EP2306419A1 - Kalibrierung eines elektro-optischen Signalpfades einer Sensorvorrichtung mittels einer Online-Signalpegelüberwachung - Google Patents

Kalibrierung eines elektro-optischen Signalpfades einer Sensorvorrichtung mittels einer Online-Signalpegelüberwachung Download PDF

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EP2306419A1
EP2306419A1 EP09171795A EP09171795A EP2306419A1 EP 2306419 A1 EP2306419 A1 EP 2306419A1 EP 09171795 A EP09171795 A EP 09171795A EP 09171795 A EP09171795 A EP 09171795A EP 2306419 A1 EP2306419 A1 EP 2306419A1
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EP
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radiation
signal
sensor device
measurement signal
calibration
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EP09171795A
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EP2306419B1 (de
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Hans Aebersold
Hu Lin Wang
Ke Wei Bi
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Siemens Schweiz AG
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • 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
    • G08B29/20—Calibration, including self-calibrating arrangements
    • G08B29/22—Provisions facilitating manual calibration, e.g. input or output provisions for testing; Holding of intermittent values to permit measurement

Definitions

  • the present invention relates generally to the technical field of building security.
  • the present invention relates to a sensor device for detecting an object, in particular for optically detecting smoke particles.
  • the present invention further relates to a hazard detector for detecting a dangerous situation, in particular for detecting smoke in a monitored smoke.
  • the present invention relates to a method for calibrating such a sensor device.
  • Optical or photoelectric smoke detectors usually work according to the known scattered light method. It is exploited that clear air reflects virtually no light. However, if smoke particles are in a measuring chamber, an illumination light emitted by a light source is at least partially scattered on the smoke particles. Part of this scattered light then falls on a light detector, which is arranged relative to the light source such that it is not struck directly by the illumination light. Without smoke particles in the measuring chamber, the illumination light can thus not reach the light detector.
  • the light detector of an optical smoke detector is typically a photodiode, which provides only a very small measurement signal.
  • the photodiode provides an output current whose current depends on the incident light intensity.
  • the light intensity incident on the photodiode depends inter alia on the intensity of the illumination light emitted by the light source, on the geometry of the smoke detector and the density of the smoke particles in the measuring chamber.
  • the photodiode is typically followed by an electronic amplifier circuit which converts a current provided by the photodiode into a voltage and amplifies this voltage so that the signal can be further processed by a subsequent system.
  • the following system has, for example, an analog to digital converter and a microcontroller for further signal processing.
  • an electro-optical signal path of an optical smoke detector In order to ensure a reliable alarm triggering and a low false alarm rate of an optical smoke detector, an electro-optical signal path of an optical smoke detector must normally be calibrated before the smoke detector is put into operation. Such a calibration of the electro-optical signal path should also be carried out at regular maintenance intervals, so that both a reliable alarm triggering and a low false alarm rate can be ensured even during prolonged operation of the optical smoke detector.
  • the electro-optical signal path of an optical smoke detector comprises (a) a light source, for example a light emitting diode, for emitting an illumination light (b) a measuring chamber into which scattering smoke particles can penetrate, (c) a light detector, for example a photodiode, for (D) an amplifier circuit connected downstream of the light detector, and (e) a microcontroller connected downstream of the amplifier circuit for evaluating the detected scattered light signals and for controlling or regulating the light source.
  • a scattering body introduced into the measuring chamber can be used which simulates a defined density of smoke particles in accordance with an alarm condition. Subsequently, the intensity of the illumination light is varied, for example, by adapting pulse durations of illumination light pulses emitted by the light source until a predetermined signal swing, which is required for an alarm triggering of the optical smoke detector, is achieved by the amplifier circuit.
  • the use of such a scattering body is for example in the EP 0 658 264 B1 described.
  • the light source is typically iteratively charged with at least 3-4 pulse cycles.
  • these pulse cycles can not be repeated arbitrarily fast, since in the meantime the respective light source cool down again and the amplifier circuit used must settle again. Consequently, the calibration of the electro-optical signal path of an optical smoke detector is time consuming. Therefore, the production time is increased and the production costs for optical smoke detectors increase.
  • the invention has for its object to improve the calibration of optical hazard detectors.
  • a sensor device for detecting an object, in particular for optically detecting smoke particles.
  • the sensor device comprises (a) a transmitting device for emitting a transmission radiation, (b) a receiving device, (b1) for receiving a receiving radiation having a scattered radiation, which is generated by an at least partial scattering of the transmission radiation at the object, and (b2 ) for outputting a measurement signal indicative of the received radiation, (c) signal modifying means for modifying the measurement signal and outputting a modified measurement signal, wherein a level of the modified measurement signal increases after turning on the transmitter, and (d) calibration means for monitoring the modified measuring signal, wherein the calibration device is designed such that (d1) a reaching of a predetermined signal level for the modified measuring signal is detectable and that (d2) a period of time between turning on the transmitting device and reaching the predetermined signal level can be determined.
  • the sensor device described is based on the finding that a calibration of the electro-optical signal path of the sensor device can be carried out in a particularly simple manner by "online" monitoring of the signal level of the modified measurement signal.
  • simply determining a time interval for activation of the transmission radiation, which is necessary in order to achieve a certain minimum level at an output of the electro-optical signal path, which output is required during operation of the sensor device for reliable object recognition and, in particular, for reliable smoke detection In real operation of the sensor device, the transmitting device can then be pulsed Be activated manner, wherein the duration of the activation of the transmitting device of the specific period of time between turning on the transmitting device and the achievement of the predetermined signal level corresponds.
  • the electro-optical signal path can already be calibrated with a single switch-on operation of the transmitting device.
  • activation is to be understood as meaning that the transmitting device is switched on during the duration of the activation and correspondingly emits transmission radiation.
  • the electro-optical signal path of the sensor device according to the invention can thus be calibrated with a simple and quickly feasible method.
  • the production of the sensor device can be significantly accelerated and the production costs can be substantially reduced.
  • at least some of these simultaneously or parallel operated matching stations can be saved and cost savings for the establishment of a mass production of sensor devices can be saved.
  • such a reduction of the acquisition costs has a favorable effect on a reduction of the production costs, since the initial costs have to be amortized over the product price of the sensor devices.
  • the measuring signal output by the receiving device can be indicative of, for example, the intensity of the measuring radiation impinging on the receiving device.
  • the term radiation is understood in this document electromagnetic radiation with arbitrary wavelengths.
  • the electromagnetic radiation may be light in the visible, in the infrared (IR) or in the ultraviolet (UV) spectral range.
  • the electromagnetic radiation may also have different wavelengths which represent a continuous spectrum or different separate narrowband and / or broadband spectral ranges.
  • the electromagnetic radiation may also have wavelengths associated with the far IR and / or the far UV spectral range.
  • Even microwave radiation or any other type of electromagnetic radiation can basically be used as transmit radiation and accordingly as receive radiation.
  • the term "optically” is intended to refer to all the spectral ranges of electromagnetic radiation and by no means only to the visible spectral range.
  • the signal modifier has an integrating unit.
  • the signal modification device can be, for example, an integrating photo-amplifier with which the received radiation can be integrated over an entire pulse length of a transmission radiation pulse emitted by the transmission device.
  • This has the advantage that, compared to the use of a known transimpedance amplifier, a substantially lower amplification can be selected so that the entire signal processing of the optical sensor device can be made much more robust and / or much less susceptible to interference.
