
- K1, K2 =
- the optical sub-ratios in the radiation splitters
- R1 (f), R2 (f) =
- Signal amplification following the radiation receivers D1 or D2 as a function of the modulation frequency f
- SG =
- Synchronous rectifier with low-pass filtering on the output side
- Ai (fj) =
- resulting output signal from the radiation receiver i corresponding to the signal component at the modulation frequency fj,
where i = 1.2 and j = 1.2.
Aus der Transmission T können das Extinktionsmodul m in [dB/m], und das Lichttrübungsmodul D in [%/m] leicht berechnet werden:
Die aus dem Messwert Q berechnete Extinktion ist somit eine Funktion der Teilverhältnisse K1, K2, sowie der im allgemeinen von der Modulationsfrequenz abhängigen Verstärkungsfaktoren Ri(fj) der Signalverstärkung. In der Praxis zeigt es sich, daß letztere über einen größeren Temperaturbereich kaum in der geforderten Präzision von 0,04 % konstant gehalten werden können. Probleme bereiten auch Elektronik-Offsets, Kanalübersprechen und die Teilverhältnisse K1 und K2, insbesondere das Driften all dieser Grössen über die Zeit und den Temperaturbereich.The extinction calculated from the measured value Q is thus a function of the sub-ratios K1, K2 and the amplification factors Ri (fj) of the signal amplification, which are generally dependent on the modulation frequency. In practice, it turns out that the latter can hardly be kept constant with the required precision of 0.04% over a larger temperature range. Problems also arise from electronic offsets, channel crosstalk and the sub-ratios K1 and K2, in particular the drifting of all these variables over time and the temperature range.
Eine Lösung zur Realisierung von einem ähnlichen Referenzmessverfahren zur Bestimmung der Transmission einer von Rauch oder anderem Fluid gefüllten Strecke sind zum Beispiel in US-4'018'513 und CH-A-643'061 dargelegt. Diese Systeme ermöglichen durch Referenzmessungen die Veränderungen der Eigenschaften der Lichtquellen und der Empfänger auszukompensieren. Sie sind jedoch so aufgebaut, dass nur eine begrenzte Auflösung in der Messung möglich ist, und sie sind demzufolge für Zwecke bestimmt, welche eine grössere Messstrecke erlauben oder eine grössere Auflösung erfordern.A solution for realizing a similar reference measurement method for determining the transmission of a route filled with smoke or other fluid is set out, for example, in US Pat. No. 4,018,513 and CH-A-643,061. These systems make it possible to compensate for the changes in the properties of the light sources and the receivers by means of reference measurements. However, they are constructed in such a way that only a limited resolution in the measurement is possible, and they are therefore intended for purposes which permit a longer measuring distance or require a higher resolution.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Extinktionsrauchmelder zu schaffen, welcher die Nachteile der bekannten Rauchmelder vermeidet und insbesondere über eine erhöhte Stabilität verfügt und über eine wesentlich kürzere Messstrecke gleiche Extinktionswerte detektieren kann.Starting from this prior art, the object of the invention is to create an extinction smoke detector which avoids the disadvantages of the known smoke detectors and in particular has increased stability and can detect the same extinction values over a considerably shorter measuring distance.
Diese Aufgabe wird bei einem optischen Rauchmelder der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.This object is achieved in an optical smoke detector of the type mentioned by the characterizing features of
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine optische Brückenschaltung gemäss dem Stand der Technik,Figur 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, punktförmigen Extinktionsrauchmelders,- Figur 3 eine optische Brückenschaltung gemäß vorliegender Erfindung mit vorgeschalteter elektronischer Zeit-Multiplexbrücke,
- Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brückenschaltung mit verdoppelter Sensitivität,
- Figur 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brückenschalltung mit aktiver Offset- und Übersprechkompensation,
- Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brückenschaltung mit einer Kombination der Erweiterungen.
- FIG. 1 shows an optical bridge circuit according to the prior art,
- FIG. 2 shows a practical exemplary embodiment of a punctiform extinction smoke detector according to the invention,
- FIG. 3 shows an optical bridge circuit according to the present invention with an upstream electronic time multiplex bridge,
- FIG. 4 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with doubled sensitivity,
- FIG. 5 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with active offset and crosstalk compensation,
- FIG. 6 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with a combination of the extensions.
