NO140519B

NO140519B - OPTICAL FIRE DETECTOR.

Info

Publication number: NO140519B
Application number: NO773020A
Authority: NO
Inventors: Erik Gustaf Lindgren
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 1976-09-01
Filing date: 1977-08-31
Publication date: 1979-06-05
Also published as: DK386877A; BE858192A; DE2736224A1; FR2363840A2; NO140519C; DK148226B; AU510627B2; CA1102429A; DE2736224C2; DK148226C; FR2363840B2; FI63125C; NL7709640A; FI63125B; NO773020L; FI772470A; GB1566624A; IT1088004B; AU2838477A; CH621425A5

Description

Oppfinnelsen vedrører en optisk branndetektor i hvilken en strålingskilde er anordnet for å frembringe et stråleknippe og omfatter modulatororgan for modulering av stråleknippet i et innbyrdes faseinvertert forhold innenfor et første og andre bølgelengdeområde, og en strålingsdetektor er anordnet for å motta stråleknippet efter at dette har passert mellomliggende luft og omfatter første organ for en individuell måling av intensiteten i nevnte to bølgelengdeområder og andre organ for detektering av slike variasjoner i de oppmålte intensitetene som er representative for brann. The invention relates to an optical fire detector in which a radiation source is arranged to produce a beam and comprises modulator means for modulating the beam in a mutually phase-inverted relationship within a first and second wavelength range, and a radiation detector is arranged to receive the beam after it has passed intermediate air and comprises a first device for an individual measurement of the intensity in said two wavelength ranges and a second device for detecting such variations in the measured intensities which are representative of fire.

En optisk branndetektor av den ovenfor definerte type beskri- An optical fire detector of the type defined above described

ves i den svenske patentansøkning nr. 7604502-0 hvor nevnte innbyrdes faseinverterte modulasjon innenfor det første og andre bølgelengdeområdet har til formål å muliggjøre at den indivi-duelle målingen av intensiteten av de to bølgelengdeområdene kan skje ved bruk av kun ett strålingsavfølende element. Branndetektoren kan oppnå en god diskriminering mot flimmer frem- ves in the Swedish patent application no. 7604502-0 where the aforementioned mutually phase-inverted modulation within the first and second wavelength range is intended to enable the individual measurement of the intensity of the two wavelength ranges to take place using only one radiation-sensing element. The fire detector can achieve a good discrimination against flickering

bragt av omgivende elektrisk belysning ved en metode hvilken er beskrevet i det svenske utlegningsskrift nr. 7310965-4 og ifølge hvilken stråleknippet er emittert i form av en serie kortvarige pulser med høy pulseffekt, idet strålingsdetektoren er anordnet for å være frekvensselektiv for stigningstiden til pulsene. brought by ambient electric lighting by a method which is described in the Swedish explanatory document no. 7310965-4 and according to which the beam is emitted in the form of a series of short pulses with high pulse power, the radiation detector being arranged to be frequency selective for the rise time of the pulses.

En ulempe med denne kjente metode er dog at branndetektoren A disadvantage of this known method, however, is that the fire detector

oppnår den ønskede diskriminering mot flimmer frembragt av omgivende elektrisk belysning kun om såvel strålingsdetektoren som strålingskilden har en kort stigningstid av størrelsesordenen jis. Metoden muliggjør derfor ikke en effektiv utnyttelse av strålingsavfølende element som har en høy følsomhet når denne achieves the desired discrimination against flicker produced by ambient electric lighting only if both the radiation detector and the radiation source have a short rise time of the order of magnitude jis. The method therefore does not enable an efficient utilization of the radiation-sensing element which has a high sensitivity when it reaches this

høye følsomhet er oppnådd til prisen av en lang stigningstid av størrelsesordenen 100 ps. high sensitivity is achieved at the price of a long rise time of the order of 100 ps.

