DE19950849A1

DE19950849A1 - Vorrichtung sowie Verfahren zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von Wärmequellen

Info

Publication number: DE19950849A1
Application number: DE1999150849
Authority: DE
Inventors: Hendrik Rust; Volker Junge; Thorsten Orlowski; Oliver Berner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: DE19950849B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie Verfahren zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von einer Wärmequelle mit einem Wärmestrahlung erfassenden Sensorsystems sowie einer Auswerteeinheit, in der die Sensorsignale ausgewertet werden. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Sensorsystem eine einzige Infrarotsensoreinheit aufweist, deren räumliche Lage relativ zur erfassenden Wärmequelle entlang wenigstens einer Linearachse änderbar ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von einer Wärmequelle mit einem Wärmestrahlung erfassenden Sensorsystem sowie einer Auswerteeinheit, in der die Sensorsignale ausgewertet werden.

Stand der Technik

Störfälle in Anlagen und Gebäuden, wie Brände, Leckagen in Rohrleitungen, zu bersten drohende Behälter und Rohre, Kurzschlüsse in elektrischen Leitungen und Schaltschränken, Überhitzung von Anlagen, um nur einige zu nennen, können unterschiedliche Ursachen haben. Auch Gefahrensituationen außerhalb von Gebäuden und Anlagen, z. B. in der Natur und auf industriell genutzten Außenflächen, wie Wald- und Flächenbrände, Müllhalden- und Schrottplatzbrände, haben unterschiedliche Entstehungsursachen.

Für einen Großteil der Störfälle und Gefahrensituationen können anhand der örtlich überdurchschnittlichen Temperaturanstiege detektiert werden. Durch Überwachung und Beobachtung derartiger Wärmequellen mit Hilfe von geeigneten Sensorsystemen können somit Gefahrensituationen und Störfälle frühzeitig erkannt werden. Weitere Informationen in Bezug auf Temperatur, Größe und Abstand des Gefahrenortes, die ebenfalls mit Sensorsystemen erfasst werden können, dienen überdies zur effektiven Bekämpfung derartiger Störfalle.

Die derzeit bekannten Vorrichtungen bzw. Systeme zur Erkennung von Störfällen, die sich durch eine lokale Temperaturerhöhung ankündigen und die mit den unterschiedlichsten Mitteln bekämpft werden können, sind in zwei Kategorien einzuteilen, nämlich in stationäre und mobile Detektionssysteme.

Stationäre Detektionssysteme sind Überwachungssysteme, die in Gebäuden, Anlagen und Außenbereichen fest installiert sind. Zur Detektion von Wärmequellen werden ein oder mehrere Infrarotkameras, Videokameras oder Pyrometer genutzt.

In der japanischen Druckschrift JP 09288786 A ist ein Überwachungssystem für eine Müllgrube beschrieben, das mit mehreren Videokameras und einem "Infrared flood system" das Feuer, den Flüssigkeitsanteil des Mülls sowie die Menge des Mülls erfasst. Ferner ist ein Feueralarmsystem mit dazugehöriger Löscheinheit vorgesehen, das in Abhängigkeit der vom Überwachungssystem gewonnenen Informationen steuerbar ist.

In der Druckschrift JP 09272603 A ist ein Stapelkran für ein Hochregallager mit Feuerlöschfunktion beschrieben. Am Stapelkran, der zwischen Hochregallagern installiert ist, sind eine Vielzahl von Infrarotkameras und Wasserdüsen angebracht. In bestimmten Intervallen fährt der Kran am Hochregallagers entlang, überwacht die Regale auf Brände und löscht sie im Störfall.

Die Druckschrift JP 11019244 A beschreibt ein automatisches Feuerbekämpfungssystem, das auf einem, unter einer horizontalen Fläche angebrachten drehbaren System basiert. Durch ein Loch im Gehäuse des Systems fallen Infrarotstrahlen auf einen im Gehäuse vorgesehenen infrarotempfindlichen Sensor. Mit dem System ist es möglich die x- und y-Position der Infrarotquelle zu detektieren.

