DE69737459T2

DE69737459T2 - Feuer- und rauchdetektion sowie steuerungssystem

Info

Publication number: DE69737459T2
Application number: DE69737459T
Authority: DE
Inventors: Douglas H. Ridgefield MARMAN; Mark A. Sherwood PELTIER; Jacob Y. Goleta WONG
Original assignee: SLC Technologies Inc; Engelhard Sensor Technologies Inc
Current assignee: Engelhard Sensor Technologies Inc; Carrier Fire and Security Americas Corp
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: EP0944887B1; WO1998026387A3; EP0944887A4; CN100390827C; CN1242095A; DE69737459D1; WO1998026387A2; US5945924A; AU5371598A; EP0944887A1; CN1410757A; CN1220166C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Feuer- und Rauchdetektions- und Steuersysteme.
Seit 1975 war in den Vereinigten Staaten ein beträchtlicher Zuwachs bei der Verwendung von Haushalts-Rauchdetektoren zu verzeichnen, hauptsächlich als Einzelgeräte angeordnete, batteriebetriebene Rauchdetektoren des Ionisationstyps. Dieses rasche Wachstum in Verbindung mit dem klaren Nachweis der lebensrettenden Wirkung von Detektoren bei tatsächlichen Bränden und in der Brandstatistik ließen Haushalts-Rauchdetektoren zu einem sehr erfolgreichen Brandsicherheitsprodukt der vergangenen beiden Jahrzehnte werden.
In der jüngeren Vergangenheit zeigten jedoch Untersuchungen des Betriebszustands von Rauchdetektoren in Haushalten alarmierende Zahlen, da ein Viertel bis ein Drittel der Rauchdetektoren zu einem beliebigen Zeitpunkt betriebsunfähig sind. Bei mehr als der Hälfte der nicht betriebsfähigen Rauchdetektoren sind dabei fehlende Batterien die Ursache. Beim Rest sind verbrauchte Batterien und nicht funktionierende Rauchdetektoren verantwortlich. Untersuchungen zeigten, dass die Hauptursache für die fehlenden Batterien die Verärgerung der Hausbewohner über störende Alarme war, die nicht durch gefährdende, unerwünschte Brände verursacht wurden, sondern durch kontrollierte Feuerstellen, wie zum Beispiel Kochstellen. Diese störenden Alarme oder Fehlalarme sind auch durch nicht-brandbedingte Quellen verursacht, wie zum Beispiel aus einem Badezimmer austretende Feuchtigkeit, nachdem ein Bewohner geduscht hat, bei der Reinigung aufgewirbelter Staub oder Schmutz oder in der Küche austretende Öldämpfe.
Zentralisierte Feuerdetektionssysteme spielen ebenfalls eine wichtige Rolle beim Schutz der Insassen von Gewerbe- und Industriegebäuden. Fehlalarme sind auch in dieser Umgebung sehr nachteilhaft, da sie nicht nur eine Unannehmlichkeit für die Gebäudeinsassen bedeuten, sondern auch ein gefährliches Misstrauen hinsichtlich der Gültigkeit von zukünftigen Alarmen erzeugen.
Der Grund dafür, dass beim Großteil von Rauchdetektoren des Ionisationstyps diese Arten von störenden Alarmen leicht auftreten, liegt darin, dass sie für sichtbare und unsichtbare diffundierte Feststoffe sehr empfindlich sind, insbesondere wenn der Feueralarmschwellenwert sehr niedrig eingestellt ist, um die geforderte Ansprechzeit für die ANSI/UL 268-Zertifizierung für verschiedene Brandarten zu erfüllen. Die Größe von sichtbaren Feststoffe liegt im Bereich von 4 bis 5 Mikron als kleinste Abmessung (obgleich in hoher Dichte vorliegende kleine Partikel als Dunst sichtbar sind), und diese werden bei den meisten offenen Feuern oder Flammen in großer Menge erzeugt. Ionisationsdetektoren sind jedoch auch für unsichtbare Partikel in der Größenordnung von 1,0 bis 0,01 Mikron als Mindestabmessung höchst empfindlich. Die meisten nicht-brandbedingten Quellen im Haushalt erzeugen, wie vorstehend kurz erörtert, im wesentlichen unsichtbare Feststoffe. Dies erklärt, warum bei den meisten Haushalts-Rauchdetektoren so viele Störalarme auftreten.
Das Problem der häufigen Fehlalarme, die durch Ionisationstyp-Rauchdetektoren verursacht werden und dazu führen, dass ein wesentlicher Anteil davon zu einem beliebigen Zeitpunkt nicht funktionsfähig ist, führte in der jüngeren Vergangenheit zur zunehmenden Verwendung eines anderen Rauchdetektortyps, nämlich des fotoelektrischen Rauchdetektors. Fotoelektrische Rauchdetektoren arbeiten am besten mit sichtbaren Feststoffen und sind gegenüber unsichtbaren Feststoffen relativ unempfindlich. Sie haben daher eine geringere Gefahr von Störalarmen. Der Nachteil ist jedoch, dass sie bei flammenden Bränden, bei welchen die früh erzeugten Feststoffe zum Großteil unsichtbar sind, langsam ansprechen. Um diesen Nachteil zu beseitigen, muss der Feueralarmschwellenwert von fotoelektrischen Rauchdetektoren sehr niedrig oder auf eine hohe Empfindlichkeit eingestellt werden, um die Anforderungen der ANSI/UL 268-Zertifizierung zu erfüllen. Derart niedrige Feueralarmschwellenwerte für fotoelektrische Rauchdetektoren führen ebenfalls zu häufigen Fehlalarmen. Somit schließt sich der Problemkreis der störenden Fehlalarme von Rauchdetektoren. Es ist offensichtlich, dass im Lauf der Jahre das Problem seit langem erkannt wurde, jedoch nicht gelöst wurde. Gleichermaßen ist es offensichtlich, dass dringender Bedarf für einen neuen Typ eines Feuerdetektors besteht, um die gefährliche Ineffektivität der gegenwärtigen Rauchdetektoren zu beseitigen.
Ein weiterer, häufig erörterter, jedoch selten angesprochener Aspekt von gegenwärtigen Rauchdetektoren ist das langsame Feuer-Ansprechverhalten dieser Detektoren. Die gegenwärtige Norm ANSI/UL 268 für die Zertifizierung von Feuerdetektoren wurde vor Jahren durch die Feuererfassungstechnologie, d.h. die Technologie der Rauchdetektoren, entwickelt und vorgeschrieben. Die Meinung von Mitarbeitern der Brandbekämpfungs- und Präventionsbranche in den vergangenen zwei Jahrzehnten war stets kritisch gegenüber der Ansprechgeschwindigkeit der handelsüblichen Rauchdetektoren. Es ist offensichtlich, dass die Steigerung ihrer Empfindlichkeit durch die Absenkung des Schwellenwerts für die Lichtverdunkelung von Rauchdetektoren ihr Ansprechverhalten beschleunigt. Die Absenkung des Erfassungs-Schwellenwerts erhöht aber auch die Zahl der Störalarme. Aus dieser Perspektive betrachtet ist auch offensichtlich, dass ein besserer Feuerdetektor dringend erforderlich ist.
Unter Ausnutzung der starken Erzeugung von CO₂-Gas durch praktisch alle Arten von Feuer wurde ein neuer Typ eines Feuerdetektors auf der Grundlage der Erfassung von CO₂-Gas von Jacob Y. Wong, einem der Erfinder der vorliegenden Erfindung, im US-Patent Nr. 5,053,754 aufgezeigt. Dieser neue Feuerdetektor reagiert schneller auf Feuer als weit verbreitete Rauchdetektoren. Er erfasst Erhöhungen der Konzentration von CO₂ in Zusammenhang mit einem Feuer, indem die damit einhergehende Erhöhung der Absorption eines Strahlungs-Strahles gemessen wird, dessen Wellenlänge in einem starken Absorptionsband von CO₂ angeordnet ist. Die aufgezeigte Vorrichtung wird durch die Verwendung eines Probenkammerfensters stark vereinfacht, das für CO₂ stark durchlässig ist, aber Staub-, Rauch-, Öl- und Wasser-Partikel abhält.
In den nachfolgenden US-Patenten Nr. 5,079,422; 5,103,096 und 5,369,397 zeigte Erfinder Wong des weiteren eine Anzahl von verbesserten Verfahren unter Verwendung von einzelnen oder mehreren CO₂-Detektoren zum Erfassen von Feuern auf. Die Überlegenheit der Verwendung von CO₂-Detektoren als Feuerdetektoren gegenüber der von Rauchdetektoren hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit und der Sicherheit gegenüber allgemeinen Störalarmen ist allgemein anerkannt. In der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 08/077,488, eingereicht am 14.11.1994 für einen FEHLALARM-SICHEREN FEUERDETEKTOR MIT VERBESSERTER LEISTUNG und der US-Patentanmeldung Nr. 08/593,253, eingereicht am 30.1.1996 für einen VERBESSERTEN FEUERDETEKTOR zeigte Erfinder Wong ferner den Vorteil der Kombination eines CO₂-Detektors mit einem Rauchdetektor auf, um einen schnellen und Fehlalarm-sicheren Feuerdetektor zu schaffen.
Obgleich Vorteile der Verwendung von CO₂-Detektoren als Feuerdetektoren dargelegt wurden, ist es Realität, dass bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Herstellungskosten eines nicht-dispersiven Infrarot-CO₂-Detektors ("NDIR") auf ein wirtschaftlich interessantes Niveau sinken, der Verbraucher nicht bereit ist, aufgrund wirtschaftlicher Voraussetzungen diesen neuen und verbesserten Feuerdetektor zu kaufen. Die gleichzeitigen Anstrengungen, einen NDIR-CO₂-Detektor zu vereinfachen und dessen Kosten zu reduzieren, sind daher gleichermaßen wichtig und bedeutsam für die Markteinführung des gegenwärtig aufgezeigten praktischen und verbesserten Feuerdetektors.
Im US-Patent Nr. 5,026,992 zeigte Erfinder Wong eine neue Vereinfachung eines NDIR-Gasdetektors mit dem letztendlichen Ziel auf, die Kosten dieser Vorrichtung bis zu einem Punkt zu reduzieren, an dem sie zum Erfassen von CO₂-Gas in ihrer Anwendung als ein neuartiger Feuerdetektor wie vorstehend erörtert verwendet werden kann. Das US-Patent Nr. 5,026,992 zeigt eine Technik zum Bilden eines Spektralverhältnisses für die NDIR-Gasanalyse unter Verwendung einer Differenz-Temperaturquelle auf, das zu einem äußerst einfachen NDIR-Gasdetektor führt, der nur eine Infrarotquelle und einen Infrarotdetektor enthält. Im US-Patent Nummer 5,163,332 zeigte Erfinder Wong die Verwendung einer Gasprobenkammer des Diffusionstyps beim Aufbau eines NDIR-Gasdetektors auf, bei der praktisch alle empfindlichen und teuren optischen und mechanischen Bauelemente eines herkömmlichen NDIR-Gasdetektors überflüssig wurden. Im US-Patent Nummer 5,341,214 erweiterte Erfinder Wong die neue Idee einer Probenkammer des Diffusionstyps aus dem US-Patent Nr. 5,163,332 so weit, dass sie die herkömmliche Technik zur Bildung des Spektralverhältnisses in der NDIR-Gasanalyse einschloss. Im US-Patent Nr. 5,340,986 erweiterte Erfinder Wong die Offenbarung einer Gaskammer des Diffusionstyps im US-Patent Nr. 5,163,332 auf eine "Wiedereintritts-"Konfiguration, womit der Aufbau eines NDIR-Gasdetektors noch weiter vereinfacht wurde. Weitere Vereinfachung ist erforderlich, wenn CO₂-Sensoren bei kostengünstigen Haushalts-Feuerdetektoren Akzeptanz finden sollen und somit das lang vorhandene Bedürfnis für einen verbesserten Feuerdetektor mit einer geringeren Ansprechzeit, bei dem Fehlalarme trotzdem minimiert werden, erfüllen sollen.
