DE19913142A1 - Rauchdetektor mit Partikelsensor - Google Patents

Abstract

Ein Feuerdetektor, der einen Zähler für einzelne Rauchpartikel verwendet, enthält eine Laserdiode als Quelle für kohärentes Licht. Ein Aerosolkanal liegt in der Nähe der Diode, entweder bei einem Ausgangsport der Diode oder so angeordnet, daß er einen Bereich stimulierter Emission schneidet. Ein Lichtamplitudenerfassungselement, wie ein Photodetektor, ist so konfiguriert, daß es Veränderungen der Lichtintensität abhängig von der Anwesenheit einzelner schwebender Rauchpartikel erfaßt. Ein moduliertes Signal aus dem Detektor kann verarbeitet werden, um den Rauchtyp und die Rauchkonzentration zu ermitteln, um die Anwesenheit eines Feuers zu bestimmen. Eine unidirektionale oder bidirektionale Strömung der Partikel kann mit Hilfe ventilloser Festkörperstellglieder vorgesehen werden. Mehrkanalausgangssignale können mit einer einzigen Quelle, mit mehreren Sensoren oder mit mehreren Quellen/Sensoren-Paaren vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft Rauchdetektoren. Spezieller be­ trifft die Erfindung solche Detektoren, die einzelne Rauch­ partikel erfassen und zählen können.

Feuerdetektoren haben sich als wertvolle Sicherheits­ werkzeuge erwiesen, weil man von ihnen üblicherweise erwarten kann, daß sie eine frühe Warnung eines sich entwickelnden Feuers in einem Gebiet liefern. Bekannte Feuerdetektoren verwenden verschiedenartige Sensoren. Es werden z. B. Tem­ peraturdetektoren verwendet, um eine Erhöhung der Umgebungs­ temperatur zu erfassen. Rauchdetektoren mit Ionisierungs­ sensoren oder photoelektrischen Sensoren erfassen das Vor­ handensein von in der Luft schwebenden Teilchen in einem überwachten Bereich. Gasdetektoren erfassen das Vorhandensein und die Konzentration eines oder mehrerer Gase.

Während die bekannten Detektoren brauchbar sind, sind sie jedoch so konzipiert, daß sie das Vorhandensein einer ausge­ wählten Makro-Bedingung erfassen. Wärmesensoren erfassen z. B. im allgemeinen die Temperatur der Luft, die sich in einem überwachten Bereich bewegt. Hierzu werden nicht die Tempera­ tureigenschaften einzelner Luftmoleküle erfaßt. Vielmehr werden mehrere Moleküle abgefühlt, um eine mittlere Tempera­ turangabe vorzusehen. Ähnlich erfassen sowohl Ionisierungs-Rauch­ detektoren als auch photoelektrische Rauchdetektoren die Rauchkonzentration in einem Bereich. Dieser umfaßt eine große Anzahl Rauchpartikel.

Als eine Folge dieser Erfassungsverfahren sind bekannte Detektoren in bezug auf die Verringerung ihres Energiebedarfs und ihrer Größe und die Senkung der Herstellungskosten, welche erreichbar sind, begrenzt. Es wäre wünschenswert, die Vorteile der heutigen Verarbeitungstechnologie für integrierte Schalt­ kreise ausnutzen zu können und einen physisch kleinen, kosten­ günstigen Niederleistungs-Rauchdetektor herzustellen. Ein sol­ cher Detektor würde vorzugsweise auf einzelne Rauchpartikel reagieren, anstatt auf das Vorhandensein einer großen Anzahl Partikel, um Information über die Art des Rauchs und der Kon­ zentration zu liefern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein System zum Erfassen von in der Luft schwebenden Verbrennungspartikeln mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Ana­ lysieren von in der Luft schwebenden Partikeln mit den Verfah­ rensschritten von Anspruch 13 vor.

Ein Niederleistungs-Festkörper-Partikelsensor gemäß der Erfindung umfaßt eine Laserdiode als Quelle für kohärentes Licht. Bekannte Laserdioden haben Strahlausgangsöffnungen (Ports) in der Größenordnung von 1×5 µm. Vorzugsweise werden die Laserdioden verwendet, welche die kleinstmöglichen Aus­ gangsöffnungen haben. Ausgangsöffnungen mit Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm×1 µm sind hierfür geeignet.

Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein Strömungsweg in der Nachbarschaft der Ausgangsöffnung angeordnet, der so dimensioniert ist, daß er eine serielle Strömung aus beab­ standeten, einzelnen Rauchpartikeln zuläßt. Der Strömungsweg hätte vorzugsweise Abmessungen, die vergleichbar denen der bekannten Partikelgröße sind, z. B. in der Größenordnung von 3 µm. Es ist bekannt, daß die übliche Rauchpartikelgröße in der Größenordnung von 0,1 bis 1 µm liegt. Es ist auch bekannt, daß solche Partikel dazu neigen, sich in Strömungskanälen selbst zu zentrieren, und daß sie nicht dazu neigen, sich entlang der Kanalwände anzusammeln.

Gemäß eines weiteren Aspekts kann ein Photosensor, wie eine Photodiode, in der Nachbarschaft der Ausgangsöffnung der Quelle angeordnet werden, wobei ein Teil des Strömungsweges zwischen diesen liegt. Rauchpartikel, die sich durch den Strömungsweg bewegen, gehen somit jeweils einzeln vor dem Strahl vorbei und modulieren diesen.

Das elektrische Ausgangssignal des Sensors liefert eine Angabe über die Größe und Geschwindigkeit des Partikels, der gerade den Energiestrahl verdeckt. Abhängig von den jeweiligen Rauch- oder Aerosolpartikeln, die durch den Strömungsweg ge­ hen, treten modulierte Ausgangssignale des Sensors auf. Alter­ nativ kann der Sensor so ausgerichtet werden, daß er Licht erfaßt, das von den einzelnen Partikeln reflektiert wird.

Ein Feuerdetektor, der einen Sensor für einzelne Rauch­ partikel verwendet, umfaßt eine Laserdiode als Quelle für ko­ härentes Licht. Ein Aerosolkanal liegt in der Nachbarschaft der Diode, entweder bei einer Ausgangsöffnung der Diode oder so angeordnet, daß er einen Bereich stimulierter Emission schneidet. Ein Lichtamplitudenmeßelement, wie ein Photo­ detektor, ist so konfiguriert, daß es Änderungen der Licht­ intensität abhängig von dem Vorhandensein einzelner in der Luft schwebender Rauchpartikel erfaßt.

Ein moduliertes Signal, das von dem Detektor kommt, kann verarbeitet werden, um die Rauchart und -konzentration zu ermitteln, um festzustellen, ob ein Feuerprofil vorliegt oder nicht. Ein Aspekt der Erfindung sieht einen Schaltkreis zum Analysieren der Größe der erfaßten Feststoffpartikel vor, um die Art des Feuers zu bestimmen. Ein Schaltkreis zum Ermitteln des Abstands zwischen den Partikeln kann dazu verwendet wer­ den, die Rauchkonzentration zu erhalten. Zu Analysezwecken kann eine Mustererkennungsschaltung verwendet werden.

Mit Hilfe ventilloser Festkörper-Stellglieder kann eine Strömung der Partikel in nur eine Richtung oder in zwei Rich­ tungen (bidirektional) vorgesehen werden. Alternativ kann die Partikelströmung thermisch induziert werden.

Gemäß eines weiteren Aspekts können mehrere Detektoren in einer Anordnung angeordnet werden. In solchen Anordnungen kann sowohl die Absorption als auch die Streuung ausgenutzt werden, um Signale zu erzeugen, die das Vorhandensein von Feststoff­ partikeln, die Partikelgröße und -konzentration angeben. Alternativ können mehrere Laserquellen verwendet werden, die Licht unterschiedlicher Frequenzen emittieren. Die Positionen eines oder mehrerer Photodetektoren können relativ zu der Quelle verändert werden.

Gemäß eines weiteren Aspekts können Feststoffpartikel, die erfaßt wurden, mit einer zweiten Quelle beleuchtet werden, z. B. mit einem zweiten Laser, der vielleicht eine andere Aus­ gangsfrequenz hat. Dieses Beschießen von einzelnen Partikeln mit Strahlungsenergie kann eine Veränderung der Partikelgröße oder anderer wahrnehmbarer Eigenschaften bewirken. Die Par­ tikel, welche die veränderten Eigenschaften aufweisen, können wiederum für "vor" und "nach" der Analyse erfaßt werden.

