DE2358449A1 - Verfahren und vorrichtung zur brandmeldung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur brandmeldung

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DE2358449A1 DE2358449A DE2358449A DE2358449A1 DE 2358449 A1 DE2358449 A1 DE 2358449A1 DE 2358449 A DE2358449 A DE 2358449A DE 2358449 A DE2358449 A DE 2358449A DE 2358449 A1 DE2358449 A1 DE 2358449A1
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Description

BE 15655 -C 129 N
.' ·η Sn
CERBERUS AG Männedorf
Verfahren und Vorrichtung zur ßrandmeldung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brandmeldung und zur Durchführung des Verfahrens einen B rand meider mit einer Messkammer, welche eine Strahlungsquelle und fotoelektrische Einrichtungen aufweist, deren Bestrahlung sich bei Anwesenheit von Rauch oder Verbrennungsprodukten in der Messkammer ändert.
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Ks ist bekannt, (lit1 Anwesenheit von Rauch oder Verbrennungsgasen mittels der Aenderung der von einer Strahlungsquelle ausgesandten, auf ein fotoelektrisches Element (Fotozelle, Fotowiderstand, Fotodiode usw,) auftreffenden Strahlung, z.B. Licht, Infrarot- oder Ultraviolett-Strahlung, nachzuweisen. Dabei wird entweder die Abnahme der direkten Bestrahlung durch Absorption oder Streuung benützt, oder das fotoelektrische Element befindet sich ausserhalb des direkten Strahlenganges, und es wird die Vergrösserung der Bestrahlung infolge Tyndallstreuung an Partikeln oder Aerosol zur Detektion herangezogen,
Die genannten Geräte können jedoch relativ leicht getäuscht werden, da eine Bestrahlungsänderung auch andere Ursachen haben kann, z.B. Eindringen von Störlicht von Aussen in die Messkammer, Aenderung der Bestrahlung infolge Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle, Aenderung der Reflexionen an den Messkammerwänden durch Staubablagerung usw. Bekannte Brand meld er reagieren ausserdem auch auf Verbrennungsprodukte nicht sehr selektiv, d.h. es kann Fehlalarm in der Messkammer durch Schwebeteilchen ausgelöst werden, welche nicht von einem Brand herrühren, z, B, durch Staub, Schweissdämpfe, Nebel etc.
Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines betriebssicheren, störunanfälligen und fehlalarms icher en Brandmelders, welcher ausgesprochen selektiv auf Verbrennungsprodukte anspricht, ' !i
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Das erfiridüngsgemässe Verfahren ist dadurch" gekennzeichnet, dass einerseits die Strahlungsabsorption durch gasförmige Verbrenriungsprodukte, . anderseits die Strahlungs streuung an Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform bestimmt und nur dann ein Signal gegeben wird, wenn dabei gleichzeitig .sowohl gasförmige Verbrennungsprodukte als auch solche in Schwebeteilchenform nachgewiesen werden. ...
Dabei werden also zwei verschiedene Brandkriterien benützt. Bei jedem Verbrennungsvorgang von organischen Materialien entstehen einerseits gasförmige Verbrennungsprodukte in Form von Kohlenmonoxid/ Kohlendioxid und Wasserdampf. Diese Gase weisen in bestimmten Spektralbereichen, besonders im infraroten Gebiet, starke Absorptionsbanden auf. Andererseits entstehen feste oder flüssige Verbrennungsprodukte, welche insbesondere in Form von Rauch sichtbar werden und mittels der Tyndall-Streuung von Licht oder benachbarter Strahlung nachgewiesen werden können. Durch den "gleichzeitigen Nachweis gasförmiger Verbrenriungsprodukte und solcher in Schwebeteilchenform wird also erreicht, dass das Verfahren sehr selektiv für Verbrennungsprodukte arbeiete und durch andere Einflüsse, z. B. andere Partikel wie Staub, Nebel.usw. kein falscher Alarm ausgelöst wird. Ausserdem lässt sich auf diese Weise der Einfluss von Fremdlicht auf den Detektor weitgehend ausschalten.
