DE2358449B2 - Verfahren zur Brandmeldung und Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Brandmeldung und Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brandmel-
*> dung, bei welchem die Strahlungssteuerung an Verbrennungsprodukten rn Schwebeteilchenform detektiert wird, sowie einen Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens mit einer Meßkammer, welche eine Strahlungsquelle und zwei photoelektrische Einrichtun gen aufweist, deren Bestrahlung sich bei Anwesenheit von Rauch oder Verbrennungsprodukten in der Meßkammer ändert, wobei die eine photoelektrische Einrichtung außerhalb des direkten Strahlenganges angeordnet ist und Streustrahlung yon in der Meßkam mer vorhandenen Verbrennungsprodukte in Schwebe teilchenform erhält
Es ist bekannt, die Anwesenheit von Rauch oder Verbrennungsgasen mittels der Änderung der von einer Strahlungsquelle ausgesandten, auf ein photoelektri sches Element (Photozslle, Photowiderstand. Photodio de usw.) auftreffenden Strahlung, z. B. Licht, Infrarotoder Ultraviolett-Strahlung, nachzuweisen. Dabei wird entweder die Abnahme der direkten Bestrahlung durch Absorption oder Streuung benützt (DE-AS 10 78 017), oder das photoelektrische Element berindet sich außerhalb des direkten Strahlenganges, und es wird die Vergrößerung der Bestrahlung infolge Tyndallstreuung an Partikeln oder Aerosol zur Detektion herangezogen (DE-OS 21 08 707).
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, Änderung der Bestrahlung infolge Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle, Änderung der Reflexionen an den Meßkammerwänden durch Sfaubablagerung usw. Bekannte Brandmelder 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, ?.. B. durch Staub, Schweißdämpfe, Nebel etc.
Weiterhin ist ein Brandmeldesystem bekannt (DE-OS
19 57 !72), bei welchem eine Alarmgabe nur erfolgt.
wenn gleichzeitig zwei auf verschiedene Brandphänornene ansprechende Fühler reagieren. Solche Brandmelder arbeiten jedoch nicht hinreichend betriebssicher und selektiv und neigen immer noch zu einer fehlerhaften Alarmgabe bei Vorliegen von Störeinflüssen. Da völlig verschiedene Fühlerelemente verwendet werden müssen, sind solche Systeme kompliziert und entsprechend störanfällig.
Aufgabe der Erfindung ist Jie Vermeidung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines betriebssi- '. ο cheren, störunanfälligen und fehlalarmsicheren Brandmeldeverfahrens und eines einfach aufgebauten Brandmelders, welcher ausgesprochen selektiv auf Verbrennungsprodukte anspricht
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch ge- is kennzeichnet, daß zusätzlich die- Strahlungsabsorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte in einem Spektralbereich, in dem Absorptionsbanden dieser gasförmigen Verbrennungsprodukte liegen, detektiert wird, und nur dann ein Signal gegeben wird, wenn gleichzeitig sowohl gasförmige Verbrennungsprodukte als auch solche in Schwebeteilchemform nachgewiesen werden.
Dabei werden also zwei verschiedene Brandkriterien benützt Bei jedem Verbrennungsvorgang von organi- 2s sehen 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, weiche insbesondere in Form von Rauch sichtbar werden und mittels derTyndall-Streuung von, Licht oder benachbarter Strahlung nachgewiesen werden können. Durch den gleichzeitigen Nachweis; gasförmiger Verbrennungsprodukte und solcher in Schwebeteilchenform wird also erreicht, daß das Verfahren sehr selektiv für Verbrennungsprodukte arbeitet 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, welche die charakteristischen Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid (bei 4,7 μ) und Kohlendioxid (bei 1,45 μ, 1,6 μ, 2,7 μ oder 4,27 μ) umfassen. Damit wird die Selektivität der Absorptions- so messung auf Verbrennungsprodukt«: stark erhöht Die genannten Spektralbereiche weisen außerdem keine, bzw. sehr niedrige Absorption durch Wasserdampf auf, womit eine weitere Verbesserung der 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 gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die zweite photoelektrische Einrichtung so angeordnet so ist, daß sie von der Strahlungsquelle direkte Strahlung erhält, welche infolge von Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte in bestimmten Spektralbereichen in der Meßkammer abnimmt, und daß eine elektrische Schaltung vorgesehen ist, welche nur dann ein Signal auslöst, wenn die direkt bestrahlte photoelektrische Einrichtung eine Abnahme der Bestrahlung infolge Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte und gleichzeitig die nicht direkt bestrahlte photcelektrische Einrichtung eine Zunahme der Bestrahlung infolge Streuung an Verbrennungsprodukten in Schwebteilchenform erfährt.
