DE1960218A1

DE1960218A1 - Temperaturstrahlungsdetektor zur automatischen Brandentdeckung oder Flammenueberwachung

Info

Publication number: DE1960218A1
Application number: DE19691960218
Authority: DE
Inventors: Rainer Portscht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-12-01
Filing date: 1969-12-01
Publication date: 1971-06-03

Description

Temperaturstrahlungsdetektor zur automatischen Brandentdeckung oder Flammenübrewachung Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor als Teil einer automatischen Brandentdeckungsanlage oder Flammenüberwachungseinrichtung, der auf die von Entstehungsbränden oder Flammen emittiere Temperaturstrahlung (DIN 54967 anspricht. Dabei werden die i folgenden näher ausgeführten igenschaften von Flammen ausgenutzt, un eine bessere Unterscheidung zwischen''dem Auftreten eines Entstehungsbrandes (oder dem Vorhandensein einer Flamme) und einer Täuschungsgröße zu erzielen. Als Täuschungsgröße sind bei einem Temperaturstrahlungsdetektor alle optischen Signale anzusehen, die ähnliche physikalische Eigenschaften besitzen wie die von den Detektoren überwachte Temperaturstrahlung (z.B. die Sonnenstrahlung oder die Strahlung von Beleuchtungskörpern) und die ein falsches ansprechen des Detektors (Fehlalarm) bewirken können.
Die von Entstehungsbränden oder Flammen ausgesandte Temperaturstrahlung ist wellenlängen- und zeitabhängig. Diese Eigenschaften werden von den bisher bekannten Typen von Flanimendetektoren zur besseren Erkennung der Flammen und Abgrenzung gegenüber Täuschungsgrößen in verschiedener Weise ausgenutzt.
Der eine Typ überwacht mit Hilfe von zwei Temperaturstrahlungsempfängern (Fotozellen)in zwei Wellenlängengebieten (z.B. im roten und blauen Teil des sichtbaren Spektralbereichs) selektiv die am Detektorort ankommende Bestrahlungsstärke und bildes über die zeitlichen Schwankungen einen gleitenden Mittelwert.
zur wenn die Widerstandsänderungen der beiden Demperaturstrahlungsempfänger als Reaktion auf die empfangene Bestrahlungsstärke ein für Flammen typisches Verhältnis anehmen, wird Alarm ausgelöst [1 bis 4], Beim zweiten Detektortyp wird die Zeitabhängigkeit der Temperaturstrahlung zur Brandentdeckung oder Flammenüberwachung ausgenutzt. Die optisch gefilterte Bestrahlungsstärke fällt auf ein fotoelektronisches Bauelement und wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Nur der durch das Flackern der Flamme modulierte Anteil (Wechselspannungskomponente) wird in einem elektrischen Filter selektiv, verstärkt, in einem Diodennetzwerk gleichgerichtet und in einem Tiefpaß geglättet. Die Ausgangsspannung des Tiefpasses wird als ständiger- analoger Meßwert einem Diskriminator zugeführt.
Sobald dieser Meßwert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird Alarm ausgelöst. Der Flammendetektor gibt also srst dann ein alarmsignal ab, wenn gleichzeitig folgende 4 Bedingungen erfüllt sind: 1) Die auf den Empfänger treffende Temperaturstrahlung muß eine Nindestgröße annehmen und muß 2) in dem Wellenlängenbereich liegen, in dem der Flammendetektor empfindlich ist.
3) Die empfangene Strahlung muß in charakteristischer Weise zeitlich moduliert sein.
4) Die Bedingungen- 1) bis 3) müssen eine vorgegebene Zeit lang erfüllt sein [5].
Wie eingehende Untersuchungen des Zeitverhaltens der von Flammen emittierten Temperaturstrahlung gezeigt haben, erfolgt die Strahlungsemission als Funktion der Zeit nicht in allen Intervallen des optischen Spektralbereichs gleichartig. Es wurde vielmehr beobachtet, daß in Wellenlängengebieten, in denen vorwiegend die Bandenstrahlung der Verbrennungsgase CO2 und E2° (z.B. bei 1,4; 1,9; 2,7 und 4,3 µm im infraroten Spektralbereich) emittiert wird, ein anderer zeitlicher Verlauf auftritt als in Wellenlängenbereichen, in denen vorwiegend die Strahlung der in den Flammen glühenden Rußpartikel ausgesandt- w'ird. Weiterhin konnte gezeigt werden, daX die von den Rußpartikeln emittierte Temperaturstrahlung sich in ihrem zeitlichen Verlauf unterscheidet, Je nachdem, in welchem Wellenlängengebiet sie nachgewiesen wird, und daß umso stärkere Schwankungen auftreten, je weiter sie im Sichtbaren oder Ultravioletten beobachtet wird.
Beschreibt,man das Zeitverhalten der Strahlung durch Leistungsdichtespektren, so bedeuten stärkere Schwankungen im Zeitverlauf höherfrequentere Komponenten im Verlauf des Leistungsdichtespektrums. In Abb. 2 sind zwei typische Leistungsdichtespektren ar Bestrahlungsstärke eines Spiritusbrandes als Funktion der Frequenz in doppelt logarithmischem Maßstab aufgetragen. In einer quadratischen Schale mit einer Oberfläche A = 31,6 cm² wurde Brennspiritus verbrannt.
