DE69636022T2

DE69636022T2 - Feuermeldesystem mit Unterscheidung von Rauchpartikeln

Info

Publication number: DE69636022T2
Application number: DE69636022T
Authority: DE
Inventors: Donald D. Easton Anderson; Lee Bartlett Tice
Original assignee: Pittway Corp
Current assignee: Pittway Corp
Priority date: 1996-01-05
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: EP0788082B1; JPH09288784A; DE69624461T2; US5764142A; EP1251471A3; DE69624461D1; EP1251471A2; DE69636022D1; EP0788082A3; EP1251471B1; EP0788082A2; JP3860635B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Unterdrückung von Rauschstörungen auf elektrischen Signalen, die von Umgebungszustandssensoren erfasst werden. Insbesondere betrifft die Erfindung Arbeitsvorrichtungen und -verfahren zur Minimierung von Rauschstörungsvariationen in elektrischen Signalen, die Umgebungsbedingungen, wie Rauch oder Feuer anzeigen.
Hintergrund der Erfindung
Für die Detektierung von Meldebedingungen sind verschiedene Systeme bekannt. Ein spezielles dieser Systeme ist ein Rauch- oder Feuerdetektierungssystem einer Art, die allgemein in dem älteren US-Patent 4,916,432 von Tice et al., das auf einen gemeinsamen Anmelder übertragen ist, veranschaulicht ist. Die anhängige US-Anmeldung 08/522,599 eingereicht 1995, ist ebenfalls auf einen gemeinsamen Anmelder übertragen und als EP-A-760464 veröffentlicht, die den Stand der Technik gemäß Art. 54 (3) (EPC) für die benannten Vertragsstaaten DE, FR und GB bildet.
Auf den Empfang von Eingangssignalen aus einem oder mehreren der Detektoren des Systems hin kann eine dem System zugeordnete Steuereinheit bestimmen, ob in einem oder mehreren interessierenden Gebieten eine Feuerbedingung gegeben ist. In der Vergangenheit wurden verschiedene Techniken eingesetzt, um dies zu bestimmen.
Rauchsensoren, wie bspw. fotoelektrische Rauchsensoren oder Ionisationsrauchsensoren, sollen Ausgangssignale liefern, die die erfassten Niveaus von Rauch in der Umgebung anzeigen. Umgebungsrauschen wie Staubpartikel oder Insekten, die in den jeweiligen Detektor eintreten können, können Variationen in den Ausgangssignalen, aus den Sensoren erzeugen, die in keiner Weise mit dem Vorhandensein von Rauch in Zusammenhang stehen. Diese Rauschausgangssignale können falsche Meldungen erzeugen, wenn die Empfindlichkeit des jeweiligen Detektors hoch genug ist. Solche Falschmeldungen sind unerwünscht.
Frühere Versuche, dieses Problem anzugehen, waren nur teilweise erfolgreich. In Detektoren wurden Blenden eingesetzt, um den Eintritt von Insekten in die Einheit zu sperren. Die Empfindlichkeit eines gegebenen Detektors kann verringert werden, wobei größere Ausgangssignale erforderlich sind, um eine Falschmeldebedingung zu erzeugen (auch größere Ausgangssignale, um eine wirkliche Meldebedingung zu erzeugen). Dies ist eine weniger als wünschenswerte Lösung, da sie die Erzeugung eines Meldesignals beim Vorhandensein von Rauch oder Feuer verzögert. Alternativ dazu kann eine Art der Filtration oder Glättung des Ausgangssignals entweder analog oder digital, für den Zweck des Verringerns der Effekte solcher vorübergehender Rauschstörungen eingesetzt werden.
Lösungen, gemäß denen zwischen Rauchpartikeln und anderen Partikeln oder Objekten unterscheiden wird, sind bspw. in der EP-A-0 760 338, der WO-A-95/29393 oder der JP-A-52-135297 offenbart.
Nichtsdestoweniger bleibt der Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung und Techniken zum Minimieren von Rauschstörungen, so dass Detektoren mit der höchstmöglichen Empfindlichkeit betrieben werden können, wobei sie jedoch ausreichend immun gegen Falschmeldungen aufgrund vorübergehenden Rauschens sind. Vorzugsweise können solche Vorrichtungen und Verfahren in Detektoren integriert werden, ohne die Komplexität oder Kosten derselben deutlich zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feuerdetektions- und Meldesystem angegeben, welches mindestens einen photoelektrischen Rauchdetektor mit einem zylindrischen Gehäuse, welches ein inneres Volumen begrenzt, einer Quelle zum Erzeugen eines Erfassungslichtstrahles, welcher in das innere Volumen projiziert wird, und einer Steuereinheit, welche elektrische Signale vom Rauchdetektor empfängt und welche einen Computerabschnitt und einen Alarmsignalisierungsabschnitt aufweist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl einen Erfassungsbereich aufweist, dessen Abmessungen kleiner sind als der typische Abstand zwischen umgebenden Staubpartikeln, und einen Streulichtsensor, der die elektrischen Signale erzeugt, welche ein Maß für die Rauchkonzentration innerhalb des Detektors sind; und durch ein Steuerprogramm, das innerhalb des Computerabschnitts der Steuereinheit gespeichert ist, wodurch das Programm die Signale aus dem Rauchdetektor verarbeitet, und das einen Hilfsalarm-Signalabschnitt aktiviert, wenn Signale empfangen werden, die durch ein vorgegebenes Niveau an Rauchpartikeln im Rauchdetektor hervorgerufen werden, das jedoch die Alarmabschnitt nicht aktiviert, wenn Signale empfangen werden, welche durch Staubpartikel in dem Rauchdetektor verursacht werden.
Detektorkammersignale werden durch den Streulichteffekt von Partikeln hervorgerufen, die durch einen sehr kleinen, aber sehr intensiven Lichtstrahl treten. Andere Partikel als Rauch, wie bspw. Staub und Flusen, sind relativ spärlich und relativ groß im Vergleich zu Rauchpartikeln.
Ein erfindungsgemäßer Fotodetektor vereinigt eine kurze effektive Strahlenlänge mit einem Strahl geringen Durchmessers. Dies führt zu einem Strahlerfassungsvolumen in der Größenordnung von 10% derjenigen von Detektoren des Standes der Technik.
Aufgrund des speziell geringen Volumens des Lichtstreubereiches und da die Partikel ständig in Bewegung sind, verbleiben nicht von Rauch stammende Partikel für gewöhnlich nur für eine kurze Zeitdauer in dem kleinen Lichtstreuvolumen, weswegen sie ein vorübergehendes Signal erzeugen. Da Rauchpartikel viel kleiner und zahlreicher im Lichtstreuvolumen sind, liefern sie ein relativ kontinuierliches Signal.