Den optiske branndetektoren ifølge oppfinnelsen tilveiebringer The optical fire detector according to the invention provides

en god diskriminering mot flimmer frembragt av omgivende elektrisk belysning uten å fordre en kort stigningstid verken hos strålingsdetektoren eller hos strålingskilden og muliggjør dessuten en forbedret diskriminering mot slikt flimmer som frembringes når mekaniske vibrasjoner, eksempelvis forårsaket av tung gatetrafikk, varierer stråleknippets utfallsretning fra strålingskilden. a good discrimination against flicker produced by ambient electric lighting without requiring a short rise time either at the radiation detector or at the radiation source and also enables an improved discrimination against such flicker that is produced when mechanical vibrations, for example caused by heavy street traffic, vary the beam's exit direction from the radiation source.

Oppfinnelsen hvis kjennetegn fremgår av efterfølgende patentkrav skal nu nærmere beskrives under henvisning til vedlagte tegning, der The invention, the characteristics of which appear in subsequent patent claims, must now be described in more detail with reference to the attached drawing, where

Fig. 1 viser en foretrukket utførelsesform for en optisk varmedetektor, og Fig. 2 viser en foretrukket utførelsesform for en optisk varme-og røkdetektor. Fig. 1 viser en foretrukket utførelsesform for en optisk varmedetektor ifølge oppfinnelsen. En strålingskilde 1 er anordnet for å frembringe et utgående stråleknippe og omfatter en sinus-bølgeoscillator 2 anordnet for via en fasevender 3 å tilveiebringe en innbyrdes faseinvertert modulasjon av strålingsintensiteten innenfor et grønt bølgelengdeområde hos et strålingsbidrag fra en lysdiode 4 og et infrarødt bølgelengdeom- Fig. 1 shows a preferred embodiment of an optical heat detector, and Fig. 2 shows a preferred embodiment of an optical heat and smoke detector. Fig. 1 shows a preferred embodiment of an optical heat detector according to the invention. A radiation source 1 is arranged to produce an outgoing beam and comprises a sine wave oscillator 2 arranged via a phase inverter 3 to provide a mutually phase-inverted modulation of the radiation intensity within a green wavelength range of a radiation contribution from an LED 4 and an infrared wavelength re-

råde hos et strålingsbidrag fra en lysdiode 5. En strålingsdetektor 6 er plassert på avstand fra strålingskilden 1 for å motta stråleknippet efter at dette har passert mellomliggende luft og omfatter to fototransistorer 7 og 8, hvilke er anordnet for å tilveiebringe en separat måling av intensiteten i det grønne resp. infrarøde bølgelengdeområdet i stråleknippet. a radiation contribution from an LED 5. A radiation detector 6 is placed at a distance from the radiation source 1 to receive the beam after it has passed through the intervening air and comprises two phototransistors 7 and 8, which are arranged to provide a separate measurement of the intensity in the green or infrared wavelength range in the beam.

For dette formål er et dikromatisk filter 9 plassert foran fototransistoren 7 i banen for det mottatte stråleknippet og anordnet i en vinkel på 45° relativt dette, idet den andre fototransistoren 8 er plassert i banen for en mot.det dikro-matiske filteret 9 reflektert del av det mottatte stråleknippet. For this purpose, a dichromatic filter 9 is placed in front of the phototransistor 7 in the path of the received beam and arranged at an angle of 45° relative to this, the other phototransistor 8 being placed in the path of a reflected part opposite the dichromatic filter 9 of the received beam.

Filteret 9 som er i og for seg kjent, slipper igjennom ifølge eksemp let stråleknippets grønne del til fototransistoren 7 The filter 9, which is known in and of itself, passes through according to the example the green part of the beam to the phototransistor 7

og reflekterer stråleknippets infrarøde del til fototransistoren 8. and reflects the infrared part of the beam to the phototransistor 8.

