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RAUCHDETEKTOR
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Die Erfindung betrifft einen Rauch detektor mit einer Strahlungsquelle,
welche Strahlung in einen bestimmten Raumbereich aussendet, und wenigstens einem
Strahlungsempfänger, der ausserhalb des direkten Strahlungsbereiches angeordnet
ist und dem die an Partikeln im Strahlungsbereich gestreute Strahlung zugeführt
wird.
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Die Strahlung kann dabei je nach Art der nachzuweisenden Rauchpartikel
im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich gewählt werden.
Bei solchen Rauchdetektoren, wie sie beispielsweise in der Brandmeldetechnik Verwendung
finden, wird der Strahlungsempfänger nicht direkt bestrahlt, sondern ist ausserhalb
des Strahlungsbereiches so angeordnet, dass er nur dann Strahlung erhält, wenn strahlungsstreuende
Partikel in den Strahlungsweg eintreten und eine Strahlungsstreuung verursachen.
Sobald die vom Strahlungsempfänger aufgenommene Streustrahlungsintensität ein gewisses
Mass erreicht, wird über eine geeignete Auswerteschaltung ein Signal gegeben, wie
beispielsweise im Schweizer Patent 417405 oder in den japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen
Sho 46-11437, 11694, und 44206 (Offenlegungsschriften Sho 47-21577, 47-21578 und
48-2687), bzw. der japanischen Patentanmeldung Sho 46-12199. (OS Sho 47-32797) beschrieben.
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Bei vorbekannten Rauchdetektoren dieser Art, wird die Strahlung mittels
einer Optik in eine Messkammer geleitet, wobei der Strahlungsempfänger quer zur
Strahlungsrichtung so angeordnet ist, dass er vorzugsweise die unter 900 gestreute
Strahlung empfangen kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist jedoch relativ
schlecht, da die Bestrahlung des Empfängers bei einer geringen Rauchdichte in der
Messkammer nur sehr gering ist. Solche Rauchdetektoren haben daher den Nachteil,
dass sie bei der Verwendung als Brandmelder nicht früh genug auf die ersten, durch
einen Brandausbruch hervorgerufenen Rauchspuren reagieren.
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Es ist bereits versucht worden, die an sich bekannte Tatsache auszunützen,
dass bei den meisten nachzuweisenden Partikel arten die Vorwärts streuung, bei welcher
die Empfangsrichtung einen spitzen Winkel mit der Strahlungsrlchtung bildet, grösser
ist als die Seitwärts- oder Rückwärtsstreuung. Dabei wurde der Strahlungsempfänger
so angeordnet, dass er gerade noch ausserhalb des Strahlungsbündels liegt. Die mit
solchen Rauchdetektoren erreichbare Empfindlichkeitserhöhung hielt sich jedoch in
engen Grenzen, da immer noch nur ein geringer Teil der Streustrahlung ausgenützt
wurde. Ausserdem musste die Strahlung sehr gut gehündelt-sein, damit der Empfänger
nicht von direkter Randstrahlung getroffen wird, was solche Geräte ziemlich aufwendig
und schwer einstellbar macht.
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Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und
die Schaffung eines Rauchdetektors mit verbessertem Wirkungsgrad, entsprechend verminderter
Leistungsaufnahme und erhöhter Funktionssicherheit, welcher bei Verwendung als Brandmelder
eine sicherere und frühzeitigere- Signalgabe schon bei geringen Rauchkonzentrationen
gestattet.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle
eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik besitzt und dass der Strahlungsempfänger
in der Kegelachse angeordnet ist.
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Durch die FokWsierung der Strahlung auf eine kegelmantelförmige Zone
wird erreicht, dass ein einziger Strahlungsempfänger so angeordnet werden kann,
dass er vorwärts gestreute Strahlung aus allen Richtungen aufnehmen kann, jedoch
von direkter Strahlung nicht getroffen wird, da bei der gewählten Strahlungscharakteristik
in Richtung der Kegelachse praktisch keine Strahlung ausgesandt wird. Somit kann
der Wirkungsgrad optimal gehalten werden. Die erforderliche Strahlungscharakteristik
kann dabei auf verschiedene Weise erhalten werden beispielsweise durch strahlungsleitende
Elemente mit kegelförmig ausgebildetem Strahlungsaustritt oder durch Reflexion oder
Refraktion an Rotationsellipsoid bzw.
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Paraboloid oder Kreisflächen mit exzentrischer und schräger Rotationsachse.
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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 - 5 dargestellten Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispielwund in Fig. 2 und 3 sind
zwei verschiedene Ausbildungsformen von Strahlungsquellen dargestellt.
