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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Rauchdetektor mit
zwei vom Licht einer Lichtquelle beaufschlagten, in einem Meßgehäuse angeordneten
lichtempfindlichen Elementen, auf die eine infolge Eindringens von Rauch in das
Meßgehäuse hervorgerufene Streustrahlung zu unterschiedlichen Anteilen auftrifft.
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Derartige Detektoren werden vorwiegend als Meßfühler zur Anzeige
eines Entstehungsbrandes verwendet. Der dabei auftretende Rauch ruft in der Stralllung
einer Lichtquelle eine Streustrahlung hervor, die auf ein lichtempfindliches Element
trifft. Das dadurch hervorgerufene Ausgangssignal des lichtelektrischen Elements
wird beispielsweise zur Feuermeldung verwendet.
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Es ist eine lichtelektrische Meldeeinrichtung für trübstoffangereicherte
Raumluft, insbesondere für Rauch, bekannt, bei der zwei in ihren Abmessungen gleiche,
symmetrisch angeordnete, von einer gemeinsamen Lichtquelle durchstrahlte Kammern
vorgesehen sind, in denen sich lichtempfindliche Elemente befinden (deutsche Patentschrift
1 038 455). Eine der Kammern wird von Raumluft durchströmt, während die andere Kammer
luftdicht abgeschlossen ist. Durch Rauch in einem zu überwachenden Raum hervorgerufene
Trübung in der offenen Kammer führt zu einer Änderung des Ausgangssignals des zugeordneten
lichtempfindlichen Elements.
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Die Eintrittsöffnungen im Meßgehäuse, das beide Kammern umgibt, und
in der Meßkammer müssen ausreichend groß gewählt werden, um im Fall des Auftretens
von Rauch eine ausreichende Menge davon in die Meßkammer durchzulassen, damit darin
eine meßbare Trübung eintritt. Dadurch wird jedoch zwangläufig auch der Eintritt
von Staubteilchen in die Meßkammer zugelassen. Das Absetzen von Staubteilchen führt
zur Reflexion der Lichtstrahlen der Lichtquelle an den normalerweise schwarzen Meßkammerwänden,
so daß das lichtempfindliche Element in der Meßkammer nicht mehr mit der gleichen
Lichtmenge beaufschlagt ist wie die abgeschlossene Bezugskammer und wie die ursprünglich
unverschmutzte Meßkammer. Als Folge davon wird der Abgleich zwischen den beiden
lichtempfindlichen Elementen gestört, was die Empfindlichkeit des Rauch detektors
beeinträchtigt. Schließlich kann eine starke Verstaubung sogar zu einer äußerst
unerwünschten Fehl auslösung führen.
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Es ist ferner ein Rauchdetektor bekannt, bei dem im direkten Strahlengang
einer Lichtquelle zwei lichtempfindliche Elemente angeordnet sind (deutsche Patentschrift
658 811).
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Das Meßprinzip bei diesem Rauchdetektor beruht darauf, daß die lichtempfindlichen
Elemente einen unterschiedlichen Abstand zur Lichtquelle haben, so daß eingedrungener
Rauch entlang der unterschiedlich langen Wege zwischen der Lichtquelle und den lichtempfindlichen
Elementen eine unterschiedliche Trübung verursacht, was ein entsprechend geändertes
Ausgangssignal der lichtempfindlichen Elemente zur Folge hat. Auch bei diesem bekannten
Rauchdetektor führt eingedrungener und sich an den Meßkammerwänden absetzender Staub
zu einer Beeinträchtigung des Abgleichs zwischen den beiden lichtempfindlichen Elementen,
so daß es unter Umständen zu einer Fehlauslösung kommen kann. Auch bei diesem bekannten
Rauchdetektor, ähnlich wie bei dem vorher beschriebenen, kann wegen der direkten
Bestrahlung
durch die Lichtquelle nicht vermieden werden, daß sich Staub auch auf
der lichtempfindlichen Fläche des lichtempfindlichen Elementes absetzt, was dessen
Empfindlichkeit außerordentlich beeinträchtigt.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Rauchdetektor
zu schaffen, der gegen Staubeinfall weitgehend unempfindlich ist und seine einmal
eingestellte Empfindlichkeit beibehält.