Die Merkmale dieser vorübergehenden Signale können als Basis für die Unterscheidung zwischen diesen Rauchsignalen und einem rauchinduzierten Signal verwendet werden. Sobald es möglich ist, Rauschsignale zuverlässig von Rauchsignalen zu unterscheiden, wird es möglich, die Detektoren bei höheren Empfindlichkeitsniveaus ohne übermäßige Zunahme an Falschmeldungen zu betreiben. Die Folge eines solchen Betriebes mit hoher Empfindlichkeit ist, dass kleine, langsam brennende Feuer leichter detektiert werden können.
Eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Ausgangssignals aus einem Sensor für Umgebungsbedingungen kann sich beim Sensor befinden oder von diesem beabstandet. Die Verarbeitungsvorrichtung entfernt Rauschimpulse, die nicht mit einer erfassten Umgebungsbedingung korreliert sind.
In einer Ausführungsform kann eine Software in einem entfernt angeordneten Steuerelement dazu verwendet werden, die vorübergehenden Signale von den kontinuierlichen Rauchsignalen zu unterscheiden. Ein so konstruiertes Feuermeldesystem kann sehr niedrige Rauchniveaus ohne durch nicht von Rauch stammenden Signalen hervorgerufene Falschmeldungen detektieren, weswegen derartige Systeme eine viel frühere Warnung vor einem Feuer liefern als anders konstruierte Systeme.
Zusätzlich kann vor der Entfernung des durch Staub induzierten Rauschens eine bestehende Gleichspannung entfernt werden. Schließlich kann das verbleibende Signal, nachdem die auf induziertem Rauschen beruhenden Effekte entfernt worden sind, weiter verarbeitet werden, um Hochfrequenzrauschen zu eliminieren.
Das verarbeitete Signal kann dann einer Feueranalyse unterzogen werden. Es kann auch mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen werden, um eine Feuerbestimmung auszuführen.
Das Verarbeiten zum Entfernen von durch Staub hervorgerufenen Störungen kann durch Vergleichen des vorhandenen Ausgangswertes aus diesem Sensor mit einem früheren Ausgangswert und Auswählen eines Minimalwertes dazwischen ausgeführt werden. Die Vorrichtung kann einen Speicher für zwei frühere Werte beinhalten, und der aktuelle Ausgangswert kann mit zwei früheren Werten verglichen und ein Minimum der drei Werte ausgewählt werden.
Eine zusätzliche Verarbeitung kann durch Vergleichen des aktuellen Ausgangswertes mit einem nominalen erwarteten Ausgangswert ausgeführt werden. Wenn der aktuelle Wert den nominalen erwarteten Ausgangswert übersteigt, wird unter dem aktuellen Ausgangswert und einem oder mehreren früheren Werten ein Minimum ausgewählt. Wenn der aktuelle Ausgangswert geringer ist als der nominal erwartete Wert, wird ein Maximum unter dem aktuellen Ausgangswert und einem oder mehreren früheren Ausgangswerten ausgewählt.
Zahlreiche andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der Ausführungsformen derselben, aus den Ansprüchen und aus den begleitenden Zeichnungen offensichtlich. In den Zeichnungen sind die Details der Erfindung vollständig und ganz als Teil dieser Darstellung offenbart sind, offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Meldesystems;
2 ist ein Blockdiagramm eines mit dem Meldesystem von 1 verwendbaren Detektors;
2A ist eine Schnittansicht eines fotoelektrischen Detektors des Standes der Technik;
2B ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen fotoelektrischen Detektors;
3 ist eine schematische Ansicht des fotoelektrischen Detektors von 2B, die Raucheffekte veranschaulicht;
4 ist eine Ansicht des Detektors von 3, die Staubeffekte veranschaulicht;
5 ist ein Graph des Ausgangs eines Detektors, wie des Detektors von 3, als Funktion der Zeit oder Probenummer beim Fehlen einer zu erfassenden Umgebungsbedingung;
6 ist ein Graph einer aufgearbeiteten Darstellung des Sensorsignalausgangs aus dem in 3 veranschaulichten Detektor;
die 7a bis 7c sind ein Satz von Graphen, die einen Sensorsignalausgang sowie verarbeitete Variationen desselben veranschaulichen;
8 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht; und
9 ist ein Graph, der die Effekte des Steigerns der Glättung beim Verarbeiten auf Niveau 3 als Funktion zunehmender Empfindlichkeit eines gegebenen Detektors veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Obwohl die Erfindung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden kann, sind in der Zeichnung spezifische Ausführungsformen derselben gezeigt und werden nachstehend detailliert beschrieben, wobei anzumerken ist, dass die Offenbarung als Beispiel für die Prinzipien der Erfindung anzusehen ist und nicht dafür gedacht ist, die Erfindung auf die spezifischen veranschaulichen Ausführungsformen zu beschränken.
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems 10. Dieses System 10 beinhaltet eine Steuereinheit 12, die mit einem programmierbaren Prozessor 14 und einer Speichereinheit 16 ausgestattet werden kann. Die Speichereinheit 16, die unter Verwendung eines Lesespeichers, eines Lese-/Schreibspeichers oder eines elektrisch programmierbaren Lesespeichers verwirklicht werden kann, kann sowohl Steuerprogramme als auch Datenspeicherbereiche zur Verwendung durch den Prozessor 14 beinhalten.
Die Steuereinheit 12 ist mit einer Zweiwege-Kommunikationsverbindung 20 mit einer Anzahl an Sensoren für Umgebungsbedingungen oder Detektoren, die allgemein mit 22 gekennzeichnet sind, gekoppelt. Die Mitglieder der Anzahl 22, wie Sensoren 22a, 22b–22n, sollen eine spezielle Umgebungsbedingung in einem benachbarten Bereich detektieren.
Die Steuereinheit 12 beinhaltet auch eine Anzahl an Ausgängen. Die Ausgänge können dazu verwenden werden, hörbare oder visuelle Alarme zu aktivieren. Zusätzlich kann die Einheit 12 mit Ventilations- oder Lüftungssystemen im Gebäude gekoppelt sein, um Rauchwanderung zu kontrollieren.
Beispielhafte Arten von Detektoren umfassen Ionisations-Rauchdetektoren oder fotoelektrische Rauchdetektoren. Auch Temperatursensoren sowie andere Arten von Sensoren für Umgebungsbedingungen können bei dem erfindungsgemäßen System 10 eingesetzt werden.
2 ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Detektors 22i, der bei dem System 10 verwendbar ist. Der Detektor 22i beinhaltet ein Sensorelement 30. Das Element 30 soll eine spezielle Umgebungstemperatur erfassen, wie bspw. Rauch, Temperatur, Infrarotstrahlung oder dergleichen, und es erzeugt ein diese anzeigendes elektrisches Signal auf einer Leitung 32.