Zahlreiche weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlich aus der folgenden detaillierten Be­ schreibung der Erfindung und ihrer Ausführungsformen, aus den Ansprüchen und den Zeichnungen. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Partikelzählers gemäß der Erfindung;

Fig. 1A eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Detek­ tors der Fig. 1;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Partikelzähler der Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils des Partikelzählers der Fig. 1;

Fig. 4A eine vergrößerte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Laserquelle;

Fig. 4B eine vergrößerte Seitenansicht nach einer anderen Ausführungsform einer Laserquelle;

Fig. 5 eine vergrößerte Teil-Seitenansicht nach einer weiteren Ausführungsform einer Laserquelle;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Partikelzählers, der dem von Fig. 1 entspricht und eine ventillose Fest­ körperpumpe zum Bewegen von Partikeln enthält;

Fig. 6A eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Pumpe der Fig. 6;

Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Partikelzählers, der eine Festkörperpumpe enthält;

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Partikelzählers, der eine Photosensoranordnung enthält;

Fig. 8B eine vergrößerte Seitenansicht eines Partikelzäh­ lers, der eine Anordnung aus Quellen und Sensoren enthält; und

Fig. 9 eine vergrößerte Seitenansicht noch einer anderen Ausführungsform eines Mehrfachquellen-Partikel­ zählers.

Während die Erfindung in vielen verschiedenen Formen realisiert werden kann, sind in den Zeichnungen und in dieser Beschreibung bestimmte Ausführungsformen der Erfindung mit weiteren Einzelheiten unter der Prämisse ausgeführt, daß die vorliegende Offenbarung als ein Beispiel der Grundsätze der Erfindung betrachtet werden soll und die Erfindung nicht auf die spezifischen, erläuterten Ausführungsformen beschränken soll.

Es wird vorausgesetzt, daß Rauchpartikel eine Durch­ messerschwankung innerhalb eines Bereichs in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0 µm aufweisen. Bei einem Verdunkelungsgrad von 2% pro Fuß werden sie einen Abstand in der Größenordnung von 10 : 100 µm haben.

Es ist ferner bekannt, daß bei konstanten Verdunkelungs­ pegeln kleinere Partikel, die ein Anzeichen heißerer Feuer sind, näher beieinanderliegen. Zusätzlich brennen verschiedene Materialien unter verschiedenen Bedingungen und erzeugen ver­ schiedene Partikelgrößenverteilungen. Die schwankenden Eigen­ schaften der Rauchpartikel können daher in Kombination mit der Partikelkonzentration dazu verwendet werden, ein oder mehrere Energiestrahlen auf Partikelbasis zu reflektieren, zu streuen, zu absorbieren oder zu verdunkeln.

Fig. 1 zeigt ein Partikelzählsystem 10 gemäß der vor­ liegenden Erfindung. Das System der Fig. 1 sowie zahlreiche beschriebene Alternativen können dazu verwendet werden, phy­ sisch kleine, kostengünstige Rauchdetektoren mit niedrigem Energiebedarf zu realisieren. Das System kann einzelne Rauchpartikel zählen und deren Eigenschaften analysieren.

Das System 10 umfaßt eine Festkörperlaserquelle für Strahlungsenergie 12. Die Quelle 12 könnte z. B. als eine Festkörperlaserdiode realisiert werden. Es ist bekannt, daß solche Dioden einen monochromatischen Energiestrahl aus einer Ausgangsöffnung (Port) senden, wenn elektrische Energie ange­ legt wird. Ein optischer Resonanzkanal oder Hohlraum ist bei einem pn-Übergang der Laserdiode ausgebildet. Die Enden des Kanals sind durch reflektierende Flächen oder Ebenen begrenzt. Bei bekannten Laserdioden liegt die Ausgangsöffnung an einem Ende des Kanals.

Das System 10 umfaßt auch einen Sensor 14. Der Sensor 14 könnte z. B. als Photodiode realisiert werden.

