DE2630843A1

DE2630843A1 - Rauchmelder nach dem lichtstreuungsprinzip

Info

Publication number: DE2630843A1
Application number: DE19762630843
Authority: DE
Inventors: Tsunehiko Araki; Yoshihiko Okuda
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-07-15
Filing date: 1976-07-09
Publication date: 1977-01-20
Also published as: FR2318417A1; FR2318417B1; SE7607902L; IT1078734B; US4103997A; JPS5210788A; JPS5855446B2; CA1064139A; SE416852B; GB1560421A

Description

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MATSUSHITAELECTRICWORKS, LTD., Osaka/Japan

Rauchmelder nach dem Lichtstreuungsprinzip

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rauchmelder nach dem Lichtstreuungsprinzip, bei dem das Auftreten einer Lichtstreuung an Rauchpartikeln zur Feuermeldung dient.

In bekannten Rauchmeldern dieser Art wird als Lichtquelle eine lichtemittierende Diode im Gebiet des Subinfrarot verwendet. Eine rechtwinklig zur optischen Achse des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahls angeordnete Fotozelle empfängt das durch den Rauch erzeugte Streulicht. Nun muß man weißen Rauch und schwarzen Rauch unterscheiden. Weißer Rauch wird durch das Verschwelen von Zellulose u. dgl. erzeugt, während schwarzer Rauch bei der Verbrennung von Brennstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis entsteht. Die Rauchmelder nach dem Lichtstreuungsprinzip sind für weißen Rauch wesentlich empfindlicher als für schwarzen Rauch. Das Verhältnis der beiden Empfindlichkeiten ist z. B. etwa gleich 10, wenn das emittierte Licht eine Wellenlänge von 940 nyi hat und von einer Fotozelle empfangen wird, die unter einen Streuwinkel von 135 bezüglich der optischen Achse des emittierten Lichtes angeordnet ist. Andererseits soll die Empfindlich-

Dr.Hk/Du.

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keit für weißen Rauch nicht zu groß sein, damit keine Falschmeldungen infolge aufgewirbelter Staubkörnchen, Zigarettenrauch u. dgl. auftreten; deshalb soll die Empfindlichkeit für weißen Rauch höchstens einem Extinktionsfaktor von etwa 10% pro Meter entsprechen. Dann ist aber die Empfindlichkeit gegen schwarzen Rauch sehr gering, so daß die Anzeige eines Feuers, das meistens von schwarzem Rauch begleitet wird, nicht rechtzeitig erfolgt.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Empfindlichkeitsunterschied des Rauchmelders für weißen und schwarzen Rauch so weit zu verringern, daß einerseits Fehlauslösungen hinsichtlich weißem Rauch vermieden werden und andererseits eine ausreichende Empfindlichkeit gegenüber schwarzem Rauch erzielt wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Beziehung zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichtes und dem Streuwinkel, unter dem das gestreute Licht im Lichtempfänger aufgenommen wird, in passender Weise gewählt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin sind

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäß verwendeten Lichtstreuung,

Fig. 2 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen den verschiedenen Parametern,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rauchmelders,

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Fig. 4A bis 4C die Schwingungsformen an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Rauchmeldekammer.

Es wurde gefunden, daß in der Anordnung einer Lichtquelle 1 und eines Lichtempfängers 2 (z. B. einer Fotozelle) gemäß Fig. 1 das Intensitätsverhältnis I /I

5 O

eines an einem Rauchpartikel 3 gestreuten Lichtstrahls I zum einfallenden Licht I eine bestimmte Beziehung zur Wellenlänge \ des von der Lichtquelle 1 einfallenden Lichtes I und dem Streuwinkel θ hat. Der Streuwinkel θ ist der Winkel zwischen dem einfallenden Licht I und

dem gestreuten Licht I .Aus experimentellen Untersuchun-

gen ergab sich das Diagramm nach Fig. 2, worin das Ver-Hältnis I_/I für schwarzen Rauch S (z. B. aus der Ver-

