EP2350991B1 - Anpassung eines Abtastzeitpunktes einer Abtast-Halte-Schaltung eines optischen Rauchdetektors - Google Patents

Anpassung eines Abtastzeitpunktes einer Abtast-Halte-Schaltung eines optischen Rauchdetektors Download PDF

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EP2350991B1
EP2350991B1 EP08875306A EP08875306A EP2350991B1 EP 2350991 B1 EP2350991 B1 EP 2350991B1 EP 08875306 A EP08875306 A EP 08875306A EP 08875306 A EP08875306 A EP 08875306A EP 2350991 B1 EP2350991 B1 EP 2350991B1
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EP
European Patent Office
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radiation
sample
hold circuit
amplifier circuit
circuit
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EP08875306A
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Hans Aebersold
Berni Imfeld
Wolf Liebert
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Siemens 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

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of smoke detection technology.
  • the present invention relates to signal processing of a device for detecting smoke based on measurements of scattered electromagnetic radiation.
  • the present invention further relates to a method of calibrating a device for detecting smoke based on measurements of scattered electromagnetic radiation.
  • 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 that is not directly hit by the illumination light. Without smoke particles in the measuring chamber, the illumination light can 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. Therefore, the photodiode is followed by an electronic amplifier circuit, which converts a current provided by the photodiode current into a voltage and amplifies this voltage so that the signal can be further processed with a subsequent system.
  • the following system has, for example, an analog to digital converter and a microcontroller for further signal processing.
  • Amplifier circuits of photodiodes in optical smoke detectors mainly use operational amplifiers, which are also integrated in specific ASICs (Application Specific Integrated Circuit) and / or microcontrollers. These adversely affect the material costs and the power consumption for the amplifier circuit and thus for the entire optical smoke detector.
  • ASICs Application Specific Integrated Circuit
  • the invention is the device-related task of providing a based on the scattered radiation principle smoke detector, which can be produced in a cheap manner and also has a low power consumption.
  • the invention is based on the method-related object of specifying a calibration method for a smoke detector based on the scattered radiation principle.
  • an apparatus for detecting smoke based on measurements of scattered electromagnetic radiation comprises (a) a radiation source for emitting an illumination radiation having a temporal sequence of radiation pulses, (b) a radiation detector for receiving measurement radiation which strikes the radiation detector after an at least partial scattering of the illumination radiation, (c) a Amplifier circuit for amplifying an output signal of the radiation detector, (d) an analog to digital converter having a sample and hold circuit for converting an analog output signal of the amplifier circuit into a digital measurement, and (e) a control device connected to the radiation source and the sampling hold circuit is coupled.
  • the control device controls the radiation source and the sample-and-hold circuit such that the time position of a sampling instant of the sample-and-hold circuit with respect to a radiation pulse depends on the duration of the radiation pulse.
  • the smoke detector described is based on the finding that a time shift of the analog output signal of the amplifier circuit with respect to a radiation pulse of the radiation source, which results from a variation of the pulse duration of the illumination radiation pulses, can be compensated by a corresponding time control of the sample and hold circuit. In this way it can be ensured that the analog output signal of the amplifier circuit is digitized at a time when the level of the output signal has not yet reached its maximum or at which the level of the output signal has already dropped again. By digitizing the output signal at a time when it has at least approximately a maximum level, an important contribution can be made for a smoke detection that is both reliable and has a low false alarm rate.
  • the duration of the radiation pulse (s) emitted by the radiation source can be adapted, for example, as part of a calibration of the described smoke detection device.
  • an adjustment of the optical and / or the electronic signal path within the smoke detector is usually carried out.
  • a defined scattering body is introduced into a measuring chamber of the smoke detector and detects the digitized output signal of the analog to digital converter.
  • the optical and / or electronic signal path includes, for example, the control of the radiation source by the Control device, the efficiency of the radiation source, the optical scattering conditions within the measuring chamber, the efficiency of the radiation detector, the gain of the amplifier circuit and the signal conversion of the analog to digital converter. If, in the adjustment of a special smoke detector, the digitized output signal of the analogue to digital converter would be smaller than intended, for example as a result of a relatively low-luminance radiation source, this can be compensated according to the invention by an extension of the pulse duration of the radiation pulses. If, for example, due to a particularly bright radiation source, the output signal of the analog to digital converter would be larger than intended, this can be compensated by shortening the pulse duration of the radiation pulses.
  • timing of the sample timing of the sample-and-hold circuit can of course also be adjusted with respect to a control pulse for the radiation source.
  • Control pulses for the radiation source are in fact correlated in time with the actual radiation pulses. This has the advantage that the entire synchronization between control pulse and sampling time can be performed in the control device of the smoke detector.
  • the control device can determine the sampling time dependent on the pulse duration of the respective radiation pulse by means of a function stored in the control device or by means of a table stored in the control device.
  • control of the radiation source by the control device can take place without feedback or with a feedback.
  • control device could also be referred to as a control device which regulates the radiation source and / or the behavior of the sample-and-hold circuit.
  • taxes can be used in this application thus, both a feedback-free control and a feedback-bound rules mean.
  • the term "radiation" is used for any type of electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation can have a discrete or a continuous spectrum with arbitrary wavelengths.
  • the radiation may, for example, have visible, infrared or ultraviolet light.
  • X-radiation or microwave radiation can also be used for scatter measurements in the context of the present invention.
  • the amplifier circuit is a circuit constructed of discrete components.
  • the discrete components are in particular bipolar passive components such as resistors and capacitors or active components such as simple transistors. This means that no integrated components such as operational amplifiers or specific application specific integrated circuit (ASIC) devices are used for the described amplifier circuit.
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the smoke detection device additionally has a temperature sensor, which is coupled to the control device.
  • the control device is further configured to control the radiation source and the sample-and-hold circuit in such a way that the timing of a -Saltastzeitness the sample-and-hold circuit with respect to a radiation pulse in addition depends on a temperature detected by the temperature sensor.
  • the temperature sensor is a temperature sensor integrated in the control device.
  • This has the advantage that it is not necessary to install a separate temperature sensor in or on the smoke detector and to wire it in a suitable manner. Since modern microprocessors are often equipped anyway with a temperature sensor, the use of a temperature sensor integrated in the control device is also advantageous for economic reasons.
  • the analog to digital converter and the control device are realized by means of a common integrated component.
  • the common integrated component may be, for example, a simple microprocessor, which is cheaper is as a separate controller and a separate analog to digital converter.
  • the amplifier circuit has an integrator.
  • an integrator has the advantage that the output signal of the radiation detector can be amplified in a simple manner.
  • the integrator can be regarded as one and preferably as the first stage of a multi-stage amplifier circuit.