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Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß die lichtempfindlichen Elemente außerhalb des direkten Strahlengangs
der Lichtquelle im Meßgehäuse hinter verschieden großen Lichteintrittsöffnungen
derart angeordnet sind, daß das eine lichtempfindliche Element mit seiner lichtempfindlichen
Fläche der zugeordneten Lichteintrittsöffnung zugewandt ist, während das andere
lichtempfindliche Element mit seiner lichtempfindlichen Fläche der zugeordneten
Lichteintrittsöffnung abgewandt ist, und daß die Lichteintrittsöffnungen so bemessen
sind, daß die lichtempfindlichen Elemente im Normalfall etwa gleichmäßig einer durch
Reflexion an den Meßgehäusewänden hervorgerufenen Grundstreustrahlung ausgesetzt
sind, daß sie jedoch durch die im Alarmfall durch Eindringen von Rauch in das Meßgehäuse
hervorgerufene Streustrahlung unterschiedlich bestrahlt sind.
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Bei der Erfindung wird der bei einem Brand auftretende Rauch nicht
wie beim bekannten Rauchdetektor in eine Meßkammer geleitet, die von der Lichtquelle
direkt durchstrahlt wird, sondern die lichtempfindlichen Elemente werden mittels
Reflexion an den Gehäusewänden indirekt bestrahlt, wodurch auftretender Rauch nicht
in den Bereich des Meßgehäuses eintritt, in dem die lichtempfindlichen Elemente
angeordnet sind. Bei der Erfindung ist auch keine luftdicht abgeschlossene Vergleichskammer
wie bei dem bekannten Detektor vorzusehen.
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Auch ist nicht erforderlich, die gesamte Meßanordnung gegen Außenlicht
von der Umgebung abzuschirmen. Vielmehr bildet bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung das durch das Umgebungslicht hervorgerufene Streulicht eine Komponente
der Grundstreustrahlung, von der die lichtempfindlichen Elemente im Normalfall gleichmäßig
beaufschlagt werden sollen.
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Auf Grund des bei der Erfindung gewählten Meßprinzips vermag eingedrungener
Staub in das Meßgehäuse nur die Grundstreustrahlung anzuheben. Die gleichmäßige
Bestrahlung der beiden lichtempfindlichen Elemente wird dadurch nicht beeinträchtigt.
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Somit kann es auch nicht wie beim bekannten Rauchdetektor zu einer
Störung des Abgleichs zwischen den beiden lichtempfindlichen Elementen kommen, und
die Empfindlichkeit des Rauchdetektors bleibt trotz des an den Gehäusewänden sich
absetzenden Staubs annähernd gleich.
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Die lichtempfindlichen Elemente können so angeordnet sein, daß in
den Bereich, in dem sie angeordnet sind, praktisch kein Staub eintritt. Dies um
so weniger, wenn die Luft durch Kaminwirkung durch das Meßgehäuse strömt, und zwar
durch den Bereich des Meßgehäuses, der von dem direkten Licht der Lichtquelle bestrahlt
wird.
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Eine Anordnung der lichtempfindlichen Elemente in dem Meßgehäuse
gemäß der Erfindung bringt daher mit sich, daß eine Verstaubung, die über längere
Zeiträume nicht zu vermeiden ist, ohne Einwirkung
auf die Betriebssicherheit
des erfindungsgemäßen Detektors bleibt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Grundstreustrahlung
sich aus zwei Strahlungsanteilen zusammensetzt, von denen der eine von dem Umgebungslicht
gebildet ist, das durch mindestens eine Öffnung für den Eintritt von Rauch in das
Meßgehäuse eindringt und dessen durch Reflexion an den Wänden des Meßgehäuses verursachte
Streustrahlung auf die lichtempfindlichen Elemente auftrifft, und von denen der
andere von dem Licht einer Lichtquelle gebildet ist, das indirekt über ebenfalls
eine durch Reflexion an den Wänden des Meßgehäuses verursachte Streustrahlung auf
die lichtempfindlichen Elemente auftrifft. Zweckmäßigerweise wird das Licht der
Lichtquelle von einem besonderen Teil der Meßkammer weitgehend absorbiert. Eine
gewisse durch die Lichtquelle hervorgerufene Streustrahlung läßt sich jedoch nicht
umgehen. Dadurch an den lichtempfindlichen Elementen hervorgerufene unterschiedliche
Ausgangssignale können in der elektrischen Schaltung, beispielsweise mit Hilfe eines
Potentiometers, ausgeglichen werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
die lichtempfindlichen Elemente symmetrisch zum direkten Strahlengang der Lichtquelle
hinter den Lichteintrittsöffnungen in Unterkammern angeordnet sind und daß jeder
Lichteintrittsöffnung eine als Strahlungsblende ausgebildete Öffnung in dem Meßgehäuse
für den Eintritt von Rauch zugeordnet ist.
