DE102011108389A1

DE102011108389A1 - Rauchdetektor

Info

Publication number: DE102011108389A1
Application number: DE102011108389A
Authority: DE
Inventors: Sergei Vladimirovich Shustrov; Vladimir Alexandrovich Shustrov
Original assignee: PPP "KB Pribor" Ltd; PPP KB PRIBOR Ltd
Current assignee: PPP "KB Pribor" Ltd; PPP KB PRIBOR Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2013014561A1; EP2734988B1; EA201391722A1; EA026448B1; EP2734988A1

Abstract

Rauchdetektor vom offenen Typ, der mindestens ein pulsbetriebenes lichtemittierendes Element und mindestens ein Lichterfassungselement in einem offenen Gehäuse und eine Stromversorgungseinheit aufweist, die mit dem lichtemittierenden Element oder dengseinheit Spannungsstabilisierungsmittel und eine Energiesammeleinrichtung und eine digitale Stromversorgungs-Überwachungs-/Steuerheinheit zur Überwachung und zum Steuern des Betriebs der Stromversorgungseinheit und somit des lichtemittierenden Elements oder der Elemente aufweist, wobei die digitale Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Echtzeitsteuerung einer Einschaltzeit und einer Impulsdauer des lichtemittierenden Elements oder der Elemente im Ansprechen auf ein Temperatursignal ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor („Rauchmelder”) vom offenen Typ, der mindestens ein pulsbetriebenes lichtemittierendes Element und mindestens ein Lichterfassungselement in einem offenen Gehäuse und eine Stromversorgungseinheit aufweist, die mit dem lichtemittierenden Element oder den Elementen verbunden ist.
Das technische Gebiet der Rauchdetektoren ist durch einen hohen Entwicklungsstand gekennzeichnet und umfasst verschiedenartige Typen von Rauchdetektoren, von denen vor allem solche vom geschlossenen Typ (mit einer im wesentlichen geschlossenen Detektionskammer) von solchen vom offenen Typ (mit einem raumoffenen Gehäuse) zu unterscheiden sind.
Aus Sicht der Anmelderin sind im umfangreichen Stand der Technik, soweit er einzelne Rauchdetektoren betrifft, vor allem folgende Druckschriften erwähnenswert: WO2005069242 , GB2410085 , DE10104861 , DE10118913 , DE19951403 , WO2008017698 , US2004/0066512 , US6218950 , US2008/0246623 , DE19809896 , US2002/0080040 , WO9916033 , US2006/0202847 , WO2004032083 , WO1995004338 , WO2006024960 , GB2319604 und EP1619640 .
Von der sich mit komplexeren Raucherfassungssystemen befassenden Patentliteratur erscheinen der Anmelderin folgende Druckschriften als erwähnenswert: US6075447 , EP1555642 , GB2357358 , WO1993015483 , DE19740922 , GB2293472 , US6195011 und US20050219045 .
In der WO 2005069242 ist ein Rauchmelder beschrieben, der nach dem Streustrahlungsprinzip arbeitet und mindestens einen Strahlungssender und mindestens einen Strahlungsempfänger umfasst, deren Strahlungswege ein Streuvolumen durchdringen. Es werden zwei Paare Strahlungssender/Strahlungsempfänger verwendet, die zwei separate Streuvolumina in ein und demselben Abstand von der Melderoberfläche bilden. Der Feuermelder umfasst auch ein Paar Strahlungssender/Strahlungsempfänger zum Staubausgleich.
In der GB 2410085 ist ein Rauchmelder beschrieben, der ein abschirmendes Abdeckfenster hat, um den Strahlungssender und Strahlungsempfänger zu schützen. Es ist eine Spezialeinrichtung im Abdeckfenster beschrieben, die wellenleitende Effekte im Fenster ausschließt und verhindert, dass Licht direkt zum Strahlungsempfänger durchtritt, ohne im kontrollierten Volumen gestreut zu werden.
In der DE 10104861 ist ein Rauchmelder mit Erfassungskammer beschrieben, der nach den Streustrahlungs- und Übertragungslichtstrahlungsprinzipien funktioniert. Dieser Melder ist als Variante für eine Erfassung in einem Freiraumstreuvolumen auch ohne Erfassungskammer erhältlich. Der Melder hat einen automatischen Ausgleich für stabile Pegel von Rauch, von Staub auf seiner Oberfläche.
In der DE 10118913 ist ein Rauchmelder der Freiraum-Streulichtbauart mit mehreren Erfassungsvolumina beschrieben, die durch ein System von Linsen und Strahlungssender- und Strahlungsempfängerarrays organisiert sind.
In der WO 2008017698 ist ein Rauchmelder beschrieben, der zwei verschiedene Wellenlängen zur Raucherfassung und Erkennung zwischen verschiedenen Arten von Rauch verwendet. Zwei verschiedene Empfänger sind mit unterschiedlichen Winkeln auf die Sendermittelachse gerichtet.
In der US 20040066512 ist ein Rauchmelder mit einer Rauchkammer beschrieben, der zwei in unterschiedlichen Spektralbereichen emittierende Dioden, vorzugsweise für IR (ca. 880 nm) und Blaulicht (ca. 400 nm), und zwei Empfangsdioden aufweist. Die Sende- und Empfangsdioden befinden sich mit unterschiedlichen Winkeln auf einer flachen Fläche, so dass nach vorn gestreute Strahlung eine Empfangsdiode erreicht, und nach hinten gestreute Strahlung die andere Empfangsdiode erreicht. Der Melder verfügt sowohl für weißen als auch schwarzen Rauch über ein gutes Leistungsverhalten.
In der US 20080246623 ist ein Rauchmelder der offenen Bauart beschrieben, bei dem zwei Emissionselemente mit verschiedenen Winkeln angeordnet sind und Polarisierungsebenen verwendet werden, um zwischen unterschiedlichen Arten von Streustrahlung aus dem kontrollierten Bereich zu unterscheiden.
In der EP 1619640 ist ein Rauchmelder der offenen Bauart mit einer sehr einfachen Schaltungsanordnung beschrieben, bei dem zwei Signale aus zwei Emissionsdioden mit unterschiedlichen Winkeln gemessen werden. Die Hauptverfahrensschritte werden durch einen Mikroprozessor durchgeführt. Es ist auch ein Temperatursensor vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Rauchmelder des oben bezeichneten Typs bereitzustellen, der unter verschiedensten Einsatzbedingungen präzise und zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch einen Rauchdetektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Erfindung gehört der Gedanke, dass die Stromversorgungseinheit Spannungsstabilisierungsmittel und eine Energiesammeleinrichtung und eine digitale Stromversorgungs-Überwachungs-/Steuerheinheit zur Überwachung und zum Steuern des Betriebs der Stromversorgungseinheit und somit des lichtemittierenden Elements oder der Elemente aufweist. Des Weiteren schließt die Erfindung den Gedanken ein, die digitale Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Echtzeitsteuerung einer Einschaltzeit und einer Impulsdauer des lichtemittierenden Elements oder der Elemente im Ansprechen auf ein Temperatursignal auszubilden.
In einer Ausführungsform hat der Rauchdetektor mindestens einen eingebauten Temperatursensor, der mit einem T-Sensoreingang der digitalen Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit verbunden ist. In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stromversorgungseinheit Stromstabilisierungsmittel aufweist, die an einer Ausgangsseite der Energiesammeleinrichtung angeordnet und mit der Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit über eine Steuerleitung verbunden sind, um durch die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit gesteuert zu werden.
In vorteilhafter Weise kann des Weiteren die Stromversorgungseinheit zur Versorgung des lichtemittierenden Elements oder der Elemente mit Sinusimpulsen ausgebildet sein.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Nutzung schmalbandiger Filter, in denen sinusförmige Signale keine oder nur geringe parasitäre Signale erzeugen. Die Signalform wird insbesondere auf digitalem Wege, unter Nutzung eines Digital-Analog-Wandlers realisiert.
In einer weiteren Ausführung weist die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit Störsignal-Überwachungsmittel zur optischen Überwachung des Detektionsbereiches auf, und sie ist dazu ausgebildet, das Lichtemittierende Element oder die Elemente in Zeiträumen mit Versorgungsimpulsen zu beaufschlagen, in denen externes optisches Rauschen einen Wert unterhalb eines über einen vorbestimmten Zeitraum bestimmten Mittelwertes aufweist. In einer Ausgestaltung ist die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit dazu ausgebildet, ein über einen vorbestimmten Überwachungszeitraum in Abwesenheit eines Rauch-Detektionssignals erfasstes optisches Signal, welches insbesondere Reflexionssignale aus der baulichen Umgebung des Rauchdetektors enthält, als Hintergrund-Störsignal zu speichern und bei einer Kompensations-Steuerung des Betriebs des lichtemittierenden Elements oder der Elemente zu nutzen. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Kompensations-Steuerung des lichtemittierenden Elements oder der Elemente mit Signalen der gleichen Impulsform arbeitet, wie sie zu deren Betrieb ohne Kompensations-Steuerung bereitgestellt werden.
