DE19924400C1 - Brandmelder und Verfahren zur Branddetektion - Google Patents
Brandmelder und Verfahren zur BranddetektionInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Branddetektion wird an mindestens einer Überwachungsstelle eines Raumes eine Luftprobe entnommen und mittels eines einen elektrischen Antriebsmotor (8) aufweisenden Lüfters (7) über einen Strömungskanal (5) einer Meßkammer (3) mit wenigstens einem Branddetektor (4) zugeführt. Der Volumenstrom der dem Branddetektor (4) zugeführten Luft wird indirekt gemessen, indem Messwerte für die elektrische Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Lüfter-Antriebsmotors (8) ermittelt werden. Aus diesen Meßwerten wird durch Quotientenbildung wenigstens ein Volumenstrommeßwert gebildet und zum überwachen des Volumenstroms mit mindestens einem vorgegebenen Volumenstromgrenzwert verglichen (Fig. 1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Branddetektion, bei dem
an mindestens einer Überwachungsstelle eine Gasprobe entnommen und
mittels eines einen elektrischen Antriebsmotor aufweisenden Lüfters
über zumindest einen Strömungskanal einer Meßkammer mit wenigstens
einem Branddetektor zugeführt wird, wobei der Volumenstrom des dem
Branddetektor zugeführten Gases gemessen und das Volumenstrommeß
signal mit zumindest einem vorgegebenen Volumenstromgrenzwert
verglichen wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen
Brandmelder mit einer wenigstens einen Branddetektor aufweisenden
Meßkammer und mit einem Strömungskanal, der die Meßkammer mit
mindestens einer Überwachungsstelle verbindet, wobei der Strömungs
kanal an der (den) Überwachungsstelle(n) zur Entnahme von Gasproben
zumindest eine Gas-Eintrittsöffnung aufweist, wobei für den Transport
der Gasproben von der (den) Überwachungsstellen zu dem Branddetektor
ein Lüfter mit einem elektrischen Antriebsmotor vorgesehen ist,
und wobei zum Messen des Volumenstroms des dem Branddetektor
zugeführten Gases eine Volumenstrommeßeinrichtung vorgesehen ist,
die mit einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Volumen
strommeßsignales mit zumindest einem vorgegebenen Volumenstromgrenz
wert verbunden ist. Dabei wird unter einem Branddetektor ein Detektor
zur Erkennung wenigstens einer physikalischen Größe verstanden,
die in der Umgebung eines Entstehungsbrandes einer Veränderung
unterliegt, wie zum Beispiel ein Rauch- oder Brandgasdetektor, ein
Detektor zur Erkennung eines Feststoff- oder Flüssigkeitsanteils
der Umgebungsluft und/oder ein Temperatursensor.
Bei einem solchen, aus DE 44 28 694 C2 bereits bekannten Brandmelder
ist eine wichtige Voraussetzung für die rechtzeitige Erkennung eines
Entstehungsbrandes, das stets eine repräsentative Menge der in dem
zur Branddetektion vorgesehenen Raum oder Bereich befindlichen
Umgebungsluft durch den Strömungskanal dem Branddetektor zugeführt
wird. Verstopfungen an Eintrittsöffnungen des Strömungskanals, die
beispielsweise durch in den dem Branddetektor zugeführten Gasproben
enthaltene Staubpartikel verursacht sein können, können deshalb
ebenso zu einer Fehlfunktion des Brandmelders führen, wie eine
Unterbrechung des Strömungskanals. Eine Unterbrechung des
Strömungskanals kann beispielsweise auftreten, wenn der Strömungs
kanal mechanisch beschädigt oder bei Montagearbeiten an benachbart
zu dem Strömungskanal befindlichen Einrichtungen versehentlich
demontiert wird.
Um derartige Fehler erkennen zu können, wird bei dem vorbekannten
Brandmelder der Volumenstrom des dem Branddetektor zugeführten Gases
gemessen und mit einem durch einen oberen und einen unteren
Volumenstromgrenzwert definierten Volumenstrom-Fenster verglichen.
Liegt das Volumenstrommeßsignal außerhalb dieses Fensters, wird
eine optische Anzeige sowie ein elektrischer Ausgang, wie z. B. ein
Relais oder ein Open-Collector-Ausgang, nach Ablauf einer
Verzögerungszeit aktiviert.
Da der Volumenstrom der dem Branddetektor zugeführten Luft von dem
Massenstrom und der Dichte der Luft abhängig ist, und diese wiederum
eine Funktion des Luftdrucks und der Temperatur ist, weist der
vorbekannte Brandmelder einen Luftstrom-, einen Luftdruck- und einen
Temperatursensor auf. Dadurch ergibt sich jedoch ein vergleichsweise
komplizierter Aufbau. Ungünstig ist vor allem, daß ein Luft
drucksensor mit der zum Erkennen von Verstopfungen oder Querschnitts
veränderungen der Eintrittsöffnungen des Strömungskanals er
forderlichen Meßgenauigkeit relativ teuer ist und ein einfache
Adaptierung am Strömungskanal nicht möglich ist. Die Folge sind
entsprechend hohe Herstellungskosten für den Brandmelder.
