Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip,
mit einer optischen Brücke, welche eine Lichtquelle und eine Mess- und eine Referenzstrecke
mit je einem Empfänger aufweist, und mit einer Auswerteschaltung.
Beim Extinktionsmessverfahren wird bekanntlich ein Lichtstrahl durch die der Umgebungsluft
und damit eventuellem Rauch zugängliche Messstrecke und durch die dem Rauch nicht zugängliche
Referenzstrecke gesandt und es werden die beiden Empfangssignale miteinander
verglichen. Da sowohl die Lichtstreuung an den Rauchpartikeln als auch die Absorption durch
diese zur Extinktion beiträgt und das Licht von hellen Partikeln zum grössten Teil gestreut und
von dunklen Partikeln zum grössten Teil absorbiert wird, besitzt das Extinktionsmessverfahren
eine relativ gleichmässige Empfindlichkeit auf verschiedene Rauchpartikel und ist daher zur
Detektion von Schwelbränden (helle Partikel) und von offenen Bränden (dunkle Partikel) gleichermassen
gut geeignet. Bei Anwendung des Extinktionsmessverfahrens bei Punktmeldern,
das sind Rauchmelder, die vollständig in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, kann die
Extinktion der Aerosole in der Luft nur über eine sehr kurze Messstrecke bestimmt werden,
wodurch die Anforderungen an die Empfindlichkeit der Transmissionsmessung entsprechend
steigen.
In der EP-A-1 017 034 ist ein Punkt-Extinktionsmelder beschrieben, der eine einfache optische
Brücke benützt, die neben der Lichtquelle und den beiden Empfängern als einzige optische Elemente
zwei vor der Lichtquelle angeordnete Lochblenden aufweist. Dieser Extinktionsmelder
hat gegenüber anderen bekannten Extinktionsmeldern (EP-A-0 740 146, EP-A-0 578 189) mit
Parabolspiegeln und Linsen den Vorteil, dass der Wegfall der Spiegel und Linsen zu einer deutlichen
Reduktion der Temperaturabhängigkeit der optischen Brücke und damit zu einer Verbesserung
der Stabilität des Extinktionsmelders führt. Gerade diese Stabilität ist aber sehr wichtig,
weil bei einer Messstrecke von beispielsweise 10 cm Länge die Alarmschwelle von 4% pro Meter
bei einer Transmission von 99.6% der Referenztransmission liegt. Und wenn Transmissionswerte
unterhalb der Alarmschwelle ausgelöst werden sollen, dann müssen Werte von beispielsweise
99.96% Transmission erkennbar sein, was an die Stabilität der Elektronik, der Optoelektronik
und der Mechanik dieser Melder ausserordentlich hohe Anforderungen stellt.
Weitere potentielle Fehlerquellen sind die Temperaturdrift der Empfänger und deren Betauungsempfindlichkeit,
letzteres gilt übrigens für alle optischen Rauchmelder. Darunter ist zu
verstehen, dass die unter bestimmten Umständen, beispielsweise beim Duschen oder Baden in
Hotelzimmern, auftretende Bildung von Wasserdampf zu einer Betauung des Empfängers in der
Messstrecke führen kann, wogegen der Empfänger in der Referenzstrecke unbetaut bleibt, da
diese ja gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Die Betauung des Messempfängers bewirkt
einen Abfall von dessen Fotostrom, was der Melder als Rauch interpretieren und was daher
zur Auslösung eines Fehlalarms führen kann.
Durch die Erfindung soll nun ein Punkt-Extinktionsmelder angegeben werden, welcher eine
Detektion und Kompensation von Betauung und Temperaturdrift der Empfänger ermöglicht..
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine zweite Lichtquelle vorgesehen
ist, und dass von jeder Lichtquelle eine nach aussen offene Messstrecke zu dem einen und
eine gegen aussen abgeschirmte Referenzstrecke zu dem anderen Empfänger führt, wobei
jeder Empfänger für die eine Lichtquelle als Mess- und für die andere als Referenzempfänger
und umgekehrt wirkt.
