WO2004034001A1 - Vorrichtung zur bestimmung von strömungsgrössen eines fluids sowie verfahren zum betrieb einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung von strömungsgrössen eines fluids sowie verfahren zum betrieb einer solchen vorrichtung Download PDF

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WO2004034001A1
WO2004034001A1 PCT/EP2003/009560 EP0309560W WO2004034001A1 WO 2004034001 A1 WO2004034001 A1 WO 2004034001A1 EP 0309560 W EP0309560 W EP 0309560W WO 2004034001 A1 WO2004034001 A1 WO 2004034001A1
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fluid
air
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Lutz Burkhardt
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Wagner Alarm- Und Sicherungssysteme Gmbh
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • 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
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
    • G08B17/113—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining flow variables, in particular the temperature, the flow rate and its change, in a fluid flow to be monitored, in particular in smoke and gas suction detectors, with a thermoelectric and air temperature sensor operated in constant temperature mode, a thermoelectric temperature sensor and a control circuit for setting an excess temperature ⁇ T at the air flow sensor, as well as a method for operating such a device, a corresponding working method and a fire detection or oxygen measuring device equipped with such a device.
  • Devices for determining flow variables of the type mentioned at the outset and corresponding methods for operating such devices are known in particular from hot wire anemometry.
  • a heated wire is placed in a flowing fluid; Based on the amount of heat dissipated by the fluid, statements about various flow sizes can be obtained.
  • constant current mode There are two basic operating modes for hot wire anemometry: constant current mode and constant temperature mode, which is used in most cases because, among other things, the thermal inertia of the
  • Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a constant temperature anemometer.
  • the equilibrium state there is a certain voltage on the vertical diagonal C-D of the bridge, which voltage is supplied by a servo amplifier 15. If the convective cooling on the probe 18 changes, a small voltage will arise on the horizontal diagonal A-B, which - often amplified - is fed back to the vertical diagonal C-D of the bridge.
  • the polarity of this feedback voltage is chosen so that the bridge adjusts itself automatically.
  • the probe responds to any change in the heat dissipation, which can also be caused, for example, by a change in the temperature or the pressure of the flow medium. This is particularly problematic if the method is used continuously in order to be able to reliably draw conclusions based on changes in the measured flow parameters, for example on the state of the pipeline system in which the fluid flows.
  • the oxygen measuring device serves to set the basic level of inertization in the target area. If a threshold value of the oxygen concentration is exceeded - for example due to a leak in the target area - the control issues a command to a special system for introducing inert gas into the room, so that the oxygen content is reduced.
  • the oxygen measuring device signals when the threshold value of the basic inerting level has been reached again. The location of the basic level of inerting depends on the properties of the room.
  • an aspirative fire detection system is combined with an inert gas device for fire prevention and / or extinguishing.
  • the oxygen measuring device and the fire detection device of the inert gas device are integrated in the aspirative fire detection system. This then takes on the task of providing the controller with the data required for monitoring the target area from the air sample taken in.
  • volume flow In order to guarantee that an aspirative device functions properly and as maintenance-free as possible, it is necessary to continuously monitor the volume flow of the air sample supplied to the detector.
  • the volume flow depends on the mass flow and the density of the added air sample, which in turn is a function of the air pressure and the temperature. Therefore, monitoring the volume flow proves to be a complicated measurement task.
  • high measurement accuracy is required with regard to volume flow monitoring. This also includes compensation, -., Fire detection devices are used in particular wherever the smallest and barely perceptible fire parameters are to be detected and are used in particular for object or room monitoring, for example of IT systems or server rooms.
  • inerting processes In enclosed rooms, the facilities of which react sensitively to the effects of water, such as IT areas, electrical control and distribution rooms or storage areas with high-quality goods, so-called inerting processes are increasingly being used to reduce the risk and extinguish fires.
  • the extinguishing effect resulting from these processes is based on the principle of oxygen displacement.
  • normal ambient air consists of 21% by volume of oxygen, 78% by volume of nitrogen and 1% by volume. composed of other gases.
  • an oxygen-displacing inert gas such as pure nitrogen, increases the inert gas concentration in the room in question and reduces the oxygen content. Many substances no longer burn when the oxygen content falls below 15 - 18 vol .-%.
  • a further decrease in the oxygen content to, for example, 12% by volume may be necessary.
  • Such an inert gas device for carrying out the aforementioned inerting process essentially has the following components: an oxygen measuring device for measuring the oxygen content in the target area to be monitored; a fire detection device for detecting a fire parameter in the room air of the target room; a controller for evaluating the data of the oxygen measuring device and the fire parameter detector and for sequence control of the inerting process; and a plant for the production and sudden inputs' ⁇ passing an inert gas into the target area.
  • an aspirative fire detection device is understood to be a device that actively draws in a representative part of the room air from a room to be monitored via a pipeline or duct system at a plurality of points and these parts then a detector for detecting a fire parameter or for detecting Gasses in the air, especially oxygen.
  • An aspirative fire detection system essentially consists of an intake pipe system with individual small intake openings, a fan that sucks an air sample from the target area via the intake openings of the intake pipe system, and a detector in which fire parameters are then determined in the intake air sample. Since an aspirative fire detection device actively draws in air samples from the target area and thus any existing fire parameters, such devices react much faster and more sensitively to fires than conventional solutions. This provides the best possible opportunity for intervention.
  • fire parameter is understood to mean physical quantities that are subject to measurable changes in the vicinity of an incipient fire. e.g. the ambient temperature, the solid or liquid or gas content in the ambient air (formation of smoke in the form of particles or eros, oils or steam) or the ambient radiation - an aspirative the influence of air density or air pressure in the measurement technology used for volume flow monitoring.
  • the present invention is the .
  • One of the reasons for the uncertainties is that the sensors used are dependent on the temperature of the fluid flow and on the air pressure or density of the fluid and are therefore unsuitable for continuous and adjustment-free use.
  • the reliable monitoring of the volume flow in intake pipe systems also requires the most accurate evaluation of the measurement data.
  • the present invention is based on the object of one of the aforementioned? Type, in particular in smoke and gas suction detectors, of a device for air flow monitoring that is used in this way. form that a continuous and maintenance-free recording of flow parameters is possible, which are sufficiently precise to be able to make reliable statements about the condition of the intake pipe system, and to specify a corresponding method for operating such a device and a corresponding working method.
  • control circuit contains a control algorithm implemented in a microprocessor, by means of which the excess temperature ⁇ T at the air flow sensor is kept constant.
  • the air flow sensor is set exactly in its working point or working temperature, which is independent of fluctuations or changes in the fluid temperature.
  • the amount of heat dissipated from the thermoelectric airflow sensor actually only corresponds to the amount of heat dissipated from the fluid.
  • the electrical current flowing through the air flow sensor or the electrical power dissipated by the air flow sensor advantageously actually does just that
  • the object on which the invention is based is further achieved by a method for operating such a device, in which the air flow sensor is briefly increased to a temperature peak value.
  • the technical problem underlying the present invention is further solved by a method for determining Flow variables, in particular the temperature T, the flow velocity w and their change ⁇ w, in a fluid stream to be monitored, in particular in smoke and gas suction detectors, are solved according to the invention by the following method steps: the fluid temperature T is determined by means of a thermoelectric temperature sensor; The overtemperature ⁇ T set on a thermoelectric air flow sensor operated in constant temperature mode is regulated to a constant value as a function of the fluid temperature T; the amount of heat dissipated by the thermal air flow sensor is determined; and flow quantities, in particular the temperature, the flow velocity, the flow resistance and its change, are calculated on the basis of the amount of heat removed by means of an evaluation algorithm implemented in a microprocessor.
