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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brandmeldeanlagen bzw. Feueralarmanlagen
und insbesondere die Fehlerdetektierung elektrischer Signale, die von
Sensoren für
Umgebungsbedingungen empfangen werden. Insbesondere betrifft die
Erfindung eine Ablaufsteuerungsvorrichtung und Ablaufsteuerungsverfahren
zum Minimieren falscher Alarme aufgrund von Variationen, die nicht
auf Rauch zurückzuführen sind,
in elektrischen Signalen, welche Umgebungsbedingungen, wie bspw.
Rauch oder Feuer, anzeigen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
sind verschiedene Systeme für
die Detektierung von Alarmbedingungen bekannt. Eine besondere Form
eines solchen Systems ist ein Rauch- oder Feuerdetektierungssystem
der Art, die allgemein in dem früheren
US-Patent von Tice et al. beschrieben ist.
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Auf
den Empfang von Eingaben von einem oder mehreren Detektoren des
Systems hin kann eine Steuereinheit, die dem System zugeordnet ist, bestimmen,
ob eine Feuerbedingung in einem oder mehreren interessierenden Bereichen
vorliegt oder nicht. Eine Vielzahl von Techniken wurden in der Vergangenheit
eingesetzt, um diese Beurteilungen auszuführen.
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Rauchsensoren,
bspw. photoelektrische Rauchdetektoren oder Rauchdetektoren des
Ionisierungstyps, sollen am Ausgang Informationen liefern, die die
erfassten Rauchniveaus der Umgebung anzeigen. Umgebungsbedingtes
Rauschen, bspw. Staubpartikel oder Insekten, die in den jeweiligen
Detektor eintreten, können
Variationen in den Ausgangssignalen aus den Sensoren erzeugen, die
in keinerlei Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Rauch stehen.
Dieses Rauschen am Ausgang kann falschen Alarm erzeugen, wenn die Empfindlichkeit
des jeweiligen Detektors hoch genug ist. Solche Falschalarme sind
unerwünscht.
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In
der
US 5 483 222 ist
ein Alarmsystem mit einer großen
Anzahl an Sensoren offenbart. Die Indikatoren der Sensoren werden
jeweils in eine vorgegebene Potenz gesetzt und summiert. Die resultierende
Summe wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen, um zu
bestimmen, ob die Alarmbedingung vorliegt.
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Photoelektrische
Rauchsensoren, die für
die Frühwarnung
eingesetzt werden, verwenden typischerweise eine Lichtquelle und
einen lichtempfindlichen Empfänger.
Die Ausgestaltung und Anordnung der Lichtquelle, des Empfängers und
der Blenden sind so, dass normalerweise kein signifikantes Licht von
der Lichtquelle den Empfänger
erreicht, wenn nicht Rauch oder andere Partikel im Bereich des Lichtstrahls
vorhanden sind. Wenn Rauch oder andere Partikel in diesem Bereich
vorhanden sind, streuen sie die Lichtphotonen und bewirken, dass
ein Teil des Lichts den Empfänger
erreicht.
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Bei
nicht frühwarnenden
Rauchdetektierungssystemen ist die Rauchdichte, die bei einem Sensor
erforderlich ist, um einen Alarm hervorzurufen, im Vergleich zur
Dichte von Staub, Fasern und anderen Partikeln, die nicht zum Rauch
gehören
und in der Umgebung vorhanden sind, relativ hoch, weswegen diese
Systeme nicht für
Falschmeldungen, die durch solche Partikel hervorgerufen werden,
anfällig
sind. Bei frühwarnenden
Rauchdetektierungssystemen können
die Signale, die bei niedrigen Rauchniveaus abgegeben werden, vergleichbar
mit denjenigen sein, die durch in der Luft befindliche Partikel,
die nicht Rauch sind, in der Umgebung, in der diese Art von System
typischerweise eingesetzt wird, abgegeben werden.
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In
Frühwarnsystemen
des Standes der Technik wurden Filter eingesetzt, um Partikel in
der Luft, die nicht Rauch sind, in den Rauchsensoren zu entfernen.
Das Vorhandensein eines Filters erfordert für gewöhnlich, dass der Sensor ein
Lüfterrad
oder ein anderes Mittel umfasst, um Luft durch den Filter zu ziehen.
Die mechanischen Lüfterräder und
Filter, die bei Detektoren des Standes der Technik eingesetzt werden,
sind teuer, fehleranfällig
und erfordern eine regelmäßige Wartung.
