DE2512650C2

DE2512650C2 - Flammendetektor

Info

Publication number: DE2512650C2
Application number: DE19752512650
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.rer.nat. Stäfa-Uerikon Scheidweiler
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1974-05-10
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1982-12-23
Also published as: FR2270651A1; JPS628506Y2; CH565421A5; JPS5658528U; FR2270651B1; DE2512650A1; JPS50161280A; GB1467213A

Description

Die Erfindung betrifft einen Flammendetektor zur Aufnahme der von einer Flamme ausgesandten Strahlung mit einer photoelektrischen Einrichtung, vor welcher Mittel zur wechselweisen Veränderung der auf sie eiiiwirkenden Strahlung angeordnet sind, und einer damit verbundenen elektrischen Schaltung zur Auswertung des Ausgangsignales der photoelektrischen Einrichtung zur Signalgabe.

Solche, beispielsweise zur Brandmeldung oder Flammenüberwachung verwendete Detektoren benützen die von einer Flamme ausgehende infrarote, sichtbare oder ultraviolette Strahlung als Kriterium für die Existenz einer Flamme. Fast alle bekannten Flammendetektoren können jedoch die von einer Flamme ausgehende Strahlung von der gewisser anderer strahlungsabgebender Stö'quellen im selben Spektralbereich, wie Umgebungslicht, Wärmestrahler, künstliche Lichtquellen. Blitzentladungen oder Schweißgeräte, nicht unterscheiden, es ist daher notwendig, bei der Auswertung der empfangenen Strahlung besondere charakteristische Merkmale der Flammenstrahlung zur Unterscheidung gegenüberstehen Störquellen heranzuziehen.

Es ist bekannt, bei Flammendetektoren die Flackerfrequenz der Flamme auszuwerten. Weitere bekannte Flammendetektoren verwenden zwei photoelektrische Einrichtungen, weiche entweder eine verschiedene, spektrale Empfindlichkeit aufweisen oder bei welcher Filter mit unterschiedlicher, spektraler Durchlässigkeit vorgeschaltet sind. Beispielsweise ist eine Einrichtung vorzugsweise für blaues Licht empfindlich, die andere für den roten oder infraroten Lichtanteil. Die Auswertung erfolgt dann so, daß nur dann ein Flammensignal gegeben wird, wenn das Verhältnis der Strahlungen in den beiden Spektralbereichen bestimmte Werte hat, z. B. wenn die Infrarot- oder Rotstrahlung um einen bestimmten Faktor intensiver ist als die Blaustrahlung. Da zwei photoelektrische Einrichtungen und zwei Auswertekanäle vorgesehen sind, sind solche vorbekannten Flammendetektoren aufwendig und dadurch relativ störanfällig, sowie kompliziert im Aufbau. Besonders nachteilig bei der Verwendung zweier photoelektrischer Einrichtungen ist, daß deren Eigenschaften nie genau übereinstimmen. Auch wenn es sich

um Photozellen des gleichen Typs handelt, sind deren Charakteristik, Ternperaturabhängigkeit, Veränderung der Eigenschaften durch Alterung, usw. immer leicht verschieden, so daß der Arbeiispunkt nicht konstant bleibt.

