DE10051691A1 - Gasdetektor mit geschlossener Zelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor, welcher eine Rauchsensor und einen fotoakustischen Gassensor umfaßt, beispielsweise Kohlendioxid. Der Gassensor weist eine einzelne abgedichtete Kammer auf, die mit einem zu prüfenden Gas gefüllt ist. Die Antwort auf Rauch wird mittels der Nutzung eines Ausgangssignals des Rauchsensors in Kombination mit einem Signal von dem fotakustischem Gassensor verbessert.

Description

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft Gasdetektoren, insbesondere solche, in denen mittels eines einzelnen Gassensors mit geschlossener Zelle Signa­ le erzeugt werden, die zu einem Umgebungsgas in Beziehung stehen.

Hintergrund der Erfindung

Rauchdetektoren sind nützlich, um eine frühe Warnung bezüglich Feuerbedingungen zu liefern. Es ist anerkannt, daß es vorteilhaft sein kann, verschiedene Arten von Sensoren in einem Einzeldetektor zu kombi­ nieren. Beispielsweise wurden Rauch- und Kohlenmonoxid- oder Kohlendi­ oxidsensoren in einem Einzeldetektor kombiniert. Solche Kombinationen können in Abhängigkeit von der Konfiguration und dem Feuertyp die De­ tektorleistung verbessern.

Bekannte Arten von Rauchdetektoren umfassen fotoelektrische Rauchsensoren, Ionisationsrauchsensoren oder Projektionsstrahl- Rauchsensoren, die einzeln oder in Kombination verwendet werden. Ver­ schiedene Arten von Gasmesstechnologien, einschließlich der Festkörper­ technologie, der elektrochemischen Technologie und der Absorptionstech­ nologie wurden genutzt, um Gassensoren aufzubauen.

Eine andere bekannte Gasmesstechnologie basiert auf fotoakusti­ schen Effekten. Jedes Gas absorbiert Lichtenergie. Jedes Gas ist dar­ über hinaus hinsichtlich des absorbierten Lichtspektrums einzigartig.

Eine Mikrofonmembran oder ein anderer Druckwandler kann eine Druckwelle erfassen, die sich infolge der Absorption ergibt, und diese in ein elektrisches Signal umwandeln. Fig. 1 zeigt eine Grafik, die das Absorptionsspektrum reiner Luft im Bereich von Kohlendioxid und Wasser darstellt. Kohlendioxid absorbiert in einem Bereich von 4,1- 4,5 µm stark.

Um aus dem fotoakustischen Effekt Nutzen zu ziehen, muß ein Ziel- bzw. Targetgas in einem Volumen gehalten werden, welches einen Druckaufbau infolge einer Gasausdehnung ermöglicht. Dieses wird entwe­ der mittels des Abdichtens des Zielgases innerhalb eines Behälters, ei­ ner geschlossenen Zelle oder mittels des Verhinderns des Gasflusses in die Umgebungsluft mit Hilfe einer Sperrmembran erreicht. Die Behälter­ technik wird als "geschlossene Zellen"-Fotoakustik bezeichnet. Die Mem­ brantechnik wird als "offene Zellen"-Fotoakustik bezeichnet.

Die fotoakustischen Konstruktionen mit geschlossener Zelle wei­ sen die größte Empfindlichkeit gegenüber Gaskonzentrationen auf, sind jedoch groß, komplex und teuer. Die Kosten betragen oft $ 5.000 oder mehr. Solche Instrumente sind üblicherweise Labor- bzw. Eichausrüstun­ gen, die zur Nutzung für Laboratorien vorgesehen sind.

Eine "offene Zellenkonstruktion" kann andererseits sehr klein und kostengünstig sein. Die Nachteile sind eine schlechte Empfindlich­ keit und Schwankungen. Sie sind nützlich für Anwendungen, bei denen Si­ gnale über eine lange Zeitdauer gemittelt werden können.

Ein Lichtimpuls, der auf eine mit Gas gefüllte geschlossene Zel­ le (durch ein optisches Fenster) gerichtet ist, erzeugt in der Zelle eine Druckwelle. Die Stärke der Druckwelle ist proportional zu der ab­ sorbierten Lichtenergie. Kohlendioxid absorbiert die Spitzenlichtener­ gie bei einer Wellenlänge von 4,3 µm.

Wenn die Lichtenergie bei 4,3 µm von diesem Licht entfernt wird (mittels Kohlendioxid in der Atmosphäre), bevor das Licht in die Zelle eintreten kann, wird die erzeugte, resultierende Druckwelle entspre­ chend vermindert. Dieses ist das Grundprinzip der fotoakustischen Gas­ detektion.

Der Lichtstrahl ist konstruiert, um durch eine Probenkammer zu gelangen, bevor er in die geschlossene Zelle eintreten kann. Wenn in der Probenkammer Kohlendioxid vorhanden ist, so absorbiert dieses einen Teil der 4,3 µm-Energie dieses Lichtimpulses. Hieraus folgt, daß weni­ ger 4,3 µm-Lichtenergie in die geschlossene, mit Kohlendioxid gefüllte Zelle eintritt.

Es wird deshalb weniger Kohlendioxiddruck erzeugt, und es ergibt sich ein geringeres elektrisches Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal nimmt mit weniger Kohlendioxid in der Probenkammer zu und vermindert sich, wenn mehr Kohlendioxid vorhanden ist.

Für Kohlendioxidkonzentrationen zwischen 0 und 2000 PPM (Teil­ chen pro Million) ist die Beziehung zwischen PPM und der Spannung ziem­ lich linear. Bei höheren Konzentrationen verläuft der Signaldämpfungs­ ausdruck exponentiell und genügt dem Beerschen Gesetz.

Bekannte lichtbasierte Gasdetektoren, die heute auf dem Markt sind, basieren auf der "offene Zelle"-Fotoakustik oder auf nicht dis­ pergierendem Infrarot (NDIR). Letzteres ist bei weitem populärer, weil es für eine gut verstandene Technologie steht, und wird bevorzugt, weil es mit geringeren Kosten verbunden ist.

In Fig. 2 ist ein Sender vom NDIR-Typ dargestellt. NDIR ist auch eine optische Absorptionstechnologie. Eine Lichtquelle 49 mit ei­ nem Reflektor 48 wird mittels einer externen Treiberschaltung gepulst. Dieses Licht gelangt in eine Probenkammer 50, die wenigstens zum Teil von einer durchlässigen Membran 51 eingeschlossen ist.

Anstelle der Druckerfassung nutzt NDIR ein pyroelektrisches Ele­ ment 53, das für Wärmeänderungen empfindlich ist. Licht, welches durch die Probenkammer 50 gelangt, erhöht oder vermindert die Energie, in Ab­ hängigkeit vom Grad der Gasabsorption. Diese Veränderung der Lichtener­ gie kann dann mittels eines pyroelektrischen Elements 53 erfaßt bzw. geprüft werden.