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Fig. 4 und Fig. 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer
Rauchdetektoren.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Messvolumen
l-von einem rohrförmigen Gehäuse 2 umschlossen, welches an beiden Enden durch Basisplatten
3 und 4 derart abgeschlossen wird, dass zwischen Gehäuse 2 und diesen Basisplatten
3 und 4 ringförmige Eintrittsöffnungen 5 zum Eintritt der Umgebungsluft in das Messvolumen
1 entstehen. Dabei können hinter den Eintrittöffnungen Schikanen 6 angeordnet sein,
um den Eintritt direkten Lichtes von aussen zu verhindern.
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Auf der Basisplatte 3 ist ein Trägerelement 7 für die Strahlungsquelle
8 angebracht. Diese kann zwar im Prinzip beliebig ausgeführt sein z. B.
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als Glühlampe oder als Entladungslampe, jedoch ist es besonders zweckmässlg
Strahlungsquellen mit kleinenAbmssungen zu wählen, deren Strahlung sich leicht bündeln
lässtvbzw. solche, welche bereits Strahlung in bevorzugten Richtungen emittieren.
Daher haben sich lichtemitiierende Halbleiter z.B. Laserdioden als besonders geeignet
erwiesen. Für Rauchdetektoren; die zur Brandmeldung Verwendung finden, können z.
3.
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Galliumarseniddioden benützt werden.
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Im vorliegenden Beispiel wurde eine lichtemiitierende Diode 8 gewählt,
welche Strahlung bevorzugt in Richtung der Geräteachse ausstrahlt.
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Durch optische Mittel 9 wird diese Strahlung nun so abgelenkt, dass
die Strahlung vorzugsweise in einen kegelringförmigen Raum 10 um die Achse fokussiert
wird'während in Richtung der Achse nahezu keine Strahlung emittiert wird. Die Strahlungsquelle
erhält damit eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik. Im beschriebenen Beispiel
wird dies durch ein strahlungsleitendes Element 9 bewirkt, dessen Eingangsöffnung
auf die lichtemittierende Diode 8 aufgesetzt ist und welches sich ausgangsseitig
zu einem Trichter erweitert. Dieses strahlungsleitende Element kann aus Glas oder
aus einem transparenten Kunststoff z.B. Plexisglas hergestellt werden. Es kann aus
einem Stück bestehen oder aus einem Bündel vieler dünner Glasfasern zusammengesetzt
sein, wobei durch die Totalreflexionen in den Glasfasern eine besonders gute Richtwirkung
erzielt wird.
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Auf der entgegengesetzten Basisplatte 4 ist ein weiteres Trägerelement
11 für den Strahlungsempfänger 12 angebracht. Der Empfänger 12 befindet sich in
der Geräteachse, sodass- er von direkter Strahlung der Str ahlungs quelle 8 praktisch
nicht getroffen wird, jedoch aus einer kegelförmigen Zone aus an Partikeln in der
Messkammer 1 vorwärts gestreute Strahlung erhält. Hierdurch wird mit einem einzigen
Strahlungsempfänger ein grösserer Streubereich erfasstwals dies bei vorbekannten
Rauchdedetektoren
möglich war und zwar gerade derjenige Raumwinkelbereich,
in welchem die Streustrahlung eine besonders grosse Intensität besitzt.
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Ein auf diese Weise aufgebauter Rauchdetektor weist also eine erhöhte
Empfindlichkeit auf.
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Um zu vermeiden, dass noch restliche direkte Strahlung von der Strahlungsquelle
8 auf den Empfänger 12 auftreffen kann, ist es zweckmässig, zwischen Strahlungsquelle
8 und Empfänger 12 Abschirmblenden 13,14 anzuordnen. Dadurch kann die Empfindlichkeit
noch weiter verbessert werden.
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In einem Hohlraum 15 des Trägerelementes 11 ist die Steuer- und Auswerteelektronik
für die Strahlungsquelle 8 und den Strahlungsempfänger 12 angeordnet. Diese kann
im Prinzip in beliebiger Form.ausgeführt sein und einer der oben genannten Schaltungen
entsprechen. Sie ist weiterhin mit Kontakten 16 an der Aussenseite der Basisplatte
4 verbunden, an welche zu einer Signalzentrale führende Leitungen angeschlossen
werden können, über die ein Signal gegeben werden kann, sobald die Rauchdichte in
der Me sskammer 1 einen bestimmten Wert überschreitet.
