DE3924252A1 - Meldeeinrichtung zum erfassen von waermequellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meldeeinrichtung zum Erfas­ sen von Wärmequellen in einem zu überwachenden Raum, mit mehreren Wärmedetektoren, deren Signale zu einem den Wärmezustand des Raumes kennzeichnenden Zustands­ signal verknüpft werden.

Eine derartige Meldeeinrichtung ist aus der DE 31 40 678 C2 bekannt, die drei als Strahlungsdetektoren aus­ gebildete Wärmedetektoren hat. Die Detektoren werten die Wärmestrahlung in bestimmten, jedoch voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen aus. Eine Aus­ wertungsschaltung vergleicht die Signale der Strahlungsdetektoren und erzeugt ein Zustandssignal, anhand dessen erkannt wird, ob in einem Raum ein Brand vorliegt oder nicht.

Da sich die von einer Wärmequelle ausgehende Wärme­ strahlung geradlinig ausbreitet und diese bei der Reflexion an Wänden stark gedämpft wird, kann die be­ kannte Meldeeinrichtung nur zum Überwachen von Räumen verwendet werden, deren mögliche Wärmequellen im Sicht­ bereich der Wärmedetektoren liegen. Dies bedeutet in der Praxis, daß ein Brand in einem verdeckten Bereich mit diesen Meldern erst dann erkannt wird, wenn er be­ reits so weit um sich gegriffen hat, daß er in den Sichtbereich der Meldeeinrichtung gelangt. Diesem uner­ wünschten Zustand kann nur dadurch begegnet werden, daß im zu überwachenden Raum eine Vielzahl von Meldeein­ richtungen vorzusehen ist, die eine lückenlose räumli­ che Überwachung sichern. Dies ist mit hohem Aufwand verbunden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtung besteht darin, daß lediglich die Wärmestrahlung ausgewertet wird, jedoch nicht die mit der Luft transportierte Wärmeenergie. Aus der Temperatur und der Richtung des durch Wärmekonvektion hervorgerufenen Wärmestroms könn­ ten aber wertvolle Informationen über die Ausbreitung des Brandes gewonnen und dadurch die Brandbekämpfung verbessert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Meldeein­ richtung anzugeben, die das Vorhandensein einer Wärme­ strömung ermitteln kann.

Diese Aufgabe wird für eine Meldeeinrichtung eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß die Wärmedetektoren übereinstimmende Wärmeempfindlichkeit haben und auf einem die Wärme speichernden Träger an vorbestimmten Orten angeordnet sind, und daß zur Bildung des Zu­ standssignals die Differenzen der Signale der Wärmedetektoren sowie deren Lage zueinander ausgewertet werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Tempe­ ratur eines Wärmestroms in Luft längs seines Strömungs­ weges infolge der fortlaufenden Abgabe von Wärme durch Vermischung mit kühlerer Luft und durch Wärmeableitung sowie Wärmeabstrahlung an die Umgebung abnimmt. Auf dem Träger der Meldeeinrichtung entstehen infolge der thermischen Kopplung mit dem Wärmestrom entsprechend dem in Strömungsrichtung ortsabhängigen Temperatur­ verlauf des Wärmestroms Bereiche unterschiedlicher Tem­ peratur, die von den auf dem Träger angeordneten Wärme­ detektoren erfaßt werden. Die Detektoren haben überein­ stimmende Wärmeempfindlichkeit, d. h. sie geben bei übereinstimmenden Temperaturwerten gleichgroße Signale ab. Ist die Temperatur des Trägers auf seiner gesamten Fläche konstant, so sind die Differenzen der Signale der Wärmedetektoren gleich Null. Dies bedeutet, daß auch die Luft längs des Trägers eine konstante Tempera­ tur hat, also kein Wärmestrom fließt.

Sind die Differenzen der Signale der Wärmedetektoren ungleich Null, d. h. auf dem Träger gibt es Orte unter­ schiedlicher Temperatur, so kann daraus auf eine Wärme­ strömung längs des Trägers geschlossen werden. Da die Lage der Wärmedetektoren relativ zueinander fest ist und entsprechend der Anordnung des Trägers im Raum die Verbindungslinien zwischen den Detektoren Richtungen im Raum definieren, kann auch die auf eine solche Richtung entfallende Komponente des Wärmestroms bestimmt werden, die die Temperaturdifferenz auf dem Träger und damit die Differenz der Signale hervorruft.

Die Differenzen der Signale der Wärmedetektoren werden zusammen mit der jeweiligen Lage der Detektoren zuein­ ander im Raum im Zustandssignal abgebildet. Dieses kann an eine Zentrale weitergegeben und dort ausgewertet werden.