Die Bestrahlungsstärke wurde gleichzeitig mit einem Bleisulfid-Fotowiderstand mit optischem Filter in Bereich der Bandenstrahlung der Verbrennungsgase CO2 und H2O bei 2,7 µm und mit einer Silizium-Fotodiode (Maximum der relativen spektralen Empfindlichkeit bei o,8 ym, langwellige Grenze bei 1,2 µm) im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich im Gebiet mit vorwiegender Rußstrahlung bei einem Abstand zwischein Brand und empfängern von 0,5 m gemessen.
Bei allen Testbränden (Spiritusbränden mit verschiedener Flüssigkeitsoberfläche in Schalen verschiedener geometrischer Form , IIolz- und Kunststoffbränden) wurden in den gemessenen Leistungsdichtespektren Maxima beobachtet, die - wie in Abb. 2 bei 7,9 Itz und Vielfachen -als urund- und Oberschwingungen eines Schwingungsmechanismus in den Flammen ar*esehen werden können. Die größte verwendete Schalenoberfläche betrug 1 m², weil man bei Bränden größeren Ausmaßes nicht mehr von ntstehungsbränden sprechen kann. Die Abhängigkeit der Grundfrequenzen von der Schalenoberfläche bei Spiritusbränden ist in Abb. 1 angegeben. Sie liegen zwischen 12 und 1 Hz.
Die im Bereich der Rußstrahlung ermittelten Leistungsdichtespektren weisen ausgeprägtere Maxima und über der Frequenz weni-er steile Ab fälle auf als die im Bereich der Gas-Bandenstrahlung ermittelten Leistun£sdichtespektren.
Der beschriebene Effekt wurde bei der Konstruktion eines Temperaturstrahlungsdetektors ausgenutzt, um zu erreichen, daß die Wahrscheinlichkeit des Entdeckens oder sicheren Überwachens einer Flamme (bzw. eines Brandes) bei gleichzeitiger Verringerung des Einflusses von Täuschungsgrößen gegenüber den bisher üblichen Flammen detektoren erhöht werden kann. Das Blockschaltbild des Detektors ist in Abb. 3 angegeben. Die Temperaturstrahlung wird parallel in 2 Zanälen mit Hilfe von 2 Temperaturstrahlungsempfängern (in der Regel fotoelektronische Bauelemente mit oder ahne optische Filter) gemessen.
Die resultierende relative spektrale Empfindlichkeit der beiden optoelektronischen Bauelemente ist so ausgewählt, daß mit dem einen das zeitliche Verhalten der Gasstrahlung und mit dem anderen das zeitliche Verhalten der Rußstrahlung gemessem werden kann. Eine 2-. Ausführungsform sieht die Kessung des Zeitverhaltens der Rußstrahlung mit beiden Temperaturstrahlungsempfängern in verschiedenen Wellenlängengebieten vor. Das elektrische Wechselspannungssignal (das dem Flackern der Flammen entspricht) wird in einem elektrischen Filter (z.B. in einem aktiven Bandpaßverstärker mit Doppel-T-Netzwerk -im Rückkopplungszweig nach Abb. 4) verstärkt, gleichgerichtet und geglättet.
Dieses Ausgangssignal wird einem elektronischen komparator zugeführt (Kanal 2 in Abb. 3). Will man zusätzlich den Abfall der Leistungsdichtespektren über der Frequenz zur Erhöhung der Entdeckungswahrscheinlichkeit eines Brandes bei gleichzeitiger Verbesserung des Abstands gegenüber Störgrößen ausnutzen, so kann eine Anordnung nach Abb. 3, kanal 1 gewählt werden.
Das empfangene Signal wird im elektrischen Teil des-Detektors so weiterverarbeitet, daß es parallel beispielsweise durch zwei Bandpaßfilter mit unterschtedlicher Verstärkung und Bandmittenfrequenz geschickt und anschließend gleichgerichtet und geglättet wird.
DiC beiden Ausgangssignale werden einem elektronischen Komparator zugelülsrt, der nur dann ein definiertes Signal an den Komparator K 2 abgibt, wenn die Differenz oder das Verhältnis der Ausgangsspannungen von TP 1 und TP -2 dem bewerteten Leistungsdichtespektrum von Flammen oder Bränden entspricht. Dabei kann in einem der 2 Filter auch der Gleichanteil des empfangenen Signals verstärkt werden. Der onparator K 2 löst erst dann ein Alarmsignal aus, wenn K 1 durchgeschaltet hat und das am Ausgang von TP 3 anliegende Signal dem Zeitverhalten der mit F 2 überwachten, von Flammen oder Bränden emittierten Temperaturstrahlung entspricht. In dem beschriebenen all kann Komparator K 2 durch einen Diskrirninator (SchwellenwertbausteIn) mit UND-Gatter ersetzt werden [1] D.F.Steele, Auslegeschrift Nr. 1 187 748, Auslegetag: 25.2.1965 A.W.Vasel Deutsches Patentamt, Bundesrepublik Deutschland [2] A.W.Vasel, Auslegeschrift Nr. 1 189 413, Auslegetag: 18.3.1965 R.W.Kalns Deutsches Patentamt, Bundesrepublik Deutschland [3] A.W.Vasel, Auslegeschrift Nr. 1 270 451, Auslegetag: 12.6.1968 R.W.Kalns Deutsches Patentamt, Bundesrepublik Deutschland [4] A.W.Vasel, Auslegeschrift Nr. 1 272 179, Auslegetag: 4.7.1968 R.W.Kalns Deutsches Patentamt, Bundesrepublik Deutschland [5] Ph.J.Cade, Auslegeschrift Nr. 1 024 851, Auslegetag: 20.2.1958 D.J.McDougall Deutsches Patentamt, Bundesrepublik Deutschland

