DE2210354A1

DE2210354A1 - Flammen-Detektor

Info

Publication number: DE2210354A1
Application number: DE19722210354
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Stäfa; Müller Peter Oetwil; Scheidweiler (Schweiz)
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1971-04-08
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1972-10-19
Also published as: US3716717A; JPS5760154Y2; CH537066A; FR2132639B1; DE2210354C3; DE2210354B2; JPS55169798U; FR2132639A1; BE767408A; GB1346742A

Description

DIETRICH ISV.'^S PAT^JT. *.'-i.VALT

8 Minchenai - Gotthardstr.

Telefon 56 17 62

-3. Harz 1972

C 12X

CERBERUS AG

Flammen-Detektor

Männedorf (Schweiz)

Die Erfindung betrifft einen Flammen-Detektor mit mindestens einem photoelektrischen Element und einer elektrischen Schaltung zur Auswertung der Ausgangssignale des photoelektrischen Elementes und zur Signalgabe.

Bei bekannten Flammen-Detektoren, die z.B. zur Flammenüberwachung

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oder Brandentdeckung benützt werden, wird die von der Flamme im sichtbaren,infraroten oder ultravioletten Spektralbereich ausgesandte Strahlung von einem geeigneten photoelektrischen Element, z.B. einer Photozelle, einer Photodiode oder einem Photowiderstand aufgenommen und in ein elektrisches Ausgangssignal umgeformt. Von der an das photoelektrische Element angeschlossenen elektrischen Schaltung wird dieses Ausgangssignal benützt, ein Alarm- oder Ueberwachungssignal auszulösen, wenn eine Flamme in dem überwachten Berich vorhanden ist, bzw. nicht vorhanden ist.

In der Praxis sind jedoch neben der Flammenstrahlung meist noch andere Störstrahlungen vorhanden, z.B. Sonnenlicht, Strahlungen von Lampen oder Infrarot-Quellen usw. Um die Flammenstrahlung von diesen StörStrahlungen unterscheiden zu können, muss ein Flammendetektor daher so eingerichtet sein, dass er charakteristische Eigenschaften der Flammenstrahlung zur Unterscheidung von StörStrahlungen heranzieht.

Eine bekannte Vorrichtung benützt die Tatsache, dass die bei einem Brand entstehenden Flammen einen grösseren Infrarot-Anteil aufweisen als die meisten Störstrahlungen. Eine rotempfindliche und eine blauempfindliche Photozelle sind in Serie geschaltet und die elektrische Schaltung löst nur dann ein Alarmsignal aus, wenn das Rot/Blau-Verhältnis einen bestimmten

Wert übersteigt. Flammen-Detektoren dieser Art können natürlich durch starke Infrarotstrahler zu Fehlalarmen veranlasst werden. Durch starke blauhaltige Störstrahlung wird dagegen entweder

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überhaupt kein Alaxia ausgelöst oder die Ansprechempfindlichkeit für Flaninenstrahlung stark herabgesetzt.

Eine andere bekannte Vorrichtung benützt das für Flammen typische niederfrequente Flackern zur Unterscheidung von StorStrahlern. Dabei weist die elektrische Schaltung ein Filter auf, welches nur Frequenzen in einem bestimmten Bereich, z.B. 5 - 25 Hz oder 2 - 40 Hz durchlässt. Auch Vorrichtungen dieser Art können jedoch durch Reflexionen von Störstrahlungen an bewegten oder umlaufenden Teilen mit zufällig ähnlicher Frequenz oder durch flackernde Leuchtstofflampen usw. gestört werden. Es ist zwar versucht worden, durch zusätzliche Ausnützung der bei einer Flammenstrahlung häufigsten Wellenlängen, z.B. durch Vorschalten von Infrarotfiltern vor die Photozelle oder durch Ausblenden der Wellenlänge der häufigsten Störstrahlung, eine Herabsetzung, der Störanfälligkeit zu erreichen. Dies ist jedoch nur in beschränktem Masse gelungen, da häufig auch Infrarotstrahlungen von bewegten oder rotierenden Teilen reflektiert werden, wodurch auch bei diesen Vorrichtungen ein Fehlalarm ausgelöst werden kann.

