DE29622293U1

DE29622293U1 - Optischer Rauchmelder

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Publication number: DE29622293U1
Application number: DE29622293U
Authority: DE
Original assignee: Cerberus Ristow & Co GmbH
Current assignee: Cerberus Ristow & Co GmbH
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1996-12-21
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2006-12-22

Description

Cerberus Ristow GmbH & Co., 76227 Karlsruhe C-437

Optischer Rauchmelder

Die Erfindung betrifft einen optischen Rauchmelder zur Früherkennung von Bränden durch Messung von an Rauchpartikeln gestreutem Licht, der in einem Gehäuse eine Messkammer, eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger aufweist. Insbesondere besteht die Lichtquelle aus einem Halbleiterlaser mit einem geringen Strahldurchmesser und einer geringen Strahldivergenz, vorzugsweise aus einem vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).

In optischen Rauchmeldern dieser Art wird Licht in eine Messkammer gesandt, wo es nach Streuung an Rauchpartikeln von einem Lichtempfänger detektiert wird. Das vom Lichtempfänger erzeugte elektrische Signal wird einer Auswerteelektronik zugeführt, die das Signal nach verschiedenen Kriterien wie zum Beispiel Grosse und Zeitverlauf auswertet und entsprechend eine Meldung wie Alarm, Störung, Wartungsbedarf usw. abgibt. In den meisten bekannten Rauchmeldern besteht die Lichtquelle aus einer Infrarotleuchtdiode (IR-LED), deren Strahl durch seine Divergenz ein Volumen von mehreren Kubikzentimetern in der Messkammer ausleuchtet. Der Lichtempfänger ist jeweils so angeordnet, dass Licht in erster Linie nur über die Streuung an Rauchpartikeln auf ihn fallt und direktes Licht durch Blenden von ihm fern gehalten wird. Das Gesichtsfeld des Lichtempfängers kreuzt das der Lichtquelle, sodass im Schnittvolumen der beiden Gesichtsfelder ein Messvolumen gebildet wird, in dem die Rauchpartikel das Licht streuen. Ein Teil dieses gestreuten Lichts fällt sodann auf den Empfänger. Obwohl kein Licht direkt und ohne Streuung auf den Empfänger fällt, ist es möglich, dass Licht nach einfacher oder mehrfacher Reflexion an den Messkammerwänden den Empfänger trifft und ein störendes Untergrundsignal verursacht. Um dieses Untergrundsignal möglichst zu unterdrücken, wird die Messkammer mit einem Labyrinth aus mehreren Blenden oder Lamellen versehen, an denen ungestreutes Licht vielfach reflektiert und absorbiert wird.

Als Lichtquelle wurde anstelle der IR-LED schon vereinzelt ein Laser eingesetzt. Die Firma Noüfier (Division von Pittway Corporation) bietet einen Rauchmelder LPX-751 Laser Smoke Detector für hochempfindliche Rauchdetektion durch Streulichtmessung an, der einen Diodenlaser enthält. Der Laserstrahl wird durch eine Linsenoptik auf ungefähr die Mitte der Messkammer fokussiert. Ein hohler Spiegel in der Nähe des Brennpunkts des Laserstrahls angeordnet fokussiert das an den Rauchpartikeln gestreute Licht auf den Lichtempfänger. Das Messvolumen besteht aus einem schmalen Raumbereich, der durch den dünnen Laserstrahl kurz nach dem Brennpunkt des Strahls und dem Gesichtsfeld des Empfängers mit dem Hohlspiegel gebildet wird. Der durch eine Linsenoptik fokussierte Laserstrahl bildet im Vergleich zu Rauchmeldern mit LEDs ein kleines Messvolumen. Dieses kleine Messvolumen