  • thermoelectric airflow sensor assumes a constant value irrespective of the fluid temperature T
  • the thermoelectric airflow sensor is used exactly in its previously determined working point or working temperature and thus the electric power dissipated actually only by depends on the fluid flow.
  • the measurement error is significantly reduced due to the method according to the invention.
  • the quantity of heat Q removed by the heated sensor through the fluid flow is the measure of the flow quantities to be determined. Since the overtemperature ⁇ T of the sensor assumes a constant value here, the amount of heat Q removed is identical to the heating power P supplied to the sensor.
  • A, B and n are sensor-specific constants, which are experimental before commissioning the sensor, i.e. by means of a calibration, and p represents the fluid density. From equations (1) and (2) it follows that the volume flow V and the mass flow (p • V) of the fluid flow can be determined via the heating power P and the temperature T.
  • V A-w (4)
  • the method according to the invention is suitable for detecting changes in the flow resistance in the intake pipe system. In addition to an accurate volume flow measurement, this also involves compensation for the influence of the air or fluid density p in order to be able to reliably assess the flow resistance.
  • a correction factor is determined from a table created for this purpose on the basis of stored initial values of the airflow and temperature sensors as well as the current temperature and, if appropriate, the current absolute air pressure. This table is necessary because different intake pipe systems and different intake powers of the fan require different correction factors would be to record the current absolute air pressure, for example, via a separately designed sensor for air pressure measurement, but other embodiments are of course also conceivable here.
  • an aspirative fire detection device which continuously takes room or device cooling air samples from a room or device to be monitored and feeds them to a detector for detecting a fire parameter via a pipeline system, and with a device for determining flow variables described above is equipped.
  • the microprocessor further comprises an evaluation algorithm for calculating flow quantities on the basis of the electrical heating power P of the air flow sensor, in particular for calculating the mass flow N, the flow velocity w and the temperature T of the fluid flow.
  • the advantage of this embodiment according to the invention lies in the fact that in the control algorithm implemented in the microprocessor, the target resistance of the thermoelectric air flow sensor can be calculated according to the exact sensor characteristic curve and an exact control loop (eg PI controller) can be formed.
  • the voltage at the thermoelectric temperature sensor can be measured with an AD converter, for example, and then filtered to eliminate noise and other disturbances.
  • the temperature of the fluid flow To is calculated on the basis of the measured voltage.
  • the desired constant overtemperature ⁇ T (for example 40 ° C.) is added to the fluid temperature To.
  • the result is the target temperature T s0 n of the thermoelectric air flow sensor .
  • the target resistance of the airflow sensor is determined from this in the evaluation algorithm of the microprocessor based on the exact sensor characteristic.
  • the controller regulates the voltage on the hot wire of the airflow sensor in order to set the actual value of the resistance of the airflow sensor to the setpoint.
  • the overtemperature ⁇ T is kept constant.
  • the electrical voltage and the electrical current at or through the thermoelectric air flow sensor are measured by means of an AD converter and then filtered. From this, the electrical power P is calculated, which is also a measure of the air flow.
  • the evaluation algorithm includes the detection of small abrupt flow changes, in particular changes in volume flow, of the fluid flow.
  • the influence of the air density is also compensated in order to be able to assess the flow resistance in this way.
  • the basic idea here is that changes due to disruptive environmental influences (air pressure, temperature) are generally slower than a pipe break.
  • the evaluation of small, sudden changes thus also enables the detection of sudden blockages in a single suction opening, which occurs, for example, in the event of vandalism or when a box is placed in a high rack in front of a suction opening.
  • the evaluation algorithm includes the compensation of a temperature and / or pressure-dependent change in density of the fluid flow.
  • the advantage of this embodiment is in particular that, by taking into account the temperature or pressure-dependent change in density of the fluid flow, the electrical power dissipated by the fluid flow is independent of fluctuations in the change in density of the fluid flow. As a result, the accuracy of the flow variables determined by means of the present invention, in particular the flow resistance, is significantly improved.
  • a possible implementation of the determination device provides that the microprocessor contains a memory for storing initial values of the flow quantities.
  • the advantage of this embodiment lies in the fact that the evaluation algorithm does not only flow values with a high accuracy can be calculated, but also long-term changes in the state of the flow quantities can be demonstrated. Since the calculation of the gradient of the flow variables is based on the precise air flow values, the measurement of the changes in the pipe system of a smoke and gas intake detector is advantageously possible in this embodiment, for example. Such changes can occur due to slow or sudden constipation, cracks or breaks. Since the overtemperature .DELTA.T at the airflow sensor is kept constant by the invention, the gradient of the airflow variables is not subject to any temperature-related or other-related shift. A repeated adjustment of the air flow sensor is also advantageously omitted.
  • the airflow sensor is advantageously designed such that it can be briefly increased to a temperature peak. This has the particular advantage that the airflow sensor is characterized by its particularly high durability.
  • the air flow sensor is preferably so for the operation of such a determination device . designed so that it can be briefly increased to a peak temperature of up to 500 ° C. As a result, the air flow sensor is particularly effectively freed from impurities due to the short-term operation at a greatly increased temperature.
  • the entire heating output is used to burn or loosen the dirt particles adhering to the airflow sensor.
  • the fan of the aspirative fire detection device is advantageously switched off in order to avoid any cooling of the airflow sensor. This cleaning ensures that no dirt particles are deposited or deposited on the airflow sensor even in continuous use, so that the sensitivity of the sensor is always unchanged.
  • a possible implementation of the invention consists in that the device according to the invention for determining flow variables in an aspirative fire detection and / or oxygen measuring device, which continuously takes room or device cooling air samples from a room or device to be monitored and via a piping system to a detector Recognize a fire parameter that is integrated.
  • the advantage of this embodiment is in particular that the air flow in the pipe system can be monitored precisely and also changes in the pipe system, which may occur due to slow or sudden blockage, cracks or breaks, can be reliably detected.
  • the aspirative fire detection and / or oxygen measuring device can be used particularly reliably and maintenance-free.
  • the air flow sensor or the temperature sensor of the device according to the invention is integrated in the center, in particular, in the air inlet channel of a detector for fire parameters of an aspirative fire detection and / or oxygen measuring device.
  • the advantage of this embodiment is that all electrical components of the aspirative fire detection device are combined in one unit. As a result, the construction of such a fire detection and / or oxygen measuring device is particularly easy to carry out.
  • the air flow sensor at a position in the air inlet duct of the detector of the aspirative device according to the invention which is narrowed in cross section
  • Fire detection and / or oxygen measuring device is arranged.
  • the air flow sensor is in a position in which the flow velocity is increased due to the narrowing of the cross section. This will make the dynami. the airflow sensor also increased. This means that extremely small changes in the flow parameters can be detected and get ranked.
  • the monitoring of aspirative fire detection and / or oxygen measurement devices can be optimized. Of course, other embodiments are also conceivable here.
  • Fig. 2 a block diagram of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a preferred embodiment of the aspirative fire detection device according to the invention
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a constant temperature __ anemometer according to the prior art.
  • the basic idea of " constant temperature mode of operation is to to reduce the flow of thermal inertia of a hot wire probe 18 by keeping the sensing element 18 at a constant temperature (resistance) and using the heating current required as a measure of the flow rate.
  • a Wheatstone bridge circuit is used, the resistance and thus the temperature of the hot wire 18 being kept constant by feedback. In the state of equilibrium there is a certain voltage on the vertical diagonal of the bridge CD, which is supplied by the servo amplifier 15.
  • the convective cooling on the probe 18 changes, a small voltage will arise on the horizontal diagonal AB, which - amplified many times - is fed back onto the vertical diagonal CD of the bridge.
  • the polarity of this feedback voltage is selected so that the bridge adjusts itself automatically.