Besonders zweckmässig ist es, zur Absorptionsmessung vorzugsweise Strahlung in einem engen Bereich zu benützen, in welchem starke Absorptionsbanden bestimmter Verbrennungsgase liegen, z.B. solche Spektralbereiche, weiche die charakteristischen Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid
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(bei 4, 7 /α) und Kohlendioxid (bei 1, 46 /U, 1, 6 /u, 2, 7 /u oder 4, 27 /u) umfass™. Dnmil wird dio Solokiiviiiit der Absorptionsmessung auf Verbrennungsprodukt«.1 stark erhöht. Die benannten Spektralbereiche weisen ausserdem keine bzw. sehr niedrige Absorption durch Wasserdampf auf, womit eine weitere wesentlich verbesserte Selektivität für Verbrennungsprodukte erreicht werden kann. Wasserdampf entsteht nämlich ausser bei Verbrennungen noch durch eine ganze Reihe anderer Prozesse.
Ein Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer wenigstens zwei fotoelektrische Einrichtungen vorgesehen sind, welche so angeordnet sind, dass die eine von der Strahlungsquelle direkte Strahlung erhält, welche infolge Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte in bestimmten Spektralbereichen in der Messkammer abnimmt, während die andere ausserhalb des direkten Strahlenganges angeordnet ist und Streustrahlung nur von in der Messkammer, vorhandenen Verbrehnungsprodukten in Schwebeteilchenform erhält, und dass eine elektrische Schaltung vorgesehen ist, welche nur dann ein Signal auslöst, wenn die direkt bestrahlte fotoelektrische Einrichtung eine Abnahme der Bestrahlung infolge Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte und gleichzeitig die nicht direkt bestrahlte fotoelektrische Einrichtung eine Zunahme der Bestrahlung infolge Streuung an Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform erfährt. Für den zweiten Strahlengang kann dabei entweder die gleiche oder eine separate Strahlenquelle verwendet werden.
Ein solcher Brandmelder kann durch gewisse Störeinflüsse nicht zur Auslösung eines falschen Alarms veranlasst werden. Beispielsweise führt das
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Eindringen von Siorlieht in Qit> Messkammer dazu, dass beide fotöelektrischen Blorriente ifrf gleichen Sinne beeittfilisst werden,! so dass kein Alarm ausgelost wird. So lässt das Fremdlicnt an dem Itir die Strieusrträhitittg vörgeseiienen Detektor ein Signal entstelteiii das in Riehtürig Alartn wirkte Wohingegen am !Detektor für Äbsörptioiisstränliing die Wirkung in umgekenrter RieMüög erfolgt. lit ahfjliefief Weise werden ayeh die Intens:itätss6nwänföirigefr von StfahlungSöiieileri atti^geglieiien; Bei zwei getrennten StraMungsqtj^lieö isf dies der Fäll; werin die Stiötrtversorgühg fiir feeide gleiafisrinnig erf6i|tr Äiis diesem ©fttnle is! es vorteilhaft, die Beiden gtraMendeleKtotefi dtir-efi eifie gemeiniäpäe StraMüngsquelle zti bestrahieö;, .
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Eine besonders zweckmässige Ausbildung der Erfindung ergibt sich, wenn als gemeinsame Strahlungsquelle ein Injektions- oder Halbleiter-Laser verwendet wird. Damit lässt sich einerseits eine besonders gute Ausnutzung der Strahlungsenergie wegen der Richtcharakteristik der Strahlungsquelle erreichen. Da hierbei besonders die Vorwärts-Streuung ausgenützt werden kann, lässt sich der Korngrössenbereich der nachweisbaren Verbrennungsprodukte in Schwebeteilehenform weiter ausdehnen. Andererseits kann dadurch die Strahlung in einen besonders günstigen Spektralbereieh gelegt werden. Die Erfindung wird anhand eines in ,der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles eines Brandmelders erläutert.
