DE2619082C3 - Rauchdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor 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 Strahlungsweg gestreute Strahlung zugeführt wird.

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 außerhalh 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 4 17 405.

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 90° 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.

F.s 'st bereits versuC/it worden, die an sich bekannte Tatsache auszunützen, daß bei den meisten nachzuweisenden Partikelarten die Vorwärtsstreuung, bei welcher die Empfangsrichtung einen spitzen Winkel mit der Straiilungsrichtung bildet, größer ist als die Seitwärtsoder 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 gebündelt sein, damit der Empfänger nicht von direkter Randstrahlung getroffen wird, was solche Geräte ziemlich aufwendig und schwer einstellbar macht.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines Rauchdelektors mit verbessertem Wirkungsgrad, entsprechend Verminderter Leistungsaufnahme und erhöhter Funktionssicherheit, welcher bei Verwendung als Brandmelder eine

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sichere und frühzeitigere Signalgabe schon bei geringen Rauchkonzentralionen gestattet

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik besitzt und daß der Strahlungsempfänger in der Kegelachse angeordnet ist

Durch die Fokussierung der Strahlung auf eine kegelmantelförmige Zone wkd 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 strahiungsleitende Elemente mit kegelförmig ausgebildetem Strahlungsaustritt oder durch Reflexion oder Refraktion an Rotationsellipsoid bzw. Paraboloid oder Kreisflächen mit exzentrischer und schräger Rotationsachse.

Die Erfindung wird anhand der in den Fig. 1—5 dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, und in F i g. 2 und 3 sind zwei verschiedene Ausbildungsformen von Strahlungsquellen dargestellt. F i g. 4 und F i g. 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Rauchdetektoren.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Meßvolumen 1 vor 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 Eintrittsöffnungen Schikanen 6 angeordnet sein, um den Eintritt direkten Lichtes von außen zu verhindern.

Auf der Basifilatte 3 ist ein Trägerelement 7 für die Strahlungsquelle 8 angebracht. Diese kann zwar im Prinzip beliebig ausgeführt sein z. B. als Glühlampe oder als Entladungslampe, jedoch ist es besonders zweckmäßig Strahlungsquellen mit kleinen Abmessungen zu wählen, deren Strahlung sich leicht bündeln läßt, bzw. solche, welch? bereits Strahlung ir. bevorzugten Richtungen emittieren. Daher haben sich lichtemittierende Halbleiter z. B. Laserdioden als besonders geeignet erwiesen. Für Rauchdetektoren, die zur Brandmeldung Verwendung ^finden. können z. B. GaIIiumarseniddioden benützt werden.

Im vorliegenden Beispiel wi-rde eine lichtemittierende Diode 8 gewählt, welche Strahlung bevorzugt in Richtung der Geräteachse ausstrahlt. 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 fiitiem Stück bestehen oder aus einem Bündel vieler dünner Glasfasern zusammengesetzt sein, wobei durch die Totalreflexionen in den Glasfasern eine besonders gute Richtwirkung erzielt wird.

Auf der entgegengesetzten Basisplatte 4 ist ein Ί weiteres Trägerelement 11 für den Strahlungsempfänger 12 angebracht Der Empfänger 12 befindet sich in der Geräteachse, so daß er von direkter Strahlung der Strahlungsquelle 8 praktisch nicht getroffen wird, jedoch aus einer kegelförmigen Zone aus an Partikeln

Iu an der Meßkammer 1 vorwärts gestreute Strahlung erhält Hierdurch wird mit einem einzigen Strahlungsempfänger ein größerer Streubereich erfaßt, als dies, bei vorbekannten Rauchdetektoren möglich war, und zwar gerade derjenige Raumwinkelbereich, in welchem die Streustrahlung eine besonders große Intensität besitzt Ein auf diese Weise aufgebauter Rauchdetektor weist also eine erhöhte Empfindlichkeit auf.