  • the relationship between the flow velocity of the fluid and the anemometer voltage is not linear, so that the use of a linear generator is necessary for further evaluation.
  • a direct calibration curve is usually used after linearization to determine the flow velocity from the anemometer voltage.
  • the probe 18 in the circuit shown in FIG. 1 responds to any change in heat dissipation. This can also be caused, for example, by changing the temperature or pressure of the fluid.
  • the device according to the invention comprises a thermoelectric air flow sensor 1 operated in constant temperature mode and a temperature sensor 2. Both sensors are embedded in the flow to be measured.
  • the control or reading out of the sensors 1, 2 takes place via a control circuit 3.
  • the voltage Uo at the temperature sensor 2 is first measured using an AD converter 5.
  • a filter 6 is then applied to eliminate noise and other disturbances.
  • the air temperature To is calculated therefrom in an evaluation unit 7.
  • the previously determined constant overtemperature ⁇ T is added to the air temperature o in a further step.
  • the result is the target temperature T So i ⁇ of the thermoelectric air flow sensor 1.
  • the target resistance of the sensor 1 is calculated in the microprocessor 4.
  • the controller 3 then regulates the voltage at the airflow sensor 1 in order to set the actual value of the resistance to the previously calculated target value. As a result, the overtemperature ⁇ T at the airflow sensor 1 is kept constant.
  • the voltage Ui and the current Ii at the thermoelectric airflow sensor 1 are measured by means of an AD converter 5 and then filtered with a filter 6.
  • the electrical power P and the actual value of the resistance of the air flow sensor 1 are calculated.
  • the electrical power P required to keep the excess temperature ⁇ T constant is a measure of the air flow.
  • the exemplary embodiment of the device according to the invention for determining flow variables shown in FIG. 2 makes it possible to measure the flow parameter almost without errors, so that changes in the state of the flow variables, in particular the flow resistance, can also be calculated.
  • initial values of the flow quantities are stored in a memory (not explicitly shown) integrated in the microprocessor 4.
  • the gradient of the flow variables is then continuously calculated using the evaluation algorithm.
  • the density of the air changes due to a change in temperature and / or air pressure
  • the detected volume flow of the fluid also changes, although the pipe system is unchanged.
  • a necessary compensation of the change in air density is carried out in the microprocessor 4.
  • the compensation factor is determined on the basis of the initial values (temperature, air flow) and the current temperature.
  • An absolute air pressure sensor is optionally used to measure the air pressure (not explicitly shown).
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a preferred embodiment of the aspirative fire detection or oxygen measuring device according to the invention.
  • a suction pipe system 13 for sucking air samples through various suction openings is arranged in a target space 12.
  • the suction pipe system 13 is equipped with a suction detector, in which the air samples from the target space 12 include a detector 8 for detecting fire parameters or for measuring oxygen and others Gases are supplied.
  • a fan 14 is provided, which serves to suck in the air sample from the target area via the pipeline system.
  • the suction power of the fan 14 is adapted to the associated intake pipe system.
  • the device according to the invention for determining flow variables is located in the suction detector of the aspirative fire detection or oxygen measuring device.
  • thermoelectric air flow or temperature sensor 1, 2 is integrated in the smoke and / or gas measuring cell of the suction detector. Both sensors 1, 2 are positioned centrally in the air inlet duct 9. At the level of the air flow sensor 1, the cross section is narrowed in order to increase the flow speed. This increases the dynamics of the airflow sensor 1.
  • the air flow sensor 1 is freed of impurities by brief operation at a greatly increased temperature. During this time the fan 14 is switched off in order to avoid any cooling. The entire heating power is used to burn or loosen the dirt particles adhering to the air flow sensor 1. There is no airflow evaluation during this time. Cleaning is either done automatically at regular intervals or manually controlled. This cleaning ensures that the sensitivity of the airflow sensor 1 is not reduced even by prolonged operation due to the accumulation of dirt particles. Reference sign of the components

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrössen, insbesondere der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und dessen Änderung, in einem zu überwachenden Fluidstrom, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung, ein Bestimmungsverfahren selbst und eine mit einer solchen Vorrichtung ausgerüsteten Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung. Mit dem Ziel langsame oder plötzliche Verstopfungen, Risse oder Bruch eines Rohrsystems (13) einer aspirativen Branderkennungsvorrichtung messtechnisch zu erfassen, wird ein mit konstanter Übertemperatur betriebener Luft-Stromsensor (1) mit einem in einem Mikroprozessor (4) implementierten Regelalgorithmus kombiniert, um den Fluidstrom bzw. den Strömungswiderstand in dem Rohrleitungssystem (13) zu überwachen. Hierdurch kann der Sollwiderstand des Luftstromsensors (1) nach exakter Sensorkennlinie berechnet und ein genauer Regelkreis (3) gebildet werden. Die vom Luftstromsensor (1) erfassten Messwerte sind somit äusserst zuverlässig, so dass Zustandsänderungen der Strömungsgrössen Auskunft über den Zustand des Rohrleitungssystems (13) bzw. des Ansaugsystems liefern.

Description

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG VON STROMUNGSGROSSEN EINES FLUIDS SOWIE VERFAHREN ZUM
BETRIEB EINER SOLCHEN VORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen, insbesondere der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und dessen Änderung, in einem zu überwachenden Fluidstrom, insbesondere in Rauch- und Gasansaugmeldern, mit einem thermoelektrischen und im Konstant-Temperatur- Modus betriebenen Luftstromsensor, einem thermoelektrischen Temperatursensor und einem Regelkreis zum Einstellen einer Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung, ein entsprechendes Arbeitsverfahren und eine mit einer solchen Vorrichtung ausgerüsteten Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung.
Als Vorrichtungen zur Bestimmung von Strömungsgrößen der eingangs genannten Art sowie entsprechende Verfahren zum Betrieb solcher Vorrichtungen sind insbesondere aus der Hitzdrahtanemo- metrie bekannt. Dabei wird ein erhitzter Draht in ein strömendes Fluid gebracht; anhand der vom Fluid abgeführten Wärmemenge sind Aussagen über verschiedene Strömungsgroßen zu gewinnen.
Bei der Hitzdrahtanemometrie gibt es zwei grundsätzliche Betriebsarten: Der Konstant-Strom-Betrieb und der Konstant-Temp- eratur-Betrieb, welcher in den meisten Fällen zur Anwendung kommt, da hierbei unter anderem die thermische Trägheit des
Hitzdrahtes (Sonde) umgangen und somit eine höhere Genauigkeit der Sonde erreicht wird.
Die grundliegende Idee der Konstant-Temperatur-Betriebsweise. besteht darin, den Einfluss der thermischen Trägheit der Sonde dadurch zu verringern, dass der Hitzdraht auf stets konstanter Temperatur (Widerstand) gehalten und den hierzu benötigten Heizstrom als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides benutzt wird. Hierzu wird in der Regel eine Wheatstonesche- Brückenschaltung benutzt, wodurch der Widerstand und somit die Temperatur des Hitzdrahtes durch Rückkopplung stets einen konstanten Wert hält. Im thermischen Gleichgewicht muss der Wärmeverlust der Sonde gleich der zugeführten elektrischen Leistung sein. Aus dem Gesichtspunkt der Anemometrie interessiert in erster Linie die Beziehung zwischen der Fluidgeschwindigkeit und der elektrischen Leistung. Dieser Zusammenhang ist äußerst komplex, nicht linear und nur mittels eines empirischen und entsprechend den gegebenen Umständen jeweils zu modifizierenden Gesetzes (King) zu beschreiben. Bei der Auswertung wird deshalb der Einsatz eines Linearesators notwendig.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Konstant-Temperatur- Anemometers. Im Gleichgewichtszustand liegt an der senkrechten Diagonalen C-D der Brücke eine bestimmte Spannung, die von einem Servo-Verstärker 15 geliefert wird. Verändert sich die kon- vektive Kühlung an der Sonde 18 so wird an der waagerechten Diagonale A-B eine kleine Spannung entstehen, welche - vielfach verstärkt - auf die senkrechte Diagonale C-D der Brücke zurückgekoppelt wird. Dabei ist die Polarität dieser rückgekoppelten Spannung so gewählt, dass sich die Brücke selbständig ab- gleicht.
