DE102014114576A1

DE102014114576A1 - Verfahren und Anordnung zur Identifizierung von Gaskonzentrationen als Gefahrenmelder in der Luft

Info

Publication number: DE102014114576A1
Application number: DE201410114576
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2015-04-09
Also published as: EP2860715A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft, wobei Paramater über eine Datenverarbeitung unter Verwendung von Referenz- und/oder Klassifizierungsmustern ausgewertet werden und in Abhängigkeit der Ergebnisse der Auswertung eine Alarmausgabe und/oder Visualisierung als Gefahrenmelder stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung von Gaskonzentrationen als Gefahrenmelder in der Luft, wobei Paramater über eine Datenverarbeitung unter Verwendung von Referenz- und/oder Klassifizierungsmustern ausgewertet werden und in Abhängigkeit der Ergebnisse der Auswertung eine Alarmausgabe und/oder Visualisierung stattfindet.
Aus dem Stand der Technik sind CO- und CO2-Detektoren zur Erkennung von Bränden bekannt. Dabei werden unterschiedliche Anordnungen und Messverfahren beschrieben. Es wird aber nicht auf die eine Früherkennung von Bränden und eine sehr geringe Fehlalarmrate eingegangen. Dazu müssen sowohl genaue als auch vermarktungsfähige Verfahren eingesetzt werden. Ein solches Verfahren wird hier beschrieben.
Bekannt ist eine Schrift WO 2005/ 119 618 A2 „Feueralarm-Algorithmus mit Rauch- und Gassensor“. Dabei sind eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, welche zur Detektion von Bränden dienlich sind. Es findet eine umfassende Erfassung von Konzentrationen von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Rauch in der Umgebung statt. Bei der Berechnung unter Einsatz eines Verfahrens wird die Zeit der Steigerungsraten in jeder Ebene dokumentiert und ein entsprechender Alarm beim Erkennen eines Störwertes ausgelöst.
Der Nachteil der bestehenden Patentschrift sowie der handelsüblichen Sensoren besteht darin, dass sie ihre Genauigkeit nur in einem kleinen physikalischen Fenster garantieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft zu finden, wobei eine hohe Messgenauigkeit mit einer geringen Querempfindlichkeit unter Zuhilfenahme von Erweiterungssensorik bestimmter Parameter erzielt wird und der Nachteil des Standes der Technik durch Einflussnahme von Umwelteinflüssen, welche zur Messwertverfälschung führen, kompensiert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Patentanspruch 1 und der Patentanspruch 5 mit seinen Unteransprüchen realisiert sind. Messwertverfahren für die Erkennung von gefährlichen und toxischen Gaskonzentrationen, wie sie bei Bränden entstehen, sind bekannt. Es werden vor allem chemische, Halbleitergassensoren und optische Sensoren im Bereich von CO und CO2 eingesetzt. Alle diese Sensoren verwenden jedoch eine Messzeit > 2s, um entsprechende Ergebnisse zu erreichen.
Das neue erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich dadurch, dass bei dem ersten Verfahrensschritt Messzeiten von einer Sekunde erreicht werden und gleichzeitig eine hohe Erkennungssicherheit und geringster Fehlalarm entsteht. Damit erlaubt das Verfahren eine schnelle Erkennung von gefährlichen Gasen und Schwelbränden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt nicht so sehr auf die allgemeine Branderkennung mittels CO und CO2 ab, sondern auf eine hocheffiziente Früherkennung mit einer sehr geringen Fehlalarmrate. Dabei wird kein Multisensorsystem benötigt, sondern nur CO- und CO2-Sensoren. Es wird davon ausgegangen, dass die Nutzung von CO- und CO2-Sensorik für die Erkennung von allgemeinen Bränden Stand der Technik ist. Stand der Technik ist auch, dass bei hohen CO- und hohen CO2-Konzentrationen wahrscheinlich ein Brand vorliegt, da hohe natürliche CO-Werte in der Natur nicht vorkommen. Diese Auswertung nutzen auch viele CO-Melder, die bereits an sich bekannt sind.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erkennung von Gaskonzentrationen, die bereits in der Schwelbrandphase entstehen und die von bisherigen Sensorkombinationen nicht bzw. viel zu spät erkannt werden. Dazu müssen genaue Messwerte ermittelt und ausgewertet werden. