CH681574A5

CH681574A5 -

Info

Publication number: CH681574A5
Application number: CH643/91A
Authority: CH
Inventors: Kurt Albert Mueller; Christoph Enderli; Peter Ryser
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1993-04-15
Also published as: US5218345A; EP0501253A1; NO920526D0; NO920526L

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detek-tion von Bränden in einem ausgedehnten Bereich, insbesondere von Waldbränden, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Anordnungen sind z.B. aus der EP-A 0 298 182 bekannt und dienen dazu, Infrarotstrahlung von Objekten mit einer Temperatur von ca. 300-1500 Grad C in einem Überwachungsbereich von einigen Kilometern Ausdehnung festzustellen und zu lokalisieren. Insbesondere sind sie zur Erkennung eines Waldbrandes in einem ausgedehnten Waldgebiet von zentralen Überwachungsstellen aus geeignet. Sie weisen eine azimutal bewegliche Abtasteinrichtung zur Erfassung der von einem Waldbrand ausgehenden Infrarotstrahlung mit einer optischen Bündelungs-Einrichtung, z.B. einen Reflektor auf, der die aus einer Anzahl von Empfangsfeldern eintreffende Infrarot-Strahlung auf eine entsprechende Anzahl von Sensorelementen leitet. Diese Sensorelemente sind eng benachbart zueinander in einer Reihe senkrecht zur Reflektorachse vorgesehen. Bei azimutaler Rotation oder Schwenkung der Strahlungsempfangseinrichtung in etwa horizontaler Richtung um eine etwa vertikale Achse entsteht eine Anzahl von konzentrischen Empfangsfeldern mit unterschiedlicher Elévation oder Neigung gegen die Horizontale, die periodisch bei jedem Umlauf abgetastet werden. Bei Anbringung der Detektionsanordnung an einem erhöhten Punkt, z.B. auf einem Berggipfel oder auf einem hohen Mast, kann somit ein Areal von mehreren Kilometern Erstreckung im Umkreis von einer einzigen Detektionsanordnung auf das Auftreten einer von einem Waldbrand herrührenden Infrarotstrahlung überwacht und mit einer geeigneten Auswerteschaltung ein Brandherd gemeldet und lokalisiert werden.

Nachteilig ist bei solchen bekannten Anordnungen, dass die Nachweisempfindlichkeit mit zunehmender Entfernung, also mit abnehmender Elévation oder Neigung des entsprechenden Empfangsfeldes gegen die Horizontale abnimmt, d.h. dass ein entfernterer Brand schwieriger nachweisbar ist als ein Brand im Nahbereich. Gemäss DE-A 3 710 265 ist es zwar bekannt, diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, dass die Detektionsanordnung nicht nur eine azimutale Bewegung ausführt, sondern der Ele-vationswinkel periodisch schwankt. Bei dieser vertikalen Schwenkbewegung wird die Brennweite der Bündelungsoptik automatisch in Abhängigkeit vom Elevationswinkel so gesteuert, dass das Auflösungsvermögen des Infrarotsensors für den ganzen Überwachungsbereich ungefähr konstant bleibt. Das erfordert jedoch eine komplizierte und störanfällige Steuerung mit zusätzlichen beweglichen Komponenten, was einen wartungsfreien und langdauernden Betrieb an schwer zugänglichen Aufstellungsorten kaum zulässt.

Ein weiterer Nachteil solcher bekannter Waldbranddetektoren ist die Störempfindlichkeit gegen parasitäre Infrarotstrahlung anderer Herkunft, insbesondere beispielsweise gegen direkte oder reflektierte Sonnenstrahlung. Das Sonnenlicht hat zwar ein Maximum im Bereich des sichtbaren Lichtes, jedoch kann der Infrarotanteil der Sonnenstrahlung im Spektralbereich der Temperaturstrahlung eines Waldbrandes so intensiv sein, dass ein fehlerhaftes Brandsignal ausgelöst werden kann. Auch in diffusem Licht kann der Infrarotanteil so gross sein, dass ein Fehisignal ausgelöst werden kann.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere eine Anordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die es ermöglicht, einen Brand mit geringer Störanfälligkeit gegen parasitäre Strahlungsquellen mit einem Strahlungsmaximum in einem anderen Spektralbereich und mit geringerer Abhängigkeit der Nachweisempfindlichkeit des Brandherdes von der Entfernung in einem ausgedehnten Bereich zu detektieren.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Zur Elimination parasitärer Störstrahlung sind die infrarotempfindlichen Sensoreiemente paarweise in differentiellen Schaltungen angeordnet, während zur Ausschaltung direkter Sonnenstrahlung zusätzliche lichtempfindliche Sensorelemente in einer Inhibitionsschaltung mit den zugeordneten infrarotempfindlichen Sensorelementen vorgesehen sind.

