EP0718814A1 - Verfahren und Anordnung zum Detektieren einer Flamme - Google Patents

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EP0718814A1
EP0718814A1 EP94120083A EP94120083A EP0718814A1 EP 0718814 A1 EP0718814 A1 EP 0718814A1 EP 94120083 A EP94120083 A EP 94120083A EP 94120083 A EP94120083 A EP 94120083A EP 0718814 A1 EP0718814 A1 EP 0718814A1
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EP
European Patent Office
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frequency
periodic
flame
signals
value
Prior art date
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EP94120083A
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EP0718814B1 (de
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Dr. Marc Pierre Thuillard
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Siemens AG
Original Assignee
Cerberus AG
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Application filed by Cerberus AG filed Critical Cerberus AG
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Priority to AU37810/95A priority patent/AU703685B2/en
Priority to CZ19953218A priority patent/CZ289921B6/cs
Priority to US08/574,773 priority patent/US5594421A/en
Priority to CN95120895A priority patent/CN1099660C/zh
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G08B29/183—Single detectors using dual technologies
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/02—Mechanical actuation of the alarm, e.g. by the breaking of a wire

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting a flame by analyzing the change in intensity of the radiation emitted by the flame, signals lying outside a specific frequency band being evaluated as interference signals.
  • Methods of this type therefore use the typical flickering of the flames in a very low-frequency oscillation range as a feature for distinguishing between the radiation emitted by a flame and interference radiation.
  • the frequency band is determined by the sensor for the radiation emitted upstream or by a frequency-selective amplifier connected downstream of it, in both cases a specific pass band of, for example, 5 to 25 Hz is obtained. Even if the frequency band is optimally matched to the flickering of flames, faults and incorrect displays are relatively common because it happens again and again that random changes in the intensity of the ambient radiation lie in the pass band. Such changes in intensity can be caused, for example, by shadowing or reflections from vibrating or slowly moving objects, by reflections of sunlight on water surfaces or by flickering or fluctuating light sources.
  • US Pat. No. 3,739,365 describes a method of the type mentioned at the outset in which the susceptibility to stray light is improved by using two types of sensors with different spectral sensitivity and by forming the difference in the output signals of the sensors in a limited, low-frequency vibration range becomes.
  • the invention is now intended to provide a method of the type specified at the outset which enables clear and reliable identification and thus elimination of interference radiation and thus has a high level of security against false alarms, and which can also be used as universally as possible.
  • This object is achieved according to the invention in that the frequency of the radiation is analyzed and the center and limit frequency are determined and differentiated according to periodic and non-periodic signals, and in that periodic signals with a center frequency above a first and non-periodic signals with a limit frequency Above a second frequency value are evaluated as interference signals, the first frequency value being determined by the flickering frequency of a stationary flame with a size corresponding to the minimum size to be detected and the second frequency value being chosen to be greater than the first.
  • each flame can have two states, namely a steady state, which is usually present when the flame burns stable and undisturbed (so-called periodic flame), and a quasi-steady state, in to whom the flame burns unstably (so-called non-periodic flame), and that on the other hand a periodic flame has a frequency spectrum with a pronounced frequency peak and a non-periodic flame has a broadband spectrum with a maximum or limit frequency.
  • the invention further relates to a flame detector for carrying out said method, with at least one sensor for the radiation emitted by the flame, and with evaluation electronics connected downstream of the at least one sensor.
  • the flame detector according to the invention is characterized in that the evaluation electronics has means for analyzing the received radiation and its center and cut-off frequency and for linking the sensor signals to these frequencies.
  • a preferred embodiment of the flame detector according to the invention is characterized in that the said means are formed by a microprocessor and that this microprocessor contains a fuzzy controller.
  • the flickering frequency of a flame is, in a first approximation, only dependent on the flame diameter, whereby this relationship applies to a wide variety of fuels, such as all carbon-containing liquids, solids (PMMA) or helium, and has been experimentally confirmed for flame diameters from 1cm to 100m. If one determines the Fourier spectrum of flames, one obtains one of two typical spectra, either a spectrum with a pronounced, narrow tip or a broadband, "washed out" spectrum without a tip. These two types of spectra are shown in FIG. 1, the frequency ⁇ being plotted on the abscissa and the amplitude F ( ⁇ ) plotted on the ordinate.
