EP3128493A1

EP3128493A1 - Streulichtrauchmelder mit einer im meldergehäuse aufgenommenen optischen messkammer und mit einer spiegelfläche an einer innenseite einer melderhaube als teil des meldergehäuses

Info

Publication number: EP3128493A1
Application number: EP15180045.5A
Authority: EP
Inventors: Aleksandar Duric
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2017-02-08
Also published as: EP3332395B1; EP3332395A1; WO2017021217A1; CN107851355B; CN107851355A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Streulichtrauchmelder (1) mit einer mit der Umgebungsluft kommunizierenden optischen Messkammer. Letztere ist im Inneren (IR) eines Meldergehäuses (2) aufgenommen und durch einen Grundkörper (3) und durch eine Melderhaube (4) des Meldergehäuses begrenzt. Im Grundkörper ist ein vorzugsweise ebener Schaltungsträger (7) aufgenommen. Auf diesem sind angrenzend zur Messkammer eine Leuchtdiode (5) und ein Photosensor (6) in einer Streulichtanordnung angeordnet. Die Leuchtdiode und der Photosensor weisen jeweils eine zumindest nahezu orthogonal zum Schaltungsträger verlaufende optische Achse (A) auf und liegen einer die Messkammer begrenzenden Innenseite (IS) der Melderhaube gegenüber. Ein Teil der Innenseite weist eine Spiegelfläche (S) auf, welche der Leuchtdiode gegenüberliegt. Die Spiegelfläche weist eine derartige Spiegelgeometrie auf, dass ein Lichtkegel (R, B) der Leuchtdiode einen Empfangsbereich (E) des Photosensors in einem ersten Streulichtvolumen (Z1, Z) innerhalb der Messkammer schneidet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Streulichtrauchmelder, der eine mit der Umgebungsluft kommunizierende optische Messkammer aufweist. Die Messkammer ist im Inneren eines Meldergehäuses aufgenommen und durch einen Grundkörper und durch eine Melderhaube des Meldergehäuses begrenzt. Der Grundkörper und die Melderhaube können auch einstückig sein. Beide sind vorzugsweise ein Kunststoffspritzgrussteil. Im Grundkörper ist ein vorzugsweise ebener Schaltungsträger aufgenommen, auf dem angrenzend zur Messkammer eine Leuchtdiode und ein Photosensor, wie z.B. eine Photodiode, in einer Streulichtanordnung angeordnet sind.
Derartige Streulichtrauchmelder sind allgemein bekannt. Sie können wie auch der erfindungsgemässe Streulichtrauchmelder zum Anschluss an einem Melderbus bzw. an einer Melderlinie ausgebildet sein. Im Falle einer detektierten Mindestrauchkonzentration erfolgt die Ausgabe einer Alarm- oder Warnmeldung auf den Melderbus. Die Alarm- oder Warnmeldung kann alternativ oder zusätzlich über Funk und/oder am Streulichtrauchmelder optisch und/oder akustisch ausgegeben werden. Die betrachteten, als Punktmelder ausgebildeten Streulichtrauchmelder können alternativ oder zusätzlich für einen batteriegestützten Stand-Alone-Betrieb ausgebildet sein.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen besonders kompakten Streulichtrauchmelder anzugeben.
Die Aufgabe wird mit den Gegenständen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Erfindungsgemäss weisen die Leuchtdiode und der Photosensor jeweils eine zumindest nahezu orthogonal zum Schaltungsträger verlaufende optische Achse auf. Mit anderen Worten verlaufen die beiden optischen Achsen zumindest nahezu parallel zueinander. Die Leuchtdiode und der Photosensor liegen einer die Messkammer begrenzenden Innenseite der Melderhaube gegenüber. Ein Teil der Innenseite weist zumindest eine Spiegelfläche auf, welche der Leuchtdiode gegenüberliegt. Die Spiegelfläche weist eine derartige Spiegelgeometrie auf, dass ein Lichtkegel der Leuchtdiode einen Empfangsbereich des Photosensors in einem Streulichtvolumen innerhalb der Messkammer schneidet.
Die Spiegelfläche kann eine plane oder eine konkave Fläche aufweisen. Sie kann eine silbrige Folie oder ein Blechstück aus Metall sein, wie z.B. aus Aluminium oder Stahl. Die Folie kann auf der Innenseite der Melderhaube aufgeklebt werden. Das Blechstück kann an der Innenseite der Melderhaube z.B. angeklebt oder beim Spritzguss der Melderhaube mit angebracht werden. Die Spiegelfläche kann auch eine metallisierte Fläche sein, die z.B. mittels eines Bedampfungsverfahrens im Vakuum aufgebracht wird. Die Spiegelfläche kann auch ein Kunststoffspiegel mit einer glänzenden oder polierten Fläche sein, wie z.B. aus schwarzem Kunststoff.
Der Schaltungsträger ist vorzugsweise eine ebene Leiterplatte. Insbesondere weist diese zumindest auf einer der beiden Schaltungsträgerseiten Kontaktierungsflächen für eine Oberflächenmontage, d.h. für eine sogenannte SMD-Montage auf.
Der Kern der Erfindung liegt in der Verwendung der Innenseite der Melderhaube als Spiegel bzw. als Reflektor, um das von der Leuchtdiode orthogonal zum Schaltungsträger ausgesandte Lichtbündel durch einen zentralen Bereich im Inneren des Meldergehäuses zu lenken.
Dadurch ist vorteilhaft ein kompakter und zugleich konstruktiv besonders einfacher Streulichtrauchmelder realisierbar. Einer Ausführungsform zufolge sind auf dem Schaltungsträger zumindest eine Blende und/oder zumindest eine Lichtfalle und/oder lichtabsorbierende Strukturen angeordnet. Vorzugsweise ist auf dem Schaltungsträger eine einstückige Abdeckung mit Ausnehmungen zumindest für die Leuchtdiode und für den Photosensor angebracht. Die Abdeckung weist die zumindest eine Blende und/oder Lichtfalle und/oder lichtabsorbierende Strukturen auf bzw. formt diese aus. Vorzugsweise überdeckt die Abdeckung bis auf die zuvor genannten Ausnehmungen im Wesentlichen die gesamte, der Innenseite der Melderhaube gegenüberliegende Oberseite des Schaltungsträgers und bildet somit den Boden der optischen Messkammer. Die Abdeckung ist insbesondere ein schwarzes Kunststoffspritzgussteil.