Dabei sind die Sensorelemente derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Detektionsemp-findlichkeit mit abnehmendem Neigungswinkel der durch Sensorelement und optische Bündelungseinrichtung gebildeten Empfangsfelder gegen die Horizontale nicht wesentlich abnimmt.

Mit besonderem Vorteil wird eine zunehmende Detektionsempfindlichkeit mit abnehmendem Elevationswinkel dadurch erreicht, dass für Empfangsbereiche verschiedener Elévation, also zur Strah-lungsdetektion aus unterschiedlicher Distanz, die Empfangsflächen der Sensorelemente verschieden gewählt sind oder dass eine verschiedene Anzahl von Sensorelementen gleicher Fläche für weiter entfernte Distanzen vorgesehen ist als im Nahbereich. Zusätzlich kann mit Vorteil eine distanzunabhängige Empfindlichkeit durch die Ausbildung der Auswerteschaltungen für die verschiedenen Sensorelemente mit unterschiedlichem Verstärkungsgrad in Abhängigkeit vom jeweiligen Elevationswinkel des zughörigen Emfangsbereich erreicht werden.

Mit Vorteil sind mehrere Gruppen von Sensorelementen in einer gemeinsamen optischen Anordnung in einer Reihe senkrecht zur optischen Achse der Anordnung benachbart zueinander auf einem gemeinsamen Träger vorgesehen, wobei die der optischen Achse benachbarten Gruppen für den Femempfang eine kleinere vertikale Erstreckung oder Empfangsfläche oder eine kleinere Anzahl von Sensorelementen aufweisen als die Sensorelementgruppen in grösserem Abstand von der optischen Achse, die der Nahdetektion dienen.

Zur Ausblendung der Sonnenstrahlung sind den einzelnen Sensorelementen, die vorzugsweise für Infrarot-Temperaturstrahlung im Spektralbereich von 3-5 Mikrometer empfindlich sind, weitere Sensorelemente mit bevorzugter Strahlungsempfind5

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lichkeit im Spektralbereich von etwa 0,6-1 Mikrometer, d.h. im Bereich sichtbaren Lichtes in differenti-eller Schaltung zugeordnet, die mit den infrarotempfindlichen Sensorelementen mitteis Inhibitionsschaltungen verbunden sind, welche die Brandalarmsignalgabe blockieren, wenn die weiteren Sensorelemente eine Lichtstrahlung mit mindstens einer bestimmten vorgegebenen Intensität erhalten, d.h. dass intensive Lichtstrahlung nicht als Brand gemeldet wird.

Die Erfindung wird an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Branddetektionsanordnung in Seitenansicht,

Fig. 2 diese Anordnung und ihre Empfangsbereiche in der Aufsicht von oben,

Fig. 3 eine Abtasteinrichtung einer Detektionsanordnung in Vorderansicht,

Fig. 4 die Abtasteinrichtung nach Fig. 3 im Schnitt,

Fig. 5 eine Sensorelementanordnung in einer Einrichtung nach Fig. 1 und 2, und

Fig. 6 A-D Schaltungen der Sensorelementgruppen in einer Anordnung nach Fig. 5.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Detekti-on von Waldbränden in einem ausgedehnten Bereich B mit einer Erstreckung von mehreren Kilometern weist eine Abtasteinrichtung 1 auf, die auf einer erhöhten Stelle des Überwachungsgebietes, z.B. auf einem Berggipfel oder einem Beobachtungsturm 2 oder Mast angeordnet ist. Diese Abtasteinrichtung 1 führt fortwährend eine azimutale Rotation oder Schwenkbewegung um ihre vertikale Achse aus und überstreicht dabei periodisch das gesamte Überwachungsgebiet und nimmt die aus dem überwachten Areal eintreffende Infrarotstrahlung mittels einer optischen Anordnung 3 auf und leitet sie auf eine Sensoranordnung 4, welche mit einer geeigneten Auswerteschaltung verbunden ist, welche ein Alarmsignal auslöst, sobald die Sensoranordnung aus dem überwachten Gebiet eine für einen Waldbrand charakteristische Infrarotstrahlung empfängt.

