DE102021208901A1

DE102021208901A1 - Verfahren zum Überwachen einer optischen Messeinrichtung und optische Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102021208901A1
Application number: DE102021208901.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Werkmeister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2023-02-16
Also published as: GB2611857A; GB202211544D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer optischen Messeinrichtung nach dem Streulichtprinzip, wobei die Messeinrichtung einen ersten optischen Sender zum Einstrahlen eines optischen Messsignals in ein Messvolumen aufweist, und einen ersten optischen Empfänger zum Erfassen eines durch Partikel in dem Messvolumen beeinflussten optischen Signals; wobei das Verfahren umfasst: Erfassen (210) eines ersten optischen Kontrollsignals (S1) von dem ersten optischen Sender an einem zweiten optischen Empfänger; Erfassen (220) eines zweiten optischen Kontrollsignals von einem zweiten optischen Sender an dem zweiten optischen Empfänger; Erfassen (230) eines dritten optischen Kontrollsignals von dem zweiten optischen Sender an dem ersten optischen Empfänger; Berechnen (240) mindestens eines Prüfwerts aus den erfassten ersten, zweiten und dritten optischen Kontrollsignalen; und Auswerten (250) des mindestens einen Prüfwerts zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit der optischen Messeinrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer optischen Messeinrichtung, die einen ersten optischen Sender zum Einstrahlen eines optischen Messsignals in ein Messvolumen und einen ersten optischen Empfänger zum Erfassen eines durch Partikel in dem Messvolumen beeinflussten optischen Signals aufweist, und eine solche optische Messeinrichtung, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
Hintergrund der Erfindung
Viele Rauchmelder beruhen auf der Erfassung von optischen Signalen. Bei Rauchmeldern nach dem Streulichtprinzip wird Licht von einer Lichtquelle so abgestrahlt, dass es nicht direkt von einem Detektor erfasst werden kann. Die Lichtquelle und der Detektor werden aber so angeordnet, dass sich deren Abstrahl- und Empfangsrichtungen in einem Streuvolumen kreuzen. Wenn sich dann in diesem Streuvolumen streuende Partikel, z.B. Rauchpartikel, befinden, kann das Streulicht detektiert und gemessen werden.
Um das Streuvolumen herum ist üblicherweise ein optisches Labyrinth angelegt, das Fremdlicht abschirmt und absorbiert und möglichst nur Rauchpartikel in das Streuvolumen gelangen lässt. Auch das Gehäuse des Rauchmelders wird so ausgeführt, dass nur wenig oder idealerweise kein Licht von der Lichtquelle zum Detektor reflektiert werden kann.
Die Empfindlichkeit einer derartigen Messung nach dem Streulichtprinzip kann sich durch verschiedene Einflüsse ändern. Beispielsweise können Alterung, kalte Lötstellen oder Staubablagerungen zu Veränderungen der Empfindlichkeit und damit zu Fehlfunktionen führen. Insbesondere Reflexionen durch Verschmutzungen und Streuung im optischen Labyrinth ändern sich stark über eine Zeit hinweg. Daher kann eine sinnvolle Überwachung der Funktionsfähigkeit des Rauchmelders nicht direkt über die üblichen, zur Überwachung des Streulichtvolumens verwendeten Bauteile erfolgen.
In der DE 10 2017 217 280 A1 ist ein Rauchmelder nach dem Streulichtprinzip beschrieben, bei dem eine Überwachung der Empfindlichkeit durch eine zusätzliche direkte Übertragungsstrecke zwischen Lichtquelle und Empfänger vorgenommen wird, die durch einen optischen Schalter unterbrochen werden kann. Aus der Änderung des Empfangssignals bei Änderung der Schalterstellung kann dann die Empfindlichkeit der Partikelmessung abgeschätzt werden. Alternativ wird eine separate Messstrecke mit einem zweiten Lichtsender-Empfänger-Paar vorgeschlagen, wobei das Licht der zweiten Lichtquelle direkt von dem zweiten Empfänger detektiert wird. Unter der Annahme, dass die Messstrecke zur Partikelmessung ähnlich durch Beeinträchtigungen wie etwa Verschmutzung beeinflusst wird wie diese zweite Messstrecke, können dann die beiden Messstrecken verglichen werden und damit das Messergebnis der Partikelmessung bewertet werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Überwachen einer optischen Messeinrichtung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Außerdem wird eine optische Messeinrichtung vorgeschlagen, die eine Überwachung ihrer Funktionsfähigkeit ermöglicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Dabei wird ein Verfahren vorgeschlagen, in dem eine optische Messeinrichtung nach dem Streulichtprinzip überwacht wird, insbesondere ein Rauchmelder nach dem Streulichtprinzip. Die Messeinrichtung weist mindestens einen ersten optischen Sender zum Einstrahlen eines optischen Messsignals in ein Messvolumen und mindestens einen ersten optischen Empfänger zum Erfassen eines durch Partikel in dem Messvolumen beeinflussten optischen Streusignals auf. Als Streusignal wird hier das gesamte optische Signal aus dem Messvolumen bezeichnet, das durch Streuung an Partikeln, aber auch durch Reflexionen oder Brechungen im Messvolumen entsteht. Um die Empfindlichkeit der Streulichtmessung zu überprüfen, wird ein erstes optisches Kontrollsignal ausgehend von dem zu prüfenden ersten optischen Sender, d.h. einer Lichtquelle, an einem zweiten optischen Empfänger der Messeinrichtung detektiert; ein zweites optisches Kontrollsignal, ausgehend von einem zweiten optischen Sender, wird ebenfalls an dem zweiten optischen Empfänger erfasst; und ein drittes optisches Kontrollsignal, ausgehend von dem zweiten optischen Sender, wird an dem zu prüfenden ersten optischen Empfänger erfasst. Dann wird aus den erfassten ersten, zweiten und dritten optischen Kontrollsignalen mindestens ein Prüfwert berechnet, der anschließend zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit der optischen Messeinrichtung ausgewertet wird.