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen, werden die bestehende Sensordrift kompensiert und äußere Umwelteinflüsse eliminiert. Weiterhin wird eine sehr hohe Langzeitstabilität erreicht und die Fehlalarmrate unter 0,1 % gedrückt. Eine zuverlässige Branderkennung erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits ab 50ppm CO-Konzentration, bei der noch keine Gesundheitsgefährdung vorliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf zwei Stufen der Erkennung von Gaskonzentrationen, insbesondere von einer CO-Konzentration.
In der ersten Stufe wird die CO- oder CO2-Konzentration oder Temperatur einmal pro Sekunde abgetastet. Die Anlagerung von Molekülen im CO- bzw. CO2-Sensor ist ein dynamischer Prozess und bedarf eines chemischen Gleichgewichtes. Die mathematische Funktion zur Erreichung des GG ist bekannt. Verkürzt man die Messung, so wird das GG nicht mehr erreicht. In der ersten Verfahrensstufe werden kurze Messzeiten benötigt, welche unter einer Sekunde liegen. Es wird eine etwas schlechtere Auflösung aufgrund des nicht abgeschlossenen Gleichgewichtsprozesses in Kauf genommen. Falls in dieser Phase keine Gefahrendetektion erfolgt, wird in diesem Modus weitergemessen. Wird ein Signal erkannt, wird die Messzeit automatisch verlängert, um so die Auflösung erheblich zu verbessern. Diese Verfahrensschritte können auch auf zwei oder mehr Sensoren angewendet werden.
Dieser Messalgorithmus ist extrem stromsparend, da er im Ladungsbalanceverfahren ausgeführt wird. Somit kann er auch von batteriegestützten Systemen über einen langen Zeitraum betrieben werden. Tritt im ersten Verfahrensschritt ein Detektionsereignis auf, wird ein zweiter Verfahrensschritt mit der gesamten elektronischen Auswertung gestartet.
In dem zweiten Verfahrensschritt werden sowohl CO- als auch CO2-Konzentrationen mit einer längeren Messzeit ermittelt. Gleichzeitig werden alle Umweltparameter gemessen und deren Einflüsse auf das Messergebnis korrigiert, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die so korrigierten Daten werden einem Neuronalen Netz oder einem anderen intelligenten Auswerteverfahren zugeführt, die eine Klassifizierung der Brandwahrscheinlichkeit vornimmt. Es werden somit keine Schwellen für die Gaskonzentrationen benötigt, das System wird damit sehr stabil und reproduzierbar. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt über einen µController.
Durch diese Struktur der Verfahrensabschnitte kann ohne große technische Änderungen ein weiterer Sensor hinzugefügt werden, der das System um eine Gaskomponente, wie zum Beispiel Methan, erweitert. Damit kann das System auch als Leckdetektor für Erdgas eingesetzt werden. Andere Sensoren oder Kombinationen sind möglich.
Eine nochmalige Ausführung zeigt die einzelnen Verfahrensschritte zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Auswertung der CO- und/oder CO2-Konzentration in einem Algorithmus mit einer Messung pro Sekunde durchgeführt. Hierbei findet eine sehr schnelle Erkennung statt.
Erfolgt in diesem ersten Messabschnitt eine Signalerkennung von einer Gaskonzentration von CO, wird ein zweiter Verfahrensabschnitt zugeschaltet, welcher in längeren Messabschnitten ausgeführt ist und hierbei CO, CO2, Luftdruck, Temperatur und Feuchte als Messergebnisse auswertet.
In diesem Verfahrensschritt findet eine Korrektur der Messwerte, die durch reale Umweltbedingungen, wie zum Beispiel Luftdruckschwankungen, verfälscht sind, statt.
Ein weiterer spezieller Verfahrensschritt ist die Korrektur der Langzeitdrift von CO- und CO2-Sensoren. Nachfolgend kann eine Normierung der Sensordaten stattfinden. Eine weitere Zuführung der gegebenen Messdaten auf ein Neuronales Netz oder andere intelligente Auswerteeinheiten kann die Auswertung des Messergebnisses spezifizieren.
Folgende Messergebnisse sind denkbar:

– kein Brand
– Schwelbrand
– Brand
– CO-Alarm
– kein Brand, CO2, Anzeige Feuchte zu hoch, Lüftung des Raumes.