  • the integrating unit can be realized for example by means of an integrating electronic circuit. It should be noted, however, that the integrating unit can also be realized by means of software which, executed by a processor, calculates an output signal which represents a temporal integral of the modified measuring signal. Furthermore, the integration may also be in hybrid form, i. using software components and hardware components.
  • the use of an integrating unit also has the advantage that, after switching on the transmitting device, the modified measuring signal, which represents the output signal of the signal modifying means, strictly monotonically increasing at least until a designated readout time or, if necessary, no receiving radiation to the receiving device, is at least monotonically increasing.
  • the predetermined signal level can be reliably detected by the calibration device and a reliable calibration of the electro-optical signal path can be realized by a correspondingly reliable determination of the time interval between switching on the transmitting device and reaching the predetermined signal level.
  • the integrating unit has a capacitor or a capacitor. This has the advantage that the integrating unit can be realized in a simple manner by means of a simple electronic circuit with a very inexpensive electronic component. This in turn reduces the material costs for the manufacture of the entire sensor device.
  • the use of a capacitor makes it possible in a simple manner to continuously integrate the modified measurement signal, which is typically an analog signal.
  • a possible temperature dependence of the integrating electronic circuit realized by means of a capacitor can lead to the modified measuring signal reaching a signal level or a signal maximum which, among other things, also depends on the current temperature. By closely monitoring the modified measurement signal over time, however, such temperature influences can be compensated for by always reliably detecting a maximum signal level.
  • the capacitor may, for example, be a discrete capacitor which is separate from other electronic components of the integrating electronic circuit, such that the discrete capacitor and these other electronic components are not implemented together in one integrated circuit. This in turn reduces the material costs for the manufacture of the entire sensor device.
  • the capacitor or the capacitor can also be realized in an application-specific integrated circuit (ASIC) and / or in a microcontroller having an analog function.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the signal modification device has a boosting electronic circuit.
  • the signal processing can be carried out with amplified signal levels, which enable reliable (further) signal processing due to their signal level.
  • the calibration device has an analog-to-digital converter with which the modified measurement signal can be scanned.
  • ADW analog-to-digital converter
  • the time interval between switching on the transmitting device and reaching the predetermined signal level may be, for example, approximately 10 to 200 ⁇ s.
  • this time span corresponds to the pulse duration with which the transmitting device should be activated during operation of the sensor device in order to enable reliable object recognition.
  • the sampling rate of the ADC should be sufficiently large.
  • the sampling rate may be about 1 MHz.
  • the calibration device has a control unit, which is coupled to the transmitting device and which is designed such that the transmitting device can be operated with a pulsed control signal, wherein the respective pulse durations correspond to the specific time span between switching on the transmitting device and the Reaching the predetermined signal level are correlated.
  • control unit may have a driver circuit which converts a voltage curve of the pulsed control signal into a suitable current profile of the pulsed control signal, the corresponding current flowing through the transmitter device during operation of the sensor device.
  • the transmitting device has a light-emitting diode.
  • a light emitting diode has the advantage that the transmitting device can be realized by means of a low-cost optoelectronic component, which also has a high energy efficiency. This means that a light-emitting diode can emit a high intensity of transmitted radiation or transmitted light even at a low power consumption.
  • the described sensor device can be operated with a low energy requirement. In battery operation, this allows a long battery life.
  • the light-emitting diode is preferably a light-emitting diode (IRED) emitting in the infrared spectral range.
  • IRED light-emitting diode
  • the use of an IRED has the advantage that the transmission radiation has infrared light, which can be generated with a particularly high energy efficiency and which is also well scattered by many objects, in particular by smoke.
  • the light-emitting diode can be set up such that a pulsed transmission radiation can be emitted.
  • the LED or the IRED is turned on and that of the signal modifying device, which, for example may be a conventional photo amplifier, output modified measurement signal cyclically scanned. This happens then at least until the modified measurement signal has reached the required target signal swing. Afterwards the LED or the IRED can be switched off. The required switch-on duration of the LED or the IRED then corresponds to the calibrated pulse length of the LED or the IRED.
  • the transmitting device may also have a plurality of light-emitting diodes.
  • each of the light-emitting diodes contribute to emit altogether a particularly strong or intensive transmission radiation.
  • the receiving device has a photodiode.
  • This has the advantage that the receiving device can be realized by means of a simple and in particular by means of a low-cost optoelectronic component.
  • the receiving device described therefore represents an optical device with a high electromagnetic compatibility, which is well suited for so-called "low-cost" applications.
  • the photodiode may have a spectral sensitivity, which is optimized for the respective requirements.
  • the photodiode may have a high sensitivity in the near infrared spectral range, where simple light emitting diodes, which are typically used as light sources, have a particularly high efficiency.
  • the receiving device may also have a plurality of photodiodes, which are each coupled to the signal modifier described above.
  • a danger detector for detecting a dangerous situation, in particular for detecting smoke in a monitored smoke.
  • the hazard alarm described has a sensor device of the type described above.
  • the described danger detector is also based on the knowledge that a calibration of the electro-optical signal path can be carried out in a simple manner and in particular in a fast manner by "online" monitoring of the signal level of the modified measuring signal. In this case, simply a period of time is determined within which the transmitting radiation must be transmitted by the transmitting device in order to achieve at an output of the electro-optical signal path a predetermined target signal, which in the operation of the sensor device for reliable object detection and in particular for reliable smoke detection is required.
  • a method for calibrating a sensor device for detecting an object in particular for optically detecting smoke particles, is described.
  • the method described comprises (a) switching on a transmitting device so that a transmitting radiation is emitted, (b) receiving a receiving radiation which has scattered radiation which is generated by an at least partial scattering of the transmitting radiation on the object, (c) outputting a measurement signal that is indicative of the received radiation, (d) modifying the measurement signal such that a level of the modified measurement signal increases, (e) monitoring the modified measurement signal, wherein a reaching of a predetermined signal level for the modified measurement signal is detected, and (f) determining a time period between turning on the transmitter and reaching the predetermined signal level.
  • the method described is based on the knowledge that by determining the time span within which the received radiation or the scattered transmission radiation has to impinge on the radiation receiver in order to achieve a predetermined signal level of the continuously rising modified measurement signal, the electro-optical signal path to simple, can be calibrated in an efficient and fast way.
  • only one switch-on pulse for the radiation source is advantageously required, so that the calibration of the electro-optical signal path can be carried out much faster compared to known calibration methods, for example for optical smoke detectors.
  • known calibration methods it is generally necessary to use several, for example three to four, iterative pulse cycles with which the radiation source is driven in order to achieve a reliable calibration of the electro-optical signal path.
  • the method further comprises introducing a scattering reference object into a measurement space of the sensor device, so that the reference object is hit by the transmission radiation and generates the reception radiation.
  • the reference object can, in principle, be any scattered body on which the transmission radiation is scattered, thereby generating the received radiation.
  • the reference object for electromagnetic radiation may have a scattering behavior which corresponds to the scattering behavior of a defined amount or concentration of smoke particles.
  • FIG. 1 shows a based on the optical scattered light principle smoke detector 100.
  • the smoke detector has a measuring chamber 110, in which, for example, in a fire smoke penetrates.
  • the measuring chamber is also referred to as scattering volume 110.
  • a light or radiation source 120 designed as a photodiode, which is supplied with control pulses via a control line 170a and, accordingly, is caused to emit a pulsed illumination light 120a.