  • the fully drawn spectrum with the pronounced peak has a center frequency ⁇ mp and an upper limit frequency ⁇ gp , where: ⁇ gp ⁇ ⁇ mp
  • ⁇ gp ⁇ ⁇ mp A spectrum of this type is typical for an undisturbed and stable burning, so-called periodic flame, the center frequency ⁇ mp with a flame diameter of 10 cm being below 5 Hz and slowly decreasing with increasing diameter.
  • the broadband spectrum indicated by a dashed envelope also has a center frequency and a cutoff frequency, which are denoted by ⁇ mc and ⁇ gc .
  • Such a broadband spectrum is typical of a flame in an unstable or non-steady state; Such a flame is referred to below as non-periodic. As shown, the cutoff frequency ⁇ gc of the broadband spectrum is higher than the center frequency ⁇ mp of the periodic flame.
  • ⁇ gc > ⁇ mp As studies of the Fourier spectra of a large number of flames have shown, the relationship also applies to the cut-off frequency ⁇ gc : ⁇ gc ⁇ 3 ⁇ mp
  • the occurrence of the cutoff frequency ⁇ gc in a non-periodic flame can be explained as follows: If a flame burns undisturbed and is in the steady state, then the convection cells forming this flame are also stationary in number and size, and the flame has a constant flickering frequency ⁇ 1 on, where ⁇ 1 ⁇ ⁇ mp ⁇ ⁇ gp . If, however, the flame is exposed to external influences such as wind, the convection cells can divide or they can form aggregates of several cells, both processes being subject to a limit.
  • the minimum diameter of the fire or fire to be detected is first determined. If this is to be 10 cm, for example, then the frequency ⁇ mp ⁇ ⁇ gp of a periodic flame is below 5 Hz and the cut-off frequency ⁇ gc of the same size non-periodic flame will certainly not be above 15 Hz. Then two limit values G1 and G2 are set for periodic and for non-periodic interference signals; the limit value G1 for periodic interference signals preferably according to formula 2 with G1> ⁇ mp , that is at about 5 Hz, and the limit value G2 for non-periodic interference signals according to formula 3 with G2> 3 ⁇ mp for example at about 15 Hz.
  • the signal generated by the sensor of the detector is examined for its periodicity and periodically or non-periodically assigned to one of the two classes and compared with the relevant limit value G1 or G2 and evaluated as an interference signal when the limit value is exceeded.
  • the signal is examined for periodicity or non-periodicity, for example, by forming the difference between the cutoff frequency minus the center frequency and dividing this difference by the cutoff frequency. If the quotient is in the order of one, then it is a non-periodic signal; if it is clearly below one, then it is a periodic signal.
  • fuzzy logic This type of signal evaluation would guarantee extensive suppression of potential interference signals and thus a high level of security against false alarms. False alarm security and reliability can be further improved if the signal evaluation is carried out using fuzzy logic.
  • fuzzy logic The basics of fuzzy logic are assumed to be known (see, for example, the book "Fuzzy Set Theory and its Applications” by H.-J. Zimmermann, Kluver Academic Publishers, 1991 or European Patent Application 94113876.0 by Cerberus AG). It should only be remembered here that the central concept of fuzzy logic is fuzzy sets or fuzzy sets, with the membership of elements in a fuzzy set being defined by the so-called membership or membership function. While a sharp membership means zero membership and zero non-membership, In fuzzy sets, the values for the membership function are not only zero and one, but any values in between.
  • Each input variable which is one of the signals mentioned above, has at least one so-called membership function depicted as a matrix.
  • the x-scaling of this function has a correspondence in the respective signal, and the y-scaling corresponds to the truth content or the degree of approximation to the respective one Statement and can take any value from 0 to 1.
  • the determination of the frequencies ⁇ m and ⁇ g can be done with a fast Fourier transform (FFT) or with simpler and / or faster methods such as zero crossing (determination of the zero crossings) or determination of the distance between the peak or wavelet analysis or spectral analysis (see also M. Kunt: Traitement Numérique des Signaux, Presses Polytechniques Romandes).
  • FFT fast Fourier transform
  • simpler and / or faster methods such as zero crossing (determination of the zero crossings) or determination of the distance between the peak or wavelet analysis or spectral analysis
  • Flame detectors are known to detect the flame radiation of possible fire locations, this flame radiation, which is heat and therefore infrared radiation, reaches the detector through direct or indirect radiation.