Neben des komplexen Zusammenhanges zwischen der Fluidgeschwindigkeit und der als Messgröße erfassten elektrischen Leistung liegt ein weiteres Problem darin, dass die Sonde auf jegliche Änderung der Wärmeabfuhr anspricht, die zum Beispiel auch durch Änderung der Temperatur oder des Druckes des Strömungsmediums verursacht sein kann. Problematisch ist dies besonders dann, wenn das Verfahren kontinuierlich eingesetzt wird, um anhand von Veränderung der gemessenen Strömungsparameter auf bei- spielsweise den Zustand des Rohrleitungssystems, in dem das Fluid strömt, zuverlässig Rückschlüsse treffen zu können. - 5 -
Die Sauerstoffmessvorrichtung dient dazu, das Grundinertisie- rungsniveau im Zielraum einzustellen. Wenn ein Schwellwert der Sauerstoffkonzentration überschritten ist - beispielsweise auf- grund einer Leckage im Zielraum - gibt die Steuerung einen Befehl an eine spezielle Anlage zum Einleiten von Inertgas in den Raum, so dass der Sauerstoffanteil reduziert wird. Die Sauer- stoffmessvorrichtung signalisiert, wenn der Schwellwert des Grundinertisierungsniveaus wieder erreicht ist. Die Lage des Grundinertisierungsniveaus ist dabei abhängig von Eigenschaften des Raumes.
In einer bevorzugten Anwendung wird ein aspiratives Branderkennungssystem mit einer Inertgasvorrichtung zur Brandvermeidung und/oder -löschung kombiniert. Dabei sind die Sauerstoffmessvorrichtung und die Branderkennungsvorrichtung der Inertgasvorrichtung in dem aspirativen Branderkennungssystem integriert. Diese übernimmt dann die Aufgabe, der Steuerung die zur Überwachung des Zielraumes erforderlichen Daten aus der angesaugten Luftprobe bereitzustellen.
Um die einwandfreie und möglichst wartungsfreie Funktionsweise einer aspirativen Vorrichtung garantieren zu können, ist es erforderlich, den Volumenstrom der dem Detektor zugeführten Luft- probe kontinuierlich zu überwachen. Der Volumenstrom ist jedoch von dem Massenstrom und der Dichte der zugefügten Luftprobe abhängig, welche wiederum eine Funktion des Luftdruckes und der Temperatur ist. Von daher erweist sich eine Überwachung des Volumenstromes als eine messtechnisch komplizierte Aufgabe. Um ferner Verstopfungen oder Beschädigungen des Ansaugrohrsystems bzw. der Ansaugöf nungen zuverlässig nachweisen zu können, ist bezüglich der Volumenstromüberwachung eine hohe Messgenauigkeit gefordert. Dies schließt unter anderem auch eine Kompensation,-., Branderkennungs orrichtung wird insbesondere überall dort eingesetzt, wo schon geringste und kaum wahrnehmbare Brandkenngrößen detektiert werden sollen und dienen insbesondere zur Objekt- oder Raumüberwachung, beispielsweise von EDV-Anlagen oder Serverräumen.
In geschlossenen Räumen, deren Einrichtungen sensibel auf Wassereinwirkung reagieren, wie etwa EDV-Bereiche, elektrische Schalt- und Verteilerräume oder Lagerbereiche mit hochwertigen Wirtschaftsgütern, werden in zunehmendem Maße zur Minderung des Risikos und zum Löschen von Bränden sogenannte Inertisie- rungsverfahren eingesetzt. Die bei diesen Verfahren resultierende Löschwirkung beruht auf dem Prinzip der Sauerstoffverdrängung. Normale Umgebungsluft setzt sich bekanntlich zu 21 Vol.-% aus Sauerstoff, 78 Vol.-% aus Stickstoff und 1 Vol.-% . aus sonstigen Gasen zusammen. Zum Löschen und Vermeiden von Bränden wird durch Einleiten eines sauerstoffverdrängenden Inertgases, wie etwa reiner Stickstoff, die Inertgaskonzentration in dem betreffenden Raum erhöht und der Sauerstoffanteil verringert. Viele Stoffe brennen nicht mehr, wenn der Sauerstoffanteil unter 15 - 18 Vol.-% absinkt. Abhängig von den in dem betreffenden Raum vorhandenen brennbaren Materialien kann ein weiteres Absinken des Sauerstoffanteils auf beispielsweise 12 Vol.-% erforderlich sein.
Eine derartige Inertgasvorrichtung zur Durchführung des genannten Inertisierungsverfahrens weist im wesentlichen folgende Bauteile auf: Eine Sauerstoffmessvorrichtung zum Messen des Sauerstoffgehaltes in dem zu überwachenden Zielraum; eine Branderkennungsvorrichtung zum Detektieren einer Brandkenngröße in der Raumluft des Zielraumes; eine Steuerung zur Auswertung der Daten der Sauerstoffmessvorrichtung und des Brandkenngrößendetektors und zur Ablaufsteuerung des Inertisierungsverfah _ rens; und eine Anlage zur Produktion und zum plötzlichen Ein-' ~ leiten von Inertgas in den Zielraum. - 3 -
Insbesondere zur Luftstromüberwachung in Ansaugrohrsystemen bei aspirativen Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung ist es wichtig, dass zuverlässig eine Verstopfungen oder ein Rohr- bruch im Ansaugrohrsystem erfasst wird, um einen fehlerfreien
Betrieb der Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung garantieren zu können. Hierbei wird unter einer aspirativen Branderkennungsvorrichtung eine Vorrichtung verstanden, die aus einem zu überwachenden Raum über ein Rohrleitungs- oder Kanal- system an einer Vielzahl von Stellen eine repräsentative Teilmenge der Raumluft aktiv ansaugt und diese Teilmengen dann einem Detektor zum Erfassen einer Brandkenngröße oder zum Erfassen von Gasen in der Luft, insbesondere Sauerstoff, zuleitet.
Ein aspiratives Branderkennungssystem besteht im wesentlichen aus einem AnsaugrohrSystem mit einzelnen kleinen Ansaugöffnun- gen, einem Ventilator, der über die Ansaugöffnungen des Ansaugrohrsystems eine Luftprobe aus dem Zielraum saugt, sowie einem Detektor, in dem anschließend Brandkenngrößen in der angesaug- ten Luftprobe bestimmt werden. Da eine aspirative BranderkennungsVor ichtung Luftproben aus dem Zielraum und damit eventuell vorhandene Brandkenngrößen aktiv ansaugt, reagieren derartige Vorrichtungen auf entstehende Brände viel schneller und sensibler als herkömmliche Lösungen. Damit ist eine bestmög- lichste Interventionsmöglichkeit gegeben.