I strålingskilden 1 er et andre dikromatisk filter 10 plassert In the radiation source 1, a second dichromatic filter 10 is placed

i banen for den utgående grønne strålingen fra lysdioden 4 in the path of the outgoing green radiation from the LED 4

og anordnet i 45° vinkel relativt denne, idet den andre lysdioden 5 er plassert slik at dens utgående infrarøde stråling reflekteres av filteret 10 ut i samme bane som den utgående grønne strålingen fra lysdioden 4. Den grønne strålingen fra lysdioden 4 og den infrarøde strålingen fra lysdioden 5 slippes gjennom resp. reflekteres hovedsakelig uten tap av filteret 10. Dette tilveiebringer således en stort sett tapsfri sammenlagring av strålingen fra lysdiodene 4 og 5. and arranged at a 45° angle relative to this, the second LED 5 being positioned so that its outgoing infrared radiation is reflected by the filter 10 out in the same path as the outgoing green radiation from the LED 4. The green radiation from the LED 4 and the infrared radiation from the LED 5 is passed through resp. is mainly reflected without loss by the filter 10. This thus provides a largely loss-free storage of the radiation from the LEDs 4 and 5.

Ifølge oppfinnelsen omfatter strålingsdetektoren 6 en demodulator 11 i hvilken et summeringsorgan 12 ifølge eksemplet har en inverterende og en ikke-inverterende inngang koblet til fototransistoren 7 resp. til fototransistoren 8 via hver sin vekselspenningsforsterker 13 resp. 14. Summeringsorganet 12 avgir et . sumsignal utledet av den innbyrdes faseinverterte modulasjonen innenfor det grønne og infrarøde bølgelengdeom-rådet i stråleknippet fra strålingskilden 1. Sumsignalet tilføres en multiplikator 15 som er anordnet for å skifte forsterkningen for demodulatoren 11 mellom en positivt og en negativ verdi synkront med den innbyrdes faseinverterte modulasjonen innenfor det grønne og infrarøde bølgelengdeområdet i stråleknippet fra strålingskilden 1. Den benyttede metoden for modulasjon og demodulasjon gir det demodulerte sumsignalet egenskap av en god diskriminering mot flimmer frembragt av omgivende elektrisk belysning. According to the invention, the radiation detector 6 comprises a demodulator 11 in which a summing device 12 according to the example has an inverting and a non-inverting input connected to the phototransistor 7 or to the phototransistor 8 via each alternating voltage amplifier 13 or 14. The summing device 12 emits a . sum signal derived from the mutually phase-inverted modulation within the green and infrared wavelength range in the beam bundle from the radiation source 1. The sum signal is supplied to a multiplier 15 which is arranged to change the gain for the demodulator 11 between a positive and a negative value synchronously with the mutually phase-inverted modulation within the green and infrared wavelength range in the beam from radiation source 1. The used method of modulation and demodulation gives the demodulated sum signal the property of good discrimination against flicker produced by ambient electrical lighting.

Ifølge eksemplet har multiplikatoren 15 en styreinngang koblet til en utgang i summeringsorganet 12 via et pulsformende organ 16. En hensiktsmessig utførelsesform for multiplikatoren 15 er beskrevet på side 113 i tidsskriftet Electronics av den 9. januar 1975. Det pulsformende organet 16 består ifølge eksempelet av en spenningskomparator med en jordet referanseinngang. According to the example, the multiplier 15 has a control input connected to an output in the summing device 12 via a pulse shaping device 16. A suitable embodiment of the multiplier 15 is described on page 113 of the magazine Electronics of January 9, 1975. The pulse shaping device 16, according to the example, consists of a voltage comparator with a grounded reference input.

Demodulatoren er koblet til en AM-detektor 17 for detektering The demodulator is connected to an AM detector 17 for detection

av en slik amplitudemodulasjon i det mottatte stråleknippet som er representativ for varme. For dette formål omfatter AM-detektoren 17 et båndpassfilter som ifølge eksemplet er anordnet for å slippe gjennom frekvensintervallet 10-100 Hz. AM-detektoren 17 er koblet til en varmealarmutgang 18 via et integrerende og terskeldetekterende organ 19. of such an amplitude modulation in the received beam which is representative of heat. For this purpose, the AM detector 17 comprises a bandpass filter which, according to the example, is arranged to pass through the frequency interval 10-100 Hz. The AM detector 17 is connected to a heat alarm output 18 via an integrating and threshold detecting device 19.

