DE10124280A1 - Selbstansaugende Brandmeldeeinrichtung - Google Patents
Selbstansaugende BrandmeldeeinrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine selbstansaugende Brandmeldeeinrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb mit eine Ansaugeinrichtung (1, 3, 10) zur regelbaren Ansaugung von Umgebungsluft aus einem Überwachungsbereich, welche ein hochempfindliches optisches Streulichtmeßsystem (2, 16) mit einer hochenergetischen Lichtquelle (4) und einem oder mehreren Empfangselementen (6, 8) zur Detektion von in einem oder mehreren Streuwinkeln an den im Meßbereich befindlichen Rauchpartikeln gestreuten optischen Strahlung aufweist. DOLLAR A Die Empfangselemente (6, 8) des Streulichtmeßsystems (2, 16) sind mit einem Mikrocontroller-System (13) und/oder einer Brandmeldezentrale (15) zur Datenanalyse und Speicherung verbunden. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind in der Brandmeldeeinrichtung zusätzlich ein oder mehrere Gassensoren (9) und/oder ein Gassensorarray (9) angeordnet, welche mindestens eine Brandgasart detektieren und signaltechnisch ebenfalls mit dem zentralen oder dezentralen Mikrocontroller-System (13) und/oder der Brandmeldezentrale (15) zur Signalauswertung verbunden.
Description
Die Erfindung betrifft eine selbstansaugende Brandmeldeeinrichtung zur
Überwachung von technischen Anlagen, Gebäuden und Lagerbereichen auf
Entstehung von Bränden gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Unter selbstansaugenden Brandmeldeeinrichtungen sollen Brandmeldesysteme
verstanden werden, welche über ein oder mehrere Ansaugrohre verfügen deren
Ansaugöffnungen Luftproben aus den zu überwachenden Anlagen- oder
Raumbereich entnehmen und den Branderkennungsdetektoren zur Messung
verschiedener Brandkenngrößen zuführen.
Als Ansaugmittel zur Erzeugung eines kontinuierlichen Luftstroms aus dem
Überwachungsbereich werden oft Lüfter oder Ventilatoren eingesetzt,
verschiedentlich kommen aber auch Kolben- oder Membranpumpen zum Einsatz.
Selbstansaugende Systeme kommen dann vorteilhaft zum Einsatz, wenn sich bei
einem Schwelbrand nur geringe Thermik entwickelt und Rauchpartikel nur sehr
langsam den Detektionsbereich der oft in größerer Entfernung angebrachten
Branddetektoren erreichen.
Das ist besonders in größeren Räumen und Lagerbereichen der Fall.
In klimatisierten und zwangsbelüfteten Räumen wo z. T. wechselnde
Luftströmungen und starke Verdünnungseffekte auftraten, lassen sich
selbstansaugende Systeme höherer Empfindlichkeit sehr vorteilhaft für die
Frühdetektion einsetzen.
Bei herkömmlichen Systemen, ohne Selbstansaugung, würde eine Alarmmeldung zu
einem recht späten Zeitpunkt ausgelöst und die anschließenden
Brandbekämpfungsmaßnahmen verzögert,
was in Folge zu erheblich höheren Sach- und Personenschäden führen kann, als das
bei einer frühzeitigeren Alarmauslösung der Fall wäre.
Bei klimatisierten und zwangsbelüfteten Anlagen wo sich durch sich ändernde
Luftströmungsverhältnisse die thermische Konvektion in der Entstehungsphase eines
Brandes kaum entwickeln kann, ist mit Systemen ohne Ansaugung eine
Früherkennung kaum zu realisieren.
Ein weiterer Vorteil von selbstansaugenden Systemen besteht darin, dass sich
die Ansaugöffnungen innerhalb bestimmter gefährdeter Anlagenbereiche, wie
dem Gehäuse eines elektrischen Schaltschrankes oder einer EDV-Anlage befinden
können, so das die Luftproben unmittelbar aus dem Gefährdungsbereich spezieller
Anlagenobjekte
entnommen werden und zusammen erfaßt werden können.
Entstehungsbrände in Anlagenbereichen lassen sich dadurch frühzeitig
detektieren und geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen.
In Abhängigkeit von Wertkonzentration, Brandrisiko und Gesamt-
Brandschutzkonzept kommen bei besonderer wirtschaftlicher Bedeutung einer
Brandfrüherkennung,
für selbstansaugende Systeme in der Regel nur hochsensible Detektoren zum
Einsatz.
Optische Streulichtmeßsysteme als hochsensible Detektoren, haben sich dabei
als gut geeignet erwiesen, Rauchpartikel Produkte der thermischen Zersetzung,
Ruß- oder Schwebeteilchen) auch in geringsten Mengen nachweisen zu können.
Solche bekannten Systeme sind in zahlreichen Varianten verfügbar und
verwenden meist eine LED oder eine Laserdiode als Streulichtquelle.
Die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen durchlaufen dabei eine Meßstrecke
durch ein Probenvolumen und werden an vorhandenen Rauchpartikeln gestreut.