Die Elemente 12 und 14 werden voneinander getrennt auf einer Unterlage 16 getragen. Das System 10 kann in einem Gehäuse 16a untergebracht sein. Es kann über eine Batterie oder über eine andere elektrische Quelle 18 versorgt werden und eine Steuerschaltung 18a enthalten.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist der Partikelsensor 14 von einer Ausgangsöffnung 12a des Lasers 12 eine Strecke entfernt, die der Breite eines Rauchpartikelströmungswegs 20 entspricht, was in den Fig. 1A, 2 und 3 mit weiteren Einzel­ heiten gezeigt ist.

Der Strömungsweg 20 hat Abmessungen, die in derselben Größenordnung liegen, wie die Abmessung des Rauchpartikeltyps, der gezählt oder erfaßt wird. Der Strömungsweg 20 könnte z. B. so konfiguriert werden, daß seine Breite und Tiefe in der Größenordnung von 3 µm×3 µm liegen. Mit solchen Abmessungen können Rauchpartikel, wie die Partikel P1, P2 und P3, dazu gebracht werden, einzeln und mit Abstand zueinander durch den Kanal 20 zu strömen.

Ein repräsentativer Rauchpartikel, z. B. P2, wird, wenn er vor einem Energiestrahl 12b vorbeigeht, der bei einer Aus­ gangsöffnung 12a ausgesendet wird, zumindest teilweise einen Teil der Strahlungsenergie verdecken, die auf die Photodiode 14 auftrifft. Dieses Verdecken durch einzelne Rauchpartikel, welche durch den Kanal 20 gehen, führt seinerseits dazu, daß die Photodiode 14 ein sich veränderndes elektrisches Signal ausgibt, das eine Angabe über die Abnahme und Zunahme der Menge der Strahlungsenergie liefert, die auf den Detektor 14 auftrifft, während einzelne Rauchpartikel, wie der Partikel P2, den Kanal 20 entlang durch den Strahl 12b gehen.

Mit den beispielhaften Abmessungen, die anhand des Kanals 20 gezeigt wurden, kann der Durchtritt einzelner Rauchpartikel gezählt werden. Zusätzlich können, wie noch erläutert wird, die Art der Rauchpartikel und Informationen in bezug auf den Konzentrationsgrad mit Hilfe des Systems 10 abgeleitet werden. Das Ausgangssignal der Diode 10, das abhängig von der Größe, Geschwindigkeit und Konzentration der durchgehenden Fest­ stoffpartikel variieren wird, kann somit durch eine nachge­ schaltete Verarbeitungsschaltung analysiert werden, um sicherzustellen, ob die erfaßten Feststoffpartikel ein Feuer­ profil nachweisen. Reflektiertes oder gestreutes Licht könnte ebenso erfaßt werden, ohne den Bereich der Erfindung zu ver­ lassen.

Man wird verstehen, daß die Feststoffpartikel P1, P2, . . . Pn dazu neigen, entlang der Mittelachse des Kanals 20 zu gehen. Solche Feststoffpartikel werden in der Regel nicht von der Oberfläche des Lasers 12 oder des Sensors 14 angezogen und/oder haften nicht an diesen, wenn sie zwischen ihnen strömen.

Während das System 10 so ausgelegt ist, daß der Kanal 20 zwischen der Ausgangsöffnung 12a des Lasers 12 und der davon entfernten Diode 14 liegt, weichen auch andere Konfigurationen nicht vom Bereich der Erfindung ab. Fig. 4A zeigt z. B. eine alternative Konfiguration einer Laserdiode 30. Die Diode 30 ist aus einem Halbleiterkörper 32 mit einem pn-Übergang auf­ gebaut, der eine Laserschwingung erzeugen kann.

Eine Photodiode 34 ist mit einem Ende des Körperab­ schnitts (Body) 32 bei einer Ausgangsöffnung gekoppelt. Ein Strömungskanal 36 ist teilweise in dem Körper 32 der Diode 30 ausgebildet. Der Strömungskanal 36 schafft einen Pfad, durch den in Verbindung mit der Erzeugung der erforderlichen op­ tischen Schwingung, die durch einen monochromatischen Aus­ gangsstrahl gekennzeichnet ist, stimulierte optische Emission gehen muß.

Der Kanal 36 verläuft teilweise quer durch den Körper, im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stimulier­ ten Emission durch den Körper 32. Diese Konfiguration macht es möglich, daß Rauch-Feststoffpartikel, die durch den Kanal 36 gehen, in den optischen Schwingungsprozeß eingreifen. Dadurch wird wiederum die Ausgangsstrahlungsenergie verringert. Diese Verringerung oder Veränderung kann ihrerseits von der Photo­ diode 34 erfaßt werden.