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Als lichtempfindliche Elemente werden vorzugsweise Silizium-Fotoelemente
verwendet. Als Lichtquelle dient vorzugsweise eine Gallium-Arsenid-Emissionsdiode.
Hierbei wird der Vorteil erhalten, daß die maximale Empfindlichkeit der Fotoelemente
etwa im selben Wellenlängenbereich liegt wie die maximale Strahlungsenergie der
Emissionsdiode.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachstehend an Hand von
Zeichnungen näher beschrieben werden.
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Fig. 1 zeigt eine elektronische Schaltungsanordnung für einen erfindungsgemäßen
Rauchdetektor; F i g. 2 zeigt im Schnitt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Rauchdetektors; F i g. 3 zeigt eine zum ersten lichtempfindlichen Element gehörende
Lichteintrittsöffnung mit zugeordneter Strahlenblende; F i g. 4 zeigt eine zum anderen
lichtempfindlichen Element gehörende Lichteintrittsöffnung mit zugeordneter Strahlenblende.
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In F i g. 1 sind zwei Silizium-Fotoelemente 7 und 8 so geschaltet,
daß ihre beiden positiven Anschlüsse auf einer gemeinsamen elektrischen Mitte liegen,
während ihre negativen Anschlüsse an die Eingänge 4 und 5 eines Verstärkers 6 angeschlossen
sind. Der Verstärker 6 kann aus einzelnen Bauelementen oder auch aus einem integrierten
Baustein bestehen. Der zum Fotoelement 8 gehörende Eingang 5 ist ein invertierender
Eingang, und der zum Fotoelement7 gehörende Eingang 4 ist ein nicht invertierender
Eingang. Der Verstärker 6 ist über Anschlüsse AL, 2 an eine nicht gezeigte Spannungsquelle
angeschlossen.
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An die nicht gezeigte Spannungsquelle ist außerdem ein Potentiometer
9 angeschlossen, dessen Abgriff mit dem invertierenden Eingang 5 des Verstärkers
6 verbunden ist. Mit Hilfe des Potentiometers 9 kann sowohl die Eingangsspannung
als auch die Ansprech-
empfindlichkeit eingestellt werden. An die Klemmen 1, 2 kann
wahlweise eine Gallium-Arsenid-Emissonsdiode 12 oder eine Glühlampe 13 angeschlossen
werden. Die wahlweise Verwendung einer der beiden Strahlungsquellen ist durch die
gestrichelte Verbindung zur Glühlampe 13 angedeutet. Eine Strahlungsdiode hat gegenüber
einer Glühlampe eine sehr lange Lebensdauer und benötigt wenig Energie bei großer
Strahlungsleistung. Dieser Umstand trägt~ mit zur Sicherheit des Rauchdetektors
bei, vor allem dann, wenn mehrere Rauchmelder in Reihe geschaltet sind. Die Verwendung
einer Gallium-Arsenid-Strahlungsdiode hat ferner den Vorteil, daß sich das Maximum
ihrer relativen Strahlungsenergie mit dem Maximum der Empfindlichkeit der Silizium-Fotoelemente
in etwa deckt. Grundsätzlich gilt, daß der Wellenlängenbereich der Lichtquelle sowie
der lichtempfindlichen Elemente nach Möglichkeit im kurzwelligen Infrarotbereich
liegen sollte, um die Erfassung sehr kleiner Aerosole zu ermöglichen.
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Der Ausgang des Verstärkers 6 ist ferner über einen Spannungsteiler
10 und eine Diode 11 rückgekoppelt.
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Die Diode 11 verhindert ein Kurzschließen des Fotoelementes 7.
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In zwei gleich aufgebauten Unterkammern eines Meßgehäuses 14 (F i
g. 2) sind die beiden Fotoelemente 7, 8 angeordnet. Die Unterkammern und die Fotoelemente7,
8 sind symmetrisch zum direkten Strahlengang einer Lichtquelle 17 angeordnet. Das
nicht abgelenkte Licht dieser Lichtquelle 17 wird in einer kastenartigen Ausnehmung
15 des Meßgehäuses 14, dessen Wände schwarz sind, nahezu völlig absorbiert. Die
Unterkammern begrenzen mit ihren unteren inneren Wänden einen Kamin 16, der am anderen
Ende durch die kastenartige Ausnehmung 15 begrenzt ist. Vom Kamin 16 führen als
Strahlungsblenden 22, 23 ausgebildete Öffnungen in das Meßgehäuse 14. In dem Meßgehäuse
14 sind beidseitig in den Unterkammern verschieden große Lichteintrittsöffnungen
24, 25 vorgesehen. Die lichtempfindliche Fläche des Foto elementes 8 ist der zugeordneten
Öffnung 24 zugekehrt, während die lichtempfindliche Fläche des Fotoelementes7 der
zugeordneten Öffnung 25 abgewandt ist. Die Lichteintrittsöffnungen 24, 25 und die
Strahlungsblenden 22, 23 sind in ihren Abmessungen so gewählt, daß die Fotoelemente
7, 8 annähernd mit einem gleichen Grundstreustrahlungsanteil 21 beaufschlagt sind.
