DE60315449T2

DE60315449T2 - Rauchmelder

Info

Publication number: DE60315449T2
Application number: DE60315449T
Authority: DE
Inventors: Brian David Maidenhed POWELL
Original assignee: Kidde IP Holdings Ltd
Current assignee: Kidde IP Holdings Ltd
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: US7483139B2; AU2003227943A1; EP1508032A1; GB2389176C; ATE369554T1; EP1508032B1; GB0212171D0; DE60315449T3; GB2389176A; GB2389176B; DE60315449D1; EP1508032B3; WO2003100397A1; US20050173638A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Teilchendetektoren und ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen – insbesondere, aber nicht ausschließlich, von Rauchteilchen.
Stand der Technik
Es gibt zwei Detektorarten zum Detektieren solcher Teilchen. Verdunkelungs-(Obskurations-)detektoren, oder Direktdetektoren, weisen einen Emitter von geeigneter elektronmagnetischer Strahlung, wie beispielsweise sichtbares Licht, auf, der mit einem Detektor für die Strahlung ausgerichtet ist, so dass ein Strahl der von dem Emitter erzeugten Strahlung direkt durch ein Volumen, in dem die Teilchen vorhanden sein können, in einen Detektor scheint. Diese Art von Detektor misst daher entlang einer bekannten Weglänge über das den Rauch enthaltene Volumen hinweg die aus dem Strahl verloren gegangene Strahlung und wird üblicherweise als %/m verloren gegangener Strahlung gemessen. Die Strahlung geht aus dem Strahl durch eine Kombination von Reflexion, Streuung und Absorption in den Rauchteilchen verloren. Verdunkelungsdetektoren funktionieren üblicherweise für schwarzen Rauch gut, sind aber weniger empfindlich gegenüber weißem oder grauem Rauch. Darüber hinaus können Verdunkelungsdetektoren üblicherweise nicht in einer Kammer aufgenommen werden, da sie einen Emitter und einen Detektor aufweisen, die in einem beträchtlichen Abstand, beispielsweise 1 m, voneinander beabstandet sind, um angemessene Empfindlichkeit bereitzustellen.
Indirekte oder reflektierte Detektoren, die gewöhnlich als Streudetektoren bezeichnet werden, weisen einen Emitter und Detektor auf, die auf nicht kolinearen Achsen angeordnet sind, so dass die Strahlung von dem Emitter nicht direkt auf den Detektor scheint. Rauchteilchen reflektieren oder streuen Licht aus dem Emitter in den Empfänger. Streudetektoren funktionieren im Allgemeinen für weißen oder grauen Rauch gut, reagieren jedoch weniger empfindlich auf schwarzen Rauch.
Bei weißem oder grauem Rauch, beispielsweise von schwelenden Materialien, überwiegen Reflexion und Streuung, und beide diese Prozesse tragen zu dem von dem Streudetektor erzeugten Signal bei; daher sind die Streusignale für diese Art von Rauch im Vergleich zu einem Verdunkelungssignal, das von einem Verdunkelungsdetektor erzeugt würde, relativ stark. Bei schwarzem Rauch, wie er beispielsweise durch brennende Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe oder verbrennende Plastikwerkstoffe erzeugt wird, geht die meiste Strahlung durch Absorption in den Rauchteilchen verloren, und dieses absorbierte Licht trägt nicht zu dem gestreuten Lichtsignal bei, das von dem Streudetektor erzeugt wird; daher ist das gestreute Lichtsignal eines Streudetektors bei dieser Art von Rauch im Vergleich zu dem von einem Verdunkelungsdetektor erzeugten Signal relativ schwach.
Verdunkelungsdetektoren, die eine Messung von Lichtübertragung durch den Rauch durchführen, werden sehr häufig in Strahl-Rauchdetektoren, jedoch nicht in Punkt-Rauchdetektoren verwendet, weil die erhältlichen Weglängen ohne komplizierte optische Anordnungen, die verschmutzungsanfällig sein können, relativ kurz sind, und dies hohe Anforderungen an die Stabilität der Messung stellt. Um beispielsweise eine Empfindlichkeit von 10%/m über eine Weglänge von 10 cm zu erreichen, müsste eine Änderung des übertragenen Signals von 1% detektiert werden.
US-Patent Nr. 4 857 895 offenbart einen Rauchdetektor mit einem Absorptionsweg von zweifachem Durchlauf über ein eingeschlossenes Volumen, der durch eine Linse oder einen Spiegel erhalten wird. Ein zweiter Detektor, der ungefähr in einem rechten Winkel zu dem Strahl angeordnet ist, detektiert das gestreute Licht. Die Absicht der Vorrichtung liegt darin, die Empfindlichkeit gegenüber schwarzem Rauch zu erhöhen. Außerdem sind separate Lichtquellen für die Verdunkelungsmessung und für die Streumessung bereitgestellt, und es ist offenbart, dass eine grüne Leuchtdiode eine bessere Verdunkelungsempfindlichkeit bereitstellt, wohingegen die Streu-Leuchtdiode eine herkömmliche Infrarot-Leuchtdiode sein kann. Alarm wird entweder durch das Streusignal, oder das Verdunkelungssignal, die einfache Schwellenwerte durchlaufen, ausgelöst, oder alternativ, wenn die Differenz der beiden Signale einen Schwellenwert überschreitet.
US-Patent Nr. 6 225 910 und US-Patentanmeldung Nr. 2001 020899 offenbaren ebenfalls Verdunkelungsvorrichtungen und Streuvorrichtungen in demselben Gehäuse. Die beiden Dokumente offenbaren verschiedene optische Anordnungen zur Erhöhung der Verdunkelungsweglängen. Die Anordnungen umfassen einfache und mehrfache Spiegelreflexionen von einem oder mehreren Spiegeln. In US-Patent Nr. 6 225 910 ist außerdem bereitgestellt, dass die Verdunkelungsmessung im Blauen/Grünen liegt, und die Streumessung im Infraroten liegt.