Probleme verursacht auch die Tatsache, dass moderne Gebäude, beispielsweise Bürogebäude, typischerweise sowohl Brandüberwachungssysteme als auch ein Klimatisierungssystem aufweisen. Das Brandüberwachungssystem umfasst typischerweise zahlreiche Feuerdetektoren, die einen Zustand, beispielsweise die Rauchdichte, an Orten im gesamten Gebäude messen. Falls ein Feuer erfasst wird, wird typischerweise ein Schallalarm ausgelöst. Unglücklicherweise arbeitet das Klimatisierungssystem häufig so, dass es sowohl die Erfassung eines Brandes verhindert als auch die Zunahme eines Brandes erleichtert. Dies ist der Fall, wenn das Klimatisierungssystem Luft in den Bereich einbläst, wobei die Konzentration von Rauch und Brandgasen verdünnt wird und dadurch die Entdeckung verzögert oder verhindert wird. Diese Luft führt dem Brand ferner neuen Sauerstoff zu und erleichtert sein Anwachsen.
Alarmsysteme geben auch typischerweise nur einen Typ eines Alarmsignals ab. Es gibt jedoch viele Arten von Bränden mit unterschiedlichen Dringlichkeitsniveaus. Obgleich es wünschenswert scheinen mag, bei jedem Feueralarm die volle Einsatzkraft der örtlichen Feuerwache einzusetzen, würde dies der örtlichen Feuerwache häufig die ausreichende Bereitschaft für weitere Brände nehmen. Im schlimmsten Fall würden mehrere Löschfahrzeuge auf einen Alarm von einem sehr langsam brennenden Feuer reagieren und dann nicht in der Lage sein, ein rasch brennendes Feuer kurzfristig zu erreichen.
Bisher traten Feuerwehrmänner, die ein brennendes Gebäude erreichten, mit nur geringen Informationen hinsichtlich des Ortes der Flammen und des Rauchs in das Gebäude ein. Dies brachte die Feuerwehrleute in beträchtliche Gefahr, wenn sie in das Gebäude eindrangen und es durchsuchten, wobei sie nach Flammen suchten, während dichter Rauch vermieden werden musste. Unerwartet angetroffene Flammen und dichter Rauch verursachten den Tod von vielen Feuerwehrleuten.
Es gibt Feuerdetektionssysteme, die zur Anordnung in Klimatisierungsleitungen ausgelegt sind. Wenn ein Feuer erfasst wird, typischerweise durch die Erfassung von Rauch, veranlasst dieser Typ des Feuerdetektors, dass die Klimatisierungsleitung abgesperrt wird, wodurch dazu beigetragen wird, das Feuer zu isolieren. Dieser Typ des Detektors kann jedoch nicht zwischen einem innerhalb der Leitung vorhandenen Feuer und einem Feuer im Gebäude außerhalb der Leitung unterscheiden. Diese fehlenden Informationen behindern die Entdeckung des Feuers.
Ferner schlossen bisher verfügbare Systeme die Leitung oder Leitungen nicht, bevor ein Feueranzeigekriterium erfüllt war. Das Klimatisierungssystem kann bis zu diesem Punkt bereits eine Zeit lang gearbeitet haben und sowohl das Feuer mit Sauerstoff versorgt haben als auch die Entdeckung des Feuers verzögert haben.
Ein weiterer Aspekt der gegenwärtigen Rauchdetektorsysteme ist das kostenaufwändige Erfordernis der periodischen Wartung. Staub in der Atmosphäre sammelt sich allmählich auf lichtemittierenden und -empfangenden Oberflächen innerhalb von Rauchdetektoren an und verschlechtert ihre Leistung. Einige Rauchdetektoren können ein Signal abgeben, wenn die Staubansammlung die Leistung unter ein akzeptables Mindestmaß verschlechtert hat. Nach der Anzeige durch das Signal muss bei diesen eine Reinigung erfolgen. Andere müssen nach einem Plan gereinigt werden, der zur Aufrechterhaltung der Leistung über dem akzeptablen Mindestmaß ausgelegt ist.
In beiden Fällen ist die Aufgabe der Reinigung nicht unproblematisch. Typischerweise muss der Rauchdetektor von seiner Position entfernt werden und durch eine ähnliche Einheit ersetzt werden. Die tatsächliche Reinigung wird an einem anderen Ort ausgeführt und umfasst einen beträchtlichen Arbeitsaufwand und eine Teilzerlegung der Einheit. Daher ist ein Detektor, der das Reinigungserfordernis reduziert oder beseitigt, sehr erstrebenswert.
Ferner soll auf die US-A-3 922 656 Bezug genommen werden, in der zwei Merkmale eines Brandes genutzt werden, um zu bestimmen, ob an dem bestimmten Ort ein Brand vorliegt. Das erste Merkmal ist das spektrale Absorptionsband, das zum Tragen kommt, wenn gasförmige Verbrennungsprodukte vorhanden sind. Das andere ist die Streuung von Strahlung aufgrund von suspendierten Partikeln, die von den Verbrennungsprodukten herrühren. Die gleichzeitige Anzeige von gasförmigen Verbrennungsprodukten durch Prüfung eines spektralen Absorptionsbereichs und von Feststoffpartikeln schafft ein Verfahren zur Bestimmung der Anwesenheit eines Feuers.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Patentansprüchen definiert, auf die nachfolgend Bezug genommen wird. Bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind allgemein auf ein praxisgerechtes und verbessertes Feuer- und Rauchdetektionssystem gerichtet, das eine schnellere Ansprechzeit hat und das Brände einschließlich Schwelbrände (das heißt nicht flammende) und flammende Brände erfasst, während durch die Kombination eines Rauchdetektors und eines CO₂-Detektors Fehlalarme minimiert werden. Insbesondere beziehen sich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf die Zweckmäßigkeit von neuen Konstruktionskonfigurationen (sowohl mechanisch als auch elektrisch) zur Umsetzung der Kombination eines Rauchdetektors und eines CO₂-Gasdetektors als Teil eines verbesserten Feuerdetektions- und Überwachungssystems.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Information von einem Rauchdetektor in Verbindung mit der Information von einem CO₂-Detektor analysiert, um eine rasche Feuerdetektion zu erreichen, ohne eine festgelegte Fehlalarmrate zu überschreiten. Viele verschiedene Kriterien können verwendet werden, um auf das Vorliegen eines Brandes zu prüfen, einschließlich Kriterien mit zeitgebundenen Schwellenwerten und Kriterien, die entweder die Veränderungsrate der CO₂-Konzentration oder der Rauchkonzentration oder beides untersuchen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Detektion und Überwachung von Bränden, das in einem Gebäude mit einem Klimatisierungssystem nützlich ist. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines Feuerdetektionssystems, das ansprechend auf ein beliebiges vorbestimmtes Kriterium, das für die Anzeige des Vorhandenseins eines Feuers bestimmt ist, ein vorläufiges Alarmsignal abgibt. Dieser Detektor ist in Kommunikationsverbindung mit dem Klimatisierungssystem, und wenn das vorläufige Alarmsignal abgegeben wird, wird das Klimatisierungssystem außer Betrieb gesetzt. Dies vermeidet das Problem, das durch die Aktivierung der Klimaanlage entsteht, die die Entdeckung des Feuers verhindert und das Feuer mit Sauerstoff versorgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform gibt das Feuerdetektionssysteme ferner ein definitives Alarmsignal ab, wenn ein beliebiges vorbestimmtes Kriterium das Vorhandensein eines Feuers anzeigt.
Demgemäß schaffen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise ein kostengünstiges, praxisgerechtes und verbessertes Feuer- und Rauchdetektions- und Steuersystem mit einer reduzierten maximalen Ansprechzeit und einer geringstmöglichen Anzahl von Fehlalarmen.
Ein Vorteil ist, dass die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen ein Verfahren und eine Vorrichtung schafft, die das Klimatisierungssystem eines Gebäudes daran hindern, die Erfassung von Bränden zu erschweren und das Anwachsen eines Feuers zu fördern.
Ein anderer Vorteil ist, dass die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen eine Vorrichtung schafft, die einem Benutzer aufzeigt, dass ein Brand eines bestimmten Typs erfasst wurde.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen ein Feuerdetektionssystem schafft, das ein deutlich reduziertes oder kein periodisches Reinigen erfordert.
Diese Vorteile sowie zusätzliche Vorteile werden dem Durchschnittsfachmann an Hand der Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich, die nachfolgend dargelegt sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Logikdiagramm eines in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Signalprozessors;
2a ist eine schematische Anordnung der bevorzugten Ausführungsform aus 1, die eine Kombination eines fotoelektrischen Rauchdetektors und eines NDIR-CO₂-Gasdetektors und ihre jeweiligen Verarbeitungs-Schaltkreiselemente und Funktionsbeziehungen zeigt;
2b ist eine Darstellung eines fotoelektrischen Rauchdetektors, der als Teil der Erfindung eingesetzt werden kann, die seinen Reflexionswinkel im Vergleich zum Reflexionswinkel eines Rauchdetektors nach dem Stand der Technik zeigt;
3a ist eine schematische Anordnung einer ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für ein praxisgerechtes und verbessertes Feuerdetektionssystem;
3b ist eine schematische Anordnung einer Variante der ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform;
4a ist eine schematische Anordnung einer zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für ein praxisgerechtes und verbessertes Feuerdetektionssystem;
4b ist eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht eines Sensors/einer integrierten Schaltung, die einen Abschnitt der zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform bildet;
5 ist eine schematische Anordnung einer dritten alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für ein praxisgerechtes und verbessertes Feuerdetektionssystem;
6 ist eine schematische Anordnung einer vierten alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für ein praxisgerechtes und verbessertes Feuerdetektionssystem;
7 ist eine schematische Anordnung einer fünften alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für ein praxisgerechtes und verbessertes Feuerdetektionssystem;
8 ist ein Logik-Blockdiagramm einer sechsten alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
9 ist ein verallgemeinertes Logikdiagramm, das die von jedem Detektionslogikblock aus 8 ausgeführten Funktionen darstellt; und
10 ist ein Plan von Feuer- und Rauchpositionen, aufgebaut gemäß der vorliegenden Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 ist ein Logikdiagramm einer Ausführungsform eines praxisgerechten und verbesserten Feuerdetektionssystems 100. Wie 1 zeigt, erzeugt das Feuerdetektionssystem 100 ein Alarmsignal 51, wenn eine von vier Bedingungen erfüllt ist. Zunächst wird ein Alarmsignal 51 erzeugt, wenn ein Ausgang 310 eines Rauchdetektors 300 einen Schwellenwert A₁ von 3% Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) länger als eine erste vorgewählte Zeitdauer A₂ von 2 Minuten übersteigt. Die Rauchkonzentration wird typischerweise in Einheiten von "Prozent Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß)" gemessen. Diese Terminologie wird von der Verwendung von fotoelektrischen Rauchdetektoren mit einem projizierten Strahl oder Auslöschung hergeleitet, in welchen ein Lichtstrahl durch die Luft projiziert wird und die Dämpfung des Lichtstrahls durch Partikel gemessen wird. Auch wenn auf die Messungen einer Vorrichtung Bezug genommen wird, die einen anderen Mechanismus zum Messen der Rauchkonzentration nutzt, wie zum Beispiel Lichtreflexion oder Ionenstromerfassung, wird die Rauchkonzentrationsmessung häufig als Prozent Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) angegeben, da diese Einheiten dem Fachmann vertraut sind.