Mit den vorgenannten Ausgestaltungen wird eine verlässliche, insbesondere auch dynamische, Rauchdichteerfassung unter widrigen Einsatzbedingungen, etwa in Umgebungen mit starken Reflexionseffekten oder in Einsatzsituationen, wo Waldbrände eine massive Rauchbelastung über längere Zeiträume mit sich bringen, bezweckt. Mit der letztgenannten Ausgestaltung wird speziell eine einfache und schnelle Signalerfassung unter Verzicht auf etwas zeitaufwändigere digitale Kombinationsverfahren ermöglicht.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung der Erfindung liefert bzw. liefern das lichtemittierende Element oder die Elemente ein Emissionssignal in mindestens zwei unterschiedlichen Spektralbereichen, und das Lichterfassungselement oder die Lichterfassungselemente sind zu einer Signalerfassung in allen verwendeten Emissions-Spektralbereichen angepasst. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere die verlässliche Rauchdetektion auch, wenn der Rauchmelder unter direktem Sonnenlichteinfluss steht und/oder ein schwarzer oder weißer Rauch zu erfassen und ggfs. voneinander zu unterscheiden sind.
In einer weiteren bevorzugten, besonders praxistauglichen Ausführung hat der Rauchdetektor einen eingebauten Flammendetektor, der mit einem Flammendetektoreingang der Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit verbunden ist, wobei die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Steuerung eines Detektorbetriebs im Ansprechen auf ein Signal vom Flammendetektor ausgebildet ist. Speziell weist der Flammendetektor einen Detektor vom UV-Typ und/oder vom IR-Typ auf.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist der vorgeschlagene Rauchdetektor drei oder mehr LEDs auf, die in einer gemeinsamen Ebene auf einer hyperbolischen oder Spiralkurve gegenüber dem Lichterfassungselement oder den Lichterfassungselementen angeordnet sind.
In weiteren Ausführungen der Erfindung weist der Rauchdetektor ein Test-Lichtemissionselement, welches ausschließlich zu einem Betrieb zu Testzwecken vorgesehen und ausgebildet ist, und/oder ein Kalibrierungs-Lichterfassungselement auf, welches ausschließlich zu dem Zweck zu einem Betrieb vorgesehen und ausgebildet ist, mit dem Signale des Lichterfassungselements oder der Lichterfassungselemente kalibriert werden. In einer Ausgestaltung dieser letzteren Ausführung ist vorgesehen, dass das offene Gehäuse mindestens eine lichtreflektierende Fläche aufweist, welche zur Formung eines Lichtweges zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Lichterfassungselement sowie dem Kalibrierungs-Lichterfassungselement ausgebildet ist, um eine Staubkorrektur der Detektorsignale zu bewirken.
Gemäß einem weiteren Konstruktions-Aspekt des vorgeschlagenen Rauchdetektors sind lichtemittierende Elemente im direkten Erfassungsbereich von Lichterfassungselementen auf der gleichen optischen Achse vorgesehen. Hierbei ist dann ein erstes Paar aus einem ersten lichtemittierenden Element und einem ersten Lichterfassungselement in einem hermetisch dichten Gehäuse eingeschlossen und ein zweites Paar aus einem zweiten lichtemittierenden Element und einem zweiten Lichterfassungselement im offenen Gehäuse angeordnet. Des Weiteren ist eine Auswertungseinheit zum Empfang der Signale des ersten und zweiten Element-Paares und zur Verarbeitung der Signale des ersten Paares zur Störkompensation der Signale des zweiten Element-Paares ausgebildet.
In weiteren Ausführungen hat der Rauchdetektor mindestens einen Sensoreingang, insbesondere einen multimodalen optischen Fasereingang, zur Verbindung des Rauchdetektors mit einem externen Sensorelement, insbesondere einem externen Temperatursensor und/oder externen Flammendetektor.
Mit der Erfindung lassen sich, jedenfalls in bestimmten vorteilhaften Ausführungen, eine oder mehrere der nachstehenden vorteilhaften Wirkungen erzielen:

– Senkung der Möglichkeit falscher Alarme.
– Anheben der Empfindlichkeit des Melders für echten Rauch.
– Bereitstellen einer schnelleren Erfassung in frühen Brandstadien.
– Garantieren einer Immunität gegen optische Signale und Funkrauschsignale
– Erhöhen der Raucherfassungsstabilität unter schwierigen Bedingungen, einschließlich Lichtstrahlung mit hohem Pegel und Hindernissen im Erfassungsbereich.
– Bereitstellen präziser Daten an den Benutzer, z. B. Rauchdichtedaten für technologische Messung und Steuersysteme.
– Ausschließen von Störungen, die z. B. durch zufälligen Zigarettenrauch oder beständigen Rauch aus Waldbränden verursacht werden.
– Überwachung der Rauchdichteverteilung im Inneren des gesamten Gebäudes für eine sichere Evakuierung von Menschen.
– Einführen einer ultra-schnellen Branderfassung auf Grundlage einer Bestätigung verschiedener Arten von Meldern (Rauch, UV-Flammen, IR-Flammen, Temperatur)
– Bereitstellen eines besseren Staubausgleichs.
– Erweiterung des Betriebstemperaturbereichs des Melders.
– Sicherstellen der Sicherheit menschlicher Augen in allen Betriebsarten. Energieeinsparung.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 ein Funktionsdiagram eines Ausführungsbeispiels des Rauchdetektors,
2 eine Realisierungs-Variante der Spannungsstabilisierungsmittel beim Rauchdetektor nach 1,
3 eine detaillierte Darstellung von analogen und digitalen Baugruppen des Rauchdetektors nach 1,
4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer beispielhaften geometrischen Konfiguration wesentlicher Elemente des Rauchdetektors,
5 eine wettere Darstellung, in Art einer perspektivischen Darstellung, zur Erläuterung der geometrischen Konfiguration,
6 eine kombinierte Darstellung zur weiteren Erläuterung der geometrischen Konfiguration,
7A bis 7C weitere Darstellungen zur Erläuterung des mechanischen Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rauchdetektors,
8 eine Prinzipskizze der geometrischen Konfiguration einer weiteren Ausführungsform,
9 eine weitere Darstellung, in Art einer perspektivischen Darstellung, zur Erläuterung dieser geometrischen Konfiguration,
10 eine kombinierte Darstellung zur weiteren Erläuterung der geometrischen Konfiguration gemäß 9,
11 eine kombinierte Darstellung einer gegenüber 10 modifizierten Ausführungsform,
12 eine Prinzipskizze der geometrischen Konfiguration einer weiteren Ausführungsform,
13 eine Prinzipskizze der geometrischen Konfiguration einer weiteren Ausführungsform,
14 eine Prinzipskizze der geometrischen Konfiguration einer weiteren Ausführungsform,
15 eine Prinzipskizze der geometrischen Konfiguration einer weiteren Ausführungsform,
16 eine Prinzipskizze der geometrischen Konfiguration einer weiteren Ausführungsform,
17 eine Prinzipdarstellung eines mehrteilig aufgebauten Rauchdetektors als Teil eines Rauchdetektionssystems,
18 eine weitere Prinzipdarstellung eines mehrteilig aufgebauten Rauchdetektors als Teil eines Rauchdetektionssystems und
19 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform eines neuartigen Rauchdetektionssystems.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Rauchdetektors SD1.
Eine Stromversorgungsspannung Vin liegt am Spannungskonstanthalter STV1 und einer Energiespeicherschaltung PAC an. Der Spannungskonstanthalter STV1 ist notwendig, wenn wir eine Stromversorgung aus einem Netz haben, in dem sich die Spannung mit der Zeit verändern kann. Der STV1 steht mit einer digitalen Einheit DU in Verbindung. Neu an dieser technischen Lösung ist, dass die digitale Einheit DU die Stromversorgung im STV1 und der PAC über einen Analog-Digital-Wandler ADC überwachen und eine Stromversorgungsverwaltung übernehmen kann.
Eine wichtige Anwendung ist z. B. in 2 gezeigt. Die Einschalt-Schaltelemente KE1, KE2, KE3, KE4 schalten automatisch ein, und die Versorgungsspannung gelangt zum Spannungskonstanthalter STV und zur digitalen Einheit DU. Das Hauptschaltelement KE schaltet aus, wodurch die analoge Einheit AU abgetrennt wird. Ein Mikroprozessor MP in der DU erhält nun die Stromversorgung und beginnt mit dem Betrieb. Der MP wartet dann, bis die Speicherkondensatoren C1 und C2 voll geladen sind, und schaltet die Schaltelemente KE1 und KE4 aus. So erhält die ganze Schaltung nur vom Speicherkondensator C1 eine Versorgung, der vom Netz abgetrennt ist. Der MP analysiert über den ADC die am C1 anliegende Spannung, und wenn sie einen gewissen Mindestpegel erreicht, schaltet der MP die Schaltelemente KE2, KE2 aus und dann die Schaltelemente KE1, KE4 ein. Nun erhält die ganze Schaltung nur vom Speicherkondensator C2 eine Versorgung.
