EP0813178A1

EP0813178A1 - Optical smoke detector

Info

Publication number: EP0813178A1
Application number: EP96109449A
Authority: EP
Inventors: Kurt Albert Dr. Müller
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1996-06-13
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 1997-12-17

Abstract

The smoke alarm (1) is arranged in a housing (2). It has two light sources (3,4) and two light detectors (5,6). The alarm also has two measurement paths open to the surrounding air and two reference measurement paths not open to the ambient air. A mirror (7,8) for each of the light sources (3,4) is arranged in the optical smoke alarm (1). The mirrors (7,8) are identical, and each has two or more mirror facets. At these facets light transmitted from the light sources (3,4) is divided into two beams. The two beams are directed to a respective one of the two light detectors (5,6). The mirror facets are preferably flat and formed in strips and arranged at an angle to the light sources and light detectors such that light incident on the mirrors (7,8) is directed to the two light detectors by reflection from different mirror facets.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip mit zwei Lichtquellen, zwei Lichtempfängern sowie Mess- und Referenzstrecken, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Der optische Rauchmelder verfügt insbesondere über eine erhöhte Stabilität gegenüber thermischen, mechanischen und anderen Veränderungen der Bauteile des Rauchmelders.The invention relates to an optical smoke detector based on the extinction principle with two light sources, two light receivers and measuring and reference sections, which are accommodated in a single housing. In particular, the optical smoke detector has an increased stability against thermal, mechanical and other changes in the components of the smoke detector.

In der Rauchdetektion sind verschiedene optische Messverfahren bekannt wie beispielsweise das Streulicht- und Extinktionsmessverfahren. Beim Streulichtmessverfahren wird das von Rauchpartikeln gestreute Licht gemessen und das resultierende elektrische Signal ausgewertet. Beim Extinktionsmessverfahren wird ein Lichtstrahl durch eine dem Rauch zugänglichen Luftstrecke gesandt und von einem Lichtempfänger empfangen. Die Transmission oder die Absorption pro Längeneinheit der Luftstrecke wird sodann berechnet, indem eine Verminderung des empfangenen Lichtsignals mit der Transmission bzw. Absorption derselben Luftstrecke zu einem gegebenen Referenzzeitpunkt oder einer Referenzluftstrecke, die dem Rauch nicht zugänglich ist, verglichen wird.Various optical measurement methods are known in smoke detection, such as the scattered light and extinction measurement method. With the scattered light measurement method, the light scattered by smoke particles is measured and the resulting electrical signal is evaluated. In the extinction measurement method, a light beam is sent through an air gap accessible to the smoke and received by a light receiver. The transmission or absorption per unit length of the air distance is then calculated by comparing a reduction in the received light signal with the transmission or absorption of the same air distance at a given reference time or a reference air distance that is not accessible to the smoke.

Jeder Brand verursacht Rauchpartikel mit jeweils ihnen typischen optischen Eigenschaften. Man unterscheidet zum Beispiel zwischen hellfarbigen Rauchpartikeln, wie sie beispielsweise bei Schwelbränden vorkommen, und dunkelfarbigen Rauchpartikeln, wie sie von offenen Bränden verursacht werden. Es ist ein Ziel der optischen Rauchdetektion, ein Messverfahren zu realisieren, das auf die verschiedenen Rauchpartikel gleichmässig empfindlich ist, und mit dem verschiedene Brände gleich schnell detektiert werden. Das Extinktionsmessverfahren ist diesbezüglich sehr wirksam, da zur Extinktion sowohl eine Lichtstreuung an den Rauchpartikeln als auch eine Absorption durch die Partikel beiträgt. Das Licht wird einerseits von hellfarbigen Partikeln gestreut, andererseits von dunkelfarbigen Partikel, absorbiert. Im Vergleich zum Streulichtmessverfahren besitzt das Extinktionsmessverfahren eine gleichmässigere Empfindlichkeit auf verschiedene Rauchpartikel.Every fire creates smoke particles with their typical optical properties. A distinction is made, for example, between light-colored smoke particles, such as those found in smoldering fires, and dark-colored smoke particles, such as those caused by open fires. One of the goals of optical smoke detection is to implement a measuring method that is equally sensitive to the different smoke particles and that can be used to detect different fires at the same time. The extinction measurement method is very effective in this regard, since both a light scattering on the smoke particles and an absorption by the particles contribute to the extinction. The light is scattered on the one hand by light-colored particles, on the other hand by dark-colored particles. In comparison to the scattered light measurement method, the extinction measurement method has a more uniform sensitivity to different smoke particles.

Heute werden Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip hauptsächlich zur Überwachung von langen Messstrecken wie zum Beispiel in Tunnels oder Lagerhallen eingesetzt. Neuere Rauchmelder dieser Art bestehen aus zwei Teilen einem ersten, der eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger und einem zweiten, der einen Rückreflektor enthält. Es wird dabei nur über eine Messstrecke gemessen wobei der Messwert mit dem Messwert zu einem früheren Referenzzeitpunkt verglichen wird. Der Lichtempfänger gibt ein elektrisches Signal ab, das nach einer Signalverarbeitung durch eine elektrische Schaltung mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird. Bei Überschreitung des Schwellwerts wird von der Schaltung ein Alarmsignal abgegeben. Ein typischer Schwellwert ist 4%/m Extinktion oder 96%/m der Referenztransmission, also der Transmission zum Referenzzeitpunkt.Today, smoke detectors based on the extinction principle are mainly used to monitor long measuring distances, such as in tunnels or warehouses. Newer smoke detectors of this type consist of two parts: a first, which contains a light source and a light receiver, and a second, which contains a back reflector. In this case, measurement is only carried out over a measuring section, the measured value being compared with the measured value at an earlier reference time. The light receiver emits an electrical signal that after a signal processing by an electrical circuit with a predetermined threshold value is compared. If the threshold is exceeded, the circuit issues an alarm signal. A typical threshold value is 4% / m extinction or 96% / m of the reference transmission, i.e. the transmission at the reference time.