Wiederum mit Bezug auf 2 ist der Ausgang des Sensors 30 auf der Leitung 32 mit einem Steuerelement 40 für einen lokalen Detektor gekoppelt. Das Steuerelement 40 kann durch eine digitale oder analoge Schalung verwirklicht werden. Wenn es in digitaler Form vorliegt, kann das Steuerelement 40 entweder als festverdrahtetes Logikelement ausgeführt sein oder einen programmierten Mikroprozessor beinhalten. Das Steuerelement 40 kann über eine Schnittstellenschaltung 42 eine Zweiwege-Kommunikation über die Kommunikationsverbindung 20 mit der Systemsteuereinheit 12 herstellen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das im Folgenden beschrieben werden soll, kann sowohl in der Systemsteuereinheit 12 oder im Steuerelement 40 für den lokalen Detektor ohne Begrenzung implementiert werden. Die Implementierung kann entweder durch eine festverdrahtete Schaltung oder mittels eines programmierten Mikroprozessors, ebenfalls ohne Begrenzung, erfolgen.
2A veranschaulicht im Querschnitt eine fotoelektrische Kammer PA-10 des Standes der Technik. Diese Kammer beinhaltet ein Gehäuse PA-12 mit einem internen Erfassungsvolumen PA-14.
Eine lichtemittierende Quelle PA-16 ist auf dem Gehäuse getragen und so ausgerichtet, dass sie einen Lichtstrahl PA-18 in den internen Lichterfassungsbereich PA-14 emittiert. Wie dies in 2A veranschaulicht ist, zeigt der emittierte Lichtstrahl PA-18 eine etwas konische erweiterte Form, wenn er den Bereich PA-14 durchquert. Der Lichtstrahl PA-18 ist gegen eine lichtabsorbierende Falle gerichtet, die ebenfalls auf dem Gehäuse PA-12 getragen ist.
Gegenüber der Achse des Strahles PA-18 versetzt befindet sich ein fotoelektrischer Sensor PA-20. Der Sensor PA-20 ist so ausgerichtet, dass Licht vom Strahl PA-18, das durch Teilchen im Volumen PA-14 gestreut worden ist, auf ihn trifft, wodurch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird.
Die Elemente PA-22 und PA-24 begrenzen die Lichtmenge, die auf den Sensor PA-20 treffen kann.
Das effektive lichterfassende Volumen für die Geometrie der Kammer PA-10 liegt in der Größenordnung von 0,064 Kubikzoll [= π/3 × (1,25TAN10°)² × 1.25](1,05 × 10³ mm³).
2B ist eine Querschnittszeichnung einer raucherfassenden Kammer 30 einer beispielhaften Rauchdetektierungsvorrichtung der Erfindung, wie bspw. 22i. Das Gehäuse 30 kann bspw. einen Durchmesser in der Größenordnung von 3 Zoll (76,2 mm) oder weniger aufweisen. Bspw. kann ein Gehäuse mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 2,5 Zoll (63.5 mm) oder weniger verwendet werden.
Von dem Gehäuse der Kammer 30 wird eine kohärente Lichtquelle 30-1 hoher Intensität, wie bspw. ein Laser oder eine Laserdiode, getragen. Die Lichtquelle ist gepulst, damit sie in periodischen Intervallen (alle paar Sekunden) einen kurzen Lichtpuls emittiert.
Eine Linse 30-2 fokussiert das Licht in einen kleinen aber intensiven zylindrischen Strahl 30-3, der sich durch die Detektorkammer fortsetzt, bis er auf eine Lichtfalle 30-4 am gegenüberliegenden Ende der Kammer trifft. Die Lichtfalle absorbiert den Großteil des Lichtes und reflektiert eine kleine Menge vom zentralen Kammerbereich weg.
Vorzugsweise erzeugt die Quelle 30-1 zusammen mit der Linse 30-2 einen Strahl 30-3, welcher ein effektives Strahlenvolumen oder Lichterfassungsvolumen in der Größenordnung von 0.0067 Kubikzoll [= π/3 × (0,7TAN4,5°)² × 0,7](110.7 mm³) aufweist. Dieses Strahlvolumen liegt in der Größenordnung von 10% desjenigen der Detektoren des Standes der Technik.
Somit sind Staubpartikel im Vergleich zum Durchmesser und Volumen des Strahls 30-3 groß. Die Abmessungen des Lichtstrahls 30-3 sowie des Erfassungsstrahlvolumens sind geringer als ein typischer Abstand zwischen umgebenden Staubpartikeln. Wie nachfolgend beschrieben wird, bewirkt dieses verringerte Volumen, dass der Detektor 30 weniger wahrscheinlich staubinduzierte Ausgangssignale erzeugt, die vom Vorhandensein von Rauch zu stammen scheinen.
Die 3 und 4 sind schematische Darstellungen des Detektors 30 von 2B.
Es sind kleine Rauchpartikel 5 gezeigt, die sich an vielen Stellen in der Luft in der Detektorkammer befinden. Die Rauchpartikel 6 im zentralen Bereich des Lichtstrahls streuen einen Teil des Lichts in alle Winkel.
Ein Lichtsensor 30-7, wie bspw. eine Fotodiode, ist unter einem Winkel zur Achse des Lichtstrahls angeordnet, so dass Lichtsignale von der Laserdiode 30-1 normalerweise nicht den Lichtsensor berühren. Der Lichtsensor 30-7 detektiert jedoch einen Teil des Lichts, das durch die Rauchpartikel 6 gestreut wird, und wandelt das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um. Die elektronische Schaltung 40, 42 im Detektor überträgt ein elektrisches Signal zum Steuerpanel oder der Einheit 12.
Als Quelle 30-1 im Detektor 30 ist ein 5-Milliwatt-Laser ROHM, Modell Nr. RLD-78MAT1 verwendbar. Die Linse 30-2 ist eine Sammellinse.
4 ist identisch mit 3 mit der Ausnahme, dass keine Rauchpartikel im Gehäuse vorhanden sind. Stattdessen sind Staubpartikel 7 gezeigt, die im Vergleich mit dem Strahldurchmesser relativ groß und relativ spärlich sind und an mehreren Punkten in der Luft der Detektorkammer vorhanden sind. Aufgrund ihrer geringen Dichte treten Staubpartikel nur selten in das relativ kleine Lichstrahlvolumen ein. Als Folge davon kann Rauschen aufgrund von Staubpartikeln von Rauch unterschieden werden.
Ein einzelnes Staubpartikel 8 ist in dieser seltenen Position gezeigt und streut eine große Lichtmenge, von der ein Teil durch den Lichtsensor 30-7 detektiert wird. Die Staubpartikel sind aufgrund von kleinen Luftströmungen in der Kammer ständig in Bewegung. Aufgrund dieser Bewegung können die Staubpartikel 8 nur für eine kurze Zeitdauer im Lichtstrahl verbleiben.
Der Sensor 30-7 erzeugt ein vorübergehendes Signal für Staubteilchen. Die Zeit, die das Teilchen 8 im Lichtstrahl verbleibt, ist gleich der Breite des Strahles in Richtung des Teilchenflusses, geteilt durch die Durchschnittsgeschwindigkeit des Teilchens.
Wie dies bekannt ist, wird die Lichtquelle 30-1 alle paar Sekunden durch kurze Impulse aktiviert. Als Ergebnis davon tritt es häufig auf, dass ein Staubteilchen dazu führt, dass der Sensor 30-7 nur einen einzelnen Ausgangsrauschpuls erzeugt.
5 ist eine Darstellung eines elektrischen Ausgangssignals aus einem Sensor 30, bei dem ein Staubpartikel durch den Detektorlichtstrahl getreten ist, auf einer Leitung oder Leitungen 32. Dies ist das Rohsignal, wie es direkt von einem einzelnen Rauchdetektor über mehrere Proben erhalten wird. Das Signal auf der Leitung oder den Leitungen 32 kann genommen und über die Schnittstelle 42 und die Verbindung 20 zur Steuereinheit 12 übertragen werden.