In den Druckschriften DE 36 10 323 C2 und EP 0098235 B1 wird eine automatische Feuerlöscheinrichtung beschrieben. Diese weist wenigstens zwei Flammenerkennungseinrichtungen auf, die in einem Abstand voneinander und jeweils in der Horizontalen und der Vertikalen schwenkbar angeordnet sind, um einen zu schützenden Bereich abzutasten. Dieses System zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Flammenerkennungseinrichtung einen Infrarotdetektor zur Erzeugung eines Feuererkennunssignals in Abhängigkeit von der, von den Flammen abgestrahlten Infrarotenergie vorsieht. Dieses System ist in der Lage, die Abmessungen der räumlich verteilten Flammen auf der Basis der ermittelten Daten zu bestimmen. Die von der Flammenerkennungseinrichtung ausgegebenen, die verteilten Flammen betreffenden Erkennungsdaten, lassen Rückschlüsse über die Breite, Höhe und über die Ausgangsenergie der Flammen zusätzlich zur ihrer räumlichen Lage der Flammen zu.

In der Druckschrift GB 2247584 A ist ein Feuerdetektionssystem beschrieben. Dieses hat mindestens zwei, mit Abstand voneinander positionierte Infrarotdetektoren, die jeweils um 360° um die vertikale Achse rotieren und jeweils einen eigenen Überwachungsbereich ständig abscannen. Die Infrarotdetektoren sind als pyroelektrische Detektoren ausgebildet. Zur Erzeugung eines Infrarotsignals ist eine Schwelle vorgegeben, die ein Entscheidungskriterium darstellt, ob es sich bei dem detektierten Signal um Feuer handelt oder nicht. So ist es möglich bspw. zwischen einem Hot Spot und einem Feuer zu unterscheiden, indem die aktuellen Sensordaten mit bereits durchgeführten Feuer-Messungen verglichen werden.

Im Unterschied zum vorstehend kurz umrissenen Stand der Technik bezüglich stationärer Detektionssysteme beschreiben folgende Druckschriften mobil arbeitende Systeme:

Die Druckschriften PCT/EP 97/00132 und DE 196 01 282 C1 beschreiben ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur gezielten Brandbekämpfung, bei dem die Wurfrichtung eines verstellbaren Werfersystems derart einstellbar ist, dass vom Werfersystem ausgeworfenes Feuerlöschmittel gezielt auf eine Brandstelle auftrifft. Zum Ausrichten des Werfers auf die Brandstelle ist es erforderlich, dass wenigstens eine Fernmesseinrichtung Messpunkte erfasst, die innerhalb eines Überwachungsbereiches liegen und deren jeweilige Temperatur sowie deren Abstand zur Messeinrichtung gemessen wird. Die Fernmesseinrichtung ist entweder als Laserentfernung-, Temperaturmessvorrichtung oder/und als eine Infrarotmesseinrichtung ausgebildet.

Das Gebrauchsmuster DE 298 11 169 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Brandbekämpfung mit einem mobilen System, bei dem die Wurfrichtung des Werfers für das Löschmittel automatisch auf die Brandstelle eingestellt wird. Hierzu sind ein Richtungsmessgerät und zusätzlich ein Entfernungsmessgerät vorgesehen. Das Entfernungsmessgerät zur Messung des Abstandes des mobilen Systems zur Brandstelle ist als Radarmessgerät ausgebildet, wobei der Entfernungsmesswert in Verbindung mit dem Richtungswert zum Ausrichten des Löschmittelwerfers dient. Ferner dient das Radarentfernungsmessgerät zur Bestimmung der Richtung und des Winkels zur Gefahrenstelle, wodurch ein redundantes System gewonnen ist, das auch bei Ausfall des Infrarotrichtungsmessgerätes arbeitet kann.

Im Gebrauchsmuster DE 298 11 168 U1 wird ebenfalls eine Vorrichtung zur Brandbekämpfung mit einem mobilen System beschrieben, das die Wurfrichtung des Werfers für Löschmittel automatisch einstellt. Zur Bestimmung der Werferrichtung der mobilen Löscheinheit ist mindestens eine Infrarottemperaturmessvorrichtung vorgesehen, die die Temperaturen des Brandherdes sowie den Winkel zur Brandstelle während der Fahrt ermittelt. Dazu sind zur Bestimmung der Werferrichtung an der mobilen Löscheinheit wenigstens zwei Fahrtgeber vorgesehen, die mit dem Infrarotmessgerät gekoppelt sind, sodass Entfernungs- und Richtungswerte für eine automatische Ausrichtung des Löschmittelwerfers ermittelt werden können.

