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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem
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Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie auf einen Kohlenmonoxid-Brandmelder,
insbesondere für den Untertageeinsatz, zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei den sogenannten Brandmeldern unterscheidet man grundsätzlich zwei
Gruppen, nämlich Brandmelder, die auf ein offenes Feuer ansprechen und solche, die
den Brand bereits vor Ausbruch eines offenen Feuers anzeigen können. In die erste
Kategorie gehören insbesondere Temperaturmelder und auf den durch einen Brand erzeugten
Rauch reagierende Streulichtmelder. Diese Brandmelder besitzen allerdings den Nachteil,
daß geeignete Sicherungsmaßnahmen relativ spät in Gang gesetzt werden können.
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Dieser Nachteil ist allerdings bei den Brandmeldern behoben, die bereits
vor Ausbruch des offenen Feuers ein Warnsignal abgeben. Auch bei dieser Gruppe ist
eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die sich sowohl von ihrem
Aufbau her wie auch in ihrer Wirkungsweise voneinander unterscheiden.
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Bei den sogenannten Ionisationsmeldern wird eine Luftstrecke mit Hilfe
eines radioaktiven Präparats ionisiert.
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Falls bei einem Brand erzeugte Aerosole in die ionisierte Luftstrecke
gelangen, so hat dies eine Änderung des elektrischen Widerstands zur Folge, welche
zur Auslösung des Brandalarras führt. Diese Ionisationsmelder besitzen allerdings
den Nachteil, daß sehr häufig Fehlalarme ausgelöst werden durch Aerosole, die nicht
durch einen Brand, sondern auch durch hohe Luftfeuchtigkeit, Wasserdampf oder Staub
erzeugt werden.
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Schließlich werden zur Früherkennung eines Brandes auch Kohlenmonoxidmeßgeräte
verwendet, mit denen die Kohlenmonoxidkonzentration überwacht wird. Bei über schreiten
eines Grenzwertes der CO-Konzentration wird das Warnsignal ausgelöst. Diese CO-Meßgeräte
sind allerdings nicht für größere Räume geeignet, da in denen oftmals keine eindeutig
gerichtete Luftbewegung vorhanden ist, was zur Folge hat, daß das durch einen Brand
erzeugte Kohlenmonoxid erst zu spät an den Meßwertaufnehmer des Gasmeßgerätes gelangen
kann. Große Verzögerungszeiten bis zum Ansprechen der Meßeinrichtung können aber
auch bei Verwendung von Meßstellenumschaltern auftreten, wenn nämlich der Brand
an einer ungünstig gelegenen Stelle ausbricht. Der Einsatz einer großen Anzahl von
Meßgeräten, um alle Bereiche abzudecken, wird durch die dabei entstehenden hohen
Kosten begrenzt. Schließlich ist es bekannt, Brandmelder mit Metalloxidhalbleitern
als Meßgrößenaufnehmer zu verwenden, welche auf bei Bränden entstehende Gaskomponenten
durch Änderung des Meßwiderstands ansprechen. Die elektrische Leitfähigkeit kann
sich hierbei teilweise um mehrere Zehnerpotenzen ändern.
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Der Nachteil dieser Brandmelder besteht allerdings darin, daß die
verwendeten Halbleiter mehr oder weniger stark auf alle brennbaren Gase ansprechen,
wodurch naturgemäß der Einsatz derartiger Brandmelder im Untertagebergbau,insbesondere
bei Anwesenheit von Methan, nicht geeignet ist. Ein weiterer Nachteil ist darin
begründet, daß die Metalloxidhalbleiter nicht ausreichend stabil sind, da sich die
elektrische Leitfähigkeit durch Alterung, durch Änderung der relativen Feuchte und
der Temperatur ändert.
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Um derartige Brandmelder auch bei einer Anwesenheit von Methan zur
Bestimmung der CO-Konzentration verwenden zu-können, sind CO-Meßgeräte entwickelt
worden (DE-PS 23 13 413), bei denen der Umstand ausgenutzt wird,
daß
die Adsorptions- und Desorptionsgeschwindigkeit der einzelnen Gaskomponenten bei
unterschiedlichen Temperaturen verschieden ist. Dazu wird bei diesen Geräten die
Temperatur des Halbleiters periodisch geändert und die hierdurch bewirkte unterschiedliche
Reaktionsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Halbleiter für die Messung ausgenutzt.
