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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Fehlalarmsicherheit
in einer Brandmeldeeinrichtung, wobei eine Brandkenngröße in vorgegebenen
Zeitabständen
gemessen und aus der Veränderung
der Meßwerte
in Abhängigkeit
von der Zeit über
einen vorgegebenen Algorithmus ein Auswertesignal erzeugt wird,
aus dem bei Überschreitung
vorgegebener Grenzwerte ein Alarmsignal abgeleitet wird. Außerdem betrifft
die Erfindung eine nach diesem Verfahren arbeitende Brandmeldeeinrichtung.
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Ein
wesentliches Kriterium für
die Beurteilung und Akzeptanz von Brandmeldeanlagen besteht in ihrer
Störsicherheit,
d.h., daß Fehlalarme
aufgrund von Störeinflüssen weitgehend
ausgeschlossen werden, während
ein Schadensfeuer möglichst
frühzeitig und
zuverlässig
zu einem Alarm führt.
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Aus
der
EP 0 070 449 B1 ist
ein Verfahren zur Erhöhung
der Ansprechempfindlichkeit und der Störsicherheit in einer Brandmeldeanlage
bekannt, bei der aus der jeweils aktuellen Meldermeßwerten ein
Melderruhewert gebildet und gespeichert wird. Bei jeder Messung
wird dann eine Differenz zwischen dem aktuellen Meßwert und
dem gespeicherten Ruhewert gebildet, und diese Differenzen werden
zu einem Summensignal aufintegriert, welches bei Überschreitung
eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal erzeugt.
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Derartige
Algorithmen können
bei Brandmeldern, die beispielsweise in Industrieanlagen und Büroräumen angeordnet
sind, die dort vorkommenden kurzzeitigen Störgrößen unterdrücken. Beispielsweise kann auf
diese Weise auch Tabakrauch, solange er nicht direkt in den Melder
geblasen wird, als Störgröße erkannt
und von einem Schadensfeuer unterschieden werden.
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Die
Verhältnisse ändern sich
jedoch in dem Fall, wo derartige Brandmelder in kleineren und niedrigeren
Räumen
eingesetzt werden, wie beispielsweise in Hotelzimmern. In diesem
Fall können
sich Raucher in unmittelbarer Nähe
des Melders aufhalten, und dementsprechend kommt es häufig vor,
daß Tabakrauch
entweder unabsichtlich oder mutwillig aus geringer Entfernung in
den Melder hineingeblasen wird, wodurch in kurzer Zeit ein ähnlich hoher Summen-Meßwert wie
beim Eindringen von Rauch eines echten Brandes erreicht werden kann.
In diesem Fall ist der übliche
Algorithmus nicht mehr in der Lage, zwischen Stör- und Nutzsignal zu unterscheiden.
Um derart ausgelöste
Täuschungsalarme
zu verhindern, müßte entweder
die Alarmschwelle heraufgesetzt oder eine lange Zeitverzögerung für die Weiterleitung
des Alarmsignals vorgesehen werden. Beide Möglichkeiten würden aber
auch zu einer untragbaren Verzögerung
bei echtem Brandalarm führen.
Andere Möglichkeiten,
solche Störgrößen, wie Zigarettenrauch,
gezielt zu erkennen und auszufiltern, sind mit einem erheblichen
Zusatzaufwand an Geräten
und Auswerteprogrammen verbunden; in der Regel sind solche Zusatzauswertungen
auch immer mit einer verzögerten
Alarmgabe verbunden.
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Aus
WO 02/069297 A1 ist ein Verfahren zur Branderkennung bekannt, wobei
eine Brandkenngröße in vorgegebenen
Zeitabständen
gemessen wird und bei Überschreitung
vorgegebener Grenzwerte ein Alarmsignal abgeleitet wird. Dabei wird
das Frequenzspektrum berechnet, niederfrequentes Rauschen deutet
auf einen Brand, hochfrequentes Rauschen deutet auf eine Störgröße hin.
