NO842033L

NO842033L - Spredt straaling-roekdetektor

Info

Publication number: NO842033L
Application number: NO842033A
Authority: NO
Inventors: Hannes Guettinger; Gustav Pfister
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1982-10-11
Filing date: 1984-05-22
Publication date: 1984-05-22
Also published as: EP0120881B1; US4642471A; JPS59501879A; EP0120881A1; WO1984001650A1; DE3371828D1

Description

SPREDT STRÅLING-RØKDETEKTOR

Oppfinnelsen vedrører en spredt stråling-røkdetektorsom

ved hjelp av strålingsledende elementer kan kobles til en bedømmelsesenhet, hvor elektromagnetisk stråling, utsendt av bedømmelses-enheten, stråles via minst ett strålingsledende element inn i et målevolum og elektromagnetisk stråling, som er spredt til røk-partiklene i målevolumet, blir tatt opp av minst ett strålingsledende element og ledet tilbake til be-dømmelses-enheten .

Ved tidligere kjente spred stråling-detektorer, f.eks. som beskrevet i US-PS nr. 4 181 439 eller i PCT-søknad WO 80/ 013 26, blir elektromagnetisk stråling, som omfatter synlig lys, infrarød eller ultrafiolett stråling, blir strålt inn i et utstrakt målevolum av en lys-emitterende diode (LED), som er anordnet i røkdetektorens indre, og

av røkpartikler i retning av en solarcelle som likeledes er anordnet i røkdetektorens ,indre blir mottatt. For spennings-forsyning og signal-overføring er røkdetektoren ved hjelp av metalliske, elektrisk ledende signalledninger forbundet med en bedømmelses-enhet eller signal-sentral.

På grunn av de metalliske ledninger og de elektriske koblinger som foreligger i røkdetektoren, i det minste diode-koblingen og mottager-kpblingen, er slike røkdetektorer ikke anvendelige i områder med eksplosjonsfare uten spesielle, kompliserte og omfattende verne- og forsiktighets-forholdsregler. Ytterligere en ulempe består i den uønskede tempera-turvariasjon i de elektriske komponenter, som nødvendiggjør kompliserte kompensasjons-forholdsregler. Ved visse omgivel-ses-betingelser er det videre fare for korrosjon av de metalliske deler og visse komponenter er ømfintlige overfor fuktighet eller vann. Dette krever en omfattende konstruksjon og kompliserte produksjons-metoder, som vern av komponenter ved innstøping m.v.

i j Som f.eks. beskrevet i belgisk patentskrift nr. 881 812 el- |

ler i DE patentansøkning 3 0 37 63 6, kan disse ulemper delvis unngås ved at røkdetektoren ved hjelp av strålingsledende elementer, også kjent som lyslederé eller fiber-optikk, for-bindes med bedømmelses-enheten, i hvilken enhet både strå-lingskilden og strålingsmottageren er anordnet. Strålingen ledes da av bedømmelses-enheten, via en lysleder, til røkde-tektoren, stråles fra enden eller utgangen av denne lysleder i detektoren inn i målevolumet, den spredte stråling blir tatt opp fra målevolumet av inngangen for en andre lysleder og ledet tilbake til bedømmelses-enheten av denne lysleder.

I den egentlige røkdetektor foreligger således ingen metalliske ledninger eller elektriske komponenter, slik at det er oppnådd eksplosjons-sikkerhet og uømfintlighet overfor temperatur, fuktighet og korrosjon.

