DE2749494A1

DE2749494A1 - Optischer rauchdetektor

Info

Publication number: DE2749494A1
Application number: DE19772749494
Authority: DE
Inventors: Elias Ezekiel Solomon
Original assignee: SOLOMON ELIAS EZEKIEL
Current assignee: Gamewell Corp 02053 Medway Mass Us
Priority date: 1976-11-04
Filing date: 1977-11-04
Publication date: 1978-05-11
Also published as: AU513352B2; JPS5357885A; SE7712437L; IT1209442B; NL7712109A; FR2370278A1; JPS5643501B2; FR2370278B3; GB1595458A; US4121110A; AU3036477A

Description

Elias Ezekiel Solomon, Duxburry, Mass/USA

Optischer Rauchdetektor

Die Erfindung betrifft einen optischen Rauchdetektor, bei dem die Anwesenheit von Rauch den Empfang von Licht aus einer Lichtquelle durch einen Wandler zur Auslösung eines Alarmzustandes verändert. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Weiterbildung des Gegenstands der US-Patentanmeldung Nr. 725 036 vom 20. September 1976 (Elias E. Solomon) mit dem Titel "Abruf-Rauchdetektor".

In der gleichzeitig anhängigen obengenannten US-Patentanmeldung Nr. 725 036 ist ein Rauchdetektor beschrieben, der optisch oder mit Ionisierung arbeiten kann. Dabei wird die Stromversorgung oder der gewöhnlich in der Stromversorgung verwendete Regler für die Sende- und Empfängerschaltungen im Hinblick auf periodischen Betrieb gepulst bzw. auf Abruf betrieben. Bei optischen Detektoren erhält die Lichtquelle ihre Betriebsleistung aus der gepulsten Stromversorgung oder dem Regler direkt oder indirekt und wird natürlich ebenfalls periodisch in Betrieb gesetzt. Hierdurch wird eine beträchtliche Reduzierung des Stromverbrauchs im Vergleich zu kontinuierlich arbeitenden Systemen erzielt. Eine weitere Einsparung an Betriebsleistung und ein gleichförmig niedriger Strombedarf werden durch Verwendung eines Speicherkondensators erzielt, der zwischen den Impulsen niemals vollständig entladen wird.

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Wie in der genannten US-Patentanmeldung erläutert ist, beruht das Arbeitsprinzip der meisten optischen Rauchdetektoren auf einer Veränderung des Lichts, das einen Empfangewandter erreicht, wobei die Veränderung durch den Eintritt von Rauch in eine Detektionskammer verursacht wird. Gewöhnlich wird Licht aus einer Lichtquelle daran gehindert, den Empfangswandler zu erreichen, bis Rauch oder ein anderer reflektierender Gegenstand in das Sichtfeld eintritt, woraufhin Licht durch den Rauch oder den sonstigen reflektierenden Gegenstand zu dem Empfänger reflektiert wird und ein Alarmzustand ausgelöst wird.

Sofern die grundlegende Arbeitsweise von optischen Detektoren auf von dem Rauch reflektiertem Licht beruht, ergibt sich als Folge, daß zufällige Lichtreflexionen aus der Lichtquelle verhindert werden müssen. Nach einem herkömmlichen Vorschlag werden Lichtfallen verwendet, die gewöhnlich gegenüber der Lichtquelle angeordnet sind, darunter optisch schwarze Farbe zum Absorbieren der unerwünschten Reflexion. Zusätzlich zu dem Licht aus der Lichtquelle verlangt die grundlegende Arbeitsweise, daß der Einfall jeglichen Lichts einschließlich des Lichtes aus der Umgebung in die Detektionskammer verhindert wird. Im allgemeinen wird der Zutritt von Licht von außerhalb des Gehäuses in das Innere der Detektionäcammer durch eine gefundene Wegführung mit Hindernissen verhindert. Eine solche Wegführung verursacht jedoch eine Tendenz, den Zutritt des Rauches selbst, den das Gerät erfassen soll, zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Aufbau und die Arbeitsweise von optischen Rauchdetektoren zu verbessern, gleich ob sie im Pulsbetrieb oder kontinuierlich arbeiten, und zwar durch die Maßnahme einer optischen Vorsteuerung des Wandlers des Detektors. Insbesondere soll die Empfindlichkeit von optischen Rauchdetektoren vergrößert werden, indem ein größerer Ansprechbereich der Arbeitscharakteristik des Wandlers ausgenutzt wird. Ferner soll direkter

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und ungehinderter Zutritt von Rauch in die Detektorkanuner des Rauchdetektors ermöglicht werden. Ferner soll das von der Lichtquelle reflektierte Licht nicht vergeudet sondern dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad von optischen Rauchdetektoren zu verbessern .

