DE2709866C2 - Vorrichtung zur Feststellung von Schwebeteilchen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung von Schwebeteilchen in einem Medium mit eine? optischen Strahlungsquelle, einem Direkt-Strahlungsempfänger, der von einem das Medium durchsetzenden Strahlungsbündel zentral beaufschlagt wird, und mit einem oder mehreren dem Direkt-Strahlungsempfänger benachbarten und diesen allseitig umgebenden Streu-Strahlungsempfängerin).

Verschiedene Arten von Schwebeteilchen haben unterschiedliche optische Eigenschaften. Es gibt beispielsweise Schwebeteilchen, welche elektromagnetische Strahlung, /. B. Licht, Infrarot oder Ultraviolett, nur wenig absorbieren, hingegen stark reflektieren oder streuen. Andere Schwebeteilchenarten absorbieren vorzugsweise die verwendete elektromagnetische Strahlung und zeigen nur eine geringe Reflexion und Streuung.

Um diese verschiedenen Schwebeteilchentypen nachweisen zu können, war es bisher notwendig, nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Nachweisgeräte zu verwenden. Zum Nachweis stark streuender Schwebeteilchen sind beispielsweise Streulicht-, Rauch-, Staub- oder Aerosoldetektoren bekanntgeworden, bei welchen der Strahlungsempfänger außerhalb des von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlungsbündels angeordnet ist und nur das Auftreten von Streulicht infolge von Tynd&ll-Streuung an den Schwebeteilchen registriert Zum Nachweis von stark absorbierenden Partikeln sind Absorptions- oder Extinktions-Detektoren bekanntgeworden, bei welchen der Strahlungsempfänger vom Strahlungsbündel direkt getroffen wird und eine Verminderung der Strahlung infolge Strahlungsabsorption zur Signalgabe ausgewertet wird.

In der Praxis ist es jedoch häufig erforderlich, mit dem gleichen Gerät beide Typen von Schwebeteilchen mit gleicher Empfindlichkeit nachweisen zu körnen. Beispielsweise ist es bei Verwendung eines Schwebeteilchen-Detektors in der Brandmeldetechnik notwendig, sowohl weißen, stark wasserdampfhaltigen Rauch, wie er bei Verbrennung feuchten Materials entsteht, als auch schwarzen, stark rußhaltigen Rauch von einem unvollständigen Verbrennungsprozeß sicher und gleich gut nachweisen zu können. Vorbekannte Schwebeteilchen-Detektoren, insbesondere Rauchmelder, waren dazu nur schlecht in der Lage.

Es ist bereits versucht worden, wie z. B. in der DE-AS 15 98 226 oder der DE-OS 21 05 917 beschrieben, neben einem seitlich angeordneten Streulichtempfänger einen direkt bestrahlten Empfänger vorzusehen. Dieser im Zentrum des Strahlenbündels angeordnete Empfänger dient jedoch zur Überwachung oder Regelung der Strahlungsquelle und leistet keinen Beitrag zum Nachweis der Schwebeteilchen. Solche Geräte haben also ebenfalls den Nachteil, daß sie nicht in der Lage sind, verschiedene Schwebeteilchen oder Raucharten gleich gut nachweisen zu können. Außerdem ist die Anordnung des Streustrahlungsempfängers so, daß nur in einem relativ großen Winkel zur Strahlungsachse gestreute Strahlung aufgenommen wird. Die Empfindlichkeit, insbesondere für kleine Schwebeteilchen, ist daher keinesfalls optimal.

Bei einem weiteren, in der DE-OS 23 64 184 beschriebenen Trübungsdetektor sind zwei konzentrische Strahlungsempfänger vorgesehen, von denen einer die Abnahme der direkten Strahlung und der andere die Streustrahlung mißt. Die beiden Strahlungsempfänger werden jedoch stark unterschiedlich von Strahlung beaufschlagt, so daß eine komplizierte und extrem symmetrische Auswerteschaitung erforderlich ist. Außerdem wird die Streuung mit sehr kleinem Streuwinkel, der für den Nachweis besonders günstig ist, nicht erfaßt, so daß die Nachweisempfindlichkeit nicht optimal ist.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung einer Vorrichtung zur Feststellung von Schwebeteilchen, welche sowohl stark reflektierende und streuende Partikel als auch stark absorbierende Schwebeteilchen in einem Medium gleichermaßen mit verbesserter Empfindlichkeit und Sicherheit und mit einer einfachen Auswerteschaltung nachzuweisen gestattet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Streu-Strahlungsempfänger nur teilweise außerhalb des Strahlungsbündels angeordnet sind, und daß die beiden Strahlungsempfänger an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, welche ein gleichartiges Signal liefert, sowohl wenn die Bestrahlung des zentralen Strahlungsempfängers abnimmt, als auch wenn die Bestrahlung des weiteren Strahlungsempfängers zunimmt.