Uheldig ved slike røkdetektorer er den relativt brede strålings-karakteristikk av lyslederens utgang, dvs. dens forholdsvis store åpningsvinkel, og den likeså brede mottag-nings-karakteristikk av den lysleder som tar opp den spredte stråling. Dette har til følge at det ved slike røkdetek-torer bare kan benyttes spredt stråling med en forholdsvis stor spredningsvinkel, dvs en forholdsvis stor vinkel mellom den innstrålte og mottatte stråling, idet en betydelig andel av den mottatte stråling består av direkte-stråling ved en. mindre spredningsvinkel. Spesielt kan den ekstreme forover-stråling med spredningsvinkler nær null, som er særlig guns-tig for gjenkjennelse av røk, ikke registreres med slike røkdetektorer. Den brede strålings-karakteristikk bevirker dessuten at en stor del av detektorens innervegg blir truffet av direkte stråling og delvis reflekterer denne, især som følge av støvavleiring på veggen, som neppe kan unngås i løpet av driftstiden. Dette fører til et mer opplyst målevolum og et forstyrrende lysnivå, slik at en svak strålings-spredning forårsaket av røk blir overlagret av den forstyrrende lysstrål ing og ikke lenger er påviselig eller at en falsk alarm kan bli utløst. Følgelig kunne strålingskildens I lyseffekt og dermed røkdetektorens effekt-opptagning ikke holdes'så lavt som ønsket. Og det ble behov for kompliserte j

I

og omfattende forholdsregler for å unngå at detektorens innervegg ble nedstøvet og reflekterte stråling.

En viss bedring kunne oppnås ved at det foreligger optiske midler for samling av strålingen til en fokal-linje eller en fokus., f. eks. som bl. a. beskrevet i de ovennevnte publika-sjoner. Da strålingen divergerer igjen bak fokal-linjen eller fokus, blir det fortsatt truffet en for stor del av in-nerveggen med direkte stråling og det forstyrrende strålings-nivå er fortsatt uønsket høyt. Hvis det likeledes anordnes en analog samlings-optikk foran mottageren, kreves en nøyak-tig justering på den innkommende strålingens fokus og dette gjør produksjonen mer komplisert og dyrere. Justeringen kan dessuten forskyves med tiden, som følge av temperatur- eller . rystelses-påvirkning, slik at følsomheten avtar eller for-svinner.

Endelig er det påj grunn av gjensidig hindring vanskelig å anordne to eller flere strålingskilder i en detektor, noe som ville ha vært fordelaktig for sondring mellom forskjellige partikkel-typer og for å muliggjøre en mer intelligent signal-vurdering.

Oppfinnelsen vedrører den oppgave å eliminere de ovennevnte ulemper ved teknikkens stilling og især å tilveiebringe en spredt-stråling-røkdetektor av innledningsvis nevnte type, som ikke bare er eksplosjonssikker og uønfintlig overfor temperatur, fuktighet og korrosjon, men som dessuten har økt følsomhet, lavere tendens til forstyrrelser og falsk alarm-givning, samt bedret driftssikkerhet, selv ved lengre drifts-tider og ved nedstøving under vanskelige omgivelsesbetingel-ser .

Ifølge oppfinnelsen løses denne oppgave ved at det ved strå-lingsutgangen, hhv. ved strålings-inngangen av de strålings-ledende elementer er anordnet kollimasjons-innretninger for generering av et i det minste tilnærmet ikke-divergent strålings- hhv mottagelsesområde (S,E) med et lite tverrsnitt, hvor de strålingsledende elementer og kollimasjons-innretninger er anordnet og opprettet slik at deres strålings- og mottagelses område skjærer hverandre.

Kombinasjonen av strålingsledende elementer med egnede kollimas jons-innretninger vil på en enkel måte, uten bruk av omfattende hjelpemidler, som f.eks. laser, muliggjøre en snever begrensning av strålings- og mottagelsesområdene' til parallelle bunter med diametre på f.eks. mindre enn 3 mm. . Dermed kan man få til en anordning, hvor utelukkende ekstrem forover-spredning blir tatt opp, men praktisk talt ingen direkte-stråling, og hvor anordningen dessuten er ufølsom overfor mindre justeringsforskyvninger. Da bare en ørliten flekk av detektorens innervegg blir direkte bestrålt, kan forstyrrende stråling fra dette sted praktisk talt elimine-res helt ved enkle forholdsregler, som en liten, men høyef-fektiv strålingsfelle eller åpninger. En analog strålingsfelle kan være anordnet i mottagelsesområdet. Det er heller ikke vanskelig å anordne flere strålings- og mottagelsesom-råder.