  • the integrator can preferably be realized by a known RC circuit.
  • the output signal of the radiation detector is integrated by a charge accumulation on the capacitor in a known manner.
  • both the capacitance of the capacitor and the resistance of the ohmic resistance must be adapted to the respective conditions with regard to the required time constant.
  • the sample and hold circuit is a track and hold circuit.
  • Track & Hold circuitry keeps the entire Analog to Digital Converter network running for a long time. This applies, for example, for the entire or at least for a longer period of time in which the analog output signal of the amplifier circuit increases.
  • the track & hold circuit can be switched on, for example, immediately after the beginning of the rise of the output signal of the amplifier circuit and switched off or released again when the signal maximum is reached. In this way, not only the signal maximum but a longer one History of the rise of the output signal of the amplifier circuit used to detect the strength of the output signal.
  • the track & hold circuit may comprise a capacitor which is charged in a known manner by the output signal of the amplifier circuit. In this case, then, the charge accumulated on the capacitor is a direct measure of the strength of the output signal of the amplifier circuit and thus also of the density of smoke particles, which are located in the measuring chamber.
  • a method of calibrating a device for detecting smoke based on measurements of scattered electromagnetic radiation is described.
  • the method can be carried out in particular with a smoke detector of the type mentioned above.
  • the described calibration method comprises (a) setting a pulse duration of a radiation source for emitting an illumination radiation having a temporal sequence of radiation pulses received after at least partial scattering of the illumination radiation as measurement radiation from a radiation detector, and (b) adjusting a Sampling time of a sample-and-hold circuit of an analog to digital converter, which is an analog output signal of the radiation detector downstream amplifier circuit converted into a digital measurement, with respect to the beginning and / or the end of the pulse duration of the radiation source.
  • the temporal position of the sampling instant of the sample-and-hold circuit with respect to a radiation pulse depends on the duration of the radiation pulse.
  • the described calibration method is also based on the finding that a time shift of the analog output signal of the amplifier circuit, which is produced by a variation of the pulse duration of the illumination radiation pulses, can be compensated by a corresponding time control of the sample and hold circuit. As a result, it can be ensured that the digitization of the output signal takes place at a time when it has at least approximately a maximum level.
  • the set pulse duration depends on a reference measured value for the digital measured value, which reference measured value is determined by means of a scattered radiation measurement on a defined scattering medium.
  • the entire optical and electronic signal path can be detected within the smoke detector. Fluctuations in tolerances of the corresponding components of the smoke detector, such as radiation source control, radiation source, measuring chamber, radiation detector, amplifier circuit and analog to digital converter (including sample and hold circuit) can thus be compensated by a corresponding adjustment of the pulse duration of the radiation source.
  • the duration of the radiation pulses is increased, in order to nevertheless obtain a reliable scattered radiation signal.
  • the following description relates to a smoke detector which detects the presence of smoke by the occurrence of scattering of light on smoke particles.
  • the light can be infrared, visible or ultraviolet light.
  • any type of electromagnetic radiation of arbitrary wavelengths can be used instead of light for smoke detection.
  • 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.
  • In the measuring chamber 110 is formed as a photodiode light source 120, which is acted upon via a control line 170a with control pulses and, accordingly, is caused to pulsed illumination light 120a to send out.
  • 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.
  • An optical barrier 111 prevents the illumination light 120a from directly striking the light detector 130.
  • the light detector 130 is followed by an amplifier circuit 140, which converts a photocurrent resulting from the incidence of light onto the light detector 130 into a voltage signal which can be further processed by a control device 150.
  • the amplifier circuit 140 is as described below with reference to FIG. 3b will be described in more detail, constructed only of discrete individual electronic components. Operational amplifiers or Application Specific Integrated Circuit (ASIC) devices are not included in amplifier circuit 140 for reasons of cost.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • a sample-and-hold circuit 152 and an analog to digital converter 156 are integrated in the control device 150. These two components are 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 sample-hold circuit is operated as a track & hold circuit 152.
  • the entire network of the analog to digital converter remains switched on for a longer period of time.
  • the track & hold circuit is switched on immediately after the beginning of the rise of the output signal of the amplifier circuit 140 and switched off when reaching the maximum signal of the output signal of the amplifier circuit 140 again. In this way, not only the signal maximum but a longer history of the rise of the output signal of the amplifier circuit is used for detecting the strength of the output signal.
  • 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.
  • the driver circuit 170 will be described below with reference to FIG. 3a explained in more detail.
  • 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 optical and electronic signal path within the smoke detector is automatically detected.
  • FIG. 2 shows in a schematic representation of the entire optical and electronic 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, as a result of 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, possibly light-efficient, light sources with different light powers, which may be different in terms of their luminosity.
  • FIG. 3a shows a driver circuit 370 for the light source 120 of FIG. 1 illustrated optical smoke detector 100.
  • the light source is now provided with the reference numeral 320.
  • the driver circuit 370 has a transistor 372 whose collector is connected to a supply voltage Vcc via the light source 320, which emits an illumination light 320a during a corresponding current flow.
  • the base of the transistor 372 is connected via an ohmic resistor 374 to an input control signal Uin.
  • the collector of the transistor 372 is connected via an ohmic resistor 374 to ground GND.
  • the transistor 372 turns on and there is a current flow through the formed as a light emitting diode 320.
  • the corresponding current through the light emitting diode 320 depends in a known manner from the supply voltage Vcc and from the resistor 376.
  • FIG. 3b shows an amplifier circuit 340 having only discrete components, as described in the exemplary embodiment shown here for the amplifier circuit 140 of FIG. 1 illustrated optical smoke detector 100 is used.
  • the discrete amplifier circuit 340 has a transimpedance R1, by means of which a current flow through the photodiode 330 is converted into a primary voltage signal.
  • a capacitor C1 serves to smooth the voltage signal.
  • the capacitor C2, together with the resistor R4, represents a current-time integrator 342, which can be regarded as the first amplifier stage.
  • the regions of the amplifier circuit 340 around the transistors T1, T2 and T3 may be considered as a second amplifier stage, T2 and T3 representing a controlled current source.
  • FIG. 3b the entire amplifier circuit 340 is powered by the supply voltage Vcc.
  • Reference numeral 352 denotes a sample and hold circuit located at the output of the amplifier circuit 340, which, together with a downstream analog to digital converter 356, ensures reliable conversion of the analog output signal of the amplifier circuit 340 into a digital measurement signal.