In den Figuren 2 und 3 ist ein praktisches Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemässen, punktförmigen Extinktionsrauchmelder dargestellt. Der Rauchmelder weist eine der Aussenatmosphäre zugängliche Messstrecke T1 und der Aussenatmosphäre nicht zugängliche Vergleichsstrecken U auf, die in einem integrierten optischen Chip in Form einer Glasplatte G angeordnet sind. In der Figur 2 ist dieses integrierte optische Bauteil dargestellt. Es enthält sämtliche für den Sensor notwendigen optischen und optoelektronischen Elemente. Wichtigster Bestandteil ist ein 60 mm x 30 mm x 1,5 mm grosses Glassubstrat, in welchem die Wellenleiter U enthalten sind, welche zur Leitung von Licht in Pfeilrichtung dienen.FIGS. 2 and 3 show a practical application example for a punctiform extinction smoke detector according to the invention. The smoke detector has a measuring section T1 accessible to the outside atmosphere and comparison sections U which are not accessible to the outside atmosphere and which are arranged in an integrated optical chip in the form of a glass plate G. This integrated optical component is shown in FIG. It contains all the optical and optoelectronic elements necessary for the sensor. The most important component is a 60 mm x 30 mm x 1.5 mm glass substrate, in which the waveguides U are contained, which serve to guide light in the direction of the arrow.
Das Licht wird von zwei Strahlungsquellen S1 und S2 erzeugt, deren Licht mit unterschiedlichen Frequenzen f1 bzw. f2 moduliert wird. Das Licht wird nach dem Prinzip des "end-fire-coupling" in die Wellenleiter U, die innerhalb des Glas-Chips enthalten sind, eingekoppelt. Als Lichtquellen S1 und S2 dienen zweckmässigerweise AlGaAs-LEDs. Das Licht der einen Strahlungsquelle S1 wird durch eine Y-förmige Teilung des Wellenleiters (Bifurkation) in zwei Wellenleiter geführt, wobei die Aufteilung des Lichtstrahls an dieser Bifurkation durch das Teilungsverhältnis K1 gegeben ist. Durch den einen Wellenleiter wird es in einem 180°-Bogen mit einem Radius von 10 mm zu einem Strahlungsempfänger D2 geführt, z.B. einer Photodiode, und durch den zweiten Wellenleiter wird es in einem 90°-Bogen zu der Messstrecke T1, die als 34 mm langer Zwischenraum in die Seite der Glasplatte G gesägt ist, geführt.The light is generated by two radiation sources S1 and S2, the light of which is modulated with different frequencies f1 and f2. The light is coupled into the waveguide U, which is contained within the glass chip, on the principle of "end-fire coupling". AlGaAs LEDs are expediently used as light sources S1 and S2. The light from one radiation source S1 is guided through a Y-shaped division of the waveguide (bifurcation) into two waveguides, the division of the light beam at this bifurcation being given by the division ratio K1. Through the one waveguide it is guided in a 180 ° bend with a radius of 10 mm to a radiation receiver D2, e.g. a photodiode, and it is guided through the second waveguide in a 90 ° arc to the measuring section T1, which is sawn into the side of the glass plate G as a 34 mm long space.
Das Licht wird am Beginn der Messstrecke T1 durch eine Kollimationslinse L1, z.B. einer gradient-index Linse, aus dem Wellenleiter U ausgekoppelt und nach Durchlaufen der Messstrecke T1 durch eine zweite Kollimationslinse L2 von der gleichen Art wie die Linse L1 in den zweiten Wellenleiter U eingekoppelt, durch den es zu dem anderen Strahlungsempfänger D1 geleitet wird.The light is emitted at the beginning of the measuring section T1 through a collimation lens L1, e.g. a gradient-index lens, coupled out of the waveguide U and, after passing through the measurement section T1, coupled through a second collimation lens L2 of the same type as the lens L1 into the second waveguide U, through which it is guided to the other radiation receiver D1.