Durch die Verwendung eines zweiten optischen Senders und eines zweiten optischen Empfängers sowie durch das Messen von mehreren Kontrollsignalen auf allen optischen Pfaden zwischen den beiden Sender-Empfänger-Paaren liegt damit genug Information über die beteiligten Sender und Empfänger vor, um deren Funktionsfähigkeit zu beurteilen. Insbesondere kann so auch die Funktionsfähigkeit des ersten Senders und des ersten Empfängers, die an der Streulichtmessung beteiligt sind, überwacht werden. Zusätzlich wird auch die Funktionsfähigkeit der Kontrollelemente mit überwacht, da jede Fehlfunktion eines Senders oder Empfängers eine Änderung in zumindest einer der vorgenommenen Kontrollmessungen auslösen wird.
Insbesondere kann der Prüfwert bestimmt werden durch $P = \frac{S_{1} \cdot S_{3}}{S_{2}}$
wobei P der Prüfwert ist, wobei S1 die Signalstärke des ersten optischen Kontrollsignals ist, wobei S2 die Signalstärke des zweiten optischen Kontrollsignals ist, und wobei S3 die Signalstärke des dritten optischen Kontrollsignals ist. Dies ergibt sich aus Betrachtungen der Übertragungsfaktoren der optischen Signalpfade zwischen den Sendern und Empfängern, so dass durch einen einfachen Quotienten der erfassten Signale aus den drei Kontrollmessungen eine Aussage über die Funktionsfähigkeit der optischen Messstrecken geliefert werden kann. Die Signalstärke kann dabei beispielsweise als der Strom- oder Spannungspegel eines konstanten Signals oder als mittlere oder maximale Amplitude eines modulierten Signals bestimmt werden.
Bevorzugt wird das Erfassen des ersten, zweiten und dritten optischen Kontrollsignals und das Berechnen eines Prüfwerts mehrmals wiederholt, so dass mehrere aufeinander folgende Prüfwerte erhalten werden. Dabei kann diese Prüfung in vorgegebenen Intervallen vorgenommen werden. Auf diese Weise erhält man einen zeitlichen Verlauf der Prüfwerte und kann damit eine zeitliche Veränderung der Signalqualitäten und der Funktionsfähigkeit auswerten.
Das Auswerten des Prüfwerts kann auf verschiedene Weise stattfinden. Beispielsweise kann eine Differenz zwischen zwei Prüfwerten bestimmt werden, und, falls die Differenz einen Schwellwert überschreitet, die Funktionsfähigkeit der Messeinrichtung als fehlerhaft definiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Abweichung des Prüfwerts von einem vorgegebenen oder in vorherigen Schritten bestimmten Referenzwert bestimmt werden, und, falls die Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Funktionsfähigkeit der Messeinrichtung als fehlerhaft definiert werden. Ebenso könnte auch eine Näherungsfunktion oder Schätzfunktion aus den mehreren Prüfwerten gebildet werden, deren Eigenschaften wie z.B. eine Steigung dann ausgewertet werden.
Das Verfahren kann weiter das Durchführen mindestens einer Streulichtmessung in dem Messvolumen durch Erfassen des optischen Streusignals aus dem Messvolumen an dem ersten optischen Empfänger, und Korrigieren des Ergebnisses der Messung auf Grundlage des mindestens einen Prüfwerts. Das Ergebnis kann beispielsweise durch Addition eines Korrekturwerts oder durch Multiplizieren mit einem Korrekturfaktor korrigiert werden. Da der Prüfwert eine Aussage über die Empfindlichkeit und Funktionsfähigkeit der Bauteile treffen kann, die an der Streulichtmessung beteiligt sind, kann so ein möglichst korrektes Streusignal und damit eine korrekte Erfassung von Partikeln im Messvolumen sichergestellt werden.
Außerdem wird eine optische Messeinrichtung nach dem Streulichtprinzip vorgeschlagen, insbesondere ein Rauchmelder, wobei die Messeinrichtung mindestens einen ersten optischen Sender zum Einstrahlen eines optischen Messsignals in ein Messvolumen aufweist, und mindestens einen ersten optischen Empfänger zum Erfassen eines durch Partikel in dem Messvolumen beeinflussten optischen Streusignals aufweist. Darüber hinaus umfasst die Messeinrichtung einen zweiten optischen Sender und einen zweiten optischen Empfänger, wobei der zweite optische Empfänger dazu eingerichtet ist, optische Kontrollsignale von dem ersten optischen Sender und von dem zweiten optischen Sender jeweils auf einem direkten optischen Pfad zu erfassen und die erfassten Kontrollsignale an eine Steuerungseinheit zu übertragen, und wobei der erste optische Empfänger dazu eingerichtet ist, optische Kontrollsignale des zweiten optischen Senders auf einem direkten optischen Pfad zu erfassen und die erfassten Kontrollsignale an eine Steuerungseinheit zu übertragen. Grundsätzlich können solche optischen Messeinrichtungen auch für andere Partikelmessungen nach dem Streulichtprinzip verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer optischen Messeinrichtung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Aufbau aus optischen Sendern und Empfängern in einem Rauchmelder gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 zeigt ein Flussdiagramm für einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch den Aufbau einer optischen Messeinrichtung nach dem Streulichtprinzip, insbesondere eines Streulicht-Rauchmelders gemäß einer möglichen Ausführungsform. Dabei ist ein erster optischer Sender Tx1, also eine Lichtquelle, die ein Lichtsignal ausgibt, sowie ein erster optischer Empfänger Rx1 vorgesehen.
