DE19902319A1

DE19902319A1 - Streulichtbrandmelder

Info

Publication number: DE19902319A1
Application number: DE19902319A
Authority: DE
Inventors: Heiner Politze; Martin Bemba; Tido Krippendorf
Original assignee: Caradon Esser GmbH
Current assignee: Novar GmbH
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: ATE261163T1; EP1022700A3; DK1022700T3; HK1028289A1; EP1022700B1; SI1022700T1; EP1022700A2; DE19902319B4; PT1022700E; DE50005467D1; ES2215499T3; US6218950B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von mit einem Streulichtsystem eines Brandmelders unter zwei Streu winkeln gemessenen Streusignalen, aus denen ein mit einer Alarmschwelle zu vergleichender Alarmwert gewonnen wird, sowie einen Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren ist aus der DE 42 31 088 A1 bekannt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß nur eine beschränkte Anzahl von Rauchsorten (Aerosolen) erkannt werden kann, da jedem Streuwinkel eine Alarmschwelle für eine bestimmte Rauchsorte zugeordnet ist.

Im allgemeinen erkennen herkömmliche Streulichtmelder dunkle Rauchsorten schlechter als helle Rauchsorten. Um eine si chere Alarmauslösung zu gewährleisten, muß die Empfindlich keit des Melders auf die Rauchsorten eingestellt werden, die der Melder am schlechtesten erkennt, d. h. i. d. R. auf dunkle Rauchsorten. Dies hat wiederum eine hohe Fehlalarmrate zur Folge, da der Melder auf helle Rauchsorten zu empfindlich reagiert. Folglich sind herkömmliche Streulichtmelder zum Einsatz z. B. in Großküchen oder Sägewerken ungeeignet, da die dort entstehenden intensiven Dämpfe und Stäube nicht von hellem Rauch unterschieden werden können. Dies führt zu einer hohen Fehlalarmrate.

Zur Branderkennung können auch Ionisationsrauchmelder einge setzt werden, welche sowohl dunkle als auch helle Aerosole gut erkennen. Der Nachteil dieser Rauchmelder liegt darin, daß der ermittelte Meßwert einer hohen Abhängigkeit von Luftströmungen unterliegt und daß eine Ionisationsquelle benötigt wird, die typischerweise ein Radionuklid umfaßt.

Des weiteren sind sog. Multisensormelder bekannt, die in einem Gehäuse vereint verschiedene Sensortypen umfassen, z. B. einen Streulicht- und einen Ionisationsmelder, und unterschiedliche Brandgüter und damit unterschiedliche Rauchsorten unterscheiden können. Solche Melder haben aber den Nachteil, daß sie sehr teuer sind, typisch ein Radio nuklid umfassen und der Rauch nicht von allen Sensoren zum selben Zeitpunkt am selben Ort innerhalb des Melders gemes sen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend genannten Gattung bereitzustellen, mit dem die Erkennung sämtlicher Rauchsorten möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Alarmwert in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Streusig nale bestimmt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren trägt der Tatsache Rechnung, daß in der Praxis häufig Mischbrände auftreten, deren Rauch sorten nicht immer eindeutig klassifizierbar sind. Es wird nur ein für die jeweilige Rauchsorte charakteristischer Hell-Dunkel-Quotient berechnet, mit dem die Unterscheidung unterschiedlicher Rauchsorten möglich ist.

Die Empfindlichkeit des Melders kann in Abhängigkeit von der Helligkeit der jeweiligen Rauchsorte ermittelt werden. Wird z. B. ein kleiner Hell-Dunkel-Quotient ermittelt, liegt ein heller Rauch vor und die Empfindlichkeit kann herabgesetzt werden. Entsprechend wird bei dunklen Rauchsorten, bei denen ein großer Hell-Dunkel-Quotient ermittelt wird, die Empfind lichkeit erhöht. Durch Einsatz des Verfahrens nach der Erfindung erhält man somit einen Melder, der für alle Rauch sorten die jeweils erforderliche Empfindlichkeit aufweist.