Fig. 4B zeigt eine Alternative, bei der eine Laserdiode 30a in einem Halbleiterkörper 32a ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 4B geht ein Kanal 36a durch den Kör­ per 32a, der konzentrisch zu einem Kanal ist, durch den die stimulierte Emission läuft. Das Vorhandensein von Rauch-Fest­ stoffpartikeln in dem Kanal interferiert mit dem optischen Schwingungsprozeß und kann von einem benachbarten Photosensor 34a wie oben erläutert erfaßt werden.

Noch eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt. In Fig. 5 ist ein System 40 gezeigt, das einen Laserhalbleiter 42 und eine zugehörige Photodiode 44 umfaßt. Die Photodiode 44 liegt bei einem ersten Ende 42a des Laserhalbleiters 42. Eine Strahlungsenergie-Ausgangsöffnung 42b liegt in der Nähe des Photosensors 44.

Ein Rauchpartikelkanal 46 ist zwischen einem zweiten Ende 42b des Halbleiters 42 und einem reflektierenden Element 48 ausgebildet. Um eine optische Resonanzbedingung herzustellen, d. h. um die notwendige stimulierte Emission dazu zu bringen, einen monochromatischen Ausgangsstrahl an der Ausgangsöffnung 42b zu erzeugen, arbeitet der Halbleiterkörper 42 mit dem Reflektor 48 zusammen. Wie in Fig. 5 gezeigt, geht Strah­ lungsenergie R1, die von der Oberfläche 42b emittiert wird, zu dem Reflektorelement 48, wird dort reflektiert und tritt wieder in den Laserkanal 42b des Körpers 42 ein und trägt dadurch weiter zu der optischen Resonanz bei.

Das Vorhandensein von Rauch-Feststoffpartikeln P1, P2 in dem Kanal 46 interferiert mit dem optischen Resonanzprozeß. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der Durchgang der Feststoffpar­ tikel, wie des Partikels P1, durch den Kanal 46 teilweise die Ausbreitung der Strahlungsenergie R1 von dem Kanal 42d zu dem reflektierenden Element 48 verhindern. Wenn sie auf dem Weg zu dem reflektierenden Element 48 nicht blockiert wird, kann die Strahlungsenergie R1' von dem Feststoffpartikel P1 auf dem Rückweg von dem reflektiven Element 48 blockiert werden. In diesem Fall kann erwartet werden, daß das Ausgangssignal des Photosensors 44 eine Angabe über die Bewegung des Partikels durch den Kanal 46 aufgrund der Interferenz mit dem optischen Prozeß oder Resonanzprozeß liefert. Es kann erwartet werden, daß die Struktur der Fig. 5 ein verbessertes Signal-Rausch-Ver­ hältnis ergibt, weil die Feststoffpartikel in dem Kanal 46 sowohl die ausgehende Strahlung R1 als auch die reflektierte, zurückkommende Strahlung R1' behindern.

Fig. 6 zeigt noch einen weiteren Aspekt des Systems 10. Im Hinblick auf die Abmessung des Kanals 20 ist es vorteil­ haft, eine Art eines Antriebs für die Feststoffpartikel zu schaffen, damit diese durch den Kanal 20 gehen. Es könnte z. B. ein Ventilator verwendet werden, um einen Überdruck zu er­ zeugen, damit die Feststoffpartikel durch den Kanal 20 strö­ men. Alternativ kann ein Ventilator dazu verwendet werden, einen Unterdruck zu erzeugen, um die Feststoffpartikel durch den Kanal 20 zu ziehen.

Festkörpereinrichtungen können für den Zweck eingesetzt werden, Feststoffpartikel in den Kanal 20 zu ziehen und sel­ bige aus diesem auszustoßen. Es kann z. B. eine Festkörperpumpe 60 an einem Ende des Kanals 20 vorgesehen werden, um abhängig von einem angelegten elektrischen Signal eine reziproke Bewe­ gung der Feststoffpartikel in dem Kanal 20 zu erzeugen.