Zweitens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt, wenn der Ausgang 310 des Rauchdetektors 300 einen verringerten Schwellenwert B₁ von 1% Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) länger als eine zweite vorgewählte Zeitdauer B₂ von 5 bis 15 Minuten übersteigt. Drittens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt, wenn die Zuwachsrate der gemessenen CO₂-Konzentration an einem Ausgang 210 eines CO₂-Detektors 200 eine erste vorbestimmte Rate C₁ von 150 ppm/min für eine vorbestimmte Zeitdauer C₅ von weniger als 30 Sekunden übersteigt und die Lichtverdunkelung den verringerten Schwellenwert B₁ übersteigt. Der Ausgang eines AND-Gate C₂ zeigt die Erfüllung dieser Bedingungen an. Viertens wird ein Alarmsignal 51 erzeugt, wenn die Zuwachsrate der gemessenen CO₂-Konzentration eine zweite vorbestimmte Rate C₃ von 700 bis 1000 ppm/min für eine vorbestimmte Zeitdauer C₆ von weniger als 30 Sekunden übersteigt. Diese vier Bedingungen werden durch ein OR-Gate C₄ kombiniert, dessen Ausgang ein Alarmsignal 51 erzeugt, das wiederum eine Alarmeinrichtung 500 aktiviert.
Diese Logikelemente des Feuerdetektionssystems 100 sind vorzugsweise in der in 2a dargestellten Anordnung implementiert.
In der in 2a gezeigten bevorzugten Ausführungsform steuert eine Silizium-Fotodiode 1 eines fotoelektrischen Rauchdetektors 2 einen Transimpedanzverstärker 3 an, der eine Verstärkung von –14 × 10⁶ hat. Eine LED 4 des fotoelektrischen Rauchdetektors 2 wird von einer Ansteuerschaltung 5 ein und aus gepulst, welche wiederum von einem Impulsfolgegenerator 612 angesteuert wird, der einen Impulsstrom mit einer Frequenz von typischerweise 0,1 Hz und einer Impulsbreite von etwa 300 μsec hat, wodurch die LED 4 veranlasst wird, ein entsprechend gepulstes Lichtsignal abzugeben. Die LED 4 wird als "gepulst ein" bezeichnet, wenn sie Licht emittiert, und als "gepulst aus", wenn sie dies nicht tut.
Der fotoelektrische Detektor 2 ist vorzugsweise ein Lichtreflexions-Rauchdetektor, in dem die Fotodiode 1 nicht in einem geradlinigen Lichtausbreitungsweg von der LED 4 angeordnet ist. Folglich erreicht sich von der LED 4 ausbreitendes Licht die Fotodiode 1 nur dann, wenn Rauch das Licht in Richtung der Fotodiode 1 reflektiert. Unter normalen Betriebsbedingungen, das heißt bei Abwesenheit eines Feuers, ist der Ausgang der Fotodiode 1 nahe einem konstanten elektrischen Strom von Null Ampere, da nur sehr wenig Licht von der LED 4 in sie gestreut wird. Während eines Feuers, bei dem Rauch in dem Raum zwischen der LED 4 und der Fotodiode 1 vorhanden ist, tritt am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 3 ein Impulsstrom-Ausgangssignal auf, dessen Größe von der Rauchdichte abhängig ist.
Die schematische Anordnung von 2a umfasst Komparatoren 6, 7, 24 und 25; Zeitgeber-Zähler 8 und 9; ein AND-Gate 26 und ein OR-Gate 10, die jeweils ein diskretes Logikausgangssignal haben. Dieses Signaltyp nimmt in Abhängigkeit von dem an das Bauteil angelegten Eingangssignal einen von zwei unterschiedlichen Spannungspegeln an. Der höhere der beiden Spannungspegel wird allgemein als "hoher" Ausgang bezeichnet, und der niedrigere der beiden Spannungspegel wird als ein "niedriger" Ausgang bezeichnet.
Eine Abtast- und Halteschaltung 620 wird angewiesen, den Ausgang des Transimpedanzverstärkers 3 in jedem Impulsfolgezyklus gemäß dem Ausgang des Impulsfolgegenerators 612 abzutasten. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 620 wird in einen Komparator 6 mit hohem Schwellenwert und einen Komparator 7 mit niedrigem Schwellenwert eingespeist. Eine an den invertierenden Eingang des Komparators 6 mit hohem Schwellenwert angelegte Referenzspannung 626 entspricht einer Signalstärke des gestreuten Lichts an der Fotodiode 1, die ein Niveau der Rauchkonzentration anzeigt, das ausreicht, um annähernd 3% Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) des von der LED 4 emittierten Lichts zu verursachen. Wenn somit die Rauchkonzentration am Detektor 2 dieses Niveau übersteigt, ist der Ausgang des Komparators 7 mit niedrigem Schwellenwert hoch.
Die Ausgänge der Komparatoren 6 und 7 sind an die jeweiligen Zeitgeber-Zähler 8 und 9 angeschlossen. Für die relativ rasche Erfassung von nicht-flammenden Feuern mit relativ hoher Rauchdichte ist der Zeitgeber-Zähler 8 so eingestellt, dass er seinen Ausgang hoch sendet, wenn der Ausgang des Komparators 6 mit hohem Schwellenwert für mehr als 2 Minuten hoch bleibt. Für die relativ langsame Erfassung von nicht-flammenden Feuern mit relativ niedriger Rauchdichte ist der Zeitgeber-Zähler 9 so eingestellt, dass er seinen Ausgang hoch sendet, wenn der Ausgang des Komparators 7 mit niedrigem Schwellenwert für mehr als 15 Minuten hoch bleibt. Die Zeitgeber-Zähler 8 und 9 werden nur dann aktiviert, wenn die Ausgangslogik feststellt, dass die jeweiligen Komparatoren 6 und 7 hoch sind. Die Ausgänge der Zeitgeber-Zähler 8 und 9 bilden zwei der vier Eingänge für das OR-Gate 10. Der Ausgang des OR-Gate 10 wird hoch, um die Erfassung eines Feuers anzuzeigen. Dieses Signal wird durch einen Verstärker 11 verstärkt und verwendet, um einen Schallalarm 12 ertönen zu lassen.
Eine Infrarotquelle 13 eines NDIR-CO₂-Gasdetektors 14 wird von einer Stromansteuereinrichtung 15 gepulst, die von einem Impulsfolgegenerator 614 mit einer Rate von etwa 0,1 Herz angesteuert wird, um den Verbrauch von elektrischem Strom zu minimieren. Das gepulste Infrarotlicht strahlt durch ein optisches Dünnfilmfilter 17 mit schmaler Bandbreite auf einen Infrarotdetektor 16. Das optische Filter 17 hat eine Mittenwellenlänge von etwa 4,26 Mikron und eine volle Breite bei der halben maximalen Bandbreite (FWHM) von annähernd 0,2 Mikron. CO₂-Gas hat ein sehr starkes Infrarot-Absorptionsband, das im Spektrum bei 4,26 Mikron angeordnet ist. Die Menge des Lichts mit 4,26 Mikron, das den Infrarotdetektor 16 erreicht, ist von der Konzentration des zwischen der Infrarotquelle 13 und dem Infrarotdetektor 16 vorhandenen CO₂-Gases abhängig.
Der Infrarotdetektor 16 ist eine mikrobearbeitete Einkanal-Silizium-Thermosäule mit einem optionalen eingebauten Temperatursensor in engem thermischen Kontakt mit dem Referenzübergang. Der Infrarotdetektor 16 könnte alternativ ein pyroelektrischer Sensor sein. In einer weiteren Alternative könnte die allgemeine Funktion des Infrarotdetektors 16 von anderen Detektortypen durchgeführt werden, einschließlich Metalloxid-Halbleitersensoren, wie zum Beispiel ein "Taguchi"- Sensor, und fotochemischen (beispielsweise colorimetrischen) Sensoren, wobei jedoch, wie dem Durchschnittsfachmann klar ist, die zugehörige Schaltung deutlich verschieden sein müsste. Der NDIR-CO₂-Detektor 14 hat eine Probenkammer 18 mit kleinen Öffnungen 19 an entgegengesetzten Seiten, die die natürliche Ausbreitung von Umgebungsluft durch den Probenkammerbereich zwischen der Infrarotquelle 13 und dem Infrarotdetektor 16 ermöglichen. Kleine Öffnungen 19 sind mit einer Glasfaser-gestützten Siliziummembran 20 bedeckt, um CO₂ und andere Gase zu transportieren, aber das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit tragenden Teilchen in die Probenkammer 18 zu verhindern. Diese Art von Membran und der Verwendung sind ausführlicher in dem US-Patent Nr. 5,053,754 für einen EINFACHEN FEUERDETEKTOR beschrieben, das auf einen der Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde.
Der Ausgang des Infrarotdetektors 16, bei dem es sich um einen elektrischen Impulsstrom handelt, wird zunächst durch einen Verstärker 21 mit einer Verstärkung von 25 × 10³ verstärkt. Eine zweite Abtast- und Halteschaltung 22 wird in jedem Impulszyklus von dem Impulsfolgegenerator 614 angewiesen, den resultierenden Impulsstrom abzutasten. Gleichermaßen wird für jeden Impulszyklus der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 22 von einer dritten Abtast- und Halteschaltung 23 abgetastet.
Ein Operationsverstärker 622, der als Differenzialverstärker mit Verstärkungsfaktor 1 konfiguriert ist, subtrahiert den Ausgang der zweiten Abtast- und Halteschaltung 23, der den dem letzten Abtastwert unmittelbar vorausgehenden Abtastwert darstellt, von dem Ausgang der dritten Abtast- und Halteschaltung 22, der den letzten Abtastwert darstellt.
Der Verstärker 622 wird durch die Werte von Widerständen R22, R24, R26 und R28 auf den Verstärkungsfaktor 1 eingestellt. Die am Ausgang des Verstärkers 622 auftretende resultierende Größe wird an einen Eingang jedes eines Paares von Komparatoren 24 und 25 angelegt, die unterschiedliche Schwellenreferenzwerte haben.
Der Komparator 24 ist ein Komparator mit niedriger Anstiegsrate, der eine Referenzspannung 630 hat, die einer Veränderungsrate der CO₂-Konzentration von annähernd 150 ppm/min entspricht. Wenn diese Veränderungsrate für CO₂ überschritten wird, wird der Ausgang des Komparators 24, der mit dem zweiten Eingang des AND-Gate 26 verbunden ist, hoch. Da der Ausgang des Komparators 7 mit niedrigem Schwellenwert mit dem anderen Eingang des AND-Gate 26 verbunden ist, wird der Ausgang des AND-Gate 26 hoch, wenn eine Rauchkonzentration vorliegt, die ausreicht, um eine Lichtverdunkelung von 1% pro 0,3048 m (1 Fuß) zu verursachten und wenn die CO₂-Konzentration mit mindestens 150 ppm/min ansteigt.
Der Komparator 25 ist der Komparator mit hoher Anstiegsrate, der eine Referenzspannung 632 hat, die einer Veränderungsrate der CO₂-Konzentration von annähernd 1000 ppm/min entspricht. Wenn diese Veränderungsrate für CO₂ überschritten wird, wird der Ausgang des Komparators 25, der den vierten Eingang des OR-Gate 10 bildet, hoch.
Ein Leistungsversorgungsmodul 27 nimmt eine externe Versorgungsspannung V_EXT und erzeugt eine Spannung V+ zur Leistungsversorgung aller vorstehend genannten Schaltungen.
Die Verwendung einer Thermosäule in einem NDIR-Sensor, der Teil eines Feuerdetektionssystems ist, stellt eine beträchtliche Abweichung von dem herkömmlichen Wissen auf dem Gebiet der Gaserfassung dar. Dies ist so, da eine Thermosäule ein kleineres Signal mit einem geringeren Rauschabstand als beispielsweise ein pyroelektrischer Sensor erzeugt. Die Tatsache, dass die vorliegende Erfindung einen Rauchdetektor mit dem NDIR-CO₂-Sensor kombiniert, trägt dazu bei, diese Anmeldung praxisfähig zu machen, indem die Erfordernis für die Genauigkeit des NDIR-CO₂-Sensors reduziert wird. Ferner reduziert die Verwendung einer Thermosäule die Gesamtkosten des Feuerdetektionssystems.
