DE102009011846B4

DE102009011846B4 - Analyseverfahren und -geräte für Fluide

Info

Publication number: DE102009011846B4
Application number: DE102009011846.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Dantler
Original assignee: MaxDeTec AG
Current assignee: MAXDETEC AG, CH
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: DE102009011846A1; EP2404152A2; US20110314902A1; WO2010100549A3; US8813540B2; WO2010100549A2

Abstract

Verfahren zur Analyse von in einem Fluid verteilten Partikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften, wobei die zu analysierenden Zielpartikel getrennt werden von den nicht zu analysierenden Restpartikeln und ausschliesslich die Zielpartikel mit einem ersten Teilstrom des Fluids einer Messkammer zugeführt werden, in der die gewünschte Analyse erfolgt, und die Restpartikel im zweiten Teilstrom, dem Rest des Fluids, verbleiben, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Fluids zur Kühlung von strahlungsabgebenden und/oder strahlungsempfangenden Komponenten in der Messkammer dient.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf neuartige Verfahren für Mess- und Analysegeräte, die in einem Fluid, also einem Gas, Gasgemisch, z. B. Luft, oder in einer Flüssigkeit Verunreinigungen bzw. Partikel messen. Die Erfindung bezieht sich auch auf entsprechende Mess- und Analysegeräte. Einerseits betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zur Partikeltrennung, wobei in einem Gas oder einer Flüssigkeit, die ein Partikelgemisch enthalten, Zielpartikel mit vorbestimmten Eigenschaften von Restpartikeln getrennt werden. Die Zielpartikel selbst werden analysiert bzw. gemessen. Neben der Partikeltrennung erlaubt eine neuartige Kühlung den Einsatz von Strahlenquellen mit sehr hoher Leistung, wie es für die Messung von wenigen Partikeln bzw. von kleinsten Verunreinigungen notwendig ist. Dazu erlaubt ein erweiterter elektrischer Messbereich die Bestimmung von kleinen, aber auch von größeren Vorkommen an Partikeln und Verunreinigungen. Zusätzlich vereinfacht eine neuartige Benutzer-Schnittstelle die Inbetriebnahme solcher Geräte.
Hintergrund und Stand der Technik
Es gibt eine Reihe von Problemen bei den derzeit existierenden Mess- und Analysegeräten für Verunreinigungen bzw. Partikel in einem Fluid, d. h. einem Gas, Gasgemisch oder einer Flüssigkeit und den entsprechenden Mess- und Analyseverfahren.
Ein erster Problemkreis betrifft die Partikeltrennung oder Partikelseparierung. Bei verschiedenen Anwendungen sind z. B. nur Partikel mit einer gewissen Größe von Bedeutung und nur diese sollen in eine Messkammer gelangen, d. h. das eingangs vorhandene Partikelgemisch muss nach bestimmten Partikeleigenschaften getrennt werden. Diese Partikelseparierung erweist sich als schwierig, insbesondere wenn es sich um Gemische mikroskopisch kleiner Partikel handelt. Dies sei an einigen Beispielen erläutert.
Ein häufig bei industriellen, technischen aber auch biologischen oder medizinischen Untersuchungen, z. B. in der Diagnostik, auftretende Aufgabe besteht in der Trennung von Gasen oder Suspensionsgemischen durch Verteilung oder Sortierung von Mikropartikeln aus einer großen Ausgangsmenge in bestimmte Gruppen mit jeweils den gleichen Eigenschaften. Gelingt es, mittels einer Partikeltrennung bzw. Partikelseparierung nur die gewünschten Zielpartikel der Messkammer bzw. dem Messbereich zuzuführen, so hat dies folgende Vorteile:

1. Erhöhung der Betriebssicherheit des Geräts aufgrund weniger bzw. keiner Fehlmessungen durch Partikel, welche nicht den Zielpartikeln entsprechen.
2. Verlängerung der Gerätelebensdauer wegen der geringeren bzw. verhinderten Verschmutzung der optischen Mess-/Analyse-Einrichtung durch größere Partikeln.
3. Vereinfachung des Geräts, da Schutzkomponenten, z. B. Filter, oder Messkomponenten, welche die größeren Partikel messen, entfallen können.

