CN110992639A - 光学火灾传感器装置及相应的火灾检测方法 - Google Patents

光学火灾传感器装置及相应的火灾检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学火灾传感器装置及相应的火灾检测方法。所述光学火灾传感器装置具备：光学粒子检测单元(10)，其用于根据预定的粒子大小范围内的粒子大小，和/或，根据预定的粒子速度范围内的粒子速度来确定测量体积范围(FA)内的粒子数的测量值；以及火灾检测单元(20)，其用于确定所述测量值的各自的分布，并将所确定的所述分布的至少一个参数与至少一个预定的标准进行比较。所述火灾检测单元(20)用于考虑所述比较来检测火灾(B)。报警单元(30、40)用于响应于所述火灾检测单元(20)的火灾(B)的检测，输出报警信号。

Description

光学火灾传感器装置及相应的火灾检测方法
技术领域
本发明涉及一种光学火灾传感器装置及相应的火灾检测方法。
背景技术
通常的火灾检测器识别火灾并基于烟粒子的静态及动态模式，从误报警中辨别火灾。最普遍的火灾检测器是光学或光电火灾检测器。这些火灾检测器按照基于火灾检测器的光室内的烟粒子散射测试光束的事实的散光法来运作。被散射的光的一部分随后入射到不直接被测试光束照射的感光传感器，于是可以检测火灾。
为了避免误报警，经常使用额外的传感器，例如，LED传感器、温度传感器或CO传感器。这能够将火灾与尘云、蒸汽云或香烟烟雾区别开来。
已知的光学火灾检测器使用具有长度通常为几厘米的光程的非相干光，以实现足够的信号强度。必须保护其测量室免受环境光之害。
近年来，开发了一种体积小于1cm3的粒子传感器。这为将这种粒子传感器集成到移动装置，尤其是例如集成到智能电话开设了新的选项。
DE10 2015 207 289 A1公开了一种光学粒子传感器装置，该装置包括具有集成的光电二极管的VCSEL激光二极管。VCSEL激光二极管(VCSEL＝垂直腔面发射激光器)是光垂直于半导体芯片的平面进行发射的发光二极管。通过使用自混合干涉技术，已知的光学粒子传感器装置能够获得与粒子的存在相关的信息项，尤其是粒子数和粒子速度。
图10是说明DE 10 2015 207 289 A1公开的光学粒子传感器装置的框图。
在图10中，参考标记50a表示光发射单元，50b表示光学检测单元，其中光发射单元50a是VCSEL激光器，光学检测单元50b是光电二极管。光发射单元50a和光学检测单元50b被集成到VCSEL传感器芯片66，该VCSEL传感器芯片66中集成有自混合干涉分析功能。光发射单元50a发射光学测量光束52。通过使用透镜单元58，光学测量光束52被聚焦于待检测粒子56的聚焦区域60内。
粒子散射的测量光束62被透镜单元58聚焦于VCSEL传感器芯片66的检测面64。可选的镜像单元74使聚焦区域60能够在聚焦区域60内一维或二维地移位。
光学检测单元50b被设计为输出关于在检测面64上产生的被散射的电测量光束的强度和/或强度分布62的信息信号68。分析单元70供给与粒子56的存在、粒子数或粒子56的另一属性相关的信息信号72。尤其是，也关注所述粒子速度。
例如，G.Giuliani等人于2002年4月发表在《光学学报A辑：光学与应用光学(Journal of Optics A：Pure and Applied Optics)》(第283至第294)的“用于传感应用的激光二极管的自混合技术(Laser Diode Self-Mixing Technique for SensingApplications)”中记载了自混合干涉法。该方法基于粒子反向散射的测量光束干涉所发射的测量光束，从而对所述测量光束的发光强度进行调制。
US 2016/0025628 A1公开了一种具有集成的光学粒子传感器装置的智能电话。
DE 10 2009 045 977 A1公开了一种被设计为用于集成在保护人和/或区域用安全系统的组动化组件的移动装置。作为安全系统，列出了具有用于检测火粒子密度的功能的光学火灾传感器装置。
DE 10 060 044 A1公开了一种具有散射光检测器的光学火灾传感器装置。