CH 607687 offenbart einen Rauchdetektor, der eine kugelförmige Messkammer mit einer Innenfläche aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie Strahlung auf diffuse Art reflektiert. Von einem Lichtstrahl durch das Vorhandensein von Rauch gestreute Strahlung wird von dem Detektor erfasst.
DE 19610438 , US 3869208 und US 4942305 offenbaren Vorrichtungen zum Detektieren der Absorption von Licht durch in einer Ulbricht-Kugel enthaltene Teilchen.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine Kammer mit einer im Wesentlichen Lambertschen Fläche mit im Wesentlichen hoher Reflektivität und zum Aufnehmen von Teilchen, eine Strahlung emittierende Einrichtung zum Emittieren von Strahlung in die Kammer und eine Strahlungsdetektionseinrichtung zum Detektieren der Wirkung der Teilchen auf die Strahlung innerhalb der Kammer bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsdetektionseinrichtung primär zum Detektieren von Absorption der Strahlung durch die Teilchen ist, und die Strahlungsdetektionseinrichtung einen breiten Blickwinkel hat, um Strahlung direkt von einem wesentlichen Teil der Lambertschen Fläche hoher Reflektivität, welche Fläche direkt durch die Strahlung emittierende Einrichtung bestrahlt wird, zu empfangen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Teilchendetektionsverfahren bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Kammer mit einer im Wesentlichen Lambertschen Fläche mit im Wesentlichen hoher Reflektivität und zum Aufnehmen von Teilchen, Emittieren von Strahlung in die Kammer und Detektieren der Wirkung der Teilchen auf die Strahlung innerhalb der Kammer; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Detektierens von Strahlung das Detektieren der Absorption von Strahlung durch Empfangen von Strahlung direkt von einem wesentlichen Teil der Lambertschen Fläche hoher Reflektivität enthält, welche Fläche durch die Strahlung emittierende Einrichtung direkt bestrahlt wird.
In zu beschreibenden Ausführungsbeispielen ist die Kammer eine Ulbricht-Kugel. Dies ist ein kugelförmiger Hohlraum, in den Licht oder andere Strahlung geleitet wird. Die Innenflächen des Hohlraums sind so weit wie möglich mit einem Lambertschen Streumaterial hoher Reflektivität (beispielsweise größer als 90%) beschichtet, das heißt, einem Material, das auftreffendes Licht effizient gleichmäßig bei allen Wellenlängen in alle Richtungen streut. Das üblicherweise verwendete Material ist Bariumsulfat, aber mattweiße Lacke sind in etwa Lambertsch. Ein Detektor betrachtet die Innenfläche der Kugel, jedoch nicht die Quelle direkt, und daher ist Licht, das den Detektor erreicht, einer Vielzahl von Wegen innerhalb der Kugel gefolgt und ist voraussichtlich mehrere Male von den Wänden gestreut worden, bevor es den Detektor erreicht. Wenn absorbierende Teilchen (wie beispielsweise schwarzer Rauch) in die Kugel geleitet werden, verringert sich das erfasste Signal. Wenn hingegen streuende Teilchen (wie beispielsweise weißer/grauer Rauch) in die Kugel eingeleitet werden, geht das gestreute Licht nicht verloren, und sollte schließlich den Detektor erreichen. Auf diese Weise wird ein Punkt-Rauchdetektor erzeugt, in dem der Ausgang (das integrierte Signal von dem Detektor) auf schwarzen Rauch reagiert, gegenüber weißem/grauem Rauch jedoch relativ unempfindlich ist, was das Gegenteil von herkömmlichen Streudetektoren ist.
Ein Vorteil der Ulbricht-Kugel der beschriebenen Ausführungsbeispiele besteht darin, dass mehrere verschiedene Lichtquellen in der Kugel an relativ beliebigen Positionen angeordnet werden können, wodurch Messungen bei zwei oder mehr Wellenlängen mit einem Detektor durch Frequenz- oder Zeitmultiplexen durchgeführt werden können. Außerdem gibt es in dem System keine kritischen Ausrichtungen, und die streuende Fläche ist im Wesentlichen die gesamte Innenfläche der Kugel, so dass sie relativ unempfindlich gegenüber lokalisierter Verschmutzung sein sollte.
