DE102014009642A1

DE102014009642A1 - Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe zur Detektion und Charakterisierung von Gasen, Nebel und Rauch, insbesondere einer Vorrichtung zur Messung der Partikelkonzentration

Info

Publication number: DE102014009642A1
Application number: DE102014009642.4A
Authority: DE
Inventors: c/o Elmos Semiconductor AG Krücke Ludger
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-01-14
Anticipated expiration: 2034-06-27
Also published as: DE102014009642B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe zur Detektion und Charakterisierung von Gasen, Nebel und Rauch. Im speziellen handelt es sich Verfahren zur Erfassung mindestens zweier physikalischer Größen, beispielsweise X, Y und insbesondere eines Abstands zu einer Partikelwolke und der Reflektivität derselben mit anschließender Klassifikation dieser Partikelwolke. Dabei sendet die erfindungsgemäße Vorrichtung ein erstes Sendesignal (S21) über eine erste Übertragungsstrecke (I1, I2), deren Übertragungsfunktion von den zu erfassenden physikalischen Größen X und Y der Partikelwolke abhängt. Ein erstes Empfangssignal (S0_1) wird an einem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke (I1, I2) erhalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sendet ein erstes Referenzsignal (S22) über eine Referenzübertragungsstrecke (I3, I4). Die Referenzübertragungsstrecke (I3) weist typischerweise eine bekannte Übertragungsfunktion auf. Ein Referenzempfangssignal (S0_2) wird an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke (I3) erhalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung analysiert das erste Empfangssignals (S0_1) und/oder das erste Referenzsignals (S22) und/oder des Referenzempfangssignals (S0_2), um auf die physikalischen Größen (X und Y) zu schließen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung klassifiziert die Partikelwolke mit Hilfe dieser zwei physikalischen Größen X und Y. In Abhängigkeit vom Klassifikationsergebnis, also der ermittelten Klasse der Partikelwolke, werden Aktionen eingeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe zur Detektion und Charakterisierung von Gasen, Nebel und Rauch, insbesondere eine Vorrichtung zur Messung der Partikelkonzentration sowie eine Vorrichtung hierfür.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

• Senden mindestens eines ersten Sendesignals S21 mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstrecke bestehend aus den hintereinanderliegenden Teilübertragungsstrecken I1 und I2, wobei die erste Teilübertragungsstrecke I1 von der zweiten Teilübertragungsstrecke I2 gefolgt wird. Die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke aus den Teilübertragungsstrecken I1 und I2 hängt von der zu erfassenden physikalischen Größe X ab. Diese wird vorzugsweise durch ein Objekt P bestimmt, auf das das Signal bei Austritt aus der ersten Teilübertragungsstrecke I1 eingestrahlt wird. Dieses Objekt P strahlt wieder in eine zweite Teilübertragungsstrecke I2 ein. Das dabei in die zweite Übertragungsstrecke I2 durch das Objekt P eingestreute Signal sei das modifizierte erste Sendesignal S21_b. Die Einstreuung geschieht typischerweise durch Reflektion, Transmission oder Fluoreszenz. Schließlich wird ein erstes Empfangssignal S0_1 an einem Ausgang der zweiten Teilübertragungsstrecke I2 erhalten;
• Senden mindestens eines ersten Referenzsignals S22 mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine dritte Übertragungsstrecke bestehend aus den Teilreferenzübertragungsstrecken I3 und I4, die eine Referenzübertragungsstrecke bilden, wobei die Referenzübertragungsstrecke bestehend aus den Teilreferenzübertragungsstrecken I3 und I4 sowie dem optionalen Kalibrierobjekt PK vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist. Das optionale Kalibrierobjekt PK streut dabei das Ausgangssignal der dritten Übertragungsstrecke I3 als modifiziertes erstes Referenzsignal S22_b in die vierte Übertragungsstrecke I4 ein, wobei ein Referenzempfangssignal S0_2 an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke I4 erhalten wird,
• Analysieren des ersten Empfangssignals S0_1 und/oder des ersten Referenzsignals S22 und/oder des Referenzempfangssignals S0_2, um auf mindestens zwei physikalische Größen X und Y zu schließen, was das Analyseergebnis darstellt,.
• Klassifikation des Analyseergebnisses, das aus den besagten zwei Messwerten für die zwei physikalischen Größen X und Y besteht, beispielsweise mit Hilfe des Vergleichs dieser Messwerte mit prototypischen Mustern z. B. mittels eines neuronalen Netzes und/oder eines Petri-Netzes und/oder eines Hidden-Markov-Modells.
• Durchführung einer Maßnahme, z. B. Auslösung eines Alarmes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft eine flexible und zweidimensionale Analyse des empfangenen ersten Empfangssignals S0_1 und des empfangenen ersten Referenzsignals S0_2. Insbesondere wird auch eine differentielle Analyse ermöglicht, die die Kompensation von Störeinflüssen und den Vergleich mit einem Kalibierobjekt OK zugänglich macht.
Vorteilhaft wird somit zur Analyse das erste Empfangssignal S0_1 mit dem Referenzempfangssignal S0_2 im Empfänger D und/oder mittels einer nachgeschalteten Vorrichtung verglichen.