Diese Geräte sind jedoch relativ aufwendig und deshalb auch störanfällig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. einen Brandmelder
zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, wodurch das durch einen entstehenden
Brand erzeugte Kohlenmonoxid eindeutig und sicher vor Ausbruch des offenen Feuers
erkannt werden kann. Der Brandmelder selbst soll einfach und robust aufgebaut und
damit insbesondere den erschwerten Betriebsbedingungen im Untertagebergbau angepaßt
sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für das Verfahren durch die im
Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen in den
Ansprüchen 2 bis 5 enthalten sind.
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Für den Brandmelder wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil von Patentanspruch 6 angegebenen Maßnahmen gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen
in den Unteransprüchen 7 bis 12 angegeben sind.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das Kohlenmonoxid durch
einen entstehenden Brand nicht gleichförmig erzeugt wird. Diese ungleichmäßige Erzeugung
von Kohlenmonoxid führt man auf das sogenannte Atmen eines Brandes zurück. Schwankende
Kohlenmonoxidkonzentrationen an der Meßstelle werden ferner durch Änderungen des
Luftstromes zwischen dem Entstehungsort des Brandes und dem Brandmelder sowie durch
die turbulente Vermischung des Kohlenmonoxids mit dem jeweils vorhandenen
Luftstrom
verursacht. Insgesamt gesehen bewirken diese Schwankungen der CO-Konzentration sowie
Schwankungen, die durch die Turbulenz der Luftströmungen verursacht werden, eine
zeitabhängige Leitfähigkeitsänderung des Metalloxidhalbleiters. Diese zeitliche
Änderung des Meßwiderstands wird zur Früherkennung des Brandes kontinuierlich gemessen
und stellt einen verläßlichen Faktor für die frühzeitige Erkennung eines Brandes
dar. Dabei erfolgt die Messung der Kohlenmonoxidkonzentrationsschwankungen bei einer
konstanten Temperatur des Halbleiters, die zwischen der Umgebungstemperatur, vorzugsweise
oberhalb der Raumtemperatur, und 350 °C gehalten. Vom erhaltenen Meßwert wird nach
Verstärkung ein der mittleren Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters entsprechendes
Signal abgetrennt und werden nur die Änderungen der Leitfähigkeit, die den Schwankungen
der CO-Konzentration an der Meßstelle entsprechen, verstärkt. Dieses Meßsignal wird
dann zweckmäßigerweise gefiltert, indem die Amplituden und Frequenzen ausgefiltert
werden, die durch Änderungen der CO-Konzentration durch die normale CO-Vorbelastung
entstehen. Dieses Meßsignal wird dann gleichgerichtet und in einem Integrator aufsummiert,
so daß bei über schreiten eines vorbestimmbaren Grenzwerts ein Signalgeber ausgelöst
wird. dierfür eignen sich optische und akustische Signalgeber. Ein besonderer Vorteil
liegt darin, daß langsame und langfristige Änderungen der Leitfähigkeit des bzw.
der Metalloxidhalbleiter keine wesentliche Änderung des Ausgangssignals bewirken.
Zweckmäßig ist es schließlich, wenn die Ausgangssignale mehrerer CO-Brandmelder
in einem Prozeßrechner so miteinander verknüpft werden, daß durch Differenzbildung
zwischen den einzelnen Meldern Änderungen der Konzentration, die beispielsweise
durch eine CO-Vorbelastung verursacht werden, ausgefiltert werden.
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Für den Brandmelder selbst ist es wesentlich, daß der Meßgrößenaufnehmer
eine große Wärmeträgheit besitzt,
so daß die Metalloxidhalbleiter
zweckmäßigerweise in einem Metallblock großer Wärmeträgheit angeordnet sind. Dadurch
werden schnelle Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit vermieden, die durch Temperaturschwankungen
verursacht werden. In einer Auswertschaltung, die im wesentlichen aus einem Wechselspannungsverstärker
besteht, werden nur die Änderungen der Leitfähigkeit, die den Schwankungen der Kohlenmonoxidkonzentration
an der Meßstelle entsprechen, verstärkt und wird das der mittleren Leitfähigkeit
des Metalloxidhalbleiters entsprechende Signal abgetrennt. Durch diesen differenzierenden
Verstärker können weiter Anzeigeänderungen durch Driften der Elektronik, beispielsweise
infolge von temperaturabhängigen Offsetströmen vermieden werden.