Spannungsteiler VD1 und Spannungsteiler VD2 verwenden Operationsverstärker, um eine geteilte Versorgungsspannung in den Betriebsbereich des ADC zu bringen. Die Operationsverstärker erzielen in diesem Fall eine bessere Energieeinsparung als wenn Spannung mit einem Paar von Widerständen geteilt wird, obwohl man diesen Weg auch gehen kann. Die Widerstände R2 und R4 sind gleich und sie können sich ausreichend vom R1 und R3 unterscheiden. Die ermöglicht es, den Stromverbrauch aus der Leitung zu minimieren und den Verbrauch ohne Spitzen in der Versorgungsleitung gleichmäßiger zu machen. Zum Beispiel ist der Stromverbrauch der DU gering, wenn der MP mit einfachen Aufgaben beschäftigt ist, und der MP kann für eine ziemlich lange Zeit Strom vom C1 bekommen und schaltet nur selten zum C2. Aber dann muss der MP eine Rauchdichtemessung durchführen und schaltet die Versorgung zum frisch geladenen C2, schaltet dann das Hauptschaltelement KE ein, so dass die analoge Einheit AU arbeiten kann, und dann erfolgt die Messung. So ist in diesem Fall die Verwendung von Energie aus dem C2 viel stärker als aus dem C1 und hat eine ausreichend geringere Dauer. Im Ergebnis hat man einen gleichmäßigen Verbrauch aus der externen Quelle, und dieser Stromverbrauch wird konstant kontrolliert.
Der Rauchdetektor kann seinen Strom aus einer Batterie beziehen, und die Batteriespannung wird vom MP konstant gemessen, um einen Benutzer zu warnen, wenn sie ihre Grenze erreicht. Indem die analoge Einheit mittels des Hauptschaltelements KE ausgeschaltet wird, erzielt der MP eine hohe Stromeinsparung, und wenn Langzeit-Lithiumbatterien verwendet werden, können 5 Jahre Betriebsdauer ohne Batteriewechsel garantiert werden. Es ist geplant, Solarelemente für eine noch bessere Stromeinsparung und einen Betrieb ohne Netzanschluss einzusetzen.
Ein wichtiger Aspekt ist, dass die digitale Einheit DU von der analogen Einheit AU getrennt werden kann, so dass jegliche Hochfrequenz aus dem Mikroprozessor nicht auf die Versorgung für die AU übergeht und auch ein abruptes Schalten von MP-Anschlüssen nicht zu Sprüngen im AU-Versorgungspegel führt. Dies ist in 2 nicht gezeigt, aber die AU kann auch, verwaltet durch den MP im STV1, von ihren eigenen Speicherkondensatoren und ihrem eigenen Spannungskonstanthalter mit Strom versorgt werden. Manchmal ist es nützlich und sogar notwendig, die digitale Stromversorgung von der analogen Stromversorgung zu trennen, um bessere Messergebnisse zu erhalten. Es ist zu sagen, dass in der Grundmodifizierung die Stromversorgung für die DU und AU aus einer Quelle kommen sollte, weil diese Schaltung in einem normalen Umfeld ein gutes Leistungsverhalten hat, in schwerindustriellen Anwendungen dies jedoch eine wichtige Entscheidung ist. Es trägt auch dazu bei, die Vorrichtung vor Stromsprüngen zu schützen, zum Beispiel, wenn jemand ein Mobiltelefon nahe der Versorgungsleitung verwendet oder an einem industriellen Standort EMI- und RFI-Strahlungen vorhanden sind. Selbst wenn ein Blitz in die Versorgungsleitung einschlägt, ist die Vorrichtung sicher und kann mühelos repariert werden.
Des Weiteren führt der Mikroprozessor MP eine Stromverwaltung an der Stromspeicherschaltung PAC durch. Diese Schaltung besitzt Speicherkondensatoren und ist zur Stromversorgung von lichtemittierenden Elementen gedacht. Es ist notwendig, dass emittierende Dioden für eine kurze Zeit einen hohen Strom aus der Stromspeicherschaltung PAC bekommen. Ein solcher hoher Strom kann die Spannung in einer Versorgungsleitung niedrig werden lassen und kann sogar die Batterieressourcen überschreiten, wenn eine Vorrichtung davon gespeist wird. Das ist der Grund, warum eine Stromspeicherung und -verwaltung in diesem Fall so notwendig ist.
Die digitale Einheit DU schaltet ein, dann schaltet die analoge Einheit AU ein und arbeitet eine gewisse Zeit lang, um stabile Ergebnisse zu erhalten, dann sucht der MP nach einem für Messungen geeigneten Zeitpunkt, und erst danach werden die lichtemittierenden Elemente bei gleichzeitiger Regelung des Strompegels eingeschaltet. Das Schalten von lichtemittierenden Elementen während einer kurzen Reihe von Impulsen ist an sich bekannt. Neu bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, dass die Impulsdauer genutzt wird, um ein und dasselbe Leistungsverhalten für die Messschaltung in einem sehr breiten Temperaturbereich zu bekommen.
Um eine hohe Genauigkeit in den Messungen zu erhalten, sollte man das Signal verstärken, und es ist viel besser, Schmalbandfilter in allen Verstärkern einzusetzen, so dass nur Impulse mit einer speziell angesetzten Dauer aus den lichtemittierenden Elementen durchgehen könnten. Dies schützt die Vorrichtung vor EMI-Rauschen. Dass die Filter auf eine spezifische Frequenz abgestimmt sind, macht es möglich, dass deren Leistungsmerkmale mit dem Temperaturanstieg gleitend sind. Tatsächlich passiert es immer, dass Filter, die bei +25°C für eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden, bei dieser Frequenz bei +100°C (und auch bei -50°C) nicht arbeiten. Das ist der Grund, warum hier vorgeschlagen wird (s. weiter unten), die Dauer von Impulsen mit der Temperatur zu kalibrieren und die spezifische Frequenz von Lichtimpulsen so zu verändern, dass sie im gesamten Temperaturbereich immer durch die Filter und Verstärker hindurchgehen. Der MP verrichtet diese Arbeit, indem er Daten zur Stromspeicherschaltung PAC und zum Stromkonstanthalter STC überträgt.
Es wird vorgeschlagen eine Stromregelung im Stromkonstanthalter STC vorzunehmen, um die Empfindlichkeit der Detektoren mit hoher Präzision fast wie ein Feininstrument für optische Dichtmessungen zu kalibrieren. Das Verfahren und die Vorgehensweise zur Kalibrierung sind wie folgt:
Man stellt viele Detektoren (15 bis 30 auf einmal) zur Kalibrierung in einen ziemlich großen Raum (nicht wie gewöhnlich in ein Rauchrohr). Es ist wichtig, dass Rauchmelder der offenen Bauart genügend Platz haben, so dass es keine Reflexionen von Licht gibt, das von Wänden abgestrahlt wird (wie in einem Rohr). Dann werden die Detektoren an einen Kommunikationsbus angeschlossen (z. B. eine CAN-Schnittstelle; jede Vorrichtung kann aber auch über einen USB-Bus direkt an einen PC angeschlossen werden, und als Option ist auch eine Ethernet- oder Funkkanalverbindung möglich). Man bringt ein Messinstrument für optische Dichtemessungen in diesen Raum und greift auf seine Daten zu, die auf demselben Computer angezeigt werden. Es wird eine Rauchquelle mit wirklich langsam abbrennendem Material bereitgestellt und der Raum geschlossen. Man erhält konstant Daten über die Rauchdichte von den Detektoren und vom Messinstrument.
Wenn die Rauchdichte auf dem Messinstrument eine untere Schwelle (z. B. 0,05 db pro 1 Meter) erreicht, weist man das System an, diese Daten an die Detektoren zu übertragen, und diese speichern dann diese Daten zusammen mit dem jeweiligen gemessenen Dichtewert. Auf einen Befehl hin stellen alle Detektoren ihren Strom im Stromkonstanthalter STC über den DAC2 in der digitalen Einheit (Zeichnung 3) so ein, dass ihr Messwert gleich dem vom PC her empfangenen Wert ist. Da die Rauchdichte sehr langsam ansteigt, kann man so viele Punkte bekommen, wie man will, wodurch eine ganze Kalibrierungstabelle im Speicher der Detektoren entsteht. Wenn die Rauchdichte ihren Hochpegel (z. B. 0,2 dB pro 1 Meter) erreicht, beendet man die Kalibrierung, weil davon ausgegangen wird, dass die Detektoren über diesen Punkt hinaus die Situation nicht mehr analysieren. So erhält man zuerst einen groben Offset-Wert für alle Ströme in den lichtemittierenden Elementen und eine ganze Tabelle von Korrekturkoeffizienten für viele Punkte. Wichtig ist, dass man zuerst eine Grobkorrektur vornimmt und dann Punkte zur Feineinstellung herausfindet; dies ermöglicht gute Kalibrierungsergebnisse.
