EP0041952B1 - Gefahren-meldeeinheit mit einem zustands-sensorelement - Google Patents

Gefahren-meldeeinheit mit einem zustands-sensorelement Download PDF

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EP0041952B1
EP0041952B1 EP80901773A EP80901773A EP0041952B1 EP 0041952 B1 EP0041952 B1 EP 0041952B1 EP 80901773 A EP80901773 A EP 80901773A EP 80901773 A EP80901773 A EP 80901773A EP 0041952 B1 EP0041952 B1 EP 0041952B1
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EP
European Patent Office
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radiation
optical
alarm device
electro
transducer
Prior art date
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EP80901773A
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English (en)
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EP0041952A1 (de
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Jürg Muggli
Gustav Pfister
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Cerberus AG
Original Assignee
Cerberus AG
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Publication date
Application filed by Cerberus AG filed Critical Cerberus AG
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Publication of EP0041952A1 publication Critical patent/EP0041952A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0041952B1 publication Critical patent/EP0041952B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
    • G08B17/113—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a hazard reporting unit with a status sensor element which changes its output voltage when a hazardous status to be reported occurs, whereby a reporting signal is generated.
  • Such reporting units can be used to report dangerous conditions, for example to report a fire, to report dangerous gases or vapors, to increase temperature undesirably, or to protect against burglary or theft.
  • the message signal can be used to alarm or to initiate protective or countermeasures when the undesired state occurs.
  • the sensor elements used in the reporting units are matched to the condition to be detected and are designed, for example, as fire, smoke, gas, radiation, temperature or intrusion detectors.
  • the invention can be used with particular advantage where sensor elements with high electrical resistance are required, for example ionization chambers when used as fire detectors.
  • the voltage supply from an evaluation unit to the individual signaling unit arranged at a distance therefrom and the signal return from these signaling units to the signaling center generally takes place by means of electrical lines, possibly also by wireless electrical transmission.
  • electrical lines possibly also by wireless electrical transmission.
  • electrical interference often occurs during line transmission, e.g. B. network pulses or induced in the lines electrical voltages that lead to an incorrect response of the signaling units and to an incorrect signal transmission.
  • telephone connections with a modulated laser beam have been proposed, as described in "The Bell System Technical Journal 58 (1979)".
  • the known detectors have further disadvantages, which are listed below.
  • the supply voltage fluctuates due to the voltage drop in the lines, so that complex stabilization devices are required.
  • the components of the signaling unit are also exposed to environmental influences, e.g. B. temperature-dependent, so that complex compensation measures must be taken.
  • environmental influences e.g. B. temperature-dependent
  • special protective measures are necessary when voltage is supplied via electrical cables.
  • US Pat. No. 3,805,066 shows an optical smoke detector in which the individual smoke chambers arranged in series are connected to one another by light guides.
  • the optical connection between the smoke chambers has nothing to do with the above-mentioned reasons, namely the exchange of an electrical connection by an optical connection, because it only connects purely optical sensors that work according to the light barrier principle, without the sensor element having to be supplied with an electrical voltage, and therefore neither an optical-electrical nor an electrical-optical converter are provided.
  • the object of the invention is to provide a hazard alarm unit that has low power consumption and works sensitively, reliably, without interference, stably, precisely and independently of voltage over longer periods.
  • the hazard detection unit is particularly suitable for use in potentially explosive atmospheres and / or under the influence of electrical interference.
  • a central evaluation unit E which has a radiation source Q and a radiation receiver R.
  • the radiation source Q is fed by a signal circuit S, while the output signal of the radiation receiver R is fed back to the signal circuit S.
  • the signal circuit S emits an alarm signal to an alarm unit A or causes z. B. via EDP the initiation of protective or countermeasures.
  • Corresponding signal circuits are e.g. B. in large numbers from the technology of optical condition detectors, for. B. smoke detectors, known.
  • the radiation from the radiation source Q is referred to by a first radiation-conducting element L ⁇ , also known as fiber optics, hereinafter referred to as light guide for the sake of brevity, to a plurality of signaling units M i , M 2 , M 3 , ... ver arranged away from the evaluation unit E. shares that have sensors for the condition to be detected.
  • the coupling and decoupling of the radiation for the individual signaling units takes place in a manner known in light guide technology, with branching elements V 1 , V 2 , ... or W 1 , W 2 , ... suitable training, likewise the connection to the individual reporting units via suitable known connections.
  • the radiation is taken from the individual signaling units M 1 , M 2 , M3,...
  • the individual signaling units M i , M 2 , M 3 , ... are therefore connected in parallel via a light guide L 1 and L 2 to the evaluation unit E in a group.
  • the entire group can be closed behind the last signaling unit by an end element T, which is used to monitor the functioning of the light guides.
  • the light guides used can either consist of a single fiber or can be made of several, ie as a light guide bundle.
  • Supply line L 1 and return line L 2 can also be combined into a single bundle.
  • the type of light guide can be selected as required and in coordination with the signaling units of various types.
  • any suitable lamp, a light or infrared emitting diode or a LASER can be used as radiation source Q, the spectral distribution being broadband, monochromatic, multimonochromatic.
