CN1680982A - 火灾识别方法及实施该方法的火灾报警器 - Google Patents

Abstract

当除红外光线以外，向测量体积内附加地射入蓝光，并且彼此分开地测量和评估在红外区和蓝光区中的向后散射区和向前散射区中在颗粒上产生的射散时，就可以显著地提高散射光火灾报警器对于小颗粒的灵敏度。这可以借助一火灾报警器来实现，该报警器包含两个发射LED(2.1a，2.1b)和两个光电接收器(2.2a，2.2b)，其中四个部件如此布置，以使光电接收器彼此分开地接受较长的和较短的波长的向前散射光线和向后散射光线。在光电接收器后面连接一相应的多通路评估电路。

Description

火灾识别方法及实施该方法的火灾报警器

技术领域

本发明涉及按照散射光原理通过向测量体积内射入沿第一发射轴线的具有第一波长的光线(Strahlung)和沿第二发射轴线的具有比第一波长短的第二波长的光线，以及通过以大于90°的向前散射角和小于90°的向后散射角测量在位于测量体积内的颗粒上散射的光线来识别火灾/火焰的方法。

本发明还涉及一种用于实施本方法的散射光火灾报警器。

背景技术

从WO 01/59737已知一种特别用于装在通风通道和空调通道中的散射光报警器，它按照前面提到的方法工作，并且有一第一LED(发光二极管)将红外光和一第二LED将蓝色光入射至其测量室中。这两个LED交替地脉冲。由“红外”LED产生的光线使之有可能识别在阴(闷)火(无焰火)中常见的大颗粒。由“蓝”LED产生的散射使得有可能识别在具有明火的火灾中常见的小颗粒。这可以用Reyleigh定律来解释，按照该定律，对于小于波长的颗粒，散射光的强度随着波长的四次方减弱。这虽然是正确的，但是，在按散射光原理识别火灾时，并不实际。这种已知的火灾报警器只包含一个光电接收器，它只能提供两种有关散射光强度的信息，也就是，根据实施形式不同，提供红外或蓝色波长范围内的向前散射的强度或向后散射光线的相应强度，或是在红外波长范围内的向前散射光线的强度和在蓝色波长范围内的向后散射光线的强度。不过，各自的排列几何形状对此可导致各自的散射发自其中的测量体积并不相同。

从DE19902319已知一种火灾报警方法，其中，根据红外向前散射光线的强度与红外向后散射光线的强度之比作出警报的决定。相应的火灾报警器有选择地用两个红外LED和一个光电接收器或反过来用一个红外LED和两个光电接收器来进行工作。用以测量向前散射光线的角度最好为140°，而用以测量向后散射光线的角最好为70°。向前散射光线的强度与向后散射光线的强度之比的形成使得有可能区分亮的和暗的烟的类型，因为亮的烟提供强的向前散射的信号和较弱的向后散射的信号，反之，暗的烟则提供较弱的向前散射的信号，和与之相比为强的向后散射的信号。在考虑到与向前散射区中的同样的浓度的同样的颗粒产生的强度相比向后散射区中的强度基本上较低的情况下，处理绝对强度或信号水平并同时处理这些信号水平的比值或商，还使得有可能区别烟的一定的假值(Tuschungsgrβe)。例如，高浓度的水蒸汽产生强的向前散射的信号，该信号按较早的现有技术就会触发在此情况下则为假警报的警报。不过，从向前散射的强度和向后散射的强度形成的商对水蒸汽得出一特征值，该值基本上与浓度无关。通过确定此商并在进一步的信号处理中考虑它，就可以由此抑制否则会产生的假警报。不过，该已知的方法和按照它工作的报警器与用红外线工作的散射光火灾报警器的所有其它结构有着共同的缺点，即对小的和非常小的颗粒的灵敏度不够。这首先是使之难于及时识别明火，尤其是其烟的特征是非常小的颗粒尺寸的木材火。因此，在相应的危险情况下，必须仍然采用对小的颗粒很好地起反应的离子火灾报警器，该报警器用弱放射性制剂工作。由于这种放射性制剂，离子化火灾报警器的制造花费大且其使用不受欢迎，在一些国家甚至一般是被禁止的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种方法，它用小的附加花费就能明显地改善散射光火灾报警器对小颗粒的灵敏度，并由此明显提高这种报警器在识别热的和非常热的火灾方面的可应用性，而不会以变高的假警报频率为代价。