Soweit in der vorliegenden Anmeldung von optischen Sendern und optischen Empfängern gesprochen wird, sind damit jeweils geeignete Lichtquellen und optische Detektormodule beliebiger Art gemeint.
Bei einem optischen Sender Tx1, Tx2 kann es sich beispielsweise um ein direktionales oder nicht-direktionales lichtemittierendes Element handeln, das Licht mit einer oder mehreren Wellenlängen abgibt. Als Licht wird hier elektromagnetische Strahlung aus dem gesamten optischen Spektrums verstanden, welche sichtbare Wellenlängen ebenso wie nicht sichtbare Spektralbereiche wie etwa ultraviolettes oder infrarotes Licht mit einschließt. Zu diesem Zweck können also beispielsweise LEDs, Laserdioden oder andere Lichtquellen genutzt werden. Dabei kann das von dem optischen Sender ausgehende Licht anschließend noch durch weitere optische Bauteile geführt werden, beispielsweise durch fokussierende oder strahlaufweitende Linsen, Blenden, spektrale Filter zur Filterung bestimmter Wellenlängen, Strahlteiler oder ähnliche.
Als optischer Empfänger Rx1, Rx2 können beispielsweise Fotodioden oder Fototransistoren eingesetzt werden, die Licht in elektrische Spannungs- oder Stromsignale umwandeln, die dann ausgewertet werden können. Dem Fachmann sind geeignete Bauteile bekannt, die in der Lage sind, Lichtsignale in messbare Signale umzuwandeln. Dabei versteht sich, dass der zu einem Sender zugehörige optische Empfänger so gewählt werden muss, dass er das erwartete Lichtsignal detektieren kann, also einen geeigneten Wellenlängenbereich abdecken muss und eine ausreichende Detektionsempfindlichkeit aufweisen sollte, um das gewünschte Maß an gestreutem Licht detektieren zu können. Auch hier können Linsen, Filter oder andere optische Bauteile genutzt werden, um das Lichtsignal aus dem Messvolumen passend zu detektieren. Zusätzlich können nachgeschaltete elektronische Bauteile vorgesehen sein, wie etwa ein Verstärker oder elektronische Filter, um das Ausgangssignal des optischen Empfängers zu verarbeiten.
Der erste optische Empfänger Rx1 ist dabei relativ zu dem ersten optischen Sender Tx1 so angeordnet, dass ein direkter Empfang des vom ersten Sender emittierten Lichtsignals nicht möglich ist, dass also kein direkter optischer Pfad zwischen dem ersten optischen Sender und dem ersten optischen Empfänger vorhanden ist. Dabei können Abschirmungen wie etwa Blenden und lichtabsorbierende Wände im Rauchmelder (nicht gezeigt) auf geeignete Weise angeordnet werden, so dass sie ein optisches Labyrinth bilden.
Jedoch soll der erste optische Sender Tx1 zumindest einen Teil seines Lichts in ein Messvolumen 20 abstrahlen, und der erste optische Empfänger Rx1 soll in der Lage sein, gestreutes oder reflektiertes Licht aus dem Messvolumen 20 oder zumindest aus einem Teil des Messvolumens zu detektieren. In diesem Messvolumen 20 sammelt sich Umgebungsluft, beispielsweise in einer Messkammer, die in eine oder mehrere Richtungen nach außen geöffnet ist und so einen Luftfluss mit Partikeln ermöglicht. Solange das Messvolumen 20 frei von optisch wirksamen Partikeln ist, treten keine entsprechenden wesentlichen Streu- oder Reflexionseffekte auf, so dass durch den ersten Empfänger Rx1 kein entsprechender Lichtsignalanteil detektiert wird, sondern nur ein Anteil, der durch Reflektionen des optischen Labyrinths zustande kommt. Sobald aber Partikel wie etwa Rauchpartikel in dem Messvolumen vorhanden sind, wird ein Teil des Lichts, das von dem ersten Sender in das Messvolumen eingestrahlt wird, in verschiedene Richtungen gestreut, gebrochen und/oder reflektiert.
Zumindest ein Teil des so abgelenkten Lichts wird damit auch in Richtung 32 des ersten optischen Empfängers Rx1 aus dem Messvolumen heraus abgestrahlt, so dass an diesem ersten Empfänger Rx1 ein Streulichtsignal detektiert werden kann. Dabei kann der Empfänger bevorzugt so ausgelegt und relativ zu dem Messvolumen angeordnet sein, dass Streulicht aus einem möglichst großen Teil des Messvolumens detektiert werden kann. Die Stärke des Streulichtsignals hängt von der streuenden Partikelart, Partikelgröße, Partikeldichte im Volumen, Wellenlängen des eingestrahlten Lichts, geometrischer Anordnung der optischen Elemente und weiteren Faktoren ab. Dennoch kann so eine Signaländerung, die beispielsweise oberhalb eines bestimmten Rausch-Schwellwerts liegt, auf das Vorhandensein einer relevanten Anzahl von Rauchpartikeln hinweisen. Als Streulichtsignal wird hier das gesamte Lichtsignal bezeichnet, das aus dem Messvolumen stammt, auch wenn Teile davon je nach Partikelart auch durch Brechung oder diffuse Reflexionen zustande kommen.