Claims

2at o',tansnruch: 1. Temperaturstrahlungsdetektor zur automatischen Brandentdeckung oder Flammenüberwachung, gekennzeichnet dadurch, daß mit Hilfe eines optoelektronischen waalements (z.B. eines thermischen oder fotoelektronischen Strahlungsempfängers mit oder ohne optisches Filter oder optische Linse) die von Flammen oder Bränden emittierte Temperaturstrahlung im Wellenlängenbereich der Bandenstrahlung der Verbrennungsgase (z.B. H20 und C02 bei 1,4; 1,9;2,7 und 4,3 µm im infraroten Spektralgebiet) und gleichzeitig mit Hilfe eines zweiten optoelektronischen Bauelements die von den Rußpartikeln in den Flammen emittierte Temperaturstrahlung in einem Wellenlängenintervall im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralgebiet als Funktion der Zeit gemessen wird und daß die von den optoslektronischen Bauelementen erzeugt Wechselspannung als Reaktion auf die Emissionsschwankungen der Flammenstrahlung in mindestens 2 Kanälen weiterverarbeitet wird (Abb. 3), wobei elektrische Netzwerke mit Filtercharakteristik (z.B. realisiert durch aktive Bandpaßfilter mit Gleichspannungsverstärkern und RC-Netzwerken im Rüccopplungs- und Eingangszw-eig)EAbb. 43 mit einem Gleichrichter- und Tiefpaßnetzwerk in Kette geschaltet werden und die Bandmittenfrequenzen der Filter zwischen 1 und 20 Hz gewählt werden und daß ein Komparator die Differenz oder ,den Quotienten der beiden Ausgangssignale von Kanal 1 und Kanal 2 (Abb. 3) bildet und nur dann ein Alarmsignal abgibt, wenn die Differenz oder der Quotient dieser beiden Signale die für Flammen bzw. Brände typischen Werte annimmt(Komparator K 2 in Abb. 3), 2. Temperaturstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die absolute spektrale Empfindlichkeit der beiden optoelektronischen Bauelemente (F 1 und F 2) -einschließlich optischer Filter und Linsen- in Wellenlängengebieten liegt, in denen Flammen bew. Brände hauptsächlich Rußstrahling emittieren.

3. Temperaturstrahlungsdetektor nach anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß in einem oder In beiden Kanälen zwei Bandpaßfilter mit verschiedenen Bandmittenfrequenzen in Parallel-Schaltung verwendet werden (Abb. 3, Kanal 1), deren Verstärkungen und 3andmittenfrequenzen so ausgelegt sind, daß ein Komparator (K 1 in Abb. 3) nur dann ein Signal an einen weiteren Komparator (K 2 in Abb. 3) abgibt, wenn die Differenz oder der Quotient der ;leichgerichteten und geglätteten Ausgangsspannungen der Filter (TP 1 und TP 2 in Abb. 3) unter Berücksichtigung der Verstärkungen der Bandpaßfilter dem Verlauf des Leistungsdichtespektums der von Flammen emittierten Temperaturstrahlung entspricht (Abb. 2), wobei die Bandmittenfrequenzen zwischen 1 und 20 Hz gewählt werden oder in einem der zwei Filter die Gleichspannungskomponente (Frequenz O) oder das ungefilterte Signal verstärkt oder übertragen werden kann und daß Komparator K2 durch einen Diskriminator mit UND-Gatter ersetzt werden kann.

Grundfrequenz f0 # Abb. 1 Grundfrequenz f0 von Spiritusbränden als Funktion der Schalenoberfläche A