在开头述类型的方法中，这样来实现所述目的，即彼此分开地测量和评估第一和第二波长的向前散射光线和向后散射光线。

在每个测量周期中，可以按此方式得到四个测量值，所述测量值既可单独处理，也可彼此组合，以便在与指定的基准值比较以后，能作出可靠的报警决定。

因此，优选地从与四个所测量的散射光线强度对应的信号水平减去对应的乘以≤1的因数的静态值水平，对所得到的值进行加权，并在评估逻辑(电路)(Auswertelogik)中处理经过加权的值，将其与存储的值比较，对比较结果进行结合并评估，根据结果，产生至少一警报信号(权利要求2)。根据在报警器中执行的智能(处理)，可以根据结果产生例如预警报信号、烟识别信号，主警报信号等。

特别是，可以形成第一波长的向前散射光线强度的加权值与向后散射光线强度的加权值之间的比和第二波长的向前散射光线强度的加权值与向后散射光线强度的加权值之间的比，并在评估逻辑中处理，与存储的值比较，对比较结果进行结合并评估，并根据结果产生至少一个警报信号(权利要求3)。

进一步可以形成第一与第二波长的向前散射光线强度的加权值之比和第一与第二波长的向后散射光线强度的加权值之比，并在评估逻辑电路中处理所确定的比值，与存储的值比较，对比较结果进行结合并评估，并根据结果产生至少一个警报信号(权利要求4)。

此外，又可对所得到的比值本身进行比例计算，并将该结果与存储值比较，并在进一步处理时考虑比较结果(权利要求5)。

当以同样的向前散射角测量第一与第二波长的向前散射光线和以同样的向后散射角测量第一与第二波长的向后散射光线时，可得到有利的几何关系(权利要求6)，这就一方面将光电结构元件的花费限制在两个LED和两个光电接收器例如光电二极管上，另一方面允许对所有四个测量值进行在原则上同样的电处理。

第一与第二波长的散射光线可在测量室的相对侧在同样的主轴线上测量(权利要求7)。

最好是，第一和第二波长的光线还从相对侧沿重合(zusammenfallen)的照射轴线入射至测量体积中(权利要求8)。如此得到的对测量体积中心的点对称可以保证，所得到的散射光线强度来自同样的测量体积，这就有利于其可比较性。

合理的是，第一波长与第二波长要如此选择，以使它们彼此不成为整数比(权利要求9)。因为，当第一波长和第二波长成为例如1∶2的比时，则在第一波长时产生的例如特别强的向前散射信号的颗粒在用第二波长照亮时，也产生一次级最大的过强的信号。另一方面，具有周长等于较长的有特别良好的反射的波长的颗粒在半个波长处吸收强烈，因而几乎不产生散射光。

按照目前的LED的制造水平，在红外光线的范围内选取第一波长，在蓝色光或紫外光线的范围内选取第二波长(权利要求10)，则是适当的。

优选第一波长在880nm的范围内，而第二波长在475nm或370nm的范围内(权利要求11)。

合适的是，第一与第二波长的光线的脉冲/暂停要比1∶10000大，最好在1∶20000的范围内(权利要求12)，因为，为了得到足够的灵敏度，需要有高的光线强度。为此，所需要的电功率不仅成为报警器的供电/电源的负载，而且还导致LED的产生光线的芯片的强烈升温，以致在每个脉冲之后，需要有一个足够长的冷却时间，以免过热。

为了实施按照本发明的方法，并由此实现基本的目的，适于采用一散射光火灾报警器，它有一个与周围空气连通的限定了一个测量体积的测量室，一发射红外线的LED和一发射蓝光的LED从不同的方向向该测量室内照射，并且在其中用光电测量在位于测量体积中的颗粒上散射的光线并对其进行评估，其中，按照本发明，此报警器包含两个光电接收器，它们相对于测量体积相对地设置并有一共同的主轴线，两个LED的照射轴线与该主轴线夹一小于90°的锐角并在一位于主轴线上的点上相交，该点位于测量体积的中心(权利要求13)。