Es ist schon oft vorgeschlagen worden, das Extinktionsmessverfahren auch bei Rauchmeldern, die in einem einzigen Gehäuse, anstelle von zwei Gehäusen, untergebracht sind, sogenannten Punktmeldern, anzuwenden. Hier wird die Extinktion der Luft über eine kurze Messstrecke, anstelle einer langen, bestimmt und ausgewertet. Bei einer kurzen Messstrecke, beispielsweise von 10 cm oder weniger, ist der Messbereich kleiner und die erforderliche Empfindlichkeit der Transmissionsmessung entsprechend höher. Beträgt die Messstrecke 10 cm, liegt die Alarmschwelle von 4%/m bei einer Transmission von 99.6% der Referenztransmission. Sollen Transmissionswerte unter der Alarmschwelle aufgelöst werden, müssen Werte von beispielsweise 99.96% Transmission erkennbar sein. Dies erfordert seitens der Elektronik, Optoelektronik und Mechanik eine hohe Stabilität. Signaländerungen, zum Beispiel auf Grund von Veränderungen der ausgesandten Lichtintensität und Empfängerempfindlichkeit, von Verschiebungen der mechanischen Justierung der Bauteile der Messanordnung oder Veränderungen der Parameter der Elektronikbauteile können sonst zu Änderungen der Messgrösse führen, die nicht durch Rauch verursacht wurden und durch die unerwünschte Fehlalarme ausgelöst werden.It has often been proposed to use the extinction measurement method also for smoke detectors, which are housed in a single housing instead of two housings, so-called point detectors. Here the extinction of the air is determined and evaluated over a short measuring distance instead of a long one. With a short measuring distance, for example of 10 cm or less, the measuring range is smaller and the required sensitivity of the transmission measurement is correspondingly higher. If the measuring distance is 10 cm, the alarm threshold is 4% / m with a transmission of 99.6% of the reference transmission. If transmission values below the alarm threshold are to be resolved, values of, for example, 99.96% transmission must be recognizable. This requires a high level of stability on the part of electronics, optoelectronics and mechanics. Signal changes, for example due to changes in the emitted light intensity and receiver sensitivity, shifts in the mechanical adjustment of the components of the measuring arrangement or changes in the parameters of the electronic components, can otherwise lead to changes in the measurement variable that were not caused by smoke and that trigger unwanted false alarms .

Eine erste Massnahme, welche die Stabilität eines optischen Transmissionsmesssystems erhöht, ist die Referenzmessung der abgegebenen Lichtintensität der Lichtquelle durch einen zweiten Lichtempfänger, durch die Veränderungen der Lichtintensität festgestellt werden. Eine zweite Massnahme ist eine Transmissionsmessung durch eine zweite Lichtquelle, wodurch bei der Berechnung der Messgrösse die Empfindlichkeit der beiden Lichtempfänger entfällt. Diese beiden Massnahmen sind beispielsweise durch eine sogenannte optische Brücke realisiert, die im wesentlichen aus zwei Lichtquellen und zwei Lichtempfängern besteht, wobei das Licht beider Lichtquellen jeweils auf beide Lichtempfänger gelenkt wird. Solche optische Brücken sind zum Beispiel in US 4,017,193 und CH 643 061 beschrieben.A first measure which increases the stability of an optical transmission measurement system is the reference measurement of the emitted light intensity of the light source by a second light receiver, by means of which changes in the light intensity are determined. A second measure is a transmission measurement by a second light source, which eliminates the sensitivity of the two light receivers when calculating the measurement variable. These two measures are implemented, for example, by a so-called optical bridge, which essentially consists of two light sources and two light receivers, the light from both light sources being directed to both light receivers. Such optical bridges are described for example in US 4,017,193 and CH 643 061.