Wenn ein spezifischer Bandpassfilter 52 vor dem pyroelektrischen Element 53 angeordnet wird, kann die Antwort auf spezifische Wellenbe­ reiche oder spezifische Wellenlängenfenster zugeschnitten werden. Bei­ spielsweise führt die Anordnung eines Kohlendioxidfilters vor dem Ele­ ment 53 zu einem Kohlendioxid-Gassensor. NDIR-Detektoren sind jedoch nicht so empfindlich wie fotoakustische Detektoren. Dieses ist die Fol­ ge des ihnen eigenen schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses.

Fotoakustische Hochleistungsinstrumente umfassen eine zweistrah­ lige geschlossene Zellenstruktur mit Verhältnisverarbeitung. Diese Technologie liefert eine bis zu 15-fach stärkere Empfindlichkeit als NDIR, welches auf Gassensoren basiert, insbesondere in der Anwesenheit von Interferenz- bzw. Störgasen. Laborinstrumente mit fotoakustischer Technologie werden routinemäßig genutzt, um anderen Gasdetektionspro­ dukte zu eichen bzw. zu vergleichen.

Fig. 3 zeigt einen fotoakustischen Zweistrahl-Detektor zum Er­ fassen bzw. Ermitteln von Kohlendioxid beispielhaft. Eine gemeinsame Lichtquelle 33 bestrahlt zwei getrennte optische Wege A und B. Diese Konstruktion enthält 4 Kammern.

Licht aus der Quelle 33 wird mittels eines gemeinsamen Reflek­ tors 32 gesammelt und bestrahlt zwei Kammern 36 und 37 direkt. Die Kam­ mer 37 ist die Probengaskammer mit einem Einlaß 44 und einem Auslaß 45. Ein zu erfassendes bzw. zu prüfendes Gas fließt in und durch die Kammer 37.

Die Kammer 36 ist abgedichtet und mit Stickstoff gefüllt. Sie dient als eine Referenzkammer. Stickstoff absorbiert keinerlei Licht in dem interessierenden Wellenlängenbereich.

Lichtenergie von der Quelle 33 gelangt vor dem Eintritt in die mit Kohlendioxid gefüllten Kammern 40 und 41 in die beiden Kammern 36 und 37. Optische Filter 46, 47, 38, 39 sind bezüglich der eingehenden Strahlungsernergie alle hinsichtlich der Kohlendioxid-Wellenlängen se­ lektiv.

Die Kohlendioxid-Kammer 37 absorbiert Energie von dem Licht, was in die Kammer 37 eintritt. Der Absorbtionsgrad ist eine Funktion der Kohlendioxiddichte in der Kammer 37. Die verbleibende Lichtenergie tritt dann in die Detektorkammer 41 ein.

Der Stickstoff in der Kammer 36 absorbiert die eingehende Strah­ lungsenergie nicht. Das einfallende Licht tritt dann in die Kammer 40 ein. Es wird anschließend in den Kammern 40, 41 über eine Gasausdehnung in Druckwellen umgewandelt.

Die kapazitive Membran 42 biegt sich in Richtung der Kammer 41 oder 40 in Abhängigkeit von dem Vektor dieses Differenzdrucks. Die Bie­ gung bzw. Durchbiegung verändert die Membrankapazität, welche mittels einer externen Netzschaltung ermittelt werden kann. Der ermittelte Spitzenwert ist zur Menge des Kohlendioxids in der Probenkammer 37 um­ gekehrt proportional. Ein Zerhackerrad 34 bricht den Lichtstrahl in Im­ pulse, um eine Netzverstärkung und Netzsynchronisation zu erlauben.

Fotoakustische Drucksignale sind normalerweise in den optischen Wegen A und B gleich, wenn in der Probenzelle 37 kein Kohlendioxid auf­ tritt. Irgendwelches Kohlendioxid in der Probenzelle verursacht eine Signaldämpfung bei 4,3 µm, weil die 4,3 µm-Energie von dem in die Kam­ mer A gelangenden Licht absorbiert wird.

Infolge der Absorption erfährt die entsprechende Meßkammer 41 einen niedrigeren Druck, während der Druck in der Referenzkammer 40 un­ verändert bleibt. Die Druckunwucht drückt die Membran, so daß diese sich in die Kammer 41 biegt. Der sich ergebende Verstärkerausgang zeigt nun eine Zunahme der PPM des in der Probenkammer 37 vorhandenen Kohlen­ dioxids. Diese Technologie ist kompliziert und verlangt die Integration vieler empfindlicher Komponenten.

Auch wenn der zweistrahlige, geschlossene, fotakustische Zellen­ detektor nach Fig. 3 sehr empfindlich ist, weist er viele Nachteile auf, die seine Anwendbarkeit begrenzen. Solche Detektoren, die für ein einzelnes Gas konfiguriert sind, können beispielsweise mehr als $ 10.000 kosten. Als Gruppe sind sie groß, schwer und verlangen spezielle Glühfäden mit einer exakten Temperatursteuerung. Sie sind darüber hin­ aus empfindlich gegenüber Schwingungen, benötigen Zwangsluftkühlung und umfassen eine Zerhacker-Radanordnung. Die Synchronisation für einen ge­ eigneten Betrieb ist kritisch. Darüber hinaus muß dieses Instrument vor jeder Analyse "genullt" werden. Diese Hauptnachteile führen zur Begren­ zung solcher Einheiten auf Labor- oder Handanwendungen.

Wegen solcher Nachteile haben NDIR-Sensoren eine zunehmende Po­ pularität in der Gasdetektion erreicht. Sie sind tendenziell einfacher hinsichtlich der Struktur. NDIR weist jedoch seine eigenen Herausforde­ rungen auf. Die kommerziellen Hauptnachteile sind die Antwortgeschwin­ digkeit, die Kalibrierung und hohe Kosten.

Die meisten Kosten betreffen die (den) Bandpassfilter und Infra­ rot-Detektoren-Anordnung(en). Weil die NDIR-Technologie den Energiever­ lust eines Lichtstrahls durch eine schmalen Bandpassfilter ermittelt, ist die Qualität dieses Filters von wesentlicher Bedeutung für die Lei­ stung. Das gleiche gilt für den genutzten pyroelektrischen Infrarot- Detektor. Dieses sind zwei hauptsächliche Faktoren, die die Kosten für NDIR hochhalten.

Ein bekanntes NDIR-Kohlendioxid-Detektordesign, welches vor kur­ zem auf dem Markt eingeführt wurde, weist eine integrierte Referenz auf. Um Probleme hinsichtlich der Ungenauigkeit und der Alterung der Komponenten über die Zeit zu bekämpfen, wird eine ratiometrische Tech­ nik bzw. Verhältnistechnik (gegenüber Einzelwertmessungen) genutzt, um die Gassignaldämpfung zu bestimmen. Um diese Mathematik auszuführen, wird jedoch ein Referenzsignal benötigt, das nicht auf das Proben- bzw. Zielgas anspricht. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß in die Pro­ benkammer ein abstimmbarer Filter integriert wird.

Mittels der Nutzung eines 50%-Arbeitszykluses wird der Filter fortdauernd zwischen Wellenlängen des Kohlendioxids und Nicht- Kohlendioxid-Wellenlängen elektrisch umgeschaltet. Das Verhältnis die­ ser zwei Signale wird dann genutzt, um die Kohlendioxidkonzentration zu bestimmen.

