DE19744635B4 - Infrarot-Brandmelder - Google Patents

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Abstract

Melder zum Erkennen von stillstehenden Objekten (29) mit einer gegenüber ihrer Umgebung abweichenden Temperatur, aufweisend
– einen elektrischen Sensor (12) für Infrarot-Temperaturstrahlung mit einer Auswerteelektronik (14), die Temperaturschwankungen anzeigt, die schneller als Änderungen der Umgebungstemperatur erfolgen,
– eine Optik (31) für infrarote Strahlung, welche sich in ihrem Erfassungsbereich befindliche Objekte (29) auf den Temperatursensor abbildet,
– wobei sich zwischen Optik (31) und Sensor (12) eine Schattenplatte (30) befindet,
– und die Schattenplatte (30) relativ zu der Optik (31) bewegbar ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung von heißen Stellen, die einen Brand bewirken könnten.
  • Um Gebäude vor Bränden zu schützen, werden Brandmelder installiert, die beispielsweise eine schnelle Alarmierung der Feuerwehr bewirken sollen oder zumindest ein Wachpersonal zu einem zusätzlichen Inspektionsgang anregen. Diese Brandmelder reagieren auf Hitze oder Rauch. Dabei sind Melder auf Infrarotbasis bekannt, bei denen die von einer lokalen Überhitzung ausgehenden Infrarotstrahlen den Melder auslösen.
  • Es sind sehr empfindliche Infrarotsensoren bekannt, die beispielsweise in Infrarot-Bewegungsmeldern eingesetzt werden. Diese Infrarot-Bewegungsmelder erkennen die Ortsveränderung einer infraroten Strahlungsquelle durch ein Wechselspannungsfiler geringer Frequenz, welches häufig durch Vergleich der Ausgangsspannung des Sensorelements mit dem längerfristigen Mittelwert derselben Ausgangsspannung gebildet wird. In der Patentschrift US 4,321,594 ist ein solches passives Infrarot-Dektor-System angegeben, bei dem die Infrarotstrahlung von einer Fresnelscheibe gebündelt auf einen Infrarotdetektor fällt, ggfls. unter Ausfilterung bzw. Reflektion der sichtbaren Anteile des Lichts.
  • Sie sind jedoch zur Anzeige langsam auftretender Brandherde nicht geeignet, da das Sensorelement keine langfristig stabiles Ausgangssignal liefert, sondern dieses sehr langsam um wesentlich mehr als die zu erkennenden Signalunterschiede schwankt. Ursache hierfür ist insbeson dere ein pyroelektrischer Sensor, der die auftreffende Infrarotstrahlung in Wärme umwandelt, welche durch einen Temperatursensor gemessen wird. Daher ist das statische Ausgangssignal von der Temperatur abhängig und ein Vergleich mit einer vorgegebenen Schwelle für die Branderkennung nicht möglich.
  • In dem Artikel BÜCHER, Reimund: „Infrarotsichtgeräte und Wärmebildkameras" in brandschutz/deutsche Feuerwehr-Zeitung 8/1992, S. 514-521, wird u.a. ein Infrarotsichtgerät erläutert, mit dem flächenförmige Temperaturverteilungen nach Lage und Größe schnell analysiert werden können. Das Gerät nimmt die von Objektoberflächen abgegebene IR-Strahlung auf und setzt sie in ein IR-Bild um, bei dem die hellen Bereiche als erhöhte Temperatur identifiziert werden können. Dieses Infrarotsichtgerät kann zur Erkennung von Objekten benutzt werden, deren Temperatur zwischen –30°C und +140°C liegt.
  • Bei diesem Infrarotsichtgerät fällt die IR-Strahlung durch ein Infrarotfenster auf einen in einer Achse schwingenden Abtastspiegel mit einer Winkelschwingung von +/– 3° aus einer Ruhelage. Durch ein Objektiv gelangt die IR-Strahlung auf eine aus 48 Elementen bestehende Detektoranordnung, wobei der Bediener des Gerätes durch ein axiales Verschieben des Objektivs das Bild fokussiert, womit Objekte in weiter Ferne bis zu einer Nähe von ca. 1 m beobachtet werden können.