Das erste Sendesignal S21 und das erste Referenzsignal S22 weisen vorteilhaft jeweils von Null verschiedene Frequenzanteile auf. Diese beiden Sendesignale sollten vorzugsweise bandbegrenzt sein. Das bedeutet, dass der Betrag der minimalen Frequenz f_min und der maximalen Frequenz f_max von Null verschieden sein sollten. Dies ermöglicht es, beispielsweise bei einer Realisierung mittels einer optischen Messvorrichtung, störendes Sonnenlicht herauszufiltern. Die Zeitfunktionen der Signale S21 und S22 sind vorzugsweise so gewählt, dass sie sich zumindest über einen vorgebbaren Zeitbereich Z_i und einen oder mehrere Frequenzbereiche F_j hinweg zu einem zeitlichen Gleichsignal addieren. Dadurch ist eine besonders einfache Auswertung möglich, die z. B. eine Ausregelung einer Amplitude eines der Signale oder einer zeitlichen Verzögerung der Signale relativ zueinander in den angesprochenen Frequenz- und Zeitbereichen F_j bzw. Z_i zueinander umfassen kann, mit dem Ziel, ein Gleichsignal als Summe beider Signale zumindest für die besagten Frequenz- und Zeitbereiche F_j und Z_i zu erhalten. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Regelung solche Signalanteile, die außerhalb der jeweiligen Zeitbereiche Z_i und/oder der jeweiligen Frequenzbereiche F_j liegen, durch ein oder mehrere vorgeschaltete Zeitfenster Z_i und/oder durch ein Filter, das mit entsprechenden Frequenzfenstern F_j die Signale so filtert, dass Signalanteile außerhalb der Zeitfenster Z_i und der Frequenzfenster F_j die Regelung nicht oder in nur so geringem Maße beeinflussen, dass der anwendungsgemäße Zweck immer noch erreicht wird. Die Regelgrößen, die die Änderung der Amplitude bzw. zeitlichen Lage der Signale relativ zueinander beschreiben, enthalten vorteilhaft gleichzeitig Informationen über die erste Übertragungsstrecke bestehend aus den Teilübertragungsstrecken I1 und I2, z. B. über die Dämpfung des ersten Sendesignals S21 oder eine Verzögerung des ersten Sendesignals S21 aufgrund von Laufzeiteffekten des ersten Sendesignals S21 in der ersten Übertragungsstrecke bestehend aus I1 und I2. Andere Informationen können beispielsweise eine Veränderung der Polarisationsrichtung einer elektromagnetischen Welle, die Streuung in einen dritten Empfänger D2, in dem ein drittes Empfangssignal S0_3 erzeugt wird, und Fluoreszenzstrahlung auf einer anderen Sendewellenlänge sein.
Vorteilhaft kann das erste Sendesignal S21 und das erste Referenzsignal S22 z. B. jeweils ein sinusförmiges oder rechteckförmiges Signal sein, wobei das erste Sendesignal S21 eine vorgebbare Verzögerung, insbesondere um die halbe Periodendauer im Falle eines monofrequenten Signals, zu dem Referenzsignal S22 aufweist. Hier sei erwähnt, dass umgekehrt auch eine Verzögerung des Referenzsignals vorgegeben werden kann. Eine ggf. durch die erste Übertragungsstrecke I1 verursachte Laufzeitdifferenz Δt zwischen den empfangenen Signalen beinhaltet Informationen über den Signalweg/die Laufzeit des Sendesignals S21 in der Übertragungsstrecke I1.
Erfindungsgemäß weist die Analyse vorteilhaft folgende Schritte auf:

– Addieren und/oder Multiplizieren des ersten Empfangssignals S01_1 mit dem Referenzempfangssignal S0_2 in einem Addierer A1, um ein Empfangssignal S0 zu erhalten,
– auswerten vorgebbarer Zeitbereiche Z_i und Frequenzbereiche F_j des Empfangssignals S0, um auf eine Dämpfung und Laufzeitverzögerung des Sendesignals S21 durch die erste Übertragungsstrecke bestehend aus den Teilübertragungsstrecken I1 und I2 zu schließen,
– rückschließen auf mindestens zwei physikalische Größen X und Y aus mindestens einer der so gewonnenen Dämpfungen und mindestens einer der so gewonnenen Laufzeitverzögerung.

Das Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche Z_i und/oder Frequenzbereiche F_j kann wie folgt verstanden werden:
Im Falle der Zeitbereiche Z_i umfasst das Auswerten vorteilhaft das zeitliche Integrieren des Empfangssignals S0 über mehrere vorgebbare Zeitbereiche Z_i bzw. das Aufsummieren von Abtastwerten des Empfangssignals S0 über mehrere vorgebbare Zeitbereiche Z_i. Zeitbereiche Z_i im Sinne dieser Erfindung können hierbei im Falle periodischer Signale ein oder mehrere Periodendauern oder aber auch Teile hiervon sein. Ganz allgemein sind auch beliebige Zeitbereiche Z_i zur Auswertung verwendbar, von denen vermutet wird, dass entsprechende Empfangssignale S0 interessierende Informationen enthalten.
Noch allgemeiner kann das Empfangssignal mit einem Auswertesignal mittels einer Linearform, zu der auch die zuvor beschriebenen Verfahren gehören, verknüpft werden.