Es ist bekannt, daß piezoelektrische Elemente, die häufig dazu verwendet werden, einen hörbaren Alarm in einem Rauch­ detektor zu erzeugen, dies tun, indem sie physisch hin- und herschwingen, analog zu der Art, wie sich das Zentrum der Stirnseite einer Stahltrommel bewegt, wenn es herabgedrückt wird. Dieser Schwingungsmodus kann dazu verwendet werden, Feststoffpartikel in den Kanal 20 zu ziehen, wenn er in eine erste Richtung geht, und wenn die Bewegung danach in die entgegengesetzte Richtung verläuft, werden die Feststoffpar­ tikel aus dem Kanal 20 ausgestoßen. Das Piezoelement sieht somit eine Art einer ventillosen Festkörperpumpe vor, die vorhandene Feststoffpartikel zum Zählen und Analysieren partikelweise in den Kanal zieht und danach die Feststoff­ partikel ausstößt.

Alternativ kann Wärme, die durch Absorption der Strah­ lungsenergie aus den Laserquellen erzeugt wird, als ein Mittel zur Erzeugung einer Strömung der Feststoffpartikel durch den Kanal 20 eingesetzt werden.

Fig. 7 zeigt eine weitere Konfiguration, bei der ein piezoelektrisches Element dazu verwendet wird, Feststoff­ partikel in einen Kanal zu ziehen. Der Partikelzähler 10a der Fig. 7 umfaßt eine Laserquelle 12-1 und einen Photodetektor 14-1. Der Kanal 20-1 erstreckt sich dazwischen.

Ein piezoelektrisches Beugeelement trägt die Photodiode 14-1. Abhängig von dem Anlegen elektrischer Energie lenkt das piezoelektrische Element aus und bewegt die Photodiode 14-1 axial relativ zu der Quelle 12-1, wodurch Feststoffpartikel in den Kanal 20-1 zwischen diesen gezogen werden.

Das System 10a zeigt somit eine andere Form einer ventil­ losen Festkörperpumpe, die dazu verwendet werden kann, eine Partikelströmung zu erzeugen, bei der die Partikel einzeln an der Kombination aus Quelle und Detektor 12-1/14-1 vorbeigehen. Dies erzeugt seinerseits ein sich veränderndes elektrisches Ausgangssignal des Detektors 14-1, das im Hinblick auf die Art des Rauches und seine Konzentration analysiert werden kann.

Man wird verstehen, daß nach Bedarf ein geeigneter Filter am Eingang des Kanals 20 angeordnet werden kann, um in der Luft schwebende Feststoffpartikel, die nicht Rauch sind, wie Haar, Staub und dergleichen, auszuschließen.

Fig. 8A zeigt eine weitere Form eines Partikelzählsystems 10b. Dieses System umfaßt eine Laserquelle 12-2 und eine Photodiodenanordnung 14-2, die mit Abstand zur Ausgangsöffnung der Quelle 12-2 angeordnet ist, wobei sich ein Partikelkanal 20-2 zwischen diesen erstreckt.

Die Anordnung 14-2 kann entweder zweidimensional oder dreidimensional realisiert sein. Die verschiedenen Elemente der Anordnung 14-2 reagieren sowohl auf absorbierte als auch gestreute Strahlungsenergie, während Feststoffpartikel, wie der Partikel P1, durch den Kanal 20-2 gehen. Die Verwendung einer Anordnung, wie die Anordnung 14-2, die mit mehreren Festkörperdetektoren realisiert werden könnte, welche auf einem einzigen Substrat ausgebildet sind, und somit sehr klein sein könnte, ermöglicht die Durchführung einer Mehrkanalana­ lyse einzelner Rauchpartikel.

Eine andere Form einer Mehrkanalstruktur kann mit einer Reihe paralleler Quellen 12-3, 12-4, . . ., 12-n realisiert werden, wie in Fig. 8B gezeigt. Die Laserquellen der Fig. 8B können so konfiguriert werden, daß sie Lichtstrahlen unter­ schiedlicher Frequenzen erzeugen. Die Ausgangssignale der je­ weiligen Photosensoren, die abhängig von den einzelnen, durch sie erfaßten Partikel sind, können auch dazu verwendet werden, eine Mehrkanalanalyse der Eigenschaften der Rauchpartikel und ihrer Konzentration auszuführen, um ein Feuerprofil zu be­ stimmen.