  • the spectrum of this radiation source Q such that it is adapted to the transmission properties of the light guides when using single-mode light guides and to the properties of the radiation receiver R.
  • the radiation source intermittently or in pulses e.g. B. to operate at a frequency of 30 Hz or to design the branching elements in a known manner so that the individual signaling units receive radiation sequentially at different times in the manner of an optical multiplex.
  • the radiation receiver R is expediently matched to the radiation source Q and can, for. B. as a photoconductor (Si, GaAs, PbSe, InSb), as a pyroelectric element (LiTa0 3 , TGS, PVF 2 ) or as a bolometer.
  • a photoconductor Si, GaAs, PbSe, InSb
  • a pyroelectric element LiTa0 3 , TGS, PVF 2
  • FIG. 2 shows a signaling unit M with a high-resistance sensor element F, which requires a voltage supply of a few volts for operation, but only has a very low power consumption.
  • the sensor element F contains a sensor 8, the electrical resistance of which changes when exposed to a state variable to be detected, which is connected in series with a reference element 9. In such an arrangement, the voltage drop at the sensor 8 and thus the output potential U of the sensor element changes when the state parameter to be monitored changes.
  • one or more solar cells, for. B. silicon diodes which receive radiation from a branch L 3 of the light guide L. If the resistance of the sensor element F is large enough and the power consumption is correspondingly low, the voltage generated by these solar cells or silicon diodes 7 is sufficient to operate the sensor element F.
  • the output potential U of the sensor element F controls a likewise very high-resistance electrical-optical converter T.
  • This can consist of an LCD element with electrically controllable radiation permeability or reflection, e.g. B. a suitable liquid crystal, which is attached to a reflective surface R o . Radiation is fed to this transducer T via a branch L 4 of the light guide Li and removed again from the light guide L 2 . Normally, as long as the liquid crystal is opaque to radiation, no signal is returned via this light guide L 2 .
  • the liquid crystal becomes transparent so that the radiation supplied via the light guide L 4 is reflected by the reflector R o and the evaluation unit via the Light guide L 2 receives radiation.
  • Such LCD elements are known from watch technology.
  • FIG. 3 shows a detection unit designed as an ionization fire detector.
  • the sensor 8 is designed as an air-accessible ionization chamber and the reference element 9 as a less air-accessible or smoke-insensitive ionization chamber. Both ionization chambers contain radioactive sources for ionizing the air in the chambers. In this arrangement, the potential U at the junction of the two ionization chambers changes in accordance with the smoke density in the air-accessible ionization chamber 8.
  • a field-effect transistor FET serving as an impedance converter and threshold switch, the gate of which is connected to the connection point of the two ionization chambers 8 and 9 and its source and drain via contr Stands 1 and 2 are connected to connections 3 and 4 of the sensor element.
  • condition sensors can also be used, which react to other condition parameters to be detected, for example to certain gases or vapors, to changes in humidity, temperature or pressure, etc.
  • FIG. 4 shows, as a high-resistance sensor F, a semiconductor element, for example a MOSFET, a MOS capacitance or a Schottky diode with a gas, temperature, moisture, smoke or pressure-sensitive active layer A1.
  • a pressure and temperature sensitive MOSFET structure is known as POSFET ("Science” 200 [1978], p. 1371), in which the active layer AI consists of polarized polyvinylidene fluoride.
  • CFT charge flow
  • the active layer consists of poly (p-aminophenylacetylene) , the characteristic of which changes as a function of moisture, and which is applied to a silicon dioxide layer SIO.
  • the hydrogen-sensitive MOSFET structure in which the active layer AI consists of palladium metal ("Vacuum” 27 [1976], p. 245).
  • Sensors of the type described thus represent high-resistance controllable semiconductors in which the insulator layer of a gas, temperature, moisture, pressure or smoke-sensitive insulator layer Al, for. B. from a PVF 2 (polyvinyl difluoride) layer corresponds.
  • the bias voltage at the gate electrode EG is set approximately to the threshold value for the conductivity between the source electrode Es and the drain electrode ED. This conductivity changes when exposed to ambient conditions.
  • FIG. 5 shows an electrical-optical converter with electrically controllable radiation deflection, for example of the LiNb0 3 type.
  • a converter T has a chip EO, which has the property that when an electrical voltage U is applied, the light irradiated via an optical fiber L 4 is deflected in different directions depending on the voltage.
  • the light guide L 2 which absorbs the radiation is now arranged at a point which corresponds to an output voltage of the sensor element F and thus an input voltage U of the converter at which an alarm message is to be given.
  • FIG. 6 shows an electro-optical converter in which the beam path in the air space between the two light guides L 4 , L 2 through a piezoelectric element PB, for example through a multilayer polyvinyl difluoride (PVF 2 ) structure which has become known as a »bimorph structure is changed, which is arranged in a gap between the light guides L 4 and L 2 covered with a cladding CL and is provided on both outer sides with electrodes EL.
  • PV 2 multilayer polyvinyl difluoride
  • FIG. 7 shows, as a further example, an electro-optical converter in which the beam path in the air space between the two light guides L 4 , L 2 is changed by an electrostatic semiconductor switch SI.