In US 4,017,193 ist ein Gerät zur Messung der optischen Transmission von Luftstrecken beschrieben, das zwei Lichtquellen, zwei Lichtempfänger und vier Luftstrecken unterschiedlicher Länge aufweist. Diese bilden eine optische Brücke, indem Licht von jeder Lichtquelle jeweils auf beide Lichtempfänger gelangt und die empfangenen Lichtsignale nach ihrer Herkunft unterschieden werden. Es werden also vier Messwerte erzeugt, die so miteinander dividiert werden, dass die Intensitäten der Lichtquellen und die Empfindlichkeiten der Lichtempfänger aus der Gleichung entfallen. Die Transmission pro Längeneinheit wird sodann aus der resultierenden Quotientengleichung berechnet. Hierbei wird jedoch angenommen, dass das ausgesandte Licht der beiden Lichtquellen bei jeder Messung gleichmässig verteilt über die Luftstrecken auf die Lichtempfänger gelangt. Die Verteilung der Lichtintensitäten auf die Luftstrecken und Lichtempfänger verbleibt in der Quotientengleichung als Faktor bestehen. Im Idealfall bleibt diese Verteilung als Funktion der Zeit und anderer Betriebsfaktoren, wie Umgebungstemperatur und mechanische Ausrichtung der Komponenten, konstant. In der Praxis können sich jedoch diese Verteilung durch Verschmutzung des Gerätes, Temperaturschwankungen und insbesondere Veränderungen der Abstrahlcharakteristik der Lichtquellen so stark ändern, dass eine Transmissionsveränderung der Luft vorgetäuscht wird. Eine Extinktionsmessung mit einem Messgerät dieser Art ist nur dann zuverlässig, wenn die Veränderungen dieser Teilungsfaktoren kleiner als die Messempfindlichkeit sind. Dies ist der Fall, wenn die Messstrecken genügend lang sind und/oder die Messempfindlichkeit genügend klein ist, oder die Messung in einer kontrollierten, stabilen Umgebung durchgeführt wird. Diese Bedingungen sind in der Praxis der Rauchdetektion in der Regel nicht erfüllt, sodass sich dieses Gerät für einen Rauchmelder nicht eignet.No. 4,017,193 describes a device for measuring the optical transmission of air gaps, which has two light sources, two light receivers and four air gaps of different lengths. These form an optical bridge in that light from each light source reaches both light receivers and the received light signals are differentiated according to their origin. Four measured values are thus generated which are divided with one another in such a way that the intensities of the light sources and the sensitivities of the light receivers are eliminated from the equation. The transmission per unit length is then calculated from the resulting quotient equation. Here, however It is assumed that the light emitted by the two light sources reaches the light receiver evenly distributed over the air gaps during each measurement. The distribution of light intensities over the air distances and light receivers remains in the quotient equation as a factor. Ideally, this distribution remains constant as a function of time and other operating factors such as ambient temperature and mechanical alignment of the components. In practice, however, this distribution can change so much due to contamination of the device, temperature fluctuations and, in particular, changes in the radiation characteristics of the light sources that a change in the transmission of the air is simulated. An absorbance measurement with a measuring device of this type is only reliable if the changes in these division factors are smaller than the measuring sensitivity. This is the case if the measuring distances are long enough and / or the measuring sensitivity is sufficiently low, or if the measurement is carried out in a controlled, stable environment. These conditions are usually not met in smoke detection practice, making this device unsuitable for a smoke detector.

In der CH 643 061 ist ein ähnliches Messgerät beschrieben, das mit Hilfe einer optischen Brücke die Durchlässigkeit von Objekten in der Messstrecke oder die Transmission der Luft bestimmt. Die Strahlführung von den Lichtquellen zu den Empfängern wird über verschiedene konventionelle, dem Fachmann bekannte, optische Elemente bewerkstelligt. Das Strahlteilverhältnis, das Verhältnis zwischen den Intensitäten der beiden resultierenden Strahlen, geht auch hier als Faktor in die Berechnung der Messgrösse ein. Die Beeinflussung der Messgrösse durch Änderungen des Strahlteilverhältnisses und deren Kontrolle wird jedoch nicht näher diskutiert. Das offenbarte Messgerät eignet sich für Messungen, bei denen die Umgebung relativ konstant bleibt, die einzelnen Bauteile des Geräts keinen mechanischen und thermischen Veränderungen ausgesetzt sind, die Abstrahlcharakteristik der Lichtquellen sich infolge dieser nicht ändert oder die gewünschte Empfindlichkeit so gewählt ist, dass Veränderungen des Strahlteilverhältnisses die Messgrösse nicht beeinträchtigen. Als Rauchmelder andererseits, der in einem grossen Temperaturbereich eingesetzt und von dem eine hohe Empfindlichkeit verlangt wird, eignet sich dieses Gerät jedoch kaum. Insbesondere kann das Strahlteilverhältnis für die gewünschte Messempfindlichkeit nicht genügend konstant gehalten werden.CH 643 061 describes a similar measuring device that uses an optical bridge to determine the permeability of objects in the measuring section or the transmission of air. The beam guidance from the light sources to the receivers is accomplished via various conventional optical elements known to those skilled in the art. The beam split ratio, the ratio between the intensities of the two resulting beams, is also included as a factor in the calculation of the measurement variable. The influence of the measured variable by changes in the beam part ratio and their control is not discussed in more detail, however. The disclosed measuring device is suitable for measurements in which the environment remains relatively constant, the individual components of the device are not exposed to mechanical and thermal changes, the radiation characteristic of the light sources does not change as a result of this, or the desired sensitivity is selected such that changes in the beam part ratio do not affect the measurand. On the other hand, this device is hardly suitable as a smoke detector that is used in a wide temperature range and from which high sensitivity is required. In particular, the beam part ratio cannot be kept sufficiently constant for the desired measurement sensitivity.

Der folgenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, einen optischen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip zu schaffen, der zwei Lichtquellen aufweist, deren Licht je in zwei Strahlen geteilt wird und über Mess- und Referenzstrecken auf zwei Lichtempfänger gelangt, und der in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist. Insbesondere soll die Teilung des von den Lichtquellen ausgesandten Lichts in zwei Strahlen bei thermischen, mechanischen und anderen Veränderungen der Bauteile des Rauchmelders stabil gehalten werden.The following invention has for its object to provide an optical smoke detector based on the extinction principle, which has two light sources, the light of which is divided into two beams and reaches measuring points and reference sections on two light receivers, and which is housed in a single housing. In particular, the division of the light emitted by the light sources into two beams should be kept stable in the event of thermal, mechanical and other changes in the components of the smoke detector.