Aus der britischen Patentschrift 13 29 828 ist ein Brandmelder bekannt, der die von einer Gefahrenstelle ausgehende Strahlung aufnimmt und auswertet. Dabei wird die empfangene Strahlung vor oder nach Durchsetzung eines Infrarot-Filters durch eine rotierende Flügelscheibe periodisch unterbrochen und mit einem aul die Unterbrechungsfrequenz abgestimmten Verstärker ausgewertet. Damit kann zwar der Einfluß konstanter Störstrahlung eliminiert werden. Da jedoch keine Berücksichtigung der spektralen Zusammensetzung der Flammrnstrahlung durch getrennte Auswertung verschiedener Spektralgebiete vorgesehen ist, kann auch mit diesem Brandmelder eine Flamme nicht mit der erforderlichen Sicherheit von Störquellen unterschieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines störsicheren Flammendetektors mit vereinfachtem, billigerem Aufbau, dessen Auswerteschaltung auf geringem Raum unterzubringen ist und welcher außerdem eine wesentlich verbesserte Sicherheit gegen Täuschung und eine verbesserte Stabilität des Betriebsverhaltens aufweist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur wechselweisen Veränderung periodisch die spektrale Zusammensetzung der zur photoelektrischen Einrichtung durchgelassenen Strahlung ändern, und daß die Auswerteschaltung von den Mitteln zur wechsel^eisen Veränderung der spektralen Zusammensetzung angesteuert wird und bei einer vorbestimmten spektralen Zusammensetzung der vom Flammendetektor aufgenommenen Flammenstrahlung ein Signal abgibt.

Besonders vorteilhaft ist bei einem Flammendetektor mit diesen Merkmalen, daß die Flammenstrahlung nur durch eine einzige photoelektrisehe Einrichtung ausgewertet wird. Dadurch wird eine Änderung des Arbeilspunktes des Flammendetektors infolge unterschiedlicher Eigenschaften von zwei in kombiniert arbeitenden Photozellen bei voroekannten Flammendetektoren von vornherein vermieden.

Weiter kann es vorteilhaft sein, die periodische Änderung der spektralen Zusammensetzung auf rein elektrischem Wege ohne mechanisch bewegbare Teile vorzunehmen. Beispielsweise kann dies mittels zweier Kerr-Zellen erfolgen oder bei einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung mittels eines Filters, deren spektrales Durchlässigkeitsmaximum sich durch eine elektrische Spannung steuern läßt.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen Flammendetektor mit rotierendem Filter.

F i g. 2 zeigt einen Flammendetektor mit zwei Kerr-Zellen und Strahlungsteilung. Fig. 2A ebenso, jedoch ohne Strahlungsteiler.

Fig. 3 zeigt einen Flammendetektor mit elektrisch veränderbarem Filter.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schema eines Flamnicndeicktors wird die von einer Flamme ausgehende Strahlung von einer photoelektrischen Einrichtung I'. ■/.. B. einer Photozelle, einem Photoelemen! oder einer Photodiode, empfangen. Die photoelektrisehe Einrichtung ist mit einer Auswerteschaltung A verbunden, welche einen Sicnalueber S steuert. Vor der

photoelektrischen Einrichtung P ist eine Filterscheibe F angebracht, welche mittels eines Motors M in Rotation versetzt werden kann.

Auf dieser Filterscheibe Fsind abwechselnd Filter mit verschiedener spektraler Durchlässigkeit, z. B. Rotfilter R und Blaufilter B, angeordnet. Bei Rotation der Filterscheibe F durchsetzt die Flammenstrahlung periodisch abwechselnd die beiden Arten von Spektralfiltern, so daß die photoelektrisehe Einrichtung P periodisch abwechselnd vom Rotanteil und vom Blauanteil der Flammenstrahlung beaufschlagt wird. Von der photoelektrischen Einrichtung P wird der Auswerteschaltung A also ein Signal zugeführt, dessen Wechselamplitude vom Verhältnis der empfangenen Rot- und Blaustrahlung abhängt. Die Auswerteeinrichtung ist zusätzlich mit einer Frequenz- oder Phasengebe; -Einrichtung des die Filterschiebe F antreibenden Motors M in Koinzidenzschaltung verbunden. Die Auswerteschaltung A ist weiter so eingerichtet, daß nur dann ein Ausgangssignal an die Signaleinrichtung S abgegeben wird, wenn der Wechselanteil des Ausgangssignals der photoelektrischen Einrichtung bei der Filterfrequenz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Damit wird erreicht, daß mit einem einzigen photoelektrischen Element und einem einzigen Auswertekanal nur eine solche empfangene Strahlung als Flamme signalisiert wird, welche die richtige, für Flammen charakteristische, spektrale Zusammensetzung bzw. das richtige Rot-Blau-Verhältp.is der Strahlung aufweist.