Ziel der Erfindung ist daher ein Flammendetektor, bei welchem durch bessere Ausnützung der charakteristischen Eigenschaften von Flammen die Störanfälligkeit und Fehlalarm-Häufigkeit herabgesetzt ist. Damit soll sich ein Flammendetektor schaffen lassen, welcher eine erhöhte Betriebssicherheit aufweist und wegen der Unempfindlichkeit gegen Störstrahlungen empfindlicher gemacht werden kann als bekannte Vorrichtungen.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung den Wechselspannungsanteil des Ausgangssignales des oder der photoelektrischen Elemente in mindestens zwei verschiedenen Frequenzbereichen getrennt voneinander auszuwerten und nur dann ein Signal auszulösen vermag, wenn das Ausgangssignal in beiden Frequenzbereichen bestimmte Schwellenwerte überschreitet.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass das niederfrequente Flackern nicht ganz regelmässig oder periodisch erfolgt. Bei einer Flamme lösen sich in gewissen Zeitabständen nacheinander einzelne Flammenfronten vom Brandherd ab und ge- ben zu einem Lichtimpuls Anlass. Die Aufeinanderfolge der einzelnen Lichtimpulse entspricht zwar dem genannten niederfrequenten Frequenzbereich, jedoch ist der Abstand der einzelnen Lichtimpulse unregelmässig verteilt. Das bedeutet, dass bei einer Flamme im Gegensatz zu einer periodisch arbeitenden Lichtquelle nicht separate Frequenzen und deren Oberwellen auftreten, sondern ein mehr oder weniger kontinuierliches Frequenzband. Eine Flammenstrahlung kann also von einer periodischen Störstrahlung dadurch unterschieden werden, dass festgestellt wird, ob die Schwankungen der empfangenen Stratalung in mehreren Frequenzbereichen vorhanden sind. Diese Frequenzbereiche werden zweckmässigerweise so gewählt, dass vermieden wird, dass eine periodische Störstrahlung in dem einen Frequenzbereich liegen kann, jedoch gleichzeitig eine Oberwelle z.B. die zweite oder drittd Harmonische in dem anderen Frequenzbereich liegt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch

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erreichen , dass man zwei Frequenzbereiche in einem niederfrequenten Frequenzgebiet z.B. zwischen 2 und 40 Hz oder 5 und 25 Hz benützt, wobei die Obergrenze des höheren Frequenzbereiches zur Untergrenze des tieferen Frequenzbereiches in einem Verhältnis von höchstens 2:1 steht. Dies ist
gewährleistet, wenn beide Frequenzbereiche sich unmittelbar aneinander anschliessen und das Verhältnis der Frequenz-Obergrenze zur Untergrenze bei jedem Frequenzbereich
höchstens \2 beträgt.

Bei Verwendung von mehr als zwei Frequenzbereichen, wie sie besonders bei automatischen Feuermeldeanlagen zweckmässig
ist, bei denen eine besonders hohe Betriebssicherheit verlangt wird, sollten die genannten Bedingungen für wenigstens zwei der verwendeten Frequenzbereiche oder -kanäle gelten.

Die Erfindung wird anhand der Schaltungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschema eines Flammendetektors

Fig. 2 das Schaltbild eines weiteren Flammendetektors

Fig. 3 der Frequenzgang der verwendeten Verstärker

Fig. 4 das Schema einer ersten Feuermeldeanlage

Fig. 5 das Schema einer zweiten Feuermeldeanlage

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In Fig. 1 ist das Blockschema eines erfindungsgemässen Flammendetektors wiedergegeben. Die Flaxranenstrahlung trifft auf photoelektrische Elemente 1 und 2 z.B. Photowiderstände, Photodioden oder Photozellen. Das Ausgangssignal der photoelektrischen Elemente wird frequenzselektiven Verstärkern 5 und 6 zugeführt. Die Frequenzbereiche der beiden Verstärker sind dabei verschieden voneinander gewählt, jedoch so, dass sie beide im Gebiet der Flackerfrequenzen von Flammen liegen (z.B. im Bereich von 2 bis 40 Hz oder 5 bis 25 Hz). Zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Selektivität kann vor dem zum niederfrequenteren Verstärker 5 gehörenden Photoelement ein Rot- oder Infrarotfilter 3 vorgesehen sein, während vor dem zum höherfrequenten Verstärker 6 gehörenden Photoelement ein blaudurchlässiges Filter 4 angeordnet ist. Die Wirkung dieser Massnahme beruht darauf, dass die niederfrequentere Flammenstrahlung einen grösseren Rotanteil aufweist. Jedoch kann auch auf diese Filter 3 und 4 verzichtet werden und zur Aufnahme der Flammenstrahlung ein einziges Photoelement vorgesehen sein, dessen Ausgangssignal beiden frequenzselektiven Verstärkern 5 und 6 zugeleitet wird.