Ein potentieller Nachteil der Ulbricht-Kugel-Anordnung besteht darin, dass sie relativ unempfindlich gegenüber weißem/grauem Rauch ist. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird dies jedoch durch das Hinzufügen eines zweiten Detektors gemildert, der in oder auf der Innenfläche der Kammer angebracht ist und der so angeordnet ist, dass er vor allem auf gestreutes Licht reagiert (das heißt, er ist nicht direkt mit der/den Strahlungsquelle(n) ausgerichtet). Das Hinzufügen dieses Detektors kompromittiert in gewissem Maße die Leistung der Ulbricht-Kugel, da der Teil der Oberfläche der Kugel, den dieser Detektor avisiert, geschwärzt ist, um das Hintergrundsignal in Abwesenheit von Rauch auf ein zu bewältigendes Niveau zu verringern. Es müssen jedoch in der Kugel außerdem Löcher enthalten sein, um dem Rauch das Eintreten zu ermöglichen, und es ist vorteilhaft, diese Löcher in dem schwarzen Teil der Kugel anzuordnen, um die Störung der Ulbricht-Kugel zu minimieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel davon exemplarisch unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Rauchdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Seitendraufsicht des Rauchdetektors gemäß 1 ist;
3A eine grafische Darstellung ist, die die Veränderung der blauen und infraroten Signale von den Integrier- und Streudetektoren im Vergleich zu der sichtbaren Verdunkelung (Obskuration) für aus schwelender Baumwolle erzeugten weißen Rauch zeigt;
3B eine grafische Darstellung ist, die die Daten aus 3A grafisch neu dargestellt als die prozentuale Veränderung des Signals aus den Werten für saubere Luft zeigt;
4A eine grafische Darstellung ist, die die Veränderungen der blauen und infraroten Signale von den Integrier- und Streudetektoren im Vergleich zu der sichtbaren Verdunkelung für aus brennendem Polystyrol erzeugten schwarzen Rauch zeigt;
4B eine grafische Darstellung ist, die die Daten aus 4A grafisch neu dargestellt als die prozentuale Veränderung des Signals aus den Werten für saubere Luft zeigt;
5 eine grafische Darstellung ist, die Detektorsignale als prozentuale Veränderung des Signals im Vergleich zu dem Wert für saubere Luft für ein Maisstärkestaub-Aerosol im Vergleich zu Verdunkelungsmesswerten zeigt;
6 eine grafische Darstellung ist, die Detektorsignale als prozentuale Veränderung des Signals im Vergleich zu dem Wert für saubere Luft für ein Wassernebel-Aeorsol im Vergleich zu Verdunkelungsmesswerten zeigt; und
7 gesammelte Daten zeigt, die als das Verhältnis von blauen zu infrarotem Streusignal gegenüber dem Verhältnis von blauem Integrierdetektorsignal zu blauem Streudetektorsignal grafisch dargestellt sind.
Ausführungsmodus der Erfindung
Der Rauchdetektor 1 umfasst eine aus Aluminiumlegierung (oder einem anderen geeigneten Material) hergestellte hohle Kugel 2 mit einem Innendurchmesser, in diesem Beispiel von 50 mm. Der Großteil der Innenfläche 3 des Detektors 1 ist mit einem Material beschichtet, um die so beschichteten Flächen mit einer Lambertschen Fläche von im Wesentlichen hoher Reflektivität (größer als 90%) bereitzustellen. Ein geeignetes Material ist Bariumsulfat. Ein Integrierdetektor 5, beispielsweise eine Silizium-Fotodiode Centronic OSD5-1T mit 5 mm² empfindlichem Bereich, der auf der Außenfläche der Kugel 2 angebracht ist, betrachtet einen großen Abschnitt der weißen Innenfläche 3 durch eine Apertur 7 mit 5 mm Durchmesser. Ein Streudetektor 9, beispielsweise eine Silizium-Fotodiode NSL710, ist auf der Außenfläche der Kugel 2 gegenüber dem Integrierdetektor 5 angebracht und wird gelinst, so dass er einen beschränkten Blickwinkel durch Apertur 11 hat. Ein schwarz lackierter Bereich 13 der Innenfläche der Kugel umgibt den Integrierdetektor 5. Ein geeigneter schwarzer Lack hat den Handelsnamen Nextel und wird von Mankiewicz Gebr. & Co. in Deutschland hergestellt. Dieser Bereich 13 enthält außerdem sechs Löcher 15 von 5mm Durchmesser, um den Zugang von Rauch in den kugelförmigen Hohlraum zu ermöglichen. Des Weiteren sind zusätzliche Löcher 17 bei 90° von dem Integrierdetektor vorhanden, um den Fluss durch den Hohlraum zu ermöglichen.
Zwei mit Plastik umhüllte Leuchtdioden (LEDs) 19, 21 von 5 mm Durchmesser sind in Aperturen in der Kugel 2 bei 45° von der Position des Integrierdetektors 5 aus angebracht. Eine ist eine RS 235-9922 blaue Leuchtdiode 19 von 470 nm, die so gelinst ist, dass sie einen Öffnungswinkel von + oder –15° hat. Die zweite ist eine Siemens-LD274-3-950 nm-Infrarot-Leuchtdiode 21, die gelinst ist, um einen Öffnungswinkel von + oder –10° bereitzustellen. Der Öffnungswinkel der Leuchtdioden 19, 21 wird als nicht kritisch für die integrierende Messung angesehen, ist jedoch für die Streulichtmessungen wichtiger. Die Strahlung von den Leuchtdioden 19, 21 wird von Rauch und anderen Teilchen absorbiert, reflektiert und gestreut.
Es ergibt sich, dass an Stelle von zwei Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eine einzige Strahlungsquelle verwendet werden könnte, oder dass drei oder mehr Strahlungsquellen, von denen jede einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich aufweist, verwendet werden könnten.
2 zeigt eine Ansicht des Detektors 1 von dem Ende, in dem der Integrierdetektor 5 angebracht ist. Der schwarz lackierte Bereich 13 wird in dieser Figur als ein schraffierter Bereich dargestellt, obwohl er natürlich von der Außenseite des Detektors 1 aus nicht sichtbar ist.
Die Kammer des Detektors könnte eine andere Form als eine Kugelform aufweisen – beispielsweise eine Ellipsenform. Die Kammer hat vorzugsweise eine derartige Form, dass der Integrierdetektor 5 in einer Wand davon angeordnet werden kann, so dass er direkt einen großen Teil der Lambertschen Fläche betrachten kann.