Die Komplexität des Verfahrens ergibt sich aus den vielen Kombinationen der Sensordaten.
Ein Verfahren zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wurden so entwickelt, wie sie im Patentanspruch 1 und im Patentanspruch 5 mit den Unteransprüchen dargestellt sind,

– dass in einem ersten Verfahrensschritt eine Gaskonzentration über Sensoren oder eine Temperatur in kurzen Messzeiten von einmal pro Sekunde ermittelt wird und bei einer Signalerfassung eines von den Normalbedingungen abweichenden Messwertes ein zweiter Verfahrensschritt mit einer Messzeitverlängerung über einmal pro Sekunde der Messung der Gaskonzentration und einer gleichzeitigen Messung eines Druckes und/oder einer Temperatur und/oder einer Feuchte über gegebene Sensoren ausgeführt wird und in Abhängigkeit der Sensordatenfusion eine Korrektur der Gaskonzentration und eine Normierung erfolgt und nachfolgend ein angelerntes Neuronales Netz mit diesen Daten beaufschlagt wird, um eine Auswertung und Gefahrenbewertung mit einer Alarmausgabe und einer Visualisierung durchzuführen,
– dass im ersten Verfahrensschritt die Gaskonzentration über CO2- und CO-Sensoren ermittelt wird,
– dass im ersten Verfahrensschritt eine Temperatur über einen Temperatursensor ermittelt wird,
– dass im zweiten Verfahrensschritt mit einer Messzeitverlängerung die Messung der Gaskonzentration über einen CO- und/oder CO2-Sensor ausgeführt wird,
– dass durch das Heranziehen der Parameter Temperatur und/oder Druck und/oder Feuchte die Effizienz der Auswertung und Gefahrenbewertung der Gaskonzentration erhöht wird,
– dass durch die Sensordatenfusion des CO-Sensors und des CO2-Sensors über Parametervorgaben eine genaue Darstellung von Gefahren, insbesondere von Bränden, ermittelt wird,
– dass eine Korrektur der vorhandenen Temperatur-, Druck- und Langzeitdrift der Messdaten nach einem definierten Verfahren durchgeführt wird,
– dass eine zweistufige Detektionsanordnung zur extrem schnellen Erkennung von Gefahrensituationen vorhanden ist und in der zweiten Stufe eine genaue, schnelle und komplexe Auswertung erfolgt und eine Energieeinspeisung über ein Netzteil und/oder durch Solarbetrieb und/oder durch Akkubetrieb möglich ist und eine optische Anzeige vorhanden ist,
– dass die Konfiguration der Basisplatine zur Bestückung in Form eines Baukastenprinzips gegeben ist,
– dass die Basisplatine einen Buzzer und einen Datenlogger aufweist,
– dass insbesondere der CO2-Sensor und der CO-Sensor eine hohe Lebensdauer und eine geringe Querempfindlichkeit aufweisen.

Das gegebene Verfahren und die Anordnung in Form eines Moduls auf einer Basisplatine zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft beinhalten drei Sensorikkomponenten, die eine gefährliche Situation rechtzeitig erkennen lassen. Es entsteht zum Beispiel bei fast jedem Brand durch den Verbrennungsprozess je nach Sauerstoffanteil CO bzw. CO2. Das System ist robust und langlebig. Neben den beiden Gasdetektoren werden Temperatur und/oder Druck und/oder Feuchte gemessen. Diese Parameter dienen der Driftkorrektur der CO- bzw. CO2-Sensorwerte. Zusätzlich kann die Temperatur auch in der Sensordatenfusion als Branderkennungssensor fungieren. Das Basismodul kann über Bausteinsysteme mit einem Netzteil oder mittels einer Solarzelle auch autark betrieben werden. Das bestehende Modul auf Grundlage der Basisplatine kann entsprechend der Kundenanforderung modular und skalierbar aufgebaut werden.
Dabei sind folgende Aufbauweisen möglich:

1. Welche Sensorik Hier werden im Modul folgende Möglichkeiten angeboten: CO2 und CO als Primärparameter bzw. Temperatur, Druck als Korrekturparameter und ein abgesetztes Temperatur/Feuchte-Modul zur Erfassung von Raumklimadaten – nicht als alleinige Messgröße – als Sekundärparameter.
2. Art der Stromversorgung Es kann aus Netzbetrieb, Batteriebetrieb oder Solarbetrieb ausgewählt werden.
3. Auswahl der Schnittstelle Hier stehen USB, 4–20mA, 0–10V, andere Schnittstellen Zusatzmodule, WLAN oder LAN mit verschiedenen Protokollen zur Auswahl. Weitere Schnittstellen sind möglich.
4. Anzeige Für die Anzeige werden LED´s bzw. Displays benutzt.

Unter der Sicht der höchsten Konfigurationswahrscheinlichkeit sind die Hauptkomponenten auf einer Basisplatine integriert, alle anderen Funktionen werden als Aufsteckmodule im Baukastenprinzip entsprechend des Kundenwunsches schnell und einfach konfiguriert.
Das neu entwickelte Basismodul besitzt erhebliche Alleinstellungsmerkmale und Vorteile gegenüber dem bestehenden Stand der Technik. Diese sind:

– hohe Messgenauigkeit von +–50 ppm durch Korrektur der Driften,
– Sensordatenfusion, denn mehrere Sensoren erlauben eine qualitativ hohe Sicht der Auswerteeinheit; das Alleinstellungsmerkmal ist, dass man mit 2 Sensoren (CO2 und CO) nahezu jeden Brand bereits in der Entstehung erkennen kann; die Abtastrate beträgt 2s bis 15s und ist damit wesentlich schneller als die meisten Rauchmelder,
– hohe Flexibilität in der Konfiguration durch das verwendete Baukastensystem.

Durch das Baukastensystem und der Konfiguration der Sensorelektronik auf der Basisplatine kann ein Kundenwunsch innerhalb einer kurzen Zeit realisiert werden. Dabei wird der Aufwand an Hardware und Fertigung als gering betrachtet.
Auf der Basisplatine sind insbesondere ein CO2-Sensor mit hoher Lebensdauer und geringer Querempfindlichkeit, ein CO-Sensor mit hoher Lebensdauer und geringer Querempfindlichkeit sowie eine Erweiterungssensorik für Temperatur, Druck, Feuchte, Licht usw. vorhanden. Diese Sensoren werden zu einer Sensordatenfusion zusammengeführt und zur Auswertung und Gefahrenbewertung herangezogen. Über die Auswertung und Gefahrenbewertung wird eine Alarmausgabe und Visualisierung durchgeführt.
Durch die Kombination von CO2- und CO-Sensoren lassen sich nahezu alle Brandsituationen bis auf zum Beispiel reine Wasserstoffbrände, wo kein CO2 oder CO entsteht, abbilden. Das Verhältnis des Sauerstoffanteils ist entscheidend, wie groß der CO2- und der CO-Anteil im Brandgas sind.
Die erfindungsgemäße Sensorkombination erkennt Gaskonzentrationen, die nur bei Bränden entstehen. Der hochgenaue CO2-Sensor kann aber auch als Luftgütesensor in Innenräumen zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt werden.
Zusätzlich zu den ermittelten Gaskonzentrationen aus dem CO2-Sensor und dem CO-Sensor wird die Temperatur ebenfalls überwacht und zur Auswertung herangezogen. Des Weiteren ist es auch möglich, durch die Erweiterungssensorik Druck und Feuchte zur Auswertung heranzuziehen. Durch die Korrekturglieder der Erweiterungssensorik wird die Genauigkeit des Sensors erheblich erhöht. Durch die Verwendung querempfindlichkeitsarmer Sensorik wird eine geringe Fehlalarmwahrscheinlichkeit erreicht. Das Messsystem CO2 kalibriert sich automatisch. Grundsätzlich kann also festgestellt werden, dass das neuartige Modul als Baukastensystem hinsichtlich Sensorik und Schnittstellen ausgeführt ist.
Anhand eines Ausführungsbeispiels ist die erfindungsgemäße Lösung beschrieben.
Dabei zeigen:
1 Grundmodule des Baukastensystems
2 CO2-Modul
3 netzbetriebene Variante für Tagungs- und Schulungsräume mit Datenübertragung
4 Gefahrenmelder für allgemeine Anwendungen in Business- und Privaträumen
Aus der 1 ist das Grundmodul als Baukastensystem ersichtlich. Dabei besteht das Grundmodul aus der Basisplatine A und folgender Zusammensetzung.