  • the detectors usually contain two pyroelectric sensors that are sensitive to two different wavelengths.
  • the first sensor reacts to the infrared active flame gases in the characteristic CO2 spectral range from 4.1 to 4.7 ⁇ m, which are formed when carbonaceous materials burn up, and the second sensor measures the infrared energy in the wavelength range from 5 to 6 ⁇ m, which is artificially generated by interference sources such as sunlight Light or radiant heaters is emitted.
  • FIG. 3 shows a highly simplified block diagram of a flame detector according to the invention, which essentially consists of an infrared-sensitive sensor 1, an amplifier 2 and a microprocessor or microcontroller 3 containing an A / D converter.
  • the sensor 1 having an impedance converter is preceded by a filter 4, which is only permeable to radiation from the characteristic CO2 spectral range mentioned, preferably for a wavelength of 4.3 ⁇ m.
  • the radiation of this wavelength incident on the sensor 1 generates a corresponding voltage signal at the output of the sensor, which after amplification in the amplifier 2 reaches the microprocessor 3 and is evaluated there.
  • This microprocessor now defines the three variables square signal x i 2, center frequency ⁇ m and cut-off frequency ⁇ g and evaluates these variables, the signal evaluation being able to take place in the first way already mentioned or by means of fuzzy logic.
  • the microprocessor (microcontroller) 3 contains a fuzzy controller, which in a known manner has a rule base with the fuzzy rules specified further above and includes an inference engine.
  • the flame detector can also have more than one sensor, for example two sensors.
  • the flame detector described has the advantage that the examination of the periodicity of the flicker frequency and the determination of the center and cut-off frequency and their comparison with the two frequency values G1 and G2 provides a simple criterion for distinguishing between useful radiation and interference radiation.
  • the signal evaluation using fuzzy logic offers the additional advantage that relatively simple algorithms can be used, as a result of which the computation and storage effort remains within a modest framework.

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Abstract

Die Detektion einer Flamme erfolgt durch Analyse der Intensitätsänderungen der von der Flamme ausgesandten Strahlung. Es wird die Frequenz der Strahlung analysiert und dabei die Mitten- und Grenzfrequenz (ωmp, ωmc; ωgp, ωgc) ermittelt und es wird nach periodischen und nicht-periodischen Signalen unterschieden. Periodische Signale mit einer Mittenfrequenz (ωmp) oberhalb eines ersten Frequenzwerts (G1) und nicht-periodische Signale mit einer Grenzfrequenz (ωgc) oberhalb eines zweiten Frequenzwerts (G2) werden als Störsignale bewertet. Dabei ist der erste Frequenzwert (G1) durch die Flackerfrequenz einer stationären Flamme mit einer der zu detektierenden Flammen-Mindestgrösse entsprechenden Grösse bestimmt, und der zweite Frequenzwert (G2) wird grösser gewählt als der erste (G1). <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Flamme durch Analyse der Intensitätsanderung der von der Flamme ausgesandten Strahlung, wobei ausserhalb eines bestimmten Frequenzbandes liegende Signale als Störsignale bewertet werden.
  • Verfahren dieser Art benutzen also das typische Flackern der Flammen in einem sehr niederfrequenten Schwingungsbereich als Merkmal zur Unterscheidung zwischen der von einer Flamme ausgesandten Strahlung und Störstrahlung. Die Festlegung des Frequenzbandes erfolgt im einfachsten Fall durch dem Sensor für die ausgesandte Strahlung vorgeschaltete Filter oder durch diesem nachgeschaltete frequenzselektive Verstärker, wobei in beiden Fallen ein bestimmter Durchlassbereich von beispielsweise 5 bis 25 Hz erhalten wird. Selbst wenn das Frequenzband optimal auf das Flackern von Flammen abgestimmt ist, sind Störungen und Fehlanzeigen relativ häufig, weil es immer wieder vorkommt, dass zufällige Intensitätsänderungen der Umgebungsstrahlung im Durchlassbereich liegen. Derartige Intensitätsänderungen können beispielsweise durch Abschattungen oder Reflexe von vibrierenden oder sich langsam bewegenden Gegenständen, durch Reflexe des Sonnenlichts an Wasseroberflächen oder durch flackernde oder schwankende Lichtquellen verursacht sein.