Diese Grundstreustrahlung 21 dringt durch den Kamin 16 und die Strahlungsblenden
22, 23 und die Lichteintrittsöffnungen 24, 25 in die Unterkammern ein. Die Wände
der Unterkammern und des Meßgehäuses 14 sind schwarz, eine gewisse Grundstrahlung
läßt sich jedoch nicht vermeiden, insbesondere, wenn die Wände durch Staub einfall
zu reflektieren vermögen.
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Das Meßgehäuse 141 öffnet sich nach oben in einen gewölbten Trichterl8,
der die Lichtquelle 17 im unteren Teil konzentrisch umgibt. Durch den Kamin 16,
die Strahlungsblenden 22, 23, das Meßgehäuse 14 und den Trichter 18 ziehender Rauch
20 entweicht über Öffnungen 19 in die Umgebung.
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In den Fig. 3 und 4 sind die Abmessungen der Lichteintrittsöffnungen24,
25 und der Strahlungsblenden 22, 23 wiedergegeben, mit denen eine gleichmäßige Beaufschlagung
der Fotoelemente 7, 8 von einer Grundstreustrahlung erreicht wird. Die zum Fotoelement
8 gehörende Lichteintrittsöffnung 24 ist ein schmaler Spalt in der Breite des Fotoelementes.
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Die Breite der zugehörigen Strahlungsblende 22 beträgt ein Vielfaches
der Lichteintrittsöffnung 24. Der Verlauf eines mehrfach reflektierten Lichtstrahles
ist mit der gestrichelten Linie 21 angedeutet. Die zum Fotoelement 7. gehörende
Lichteintrittsöffnung 25 ist mehr als doppelt so breit wie das Fotoelement 7, während
die zugehörige Strahlungsblende 23 so breit wie die Lichteintrittsöffnung 25 ist.
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Die Grundstreustrahlung 21, die infolge der unterschiedlichen Abmessungen
von Lichteintrittsöffnungen und Strahlungsblende beide Fotoelemente 7,8 in gleicher
Weise beaufschlagt, setzt sich, wie bereits oben erwähnt, aus zwei Strahlungsanteilen
zusammen.
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Einmal aus dem durch den Kamin 16 eingestreuten Lichtanteil von außen
und zum anderen aus gestreutem Licht - der Lichtquelle 17, das durch die restliche
Reflexionsfähigkeit der an sich schwarzen Meßgehäusewände verursacht wird. Erfolgt
dennoch eine gewisse Ungleichmäßigkeit in der Beaufschlagung der Fotoelemente 7,
8 durch die Grundstreustrahlung 21, dann werden die dadurch auftretenden unerwünschten
Spannungsdifferenzen durch das Potentiometer 9 (F i g. 1) kompensiert. An den Eingängen
4, 5 des Verstärkers 6 liegt daher kein Differenzsignal, so daß ein Aubgangssignal
des Verstärkers 6 von nahe Null vorliegt. Dieser einmal eingestellte Zustand ändert
sich auch dann nicht, wenn durch Staubeinfall über längere Zeit die Reflexionsfähigkeit
der Meßkammerwände zunimmt, so daß sich der Grundstreulicht anteil merklich erhöht.
Erst in dem Augenblick, in dem Rauch-Aerosole 20, die als kugelförmig angesehen
werden können, auf die Lichtstrahlen der Lichtquelle 17 treffen, erfolgt eine Streuung
dieser Strahlung, wohei-ein Teil der Streustrahlung über die Lichteintrittsöffnungen
24, 25 auf die Fotoelemente 7, 8 gelangt. Dabei erzeugt das Silizium-Fotoelement
8 auf Grund seiner der Öffnung 24 zugekehrten licht empfindlichen Fläche eine größere
Spannung als das Foto element 7. An den beiden Eingängen 4, 5 des Verstärkers 6
liegt daher eine Differenzspannung, die ein weiterzuverarbeitendes Ausgangssignal
des Verstärkers 6 verursacht.