Fig. 2 viser en foretrukket utførelsesform for en optisk varme- Fig. 2 shows a preferred embodiment of an optical heating

og røkdetektor ifølge oppfinnelsen. En strålingskilde 20 er anordnet for å frembringe et utgående stråleknippe og omfatter tilsvarende organ som strålingskilden 1 i fig. 1, nemlig en sinusbølgeoscillator 21, en fasevender 22 styrt av sinusbølge-oscillatoren 21 og anordnet for å tilveiebringe en faseinvertert modulasjon av strålingsintensiteten hos en grønn-emitterende lysdiode 23 og en infrarød-emitterende lysdiode 24, og et dikromatisk filter 25 for sammenlagring av strålingen fra lysdiodene 23 og 24 til et utgående stråleknippe som helt til- and smoke detector according to the invention. A radiation source 20 is arranged to produce an outgoing beam of radiation and comprises a corresponding organ as the radiation source 1 in fig. 1, namely a sine wave oscillator 21, a phase inverter 22 controlled by the sine wave oscillator 21 and arranged to provide a phase-inverted modulation of the radiation intensity of a green-emitting light-emitting diode 23 and an infrared-emitting light-emitting diode 24, and a dichromatic filter 25 for collapsing the radiation from LEDs 23 and 24 to an outgoing beam that completely

svarer det utgående stråleknippet i fig. 1. corresponds to the outgoing beam in fig. 1.

En strålingsdetektor 26 er plassert side om side med strålingskilden 20 og er anordnet for å motta et innkommende stråleknippe frembragt ved refleksjon av det utgående stråleknippet ved hjelp av en på avstand beliggende reflektor (ikke vist). Strålingsdetektoren 26 omfatter i likhet med strålingsdetektoren 6 i fig. A radiation detector 26 is placed side by side with the radiation source 20 and is arranged to receive an incoming beam produced by reflection of the outgoing beam by means of a spaced reflector (not shown). The radiation detector 26 comprises, like the radiation detector 6 in fig.

1 to fototransistorer 27 og 28, et dikromatisk filter 29 og en demodulator 30. I demodulatoren 30 inngår et summeringsorgan 31 som ifølge eksemplet har to identisk like innganger koblet til fototransistoren 27 resp. til fototransistoren 28 via hver sin vekselspenningsforsterker 32 resp. 33 og et multiplikatororgan 34 som omfatter to likefaset styrte multiplikatorer 35 og 36 anordnet for å skifte forsterkningen mellom fototransistorene 27 og 28 og deres resp. tilkoblete innganger hos summeringsorganet 31 mellom en positiv og en negativ verdi synkront med den innbyrdes faseinverterte modulasjonen innenfor det grønne og infrarøde bølgelendeområdet i stråleknippet fra strålingskilden 20. 1 two phototransistors 27 and 28, a dichromatic filter 29 and a demodulator 30. The demodulator 30 includes a summing device 31 which, according to the example, has two identical inputs connected to the phototransistor 27 or to the phototransistor 28 via each AC voltage amplifier 32 or 33 and a multiplier means 34 comprising two in-phase controlled multipliers 35 and 36 arranged to change the gain between the phototransistors 27 and 28 and their resp. connected inputs of the summing device 31 between a positive and a negative value synchronously with the mutually phase-inverted modulation within the green and infrared wavelength range in the beam from the radiation source 20.