  • the illustrated amplifier circuit 340 as well as its output is designed for very low power consumption of about 3 ⁇ A to 5 ⁇ A. For this reason, the amplifier circuit 340 and also its output are not able to quickly compensate for electrical load changes at the output. However, such load changes may be caused by the inclusion of a typical sample and hold input stage (with a low-impedance attached capacitor) for the analog to digital converter 356. Thus, the analog output signal of the amplifier circuit 340 to be measured would be briefly detuned by at least one spike. Of course, one could interpret the amplifier circuit 340 also lower impedance, but this would increase the power consumption of the amplifier circuit 340 again.
  • the sample-and-hold circuit is operated as a track & hold circuit 352 according to the embodiment described here.
  • Figure 3c shows the track and hold circuit operated sample and hold circuit 352, which in the control device of in FIG. 1 illustrated optical smoke detector 100 is integrated.
  • the central element of the track & hold circuit 352 is a capacitor 353, which takes over a memory function for the analog values, which at an input IN of the track & hold Circuit 352 abut. There is also an electronic switch 355 which determines the sample and hold phase. At an output OUT, the track & hold circuit 352 provides the signal provided for digitization by the analog to digital converter 356.
  • the capacitor 353 When the switch 355 is closed, the capacitor 353 is charged. In order to charge the capacitor 355 quickly, the capacitor 353 may have a small capacitance. However, a capacitor 353 with a small capacitance has the disadvantage that it also discharges quickly and thereby the output voltage of the amplifier circuit 340 can not be maintained at the required level for so long.
  • the switch 355 has a high blocking resistance when switched off, and the insulation of the capacitor 353 is very good. As a result, unwanted self-discharge of the capacitor 353 can be counteracted.
  • the charge accumulated on the capacitor 353 is a direct measure of the magnitude of the output signal of the amplifier circuit 340 and thus also the density of smoke particles located in the measuring chamber 110.
  • the track Hold circuit 352 the entire network of the analog to digital converter 356 switched on for a longer period of time. This applies, for example, for the entire or at least for a longer period of time in which the analog output signal of the amplifier circuit 340 increases.
  • the track & hold circuit 352 can, for example, be switched on immediately after the start of the rise of the output signal of the amplifier circuit 340 by closing the switch 355 and switched off again when the signal maximum is reached.
  • the switch 355 advantageously not only the signal maximum but a longer history of the rise of the output signal of the amplifier circuit 340 is used to charge the capacitor 353 and thus to detect the magnitude of the output signal.
  • FIG. 4 shows for the in FIG. 1 illustrated optical smoke detector 100, a comparison of the timing between the control of the light source (above) and the output of the amplifier circuit 140, 340 (below).
  • an adjustment of the optical and electronic signal path within the smoke detector 100 takes place according to the invention by a suitable adaptation of the time duration T of the drive pulses. Since the illumination pulses at least approximately follow the course of the drive pulses, the pulse duration of the pulses of the illumination light is thus varied by a variation of the time duration T as well.
  • the solid line 491 represents the output signal of the amplifier circuit at a comparatively long pulse duration T.
  • the dashed line 492 represents the output signal of the amplifier circuit at a mean pulse duration T.
  • the dashed line 493 represents the output signal of the amplifier circuit at a comparatively short pulse duration T.
  • FIG. 4 As can be seen, the maximum of the respective output signal shifts in time with increasing length of the drive pulse T backwards.
  • This shift is compensated according to the invention in that the so-called hold time at which the actual analogue to digital conversion takes place is shifted in a corresponding manner with respect to the point in time t0 at which the drive pulse has its rising edge.
  • This adjustment of the hold time is made by the in FIG. 1 shown control device 150th
  • the smoke signal of the smoke detector is determined by a difference between the maximum of the output signal of the amplifier circuit at a time t2 and an offset value of the output signal of the amplifier circuit at a time t1.
  • the time t1 is preferably chosen so that the corresponding measurement of the offset value, which likewise takes place by means of the track & hold circuit and by means of the downstream analogue to digital converter, is in no way falsified by the scattered light measurement.
  • the temperature of the entire smoke detector 100 and in particular the temperature of the amplifier circuit 140 and / or the control device 150 may amount to a time shift of the maximum of the output signal of the amplifier circuit.

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Abstract

Es wird ein Rauchdetektor (100) beschrieben, welcher aufweist (a) eine Strahlungsquelle (120) zum Aussenden einer Beleuchtungsstrahlung (120a), welche eine zeitliche Abfolge von Strahlungspulsen aufweist, (b) einen Strahlungsdetektor (130) zum Empfangen von Messstrahlung (130a), welche nach einer zumindest teilweise Streuung der Beleuchtungsstrahlung (120a) auf den Strahlungsdetektor (130) trifft, (c) eine Verstärkerschaltung (140) zum Verstärken eines Ausgangssignals des Strahlungsdetektors (130), (d) einen Analog zu Digital Konverter (156) mit einer Abtast-Halte-Schaltung (152) zum Konvertieren eines analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung (140) in einen digitalen Messwert (156a), und (e) eine Steuereinrichtung (150), welche mit der Strahlungsquelle (120) und der Abtast-Halte-Schaltung (152) gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung (150) ist eingerichtet die Strahlungsquelle (120) und die Abtast-Halte-Schaltung (152) derart zu steuern, dass die zeitliche Lage eines Abtastzeitpunktes der Abtast- Halte-Schaltung (152) in Bezug auf einen Strahlungspuls von der Zeitdauer des Strahlungspulses abhängt. Es wird ferner ein Verfahren zum Kalibrieren des beschriebenen Rauchdetektors (100) beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Rauchmeldetechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Signalverarbeitung einer Vorrichtung zum Detektieren von Rauch auf der Grundlage von Messungen von gestreuter elektromagnetischer Strahlung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung zum Detektieren von Rauch auf der Grundlage von Messungen von gestreuter elektromagnetischer Strahlung.
  • 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 nicht direkt von dem Beleuchtungslicht getroffen wird. Ohne Rauchpartikel in der Messkammer kann das Beleuchtungslicht den Lichtdetektor nicht erreichen.
  • Der Lichtdetektor eines optischen Rauchmelders ist typischerweise eine Fotodiode, welche lediglich ein sehr kleines Messsignal liefert. Daher ist der Fotodiode 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.
  • Verstärkerschaltungen von Fotodioden in optischen Rauchmeldern verwenden mehrheitlich Operationsverstärker, welche auch in spezifischen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Bausteinen und/oder Mikrokontrollern integriert sind. Diese bestimmen nachteilig die Materialkosten und den Stromverbrauch für die Verstärkerschaltung und damit für den gesamten optischen Rauchdetektor.
  • Der Erfindung liegt die vorrichtungsbezogene Aufgabe zugrunde, einen auf dem Streustrahlungsprinzip basierenden Rauchdetektor zu schaffen, welcher auf preiswerte Weise hergestellt werden kann und zudem einen geringen Stromverbrauch aufweist. Der Erfindung liegt die verfahrensbezogene Aufgabe zugrunde, ein Kalibrierungsverfahren für einen auf dem Streustrahlungsprinzip basierenden Rauchdetektor anzugeben.