Es ist möglich, bestimmte Täuschungsgrößen wie z. B. Wasser dampf oder Stäube und Dämpfe aus Arbeitsprozessen zu erken nen und diese eindeutig von Rauch zu unterscheiden. Bei spielsweise liefert Wasserdampf einen charakteristischen Hell-Dunkel-Quotient. Selbst wenn diese Täuschungsgrößen in der gleichen Intensität wie bei einem Brand vorliegen, wird kein Alarm ausgelöst. Folglich ist ein Melder, der das Verfahren nach der Erfindung nutzt, auch in Umgebungen einsetzbar, in denen herkömmliche Melder aufgrund ihrer hohen Falschalarmanfälligkeit nicht einsetzbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfin dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung hat auch einen Streulichtbrandmelder mit einem Streulichtsystem zur Messung von Streusignalen unter zwei Streuwinkeln zum Gegenstand, der zur Durchführung des Ver fahrens geeignet ist.

Ausführungsbeispiele eines Streulichtmelders nach der Erfin dung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht darge stellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Meßaufbau des Streulichtsystems;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Durchführung des Auswerteverfahrens nach der Erfindung;

Fig. 3 die Höhe des Streusignals in Abhängigkeit vom Streuwinkel;

Fig. 4 einen Schaltungsaufbau eines Streulichtmel ders mit zwei Sendedioden;

Fig. 5 die Beschaltung zweier Sendedioden.

Fig. 1 zeigt den Meßaufbau in einer Meßkammer 24 eines Streulichtmelders. In der Meßkammer 24 sind ein Sender 20 und zwei Empfänger 21, 22 angeordnet. Die optischen Achsen des Senders 20 und der Empfänger 21 und 22 schließen einen Winkel kleiner 90° bzw. größer 90° ein. Der Meßaufbau umfaßt also eine Rückwärtsstreustrecke und eine Vorwärtsstreu strecke. Damit keine von dem Sender 20 ausgehende Strahlung ohne Streuung auf die Empfänger 21 und 22 trifft, umfaßt der Meßaufbau Sichtblenden 23.

Alternativ kann der Meßaufbau zwei Sender und nur einen Empfänger aufweisen.

Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild verdeutlicht das Verfahren nach der Erfindung. Von einer Fotodiode 20 abgege bene Strahlung wird, sofern ein Aerosol im Meßvolumen vor handen ist, gestreut und auf dem einer Vorwärtsstreustrecke zugeordneten Empfänger 22 und dem einer Rückwärtsstreu strecke zugeordneten Empfänger 21 gelenkt. Die beiden Em pfänger 22 und 21 messen jeweils eine Fotostrom, der mittels eines Strom-Spannungswandlers 7 bzw. 2 mit Umgebungslicht kompensation in eine Spannung umgewandelt wird. Integratoren 3 und 8 integrieren den Ruhewert auf. Aufgrund von Rest lichtreflektionen in der Meßkammer ist das Ruhesignal nicht null. Es gibt vielmehr einen geringen Restlichtanteil, der auch zur Funktionsüberprüfung des Streulichtmelders her angezogen werden kann.

Der Ruhewert wird von dem Meßsignal subtrahiert, so daß nur der reine Meßwert erhalten bleibt. Dann wird das Rückwärts streusignal einem Verstärker 5 zugeführt, der berücksich tigt, daß die Rückwärtsstreuung ein wesentlich kleineres Signal als die Vorwärtsstreuung liefert. Das Rückwärts- und das Vorwärtstreusignal müssen deswegen anders gewichtet werden. Der Verstärkungsfaktor V = V_st/R_stist eine empirisch ermittelte Konstante, die man aus verschiedenen Brandver suchen mit unterschiedlichen Materialien gewinnt. Der Quo tient V_st/R_st beschreibt das Verhältnis der Vorwärts- und Rückwärtsstreusignale. Bei einem hellen Rauch erhält man ein hohes Vorwärtsstreusignal und ein vergleichsweise kleines Rückwärtsstreusignal. Es folgt z. B. V = 14. Bei dunklem Rauch beträgt dieses Verhältnis z. B. nur noch V = 5, da der dunkle Rauch im Vergleich zu hellem Rauch ein geringeres Vorwärts streusignal, aber ein höheres Rückwärtsstreusignal liefert. Das Signal wird mit einer Arithmetik 10 analysiert, die über eine mathematische Zuordnung die Helligkeit des Rauchs be stimmt. In Verbindung mit weiteren Eingangsgrößen 11, z. B. der Temperatur, wird eine gewichtete Summe 12 errechnet, die mit einer Alarmschwelle verglichen wird.