Außerdem erhöht der im Strömungskanal des Brandmelders angeordnete
Drucksensor den Strömungswiderstand in dem Strömungskanal. Da mit
dem Lüfter nur vergleichsweise geringe Druck erzeugt werden können,
ermöglicht der durch Adaption eines Luftdrucksensors erhöhte
Strömungswiderstand des Strömungskanals nur für relativ kleine
Strömungskanallängen. Auch kann der Drucksensor Turbulenzen in den
zu dem Detektor geförderten Gasproben verursachen, die zur Folge
haben können, daß in dem Gas enthaltene Rauchpartikel an der Wandung
des Strömungskanals und/oder dem Drucksensor anhaften. Diese
Rauchpartikel gelangen dann nicht zu dem Branddetektor, wodurch
die Detektionsempfindlichkeit des Brandmelders herabgesetzt wird.
Ungünstig ist außerdem, daß der Drucksensor jeweils vor einer
Reinigung der Gaseintrittsöffnungen des Strömungskanals mittels
Druckluft aus dem Strömungskanal entfernt werden muß, um eine
Beschädigung des Drucksensors durch Überdruck zu vermeiden.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, das auf einfache Weise eine Überwachung der
Strömungseigenschaften des Strömungskanals ermöglicht. Außerdem
besteht die Aufgabe, einen nach dem Verfahren arbeitenden Brandmelder
zu schaffen, der einen einfachen und kostengünstigen Aufbau
ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bezüglich des Verfahrens darin,
daß die elektrische Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Lüfter-
Antriebsmotors gemessen werden und daß das Volumenstrommeßsignal
indirekt durch Quotientenbildung aus den Meßsignalen für die
Leistungsaufnahme und die Drehzahl ermittelt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sowohl die
elektrische Leistungsaufnahme als auch die Drehzahl des Lüfter-
Antriebsmotors jeweils etwa proportional zur Dichte des Gases, in
der Regel Luft, in der Umgebung der Überwachungsstellen ist. Das
durch Quotientenbildung aus den Meßsignalen für die Leistungs
aufnahme und die Drehzahl des Lüfter-Antriebsmotors gebildete
Volumenstrommeßsignal ist deshalb weitgehend unabhängig von der
Dichte des Gases. In vorteilhafter Weise kann dadurch eine aufwendige
Gasdruckmessung, wie sie bei herkömmlichen Verfahren zur Kompensation
von Dichteveränderungen des Gases durchgeführt wird, entfal
len. Bei der Ermittlung des Volumenstrommeßsignales durch
Quotientenbildung kann das Meßsignal für die elektrische Leistungs
aufnahme entweder im Zähler und das Drehzahl-Meßsignal im Nenner
stehen oder es steht das Drehzahlmeßsignal im Zähler und das
Meßsignal für die Leistungsaufnahme im Nenner. In dem zuerst
genannten Fall ergibt sich dann beispielsweise bei einem Radiallüfter
ein zum Volumenstrom des durch den Strömungskanal geförderten Gases
in etwa proportionales und in dem anderen Fall ein zum Volumenstrom
in etwa umgekehrt proportionales Volumenstrom-Meßsignal.
Aus DE 42 44 633 A1 ist zwar bereits bekannt, daß bei einem
Ventilator mit einem elektrischen Antriebsmotor die Leistungsaufnahme
des Antriebsmotors eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit und
damit des von dem Ventilator geförderten Luft-Volumenstromes ist.
Ein indirekte Messung des Volumenstromes durch Quotientenbildung
aus Leistungsaufnahme- und die Drehzahl-Meßsignalen wird jedoch
in dieser Druckschrift nicht vorgeschlagen.
Die weitgehende Unabhängigkeit des durch den Quotienten aus
Leistungsaufnahme und Drehzahl des Antriebsmotors gebildeten
Volumenstrom-Meßsignales läßt sich bei Annahme eines konstanten
Volumenstromes V durch Bildung des Verhältnisses aus der strömungs
technischen und der mechanischen Leistung des Lüfters ableiten.
Die strömungstechnische Leistung Pst berechnet sich aus der vom
Lüfter erzeugten Gasdruckdifferenz Δp und dem Volumenstrom V im
Strömungskanal zu
Pst = Δp.v
Die Gasdruckdifferenz kann vereinfacht als Parabelfunktion
beschrieben werden, wobei ρ die Dichte, R der Strömungswiderstand
des Strömungskanals und V der Volumenstrom bedeuten. Daraus ergibt
sich
Die mechanische Leistung des Lüfters berechnet sich aus dem
Drehmoment M und der Drehzahl n des Lüfterrades zu
PMech = M.2.π.n
Daraus folgt
Entsprechend ergibt sich durch Bildung des Quotienten aus der
strömungstechnischen Leistung Pst und der elektrischen Leistungsauf
nahme Pel des Lüfter-Antriebsmotors
Das durch Quotientenbildung der Meßsignale für die elektrische
Leistungsaufnahme sowie die Drehzahl des Lüftermotors abgeleitete
Luftstromsignal ist bezüglich Dichteänderungen des Ansaugmediums
unabhängiger, da sich Zähler und Nenner des Quotienten bei
Dichteänderungen des Ansaugmediums gleichsinnig verändern. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zeitkontinuierlich als auch
zeitdiskret, beispielsweise zu periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten
angewandt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens
ist vorgesehen, daß Veränderungen der Meßsignale für die elektrische
Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Antriebsmotors ermittelt
werden, daß bei einer gleichsinnigen Veränderung dieser Meßsignale
ein eine Dichteveränderung des Umgebungsgases repräsentierender
Trendwert verändert und das Volumenstrommeßsignal mit dem Trendwert
kompensiert und/oder der Volumenstromgrenzwert entsprechend dem
Trendwert angepaßt wird. Auf diese Weise kann ein eventuell noch
verbleibender Resteinfluß der Dichte des Gases auf das Volumen
strommeßsignal kompensiert werden ohne daß zusätzliche Meßgrößen
ermittelt werden müssen. Durch die Berücksichtigung des Dichteein
flusses des Gases kann eine noch größere Meßgenauigkeit erreicht
werden, wodurch insbesondere bei einem langen Strömungskanal eine
Veränderung des freien Querschnitts von Gaseintrittsöffnungen, die
weit entfernt von dem Lüfter angeordnet sind, genauer detektiert
werden kann.