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Rauchdetektor der eingangs beschriebenen Art gelöst, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch ein System zur optischen Vorsteuerung des Wandlers, mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Sichtfeldes des Wandlers und einer Einrichtung, die bewirkt, daß eine geregelte Lichtmenge aus der Quelle das Sichtfeld des Wandlers erreicht.

Grundlegend für die Erfindung ist also das Merkmal, daß der Zutritt einer geregelten Lichtmenge zu der Detektorkammer eines optischen Rauchdetektors ermöglicht wird. Bei einem Wandler mit geeigneter Charakteristik ergibt sich auf diese Weise ein Betrieb in einem linearen Bereich, wo er besser stabilisiert wird als in Betriebsbereichen für sehr schwaches Licht oder annähernd Dunkelheit. Diese Betriebsweise, die mit "optische Vorsteuerung" bezeichnet wird, ermöglicht eine konstante überwachung der Funktionsfähigkeit aller Bauteile sowie weitere Verbesserungen beim Betrieb des Detektors.

Insbesondere werden gemäß der Erfindung Lichtquellen verwendet, deren Ausgangssignal verstärkt und gestreut werden kann, wobei die Streuung die gewünschte optische Vorsteuerung ergibt. Ferner ist das Gehäuse des Detektors derart gestaltet und aufgebaut, daß direkter Zutritt von Rauch zur Detektionskammer über glatt geformte Wege ermöglicht wird.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

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Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Rauchdetektors;

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Figur 1 gezeigten Detektors längs Linie 2-2;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Lichtquelle, des Wandlers und der zugeordneten Bauteile des Detektors;

Fig. 4 eine teilweise schematisch und vereinfacht wiedergegebene Darstellung einer Lichtquelle und des Lichtverlaufs in der Lichtquelle; und

Fig. 5 eine vereinfachte Perspektivansicht einer Lichtquelle und eines optischen Integrators.

Es wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben.

In der in Figur 1 wiedergegebenen Querschnittsansicht und in der Schnittansicht von Figur 2 werden die körperlichen Merkmale einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung deutlich. Die grundlegende elektrische Betriebsweise des Detektors kann übereinstimmend mit zahlreichen bekannten Detektoren erfolgen, bei denen vor einer Lichtquelle und einem photoempfindlichen Handler durchtretender Rauch das elektrische Ausgangssignal des Wandlers verändert, um einen Alarmzustand auszulösen. Natürlich kann die Arbeitsweise auch entsprechend der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 725 036 erfolgen.

Das Detektorgehäuse 12 kann irgendeine gewünschte Form aufweisen und ist in Figur 1 als rundes Gehäuse gezeigt; es kann aus Kunststoff oder Metall geformt sein oder aus anderen zweckmäßigen kostengünstigen Werkstoffen. Vorzugsweise ist im oberen Teil eine Mulde gebildet, und es ist irgendeine (nichtdargestellte) herkömmliche Einrichtung vorgesehen, um eine Befestigung des Detektors an der Decke oder Wand zu ermöglichen. Die Mulde enthält elektrische Bauteile, die auf einer gedruckten Schaltung 14 angeordnet sind.

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und ein Deckel 16 wird durch Schrauben 18 und 20 in seiner Lage gehalten. Durch eine öffnung in dem Gehäuse 12 oder im Deckel kann eine Anschlußleitung 22 nach innen geführt werden. In gleicher Weise können weitere öffnungen vorgesehen sein, um Steuereinrichtungen mit Potentiometern oder andere Einstellvorrichtungen aufzunehmen.

