WO2010043272A1 - Multifunktionsmelder - Google Patents

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WO2010043272A1
WO2010043272A1 PCT/EP2008/064070 EP2008064070W WO2010043272A1 WO 2010043272 A1 WO2010043272 A1 WO 2010043272A1 EP 2008064070 W EP2008064070 W EP 2008064070W WO 2010043272 A1 WO2010043272 A1 WO 2010043272A1
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WO
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gas
sensitive
output signal
sensor
sensor device
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/064070
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hoefer
Philip KRÄUCHI
Brigitt Schmid
Georges A. Tenchio
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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Publication of WO2010043272A1 publication Critical patent/WO2010043272A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means

Definitions

  • the invention relates to the technical field of building automation, in particular the invention relates to the technical field of Luftguteress and fire detection with detection of particulate matter. Furthermore, the invention particularly relates to a multi-function detector having an optical smoke detector. The invention further relates to a method for detecting a dangerous situation using such a multi-function detector.
  • the term building automation or building automation is understood as the entirety of monitoring, control, regulation and optimization facilities in buildings.
  • the aim of the building automation is to perform functional processes in a building or a building complex automatically according to preset settings or parameters and to simplify the operation or monitoring of the corresponding technical units. All sensors, actuators, controls, consumers and / or other technical units in the building are networked together.
  • Characteristic feature of the building automation is a decentralized arrangement of the monitoring, control, regulation and / or optimization units and the continuous networking of the corresponding technical units by means of a bus system.
  • Intelligent control allows building automation to reduce energy consumption. By an intelligent control a comfort gain can be made possible. For example, at the press of a button, a predefined lighting setting or climate setting can be made, 20081834 0
  • a building automation e.g. by a presence simulation, also allow increased protection against burglary. Increased protection against burglary can also be contributed by the motion detectors used in the building. Another advantage of the building automation is that it allows automatic alarm forwarding. This allows the monitoring of the building to be carried out by an external security service.
  • Intelligent regulation and control of hazard detectors provide increased safety for residents when critical situations occur, such as fires.
  • firefighting measures can be initialized and alerts issued to people inside a building.
  • alerting competent security personnel and / or the fire brigade measures can be taken to protect property and personal safety.
  • fire detection is an important feature of any building automation system.
  • Optimal climatic conditions can be of great importance to the health of the people inside the building or the building complex. Furthermore, the optimal climatic conditions contribute to the protection of sensitive objects such as furniture, pictures, documents, plants, etc. in the building or the building complex. To create the optimal climatic conditions, can with the 20081834 0
  • the invention is based on the object, a
  • independent claim 1 is a multi-function detector with a gas-sensitive sensor device, a climate-sensitive sensor device, an optical sensor
  • the evaluation unit is used to evaluate a first output signal, which can be output by the gas-sensitive sensor device, of a second output signal, which is output from the
  • the mentioned multifunction detector is based on the knowledge
  • any situation can be described in which, for example, the safety and / or health of people are at risk or mate ⁇ ale damage may arise.
  • a fire an exit
  • a recognition system of an optical smoke detector is advantageously combined with a recognition system of a gas sensor (gas-sensitive sensor device) and a climate sensor (climate-sensitive sensor device).
  • a gas sensor gas-sensitive sensor device
  • climate sensor climate-sensitive sensor device
  • optical smoke detector flattening detection of particulate matter can be made possible.
  • This functionality of the optical smoke detector is particularly advantageous in terms of the harmful aspects of particulate matter.
  • the optical smoke detector is particularly advantageous in terms of the harmful aspects of particulate matter.
  • optical smoke detector it is possible, for example, to monitor whether the particulate matter limit values defined in the National Air Quality Standard for Particulate Matter (PM standard) or in the EU Directive 1999/30 / EC have not been exceeded.
