DE102019219200A1

DE102019219200A1 - Rauchdetektionseinheit für einen Brandmelder mit Grundpulsunterdrückung sowie geeignetes Verfahren zur Rauchdetektion

Info

Publication number: DE102019219200A1
Application number: DE102019219200.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Kiy; Ulrich Kuhn-Matysiak
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Eine Rauchdetektionseinheit (1) umfasst einen Lichtemitter (2) und ein Photosensor (3) in einer Streulichtanordnung sowie eine damit verbundene Steuereinheit (MC). Letztere ist dazu eingerichtet, den Lichtemitter zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photosensor ein zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) zu erfassen und dieses auf eine Brandkenngrösse hin zu analysieren. Erfindungsgemäss ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt (t0) eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung (T) nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen. Die Zeitverzögerung liegt in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere von 25 ps bis 250 ps, vorzugsweise von 33 ps bis 150 ps. Dadurch wird vorteilhaft der Einfluss des Grundpulses, d.h. des Einflusses von an der Innenseite der Messkammer zur Rauchdetektionseinheit zurückgestreuten Lichts, auf die Streulichtmessung reduziert bzw. eliminiert. Der Photosensor ist insbesondere eine Photodiode oder Avalanche-Photodiode, vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) oder ein Array (ARRAY) davon. Der Lichtemitter ist vorzugsweise eine Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL).

Description

Die Erfindung betrifft eine Rauchdetektionseinheit für einen Brandmelder. Die Rauchdetektionseinheit umfasst einen Lichtemitter und einen spektral darauf abgestimmten Photosensor in einer Streulichtanordnung. Sie weist zudem eine Steuereinheit auf, welche mit dem Lichtemitter und mit dem Photosensor insbesondere signal- und/oder datentechnisch verbunden ist. Die Steuereinheit ist weiter dazu eingerichtet, den Lichtemitter insbesondere wiederholt zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photosensor ein zeitlich zugeordnetes Sensorsignal zu erfassen und dieses auf zumindest eine Brandkenngrösse hin zu analysieren. Das Sensorsignal kann auch als Photosignal bezeichnet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Rauchdetektionsmodul mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit, einen (geschlossenen) Streulichtrauchmelder mit einem derartigen Rauchdetektionsmodul sowie einen offenen Streulichtrauchmelder mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit.
Schliesslich betrifft die Erfindung ein zur Rauchdetektionseinheit korrespondierendes Verfahren.
Derartige Rauchdetektionseinheiten sind allgemein bekannt. Aus der EP 2 093 732 A1 der Anmelderin ist beispielhaft eine solche Rauchdetektionseinheit bekannt.
Aus der EP 3 499 475 A2 und aus der EP 3 319 057 A1 sind Rauchdetektionseinheiten bekannt, die in optoelektronische Bauteile als System-on-a-Chip (SoC) integriert sind.
Die in der EP 3 499 475 A2 als SMD-Bauelement ausgebildete Rauchdetektionseinheit umfasst eine Infrarot-LED, eine blauleuchtende LED sowie eine spektral darauf abgestimmte Photodiode. Die optischen Achsen der LEDs verlaufen im montierten Zustand der Rauchdetektionseinheit quer, d.h. nahezu orthogonal, zur Leiterplatte. Die optische Achse der Photodiode verläuft orthogonal zur Leiterplatte. Zudem ist eine Messkammer zur Applizierung auf einem Schaltungsträger beschrieben, der eine solche integrierte Rauchdetektionseinheit umfasst. Die Messkammer ist durchlässig für zu detektierenden Rauch, jedoch gegenüber direktem Umgebungslicht abgeschirmt.
Hierbei tritt das Problem auf, dass durch die extreme Rückwärtsstreulichtanordnung von ca. 160° ein nicht unerheblicher Teil des von den beiden LEDs in Richtung zur gegenüberliegenden Messkammer ausgesandten Lichts als sogenannter Grundpuls zurück zum Photosensor bzw. zur Photodiode gestreut und/oder reflektiert wird. Weist eine solche Messkammer einen angenommenen Durchmesser von 25 mm bis 40 mm bei einer Bauhöhe von 10 mm bis 20 mm auf, so überschreitet der empfangene Lichtintensitätspegel des reflektierten Grundpulses den Alarmierungspegel für den Brandfall um ein Vielfaches. Eine zuverlässige Rauchdetektion ist somit nicht möglich.
Zwar vermag ein neues Design der Messkammerinnenseite den Grundpuls mittels eines z.B. aus der US 2009/237259 A1 bekannten Kegels deutlich zu reduzieren. Eine zuverlässige Rauchdetektion ist damit jedoch bei weitem nicht möglich.
Davon ausgehend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rauchdetektionseinheit anzugeben.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rauchdetektionseinheit anzugeben, bei welcher der Einfluss des Grundpulses stark reduziert ist.
Schliesslich ist eine Aufgabe der Erfindung, ein dazu korrespondierendes Verfahren zur Detektion von Rauch anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Schliesslich wird die Aufgabe durch ein dazu korrespondierendes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Erfindungsgemäss ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt eines insbesondere wiederholt ausgesendeten (optischen) Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen. Genauer gesagt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt eines direkt am Lichtemitter ausgesendeten (optischen) Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen.
Der Kern der Erfindung liegt darin, eine Streulichtrauchmessung auf Basis eines vom Photosensor ausgegebenen Sensorsignals zu beenden, noch bevor die «Lichtwelle» des Grundpulses den Photosensor erreicht. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass nur der von zu detektierenden Rauchteilchen im Streulichtvolumen zum Photosensor gestreute Lichtanteil messtechnisch erfasst bzw. bei der nachfolgenden Analyse auf die Brandkenngrösse hin ausgewertet wird. Dies setzt jedoch eine Messzeit voraus, die kürzer ist als die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter zur gegenüberliegenden Messkammerdecke und zurück zum Photosensor entsprechenden optischen Laufzeit des vom Lichtemitter ausgesandten Lichtpulses. Die Messkammer wird somit nur benötigt, um direktes Aussenlicht zu unterdrücken, sofern kein (Spektral-)Filter, wie z.B. Tageslichtfilter, dem Photosensor optisch vorgeschaltet ist.
Die zumindest eine Brandkenngrösse kann z.B. ein elektrisch vom Photosensor ausgegebener Lichtintensitätspegel sein. Eine weitere Brandkenngrösse ist z.B. die Änderungsgeschwindigkeit des Lichtintensitätspegels.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise eine prozessorgestützte Steuereinheit, insbesondere ein Mikrocontroller, auf dem ein geeignetes Softwareprogramm zur direkten oder indirekten Ansteuerung des Lichtemitters sowie zur messtechnischen Erfassung des elektrischen Sensorsignals vom Photosensor ausgeführt wird. Der Mikrocontroller kann hierzu bereits einen integrierten A/D-Umsetzer zur Umsetzung des Sensorsignals in korrespondierende Datenmesswerte umfassen. Der Mikrocontroller kann auch eine digitale Schnittstelle aufweisen, um bereits digitale Werte des Sensorsignals zu erfassen bzw. einzulesen. Dies ist vorteilhaft dann der Fall, wenn der Photosensor digitale Messwerte bereitstellt, die mit dem analogen elektrischen Sensorsignal korrespondieren.
Mit der «wiederholten» Aussendung von Lichtpulsen ist gemeint, dass vorzugsweise zyklisch eine Streulichtrauchmessung erfolgt, wie z.B. einmal oder zweimal pro Sekunde, oder alle 10, 20 oder 30 Sekunden.