  • a silicon oxide layer SIO is moved into the beam path by an applied voltage V 1 , V 2 between the electrodes EL.
  • This element SIO-EL also acts as a bimetal, so that a fire detector provided with it is sensitive to both smoke and temperature.
  • the semiconductor switch can also be constructed like the stepper motors used in clock technology.
  • a signaling unit can be created in which both the transmission of the power required to operate the sensor element and the signal transmission back to the evaluation unit take place in a purely optical way.
  • the selection of the sensor elements is by no means limited to the components mentioned, but any, with particular advantage high-resistance sensors for any state variables can be used, for.
  • FIG. 8 shows the structural design of a detection unit designed as an ionization fire detector, which operates according to the functional principle explained with reference to FIGS.
  • the ionization chambers can be constructed, for example, according to Swiss patent 551 057 or US Pat. No. 3,908,957.
  • the fire detector contains an outer ionization chamber 8 and an inner ionization chamber 9, which are arranged on the two sides of an electrically insulating carrier plate 10.
  • the first ionization chamber 8, which serves as a sensor element, has an outer electrode 11 designed as a metal grid, through which air can penetrate into the interior of the chamber.
  • the outer electrode of the other ionization chamber 9 serving as a reference chamber, on the other hand, is equipped with a largely air-impermeable metal hood 13 as the outer electrode.
  • the carrier plate 10 is mounted in a housing 20 which has a base plate 21, an adjoining cylinder part 22 and a cover 23.
  • a housing 20 which has a base plate 21, an adjoining cylinder part 22 and a cover 23.
  • an annular opening 24 is provided between the cylinder part 22 and cover 23 for the air to enter the smoke-sensitive ionization chamber 8.
  • the housing 20 can be connected to a base part 30 which is fastened, for example, to the room ceiling.
  • This connection can be made, for example, with a snap lock, with projections 26 of a plurality of snap springs 25 provided on the housing 20 sliding over an annular web 31 on the base part 30 and locking there.
  • the base part 30 is connected to a central evaluation unit via light guides Li and L 2 . These light guides end in a plug S 1 on the underside of the base part 30.
  • the base plate 21 contains a matching light guide socket S 2 as a counterpart. Light guide connections of this type are commercially available and known. European patent publications 6 662 and 8 709 are mentioned from the large number of publications. For example, a "Connector" C-21 from Hughes Aircraft Co. can be used for this.
  • the radiation arriving via the light guide Li is directed via a branch L 3 to the optical-electrical converter 7, for example a solar cell battery, which is connected to the two outer electrodes 11 and 13 of the ionization chambers 8 and 9 is connected and the series circuit of the two chambers supplies a voltage.
  • the plunger 15 connecting the counterelectrodes 12 and 14 is connected to the electrical-optical converter T, which receives radiation via the other branch L 4 of the light guide L 1 and whose retroreflection is removed from the light guide L 2 and via plug connection S 2 , S 1 and the Base part 30 is returned to the evaluation unit.
  • An ionization fire detector designed in this way has all the advantages of conventional ionization fire detectors with regard to optimal smoke sensitivity and a particularly early response to the slightest trace of smoke, but avoids the disadvantages associated with the need for power supply and signal return via electrical lines.
  • Such an ionization fire detector can be used with particular advantage when electrical interference in the lines is to be expected or in an explosive environment.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gefahren-Meldeeinheit mit einem Zustands-Sensorelement, das bei Eintritt eines zu meldenden Gefahrenzustandes seine Ausgangsspannung ändert, wodurch ein Melde-Signal erzeugt wird.
  • Solche Meldeeinheiten sind verwendbar zur Meldung von Gefahrenzuständen, beispielsweise zur Brandmeldung, zur Meldung gefährlicher Gase oder Dämpfe, von unerwünschter Temperatursteigerung, oder zum Einbruch- oder Diebstahlschutz. Das Meldesignal kann zur Alarmierung oder zur Einleitung von Schutz- oder Gegenmaßnahmen bei Eintritt des unerwünschten Zustandes dienen.
  • Dabei sind die in den Meldeeinheiten verwendeten Sensorelemente auf den nachzuweisenden Zustand abgestimmt und sind beispielsweise als Brand-, Rauch-, Gas-, Strahlungs-, Temperatur- oder Einbruchdetektoren ausgebildet. Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil dort verwenden, wo Sensorelemente mit hohem elektrischen Widerstand erforderlich sind, beispielsweise lonisationskammern bei der Verwendung als Brandmelder.
