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Die Erfindung betrifft eine Feuerdetektor-Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines bei einem Brand auftretenden Verbrennungsgases mittels einer IR-Lichtquelle, einer von einem Prüfgas durchströmbaren Messkammer und mindestens einem NDIR-Gassensor, der für eine Absorptionswellenlänge eines Verbrennungsgases selektiv ist.
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Feuerdetektor-Vorrichtungen haben vielfältige Einsatzgebiete zur Warnung vor Bränden. Insbesondere bei Luftfahrzeugen kann ein nicht frühzeitig entdeckter Brandherd – beispielsweise im Frachtraum oder in einer Toilette eines Passagierflugzeugs oder hinter einer Verkleidung – katastrophale Auswirkungen bis hin zum Absturz haben. Daher ist neben der Verwendung flammhemmender bzw. unbrennbarer Materialien die Ausrüstung mit aktiven Feuerschutzmaßnahmen in Form von Feuerdetektoren sowie von Feuerlöscheinrichtungen sehr wichtig. Insbesondere im Frachtraum eines Passagierflugzeuges kann ein entstehender Brand gefährlich werden, weil dieser sich ausbreiten kann, ohne dass die entstehenden Verbrennungsgase von Passagieren oder Flugpersonal bemerkt werden, und es kaum Vorschriften hinsichtlich der Brennbarkeit von Gepäckstücken oder deren Inhalt gibt. Ein im Frachtraum sich ausbreitender Brand ist potentiell vor allem sehr gefährlich, weil gerade bei transatlantischen Flügen eine kurzfristige Notlandung häufig nicht möglich und die Brandbekämpfung schwierig ist.
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Weniger gefährlich aber in vielerlei Hinsicht ebenfalls gravierend wäre ein Fehlalarm eines Feuerdetektors, der einen Piloten zu objektiv unnötigen Maßnahmen, insbesondere einer Notlandung bewegen würde, weil dadurch erhebliche Kosten entstehen würden, ferner bei einer Flugzeugevakuierung in Panik geratende Personen verletzt werden könnten und auch die Reputation der Fluglinie leiden würde. Es ist daher wichtig, dass derartige Feuerdetektoren möglichst zuverlässig arbeiten, also Brandbedingungen einerseits sehr früh anzeigen aber andererseits auch möglichst keine Fehlalarme ausgeben.
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Bisher beruhen die meisten Feuerdetektoren bei kommerziellen Luftfahrzeugen auf dem Lichtstreuungsprinzip. Das bedeutet, dass das auf das Vorhandensein von Verbrennungsgasen zu untersuchende Prüfgas durch eine Messkammer geleitet wird, in der eine gerichtete Lichtquelle angeordnet ist und ein vor den Lichtstrahlen abgeschirmter Strahlungsdetektor vorgesehen ist, der nur dann ein Signal ausgibt, wenn Rauchpartikel im Prüfgas eine Streuung der Lichtstrahlung auf den Detektor bewirken. Derartige herkömmliche Feuerdetektoren haben eine relativ hohe Fehlalarmquote und zwar insbesondere auf Grund kondensierender Luftfeuchtigkeit. Dies tritt besonders dann auf, wenn in einem tropischen Gebiet heiße Luft hoher Luftfeuchtigkeit in den Frachtraum gelangt, die sich nach dem Starten und Erreichen der Reiseflughöhe abkühlt und teilweise kondensiert und vom Feuerdetektor als Rauchpartikel fehlinterpretiert werden. Fehlalarme können ferner durch Staubteilchen entstehen, die beim Beladen eines Flugzeugs in den Frachtraum gelangen können und dann ebenfalls vom Feuerdetektor als Rauchpartikel fehlinterpretiert werden.
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Um die Fehlalarmquote zu reduzieren, wurden Kombinationen von Streulichtsensoren mit Gassensoren vorgeschlagen, wobei letztere aus Metalloxid-Gassensor-Arrays (MOX) bestehen. Durch die Messung zweier „ortogonaler” Feuerkriterien wie das Vorhandensein von Rauchpartikeln und von Verbrennungsgasen läßt sich also die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms erheblich reduzieren. MOX-Gassensoren haben jedoch ihrerseits Nachteile. So treten Langzeitschwankungen der Sensorschichtwiderstände auf, die von der Auswertelektronik falsch interpretiert werden. Auch erlauben MOX-Gassensoren keine quantitativen Aussagen über das Vorhandensein von Gasen sondern diese produzieren eher „Geruchsmuster”. Ferner erfolgt die Identifizierung der Analytgase durch eine PCA erfolgt. Kritisch sind also die unterschiedlichen Signalcharakteristiken verschiedener MOX-Sensoren zu verschiedenen Gasen.