Im Falle der Frequenzbereiche F_j umfasst das Auswerten vorteilhaft das Integrieren der Empfangssignalanteile des Empfangssignals S0 über mehrere vorgebbare Frequenzbereiche F_j bzw. das Addieren der vorgebbare Frequenzbereiche F_j des Empfangssignals S0 über mehrere vorgebbare Frequenzbereiche F_j. Frequenzbereiche F_j im Sinne dieser Erfindung können hierbei im Falle von Signalen mit einer gewissen Periodizität im Frequenzbereich beispielsweise ein oder mehrere Frequenzbereiche dieser Perioden oder aber auch Teile hiervon sein; ganz allgemein sind auch hier wieder beliebige Frequenzbereiche F_j zur Auswertung verwendbar, von denen vermutet wird, dass entsprechende Empfangssignale S0 interessierende Informationen enthalten.
In der Verallgemeinerung kann stattdessen auch eine Untersuchung des Empfangssignals auf Basis einer Wavelet-Transformierten erfolgen. In diesem Fall wird das Signal durch die Transformation aus dem Zeit/Frequenzbereich in einen analogen zweidimensionalen Bereich transformiert, auf den das vorhergesagte in analoger Weise angewendet werden kann. In der Regel wird es sich hierbei um eine affine Transformation handeln.
Bevorzugt werden bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils unterschiedliche Zeitbereiche Z_i und Frequenzbereiche F_j des Empfangssignals S0 ausgewertet, um auf die Dämpfung und Laufzeitverzögerung und/oder Verzerrung des Sendesignals S22 durch die erste Übertragungsstrecke mit den Teilübertragungsstrecken I1 und I2 zu schließen.
Beispielsweise ist bei rechteckförmigen Sende- bzw. Referenzsignalen insbesondere derjenige Zeitbereich der empfangenen Signale S0 bzw. des Empfangssignals zur Gewinnung von Phaseninformationen interessant, in dem die Signale einen Zustandswechsel, d.h. z. B. von High nach Low oder invers hierzu. Demgegenüber können Informationen über Differenzen in der Amplitude empfangener Signale auch aus anderen Zeitbereichen erhalten werden.
Die Signale weisen also im Zeitbereich eine unterschiedliche Signifikanz im Hinblick auf die zu bestimmenden Parameter auf.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren auch mit kapazitiven, induktiven oder akustischen Signalen bzw. Übertragungsstrecken durchführbar ist, wird bevorzugt ein als optisches Signal ausgebildetes erstes Sendesignal S21 verwendet. Das Referenzsignal S22 kann ebenfalls ein optisches oder auch ein rein elektrisches Signal sein.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Analyse des ersten Empfangssignals S0 bzw. des Empfangssignals kann vorteilhaft auf einen Abstand von einem Sender H des ersten Sendesignals S21 zu einem Partikel P geschlossen werden oder vorteilhaft auf einen mittleren Abstand von einem Sender H des ersten Sendesignals S21 zu einer Partikelwolke PW geschlossen werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich in dem letzteren Zusammenhang eine Auswertung von statistischen Eigenschaften des Empfangssignals S0 und/oder der physikalischen Größen X und Y, insbesondere eines Abstands und einer Reflektivität, zur Klassifikation des Partikels P oder einer Partikelwolke PW erwiesen. Sofern ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelter Abstand von dem Sender H zu einem Partikel P oder einer Partikelwolke PW spezielle statistische Eigenschaften aufweist, kann hieraus beispielsweise auf das Vorhandensein von Rauch oder Aerosolen wie z. B. Kochdünsten in der ersten Übertragungsstrecke bestehend aus den Teilübertragungsstrecken I1 und I2 geschlossen werden, weil sowohl die Wassertröpfchen der Kochdünste als auch die Rauchteilchen die Übertragungsfunktion der ersten Übertragungsstrecke bestehend aus I1 und I2 und damit auch einen hieraus ermittelten Abstand, der einer Sichtweite entspricht, statistisch beeinflussen. Diese Beeinflussung ist typischerweise für Kochdünste und Rauch unterschiedlich. So ist Rauch beispielsweise typischerweise schwarz bis grau während Wasserdampf dem menschlichen Auge weiß erscheint.
Wasserdampf weist also im sichtbaren Bereich eine höhere Reflektivität als Rauch bei einem gleichen mittleren Abstand einer entsprechenden Partikelwolke PW auf. Somit kann Rauch von Wasserdampf auf diese Weise unterschieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass mindestens zwei Parameter (X, Y) gemessen werden, die beispielsweise die Transformation auf die Parameter Reflektivität und Abstand erlauben. Eine Abbildung von n gemessenen Parametern auf m reale Parameter wie Abstand und Reflektivität ist aber nicht zwingend. Vielmehr ist es so, dass aus n Parametern vorzugsweise m Parameter generiert werden, die m orthogonale Basiskoordinaten eines extrahierten Systems darstellen. Dabei wird vorzugsweise das mathematische Verfahren der Hauptachsentransformation angewendet. Im konkreten zweidimensionalen Anwendungsbeispiel mit zwei Parametern X und Y sind dies die Amplitude und Laufzeitverschiebung des rückgestreuten Signals.
Dies ist der wesentliche erfinderische Gedanke.
Zumindest ein Teil der ersten Übertragungsstrecke bestehend aus I1 und I2 verläuft bevorzugt im Freiraum, insbesondere beispielsweise in der Umgebung eines Rauchmelders. Aus den statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstands- und Reflexionswerten kann somit auf das Vorhandensein von Aerosolen und deren Art wie z. B. Kochdünsten (hohe Reflektivität) oder Partikeln wie z. B. Rauch (niedrige Reflektivität) in dem Freiraum geschlossen werden. Ein System zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dementsprechend vergleichbar zu an sich bekannten Rauchmeldern und Raumsensoren und dergleichen z. B. an der Decke oder besser in der Decke eines zu überwachenden Raumes montiert sein.
