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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung von heißen Stellen,
die einen Brand bewirken könnten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vor
diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe,
einen einfachen Melder anzugeben, der auch sich langsam entwickelnde
Hitzestellen zuverlässig
diagnostiziert.
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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.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
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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.
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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.
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Selbstverständlich können anstelle
von auftretenden Hitzequellen auch Kältequellen erfaßt werden,
wo dies benötigt
wird.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 einen
Infrarot-Bewegungsmelder nach dem Stand der Technik,
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2 einen
erfindungsgemäßen Brandmelder
durch Bewegung eines Infrarot-Bewegungsmelders,
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3 eine
andere Ausführungsform,
bei der eine Schattenplatte im Innern bewegt wird.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.