Das inhomogen verteilte Streulicht wird dann von einem oder mehreren
Empfangselementen (photoelektrische Detektoren) in eine meßbare elektrische
Signale umgewandelt.
Dabei ist Intensität des Streuwinkels des gestreuten Lichts u. a. abhängig von der
Lichtwellenlänge, Größe und Form, sowie den optischen Eigenschaften der im
Probenvolumen vorhandenen Rauchpartikel.
Aus der Analyse der Signalen der in verschiedenen Streuwinkeln angeordneten
Empfangselementen lassen sich Rückschlüsse auf die Anzahl und der im
Luftprobenvolumen vorhandenen Partikel ziehen.
Neuere Entwicklungen zur Detektion auch kleinster Mengen von Rauchaerosolen in
einem angesaugten Probevolumen setzen zunehmend auf hochempfindliche und
genauere lasergestützte Meßsysteme.
Hochenergetische Laserstrahlung hat den Vorteil beim Auftreffen auf
Rauchpartikel höhere und damit besser detektierbare Streulichtintensitäten zu liefern.
Durch die spektrale Schmalbandigkeit des Lasers ist die Eindeutigkeit resultierender
Meßwerte in Bezug auf die zugrundeliegende Streulichttheorie gegeben.
Dabei wird ein oft erheblicher konstruktive Aufwand zur optimalen Kopplung des
Laser-Meßsystems mit der Luftprobenkammer und der Gaszuführung betrieben.
Nachteilig bei hochempfindlichen Systemen ist die Gefahr
von Fehlalarmen durch das unerwartete Auftreten nichtrelevante Brandkenngrößen
(z. B. Zigarettenrauch)
oder die Einwirkung von Stör- oder Täuschungsgrößen wie Feinststaub oder
Wasserdampf auf die Detektoren.
Grundsätzlich ist es für die Detektorsysteme oft schwierig bestimmte Störgrößen
oder zur Branderkennung nichtrelevante Partikel im Meßvolumen von zu
detektierenden Rauchpartikeln zu unterscheiden.
Daher werden in der Brandschutztechnik zahlreiche
Anstrengungen unternommen, Brandkenngrößen von Stör- oder Täuschungsgrößen
zu unterscheiden, um Fehlalarme möglichst auszuschließen.
Optische Streulichtmeßsysteme können ohne zusätzliche Maßnahmen besonders
dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo nur in geringem Umfang mit Stör- oder
Täuschungsgrößen zu rechnen ist.
Das sind insbesondere klimatisierte- und Reinraumbereiche, EDV-Anlagen,
Produktionseinrichtungen der Halbleiter- und Biotechnologie sowie
Telefon- und Kommunikationseinrichtungen.
Aus dem Gesagten wird deutlich, dass die Forderung nach immer empfindlicheren
Detektorsystemen zur Früherkennung von Bränden im Widerspruch zu den dann
wachsenden Einfluß von Stör- und Täuschungsgrößen steht.
In der DE 196 05 637 C1 wird ein Verfahren zur Luftstromüberwachung und eine
Vorrichtung zum Erkennen von Bränden nach dem Prinzip der
Luftprobenansaugung beschrieben.
Über zwei Ansaugrohrsysteme werden repräsentative Teilmengen aus der Raumluft
oder Kühlluft eines zu überwachenden gefährdeten Bereichs entnommen
und einem Detektor zum Erkennen einer Brandkenngröße zugeführt.
Als wichtige Voraussetzung zur Früherkennung von Bränden wird die Erkennung von
unerwünschten Störungen im Ansaugsystem, beispielsweise
durch Verstopfungen der Ansaugöffnungen oder Brüche im Ansaugrohrsystem
gewertet.
Dabei spielt die kontinuierliche Zuführung eines definierten Luftvolumens zur
Melderkammer eine wichtige Rolle.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung von jeweils einem Luftstromsensor
für jede der beiden Ansaugleitungen vorgeschlagen, deren Ausgangssignale
abgeglichen und zur Überwachung des Luftstroms verwendet werden.
Als weitere Maßnahme zur sicheren Detektion einer Brandkenngröße wird die
mögliche Anordnung eines zweiten Detektors in einer zweiten Melderkammer
des Brandmelders vorgeschlagen.
Nähere Angaben zu deren Art oder Verwendung
werden jedoch nicht gemacht.
Die meisten der bisher bekannt gewordenen Entwicklungen zu
selbstansaugenden Brandmeldeeinrichtungen haben es sich zu Ziel gesetzt, eine
sichere Früherkennung von Bränden schon in der Entstehungsphase zu erreichen.
Dazu wurden zahlreiche Verbesserungen in den Ansaugsystemen oder
in der Empfindlichkeit (Ansprechschwelle) der verwendeten (optischen)
Detektoren vorgeschlagen.
Um eine Verbesserung der Empfindlichkeit von Detektorsystemen zu erreichen,
und den Einfluß von Stör- oder Täuschungsgrößen trotzdem gering zu halten
wurden verschiedene Vorschläge gemacht.
So ist aus der DE 42 31 088 A1 Feueralarmsystem bekannt, welches einen nach dem
Streulichtprinziep arbeitenden Rauchdetektor umfaßt, dessen Streulichtempfänger
in unterschiedlichen Streuwinkeln positioniert sein können.
