-
In der schweizerischen Patentschrift 561942 wird ein Schwebeteilchen-
und/oder Gaskomponenten-Detektor nach dem Strahlungsschwächungsprinzip
geschützt.
Dieser Detektor verfügt über wenigstens eine elektromagnetische Strahlungsquelle,
deren Strahlung durch das zu untersuchende Medium geleitet wird und dann auf wenigstens
einen photoelektrischen Wandler trifft. Meß- bzw. Referenzstrahl benützen die gleichen
Reflexionsstellen in verschiedener Reihenfolge, weshalb die Strahlen verschieden
lange Wege zurücklegen. Bei Vorhandensein von Rauch erfahren Meß- und Referenzstrahl
eine unterschiedliche Schwächung, was für die Alarmgabe ausgewertet wird.
-
Da die Strahlen die gleichen Flächen für die Reflexion benützen, kann
der Grad der Verstaubung der reflektierenden Flächen als Störfaktor eliminiert werden.
-
Nachteilig ist hierbei jedoch die Winkelabhängigkeit der Strahlungsschwächung
bei Reflexion an verstaubten Flächen.
-
Im USA-Patent 3976891 ist ein Rauchdetektor mit nur geringem Einfluß
der Verschmutzung beschrieben. Das Licht einer Lampe wird in zwei Hälften aufgeteilt.
Meß- und Referenzweg sind gleich gebaut, jedoch die Weglänge im zu untersuchenden
Medium verschieden lang gemacht. Durch die gewählte Anordnung sind die Elemente
des Meß- und Referenzstrahles gleichermaßen der Verstaubung unterworfen, womit ebenfalls
die Verstaubung als Störfaktor eliminiert wird. Die entsprechenden lichtelektrischen
Wandler befinden sich in Brückenschaltung, so daß bei Rauch eine Verstimmung der
Brücke eintritt, was für die Alarmgabe ausgewertet wird. Diese Erfindung arbeitet
mit einem kleinen Meßweg. Dadurch muß die elektrische Schaltung äußerst empfindlich
gemacht werden, weil das Nutzsignal klein ausfällt.
-
Die vorliegende Erfindung bezweckt, ebenfalls einen Rauchdetektor
mit Meß- und Referenzstrahl zu schaffen. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe,
einen Rauchdetektor anzugeben, bei welchem 1) der geometrische Meßstrahlungsweg
und der Referenzstrahlungsweg gleich lang sind, wobei Unterschiede des Meß- und
Referenzsignals infolge des Eindringens von Rauch, z. B. mit einer Brückenschaltung,
nachgewiesen werden können; 2) die Reflektoren und Fensterflächen des Meß-und Referenzstrahlenganges
möglichst in gleicher Weise der verschmutzten Luft ausgesetzt sind, um Verschmutzungseffekte
möglichst gegenseitig zu kompensieren, womit Fehlalarme infolge der Verschmutzung
einer optischen Komponente unterdrückt werden können; 3) ein Absinken des Nutzsignals
verunmöglicht wird, auch wenn die Reflexionsflächen verschmutzt werden. Man vermeidet
damit Messungen mit zu hoher Empfindlichkeit der elektrischen Auswertung; 4) mit
Verwendung von vielen Reflektoren die statistischen Unterschiede der Verschmutzung
der einzelnen Reflektoren sich gegenseitig ausmitteln, wobei allerdings auf gleichartige
Strömungsverhältnisse um die Detektoren herum zu achten ist; 5) Nebeneffekte und
Störungen ausgeschaltet werden, wobei beabsichtigt ist, den Strahlungsweg so lang
zu machen, daß die Extinktion der Strahlung gegenüber den Störeffekten deutlich
überwiegt.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in beiden Strahlengängen
zur Strahlungswegverlängerung-Umlenk-Reflektoren vorgesehen sind, de-
ren Anzahl
so gewählt ist, daß in beiden Strahlengängen die Summe, gebildet aus der Anzahl
der der Verschmutzung ausgesetzten Fensterflächen und der der Verschmutzung ausgesetzten,
vorn verspiegelten Reflektoren sowie aus der doppelten Anzahl der der Verschmutzung
ausgesetzten, hinten verspiegelten Reflektoren in beiden Strahlengängen gleich groß
ist, so daß die Strahlungsschwächung durch Verstaubung der Fensterflächen und Reflektoren
in beiden Strahlengängen gleich groß ist.