LED也可以布置在主轴线的同一侧上(权利要求14)。于是，一个光电接收器测量发射红外线的LED的向前散射光线和发射蓝光的LED的向后散射光线，而另一个光电接收器则反之测量发射蓝光的LED的向前的散射和发射红外线的LED的向后的散射。

另一种方案为，LED对称于主轴线布置(权利要求15)，以使一个光电接收器测量两个向前散射光线，而另一个光电接收器则测量两个向后散射光线。

不过，优选LED布置成点对称于测量体积的中心，以使其照射轴线重合(权利要求16)。因此，LED和光电接收器都成对精确地相对设置。这有这样的优点，所测得的四个散射光线强度各自都从同样的测量体积出来。此外，此对称布置有利于测量室的基本无反射的构形，使之有可能基本对称地布置电路板，在该电路板上布置LED和光电探测器，并且导致报警器的旋转对称的因而是至少基本上空气进入方向无关的灵敏度。

最好是，LED的照射轴线与主轴线各自夹一约为60°的锐角(权利要求17)。于是就以这个角测量各自的向后散射光线，并且反之以120°的补角测量对应的向前散射光线。已经表明，这是在对于测量向后的散射来说是较有利的70°的值和测量室的决定性地影响报警器的外径的直径之间的一个有利的折衷方案。

为了保护光电探测器不受LED的直接照射和不受反射至测量室的壁上的光线的照射，以及为了保持测量体积的通过反射的光线较小地照射，合理的是，将每个LED和每个光电接收器放置在一其自有的管子中；此外，在测量体积的外面，在LED与光电接收器之间，布置遮光板(Blende)和光线阱(Strahlungsfalle)(权利要求18)。

附图的简要说明

下面将参考附图说明按照本发明的方法，该图示出相应的散射光火灾报警器的三个实施形式。图中：

图1示出第一实施形式中的火灾报警器的基板的光学轴的高度上剖开的俯视图，该基板支承测量室；

图2示出第二实施形式的相应的视图；

图3示出第三实施形式的相应的视图。

具体实施形式

按照本发明的方法从下面出发。

按照所燃烧的材料的类型，形成一宽的燃烧产物光谱，为了简单起见，该燃烧产物称为悬浮微粒或也称为颗粒。热的火产生大量的小直径悬浮微粒。例如，包含100个CO₂分子的悬浮微粒结构或团有一约为2.5nm的直径。每单位时间具有小的能量转换的火也即特别是所谓的阴火(Schwelbrand)则与之相反产生具有达100μm的直径的悬浮微粒，还有部分宏观的飘浮物，例如小灰粒。适于识别所有类型火灾的散射光火灾报警器必须也能识别具有2.5nm至100μm的直径的悬浮微粒，也就是说，能覆盖10的5次幂的区域。

由于其高效率，迄今在实践中只使用发射红外线的砷化镓(GaAs)-LED作为散射光火灾报警器的光源，这种LED产生一880nm的波长λ。由一个颗粒产生的散射光线强度首选取决于为了简单起见假设为球的颗粒的直径与进入的光线的波长之比。此外，虽然颗粒的形状与吸收系数也起一定的作用，但是，这些参数在本文中显然没有影响。对于一个小于0.1λ的颗粒直径，所谓的Rayleigh散射与λ⁴成正比地降低。由此得出，对于直径小于约90nm的颗粒直径，用发射红外线的LED工作的火灾报警器有一急剧降低的灵敏度。此外还有，Rayleigh散射并不是全方向的而是在0°和180°时有明显的最大值，在90°和270°时有明显的最小值。对于具有0.1λ至3λ的直径的颗粒，也就是在发射红外线的LED的情况下为约90nm至约2.5μm，则与之相反，是Mie散射起决定性作用，该Mie散射比Rayleigh散射更强地取决于方向，并且通过射入的光线和在颗粒上反射的光线的相互作用显示出相消的和相长的干涉作用。(颗粒直径)大于3λ时，散射光线强度基本上与波长无关，而是首先取决于颗粒的类型和形状。