  • 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 Vorrichtung zum Detektieren von Rauch auf der Grundlage von Messungen von gestreuter elektromagnetischer Strahlung beschrieben. Die beschriebene Rauchdetektionsvorrichtung weist auf (a) eine Strahlungsquelle zum Aussenden einer Beleuchtungsstrahlung, welche eine zeitliche Abfolge von Strahlungspulsen aufweist, (b) einen Strahlungsdetektor zum Empfangen von Messstrahlung, welche nach einer zumindest teilweise Streuung der Beleuchtungsstrahlung auf den Strahlungsdetektor trifft, (c) eine Verstärkerschaltung zum Verstärken eines Ausgangssignals des Strahlungsdetektors, (d) einen Analog zu Digital Konverter mit einer Abtast-Halte-Schaltung zum Konvertieren eines analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung in einen digitalen Messwert, und (e) eine Steuereinrichtung, welche mit der Strahlungsquelle und der Abtast-Halte-Schaltung gekoppelt ist. Erfindungsgemäß steuert die Steuereinrichtung die Strahlungsquelle und die Abtast-Halte-Schaltung derart, dass die zeitliche Lage eines Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung in Bezug auf einen Strahlungspuls von der Zeitdauer des Strahlungspulses abhängt.
  • Dem beschriebenen Rauchdetektor liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine zeitliche Verschiebung des analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung in Bezug auf einen Strahlungspuls der Strahlungsquelle, die durch eine Variation der Pulsdauer der Beleuchtungsstrahlungspulse entsteht, durch eine entsprechende zeitliche Ansteuerung der Abtast-Halteschaltung kompensiert werden kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das analoge Ausgangssignal der Verstärkerschaltung zu einem Zeitpunkt digitalisiert wird, zu dem der Pegel des Ausgangssignals noch nicht sein Maximum erreicht hat oder zu dem der Pegel des Ausgangssignals bereits wieder abgefallen ist. Durch eine Digitalisierung des Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt, zu dem dieses zumindest annähernd einen Maximalpegel aufweist, kann ein wichtiger Beitrag für eine zum einen zuverlässige und zum anderen für eine mit einer geringen Fehlalarmrate behaftete Rauchdetektion geleistet werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeitdauer des oder der Strahlungspulse, die von der Strahlungsquelle ausgesendet werden, beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung der beschriebenen Rauchdetektionsvorrichtung angepasst werden kann. Bei einer derartigen Kalibrierung wird üblicherweise ein Abgleich des optischen und/oder des elektronischen Signalweges innerhalb des Rauchdetektors vorgenommen. Dabei wird ein definierter Streukörper in eine Messkammer des Rauchdetektors eingebracht und das digitalisierte Ausgangssignal des Analog zu Digital Konverters erfasst.
  • Der optische und/oder elektronische Signalweg umfasst beispielsweise die Ansteuerung der Strahlungsquelle durch die Steuereinrichtung, die Effizienz der Strahlungsquelle, die optischen Streubedingungen innerhalb der Messkammer, die Effizienz des Strahlungsdetektors, die Verstärkung der Verstärkerschaltung und die Signalumwandlung des Analog zu Digital Konverters. Sofern bei dem Abgleich eines speziellen Rauchdetektors das digitalisierte Ausgangssignal des Analog zu Digital Konverters beispielsweise infolge einer relativ leuchtschwachen Strahlungsquelle kleiner wäre als vorgesehen, kann dies erfindungsgemäß durch eine Verlängerung der Pulsdauer der Strahlungspulse kompensiert werden. Sofern beispielsweise infolge einer besonders leuchtstarken Strahlungsquelle das Ausgangssignal des Analog zu Digital Konverters größer wäre als vorgesehen, kann dies durch eine Verkürzung der Pulsdauer der Strahlungspulse kompensiert werden.
  • Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die zeitliche Lage des Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung selbstverständlich auch in Bezug auf einen Steuerpuls für die Strahlungsquelle angepasst werden kann. Steuerpulse für die Strahlungsquelle sind nämlich zeitlich mit den tatsächlichen Strahlungspulsen korreliert. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Synchronisation zwischen Steuerpuls und Abtastzeitpunkt in der Steuereinrichtung des Rauchdetektors durchgeführt werden kann.
  • Die Steuereinrichtung kann den von der Pulsdauer des jeweiligen Strahlungspulses abhängigen Abtastzeitpunkt mittels einer in der Steuereinrichtung hinterlegten Funktion oder mittels einer in der Steuereinrichtung hinterlegten Tabelle ermitteln.
  • Die Steuerung der Strahlungsquelle durch die Steuereinrichtung kann ohne Rückkopplung oder mit einer Rückkopplung erfolgen. Im Falle einer Rückkopplung könnte die Steuereinrichtung auch als Regeleinrichtung bezeichnet werden, welche die Strahlungsquelle und/oder das Verhalten der Abtast-Halte-Schaltung regelt. Der Begriff "Steuern" kann in dieser Anmeldung also sowohl ein rückkopplungsfreies Steuern als auch ein rückkopplungsbehaftetes Regeln bedeuten.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung wird der Begriff "Strahlung" für jede Art von elektromagnetischer Strahlung verwendet. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei ein diskretes oder ein kontinuierliches Spektrum mit beliebigen Wellenlängen aufweisen. Die Strahlung kann beispielsweise sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht aufweisen. Auch Röntgenstrahlung oder Mikrowellenstrahlung kann für Streumessungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verstärkerschaltung eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltung. Die diskreten Bauelemente sind dabei insbesondere bipolare passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren oder aktive Bauelemente wie einfache Transistoren. Dies bedeutet, dass für die beschriebene Verstärkerschaltung keine integrierten Bausteine wie beispielsweise Operationsverstärker oder spezifische ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Bausteine verwendet werden.
  • Der Verzicht auf die Verwendung von integrierten Bauelementen hat den Vorteil, dass die beschriebene Verstärkerschaltung und damit der gesamte Rauchdetektor auf besonders preiswerte Weise hergestellt werden kann. Durch die oben beschriebene Anpassung des Abtastzeitpunktes an die Pulsdauer der Strahlungspulse bzw. an die Pulsdauer der Steuerpulse für die Strahlungsquelle können unerwünschte Artefakte, die im Vergleich zu einer auf Operationsverstärkern beruhenden Verstärkerschaltung bei einer diskrete Verstärkerschaltung in stärkerem Maße auftreten können, zumindest weitgehend kompensiert werden.