Wenn die Rauchquelle zu brennen aufhört, öffnet man den Entlüftungskanal und schaltet einen Ventilator ein. Die Erfahrung lehrt, dass die Rauchdichte in diesem Fall mit noch besserer Gleichmäßigkeit, gradueller und gleichförmig mit gleicher Verteilung über den gesamten Rauminhalt niedriger wird. Man zeichnet abermals Daten aus dem Messinstrument auf, vergleicht sie mit den Daten bereits kalibrierter Detektoren und nimmt nötigenfalls kleine Einstellungen vor.
Ein anderer wichtiger Punkt ist, dass der Pegel des durch die LEDs fließenden Stroms mit der Temperatur signifikant variieren kann. Eigentlich haben lichtemittierende Dioden eine sehr gute Stabilität und eine temperaturbedingte Veränderung ihrer Lichtstärke kann außer Acht gelassen werden. Aber analoge Bauteile in der Stromregelschaltung können ihre Kennlinien verändern. Wenn man zum Beispiel einen FED verwendet, um den Stromfluss durch lichtemittierende Elemente zu eröffnen, kann sich sein Ansprechen auf einen bestimmten Pegel aus dem DAC2 temperaturbedingt ausreichend ändern, selbst wenn der DAC2 denselben Pegel in seiner Leistung bringt (aber sich sein Pegel auch bei hoher Temperatur ändern wird). Das ist der Grund, warum Daten, die man unter Normalbedingungen erhält, für den gesamten Temperaturbereich überprüft und aktualisiert werden sollten. Dies kann in einer Temperaturkammer unter Verwendung von nur 2 Rauchdichten (oder sogar ohne Rauch) erfolgen. In der Praxis kann man die Detektoren in eine Temperaturkammer (ohne Rauch) legen und die Daten über den Strom im STC aus dem ADC mit Daten vergleichen, die an den DAC2 übertragen wurden, um diesen Strom im STC zu erzielen. Man nimmt Korrekturen an den DAC2-Daten vor, so dass es sich um ein und denselben Strom handelt, der durch den ADC über einen weiten Temperaturbereich (von –50°C bis +55°C) gemessen wird; Punkte für höhere Temperaturen werden durch Näherungsrechnung berechnet. Ergebnisse für manche reale Rauchdichten können für diesen Temperaturbereich auch nachgewiesen werden, sie sind aber ziemlich gleich, wenn die Korrektur unter Bedingungen ohne Rauch berücksichtigt wird.
Mit dieser Vorgehensweise bekommt man einen sehr gründlich kalibrierten Rauchdetektor mit Temperaturkompensation, der eine Rauchdichte genau wie eine sehr teure instrumentelle Einrichtung exakt misst. Was gut und neu ist, ist, dass kein anderer Rauchmelder der offenen Bauart auf dem Markt die Rauchdichte in konkreten Zahlen messen kann, sie geben alle nur Alarmpegel an. Die meisten Melder der offenen Bauart erlangen nur eine ungefähre Kenntnis über die Rauchdichte in einem ungewissen Volumen.
In 1 erkennt man, dass eine digitale Thermometereinheit TU in der Vorrichtung enthalten ist. In erster Linie ist sie zur Kalibrierung und Temperaturkompensation während ihres Einsatzes gedacht. Jedoch kann man sie auch als Temperaturmelder der Maximal-/Differentialbauart zur besseren Branderfassung verwenden.
Es wird zunächst nun ein Blick auf das detaillierte Funktionsschema in 3 geworfen. Es sollte zusammen mit 4 betrachtet werden.
Zunächst zeigt 4 eine Gruppe EE1 von lichtemittierenden Elementen, die auf einer Hyperbel angeordnet sind. Es werden absichtlich mindestens 3 lichtemittierende Dioden verwendet, die sich in einigem Abstand voneinander befinden. Dies ergibt eine bessere räumliche Verteilung des im Raum emittierten Lichts im Erfassungsbereich aus leicht unterschiedlichen Winkeln. Wenn Licht ein Rauchpartikel erreicht, hat man eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass das Licht auf eine flache reflektierende Fläche eines Rauchpartikels fallen wird. Wenn man nur eine lichtemittierende Diode verwendet, verläuft das Licht aus dieser in Winkeln von ±5° zum Erfassungsbereich, aber jedes Rauchpartikel in dem Bereich empfängt Licht nur aus einer Richtung, der Linie, die dieses Partikel und die emittierende Diode verbindet. Wenn man 3 Dioden verwendet, empfängt jedes Partikel Licht aus 3 etwas unterschiedlichen Richtungen. Dies ergibt eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass Licht auf einen reflektierenden Rand des Rauchpartikels trifft. Natürlich können es auch mehr als 3 lichtemittierende Dioden sein, und die Empfindlichkeit unserer Vorrichtung wird proportional zur Anzahl von lichtemittierenden Elementen ansteigen. In hochempfindlichen Anwendungen ist es zum Beispiel sehr hilfreich, wenn man ein Lichtwellenleiterkabel verwendet, um Licht in eine Hochtemperaturzone zu übertragen, und auch mit Einsatz des Lichtwellenleiters Signale zu empfangen.
Es ist wichtig, dass man in Anwendungen des allgemeinen Gebrauchs herkömmliche LED und keine Laserdioden verwendet, um den Schutz der Augen zugewährleisten. Da Licht in den offenen Raum abgestrahlt wird, kann es die Augen einer Person erreichen, und das ist bei Laserdioden besonders gefährlich, z. B. wenn ein Kind auf den in Betrieb befindlichen Melder starrt. Aus diesem Grund bündelt man beim vorgeschlagenen Rauchdetektor Licht aus mehreren Universaldioden nur in einem sehr engen Bereich, ca. 20 cm von der Decke. Außerhalb dieser Zone teilt sich das Licht aus den drei Dioden in drei unterschiedliche Strahlen auf, verliert mit zunehmendem Abstand schnell an Energie und ist für die Augen nicht gefährlich.
Die lichtemittierenden Dioden EE1 der Gruppe 1 in 4 befinden sich auf einer Hyperbel. Und zwar, weil man das Licht aus allen Dioden mit ein und demselben Winkel auf die optische Achse des Sensorelements SE1 lenken sollte. Der normmäßig empfohlene Winkel ist 110°, Wenn man also in den Erfassungsbereich eine Spitze eines imaginären Konus (mit einem Winkel von 110° von der Achse zur Seite) einsetzt und mit seiner Achse auf SE1 zielt, wird man sehen, dass die Schnittpunkte dieses Konus mit der planen Oberfläche des Melders eine Hyperbel ergeben (5). Wenn man in einer anderen Teilmodifizierung der Vorrichtung (siehe 8) einen ausreichend kleineren Winkel, z. B. 70°, wählt, dann werden die Schnittpunkte eine Schraubenlinie ergeben.
Es wäre anzumerken, dass es sich bei den lichtemittierenden Elementen um einen Verbund (nicht einfach nur Dioden) handeln kann, d. h. man kann Dioden zusammen mit einer Linse oder einem optischen Prisma oder einer anderen Optik verwenden. In einigen Anwendungen verwendet man einen Lichtwellenleiter, in anderen Anwendungen ein spezielles plastisches Prisma, das die Oberfläche des emittierenden Elements flach und in einer Ebene liegend mit der Oberfläche des Melders macht. In einfachen Anwendungen ist das emittierende Element nur eine Diode mit ihrer eigenen Linse, die in einen schmalen Kanal im Gehäuse eingesetzt ist (dieselben Lösungen gelten für die Sensorelemente). Die Sensorelemente der Gruppe SE1 können auch (als eine Gruppe) auf einer Kurve angeordnet sein. Das kann dabei helfen, Hindernisse zu vermeiden wie etwa fliegende Insekten oder auf einer der Dioden sitzende Fliegen. Die Grundversion verfügt jedoch über nur eine Fotodiode SE1.
In den Block der lichtemittierenden Elemente im Funktionsschema in 3 hat man ein lichtemittierendes Element TEE zu Testzwecken mit aufgenommen (siehe 4). Das lichtemittierende Element zu Testzwecken ist notwendig, weil, wenn es keinen Rauch im Erfassungsbereich gibt, man auch keine Antwort und kein optisches Signal zurückbekommt. Das ist der Grund, warum die Fotodiode getestet wird, um herauszufinden, ob sie richtig arbeitet und einfach nicht in dem Bereich zu erfassen ist. Diese Diode TEE wird nur zum Nachweis verwendet, dass die Fotodiode im Sensorelement SE1 aktiv ist. Das lichtemittierende Element zu Testzwecken kann nicht nur auf der Oberfläche des Melders angeordnet werden, sondern auch in ihm, wobei dann Licht in den hinteren Teil des Sensorelements SE1 übertragen wird. Für die lichtemittierenden Elemente besteht kein Bedarf, emittiertes Licht zu testen, weil man den durch diese Dioden fließenden Strom messen kann, und wo es Strom gibt, gibt es auch Licht.