In einem beispielhaften Anwendungsfall sei die Detektion und Messung von kleinsten Mengen an Brandaerosolpartikeln betrachtet, wie diese in sogenannten Ansaugrauchmelden (ARM, Aspirating Smoke Detector, ASD) vorkommt. Hier wird Luft des zu überwachenden Raums über ein Rohrsystem angesaugt. Dieses Rohrsystem besteht aus einem oder auch mehreren Rohren und ist in der Gesamtlänge meistens zwischen 10 und 200 m lang. Es hat im Abstand von ca. 4 m Ansaugöffnungen von einem Durchmesser von ca. 2–6 mm. Damit kann z. B. eine Lagerhalle, ein IT Rechenzentrum, ein Fertigungsbereich oder eine elektrische Schaltanlagen, etc. überwacht werden. Die Messkammer im Gerät misst dann das Vorkommen von Brandaerosolpartikeln und gibt bei Erreichen eines bestimmten, vorher eingestellten Wertes Alarm.
Brandaerosolpartikel haben eine Größe von ca. 0,01–10 μm (Mikrometern). Kleinere Partikel wären z. B. Viren und größere Staub. Um bereits kleinste Mengen von Brandaerosolpartikeln detektieren zu können, wird eine hochempfindliche Messkammer benötigt. Hier wird eine Strahlung, z. B. Licht von einer Lichtquelle, in einen Detektionsbereich abgegeben. Befinden sich nun in diesem Bereich solche kleinen Brandaerosolpartikel, so streuen diese das Licht. Dieses Effekt verursacht auf einem photoelektrischen Sensor entweder eine Lichttrübung (Transmissionsmessung), weil dann weniger Licht auftritt, oder durch die Lichtstreuung gelangt erst Licht auf den Sensor (Reflexionsmessung). Mit einem dieser beiden Prinzipien werden die feinen Partikel festgestellt. Als Strahlungsquelle kann eine lichtemittierende Diode (LED), eine Laserdiode (LD), eine Xenon-Lampe oder dergleichen verwendet werden. In der Messkammer können sich noch andere Bauteile, z. B. optische Linsen, ein oder mehrere photoelektrischer Sensoren und/oder auch eine Verstärkerschaltung befinden.
Eine andere Möglichkeit der Detektion von Brandaerosolpartikeln besteht in der Verwendung einer Ionisationskammer.
Ein Brandmelder mit einer solchen Ionisationskammer ist im US-Patent 4 035 788 A von L. G. Barr beschrieben. Dort erfolgt die Partikelseparierung aerodynamisch, wobei nur Brandaerosolpartikel von weniger als 5 μm extrahiert werden und deren Konzentration untersucht wird, da diese indikativ für einen entstehenden Brand ist. Die Messung der Konzentration erfolgt in einer Ionisationskammer. Eine zweite Ionisationskammer dient als Vergleichsnormal. Abgesehen von dem bei diesem Verfahren zur Ionisation benutzten radioaktiven Material, was aus Sicherheitsgründen vermieden werden sollte, ist eine Kühlung der Messeinrichtung nicht angesprochen.
Ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zur aerodynamischen Partikelseparierung in einem Brandmelder, d. h. der Trennung der zu untersuchenden Partikel von den ”Restpartikeln”, ist in der veröffentlichten US Patentanmeldung US 2009/0025453 A1 von B. R. Griffith et al. beschrieben. Dort erfolgt die Partikeltrennung strömungstechnisch, indem die einströmende Luft beschleunigt wird, wobei die kleineren Aerosolpartikel abgelenkt und einer Messkammer zugeführt werden, wo ihre Konzentration bestimmt wird. und ggf. ein Alarmsignal erzeugt wird. Eine Kühlung oder Wärmeabfuhr von Komponenten dieses Brandmelders ist nicht angesprochen.
Auch im veröffentlichten europäischen Patent EP 0 015 991 B1 von R. L. Chuan sind eine Methode zur Erkennung eines beginnenden Feuers und ein entsprechender Brand- oder Rauchmelder beschrieben. Dabei werden die Konzentrationen von mindestens zwei Partikelgruppen unterschiedlicher Grösse gemessen und aus dem Vergleich dieser Konzentrationen ein Indikator für ein beginnendes Feuer ermittelt. Kühlung oder Wärmeabfuhr von Komponenten des entsprechenden Brandmelders bzw. der Messeinrichtung im Brandmelder sind nicht angesprochen.
Es zeigt sich, dass der genannte Stand der Technik das Problem der Kühlung von Komponenten eines Brand- oder Rauchmelders in keinem Fall auch nur angesprochen, geschweige denn eine Lösung dafür gezeigt hat. Die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung des Kühlungsproblems bei einer Partikel-Analyseanordnung besteht kurz gesagt darin, für diese Kühlung einen Teilstrom des wegen der strömungstechnisch durchgeführten Partikeltrennung sowieso in Bewegung befindlichen Fluids zu verwenden, womit eine dauernde und zuverlässige Wärmeabfuhr praktisch ohne zusätzlichem Aufwand gewährleistet wird. Damit verbessert die vorliegende Erfindung nicht nur die Empfindlichkeit eines entsprechend gestalten Brand- oder Rauchmelders, sondern sie bewirkt auch einige weitere Vorteile, die keinewegs naheliegend sind und die nachfolgend erörtert werden.
Es sei noch erläutert, dass hier unter ”Partikelseparierung” die Trennung der Partikel nach vorgegebenen Partikeleigenschaften verstanden wird, wobei auch die getrennten Partikel prinzipiell im Fluid, d. h. in getrennten Volumina des Fluids verbleiben. Demgegenüber sei hier unter ”Partikelabscheidung” die Entfernung der ungewünschten Partikel aus dem Fluid verstanden.
Ein Verfahren ist die Sedimention durch Schwerkraft, Fliehkraft oder Umlenkung, wie es z. B. bei Zyklonen zum Einsatz kommt. Hier sind die Geräte relativ groß und meist aufwendig zu fertigen, was die Verwendung als Wand- oder Tischgeräte limitiert. Zusätzlich ist die Partikelabscheidung in gewissen Anwendungsfällen und speziell bei Größen im Mikrometerbereich nicht gut genug. Das Problem liegt hier im Prinzip, da eine Abscheidung von Partikeln für die Messung nicht notwendig ist. Es dürfen diese bzw. bestimmte Partikel nicht in den Messbereicht gelangen, jedoch dürfen diese in einem Strom außerhalb des Messbereichs verbleiben. Diese Geräte beabsichtigen, die Partikel aus einem Gas abzuscheiden und somit wäre anschließend das gesamte Fluid frei von diesen Verunreinigungen. Bis heute wurde jedoch übersehen, dass dies für die hier angeführten Anwendungsfälle gar nicht notwendig ist. Grössere Partikel können im Hauptstrom verbleiben. Es reicht aus, wenn vom Fluid nur eine kleine Menge abgezweigt wird, die ohne Verunreinigungen ist. Eine Partikelabscheidung bzw. -ausscheidung ist gar nicht notwendig und damit entfällt z. B. das Entleeren und Reinigen des Zyklons, Filteraustausch etc.
Bei einer elektrostatischen Abscheidung werden die Partikel elektrostatisch aufgeladen und in einem elektrischen Feld abgelenkt. Nachteile sind hier die zusätzlich notwendigen, elektrischen Bauteile und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit dieser Variante, die ihren Einsatz begrenzt.
Bei einer Partikelabscheidung durch Filter, z. B. Filtermatten, Gewebefilter etc., werden größere Partikel beim Eindringen in das Gerät bzw. in die Messkammer zurückgehalten. Ein Nachteil solcher Filter ist aber, dass sie einen Druckabfall verursachen. Die Ansaugvorrichtung, z. B. ein Lüfter, muss daher entsprechend leistungsfähiger ausgelegt sein, was wiederum einen höheren Energiebedarf nach sich zieht. Ein weiterer und viel gravierenderer Nachteil dieser Filter ist aber, dass sie sich während des Betriebs mehr und mehr zusetzen mit den zurückgehaltenen Partikeln. M. a. W., es können immer weniger der zu messenden Zielpartikel den Filter passieren. Im Extremfall verhindert ein verstopfter Filter, dass die gewünschten Zielpartikel überhaupt in den Messbereich gelangen. Bei einem Brandmelder, wie oben beschrieben, können dann die Brandaerosolpartikel, welche eigentlich gemessen werden sollen, nicht mehr in die Messkammer strömen. Im Gefahrenfall würde solch ein Gerät nur unzureichend oder gar nichts detektieren, d. h. der Brandmelder würde nichts melden. Dies erfordert einen regelmäßigen Filtertausch, da ein Verstopfen des Filters und damit die Blackade der Zuströmung in die Messkammer nicht vorhergesagt werden kann.
Als weitere Möglichkeit kann das Vorkommen von unerwünschten, z. B. grösseren Partikeln auch mittels eines zusätzlichen beispielsweise optischen Messverfahren bestimmt werden. Nachteilig ist hier, dass die Messkammer speziell durch die größeren Partikel verschmutzt wird, mehr elektrische Komponenten benötigt werden und die Einstellung und Kalibrierung des Geräts mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist.