Bei einem anderen kommerziell verfügbaren Design werden zwei py­ roelektrische Detektoren genutzt, wobei jeder Detektor seinen eigenen Filter aufweist und einer der Filter Kohlendioxid durchläßt und der an­ dere nicht.

Das Verhältnis dieser zwei Signale wird dann genutzt, um die Gaskonzen­ tration zu ermitteln. Beide der oben genannten Einheiten werden in Men­ geneinheiten für über $ 250 verkauft (der Preis für eine Einzeleinheit beträgt etwa $ 450). Diese Kosten sind wesentlich geringer als für den Detektor nach Fig. 3, aber immer noch zu hoch für das Niedrigpreisseg­ ment.

Die fotoakustische Technologie nutzt andererseits das Gas selbst als den Sensor. Die Gasart in der Detektionskammer wird genutzt, um die Anwesenheit derselben Gasart in der Probenkammer zu erfassen. Diese perfekte Übereinstimmung der Absorptionscharakteristik bei allen Wel­ lenlängen (wodurch Interferenzen vermieden sind) ist der Grund dafür, daß eine fotoakustische Lösung wesentlich höhere Empfindlichkeiten als eine NDIR-Lösung liefert.

Ein bekannter fotoakustischer Kohlendioxid-Gassensor mit "offe­ ner Zelle" ist auf dem Markt. Ein Design mit "offener Zelle" ist in Fig. 4 dargestellt und umfaßt eine einzelne Probenkammer 30 mit drei Komponenten. Eine durchlässige Filtermembran 29 ermöglicht es dem Gas, in die Kammer zu defundieren, und verhindert einen Schmutzeintritt.

In den Körper 28 ist ein Mikrofon 31 integriert, um ein Gas­ drucksignal abzutasten bzw. zu prüfen. Ein Bandpassfilter 27 ermöglicht es ausgewählte, äußere Lichtenergie in die Zelle zu gelangen.

Bei einem Kohlendioxid-Detektor treten Lichtimpulse durch einen 4,3 µm-Bandpassfilter 27 in die Kammer ein. Dieses Licht wird durch die Konzentration von Kohlendioxid innerhalb der Kammer absorbiert, welches durch die Membran 29 von der äußeren Luft diffundiert.

Die von dem Kohlendioxid in der Kammer 30 beim Eintritt des Lichtblitzes absorbierte Energie wird in eine Druckwelle umgeformt, welche mittels des Mikrofons 31 erfaßt wird. Die Amplitude dieses Si­ gnals ist proportional zu der Gaskonzentration innerhalb der Kammer.

Eine Diffusionsmembran 29 führt zu einer Zeitverzögerung zwi­ schen den Kohlendioxid-Konzentrationen innerhalb der Kammer und den Kohlendioxid-Konzentrationen in der Luft. Diese Verzögerung kann für große Kohlendioxidausschläge von 300 PPM bis 2000 PPM bis zu 15 Minuten betragen.

Probleme mit dem "offene Zelle"-Design sind bekannt. Sie benöti­ gen oft lange Integrationszeiten, um ein schlechtes Signal-Rausch- Verhältnis zu überwinden. Sie benötigen auch eine helle Lichtquelle (und deshalb mehr Energie), um die niedrigen Konzentrationen des Koh­ lendioxids oder anderer ausgewählter Gase in der Luft anzuregen. Weil kein Referenzsignal existiert, neigt der Detektor zu Temperaturempfind­ lichkeiten und zum Driften von Komponenten über die Zeit.

Vor kurzem wurde eine Verbesserung des Designs nach Fig. 4 of­ fenbart. Dieser Detektor ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Lichtquelle 17 und ein Reflektor 16 bestrahlen eine Probenkammer 21 und eine Refe­ renzkammer 25 durch Bandpassfilter 19 bzw. 18. In einer jeweiligen Kam­ mer sind Mikrofone 23, 24 angeordnet.

Gas aus der äußeren Luft dringt durch eine Membran 20 in die Probenkammer 21 ein. Die entwickelten Druckwellen werden mittels des Mikrofons 23 erfaßt und ratiometrisch mit Ausgangssignalen des Mikro­ fons 24 verglichen, um Komponenteneffekte auszuschließen. Leider zeigt dieses Design Mikrofonunausgewogenheiten, die um bis zu 70% variieren können, schlechte Signal-Rausch-Verhältnisse und lange Zeitkonstanten.

Ungeachtet der verschiedenen bekannten Arten von Gasdektoren be­ steht immer noch ein Bedarf für Detektoren, die weniger kosten, eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen und weniger komplex sind als bekannte Detektoren. Solche Detektoren würden relativ wenig Energie benötigen, eine relativ hohe Empfindlichkeit aufweisen und ein verbessertes Si­ gnal-Rausch-Verhältnis haben, als Gasdetektoren mit vergleichbaren Preisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein einzelner fotoakustischer Gasdetektor mit geschlossener Kam­ mer umfaßt eine optisch transparente, geschlossene Kammer, die mit ei­ nem zu prüfenden bzw. abzutastenden Gas gefüllt ist. Die geschlossene Kammer ist wenigstens benachbart zu einem Abschnitt eines Abtast- bzw. Prüfbereiches angeordnet, in welchen das zu prüfende bzw. abzustastende Gas fließt.

Eine Abstrahlungsenergie-Abtastquelle, welche eine Laserdiode sein kann, die Licht mit einer Wellenlänge ausstrahlt, für das bekannt ist, daß es von dem zu prüfenden Gas absorbiert wird, strahlt Strah­ lungsenergie in den Abtastbereich ein. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Weißlicht- oder Gasentladungsquelle genutzt werden.

Die eingestrahlte Strahlungsenergie gelangt durch das Gas in dem Abtast- bzw. Prüfbereich, wobei hierbei ein Teil der Energie durch das interessierende Gas absorbiert wird. Die Strahlungsenergie gelangt wei­ ter zu der geschlossenen Kammer.

In der geschlossenen Gaskammer ist ein Mikrofon angeordnet. Ein­ gehende Strahlungsenergie, welche durch den Abtastbereich und die ge­ schlossene Kammer gelangt ist, wird hierin in ein akustisches Signal umgewandelt und erzeugt ein elektrisches Signal, welches dieses an­ zeigt.

Eine Referenzquelle ist benachbart zu der geschlossenen Kammer angeordnet. Die Referenzquelle, welche als eine Licht emittierende Diode, eine Laserdiode oder eine beliebige andere Quelle mit einer Emissionsfrequenz ausgeführt sein kann, die eine Wellenlänge in dem Be­ reich der Absorption des zu prüfenden Gases aufweist, speist Strahlungsenergie in die geschlossene Kammer ein. Die eingespeiste Strah­ lungsenergie ihrerseits erzeugt ein elektrisches Signal am Ausgang des Mikrofons.

Die Abtast- bzw. Prüfquelle und die Referenzquelle können mit einer vorher ausgewählten Frequenz alternierend gepulst werden. Ein Verhältnis der zwei Signale könnte zum Zweck einer Minimierung der Kom­ ponentenveränderungen und der Alterungseffekte gebildet werden. Filter, die auf die interessierende Wellenlänge ansprechen, können zwischen je­ der der Quellen und der zugehörigen, benachbarten Kammer zum Verbessern der Leistung angeordnet werden.