由此得出，散射光火灾报警器对热的火例如木材明火的低灵敏度取决于相对于要检测的颗粒的直径大的红外光线的波长。这既不能通过增加由光电接收器提供的信号的放大也不能通过提高射入的光线的强度来解决，这是因为，在两种情况下，对于大的和宏观的颗粒，例如尘埃，来自工业过程的蒸汽和卷烟的烟尘，报警器的灵敏度都会过高。

如同从前面提到的WO 01/59737中原则上已知的那样，虽然可以通过用红外光线和蓝色光交替照射测量体积，以及通过分开处理与所接受的散射光线成正比的信号大大提高报警器对小直径颗粒－特别是Rayleigh散射对其起决定性作用的颗粒－的灵敏度。可以用计算证明，灵敏度可以按10或更大的因数提高。但是，为了得到一可靠的警报决定，也就是说，为了避免假警报或欺骗性警报，仅仅提高报警器对于小直径的颗粒的灵敏度是不够的。在WO 01/59737中作出的假设，即对于大的和对于小的颗粒，用蓝色光照射测量体积会给出具有差不多同样强度的散射光线，但这是特别不符合事实的。这方面的试验反而表明，不论是在向前照射区，还是－以低的水平－在向后照射区，小的颗粒在红外区中和在蓝色光下提供非常类似的强度的散射光线。如同已经进一步表明的那样，只有通过添加散射光线强度对角度的依赖性才能得到可靠的标准，该标准使得有可能与燃烧物的类型基本无关地区别欺骗量与火灾产物(Brandfolgeprodukt)。

因此，按照本发明，在每个测量周期中要测量四个散射强度，也就说，红外区中的向前散射光线和向后散射光线的强度，以及在蓝色区中的同样的值。从与所测量的强度成正比的信号水平中减去对应最好具有一安全折扣(Sicherheitsabschlag)的静态值水平(相应地用一＜1的因数乘静态值水平)，以加大测量动态过程(Messdynamik)和简化进一步的处理。然后将如此得到的结果值在一评估逻辑中与存储的值尤其是阈值比较。通过形成结果值的商和再次与存储的基准值作比较得到附加的信息。这一运算结果本身又可例如根据报警器在其中工作的各自的环境调整，结合并评估。这样，就得到例如用于不同预警报的一系列有说服力的中间结果，并最终还得到警报信号。

在图1中示出一适于实现此方法的报警器的优选的实施形式。在基板1.7上界定一用一细线圆示出的、具有中心1.5的球形测量体积。一发射红外线的LED 1.1a沿一第一照射轴线向此测量体积内照射。与其正对，有一发射蓝光的LED 1.1b，它沿一第二照射轴线向测量体积内照射。第一和第二照射轴线重合。一主轴线与此共同的照射轴线成一α＝120°的角同样经过测量体积的中心1.5延伸。在此主轴线上相对地布置第一光电二极管1.2a和1.2b。由此，在其上放置两个光电二极管的各自的接收轴线的主轴线与“红外”LED 1.1a的照射轴线夹一β＝60°的锐角。相应地，主轴线与“蓝”LED 1.1b的(第二)照射轴线夹一相同的锐角。因此，光电二极管1.2a以一个120°的角测量由“红外”LED 1.1a在测量体积中的颗粒上产生的红外向前散射光线，并以一个60°的向后散射角测量由“蓝”LED 1.1b产生的蓝散射光线。反之，光电二极管1.2b以120°的角α测量由“蓝”LED1.1b产生的蓝向前散射光线，并以60°的向后散射角测量由“红外”LED 1.1a产生的红外向后散射光线。为了避免干扰反射，LED和光电二极管都位于如1.6的管子中。出于同样的理由，在LED与光电二极管之间布置合适的成型的遮光板1.3a、1.3b以及1.4a和1.4b。

在基板1.7上设置其它的传感器，例如温度传感器1.8和气体传感器1.9。

象通常那样，在基板1.7下面有一电路板，以用于产生用于LED 1.1a和1.1b的电流脉冲，和用于处理由光电二极管1.2a和1.2b给出的电信号。还象通常那样，基板1.7装在一报警器箱中(未示出)，该箱子允许周围空气与测量室中的空气之间的交换，但是又防止外来光进入测量室。