Ein Vorteil des Kombinierens des fotoelektrischen Rauchdetektors 2 mit einem NDIR-CO₂-Sensor 14 liegt darin, dass der Rauchdetektor 2 für die Erfassung von vergleichsweise großen Rauchpartikeln optimiert werden kann, die durch einen Schwelbrand erzeugt werden. 2b erläutert dieses Merkmal. Bei Rauchdetektoren nach dem Stand der Technik wäre eine Fotodiode 1' in einem relativ großen Reflexionswinkel 110, typischerweise 60°, angeordnet. Dieser Winkel erlaubt die Erfassung von sehr schwarzen Rauchpartikeln, die bei bestimmten Typen von flammenden Feuern erzeugt werden. Unglücklicherweise ist die Erfassung der großen Rauchpartikel, die von einem Schwelbrand erzeugt werden, in diesem Winkel suboptimal. In der vorliegenden Erfindung ist die Erfassung von sehr schwarzen Rauchpartikeln nicht besonders kritisch, da der CO₂-Detektor auf flammende Feuer anspricht. Daher ist in der bevorzugten Ausführungsform die Fotodiode 1 wie in 2b gezeigt in einem Reflexionswinkel 112 von weniger als 60° angeordnet. Der Durchschnittsfachmann betrachtet gegenwärtig 30° als einen nahezu optimalen Winkel für die Erfassung von großen Rauchpartikeln, die von nicht-flammenden Feuern erzeugt werden, wobei gleichzeitig eine gewisse Erfassungsfähigkeit für feine Rauchpartikel erhalten bleibt.
Alternativ könnte ein Rauchdetektor mit projiziertem Strahl oder Auslöschung als ein Ersatz für den fotoelektrischen Rauchdetektor 2 verwendet werden. Auslöschungs-Rauchdetektoren richten einen Lichtstrahl durch die Atmosphäre auf einen Lichtdetektor. Die durch Rauch verursachte Dämpfung wird gemessen. Dieser Detektortyp ist für die Anwendung in einem großen Innenraum, wie zum Beispiel einem Atrium, sehr beliebt. Ferner reduzieren Fortschritte der Technologie die Kosten und verbessern die Genauigkeit von Auslöschungs-Detektoren, die in einem einzelnen Gehäuse hergestellt werden. Ein Vorteil von Auslöschungs-Detektoren ist, dass sie für Feinpartikelrauch empfindlich sind, der von einem flammenden Feuer erzeugt wird. Da die Verwendung eines zusätzlichen Sensors die Anforderungen an die Exaktheit von Rauchdetektoren reduziert, wäre es möglich, in der vorliegenden Erfindung einen relativ preiswerten Auslöschungs-Detektor zu verwenden.
Ein weiterer Vorteil des Kombinierens eines CO₂-Detektors 14 mit einem Rauchdetektor 2 liegt darin, dass es die Konstruktion eines Feuerdetektors mit stark gesenkten Reinigungserfordernissen erlaubt. Der Grund dafür liegt darin, dass ein Korrekturprozess, der manchmal als Einstellung mit schwimmendem Hintergrund bezeichnet wird, im Verlauf der Zeit vorteilhaft wird, wenn sich größere Mengen Staub auf den Innenflächen eines Rauchdetektors niederschlagen. Die von der Fotodiode 1 unter Nicht-Feuer-Bedingungen empfangene Lichtmenge das heißt der Nicht-Feuer-Signalpegel) nimmt als Folge der durch die Ansammlung von Staub auf den Innenflächen verursachten Lichtreflexionen allmählich zu. Die Schwellenwerte für den Raucherfassungsalarm, Unterempfindlichkeit und Überempfindlichkeit können proportional zu dem erzeugten Nicht-Feuer-Signal erhöht werden. Diese Einstellung mit schwimmendem Hintergrund kann entweder in einem ASIC 28 (3a) oder in einer Feueralarm-Steuerkonsole 640 (3a) in Abhängigkeit von dem umgesetzten Schwellenwertbildungsplan vorgenommen werden.
Ein Rauchdetektor, in dem eine Einstellung mit schwimmendem Hintergrund als interner Teil des Rauchdetektors implementiert ist, ist in der PCT-Veröffentlichung Nummer WO 96/07165 (7. März 1996) beschrieben, die auf einen der Inhaber dieser Anmeldung übertragen ist und deren Gegenstand hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird, als ob er hierin vollständig dargelegt wäre.
Es sind Rauchdetektorsysteme verfügbar, die mehrere Punkt-Rauchdetektoren haben, die jeweils mit einer von jedem Punkt-Rauchdetektor entfernt angeordneten Steuerkonsole verbunden sind. Jeder Punkt-Rauchdetektor ist somit in einem von dem Gehäuse der Steuerkonsole getrennten Gehäuse angeordnet. Die Steuerkonsole spricht jeden Punkt-Rauchdetektor einzeln an und bewertet den Ausgang jedes Rauchdetektors individuell. Bei der Bestimmung, ob der Ausgang eines einzelnen Rauchdetektors einen Alarmzustand anzeigt, führt die Steuerkonsole eine Einstellung durch, um einen Drift im Ausgang des Rauchdetektors zu kompensieren. Diese Systeme werden als "adressierbare Rauchdetektorsysteme" bezeichnet. Es sind auch Rauchdetektorsysteme verfügbar, die einen Strahl von einem Sender zu einem Empfänger übertragen, der bis zu 100 bis 300 Fuß (und somit in einem separaten Gehäuse) vom Sender entfernt ist und die den Drift im Ausgang des Empfängers ausgleichen. Diese Systeme werden als "Strahl- Rauchdetektionssysteme" bezeichnet. Einige derartige Systeme führen die Driftkompensation im Empfänger durch. Andere Systeme führen die Driftkompensation in einer Steuerkonsole durch, die einen oder mehrere separate Empfänger anspricht. In beiden Typen der Strahl-Rauchdetektionssysteme sind die Bauelemente des Systems in mehr als einem Gehäuse untergebracht.
Aufgrund der Möglichkeit, dass ein extrem langsam brennendes Feuer einem Detektor mit dem vorstehend beschriebenen System der automatischen Schwellenwerteinstellung als rasche Ablagerung von Staub erscheinen könnte, wird es allgemein als unsicher betrachtet, eine Alarm-Schwellenwerteinstellung über einem Lichtverdunkelungsniveau von 4% pro 0,3048 m (1 Fuß) zuzulassen. Daher wird an dem Punkt, an dem das korrigierte Signal-Schwellenwertniveau dieses maximale Niveau überschreiten würde, der Rauchdetektor gereinigt.
Da das System gemäß vorliegender Erfindung auf dem Rauchdetektor 2 und dem CO₂-Detektor 14 basiert, ist es möglich, die Rauchkonzentrations-Schwellenwerte beträchtlich zu senken. Das bedeutet, dass eine wesentlich stärkere Korrektur durchgeführt werden kann, bevor man den maximalen Signalgrenzwert erreicht. Die Anwesenheit des CO₂-Detektors 14 erlaubt eine Verringerung des Alarmschwellenwertes eines Rauchdetektors 2, der mit der Fähigkeit zur Einstellung mit schwimmendem Hintergrund implementiert ist, da Letzterer keine flammenden Feuer erfassen muss. Der Alarmschwellenwert des Rauchdetektors 2 kann auf etwa 0,5% pro 0,3048 m (1 Fuß) in Verbindung mit dem Einführen eines Verzögerungszeitfensters von ausreichender Dauer, dass sich Schwelbrände, die langsam zunehmen, verstärken können, verringert werden. Ein Verzögerungszeitfenster von etwa 4 Minuten erfüllt dieses Kriterium und ist länger als die Zeit, die es dauert, bis gewöhnliche Ursachen von Fehlalarmen (z.B. Tabakrauch und Dampf aus der Dusche) abgeklungen sind.
Ein Rauchdetektor 2, der zur Erfassung von flammenden Feuern bei akzeptablen Fehlalarm raten eingesetzt wird, ist typischerweise auf einen Alarmschwellenwert von etwa 3% pro 0,3048 m (1 Fuß) eingestellt und hat daher eine zulässige Drifttoleranz von nur 1% (von 3% auf 4% pro 0,3048 m (1 Fuß)). Das Einstellen des Alarmschwellenwertes auf 0,5% pro 0,3048 m (1 Fuß) zusammen mit der Einführung eines Verzögerungszeitfensters ergibt eine zulässige Drifttoleranz von 3,5% (das heißt von 95% auf 4%). Daher kann sich auf den Innenflächen Staub in ausreichenden Mengen ansammeln, um einen nicht-brandbedingten Signalpegel der Fotodiode 1 zu verursachen, der 3,5% Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) entspricht, bevor eine Reinigung erforderlich wäre. Da es typischerweise fünf Jahre dauert, bis sich eine Staubschicht mit ausreichender Dicke ansammelt, die eine Reflexion verursacht, die 1% Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) entspricht, könnte dieser Typ Rauchdetektor 17,5 Jahre an seinem Einbauort verbleiben, bevor eine Reinigung erforderlich wäre. Diese Systemkonstruktion könnte daher das Wartungsintervall stark vergrößern und könnte sogar die Konstruktion eines Rauchdetektors erlauben, der wahrscheinlich ausgetauscht würde, bevor eine Reinigung erforderlich wäre.
In einer ersten alternativen bevorzugten Ausführungsform, die in 3a gezeigt ist, sind alle in 2a gezeigten und beschriebenen Schaltungselemente mit Ausnahme des Rauchdetektors 2, des CO₂-Detektors 14, des Leistungsversorgungsmoduls 27 und des Schallalarms 12 unter Verwendung von Standardtechniken in einen einzelnen ASIC-Chip 28 integriert. Zusätzlich kann die ASIC 28 Schaltungen zum Digitalisieren und Formatieren der Signale enthalten, die das CO₂-Niveau, die Veränderungsrate von CO₂, das Rauchkonzentrationsniveau und das Vorhandensein eines Alarmsignals darstellen. Derartige Schaltungen würden typischerweise einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikroprozessorabschnitt zum Formatieren des Signals in ein serielles Format umfassen.
Die digitalisierten Signale werden typischerweise über einen seriellen Bus zu einer Feueralarmsteuerkonsole 640 übertragen. Serielle Kommunikation ist die natürliche Auswahl, da das Datenvolumen typischerweise klein genug ist, dass es mit diesem Verfahren bewältigt werden kann, und die Reduzierung des Leistungsverbrauchs muss berücksichtigt werden.
Die Feueralarmsteuerkonsole 640 führt vorzugsweise die Datenanalyse durch, um das Vorhandensein eines Feuers zu bestimmen. In diesem Fall wird das Feuerdetektionssystem so betrachtet, dass es die Feueralarmsteuerkonsole 640 einschließt.
In einer in 3b gezeigten Variante dieser alternativen bevorzugten Ausführungsform empfängt, digitalisiert und formatiert eine erste ASIC 28' das von dem Rauchdetektor 2 empfangene Signal. Die ASIC 28' sendet die resultierenden Daten zu einer Feueralarmsteuerkonsole 640. Eine zweite ASIC 728 empfängt, digitalisiert und formatiert das vom Infrarotdetektor 16 empfangene Signal. Die ASIC 728 sendet die resultierenden Daten zu der Feueralarmsteuerkonsole 640. Ein zweites Leistungsversorgungsmodul 727 versorgt die erste ASIC 28' mit Leistung. In dieser Ausführungsform können die ASIC 28' und der Rauchdetektor 2 physisch getrennt sein und in einem Abstand von der ASIC 728 und dem CO₂-Detektor 14 liegen.