Die Aufgabe wird durch einen Rauchmelder gelöst, der in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist und zwei Lichtquellen, zwei Lichtempfänger, zwei der Umgebungsluft zugängliche Messstrecken und zwei der Umgebungsluft unzugängliche Referenzmessstrecken sowie zwei identische, den beiden Lichtquellen zugehörige Spiegel mit je zwei oder mehr Spiegelfacetten aufweist, durch die das von den Lichtquellen ausgesandte Licht in zwei Strahlen geteilt wird, die je aufeinen der beiden Lichtempfänger gelenkt werden.The object is achieved by a smoke detector which is accommodated in a single housing and has two light sources, two light receivers, two measurement sections accessible to the ambient air and two reference measurement sections inaccessible to the ambient air, and two identical mirrors associated with the two light sources, each with two or more mirror facets, by which the light emitted by the light sources is divided into two beams, each of which is directed onto one of the two light receivers.

Die zwei oder mehr Spiegelfacetten jedes Spiegels sind abwechselnd zum ersten und zweiten Lichtempfänger geneigt, sodass das von den Lichtquellen einfallende Licht von den einen Facetten auf den ersten Lichtempfänger und von den anderen Facetten auf den zweiten Lichtempfänger gelenkt wird. Durch diese Anordnung der Spiegelfacetten wird zum einen der einfallende Strahl geteilt und auf die Lichtempfänger fokussiert; zum anderen wird das Intensitätsverhältnis der resultierenden Strahlen, das Strahlteilverhältnis, bei Veränderungen wie zum Beispiel der Abstrahlcharakteristik der Lichtquellen aufgrund von Temperaturschwankungen oder Veränderungen der Mechanik der Montage der Komponenten, stabil gehalten. Neigt sich beispielsweise der einfallende Strahl in eine Richtung, werden Teile des einfallenden Strahls, die zuvor auf den ersten Lichtempfänger gelenkt wurden auf den zweiten Lichtempfänger gelenkt. Andere Teile des Strahls, die vor der Neigung des Strahls auf den zweiten Lichtempfänger gelenkt wurden, werden nun auf den ersten Empfänger gelenkt. Obwohl durch die Neigung des Strahls eine Veränderung der Intensitätsverteilung auf dem Spiegel verursacht wird, verändert sich das Strahlteilverhältnis nicht oder im Vergleich zur Messempfindlichkeit nur geringfügig.The two or more mirror facets of each mirror are alternately inclined to the first and second light receivers, so that the light incident from the light sources is directed from one facet to the first light receiver and from the other facets to the second light receiver. This arrangement of the mirror facets divides the incident beam and focuses it on the light receivers; on the other hand, the intensity ratio of the resulting beams, the beam part ratio, is kept stable in the case of changes such as the radiation characteristics of the light sources due to temperature fluctuations or changes in the mechanics of the assembly of the components. For example, if the incident beam tilts in one direction, parts of the incident beam that were previously directed onto the first light receiver are directed onto the second light receiver. Other parts of the beam that were directed onto the second light receiver prior to the inclination of the beam are now directed onto the first receiver. Although the inclination of the beam causes a change in the intensity distribution on the mirror, the beam part ratio does not change or changes only slightly compared to the measurement sensitivity.

In einer ersten Ausführung der Erfindung sind die einzelnen der zwei oder mehr Facetten jedes der beiden Spiegel plan und jeweils abwechslungsweise zum ersten und zweiten Lichtempfänger geneigt. Ihre Neigung ist jeweils so gewählt, dass das einfallende Licht mit einem Ausfallwinkel gleich dem Einfallswinkel reflektiert und auf die Lichtempfänger gelenkt wird. Im Fall von mehreren Facetten, d.h. mehr als zwei, besitzt jede Facette ihren bezüglich der Lichtquellen und der Lichtempfänger spezifischen Neigungswinkel, sodass das auf sie einfallende Licht auf einen der Lichtempfänger fällt. Die spezifischen Neigungswinkel bewirken eine Fokussierung des Strahls auf die Lichtempfänger. Die mehreren Facetten bilden somit als Gesamtheit eine Art zylindrischen Hohlspiegel, der durch Planflächen approximiert ist und zugleich den einfallenden Strahl in zwei Richtungen teilt.In a first embodiment of the invention, the individual ones of the two or more facets of each of the two mirrors are flat and in each case alternately inclined towards the first and second light receivers. Their inclination is chosen in such a way that the incident light is reflected with a drop angle equal to the angle of incidence and is directed onto the light receiver. In the case of multiple facets, i.e. more than two, each facet has its specific angle of inclination with regard to the light sources and the light receivers, so that the light incident on them falls on one of the light receivers. The specific angles of inclination focus the beam on the light receiver. The multiple facets as a whole thus form a kind of cylindrical concave mirror, which is approximated by plane surfaces and at the same time divides the incident beam in two directions.