  • a light detector 130 designed as a photodiode is present in the edge region of the measuring chamber 110 and receives a measuring light 130a which strikes the light detector 130 after at least partial scattering of the illumination light 120a by smoke particles.
  • An optical barrier 111 prevents the illumination light 120a from striking the light detector 130 directly, ie, without scattering.
  • the light detector 130 is followed by a signal modification device 140, which converts a photocurrent resulting from the incidence of light onto the light detector 130 into a voltage signal.
  • the signal modifying device is an amplifier circuit 140, which is the one of the light detector integrated photocurrent integrated.
  • the modified measurement signal provided by the amplifier circuit 140 is further processed by a control device 150.
  • an analog-to-digital converter 156 is integrated. This is used to convert an analog output signal of the amplifier circuit 140 into a digital measured value 156a, which can be further processed in a manner not shown and, for example, in the case of exceeding a certain limit, can initiate a fire alarm message.
  • the control device 150 further has a driver circuit 170 for the light source 120, which is connected to the control device 150 or to the driver circuit 170 via a control line 170a.
  • control device 150 also has an internal temperature measuring diode 158, with which the temperature of the control device 150 and possibly also the temperature of the entire smoke detector 100 can be detected. Alternatively or in combination, the temperature can also be detected with an external temperature sensor 168.
  • the external temperature sensor 168 may, for example, be a thermistor or a so-called NTC resistor.
  • a calibration is performed prior to startup. This is an in FIG. 1 Not defined defined scattering body introduced into the measuring chamber 110 and detects the digitized output signal 156a of the analog to digital converter 156 and compared with a predetermined response value. By using a defined scatterer, the entire electro-optical signal path within the smoke detector is automatically detected.
  • the calibration of the electro-optical signal path takes place by means of a single light pulse. How to follow according to FIG. 3 will be described in more detail, in the course of a single illumination pulse, the signal level of the modified measurement signal output from the amplifier circuit 140 is monitored online and determines the period within which after the beginning of the illumination pulse, a predetermined reference level is reached.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the entire electro-optical signal path within the optical smoke detector 100, which is now provided with the reference numeral 200.
  • This signal path comprises, in particular, the control of the light source 220 by the control device 250, the efficiency of the light source 220, the optical scattering conditions within the measuring chamber 210, the efficiency of the light detector 230, the gain of the amplifier circuit 240 and the signal conversion of the analog to digital converter within the control device 250th
  • the digitized output signal of the analog-to-digital converter for example as a result of a relatively faint light source 220 is smaller than intended, this is compensated by a corresponding extension of the pulse duration of the light pulses. If, for example, due to a particularly bright source of light 220, the output signal of the analog-to-digital converter is greater than intended, this can be compensated by shortening the pulse duration of the light pulses.
  • the adjustment does not take place via an adaptation of the gain of the amplifier circuit 240 but via an adaptation of the pulse durations of the illumination pulses emitted by the light source 220.
  • the light source 220 may originate from a preselection of different light sources, which may be different in their luminosity, with defined light powers.
  • FIG. 3 shows the time course of various signals during an online calibration of the optical smoke detector 100 by means of a single light pulse.
  • a diagram 381 shows the time profile of the current I IRED flowing through the light-emitting diode 120.
  • a diagram 382 shows the time profile of the modified measurement signal U Verst provided by the amplifier circuit 140.
  • a plot 383 shows the sample by the A / D converter 156. The scaling of the time axes of the three charts 381, 382, and 383 is the same, and an offset between the time axes of the charts 381, 382, and 383 does not exist.
  • the described calibration of the electro-optical signal path begins by means of an online monitoring of a single light pulse which is switched on at time t on (see "S1").
  • the corresponding illumination light emitted by the light-emitting diode 120 is then scattered at the scattering body and impinges on the photodiode 130 as scattered measuring light.
  • the photodiode 130 generates a measurement signal which is indicative of the intensity of the measurement light.
  • the amplifier circuit 140 now begins to integrate the measurement signal.
  • the ADC 156 cyclically samples the output signal of the amplifier circuit 140. This is indicated in the diagrams 382 and 383 by "S2", respectively.
  • the output signal of the amplifier circuit 140 sampled by the ADC 156 reaches a predetermined target voltage swing U ref . This is indicated in the diagrams 382 and 383 by "S3”, respectively.
  • the LED 130 is switched off again at the time t off .
  • the integration process is terminated so that the signal level of the modified measurement signal U Verst provided by the amplifier circuit 140 drops again. This is indicated in diagram 381 by "S4".
  • the control device 150 which, as in FIG. 2 shown, also takes over the calibration, now calculates the time difference .DELTA.t c between t off and t on . This is indicated in diagram 381 by "S5".
  • the time difference .DELTA.t c corresponds to the calibration period .DELTA.t c .
  • the light-emitting diode 120 can then be subjected to a current pulse of the time duration ⁇ t c at regular intervals. As a result, smoke particles that enter the measuring chamber 110 can be detected with high reliability. When exceeding a predetermined minimum density then a corresponding alarm message can be issued.

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Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung zum Erkennen eines Objektes, insbesondere zum optischen Erfassen von Rauchpartikeln, beschrieben. Die Sensorvorrichtung weist auf (a) eine Sendeeinrichtung (120, 220) zum Aussenden einer Sendestrahlung (120a), (b) eine Empfangseinrichtung (130, 230), zum Empfangen einer Empfangsstrahlung (130a), welche eine Streustrahlung aufweist, die durch eine zumindest teilweise Streuung der Sendestrahlung an dem Objekt erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Messsignals, welches für die Empfangsstrahlung (130a) indikativ ist, (c) eine Signalmodifizierungseinrichtung (140, 240) zum Modifizieren des Messsignals und zum Ausgeben eines modifizierten Messsignals, wobei ein Pegel des modifizierten Messsignals nach einem Einschalten der Sendeeinrichtung (120, 220) ansteigt, und (d) eine Kalibrierungseinrichtung (150, 250) zum Überwachen des modifizierten Messsignals. Die Kalibrierungseinrichtung (150, 250) ist derart ausgebildet, dass ein Erreichen eines vorgegebenen Signalpegels (U ref ) für das modifizierte Messsignal detektierbar ist und dass eine Zeitspanne (”t c ) zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung (120, 220) und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels bestimmbar ist. Es wird ferner ein Gefahrenmelder mit einer derartigen Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Kalibrieren einer derartigen Sensorvorrichtung beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Gebäudesicherheit. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Sensorvorrichtung zum Erkennen eines Objektes, insbesondere zum optischen Erfassen von Rauchpartikeln. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Gefahrenmelder zum Erkennen einer Gefahrensituation, insbesondere zum Detektieren von Rauch in einem überwachten Rauch. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer derartigen Sensorvorrichtung.
  • Optische bzw. photoelektrische Rauchmelder arbeiten üblicherweise nach dem bekannten Streulichtverfahren. Dabei wird ausgenutzt, dass klare Luft praktisch kein Licht reflektiert. Befinden sich aber Rauchpartikel in einer Messkammer, so wird ein von einer Lichtquelle ausgesandtes Beleuchtungslicht zumindest teilweise an den Rauchpartikeln gestreut. Ein Teil dieses Streulichtes fällt dann auf einen Lichtdetektor, der relativ zu der Lichtquelle derart angeordnet ist, dass er nicht direkt von dem Beleuchtungslicht getroffen wird. Ohne Rauchpartikel in der Messkammer kann das Beleuchtungslicht den Lichtdetektor somit nicht erreichen.