In einer in 4a gezeigten zweiten alternativen Ausführungsform kommuniziert ein Mikroprozessor 29 mit der ASIC 28 über einen Datenbus. Handelsübliche Mikroprozessoren erzeugen typischerweise keine Ausgänge, die in der Lage sind, eine LED 4 und Infrarotquelle 13 anzusteuern. Daher enthält die ASIC 28 Ansteuerschaltungen zur Durchführung dieser Funktionen. Die ASIC 28 enthält ferner einen analog-digital-Wandler (A/D) und Verstärker, um die Sensorausgänge in eine Form umzuwandeln, die im Spannungsbereich des A/D-Wandlers liegt. Der Mikroprozessor 29 empfängt die digitalisierten Daten vom A/D-Wandler und ist darauf programmiert, die Rauchkonzentration, die CO₂-Konzentration und die Veränderungsrate der CO₂-Konzentration zu berechnen und die in 1 gezeigte Erfassungslogik zu implementieren. Die ASIC 28 empfängt digitale Ergebnisse dieses Prozesses vom Mikroprozessor 29 und verändert eine Alarmdeklaration in eine Form, die den Alarm 12 ansteuern kann.
In einer Variante der zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform werden vom A/D-Wandler erzeugte Rauch- und CO₂-Konzentrations-Abtastwerte durch ein im Mikroprozessor 29 implementiertes digitales Filter bearbeitet. Der Ausgang des digitalen Filters wird mit einem Schwellenwert verglichen, um das Vorliegen einer Alarmbedingung zu bestimmen. Der Rauchkonzentrationsabtastwert "A1" (mit einer Rate von 0,1 Hz erfasst) wird durch ein Alpha-Filter der folgenden Form geleitet: A1N' = αA1N + (α – 1) A1N-1'worin A1_N der jüngste Rauchkonzentrationsabtastwert ist, A1_N-1' der vorhergehende, Alpha-gefilterte Rauchkonzentrationswert ist und A1_N' der neu berechnete, Alpha-gefilterte Rauchkonzentrationswert ist. Der Wert von α wird auf 0,3 gesetzt und ein Schwellenwert wird gleich einem konstanten Lichtverdunkelungsniveau von 4% pro 0,3048 m (1 Fuß) eingestellt. Die CO₂-Konzentrationsraten-Abtastwerte ("A2_N'", berechnet mit einer Rate von 1 alle 10 Sekunden) werden ebenfalls durch ein Alpha-Filter bearbeitet. Der Wert der CO₂-Konzentrationsrate α wird auf 0,2 gesetzt und ein Alarmschwellenwert wird gleich einer Veränderungsrate von 500 ppm/min eingestellt. Zusätzlich wird nach jedem Zeitintervall von 10 Sekunden eine Größe Q_N durch die folgende Gleichung gebildet: QN = A1N' + A2N'worin A1_N' normiert wurde, so dass 1% Lichtverdunkelung pro 0,3048 m (1 Fuß) gleich 1,0 gesetzt ist, und A2_N' normiert wurde, so dass eine Rate von 150 ppm/min gleich 1,0 gesetzt ist. Ein Alarmschwellenwert für Q_N wird auf 1,8 gesetzt. Wenn einer der Alarmschwellenwerte überschritten wird, wird an einen Benutzer oder eine Empfängereinrichtung eine Alarmanzeige abgegeben.
In dieser Ausführungsform könnten A1_N' und A2_N' vor der Kombination durch eine lineare, quadratische oder eine andere Polynomform aufweisende Gleichung bearbeitet werden. Beispielsweise könnte Q_N die folgende Form haben: QN = a1(A1N')2 + b1A1 + a2(A2N') + b2A2N' + c.
In diesem Fall ist a₁ = 0,1; b₁ = 1,0; a₂ = 0,1; b₂ = 1,0; und c = 0. Der allgemeine Zweck von quadratischen Termen ist es, einen Alarm zu deklarieren, wenn eine Größe groß wird, wenn die andere Größe klein ist.
Ein Alpha-Filter ist ein Beispiel eines infinite impulse response-Filters (IIR). Ein finite impulse response-Filter (FIR) könnte ebenfalls verwendet werden. Ein gutes FIR-Filter würde wahrscheinlich auf den momentanen Pegel, die Veränderungsrate (die erste Ableitung) und die Ableitung der Veränderungsrate (die zweite Ableitung) ansprechen. Beispielsweise hätte ein FIR-Filter mit drei Abtastwerten die folgende Form: A1N' = k1A1N + k2A1N-1 + k3A1N-2 A2N' = k1A2N + k2A2N-1 + k3A2N-2 QN = A1N' + A2N'
Die Konstantenwerte k₁ = 4,0; k₂ = –2,5; und k₃ = 0,5 ergeben ein Filter, das auf momentanen Pegel, Veränderungsrate und Beschleunigung über ein Intervall von drei Abtastwerten anspricht. Die Multiplikation mit diesen einfachen Konstanten ist ohne weiteres in einem Mikrocomputer implementierbar. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass ein digitales Filter ebenfalls in Hardware mit einer Anzahl von Verzögerungs- oder Abtast- und Halteschaltungen und Verstärkern implementiert werden könnte, die auf die gewünschten Konstanten eingestellt sind.
Alternativ könnte Q_N eine der folgenden Formen haben: QN = MAX{A1N', A1N-1', A1N-2' A1N-3'} + MAX{A2N', A2N-1, A2N-2', A2N-3'} oder QN = DURCHSCHNITT{A1N', A1N-1', A1N-2', A1N-3'} + DURCHSCHNITT{A2N', A2N-1', A2N-2', A2N-3'}
Diese Formen sind erstrebenswert, da an einer an einer Decke gelegenen Abtaststelle die CO₂-Konzentration typischerweise einen Spitzenwert hat, bevor die Rauchkonzentration den Spitzenwert erreicht. Die vorstehenden Formen für Q_N berücksichtigen dies, so dass dann, wenn eine Verzögerung zwischen dem Spitzenwert der CO₂-Konzentrationsrate und dem Spitzenwert der Rauchkonzentration auftritt, trotzdem ein Alarm erklärt wird, wenn die Rauchkonzentration ein vorbestimmtes Niveau innerhalb (vor oder nach) einer vorbestimmten Zeitperiode des Vorhandenseins einer Bedingung überschreitet, die dadurch definiert ist, dass die CO₂-Konzentrationsrate größer als eine vorbestimmte Rate ist. In einem Fall reduzieren sich A1_N' und A2_N' auf A1_N und A2_N.
4b ist eine stark vergrößerte Darstellung des physischen Aussehens der Ansteuereinrichtungen, Sensoren, Verstärker und Signalverarbeitungsschaltungen der zweiten alternativen Ausführungsform. Eine Kombination aus Sensor/integrierter Schaltung 810 ist so positioniert, dass Infrarotlicht auf eine Licht absorbierende Materialoberfläche 812 eines Thermosäulenabschnitts 16' der Kombination aus Sensor/integrierter Schaltung 810 auftrifft. Eine Reihe von Metallstreifen 814 verbindet eine Gruppe von Heißlötstellen (in 4b durch den Block 812 der Licht absorbierenden Materialoberfläche verdeckt) mit einer Gruppe von Kaltlötstellen 816. Die durch die Licht absorbierende Materialoberfläche 812 erzeugte Temperaturdifferenz wird an jeder Heißlötstelle und jeder Kaltlötstelle 816 in eine elektrische Potenzialdifferenz umgewandelt. Diese elektrischen Potenziale sind in Reihe geschaltet und eine resultierende Summenpotenzialdifferenz wird in die ASIC 28 eingegeben. Die Thermosäulenstruktur wird durch das Vorhandensein einer mikrobearbeiteten Vertiefung 818 auf der Rückseite der Kombination Sensor/integrierte Schaltung 810 für Infrarotlicht wärmeempfindlicher gemacht.
Die ASIC 28 wurde unter Verwendung von Standard-Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen in dem Siliziumsubstrat der Kombination Sensor/integrierte Schaltung 810 gebildet. Die Fotodiode 1 ist ebenfalls auf der Oberfläche der Kombination Sensor/integrierte Schaltung 810 geätzt und elektrisch mit der ASIC 28 verbunden. Die ASIC 28 verstärkt das Summenpotenzialdifferenzsignal von dem Thermosäulenabschnitt 16' und der Fotodiode 1 und speist diese umgewandelten Signale in einen A/D-Wandler ein, der das digitalisierte Signal dem Mikroprozessor 29 eingibt. Der Mikroprozessor 29 führt die Erfassungslogik durch und gibt das resultierende digitalisierte serielle Signal über Ausgangsanschlüsse 820 ab. Impulsfolgegeneratoren 612 und 614 und Ansteuereinrichtungen 5 und 15 (2a) sind ebenfalls in die ASIC 28 eingebaut, die mit der Fotodiode 1 und der Infrarotquelle 13 über Ausgangsanschlüsse 822 elektrisch verbunden ist.
Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, erlaubt diese Konfiguration die wirtschaftliche Produktion der Kombination Sensor/integrierte Schaltung 810. Der Prozess kann mit der Produktion einer integrierten Mikroprozessorschaltung gemäß einer vorhandenen Konstruktion beginnen. Die ASIC 28 kann unter Verwendung von Standard-Fotolithographietechniken während der Herstellung in einen ungenutzten Abschnitt des Substrats geätzt werden. Anschließend können der Thermosäulenabschnitt 16' und die Fotodiode 1 auf der oberen Oberfläche des Chips aufgebaut werden.
Eine dritte alternative bevorzugte Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, verbessert die Genauigkeit des NDIR-CO₂-Gasdetektors 14 in Bezug auf die erste alternative bevorzugte Ausführungsform. Obgleich in beiden Ausführungsformen Rauch aus der Probenkammer 18 gefiltert wird, besteht immer noch die Möglichkeit der Ungenauigkeit des Detektors 14 aufgrund der Auswirkungen von Temperaturschwankungen und Alterung. Um diese Phänomene auszugleichen, wird der Infrarotdetektor 16 (2), der nur einen Kanal hat, durch einen Zweikanaldetektor 30 mit mikrobearbeiteter Silizium-Thermosäule ersetzt. Ein erstes optisches Filter 31, das einen ersten Kanalabschnitt der Oberfläche des Detektors 30 bedeckt, ist ein optisches Dünnfilm-Interferenz-Schmalbandpassfilter mit einer Mittenwellenlänge bei 4,26 Mikron und einer FWHM-Bandbreite von 0,2 Mikron, so dass der erste Kanal des Detektors 30 veranlasst wird, auf Veränderungen der CO₂-Konzentration anzusprechen. Ein zweites optisches Filter 32, das einen zweiten Kanalabschnitt der Oberfläche des Detektors 30 bedeckt, hat eine Mittenwellenlänge bei 3,91 Mikron und eine FWHM-Bandbreite von 0,2 Mikron. Der zweite Kanal des Detektors 30 stellt eine neutrale Referenz für den Gasdetektor 14 her, da keine nennenswerte Lichtabsorption durch allgemeine atmosphärische Gase in dem Durchlassband des optischen Filters 32 vorliegt. Die der Anwesenheit von CO₂ zuzuschreibende Lichtdämpfung, die direkt in die Konzentration von CO₂ übersetzt wird, wird bestimmt, indem das Verhältnis des von dem ersten Kanal des Detektors 30 empfangenen Lichts zu dem von dem zweiten Kanal des Detektors 30 empfangenen Licht gebildet wird und einfache Algebra angewandt wird.