Die Leuchtdioden 19, 21 werden auf verschiedenen Frequenzen von Treiberschaltungen in der Steuereinrichtung 23 (1) angesteuert. Die Signale von den zwei Detektoren 7, 9 werden durch Steuereinrichtung 23 verstärkt, und die vier Signale, blaues und Infrarot-Integriersignal und blaues und Infrarot-Streusignal, werden von vier Lock-in-Verstärkern in Steuereinrichtung 23 erhalten. Diese sind in zwei Paaren, die beiden Verstärker in jedem Paar erhalten von jeder der Leuchtdioden-Treiberschaltungen ein Be zugssignal. Der Eingang von einem Paar Lock-in-Verstärker wird dem verstärkten Ausgang des Integrierdetektors entnommen, und der Eingang zu dem anderen Paar dem verstärkten Ausgang des Streudetektors. In einer Anwendung werden beispielsweise die Leuchtdioden 19, 21 auf verschiedenen Frequenzen von ungefähr 1 kHz, Tastverhältnis 50%, bei einer Stromstärke von 20 mA für die blaue Leuchtdiode 19, und 30 mA für die Infrarot-Leuchtdiode 21 angesteuert.
Der Rauchdetektor 1 wurde mit Rauch und anderen Aerosolen in einer Rauchprüfbox UL217 geprüft (Underwriters Laborstories Inc., Standard for Safety, Single and Multiple Station Smoke Alarms, fünfte Auflage, 21. Februar 1997). Diese war mit zwei Verdunkelungsmessgeräten ausgestattet; einem gemäß UL217, das in dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums arbeitete, und das als das sichtbare Verdunkelungsmessgerät bezeichnet wird, und einem gemäß EN54 (BS5445: Teil 7: 1984), das bei 880 nm arbeitete, und das als das Infrarot-Verdunkelungsmessgerät bezeichnet wird. Die nachfolgend beschriebenen Tests wurden unter Verwendung einer Lambertschen Fläche (auf der Innenfläche 3 des Detektors 1) durchgeführt, die durch Lackieren der Innenfläche 3 mit weißer, wasserlöslicher Tipp-Ex- (eingetragenes Warenzeichen) Korrekturflüssigkeit ausgebildet wurde. Dadurch wird eine ziemlich gute, dichte weiße Beschichtung erzielt. Sie ist jedoch nicht sehr dauerhaft, und eine bessere Beschichtung würde für eine praktische Vorrichtung durch Verwenden eines Materials wie beispielsweise Bariumsulfat bereitgestellt werden.
Rauch wurde von verschiedenen schwelenden und brennenden Materialien erzeugt. Es wurden auch Nicht-Rauch-Aerosole erzeugt, wie beispielsweise ein Nebel aus kondensiertem Wasser, der von einem haushaltsüblichen Tapetenlöser, Staub- und Aerosol-Sprühdosen erzeugt wurde. Die von dem Zirkulationsgebläse erzeugte Luftströmungsgeschwindigkeit wurde auf 0,15 m/s (30 fpm) eingestellt.
Der Detektorausgang wurde zusammen mit den Daten des Verdunkelungsmessgerätes über eine ADU(Analog-Digital-Umsetzer)-Leiterplatte 25 in einem Tischcomputer 27 aufgezeichnet, der mit Testpoint-Software gesteuert wurde. Die Daten wurden zur anschließenden Analyse in Ordnern aufgezeichnet. Die Aufzeichnung wurde begonnen, und die Rauchquelle nach 10 bis 20 s eingeleitet. Die Zunahme der Rauchdichte wurde zugelassen, bis die Rauchquelle erschöpft war, wann sich die Rauchdichte eine kurze Zeit lang stabilisieren konnte, bevor das Abgasgebläse eingeschaltet wurde. Die Aufzeichnung wurde fortgeführt, bis die Verdunkelungsmessgerät-Anzeigen zu einem Wert nahe Null zurückgekehrt waren.
In 3A und 4A sind jeweils typische Ergebnisse dargestellt, die aus von schwelender Baumwolle erzeugtem weißem Rauch und aus von brennendem Polystyrol erzeugtem schwarzem Rauch erhalten wurden. In diesen Figuren ist die Änderung der vier Ausgangssignale in Volt auf der Rechtsachse eingezeichnet. Die entsprechenden sichtbaren Verdunkelungsmessgerät-Anzeigen sind in %/m auf der Hochachse eingezeichnet.
In den grafischen Darstellungen von 3A, 3B, 4A, 4B, 5 und 6 zeigen die grafisch dargestellten Linien die folgenden Ausgangssignale:
Visobsc: Verdunkelungsmessgerät-Anzeige des sichtbaren Lichts
IRobsc: Infrarot-Verdunkelungsmessgerät-Anzeige
blueint: blaues integriertes Signal.
redint: rotes integriertes Signal.
bluescatt: blaues gestreutes Signal.
redscatt: rotes gestreutes Signal.
Aus 3A ist ersichtlich, das das Einleiten von weißem Rauch wenig Wirkung auf den Ausgang von Integrierdetektor 5 hat, wohingegen der Streudetektor 9 gut auf die Anwesenheit von Rauch anspricht. Zwischen der Antwort des Verdunkelungsmessgeräts und der Antwort des Detektors liegt eine Verzögerung von annähernd 10 s, da der Rauch nahe den Verdunkelungsmessgeräten erzeugt wird und eine Durchgangsverzögerung vorliegt, bevor der Rauch den Detektor erreicht und in ihn eindringt.
Die Antwort auf schwarzen Rauch, der in diesem Beispiel aus brennendem Polystyrol erzeugt wird, wie in 4A gezeigt, war mit einer starken Antwort von dem Integrierdetektor 5 und einer kleineren Antwort von dem Streudetektor 9 hinsichtlich des Verdunkelungsmessgeräts deutlich verschieden.