Die zumindest eine Blende ist möglichst scharfkantig ausgebildet, sodass nur wenig Licht auf eine solche Kante fällt und reflektiert wird. Die Lichtfallen sind vorzugsweise topf- oder trichterförmig ausgebildet. Sie weisen im Bezug auf die Haupteinfallrichtung der Lichtstrahlen von der Leuchtdiode derart geometrisch orientierte Flächen und/oder Riffelungen auf, dass sich die dort einfallenden Lichtstrahlen nach einigen Reflexionen "totlaufen". Der Grossteil der verbleibenden Oberseite der Abdeckung ist vorzugsweise geriffelt ausgebildet. Die Oberflächen der Blende(n) und/oder der Lichtfalle(n) und/oder der geriffelten Flächen bzw. der Riffelungen sind vorzugsweise glänzend ausgebildet und wirken wie schwarze Spiegel. Das hat den Vorteil, dass auftreffendes Licht nicht diffus gestreut, sondern gerichtet reflektiert wird.
Vorzugsweise weist auch die Innenseite der Meldehaube bis auf die Spiegelfläche(n) Riffelungen als lichtabsorbierende Strukturen auf, insbesondere schwarz glänzende Riffelungen. Sie kann an ihrer Innenseite auch eine lichtabsorbierende Farbschicht, wie z.B. eine schwarze Farbschicht, aufweisen.
Dadurch verringert sich vorteilhaft der sogenannte Grundpuls. Es gelangt somit weniger an den Wänden und Komponenten der optischen Messkammer reflektiertes Licht zum Photosensor.
Die optische Messkammer wird somit durch die angrenzende Abdeckung auf dem Schaltungsträger und durch die gegenüberliegende Innenseite der Melderhaube gebildet. Dadurch kann vorteilhaft auf einen topfförmigen Deckel verzichtet werden, der üblicherweise auf den Boden bzw. auf die Abdeckung der optischen Messkammer aufgesteckt wird. Eine derartige Anordnung wird auch als Labyrinth bezeichnet. Ein solches, typischerweise zylindrisch ausgestaltetes Labyrinth weist üblicherweise Lamellen als Lichtabschirmelemente am radialen Aussenumfang auf. Letztere sind derart ausgestaltet, dass sie den Durchtritt von zu detektierenden Rauchpartikeln in das Innere des Labyrinths ermöglichen, jedoch das Innere des Labyrinths gegen direktes Umgebungslicht abschirmen.
Vorzugsweise sind derartige Lichtabschirmelemente integrale Teile der Abdeckung für den Schaltungsträger. Sie können als Kunststoffteil dort mit angespritzt sein. Die Lichtabschirmelemente können alternativ in der Melderhaube oder im Grundkörper integriert sein.
Vorzugsweise weist das Meldergehäuse mit der Melderhaube eine im Wesentlichen rotationssymmetrische oder spiegelbildliche Aussenkontur auf. Dadurch wird eine weitgehend richtungsunabhängige Rauchdetektion ermöglicht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Melderhaube eine konvexe Aussenkontur und eine zumindest teilweise konkave Innenkontur auf. Es weist die jeweilige Spiegelfläche an der Innenseite der Melderhaube eine der zumindest teilweise konkaven Innenkontur der Melderhaube folgende Spiegelgeometrie auf. Die Spiegelfläche kann z.B. einen konkaven Teil der Oberfläche einer Kugel, eines Ellipsoids, eines Paraboloids oder eines Hyperboloids umfassen. Aus der konvexen Aussenkontur folgt eine geometrisch entsprechende konkave Innenkontur der Spiegelfläche, dabei vorausgesetzt, dass die Wandstärke der Melderhaube im Wesentlichen unverändert bleibt. Durch die konkave Innenkontur ist vorteilhaft eine Fokussierung des einfallenden, von der gegenüberliegenden Leuchtdiode ausgesandten Lichtbündels möglich.
Einer bevorzugten Ausführungsform des Streulichtrauchmelders zufolge ist der Photosensor mittig im Meldergehäuse angeordnet, sodass das im Innenraum des Meldergehäuses gebildete Streulichtvolumen eine durch das Zentrum des Streulichtrauchmelders verlaufende konstruktive Hauptachse umschliesst. Dadurch wird vorteilhaft eine weitestgehend richtungsunabhängige Rauchdetektion ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist eine jeweilige der Leuchtdiode gegenüberliegende Spiegelfläche eine derartige Spiegelgeometrie auf, dass der Lichtkegel der Leuchtdiode nach seiner Spiegelung faktisch berührungsfrei den Innenraum des Meldergehäuses mit der Messkammer durchquert und in eine lichtabsorbierende Lichtfalle mündet.
Durch die Fokussierung und gezielte Lenkung des Lichtbündels ist vorteilhaft eine effektive gerichtete Einleitung des Lichtbündels in die dafür vorgesehene Lichtfalle mit einer nahezu vollständigen Lichtabsorption möglich.
Vorzugsweise ist auf dem Schaltungsträger zumindest eine weitere Leuchtdiode mit einer zum Schaltungsträger orthogonalen optischen Achse angeordnet. Mit anderen Worten verlaufen die optischen Achsen der drei optoelektronischen Bauelemente zumindest nahezu parallel zueinander. Es ist zumindest eine der zumindest einen weiteren Leuchtdiode angrenzend zur ersten Leuchtdiode angeordnet. Alternativ kann die zumindest eine weitere Leuchtdiode mit der ersten Leuchtdiode eine Zweifarben- oder Mehrfarben-Leuchtdiode als einstückiges optoelektronisches Bauelement bildet. Es liegt die zumindest eine weitere Leuchtdiode der Spiegelfläche der ersten Leuchtdiode gegenüber. Das von den jeweiligen Leuchtdioden ausgesandte Licht weist eine voneinander verschiedene Wellenlänge auf. Durch die farbspezifische Auswertung des Photosensorsignals ist eine brandtechnische Analyse der detektierten Rauchteilchen hinsichtlich ihrer Teilchengrösse möglich.