Um zu vermeiden, daß noch restliche direkte Strahlung von der Strahlungsquelle 8 auf den Empfän-

2u ger 12 auftreflen kann, ist es zwecknr^ig. zwischen Strahlungsquelle 8 und Empfänger 12 ADsohirmblenden 13, 14 anzuordnen. Dadurch kann die Empiindlichkeit noch weiter verbessert werden.

In einem Hohlraum 15 des Trägerelementes 11 ist tile

γι 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 Meßkammer 1 einen bestimmten Wert überschreitet.

is F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Strahlungsquelle mit ebenfalls kegelringförmiger Strahlungscharakteristik. In diesem Beispiel ist dem lichtemittierenden Element 8 ein Rotationsprisma 17 vorgeschaltet, wobei die Rotationsachse in der Geräteachse liegt.

Hierbei wird die vorzugsweise in Achsenrich'ung ausgespndte Strahlung durch die Rotationsfläche nach allen Seiten wie bei einem Prisma um einen bestimmten Winkel abgelenkt, so daß das Intensitätsmaximuni 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.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten weiteren Ausfüh-

to rungsbeispiel 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 rr.it eier Geräteachse übereinstimmende Rotations-

w achse 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

ho von Rauchpartikeln besonders gut vom Empfänger 12 aufgenommen wird.

Die gewünschte kegelringförmige Strah'ungscharakteristik kann jedoch auch mittels Reflexion oder Refraktion an anderen Rotationsellipsoidflächen mit

bi exzentrischer und Schräger Rotationsachse erfolgen, wobei gleiche oder unendlich große Hauptkrüfnmungsradien d, h. Rotationsflächen aus Parabeln, Kreisen und Geraden eingeschlossen sind.

In Fig.4 ist die lichtemittierende Diode 8 in einem Reflektor 22 angeordnet, welcher als Rotationsellipsoid ausgebildet ist, wobei die Hauptachsen der erzeugenden Ellipse schräg zur Rotations- oder Geräteächse liegen. Der Reflektor 22 mit der lichtemiltierenden 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 Fokussierung der Strahlung erreicht,
ι Um die Strahlung in Achsenrichtung weiter herabzudrücken, ist in diesem Beispiel als lichtemittierendes Element ein Galliumarsenid-chip verwendet, bei welchem die Strahlung bevorzugt ringförmig nach der Seile 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 Steuerelektronik 15 auf der entgegengesetzten Basisplatte verbunden.

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 ar iiei 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, so daß die Streustrahlung in einem größeren Raumwinkelbereich gesammelt und auf den am Ende des letzten Trichters angebrachten «o Strahlungsempfänger 12 geleitet wird. Hierdurch kann der Wirkungsgrad gegenüber der Anordnung nach F i g. 1 weiter verbessert werden.

F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches sich zusätzlich durch besonders einfache Konstruktion und entsprechend leichte und wenig aufwendige Montierbarkeit, und somit niedrige Produktionskosten auszeichnet.

