DE69735933T2

DE69735933T2 - Verfahren zum dynamischen einstellen von branderkennungskriterien

Info

Publication number: DE69735933T2
Application number: DE69735933T
Authority: DE
Inventors: Y. Jacob Goleta WONG
Original assignee: GE Security Inc
Current assignee: Carrier Fire and Security Americas Corp
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2017-01-29
Also published as: DE69735933D1; EP0877995A4; EP0877995B1; CN1209896A; JP2000504132A; WO1997027571A1; AU1755597A; EP0877995A1; TW316970B; US5966077A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Frühwarnvorrichtungen zur Branderkennung.
Hintergrund der Erfindung
Seit 1975 haben die Vereinigten Staaten ein wesentliches Wachstum bei der Verwendung von Heimrauchdetektoren, prinzipiell einstationären, batteriebetriebenen Ionisationsmodus-Rauchdetektoren erfahren. Dieses schnelle Wachstum, gekoppelt mit eindeutigem Beweis der Wirksamkeit von Detektoren bei der Rettung von Leben aufgrund von aktuellen Bränden und Brandstatistiken, haben den Heimrauchdetektor zur Erfolgsgeschichte der Brandsicherheit der letzten zwei Jahrzehnte gemacht.
Kürzlich haben jedoch Studien des Funktionszustands von Rauchdetektoren in Haushalten eine alarmierende Statistik zum Vorschein gebracht, daß nicht weniger als ein Viertel bis ein Drittel der Rauchdetektoren zu irgendeiner Zeit nicht funktionsfähig sind. Bei mehr als der Hälfte der nicht funktionsfähigen Rauchdetektoren fehlten Batterien. Der Rest weist spannungslose Batterien oder außer Betrieb befindliche Rauchdetektoren auf. Die Frustration von Hausbesitzern über störende Alarme stellte den Hauptgrund für die fehlenden Batterien dar. Störende Alarme sind Detektoreinschaltungen, die nicht durch unkontrollierte, gefährliche Brände sondern durch kontrollierte Brände, wie zum Beispiel Kochflammen verursacht werden. Diese störenden oder falschen Alarme werden auch durch Quellen ohne Feuer, wie zum Beispiel den feuchten Dampf, der aus einem Badezimmer austritt, wenn jemand geduscht hat, Staub oder Schutt, der beim Reinigen in Wohnvierteln aufgewühlt wird, oder Öldämpfe, die aus der Küche austreten, verursacht.
Der Grund dafür, weshalb der Hauptteil von Rauchdetektoren, die vom Ionisationstyp sind, für diese Arten von störenden Alarmen anfällig ist, besteht darin, daß diese Detektoren für sowohl sichtbare als auch unsichtbare verstreute Feststoffe, speziell wenn der Brandalarmschwellenwert sehr niedrig eingestellt ist, um die angeordnete Ansprechzeit für ANSI/UL 217-Zertifizierung für zahlreiche Brandarten zu erfüllen, sehr empfindlich sind. Die Größe von sichtbaren Feststoffen liegt im Bereich von 4 bis 5 Mikron (obwohl kleine Teilchen als eine Trübung sichtbar sind, wenn sie in hoher Massendichte vorhanden sind) und Feststoffe werden reichlich in den meisten offenen Feuern oder Flammen erzeugt. Ionisationsdetektoren sind jedoch für unsichtbare Teilchen im Bereich von 0,01 bis 1 Mikron am empfindlichsten. Wie oben kurz diskutiert, erzeugen die meisten Quellen ohne Feuer im Haushalt am meisten unsichtbare Feststoffe. Dies erklärt, weshalb die meisten Heimrauchdetektoren so vielen störenden Alarmen begegnen.
Das Problem von häufigen Fehlalarmen bei Ionisations-Flammendetektoren, das dazu führt, daß ein wesentlicher Teil davon zu jeder Zeit nicht funktionsfähig ist, führte zur erhöhten Verwendung von einer anderen Art von Rauchdetektor, dem lichtelektrischen Rauchdetektor, in den vergangenen Jahren. Lichtelektrische Rauchdetektoren funktionieren am besten bei sichtbaren Feststoffen und sind relativ unempfindlich gegenüber unsichtbaren Feststoffen. Sie sind somit für störende Alarme weniger anfällig. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß sie beim Ansprechen auf Schwelbrände, bei denen die anfangs erzeugten Feststoffe größtenteils unsichtbar sind, sehr langsam sind. Zur Beseitigung dieses Nachteils muß der Brandalarmschwellenwert von lichtelektrischen Rauchdetektoren sehr niedrig eingestellt werden, um die Anforderungen für die ANSI/UL 217-Zertifizierung zu erfüllen. Ein derartiger niedriger Brandalarmschwellenwert für lichtelektrische Rauchdetektoren führt auch zu häufigen Fehlalarmen. Somit ist anscheinend das Problem der störenden Fehlalarme bei Rauchdetektoren unvermeidbar. Im Laufe der Jahre ist das Problem lange erkannt, aber nicht gelöst worden. Es wird eine neue Art von Branddetektor zur Korrektur der gefährlichen Unwirksamkeit von derzeitigen Rauchdetektoren benötigt.
Ein weiterer Aspekt von derzeitigen Rauchdetektoren, der häufig diskutiert wird, aber dem sich selten durch Innovation gewidmet wird, besteht in der Brandansprechlangsamkeit dieser Detektoren. Der gegenwärtige ANSI/UL 217-Branddetektorzertifizierungskode wurde vor Jahren gemäß der damals zur Verfügung stehenden Branderkennungstechnologie, nämlich dem Rauchdetektor, entwickelt. Im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte ist die Meinung von Arbeitern in der Brandbekämpfungs- und -verhinderungsindustrie kritisch hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit des Rauchdetektors gewesen. Offensichtlich wird das Erhöhen der Empfindlichkeit von Rauchdetektoren durch Verringerung von deren Lichtverdunklungsdetektionsschwellenwerten sicherlich deren Ansprechen beschleunigen. Jedoch treibt dies Rate von störenden Alarmen in die Höhe. Es ist klar, daß ein besserer Branddetektor benötigt wird.
Branddetektoren, die gegenwärtig käuflich erhältlich sind, können allgemein in drei grundlegende Kategorien – Flammenmeß-, Wärme- und Rauchdetektoren – klassifiziert werden. Die Klassifikationen sind erarbeitet worden, um drei prinzipiellen Arten von Energie- und Materialeigenschaft eines Feuers zu entsprechen: Flamme, Wärme und Rauch.
Der Flammenmeßdetektor ist gestaltet, um auf die durch den Diffusionsflammenverbrennungsprozeß erzeugte optische Strahlungsenergie, das heißt die Leuchtintensität und die Flammenmodulationsfrequenz anzusprechen. Üblicherweise werden zwei Arten von Flammendetektoren verwendet: die Ultraviolett (UV)-Detektoren, die außerhalb des Sichtbaren bei Wellenlängen unter 4.000 Å arbeiten, und die Infrarotdetektoren, die in den Wellenlängen über 7.000 Å arbeiten. Um falsche Signale von den vielen Quellen von ultravioletter und infraroter optischer Strahlung, die in den meisten gefährlichen Gebieten vorhanden ist, zu verhindern, sind die Detektoren programmiert, um nur auf Strahlung mit Frequenzmodulation innerhalb des Flackerfrequenzbereiches für Flammen (5 bis 30 Hz) anzusprechen.
Flammendetektoren arbeiten allgemein gut und erzeugen selten Fehlalarme. Sie sind jedoch relativ komplexe und teure Branddetektoren, die nicht für kostengünstige und massenbezogene Verwendung gezielt ausgerichtet sind. Statt dessen werden sie in speziellen hochwertigen und einzigartigen Schutzgebieten, wie zum Beispiel Flugzeugsimulatoren, Flugzeughallen, Kontrollräumen für Kernreaktoren etc. am häufigsten verwendet.
Wärmedetektoren sind gestaltet, um anhand der Wärmeenergieausgabe, der Wärme, eines Feuers auszulösen. Diese Wärme wird über das gesamte Gebiet durch laminare und turbulente Konvektionsströmung verteilt. Letztere wird den Wärmesäuleneffekt der Raugassäule von aufsteigender erwärmter Luft und Gasen über der Brandfläche induziert und geregelt. Somit gibt es zwei grundlegende Bauarten von Wärmedetektoren: die Festtemperaturbauart und die Anstiegsratedetektorbauart. Die Festtemperaturbauart schließt die Punktbauart und die Linienbauart ein. Der Punktdetektor bringt eine relativ kleine feste Einheit mit einem wärmeempfindlichen Element mit sich, das in der Einheit oder Punktlage des Detektors enthalten ist. Bei dem Liniendetektor ist das wärmereaktive Element entlang einer Linie angeordnet, die aus wärmeempfindlichem Draht oder Schlauch besteht. Liniendetektoren können einen größeren Teil des gefährlichen Gebietes abdecken, als dies Punktdetektoren können.
Thermische Festtemperaturbranddetektoren sind zuverlässig, aber nicht sehr empfindlich. In modernen Gebäuden mit Belüftungs- und Luftklimatisierungssystemen mit hoher Luftströmung stellt die Bestimmung der Plazierung des Festtemperaturdetektors ein schwieriges technisches Problem dar. Demzufolge wird diese Bauart von thermischem Branddetektor außerhalb von sehr speziellen Anwendungen nicht in großem Umfang verwendet.
Ein thermischer Anstiegsratedetektor wird gewöhnlich an Orten installiert, bei denen relativ schnell brennende Feuer auftreten können. Der Detektor löst aus, wenn die Rauchgassäule die Lufttemperatur in einer Kammer mit einer Geschwindigkeit oberhalb eines bestimmten Auslöseschwellenwertes, gewöhnlich 15° F pro Minute, anhebt. Wenn sich jedoch ein Brand sehr langsam entwickelt und die Temperaturanstiegsrate niemals den Auslöseschwellenwert für den Detektor überschreitet, kann der Detektor den Brand nicht wahrnehmen.
Eine neuere Bauart von Branddetektor wird als der ratenkompensierte Detektor bezeichnet, der für die Temperaturanstiegsrate sowie für einen festen Temperaturwert, der innerhalb der Temperatureinstufung des Detektors vorgesehen ist, empfindlich ist. Selbst mit dieser Doppellösung stellt das kritischste Problem für die effektive Funktion von thermischen Branddetektoren die genaue Plazierung von Detektoren relativ zum gefährlichen Gebiet und die Wohnumgebung dar. Demzufolge trifft man diese Branddetektorbauart selten in Haushalten von Verbrauchern an.
Der bei weitem populärste Branddetektor im Gebrauch ist heutzutage der Rauchdetekor. Rauchdetektoren sprechen auf sichtbare und unsichtbare Verbrennungsprodukte an. Sichtbare Verbrennungsprodukte bestehen hauptsächlich aus unverbrauchten Kohlenstoff- und kohlenstoffreichen Teilchen; unsichtbare Verbrennungsprodukte bestehen aus festen Teilchen, die kleiner als näherungsweise 5 Mikron sind, zahlreichen Gasen und Ionen. Alle Rauchdetektoren können in zwei grundlegende Bauarten klassifiziert werden: Eine lichtelektrische Bauart, die auf sichtbare Verbrennungsprodukte anspricht, und eine Ionisationsbauart, die auf sowohl sichtbare als auch unsichtbare Verbrennungsprodukte anspricht.
Die lichtelektrische Bauart ist außerdem unterteilt in eine Projektionsstrahlbauart und eine Reflexionsstrahlbauart. Der Projektionsstrahlrauchdetektor enthält im allgemeinen eine Reihe von Probenentnahmerohrleitungen, die mit dem lichtelektrischen Detektor verbunden sind. Die Luftprobe wird von einer elektrischen Saugpumpe in das Rohrleitungssystem gesaugt. Der lichtelektrische Detektor ist gewöhnlich in einem Metallrohr eingeschlossen, wobei die Lichtquelle an einem Ende und die Photozelle am anderen Ende montiert ist. Diese Detektorbauart ist aufgrund der Länge des Lichtstrahls wirksam. Wenn sichtbarer Rauch in das Rohr gesaugt wird, wird die Lichtintensität des in der Photozelle empfangenen Strahls reduziert, da er von den Rauchteilchen verdunkelt wird. Der reduzierte Lichtintensitätswert bewirkt einen unsymmetrischen Zustand in der elektrischen Schaltung für die Photozelle, der den Alarm auslöst. Der Projektionsstrahl- oder Rauchverdunklungsdetektor stellt eine der am etabliertesten Rauchdetektorbauarten dar. Zusätzlich zu seiner Verwendung auf Schiffen wird dieser Detektor gewöhnlich zum Schützen hochwertigen Abschnitten von anderen Lagerflächen und Sorgen für Rauchdetektion für Verteilergebiete und Luftführungskanäle verwendet.