Man wird verstehen, daß die verschiedenen erfaßten Partikel von einer zugehörigen Steuerschaltung 18a genutzt werden, um Verteilungen der Partikelgröße oder Verteilungen anderer feuerspezifischer Eigenschaften zum Zwecke der Analyse abzuleiten. Die Verteilungen können ihrerseits dazu verwendet werden, ein Feuerprofil zu bestimmen. Die Schaltung 18a kann nach Wunsch für die Quelle 12 dezentral vorgesehen werden.

Alternativ kann sie teilweise dezentral und teilweise in einer entfernten gemeinsamen Datenübertragungseinheit oder Konsole liegen.

Mehrkanal-Partikelzähler der in den Fig. 8A und 8B gezeigten Art machen es ihrerseits möglich, Verteilungen der erfaßten Partikel oder Eigenschaften der erfaßten Partikel gestützt auf den Grad des abgeblockten Lichtes zu erzeugen, welche die Partikelgröße sowie den Abstand zwischen den Partikeln angeben, wodurch wiederum die Rauchkonzentration erfaßbar ist. Sie können diese Eingangssignale z. B. für Analysenzwecke an eine Mustererkennungsschaltung liefern.

Fig. 9 zeigt noch eine andere Form eines Partikelzähl/Analyse Systems mit mehrfachen Quellen/Detektoren 70. Das System 70 umfaßt mehrere Analyselaser 72a, 72b zusammen mit den zugehörigen Sensoren 74a und 74b. Ein Kanal 76a erstreckt sich zwischen diesen.

Feststoffpartikel können in den Kanal 76a mit Hilfe einer ventillosen Festkörperpumpe 76b injiziert werden. Während sich die Feststoffpartikel in dem Kanal 76a bewegen, kann ihre Anwesenheit von den Sensoren 74a und 74b erfaßt werden. Signale aus diesen Sensoren können wie oben beschrieben verarbeitet werden.

Zwischen den Quellen 72a und 72b ist eine weitere Strahlungsenergiequelle 72c angeordnet. Der Zweck der Quelle 72c besteht darin, Strahlungsenergie oder Licht in die Feststoffpartikel einzuschießen, nachdem sie an der Quelle 72a und bevor sie an der Quelle 72b vorbeigegangen sind. Dieser Prozeß bewirkt eine Form einer wenigstens teilweisen Zerstörung der verschiedenen Rauchpartikel, wobei sich ihre Eigenschaften abhängig von der injizierten Energie aus der Quelle 72c möglicherweise ändern.

Die modifizierten Feststoffpartikel oder Eigenschaften können ihrerseits von dem Photosensor 74b erfaßt werden, um sie mit Signalen zu vergleichen, die mit dem Sensor 74a erzeugt wurden, und weiter zu analysieren. Wenn die Pumpe 76b eine reziproke Bewegung der Feststoffpartikel erzeugt, erfassen die Sensoren 74a und 74b Feststoffpartikel, die sich abhängig von der Tätigkeit der Festkörperpumpe 76a zuerst in eine erste Richtung und dann in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung bewegen.

Aus der obigen Erörterung wird man verstehen, daß vorzugsweise eine Laserquelle mit einer Ausgangsöffnung verwendet wird, die der Fläche des Laserkanals entspricht, die so klein wie möglich ist, um einen Ausgangsstrahl zu definieren, der den kleinstmöglichen Querschnitt hat. Es kann erwartet werden, daß dadurch das größtmögliche Signal-Rausch-Ver­ hältnis erzeugt wird. Ähnlich wird man verstehen, daß die Größe des aktiven Bereichs des Photodetektors so klein wie möglich sein sollte, um ein verbessertes Signal-Rausch-Ver­ hältnis vorzusehen.

Die Ausgangsöffnung der Quelle hat vorzugsweise Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm×1 µm. Auch der aktive Bereich der jeweiligen Photodetektoren hat vorzugsweise Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm×1 µm.