Durch diese Anordnung wird also gleichzeitig mit der Strahlungsextinktion die Vorwärtsstreuung mit sehr kleinem Streuwinkel ausgewertet, so daß solche Vorrichtungen auch für sehr kleine Partikel mit geringem Reflexions/Absorptionsvermögen,z. B. Brand-

aerosoi, sehr empfindlich sind.

Eine solche Vorrichtung kann mit Vorteil zur Brandmeldung verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

F i g. 1 zeigt ein erstes Beispiel mit zwei Strahlungsempfängern.

Fig,2 stellt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Anordnung dar.

F ig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit ι ο kugelförmigem Gehäuse.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung sendet eine Strahlungsquelle 1, z. B. eine lichtemittierende Diode, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht, Infrarot oder Ultraviolett, in einem Strahlungsbündel 2 aus. In einem gewissen Abstand von der Strahlungsquelle 1 ist im Zentrum des Strahlungsbündels ein Strahlungsempfänger 3, z. B. eine Solarzelle, angeordnet Dieser zentrale Strahlungsempfänger 3 wird von einem weiteren Strahlungsempfänger 4 -Ό umgeben, welcher nicht vom Zentrum des Strahlungsböndels 2 getroffen wird, sondern höchstens Strahlung von der Peripherie des Bündels 2 erhält. Dieser weitere Strahlungsempfänger liegt also in der dem zentralen Strahlungsempfänger 3 unmittelbar benachbarten Zone in einem Bereich, wo er jedoch von einer eventuellen vom Strahlungsbündel ausgehenden Vorwärts-Streustrahlung getroffen werden kann. Dabei kann der weitere Strahlungsempfänger 4 teilweise oder ganz außerhalb des Strahlungsbündels 2 zu liegen kommen.

Treten nun stark absorbierende Schwebeteilchen in das Strahlungsbündel 2 zwischen Sender 1 und Empfänger 3 ein, so vermindert sich die auf den zentralen Empfänger 3 auftreffende Strahlungsmenge. Falls die im Strahlungsbündel 2 schwebenden Partikel r> jedoch nur eine geringe Absorption, dagegen eine starke Reflexion oder Streuung aufweisen, so erhält der außerhalb des Zentrums angeordnete Strahlungsempfänger 4 eine vergrößerte Strahlungsmenge.

Die Auswertung dieser unterschiedlichen Bestrahlungsänderung beider Photoelemente kann mittels einer beliebigen, bekannten Differenz- oder Quotientenschaltung erfolgen. In Fig. 1 ist eine einfache Brückenschaltung der beiden Empfänger 3 und 4 .nit einem Festwiderstand 5 und einem regelbaren Widerstand 6 <5 dargestellt, wobei die Diagonalspannung der Brücke an den Klemmer, 7 und 8 abgenommen und einer weiteren Auswerteeinrichtung zur Analoganzeige oder zur Signalgabe bei Überschreitung eines Schwellenwertes zugeführt werden kann. Eine solche Schaltung liefert ein gleichartiges Signal, wenn eile Bestrahlung des zentralen Empfängers 3 abnimmt, als auch wenn die Bestrahlung des periphei2n Empfänger» 4 zunimmt. Statt der dargestellten Brückenschaltung kann beispielsweise auch eine bekanme Differenzverstärker-Schaltung verwendet werden.