Bei einem anderen Aspekt kann eine Abtastkammer aus zwei verbun­ denen, im wesentlichen identischen Gehäuseabschnitten gebildet sein, welche ein inneres Abtastvolumen mit einem ellipsoiden Profil definie­ ren. Die Innenwände des Abtastbereich können mittels einer aufgebrach­ ten, reflektierenden Metalloberfläche reflektierend gemacht werden, beispielsweise mittels einer Chromoberfläche.

Ein geschlossenes Gaszuführrohr ist an einem konischen Ende der Kammer angeordnet und steht ab. Das Gaszuführrohr enthält eine interes­ sierende Gasmenge, die abgetastet bzw. geprüft werden soll. Ein akusti­ scher Wandler oder ein Mikrofon kann an einem Ende des geschlossenen Rohres angeordnet sein, welches bezüglich des Abtastbereichs versetzt ist.

Eine Abtastquelle wird in dem Gehäuse an einem Ende des Abtast­ bereichs getragen, welcher soweit wie möglich von dem Gasrohr entfernt ist. Die Quelle kann wiederholt mit einer vorbestimmten Frequenz getriggert werden, worauf Impulse der Strahlungsenergie mit einer aus­ gewählten Wellenlänge in den Abtastbereich eingespeist werden. Die ein­ gespeisten Impulse werden mittels der reflektierenden Oberfläche an dem entfernten Ende der geschlossenen Gaskammer auf die geschlossene Gas­ kammer gerichtet. Gaseingangs- und Gasausgangsanschlüsse können in dem Abtastbereich vorgesehen sein. Die Anschlüsse können geeignete Filter umfassen, um Staub, Luftpartikel, Insekten oder nicht interessierende Gase auszuschließen.

Benachbart zum Gasrohr kann das Gehäuse eine Referenzquelle tra­ gen, die dem Ausbilden eines Referenzsignal dient. Es kann ein Verhältnis des abgetasteten Ausgangssignals und des Referenzausgangssignals gebildet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird anstelle einer Glaskam­ mer eine geschlossene, für Strahlungsenergie durchlässige Plastikkammer als ein Behälter mit einem geeigneten, interessierenden Gas genutzt. Es ergibt sich weiterhin, daß benachbart zu der Abtastquelle optische Fil­ ter angeordnet werden können, um die Detektorleistung zu verbessern.

Ein Mehrfachsensor-Detektor kombiniert ein Rauchsignal von einem Rauchsensor mit einem dynamischen Gasprofilsignal von einem Gassensor. Bei einer Ausführungsform erzeugt ein Kohlendioxid-Sensor, beispiels­ weise ein Sensor vom fotoakustischen Typ, ein Ausgangssignal. Ein Be­ drohungsgradparameter kann von dem Gasausgangssignal abgeleitet und mit dem Signal von dem Rauchdetektor kombiniert werden, um eine Feuerer­ mittlung auszuführen. Bei einem anderen Aspekt kann das Signal von dem Gassensor auch mit dem Rauchsignal und seiner Veränderungsrate kombi­ niert werden.

Ein Kombinationsdetektor umfaßt einen gemeinsamen Abtastbereich mit einem Gehäuse. Ein Rauchsensor vom Foto- oder Ionentyp teilt sich den Abtastbereich mit einem einzelnen abgedichteten Gassensor vom oben beschriebenen Typ. Signale von den Sensoren können lokal, aus der Ferne oder sowohl lokal als auch aus der Ferne verarbeitet werden. Die Konfi­ guration und die Anordnung der abgedichteten Gaszelle kann mit dem Formfaktor des Gehäuse des Detektors vereinbar sein.

Viele andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfin­ dung und deren Ausführungsformen, aus den Ansprüchen und aus den zuge­ hörigen Figuren.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine Grafik, die ein Infrarot-Absorptionsspektrum zeigt.

Fig. 2 ist ein Diagramm eines bekannten, nicht dispergierenden Infrarot-Gasdetektors.

Fig. 3 ist ein Diagramm eines bekannten fotoakustischen Gasde­ tektors.

Fig. 4 ist ein Diagramm eines fotoakustischen Einzelkammer- Detektors mit offenen Zellen.

Fig. 5 ist ein Diagramm eins bekannten fotoakustischen Zweikam­ mer-Detektors mit offener Zelle.

Fig. 6 ist eine seitliche Teilansicht eines erfindungsgemäßen, fotoakustischen Gasdetektors mit geschlossener Zelle.

Fig. 7A ist eine perspektivische Sicht auf einen Abschnitt eines Gehäuses für einen Gasdetektor nach Fig. 6.

Fig. 7B ist eine perspektivische Sicht auf eine andere Ausfüh­ rungsform des Detektors nach Fig. 6.

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm eines anderen erfindungsgemäßen De­ tektor.

Fig. 9A, 9B zeigen verschiedene Packungskonfigurationen für den Detektor nach Fig. 8.

Fig. 10A, 10B zeigen verschiedene Gasdetektor-Formfaktoren für den Detektoren nach Fig. 8.

Detailliert Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden. In der Zeichnung und der Beschreibung werden spezifische Ausführungsformen mit dem Verständnis dargestellt, daß die vorliegende Offenbarung als ein Beispiel der Prinzipien der Erfindung zu betrachten ist und nicht auf die dargestellten spezifischen Ausführungsformen begrenzt werden kann.

Die Fig. 6, 7A und 7B zeigen einen fotoakustischen Sensor in Übereinstimmung hiermit. Eine geschlossene Glaskammer 11-1, beispiels­ weise eine Teströhre bzw. ein Testrohr, ist aus Weichglas gebildet, das auch gute optische Eigenschaften und gute Resonanzeigenschaften auf­ weist, wenn es bei 4,3 µm betrieben wird, und welches eine Menge des zu prüfenden Gases enthält. Das Glas wird so ausgewählt, daß es bei den interessierenden Wellenlängen ausreichend transparent ist und in der Lage ist, das ausgewählte Gas zu enthalten wie dies im folgenden disku­ tiert wird.

Alternativ kann ein geeigneter Plastikwerkstoff anstelle des Glases genutzt werden, ohne daß das Ziel oder der Zweck hiervon verlas­ sen werden. Darüber hinaus kann die geschlossene Kammer in verschiede­ nen Formen gebildet sein.

Ein Elektretkondensatormikrofon 11-2 ist mittels Epoxy abgedich­ tet oder 11-4 in das offene Ende des Rohrs 11-1 unter einer Atmosphäre oder mehr des zu erfassenden Gases integriert. Wenn das Rohr 11-1 abge­ dichtet ist, bildet es die Basis eines fotoakustischen Einkammer- Detektors. Wenn das Rohr Kohlendioxid enthält, wird dieses Gas geprüft.