Vorteilhaft können auch Systeme des zu überwachenden Raumes oder Gebäudes, insbesondere Beleuchtungs- und Warnsysteme und/oder Feuerschutzsysteme, wie beispielsweise Sprinkleranlagen, Rauchgasklappen, Ventilatoren, Gasventile etc. in Abhängigkeit der statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten angesteuert bzw. betrieben werden. Der Befehl für eine solche Aktion wird aufgrund einer zuvor ausgeführten Klassifikation des Messergebnisses durchgeführt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass es im Gegensatz zu Rauchmeldern aus dem Stand der Technik keine lichtgeschützte Rauchkammer mehr benötigt. Somit werden Rauchmelder möglich, die nicht mehr aus der Decke herausragen müssen. Dies ist möglich, da der Melder den mittleren Abstand einer Partikelwolke feststellen kann und wie gesagt keines Schutzes vor Sonnenlicht bedarf.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen vereinfachten Signallaufplan für die optischen Signale.
2 einen vereinfachten Signallaufplan für die gleichzeitige Messung von Reflektion und Transmission
3 zeigt eine vereinfachte Eingangsstruktur für die Verarbeitung der Empfängersignale,
4 zeigt ein typisches Einsatzszenario für die Vermessung einer Partikelwolke
5 zeigt einen typischen Regler für die Vermessung von Verzögerung und Signalverzögerung.
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Erfassung zweier physikalischen Größen X und Y, die vorliegend in der nachfolgend beschriebenen Weise zur Abstands- und Laufzeitmessung zwischen einem Sender H und einem Partikel P eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 100 weist eine erste Teilübertragungsstrecke I1 auf, über die ein erstes Sendesignal S21 übertragen wird. Am Ausgang der ersten Teilübertragungsstrecke I1 trifft das erste Sendesignal S21 als Signal S21_a auf den Partikel P. Dieser modifiziert das Signal zum modifizierten ersten Sendesignal S21_b und strahlt es in die zweite Teilübertragungsstrecke I2 ein. An dem Ausgang der zweiten Teilübertragungsstrecke I2 wird dementsprechend ein erstes Empfangssignal S0_1 erhalten. Das erste Sendesignal S21 ist vorliegend ein optisches Signal.
Die Vorrichtung 100 weist ferner eine in 1, gestrichelt dargestellte Referenzteilübertragungsstrecke I3 auf, in die ein Kompensationssender (K) ein erstes Referenzsignal S22 zur Übertragung einstrahlt. Beim Austritt aus der ersten Referenzteilübertragungsstrecke I3 trifft das Signal nun als Signal S22_a auf ein optionales Kalibrierobjekt PK. Dieses modifiziert das Signal S22_a zum modifizierten Referenzsignal S22_b und strahlt dieses in die zweite Referenzteilübertragungsstrecke I4 ein. An dem Ausgang der Referenzteilübertragungsstrecke I4 wird dementsprechend ein Referenzempfangssignal S0_2 erhalten.
In dem Referenzzweig und/oder dem Messzweig der Vorrichtung 100 sind zusätzlich vorzugsweise aber nicht notwendiger Weise aktiv ausgebildete Filtermittel F1 und F2 vorgesehen, die jedes für sich eine Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Verzögerung des Signals S22 bezüglich des Sendesignals S21 beeinflussen können. Sofern ein Filter erforderlich ist, reicht typischerweise bereits ein richtig konstruiertes Filter für die Herstellung der Funktionstüchtigkeit aus. Die Filterelemente F1 und F2 können an beliebiger Stelle in der jeweiligen Übertragungsstrecke eingefügt werden, da in der Regel die Messstrecke sich in erste Näherung linear verhält.
Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, weisen das Sendesignal S21 und das Referenzsignal S22 eine rechteckförmige Signalform mit 1:1 Tastverhältnis auf. Die Signale S21, und S22 besitzen dann bevorzugt eine Verzögerung um eine halbe Periodendauer, so dass sie sich bei gleichen Amplituden zu einem Gleichsignal ergänzen würden. In einer anderen Ausführung der Erfindung ist das Signal S21 und das Referenzsignal S22 so ausgebildet, dass die beiden Signale sich nur bei Integration oder Summierung bezogen auf eine vorgebbare Zeitperiode Z_i an deren Ende zu einem Gleichwert ergänzen. Die Signale S21 und S22 können also weitestgehend als komplementär bezeichnet werden.
Das erste Sendesignal S21 wird in der ersten Übertragungsstrecke bestehend aus I1 und I2 jedoch in Abhängigkeit von den zu erfassenden mindestens zwei physikalischen Größen X und Y durch den Partikel P oder eine Partikelwolke PW anders beeinflusst als das erste Referenzsignal S22 in der ersten Referenzübertragungsstrecke bestehend aus I3 und I3 durch das optionale Kalibrationsobjekt PK beeinflusst wird. Dies betrifft insbesondere seine Amplitude und/oder seine Laufzeitverzögerung bezogen auf das Referenzsignal S22 bzw. S22_b.