Eine konkrete Ausgestaltung des Verfahrens zur Bestimmung des Frequenzspektrums
ist nicht angegeben.
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Ziel
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Einrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, wobei auf einfache Weise die
Störsicherheit
verbessert und Fehl- bzw. Täuschungsalarme, insbesondere
von Rauchern, unterdrückt
werden können,
ohne daß die
Alarmgabe bei einem Schadensfeuer unnötig verzögert wird.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
und mit einer Brandmeldeeinrichtung mit den in Anspruch 8 angegebenen
Merkmalen erreicht.
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Die
Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß sich bestimmte Brandkenngrößen mit ganz
unterschiedlichen Frequenzen verändern,
je nachdem, ob die Änderung
von einem Schadensfeuer oder durch einen Störeinfluß verursacht wird. Für den Fall
eines Rauchmelders bedeutet dies, daß sich der Rauchdichtemeßwert bei
einem Brand mehr oder weniger langsam und kontinuierlich ändert, so
daß der
Anteil der niedrigen Frequenzen in dem von einem optischen Sensor
gelieferten Signal überwiegt. Die
von einem Raucher verursachten Änderungen des
Rauchdichtemeßwertes
erfolgen hingegen mehr oder weniger sprunghaft. Der Anteil höherer Frequenzen,
die im Frequenzspektrum enthalten sind, überwiegt in diesem Fall.
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Als
Unterscheidungskriterium zwischen dem aktiven Einbringen von Tabakrauch
und dem durch Konvektion verursachten Eindringen von Rauch eines
Schadensfeuers wird erfindungsgemäß die für beide Fälle typische Ausprägung des
Leistungsdichtespektrums herangezogen. Dieses läßt sich alternativ auf folgende
Weise ermitteln:
- a) Bei der ersten Methode
erfolgt zunächst
eine Berechung des Frequenzspektrums des Rauchdichtemeßwertes.
Dies geschieht zum Beispiel mittels der Diskreten Fourier-Transformation
oder als deren Spezialisierung mittels der Fast-Fourier-Transformation. Die
Betrachtung erfolgt also im Frequenzbereich. Die Energie E bei einer
bestimmten Frequenz f erhält
man durch Quadrieren des Betrags der zugehörigen Fourie-Transformierten:
Ex(f) = |X(f)|2.
Die Energie in einem bestimmten Frequenzintervall zwischen den Frequenzen
fu und fo erhält
man durch Summation der Energien in diesem Intervall:
- b) Eine einfachere Methode besteht darin, daß der Rauchdichtemeßwert mittels
selektiver Filter in den interessierenden Frequenzbändern ausgefiltert
und anschließend
die Energie des Signals in diesen Frequenzbändern berechnet wird.
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Bei
der Analyse von Rauchdichtemeßwerten mittels
Fourier-Transformation
und der anschließenden
Berechnung des Leistungsspektrums wurde festgestellt, daß das Maximum
der Leistungsdichte
- – bei allen betrachteten Bränden (Schadensfeuer bzw.
Testfeuer) im wesentlichen unterhalb von 2·10–3 Hz
liegt, während
es
- – bei
der überwiegenden
Anzahl der in Verbindung mit Tabakrauch aufgenommenen Rauchdichtemeßwerte oberhalb
von 2·10–3 Hz
liegt.
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In
der Regel verfügt
ein in einem optischen Rauchmelder eingesetzter Mikrocontroller
(μC) nicht über ausreichende
Leistungsreserven, um neben den ohnehin anstehenden Aufgaben online
eine (Fast)-Fourier-Transformation zur Bestimmung der in dem Rauchdichtemeßwert enthaltenen
Frequenzanteile durchführen
zu können.
Es ist deshalb für
viele Anwendungszwecke günstiger,
und vor allem preiswerter, das oben genannte Filterverfahren nach
b) zu verwenden.