Die Probenkammer 11-5, welche das Testrohr umfaßt, weist ein el­ lipsoides Profil auf, um den Lichtstrahlendurchgang 11-7 zwischen einer Abtastquelle 11-8 einem Filter 11-10 und dem Rohr 11-2 zur Vergrößerung der Empfindlichkeit zu maximieren. Die Blitzfrequenz der Quelle 11-7 beträgt 12,8 Hz, was für die dargestellt Konfiguration eine bevorzugte Arbeitsfrequenz ist. Für den Fachmann ergibt sich, daß für andere Kon­ figurationen andere Frequenzen bevorzugt werden können.

Gemäß Fig. 7 kann die Probenkammer 11-5 mit zwei im wesentli­ chen identischen, umspritzten Ober-[11-A (nicht dargestellt)] und Un­ tergehäuselementen 11-B implementiert sein, die miteinander ultra­ schallverschweißt oder wärmeeingelassen sind, um das geschlossene Ab­ tastvolumen 11-5C zu bilden.

Wenn der untere Probenkammerabschnitt 11-5B zu der oberen Hälfte 11-5A paßt, strömt äußere Luft in die Kammer 11-5C über die Anschlüsse 11-12A und 11-12B. Eine zweite Lichtquelle 12-1 und eine Filteranord­ nung 12-2 sind benachbart zur Basis des Sensorrohrs 11-1 angeordnet. Die Lichtquelle 12-2 liefert eine Referenzfunktion für den ratiometri­ schen Betrieb bzw. den Verhältnisbetrieb.

Die Quellen 11-8 und 12-1 werden mit einer 10 Sekunden-Periode zeitlich gemultiplext. Die Quelle 11-8 ist EIN für 10 Sekunden, wobei mit 2,8 Hz geblitzt wird. Die Quelle 12-1 wird mit Energie versorgt, dann die Quelle 12-1 usw.. Andere Perioden können genutzt werden.

Der Fachmann versteht, daß verschiedene Strahlungsenergiequellen genutzt werden können, ohne daß das Ziel und der Zweck der Erfindung verlassen werden. Hiervon umfaßt sind Festkörperquellen, Laserdioden oder LEDs (light emitting diodes), Weißlichtquellen oder Gasentladungs­ quellen. Die Details der Quelle(n) ist (sind) für die Erfindung nicht begrenzend.

Das Design mit geschlossener Kammer ist sehr wirksam hinsicht­ lich der Isolierung äußeren Schalls von dem Mikrofon. Grundschwingun­ gen, die mechanisch in die Anordnung übertragen werden, können mittels der Elektronik und Unterstützungssoftware herausgefiltert werden. Mit­ tels dieser Lösung werden für den Verhältnisbetrieb bzw. ratiometri­ schen Betrieb nur ein Mikrofon und eine Probenkammer benötigt. Diese Struktur reduziert wesentlich die Komplexität des Designs und die zuge­ hörigen Kosten.

Mit dem innerhalb der Erfassung- bzw. Ermittlungskammer 11-1 ab­ gedichteten Kohlendioxid (Es wird angenommen, daß dieses das zu prüfen­ de Gas ist.) kann die Gasprobenflußrate in die Kammer 11-5C sehr schnell oder sehr langsam sein. Diese kann optimiert werden, um an eine Anwendung angepaßt zu sein. Es ist nicht notwendig, den Druckabfall in der Probenkammer zu verzögern (wie dieses für "offene Zellen" notwendig ist), um die Mikrofonerfassung zu ermöglichen.

Die abgedichtete Detektionskammer 11-1 kann für eine Mehrfach­ gasantwort auch mit einer Mischung von zwei oder mehr Gasen gefüllt sein. Bei einer solchen Anwendung dient das Referenzsignal als ein ge­ meinsames Signal zur Berechnung der Konzentrationen. Eine andere Ab­ tastquelle 11-8a und ein Filter 11-10a sind für jedes zusätzliche Gas notwendig. Die ellipsoide Kammer 11-5 mit dem niedrigen Profil nimmt mehrere Lichtquellen (mehrere Gase) auf, wobei eine zeitlich gemulti­ plexte Abtastung benutzt wird.

Das Design mit "geschlossener Zelle" erzeugt sehr gute Signalam­ plituden. Dieses bedeutet eine geringere Komplexität für die Unterstüt­ zungselektronik, um das Signal zu verarbeiten. Die fotoakustische De­ tektion mit "geschlossener Zelle" erlaubt die Nutzung breiter Toleranz­ filter (11-10), weil das Zielgas innerhalb der geschlossenen Kammer (beispielsweise Kohlendioxid) für das interessierende Gas (also Kohlen­ dioxid) ein perfekter Filter ist. Dieses Ergebnis ist die Folge der perfekten Spektrenübereinstimmung der Absorptionsprofile, welches nur mittels der Nutzung des Zielgases zu dessen Abtastung möglich ist, wo­ durch eine maximale Zurückweisung bzw. Rückweisung anderer Gase er­ reicht wird.

Konstruktionen mit offener Zelle haben nicht diesen Vorteil, weil Interferenzgase (beispielsweise Wasser in der Probenkammer) leicht angeregt werden können, wenn die Filterparameter nicht schmal sind und eng kontrolliert werden. Je enger die Spezifikationen des Interferenz­ filters jedoch sind, um so höher sind die Kosten. Ein breiter Bandfil­ ter kostet beispielsweise $ 0,2. Ein enger schmaler Bandpassfilter ko­ stet $ 3 oder mehr.

Zusammenfassend eliminiert der vorliegende fotoakustische Sensor teure Komponenten, liefert jedoch einen Gasdetektor mit hoher Empfind­ lichkeit. Er behält viele der Vorteile eines fotoakustischen Zwei­ strahl-Instruments. Er sichert die Leistungsfähigkeit einer Verhält­ nissignalverarbeitung und entfernt traditionelle Antwortgeschwindig­ keitsbegrenzungen, die anderen Sensoren zu eigen sind.

Der Detektor 10 weist genügend Empfindlichkeit auf, um schwach absorbierende Gase zu prüfen und kann mehrere Gase in einem Instrument mit keinen beweglichen Teilen erfassen. Energieanforderungen können im Mittel geringer als 100 µA (24 V Gleichspannung) sein, um Anwendungen der Feuer- und Rauchdetektion zu unterstützen.

Das konische, optische Kammerdesign kennzeichnet ein natürli­ ches, fotoakustisches Rohr, das eine hohe Signal-Rausch-Leistung in ei­ ne niedrige Packung integriert. Das fotoakustische Rohr ist darüber hinaus ein sehr guter Rundum-Wärmestrahldetektor. Als Wärmesensor kann es leicht die Hochfrequenz-Flimmercharakteristik von Feuer aus einem Abstand erfassen.

Der Detektor 10 kann in Kombination mit Feuerdetektoren in dem­ selben Gehäuse oder in einem versetzten Gehäuse genutzt werden, bei­ spielsweise ein Detektor vom Ionisationstyp oder vom fotoelektrischen Typ.