Das Licht der zweiten Strahlungsquelle S2 wird nach Einkoppelung in den Wellenleiter U ebenfalls durch eine Y-förmige Bifurkation in zwei Wellenleiter geführt, wobei die Aufteilung durch das Teilungsverhältnis K2 gegeben ist, und in 180°-Bögen mit einem Krümmungsradius von je 10 mm zu den Strahlungsempfängern D1 und D2 geleitet. Die durch die Strahlungsempfänger D1 und D2 detektierten vier Lichtsignale von S1 und S2 werden in einer ersten Verstärkerstufe R1 bzw. R2 verstärkt und in einer zweiten Stufe, einem Synchrongleichrichter SG mit ausgangsseitigem Tiefpassfilter, synchron gleichgerichtet; dadurch werden die Signale durch ihre verschiedenen Modulationsfrequenzen f1, f2 unterschieden.After coupling into the waveguide U, the light from the second radiation source S2 is likewise guided through a Y-shaped bifurcation into two waveguides, the division being given by the division ratio K2, and in 180 ° arcs with a radius of curvature of 10 mm each to the radiation receivers D1 and D2. The four light signals from S1 and S2 detected by the radiation receivers D1 and D2 are amplified in a first amplifier stage R1 and R2 and synchronously rectified in a second stage, a synchronous rectifier SG with a low-pass filter on the output side; this distinguishes the signals by their different modulation frequencies f1, f2.
Bei den Wellenleitern U handelt es sich um gradient-index Multimoden-Streifenwellenleiter, welche durch einen lonenaustauschprozess in das Substratglas eingebracht und durch lonenaustausch mit angelegtem elektrischem Feld um ca. 10 µm unter die Substratoberfläche vergraben werden. Die Wellenleiter sind so vor Oberflächeneinflüssen geschützt. Zwecks zusätzlichem Schutz und auch erhöhter mechanischer Stabilität wird ein zweites Substrat von gleichem Glastyp und Grösse mit einem Klebstoff, der den gleichen Brechungsindex wie das Glas aufweist, auf das erste Glassubstrat aufgebracht. Das Glas ist ein Natriumglas, dessen Natriumionen durch Silberionen lokal ausgetauscht werden und an diesen lokalen Stellen den Brechungsindex erhöhen. Da die Wellenleiter eine Streifengeometrie besitzen müssen, wird der lonenaustausch nur lokal gemäss der gewünschten Geometrie der Streifen vollzogen. Hierzu wird vor dem lonenaustauschprozess eine Maske aus aufgedampftem Aluminium mittels eines photolithographischen Prozesses auf das Substrat gebracht. Die Aluminiummaske gibt gerade nur die Streifen frei, wo die Wellenleiter zu bilden sind. Nach dem lonenaustausch wird die Maske wieder entfernt, und die zweite zum Schutz dienende Glasplatte wird aufgeklebt.The waveguides U are gradient-index multimode strip waveguides which are introduced into the substrate glass by an ion exchange process and are buried under the substrate surface by approximately 10 μm by ion exchange with an applied electric field. This protects the waveguides from surface influences. For the purpose of additional protection and also increased mechanical stability, a second substrate of the same glass type and size is applied to the first glass substrate using an adhesive which has the same refractive index as the glass. The glass is a sodium glass, the sodium ions of which are locally replaced by silver ions and increase the refractive index at these local points. Since the waveguides must have a strip geometry, the ion exchange is only carried out locally according to the desired geometry of the strips. For this purpose, a mask made of evaporated aluminum is applied to the substrate by means of a photolithographic process before the ion exchange process. The aluminum mask just releases the strips where the waveguides are to be formed. After the ion exchange, the mask is removed again and the second protective glass plate is stuck on.
Die Figur 3 zeigt eine optische Brückenschaltung gemäss vorliegender Erfindung mit vorgeschalteter elektronischer Zeit-Multiplexbrücke. Im Betrieb wird abwechselnd zwischen den Schalterstellungen b und c hin- und hergeschaltet.FIG. 3 shows an optical bridge circuit according to the present invention with an upstream electronic time-division multiplex bridge. In operation, there is an alternation between switch positions b and c.