Weiterhin erkennt man in 4 Sensorelemente SE1 und SE2. Das Hauptsensorelement ist SE1, es empfängt Licht aus dem Erfassungsbereich und wir machen Messungen auf Grundlage von Signalen vom SE1. Das Sensorelement SE2 ist vom Erfassungsbereich weg gerichtet, es empfängt keine Signale von den lichtemittierenden Elementen EE1. Seine optische Achse bildet in ein und derselben Richtung aber in einem gewissen Abstand voneinander (siehe 6) im Wesentlichen denselben Winkel mit der Oberfläche des Melders wie die optische Achse des SE1. Die Aufgabe des Sensorelements SE2 ist es, die Vorrichtung vor Sonnenlicht und künstlichem Licht zu schützen. Wenn Sonnenlicht auf den Melder fällt, empfangen sowohl das SE1 als auch SE2 dieses Signal, weil Sonnenlicht immer ein paralleler Lichtstrahl ist.
Im Funktionsschema (3) sieht man, dass Signale aus den Lichterfassungselementen SE1 und SE2 durch Trennkondensatoren SC1 und SC2 hindurchgehen und dann zu einem Summierglied S1 gehen. Die Trennkondensatoren sind dazu gedacht, einen konstanten Versatz von Wandlern CVC1 und CVC2 auszuschließen, und auch konstantes Hintergrundlicht auszuschließen. Hier wird schon ein großer Teil der Sonnenlichtenergie ausgeschlossen. Dann werden im Summierglied S1 Signale vom SE1 und SE2 subtrahiert, weil das SE2 am Eingang des Summierglieds S1 invertiert wird. Diese Lösung hilft dabei, den Rest an Sonnenlicht auszuschließen und einen perfekten Ausgleich gegen natürliche und künstliche Lichtquellen zu erreichen. Dies ist wichtig, weil Sonnenlicht in der Praxis eine Modulation aus der Atmosphäre erfährt und ein einfaches Abtrennen eines konstanten Pegels durch einen Trennkondensator nicht immer Abhilfe schafft. Auch wenn es eine in der Nähe befindliche Lampe gibt, gibt es von Schwingungen herrührende Lichtmodulationen. Mit der vorgeschlagenen Lösung wird dies vollständig ausgeschlossen.
In 3 erkennt man weiter, dass jedes Lichterfassungslement an seinen eigenen Strom-/Spannungswandler (CVC1 und CVC2) angeschlossen ist. Dies ist neu, weil Fotodioden im Kurzschlussmodus verwendet werden, CVC1 die Spannung im SE1 nahe an Null hält, und SE2 ein Stromsignal im Ansprechen auf Licht erzeugt. Dann wandelt der CVC1 Signalstrom in Signalspannung um. Aufgrund dieser Lösung kann die Vorrichtung nie durch ein Signal hoher Intensität geblendet werden. Für gewöhnlich gerät eine Fotodiode, wenn sie Licht hoher Intensität empfängt, in Sättigung und kann für einen längeren Zeitraum nicht arbeiten.
Der Betrieb des Summierglieds S1 in 3 wird vom Mikroprozessor verwaltet. Ein Signal vom Summierglied S1 geht zum Verstärker A1, dann zum ACD und schließlich in digitaler Form zum Mikroprozessor MP. Diese Lösung hilft dabei, einen Staubausgleich zu machen und absolute Immunität gegen alle Arten von künstlichen Lichtquellen zu erreichen, sei es eine Glühlampe, eine Hg-Lampe, Halogenlampen oder neue Energiesparlampen oder sogar Leistungsdiodenlichtlösungen.
Das Verfahren zur Unterdrückung von Störungen durch künstliche Lichtquellen umfasst Folgendes:
Der Mikroprozessor MP schaltet im Summierglied S1 beide Kanäle (vom SE1 und SE2) ein und erhält dann verstärkte und digitalisierte Signale, die für den Unterschied zwischen SE1 und SE2 stehen. Handelt es sich um eine schwache Quelle künstlichen Lichts oder befindet sich diese Quelle in einem erheblichen Abstand, werden die Signale vom SE1 und SE2 gleich sein und der MP erhält ein Signal nahe Null. Dann ist es sicher, Messungen durchzuführen.
Ist die Quelle künstlichen Lichts aber stark oder so ungünstig angeordnet, dass direktes Licht auf das SE1 aber fast kein Licht auf das SE2 fällt (zum Beispiel aufgrund eines Lampenschirms oder eines Sonnendachrands oder irgendeines anderen Rands von Geräten), werden ausreichend Signale am Ausgang des Verstärkers A1 anliegen. Der Mikroprozessor MP beobachtet diese Situation, erkennt die Wellen modulierten Lichts aus künstlichen Quellen, weil alle Lampen ihren Strom mit der Industriefrequenz von 50 Hz oder 60 Hz bekommen. Beim emittierten Licht ist diese Frequenz auf 100 Hz bzw. 120 Hz verdoppelt, weil die Lampen Licht sowohl in positiven als auch negativen Halbperioden abgeben. Der Mikroprozessor MP findet das Zeitintervall, in dem das Signal von den Lampen seinen Mindestwert erreicht, und in diesem Minimum werden reale Messungen der Rauchdichte durchgeführt. Dieses Verfahren schließt sogar eine so gefährliche Quelle wie eine Hg 500 W-Suchscheinwerferlampe in einem Abstand von 0,5 m aus. Gerade diese Lampe ist sehr kritisch, weil sie eine breite Spektralkennlinie hat und durch alle optischen Filter hindurchgeht.
Das Hauptverfahren zum Messen von Rauchdichte umfasst die folgenden Schritte:
Der Mikroprozessor MP erhält eine Betriebsspannung aus dem Spannungskonstanthalter STV1 und beginnt mit der Arbeit. Der Mikroprozessor MP schickt eine Messungsanforderung an den ADC und erhält Daten über die Spannungspegel der Speicherkondensatoren im STV1 und der Stromspeicherschaltung PAC zurück. Wenn alle Kondensatoren voll geladen sind, ist der Betrieb der analogen Einheit AU möglich. Danach erfüllt der Mikroprozessor MP konstant die Stromversorgungsverwaltung, wie zuvor beschrieben wurde. Gleichzeitig misst der Mikroprozessor MP konstant die Umgebungstemperatur mit Hilfe der digitalen Thermometereinheit TU. Der Mikroprozessor MP schaltet das Schaltelement KE ein und wartet einen vorbestimmten Zeitraum lang, bis die analoge Einheit AU in einen stabilen Betrieb gelangt. Der Mikroprozessor MP schaltet beide Kanäle im Summierglied S1 ein und empfängt über den ADC ein Signal vom Verstärker A1, um den Zeitpunkt zur richtigen Messung mit minimalem optischen Rauschen zu bestimmen, wie oben im Verfahren zur Bekämpfung künstlicher Lichtquellen beschrieben wurde.
Wenn das Signal vom Verstärker A1 sein Minimum erreicht, schaltet der Mikroprozessor MP einen frisch geladenen Speicherkondensator C2 im Spannungskonstanthalter STV1 ein (und schaltet den C1 der AU aus, wodurch der C1 an Eingangsspannung angeschlossen wird). In einfacheren Modifizierungen überwacht der Mikroprozessor MP einfach nur die Spannung am STV1, so dass die analoge Einheit AU die notwendige Spannung bekommt, und falls sich die stabilisierte Spannung an der analogen Einheit AU von einem vorbestimmten Wert unterscheidet, berechnet der Mikroprozessor MP diesen Unterschied und nimmt Korrekturen an Empfangssignalen vor. Wenn der Mikroprozessor MP den richtigen Zeitpunkt für Messungen bestimmt hat, schickt er Daten über den Strompegel an den DAC2, der über die lichtemittierenden Elemente im Hinblick auf die Umgebungstemperatur hergestellt werden sollte. Der Digital-/Analogwandler DAC2 stellt seinen Ausgang entsprechend diesen Daten ein, und dieses Signal geht zum Stromkonstanthalter STC. Dann schaltet der Mikroprozessor MP den Stromkonstanthalter STC ein und dieser schickt Messstrom zu den lichtemittierenden Elementen (Gruppe EE1 in 4). Licht aus den lichtemittierenden Elementen verläuft mit ein und demselben Winkel zur optischen Achse des Hauptsensorelements SE1 (5) durch den Erfassungsbereich. Vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, beträgt der Winkel 110°.