Bevorzugt wird dabei durch geeignete Maßnahmen ein Eindringen von Schmutz wie Staubpartikeln in das Messvolumen, die das Streulichtsignal verändern könnten, so weit wie möglich verhindert. Optional können verschiedene passive oder aktive Elemente genutzt werden, die ein kontinuierliches Einleiten und Durchführen der Umgebungsluft in dieses Messvolumen unterstützen, wie etwa eine bestimmte Anordnung von Belüftungskanälen oder auch Ventilatoren. So kann sichergestellt werden, dass die Messung im Messvolumen innerhalb des Rauchmelders eine aussagekräftige Auswertung vorhandener Partikel in der Umgebungsluft ermöglicht. Alternativ sind auch Bauformen möglich, in denen das Messvolumen außerhalb des Rauchmelders selbst liegt, solange die zu erfassenden Lichtsignale vom Umgebungslicht getrennt werden können.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung werden nun zusätzlich ein zweiter optischer Sender Tx2 (Kontrollsender) und ein zweiter optischer Empfänger Rx2 (Kontrollempfänger) als Kontrollelemente für die Streulichtmessung eingesetzt. Diese zweiten optischen Sender und Empfänger werden nicht für die Streulichtmessung selbst genutzt. Dabei sind diese beiden Elemente so angeordnet, dass der zweite Empfänger Rx2 sowohl Licht vom ersten Sender Tx1 auf einem optischen Pfad 42 als auch vom zweiten Sender Tx2 auf einem optischen Pfad 44 direkt empfangen kann. Darüber hinaus ist der zweite Sender Tx2 so angeordnet, dass der erste Empfänger Rx1, der für die Partikelmessung das Streulicht aus dem Messvolumen 20 detektiert, Licht des zweiten optischen Senders Tx2 auf einem direkten optischen Pfad 46 empfangen kann.
Dabei können die Stärke des Streusignals und die der Kontrollsignale so bestimmt werden, dass sie näherungsweise proportional zur Intensität des entsprechenden gesendeten Lichts sind, wenn alle anderen Bedingungen konstant bleiben.
Der freie Raum zwischen Sender und Empfänger zur Bestimmung des Kontrollsignals wird bevorzugt so gestaltet, dass seine Alterungseinflüsse die Lichtübertragung nur unwesentlich beeinflussen kann.
Die zusätzlichen Sender und Empfänger und die weiteren optischen Pfade sind dabei bevorzugt außerhalb des Messvolumens angeordnet, so dass eine Beeinflussung dieser weiteren optischen Pfade durch Verschmutzung oder Partikel im Messvolumen vermieden werden kann.
Bevorzugt sind außerdem auch die Richtungen der optischen Pfade von einem der optischen Sender zu einem der optischen Empfänger jeweils ähnlich zueinander, um Einflüsse durch alterungsbedingte Änderungen der Richtungsabhängigkeiten von Sender und Empfänger zu minimieren. Entsprechend sollten bevorzugt die Spektralbereiche der Strahlungsleistungen beider Sender Tx1, Tx2 ähnlich sein.
Alle Sender und Empfänger können mit einer Steuereinheit 60 verbunden sein, welche die optischen Signale der Lichtquellen ansteuert und die erfassten Signale der Empfänger weiterverarbeitet. Diese Steuereinheit kann Teil des Rauchmelders bzw. der Messeinrichtung sein, kann aber auch getrennt von der Messeinrichtung vorliegen und durch geeignete Kommunikationsmittel mit den Sendern und Empfängern verbunden sein.
Mit dieser Kombination aus zwei optischen Sendern Tx1, Tx2 und zwei optischen Empfängern Rx1, Rx2 werden nun, zusätzlich zu der Streulichtmessung zur Raucherkennung im Messvolumen, weitere Messungen vorgenommen. Anhand dieser weiteren Messungen ist es dann möglich, Aussagen über die Empfindlichkeit bzw. die Funktionsfähigkeit der sicherheitsrelevanten Streulichtmessung zu treffen.
Zu diesem Zweck werden die Übertragungsfaktoren der verschiedenen Elemente betrachtet. Dabei ist G(x) der Übertragungsfaktor des Elements x, also jeweils eines optischen Senders oder Empfängers. Dieser Übertragungsfaktor ist für einen Sender definiert als die Strahlungsleistung, die vom räumlichen Bereich des optischen Senders vollständig in die Umgebung gelangt (und nicht z.B. von einer eventuell vorhandenen Staubschicht auf dem optischen Sender absorbiert wird) dividiert durch den Ansteuersignalwert des optischen Senders. Dabei ist der digitale Ansteuersignalwert unabhängig von Alterungsprozessen des Systems.