erlaubt eine Unterscheidung von Staub- .und Rauchpartikeln. Staubpartikel sind weit grosser als Rauchpartikel, und ein einziges Staubpartikel ist ausreichend, um beim Lichtempfänger ein sehr grosses Signal zu verursachen. Staubpartikel erscheinen auch in kleiner Dichte, sodass sie sich nicht kontinuierlich im Messvolumen befinden sondern in Zeitabständen das Messvolumen durchqueren. Die von Staubpartikeln verursachten Signale erscheinen also nicht kontinuierlich sondern mit Pausen zwischen einzelnen Signalen. Rauchpartikel andererseits bewegen sich schneller und verursachen aufgrund ihrer kleineren Ausmasse bedeutend kleinere Signale. Eine Auswertung der Grosse und des Zeitverlaufs der Signale erlaubt also eine Unterscheidung von Rauch- und Staubpartikeln. Durch den Spiegel wird das von Rauchpartikeln gestreute Licht grösstenteils gesammelt und auf den Empfänger gelenkt, wodurch eine erhöhte Empfindlichkeit des Rauchmelders erzielt wird. Dieser Rauchmelder hat jedoch den Nachteil, dass die erwähnte Strahlfokussierung eine kostenspielige und genau justierte Optik erfordert.

In den Dokumenten EP 0 463 795, GB 2 231951 und DE 43 39 379 werden hochempfindliche Systeme für die Messung von Rauch- oder anderen sich in der Luft befindenden Partikel beschrieben. In allen wird die Verwendung eines Halbleiterlasers erwähnt, für die jedoch zusätzlich eine Optik zur Kollimierung oder Fokussierung im System enthalten ist, die zum Teil aus mehreren Bauteilen wie Linsen und Blenden besteht. Diese Systeme sind alle in ihrer Funktion wirksam, bergen aber wiederum den Nachteil, dass sie wegen der erforderlichen Optik für kostengünstige Rauchmelder nicht geeignet sind.

Vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) sind in der Forschung seit 1979 bekannt, und werden ab 1996 zum Beispiel von Honeywell zum Kaufangeboten. Sie werden zum Beispiel in "Semiconductor Lasers", G. P. Agrawal, Ed., American Institute of Physics Press, 1995 und "Vertical Cavity Surface Emitting Lasers", T. E. Sale, Research Studies Press, 1995 beschrieben. Das grundlegende Funktionsprinzip eines VCSEL ist dem eines konventionellen Halbleiterlasers gleich. Die vertikale laser cavity ergibt im Vergleich zu bekannten Diodenlasern den Vorteil, dass der erzeugte Laserstrahl rund ist und eine niedrige Divergenz besitzt Eis wird also ein nahezu kollimierter Strahl erzielt. Die Wellenlänge des Laserstrahls hängt von den für den VCSEL gewählten Materialien ab. Wellenlängen im nahen Infrarotbereich von 800 nm bis 1500 nm bis in den sichtbaren Bereich bis 630 nm sind realisierbar.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Rauchmelder zur Früherkennung von Bränden durch Detektion von an Rauchpartikeln gestreutem Licht zu schaffen, dessen Lichtquelle einen nahezu kollimierten Strahl aussendet und insbesondere kostengünstig ist, indem zur Strahlführung keine Optik erforderlich ist

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Die Aufgabe wird durch einen optischen Rauchmelder zur Detektion von an Rauchpartikeln gestreutem Licht gelöst, der in seiner Messkammer eine Lichtquelle bestehend aus einem vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), dessen ausgesandte Laserstrahl ohne Strahlführung durch optische Bauteile nahezu kollimiert ist, und einen Lichtempfänger aufweist, der das an Rauchpartikeln gestreute Laserlicht detektiert und das daraus resultierende elektrische Signal einer Auswerteelektronik zuführt

Der VCSEL und der Lichtempfänger sind in der Messkammer so angeordnet, dass der Laserstrahl durch die Mitte der Kammer führt und der Lichtempfänger kein direktes Licht empfängt. Besondere Blenden um eine Detektion von ungestreutem Licht zu vermeiden ist nicht notwendig. Befindet sich Rauch in der Messkammer, wird an ihnen das Laserlicht gestreut und vom Lichtempfänger detektiert.