Vorzugsweise ist der Lichtemitter dazu eingerichtet, monochromatisches Licht auszusenden, wie z.B. Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden. Ein solcher Lichtemitter kann z.B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode sein.
Dem Lichtemitter kann eine optische Linse oder ein Reflektor nachgeschaltet sein. Dadurch ist eine optische Aufweitung des emittierten Lichtkegels möglich. Dem Lichtemitter kann auch eine optische Linse derart nachgeschaltet sein, um die optische Sendeachse hin zur optischen Empfangsachse des Photosensors zu neigen, wie z.B. in einem Bereich von 10° bis 25°.
Mit der zeitlich zugeordneten Erfassung des Sensorsignals vom Photosensor ist gemeint, dass vorzugsweise nur im erwarteten Zeitfenster des Eintreffens von Streulicht auf den Photosensor dieser im Sinne eines «Gatings» eingeschaltet, mit elektrischer Spannung versorgt oder anderweitig aktiviert wird.
Nach einer Ausführungsform ist der Photosensor eine Photodiode, insbesondere eine Avalanche-Photodiode, oder er umfasst ein Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden umfasst.
Avalanche-Photodioden sind hochempfindliche, schnelle Photodioden. Sie zählen zu den Avalanche-Dioden und nutzen den inneren photoelektrischen Effekt zur Ladungsträgererzeugung und den Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt) zur internen Verstärkung. Sie können als das Halbleiteräquivalent zum Photomultiplier betrachtet werden, mit erreichbaren Grenzfrequenzen bis in den Gigahertz-Bereich. Die höchste spektrale Empfindlichkeit liegt dabei je nach verwendetem Material in einem Bereich von ca. 250 nm - 1700 nm.
Der Avalanche-Photodiode kann eine optische Linse zur Aufweitung des optischen Erfassungsbereichs vorgeschaltet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Avalanche-Photodiode ein optisches Filter vorgeschaltet sein, welches spektral auf das vom Lichtemitter ausgesandte Licht ausgelegt ist. Somit kann nur monochromatisches Licht oder zumindest der grösste Teil des monochromatischen Lichts das optische Filter passieren.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Avalanche-Photodiode eine Einzelphoton-Avalanche-Diode. Eine solche Einzelphoton-Avalanche-Diode wird in der englischen Fachsprache auch als SPAD (für Single-Photon Avalanche Diode) bezeichnet. Aus dem Stand der Technik sind bereits derartige SPADs bekannt, deren zeitliche Auflösung z.B. bei 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps oder 50 ps liegt. Solche SPADs sind speziell für den Betrieb oberhalb der Durchbruchspannung im sogenannten Geiger-Modus entwickelt worden. Sie erreichen eine kurzzeitige Verstärkung von bis zu 10⁸, da ein durch ein einzelnes Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar auf Grund der Beschleunigung in der Multiplikationszone, hervorgerufen durch die hohe elektrische Feldstärke, mehrere Millionen Ladungsträger erzeugen kann. Durch eine entsprechende Beschaltung, vorzugsweise durch einen Vorwiderstand, wird verhindert, dass die SPAD durch den hohen Strom leitfähig bleibt. Der Spannungsabfall am Vorwiderstand ist dann messtechnisch auswertbar.
Alternativ umfasst das Array von Avalanche-Photodioden ein Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs). Durch die parallele Anordnung ist eine vielfach höhere Detektionsleistung möglich. Derartige Arrays können eine z.B. Anzahl von 16 x 16, 32 x 32 oder mehr SPADS umfassen. Durch die parallele Auswertung ist es zudem möglich, eine zeitabhängige Intensitätsverteilung mittels Zähler (Counter) zu erzeugen und auszugeben, z.B. in Form eines digitalen Histogramms.
Weiter alternativ kann das das Array von Avalanche-Photodioden einen Silizium-Photomultiplier umfassen. Ein Silizium-Photomultiplier, auch als SiPM bezeichnet, besteht aus einem Array mehrerer Avalanche-Photodioden auf einem gemeinsamen Silizium-Substrat. Die Avalanche-Photodioden werden wieder im Geiger-Modus, also oberhalb der Durchbruchspannung, betrieben. Jede einzelne Avalanche-Photodiode besitzt dabei ihren eigenen Vorwiderstand. Es können ca. 100 bis 1000 solcher Avalanche-Photodioden parallelgeschaltet sein. Der Vorteil ist, dass dadurch sowohl einzelne Photonen und zugleich auch viele Photonen gleichzeitig gemessen werden.
Der optische Erfassungsbereich des Photosensors, d.h. der Photodiode oder der Avalanche-Photodiode, der Einzelphoton-Avalanche-Diode sowie der Arrays daraus, weist - unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls optisch vorgeschalteten optischen Linse - einen Erfassungs- oder Öffnungswinkel in einem Bereich von 25° bis 150°, insbesondere in einem Bereich von 50° bis 145°, vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140°, auf. Zur räumlich scharfen Begrenzung des Streulichtvolumens kann sowohl dem Lichtemitter als auch dem Photosensor eine Blende nach- oder vorgeschaltet sein, wie z.B. eine Lochblende oder Apertur.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge entspricht die vorgebbare Zeitverzögerung der Laufzeit einer optischen Wegstrecke vom Lichtemitter zum Photosensor in einem Bereich von 7.5 mm bis 75 mm, insbesondere von 7.5 mm bis 30 mm, und vorzugsweise von 10 mm bis 15 mm. Dadurch ist eine Anpassung auf die Dimensionen einer den Lichtemitter und den Photosensor umgebenden Messkammer vorteilhaft möglich.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt die vorgebbare Zeitverzögerung in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps und vorzugsweise in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps. Insbesondere sind die Avalanche-Diode, die Einzelphoton-Avalanche-Diode oder die Arrays davon dazu eingerichtet, den zeitlichen Verlauf erfassten Lichts, hier des Streulichts aus dem Streulichtvolumen, in Form von sogenannten «Bins», d.h. in einem Zeiterfassungsraster von z.B. von 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps oder 50 ps, zu sammeln und diese dann als zeitabhängige Intensitätsverteilung im Sinne eines Histogramms auszugeben.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Photosensor zur möglichen optischen Erfassung von Streulicht erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass der Photosensor eventuell vorhandenes Fremdlicht in der Messkammer noch vor dem eigentlichen Auftreffen von Streulicht aus dem Streulichtvolumen erfasst, das dann die Streulichtrauchmessung verfälschen könnte. Insbesondere entspricht die vorgebbare Einschaltverzögerung der Laufzeit einer optischen Wegstrecke vom Lichtemitter zum Photosensor in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis 5 mm.
Die vorgebbare Einschaltverzögerung kann in zeitlicher Hinsicht in einem Bereich von 5 ps bis 50 ps, insbesondere in einem Bereich von 7.5 ps bis 25 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 10 ps bis 20 ps, liegen.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet bzw. programmiert, den Lichtemitter insbesondere wiederholt zum Aussenden einer Lichtpulsserie anzusteuern. Sie ist weiter dazu eingerichtet, vom Photosensor ein der Lichtpulsserie jeweils zeitlich zugeordnetes Sensorsignal zu erfassen, daraus ein gemitteltes Sensorsignal zu ermitteln und dieses auf die zumindest eine Brandkenngrösse hin zu analysieren. Insbesondere umfasst eine Lichtpulsserie eine Anzahl von Lichtpulsen im Bereich von 4 bis 100, insbesondere von 10 bis 20. Die vom Lichtemitter ausgesandten Lichtpulse sind vorzugsweise äquidistant. Vorzugsweise umfasst die Lichtpulsserie eine Gesamtdauer im Bereich von 1 ms bis 10 ms. Die Zeitdauer eines ausgesandten Lichtpuls liegt insbesondere in einem Bereich von 1 µs bis 100 µs.