  • Aus der EP 0 311 148 A2 ist ein Melder zum Erkennen von stillstehenden Objekten mit einer gegenüber Ihrer Umgebung abweichenden Temperatur bekannt, der über einen elektrischen Sensor für Infrarot-Temperaturstrahlung verfügt. Dessen Signal wird von einer Auswertelektronik überwacht, von der ihrerseits ein Signal erzeugt wird, wenn Temperaturschwankungen schneller als die Änderung der Umgebungstemperatur erfolgen. Der Melder verfügt ferner über eine Optik für infrarote Strahlung, welche in ihrem Erfassungsbereich befindliche Objekte mit ortsabhängiger Intensität auf den Sensor abbildet und die von einer Schwenkeinrichtung gegenüber dem stillstehenden Objekt bewegt wird, so dass eine scheinbare Bewegung des stillstehenden Objektes bewirkt wird.
  • Bei einer optischen Abtastvorrichtung insbesondere für Ortungs- oder Zielverfolgungsgeräte, gemäß DE 68 12 272 U , findet ein bei exzentrischer Anordnung um die geometrische Hauptachse der Vorrichtung rotierbares, zur Erzeugung einer Abbildung des Beobachtungsfeldes und eines gleichzeitigen kreisförmigen Umlaufs des Bildfeldes auf der Oberfläche einer einem strahlungsempfindlichen Empfangselement vorgeschalteten, ruhenden, mit der Hauptachse zentrierten Modulatorscheibe dienendes Bündelungssystem Verwendung, bei dem als Modulatorscheibe eine innerhalb eines konzentrischen, kreisförmigen Bereichs jeweils radial verlaufende, abwechselnd undurchlässige Stege und durchlässige Spalten aufweisende Kreisscheibe dient.
  • Aus der EP 0 656 505 A1 ist ein Überwachungssystem mit wenigstens zwei Sensoren bekannt, deren Erfassungsbereiche sich überlappen. Es wird von dem Überwachungssystem nur dann ein Alarm ausgelöst, wenn eine Person in einem zu überwachenden Abschnitt von zwei benachbarten Infrarotdetektoren erfasst wird.
  • Vor diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, einen einfachen Melder anzugeben, der auch sich langsam entwickelnde Hitzestellen zuverlässig diagnostiziert.
  • Gelöst wird diese technische Problematik durch den Melder nach Anspruch 1, bei dem darauf abgestellt ist, dass dieser einen elektrischen Sensor für Infrarot-Temperaturstrahlung mit einer Auswerteelektronik aufweist, die Temperaturschwankungen anzeigt, die schneller als Änderungen der Umgebungstemperatur erfolgen, ferner eine Optik für infrarote Strahlung, welche sich in ihrem Erfassungsbereich befindliche Objekte auf den Temperatursensor abbildet, wobei sich zwischen Optik und Sensor eine Schattenplatte befindet und die Schattenplatte relativ zu der Optik bewegbar ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bekannten Infrarot-Bewegungssensoren für die Branderkenntnis geeignet wären, wenn das Signal einer sich gegenüber dem Brandmelder bewegenden Hitzequelle gegeben wäre. Da sich der Brandherd nicht bewegt, besteht die Erfindung darin, den Infrarot-Bewegungsmelder bekannter Bauart durch eine einfache Mechanik zu bewegen und so ein Signal auszulösen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Wechsel zwischen Stillstand und Bewegung verwendet und ein Brand nur dann gemeldet, wenn vor und nach der Bewegung kein, währende der Bewegung jedoch ein Signal vorliegt. Damit wird erreicht, daß sich bewegende Personen kein Signal auslösen. Wenn nämlich sich bewegende Personen vorhanden sind, so werden diese in Regel von sich aus den Brand erkennen. Damit wird dann erreicht, daß bei sich bewegenden Objekten zwar gegebenenfalls eine Nachtwache alarmiert wird, aber nicht die Feuerschutzeinrichtungen.