Der Reflexionslichtstrahlrauchdetektor weist den Vorteil einer sehr kurzen Lichtstrahllänge auf, wodurch er für den Einbau in den punktartigen Rauchdetektor geeignet wird. Der früher diskutierte Projektionsstrahlrauchdetektor wird empfindlicher, wenn die Länge des Lichtstrahls zunimmt, und häufig ist ein Lichtstrahl mit einer Länge von 5 oder 10 Fuß erforderlich. Die Bauart eines lichtelektrischen Rauchdetektors mit reflektiertem Lichtstrahl ist jedoch für einen Betrieb mit einem Lichtstrahl mit einer Länge von nur 2 oder 3 Zoll vorgesehen. Ein Rauchdetektor mit einem reflektierten Strahl aus sichtbarem Licht enthält eine Lichtquelle, eine unter rechten Winkeln zur Lichtquelle montierte Photozelle und einen gegenüber der Lichtquelle montierten Lichtfänger.
Ionisations-Flammendetektoren detektieren sowohl sichtbare als auch unsichtbare Feststoffe, die durch die Diffusions-Flamme-Verbrennung erzeugt werden. Wie vorangehend angegeben, liegt die Größe von sichtbaren Feststoffen im Bereich von 4 bis 5 Mikron, obwohl kleinere Teilchen als eine Trübung wahrgenommen werden können, wenn sie in einer hohen Massendichte vorhanden sind. Der Ionisationsdetektor arbeitet am effektivsten bei Teilchen mit einer Größe von 0,01 bis 1 Mikron.
Es gibt zwei grundlegende Bauarten von Ionisationsdetektoren. Die erste Bauart weist einen zweipoligen ionisierten Probenraum auf, der das zwischen zwei Elektroden gebildete Gebiet ist. Eine radioaktive Alphateilchenquelle ist auch in diesem Gebiet angeordnet. Die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle von Luft in dem Raum werden von Alphateilchen von der radioaktiven Quelle ionisiert. Die ionisierten Paare bewegen sich in Richtung auf die Elektroden mit entgegengesetzten Vorzeichen zu, wenn elektrische Spannung angelegt wird, und ein winziger elektrischer Stromfluß wird durch den Probenraum erzeugt. Wenn Verbrennungsteilchen in den Raum treten, lagern sie sich selbst an den Ionen an. Da die Verbrennungsteilchen eine größere Masse aufweisen, nimmt die Beweglichkeit der Ionen ab, was zu einer Reduzierung des elektrischen Stromflusses durch den Probenraum führt. Diese Reduzierung des elektrischen Stromflusses löst den Detektoralarm aus.
Die zweite Bauart von Ionisations-Flammendetektor weist einen einpoligen ionisierten Probenraum anstelle eines zweipoligen auf. Der einzige Unterschied zwischen den zwei Bauarten besteht in der Lage des Gebietes innerhalb des Probenraumes, das der Alphaquelle ausgesetzt ist. Im Fall der zweipoligen Bauart ist der gesamte Raum ihr ausgesetzt, was zu sowohl positiven als auch negativen Ionen führt. Im Fall der einpoligen Bauart ist nur das Zwischengebiet benachbart zur positiven Elektrode (Anode) der Alphaquelle ausgesetzt. Dies führt nur zu einer vorherrschenden Art von Ionen, negativen Ionen, in dem elektrischen Stromfluß zwischen den Elektroden.
Obwohl einpolige und zweipolige Probenräume unterschiedliche Detektorgestaltungsprinzipien verwenden, arbeiten sie beide dadurch, daß die Verbrennungsprodukte einen reduzierten Stromfluß erzeugen und somit den Detektor auslösen. Allgemein ist die einpolige Gestaltung überlegen, indem sie den Ionisations-Flammenetektoren einen größeren Grad von Empfindlichkeit und Stabilität mit weniger falsche Signale bewirkenderen Stromflußschwankungen anhand von Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsänderungen verleiht. Die meisten heutzutage käuflich erhältlichen Ionisations-Flammendetektoren sind einpolig ausgeführt.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben die Ionisations-Flammendetektoren den Branddetektormarkt beherrscht. Einer der Gründe dafür besteht darin, daß die anderen zwei Klassen von Branddetektoren, die Flammenmeß- und Wärmedetektoren, merkbar komplexer und teurer als die Ionisations-Flammendetektoren sind. Somit werden sie hauptsächlich nur in speziellen hochwertigen und einzigartigen Schutzgebieten verwendet. In den letzten Jahren sind aufgrund von deren relativ hohen Kosten sogar die lichtelektrischen Rauchdetektoren hinter die Ionisationsbauarten in den Verkaufszahlen wesentlichen zurückgefallen. Die Ionisationsbauarten sind im allgemeinen kostengünstiger und leichter zu verwenden und können gewöhnlich ein ganzes Jahr lang mit gerade einer 9-Vol-Batterie in Betrieb sein. Heutzutage verwenden über 90 Prozent der Haushalte, die mit Branddetektoren ausgestattet sind, die Ionisationsbauart von Rauchdetektoren.
Trotz deren niedriger Kosten, des relativ wartungsfreien Betriebs und der allgemeinen Akzeptanz durch die Verbraucher sind diese Rauchdetektoren nicht ohne Probleme und sind sie sicherlich vom Ideal weit entfernt. Es gibt eine Anzahl von wesentlichen Nachteilen, wenn Ionisations-Flammendetektoren so erfolgreich wie Frühwarnbranddetektoren arbeiten sollen.
Ein Nachteil bei Rauchdetektoren besteht in der Wichtigkeit des Plazierens des Detektors an dem Punkt, wo das Feuer ausbricht. Anders als gewöhnliche Gase ist Rauch ein komplexer, rußiger molekularer Cluster, der hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht. Er ist viel schwerer als Luft und verteilt sich somit viel langsamer als die Gase, denen wir täglich begegnen. Wenn sich der Detektor etwas entfernt vom Ort des Feuer befinden sollte, wird somit wesentliche Zeit verstreichen, bevor genug Rauch in den Probenraum des Rauchdetektors geht, um den Alarm auszulösen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Art des Brandes selbst. Obwohl Rauch gewöhnlich Feuer begleitet, kann die erzeugte Rauchmenge in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Materials, das Feuer fängt, wesentlich variieren. Zum Beispiel erzeugen mit Sauerstoff angereicherte Brennstoffe, wie zum Beispiel Methylalkohol und Azeton, unter freibrennenden Bedingungen weniger Rauch als die Kohlenwasserstoffe, von denen sie abgeleitet sind. Somit erzeugen mit Sauerstoff angereicherte Brennstoffe, wie zum Beispiel Holz und Polymethylmethacrylat, wesentlich weniger Rauch als Kohlenwasserstoffpolymere, wie zum Beispiel Polyethylen und Polystren. In der Tat brennt eine geringe Anzahl von reinen Brennstoffen, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Metaldehyd, Ameisensäure und Methylalkohol, mit nicht leuchtenden Flammen und erzeugt sie überhaupt keinen Rauch.
Wie früher bemerkt, stellt jedoch eines der größten Probleme bei Ionisations-Flammendetektoren deren häufige Fehlalarme dar. Aufgrund seines Funktionsprinzips kann jeder Mikron-große Feststoff zusätzlich zu Rauch von einem tatsächlichen Brand den Alarm auslösen. Küchenfetteilchen, die von einem heißen Ofen erzeugt werden, stellen ein klassisches Beispiel dar. Übereifriges Abstauben von Gegenständen und/oder Möbeln in der Nähe des Detektors stellen ein weiteres dar. Häufige Fehlalarme sind nicht nur eine harmlose Störung; Leute können deren Rauchdetektoren unschädlich machen, indem sie die Batterie zeitweilig herrausnehmen, um genannte lästige Episoden zu vermeiden. Die letztgenannte Situation kann, speziell wenn genannte Leute vergessen, deren Rauchdetektoren durch Ersetzen der Batterie aufzurüsten, gefährlich sein.
Zur Minderung der mit Fehlalarmen bei Ionisations-Flammendetektoren verbundenen Probleme werden genannte Detektoren normalerweise so eingestellt, daß sie einen Alarm bei einem Rauchdetekorschwellenwert erklingen lassen, der höher als der zum Erkennen eines Brandes erforderliche ist. Durch Erhöhen des Detektionsschwellenwertes werden weniger Fehlalarme ausgelöst. Leider geht diese Reduzierung von Fehlalarmen nicht ohne Opfer. Da der Detektionsschwellenwert erhöht ist, benötigt der Rauchdetektor mehr Zeit, um einen Alarm während eines tatsächlichen Brandes anklingen zu lassen. Mit anderen Worten wird die Ansprechzeit der Vorrichtung erhöht, um Fehlalarme zu minimieren. Die konkurrierenden Berücksichtigungen der Verhinderung von Fehlalarmen und Minimierung der Ansprechzeit von Ionisations-Flammendetektoren sind in Industriestandards ausgeglichen, die zur Förderung von Sicherheit und zur Begründung von Zuverlässigkeit und Leistungsdaten für Rauchdetektoren übernommen worden sind.
Der gegenwärtige Standard für gewöhnliche Haushaltsbranddetektoren in den Vereinigten Staaten ist UL 217-Standard für ein- und mehrstationäre Rauchdetektoren (Dritte Ausgabe), der als ein American National Standard anerkannt worden ist und nachfolgend als ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, bezeichnet wird. ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, erfaßt (1) elektrisch betriebene ein- und mehrstationäre Rauchdetektoren, die für Schutz von offenen Bereichen in gewöhnlich innenbefindlichen Orten von Wohneinheiten gemäß dem Standard für Haushaltsbrandwarnanlagen, NFPA 74, vorgesehen sind, (2) Rauchdetektoren, die zur Verwendung in Wohnmobilen gemäß Standard für Wohnmobile, NFPA 501C vorgesehen sind, und (3) tragbare Rauchdetektoren, die als "Reise"-Alarmeinrichtungen verwendet werden.
In Anerkennung dessen, daß verschiedene Brandarten verschiedene Eigenschaften aufweisen, enthält ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, vier verschiedene Brandtests, Tests für Papier-, Holz-, Benzin- und Polystyrenbrände. Das Verfahren zur Durchführung von Tests, die für jeden dieser Brände charakteristisch sind, ist in Paragraph 42 von ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, festgelegt. Gemäß Paragraph 42.1 von ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, beträgt die maximale Ansprechzeit für einen zugelassenen Branddetektor vier Minuten für Papier- und Holzbrandtests, drei Minuten für einen Benzinbrandtest und zwei Minuten für einen Polystyrenbrandtest. Da die größte maximale Ansprechzeit vier Minuten beträgt, ist es üblich, sich auf eine maximale Ansprechzeit für einen Haushaltsbranddetektor von vier Minuten ohne Bezugnahme auf die Papier- oder Holzbrandtests zu beziehen. Obwohl Ionisations-Flammendetektoren, die für den Gebrauch im Haushalt verkauft werden, so eingestellt werden könnten, daß sie eine geringere Ansprechzeit als vier Minuten aufweisen, weisen die meisten Haushaltsdetektoren eine maximale Ansprechzeit von vier Minuten oder gerade unterhalb von vier Minuten zur Minimierung des Risikos von Fehlalarmen auf.
Somit stellt eine innewohnende Einschränkung bei käuflich erwerbbaren Ionisations-Flammendetektoren eine Ansprechzeit dar, die nicht optimiert ist. Da die Ansprechzeit eines Branddetektors für die Rettung von Leben und Bekämpfung von Bränden kritisch sein kann, würde jede Verbesserung der Ansprechzeit, in der Annahme, daß sie das Risiko von Fehlalarmen nicht erhöht oder zu unerschwinglichen Kosten gelingt, einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Branderkennung darstellen und dabei helfen, einen großen Bedarf an verbesserten Branddetektoren zu befriedigen, die zusätzliche Leben und Besitz retten.
Bei dem Versuch, besagten Fortschritt zu liefern, sind Anstrengungen unternommen worden, eine neue Bauart von Branddetektor zu entwickeln. Diesbezüglich ist seit langem bekannt gewesen, daß Feuer als ein Prozeß viele Formen annehmen kann, von denen alle eine chemische Reaktion zwischen brennbaren Spezien und Sauerstoff aus der Luft einschließen. Mit anderen Worten ist die Brandzündung notwendigerweise ein Oxidationsprozeß, da sie ausnahmslos den Verbrauch von Sauerstoff zu Beginn mit sich bringt. Die effektivste Art zur Erkennung von Brandzündung besteht somit darin, nach Endprodukten des Oxidationsprozesses zu suchen und diese zu detektieren. Mit Ausnahme von wenigen sehr speziellen chemischen Bränden (d.h. Bränden, die mit Chemikalien verknüpft sind, die sich von den üblich angetroffenen Kohlenwasserstoffen unterscheiden) gibt es drei elementare Objekte (Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff) und drei Verbindungen (Kohlendioxid ("CO₂"), Kohlemonoxid und Wasserdampf), die ausnahmslos mit den nachfolgenden chemischen Reaktionen oder der Verbrennung eines Feuers verbunden sind.