Oppfinnelsen og hensiktsmessige og fordelaktige videreførin-ger av denne skal beskrives under henvisning til noen utfø-relseseksempler som er vist i figurene. Her viser fig. 1 en røkdetektor-anordning i skjematisk gjengivelse,

fig. 2 en spredt stråling-røkdetektor i snitt,

fig. 3 en røkdetektor med bedømmelse av flere spredningsvinkler,

fig. 4 en røkdetektor med bedømmelse av flere bølgelengder,

fig. 5 en røkdetektor med strålingsovervåkning,

fig. 6 en røkdetektor med flere spredningsvolumer,

i

fig. 7 en røkdetektor med kjeglemantelformet strålingsområde.

Ved den røkdetektor-anordning som er gjengitt i fig. 1, er en spredt stråling-røkdetektor D ved hjelp av strålingsledende elementer eller lysledere L-^og L ? forbundet med en vurderings-enhet A. Mens røkdetektoren er anordnet på et må-lested i et rom som skal overvåkes, kan bedømmelses-enheten befinne seg fjernt fra dette, om nødvendig i en avstand på mer enn 100 meter. Utførelsen av lyslederne er hensiktsmes-sig tilpasset den benyttede stråling og kan være av multi-modus- eller, mono-modus-type. Lyslederne kan bestå av en en-kelt fiber eller av en bunt.av flere strålingsledende fibre. Avhengig av røkdetektorens utførelse kan det være behov for to eller flere lysledere for forbindelse med.bedømmelses-enheten. Flere røkdetektorer kan også via kjente forgrenings-elementer kobles parallelt til bedømmelses-enheten, eller til samme inngang ved hjelp av forskjellige lysledere.

I den viste anordning trigrer én driver 1, anordnet i be-dømmelses-enheten A,en strålingsemitterende diode LED 2 pulsvis med 0,1 - 10 kHz. Strålingen fra den, som avhengig av LED-typen er synlig lys, infrarød eller ultrafiolett stråling, kobles inn i lyslederen L.^og ledes via denne til røk-detektoren. Ved utgang 3 for denne lysleder er det anordnet en kollimasjons-innretning 4, dvs. en spesiell optikk, som

kollimerer strålingen som trer ut av lyslederen til en i det minste tilnærmet parallell strålingsbunt (S). Utenfor denne strålingsbunt er det anordnet ytterligere en kollimasjons-innretning 6, som er skjermet mot direkte stråling av en blender 5 og hvis mottagelsesområde (E) er innrettet slik at den opptar stråling som er spredt til røkpartikler fra et sprednings-volum 7 og tilfører denne til inngang 8 for den andre lysleder , som leder den mottatte spredte stråling' til en solarcelle 9 i bedømmelses-enheten A. Denne, solar-celle omdanner den mottatte stråling, dvs det optiske signal, til et elektrisk signal, som forsterkes av en mottagelses-forsterker 10. Forsterkerens ut-sig.nal ledes til en signalbehandlings-kobling 11, som på den annen side via en ledning 12 mottar et referansesignal fra driveren 1 og bare I avgir et signal til den etterkoblede alarmkrets 13 når ut-i

sendt og mottatt stråling har koinsidens. Av alarmkretsen 13 blir en alarminnretning 14 utløst når signalet fra den spredte stråling overstiger en fastlagt terskel.

Ved en bedømmelses-enhet som ble gjennomført i praksis ble følgende koblings-komponenter benyttet: - driver 1: oscillator med 555-Timer (Signetics) og 7473 Flip-Flop for generering av en firkant-spenning med ca. 270 Hz.

- LED: 2: 2. SE 3352 (Honeywell)

- Lysleder: QSF 200 A (Quartz et Silice)

- Kollimator 3, 8: SELFOC SLW 1.8/0.23 P (Nippon Sheet Glass)

- Solarcelle 9: PIN BPX 65 (Siemens)

Forsterker 10: ICL 7 621 (Intersil)

Signalbehandlings-koblingen 11 kan f.eks. være av den type koinsidens-koblinger som er kjent for røkdetektorer fra de eutopeiske patenter EP 11 205 eller EP 14 779, eller den kan . omfatte en fasefølsom forsterker (Lock-in amplifier), f.eks. som den som er tilgjengelig fra Princeton Applied Research Corporation.