Durch arithmetisches Mitteln einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Messergebnissen ist eine Erhöhung der Genauigkeit des empfangenen Lichtintensitätspegels vom Photosensor möglich.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist der Lichtemitter dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist die Rauchdetektionseinheit einen weiteren Lichtemitter auf. Der Photosensor ist zudem spektral auf den weiteren Lichtemitter abgestimmt. Der weitere Lichtemitter bildet mit dem Photosensor eine weitere Streulichtanordnung. Die Steuereinheit ist mit dem weiteren Lichtemitter signal- oder datentechnisch verbunden und dazu eingerichtet bzw. programmiert, entweder den Lichtemitter oder den weiteren Lichtemitter insbesondere wiederholt zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photosensor ein jeweilig zeitlich zugeordnetes Sensorsignal sowie ein weiteres Sensorsignal zu erfassen, das Verhältnis aus beiden Sensorsignale zu ermitteln und das ermittelte Verhältnis auf eine weitere Brandkenngrösse hin zu analysieren. Die weitere Brandkenngrösse ist z.B. ein äquivalenter Durchmesser detektierter Teilchen. Auf Basis einer so ermittelten Teilchengrösse ist der Teilchentyp bestimmbar, d.h. ob es sich um Staub, Schwelbrand oder um offenes Feuer handelt.
Der (erste) Lichtemitter und der weitere Lichtemitter können hierbei typgleich sein. Insbesondere senden dann beide Lichtemitter monochromatisches Licht bei 430 nm ± 20 nm, 470 nm ±20 nm, 870 nm ± 20 nm oder 940 nm ± 20 nm, aus. In diesem Fall weisen der Lichtemitter und der weitere Lichtemitter unterschiedliche Streuwinkel in Bezug zum gemeinsamen Photosensor auf. Der (erste) Lichtemitter kann z.B. einen Streuwinkel im Bereich von 45° bis 90° und der zweite Lichtemitter einen Streuwinkel im Bereich von 100° bis 170° aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich können der (erste) Lichtemitter und der weitere Lichtemitter einen gleichen Streuwinkel mit dem gemeinsamen Photosensor aufweisen, jedoch dazu ausgebildet sein, spektral unterschiedliches Licht auszusenden. Der gemeinsame Streuwinkel liegt im Bereich von 45° bis 170°, vorzugsweise im Bereich von 60° bis 160°. Insbesondere ist der (erste) Lichtemitter dazu ausgebildet, monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder 940 nm ± 20 nm auszusenden. Der weitere Lichtemitter ist dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm, auszusenden.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Lichtemitter sowie der weitere Lichtemitter eine Leuchtdiode (LED).
Bevorzugt umfasst der Lichtemitter eine Oberflächenemitter-Laserdiode, die in der englischen Fachsprache auch als VCSEL (für Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) bezeichnet wird. Ein solcher VCSEL ist eine Laserdiode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zur kantenemittierenden Laserdiode, bei der das Licht an einer oder zwei Flanken des Chips austritt. Der Vorteil eines solchen VCSEL liegt in der hocheffizienten Lichterzeugung bei zugleich sehr hoher emittierter Lichtintensität. Darüber hinaus sind mittels eines solchen VCSEL sehr kurze steilflankige Lichtpulse erzeugbar. Zudem ist ein VCSEL auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zusammen mit weiteren Halbleiterkomponenten und optoelektronischen Halbleiterbauelementen, wie z.B. Photodioden, integrierbar.
Vorzugsweise ist einem solchen VCSEL eine optische Linse nachgeschaltet, um den emittierten Lichtkegel im Bereich von wenigen Grad, wie z.B. von typischer 3°, in einen Lichtkegel im Bereich 20° bis 90°, vorzugsweise in einem Bereich von 45° bis 60°, aufzuweiten. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Linse dazu ausgebildet sein, die optische Sendeachse des VCSEL zu neigen, wie z.B. im Bereich von 10° bis 30°.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist dem Photosensor oder der Photodiode, insbesondere der Einzelphoton-Avalanche-Diode, oder dem Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, ein jeweiliger Time-to-Digital-Converter mit einer Gatterverzögerungskette nachgeschaltet. Ein solcher Time-to-Digital-Converter wird im englischen Sprachgebrauch auch als TDC bezeichnet. TDCs sind elektronische Schaltungen, die in der Lage sind, kurze bis ultrakurze Zeitintervalle zu messen und in digitaler Form, wie z.B. als Datenstrom, auszugeben. Sie fallen somit unter die Gattung der Frequenzzähler. In der Fachwelt ist jedoch erst dann von einem TDC die Rede, wenn die Zeitauflösung besser ist als diejenige, die sich direkt mit Zählern erreichen lässt. Dies ist gegenwärtig ab einer Auflösung von etwa 1 ns der Fall.
Der Time-to-Digital-Converter kann z.B. ein sogenannter Single-Hit-TDC sein, der nach einer Messung nicht sofort wieder einsatzbereit ist. Er weist daher eine Totzeit auf, die im Vergleich zum gemessenen Intervall relativ hoch ist. Dennoch ist derzeit eine zeitliche Genauigkeit für einen Single-Hit hinunter bis zu etwa 100 Femtosekunden möglich, dies unter Nutzung von Gatterlaufzeiten in frequenzstabilisierten Ringoszillatoren.
Der Time-to-Digital-Converter kann auch ein sogenannter Multi-Hit-TDC sein, wenn mehrere Ereignisse sehr dicht hintereinander gemessen werden sollen. In diesem Fall kommen Techniken zum Einsatz, die einen Taktzyklus direkt interpolieren, oft über selbstkalibrierende Gatterverzögerungsketten. Solche Multi-Hit-TDCs erreichen derzeit Auflösungen bis hinunter zu etwa 10 Pikosekunden. Sie bestimmen dabei nicht die Grösse eines einzelnen Zeitintervalls, sondern eine Liste mit Pulsankunftszeiten, den sogenannten «Bins».
Der zuvor beschriebene Time-to-Digital-Converter kann auch direkt elektrisch mit einem separaten Referenz-Photosensor bzw. mit einer Referenz-Photodiode, vorzugsweise mit einer Referenz-Einzelphoton-Avalanche-Diode, verbunden sein, die in einem bekannten Abstand in direkter Nähe zum Lichtemitter angeordnet ist. Dadurch ist eine laufzeitgenaue, zeitliche Kalibrierung der Gatterverzögerungsketten sowie eine zeitliche Kompensation thermisch bedingter Änderungen bei der Lichtpulserzeugung durch den Lichtemitter vorteilhaft möglich.
Nach einer besonderen Ausführungsform sind die Leuchtdiode sowie die weitere Leuchtdiode, vorzugsweise die Oberflächenemitter-Laserdiode sowie die weitere Oberflächenemitter-Laserdiode, die Einzelphoton-Avalanche-Diode oder das Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, sowie ein Chip-Controller und der jeweilige Time-to-Digital-Converter in ein gemeinsames optoelektronisches Halbleiterbauelement, insbesondere in ein System-on-a-Chip, integriert.