Um ein genaueres Bild der im Probevolumen befindlichen Partikel zu erhalten,
wird vorgeschlagen, das optischen Streulichtmeßsystem zusätzlich mit einem
Polarisationsfilter auszustatten und den Polarisationsgrad des gestreuten Lichts zu
bestimmen.
Aus der eindeutigen Korrelation zwischen Polarisationsgrad und Streuwinkel läßt
sich dann auf einen bestimmten Rauchtyp schließen.
Durch experimentelle Versuche mit Testbränden wurden unterschiedliche Muster von
Rauchtypen mit Schwellwerten in Datenbanken gespeichert, die dann mit den
Ergebnissen der Streulicht- und Polarisationsmessung verglichen werden.
Aus dem Vergleich beider Rauchmuster sollen sich dann Hinweise auf den Feuertyp
ergeben.
Auch bei dieser bekannten Brandmeldeeinrichtung sind keine Angaben zur sicheren
Unterscheidung zwischen immer vorhandenen Stör- und Täuschungsgrößen und den
als Brandkenngröße in Erscheinung tretenden Rauchpartikel zu finden.
Aus den bekannten Nachteilen des Standes der Technik leitet sich
daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ab, eine Brandmeldeeinrichtung zu
schaffen, welche Enstehungsbrände frühzeitig detektiert
und trotzdem in der Lage ist, die als Stör- oder Täuschungsgrößen auftretenden,
und für die Brandenstehung und den Brandverlauf nicht relevanten
Brandkenngrößen sicher zu unterscheiden.
Weiterhin soll die erfindungsgemäße Brandmeldeeinrichtung in der Lage sein,
entsprechend der Brandentwicklung verschiedene Alarmstufen zu generieren,
welche die Anwendung abgestufter flexibler Brandbekämpfungsmaßnahmen erlaubt.
Dabei soll eine Minimierung der Fehlalarmhäufigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der
Sensibilität des Systems erzielt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
ersten Anspruchs gelöst.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
angegeben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen ein hochempfindliches optisches
Streulichtmeßsystem durch zusätzliche Anordnung von einem oder mehreren
Gassensoren oder einem Gassensorarray zu ergänzen,
und die Meßgrößen der einzelnen Detektoren zu einer logischen
Alarmstufengenerierung zu verknüpfen.
Dabei sind sowohl das optische Streulichtmeßsystem, wie auch die Gassensoren
signaltechnisch mit einem Mikrocontroller-System und/oder einer
Brandmeldezentrale verbunden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb dieser Brandmeldeeinrichtung
welches durch die Bildung eines Summensignals aus den in verschiedenen
Streuwinkeln des optischen Streulichtmeßsystems angeordneten
Empfangselementen detektierten Meßgrößen und den von den zusätzlich
angeordneten Gassensoren und/oder dem Gassensorarray detektierten Meßgrößen
gekennzeichnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die
Empfangselemente des Streulichtmeßsystems in Vorwärts- und
Rückwärtsstreurichtung angeordnet und deren Signalverarbeitung derart ausgebildet,
dass für die in einem definierten Probenvolumen befindlichen Partikeln
charakteristischen Parameter, wie Partikelfarbe, Größe und Konzentration durch die
gleichzeitige Erfassung der in Vorwärts- und Rückwärtsstreuwinkelbereichen
detektierten Signalen bestimmbar sind.
Die gleichzeitige Erfassung und Verarbeitung der unter den verschiedenen Winkeln
gestreuten Lichtstrahlen ist durch das Meßsystem Empfänger-Mikrocontroller-System
besonders wichtig.
Nur durch die gleichzeitige Erfassung und Verarbeitung der empfangenen
Streulichtsignale aus den unterschiedlichen Streulichtwinkeln ist eine
genaue Beschreibung der Partikelverteilung im Probenvolumen zu einem
bestimmten Zeitpunkt möglich, da es sich bei dem Probenvolumen um keine
statische Größe handelt, sondern sich dessen Parameter in Abhängigkeit von der
Strömungsgeschwindigkeit
der Ansaugeinrichtung ständig verändern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung können auch
Branddetektoren verschiedener Bauart, wie Temperaturmelder oder
Ionisationsrauchmelder in der erfindungsgemäßen selbstansaugenden
Brandmeldeeinrichtung angeordnet und mit dem Mikrocontroller-System und/oder
der Brandmeldezentrale signaltechnisch verbunden werden.
Dabei ist neben der bevorzugten Anordnung dieser Detektoren sowie auch der
Gassensoren direkt im Ansaugstrom der Ansaugeinrichtung auch deren Anordnung
in einem Bypass zum Ansaugrohr möglich.
Erfindungsgemäß werden auch die von den letztgenannten Branddetektoren
im Probenvolumen ermittelten Meßgrößen in die Signalverarbeitung der
Brandmeldeeinrichtung einbezogen und anhand der in einer Datenbank
gespeicherten Werte durch Bewertungsalgorithmen entsprechend gewichtet.