Die vorstehend genannte Aufgabe kann bezüglich des Verfahrens auch
dadurch gelöst werden, daß die elektrische Leistungsaufnahme und
der zur Drehzahl umgekehrt proportionale Drehzahlkehrwert des Lüfter-
Antriebsmotors gemessen werden und daß das Volumenstrommeßsignal
indirekt durch Produktbildung aus den Meßsignalen für die
Leistungsaufnahme und den Drehzahlkehrwert ermittelt wird.
Auch bei dieser Lösung kann eine aufwendige und umständliche
Gasdruckmessung zur Kompensation des Dichteeinflusses des Gases,
das in der Regel Luft ist, entfallen.
Um dennoch einen eventuell verbleibenden Resteinfluß der Dichte
des Gases auf das Volumenstrom-Meßsginal berücksichtigen zu können,
ist es vorteilhaft, wenn Veränderungen der Meßsignale für die
elektrische Leistungsaufnahme und den Drehzahlkehrwert des
Antriebsmotors ermittelt werden, wenn bei einer gegensinnigen
Veränderung dieser Meßsignale ein eine Dichteveränderung des
Umgebungsgases repräsentierender Trendwert verändert und daß
Volumenstrom-Meßsignal mit dem Trendwert kompensiert und/oder der
Volumenstrom-Grenzwert entsprechend dem Trendwert angepaßt wird.
Dabei wird eine Anpassung des Volumenstrom-Grenzwertes bevorzugt,
da diese in der Praxis einfacher durchzuführen ist als eine
Kompensation des Volumenstrom-Meßsignales mittels Trendwert. Da
sich die Dichte des Gases, das in der Regel Luft ist, aufgrund
klimatischer Veränderungen im allgemeinen nur langsam verändert,
ist es ausreichend, wenn der Volumenstrom-Grenzwert im Abstand von
einigen Stunden an den ermittelten Dichte-Trendwert angepasst wird.
Dabei erfolgt die Anpassung des Volumenstrom-Grenzwertes so, daß
der Einfluß einer Dichteveränderung des Gases beim Vergleich des
Volumenstrom-Meßsginals mit dem Volumenstrom-Grenzwert
abgeschwächt oder sogar vollständig kompensiert wird.
Vorteilhaft ist, wenn für die Betriebstemperatur des elektrischen
Antriebsmotors und/oder die Temperatur der entnommenen Gasproben
ein Temperatur-Meßsignal ermittelt wird und wenn zur Temperatur
kompensation das Volumenstrom-Meßsignal und/oder der Volumenstrom-
Grenzwert verändert wird. Durch die Berücksichtigung des Temperatur-
Meßsignales kann beispielsweise der Einfluß eines von der
temperaturabhängigen mechanischen und/oder elektrischen Wirkungs
grades des Lüfters auf das Überwachungsergebnis kompensiert werden,
was insbesondere nach dem Einschalten des Lüfters von Vorteil ist,
wenn dieser seine volle Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat.
In vorteilhafter Weise kann aber auch ein eventueller Temperatur-
Koeffizient einer zur Leistungs- und/oder Drehzahlmessung verwendeten
Meßeinrichtung kompensiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Antriebsmotor mit einer einen konstanten Effektivwert
aufweisenden elektrischen Spannung, insbesondere einer Gleichspannung
betrieben wird und daß die elektrische Leistungsaufnahme des
Antriebsmotors indirekt durch Messung des Motorstroms ermittelt
wird. Die elektrische Leistungsaufnahme des Antriebsmotors kann
dann beispielsweise mittels eines mit dem Antriebsmotor in Reihe
geschalteten Shunts und Ausfilterung der Kommutierungswelligkeit
auf einfache Weise gemessen werden. Bei einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens wird der Antriebsmotor mit einem einen konstanten
Effektivwert aufweisenden Motorstrom, insbesondere einem Gleichstrom
betrieben und die elektrische Leistungsaufnahme des Antriebsmotors
wird indirekt durch Messung der Motorspannung und Ausfilterung der
Kommutierungswelligkeit ermittelt. Auch auf diese Weise ist eine
einfache Messung der elektrischen Leistungsaufnahme möglich.