Vorzugsweise ist die erste Leuchtdiode eine (monochrome) rote Leuchtdiode oder eine (monochrome) Infrarot-Leuchtdiode mit einer Lichtwellenlänge von 940 ± 70 nm. Die zweite Leuchtdiode ist vorzugsweise eine (monochrome) blaue Leuchtdiode mit einer Lichtwellenlänge von 470 ± 70 nm oder eine (monochrome) UV-Leuchtdiode im UV-A-Bereich. Die erste und zweite Leuchtdiode können zu einer Zweifarben-Leuchtdiode zusammengefasst sein. Eine derartige Leuchtdiode wird auch als Dual-LED oder Duo-LED bezeichnet. Im Wesentlichen weisen beide Leuchtdioden eine annähernd gleiche optische Achse auf, sodass vorteilhaft keine weitere Spiegelfläche an der Innenseite der Melderhaube erforderlich ist.
Typischerweise weist der Rauchmelder eine elektronische Steuereinheit, insbesondere einen Mikrocontroller auf. Die Steuereinheit ist mit der jeweiligen Leuchtdiode und dem Photosensor verbunden, insbesondere signal- oder datentechnisch. Die Steuereinheit gibt einen Brandalarm aus, falls ein der jeweiligen Leuchtdiode zugeordnetes Sensorsignal einen Streulicht-Grenzwert oder einen kombinierten Streulicht-Grenzwert überschreitet. Der Mikrocontroller ist ferner dazu eingerichtet, die Leuchtdioden zumindest mittelbar und im Falle mehrerer Leuchtdioden alternierend anzusteuern sowie zeitlich zugeordnet das entsprechende Photosensorsignal auszuwerten.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist im Meldergehäuse ein für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) empfindlicher, kontaktlos arbeitender Wärmestrahlungssensor aufgenommen. Mit "mittlerem Infrarotbereich" ist ein Wellenlängenbereich von 3 µm bis 20 µm für Wärmestrahlung bezeichnet. Der Wärmestrahlungssensor ist insbesondere eine Thermosäule oder ein Bolometer. Geläufiger ist in der Fachsprache jedoch der englischsprachige Fachbegriff "Thermopile" für eine Thermosäule. Solche Wärmestrahlungssensoren geben i.Vgl. zu Pyrosensoren, die nur ein Signal bei Wärmestrahlungsänderungen ausgeben, auch ein Sensorsignal bei gleichbleibender Wärmestrahlung entsprechend ihrer Intensität aus.
Der Wärmestrahlungssensor ist weiter gemäss der Erfindung optisch auf einen zentralen Bereich an der Innenseite der Melderhaube zur Erfassung einer dortigen Gehäusetemperatur ausgerichtet, welche im Wesentlichen der Umgebungstemperatur in der unmittelbaren Umgebung des Streulichtrauchmelders folgt. Der zentrale Bereich umfasst typischerweise die geometrische Hauptachse bzw. die Rotationssymmetrieachse des Streulichtrauchmelders. Er liegt auch im optischen Erfassungsbereich des Wärmestrahlungssensors. Das gesamte Meldergehäuse inklusive der Melderhaube ist ferner lichtdicht ausgeführt, sodass kein nennenswertes Licht, weder im sichtbaren Bereich, im UV-Bereich noch im nahen und mittleren Infrarotbereich durch das Meldergehäuse hindurchtritt.
Die erfasste Wärmestrahlung steht in einem direkten Zusammenhang mit der Temperatur an der Innenseite der Melderhaube, welche mit geringer, vertretbarer Verzögerung der tatsächlichen Umgebungstemperatur folgt. Dabei erwärmt sich der zentrale Bereich der Melderhaube bei bestimmungsgemässer Deckenmontage üblicherweise auch am schnellsten. Hierzu kann die Wandstärke der Melderhaube derart bemessen sein, dass die an der Aussenseite der Melderhaube herrschende Umgebungstemperatur durch die wärmeleitende Materialeigenschaft der Melderhaube mit einer Zeitkonstante von weniger als 30 s, insbesondere von weniger als 10 s, folgt. Insbesondere weist das Gehäuseteil eine Wandstärke im Bereich von 1 bis 2 mm auf, sodass eine Zeitkonstante für den Wärmetransport von der Aussenseite zur Innenseite im zentralen Bereich der Melderhaube von weniger als 10 Sekunden möglich ist.
Die Steuereinheit ist zudem mit dem Wärmestrahlungssensor verbunden und dazu eingerichtet, rechnerisch aus einem vom Wärmestrahlungssensor ausgegebenen Wärmesensorsignal einen der Umgebungstemperatur entsprechenden Temperaturwert abzuleiten und diesen bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen. Dabei kann ein zu hoher Temperaturwert zur Plausibilitätskontrolle von detektiertem Rauch bei einem offenen Brand herangezogen werden. Es kann auch ein Brandalarm durch die Steuereinheit ausgegeben werden, wenn ein offener Brand ohne Rauchentwicklung vorliegt, wie z.B. bei einem Brand mit Alkohol, aber die Umgebungstemperatur zu hoch ist, wie z.B. grösser als 65° Celsius.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Temperaturwert nach dem pyrometrischen Messprinzip unter Berücksichtigung eines gespeicherten Emissionsgrads zu ermitteln. Der Emissionsgrad ist von der Oberflächenbeschaffenheit und/oder vom Werkstoff der Melderhaube sowie von der Wellenlänge der emittierten Wärmestrahlung abhängig. Vorzugsweise weist der Emissionsgrad im mittleren Infrarotbereich einen Wert von mindestens 0.8, vorzugsweise von mindestens 0.9 auf. Dies kann z.B. durch einen schwarzen Kunststoff oder durch einen schwarzen Farbauftrag im zentralen Bereich der Innenseite der Melderhaube erreicht werden. Der Emissionsgrad kann z.B. im Rahmen einer Musterprüfung messtechnisch ermittelt werden.