Es wird zunächst eine Situation betrachtet, in der kein Rauch in dem Bereich vorhanden ist. Je nach dem vom STC erzeugten Signal, senden die lichtemittierenden Elemente (Gruppe 1) einen sehr kurzen Lichtimpuls (oder eine Reihe von Impulsen) mit bekannter Dauer und Intensitätskennlinie gesteuert durch den Mikroprozessor MP. Das Lichtsignal erreicht den Erfassungsbereich, dort ist aber kein Rauch und so kann kein Licht durch Rauchpartikel gestreut werden. Jedoch können sich Hindernisse in dem Bereich befinden, wie etwa nahebei befindliche Wände oder Reihen von Containern in Lagerhallen u. dgl., oder auch Hände von Reinigungspersonal nahe dem Melder und auf diesem sitzende Insekten. So kann selbst ohne Rauch ein gewisses Signal aus den lichtemittierenden Elementen vom Erfassungsbereich rückreflektiert werden, und dieses Licht erreicht das Sensorelement SE1. Dann wird dieses Licht durch das SE1 in ein elektrisches Stromsignal umgesetzt, das der Strom-/Spannungswandler CVC1 dann in ein Spannungssignal umwandelt. Dann durchläuft nur der Wechselstromteil dieses Signals den Trennkondensator SC1. Dieselbe Umsetzung/Umwandlung erfolgt durch das SE2, den CVC2 und den SC2. Beide Kanäle treffen im Summierglied S1 aufeinander.
Falls Hintergrundbeleuchtungsquellen vorhanden sind, erreicht das Lichtsignal von diesem beide Sensorelemente SE1 und SE2 und wird im Summierglied S1 effektiv subtrahiert. Dann durchlaufen nur Impulse hoher Frequenz (über 1 kHz) den Trennkondensator SC3, um den Messteil vor industriellen EMI-Stahlungen (mit Frequenzen von ca. 50–60 Hz oder 100–120 Hz) zu schützen. Kurz dauernde Impulse aus den lichtemittierenden Elementen, die von Hindernissen in dem Bereich reflektiert werden, durchlaufen dann den Trennkondensator SC3 und erreichen das Summierglied S2. Der Mikroprozessor MP schickt einen Nullwert an den DAC1, so dass das Signal vom SC3 unverändert an den Ausgang des Summierglieds S2 geht. Der Mikroprozessor MP schickt einen Befehl an den ADC, Messungen durchzuführen, und erhält Daten über Signale am Ausgang des Summierglieds S2 zurück. Falls eine sehr starke Reflexion (zum Beispiel von nahen Wänden oder wenn man einen Lüftungskanal oder einen engen Kanal für Elektrokabel schützt) besteht, dann erhält der Mikroprozessor bereits in diesem Stadium ein signifikantes Signal. So schickt der Mikroprozessor MP einen berechneten Wert an den DAC1, und der DAC1 gleicht das aus Reflexionen im Erfassungsbereich gemessene Rauschen aus.
Dann erfolgt eine neue Messung, diesmal stellt der Mikroprozessor MP den Pegel im DAC1 vorab auf den zuvor berechneten Wert ein, so dass das Signal vom DAC1 vom Signal aus dem Trennkondensator SC3 subtrahiert wird. Da die Signale fast vollständig ausgeglichen sind, braucht man nun eine Verstärkung, um ein gewisses signifikantes Signal zu sehen. Das ist der Grund, warum der Mikroprozessor MP aus dem ADC auch Signale vom Ausgang von Verstärkern A2, A3 und A4 empfängt, wobei jedes von diesen einen gewissen Verstärkungsgrad, vorzugsweise mit Stufen von ×10 (jedes Signal wird mit 10 verstärkt) bei jedem Verstärker aufweist. Danach korrigiert dieser Mikroprozessor MP Daten für den DAC1 und wird diesen genaueren Wert weiter verwenden. Die genaueste Messung eines Rauschsignals aus Reflexion erfolgt, wenn der DAC1 keine kleineren Zahlen zur Durchführung einer Feinkorrektur hat und fast das gesamte Störsignal ausgeglichen ist. Dann misst der Mikroprozessor MP mit Hilfe des ADC ein Signal von einem Integrierglied Int, das das Signal aus dem A4 während Impulsen integriert. Das Ergebnis liefert einen Offset-Wert zur Feinstkorrektur, und diese Daten werden zusammen mit Korrekturdaten für den DAC1 im MP (z. B. in einem ROM oder Flash-Speicher) gespeichert. Der Mikroprozessor MP führt weiter Messungen in gewissen Zeitabständen, z. B. 1 mal in 1 Sekunde durch.
Wenn Rauch im Erfassungsbereich auftritt, trifft Licht aus den lichtemittierenden Elementen im Erfassungsbereich auf Rauchpartikel, etwas Licht wird zum Sensorelement DE1 reflektiert, und kein Licht wird von Rauchpartikeln zum Sensorelement SE2 reflektiert (6). Der Mikroprozessor MP bestimmt die Dauer kurzer Lichtimpulse (oder Reihen von Impulsen) im Hinblick auf Temperatur, so dass die Impulse zur Betriebsfrequenz von Schmalbandfiltern in den Verstärkern A2, A3 und A4 passen (wie im Verfahren zur Kalibrierung weiter oben beschrieben). Für gewöhnlich hat diese Dauer unter normalen Bedingungen eine Größenordnung von 15 Mikrosekunden. Der Mikroprozessor MP bestimmt auch die Lichtintensität, schickt Daten an den DAC2 und stellt den bekannten Strom im Stromkonstanthalter STC her (die an den DAC2 geschickten Daten hängen vom Temperaturwert ab, wie weiter oben beschrieben wurde).
Der Mikroprozessor MP regelt den realen Strom durch die lichtemittierenden Elemente mit Hilfe des ADC. Wenn ein Lichtsignal aus dem Erfassungsbereich durch Rauchpartikel gestreut wird, erreicht es das Sensorelement SE1 und wird dort in ein elektrisches Stromsignal umgewandelt. Dann wandelt es der Strom-/Spannungswandler CVC1 in ein Spannungssignal um. Nur der Wechselspannungsteil dieses Signals durchläuft den Trennkondensator SC1. Dieselbe Umwandlung erfolgt durch das SE2, den CVC2, SC2 nur am Rauschlichtsignal.
Ein Lichtsignal von Hintergrundbeleuchtungsquellen erreicht beide Sensorelemente SE1 und SE2 und wird im Summierglied S1 subtrahiert. Kurzdauerimpulse aus den lichtemittierenden Elementen durchlaufen den Trennkondensator SC3 und erreichen das Summierglied S2. Der Mikroprozessor MP schickt einen zuvor berechneten Wert zur Korrektur eines Rauschsignals von Reflexionen an den DAC1. Im Summierglied S2 werden die Signale subtrahiert, und dann geht nur der echte Teil dieses Signals, der dem realen Signal von Rauch entspricht, an die Verstärker A2, A3 A4 und das Integrierglied Int durch. Der Mikroprozessor MP schicht eine Messanforderung an den ADC und erhält alle diese Signale in digitaler Form. Dann berücksichtigt der Mikroprozessor MP den Messsignalpegel, subtrahiert den Offset-Wert vom Rauschen, vergleicht das Ergebnis mit der in seinem Speicher gespeicherten Koeffiziententabelle (gemäß Werkskalibrierung Abschnitt 3), und berechnet den realen Rauchdichtewert. Dann vergleicht der MP diesen Wert mit vorbestimmten Schwellenwerten, und wenn der Messwert größer ist als ein erster Schwellenwert, erzeugt der MP ein Signal „Achtung”. Wenn dieser Wert während einer vorbestimmten Zeit (durch Vorschriften empfohlen) auf einen zweiten Schwellenwert angestiegen ist, erzeugt der MP ein Signal „Alarm”.
Es kann auch andere Taktiken zum Schutz gegen Feuer geben, zum Beispiel kann ein Benutzer bestimmen, nur einen Schwellenwert ohne Zeitberechnung zu überschreiten. Oder der Benutzer kann bestimmen, dass die Rauchstärke differenziert und ein Alarm bei einem plötzlichen Signalanstieg gegeben wird. Oder der Benutzer kann bestimmten, dass plötzliche Sprünge (aufgrund sich nahe des Melders bewegender Menschen) ignoriert werden, in diesem Fall kann der Melder aber eine Reihe schnell aufeinanderfolgender Messungen durchführen und dabei Reflexionen von sich bewegenden Objekten wirksam eliminieren. Für andere Anwendungen ist eine schnelle Reaktion selbst auf geringe Rauchpegel unerlässlich (zum Beispiel, wenn Lüftungssysteme fast das gesamte Luftvolumen abziehen und 1 Minute lang Räume mit Frischluft füllen).