  • In der US-A-3,739,365 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem die Anfälligkeit auf Störlicht dadurch verbessert wird, dass zwei Typen von Sensoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit verwendet werden und die Differenz der Ausgangssignale der Sensoren in einem begrenzten niederfrequenten Schwingungsbereich gebildet wird.
  • Die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass die Möglichkeit der Beeinflussung durch andere Strahlungsquellen und damit auch die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen noch immer relativ gross ist, weil nämlich das Auftreten von Störstrahlung im kritischen Frequenzbereich nicht ausgeschlossen werden kann. Aus diesem Grund ist bei modernen Flammenmeldern der kritische Frequenzbereich auf wenige, sehr schmale Frequenzbänder beschränkt. So werden beispielsweise bei einem in der US-A-4,280,058 beschriebenen Flammenmelder nur Emissionen im Wellenlängenbereich von etwa 4,4 µm, das ist der für die Verbrennung von Kohlendioxid typische Spektralbereich, für die Alarmierung ausgewertet, was aber nicht ausschliesst, dass eine gerade in diesem Spektralbereich auftretende Störstrahlung einen Fehlalarm auslösen kann.
  • Durch die Erfindung sollen nun ein Verfahren der eingangs angegebenen Art angegeben werden, welches eine eindeutige und sichere Identifizierung und damit Ausschaltung von Störstrahlung ermöglicht und somit eine hohe Fehlalarmsicherheit aufweist, und welches ausserdem möglichst universell einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Frequenz der Strahlung analysiert und dabei die Mitten- und Grenzfrequenz ermittelt und nach periodischen und nicht-periodischen Signalen unterschieden wird, und dass periodische Signale mit einer Mittenfrequenz oberhalb eines ersten und nicht-periodische Signale mit einer Grenzfrequenz oberhalb eines zweiten Frequenzwerts als Störsignale bewertet werden, wobei der erste Frequenzwert durch die Flackerfrequenz einer stationären Flamme mit einer der zu detektierenden Mindestgrösse entsprechenden Grösse bestimmt ist und der zweite Frequenzwert grösser als der erste gewählt wird.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren geht von der Tatsache aus, dass einerseits jede Flamme Zwei Zustände aufweisen kann, und zwar einen stationären Zustand, der in der Regel dann vorliegt, wenn die Flamme stabil und ungestört brennt (sogenannte periodische Flamme), und einen quasistationären Zustand, in dem die Flamme unstabil brennt (sogenannte nicht-periodische Flamme), und dass andererseits eine periodische Flamme ein Frequenzspektrum mit einer ausgeprägten Frequenzspitze und eine nicht-periodische Flamme ein breitbandiges Spektrum mit einer Maximal- oder Grenzfrequenz aufweist.
  • Für die potentiellen Störstrahler gelten ähnliche Überlegungen: Es gibt Störquellen, wie beispielsweise Schweissapparate oder durch Blätter fallende Sonnenstrahlen, mit einem sehr breiten Fourierspektrum, und es gibt andere Störquellen, wie beispielsweise eine Lampe beim Anzünden oder von einem Ventilator bewegte heisse Luft, mit einer schmalen Frequenzspitze.
  • Die genannten Tatsachen bilden die Basis für die Erkenntnis von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Diese durch experimentelle Untersuchungen erhärtete Erkenntnis besteht darin, dass die Frequenz einer periodischen Flamme etwa ein Drittel bis die Hälfte der Grenzfrequenz einer nicht-periodischen Flamme von der gleichen Grösse beträgt. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird nun sowohl für periodische als auch für nicht-periodische Signale ein Kriterium für die Unterdrückung der Störsignale festgelegt.
  • Die Erfindung betrifft weiter einen Flammenmelder zur Durchführung des genannten Verfahrens, mit mindestens einem Sensor für die von der Flamme ausgesandte Strahlung, und mit einer dem mindestens einen Sensor nachgeschalteten Auswerteelektronik. Der erfindungsgemässe Flammenmelder ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik Mittel zur Analyse der empfangenen Strahlung und von deren Mitten- und Grenzfrequenz und zur Verknüpfung der Sensorsignale mit diesen Frequenzen aufweist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Flammenmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch einen Mikroprozessor gebildet sind, und dass dieser Mikroprozessor einen Fuzzy-Controller enthält.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:
    • Fig. 1
    das Spektrum der Flackerfrequenz einer periodischen und einer nicht-periodischen Flamme,
    Fig. 2
    ein Beispiel für die Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion der Grenzfrequenz des Spektrums von Fig. 1; und
    Fig. 3
    ein Blockschema eines erfindungsgemässen Flammenmelders.