  • Bei vorbekannten Meldeanlagen erfolgt die Spannungsversorgung von einer Auswerteeinheit zu den entfernt von dieser angeordneten einzelnen Meldeeinheit und die Signalrückleitung von diesen Meldeeinheiten zur Signalzentrale in der Regel mittels elektrischer Leitungen, gegebenenfalls auch durch drahtlose elektrische Übertragung. Eine derartige Übertragung ist jedoch sehr störanfällig und unzuverlässig. Bei einer Leitungsübertragung treten häufig elektrische Störungen auf, z. B. Netzimpulse oder in den Leitungen induzierte elektrische Spannungen, die zu einem fehlerhaften Ansprechen der Meldeeinheiten und zu einer fehlerhaften Signalübermittlung führen. Aus ähnlichen Gründen sind Fernsprechverbindungen mit moduliertem Laserstrahl vorgeschlagen worden, wie im »The Bell System Technical Journal 58 (1979)« beschrieben. Bei den bekannten Meldern ergeben sich weitere Nachteile, die im folgenden aufgezählt werden. Durch den Spannungsabfall in den Leitungen schwankt die Versorgungsspannung, so daß aufwendige Stabilisierungseinrichtungen erforderlich sind. Die Komponenten der Meldeeinheit sind darüber hinaus Umwelteinflüssen ausgesetzt, z. B. temperaturabhängig, so daß aufwendige Kompensationsmaßnahmen getroffen werden müssen. Bei speziellen Verwendungen, insbesondere in explosionsgefährdeter Umgebung sind bei Spannungszufuhr über elektrische Leitungen noch besondere Schutzmaßnahmen notwendig. Durch Verwendung einer drahtlosen Übertragung und einer speziellen explosionsgeschützten Ausführung der Meldeeinheiten läßt sich der letztgenannte Nachteil zwar überwinden, jedoch ist eine drahtlose Übertragung bekanntermaßen wegen der vielfältigen Störungen noch wesentlich störungsanfälliger und unzuverlässiger.
  • Die US-PS 3805 066 zeigt einen optischen Rauchmelder, bei dem die einzelnen in Reihe angeordneten Rauchkammern durch Lichtleiter miteinander verbunden sind. Die optische Verbindung zwischen den Rauchkammern hat nichts mit den obengenannten Gründen, nämlich Austausch elektrischer Verbindung durch optische Verbindung, zu tun, weil sie lediglich rein optische, nach dem Lichtschrankenprinzip arbeitende Fühler miteinander verbindet, ohne daß das Sensorelement mit einer elektrischen Spannung versorgt werden müßte, und daher weder ein optisch-elektrischer noch ein elektrischoptischer Wandler vorgesehen sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Gefahrenmeldeeinheit zu schaffen, die einen geringen Stromverbrauch hat und empfindlich, zuverlässig, ohne Störungen, stabil, genau und spannungsunabhängig über längere Zeiten arbeitet. Die Gefahrenmeldeeinheit eignet sich besonders für den Einsatz in explosiorisgefährdeter Umgebung und/oder unter Einwirkung elektrischer Störungen.
  • Diese Aufgabe wird bei der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gefahrenmeldeeinheit durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definierte Merkmal gelöst.
  • Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.
    • Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Meldeanlage mit parallel angeschlossenen Meldeeinheiten.
    • Figur 2 zeigt den Prinzipaufbau eines Brandmelders.
    • Figur 3 zeigt den Prinzipaufbau eines lonisations-Brandmelders.
    • Figur 4 zeigt ein Brand-Sensorelement.
    • Figuren 5 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen.
    • Figur 8 zeigt den konstruktiven Aufbau eines lonisations-Brandmelders.
  • Bei der in Figur 1 dargestellten Meldeanlage ist eine zentrale Auswerteeinheit E vorgesehen, welche eine Strahlungsquelle Q und einen Strahlungsempfänger R aufweist. Die Strahlungsquelle Q wird von einer Signalschaltung S angespiesen, während das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers R an die Signalschaltung S zurückgeleitet wird. Sobald ein vorgegebener Unterschied zwischen ausgesandter und empfangener Strahlung festgestellt wird, so gibt die Signalschaltung S ein Alarmsignal an eine Alarmeinheit A ab oder veranlaßt z. B. über EDV die Einleitung von Schutz- oder Gegenmaßnahmen. Entsprechende Signalschaltungen sind z. B. in großer Zahl aus der Technik optischer Zustandsmelder, z. B. Rauchmelder, bekannt.
  • Die Strahlung der Strahlungsquelle Q wird von einem ersten strahlungsleitenden Element Lτ , auch als Fiberoptik bekannt, im folgenden der Kürze halber als Lichtleiter bezeichnet, an mehrere entfernt von der Auswerteeinheit E angeordneten Meldeeinheit Mi, M2, M3, ... verteilt, die Fühler für den zu detektierenden Zustand aufweisen. Die Aus- und Einkoppelung der Strahlung für die einzelnen Meldeeinheiten erfolgt dabei in in der Lichtleitertechnik bekannter Art, mit Verzweigungselementen V1, V2, ... bzw. W1, W2, ... geeigneter Ausbildung, ebenfalls der Anschluß an die einzelnen Meldeeinheiten über geeignete bekannte Verbindungen. Von den einzelnen Meldeeinheiten M1, M2, M3, ... wird die Strahlung abgenommen und über einen zweiten Lichtleiter L2 zum Empfänger R in der Auswerteeinheit E zurückgeleitet. Die einzelnen Meldeeinheiten Mi, M2, M3, ... sind also über die Lichtleiter L1 und L2 parallel mit der Auswerteeinheit E in einer Gruppe verbunden. Die gesamte Gruppe kann hinter der letzten Meldeeinheit durch ein Endglied T abgeschlossen sein, das zur Überwachung des Funktionierens der Lichtleiter dient.
