DE2210354B2

DE2210354B2 - Flammendetektor

Info

Publication number: DE2210354B2
Application number: DE2210354A
Authority: DE
Inventors: Peter Oetwil Mueller; Andreas Dr. Staefa Scheidweiler
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1971-04-08
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1979-01-04
Also published as: FR2132639B1; US3716717A; GB1346742A; JPS55169798U; JPS5760154Y2; CH537066A; FR2132639A1; DE2210354C3; BE767408A; DE2210354A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Flammendetektor mit mindestens einem fotoelektrischen Flammenfühler und einer elektrischen Schaltung zur voneinander getrennten Auswertung der Ausgangssignale des oder der Flammenfühler in verschiedenen Flackerfrequenzbereichen und zur Signalgabe, wenn die Ausgangssignale in zwei der Frequenzbereiche vorgegebene Schwellenwerte überschreiten.

Bei bekannten Flammendetektoren, die z. B. zur Flammenüberwachung oder Brandentdeckung benützt werden, wird die von der Flamme im sichtbaren, infraroten oder uluavioletten Spektralbereich ausgesandte Strahlung von einem geeigneten photoelektrischen Element, z. B. einer Photozelle, einer Photodiode oder einem Photowidersland aufgenommen und in ein elektrisches Ausgangssignal umgeformt. Von der an das photoelektrische Element angeschlossenen elektrischen Schaltung wird dieses Ausgangssignal benützt, ein Alarm- oder Überwachungssignal auszulösen, wenn eine Flamme in dem überwachten Bereich 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 Flammetistrahlung von diesen Störstrahlungen unterscheiden zu können, muß ein Flammendetektor daher so eingerichtet sein, daß er charakteristische Eigenschaften der Flaminenstrahliing 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. Fiammendetekioren dieser Art können natürlich durch starke Infrarotstrahler zu Fehlalarmen veranlaßt werden. Durch starke blauhaltige Störstrahlung wird dagegen entweder überhaupt kein Alarm ausgelöst oder die Ansprechempfindlichkeit für Flammtnstrahlung stark herabgesetzt.

Eine andere bekannte Vorrichtung benützt das für Flammen typische niederfrequente Flackern zur Unterscheidung von Störstrahlern. Dabei weist die elektrische Schaltung ein Filter auf, welches nur Frequenzen in einem bestimmten Bereich, z. B. 5 bis 25 Hz oder 2 bis 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 l'tfrarotfiltern 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.

Schließlich ist auch schon ein Flammendetektor bekannt (US-PS 27 22 677), der ebenfalls zwei verschiedene Frequenzkanäle vorsieht, und zwar einen Kanal im Bereich von 2 bis 6 Hz und einen Kanal zwischen 12 und 30 Hz. Hierbei ging man von der Erkenntnis aus, daß eine Flammenstrahlung stets einen ganzen Bereich von Flackerfrequenzen aufweist, und versuchte, die Störanfälligkeit dadurch zu vermindern, daß gleichzeitig zwei verschiedene Frequenzen ausgewertet wurden. Trotzdem wies dieser Flammendetektor immer noch eine erhebliche Störanfälligkeit auf, ohne daß die wirkliche Ursache dafür erkannt worden wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flammendetektor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Störanfälligkeit und Fehlalarmanfälligkeit gegenüber Störstrahlungen weiter herabgesetzt wird. Die Erfindung geht dabei von der mit ihr gewonnenen Erkenntnis aus, daß die Ursache für das Auftreten von Fehlalarmen bei einem Flammendetektor der letztgenannten vorbekannten Art hauptsächlich darin begründet ist, daß bei diesen bekannten Mehrkanal-Flammendetcktoren die Frequenzkanäle so gewählt sind, daß Grundschwingung und Oberwellen verschiedener Ordnung einer einzigen Störstrahlung gleichzeitig in mehreren Frequenzkanälen liegen können.

Ausgehend von dieser Erkennlnis ist die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß der höhere der beiden Frequenzbereiche außerhalb des Bereichs sämtlicher Oberschwingungen aller im tieferen der beiden Frequenzbereiche enthaltenen Frequenzen liegt. Dadurch wird vermieden, daß in den tieferen der beiden Frequenzbereiche fallende Störfreqtien/.en mit ihren Oberschwingungen in deren höherem auftreten.