Für einen Empfänger ist der Übertragungsfaktor definiert als der Ausgangsmesswert dividiert durch die Strahlungsleistung, die aus der Umgebung zum räumlichen Bereich des optischen Empfängers gelangt. In dieser Strahlungsleistung ist beispielsweise auch der Teil enthalten, der von einer eventuell vorhandenen alterungsbedingten Staubschicht auf dem optischen Empfänger absorbiert wird und somit nicht mehr detektiert wird. In den am Empfänger gemessenen Messwert sind bereits Alterungsprozesse mit eingeflossen; dieser Wert soll also durch Alterungsprozesse nicht weiter verändert werden.
Die Änderung der Empfindlichkeit eines optischen Übertragungspfads hängt dann im Wesentlichen von der Änderung des Produktes aus dem Übertragungsfaktor des Senders und dem Übertragungsfaktor des Empfängers dieses Übertragungspfads ab.
Bei einer direkten Übertragung von Licht, wie sie zwischen dem zweiten optischen Sender Tx2 und dem zweiten optischen Empfänger Rx2, zwischen dem zweiten optischen Sender Tx2 und dem ersten optischen Empfänger Rx1 sowie zwischen dem ersten optischen Sender Tx1 und dem zweiten optischen Empfänger Rx2 stattfindet, entspricht das Messergebnis im Wesentlichen dem Produkt der Übertragungsfaktoren von Sender und Empfänger multipliziert mit einem unbekannten Faktor k, wobei davon ausgegangen wird, dass dieser Faktor über die Zeit weitgehend konstant ist.
Die Funktionsüberwachung der Streulichtmessung wird nachfolgend anhand von beispielhaften Verfahrensschritten wie in 2 gezeigt beschrieben.
Eine Streulichtmessung im Messvolumen wird regelmäßig oder nahezu kontinuierlich in Schritt 200 durchgeführt, indem Licht bzw. ein optisches Signal vom ersten optischen Sender in das Messvolumen eingestrahlt wird und das Streulichtsignal aus dem Messvolumen durch den ersten optischen Empfänger detektiert wird. Dabei wird ein Signal So elektrisch gemessen, beispielsweise als Strom- oder Spannungspegel, der einem Lichtsignal entspricht. Die Signalstärke kann dabei beispielsweise als der Pegel eines konstanten Signals oder als mittlere oder maximale Amplitude eines nicht-konstanten Signals bestimmt werden. Das gemessene Signal kann auch bereits elektronisch verstärkt sein. Das Signal wird dann in Schritt 280 in regelmäßigen Abständen auf das Überschreiten eines Schwellwerts geprüft. Solange keine Partikel im Messvolumen sind, wird das Signal So idealerweise null oder nahezu null sein. Ein vorhandenes Signal weist dagegen auf gestreutes Licht und damit auf streuende Partikel hin. Sobald der Schwellwert überschritten ist, kann daher in Schritt 290 ein Alarmsignal wie etwa ein akustisches und/oder optisches Signal abgegeben werden, das auf die mögliche Rauchentwicklung hinweist.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung werden dann in regelmäßigen Abständen mehrere Kontrollmessungen ausgeführt.
In einer ersten Messung in Schritt 210 wird ein optisches Kontrollsignal vom ersten Sender (Streulichtsender) ausgesendet und vom zweiten Empfänger (Kontrollempfänger) direkt empfangen. Das Messergebnis S₁ über den optischen Pfad 42 ist also $S_{1} = k_{1} \cdot G (T x_{1}) \cdot G (R x_{2})$
wobei k₁ ein im Wesentlichen konstanter Faktor, G(Tx₁) der Übertragungsfaktor des ersten Senders und G(Rx₂) der Übertragungsfaktor des zweiten Empfängers ist.
In einer zweiten Messung in Schritt 220 wird ein optisches Kontrollsignal vom zweiten Sender ausgesendet und am zweiten Empfänger direkt empfangen. Das Messergebnis S2 über den optischen Pfad 44 ergibt sich zu $S_{2} = k_{2} \cdot G (T x_{2}) \cdot G (R x_{2})$
wobei k₂ ein im Wesentlichen konstanter Faktor, G(Tx₂) der Übertragungsfaktor des zweiten Senders und G(Rx₂) der Übertragungsfaktor des zweiten Empfängers ist.
Schließlich wird noch in einer dritten Messung in Schritt 230 ein optisches Kontrollsignal vom zweiten Sender ausgesendet und am ersten Empfänger über den optischen Pfad 46 direkt empfangen, so dass man ein drittes Messergebnis $S_{3} = k_{3} \cdot G (T x_{2}) \cdot G (R x_{1})$
erhält, wobei k₃ ein im wesentlichen konstanter Faktor, G(Tx₂) der Übertragungsfaktor des zweiten Senders, und G(Rx₁) der Übertragungsfaktor des ersten Empfängers ist.
Dabei müssen diese drei Kontrollmessungen 210, 220, 230 nicht in dieser Reihenfolge stattfinden, sondern können auch in anderer Reihenfolge durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, die zweite Messung 220 zwischen dem zweiten Sender und dem zweiten Empfänger und die dritte Messung 230 zwischen dem zweiten Sender und dem ersten Empfänger gleichzeitig durchzuführen, da in beiden Fällen derselbe Sender verwendet wird. In diesem Fall müssen die ersten und zweiten Empfänger sowie die nachfolgende Signalverarbeitung in der Lage sein, gleichzeitig Signale an beiden Empfängern zu empfangen bzw. zu messen. Optional könnte in einem derartigen Aufbau dann auch die erste Messung 210 zwischen dem ersten Sender und dem zweiten Empfänger gleichzeitig mit der Streulichtmessung 200 zwischen dem ersten Sender und dem ersten Empfänger stattfinden. Ebenso könnte aber auch jede Messung einzeln durchgeführt werden.