Durch die berührungslose Temperaturerfassung mit dem Wärmestrahlungssensor kann vorteilhaft auf eine aufwändige manuelle Montage eines Temperaturmesswiderstands inklusive der hierzu erforderlichen Verdrahtung verzichtet werden.
Nach einer dazu alternativen Ausführungsform umfasst die Melderhaube ein Gehäuseteil, das zumindest den zentralen Bereich der Melderhaube umfasst. Dieses Gehäuseteil ist vorzugsweise in der Melderhaube integriert. Darüber hinaus ist dieses Gehäuseteil nur für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich durchlässig. Die verbleibenden Gehäuseteile sind dagegen vorzugsweise lichtdicht ausgeführt, sodass kein nennenswertes Licht, weder im sichtbaren Bereich, im UV-Bereich noch im nahen und mittleren Infrarotbereich durch das verbleibende Meldergehäuse hindurchtritt. Der Werkstoff des zentralen Gehäuseteils kann z.B. ein Kunststoff sein, wie z.B. ein thermoplastischer Kunststoff auf Basis von Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat oder eine Keramik sein, wie z.B. transparente feinkristalline Spinell-Keramiken auf Basis von Magnesium- und Aluminiumoxid. Insbesondere erscheint dann dieser Werkstoff im optisch sichtbaren Bereich als undurchsichtig, insbesondere als opak oder weiss-opak. Der Streulichtmelder weist somit ein Gehäuse bzw. eine Melderhaube auf, welches einem Betrachter wie ein herkömmlicher Brandmelder erscheint.
Weiterhin ist die Steuereinheit gemäss der Erfindung mit dem Wärmestrahlungssensor verbunden und dazu eingerichtet, ein vom Wärmestrahlungssensor ausgegebenes Wärmesensorsignal auf das Auftreten von signifikanten Fluktuationen oder Flackerfrequenzen für offenes Feuer und lodernder Glut hin zu überwachen und bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen. Die frequenztechnische Überwachung kann z.B. mittels digitaler Filter oder mittels einer digitalen Fourieranalyse (FFT, DFT) erfolgen.
Dadurch kann bei einem detektierten offenen Feuer sofort ein Brandalarm ausgegeben werden, bevor die dabei entstehenden Rauchpartikel die optische Messkammer erreichen. Die Alarmierung erfolgt somit schneller.
Nach einer Ausführungsform kann die Steuereinheit zusätzlich dazu eingerichtet sein, aus einem Gleichanteil des Wärmesensorsignals rechnerisch - wie eingangs beschrieben - einen der Umgebungstemperatur entsprechenden Temperaturwert abzuleiten und gleichfalls bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen.
Dadurch können vorteilhaft mittels nur eines Wärmestrahlungssensors zwei charakteristische Brandkenngrössen erfasst werden. Ein separates weiteres Bauelement für die Temperaturerfassung in der Umgebung des Gefahrenmelders kann entfallen.
Nach einer weiteren Ausführungsform formt das nur für Wärmestrahlung durchlässige Gehäuseteil eine optische Linse zur Aufweitung des optischen Erfassungsbereichs des Wärmestrahlungssensors aus. Dadurch kann ein grösserer Bereich in der Umgebung des Streulichtrauchmelders überwacht werden.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden am Beispiel der nachfolgenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1: eine erste Ausführungsform des Streulichtrauchmelders mit einer Spiegelfläche gemäss der Erfindung,
FIG 2: eine zweite Ausführungsform mit zwei Spiegelflächen,
FIG 3: eine dritte Ausführungsform mit einem Wärmestrahlungssensor zur Erfassung einer Umgebungstemperatur gemäss der Erfindung,
FIG 4: eine vierte Ausführungsform mit zwei Spiegelflächen und mit zwei Streulichtanordnungen gemäss der Erfindung,
FIG 5: eine fünfte Ausführungsform mit einem Wärmestrahlungssensor zur Erfassung einer Umgebungstemperatur und zur Detektion von offenem Feuer im Sinne eines Flammenmelders gemäss der Erfindung, und
FIG 6: eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach FIG 5 entlang der dort eingezeichneten Blickrichtung VI.

FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform des Streulichtrauchmelders 1 mit einer Spiegelfläche S gemäss der Erfindung. Der gezeigte Streulichtrauchmelder 1 weist ein Meldergehäuse 2 auf, welches sich aus einem Grundkörper 3 und einer Melderhaube 4 zusammensetzt. Der Melder 1 wird mit seiner Anschlussseite AN an einem nicht weiter gezeigten Meldersockel angebracht, der typischerweise an der Decke befestigt ist. Zwischen Grundkörper 3 und Melderhaube 4 sind Öffnungen OF ausgebildet, sodass Rauchpartikel durch diese in das Inneren IR des Meldergehäuses 2 zur optischen Rauchdetektion gelangen können. Im Bereich der Öffnungen OF sind weiterhin Lichtabschirmelemente in Form von Lamellen LAM vorhanden, welche die Rauchpartikel passieren lassen, jedoch direktes Umgebungslicht abschirmen (s. FIG 6).