Die Ausgangssignale der Verstärker 5 und 6 werden über Gleichrichter 7 und 8, Diskriminator-Einrichtungen 9 und 10 zugeführt. Diese Diskriminatoren geben nur dann ein Ausgangssignal ab, wenn die Eingangssignale aller Kanäle in einer bestimmten Zeitspanne einen vorgegebenen Schwellenwert mindestens einmal überschreiten, d.h. wenn im Frequenzberich aller Verstärker eine Flammenstrahlung registriert wird.

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Die AusgangsSignale der Diskriminatoren 9 und 10 werden einem UND-Tor 11 zugeführt, welches nur dann ein Signal abgibt, wenn von allen Diskriminatoren 9 und 10 ein Eingangssignal eintrifft. Das Ausgangssignal des UND-Tores 11 wird über eine Zeitverzögerungs-, bzw. Integrations-Einrichtung 12 der Alanneinrichtung 13 zugeleitet. Die Zwischenschaltung einer Verzögerungseinrichtung dient zur Unterdrückung falscher Alarme durch kurzzeitige Störungen. Auf sie kann jedoch verzichtet werden, wenn eine besonders kurze Ansprechzeit des Flammendetektors erforderlich ist.

Bei einem Flammendetektor dieser Art spricht die Alarmeinrichtung also nur dann an, wenn die Flammenstrahlung derart schwankt, dass Schwingungen in sämtlichen Frecfuenzkanälen auftreten.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Flammendetektors, bei dem die Flairanenstrahlung von einem Photowiderstand 14 registriert wird, welcher in Serie mit einem festen Widerstand 15 zwischen den Speiseleitungen 49 und 50 liegt. Die Aenderung des Spannungsabfalles am Photowiderstand 14 wird über einen Kondensator 16 die Widerstände 17 und 18 sowie die Kondensatoren 19 und 20 zwei Operationsverstärkern 21 und 22 zugeleitet. Die Kondensatoren 25 und 26 und die Widerstände 23 und 24 dienen zur selektiven Gegenkopplung der Verstärker 21 und 22. Der Frequenzbereich beider Verstärker ist wiederum verschieden voneinander qowühlt, liegt jedoch innerhalb des Frequenzbereiches der Flammenstrahlung. Die Frequenzbereiche werden vorzugsweise

bestinunt durch die Kondensatoren 19, 20, 25 und 26 sowie die Widerstände 17, 18, 23 und 24.

Die Ausgangssignale der Verstärker 21 und 22 werden über die Kondensatoren 27 und 28 den beiden Gleichrichtern, bestehend aus den Widerständen 29, bzw. 30, den Dioden 31, bzw. 32 den Kondensatoren 33, bzw. 34 zugeführt. Die Widerstände 35 und 37, bzw. 36 und 38 stellen Spannungsteiler dar, mit deren Hilfe die gleichgerichteten Signale derart abgeschwächt werden können, dass die Transistoren 3 8 und 40 nur oberhalb einer bestimmten Grosse der Ausgangssignale der Verstärker 21, 22 geöffnet werden können. Da die Transistoren 21, 22 in Serie geschaltet sind, kann nur dann ein Strom durch 51 fliessen, wenn beide Transistoren leitend sind. Die Schaltung wirkt also als UND-Tor. In einem solchen Fall bringt der Spannungsabfall am Widerstand 51 eine aus 2 weiteren gegenseitig rückgekoppelten Transistoren 43 und 44 bestehende Kippstufe zum Umkippen in den leitenden Zustand. Die Widerstände 41 und 45 dienen dabei als Basiswiderstände der Beiden Transistoren und die Kondensatoren 42 und 46 zum Schutz vor einem zufälligen Umkippen durch Spannungsstösse aus dem Netz. Ist die Kippstufe im leitenden

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Zustand, so fliesst über die Speiseleitungen ein Alarmstrpm zu einer nicht dargestellten Signalzentrale. Ausserdem wird im Detektor selbst eine in Serie zur Kippstufe liegende Anzeigelampe 48 in Betrieb gesetzt. Die parallel dazu liegende Zenerdiode 47 dient zur Spannungskonstanthaltung.

