DE3018021C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Bei einem aus US-PS 41 21 110 bekannten Detektor dieser Art ist der Strahlungssender von einem ringförmigen Planspiegel umgeben, dem ein derart gewölbter zweiter Spiegel gegenübersteht, daß die von der Strahlungsquelle auf den gegenüberstehenden Spiegel geworfene Strahlung normalerweise zum Planspiegel zurückgeworfen wird. Rechtwinkelig zum Strahlengang ist ein Lichtempfänger angeordnet, der im Strahlenweg zwischen den beiden Spiegeln entstehendes Streulicht aufnimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Rauchdetektor mit verbesserter Empfindlichkeit, insbesondere für kleine Rauchpartikel zu schaffen. Unter kleinen Rauchpartikeln sollen Teilchen verstanden werden, deren Durchmesser D kleiner ist als die Wellenlänge der im Detektor benutzten Lichtstrahlung. Kleine Rauchteilchen werden durch Funkenfeuer oder sehr schnell brennende Feuer erzeugt, während bei Schwelbränden mehr große Rauchpartikel entstehen. Darüber hinaus soll der Rauchdetektor einfach und platzsparend aufgebaut sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Mit einfachen Mitteln wird hierdurch die Empfindlichkeit des Rauchdetektors insbesondere für kleine Rauchteilchen wesentlich erhöht. Dadurch, daß die strahlungsempfindliche Fläche des Detektors den Reflektor bzw. die Strahlungsquelle ringförmig umgibt und somit wesentlich größer ist als die Fläche von Strahlungsquelle bzw. Reflektor wird eine erhöhte Empfindlichkeit des Rauchdetektors erzielt, zumal infolge Verwendung des Reflektors auf den Strahlungsdetektor nicht nur vorwärtsgestreute sondern auch rückwärtsgestreute Strahlung auftrifft. Die Anordnung der Reflektor oder Strahlungsquelle auf dem Detektor führt zu einem äußerst kompakten und darüber hinaus leicht justierbaren Aufbau des Rauchdetektors.

Aus DE-PS 6 82 869 und 9 13 540 sind Trübungsmesser bekannt, bei denen zwischen Lichtquelle und Fotoelement eine von einem zu überprüfenden Medium durchströmte Küvette angeordnet ist. Um die Direktstrahlung zwischen Lichtquelle und Fotoelement auszublenden, ist der zentrale Bereich des Fotoelements abgedeckt, so daß auf den ihn umgebenden ringförmigen Bereich nur durch Schwebeteilchen hervorgerufene Vorwärtsstreustrahlung auftreffen kann.

Weiterhin zeigt DE-OS 27 09 866 eine Vorrichtung zur Messung von Schwebeteilchen, bei der ein dem Direkt­ licht ausgesetzter zentraler Empfänger von einem nur auf Streustrahlung ansprechenden ringförmigen zweiten Empfänger umgeben ist. Schließlich ist aus DE-OS 19 64 578 ein nur auf Rückstreuung ansprechender Trübungsmesser bekannt, bei dem zwei Fotodetektoren auf der gleichen Seite der vom Medium durchströmten Küvette angeordnet sind wie die Strahlungsquelle, und zwar zu beiden Seiten des Strahlungseintrittsfensters der Meßküvette. Keine der zuvor beschriebenen bekannten Anordnungen weist einen Reflektor auf, dessen Vorhandensein für die erfindungsgemäße gleichzeitige Ausnutzung von Vorwärtsstreuung und Rückwärtsstreuung wesentlich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausfüh­ rungsform eines Rauchdetektors;

Fig. 2 für diesen Rauchdetektor die Abhängigkeit der Vorwärts- bzw. Rückwärtsstreuung des Lichts in Abhängigkeit von Partikelgröße;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Rauchdetektors; und die

Fig. 4 und 5 schematisch die Wirkung der Streu­ strahlung beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.

