DE3147752C2 - Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder - Google Patents
Strahlungsdetektor für einen FlammenmelderInfo
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Abstract
Der Strahlungsdetektor weist als Sensorelement (2) ein pyroelektrisches Element auf, z.B. Lithiumtantalat, Bleizirkonat-Titanat, Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat oder Polyvinyldifluorid. Vor dem Sensorelement (2) ist eine Filterkombination aus einem ersten Filterelement (6), bestehend aus einem Germanium- oder Silizium-Filter mit einem aufgedampften Schmalbandfilter (5, 5Δ) mit einem Durchlässigkeitsmaximum bei etwa 4,3-4,4 μm, sowie einem weiteren Filterelement (4) aus Saphir oder Rutil oder aus einem Kalziumaluminat-, Germanat-, oder Magnesiumfluorid-Glas angeordnet. Diese Filterkombination zeigt ein Durchlässigkeitsmaximum bei der Resonanzstrahlung von Kohlenstoffdioxid bei 4,3-4,4 μm, während sämtliche anderen Wellenlängenbereiche um mehr als den Faktor 1000 gedämpft werden. Außerdem kann ein Zusatzfilter (12) vorhanden sein, welches die bei Schrägeinfall vom Schmalbandfilter (5, 5Δ) durchgelassene Strahlung im Bereich von 3,5-4,0 μm absorbiert. Ein mit einem solchen Strahlungsdetektor ausgerüsteter Flammenmelder spricht extrem selektiv auf Flammenstrahlung an, reagiert jedoch nicht auf Störstrahlungen, wie Sonnen- oder Tageslicht, künstliche Lichtquellen und Schweißfunken, selbst wenn diese eine mehr als tausendfache Intensität aufweisen, so daß Flammen geringster Intensität sicher, empfindlich und störunanfällig auch bei Vorhandensein starker Störstrahlung nachgewiesen werden können.
Description
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder enthaltend _m Sensorelement
und eine vor diesem angeordnete Filteranordnung mit einem Interferenzfilter, weiche Filterai.ordnung die Referenzstrahlung
von Kohlendioxid zum Sensorelement durchläßt.
Flammenmelder sind in der Praxis verschiedenartigen Störstrahlungen ausgesetzt, die ein fehlerhaftes Meldesignal
auslösen können. Aus CH 5 09 633, CH 5 19 761. CH 5 37 066 oder CH 5 58 577 sind Flammenmelder bekannt,
welche zur Unterscheidung einer Flamme von Störstrahlungen, wie Tageslicht, Sonnenstrahlungen
oder künstliche Lichtquellen, die unterschiedlichen Eigenschaften vom 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
Störstrahlungen 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 21 51 148 und K. Nakajima, Report of Fire Research Institute of Japan, 30 (Dezember 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 μπι besteht, neben einem wesentlich
schwächeren breitbandigen Spektralgebiet im Bereich der sichtbaren Strahlung und dem nahen Infrarot.
Die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung tritt praktisch ausschließlich bei Flammen auf, die bei der Verbrennung
organischen Materiales entstehen, jedoch fast nie oder mit nur verschwindender Intensität bei Störstrahlungen.
Ein Flammenmelder, der neben anderen Kriterien im wesentlichen die Resonanzstrahlung von
Kohlendioxid auswertet, ist daher erheblich fehlalarmsicherer
und störunanfäV.iger als Flammenmelder, die Ulä traviolettstrahlung, sichtbares Licht oder nahes Infrarot
auswerten.
Nachteilig bei solchen, die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung
auswertenden Flammenmeldern wa? jedoch, daß die darin verwendeten Strahlungsdetektoren zu
ίο breitbandig waren und noch andere Strahlungsanteile
durchließen. Übliche Interferenzfilter für 4.3 um besitzen beispielsweise Seitenbänder, die im nahen Infrarot
oder im sichtbaren Bereich liegen, so daß Störstrahlung in diesen Spektralgebieten ebenfalls detektieri wird.
Nakajima verwendet daher ein spezielles von Optical Coating Laboratory hergestelltes Filter, das zwar die
Kohlendioxid-Resonanzstrahlung umfaßt, jedoch für die praktische Verwendung noch zu breitbandig ist,
(3,9—5,2 μπι). Um benachbarte Störstrahlung zu eliminieren,
muß ein Bleiselenid-Fotoelement verwendet werden, das Strahlung mit größerer Wellenlänge als
43 μπι abschneidet Nachteilig ist hierbei, daß bei Normaltemperatur
die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung bereits auf der Kante des Empfindlichkeitsabfalles liegt,
so daß die Flammenstrahlung nicht voll ausgenützt werden kann, die Empfindlichkeit des Flairrnenmelders
nicht den optimal mo^-lichen 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 bei schiefem Einfall den Melder stören
kann.