– Eine Basisplatine A dient als Mainboard für die gesamte Schaltung. Es wird ein Mikroprozessor mit einer intelligenten Firmware als Herzstück eingesetzt. Der interne Speicher dient sowohl der Firmware als auch als Datenspeicher (Datenlogger). Auf der Basisplatine A können mehrere Sensor-Varianten realisiert werden, einschließlich der Zwischenspeicherung von Messwerten.
– Auf der Basisplatine A ist ein Uhrenchip mit Quarz und integrierter Lithiumzelle mit einer Betriebszeit von 10 Jahren vorhanden.
– Es sind ein CO2-Sensor 1 und ein CO-Sensor 2 angeordnet. Die Schaltung des CO-Sensors ist mit auf der Basisplatine A integriert.
– Ein Temperatursensor 3 ist auf der Basisplatine A implementiert und hat eine Genauigkeit von <+– 1K. Dieser dient der Korrektur der Temperaturdrift.
– Ein Sensor für die Messung von Temperatur und Feuchte (Erfassung der Raumklimadaten) ist als absetzbarer Zusatzsensor I2C angegliedert.
– Auf der Basisplatine A befindet sich ein Sensor für Druck 5 mit absoluter Druckangabe.
– Weiterhin ist auf der Basisplatine A ein Sensor für Licht auf mit bis zu 2000lux gegeben. Er dient der Sensorsteuerung bei Solarbetrieb (Energiemanagement).
– Ein WLAN Zusatzmodul 7, ein Netzwerk Zusatzmodul 8 und andere Schnittstellenzusatzmodule sind auf der Basisplatine A über den Connector (Schnittstellenmodul) angeschlossen.
– Des Weiteren ist eine serielle Schnittstelle 0–20mA und 0–10V 10 vorhanden. Diese Einheit dient als Schnittstelle für die Sensordaten. Welche Sensordaten ausgewählt und über die Schnittstelle ausgegeben werden, wird über die Firmware definiert.
– Das Modul Netzbetrieb 12–24V 11 realisiert als abgesetztes Netzteil die Spannungsversorgung von 12–24V auf 5V der Basisplatine A.
– Ein Modul Solarbetrieb 5V 12 ist mit einem Solarpanel 5V >350mA oder mit mehreren Solarelementen und zwei Pufferakkus LiPo oder ähnlich ausgestattet. Es ist ein abgesetztes Zusatzmodul, jedoch nicht auf der Basisplatine A.
– Ein Modul Batteriebetrieb 7,2V 13 ist ein Zusatzmodul und mit auf der Zusatzplatine Solarmodul integriert.
– Eine LED Anzeige 14 zeigt den Betriebszustand der Basisplatine A.
– Ein Display Zusatzmodul 15 zeigt die LED Anzeige für den CO2-Wert bzw. den CO-Wert oder anderen Sensorwerten der Basisplatine A. Außerdem sind eine Schnittstelle für die Displayansteuerung und ein akustisches Ausgabeelement integriert.
– Auf der Basisplatine A befinden sich ein Buzzer 16 und ein Datenlogger 17.