Unter dem Begriff Brandkenngrδße werden physikalische Größen verstanden, die in der Umgebung eines Entstehungsbrandes mess- baren Veränderungen unterliegen, . z .B. die Umgebungstemperatur, der Feststoff- oder Flüssigkeits- oder Gasanteil in der Umge- bungsluft (Bildung von Rauch in Form von Partikeln oder Eros-,- ölen oder Dampf) oder die UmgebungsStrahlung- Eine aspirative des Einflusses der Luftdichte bzw. des Luftdruckes bei der zur Volumenstromüberwachung eingesetzten Messtechnik ein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die. Problemstellung zugrunde, dass zur Überwachung des Volumenstromes in Ansaugrohrsystemen von aspirativen Branderkennungsvorrichtungen die bisher eingesetzten Messtechniken mit zu großen Unsicherheiten behaftet sind bzw. nur den Volumenstrom und nicht den Strömungswiderstand betrachten, um zuverlässige Aussagen über den Zustand des Ansaugrohrsystems treffen zu können. Die Unsicherheiten sind unter anderem damit begründet, dass die eingesetzten Sensoren abhängig von der Temperatur des Fluidstromes und von dem Luftdruck bzw. der Dichte des Fluides sind und von daher für einen kontinuierlichen und abgleichfreien Einsatz ungeeignet sind. Die zuverlässige Überwachung des Volumenstromes in Ansaugrohrsystemen erfordert zusätzlich eine möglichst genaue Auswertung der Messdaten.
Ferner ist es bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lö- sung problematisch, dass nur langanhaltende Volumenstromänderungen in Ansaugrohrsystemen zu bewerten sind. Dabei ist es üblich, diese Änderungen mit Schwellenwerten zu vergleichen, wobei bei einem Überschreiten des Schwellenwertes eine Luftstromstörung gemeldet wird. Um Störungsmeldungen durch Umweltein- fluss (Luftdruck, Temperatur) zu vermeiden, werden jedoch- relativ große Schwellenwerte gewählt. Lange Rohre haben aber einen hohen Strömungswiderstand, so dass ein Rohrbruch gegen Ende des Rohres nur eine kleine Luftstromänderung zur Folge hat. Diese relativ geringe Luftstromänderung ist in der Regel mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren nicht erfassbar.
Aufgrund der geschilderten Problemstellung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine der eingangs genannten? Art, insbesondere in Rauch- und Gasansaugmeldern, zur Anwendung kommende Vorrichtung zur Luftstromüberwachung derart weiterzu- bilden, dass eine kontinuierliche und wartungsfreie Erfassung von Strömungsparametern möglich ist, die hinreichend genau sind, um zuverlässig Aussagen über den Zustand des Ansaugrohrsystems treffen zu können, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung und ein entsprechendes Arbeitsverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine in einem Mikroprozessor imple- mentierten Regelalgorithmus gelöst, der in dem Regelkreis der
Vorrichtung enthalten ist, und über den die Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor konstant gehalten wird.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass der Regelkreis einen in einem Mikroprozessor implementierten Regelalgorithmus enthält, über den die Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor konstant gehalten wird. Dadurch wird der Luftstromsensor exakt in seinem Arbeitspunkt bzw. Arbeitstemperatur eingestellt, die unabhängig von Schwankungen bzw. Änderungen der Fluidtemperatur ist. Dadurch entspricht die dem thermoelektrischen Luftstromsensor abgeführte Wärmemenge tatsächlich nur der vom Fluid abgeführten Wärmemenge. Der durch den Luftstromsensor fließende elektrische Strom bzw. die vom Luftstromsensor abgeführte elektrische Leistung stellt in dieser Ausfüh- rungsform in vorteilhafterweise tatsächlich das nur das
Maß für die zu messende Strömungsgröße (Geschwindigkeit, Massenfluss, etc.) dar und unterliegt nicht den aufgrund von Schwankungen der Fluidtemperatur aufgeprägten Unsicherheiten.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des weiteren durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung gelöst, bei dem der Luftstromsensor kurzzeitig auf einen Temperaturspitzenwert erhöht wird.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem wird ferner durch ein Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgrößen, insbesondere der Temperatur T, der Strömungsgeschwindigkeit w und deren Änderung Δw, in einem zu überwachenden Fluidstrom, insbesondere in Rauch- und Gasansaugmeldern erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst: Die Fluidtemperatur T wird mittels eines thermoelektrischen Temperatursensors bestimmt; die an einem thermoelektrischen und im Konstant-Temperatur-Modus betriebenen Luftstromsensor eingestellte Übertemperatur ΔT wird in Abhängigkeit der Fluidtemperatur T auf einen konstanten Wert geregelt; die von dem ther o- elektrischen Luftstromsensor abgeführte Wärmemenge wird bestimmt; und anhand der abgeführten Wärmemenge wird mittels eines in einem Mikroprozessor implementierten Auswertealgorithmus Strömungsgrößen berechnet, insbesondere die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit, den Strömungswiderstand und dessen Änderung.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass ein sehr effektives Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgrößen, insbesondere in Rauch- und Gasansaugmeldern, zur Optimierung der LuftStromüberwachung in dem Rohrleitungssystem erzielbar ist. Insbesondere dadurch, dass die Übertemperatur ΔT am thermoelektrischen Luftstromsensor unabhängig von der Fluidtemperatur T einen konstanten Wert annimmt, kann erreicht werden, dass der thermoelektrische Luftstromsensor exakt in seinem zuvor be- stimmten Arbeitspunkt bzw. Arbeitstemperatur eingesetzt wird und somit die abgeführte elektrische Leistung tatsächlich nur von dem Fluidstrom abhängt. Der Messfehler ist aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich reduziert. Bei dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Luftstromsensor ist die von dem erhitzten Sensor durch den Fluidstrom abgeführte Wärmemenge Q das Maß für die zu bestimmenden Strömungsgrößen. Da hier die Übertemperatur ΔT des Sensors einen konstanten Wert annimmt, ist die abgeführte Wärmemenge Q identisch der dem Sensor zugeführten Heizleistung P. Die Heizleistung P ist von dem Heiz- ström I gemäß der folgenden Gleichung ' (1) abhängig: p = r R (1)
Hierbei bezeichnet R den Innenwiderstand des Sensors. Die von dem Sensor abgeführte Wärmemenge Q kann dann durch Gleichung (2) wie folgt beschrieben werden:
Q = [A + B • (p • V)1/n ] • (ΔT - T) (2)
Hierbei sind A, B und n sensorspezifische Konstanten, die vor Inbetriebnahme des Sensors experimentell, d.h. mittels einer Eichung, bestimmt werden, und p repräsentiert die Fluiddichte. Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt, dass über die Heizleistung P und die Temperatur T der Volumenstrom V und der Massen- ström (p • V) der Fluidströmung ermittelt werden können.
Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt, dass über die Heizleistung P und die Temperatur T der Volumenstrom V und der Massenstrom N = p • V der Fluidströmung ermittelt werden können. Der Strömungswiderstand Fw im Rohr ist von der Strömungsgeschwindigkeit w wie folgt abhängig:
Fw = 0,5 • c-A-p-w2 (3)
Da der Volumenstrom V von der Strömungsgeschwindigkeit w und dem Querschnitt A des Rohres gemäß
V = A-w (4)
abhängt, folgt für den Strömungswiderstand Fw im Rohr:
Fw = 0,5 • c-p-A^-V2 (5) Aus der Gleichung (5) folgt, dass über den Volumenstrom V der Strömungswiderstand Fw in dem Rohrleitungssystem und seinen Änderungen ermittelt werden können.
Ferner ist denkbar, basierend auf diesen Messwerten, die Änderung des Strömungswiderstandes in dem Rohrleitungssystems zu erfassen. Hierzu wäre es erforderlich, die aktuellen Messwerte mit Anfangsmesswerten, die beispielsweise bei Inbetriebnahme des Systems aufgenommen und gespeichert wurden, zu vergleichen. Ferner eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von Änderungen des Strömungswiderstandes in dem Ansaugrohrsystem. Dafür wird neben einer genauen Volumenstrommessung auch eine Kompensation des Einflusses der Luft- bzw. Fluiddichte p, um zuverlässig den Strömungswiderstand beurteilen zu können. Anhand von gespeicherten Anfangswerten der Luftstrom- und Temperatursensoren sowie der aktuellen Temperatur und gegebenen- " falls des aktuellen absoluten Luftdruckes wird ein Korrekturfaktor aus einer hierfür angelegten Tabelle ermittelt. Diese Tabelle ist erforderlich, weil verschiedene Ansaugrohrsysteme und verschiedene Ansaugleistungen des Lüfters unterschiedliche Korrekturfaktoren erfordern. Denkbar wäre, den aktuellen absoluten Luftdruck beispielsweise über einen separat ausgeführten Sensor zur Luftdruckmessung aufzunehmen. Selbstverständlich sind hier aber auch andere Ausführungsformen denkbar.
Schließlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch durch eine aspirative Branderkennungsvorrichtung gelöst, die einem zu überwachenden Raum oder Gerät ständig Raum- oder Gerätekühlluftproben entnimmt und über ein Rohrleitungssystem einem Detektor zum Erkennen einer Brandkenngröße zuführt, und die mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen ausgerüstet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Möglichkeit zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind bezüglich der Bestimmungsvorrichtung in den Unteransprüchen 2 bis 5, bezüglich des Betriebsverfahrens im Unteranspruch 7, bezüglich des Bestimmungsverfahrens in den Unteransprüchen 9 und 10, und bezüg- lieh der aspirativen Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung in den Unteransprüchen 12 und 13 angegeben.
So ist für die Vorrichtung vorgesehen, dass der Mikroprozessor ferner einen Auswertealgorithmus zum Berechnen von Strömungs- großen anhand der elektrischen Heizleistung P des Luftstromsensors umfasst, insbesondere zum Berechnen des Massenstromes N, der Strömungsgeschwindigkeit w und der Temperatur T des Flu- idstromes. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt darin, dass in dem im Mikroprozessor implementierten Re- gelalgorithmus der Sollwiderstand des thermoelektrischen Luftstromsensors nach exakter Sensorkennlinie berechnet und ein genauer Regelkreis (z.B. PI-Regler) gebildet werden kann. Die Spannung am thermoelektrischen Temperatursensor kann dabei beispielsweise mit einem AD-Wandler gemessen und anschließend ge- filtert werden, um Rauschen und andere Störungen zu eliminieren. Anhand der gemessenen Spannung wird die Temperatur des Fluidstromes To errechnet. Die gewünschte konstante Übertemperatur ΔT (beispielsweise 40 °C) wird zur Fluidtemperatur To addiert. Das Ergebnis ist die Solltemperatur Ts0n des thermo- elektrischen Luftstromsensors. Daraus wird im Auswertealgorithmus des Mikroprozessors nach der exakten Sensorkennlinie der Sollwiderstand des Luftstromsensors ermittelt. Der Regler regelt die Spannung am Hitzdraht des Luftstromsensors, um den Istwert des Widerstandes des Luftstromsensors auf den Sollwert einzustellen. Hierdurch wird erfindungsgemäß die Übertemperatur ΔT konstant gehalten. Die elektrische Spannung und der elektrische Strom am bzw. durch den thermoelektrischen Luftstromsensor werden mittels eines AD-Wandlers gemessen und anschließend gefiltert. Daraus wird die elektrische Leistung P errechnet, welche gleichzeitig ein Maß für den Luftstrom darstellt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Auswertealgorithmus das Erkennen von kleinen sprunghaften Strömungsänderungen, insbesondere Volumenstromänderungen, des Fluidstromes ein- schließt. Hierzu wird neben der genauen Volumenstrommessung auch eine Kompensation des Einflusses der Luftdichte durchgeführt, um derart den Strömungswiderstand beurteilen zu können. Anhand gespeicherter Anfangswerte der Luftstrom- und Temperatursensoren sowie der aktuellen Temperatur und gegebenenfalls des aktuellen Luftdrucks können somit auch kleine sprunghafte Änderungen der Luftströmung nachgewiesen werden. Grundgedanke hierbei ist, dass Änderungen aufgrund störender Umwelteinflüsse (Luftdruck, Temperatur) in der Regel langsamer ablaufen als ein Rohrbruch. Die Auswertung von kleinen sprunghaften Änderungen ermöglicht somit auch die Erkennung von plötzlichen Verstopfungen einer einzigen Ansaugöffnung, was beispielsweise bei Vanda- lismus auftritt oder wenn ein Karton in einem Hochregal vor einer Ansaugöffnung gestellt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Auswertealgorithmus die Kompensation einer te pe- ratur- und/oder druckabhängigen Dichteänderung des Fluidstromes einschließt. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt insbesondere darin, dass durch die Berücksichtigung der temperatur- bzw. druckabhängigen Dichteänderung des Fluidstromes die von dem Fluidstrom abgeführte elektrische Leistung unabhängig von Schwankungen der Dichteänderung des Fluidstromes ist. Dadurch wird die Genauigkeit der mittels der vorliegenden Erfindung bestimmten Strömungsgrößen, insbesondere der Strömungswiderstand, deutlich verbessert.
Eine mögliche Realisierung der erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung sieht vor, dass der Mikroprozessor einen Speicher zum Speichern von Anfangswerten der Strömungsgrößen enthält. _ Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass im Auswertealgorithmus nicht nur Strömungsgrößen mit einer hohen Genau- igkeit berechnet werden können, sondern auch längerfristige Zu- standsänderungen der Strömungsgrößen nachgewiesen werden können. Da die Berechnung des Gradienten der Strömungsgrößen auf den genauen Luftstromwerten basieren, ist in dieser Ausfüh- rungsform vorteilhafterweise die Messung der Veränderungen im Rohrsystem eines Rauch- und Gasansaugemelders beispielsweise möglich. Derartige Veränderungen können etwa durch langsame oder plötzliche Verstopfung, Risse oder Bruch auftreten. Da durch die Erfindung die Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor konstant gehalten wird, unterliegt dem Gradienten der Luftstromgrößen keine te peratur- oder andersartig bedingte Verschiebung. Ebenfalls entfällt vorteilhafterweise ein wiederholt durchzuführendes Abgleichen des Luftstromsensors.
In einer möglichen Realisierung ist der Luftstromsensor vorteilhafterweise so ausgelegt, dass dieser kurzzeitig auf einen Temperaturspitzenwert erhöht werden kann. Dieses hat insbesondere den Vorteil, dass der Luftstromsensor hierdurch durch seine besonders hohe Langlebigkeit ausgezeichnet ist.
Für den Betrieb einer solchen Bestimmungsvorrichtung ist der Luftstromsensor vorzugsweise so . ausgelegt, dass dieser kurzzeitig auf einen Temperaturspitzenwert von bis zu 500°C erhöht werden kann. Dadurch wird der LuftStromsensor durch den kurz- zeitigen Betrieb bei stark erhöhter Temperatur- on angelagerten Verunreinigungen besonders effektiv befreit. Die ganze Heizleistung wird dabei verwendet um die am Luftstromsensor haftenden Schmutzpartikel zu verbrennen bzw. zu lösen. Während dieser Zeit wird vorteilhafterweise der Lüfter der aspirativen Brand- erkennungsvorrichtung abgeschaltet, um jegliche Abkühlung am Luftstromsensor zu vermeiden. Mit dieser Reinigung wird dafür gesorgt, dass an dem Luftstromsensor auch im kontinuierlichem Einsatz sich keine Schmutzpartikel an- bzw. ablagern, so dass die Empfindlichkeit des Sensors stets unverändert ist. Eine mögliche Realisierung der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen in einer aspirativen Branderkennungs- und/oder Sauer- stoffmessvorrichtung, die einen zu überwachenden Raum oder Ge- rät ständig Raum- oder Gerätekühlluftproben entnimmt und über ein Rohrleitungssystem einem Detektor zum Erkennen einer Brandkenngröße zuführt, integriert ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt insbesondere darin, dass der Luftstrom in dem Rohrsystem genau überwacht werden kann und auch Veränderungen im Rohrsystem, die etwa durch langsame oder plötzliche Verstopfung, Risse oder Bruch auftreten mögen, zuverlässig nachgewiesen werden können. Hierdurch ist die aspirative Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung besonders zuverlässig und wartungsfrei einsetzbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Luftstromsensor bzw. der Temperatursensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere mittig im Lufteintrittskanal eines Detektors für ' Brandkenngrößen einer aspirativen Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung integriert ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass hierdurch sämtliche elektrischen Komponenten des aspirativen Branderkennungsvorrichtung in einer Einheit zusammengefasst sind. Dadurch ist der Aufbau einer derartigen Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung besonders -übersichtlich und einfach durchzuführen.