Ifølge eksemplet har multiplikatorene 35 og 36 hver sin styreinngang koblet til sinusbølgeoscillatoren 21 i strålingskilden 20 via et vanlig pulsformende organ 37 SOm inngår i demodulatoren 30 og utgjøres av en spenningskomparator med en jordet referanseinngang. According to the example, the multipliers 35 and 36 each have their own control input connected to the sine wave oscillator 21 in the radiation source 20 via a common pulse shaping device 37 SOm included in the demodulator 30 and is made up of a voltage comparator with a grounded reference input.

Strålingsdetektoren 26 omfatter en AM-detektor 38 for detektering av slike amplitudevariasjoner i det mottatte stråleknippet som er representative for varme. AM-detektoren 38 som ifølge eksemplet er koblet til fototransistorene 27 og 28 via nevnte likefaset styrte multiplikatorer 35 og 36 hos multiplikator-organet 34 og via nevnte identiskt like innganger i summeringsorganet 31 mates med et differensesignal utledet av den innbyrdes faseinverterte modulasjonen innenfor det grønne og infra-røde bølgelengdeområdet i stråleknippet fra strålingskilden 20. AM-detektoren 38 omfatter foruten et båndpassfilter for frekvensintervallet 10-100 Hz et forsterkerorgan for å heve signalnivået før detektering. AM-detektoren 38 er koblet til en varmealarmutgang 39 via et integrerende og terskeldetekterende organ 40. The radiation detector 26 comprises an AM detector 38 for detecting such amplitude variations in the received beam which are representative of heat. The AM detector 38 which, according to the example, is connected to the phototransistors 27 and 28 via said in-phase controlled multipliers 35 and 36 of the multiplier device 34 and via said identical inputs in the summing device 31 is fed with a difference signal derived from the mutually phase-inverted modulation within the green and infrared wavelength range in the beam from the radiation source 20. The AM detector 38 comprises, in addition to a bandpass filter for the frequency interval 10-100 Hz, an amplifier means to raise the signal level before detection. The AM detector 38 is connected to a heat alarm output 39 via an integrating and threshold detecting device 40.

I strålingsdetektoren 2 6 er summeringsorganet 31 videre koblet til en røkalarmutgang 41 via et integrerende og terskeldetekterende organ 42 som således mates med samme differensesignal som AM-detektoren 38. Differensesignalets polaritet ved røkalarm er normalt forutbestemt, men om så ikke er tilfellet kan nevnte terskeldetektering utføres ved hjelp av en vinduskomparator for hvilken en hensiktsmessig utførelsesform er beskrevet på sidene 113 og 114 i tidsskriftet Electronics av den 5. september 1974. In the radiation detector 26, the summing device 31 is further connected to a smoke alarm output 41 via an integrating and threshold detecting device 42 which is thus fed with the same difference signal as the AM detector 38. The polarity of the difference signal in the event of a smoke alarm is normally predetermined, but if this is not the case, said threshold detection can be carried out by means of a window comparator for which a convenient embodiment is described on pages 113 and 114 of the journal Electronics of September 5, 1974.

I varme- og røkdetektoren i fig. 2 bygger funksjonen ved såvel varmealarm som røkalarm på den erfaring at brann påvirker et stråleknippe med forskjellig styrke innenfor to adskilte bølge-lengdeområder og derfor kan detekteres ved en differensemåling. Denne prinsipielle funksjon muliggjør varme- og røkalarm med In the heat and smoke detector in fig. 2, the function of both the heat alarm and the smoke alarm is based on the experience that fire affects a beam of different strength within two separate wavelength ranges and can therefore be detected by a differential measurement. This basic function enables heat and smoke alarms with