Die nachfolgenden 2, 3 und 4 zeigen bestimmte Anwendungsmöglichkeiten in Form von Baukastensystemen für die Bestückung der Basisplatine A.
Die 2 veranschaulicht ein CO2-Modul für Schulen und Konferenzräume. Der Lichtsensor dient der Erhöhung der Betriebszeit. Dabei wird die Basisplatine A bestückt mit einem CO2-Sensor 1, einem Sensor Licht 6, einem Modul Solarbetrieb 5V 12 und einer LED Anzeige 14.
Die 3 zeigt eine netzbetriebene Variante für Tagungs- und Schulungsräume mit Datenübertragung, hoher Genauigkeit und Erfassung der Raumklimadaten, eventuell mit WLAN und Darstellung der Ergebnisse auf einem iPAD oder Ähnlichem. Dazu ist die Basisplatine A mit folgenden Einheiten bestückt:

– CO2-Sensor 1
– Temperatursensor PT1000 3
– Temperatur / Feuchte xxx 4
– Druck 5
– Licht 6
– Schnittstelle 0–20mA 0–10V 10
– LED Anzeige 14
– Netzbetrieb 12–24V 11.

Aus der 4 heraus ist eine weitere Modulbauweise der Basisplatine A für allgemeine Anwendungen in Business- und Privaträumen gegeben. Temperatur / Feuchte und Druckerfassung dienen der Verringerung des CO2-Messfehlers. Die Basisplatine A ist mit Hilfe des Baukastensystems wie folgt bestückt:

– CO2-Sensor 1
– CO-Sensor 2
– Temperatursensor PT1000 3
– Druck 5
– LED Anzeige 14
– Buzzer 16
– Netzbetrieb 12–24V 11.

Über entsprechende Erweiterungsplatinen als Aufsteckmodule können beispielsweise folgende Schnittstellen integriert werden:

– Zusatzmodul Schnittstelle WLAN – Connector 1
– Zusatzmodul Schnittstelle Netzwerk – Connector 1
– Zusatzmodul andere Schnittstelle – Connector 1
– Zusatzmodul Schnittstelle 4–20mA, 0–10V – Connector 1
– Zusatzmodul Solar-/Batteriebetrieb – Connector 2
– Fremdplatine Display – Connector 4