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Darüber hinaus sind Feuerdetektoren bekannt, die sog. NDIR-Messsensoren (nicht-dispersive Infrarotsensoren) verwenden, bei denen ein Strahlungsdetektor mit vorgeschaltetem schmalbandigem optischem Filter verwendet wird, der auf den Asorptionsbereich eines bestimmten Verbrennungsgases abgestimmt ist. Beispielsweise hat CO2-Gas ein Absorptionsmaximum im Infrarotbereich von etwa 4,3 μm. Befindet sich kein CO2-haltiges Gas in einem Erfassungsbereich zwischen einer Infrarotlichtquelle und einem für etwa 4,3 μm sensitiven NDIR-Messsensor, so misst der NDIR-Messsensor ein Signal. Gelangt hingegen CO2-haltiges Gas in den Erfassungsbereich, so absorbiert dieses mindestens einen Teil des Lichts dieser Wellenlänge und die vom NDIR-Messsensor erfasste Strahlung ist dementsprechend geringer. Diese Signalreduktion kann dann, gegebenenfalls mit Signalen anderer NDIR-Messsensoren (CO2 hat ein weiteres Absorptionsmaximum bei 15 μm) zur Ausgabe eines Alarms verwendet werden. Der Vorteil von NDIR-Messsensoren ist, dass durch die Wahl des Bandpassfilters eine Sensitivität für die wichtigen unter verschiedenen Brandbedingungen auftretenden Verbrennungsgase CO2, CO, H2O, HC, HCl, NOx erzielbar ist.
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Durch Anordnung mehrerer für verschiedene Verbrennungsgase selektiver NDIR-Sensoren lassen sich also mehrere Verbrennungsgase detektieren (
DE 44 03 763 A1 ).
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Feuerdetektor-Vorrichtung anzugeben, welche die oben genannten Probleme und Nachteile vermeidet und einen möglichst zuverlässigen Betrieb gewährleistet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die IR-Lichtquelle mit einer bestimmten Modulationsschwingung amplitudenmoduliert ist und eine Fehlerdetektoreinheit vorgesehen ist, die ein Fehlersignal ausgibt, wenn das Ausgangssignal des NDIR-Gassensors keine Amplitudenmodulation mit der Modulationsschwingung aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird also stets das Ausgangssignal des NDIR-Gassensors auf das Vorhandensein des amplitudenmodulierten Signales überprüft, so dass bei dessen Existenz sichergestellt ist, dass die IR-Lichtquelle sowie der NDIR-Gassensor funktionsfähig sind. Falls das Ausgangssignal hingegen nicht mit der vorgegebenen Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert ist, ist dies ein Indiz dafür, dass einer der Bestandteile des Detektors, insbesondere entweder die IR-Lichtquelle oder der Gassensor, defekt ist. Damit läßt sich eine Feuerdetektor-Vorrichtung mit hoher Betriebssicherheit bereitstellen, weil ein defekter Detektor sofort ermittelt wird und ausgetauscht werden kann.
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Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung einsetzen, wenn mehrere NDIR-Sensoren vorgesehen sind, die für verschiedene IR-Wellenlängen selektiv sind, um verschiedene Verbrennungsgase zu detektieren oder zu analysieren. Dies sind insbesondere die Gase CO2, CO, H2O, HC, HCl, HCN, NOx. Während CO2 und H2O bei jedem Verbrennungsvorgang gebildet werden, entstehen weitere Verbrennungsgase in unterschiedlichen Stadien oder Arten der Verbrennung bzw. bei der Verbrennung verschiedener Stoffe. Wenn insbesondere NDIR-Sensoren für CO2 und H2O vorhanden sind und festgestellt wird, dass die gleichzeitige erhöhte Präsenz beider Gase angezeigt wird, so ist die Wahrscheinlichkeit eines Brandes groß bzw. die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarmes gering.
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Mithin läßt sich auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen reduzieren.