Die erfindungsgemäße Anordnung eines hochempfindlichen optischen
Streulichtmeßsystems
zur Detektion von Rauchpartikeln eines Brandes in Kombination mit
Gassensoren und/oder eines Gassensorarrays in einer Brandmeldeeinrichtung zur
Detektion von Brandgasen oder/und brandlastspezifischen Gasen weist gegenüber
dem bekannten Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf.
In einer fortgeschrittenen Brandphase bei zunehmender Temperatur erhöhte
Emissionen von Produkten der vollständigen Verbrennung, wie CO2 und H2O, sowie
Rußpartikel und Rauchaerosole auf Die Rauchpartikel unterschiedlicher Größe und
Verteilung lassen sich mit dem hochempfindlichen Streulichtmeßsystem sehr genau
nachweisen.
Demgegenüber ermöglicht die Gassensorik nicht nur die zusätzliche frühzeitige
Detektion einer Brandentstehungskenngröße
sondern auch die Überprüfung und Wichtung der Meßergebnisse des
Streulichtsystems durch die Meßgrößen der Gassensoren oder des
Gassensorarrays.
Die zusätzlich angeordneten Gassensoren sind, wie allgemein bekannt, besonders
gut geeignet die schon,
zu Beginn eines Brandes entstehenden Brandgase, wie z. B. CO H2, CH4 sowie
längerkettige gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe und
Schwefelverbindungen zuverlässig zu detektieren. Durch die Verknüpfung und
logische Verarbeitung der jeweiligen Brandkenngrößen ist eine sichere Alarmierung
früher als bei den bisher bekannten selbstansaugenden Systemen möglich.
Eine Alarmierung erfolgt jedoch nur dann und in verschiedenen voreinstellbaren
Stufen, wenn die Signalauswertung des optischen Streulichtmeßsystems bestimmte
Schwellwerte erreicht oder übersteigt und gleichzeitig auch der oder die
Gassensoren Brandgase detektieren.
Durch Verwendung mehrerer unterschiedliche Gasarten detektierende Sensoren
oder eines Sensorarrays ist eine breitbandige Gasanalyse der angesaugten
Luftproben möglich.
Eine weitere Verbesserung der Gasdetektion ist durch die Kenntnis der Art der aus
dem Überwachungsbereich zu erwartenden Brand- oder Schwelgase möglich.
So sind die häufigste Ursache für Entstehungsbrände in Kabelschächten oder
anderen Hohl- und Zwischenräumen von Geräten und Anlagen, die darin
verlaufenden elektrischen Kabel, Anschlüsse und Verbindungen.
Die meist engbegrenzten Überhitzungen können zu Schwelbränden führen, bei
denen materialspezifische, gasförmige Produkte (Pyrolysegase) wie HCL in
unterschiedlichen Konzentrationen freigesetzt werden.
Die zur Verwendung in der Brandmeldeeinrichtung vorzusehenden Gassensoren
können dann in Abhängigkeit von den nachzuweisenden Gasen aus einer Vielzahl
unterschiedlicher Meßzellen (Gassensoren) ausgewählt werden und erlauben den
meßtechnischen Nachweis schon von sehr geringen Gaskonzentrationen im ppb-
Bereich.
Wie auch bei der Rauchpartikeldetektion durch das optische Streulichtmeßsystem,
werden in der Gassensorik entsprechende Brandmuster ermittelt (Testbrände) und
elektronisch gespeichert.
Die derart erhaltenen Datenbanken werden beispielsweise in den Speicherbereich
des Mikrocontroler-Systems implementiert und stehen den aktuell ermittelten
Meßgrößen als Vergleichsdaten zur Verfügung.
Der Vergleich und die Wichtung der von den verschiedenen Brandmeldern der
erfindungsgemäßen Brandmeldeeinrichtung ermittelten Meßgrößen erlaubt daher
eine frühzeitige und sichere Branderkennung.
Fehlalarme durch Stör- oder Täuschungsgrößen können weitestgehend
ausgeschlossen werden.
Werden die Daten der Branderkennungseinrichtung oder mehrerer solcher
Einrichtungen durch eine zentrale Monitoreinheit, vorzugsweise eine
Brandmeldezentrale verarbeitet, ist es durch zyklische Abfragen der einzelnen
Branddetektoren auch möglich den Brandverlauf zeitlich genauer zu charakterisieren
und eine Brandverlaufsanalyse zu erstellen.
Diese kann dann sehr nützlich zur Einleitung von Gegenmaßnahmen verwendet
werden und zur Bestimmung entsprechend des Gefährdungsgrades abgestuften
Vorwarnzeiten dienen.
Es liegt auch in dem Bereich der Erfindung die beschriebene Brandmeldeeinrichtung
ohne Selbstansaugung zu betreiben.
So ist es durchaus möglich die erfindungsgemäße Brandmeldeeinrichtung
in einen Lüftungsschacht oder Ähnlichen anzuordnen in welchem ein Luftstrom
mit einer bestimmten Geschwindigkeit fließt.