Anhand des in Fig.2 dargestellten Diagramms kann die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung für den Fall von Schwebeteilchen, welche sowohl Absorption als auch Strahlungsstreuung verursachen, wie er bo beispielsweise bei am häufigsten auftretenden Raucharten anzutreffen ist, erläutert werden. Die Abszisse zeigt den Abstand r vom Zentrum des Strahlungsbundeis und die Ordinate der am entsprechenden Empfangsort eintreffenden Strahlungsintensität A Der Bereich 3 entspricht dem zentralen Strahlungsempfänger, der Bereich 4 dem peripheren Empfänger, Die Kurve N zeigt die Strahlungsverteilung im Normalfail, wenn sich keine Schwebeteilchen im Strahlungsbündel befinden. Sobald jedoch im Strahlungskegel 2 Schwebeteilchen vorhanden sind, so ändert sich infolge Absorption und Streuung die Strahlungsverteilung etwa in Richtung auf die Kurve S. Man erkennt, daß sich die Strahlungsintensität im mittleren Bereich 3 erheblich vermindert hat, während die im peripheren Bereich 4 eintreffende Strahlung sich stark vergrößert hat Durch die beschriebene Differenz- oder Quotientenauswertung werden dabei die beiden Wirkungen summiert, und an den Ausgangsklemmen erscheint eine gegenüber vorbekannten Schwebeteilchen-Detektoren vergrößerte Ausgangsspannung. Die beschriebene Vorrichtung zeigt also fnr den beschriebenen Fall einer mittleren Zusammensetzung von Schwebeteile!· λ eine erheblich vergrößerte Empfindlichkeit Zudern j-estattei die Vorrichtung zusätzlich, auch alle Typen von Schwebeteilchen mit extremen optischen Eigenschaften nachzuweisen, was mit vorbekannten Geräten nicht möglich war.

Es sei erwähnt, daß Art und Form der verwendeten Strahlungsempfänger auch abweichend gestaltet sein können. Die Empfänger können beispielsweise auch als Kreisscheibe bzw. als Kreisring ausgebildet sein. Der periphere Empfänger 4 kann auch aus mehreren Teilen bestehen, welche ein zentrales Empfangselement 3 auf verschiedenen Seiten umgeben, wobei die Teilempfänger parallel oder in Serie geschaltet sein können, so daß sich deren Ausgangssignale addieren.

Fig.3 zeigt eine besondere für die Brandmeldung geeignete Ausführungsform. Hierbei sind Strahlungssender 1 und die Empfänger 3 und 4 in einem kugelförmigen oder zylindrischen Gehäuse 9 untergebracht, welches Öffnungen 10 zum Lufteintritt aufweist. Wiederum befindet sich der Strahlungsempfänger 3 im Zentrum des Strahlungsbündels 2, während der Empfänger 4 den zentralen Empfänger 3 kreisringförmig umgibt.

Sobald rauchhaltige Luft aus der Umgebung in das Gehäuse eintritt, ändert sich die Bestrafung beider Strahlungsempfänger wie oben beschrieben. Obwohl durch die beschriebene Differenzschaltung der Einfluß externen Störlichtes kompensiert wird, da beide Strahlungsempfänger meist gleichmäßig davon getroffen werden, ist es zweckmäßig, zusätzlich lichtabschirmende Mittel 11 an den Öffnungen 10 vorzusehen und die Strahlungsquelle 1 impulsweise zu betreiben, wobei die an d\e Ausgangsklemmen 7 und 8 angeschlossene Auswerteschaltung mit dem Strahlungssender 1 synchronisiert ist.

Auch dieser Rauchdetektor hat den Vorteil, daß er verschiedene Raucharten mit gleichmäßiger, verbesserter Empfindlichkeit also in einem früheren Brandstadium, und störsicheier nachzuweisen gestattet als vorbekannte Vorrichtungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Feststellung von Schwebeteilchen in einem Medium, mit einer optischen Strahlungsquelle, einem Direkt-Strahlungsempfänger, der von einem des Medium durchsetzenden Strahlungsbündel zentral beaufschlagt wird, und mit einem oder mehreren dem Direkt-Strahlungsempfänger benachbarten und diesen allseitig umgebenden Streu-Strah!ungsempfänger(n), dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der oder die Streu-Strahlungsempfänger (4) nur teilweise außerhalb des Strahlungsbündels (2) angeordnet ist, bzw. sind und daß die beiden Strahlungsempfänger (3, 4) an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, welche ein gleichartiges Signal liefert, sowohl wenn die Bestrahlung des zentralen Strahlungsempfängers (3) abnimmt, als auch wenn die Bestrahlung des Streu-Strahlungsempfängers (4) zunimmt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streu-Strahlungsempfänger (4) kreisringfömiig den kreisscheibenförmig ausgebildeten Direki-Slrahiungsempfänger(3) umgibt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere Rauchmelder, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) und die Strahlungsempfänger (3, 4) in einem kugelförmigen Gehäuse (9) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsempfänger (3, 4) in einer Differenzschaltung angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß ^ie Strahlungsempfänger (3, 4) in verschiedenen Zweigen einer Brückenschaltung (5,6) angeordnet sind

6. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —5 zur Brandmeldung.