Optische Anordnung 3 und Sensoranordnung 4 sind, wie insbes. aus Fig. 2 zu ersehen ist, derart ausgeführt und relativ zueinander angebracht, dass eine Anzahl von getrennten, aneinander anschliessenden, bezüglich des Aufstellungsortes der Detektionsanordnung bzw. der Abtasteinrichtung konzentrischen Empfangsfeldern R1, R2,... R8 mit unterschiedlichen Elevationswinkeln b1, b2, ... b8 gegen die Horizontale H entsteht, aus denen die eintreffende Infrarotstrahlung getrennt voneinander empfangen und ausgewertet wird, so dass mittels der Auswerteschaltung der Ort F eines Waldbrandes nach Azimut a und Distanz d lokalisiert und signalisiert werden kann.

In Fig. 3 und 4 ist der Aufbau der Abtasteinrichtung in grösserem Detail dargestellt. Sie weist zum Zwecke der Fokussierung der aus den Empfangsfeldern eintreffenden Infrarotstrahlung einen sphärischen oder parabolischen Reflektor 6 auf und einen etwa in der Brennfläche des Reflektors 6 angeordneten Sensorträger 7 für eine Anzahl von Sensorelementen S1, S2, ... S8. Die Achse A des Reflektors 6 ist horizontal orientiert oder leicht gegen die Horizontale geneigt, entsprechend der maximalen Detektionsdistanz, d.h. dem Elevationswinkel b1 des entferntesten Empfangfeldes R1. Der Sensorträger ist bezüglich der optischen Achse A asymmetrisch angeordnet und erstreckt sich etwa von der Achse A über eine gewisse Strecke nach oben, so dass praktisch nur Strahlung aus Bereichen unterhalb der Horizontalen H detektiert wird.

Auf dem Sensorträger 7 sind von innen radial nach aussen eine Anzahl von Sensorelementen S1, S2, ...S8 in der Form separater strahlungsempfindlicher Zonen oder Flakes vorgesehen, deren Ausgangssignale der Strahlung aus den verschiedenen Empfangsfeldern mit unterschiedlichen Elevationswinkeln entsprechen und getrennt voneinander ausgewertet werden. Damit die Detektionsanordnung vorzugsweise nur auf Strahlung anspricht, wie sie für einen Waldbrand charakteristisch ist, sind die Sensorelemente so ausgeführt, dass sie vorzugsweise für Strahlung von Objekten mit einer Temperatur von etwa 300-1500 Grad C empfindlich sind, d.h. vorzugsweise im Spektralbereich infraroter Strahlung von etwa 3-5 Mikrometer, jedoch möglichst wenig in anderen Spektralbereichen. Das genannte Spektralfenster hat sich als besonders günstig erwiesen, da hier die Lufttransparenz besonders gut ist, was eine Detektion auch über grosse Distanzen erlaubt, während im Bereich von 5-8 Mikrometer die Absorption in Luft beträchtlich ist, so dass Strahlung aus entfernten Gebieten nur geschwächt empfangen und daher nur sehr beschränkt ausgewertet werden kann, d.h. die Reichweite solcher Detektoren wäre stark eingeschränkt. Noch längenwellige Strahlung kann durch parasitäre Strahlung von Objekten nur leicht erhöhter Temperatur, z.B. von Fahrzeugmotoren oder durch Sonnenstrahlung aufgeheizten Geländeoder Waldpartien gestört werden. Der erforderliche spektrale Empfindlichkeitsbereich kann durch geeignete Sensorelemente, oder durch geeignete, den breitbandigen pyroelektrischen Sensoren vorgeschaltete Spektralfilter erreicht werden.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des Sensorelement-Trä-gers in grösserem Massstab und mit weiteren Details. Auf dem Träger 7 sind die pyroelektrischen Sensorelemente S als gruppenweise und paarweise mit zunehmender Länge zusammengefasste Flakes übereinander und aneinander anschliessend angeordnet. Die unterste Gruppe oder Zone Z1 für den Fernempfang umfasst nur zwei Flakes S1 und S1', welche gemäss der Darstellung in Fig. 6A differenti-ell in einer Dualschaltung an den Eingang FET der Signalauswerteschaltung angeschlossen sind, desgleichen die anschliessenden Gruppen Z2, Z3 und Z4. Die Gruppe Z5 weist dagegen zwei derartige Flake-Paare, also vier Sensorelemente S, S', S" und S'" in der in Fig. 6B gezeigten differentiellen Quadschaltung auf, während die weiteren Gruppen Z6 und Z7 acht Sensorelemente in der in Fig. 6C wiedergegebenen differentiellen Doppelquadschal-tung aufweisen. Die letzte, dem Nahempfang die-