Die vorstehend genannten, bekannten Systeme zeichnen sich zum Teil durch ihre hohe Komplexität und konstruktiven Aufwand aus, aber insbesondere durch die Verwendung einer Vielzahl voneinander unabhängig arbeitender Sensoren, wodurch die bekannten Systeme mit hohen Anschaffungskosten verbunden sind. So bedarf es zur Richtungserkennung mindestens eines Infrarotsensors, der einem Feuerlöschsystem die Information verschafft, unter welchem Winkel das Feuerlöschsystem den Brandherd mit Feuerlöschmittel beaufschlagen soll. Zur Erfassung der Entfernung sowie Größe des Brandes werden in an sich bekannter Weise wenigstens zwei Infrarotsensoren eingesetzt, die jedoch in zuverlässiger Weise lediglich bei einer optisch uneingeschränkten Sicht zwischen dem Messsystem und dem zu löschenden Brandherd arbeiten können. Stets sind Brandherde jedoch mit einer starken Rauchentwicklung verbunden, wodurch die bekannten Detektorsysteme an physikalische Grenzen stoßen, wodurch eine zuverlässige Erfassung und Vermessung der Brandherde nicht mehr Gewähr leistet werden kann. Durch die sehr komplexen Sensoranordnungen weisen die bekannten Systeme zumeist voluminöse Baugrößen auf, wodurch ihr Einsatz meist auf den stationären Betrieb festgelegt ist und hier vorzugsweise nur an jenen Stellen angebracht werden können, die keinen räumlichen Einschränkungen unterliegen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von Wärmequellen, insbesondere von Brandherden, mit einem Wärmestrahlung erfassenden Sensorsystem sowie einer Auswerteeinheit, in der die Sensorsignale ausgewertet werden, derart weiterzubilden, dass eine Messdatenerfassung auch bei erschwerten Umgebungsbedingungen, wie starker Rauchentwicklung und ähnlichen Aerosolen in der Luft, möglichst ungehindert möglich sein soll.

Das für die Datenerfassung erforderliche Sensorsystem soll möglichst einfach, platzsparend und kostengünstig herstellbar sein. Insbesondere gilt es die Baugröße des Sensorsystems zu minimieren, so dass ein Einsatz sowohl in stationärer Form auch in schwer zugänglichen Raumbereichen, als auch eine Integration auf mobilen Plattformen möglich sein soll. Schließlich soll das Detektorsystem aufgrund seiner kleinen Baugröße vielseitig einsetzbar sein, so dass es beispielsweise sowohl zu Zwecken des Umweltschutzes, der Brandbekämpfung, des vorbeugenden Brandschutzes sowie der Anlagenüberwachung, um nur einige mögliche Einsatzgebiete zu nennen, zur Verfügung steht.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 9. Vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsgedanken optional weiterbilden, sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele sowie den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von einer Wärmequelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass das Sensorsystem eine einzige Infrarotsensoreinheit aufweist, deren räumliche Lage relativ zur erfassenden Wärmequelle entlang wenigstens einer Linearachse änderbar ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee basiert auf der Durchführung zweier zeitlich hintereinander, mit Hilfe einer einzigen Sensoreinheit durchzuführenden Aufnahmen im infraroten Wellenlängenbereich, vorzugsweise zwischen 8 und 14 µm, so dass eine Auswertung der dabei gewonnenen Messdaten mit Hilfe des an sich bekannten Triangulationsverfahrens möglich ist. Mit Hilfe derartig gewonnener Messdaten ist es nicht nur möglich, die Richtung zu erfassen, unter der die Wärmequelle, beispielsweise in Form eines Brandherdes, vom Sensorsystem "gesehen" wird, es ist zudem auch möglich, die räumliche Größe und Ausbreitung der Wärmequelle sowie deren genaue Entfernung zum Sensorsystem zu ermitteln. Aufgrund der Verwendung nur einer einzigen Infrarotsensoreinheit wird eine ausgesprochen einfache und kostengünstige Lösung zur Brandherderkennung möglich.