Sowohl im Falle des schwarzen als auch des weißen Rauchs sowie für beide Detektoren war die Antwort des blauen Signals größer als die Antwort des Infrarotsignals. Die relative Größe der Signale in beiden Fällen war eine Funktion der Leuchtdioden-Antriebströme und der Gewinne in den beiden Verstärkern. Die Signale können alle als Verdunkelungssignale interpretiert werden, das heißt, als prozentuale Änderung von dem Hintergrundsignal in der Abwesenheit von Rauch. Die Daten in 3A und 4A wurden auf diese Weise jeweils in 3B beziehungsweise 4B neu eingezeichnet. Die Infrarot-Verdunkelung wurde ebenfalls in diese Figuren mit einbezogen. Die Streusignale werden in diesen grafischen Darstellungen negative Verdunkelungen, weil das Signal stärker, und nicht schwächer, wurde. Die aus 3B und 4B ersichtlichen Muster sind deutlich verschieden und wurden mit anderem weißem und schwarzem Rauch reproduziert.
5 zeigt Detektorsignale (wie 4A und 4B als prozentuale Änderung des Signals im Vergleich zu dem Wert für saubere Luft interpretiert) für ein (Nicht-Rauch-) Maisstärkestaub-Aerosol (auf der Rechtsachse eingezeichnet) im Vergleich zu Verdunkelungsmessgerätwerten (auf der Hochachse eingezeichnet).
6 zeigt Detektorsignale (wiederum. wie 4A und 4B, als die prozentuale Änderung des Signals im Vergleich zu dem Wert für saubere Luft interpretiert) für ein Wassernebel-Aerosol (auf der Rechtsachse eingezeichnet) im Vergleich zu Verdunkelungsmessgerätwerten (auf der Hochachse eingezeichnet).
Aus 5 und 6 ist ersichtlich, dass Nicht-Rauch-Aerosole im Vergleich zu den für Rauch erzeugten Mustern etwas unterschiedliche Muster erzeugten (4A und 4B). Insbesondere ist die Beziehung zwischen den blauen und Infrarotsignalen für sowohl die Integrierdetektoren als auch die Streudetektoren als Antwort auf Nicht-Rauch-Aerosole deutlich verschieden von dieser Beziehung als Antwort auf Rauchteilchen. Genauer gesagt sind die Infrarotsignale im Verhältnis zu den blauen Signalen als Antwort auf Nicht-Rauch-Teilchen größer als dies auf Antwort auf Rauchteilchen der Fall ist. Die Integrierdetektor-Verdunkelungswerte für das Infrarotsignal sind in beiden Fallen durchweg größer als die blauen Werte, auch wenn die Werte klein sind. Die Streudetektor-Signale sind nahezu gleich.
Die Ergebnisse all dieser durchgeführten Tests können durch die grafische Darstellung verschiedener Verhältnisse der vier Detektorsignale zusammengefasst werden. 7 zeigt die grafische Darstellung, die erhalten wird, wenn das Verhältnis des blauen Streusignals zu dem Infrarot-Streulichtsignal grafisch gegenüber dem Verhältnis des blauen Integrierdetektorsignals zu dem blauen Streulichtdetektorsignal dargestellt wird. Die in beiden Verhältnissen verwendeten Signale waren die prozentuale Änderung aus dem Signal für saubere Luft. Diese Änderungen können, je nachdem, ob die Absorption oder die Streuung vorherrscht, positiv oder negativ sein, deshalb können die Verhältnisse auch positiv oder negativ sein. In 7 sind die Daten für weißen oder grauen Rauch aus schwelenden Feuern ausgefüllte Formen, die Daten für schwarzen Rauch aus brennenden Feuern sind hohle Formen, und die Daten aus Nicht-Rauch-Aerosolen sind schwarze oder graue Kreuze oder Linien. Die für die Nicht-Rauch-Aerosole grafisch dargestellten Daten waren alle aufgezeichneten Daten, wo sich entweder das integrierte blaue Signal, oder das gestreute blaue Signal um mehr als 0,5% gegenüber dem ursprünglichen Wert für saubere Luft geändert hatte. Für die Rauch-Aerosole wurde dieselbe Bedingung angewandt, außer, dass die Daten nur eingetragen wurden, während die Rauchdichte zunahm. Aus 7 wird klar, dass die Aerosole aufgrund ihrer Position in dieser grafischen Darstellung als schwarzer Rauch, weißer Rauch oder Nicht-Rauch klassifiziert werden können. In 7 sind auch Daten enthalten, die aufgezeichnet wurden, während die Lufttemperatur in der Rauchbox durch Hineinblasen von heißer Luft erhöht wurde. Diese Datenpunkte fielen innerhalb des Bereichs, der von den Nicht-Rauch-Aerosolen besetzt wird.
Andere Verhältnisse von Detektorsignalen können grafisch dargestellt werden und können, zur Unterscheidung von einigen Rauchaerosolen und Fehlalarm-Aerosolen, vorteilhaft sein.
Die oben erläuterten Ergebnisse zeigen, dass weißer und grauer Rauch, der Licht streut, aber nicht absorbiert, wenig Auswirkung auf das Integrierdetektorsignal hat, von dem Streudetektorsignal jedoch einfach erfasst werden kann. Ebenso hat der Licht absorbierende schwarze Rauch eine bedeutende Wirkung auf das Integrierdetektorsignal. Er wirkt sich jedoch auch auf das Streudetektorsignal aus. Absolut ausgedrückt hat diese Vorrichtung daher einen fotoelektrischen Detektor nicht wesentlich empfindlicher auf schwarzen Rauch gemacht, sondern sie hat es relativ einfach gemacht, herauszufinden, wann schwarzer Rauch vorhanden ist. Daher besteht die Möglichkeit, den Schwellenwert des Alarms für diesen Fall zu ändern, so dass für schwarzen und weißen Rauch eine gleichförmigere Rauchempfindlichkeit erzielt werden kann, was das Verdunkelungsniveau betrifft, das einen Alarm auslöst.