Am einfachsten läßt sich dies dadurch erreichen, daß die obere Grenzfrequenz des oberen Frequenzbereiches so gewählt wird, daß sie höchstens doppelt so groß ist wie die untere Grenzfrequenz des unteren Frequenzbereiches (Anspruch 2), beispielsweise indem beide Frequenzbereiche unmittelbar benachbart sind und eine Breite von höchstens j/2 aufweisen (Anspruch 3).

Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch Ausnutzung der weiteren Erkenntnis, daß die spektrale Zusammensetzung der in verschiedenen Flackerfrequenzbereichen liegenden Flammenstrahlung leicht unterschiedlich ist Dies kann dadurch erfolgen, daß für jeden der beiden Flackerfrequenzbereiche ein separater Flammenfühler vorgesehen ist, wobei die Flammenfühler unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen (Anspruch 4).

Ein sicheres und schnelleres Ansprechen kann dadurch erreicht werden, daß in den Schaltungsteilen beider Frequenzbereiche je ein RC-Glied vorgesehen ist, welches das Signal bei Schwellenwertüberschreitung für eine bestimmte Zeitspanne speichert (Anspruch 5).

Die Erfindung wird anhand der Schaltunger, von Ausführur.gsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschema eines Flammendetektors,

Fig. 2 das Schaltbild eines weiteren Flammendetektors,

F i g. 3 den Frequenzgang der verwendeten Verstärker.

In Fig. 1 ist das Blockschema eines erfindungsgemäßen Flammendetektors wiedergegeben. Die Flammenstrahlung trifft auf photoelektrische Elemente 1 und 2, z. B. Photowiderstände, Photodioden oder Photozelleii. 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 1 ein Rot- oder Infrarotfilter 3 vorgesehen sein, während vor dem zum höherfrequenten Verstärker 6 gehörenden Photoelement 2 ein blaudurchlässiges Filter 4 angeordnet ist. Die Wirkung dieser Maßnahme beruht darauf, daß die niederfrequntere 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 Ausgangssigna! beiden freqenzselektiven Verstärkern 5 und 6 zugeleitet wird.

Die A-isgangssignale eier Verstärker 5 und 6 werden über Gleichrichter 7 und 8 Diskriminator-Einrichtungen

9 und 10 zugeführt. Diese Diskriminatoren geben nur dann ein Ausgaugssignal ab, wenn die Eingangssignale aller Kanäle in einer bestimmten Zeitspanne einen vorgegebenen Schwellenwert mindestens einmal überschreiten, d. h. wenn im Frequenzbereich aller Verstärker eine Flammenstrahlung registriert wird.

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 Alarmeinrichtung 13 zugeleitet. Die Zwischenschaltung einer Verzögerungseinrichtung dient zur Unterdrückung falscher Alarme durch kurzzeitige Störungen. Auf sie kann jedoch verzichtet werden, wenn eine besondere 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 Frequenzkanälen auftreten.

F i g. 2 zeigt das Schaltbild eines Flammendeiekton, bei dem die Flammenstrahlung von einem Photowiderstand 14 registriert wird, weicher in Serie mit einem

ίο festen Widerstand 15 zwischen den Speiseleitungen 49 und 50 liegt. Die Änderung des Spannungsabfalls 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 gewählt, liegt jedoch innerhalb des Frequenzbereiches der Flainmenstrahlung. Die Frequenzbereiche werden vorzugsweise bestimmt durch ciü.· Kondensatoren 19, 20,25 und 26 sowie die Widerstände 1 /, 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

JO können, daß die Transistoren 39 und 40 nur oberhalb einer bestimmten Größe der Ausgangssignale der Verstärker 21, 22 geöffnet werden können. Da die Transistoren 39, 40 in Serie geschaltet sind, kann nur dann ein Strom durch 51 fließen, wenn beide

J5 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 Basiswiderstän-He 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 Zustand, so fließt über

η die Speiseleitungen ein Alarmstrori zu einer nicht dargestellten Signalzentrale. Außerdem wird im Detektor selbst eine in Serie zur Kippstufe liegende Anzeigelampe 48 im Betrieb gesetzt. Die parallel dazu liegende Zenerdiode 47 dient zur Spannungskonstant-

"io haltung.