  • Neben einer Kostenreduzierung bietet die Verwendung einer diskreten Verstärkerschaltung die Möglichkeit, den Stromverbrauch des gesamten Rauchdetektors zu reduzieren. Dies ist insbesondere bei einem Batterie betriebenen Rauchdetektor von großem Vorteil.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Rauchdetektionsvorrichtung zusätzlich einen Temperatursensor auf, welcher mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung ist dabei ferner eingerichtet die Strahlungsquelle und die Abtast-Halte-Schaltung derart zu steuern, dass
    die zeitliche Lage eines -Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung in Bezug auf einen Strahlungspuls zusätzlich von einer von dem Temperatursensor erfassten Temperatur abhängt. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise durch eine gezielte von der Steuereinrichtung veranlasste zeitliche Verschiebung der Abtastzeitpunkte sichergestellt werden kann, dass auch nach einer Temperaturänderung die Abtastung der analogen Ausgangssignale der Verstärkerschaltung stets zumindest annähernd dann erfolgt, wenn das Ausgangssignal einen vergleichsweise hohen Pegel aufweist. Temperaturartefakte können somit auf vorteilhafte Weise eliminiert oder zumindest stark reduziert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Temperatursensor ein in der Steuereinrichtung integrierter Temperatursensor. Dies hat den Vorteil, dass es nicht erforderlich ist, einen separaten Temperatursensor in oder an dem Rauchdetektor anzubringen und in geeigneter Weise zu verkabeln. Da moderne Mikroprozessoren häufig ohnehin mit einem Temperatursensor ausgestattet sind, ist die Verwendung eines in der Steuereinrichtung integrierten Temperatursensors auch aus ökonomischen Gründen vorteilhaft.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Analog zu Digital Konverter und die Steuereinrichtung mittels eines gemeinsamen integrierten Bauelements realisiert. Das gemeinsame integrierte Bauelement kann beispielsweise ein einfacher Mikroprozessor sein, welcher preiswerter ist als eine separate Steuereinrichtung und ein separater Analog zu Digital Konverter.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Verstärkerschaltung einen Integrator auf.
  • Die Verwendung eines Integrators hat den Vorteil, dass das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors auf einfache Weise verstärkt werden kann. Dabei kann der Integrator als eine und bevorzugt als die erste Stufe einer mehrstufigen Verstärkerschaltung betrachtet werden.
  • Der Integrator kann bevorzugt durch eine bekannte RC-Schaltung realisiert werden. Dabei wird in bekannter Weise das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors durch eine Ladungsakkumulierung auf dem Kondensator integriert. Selbstverständlich muss dabei sowohl die Kapazität des Kondensators als auch der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes hinsichtlich der erforderlichen Zeitkonstante an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Abtast-Halte-Schaltung eine Track & Hold Schaltung.
  • Im Gegensatz zu einer Sample & Hold Schaltung, die bei den meisten Analog zu Digital Konvertern verwendet wird, bleibt bei einer Track & Hold Schaltung das gesamte Netzwerk des Analog zu Digital Konverters für einen längeren Zeitraum zugeschaltet. Dies gilt beispielsweise für den gesamten oder zumindest für einen längeren Zeitabschnitt, in dem das analoge Ausgangssignal der Verstärkerschaltung ansteigt.
  • Die Track & Hold Schaltung kann beispielsweise unmittelbar nach dem Beginn des Anstiegs des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung zugeschaltet und beim Erreichen des Signal-Maximums wieder abgeschaltet bzw. gelöst werden. Auf diese Weise wird nicht nur das Signalmaximum sondern ein längerer Verlauf des Anstiegs des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung zur Erfassung der Stärke des Ausgangssignals verwendet.
  • Die Track & Hold Schaltung kann einen Kondensator aufweisen, der in bekannter Weise durch das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung aufgeladen wird. Dabei ist dann die auf dem Kondensator akkumulierte Ladung ein direktes Maß für die Stärke des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung und damit auch für die Dichte an Rauchpartikeln, die sich in der Messkammer befinden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Last des Analog zu Digital Konverter Netzwerkes, welche im Vergleich zu einer Sample & Hold Schaltung länger zugeschaltet ist, bereits bei der Einstellung des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung berücksichtigt werden kann.
  • Die Verwendung einer Track & Hold Schaltung hat gegenüber der Verwendung einer üblichen Sample & Hold Schaltung mit einem Sample & Hold Kondensator den Vorteil, dass keine sog. Sample & Hold Spikes entstehen, welche durch die lediglich kurzzeitige Zuschaltung des Sample & Hold Kondensators entstehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung zum Detektieren von Rauch auf der Grundlage von Messungen von gestreuter elektromagnetischer Strahlung beschrieben. Das Verfahren kann insbesondere mit einem Rauchdetektor des oben genannten Typs durchgeführt werden. Das beschriebene Kalibrierungsverfahren weist auf (a) ein Einstellen einer Pulsdauer einer Strahlungsquelle zum Aussenden einer Beleuchtungsstrahlung, welche eine zeitliche Abfolge von Strahlungspulsen aufweist, die nach einer zumindest teilweisen Streuung der Beleuchtungsstrahlung als Messstrahlung von einem Strahlungsdetektor empfangen werden, und (b) ein Einstellen eines Abtastzeitpunktes einer Abtast-Halte-Schaltung eines Analog zu Digital Konverters, welcher ein analoges Ausgangssignal einer dem Strahlungsdetektor nachgeschalteten Verstärkerschaltung in einen digitalen Messwert konvertiert, in Bezug auf den Beginn und/oder das Ende der Pulsdauer der Strahlungsquelle. Erfindungsgemäß hängt die zeitliche Lage des Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung in Bezug auf einen Strahlungspuls von der Zeitdauer des Strahlungspulses ab.
  • Auch dem beschriebenen Kalibrierungsverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine zeitliche Verschiebung des analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung, die durch eine Variation der Pulsdauer der Beleuchtungsstrahlungspulse entsteht, durch eine entsprechende zeitliche Ansteuerung der Abtast-Halteschaltung kompensiert werden kann. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Digitalisierung des Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem dieses zumindest annähernd eine Maximalpegel aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hängt die eingestellte Pulsdauer von einem Referenzmesswert für den digitalen Messwert ab, welcher Referenzmesswert mittels einer Streustrahlungsmessung an einem definierten Streumedium ermittelt wird.