图2示出报警器的第二实施形式，它具有与图1相同的部件，但是采用不同的几何形状布置。为了说明这一点，各个参考标号的第一个数字在此处用“2”代替“1”。

与图1不同，只有通过测量中心2.5穿行的发射红外线的LED 2.1a与发射蓝光的LED 2.1b的照射轴线重合。光电二极管2.2a的接收轴线与发射红外线的LED 2.1a的照射轴线夹一α1＝120°的角，而与发射蓝光的LED 2.1b的照射轴线则夹一β2＝60°的角。反之，光电二极管2.2b的接收轴线与发射红外线的LED 2.1a的照射轴线夹一β1＝60°的角，而与发射蓝光的LED 2.1b的照射轴线则夹一α2＝120°的角。与此相应，第一光电二极管2.2a测量“红外”LED 2.1a的向前散射光线和“蓝”LED 2.1b的向后散射光线。与之相反，第二光电二极管2.2b测量由“蓝”LED 2.1b产生的向前散射光线和由“红外”LED 2.1a产生的向后散射光线。

光电二极管2.2a和2.2b可与LED 2.1a和2.1b互换其位置，以使两个光电二极管可相对于测量中心2.5精确地相对放置。

四个部件也就是两个LED和两个光电二极管的几何布置要比按照图1的稍有不利，因为四个测量到的散射光线只有75％是各自从同样的测量体积发出的。这可以用各个光线束之间的相交面来说明，所述光线束被大大简化地示出，也就是说，略去发出的光线强度和光电二极管的灵敏度对角度依赖性以及在不可避免的边缘上产生的衍射效应。如同在实施例中那样，在包含其它传感器如2.8和2.9的报警器中，测量中心2.5还相对于基板2.7的中点非常偏心地放置。这有这样的后果，即报警器的灵敏度不象第一实施形式那样是全方向的，而是与火灾产物进入报警器和进入其测量体积的方向有关。

图3示出报警器的第三实施形式，它具有与图2相同的部件，但是采用不同的几何形状布置。为了说明这一点，各个参考标号的第一个数字在此处用“3”代替“2”。

与图1不同，只有通过测量中心3.5穿行的光电二极管3.2a的接收轴线与3.2b的接收轴线重合。此接收轴线形成主轴线。“红外”LED3.1a与主轴线夹一β1＝60°的锐角和一α1＝120°的钝角。“蓝”LED 3.1b和“红外”LED 3.1a相对于主轴线相对地设置，该“蓝”LED相应地与主轴线夹一β2＝60°的锐角和一α2＝120°的钝角。由此，光电二极管3.2a既接收红外向前散射光线，又接收蓝色向前散射光线，而光电二极管3.2b则既接收红外向后散射光线，又接收蓝色向后散射光线。

与图2的情况不同，在此实施形式中，两个LED和两个光电二极管不可以互换位置地布置，因为在此情况下，两个光电二极管同时测量一个LED的向前散射光线并接着测量另一个LED的向后散射光线，也就是说，提供四个测量值，不过其中，总有两个至少是成对地大致相同的。

如同在图2的情况那样，在按照图3的实施形式中，四个测量出来的散射光线也只有75％是各自从同一的测量体积发出的。它优于图2的情况在于，当报警器包含其它传感器如3.8和3.9时，较靠近基板3.7的中点设置测量体积，以使报警器的灵敏度不太强烈地依赖于火灾产物进入报警器的方向。与图2相比，同样比其有利的是，在采用图3的几何形状时，所有遮光板3.3a、3.3b和3.4a、3.4b的布置都靠近测量体积并基本对称地围绕它。不过，在其它方面相同的情况下，与图1相比，“蓝”LED3.1b的定位必然造成基板3.7有较大的直径。

虽然适用于所有实施形式，即按120°或按60°的角测量散射光线。但是，对于实施由本发明建议的方法，遵守这些角度并不是必需的条件。重要的仅仅是，要如此选择角度，以使一方面可在向前散射方向中和在向后散射方向中测量到足够高的强度，另一方面，对于尽可多的不同的火灾产物，能在有关的颗粒的向前散射区和向后散射区中测量到足够不同的强度。