Beispielsweise kann die Übertragungsstrecke bestehend aus I1 und I2 in dem Freiraum, z. B. zwischen einem Sender H (4) und einem Partikel P oder einer Partikelwolke PW verlaufen, so dass das erste Sendesignal S21 von dem Sender H ausgesandt wird und ein entsprechend an dem Partikel P reflektiertes Signal S21_b als erstes Empfangssignal S0_1 an dem Ausgang der Teilübertragungsstrecke I2 erhalten wird. Aufgrund des Abstands zwischen dem Sender H und dem Partikel P bzw. aufgrund des mittleren Abstands zwischen dem Sender H und der Partikelwolke PW ergeben sich u. a. eine Dämpfung des ersten Empfangssignals S0_1 und eine Laufzeitverzögerung zu dem Referenzempfangssignal S0_2, das z. B. einen kürzeren, bekannten Signalweg im Vergleich zur die Referenzübertragungstrecke bestehend aus I3 und I4 und dem optionalen Kalibrationsobjekt PK durchläuft.
In einer anderen Realisierung der Erfindung (2) ist die Anordnung der 1 um einen zweiten Empfänger D2 ergänzt. In diesem Beispiel wird das Transmissionssignal S23_b, das den Partikel und/oder die Partikelwolke PW passiert hat, über eine fünfte Übertragungsstrecke I5 zu dem besagten zweiten Empfänger D2 übertragen. In dem Empfänger wird das dritte Empfangssignal S0_3, das aus der besagten fünften Übertragungsstrecke I5 austritt, mit einem vierten Empfangssignal S0_4 überlagert. Dabei sendet ein zweiter Kompensationssender (K2) ein zweites Referenzsignal S24 in eine sechste Übertragungsstrecke I6 hinein. Am Ausgang der sechsten Übertragungsstrecke I6 tritt das Signal aus. Ggf. passiert es dabei ein zweites Kalibrierobjekt PK2. Dies kann durch Reflektion und/oder Transmission erfolgen. Das Signal tritt dann als modifiziertes zweites Referenzsignal S24b in die siebte Übertragungsstrecke I7 ein und als viertes Empfangssignal S0_4 wieder aus dieser aus.
3 zeigt eine beispielhafte Auswertung des ersten Empfangssignals S0_1 und des ersten Referenzsignals S0_2. Die Addition der durch den ersten Empfänger D1 der 1 empfangenen Signale S0_1 und S0_2 erfolgt in dem Addierer A1 gemäß 3. Diese Addition ist vorzugsweise durch Überlagerung Teil des Empfängers D1. Es ist aber auch, wie in der 3 dargestellt, denkbar, dass für das ersten Empfangssignal S0_1 und das erste Referenzsignals S0_2 je ein separater physikalischer Teilempfänger D1_1 und D1_2 vorgesehen wird, die zusammen Teil des Empfängers D1 sind. In diesem Fall wird der Addierer A1 als Teil des Empfängers D1 separat ausgeführt. Der Teilempfänger D1_1 wandelt das erste Empfangssignal S0_1 in das erste Additionssignal S0b_1. Der Teilempfänger D1_2 wandelt das erste Referenzempfangssignal S0_2 in das zweite Additionssignal S0b_2. Der Addierer A1 addiert das erste Additionssignal S0b_1 und das zweite Additionssignal S0b_2 zum Addiererausgangssignal S1. Der Multiplizierer M1 multipliziert das Sendesignal S5 mit dem Addiererausgangssignal S1 zum Integrationsvorsignal S8. Der Multiplizierer M2 multipliziert das verzögerte Sendesignal S5d mit dem Addiererausgangssignal S0 zum zweiten Integrationsvorsignal S8d. 5 zeigt die Verarbeitung des Addiererausgangssignal S1 durch eine Regelschaltung (CT1–CT4). Wie zuvor erläutert, multipliziert der erste Multiplizierer M1 das Sendesignal S5 mit dem Addiererausgangssignal (S1) Es ergibt sich das Integrationsvorsignal (S8). Dieses Integrationsvorsignal wird sodann durch einen Filter, der typischerweise eine Tiefpassfilter ist zum Filterausgangssignal (S9) gefiltert. Es erfolgt eine Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor v im ersten Verstärker (V1) zum Ausgangssignal (S4). Das Ausgangssignal (S4) wird durch den dritten Multiplizierer (M3) mit dem Sendesignal (S5) multipliziert. Dieses so erhaltene Signal wird durch eine steuerbare Verzögerungsstrecke verzögert.
Das Maß der Verzögerung wird dabei durch den zweiten Regelpfad bestimmt. Das Addiererausgangssignal (S1) wird durch den besagten zweiten Multiplizierer (M2) mit dem verzögerten Sendesignal (S5d) multipliziert. Das verzögerte Sendesignal (S5d) wird dabei aus dem Sendesignal (S5) durch Verzögerung erhalten. Es hat sich gezeigt, dass es im Falle eines monofrequenten Sendesignals S5 günstig ist, eine Verzögerung um eine viertel Periodendauer des Sendesignals (S5) vorzunehmen, was einer Phasenverschiebung von 90° entspricht. Wie zuvor wird ein verzögertes Integrationsvorsignal (S8d) erhalten, dass anschließend durch einen Filter, der in seinen Eigenschaften typischerweise dem zuvor erwähnten Filter ähnlich oder gleich ist, zum verzögerten Filterausgangssignal (S9d) gefiltert und anschließend durch einen zweiten Verstärker (V1d) zum zweiten Ausgangssignal (S4d) verstärkt. Dieses Signal steuert dann die Verzögerung des zuvor erwähnten steuerbaren Verzögerungsgliedes. Das so erhaltene Signal S6 wird mit einem Offset (B1) versehen und so zum Kompensationssendesignal (S3) gewandelt, das den Kompensationssender (K) speist.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes System, dass aus vier solcher Regler (CT1 bis CT4) aufgebaut ist. Die beispielhaften vier Empfänger (D1 bis D4) sind beispielsweise durch optische Filter für vier verschiedene Wellenlängenbereiche (500 nm, 900 nm, 1500 nm, 2000 nm) empfindlich. Jedem Empfänger ist ein Kompensationssender (K1 bis K4) zugeordnet, der durch einen zugeordneten Regler (CT1 bis CT4) angesteuert wird. Jeder der Regler liefert in diesem Beispiel zwei Messwerte für Amplitude und Verzögerung. Der gemeinsame Generator (G1) erzeugt das Sendesignal S5, das sowohl zur Ansteuerung des Senders (H), als auch zur Versorgung der Regler (CT1 bis CT4) mit dem Sendesignal (S5) dient. Da jeder der Regler ein eigenes Kompensationssendesignal (S3_1 bis S3_4) für den zugehörigen Kompensationssender (K1 bis K4) erzeugt, verfügt das System über insgesamt acht Messwerte. An dieser Stelle sollte nicht unerwähnt bleiben, dass die Einstrahlung der Kompensationssender auf den jeweils zugeordneten Empfänger beschränkt sein muss.