Von den drei Austrittsgasen, die zu Beginn eines Brandes erzeugt werden, stellt CO₂ den besten Kandidaten zur Detektion durch einen Branddetektor dar. Dies liegt daran, daß Wasserdampf ein sehr schwer zu messendes Gas ist, da es dazu neigt, leicht auf jeder zur Verfügung stehenden Oberfläche zu kondensieren, wodurch seine Konzentration in Abhängigkeit von der Umgebung wild schwankt. Kohlenmonoxid wird andererseits ausnahmslos in einer geringeren Menge als CO₂, speziell zu Beginn eines Brandes, erzeugt. Nur wenn die Brandtemperatur 600°C oder darüber erreicht, wird eine wesentliche Kohlenmonoxidmenge erzeugt. Selbst dann wird mehr CO₂ als Kohlenmonoxid entsprechend zahlreichen Studien von Brandatmosphären erzeugt. Zusätzlich dazu, daß es vom Beginn des Brandes an reichlich erzeugt wird, ist CO₂ ein sehr stabiles Gas.
Obwohl seit vielen Jahren in der Theorie bekannt ist, daß die Detektion von CO₂ für eine alternaive Art zur Erkennung von Bränden sorgen sollte, haben CO₂-Detektoren noch keine breite Verwendung als Branddetektoren aufgrund von deren hohen Kosten und allgemeinen Ungeeignetheit zur Verwendung als Branddetektoren gefunden. In der Vergangenheit sind CO₂-Detektoren traditionell Infrarotdetektoren gewesen, die unter Nachteilen in Bezug auf die Kosten, beweglichen Teile oder Fehlalarme gelitten haben. Kürzliche Fortschritte auf dem Gebiet von Nondispersive Infrared (NDIR)-Techniken haben jedoch die Möglichkeit eines praktikablen CO₂-Detektors eröffnet, der zum Erkennen von Bränden verwendet werden kann.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,053,754 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "Simple Fire Detector" wird ein NDIR-Techniken verwendender Branddetektor vorgeschlagen. Ein Strahl aus Licht mit 4,26 μ wird durch eine Probe aus Raumluft zum Messen der Konzentration von CO₂ in dieser Luft gelenkt, da CO₂ eine stärkere Absorptionsspitze bei dieser Wellenlänge aufweist. Sowohl die Konzentration als auch die Änderungsrate der Konzentration des CO₂ werden gemessen, wobei ein Alarm erzeugt werden kann, wenn einer dieser gemessenen Werte einen jeweiligen Schwellenwert überschreitet. Vorzugsweise wird Alarm geschlagen, nur wenn beide Werte deren jeweilige Schwellenwerte überschreiten. Die Vorrichtung ist durch die Verwendung eines Fensters im Probenraum, das für CO₂ hochdurchlässig ist, aber Staub, Rauch, Öl und Wasser abhält, erheblich vereinfacht.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,079,422 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "Fire Detection System Using Spatially Cooperative Multi-Sensor Input Technique" wird eine Gruppe von N Sensoren über einen großen Raum oder ein nicht unterteiltes Gebäude im Abstand angeordnet. Vergleich von Daten von verschiedenen Sensoren liefert Information, die von nur einem einzigen Sensor nicht erhältlich ist. Die Daten von jedem dieser Sensoren und/oder die Änderungsrate von genannten Daten wird so verwendet, um zu ermitteln, ob ein Brand entstanden ist. Die Verwendung von Daten von mehr als einem Sensor reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,103,096 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "Rapid Fire Detector" erzeugt eine Schwarzkörperquelle ein Licht, das durch einen Filter gelenkt wird, der Licht in zwei schmalen Bändern bei der 4,26-Mikron-Absorptionsbande von CO₂ und bei 2,20 Mikron durchläßt, bei denen keines der atmosphärischen Gase eine Absorptionsbande aufweist.
Eine Schwarzkörperquelle wechselt zwischen zwei festen Temperaturen zum Erzeugen von Licht, das durch Umgebungsgas und durch einen Filter gelenkt wird, der nur diese zwei Wellenlängen passieren läßt. Zur Vermeidung von Fehlalarmen wird ein Alarm nur dann erzeugt, wenn sowohl der Betrag des Verhältnisses der gemessenen Intensitäten dieser zwei Lichtwellenlängen als auch die Änderungsrate dieses Verhältnisses gemeinsam überschritten werden.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,369,397 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "Adaptive Fire Detector" wird ein Branddetektor, der einen CO₂-Sensor und einen Mikrocomputer enthält, beschrieben, der den Schwellendetektionswert für CO₂, bevor ein Alarm ausgelöst wird, zur Kompensierung von Schwankungen bezüglich der Hintergrundkonzentration von CO₂ ändern kann.
Da praktisch alle Brände CO₂ erzeugen, sollten CO₂-Detektoren als Branddetektoren verwendbar sein. Es gibt jedoch drei praktische Einschränkungen, mit dem man sich bei der Gestaltung eines Branddetektors, der einen CO₂-Detektor verwendet, befassen muß.
Erstens gibt es, obwohl Brände reichliche Mengen von CO₂ erzeugen, eine weitere üblicherweise anzutreffende Quelle, obgleich verhältnismäßig schwächer (nämlich Menschen), die berücksichtigt werden muß. Aufgrund dessen können die Konzentrationsquellenwerte und Anstiegsratesschwellenwerte für einen Alarm für als Branddetektoren verwendete CO₂-Sensoren nicht beliebig niedrig eingestellt werden. Andernfalls könnte durch Atmung von Leuten in einem geschlossenen Raum erzeugtes CO₂ als ein echter Brand fehlinterpretiert werden. In der Praxis kann die Rate der CO₂-Erzeugung durch einen typischen Brand diejenige durch Anwesenheit eines Menschen um mehrere Größenordnungen überschreiten. Somit beeinträchtigt diese Einschränkung in keiner wesentlichen Weise die Geschwindigkeit des Ansprechens auf den Beginn von echten Bränden durch CO₂-Branddetektoren.
Aufgrund der Tatsache, daß CO₂-Konzentrations- und Anstiegsrateschwellenwerte aufgrund von menschlicher Atmung nicht beliebig niedrig eingestellt werden können, können zweitens Brände, die sehr kleine Mengen von CO₂ erzeugen, wie zum Beispiel einige Arten von Schwelbränden, von CO₂-Branddetektoren nicht optimal detektiert werden.
Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Herstellkosten eines NDIR-CO₂-Detektors auf wirtschaftlich attraktives Niveau reduziert sind, ist drittens der Verbraucher aufgrund nüchterner Kostenvorteile nicht gewillt, diesen neuen und verbesserten Branddetektor zu kaufen. Die gleichzeitige Anstrengung, einen NDIR-CO₂-Detektor zu vereinfachen und kostengünstiger zu machen, ist somit gleichermaßen wichtig und für die Einführung des gegenwärtig beschriebenen praktischen und verbesserten Branddetektors relevant.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,026,992 hat der vorliegende Erfinder mit einer Reihe von Beschreibungen der neuartigen Vereinfachung eines NDIR-Gasdetektors mit dem Endziel der Reduzierung von Kosten für diese Vorrichtung bis zu dem Punkt, an dem sie zum Detektieren von CO₂-Gas bei ihrer Anwendung als ein neuer Branddetektor verwendet werden kann, begonnen. In dem U.S.-Patent Nr. 5,026,992 wurde eine spektrale Verhältnisbildungstechnik zur NDIR-Gasanalyse unter Verwendung einer Differentialtemperaturquelle beschrieben, die zu einem äußerst einfachen NDIR-Gasdetektor mit nur einer Infrarotquelle und einem Infrarotdetektor führt.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,163,332 beschrieb der vorliegende Erfinder die Verwendung eines Gasprobenraumes vom Diffusionstyp bei der Konstruktion des NDIR-Gasdetektors, die praktisch alle empfindlichen und teuren optischen und mechanischen Komponenten eines herkömmlichen NDIR-Gasdetektors beseitigte. In dem U.S.-Patent Nr. 5,341,214 erweiterte der vorliegende Erfinder die neue Idee von einem Probenraum vom Diffusionstyp gemäß dem U.S.-Patent Nr. 5,163,332 so, daß sie die herkömmliche spektrale Verhältnisbildungstechnik in die NDIR-Gasanalyse einschloß. In dem U.S.-Patent Nr. 5,340,986 erweiterte der vorliegende Erfinder die Offenbarung eines Gasraumes vom Diffusionstyp gemäß dem U.S.-Patent Nr. 5,163,332 auf eine "gefaltete" Konfiguration, wodurch somit die Konstruktion eines NDIR-Gasdetektors noch weiter vereinfacht wird. Eine weitere Vereinfachung ist erforderlich, wenn CO₂-Sensoren Akzeptanz bei kostengünstigen Haushaltsbranddetektoren erlangen und somit den lange verspürten Bedarf an einem verbesserten Branddetektor mit einer niedrigeren Ansprechzeit, der dennoch das Auftreten von Fehlalarmen minimiert, erfüllen sollen.
Das U.S.-Patent Nr. 4,688,021 von Buck et al mit dem Titel "Combined Smoke and Gas Detection Apparatus" offenbart einen kombinierten Rauch- und Gasdetektor. Wie hier verwendet, vergleicht der Rauchsensor den Rauchwert mit einem vorab festgelegten Rauchschwellenwert und gibt er ein Rauch-vorhanden-Signal aus, wenn der Rauchwert den Rauchschwellenwert überschreitet. Zusätzlich vergleicht der Gasdetektor den Gaswert mit einem vorab festgelegten Gasschwellenwert und gibt er ein Gas-vorhanden-Signal aus, wenn der Gaswert den Gasschwellenwert überschreitet.
U.S.-Patent Nr. 5,159,315 von Schultz et al mit dem Titel "Communication System with Environmental Condition Detection Capability" offenbart ein Kommunikationssystem, das ein tragbares Radio mit Fähigkeiten zur Erkennung der Umgebung, wie zum Beispiel Erkennung des Vorhandenseins von Rauch enthält. Im Fall von Rauch sendet das Radio bei Erkennen des Vorhandenseins eines Umgebungszustands, wie zum Beispiel Rauch über einem vorab festgelegten Schwellenwert ein Informationssignal an eine Kommunikationsstation.
Das U.S.-Patent Nr. 5,420,440 von Ketler et al mit dem Titel "Optical Obscuration Smoke Monitor Having a Shunt Flow Path Located Between Two Access Ports" beschreibt eine optische Rauchüberwachungseinrichtung vom Verdunklungstyp zur Verwendung insbesondere in staubigen und schmutzigen Umgebungen. Die beschriebene Rauchüberwachungseinrichtung weist ein Gehäuse, das einen Rauchüberwachungsraum umschließt, zwei Zugangsöffnungen, die einander gegenüberliegend am Gehäuse angeordnet sind, einen Nebenluftstromweg, der zwischen genannten zwei Zugangsöffnungen angeordnet ist, ein Mittel zum Leiten von Luft aus genannten Zugangsöffnungen, ein Mittel zum Leiten von Luft aus genannten Zugangsöffnungen durch einen optischen Raum und einen Rauchdetektor auf.
Das U.S.-Patent Nr. 5,117,219 von Tice et al mit dem Titel "Smoke and Fire Detection System Communication" offenbart ein Rauch- und Branderkennungssystem, worin ein zentrale Controller Daten zu in der Ferne befindlichen Transpondern auf einer Spannungsversorgungsleitung durch Pulscodemodulation (Pulse Code Modulation (PCM)) der Versorgungsspannung sendet und die Transponder durch pulsbreitenmodulierte (Pulse With Modulated (PWM)) Stromimpulse über die Spannungsversorgungsleitung mit dem Controller kommunizieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Mängel von derzeitigen Rauchdetektoren können gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Vereinigung eines Rauchdetektors und eines CO₂-Sensors wesentlich und effektiv überwunden werden. Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Branddetektor gemäß Anspruch 27. Durch Kombinieren eines herkömmlichen Rauchdetektors (lichtelektrisch oder Ionisation) mit einem CO₂-Detektor zu einem neuen "dualen" Branddetektor ist es möglich, am häufigsten begegnete Fehlalarme zu beseitigen. Außerdem ist dieser duale Branddetektor auch wesentlich schneller im Erkennen von allen Arten von Bränden, von den langsamgehenden, schwelenden Arten bis zu den nahezu rauchfreien schnellgehenden Arten.
Im Gegensatz zur üblichen Praxis der Erhöhung der Empfindlichkeit oder Absenkung des Verdunklungsdetektionsschwellenwertes bei einem Rauchdetektor zur Beschleunigung seines Branderkennungsansprechverhaltens (wodurch seine Fehlalarmfestigkeit ausnahmslos vermindert wird) verwendet der neue duale Branddetektor CO₂ als eine zusätzliche Eingabe zur Minimierung von Fehlalarmen.