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Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung werden zwei Metalloxidhalbleiter
in einem Gehäuse vorgesehen, welche beide auf eine konstante, jedoch unterschiedliche
Temperatur gehalten werden. Der zweite ständig beheizte Metalloxidhalbleiter dient
dabei der Kompensation der Querempfindlichkeit, beispielsweise gegen Methan. Wird
die Temperatur des zweiten Metalloxidhalbleiters niedriger gehalten, so reagiert
dessen Meßwiderstand langsamer und in geringerem Maße auf Änderungen der durch einen
Brand verursachten Kohlenmonoxidkonzentration.
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Durch die Anordnung des zweiten Metalloxidhalbleiters hinter einer
Lochblende ändert sich dort die Gaskonzentration langsamer als am Metalloxidhalbleiter,
so daß auch hier der zweite Halbleiter langsamer auf durch einen Brand verursachte
CO-Konzentrationsänderungen reagiert.
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Insgesamt ist der erfindungsgemäße Brandmelder außerordentlich einfach
und robust aufgebaut und sind diese Melder ohne besondere Abgleicharbeiten einsatzfähig.
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Bei der Herstellung muß lediglich die Empfindlichkeit auf den gleichen
Wert eingestellt werden.
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Der Ausgang der Brandmelder kann zu einer Brandmeldezentrale erfolgen,
wo die Meßsignale ausgewertet werden, jedoch ist es auch zweckmäßig, wenn das Ausgangssignal
einem Prozeßrechner zur Weiterverarbeitung zugeführt wird. Die erfindungsgemäßen
Brandmelder sind besonders für den Untertageeinsatz geeignet. Infolge der gerichteten
Wetter ströme zwischen Einzieh- und Ausziehschacht gelangen Schwankungen der Kohlenstoffmonoxidkonzentration,
die durch einen verdeckten Grubenbrand oder durch einen Glimmbrand entstehen, in
jedem Fall bis zu einem in größerer Entfernung hinter dem Brandherd aufgehängten
Brandmelder. Da die erfindungsgemäßen Brandmelder zudem ohne Schwierigkeiten eigensicher
ausgeführt werden können, ist ihre Zulassung ohne Einschränkung möglich.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des CO-Brandmelders,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines CO-Brandmelders, Fig. 3 eine Schnittansicht
eines Meßgrößenaufnehmers mit eingebautem Metalloxidhalbleiter sowie Fig. 4 eine
schematische Schnittansicht durch einen mit zwei Metalloxidhalbleitern versehenen
CO-Brandmelder Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild ist eine Stromquelle
1 mit einer Heizwicklung 2 vorgesehen, über welche der mit dem Bezugszeichen 3 versehene
Metalloxidhalbleiter
mit einem konstanten Strom versorgt und auf
einer konstanten Temperatur gehalten wird. Der Metalloxidhalbleiter 3 ist an einen
Eingang eines Operationsverstärkers 4 angeschlossen, so daß Änderungen der elektrischen
Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters 3, die durch adsorbierte Gaskomponenten
hervorgerufen werden, verstärkt und als Spannungsänderungen über den Ausgang des
Operationsverstärkers 4 abgegeben werden. In einer Rückführung des Verstärkers ist
ein Widerstand 5 vorgesehen, welcher zur Einstellung der Empfindlichkeit dient.
Dem Operationsverstärker 4 ist ein Wechselspannungs-Differenzverstärker 6 nachgeschaltet
durch den das Ausgangssignal des Verstärkers 4 differenziert wird. Das heißt, im
Differenzverstärker wird das der mittleren Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters
entsprechende Signal abgetrennt und werden nur die Änderungen der Leitfähigkeit
verstärkt, die den Schwankungen der Kohlenmonoxidkonzentration an der Meßstelle
entsprechen. Hierdurch ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6 proportional
zur zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4 und damit
zur Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters 3. In einem
elektrischen Filterkreis 7 wird die Abtrennung des für einen entstehenden Brand
bei der jeweils vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit der Luft typischen Frequenz-
und Amplitudenbereiches von den Schwankungen durch die CO-Vorbelastung bewirkt,
so daß am Ausgang des Filterkreises 7 nur die durch einen Brand verursachten Schwankungen
der CO-Konzentrationen anstehen. Dieses Signal wird dann in einem Gleichrichter
8 gleichgerichtet und durch ein nicht näher dargestelltes Integrationsglied geglättet.