Ein solcher Brandmelder kann durch gewisse Störeinflüsse nicht zur Auslösung eines falschen Alarms veranlaßt werden. Beispielsweise führt das Eindringen von Störlicht in die MeCkammer dazu, daß beide fotoelektrischen Elemente im gleichen Sinne beeinflußt werden, so daß kein Alarm ausgelöst wird. So läßt das Fremdlicht an dem für die Streustrahlung vorgesehenen Detektor ein Signal entstehen, das in Richtung Alarm wirkt, wohingegen am Detektor für Absorptionsstrahlung die Wirkung in umgekehrter Richtung erfolgt In ähnlicher Weise werden auch die Intensitätsschwankungen von Strahlungsquellen ausgeglichen. Bei zwei getrennten Strahlungsquellen ist dies der Fall, wenn die Stromversorgung für beide gleichsinnig erfolgt Aus diesem Gnmde ist es vorteilhaft, die beiden Strahlendetektoren durch eine gemeinsame fr^fahlungsquelle zu bestrahlen.
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 Ausnützung 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 Schwebeteilchenform weher ausdehnen. Andererseits kann dadurch die Strahlung in einen besonders günstigen Spektralbereich gelegt werden. Die Erfindung wird an Hand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles eines Brandmelders erläutert
Ein Gehäuse 1 umschließt eine Meßkammer 2, in welche durch Öffnungen 3 die zu überwachende Luft eindringen bzw. hineingeführt werden kann. Stattdessen kann jedoch auch die Gehäusewand teilweise luftdurchlässig ausgebildet 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, welche in rlas 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 fotoelektrisches Element 7 und 8 angeordnet, z. B. eine Fotodiode, eine Fotozelle, ein Fotowiderstand oder ein anderer geeigneter fotoelektrischer Wandler. Zweckmäßigerweise ist die spektrale Empfindlichkeit des fotoelektrischen Elementes au/ die von der oder den Strahlungsquellen emittierte Strahlung abgestimmt.
In der ersten Nebenkammer S 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 tine Vergrößerung der Bestrahlung ein. Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn, w;e gezeigt, das Fotoelement 7 so angeordnet ist, daß es vorzugsweise Strahlung durch Vorwärtsstreuung erhält. Hierdurch wird nicht nur die Empfindlichkeit verbessert, sondern auch der Konigrößenbereich 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 der Schwellenwertdetektor 13 ein Signal erzeugt, wenn die Bestrahlung des Fotoelementes 8 einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.
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Iniensitäisänderurtgen 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 ist ein Spektralgebiet zu legen, in welchem gewisse Verbrennungsgase, z. B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, eine besonders starke Absorption aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, daß für die Verminderung der Bestrahlung des Fotoelementes 8 hauptsächlich die Absorption durch die verbrennungsspezifischen 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 gasförmi- σρ VprKrpnniincicnrrwliiL· tp in ripr UAlUrammpr vnrhan.
o o o
tektoren 12 und 13 werden einer Koinzidenzstufc (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 Ausgangssignal während einer bestimmten Zeit anhält.
Die Wirkungsweise des Brandmelders ist nun wie folgt: Treten Verbrennungsprodukte, d. h. Rauch oder Verbrennur.gsgase, durch die öffnung 3 oder durch die Kammerwand 1 in die Meßkammer 2 und die Nebenkammern 5 und 6 ein, so wird einerseits durch Strahlungsabsorption 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.
Bei Beeinflussung durch irgendwelche Störungen wird durch die beschriebene Konstruktion und Schaltung jedoch die Erzeugung eines Alarmsignals 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. Ändert sich die Strahlungsintensität dieser Quelle 4, so würde sich die Bestrahlung beider Fotoelemente 7 und 8 im gleichen Sinne ändern und über die Schwellwertdetektoren 12 und 13 sowie das Und-Tor 14 würde kein Signal durchgelassen. Das gleiche würde bei Eindringen von variablem Störlicht durch die öffnung 3 oder die Kammerwand 1 in das Innere der Fall sein. Auch hier würde sich die Bestrahlung beider Fotozellen 7 und 8 im gleichen Sinne ändern. Auch bei Änderung 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 den 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 fehlalarmsicherT ils andere vorbekannte Konstruktionen.
Stattdessen können jedoch auch geeignete Spektral-
}o filter 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 Richtcharakteri-
t'j stik der Strahlung von Vorteil, da bei entsprechender Konstruktion der Meßkammer spezielle Nebenkammern eine bessere Ausnutzung 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 (trimetal laser Diodes) benützt werden, z, B. mit der Zusammensetzung:
(PB1 _,Sn,) Te und (Pbi _ Snx) Se,
womit Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 15 μ erzeugt werden kann. In diesem Gebiet liegen besonders die charakteristischen Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid (bei 4,7 μ) und Kohlendioxid (bei so 1,46,1,60 oder 4,27 μ). Weitere zweckmäßige Laser-Dioden sind solche der Zusammensetzung
Ga(As1P, _ r),
(Pb1 _ ,Sn1) Se und (Cd1HG, -JTe.