  • Es wird bemerkt, daß an die Strahlungsquelle Q und den Strahlungsempfänger R weitere solcher Gruppen von parallel geschalteten Meldeeinheiten über weitere Lichtleiter angeschlossen sein können (L1', L21
  • Die verwendeten Lichtleiter können entweder aus jeweils einer einzigen Faser bestehen oder aus mehreren, d. h. als Lichtleiterbündel, ausgeführt sein. Auch können Zuleitung L1 und Rückleitung L2 zu einem einzigen Bündel vereinigt sein. Die Art der Lichtleiter kann je nach Bedarf und in Abstimmung mit den Meldeeinheiten von verschiedener Art gewählt werden.
  • Als Strahlungsquelle Q läßt sich im Prinzip eine beliebige geeignete Lampe, eine Licht oder Infrarot emittierende Diode oder ein LASER verwenden, wobei die Spektralverteilung breitbandig, monochromatisch, multimonochromatisch sein kann. Es ist jedoch zweckmäßig, das Spektrum dieser Strahlungsquelle Q so zu wählen, daß dieses auf Übertragungseigenschaften der Lichtleiter bei Verwendung von Monomode-Lichtleitern, sowie an die Eigenschaften des Strahlungsempfängers R angepaßt ist. Es kann zweckmäßig sein, die Strahlungsquelle intermittierend oder impulsförmig, z. B. mit einer Frequenz von 30 Hz zu betreiben oder die Verzweigungselemente in bekannter Weise so steuerbar auszubilden, daß die einzelnen Meldeeinheiten sequentiell zu unterschiedlichen Zeiten Strahlung in der Art eines optischen Multiplex erhalten.
  • Der Strahlungsempfänger R ist zweckmäßigerweise auf die Strahlungsquelle Q abgestimmt und kann z. B. als Photoleiter (Si, GaAs, PbSe, InSb), als pyroelektrisches Element (LiTa03, TGS, PVF2) oder als Bolometer ausgeführt sein.
  • Figur 2 zeigt eine Meldeeinheit M mit einem hochohmigen Sensorelement F, welche zum Betrieb eine Spannungsversorgung von einigen Volt benötigt, jedoch nur einen sehr geringen Stromverbrauch aufweist. Das Sensorelement F enthält einen Fühler 8, dessen elektrischer Widerstand sich bei Einwirkung einer nachzuweisenden Zustandsgröße ändert, welcher in Serie mit einem Referenzelement 9 geschaltet ist. Bei einer solchen Anordnung ändert sich der Spannungsabfall am Fühler 8 und damit das Ausgangspotential U des Sensorelementes bei Änderung des zu überwachenden Zustandsparameters. Zur Spannungsversorgung der seriegeschalteten Elemente 8 und 9 dienen eine oder mehrere Solarzellen, z. B. Siliziumdioden, welche von einer Abzweigung L3 des Lichtleiters L, Strahlung erhalten. Sofern der Widerstand des Sensorelementes F groß genug ist und der Stromverbrauch entsprechend gering, genügt die von diesen Solarzellen oder Siliziumdioden 7 erzeugte Spannung vollauf zum Betrieb des Sensorelementes F.
  • Das Ausgangspotential U des Sensorelementes F steuert einen ebenfalls sehr hochohmigen elektrisch-optischen Wandler T. Dieser kann aus einem LCD-Element mit elektrisch steuerbarer Strahlungsdurchlässigkeit oder Reflexion bestehen, z. B. einem geeigneten Flüssigkristall, der auf einer reflektierenden Fläche Ro angebracht ist. Auf diesen Wandler T wird Strahlung über einen Abzweig L4 des Lichtleiters Li zugeleitet und vom Lichtleiter L2 wieder abgenommen. Normalerweise, solange der Flüssigkristall strahlungsundurchlässig ist, wird über diesen Lichtleiter L2 kein Signal zurückgeleitet. Übersteigt jedoch bei einer bestimmten Zustandsänderung die Ausgangsspannung U des Sensorelementes F und somit die Steuerspannung des Wandlers T eine bestimmte Schwelle, so wird der Flüssigkristall transparent, so daß die über den Lichtleiter L4 zugeführte Strahlung vom Reflektor Ro reflektiert wird und die Auswerteeinheit über den Lichtleiter L2 Strahlung erhält. Solche LCD-Elemente sind aus der Uhrentechnik bekannt.
  • Figur 3 zeigt eine als lonisations-Brandmelder ausgebildete Meldeeinheit. Dabei ist der Fühler 8 als luftzugängliche lonisationskammer ausgebildet und das Referenzelement 9 als weniger luftzugängliche oder rauchunempfindliche lonisationskammer. Beide lonisationskammern enthalten radioaktive Quellen zur lonisation der Luft in den Kammern. Bei dieser Anordnung ändert sich das Potential U am Verbindungspunkt beider lonisationskammern entsprechend der Rauchdichte in der luftzugänglichen lonisationskammer 8.