Fig. 2 viser oppbygningen av en praktisk utført røkdetektor ifølge oppfinnelsen i snitt. En basisplate 20 av plast bærer et luftgjennomslippelig hus 21, som omslutter målekamret M, og i det indre et bærer-element 22, likeledes av en egnet plast. I basisplaten 20 er det anordnet en kjent lysleder-tilkoblings- eller stikk-kontaktforbindelse C, som tjener

-til tilkobling av lyslederne L^, 1,^ fra bedømmelses-enheten til lysleder-forbindelsene 23 og 28 i detektorens indre. I utsparinger i bærer-elementet 22 er de to kollimasjons-innretninger 24 og 26 anbrakt, som. samvirker med endene av ly.sleder-f orbindelsene 23 og 28, slik at det dannes et strålings- (S), hhv mottagelses-område (E) med svært liten åpningsvinkel, dvs nesten parallell stråling, og en liten diameter, dvs. i høyden 1-3 mm. I den sentrale del av bærer-, elementet 22 er det anordnet flere blendere 25 for avskjer-j ming av den direkte rest-stråling fra kollimatoren 26. Den

optiske-anordning svarer således til skjemaet ifølge fig. 1. For å unngå forstyrrelser som følge av lys som trenger uten-fra gjennom huset 21 og inn i målekamret M eller stråling som reflekteres av husets innervegg, er den optiske anordning i husets 21 indre omgitt av et luftgjennomslippelig, men strålingsabsorberende, labyrint-aktig element 27. Dette kan f.eks. bestå av lameller som er føyd i hverandre eller ha strålingsabsorberende ribber 29 på overflatene, for også å eliminere den siste rest av forstyrrende stråling, som f.eks. går ut fra kantene på blenderne 25. For oppfan-ging av den direkte stråling som går ut fra kollimasjons-innretningen 24 kan det være anordnet en strålingsfelle 30 med ringe utstrekning, men særdeles god absorpsjon, og ved enden av mottagningsområdet kan det foreligge en analog fel-le 31« På grunn av den gode kollimasjon og den ekstremt lille diameter av strålingsområdet, slik det ikke har vært mulig å oppnå ved kjente spredt stråling-røkdetektorer, kan de hittil nødvendige, omfattende forholdsregler for elimine-ring av den forstyrrende stråling i stor utstrekning falle bort eller reduseres ved den omtalte konstruksjon, eller om-vendt kan røkdetektorens følsomhet økes og tendensen til falsk alarm reduseres. Av samme grunn kan den optiske anordning dimensjoneres for en mindre spredningsvinkel enn hittil, slik at særlig'forover-spredningen som er spesielt egnet for påvisning av røk, blir anvendelig, noe som hittil bare kunne skje på bekostning av økt tendens til falsk alarm og nedsatt følsomhet. Forover-spredningsvinkler under 15° kunne lett

opprettes uten omfattende blendersystemer, med egnede blendere til og med spredningsvinkler ned til 5°. Til dette kom-mer så de fordeler som betinges av at røkdetektoren kan være oppbygget helt av ikke-metalliske materialer, dvs at den er fullstendig eksplosjonssikker, ikke kan forstyrres av elektromagnetiske interferenser, neppe viser dentens til korrosjon, kan benyttes selv i høyspennings-områder, og dessuten er svært temperaturbestandig, i det minste i området mellom

-50°C og +150°C, hvis plastmaterialene erstattes av keramikk endog ved vesentlig høyere temperaturer. 1 Figur 3 viser skjemaet for en røkdetektor D, som foruten de komponenter som allerede er vist i fig. 1 omfatter ytterligere en kollimasjons-innretning 15, som opptar spredt stråling ved en større spredningsvinkel enn første kollimasjons-innretning 6, og som via en tredje lysleder L., er forbundet med bedømmelses-enheten. Dermed er det mulig å utnytte det ved forskjellige røktyper forskjellige spredningsforhold ved liten spredningsvinkel mot spredning ved en større spredningsvinkel, og det kan fastslås med en egnet bedøm-melses-kobling hva slags røk som i praksis foreligger. Den største spredningsvinkel kan også velges over 90°, slik at en kollimator opptar forover-spredningen og den andre tilbake-spredningen. Dermed kan det sondres mellom sterkt absor-berende, dvs sort røk, og sterkt reflekterende, dvs hvit røk.