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Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Strahlungsquelle mit
ebenfalls kegelringförmiger Strahlungscharakteristik. In diesem Beispiel ist dem
lichtemitäerenden Element 8 ein Rotationsprisma 17 vorgeschaltet.
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wobei die Rotationsachse in der Geräteachse liegt. Hierbei wir die
vorzugsweise in Achsenrichtung ausgesandte Strahlung durch die Rotations -fläche
nach allen Seiten wie bei einem Prisma um einen bestimmten Winkel abgelenkt, sodass
das Intensitätsmaximum der Strahlung in einer kegelmantelförmigen Zone um die Achse
liegt. Bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel wird jedoch in Kauf genommen, dass
in Achsenrichtung noch eine gewisse Strahlungsintensität vorhanden ist, welche durch
Abschirmblenden absorbiert werden muss.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel einer
Strahlungsquelle wird dieser Nachteil weitgehend vermieden. Hierbei ist vor der
lichtemittierenden Diode 8 ein Rotationskörper 18 aus einer bikonvexen Linse angeordnet,
wobei die wiederum mit der Geräteachse übereinstimmende Rotationsachse 19 exzentrisch
und schräg zur Linsenachse 20 liegt. Mit dieser Anordnung wird die von der lichtemittierenden
Diode 8 ausgesandte Strahlung auf einen Brennring 21 fokussiert und genau in demjenigen
Messkammerbereich konzentriert'wo die Streuwirkung von Rauchpartikeln besonders
gut vom Empfänger 12 aufgenommen wird.
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Die gewünschte kegelringförmige Strahlungscharakteristik kann jedoch
auch mittels Reflexion oder Refraktion an anderen Rotationsellipsoidflächen mit
exzentrischer und schräger Rotationsachse erfolgen, wobei gleiche oder unendlich
grosse Hauptkrümmungsradien d; h. Rotations -flächen aus Parabel, Kreisen und Geraden
eingeschlossen sind.
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In Fig. 4 ist die lichtemittierende Diode 8 in einem Reflektor 22
angeordnet, welcher als Rotationsellipsoid ausgebildet ist, wobei die Hauptäohsen
der erzeugenden Ellipse schräg zur Rotations- oder Geräteachse liegen. Der Reflektor
22 mit der lichtemitierenden Diode 8 ist mit einem transparenten Kunststoff vergossen,
dessen Oberfläche 23 als Rotationsfläche mit einem Kreisbogen als Erzeugende ausgebildet
ist, wobei der Kreismittelpunkt ausserhalb der Rotationsachse liegt. Durch diese
Ausbildung wird wiederum eine recht gute ringförmige Fokusierung der Strahlung erreicht.
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Um die Strahlung in Achsenrichtung weiter herabzudrücken, ist in diesem
Beispiel als lichtemitierendes Element ein Galliumarsenid-chip verwendet, bei welchem
die Strahlung bevorzugt ringförmig nach der Seite austritt während die an der Ober-
und Unterseite des Chips liegenden Kontaktflächen, durch die keine Strahlung austritt
in der Geräteachse liegen.Die Kontaktflächen sind über einen zentralen Leiter 24
und einen ringförmigen Leiter 25 mit der Ste4relektronik 15 auf der entgegengesetzten
Basisplatte
verbunden.
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Zur Abschirmung unerwünschter Strahlung und zur besseren und vollständigeren
Aufnahme von Streustrahlung und deren Zuführung zum Empfänger 12 ist in der Mitte
des Messkammervolumens 1 ein rotationssymmetrischer Kunststoffkörper 26 vorgesehen.
Der vordere, der Strahlungsquelle zugewandte Teil ist stufenförmig abgesetzt und
zumindest an der Oberfläche geschwärzt. Die Stufenabsätze 27 wirken dabei in gleicher
Weise wie die Abschirmblenden in den oben beschriebenen Beispielen. Der hintere
Teil des Rotationskörpers 26 ist dagegen aus transparentem Kunststoff ausgeführt
und besitzt ebenfalls mehrere ringförmige Absätze 28 mit schräger Strahlungseintrittsfläche,
durch welche die Streustrahlung möglichst vollständig und ungehindert in das Körperinnere
eintreten kann. Die anderen sich trichterförmig verjüngenden Flächen 29 dienen als
Reflektoren, sodass die Streustrahlung in einem grösseren Raumwinkelbereich gesammelt
und auf den am Ende des letzten Trichters angebrachten Strahlungsempfänger 12 geleitet
wird. Hierdurch kann der Wirkungsgrad gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 weiter
verbessert werden.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich zusätzlich
durch besonders einfache Konstruktion und entsprechend leichte und wenig aufwendige
MontierbarkeitSund somit niedrige Produktionskosten auszeichnet.