发明内容
本发明提供了根据独立权利要求1所述的光学火灾传感器装置和根据独立权利要求16所述的相应的火灾检测方法。
优选的改进是各自从属权利要求的主题。
本发明的有益效果
本发明所依据的理念是提供一种能够根据粒子大小，和/或，根据粒子速度来确定测量体积区域内的粒子数的测量值的光学火灾传感器装置。
本发明使高强度及高相干性的聚焦测量光束的使用成为可能。能够在一个很小的测量体积内检测烟粒，且能够准确地识别高复杂性的烟熏图痕。
根据本发明的光学火灾传感器装置可以形成得实质上小于已知的装置，即，约几毫米大小。尤其是，可以省略光室。这改善了美学外观和实际处理性。
根据另一优选的实施方式，所述火灾检测单元用于通过所述收发单元向分析中心发送所确定的所述测量值的分布，以将所确定的所述分布的至少一个参数与少一个预定的标准进行比较，并通过所述收发单元从所述分析中心接收相应的分析，以检测火灾。从而，可以外部地进行所确定的所述分布的计算密集型分析，降低火灾检测单元的复杂性。
根据又一优选的实施方式，所述火灾检测单元用于考虑所述比较来检测与检测到的火灾关联的火灾类型，其中所述报警单元用于响应于所述火灾及关联的火灾类型的检测，输出指定所述火灾类型的报警信号。从而，可以生成消防所需要的额外的信息项。
根据又一优选的实施方式，所述火灾检测单元用于确定所述测量值的分布的时间顺序发展，并额外考虑所述分布的时间顺序发展来检测所述火灾和/或关联的火灾类型。从而，可以提高火灾和火灾类型的检测的准确性。
根据又一优选的实施方式，所述参数包括所述粒子大小和/或所述粒子速度的平均值。
根据又一优选的实施方式，所述参数包括按所述粒子大小和/或所述粒子速度的平均值的粒子数。
根据又一优选的实施方式，所述参数包括所述分布的半极大处全宽度或较高扭矩。
根据又一优选的实施方式，提供一种存储至少一个预定的标准的存储单元。从而，可以在本地进行火灾检测的全面分析。
根据又一优选的实施方式，提供一种能够通过网络从数据源单位查询至少一个预定的标准的查询单元。这使可以不断更新的数据库能够被访问。
根据又一优选的实施方式，所述报警单元包括声学和/或光学显示单元。
根据又一优选的实施方式，所述报警单元包括通过网络向报警中心发送所述报警信号的发送单元。从而，可以触发可以直接对消防队进行的自动火灾报警。
根据又一优选的实施方式，所述粒子检测单元包括用于将光学测量光束通过出光区域朝壳体的外部定向至可以在内部进行粒子检测的聚焦区域内的光发射单元，壳体内布置有光学检测单元，以检测由粒子散射的测量光束，并输出与粒子浓度相关的信息项。
根据又一优选的实施方式，所述光发射单元包括激光二极管，尤其是VCSEL二极管，所述光学检测单元包括集成到所述激光二极管中的光电二极管。这种设置特别紧凑。
根据又一优选的实施方式，可以采用自混合干涉法通过算法来分析所述测量光束及散射的测量光束。该相干性确保免除外界光线的影响。此外，可以省略光室。
根据又一优选的实施方式，所述光学火灾传感器装置设置于便携式装置中，尤其是智能电话中。
附图说明
图1示出说明根据本发明的第一实施方式的光学火灾传感器装置的框图；
图2示出在木材明燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布；
图3示出在木材阴燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布；
图4示出在棉花阴燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布；
图5示出在塑料明燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布；
图6示出理论确定的45℃下烟粒子的粒子速度概率分布；
图7示出理论确定的45℃下水滴的粒子大小概率分布；
图8示出说明根据本发明的第二实施方式的光学火灾传感器装置的框图；
图9示出说明根据本发明的第三实施方式的光学火灾传感器装置的框图；以及
图10示出说明DE 10 2015 207 289 A1公开的光学粒子传感器装置的框图。