Ved den anordning som er vist i fig. 4, er det i bedømmel-ses-enheten A anordnet to forskjellige LED 2 1 og 2 2, som sen-der ut stråling på to forskjellige bølgelengder. Ved hjelp av et koblings-element 16 blir de to strålingsdeler koblet inn i samme lysleder L-^^og ført til • kollimasjons-innretnin-gen 4. Ved atskilt bedømmelse av spredningen ved de to bøl-gelengder, kan det likeledes trekkes slutninger med hensyn til typen av det spredende medium, især partikkelstørrelsen.

Røkdetektoren D ifølge fig. 5 er i forlengelsen av kolli-matorens 4 strålingsretning forsynt med ytterligere en strå-lingsmottagende kollimator 17, som opptar den direkte stråling og via ytterligere en lysleder L^leder den til bedøm-melses-enheten. Dermed kan det oppnås en funksjonsovervåk-ning av LED-ene, dvs hvis stråling uteblir kan det avgis et signal, eller LED-ene kan etterjusteres ved en langsom end-ring av strålings-intensiteten.

Ved den røkdetektor som er gjengitt i fig. 6, er det nær

ved et første system som består av kollimatorene 4^ og 6^", lyslederne L, og L~og blenderen r"<*>", anordnet et andre, analogt oppbygget system som består av kollimatorene 4 2 og 6 2 , lyslederne L^og Lg og blenderen 5 2. Med en koinsidens-! kobling i bedømmelses-enheten er det mulig å konstatere om i

det opptrer spredt stråling samtidig i begge systemer, slik at man unngår falske alarmer.

Strålings- og mottagelses-område kan være utformet på annen måte enn som parallelle bunter med liten diameter. Fig. 7

viser et utførelseseksempel på en slik røkdetektor D. Denne er som røkdetektoren i eksemplet ifølge fig. 1 ved hjelp av to lysledere L^, L2koblet til en bedømmelses-enhet, og ved utgangen, hhv. ved lysledernes 3, 8 inngang, er det anordnet hver sin kollimasjons-innretning 4, 6. I motsetning til det som var tilfelle ved de ovenfor omtalte utførelser, er disse kollimasjons-innretninger dog forsynt med sfæriske flater, slik at deres strålings- hhv mottagelsesområde har formen av en kjeglemantel med ringe tykkelse. Strålingsin-tensiteten hhv mottagerfølsomheten er her i det vesentlige begrenset til kjeglemantelen og er forholdsvis lav både utenfor mantelen og innenfor kjeglen, i aksenærhet. Kollimas jons-optikken er igjen utformet slik at strålingens åpningsvinkel i en mantellinje av kjeglemantelen er svært lav, dvs. at tykkelsen av strålings- hhv. mottagelsesområdet endres lite langs en mantellinje. Strålings- og mottagelsesområdet skjærer hverandre i en sirkelring- eller torus-formet sone 7 med liten diameter i det viste eksempel. På denne måte oppnås analoge fordeler med de ovenfor omtalte utførelser med parallelt strålings- hhv mottagelsesområde, såfremt strålings- og mottagelsesområdets divergens, dvs endringen av strålings- og mottagelsesområdets tykkelse i strålings- hhv mottagelsesretning kan holdes lav. For absorpsjon av den direkte stråling og unngåelse av at bak-grunnsstråling blir tatt opp, er det også i eksemplet iføl-ge fig. 7 anordnet strålingsfeller 29, som her hensiktsmes-sig er sirkelringformet og omgir kollimasjons-innretningene 4, 6 i ringform.