Zur Rauchdetektion ist im Inneren IR des Meldergehäuses 2 eine optische Messkammer aufgenommen bzw. ausgebildet, welche durch den Grundkörper 3 und durch die Melderhaube 4 begrenzt ist. Im Grundkörper 3 ist ein Schaltungsträger 7 aufgenommen, auf dem angrenzend zur Messkammer eine Leuchtdiode 5 und ein Photosensor 6 in einer Streulichtanordnung angeordnet sind. In einer derartigen Anordnung gelangt kein direktes Licht von der Leuchtdiode 5 zum Photosensor 6. Sowohl Leuchtdiode 5 als auch Photosensor 6 sind derart auf dem ebenen Schaltungsträger 7 angeordnet, dass ihre optischen Achsen A orthogonal oder nahezu orthogonal zum Schaltungsträger 7 und somit parallel zueinander verlaufen. Im bevorzugten praktischen Fall sind die Leuchtdiode 5 und der Photosensor 6 SMD-Bauelemente, die mit hoher Präzision und automatisiert auf einem Schaltungsträger 7 mit dafür vorgesehenen Kontaktierungsflächen appliziert werden können.
Erfindungsgemäss liegen die Leuchtdiode 5 und der Photosensor 6 direkt einer Innenseite IS der Melderhaube 4 gegenüber, wobei die Innenseite die optische Messkammer begrenzt. Mit anderen Worten beleuchtet die Leuchtdiode 5 die Innenseite IS der Melderhaube 4 auf direktem Wege. Es fehlt im Vergleich zum Stand der Technik ein Labyrinthdeckel, der sich sonst zwischen Leuchtdiode 5 und Photosensor 6 einerseits und zwischen der Innenseite IS der Melderhaube 4 andererseits befinden würde.
Weiterhin weist ein Teil der Innenseite IS der Melderhaube 4 eine Spiegelfläche S auf, die der Leuchtdiode 5 gegenüberliegt. Die Spiegelfläche S ist so bemessen, dass der von der Leuchtdiode 5 ausgesandte Lichtkegel R, B vollständig auf die Spiegelfläche S trifft. Die Spiegelfläche S weist dabei eine derartige Spiegelgeometrie auf, dass der Lichtkegel R, B einen Empfangsbereich E des Photosensors 6 in einem Streulichtvolumen Z innerhalb der optischen Messkammer schneidet. Dabei gelangt Streulicht nur von Teilchen in diesem Streulichtvolumen zur Detektion durch den Photosensor 6. Typischerweise ist der Empfangsbereich E ein Empfangskegel.
Gemäss der Erfindung sind weiterhin Blenden BL, eine Lichtfalle LF sowie lichtabsorbierende Strukturen AB in Form von Riffelungen zur Minimierung des Grundpulses in der optischen Messkammer vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel sind die zuvor genannten konstruktiven Elemente BL, LF, AB integrale Elemente einer schwarz glänzenden Kunststoffabdeckung 8, die zur Abdeckung oder Anbringung an den Schaltungsträger 7 vorgesehen ist und sozusagen den Boden der optischen Messkammer bildet. Die Abdeckung 8 ist im Beispiel ein einstückiges Kunststoffspritzgussteil. Dieses Teil kann auch aus mehreren Kunststoffteilen untrennbar zusammengesetzt sein. In der Abdeckung 8 sind weiterhin zwei Ausnehmungen in Form von Durchbrüchen für die Leuchtdiode 5 und für den Photosensor 6 vorhanden. Vorzugsweise weist auch die Innenseite IS der Melderhaube 4 lichtabsorbierende Strukturen AB wie z.B. in Form von Riffelungen oder geriffelten Flächen auf (nicht dargestellt). Davon ausgenommen ist die Spiegelfläche S, die z.B. durch ein angebrachtes spiegelndes Blechstück oder durch aufgedampftes Metall, wie z.B. Aluminium, realisiert werden kann.
Der gezeigte Streulichtrauchmelder 1 weist weiterhin eine im Wesentlichen rotationssymmetrische oder spiegelbildliche Aussenkontur auf. Mit SA ist hierzu die konstruktive Hauptachse bzw. Symmetrieachse eingezeichnet. Weiterhin weist die Melderhaube 4 eine konvexe Aussenkontur an ihrer Aussenseite AS auf. Die Melderhaube 4 weist eine etwa gleichstarke Wanddicke im Bereich von 1 bis 2 mm auf, sodass die Melderhaube 4 an ihrer Innenseite IS eine konstruktiv entsprechende konvexe Innenkontur ausformt. Dieser Kontur folgt in etwa auch die Spiegelgeometrie der Spiegelfläche S. Die daraus resultierende konkave Spiegelgeometrie lässt sich vorteilhaft zur Bündelung und Fokussierung des ausgesandten Lichtkegels verwenden. Mit anderen Worten lässt sich über eine geeignet gewählte Aussenkontur der Melderhaube eine gewünschte vorteilhafte Spiegelgeometrie erreichen.
Im gezeigten Beispiel weist die Spiegelfläche S eine derartige Spiegelgeometrie auf, dass der Lichtkegel R, B der Leuchtdiode 5 nach seiner Spiegelung faktisch berührungsfrei den Innenraum IR des Meldergehäuses 2 mit der optischen Messkammer durchquert und in die lichtabsorbierende Lichtfalle LF mündet. Das dort einfallende, nicht an Rauchpartikeln gestreute Licht wird dort wirksam absorbiert.
Der gezeigte Streulichtrauchmelder weist zur Ansteuerung und Auswertung der optoelektronischen Bauelemente 5, 6 sowie zur Ausgabe einer Alarmmeldung eine elektronische Steuereinheit 10 auf. Diese ist vorzugsweise ein Mikrocontroller und auf dem Schaltungsträger 7 appliziert. Die Steuereinheit 10 ist programmtechnisch dazu eingerichtet, die Leuchtdiode 5 zumindest mittelbar gepulst anzusteuern und ein entsprechendes vom Photosensor 6 stammendes Sensorsignal auszuwerten. Überschreitet das Sensorsignal einen Streulicht-Grenzwert, so wird eine Alarmmeldung ausgegeben.