Die dritte alternative bevorzugte Ausführungsform umfasst eine integrierte Signalverarbeitungsschaltung (SP) 33, die einen Mikroprozessorabschnitt 29' und einen anwendungsspezifischen Abschnitt 28 aufweist. Der Mikroprozessorabschnitt 29' empfängt die digitalisierten Daten von dem A/D-Wandler und ist so programmiert, dass er die Rauchkonzentration, die CO₂-Konzentration und die Veränderungsrate der CO₂-Konzentration berechnet und die in 1 dargestellte Erfassungslogik implementiert. Die CO₂-Konzentration kann dann berechnet werden, indem das Verhältnis der digitalisierten Signale von den beiden Kanälen des Detektors 30 gemessen wird. Dann kann an den digitalisierten Resultaten eine weitere Verarbeitung durchgeführt werden. Der anwendungsspezifische Abschnitt 28' empfängt digitale Informationen vom Mikroprozessorabschnitt 29' und wandelt sie in eine Form um, die die Alarmeinrichtung ansteuern kann.
In einer vierten alternativen bevorzugten Ausführungsform, die schematisch in 6 gezeigt ist, ist der CO₂-Gasdetektor 14 mit einer Gasanalysetechnik implementiert, die als "differential sourcing" gemäß der Offenbarung im US-Patent Nr. 5,026,992 bekannt ist, das auf einen der Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde. Diese Implementierung erlaubt eine Anordnung zur Korrektur von Amplitudenschwankungen in Licht mit 4,26 Mikron Wellenlänge, das von dem Infrarotlichtdetektor 16 empfangen wird, die durch andere Faktoren als die CO₂-Konzentration verursacht werden, wie zum Beispiel Temperaturschwankungen, ohne dass jedoch ein zweifacher Bandpass-Infrarotdetektor wie in der zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform erforderlich ist.
In dieser Ausführungsform wird der Signalprozessorchip 33 (SP) beibehalten, der sowohl den Mikroprozessorabschnitt 29' als auch den anwendungsspezifischen Abschnitt 28' enthält, die in der dritten alternativen bevorzugten Ausführungsform (5) verwendet werden. Der ASIC-Abschnitt erzeugt eine Wellenform 642, die eine Impulsfolge mit zwei abwechselnden Leistungspegeln aufweist, um den Infrarotdetektor 13 anzusteuern. Dies erlaubt die Verwendung eines Einkanal-Infrarotlichtdetektors 16, der von dem optischen Zweifach-Bandpassfilter 17 abgedeckt ist, der ein erstes Durchlassband mit der Mitte bei 4,26 Mikron (CO₂) und ein zweites Durchlassband mit der Mitte bei 3,91 Mikron (neutral) hat.
Beide Durchlassbänder haben eine 0,2 Mikron FWHM Bandbreite. Die Menge des Lichts mit 4,26 Mikron, das den Infrarotlichtdetektor erreicht, ist zum Teil von der Konzentration des zwischen der Quelle 13 und dem Detektor 16 vorhandenen CO₂-Gases abhängig.
Die Anordnung zur Korrektur von Lichterfassungsschwankungen, die nicht mit der CO₂-Konzentration in Zusammenhang stehen, ist von der Tatsache abhängig, dass die Infrarotquelle 13 einen unterschiedlichen Anteil von Licht mit 4,26 Mikron relativ zu dem Licht mit 3,96 Mikron emittiert, wenn die Infrarotquelle 13 mit einem höheren Leistungspegel ein-gepulst wird, im Vergleich zu dem Fall, wenn sie mit einem niedrigeren Leistungspegel ein-gepulst wird. Die Lichtdämpfung von CO₂ wird bestimmt, indem das Verhältnis des von dem Infrarotlichtdetektor 16 empfangenen Lichts, wenn die Infrarotquelle 13 mit dem höheren Leistungspegel ein-gepulst wird, zu dem von dem Infrarotlichtdetektor 16 empfangenen Licht, wenn die Infrarotquelle 13 mit dem niedrigeren Leistungspegel aus-gepulst oder ein-gepulst wird, gebildet wird. In dem Mikroprozessorabschnitt 29' durchgeführte einfache Berechnungen ergeben die durch CO₂ bedingte Lichtdämpfung, die direkt in die CO₂-Konzentration übersetzt werden kann.
In einer zusätzlichen alternativen bevorzugten Ausführungsform hat das optische Filter 17 ein Durchlassband von 3,8-4,5 Mikron. Die Lichtquelle 13 ist abstimmbar und erzeugt ein sehr schmales Lichtspektrum. Eine Vorrichtung, die dieses Kriterium erfüllt, ist eine abstimmbare Laserdiode. Die Lichtquelle 13 wird abwechselnd auf 3,96 Mikron und 4,26 Mikron abgestimmt. Auch hier ergibt in dem Mikroprozessorabschnitt 29 implementierte einfache Algebra die CO₂-Konzentration.
In einer fünften alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 7 schematisch dargestellt ist, sind der fotoelektrische Rauchdetektor 2 und der NDIR-CO₂-Detektor 14 zu einer einzelnen Einrichtung oder Detektoranordnung kombiniert, die in einem einzelnen Gehäuse 36 enthalten ist. Ein in dem Gehäuse 36 untergebrachter Zweikanaldetektor 34 umfasst einen ersten Kanal, der einen Thermosäulendetektor 35 mit einem optischen CO₂-Filter 37 (der ein Durchlassband mit der Mitte bei 4,26 Mikron Wellenlänge und eine FWHM-Bandbreite von 0,2 Mikron hat), und einen zweiten Kanal, der die Silizium-Fotodiode 1 enthält, die in der Nachbarschaft des Detektors 35 und auf demselben Substrat, jedoch optisch von diesem isoliert, hergestellt ist. Alternativ schließen die in dem Gehäuse 36 eingeschlossenen Elemente einen Einkanal-Thermosäulendetektor 35 mit einem optischen Zweifach-Bandpassfilter ein, der ein erstes Durchlassband mit der Mitte bei 4,26 Mikron (CO₂) und ein zweites Durchlassband mit der Mitte bei 3,91 Mikron (neutral) hat. In dieser Alternative emittiert die Infrarotquelle 13 ein Zeitvariables Signal wie bei der in 6 gezeigten vierten alternativen Ausführungsform, so dass wie in der Beschreibung von 6 beschrieben eine Referenz aufrechterhalten werden kann. Die Lichtquelle 13 ist typischerweise eine Glühlampe, kann jedoch alternativ eine abstimmbare Laserdiode sein. In einer zusätzlichen Alternative weist der CO₂-Erfassungsmechanismus innerhalb des Gehäuses 36 eine Zweikanal-Thermosäule auf, wie in 5 gezeigt ist.
Die Infrarotquelle 13 ist eine Breitbandquelle, die sowohl Licht mit einer Wellenlänge von 4,26 Mikron für die CO₂-Absorption und -Erfassung als auch Licht mit einer Wellenlänge von 0,88 Mikron zum Erfassen von Rauchpartikeln, die kleiner als ein Mikron sind, emittiert. Innerhalb des Gehäuses 36 ist eine physische lichtdichte Barriere 55, die die beiden Detektorkanäle trennt. Auf der Seite des CO₂-Detektors sind zwei oder mehr kleine Öffnungen 38 auf einer Seite der Behälterwand gegenüber der Barriere 55 vorgesehen, die das freie Einströmen von Umgebungsluft in eine und aus einer Probenkammer 39 des CO₂-Detektors ermöglichen. Ferner sind diese kleinen Öffnungen mit einer Glasfaser-verstärkten Siliziummembran 20 zum Herausfiltern von Staub, Rauch oder Feuchtigkeit aus der Probenkammer 39 versehen. CO₂ und andere Gase können ohne Beeinträchtigung frei durch diese Membran 20 diffundieren.
Die Seite 101 des fotoelektrischen Rauchdetektors innerhalb des Gehäuse 36 arbeitet in der gleichen Weise wie der Rauchdetektor 2 aus 1. Die Fotodiode 1 ist so konfiguriert, dass sie auf eine von der Lichtquelle 13 emittierte Wellenlänge von 0,88 Mikron anspricht und ein die Rauchkonzentration darstellendes Signal abgibt. Der anwendungsspezifische Abschnitt 28 verstärkt das von der Fotodiode 1 erzeugte elektrische Signal. Der Mikroprozessorabschnitt 29' des Signalprozessorchips 33 verarbeitet die resultierenden Daten in der gleichen Weise wie in der in 2a gezeigten und in dem zugehörigen Text beschriebenen bevorzugten Ausführungsform.
Wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennt, gibt es eine Anzahl von Wegen zur Herstellung oder Konfiguration eines Einkanal-Infrarotdetektors 16, eines Zweikanal-Infrarotdetektors 30 und eines Zweikanaldetektors 34, wobei Letzterer aus einem Thermosäulen-Detektorkanal 35 und einem Fotodiodendetektor 1 aufgebaut ist. Im Hinblick auf die Detektoren 16 und 30 werden jedoch der Detektor und das beziehungsweise die optischen Bandpassfilter vorzugsweise auf einer einzelnen Plattform kombiniert, wie etwa einem TO-5-Vorrichtungsgehäuse, um eine Infrarotdetektoranordnung zu bilden. Der physische Aufbau einer Kombination aus Thermosäule/optischem Bandpassfilter wird nachfolgend als Teil der Beschreibung eines Passiv-Infrarotanalysedetektors beschrieben.
Die Ausführungsform aus 7 bietet die Fähigkeit, zu bestimmen, wann die Lichtquelle 13 nicht genügend Licht emittiert, um die ordnungsgemäße Funktion des fotoelektrischen Rauchdetektors 2 und des NDIR-CO₂-Detektors 14 zu ermöglichen. Dieses Versagen könnte beispielsweise durch eine Verschlechterungen des Leuchtmittels, das Vorhandensein von Staub oder Probleme mit der Stromversorgung verursacht sein. Der Mikroprozessorabschnitt 29 überwacht die Ausgangsignale der Fotodiode 1 und des Thermosäulendetektors 35 um zu bestimmen, ob eine zeitgleiche Verminderung ihrer Pegel in einem vorbestimmten Ausmaß aufgetreten ist. Ein signifikanter gemeinsamer Signalpegelabfall würde das Vorhandensein eines Problems mit der Lichtquelle 13 anzeigen, die beide Detektoren mit Licht versorgt, und kann die Grundlage dafür sein, dass der Mikroprozessor 29' einen Warnsignal über das Versagen der Lichtquelle erzeugt.
Ein bevorzugter Aufbau einer Kombination aus Thermosäule/optischem Bandpassfilter ist in Zusammenhang mit 9-16 der US-Patentanmeldung Nr. 08/583,993, eingereicht am 10.1.1996 für PASSIV-INFRAROTANALYSE-GASSENSOREN UND ANWENDBARE MEHRKANAL-DETEKTORANORDNUNGEN beschrieben, deren Beschreibung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird, als ob sie in vollem Umfang hierin dargelegt wäre.
Die Ausführungsform aus 7 erlaubt ein zusätzliches Merkmal zur Erhöhung der Genauigkeit sowohl des Rauchdetektors als auch des CO₂-Detektors. Eine der Quellen von Ungenauigkeiten, die typischerweise in NDIR-CO₂-Detektoren auftreten, ist die mangelnde Wiederholbarkeit der von der Lichtquelle 13 erzeugten Lichtamplitude. Die Lichtquelle 13, typischerweise eine Glühlampe, wird mit gerade eben genug Elektrizität gepulst, um die Glühwendel kurz auf das Niveau zu erwärmen, auf dem sie Infrarotlicht mit der Wellenlänge von 4,26 Mikron erzeugt. Es gibt jedoch häufig geringfügige Schwankungen in der erzeugten Lichtintensität. Durch Vergleichen der Intensität des von der Fotodiode 1 und von dem Infrarotlichtdetektor 16 erfassten Lichts können die die Berechnungen der Rauchkonzentration und der CO₂-Konzentration korrigiert werden. Ein einfacher Zweifachdetektor könnte konstruiert werden, in dem das folgende Verhältnis mit einem Schwellenwert verglichen wird, um das vorliegen eines Alarmzustands zu bestimmen:
Dieses Verhältnis ist von der Lichtquellenintensität unabhängig; daher unterliegt es nicht durch Schwankungen der Lichtquellenintensität verursachten Fehlern. Dies ist nur ein Beispiel für Wege, mit welchen der CO₂-Detektorausgang und der Rauchdetektorausgang verwendet werden können, um sich gegenseitig hinsichtlich Schwankungen der Lichtquellenintensität zu korrigieren.