-
Fig. la zeigt einen erfindungsgemäßen Rauchdetektor in perspektivischer
Darstellung. Fig. lb zeigt den Rauchdetektor im Querschnitt; Fig. 2 a und 2b zeigen
die Meß- bzw. Referenzstrahlungsebene eines erfindungsgemäßen Melders; Fig. 3 a
und 3b zeigen eine Modifikation zu den Fig. 2a und 2b; entsprechendes gilt für die
Fig. 4a, 4b und 5a, 5b; Fig. 6 zeigt ein Blockschema zur Nachregelung der Strahlungsintensität.
-
Fig. la dient der besseren Vorstellung des Rauchdetektors. Fig. lb
zeigt den Rauchdetektor im Querschnitt. Nach Fig. la bzw. lb besteht der Rauchdetektor
im wesentlichen aus einem Sockel 10, mittels welchem er z. B. an einer Wand oder
an einer Decke befestigt wird, und einer Haube 40. In der Haube befindet sich eine
Hülle 30, welche den Raum für den Referenzstrahlungsweg 20, den »Referenzraum«,
und denjenigen für den Meßstrahlungsweg 22, den »Meßraum«, enthält. Die Haube wird
auf die Hülle 30 aufgesteckt. Der Sockel 10 besitzt eine Aussparung 12 (Fig. lb)
für die elektronische Auswerteschaltung.
-
Dem Sockel 10 sind zwei Supporte 14 und 16 aus dem gleichen Material
angegossen, aus dem der Sokkel 10 gefertigt ist. Die Supporte dienen der Halterung
für eine Quelle elektromagnetischer Strahlung 18, d. h. einer Strahlungsquelle,
und der Strahlungsempfänger 24 und 26, welche die elektromagnetische Strahlung in
ein elektrisches Signal umsetzen. Die elektrischen Verbindungen der Strahlungsquelle
18 und der Wandler 24 und 26 mit der elektronischen Schaltung in der Aussparung
12 sind in den Figuren nicht dargestellt.
-
Die Strahlung der Strahlungsquelle 18 fällt auf zwei Reflektoren
28 und 32. Eine Blende 34 verhindert, daß die Strahlung der Strahlungsquelle 18
direkt in den Referenzstrahlengang bzw. in den Meßstrahlengang gelangt. Der Reflektor
32 lenkt die Strahlung von der Strahlungsquelle 18 in den Meßstrahlungsweg. Die
Haube 40 besitzt mehrere Öffnungen 36, 38... in der Zylinder- und Deckfläche. Durch
diese und entsprechende Öffnungen 42, 44, 46... in der Hülle 30 tritt die zu überwachende
Luft in den Meßraum 22. Die Hülle 30 dient als Streustrahlungsblende gegen außen
und zugleich als Insektenschutz. Der Referenzstrahlengang verläuft zum Teil im Referenzraum
20, der durch eine Trennwand 56 gegen die Atmosphäre ganz abgeschlossen ist. Um
die Strahlung von der Strahlungsquelle 18 bzw. vor dem Reflektor 28 in den Referenzraum
20 ein- bzw. austreten zu lassen, sind zwei »Fenster« 48 und 50 luftdicht in den
Referenzraum eingepaßt, die einseitig der Verschmutzung durch Aerosole ausgesetzt
sind. Diese Fenster sind räumlich nach außen den Supporten 14 bzw. 16 zugekehrt,
und die Konstruktion ist derart ausgeführt, daß die Luft ungehindert in den Raum
eindringen kann, in welchem sich diese Supporte befinden. Der Meß- und Referenzstrahlungsweg
erhalten
die gleiche Anzahl verschmutzter Fenster wenn z. B. die
Öffnung 52 ohne Fenster, jedoch die oeffnung 54 mit Fenster ausgeführt wird. Es
besteht ein Interesse daran, die Abstände zwischen den Supporten 14 und 16 und dem
Meß- bzw. Referenzraum 20 und 22 so klein wie möglich zu machen, um möglichst gleich
lange Strahlengänge zu erhalten. Als Strahlungsquelle 18 kann eine Glühlampe, eine
LED oder ein LASER dienen. In der Fig. 1 b ist nicht ersichtlich, wie durch mehrfache
Reflexion der Strahlengang verlängert werden kann. Um dies zu erklären, sei auf
die Fig. la, 2a bzw. 2b hingewiesen, wobei die Fig. 2a den Schnitt a-a und die Fig.