Die gedruckte Schaltung 14 verschließt und trennt die Mulde des Gehäuses von den Rauchdetektorteilen, die unter der gedruckten Schaltung liegen. Eine Lichtquelle 24, bei der es sich um eine Leuchtdiode (LED) handeln kann und ein Wandler 26, bei dem es sich um ein Phototransistor handeln kann, beide mit geeigneten Optikeinrichtungen, wie im einzelnen später erläutert wird, sind in die untere Oberfläche der gedruckten Schaltung 14 eingesteckt .

Die Rauchdetektorteile der Vorrichtung werden vom Boden der Mulde einschließlich der gedruckten Schaltung 14 und von der oberen Oberfläche einer Verkleidung 28 begrenzt. Die zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen passen zueinander und sind glatt gestaltet, um einen ungehinderten Durchlaß 30 für Luft und Rauch zu schaffen, so daß ein freier Zutritt zu der optischen Kammer entsteht, welche in Umfangsrichtung durch ein Zylindersieb 32 ungefähr begrenzt wird, welches als Insektenabschirmung dient. Der Durchlaß 10 weist keine abrupten Hindernisse oder gewundenen Wege auf, die den freien Zutritt von Rauchteilchen verhindern würden.

In der Optischen Kammer ist eine Sperre 34 zwischen der Lichtquelle 24 und dem Wandler 26 angeordnet, welche die Schaffung des angestrebten Sichtfeldes für den Wandler unterstützt. Eine Halterung 24a für die Lichtquelle und eine Halterung 26a für den Wandler sind ebenfalls derart ausgebildet bzw. angeordnet, daß sie ähnliche Funktionen unterstützen, was im einzelnen später erläutert wird.

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Um die Strömung aus Luft und Rauch weiter zu konzentrieren und trichterartig zu leiten, insbesondere eine Strömung in waagerechter Richtung zur optischen Kammer über den Durchlaß 30, ist eine Anzahl von Leitflächen oder Flügeln 36 radial in dem Durchlaß 30 angeordnet. Diese können auf der oberen Oberfläche der Verkleidung 28 oder auf der unteren Oberfläche der Mulde des Gehäuses gebildet sein.

Der Boden der optischen Kammer ist ebenfalls offen, und ein Durchlaß 40, der speziell für senkrechte Luft- und Rauchströmung ausgelegt ist, ist zwischen der oberen Oberfläche eines relativ kleinen zentralen Ablenkteils 42 und der unteren mittleren Oberfläche der Verkleidung 28 gebildet. Das zentrale Ablenkteil 42 weist eine verjüngte obere Oberfläche auf, die in ihrer Form an die gegenüberliegende untere Oberfläche der Verkleidung angepaßt ist; der Durchlaß 40 dient dazu, die Luft- und Rauchströmung zu der optischen Kammer zu konzentrieren und trichterartig zu leiten. Eine weitere Konzentrierung wird durch verjüngte radiale Leitflächen 46 erreicht, die sich entlang denselben Linien erstrecken können wie die Leitflächen 36. Wie bei dem Durchlaß 30 gibt es auch hier keine abrupten Hindernisse oder gewundenen Wege, die den leichten Eintritt von Rauchteilchen verhindern würden.

Das Verständnis der Erfindung wird durch Betrachtung der Arbeitscharakteristik eines typischen Phototransistors erleichtert. Bei Fehlen von Licht fließt bekanntlich nur ein Leckstrom. Ferner ist die an Rauchteilchen reflektierte Lichtmenge bei den meisten optischen Rauchdetektoren äußerst gering. Der Betrieb des Rauchdetektors bei niedrigem Lichtpegel führt daher zu der Erzeugung von durch das Licht ausgelösten Strömen, die kaum vom Leckstrom zu unterscheiden sind.

Es wird aber nicht nur die Detektorempfindlichkeit durch Betrieb bei niedrigem Lichtpegel beeinträchtigt, ferner ist auch das Ansprechen nichtlinear. Bei niedrigem Lichtpegel hängt die

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Verursachung eines Stromes (I) durch Licht von der Leuchtdichte (H) wie folgt ab:

T = kH¹·³³
(wobei K eine Konstante ist) .