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Für die Bestimmung
des Frequenzanteils unterhalb von 2·10–3 Hz
kann beispielsweise ein digitaler Tiefpaß zweiter Ordnung mit Bessel-Charakteristik
eingesetzt werden. Die Frequenzen der von Rauchern verursachten
Störsignale
liegen jedoch in einem weiten Bereich. Daher kann hierfür ein einfacher,
d.h. relativ schmalbandiger Bandpaß nicht mit Erfolg eingesetzt
werden. Statt dessen ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung die Reihenschaltung eines Hoch- und eines Tiefpasses vorgesehen,
wobei beispielsweise je ein Hochpaß und ein Tiefpaß zweiter
Ordnung mit Butterworth-Charakteristik gewählt werden. Das Optimum für die Grenzfrequenz
des Hochpasses wurde für
das Beispiel von Tabakrauch bei 9·10–3 Hz
ermittelt, während
das Optimum für
die Grenzfrequenz des Tiefpasses vorzugsweise bei 30·10–3 Hz
liegt. Somit ergibt sich ein Durchlaßbereich für die Reihenschaltung aus Hoch- und
Tiefpaß von
9·10–3 Hz
bis 30·10–3 Hz.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ergibt eine hohe Sicherheit vor einer Unterdrückung von echtem Alarm, da
durch die Kombination des Bandpaß-Verfahrens mit dem herkömmlichen
Auswerte-Algorithmus
sichergestellt ist, daß bei
andauerndem Überschreiten
der Integrationsschwelle des herkömmlichen Algorithmus die Alarmierung
in jedem Fall erfolgt. Für
die Beurteilung der Ursache des Rauchdichteanstiegs wird dabei die
gesamte Historie vom Beginn des Rauchdichteanstiegs bis zum Zeitpunkt
der Entscheidung über
die Alarmierung berücksichtigt.
Dadurch erfolgt eine weitgehend verläßliche Erkennung von Störfaktoren,
wie beispielsweise von durch Raucher aktiv in den Melder hineingeblasenen
Rauchschwaden, und damit ist eine Vermeidung der überwiegenden
Anzahl von Täuschungsalarmen
möglich.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bestehende
Brandmelder, wie beispielsweise herkömmliche optische Rauchmelder, mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben werden können.
Insbesondere das geschilderte Bandpaßverfahren kommt mit geringen
Rechnerressourcen aus und läßt sich
auf üblichen
8- und 16-Bit-Mikrocontrollern ausführen. Damit ist auch der zusätzliche
Energieverbrauch gering.
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Eine
erfindungsgemäße Brandmeldeeinrichtung
besitzt einen Brandmelder, der in vorgegebenen Zeitabständen eine
Brandkenngröße mißt, und
eine Auswerteeinrichtung, die nach einem vorgegebenen Algorithmus
aus dem zeitlichen Verlauf der Meßwerte ein Auswertesignal erzeugt,
dieses mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und bei Überschreitung
des Grenzwertes ein Alarmsignal abgibt. Weiterhin besitzt sie eine
parallel zu der Auswerteeinrichtung geschaltete Frequenz-Auswerteeinrichtung
mit einem Filter für
zumindest einen Störfrequenzbereich,
eine dem Filter nachgeschaltete Vergleichseinrichtung und eine logische
Verknüpfung
zwischen dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung und dem Alarmsignal.
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Weitere
Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen typischen zeitlichen
Verlauf des Rauchdichte-Meßwertes
bei einem so genannten Normbrand,
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2 den typischen Verlauf
des Rauchdichte-Meßwertes
bei einem von einem Raucher provozierten Täuschungsalarm,
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3 ein typisches Frequenzspektrum
des Rauchdichte-Meßwertes
bei einem Normbrand,
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4 ein typisches Frequenzspektrum
des Rauchdichtemeßwertes
bei Tabakrauch und
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5 ein Blockschaltbild einer
Brandmeldeeinrichtung mit der erfindungsgemäßen Auswertefunktion.
