DE3147752A1 - Strahlungsdetektor fuer einen flammenmelder - Google Patents
Strahlungsdetektor fuer einen flammenmelderInfo
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Description
77
Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder mit einem Sensorelement und einer vor diesem
angeordneten Filteranordnung, die für die Resonanzstrahlung
von Kohlendioxid durchlässig ist.
Flammenmelder sind in der Praxis verschiedenartigen Störstrahlungen
ausgesetzt, die ein fehlerhaftes Meldesignal auslösen können. Aus CH 509 633, CH 519 761, CH 537 066 oder
CH 558 577 sind Flammenmelder bekannt, welche zur Unterscheidung einer Flamme von Störstrahlungen,wie Tageslicht, .Sonnenstrahlungen
öder künstliche Lichtquellen, die unterschiedlichen Eigenschaften von Flammen heranziehen, z.B. das unregelmässige
Flackern und daraus resultierende unregelmässige Intensitätschwankungen der Flammenstrahlung, oder die spezielle
Farbtemperatur oder spektrale Zusammensetzung der Flammenstrahlung. Da gewisse StorStrahlungen jedoch Strahlungsanteile
mit ähnlichen Eigenschaften aufweisen können und solche Störstrahlungen in der Praxis häufig um mehrere Grössenordnungen
intensiver sind als eine nachzuweisende Flammenstrahlung, sind solche Flammenmelder daher nicht völlig fehlalarmsicher.und
können nicht auf die höchstmögliche Empfindlichkeit eingestellt werden.
Aus FR 2 151 148 und K. Nakajima, Report of Fire Research Institute Of Japan,30· (December 1969), 55 - 61, ist es bekannt,
dass die Strahlung einer Flamme überwiegend aus einer schmalbandigen
Intensitätspitze im Spektralbereich der Resonanzstrahlung von Kohlendioxid bei etwa 4,3 - 4,4 ym besteht, neben ein
wesentlich schwächeren breitbandigen Spektralgebiet im Bereich der sichtbaren Strahlung und dem nahen Infrarot. Die Kohlendioxid-Resonanzrtrahlung
tritt praktisch ausschliesslich bei
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Flammen auf, die bei der Verbrennung organischen Materiales
entstehen, jedoch fast nie oder mit nur verschwindender Intensität
bei -StorStrahlungen. Ein Flammenmelder, der neben
anderen Kriterien im wesentlichen die Resonanzstrahlung von
Kohlendioxid auswertet/ ist daher erhebLich fehlalarmsicherer und störunanfälliger als Flammenmelder, die Ultraviolettstrahlung, sichtbares Licht oder nahes Infrarot auswerten.
Nachteilig bei solchen, die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung
auswertenden Flammenmeldern war jedoch, dass die darin verwendeten
Strahlungsdetektoren zu breitbandig waren und noch, andere Strahlungsanteile durchliessen. Uebliche Interferenzfilter
für 4,3 um besitzen beispielsweise Seitenbänder, die
im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich liegen, sodass Störstrahlung in diesen Spektralgebieten ebenfalls detektiert
wird. Nakajima verwendet daher ein spezielles von Optical Coating Laboratory hergestelltes Filter, dass zwar die Kohlendioxid-Resonanz
strahlung umfasst, jedoch-für die praktische Verwendung noch zu breitbandig ist, (3,9 - 5,2 ym). Um benachbarte
Störstrahlung zu eliminieren, muss ein Bleiselenid-.Fotoelement
verwendet werden, das Strahlung mit grösserer Wellenlänge als 4,3 μη abschneidet. Nachteilig ist hierbei, dass bei
Normaltemperatur die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung bereits auf der Kante des Empfindlichkeitsabfalles liegt, sodass die Flammenstrahlung
nicht voll ausgenützt werden .kann, die Empfindlichkeit des Flammenmelders nicht den optimal möglichen Wert erreicht
und die Strahlungsempfänger nicht optimal ausgewählt werden
können. Bleiselenidsensoren haben ausserdem den Nachteil, dass
sie nur bis ca; 55° C gebraucht werden können. Ein weiteres
Problem von Interferenzfiltern liegt in der Winkelabhängigkeit
der Durchlasskurve. Bei schiefem Einfall der Strahlung auf das
Filter verschiebt sich das Passband etwas gegen die kürzeren Wellenlängen. Dies kann' den Nachteil haben, dass das Fremdlicht
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bei schiefem Einfall den Melder stören kann.