Der jeweilige Time-to-Digital-Converter kann alternativ auch Teil des Chip-Controllers dieses System-on-a-Chip's sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Rauchdetektionsmodul gelöst, welches eine erfindungsgemässe Rauchdetektionseinheit sowie eine der Rauchdetektionseinheit gegenüberliegende Messkammer aufweist. Letztere weist eine oder mehrere Kammeröffnungen für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere der Messkammer auf.
Die Messkammer ist zudem gegen direktes Umgebungslicht abgeschirmt. Vorzugsweise ist die Messkammer becher- oder topfförmig ausgebildet. Sie weist insbesondere einen Aussendurchmesser in einem Bereich von 20 mm bis 60 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 25 mm bis 35 mm auf. Der Innendurchmesser liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise in einem Durchmesser von 20 mm bis 30 mm. Die Bauhöhe der Messkammer liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 30 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 15 mm bis 20 mm. Der Mindestabstand zwischen dem Lichtemitter bzw. dem weiteren Lichtemitter sowie dem Photosensor einerseits und der gegenüberliegenden Innenseite der Messkammerdecke liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 25 mm. Die Messkammer ist vorzugsweise ein Kunststoffspritzgussteil.
Die Kammeröffnungen sind vorzugsweise als Lamellen ausgebildet. In der Fachsprache wird eine solche (optische) Messkammer daher auch als Labyrinth bezeichnet. Der Lichtemitter und ggf. der weitere Lichtemitter, der Photosensor sowie die Steuereinheit sind vorzugsweise auf einem Schaltungsträger, wie z.B. auf einer Leiterplatte angeordnet. Der Schaltungsträger ist üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise mit einer Kunststoffabdeckung mit lichtabsorbierenden Strukturen versehen. Diese Kunststoffabdeckung schliesst die Messkammer ab und bildet den sogenannten Messkammerboden. Schaltungsträger und ggf. der Kunststoff-Messkammerboden können Teil bzw. Teile des erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls sein.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Rauchdetektionsmoduls ist die vorgebbare Zeitverzögerung kleiner als die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter zu einer gegenüberliegenden Messkammerdecke oder zu weiteren Gehäuseteilen der Messkammer und weiter zur Photodiode entsprechenden optischen Laufzeit. Die vorgebbare Zeitverzögerung ist dabei die Zeit bzw. der Zeitwert, ab der das Sensorsignal mittels der Steuereinheit der Rauchdetektionseinheit in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses nicht mehr erfasst wird oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt bleibt.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge sind der Lichtemitter und gegebenenfalls der weitere Lichtemitter sowie der Photosensor optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen ausgerichtet. Die Steuereinheit der Rauchdetektionseinheit ist dazu eingerichtet, den Photosensor zur (möglichen) optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Dabei ist die vorgebbare Einschaltverzögerung in etwa so gross ist wie die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter über das Streulichtvolumen zum Photosensor entsprechenden optischen Laufzeit. Mit «in etwa so gross» ist ein Toleranzwert für die optische Laufzeit von ± 20% gemeint.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Streulichtrauchmelder gelöst, der ein Meldergehäuse sowie ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetektionsmodul aufweist. Das Meldergehäuse weist eine oder mehrere Raucheintrittsöffnungen für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere des Meldergehäuses und weiter in die Messkammer des Rauchdetektionsmoduls hinein auf. Ein derartiger Streulichtrauchmelder wird auch als geschlossener Streulichtrauchmelder oder als Streulichtrauchmelder geschlossener Bauart bezeichnet. Die Messkammer kann auch integraler Bestandteil des Messgehäuses selbst sein bzw. durch das Meldergehäuse selbst ausgeformt sein.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch einen offenen Streulichtrauchmelder, d.h. durch einen Streulichtrauchmelder offener Bauart, gelöst. Er weist ein Meldergehäuse und eine am Meldergehäuse aufgenommene erfindungsgemässe Rauchdetektionseinheit auf. Der Lichtemitter und ggf. der weitere Lichtemitter sowie der Photosensor sind optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen ausgerichtet, wobei das Streulichtvolumen ausserhalb des offenen Streulichtrauchmelders im Freien liegt.
Der betrachteten geschlossenen und offenen Streulichtrauchmelder können zudem einen Gassensor zur Detektion brandtypischer Gase und/oder auch einen Temperatursensor im Sinne eines Multikriterien-Brandmelders aufweisen. Weiterhin können die betrachteten Streulichtrauchmelder über eine gemeinsame Melderleitung oder Melderlinie, insbesondere über eine Zweidrahtleitung, signal- und/oder datentechnisch mit einer Brandmeldezentrale verbunden sein. Sie können alternativ oder zusätzlich eine autonome Energieversorgung, wie z.B. eine Batterie, aufweisen. Weiterhin können derartige Streulichtrauchmelder ein Funkmodul zur Übertragung einer Alarmmeldung, einer Warnmeldung oder einer Statusinformation an einen benachbarten Brandmelder im Sinne eines Routings und/oder direkt an eine Brandmeldezentrale aufweisen.
Schliesslich wird Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Detektion von Rauch nach dem Streulichtprinzip gelöst. Hierbei wird mittels eines Lichtemitters, insbesondere mittels einer Oberflächenemitter-Laserdiode, insbesondere wiederholt ein Lichtpuls in ein Streulichtvolumen für zu detektierenden Rauch eingestrahlt. Es wird mittels einer Photodiode, insbesondere mittels einer spektral darauf abgestimmten Einzelphoton-Avalanche-Diode oder mittels eines Arrays von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, Streulicht aus dem Streulichtvolumen erfasst und als Sensorsignal ausgegeben. Das Sensorsignal wird auf zumindest eine Brandkenngrösse hin analysiert und gegebenenfalls in einem detektierten Brandfall ein Brandalarm ausgegeben. Das Sensorsignal wird in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps und vorzugsweise in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps nicht mehr erfasst. Alternativ dazu bleibt das Sensorsignal bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse ab bzw. nach der vorgegebenen Zeitdauer unberücksichtigt. Mit anderen Worten wird ab dieser Zeitdauer das Sensorsignal auswertetechnisch nicht mehr berücksichtigt bzw. ignoriert.
Für die weitere Beschreibung gilt zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen, dass Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der genannten Rauchdetektionseinheit sowie deren Ausgestaltungen beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit und im Hinblick auf das zur Rauchdetektionseinheit korrespondierende Rauchdetektionsverfahren und umgekehrt gelten, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Aspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Entsprechend kann das Rauchdetektionsverfahren auch mittels einzelner oder mehrerer Verfahrensmerkmale fortgebildet sein, die sich auf von der Rauchdetektionseinheit ausgeführte Verfahrensschritte beziehen, und die Rauchdetektionseinheit kann ebenso durch Mittel zur Ausführung von im Rahmen des Rauchdetektionsverfahren ausgeführten Verfahrensschritten fortgebildet sein.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind am Beispiel der nachfolgenden Figuren ersichtlich. Dabei zeigen

1, eine Schnittdarstellung durch zwei beispielhafte
2 Rauchdetektionsmodule nach dem Stand der Technik,
3 eine Draufsicht auf die Rauchdetektionsmodule gemäss den Beispielen in 1 und 2,
4 eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Rauchdetektionseinheit gemäss der Erfindung und beispielhaft mit einer Messkammer,
5 eine vereinfachte Darstellung der Rauchdetektionseinheit gemäss 4 mit eingetragenen Lichtstrecken, u.a. als Ursache für den sog. Grundpuls,
6 ein Beispiel für ein integriertes optoelektronisches Halbleiterbauelement als System-on-a-Chip (SoC) und als Teil der erfindungsgemässen Rauchdetektionseinheit,
7 einen Ausschnitt eines offenen Streulichtrauchmelders mit einer Rauchdetektionseinheit gemäss der Erfindung,
8 - Beispiele für den zeitlichen Verlauf einer dem
12 Sensorsignal entsprechenden digitalen Lichtintensität einer Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD), mit und ohne Messkammer sowie im Fall ohne Rauch, mit wenig Rauch und mit viel Rauch.