Claims (19)

1.用于按照散射光原理通过向测量体积内脉冲地射入沿第一发射轴线的具有第一波长的光线和沿第二发射轴线的具有比第一波长短的第二波长的光线，以及通过以大于90°的向前散射角和小于90°的向后散射角测量在位于测量体积内的颗粒上散射的光线来识别火灾的方法，其特征为，彼此分开地测量和评估第一和第二波长的向前散射光线和向后散射光线。

2.如权利要求1的方法，其特征为：从与四个所测量的散射光线强度对应的信号水平减去对应的乘以≤1的因数的静态值水平；对所得到的值进行加权；并在评估逻辑中处理经过加权的值，与存储的值比较，对比较结果进行结合并评估；以及根据结果，产生至少一个警报信号。

3.如权利要求2的方法，其特征为：形成第一波长的向前散射光线强度的加权值与向后散射光线强度的加权值之间的比和第二波长的向前散射光线强度的加权值与向后散射光线强度的加权值之间的比；并在评估逻辑中处理，与存储的值比较，对比较结果进行结合与评估；并根据结果产生至少一个警报信号。

4.如权利要求2或3的方法，其特征为：形成第一与第二波长的向前散射光线强度的加权值之比和第一与第二波长的向后散射光线强度的加权值之比；并在评估逻辑中处理所得到的比值，与存储的值比较，对比较结果进行结合与评估；并根据结果产生至少一个警报信号。

5.如权利要求3或4的方法，其特征为：对所得到的比值本身进行比例运算；将该结果与存储的值比较；并在进一步处理时考虑比较结果。

6.如权利要求1至5的任一项的方法，其特征为，以同样的向前散射角测量第一与第二波长的向前散射光线和以同样的向后散射角测量第一与第二波长的向后散射光线。

7.如权利要求1至6的任一项的方法，其特征为，在测量室的相对侧在同一主轴线上测量第一与第二波长的散射光线。

8.如权利要求1至7的任一项的方法，其特征为，第一和第二波长的光线从相对侧沿重合的照射轴线入射至测量体积中。

9.如权利要求1至8的任一项的方法，其特征为，第一波长与第二波长选择成使它们彼此不成为整数比。

10.如权利要求1至9的任一项的方法，其特征为，在红外光线的范围内选取第一波长，在蓝色光或紫外光线的范围内选取第二波长。

11.如权利要求1至10的任一项的方法，其特征为，第一波长在880nm的范围内，而第二波长在475nm或370nm的范围内。

12.如权利要求1至11的任一项的方法，其特征为，合适的是，第一与第二波长的光线的脉冲/暂停比要比1∶10000大，最好在1∶20000的范围内。

13.一散射光火灾报警器，带有一个与周围空气连通的限定一测量体积的测量室，一发射红外线的LED和一发射蓝光的LED从不同的方向向该测量室内照射，并且在其中用光电测量在位于测量体积中的颗粒上散射的光线并对其进行评估，其特征为：报警器包含两个光电接收器，它们相对于测量体积相对地放置在一共同的主轴线上；两个LED的照射轴线与该主轴线夹一小于90°的锐角并在一位于主轴线上的点上相交，该点位于测量体积的中心。

14.如权利要求13的报警器，其特征为，LED布置在主轴线的同一侧上。

15.如权利要求13的报警器，其特征为，LED对称于主轴线布置。

16.如权利要求13或15的报警器，其特征为，LED布置成点对称于测量体积的中心，以使其照射轴线重合。

17.如权利要求13至16的任一项的报警器，其特征为，LED的照射轴线分别与主轴线夹一约为60°的锐角。

18.如权利要求13至17的任一项的报警器，其特征为，将每个LED和每个光电接收器放置在一其自有的管子中；此外，在测量体积的外面，在LED与光电接收器之间，布置遮光板和光线阱。

19.如权利要求13或15至18之一的报警器，其特征为，第一光电接收器接收发射红外线的LED的向前散射光线和发射蓝光的LED的向后散射光线，而第二光电接收器则接收发射红外线的LED的向后散射光线和发射蓝光的LED的向前散射光线。

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