Die Linie 36a zeigt ein Schwellwertsignalniveau für eine Meldung an, bei dem die Steuerkonsole 12 normalerweise einen Alarmzustand anzeigt.
Wie dies ebenfalls in 5 veranschaulicht ist, erzeugt der Sensor 30 auf der Leitung oder den Leitungen 32 statistisches Rauschen, das durch Pulse, wie bspw. Pulse 38a, 38b, angezeigt ist. Diese Pulse, die in 5 nicht mit einer zu erfassenden Umgebungsbedingung, wie Rauch, Feuer oder Temperatur, korreliert sind, stellen das Vorhanden von statistischem Rauschen dar, auf das der Sensor 30 anspricht.
Typische solcher Rauschquellen beinhalten Staub, Insekten, vorübergehende elektrische Bedingungen, auf die der Sensor 30 anspricht, und dergleichen. Die Pulse 38a–38b sind mit keiner zu erfassenden Umgebungsbedingung, wie Rauch, Wärme oder Feuer, korreliert. Als Ergebnis stellen diese Signale unerwünschte Variationen dar, welche, bei hochempfindlichen Systemen wahrnehmbar falsche Meldungen erzeugen würden, wenn nicht gegengesteuert würde.
Es existiert eine Gleichspannung oder ein Wert 36 für klare Luft, der durch Hintergrund-Lichtreflexionen, Alterung von Komponenten und anderen Langzeiteffekten hervorgerufen wird. Zusätzlich existiert auf der Wellenform aufgrund relativ hochfrequenter elektrischer Interferenz ein Rauschen 38c.
Als Ergebnis extensiver Experimente mit Detektoren des Standes der Technik, wie der Art von Detektor, die in 2A veranschaulicht ist, wurde festgestellt, dass beim Vorhandensein von Staubpartikeln solche Detektoren glatte Ausgangssignale zeigen, die fälschlich als Vorhandensein von Rauch interpretiert werden können. Andererseits erzeugen Detektoren der Art, die in 2B veranschaulicht ist, wenn sie ähnlich staubigen Umgebungen ausgesetzt werden, nur vorübergehende Ausgangssignale als Antwort auf den Staub, die den Signalen 38A, 38B von 5 vergleichbar sind. Dies ist der Fall, da der Abstand zwischen Staubteilchen relativ zu den Abmessungen des Lichtstrahles 30-3 groß zu sein scheint.
6 ist eine Darstellung eines verarbeiteten elektrischen Signals 36'. Das Signal 36' ist eine verarbeitete Darstellung des Signals 36 von 5. Die Verarbeitung kann in der Steuerkonsole 12 stattfinden. Die Verarbeitung kann auch lokal im jeweiligen Detektor erfolgen. Die Steuereinheit oder die Konsole 12 beinhaltet einen Mikroprozessor 14 und zugeordnete Steuerprogramme, die die empfangenen Darstellungen des Signals vom Sensor 30 verarbeiten, um die nicht von Feuer stammenden Signale zu entfernen, wodurch die in 6 gezeigte Wellenform 36' erzeugt wird.
Die Lichtquelle 30-1 in der Kammer wird alle paar Sekunden aktiviert. Die Steuereinheit 12 nimmt in etwa der selben Rate Proben durch den Detektor.
Der Prozessor 14 entfernt zunächst die Gleichspannung oder das Signal 36 für reine Luft, das in 5 als 36 dargestellt ist. Diese Vorspannung wird durch Langzeiteffekte hervorgerufen, wie Staubansammlung auf den Oberflächen der Detektorkammer, was bewirkt, dass sie mehr Licht reflektieren und weniger absorbieren. Dies wird durch Verwenden eines Langzeit-Betriebsdurchschnittes (etwa ein Tag) erreicht, um langsam etwa das Gleichspannungsniveau der für jeden Detektor empfangenen Wellenform zu ermitteln.
Bei jeder Probe wird zugelassen, dass der Langzeit-Betriebsdurchschnitt sich um einen sehr geringen Prozentsatz gegen das aktuelle Ausleseergebnis bewegt. Ähnliche Aussagen treffen auf Ausgänge beispielhafter Sensoren zu, wie bspw. Strahlungsenergiesensoren, Temperatursensoren oder andere Arten von Umgebungsbedingungssensoren ohne Beschränkung.
Eine zweite Ebene der Verarbeitung wird eingesetzt, um die Effekte der vorübergehenden Staubsignale zu entfernen, wie bspw. den Puls 38a von 5. In einer Ausführungsform vergleicht der Prozessor 14, wenn die aktuelle Auslesung über dem Meldeschwellwert 36a liegt, die aktuelle Auslesung des Rauchsensors mit der vorherigen Auslesung und nimmt die niedrigste der beiden Auslesungen als die überarbeitete aktuelle Auslesung. Dies ermöglicht, dass das System eine einzige große Probe eleminiert.
Eine weitere Verbesserung auf dieser Ebene der Verarbeitung ist es, die niedrigste der aktuellen Auslesungen verglichen mit den beiden vorhergehenden Auslesungen zu verwenden. Dies ermöglicht eine Elimination zweier großer Staubimpulse hintereinander, die in ungewöhnlichen Situationen auftreten können.
Eine dritte Verarbeitungsebene kann dazu eingesetzt werden, das Signal zu glätten, um hochfrequentes Rauschen, wie durch 38c, 38d in 5 gezeigt, zu entfernen. Dieses Rauschen kann aufgrund äußerer elektrischer Signale vorhanden sein, die in den Detektor geleitet oder gestrahlt werden, oder aufgrund von Rauschen, das durch die Elektronik des Detektors selbst erzeugt wird.
Die Empfindlichkeit jedes Detektors ist einstellbar, um niedrige Rauchniveaus zu berücksichtigen. Die Verarbeitung der Signale steigert automatisch den Grad an Glättung, wenn die Empfindlichkeit zunimmt. Obwohl zunehmende Glättung Verzögerungen der Detektierung durch Eliminierung unkorrelierten Rauschens hervorrufen kann, können die Detektoren mit höheren Empfindlichkeitsniveaus betrieben werden. So können langsam brennende Feuer eher detektiert werden.
Die Glättungsverarbeitung verringert den Grad an Glättung, wenn die empfangenen Signale abnehmen. Für hohe Empfindlichkeiten steigert diese Glättungsfunktion die Rauschabscheidung auf Kosten der Verzögerung. Für niedrige Empfindlichkeiten verringert sie die Rauschabscheidung, um Verzögerungen der Meldung zu verringern.
Diese dritte Verarbeitungsebene verändert auch den Grad an Glättung in Abhängigkeit davon, ob das empfangene Detektorsignal abfällt oder ansteigt. Wenn es abfällt, wird der Grad an Glättung verringert, was zu einem schnelleren Abbau des geglätteten Signales führt. Dies liefert eine schnellere Erholung nach kleinen Rauschimpulsen und wirkt dahingehend, die Gesamtempfindlichkeit während starker Rauschsituationen zu verringern.
Die Steuersoftware verarbeitet zusammen mit dem Digitalprozessor 14 das von den Detektoren empfangene Signal gemäß dem folgende Verfahren:

Ebene 1: Für den Detektor 22n wird eine Driftkompensation erhalten, indem ein Langzeit-Betriebsdurchschnittswert VA_n aus der aktuellen Auslesung oder dem Ausgangswert des Detektors V_n zu einer Zeit oder Probennummer t und einer Langzeitkonstante LC (LC ist eine sehr kleine Zahl, wie bspw. 0,0001) errechnet wird. VAnt = LC·Vnt + (1 – LC)·VAnt-1 Ein differenzieller Wert oder Deltawert V_Δnt = (V_nt – VA_nt)
Ebene 2: V_Δnt wird mit früheren Detektorauslesungen der Probe (t – 1) und (t – 2) verglichen und der kleinste der drei Werte wird ausgewählt. Wenn VΔnt > (Vn – VAn)t-1, dann VΔnt = (Vn – VAn)t-1 Wenn VΔnt > (Vn – VAn)t-2, dann VΔnt = (Vn – VAn)t-2 Wenn die aktuelle Deltaauslesung V_Δnt kleiner ist als ein vorgegebener Meldeschwellwert (AC_n), dann wird die Auslesung in jene Auslesung umgewandelt. Dies verhindert eine Verzögerung für langsam ansteigende Signale, die Rauch anzeigen. Wenn (Vn – VAn) < ACn, dann VΔn = (Vnt – VAn)
Ebene 3: Ein Glättungsfaktor SF_n wird auf der Basis der vorhandenen Empfindlichkeitsauswahl S_n (1 bis 9) erstellt, um eine kontinuierliche Progression von Glättungsfaktoren vorzugeben. Wenn bspw. S_n = 1, SF_n = 0,04, wenn S_n = 9, SF_n = 0,50. Wenn die Auslesungen abnehmen, wird der Glättungsfaktor auf den größten Wert gesetzt, bspw. 0.50. S_n = 1 ist eine maximale Empfindlichkeit. Wenn VΔn VSn, dann SFn = 0,06·Sn – 0,02, sonst SFn = 0,5