Die Gas- und die Rauchsignale können verarbeitet werden, um eine Alarmbedingung auszubilden, beispielsweise ein Feuer. Ein Form der Ver­ arbeitung wurde in der US-Patentanmeldung vom 19. April 1999 ("System and Method of Adjusting Smoothing", Serien Nr. 09/294,932) offenbart und beansprucht. Inhaber der US-Patentanmeldung ist der Anmelder. Die Anmeldung wird mittels Referenz hier eingefügt. Eine andere Verarbei­ tung kann genutzt werden, ohne daß das Ziel und der Zweck der Erfindung verlassen werden.

Ausgänge eines Rauchsensors können mit einer Ausgangsratenverän­ derung des Gassensors kombiniert werden. Der Gassensorausgang kann auch in das Gehäuse eingearbeitet werden.

Fig. 7B ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Detek­ tors 10' in Übereinstimmung mit dem Detektor nach Fig. 6. Die ver­ schiedenen Komponenten des Detektors 10' tragen die bezeichnenden Be­ zugszeichen. Die Strahlungsenergiequelle 7-1 liefert Probenimpulse. Die Strahlungsenergiequelle 7-2 liefert Referenzimpulse. Der Detektor 10' umfaßt Kohlenmonoxid-Filter 7-18, um Frequenzen auszuschließen, die Kohlenmonoxid nicht in hohem Maße absorbieren.

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm eines Mehrfachsensordetektors 80 in Übereinstimmung hiermit. Der Detektor 80 umfaßt einen fotoakusti­ schen, zu dem Sensor 10 vergleichbaren Gassensor zusammen mit einem oder mehreren Rauchsensoren 80-1. Der (die) Sensor(en) 80-1 kann (kön­ nen) mittels der Nutzung verschiedener bekannter Abtast- bzw. Prüftech­ nologien implementiert werden, einschließlich des fotoelektrischen Ab­ tastens, des Abtastens mittels Ionisation oder des Projektionsstrahlab­ tastens. Es ist dargestellt, daß die Sensoren 10 und 80-1 mittels eines gemeinsamen Gehäuses 82 getragen werden.

Der Detektor 80 umfaßt weiterhin eine Steuerschaltung 80-2, die mit den Sensoren 10 und 80-1 verbunden ist. Eine Doppelsensorverarbei­ tung gemäß der oben beschriebenen Art kann mit Hilfe der Nutzung der Schaltung 80-2 lokal für die Sensoren ausgeführt werden. Abwechselnd kann die Schaltung 80-2 über ein Eingangs-/Ausgangsschaltung 80-3 Wer­ te, die zu einem oder mehreren Sensoren in Beziehung stehen, über ein verdrahtetes oder ein drahtloses Medium zu anderen elektrischen Einhei­ ten in einem jeweiligen System oder zu einem gemeinsamen Verarbeitungs­ element für die weitere Signalverarbeitung übertragen.

Es ergibt sich darüber hinaus, daß mehrere Detektoren, bei­ spielsweise der Detektor 8, in ein solches System integriert werden könnten. Solche Detektoren könnten untereinander über das Medium direkt kommunizieren. Abwechselnd oder zusätzlich kann das System ein gemein­ sames Steuerelement zum Ausführen einiger oder aller Signalverarbeitun­ gen umfassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerschaltung 80-2 mittels der Nutzung eines programmierten Prozessors und ausführba­ ren Instruktionen implementiert werden, die am Detektor 80 gespeichert sind. Es ergibt sich, daß die Details der Eingangs-/Ausgangsschaltung 80-3, die für eine bidirektionale Kommunikation über das Medium notwen­ dig sind, nicht eine Begrenzung der vorliegenden Erfindung sind. Bei einer anderen Ausführungsform können die Sensoren 10 und 80-1 in ge­ trennten Gehäusen versetzt voneinander angeordnet sein.

Die Fig. 9A und 9B zeigen zwei verschiedene Packungskonfigu­ rationen, wobei ein Gasdetektor von der allgemeinen, in Fig. 6 gezeig­ ten Art in einen Rauchdetektor mit einem fotoelektrischen Sensor oder einem Sensor vom Ionisationstyp oder beidem eingearbeitet sein.

Gemäß Fig. 9A trägt ein Gehäuse 9A-10 die verschiedenen Senso­ ren. Das Gehäuse 9A-10 definiert einen inneren Bereich 9A-12, in wel­ chem ein oder mehrere Rauchsensoren 9A-14 angeordnet sein können.

Über den Rauchsensor oder die Sensoren hinaus trägt das Gehäuse 9A-10 eine Strahlungsenergie- oder Lichtquelle 9A-16, welche reflek­ tierte Strahlen 9A-1 und direkte Strahlen 9A-2 über eine reflektierende Probenkammer 9A-18 richtet, die zwischen der Quelle 9A-16 und einem ge­ schlossenen Abtast- bzw. Prüfrohr 9A-20 angeordnet ist. Das Gehäuse 9A- 10 definiert darüber hinaus mehrere Schlitze oder Öffnungen 9A-22, über welche Gase oder Rauch über den Luftweg in die und aus den Kammern 9A- 14 und 9A-18 fließen kann. In dem Prozeß des Hineinfließens absorbiert das auf dem Luftweg transportierte Gas ausgewählte Frequenzen der Lich­ timpulse der Quelle 9A-16 zum Zweck des Erfassens eines jeweiligen Ga­ ses, was oben in Verbindung mit dem Detektor 10 nach Fig. 6 beschrie­ ben wurde. Darüber hinaus können die durch die Luft transportierten Schwebstoffteilchen mittels eines oder mehrerer Rauchdetektoren in der Kammer 9A-14 geprüft bzw. abgetastet werden.

Der Detektor 9A kann darüber hinaus einen Temperatursensor um­ fassen, beispielsweise einen Termistor. Die mit 80-2 bezeichnete Steuerschaltung ist mit den Sensoren gekoppelt und kann von dem Gehäuse 9A- 10 getragen werden.

Der Detektor 9A kann ein oder mehrere Rauchdetektoren 9A-14 um­ fassen, beispielsweise vom fotoelektrischen Typ, vom Ionisationstyp oder beide in Kombination mit dem Gasdetektor. Es ergibt sich, daß die exakte Konfiguration der Rauchsensoren in dem Gehäuse 9A-10 keine Be­ grenzung der Erfindung ist.

Fig. 9B zeigt eine alternative Konfiguration eines Detektors 9B, welcher ein Gehäuse 9B-1 umfaßt. Das Gehäuse 9B-1 kann an einer Oberfläche entfernbar angebracht sein, die auf der Basis 9B-2 montiert ist, und kann hierin ein oder mehrere Rauchsensoren tragen.

Das Gehäuse 9B-1 umfaßt einen oberen Bereich, welcher mehrere Öffnungen 9B-3 für den Eintritt und den Austritt der durch die Luft transportierten Schwebeteilchen aufweist, beispielsweise Rauch oder Ga­ se. Die Bauteile 9B-4 von mehreren Strahlungsenergiequellen sind eben­ falls in einem gemeinsamen Abtastbereich 9B-1' angeordnet.