  • Von besonderem Vorteil ist bei der Ausbildung des Fühlers als lonisationskammer der außerordentlich große Innenwiderstand und damit der besonders geringe Stromverbrauch, so daß die von der Auswerteeinheit gelieferte Strahlungsleistung zum Betrieb einer großen Anzahl parallel geschalteter Meldeeinheiten ausreicht.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel kann es zweckmäßig sein, das Ausgangspotential U des Sensorelementes nicht direkt dem elektrisch-optischen Wandler T zuzuführen, sondern über einen als Impedanzwandler und Schwellenwertschalter dienenden Feldeffekt-Transistor FET, dessen Gate an den Verbindungspunkt der beiden lonisationskammern 8 und 9 angeschlossen ist und dessen Source und Drain über Widerstände 1 und 2 an die Anschlüsse 3 und 4 des Sensorelementes angeschlossen sind.
  • Es wird bemerkt, daß statt der lonisationskammern 8 und 9 auch andere hochohmige Zustandsfühler verwendet werden können, die auf andere nachzuweisende Zustandsparameter reagieren, beispielsweise auf bestimmte Gase oder Dämpfe, auf Feuchtigkeits-, Temperatur-oder Druckänderungen etc.
  • Figur4 zeigt als hochohmigen Fühler F ein Halbleiterelement, beispielsweise einen MOSFET, eine MOS-Kapazität oder eine Schottky-Diode mit einer gas-, temperatur-, feuchtigkeits-, rauch- oder druckempfindlichen aktiven Schicht Al. Beispielsweise ist als POSFET (»Science« 200 [1978], S. 1371) eine druck- und temperaturempfindliche MOSFET-Struktur bekannt, bei welcher die aktive Schicht AI aus polarisiertem Polyvinyliden-Fluorid besteht. Ein andres Beispiel ist der »Charge Flow«-Transistor (CFT, »IEEE of Solid-State Circuitsa, vol. SC-14 [1979], p. 753), bei welchem die aktive Schicht aus Poly-(p-aminophenylacetylen) besteht, dessen Charakteristik sich als Funktion der Feuchtigkeit ändert, und die auf einer Siliziumdioxid-Schicht SIO angebracht ist. Ein weiteres Beispiel ist die wasserstoffempfindliche MOSFET-Struktur, bei welcher die aktive Schicht AI aus Palladium-Metall besteht (»Vacuum« 27 [1976], p. 245). Fühler der beschriebenen Art stellen also hochohmige steuerbare Halbleiter dar, bei denen die Isolatorschicht einer gas-, temperatur-, feuchtigkeits-, druck- oder rauchempfindlichen Isolatorschicht Al, z. B. aus einer PVF2 (Polyvinyldifluorid)-Schicht, entspricht. Dabei wird die Vorspannung an der Gate-Elektrode EG etwa auf den Schwellenwert für die Leitfähigkeit zwischen Source-Elektrode Es und Drain-Elektrode ED eingestellt. Bei Einwirkung von Umgebungsbedingungen ändert sich diese Leitfähigkeit.
  • Weiterhin sind die verwendeten elektrisch-optischen Wandler nicht auf das dargestellte Beispiel mit einem Flüssigkristall beschränkt, sondern es können auch andere solcher Elemente benützt werden. Beispielsweise zeigt Figur 5 einen elektrisch-optischen Wandler mit elektrisch steuerbarer Strahlungsablenkung, beispielsweise vom LiNb03-Typ. Ein solcher Wandler T weist einen Chip EO auf, der die Eigenschaft hat, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung U das über einen Lichtleiter L4 eingestrahlte Licht in Abhängigkeit von der Spannung in verschiedener Richtung abgelenkt wird. Der die Strahlung abnehmende Lichtleiter L2 ist nun an einer Stelle angeordnet, die einer Ausgangsspannung des Sensorelementes F und somit einer Eingangsspannung U des Wandlers entspricht, bei welcher eine Alarmmeldung erfolgen soll.
  • Figur 6 zeigt einen elektro-optischen Wandler, in welchem der Strahlengang im Luftraum zwischen den beiden Lichtleitern L4, L2 durch ein piezo-elektrisches Element PB, beispielsweise durch eine mehrschichtige, als »Bimorph-Struktur bekanntgewordene Polyvinyldifluorid (PVF2)-Struktur verändert wird, die in einer Lükke zwischen den mit einem Mantel CL bedeckten Lichtleitern L4 und L2 angeordnet ist und auf beiden Außenseiten mit Elektroden EL versehen ist.
  • Figur 7 zeigt als weiteres Beispiel einen elektro-optischen Wandler, in welchem der Strahlengang im Luftraum zwischen den beiden Lichtleitern L4, L2 durch einen elektrostatischen Halbleiter-Schalter SI verändert wird. In diesem wird beispielsweise eine Silizium-Oxidschicht SIO durch eine angelegte Spannung V1, V2 zwischen den Elektroden EL in den Strahlengang bewegt. Dieses Element SIO-EL wirkt zusätzlich als Bimetall, so daß ein damit versehener Brandmelder sowohl rauch- wie auch temperaturempfindlich ist. Der Halbleiter-Schalter kann auch wie die in der Uhrentechnik verwendeten Schrittmotoren aufgebaut sein.