  • Die Erfindung kann mit handelsüblichen Bewegungsmeldern aufgebaut werden, indem diese an einer motorisch angetriebenen bewegten Halterung befestigt werden. Dabei wird dann Sensor und Optik gegenüber der Hitzequelle bewegt. Alternativ können auch die bestehenden Konstruktionen dahingehend modifiziert werden, daß entweder nur der Sensor im Innern durch einen Antrieb bewegt wird. Da das sich wechselnde Signal des zu erkennenden Objekts meist durch eine Optik dadurch bewirkt wird, daß das Objekt abwechselnd mehr oder minder gut auf den Sensor abgebildet wird, ist eine Bewegung der Optik in der Regel weitaus wirksamer. Wird der Sensor bewegt, so wird vorzugsweise auf dem Sensor ein zufälliges oder systematisches Muster von dunklen Stellen vorgesehen, so daß das von der Optik projizierte Signal durch die Bewegung mehr oder minder wirksam wird. Alternativ kann auch eine Platte mit dunklen Flecken oder anderen Mustern zwischen Sensor und Optik bewegt werden. Zur Bewegung dieser Platte kann ein Bimetall-Element dienen, da diese Bewegungsgeschwindigkeit für eine Erkennung ausreicht und damit bewegliche Teile wie Motoren oder Hubmagnete entfallen.
  • Selbstverständlich können anstelle von auftretenden Hitzequellen auch Kältequellen erfaßt werden, wo dies benötigt wird.
  • Es handelt sich daher um einen Brandmelder zum Erkennen von stillstehenden heißen Objekten mit einem Infrarot-Temperatursensor samt einer Auswerteelektronik, die Temperaturschwankungen anzeigt, sowie einer Optik, welche sich in ihrem Erfassungsbereich befindliche Objekte mit ortsabhängiger Intensität auf den Temperatursensor abbildet, und einer Einrichtung, die den gesamten Brandmelder, die Optik, den Sensor oder eine Musterplatte zwischen Optik und Sensor derart bewegt, daß eine scheinbare Ortsveränderung eines Objekts im Erfassungsbereich bewirkt wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen
  • 1 einen Infrarot-Bewegungsmelder nach dem Stand der Technik,
  • 2 einen erfindungsgemäßen Brandmelder durch Bewegung eines Infrarot-Bewegungsmelders,
  • 3 eine andere Ausführungsform, bei der eine Schattenplatte im Innern bewegt wird.
  • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
  • In 1 ist der Aufbau eines bekannten Infrarot-Bewegungsmelders gezeigt. Dieser besteht aus einem Gehäuse 10, welches beispielsweise über Schrauben 18 an einem an der Wand 17 angebrachten Arm 16 befestigt ist. An seiner Vorderseite ein optischer Sammler 11 angeordnet, in dessen Wirkungszentrum ein pyroelektrischer Sensor 12 angeordnet ist. Dessen Ausgangssignal wird, wie weiter unten beschrieben, durch eine Auswerteelektronik 14 ausgewertet. Der optische Sammler 11 ist üblicherweise eine System von Linsen. Der Aufbau ist ähnlich einer Fresnel-Linse, bei der mehrere Linsensegmente nebeneinander angeordnet sind. Während bei einer Fresnel-Linse üblicher Art die Linsensegmente meist konzentrisch derart gestaltet sind, daß die Brennpunkte und optischen Achsen zusammenfallen und die Wirkung einer einzigen großen Linse erzeugen sollen, ist bei dem optischen Sammler 11 zwar der Sensor 12 im gemeinsamen Brennpunkt der Segmente, diese sind jedoch in ihren optischen Achsen verschwenkt. Das Bild eines Gegenstandes, der sich in Richtung des Pfeiles A bewegt, wird daher zunächst von dem Strahl 15a erfaßt und auf den Sensor abgebildet. Sodann wird der Strahl 15a verlassen und das Bild auf dem Sensor verschwindet, bis der Strahl 15b erreicht wird und das Bild wieder erscheint. Der Sammler 11 ist infrarot-durchlässig, so daß ein sich in Richtung des Pfeiles A bewegender Gegenstand mit einer gegenüber der Umgebung abweichenden Temperatur abwechselnd auf den Sensor strahlt und abgeschattet wird. Daher entsteht durch die Bewegung ein Wechselsignal im Bereich zwischen 0,01 Hz und 1 Hz, welches durch die Auswerteelektronik 14 gefiltert und gleichgerichtet wird. Durch die relativ engen Strahlen wird gleichzeitig eine gute Bündelung und damit hohe Empfindlichkeit der Anordnung erreicht.