Die Temperatur des Trägers ist nicht allein von der Temperatur des Wärmestroms abhängig, sondern auch von der auf ihn einfallenden und absorbierten Wärme­ strahlung. Je nach Art und Ort der Wärmequelle im Raum sowie abhängig vom Verlauf ihrer Energieabgabe über der Zeit kann einmal die Übertragung von Strahlungsenergie auf den Träger und ein andermal die Übertragung von Energie durch Wärmekonvektion überwiegen. Auch bei einer Energieübertragung nur durch Strahlung kann die Richtungsabhängigkeit der Abstrahlung ausgewertet wer­ den, denn die Abschnitte des Trägers, die sich nahe der Strahlungsquelle befinden oder die ihr mehr zugewandt sind, absorbieren eine größere Energiemenge als weiter entfernt liegende oder abgewandte Abschnitte. Die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Temperaturen des Trägers können in gleicher Weise wie oben beschrieben ausgewertet werden, so daß die Ausbreitungsrichtung der Wärmestrahlung festgestellt werden kann.

Der Träger selbst sowie die Anordnung der Wärme­ detektoren auf ihm können in vielerlei Gestalt ausge­ bildet sein. Im einfachsten Fall hat der Träger die Form eines Stabs, auf dem in gleichen Abständen Wärme­ detektoren angeordnet sind. Die Lage der Detektoren zu­ einander auf dem Träger definieren dann eine Achse, die abhängig von der Ausrichtung des Trägers im zu überwa­ chenden Raum, d. h. von der Lage der Detektoren zueinan­ der im Raum, eine bestimmte Richtung dieses Raumes an­ gibt. In einem anderen Fall kann der Träger aus einer ebenen, kreisförmigen oder quadratischen Platte beste­ hen, auf der in gleichen Abständen Wärmedetektoren an­ geordnet sind. Die Lage der Wärmedetektoren zueinander im Raum definiert dann Richtungen in einer Raumebene.

Der Träger kann auch eine dreidimensionale Oberflächen­ gestalt haben. Deren Form bestimmt, welche Richtungen der Wärmeströmung bzw. welche Ausbreitungsrichtungen der Wärmestrahlung erfaßt werden können. Beispielsweise kann ein Träger die Form der Oberfläche eines Kugelab­ schnitts haben. Die Lage der Wärmedetektoren zueinander definiert dann Richtungen des Raumes in den drei Di­ mensionen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Bildung des Zustandssignals Signale derjenigen Wärmedetektoren ausgewertet werden, die auf einer vorgegebenen Schnittebene durch den Träger ange­ ordnet sind. Mit dieser Maßnahme kann eine gewünschte Komponente der Wärmeströmung bzw. der Wärmestrahlung bestimmt werden, deren Richtung mit einer durch die Lage der Wärmedetektoren definierten Richtung überein­ stimmt. Dies ist dann nützlich, wenn der Verlauf des Wärmestroms in einer vorgegebenen Richtung überwacht werden soll, beispielsweise um eine kritische Brandausbreitung zu signalisieren.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die Signale der Wärmedetektoren minde­ stens zweier Schnittebenen ausgewertet werden, und daß zur Bildung des Zustandssignals die Schnittebene aus­ gewählt wird, deren Wärmedetektoren maximale Differenzen der Signale haben. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Richtung der Hauptkomponente des Wärmestroms, der längs des Trägers verläuft, bzw. die Ausbreitungsrichtung der Hauptkomponente der auf ihn auftreffenden Wärmestrahlung festzustellen. Aus dem Be­ trag der Differenzen kann ferner auf die Intensität des Wärmestroms geschlossen werden.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß sich die Schnittebenen so schneiden, daß sie auf dem Träger einen Winkel einschließen. Damit wird es möglich, ein­ zelne Komponenten des Wärmestroms bzw. Komponenten der Strahlungsenergie, deren Richtungen mit den Rich­ tungen der Schnittlinien der Schnittebenen auf dem Trä­ ger übereinstimmen, zu bestimmen. Durch Variieren des Winkels, den die Schnittebenen auf dem Träger ein­ schließen, können diese Komponenten in mindestens zwei orthogonalen Raumrichtungen festgestellt werden. Eine Weiterbildung dieser Anordnung kann auch darin beste­ hen, daß der Winkel, den die Schnittebenen auf dem Trä­ ger einschließen, 90° ist. In diesem Fall bilden die Schnittlinien der Schnittebenen auf dem Träger ein kartesisches x,y-Koordinatensystem, und es lassen sich x- und y-Komponenten der Wärmeströmung bzw. der Wärmestahlung feststellen. Gemäß den aus der Vektorrechnung bekannten Beziehungen lassen sich aus den x- und y-Komponenten die resultierende Richtung und der Betrag der Wärmeströmung bzw. der Wärmestrahlung in der x-y-Ebene berechnen. Diese Art der Auswertung kann analog auch für eine dreidimensionale Anordnung der De­ tektoren auf dem Träger verwendet werden, wodurch die resultierende Richtung der Wärmeströmung und/oder der Wärmestrahlung in einem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt werden kann.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Hierbei wird auf die Zeichnung Bezug genom­ men. Darin zeigt:

Fig .1 eine Anordnung von Wärmedetektoren auf einem Träger sowie dessen Tempe­ ratur über dem Weg,

Fig. 2 einen Träger, der in Abschnitte un­ terteilt ist, die durch Wärmeisolatoren voneinander getrennt sind,

Fig. 3 einen Träger mit Wärmeisolatoren, die als Stege ausgebildet sind,

Fig. 4 eine matrixförmige Anordnung von Wärmedetektoren mit zwei Schnitt­ ebenen und Temperaturkennlinien, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Erzeugen eines Zu­ standssignals in einer Block­ darstellung.

In Fig. 1 ist das Grundprinzip der Erfindung schema­ tisch dargestellt. Drei Wärmedetektoren 10, 12, 14 sind auf einem Träger 16 angeordnet und erfassen dessen Tem­ peratur. Als Wärmedetektoren können beispielsweise Thermoelemente, Thermosäulen oder andere wärme­ empfindliche Detektoren verwendet werden. Längs der in Fig. 1 eingezeichneten x-Achse verläuft ein Wärmestrom, der beispielsweise von einem Brand verursacht worden ist. Der warme Luftstrom gibt Energie an die Umgebung ab, wodurch seine Temperatur längs der x-Achse abnimmt.

Der Träger 16 besteht aus einem wärmespeichernden Mate­ rial, wie beispielsweise Keramik, der mit einer zeitli­ chen Verzögerung, die durch den Wärmeübertragungsvorgang bedingt ist, auf die Temperatur des Wärmestroms auf­ geheizt wird. Die thermischen Eigenschaften des wärme­ speichernden Materials sind so bemessen, daß kurzzeitige Temperaturschwankungen des Wärmestroms ausgemittelt werden und die Wärmeleitung innerhalb des Trägers längs der x-Achse so gering ist, daß sich längs dieser unterschiedliche Temperaturniveaus einstellen können.

Im unteren Bildteil der Fig. 1 ist die von den Wärme­ detektoren 10, 12, 14 gemessene Temperatur T über dem Weg x aufgetragen. Die entsprechenden Temperaturwerte T1, T2, T3 nehmen in Richtung des Wärmestroms ab. Ent­ sprechend lassen sich Differenzen d1, d2, d3 zwischen den Temperaturwerten T1, T2, T3 der Wärmedetektoren 10, 12, 14 ermitteln. Haben die Differenzen d1, d2, d3 po­ sitives Vorzeichen, so bedeutet dies, daß der Wärme­ strom in Richtung der x-Achse fließt. Diese Information wird nach einem bekannten Kodierungsverfahren, bei­ spielsweise mit Hilfe der Binärkodierung, auf ein Zu­ standssignal abgebildet und an eine Zentrale übermit­ telt. Wenn kein Wärmestrom im Raum vorhanden ist, so stellt sich durch Wärmeleitung innerhalb der Träger­ platte auf ihr eine mittlere konstante Temperatur ein und die Differenzen d1, d2, d3 werden gleich Null. Das gleiche ist der Fall, wenn der Wärmestrom nur senkrecht zur Papierebene fließt, denn die Temperatur quer zur Strömungsrichtung ist annähernd konstant. Bei einer Um­ kehr der Strömungsrichtung, d. h. der Wärmestrom fließt in Fig. 1 längs der x-Achse von rechts nach links, keh­ ren sich die Vorzeichen der Differenzen d1, d2, d3 um.

Das Zustandssignal wird jeweils entsprechend den fest­ gestellten Differenzwerten kodiert. Soll nur grob die Richtung des Wärmestroms längs der x-Achse festgestellt werden, so reicht es aus, die Vorzeichen der Differenzen d1, d2, d3 auszuwerten. Wird zusätzlich der Betrag der Differenzen d1, d2, d3 ausgewertet, so kann auch auf die Intensität des Wärmestroms und damit indi­ rekt auf die Intensität der Energieabgabe der Wärme­ quelle geschlossen werden.