Als besonders geeignete Infrarotsensoreinheit dient ein pyroelektrischer Sensor bzw. ein Pyrometer, das wie vorstehend bereits erwähnt, vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 µm Wärmestrahlung erfasst. Als Pyrometer eignet sich bevorzugt ein zylinderförmig ausgebildeter pyroelektrischer Sensor, der um eine Rotationsachse rotiert, die senkrecht zu seiner Zylinderachse orientiert ist. Ein derartiger pyroelektrischer Sensor ist beispielsweise in der GB 2 247 584 A beschrieben. Ein derartig ausgebildeter pyroelektrischer Sensor weist zur Winkelerfassung einen Winkelmesswertgeber auf, so dass bei Rotation des Pyrometers die Temperaturen erfasster Raumpunkte zu den jeweiligen Winkelpositionen, unter denen der Sensor die Informationen zu den Raumpunkten erfasst hat, abgespeichert werden können. Raumpunkte bzw. Raumzonen, in denen eine Temperaturänderung auftritt, werden vom Pyrometer entsprechend detektiert und als mögliche Wärmequellen erfasst. Bei Verlassen der Wärmequelle durch den Messfleck des Pyrometers wird wiederum eine Temperaturänderung detektiert. Auf diese Weise können Wärmequellen, deren Temperatur und die Richtung der Wärmequellen erfasst werden. Möchte man hingegen die Größe der Wärmequelle sowie deren Entfernung zum Detektorsystem vermessen, so wird erfindungsgemäß das Pyrometer entlang einer horizontalen oder vertikal ausgerichteten Linearachse verschoben. Nach Durchführung der ersten Messung erfolgt nach entsprechender Linearverschiebung des Sensorsystems eine zweite Messung, die in gleicher Weise den zu erfassenden Raumbereich abscannt. In beiden Fällen erfolgt durch Rotation des Pyrometers beispielsweise sowohl um eine vertikale als auch um eine horizontale Drehachse ein Messvorgang, der die Umgebung des Pyrometers in Bezug auf vorhandene Temperaturdifferenzen abscannt. Zwar ist es möglich, wie vorstehend beschrieben, mit den Messwerten jeweils aus einer einzigen Position die Richtung zu der entsprechenden Wärmequelle sowie deren geometrische Grenzen zu erfassen, doch bedarf es zur Abstandsermittlung der Messwerte zwei unterschiedliche Raumpositionen, die mit Hilfe Triangulation entsprechend auszuwerten sind. So ist es möglich, aus den erfassten Verläufen der Temperatur über den Winkel der Pyrometermessungen in beiden Positionen die Entfernung des Objektes zu bestimmen. Auch lässt sich die Größe, d. h. die Raumform der Wärmequelle sowohl in horizontaler als auch vertikaler Erstreckung genau ermitteln.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipskizze für die Durchführung des an zwei Orten durchzuführenden Messvorganges,

Fig. 2 Ausführungsform eines Sensorsystems mit gekapseltem Gehäuse.

Kurze Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das die Oberfläche des Objektes O, die im Bereich der schraffierten Fläche eine Oberflächentemperatur T₂ aufweist und im übrigen die Temperatur T₁ besitzt, zu analysieren hilft. Am Messort M₁ wird die Infrarotsensoreinheit - nicht in Fig. 1 dargestellt - positioniert, die die Objektoberfläche O in zwei linienförmigen Scans (Scan 1 und Scan 2) abtastet. Bezüglich der Detektionslinie, die durch den Scan 1 erhalten wird, stellt sich eine lineare Temperaturverteilung, bezogen auf die Raumachse x, dar (siehe hierzu T/x- Diagramm zu Scan 1 in Fig. 1). Ein anderes Scanergebnis wird entlang der Detektionslinie bei Scan 2 erhalten, die durch drei Punkte P₁, P₂ und P₃ charakterisiert ist. Die Messpunkte P₁ und P₃ markieren den Übergangsbereich der Objektoberfläche, an der das Objekt O einen Temperatursprung von T₁ zu T₂ aufweist. Der Messpunkt P₂ liegt inmitten des schraffiert gekennzeichneten Objektoberflächenfeldes, in dem eine einheitliche Temperaturverteilung bei T₂ vorherrscht.