Ein fotoakustisches Rohr 9B-5 ist relativ zu den Strahlungsener­ giequellen 9B-4 zentral angeordnet. Der Gassensor des Detektors 9B ar­ beitet in Übereinstimmung mit den vorher diskutierten Prinzipien des Detektors 10 nach Fig. 6. Eine elektronische Packung 9B-6 kann benach­ bart zu dem Abtastbereich 9B-1' getragen werden. Ein oberer Abschnitt 9B-7 des Gehäuses 9B-1 kann mit einer inneren, reflektierenden Oberflä­ che beschichtet sein, beispielsweise Chrom oder dessen Äquivalente, um eine Reflexion der Strahlungsenergieimpulse von den Quellen 9B-4 in das Abtastrohr 9B-5 zu liefern.

Der Detektor 9B kann auch mehrere Termistoren 9B-8 umfassen, welche eine Temperaturabtastfunktion zusätzlich zu der Rauch- und Gas­ abtastfunktion liefern. Es ergibt sich, daß weder die exakte Konfigura­ tion der Rauchsensoren noch der Termistoren 9b-8 eine Begrenzung der Erfindung sind.

Die Fig. 10A und 10B zeigen abwechselnde Formfaktoren für Gasdetektoren, beispielsweise für den Detektor 10 nach Fig. 6. Die Konfiguration 10A zeigt ein fotoakustisches Rohr 10A-1, welches zu ei­ ner Gasprobenkammer 10A-2 senkrecht orientiert ist. Die Kammer 10A-2 umfaßt zum Eintritt und zum Austritt von über Luft transportierten Gasen, welche ihrerseits mittels des Detektors 10A geprüft werden können, Öffnungen, die allgemein mit 10A-3 bezeichnet sind.

Eine Probenquelle einer Strahlungsenergie 10A-4 ist an einem En­ de der Probenkammer 10A-2 angeordnet. Das fotoakustische Rohr 10A-1 ist, wie dies bereits diskutiert wurde, ein abgedichteter Behälter mit dem zu prüfenden Gas, welcher an einem Ende ein Mikrofon und eine in Beziehung stehende Schaltung 10A-5 umfaßt.

Es ergibt sich, daß die Konfiguration 10A in ein rundes oder ein zylindrisches Rauchdetektorgehäuse eingefügt sein kann, welches eine Probenkammer 10A-6 für einen oder mehrere Rauchdetektoren vom fotoelek­ trischen Typ, vom Ionisationstyp oder vom Verdunklungstyp aufweist. In den Detektor 10A könnten auch Thermodetektoren integriert sein.

Fig. 10B zeigt eine abweichende Konfiguration eines Detektors 10B. Komponenten, die Komponenten des Detektors 10 entsprechen, tragen entsprechende Bezugszeichen und wurden vorher diskutiert.

Die beschriebenen Gassensoren weisen mehrere Leistungsvorteile auf. Das Design einer abgedichteten Zelle erlaubt die Nutzung von rela­ tiv kurzen Strahlungsenergieimpulsen, um den Sensor zu stimulieren und den Abtastprozeß auszulösen. Solche Strahlungsenergieimpulse tendieren dazu, vollständig absorbiert zu werden, wenn sie in das abgedichtete, fotoakustische Rohr eingespeist werden, welches mit Gas gefüllt ist. Dieses erzeugt eine hochgradig reproduzierbare Druckwelle mit keiner oder nur geringer Antwortzeitverzögerung. Im Gegensatz dazu muß das De­ sign mit der offenen Zelle die Antwortzeit mit der Impulsrate der Strahlungsenergiequelle zusammen mit der Leckrate des Sensors ausglei­ chen, um eine geeignete Antwort oder ein geeignetes Signal-Rausch- Verhältnis zu erreichen.

Weil der Gassensor oder die vorliegende Anwendung auf kurze Strahlungsenergieimpulse ansprechen, können Stroboskoplichtquellen, wie eine Xenon-Blitzröhre, gepulste LEDs oder Impulsglühlampen genutzt wer­ den. Der Vorteil der Möglichkeit, die Quelle der Strahlungsenergie zu pulsen, besteht darin, daß dieses zu einem niedrigen mittleren Energie­ verbrauch führt. Beispielsweise weist ein Strahlungsenergieimpuls mit einer Dauer von 10 Millisekunden und einem notwendigen Spitzenstrom in der Größenordnung von 70 mA einen resultierenden, mittleren Stromverbrauch in der Größenordnung von 140 µA auf, wenn er alle 5 Sekunden einmal gezündet wird.

Für die CO2-Erfassung ist eine Probe alle 10 Sekunden ausrei­ chend (70 µA im Mittel). Wenn eine ungewöhnliche Feueraktivität abgeta­ stet wird, kann die Probenrate auf einmal alle 5 Sekunden oder schnel­ ler ansteigen. Mehr Raten pro Zeiteinheit erlaubt eine bessere Erfas­ sungs- bzw. Prüfempfindlichkeit. Mit Hilfe der Nutzung dieser Energie­ managementtechnik wird die mittlere Energie wesentlich vermindert.

Der Sprung zu höheren Probenraten kann auf dem Signalprofil der zugehörigen Rauchdetektoren bzw. des zugehörigen Rauchdetektors basie­ ren. Die Profile umfassen Amplituden, Ratenänderungen des Anstiegs und Profiltrendverschiebungen.

Das Design des abgedichteten Rohrs erlaubt einen höheren Grad der Miniaturisierung. Für Gase, wie CO2, verlangt eine starke Absorpti­ on nur einen Weg von etwa 1 cm innerhalb des Rohrs (gefüllt mit reinem CO2), um starke Signale zu erzeugen. Dieses ermöglicht es, daß sowohl das Rohr als auch die Luftprobenkammern viele Formen annehmen können.

In einem Rauchdetektor kann eine Weglänge von 5,08 cm (2 Inch) genutzt werden. Der Weg kann in einer flachen "V" - oder "T" - Konfiguration angeordnet werden, um den Produktbereich zu minimieren (vgl. beispielsweise die Fig. 10A, B).

Ein fotoakustisches Rohr mit einer Länge von 50 mm und einem Durchmesser von 10 mm kann für CO2 auf der Basis der Bequemlichkeit und der Kosten ausgewählt werden. Dieses ist ein leicht verfügbares Glas­ rohr, das in anderen Industriezweigen genutzt wird. Es können jedoch auch andere Formen für fotoakustische Zellen vorgesehen sein, wenn die Anwendungen ein Kundendesign verlangen.

Erfindungsgemäße Detektoren zeigen eine sehr schnelle Antwort auf geprüfte Gase, beispielsweise Kohlendioxid, weisen zur gleichen Zeit jedoch eine kleine Baugröße und niedrige Kosten auf und benötigen niedrige Energieniveaus. Die schnelle Antwortzeit des vorliegenden Sen­ sors überwindet Unzulänglichkeiten einiger bekannter Gassensoren, die eine langsame Antwortrate aufweisen. Die höhere Antwortrate des vorlie­ genden Sensors ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn diese mit der Profilverarbeitung kombiniert wird. Insbesondere wenn das interessierende Gas Kohlendioxid ist, können vorhersagende Kohlendioxid-Profile genutzt werden, um die Zuverlässigkeit der Ermittlung tatsächlicher Feuer im Gegensatz zu Bedingungen zu verbessern, die einen falschen Alarm darstellen.