Bisher wurde lediglich die Energieübertragung durch Wärmekonvektion betrachtet, die einen Luftstrom zur Folge hat. Das gleiche Prinzip zur Erkennung der Rich­ tung eines Wärmestroms kann auch zur Erkennung der Ausbreitungsrichtung bei einer Energieübertragung durch Wärmestrahlung angewandt werden. Die Wärmestrahlen einer Wärmequelle werden nämlich vom Träger 16 absorbiert und es bilden sich abhängig von der Ein­ fallsrichtung der Strahlen unterschiedliche Temperatur­ niveaus auf der wärmespeichernden Schicht aus. Mit zu­ nehmenden Abstand von der Wärmequelle nimmt die Tempe­ ratur längs des Trägers 16 ab. Damit kann die Ausbreitungsrichtung der Wärmestrahlung in analoger Weise wie die Richtung eines Wärmestroms festgestellt werden. Da beide Energieübertragungsformen gleich­ sinniges Richtungsverhalten zeigen, ist eine Über­ lagerung beider Energieformen auf dem Träger 16 nicht störend. Es können daher im Regelfall eindeutige Aussa­ gen über den Zustand des Raums hinsichtlich einer Wärmeströmung und/oder einer Wärmeabstrahlung gemacht werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Trä­ ger 16 in mehrere Abschnitte 16a, 16b, 16c unterteilt ist, die durch Wärmeisolatoren 18, 20 voneinander ge­ trennt sind. Jedem Abschnitt 16a, 16b, 16c ist jeweils ein Wärmedetektor 10, 12 bzw. 14 zugeordnet. Das Erken­ nen der Richtung eines Wärmestroms bzw. der Ausbreitungsrichtung der Wärmestrahlung erfolgt nach dem gleichen bei der Fig. 1 beschriebenen Prinzip.

Durch die Wärmeisolatoren 18, 20 wird die Wärmeleitung längs des Trägers 16 unterbunden, so daß sich innerhalb der Abschnitte 16a, 16b, 16c jeweils eine mittlere Tem­ peratur einstellt, die auf dem gesamten Abschnitt in etwa konstant ist. Dies ist im Diagramm im unteren Bildteil der Fig. 2 anhand der Temperaturniveaus T1, T2, T3 angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, als Träger auch ein gut wärmeleitendes Ma­ terial zu verwenden, das die Temperatur des Wärmestroms längs der x-Achse abschnittsweise schneller und ge­ nauer erfaßt.

In Fig. 3 ist der Träger 16 kreisförmig ausgebildet und besitzt in einer kreuzförmigen Anordnung Stege 20, die senkrecht auf dem Träger 16 stehen. Die Stege 20 über­ ragen die Wärmedetektoren 22, 24, 26, 28, die stehend auf dem Träger 16 angeordnet sind. Die Stege 20 bewir­ ken, daß die vorbeiströmende Luft einen Strömungs­ widerstand überwinden muß, der die Wärmeübertragung auf den betreffenden Abschnitt des Trägers 16 und auf die wärmeempfindliche Fläche der Wärmedetektoren 22 bis 28 begünstigt. Die thermische Kopplung zwischen den Wärme­ detektoren 22 bis 28 und dem Träger 16 muß daher nicht so eng sein wie in den vorherigen Beispielen nach den Fig. 1 und 2. Durch die stehende Anordnung der Wärme­ detektoren 22 bis 28 wird erreicht, daß diese wegen ihrer geringeren Wärmekapazität auch schnellen Änderun­ gen der Temperatur des Wärmestroms folgen können.

In Fig. 4 ist im oberen Bildteil eine matrixförmige An­ ordnung von neun Wärmedetektoren a11 bis a33 darge­ stellt, die von einem Wärmestrom angeströmt wird. Durch die Detektoranordnung sind zwei Schnittebenen 30, 32 gelegt, die auf der Detektoranordnung einen Winkel von 90° einschließen. In der Schnittebene 30 liegen die De­ tektoren a13, a22 und a31. Deren Signale, die Tempera­ turen T entsprechen, sind im mittleren Bildteil in einem Diagramm dargestellt. Aufgrund der Energieabgabe des Wärmestroms an die Umgebung nimmt die Temperatur längs der Schnittebene 30 in Strömungsrichtung ab. Da­ gegen sind die von den in der Schnittebene 32 liegenden Detektoren a11, a22 und a33 abgegebenen Signale, die im unteren Bildteil der Fig. 4 in einem Diagramm darge­ stellt sind, gleich groß, d. h. die Differenzen der Si­ gnale der Detektoren a11, a22 und a33 sind gleich Null.