Diese zusätzliche Eingabe fungiert als ein Flag oder ein Zustandsschalter für den neuen dualen Branddetektor. Wenn der CO₂-Detektor dieses dualen Branddetektors einen vorab ausgewählten hohen CO₂-Wert (z.B. 3.000 ppm) und/oder eine vorab ausgewählte hohe CO₂-Anstiegsrate (z.B. 200 ppm/min.) wahrnimmt, wird der Zustandsschalter auf positiv oder "Bereit" eingestellt. Wenn dieses Flag auf "Bereit" eingestellt ist, kann der duale Branddetektor seinen niedrigen Lichtverdunklungsalarmschwellenwert für Rauch (der theoretisch so niedrig sein könnte, wie dies der Rauchdetektor erlauben würde, typischerweise wenige Zehntel von einem Prozent) verwenden, um den Beginn eines Brandes mit minimaler Verzögerung anzukündigen, während dennoch die Möglichkeit von Fehlalarmen minimiert wird. (Lichtverdunklung pro Fuß ist eine Standardeinheit für Rauchkonzentration. Sie wird häufig verwendet, selbst wenn ein Rauchdetektor, der keine Lichtverdunklung mißt, verwendet wird. Sie wird häufig auf eine einfache "Prozentlichtverdunklung" abgekürzt.) Wenn andererseits das Flag nicht gesetzt worden ist, wird der duale Branddetektor keinen Alarm abgeben, selbst wenn der normale Lichtverdunklungsalarmschwellenwert erreicht oder überschritten ist. Während dieses normalen Alarmabgaberauchzustands wartet er darauf, daß das Flag positiv wird, bevor er den Beginn des Brandes ankündigt. Dies erklärt, wie die meisten Bedingungen für Fehlalarme, deren Verdunklungszeiten gewöhnlich viel kürzer als echte Brände, wie zum Beispiel die Schwellbrandartigen, neutralisiert werden können, wodurch der duale Branddetektor praktisch fehlalarmresistent gemacht wird.
Zur Absicherung vor dem Auftreten von Schwelbränden wird der duale Branddetektor einen Alarm erklingen lassen, wenn die Rauchverdunklung einen normalen vorab eingestellten Schwellenwert, wie zum Beispiel den durch ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, angeordneten, für eine vorab festgelegte Zeitdauer von bis zu einer Stunde erreicht. Da die häufigsten Haushaltsfehlalarmepisoden bestenfalls einige Minuten dauern, wird diese Alarmabgabefähigkeit durch den dualen Branddetektor mindestens gleich derjenigen für den herkömmlichen Rauchdetektor sein. Er ist jedoch schneller als der herkömmliche Rauchdetektor beim Anzeigen eines Schwelbrandes, da er auch die CO₂- und/oder Anstiegsrateschwellenwerte detektiert. Wenn das CO₂-Flag auf "Bereit" gesetzt wird, wird er sofort den Alarm ertönen lassen und muß er nicht auf die maximale Dauer von bis zu einer Stunde warten.
Fachleute werden leicht erkennen, daß dies eine dynamische Einstellung des Branderkennungskriteriums für das Rauchdetektorausgabesignal darstellt.
Ein weiterer Aspekt des dualen Branddetektors nutzt den Vorteil der Tatsache vollständig, daß gewisse Arten von schnellgehenden Bränden eine riesige Mengen von CO₂ aber eine relativ kleine Rauchmenge erzeugen. Somit wird für diese Brandarten der duale Branddetektor den Alarm schnell erklingen lassen, wenn die CO₂-Anstiegsrate einen unnormal hohen Schwellenwert, wie zum Beispiel 1.000 ppm/min., unabhängig davon, ob irgendeine Rauchverdunklung erreicht worden ist, überschreitet. Diese besondere Branderkennungsfähigkeit des dualen Detektors für schnellgehende Brände ist neu und einzigartig in der vorliegenden Erfindung und ist von gegenwärtig erhältlichen Branddetektoren nicht realisiert beziehungsweise implementiert worden.
Obwohl die CO₂-Detektorseite des dualen Branddetektors entweder den Konzentrationswert und/oder die Anstiegsrate als eine Schwellenwertbedingung zum Setzen des Flags verwenden könnte, reicht die Anstiegsrate alleine aus, und kann genannter Kohlendioxiddetektor in der einfachsten und kostengünstigsten Weise implementiert werden. Dementsprechend würde das Erkennen von allen Brandarten, einschließlich der Schwelbrandart, mit eine kürzeren Ansprechzeit und praktisch fehlalarmresistent und ohne unerschwinglich ansteigende Kosten einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet von Branddetektoren darstellen, der Leben retten und durch Brände verursachten Sachschaden reduzieren könnte.
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Anzahl der einfachsten möglichen Ausführungsformen eines kombinierten NDIR-CO₂-Gasdetektors mit einem herkömmlichen Rauchdetektor, um einen praktischen und verbesserten Branddetektor zu erzielen, der kostengünstig, aber dennoch schneller als gegenwärtig erhältliche Rauchdetektoren ist, während er dennoch Fehlalarme minimiert.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen praktischen und verbesserten Branddetektor mit einer schnellen Ansprechzeit, der übliche Brände, einschließlich Schwelbrände und schnellgehende Arten, erkennt, während er durch die Kombination eines Rauchdetektors und eines CO₂-Detektors dennoch Fehlalarme minimiert. Insbesondere verwendet die vorliegende Erfindung neuartige Designkonfigurationen, sowohl mechanisch als auch elektrisch, zur Implementierung der Kombination aus einem Rauchdetektor und einem NDIR-CO₂-Gasdetektor als ein kostengünstiger, praktischer und verbesserter Branddetektor.
Gemäß einem ersten separaten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rauchdetektor zum Erkennen von Schwelbränden, wenn Lichtverdunklung einen reduzierten Schwellenwert für mehr als eine zweite vorab ausgewählte Zeit überschreitet, verwendet. Wenn eine dieser Bedingungen eintritt, wird ein Alarmsignal als Antwort auf einen Schwelbrand erzeugt. Zusätzlich wird ein CO₂-Detektor zum schnellen Erkennen von Bränden durch Überwachung der Anstiegsrate der CO₂-Konzentration verwendet. Wenn die Anstiegsrate der CO₂-Konzentration eine zweite vorab festgelegte Rate überschreitet, wird ein Alarmsignal erzeugt.
Gemäß einem weiteren separaten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die maximale Ansprechzeit des Branddetektors gesenkt, indem sich auf die verringerte maximale Ansprechzeit des CO₂-Detektors verlassen wird. Dem Rauchdetektor zuschreibbare Fehlalarme werden minimiert, da es keine wesentliche CO₂-Erzeugung bei Quellen ohne Feuer gibt. Schließlich werden dem CO₂-Detektor zuschreibbare Fehlalarme durch Alarmlogik minimiert, die auf die Detektierausgabe sowohl des Rauchdetektors als auch des CO₂-Detektors anspricht.
Dementsprechend besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen kostengünstigen, praktischen und verbesserten Branddetektor mit einer reduzierten maximalen Ansprechzeit bereitzustellen, der dennoch Fehlalarme minimiert.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden für Fachleute auf dem Gebiet in Verbindung mit den Zeichnungen und der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ersichtlich werden.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben ersichtlich werden, die mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Logikplan für einen in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Signalprozessor;
2 zeigt ein Blockdiagramm für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Logik eines Signalprozessors gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert;
4 zeigt ein Blockdiagramm für eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt einen Bauschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen praktischen und verbesserten Branddetektor, der eine Kombination aus einem lichtelektrischen Rauchdetektor und einem NDIR-CO₂-Gasdetektor und deren jeweiligen Signalverarbeitungsschaltungselemente und -funktionsbeziehungen zeigt;
6 zeigt einen Bauschaltplan einer ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen praktischen und verbesserten Branddetektor;
7 zeigt einen Bauschaltplan einer zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen praktischen und verbesserten Branddetektor;
8 zeigt einen Bauschaltplan einer dritten alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen praktischen und verbesserten Branddetektor; und
9 zeigt einen Bauschaltplan einer vierten alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen praktischen und verbesserten Branddetektor;
10 zeigt eine explosionsartige isometrische Ansicht einer Infrarotdetektoranordnung, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung beispielhaft ist.
11 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Substrats 450 von 10 von unten, die darauf hergestellte Thermosäulen zeigt.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt einen Logikplan für einen in der bevorzugten Ausführungsform eines praktischen und verbesserten Branddetektors verwendeten Signalprozessor.
In der 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbindet ein Branddetektor 100 einen Rauchdetektor 300 mit einem CO₂-Detektor 200 und werden die Detektionsausgaben des Rauchdetektors und des CO₂-Detektors einem Signalprozessor 40 zugeführt, um zu bestimmen, ob ein Alarmsignal 51 erzeugt und zu Alarmeinrichtung 500 gesendet werden sollte. Der CO₂-Detektor 200 erzeugt ein die CO₂-Anstiegsrate repräsentierendes Ausgabesignal 210 gemäß bekannten Prinzipien der NDIR-Gassensortechnologie. Fachleute werden leicht erkennen, daß eine einfache Kette von CO₂-Konzentrationsmeßwerten für die CO₂-Änderungsrate repräsentativ ist, da die Kette von CO₂-Meßwerten die Information über die CO₂-Änderungsrate enthält. Außerdem werden Fachleute erkennen, daß es keinen Unterschied für das tatsächliche Funktionieren des Rauchdetektors 100 macht, ob der CO₂-Detektor 200 oder Signalprozessor 40 die Information über die CO₂-Konzentration extrahiert.
Der Rauchdetektor 300 erzeugt ein für die Lichtverdunklung repräsentatives Ausgabesignal 310 gemäß bekannten Prinzipien der Rauchdetektortechnologie. Der Signalprozessor 40 verwendet Alarmlogik zur Bestimmung, ob das Alarmsignal 51 erzeugt werden sollte. Obwohl bevorzugt wird, daß ein einziger Signalprozessor 40 verwendet wird, können mehrere Signalprozessoren verwendet werden; alternativ können Teile der Alarmlogik, die zur Bestimmung verwendet werden, ob ein Alarmsignal 51 erzeugt werden sollte, als Teil des Rauchdetektors 300 oder CO₂-Detektors 200 implementiert werden.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Alarmlogik 400 des in 2 gezeigten Signalprozessors 40 implementiert. Weder die zur Durchführung der logischen Funktionen verwendeten genauen Komponenten noch die Leitungen sind kritisch, solange dieselben Daten zu denselben Ergebnissen führen werden. Somit könnte zum Beispiel ODER-Gatter C₄ durch mehrere ODER-Gatter oder andere äquivalente Logikeinrichtungen zum Erzielen desselben Ergebnisses ersetzt werden. Obwohl dieses Diagramm UND- und ODER-Gatter verwendete, können in ähnlicher Weise all die UND- und ODER-Gatter durch Entscheidungskästchen ersetzt werden. Dementsprechend soll die Verwendung von UND- und ODER-Gattern nicht einschränkend gedacht sein und wird sie lediglich zum leichteren Verständnis und zur leichteren Darstellung vorgenommen.
Wie in 1 dargestellt, erzeugt der Branddetektor 100 ein Alarmsignal 51, wenn irgendeine von vier Bedingungen erfüllt ist. Erstens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt werden, wenn das Ausgabesignal 310 vom Rauchdetektor 300 einen Schwellenwert A₁ für mehr als eine erste vorab ausgewählte Zeit A₂ überschreitet. Zweitens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt werden, wenn das Ausgabesignal 310 vom Rauchdetektor 300 einen reduzierten Schwellenwert B₁ für mehr als eine zweite vorab ausgewählte Zeit B₂ überschreitet. Drittens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt werden, wenn die Anstiegsrate der CO₂-Konzentration eine erste vorab festgelegte Rate C₁ überschreitet und Lichtverdunklung einen reduzierten Schwellenwert B₁ überschreitet. Fachleute werden leicht erkennen, daß die dritte Bedingung, im Vergleich mit der zweiten Bedingung, eine dynamische Einstellung des Branderkennungskriteriums für ein Rauchdetektorausgabesignal darstellt. Viertens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt werden, wenn die Anstiegsrate der CO₂-Konzentration eine zweite vorab festgelegte Geschwindigkeit C₃ überschreitet.