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 Millp. löpfföfrhiges, am Rand scheibenförmiges Teil 33 eingesetzt, welches im Zentrum die Strahlungsquelle 8 mit der zugehörigen Optik, d. h. beispielsweise einem Reflektor 34 und einer Linsenflächc 35 enthält. Die Optik kann beispielsweise wie in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 oder nach einem der anderen Beispiele ausgeführt sein und bewirkt die oben beschriebene kegelringförmige Strahlungscharakteristik. Auf den scheibenförmigen Rand dieses topfförmigen Teiles 33 ist ein haubenförmiges Teil 36 aufgesetzt. Das topfförmige Teil 33 und das haubenförmige feil ?S Umschließen zusammen das Meßvolumen 1. Zum Eintritt der Umgebungsluft in das Meßvolumen I sind im haubenförmigen Teil 36 geeignete öffnungen vorgesehen Auf der Innenseit«. 'm Zentrum ist am diesem Teil 36 em transparenter Körper 37 angebracht, welcher den Strahlungsempfänger 12 derart umschließt, daß aus ^rlcm ganzen Halbraum Streustrahlung auf den Strahlungsempfänger 12 auflreffen 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 V-Miefung der Rotationsfläche 35 der Strahlungsquelle und fixieit somit die einzelnen Teile gegeneinander. Auf dem gesamten Aufbau ist ein Gehäuse 39 aufgesetzt, in welchem Öffnungen 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 öffnungen im haubenförmigen Teil 36 unmittelbar gegenüber den Außenöffnungen 5 im Gehäuse 39 angeordnet sein oder anstelle einer Haube 36 kann ein einfacher Bügel aus mehreren Haltestegen verwendet werden. Dadurch wird zusätzlich ein verbesserter und schnellerer Luftzutritt zum Meßvolumen 1 ermöglicht, so daß ein derart ausgeführter Rauchdetektor in der Lage ist, das Ansteigen der Rauchkonzentration über einen bestimmten Schwellenwert frühzeitiger als bisher zu signalisieren. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Rauchdetektor mit einer Strahlungsquelle, welche Strahlung in einen bestimmten Raumbereich aussendet, und einem Strahlungsempfänger, der s außerhalb des direkten Strahlungsbereiches angeordnet ist und dem die an Partikeln im Strahlungsweg gestreute Strahlung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine kegelringförmige Strahlungscharakteristik (10, 20) besitzt und daß der Strahlungsempfänger (12) in der Kegelachse angeordnet ist

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer kegelringförmigen Strahlungscharakteristik ein strahlungsemittierendes Element (8) sowie ein dem Element (8) vorgesetzter Strahlungsleiter (9) mit trichterförmigem Strahlungsauslaß vorgesehen sind.

3. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer kegelringförmigen Strafc-lungscharakteristik ein lichtemittierendes Element (8) sowie ein Rotationsprisma (17) vorgesehen sind, dessen Rotationsachse mit der Kegelachse übereinstimmt und welches die vom Element (8) emittierte Strahlung kegelringförmig ablenkt

4. Rauchdetektor nach Anbpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer kegelringförmigen Strahlungscharakteristik reflektierende oder refraktierende Rotationsellipsoidflächen vorgesehen sind, wobei erzeugende Ellipsen mit gleichen oder unendlichen Hauptkrümmungsradien eingeschlossen sind.

5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugun einer kegelringförmigen Strahlungscharakteristik eine Rotationslinse (13) mit exzentrischer und schräger Rotationsachse vorgesehen ist.

6. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer kegelringförmigen Strahlungscharakteristik je eine reflektierende (22) und eine refraktierende (23) Rotationsellipsoidfläche mit exzentrischer und schräger Rotationsachse vorgesehen sind.

7. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquelle (8) und Strahlungsempfänger (12) wenigstens eine Strahlungsabschirmende Blende (13, 14) angeordnet ist.

8. Rauchdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden als ringförmige Absätze eines in der Geräteachse angeordneten Korpers (27) mit schwarzer Oberfläche ausgebildet sind.

9 Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis ■>■; 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Strahlungsempfänger (12) ein strahlungsleitender Körper (28) mit ringförmigen F.mtrittsflächen für das Streulicht und sich trichterförmig verjüngenden Reflexionsflächen (29) angeordnet ist. M>

10. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Slrahlüngs^ quelle (8) mit Mittein (34, 35) zur Erzeugung einer kegelringförmigen Stfahlungscharakteristik in einem an einer Sockelplatte (30) angesetzten Einsatz f>5 (33) angebracht sind, daß der Strahlungsempfänger (12) art einem auf den Einsatz gesetzten Trägerteil (36) in der Geräteachse angebracht ist, daß ein Distanzstift (41), welcher Abschirmblenden (42) trägt, zwischen Strahlungsquelle (8) und Strahlungsempfänger (ä2) vorgesehen ist und daß auf den Sockelteil (30), den Einsatz (33) und den Trägerteil (36) ein Gehäuse (39) aufgesetzt ist, in welchem Lufteintrittsöffnungen (5) vorgesehen sind.

11. Rauchdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Gehäuses (39) mit einem luftdurchlässigen, großpoJgen Schaum (40) ausgekleidet ist