  • Es ist bekannt, dass die Flackerfrequenz einer Flamme in erster Näherung nur vom Flammendurchmesser abhängig ist, wobei diese Beziehung für verschiedenste Brennstoffe, wie beispielsweise alle kohlenstoffwasserhaltigen Flüssigkeiten, Festkörper (PMMA) oder Helium gilt und für Flammendurchmesser von 1cm bis zu 100m experimentell bestätigt ist. Wenn man das Fourierspektrum von Flammen bestimmt, dann erhält man eines von zwei typischen Spektren, entweder ein Spektrum mit einer ausgeprägten, schmalen Spitze oder ein breitbandiges, "verwaschenes" Spektrum ohne Spitze. Diese beiden Arten von Spektren sind in Fig. 1 dargestellt, wobei auf der Abszisse die Frequenz ω und auf der Ordinate die Amplitude F(ω) aufgetragen ist.
  • Das voll ausgezogen eingezeichnete Spektrum mit der ausgeprägten Spitze hat eine Mittenfrequenz ωmp und eine obere Grenzfrequenz ωgp, wobei gilt: ω gp ≈ ω mp
    Figure imgb0001
     Ein Spektrum dieser Art ist typisch für eine ungestört und stabil brennende, sogenannte periodische Flamme, wobei die Mitterfrequenz ωmp bei einem Flammendurchmesser von 10cm unterhalb von 5 Hz liegt und mit zunehmendem Durchmesser langsam abnimmt. Das durch eine gestrichelt eingezeichnete Umhüllende angedeutete breitbandige Spektrum besitzt ebenfalls eine Mittenfrequenz und eine Grenzfrequenz, die mit ωmc beziehungsweise ωgc bezeichnet sind.
  • Ein solches breitbandiges Spektrum ist typisch für eine Flamme in einem unstabilen oder nicht-stationären Zustand; eine derartige Flamme wird im folgenden als nicht-periodisch bezeichnet. Darstellungsgemäss ist die Grenzfrequenz ωgc des breitbandigen Spektrums höher als die Mittenfrequenz ωmp der periodischen Flamme. Es gilt also: ω gc > ω mp
    Figure imgb0002
     Wie Untersuchungen der Fourierspektren einer Vielzahl von Flammen gezeigt haben, gilt für die Grenzfrequenz ωgc ausserdem noch die Beziehung: ω gc < 3ω mp
    Figure imgb0003
     Das Auftreten der Grenzfrequenz ωgc bei einer nicht-periodischen Flamme kann folgendermassen erklärt werden: Wenn eine Flamme ungestört brennt und sich im stationären Zustand befindet, dann sind auch die diese Flamme bildenden Konvektionszellen nach Anzahl und Grösse stationär, und die Flamme weist eine konstante Flackerfrequenz ω₁ auf, wobei gilt ω₁ ≈ ωmp ≈ ωgp. Wenn aber die Flamme äusseren Einflüssen, wie zum Beispiel Wind, ausgesetzt ist, dann können sich die Konvektionszellen teilen oder sie können Aggregate aus mehren Zellen bilden, wobei beiden Vorgängen eine Grenze gesetzt sein wird.
  • Die vorstehenden Überlegungen führen zusammen mit den Formeln 1 bis 3 zum Ergebnis, dass das (breitbandige) Spektrum einer nicht-periodischen Flamme mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Frequenzen enthalten wird, die höher sind als das Dreifache der Flackerfrequenz ωo einer gleich grossen stationären Flamme. Und diese Flackerfrequenz ωo kann für den konkreten Fall berechnet und daher als bekannt vorausgesetzt werden. Die Berechnung erfolgt nach der Formel: ω o ≈ K √g/D
    Figure imgb0004
     In dieser Formel bezeichnet K einen Faktor, g die Erdanziehung und D die Grösse der Flamme ausgedrückt durch den Durchmesser desjenigen schalenförmigen Behälters, in dem eine Flüssigkeit mit einer Flamme der betreffenden Grösse brennt. Man kann K und g zusammenfassen und erhält dann die folgende Beziehung für ωo: ω o ≦ 1.5/√D
    Figure imgb0005
     Aus Formel 5 ergibt sich für einen Schalendurchmesser von 0.1 m für ωo ein Wert von 4.7 Hz. Wenn man die Flackerfrequenz misst, dann kommt man zu tieferen Werten.