S O

brennung von Erdöl) und weißem Rauch W (z. B. aus der Verschwelung von Zellulose) in Abhängigkeit von der optischen Wellenlänge λ. und dem Streuwinkel θ aufgetragen ist, und zwar ist in Fig. 2 die Wellenlänge X auf der Abszisse und der Streuwinkel θ auf der Ordinate aufgetragen und es sind fünf Kurven mit den Parametern S/W = 0,1, O,2_r 0,3, 0,4 und 0,5 eingezeichnet. Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß das Verhältnis S/W umso größer wird, je kürzer die Wellenlänge Λ und je kleiner der Streuwinkel θ sind.

Nun muß eine Festlegung über den bevorzugten Wert des Empfindlichkeitsverhältnisses S/W gemacht werden. Es trifft im allgemeinen nicht zu, daß die Empfindlichkeit möglichst hoch sein soll, denn dann tritt zu oft ein Fehlalarm durch Zigarettenrauch oder aufgewirbelten Staub auf. Es hat sich gezeigt, daß die Zuverlässigkeit am größten ist, wenn die Empfindlichkeit so eingestellt

ist, daß der Ext'inktionsfaktor (d. h. die Verringerung der Lichtintensität durch Einwirkung des Rauchs) etwa 10% pro Meter beträgt.

Da andererseits der Rauchmelder rechtzeitig ansprechen muß, um die Evakuierung des betreffenden Gebäudes und das Anrücken der Feuerwehr zu ermöglichen, muß der Rauchmelder bei einem Lichtextinktionsfaktor von mindestens etwa 30% pro Meter ansprechen. Das bedeutet, daß der Rauch, für den der Feuermelder empfindlich sein soll, so dick ist, daß die Sichtweite noch etwa 5 bis 10 m beträgt. Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis S/W 0,3 oder mehr betragen soll.

Hieraus ergibt, daß in Fig. 2 das schraffierte Gebiet in Frage kommt, d. h. es soll gelten:

(I) Wenn θ ^ 45°, ist \ ^ 950 ityu;

(II) Wenn 45° = θ = 135°, ist θ ^ -0,18 Λ + 216;

(III) Wenn Λ = 450 mu, ist θ = 135° .

Die schräge Gerade L im Diagramm wird durch θ = -0,18 Λ + dargestellt. In Wirklichkeit ist der Streuwinkel θ des von der Fotozelle aufgenommenen Lichtes nicht genau definiert, sondern variiert in einem gewissen Bereich, aber der hier gemeinte Winkel θ gilt für den Schwerpunkt der empfangenen Lichtmenge,

Für die Lichtquelle wird eine Lichtemissionsdiode auf der Basis GaAs/ GaAsP oder GaP oder eine Xenonlampe verwendet. Das Licht dieser Lichtquellen ist nicht streng monochromatisch, sondern umfaßt einen gewissen Wellenlängenbereich; die hier definierte Wellenlänge\ stellt deren typischen Wert dar.

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Der praktisch bevorzugte Bereich umfaßt die Wellenlängen X = 300 bis 700 ταμ und den Streuwinkelbereich θ = 30 bis 75°. Diese Werte haben sich im Hinblick auf die Konstruktion des Rauchmelders und den Typ der Lichtquelle als besonders vorteilhaft erwiesen. Das betreffende Gebiet ist in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet. Wenn nämlich λ. kleiner als 300 τψ ist, geht das Licht nicht mehr durch Glas hindurch, während vom Gesichtspunkt der leichten Beschaffung der Lichtemissionsdioden Λ, kleiner als 700 ΐημ sein soll. Ferner ist in Bezug auf die Konstruktion der Rauchmeldekammer der Winkel θ = 30 eine untere Grenze und aus dem Schnittpunkt der Kurven S/W = 0,3 und λ, = 700 rau ergibt sich der Wert θ = 75°.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform des Rauchmelders beschrieben.