Der erfindungsgemässe Rauchmelder verwendet also eine doppelte optische Brücke mit zwei
Lichtquellen und zwei Empfängern. Ein Punkt-Extinktionsmelder mit zwei Lichtquellen und zwei
Empfängern ist im Prinzip aus der EP-A-0 578 189 bekannt. Bei diesem Melder ist aber nur
eine Messstrecke vorgesehen und daher die Kompensation von Betauung nicht möglich.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchmelders ist dadurch
gekennzeichnet, dass eine Regelung der Emission der beiden Lichtquellen auf einen stabilen
Fotostrom im jeweiligen Referenzempfänger erfolgt, und dass die Auswerteschaltung Mittel für
die Auswertung der Differenz der Signale der beiden Empfänger aufweist.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchmelders ist dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden Lichtquellen sequentiell aktivierbar sind und mit den zugeordneten
Empfängern jeweils einen Kanal bilden, und dass für den einen Kanal ein Differenzsignal
Messstrecke minus Referenzstrecke und für den anderen Kanal ein Differenzsignal Referenzstrecke
minus Messstrecke gebildet wird.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchmelders ist dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden genannten Differenzsignale auf etwaige Änderungen untersucht
werden, und dass eine gegensinnige Änderung der Differenzsignale als Auftreten von
Rauch interpretiert wird. Eine gleichsinnige Änderung der genannten Differenzsignale wird als
Hinweis auf eine durch eine Änderung der Umgebungstemperatur oder durch Betauung verursachte
ungleiche Veränderung der Empfindlichkeit der Empfänger interpretiert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchmelders ist dadurch
gekennzeichnet, dass die genannte ungleiche Veränderung der Empfindlichkeit der Empfänger
durch die Regelung der Emission der Lichtquellen kompensiert wird, und dass eine ein bestimmtes
Mass übersteigende Regelung eine Störungsmeldung auslöst.
Im Gleichgewichtszustand der doppelten Brücke ohne Rauch oder Tau werden die Ausgangsspannungen
der beiden Empfänger und damit die Differenzsignal der beiden Kanäle im Gleichgewicht
sein. Wenn die eine Lichtquelle aktiviert ist, wird der Fotostrom im Referenzempfänger
der einen Lichtquelle stabil sein, wenn die andere Lichtquelle aktiviert ist, der Fotostrom im Referenzempfänger
der anderen Lichtquelle. Wenn nun Rauch in die Messstrecken eintritt, nehmen
die Fotoströme im Messempfänger ab und das Differenzsignal wird im einen Kanal ab- und
im anderen zunehmen. Wenn hingegen die Empfänger betaut werden oder sich infolge einer
Änderung der Umgebungstemperatur ihre Empfindlichkeit ändert, verändern sich die beiden
Differenzsignale in die gleiche Richtung.
Eine derartige Empfindlichkeitsänderung der Empfänger ist durch die automatisch erfolgende
Nachregelung der Fotoströme im jeweiligen Referenzempfänger erkennbar. Wenn die Drift der
Empfänger so stark ist, dass sie durch die automatische Nachregelung nicht mehr ausreichend
kompensiert werden kann, dann liegt eine starke Betauung vor und es wird eine Störungsmeldung
abgesetzt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchmelders ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Lichtquellen und die Empfänger von einem gemeinsamen, in ein Gehäuse
einsetzbaren, Bauteil getragen sind. Vorzugsweise weist das gemeinsame Bauteil die
Form eines länglichen Prismas auf, an dessen einer Stirnseite die Lichtquellen und an dessen
anderer Stirnseite die Empfänger montiert sind, und zwar jeweils entlang einer der beiden Diagonalen
der Stirnseiten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchmelders ist dadurch
gekennzeichnet, dass das prismatische Bauteil in seinem Zentrum eine einen Messraum bildende
Durchbrechung aufweist, welche von den beiden Messstrecken durchsetzt ist, und dass die
beiden Referenzstrecken in von dieser Durchbrechung räumlich abgetrennten Bereichen des
prismatischen Bauteils verlaufen.