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Vorzugsweise beträgt die Frequenz der Modulationsschwingung 1–10 Hz. Vorzugsweise ist die Modulationsschwingung der IR-Lichtquelle eine Rechteckschwingung, weil dabei das eigentliche Informationssignal nicht beeinflußt wird. Besonders bevorzugt ist die Modulationsschwingung „digital” in dem Sinne, dass während einer Halbperiode keine IR-Strahlung und in der zweiten Halbperiode die Strahlung in voller Intensität ausgestrahlt wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fehlerdetektoreinheit in aktiven oder passiven Betriebszustand versetzbar ist, wobei im passiven Betriebszustand kein Fehlersignal ausgegeben wird. Beispielsweise wird während einer Systemtestphase automatisch oder manuell oder in vorgegebenen Zeitintervallen (z. B. jede Minute für einen Zeitraum von 1 Sekunde) die Fehlerdetektoreinheit aktiviert, um den Betriebszustand des Detektors zu überprüfen, während ansonsten die IR-Lichtquelle Strahlung konstanter Intensität ausstrahlt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Feuerdetektor-Vorrichtung mindestens einen Prüf-NDIR-Gassensor für einen Wellenlängenbereich umfaßt, der von Brandgasen kaum oder nicht absorbiert wird und die Fehlerdetektoreinheit ein Fehlersignal ausgibt, wenn der Prüf-NDIR-Gassensor eine Signaländerung aufweist. Diese Weiterbildung dient dazu, die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen zu reduzieren. Dabei wird das Ausgangssignal des Prüf-NDIR-Gassensors dahingehend ausgewertet, ob eine auffällige Signalveränderung erfolgt, falls aufgrund der Signale der anderen NDIR-Gassensoren das Vorhandensein mindestens eines Verbrennungsgases festgestellt wird. Falls gleichzeitig der Prüf-NDIR-Gassensor eine auffällige Signaländerung anzeigt, ist dies ein Indiz für eine Fehlfunktion, was entweder zur Verhinderung der Alarmausgabe führen kann oder zur Ausgabe eines modifizierten Alarms, der die Möglichkeit eines Fehlalarms anzeigt. Oder das Signal wird dazu verwendet, die Gassensoren einer näheren automatisierten Analyse zu unterziehen, also beispielsweise ein Alarmsignal nur auszugeben, wenn ein weiteres Verbrennungsgas festgestellt wird (z. B. CO2 und H2O).
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Vorzugsweise liegt der der Wellenlängenbereich des Prüf-NDIR-Gassensors bei ca. 2–4 μm, insb. bei ca. 3 μm. In diesem Wellenlängenbereich liegen keine Absorptionsbänder der typischen Verbrennungsgase.
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Vorzugsweise weist ein NDIR-Gassensor eine Selektivität für mindestens einen Absorptionsbereich von H2O auf. H2O weist zwei Absorptionsbereiche auf, einen bei ca. 2,7 μm und einen bei ca. 6,3 μm. Falls die Überprüfung eines dieser oder vorzugsweise beider H2O-Absorptionsbereiche gleichzeitig eine erhöhte Präsenz von H2O ergibt, ist dies in Verbindung mit der festgestellten Präsenz eines anderen Verbrennungsgases ein starkes Indiz für ein ausgebrochenes Feuer. Dabei läßt sich mittels eines NDIR-Gassensor hauptsächlich dampfförmiges H2O erfassen. Häufig liegt H2O auch zumindest teilweise in kondensierter Form vor, sei es in Tröpfchenform in der Gasphase oder als Niederschlag auf Wandungen. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht hierzu vor, dass eine Wasserkondensat-Erfassungseinheit vorgesehen ist, welche die Präsenz von Wasserdampf anzeigt, wenn die Ausgangssignale aller NDIR-Gassensoren gemeinsam kleiner werden. Es wurde festgestellt, dass die Ausgangssignale von NDIR-Gassensoren unabhängig von deren Sensitivitätsbereich gleichmäßig zurückgehen, falls Wassertröpfchen oder Kondensatniederschlag in der Messkammer enthalten sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Messkammer innenseitig verspiegelt ausgebildet, wodurch eine Mehrfachspiegelung der IR-Strahlung und damit eine möglichst gleichmäßige Bestrahlung aller Gassensoren erreicht wird. Dies ist vor allem in Verbindung mit der vorgenannten Wasserkondensat-Erfassungseinheit von Vorteil, weil ein Wasserkondensatniederschlag auf der verspiegelten Innenwand das Signal aller NDIR-Sensoren reduziert. Ferner vergrößert die Verspiegelung den Absorptionsgrad der IR-Strahlung, was stärkerer Absorption bei gleicher Konzentration bzw. größeren Response-Werten entspricht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Messkammer einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei NDIR-Gassensoren am Umfang verteilt sind. Diese Ausbildung gewährleistet einen kompakten Aufbau, der die gleichzeitige Anordnung von mehreren NDIR-Gassensoren für unterschiedliche Wellenlängen ermöglicht.