In einer zweiten Ausführung bestehen die einzelnen Facetten der beiden identischen Spiegel je aus Teilen zweier hohle Ellipsoide, wobei diese aus Teilen der Ellipsoide streifenförmig ausgebildet sind. Die streifenförmigen Teile der beiden Ellipsoide sind jeweils abwechslungsweise aneinandergefügt. Das einfallende Licht wird wie in der ersten Ausführung durch die Anordnung der Facetten geteilt und die resultierenden Strahlen je auf einen der Lichtempfänger fokussiert. Die Fokussierung erfolgt in dieser Ausführung in zwei Ebenen und nicht nur in einer wie im Fall des zylindrischen Hohlspiegels der ersten Ausführung. Jene Facetten, welche den Strahl der einen Lichtquelle auf den ersten Lichtempfänger fokussieren, bestehen aus Teilen eines Ellipsoids, dessen Brennpunkte jeweils am Lichtemissionspunkt dieser Lichtquelle und auf dem ersten Lichtempfänger liegt. Entsprechend bestehen jene Facetten, welche den Strahl derselben Lichtquelle auf den zweiten Lichtempfänger fokussieren, aus Teilen eines Ellipsoids, dessen Brennpunkte jeweils am Lichtemissionspunkt dieser Lichtquelle und auf dem zweiten Lichtempfänger liegt.In a second embodiment, the individual facets of the two identical mirrors each consist of parts of two hollow ellipsoids, these being formed in strips from parts of the ellipsoids. The strip-shaped parts of the two ellipsoids are alternately joined together. As in the first embodiment, the incident light is divided by the arrangement of the facets and the resulting rays each on one of the Focused light receiver. The focus in this version is in two planes and not only in one as in the case of the cylindrical concave mirror of the first version. Those facets that focus the beam from one light source onto the first light receiver consist of parts of an ellipsoid, the focal points of which lie at the light emission point of this light source and on the first light receiver. Correspondingly, those facets which focus the beam of the same light source onto the second light receiver consist of parts of an ellipsoid, the focal points of which lie at the light emission point of this light source and on the second light receiver.

Eine dritte Ausführung des Rauchmelders weist zwei identische Facettenspiegel auf, deren einzelne Facetten aus Teilen zweier Ellipsoide bestehen und zusammen mit planen Flächen würfelförmig aneinandergefügt sind. Die Ellipsoidteile bestehen aus viereckigen Ausschnitten der beiden Ellipsoide. Die Anzahl Facetten pro Spiegel ist in dieser Ausführung um eine Mehrfaches grösser als in der zweiten Ausführung. Dies hat die Wirkung, dass das Strahlteilverhältnis gegenüber Veränderungen der Intensitätsverteilung auf der Spiegelebene stabiler bleibt. Je grösser die Anzahl Facetten, je besser die Stabilität des Strahlteilverhältnisses.A third version of the smoke detector has two identical facet mirrors, the individual facets of which consist of parts of two ellipsoids and which are joined together in a cube shape together with flat surfaces. The ellipsoid parts consist of square sections of the two ellipsoids. The number of facets per mirror in this version is several times larger than in the second version. This has the effect that the beam part ratio remains more stable compared to changes in the intensity distribution at the mirror level. The greater the number of facets, the better the stability of the beam part ratio.

In diesen ersten drei Ausführungen sind die Lichtempfänger, Lichtquellen, Facettenspiegel sowie Referenzmessstrecken von der Umgebungsluft durch Fenster abgesondert. Eine weitere Ausführung des Rauchmelders weist vor den Lichtempfängern anstelle von Fenstern je eine Streuscheibe auf die das von den Facettenspiegeln reflektierte Licht vor dem Auftreffen auf die Lichtempfänger streuen. Die Streuscheiben haben die Funktion, die Auswirkung von Veränderungen in der Abstrahlcharakteristik der Lichtquellen auf das Strahlteilverhältnis weiter zu vermindern. Von der gesamten Lichtintensität, die auf eine Streuscheibe fällt, fällt durch die Streuung nur ein Bruchteil auf den dahinter liegenden Lichtempfänger. Verändert sich die Intensitätsverteilung des Lichts in der Ebene der Streuscheibe, ändert sich das vom Lichtempfänger empfangene Lichtsignal durch die Streuung im Vergleich zur Anordnung mit transparentem Fenster vom Lichtempfänger in kleinerem Mass. Nur die gesamte Lichtenergie, die auf die Streuscheibe fällt, und nicht die Intensitätsverteilung auf der Scheibe, ist für die Messung ausschlaggebend. Schwankungen der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle und der resultierenden Intensitätsverteilung verursachen dank der Streuscheibe verringerte Signalveränderungen. Fehlalarme aufgrund von Signaländerungen, die nicht auf Rauch zurückzuführen sind, werden somit vermieden.In these first three versions, the light receivers, light sources, facet mirrors and reference measurement sections are separated from the ambient air by windows. Another version of the smoke detector has a diffuser in front of the light receivers instead of windows on which the light reflected by the facet mirrors scatter before it hits the light receivers. The spreading discs have the function of further reducing the effect of changes in the emission characteristics of the light sources on the beam split ratio. Due to the scatter, only a fraction of the total light intensity that falls on a diffusing screen falls on the light receiver located behind it. If the intensity distribution of the light changes in the plane of the lens, the light signal received by the light receiver changes due to the scatter compared to the arrangement with a transparent window by the light receiver. Only the total light energy that falls on the lens and not the intensity distribution on the lens is decisive for the measurement. Fluctuations in the radiation characteristics of the light source and the resulting intensity distribution cause reduced signal changes thanks to the diffuser. False alarms due to signal changes that cannot be attributed to smoke are thus avoided.