  • Zur Einstellung des Melders wird zuerst der minimale Durchmesser des zu detektierenden Feuers oder Brandes bestimmt. Wenn dieser beispielsweise 10 cm betragen soll, dann liegt die Frequenz ωmp ≈ ωgp einer periodischen Flamme unterhalb von 5 Hz und die Grenzfrequenz ωgc der gleich grossen nicht-periodischen Flamme wird sicher nicht oberhalb von 15 Hz liegen. Dann werden zwei Grenzwerte G₁ und G₂ für periodische bzw. für nicht-periodische Störsignale festgelegt; der Grenzwert G₁ für periodische Störsignale vorzugsweise gemäss Formel 2 mit G₁ > ωmp, also bei etwa 5 Hz, und der Grenzwert G₂ für nicht-periodische Störsignale gemäss Formel 3 mit G₂ > 3ωmp beispielsweise bei etwa 15 Hz.
  • Im Betrieb wird das vom Sensor des Melders erzeugte Signal auf seine Periodizität untersucht und einer der beiden Klassen periodisch oder nicht-periodisch zugeteilt und jeweils mit dem betreffenden Grenzwert G₁ bzw. G₂ verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts als Störsignal bewertet. Die Untersuchung des Signals auf Periodizität oder Nicht-Periodizität erfolgt beispielsweise dadurch, dass man die Differenz Grenzfrequenz minus Mittenfrequenz bildet und diese Differenz durch die Grenzfrequenz dividiert. Liegt der Quotient in der Grössenordnung von Einem, dann handelt es sich um ein nicht-periodisches Signal; liegt er deut-lich unter eins, dann handelt es sich um ein periodisches Signal.
  • Die Parametrierung der Sensorsignale erfolgt durch Festlegung der drei Grössen:
       Quadratsignal xi² ( x i   2 = Σx i   2
    Figure imgb0006
    , i: 1...10)
       Mitterfrequenz ωm des Fourierspektrums (ωm = ωmp)
       Grenzfrequenz ωg des Fourierspektrums (ωg = ωgc).
  • Grundsätzlich kann nun eine erste Art der Signalauswertung anhand der folgenden Kriterien erfolgen:
    • Das Quadratsignal muss einen bestimmten Mindestwert übersteigen, damit die Auswertung gestartet wird.
    • Untersuchung der Signale auf die Eigenschaft periodisch/nicht periodisch und entsprechende Klassierung.
    • Unterdrückung aller periodischen Signale mit einer Mittenfrequenz ωm > G₁ (G₁ > ωmp).
    • Unterdrückung aller nicht-periodischen Signale mit einer Grenzfrequenz ωg > G₂ (G₂ > 3ωmp).
  • Diese Art der Signalauswertung würde eine weitgehende Unterdrückung von potentiellen Störsignalen und damit eine hohe Fehlalarmsicherheit garantieren. Man kann die Fehlalarmsicherheit und die Zuverlässigkeit weiter verbessern, wenn man die Signalauswertung mittels einer Fuzzy-Logik vornimmt. Die Grundlagen der Fuzzy-Logik werden als bekannt vorausgesetzt (siehe beispielsweise das Buch "Fuzzy Set Theory and its Applications" von H.-J. Zimmermann, Kluver Academic Publishers, 1991 oder die europäische Patentanmeldung 94113876.0 der Cerberus AG). Es sei hier nur daran erinnert, dass der zentrale Begriff der Fuzzy-Logik die Fuzzy-Sets oder unscharfen Mengen sind, wobei die Zugehörigkeit von Elementen zu einem Fuzzy-Set durch die sogenannte Zugehörigkeits- oder Membershipfunktion definiert ist. Während bei scharfen Mengen eine Eins Zugehörigkeit und eine Null Nichtzugehörigkeit bedeutet, sind bei den Fuzzy-Sets als Werte für die Zugehörigkeitsfunktion nicht nur null und eins, sondern beliebige Werte dazwischen zugelassen.