Fig. 3 zeigt Streusignale in Abhängigkeit vom Streuwinkel. Als Parameter ist die Rauchsorte gewählt. Der charakteris tische Verlauf ist für alle Rauchsorten ähnlich. Das Signal steigt in Richtung große und in Richtung kleine Streuwinkel an. Baumwolle (Cotton) und Paraffin erzeugen helle Rauchsor ten, wogegen bei einem PU-Schaumbrand ein dunkles Aerosol entsteht. Bei einem großen Streuwinkel erzeugt ein Baumwoll- Aerosol ein sechs mal stärkeres Signal wie ein PU-Schaum- Aerosol. Im Minimum, bei ca. 70°, ist dieses Signal nur doppelt so stark. In Fig. 3b sind die Signale auf einen Rückstreuwinkel von 70° normiert. In dieser Darstellung sind nur die Signalunterschiede bei kleinen Rückstreuwinkeln und bei Vorwärtsstreuwinkeln zu erkennen. Diese Unterschiede werden zur Analyse der Helligkeit einer Rauchsorte benötigt.

Der in Fig. 4 dargestellte Schaltungsteil zeigt u. a. einen Photoverstärker, eine Sample & Hold-Stufe sowie einen weite ren Verstärker. V1 ist eine Infrarot-Empfangs-LED, N1 ein als I/U-Wandler arbeitender Operationsverstärker, der den von der LED gemessenen Photostrom in eine Spannung umsetzt. Durch einen Ananlogschalter D3 (A1, A2) wird entweder ein Widerstand R1 oder ein Widerstand R2 als Konvertierungs widerstand eingeschaltet. R1 wird während des Sendepulses, der etwa 100 Mikrosek. dauert, eingeschaltet und erzeugt ca. 10 mV/nA Photostrom. Wenn keine Photodiode aktiv ist, wird das Umgebungslicht in der zugeordneten Kammer gemessen und über R2 verstärkt. Über R3 wird C2 mit dem Strom, der proportional zum Restlicht ist, geladen. Zwei Analogschalter A1 und A2 werden im Gegentakt betrieben. Sendet eine der beiden Sendedioden, wird A1 geschlossen und A2 geöffnet. Dann speist C2 den Strom, der dem Umgebungslicht entspricht, in das Meßsignal ein. So wird eine Subtraktion des Restlich tes durchgeführt. Als Nutzsignal verbleibt das reine Meß signal. Mit dieser Schaltung können erhebliche Störungen, die externe Lichtquellen wie Scheinwerfer o. ä. erzeugen können, eliminiert werden.

Das Meßsignal lädt über einen Analogschalter A3 und einen Widerstand R4 einen Kondensator C4, A3, R4 und C4 bilden eine Sample & Hold-Stufe. Ein Spannungsteiler R5, R6 erzeugt für beide Operationsverstärker einen Gleichspannungsoffset, der mit Kondensatoren C21 und C23 wechselspannungsmäßig kompensiert wird.

Die Verstärkung des zweiten Operationsverstärkers beträgt V = 1+(R119/R7). Ein Kondensator C20 begrenzt die Verstärkung bei höheren Frequenzen. Das verstärkte Signal wird dem A/D- Wandler im Mikroprozessor zugeführt.