Das Messsignal zwischen erstem Empfänger und erstem Sender über das Messvolumen, also das indirekte Streulichtsignal entlang der optischen Pfade 30 und 32 in 1, ergibt sich zu $S_{0} = k_{0} \cdot G (T x_{1}) \cdot G (R x_{1})$
wobei ko vom Übertragungsweg mit Teilchen im optischen Labyrinth bzw. Streuvolumen abhängt, G(Tx₁) der Übertragungsfaktor des zweiten Senders, und G(Rx₁) der Übertragungsfaktor des ersten Empfängers ist.
Idealerweise ist dieses Signal aber gleich null, solange keine streuenden Partikel im Messvolumen vorhanden sind, und wird bei einer geringen Partikelzahl auch nur ein kleines Signal liefern. Wenn nun die Empfindlichkeit bzw. Korrektheit des Messsignals über das Messvolumen bestimmt werden soll, also eine mögliche Änderung der Übertragungsfaktoren des ersten Senders, G(Tx₁), und des ersten Empfängers, G(Rx₁) bestimmt werden soll, kann dies nicht direkt aus dem veränderlichen Signal So erfolgen. Stattdessen werden aus den drei vorstehend beschriebenen Messungen der Kontrollsignale S₁,S₂ und S₃ die Werte für die Übertragungsfaktoren des ersten Senders G(Tx₁) und des ersten Empfängers G(Rx₁) indirekt abgeschätzt.
Aus den Gleichungen (1) und (3) ergibt sich: $G (T x_{1}) = \frac{S_{1}}{k_{1} \cdot G (R x_{2})}$
und $G (R x_{1}) = \frac{S_{3}}{k_{3} \cdot G (T x_{2})}$
Für das Produkt der Übertragungsfaktoren im Streulichtpfad, also des ersten Senders und des ersten Empfängers, als Maß der Empfindlichkeit der Streulichtmessung erhält man also: $G (T x_{1}) \cdot G (R x_{1}) = \frac{S_{1} \cdot S_{3}}{k_{1} \cdot k_{3} \cdot G (R x_{2}) \cdot G (T x_{2})}$
und mittels Gleichung (2) ergibt sich daraus $G (T x_{1}) \cdot G (R x_{1}) = \frac{k_{2}}{k_{1} \cdot k_{3}} \frac{S_{1} \cdot S_{3}}{S_{2}}$
Man kann also nur aus den drei gemessenen Kontrollsignalen S₁, S₂ und S₃ in Schritt 240 einen Prüfwert P bestimmen, der eine indirekte Aussage über den ersten Sender und den ersten Empfänger und damit über den Übertragungspfad durch das Messvolumen liefert: $P = \frac{S_{1} \cdot S_{3}}{S_{2}}$
Daher kann man nun beispielsweise den Verlauf dieses Prüfwerts P über mehrere Durchläufe von Kontrollmessungen auswerten. Dazu sollen die drei Kontrollmessungen 210, 220, 230 für die Signale S₁, S₂ und S₃ einmal oder mehrmals wiederholt werden, beispielsweise in vorgegebenen Abständen. Die Messintervalle können festgelegt oder variabel einstellbar sein. Dabei können die Messungen für S₁, S₂ und S₃ direkt aufeinander folgen oder wie bereits zuvor beschrieben teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Man erhält also eine Reihe von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Werten für den Prüfwert P.
Zur Bewertung der Funktionsfähigkeit des Rauchmelders können sowohl die drei Messungen S₁ bis S₃ einzeln als auch der aus Gleichung (9) erhaltene Prüfwert P betrachtet werden. Außerdem können weitere Kombinationen von Messungen genutzt werden, um bestimmte Funktionen zu überwachen.
Es kann dann in Schritt 250 die Änderung des Prüfwerts über die Zeit ausgewertet werden, z.B. indem die Steigung einer Näherungsfunktion über die erhaltenen Prüfwerte mit einem Schwellwert verglichen wird. Wenn die Steigung über diesem Schwellwert liegt, dann wird der Anstieg als plötzlich betrachtet. Alternativ könnte auch direkt die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Werten betrachtet werden und ebenfalls mit einem Schwellwert verglichen werden, um eine plötzliche Änderung nach unten oder oben zu erkennen.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, einen Referenzwert für den Prüfwert aus vorherigen Messungen oder als Voreinstellung festzulegen und im Prüfschritt 250 Abweichungen von diesem Referenzwert auszuwerten. In all diesen Fällen kann zusätzlich der zeitliche Verlauf mit berücksichtigt werden; falls also beispielsweise eine kurze plötzliche Änderung des Prüfwerts erkannt wird, aber alle folgenden Messungen wieder dem Referenzergebnis entsprechen, kann diese vorübergehende Veränderung anders beurteilt werden als eine Änderung des Prüfwerts, die nach einem plötzlichen Anstieg oder Absinken auf diesem Niveau bleibt oder sich im Laufe folgender Messungen verstärkt. Letzteres kann als Hinweis auf eine dauerhafte Fehlfunktion, wie eine fehlerhafte Lötstelle oder eine Verschmutzung des Sender-Empfänger-Paars, das die Partikelmessung im Messvolumen durchführt, gewertet werden.