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r Patentansprüche: 1. Optischer Rauchdetektor mit zwei vom Licht
einer Lichtquelle beaufschlagten, in einem Meßgehäuse angeordneten lichtempfindlichen
Ele menten, auf - die eine infolge Eindringens von Rauch in das Meßgehäuse hervorgerufene
Streustrahlung zu unterschiedlichen Anteilen auftrifft, dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtempfindlichen Elemente (7, 8) außerhalb des direkten Strahlengangs
der Lichtquelle (17) im Meßgehäuse (14) hinter verschieden großen Lichteintritts
öffnungen (24, 25) derart angeordnet sind, daß das eine lichtempfindliche Element
(8) mit seiner lichtempfindlichen Fläche der zugeordneten Lichteintrittsöffnung
(24) zugewandt ist, während das andere lichtempfindliche Element (7) mit seiner
lichtempfindlichen Fläche der zugeordneten Lichteintrittsöffnung (25) abgewandt
ist, und daß die Lichteintrittsöffnungen (24, 25) so bemessen sind, daß die lichtempfindlichen
Elemente (7, 8) im Normalfall etwa gleichmäßig einer durch Reflexion an den Meßgehäusewänden
hervorgerufenen Grundstreustrahlung (21) ausgesetzt
sind, daß sie' jedoch durch die
im Alarmfall durch Eindringen von Rauch in das Meßgehäuse (14) hervorgerufene Streustrahlung
unterschiedlich bestrahlt sind.
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2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundstreustrahlung
(21) sicb aus zwei Strahlungsanteilen zusammensetzt, von denen der eine von dem
Umgebungslicht gebildet ist, das durch mindestens eine Öffnung (22, 23) für den
Eintritt von Rauch in das Meßgehäuse (14) eindringt und dessen durch Reflexion an
den Meßgehäusewänden verursachte Streustrahlung über die Lichteintrittsöffnungen
(24, 25) auf die lichtempfindlichen Elemente (7, 8) auftrifft, und von denen der
andere von dem Licht der Lichtquelle (17) gebildet ist, das indirekt über ebenfalls
eine durch Reflexion an den Meßgehäusewänden verursachte Streustrahlung auf die
lichtempfindlichen Elemente (7, 8) auftrifft.
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3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wände des Meßgehäuses (14) schwarz sind.
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4. Detektor nach einem der. Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß im direkten Strahlengang der Lichtquelle (17) eine kastenartige Ausnehmung (15)
in dem Meßgehäuse (14) gebildet ist, deren Wände ebenfalls schwarz sind.
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5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtempfindlichen Elemente (7, 8) symmetrisch zum direkten Strahlengang
der Lichtquelle (17) hinter den Lichteintrittsöffnungen (24, 25 in Unterkammern
angeordnet sind, und daß jeder Lichteintrittsöffnung (24, 25) eine als Strahlungsblende
(22, 23) ausgebildete Öffnung in dem Meßgehäuse (14) für den Eintritt von Rauch
zugeordnet ist.
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6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsöffnung
(24) des ersten lichtempfindlichen Elementes (8) etwa die Breite seiner lichtempfindlichen
Fläche hat, wäh rend die Breite der zugeordneten Strahlungsblende (22) ein Vielfaches
der Breite der Lichteintrittsöffnung (24) ist, und- daß .die Lichteintrittsöffnung
(25) des zweiten lichtempfindlichen Elementes (7) mindestens doppelt so -breit ist
wie dessen lichtempfindliche Fläche, während die zugeordnete Strahlungsblende (23)
etwa so breit ist wie die Lichteintrittsöffnung (25).
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7. Detektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wände der Unterkammern einen Kamin (16) begrenzen, in dessen Innerem die Strahlungsblenden
(22, 23) angeordnet sind.
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8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7; dadurch gekennzeichnet,
daß die mit den lichtempfindlichen Elementen (7, 8) verbundene Schalteinrichtung
einen Verstärker (6) aufweist, an dessen nicht invertierendem Eingang (4) der negative
Anschluß des einen Elementes (7) und an dessen invertierendem Eingang (5) der negative
Anschluß des anderen lichtempfindlichen Elementes (8) angeschlossen ist.
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9. Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang
des Verstärkers (6) auf den nicht invertierenden Eingang (4) rückgekoppelt ist.