在附图中相同或功能相同的元件用相同的参考标记表示。
具体实施方式
图1是说明根据本发明的第一实施方式的光学火灾传感器装置的框图。
在图1中，参考标记100表示壳体，例如，智能电话的壳体，该壳体内设置有用于根据预定的粒子大小范围内的粒子大小，和/或，根据预定的粒子速度范围内的粒子速度来确定测量体积区域内的粒子数的测量值的光学粒子检测单元10。在这种情况下，预定的粒子大小范围及预定的粒子速度测量范围取决于设计细则和/或粒子检测单元10的设定。
粒子检测单元10包括用于将光学测量光束OB通过出光区域OF朝壳体100的外部定向至聚焦区域FA的光发射单元LD，聚焦区域FA也用测量体积区域表示。可以在聚焦区域FA内部进行粒子P的检测。在壳体100内也设置有用于检测粒子P散射的测量光束OB’，并输出与粒子浓度相关的信息项的光学检测单元DD。
在本实施方式中，光发射单元LD是激光二极管，尤其是VCSEL二极管，光学检测单元DD是集成到所述激光二极管的光电二极管。为了确定粒子浓度，采用自混合干涉法通过算法来分析测量光束OB及散射的测量光束OB’。
参考标记20表示火灾检测单元，火灾检测单元用于基于光学粒子检测单元10输出的粒子大小和/或粒子速度的测量值来确定所述测量值的各自的分布，并将所确定的所述分布的至少一个参数与至少一个预定的标准进行比较。
在第一实施方式中，所述至少一个预定的标准存储于存储单元50。反映所确定的所述分布的参数的这种标准的例子有所述粒子大小和/或所述粒子速度的平均值，按所述粒子大小和/或所述粒子速度的平均值的粒子数，所述各自的分布的半极大处全宽度等。
另外，在第一实施方式中，火灾检测单元20用于确定所述测量值的分布的时间顺序发展，并额外考虑所述分布的时间顺序发展来检测火灾B，以及可选地检测关联的火灾类型。
从而，火灾检测单元20能够考虑所述比较或多项比较来检测火灾B。
响应于所述火灾检测单元的火灾B的检测，火灾检测单元20启动报警单元30、40输出报警信号。在第一实施方式中，报警单元30、40包括声学和/或光学显示单元30、以及用于通过网络500，例如通过互联网向报警中心200发送所述报警信号的发送单元40。
从而，一方面，可以在所述光学火灾传感器装置侧的本地触发报警，同时可以向报警中心200传达该报警，以便在报警中心200已采取相应的预防措施，例如警告消防队。若所报告的报警还包括关联的火灾类型，消防队可以已采取相应的装置预防措施。
图2示出在木材明燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布。
在图2中，曲线1表示分布起火后2分钟的粒子大小分布，曲线2表示起火后4分钟的粒子大小分布，曲线3表示起火后6分钟的粒子大小分布，曲线4表示起火8分钟后的粒子大小分布，曲线5表示起火后10分钟的粒子大小分布，曲线6表示起火12分钟后的粒子大小分布。
从图2明显地看出，在木材明燃火的情况下，在起火后4分钟之内产生尺寸小于50的小粒子。从起火后6分钟开始发生结块，且粒子大小的平均值达到约100nm的值。此外，分布随着起火后持续时间的增加而显著变宽。
图3示出在木材阴燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布。
在图3中，曲线1表示起火后2分钟的粒子大小分布，曲线2表示起火后4分钟的粒子大小分布，曲线3表示起火后6分钟的粒子大小分布，曲线4表示起火后8分钟的粒子大小分布，曲线5表示起火后10分钟的粒子大小分布。
从图3明显地看出，在木材阴燃火的情况下，在起火后6分钟可以首次检测到烟粒子，其尺寸的平均值为70，即，高于根据图2所示的木材明燃火。
起火后约10分钟，粒子大小的平均值为80nm。在木材阴燃火的情况下检测到的分布的宽度小于在根据图2所示的木材明燃火的情况下检测到的分布的宽度。
图4示出在棉花阴燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布。
在图4中，曲线1表示起火后2分钟的粒子大小分布，曲线2表示起火后4分钟的粒子大小分布，曲线3表示起火后6分钟的粒子大小分布，曲线4表示起火后8分钟的粒子大小分布，曲线5表示起火后10分钟的粒子大小分布，曲线6表示起火后12分钟的粒子大小分布。