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Somit
besteht weiter ein Bedarf an Detektoren, die in Frühwarnsystemen
eingesetzt werden können,
ohne dass ein Lüfterrad
oder Filter erforderlich ist. Vorzugsweise können Falschanzeigen minimiert
werden, ohne die Kosten solcher Systeme signifikant zu erhöhen, wobei
die Notwendigkeit vermieden wird, zusätzliche mechanische Komponenten
zu integrieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Feuerdetektierungs- und Alarmsystem gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst eine Steuereinheit und mehrere Frühwarnungs-Rauchsensoren. Jeder
dieser Rauchsensoren misst die Dichte der Rauchpartikel in seinem
Bereich. Jeder der Sensoren sendet anschließend ein Signal zur Steuereinheit,
welches eine elektrische Anzeige jener Rauchdichte ist. Die Steuereinheit
verarbeitet die Signale von mindestens einigen der Sensoren und bestimmt,
ob eine Alarmbedingung vorliegt.
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Falschanzeigen,
die durch in der Luft befindliche Partikel hervorgerufen werden,
die nicht Rauch sind, müssen
nicht zurückgewiesen
werden, da das System dafür
ausgelegt ist, sehr niedrige Rauchniveaus zu detektieren. Die Unterscheidung
zwischen Rauch- und Faserpartikeln, bspw. Fusseln oder menschlichen
Haaren, ist ein signifikanter Vorteil eines Systems, das die Erfindung
verkörpert.
Die Ausgestaltung der Rauchsensoren in Verbindung mit Signalverarbeitungssoftware
in der Steuereinheit ermöglicht
es dem beschriebenen System, diese Faserpartikel zu detektieren.
Dieses Detektierungsmerkmal ermöglicht
es dem System, falsche Alarme, die durch das Vorhandensein solcher
Fasern hervorgerufen werden, zu minimieren.
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Das
System erfordert, dass mindestens zwei Rauchsensoren in jedem Raum
oder abgegrenzten räumlichen
Bereich installiert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Faserpartikel,
das groß genug
ist, eine falsche Auslesung hervorzurufen, in einen einzelnen Rauchsensor
eintritt, ist gering, aber signifikant. Die Wahrscheinlichkeit,
dass ein derartiges Partikel in zwei Sensoren gleichzeitig eintritt,
ist so gering, dass sie als insignifikant zu bezeichnen ist.
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Wenn
die Steuereinheit das Signal von einem ersten Sensor identifiziert,
das Rauch anzeigen könnte,
dann analysiert sie das Signal und bestimmt, ob die Auslesung auch
ein Faserpartikel anzeigen könnte.
Wenn die Auslesung des ersten Sensors ein Faserpartikel anzeigen
könnte,
analysiert die Steuereinheit anschließend eine Auslesung aus einem zweiten
Detektor, der bekannterweise im selben Raum installiert ist.
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Wenn
während
einer vorgegebenen Zeitperiode keine Auslesungen aus dem zweiten
Sensor erhalten werden, die ein Rauchnivau, und sei es noch so gering,
anzeigen könnten,
dann gibt die Steuereinheit eine Anzeige aus, dass das Signal am
ersten Sensor durch ein Faserpartikel oder eine andere Erscheinung,
die nicht auf Rauch zurückzuführen ist, hervorgerufen
wurde. Dann kann ein Wartungs- oder Störungssignal erzeugt werden.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 ist ein Blockdiagramm
eines Alarmsystems;
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2 ist ein Blockdiagramm
eines Detektors, der bei dem Alarmsystem von 1 einsetzbar ist;
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3 ist eine Schnittansicht
eines photoelektrischen Detketors des Standes der Technik;
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4 ist eine Schnittansicht
eines photoelektrischen Detektors;
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5 ist eine schematische
Darstellung eines Detektors, der ein Faserelement enthält.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
Erfindung kann in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden,
wobei in der Zeichnung und in der detaillierten Beschreibung spezifische Ausführungsformen
der Erfindung angegeben werden. Es ist anzumerken, dass die Offenbarung
als beispielhafte Darstellung der Prinzipien der Erfindung betrachtet
werden soll und nicht darauf ausgerichtet ist, die Erfindung auf
die spezifischen veranschaulichten Ausführungsformen zu beschränken.
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1 zeigt ein Blockdiagramm
eines Systems 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Dieses System 10 umfasst eine Steuereinheit 12,
die mit einem programmierbaren Prozessor 14 und einer Speichereinheit 16 implementiert
sein kann. Die Speichereinheit 16 kann sowohl Steuerprogramme als
auch Datenspeicherbereiche zur Verwendung durch den Prozessor 14 umfassen.