2b den Schnitt b-b von Fig. 1b zeigt.
-
Die Fig. 2 abzw. 2b dient der Erklärung des Strahlenganges in der
Meß- bzw. Referenzstrahlungsebene.
-
Mit 102 ist eine Strahlungsquelle dargestellt, entsprechend dem Reflektor
32 in Fig. la. 104 stellt einen Strahlungsempfänger dar, entsprechend dem Strahlungsempfänger
26 von Fig. 1 b. Die Strahlung wird an einer Anzahl Reflektoren 106, 108... reflektiert
und durchläuft einen Zickzackweg, bis sie zuletzt beim Strahlungsempfänger 104 eintrifft.
Eine Anzahl von Trennwänden 120, 122... sorgt dafür, daß nicht-aufeinanderfolgende
Reflektoren sich keine Streustrahlung zuwerfen. Die ganze Anordnung befindet sich,
wie schon bei Fig. la angedeutet, in einem zylindrischen Behälter 100, entsprechend
der Hülle 30 von Fig. labzw. Ib. Dieser weist an seinem Umfang Öffnungen 130 und
132 auf, durch welche die zu überwachende Luft in den Meßraum gelangt. Zusätzlich
sind in der Zeichnung nicht dargestellte Abschirmungen vorgesehen, welche verhindern,
daß Streustrahlung durch die Öffnungen 130 und 132 in den Meßraum fällt. In der
Referenzstrahlungsebene sind - wie in Fig. 2 a - eine Strahlungsquelle 102', entsprechend
dem Reflektor 28 in der Fig. la bzw. lb, und ein Strahlungsempfänger 104', entsprechend
dem Strahlungsempfänger 24 von Fig. lb, vorgesehen. Die Strahlung wird an einer
Anzahl Reflektoren 106', 108', 110'... reflektiert und durchläuft einen Zickzackweg,
bis sie zuletzt beim Strahlungsempfänger 104' eintrifft. Anstelle der Trennwände
ist ein mit 140' bezeichneter, zickzackförmiger Raum für den Referenzstrahlengang
vorhanden, welcher staubdicht gegen die Außenatmosphäre verschlossen ist. Die Strahlung
tritt durch ein erstes Fenster 142', von der Strahlungsquelle ausgesendet, in den
Referenzraum ein und verläßt ihn bei einem zweiten Fenster 144'.
-
Sie trifft bei 110' auf einen Reflektor, wird reflektiert und gelangt
wieder durch das Fenster 144' in den Referenzraum. Das gleiche wiederholt Eich bei
anderen Reflektoren, z. B. 116'. Die Fenste. werden nahe zu den Reflektoren gelegt,
jedoch nicht so nahe, daß sich der Staub zwischen Fenster und Spiegel nicht ungestört
ablagern könnte, denn die Reflektoren 110', 116'... sind wie in Fig. 2a infolge
der Öffnungen 130 und 132 im Referenzraum der zu überwachenden Luft ausgesetzt.
-
Bei den der Luft ausgesetzten Reflektoren treffen die Meßstrahlung
und die Referenzstrahlung die gleichen Verhältnisse hinsichtlich Verschmutzung an.
Die Fenster 142', 144'... sind als verschmutzt anzusehen.
-
Im Falle der erfindungsgemäßen Meßkammer der Fig. 2 a geht also der
Meßstrahl durch zwei verschmutzte Fenster und wird an acht Reflektoren gespiegelt.
Da die Reflektoren vorn verspiegelt sind, ist R+F zu bilden mit R=8 und F=2, d.h.
-
R + F = 10. Falls dagegen auf der Hinterseite verspiegelte Reflektoren
verwendet werden, so ist deren Anzahl doppelt zu zählen, da die Strahlung die der
Verschmutzung ausgesetzte Vorderseite zweimal durchqueren muß.
-
Der Referenzraum ist durch die zwei Öffnungen 130' und 132' der verschmutzten
Luft mindestens teilweise zugänglich. Der Referenzstrahl geht bei der Strahlungsquelle
102' ebenfalls durch ein Fenster und gelangt bei 142' in einen gegen die verschmutzte
Außenluftdichten Raum und wird bei 106', 108' an nicht verschmutzten Reflektoren
gespiegelt. Sie verläßt den dichten Raum durch ein verschmutztes Fenster 144' und
wird an einem vorn verspiegelten Reflektor 110' zum Fenster 144' zurückgeworfen.