Der Rauchdetektor nach Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 10 mit Öffnungen 11 und 12 im Boden bzw. Deckel, durch welche ein zu überwachender Luftstrom in die Kammer 13 eintritt und diese wie­ der verläßt. Eine Strahlungsquelle 14, die Licht im sichtbaren, im Infrarot- oder im Ultraviolettbereich abstrahlt, befindet sich in dem durch eine Trennwand 20 abgeteilten linken Teil des Gehäu­ ses 10. Die Strahlung wird von einer Sammellinse 15 in die Kammer 13 geworfen und dort auf einen kleinen Spiegel 16 fokussiert, der in der Mitte einer relativ großen Strahlungsdetektorfläche 17 angeordnet ist. Strahlungsquelle 14, Linse 15 und Strahlungsdetektor 17 be­ finden sich innerhalb des Gehäuses 10, wobei die Halterung 20 für die Linse 15 zugleich eine lichtundurchlässige Trennwand bildet, so daß Licht von der Strahlungsquelle 14 nur über die Sammellinse 15 in die Kammer 13 gelangen kann. Der flächenhafte Strahlungs­ detektor 17 kann durch eine Fotodiode vom Typ CLD31 der Firma Clairex Corporation, New York gebildet sein. Diese Fotodiode arbei­ tet als photovoltaische Zelle und hat eine aktive Fläche von unge­ fähr 22 mm². Ihre Spitzenempfindlichkeit liegt im Bereich zwischen 0,9 und 1,0 µ. Sie ist folglich gut als Strahlungsdetektor ge­ eignet für die von einer Infrarot-Leuchtdiode, vorzugsweise einer Galliumarsenid-Leuchtdiode 14, ausgehende Strahlung.

Die Strahlung der Strahlungsquelle 14 wird mittels der Linse 15 auf den Spiegel 16 inmitten des Strahlungsdetektors 16 abgebildet. Ohne Rauch in der Kammer erfolgt keine Lichtstreuung, so daß das von der Strahlungsquelle kommende Licht nicht auf den Detektor 17, sondern vollständig auf den Spiegel 16 fällt und reflektiert wird. Ist jedoch Rauch in der Kammer vorhanden, so bewirken die Rauch­ teilchen eine Vorwärtsstreuung 21 des ausgesandten Lichts, wodurch dieses Streulicht vom Detektor 17 aufgefangen wird. Die dargestell­ te Anordnung ermöglicht eine hochwirksame Erfassung vorwärtsge­ streuten Lichts, weil durch die Geometrie der Meßkammer auch schwach gestreutes Licht vom Detektor 17 aufgefangen wird.

Fig. 2 zeigt das Strahlungsmuster der Streustrahlung bei großen Rauchpartikeln (D < λ) bzw. bei kleinen Rauchpartikeln (D < λ). Bei großen Rauchpartikeln, deren Durchmsser also größer ist als die Wellenlänge λ des von der Strahlungsquelle 14 gelieferten Lichts, ist die Streuung von den Rauchpartikeln überwiegend eine Vorwärts­ streuung, während nur eine geringfügige Rückwärtsstreuung auftritt. Bei kleinen Rauchpartikeln hingegen, d. h. wenn der Partikeldurch­ messer kleiner als die Wellenlänge λ ist, nimmt die Rückwärts­ streuung zu und ist praktisch gleich groß wie die Vorwärtsstreuung.

Die Verwendung eines Spiegels 16, der das auftreffende Licht im we­ sentlichen zur Strahlungsquelle 14 zurückreflektiert, ermöglicht es auch, das durch Rückwärtsstreuung der reflektierten Lichtstrah­ len entstehende Streulicht 22 in der gleichen wirkungsvollen Weise zu erfassen, wie das vorwärtsgestreute Licht der ausgesandten Lichtstrahlung. Diese wirksame Erfassung rückwärtsgestreuten Lichts ist bei kleinen Rauchpartikeln wichtig und führt zu einem optischen Rauchdetektor mit erhöhter Empfindlichkeit für kleine Rauchpartikel.