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Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist in einem Luftfahrzeug, da dort aus den in der Einleitung geschilderten Gründen ein Bedürfnis nach einer Feuerdetektor-Vorrichtung mit Selbsttestmöglichkeit und geringer Fehlalarmwahrscheinlichkeit besteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt
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1: eine schematische Darstellung der Feuerdetektor-Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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2: zwei schematische Darstellungen für 2 Varianten von Messkammern;
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3: zwei Signalverlaufsdiagramme in verschiedenen Betriebszuständen.
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In 1 ist eine Feuerdetektor-Vorrichtung 10 dargestellt, die im Wesentlichen aus einer breitbandigen IR-Lichtquelle 12a, einer vom Prüfgas durchströmten Messkammer 14a sowie mindestens einem NDIR-Gassensor 16a besteht. Die Messkammer 14a weist einen Gaseinlass 18 und einen Gasauslass 20 auf, über die ein Prüfgas auf das Vorhandensein von Verbrennungsgas hinein und wieder hinaus geleitet wird. Die Messkammer 14a umfaßt ferner ein Eintrittsfenster 22, das für die infrarote Strahlung der IR-Lichtquelle 12a durchlässig ist sowie ein Austrittsfenster 24 auf der gegenüberliegenden Stirnseite, so dass von der IR-Lichtquelle 12a ausgestrahltes infrarotes Licht die im Querschnitt vorzugsweise runde Messkammer 14a in Axialrichtung durchlaufen kann. Hinter dem Austrittsfenster 24 ist ein schmalbandiger Bandpassfilter 26 vorgesehen, der nur das Licht eines engen Wellenlängenbereichs, bzw. von ca. 2,7 μm (für Wasser) passieren und auf den Gassensor 16a auftreffen läßt. Zumindest in einer Selbsttestphase strahlt die IR-Lichtquelle 12a amplitudenmodulierte infrarote Strahlung aus, wie durch die Rechteckschwingung 30 angedeutet. Dabei erfolgt vorzugsweise eine periodische Ausstrahlung mit maximaler Intensität oder gar keine Strahlung. Diese zunächst sehr breitbandige infrarote pulsierende Strahlung durchstrahlt die Messkammer 14a und das drin befindliche Prüfgas und gelangt auf den Bandpassfilter 26, der nur den schmalbandigen für den Filter 26 charakteristischen Strahlungsbereich passieren und auf den NDIR-Gassensor auftreffen läßt. Sofern kein Verbrennungsgas in der Messkammer 14a vorhanden ist, dessen Absorptionsbereich der Wellenlänge des Bandpassfilters 26 entspricht, gelangt die IR-Strahlung dieser Wellenlänge ungehindert auf den NDIR-Gassensor 16a und erzeugt das mit 32 bezeichnete rechteckförmige Ausgangssignal 32, das der Modulationsschwingung 30 entspricht. Befindet sich hingegen in der Messkammer 14a ein Verbrennungsgas mit der Absorptionswellenlänge des Bandpassfilters 26, 50 wird die Strahlung dieser Wellenlänge vom Verbrennungsgas zumindest teilweise absorbiert, so dass dieses den Gassensor 16a nicht oder nur abgeschwächt erreicht und demgemäß dessen Ausgangssignal je nach Menge des vorhandenen Verbrennungsgases eine mehr oder weniger reduzierte Signalamplitude bis hin zu gar keinem Signal aufweist.