Durch Vorschalten einer elektrischen Zeitmultiplex-Brücke, welche die Modulationssignale abwechselnd gerade durchlässt (Zustand b) und dann überkreuzt (Zustand c) können die Frequenzgänge Ri(fj) aus dem Endresultat eliminiert werden. Entsprechend diesen zwei Zuständen werden zwei Quotienten Ob und Qc gebildet. Aib(fj) und Aic(fj) bezeichnen die Ausgangssignale Ai(fj), gemessen im Zustand b, bzw. c:
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Brückenschaltung mit verdoppelter Sensitivität in der symmetrischen Brücke. Hier wird das Licht von beiden Strahlungsquellen S1 und S2 durch Messstrecken T1 bzw. T2 geführt, welche beide der Atmosphäre zugänglich sind und eine Transmission T haben. Die Empfindlichkeit der Brücke wird so verdoppelt wie aus folgender Gleichung ersichtlich ist.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Brückenschaltung mit aktiver Kompensation von elektronischen Offsets und Kanalübersprechen und deren Drift. Die dadurch hinzugefügten Schalter, die durch die logischen Signale SE-f1, SE-f2 (send enables) gesteuert werden, erlauben es, die jeweilige Sende-Quelle fi ein- und auszuschalten. Im folgenden Ablaufdiagramm bezeichnet Ai(fj) den jeweiligen aktuellen Messwert am entsprechenden Ausgang. Die Variablen aij, bij (i = 1, 2; j = 1, 2) dienen der Zwischenspeicherung, Oij ist der aktuelle Kompensationswert. Das korrigierte Messignal erhält man später durch Subtraktion von Oij:
Ai(fj) (korrigiert): = Ai(fj) (gemessen) - Oij.
- 1. SE-f1 = off
SE-f2 = off
aij: = Ai(fj); i =1, 2; j = 1,2; - 2. SE-f1 = on
SE-f2 = on
bij: = Ai(fj); i = 1, 2; j = 1, 2; - 3. SE-f1 = off
SE-f2 = on
Oi2: = bi2 - Ai(f2) + ai2; i = 1, 2; - 4. SE-f1 = on
SE-f2 = off
Oi1: = bi1 - Ai(f1) + ai1; i = 1, 2.
FIG. 4 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with doubled sensitivity in the symmetrical bridge. Here, the light from both radiation sources S1 and S2 is guided through measuring sections T1 and T2, both of which are accessible to the atmosphere and have a transmission T. The sensitivity of the bridge is doubled as can be seen from the following equation.
FIG. 5 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with active compensation of electronic offsets and channel crosstalk and their drift. The switches added thereby, which are controlled by the logic signals SE-f1, SE-f2 (send enables), make it possible to switch the respective transmission source fi on and off. In the following flow chart, Ai (fj) denotes the respective current measured value at the corresponding output. The variables aij, bij (i = 1, 2; j = 1, 2) are used for temporary storage, Oij is the current compensation value. The corrected measurement signal can be obtained later by subtracting from Oij:
Ai (fj) (corrected): = Ai (fj) (measured) - Oij.
- 1. SE-f1 = off
SE-f2 = off
aij: = Ai (fj); i = 1, 2; j = 1.2; - 2. SE-f1 = on
SE-f2 = on
bij: = Ai (fj); i = 1, 2; j = 1, 2; - 3. SE-f1 = off
SE-f2 = on
Oi2: = bi2 - Ai (f2) + ai2; i = 1, 2; - 4. SE-f1 = on
SE-f2 = off
Oi1: = bi1 - Ai (f1) + ai1; i = 1, 2.
Für die Bestimmung der Kompensationsparameter Oij sind somit vier Messungen erforderlich. Weniger leistungsfähige, vereinfachte Verfahren sind auch möglich. Beispielsweise können mit den beiden folgenden zwei Messungen Offset und Uebersprechen ebenfalls bestimmt werden. Allerdings sind die Korrekturen wegen Verzerrungen und Intermodulationen nicht exakt.
- 1. SE-f1 = off
SE-f2 = on
Oi1: = Ai(f1); i = 1, 2, - 2. SE-f1 = on
SE-f2 = off
Oi2: = Ai(f2); i = 1, 2.