Bezüglich des Brandmelders besteht die Lösung der vorstehend
genannten Aufgabe darin, daß die Volumenstrom-Meßeinrichtung eine
Leistungsmeßeinrichtung zur Messung der elektrischen Leistungsauf
nahme des Antriebsmotors und einen Drehzahlsensor zur Messung der
Drehzahl des Antriebsmotors aufweist, und daß die Leistungsmeßein
richtung und der Drehzahlsensor zum indirekten Ermitteln des
Volumenstrommeßsignales mit den Eingängen eines Quotientenbildners
verbunden sind. Die Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, daß
die Volumenstrommeßeinrichtung eine einen Meßsignalausgang
aufweisende Leistungsmeßeinrichtung zur Messung der elektrischen
Leistungsaufnahme des Antriebsmotors und einen Drehwinkelsensor
mit einem Meßsignalausgang für ein zur Drehzahl des Antriebsmotors
umgekehrt proportionales Drehzahlkehrwertsignal aufweist, und daß
die Meßsignalausgänge der Leistungsmeßeinrichtung und des
Drehwinkelsensors zum indirekten Ermitteln des Volumenstrommeß
signales mit den Eingängen eines Multiplizierglieds verbunden sind.
Wie bei dem Verfahren bereits erläutert wurde, ergibt sich aufgrund
der Quotientenbildung aus den mittels der Leistungs-Meßeinrichtung
und dem Drehzahlsensor ermittelten Meßsignalen ebenso wie durch
die Produktbildung aus den mittels der Leistungs-Meßeinrichtung
und dem Drehwinkelsensor ermittelten Meßsignalen jeweils ein von
der Dichte des Umgebungsgases weitgehend unabhängiges Volumenstrom-
Meßsignal. Dadurch kann ein zur Kompensation von Gas- oder
Luftdruckveränderungen vorgesehener, in dem Strömungskanal
angeordneter Drucksensor entfallen. Der Brandmelder weist deshalb
einen einfachen Aufbau auf und ist kostengünstig herstellbar. Da
der volle Querschnitt des Strömungskanals zum Fördern der Gasproben
genutzt werden kann, kann der Brandmelder eine relativ große
Strömungskanallänge aufweisen, so daß auch an von dem Branddetektor
entfernten Stellen eine Detektion eines Entstehungsbrandes möglich
ist. Der Brandmelder kann beispielsweise zur Überwachung von EDV-
Räumen, Hochregallagern, schwer zugänglichen Hohlräumen oder
Tiefkühleinrichtungen eingesetzt werden. Da ein empfindlicher
Drucksensor für die Überwachung des zu dem Branddetektor geförderten
Volumenstroms nicht erforderlich ist, ergibt sich ein robuster
Brandmelder, der eine einfache Reinigung der Gas-Eintrittsöffnungen
des Strömungskanals durch Ausblasen des Strömungskanals mit Druck
luft ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Brandmelders sind in
den Unteransprüchen beschrieben.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brandmelders,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Kennlinienscharen eines
Strömungskanals und eines Radiallüfters, wobei auf der
Abszisse der Volumenstrom in 10-3 m3/sec und auf der
Ordinate die Druckerzeugung des Lüfters in Pascal
aufgetragen ist,
Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Volumenstrom-Meßsgina
les, wobei auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf
der Ordinate das Luftstromsignal in Umdrehungen × min-1
× Watt-1 aufgetragen ist
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Luftstromüberwachungsein
richtung,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Verfahrensschritte bei
der Überwachung des Volumenstroms des durch den Strömungs
kanal zu dem Branddetektor geförderten Gases,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Verfahrensschritte bei
der Ermittlung des die Dichteveränderung der Umgebungsluft
repräsentierenden Trendwerts und
Fig. 7 eine Aufsicht auf ein Lüfterrad eines Radiallüfters, wobei
die auf die von dem Lüfterrad geförderte Luft einwirkende
Corioliskraft FC, die Zentrifugalkraft FZ und die
Winkelgeschwindigkeit ω des Lüfterrades durch Vektorpfeile
angedeutet sind.
Ein im ganzen mit 1 bezeichneter Brandmelder weist eine von einem
Gehäuse 2 umgrenzte Meßkammer 3 auf, in der Branddetektoren 4
angeordnet sind. Die Branddetektoren 4 können beispielsweise
wenigstens einen Streulichtsensor, einen Durchlichtsensor und/oder
einen Gassensor, wie zum Beispiel einen CO- oder CO2-Sensor umfassen.
Die Meßkammer 3 ist mit einem in Fig. 1 nur teilweise dargestellten
Strömungskanal 5 verbunden, der in einem auf einen Entstehungsbrand
zu überwachenden Raum angeordnet ist. Der Strömungskanal 5 weist
mehrere Luft- bzw. Gas-Eintrittsöffnungen 6 auf, die jeweils an
einer Überwachungsstelle des Raumes angeordnet sind. Zum Ansaugen
von Raumluft an den Eintrittsöffnungen 6 des Strömungskanals 5 ist
in dem Gehäuse 2 des Brandmelders 1 ein Lüfter 7 mit einem eine
lastabhängige Drehzahl aufweisenden elektrischen Antriebsmotor 8
angeordnet. Der Lüfter 7 fördert eine ausreichende, repräsentative
Luft- bzw. Gasmenge des Überwachungsraumes von den unterschiedlichen
Eintrittsöffnungen 6 des Strömungskanals 5 zu den Branddetektoren
4 und von diesen zu einer Austrittsöffnung 9 des Gehäuses 2.