Zur Erhöhung der maximalen Ansprechzeit stützt sich die bevorzugte Ausführungsform auf einen CO₂-Detektor, um den Branddetektor die Anstiegsrate der CO₂-Konzentration messen zu lassen. Wenn die Anstiegsrate eine erste vorab festgelegte Rate C₁ überschreitet und das Rauchdetektorausgabesignal 310 anzeigt, daß Lichtverdunklung auch einen reduzierten Schwellenwert B₁, wie dies durch das UND-Gatter C₂ angedeutet wird, überschreitet, wird ein Alarmsignal 51 erzeugt. Alternativ wird ein Alarmsignal erzeugt wenn die CO₂-Anstiegsrate eine zweite vorab festgelegte Rate C₃ überschreitet.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform liegt die erste vorab festgelegte CO₂-Änderungsrate C₁ zwischen näherungsweise 150 ppm/min. und 250 ppm/min. und beträgt die zweite vorab festgelegte CO₂-Änderungsrate C₃ näherungsweise 1.000 ppm/min. Die erste vorab festgelegte Änderungsrate wurde auf der Grundlage von Brandtests für Papier-, Holz-, Benzin- und Polystyrenbrände erhalten, die gemäß ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, unter Verwendung eines NDIR-Sensors durchgeführt wurden, bei denen die folgenden gemittelten Änderungsraten einen Brand während jedes der vier Tests anzeigten: 300 ppm/min. für den Papierbrandtest, 150 ppm/min. für den Holzbrandtest, 250 ppm/min. für den Benzinbrandtest und 170 ppm/min. für den Polystyrenbrandtest. Unter Verwendung der vorgenannten Änderungsraten zum Erkennen eines Brandes betrug die mittlere Ansprechzeit zum Erkennen von Bränden bei jedem dieser Tests 1,5 Minuten.
Unter normalen Bedingungen sollte eine erste vorab festgelegte CO₂-Änderungsrate zwischen näherungsweise 150 ppm/min. und 250 ppm/min., bei Fehlen einer plötzlichen, örtlichen Schwankung, die von dem CO₂-Detektor gemessen wird, keine Fehlalarme auslösen, da sie sich weit oberhalb der Änderungsrate befindet, die bei Annahme von richtiger Ventilation angetroffen wird. Diesbezüglich gibt der HVAC-Standard 62-1989 für einen begrenzten Raum an, daß die maximale CO₂-Anstiegsrate zwischen 30 und 50 ppm/min. liegen sollte. Selbst wenn die Ventilation nicht gemäß diesem Standard erfolgen sollte, wird somit eine Änderungsrate von 150 bis 200 ppm/min. einen Fehlerbereich zur Verhinderung von Fehlalarmen weiterhin belassen.
Es können jedoch Situationen vorliegen, in denen es eine fehlerhafte Ventilation oder eine von dem CO₂-Detektor gemessene plötzliche örtliche Schwankung gibt. Es ist vorstellbar, daß der CO₂-Sensor eine plötzliche örtliche Änderungsrate im Bereich von 150 bis 250 ppm/min. detektieren könnte, wenn er sich zu nah an einer potentiellen CO₂-Quelle, wie zum Beispiel einer oder mehreren Personen, die in den CO₂-Sensor direkt ausatmen, befindet. Zur Verhinderung von derartigen unwahrscheinlichen Situationen zuschreibbaren Fehlalarmen ist die Branddetektorlogik der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, daß kein Alarmsignal erzeugt werden wird, wenn nicht die Anstiegsrate C₁ der CO₂-Konzentration den Bereich von 150 bis 250 ppm/min. überschreitet und die vom Rauchdetektor detektierte Lichtverdunklung einen reduzierten Schwellenwert B₁ überschreitet. Wenn diese beiden Bedingungen zum Erklingenlassen eines Alarms erforderlich sind, wird die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen minimiert.
Da der reduzierte Lichtverdunklungsschwellenwert weit unterhalb von Schwellenwerten eingestellt werden, die gegenwärtig in Rauchdetektoren verwendet werden, die für den Hausgebrauch gestaltet sind, und dennoch als Hemmer eines Fehlalarms fungieren kann, ist die maximale Ansprechzeit wesentlich geringer als diejenige von gegenwärtigen Rauchdetektoren. Dies liegt daran, daß der reduzierte Schwellenwert in dieser Anwendung nicht als Hinweis auf einen Brand per se verwendet wird. Statt dessen wird er als ein Test für die Genauigkeit der dem CO₂-Detektor zuschreibbaren Brandanzeige verwendet. Somit wird der reduzierte Schwellenwert auf ein Maß eingestellt, das niedriger als dasjenige ist, das in einem Rauchdetektor an sich akzeptabel wäre, da er für Fehlalarme zu anfällig wäre. Da Lichtverdunklung oberhalb des reduzierten Schwellenwertes bei Fehlen einer CO₂-Konzentrationsänderungsrate, die die erste vorab festgelegte Rate überschreitet, kein Alarmsignal auslösen wird, werden von dem Branddetektor keine ausschließlich dem reduzierten Schwellenwert zuschreibbaren Fehlalarme verursacht. Wenn eine Änderungsrate von zwischen näherungsweise 150 und 250 ppm/min. als die erste vorab festgelegte Rate verwendet wird, kann als ein Ergebnis die maximale mittlere Ansprechzeit zum Erkennen eines Brandes in jedem der Papier-, Holz-, Benzin- und Polystyrentests von ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, dennoch kleiner als 1,5 Minuten und in einigen Fällen sogar kleiner als eine Minute sein.
Wenn die CO₂-Änderungsrate die zweite vorab festgelegte Rate überschreitet, ist es unwahrscheinlich, daß eine derartige Änderung durch keinen Brand verursacht wird, wobei angenommen wird, daß die zweite vorab festgelegte Rate hoch genug eingestellt ist, daß der Branddetektor korrekt positioniert ist und daß es keinen absichtlichen Versuch des Einschaltens des Branddetektors, wie zum Beispiel eine bewußt und schnell direkt in den Branddetektor ausatmende Person, gibt. Selbst wenn kein Brand vorliegt, wird ferner ein derartiger Alarm nicht überflüssig sein, da er dennoch einen potentiell gefährlichen Zustand identifizieren kann, der sofortige Aufmerksamkeit erfordert. Durch Aufnehmen dieser Option in die Branddetektorlogik erkennt die bevorzugte Ausführungsform Brände mit einer sehr hohen Änderungsrate der CO₂-Konzentration, die auf einen schnellgehenden Brandtyp hinweist, früher. Zusätzlich hilft diese Option dabei, mit der falschen Plazierung von Rauchdetektoren verbundene Probleme zu vermeiden, da sich CO₂-Gasmoleküle viel schneller als Rauchteilchen ausbreiten.
Obwohl ein CO₂-Detektor im schnellen Erkennen von Bränden sehr gut ist, ist er nicht sehr gut im Erkennen von Schwelbränden gemäß dem in Paragraph 43 von ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, dargelegten Test unter Verwendung eines NDIR-Sensors. Es hat sich herausgestellt, daß die zum Erkennen eines Schwelbrandes notwendige CO₂-Konzentrationsrate näherungsweise 10 ppm/min. betrug. Leider ist diese Änderungsrate zu gering, um bei den Arten von durch ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, abgedeckten Anwendungen, wie zum Beispiel Haushaltsrauchdetektoren, sehr nützlich zu sein, da eine derartige Änderungsrate unterhalb der akzeptierbaren Anstiegsrate liegt, die unter normalen Bedingungen angetroffen werden kann und somit zu Fehlalarmen führen würde.
Zum Erkennen von Schwelbränden enthält die bevorzugte Ausführungsform einen Rauchdetektor zum Erkennen von Schwelbränden, wenn Lichtverdunklung einen Schwelbranderkennungswert über mehr als eine vorab ausgewählte Zeit überschreitet. Dies kann auf eine von zwei Arten durchgeführt werden: Wenn Lichtverdunklung einen Schwellenwert A₁ über mehr als eine erste vorab ausgewählte Zeit A₂ überschreitet oder wenn Lichtverdunklung einen reduzierten Schwellenwert B₁ über mehr als eine zweite vorab ausgewählte Zeit B₂ überschreitet.
Die erste Option zum Erkennen von Schwelbränden stützt sich auf einen Verdunklungsschwellenwert, der Holz-, Papier-, Benzin- oder Polystyrenbrände gemäß ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, erkennen würde und dennoch Fehlalarme minimiert, aber das Problem von Fehlalarmen durch Unterdrücken des Alarms vermeidet, bis eine ausreichende Zeit vergangen ist, um die Möglichkeit eines Fehlalarms auszuschließen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schwellenwert der Schwellenwert von ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, der ursprünglich näherungsweise 7 Prozent betrug, und beträgt die erste vorab ausgewählte Zeit 5 Minuten.
Die zweite Option zum Erkennen von Schwelbränden stützt sich auf einen reduzierten Verdunklungsschwellenwert, der geringer als der Schwellenwert ist, und eine zweite vorab ausgewählte Zeit, die größer als die erste vorab ausgewählte Zeit ist. In dieser Option werden niedrigere Verdunklungswerte detektiert, aber Fehlalarme dadurch vermieden, daß verlangt wird, daß diese Bedingung für eine längere Zeitdauer erfüllt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der reduzierte Schwellenwert wesentlich niedriger als 7 Prozent und ist die zweite vorab ausgewählte Zeit größer als 5 Minuten, aber geringer als 60 Minuten. Beim Auswählen des reduzierten Schwellenwertes sollte der reduzierte Schwellenwert nicht so niedrig eingestellt werden, daß er Fehlalarme aufgrund der innewohnenden Empfindlichkeit des Rauchdetektors erzeugen wird; dementsprechend schafft die Empfindlichkeit des Rauchdetektors einen minimalen Wert, unter den der reduzierte Schwellenwert nicht gesetzt werden sollte. Beim Auswählen eines reduzierten Schwellenwerts oberhalb dieses Minimums können empirische Testdaten zur Optimierung der gewünschten Ergebnisse verwendet werden.
Ferner können die ersten und zweiten Optionen zum Erkennen von Schwelbränden gemeinsam in demselben Branddetektor zur Optimierung der Ergebnisse verwendet werden, wie dies in 1 gezeigt ist. Der Signalprozessor kann Alarmlogik zum Auslösen eines Alarmsignals verwenden, wenn entweder die erste oder die zweite Option erfüllt ist. Somit könnte zum Beispiel der Schwellenwert auf näherungsweise 7 Prozent eingestellt werden. Der reduzierte Schwellenwert könnte auf wesentlich weniger als 7 Prozent eingestellt werden, die erste vorab ausgewählte Zeit könnte auf 5 Minuten eingestellt werden und die zweite vorab ausgewählte Zeit könnte auf mehr als 5 Minuten aber weniger als 60 Minuten eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es nun möglich, einen Branddetektor zu konstruieren, der ANSI/UL-217 1985, 22. März 1985, einschließlich des Schwelbrandtests, erfüllen und auch einen Alarm innerhalb einer maximalen mittleren Ansprechzeit von näherungsweise 1,5 Minuten auslösen wird, wenn er Tests A bis D unterzogen wird, die in den Paragraphen 42.3 bis 42.6 von ANSI/UL 217-1985, 22. März 1985, beschrieben sind.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Branddetektor mit einer sehr schnellen maximalen Ansprechzeit zu bauen, in dem ein CO₂-Detektor zum Erkennen von Bränden verwendet wird und ein Rauchdetektor zur Verhinderung von Fehlalarmen verwendet wird. In dieser in 3 gezeigten Ausführungsform verwendet die Alarmlogik 4A nicht die Ausgabe 310 vom Rauchdetektor 300 zum Erkennen von Schwelbränden; statt dessen wird sie ausschließlich als Test der Genauigkeit der Brandanzeige verwendet, die dem CO₂-Detektor zuschreibbar ist. Obwohl diese Ausführungsform nicht so bevorzugt wird wie die bereits beschriebene Ausführungsform, stellt sie dennoch einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar.
Wie in 3 dargestellt ist, erzeugt der Branddetektor 100 ein Alarmsignal 51, wenn eine von zwei Bedingungen erfüllt ist. Erstens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt werden, wenn die Anstiegsrate der CO₂-Konzentration eine erste vorab festgelegte Geschwindigkeit C₁ überschreitet und Lichtverdunklung einen reduzierten Schwellenwert B₁ überschreitet. Zweitens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt werden, wenn die Anstiegsrate der CO₂-Konzentration eine zweite vorab festgelegte Geschwindigkeit C₃ überschreitet.
Was die tatsächliche Konstruktion eines Branddetektors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung anbelangt, können die Komponenten des Branddetektors in einem einzigen Gehäuse enthalten sein; alternativ und weniger bevorzugt, müssen die einzelnen Komponenten nicht in einem einzigen Gehäuse enthalten sein. Der Branddetektor kann eine Alarmeinrichtung enthalten, die hörbar oder optisch oder beides ist; alternativ kann der Branddetektor ein Alarmsignal erzeugen, das an eine separate Alarmeinrichtung übertragen wird, oder kann ein Alarmsignal in irgendeinem geeigneten Gerät zum Auslösen einer Alarmreaktion oder eines Alarmhinweises verwendet werden.