In der deutschen Offenlegungsschrift 28 23 411 ist bereits
ein Flammenmelder beschriebei·.. 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 μπι, v/ährend das Germaniumfilter Strahlungen unter ca. 1.5 μπι fernhält
Nachteilig ist dabei, daß der Absorptionsbereich des Quarzfilters bereits in den Resonanzbereich von Kohlendioxid
hineinreicht, so daß ein Teil der Resonanz-Strahlung absorbiert wird. Die Empfindlichkeit eines
solchen Flammenmelders ist daher ebenfalls noch nicht optimal.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die genannten Nach'eile des Standes der Technik zu vermeiden und
insbesondere einen Flammenmelder mit besserer Störunanfälligkeit, geringerer Fehlalarmanfälligkeit und höherer
Empfindlichkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Strahlungsdetektor der eingangs definierten
Art der Filteranordnung ein Zusatzfilter zugeordnet ist, welches die Strahlung im Wellenlängenbereich
von 3,5 μηι bis 4.0 μπι absorbiert und im Wellenlängenbereich
von 4,1 μπι bis 4,7 μπι durchläßt. Als Sensorelement
kann dann ein pyroelektrisches Element verwendet werden, das eine optimale Empfindlichkeit
gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors wird das Zusatzfilter
als Schicht auf einem Filterelement der Filteranordnung aufgebracht.
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 Printplatte 10 angeordnet 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 Schmalbandfilter(5
und 5') aufgedampft Diese Interferenz-Filterschichten (5 und 5') können auch in bekannter Weise
aus jeweils mehreren Schichten zusammengesetzt sein, so daß ein Schmalbandfilter mit einem Qurchlässigkeitsbereicb
von 4,1— 4,8 μπι, oder bevorzugt 4,3—4,4 μπι,
entsteht An der Vorderseite des Meldergehäuses 1 ist ein weiteres Filterelement 4 eingekittet, das aus einer ca.
1 mm dicken Saphirscheibe besteht Dieses liefert eine obere Begrenzung bei ca. 5,5 .am, während <?as Germanium-Filterelement
6 eine untere Begrenzung bei ca. 1,5 μπι liefert
Statt des Saphir-Filterelementes kann auch ein Rutil-Filter,
ein Kalziumaluminatglas, z. B. vom Typ IRG 11
(Schott), ein Germanatglas, z. B. vom Typ IRG 2 (Schott) oder ein Magnesiumfluoridgas, z. B. vom Typ
Irtran 1 (Eastman Kodak) verwendet werden und statt eines Germanium-Filters, ein Silizium-Filter.
Auf dem weiteren Filterelement 4 ist das Zusatzfilter 12 aufgebracht, 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 μπι durchlässig sein, während es Strahlung mit einer
Wellenlänge im Bereich von 3,5—4,0 μπι absorbieren
soll. Dieses Zusatzfilter 12 begrenzt die Strahlung, weiche für Weilenlängen
< 4.0 μπι bei schrägem Einfall vom Schmalbandfilter 5 und 5' durchgelassen wird. Als
Zusatzfilter 12 haben sich folgende Materialien als besonders vorteilhaft herausgestellt: Dyuierexharz (zu
80% dimerisiertes Kolophonium; Fa. Hercules}, polymerisiertes
Kolophonium (SZ = 160)(mit BF3-Aetherat
polymerisiertes Kolophonium; Laborpräparat der Fa. K. Hultzsch, CWA), Polypalharz (polymerisiertes Kolophonium
der Fa. Hercules). Gamop.l P(abgeschmolzenes
Kongokopal, teil verestert; Fa. Masereel), Liodammar
EH (Dammarumwandlungsprodukt; Fa. Sichel-Werke), Liodammar N (Lackharz auf Dammarbasis; Fa.
.Sichel-Werke). Perbunun-Latex KA 5408 (Butadien-Styrol-Acrylnitril-Methacrylsäure-Copolymeres;
Fa. Bayer), Perbunan-SN-Lauex 15 M (Butadien-Styrol-Acrylniiril-Methacrylsäure-Copolymeres:
Fa. CWH) und Bulakon ML 501 (Butadien-Methylmethacrylat-Copolymeres;
Fa. ICI).