  • Diese Anordnung ist nicht geeignet, ein entstehendes Feuer zu erkennen. Zum einen könnte das Feuer in einem der abgeschatteten Bereiche entstehen. Dies ließe sich, wenn auch unter Verlust an Empfindlichkeit, durch eine herkömmliche (Fresnel-)Linse vermeiden, welches das gesamte Bild des zu überwachenden Bereichs auf den Sensor abbildet. Wesentliches Problem ist jedoch die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals des Sensors, wodurch eine Auswertung des Gleichspannungs-Anteils des Ausgangssignals des Sensors nicht zuverlässig genug ist.
  • In 2 ist eine erste Lösung gezeigt, die einen bekannten Bewegungssensor unverändert verwendet. Dieser ist jedoch auf dem Träger 16 in dem Lager 20 um eine vertikale Achse bewegbar angeordnet ist. Eine motorisch angetriebene Kurbelscheibe 21 versetzt über eine Schubstange 22 das Gehäuse 10 in eine Schwenkbewegung in Richtung des Doppelpfeiles C, wobei die Frequenz beispielsweise 0,1 Hz beträgt. Eine ortsfest vorhandene Hitzequelle 29 bewegt sich daher gegenüber dem Bewegungssensor 10 und führt zu einem Signal in der gleichen Art, als ob sich in der bekannten Anordnung nach 1 die Wärmequelle bewegen würde.
  • Anstelle des Antriebs mit Motor und Kurbelscheibe können auch andere Lösungen verwendet werden. Hierunter fallen Lösungen mit Gewindestangen, bei denen der Motor jeweils zur Umkehr der Bewegungsrichtung umgepolt werden muß. Besonders zweckmäßig ist eine Lösung mit einem Bimetall-Streifen, der durch eine alternierend bestromte Heizwicklung zu einer Schwenkbewegung veranlaßt wird. Dadurch entfallen Lager und die Geräuschbildung des Motors, so daß eine bessere Zuverlässigkeit erreicht wird.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich zunächst aus der Erkenntnis, daß eine Relativbewegung zwischen Hitzequelle 29, optischem Sammler 11 und Sensor 12 gewünscht ist. Anstelle also durch Bewegung des Gehäuses 10 die miteinander starr verbundene Kombination aus Sensor 12 und Sammler 11 zu verschwenken, kann auch (nicht gezeigt) der Sammler 11 beweglich angeordnet und verschwenkt oder verschoben werden.
  • Anstelle eines segmentierten Sammlers kann auch, wie in 3 gezeigt, eine Weitwinkel-Linse 31, auch als Fresnel-Linse gestaltbar, als Sammler eingesetzt werden, der den gesamten Erfassungsbereich auf den Sensor 12 projiziert. Zwischen Linse 31 und Sensor 12 ist eine Schattenplatte 30 angeordnet. Diese ansonsten für Infrarot durchsichtige Platte trägt ein regelmäßiges oder gestreutes Muster von undurchsichtigen Feldern, so daß ein ähnlicher Effekt wie durch den segmentierten Sammler 11 entsteht, daß nämlich Teile des Erfassungsgebiets ausgeblendet werden. Eine Verschiebung der Schattenplatte in Richtung des Pfeiles D bewirkt damit eine Modulation einer von der Hitzquelle 29 ausgehenden Infrarotstrahlung. Die undurchsichtigen Felder sollten in etwa so groß sein wie das durch die Linse 31 erzeugte, möglicherweise unscharfe Bild einer durchschnittlichen Hitzequelle 29 auf der Schattenplatte 30. Ist die Schattenplatte dicht vor einem Sensor mit beispielsweise fünf Millimeter Kantenlänge der aktiven Fläche, dann könnten die Felder einen Bereich zwischen einem halben und einem zehntel Millimeter Kantenlänge umfassen. Die Bewegungsamplitude in Richtung des Pfeiles D beträgt dann ungefähr soviel wie der Durchmesser der Felder. Da diese Amplitude sehr klein ist, können anstelle von motorischen und Bimetall-Antrieben auch solche mit Tauchspulen oder Piezo-Aktuatoren eingesetzt werden. Die Schattenplatte ist beispielsweise ein Stück Film von weniger als ein Quadratzentimeter, der auf die Membran einer dynamischen Mikrofonkapsel oder den Anker eines Minitur-Relais aufgesetzt ist und damit mit geringem Energieaufwand bewegt werden kann. Alle von der Konstruktion von elektromechanischen Minitur-Relais bekannten Techniken zur Bewegung können hierbei eingesetzt werden.