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Dieses Ausgangssignal wird über die Leitung 10 in eine Brandmeldezentrale
zur weiteren Auswertung geleitet und betätigt bei überschreiten eines vorbestimmten
Grenzwerts einen Grenzsignalgeber 9, der dann eine Anzeige 11 auslöst, die zweckmäßigerweise
eine optische oder akustische Anzeige ist.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Metalloxidhalbleiter
3, 14 vorgesehen, von denen der gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 zusätzliche
Metalloxidhalbleiter 14 zur Kompensation der Querempfindlichkeit, beispielsweise
gegen Methan, anstelle des Widerstandes 5 in der Rückführung des Operationsverstärkers
4 vorgesehen ist. Auch dieser Metalloxidhalbleiter 14 wird über eine Heizwicklung
13 beheizt, die aus einer Stromquelle 12 gespeist wird. Die Stromquelle 12 speist
die Heizwicklung 13 zweckmäßigerweise mit einem niedrigeren Strom als es bei der
Heizwicklung 2 für den Metalloxidhalbleiter 3 der Fall ist, so daß der Metalloxidhalbleiter
14 auf eine unterschiedliche, nämlich niedrigere Temperatur gegenüber dem Metalloxidhalbleiter
3 gehalten ist. Durch die niedrigere Temperatur reagiert der Meßwiderstand des Metalloxidhalbleiters
14 langsamer und in geringerem Maße auf Änderungen der CO-Konzentration, die durch
einen Brand verursacht wird. Langsame Änderungen der mittleren Leitfähigkeiten beider
Halbleiter werden jedoch ebenso wie die Methan-Querempfindlichkeit weitgehend kompensiert.
Die weiteren Elemente 6 bis 11 des Blockschaltbilds entsprechen den in Zusammenhang
mit Fig. 1 beschriebenen Elementen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Metalloxidhalbleiter
14 hinter einer Lochblende angeordnet, so daß die Gaskonzentration an diesem Metalloxidhalbleiter
sich langsamer ändert als am Metalloxidhalbleiter 3. Die beiden Metalloxidhalbleiter
werden auf konstanten Temperaturen gehalten.
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In den Fig. 3 und 4 sind Meßgrößenaufnehmer in schematischen Schnittansichten
dargestellt, welche einen Metalloxidhalbleiter aufweisen. Der in Fig. 3 gezeigte
Meßgrößenaufnehmer umfaßt einen Metalloxidhalbleiter 15, der in einem druckfesten
Metallgehäuse großer Wärträgheit 16 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise
ist
das Gehäuse durch einen insbesondere mehrschichtigen Metallblock gebildet, in. dem
der oder die Metalloxidhalbleiter angeordnet sind. Dies hat zur Folge, daß durch
Temperaturschwankungen verursachte schnelle Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit
vermieden werden. Unterhalb des Metalloxidhalbleiters ist eine Sintermetallscheibe
17 angeordnet, die als Zünddurchschlagsicherung dient. Zur Wärmeisolierung ist das
Gehäuse 16 in ein Kunststoffgehäuse 18 eingelassen, welches oben durch einen Deckel
verschlossen ist. Der Metalloxidhalbleiter 1 ist zusammen mit dem Anschlußkabel
19 mit Vergußmasse 20 eingegossen.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines CO-Brandmelders, bei
dem zwei Metalloxidhalbleiter 24 als Meßfühler verwendet werden. Diese Halbleiter
24 sind zweckmäßigerweise gleichfalls in einem Gehäuse mit großer Wärmeträgheit
angeordnet. Der Meßgrößenaufnehmer 21 ist hinter einem Aktivkohlefilter 22 und einer
als Zünddurchschlagsicherung dienenden Sintermetallscheibe 23 angeordnet. Im übrigen
entspricht die Ausführungsform des Meßgrößenaufnehmers 21 dem in Fig. 3 dargestellten
Meßgrößenaufnehmer. Im Gehäuse 25 befinden sich schließlich außerdem die elektronische
Schaltung 26 und der Anschlußraum für das Kabel 27, welches über eine Zugentlastung
28 eingeführt wird.
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L e e r s e i t e