In der deutschen Offenlegungsschrift 28 23 411 ist bereits ein
Flammenmelder beschrieben, dessen Strahlungsempfänger eine Filteranordnung aus einem Quarzfilter und einem Germaniumfilter aufweist.
Dabei begrenzt das Quarzfilter die Wellenlänge der ausgewerteten Strahlung nach oben bei ca. 4,5 pm, während das Germaniumfilter
Strahlungen unter ca 1,5 ym fernhält. Nachteilig
ist dabei, dass der Absorptionsbereich des Quarzfilters bereits in den Resonanzbereich von Kohlendioxid hineinreicht, so dass ein
Teil der Resonanzstrahlung absorbiert wird. Die Empfindlichkeit
eines solchen Flammenmelders ist daher ebenfalls noch nicht optimal.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere einen
Flammenmelder mit besserer Störunanfälligkeit, geringerer Fehlalarmanfälligkeit
und· höherer Empfindlichkeit zu schaffen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eilteranordnung
aus einer Kombination eines aus der Gruppe von Germanium- oder Silizium-Filtern ausgewählten ersten Filterelementes,
eines aus der Gruppe von Saphir-Filtern, Rutil-Filtern und infrarotdurchlässigen
Kalziumaluminat-, Germanat- oder Magnesiumfluorid-Gläsern
ausgewählten weiteren Filterelementes und eines für die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid durchlässigen
Schmalbandfilters besteht. Als Sensorelement kann dann ein pyroelektrisches Element verwendet werden, das eine optimale
Empfindlichkeit gewährleistet.
Die Erfindung wird anhand des in der Figur wiedergegebenen Ausführungsbeispieles eines Strahlungsdetektors erläutert.
Dieser Strahlungsdetektor weist ein nahezu hermetisch abgeschlossenes
Meldergehäuse 1 auf, in dessen- Inneren eine Printplätte
10 angeordet 'ist, welche die Auswerteschaltung des Flammendetektors
trägt. Auf die Printplatte 10 ist ein weiteres Gehäuse
11 vom handelsüblichen Typ TO-5 aufgesteckt und eingelötet.
Auf der Vorderseite dieses weiteren Gehäuses 11 ist ein erstes
Filterelement 6 vorgesehen. Dieses besteht aus einer Germaniumscheibe
6 von ca. einem mm Dicke. Auf beiden Seiten dieser Germaniumscheibe 6 sind Schmalbandfiler (5 und 5") aufgedampft.
Diese Interferenz-Filterschichten (5 und 51) können auch in
bekannter Weise aus jeweils mehreren Schichten zusammengesetzt sein, so dass ein Schmalbandfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich
von 4,1 - 4,8 um, oder bevorzugt 4,3 - 4,4 um, entsteht.
An der Vorderseite des Meldergehäuses 1 ist ein weiteres Filterelement 4 eingekittet, das aus einer ca. 1 mm dicken Saphir-.scheibe
besteht. Dieses liefert eine obere Begrenzung bei ca. 5,5 um, während das Germanium-Filterelement 6 eine untere
Begrenzung bei ca. 1,5 um liefert.
Statt des Saphir-Filterelementes kann auch ein Rutil-Filter,
ein KaIziumaluminatglas, z.B. vom Typ IRG 11 (Schott), ein
Germanatglas, z.B. vom Typ IRG 2 (Schott) oder 'ein Magnesium-·
fluoridglas, z.B. vom Typ Irtran 1 (Eastman Kodak) verwendet werden und statt eines Germanium-Filters, ein Silizium-Filter.
Auf dem weiteren Filterelement 4 kann ein Zusatzfilter 12 aufgebracht werden, welches eine Absorptionsbande bei einer
Wellenlänge von ca. 4 μπι besitzt. Das Material des Zusatzfilters
12 soll auf jeden Fall zwischen 4,1 und 4,7 um durchlässig sein, während es- Strahlung mit einer Wellenlänge im
Bereich von 3,5 - 4,0 um absorbieren soll. Dieses Zusatzfilter 12 begrenzt die Strahlung, welche für Wellenlängen
<4,0 .-um bei schrägem Einfall vom Schmalbandlrilter 5 und 5' durchgelassen
wird. Als Zusatzfilter 12 haben sich folgende Materialien
als besonders vorteilhaft herausgestellt: Dyuierexharz ( zu 80 % dimerisiertes Kolophonium; Fa. Hercules), polymerisiertes
- 3U7757.