Die Probennahme kann dann z. B. durch entsprechend dimensionierte Öffnungen
im Gehäuse der Brandmeldeeinrichtung erfolgen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen nun Anhand von Zeichnungen und eines
Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Brandmeldeeinrichtung mit einem Ansaugrohr,
Fig. 2 einen Flußplan zur Signalverarbeitung des Streulichtmeßsystems und der
zusätzlich angeordneten Detektoren,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der einzelnen Systemkomponenten der
Brandmeldeeinrichtung
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Brandmeldeeinrichtung 2, welche über das
Ansaugrohr 1 mit dem Anlagen- oder Raumbereich, der auf eine mögliche
Brandentstehung überwacht werden soll, verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform können auch mehrere Ansaugrohre mit mehreren
Ansaugöffnungen angeordnet sein, oder die Ansaugrohre können als flexible
Schläuche, deren Öffnungen Luft auch aus schwer zugänglichen Anlagenbereichen
ansaugen, ausgebildet sein.
Die Luftproben werden kontinuierlich mittels Ansauglüfter 3 mit einer einstellbaren
konstanten Strömungsgeschwindigkeit angesaugt und der Meßkammer
(Probenvolumen) der Brandmeldeeinrichtung 2 zugeführt.
Unter Berücksichtigung zulässiger maximaler ransportzeiten, kann das
Ansaugrohrnetz beispielsweise auf Längen von bis zu 200 m ausgelegt sein.
Mit dem Luftstromsensor 10 wird die Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten
Luft
gemessen und mit dem eingestelltem Sollwert verglichen.
Bei unzulässigen Abweichungen wird eine Störungsmeldung ausgelöst.
Lichtquelle 4, Empfängerelemente 6, 8 und die Fokussieroptiken 5, 7 werden dabei
jeweils durch Plexiglasabschirmungen (nicht eingezeichnet) vom Probenvolumen des
angesaugten Rauchgases getrennt.
Für Einsatzbereiche mit höheren Luftgeschwindigkeiten, wie bei Abluft- und
Klimakanälen, kann auch die sogenannte Bypass-Technik verwendet werden.
Dabei werden über ein Rohrsystem ständig Luftproben aus dem zu überwachenden
Kanal entnommen und durch die Meßkammer des Streulichtmeßsystems geleitet wo
auch die Gassensoren 9 angeordnet sein können.
In dem in Fig. 1 dargestelltem Standard-Meßaufbau ist das hochempfindliche
Rauchpartikel Meßsystem 16 (Fig. 2) im rechten Winkel zum Luftstrom angeordnet
und durch die genannten Plexiglasscheiben abgeschirmt.
Es besteht aus einer hochenergetischen schmalbandigen Lichtquelle, vorzugsweise
einer Laserdiode 4 mit Kollimationsoptik zur Erzeugung von Streulichtintensitäten an
Rauchpartikeln im Kollimationsbrennpunkt, dazu einer gegenüberliegenden
Strahlenfalle, die den Laserstrahl absorbiert, sowie jeweils einer Sammel- und
Fokussieroptik 5, 7, welche das gestreute Licht des zugeordneten
Raumwinkelsegments auf die jeweiligen Empfangselemente 6, 8 (optische
Detektoren) abbilden.
Das Detektionsvolumen ist für die genaue Analyse so klein wie möglich zu halten
und wird im wesentlichen bestimmt durch das Schnittvolumen der Brennpunkte der
Linsensysteme mit dem Durchmesser des Laserstrahls in dessen Kollimations-
Brennpunkt.
Dabei sind die Empfangselemente 6, 8 und die Sammel- und Fokussieroptiken 5, 7
derart angeordnet, dass die gestreuten Lichtstrahlen aus den Raumwinkelsegmenten
von Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung detektiert werden.
Das vorwärts- und rückwärtsgestreute Licht erzeugt dann in den
Empfängerelementen ein der empfangenen Streulichtintensität proportionales
elektrisches Signal welches in dem angeschlossenem Mikrocontroller-System 13
und/oder einer Brandmeldezentrale 15 verarbeitet und gespeichert wird.
Die nach diesem Meßprinzip gewonnenen Meßwerte stehen im Verhältnis zur
Rauchpartikelkonzentration, aber auch zu Partikeleigenschaften wie Form Farbe und
Größe.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Branderkennungssystems wird die
hochenergetische Lichtquelle (z. B. Laserdiode) mit einer gepulsten Treiberschaltung
angesteuert, was die Lebensdauer der Lichtquelle um ein Vielfaches erhöht.
Die modulierten Lichtimpulse sind nur dann von der Steuerelektronik 13 auszulösen,
wenn eine erneute Streulichtmessung erfolgen soll.
Erfindungsgemäß werden ein- oder mehrere Gassensoren 9 oder ein aus mehreren
Gassensoren bestehendes Gassensorarray im Ansaugstrom oder einem Bypass
angeordnet und über Signalleitungen mit dem Mikrocontroller-System 13 und/oder
der Brandmeldezentrale 15 verbunden.
Dabei können verschiedene Gasmelder oder ein Gassensorarray zum Einsatz
kommen und unterschiedliche, eine frühe Brandentstehungsphase kennzeichnende
Brandgase detektieren.