Ein Gehäuse 1 umschliesst eine Messkammer 2, in welehe durch Oefmungen die zu überwachende Luft eindringen bzw. hineingeführt werden kann. Stattdessen kann jedoch auch die Gehäusewand teilweise luftdurchlässig aus-, gebildet sein, wobei jedoch auf Lichtundurchlässigkeit zu achten ist. An einer Seite der Messkammer 2 ist hier eine (als gemeinsam gezeigte) Strahlungsquelle 4, z.B. eine Laserdiode, angebracht, welehe in das Innere der Messkammer 2 Strahlung abgibt. Diese Strahlung wird zwecks besonderer rationeller Ausnutzung der Strahlungsenergie bevorzugt in zwei Nebenkammern 5 und 6 gerichtet, wobei entweder Mittel zur optischen Bündelung oder eine Richtcharakteristik der Strahlungsquelle selbst benützt werden können. In beiden Nebenkammern 5 und 6 ist je ein fotoelektrisehes Element 7 und 8 angeordnet, z. B. eine Fotodiode; eine Fotozelle, ein Fotowiderstand oder ein anderer geeigneter fotoelektrischer Wandler. Zweekmässigerweise ist die spektrale Empfindlichkeit des
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fotoelektrischen- Elementes auf die von der oder den Strahlungsquellen emittierte.Strahlung abgestimmt.
In der ersten Nebenkammer 5 wird mittels optischer Blenden 9 verhindert, dass direkte Strahlung von der-Strahlungsquelle 4 auf das Fotoelement 7 trifft. Falls jedoch in der Kammer 5 Schwebeteilchen, z.B. Rauch oder Brandaerosol, vorhanden sind, erhält das Fotoelement 7 Streulicht.und es tritt eine Vergrösserung der Bestrahlung ein. Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn, wie gezeigt, das Fotoelement 7 so angeordnet ist, dass es vorzugsweise Strahlung durch Vorwärts streuung erhält. -
Hierdurch wird nicht nur die Empfindlichkeit verbessert, sondern auch der Korngrössenbereich der nachweisbaren Teilchen in Richtung auf kleinere Partikeldurchmesser ausgedehnt. >
In der anderen Nebenkammer 6 ist ein weiteres Fotoelement 8 so angeordnet, dass es direkt von der Strahlungsquelle 4 bestrahlt wird. Befinden sich Rauch oder Verbrennungsgase in der Messkammer 2 bzw. der Nebenkammer 6, so wird die auf das Fotoelement 8 auftreffende Strahlung durch Absorption oder Ablenkung infolge Streuung geschwächt.
Der Ausgang beider Fotoelemente 7. und 8 ist an je einen Verstärker 10 bzw. 11 angeschlossen. Die Ausgänge beider Verstärker 10 und 11 sind wiederum jeweils mit einem Schwellenwertdetektor 12 bzw. 13 verbunden. Der Schwellenwertdetektor 12 gibt ein Signal ab, wenn die Bestrahlung des Fotoelementes 7 einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, während '
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der Schwellenwertdetektor 13 ein Signal erzeugt, wenn die Bestrahlung dos Fotoelementes 8 einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Die Ausgangssignale der beiden Schwellenwertdetektoren 12 und 13 werden einer Koinzidenzstufe (Und-Tor) 14 zugeführt, welches nur dann ein Ausgangssignal liefert, wenn gleichzeitig beide Schwellenwertdetektoren 12 und 13 ein Signal abgeben. Das Ausgangssignal des Und-Tores 14 wird über eine Integrations-Einrichtung oder eine Zeitverzögerungs-Schaltung 15 einer elektronischen Schaltvorrichtung 16 zugeführt, welcher ein Alarmsignal auslöst bzw. eine Alarmeinrichtung 17 betätigt, wenn das Ausgangs signal während einer bestimmten Zeit anhält.