Anhand der folgenden Figuren ist der Rauchmelder näher erläutert.The smoke detector is explained in more detail using the following figures.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht des Rauchmelders im Innern des Gehäuses.Figure 1 shows a top view of the smoke detector inside the housing.

Figur 2 zeigt einen der beiden Facettenspiegel in einer ersten Ausführung mit planen Facettenflächen.Figure 2 shows one of the two facet mirrors in a first embodiment with flat facet surfaces.

Figur 3 zeigt einen der beiden Facettenspiegel in einer zweiten Ausführung mit Facettenflächen in der Form von Teilen eines Ellipsoids.FIG. 3 shows one of the two facet mirrors in a second embodiment with facet surfaces in the form of parts of an ellipsoid.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung der Facettenspiegel mit einer grösseren Anzahl Facetten zwecks erhöhter Stabilisierung des Strahlteilverhältnisses.FIG. 4 shows a further embodiment of the facet mirrors with a larger number of facets for the purpose of increased stabilization of the beam part ratio.

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Rauchmelders 1 mit geöffnetem Gehäuse 2. Der Rauchmelder 1 weist zwei Lichtquellen 3, 4, zwei Lichtempfänger 5, 6, zwei Facettenspiegel 7, 8, Blenden 9 und transparente Fenster 10-17 auf. Die Lichtquellen 3, 4 bestehen beispielsweise aus Leucht- oder Laserdioden, die Lichtempfänger aus Siliziumphotodioden. Die Lichtquellen 3, 4 werden jeweils so angesteuert, dass die auf die Lichtempfänger 5, 6 auffallende Strahlung nach ihrer Herkunft unterschieden werden kann. Dies geschieht beispielsweise durch verschiedene Modulationsfrequenzen oder verschiedene Phasen und einer entsprechenden, dem Fachmann bekannten Elektronik, durch welche die einzelnen Signale unterschieden werden. Die Lichtquellen 3, 4, Lichtempfänger 5, 6 und Blenden 9 sind so angeordnet, dass die Divergenz der ausgesandten Strahlen begrenzt ist und keine Strahlung direkt auf die Lichtempfänger gelangt. Die Lufträume zwischen den Fenstern 10 und 11 sowie zwischen den Fenstern 14 und 15 sind der Umgebungsluft unzugänglich und dienen als Referenzmessstrecken. Die Lufträume, die durch die Lichtquellen 3, 4, die Spiegel 7, 8 und Fenster 10, 13, 14 und 17 begrenzt sind, sind ebenfalls von der Umgebungsluft abgesondert. Hingegen sind die Lufträume zwischen den Fenstern 12 und 13 sowie zwischen den Fenstern 16 und 17 durch Öffnungen im Gehäuse der Umgebungsluft zugänglich und dienen als Messstrecken. Das von den Lichtquellen 3, 4 ausgesandte Licht fällt auf die Spiegel 7, 8 und wird an ihnen in jeweils zwei Strahlen geteilt. Nach Durchlaufen der Fenster und Mess- bzw. Referenzstrecken fallen sie auf die Lichtempfänger 5 bzw. 6, welche die empfangene Lichtenergie in elektrische Signale umwandeln. Die von den Lichtquellen 3, 4 ausgesandte und von den Lichtempfängern 5, 6 empfangene Lichtenergie LE (5)₃ und LE (5)₄ bzw. LE (6)₃ und LE (6)₄ kann durch folgende Gleichungen dargestellt werden: $\begin{matrix} \begin{matrix} {LE (5)}_{3} {= I}_{3} {·S}_{7} {·F·T·F·D}_{5} \\ {LE (5)}_{4} {= I}_{4} {·S}_{8} {·F·F·D}_{5} \\ {LE (6)}_{3} {= I}_{3} {·S}_{7} {'·F·F·D}_{6} \\ {LE (6)}_{4} {= I}_{4} {·S}_{8} {'·F·T·F·D}_{6}, \end{matrix} \end{matrix}$

wobei I₃ und I₄ die ausgesandte Lichtenergie der Lichtquelle 3 bzw. 4,
S₇, S₇', S₈ und S₈' den Anteil der auf die Spiegel auffallenden Lichtenergie, der von dem betreffenden Spiegel in eine der beiden Richtungen gelenkt wird,
F und T die Transmission der Fenster 10-17 bzw. der Messstrecken und
D₅ und D₆ die Empfindlichkeiten der Lichtempfänger 5 bzw. 6 darstellen.