In Fig. 3 ist anhand des Frequenzspektrums die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben. Die Kurve FL zeigt ein Beispiel für das Flackerspektrum einer Flamme. Man erkennt einen relativ breiten kontinuierlichen Frequenzanteil zwischen 4 und 10 Hz, der sich in abgeschwächter Form bis zu Frequenzen über 25 Hz fortsetzt.

Dagegen zeigt das FrequenzSpektrum einer Störstrahlung S,im angegebenen Beispiel bestehend aus einer kontinuierlich leuchtenden Lichtquelle, deren Strahlung durch eine mechanische Blende etwa 6mal in der Sekunde unterbrochen wurde, ein Linienspektrum mit einer Grundfrequenz bei 6 Hz und höheren Harmonischen beim Doppelten, Drei-, Vier-,Fünffachen usw. der Grundfrequenz.

Der Frequenzgang der beiden Verstärker 5, 6, bzw. 21, 22 wird nun zweckmässigerweise so gewählt, dass nicht gleichzeitig die Grundfrequenz einer Störstrahlung in den einen Frequenzbereich fällt, während gleichzeitig die zweite Harmonische im anderen Frequenzbereich liegt. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass die Obergrenze des höheren Frequenzbereiches höchsten:; um einen Faktor 2 über der Untergrenze des tieferen

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Frequenzbereiches liegt. Im Idealfall wird dies erreicht, wenn beide Frequenzbereiche eine relative Breite von etwa V2 haben und sich unmittelbar aneinander anschliessen. In Fig. 3 ist ein solcher Fall angenähert durch die Frequenz-

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kurven F und F dargestellt. In diesem Fall ist sichergestellt, dass niemals die Grundfrequenz einer Störung gleichzeitig mit einer Oberwelle im ausgewerteten Frequenzgebiet liegt. Da bei den meisten Störstrahlungen die zweite Harmonische wesentlich schwächer ist als die dritte Harmonische, ist die Gefahr eines Fehlalarmes durch gleichzeitiges Auftreten dieser beiden Oberwellen ebenfalls sehr gering. Im dargestellten Beispiel liegt das ausgewertete Frequenzgebiet zwischen 5 und IO Hz. Je nach dem zu erwartenden Flackerspektrum der nachzuweisenden Flammen kann dieses Frequenzgebiet zweckentsprechend gewählt werden. Beispielsweise ist es bei schneller flackernden Flammen zweckmässig, das Gebiet zwischen IO und 20 Hz zu wählen. Die Breite der beiden Frequenzbereiche kann ebenfalls einer zu erwartenden Störstrahlung angepasst werden. Sind nur Oberwellen verschiedener Ordnung zu erwarten, ist es unter Umständen zweckmässig, eine wesentlich geringere Frequenzbreite als V 2 zu wählen.

Weiter wird bemerkt, dass das oder die photoelektrischen Elemente entweder mit der elektrischen Schaltung zu einer mechanischen Einheit vereinigt sein kann, odc;r die Schaltung ist gtrennt davon in einer Signalzentrale angeordnet, wobei mehrere Photoelemente über gemeinsame Leitungen an diese Zentrale angeschlossen sind. Im ersten Fall erfolgt die Auswertung im jeweiligen Detektor seLbst, in zweiten in der Signallzentrale.

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Die Schaltung einer Flammenmelde-Anlage der erstgenannten Art ist in Fig. 4 dargestellt. An eine Signalzentrale S sind zwei Gruppen G- und. G₂ von Flammenmeldern über Leitungspaare L. und L„ angeschlossen. Jede der beiden Gruppen besteht aus mehreren parallel geschalteten Flammen-Detektoren D, D¹ und D". Jeder dieser Flammen-Detektoren besteht aus einem photoelektrischen Element P und einer zugehörigen elektrischen Schaltung E, welche zu einer mechanischen Einheit vereinigt sind. Trifft nun auf eines der photoelektrischen Elemente P,

P¹ (un"cl) P" die Strahlung einer Flamme, so vermindert sich der Widerstand der zugehörigen elektrischen Schaltung E, E¹ oder E", sodass im Leitungspaar L-, bzw. L₃ ein erhöhter Strom fliesst. In den in der Signalzentrale S angeordneten Alarmeinheiten A- und A« wird das Auftreten eines solchen erhöhten Stromes als Kriterium für einen Alarmzustand verwendet und in der Signalzentrale erscheint ein visuelles oder akustisches Alarmsignal. Durch spezielle Anzeige-Einrichtungen an den einzelnen Alarm-Einheiten kann festgestellt werden, aus welcher Detektor-Gruppe der Alarm stammt. Weiterhin kann in der Signalzentrale eine von den einzelnen Alarmeinheiten A., A-usw. angesteuerte Uebertragungseinheit T vorgesehen sein, welche zusätzlich einer externen Stelle, z.B. der Feuerwehr oder der Polizei, einen Alarmruf übermittelt.