  • Die Umwandlung von scharfen Zahlen in unscharfe Mengen wird als Fuzzyfizierung bezeichnet. Bei dieser hat jede Eingangsvariable, das ist eines der oben genannten Signale, mindestens eine als Matrix abgebildete sogenannte Zugehörigkeitsfunktion Die x-Skalierung dieser Funktion hat eine Entsprechung im jeweiligen Signal, und die y-Skalierung entspricht dem Wahrheitsgehalt oder dem Grad der Annäherung an die jeweilige Aussage und kann jeden Wert von 0 bis 1 annehmen.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Definition der Zugehörigkeitsfunktion der Grenzfrequenz ωg für einen Flammendurchmesser von 10 cm, basierend auf den höheren, berechneten Grenzwerten. Für das Quadratsignal xi² und die Mittenfrequenz ωm des Fourierspektrums werden ähnliche Zugehörigkeitsfunktionen definiert, und schliesslich werden die Fuzzy-Regeln für die Auswertung dieser drei Grössen aufgestellt. Die Fuzzy-Regeln können beispielsweise folgendermassen lauten:
    • Wenn [ (ω g - ω m )/ω g = gross und ω g = klein oder mittel und x i   2 = gross
      Figure imgb0007
      ], dann Flamme.
    • Wenn [ (ω g - ω m )/ω g = gross und ω g = gross und x i   2 = gross
      Figure imgb0008
      ], dann breitbandiger Störer.
    • Wenn xi² = klein, dann Normalzustand.
    • Wenn [ (ω g - ω m )/ω g = klein und ω g = klein und x i   2 = gross
      Figure imgb0009
      ], dann Feuer.
    • Wenn [ (ω g - ω m )/ω g = klein und ω g = mittel oder gross und x i   2 = gross
      Figure imgb0010
      ], dann periodischer Störer.
  • Die Bestimmung der Frequenzen ωm und ωg kann mit einer schnellen Fouriertransformation (FFT) oder mit einfacheren und/oder schnelleren Verfahren wie beispielsweise Zero Crossing (Bestimmung der Nulldurchgänge) oder Bestimmung des Abstands zwischen den Spitzen oder Wavelet Analyse oder spektrale Analyse (siehe dazu M. Kunt: Traitement Numérique des Signaux, Presses Polytechniques Romandes) erfolgen.
  • Flammenmelder detektieren bekanntlich die Flammenstrahlung möglicher Brandorte, wobei diese Flammenstrahlung, die eine Wärme- und damit eine Infrarotstrahlung ist, durch direkte oder indirekte Einstrahlung zum Melder gelangt. Die Melder enthalten in der Regel zwei pyroelektrische Sensoren, die auf zwei verschiedene Wellenlängen empfindlich sind. Der erste Sensor reagiert auf die infrarotaktiven Flammengase im charakteristischen CO₂-Spektralbereich von 4.1 bis 4.7µm, die beim Abbrand von kohlenstoffhaltigen Materialien entstehen, und der zweite Sensor misst die Infrarotenergie im Wellenlängenbereich von 5 bis 6µm, die von Störquellen, wie beispielsweise Sonnenlicht, künstlichem Licht oder Heizstrahlern, ausgestrahlt wird.
  • Fig. 3 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Flammenmelders, der im wesentlichen aus einem infrarotempfindlichen Sensor 1, einem Verstärker 2 und aus einem einen A/D-Wandler enthaltenden Mikroprozessor oder Mikrocontroller 3 besteht. Dem einen Impedanzwandler aufweisenden Sensor 1 ist ein Filter 4 vorgeschaltet, das nur für Strahlung aus dem genannten charakteristischen CO₂-Spektralbereich, vorzugsweise für eine Wellenlänge von 4.3µm, durchlässig ist. Die auf den Sensor 1 auftreffende Strahlung dieser Wellenlänge, erzeugt am Ausgang des Sensors ein entsprechendes Spannungssignal, das nach Verstärkung im Verstärker 2 in den Mikroprozessor 3 gelangt und dort ausgewertet wird. Dieser Mikroprozessor legt nun die drei Grössen Quadratsignal xi², Mittenfrequenz ωm und Grenzfrequenz ωg fest und wertet diese Grössen aus, wobei die Signalauswertung auf die schon erwähnte erste Art oder mittels einer Fuzzy-Logik erfolgen kann.