FIG. 1 shows a preferred embodiment of the smoke detector 1 with the housing 2 open. The smoke detector 1 has two

light sources

3, 4, two

light receivers

5, 6, two facet mirrors 7, 8, diaphragms 9 and transparent windows 10-17. The

light sources

3, 4 consist, for example, of light-emitting or laser diodes, and the light receivers of silicon photodiodes. The

light sources

3, 4 are each controlled so that the radiation incident on the

light receivers

5, 6 can be distinguished according to their origin. This is done, for example, by means of different modulation frequencies or different phases and corresponding electronics known to the person skilled in the art, by means of which the individual signals are distinguished. The

light sources

3, 4,

light receivers

5, 6 and diaphragms 9 are arranged in such a way that the divergence of the emitted rays is limited and no radiation reaches the light receivers directly. The air spaces between windows 10 and 11 and between

windows

14 and 15 are inaccessible to the ambient air and serve as reference measuring sections. The air spaces which are delimited by the

light sources

3, 4, the

mirrors

7, 8 and

windows

10, 13, 14 and 17 are also separated from the ambient air. On the other hand, the air spaces between

windows

12 and 13 and between

windows

16 and 17 are accessible to the ambient air through openings in the housing and serve as measuring sections. The light emitted by the

light sources

3, 4 falls on the

mirrors

7, 8 and is divided into two beams at each of them. After passing through the windows and measuring or reference paths, they fall onto the

light receivers

5 and 6, which convert the light energy received into electrical signals. The light emitted from the

light sources

3, 4 and received by the

light receivers

5, 6 light energy LE (5) ₃ and LE (5) ₄ or LE (6) ₃ and LE (6) ₄ can be represented by the following equations:

\begin{matrix} \begin{matrix} {LE (5)}_{3rd} {= I}_{3rd} {·S}_{7} {· F · T · F ·D}_{5} \\ {LE (5)}_{4th} {= I}_{4th} {· S}_{8th} {· F · F ·D}_{5} \\ {LE (6)}_{3rd} {= I}_{3rd} {· S}_{7} {'· F · F ·D}_{6} \\ {LE (6)}_{4th} {= I}_{4th} {· S}_{8th} {'· F · T · F ·D}_{6}, \end{matrix} \end{matrix}

where I ₃ and I _{4 are} the emitted light energy from light sources 3 and 4,
S ₇ , S ₇ ', S ₈ and S ₈ ' is the proportion of the light energy incident on the mirrors which is directed in one of the two directions by the mirror in question,
F and T the transmission of the windows 10-17 or the measuring sections and
D ₅ and D _{6 represent} the sensitivities of the light receivers 5 and 6, respectively.

Die Transmission T der Messstrecken wird sodann nach der Gleichung $T = \sqrt{\frac{S_{7} · S_{8} · Q}{(S_{7} ^{'})·(S_{8} ^{'})}}$

berechnet, wobei

Q = \frac{LE {(5)}_{3} · LE {(6)}_{4}}{LE {(6)}_{3} · LE {(5)}_{4}}

The transmission T of the measuring sections is then based on the equation

T = \sqrt{\frac{S_{7} · S_{8th} · Q}{(S_{7}^{'}) · (S_{8th}^{'})}}

calculated where

Q = \frac{LE {(5)}_{3rd} · LE {(6)}_{4th}}{LE {(6)}_{3rd} · LE {(5)}_{4th}}

Je nach Divergenzwinkel der Lichtquellen 3, 4 sind die einzelnen Facetten der Spiegel ausgerichtet. Je mehr Facetten, die Spiegel aufweisen, je besser ist die Fokussierung der Strahlen auf die Lichtempfänger 5, 6 und je besser ist die Stabilisierung des Strahlteilverhältnisses. Denn, je kleiner die einzelnen Facettenflächen und je grösser die Anzahl der Facetten, um so eher bleibt der Quotient der Strahlteilverhältnisse S₇, S₇', S₈ und S₈' konstant, wenn sich Veränderungen der Intensitätsverteilung auf dem Spiegel ereignen. Durch eine grössere detektierende Fläche der Lichtempfänger 5, 6, wird die Stabilität des Strahlteilverhältnisses zusätzlich erhöht.Depending on the divergence angle of the light sources 3, 4, the individual facets of the mirrors are aligned. The more facets that the mirrors have, the better the focusing of the beams on the light receivers 5, 6 and the better the stabilization of the beam part ratio. This is because the smaller the individual facet surfaces and the larger the number of facets, the more the quotient of the beam part ratios S ₇ , S ₇ ', S ₈ and S ₈ ' remains constant when changes in the intensity distribution occur on the mirror. The stability of the beam part ratio is additionally increased by a larger detecting area of the light receivers 5, 6.

Figur 2 zeigt im Detail eine Ausführung eines der Spiegel 7, 8. Jede der einzelnen Facettenflächen weisen einen individuellen Neigungswinkel in Bezug auf die Lichtquelle und den Lichtempfänger auf Damit wird entsprechend der Divergenz des von der Lichtquelle ausgesandten Strahls eine Fokussierung des Strahls auf den Lichtempfänger bewirkt. Der Spiegel ist in seiner Gesamtheit einem zylindrischen Hohlspiegel ähnlich, der durch plane Flächen approximiert ist. Die Flächen stehen alle vertikal zum Boden des Rauchmelders, auf dem die Lichtquellen und -empfänger angeordnet sind. Die Fokussierung erfolgt also nur in der Ebene parallel zum Boden des Rauchmelders.FIG. 2 shows an embodiment of one of the mirrors 7, 8 in detail. Each of the individual facet surfaces has an individual angle of inclination with respect to the light source and the light receiver. This causes the beam to be focused on the light receiver in accordance with the divergence of the beam emitted by the light source . The mirror as a whole is similar to a cylindrical concave mirror, which is approximated by flat surfaces. The surfaces are all vertical to the floor of the smoke detector on which the light sources and receivers are arranged. The focus is therefore only in the plane parallel to the floor of the smoke detector.