Der CO₂-Detektor ist vorzugsweise ein NDIR-Gasdetektor. Geeignete NDIR-Detektoren könnten die Lehren der in dem U.S.-Patent Nr. 5,026,992 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "Spectral Rationing Technique for NDIR Gas Analysis" oder U.S.-Patent Nr. 5,341,214 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "NDIR Gas Analysis Using Spectral Rationing Technique" offenbarten NDIR-Detektoren berücksichtigen. Für diejenigen CO₂-Detektoren, die zum Messen von CO₂-Konzentrationwerten in Teile je Million Teile verwendet werden, von denen die CO₂-Änderungsrate abgeleitet wird, sollten sie über lange Zeitdauern stabil und zur genauen Detektion fähig sein. Zur Sicherstellung von Genauigkeit und Zuverlässigkeit sollte die Drift von diesem Typ von CO₂-Detektoren vorzugsweise auf weniger als näherungsweise 50 ppm/5 Jahre beschränkt sein.
Ein einfacher Typ von NDIR-CO₂-Detektor ist in dem U.S.-Patent Nr. 5,163,332 von Jacob Y. Wong mit dem Titel "Improved Gas Sample Chamber" beschrieben. Die Aufmerksamkeit des Lesers wird auf diesen Literaturhinweis für eine Beschreibung dieses Typs von NDIR-CO₂-Detektor gelenkt. Dieses Patent offenbart einen NDIR-CO₂-Detektor, dessen Ausgabe direkt auf die CO₂-Änderungsrate hinweist und proportional dazu ist. Diese Art von sogenanntem "Einstrahl"-NDIR-Gasdetektor ist einfacher und somit leichter zu implementieren und gehört demzufolge zu den kostengünstigsten NDIR-Gassensoren.
Der Rauchdetektor 300 kann ein Detektor vom Ionisationstyp sein, aber ein lichtelektrischer Typ von Rauchdetektor wird bevorzugt.
Die obige Beschreibung dieser Erfindung ist hauptsächlich auf die bevorzugte Ausführungsform und deren Handhabungen gerichtet. Weitere Modifikationen sind auch in alternativen Ausführungsformen möglich, ohne aus dem Erfindungskonzept zu gelangen. So kann zum Beispiel der Branddetektor derart konstruiert werden, daß er für unterschiedliche Funktionen programmierbar ist oder unterschiedliche Anforderungen erfüllt. In einem derartigen Branddetektor kann eines oder alles von folgendem programmierbar sein: Der Schwellenwert und die erste vorab ausgewählte Zeit, der reduzierte Schwellenwert und die zweite vorab ausgewählte Zeit und die ersten und zweiten vorab festgelegten Änderungsraten.
In einer weiteren Modifikation der bevorzugten Ausführungsform kann die Branddetektorlogik so geändert werden, daß sie einen ersten reduzierten Schwellenwert, der zum Erzeugen eines Alarmsignals zum Erkennen eines Schwelbrandes verwendet wird, und einen zweiten reduzierten Schwellenwert liefert, der als ein Test der Genauigkeit der dem CO₂-Detektor zuschreibbaren Brandanzeige verwendet wird. In einer weiteren Modifikation der bevorzugten Ausführungsform kann ein anderer Alarm oder anderes Alarmsignal für verschiedene Brandarten erzeugt werden. Ein derartiger Detektor ist in 4 dargestellt, in der der Branddetektor 100 einen CO₂-Detektor 200, einen Rauchdetektor 300, einen Signalprozessor 40, eine Brandalarmeinrichtung 500 und eine Schwelbrandalarmeinrichtung 600 enthält. Selbstverständlich könnte dasselbe Ergebnis durch Verwendung der Brandalarmeinrichtung 500 zum Erzeugen von unterschiedlichen Alarmen in Abhängigkeit von der Brandart erhalten werden.
In der in 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird die gepulste Ausgabe der Siliziumphotodiode 1 des lichtelektrischen Rauchdetektors 2 von Treiber 5 mit einer Frequenz von typischerweise 300 Hz und einem Tastverhältnis typischerweise von 5 Prozent gepulst. Unter normalen Betriebsbedingungen, d.h. bei Fehlen eines Brandes ist die AC-Ausgabe der Photodiode 1 näherungsweise Null, da kein Licht von der LED-Quelle 4 in sie gestreut wird. Während eines Brandzustands, in dem Rauch in dem Raum zwischen der LED 4 und der Photodiode 1 vorhanden ist, tritt ein AC-Ausgabesignal, dessen Größe von der Rauchdichte abhängt, am Eingang des Abtast- und Haltekreises 3 auf.
Die Ausgabe des Abtast- und Haltekreises 3, die ein DC-Signal ist, wird in jeweilige Hoch- und Niedrigverdunklungsschwellenwertkomparatoren 6 und 7 gegeben. Die Referenzspannung am Hochverdunklungsschwellenwertkomparator 6 repräsentiert eine Signalstärke von gestreutem Licht an der Siliziumphotodiode 1, wenn die Verdunklung aufgrund des Rauchzustands näherungsweise 7 Prozent beträgt. Wenn die Rauchverdunklung gleich 7 Prozent am lichtelektrischen Rauchdetektor 2 ist oder diese überschreitet, wird die Ausgabe des Komparators 6 ein logischer HOCH-Zustand sein. In ähnlicher Weise repräsentiert die Referenzspannung am Niedrigverdunklungskomparator 7 eine Signalstärke von gestreutem Licht an der Siliziumphotodiode 1, wenn die Verdunklung aufgrund des Rauchzustands geringer als 7 Prozent, z.B. 2 Prozent ist. Wenn die Rauchverdunklung gleich 2 Prozent am lichtelektrischen Rauchdetektor 2 ist oder diese überschreitet, wird somit die Ausgabe des Komparators 7 ein logischer HOCH-Zustand sein.
Die Ausgänge der Komparatoren 6 und 7 sind jeweils mit Zeitmessern 8 und 9 verbunden. Der Zeitmesser 8 wird auf näherungsweise 5 Minuten eingestellt und der Zeitmesser 9 wird auf näherungsweise 15 Minuten eingestellt. Die Zeitmesser 8 und 9 werden nur aktiviert, wenn die logischen Zustände der Ausgaben jeweils HOCH sind. Die Ausgaben der Zeitmesser 8 und 9 bilden zwei von vier Eingaben am ODER-Gatter 10. Die Ausgabe des ODER-Gatters 10 wird vom Verstärker 11 gepuffert, bevor sie mit dem Eingang der Sirenenalarmeinrichtung 12 verbunden wird. Die Sirenenalarmeinrichtung 12 wird jedes Mal ertönen, wenn die Ausgabe des ODER-Gatters WAHR oder HOCH ist.
Die Ausgabe des Niedrigverdunklungsschwellenwertkomparators 7 bildet auch eine der zwei Eingaben bei dem logischen UND-Gatter 26. Die Ausgabe des UND-Gatters 26 bildet die dritte Eingabe beim ODER-Gatter 10.
Die Infrarotquelle 13 des NDIR-CO₂-Gasdetektors 14 wird von Stromtreiber 15 mit der typischen Frequenz von 1 Hz gepulst. Das gepulste Infrarotlicht fällt auf den Infarotdetektor 16 durch einen Dünnschichtbandpaßinterferenzfilter 17, der nur Strahlung mit 4,26 Mikron zum Detektor durchläßt. Der Filter 17 weist eine zentrale Wellenlänge von 4,26 Mikron mit einem Halbwertsbreiten (Full Width At Half Maximum (FWHM))-Durchlaßband von näherungsweise 0,2 Mikron auf. CO₂-Gas weist eine sehr starke Infrarotabsorptionsbande auf, die spektral bei 4,26 Mikron angeordnet ist. Die Menge von Strahlung mit 4,26 Mikron, die den Detektor 16 erreicht, hängt von der zwischen der Quelle 13 und dem Detektor 16 vorhandenen CO₂-Gaskonzentration ab.
Der Detektor 16 ist eine Einkanal-Mikromechanik-Siliziumthermosäule mit einem optionalen eingebauten Temperatursender in engem thermischem Kontakt mit der Vergleichskontaktstelle. Das Probenraumgebiet 18 des NDIR-CO₂-Detektors weist kleine Öffnungen an gegenüberliegenden Seiten auf, die Umgebungsluft durch das Probenraumgebiet zwischen der Quelle 13 und dem Detektor 16 diffundieren lassen. Diese kleinen Öffnungen sind mit einer speziellen glasfasergestützten Siliziummembran 20 bedeckt, um CO₂ diffundieren zu lassen und zu verhindern, daß staub- und feuchtigkeitsbeladene Feststoffe in das Probenraumgebiet 18 eindringen.
Die Ausgabe des Detektors 16, die ein moduliertes Signal ist, wird als erstes von Vorverstärker 21 verstärkt und danach von Gleichrichter 22 in eine DC-Spannung gleichgerichtet, bevor sie von Differenzierschaltung 23 differenziert wird. Die Ausgabe der Differenzierschaltung 23, die proportional zur Änderungsrate der CO₂-Konzentration in dem Probenraumgebiet 18 ist, wird in ein Paar Komparatoren 24 und 25 gegeben. Der Komparator 24 ist ein Komparator mit geringer Steilheit und seine Referenzspannung entspricht einer Änderungsrate der CO₂-Konzentration von näherungsweise 200 ppm/min. Wenn diese Änderungsrate für CO₂ detektiert oder überschritten wird, wird der Ausgang des Komparators 24 mit geringer Steilheit, der mit dem zweiten Eingang zum UND-Gatter 26 verbunden ist, auf HOCH oder WAHR gehen.
Der Komparator 25 ist ein Komparator mit großer Steilheit und seine Referenzspannung entspricht einer Änderungsrate der CO₂-Konzentration von näherungsweise 1.000 ppm/min.
Wenn diese Änderungsrate für CO₂ detektiert oder überschritten wird, wird die Ausgabe des Komparators 25 mit großer Steilheit, die die vierte Eingabe beim ODER-Gatter 10 bildet, auf HOCH oder WAHR gehen.
Das Spannungsversorgungsmodul 27 nimmt eine externe Versorgungsspannung V_ext und erzeugt eine Spannung V₊ zum Betreiben der früher erwähnten Schaltung. Eine Reservespannungsversorgung, die Standardbatterien verwendet, kann auch von Modul 27 in einer naheliegenden Weise abgeleitet werden.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Logik für den Signalprozessor für die vorliegende Erfindung eines praktischen und verbesserten Branddetektors durch den Bauschaltplan der bevorzugten Ausführungsform implementiert, wie er in 5 und in der zugehörigen Beschreibung oben gezeigt ist.
In der in 6 gezeigten ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform sind alle beschriebenen und in 5 gezeigten Schaltungselemente mit Ausnahme des Moduls 27 und der Sirenenalarmeinrichtung 12 unter Verwendung von Standard Application Specific Integrated Circuit (ASIC)-Technik in einem einzigen ASIC-Chip 28 integriert. Alle Funktionen für diese erste alternative bevorzugte Ausführungsform sind genau dieselben wie in der in 2 gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform.
In der in 7 gezeigten zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Infrarotdetektor 16 (siehe 5) mit Einkanal-Silizium-Mikromechanik-Thermosäule durch einen Detektor 30 mit Zweikanal-Silizium-Mikromechanik-Thermosäule ersetzt. Eingebaut ist der CO₂-Gasdetektor in dieser zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform ein voll ausgewachsener Doppelstrahl- oder Zweikanal-NDIR-Gasdetektor. Der Filter 31 ist ein Dünnschichtbandpaßinterferenzfilter mit einer zentralen Wellenlänge bei 4,26 Mikron und einer FWHM von 0,2 Mikron. Der Filter 32 weist eine zentrale Wellenlänge bei 3,91 Mikron und eine FWHM von 0,2 Mikron auf. Er erzeugt einen neutralen Referenzkanal für den Gasdetektor, da es dort keine merkliche Absorption von gewöhnlichen Gasen in der Atmosphäre in diesem besonderen neutralen Durchlaßband gibt.
Zusätzlich zu dem ASIC-Chip 28 in dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform ist ein Mikroprozessorabschnitt 29 zum gesamten Signalprozessor (Signal Processor (SP))-Chip 33 hinzugefügt. Mit der Verwendung eines Zweikanal-CO₂-Sensors wird die Gaskonzentration als erstes durch Messung des Verhältnisses zwischen den Ausgaben der zwei Detektorkanäle in dem Zweikanal-Thermosäule-Detektor 30 bestimmt. Die Berechnung des Verhältnisses und die nachfolgende Bestimmung der Änderungsrate für CO₂ werden in dem Mikroprozessorabschnitt 29 des SP-Chips 33 durchgeführt. Wie in der in 6 gezeigten ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform werden alle logischen Funktionen von dem ASIC-Chip 28 wie vorher durchgeführt.