  • Der Lichtdetektor eines optischen Rauchmelders ist typischerweise eine Fotodiode, welche lediglich ein sehr kleines Messsignal liefert. Die Fotodiode liefert einen Ausgangsstrom, dessen Stromstärke von der auftreffenden Lichtintensität abhängt. Die auf der Fotodiode auftreffende Lichtintensität hängt u.a. von der Intensität des von der Lichtquelle ausgesandten Beleuchtungslichts, von der Geometrie des Rauchmelders und von der Dichte der Rauchpartikeln in der Messkammer ab.
  • Der Fotodiode ist typischerweise eine elektronische Verstärkerschaltung nachgeschaltet, welche einen von der Fotodiode bereitgestellten Strom in eine Spannung umwandelt und diese Spannung so verstärkt, dass das Signal mit einem nachfolgenden System weiter verarbeitet werden kann. Das nachfolgende System weist beispielsweise einen Analog zu Digital Konverter und einem Mikrokontroller zur weiteren Signalverarbeitung auf.
  • Um zum einen eine zuverlässige Alarmauslösung und zum anderen eine geringe Fehlalarmrate eines optischen Rauchmelders zu gewährleisten, muss ein elektro-optischer Signalpfad eines optischen Rauchmelders vor der Inbetriebnahme des Rauchmelders in der Regel kalibriert werden. Eine derartige Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades sollte ferner auch in regelmäßigen Wartungsabständen erfolgen, so dass auch während eines länger anhaltenden Betriebs des optischen Rauchmelders sowohl eine zuverlässige Alarmauslösung als auch eine geringe Fehlalarmrate gewährleistet werden kann.
  • Mit einer Kalibrierung, welche häufig auch als Abgleich bezeichnet wird, können beispielsweise nicht zu vermeidende Abweichungen von einem Sollverhalten von mit einer gewissen Toleranz behafteten Bauteilen des elektro-optischer Signalpfades kompensiert werden. Derartige Abweichungen ergeben sich in der Praxis insbesondere bei der Effizienz der Lichtquelle, bei der Steuerung der Lichtquelle und/oder bei der Verstärkung der Verstärkerschaltung.
  • Der elektro-optische Signalpfad eines optischen Rauchmelders umfasst (a) eine Lichtquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode, zum Aussenden eines Beleuchtungslichts (b) eine Messkammer, in die streuende Rauchpartikel eindringen können, (c) einen Lichtdetektor, beispielsweise eine Fotodiode, zum Erfassen von an eingedrungenen Rauchpartikeln gestreutem Beleuchtungslicht, (d) eine dem Lichtdetektor nachgeschaltete Verstärkerschaltung und (e) einen der Verstärkerschaltung nachgeschalteten Mikrokontroller zum Auswerten der erfassten Streulichtsignale und zum Steuern bzw. zum Regeln der Lichtquelle.
  • Zum Kalibrieren eines optischen Rauchmelders bzw. dessen elektro-optischen Signalpfades kann ein in die Messkammer eingebrachter Streukörper verwendet werden, der eine definierten Dichte an Rauchpartikel entsprechend einem Alarmzustand simuliert. Nachfolgend wird die Intensität des Beleuchtungslichts beispielsweise durch eine Anpassung von Pulsdauern von Beleuchtungslichtpulsen, die von der Lichtquelle ausgesendet werden, solange variiert, bis von der Verstärkerschaltung ein vorgegebener Signalhub erreicht wird, der für eine Alarmauslösung des optischen Rauchmelders erforderlich ist. Die Verwendung eines derartigen Streukörpers ist beispielsweise in der EP 0 658 264 B1 beschrieben.
  • Um eine genaue Kalibrierung zu erreichen wird die Lichtquelle typischerweise iterativ mit mindestens 3-4 Pulszyklen beaufschlagt. Diese Pulszyklen können jedoch nicht beliebig schnell wiederholt werden, da sich zwischenzeitlich die betreffende Lichtquelle wieder abkühlen und die verwendete Verstärkerschaltung wieder einschwingen muss. Demzufolge ist die Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades eines optischen Rauchmelders zeitaufwendig. Daher verlängert sich die Produktionszeit und erhöhen sich die Produktionskosten für optische Rauchmelder.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kalibrierung von optischen Gefahrenmeldern zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zum Erkennen eines Objektes, insbesondere zum optischen Erfassen von Rauchpartikeln, beschrieben. Die Sensorvorrichtung weist auf (a) eine Sendeeinrichtung zum Aussenden einer Sendestrahlung, (b) eine Empfangseinrichtung, (b1) zum Empfangen einer Empfangsstrahlung, welche eine Streustrahlung aufweist, die durch eine zumindest teilweise Streuung der Sendestrahlung an dem Objekt erzeugt wird, und (b2) zum Ausgeben eines Messsignals, welches für die Empfangsstrahlung indikativ ist, (c) eine Signalmodifizierungseinrichtung zum Modifizieren des Messsignals und zum Ausgeben eines modifizierten Messsignals, wobei ein Pegel des modifizierten Messsignals nach einem Einschalten der Sendeeinrichtung ansteigt, und (d) eine Kalibrierungseinrichtung zum Überwachen des modifizierten Messsignals, wobei die Kalibrierungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass (d1) ein Erreichen eines vorgegebenen Signalpegels für das modifizierte Messsignal detektierbar ist und dass (d2) eine Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels bestimmbar ist.
  • Der beschriebenen Sensorvorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine "Online"-Überwachung des Signalpegels des modifizierten Messsignals eine Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades der Sensorvorrichtung auf besonders einfache Weise durchgeführt werden kann. Erfindungsgemäß wird nämlich einfach eine Zeitspanne für eine Aktivierung der Sendestrahlung bestimmt, welche erforderlich ist, um an einem Ausgang des elektro-optischen Signalpfades einen bestimmten Mindestpegel zu erreichen, welcher Ausgang im Betrieb der Sensorvorrichtung für eine zuverlässige Objekterkennung und insbesondere für eine zuverlässige Rauchdetektion erforderlich ist. Im realen Betrieb der Sensorvorrichtung kann dann die Sendeeinrichtung in einer gepulsten Weise angesteuert werden, wobei die Dauer der Aktivierung der Sendeeinrichtung der bestimmten Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels entspricht. Somit kann auf vorteilhafte Weise der elektro-optische Signalpfad bereits mit einem einmaligen Einschaltvorgang der Sendeeinrichtung kalibriert werden. Eine zeit- und kostenintensive iterative Prozedur, bei der die Sendeeinrichtung mehrfach ein- und ausgeschaltet werden muss, ist damit auf vorteilhafte Weise nicht mehr erforderlich.
  • Unter dem Begriff Aktivierung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Sendeeinrichtung während der Dauer der Aktivierung eingeschaltet ist und dementsprechend Sendestrahlung emittiert.
  • Der elektro-optische Signalpfad der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kann somit mit einem einfachen und schnell durchführbaren Verfahren kalibriert werden. Damit kann die Herstellung der Sensorvorrichtung wesentlich beschleunigt und die Herstellungskosten können wesentlich reduziert werden. So ist es insbesondere nicht mehr erforderlich, bei der Massenherstellung von erfindungsgemäßen Sensorvorrichtungen gleichzeitig mehrere Abgleichstationen zu verwenden, welche bei bekannten Sensorvorrichtungen, die eine zeitaufwendige Kalibrierung erfordern, für eine zügige Produktion erforderlich sind. Somit können zumindest einige dieser gleichzeitig bzw. parallel betriebenen Abgleichstationen eingespart und Anschaffungskosten für die Einrichtung einer Massenfertigung von Sensorvorrichtungen eingespart werden. Eine derartige Reduzierung der Anschaffungskosten wirkt sich selbstverständlich günstig auf eine Reduzierung der Herstellungskosten aus, da die Anschaffungskosten über den Produkt-Preis der Sensorvorrichtungen amortisiert werden müssen.