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Die
Steuereinheit 12 ist durch eine zweiseitige Kommunikationsverbindung 20 mit
einer Anzahl an Umgebungsbedingungssensoren oder Detektoren verbunden,
die allgemein mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet sind.
Die Mitglieder der Anzahl Sensoren oder Detektoren 22,
bspw. die Sensoren 22a, 22b bis 22n sind
dafür gedacht,
eine besondere Umgebungsbedingung in einem angrenzenden Bereich
zu detektieren. Das System 12 kann auch eine Anzeige für die Bedienungsperson
mit einer visuellen Anzeigevorrichtung 15a für den Ausgang
sowie einer Steuer- oder Eingabevorrichtung für die Bedienungsperson, bspw.
eine Tastatur 15b, umfassen.
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Die
Steuereinheit 12 umfasst auch eine Anzahl von Systemausgängen. Die
Ausgänge
können dazu
verwendet werden, hörbare
oder sichtbare Alarmanzeigen zu aktivieren. Zusätzlich kann die Einheit 12 an
Ventilations- oder Luftbewegungssysteme im Gebäude gekoppelt sein, um die
Rauchwanderung zu kontrollieren.
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Repräsentative
Arten von Detektoren umfassen Ionisationsrauchdetektoren oder Rauchdetektoren
des photoelektischen Typs. Temperatursensoren sowie andere Arten
von Umgebungsbedingungssensoren können erfindungsgemäß im System 10 eingesetzt
werden.
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Insbesondere
ist das System 10 dazu gedacht, einen oder mehrere Bereiche,
bspw. die Bereiche R1, R2, zu überwachen,
die gegebenenfalls zusammenhängen
können.
Zwei oder mehrere Detektoren 22-1, 22-2 bis 22-k befinden
sich im Bereich R1. Die Detektoren 22-1' bis 22-k' befinden sich im Bereich R2. Die
Bereiche R1, R2 können
bspw. im Wesentlichen geschlossene Räume sein.
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2 ist eine Blockdiagrammdarstellung
eines Detektors 22i, der mit dem System 10 verwendbar
ist. Der Detektor 22i umfasst ein Sensorelement 30.
Das Element 30 ist dafür gedacht,
eine spezielle Umgebungsbedingung zu erfassen, bspw. Rauch, Temperatur,
Infrarotstrahlung oder dergleichen, und es erzeugt ein elektrisches
Signal, welches diese anzeigt, auf einer Leitung 32.
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Mit
erneutem Bezug auf 2 ist
der Ausgang aus dem Sensor 30 auf der Leitung 32 an
ein lokales Detektorsteuerelement 40 gekoppelt. Das Steuerelement 40 kann
als digitale oder analoge Schaltung verwirklicht sein. In digitaler
Form kann das Steuerelement 40 entweder als festverdrahtete Logikschaltung
implementiert sein oder einen programmierten Mikroprozessor enthalten.
Das Steuerelement 40 kann über die Schnittstellenschaltung 42 eine
bidirektionale Kommunikation mit der Systemsteuereinheit 12 über die
Kommunikationsverbindung 20 ausführen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
das nachstehend beschrieben wird, kann ohne Beschränkung entweder
in der Systemsteuereinheit 12 oder dem lokalen Detektorsteuerelement 40 ausgeführt werden.
Die Implementierung kann entweder durch eine festverdrahtete Schaltung
oder mittels eines programmierten Mikroprozessors erfolgen, ebenfalls
ohne Beschränkung.
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3 veranschaulicht im Querschnitt
eine photoelektrische Kammer PA-10 des Standes der Technik. Diese
Kammer umfasst ein Gehäuse
PA-12 mit einem internen Erfassungsvolumen PA-14.
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Eine
lichtemittierende Quelle PA-16 wird vom Gehäuse getragen und ist so ausgerichtet,
dass sie einen Lichtstrahl PA-18 in den internen lichterfassenden
Bereich PA-14 emittiert. Wie in 3 veranschaulicht
ist, zeigt der emittierte Lichtstrahl PA-18 eine in etwa konisch
expandierte Form, wenn er den Bereich PA-14 durchquert. Der Lichtstrahl
PA-18 ist gegen das Gehäuse
PA-12 gerichtet und wird von diesem absorbiert.