Die Basisplatine A hat eine Abmessung von 55 × 70 mm².
Eine allgemeine Funktionsbeschreibung des Verfahrens und der Anordnung zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft wird nun dargestellt. Über die entsprechenden Sensoren werden CO2- und CO-Daten erfasst. Beide zu detektierenden Gase sind ab einer bestimmten Konzentration tödlich. Bei einem Brand entsteht bei einer unvollständigen Verbrennung vorrangig CO, bei einer vollständigen Verbrennung vorrangig CO2. Durch die Einzelwerte und Verknüpfung beider lassen sich sehr gute Parameter für Gefahren ableiten. Die Visualisierung erfolgt wie diesseitig beschrieben durch eine LED Anzeige 14. Zusätzlich wird noch akustisch bei Überschreitung der CO- oder CO2-Grenzen eine Signalausgabe realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf zwei Stufen der Erkennung von Gaskonzentrationen, insbesondere von einer CO-Konzentration.
In der ersten Stufe wird die CO- bzw. CO2-Konzentration oder Temperatur einmal pro Sekunde abgetastet. Die Anlagerung von Molekülen im CO-Sensor ist ein dynamischer Prozess und bedarf eines chemischen Gleichgewichtes. Die mathematische Funktion zur Erreichung des GG ist bekannt. Verkürzt man die Messung, so wird das GG nicht mehr erreicht. In der ersten Verfahrensstufe werden kurze Messzeiten benötigt, welche unter einer Sekunde liegen. Es wird eine etwas schlechtere Auflösung aufgrund des nicht abgeschlossenen Gleichgewichtsprozesses in Kauf genommen. Falls in dieser Phase keine Gefahrendetektion erfolgt, wird in diesem Modus weitergemessen. Wird ein Signal erkannt, wird die Messzeit automatisch verlängert, um so die Auflösung erheblich zu verbessern. Diese Verfahrensschritte können auch auf zwei oder mehr Sensoren angewendet werden.
Dieser Messalgorithmus ist extrem stromsparend, da er im Ladungsbalanceverfahren ausgeführt wird. Somit kann er auch von batteriegestützten Systemen über einen langen Zeitraum betrieben werden. Tritt im ersten Verfahrensschritt ein Detektionsereignis auf, wird ein zweiter Verfahrensschritt mit der gesamten elektronischen Auswertung gestartet.
In dem zweiten Verfahrensschritt werden sowohl CO- als auch CO2-Konzentrationen mit einer längeren Messzeit ermittelt. Gleichzeitig werden alle Umweltparameter gemessen und deren Einflüsse auf das Messergebnis korrigiert, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die so korrigierten Daten werden einem Neuronalen Netz oder einem anderen intelligenten Auswerteverfahren zugeführt, die eine Klassifizierung der Brandwahrscheinlichkeit vornimmt. Es werden somit keine Schwellen für die Gaskonzentrationen benötigt, das System wird damit sehr stabil und reproduzierbar. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt über einen µController.
Durch diese Struktur der Verfahrensabschnitte kann ohne große technische Änderungen ein weiterer Sensor hinzugefügt werden, der das System um eine Gaskomponente, wie zum Beispiel Methan, erweitert. Damit kann das System auch als Leckdetektor für Erdgas eingesetzt werden. Andere Sensoren oder Kombinationen sind möglich.
Eine nochmalige Ausführung zeigt die einzelnen Verfahrensschritte zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Auswertung der CO- und/oder CO2-Konzentration in einem Algorithmus mit einer Messung pro Sekunde durchgeführt. Hierbei findet eine sehr schnelle Erkennung statt.
Erfolgt in diesem ersten Messabschnitt eine Signalerkennung von einer Gaskonzentration von CO, wird ein zweiter Verfahrensabschnitt zugeschaltet, welcher in längeren Messabschnitten ausgeführt ist und hierbei CO, CO2, Luftdruck, Temperatur und Feuchte als Messergebnisse auswertet.
In diesem Verfahrensschritt findet eine Korrektur der Messwerte, die durch reale Umweltbedingungen, wie zum Beispiel Luftdruckschwankungen, verfälscht sind, statt.
Ein weiterer spezieller Verfahrensschritt ist die Korrektur der Langzeitdrift von CO- und CO2-Sensoren. Nachfolgend kann eine Normierung der Sensordaten stattfinden. Eine weitere Zuführung der gegebenen Messdaten auf ein Neuronales Netz oder andere intelligente Auswerteeinheiten kann die Auswertung des Messergebnisses spezifizieren.
Folgende Messergebnisse sind denkbar:

Dieser Gefahrenmelder in Form der Basisplatine A stellt keinen konventionellen Brandmelder dar, aber ein Sensormodul, um die Sicherheit in Wohnungen, Schulen, Arbeitsräumen und anderes wesentlich zu erhöhen. Neben den Gaskomponenten kann die Temperatur und Feuchtigkeit als zusätzliche Informationsgeber hilfreich ausgewertet werden.
Um die Genauigkeit der Messwerte zu gewährleisten, wird eine Korrektur der Messwertdrift durch Temperaturänderungen, der Messwertdrift durch Luftdruckänderungen und der Alterungsdrift der Sensoren vorgenommen. Dazu werden spezielle mathematische und statistische Verfahren verwendet. Jeder aufgenommene Rohdatenwert wird vor der Weiterverarbeitung korrigiert. Durch dieses Verfahren wird eine hohe Genauigkeit über Jahre gewährleistet.
Eine LED Anzeige 14 gibt die Werte des CO-Sensors 2 entsprechend der EN 50291 aus. Grün erscheint zum Beispiel bis 30 ppm bis maximal 120 Minuten, blau von 31 bis 50 ppm von 60 bis 90 Minuten, blau blinkend von 51 bis 100 ppm von 10 bis 40 Minuten, rot von 101 bis 300 ppm bis 3 Minuten und rot blinkend oberhalb von 300 ppm. Nach Überschreitung von Konzentrationen oder Zeitintervallen wird ein akustischer Alarm ausgegeben. Die Konzentrationen und Aufenthaltszeiten werden den gesetzlichen Vorgaben der Länder angepasst.
Eine dritte LED kann zur Visualisierung eines bestimmten Parameters oder für die Anzeige des Betriebszustandes festgelegt werden. Die Datenausgabe erfolgt visuell/akustisch und über konfigurierte Schnittstellen, welche diesseitig schon aufgeführt wurden.
Bezugszeichenliste