Die Wirkungsweise des Brandmelders ist nun wie folgt: Treten Verbrennungsprodukte, d.h. Rauch oder Verbrennungsgase, durch die Oeffnung 3 oder durch die Kammerwand 1 in die Messkammer 2 und die Nebenkammern 5 und 6 ein, so wird einerseits durch Strahlungs ab sorption und Streuung die von der Strahlungsquelle 4 ausgehende, auf das Fotoelement 8 auftreffende Strahlung geschwächt. Andererseits erhält das normalerweise unbestrahlte Fotoelement 7 eine gewisse Streustrahlung, so dass sich die Bestrahlung des Fotoelementes 7 erhöht. Da beide Fotoelemente 7 und 8 mittels des Und-Tores. 14 in Koinzidenz-Schaltung liegen, wird in diesem Fall, d. h. bei gleichzeitiger Verminderung der Bestrahlung von Fotoelement 8 und Erhöhung von Bestrahlung von Fotoelement 7 ein Alarmsignal ausgelöst.
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Bei Beeinflussung durch irgendwelche Störungen wird durch die beschriebene Konstruktion und Schaltung jedoch die Erzeugung eines Aiarmsignales verhindert. Variationen der Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 4 werden vorzugsweise dadurch ausgeschaltet, dass beide Fotoelemente 7 und 8 Strahlung von derselben Quelle erhalten, was im übrigen auch eine Kosteneinsparung mit sich bringt. Aendert sich die Strahlungsintensität dieser Quelle 4, so würde sich die Bestrahlung beider Fotoelemente 7 und im gleichen Sinne ändern und über die Schwellenwertdetektören 12 und sowie das Und^Tor 14 würde kein Signal durchgelassen. Das gleiche würde bei Eindringen von variablem Störlicht durch die Oeffnung 3 oder die Kammerwand 1 in das Innere der Fall sein. Auch hier würde sieh die Bestrahlung beider Fotozellen 7 und 8 im gleichen Sinne ändern. Auch bei Aenderung der Reflexionseigenschaften der Innenwand der Messkammer infolge der unvermeidlichen Verstaubung würde das gleiche eintreten, so dass auch hierdurch kein Alarmsignal gegeben werden kann. Verwendet man hingegen zwei Strahlungsquellen, so werden diese vorzugsweise derart mit Strom versorgt, dass ihre Intensitätsänderungen gleichsinnig verlaufen.
Eine besonders gute Fehlalarmsicherheit lässt sich erreichen, wenn als Strahlungsquelle 4 ein spezieller Injektions- oder Halbleiter-Laser bzw. eine Laser-Diode verwendet wird. Hierdurch ist es möglich, die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung in ein Spektralgebiet zu legen, in welchem gewisse Verbrennüngsgase, z.B. Kohlenmonoxid, Kohlen- *dioxid eine besonders starke Absorption aufweisen.· Hierdurch kann erreicht werden, dass für die Verminderung der Bestrahlung
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des Fotoelementes 8 hauptsächlich die Absorption durch die verbrennungss"pezifischen Gase verantwortlich ist, während die Streuung auf das Fotoelement 7 vorzugsweise durch Rauch oder Brandaerosol verursacht wird. In diesem Fall werden zur Brandmeldung also gleichzeitig zwei verschiedene Kriterien benützt und ein Alarmsignal kann nur dann erzeugt werden, wenn gleichzeitig Rauch und gasförmige Verbrennungsprodukte in der Messkammer vorhanden sind. Durch andere Stoffe, z.B. Staub, würde nur Streulicht erzeugt und die Lichtschwächung im anderen Teil des Gerätes wäre so schwach, dass der Schwellenwertschalter 13 nicht ansprechen würde, so dass kein Alarmsignal gegeben würde. Ein Feuermelder,der vorzugsweise eine Strahlung in einem solchen Spektralgebiet verwendet, in dem Absorptionsbanden von Verbrennungsgasen liegen, ist also erheblich fehlalarmsicherer als andere vorbekannte Konstruktionen.