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Gegen
die Achse des Strahles PA-18 verschoben befindet sich ein photoelektrischer
Sensor PA-20. Der Sensor PA-20 ist so ausgerichtet, dass Licht vom
Strahl PA-18, welches durch Teilchen im Volumen PA-14 gestreut wurde,
auf ihn auftrifft, wodurch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt
wird.
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Die
Elemente PA-22 und PA-24 begrenzen die Lichtmenge, die auf den Sensor
PA-20 auftreffen kann.
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Das
effektive Lichterfassungsvolumen, welches der Bereich ist, in dem
Rauchpartikel detektiert werden können, liegt für die Geometrie
der Kammer PA-10 in der Größenordnung
von 0,064 Kubikzoll.
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4 ist eine Querschnittsdarstellung
einer Raucherfassungskammer 30 einer repräsentativen Rauchdetektierungsvorrichtung,
bspw. 22i, gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Gehäuse 30 kann bspw.
einen Durchmesser in der Größenordnung
von 3 Zoll oder weniger aufweisen. Es kann bspw. ein Gehäuse mit
einem Durchmesser in der Größenordnung
von 2,5 Zoll oder weniger eingesetzt werden.
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Eine
Quelle kohärenten
Lichtes 30-1 hoher Intensität, bspw. ein Laser oder eine
Laserdiode, wird von dem Gehäuse
oder der Kammer 30 getragen. Die Lichtquelle ist gepulst,
damit sie einen kurzen Lichtimpuls in periodischen Intervallen (alle
paar Sekunden) abgibt.
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Eine
Linse 30-2 fokussiert das Licht in einem kleinen, aber
intensiven Strahl 30-3. Der Lichtstrahl 30-3 setzt
sich durch die Detektorkammer fort, bis er auf eine Lichtfalle 30-4 am
gegenüberliegenden Ende
der Kammer trifft. Die Lichtfalle absorbiert das meiste Licht und
reflektiert eine kleine Menge von dem zentralen Kammerbereich weg.
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Vorzugsweise
erzeugt die Quelle 30-1 zusammen mit der Linse 30-2 einen
Strahl 30-3, der ein effektives Strahl- oder Lichterfassungsvolumen
in der Größenordnung
von 0,0022 Kubikzoll aufweist. Dieses Strahlvolumen liegt in der
Größenordnung
von 3% desjenigen der Detektoren des Standes der Technik.
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Somit
sind Staubpartikel im Vergleich zum Durchmesser und Volumen des
Strahles 30-3 groß. Die
Abmessungen des Lichtstrahls 30-3 sowie diejenigen des
Volumens des erfassenden Strahles sind geringer als die typische
Distanz zwischen Staubpartikeln der Umgebung. Wie nachstehend beschrieben wird,
verringert dieses reduzierte Volumen die Wahrscheinlichkeit, dass
der Detektor 30 durch Staub hervorgerufene Ausgangssignale
erzeugt, die durch das Vorhandensein von Rauch verursacht zu sein
scheinen.
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Geeignete
Frühwarndetektoren
wurden vorstehend erörtert.
Wie in 5 veranschaulicht,
können
derartige Rauchdetektoren auch einen Kollektor oder eine Blende
für die
gestreute Strahlungsenergie 30-8 umfassen.
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Wie
vorstehend erörtert,
ist das Volumen des Lichtstrahles, in dem gestreute Lichtpartikel
den Sensor 30-7 erreichen können, im Vergleich zum Volumen
des Sensors klein. Dieses geringe Volumen wird das effektive Streuvolumen
(ESV) genannt.
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Rauchpartikel
sind im Vergleich zu Staub- und Faserpartikeln, die relativ groß und selten
sind, klein und zahlreich. Das ESV ist so ausgelegt, dass seine
Abmessungen in Bezug auf den typischen Abstand zwischen großen, in
der Luft befindlichen Staubpartikeln relativ klein sind, in Bezug
auf den Abstand zwischen Rauchpartikeln in einem echten Feuer jedoch
groß.
Auf diese Art ist es sehr unwahrscheinlich, dass mehr als ein großes Staubpartikel (groß genug,
um ein signifikantes Signal am Sensor 30-7 hervorzurufen}
das ESV gleichzeitig belegt. Da sich die in der Luft befindlichen
Partikel in ständiger Bewegung
befinden, bewirken die gelegentlichen Staubpartikel ein vorübergehendes
Signal am Sensor 30-7, wenn die Staubpartikel in das ESV
ein- und aus ihm austreten. Rauchpartikel erzeugen ein relativ konstantes
Signal am Sensor, da sich viele im ESV befinden, und wenn einige
aus dem ESV austreten, bewegen sich andere hinein.