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nende Gruppe Z8, die die grösste vertikale Erstreckung aufweist, besteht aus 14 in sieben Paaren angeordneten Flakes, die in der in Fig. 6D wiedergegebenen Differentialschaltung verbunden sind.

Mit diesen Paar- oder Dualschaltungen wird zunächst die Elimination von Umwelteinflüssen erreicht, die gleichmässig auf die beiden Sensorelemente eines Paares einwirken. Dies gilt auch für intensives Umgebungslicht, das jeweils beide Sensorelemente nahezu gleich beaufschlagt, während ein begrenzter Brandherd bei jedem Durchlauf der Schwenkbewegung zeitverschoben nacheinander von den beiden Sensorelementen aufgenommen wird und mittels der differentiellen Schaltung in ein zeitlich gestaffeltes Paar eines positiven und eines negativen Impulssignales umgewandelt wird. Dies kann von der Auswerteschaltung leicht von einem Dauersignal unterschieden werden.

Die nach oben zunehmende Länge der Sensorelement-Zonen Z1 ... Z8 in der gemeinsamen optischen Anordnung 3 hat in grober Näherung zur Folge, dass jede Zone Z etwa einem gleich grossen Distanzbereich R entspricht. Zudem bewirkt die unterschiedliche Schaltung der Sensorelemente der einzelnen Zonen, d.h. die Dual-, Quad-, Doppelquad-schaltung etc., dass infolge der zunehmenden Streukapazitäten der Schaltungen die Detektions-empfindlichkeit weitgehend von der Distanz unabhängig wird oder sogar mit der Distanz etwas zunimmt, wodurch die mit der Distanz zunehmende Strahlungsabsorption der Atmosphäre kompensiert wird.

Weitere Massnahmen dienen der Ausschaltung direkter Sonnenbestrahlung. Da diese in waldbrandgefährdeten Gegenden oft beträchtlich ist und zeitweise 100 000 Lux übersteigen kann, wobei die Sonnenstrahlung im Bereich der zur Branddetektion ausgewerteten Infrarotstrahlung derart intensiv sein kann, dass ein fehlerhaftes Alarmsignal ausgelöst wird, ohne dass ein Brand vorliegt, ist es nötig, die Auslösung solcher Fehlalarme durch parasitäres Sonnenlicht zu verhindern. Dazu sind auf dem Träger 7 parallel neben den infrarotempfindlichen Sensorelementen S eine Reihe von lichtempfindlichen Sonnenzellen C vorgesehen, und zwar ebenfalls in Paaren C1, C1' ... C8, C8' differentiell geschaltet, mit einem spektralen Empfindlichkeitsmaximum zwischen 0,6 und 1 Mikrometer. Mit den entsprechenden Gruppen von Sensorelementen S sind diese Sonnenzellenpaare C in einer Inhibitionsschaltung verbunden, welche die Brandalarmsignalgabe blockiert, wenn die von den Sonnenzellen aus dem zugeordneten Empfangsfeld aufgenommene parasitäre Störstrahlung hinreichend intensiv ist, d.h. eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Somit wird erreicht, dass die Einleitung von kostspieligen Brandbekämpfungsmassnahmen infolge fehlerhafter Signalgabe verhindert werden kann.