1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein beispielhaftes Rauchdetektionsmodul 10 nach dem Stand der Technik. Mit M ist eine becherförmige oder topfförmige Messkammer bezeichnet, die durch einen Schaltungsträger 4 abgeschlossen wird. Mit LA sind radial zu einer Symmetrie- bzw. Rotationssymmetrieachse A der Messkammer M radial aussenliegende Lamellen bezeichnet, die das Innere der Messkammer M gegenüber direkten Umgebungslicht abschirmen. Auf dem Schaltungsträger 4 ist bereits als integrierte Baueinheit, d.h. als ein sogenanntes System-on-a-Chip (SoC), ein optoelektronisches SMD-Bauelement Soc angeordnet, welches eine Leuchtdiode als Lichtemitter 2 und eine Photodiode als Photosensor 3 umfasst. Mit diesem «Chip» SoC ist ein Mikrocontroller MC verbunden, der dazu eingerichtet, die LED zum Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern und ein Sensorsignal vom Photosensor 3 zu empfangen, auszuwerten und ggf. einen Brandalarm AL auszugeben.
Mit LK ist ein von der Leuchtdiode 2 emittierter Lichtkegel und mit SA die zugehörige optische Sendeachse bezeichnet. Mit FOV ist der optische Erfassungsbereich des Photosensors 3 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel fluchtet die optische Empfangsachse des Photosensors 3 mit der Symmetrieachse A der Messkammer M. Die Sendeachse SA ist leicht zur optischen Empfangsachse geneigt, so dass ein grösseres Streulichtvolumen als geometrisches Schnittvolumen aus Lichtkegel LK und optischen Erfassungsbereich FOV resultiert. Mit α ist der Streuwinkel zwischen den optischen Sende- und Empfangsachsen SA, A bezeichnet. Er liegt hier bei ca. 160°. Ein solche Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreulichtanordnung bezeichnet.
Die dem Lichtemitter 2 und dem Photosensor 3 direkt gegenüberliegende Innenseite der Messkammerdecke weist lichtabsorbierende Strukturen in Form kleiner, gezackter Lichtfallen LF auf. Bei dieser Anordnung wird nachteilig ein Teil des vom Lichtemitter 2 ausgesandten Lichts zurück zum Photosensor 3 gestreut, dessen Lichtpegel um ein Vielfaches höher ist als der Alarmierungspegel bei Anwesenheit von einer unzulässig hohen Konzentration von Rauch in der Messkammer M.
2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein weiteres beispielhaftes Rauchdetektionsmodul 10 nach dem Stand der Technik. Im Vergleich zur vorherigen 1 weist die Messkammer M einen Kegel auf, der so angeordnet und ausgerichtet ist, dass der Grossteil des vom Lichtemitter 2 auftreffenden Lichts radial nach aussen in die Lamellen LA geleitet wird. Bei dieser Anordnung wird erheblich weniger Licht zum Photosensor 3 gestreut. Trotzdem ist der Lichtpegel noch immer viel zu hoch, so dass eine zuverlässige Detektion von Rauch in der Messkammer M möglich wäre.
3 zeigt eine Draufsicht auf die beiden Messkammern M gemäss 1 und 2. In dieser Darstellung sind der Aufbau der integrierten Baueinheit SoC mit der LED 2 und der Photodiode 3 sowie die Lamellen LA zur Abschirmung gegen Umgebungslicht gut erkennbar.
4 zeigt zunächst eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Rauchdetektionseinheit 1 gemäss der Erfindung, hier beispielhaft bereits mit einer Messkammer M als Teil eines gleichfalls erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls 10 mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit 1.
Im Vergleich zur vorherigen 1 sind zunächst der Lichtemitter 2 sowie der Photosensor 3 als separate optoelektronische Bauelemente auf dem Schaltungsträger 4 angebracht. Die beiden Bauelemente 2, 3 sind vorzugsweise SMD-Bauelemente. Im montierten bzw. aufgelöteten Zustand verlaufen die Sendeachse SA des Lichtemitters 2 und die Empfangsachse EA parallel zueinander und orthogonal zur Ebene des Schaltungsträgers 4. Beide Bauelemente 2, 3 sind im Bezug zur Symmetrieachse A der Messkammer M so angeordnet, dass die Symmetrieachse A mit der Sendeachse SA oder der Empfangsachse EA fluchtet oder zwischen beiden optischen Achsen SA, EA verläuft, um eine gleichmässige, möglichst richtungsunabhängige Streulichtrauchmessung für eintretenden Rauch zu ermöglichen. Der Lichtsender 2 und der Photosensor 3 sind signal- und/oder datentechnisch mit einer als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinheit MC verbunden, die gleichfalls auf dem Schaltungsträger 4 appliziert ist.
Zwischen Lichtemitter 2 und Photosensor 3 ist eine (lichtdichte) Barriere BR eingebracht, die ein direktes Überkoppeln von emittierten Licht vom Lichtemitter 2 zum Photosensor 3 verhindert.
Wie die 4 weiter zeigt, ist das gemeinsame Streulichtvolumen SV für die Streulichtrauchmessung das Schnittvolumen aus dem Lichtkegel LK und dem optischen Empfangsbereich FOV. Aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt, können sowohl dem Lichtemitter 2 eine optische Linse nachgeschaltet und dem Photosensor 3 eine optische Linse vorgeschaltet sein. Die abnehmende Schraffierungsdichte des Lichtkegels LK ausgehend vom Lichtemitter 2 soll verdeutlichen, dass die optische Lichtdichte mit radialem Abstand vom Lichtemitter 2 stark abnimmt. Ein besonders hoher Anteil von Streulicht an zu detektierenden Rauchteilchen findet sich somit in der Nähe zum Lichtemitter 2.
Wie die 4 weiter zeigt wird ein signifikanter Teil des an der gegenüberliegenden Messkammerdecke D auftreffenden Lichts des Lichtemitters 2 gestreut und zurück zum Photosensor 3 reflektiert, symbolisiert durch gestrichelte konzentrische Kreise. Ein Teil des auf die Messkammerdecke D auftreffenden Lichts wird auch an der radialen Innenseite der Messkammer M, u.a. auch an den Lamellen LA, gestreut und gelangt weiter zum Photosensor 3. Die Summe aller an der Innenseite der Messkammer M zum Photosensor 3 gelangten Lichts wird als Grundpuls bezeichnet, der sich als Puls im Sensorsignal des Photosensors 3 bei Abwesenheit von Rauch zeigt. Zudem erhöht sich der Grundpuls im laufenden Betrieb des Rauchdetektionsmoduls 10 aufgrund zunehmender Verschmutzung der Messkammer M.