Solche Spiegel werden beispielsweise durch ein Spritz- oder Druckgussverfahren aus Aluminium oder Zink hergestellt. Hierzu wird zunächst ein Masterspiegel aus mehreren einzelnen Teilen zusammengefügt, die je eine Spiegelfacette aufweisen. Vom Masterspiegel werden sodann weitere Spiegel im Druckgussverfahren gefertigt.Such mirrors are manufactured, for example, from aluminum or zinc by an injection or die-casting process. For this purpose, a master mirror is first assembled from several individual parts, each with a mirror facet. Additional mirrors are then manufactured from the master mirror using the die-casting process.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführung der Facettenspiegel. Anstelle von planen Facettenflächen, weist diese Ausführung Facetten in der Form von Ellipsoidteilen auf Hierzu werden für den Masterspiegel zwei hohle Ellipsoide gefertigt, die unten und oben horizontal abgefräst und längs einer ihrer Achsen in zwei Teile gesägt, die sodann in Streifen zersägt werden. Die streifenförmigen Teile der beiden Ellipsoide werden abwechslungsweise zusammengefügt. Die zwei Ellipsoide sind so dimensioniert, dass ihre Brennpunkte jeweils auf den Austrittspunkt der Strahlen an der Lichtquelle und auf den Lichtempfänger zu liegen kommen. Die Fokussierung erfolgt durch diese Spiegel in beiden Ebenen, der parallel zu der des in Figur 1 gezeigten Rauchmelders sowie der senkrecht zu dieser stehenden, vollständig und nicht nur in einer Ebene wie bei den Spiegeln mit planen Flächen.Figure 3 shows a second embodiment of the facet mirror. Instead of flat facet surfaces, this version has facets in the form of ellipsoid parts. For this purpose, two hollow ellipsoids are manufactured for the master mirror, which are milled horizontally at the top and bottom and cut into two parts along one of their axes, which are then sawn into strips. The strip-shaped parts of the two ellipsoids are put together alternately. The two ellipsoids are dimensioned such that their focal points each lie on the exit point of the rays at the light source and on the light receiver. These mirrors focus in both planes, the one parallel to that of the smoke detector shown in FIG. 1 and the one that is perpendicular to it, completely and not only in one plane as with the mirrors with flat surfaces.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung der Facettenspiegel. Hier bestehen die Spiegel aus mehreren zusammengefügten Würfeln anstelle von Streifen. Wiederum ist die Ausgangsform zwei Ellipsoide, die unten und oben horizontal abgefräst werden. Diese werden sodann vertikal sowie horizontal in Streifen zersägt, sodass viereckige, nahezu quadratische Teile entstehen. Die Spiegel werden aus diesen Ellipsoidteilen sowie planen, zum Boden des Rauchmelders parallel liegenden Teilen zusammengefügt. Die Facetten diese Spiegels sind einzelnen Würfeln ähnlich. Diese Ausführung mit erhöhter Anzahl Facetten bewirkt im Vergleich zu den Ausführungen in den Figuren 2 und 3 eine weitere Stabilisierung des Strahlteilverhältnisses.FIG. 4 shows a further embodiment of the facet mirror. Here the mirrors consist of several cubes put together instead of strips. Again, the starting form is two ellipsoids that are milled horizontally at the top and bottom. These are then sawn into strips vertically and horizontally, so that square, almost square parts are created. The mirrors are assembled from these ellipsoidal parts as well as plan parts that are parallel to the floor of the smoke detector. The facets of this mirror are similar to individual cubes. This version with an increased number of facets brings about a further stabilization of the beam part ratio in comparison to the versions in FIGS. 2 and 3.

Claims

Optical smoke detector (1) according to the extinction principle, which is arranged in a housing (2) and has two light sources (3, 4), two light receivers (5, 6), two measuring sections accessible to the ambient air and two reference measuring sections not accessible to the ambient air characterized in that a mirror (7) belonging to the light source (3) and a mirror (8) belonging to the light source (4) are arranged in the optical smoke detector (1), the mirrors (7) and (8) being identical and two each or have more mirror facets on which the light emitted by the light sources (3, 4) is divided into two beams, each of which is directed onto one of the two light receivers (5, 6).

Optical smoke detector (1) according to claim 1, characterized in that the mirror facets of the mirrors (7, 8) are flat and strip-shaped and alternate with respect to the light sources (3) and (4) and the light receivers (5) and (6) are inclined so that the light incident on the mirrors (7, 8) is directed by reflection from one of the mirror facets onto the light receiver (5) and from the other mirror facets onto the light receiver (6).

Optical smoke detector (1) according to claim 1, characterized in that the mirror facets of the mirrors (7, 8) are formed in strips from parts of two hollow ellipsoids and are in alternation so that the light emitted by the light sources (3, 4) from the Parts of the first hollow ellipsoid is directed onto the one light receiver (5) and from the parts of the second ellipsoid onto the second light receiver (6).

Optical smoke detector (1) according to claim 1, characterized in that the mirror facets of the mirrors (7, 8) consist of square parts of two hollow ellipsoids and are joined together with flat surfaces in a cube shape, so that the light emitted by the light sources (3, 4) is directed from the parts of the first hollow ellipsoid to the first light receiver (5) and from the parts of the second ellipsoid to the second light receiver (6).

Optical smoke detector (1) according to patent claims 1 to 4, characterized in that diffusion disks are arranged in front of the light receivers (5, 6).