Die Somit acht Messwerte ergeben somit einen achtdimensionalen Datenstrom. Dessen achtdimensionale Koordinaten können nun durch Multiplikation mit einer LDA-Matrix auf eine maximale Signifikanz hinsichtlich der Prototypischen Messwerte gebracht werden. Diese LDA-Matrix wird durch Messung von Prototypen ermittelt. Durch die Multidimensionalität des Messergebnisses, wird es möglich, auch sehr ähnliche Messobjekte zu unterscheiden. Nach Durchführung der LDA-Matrix-Multiplikation erfolgt der Vergleich des so erhaltenen Feature-Vektors mit einer Prototypendatenbank. Für jeden Prototypen sind in der entsprechenden Datenbank Mittelwerte und Varianzen hinterlegt. Besitzt der Feature-Vektor einen euklidischen Abstand zu dem Prototypen-Vektor, der kleiner als dessen Varianz ist, so ist die Klasse des Prototypen eine Kandidatin für eine Erkennerhypothese. Es kann dabei vorkommen, dass mehrere Prototypen diese Bedingung erfüllen. In diesem Fall kann eine Hypothesenliste erstellt werden, die eine gewichtete Liste aller potenziellen Hypothesen ist. Hierbei gilt, je kleiner der euklidische Abstand geteilt durch die zugehörige Varianz ist, desto wahrscheinlicher ist die Hypothese, dass der entsprechende Prototyp der gemessenen Situation entspricht.
In der Regel wird für einen Einfachen Rauchmelder die Messung von Reflektivität einer Partikelwolke und mittlerer Laufzeit zwischen Sensor und Partikelwolke bei zwei Farben ausreichen. In diesem Fall reicht eine vierdimensionale Messung aus.
An dieser Stelle sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Vermessung mit Sendern unterschiedlicher Farben möglich ist. In dem Fall müssen die Sender mit unterschiedlichen Sendesignalen (S5_1, S5_2) betrieben werden, die so gestaltet sein müssen, dass die Multiplikation des ersten Sendesignals (S5_1) mit dem zweiten Sendesignal (S5_2) und die nachfolgende Filterung mit dem besagten Filter ein verschwindendes Restsignal ergibt.
Enthält S0 keine Anteile von S21 oder S22, heben sich also die beiden Signale weg, so ist die Multiplikation des zweiten Abtastsignals S32 mit dem Empfangssignal S0 immer Null.
Ist dies aber nicht der Fall, so weicht der Mittelwert von Null ab. Dies ist genau dann der Fall, wenn die Amplitudenanteile der Signale S22 und S21 im Empfangssignal S0 nicht übereinstimmen. Da S32 im Bereich der Flanken null ist, werden Laufzeiteffekte so lange nicht erfasst, wie die Verzögerung kleiner als eine achtel Periode ist.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Auswertung von Lichtlaufzeiten des ersten Sendesignals S21 mit wenig aufwändigen Schaltungen und bei einer Präzision, die eine Abstandsmessung im Bereich zwischen etwa einigen Zentimetern und etwa mehreren zehn Metern ermöglicht. Dabei kann diese Laufzeitverzögerung mit der einer Referenzstrecke und eines Probekörpers verglichen werden.
Bei der Auswertung kann der Filter F (1) so angepasst werden, dass sich das Signal S0_1 und das Signal S0_2 trotz unterschiedlicher Signalwege wieder zu einem Gleichsignal ergänzen. Die hierzu entsprechenden Filterparameter enthalten Informationen über die Übertragungsfunktion der ersten Übertragungsstrecke bestehend aus I1 und I2 und dem zu vermessenden Partikel P und damit z. B. über den Abstand zu dem besagten Partikel P und die Natur dieses Partikels.
Anstelle rechteckförmiger Signale S21, S22 können auch sinusförmige Signale oder sonstige vorzugsweise periodische und a-periodische Signale verwendet werden, die sich in einem ausgeregelten Zustand zumindest nach Integration über vordefinierte Zeitintervalle Z_i zu einem Gleichsignal ergänzen. Die Integration kann dabei beispielsweise als Tiefpass vorgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und System kann vorteilhaft in Rauchmeldern zur Erfassung und Unterscheidung von Partikeln und Aerosolen eingesetzt werden.