Stattdessen können jedoch auch geeignete Spektralfilter vor einer beliebigen Lichtquelle verwendet werden. Dadurch wird eine noch genauere Einstellung des Spektralbandes ermöglicht, wobei der entstehende Energieverlust jedoch in Kauf genommen werden kann. Bei einer Laser-Diode ist hingegen die Richtcharakteristik der Strahlung von Vorteil, da bei entsprechender Konstruktion der Messkammer spezielle Nebenkammern eine bessere Ausnützung der Strahlung möglich ist als bisher.
Als Halbleiter-Laser können neben Galliumarseniddioden mit charakteristischen Wellenlängen bei etwa 830 - 850 nm mit Vorteil Dreielement-Laser-Dioden
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(trimetal laser diodes) benützt werden, z.B. mit der Zusammensetzung:, (Pb1 "Sn ) Te und (pbi Sn ) Se> womit Strahlung im Wellenlängen-
. * ~ 2C X 1 — XX
bereich zwischen 0, 8 und 15 ia erzeugt werden kann. In diesem Gebiet liegen besonders die charakteristischen Absorptionsbanden von Kdhlenmonoxyd (bei 4, 7u ) und Kohlendioxyd (bei 1, 46, 1, 60 oder 4, 27 *a), Weitere zweckmässige Laser-Dioden sind solche der Zusammensetzung Ga(As P1 J1(Pb Sn ) Se, und (Cd Hg ) Te. Da die Wellenlängen
X Ä — X A-X X X X-X .
des ausgestrahlten Laserlichtes von dem Bandabstand des Basismaterials abhängig ist, kann der Bereich der Strahlung durch die Mischverhältnisse eingestellt werden. Eine Feineinstellung ist durch die Wahl der Stromdichte,-hydrostatischen Druck, Temperatur, usw. möglich. So kann es erreicht werden, dass eine Heterostruktur-Diode bei einer bestimmten Umgebungstemperatur, Druck und Stromdichte bei einer charakteristischen Wellen- * länge des Kohlenmonoxyds (4,.7 m') oder des Kohlendioxyds (4, 27 i*.) ausstrahlt. Auch Pb SSe hat sich als geeignete Diode für Strahlung im Gebiet von 4-8, 5uerwiesen. Zu bemerken ist, dass die genannten Laser-Dioden bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Kühlung verwendet werden können. Jedoch ist nicht nur die Verwendung von Infrarot-Strahlung möglich, sondern ebenfalls νohXÜltraviolett-Strahlung von geeigneten Strahlungsquellen.
Zweckmässigerweise werden, die Fotoelemente 7 und 8 so ausgeführt, dass sie auf die Strahlungsquelle 4 abgestimmt sind, d. h. für die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung besonders empfindlich sind. Fur die obenge-• nannten Laserdioden bzw. Wellenlängenbereiche haben sich beispielsweise Fotodioden mit spezieller Zusammensetzung als besonders geeignet erwiesen, wie z.B. Triglycinsulfat (T.G.S) oder (CcL-!^ ) Te, In Sb.
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Claims (2)

  1. PATlONTANSPKUECHJi
    Λ Verfahren zur Brandmeldung, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Strahlungsabsorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte, andererseits die Strahlungsstreuung an Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform bestimmt und nur dann ein Signal . gegeben wird, wenn dabei gleichzeitig sowohl gasförmige, kohlenstoffhaltige Verbrennungsprodukte als auch solche in Schwebeteilchenforin nachgt wiesen werden.