Bei allen Rauchtests waren für die Signale von Streudetektor 9 und die Signale von Integrierdetektor 5 die Signaländerungen von dem blauen Kanal größer als auf dem roten Kanal. Es war nicht offensichtlich, dass dies für die Integrierdetektorsignale der Fall sein würde, wo Streuung weniger zu dem Signal beiträgt. Dafür kann es mehrere Gründe geben. Obgleich klein, kann das Streusignal dennoch insbesondere bei weißem Rauch, wo andere Wirkungen klein sind, die dominante Wirkung sein. Bei schwarzem Rauch, wo eine signifikante Absorption vorliegt, kann die Absorption in dem Blauen höher sein als in dem Infraroten, oder, alternativ, die weiße Beschichtung auf der Ulbricht-Kugel kann in dem Blauen, das eine längere effektive Absorptionsweglänge bereitstellt, besser funktionieren. Aus den Daten des Verdunkelungsmessgeräts ist bekannt, dass die Gesamtverluste durch Streuung, Reflexion und Absorption im sichtbaren Bereich höher sind als in dem Infrarotbereich, aber die Absorptionskomponente davon kann nicht einfach ermittelt werden.
Die anscheinende Weglänge für Absorption in der Ulbricht-Kugel kann durch Vergleichen der gemessenen Verdunkelung der Ulbricht-Kugel mit den Daten des sichtbaren Verdunkelungsmessgeräts geschätzt werden. Wenn die geometrische Absorptionslänge als zweimal der Kugeldurchmesser, das heißt, 100 mm, angenommen wird, beträgt die anscheinende Absorptionslänge für schwarzen Rauch ungefähr 150 mm für das blaue Signal, und 80 mm für das Infrarot-Signal. Diese Ergebnisse können mit besseren Beschichtungen auf der Kugel verbessert werden. Sie sind jedoch, angesichts der Tatsache, dass die Ulbricht-Kugel nur auf den Absorptionsbeitrag zu der herkömmlichen Verdunkelungsanzeige reagiert, und dass die Kugel aufgrund der Aperturen für den Streudetektor und den Raucheintritt nicht vollständig ist, nachvollziehbar. Nichtsdestoweniger bedeutet das für das blaue Signal, dass die Ulbricht-Kugel eine einfache Art ist, eine Absorptionsweglänge zu erhalten, die länger ist als ein zweifacher Durchlauf quer über die Rauchkammer, ohne kritische optische Ausrichtung. Dadurch kann eine bessere Unterscheidung von verschiedenen Raucharten bereitgestellt werden, weil die Ulbricht-Kugel besonders gut auf Absorption reagiert. Die anscheinende Absorptionsweglänge kann mit der Verschmutzung der Kugeloberfläche variieren. Nur absorbierende Verschmutzung sollte jedoch eine ausgesprochene Wirkung haben. Verschmutzung, die Licht nur streut, wird keine große Wirkung haben, anders als ihre Wirkung auf herkömmliche optische Systeme. Es kann vorteilhaft sein, die Streueigenschaften der Kugeloberfläche nicht optimal zu machen, wie hergestellt, so dass über die Zeit weniger durch Verschmutzung verursachte Veränderung auftritt.
Wenn der unterste Schwellenwert zur Erzeugung eines Alarms bei einer Änderung des blauen Signals von 1% eingestellt wird, was vielleicht nicht unvernünftig ist, da die Unterscheidungsdaten oberhalb von 0,5% zuverlässig zu sein scheinen, sind die Verdunkelungsniveaus, die Alarm für verschiedene Rauchteilchen auslösen, in der untenstehenden Tabelle aufgeführt. In der Tabelle sind auch Werte für die Nicht-Rauch-Aerosole aufgeführt, wo die angegebenen Verdunkelungsniveaus keinen Alarm darstellen, sondern Werte, wo eine Unterscheidungs-Entscheidung getroffen wird. Bei allen Rauchtests trat die 1%-ige Signaländerung zuerst auf dem Streudetektor auf. Bei dem Aerosol-Sprühdosentest trat die 1%ige Signaländerung zuerst auf dem integrierten blauen. Signal auf. Die in der Tabelle genannten Werte stammen aus den Messdaten, und sie berücksichtigen nicht die Tatsache, dass die Rauchdichte an dem Detektor wegen der Rauch-Durchgangszeit hinter derjenigen an den Verdunkelungsmessgeräten zurückbleibt. Die Werte in der Tabelle sind daher minimale Empfindlichkeitswerte. Die Rauch-Durchgangszeit hat mehr Wirkung auf die Verdunkelungen durch schwarzen Rauch, da die Anstiegsrate der Rauchdichte in diesen Tests höher war.

Tabelle der Verdunkelungswerte, die gemessen wurden, wenn eine Änderung des blauen Signals von 1 % aufgezeichnet wurde.