Alternativ kann auch das Verschmutzen der Messkammer akzeptiert werden und elektrische oder elektronische Massnahmen zur Korrektur der Messergebnisse benutzt werden. Wenn die Messoptik im laufenden Betrieb Partikel aufnimmt, d. h. verstaubt, reduziert sich ihre Empfindlichkeit. Um dies zu kompensieren, wird elektronisch die Empfindlichkeit des Messystems korrigiert bzw. nachjustiert. Dieses elektronische Nachjustieren wird ”Driftkompensation” genannt. Beispielsweise wird mit der Zeit das Ansprechverhalten sensibler gestaltet, da man davon ausgeht, dass die optischen Bauteile(Schmutz-)Partikel aufnehmen, womit weniger Licht in die Messkammer und auf den Messsensor gelangt. Ob nun tatsächlich eine Verschmutzung entsteht oder ob diese stärker oder geringer ist, ist für die sozusagen ”geplante”, d. h. voreingestellte Kompensation unerheblich. Daraus resultiert aber der gravierende Nachteil dieser ”Driftkompensation”, nämlich dass das Messverhalten und damit auch das Ansprechverhalten des Geräts, z. B. des Brandmelders, sich im Laufe des Betriebs verändert und diese Veränderung nicht mit der tatsächlichen Empfindlichkeit bzw. dem Verschmutzungsgrad korreliert.
Einige der genannten Verfahren sind am Beispiel eines Brandmelders in der veröffentlichten Patentanmeldung WO 2005/043479 A1 beschrieben.
Dort wird z. B. ein Verfahren beschrieben, wie eine Unterscheidung der Partikel nach deren Größe erfolgen kann.
Ein zweiter Problemkreis betrifft die Partikelablagerungen in der Messkammer, insbesonder auf den zur Messung dienenden optischen oder elektronischen Einrichtungen. Diese Einrichtungen befinden sich in einem Bereich, der vom Medium, d. h. dem Gas oder der Flüssigkeit, durchströmt wird. Sobald nun zusätzliche Teile bzw. die dafür notwendige Öffnungen in die Messkammer oder den Strömungsbereich eingefügt werden, z. B. Linsen, Sensoren, Strahlungsquellen, etc., entstehen Unebenheiten wie Fugen, Öffnungen für die Strahlungsquelle bzw. den Sensor. Diese resultieren in Verwirbelungen des strömenden Mediums, was wiederum zu Ablagerungen von Partikeln an meist unerwünschten Stellen führt.
Entstehen solche Ablagerungen auf den optischen Komponenten, insbesondere an oder auf der Strahlungsquelle, so hat dies hat zur Folge, dass weniger von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in den Messbereich gelangt. Dies alleine schon verzerrt die Messung. Gleiches gilt für den Sensor. Schlagen sich auf seiner Oberfläche oder der seiner Komponenten, z. B. Linsen, Partikel nieder, so reduziert sich sein Empfindlichkeit und damit sein Vermögen, korrket Messungen zu ermöglichen. M. a. W., eine Partikelablagerung verhindert die angestrebte einwandfreie und genaue Analyse und Messung.
Eine bekannte Methode, um dies zu verhindern, ist es, mittels eines separäten vorgeschalteten Feinfilters praktisch alle Partikel, inklusive der Zielpartikel, aus dem Medium zu filtern und damit quasi ein reines Fluid zu erzeugen. Dieses strömt dann sowohl über die Strahlungsquelle als auch über den Sensor; es verhindert, dass sich auf diesen beiden Teilen bzw. in deren Bereichen Partikel niederschlagen. Später gelangt dieses reine Gas wieder in den Hauptstrom. Die Nachteile eines Filters wurden schon vorher dargelegt. Sein Verschmutzungs- und Verstopfungsgrad kann nicht bestimmt werden und somit auch nicht, wann der Filter verstopft und damit die Gas-/Luftzufuhr in die Messkammer reduziert bzw. blockiert ist. Die Folgen können z. B. bei einem Brandmelder fatal sein, wenn eine Brandgefahr zu spät oder gar nicht detektiert wird.
Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gesetzt, die o. g. Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen in Bezug auf den ersten Problemkreis zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch Massnahmen und Vorrichtungen gelöst, wie sie in den Patentansprüchen definiert sind, wobei vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sich insbesondere aus den abhängigen Patentansprüchen ergeben.
Die nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemässen Partikelseparierungen sind verbesserte Trennverfahren, die sich durch einen hohen Durchsatz, eine hohe Trennschärfe und eine kostengünstige Fertigung auszeichnen und die Nachteile der oben angeführten heutigen Verfahren vermeiden. Gleiches gilt für die offenbarten Trennvorrichtungen zur Implementierung derartiger Verfahren.
Mit der erfindungsgemässen Partikelseparierung wird weiterhin auch das o. g. Problem der Ablagerungen in der Messkammer, insbesondere auf den zur Messung dienenden optischen oder elektronischen Einrichtungen, beseitigt oder zumindest vermindert. Durch die Separierung wird allgemein der Partikelgehalt des zu messenden Mediums vermindert, wodurch generell das Eindringen von größeren Partikeln in den Messbereich verhindert und das Verschmutzen der Bauteile wie die Strahlungsquelle und/oder des Sensors reduziert wird. Die sich möglicherweise dennoch ablagernden, kleineren Zielpartikel stellen eine wesentlich geringere Beeinträchtigung dar.
Ein dritter Problemkreis bei den hier diskutierten Mess- und Analyseverfahren und -geräten betrifft die Licht- oder Strahlungsquelle, die in oder an der Messkammer angeordnet ist und mit deren Hilfe die eigentliche Messung durchgeführt wird. Diese Strahlungsquelle muss eine entsprechende Leistung abgeben, beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich abstrahlen, um die Detektion und Messung von kleinsten Mengen sehr kleiner Partikel zu ermöglichen. Das Problem ist hierbei, dass die Strahlungsquelle eine hohe Strahlungsleistung erbringen muss und dies möglichst konstant über eine möglichst lange Lebensdauer. Dazu ist der Betrieb in einem entsprechenden, engen und meist niedrigen Temperaturband essentiell. Nur so kann gewährleistet werden, dass die maximal mögliche Lebensdauer erreicht wird.
Hierfür werden heutzutage folgende, beispielhaft beschriebene Methoden verwendet.
Es werden Kühlkörper so angeordnet, dass die von der Licht- oder Strahlungsquelle erzeugte Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Hierbei ist natürlich ein entsprechender Kühlkörper notwendig, welcher wiederum im Gerät oder außerhalb platziert werden muss. Dies erfordert einerseits baulichen Aufwand, andererseits macht es das Gerät unhandlicher.
Die Licht- oder Strahlungsquelle wird pulsiert betrieben, z. B. mit 1 Hz oder weniger. Damit erzeugt die Lichtquelle weniger Wärme und die Kühlleistung kann reduziert werden. Allerdings ist damit eine kontinuierliche Messung unmöglich, insbesondere sind einzelne Spitzenwerte nicht erfassbar.
Die Strahlungsquelle wird zur Kühlung im Fluidstrom platziert. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, dass Partikel, welche sich im Fluidstrom befinden, sich an der Strahlungsquelle niederschlagen können. Dies wiederum verringert die abgegebene Strahlungsleistung, welche in die Messkammer abgestrahlt werden kann. Sollte hingegen die Strahlungsquelle in einem Bereich mit verringertem Fluidstrom platziert werden, so kann die Kühlleistung nicht ausreichen, womit sich wiederum die Lebensdauer der Strahlungsquelle verringert.
Schliesslich kann eine Strahlungsquelle mit reduzierter Leistung verwendet werden. Damit wird jedoch das Mess- und Detektionsvermögen des Geräts reduziert.
Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gesetzt, die o. g. Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen auch in Bezug auf den dritten Problemkreis zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch Massnahmen und Vorrichtungen gelöst, wie sie in den Patentansprüchen definiert sind, wobei vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sich insbesondere aus den abhängigen Patentansprüchen ergeben.
So ist die hier aufgezeigte, erfindungsgemässe Anordnung der Kühleinrichtung für die Strahlungsquelle für Mess- und Analysegeräte geeignet, die genannten Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und eine konstante, hohe Strahlungsleistung über einen langen Zeitraum aufrecht zu erhalten. Sie zeichnet sich auch durch eine einfache Konstruktion und damit kostengünstige Fertigung aus.
Ein vierter Problemkreis betrifft die Grösse oder Bandbreite des elektrischen Messbereichs von Mess- und Analysegeräten der hier beschriebenen Art. Bei der Messung von kleinsten Partikelmengen an z. B. Brandaerosolpartikeln, gibt eine Strahlungsquelle, z. B. eine LED, Laserdiode (LD), Xenon-Lampe, etc., ihre Strahlung in einen Messbereich ab. Ein hochempfindlicher photoelektrischer Sensor mit einer elektrischen Verstärkerschaltung misst anschließend die Strahlungstrübung oder die Strahlungsreflexion, hervorgerufen von Partikeln, welche sich im Medium in der Messkammer befinden. Die Signalverstärkung erfolgt in der Regel über mehrere hintereinandergeschaltete Transistoren (Darlingtonschaltungen) bzw. Operationsverstärkern.
Damit bereits kleine Mengen an sehr kleinen Partikel feststellbar sind, muss im mindestens eine, meist mehrere der folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