Z. B. kann bei einer Auswertung statistischer Eigenschaften von mehreren nacheinander ermittelten Partikelabstands- und Reflektivitätswerten auch auf das Vorhandensein eines Aerosols wie z. B. Kochdunst in der Übertragungsstrecke I1 geschlossen werden, weil die Wassertröpfchen oder Rauchpartikel die Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke I1 statistisch unterschiedlich beeinflussen. Ein entsprechendes Szenario ist in 5 wiedergegeben, bei dem ein Sender H das optische Sendesignal S21 auf eine Dunstwolke DU aussendet und ein entsprechend reflektiertes Signal S21 empfängt.
Das erfindungsgemäß erkannte Vorhandensein von Kochdunst oder Rauch bzw. dessen Dichte usw. können zur Steuerung von Systemen des Hauses wie z. B. einer Notbeleuchtungsanlage, einer Sprinkleranlage, von Gasventilen oder eines sonstiger Sicherheitssysteme verwendet werden. Auch ist eine Signalisierung an andere Systeme, insbesondere mobile Geräte und Smartphones oder die Auslösung von Alarmen und Übermittlung von Botschaften sinnvoll.
Bezugszeichenliste

D1: erster Empfänger
D1_1: erster Teilempfänger des ersten Empfängers D1
D1_2: zweiter Teilempfänger des ersten Empfängers D1
D2: zweiter Empfänger
F: Filtermittel
F_j: j-ter Zeitbereich
H: Sender
I1: erste Übertragungsstrecke
I3: Referenzübertragungstrecke
P: Partikel
PW: Partikelwolke
S0: Empfangssignal
S8: Integrationsvorsignal
S8d: verzögertes Integrationsvorsignal
S21: erstes Sendesignal
S21_b: modifiziertes erstes Sendesignal
S22: erstes Referenzsignal
S22_b: modifiziertes erstes Referenzsignal
S0_1: erstes Empfangssignal am Ausgang der ersten Übertragungsstrecke
S0b_1: erstes Additionssignal
S0_2: erstes Referenzempfangssignal An einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke I3
S0b_2: zweites Additionssignal
S0_3: drittes Empfangssignal
S1: Addiererausgangssignal
X: zu messende physikalische Größe
Z_i: i-ter Zeitbereich
100: erfindungsgemäße Vorrichtung
A1: Addierer

Claims

Verfahren zur Erfassung mindestens zweier physikalischer Größen (X, Y), insbesondere eines Abstands zu mindestens einem Partikel und/oder einer Partikelgruppe und/oder eines Partikelgemisches P und die Reflektivität dieses Partikels und/oder dieser Partikelgruppe und/oder dieses Partikelgemisches zur Klassifikation zumindest dieses Partikels und/oder dieser Partikelgruppe und/oder dieses Partikelgemisches, mit den folgenden Schritten: a. Senden mindestens eines ersten Sendesignals (S21) mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstrecke (I1, I2), deren Übertragungsfunktion von den zu erfassenden physikalischen Größen (X und Y) des Partikels und/oder der Partikelgruppe und/oder des Partikelgemisches abhängt, wobei ein erstes Empfangssignal (S0_1) an einem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke (I1, I2) erhalten wird, b. Senden mindestens eines ersten Referenzsignals (S22) mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine Referenzübertragungsstrecke (I3, I4), wobei die Referenzübertragungsstrecke (I3) vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist und wobei ein Referenzempfangssignal (S0_2) an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke (I3) erhalten wird, c. Analysieren des ersten Empfangssignals (S0_1) und/oder des ersten Referenzsignals (S22) und/oder des Referenzempfangssignals (S0_2), um auf die physikalischen Größen (X und Y) zu schließen. d. Klassifikation des Partikels und/oder der Partikelgruppe und/oder des Partikelgemisches mit Hilfe dieser mindestens zwei physikalischen Größen (X und Y) e. Durchführen mindestens einer Aktion in Abhängigkeit von der ermittelten Klasse des Partikels und/oder der Partikelgruppe und/oder des Partikelgemisches
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Analyse das erste Empfangssignal (S0_1) mit dem Referenzempfangssignal (S0_2) durch Differenzbildung verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a. dass das erste Sendesignal (S21) und das Referenzsignal (S22) jeweils von Null verschiedene Frequenzanteile aufweisen, und b. dass sich die Zeitfunktionen der Signale (S21, S22) zumindest über einen vorgebbaren Zeitbereich hinweg zu einem Gleichsignal addieren oder bei Integration der Summe der beiden Signale über einen vorgebbaren Zeitbereich hinweg sich ein Gleichwert ergibt
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, a. dass das erste Sendesignal (S21) und das Referenzsignal (S22) jeweils ein sinusförmiges oder rechteckförmiges Signal ist, und b. dass das erste Sendesignal (S21) eine vorgebbare Laufzeitverzögerung, insbesondere von einer halben Periodendauer, zu dem Referenzsignal (S22) aufweist oder c. dass das erste Referenzsignal (S22) eine vorgebbare Phasenverschiebung, insbesondere von einer halben Periodendauer, zu dem Sendesignal (S21) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse folgende Schritte aufweist: a. Addieren oder Multiplizieren des ersten Empfangssignals (S0_1) mit dem Referenzempfangssignal (S0_2), um ein Empfangssignal (S0) zu erhalten, b. Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche des Empfangssignals (S0), um auf mindestens eine Dämpfung und/oder mindestens eine Phasenverschiebung des Sendesignals (S21) durch die erste Übertragungsstrecke (I1) zu schließen, c. Rückschließen auf mindestens zwei physikalische Größen (X, Y) aus mindestens einer der so ermittelten Dämpfungen und einer der so ermittelten Phasenverschiebungen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten vorgebbarer Zeitbereiche das Integrieren des Empfangssignals (S0) über mehrere vorgebbare Zeitbereiche bzw. das Addieren der des Empfangssignals (S0) über mehrere vorgebbare Zeitbereiche umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sendesignal (S21) ein optisches Signal ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Analyse a. auf einen Abstand von einem Sender (H) des ersten Sendesignals (S21) zu einem Partikel (200, 300) und/oder zu einer Partikelwolke (PW) und/oder b. die Reflektivität des Partikels und/oder einer Partikelwolke (PW) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Eigenschaften des Empfangssignals (S21) und/oder der physikalischen Größen (X, Y), insbesondere eines Abstands oder der Reflektivität oder der Transmissivität, für die Klassifikation herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten Übertragungsstrecke (110) im Freiraum, insbesondere in der Umgebung oder innerhalb eines Rauchmelders verläuft, und dass aus statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten auf das Vorhandensein von Aerosolen wie z. B. Kochdünsten und/oder auf das Vorhandensein von Rauch in dem Freiraum geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten Übertragungsstrecke (110) im Freiraum, insbesondere in der Umgebung oder innerhalb eines Rauchmelders verläuft, und dass aus statistischen Eigenschaften von ermittelten Reflexions- oder Transmissionswerten auf das Vorhandensein von Aerosolen wie z. B. Kochdünsten und/oder auf das Vorhandensein von Rauch in dem Freiraum geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Systeme eines Hauses insbesondere a. Notbeleuchtungssysteme und/oder b. Sicherheitssysteme und/oder c. Medienzu- und Abführungen und/oder die Gaszufuhr und/oder die Luftzu- und -abfuhr und/oder d. Brandmeldeanlagen und/oder e. Feuerlöscheinrichtungen und/oder Sprinkleranlagen und/oder Gasflutungsanlagen und/oder f. Zustände verschließbarer Öffnungen und oder Fenster und/oder Türen und/oder Rauchklappen und/oder g. Zustände von Maschinen innerhalb des besagten Hauses und/oder h. die Verfügbarkeit von Medien und elektrischer Energie an vorbestimmten Stellen des Hauses in Abhängigkeit der statistischen Eigenschaften von ermittelten Abstandswerten und/oder Reflektivitäten und/oder Transmissivitäten angesteuert bzw. betrieben werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche wobei auf Luftturbulenzen und/oder Flammen durch die Auswertung zeitlicher Fluktuationen mindestens einer der mindestens zwei ermittelten Größen (X, Y) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 14 wobei das Fluktuationsspektrum und oder eine Wavelet-Transformierte einer ermittelten Größe (X, Y) ausgewertet wird.
Vorrichtung (100) zur Erfassung zweier physikalischer Größen (X, Y), insbesondere eines Abstands und/oder einer Reflektivität und/oder einer Transmissivität, mit a. einem Sender (H) zum Senden mindestens eines ersten Sendesignals (S21) mit einer vorgebbaren ersten Signalform über eine erste Übertragungsstrecke (I1), deren Übertragungsfunktion von den zu erfassenden physikalischen Größen (X, Y) eines Partikels und/oder einer Partikelgruppe und/oder eines Partikelgemisches und deren Vorhandensein in unterschiedlicher Weise abhängt, b. einem Empfänger (D) zum Empfangen eines ersten Empfangssignals (S0_1) an einem Ausgang der ersten Übertragungsstrecke (I1), c. einem Referenzsender (K) zum Senden mindestens eines ersten Referenzsignals (S21) mit einer vorgebbaren Referenzsignalform über eine Referenzübertragungsstrecke (I3), wobei die Referenzübertragungsstrecke (I3) vorzugsweise eine bekannte Übertragungsfunktion aufweist, d. einem Empfänger (D) zum Empfangen eines ersten Referenzempfangssignals (S0_2) an einem Ausgang der Referenzübertragungsstrecke (I3) erhalten wird, und mit einer e. Auswerteinheit (130) zum Analysieren des ersten Empfangssignals (S0_1) und/oder des ersten Referenzsignals (S22) und/oder des Referenzempfangssignals (S0_2), um auf die physikalische Größen (X, Y) zu schließen. f. Klassifikationseinheit (140) zur Klassifikation des Partikels und/oder der Partikelgruppe und/oder des Partikelgemisches mit Hilfe dieser mindestens zwei physikalischen Größen (X und Y) g. einen Aktor (150) der zur Durchführung mindestens einer Aktion in Abhängigkeit von der ermittelten Klasse des Partikels und/oder der Partikelgruppe und/oder des Partikelgemisches in der Lage ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Rauchmelder handelt und der Aktor (150) eine Alarmsignalisierungsvorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung bei bestimmungsgemäßer Montage weniger als 3 cm und/oder weniger als 1,5 cm und/oder weniger als 5 mm und/oder weniger als 2 mm und/oder weniger als 1 mm aus einer Decke und/oder Wand und/oder Montagefläche herausragt.
Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass als Sender (H) Lichtquellen und/oder LEDs unterschiedlicher Wellenlänge benutzt werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine LED eine Wellenlänge größer als 650 nm hat.