  • Auf die beschriebene Weise läßt sich eine Meldeeinheit schaffen, bei der sowohl die Übertragung der zum Betrieb des Sensorelementes erforderlichen Leistung als auch die Signalübermittlung zurück zur Auswerteeinheit auf rein optischem Wege erfolgt. Dabei ist die Auswahl der Sensorelemente keineswegs auf die erwähnten Bauteile beschränkt, sondern es können beliebige, mit besonderem Vorteil hochohmige Fühler für beliebige Zustandsgrößen benützt werden, z. B. dünne Schichten, Halbleiter, insbesondere hochohmige Transistoren vom MOS-Typ, oder piezoelektrische Elemente, die ihre Eigenschaften unter dem Einfluß der Umgebungsbedingungen ändern und beispielsweise auf ein Brandphänomen reagieren.
  • Figur 8 zeigt den konstruktiven Aufbau einer als Ionisationsbrandmelder ausgebildeten Meldeeinheit, die nach dem anhand der Figuren 2 und 3 erläuterten Funktionsprinzip arbeitet. Dabei kann der Aufbau der lonisationskammern beispielsweise gemäß schweizerischem Patent 551 057 oder US-PS 3 908 957 ausgeführt sein.
  • Der Brandmelder enthält eine äußere lonisationskammer8 und eine innere lonisationskammer 9, die auf den beiden Seiten einer elektrisch isolierenden Trägerplatte 10 angeordnet sind. Die erste, als Sensorelement dienende lonisationskammer 8 weist eine als Metallgitter ausgebildete Außenelektrode 11 auf, durch die Luft in das Kammerinnere eindringen kann. Die Außenelektrode der anderen, als Referenzkammer dienenden lonisationskammer 9 ist dagegen mit einer weitgehend luftundurchlässigen Metallhaube 13 als Außenelektrode ausgerüstet. Als Gegenelektroden dienen in den Kammern 8 und 9 jeweils eine Metallscheibe 12 und 14, die mit einem metallischen Stempel 15 leitend miteinander verbunden sind und die jeweils eine radioaktive Quelle 16 und 17 zur Ionisierung des Kammerinneren tragen. Liegt eine elektrische Spannung zwischen den Außenelektroden 11 und 13, so fließt daher ein bestimmter Ionenstrom durch die seriegeschalteten lonisationskammern 8 und 9, d. h. zwischen den Elektroden 11 und 12 sowie 13 und 1 4, wobei sich am Verbindungspunkt 15 ein bestimmtes Potential U einstellt. Sobald Rauch in die luftzugängliche lonisationskammer 8 eindringt, ändert sich deren elektrischen Widerstand und damit ebenfalls der Ionenstrom und das Potential U am Verbindungspunkt 15.
  • Die Trägerplatte 10 ist in einem Gehäuse 20 montiert, das eine Basisplatte 21, ein daran anschließendes Zylinderteil 22 und einen Deckel 23 aufweist. Dabei ist zwischen Zylinderteil 22 und Deckel 23 eine ringförmige Öffnung 24 zum Eintritt der Luft in die rauchempfindliche lonisationskammer 8 vorgesehen.
  • Das Gehäuse 20 ist mit einem Sockelteil 30 verbindbar, der beispielsweise an der Raumdekke befestigt ist. Diese Verbindung kann beispielsweise mit einem Schnappverschluß erfolgen, wobei Vorsprünge 26 mehrerer am Gehäuse 20 vorgesehener Schnappfedern 25 über einen ringförmigen Steg 31 am Sockelteil 30 gleiten und sich dort verriegeln.
  • Der Sockelteil 30 ist über Lichtleiter Li und L2 mit einer zentralen Auswerteeinheit verbunden. Diese Lichtleiter enden in einem Stecker S1 auf der Unterseite des Sockelteiles 30. Die Basisplatte 21 enthält als Gegenstück eine dazu passende Lichtleiterbuchse S2. Lichtleiterverbindungen dieser Art sind im Handel erhältlich und bekannt. Aus der Vielzahl der Veröffentlichungen seien die europäischen Patentpublikationen 6 662 und 8 709 genannt. Beispielsweise kann dafür ein »Connector« C-21 der Hughes Aircraft Co. verwendet werden.
  • Wie bereits anhand von Figur 2 beschrieben, wird die über den Lichtleiter Li ankommende Strahlung über eine Verzweigung L3 auf den optisch-elektrischen Wandler 7, beispielsweise eine Solarzellen-Batterie, geleitet, die mit den beiden Außenelektroden 11 und 13 der lonisationskammern 8 und 9 verbunden ist und der Serieschaltung der beiden Kammern eine Spannung zuführt. Der die Gegenelektroden 12 und 14 verbindende Stempel 15 ist an den elektrisch-optischen Wandler T angeschlossen, welcher über die andere Verzweigung L4 des Lichtleiters L1 Strahlung erhält und dessen Rückstrahlung vom Lichtleiter L2 abgenommen und über Steckverbindung S2, S1 und den Sockelteil 30 zur Auswerteeinheit zurückgeführt wird.