Das folgende ist eine Auflistung von S_n-Zahlen der Empfindlichkeitsniveaus (1 = höchste Empfindlichkeit, 9 = geringste Empfindlichkeit) gegen die Glättungskonstante SF_n. Die Glättungskonstante wird wie folgt errechnet: SF_n = 0,06·S_n – 0,02.

S_n SF_n

1 0,04

2 0,10

3 0,16

4 0,22

5 0,28

6 0,34

7 0,40

8 0,46

9 0,52
Die Glättungskonstante SF_n spezifiziert den Prozentsatz der aktuellen Probe, der dem vorherigen geglätteten Wert hinzugefügt werden muss (nachdem der geglättete Wert mit 1 – SF_n multipliziert worden ist). Deshalb bewirkt eine geringere Glättungskonstante eine größere Glättung als eine größere Glättungskonstante.
Der geglättete Wert des Signals jedes Detektors VS_n wird bei jeder Probe errechnet, indem ein geringer Prozentsatz, basierend auf dem Glättungsfaktor SF_n, zu einem größeren Prozentsatz des vorhergehenden geglätteten Wertes addiert wird. VSnt = SFn·VΔnt + (1 – SFn)·VSnt-1)
Wenn der geglättete Wert VS_n ein gespeichertes Meldeschwellwertniveau AC_n, basierend auf einem gegenwärtigen Empfindlichkeitsniveau S_n, übersteigt, wird eine Meldung vom System detektiert. Wenn VSn > ACn, dann setze Meldung, sonst Ende
Falls gewünscht, können mehrere Schwellwerte benutzt werden, um Voralarmbedingungen anzuzeigen.
Das in 6 veranschaulichte Verarbeiten kann entweder im lokalen Steuerelement 40 oder der Systemsteuereinheit 12 ausgeführt werden. Wie in 6 veranschaulicht, wurden die individuellen Rauschpulse, wie 38a, 38b, fast vollständig eliminiert.
Gemäß der zweiten Verarbeitungsebene wird der aktuelle Sensorausgang auf der Leitung 32 mit dem vorherigen Sensorausgang aus einer früheren Probenzeit verglichen. Das Minimum der beiden Werte wird als der aktuelle Ausgangswert ausgewählt. Im Fall, dass der aktuelle Sensorausgangswert das Minimum der beiden Werte übersteigt, wird er im vorverarbeitetetem Ausgangsstrom durch den Minimalwert ersetzt. Somit wird ein einzelner Rauschpuls, wie der Puls 38a (5) durch die erfindungsgemäße Verarbeitung vollständig entfernt.
Die zweite Verarbeitungsebene kann in einer Form durch das Folgende dargestellt werden: Wenn AusgangN-1 größer ist als AusgangN, dann setze AusgangN = AusgangN, sonst AusgangN = AusgangN-1.
Somit wird das Rauschen bei Einsatz des obigen Verarbeitungsverfahrens im Wesentlichen entfernt. Jedoch wird das Ansprechen auf Rauch, Wärme oder einen Feuerzustand nicht merklich verringert. Dieses Ansprechen wird verzögert, jedoch nur in der Größenordnung von einem oder zwei Probenintervallen. Diese Verzögerung kann dadurch mehr als ausgeglichen werden, dass die Empfindlichkeit jedes der Detektoren für das System 10 aufgrund der Entfernung der Bedingungen für vorübergehendes Rauschen durch Verwendung des angegebenen Vorverarbeitungsverfahrens bedeutend gesteigert wird. Das System 10 als solches sollte schneller auf eine Feuerbedingug ansprechen, da es mit Detektoren arbeiten kann, die auf eine höhere Empfindlichkeit eingestellt sind als im Fall, dass die Empfindlichkeit der Detektoren verringert werden muss, um Probleme mit durch vorübergehendes Rauschen hervorgerufenen Falschmeldungen zu minimieren.
Die zweite Verarbeitungsebene kann verbessert werden, indem zunächst der Minimalwert zwischen dem aktuellen Wert und dem vorhergehenden Wert ausgewählt wird, wobei angenommen wird, dass der aktuelle Wert den nominalen Wert 36, der beim Fehlen von erfasster Umgebungsbedingung und beim Fehlen von Rauschen erwartet würde, übersteigt. Zusätzlich minimiert der rauschfreie Ausgang 36 durch das Auswählen des Maximalwertes zwischen dem aktuellen Sensorwert und dem vorhergehenden Sensorwert in dem Fall, dass der aktuelle Sensorwert geringer ist als der nominale, negativ laufende Rauschsensoren. Die obigen Schritte eliminieren sowohl positiv verlaufende als auch negativ verlaufende Rauschpulse.
Es sind andere Variationen der Verarbeitung auf Ebene 2 möglich, ohne vom Schutzbereich des angegebenen Verfahrens abzuweichen. Bspw. veranschaulichen die Graphen 7A, 7B und 7C Verarbeitungen auf Ebene 2 unter Verwendung eines oder zweier früherer Ausgangswerte aus dem Sensor 30.
7A veranschaulicht schematisch Probenwerte aus dem Sensor 30 auf der Leitung 32 als Funktion einer Probenzahl oder eines Intervalles, wenn jene Werte um den nominalen Ausgangswert 36 herum variieren. Im Bereich 50 nimmt das Niveau des erfassten Rauches auf nicht statistische Weise als Antwort eines erfassten Rauches zu.
7B veranschaulicht die Verarbeitung des Signals von 7A auf Ebene 2, wobei ein Minimum des aktuellen Ausgangswertes und eines früheren Ausgangswertes ausgewählt wird. Wie in 7B veranschaulicht, liefert diese Verarbeitung der Ebene 2 beim Vorhandensein von Rauch, wie im Bereich 50 veranschaulicht, einen geglätteten Ausgang, der zu detektierenden Rauch anzeigt.
Gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens kann der aktuelle Ausgangswert des Sensors 30 mit zwei früher erfassten und gespeicherten Ausgangswerten verglichen werden. Wenn der aktuelle Ausgangswert den Schwellwert 36 übersteigt, wird unter dem aktuellen Ausgangswert und zwei früheren Probenwerten ein Minimalwert bestimmt. Dieses Minimum wird dann im vorverarbeiteten Ausgangsstrom für den aktuellen Ausgangswert eingesetzt. Im Fall, dass jede der früheren Proben Werte unterhalb des nominalen Ausgangsschwellwertes 36 aufweisen, werden sie so behandelt, als wäre ihr Wert gleich 0.
Wenn der aktuelle Ausgangswert des Sensors 30 unterhalb des nominalen Ausgangswertes 36 liegt, wird der aktuelle Ausgangswert mit zwei früheren Werten verglichen, und das Maximum der drei Werte wird als aktueller Ausgangswert genommen. Wenn keiner der früheren Ausgangswerte gleich oder größer ist als der nominale Ausgangsschwellwert 36, wird jener Wert (jene Werte) gleich 0 gesetzt. Die Verwendung zweier früherer Werte verringert das Rauschen deutlich im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen früheren Wertes gemäß 7B.
7C veranschaulicht eine auf Ebenen 2 verarbeitete Darstellung des Signals von 7A, wobei ein Minimum des aktuellen Ausgangswertes und zweier früherer Ausgangswerte ausgewählt ist (wenn der aktuelle Ausgangswert den nominalen Ausgangsschwellwert 36 übersteigt). Alternativ dazu wird ein Maximum des aktuellen Ausgangswertes und zweier früherer Ausgangswerte ausgewählt (wenn der aktuelle Ausgangswert unter den nominalen Ausgangsschwellwert 36 fällt). Wie in 7C veranschaulicht ist, wurden die statistischen unkorrelierten Rauschvariationen von 7A im Wesentlichen auf 0 reduziert, ohne dass eine signifikante Verzögerung im verarbeiteten Ausgang in einem Zeitintervall 50, in dem Rauch vorhanden ist, erzeugt wird. Es können nach Bedarf mehr als zwei frühere Werte verwendet werden.
Es ist anzumerken, dass das genaue Probenintervall keine Beschränkung der Erfindung darstellt. Der Fachmann wird verstehen, dass ein geeignet hohes Probenintervall im Hinblick auf die Arten der eingesetzten Sensoren sowie der erwarteten Veränderungsraten der Umgebungsbedingungen auszuwählen ist. Nur beispielhaft und ohne Beschränkung scheinen Probenintervalle in der Größenordnung von 5 bis 6 Sekunden ausreichend kurz, wenn Rauch, Wärme oder Feuerbedingungen erfasst werden sollen.
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
9 ist ein Graph, der die Effekte der Zunahme der Glättung in der Verarbeitung von Ebene 3 als Funktion der Zunahme der Empfindlichkeit eines gegebenen Detektors veranschaulicht. Die Meldeverzögerung in Sekunden ist entlang der x-Achse für abnehmende Empfindlichkeitsniveaus, die auf der y-Achse dargestellt sind, dargestellt.
Wie in 9 veranschaulicht, erzeugt eine maximale Empfindlichkeitseinstellung eine Meldeverzögerung in der Größenordnung von 60 Sekunden als Ergebnis einer maximalen Glättung. Andererseits erzeugt eine minimale Empfindlichkeitseinstellung eine Alarmverzögerung in der Größenordnung von nur 12 Sekunden, wobei eine geringere Glättung veranschaulicht ist.
Der Graph von 9 macht deutlich, dass beim Betrieb eines Detektors mit höchstem Empfindlichkeitsniveau eine zusätzliche Verzögerung vorhanden ist, bevor eine Alarmbedingung detektiert wird. Andererseits tendieren Detektoren, die bei den höchsten Empfindlichkeitsstufen arbeiten, dazu, anfälliger für Falschmeldungen zu sein. Die zusätzliche Verzögerung verringert das Potential für Falschmeldungen.
Detektoren, die mit hohen Empfindlichkeitsniveaus arbeiten, die dann, wie vorstehend beschrieben, mit einer größeren Glättung verarbeitet werden, sind besonders nützlich beim Detektieren langsam fortschreitender oder schwelender Feuer. Solche Feuer benötigen oft Minuten oder sogar Stunden, bis sie hohe Niveaus erreichen. In diesem Fall sind die 48-Sekunden-Verzögerung oder die 60-Sekunden-Verzögerung, wie in 9 veranschaulicht, häufig ein geringer Anteil der für die Detektierung eines solchen Feuers notwendigen Gesamtzeit.
Andererseits können schneller fortschreitende Feuer häufig aufgrund der schnell zunehmenden Rauchniveaus bei niedrigeren Empfindlichkeitsniveaus detektiert werden. In solchen Fällen besteht nur eine geringe Möglichkeit, dass Staub oder anderes Rauschen eine Falschmeldung hervorruft. Unter solchen Umständen sind die kurzen 12- und 18-Sekunden-Verzögerungen, wie in 9 veranschaulicht, mit dem Wunsch nach der Meldung des Vorhandenseins solcher Feuer so schnell wie möglich konsistent.
Aus dem vorstehenden ist zu erkennen, dass zahlreiche Variationen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Es ist ersichtlich, dass keine Beschränkung in Bezug auf die spezifische hierin veranschaulichte Vorrichtung beabsichtigt ist oder abgeleitet werden sollte.