en meget god diskriminering mot flimmer frembragt av omgivende elektrisk belysning og gir dessuten en god diskriminering mot slikt flimmer som frembringes når mekaniske vibrasjoner forårsaket av f.eks. tung gatetrafikk, varierer stråleknippets utfallsretning fra strålingskilden 20. a very good discrimination against flicker produced by ambient electric lighting and also gives a good discrimination against such flicker which is produced when mechanical vibrations caused by e.g. heavy street traffic, the beam's exit direction varies from the radiation source 20.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de beskrevne utførelsesformer, men kan modifiseres på mange måter innenfor rammen av de efter- følgende patentkrav. Eksempelvis kan fototransistorene 7 og 8 i fig. 1 og 27 og 28 i fig. 2 med fordel være av fotodarlington-typen med to eller til og med tre transistorelementer takket være det faktum at det benyttede prinsipp for modulasjon og demodulasjon muliggjør en god diskriminering mot flimmer frembragt av omgivende elektrisk belysning også ved en lav modulasjons-frekvens f.eks. av størrelsesorden 1 kHz, hvilket innebærer at den sammenlagte stigningstiden kan få gå opp til størrelses-ordenen 100 ps. Videre kan de integrerende og terskeldetekterende organ 19 i fig. 1 og 40 i fig. 2 kompletteres med slike organ for en mere effektiv varmedetektering som er beskrevet i det tyske patentskrift nr. 2.051.640. Ved lav intensitet hos stråleknippet mottatt av strålingsdetektoren 6 i fig. 1, kan det pulsformende organet 16 hensiktsmessig kobles til utgangen for summeringsorganet 12 via en faselåst oscillator av kjent utførelse for 0° fasevridning mellom utgående og innkommende signaler. The invention is not limited to the described embodiments, but can be modified in many ways within the framework of the subsequent patent claims. For example, the phototransistors 7 and 8 in fig. 1 and 27 and 28 in fig. 2 advantageously be of the photodarlington type with two or even three transistor elements thanks to the fact that the principle used for modulation and demodulation enables a good discrimination against flicker produced by ambient electric lighting even at a low modulation frequency e.g. of the order of magnitude 1 kHz, which means that the combined rise time can go up to the order of magnitude 100 ps. Furthermore, the integrating and threshold detecting device 19 in fig. 1 and 40 in fig. 2 is supplemented with such a device for a more efficient heat detection which is described in the German patent document no. 2,051,640. At low intensity of the beam received by the radiation detector 6 in fig. 1, the pulse-forming device 16 can conveniently be connected to the output of the summing device 12 via a phase-locked oscillator of known design for 0° phase shift between outgoing and incoming signals.

Claims

1. Optical fire detector in which a radiation source is arranged to produce a beam and comprises modulator means for modulating the beam in a mutually phase-inverted relationship within a first and second wavelength range and a radiation detector is arranged to receive the beam after it has passed through intervening air and comprises first means for an individual measurement of the radiation intensity in said two wavelength ranges and second means for detecting such variations in the measured intensities which are representative of fire, characterized in that the radiation detector (6, 26) comprises a demodulator (11, 30) which is connected between said first and second means (7, 8, 27, 28 or 17, 19, 38, 40, 42) and in which a summing means (12, 31) is connected to a first and second radiation sensing element (7, 8, 27, 28) which are included in said first body and are arranged to selectively sense each wavelength range of said two wavelengths m areas in the beam and a multiplier means (15, 35, 36) is arranged to change the gain in a signal path in the demodulator between a positive and

a negative value in synchronism with the mutually phase-inverted modulation within said two wavelength ranges in the beam.

2. Optical fire detector as specified in claim 1, characterized in that said summing device is connected to said first and second radiation-sensing elements via an inverting or a non-inverting input, said multiplier means being cascaded with the summing means.

3. Optical fire detector as stated in claim 1, characterized in that said summation means is connected to said first and second radiation-sensing elements via two identical inputs and two in-phase controlled multiplier elements at said multiplier means.

4. Optical fire detector as stated in claims 1-3, characterized in that said multiplier means has a control input connected to said radiation measuring first means via a pulse forming means (16).

5. Optical fire detector as specified in claims 1-3, characterized in that said multiplier means has a control input connected to said radiation measuring first means via a phase-locked oscillator circuit.

6. Optical fire detector as stated in claims 1-3, characterized in that said multiplier means has a control input connected to a control oscillator (21) which is arranged to drive said modulator means (22) in the radiation source (20).