Ein Profil, ein relativ kurzer Schnappschuß, über die Zeit kann genutzt werden, um den Vorhersagewert von Kohlendioxid- Konzentrationsmustern zu berechnen. Ein Profil, welches von einer Mehr­ fachfaktoranalyse resultiert, steht in Wechselbeziehung zu den Gasam­ plitudenniveaus, langen oder kurzen Termanstiegen und dem Frequenzin­ halt. Im Ergebnis funktioniert es wie ein Vorhersagebarometer für ein Feuergefahr. Es liefert einen starken Bestätigungswert zu dem Ausgangs­ signal des fotoelektrischen Rauchsensors.

Mittels der Nutzung einer solchen Vorhersageverarbeitung können beispielsweise Profile mit starken Kohlendioxid-Mustern mit größerer Sicherheit als Feuer- oder Falschalarme charakterisiert werden, als dieses bei bekannten Verarbeitungen der Fall ist. Dieses ist ein Ergeb­ nis des Resultats der schnellen Antwortcharakteristika der erfindungs­ gemäßen Gassensoren. Solche Sensoren haben die Fähigkeit, große Ände­ rungen der Gaskonzentration so schnell und exakt anzuziehen, wie sich die Konzenttration ändert.

Der Bedrohungs- oder Gefahrenfaktor innerhalb eines Kohlendi­ oxid-Profils kann benutzt werden, um den Alarmeinfluß zusätzlicher Da­ ten einzustellen oder zu unterdrücken. Folglich ermöglicht es ein er­ findungsgemäßer Kohlendioxid-Sensor, welcher schnelle Antwortcharakte­ ristika zeigt, schnelle Veränderungen des Gases unmittelbar zu verfol­ gen, um die Wahrnehmung zwischen unangenehmen Bedingungen und realen Feuern zu verbessern.

Aus der vorherigen Beschreibung ergibt sich, daß viele Verände­ rungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne daß das Ziel und der Zweck der Erfindung verlassen werden. Es wird darauf hingewiesen, daß mit der spezifischen Vorrichtung, die hier dargestellt wurde, keine Begrenzung beabsichtigt ist, noch sollte eine solche abgeleitet werden. Es ist beabsichtigt, mit den folgenden Ansprüchen alle Modifikationen abzudecken, so daß diese in den Schutzbereich fallen.

Claims (21)

1. Detektor mit:

• - einem geschlossenen Behälter, der für Strahlungsener­ gie durchlässig ist und einen inneren Bereich defi­ niert, der Gas enthält;
• - einem benachbart zu dem geschlossenen Behälter ausge­ bildeten Abtastbereich, wobei der Abtastbereich für ein Einfließen und ein Ausfließen eines Umgebungsgases offen ist;
• - einem ersten Strahlungsenergiestrahl, welcher sich we­ nigstens durch einen Teil des Abtastbereichs und we­ nigstens einen Teil des inneren Bereichs erstreckt, welcher das Gas enthält;
• - einem zweiten Strahlungsenergiestrahl, welcher sich nur durch einen Teil des inneren Bereichs erstreckt; und
• - einem Ausgangswandler, welcher als Antwort auf den er­ sten und den zweiten Strahl ein Ausgangssignal er­ zeugt.

2. Detektor nach Anspruch 1, welcher eine Quelle für den ersten Strahl und eine Quelle für den zweiten Strahl umfaßt.

3. Detektor nach Anspruch 2, wobei die Quellen voneinander ver­ setzt angeordnet sind.

4. Detektor nach Anspruch 2, wobei die Quellen aus einer Klasse ausgewählt sind, welche einen emittierendes Festkörperelement, ein emittierendes Weißlichtelement und ein emittierendes Gasentladungsele­ ment umfaßt.

5. Detektor nach Anspruch 2, mit einer Schaltung, die zum Bil­ den eines Ausgangs, welcher den ersten und den zweiten Strahl anzeigt, an den Wandler und die Quelle gekoppelt ist.

6. Detektor nach Anspruch 1, wobei der Ausgangswandler ein Mi­ krofon umfaßt.

7. Detektor nach Anspruch 5, wobei die Schaltung Treiberelemen­ te umfaßt, wodurch die Quellen wenigstens abwechselnd angeregt werden.

8. Detektor nach Anspruch 7, wobei die Quellen zu verschiedenen Zeiten angeregt werden.

9. Detektor nach Anspruch 1, wobei der innere Bereich eine Pro­ be wenigstens eines zu prüfenden Gases umfaßt.

10. Detektor nach Anspruch 9, wobei die Gasprobe Kohlendioxid umfaßt.

11. Detektor nach Anspruch 1, wobei der innere Bereich ein er­ stes und ein zweites Gas umfaßt, welche jeweils zu prüfen sind.

12. Detektor nach Anspruch 11, welcher einen dritten Strahlungs­ energiestrahl aufweist, der sich wenigstens durch einen Teil des Ab­ tastbereichs und durch wenigstens einen Teil des inneren Bereichs er­ streckt, welcher das Gas enthält.

13. Detektor nach Anspruch 12, welcher eine Schaltung zum Lie­ fern eines ersten Ausgangs als Antwort auf den ersten und den zweiten Strahl und eines zweiten Ausgangs als Antwort auf den dritten und den zweiten aufweist.

14. Detektor nach Anspruch 1, welcher einen Rauchsensor umfaßt.

15. Detektor nach Anspruch 1, wobei der geschlossene Behälter zumindest teilweise aus Glas oder Plastik gebildet ist.

16. Detektor nach Anspruch 15, wobei der geschlossene Behälter entlang einer axialen Mittellinie gestreckt und symmetrisch ist.

17. Detektor nach Anspruch 16, welcher ein Gehäuse umfaßt, das den Abtastbereich definiert und in dem der geschlossene Behälter ange­ ordnet ist.

18. Detektor nach Anspruch 14, wobei der Rauchsensor einen Rauchsensor vom fotoelektrischen Typ und einen Rauchsensor vom Ionisa­ tionstyp umfaßt.

19. Verfahren zum Erfassen eines Gases, daß Verfahren die fol­ genden Schritte aufweisend:

• - Beschränken einer Referenzgasprobe in einem Bereich und Ausschließen anderer Gase hieraus;
• - Vorsehen einer Gasprobe benachbart zu dem Bereich, je­ doch außerhalb des Bereichs;
• - Bestrahlen der Gasprobe und des Referenzgases mit ei­ nem gemeinsamen Strahl;
• - Erfassen des Strahls nach dem dieser durch beide Pro­ ben gelangt ist;
• - Bestrahlen nur der Referenzgasprobe mit einem Refe­ renzstrahl;
• - Erfassen des Referenzstrahls, wenn dieser den Proben­ bereich verläßt; und
• - Verarbeiten des erfaßten Ausgangs, um die Anwesenheit eines ausgewählten Gases zu bestimmen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, welches das Anregen des gemein­ samen Strahls und das folgende Bestrahlen der Referenzgasprobe umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 19, welches die Nutzung des gemein­ samen Strahls zum Erfassen der Anwesenheit eines mittels Luft transpor­ tierten Rauchs umfaßt.