Obwohl ein Flammendetektor dieser Art bei einfachster Konstruktion betriebssicher und störungsfrei zu arbeiten vermag, ist es häufig erforderlich, mechanisch bewegliche, einem Verschleiß unterliegende Teile zu vermeiden, besonders bei Brandmelde- und Flammenüberwachungsanlagen, welche während außerordentlich langer Zeit in Betrieb sind und dabei keine fehlerhaften Signale auslösen sollen. Die Fig. 2 und 3 zeigen Weiterbildung der Erfindung ohne Verwendung mechanisch beweglicher Teile.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Flammendetektor wird die eingehende Strahlung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels R 1 in zwei Strahlengänge aufgeteilt. Der erste Strahl durchsetzt ein Rotfilter R, während der zweite Strahl über einen Reflektor R 3 durch ein Blaufilter B geleitet wird. Beide Strahlengänge weiden mittels Reflektor R 4 und eines weiteren halbdurchlässigen Spiegels R 2 wieder zu einem gemeinsamen Strahl zusammengesetzt, welcher auf die photoelektrisehe Einrichtung P auftrifft. In beiden Strahlengängen ist je eine Einrichtung mit elektrisch regelbarer Lichtdurchlässigkeit K 1 und K 2 angeordnet. Diese Einrichtungen können beispielsweise als Kerr-Zellen ausgebildet sein. Die beiden Kerr-Zellen K 1 und K 2 werden periodisch abwechselnd von einer Steuereinrichtung C auf Strahlungsdurchgang geschaltet und gesperrt, so daß auch in diesem Ausführungsbeispiel die photoelektrisehe Einrichtung P periodisch abwechselnd Strahlung erhält, welche das Rotfilter R und das ßlaufilter B durchsetzt hat. Das Ausgangssignal der photoelektrischen Einrichtung P wird wiederum einer Auswerteschaltung A zugeführt, welche die Signaleinrichtung 5 steuert. Die Steuereinrichtung C gibt synchron mit den Steuerimpulsen für die Kerr-Zellen KX und K 2 Steuerimpulse an die Auswerteschaltung A, mittels welcher die Phasenlage des Wechselanteils der vom photoelektrischen Element P aufgenommenen Strahlung festgestellt werden kann. Die Auswertung zur

Signalgabe kann in analoger V/eise zum Beispiel nach F i g. 1 erfolgen.

F i g. 2A zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel, jedoch ohne Strahlungsteiler. Wiederum ist ein einziges Photoelement P vorgesehen, vor dessen Strahliingsempfindlicher Oberfläche nebeneinander zwei verschiedene Filter F\ und F2 mit unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet sind. Vor diesen Filtern befindet sich jeweils eine Kerr-Zelle K1 und K 2, welche von der Steuereinrichtung Cwiederum abwechselnd periodisch geöffnet und geschlossen werden, so daß am Ausgang der Photozelle P wiederum ein Wechselsignal erscheint, welches einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden kann.