Die gezeigte Leuchtdiode 5 kann eine rotleuchtende LED, eine Infrarot-LED, eine blauleuchtende LED oder eine UV-LED sein. Mit R ist dabei ein roter Lichtkegel bzw. ein rotes Lichtbündel bezeichnet und mit B ein blauer Lichtkegel bzw. ein blaues Lichtbündel. Die Leuchtdiode 5 kann auch eine Dual-LED 50 oder eine Mehrfarben-LED, wie z.B. eine RGB-LED sein. Durch geeignete gepulste Ansteuerung dieser LED 50 und durch zeitlich zugeordnete Auswertung des entsprechenden Sensorsignals vom Photosensor 6 ist eine spektrale brandtechnische Bewertung hinsichtlich der Teilchengrösse und/oder der Farbe der detektierten Rauchpartikel möglich. Dadurch sind eine Bestimmung des Rauch- und Brandtyps sowie eine differenzierte Alarmierung möglich.
FIG 2 zeigt eine zweite Ausführungsform mit zwei Spiegelflächen S1, S2. Im Vergleich zum vorherigen Beispiel ist eine zweite Spiegelfläche S2 vorgesehen, welche dem Photosensor 6 gegenüberliegt und welche eine derartige Spiegelgeometrie aufweist, dass das ursprüngliche erste Streulichtzentrum Z1 (ohne zweite Spiegelfläche S2) um das zweite Streulichtzentrum Z2 erweiterbar ist. Dadurch gelangt vorteilhaft mehr Streulicht von Rauchteilchen aus dem erweiterten Streulichtzentrum Z zum Photosensor 6. Das erste und zweite Streulichtzentrum Z1, Z2 können sich teilweise auch überlappen.
FIG 3 zeigt eine dritte Ausführungsform mit einem Wärmestrahlungssensor 9 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur T gemäss der Erfindung. Im Vergleich zur FIG 1 ist der Photosensor 6 nun mittig im Meldergehäuse 2 auf dem Schaltungsträger 7 angeordnet. Das im Innenraum IR des Meldergehäuses 2 gebildete Streulichtvolumen Z umschliesst nun die das Zentrum des Rauchmelders 1 verlaufende konstruktive Hauptachse SA bzw. Symmetrieachse. Die Rauchdetektion erfolgt unabhängig von der Richtung des eindringenden Rauchs in die optische Messkammer gleich schnell. Zudem formt die Abdeckung 8 beispielhaft noch eine weitere Lichtfalle LF aus.
Erfindungsgemäss ist im Meldergehäuse 2 ein für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich empfindlicher, kontaktlos arbeitender Wärmestrahlungssensor 9 in Form einer gleichfalls als SMD-Bauteil ausgebildeten Thermosäule aufgenommen. Der Wärmestrahlungssensor 9 ist wie der Photosensor 6 mittig und auf dem Schaltungsträger 7 angeordnet. Mit W ist der wärmeoptische kegelige Erfassungsbereich des Wärmestrahlungssensors 9 bezeichnet. Der Erfassungsbereich W definiert dabei eine (virtuelle) Messoberfläche MF an der Innenseite IS der Melderhaube 4 zur Erfassung einer dortigen Gehäusetemperatur. Mit anderen Worten wird durch den Wärmestrahlungssensor 9 die von dieser Messoberfläche MF in Richtung zum Wärmestrahlungssensor 9 emittierte Wärmestrahlung erfasst. Aus der erfassten Wärmestrahlung kann dann die an der Messoberfläche herrschende Temperatur abgeleitet werden, die im Wesentlichen der Umgebungstemperatur T in der unmittelbaren Umgebung des Streulichtrauchmelders 1 folgt. Temperaturänderungen, wie z.B. bei einem Brand, sind am schnellsten am unteren Scheitelpunkt SP erfassbar. Durch diesen Punkt SP verläuft auch die konstruktive Hauptachse SA des Streulichtrauchmelders 1. Dieser liegt somit der Messoberfläche MF gegenüber. Die Umgebungstemperatur T liegt aufgrund der dünnen Gehäusewandung der Melderhaube 4 bereits nach kurzer Zeit, wie z.B. nach 10 s, auch auf der Innenseite IS an der Messoberfläche MF an. Zur zeitlichen Beschleunigung kann die Melderhaube 4 im Bereich der Messoberfläche MF einen besonders gut wärmeleitenden Kunststoff oder ein Stück Metall, wie z.B. Kupfer, aufweisen. Der Wärmestrahlungssensor 9 ist ausgangsseitig mit der Steuereinheit 10 verbunden, die dann rechnerisch aus einem vom Wärmestrahlungssensor 9 ausgegebenen Wärmesensorsignal einen der Umgebungstemperatur T entsprechenden Temperaturwert ableitet und diesen bei der Ausgabe des Brandalarms mit berücksichtigt.
FIG 4 zeigt eine vierte Ausführungsform mit zwei Spiegelflächen S1, S2 und mit zwei Streulichtanordnungen gemäss der Erfindung. In diesem Beispiel ist die Wandstärke der Melderhaube 4 deutlich grösser als im Beispiel der vorhergehenden Figuren. Dadurch kann die Spiegelgeometrie insbesondere der zweiten Spiegelfläche S2 zusätzlich zur Vorgabe durch die Aussenkontur der Melderhaube 4 gezielt angepasst werden, um das von der gegenüberliegenden Leuchtdiode 52 ausgesandte Lichtbündel bzw. den Lichtkegel B gezielt in die Lichtfalle LF zu fokussieren. Die zweite Spiegelfläche S2 ist dabei in der Melderhaube 4 teilweise eingelassen bzw. ausgespart.
Im Beispiel der FIG 4 ergeben sich zwei Streulichtanordnungen mit zwei voneinander verschiedenen Streulichtwinkeln und mit zwei voneinander verschiedenen Streulichtzentren Z_R, Z_B. Letztere können sich zumindest teilweise auch überschneiden. Durch geeignete Auswertung des jeweiligen empfangenen Lichts durch den Photosensor 6 ist auch hier eine brandtechnische Bewertung möglich. Beide Leuchtdioden 51, 52 können vom gleichen Typ sein, wie z.B. Infrarot-LEDs. Aus dem jeweiligen erfassten gleichfarbigen Streulicht aus unterschiedlichen Streulichtwinkeln ist eine Bestimmung des Rauchtyps möglich.