  • Durch die beschriebene Referenzmessung kann der gesamte optische und elektronische Signalweg innerhalb des Rauchdetektors erfasst werden. Schwankungen von Toleranzen der entsprechenden Komponenten des Rauchdetektors wie Strahlungsquellen-Steuerung, Strahlungsquelle, Messkammer, Strahlungsdetektor, Verstärkerschaltung und Analog zu Digital Konverter (inkl. Abtast-Halteschaltung) können somit durch eine entsprechende Anpassung der Pulsdauer der Strahlungsquelle kompensiert werden. So wird beispielsweise bei einer schwachen Strahlungsquelle, bei einem vergleichsweise wenig effektiven Strahlungsdetektor und/oder bei einem vergleichsweise schwachen Verstärker die Dauer der Strahlungspulse erhöht, um trotzdem ein verlässliches Streustrahlungssignal zu erhalten.
  • 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 optischen und elektronischen Signalweg innerhalb des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors.
    • Figur 3a zeigt eine Treiberschaltung für eine Lichtquelle des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors.
    • Figur 3b zeigt eine lediglich diskrete Bauelemente aufweisende Verstärkerschaltung des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors.
    • Figur 3c zeigt eine Abtast-Halte-Schaltung, welche in der Steuereinrichtung des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors integriert ist.
    • Figur 4 zeigt für den in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektor einen Vergleich des Zeitverhaltens zwischen der Ansteuerung der Lichtquelle und des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer voneinander unterscheiden.
  • 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.
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen Rauchdetektor, welcher das Vorhandensein von Rauch durch das Auftreten einer Streuung von Licht an Rauchpartikeln detektiert. Das Licht kann dabei infrarotes, sichtbares oder ultraviolettes Licht sein. Wie bereits oben dargelegt, kann zur Rauchdetektion anstelle von Licht jede Art von elektromagnetischer Strahlung mit beliebigen Wellenlängen verwendet werden.
  • 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 Lichtquelle 120, welche über eine Steuerleitung 170a mit Steuerpulsen beaufschlagt wird und dementsprechend dazu veranlasst wird, gepulstes Beleuchtungslicht 120a auszusenden. Ferner ist im Randbereich der Messkammer 110 noch ein als Fotodiode ausgebildeter Lichtdetektor 130 vorhanden, welcher ein Messlicht 130a empfängt, welches 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 auf den Lichtdetektor 130 trifft.
  • Dem Lichtdetektor 130 ist eine Verstärkerschaltung 140 nachgeschaltet, welche ein bei einem Lichteinfall auf den Lichtdetektor 130 entstehenden Fotostrom in eine Spannungssignal umwandelt, welches von einer Steuereinrichtung 150 weiter verarbeitet werden kann. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerschaltung 140, wie nachfolgend anhand von Figur 3b noch genauer beschrieben wird, lediglich aus einzelnen diskreten elektronischen Bauelementen aufgebaut. Operationsverstärker oder ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Bausteine sind in der Verstärkerschaltung 140 aus Kostengründen nicht enthalten.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind in der Steuereinrichtung 150 noch eine Abtast-Halte-Schaltung 152 und ein Analog zu Digital Konverter 156 integriert. Diese beiden Komponenten dienen 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.
  • Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Abtast-Halte-Schaltung als eine Track & Hold Schaltung 152 betrieben. Wie bereits oben in der allgemeinen Erfindungsbeschreibung dargelegt, bleibt bei einer Track & Hold Schaltung das gesamte Netzwerk des Analog zu Digital Konverters für einen längeren Zeitraum zugeschaltet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Track & Hold Schaltung unmittelbar nach dem Beginn des Anstiegs des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 140 zugeschaltet und beim Erreichen des Signal-Maximums des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 140 wieder abgeschaltet. Auf diese Weise wird nicht nur das Signalmaximum sondern ein längerer Verlauf des Anstiegs des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung zur Erfassung der Stärke des Ausgangssignals verwendet.
  • 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. Die Treiberschaltung 170 wird nachfolgend anhand von Figur 3a noch genauer erläutert.
  • 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 optische und elektronische Signalweg innerhalb des Rauchdetektors erfasst.
  • Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den gesamten optischen und elektronischen Signalweg innerhalb des optischen Rauchdetektors 100, welcher nunmehr mit dem Bezugszeichen 200 versehen ist. Dieser Signalweg 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 zu Digital Konverters 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 zu Digital Konverters größer ist als vorgesehen, kann dies durch eine Verkürzung der Pulsdauer der Lichtpulse kompensiert werden.
  • Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu bekannten optischen Rauchdetektoren 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 3a zeigt eine Treiberschaltung 370 für die Lichtquelle 120 des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors 100. Die Lichtquelle ist nunmehr mit dem Bezugszeichen 320 versehen.
  • Die Treiberschaltung 370 weist einen Transistor 372 auf, dessen Kollektor über die Lichtquelle 320, welche bei einem entsprechenden Stromfluss ein Beleuchtungslicht 320a emittiert, mit einer Versorgungsspannung Vcc verbunden ist. Die Basis des Transistors 372 ist über einen ohmschen Widerstand 374 mit einem Eingangssteuersignal Uin verbunden. Der Kollektor des Transistors 372 ist über einen ohmschen Widerstand 374 mit Masse GND verbunden.
  • Bei einem entsprechenden Pegel des Eingangssteuersignals Uin schaltet der Transistor 372 durch und es ergibt sich ein Stromfluss durch die als Leuchtdiode ausgebildete Lichtquelle 320. Die entsprechende Stromstärke durch die Leuchtdiode 320 hängt in bekannter Weise von der Versorgungsspannung Vcc und von dem Widerstand 376 ab.
  • Figur 3b zeigt eine lediglich diskrete Bauelemente aufweisende Verstärkerschaltung 340, so wie sie gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel für die Verstärkerschaltung 140 des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors 100 verwendet wird. Die diskrete Verstärkerschaltung 340 weist eine Transimpedanz R1 auf, mittels welcher ein Stromfluss durch die Fotodiode 330 in ein primäres Spannungssignal umgewandelt wird. Ein Kondensator C1 dient der Glättung des Spannungssignals. Der Kondensator C2 stellt zusammen mit dem Widerstand R4 einen Strom-Zeit Integrator 342 dar, welcher als erste Verstärkerstufe angesehen werden kann. Die Bereiche der Verstärkerschaltung 340 um die Transistoren T1, T2 und T3 können als zweite Verstärkerstufe angesehen werden, wobei T2 und T3 eine gesteuerte Stromquelle darstellen.
  • Wie aus Figur 3b ersichtlich, wird die gesamte Verstärkerschaltung 340 von der Versorgungsspannung Vcc gespeist. Mit dem Bezugszeichen 352 wird eine am Ausgang der Verstärkerschaltung 340 befindliche Abtast-Halte-Schaltung bezeichnet, welche zusammen mit einem nachgeschalteten Analog zu Digital Konverter 356 für eine zuverlässige Umwandlung des analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 340 in ein digitales Messsignal sorgt.