Das sind insbesondere die frühzeitig entstehenden Gase, wie CO, H2, CH4, sowie
längerkettige gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe und
Schwefelverbindungen,
aber auch brandlastspezifische Gase (z. B. HCL), wie sie bei der thermischen
Zersetzung von PVC entstehen, lassen sich durch die Verwendung
spezieller Gassensoren sicher detektieren.
Die logische Verarbeitung und Verknüpfung der Streulichtsignale mit den
Meßgrößen der Gassensorik erlaubt die erfindungsgemäße intelligente
Branderkennung.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich zur Signalverarbeitung der Streulicht- und der
anderen Detektor Signale und in Abhängigkeit der verwendeten Analysekriterien ein-
oder mehrere Mikroprozessoren als dezentrale Recheneinheiten zu verwenden.
In Fig. 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte zur Signalverarbeitung der
Branderkennungseinrichtung dargestellt.
Gemäß der auf das Streulichtmeßsystem anzuwendenden Mie-Streulicht-Theorie
hängen Richtung und Intensität des an einem Partikel gestreuten Lichtes von dessen
Form, Farbe, und Größe sowie der Lichtwellenlänge ab.
Sind Lichtwellenlänge, optische Leistung und die Streuwinkel durch entsprechende
Anordnung der Empfangselemente
bekannt und werden die gemessenen Streulichtintensität logisch verknüpft,
lassen sich Rückschlüsse auf die Eigenschaften und Verteilung (Konzentration) der
Rauchpartikel im Probenvolumen ziehen.
Noch genauere Aussagen erhält man durch die Streulicht-Intensitätsmessung von
mehr als zwei Streuwinkeln 17, 18, 19.
Erfindungsgemäß bringt die zeitgleiche Messung und Auswertung des in
Vorwätsrichtung gestreuten Lichtanteils 17 mit dem in Rückwätsrichtung gestreuten
Lichtanteils 18 eine zur Brandbestimmung gut verwertbare Aussage.
In der angegebenen Ausführung haben sich als praktische brauchbare Werte für die
Streuwinkelsegmente für den jeweiligen Meßkanal in Vorwärtsrichtung etwa 20° +/-4°
und in Rückwärtsrichtung 160° +/- 4°
erwiesen.
Weitere Streulichtdetektoren (Empfangselemente) werden vorzugsweise in den von
starken intesitätsänderungen betroffenen Winkelbereich zwischen 5° und 45°
angeordnet.
Danach läßt sich eine oder mehrere Intensitätskennzahlen aus Vektorsummen der
winkelabhängigen Streulichtintensitäten ermitteln
und eine oder mehrere Partikeleigenschaftskennzahlen aus den logarithmierten
Verhältnissen der winkelabhängigen Streulichtintensitätenbestimmen.
Nach der Erfassung der Werte einzelner Streulichtintensitäten aus den
verschiedenen Raumwinkeln 17, 18, 19, werden diese im nächsten Verfahrensschritt
20 zu einem Eigenschaftsvektor normiert (Klassifizierung z. B. nach Größe, Farbe
und Brechungsindex). In der Rauchaerosol-Datenbank 21 sind Vergleichsdaten
zulässiger ermittelter Raucheigenschaften abgespeichert.
Der aus 20 erhaltene Eigenschaftsvektor und die in 21 abgelegten Vergleichsdaten
werden dann zur Rauch-Identitätskennzahl verknüpft 22.
Die Rauch-Streulichtintensität des hochempfindlichen Meßkreises 23 wird dann im
Verfahrensschritt 27 mit den vom Gassensor 24 ermittelten Meßgrößen bewertet.
Zusätzlich können auch die Meßgrößen eines optionalen Rauchsensors
(Ionisationsrauchmelder oder optischer Rauchmelder) 25 und/oder eines optionalen
Temperaturmelders 26 in die Bewertung einbezogen werden.
Die Bewertung der einzelnen Meßgrößen und der gegenseitigen Abhängigkeit erfolgt
mit Hilfe von Algorithmen und Vergleichsanalysen, die auf Daten von Testbränden in
einer Datenbank 28 zurückgreifen.
Das weitere Verfahren sieht dann den Vergleich des aus Verfahrensschritt 27
erhaltenen Summensignals mit vorparametrierten Schwellenwerten vor und führt
bei entsprechenden Vergleichsergebnissen zur Ansteuerung und Anzeige
zugeordneter Alarmstufen 29.
Zusätzlich kann auch die optionale Einzelanzeige oder Einzelansteuerung 30 von
Alarmstufen individueller Kenngrößen im Vergleich mit dem zugeordneten
individuellen Schwellenwert vorgesehen werden.
Beispielsweise kann CO-Alarm ausgelöst werden bei Überschreitung einer
Höchstkonzentration unbeachtlich weiterer Meßgrößen.
Auch für das Streulichtmeßsystem 16 kann eine optionale Einzelanzeige oder
Einzelansteuerung von Alarmstufen vorgesehen werden.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der Systemkomponenten der erfindungsgemäßen
Branderkennungseinrichtung.