In ähnlicher Weise sind in Verbindung mit dem in Zusammenhang mit 7 beschriebenen Zweikanaldetektor 34 die gleichen Konstruktionsprinzipien entsprechend auf die Kombination des mikrobearbeiteten Thermosäulendetektors 35 und des optischen CO₂-Filters 37 anwendbar. Ferner ist es wie in 4b gezeigt möglich, eine Silizium-Fotodiode 1 (oder eine die gleiche Funktion wie die Fotodiode 1 ausführende Thermosäule) auf dem gleichen Siliziumsubstrat wie den Thermosäulendetektor 35 herzustellen.
8 ist ein höheres Blockdiagramm einer Gruppe von Logikfunktionen 210 einer sechsten alternativen bevorzugten Ausführungsform eines Feuerdetektionssystems gemäß vorliegender Erfindung. Diese Logik kann in einem Mikroprozessor, wie zum Beispiel dem Mikroprozessor 29 (4a) implementiert werden. Alternativ könnte diese Logik in einer Feueralarmsteuerkonsole, wie zum Beispiel der Steuerkonsole 640 implementiert werden.
Eine Atmosphärenbedingungs-Überwachungseinrichtung 212 untersucht die Umgebungsluft nach Merkmalen, wie etwa CO₂-Konzentration und Rauchkonzentration. Die Überwachungseinrichtung 212 könnten beispielsweise, wie in 4a gezeigt, die Elemente 1, 2 und 4 und die Elemente 13, 14, 16-20, 27 und 28 sein. Messungen dieser Merkmale werden beispielsweise unter anderen Elementen zu einem Klimaanlagen-Sperrung/Wiederfreigabe-Logikblock 214 gesendet. Der Zweck von Block 214 ist es, zu bestimmen, wann vorläufige, geringfügige Anzeichen eines Brandes vorliegen. Das Auslösen eines Alarm bei der Erfassung dieser Anzeichen würde eine so hohe Fehlalarmrate verursachen, dass dies für die Bewohner des Gebäudes Unannehmlichkeiten bereiten würde. Wenn sich das Klimatisierungssystem gleichzeitig mit dem Auftreten eines Brandes einschaltet, würde jedoch die Luft aus dem Klimatisierungssystem die Auswirkungen des Brandes verdecken, indem Rauch und CO₂ verteilt werden. Die Aktivierung des Klimatisierungssystems würde wahrscheinlich ebenso dem Feuer Sauerstoff zuführen. Um diesen möglichen Phänomenen entgegenzuwirken, sperrt der Logikblock 214 das Klimatisierungssystem bei einer vorläufigen Erfassung eines Feuers.
Anschließend an die vorläufige Feuerdeklaration entfernt der Block 214 die vorläufige Feuerdeklaration und gibt das Klimatisierungssystem bei der Erfüllung eines zugehörigen Kriteriums einer vorbestimmten Gruppe von Kriterien wieder frei. Da die vorläufigen Feuerdetektionen als üblicher angesehen werden könnten als Feueralarme, ist es wünschenswert, das Klimatisierungssystem automatisch wieder anzuschalten, anstatt ein Tätigwerden des Menschen zu verlangen.
Wenn die Luftzustands-Überwachungseinrichtung 212 einen CO₂-Detektor enthält, wie etwa den CO₂-Detektor 14 aus 2a, kann die Messung der CO₂-Konzentration verwendet werden, um die Umgebung gegen eine hohe CO₂-Konzentration zu schützen, indem das Klimatisierungssystem aktiviert wird, wenn eine hohe CO₂-Konzentration erfasst wird. Es hat sich gezeigt, dass Wachsamkeit und Produktivität von Menschen abnehmen, wenn die CO₂-Konzentration ansteigt. Es gibt verschiedene Spezifikationspapiere, die in verschiedenen Teilen der Welt verwendet werden, die einen oberen Grenzwert der CO₂-Konzentration für den Arbeitsplatz festlegen, wobei der obere Grenzwert allgemein in den Bereich zwischen 700 und 1000 parts per million fällt.
Es kann gelegentlich ein Konflikt zwischen einer vorläufigen Feuerdeklaration, die anzeigt, dass das Klimatisierungssystem außer Betrieb gesetzt werden muss, und einer Anzeige auftreten, dass das Klimatisierungssystem als Folge einer hohen CO₂-Konzentration aktiviert werden sollte. Diese Konflikte werden aufgrund der Wichtigkeit der Branderfassung zu Gunsten der Außerbetriebsetzung des Systems beigelegt. Wenn die vorläufige Feuererfassung in Übereinstimmung mit dem Betriebsablauf von Block 214 beseitigt ist, kann das Klimatisierungssystem an diesem Punkt aktiviert werden, um die Luft mit einer hohen CO₂-Konzentration auszuspülen. Es gibt auch viele Fälle, in denen die CO₂-Konzentration hoch genug ist, um das Klimatisierungssystem zu aktivieren, und als Folge einer langsamen Anstiegsrate der CO₂-Konzentration und der Abwesenheit von Rauch keine im Konflikt stehende vorläufige Feuererklärung gebildet wurde.
Obgleich jeder Brand potentiell sehr gefährlich ist und eine Reaktion erfordert, ist es auch wichtig, dass Feuerwehren es vermeiden, ihre begrenzten Einsatzmittel übermäßig auf ein bestimmtes Feuer zu konzentrieren, falls plötzlich an einem anderen Ort ein größerer Brand ausbricht. Aus diesem Grund unterscheidet diese Ausführungsform zwischen flammenden und nicht-flammenden Bränden. Ein Erfassungs- und Alarmblock 216 für flammende Feuer erfasst flammende Feuer und ein Erfassungs- und Alarmblock 218 für nicht flammende Feuer entdeckt nicht flammende Feuer.
Der Klimaanlagen-Sperrung/Wiederfreigabe-Logikblock 214 enthält einen Logikblock 220 zur vorläufigen Erfassung von flammendem Feuer, der die Signale von der Atmosphärenbedingungs-Überwachungseinrichtung 212 mit vorbestimmten vorläufigen Schwellenwerten vergleicht, um eine vorläufige Deklaration eines flammenden Feuers abzugeben. Die spezifischen Schwellenwerte einer bevorzugten Ausführungsform sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angeführt. Wenn einer der Schwellenwerte für eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten wird, wird ein Bit 222 der vorläufigen Erfassung von flammendem Feuer gesetzt (9 und der zugehörigen Text enthalten eine genauere Betrachtung dieses Prozesses). Das Bit 222 wird an einen Eingang eines ersten OR-Gates 224 mit zwei Eingängen angelegt, dessen Ausgang wiederum mit einem Sperr-Eingang 226 einer Klimaanlage (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein Rückstell-Logikblock 230 für das Bit der vorläufigen Erfassung von flammendem Feuer legt eine Gruppe von Kriterien auf den Ausgang der Bedingungs-Überwachungseinrichtung 212. Wenn eines der Kriterien erfüllt ist, wird das Bit 222 der vorläufigen Erklärung von flammendem Feuer rückgesetzt. Ein Logikblock 231 zur vorläufigen Erfassung von nicht flammendem Feuer, ein Bit 232 der vorläufigen Erfassung von nicht flammendem Feuer und ein Rückstell-Logikblock 233 für das Bit der vorläufigen Erfassung von nicht flammendem Feuer erfüllen alle die gleiche Funktion in Bezug auf nicht flammende Feuer, die die jeweiligen Elemente 220, 222 und 230 im Hinblick auf flammende Feuer durchführen. Die Schwellenwerte der vorläufigen Erfassung von nicht flammendem Feuer von Block 231 sind niedriger gesetzt als die entsprechenden Schwellenwerte für die vorläufige Erfassung von flammendem Feuer von Block 220, wohingegen die Dauer der Zeitgebung für die relativ langsame Erfassung von nicht-flammenden Feuern geringfügig länger ist.
Der Erfassungs- und Alarmblock 216 für flammende Feuer enthält einen Logikblock 234 für die momentane definitive Erfassung eines flammenden Feuers. Dieser Block vergleicht von der Atmosphärenbedingungs-Überwachungseinrichtung 212 empfangene Daten mit einer Reihe von Schwellenwerten und Zeitgebungsbedingungen, wie in 9 dargestellt. Der Ausgang von Block 234 ist mit einem ersten Eingang eines zweiten OR-Gates 236 mit zwei Eingängen verbunden. Nachdem ein definitiver Schwellenwert von Block 234 überschritten wird, wird ein Alarm 238 eines flammenden Feuers entweder sofort oder nach einer Zeitlimit-Periode von nur wenigen Sekunden aktiviert. Um eine akzeptabel niedrige Fehlalarmrate zu verwirklichen, sind diese Schwellenwerte relativ hoch eingestellt, um zu vermeiden, dass ein Alarm auf der Grundlage einer kurzen atmosphärischen Abweichung oder eines Messfehlers erklärt wird. Es kann erforderlich sein, dass dieser Alarm für eine kurze Periode andauert, um Fehlalarme zu vermeiden. Die Schwellenwerte eines Logikblocks 240 zur zeitgesteuerten definitiven Erfassung eines flammenden Feuers sind etwas niedriger als die Schwellenwerte von Block 234 eingestellt, da jede Bedingung, die angezeigt wird, wenn einer dieser Schwellenwerte überschritten wird, im Zeitverlauf gegen eine aus der vorbestimmten Gruppe von Zeitperioden gemessen wird, die länger ist als diejenigen von Block 234. Daher ist es unwahrscheinlicher, dass ein Alarm aufgrund einer Fehlmessung oder einer kurzen atmosphärischen Abweichung erklärt wird.
Der Erfassungs- und Alarmblock 218 für nicht flammende Feuer führt die gleiche Funktion im Hinblick auf nicht flammende Feuer durch, wie sie Block 216 für flammende Feuer durchführt. Ein Logikblock 244 für die momentane definitive Erfassung eines nicht-flammenden Feuers, ein drittes OR-Gate 246 mit zwei Eingängen, ein Alarm 248 für nicht flammendes Feuer, ein Logikblock 250 für die zeitgesteuerte definitive Erfassung eines nicht-flammenden Feuers und ein Zeitgebungsblock 252 für ein definitives nicht flammendes Feuer führen die selben Funktionen im Hinblick auf nicht flammende Feuer wie die jeweiligen Elemente 234, 236, 238, 240 und 242 sie im Hinblick auf flammende Feuer durchführen. Allgemein sind die Schwellenwerte der Zeitdauer der Blöcke 250 und 240 für die Erfassung von nicht flammendem Feuer länger als diejenigen der Blöcke 240 und 234 für die der Erfassung von flammendem Feuer, wohingegen die Schwellenwerte der Raucherfassung niedriger sind.