  • Die dargestellte Verstärkerschaltung 340 wie auch deren Ausgang ist auf sehr geringen Stromverbrauch um etwa 3µA bis 5µA ausgelegt. Aus diesem Grund sind die Verstärkerschaltung 340 und auch deren Ausgang nicht in der Lage, elektrische Laständerungen am Ausgang zügig zu kompensieren. Solche Laständerungen können jedoch durch das Zuschalten einer typischen Sample & Hold Eingangsstufe (mit einem niederohmigen angebundenen Kondensator) für den Analog zu Digital Wandler 356 hervorgerufen werden. Damit würde das zu messende analoge Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 340 kurzzeitig durch zumindest einen Spike stark verstimmt werden. Selbstverständlich könnte man die Verstärkerschaltung 340 auch niederohmiger auslegen, dies würde jedoch den Stromverbrauch der Verstärkerschaltung 340 wieder erhöhen.
  • Um diesen Nachteil zu umgehen und um bei einem geringen Stromverbrauch trotzdem ein Verstimmung des analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 340 zu vermeiden, wird gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Abtast-Halte-Schaltung als Track & Hold Schaltung 352 betrieben.
  • Figur 3c zeigt die als Track & Hold Schaltung betriebene Abtast-Halte-Schaltung 352, welche in der Steuereinrichtung des in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektors 100 integriert ist.
  • Das zentrale Element der Track & Hold Schaltung 352 ist ein Kondensator 353, der eine Speicherfunktion für die Analogwerte übernimmt, welche an einem Eingang IN der Track & Hold Schaltung 352 anliegen. Dazu kommt ein elektronischer Schalter 355, welche die Abtast- und Haltephase bestimmt. An einem Ausgang OUT stellt die Track & Hold Schaltung 352 das für eine Digitalisierung durch den Analog zu Digital Konverter 356 vorgesehene Signal bereit.
  • Ist der Schalter 355 geschlossen, wird der Kondensator 353 aufgeladen. Um den Kondensator 355 schnell aufladen zu können, kann der Kondensator 353 eine kleine Kapazität aufweisen. Ein Kondensator 353 mit einer geringen Kapazität hat jedoch den Nachteil, dass sich dieser auch schnell entlädt und dadurch die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung 340 nicht so lange auf dem benötigten Niveau gehalten werden kann.
  • Der Schalter 355 weist ausgeschalteten Zustand einen hohen Sperrwiderstand auf und die Isolation des Kondensators 353 ist sehr gut. Dadurch kann einer unerwünschten Selbstentladung des Kondensators 353 entgegen gewirkt werden.
  • Die auf dem Kondensator 353 akkumulierte Ladung ist ein direktes Maß für die Stärke des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 340 und damit auch für die Dichte an Rauchpartikeln, die sich in der Messkammer 110 befinden.
  • Im Unterschied zu einer Sample & Hold Schaltung, bei der der Schalter 355 lediglich für eine vergleichsweise kurze Zeitspanne geschlossen ist und bei der durch das kurzzeitige Schließen des Schalters 355 unerwünschte Spikes bzw. kurzzeitige Verstimmungen des zu erfassenden analogen Signals auftreten, wird bei der Track & Hold Schaltung 352 das gesamte Netzwerk des Analog zu Digital Konverters 356 für einen längeren Zeitraum zugeschaltet. Dies gilt beispielsweise für den gesamten oder zumindest für einen längeren Zeitabschnitt, in dem das analoge Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 340 ansteigt.
  • Die Track & Hold Schaltung 352 kann beispielsweise unmittelbar nach dem Beginn des Anstiegs des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 340 durch ein Schließen des Schalters 355 zugeschaltet und beim Erreichen des Signal-Maximums wieder abgeschaltet bzw. gelöst werden. Somit wird auf vorteilhafte Weise nicht nur das Signalmaximum sondern ein längerer Verlauf des Anstiegs des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 340 zur Aufladung des Kondensators 353 und damit zur Erfassung der Stärke des Ausgangssignals verwendet. Unerwünschte Spikes, die, wie oben beschrieben, üblicherweise bei einer Sample & Hold Schaltung auftreten, treten bei der Track & Hold Schaltung 352 nicht auf.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Last des Analog zu Digital Konverters 356, welche im Vergleich zu einer Sample & Hold Schaltung bei der beschriebenen Track & Hold Schaltung 352 länger zugeschaltet ist, bereits bei der Einstellung des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung 340 berücksichtigt werden kann.
  • Figur 4 zeigt für den in Figur 1 dargestellten optischen Rauchdetektor 100 einen Vergleich des Zeitverhaltens zwischen der Ansteuerung der Lichtquelle (oben) und des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 140, 340 (unten).
  • Wie bereits oben erläutert, erfolgt erfindungsgemäß ein Abgleich des optischen und elektronischen Signalweges innerhalb des Rauchdetektors 100 durch eine geeignete Anpassung der Zeitdauer T der Ansteuerpulse. Da die Beleuchtungspulse zumindest annähernd dem Verlauf der Ansteuerpulse folgen, wird somit durch eine Variation der Zeitdauer T auch die Pulsdauer der Pulse des Beleuchtungslichts variiert.
  • In dem unteren Diagramm von Figur 4 sind die Verläufe von drei verschiedenen Ausgangssignalen aufgetragen, die sich bei unterschiedlichen Zeitdauern T für einen Ansteuerpuls für die Lichtquelle ergeben. Die durchgezogene Linie 491 stellt dabei das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung bei einer vergleichsweise langen Pulsdauer T dar. Die gestrichelte Linie 492 stellt das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung bei einer mittleren Pulsdauer T dar. Die gestrichelte Linie 493 stellt das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung bei einer vergleichsweise kurzen Pulsdauer T dar.
  • Wie aus Figur 4 ersichtlich, verschiebt sich das Maximum des jeweiligen Ausgangssignals mit zunehmender Länge des Ansteuerpulses T zeitlich nach hinten. Diese Verschiebung wird erfindungsgemäß dadurch kompensiert, dass der sog. Hold-Zeitpunkt, an dem die eigentliche Analog zu Digital Konvertierung stattfindet, in entsprechender Weise in Bezug zu dem Zeitpunkt t0, an dem der Ansteuerpuls seine Anstiegsflanke aufweist, nach hinter geschoben wird. Diese Anpassung des Hold-Zeitpunktes erfolgt durch die in Figur 1 dargestellte Steuereinrichtung 150.