Da die Wellenlänge des ausgestrahlten Laserlichtes von den 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 Wellenlänge des Kohlenmonoxyds (4,7 μ) oder des Kohlendioxyds (4,27 μ) ausstrahlt Auch Pb S Se hat sich als geeignete Diode für Strahlung im Gebiet von 4—8,5 erwiesen. Zu bemerken ist, daß die genannten Laser-Dioden bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Kühlung verwendet werden können. Jedoch
7 8
ist nicht nur die Verwendung von Infrarot-Strahlung emittierte Strahlung besonders empfindlich sind. Für die
möglich, sondern ebenfalls von sichtbarer oder Ultra- obengenannten Laserdioden bzw. Wellenlängenberei-
violett-Strahlung von geeigneten Strahlungsquellen. ehe haben sich beispielsweise Fotodioden mit spezieller
Zweckmäßigerweise werden die Fotoelemente 7 und Zusammensetzung als besonders geeignet erwiesen, wie
8 so ausgeführt, daß sie auf die Strahlungsquelle 4 <·, z. B.TriglycinsulfatfT.G. S.)oder(Cd,Hg,_,)Te. In Sb. abgestimmt sind, d. h. für die von der Strahlungsquelle
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche;
1. Verfahren zur Brandmeldung, bei welchem die Strahlungsstreuung an Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Strahlungsabsorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte in einem Spektralbereich, in dem Absorptionsbanden dieser gasförmigen Verbrennungsprodukte liegen, detektiert wird, und nur dann ein Signal gegeben wird, wenn gleichzeitig sowohl gasförmige Verbrennungsprodukte als auch solche in Schwebeteilchenform nachgewiesen werden.
2. Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Meßkammer, welche eine Strahlungsquelle und zwei photoelektrische Einrichtungen aufweist, deren Bestrahlung sich bei Anwesenheit von Rauch oder Verbrennungsprodukten in der Meßkaxuner ändert, wobei die eine photoelektrische Einrichtung außerhalb des direkten Strahlenganges angeordnet ist und Streustrahlung von in der Meßkammer vorhandenen Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform erhält, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite photoelektrische Einrichtung (8) so angeordnet ist, daß sie von der Strahlungsquelle (4) direkte Strahlung erhält, welche infolge von Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte in bestimmten Spektralbereichen in der Meßkammer abnimmt, und daß eine elektrische Schaltung (10 -17) vorgesehen ist, welche nur dann ein Signal auslöst, wenn sie direkt bestrahlte photoelektrische Einrichtung ^j) eine Abnahme der Bestrahlung infolge Absorption durch gasförmige Verbrennungsprodukte und gte.chzeitig die nicht direkt bestrahlte photoelektrische Einrichtung (7) eine Zunahme der Bestrahlung infolge Streuung an Verbrennungsprodukten in Schwebeteilchenform erfährt
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralgebiet der verwendeten Strahlung Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid enthält
4. Brandmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiter-Laser-Diode als gemeinsame Strahlungsquelle (4) vorgesehen ist
5. Brandmelder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) als Dreielement-Laser-Diode ausgebildet !st
6. Brandmelder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreielement-Laser-Diode die Zusammensetzung Ga As P, Pb Sn Se, Dc Hg Te, Pb Sn Te1 Pb Sn Se bzw. Pb S Se aufweist
7. Brandmelder nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch eine weitere mit der ersten gleichsinnig betriebenen Strahlungsquelle, wobei jede der Quellen Strahlung für je eine der fotoelektrischen Einrichtungen (7,8) liefert.
8. Brandmelder nach einem der Ansprüche 2 oder 4—7, dadurch gekennzeichnet, daß die direkt bestrahlte fcioelektrische Einrichtung (8) für Strahlung in einem Spektralbereich, in welchem Absorptionsbanden gasförmiger Verbrennungsprodukte liegen, empfindlich ist.
9. Brandmelder nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Einrichtung (8) als fotoelektrischen Wandler Triglycinsulfat enthält.
10. Brandmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Einrichtung (8) eine Dreielement-Fotodiode, z.B. der Zusammensetzung Cd Hg Te, ist
U. Brandmelder nach einem der Ansprüche 2 oder 4—10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung ein Und-Tor (14) aufweist, dessen Eingänge von jeweils einer fotorJektrischen Einrichtung (7,8) gesteuert wird.
IZ Brandmekier nach einem der Ansprüche 2 oder 4—10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der fotoelektrischen Einrichtungen (7, 8) einen Schwellenwertdetektor (12,13) steuert, welcher ein Signal an jeweils einen Eingang eines Und-Tores (14) abgibt, wenn die Änderung der Bestrahlung der entsprechenden fotoelektrischen Einrichtung einen vorbestimmten Wert überschreitet
13. Brandmelder nach einem der Ansprüche 2 oder 4—10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung eine Zeitverzögerungseinrichtung (15) enthält, welche ein Alarmsignal auslöst wenn die gleichzeitige Ab- bzw. Zunahme der Bestrahlung der fotoelektrischen Einrichtungen (7, 8) während einer bestimmten Zeit anhält
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