Kolophonium (SZ = 160) (mit BF_-Aetherat polymerisiertes Kolophonium;
Laborpräparat der Fa. K. Hultzsch, cWA), Polypalharz
(polymerisiertes Kolophonium der Fa. Hercules), Gamopal P
(abgeschmolzenes Kongokopal, teilverestert; Fa. Masereel), Liodammar EH (Dammarumwandlungsprodukt; Fa. Sichel-Werke),
Liodammar N (Lackharz auf Dammarbasis; Fa. Sichel-Werke), Perbunan-Latex KA 5408 (Butadien-Styrol-Acrylnitril-Methacrylsäure-Copolymeres;
Fa. Bayer), Perbunan-SN-Latex 15 M (Butadien-Styrol-AcryTnitril-Methacrylsäure-Copolymeres:
Fa. CWH) und Butakon ML 501 (Butadien-Methylmethacrylat-Copolymeres;
Fa. ICI).
Auf der Grundplatte 7 im Inneren des TO-5-Gehäusos 11 ist als
Strahlungssensor 2 ein pyroelektrisches' Element vorgesehen, dessen Empfindlichkeit bis ins ferne Infrarot reicht und welches
im gesamten Resonanzband von Kohlendioxid eine optimale Empfindlichkeit aufweist. Als besonders geeignet hat sich ein
pyroelektrisches Element aus Lithiumtantalat erwiesen. Andere geeignete Elemente sind Triglycinsulfat, Blei-Zirkonat-Titanat
(PLZT-Keramiken) oder Blei-Zirkonat-Eisen Niobat. Auch ein pyroelektrischer
Film, bestehend aus Polyvinyldifluorid, ist geeignet.
Solche für Flammenmelder geeigneten pyroelektrischen Elemente werden beispielsweise von den Firmen Eltec (USA) und
Plessey (England)"hergestellt und vertrieben. Bei einer strahlungsempfindlichen
Fläche von beispielsweise 2x2 mm, wie . sie bei üblichen Flammenmeldern zur Verfügung steht, ergibt
sich dabei eine besonders gute Empfindlichkeit. Die Anordnung des Sensorelementes 2 ist im beschriebenen Beispiel so. gewählt,
dass der Flammenmelder.einen Sichtwinkel von ca. 135° aufweist.
Mit der beschriebenen.Filterkombination wird erreicht, dass der
Durchlassbereich auf die unmittelbare Umgebung der Kohlendioxid-Resonanzlinie
bei 4,3 - 4,4 u m beschränkt ist.
-film Bereich sichtbaren Lichtes und iin nahen Infrarot bis 1,5 ym
weist sie eine absolute Undurchlässigkeit auf. Zwischen 1,5 μΐη
bis zur unteren Kante des Bandpasses für Kohlendioxid (ca. 4,1 μπι) und zwischen der oberen Kante des Bandpasses (ca.
4,8 ym)'bis der oberen Kante des Saphir-Filters ist eine Dämpfung
des einfallenden Lichtes von mindestens I1OOO vorhanden, d.h.
eine kleinere Durchlässigkeit als 0,1 %. Oberhalb der oberen Kante des Saphir-Filters bei 6 um ist wiederum eine praktisch absolute
Undurchlässigkeit vorhanden. Störstrahlungen wie Sonnenund.Tageslicht,
sowie künstliche Lichtquellen wie Glühlampen, Fluoreszenzlampen und andere Störungen wie Schweissfunken, etc.,
die koin scharfes Inbcnsitätmaximum bei der Resonanzwellenlänge
von Kohlendioxid aufweisen, werden also durch das beschriebene F-ilter nahezu vollständig vom Sensorelement ferngehalten,
auch wenn deren Intensität erheblich grosser ist, z.B. mehr als das tausendfache, als die Flammenstrahlung. Es ist
daher möglich, bereits eine Flammenbildung im Anfangsstadium auch bei Anwesenheit von Licht und anderer Störstrahlung mit
ausserordentlicher Sicherheit zu erkennen und von anderer Strahlung zu unterscheiden. Bei Verwendung der beschriebenen Filterkombination
kann dabei ein besonders empfindliches Sensorelement, wie die beschriebenen pyroele.ktrischen Elemente, verwendet
werden,ohne dass ein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dabei ist die Empfindlichkeit im Vergleich zu älteren Filterkombinationen
mit Quarz-Filterelement mehr als verdoppelt.