在棉花阴燃火的情况下，在起火后4分钟可以检测到粒子，其平均粒子已约为170nm。在燃火的进一步进程中，根据曲线6所示，平均粒子大小移至200nm，如上例所示，分布的宽度随着燃火持续时间的增加而增加。此外，在棉花阴燃火的情况下的分布宽度实质上大于在图2和图3所示的木材明燃火及木材阴燃火的情况。
图5示出在塑料明燃火的情况下在起火后不同的时间点实验确定的粒子大小分布。
在图5中，曲线1表示起火后2分钟的粒子大小分布，曲线2表示起火后4分钟的粒子大小分布，曲线3表示起火后6分钟的粒子大小分布，曲线4表示起火后8分钟的粒子大小分布。
在塑料明燃火的情况下，粒子大小的平均值始终为约100nm，其中，结块随着燃火持续时间的增加而增加，粒子分布的宽度大致保持不变。
因此，图2至图5以及另一些例子(未图示)表明可以基于粒子大小分布以及基于其时间顺序发展毫不含糊地辨别火灾和其火灾的类型。
图6示出理论确定的45℃下烟粒子的粒子速度概率分布WF。
从图6明显地看出，在烟粒子的情况下，粒子的平均速度为0.1m/s。根据图6所示的该速度分布可以理论上推导，例如，从麦克斯韦速度分布推导，其中对于烟粒子及45℃温度假定0.15μm的粒子大小和1.5g/cm3的粒子密度。另外还假定在这种情况下对流额外地使烟粒子加速。
图7示出理论确定的45℃下水滴的粒子速度概率分布WF。
图7示出45℃温度下水滴的速度分布，其中假定10μm的粒子大小和1g/cm3的密度。因此，平均速度值仅为0.001m/s。在水滴的情况中没有对流成分，室内的水蒸汽的分布仅取决于扩散。
这表明也可以基于粒子的速度分布毫不含糊地辨别火灾和其火灾的类型和/或带粒子负荷的非火灾。
图8示出说明根据本发明的第二实施方式的光学火灾传感器装置的框图。
在第二实施方式中，与上述第一实施方式相比，代替存储单元50地提供了可以通过网络500，例如通过互联网从数据源单位300查询至少一个预定的标准的查询单元50’、55。
在这种情况下，例如，参考标记55表示GSM天线单元，这使查询单元50’能够通过移动无线网络进行远程查询。
如同在上述第一实施方式中的情况，基于如此查询的至少一个预定的标准，火灾检测单元20便可以将与至少一个参数相关的测量值的各自的所确定的分布与至少一个预定的标准进行比较。
图9示出说明根据本发明的第三实施方式的光学火灾传感器装置的框图。
在第三实施方式中，提供了一种可以与分析中心200a双向通信的收发单元40a。火灾检测单元20a用于通过所述收发单元40a向分析中心200a发送所确定的测量值的分布，以对所确定的分布的至少一个参数与所述至少一个预定的标准进行比较。
所述分析中心200a包括与可以存储至少一个预定的标准的存储单元50a连接的分析单元20b。从而，分析单元20b可以对火灾检测单元20a发送的所确定的分布的至少一个参数与所述至少一个预定的标准进行比较，并通过收发单元40a将相应的分析结果发回火灾检测单元20a，以便火灾检测单元20a通过所述分析结果来检测火灾。
如同在第一实施方式，火灾检测单元20a可以启动声学和/或光学显示单元30输出报警信号。
在本示例中，所述分析中心200a可以直接通过网络500告知报警中心200火灾B的发生及关联的火灾。

Claims (18)

1.一种光学火灾传感器装置，包括：
光学粒子检测单元(10)，其用于根据预定的粒子大小范围内的粒子大小，和/或，根据预定的粒子速度范围内的粒子速度来确定测量体积区域(FA)内的粒子数的测量值；
火灾检测单元(20；20a)，其用于确定所述测量值的各自的分布，并将所确定的所述分布的至少一个参数与至少一个预定的标准进行比较；
其中所述火灾检测单元(20；20a)用于考虑所述比较来检测火灾(B)；以及
报警单元(30、40)，其用于响应于通过所述火灾检测单元(20；20a)的火灾(B)的检测来输出报警信号。
2.根据权利要求1所述的光学火灾传感器装置，其中提供收发单元(40a)，并且其中所述火灾检测单元(20a)用于通过所述收发单元(40a)向分析中心(200a)发送所确定的所述测量值的分布，以将所确定的所述分布的至少一个参数与所述至少一个预定的标准进行比较，并通过所述收发单元(40a)从所述分析中心(200a)接收所述火灾(B)的检测相应的分析。