Der Erfindungsgedanke läßt sich jedoch, wie das in Fig. 3 dargestellte Beispiel zeigt, auch ohne geteilten Strahlengang verwirklichen. Hierbei ist vor der photoelektrischen Einrichtung P ein mit Hilfe einer elektrischen Steuerspannung in seiner spektralen Durchlässigkeit variables Filter Fangeordnet. Diesem Filter F wird von einer Steuereinrichtung C eine Wechselspannung zugeführt. Das variable Filter Fkann beispielsweise in der Art bekannter Interferenzfilter mit λ/4 Schichten aufgebaut sein, wobei jedoch die Schichtdicke der optisch wirksamen Schichten kapazitiv oder durch Magnetostriktion oder piezoelektrisch mittels einer Steuerspannung variiert werden kann, wobei sich das Durchlässigkeitsmaximum verschiebt. Es können jedoch auch Flüssigkristalle verwendet werden, deren Farbe, d. h. spektrales Durchlässigkeitsmaximum, von der angelegten Spannung abhängt. Auch hier wird vom Steuergerät Cdie gleiche Steuerspannung der Auswerteschaltung A zugeführt, so daß diese aus den von der photoelektrischen Einrichtung ^abgegebenen Signalen diejenigen mit der richtigen Frequenz und Phasenlage und zur Signalauslösung hinreichender Amplitude nachzuweisen vermag.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf zwei abwechselnd in den Strahlengang gebrachte Filter mit verschiedener spektraler Durchlässigkeit beschränkt ist. sondern mehr als zwei unterschiedliche Filter vorgesehen sein können oder auch eine kontinuierliche, jedoch periodische Änderung der spektralen Durchlässigkeit, z. B. eine periodische Verschiebung der Wellenlänge )._m des spektralen Durchlässigkeitsmaximums. Die Auswerteschaltung ist so einzurichten, daß das vom photoelektrischen Element P eintreffende Wechselsignal mit dem Takt der periodischen Änderung der spektralen Durchlässigkeit verglichen wird. Es soll nur in dem Fall ein Flammensignal ausgelöst werden, wenn dieses Wechselsignal eine solche Amplitude im Vergleich zum Gleichanteil und eine solche Phasenlage aufweist, wie sie für eine normale Flammenstrahlung charakteristisch wäre, z. B. wie sie durch einen Strahler mit einem bestimmten Rot-Blau-Verhältnis der Strahlung hervorgerufen würde. Damit würde ein derartiger Flammendetektor ebenso wie vorbekannte Detektoren mit zwei Photozellen das Rot-Blau-Verhältnis der Flammenstrahlung zur Auswertung heranziehen, jedoch nur unter Verwendung eines einzigen Photoelementes. Dadurch werden von vornherein die Nachteile vermieden, die durch die unterschiedlichen Eigenschaften von zwei Photoelementen entstehen können.

Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, weitere charakteristische Eigenschaften einer Flammenstrahlung zur Unterscheidung von Störquellen heranzuziehen, z. B. das Flackern in einem bestimmten niederfrequenten Frequenzbereich, z. B. zwischen 8 und 25 Hz. Dieses Auswerte-Kriterium läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Flammendetektor zusätzlich benützen, z. B. indem das Ausgangssignal der photoelektrischen Einrichtung Püber ein im Bereich zwischen 8 und 15 Hz durchlässiges Wechselspannungsfilter geleitet wird. Damit sich Flammenflackern und periodische Umschaltung der Filter bei der Auswertung gegenseitig nicht stören, muß entweder die Filterumschaltfrequenz wesentlich höher gewählt werden als der Durchlaßbereich des Wechselspannungsfilters, z. B. kann die Taktfrequenz im kHz-Bereich liegen oder die Umschaltung erfolgt wesentlich langsamer, beispielsweise mit einer Periode von 2—3 see. Im letzteren Fall, also bei niedrigerer Taktfrequenz erfolgt die Auswertung in der Weise, daß während jeder Taktperiode das dem Flammenflackern entsprechende Wechselsignal gebildet und dieses mit dem Wechselsignal der nächstfolgenden Taktperiode verglichen wird. Ein Flammensignal wird nur dann ausgelöst, wenn der Flackeranteil der Strahlung sich beim Umtakten der Filter periodisch in der für die spektrale Zusammensetzung einer Flammenstrahlung charaktristischen Weise ändert.