Aerosol-Quelle (Art)	Sichtbare Verdunkelung (%/m)	Infrarot-Verdunkelung (%/m)
Schwelende Baumwolle (weiß)	0,6	0,2
Schwelendes Papier (weiß)	1,3	0,6
Schwelende Pappe (weiß)	4,2	1,3
Brennendes Polystyrol (schwarz)	14,0	8,2
Brennendes Paraffin (schwarz)	5,8	4,3
Nebel aus kondensiertem Wasser (Nicht-Rauch)	66,8	83,2
Aerosol-Sprühdose (Nicht-Rauch)	3,2	5,6
Maisstärkestaub (Nicht-Rauch)	12,5	18,4

Die Daten in der Tabelle zeigen, dass die Signaländerung bei Alarmbedingung für den Rauch aus dem Standardtest mit schwelender Baumwolle auf die Empfindlichkeit von herkömmlichen Rauchdetektoren entspannt werden könnte, unter Beibehaltung eines empfindlichen Alarms für schwarzen Rauch, um die Gleichförmigkeit der Antwort zu verbessern. Die Erhöhung des Alarmschwellenwertes für weißen Rauch bewirkt auch, dass die Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichem weißem Rauch gleichförmiger wird, da manche Abweichungen in der Tabelle auf Unterschiede in der Anstiegsrate der Rauchdichte zurückzuführen sind. Wenn der Alarm bei schwelender Baumwolle auf ungefähr 6%/m eingestellt ist, um der Empfindlichkeit gegenüber brennendem Paraffin zu entsprechen, dann würde der Alarm für schwelendes Papier und schwelende Pappe jeweils bei 9 beziehungsweise 10%/m ausgelöst.
Andere Raucharten können dadurch identifiziert werden, dass sie spezifische Detektorsignal-Verhältnisse liefern, und können ihre eigenen Alarmbedingungen zugeordnet bekommen.
Die Verwendung der vier verfügbaren Signale zur Erzeugung eines Alarms und die Verwendung von Signalverhältnissen stellt eine gewisse Kompensation oder Anerkennung von umgebungsbedingten Auswirkungen und langfristigen Veränderungen in der Vorrichtung dar, wie sie beispielsweise durch Verschmutzung der Kugeloberfläche verursacht werden. Die Wirkung einer Temperaturänderung ist beispielsweise wesentlich unterschiedlich von der eines Rauch-Aerosols.
Vorteile des beschriebenen Ausführungsbeispiels umfassen: die verbesserte Empfindlichkeit gegenüber Absorption, wodurch die Unterscheidung zwischen schwarzem und weißem Rauch verstärkt wird; die Fähigkeit, Messungen bei zwei oder mehr Wellenlängen vorzunehmen und die Signalverhältnisse zur Unterscheidung zwischen Rauch und Nicht-Rauch zu verwenden; und erhöhte Absorptionsweglänge ohne optische Bauteile und kritische Ausrichtung.
Der vorstehenden Erläuterung kann entnommen werden, dass die Anwesenheit von verschiedenen Rauch- und Teilchenarten aus den vier Werten identifiziert werden kann, die von den Detektoren 5 und 9 stammen: „blueint" und „redint", die blaue und Infrarot-Strahlung angeben, die von dem Integrierdetektor 5 empfangen wird, und „bluescatt" und „redscatt", die blaue und Infrarot-Strahlung angeben, die von dem Streudetektor 9 empfangen wird.
Die Daten aus 7 können verwendet werden, um eine Reihe von Wertbereichen für „blueint", „redint", „bluescatt" und „redscatt" einzustellen, die schwarzen Rauch aus brennenden Materialien und weißen/grauen Rauch aus schwelenden Materialien anzeigen. Die Werte von „blueint", „redint", „bluescatt" und „redscatt", die von dem Rauchdetektor 1 erhalten werden, können mit einem auf Computer 27 laufenden Computerprogramm (oder mit einem anderen Datenverarbeitungsgerät, ob nun mit Hardware oder Software durchgeführt) mit diesen Bereichen verglichen werden, um einen Alarm bereitzustellen, der meldet, ob schwarzer oder weißer/grauer Rauch an dem Detektor 1 vorhanden ist.

Claims

Teilchendetektor, der eine Kammer (2) mit einer im Wesentlichen Lambert'schen Fläche (3) mit im Wesentlichen hoher Reflektivität und zum Aufnehmen von Teilchen, eine Strahlung emittierende Einrichtung (19) zum Emittieren von Strahlung in die Kammer (2) und eine Strahlungsdetektionseinrichtung (5) zum Detektieren der Wirkung der Teilchen auf die Strahlung innerhalb der Kammer (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsdetektionseinrichtung (5) primär zum Detektieren von Absorption der Strahlung durch die Teilchen ist und die Strahlungsdetektionseinrichtung (5) einen breiten Blickwinkel hat, um Strahlung direkt von einem wesentlichen Teil der Lambert'schen Fläche (3) hoher Reflektivität, welche Fläche direkt durch die Strahlung emittierende Einrichtung bestrahlt wird, zu empfangen.
Detektor nach Anspruch 1, wobei die Teilchen Rauchteilchen enthalten.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lambert'sche Fläche (3) hoher Reflektivität eine Mehrheit der Fläche der Kammer (2) ist.
Detektor nach Anspruch 1, wobei die Lambert'sche Fläche (3) hoher Reflektivität wenigstens 80% der Fläche der Kammer (2) bedeckt.
Teilchendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine zweite Strahlungsdetektionseinrichtung (9), primär zum Detektieren der Streuung von Strahlung durch die Partikel, enthält.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine zweite Strahlung emittierende Einrichtung (21) zum Emittieren von Strahlung in die Kammer (2) enthält, wobei die zweite Strahlung emittierende Einrichtung (21) eine Wellenlänge oder Wellenlängen hat, die von der Wellenlänge oder den Wellenlängen, die durch die erste Strahlung emittierende Einrichtung (19) emittiert wird bzw. werden, verschieden ist bzw. sind.
Detektor nach Anspruch 6, wobei die erste Strahlung emittierende Einrichtung (19) Blaulicht emittiert und die zweite Strahlung emittierende Einrichtung (21) Infrarotstrahlung emittiert.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (2) eine Strahlung absorbierende Fläche (13) enthält.
Detektor nach Anspruch 8, wobei die Strahlung absorbierende Fläche (13) schwarz ist.