  • Im letzteren Fall enthält der Microprozessor (Mikrocontroller) 3 einen Fuzzy-Controller, der in bekannter Weise eine Regelbasis mit den weiter vorne angegebenen Fuzzy-Regeln und eine Inferenzmaschine enthält. Selbstverständlich kann der Flammenmelder auch mehr als einen Sensor, beispielsweise also 2 Sensoren, aufweisen.
  • Der beschriebene Flammenmelder hat den Vorteil, dass die Untersuchung der Periodizität der Flackerfrequenz und die Ermittlung der Mitten- und Grenzfrequenz und deren Vergleich mit den beiden Frequenzwerten G₁ und G₂ ein einfaches Kriterium für die Unterscheidung zwischen Nutzstrahlung und Störstrahlung liefert. Die Signalauswertung mittels Fuzzy-Logik bietet den zusätzlichen Vorteil, dass relativ einfache Algorithmen verwendet werden können, wodurch der Rechen- und Speicheraufwand in einem bescheidenen Rahmen bleibt.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Detektion einer Flamme durch Analyse der Intensitätsänderung der von der Flamme ausgesandten Strahlung, wobei ausserhalb eines bestimmten Frequenzbandes liegende Signale als Störsignale bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Strahlung analysiert und dabei die Mitten- und Grenzfrequenz (ωmp, ωmc; ωgp, ωgc) ermittelt und nach periodischen und nicht-periodischen Signalen unterschieden wird, und dass periodische Signale mit einer Mittenfrequenz (ωmp) oberhalb eines ersten (G₁) und nicht-periodische Signale mit einer Grenzfrequenz (ωgc) oberhalb eines zweiten Frequenzwerts (G₂) als Störsignale bewertet werden, wobei der erste Frequenzwert durch die Flackerfrequenz einer stationären Flamme mit einer der zu detektierenden Flammen-Mindestgrösse entsprechenden Grösse bestimmt ist und der zweite Frequenzwert grösser als der erste gewählt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des ersten Frequenzwerts (G₁) die Flackerfrequenz einer stationären Flamme der genannten Mindestgrösse berechnet, und dass der erste Grenzwert grösser gewählt wird als diese Flackerfrequenz.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzwert (G₂) nicht kleiner als der dreifache Wert der genannten Flackerfrequenz und damit etwa dreimal so gross wie der erste Frequenzwert (G₁) gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterscheidung nach periodischen und nicht-periodischen Signalen der Quotient aus der Differenz der Grenzfrequenz minus der Mittenfrequenz (ωg - ωm) geteilt durch die Grenzfrequenz (ωg) gebildet, und dass die Grösse dieses Quotienten als Kriterium für die Periodizität oder Nicht-Periodizität der Signale verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse der Frequenz der Strahlung durch eine schnelle Fouriertransformation, durch Ermittlung der Nulldurchgänge oder durch spektrale Analyse erfolgt.
  6. Flammenmelder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Sensor (1) für die von der Flamme ausgesandte Strahlung, und mit einer dem mindestens einen Sensor nachgeschalteten Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik Mittel zur Analyse der empfangenen Strahlung und von deren Mitten- und Grenzfrequenz (ωmp, ωmc; ωgp, ωgc) und zur Verknüpfung der Sensorsignale mit diesen Frequenzen aufweist.
  7. Flammenmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch einen Mikroprozessor (3) gebildet sind, und dass dieser Mikroprozessor einen Fuzzy-Controller enthält.
  8. Flammenmelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuzzy-Controller eine oder mehrere der folgenden Fuzzy-Regeln enthält:
    • Wenn Sensorsignal klein, dann Normalzustand.
    • Wenn [Signal nicht periodisch und Grenzfrequenz (ωgc) gross und Sensorsignal gross], dann Flamme.
    • Wenn [Signal nicht periodisch und Grenzfrequenz (ωgc) gross und Sensorsignal gross], dann breitbandiger Störer.
    • Wenn [Signal periodisch und Grenzfrequenz (ωgp) klein und Sensorsignal gross], dann Feuer.
    • Wenn [Signal periodisch und Grenzfrequenz (ωgp) mittel oder periodisch und Sensorsignal gross], dann periodischer Störer.
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