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Das Ausgangssignal 32 des Gassensors 16a wird einer Auswerteeinheit 40 zugeführt, die die Signalamplitude ermittelt und überprüft, ob eine Amplitudenänderung stattgefunden hat. Es kann eine binäre Signalauswertung erfolgen, bei der bei Überschreiten eines Schwellwertes an Amplitudenänderung in einem bestimmten Zeitraum ein Alarmsignal 41 ausgegeben wird oder aber die Amplitudenänderung analog ausgewertet wird. Vorzugsweise umfasst die Feuerdetektor-Vorrichtung 10 mehrere NDIR-Sensoren, deren Signale alle gemeinsam in der Auswerteeinheit 40 ausgewertet werden. Dies wird in der Zeichnung durch die weiteren Signaleingänge 42 dargestellt. Die Auswerteeinheit 40 umfasst ferner eine Fehlerdetektoreinheit 44, welche das Signal des Gassensors 16a je nach Beschaltung bzw. Betriebszustand auf das Vorhandensein der Amplitudenmodulation auswertet, mit der die Strahlung der IR-Lichtquelle 12a moduliert ist. Falls keine oder eine zu geringe Amplitudenmodulation von der Fehlerdetektoreinheit 44 festgestellt wird, erfolgt die Ausgabe eines Fehlfunktionssignals. Ferner umfasst die Auswerteeinheit 40 eine Wasserkondensat-Erfassungseinheit 46, welche die Amplituden aller Signaleingänge 42 erfasst und einen Alarm ausgibt, wenn der gleichzeitige Signalamplitudenabfall aller Signaleingänge eine erhöhte Präsenz von Wasserkondensat in der Messkammer 14a anzeigt.
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In 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Messkammer 14b, die scheibenartig aufgebaut ist, also einen runden Querschnitt bei geringer Höhe aufweist und vorzugsweise innenseitig verspiegelt ist. Mit 12b ist eine IR-Lichtquelle dargestellt und mit 16b mehrere am Umfang verteilte NDIR-Gassensoren, die nicht dargestellte Bandpassfilter für verschiedene Infrarotwellenlängen aufweisen, um bestimmte Verbrennungsgase zu detektieren. Vorzugsweise ist dabei ein Prüf-NDIR-Gassensor 16c vorgesehen, dessen selektive Wellenlänge mit keinem Absorptionsbereich eines in Betracht kommenden Verbrennungsgases liegt. Wenn die NDIR-Gassensoren 16b insbesondere für HCN, HC, CO, CO2, H2O und HCl selektiv sind, läßt sich ein Brand in verschiedenen Zuständen feststellen. Wenn die Signalamplituden ferner im Hinblick auf die Menge der Gase ausgewertet werden, lassen sich auch quantitive Aussagen hinsichtlich der Intensität und damit Gefährlichkeit des Brandes machen.
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Im Inneren der Messkammer 14b sind beispielhaft unterschiedliche Strahlengänge mit dem Bezugszeichen 34 versehen.
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Bei Verwendung der Messkammer 14b wird die Fehlerdetektoreinheit 44 in der Auswerteeinheit 40 bzw. speziell den Signalausgang des Prüf-NDIR-Gassensors 16c analysieren und eine Fehlermeldung ausgeben bzw. eine Alarmmeldung unterdrücken bzw. relativieren, wenn das Signal des Prüf-NDIR-Gassensors 16c eine signifikante Veränderung zeigt. Gleichzeitig wird das Signal des Prüf-NDIR-Gassensors 16c auch der Wasserkondensat-Erfassungseinheit 46 zugeführt, weil die synchrone Signalveränderung aller NDIR-Gassensoren das Vorhandensein von Wasserkondensat anzeigt.
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3 zeigt zwei Diagramme und zwar stellt bei beiden Diagrammen die obere Schwingung die Modulationsschwingung 30 der Anregung der IR-Lichtquelle 12 dar. Die jeweils untere Schwingung entspricht dem Messsignal 32 eines NDIR-Gassensors. Das obere Diagramm zeigt den Zustand ohne das Vorhandensein des vom Messsensor analysierbaren Verbrennungsgases und dementsprechend eine Schwingung 32 großer Amplitude. Das untere Diagramm zeigt den Zustand bei dem Vorhandensein des zu analysierenden Verbrennungsgases, so dass dementsprechend die Ausgangsschwingung 32 eine merklich geringere Amplitude aufweist. Im Betriebszustand gemäß des oberen Diagrammes läßt sich anhand des periodischen Ausgangssignals 32 feststellen, dass die Feuerdetektor-Vorrichtung funktionsfähig ist, weil ansonsten das Ausgangssignal 32 nicht periodisch wäre. Im unteren Diagramm läßt sich durch Auswertung der geringeren Amplitude des Ausgangssignals 32 die Präsenz und die Menge des zu erfassenden Verbrennungsgases feststellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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