Detektor nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Kammer (2) Löcher (15) enthält, die das Durchlassen von Teilchen ermöglichen, wobei wenigstens eines der Löcher (15) in der Strahlung absorbierenden Fläche (13) ist.
Detektor nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die erste Strahlungsdetektionseinrichtung (5) auf der Strahlung absorbierenden Fläche (13) angeordnet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die zweite Strahlungsdetektionseinrichtung (9) im Wesentlichen nur auf Strahlung in einem Weg zwischen der zweiten Strahlungsdetektionseinrichtung (9) und der Strahlung absorbierenden Fläche (13) reagiert.
Detektor nach Anspruch 6 oder 7, der Einrichtungen (23, 27) zum Verarbeiten von Signalen von der Strahlungsdetektionseinrichtung oder von jeder Strahlungsdetektionseinrichtung (5, 9) enthält, um Daten zu erhalten, die die detektierte Strahlung anzeigen, die durch jede der Strahlung emittierenden Einrichtungen (19, 21) emittiert wurden.
Detektor nach Anspruch 13, wobei die Daten durch Frequenzmultiplexen erhalten werden.
Detektor nach Anspruch 13, wobei die Daten durch Zeitmultiplexen erhalten werden.
Detektor nach Anspruch 13, wobei die zwei Strahlung emittierenden Einrichtungen (19, 21) auf verschiedenen Frequenzen angesteuert werden und die Verarbeitungseinrichtung (23, 25, 27) Lock-in-Verstärker enthält, die auf verschiedenen Frequenzen und zum Empfangen des Ausgangs der Detektionseinrichtungen (5, 9) betriebsfähig sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlung emittierende Einrichtung oder die Strahlung emittierenden Einrichtungen (19, 21) in Bezug auf die Strahlungsdetektionseinrichtung oder jede Strahlungsdetektionseinrichtung (5, 9) beliebig positioniert ist bzw. sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Strahlung emittierende Einrichtung (19, 21) einen Öffnungswinkel zwischen ungefähr +10° oder –10° und ungefähr +15° oder –15° hat.
Detektor nach Anspruch 5 und Anspruch 2, eine Verarbeitungseinrichtung (23, 25, 27) zum Analysieren von Daten von den zwei Strahlungsdetektionseinrichtungen (5, 9) enthaltend, um Eigenschaften der Rauchteilchen in der Kammer (2) zu bestimmen.
Detektor nach Anspruch 5 und Anspruch 2 oder Anspruch 3, eine Verarbeitungseinrichtung (23, 25, 27) zum Analysieren von Daten von den zwei Strahlungsdetektionseinrichtungen (5, 9) enthaltend, um zu bestimmen, ob Rauchteilchen oder andere Teilchen in der Kammer (2) vorhanden sind.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Strahlungsdetektionseinrichtung (9) und die Kammer (2) so konfiguriert sind, dass die erste Strahlungsdetektionseinrichtung (9) einen direkten Blick auf im Wesentlichen die gesamte Kammer (2) hat.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (2) ellipsenförmig ist.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (2) kugelförmig ist.
Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (2) eine Ulbricht-Kugel (2) ist.
Detektor nach Anspruch 6 oder 7, die zusätzlich zu der ersten Strahlung emittierenden Einrichtung und der zweiten Strahlung emittierenden Einrichtung (19, 21) wenigstens eine weitere Strahlung emittierende Einrichtung enthält, wobei die weitere Strahlung emittierende Einrichtung eine Wellenlänge oder Wellenlängen hat, die von der Wellenlänge oder den Wellenlängen der ersten Strahlung emittierenden Einrichtung und der zweiten Strahlung emittierenden Einrichtung (19, 21) verschieden ist bzw. sind.
Teilchendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lambert'sche Fläche mehr als 90% der Strahlung reflektiert.
Teilchendetektionsverfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Kammer (2) mit einer im Wesentlichen Lambert'schen Fläche (3) mit im Wesentlichen hoher Reflektivität und zum Aufnehmen von Teilchen, Emittieren von Strahlung in die Kammer (2) und Detektieren der Wirkung der Teilchen auf die Strahlung innerhalb der Kammer (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Detektierens von Strahlung das Detektieren der Absorption von Strahlung durch Empfangen von Strahlung direkt von einem wesentlichen Teil der Lambert'schen Fläche (3) hoher Reflektivität, welche Fläche durch die Strahlung emittierende Einrichtung direkt bestrahlt wird, enthält.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Teilchen Rauchteilchen sind.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28 wobei der Schritt des Detektierens von Strahlung des Weiteren den Schritt des Detektierens von Streuung von Strahlung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei der Schritt des Emittierens von Strahlung die Schritte des Emittierens von Strahlung auf zwei verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen enthält.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei eine der Wellenlängen oder einer der Wellenlängenbereiche dem des Blaulichts entspricht und die andere der Wellenlängen oder der Wellenlängenbereiche dem der Infrarotstrahlung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, das den Schritt des Analysierens der detektierten Strahlung enthält, um Daten zu erhalten, die die bei jeder der Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche empfangene Strahlung anzeigen.
Verfahren nach Anspruch 32, das den Schritt des Ableitens von Signalen aus den Daten umfasst, die die Art der Teilchen innerhalb der Kammer anzeigen.
Verfahren nach Anspruch 33, das den Schritt des Ableitens von Signalen enthält, die anzeigen, ob die Teilchen Rauchteilchen sind oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, das den Schritt des Emittierens von Strahlung von wenigstens einer weiteren Wellenlänge oder wenigstens eines weiteren Wellenlängenbereichs enthält, die bzw. der verschieden von den zwei Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 35, wobei die Lambert'sche Fläche mehr als 90% der Strahlung reflektiert.