Zum Überwachen des Volumenstroms des den Branddetektoren 4
zugeführten Gases weist der Brandmelder 1 eine Überwachungsein
richtung auf, die eine Volumenstrom-Meßeinrichtung für die den
Branddetektoren 4 zugeführte Luft oder das den Branddetektoren 4
zugeführte Gas aufweist. Mittels der Überwachungseinrichtung sind
Störungen im dem Strömungskanal 5 erkennbar, wie zum Beispiel ein
Zuwachsen der Gas-Eintrittsöffnungen 6 oder eine Unterbrechung des
Strömungskanals 5. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise
mit einer optischen Störungsanzeige (Fig. 5) und/oder dem Leitrechner
einer Brandmeldezentrale verbunden sein.
Die Volumenstrom-Meßeinrichtung (Fig. 4) weist eine Leistungsmeßein
richtung 10 zur Messung der elektrischen Leistungsaufnahme des
Antriebsmotors 8 und einen Drehzahlsensor 11 zur Messung der Drehzahl
des Antriebsmotors 8 auf. Die Leistungsmeßeinrichtung 10 und der
Drehzahlsensor 11 sind zum indirekten Ermitteln des Volumenstrom-
Meßsignales 12 mit den Eingängen eines durch einen Mikroprozessor
13 gebildeten Quotientenbildners verbunden. Mittels des Quotienten
bildners wird das Meßsignal für die Drehzahl des Antriebsmotors
8 durch das Meßsignal für die elektrische Leistungsaufnahme des
Antriebsmotors 8 dividiert, wodurch ein den Volumenstrom des zu
den Branddetektoren 4 geförderten Gases repräsentierendes
Volumenstrom-Meßsignal 12 gebildet wird, das weitgehend unabhängig
von der Dichte des Gases ist.
Bei einem Radiallüfter ergibt sich dann ein zum Volumenstrom des
geförderten Gases umgekehrt proportionales Volumenstrom-Meßsignal
12. Wie in Fig. 7 erkennbar ist, wirken auf die von dem Lüfterrad
14 beschleunigten Gas- bzw. Luftteilchen einerseits die Zentrifugal
kraft FZ und andererseits die dazu rechtwinklig angeordnete
Corioliskraft FC ein. Die Corioliskraft übt eine Bremswirkung auf
das Lüfterrad 14 und die Antriebswelle des Antriebsmotors 8 aus,
wodurch sich ein entsprechendes Lastmoment ergibt. Bei einem großen
Volumenstrom, der beispielsweise bei einer Unterbrechung des
Strömungskanals 5 auftreten kann, durchströmen viele Gasteilchen
pro Zeiteinheit das Lüfterrad 14, d. h. die Summe aller Coriolisdkräf
te ist groß und damit auch das auf den Antriebsmotor 8 wirkende
Lastmoment. Bei einem kleinen Volumenstrom, wie er beispielsweise
beim Verstopfen der Eintrittsöffnungen 6 des Strömungskanals 5 mit
Staub auftreten kann, durchströmen wenige Gasteilchen pro Zeiteinheit
das Lüfterrad 14, d. h. das Lastmoment für den Antriebsmotor 8 ist
klein. Daraus läßt sich ableiten, daß das Lastmoment des von dem
Lüfter 7 geförderten Volumenstrom bei konstanter Dichte des
Fördermediums etwa proportional ist. Da die elektrische Leistungs
aufnahme des Antriebsmotors 8 bei konstantem Wirkungsgrad des Lüfters
7 proportional zum Lastmoment ist und das Meßsignal für die
Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 8 bei der Ermittlung des
Volumenstrom-Meßsignales 12 durch das Drehzahl-Meßsignal dividiert
wird, verhält sich das Volumenstrom-Meßsignal 12 etwa umgekehrt
proportional zu dem Volumenstrom des von dem Lüfter 7 geförderten
Gases, d. h. bei Abnahme des Volumenstroms, z. B. infolge des
Zuwachsens der Eintrittsöffnungen 6 des Strömungskanals 5, vergrößert
sich das Volumenstrom-Meßsignal 12 und bei einer Zunahme des
Volumenstroms, z. B. infolge einer Unterbrechung des Strömungskanals
5, verkleinert sich das Volumenstrom-Meßsignal 12. Der Strömungs
widerstand R des Strömungskanals 5 bewirkt an dem darin geförderten
Gas einen von dem Volumenstrom V des Gases abhängigen Druckverlust
Δp. Dieser Druckverlust kann vereinfacht als Parabelfunktion
beschrieben werden:
wobei ρ die Dichte des geförderten Gases bedeutet. Der Lüfter 7
muß obigen Druckverlust erzeugen, um einen gleichmäßigen Volumenstrom
im Strömungskanal 5 hervorzurufen, d. h. die Unterdruckerzeugung
des Lüfters 7 ist etwa proportional zur Dichte des Gases. Bei
Betrachtung der strömungstechnischen Leistung PSt in Bezug zur
mechanischen Leistung Pmech kann der Einfluß der Dichte ρ des Gases
auf das durch Quotientenbildung ermittelte Volumenstrom-Meßsignal
12 verifiziert werden. Es gilt
wobei M das Drehmoment des Antriebsmotors 8 bedeutet.
Bei Zunahme der Dichte des Gases steigt die Druckerzeugung des
Lüfters 7 und damit auch die Drehzahl des Lüfterrades 14.