5 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Rauchdetektionseinheit 1 gemäss 4 mit eingetragenen Wegstrecken bzw. Streulichtpfaden S, S_MIN, S_K , u.a. als Ursache für den sogenannten Grundpuls. Dabei ist mit SMIN die kürzeste Wegstrecke vom Lichtemitter 2 zur gegenüberliegenden Innenseite der Messkammerdecke D bezeichnet. Da der Lichtemitter 2 und der Photosensor 3, das heisst deren optischen Achsen SA, EA, nur wenige Millimeter voneinander beabstandet sind, beträgt die gesamte Wegstrecke hin und zurück etwa das Doppelte des Mindestabstands MA zwischen Lichtsender 2 und Photosensor 3 einerseits und der Innenseite der Messkammerdecke D andererseits.
Gemäss der Erfindung ist die Steuereinheit MC nun dazu eingerichtet, das Sensorsignal vom Photosensor 3 in Bezug auf den Zeitpunkt t₀ eines direkt am Lichtemitter 2 ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung T nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen. Für das vorliegende Beispiel bedeutet dies, dass der Photosensor 3 die optische Erfassung beendet bzw. abgeschaltet wird, bevor das erste an der Innenseite der Messkammer M zurück zum Photosensor 3 gestreute Licht entlang der Wegstrecke SMIN die photosensitive Schicht des Photosensors 3 erreicht. Alternativ kann die Steuereinheit MC dazu eingerichtet sein, das weiterhin erfasste Sensorsignal vom Photosensor 3 bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse ab diesem Zeitpunkt t₀ unberücksichtigt zu lassen.
Wie weiter in der 5 gezeigt, kann die Steuereinheit MC eingerichtet sein, den Photosensor 3 zur optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen SV erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt t₀ eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Diese Einschaltverzögerung ist dabei in etwa so gross wie die der kürzesten Wegstrecke S_K vom Lichtemitter 2 über das Streulichtvolumen SV zum Photosensor 3 entsprechenden optischen Laufzeit. Die kürzeste Wegstrecke S_K verläuft im Beispiel der 5 oberhalb der Barriere BR. Sind dort zu detektierende Rauchteilchen vorhanden, so gelangt an diesen gestreutes Licht vom Lichtemitter 2 entlang der eingetragenen Wegstrecke S_K auch zum Photosensor 3. Wird der Photosensor 3 erst dann eingeschaltet, bevor das erste Streulicht von dort kommt, so wird vermieden, dass zuvor auf den Photosensor 3 auftreffendes Fremdlicht bereits zu einer fehlerhaften Messung führt.
Zwischen den beiden extremen Wegstrecken SMIN und S_K ist beispielhaft eine dazwischenliegende Wegstrecke S gezeigt. Für die messtechnisch beste Ausbeute ist es vorteilhaft, wenn möglichst viel Streulicht aus dem Bereich der gezeigten unteren Kegelspitze des Streulichtvolumens SV erfasst wird, da dort die Lichtdichte des vom Lichtemitters 2 ausgesandten Lichtkegels LK und somit auch die Lichtdichte des an Rauchteilchen erzeugten Streulichts sehr hoch ist.
Wie eingangs beschrieben, ist es in messtechnischer Hinsicht vorteilhaft, eine Leuchtdiode LED und vorzugsweise eine Oberflächen-Laserdiode VCSEL mit nachgeschalteter optischer Linse für die Lichtkegel-Strahlaufweitung als Lichtemitter 2 einzusetzen. Auf der Empfängerseite ist es gleichfalls in messtechnischer Hinsicht vorteilhaft, eine Avalanche-Photodiode und vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode, d.h. eine SPAD, als Photosensor 3 einzusetzen. Noch besser ist es, ein SPAD-Array ARRAY mit einer Vielzahl von SPADs einzusetzen, um die optische Empfangsleistung zu steigern.
Im Beispiel der 5 sind der Lichtemitter 2 sowie der Photosensor 3 separate optoelektronische Bauelemente. Wegen der hohen technischen Anforderungen für das Timing und für die Hochgeschwindigkeitserfassung bei der erfindungsgemässen Streulichtrauchdetektion ist er vorteilhaft, wenn der Lichtemitter 2 und der Photosensor 3 in einem gemeinsamen Bauteil, vorzugsweise als sogenanntes System-on-a-Chip SoC realisiert sind. Dadurch bleiben die Signalwege für die chipinterne Steuerung, Erfassung und Auswertung sehr kurz. Ein derartiges integriertes System SoC ist in der nachfolgenden 6 beschrieben.
6 zeigt ein Beispiel für ein integriertes optoelektronisches Halbleiterbauelement SoC als System-on-a-Chip und als Teil der erfindungsgemässen Rauchdetektionseinheit 1. Das gezeigte Bauelemente SoC weist eine maximale Abmessung von 10 mm, vorzugsweise von 5 mm auf. Die optische Basis B, das heisst der Abstand zwischen der Sende- und Empfangsachse SA, EA am Bauelement SoC, liegt im Bereich von 1.5 mm bis 5 mm. Vorzugsweise ist der Lichtemitter 2 eine Oberflächen-Laserdiode VCSEL mit nachgeschalteter optischer Linse. Es können auch zwei solcher Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL' benachbart zueinander angeordnet sein, wobei die (erste) VCSEL monochromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm und die weitere VCSEL' monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 oder umgekehrt auszusenden. Der Photosensor 3 ist insbesondere eine Avalanche-Photodiode und vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder noch besser ein SPAD-Array ARRAY davon. Den beiden letzteren ist vorzugsweise ein optisches Spektralfilter vorgeschaltet, welches Licht nur bzw. hauptsächlich in den zuvor genannten Wellenlängenbereichen passieren lassen.
Mit C ist ein Chip-Controller bezeichnet, der vorzugsweise mit der oder mit den beiden Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL', mit der SPAD oder dem SPAD-Array ARRAY signal- und/ oder datentechnisch verbunden ist. Der Chip-Controller C, der oder mit die beiden Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL' sowie die Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder das SPAD-Array ARRAY können auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein und/oder dort in Form von «Dies», d.h. von Halbleiterplättchen, mittels Bondings appliziert und verdrahtet sein.
Der Chip-Controller C ist zum Empfang von Steuersignalen von der Steuereinheit MC der Rauchdetektionseinheit 1 zur gepulsten Ansteuerung der Oberflächen-Laserdiode(n) VCSEL, VCSEL' eingerichtet. Ausgangsseitig ist der Chip-Controller C dazu eingerichtet, ein dem Sensorsignal SIG, SIG' von der Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder dem SPAD-Array ARRAY entsprechende digitale Messwerte bereitzustellen, die dann durch die Steuereinheit MC eingelesen werden können.
Insbesondere weist das integrierte optoelektronische Halbleiterbauelement SoC einen oder mehrere Time-to-Digital-Converter TDC mit jeweils einer oder mehrerer Gatterverzögerungsketten auf. Die TDCs mit den Gatterverzögerungen können auch Teil des Chip-Controllers C sein. Vorzugsweise sind die TDCs Multi-Hit-TDCs, so dass eine Messung mehrere Ereignisse sehr dicht hintereinander, d.h. sogar in ultrakurzen Zeitintervallen im Bereich von 5 ps bis 50 ps, gemessen werden können. Diese typischerweise gleichen Zeitintervalle werden als «Bins» bezeichnet, sozusagen als Pulsankunftszeiten-«Sammelbehälter». Diese «Bins» sind dann als zeitlich gerastete Werte der Lichtintensität INT, die dem analogen Sensorsignal SIG, SIG' entspricht, ausgangsseitig als Datenstrom in Form eines Histogramms HIST ausgebbar. Auch die Werte der Lichtintensität INT selbst sind quantisiert und entspricht der Anzahl der Hits in einem solchen «Bin».