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In
den 1 und 2 sind die Verläufe des
von einem optischen Rauchmelder gewonnenen Rauchdichte-Meßwertes
MW bei einem so genannten Normbrand und bei einem von einem Raucher
provozierten Täuschungsalarm
gegenübergestellt.
Die Kurve von 1 wurde
mit einem Testfeuer mit Baumwoll-Lunten in einem Brandversuchsraum durchgeführt. Wie
aus der Kurve erkennbar ist, steigt die Rauchdichte im Zeitverlauf
annähernd
stetig an. Bei Verarbeitung dieses Meßwertes wurde zum Zeitpunkt
Ta1 sowohl nach dem herkömmlichen
Auswerteverfahren als auch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Alarmsignal ausgelöst.
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Aus 2 ist erkennbar, daß bei einem
Störversuch
durch einen Raucher ein völlig
anderer Verlauf des Rauchdichtemeßwertes gemessen wird. In diesem
Fall wurde Tabakrauch aus geringer Entfernung direkt in den Rauchmelder
hineingeblasen. Dadurch ergibt sich ein sehr steiler Anstieg des
Meßwertes
MW, der dann aber nach einiger Zeit wieder steil bis auf den Ruhewert
abfällt.
Bei Anwendung des konventionellen Auswerteverfahrens wurde hierbei
zum Zeitpunkt Ta2 ein Alarm ausgelöst. Diese Alarmauslösung könnte zwar
durch eine entsprechend große
Zeitverzögerung
bei der Alarmweitergabe unter drückt
werden, doch würde
dies auch bei einem echten Alarm eine zu lange Verzögerung bedeuten.
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Um
ein Unterscheidungskriterium zwischen dem Normbrand bzw. einem Schadensfeuer
und dem provozierten Täuschungsalarm
eines Rauchers zu finden, wurde das Frequenzspektrum der Meldermeßwerte von 1 und 2 untersucht. Dabei ergeben sich die
Verhältnisse,
wie sie in 3 und 4 dargestellt sind.
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3 zeigt das typische Frequenzspektrum der
Meßwertentwicklung
bei einem Brand. Daraus ist zu sehen, daß die Amplitude A11 einen hohen
Anteil der Rauchdichte in einem niedrigen Frequenzbereich F1 anzeigt,
während
in einem höheren
Frequenzbereich F2 ein niedriger Rauchdichteanteil mit der Amplitude
A12 gemessen wird. Dies ergibt sich daraus, daß beim Brand die Rauchdichte
langsam und kontinuierlich ansteigt, der Rauchdichteverlauf also
im wesentlichen niedrige Frequenzen aufweist.
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Anders
ist das Frequenzspektrum beim Täuschungsalarm
durch Tabakrauch. Hier erfolgt die Rauchdichteänderung sprunghaft, wie in 2 gezeigt wurde. Entsprechend
ist auch das Frequenzspektrum in 4 grundsätzlich verschieden
von dem in 3. Bei der
höheren
Frequenz F2 ergibt sich eine hohe Amplitude A22 der Rauchdichte,
während
bei der niedrigen Frequenz F1 eine kleine Amplitude A21 einen geringen
Anteil der Rauchdichte anzeigt.
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Diese
unterschiedlichen Frequenzspektren in 3 und 4 werden beim erfindungsgemäßen Verfahren
genutzt. Das heißt,
wenn in einem niedrigen Frequenzbereich F1, der für ein Schadensfeuer
typisch ist, die Amplitude größer ist
als in einem für
Tabakrauch typischen Frequenzbereich F2, so wird das nach dem herkömmlichen
Auswertealgorithmus abgeleitete Alarmsignal weitergeleitet. Ist
dagegen die Amplitude des Rauchdichteanteils A22 in dem für Tabakrauch
typischen Frequenzspektrum F2 größer als
im Frequenzbereich F1, so wird der Alarm unterdrückt.
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5 zeigt in einem Blockschaltbild
die erfindungsgemäße Auswertung
eines Rauchdichtemeßwertes.