Schließlich ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Luftstromsensor an einer im Querschnitt verengten Position im Luftein- trittskanal des Detektors der erfindungsgemäßen aspirativen
Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung angeordnet ist. Durch diese Anordnung befindet sich der Luftstromsensor in einer Position, in der aufgrund der Querschnittsverengung die Strömungsgeschwindigkeit erhöht ist. Dadurch wird die Dynami . des Luftstromsensors ebenfalls erhöht. Damit können bereits -äußerst geringe Änderung der Strömungsparameter erfasst und aus- gewertet werden. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Sensibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen erhöht. Gleichzeitig kann eine Optimierung der Überwachung von aspirativen Branderkennungs- und/oder Sauer- stoffmessvorrichtungen erreicht werden. Selbstverständlich sind aber hier auch andere Ausführungsformen denkbar.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: ein Prinzipschaltbild eines Konstant-
Temperatur-Anemometers nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen gemäß eines bevorzugten Ausführungs- beispiels;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen aspirativen Branderkennungsvorrichtung;
Fig. 4a: einen Längsschnitt durch einen Detektor für Brandkenngrößen aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3; und
Fig. 4b: einen Querschnitt durch den Detektor für
Brandkenngrößen aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Konstant-Temperatur- __ Anemometers nach dem Stand der Technik. Die grundliegende Idee " der Konstant-Temperatur-Betriebsweise besteht darin, den Ein- fluss der thermischen Trägheit einer Hitzdrahtsonde 18 dadurch zu verringern, dass man das fühlende Element 18 auf stets konstanter Temperatur (Widerstand) hält, und den hierzu benötigten Heizstrom als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit benutzt. Hierzu bedient man sich einer Wheatstoneschen-Brückenschaltung, wobei der Widerstand und damit die Temperatur des Hitzdrahtes 18 durch Rückkopplung konstant gehalten wird. Im Gleichgewichtszustand liegt an der senkrechten Diagonalen der Brücke C-D eine bestimmte Spannung, die vom Servo-Verstärker 15 gelie- fert wird. Verändert sich die konvektive Kühlung an der Sonde 18, so wird an der waagerechten Diagonalen A-B eine kleine Spannung entstehen, welche - vielfach verstärkt - auf die senkrechte Diagonale C-D der Brücke zurückgekoppelt wird. Dabei ist die Polarität dieser zurückgekoppelten Spannung so gewählt, dass sich die Brücke selbständig abgleicht. Dabei ist der Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides - und der Anemometerspannung nicht linear, so dass zur weiteren Auswertung der Einsatz eines Linearesators notwendig ist. Üblicherweise wird nach der Linearisierung eine direkte Eichkurve verwendet, um aus der Anemometerspannung die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Im allgemeinen spricht die Sonde 18 in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung auf jegliche Änderung der Wärmeabfuhr an. Dies kann beispielsweise auch durch Änderung der Temperatur oder des Druckes des Fluides verursacht sein. Zur Durchführung einer hoch präzisen Messung von._Strömungspara- meter müssen jedoch auch diese Größen berücksichtigt werden. Mit dem in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild des Konstant- Temperatur-Anemometers nach dem Stand der Technik wird ferner nicht die Schwankung der Fluidtemperatur im Bezug auf der ein- gestellten Übertemperatur an der Sonde 18 berücksichtigt. Zur Durchführung einer möglichst genauen Messung ist es sinnvoll, eine konstante Temperaturdifferenz bzw. Übertemperatur in der Sonde 18 einzustellen.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen thermoelektrischen und im Konstant-Temperatur-Modus betriebenen Luftstromsensor 1 sowie einen Temperatursensor 2. Beide Sensoren sind in der zu vermessenden Strömung eingelas- sen. Die Ansteuerung bzw. das Auslesen der Sensoren 1,2 erfolgt über einen Regelkreis 3. Dieser enthält einen in einem Mikroprozessor 4 implementierten Regelalgorithmus, über den die Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor 1 konstant gehalten wird. Somit ist es möglich, den Sollwiderstand des thermoelektrischen Luftstromsensors 1 nach exakter Sensorkennlinie zu berechnen und einen genauen Regelkreis zu bilden. Hierzu wird zunächst die Spannung Uo am Temperatursensor 2 mit einem AD-Wandler 5 gemessen. Anschließend wird ein Filter 6 angewandt, um Rauschen und andere Störungen zu eliminieren. In einer Auswerteeinheit 7 wird daraus die Lufttemperatur To errechnet. Die zuvor festgelegte konstante Übertemperatur ΔT wird im weiteren Schritt zur Lufttemperatur o addiert.. Das Ergebnis ist die Solltemperatur TSoiι des thermoelektrischen Luftstromsensors 1. Nach der exakten Sensorkennlinie wird daraus im Mikroprozessor 4 der Sollwi- derstand des Sensors 1 berechnet. Anschließend regelt der Regler 3 die Spannung am Luftstromsensor 1, um den Istwert des Widerstandes auf den zuvor berechneten Sollwert einzustellen. Dadurch wird die Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor 1 konstant gehalten.
Bei der Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit wird die Spannung Ui und der Strom Ii am thermoelektrischen Luftstromsensor 1 mittels eines AD-Wandlers 5 gemessen und anschließend mit einem Filter 6 gefiltert. In einer weiteren Auswerteeinheit 7 wird daraus die elektrische Leistung P und der Istwert des Widerstandes des Luftstromsensors 1 errechnet. Die elektrische Leistung P, die benötigt wird, um die Übertemperatur ΔT konstant zu halten, ist ein Maß für den Luftstrom. Durch das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen ist es möglich, den Strömungsparameter nahezu fehlerfrei zu messen, so dass auch Zustandsänderungen der Strömungsgrößen, insbeson- dere des Strömungswiderstandes, berechnet werden können. Hierzu werden Anfangswerte der Strömungsgrößen in einem im Mikroprozessor 4 integrierten Speicher (nicht explizit dargestellt) abgelegt. Die kontinuierliche Berechnung des Gradientens der Strömungsgrößen erfolgt dann mit dem Auswertealgorithmus. Mit- tels dieser Ausführung ist es somit möglich Veränderungen im Fluidstrom, die beispielsweise durch langsame oder plötzliche Verstopfung, Risse oder Bruch des Strömungskanals auftreten, zu detektieren.