Eine starke Veränderung eines einzelnen Messergebnisses S₁, S₂ oder S₃ kann auf eine Störung des jeweils beteiligten Senders oder Empfängers hinweisen. Optional kann dieses Ergebnis dann auch durch die übrigen Messungen kontrolliert werden. Falls beispielsweise nur das erste Kontrollsignal S₁ sich plötzlich stark ändert, kann dies durch Veränderungen beliebiger Art im Signalpfad 42 zwischen dem ersten Sender und dem zweiten Empfänger verursacht werden, wie etwa Fehlfunktionen des Senders oder des Empfängers oder Verschmutzungen an Sender oder Empfänger.
Falls wiederum das Messergebnis S₂ sich kaum ändert, kann daraus geschlossen werden, dass sich möglicherweise die Stärke der Sendeleistung des Senders Tx1 entsprechend geändert hat. Dieses Ergebnis kann auch mit der Auswertung des Prüfwerts P kombiniert werden.
Falls bei der Auswertung des Prüfwerts oder der einzelnen Kontrollmessungen Abweichungen festgestellt werden, die auf eine Fehlfunktion hindeuten, kann als Reaktion in Schritt 260 beispielsweise ein optisches oder akustisches Signal abgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Information über die Auswertung oder die vermutete Fehlfunktion an eine andere Vorrichtung übermittelt werden, etwa an eine zentrale Steuerung oder einen Computer. Außerdem kann die Auswertung abgespeichert werden, um einen zeitlichen Verlauf möglicher Fehlfunktionen verfolgen zu können.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, die zeitliche Veränderung des Prüfwerts zu verwenden, um eine Auswertung 280 der Streulichtmessung 200 anzupassen und zu korrigieren, beispielsweise durch einen veränderlichen Korrekturfaktor, mit dem das gemessene Streulichtsignal multipliziert wird.
Damit können auch langsame Veränderungen der Signalqualität einbezogen werden, um eine möglichst korrekte Streulichtmessung zu erhalten.
Da für zumindest die dritte Kontrollmessung 230 der erste Empfänger benötigt wird, wird dafür gemäß einer möglichen Ausführungsform die Streulichtmessung 200 vorübergehend unterbrochen. Um sicherzustellen, dass eine ausreichende Überwachung des Messvolumens stattfindet, kann beispielsweise ein Verhältnis zwischen der Anzahl der Streulichtmessungen und der Anzahl der zusätzlichen Kontrollmessungen 210, 220, 230 festgelegt sein. Die Streulichtmessung kann intervallartig oder kontinuierlich erfolgen, wobei dann für die dritte Messung 230 eine kurze Unterbrechung der Streulichtmessung 200 vorgesehen sein kann, und nach der Messung die Streulichtmessung aus dem Messvolumen wieder aufgenommen wird. Beispielsweise könnte festgelegt sein, dass eine nahezu kontinuierliche Überwachung des Messvolumens durch die Streulichtmessung zwischen dem ersten und dem zweiten Sender stattfindet und diese einmal pro Minute für kurze Kontrollmessungen unterbrochen werden.
Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, beispielsweise für den ersten und den zweiten Sender Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Kodierungen zu nutzen, sofern beide Empfänger dazu ausgelegt sind, auch diese beiden Wellenlängen oder Kodierungen zu empfangen. Falls die Empfänger dann in der Lage sind, Signale zwischen diesen beiden Wellenlängen oder Kodierungen zu unterscheiden, könnten auch alle Messungen gleichzeitig durchgeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann das beschriebene Kontrollverfahren beispielsweise auch in einem System betrieben werden, in dem zwei Sender für die Partikelmessung verwendet werden, die jedoch mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten, um verschiedene Empfindlichkeiten gegenüber unterschiedlichen Partikelgrößen zu erreichen. Für die Partikelmessung kann in diesem Fall dennoch auch nur ein Empfänger Rx1 verwendet werden. Die Empfindlichkeiten der erforderlichen Empfänger Rx1 für die Partikelmessung und Rx2 für die Kontrollmessung erstreckt sich dann über beide verwendeten Wellenlängenbereiche.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das beschriebene Kontrollverfahren beispielsweise auch in einem System betrieben werden, in dem zwei Empfänger für die Partikelmessung verwendet werden, die jedoch beispielsweise durch entsprechende optische Vorfilterung mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten, um verschiedene Empfindlichkeiten gegenüber unterschiedlichen Partikelgrößen zu erreichen. Für die Partikelmessung kann in diesem Fall dennoch auch nur ein Sender Tx1 verwendet werden. Die optische Bandbreite der erforderlichen Sender Tx1 für die Partikelmessung und Tx2 für die Kontrollmessung erstreckt sich dann über beide verwendeten Wellenlängenbereiche.
Für alle Messungen können wahlweise gleichförmige oder auch modulierte Lichtsignale verwendet werden. Es ist auch möglich, dass ein oder beide optische Sender ständig ein Signal aussenden, aber für die Durchführung der Kontrollmessungen die Empfänger nur vorübergehend Signale empfangen oder nur vorübergehend empfangene Signale auswerten. Alle gemessenen Signale können ebenso wie daraus berechnete Zwischenwerte und der Prüfwert vorübergehend zwischengespeichert oder dauerhaft abgespeichert werden. Optional ist es auch möglich, so gespeicherte Werte über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung an eine andere Vorrichtung zu übermitteln, beispielsweise zur dauerhaften Speicherung oder zum Auslesen bei einer Funktionskontrolle des Rauchmelders durch ein externes Gerät. In anderen Ausführungsformen könnten auch die gemessenen Signale an eine andere Vorrichtung übertragen werden, wie etwa eine zentrale Steuerung, wo dann die Prüfwerte berechnet werden und die Auswertung der Kontrollmessungen erfolgt.