Wird nun die Infrarotsensoreinheit aus dem Messort M₁ in den Messort M₂ linear um den Abstand s verschoben, so wird die Objektoberfläche O von einem anderen Winkel aus erfasst. Wieder ergeben sich zwei unterschiedliche Scanlinien, wobei durch deren Zusammenführung unter Auswertung gemäß des Triangulationsverfahrens eine genaue Abstandsermittlung möglich ist.

In Fig. 2 ist eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Wärmequellen dargestellt. Unter einem für Wärmestrahlung transparenten Gehäuse 1 ist ein zylinderförmig ausgebildeter pyroelektrischer Sensor 2 über einen Kupplungskörper 3 entlang einer Linearachse 4 bewegbar angebracht. Der um die Zylinderachse Z rotierende pyroelektrische Sensor 2 kann sowohl um die Linearachse 4 verschwenkt werden als auch - und dies ist für das erfindungsgemäße Verfahren notwendig - entlang der Linearachse 4 verschoben werden.

Ebenso ist es möglich, das gesamte Gehäuse 1 um seine Hochachse zu drehen (siehe Pfeilrichtung um das Gehäuse), so dass die Achsausrichtung des zylinderförmig ausgebildeten pyroelektrischen Sensors 2 um nahezu 360°, bezogen auf die obere Halbebene des Gehäuses 1, möglich ist.

Aufgrund der nur geringen Baugröße des Detektors kann das System sowohl stationär als auch auf mobilen Plattformen angebracht werden. Folgende Einsatz- und Anwendungsfälle für das obenstehend beschriebene Sensorsystem sind möglich:

- Anlagenüberwachung, beispielsweise die Überwachung von Maschinen, Schaltschränken, elektrischen Leitungen und Rohren,
- Überwachung von Lagergut in Hallen oder auf Freiflächen, wie beispielsweise die Überwachung von Bereichen in Häfen bzw. Flughäfen,
- Detektion von entstehenden Wärmequellen, beispielsweise durch Leckagen in Rohren oder das Auftreten von Brandnestern,
- gezielte Beobachtung bezüglich der Größe oder Größenzunahme von Wärmequellen zur gezielten Ergreifung geeigneter Gegenmaßnahmen,
- Wärmequellendetektion in stationären Anlagen mit extremen Bedingungen, wie beispielsweise Müllbunker und Hochöfen,
- Wald- und Flächenbrandfrüherkennung und -überwachung sowie Datenquelle für Brandbekämpfungssysteme.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

pyroelektrischer Sensor

3

Kupplungskörper

4

Linearachse

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von einer Wärmequelle mit einem Wärmestrahlung erfassenden Sensorsystem sowie einer Auswerteeinheit, in der die Sensorsignale ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem eine einzige Infrarotsensoreinheit aufweist, deren räumliche Lage relativ zur erfassenden Wärmequelle entlang wenigstens einer Linearachse änderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem örtlich ruht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotsensoreinheit wenigstens einen pyroelektrischen Sensor vorsieht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotsensoreinheit im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 µm einsetzbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotsensoreinheit entlang zweier, zueinander senkrecht stehenden Linearachsen bewegbar angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pyroelektrische Sensor um eine Achse rotiert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotsensoreinheit in einem Gehäuse gekapselt ist, in dem die Linearbewegung der Infratrotsensoreinheit erfolgt.

8. Verfahren zur Detektion, Entfernungs-, Größen- und Temperaturmessung von einer Wärmequelle mit einem Wärmestrahlung erfassenden Sensorsystem sowie einer Auswerteeinheit, in der die Sensorsignale ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer einzigen Infrarotsensoreinheit die Wärmequelle von einer ersten Position aufgenommen wird, dass die Wärmequelle anschließend in eine zweite Position, die sich von der ersten Position durch einen endlich großen Abstand unterscheidet, verfahren wird, aus der die Infrarotsensoreinheit die Wärmequelle wiederholt aufnimmt, und dass mittels Triangualtionsverfahren in der Auswerteeinheit eine Bestimmung der Entfernung zwischen Wärmequelle und Sensorsystem und/oder die Größe der Wärmequelle durchgeführt wird.