Die Erfindung betrifft ausserdem eine Verwendung des erfindungsgemässen Rauchmelders in
Badezimmern und/oder mit diesen verbundenen Räumen oder in Frachträumen von Flugzeugen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen
näher erläutert, es zeigt:
- Fig. 1
- eine Blockbilddarstellung eines erfindungsgemässen Rauchmelders,
- Fig. 2
- eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Darstellung eines Details des Melders
von Fig. 1,
- Fig. 3
- eine Ansicht in Richtung des Pfeils III von Fig. 2; und
- Fig. 4
- eine Ansicht in Richtung des Pfeils IV von Fig. 3.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Rauchmelder ist ein so genannter Punkt-Extinktionsoder
Durchlichtmelder, der aus einem Sockel, einem Meldereinsatz mit einem Messmodul und
einer Auswerteelektronik und einer Haube besteht. Die Darstellung von Fig. 1 bezieht sich auf
das Messmodul und die Auswerteelektronik, Sockel und Haube sind nicht dargestellt. Der Meldereinsatz
ist in bekannter Weise zur Befestigung in dem vorzugsweise an der Decke eines zu
überwachenden Raumes montierten Sockel vorgesehen. Die den Meldereinsatz und gegebenenfalls
auch den Sockel abdeckende Melderhaube ist über den Meldereinsatz gestülpt und mit
dem Sockel verriegelt. Dieser Melderaufbau ist bekannt und wird deswegen hier nicht näher
beschrieben; es wird in diesem Zusammenhang auf die Brandmelder der Reihe AlgoRex der
Siemens Building Technologies AG, Männedorf (früher Cerberus AG), verwiesen (AlgoRex -eingetragenes
Warenzeichen der Siemens Building Technologies AG bzw. der Cerberus AG).
Das mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Messmodul enthält eine doppelte optische Brücke
mit zwei durch Leuchtdioden (LED) oder Infrarot-LEDs (IRED) gebildeten Lichtquellen L1 und L2
und zwei durch Fotodioden gebildeten Empfängern E1 und E2. Von jeder Lichtquelle L1, L2 führt
je eine gegenüber der Umgebung offene und damit für Aerosole zugängliche Messstrecke und
eine von der Umwelt abgeschirmte Referenzstrecke M1, R1 bzw. M2, R2 zu den beiden Empfängern,
wobei jeder Empfänger E1, E2 für die eine Lichtquelle den Messempfänger und für die andere
Lichtquelle den Referenzempfänger bildet. Darstellungsgemäss ist der Empfänger E1 für
die Lichtquelle L1 der Referenz- und für die Lichtquelle L2 der Messempfänger und der Empfänger
E2 für die Lichtquelle L2 der Referenz- und für die Lichtquelle L1 der Messempfänger.
Die beiden Lichtquellen L1 und L2 werden sequentiell in einem Rhythmus von ungefähr 1 Sekunde
angesteuert und geben im aktivierten Modus je eine Pulssequenz von 8 Einzelimpulsen
von 50µsec Dauer mit ebensolchen Lücken dazwischen ab. Der auf der rechten Seite von Fig. 1
eingezeichnete Schaltungsteil 2, der Teil der Auswerteelektronik 3 bildet, misst die Differenz der
Fotoströme in durch die Empfänger En. Das mit dem Bezugszeichen Sm bezeichnete Ausgangssignal
des Schaltungsteils 2 ist eine der Differenz der Fotoströme in proportionale Spannung. Im
Gleichgewichtszustand ohne Rauch in den Messstrecken, ohne Betauung und Temperaturänderung
sind die Ausgangssignale Sm im Gleichgewicht.
Wenn man im Kanal der einen LED die Differenz Messstrecke minus Referenzstrecke und im
Kanal der anderen LED die Differenz Referenzstrecke minus Messstrecke bildet, dann sollten
die beiden Ausgangssignale Sm der Schaltungsstufe 2 gleich gross sein:
L1: S1 = i2(L1) - i1(L1) (Mess- minus Referenzstrecke)
L2: S2 = i2(L2) - i1(L2) (Referenz- minus Messstrecke)
Die Emission von L1 wird so geregelt, dass der Fotostrom ihres Referenzstrahls auf der Fotodiode
E1, also i1(L1) sehr stabile 5µA beträgt. Dasselbe gilt für die LED L2 und ihren Referenzstrahl
auf der Fotodiode E2, also i2(L2). Es gilt also i1(L1) = 5µA und i2(L2) = 5µA.
Wenn Rauch in die Messstrecken M1 und M2 eindringt, dann nehmen die entsprechenden
Fotoströme i2(L1) bzw. i1(L2) ab und das bedeutet, dass S1 ab- und S2 zunimmt, und zwar um
Δ_S1 = -|Δ_i2(L1)| < 0, Δ_i1(L1) = 0
Δ_S2 = +|Δ_i1(L2)| > 0, Δ_i2(L2) = 0
Durch Differenzbildung in einem ebenfalls Teil der Auswerteelektronik 3 bildenden Mikroprozessors
4 erhält man:
S2 - S1 = Δ_S2 - Δ_S1 = + |Δ_i1(L2)| + |Δ_i2(L1)| > 0.