Der Mikroprozessor MP kann mit Hilfe eines Ausgangstreibers immer genaue Daten über die Rauchdichte an die höhere Ebene des Brandschutzsystems übertragen. Und dies wird auch stark empfohlen, weil auf der höheren Ebene die Empfangseinheit Informationen über Rauchdichtepegel aus vielen verschiedenen Meldern sammelt und eine statistische Analyse durchführt, Zahlen abtrennt, die einen Verdacht aufkommen lassen können (zum Beispiel, wenn nahe einem Melder wirklicher Rauch aus einer sehr kleinen Quelle wie etwa einer Zigarette erfasst wird, aber an anderen Meldern nur ein langsamer Anstieg im Hintergrundstörpegel zu erkennen ist). Dies wird in einer unserer Modifizierungen mit vielen Meldereinheiten bewerkstelligt. Das ist fast alles über das Hauptverfahren.
Das Verfahren zum Staubausgleich im Melder umfasst spezielle Konstruktionslösungen, die in 7 gezeigt sind. Die Erfinder fanden heraus, dass, wenn eine Rille am Umfang des Meldergehäuses so hergestellt wird, dass diese durch die lichtemittierenden Elemente und Sensorelemente verläuft, Reflexionen von Licht zu sehen sind, das durch die reflektierenden Ränder der Rille von den lichtemittierenden Elementen zu den Sensorelementen übertragen wird, auch wenn gar kein direkter Lichtdurchgang besteht. Es ist unerheblich, wie groß oder dünn diese Rille ist, sie sollte nur durch die Elemente verlaufen, wobei die lichtemittierenden und Sensorelemente auf ihrer Innenseite angeordnet sind. So gibt es mehrere Konstruktionslösungen zum Staubausgleich.
In einer ersten Lösung fräst man eine breite ovale Ebene aus und belässt eine glatte Flanke am Umfang in Form einer Helix, und in der Mitte des Gehäuses in Form eines flachen Kreises. In der zweiten Konstruktionslösung hat man zwei separate Rillen ovaler Form, eine enthält lichtemittierende Elemente und das Hauptsensorelement SE1, und die zweite, kleinere orale Rille enthält lichtemittierende Element und das zweite Sensorelement SE2. Eine dritte Konstruktionslösung verfügt nur über kleine reflektierende Flächen nahe den lichtemittierenden Elementen und dem zweiten Sensorelement. Die kleinen reflektierenden Kanten in dieser Lösung sind eigentlich nur eine Fortsetzung von Kanälen im Meldergehäuse, in die lichtemittierende Elemente eingesetzt sind; dies genügt, um eine ausreichende Reflexion zum Sensorelement SE1 zu erhalten. Alle vorstehende Teile sind in 7 schraffiert markiert.
Im vorgeschlagenen Verfahren zum Staubausgleich misst der Mikroprozessor MP zuerst das Signal vom Hauptsensorelement SE1. Dazu wählt der Mikroprozessor MP einen möglichen Zeitpunkt zur Messung nach dem Verfahren zur Bekämpfung künstlichen Lichts, misst dann das Signal aus dem Erfassungsbereich nach dem Hauptverfahren, und korrigiert dieses dann. Eine Staubkorrektur wird nur durchgeführt, wenn keine Brandgefahr besteht. Dann überträgt der MP ein Signal an das Summierglied S1 und schaltet den Kanal vom Sensorelement SE2 aus, um nur Messungen am SE1 durchzuführen. Der MP misst das Signal vom SE1 und speichert es in seinem Speicher, dann schickt er ein Signal an das Summierglied S1 und schaltet den Kanal vom Sensorelement SE1 aus und den vom Sensorelement SE2 ein, um nur am SE2 Messungen durchzuführen. Dann misst der MP das Signal vom SE2 und speichert es auch in seinem Speicher. Der MP vergleicht Signale aus einer früheren Kalibrierung mit neu gemessenen Signalen und berechnet eine Sättigung des Signals aufgrund von Staub auf seiner Oberfläche.
Dank dieses Verfahrens weiß man genau, welche Zahlen der Melder maß als er erstinstalliert war, und welche Zahlen er nach Jahren des Betriebs hat. Man misst auch Signale genau an den Arbeitsdioden SE1 und SE2 mit realen lichtemittierenden Elementen, die für Messungen im Hauptverfahren verwendet wurden. Dies verhindert Fehler aufgrund von unterschiedlicher Staubdicke oder Hindernissen an Dioden. Es ist auch wichtig, festzuhalten, dass in diesem Fall kein Testlicht emittierendes Element vonnöten ist, weil man immer ein Signal von der reflektierenden Rille hat, um die Vorrichtung zu testen.
In verschiedenen Figuren finden sich diverse Konstruktionsvarianten: Rauchmelder der offenen Bauart (Variante 1, 4), Rauchmelder der offenen Bauart kombiniert mit Temperaturmelder (Maximal-/Differentialbauart) (Variante 2, 13), Rauchmelder der offenen Bauart, kombiniert mit UV-Flammenmelder (Variante 3, 14), Rauchmelder der offenen Bauart, kombiniert mit IR-Flammenmelder (empfindlich in mindestens 2 Spektralbereichen) (Variante 4, 14), Rauchmelder der offenen Bauart, kombiniert mit Temperaturmelder und UV-Flammenmelder (Variante 5, 15), Rauchmelder der offenen Bauart, kombiniert mit Temperaturmelder und IR-Flammenmelder (Variante 6, 15). Rauchmelder der offenen Bauart, kombiniert mit Temperaturmelder, UV-Flammenmelder und IR-Flammenmelder (empfindlich in mindestens zwei Spektralbereichen) (Variante 7, 16).
Es kann auch Teilmodifizierungen kombiniert mit Temperaturmeldern und Flammenmeldern der UV- und/oder IR-Bauart geben. Alle diese Varianten können mit Lichtwellenleitern oder Kabeln ausgestattet sein, um eine Kommunikation zwischen Steuereinheit MU (wo sich die gesamte Elektronik befindet) und einer abgesetzten Detektoreinheit RDU herzustellen (wo man nur Optik für Hochtemperaturanwendungen anordnet oder zuverlässige einfache Elektronik wie Dioden einsetzt) (Variante 10, 17). Eine modifizierte Losung ist als Variante 11 in 18 gezeigt. 18 zeigt eine Hauptmeldereinheit MU, die mit mehreren abgesetzten Sensoreinheiten RDU1 bis RDU4 verbunden ist. Dies ist eine gute Lösung für die Industrie, wo eine große Arbeitshalle oder Werkstatt als eine Zone für ein Feuerlöschsystem geschützt werden kann. Dies gibt Anwendern die Gelegenheit, nur einen oder zwei Melder mit vielen abgesetzten Sensoreinheiten (bis zu 30 bei einer Haupteinheit) anstelle von Dutzenden von separaten Meldern anzubringen. Das ist eine ausnehmend ökonomische Lösung.
Nachfolgend werden einige weiterhin erwähnenswerte Aspekte vorteilhafter Ausführungen des vorgeschlagenen Rauchdetektors bzw. seines Betriebs und seiner Anwendung erwähnt:
Aus 3 ist ersichtlich, dass der Mikroprozessor MP Feineinstellungen in den Verstärkern A2, A3 und A4 durchführen kann; dies wird zur automatischen Kalibrierung der Vorrichtung im Werk benötigt. Die Verbindung zwischen dem MP und dem Integrierglied ist dazu gedacht, das Integrierglied nur in bekannten Zeiträumen mit Speicherung des Pegels des integrierten Signals und seiner Rücksetzung durch den MP arbeiten zu lassen. Es wird gegenwärtig ein Hochgeschwindigkeits-ADC verwendet, in preisgünstigeren Modifizierungen kann man aber einen langsameren ADC in Kombination mit einem durch den Mikroprozessor MP gesteuerten Spitzendetektor verwenden. Der ADC kann ein Teil des Mikroprozessors sein.
Das typischerweise schwache Signal des Lichterfassungselements erfordert grundsätzlich hohe Verstärkungsfaktoren, diese sind aber unvermeidlich mit entsprechendem Stromverbrauch und zusätzlichem Rauschen verbunden. In einer Ausführung der Auswertungsschaltung wird daher ein aus einer positiven und nachfolgenden negativen Halbwelle bestehendes Primärsignal, nach Filterung und Verstärkung, durch Invertierung der negativen Halbwelle und Addition zur positiven Halbwelle verarbeitet. In einer Ausgestaltung, bei der vor dem Integrator geeignete Schaltelemente vorgesehen sind, werden Teile der Halbwellen ausgeblendet, um insbesondere nur den mittleren Abschnitt mit größter Signalamplitude als Nutzsignal durchzulassen.
Zweckmäßige Ausführungen haben ein Metallgehäuse, sind stoßsicher und vandalensicher, haben einen Sockel mit Schrauben, keine bündige Lösung, aber eine solide Befestigung von Drähten an Kontakten an der Seitenfläche des Sockels mit Schrauben. Diese Lösung ist gegen alle Arten von Vibrationen resistent und kann sogar in Eisenbahnwaggons sicher eingesetzt werden.