Das elektrische Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 17 wird über eine Leitung 23 einer Alarmschaltung 24 zugeleitet. Trifft in­ folge Lichtstreuung an Rauchpartikeln Strahlung auf den Detektor 17 und erzeugt dieser ein Ausgangssignal, so spricht die Alarm­ schaltung 24 an. Sie kann einen Verstärker mit Relais umfassen, welches anzieht, sobald das Detektorsignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Vielfach werden Rauchdetektoren derart ausgebildet, daß die zu überwachende Luft leicht hindurchströmen kann. Dies führt jedoch dazu, daß vielfach auch Umgebungslicht in die Detektorkammer ge­ langen kann. Um Einflüsse des Umgebungslichtes auf das Meßergebnis des Rauchdetektors auszuschalten, empfiehlt es sich, einen solchen Rauchdetektor nicht mit Gleichlicht, sondern mit gepulstem Licht zu betreiben und gegebenenfalls einen auf Impulslicht ansprechenden Detektor vorzusehen, der erforderlichenfalls mit der Lichtimpuls­ quelle synchronisiert werden kann. Ein solcher mit Impulsen be­ triebener Rauchdetektor ist für das üblicherweise gleichbleibende oder sich nur langsam ändernde Umgebungslicht kaum empfindlich.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rauchdetektors mit einem Gehäuse 110 sowie Luftdurchtrittsöffnungen 111 und 112 im Boden bzw. Deckel des Gehäuses. In der Gehäusekammer 113 ist eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode 114, auf einem scheiben- oder plattenförmigen Fotodetektor 115 angebracht. Sie ist derart abgeschirmt, daß ihr Licht nicht unmittelbar zurück auf den Fotodetektor 115 fallen kann. Die aus Strahlungsquelle 114 und Detektorfläche 115 bestehende Anordnung 116 steht einem Spie­ gel 117 gegenüber, der durch die Innenfläche einer Halbkugelschale gebildet ist. Dabei befindet sich die Strahlungsquelle 114 im Krümmungsmittelpunkt der Kugelfläche. Infolge ihrer kleinen Abmes­ sungen bildet sie in bezug auf den Reflektor praktisch eine Punkt­ lichtquelle und sendet ihre Lichtstrahlen radial zum Reflektor 117 aus. Bei fehlendem Rauch erfolgt keine Lichtstreuung, und das von der Strahlungsquelle 114 abgestrahlte Licht wird vom Spiegel 117 vollständig zur Strahlungsquelle 114 zurückreflektiert und fällt nicht auf den die Strahlungsquelle umgebenden Fotodetektor 115. Ist hingegen Rauch in der Kammer 113, so bewirken die Rauchteilchen eine Vorwärts- oder Rückwärtsstreuung des ausgesandten Lichts. Der Strahlungsdetektor 114 ist wiederum über eine Leitung 120 an eine Alarmschaltung 121 angeschlossen. Ungestreutes Licht wird, wie er­ wähnt, zur Strahlungsquelle 114 zurückgeworfen und dort entweder absorbiert oder reflektiert; es erzeugt am Fotodetektor 115 kein Ausgangssignal. Bei Reflexion ungestreuten Lichts durch die Leucht­ diode ergibt sich praktisch nur eine Vergrößerung des Lichtweges.