Das Ergebnis dieser Differenzbildung ist die doppelte durch den Rauch im Einzelkanal verursachte
Signaländerung.
Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert und als Folge davon sich die Empfindlichkeit der
beiden Fotodioden E1 und E2 unterschiedlich verändert, oder wenn es zu einer ungleichen
Betauung der Fotodioden kommt, dann ändern sich S1 und S2 in die gleiche Richtung, so dass
sich bei der Differenzbildung im Mikroprozessor 4 der Wert Null ergibt:
S2 - S1 = Δ_S2 - Δ_S1 = 0
Eine derartige Empfindlichkeitsveränderung der Fotodioden E1 und E2, gleichgültig ob durch
Temperaturänderung oder Betauung verursacht, wird anhand der automatisch erfolgenden
Nachregelung der Fotodiodenströme in den Referenzkanälen angezeigt.
Wenn der Fall eintritt, dass die Betauung so stark ist oder so abrupt erfolgt, dass die Drift der
Fotodioden auf die beschriebene Art nicht mehr ausreichend eliminiert werden kann, was sich
beispielsweise darin äussert, dass die Drift nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit eliminiert
werden kann, dann wird durch den Mikroprozessor 4 die Alarmausgabe blockiert und durch
eine Störungsmeldung ersetzt.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen eine konkrete Ausbildung des die doppelte optische Brücke tragenden
Meldereinsatzes. Fig. 2 zeigt den mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten Meldereinsatz teilweise
geschnitten, wobei die durch eine Schraffur markierte Schnittebene zweifach diagonal
durch den Meldereinsatz verläuft und die beiden Lichtquellen L1 und L2 sowie die Fotodiode E2
enthält. Der Meldereinsatz 5 hat die Form eines Prismas von beispielsweise quadratischem
Querschnitt und mit gewölbten (konkaven) Stirnflächen 6 und 7. Wie aus den Figuren 2 und 4
ersichtlich ist, weist das Prisma in der Mitte eine von einer Seitenwand zur anderen durchgehende
Ausnehmung 8 auf, welche den eigentlichen Messraum bildet und von den Messstrecken
M1 und M2 durchsetzt ist.
Oben und unten im Anschluss an die Ausnehmung 8 befinden sich nach aussen abgeschlossene
Bereiche mit den Referenzstrecken R1, R2. Grundsätzlich könnten die letzteren Bereiche aus
vollem Material bestehen und lediglich je eine Bohrung für die betreffende Referenzstrecke
aufweisen. Es hat sich aber als praktischer erwiesen, in diese Bereiche eine etwa dreieckförmige
Vertiefung 9 einzuarbeiten und in diese Vertiefung dann eine genau passende Platte 10
einzusetzen, die zum Reinigen der die Referenzstrecke bildenden Bohrung herausgenommen
werden kann (siehe Fig. 2, in der die obere Platte 10 herausgenommen ist).
An der in den Figuren linken Stirnseite 6 sind die beiden Lichtquellen L1 und L2 und an der rechten
Stirnseite 7 sind die Fotodioden E1 und E2 angeordnet und zwar jeweils diagonal an der betreffenden
Stirnseite und relativ zueinander über Kreuz. Der Meldereinsatz 5, der aus einem
Material mit gutem Wärmeleitvermögen, beispielsweise Aluminium, besteht, ist mit Ausnahme
der beiden Platten 10 einstückig hergestellt und ist dadurch robust und leicht zu handhaben.
Die Abmessungen des Meldereinsatzes 5 sind so gewählt, dass dieser in das Gehäuse eines
optischen Rauchmelders vom Typ AlgoRex eingebaut werden kann. Das bedeutet, dass die
Länge des Meldereinsatzes jedenfalls unterhalb von 10cm liegt.
Der erfindungsgemässe Rauchmelder kann ohne Gefahr eines durch Drift der Fotodioden verursachten
Fehlalarms an Orten eingesetzt werden, wo es durch raue Umweltbedingungen zu
Taubildung oder zu starken Temperaturschwankungen kommen kann. Beispiele für solche Orte
sind Badezimmer und mit diesen verbundenen Vorzimmer/Eingänge, insbesondere in Hotelzimmern,
und insbesondere auch die Frachträume von Flugzeugen, in denen es beim Landeanflug
zu einem starken Temperaturanstieg und zu damit verbundener Taubildung kommt.