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 kontinuierli-

y< dien Frequenzanteil zwischen 4 und 10 Hz, der sich in abgeschwächter Form bis zu Frequenzen über 25 Hz fortsetzt.

Dagegen zeigt das Frequenzspektrum einer Störstrahlung 5, itr angegebenen Beispiel bestehend aus

■i' einer kontinuierlich leuchtenden Lichtquelle, deren Strahlung durch eine mechanische Blende etwa 6 mal in der Sekunde unterbrochen wurde, ein Linienspektrum mit einer Grundfrequenz bei 6 Hz und höheren Harmonischen beim Doppelten, Drei-, Vierfachen usw.

■' derGrundfrequei.7.

Der Frequenzgang der beiden Verstärker 5,6 bzw. 21, wird nun zweckmäßigerweise so gewählt, daß nicht gleichzeitig die Griindfrequen/. 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 höchstens um einen Faktor 2 über der Untergrenze des tieferen -, Frequenzbereiches liegt. Im Idealfall wird dies erreicht, wenn beide Frequenzbereiche eine relative Breite von etwa /2" haben und sich unmittelbar aneinander anschließen. In Fig. 3 ist ein solcher Fall angenähert durch die Frequenzkurven F\ und F₁ dargestellt. In ι ο diesem Fall ist sichergestellt, daß niemals die Grundfrequenz einer Störung gleichzeitig mit einer Oberwelle im ausgewerteten Frequen/gcbiet liegt. Da bei den meisten Störstraiilungen die zweite Harmonische wesentlich schwächer ist als die dritte Harmonische, ist die Gefahr \; eines Fehlalarms durch gleichzeitiges Auftreten diesel beiden Oberwellen ebenfalls sehr gering. Im dargestell ten Beispiel liegt das ausgewertete Frequenzgebie zwischen 5 und 10 Hz. |e nach dem zu erwartende Flackerspektrum der nachzuweisenden Flammen kan dieses Frequenzgebiet zweckentsprechend gewähl werden. Beispielsweise ist es bei schneller flackernde Flammen zweckmäßig, das Gebiet zwischen 10 urr 20 Hz zu wählen. Die Breite der beiden Frequenzberei ehe kann ebenfalls einer zu erwartenden Störstrahluni angepaßt werden. Sind nur Oberwellen verschiedene Ordnung zu erwarten, ist es unter Umstände zweckmäßig, eine wesentlich geringere I requenzbreii als /2 zu wählen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flammendetektor mit mindestens einem fotoelektrischen Flammenfühler und einer elektrischen Schaltung zur voneinander getrennten Auswertung der Ausgangssignale des oder der Flammenfühler in verschiedenen Flackerfrequenzbereichen und zur Signalgabe, wenn die Ausgangssignale in zwei der Frequenzbereiche vorgegebene Schwellenwerte überschreiten, dadurch gekennzeichnet, to daß der höhere der beiden Frequenzbereiche außerhalb des Bereichs sämtlicher Oberschwingungen aller im tieferen der beiden Frequenzbereiche enthaltenen Frequenzen liegt

Z Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch is gekennzeichnet, daß die obere Grenzfrequenz des höheren Frequenzbereiches sich zur unteren Grenzfrequenz des tieferen Frequenzbereiches höchstens wie 2 :1 verhält.

3. FlajriTiendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der oberen zur unteren Grenzfrequenz jedes Frequenzbereiches höchstens j/2~: 1 beträgt.

4. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der beiden Flackerfrequenzbereiche je ein Flammenfühler vorgesehen ist und die beiden Flammenfühler unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen.

5. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur getrennten Auswertung in den beiden Frequenzbereichen vorhandenen Schaltungsteile je ein RC-Glied (35, 33; 36, 34) aufweisen, das ein Signal ι.<ιτ dann auslösen läßt, wenn die Überschreitungen der Schwellenwerte in den ausgewerteten Frequen. jereichen innerhalb J5 einer bestimmten Zeitspanne erfolgt sind.