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Dabei dient ein Sockelteil 30, an dessen Oberseite Kontakte 32,die
beispielsweise als Bajonettverriegelungen ausgebildet sein können, vorgesehen sind,
zum Anschluss des Rauchdetektors an Signalleitungen, welche zu einer Signalzentrale
führen. In Hohlräumen 31 sind Komponenten einer elektrischen Steuer- und Auswerteschaltung
bekannter Art vergossen eingebettet. In eine zentrale Bohrung des Sockelteils 30
ist ein in der Mitte topfförmigeswam Rand scheibenförmiges Teil 33 eingesetzt,
welches
im Zentrum die Strahlungsquelle 8 mit der zugehörigen Optik'd. h. beispielsweise
einem Reflektor 34 und einer Linsenfläche 35-enthält. Die Optik kann beispielsweise
wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 oder nach einem der anderen Beispiele
ausgeführt sein und bewirkt die oben beschriebene kegelringförmige Strahlungscharakteristik.
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Auf den scheibenförmigen Rand dieses topfförmigen Teiles 33 ist ein
haubenförmiges Teil 36 aufgesetzt. Das topfförmige Teil 33 und das haubenförmige
Teil 36 umschliessen zusammen das Messvolumen 1.
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Zum Eintritt der Umgebungsluft in das Messvolumen 1 sind im haben
förmigen Teil 36 geeignete Oeffnungen vorgesehen. -Auf der Innenseite im Zentrum
ist auf diesem Teil 36 ein transparenter Körper 37 ange -bracht, welcher den Strahlungsempfänger
12 derart umschliesst, dass aus dem ganzen Halbraum Streustrahlung auf den Strahlungsempfänger
12 auftreffen kann. Im Zentrum des Kunststoffteiles 37 ist ein stiftförmiges Gebilde
41 eingelassen, welches mehrere Blenden 42 zur Abschirmung der direkten Strahlung
vom Strahlungsempfänger trägt. Das freie Ende dieses Stiftes 41 drückt in die Vertiefung
der Rotationsfläche 35 der Strahlungsquelle und fixiert somit die einzelnen Teile
gegeneinander.
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Auf dem gesamten Aufbau ist ein Gehäuse 39 aufgesetzt, in welchem
Oeffnungen 5 zum Eintritt der Luft in das Innere vorgesehen sind. Es ist zweckmässig,
den Zwischenraum zwischen Gehäuse 39 und haubenförmigem Teil 36 mit einem offenporigen,
schwarz eingefärbten Polyesterschaum 40 auszufüllen, welcher zwar luftdurchlässig,
jedoch weitgehend lichtundurchlässig ist. Dieser Schaumstoff 40 dient gleichzeitig
zum Andrücken der verschiedenen Teile aneinander und zu deren Fixierung. Falls der
Schaum genügend lichtdicht ist, können die Oeffnungen im haubenförmigen Teil 36
unmittelbar gegenüber den Aus sein öffnungen 5 im Gehäuse 39 angeordnet sein oder
anstelle einer Haube 36 kann ein einfacher Bügel aus mehreren Haltestegen verwendet
werden.
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Dadurch wird zusätzlich ein verbesserter und schnellerer Luftzutritt
zum Messvolumen 1 ermöglicht, sodass ein derart ausgeführter Rauchdetektor in der
Lage ist, das Ansteigen der Rauchkonzentration über
einen bestimmten
Schwellenwert frühzeitiger als bisher zu signalisieren.
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Infolge der speziellen Strahlungscharakteristik und entsprechenden
Anordnung des Strahlungsempfängers weist er zudem die oben erwähnten Vorteile einer
erhöhten Empfindlichkeit durch bessere Ausnützung der Streustrahlung auf.
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Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass die beschriebenen Strahlung
quellen mit kegelringförmiger Strahlungscharakteristik nicht nur in einem Rauchdetektor
oder Brandmelder Verwendung finden können, sondern ganz allgemein überall dort,
wo elektromagnetische Strahlung, wie Licht, Infrarotstrahlung etc., auf einen solchen
Strahlungsbereich mit kreisförmigem Querschnitt konzentriert werden soll. Eine andere
mögliche erwendung ist zum Beispiel der Einsatz zum Objektschutz, wobei der kegelmantelförmige
Strahlungsbereich einer einzigen Strahlungsquelle das geschützte Objekt allseitig
umgibt und die in diesem Bereich in einem Kreis angeordneten Strahlungsempfänger
bei einer Bestrahlungsänderung ein Alarmsignal abgeben.
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L e e r s e i t e