Fig. 5 zeigt eine Flammemmelde-Anlage, bei der nicht komplette, aus Photoelement und elektrischer Schaltung bestehende Detektoren an die Signalzentrale S angeschlossen sind, sondern über Leitui;<TPpaare L und L¹ mehrere Gruppen G und G¹ von pcirallel

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Al

geschalteten photoelektrischen Elementen P., P„, P- und P..
Die Ausgangssignale dieser photoelektrischen Elemente werden gemeinsam der zugehörigen elektrischen Schaltung E, bzw. E¹, welche innerhalb der Signalzentrale S angeordnet sind^In
diesem Fall wird das Ausgangssignal der elektrischen Schaltung, d.h. der erhöhte Alarmstrom, jeweils einer zugehörigen, gleichfalls in der Signalzentrale angeordneten Alarmeinrichtung A, bzw. A¹ zugeführt, welche wiederum die Auslösung eines visuellen oder akustischen Alarmsignales veranlasst. Ebenfalls ist wiederum vorgesehen, dass die Alarm-Einrichtungen A, bzw. A¹ ein Signal an eine Uebertragungs-Einrichtung T leiten, welche externe Stellen über das Auftreten eines Alarmzustandes informieren .

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Claims

Patentansprüche

1/ Flammendetektor mit mindestens einem photoelektrischen Element und einer elektrischen Schaltung zur Auswertung der Ausgangssignale des oder der photoelektrischen Elemente und zur Signalgabe_/dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung den Wechselspannungsanteil des Ausgangssignales des oder der photoelektrischen Elemente in mindestens zwei verschiedenen Frequenzbereichen getrennt voneinander auszuwerten und nur dann ein Signal auszulösen vermag, wenn das Ausgangssignal in beiden Frequenzbereichen bestimmte Schwellenwerte überschreitet.
2. Flammendetektor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Frequenzbereiche in einem Frequenzgebiet zwischen 2 und 40 Hz liegen.
3. Flammendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Frequenzbereiche in einem Frequenzgebiet liegen, deren Ober- und Untergrenze sich höchstens wie 2:1 verhalten.
4. Flammendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Frequenz-Obergrenze zur Untergrenze bei jedem der beiden Frequenzbereiche höchstens 12 beträgt.

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5. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung mindestens zwei verschiedene Zweige mit unterschiedlichem Frequenzgang aufweist, deren Ausgangssignale einem UND-Tor zuführbar sind, welches nur dann ein Alarmsignal auszulösen vermag, wenn ein Eingangssignal aus jedem Zweig vorhanden ist.
6. Flammendetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zweig der elektrischen Schaltung einen frequenzselektiven Verstärker und einen Diskriminator zum Nachweis eines Ausgangssignales des Verstärkers aufweist.
7. Flammendetektor räch Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal eines photoelektrxschen Elementes mehreren Zweigen der elektrischen Schaltung gleichzeitig zugeführt wird.
8. Flammendetektor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens zwei photoelektrische Elemente unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, deren Ausgangssignale je einem Zweig der elektrischen Schaltung zugeführt wird.
9. Flammendetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das UND-Tor mindestens zwei Transistoren aufweist, deren Kollektor-Emitter-Strecken in Serie geschaltet sind und deren Basis von je einem Zweig der elektrischen

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Schaltung angesteuert wird.
10. Flammendetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das UND-Tor eine bistabile Schaltstufe steuert.
11. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die photoelektrischen Elemente mit der elektrischen Schaltung zu einer mechanischen Einheit vereinigt s ind.
12. Flammendatektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung getrennt von den photoelektrischen Elementen in einer Signalzentrale angeordnet ist.
13. Flammendetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere photoelektrische Elemente an die Signalzentrale angeschlossen sind.
14. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennezeichnet, dass aie elektrische Schaltung ein Signal auslöst, wenn die Ueberschreitung der Schwellenwerte in allen ausgewerteten Frequenzbereichen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erfolgt sind.