In Fig. 5 sind u. a. die Beschaltungen der beiden Sendedioden dargestellt. Die anderen Bausteine dienen zur internen Spannungserzeugung zum sicheren Anlaufen eines Mikrokontrol lers sowie zur Kommunikation mit einer Brandmeldezentrale.

Ein Kondensator C5, der über eine Konstantstromquelle V5 geladen wird, dient als Energiespeicher. Zwei Sendedioden V2 und V201 werden von Transistoren V4 und V204 angesteuert. Damit die von den beiden Sendern abgegebene und an einem ggfs. an einem in der Meßkammer vorhandenen Aerosol ge streute Strahlung mit einem möglichst geringen Zeitversatz gemessen werden kann, müssen die Transistoren mit einem mög lichst geringen Zeitversatz angesteuert werden (700 Mikro sekunden). Bei gleichzeitiger Ansteuerung könnte der Empfän ger die beiden Streusignale nicht mehr unterscheiden. Eine gleichzeitige Messung der beiden Streusignale ist aber möglich, wenn ein Streulichtsystem mit einer Sendediode und zwei Empfängern verwendet wird.

Der Sendestrom wird von Widerständen R52 und R520 bestimmt. Der der Vorwärtsstreustrecke zugeordnete Sender wird mit 150 mA betrieben, während der der Rückwärtsstreustrecke zugeord nete Sender mit einem um den Faktor 4 größeren Strom ange steuert wird.

Basisemitterwiderstände vor den Transistoren dienen zur Temperaturkompensation der Transistoren.

Ein hier nicht dargestellter Mikroprozessor bildet das zen trale Bauteil des Streulichtbrandmelders nach der Erfindung. Es handelt sich z. B. um einen 8 bit Prozessor mit integrier tem Analog/Digitalwandler.

Parameter können in einem seriellen EEPROM gespeichert sein. Die Parameter lassen sich mit Hilfe eines Computers und spezieller Software bearbeiten.

Claims

1. Verfahren zur Auswertung von mit einem Streulicht system eines Brandmelders unter zwei Streuwinkeln gemessenen Streusignalen, aus denen ein mit einer Alarmschwelle zu vergleichender Alarmwert gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Alarmwert in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Streusignale be stimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streusignal unter einem Rückwärtsstreuwinkel und ein Streusignal unter einem Vorwärtsstreuwinkel gemes sen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärtsstreuwinkel dem halben Vorwärtsstreuwin kel entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rückwärtsstreuwinkel 70° beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Streusignale die Helligkeit eines ggfs. vorhande nen Aerosols bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verhältnis der Streusignale der Faktor F
F = ((S_R/S_V) - 0.2)/0.6 für (S_R/S_V) zwischen 0.2 und 0.8,
F = 2 - ((S_R/S_V) - 0.2)/0.6 für (S_R/S_V) größer 1,
gewonnen wird, mit dem die Helligkeit eines ggfs. vor handenen Aerosols bestimmt wird, wobei S_R dem Rück wärtsstreusignal und S_V dem Vorwärtsstreusignal ent spricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Streusignale jeweils mit einem jeweils in Abhängigkeit von dem Ver hältnis der Streusignale ermittelten Faktor multipli ziert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Alarmwert eine gewichtete Summe der den Streu signalen entsprechenden Werte ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale in bezug zu min destens einer weiteren Eingangsgröße gesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Eingangsgröße die Umgebungstemperatur ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Streuwinkel ein Ruhewert ermittelt wird und der jeweilige Ruhewert von dem zu gehörigen Streusignal subtrahiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückwärtsstreusignal verstärkt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor zwischen 5 und 14 liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale gleichzeitig er mittelt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale alternierend er mittelt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale vor ihrer Verar beitung gefiltert werden.

17. Streulichtbrandmelder mit einem Streulichtsystem zur Messung von Streusignalen unter zwei Streuwinkeln, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16.