Der Strahl tritt dort wieder in den gegen die Außenluft dichten Raum ein. Bei 112',114'...
erfolgt erneut je eine Reflexion.
-
Man zählt je ein verschmutztes Fenster bei 102', 142', 144', 110'
und nochmals bei 144', 146', 116' und nochmals bei 146' sowie am Ausgang des luftdichten
Raumes 140' und bei 104', insgesamt also 10 verschmutzte Fenster bzw. Reflektoren,
wie für den Meßstrahlengang. Bezeichnet man mit R die Anzahl der Reflektorflächen,
mit F die Anzahl der Fensterflächen, so ist bei vorn verspiegelten Reflektoren die
Zahl R + F für den Meß- und Referenzstrahlengang gleich groß, wie es das Kennzeichen
des Patentanspruches 1 verlangt.
-
In Fig. 3 a undFig. 3 bist der Meß- bzw. Referenzstrahlengang eines
weiteren erfindungsgemäßen Melders dargestellt. Die Anzahl der verschmutzten Reflektoren
ist für Meß- und Referenzstrahl gleich groß und entsprechendes gilt für die Anzahl
der verschmutzten Fenster. Mit 140' ist wie in Fig. 2b ein gegen die Außenluft dichter
Raum bezeichnet. Beidseitig der Verschmutzung ausgesetzt sind in Fig. 3 a die Fenster
144,146,150,156... womit der Meßstrahl gleich oft durch verschmutzte Fenster dringen
muß wie der Referenzstrahl, bzw. gleich oft an verschmutzten Reflektoren gespiegelt
wird. Es ist offensichtlich, daß in Fig. 2a und 2b bzw. 3a und 3b der Meß- und der
Referenzstrahl fast gleich lange Wege zurücklegt.
-
Es gibt jedoch auch Gründe, um unter bestimmten Bedingungen die erwähnte
Bedingung nur angenähert zu erfüllen. Das ist dann der Fall, wenn die Strömungsverhältnisse
in Meß- und Referenzstrahlengang nicht gleich gemacht werden können, was zu verschieden
starken Verschmutzungen führt.
-
Um schließlich die sich aus statistischen Gründen ergebenden Unterschiede
im Verschmutzungsgrad für Meß- und Referenzstrahlengang auszugleichen, wird man
möglichst viele Reflektoren und Fenster verwenden.
-
Die Fig. 4 a dient der Erklärung des Meßstrahlenganges eines weiteren
erfindungsgemäßen Melders.
-
Ein Sender emittiert bei 206 einen Strahl, der auf die zum Strahl
senkrechte Diametralebene fokussiert ist.
-
In der Figur wurde ein Strahl gewählt, der mit der Tangente an den
Kreis 202 beim Sender einen Winkel von 671/20 einschließt. Man sieht, daß an einer
Reflexionsstelle ein einfallender Strahl mit dem reflektierten Strahl jeweils einen
Winkel von 45" bildet, was für den Strahlengang einen regelmäßigen 8eckigen Stern
ergibt. Nach mehrfacher Reflexion kehrt somit der Strahl an seinen Ausgangspunkt
zurück, was bei einer beliebigen Wahl des Emissionswinkels bei der Strahlungsquelle
nicht zutrifft. Im Melder ist mittels Abschirmungen ein »Labyrinth« 212 angeordnet.
Die
Abschirmungen entstehen z. B. durch Fräsen von 4 Nuten 214 in
einen massiven Zylinder, etwa aus Kunststoff, der in den Zylinder 204 paßt, und
durch Bohren von durchgehenden Löchern in Richtung des emittierten bzw. reflektierten
Lichtstrahles. Die Abschirmungen dienen der Vermeidung von Streustrahlung. Somit
sind die Bohrungen und Reflexionsstellen der verschmutzten Luft ausgesetzt, so daß
der Strahl bei jeder Reflexionstelle den Zylinder 204 zweimal durchdringt, insgesamt
also ist 2R = 14. Nur bei 206 und bei 208 durchdringt der Strahl je ein Fenster,
daher ist F= 2, also 2R + F= 16. Der Referenzstrahlengang, welcher in Fig. 4b dargestellt
ist, unterscheidet sich vom Meßstrahlengang lediglich dadurch, daß die erwähnten
Bohrungen an den Übergangsstellen zu den Nuten 214 mit Fenstern 218 verschlossen
sind, so daß die verschmutzte Luft nur zu jeder zweiten Reflexionsstelle gelangt,
nämlich da, wo auch eine Nut 214 vorhanden ist. Immer da, wo eine Nut vorhanden
ist, dringt der Strahl durch 4 verschmutzte Fenster, insgesamt ist also 2R = 6,
F = 8 + 2. Mithin ist wieder das Kennzeichen von Patentanspruch 1 erfüllt.