9 ist ein Logikdiagramm, das den verallgemeinerten Erfassungslogikblock 308 beschreibt, der in einer bevorzugten Ausführungsform jeden einzelnen der Erfassungsblöcke 220, 231, 234, 240, 244 und 250 in der Gruppe von Logikfunktionen 210 beschreibt. Typischerweise wären eine erste Größe X₁ und eine zweite Größe X₂ die Rauchkonzentration beziehungsweise die Veränderungsrate der CO₂-Konzentration. Es wäre jedoch auch möglich, die momentane CO₂-Konzentration oder die Veränderungsrate der Rauchkonzentration mit einem Schwellenwert zu vergleichen, um das Vorliegen einer Alarmbedingung zu bestimmen. Zusätzliche mögliche Größen für den Vergleich gegen die geeigneten Schwellenwerte sind die Konzentration und die Konzentrationsrate von O₂. Zusätzlich kann die Konzentration von brandverursachten Gasen, wie zum Beispiel CO, Wasserdampf und MgO untersucht werden. Weitere zusätzliche mögliche Größen könnten die Beschleunigung der Rauchkonzentration, CO₂-Konzentration oder jedes brandverursachten Gases sein. Ein Entscheidungsblock 312 eines Schwellenwertes einer alleinigen ersten Größe prüft die erste Größe gegen einen Schwellenwert der ersten Größe. Wenn die erste Größe diesen Schwellenwert länger als die durch einen Zeitmessblock 314 für eine alleinige erste Größe vorgegebene Zeitdauer überschreitet, wird der Ausgang eines OR-Gates 316 mit drei Eingängen, der gleichfalls der Ausgang des verallgemeinerten Erfassungslogikblocks 308 ist, hoch werden. Ein Entscheidungsblock 318 eines Schwellenwertes einer alleinigen zweiten Größe und ein Zeitmessblock 320 für eine alleinige zweite Größe sind analog zu Block 312 beziehungsweise Block 314. Der Schwellenwert der ersten Größe für den kombinierenden Entscheidungsblock 122 und der Schwellenwert der zweiten Größe für den kombinierenden Block 324 legen im allgemeinen niedrigere Schwellenwerte an, als es die Entscheidungsblöcke 312 beziehungsweise 318 tun. Ein AND-Gate 326 mit zwei Eingängen empfängt die Ausgänge der Entscheidungsblöcke 322 und 324 und wird hoch, wenn deren beide Ausgänge hoch sind. Wenn der Ausgang des AND-Gates 328 für die von dem Zweifach-Bedingungszeitgeber 328 vorgegebene Zeitperiode hoch bleibt, wird der Ausgang des OR-Gates 316 hoch.
Die von den Blöcken 314, 320 und 328 auferlegten Zeitlimits können für manche Erfassungslogikblöcke die Dauer Null haben. Typischerweise wären sie für die Momentan-Erfassungslogikblöcke 234 und 344 (8) kurz oder nicht vorhanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Größe die Rauchkonzentration und die zweite Größe die Veränderungsrate der CO₂-Konzentration. Die folgende Tabelle (Tabelle 1) beschreibt die Schwellenwerte und Zeitlimitperioden für diese Ausführungsform.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorstehend beschriebenen Logik als ein Computerprogramm in der Feueralarm-Steuerkonsole 640 oder in dem Mikroprozessor 29 (4a) implementiert. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die vorstehend beschriebene Logik als eine Schaltung mit einer Gruppe von diskreten Bauelementen implementiert. Jede der beiden Implementierungen liegt ohne weiteres im Rahmen der technischen Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns.
Ferner kann in einem Gebäude, das eine Feueralarm-Steuerkonsole hat, die Daten von einem Sensorennetz empfängt, das zwei Alarmsignaltypen hat, oder die Daten sowohl von CO₂-Sensoren als auch Rauchsensoren empfängt, die Feueralarm-Steuerkonsole verwendet werden, um einen Plan 810 von Feuer- und Rauchorten zusammenzustellen, wie in 10 gezeigt. Jeder Sensor hat eine Adresse oder ist anderweitig identifizierbar, um seinen Ort von den Orten anderer Sensoren zu unterscheiden. Der Plan 810 zeigt Außenwände 812, Innenwände 814, Orte mit einer hohen Rauchkonzentration 816 und Orte, an welchen das Vorhandensein eines flammenden Feuers 818 angezeigt wird. Ein derartiger Plan würde sich für die Sicherheit von Feuerwehrleuten, die am Brandort ankommen, und für die Wirksamkeit ihrer Brandbekämpfungsanstrengungen als äußerst wertvoll erweisen. Diese Anstrengungen bringen häufig Bemühungen mit sich, Zugang zu den Flammen zu erhalten, um ein Flammenbekämpfungsmittel (typischerweise Wasser) auf sie zu schütten. Kenntnis der Flammen- und Rauchorte und der Richtung und des Ausmaßes der Brandausbreitung können eine Richtungsangabe für die Feuerwehrleute zu dem am wenigsten mit Rauch gefüllten Weg zu den Flammen ermöglichen.
Ferner ist es in dem Fall, in dem ein Sensor in einer Klimatisierungsleitung angeordnet ist, vorteilhaft, zwischen dem Fall eines Feuers in der Leitung selbst und einem Feuer außerhalb der Leitung zu unterscheiden. Ein Feuer in der Leitung ist nicht so selten, wie der Laie erwarten würde, da sich die Geräte, die die Leitung öffnen und schließen, gelegentlich entzünden. Durch die Erfassung sowohl von CO₂- als auch Rauch-Niveaus kann der Sensor zwischen dem Fall unterscheiden, bei dem Flammen in der Leitung sind, die eine hohe Zuwachsrate der CO₂-Konzentration verursachen, und dem Fall, bei dem das Feuer außerhalb der Leitung ist, was einen hohes Rauchniveau in der Belüftungsleitung verursacht.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines Feuerdetektionssystems, das geeignet ist, in einem räumlichen Bereich flammende und nicht-flammende Feuer genau zu detektieren, enthaltend: Festlegen eines Winkelversatzes eines Rauchdetektors (2) des Licht reflektierenden Typs auf einen relativ kleinen Winkel zum Detektieren und Erzeugen eines ersten Signals, welches eine Rauchpartikelkonzentration repräsentiert, die von einem nicht-flammenden Feuer erzeugt wurde, wobei der Rauchdetektor des Licht reflektierenden Typs einen Lichtemitter, von dem sich Licht entlang eines Verbreitungspfads verbreitet, und einen Lichtsensor aufweist, der in dem Winkelversatz relativ zu dem Verbreitungspfad angeordnet ist, wobei der Lichtsensor Licht empfängt, welches vom Lichtemitter emittiert und von den Rauchpartikeln reflektiert wurde, die den Verbreitungspfad überqueren, und wobei der Winkelversatz ein größeres Maß für die optimale Detektion von Rauchpartikeln, die durch ein flammendes Feuer erzeugt wurden, als für die optimale Detektion von Rauchpartikeln, die durch ein nicht-flammendes Feuer erzeugt wurden, annimmt; und Bereitstellen eines CO₂-Detektors (14) zum Detektieren und Erzeugen eines zweiten Signals, welches eine CO₂- Konzentration repräsentiert, die durch ein flammendes Feuer erzeugt wurde; gekennzeichnet durch Zuführen des ersten und zweiten Signals zu einem Verarbeitungsschaltkreis, der das erste und zweite Signal verarbeitet, um zu Ermitteln, ob die Voraussetzung entweder eines flammenden oder einen nicht-flammenden Feuers in dem räumlichen Bereich vorliegt und um ein Alarmsignal als Antwort auf die Ermittlung des Vorliegens einer von beiden Voraussetzungen zu erzeugen, wobei der Verarbeitungsschaltkreis (29) mit einer Feuer-Steuerkonsole (640) verbunden ist, die eine Datenauswertung durchführt, um das Vorhandensein eines Feuers zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Winkelversatz für die optimale Detektion von Rauchpartikeln, die durch ein flammendes Feuer erzeugt wurden, etwa 60° ist und der festgelegte Winkelversatz im wesentlichen weniger als 60° ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der festgelegte Winkelversatz etwa 30° ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Verarbeitungsschaltkreis (640) einen Mikroprozessor (29) enthält und das erste und zweite Signal in digitaler Form dem Mikroprozessor (29) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Verarbeitungsschaltkreis (29) eine Änderungsrate der CO₂-Konzentration ermittelt und ein Alarmsignal erzeugt, wann immer der Verarbeitungsschaltkreis (29) ermittelt, dass die Änderungsrate der CO₂-Konzentration einen vorbestimmten Betrag überschreitet und wonach innerhalb einer vorbestimmten Zeit das erste Signal eine Rauchpartikelkonzentration anzeigt, die größer als ein vorbestimmter Level ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die vorbestimmte Zeit größer als 20 Sekunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der vorbestimmte Level der Rauchpartikelkonzentration zwischen etwa 0,1% pro Fuß und 4% pro Fuß liegt und die vorbestimmte Zeit nicht größer als etwa 15 Minuten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der vorbestimmte Level der Rauchpartikelkonzentration zwischen etwa 0,1% pro Fuß und 4% pro Fuß liegt und der vorbestimmte Betrag der Steigerungsrate der CO₂-Konzentration zwischen etwa 30 ppm/min. und 500 ppm/min. liegt.
Feuerdetektionssystem, das geeignet ist, flammende und nicht-flammende Feuer zu detektieren, enthaltend: einen Rauchdetektor (2), der ein erstes Signal erzeugt, das eine Rauchkonzentration in einem räumlichen Bereich repräsentiert, wobei der Rauchdetektor (2) einen Lichtemitter (4), von welchem sich Licht entlang eines Verbreitungspfads verbreitet, und einen Lichtsensor (1) enthält, der in einem Winkelversatz relativ zum Verbreitungspfad angeordnet ist, wobei der Lichtsensor (1) Licht empfängt, das durch den Lichtemitter (4) emittiert und von Rauchpartikeln reflektiert wurde, die den Verbreitungspfad überqueren, und wobei der Winkelversatz ein größeres Maß für die optimale Detektion von Rauchpartikeln, die durch ein nicht-flammendes Feuer erzeugt wurden, annimmt, einen CO₂-Detektor (14), der ein zweites Signal erzeugt, das eine Änderungsrate einer CO₂-Konzentration in dem räumlichen Bereich repräsentiert; gekennzeichnet durch einen Verarbeitungsschaltkreis (29), der mit einer Feueralarm-Steuerkonsole (640) verbunden ist und ein Alarmsignal als Antwort auf ein Ergebnis einer Formel produziert, zu welcher die durch das erste Signal repräsentierte Rauchkonzentration und die durch das zweite Signal repräsentierte Änderungsrate der CO₂-Konzentration beitragen, um einen Feuerzustand zu charakterisieren, der in dem räumlichen Bereich vorliegt.
Feuerdetektionssystem nach Anspruch 9, bei welchem das Ergebnis durch eine Formel erzeugt wird, die einen Level einer Rauchkonzentration und eine Änderungsrate einer CO₂-Konzentration beinhaltet, die einen vorbestimmten Schwellwert für eine vorbestimmte Zeit überschreiten.
Feuerdetektionssystem nach Anspruch 9, bei welchem eine Formel, die eine Kombination eines Levels einer Rauchkonzentration und eines Levels einer Änderungsrate der CO₂-Konzentration bezogen auf eine Messzeit beinhaltet, das Ergebnis produziert.
Feuerdetektionssystem nach Anspruch 11, bei welchem die Kombination und die Messzeit sich gegenseitig ausgleichen, so dass ein größerer oder kleinerer Kombinationswert eine kürze bzw. eine längere Messzeit vorschreibt, um das Ergebnis zu erzeugen.
Feuerdetektionssystem nach Anspruch 9, bei welchem der räumliche Bereich das Innere eines Luftkanals eines Gebäudes ist und bei welchem das erste und zweite Signal so zu der Charakterisierung eines Feuerzustands beitragen, dass der Rauchdetektor das Vorhandensein eines Feuers außerhalb des Kanals anzeigt und das zweite Signal das Vorhandensein eines Feuers innerhalb des Kanals anzeigt.
Feuerdetektionssystem nach Anspruch 9, bei welchem das erste Detektionssystem eines von einem Satz nominal identischer Feuerdetektionssysteme ist, die in einem Netzwerk angeordnet sind, welches in einem Gebäude verteilt ist, wobei der elektrische Schaltkreis in Datenverbindung mit den Feuerdetektionssystemen steht; und die Feueralarm-Steuerkonsole (640) den Ort jedes Feuerdetektionssystems bestimmt, um eine Karte (810) bereitzustellen, die den Ort und das Ausmaß der Ausdehnung eines Feuers in dem Gebäude anzeigt.