1. Ein Messsystem mit einem sehr hohen Signal/Rausch-Verhältnis (S/N-Ratio);
2. eine Strahlungsquelle mit der erforderlichen Strahlungsleistung;
3. eine grosse Verstärkung des Sensor-Ausgangssignals, um ein für die Auswerteschaltung verarbeitbares Signal bereitzustellen, z. B. für eine Anzeige.

Der Nachteil dieser Charakteristik ist jedoch, dass zwar kleinste Mengen an Partikeln mit einer sehr hohen Auflösung gemessen werden können, aber der elektrische Messbereich ist dafür sehr klein. In bestimmten Anwendungsfallen will man aber nicht nur kleinste Mengen an Partikeln messen, sondern zusätzlich auch ein erhöhtes Aufkommen. Dort versagt dann die Messeinrichtung, da der elektrische Messbereich überschritten wird.
Die EP 0733894 A2 zeigt eine mögliche Lösung für dieses Problem. Bei dieser Lösung verringert ein Sensor den der Lichtquelle zugeführten Treiberstrom, um damit die Empfindlichkeit des Geräts auf ein niedrigeres Niveau einzustellen. Der Nachteil ist hier, dass diese Steuerung kompliziert und nicht unbedingt linear ist, denn von der Ansteuerung der Lichtquelle bis hin zum Sensor, welcher das Signal aufnimmt befinden sich zu viele Komponenten, welche mit ihren Toleranzen, Alterungen etc., ein lineares Messergebnis negativ beeinträchtigen.
Eine andere Möglichkeit die zum Einsatz kommt ist, die Verstärkung eines oder mehreren hintereinander geschalteten Verstärkern zu verändern. So kann z. B. mittels eines Schalters von einem Verstärkungswert auf einen anderen umgeschalten. Da bei vielen Verstärkern Widerstandswerte die Verstärkung bestimmen, kann man mittels z. B. mechanischen Schalter von einem Widerstandwert auf einen anderen umschalten und damit die Verstärkung der Schaltung ändern. Diese kann somit erhöht oder auch verringert werden. Der Nachteil ist hier, dass umgeschalten werden muss, entweder manuell oder elektronisch, wobei letzteres wiederum zusätzliche Bauteile erfordert.
Auch hier liefert die vorliegende Erfindung eine Lösung; diese sind in den Patentansprüchen definiert, wobei vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sich insbesondere aus den abhängigen Patentansprüchen ergeben.
Die aufgezeigte, erfindungsgemässe Schaltung, die das Ausgangssignal des Sensors verstärkt, hat einen sehr grossen Verstärkungsbereich ohne eine manuelle Umschaltung zu erfordern und erlaubt eine automatische Anzeige einer sehr grossen Bandbreite von Messwerten. Dabei zeichnet sie sich durch eine einfache Struktur und damit kostengünstige Fertigung aus.
Als fünfter Problemkreis in Verbindung mit Analyse- und Messgeräten der genannten Art ist die Schnittstelle für die Grundeinstellung und die Inbetriebnahme eines solchen Geräts, insbesondere eines Brandmelders. Es bedarf keiner besonderen Fantasie, dass die Fehleinstellung eines Brandmelders katastrophale Folgen haben kann.
Wie bereits beschrieben, kommen für die Detektion und Messung von Verunreinigungen in Luft oder anderen Gasen Geräte zum Einsatz, die über ein Rohrleitungssystem mittels einer Ansaugvorrichtung Proben ansaugt, diese einer Messkammer zuführen und dort auswertet. Das Rohrleitungssystem ist i. d. R. zwischen 10 und 200 m lang und hat meist mehrere Ansaugöffnungen, häufig mit einem Öffnungsdurchmesser von 2–6 mm. Die Geräte für die Detektion von Brandaerosolen werden Ansaugrauchmelder (ARM oder ASD für Aspirating Smoke Detector) genannt und sind weit verbreitet.
Diese Geräte müssen vor Ort eingestellt werden und diese Einstellung bzw. Inbetriebnahme ist kompliziert, fehleranfällig und eine Fehleinstellung kann, wie erwähnt, katastrophale Folgen haben.
Es ist Stand der Technik bei der Inbetriebnahme von Ansaugrauchmeldern die Empfindlichkeit der Messkammer bzw. deren Auswerteelektronik in %-Lichttrübung/m eingestellt. Z. B. wird oft 0,5%-Lichttrübung/m am Gerät bei der Auslieferung eingestellt. Für die Inbetriebnahme vor Ort muss der erforderliche Einstellungswert bestimmt und die Einstellung korrgiert werden. Dieser selbst sagt jedoch nichts aus, ob die Geräteeinstellung eine normale, hohe oder höchste Empfindlichkeit ist und wie rasch z. B. eine Brandgefahr detektiert wird.
Bei der Einstellung muss ein Techniker vor Ort zuerst den gewünschten Zielwert je Ansaugöffnung bestimmen. Will man ein Ansprechverhalten erzielen, welches vergleichbar mit einem herkömmlichen Punktmelder ist, so wird z. B. 5%-Lichttrübung/m gewählt. Diesen Wert muss der Techniker entweder auswendig wissen oder nachschlagen bzw. nachfragen.
Im Brandfall gelangt im ungünstigsten Fall nur in eine einzige Ansaugöffnung Rauch mit Brandaerosolen, in alle anderen Ansaugöffnungen gelangt nach wie vor nur (reine) Luft ohne Brandaerosole. Hat nun das Rohrsystem eine bestimmte Anzahl an Ansaugöffnungen, so ist der gewünschte Zielwert je Ansaugöffnung durch Anzahl der Ansaugöffnungen zu dividieren. Das Ergebnis der Division ist anschließend am Gerät einzustellen. Hat z. B. ein Rohrsystem 6 Ansaugöffnungen und der Zielwert je Ansaugöffnung ist 5% Lichttrübung/m, so errechnet man den Wert von 0,83% Lichttrübung/m, nämlich 5%:6 = 0,83%. Dieser Wert muss bei der Messkammer bzw. deren Auswerteelektronik eingestellt werden. Verursachen nun Brandaerosole eine Lichttrübung von 0,83% Lichttrübung/m in der Messkammer, so löst das Gerät einen Alarm aus.
Diese Form der Einstellung, wie sie bei praktisch allen am Markt verfügbaren Geräten zu erfolgen hat, erfordert eine Rechnung, die zwar nicht sehr kompliziert ist, bei der aber leicht Fehler passieren können. Die fatalen Folgen wurden oben schon erwähnt.
Auch hier liefert die vorliegende Erfindung eine einfache und praktikable Lösung, indem sie eine Anordnung vorschlägt, bei der nur noch die Anzahl der Ansauglöcher eingegeben werden muss. Dieser einfache Vorgang ist kaum fehleranfällig und führt daher zu einer weitestgehend sicheren Inbetriebnahme insbesondere von Brandmeldern (Ansaugrauchmeldern).
Einzelheiten der Erfindung sind den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen zu entnehmen.
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden die verschiedenen Aspekte der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen, die auch in den dazugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, im Detail erläutert. Auf den Zeichnungen zeigen:
1 ein Brandmeldesystem im Grundaufbau;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Partikeltrennung;
3a–3c weitere Ausführungsbeispiele für eine Partikeltrennung, wobei 3a eine Draufsicht und die 3b und 3c schematische Ansichten zweier Ausführungsformen zeigen;
4 ein Beispiel für eine gekühlte Strahlungsquelle;
5 ein Beispiel für die Anordnung von Abschirmungen;
6 ein Beispiel für eine Mehrbereichs-Verstärkerschaltung;
7 eine Tabelle der erzielbaren Verstärkungsfaktoren;
8a–8b zwei Ausführungsbeispiele für Einstellvorrichtungen; und
9 eine Tabelle zur Berechnung der Grundeinstellung eines Brandmelders.
Die nachfolgend beschriebene Partikelseparierung ist ein verbessertes Verfahren, das sich durch einen hohen Durchsatz, eine hohe Trennschärfe und eine kostengünstige Fertigung auszeichnet und dabei die Nachteile der oben angeführten, bekannten Verfahren nicht aufweist.
Die Grundidee besteht darin, vorab eine Partikeltrennung in einem Gas- bzw. Luftsystem in der Weise durchzuführen, dass nur die gewünschten Zielpartikel in die eigentliche Messkammer gelangen.
1 zeigt als Beispiel ein Brandmeldesystem. Dort wird die Partikeltrennung erreicht, indem die Luft von einem Rohrleitungssystem 11 aufgenommen wird und in das Brandmeldegerät 12 einströmt. Das Rohrleitungssystem 11 besteht aus einem oder mehreren Rohren und jedes davon hat zumindest eine, meist mehrere Ansaugöffnungen 14. Ein Druckunterschied, welcher von einer Ansaugvorrichtung, z. B. einem Lüfter 13, erzeugt wird, verursacht das Einströmen der Luft, die somit von den Ansaugöffnungen über das Rohrleitungssystem zum Brandmeldegerät 12. In letzterem befindet sich eine Abzweigkammer 24. Dieses separiert die Partikel in der angesaugten Luft und nur jener Teil mit den gewünschten Zielpartikeln gelangt zur Messkammer 15. Diese misst dann das Partikelvorkommen. Die Luft mit allen Partikeln verlässt das Brandmeldegerät 12 über den Gehäuseausgang 29. Am Gerät befindet sich eine Schnittstelle 16, welche z. B. Messdaten bzw. Statusinformationen darstellt, Einstellungs- bzw. Datenübertragungsmöglichkeiten anbietet, etc.
1 zeigt sozusagen den Grundaufbau. In 2 ist nun ein erstes Beispiel für das erfindungsgemässe Partikeltrennverfahren dargestellt, in dem die Partikelseparierung durch Beschleunigung erfolgt. Das Gerät hat eine Einlassöffnung 22 an dem das Rohrsystem (siehe 1) angeschlossen wird. Im Gerät selbst befindet sich eine sogenannte Abzweigkammer 24. Diese weist eine Eintrittsöffnung 25, eine Messkammerabzweigung 26 und eine Austrittsöffnung 27 auf.
Die Luft strömt von einem Rohr, dessen Ende die Eintrittsöffnung 25 in die Abzweigkammer 24 bildet, in letztere ein, wobei die Strömungsrichtung 23 in Richtung der Austrittsöffnung 27 beibehalten wird. Zwischen der Eintrittsöffnung 25 und der Austrittsöffnung 27 reduziert sich die Geschwindigkeit der Luft durch die Querschnittsvergrösserung auf einer sehr kurzen Wegstrecke. Anschließend wird jedoch der Querschnitt wieder kleiner, womit sich die Luftgeschwindigkeit wieder erhöht.
Die Messkammerabzweigung 26 liegt hingegen am anderen Ende der Abzweigkammer 24, d. h. entgegen der Luft-Strömungsrichtung. Der Austrittswinkel bei der Messkammerabzweigung kann in einem Winkel α von z. B. 90 Grand in Bezug auf die Strömungsrichtung erfolgen. Von dort wird der nun beruhigte Luftstrom 28 zur Messkammer 15 geleitet. Dieser Luftstrom ist viel kleiner als der an der Einlassöffnung 22.
Diese Konstruktion bewirkt, dass größere Partikel ihre Strömungsrichtung beibehalten und im Hauptstrom 21 verbleiben. Damit wird verhindert, dass sie die Messkammer erreichen. Zur Messkammerabzweigung 26 und in weiterer Folge in die Messkammer 15 gelangen somit nur die kleineren Zielpartikel.
In der Messkammer 15 befinden sich die Messelektronik und die dafür benötigten, z. B. optischen Komponenten. Nachdem die Zielpartikel die Messkammer durchströmt haben, gelangen diese zum Wiedervereinigungspunkt 20, wo sie mit dem Hauptstrom 21 wieder zusammentreffen. Gemeinsam gelangen diese dann zur Ansaugvorrichtung 13 und in weiterer Folge zum Gehäuseausgang 29.
Die Partikelseparierung wird im wesentlichen bestimmt durch folgende Faktoren:

– Form der Abzweigkammer
– Abstand, Verbreiterung und anschließender Verjüngung von der Eintrittsöffnung 25 bis zur Austrittsöffnung 27;
– Abstand von der Eintrittsöffnung 25 bis zur Messkammerabzweigung 26;
– Druckunterschied Δp zwischen der Eintrittsöffnung 25 und der Messkammerabzweigung 26.

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Vorrichtung ist die kostengünstige Herstellung der Abzweigkammer, da diese praktisch beliebige Formen aufweisen kann, sowohl rund als auch quadratisch bzw. rechteckig sein kann, was die Fertigung relativ einfach gestaltet.
Die 3a bis 3c zeigen ein zweites Beispiel für das erfindungsgemässe Partikeltrennverfahren. Hier erfolgt die Partikelseparierung durch Zentrifugalkräfte. In diesem Beispiel – wie auch im vorangehenden – kann das Medium eine Flüssigkeit, aber auch ein Gas oder Gasgemisch wie Luft, kurz ein Fluid sein.
Es ist bekannt, dass eine Partikelseparierung auch durch eine Rotationsbewegung und die damit verbundene Fliehkraft erzielt werden kann. Dabei wird das partikelhaltige Fluid durch geeignete Strömungsführung in eine Rotationsbewegung versetzt, wodurch auf die schwereren, meist grösseren Partikel Zentrifugalkräfte wirken, die eine Bewegung dieser Partikel radial nach außen zur Folge haben. Die größeren Partikel werden somit an den Rand gedrängt und in der Mitte des Fluids befinden sich die kleineren Partikel. Sogenannte Zyklone verwenden dieses Verfahren zur Abscheidung fester wie flüssiger Partikel.
Im vorliegenden Fall erfolgt jedoch keine Abscheidung der Partikel. Die größeren Partikeln verbleiben im Hauptstrom des Fluids und strömen später aus dem Gerät wieder aus. Es erfolgt eine Separierung und nur das Fluid mit den kleineren Partikeln gelangt in die Messkammer; später gelangt dieses Fluid wieder in den Hauptstrom und verlässt das Gerät.
Die Funktion des Geräts wird nun im Zusammenhang mit den 3a bis 3c erläutert. Ein Behälter 54, der die Abzweigkammer 50 darstellt, weist eine Einlauföffnung 53, eine Messkammerabzweigung 55 und einen unten liegende, sich verengende Austrittsöffnung mit einem sich anschliessenden Austrittskanal 62 (siehe 3b und 3c) auf.
In den Behälter strömt das Fluid 52 tangential über die Einlauföffnung 51, z. B. einen Schlitzeinlauf, ein. Durch die Anordnung des Einströmkanals und des Behälters zwingt man das Fluid nun in eine Kreisbahn 56, d. h. in eine Drehströmung. Generell werden sich dabei die schwereren Partikel, die meistens auch die grösseren sind, infolge der auf sie wirkenden Zentrifugalkräfte zur äußeren Wand des Behälters bewegen.
In der Mitte des Behälters befinden sich somit nur die kleineren, leichteren Partikel. Hier befindet sich nun auch die Abzweigung zur Messkammer. Dies besteht aus einem Rohr 68 mit einer Öffnung 64. Aufgrund des vorhandenen Druckunterschieds strömt nun eine kleine Menge des Fluids 65 durch die Messkammerabzweigung und gelangt in weiterer Folge in eine Messkammer 15. Dort wird die Menge bzw. Anzahl der kleineren bzw. leichteren Zielpartikel gemessen. Schwerere Partikel gelangen nicht in die Messkammer. Der Fluid-Hauptstrom 63 mit den schwereren Partikeln strömt nach unten. Dort weist der Behälter einen sich verengenden Austrittskanal 62 auf, in der sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids erhöht.
Der Behälter 60 kann einerseits zylindrisch sein, wie in 3b gezeigt. Andererseits kann auch ein konischer Behälter verwendet werden, wie er in 3c dargestellt ist. Natürlich sind auch Mischformen möglich. Weist der Behälter die in 3c gezeigte konische Form mit Winkel β auf, so verkleinert sich der Radius 71 in Richtung der Strömung 63, was wiederum eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids mit den Partikeln zur Folge hat. Vorteilhafterweise erhöhen sich dabei die Zentrifugalkräfte. Beim Einlauf ist auch ein sogenannter Spiraleinlauf möglich. Sollte der Fluid senkrecht zur Austrittsöffnung zuströmen, so kann auch ein sogenannter, herkömmlicher Wendeleinlauf verwendet werden.
In diesem Fall wird die Partikelseparierung im wesentlichen bestimmt durch folgende Faktoren:

– Durchmesser und Höhe des Behälters
– Behälterform
– Rohrlänge der Messkammerabzweigung
– Öffnungsquerschnitt bzw. Durchmesser des Rohrs der Messkammerabzweigung
– Druckunterschied Δp zwischen der Öffnung des Rohrs der Messkammerabzweigung und dem Fluid-Hauptstrom
– Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Behälter

Der oben bereits angesprochene dritte Problemkreis bei den hier diskutierten Mess- und Analyseverfahren und -geräten betrifft die in oder an der Messkammer angeordnete Licht- oder Strahlungsquelle. Dabei ist einerseits die notwendige Kühlung zu betrachten, andererseits die im Betrieb auftretende Verschmutzung durch Ablagerung von Partikeln. Beides beeinflusst die Leistung der Strahlungsquelle und damit die Genauigkeit der Messung bzw. Analyse.
Die 4 und 5 zeigen beispielhaft eine Lösung, die die eingangs genannten Nachteile vermeidet.
4 zeigt drei Ansichten einer auf einer Platte, z. B. einer Leiterplatte 80, angeordneten Lichtquelle, hier eine LED 81. Diese Leiterplatte mit der LED ist in der 4 in der Vorderansicht 80a, Seitenansicht 80b und in der Rückansicht 80c dargestellt. Die Referenznummern sind in 5 wiederholt.
Dabei fungiert die Unterseite der Leiterplatte 80 als Kühlkörper und ist aus diesem Grund mit einem temperaturleitenden Material 82 beschichtet. Eine temperaturleitende Durchkontaktierung 83 ermöglicht den Wärmefluss von der Lichtquelle zum temperaturleitenden Material 82. Damit gelangt die Wärme der Lichtquelle zur Rückseite der Leiterplatte und kann von dort ab-/weitergeleitet werden.
Um die Wärmeableitung zu optimieren, wird die Rückseite der Leiterplatte 80 – jene mit dem temperaturleitenden Material 82 – im Hauptstrom 86 des Mediums bzw. Fluids platziert. Damit wird die Wärmeabgabe und die Kühlung der Lichtquelle deutlich verbessert.
Wie in 5 gezeigt, gibt die Strahlungsquelle 81 ihre Strahlung durch eine Öffnung 84 in die Messkammer 15 ab. Durch z. B. Strahlungstrübung oder -reflexionen, hervorgerufen durch präsente Partikel, kann deren Existenz im Medium bzw. Fluid nachgewiesen und gemessen werden. Dies erfolgt mittels eines Sensors 85a zur Messung von Strahlungsreflexionen und/oder eines Sensors 85b zur Messung der Strahlungstrübung, d. h. zur Transmissionsmessung.
Um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, muss eine Fluidströmung 86 vorhanden sein. Sollte diese ausfallen – weil z. B. die Ansaugvorrichtung 13 defekt ist – so würde das die Lebensdauer der Strahlungsquelle negativ beeinträchtigen. Somit muss die Strömung bzw. die Ansaugvorrichtung überwacht werden. Dies erfolgt mittels einer Überwachungsschaltung 87. Solange die Ansaugvorrichtung läuft und einen entsprechenden Fluidstrom erzeugt, gibt diese den Treiberstrom für die Lichtquelle frei. Sollte die Ansaugvorrichtung ausfallen oder ihre Leistung reduziert werden, sperrt bzw. reduziert die Überwachungsschaltung den Treiberstrom. Eine Überhitzung der Strahlungsquelle 81 wird damit verhindert. Die Überwachungsschaltung kann diesen Zustand an einer lokalen Anzeige darstellen bzw. diese Information an eine externe Anzeige übertragen.
Das oben bereits angesprochene Problem der Partikelablagerung, das ja einerseits schon durch die beschriebene Partikelseparierung wesentlich vermindert, wenn nicht gar vermieden wird, kann durch weitere Massnahmen reduziert werden.
In 5 sind eine Reihe von strahlungs- bzw. lichtdurchlässigen Abschirmungen 88, 88a und 88b angeordnet. Abschirmung 88 befindet sich direkt vor der Strahlungsquelle 81; die Abschirmung 88a vor dem Sensor 85a für die Reflexionsmessung und die Abschirmung 88b vor dem Sensor 85b für die Transmissionsmessung. Die Abschirmungen sind durch die Halterungen 90, 90a und 90b fixiert. Die Abschirmungen zusammen mit den Halterungen sollten folgende Bedingungen erfüllen:

1. Die Abschirmungen erstrecken sich bis an den Eingang bzw. den Beginn der Messkammer, wo das Fluid einströmt. Sie müssen eine Länge aufweisen, die mögliche Verwirbelungen am Anfang der Abschirmung entstehen lässt und nicht im Messbereich. Diese Verwirbelungen werden verursacht durch die Abschirmungen selbst und die dafür notwendigen Halterungen, wodurch unvermeidlich Unebenheiten, Fugen, Öffnungen, etc. entstehen, die durch Verwirbelung die Ablagerung von Partikeln in diesen Bereichen verursachen. Dies ist jedoch außerhalb des Messbereichs und hat deswegen keinen Einfluss auf die Messung.
2. Die Messkomponenten, wie z. B. die Strahlungsquellen, Sensoren, Linsen, etc. müssen überdeckt werden. In diesen Bereichen dürfen die Abschirmungen nicht unterbrochen werden.
3. Die Abschirmungen erstrecken sich in Strömungsrichtung bis hinter den zur Messung benutzen Bereich. Dort entstehende Unebenheiten, Fugen, Öffnungen, etc. führen zwar wiederum zu Verwirbelungen und damit zur Ablagerung von Partikeln ab. Dies ist jedoch wiederum außerhalb des Messbereichs und hat daher keinen Einfluss auf die Messung.