FIG 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform mit einem Wärmestrahlungssensor 9 zur Erfassung einer Umgebungstemperatur T und zur Detektion von offenem Feuer im Sinne eines Flammenmelders gemäss der Erfindung. Im Vergleich zur FIG 4 weist die Melderhaube 4 im zentralen Bereich MF, also im Bereich der Messoberfläche, gemäss der Erfindung ein nur für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich transparentes Gehäuseteil 11 auf. Dieses kann dergestalt sein, dass sich dieses optisch vom restlichen Meldergehäuse 2 nicht unterscheidet. Das Gehäuseteil 11 formt zusätzlich noch eine optische Linse zur Aufweitung des optischen Erfassungsbereichs W aus. Die Steuereinheit 10 ist dazu eingerichtet, das vom Wärmestrahlungssensor 9 ausgegebene Wärmesensorsignal auf das Auftreten von signifikanten Fluktuationen oder Flackerfrequenzen für offenes Feuer und lodernder Glut im Sinne eines Flammenmelders hin zu überwachen und bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen. Zusätzlich kann die Steuereinheit 10 dazu eingerichtet sein, aus einem Gleichanteil des Wärmesensorsignals rechnerisch einen der Umgebungstemperatur T entsprechenden Temperaturwert abzuleiten und auch diesen gleichfalls bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen. Weiterhin sind alle gezeigten Bauelemente 5, 6, 10 auf einer der Abdeckung 8 gegenüberliegenden Schaltungsträgerseite angeordnet. Für die Leuchtdiode 5 und für den Photosensor 6 sind entsprechende Durchgangsöffnung DO im Schaltungsträger 7 vorhanden.
FIG 6 zeigt schliesslich eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach FIG 5 entlang der dort eingezeichneten Blickrichtung VI. In dieser Ansicht sind vor allem die Lamellen LAM als Lichtabschirmelemente sowie die mittige Anordnung des Photosensors 6 und Wärmestrahlungssensors 9 erkennbar. Die FIG 6 zeigt auch die im Wesentlichen rotationssymmetrische Gehäuseform des Streulichtrauchmelders 1. Gut erkennbar sind auch die grossflächigen lichtabsorbierenden Strukturen AB der Kunststoffabdeckung 8 auf dem Schaltungsträger 7.

Bezugszeichenliste

1: Brandmelder, Rauchmelder, Gefahrenmelder,
2: Meldergehäuse
3: Grundkörper
4: Melderhaube, Dom, Abdeckung, Kappe
5: Leuchtdiode, Lichtsender
6: Photosensor, Lichtempfänger
7: Schaltungsträger, Leiterplatte
8: Kunststoffabdeckung, Kunststoffplatte
9: Wärmestrahlungssensor, Thermopile, Bolometer
10: Steuereinheit, Mikrocontroller
11: zentrales Gehäuseteil
50: Zweifarben-LED
51, 52: Leuchtdioden, IR-LED, UV-LED
A: optische Achse
AB: Lichtabsorbierende Strukturen
AN: Anschlussseite
AS: Aussenseite
B: blauer Lichtkegel, blaues Lichtbündel
BL: Blende
DO: Durchgangsöffnung
E: optischer Empfangsbereich
IR: Innenraum
IS: Innenseite
LAM: Lamellen
LF: Lichtfalle
MF: Messoberfläche, Messfleck
OF: Raucheintrittsöffnung
R: roter Lichtkegel, rotes Lichtbündel
SA: optische Achse, Symmetrieachse, Hauptachse
S, S1, S2: Spiegelfläche, Spiegel
SP: Scheitelpunkt
T: Temperatur, Umgebungstemperatur
W: Wärmeerfassungsbereich, Field-of-View (FOV)
Z, Z1, Z2: Streuzentrum, Schnittvolumen, Messvolumen
Z_B: blaues Streuzentrum
Z_R: rotes Streuzentrum

Claims

Streulichtrauchmelder mit einer mit der Umgebungsluft kommunizierenden optischen Messkammer, wobei die Messkammer im Inneren (IR) eines Meldergehäuses (2) aufgenommen und durch einen Grundkörper (3) und durch eine Melderhaube (4) des Meldergehäuses (2) begrenzt ist, wobei im Grundkörper (3) ein Schaltungsträger (7) aufgenommen ist, wobei auf dem Schaltungsträger (7) angrenzend zur optischen Messkammer eine Leuchtdiode (5) und ein Photosensor (6) in einer Streulichtanordnung angeordnet sind, wobei die Leuchtdiode (5) und der Photosensor (6) jeweils eine zumindest nahezu orthogonal zum Schaltungsträger (7) verlaufende optische Achse (A) aufweisen, wobei die Leuchtdiode (5) und der Photosensor (6) einer die Messkammer begrenzenden Innenseite (IS) der Melderhaube (4) gegenüberliegen, wobei ein Teil der Innenseite (IS) zumindest eine Spiegelfläche (S) aufweist, welche der Leuchtdiode (5) gegenüberliegt, und wobei die Spiegelfläche (S) eine derartige Spiegelgeometrie aufweist, dass ein Lichtkegel (R, B) der Leuchtdiode (5) einen Empfangsbereich (E) des Photosensors (6) in einem ersten Streulichtvolumen (Z1, Z) innerhalb der Messkammer schneidet.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 1, wobei ein Teil der Innenseite (IS) eine weitere Spiegelfläche (S2) aufweist, die dem Photosensor (6) gegenüberliegt und welche eine derartige Spiegelgeometrie aufweist, dass das erste Streulichtvolumen (Z1) um ein zweites Streulichtvolumen (Z2) erweiterbar ist.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf dem Schaltungsträger (7) eine Abdeckung (8) mit Ausnehmungen für die Leuchtdiode (5) und für den Photosensor (6) angebracht ist, und wobei die Abdeckung (8) insbesondere einstückig ist und die zumindest eine Blende (BL), Lichtfalle (LF) und/oder lichtabsorbierende Strukturen (AB) aufweist.