Weiterhin kann das integrierte optoelektronische Halbleiterbauelement SoC einen elektrischen Anschluss zum Anschliessen einer separaten Referenz-Einzelphoton-Avalanche-Diode aufweisen, die in einem bekannten Abstand in direkter Nähe zur Oberflächen-Laserdiode VCSEL und in deren Lichtkegel LK angeordnet ist. Dadurch ist eine laufzeitgenaue, zeitliche Kalibrierung der Gatterverzögerungsketten und auch eine zeitliche Kompensation thermisch bedingter Änderungen bei der Lichtpulserzeugung durch die Oberflächen-Laserdioden VCSEL möglich.
Im Beispiel der nachfolgenden Figuren 8 bis 12 sind exemplarisch solche zeitlich gerastete Intensitätsverteilungen HIST dargestellt, aufgetragen über «bins». Die digitalen Werte der Lichtintensität INT der Intensitätsverteilungen HIST sind beispielhaft auf einen maximalen Wert von 100 % normiert.
7 zeigt einen Ausschnitt eines offenen Streulichtrauchmelders mit einer Rauchdetektionseinheit 1 gemäss der Erfindung. Das Streulichtvolumen SV liegt dabei ausserhalb des offenen Streulichtrauchmelders. Die Rauchdetektionseinheit 1 ist bis auf zwei Fenster F durch eine lichtdichte Abdeckung AB abgedeckt. Die beiden Fenster F sind transparent für das vom Lichtemitter 2 emittierte Licht. Zwischen Lichtemitter 2, hier vorzugsweise eine Leuchtdiode LED oder eine Oberflächen-Laserdiode VCSEL, und dem Photosensor 3, hier vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD, sind durch eine lichtdichte Barriere BR getrennt. Dadurch resultiert eine kürzeste Wegstrecke S_K für Streulicht zum Photosensor 3.
8 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer dem Sensorsignal SIG entsprechenden digitalen Lichtintensität INT einer Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD im rauchfreien Fall.
Das vorliegende Beispiel zeigt Messungen mittels eines erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls 10 mit einer Messkammer M und im rauchfreien Fall. Das Histogramm HIST zeigt beispielhaft zehn Bins, also Pulsankunftszeiten-«Sammelbehälter», in einem Zeitraster von beispielhaft 25 ps. Die 25 ps entsprechen dabei einer optischen Laufzeit von 7.5 mm basierend auf der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist im gezeigten Histogramm HIST erkennbar, dass erst ab dem vierten Bin, also nach 30 mm optischer Laufzeit, grosse und dann stark abfallende Werte der Lichtintensität INT vorliegen. Diese stammen durch Reflexionen des vom Lichtemitter 2 ausgesandten Lichts an der Innenseite der Messkammerdecke D. Der Abstand zwischen dem Lichtemitter 2 und der Innenseite der Messkammerdecke D beträgt hier ca. 15 mm und entspricht somit der Hälfte der zuvor genannten optischen Laufzeit von 30 mm. Die Werte der Lichtintensität INT ab dem vierten Bin entsprechen in analoger Weise dem sogenannten Grundpuls. In den für die Streulichtrauchdetektion massgeblichen ersten drei Bins sind die Werte der Lichtintensität INT sehr gering, da kein Rauch im Streulichtvolumen SV vorhanden ist.
9 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der digitalen Lichtintensität INT gemäss 8 bei Anwesenheit von wenig Rauch in der Messkammer M. Wie die 9 zeigt, nehmen die Werte der Lichtintensität INT in den ersten drei Bins signifikant zu, während die Werte der Lichtintensität INT der vierten und folgenden Bins des «Grundpulses» durch die Lichtabsorption erheblich abnehmen.
10 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der digitalen Lichtintensität INT gemäss 8 bei Anwesenheit von viel Rauch in der Messkammer M. Wie die 10 zeigt, nehmen die Werte der Lichtintensität INT in den ersten drei Bins erheblich zu, während die Werte der Lichtintensität INT der vierten und folgenden Bins des «Grundpulses» durch die Lichtabsorption erheblich abnehmen. Die in den ersten drei Bins «gesammelten» Werte der Lichtintensität INT reichen jedoch völlig aus, um davon ausgehend eine zuverlässige Brandmeldung AL auszugeben.
11 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer dem Sensorsignal SIG entsprechenden digitalen Lichtintensität INT im rauchfreien Zustand und bei Entfernung der Messkammer M im Sinne eines offenen Streulichtrauchmelders. Wie die 11 zeigt, sind sämtliche Werte der Lichtintensität INT in allen Bins sehr klein, da durch das Fehlen der Messkammer M auch kein Grundpuls vorliegen kann.
12 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf gemäss 11 bei Anwesenheit von viel Rauch. In diesem Fall gehen die Werte für die Lichtintensität INT beginnend mit einem hohen Wert beim ersten Bin und danach exponentiell abfallend zurück. Auch in diesem Fall ist die Ausgabe einer zuverlässigen Brandmeldung AL möglich.