  • Das von der Empfangseinrichtung ausgegebene Messsignal kann beispielsweise für die Intensität der auf die Empfangseinrichtung auftreffenden Messstrahlung indikativ sein.
  • Unter dem Begriff Strahlung wird in diesem Dokument elektromagnetische Strahlung mit beliebigen Wellenlängen verstanden. Insbesondere kann es sich bei der elektromagnetischen Strahlung um Licht im sichtbaren, im infraroten (IR) oder im ultravioletten (UV) Spektralbereich handeln. Die elektromagnetische Strahlung kann neben einem vergleichsweise schmalbandigen Spektralbereich oder sogar einer monochromatischen Strahlung auch verschiedene Wellenlängen aufweisen, die ein kontinuierliches Spektrum oder verschiedene voneinander getrennte schmalbandige und/oder breitbandige Spektralbereiche darstellen. Die elektromagnetische Strahlung kann auch Wellenlängen aufweisen, die dem fernen IR und/oder dem fernen UV Spektralbereich zugeordnet sind. Auch Mikrowellenstrahlung oder jede andere Art von elektromagnetischer Strahlung kann grundsätzlich als Sendestrahlung und entsprechend als Empfangsstrahlung verwendet werden. In entsprechender Weise soll sich der Begriff "optisch" alle genannten Spektralbereiche von elektromagnetischer Strahlung und keineswegs nur auf den sichtbaren Spektralbereich beziehen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Signalmodifizierungseinrichtung eine integrierende Einheit auf.
  • Die Signalmodifizierungseinrichtung kann beispielsweise ein integrierender Fotoverstärker sein, mit dem die Empfangsstrahlung über eine gesamte Pulslänge eines von der Sendeeinrichtung ausgesandten Sendestrahlungspulses integriert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zu der Verwendung eines bekannten Transimpedanz-Verstärkers eine wesentlich geringere Verstärkung gewählt werden kann, so dass die gesamte Signalverarbeitung der optischen Sensorvorrichtung wesentlich robuster und/oder wesentlich weniger störanfällig ausgeführt werden kann.
  • Die integrierende Einheit kann beispielsweise mittels einer integrierenden elektronischen Schaltung realisiert werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die integrierende Einheit auch mittels einer Software realisiert werden kann, welche, von einem Prozessor ausgeführt, ein Ausgangssignal berechnet, welches ein zeitliches Integral des modifizierten Messsignals darstellt. Ferner kann die Integration auch in hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
  • Die Verwendung einer integrierenden Einheit hat ferner den Vorteil, dass nach einem Einschalten der Sendeeinrichtung das modifizierte Messsignal, welches das Ausgangssignal der Signalmodifizierungseinrichtung darstellt, zumindest bis zu einem vorgesehenen Auslesezeitpunkt streng monoton steigend oder, falls evtl. kurzeitig keine Empfangsstrahlung auf die Empfangseinrichtung treffen sollte, zumindest monoton steigend ist. Dies hat den Vorteil, dass der vorgegebenen Signalpegel von der Kalibrierungseinrichtung zuverlässig erkannt werden kann und durch eine entsprechend zuverlässige Bestimmung der Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels eine zuverlässige Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades realisiert werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die integrierende Einheit einen Kondensator bzw. eine Kapazität auf. Dies hat den Vorteil, dass die integrierende Einheit auf einfache Weise mittels einer einfachen elektronischen Schaltung mit einem sehr preiswerten elektronischen Bauelement realisiert werden kann. Dies reduziert wiederum die Materialkosten für die Herstellung der gesamten Sensorvorrichtung.
  • Ferner wird durch die Verwendung eines Kondensators auf einfache Weise ein kontinuierliches Integrieren des modifizierten Messsignals, welches typischerweise ein analoges Signal ist, ermöglicht.
  • Eine eventuelle Temperaturabhängigkeit der mittels eines Kondensators realisierten integrierenden elektronischen Schaltung kann dazu führen, dass das modifizierte Messsignal einen Signalpegel oder ein Signalmaximum erreicht, welcher bzw. welches unter anderem auch von der aktuellen Temperatur abhängt. Durch eine zeitlich engmaschige Überwachung des modifizierten Messsignals können derartige Temperatureinflüsse jedoch kompensiert werden, indem ein maximaler Signalpegel immer zuverlässig erkannt wird.
  • Der Kondensator kann beispielsweise ein diskreter Kondensator sein, welcher von anderen elektronischen Bauteilen der integrierenden elektronischen Schaltung getrennt ist, so dass der diskrete Kondensator und diese anderen elektronischen Bauteile nicht zusammen in einer in einem integrierten Schaltkreis realisiert sind. Dies reduziert wiederum die Materialkosten für die Herstellung der gesamten Sensorvorrichtung.
  • Der Kondensator bzw. die Kapazität kann auch in einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC) und/oder in einem eine Analogfunktion aufweisenden Mikrokontroller realisiert sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Signalmodifizierungseinrichtung eine verstärkende elektronische Schaltung auf. Auch wenn aufgrund der oben beschriebenen Verwendung einer integrierenden elektronischen Schalung lediglich eine kleine Verstärkung erforderlich ist, kann dadurch die Signalverarbeitung mit verstärkten Signalpegeln erfolgen, welche aufgrund ihrer Signalhöhe eine zuverlässige (weitere) Signalverarbeitung ermöglichen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Kalibrierungseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler auf, mit dem das modifizierte Messsignal abtastbar ist.
  • Die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADW) hat den Vorteil, dass das Erreichen des vorgegebenen Signalpegels mit digitalen Daten überprüft werden kann. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Bestimmung der Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels und damit auch eine besonders zuverlässige Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades.
  • Bei einer Sensorvorrichtung, die zum optischen Erfassen von Rauchpartikel geeignet ist, kann die Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels beispielsweise ungefähr 10 bis 200 µs betragen.
  • Wie oben bereits beschrieben, entspricht diese Zeitspanne der Pulsdauer, mit der im Betrieb der Sensorvorrichtung die Sendeeinrichtung aktiviert werden sollte, um eine zuverlässige Objekterkennung zu ermöglichen. Um auch bei einem vergleichsweise steilen Anstieg des modifizierten Messsignals das Erreichen des vorgegebenen Signalpegels nicht zu verpassen, sollte die Abtastrate des ADW genügend groß sein. Im Falle einer für einen Rauchmelder verwendeten Sensorvorrichtung kann die Abtastrate beispielsweise ungefähr 1 MHz betragen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Kalibrierungseinrichtung eine Steuereinheit auf, welche mit der Sendeeinrichtung gekoppelt ist und welche derart ausgebildet ist, dass die Sendeeinrichtung mit einem gepulsten Steuersignal betreibbar ist, wobei die jeweiligen Pulsdauern mit der bestimmten Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels korreliert sind.