Streulichtrauchmelder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Innenseite (IS) der Meldehaube (4) bis auf die zumindest eine Spiegelfläche (S) lichtabsorbierende Strukturen (AB), insbesondere schwarz glänzende Riffelungen und/oder eine lichtabsorbierende Farbschicht aufweist.
Streulichtrauchmelder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Meldergehäuse (2) mit der Melderhaube (4) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische oder spiegelbildliche Aussenkontur aufweist.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 5, wobei die Melderhaube (4) eine konvexe Aussenkontur und eine zumindest teilweise konkave Innenkontur aufweist, und wobei die jeweilige Spiegelfläche (S) an der Innenseite (IS) der Melderhaube (4) eine der zumindest teilweise konkaven Innenkontur der Melderhaube (4) folgende Spiegelgeometrie aufweist.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Photosensor (6) mittig im Meldergehäuse (2) angeordnet ist, sodass das im Innenraum (IR) des Meldergehäuses (2) gebildete Streulichtvolumen (Z) eine durch das Zentrum des Rauchmelders verlaufende konstruktive Hauptachse (SA) umschliesst.
Streulichtrauchmelder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine jeweilige der Leuchtdiode (5) gegenüberliegende Spiegelfläche (S1) eine derartige Spiegelgeometrie aufweist, dass der Lichtkegel (R, B) der Leuchtdiode (5) nach seiner Spiegelung faktisch berührungsfrei den Innenraum (IR) des Meldergehäuses (2) mit der Messkammer durchquert und in eine lichtabsorbierende Lichtfalle (LF) mündet.
Streulichtrauchmelder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf dem Schaltungsträger (7) zumindest eine weitere Leuchtdiode (52) mit einer zum Schaltungsträger (7) orthogonalen optischen Achse (A) angeordnet ist, wobei zumindest eine der zumindest einen weiteren Leuchtdiode (52) angrenzend zur ersten Leuchtdiode (5, 51) angeordnet ist oder mit der ersten Leuchtdiode (5, 51) eine Zweifarben- oder Mehrfarben-Leuchtdiode (50) als einstückiges optoelektronisches Bauelement bildet, wobei die zumindest eine weitere Leuchtdiode (52) der Spiegelfläche (S) der ersten Leuchtdiode (5, 51) gegenüberliegt, und wobei das von den jeweiligen Leuchtdioden (50, 51, 52) ausgesandte Licht eine voneinander verschiedene Wellenlänge aufweist.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 9, wobei die erste Leuchtdiode (51) eine rote oder Infrarot-Leuchtdiode und die zweite Leuchtdiode (52) eine blaue oder UV-Leuchtdiode ist, oder zu der Zweifarben-Leuchtdiode (50) zusammengefasst sind.
Streulichtrauchmelder nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer elektronischen Steuereinheit (10), welche mit der jeweiligen Leuchtdiode (5, 51, 52) und dem Photosensor (6) verbunden ist, und wobei die Steuereinheit (10) einen Brandalarm ausgibt, falls ein der jeweiligen Leuchtdiode (5, 51, 52) zugeordnetes Sensorsignal einen Streulicht-Grenzwert oder einen kombinierten Streulicht-Grenzwert überschreitet.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 11, wobei im Meldergehäuse (2) ein für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich empfindlicher, kontaktlos arbeitender Wärmestrahlungssensor (9) aufgenommen ist, wobei der Wärmestrahlungssensor (9) insbesondere eine Thermosäule oder ein Bolometer ist, wobei der Wärmestrahlungssensor (9) optisch auf einen zentralen Bereich (MF) an der Innenseite (IS) der Melderhaube (4) zur Erfassung einer dortigen Gehäusetemperatur ausgerichtet ist, welche im Wesentlichen der Umgebungstemperatur (T) in der unmittelbaren Umgebung des Streulichtrauchmelders folgt, wobei die Steuereinheit (10) mit dem Wärmestrahlungssensor (9) verbunden ist und dazu eingerichtet, rechnerisch aus einem vom Wärmestrahlungssensor (9) ausgegebenen Wärmesensorsignal einen der Umgebungstemperatur (T) entsprechenden Temperaturwert abzuleiten und diesen bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 11, wobei im Meldergehäuse (2) ein für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich empfindlicher, kontaktlos arbeitender Wärmestrahlungssensor (9) aufgenommen ist, wobei der Wärmestrahlungssensor (9) insbesondere eine Thermosäule, ein Bolometer oder eine Photodiode ist, wobei der Wärmestrahlungssensor (9) optisch auf einen zentralen Bereich (MF) an der Innenseite (IS) der Melderhaube (4) zur Erfassung einer dortigen Gehäusetemperatur ausgerichtet ist, wobei die Melderhaube (4) ein zumindest den zentralen Bereich (MF) der Melderhaube (4) umfassendes Gehäuseteil (11) umfasst, welches nur für Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich durchlässig ist, und wobei die Steuereinheit (10) mit dem Wärmestrahlungssensor (9) verbunden ist und dazu eingerichtet, ein vom Wärmestrahlungssensor (9) ausgegebenes Wärmesensorsignal auf das Auftreten von signifikanten Fluktuationen oder Flackerfrequenzen für offenes Feuer und lodernder Glut hin zu überwachen und bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit (10) zusätzlich dazu eingerichtet ist, aus einem Gleichanteil des Wärmesensorsignals rechnerisch einen der Umgebungstemperatur (T) entsprechenden Temperaturwert abzuleiten und gleichfalls bei der Ausgabe des Brandalarms mit zu berücksichtigen.
Streulichtrauchmelder nach Anspruch 13 oder 14, wobei das nur für Wärmestrahlung durchlässige Gehäuseteil (11) eine optische Linse zur Aufweitung des optischen Erfassungsbereichs (W) des Wärmestrahlungssensors (9) ausformt.