Eine noch grössere Sicherheit wird erreicht, wenn zusätzlich am Beobachtungsort eine schwenkbare Fernsehkamera vorgesehen ist, die durch die Branddetektionsanordnung derart gesteuert ist, dass sie bei Signalisation eines Brandes auf den von der Signalauswerteschaltung lokalisierten

Brandort gerichtet wird und eine visuelle Kontrolle gestattet.

Die vorstehend speziell für die Detektion von Waldbränden beschriebene Erfindung ist nicht auf diese Verwendung beschränkt, sondern kann auch zur Überwachung anderer ausgedehnter Bereiche oder Areale auf das Auftreten von Infrarotstrahlung benutzt werden. Beispiele hierfür sind etwa die Überwachung ausgedehnter Brennstofftanklager oder Automobilabstellplätze.

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Detektion von Bränden in einem ausgedehnten Bereich (B), insbesondere von Waldbränden, mit einer azimutal beweglichen Abtasteinrichtung (1) zur periodischen Erfassung der von einem Brand erzeugten Infrarotstrahlung, welche eine optische Bündelungseinrichtung (6) und eine Anzahl von Sensorelementen (S) aufweist, welche so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie Infrarotstrahlung aus Empfangsfeldern (R1, R2 ... R8) unterschiedlicher Elevationswinkel (b1, b2 ... b8) de-tektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die für Infrarotstrahlung empfindlichen Sensorelemente (S, S') paarweise horizontal nebeneinander angeordnet und in differentiellen Schaltungen miteinander verbunden sind und dass den für Infrarotstrahlung empfindlichen Sensorelementen (S, S') weitere, geometrisch gleich gestaltete und angeordnete lichtempfindliche Sensorelemente (C) zugeordnet sind, welche in analoger Weise in differentieller Schaltung miteinander verbunden sind und welche die Signalgabe der für Infrarotstrahlung empfindlichen Sensorelemente (S, S') blockieren, wenn sie mit Strahlung beaufschlagt werden, deren Intensität eine vorgegebene Schwelle übersteigt.

2. Anordnung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare von Sensorelementen (S, S') vertikal aneinander anschliessend wenigstens angenähert in der Brennebene der optischen Bündelungseinrichtung (6) angeordnet sind.

3. Anordnung gemäss Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (S, S') sich auf einem gemeinsamen Träger (7) von etwa der optischen Achse (A) der Bündelungseinrichtung (6) ausgehend nach oben hin erstrecken.

4. Anordnung gemäss Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Erstreckung, die Empfangsfläche und/oder die Anzahl der Sensorelemente (S) mit dem Abstand von der optischen Achse (A) zunimmt.

5. Anordnung gemäss Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Erstreckung, Empfangsfläche und/oder Anzahl der Sensorelemente (S) derart gewählt ist, dass die Empfindlichkeit der Empfangsbereiche (R) der Empfangsfelder (R1, R2 ... R8) wenigstens in grober Näherung unabhängig vom Elevationswinkel (b1, b2 ... b8) sind.

6. Anordnung gemäss Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelement-Paare (S1, S1') mit geringerem Abstand von der optischen Achse (A) in einer Schaltung miteinander verbunden sind, die ein grösseres Ausgangssignal

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liefert als die Schaltungen für Sensorelementpaare (S8, S8') mit grösserem Abstand von der Achse (A).

7. Anordnung gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Detekti-onsempfindlichkeit mit abnehmendem Elevationswinkel (b1, b2 ... b8) der durch Sensorelement (S) und optische Bündelungseinrichtung (6) gebildeten Empfangsfelder (R) gegen die Horizontale (H) nicht wesentlich abnimmt.

8. Anordnung gemäss Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Sensorelemente (C) auf demselben Träger (7) jeweils neben den zugeordneten für Infrarotstrahlung empfindlichen Sensorelementen (S) angeordnet sind.

9. Anordnung gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für Infrarotstrahlung empfindlichen Sensorelemente (S, S') für Strahlung im Spektralbereich von 3 bis 5 um empfindlich sind.

10. Anordnung gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Sensorelemente (C) für Strahlung im Bereich von 0,6 bis 1 um empfindlich sind.

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