  • Wie ferner aus Figur 4 ersichtlich, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Rauchsignal des Rauchdetektors durch eine Differenzbildung zwischen dem Maximum des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung zu einem Zeitpunkt t2 und einem Offset-Wert des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung zu einem Zeitpunkt t1 bestimmt. Dabei wird der Zeitpunkt t1 bevorzugt so gewählt, dass die entsprechende Messung des Offset Wertes, welche ebenfalls mittels der Track & Hold Schaltung und mittels des nachgeschalteten Analog zu Digital Konverters erfolgt, in keiner Weise durch die Streulichtmessung verfälscht wird.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass auch die Temperatur des gesamten Rauchdetektors 100 und insbesondere die Temperatur der Verstärkerschaltung 140 und/oder der Steuereinrichtung 150 zu einer zeitlichen Verschiebung des Maximums des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung betragen kann. Durch eine Erfassung der entsprechenden Temperatur mit der internen Temperaturmessdiode 158 und/oder mit dem externen Temperaturmessfühler 168 kann auch dieser Temperatureinfluss durch eine geeignete Anpassung des Hold-Zeitpunktes kompensiert und somit zu einer zuverlässigen Rauchdetektion beigetragen werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Rauchdetektor
    110
    Messkammer / Streuvolumen
    111
    Barriere
    120
    Strahlungsquelle / Lichtquelle / Leuchtdiode
    120a
    Beleuchtungsstrahlung / Beleuchtungslicht
    130
    Strahlungsdetektor / Lichtdetektor / Fotodiode
    130a
    Messstrahlung / Messlicht
    140
    Verstärkerschaltung
    150
    Steuereinrichtung
    152
    Abtast-Halte-Schaltung / Track & Hold Schaltung
    156
    Analog zu Digital Konverter
    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
    320
    Strahlungsquelle / Lichtquelle / Leuchtdiode
    320a
    Beleuchtungsstrahlung / Beleuchtungslicht
    330
    Strahlungsdetektor / Lichtdetektor / Fotodiode
    330a
    Messstrahlung / Messlicht
    340
    Verstärkerschaltung
    342
    Integrator
    352
    Abtast-Halte-Schaltung / Track & Hold Schaltung
    353
    Speicherkondensator
    355
    Schalter
    356
    Analog zu Digital Konverter
    370
    Treiberschaltung
    372
    Transistor
    374
    Widerstand
    376
    Widerstand
    Vcc
    Versorgungsspannung
    GND
    Masse
    R
    Widerstand
    T1-T3
    Transistor
    C1-C6
    Kondensator
    R1-R10
    Widerstand
    IN
    Eingang
    OUT
    Ausgang
    Uin
    Eingangssteuersignal
    491
    Ausgangssignal der Verstärkerschaltung bei langer Pulsdauer T
    492
    Ausgangssignal der Verstärkerschaltung bei mittlerer Pulsdauer T
    493
    Ausgangssignal der Verstärkerschaltung bei kurzer Pulsdauer T
    T
    Zeitdauer der Ansteuerpulse für Leuchtdiode

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Detektieren von Rauch auf der Grundlage von Messungen von gestreuter elektromagnetischer Strahlung, die Vorrichtung (100, 200) aufweisend
    • eine Strahlungsquelle (120, 220, 320) zum Aussenden einer Beleuchtungsstrahlung (120a, 320a), welche eine zeitliche Abfolge von Strahlungspulsen aufweist,
    • einen Strahlungsdetektor (130, 230, 330) zum Empfangen von Messstrahlung (130a, 330a), welche nach einer zumindest teilweise Streuung der Beleuchtungsstrahlung (120a, 320a) auf den Strahlungsdetektor (130, 230, 330) trifft,
    • eine Verstärkerschaltung (140, 240, 340) zum Verstärken eines Ausgangssignals des Strahlungsdetektors (130, 230, 330),
    • einen Analog zu Digital Konverter (156, 356) mit einer Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) zum Konvertieren eines analogen Ausgangssignals der Verstärkerschaltung (140, 240, 340) in einen digitalen Messwert (156a), und
    • eine Steuereinrichtung (150, 250), welche mit der Strahlungsquelle (120, 220, 320) und der Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) gekoppelt ist und welche eingerichtet ist die Strahlungsquelle (120, 220, 320) und die Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) derart zu steuern, dass die zeitliche Lage eines Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) in Bezug auf einen Strahlungspuls von der Zeitdauer des Strahlungspulses abhängt.
  2. Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, bei der die Verstärkerschaltung (140, 240, 340) eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltung ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend
    • einen Temperatursensor (158, 168), welcher mit der Steuereinrichtung (150) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (150) ferner eingerichtet ist die Strahlungsquelle (120, 220, 320) und die Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) derart zu steuern, dass
    die zeitliche Lage eines Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) in Bezug auf einen Strahlungspuls zusätzlich von einer von dem Temperatursensor (158, 168) erfassten Temperatur abhängt.
  4. Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, bei der der Temperatursensor ein in der Steuereinrichtung (150) integrierter Temperatursensor (158) ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der
    der Analog zu Digital Konverter (156, 356) und die Steuereinrichtung (150) mittels eines gemeinsamen integrierten Bauelements realisiert sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der
    die Verstärkerschaltung (140, 240, 340) einen Integrator (342) aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der
    die Abtast-Halte-Schaltung eine Track & Hold Schaltung (156, 356) ist.
  8. Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung (100) zum Detektieren von Rauch auf der Grundlage von Messungen von gestreuter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Kalibrieren einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das Verfahren aufweisend
    • Einstellen einer Pulsdauer einer Strahlungsquelle (120, 220, 320) zum Aussenden einer Beleuchtungsstrahlung (120a, 320a), welche eine zeitliche Abfolge von Strahlungspulsen aufweist, die nach einer zumindest teilweisen Streuung der Beleuchtungsstrahlung (120a, 320a) als Messstrahlung (130a, 330a) von einem Strahlungsdetektor (130, 230, 330) empfangen werden, und
    • Einstellen eines Abtastzeitpunktes einer Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) eines Analog zu Digital Konverters (156, 356), welcher ein analoges Ausgangssignal einer dem Strahlungsdetektor (120, 220, 320) nachgeschalteten Verstärkerschaltung (140, 240, 340) in einen digitalen Messwert (156a) konvertiert, in Bezug auf den Beginn (t0) und/oder das Ende der Pulsdauer der Strahlungsquelle (120, 220, 320), wobei
    die zeitliche Lage des Abtastzeitpunktes der Abtast-Halte-Schaltung (152, 352) in Bezug auf einen Strahlungspuls von der Zeitdauer des Strahlungspulses abhängt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
    die eingestellte Pulsdauer von einem Referenzmesswert für den digitalen Messwert (156a) abhängt, welcher Referenzmesswert mittels einer Streustrahlungsmessung an einem definierten Streumedium ermittelt wird.
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