Auf der Grundplatte 7 im Inneren des TO-5-Gehäuses
11 ist als Strahlungssensor 2 ein pyroelektrisches Element vorgesehen, dessen Empfindlichkeit
bis ms 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, beste'
hend aus Polyvinyldifluorid, ist geeignet. Solche für Flammenmelder geeignti?n pyroelektrischen Elemente
werden beispielsweise von den Firmen Eltec (USA) und Piessey (England) hergestellt und vertrieben. Bei einer
strahlungsempfindlichen Fläche vor. beispielsweise 2 · 2 mm. wie sie bei üblichen Flammenmeldern zur
Verfugung 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 μπι beschränkt ist
Im Bereich sichtbaren Lichtes und im nahen Infrarot bis 1,5 μπι weist sie eine absolute Undurchlässigkeit auf.
Zwischen 1,5 μπι bis zur unteren Kante des Bandpasses für Kohlendioxid (ca. 4,1 μπι) und zwischen der oberen
Kante des Bandpasses (ca. 4,8 μπι) bis der oberen Kante
des Saphir-Filters ist eine Dämpfung des einfallenden Lichtes von mindestens 1Ό00 vorhanden, d. h. eine kleinere
Durchlässigkeit als 0,1%. Oberhalb der oberen Kante des Saphir-Filters bei 6 μπ :st wiederum eine
praktisch absolute Undurch!ässigks;t vorhanden. Störstrahlungen
wie Sonnen- und Tageslicht sowie künstliche Lichtquellen wie Glühlampen, Fluoreszenzlampen
und andere Störungen wie Schweißfunken, etc. aie kein
scharfes Intensitätmaximum bei der Resonanzwellenlänge von Kohlendioxid aufweisen, werden also durch
das beschriebene Filter nahezu vollständig vom Sensorelement ferngehalten, auch wenn deren Intensität erheblich
größer 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
pyroelektrischen Elemente, verwendet werden, ohne daß ein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dabei ist die
Empfindlichkeit im Vergleich zu älteren Filterkombinationen mit Quarz-Füterelement mehr als verdoppe't.
Das pyroelektrische Element 2 ist über die Anschlüsse 3 an die Auswerteschaltung auf dem Print IO 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 Änderungsgeschwindigkeit, werden konstante oder sich nur langsam
ändernde Signale automatisch blockiert. Ein mit dem beschriebenen Strahlungsdetektor ausgerüsteter Flammenmelder
benötigt also nur eine einfache und unkom-
plizierte Auswerte~.ohaltung und ist aus diesem Grund
wesentlich betriebssicherer und störunanfälliger als vorbekannte Flammenmelder. Trotzdem ist die Selektivität
auf Flammen und die Unempfindlichkeit gegen Störstrahlungen erhebJch verbessert. Falls jedoch für be-
sonders 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 sus den Schweizer Patenten 09 633, 5 19 761, 5 37 066 oder 5 58 577 bekannt. Zum
gleichen Zweck kann der beschriebene Strahlungsdetektor mit einem zweiten, für sichtbares Licht oder fer-
Jl 4/
nes Infrarot empfindlichen Strahlungsdetektor in einer logischen Schaltung verbunden sein, wie aus den deutschen
Offenlegungsschriften 28 23 410 oder 28 23 411 bekannt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder
enthaltend ein Sensorelement und eine vor diesem angeordnete Filteranordnung mit einem Interferenzfilter,
weiche Filteranordnung die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid zum Sensorelement durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß
der Filteranordnung (4, 5, 5', 6) ein Zusatzfilter (12) zugeordnet ist, welches die Strahlung im Wellenlängenbereich
von 3,5 μηπ bis 4,0 μπι absorbiert und im
Wellenlängenbereich von 4,1 μπι bis 4,7 μπι durchläßt
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzfilter (12) als Schicht
auf einem Filterelement (4) der Filteranordnung aufgebracht ist
3. Strahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet daß
das Zusatzfiltfcr(12) aus Dymerexharz, polymerisiertem
Kolophonium (SZ 160), Polypalharz, Gamopal
P, Liodammar EH, Liodammar N, Perbunan-Latex KA 5408, Perbunan-SN-Latex 15 M oder ButakonML501
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Representative=s name: WOLFF, M., DIPL.-PHYS., PAT.-ANW., 7000 STUTTGART |
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