  • Die Steuereinheit kann beispielsweise eine Treiberschaltung aufweisen, welche einen Spannungsverlauf des gepulsten Steuersignals in einen geeigneten Stromverlauf des gepulsten Steuersignals umwandelt, wobei der entsprechende Strom im Betrieb der Sensorvorrichtung durch die Sendeeinrichtung fließt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sendeeinrichtung eine Leuchtdiode auf.
  • Die Verwendung einer Leuchtdiode (LED) hat den Vorteil, dass die Sendeeinrichtung mittels eines preiswerten optoelektronischen Bauelements realisiert werden kann, welches zudem eine hohe Energieeffizienz aufweist. Dies bedeutet, dass eine Leuchtdiode bereits bei einem geringen Stromverbrauch eine hohe Intensität an Sendestrahlung bzw. Sendelicht aussenden kann. Damit kann die beschriebene Sensorvorrichtung mit einem geringen Energiebedarf betrieben werden. Bei einem Batteriebetrieb ermöglicht dies eine lange Batterie-Lebensdauer.
  • Bevorzugt ist die Leuchtdiode eine im infraroten Spektralbereich emittierende Leuchtdiode (IRED). Die Verwendung einer IRED hat den Vorteil, dass die Sendestrahlung infrarotes Licht aufweist, welches mit einer besonders hohen Energieeffizienz erzeugt werden kann und welches ferner von vielen Objekten, insbesondere von Rauch, gut gestreut wird.
  • Die Leuchtdiode kann insbesondere derart eingerichtet sein, dass eine gepulste Sendestrahlung aussendbar ist.
  • Für die beschriebene Sensorvorrichtung ist für eine Kalibrierung auf vorteilhafte Weise nur noch ein Ansteuerpuls erforderlich, um den elektro-optischen Signalpfad zu kalibrieren. Dabei wird die LED bzw. die IRED eingeschaltet und das von der Signalmodifizierungseinrichtung, welche beispielsweise ein herkömmlicher Fotoverstärker sein kann, ausgegebene modifizierte Messsignal zyklisch abgetastet. Dies geschieht dann jedenfalls solange bis das modifizierte Messsignal den geforderten Ziel-Signalhub erreicht hat. Danach kann die LED bzw. die IRED ausgeschaltet werden. Die benötigte Einschaltdauer der LED bzw. der IRED entspricht dann der kalibrierten Pulslänge der LED bzw. der IRED.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Sendeeinrichtung auch mehrere Leuchtdioden aufweisen kann. Dabei kann jede der Leuchtdioden dazu beitragen, insgesamt eine besonders starke bzw. intensive Sendestrahlung auszusenden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Empfangseinrichtung eine Fotodiode auf. Dies hat den Vorteil, dass die Empfangseinrichtung mittels eines einfachen und insbesondere mittels eines preiswerten optoelektronischen Bauelements realisiert werden kann. Die beschriebene Empfangseinrichtung stellt daher eine optische Einrichtung mit einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit dar, welche auch für sog. "Low Cost" Anwendungen gut geeignet ist.
  • Die Fotodiode kann eine spektrale Empfindlichkeit aufweisen, welche für die jeweils vorliegenden Anforderungen optimiert ist. Insbesondere zur Verwendung der Sensorvorrichtung für einen optischen Rauchmelder kann die Fotodiode eine hohe Empfindlichkeit im nahen infraroten Spektralbereich aufweisen, wo einfache Leuchtdioden, die typischerweise als Lichtquellen verwendet werden, eine besondere hohe Effizient aufweisen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Empfangseinrichtung auch mehrere Fotodioden aufweisen kann, welche jeweils mit der oben beschriebenen Signalmodifizierungseinrichtung gekoppelt sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gefahrenmelder zum Erkennen einer Gefahrensituation, insbesondere zum Detektieren von Rauch in einem überwachten Rauch, beschrieben. Der beschriebene Gefahrenmelder weist eine Sensorvorrichtung des oben beschriebenen Typs auf.
  • Auch dem beschriebenen Gefahrenmelder liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine "Online"-Überwachung des Signalpegels des modifizierten Messsignals eine Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades auf einfache Weise und insbesondere auf schnelle Weise durchgeführt werden kann. Dabei wird einfach eine Zeitspanne bestimmt, innerhalb der von der Sendeeinrichtung die Sendestrahlung ausgesendet werden muss, um an einem Ausgang des elektro-optischen Signalpfades einen vorgegebenen Ziel-Signalhub zu erreichen, welcher im Betrieb der Sensorvorrichtung für eine zuverlässige Objekterkennung und insbesondere für eine zuverlässige Rauchdetektion erforderlich ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung zum Erkennen eines Objektes, insbesondere zum optischen Erfassen von Rauchpartikeln, beschrieben. Das beschriebenen Verfahren weist auf (a) ein Einschalten einer Sendeeinrichtung, so dass eine Sendestrahlung ausgesendet wird, (b) ein Empfangen einer Empfangsstrahlung, welche eine Streustrahlung aufweist, die durch eine zumindest teilweise Streuung der Sendestrahlung an dem Objekt erzeugt wird, (c) ein Ausgeben eines Messsignals, welches für die Empfangsstrahlung indikativ ist, (d) ein Modifizieren des Messsignals so dass ein Pegel des modifizierten Messsignals ansteigt, (e) ein Überwachen des modifizierten Messsignals, wobei ein Erreichen eines vorgegebenen Signalpegels für das modifizierte Messsignal detektiert wird, und (f) ein Bestimmen einer Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels.
  • Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Bestimmung der Zeitspanne, innerhalb der die Empfangsstrahlung bzw. die gestreute Sendestrahlung auf den Strahlungsempfänger auftreffen muss, um einen vorgegebenen Signalpegel des stetig ansteigenden modifizierten Messsignals zu erreichen, der elektro-optische Signalpfad auf einfache, auf effiziente und auf schnelle Weise kalibriert werden kann. Zur Durchführung des beschriebenen Kalibrierungsverfahrens ist auf vorteilhafte Weise lediglich ein Einschaltpuls für die Strahlungsquelle erforderlich, so dass im Vergleich zu bekannten Kalibrierungsverfahren beispielsweise für optische Rauchmelder die Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades wesentlich schneller durchgeführt werden kann. Bei bekannten Kalibrierungsverfahren müssen nämlich in der Regel mehrere, beispielsweise drei bis vier iterative Pulszyklen verwendet werden, mit denen die Strahlungsquelle angesteuert wird, um eine zuverlässige Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades zu erreichen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Einbringen eines streuenden Referenzobjekts in einen Messraum der Sensorvorrichtung auf, so dass das Referenzobjekt von der Sendestrahlung getroffen wird und die Empfangsstrahlung erzeugt.
  • Das Referenzobjekt kann prinzipiell jeder beliebige Streukörper sein, an dem die Sendestrahlung gestreut und dadurch die Empfangsstrahlung erzeugt wird. Im Falle der Kalibrierung des elektro-optischen Signalpfades eines Rauchmelders kann das Referenzobjekt für elektromagnetische Strahlung ein Streuverhalten aufweisen, welches dem Streuverhalten von einer definierten Menge bzw. Konzentration von Rauchpartikeln entspricht.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
    • Figur 1 zeigt einen auf dem optischen Streulichtprinzip beruhenden Rauchdetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den gesamten elektro-optischen Signalpfades innerhalb des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors.
    • Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale während einer Online-Kalibrierung eines optischen Rauchdetektors mittels eines einzigen Lichtpulses.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in der ersten Ziffer von dem Bezugszeichen einer entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
  • Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
  • Figur 1 zeigt einen auf dem optischen Streulichtprinzip beruhenden Rauchdetektor 100. Der Rauchdetektor weist eine Messkammer 110 auf, in welche beispielsweise bei einem Brand Rauch eindringt. Die Messkammer wird auch als Streuvolumen 110 bezeichnet. In der Messkammer 110 befindet sich eine als Fotodiode ausgebildete Licht- bzw. Strahlungsquelle 120, welche über eine Steuerleitung 170a mit Steuerpulsen beaufschlagt wird und dementsprechend dazu veranlasst wird, ein gepulstes Beleuchtungslicht 120a auszusenden. Ferner ist in dem Randbereich der Messkammer 110 noch ein als Fotodiode ausgebildeter Lichtdetektor 130 vorhanden, welcher ein Messlicht 130a empfängt, das nach einer zumindest teilweisen Streuung des Beleuchtungslichts 120a an Rauchpartikeln auf den Lichtdetektor 130 trifft. Eine optische Barriere 111 verhindert, dass das Beleuchtungslicht 120a direkt, d.h. ohne Streuung, auf den Lichtdetektor 130 trifft.
  • Dem Lichtdetektor 130 ist eine Signalmodifizierungseinrichtung 140 nachgeschaltet, welche ein bei einem Lichteinfall auf den Lichtdetektor 130 entstehenden Fotostrom in eine Spannungssignal umwandelt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Signalmodifizierungseinrichtung eine Verstärkerschaltung 140, welcher den von dem Lichtdetektor bereitgestellten Fotostrom integriert. Das von der Verstärkerschaltung 140 bereitgestellte modifizierte Messsignal wird von einer Steuereinrichtung 150 weiter verarbeitet.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist in der Steuereinrichtung 150 ein Analog-Digital-Wandler 156 integriert. Dieser dient zum Konvertieren eines analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 140 in einen digitalen Messwert 156a, welcher in nicht dargestellter Weise weiter verarbeitet werden kann und beispielsweise im Falle der Überschreitung eines gewissen Grenzwertes eine Brandalarmmeldung initiieren kann.
  • Die Steuereinrichtung 150 weist ferner eine Treiberschaltung 170 für die Lichtquelle 120 auf, welche über eine Steuerleitung 170a mit der Steuereinrichtung 150 bzw. mit der Treiberschaltung 170 verbunden ist.
  • Wie aus Figur 1 ferner ersichtlich, weist die Steuereinrichtung 150 außerdem noch eine interne Temperaturmessdiode 158 auf, mit der die Temperatur der Steuereinrichtung 150 und ggf. auch die Temperatur des gesamten Rauchdetektors 100 erfasst werden kann. Alternativ oder in Kombination kann die Temperatur auch noch mit einem externer Temperaturmessfühler 168 erfasst werden. Der externe Temperaturmessfühler 168 kann beispielsweise ein Heißleiter bzw. ein sog. NTC Widerstand sein.
  • Um einen einwandfreien Betrieb des Rauchdetektors 100 zu gewährleisten, wird vor der Inbetriebnahme eine Kalibrierung vorgenommen. Dabei wird ein in Figur 1 nicht dargestellter definierter Streukörper in die Messkammer 110 eingebracht und das digitalisierte Ausgangssignal 156a des Analog zu Digital Konverters 156 erfasst und mit einem vorgegebenen Responsewert verglichen. Durch die Verwendung eines definierten Streukörpers wird automatisch der gesamte elektro-optische Signalpfad innerhalb des Rauchdetektors erfasst.
  • Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Kalibrierung des elektro-optische Signalpfades mittels eines einzigen Lichtpulses. Wie bachfolgend anhand von Figur 3 noch genauer beschrieben wird, wird im Verlauf eines einzigen Beleuchtungspulses der Signalpegel des von der Verstärkerschaltung 140 ausgegebenen modifizierten Messsignals online überwacht und die Zeitspanne bestimmt, innerhalb der nach dem Beginn des Beleuchtungspulses ein vorgegebener Referenzpegel erreicht wird.
  • Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den gesamten elektro-optischen Signalpfad innerhalb des optischen Rauchdetektors 100, welcher nunmehr mit dem Bezugszeichen 200 versehen ist. Dieser Signalpfad umfasst insbesondere die Ansteuerung der Lichtquelle 220 durch die Steuereinrichtung 250, die Effizienz der Lichtquelle 220, die optischen Streubedingungen innerhalb der Messkammer 210, die Effizienz des Lichtdetektors 230, die Verstärkung der Verstärkerschaltung 240 und die Signalumwandlung des Analog zu Digital Konverters innerhalb der Steuereinrichtung 250.
  • Sofern bei dem Abgleich festgestellt wird, dass das digitalisierte Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers beispielsweise infolge einer relativ leuchtschwachen Lichtquelle 220 kleiner ist als vorgesehen, wird dies durch eine entsprechende Verlängerung der Pulsdauer der Lichtpulse kompensiert. Sofern beispielsweise infolge einer besonders leuchtstarken Lichtquelle 220 das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers größer ist als vorgesehen, kann dies durch eine Verkürzung der Pulsdauer der Lichtpulse kompensiert werden.
  • Dies bedeutet, dass bei dem hier beschriebenen Rauchdetektor 100 der Abgleich nicht über eine Anpassung der Verstärkung der Verstärkerschaltung 240 sondern über eine Anpassung der Pulsdauern der von der Lichtquelle 220 ausgesandten Beleuchtungspulse erfolgt.
  • Um die Einschaltdauer der Lichtquelle 220 innerhalb von vorbestimmten Grenzen zu halten, kann die Lichtquelle 220 aus einer Vorselektion von verschiedenen ggf. hinsichtlich ihrer Leuchtkraft unterschiedlich effizienten Lichtquellen mit definierten Lichtleistungen stammen.
  • Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale während einer Online-Kalibrierung des optischen Rauchdetektors 100 mittels eines einzigen Lichtpulses. Ein Diagramm 381 zeigt den zeitlichen Verlauf des durch die Leuchtdiode 120 fließenden Stromes IIRED. Ein Diagramm 382 zeigt den zeitlichen Verlauf des von der Verstärkerschaltung 140 bereitgestellten modifizierten Messsignals UVerst. Ein Diagramm 383 zeigt die Abtastung durch den Analog-Digital-Wandler 156. Die Skalierung der Zeitachsen der drei Diagramme 381, 382 und 383 ist die gleiche, eine Achsversetzung zwischen den Zeitachsen der Diagramme 381, 382 und 383 existiert nicht. Während der beschriebenen Kalibrierung befindet sich ein Streukörper mit einem definierten Streuverhalten innerhalb der Messkammer 110.
  • Wie aus dem Diagramm 381 ersichtlich, beginnt die beschriebene Kalibrierung des elektro-optische Signalpfades mittels einer Online-Überwachung eines einzigen Lichtpulses, der zum Zeitpunkt ton eingeschalten wird (siehe "S1"). Das entsprechende von der Leuchtdiode 120 ausgesandte Beleuchtungslicht wird dann an dem Streukörper gestreut und trifft als gestreutes Messlicht auf die Fotodiode 130. Die Fotodiode 130 erzeugt ein Messsignal, welches für die Intensität des Messlichts indikativ ist.