Claims

1. Spredt stråling-røkdetektor, som ved hjelp av strålingsledende elementer (L^, i, 23, 28) kan kobles til en bedømmelses-enhet (Å), hvor dén elektromagnetiske stråling som sendes ut fra bedømmelses-enheten.(A) stråles via minst ett strålingsledende element (L^, , 23) inn i et målevolum (M, 7) og hvor elektromagnetisk stråling, som blir spredt til røk-partikler i målevolumet (M, 7), blir tatt opp av minst ett strålingsledende element (L^, L^, Lg, 28) og ledet tilbake til bedømmelses-enheten (A),karakterisert' ved at det ved de strålings-ledende elementers (L-^, L2) strålings-utgang (3) hhv strålings-inngang (8) er anordnet kollimasjons-innretninger (4, 6, 24, 26) for generering av et i det minste tilnærmet ikke-divergerende strålings- hhv mottagelsesområde (S,E) med li-tet tverrsnitt, hvor de strålingsledende elementer og kollimas jons-innretning ene er anordnet og opprettet slik at deres strålings- og mottagelses-områder skjærer hverandre.

2. Røkdetektor som angitt i krav 1,karakterisert vedat kollimasjons-innretningene (4, 6, 24,

26) er utformet og orientert slik at deres strålings- og mottagelses-områder (S,E) er i det minste tilnærmet parallelle bunter, som skjærer hverandre i en spiss vinkel, slik at den strålings-mottagende kollimas jons-innretning.'( 6 , 26) opptar stråling som er spredt i en spiss vinkel i forover-retning.

3. Røkdetektor som angitt i krav 2,karakterisert vedat vinkelen ligger mellom 5° og 15°.

4. Røkdetektor som angitt i krav 2 eller 3,karakterisert vedat strålings-områdets diameter er maksimalt 3 mm. i

5. Røkdetektor som angitt i krav 4, karakteri-. s e r t ved at mottagelses-områdets (E) diameter er maksimalt 3 mm.

6. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-5,karakterisert vedat det mellom kollimasjons-innretningene (4, 6, 24, 26) er anordnet minst en blender (5) for avskjerming av den direkte stråling som stråles ut fra den ene kollimasjons-innretning (4, 24) overfor den strålings-mottagende kollimasjons-innretning (6, 26).

7. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-6,karakterisert vedat ytterligere en kollimasjons-innretning (15) er anordnet og orientert slik at den mottar spredt stråling i en større spredningsvinkel enn første kollimas jons-innretning (6) .

8. Røkdetektor som angitt i krav 7,karakterisert vedat den største spredningsvinkelen utgjør minst 90°.

9.. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-8,karakterisert vedat strålingen består av minst to forskjellige bølgelengde-områder.

10. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-9,karakterisertvedat det er anordnet ytterligere en kollimasjons-innretning (17) i det direkte strå lingsområde.

11. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-10,karakterisert vedat det er anordnet to optiske anordninger, som hver omfatter en strålings-utsen-dende kollimator-innretning (4 1, 4 2 ) og en stråolingsmotta-gende kollimator-innretning (6 1, 6 2 ),hvor stråolings- og mottagelsesområdene for de to optiske anordninger skjærer hverandre i nabo-målevolumer.

;12. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-11,karakterisert vedat den utsendte, elektro magnetiske stråling har pulsform.

13. Røkdetektor som angitt i krav 12,karakterisert vedat dem kan kobles til en bedømmelses-enhet (A), som omfatter en koinsidens-kobling (.11) for sammenlig-ning av den utsendte.og mottatte stråling.

14. Røkdetektor som angitt i krav 13,karakterisert vedat koinsidens-koblingen (11) omfatter en fasefølsom forsterker (lock-in amplifier).

15. Røkdetektor som angitt i et av kravene 1-14,karakterisert vedat strålingsområdet (S) er avsluttet med en strålingsfelle (30).

16. Røkdetektor som angitt i krav 15,karakterisert vedat mottagelsesområdet (E) er avsluttet med en strålingsfelle (31).

17. Røkdetektor som angitt i krav 1,karakterisert vedat kollimasjons—innretningene (4,6) er utformet slik at strålings- og mottagelses-områdene har formen av kjeglemantler med ringe tykkelse som skjærer hverandre i et sirkelringformet målevolum (7).