- 1. SE-f1 = off
SE-f2 = on
Oi1: = Ai (f1); i = 1, 2, - 2. SE-f1 = on
SE-f2 = off
Oi2: = Ai (f2); i = 1, 2.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Brückenschaltung mit einer Kombination der Erweiterungen a) bis c) wie sie in einer erfindungsgemässen Brückenschaltung realisiert wurden. Es ist die Gesamtschaltung einer optischen Brücke mit zwei Extinktionsstrecken, vorgeschalteter elektronischer Zeit-Multiplex-Brücke und aktiver Offset- und Uebersprechkompensation.FIG. 6 shows a further embodiment of a bridge circuit according to the invention with a combination of the extensions a) to c) as were implemented in a bridge circuit according to the invention. It is the overall circuit of an optical bridge with two extinction paths, an upstream electronic time-multiplex bridge and active offset and crosstalk compensation.
Abwandlungen der vorbeschriebenen Schaltungen für optische Rauchmelder sind im Rahmen der Erfindung gemäss den Ansprüchen möglich und dem Fachmann geläufig.Modifications of the above-described circuits for optical smoke detectors are possible within the scope of the invention according to the claims and are familiar to the person skilled in the art.
Claims (3)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH2157/92 | 1992-07-08 | ||
| CH2157/92A CH684135A5 (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Optical Smoke Detector. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EP0578189A1 true EP0578189A1 (en) | 1994-01-12 |
Family
ID=4227220
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EP93110757A Withdrawn EP0578189A1 (en) | 1992-07-08 | 1993-07-06 | Optic smoke detector |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0578189A1 (en) |
| CH (1) | CH684135A5 (en) |
| NO (1) | NO932479L (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6456379B1 (en) | 1998-09-14 | 2002-09-24 | Siemens Building Technologies Ag | Optical smoke detector operating in accordance with the extinction principle and method for compensating its temperature drift |
| EP1349127A1 (en) * | 2002-03-28 | 2003-10-01 | Siemens Building Technologies AG | Obscuration smoke detector and use thereof |
| WO2009100804A1 (en) * | 2008-02-15 | 2009-08-20 | Perkinelmer Optoelectronics Gmbh & Co. Kg | Radiation guide, detector, manufacturing method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4018513A (en) * | 1974-03-28 | 1977-04-19 | Jan Boeke | Optical window used in device for monitoring clarity of a fluid |
| JPS57119240A (en) * | 1981-01-19 | 1982-07-24 | Toshiba Corp | Turbidity measuring device |
| CH643061A5 (en) * | 1980-01-18 | 1984-05-15 | Zellweger Uster Ag | Method for measuring objects, device for carrying out the method, and application of the method |
-
1992
- 1992-07-08 CH CH2157/92A patent/CH684135A5/en not_active IP Right Cessation
-
1993
- 1993-07-06 EP EP93110757A patent/EP0578189A1/en not_active Withdrawn
- 1993-07-07 NO NO932479A patent/NO932479L/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4018513A (en) * | 1974-03-28 | 1977-04-19 | Jan Boeke | Optical window used in device for monitoring clarity of a fluid |
| CH643061A5 (en) * | 1980-01-18 | 1984-05-15 | Zellweger Uster Ag | Method for measuring objects, device for carrying out the method, and application of the method |
| JPS57119240A (en) * | 1981-01-19 | 1982-07-24 | Toshiba Corp | Turbidity measuring device |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 6, no. 212 (P - 151)<1090> 26 October 1982 (1982-10-26) * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6456379B1 (en) | 1998-09-14 | 2002-09-24 | Siemens Building Technologies Ag | Optical smoke detector operating in accordance with the extinction principle and method for compensating its temperature drift |
| EP1349127A1 (en) * | 2002-03-28 | 2003-10-01 | Siemens Building Technologies AG | Obscuration smoke detector and use thereof |
| WO2009100804A1 (en) * | 2008-02-15 | 2009-08-20 | Perkinelmer Optoelectronics Gmbh & Co. Kg | Radiation guide, detector, manufacturing method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO932479L (en) | 1994-01-10 |
| CH684135A5 (en) | 1994-07-15 |
| NO932479D0 (en) | 1993-07-07 |
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