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Faserpartikel
können
sich ähnlich
wie Staub verhalten (d. h., durch das ESV treten und nur ein vorübergehendes
Signal erzeugen). Da sie jedoch in einer Dimension sehr lang sind,
ist es möglich,
dass ein Ende der Faser eine Oberfläche im Sensor berühren kann
und das andere Ende in das ESV eindringt. Diese Situation ist in 5 veranschaulicht. Das Faserpartikel
F ist in den dort veranschaulichten Detektor eingetreten.
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Da
sich die Faser F nicht in der Luft befindet, kann sie in dieser
Position über
einen langen Zeitraum verbleiben und ein konstantes Signal am Sensor 30-7 und
der Steuereinheit 12 erzeugen. Da Faserpartikel typischerweise
sehr groß im
Vergleich zu Rauchpartikeln sind, kann ihr Vorhandensein einen falschen
Alarm hervorrufen, wenn nicht Schritte unternommen werden, um ihr
Vorhandensein zu detektieren.
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Das
erfindungsgemäße System
und Verfahren unterscheiden zwischen Rauch- und Faserpartikeln.
Wenn ein von einem ersten Detektor empfangenes Signal groß genug
ist, um ein mögliches
Feuer anzuzeigen, analysiert der Steuerprozessor 14 mittels
der Software zunächst
vorherige Messungen, die im Speicher 16 für jenen
Detektor gespeichert sind. Wenn die zuvor gespeicherten Auslesungen
ein Profil aufweisen, das eine Feuerbedingung anzeigt, bspw. eine
relativ allmähliche
Zunahme mit der Zeit, zeigt das Signal jenes Detektors Rauch an,
und es wird durch die Steuereinheit 12 und bei dieser ein Alarm
angezeigt. Es ist anzumerken, dass andere Feuerprofile eingesetzt
werden können.
Bspw. können
die Anstiege der Ausgangssignale des ersten Detektors mit einem
vorgegebenen Wert verglichen werden. Alternativ dazu können Mustererkennungstechniken
eingesetzt werden, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
zu verlassen.
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Wenn
das von jenem Detektor empfangene Signal eine relativ steile Zunahme
von einem sehr niedrigen Niveau bis zum Alarmniveau in wenigen Sekunden
zeigt, kann dies möglicherweise
eine Faser sein, und die Alarmanzeige wird zugunsten einer weiteren
Analyse verzögert.
Wenn wie vorstehend festgestellt wird, dass das von jenem Detektor
empfangene Signal möglicherweise
auf eine Faser hinweist, analysiert die Steuereinheit 12 das
von einem zweiten Detektor, der sich im selben Zimmer oder physikalischen
Raum befindet, empfangene Signal.
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Wenn
bspw. in 1 eine mögliche Faser- oder
Rauchalarmanzeige von dem Detektor 22-k empfangen wird,
untersucht die Steuereinheit 12 den Ausgang aus dem Detektor 22-1,
nicht der Detektoren 22-1' oder 22-k'. Wenn kein
signifikantes Signal, nicht einmal ein sehr niedriges Signal, vom
Detektor 22-1 (der sich im selben Zimmer R1 befindet) über einen
vorgegebenen Zeitraum empfangen wird, ist dies ein weiterer Beweis,
dass das Signal am Detektor 22-k durch ein Faserpartikel
und nicht durch Rauch hervorgerufen wurde. Wenn dieses Fehlen eines
Signals am zweiten Detektor 22-1 auftritt, zeigt die Steuereinheit 12 keine
Alarmbedingung an, sondern zeigt stattdessen auf ihrer Anzeige 15a an,
dass eine Fehlerbedingung im Detektor 22-k vorliegt und
dass jener Detektor überprüft oder
gereinigt werden muss. Wenn stattdessen während der vorgegebenen Zeitperiode
ein kleines analoges Signal vom zweiten Detektor 22-1 ausgesendet
wird, zeigt die Steuereinheit 12 eine Alarmbedingung für den ersten
Detektor 22-k an.
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Es
ist anzumerken, dass die Ausgänge
aus anderen Detektoren 22-2, 22-3 im Bereich R1
in diesem Prozess ebenfalls analysiert werden können. Die bevorzugte Analysezeit
liegt im Bereich von 5 bis 60 Sekunden.