Als Lichtquelle wird eine GaAsP-Diode verwendet, die Licht mit der Wellenlänge Λ. = 640 ταμ emittiert; der Streuwinkel beträgt θ = 60°. In dieser Beziehung ist der Fall der gleiche für θ = 30 bis 75°.

Bei diesem Streuwinkel ist das Verhältnis I /I des ge-

so ^

streuten Lichtes zum einfallenden Licht so klein, daß es experimentell schwierig wird, ein Signal mit genügendem Störabstand zu erhalten, wenn das Grundrauschen von einer Siliziumfotodiode selbst und/oder einem damit verbundenen Verstärker erzeugt wird oder auch vom Wärmerauschen eines Widerstandes oder von äußeren Störquellen herrührt.

Dieses Problem kann in bekannter Weise verringert werden, wenn die Lichtemissionsdiode mit einem Impulsstrom von sehr kleinen Tastverhältnissen betrieben wird, so daß man kurzzeitig einen kräftigen Lichtblitz erhält; dies ist z. B. in der CH-PS 417 405 beschrieben. Die kurzzeitige Tastung mit einer Leistung, die im Dauerbetrieb die Lichtemissionsdiode sofort zerstören würde, ergibt eine zehnbis zwanzigmal so große Lichtintensität .wie im Dauerbetrieb,

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so daß der Störabstand erheblich verbessert werden kann. Zur Erzeugung derartiger Lichtimpulse läßt sich z. B. ein Verfahren verwenden, bei dem in einer Ruheperiode das Signal in einem Verstärkerkreis unterbrochen wird, um die Möglichkeit einer Falschbetätigung durch äußere Störungen zu verringern. Hierbei sind aber keine Vorkehrungen gegen das vom Lichtempfänger selbst und/oder seinem Verstärker erzeugte konstante Rauschen getroffen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung wird dagegen eine Integrationsstufe-verwendet, deren Zeitkonstante mehrmals so groß wie diejenige der Lichtemissionsdiode ist. Diese Integrationsstufe wird über einen Schalter in einem Verstärkerkreis aufgeladen, um aus verschiedenen Geräuschen ein gestreutes Lichtsignal herauszufiltern. Der Schalter ist mit der Lichtemissionsperiode synchronisiert.- Durch Integration der empfangenen Lichtströme über mehrere Emissionsperioden lassen sich Geräusche, die den gleichen positiven und negativen Wahrscheinlichkeiten entsprechen, eliminieren·

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 liefert ein Impulserzeuger 11 einen Puls, der eine Lichtemissionsdiode 121 in einer Kammer 12 beaufschlagt. Die Impulsbreite beträgt etwa 100/as, die Impulsperiode etwa 1 Sekunde und der Impulsstrom 1 Ampere. Dieser Impuls wird auf die Lichtemissionsdiode 121 gegeben. In einer das Licht empfangenden Fotozelle 122 ergibt sich ein Fotostrom von etwa 100 PA, der in einem Verstärker 13 verstärkt und einer Signalverarbeitungsstufe 14 zugeführt wird. Diese besteht aus einem Feldeffekttransistor 141 und der Integrationsstufe aus Widerständen 143 und Kondensator 144. Die von der Impulsstromquelle 11 eintreffenden Impulse werden über einen Kondensator 142 auf das Gate des Feldeffekttransistors 141 gegeben, so daß jedesmal beim Eintreffen eines

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Impulses ein zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors gedachter Schalter geschlossen ist. Während der Lichtemissionsperiode hat also der Feldeffekttransistor 141 immer einen niedrigen Widerstand und eine geräuschbehaftete Signalspannung wird über den Widerstand 143 im Kondensator 144 gespeichert. Die Lichtemissionsperiode ist nur ein Bruchteil der durch den Ausdruck CR gegebenen Zeitkonstante des Integrationskreises und so klein, daß die Kondensatorspannung durch das Ausgangssignal des Lichtempfängers angehoben wird, während im übrigen Teil der Lichtemissionsperiode zwischen Source und Drain des Feldeffekttransistors 141 ein hoher Widerstand herrscht, weshalb die Spannung des Kondensators 144 nicht durch Rauschen erhöht wird. In der nächsten Lichtemissionsperiode wird die Spannung des Kondensators 144 wieder durch das Ausgangssignal des Lichtempfängers erhöht und nimmt so allmählich immer mehr zu; wenn sie schließlich einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, betätigt sie einen Schwellenwertkreis 15, der eine Alarmvorrichtung 16 in Betrieb setzt.