Bei einer Änderung der Dichte der Luft durch Temperatur- und/oder Luftdruckänderung ändert sich der erfasste Volumen- - ström des Fluides ebenso, obwohl das Rohrsystem unverändert ist. Eine von daher notwendige Kompensation der Luftdichteänderung wird im Mikroprozessor 4 durchgeführt. Der Kompensations- faktor wird anhand der Anfangswerte (Temperatur, Luftstrom) und der aktuellen Temperatur ermittelt. Optional wird ein absoluter Luftdrucksensor zur Messung des Luftdruckes (nicht explizit dargestellt) eingesetzt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzμgten Ausführungsform der erfindungsgemäßen aspirativen Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung. In einem Zielraum 12 ist ein Ansaugrohrsystem 13 zum Ansaugen von Luftproben über verschiedene Ansaugöffnungen angeordnet ._ Das Ansaugrohrsystem 13 ist mit einem Ansaugmelder ausgestattet, in dem die Luftproben aus dem Zielraum 12 einem Detektor 8 zur Erkennung von Brandkenngrößen bzw. zum Messen von Sauerstoff und anderen Gasen zugeführt werden. Ferner ist ein Lüfter 14 vorgesehen, welcher dazu dient, die Luftprobe aus dem Zielraum über das Rohrlei- tungssystem anzusaugen. Die Saugleistung des Lüfters 14 ist -dabei an das zugehörige Ansaugrohrsystem angepasst. Um eine ein- wandfreie Funktionsweise der dargestellten aspirativen Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung gewährleisten zu können, ist es notwendig, den über das Ansaugrohrsystem 13 dem Detektor 8 zugeführten Luftstrom kontinuierlich zu überwachen und eine Störung beim Ansaugen rechtzeitig zu erkennen. Hierzu befindet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen im Ansaugmelder der aspirativen Branderkennungs- oder Sauerstoffmessvorrichtung.
Fig. 4a und Fig. 4b stellen einen Längsschnitt bzw. Querschnitt durch den Detektor 8 für Brandkenngrößen bzw. für Gase aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dar. Die Schnittlinie ist als gestrichelte Linie in Fig. 4a angedeutet. Bei dem dargestellten Detektor sind der thermoelektrische Luftstrom- bzw. Temperatur- sensor 1,2 in der Rauch- und/oder Gasmesszelle des Ansaugmelders integriert. Beide Sensoren 1,2 sind mittig im Lufteintrittskanal 9 positioniert. Auf der Höhe des Luftstromsensors 1 ist der Querschnitt verengt, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Dadurch wird die Dynamik des Luftstromsensors 1 er- höht .
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Luftstromsensor 1 durch kurzzeitigen Betrieb bei stark erhöhter Temperatur von Verunreinigungen befreit. Während dieser Zeit wird der Lüfter 14 abgeschaltet, um jegliche Abkühlung zu vermeiden. Die ganze Heizleistung wird verwendet um die am Luftstromsensor 1 haftenden Schmutzpartikel zu verbrennen bzw. zu lösen. Es findet in dieser Zeit keine Luftstromauswertung statt. Die Reinigung erfolgt entweder automatisch in regelmäßigen Abständen oder manu- eil gesteuert. Durch diese Reinigung wird erreicht, dass die Sensibilität des Luftstromsensors 1 auch bei längerem Betrieb nicht durch Anlagerung von Schmutzpartikeln reduziert wird. Bezugs zeichen der Komponen'ten
1 Luftstromsensor
2 Temperatursensor
3 Regelkreis
4 Mikroprozessor
5 AD-Wandler 6 Filter
7 Auswerteeinheit
8 Detektor
9 Lufteintrittskanal
10 Gassensor bzw. Rauchsensor 11 Gassensor bzw. Rauchsensor
12 Zielraum
13 Ansaugrohrsystem
14 Lüfter
15 Servoverstärker 16 Widerstand
17 Potentiometer
18 Hitzdrahtsonde
19 Spannungsguelle
Bezeichnung der physikalischen Größen
P elektrische Leistung
I Sensorheizstrom u SensorSpannung
R Sensorwiderstand
V Volumenstrom
W Strömungsgeschwindigkeit
Fw Strömungswiderstand c Widerstandsbeiwert
P Fluiddichte
N Massenstrom
T Fluidtemperatur
Q abgeführte Wärmemenge
A Querschnitt des Rohres

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen, insbeson- 5 dere der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit, des
Strömungswiderstandes und dessen Änderung, in einem zu überwachenden Fluidstrom, insbesondere in Rauch- und Gasansaugmeldern, mit einem thermoelektrischen und im Kon- stant-Temperatur-Modus betriebenen Luftstromsensor (1), 10 einem thermoelektrischen Temperatursensor (2) und einem
Regelkreis (3) zum Einstellen einer Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor (1) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Regelkreis (3) einen in einem Mikroprozessor (4) imp- 15 lementierten Regelalgorithmus enthält, über den die
Übertemperatur ΔT am Luftstromsensor (1) konstant gehalten wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, äθ d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Mikroprozessor (4) ferner einen Auswertealgorithmus zum Berechnen von Strömungsgrößen anhand der elektrischen Heizleistung P des Luftstromsensors (1) umfasst, insbesondere zum Berechnen des Massenstromes N, der Strömungsge-
25 schwindigkeit w, des Volumenstromes V, des Strömungswider- standes Fw eines Ansaugrohrsystems (13) und der Temperatur T des Fluidstromes .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
30 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auswertealgorithmus die Kompensation einer Temperatur- und/oder druckabhängigen Dichteänderung des Fluidstromes einschließt.
35
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Mikroprozessor (4) einen Speicher zum Speichern von Anfangswerten der Strömungsgrößen zum Berechnen von Zu- Standsänderungen der Strömungsgrößen im Auswertealgorithmus enthält.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Auswertealgorithmus das Erkennen von kleinen sprunghaften Strömungsänderungen, insbesondere Volumenstromänderungen, des Fluidstromes einschließt.
6. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Luftstromsensor (1) kurzzeitig auf einen Temperaturspitzenwert erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Temperatur 500 °C beträgt.
8.- Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgrößen, insbesondere der Temperatur T, der Strömungsgeschwindigkeit w und- deren Änderung Δw, in einem zu überwachenden Fluidstrom, insbe¬ sondere in Rauch- und Gasansaugmeldern, mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Bestimmen der Fluidtemperatur T mittels eines thermoelektrischen Temperatursensors (2) ;
b) Regelung der an einem thermoelektrischen und im Konstant-Te peratur-Modus betriebenen Luftstrom- sensor (1) eingestellten konstanten Übertemperatur ΔT in Abhängigkeit der Fluidtemperatur T; c) Bestimmen der von dem thermoelektrischen Luftstromsensor (1) abgeführten Wärmemenge Q; und
d) Berechnen von Strömungsgrößen, insbesondere der
Temperatur T, der Strömungsgeschwindigkeit w, des Strömungswiderstandes F„ und dessen Änderung ΔFW, anhand der abgeführten Wärmemenge Q mittels eines in einem Mikroprozessor (4) implementierten Aus- wertealgorithmus.
9. Verfahren nach Anspruch 8 mit folgenden weiteren Verfahrensschritten nach Verfahrensschritt d) :
e) Kompensation der Temperatur- und/oder druckabhängigen Fluiddichteänderung bei den unter Verfahrensschritt d) bestimmten Strömungsgrößen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt nach Schritt e) :
f) Bestimmung von zeitlichen Änderungen, insbesondere von kleinen sprunghaften Volumenstromänderungen, der unter Punkt d) bestimmten Strömungsgrößen.
11. Aspirative Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung, die einem zu überwachenden Raum oder Gerät (12) ständig Raum- oder Gerätekühlluftproben entnimmt und über ein Rohrleitungssystem (13) einem Detektor (8) zum Erkennen einer Brandkenngröße und/oder anderen Gasen, insbesondere Sauerstoff, zuführt, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsgrößen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
12. Aspirative Branderkennungs- und/oder Sauerstoffmessvorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Luftstromsensor (1) und/oder der Temperatursensor (2) in dem Detektor (8) , insbesondere mittig im Lufteintrittskanal (9) des Detektors (8), integriert sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Luftstromsensor (1) an einer im Querschnitt verengten Position im Lufteintrittskanal (9) des Detektors (8) angeordnet ist.
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