Bei höheren Lichtpegeln wird jedoch das Verhältnis zwischen Leuchtdichte und dem durch das Licht erzeugten Strom im wesentlichen linear. Der Betrieb des Detektors mit einer geregelten Lichtmenge, die allzeit vorhanden ist, hier als optische Vorsteuerung bezeichnet, ergibt sowohl eine verbesserte Empfindlichkeit als auch eine höhere Stabilität.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer von mehreren möglichen Ausbildungen von Lichtquelle und Wandler, wie sie bei der in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Ausführungsform zweckmäßig ist und bei der eine geregelte optische Vorsteuerung stattfindet, Die gezeigten Bauteile und Lichtmuster sind natürlich nicht maßstäblich dargestellt und sollen nur der Erläuterung dienen. Die Lichtquelle 24 und der Empfangswandler 26 sind unter einem Winkel zueinander angeordnet, wobei der Winkel mit irgendeiner herkömmlichen mechanischen Einrichtung 25 eingestellt werden kann, um die gewünschte optische Kopplung zu erzielen. Die Sperre oder Blende 34, die Halterung 24a für die Lichtquelle 24 und die Halterung 26a für den Wandler 26 können ebenfalls hinsichtlich der Lage einstellbar ausgebildet sein, um das Sichtfeld für den Empfangswandler 26 zu bestimmen. Durch die verschiedenen Einstellmöglichkeiten ist eine Feinabstimmung der optischen Vorsteuerung des Wandlers möglich. Mit anderen Worten, es können also die am besten linearen Bereiche des Wandlerbetriebs und die empfindlichsten und stabilsten Arbeitspunkte gewähIt we rdeη.

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Es wurde bereits auf die herkömmliche Maßnahme nach dem Stand der Technik hingewiesen, alles Licht aus der Umgebung und alles reflektierte Licht (außer das von den Rauchteilchen) von der optischen Detektorkammer fernzuhalten. Figur 4 zeigt ein weiteres Merkmal der Erfindung, durch das sich die Erfindung von der herkömmlichen Maßnahme dieses Fernhaltens abhebt. Wie Figur 3 ist auch diese Figur nicht maßstäblich. Die Lichtquelle und der Empfangswandler 26 sind hier schematisch rechtwinklig zueinander dargestellt, sie können jedoch und werden auch vorteilhafterweise so angeordnet, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Eine Leuchtdiode (LED) 124 ist mittig in einem Spiegel angeordnet und arbeitet im wesentlichen als Punktlichtquelle mit einem im wesentlichen konischen Strahlungsmuster, welches auf einem zweiten Spiegel 128 fällt. Die Form der Spiegel braucht nicht eben zu sein, zwei einander gegenüberliegende Planspiegel sind jedoch möglich. Es können auch andere Formen verwendet werden, beispielsweise Parabol- oder Konkavspiegel, und in Figur 4 ist ein Konkavspiegel 128 gezeigt, der axial bezüglich der Lichtquelle 24 angeordnet ist. Wenn die Lichtquelle im Brennpunkt des Spiegels 128 liegt, so wird das Licht in erster Linie durch den Konkavspiegel 128 als parallele Strahlen zur Lichtquelle zurückreflektiert. Die parallelen Lichtstrahlen treffen auf dem Planspiegel 126 auf und werden längs desselben Weges zurückreflektiert, dann von dem Konkavspiegel zurück zur Lichtquelle usw. In der Praxis tritt zwar Absorption auf, der Gesamteffekt besteht jedoch darin, das verfügbare Licht auf den optischen Wegstrecken in hohem Maße zu verstärken. Mit anderen Spiegelformkombinationen werden ähnliche Ergebnisse erzielt. Es wird also nicht nur die Lichtmenge, die den Empfangswandler erreicht, stark vergrößert, wenn reflektierende Rauchteilchen vorhanden sind, es ist auch aufgrund von Streüeffekten ausreichend Licht für die optische Vorsteuerungsfunktion vorhanden.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Verfeinerung der in Figur 4 gezeigten Lichtquelle. Hier sind eine Punktquelle 124, ein Planspiegel 126 und ein Konkavspiegel

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gemäß Figur 4 angeordnet; das Gehäuse der Lichtquellenbaugruppe ist jedoch mit öffnungen versehen. Das Gehäuse und die öffnungen können irgendeine Gestalt aufweisen, das hier gezeigte spezifische Gehäuse ist jedoch ein mit Schlitzen versehender Zylinder, wobei die stehengelassenen Teile 130 versilberte Innenoberflächen aufweisen. Bei einem solchen Aufbau kann Rauch frei in das Gehäuse der Lichtquelle eintreten, und das Licht wird in alle Richtungen gestreut, wobei sowohl primär als auch sekundär reflektiertes Licht den Wandler 26 erreicht. Auf diese Weise wird ein optischer Integrator geschaffen.