-
In Fig. 5 a und 5 b ist ebenfalls ein Melder mit zylindrischem Reflektor
dargestellt. Im Falle der Fig. 5 a und Sb ist der Reflektor im Gegensatz zu Fig.
4 a und 4 b, innen verspiegelt angenommen, und der Strahlengang beschreibt einen
regelmäßigen 12zackigen Stern.
-
Fig. 5a stellt den Meßstrahlengang dar. Die verschmutzte Luft hat
demzufolge Zutritt zu allen Nuten 314, zu allen Bohrungen und Reflexionsstellen
und zum Fenster der Strahlungsquelle 302 resp. demjenigen des Strahlungsempfängers
308. Man zählt R = 11, F = 2, also R+F= 13. In Fig. 5b wird der Referenzstrahlengang
zu Fig. 5 a erklärt. Die 4 Nuten werden durch strahlungsdurchlässige Schirme 315'
gebildet.
-
Die verschmutzte Luft gelangt zwar in die Nuten 314', wird aber vom
Innenraum 312' mit Hilfe der Schirme 315' ferngehalten. Man zählt R = 3, F= 8 +
2 = 13, wie für den Meßstrahlengang.
-
Fig. 6 dient der Erklärung, wie der Einfluß der Verschmutzung des
Melders ausgeglichen werden kann und wie »Alarm« bzw. »Störung« detektiert werden.
-
Mit 1 wird eine steuerbare Strahlungsquelle bezeichnet, welche den
Meßstrahlempfänger 2 und den Referenzstrahlempfänger 3 beaufschlagen. Die Signale
der beiden Strahlungsempfänger 2 und 3 werden im Komparator 5 verglichen. Bei einer
signifikanten Differenz am Eingang des Komparators 5 schaltet der Ausgang desselben
den Alarmgeber 8 auf »Alarm«. Das Meßstrahlsignal 2 beaufschlagt zugleich die Störungsüberwachung
4, welche das ordnungsgemäße Funktionieren der Strahlungsquelle 1 und des Meßstrahlempfängers
2 kontrolliert. Auch das Signal des Referenzstrahlempfängers 3 wird abgegriffen
und auf eine Schaltung 6 gegeben. Diese subtrahiert das Referenzstrahlsignal von
einem bei 9 erzeugten konstanten Signal. Mit der Rückführung des Ausgangssignals
von der Schaltung 6 auf die Strahlungsquelle 1 wird die Leistung der Quelle so geregelt,
daß auch bei zunehmender Verschmutzung das Ausgangssignal vom Referenzstrahlempfänger
konstant bleibt. Bei einem zu hohen Verschmutzungsgrad kann die Leistung der Strahlungsquelle
nicht weiter nachgeregelt werden. Die sich dadurch ergebende Änderung des Ausgangssignals
von Schaltung 6 wird in der Störungsüberwachung 7 zusammen mit 4 ausgewertet. Die
Störungsüberwachungen 4 und 7 haben je einen Ausgang auf den Alarmgeber 8, welcher
gegebenenfalls auf »STÖRUNG« schaltet und je einen Ausgang zum Komparator 5, dessen
Ausgang gegebenenfalls blockiert wird, so daß eine eigentliche Störung nicht als
Alarm weitervermittelt werden kann.
-
Sollte aus einem Grund ein Melder gebraucht werden, der nicht zwischen
» KEIN ALARM«, »ALARM« und »STÖRUNG« unterscheiden kann, sondern nur das Analogsignal
vom Meßstrahlempfänger abgibt, kann in der Schaltung auf Störüberwachung 4 verzichtet
werden. Anstelle von Komparator 5 wird ein Verstärker für das Analogsignal vom Meßstrahlempfänger
eingebaut, dessen Ausgang gegebenenfalls auch von der Störungsüberwachung 7 blockiert
wird. Die Schaltungen sind so auszulegen, daß bei einem Ausfall eines Komponenten
der Alarmgeber 8 auf »STÖRUNG« kippt.