  • Ein so ausgebildeter lonisationsbrandmelder weist alle Vorteile üblicher lonisationsbrandmelder bezüglich einer optimalen Rauchempfindlichkeit und einem besonders frühzeitigen Ansprechen auf geringste Rauchspuren auf, vermeidet jedoch deren Nachteile, die mit der Notwendigkeit der Spannungsversorgung und der Signalrückleitung über elektrische Leitungen verbunden sind. Ein solcher lonisationsbrandmelder läßt sich insbesondere mit Vorteil einsetzen, wenn elektrische Störungen in den Leitungen zu erwarten sind, oder in explosionsgefährdeter Umgebung.

Claims (16)

1. Gefahrenmeldeeinheit mit einem Zustands-Sensorelement (F), das bei Eintritt eines zu meldenden Gefahrenzustandes unter Abgabe eines Meldesignals seine Ausgangsspannung (U) ändert, einem optisch-elektrischen Wandler (7), der über wenigstens ein strahlungsleitendes Element (L1, L3) elektromagnetische Strahlung erhält und dabei eine elektrische Spannung zur Spannungsversorgung des Sensorelementes (F) abgibt und einem elektrisch-optischen Wandler (T), der bei Änderung der Ausgangsspannung (U) des Sensorelementes (F) ein optisches Signal erzeugt, welches über wenigstens ein weiteres strahlungsleitendes Element (L2) abgenommen und zur Meldesignal-Erzeugung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wandler (T) als passives Element ausgebildet ist.
2. Meldeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (F) ein für ein Brandphänomen empfindliches Element (8) aufweist.
3. Meldeeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das für ein Brandphänomen empfindliche Element als luftzugängliche Ionisationskammer (8) ausgebildet ist.
4. Meldeeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die luftzugängliche lonisationskammer (8) in Serie mit einer weniger luftzugänglichen oder rauchunempfindlichen lonisationskammer (9) in Serie mit den Ausgängen (3,4) des ersten optisch-elektrischen Wandlers (7) verbunden ist.
5. Meldeeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (F) in einem der Außenluft zugänglichen Gehäuse (20), das lösbar mit einem Sockelteil
(30) verbunden ist, angeordnet ist, daß der optische Kontakt zwischen den Lichtleitern (L1, L2) im Gehäuse (20) und im Sockelteil (31) durch eine Lichtleiter-Verbindungseinrichtung (S1, S2) bewirkt wird und daß der optisch-elektrische Wandler (7) und der elektrisch-optische Wandler (T) auf der dem Sockelteil (31) abgewandten Seite des Lichtleiter-Verbindungsteils (S2) angeordnet sind.
6. Meldeeinheit nach Anspruch 5, rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch-elektrische Wandler (7) und der elektrisch-optische Wandler (T) auf einer Trägerplatte (10) angeordnet sind, welche auf der Unterseite die luftzugängliche lonisationskammer (8) und auf ihrer Oberseite die weniger luftzugängliche oder rauch-unempfindliche lonisationskammer (9) trägt und die unterhalb der einen Lichtleiterverbindungsteil (S2) enthaltenden Basisplatte (21) angeordnet ist.
7. Meldeeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der beiden lonisationskammern (8, 9) mit dem Gate (G) eines Feldeffekt-Transistors (FET) verbunden ist, dessen Source oder Drain mit dem Steueranschluß (Ro) des elektrisch-optischen Wandlers (T) verbunden ist.
8. Meldeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (F) ein hochohmiges Halbleiterelement mit gas-, feuchtigkeits-, druck-, rauch- oder temperaturempfindlicher aktiver Isolatorschicht aufweist.
9. Meldeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch-elektrische Wandler (7) wenigstens eine Solarzelle aufweist.
10. Meldeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wandler (T) ein Flüssigkristallelement (LCD) mit elektrisch steuerbarer optischer Durchlässigkeit oder Reflexion aufweist.
11. Meldeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wandler (T) ein Element (EO) mit elektrisch steuerbarer Strahlungsablenkung aufweist, wobei das die Strahlung zurückleitende Element (L2) mit seiner Aufnahmefläche so angebracht ist, daß es Strahlung bei vorbestimmter Eingangsspannung des Wandlers (T) erhält.
12. Meldeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wandler (T) als mit zwei Elektroden (EL) versehene, in einer Lücke der Lichtleiter (L2, 4) angeordnete mehrschichtige PVF2-Bimorph-Struktur (PB) ausgebildet ist.
13. Meldeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Wandler (T) als in einer Lücke der Lichtleiter (L2, 4) angeordnete elektrostatische Halbleiterschicht (SIO) mit einer durch elektrische Spannung und/oder durch Temperatur beweglichen Schicht ausgebildet ist.
14. Meldeeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallelement (LCD) von der Ausgangsspannung (U) des Sensorelementes (F) elektrisch so angesteuert wird, daß es bei Eintritt eines zu meldenden Zustandes seinen optischen Reflexions- oder Transmissionsgrad ändert.
15. Meldeeinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flüssigkristallelement (LCD) über ein zusätzliches strahlungsleitendes Element (4) Strahlung zugeführt wird und daß eine reflektierende Fläche (Ro) vorgesehen ist, an der die zugeführte Strahlung nach Durchsetzung des Flüssigkristallelementes (LCD) in Abhängigkeit von dessen Reflexions- oder Transmissionsgrad reflektiert und vom weiteren strahlungsleitenden Element (L2) abgenommen wird.
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