Eine weitere Möglichkeit, das Flammenflackern zur Auswertung heranzuziehen, besteht darin, ein weiteres Photoelement vorzusehen, welches ein wechselweises Umschalten der Filterdurchlässigkeit in Abhängigkeit vom Flammenflackern bewirkt. Hierdurch wird erreicht, daß eine Umschaltung nur vorgenommen wird, solange eine flackernde Strahlung eintritt, jedoch nicht bei einer konstanten Strahlungsquelle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flammendetektor zur Aufnahme der von einer Flamme ausgesandten Strahlung mit einer photoelektrischen Einrichtung, vor welcher Mittel zur wechselweisen Veränderung der auf sie einwirkenden Strahlung angeordnet sind, und einer damit verbundenen elektrischen Schaltung zur Auswertung des Ausgangssignales der photoelektrischen Einrichtung und zur Signalgabe, dadurch gek e η η ζ e i c h η e t, daß die Mittel (C, M, F, K\, K₂, R.

B) zur wechselweisen Veränderung periodisch die spektrale Zusammensetzung der zur photoelektrischen Einrichtung (P) durchgelassenen Strahlung ändern, und daß die Auswerteschaltung (A) von den Mitteln zur wechselweisen Veränderung der spektralen Zusammensetzung angesteuert wird und bei einer vorbestimmten spektralen Zusammensetzung der vom Flammendetektor aufgenommenen Flammenstrahlung ein Signal abgibt. 2«

2. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Filter (R, B) mit unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit vorgesehen sind, welche periodisch abwechselnd von der auf die photoelektrische Einrichtung :5 auftreffende Flammenstrahlung durchsetzt werden.

3. Flammendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (R, B) auf einer rotierenden Scheibe (^angeordnet sind.

4. Flammendetektor nach Anspruch 2, dadurch ju gekennzeichnet, daß Mittel (R\) zur Strahlungsteilung vorgesehen sind, welche die Flarnmenstrahlung auf verschiedenen Wegen durch die Filter auf die photoclektrische Einrichtung (P) leiten und daß in den Strahlungswegen Mittel (K\, K2) mit elektrisch r> steuerbarer Durchlässigkeit angeordnet sind.

5. Flammendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel mit elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit (K\, K2) Kerr-Zellen aufweisen.

6. Flammendetektor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der photoelektrischen Einrichtung ein Filter (F) mit elektrisch steuerbarer spektraler Durchlässigkeit angeordnet ist.

7. Flammendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (F) a\s Interferenzfilter mit variabler Dicke der optischen Schichten gebildet ist.

8. Flammendetektor nach Anspruch 7, dadurch so gekennzeichnet, daß wenigstens eine optisch wirksame Schicht des Filters (F) kapazitiv durch Magnetostriktion oder piezoelektrisch in ihrer Dicke veränderbar ist.

9. Flammendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (F) einen Flüssigkristall aufweist, dessen spektrales Durchlässigkeitsmaximum von der angelegten Spannung abhängig ist.

10. Flainmendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (A) den f>o Wechselanteil der auf die photoelektrische Einrichtung (P) treffenden Strahlung bezüglich der Frequenz und Phasenlage der wechselweisen Änderungen der spektralen Zusammensetzung auswertet und nur dann ein Flammensignal auszulösen vermag, ^h"» wenn die aufgenommene Strahlung in einem vorgegebenen Bereich in einem längerwelligen Gebiet eine größere bzw. eine kleinere Intensität aufweist als in einem kürzerwelligen Gebiet.

11. Flammendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (R, B) nebeneinander vor der photoelektrischen Einrichtung angeordnet sind.

12. Fiammendetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem der Filter (R, J) je eine Kerr-Zelle (K₁, Ki) vorgesehen ist, welche periodisch mit gleicher Frequenz, aber verschiedener Phasenlagen wie die andere Kerr-Zelle geöffnet und geschlossen wird.

13. Flammendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (A) zusätzlich eingerichtet ist. nur dann ein Signal zu geben, wenn die Flammenstrahlung einen Wechselanteil in einem bestimmten niederfrequenten Frequenzbereich aufweist.

14. Flammendeiektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur wechselweisen Änderung der spektralen Zusammensetzung vom Takt des Flammenflackerns gesteuert werden.