Die Abschirmung 89 vor der Strahlungsquelle 81 reduziert zwar die Strahlungsmenge, welche in den Messbereich abgegeben wird – ebenso reduziert die Abschirmung vorm Sensor die Strahlungsmenge welche zum Sensor gelangt – aber dieser Effekt bleibt über die Betriebslebensdauer konstant, da sich hier keine Partikel ablagern. Das Gerät kann nun in der Fertigung entsprechend kalibriert werden und verfügt dann über konstante Messempfindlichkeit während der gesamten Betriebszeit. Eine Nachkalibrierung erübrigt sich.
Das eingangs genannte Problem des zu kleinen elektrischen Messbereichs oder Messbands löst die Erfindung durch eine entsprechend modifizierte, jedoch relative einfache Verstärkerschaltung mit erweitertem Dynamik- bzw. Messbandbereich, die nachfolgend beschrieben wird.
6 zeigt diese Verstärkerschaltung. Der IC1 erhält das sehr kleine Eingangssignal 100 von einem Sensor, üblich sind wenige mV bzw. mA oder weniger. Dies kann z. B. das Ausgangssignal einer Fotodiode sein. Dieses sehr kleine Signal muss nun entsprechend verstärkt werden, um es weiterverarbeiten zu können. Abgegriffen wird es am Ausgang 103, wo es in der Regel auf mehrere Volt verstärkt ist. Dazu werden meist mehrere, hintereinander geschaltete Operationsverstärker verwendet. Bei den Operationsverstärkern wird die Verstärkung bestimmt vom Verhältnis von Rückkopplungswiderstand zum Eingangswiderstand. Somit wird die Verstärkung des IC1 bestimmt von R2/R1, die Verstärkung des IC2 von R4/R3 und die des IC3 von R6/R5. D. h. über diese drei Operationsverstärker wird das sehr kleine Eingangssignal 100 auf den gewünschten Wert verstärkt und liegt dann am Ausgang 103 an. Steigt nun das Eingangssignal weiter an, so kommt IC3 ab einem bestimmten Eingangswert in die Sättigung, womit sich das Signal am Ausgang 103 nicht mehr erhöhen kann. Ab hier können die Messwerte nicht mehr bestimmt werden.
In der Schaltung nach 6 wird das Signal nach der ersten Verstärkerstufe IC1 aufgesplittet. Das Ausgangssignal des IC1 wird sowohl dem IC2 als Eingangssignal 101 zugeführt (und gelangt später über den IC3 zum Ausgang 103) als auch dem IC4 als Eingangssignal 102. Beim IC wird die Verstärkung bestimmt vom Verhältnis R8/R7, die jedoch so gewählt sind, dass der IC4 eine geringere Verstärkung als IC2 und IC3 zusammen hat. Damit kommt bei höheren Eingangssignalen 100 zwar der IC3 in die Sättigung, aber nicht der IC4. Folglich liegt dann am Ausgang 104 des IC4 noch ein Messsignal welches in Bezug steht zum Eingangssignal 100.
Unter der Annahme, dass alle in 6 gezeigten Operationsverstärker den gleichen Verstärkungsfaktor von 10 haben, wird das Eingangssignal 100 um den Faktor 10E3 bis zum Ausgang 103 und um den Faktor 10E2 bis zum Ausgang 104 verstärkt. Daraus resultiert die in 7 dargestellte Tabelle. Die Spalte T100 stellt den Wert des Eingangssignals 100, die Spalte T103 den Wert des Ausgangs 103 und die Spalte T104 den Wert des Ausgang 104 dar. Alle Werte sind in mV und es wird angenommen, dass sich der Operationsverstärker ab 10'000 mV, d. h. ab 10 V, in der Sättigung befindet. Bis zu einem Eingangswert von 10 mV verfügt der Ausgang 103 über eine größere Auflösung als der Ausgang 104. Darüber liegende Eingangswerte können jedoch, auf Grund der Sättigung, nicht mehr am Ausgang 103 dargestellt werden. Ab hier wird dann auf das Signal des Ausgangs 104 zugegriffen, das noch Eingangssignale bis 100 mV darstellen kann.
Das Signal kann z. B. vom Ausgang 103 mittels eines Konverters 105 auf ein erstes Bargraph-Display 107 zur Anzeige gebracht werden. Dieses zeigt die geringen Partikelwerte an. Das Signal des Ausgangs 104 wird, z. B. auch über einen Konverter 106 auf einem zweites Bargraph-Display 108 zur Anzeige gebracht. Dieses zeigt dann die größeren Partikelkonzentrationen an.
Die beiden Displays 107 und 108 können mit den entsprechenden Spannungsangaben in mV von 1 bis 10 bzw. von 10 bis 100 versehen werden. Diese können aber jede beliebige anderen Werte darstellen oder auch entfallen. Ebenso können die beiden Ausgänge 103 und 104 über einen Analog-/Digital-Wandler in einen Mikroprozessor eingespeist werden, wo die Ausgangsignale weiterverarbeitet werden. Eine Darstellung kann dann auf einem lokalen Display am Gerät erfolgen und/oder über eine Datenverbindung übertragen werden um das Signal an einer externen Anzeige darzustellen bzw. es weiterzuverarbeiten z. B. in einem Computersystem.
Als letzte Aufgabenstellung bei Analyse- und Messgeräten der genannten Art wurde eingangs die Schnittstelle für die Grundeinstellung und die Inbetriebnahme eines solchen Geräts, insbesondere eines Brandmelders beschrieben.
Eine neuartige Einstellungsschnittstelle gemäss der Erfindung verhindert Fehler und reduziert den Zeitaufwand für die Inbetriebnahme eines Brandmelders und ähnlicher Geräte. Wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, kommen für die Detektion und Messung von Verunreinigungen in Gasen und Gasgemischen, insbesondere Luft, Geräte 12 zum Einsatz, welche über ein Rohrleitungssystem 11 mittels einer Ansaugvorrichtung 13 Gasproben ansaugt und diese einer Messkammer 15 zuführt, wo sie ausgewertet werden. Das Rohrleitungssystem ist i. d. R. zwischen 10 und 200 m lang und hat meist mehrere Ansaugöffnungen 14.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die entsprechende Anordnung ist so einfach, dass Fehleinstellungen, die bei Brandmeldern natürlich besonders kritisch sind, praktisch ausgeschlossen werden können.
In den 8a, 8b und 9 sind Einzelheiten dargestellt, die nachfolgend erläutert werden.
Auf dem in 8a gezeigten Display 120 wird beim erfindungsgemässen Verfahren die Anzahl der Ansauglöcher eingestellt, was z. B. mittels einer ersten Taste 121, welche beim Drücken die Anzahl der Ansauglöcher um je eins erhöht, sowie optional einer zweiten Taste 123, die beim Drücken die Anzahl der Ansauglöcher um je eins reduziert, sowie einer Quittierungs- oder Bestätigungstaste 122, welche die Eingabeprozedur beendet. Diese Anzeige muss sich nicht unbedingt am Gerät befinden. Sie kann sowohl als ein tragbares Gerät mit einem Verbindungsstecker ausgeführt sein, als auch als Softwarelösung, welche auf einem PC läuft und mittels Datenschnittstelle auf das Gerät übertragen wird.
In 8b ist eine weitere Einstellungsmöglichkeit dargestellt. Ein auf einer Leiterplatte angeordneter, sogenannter DIP- bzw. DIL-Switch Schalter 124 hat z. B. 12 kleine Schalter. Wenn z. B. Schalter Nr. 10 Stellung ON/EIN hat und alle anderen sind auf OFF/AUS, dann stellt man damit 10 Ansaugöffnungen ein.
Nachdem die Anzahl an Ansaugöffnungen eingestellt worden sind, wird standardmäßig der Auslöse- und Alarmschwellwert für einen Zielwert von z. B. 5% Lichttrübung/m für jede Ansaugöffnung errechnet. Dazu ist die in 9 gezeigte Tabelle hinterlegt. In der ersten Zeile 130 befindet sich der Zielwert je Ansaugöffnung. Die Anzahl der Ansaugöffnungen ist in Spalte 131 aufgeführt. Das Ergebnis wird errechnet, indem der Zielwert je Ansaugöffnung durch die Anzahl der Ansaugöffnungen dividiert wird. Dieses Ergebnis steht in dann Spalte 132. Bei z. B. acht Ansaugöffnungen und dem Standard-Zielwert je Ansaugöffnung von 5% Lichttrübung/m muss die Messkammer bei einem Lichttrübungswert von 0,63 Alarm auslösen.
Neben der Einheit von % Lichttrübung pro Meter wird auch dB/m verwendet. Die hier angeführte neuartige Einstellungsschnittstelle funktioniert selbstverständlich mit beiden Einheiten.
Die Tabelle in 9 zeigt noch zwei weitere Einstellmöglichkeiten. Bei einem Zielwert von 8% Lichttrübung/m für jede Ansaugöffnung würde das Auslösen eines Alarms verzögert, dagegen würde das Auslösen früher erfolgen bei einem Zielwert von 2% Lichttrübung/m für jede Ansaugöffnung. Dies ist dargestellt in den Spalten 133 bzw. 134. Selbstverständlich sind weitere und andere Abstufungswerte möglich.