Die schematische Darstellung in Fig. 4 zeigt einen Lichtstrahl 123, der von der Leuchtdiode 114 zu einem Punkt 124 auf dem Reflektor 117 gelangt und von dort auf dem gleichen Weg zur Leuchtdiode 114 zurückgeworfen wird. Dieser Strahl wird nicht gestreut. Der nächste Lichtstrahl 125 hingegen wird im Knickpunkt durch ein Rauchteilchen gestreut, so daß er in Form des Strahls 125′ auf den Reflektor 117 fällt und von dort zum Punkt 126 auf dem Fotodetektor 115 zurück­ geworfen wird. Er liefert also ein Ausgangssignal. Während herkömm­ liche optische Rauchdetektoren nur einen kleinen Anteil des an Rauchpartikeln gestreuten Lichtes erfassen, führt die Verwendung eine sphärischen Reflektorspiegels dazu, daß praktisch das gesamte Streulicht sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung ausgenutzt wird.

Fig. 5 macht dies in vergrößertem Maßstab deutlich. Sie zeigt die Vorwärts- und die Rückwärtsstreuung sowohl eines von der Strah­ lungsquelle 114 ausgehenden Lichtstrahls als auch eine vom Spie­ gel 117 reflektierten Strahls. Der Strahl 125 unterliegt einer Vor­ wärtsstreuung in ähnlicher Weise wie zuvor anhand von Fig. 4 be­ beschrieben. Der Strahl 130 wird an einem Rauchteilchen rückwärts ge­ streut und fällt im Punkt 131 auf den Strahlungsdetektor 115. Der Strahl 132 läuft ungestreut zum Reflektor 117 und von dort zunächst auf der gleichen Bahn zurück bis zu einem Rauchteilchen, wo er in Vorwärtsrichtung gestreut wird und im Punkt 133 auf den Strahlungs­ detektor 115 auftrifft. Schließlich veranschaulicht der Strahl 134 die Rückwärtsstreuung eines reflektierten Strahls. Er läuft zu­ nächst ungestreut zum Reflektor 117, wird von dort zurückgeworfen und trifft auf ein Rauchteilchen. Dort wird er nach rückwärts ge­ streut, so daß er erneut auf den Reflektor 117 auftrifft und von dort aus etwa an der gleichen Stelle auf den Fotodetektor 115 auftrifft, wie der oben erwähnte Strahl 125. Somit tragen Vorwärtsstreuung und Rückwärtsstreuung sowohl der ausgesandten als auch der reflek­ tierten Strahlen zur Erzeugung eines das Vorhandensein von Rauch anzeigenden Detektorsignals bei.

Claims (8)

1. Optischer Rauchdetektor mit einer einen Lufteinlaß und einen Luftauslaß aufweisenden Kammer, in welcher eine Strahlungsquelle, ein Reflektor und ein Strahlungsdetektor derart angeordnet sind, daß nur beim Vorhandensein von Rauch ein Teil der Strahlung gestreut wird und die gestreute Strahlung auf den Detektor fällt, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der der Strahlungsquelle (14) gegenüber­ stehende Reflektor (16) oder die dem Reflektor (117) gegenüberstehende Strahlungsquelle (114) auf dem Detektor (17, 115) angeordnet und von dessen strahlungsempfindlicher Fläche ringförmig umgeben ist.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche des Strahlungsdetektors (17, 115) größer ist als die des Reflektors (16 in Fig. 1) bzw. die der Strahlungsquelle (114 in Fig. 3).

3. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungs­ detektor (17, 115) eine ebene Oberfläche aufweist und der Reflektor (16) bzw. die Strahlungsquelle (114) einen Teil dieser Oberfläche bedeckt.

4. Rauchdetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquelle (14) und Reflektor (16) eine Sammellinse (15) angeordnet ist (Fig. 1).

5. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (117) durch die Innenfläche einer Teilkugelschale gebildet und die Strahlungsquelle (114) im Krümmungsmittelpunkt der Kugelschale angeordnet ist.

6. Rauchdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (114) innerhalb des Flächenbereiches einer ebenen Strahlungsdetektorfläche (15) angeordnet ist.

7. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (14; 114) eine Infrarotlichtquelle und der Strahlungsdetektor (17; 115) infrarot­ empfindlich ist.

8. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (14; 114) eine Galliumarsenid-Leuchtdiode ist.