Die optische Vorsteuerung kann gemäß der Erfindung also auf verschiedene Weise erzielt werden, und es ergeben sich daraus zahlreiche Vorteile für die Anwendung. Die optische Vorsteuerung kann durch einen lichtstreuenden optischen Integrator erfolgen, welcher der Lichtquelle zugeordnet ist, wodurch ein geregeltes Auftreffen von Licht auf das Sichtfeld des Empfangswandlers verursacht wird.

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Claims

Elias EzekieL Solomon, Duxburry, Mass/USA

Patentansprüche

V1./Optischer Rauchdetektor, bei dem die Anwesenheit von Rauch den Empfang von Licht aus einer Lichtquelle durch einen Wandler zur Auslösung eines Alarmzustands verändert, gekennzeichnet durch ein System zur optischen Vorsteuerung des Wandlers (26^mIt einer Einrichtung zur Bestimmung des Sichtfeldes des Wandlers (26) und durch eine Einrichtung, die bewirkt, daß eine geregelte Lichtmenge aus der Lichtquelle (24) das Sichtfeld des Wandlers (26) erreicht.
2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination aus einem Gehäuse (12) und einer Einrichtung, die eine optische Detektionskammer innerhalb des Gehäuses bildet, wobei das Sichtfeld des Wandlers (26) im wesentlichen innerhalb der optischen Kammer liegt, das Gehäuse wenigstens einen darin gebildeten und zu der optischen Kammer führenden Durchlaß (30) aufweist und wobei dieser Durchlaß (30) frei von abrupten Richtungsänderungen oder Hindernissen für den Eintritt von Rauchteilchen ist.
3. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die bewirkt, daß eine geregelte Lichtmenge das Sichtfeld erreicht, Reflexionselemente (130) enthält, die

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ORIGINAL INSPECTED

um die Lichtquelle (12 4) herum angeordnet sind und die Absorption des Lichten aus dieser auf ein Minimum reduzieren und Licht aus dieser in das Sicht feld streuen.
4. Rauchdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Punkt Lichtqun 1 Ie (124) enthält und daß
eines der Reflexionselemente einen Konkavspiegel (128) umfaßt, der axial bezüglich der Punktquelle angeordnet ist.
5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites der RefLexionseLemente einen Planspiegel (126)
enthält, wobei din PunktqueLle (124) mittig darin angeordnet ist und der Konkavspiegel (128) dem Planspiegel (126) gegenüberliegt.
6. Rauchdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionselemente ein im Inneren reflektierendes Gehäuse enthalten, das um die Lichtquelle (124) herum angeordnet ist
und daß das Gehäuse darin gebildete öffnungen aufweist, wobei Lichtteilchen daran gestreut werden und Rauchteilchen hindurchgelangen können.
7. Rauchdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes der Reflexionselemente einen reflektierenden Zylinder enthält, der zwischen dem Planspiegel (126) und dem
Konkavspiegel (128) angeordnet ist, wobei dieser Zylinder darin gebildete Schlitze aufweist, wobei Licht daran gestreut
werden kann und Rauchteilchen hindurchgelangen können.
8. Rauchdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Montieren der Lichtquelle und des Wandlers unter einem Winkel zueinander und eine Einrichtung zum Einstellen des Winkels zur Veränderung des Ausmaßes der optischen Kopplung zwischen der Lichtquelle und dem Wandler.

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9. Rauchdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Sperre (34), die zwischen der Lichtquelle und dem Wandler angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Einstellen der Sperre zur Bestimmung der Lichtmenge, die aus der Lichtquelle auf das Sichtfeld auftrifft.
10. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Leitelementen in dem Durchlaß (30) angeordnet ist, wobei die Leitelemente relativ zu der optischen Kammer derart angeordnet sind, daß sie dieser Rauchteilchen trichterartig zuführen.

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