    ^Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens^mTTeiner Messkammer, welche eine Strahlungsquelle und fotoelektrische Einrichtungen aufweist, deren Bestrahlung sich bei Anwesenheit von Rauch oder.Verbrennungsprodukten in der Messkammer ändert, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer wenigstens zwei fotoelektrische Einrichtungen vorgesehen sind, welche so angeordnet sind, dass die eine von der Strahlungsquelle direkte Strahlung erhält, welche infolge von Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte in bestimmten Spektralbereichen in der Messkammer abnimmt, während die andere ausserhalb des direkten Strahlenganges angeordnet ist und S treu strahlung von in der Messkammer vorhandenen Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenforin erhält und dass eine elektrische Schaltung vorgesehen ist, welche nur dann ein Signal auslöst, wenn die direkt bestrahlte fotoelektrische Einrichtung eine
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    Abnahme der Bestrahlung infolge Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte und gleichzeitig die nicht bestrahlte fotoelektrische Einrichtung eine Zunahme der Bestrahlung infolge Streuung an Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform erfährt.
    2>, Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Absorption vorzugsweise Strahlung in einem Spektralbereich, in welchem Absorptionsbanden gasförmiger Verbrennungsprodukte liegen, verwendet wird,
    4> Verfahren nach ■ Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    die verwendete Strahlung vorzugsweise im Spektralbereich zwischen 0, 8 und 8,5 M-liegt. ■ . .
    5. Verfahren nach ' Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    das Spektralgebiet der verwendeten Strahlung Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid enthält.
  2. 2.
    €>. Brandmelder nach Patentanspruch" , dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Halbleiter-Laser-Diode als gemeinsame Strahlungsquelle vorgesehen ist.
    409824/0287:
    6
    "?. Brandmelder nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    die Strahlungsquelle als Dreielement-Laser-Diode ausgebildet ist.
    S. Brandmelder nach ' Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass die Dreielement-Laser-Diode die Zusammensetzung GaAs P, Pb Sn Se, Cd Hg Te, Pb Sn Te, Pb Sn Se bzw. Pb S Se aufweist.
    2.
    <J- Brandmelder nach Patentanspruch , gekennzeichnet durch eine
    weitere mit der ersten gleichsinnig betriebenen Strahlungsquelle, wobei jede der Quellen Strahlung für je eine der fotoelektrischen Einrichtungen liefert.
    ΛΟ. Brandmelder nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet,-dass
    die direkt bestrahlte fotoelektrische Einrichtung vorzugsweise für Strahlung in einem Spektralbereich, in welchem Absorptionsbanden gasförmiger Verbrennungsprodukte liegen, empfindlich ist.
    AO
    AA. Brandmelder nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    die fotoelektrische Einrichtung als fotoelektrischen Wandler Tryglicinsulfat enthält,
    AO
    42.. Brandmelder nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    die fotoelektrische Einrichtung eine Dreielement-Fotodiode, z.B. der Zusammensetzung Cd Hg Te, ist.
    409824/0287
    ; . . ■-. a. ■ ■■ - - ■
    A"b Brandmelder nach Patentanspruch . dadurch gekennzeichnet, dass
    die elektrische Schaltung ein Und-Tor aufweist, dessen Eingänge von jeweils einer fotoelektrischen Einrichtung gesteuert wird.
    2.
    4*4-. Brandmelder nach Patentanspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    jede der fotoelektrischen Einrichtungen einen Schwellenwertdetektor steuert, welcher ein Signal an jeweils einen Eingang eines Und-Tores abgibt, wenn die Aenderung; der Bestrahlung der entsprechenden fotoelektrischen Einrichtung einen vorbestimmten Wert überschreitet.
    2.
    AS. Brandmelder nach Patentanspruch , dadurch gekennzeichnet, dass
    die elektrische Schaltung eine Zeitverzögerungseinrichtung enthält, welche ein Alarmsignal auslöst, wenn die gleichzeitige Ab- bzw. Zunahme der Bestrahlung der fotoelektrischen Einrichtungen während einer bestimmten Zeit anhält.
    A0982A/0287
    Leerseite
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