Claims

Feuerdetektions- und Meldesystem (10) aufweisend: mindestens einen photoelektrischen Rauchdetektor (22i) mit einem zylindrischen Gehäuse (30), welches ein inneres Volumen begrenzt, einer Quelle (30-1) zum Erzeugen eines Erfassungslichtstrahles (30-3), welcher in das innere Volumen projiziert wird, und einer Steuereinheit (12), welche elektrische Signale vom Rauchdetektor empfängt und welche einen Computerabschnitt und einen Alarmsignalisierungsabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (30-3) einen Erfassungsbereich aufweist, dessen Abmessungen kleiner sind als der typische Abstand zwischen umgebenden Staubpartikeln, und einen Streulichtsensor, welcher die elektrischen Signale (32) erzeugt, welche eine Maß für die Rauchkonzentration innerhalb des Detektors sind; und dadurch, dass das System Folgendes aufweist: ein Steuerprogramm (16), das innerhalb des Computerabschnitts der Steuereinheit (12) gespeichert ist, wodurch das Programm die Signale vom Rauchdetektor (22i) verarbeitet, und das einen Hilfsalarm-Signalabschnitt (12) aktiviert, wenn Signale empfangen werden, die durch ein vorgegebenes Niveau an Rauchpartikeln im Rauchdetektor hervorgerufen werden, das jedoch den Alarmabschnitt nicht aktiviert, wenn Signale empfangen werden, welche durch Staubpartikel in dem Rauchdetektor verursacht werden.
System nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung von Alarmsignalen, die durch Rauchpartikel im Rauchdetektor (22i) hervorgerufen werden und nicht durch Staubpartikel in dem Rauchdetektor hervorgerufen werden, dazu verwendet werden kann, die erforderliche Größe von Signalen zu senken, welche durch die Steuereinheit empfangen werden, um den Signalabschnitt zu aktivieren.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuerprogramm (16) zwischen Rauch- und Staubsignalen von der Rauchdetektorvorrichtung als Antwort auf das Vorhandensein von Rauch, das ein relativ konstantes oder niederfrequentes Signal bewirkt, und Staub, der ein relativ kurzlebiges oder hochfrequentes Signal verursacht, differenziert.
System nach Anspruch 3, wobei das Steuerprogramm (16) periodisch den Rauchdetektor (22i) abfragt und zwischen Rauch- und Staubsignalen differenziert, indem eine gegenwärtige Probe mit einer früheren Probe verglichen wird und die gegenwärtige Probe durch die frühere Probe ersetzt wird, wenn die frühere Probe eine geringere Größe aufweist als die gegenwärtige Probe.
System nach Anspruch 3, wobei das Steuerprogramm (16) periodisch ein Signal vom Rauchdetektor (22i) abgefragt und zwischen Rauch- und Staubsignalen differenziert, indem eine gegenwärtige Probe aus dem Rauchdetektor mit einer Anzahl an vorherigen Signalproben des Rauchdetektors (22i) verglichen werden und die gegenwärtige Probe durch die niedrigste der zahlreichen früheren Proben ersetzt wird, wenn die früheren zahlreichen Proben eine geringere Größe aufweisen als die gegenwärtige Probe.
System nach Anspruch 5, wobei das Signal (32) des Rauchdetektors (22i) von dem Steuerprogramm (16) verarbeitet wird, um die langfristige Drift, die durch Staub auf den Kammeroberflächen, die Komponentenhalterung oder sehr niedrige Frequenzveränderungen hervorgerufen wird, zu entfernen, indem ein langfristiger Durchschnittswert von einem Absolutwert des Signals, das vom Rauchdetektor empfangen wird, abgezogen wird.
System nach Anspruch 6, wobei das Signal (32), das vom Rauchdetektor (22i) empfangen wurde, durch das Steuerprogramm (16) verarbeitet wird und in ein gegenwärtiges geglättetes Signal umgewandelt wird, indem ein Prozentsatz der gegenwärtigen Signalprobe und ein Prozentsatz eines geglätteten Signalwertes, der aus einer früheren Signalprobe aus dem Rauchdetektor errechnet wurde, addiert werden, um den gegenwärtigen geglätteten Wert zu erzeugen.
System nach Anspruch 7, wobei das Steuerprogramm (16) dafür programmiert ist, eines aus einer Anzahl unterschiedlicher Bezugssignalniveaus für den Rauchdetektor (22i) auszuwählen, welches notwendig ist, um die Aktivierung des Alarmsignalisierungsabschnitts (12) hervorzurufen, wobei, wenn das Steuerprogramm (16) ein niedrigeres Signalbezugsniveau auswählt, die Berechnung des geglätteten Signals so verändert wird, dass ein geringerer Prozentsatz der gegenwärtigen Probe und ein größerer Prozentsatz des vorherigen geglätteten Signals eingesetzt werden, um das neue geglättete Signal zu berechnen.
System nach Anspruch 8, wobei das Steuerprogramm (16) bestimmt, ob die gegenwärtige Signalprobe des Rauchdetektors (22i) kleiner ist als ein geglätteter Wert, der aus einer früheren Probe des Rauchdetektors berechnet wurde, und, wenn dies der Fall ist, die Berechnung des geglätteten Signals dahingehend verändert wird, dass ein größerer Prozentsatz der gegenwärtigen Probe und ein geringerer Prozentsatz des früheren geglätteten Signals verwendet werden, um das neue geglättete Signal zu berechnen.