In Fig. 4 zeigt Fig. 4A die Pulsspannung vom Impulserzeuger 11, Fig. 4B ist die Ausgangsspannung des Verstärkers beim Auftreten von Rauch und Fig.4C ist die Klemmenspannung des

Kondensators 144. Durch den Integrationskreis werden positive und negative Rauschspannungen algebraisch addiert und gemittelt, wodurch ihr Einfluß erheblich verringert wird.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Konstruktion der Rauchmeldekammer. Eine Lichtquelle 22 und eine Fotozelle 23 sind beiderseits einer Trennwand 24 in einem zylindrischen Gehäuse 21 so angeordnet, daß das Licht von der Lichtquelle 22 durch ein Fenster 25 auf einen gestrichelt gezeichneten Bereich 26 fällt und von dort durch das Fenster 27 zur Fotozelle 23 gestreut werden kann. Innerhalb des

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Gehäuses sind Blenden 28 bis 32 so angeordnet, daß die Kanten a bis i und die Ansatzstellen c' und e¹ der Fenster und Blenden folgende Bedingungen erfüllen. Der Rauch durchströmt das zylindrische Gehäuse in Achsenrichtung; die Kante a des Fensters 25 ist so angeordnet, daß das einfallende Licht nicht auf die Kanten g und f treffen kann; die Kante b der Blende 28 ist so angeordnet, daß das Licht nicht direkt in das Gesichtsfeld der Fotozelle 23 zwischen der Basis c¹ der Wand 30 und der Kante d der Blende 32 gelangen kann; die Kanten g und f sind so angeordnet, daß das Gesichtsfeld der Fotozelle begrenzt wird und die Kanten c, d, e, h und i dienen zur Verhinderung einer zweiten Reflexion im Gehäuse, d. h. die Flächen im Gesichtsfeld der Fotozelle sollen nicht direkt von der Lichtquelle 22 angestrahlt sein.

Bei Verwendung dieser Anordnung kann wegen der angegebenen Beziehungen zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichtes und dem Streuwinkel auch der schwarze Rauch sicher erkannt und gemeldet werden. Auch ist durch die Verwendung der Integrationsstufe eine Falschbetätigung durch Störsignale verhindert.

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Claims

Patentansprüche

1. Rauchmelder nach dem LichtStreuungsprinzip mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger, gekennzeichnet durch folgende Beziehung der Wellenlänge λ. (in τψ) des auf ein streuendes Teilchen einfallenden Lichtes und des Streuwinkels θ (in Grad) zwischen der Einfallsrichtung des Lichtes und der Verbindungslinie zwischen dem streuenden Teilchen und dem Lichtempfanger: λ. $ 950 mp für θ = 45°, Θ = -0,18 Λ + 216 für 45° % e - 135°; θ ^ 135° für ^ ^ 450 ΐψ.

2. Rauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge \ zwischen 300 und 700 mu und der Streuwinkel θ zwischen 30 und 75° liegen.

3. Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mit einer pulsierenden Spannung betrieben ist.

4. Rauchmelder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Lichtempfängers (122) über ein Schaltelement (141), das nur während der Erregung der Lichtquelle (121) durch die Pulsspanner leitend ist, auf einen Integrationskreis (143, 144) gegeben wird und daß der Integrationsfcreis an einen Schwellenv/ertkreis (15) angeschlossen ist, der eine Alarmstufe (16) betätigt, wenn die Spannung am Integrationskreis einen bestimmten Wert überschreitet.

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