Man wird auch verstehen, daß mehrere Photodetektoren mit verschieden Abständen zur Ausgangsöffnung der jeweiligen Laserquelle angeordnet werden können. Die Analyse der Signale aus den verschiedenen versetzten Photodetektoren kann dazu verwendet werden, das Vorhandensein eines Feuerprofils zu ermitteln.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird man erkennen, daß zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Eine Beschränkung auf die speziellen, hier erläuterten Ausführungsbeispiele ist weder beabsichtigt, noch sollte sie angenommen werden. Durch die folgenden Ansprüche sollen all die Modifikationen umfaßt sein, die im Bereich der Ansprüche liegen.

Claims (15)

1. System zum Erfassen von schwebenden Verbrennungs-Fest­ stoffpartikeln, mit:
wenigstens einer Festkörper-Strahlungsenergiequelle (12) mit einer im wesentlichen vorgegebenen Frequenz, wobei bei einer Ausgangsöffnung mit einer ausgewählten Fläche ein Energiestrahl die Quelle (12) verläßt;
einem Strömungsweg (20) für wenigstens einen Teil der Feststoffpartikel, wobei der Weg (20) wenigstens einen Teil der Strahlungsenergie in einem ausgewählten Bereich schneidet, so daß die Feststoffpartikel darin den Strahl beeinflussen, und wobei der Weg (20) so dimensioniert ist, daß er die Strömung von Partikeln einzeln und mit Abstand zueinander fördert; und
einem Festkörpersensor (14) für Strahlungsenergie, der in der Nähe der Ausgangsöffnung liegt, wobei der Sensor (40) ein elektrisches Signal erzeugt, das von den Effekten der Feststoffpartikel abhängig ist.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Quelle (12) innerhalb eines Abstands von 5 µm zum Sensor (14) angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Weg (20) teilweise in der Quelle ausgebildet ist, wobei die Feststoffpartikel die Bildung des Strahls beeinflussen.

4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Feststoffpartikel (P1) in dem Kanal wenigstens teilweise verhindern, daß der Strahl auf den Sensor (14) auftrifft.

5. System nach Anspruch 3, bei dem die Quelle (12) einen Laser aufweist und Feststoffpartikel in dem Weg (20) die Lasertätigkeit der Quelle beeinflussen.

6. System nach Anspruch 5, bei dem der Weg (20) eine Abmes­ sung hat, die teilweise in der Quelle (12) ausgebildet ist und weniger als 5 µm lang ist.

7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Quelle (12) eine Laserdiode umfaßt, wobei der Weg (20) einen Bereich mit einer Länge von weniger als 5 µm aufweist und sich zwischen der Ausgangsöffnung und dem Sensor (14) erstreckt, wobei der Sensor abhängig von dem Durchgang einzelner Verbrennungspartikel durch den Bereich ein variierendes Ausgangssignal erzeugt.

8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Saugeinrichtung (76), die eine Strömung der Feststoff­ partikel (P1) entlang des Weges (20) in wenigstens einer Richtung bewirkt.

9. System nach Anspruch 8, bei der die Saugeinrichtung (76) elektrisch mit Energie versorgbar ist und ein Fest­ körperstellglied aufweist.

10. System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Saugeinrich­ tung (76) ventillos ist.

11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Weg (20) teilweise zu einem Nachbarbereich offen ist und die Saugeinrichtung (76) bewirkt, daß sich die Feststoffpar­ tikel zwischen der Quelle (12) und dem Sensor (14) hin- und herbewegen, wenn sie mit Energie versorgt wird.

12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuerschaltung, die wenigstens mit dem Sensor (14) gekoppelt ist, um auf Signale des Sensors zu reagieren.

13. Verfahren zum Analysieren schwebender Feststoffpartikel, insbesondere in einem System nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
Etablieren einer Strömung aus einzelnen, beabstandeten schwebenden Partikeln;
Bestrahlen der Partikel einzeln mit einem im wesentlichen monochromatischen Energie-Erfassungsstrahl;
Erfassen einer modifizierten Strahleigenschaft, die abhängig von einem bestrahlten Partikel entsteht; und
Verarbeiten mehrerer erfaßter modifizierter Eigen­ schaften.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem nach dem Erfassen einzelne Partikel mit einem modifizierten Energiestrahl bestrahlt werden, wodurch Parameter wenigstens einiger der Partikel modifiziert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Partikel mit den modifizierten Parametern mit einem Erfassungsstrahl be­ strahlt und die modifizierten Partikel abgefühlt werden.