Mit dem Einsatz eines VCSEL ist die Aufgabe der Lichtquelle sowie die der Strahlführung in einem erfüllt Der VCSEL sendet einen Laserstrahl aus, dessen Divergenz in beiden Ebenen klein ist, sodass der Strahl in der Mitte der Messkammer noch immer schmal ist. Der Vorteil liegt insbesondere darin, dass keine zusätzlichen optischen Bauteile notwendig sind, um diesen kollimierten Strahl zu erzielen, was Kosten- und Montageaufwand erheblich reduziert. Ferner hat der erfindungsgemässe Rauchmelder den Vorteil, dass durch den schmalen Laserstrahl, der Lichtempfänger an mehreren verschiedenen Orten angeordnet werden darf, ohne dass direktes Licht auf ihn fällt Bei Rauchmeldern mit LEDs bestehen durch den breiten Strahl weniger freie Möglichkeiten zur Anordnung des Lichtempfängers. Beim erfindungsgemässen Rauchmelder ist deshalb auch die Anordnung von mehreren Lichtempfängern zur Detektion von Streulicht bei mehreren Streuwinkeln möglich.

Das Messvolumen, das durch das Schnittvolumen des Gesichtsfeldes des Lichtempfängers und dem Laserstrahl gebildet wird, ist kleiner im Vergleich zum Messvolumen in einem herkömmlichen Streulichtrauchmelder mit LED. Dies ermöglicht also auch, wie oben erwähnt, die Unterscheidung von Staubpartikeln und Rauchpartikeln durch entsprechende Auswertung der elektrischen Signale des Lichtempfängers. Ein weiterer Vorteil der schmalen Strahlführung liegt in der vereinfachten Unterdrückung des Untergrundsignals durch ungestreutes Licht. Das ungestreute Licht ist auf einen kleinen Bereich begrenzt, sodass es durch einen kleinen Absorber (beam dump) absorbiert werden kann und kein Labyrinth notwendig ist

In einer Ausführung der Erfindung sendet der VCSEL Licht im nahen infraroten Wellenlängenbereich von 800 bis 950 nm aus, zum Beispiel bei einer Wellenlänge von 850 nm. Diese Wellenlänge ist vorteilhaft, da kostengünstige Photodioden in diesem Wellenlängenbereich am empfindlichsten sind.

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&Pgr;&igr; einer weiteren Ausführung der Erfindung sendet der VCSEL Licht in einem kürzeren Wellenlängenbereich aus, wie zum Beispiel bei 650 nm. Bei dieser kürzeren Wellenlänge ist die Streueffizienz höher, wodurch die Empfindlichkeit des Melders leicht verbessert wird. Ferner ist bei dieser Wellenlänge das Verhältnis zur Grosse der Rauchpartikel kleiner. Diese Eigenschaft kann zu einer verbesserten Auswertung der Signale herangezogen werden.

Der Betrieb eines VCSELs ergibt eine erhöhte Effizienz gegenüber dem Betrieb einer LED. Bei gleichem Stromverbrauch zur Betreibung des VCSELs bzw. der LED wird mit dem VCSEL ein grösseres Empfängersignal erzielt. Der erfindungsgemässe Rauchmelder wird beispielsweise auch durch eine Batterie betrieben. Durch die höhere Effizienz des VCSELs wird eine längere Lebensdauer der Batterie und wartungsfreien Zeit erzielt.

Claims

Schutzansprüche

1. Optischer Rauchmelder zur Früherkennung von Bränden durch Detektion von an Rauchpartikeln gestreutem Licht, mit einer Messkammer, in der eine Lichtquelle und ein Lichtempfanger angeordnet sind und das von der Lichtquelle in einem kollimierten Strahl ausgesandte und an Rauchpartikeln gestreute Licht vom Lichtempfanger detektiert wird und in ein elektrisches Signal umgewandelt und einer Auswerteelektronik zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle aus einem vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) besteht.

2. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Lichtquelle bildende Laser Licht im nahen infraroten Wellenlängenbereich von 800 bis 950 nm aussendet.

3. Optischer Rauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Lichtquelle bildende Laser Licht im Wellenlängenbereich von 650 bis 800 nm aussendet.

4. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchmelder durch eine Batterie betrieben ist.

5. Optischer Rauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer mindestens ein zusätzlicher Lichtempfanger angeordnet ist.