Hierbei ist ein bekannter Rauchmelder, beispielsweise ein optischer
Rauchmelder 1, vorgesehen, der über einen Signalverstärker 2 seinen Meßwert MW
weitergibt. Dieser Meßwert
MW wird über
eine Gleichrichterfunktion 3 und eine Integrationsfunktion 4 zu
einem Summenmeßwert
MWS verarbeitet und einer Vergleichseinrichtung 5 zugeführt, wo
er mit einem Grenzwert G verglichen wird. Übersteigt der Summenmeßwert den
Grenzwert G, so wird ein Alarmsignal AL abgeleitet und weitergegeben.
Beim herkömmlichen
Auswerteverfahren würde dieses
Alarmsignal unmittelbar an eine Zentrale oder an eine sonstige Empfangsstelle
weitergeleitet.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird jedoch das Alarmsignal AL zunächst über ein Logikelement 6 geführt, wo
entschieden wird, ob das Alarmsignal an die Zentrale weitergeleitet
wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen System
wird der Meßwert
MW zusätzlich über eine
Frequenz-Auswerteeinrichtung 7 geführt. Diese enthält einen
Bandpaß,
gebildet von einem Hochpaß 8 und
einem dazu in Serie geschalteten Tiefpaß 9, womit ein bestimmter,
für einen
Täuschungsalarm
charakteristischer Frequenzbereich aus dem Rauchdichtemeßwert herausgefiltert
wird. Der so gewonnene Täuschungsfrequenzanteil
TFA wird über
eine Gleichrichterfunktion 10 und eine Integrationsfunktion 11 aufsummiert,
wodurch ein Täuschungsfrequenz-Summensignal
TFS gewonnen und einer Vergleichseinrichtung 12 zugeführt wird.
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Parallel
zu dem Bandpaß ist
weiterhin ein Tiefpaß 13 geschaltet,
der den Rauchdichteanteil unterhalb einer vorgegebenen Frequenz
von beispielsweise 2·10–3 Hz
liegt. Der so gewonnene Brandfrequenzanteil BFA wird ebenfalls über eine
Gleichrichterfunktion 14 und eine Integrationsfunktion 15 aufsum miert
und als Brandfrequenz-Summensignal BFS der Vergleichseinrichtung 12 zugeführt. Überwiegt
nun das Summensignal TFS für
die Täuschungsfrequenzen
gegenüber
dem Summensignal BFS für
die Brandfrequenzen, so wird in der Logikverknüpfung 6 das Alarmsignal
AL unterdrückt
und zunächst
nicht weitergeleitet. Wird jedoch im weiteren Verlauf tatsächlich ein
höherer
Anteil der Brandfrequenzen über
das Signal BFS festgestellt, so wird das in herkömmlicher Weise erzeugte Alarmsignal AL über die
Logikverknüpfung 6 weitergeleitet.
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Für einen
Fachmann ist es klar, daß die
in 5 gezeigten Funktionsblöcke in der
Praxis weitgehend als Software realisiert werden können. Im übrigen könnte eine
Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels darin bestehen,
daß eine
getrennte Filterung des Brandfrequenzanteils BFA über ein
Tiefpaßfilter 13 entfällt und
der über
den Bandpaß 8,9 gewonnene
Täuschungsfrequenzanteil
TFA bzw. das entsprechende Summensignal TFS direkt mit dem Summenmeßwert MWS
verglichen wird. Wenn in diesem Fall festgestellt wird, daß das Täuschungsfrequenz-Summensignal
SFS einem hohen Anteil – z.B.
mehr als der Hälfte – des Summenmeßwertes MWS
entspricht, wird eine Störung
angenommen und das Alarmsignal AL unterdrückt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So
ist es denkbar, die erfindungsgemäße Frequenzauswertung anstelle bei
der Rauchdichtemessung auch bei anderen Brandkriterien mit entsprechend
anderen Störungsquellen
einzusetzen.