Das pyroelektrische Element 2 ist über die Anschlüsse 3 an die Auswerteschaltung auf dem Print 10 angeschlossen, die bei
Vorhandensein und Detektion von Flammenstrahlung ein entsprechendes Signal auslöst. Im Prinzip genügt dazu ein Schwellenwertschalter, wie er in der Brandmeldetechnik vielfach beschrieben
wurde. Da das pyroelektrische Element Differentialeigenschaften besitzt, d.h., da sein Ausgangssignal nicht dem Absolutwert
entspricht, sondern der Aenderungsgeschwindigkeit, werden konstante oder sich nur langsam ändernde Signale automatisch
blockiert. Ein mit dem beschriebenen Strahlungsdetektor ausgerüsteter
Flammenmelder benötigt also nur eine einfache und unkomplizierte Auswerteschaltung und ist aus diesem Grund wesentlich
betriebssicherer und störunanfälliger als vorbekannte Flammenmelder. Trotzdem ist die Selektivität auf Flammen und
die Unempfindlichkeit gegen Störstrahlungen erheblich verbessert. Falls jedoch für besonders ungünstige Verwendungsbedingungen
eine noch grössere oder praktisch absolute Selektivität für eine Flammenstrahlung erforderlich ist, so kann die
Auswerteschaltung auch so ausgebildet sein, dass weitere Flammenkriterien
zur Auswertung herangezogen werden, wie beispielsweise aus den Schweizerpatenten 509 633, 519 761, 537 066 oder
558 577 bekannt. Zum gleichen Zweck kann der beschriebene
Strahlungsdetektor mit einem zweiten, für sichtbares Licht oder fernes Infrarot empfindlichen Strahlungsdetektor in einer logischen
Schaltung verbunden sein, wie aus den deutschen Offenlegungsschriften
28 23 410 oder 28 23 411 bekannt ist.
Leerseite
Claims (10)
- 5r.-IN.Q- WOtIFF, H. BftRTfiCS'» 3 U 77 5 2DIPL-CHEM-DRRERNAt-BRAMDESDR.-ING. HELD. DIPL.-PHYS.WOLFR C 224 2 3. ΟΚΤ.STUTTGART 1, LANGE STRASSE 51Patentansprücheζ 1.!Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder mit einem Sensorelement (2) und einer vor diesem angeordneten Filteranordnung, die für die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung eine Kombination eines aus der Gruppe von Germanium- oder Silizium-Filtern ausgewählten ersten Filterelementes (6) , eines' aus der Gruppe von Saphir-Filtern, Rutil-Filtern und infrarotdurchlässigen Kalziumaluminat-, Kalziumgermanat- oder Magnesiumfluorid-Gläsern ausgewählten weiteren Filterelementes (4) und eines für die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid durchlässigen Schmalbandfilters (5, 51) aufweist.
- 2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlässigkeitsbereich des Schmalbandfilters (5, 51) die Resonanz-Wellenlängen von Kohlendioxid bei etwa 4,3 - 4,4 um einschliesst.
- 3.. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlässigkeitsbereich des Schmalbandfilters (5, 5') 4,1 - 4,8 pm beträgt.
- 4. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 2 und 3,- dadurch gekennzeichnet, dass das Schmalbandfilter (5, 51) als Interferenzfilter ausgebildet ist.
- 5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter aus mehreren - vorzugsweise beidseitig - auf das Germanium-Filterelement (6) aufgedampften Schichten (5, 51) besteht.
- 6. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis Jg", dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) als pyroelektrischer Sensor ausgebildet ist.
- 7. Strahlungsdetektor nach Anspruch jft dadurch gekennzeichnet, 'dass das .Sensorelement (2) aus Lithiumtantalat, Bleizirkonattitanat, Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat, Polyvinyldifluorid oder Triglycinsulfat besteht.
- 8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzfilter (12) vorgesehen ist, das Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 3,5 - 4,0 μπι absorbiert und für Strahlung mit einer Wellenlänge von 4,1 - 4,7 um durchlässig ist.
- 9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfilter (12) als Schicht auf das weitere Filterelement (4) aufgebracht, ist.
- 10. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche. 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfilter aus Dymerexharz, polymerisiertem Kolophonium (SZ 160), Polypalharz, Gamopal P, Liodammar EH, Liodammar N, Perburian-Latex KA 5408, Perbunan-• SN-Latex 15 M oder Butakon ML 501 besteht.
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