Die beiden hochempfindlichen Meßkreise 32 und 33 verarbeiten jeweils die von den
Empfangselementen 6, 8 gelieferten Streusignale.
Die Laserdiode als Lichtquelle wird von einer Lasertreiberschaltung 34 Impulsförmig
angesteuert, wobei die Impulse durch das Mikrocontroller-System 13 geliefert
werden.
Vorteilhafterweise wird der Diodenlaser nur zum Meßzeitpunkt betrieben, was zu
einer Vervielfachung der Laserlebensdauer führt.
Die Gassensorik 35 und der optionale Temperaturmelder 37 sind ebenfalls über
einen
A/D-Wandler mit dem Mikrocontroller-System 13, verbunden.
Von besonderer Bedeutung sind die Abtast-Halte Schaltung 36, welche durch die
Triggerimpulse des Mikrocontroler-Systems die zeitgleiche Erfassung der Streulicht-
Meßwerte ermöglicht.
Dadurch lassen sich erfindungsgemäß genauere Angaben über die Konzentration
und Eigenschaften der im Probenvolumen enthaltenen Rauchaerosole erzielen,
insbesondere statistische Aussagen zum Auftrittsverhalten von bestimmten
Partikeleigenschaftskennzahlen lassen eine gute Selektion für die
Weiterverarbeitung möglich werden.
Das Mikrocontroller-System 13 führt die Analysealgorithmen durch und bewertet
Gas- und Streulichtmeßkreise, speichert Daten und Ereignisse,
steuert ereignisbedingt Anzeigen und periphere Einheiten, führt die Kommunikation
mit anschließbarer Peripherie 38 sowie die Kompensation umweltbedingter
Aerosolhintergrunddrift der empfindlichen Streulichtkreise durch.
1
Ansaugeinrichtung mit Ansaugrohr
2
Brandmeldeeinrichtung
3
Ansauglüfter
4
Hochenergetische schmalbandige Lichtquelle (z. B. Laserdiode)
5
Sammel- und Fokussieroptik für den ersten Streulichtmeßkreis
6
Empfangselement (Detektor) für den ersten Streuwinkel
7
Sammel- und Fokussieroptik für den zweiten Streulichtmeßkreis
8
Empfangselement (Detektor) für den zweiten Streuwinkel
9
Gassensor oder Sensorarray
10
Luftstromsensor
11
Temperaturmelder oder Wärmesensor
12
Ionisationsrauchmelder oder optischer Rauchmelder
13
Mikrocontroller-System (zur Meßsteuerung, Datenanalyse und Speicherung)
14
Anzeige- und Steuermodule (Relais, LCD, LEDs)
15
Brandmeldezentrale (Gebäudeleittechnik, Leitstellen-PC)
16
Hochempfindliches Rauchpartikel-Streulicht-Meßsystem
17
Streulichtintensität aus Streuwinkel α1
18
Streulichtintensität aus Streuwinkel α2
19
Streulichtintensität aus Streuwinkel αn
20
Normierung der Werte zum Eigenschaftsvektor
21
Rauchpartikel-Datenbank (Vergleichsdaten zulässiger ermittelter Rauch
eigenschaften)
22
Verarbeitung des Eigenschaftsvektors durch
21
und zeitliches
Auftrittsverhalten zu Rauchintensitätskennzahl
23
Rauch-Streulichtintensität des hochempfindlichen Meßkreises
16
24
Gassensor (Brandgassensor) oder Sensorarray (z. B. CO-Sensor)
25
Optionaler Rauchdetektor (Ionisationsrauchdetektor, optischer Rauchdetektor)
26
Optionaler Temperaturmelder (Temperatursensor)
27
Bewertung der Intensitäten von Streulicht- und Gassensoren
zum Summensignal mittels
29
und zeitlicher Korrelation, optional gehen auch
die Meßgrößen des Temperaturmelders (
26
) und des Rauchdetektors (
25
) ein.
28
Bewertungsalgorithmen aus Datenbank ermittelter Testbrände
29
Vergleich des Summensignals mit vorparametrierten Schwellwerten,
Ansteuerung und Anzeige zugeordneter Alarmstufen
30
Optionale Einzelanzeige bzw. Ansteuerung von Alarmstufen individueller
Kenngrößen aus dem Vergleich mit dem individuellem Schwellwert
31
Optionale Einzelanzeige bzw. Ansteuerung von Alarmstufen des
hochempfindlichen Streulichtmeßsystems zur Frühwarnung
32
Hochempfindlicher Meßkreis Vorwärtsstreuwinkelbereich
33
Hochempfindlicher Meßkreis Rückwärtsstreuwinkelbereich
34
Lasertreiberschaltung, durch µP-Puls nur zur Meßzeit betrieben
35
Meßkreis der Gassensorik
36
Abtast-Halte Schaltungen
37
Optionaler Temperatur- und/oder Rauchsensor-Meßkreis
38
Periphere Konfigurations und Steuereinheiten
(Konfigurations- und Monitoring-PC, Brandmelde- und Löschsteuerzentralen)
Claims (9)
1. Selbstansaugende Brandmeldeeinrichtung zur Überwachung von brand- und/oder
explosionsgefährdeten Anlagen und Gebäuden, umfassend eine Ansaugeinrichtung
(1, 3, 10) zur regelbaren Ansaugung von Umgebungsluft aus dem
Überwachungsbereich, ein hochempfindliches optisches Streulichtmeßsystem (2, 16)
mit einer hochenergetischen Lichtquelle (4) und einem oder mehreren
Empfangselementen (6, 8) zur Detektion von in einem oder mehreren Streuwinkeln
an den im Meßbereich befindlichen Rauchpartikeln gestreuten optischen Strahlung,
wobei die Empfangselemente (6, 8) des Streulichtmeßsystems (2) mit einem
Mikrocontroller-System (13) und/oder einer Brandmeldezentrale (15) zur
Datenanalyse und Speicherung verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich ein oder mehrere Gassensoren (9) und/oder ein Gassensorarray (9)
angeordnet sind, welche mindestens eine Brandgasart detektieren und
signaltechnisch ebenfalls mit dem zentralen oder dezentralen Mikrocontroller-System
(13) und/oder der Brandmeldezentrale (15) zur Signalauswertung verbunden sind.
2. Brandmeldeeinrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der oder die Gassensoren (9) im Luftstrom des Ansaugrohrs (1) oder in einem
Bypass angeordnet sind und als elektrochemischer Gassensor, Halbleitergassensor,
Ionenmobilitätsspektrometer oder Wärmetönungssensor zur Detektion von
Brandgasen wie CO, H2, CH4, sowie längerkettigen gesättigten und ungesättigten
Kohlenwasserstoff und Schwefelverbindungen oder brandlastspezifischen Gasen wie
HCL ausgebildet sind, wobei
sie unterschiedliche Meßbereiche für verschiedene und/oder gleiche Gasarten
aufweisen.
3. Brandmeldeeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das optische Streulichtmeßsystem (2) mindestes zwei Empfangselemente (6, 8)
aufweist, die zum Meßvolumen des Probenstroms aus dem Ansaugrohr (1) derart
angeordnet sind, dass die an den Rauchpartikeln gestreute optische Strahlung in
einem Vorwärtsstreuwinkelbereich und einem Rückwärtsstreuwinkelbereich
gleichzeitig detektierbar ist und die parallel erhaltenen Meßwerte im Mikrocontroller-
System (13) oder einer Brandmeldezentrale (15) zu einer die Aerosole im
Meßvolumen charakterisierenden Meßgröße verarbeitbar sind.
4. Brandmeldeeinrichtung nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, dass
weitere, nach unterschiedlichen Meßprinzipien arbeitende Branddetektoren (11, 12)
angeordnet sind, wie beispielsweise Ionisationsrauchmelder (12) oder optische
Rauchmelder (vorzugsweise andere Wellenlängen, Empfindlichkeitsbereiche oder
Meßprinzipien als das empfindliche Streulichtsystem) (12) und/oder
Temperaturmelder (11), welche ebenfalls signaltechnisch mit dem Mikrocontroller-
System (13) und/oder der Brandmeldezentrale (15) zur Auswertung der im
Probevolumen ermittelten Meßsignale verbunden sind.
5. Verfahren zum Betrieb einer Brandmeldeeinrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch die einzelnen an den Streulichtempfängern (17, 18, 19) des
Streulichtmeßsystem (16) generierten Streulichtsignale an das Mikrocontroller-
System (13) übertragen werden und eine gleichzeitige gemeinsame Verarbeitung der
von einem oder mehreren zusätzlichen Gassensoren (9) oder einem Sensorarray
gelieferten und ebenfalls an den Mikrocontroller (13) übertragenen Meßwerte zu
einem Summensignal (27) stattfindet, und anschließend ein Vergleich des derart
erzeugten Summensignals mit vorparametrierten abgespeicherten Schwellwerten
(29) erfolgt und wobei die Ergebnisse des Vergleichs die Entscheidungsgrundlage
zur Auslösung von Alarmsignalen oder/und von Alarmstufen bilden.
6. Verfahren nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
auch die von den zusätzlich angeordneten Brandmeldern (11, 12), wie dem
Ionisationsrauchmelder (12) und/oder dem Temperaturmelder (11) generierten
Meßgrößen in die Bewertung des Summensignals(27) einbezogen werden
7. Verfahren nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Bewertung der von den verschiedenen zusätzlich angeordneten
Brandmeldern (24, 25, 26) gelieferten Meßgrößen
durch Vergleich von in einer Datenbanken (28) gespeicherten Bewertungsoperatoren
erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswahl der anzusteuernden Alarmstufen von der oder den Meßgrößen der
einzelnen Brandmelder (11, 12, 24, 25, 26), dem Summensignal des
Streulichtmeßsystems (13) und dem Gesamtsummensignal (27) erfolgt
und in Abhängigkeit der örtlichen Gegebenheiten des Überwachungsbereichs oder
dem spezifischen Einsatzzweck einstellbar ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswertung der Meßgrößen der einzelnen Detektoren zu einer
Brandverlaufsanalyse verknüpft und deren Ergebnisse, z. B. an (15, 38), angezeigt
werden.
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