Entsprechend verringert sich die Drehzahl des Lüfterrades 14 bei
der Dichteabnahme des Gases. Die Drehzahl verhält sich somit etwa
proportional zu Dichteänderungen des Gases.
Bei Zunahme der Dichte des Gases steigt die elektrische Leistungsauf
nahme des Lüfters 7 und bei einer Dichteabnahme des Gases verringert
sich die elektrische Leistungsaufnahme des Lüfters 7. Die
Leistungsaufnahme des Lüfters 7 verhält sich somit wie die Drehzahl
etwa proportional zur Dichte des Gases. Durch die Quotientenbildung
aus den Meßsignalen für Drehzahl und Leistungsaufnahme des
Antriebsmotors 8 wird erreicht, daß Dichteänderungen des Gases,
in der Regel Luft, zumindest teilweise kompensiert werden.
Zum Überwachen des Volumenstroms der von dem Lüfter 7 zu den
Branddetektoren 4 geförderten Gasproben ist die Volumenstrom-
Meßeinrichtung mit einer als Fensterkomparator ausgebildeten, durch
den Mikroprozessor 13 gebildeten Vergleichseinrichtung verbunden.
Diese vergleicht das Volumenstrom-Meßsignal 12 mit einem durch einen
unteren Volumenstrom-Grenzwert 15a und einen oberen Volumenstrom
grenzwert 15b begrenzten Fenster (Fig. 3). Unterschreitet das
Volumenstrom-Meßsignal 12 zumindest für eine vorgegebene Zeitdauer
den unteren Volumenstrom-Grenzwert 15a, wird eine Anzeige sowie
ein Ausgang eines Relais oder eines Open Collectors für eine
Unterbrechung des Strömungskanals 5 aktiviert. In Fig. 3 ist die
Verzögerungszeit durch den Doppelpfeil 16a und die Dauer, während
der eine Unterbrechung des Strömungskanals 5 erkannt wird, durch
den Doppelpfeil 17a markiert. Überschreitet das Volumenstrom-
Meßsignal 12 für eine vorgegebene Zeitdauer den oberen Volumenstrom-
Grenzwert 15b, wird eine Anzeige für eine Verstopfung einer
Eintrittsöffnung 6 des Strömungskanals 5 aktiviert. In Fig. 3 ist
die Verzögerungszeit durch den Doppelpfeil 16b und die Dauer, während
der die Verstopfung erkannt wird, durch den Doppelpfeil 17b markiert.
Somit können sowohl eine Unterbrechung den Strömungskanals 5, als
auch eine Verstopfung einer Eintrittsöffnung 6 auf einfache Weise
detektiert werden.
Zur Kompensation eines eventuell noch verbleibenden Resteinflusses
der Dichte des Gases auf das durch den Quotienten aus den Meßsignalen
für Leistungsaufnahme und Drehzahl gebildete Volumenstrom-Meßsignal
12 werden Veränderungen der Meßsignale für die elektrische
Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Antriebsmotors 8 ermittelt.
Wie aus Fig. 6 erkennbar ist, wird bei einer gleichsinnigen
Veränderung dieser Meßsignale ein eine Dichteveränderung der
Umgebungsluft bzw. des Umgebungsgases repräsentierender Trendwert
verändert und die Volumenstrom-Grenzwerte 15a, 15b werden
entsprechend verschoben. Die Ermittlung des Dichte-Trendwertes
erfolgt mit Hilfe einer in einen mit dem Mikroprozessor 13
verbundenen Datenspeicher abgelegten Tabelle, die eine Vielzahl
von Wertekombinationen aufweist, die jeweils aus Werten für die
Druckveränderung, den Drehzahlunterschied und den Dichtetrend
bestehen. Der anhand der Tabelle aus der Druck- und der Drehzahlver
änderung ermittelte Dichte-Trendwert wird jeweils zu dem Zählerstand
eines Dichte-Trendzählers 18 hinzuaddiert. Der Dichte-Trendzähler
18 wird bei der Inbetriebnahme des Brandmelders 1 initialisiert
und auf einen definierten Wert zurückgesetzt. In bestimmten
Zeitabständen, die zum Beispiel einige Stunden betragen können,
wird der Zählerstand des Dichte-Trendzählers 18 ausgelesen und die
Volumenstrom-Grenzwerte 15a, 15b werden entsprechend dem Zählerstand
angepaßt.
In Fig. 2 ist erkennbar, daß sich der Arbeitspunkt 19 des Lüfters
7 bei einer gleichsinnigen Veränderung der Meßsignale für die
elektrische Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Antriebsmotors
8 auf der Kennlinie 20 des Strömungskanals 5 verschiebt. In Fig.
2 sind zur Verdeutlichung noch zwei weitere Kennlinien 20', 20"
des Strömungskanals 5 eingetragen, von denen die Kennlinie 20' bei
einer Verstopfung der Gas-Eintrittsöffnungen 6 und die Kennlinie
20" bei einer Unterbrechung des Strömungskanals 5 gemessen wurde.
Bei einer gegensinnigen Änderung der Meßsignale für die elektrische
Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Antriebsmotors 8 verschiebt
sich der Arbeitspunkt 19 auf der der jeweiligen Dichte der Luft
zugeordneten Kennlinie 21, 21', 21" des Lüfters 7. Der Arbeitspunkt
19 markiert den Schnittpunkt von Lüfter- und Strömungskanal-Kennlinie
bei Inbetriebnahme des Brandmelders 1.
Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist zur Erfassung der Motortemperatur
ein Temperatursensor 22 mit dem elektrischen Antriebsmotor 8
wärmeleitend verbunden. Der Temperatursensor 22 ist Teil einer
Einrichtung zur Temperaturkompensation (Fig. 5) des Volumenstrom-
Meßsignales 12, deren Meßsignaleingang mit der Volumenstrom-
Meßeinrichtung verbunden ist und deren Ausgang an der Vergleichsein
richtung angeschlossen ist. Mittels der Einrichtung zur Temperatur
kompensation kann beispielsweise der Einfluß eines von der
Betriebstemperatur des Antriebsmotors 8 abhängiger elektrischer
und/oder mechanischer Wirkungsgrad des Antriebsmotors 8 und/oder
der Temperaturkoeffizient elektronischer Bauelemente des Brand
melders 1 ausgeglichen werden.
In Fig. 4 ist erkennbar, daß die Leistungsmeßeinrichtung 10 eine
Motorstrom-Meßeinrichtung 23 mit einem mit dem Antriebsmotor 8 in
Reihe geschalteten Shunt 24 und eine Motorspannungs-Meßeinrichtung
25 aufweist. Diese sind jeweils mit einem Analog-Eingang eines
Analog-Digital-Konverters verbunden, dessen Digitalausgang zur
Bildung des der Motorleistung entsprechenden Produkts aus den
Meßwerten für Motorspannung und Motorstrom an dem Mikroprozessor
13 angeschlossen ist. In Fig. 4 ist außerdem erkennbar, daß der
Mikroprozessor 13 mit dem Steuereingang einer Motoranlaufsteuerung
27 verbunden ist. Die Motoranlaufsteuerung 27 dient zur Begrenzung
dee Stromaufnahme im Einschaltzeitpunkt des Brandmelders 1.
Zur Messung des zur Drehzahl des Antriebsmotors 8 umgekehrt
proportionalen Zeitabstands aufeinanderfolgender Impulse eines
Drehwinkelsensors ist dem Mikroprozessor 13 ein Timer 28 zugeordnet,
der mit dem Meßsignalausgang eines einem am Antriebsmotor 8
befindlichen Drehwinkelsensors verbunden ist.
Die Meßsignalausgänge der Motorstrom-Meßeinrichtung 23, der
Motorspannungs-Meßeinrichtung 25, des Drehzahlsensors 11 und des
Temperatursensors 22 sind jeweils zur Filterung ihrer Meßsignale
mit dem Eingang eines Tiefpaßfilters verbunden. Dadurch werden in
den Meßsignalen enthaltene Störanteile, die beispielsweise durch
die Kommutierung der Motorwicklungen des Antriebsmotors 8 und/oder
durch das Gebläse einer benachbart zu dem Brandmelder 1 angeordneten
Belüftungseinrichtung verursachten periodischen Luftdruckschwankungen
hervorgerufen sein können, aus den Meßsignalen herausgefiltert.
Bei dem Verfahren zur Branddetektion wird also an mindestens einer
Überwachungsstelle eines Raumes eine Luftprobe entnommen und mittels
eines einen elektrischen Antriebsmotor 8 aufweisenden Lüfters 7
über einen Strömungskanal 5 einer Meßkammer 3 mit wenigstens einem
Branddetektor 4 zugeführt. Der Volumenstrom der dem Branddetektor
4 zugeführten Luft wird indirekt gemessen, indem Messwerte für die
elektrische Leistungsaufnahme und die Drehzahl des Lüfter-
Antriebsmotors 8 ermittelt werden. Aus diesen Meßwerten wird durch
durch Quotientenbildung wenigstens ein Volumenstrommeßwert gebildet
und zum Überwachen des Volumenstroms mit mindestens einem
vorgegebenen Volumenstromgrenzwert 15a, 15b verglichen.
Claims (13)
1. Verfahren zur Branddetektion, wobei an mindestens einer
Überwachungsstelle eine Gasprobe entnommen und mittels eines
einen elektrischen Antriebsmotor (8) aufweisenden Lüfters (7)
über zumindest einen Strömungskanal (5) einer Meßkammer (3)
mit wenigstens einem Branddetektor (4) zugeführt wird, wobei
der Volumenstrom des dem Branddetektor (4) zugeführten Gases
gemessen und das Volumenstrommeßsignal (12) mit zumindest einem
vorgegebenen Volumenstromgrenzwert (15a, 15b) verglichen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leistungsaufnahme
und die Drehzahl des Lüfter-Antriebsmotors (8) gemessen werden
und daß das Volumenstrommeßsignal (12) indirekt durch
Quotientenbildung aus den Meßsignalen für die Leistungsaufnahme
und die Drehzahl ermittelt wird.
2. Verfahren Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Veränderungen
der Meßsignale für die elektrische Leistungsaufnahme und die
Drehzahl des Antriebsmotors (8) ermittelt werden, daß bei einer
gleichsinnigen Veränderung dieser Meßsignale ein eine
Dichteveränderung des Umgebungsgases repräsentierender
Trendwert verändert und das Volumenstrom-Meßsignal (12) mit
dem Trendwert kompensiert und/oder der Volumenstromgrenzwert
(15a, 15b) entsprechend dem Trendwert angepaßt wird.
3. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrische Leistungsaufnahme und der
zur Drehzahl umgekehrt proportionale Drehzahlkehrwert des
Lüfter-Antriebsmotors (8) gemessen werden und daß das
Volumenstrom-Meßsignal (12) indirekt durch Produktbildung aus
den Meßsignalen für die Leistungsaufnahme und den Drehzahlkehr
wert ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
Veränderungen der Meßsignale für die elektrische Leistungsauf
nahme und den Drehzahlkehrwert des Antriebsmotors (8) ermittelt
werden, daß bei einer gegensinnigen Veränderung dieser
Meßsignale ein eine Dichteveränderung des Umgebungsgases
repräsentierender Trendwert verändert und das Volumenstrom-
Meßsignal (12) mit dem Trendwert kompensiert und/oder
wenigstens ein Volumenstromgrenzwert (15a, 15b) entsprechend
dem Trendwert angepaßt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Betriebstemperatur des elektrischen
Antriebsmotors und/oder die Temperatur der entnommenen
Gasproben ein Temperaturmeßsignal ermittelt wird und zur
Temperaturkompensation das Volumenstrom-Meßsignal (12) und/oder
wenigstens ein Volumenstromgrenzwert (15a, 15b) verändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Antriebsmotor (8) mit einer einen konstanten
Effektivwert aufweisenden elektrischen Spannung, insbesondere
einer Gleichspannung betrieben wird und daß die elektrische
Leistungsaufnahme des Antriebsmotors indirekt durch Messung
des Motorstroms ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Antriebsmotor (8) mit einer einen konstanten
Effektivwert aufweisenden Motorstrom, insbesondere einem
Gleichstrom betrieben wird und daß die elektrische Leistungs
aufnahme des Antriebsmotors indirekt durch Messung der
Motorspannung ermittelt wird.
8. Brandmelder (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer wenigstens einen
Branddetektor (4) aufweisenden Meßkammer (3) und mit einem
Strömungskanal (5), der die Meßkammer (3) mit mindestens einer
Überwachungsstelle verbindet, wobei der Strömungskanal (5)
an der (den) Überwachungsstelle(n) zur Entnahme von Gasproben
zumindest eine Gas-Eintrittsöffnung (6) aufweist, wobei für
den Transport der Gasproben von der (den) Überwachungsstellen
zu dem Branddetektor (4) ein Lüfter (7) mit einem elektrischen
Antriebsmotor (8) vorgesehen ist, und wobei zum Messen des
Volumenstroms der dem Branddetektor (4) zugeführten Gases eine
Volumenstrommeßeinrichtung vorgesehen ist, die mit einer
Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Volumenstrom-
Meßsignales (12) mit zumindest einem vorgegebenen Volumenstrom
grenzwert (15a, 15b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Volumenstrommeßeinrichtung eine Leistungsmeßeinrichtung
(10) zur Messung der elektrischen Leistungsaufnahme des
Antriebsmotors (8) und einen Drehzahlsensor (11) zur Messung
der Drehzahl des Antriebsmotors (8) aufweist, und daß die
Leistungsmeßeinrichtung (10) und der Drehzahlsensor (11) zum
indirekten Ermitteln des Volumenstrom-Meßsignales (12) mit
den Eingängen eines Quotientenbildners verbunden sind.
9. Brandmelder nach dem Oberbegriff von Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Volumenstrommeßeinrichtung eine einen
Meßsignalausgang aufweisende Leistungsmeßeinrichtung (10) zur
Messung der elektrischen Leistungsaufnahme des Antriebsmotors
(8) und einen Drehwinkelsensor mit einen Meßsignalausgang für
ein zur Drehzahl des Antriebsmotors umgekehrt proportionales
Drehzahlkehrwertsignal aufweist, und daß die Meßsignalausgänge
der Leistungsmeßeinrichtung und des Drehwinkelsensors zum
indirekten Ermitteln des Volumenstrom-Meßsignales (12) mit
den Eingängen eines Multiplizierglieds verbunden sind.
10. Brandmelder nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Temperatursensor (22) zur Messung der Betriebs
temperatur des elektrischen Antriebsmotors (8) und/oder der
Temperatur der Gasproben vorgesehen ist, und daß der Tempera
tursensor (22) Teil einer Einrichtung zur Temperaturkompensa
tion des Volumenstrom-Meßsignales (12) und/oder zur Temperatur
anpassung des Volumenstromgrenzwertes (15a, 15b) ist.
11. Brandmelder nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (8) mit einer einen
konstanten Spannungs-Effektivwert aufweisenden elektrischen
Betriebsspannungsquelle, insbesondere einer Konstantspannungs
quelle verbunden ist, und daß die Leistungsmeßeinrichtung eine
elektrische Motorstrom-Meßeinrichtung (23) aufweist.
12. Brandmelder nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (8) mit einer einen
konstanten Strom-Effektivwert aufweisenden elektrischen
Stromquelle, insbesondere einer Konstantstromquelle verbunden
ist und daß die Leistungsmeßeinrichtung eine elektrische
Spannungs-Meßeinrichtung (25) aufweist.
13. Brandmelder nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leistungsmeßeinrichtung (10), der
Temperatursensor (22), der Drehzahlsensor (11) und/oder der
Drehwinkelsensor zur Filterung eines dem Antriebsmotor
zugeordneten Meßsignales mit einem Tiefpaßfilter verbunden
sind.
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