  • Die Verstärkerschaltung 140 beginnt nun das Messsignal zu integrieren. Gleichzeitig tastet der ADW 156 das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 140 zyklisch ab. Dies ist in den Diagrammen 382 und 383 jeweils durch "S2" gekennzeichnet. Nach eine gewissen Zeit erreicht das von dem ADW 156 abgetastete Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 140 einen vorgegebenen Ziel-Spannungshub Uref. Dies ist in den Diagrammen 382 und 383 jeweils durch "S3" gekennzeichnet. Unmittelbar nach Erreichen des Ziel-Spannungshub Uref wird die Leuchtdiode 130 zum Zeitpunkt toff wieder ausgeschalten. Ferner wird der Integrationsvorgang beendet, so dass der Signalpegel des von der Verstärkerschaltung 140 bereitgestellten modifizierten Messsignals UVerst wieder abfällt. Dies ist in dem Diagramm 381 durch "S4" gekennzeichnet.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das Abtasten des modifizierten Messsignals UVerst durch den ADW 156 zumindest so lange erfolgt, bis sichergestellt ist, dass der vorgegebene Ziel-Spannungshub Uref. auch zuverlässig erreicht worden ist.
  • Die Steuereinrichtung 150, welche, wie in Figur 2 dargestellt, auch die Kalibrierung übernimmt, berechnet nun die Zeitdifferenz Δtc zwischen toff und ton. Dies ist in dem Diagramm 381 durch "S5" gekennzeichnet. Die Zeitdifferenz Δtc entspricht der Kalibrierungszeitdauer Δtc.
  • Im Betrieb des Rauchdetektors 100 kann die Leuchtdiode 120 dann in regelmäßigen Abständen mit einem Strompuls der Zeitdauer Δtc beaufschlagt werden. Dadurch können Rauchpartikel, die in die Messkammer 110 eindringen, mit hoher Zuverlässigkeit erkannt werden. Bei einem Überschreiten einer vorgegebenen Mindestrauchdichte kann dann eine entsprechende Alarmmeldung ausgegeben werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Rauchdetektor
    110
    Messkammer / Streuvolumen
    111
    Barriere
    120
    Strahlungsquelle / Lichtquelle / Leuchtdiode
    120a
    Beleuchtungsstrahlung / Beleuchtungslicht
    130
    Strahlungsdetektor / Lichtdetektor / Fotodiode
    130a
    Messstrahlung / Messlicht
    140
    Signalmodifizierungseinrichtung / Verstärkerschal- tung
    150
    Steuereinrichtung
    156
    Analog-Digital-Wandler (ADW)
    156a
    Messwert
    158
    interne Temperaturmessdiode
    168
    externer Temperaturmessfühler / NTC
    170
    Treiberschaltung
    170a
    Steuerleitung
    200
    Rauchdetektor
    210
    Messkammer / Streuvolumen
    220
    Strahlungsquelle / Lichtquelle / Leuchtdiode
    230
    Strahlungsdetektor / Lichtdetektor / Fotodiode
    240
    Verstärkerschaltung
    250
    Steuereinrichtung
    270a
    Steuerleitung
    381
    Strom durch Leuchtdiode
    382
    modifiziertes Messsignal
    383
    Abtastung durch Analog-Digital-Wandler
    IIRED
    Strom durch IR Leuchtdiode
    Δtc
    Kalibrierungszeitdauer
    ton
    Einschaltzeitpunkt
    toff
    Ausschaltzeitpunkt
    UVerst
    Ausgangsspannung Verstärkerschaltung
    Uref
    Ziel-Spannungshub

Claims (11)

  1. Sensorvorrichtung zum Erkennen eines Objektes, insbesondere zum optischen Erfassen von Rauchpartikeln, die Sensorvorrichtung aufweisend
    • eine Sendeeinrichtung (120, 220) zum Aussenden einer Sendestrahlung (120a),
    • eine Empfangseinrichtung (130, 230),
    - zum Empfangen einer Empfangsstrahlung (130a), welche eine Streustrahlung aufweist, die durch eine zumindest teilweise Streuung der Sendestrahlung an dem Objekt erzeugt wird, und
    - zum Ausgeben eines Messsignals, welches für die Empfangsstrahlung (130a) indikativ ist,
    • eine Signalmodifizierungseinrichtung (140, 240) zum Modifizieren des Messsignals und zum Ausgeben eines modifizierten Messsignals, wobei ein Pegel des modifizierten Messsignals nach einem Einschalten der Sendeeinrichtung (120, 220) ansteigt, und
    • eine Kalibrierungseinrichtung (150, 250) zum Überwachen des modifizierten Messsignals, wobei die Kalibrierungseinrichtung (150, 250) derart ausgebildet ist, dass
    - ein Erreichen eines vorgegebenen Signalpegels (Uref) für das modifizierte Messsignal detektierbar ist und
    - dass eine Zeitspanne (Δtc) zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung (120, 220) und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels bestimmbar ist.
  2. Sensorvorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Signalmodifizierungseinrichtung (140, 240) eine integrierende Einheit aufweist.
  3. Sensorvorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die integrierende Einheit einen Kondensator aufweist.
  4. Sensorvorrichtung nach einem der dem vorangehenden Ansprüche, wobei
    die Signalmodifizierungseinrichtung (140, 240) eine verstärkende elektronische Schaltung aufweist.
  5. Sensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
    die Kalibrierungseinrichtung (150, 250) einen Analog-Digital-Wandler (156) aufweist, mit dem das modifizierte Messsignal abtastbar ist.
  6. Sensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
    die Kalibrierungseinrichtung (150, 250) eine Steuereinheit aufweist, welche mit der Sendeeinrichtung (120, 220) gekoppelt ist und welche derart ausgebildet ist, dass die Sendeeinrichtung (120, 220) mit einem gepulsten Steuersignal betreibbar ist, wobei die jeweiligen Pulsdauern mit der bestimmten Zeitspanne (Δtc) zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung (120, 220) und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels (Δtc) korreliert sind.
  7. Sensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
    die Sendeeinrichtung eine Leuchtdiode (120, 220) aufweist.
  8. Sensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
    die Empfangseinrichtung eine Fotodiode (130, 230) aufweist.
  9. Gefahrenmelder zum Erkennen einer Gefahrensituation, insbesondere zum Detektieren von Rauch in einem überwachten Rauch, der Gefahrenmelder (100, 200) aufweisend
    • eine Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  10. Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung zum Erkennen eines Objektes, insbesondere zum optischen Erfassen von Rauchpartikeln, das Verfahren aufweisend
    • Einschalten einer Sendeeinrichtung (120, 220), so dass eine Sendestrahlung (120a) ausgesendet wird,
    • Empfangen einer Empfangsstrahlung (130a), welche eine Streustrahlung aufweist, die durch eine zumindest teilweise Streuung der Sendestrahlung an dem Objekt erzeugt wird,
    • Ausgeben eines Messsignals, welches für die Empfangsstrahlung (130a) indikativ ist,
    • Modifizieren des Messsignals so dass ein Pegel des modifizierten Messsignals ansteigt,
    • Überwachen des modifizierten Messsignals, wobei ein Erreichen eines vorgegebenen Signalpegels (Uref) für das modifizierte Messsignal detektiert wird, und
    • Bestimmen einer Zeitspanne (Δtc) zwischen dem Einschalten der Sendeeinrichtung (120, 220) und dem Erreichen des vorgegebenen Signalpegels.
  11. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend
    • Einbringen eines streuenden Referenzobjekts in einen Messraum (110, 210) der Sensorvorrichtung, so dass das Referenzobjekt von der Sendestrahlung (120a) getroffen wird und die Empfangsstrahlung (130a) erzeugt.
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