Dies bedeutet, daß in Richtung der Schnittebene 32 keine Wärmestromkomponente vorhanden ist.

In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung in Form eines Blockdiagramms zur Bildung eines Zustandssignals 54 an­ gegeben. Eine Meldeeinrichtung 40 zum Erfassen von Wärmequellen umfaßt einen Detektorbaustein 42 mit meh­ reren Wärmedetektoren und eine Auswerteeinheit 46, die von einem Mikroprozessor 48 gesteuert wird, dessen Pro­ gramm in einem Speicher 50 enthalten ist. Die Wärme­ detektoren der Detektoreinheit 42 geben Signale 44a, 44b, 44c, 44d an die Auswerteeinheit 46 ab, die aus diesen Differenzen bildet. Im Speicher 50 sind Positionsdaten der Wärmedetektoren gespeichert. Aus diesen Daten werden Richtungen des Raums berechnet und den Differenzwerten zugeordnet. Die Auswerteeinheit 46 wertet die Beträge und Vorzeichen der Differenzen der Signale 44a bis 44d in der bereits beschriebenen Weise aus und bestimmt so die Richtung des Wärmestroms, der auf den Detektorbaustein 42 einwirkt. Die Information über die Richtung des Wärmestroms wird zusammen mit den entsprechenden Differenzwerten kodiert, beispielsweise mit Hilfe eines Binärkodes, und als Zustandssignal 54 an eine Zentrale 52 weitergegeben.

Ferner ist es möglich, weitere Informationen über den Zustand des überwachten Raums, die der Detektorbaustein 42 erzeugt, über das Zustandssignal an die Zentale 52 mitzuteilen, wie beispielsweise die Absoluttemperatur der Wärmedetektoren oder den Verlauf der Temperatur über der Zeit. Auch ist es möglich, die Positionsdaten der Wärmedetektoren in der Zentrale 52 zu speichern.

Diese kann dann die Aufgaben des Mikroprozessors 48 und der Auswerteeinheit 46 übernehmen. Die Signale 44a bis 44d werden zweckmäßigerweise direkt an die Zentrale 52 abgegeben, die dann das Zustandssignal 54 erzeugt und auswertet.

Claims (11)

1. Meldeeinrichtung zum Erfassen von Wärmequellen in einem zu überwachenden Raum, mit mehreren Wärme­ detektoren, deren Signale zu einem den Wärmezu­ stand des Raums kennzeichnenden Zustandssignal verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedetektoren (10, 12, 14; 22 bis 28; a11 bis a33) übereinstimmende Wärmeempfindlichkeit haben und auf einem die Wärme speichernden Träger (16) an vorbestimmten Orten angeordnet sind, und daß zur Bildung des Zustandssignals (54) die Differenzen (d1, d2, d3) der Signale (44a, 44b, 44c, 44d) der Wärmedetektoren (10, 12, 14; 22 bis 28, a11 bis a33) sowie deren Lage zueinander aus­ wertbar ist.

2. Meldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Differenzen der Signale derjeni­ gen Wärmedetektoren (a13, a22, a31 bzw. a11, a22, a33) ausgewertet werden, die auf einer vorgegebe­ nen Schnittebene (30 bzw. 32) durch den Träger (16) angeordnet sind.

3. Meldeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Auswertung Signale von Wärme­ detektoren (a13, a22, a31; a11, a22, a33) minde­ stens zweier Schnittebenen (30, 32) herangezogen werden, und daß zur Bildung des Zustandssignals die Schnittebene (30) ausgewählt wird, deren Wärmedetektoren (a13, a22, a31) maximale Differenzen der Signale haben.

4. Meldeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Schnittebenen (30, 32) so schneiden, daß sie auf dem Träger (16) einen Win­ kel einschließen.

5. Meldeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel 90° ist.

6. Meldeeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) in eine der Anzahl von Wärmedetektoren ent­ sprechende Zahl von Abschnitten (16a, 16b, 16c) unterteilt ist, die durch Wärmeisolatoren (18, 20) voneinander getrennt sind, und daß jedem Abschnitt (16a, 16b, 16c) ein Wärmedetektor (10, 12, 14) zu­ geordnet ist.

7. Meldeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeisolatoren Stege (20) bil­ den, die senkrecht zum Träger (16) angeordnet sind.

8. Meldeeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) kreisscheibenförmig ist.

9. Meldeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger die Form der Oberfläche eines Kugelabschnitts hat.

10. Meldeeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärme­ detektoren Thermoelemente oder Thermosäulen vorge­ sehen sind.

11. Meldeeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) aus Keramik besteht.