Bezugszeichenliste

1: Rauchdetektionseinheit
2: Lichtemitter, Leuchtdiode, VCSEL
3: Photosensor, Photodiode, SPAD, SiPM
4: Schaltungsträger, Leiterplatte
10: Rauchdetektionsmodul
α: Streuwinkel
A: Symmetrieachse, Rotationssymmetrieachse
AB: transparente Abdeckung
AL: Alarmmeldung, Brandalarm
ARRAY: Array, Matrix, zweidimensionales Feld
B: optische Basis, Abstand
bins: Zeitblöcke, Bins
C: Controller, Chip-Controller
BR: Barriere, Blende
D: Messkammerdecke
EA: optische Empfangsachse
F: Fenster
FOV: optischer Erfassungsbereich, Field-of-View
HIST: Intensitätsverteilung, Histogramm
INT: Lichtintensität, digitale Lichtintensität
LA: Kammeröffnungen, Lamellen
LED: Leuchtdiode
LED': weitere Leuchtdiode
LF: Lichtfallenstruktur, Lichtfalle
LK: Lichtkegel, Lichtbündel
M: Messkammer, Messkammer mit Labyrinth
MA: Mindestabstand
MC: Steuereinheit, Mikrocontroller
S: Wegstrecke, optischer Pfad
SA: optische Sendeachse
SIG: Sensorsignal, Photosignal
SIG': weiteres Sensorsignal, Photosignal
SMIN: Kürzeste optische Wegstrecke für Grundpuls
SK: Kürzestes Wegstrecke für Streulicht
SoC: System-on-a-Chip, integrierte Baueinheit
SPAD: Einzelphoton-Avalanche-Diode, SPAD
SV: Streulichtvolumen, Messvolumen
TDC: Time-to-Digital-Converter
T: Zeitverzögerung
VCSEL: Oberflächen-Laserdiode, VCSEL
VCSEL': weitere Oberflächen-Laserdiode, VCSEL

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2093732 A1 [0004]
EP 3499475 A2 [0005, 0006]
EP 3319057 A1 [0005]
US 2009237259 A1 [0008]

Claims

Rauchdetektionseinheit (1) für einen Brandmelder, mit einem Lichtemitter (2) und mit einem spektral darauf abgestimmten Photosensor (3) in einer Streulichtanordnung, sowie mit einer Steuereinheit (MC), wobei die Steuereinheit (MC) mit dem Lichtemitter (2) und dem Photosensor (3) signal- und/ oder datentechnisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Lichtemitter (2) zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photosensor (3) ein zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) zu erfassen und dieses auf zumindest eine Brandkenngrösse hin zu analysieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, das Sensorsignal (SIG) in Bezug auf den Zeitpunkt (t0) eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung (T) nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Photosensor (3) eine Photodiode (3) ist, insbesondere eine Avalanche-Photodiode, oder wobei der Photosensor (3) ein Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden umfasst.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 2, wobei die Avalanche-Photodiode (3) eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) umfasst, oder wobei das Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden ein Array (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPAD) oder einen Silizium-Photomultiplier umfasst.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem vorherigen Ansprüche, wobei die vorgebbare Zeitverzögerung (T) der Laufzeit einer optischen Wegstrecke (S) vom Lichtemitter (2) zum Photosensor (3) in einem Bereich von 7.5 mm bis 75 mm, insbesondere von 7.5 mm bis 30 mm, und vorzugsweise von 10 mm bis 25 mm entspricht.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem vorherigen Ansprüche, wobei die vorgebbare Zeitverzögerung (T) in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps, liegt.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, den Photosensor (3) zur optischen Erfassung von Streulicht erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt (t0) eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 6, wobei die vorgebbare Einschaltverzögerung der Laufzeit einer optischen Wegstrecke (S) vom Lichtemitter (2) zum Photosensor (3) in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis 5 mm, entspricht.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 7, wobei die vorgebbare Einschaltverzögerung in einem Bereich von 5 ps bis 50 ps, insbesondere in einem Bereich von 7.5 ps bis 25 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 10 ps bis 20 ps, liegt.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, den Lichtemitter (2) zum Aussenden einer Lichtpulsserie anzusteuern, vom Photosensor (3) ein der Lichtpulsserie jeweils zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) zu erfassen, daraus ein gemitteltes Sensorsignal (SIG) zu ermitteln und dieses auf die Brandkenngrösse hin zu analysieren.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 9, wobei eine Lichtpulsserie eine Anzahl von Lichtpulsen im Bereich von 4 bis 100, insbesondere von 10 bis 20, und eine Gesamtdauer im Bereich von 1 ms bis 10 ms umfasst.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtemitter (2) dazu ausgebildet ist, Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rauchdetektionseinheit einen weiteren Lichtemitter (2') aufweist, wobei der Photosensor (3) zudem spektral auf den weiteren Lichtemitter (2') abgestimmt ist, wobei der weitere Lichtemitter (2') mit dem Photosensor (3) eine weitere Streulichtanordnung bildet, wobei die Steuereinheit (MC) mit dem weiteren Lichtemitter (2') signal- und/oder datentechnisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist, entweder den Lichtemitter (2) oder den weiteren Lichtemitter (2') zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photosensor (3) ein jeweilig zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) und ein weiteres Sensorsignal (SIG') zu erfassen, das Verhältnis aus beiden Sensorsignale (SIG, SIG') zu ermitteln und das ermittelte Verhältnis auf eine weitere Brandkenngrösse hin zu analysieren.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 12, wobei der weitere Lichtemitter (2') dazu ausgebildet ist, Licht in einem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm, auszusenden.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtemitter (2) sowie der weitere Lichtemitter (2') eine Leuchtdiode (LED, LED') oder eine Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL, VCSEL') umfasst.
Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem Photosensor (3) oder der Photodiode, insbesondere der Avalanche-Photodiode, oder dem Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden, vorzugsweise der Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD), oder dem Array (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPAD), ein jeweiliger Time-to-Digital-Converter (TDC) mit einer Gatterverzögerungskette nachgeschaltet ist.
Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 14 und 15, wobei die Leuchtdiode (LED) sowie die weitere Leuchtdiode (LED'), oder die Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL) sowie die weitere Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL'), die Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) oder das Array (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPAD), sowie ein Chip-Controller (C) und der jeweilige Time-to-Digital-Converter (TDC) in ein gemeinsames optoelektronisches Halbleiterbauelement (SoC), insbesondere in ein System-on-a-Chip, integriert sind.
Rauchdetektionsmodul (10), mit einer Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und mit einer der Rauchdetektionseinheit (1) gegenüberliegenden Messkammer (M), wobei die Messkammer (M) eine oder mehrere Kammeröffnungen (LA) für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere der Messkammer (M) aufweist und wobei die Messkammer (M) gegen direktes Umgebungslicht abgeschirmt ist.
Rauchdetektionsmodul (10) nach Anspruch 17, wobei die vorgebbare Zeitverzögerung (T) kleiner ist als die der kürzesten Wegstrecke (S_MIN) vom Lichtemitter (2) zu einer gegenüberliegenden Messkammerdecke (D) oder zu weiteren Gehäuseteilen der Messkammer (M) und weiter zum Photosensor (3) entsprechenden optischen Laufzeit.
Rauchdetektionsmodul (10) nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Lichtemitter (2) und gegebenenfalls der weitere Lichtemitter (2') sowie der Photosensor (3) optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen (SV) ausgerichtet sind, wobei die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, den Photosensor (3) zur optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen (SV) erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung (TE) in Bezug auf den Zeitpunkt (t0) eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen, und wobei die vorgebbare Einschaltverzögerung (TE) in etwa so gross ist wie die der kürzesten Wegstrecke (S_K) vom Lichtemitter (2) über das Streulichtvolumen (SV) zum Photosensor (3) entsprechenden optischen Laufzeit.
Streulichtrauchmelder, mit einem Meldergehäuse und mit einem im Meldergehäuse aufgenommenen Rauchdetektionsmodul (10) nach einem der Ansprüche 17, 18 oder 19, wobei das Meldergehäuse eine oder mehrere Raucheintrittsöffnungen für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere des Meldergehäuses und weiter in die Messkammer (M) des Rauchdetektionsmoduls (10) aufweist.
Offener Streulichtrauchmelder, mit einem Meldergehäuse und mit einer am Meldergehäuse aufgenommenen Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16, wobei der Lichtemitter (2) und ggf. der weitere Lichtemitter (2') sowie die Photodiode (3) optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen (SV) ausgerichtet sind und wobei das Streulichtvolumen (SV) ausserhalb des offenen Streulichtrauchmelders im Freien liegt.
Verfahren zur Detektion von Rauch nach dem Streulichtprinzip, wobei mittels eines Lichtemitters (2), insbesondere mittels einer Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL), ein Lichtpuls in ein Streulichtvolumen (SV) für zu detektierenden Rauch eingestrahlt wird, wobei mittels eines Photosensors (3) oder einer Photodiode, insbesondere mittels einer spektral darauf abgestimmten Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) oder mittels eines Arrays (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPAD), Streulicht aus dem Streulichtvolumen (SV) erfasst und als Sensorsignal (SIG) ausgegeben wird, wobei das Sensorsignal (SIG) auf zumindest eine Brandkenngrösse hin analysiert und gegebenenfalls in einem detektierten Brandfall ein Brandalarm (AL) ausgegeben wird, wobei das Sensorsignal (SIG) in Bezug auf den Zeitpunkt (t0) eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung (T) in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 150 ps, nicht mehr erfasst wird oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt bleibt.