In der in 8 schematisch gezeigten dritten alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der CO₂-Gasdetektor mit einer speziellen Gasanalysetechnik implementiert, die als "Differentialquelle" bekannt und in dem U.S.-Patent Nr. 5,026,992 von dem vorliegenden Erfinder beschrieben ist. In dieser Ausführungsform wird der SP-Chip 33, der den Mikroprozessorabschnitt 29 und den ASIC-Chip 28 umfaßt, die in der zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform (siehe 7) verwendet werden, beibehalten. Der Mikroprozessorabschnitt 29 erzeugt die notwendigen Pulswellenformen, nämlich abwechselnd zwei Leistungspegel zum Betreiben der Infrarotquelle 13. Stattdessen muß der Infrarotdetektor 16 nur eine Einkanal-Silizium-Mikromechanik-Thermosäule mit einem Doppelbandpaßfilter sein, der zwei nicht überlappende Durchlaßbänder aufweist. Ein Band liegt bei 4,26 Mikron (CO₂) und das andere bei 3,91 Mikron (neutral). Der Rest der Ausführungsform ist derselbe wie der bereits beschriebene.
In der in 9 schematisch gezeigten vierten alternativen bevorzugten Ausführungsform sind der lichtelektrische Rauchdetektor 2 und der NDIR-CO₂-Gasdetektor 14 der früheren vier Ausführungsformen (siehe 5) in einer einzigen Vorrichtung oder Detektoranordnung, die in einem Gehäuse 36 enthalten ist, vereint. Der in dem Gehäuse 36 untergebrachte Detektor 34 kann ein spezieller Zweikanaldetektor sein: ein Kanal ist ein Thermosäuledetektor 35 mit einem CO₂-Filter 37 und der andere ist eine in seiner Nähe auf demselben Substrat hergestellte Siliziumphotodiode 1. Beide sind voneinander optisch isoliert. Alternativ kann das Gehäuse 36 einen Einkanal-Thermosäule-Detektor 35 mit einem CO₂-Filter 37 und eine separat gepackte Siliziumphotodiode 1 enthalten.
Im Gehäuse 36 gibt es eine physikalische lichtdichte Sperre 35, die die zwei Detektorkanäle trennt. Auf der Seite des CO₂-Detektors lassen zwei oder mehr kleine Öffnungen 38, die auf einer Seite der Behälterwand gegenüber der Sperre 55 ausgebildet sind, Umgebungsluft frei in das Probenraumgebiet 39 des CO₂-Detektors und dort heraus diffundieren. Ferner sind diese kleinen Öffnung 38 mit einer speziellen Glasfaser-Silizium-Membran 20 zum Ausschließen von irgendwelchen staub- oder feuchtebeladenen Feststoffen vom Gebiet 39 bedeckt. CO₂ und andere Gase können durch die Membran 20 frei diffundieren.
Auf der Seite 101 des lichtelektrischen Rauchdetektors bildet die lichtdichte Sperre 55 einen Streubetriebsmodus für die Infrarotquelle 13 und die Siliziumphotodiode 1, um durch Rauch verursachte Verdunklung aufgrund eines Brandes zu erkennen. Der Mikroprozessorabschnitt 29 des SP-Chips 33 verarbeitet die Signale nahezu in derselben Weise wie in den in der 5 gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Der Rest der Signalverarbeitung für diese fünfte alternative bevorzugte Ausführungsform ist genau derselbe wir derjenige für die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen.
Wie Fachleute auf dem Gebiet leicht erkennen werden, gibt es eine Zahl von Wegen zur Herstellung oder Konfigurierung eines Einkanalinfrarotdetektors 16, eines Zweikanal-Thermosäule-Detektors 30 und des Zweikanaldetektors 34, der aus einem Thermosäule-Detektor 35 und einem Photodiode-Detektor 1 besteht. In Bezug auf die Detektoren 16 und 30 werden jedoch vorzugsweise der Detektor/die Detektoren und entsprechender) Bandpaßfilter – in Abhängigkeit davon, ob der Detektor ein Ein- oder Zweikanalinfrarotdetektor ist – in einer einzigen Plattform, wie zum Beispiel TO-5 can, zur Bildung einer Infrarotdetektoranordnung vereint.
Eine beispielhafte Detektoranordnung 403 wird nun in Verbindung mit den 10 und 11 beschrieben. Obwohl die Detektoranordnung, 403, wie in den 10 und 11 dargestellt, drei Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 enthält, ist die physikalische Konfiguration jedes Thermosäule-Detektors und seiner Stützelemente auf die Infrarotdetektoranordnungen der in den 5–9 gezeigten Ausführungsformen verallgemeinerbar. Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 sind auf dem Substrat 450 ausgebildet worden, das in dem Detektorgehäuse 431 montiert ist. Das Detektorgehäuse 431 ist vorzugsweise ein TO-5 can, das aus einer Gehäusebasis 430 und einem Deckel 442 besteht. Der Deckel 442 enthält ein Rand 407, in den eine gasdurchlässige obere Abdeckung 420 gesetzt und geklebt ist.
Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 werden auf einem Substrat 450 gehalten, das aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Si, Ge, GaAs oder dergleichen hergestellt ist. Interferenzbandpaßfilter F₁, F₂ und F₃ sind mit einem wärmeleitfähigen Material, wie zum Beispiel wärmeleitfähigem Epoxid, an die Oberseite von Öffnungen 452 umgebenden erhabenen Rändern 482 geklebt. Ein Vorteil des Sicherns der Filter an den erhabenen Rändern 482 mit einem wärmeleitfähigen Material besteht darin, daß es die Wärmeüberbrückung zwischen den Filtern und dem Substrat 450 verbessert, die dieselbe Temperatur wie die Referenz- oder kalten Kontaktstellen der Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 ist. Als Ergebnis wird das Hintergrundrauschen von den Interferenzfiltern minimiert.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 vorzugsweise Dünnschicht- oder Silizium-Mikromechanik-Thermosäulen. Die Thermosäulen 404, 405 und 406 erstrecken sich jeweils über eine in dem Substrat 450 ausgebildete Öffnung 452. Die Öffnungen 452 fungieren als Fenster, durch die Strahlung, die durch Bandpaßfilter F₁, F₂ und F₃ gegangen ist, detektiert wird. Wie auf dem Gebiet allgemein bekannt ist, werden die Dünnschicht- oder Mikromechanik-Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 auf der Unterseite des Substrats 450 hergestellt und können sie irgendeines einer Zahl von geeigneten Mustern verwenden. 11 zeigt eine vergrößerte Ansicht an der Unterseite des Substrats 450 und stellt ein geeignetes Muster dar, das für Dünnschicht- oder Mikromechanik-Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 benutzt werden könnte.
Wie dies auf dem Gebiet typisch ist, werden heiße Kontaktstellen 460 jedes Thermosäule-Detektors 404, 405 und 406 vorzugsweise auf einer dünnen elektrisch leitenden Membran 454 gehalten, die sich über jede der in dem Substrat 450 ausgebildeten Öffnungen 452 erstreckt, und sind die kalten Kontaktstellen 462 über dem Dickensubstrat 450 positioniert. Alternativ können Membranen 454 fehlen und können die Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 selbsttragend sein.
Zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Thermosäulen 404, 405 und 406 für einfallende Strahlung kann die Oberseite der elektrisch leitenden Membran 454 mit einer dünnen Schicht aus Bismutoxid oder Kohlenschwarz während des Verpackens beschichtet werden, damit die Öffnungsflächen einfallende Strahlung effizienter absorbieren. Wenn die Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 selbsttragend sind, kann die Seite der heißen Kontaktstellen 460, auf die Strahlung einfällt, mit Bismutoxid oder Kohlenschwarz direkt beschichtet werden.
Durch Positionieren der kalten oder Referenzkontaktstellen 462 über dem dicken Substrat 450 sind die Referenzkontaktstellen jedes Detektors von Natur aus an derselben thermischen Masse gebunden. Das Substrat 450 wirkt somit wie eine Wärmesenke zum Halten der Temperatur der kalten Kontaktstellen 462 jedes Detektors auf einer gemeinsamen Temperatur. Zusätzlich sorgt das Substrat 450 für mechanischen Halt für die Vorrichtung.
Die vorliegende Ausführungsform ist als ein einzelnes Substrat 450 mit drei darauf ausgebildeten Infrarot-Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 beschrieben worden. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen würde, könnten zwei oder drei separate Substrate jeweils mit einem darauf hergestellten Infrarot-Thermosäule-Detektor anstelle des in der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Substrats 450 verwendet werden.
Die elektrisch isolierende Membran 454 kann aus einer Anzahl von geeigneten Materialien, die auf dem Gebiet allgemein bekannt sind, einschließlich einem dünnen Kunststofffilm, wie zum Beispiel Mylar^®, oder einer anorganischen dielektrischen Schicht, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einer aus beiden zusammengesetzten Mehrfachschichtstruktur hergestellt sein. Vorzugsweise ist die Membran 454 eine dünne anorganische dielektrische Schicht, da genannte Schichten unter Verwendung von allgemein bekannten Halbleiterherstellprozessen leicht hergestellt werden können und als ein Ergebnis empfindlichere Thermosäule-Detektoren auf dem Substrat 450 hergestellt werden können. Außerdem wird die Herstellbarkeit der gesamten Vorrichtung wesentlich verbessert. Außerdem wird das Substrat durch Verwendung von lediglich Halbleiterprozessen zum Herstellen von Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 On-Chip-Circuit-Capabilities-Leistungsmerkmale von Vorrichtungen aufweisen, die auf dem vollen Bereich von Silicon-Integrated-Circuit-Technologie basieren; somit kann die Signalverarbeitungselektronik für Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406, falls gewünscht, auf dem Substrat 450 eingeschlossen werden.
Eine Anzahl von Techniken zur Herstellung von Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 an der Unterseite des Substrats 450 ist auf den Gebieten von Thermosäule- und Infrarotdetektoren allgemein bekannt. Ein zur Herstellung von Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 geeignetes Verfahren unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungstechniken ist in dem am 31. März 1992 erteilten U.S.-Patent Nr. 5,100,479 beschrieben.
Ausgangsleitungen 456 sind unter Verwendung von Lot oder anderen allgemein bekannten Verfahren mit den Ausgabelötstellen 464 jedes Thermosäule-Detektors 404, 405 und 406 elektrisch verbunden. Da die Referenzkontaktstellen der Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 miteinander thermisch überbrückt sind, ist es möglich, daß die Referenzkontaktstellen für jeden Thermosäule-Detektor 404, 405 und 406 sich eine gemeinsame Ausgabelötstelle teilen. Als ein Ergebnis wären nur vier statt sechs Ausgabeleitungen zur Übertragung der Ausgabe der Detektoren erforderlich. Die Ausgabeleitungen 456 verbinden typischerweise die Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 mit Signalverarbeitungselektronik. Wie oben erwähnt, kann jedoch die Signalverarbeitungselektronik direkt auf dem Substrat 450 enthalten sein, wobei in dem Fall die Ausgabeleitungen 456 mit den Eingabe- und Ausgabelötstellen der Signalverarbeitungselektronik statt mit den Ausgabelötstellen von den Infrarot-Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 verbunden würden.
Ein Temperaturmeßelement 453 ist vorzugsweise auf dem Substrat 450 in der Nähe von kalten Kontaktstellen 462 der Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 konstruiert. Das Temperaturmeßelement überwacht die Temperatur des Substrats 450 in dem Gebiet der kalten Kontaktstellen und somit ist die Temperatur, die es mißt, für die Temperatur der kalten Kontaktstellen 462 repräsentativ. Die Ausgabe des Temperaturmeßelements 453 wird an die Signalverarbeitungselektronik übermittelt, so daß die Signalverarbeitungselektronik den Einfluß der Umgebungstemperatur der kalten Kontaktstellen der Thermosäule-Detektoren kompensieren kann. Das Temperaturmeßelement 453 ist vorzugsweise ein Thermistor, aber andere Temperaturmeßelemente, wie zum Beispiel Dioden, Transistoren und dergleichen, können auch verwendet werden.
In den 10–11 sind Referenzbandpaßfilter F₁, F₂ und F₃ auf der Oberseite des Substrats 450 so montiert, daß sie jeweils eine der Öffnungen 452 im Substrat 450 bedecken. Da die Interferenzfilter die Öffnungen 452 bedecken, muß Licht, das durch das Fenster 444 in die Detektoranordnung 403 eintritt, als erstes durch den Filter F₁, F₂ oder F₃ treten, bevor es den jeweiligen Thermosäule-Detektor 404, 405 oder 406 erreicht. Somit wird durch Verwendung von drei separaten Öffnungen im Substrat 450 das durch einen der Filter tretende Licht von dem durch einen der anderen Filter tretenden Licht isoliert. Dies verhindert Übersprechen zwischen jedem der Detektorkanäle. Somit ist das Licht, das die Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 von der passiven Infrarotquelle 408 erreicht, das Licht, das in das zur Vermessung durch den speziellen Detektor vorgesehene Spektralband fällt. Diese Konstruktion ist auf den in 7 gezeigten Zweikanalfall verallgemeinerbar. Die Infrarotlichtquelle 414 funktioniert, wie die Infrarotquelle 13 funktioniert, wie dies in dem Text beschrieben ist, der sich auf die 5–9 bezieht.