Die in der Figur gezeigte Anordnung des ersten Senders und Empfängers und des zweiten Senders und Empfängers dient nur der Verdeutlichung des Funktionsprinzips. Es versteht sich, dass die vier erforderlichen optischen Sende- und Empfangselemente auch geometrisch anders angeordnet und ausgerichtet sein können, solange die beschriebenen Sende- und Empfangsbedingungen erfüllt sind. Insbesondere sind hier Elemente wie Blenden, Abbildungsoptiken und ein optisches Labyrinth nicht gezeigt, die vorstehend bereits allgemein beschrieben wurden. Die verschiedenen Elemente können räumlich außerhalb nur einer Ebene angeordnet sein. Auch die Strahlrichtungen der Lichtquelle und die Detektionsrichtung des Empfängers werden üblicherweise nicht nur eine Richtung abdecken, sondern beispielsweise eine Abstrahlung in mehrere Richtungen zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Messvolumens und eine Detektion von Licht aus einem breiten Detektionskegel im Messvolumen.
Es versteht sich, dass die oben gezeigten und beschriebenen Elemente und Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden können und/oder durch weitere Bauteile und Elemente ergänzt werden können. Auch das beschriebene Mess- und Auswertungsverfahren kann mit zusätzlichen Schritten erweitert oder abgeändert werden. Die genaue Auslegung des Messvolumens, eines optischen Labyrinths oder eines Gehäuses des Rauchmelders spielt für die hier beschriebenen Verfahren keine Rolle, solange die erforderlichen Bedingungen zwischen den optischen Sendern und Empfängern erfüllt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017217280 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Überwachen einer optischen Messeinrichtung, die einen ersten optischen Sender zum Einstrahlen eines optischen Messsignals in ein Messvolumen und einen ersten optischen Empfänger zum Erfassen eines durch Partikel in dem Messvolumen beeinflussten optischen Signals aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen (210) eines ersten optischen Kontrollsignals (S₁) von dem ersten optischen Sender an einem zweiten optischen Empfänger der optischen Messeinrichtung; Erfassen (220) eines zweiten optischen Kontrollsignals (S₂) von einem zweiten optischen Sender an dem zweiten optischen Empfänger; Erfassen (230) eines dritten optischen Kontrollsignals (S₃) von dem zweiten optischen Sender an dem ersten optischen Empfänger; Berechnen (240) mindestens eines Prüfwerts aus den erfassten ersten, zweiten und dritten optischen Kontrollsignalen; und Auswerten (250) des mindestens einen Prüfwerts zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit der optischen Messeinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prüfwert bestimmt wird durch $P = \frac{S_{1} \cdot S_{3}}{S_{2}}$
wobei P der Prüfwert ist, wobei S₁ die Signalstärke des ersten optischen Kontrollsignals ist, wobei S₂ die Signalstärke des zweiten optischen Kontrollsignals ist, wobei S₃ die Signalstärke des dritten optischen Kontrollsignals ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erfassen (210, 220, 230) des ersten, zweiten und dritten optischen Kontrollsignals (Si, S₂, S₃) und das Berechnen (240) eines Prüfwerts (P) einmal oder mehrmals wiederholt wird, so dass mehrere aufeinander folgende Prüfwerte erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Auswerten (250) des Prüfwerts umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen zwei Prüfwerten, und, falls die Differenz einen Schwellwert überschreitet, Definieren der Funktionsfähigkeit der Messeinrichtung als fehlerhaft.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Auswerten des Prüfwerts umfasst: Bestimmen einer Abweichung des Prüfwerts von einem Referenzwert, und, falls die Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, Definieren der Funktionsfähigkeit der Messeinrichtung als fehlerhaft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Durchführen mindestens einer Streulichtmessung in dem Messvolumen durch Erfassen des optischen Signals aus dem Messvolumen an dem ersten optischen Empfänger, und Korrigieren des Ergebnisses der Messung auf Grundlage des mindestens einen Prüfwerts.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 8.
Optische Messeinrichtung, die einen ersten optischen Sender (Tx1) zum Einstrahlen eines optischen Messsignals in ein Messvolumen (20) und einen ersten optischen Empfänger (Rx1) zum Erfassen eines durch Partikel in dem Messvolumen (20) beeinflussten optischen Signals aufweist, weiter aufweisend einen zweiten optischen Sender (Tx2) und einen zweiten optischen Empfänger (Rx2), wobei der zweite optische Empfänger (Rx2) dazu eingerichtet ist, optische Signale von dem ersten optischen Sender (Tx1) und von dem zweiten optischen Sender (Tx2) jeweils auf einem direkten optischen Pfad (42, 44) zu erfassen und die erfassten Signale an eine Steuerungseinheit (60) zu übertragen; und wobei der erste optische Empfänger (Rx1) dazu eingerichtet ist, optische Signale des zweiten optischen Senders (Tx2) auf einem direkten optischen Pfad (46) zu erfassen und die erfassten Signale an eine Steuerungseinheit (60) zu übertragen.
Optische Messeinrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend eine Steuerungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.