  • Die Schattenplatte kann auch direkt auf den Sensor 12 aufgebracht werden. Dann muß der Sensor als ganzes bewegt werden, wie durch den Pfeil E in 3 angedeutet ist. Dies ist z.B. für Piezo-, Tauchspul-, Bimetall- oder Klappanker-Antriebe kein Problem, wenngleich der Vorteil, daß weniger justiert werden muß, dadurch erkauft wird, daß die elektrischen Anschlüsse beweglich sein müssen.
  • Im übrigen ist eine kontinuierliche Bewegung nicht notwendig. So kann jeweils nach einer Pause von einer Minute eine Schwenkbewegung bewirkt werden. Dieses hat den Vorteil, daß der Sensor in den Pausenzeiten als Bewegungsmelder wirkt und zur Raumüberwachung verwendet werden kann. Hierzu ist anzumerken, daß die Brand-Früherkennung insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn die zu überwachenden Flächen nicht belebt sind und daher ein Bewegungsmelder ohnehin sinnvoll ist, um Eindringlinge zu erkennen. Bei der Lösung mit dem Bimetall-Antrieb ist dann auch die Position gut bekannt und einstellbar. Die maximale Pausen sind durch Brandsachverständige vorzugeben und hängen sicher auch von der jeweils erreichbaren erkennbaren Minimal-Temperatur ab.
  • In einer Weiterbildung ist im Erfassungsbereich eine fernschaltbare Glühlampe zum Testen der Anordnung angebracht. Hierbei wird von der Zentrale die Glühlampe eingeschaltet und eine Schwenkbewegung angestoßen. Dann muß eine Alarmsignal von dem zugeordneten Bewegungsmelder erzeugt werden. Anstelle der Glühlampe kann auch eine andere, passende Infrarot-Strahlungsquelle verwendet werden. Insbesondere dann, wenn Infrarot-Strahlungsquellen zur Heizung verwendetet werden, wird in bekannter Art eine Schaltung verwendet, die das Ausgangssignal des Melders invertiert, solange die Heizung eingeschaltet ist, wobei meist noch eine Totzeit für die Abkühlung vorgesehen wird. Es erfolgt also eine Meldung immer dann, wenn entweder bei ausgeschalteter Heizung eine Hitzequelle vorhanden oder bei eingeschalteter Heizung diese nicht erkannt wird.

Claims (6)

  1. Melder zum Erkennen von stillstehenden Objekten (29) mit einer gegenüber ihrer Umgebung abweichenden Temperatur, aufweisend – einen elektrischen Sensor (12) für Infrarot-Temperaturstrahlung mit einer Auswerteelektronik (14), die Temperaturschwankungen anzeigt, die schneller als Änderungen der Umgebungstemperatur erfolgen, – eine Optik (31) für infrarote Strahlung, welche sich in ihrem Erfassungsbereich befindliche Objekte (29) auf den Temperatursensor abbildet, – wobei sich zwischen Optik (31) und Sensor (12) eine Schattenplatte (30) befindet, – und die Schattenplatte (30) relativ zu der Optik (31) bewegbar ist.
  2. Melder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenplatte unmittelbar auf der Oberfläche des Sensors angebracht ist und gemeinsam mit dem Sensor bewegt wird.
  3. Melder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung durch ein elektrisch heizbares Bimetallelement bewirkt wird.
  4. Melder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung durch ein Tauchspulsystem bewirkt wird.
  5. Melder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung durch einen Klappanker-Antrieb bewirkt wird.
  6. Melder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine intermittierende Bewegung erfolgt und dass das Signal der Auswerteelektronik mit der Bewegung korreliert wird.
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