3.根据权利要求1或2所述的光学火灾传感器装置，其中所述火灾检测单元(20；20a)用于考虑所述比较来检测与所检测到的所述火灾(B)关联的火灾类型，其中所述报警单元(30、40)用于响应于所述火灾(B)及关联的火灾类型的检测，输出指定所述火灾类型的报警信号。
4.根据权利要求1、2或3所述的光学火灾传感器装置，其中所述火灾检测单元(20；20a)用于确定所述测量值的分布的时间顺序发展，并额外考虑所述分布的时间顺序发展来检测所述火灾(B)和/或关联的火灾类型。
5.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中所述参数包括所述粒子大小的平均值和/或所述粒子速度的平均值。
6.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中所述参数包括按所述粒子大小的平均值和/或所述粒子速度的平均值的粒子数。
7.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中所述参数包括所述分布的半极大处全宽度或较高扭矩。
8.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中提供能够存储所述至少一个预定的标准的存储单元(50)。
9.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中提供能够通过网络(500)从数据源单位(300)查询所述至少一个预定的标准的查询单元(50‘、55)。
10.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中所述报警单元(30、40)包括声学和/或光学显示单元(30)。
11.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中所述报警单元(30、40)包括用于通过网络(500)向报警中心(200)发送所述报警信号的发送单元(40)。
12.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其中所述粒子检测单元(10)包括用于将光学测量光束(OB)通过出光区域(OF)朝壳体(100)的外部定向至能够进行粒子检测的聚焦区域(FA)内的光发射单元(LD)，壳体(100)内布置有光学检测单元(DD)，以检测由粒子(P)散射的测量光束(OB’)并输出与粒子浓度相关的信息项。
13.根据权利要求12所述的光学火灾传感器装置，其中所述光发射单元(LD)包括激光二极管，尤其是VCSEL二极管，所述光学检测单元(DD)包括集成到所述激光二极管中的光电二极管。
14.根据权利要求12或13所述的光学火灾传感器装置，其中能够采用自混合干涉法通过算法来分析所述测量光束(OB)及散射的测量光束(OB’)。
15.根据在前的权利要求中的任一项所述的光学火灾传感器装置，其设置于便携式装置中，尤其是智能电话中。
16.一种火灾检测方法，包括以下步骤：
根据预定的粒子大小范围内的粒子大小，和/或，根据预定的粒子速度范围内的粒子速度来确定测量体积范围内的粒子数的测量值；
确定所述测量值的各自的分布，并将所确定的所述分布的至少一个参数与至少一个预定的标准进行比较；
考虑所述比较来检测火灾(B)；以及
响应于所述火灾(B)的检测，输出报警信号。
17.根据权利要求16所述的火灾检测方法，其中考虑所述比较来检测与所述火灾(B)关联的火灾类型，并响应于所述火灾(B)及关联的火灾类型的检测，输出指定所述火灾类型的报警信号。
18.根据权利要求16或17所述的火灾检测方法，包括：确定所述测量值的分布的时间顺序发展，以及额外考虑所述分布的时间顺序发展来检测所述火灾(B)及关联的火灾类型。
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