Claims

Verfahren zur Analyse von in einem Fluid verteilten Partikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften, wobei die zu analysierenden Zielpartikel getrennt werden von den nicht zu analysierenden Restpartikeln und ausschliesslich die Zielpartikel mit einem ersten Teilstrom des Fluids einer Messkammer zugeführt werden, in der die gewünschte Analyse erfolgt, und die Restpartikel im zweiten Teilstrom, dem Rest des Fluids, verbleiben, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Fluids zur Kühlung von strahlungsabgebenden und/oder strahlungsempfangenden Komponenten in der Messkammer dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom, der den Rest des Fluids bildet, zur Kühlung dient.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der zur Kühlung dienende Teilstrom des Fluids die Rückseite der strahlungsabgebenden und/oder strahlungsempfangenden Komponenten in der Messkammer beaufschlagt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass der zur Kühlung dienende Teilstrom des Fluids überwacht wird und bei dessen Änderung bzw. Ausfall die Leistung zumindest der strahlungsabgebenden Komponenten in der Messkammer geändert bzw. reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass der erste Teilstrom des Fluids mit den Zielpartikeln und der Rest des Fluids nach der Analyse wieder zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass der die Zielpartikel enthaltende erste Teilstrom des Fluids kleiner ist als der Rest des Fluids mit den Restpartikeln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die vorbestimmte Eigenschaft der Partikel deren Grösse oder deren Masse ist und – dass die Zielpartikel mittels eines die Grösse oder die Masse der Partikel unterscheidenden Verfahrens von den Restpartikeln getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, – dass die zu analysierenden Zielpartikel eine andere Grösse oder andere Masse aufweisen als die Restpartikel.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die zu analysierenden Zielpartikel eine geringere Grösse oder kleinere Masse aufweisen als die Restpartikel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, – dass die Zielpartikel mittels einer Trennung durch Beschleunigung, insbesondere einer Zentrifugierung von den Restpartikeln separiert werden.
Anordnung zur Analyse von in einem Fluid verteilten Partikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften mit einer Abzweigkammer (24, 50), in der das einströmende Fluid (23) in zwei Teilströme mit unterschiedlichen Partikeleigenschaften aufgeteilt wird, wovon der erste Teilstrom (28) die zu analysierenden Zielpartikel und der zweite Teilstrom (21, 86) die Restpartikel enthält, und mit einer der Abzweigkammer (24, 50) nachgeschalteten Messkammer (15) mit einer Messeinrichtung (81, 85a, 85b), in die der erste Teilstrom (28) mit den Zielpartikeln geleitet und worin diese von der Messeinrichtung analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Teilstrom (86) mit den Restpartikeln derart geführt wird, dass zumindest ein Teil dieses zweiten Teilstroms (86) zur Kühlung von strahlungsabgebenden und/oder strahlungsempfangenden Komponenten der Messeinrichtung (81) dienen kann.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite Teilstrom (86) des Fluids ausserhalb der Messkammer (15) zur Kühlung der Rückseite (80) einer strahlungsabgebenden und/oder strahlungsempfangenden Komponente (81) dient.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Überwachungseinrichtung (87) vorgesehen ist, die zumindest den zur Kühlung dienenden Teilstrom des Fluids überwacht und die bei dessen Änderung bzw. Ausfall die Leistung zumindest einer strahlungsabgebenden Komponente (81) in der Messkammer (15) ändert bzw. reduziert.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Einrichtung vorgesehen ist, die die beiden Teilströme nach der Analyse wieder vereinigt.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abzweigkammer (50) als Zyklon oder Hydrozyklon ausgebildet ist, der etwa mittig, vorzugsweise oben, eine Abzweigung (68) aufweist, mittels der der erste Teilstrom (65) des Fluids mit leichteren Partikeln ausgeleitet wird.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abzweigkammer (24) als Beschleunigungssystem ausgebildet ist, wobei durch eine Querschnittsvergrösserung auf einer kurzen Wegstrecke zwei Teilströme des Fluids entstehen, wovon der erste Teilstrom (28) die leichteren Partikel enthält, während der zweite Teilstrom (21) die schwereren Partikel enthält, – dass eine Abzweigung (26) vorgesehen ist, durch die der erste Teilstrom (28) des Fluids ausgeleitet und der Messkammer (15) zugeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abzweigkammer (24, 50) vorzugsweise unten, etwa mittig, einen sich verengenden Austrittskanal (27, 62) aufweist, durch den der zweite Teilstrom (23, 63) des Fluids mit schwereren Partikeln ausgeleitet wird.
Anordnung nach den Ansprüchen 15 und 16 oder 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, – dass im Austrittskanal (27, 62) ein Einlass (20) für den aus der Messkammer (15) ausströmenden ersten Teilstrom (28, 65) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abzweigkammer (50) als Zentrifuge ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Messkammer (15) eine Strahlungsquelle (81) und strahlungsempfindliche Sensoren (85a, 85b) zur Bestimmung der Transmission bzw. der Reflexion des ersten Teilstroms des Fluids vorgesehen sind und – dass die Strahlungsquelle (81) an ihrer, sich ausserhalb der Messkammer befindlichen Rückseite (83) durch den zweiten Teilstrom gekühlt wird.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Messkammer mindestens eine strahlungs- bzw. lichtdurchlässige Abschirmung (88, 88a, 88b) angeordnet ist, vorzugsweise eine erste Abschirmung (88) vor der Strahlungsquelle (81) und eine zweite Abschirmung (88a, 88b) vor einem der Sensoren (85a, 85b), wobei sich die Abschirmung insbesondere vom Eingang der Messkammer bis über die Strahlungsquelle bzw. den Sensor hinaus erstreckt.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, – dass die verschiedenen Komponenten in einem gemeinsamen, bis auf mindestens eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung geschlossenen Gehäuse angeordnet sind und – dass in diesem Gehäuse eine Ansaugvorrichtung (13) zur Erzeugung eines Unterdrucks angeordnet ist.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, – dass sie als Brandmeldegerät (12) ausgestaltet ist.
Verstärkerschaltung zur Verwendung mit einer Anordnung zur Analyse gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, – dass mehrere Operationsverstärker (IC1...IC4) vorgesehen sind, wovon ein erster (IC1) das zu verstärkende Eingangssignal (100) empfängt und ein verstärktes Ausgangssignal abgibt, – dass dieses Ausgangssignal einem ersten Zweig aus zwei oder mehr Operationsverstärkern (IC2, IC3) zugeführt wird, wobei der letzte Operationsverstärker (IC3) ab einer bestimmten Höhe des Eingangssignals in die Sättigung kommt, und – dass das Ausgangssignal gleichzeitig parallel einem zweiten Zweig aus einem oder mehr Operationsverstärkern (IC4) zugeführt wird, wobei die Gesamtverstärkung des zweiten Zweigs geringer als die Gesamtverstärkung des ersten Zweigs gewählt ist, damit der bzw. die Operationsverstärker (IC4) des zweiten Zweigs die Sättigung nicht oder später als der letzte Operationsverstärker (IC3) des ersten Zweigs erreicht.
Verfahren zur Grundeinstellung bzw. Inbetriebnahme einer Anordnung zur Analyse gemäss Anspruch 13 mit mehreren Ansaugöffnungen (14), insbesondere eines Brandmeldegerät (12) gemäss Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, – dass mittels einer ersten Eingabevorrichtung (121, 124) die Anzahl der Ansaugöffnungen (14, 131) eingestellt wird, – dass aus einer gespeicherten Wertetabelle (9) mittels einer zweiten Eingabevorrichtung ein Zielwert (130) für die gewünschte Lichttrübung ausgewählt wird und – dass daraus selbsttätig der Alarm-Schwellwert der Lichttrübung ermittelt wird, bei dem die Messeinrichtung (81, 85a, 85b) anspricht.