Die Interferenzbandpaßfilter F₁, F₂ und F₃ sind auf der Oberseite der erhabenen Ränder 482 so montiert, daß sie jeweils eine der Öffnungen 452 in dem Substrat 450 bedecken. Die zentrale Wellenlänge und FWHM der Bandpaßfilter F₁, F₂ oder F₃ können, wie in Verbindung mit den 5–9 oben beschrieben, wobei zwei oder mehr beispielhafte Filter F₁, F₂ oder F₃ fehlen, eingestellt werden. Da die Interferenzfilter die Öffnungen 452 bedecken, muß Licht, das durch das Fenster 444 in das Detektorgehäuse 431 eintritt, als erstes durch den Filter F₁, F₂ oder F₃ treten, bevor es den jeweiligen Thermosäule-Detektor 404, 405 oder 406 erreicht. Somit wird durch Verwendung von drei separaten Öffnungen in dem Substrat 450 das durch einen der Filter gehende Licht von dem durch einen der anderen Filter gehenden Licht getrennt. Dies verhindert Übersprechen zwischen jedem der Detektorkanäle. Somit ist das Licht, das die Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 von der Infrarotquelle 413 erreicht, das Licht, das in das zur Vermessung durch den speziellen Detektor vorgesehene Spektralband fällt.
Substratbefestigungsklemmen 486 sind unter Verwendung von Lot oder anderen allgemein bekannten Materialien mit den Ausgabekontaktstellen (nicht gezeigt) jedes Thermosäule-Detektors 404, 405 und 406 an Klebegebieten 488 verbunden. Da sich die Referenzkontaktstellen der Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 eine gemeinsame Ausgabekontaktstelle in der vorliegenden Erfindung teilen, sind nur vier Substratbefestigungsklemmen 486 zur Übertragung der Ausgaben der Detektoren erforderlich. Die Substratbefestigungsklemmen sind an der Gehäusebasis 430 des Detektorgehäuses 431 isoliert, da sie auf einem elektrisch isolierenden Substrat 490 montiert sind, das vorzugsweise aus einem Material hergestellt ist, das aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid und Berylliumoxid ausgewählt ist. Das Ausgabesignal der Thermosäule-Detektoren 404, 405 und 406 wird über die Substratbefestigungsklemmen 486, über Drahtanschlüsse 494 zur Signalverarbeitungselektronik 492 übertragen. Die Signalverarbeitungselektronik 492 kann eine Vielzahl von Mikrochips oder einen einzigen Mikrochip umfassen, der an das isolierende Substrat 490 diegebondet ist. Ausgabeleitungen 456 sind mit dem Eingang und Ausgang der Signalverarbeitungselektronik 492 über Drahtanschlüsse 496 verbunden.
In ähnlicher Weise sind in Verbindung mit dem in Verbindung mit 6 beschriebenen Zweikanaldetektor 34 dieselben Konstruktionsprinzipien auf die mikromechanische Thermosäule-Detektor 35/CO₂-Filter 37-Kombination anwendbar. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet leicht erkennen wird, ist es ferner möglich, die Siliziumphotodiode 1 auf demselben Siliziumsubstrat wie Thermosäule-Detektor 35 herzustellen.
Für einen Fachmann auf dem Gebiet wird leicht ersichtlich sein, daß weitere Änderungen und mit Modifikationen an den hierin beschriebenen aktuellen Konzepten leicht vorgenommen werden können, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, zu gelangen.

Claims

Verfahren zum dynamischen Einstellen eines Branderkennungskriteriums eines Branddetektors, das die Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Branddetektors (100) mit einem Rauchdetektor (300) zum Erzeugen eines Rauchdetektorausgabesignals und einer elektrischen Schaltung (400) zum Empfangen des Rauchdetektorausgabesignals und zum Erzeugen eines Alarmsignals als Antwort auf das Erfüllen eines Branderkennungskriteriums für ein Rauchdetektorausgabesignal; Bereitstellen eines Kohlendioxid (CO₂)-Detektors (200) zur Bildung einer Folge von CO₂-Konzentrationsmeßwerten; Bereitstellen einer Kommunikationsverbindung zwischen dem CO₂-Detektor (200) und der elektrischen Schaltung (400); Senden der CO₂-Konzentrationsmeßwerte vom CO₂-Detektor (200) an die elektrische Schaltung (400) mittels der Kommunikationsverbindung; Extrahieren eines statistischen Werts aus den CO₂-Meßwerten; und Ändern des Branderkennungskriteriums für ein Rauchdetektorausgabesignal als Antwort auf den statistischen Wert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der statistische Wert auf die CO₂-Konzentrationsänderungsrate anspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der statistische Wert für die CO₂-Konzentrationsänderungsrate repräsentativ ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Branderkennungskriterium für ein Rauchdetektorausgabesignal ein erstes Kriterium einschließt, das dadurch spezifiziert ist, daß die Rauchkonzentration einen ersten vorab festgelegten Wert für eine erste vorab festgelegte Zeitdauer überschreitet, und daß, wenn der statistische Wert ein CO₂-Änderungsrate über eine vorab festgelegte Rate hinaus widerspiegelt, das erste Kriterium durch ein zweites Kriterium ersetzt wird, das dadurch spezifiziert ist, daß die Rauchkonzentration den ersten vorab festgelegten Wert für eine zweite vorab festgelegte Zeitdauer überschreitet, und daß die zweite vorab festgelegte Zeitdauer kürzer als die erste vorab festgelegte Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite vorab festgelegte Zeitdauer ausreichend kurz ist, daß ein einziger Rauchkonzentrationsmeßwert über dem ersten vorab festgelegten Wert das zweite Kriterium erfüllen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorab festgelegte Rate zwischen näherungsweise 150 und 250 ppm/min liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die CO₂-Änderungsrate größer als oder gleich eine zweite vorab festgelegte Rate ist, die größer als die erste vorab festgelegte Rate ist, das zweite Kriterium durch ein drittes Kriterium ersetzt wird, das erfüllt ist, wenn die Rauchkonzentration einen zweiten vorab festgelegten Wert überschreitet, der niedriger als der erste vorab festgelegte Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vorab festgelegte Wert gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite vorab festgelegte Rate gleich 1.000 ppm/min ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorab festgelegte Zeitdauer größer als 5 Minuten, aber weniger als 60 Minuten ist.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt umfaßt: Erzeugen einer Brandkategoriebezeichnung als Antwort auf den statistischen Wert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brandkategoriebezeichnung einen Schwelbrand oder keinen Schwelbrand angibt.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der CO-Detektor eine erste Lichtquelle (13) zum Emittieren von Infrarotlicht mit einer ersten Frequenz im Absorptionsband von CO₂, einen ersten Lichtdetektor (16) zum im wesentlichen ausschließlichen Empfangen des von der ersten Lichtquelle (13) emittierten Infrarotlichts mit erster Frequenz und eine elektrische Schaltung (28) enthält, die mit dem ersten Infrarotlichtdetektor (16) zum Berechnen der Ist-CO₂-Konzentration und Emittieren des Ausgabesignals des CO₂-Detektors elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle (13) zusätzlich zum Emittieren von Infrarotlicht mit einer zweiten Frequenz dient, die sich nicht im Absorptionsband von CO₂ befindet, daß der CO₂-Detektor einen zweiten Lichtdetektor zum im wesentlichen ausschließlichen Detektieren des von der ersten Lichtquelle (13) emittierten Infrarotlichts mit zweiter Frequenz umfaßt und daß die elektrische Schaltung (28) mit dem zweiten Lichtdetektor (16) elektrisch verbunden ist und das Verhältnis der von dem ersten Lichtdetektor (16) detektierten Lichtmenge und der von dem zweiten Lichtdetektor (16) detektierten Lichtmenge berechnet, um die Ist-CO₂-Konzentration zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle (13) zusätzlich zum Emittieren von Infrarotlicht mit einer zweiten Frequenz dient, die sich nicht im Absorptionsband von CO₂ befindet, daß die erste Lichtquelle (13) zum Wechseln zwischen einer ersten Phase, während derer die erste Lichtquelle (13) Licht mit einem ersten Verhältnis von Licht mit erster Frequenz zu Licht mit zweiter Frequenz emittiert, und einer zweiten Phase angesteuert wird, während derer die erste Lichtquelle (13) Licht mit einem zweiten Verhältnis von Licht mit erster Frequenz zu Licht mit zweiter Frequenz emittiert; und daß die elektrische Schaltung (28) das Verhältnis des Empfangs von Licht der ersten Phase zum Empfang von Licht der zweiten Phase berechnet, um die CO₂-Konzentration zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der CO₂-Detektor (200) einen Probenraum (39) zum Isolieren der Luft enthält, durch den das Licht von der ersten Lichtquelle (13) tritt, daß der Probenraum (39) perforierte Wände (55) enthält und daß die Perforationen mit einer gasdurchlässigen Sperre (20) zum Hindern von Partikeln am Eintreten in den Probenraum (39) bedeckt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle (13) Licht mit einem ersten Wellenlängenband emittiert, das sich über den Bereich von ungefähr 700 nm bis 4.300 nm erstreckt, daß der Rauchdetektor (300) einen zweiten Lichtdetektor zum ausschließlichen Detektieren von Licht, das von der Lichtquelle (13) emittiert wird, über ein zweites Wellenlängenband mit einer zentralen Wellenlänge von zwischen ungefähr 600 und 1.500 nm enthält, und daß der Rauchdetektor (300) auf der Grundlage der empfangenen Lichtintensität einen Rauchkonzentrationsmeßwert berechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Branddetektor (100) eine integrierte Schaltung (40) enthält und daß die elektrische Schaltung (400) einen Teil der integrierten Schaltung (40) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Branddetektor (100) eine integrierte Schaltung (40) enthält, die enthält: eine erste elektrische Treiberschaltung (15) zum Erzeugen eines elektrischen Impulsstroms, die zum Ansteuern der ersten Lichtquelle (13) mit der ersten Lichtquelle (13) elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung (40) außerdem einen Mikroprozessorabschnitt enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchdetektor (300) ein lichtelektrischer Rauchdetektor (300) mit einer zweiten Lichtquelle und einem zweiten Lichtdetektor ist, der das Licht von der zweiten Lichtquelle detektiert und in dem die von dem zweiten Lichtdetektor empfangene Lichtmenge zur Rauchmenge am Ort des Rauchdetektors in Beziehung gesetzt wird, und daß der Branddetektor (100) außerdem eine integrierte Schaltung (40) umfaßt, die enthält: eine erste elektrische Treiberschaltung (15) zum Erzeugen eines elektrischen Impulsstroms, die zum Ansteuern der ersten Lichtquelle (13) mit der ersten Lichtquelle (13) elektrisch verbunden ist; und eine zweite elektrische Treiberschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Impulsstroms, die zum Ansteuern der zweiten Lichtquelle mit der zweiten Lichtquelle elektrisch verbunden ist.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchdetektor (300) ein lichtelektrischer Rauchdetektor (300) mit einer ersten Lichtquelle (13) und einem ersten Lichtdetektor (16) ist, der das Licht von der Lichtquelle (13) detektiert und in dem die von dem Lichtdetektor (16) empfangene Lichtmenge zur Rauchmenge am Ort des Rauchdetektors (300) in Beziehung gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Infrarotlichtdetektor (16) eine Thermosäule (30) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermosäule (30) mikromechanisch ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Branddetektor (100) eine integrierte Schaltung (40) umfaßt und die integrierte Schaltung (40) die elektrische Schaltung (400) enthält und daß die Thermosäule (30) in der integrierten Schaltung (40) zur Bildung einer Sensor/integrierte Schaltung-Kombination integriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauchdetektor (300) ein lichtelektrischer Rauchdetektor (300) mit einer LED (4) und einer Photodiode (1) ist, die Licht von der LED (4) zur Bildung des ersten Signals empfängt, und daß die Photodiode (1) in der Sensor/integrierte Schaltung-Kombination integriert ist.
Branddetektor (100), umfassend: einen Rauchdetektor (300) zum Erzeugen eines Rauchdetektorausgabesignals; eine elektrische Schaltung (400) zum Empfangen des Rauchdetektorausgabesignals und zum Erzeugen eines Alarmsignals als Antwort auf das Erfüllen eines Branderkennungskriteriums für ein Rauchdetektorausgabesignal; einen Kohlendioxid (CO₂)-Detektor (200) zum Bilden einer Folge von CO₂-Konzentrationsmeßwerten; und eine Kommunikationsverbindung zwischen dem CO₂-Detektor (200) und der elektrischen Schaltung (400), wobei der Branddetektor (100) gestaltet ist zum: Senden der CO₂-Konzentrationsmeßwerte vom CO₂-Detektor zur elektrischen Schaltung (400) mittels der Kommunikationsverbindung; Extrahieren eines statistischen Werts aus den CO₂-Meßwerten; und Ändern des Branderkennungskriteriums für ein Rauchdetektorausgabesignal als Antwort auf den statistischen Wert.