A: Basisplatine
1: CO2-Sensor
2: CO-Sensor
3: Temperatursensor
4: Temperatur / Feuchte
5: Druck
6: Licht
11: Netzbetrieb 12–24V
14: LED Anzeige
16: Buzzer
17: Datenlogger
B: Erweiterungsplatine (aufsteckbar auf A)
7: WLAN Zusatzmodul
8: Netzwerk Zusatzmodul
9: USB Schnittstelle
10: Schnittstelle 0–20mA 0–10V
15: Display Zusatzmodul
C: Erweiterungsplatine
12: Solarbetrieb 5V
13: Batteriebetrieb 7,2V

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

WO 2005/119618 A2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 50291 [0059]

Claims

Verfahren zur Identifizierung von Gaskonzentrationen in der Luft, wobei Parameter über eine Datenverarbeitung unter Verwendung von Referenz- und/oder Klassifizierungsmustern ausgewertet werden und in Abhängigkeit der Ergebnisse der Auswertung eine Alarmausgabe und/oder Visualisierung getroffen wird, wobei Messwerte über Sensoren ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Verfahrensschritt eine Gaskonzentration über Sensoren oder eine Temperatur in kurzen Messzeiten von einmal pro Sekunde ermittelt wird und bei einer Signalerfassung eines von den Normalbedingungen abweichenden Messwertes ein zweiter Verfahrensschritt mit einer Messzeitverlängerung über einmal pro Sekunde der Messung der Gaskonzentration und einer gleichzeitigen Messung eines Druckes und/oder einer Temperatur und/oder einer Feuchte über gegebene Sensoren ausgeführt wird und in Abhängigkeit der Sensordatenfusion eine Korrektur der Gaskonzentration und eine Normierung erfolgt und nachfolgend ein angelerntes Neuronales Netz mit diesen Daten beaufschlagt wird, um eine Auswertung und Gefahrenbewertung mit einer Alarmausgabe und einer Visualisierung durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt die Gaskonzentration über CO2- und CO-Sensoren ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt eine Temperatur über einen Temperatursensor ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt mit einer Messzeitverlängerung die Messung der Gaskonzentration über einen CO- und/oder CO2-Sensor ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch das Heranziehen der Parameter Temperatur und/oder Druck und/oder Feuchte die Effizienz der Auswertung und Gefahrenbewertung der Gaskonzentration erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sensordatenfusion des CO-Sensors (2) und des CO2-Sensors (1) über Parametervorgaben eine genaue Darstellung von Gefahren, insbesondere von Bränden, ermittelt wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur der vorhandenen Temperatur-, Druck- und Langzeitdrift der Messdaten nach einem definierten Verfahren durchgeführt wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, wobei eine zweistufige Detektionsanordnung zur extrem schnellen Erkennung von Gefahrensituationen vorhanden ist und in der zweiten Stufe eine genaue, schnelle und komplexe Auswertung erfolgt und eine Energieeinspeisung über ein Netzteil und/oder durch Solarbetrieb und/oder durch Akkubetrieb möglich ist und eine optische Anzeige vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration der Basisplatine (A) zur Bestückung in Form eines Baukastenprinzips gegeben ist.
Anordnung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatine (A) einen Buzzer (16) und einen Datenlogger (17) aufweist.
Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere der CO2-Sensor (1) und der CO-Sensor (2) eine hohe Lebensdauer und eine geringe Querempfindlichkeit aufweisen.