Es können mehrere Gruppen von lichtemittierenden Elementen vorhanden sein, das gibt ein besseres Leistungsverhalten bei schwarzem Rauch (vgl. 8, 9, 10). Es können zwei verschiedene Zonen zur früheren Erfassung eingerichtet werden, und für Rauch, der sich in Schichten oder Horizonten ausbreitet (vgl. 11). Es können Gruppen von lichtemittierenden Elementen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit vorhanden sein, dies ermöglicht uns, schwarzen Rauch sowie Aerosole aus brennenden Metallen (wie etwa Na, Al, Fe) zu unterscheiden (vgl. 12). Der Rauchmelder der offenen Bauart kann mit einem Temperaturmelder, Flammen-, UV- und IR-Melder kombiniert werden (vgl. 13, 14, 15, 16).
Ein Aspekt der vorlegenden Erfindung besteht auch in der Opition des Aufbaus eines neuartigen Rauchdetektionssystems, wie es in 19 skizzenartig dargestellt ist. Das Rauchdetektionssystem SYS umfasst in der beispielhaften Darstellung eine Systemsteuerstation SCS und drei Rauchdetektoren SD1, SD2 und SD3 mit grundsätzlich unterschiedlichem Aufbau, die in verschiedenen Räumen eines zu überwachenden Gebäudes angeordnet sind. Der Rauchdetektor SD1 ist vom integrierten Typ, bei dem allen Komponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist; der Rauchdetektor RD2 ist vom zweiteiligen Typ, wie er in 17 und 19 gezeigt und weiter oben beschrieben ist, und umfasst eine Steuereinheit MU2 und eine abgesetzte Detektoreinheit RDU2 und der Rauchdetektor RD3 kann als mehrteiliger Typ bezeichnet werden, bei dem neben einer Steuereinheit MU3 und einer die der eigentlichen Rauchmeldung dienenden Sende- und Erfassungselemente enthaltenden Detektoreinheit RDU3 noch (mindestens) ein abgesetzter Zusatzdetektor XDU vorgesehen ist. Verbindungen zwischen den Systemkomponenten und Sub-Komponenten sind auf die im allgemeinen Beschreibungsteil erwähnte Weise als bidirektionale Kommunikationsverbindung einer ersten, zweiten und dritten Ebene, mindestens teilweise auf Lichtleitfaser- bzw. Funkbasis, hergestellt.
Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Netzes ist wie folgt: Es gibt ein Spezialprogramm auf einem Laptop oder einer Empfangseinheit mit Funkkanal, und dieses Programm findet einen Melder von unserer Firma, sobald er eingeschaltet ist. Dann werden die Melder einzeln nacheinander eingeschaltet und entsprechend der Projektdokumentation an der Decke angebracht, und es wird keine Drahtverbindung benötigt. Die Melder melden sich selbst im PC an, und sie bekommen je nach ihrer Priorität Zugriffsrechte. So montiert man zuerst „Server”-Melder, die Information von anderen untergeordneten Meldern an den PC weiterleiten, und die „Server”-Melder müssen immer in direkter Sicht aufeinander sein. Wenn ein „Server”-Melder von anderen durch eine Wand getrennt ist, kann es notwendig sein, eine kurze Drahtverbindung durch die Wand zum naheliegendsten Melder herzustellen. In der Praxis sind diese Drahtverbindungen sehr kurz (ca. 2 m) und können durch den Türeingang montiert werden. Untergeordnete Melder in jedem Raum übertragen ihre Information an die „Server”-Melder, die sie dann über einander an den Haupt-PC oder nur eine Empfangseinheit mit Funkkanal durchleiten. Dies bedeutet, dass ein Meldernetz etwa in einer Schule ohne Schwierigkeit, ohne Drahtverbindungen und Kosten für seine Montage und mit beträchtlicher Einsparung bei der Hardware aufgebaut werden kann.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen Beispiele und der hervorgehobenen Aspekten beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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Claims

Rauchdetektor vom offenen Typ, der mindestens ein pulsbetriebenes lichtemittierendes Element und mindestens ein Lichterfassungselement in einem offenen Gehäuse und eine Stromversorgungseinheit aufweist, die mit dem lichtemittierenden Element oder den Elementen verbunden ist, wobei die Stromversorgungseinheit Spannungsstabilisierungsmittel und eine Energiesammeleinrichtung und eine digitale Stromversorgungs-Überwachungs-/Steuerheinheit zur Überwachung und zum Steuern des Betriebs der Stromversorgungseinheit und somit des lichtemittierenden Elements oder der Elemente aufweist, wobei die digitale Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Echtzeitsteuerung einer Einschaltzeit und einer Impulsdauer des lichtemittierenden Elements oder der Elemente im Ansprechen auf ein Temperatursignal ausgebildet ist.
Rauchdetektor nach Anspruch 1, mit mindestens einem eingebauten Temperatursensor, der mit einem T-Sensoreingang der digitalen Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit verbunden ist.
Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromversorgungseinheit Stromstabilisierungsmittel aufweist, die an einer Ausgangsseite der Energiesammeleinrichtung angeordnet und mit der Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit über eine Steuerleitung verbunden sind, um durch die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit gesteuert zu werden.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgungseinheit zur Versorgung des lichtemittierenden Elements oder der Elemente mit Sinusimpulsen ausgebildet ist.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit Störsignal-Überwachungsmittel zur optischen Überwachung des Detektionsbereiches aufweist und dazu ausgebildet ist, das lichtemittierende Element oder die Elemente in Zeiträumen mit Versorgungsimpulsen zu beaufschlagen, in denen externes optisches Rauschen einen Wert unterhalb eines über einen vorbestimmten Zeitraum bestimmten Mittelwertes aufweist.
Rauchdetektor nach Anspruch 5, wobei die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein über einen vorbestimmten Überwachungszeitraum in Abwesenheit eines Rauch-Detektionssignals erfasstes optisches Signal, welches insbesondere Reflexionssignale aus der baulichen Umgebung des Rauchdetektors enthält, als Hintergrund-Störsignal zu speichern und bei einer Kompensations-Steuerung des Betriebs des lichtemittierenden Elements oder der Elemente zu nutzen.
Rauchdetektor nach Anspruch 6, wobei die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Kompensations-Steuerung des lichtemittierenden Elements oder der Elemente mit Signalen der gleichen Impulsform arbeitet, wie sie zu deren Betrieb ohne Kompensations-Steuerung bereitgestellt werden.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das lichtemittierende Element oder die Elemente dazu ausgebildet sind, ein Emissionssignal in mindestens zwei unterschiedlichen Spektralbereichen zu liefern, und das Lichterfassungselement oder die Lichterfassungselemente zu einer Signalerfassung in allen verwendeten Emissions-Spektralbereichen angepasst sind.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher einen eingebauten Flammendetektor aufweist, der mit einem Flammendetektoreingang der Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit verbunden ist, und wobei die Betriebsüberwachungs- und -steuereinheit zur Steuerung eines Detektorbetriebs im Ansprechen auf ein Signal vom Flammendetektor ausgebildet ist.
Rauchdetektor nach Anspruch 9, wobei der Flammendetektor einen Detektor vom UV-Typ und/oder vom IR-Typ aufweist.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher drei oder mehr LEDs aufweist, die in einer gemeinsamen Ebene auf einer hyperbolischen oder Spiralkurve gegenüber dem Lichterfassungselement oder den Lichterfassungselementen angeordnet sind.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Test-Lichtemissionselement, welches ausschließlich zu einem Betrieb zu Testzwecken vorgesehen und ausgebildet ist.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Kalibrierungs-Lichterfassungselement, welches ausschließlich zu dem Zweck zu einem Betrieb vorgesehen und ausgebildet ist, mit dem Signale des Lichterfassungselements oder der Lichterfassungselemente kalibriert werden.
Rauchdetektor nach Anspruch 13, wobei das offene Gehäuse mindestens eine lichtreflektierende Fläche aufweist, welche zur Formung eines Lichtweges zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Lichterfassungselement sowie dem Kalibrierungs-Lichterfassungselement ausgebildet ist, um eine Staubkorrektur der Detektorsignale zu bewirken.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei lichtemittierende Elemente im direkten Erfassungsbereich von Lichterfassungselementen auf der gleichen optischen Achse vorgesehen sind und ein erstes Paar aus einem ersten lichtemittierenden Element und einem ersten Lichterfassungselement in einem hermetisch dichten Gehäuse eingeschlossen ist und ein zweites Paar aus einem zweiten lichtemittierenden Element und einem zweiten Lichterfassungselement im offenen Gehäuse angeordnet ist, und eine Auswertungseinheit zum Empfang der Signale des ersten und zweiten Element-Paares und zur Verarbeitung der Signale des ersten Paares zur Störkompensation der Signale des zweiten Element-Paares ausgebildet ist.
Rauchdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher mindestens einen Sensoreingang, insbesondere einen multimodalen optischen Fasereingang, zur Verbindung des Rauchdetektors mit einem externen Sensorelement, insbesondere einem externen Temperatursensor und/oder externen Flammendetektor, aufweist.