  • PM standard National Air Quality Standard for Particulate Matter
  • EU Directive 1999/30 / EC 1999/30 / EC
  • the evaluation unit can evaluate both an output signal of the optical smoke detector, the climate sensor and an output signal of the gas sensor. However, the evaluation unit will preferably carry out an evaluation on all three output signals
  • the evaluation unit may for example comprise an analog-to-digital converter for converting and a multiplexer for combining the three output signals. Furthermore, the evaluation unit
  • the evaluation unit can either be used together with the gas-sensitive sensor device, the optical smoke detector and the climate-sensitive sensor device
  • hazardous substances are dangerous gases and / or liquids, in particular fire-hazardous, fire-fighting substances, accelerating substances, explosive gas mixtures and / or explosive dust.
  • Other dangerous substances 5 may be, for example, hazardous substances.
  • Fire-hazardous substances can be substances that are particularly suitable for causing a fire hazard. It can, for example, easily flammable, easily flammable, light
  • Fire-accelerating substances can be understood to mean flammable chemical substances used to increase the rate of fire propagation.
  • Examples of accelerating substances are liquids such as ethanol
  • fire-fighting substances are oxygen, oxygen-rich salts such as potassium chlorate, peroxides and fluorine.
  • hazardous substances are, for example, car exhaust fumes, asbestos, mites, pollen, mold, carbon oxides, volatile organic compounds, ozone and nitrogen oxides.
  • the presence of hazardous substances in a room becomes early by means of the multifunction detector
  • Smoke detector and / or the climate sensor are detected. Over a
  • the evaluation unit can compare and / or compare the output signals of the gas sensor, the optical smoke detector and the climate sensor
  • the multi-function detector it is possible to realize a comprehensive extension of the safety concept in living rooms, public buildings, transport or industrial facilities.
  • natural gas which can form an explosive gas mixture with the air and thus is a fire-demanding substance.
  • other hazardous gases such as carbon monoxide, possibly released by faulty incinerators, as well as carbon dioxide, volatile organic compounds, ozone and nitrogen oxides.
  • pollen, asbestos, mites, mold spores and / or diesel exhaust gases generated in the building At the same time it is possible to measure the climatic variables such as temperature, humidity and / or air pressure.
  • the detected output signals of the gas sensor, the optical smoke detector and the climate sensor can then be used both to control the climate and to detect hazards, e.g. Fire detection, to be used.
  • a single device - the multifunction detector - can have various types of alarms, such as a "fire” alarm, a “fire-demanding” alarm, a “CO” alarm, a “dust” alarm, a “particulate matter” alarm, an alarm Triggers "hazardous substance”. Furthermore, relevant information regarding a determination of the cause of the hazard and corresponding measures can be determined. Also, control and control mechanisms of, for example, surveillance cameras 20081834 0
  • the gas-sensitive sensor device has a gas-sensitive
  • GasFET field effect transistor
  • GasCMUT gas-sensitive capacitive micromachined ultrasonic transducer
  • optical infrared gas sensor and / or an optoelectronic gas sensor.
  • gas-sensitive field-effect transistors may be advantageous because they may be (a) very small in size (for example, about 2 mm 2 ), (b) both heated and room temperature measurements; (c) a
  • the gas-sensitive field-effect transistors can be used particularly advantageously for measuring leaks and for an explosion warning. Furthermore, the gas-sensitive
  • the gas sensitive field effect transistors are also inexpensive and can be used in high numbers for production of gas sensors of various types.
  • a gas sensitive field effect transistor can be constructed as a modified CMOS FET. Gas detection may be based on a change in workfunction at a gate. Between the gate and a transistor channel, a small air gap is established, which is open to a gas space. Thus, a
  • Gas can be detected by changing the work function on the gate, which is equipped with a gas-sensitive gate layer.
  • the gate provided with gas-sensitive layers can be built up in a wafer in a> 5 micromechanical manner.
  • the measurement range may begin at approximately 100 ppm.
  • the low electrical power consumption also makes it possible to combine the gas-sensitive field effect transistors with metal oxide semiconductor gas sensors. 5
  • a metal oxide semiconductor gas sensor changes its electrical conductivity or resistance as soon as certain gases act on it. Typical gases, which with
  • metal oxide semiconductor gas sensors can be detected, for example, propane, butane, methane, natural gas, carbon monoxide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide and / or nitrogen dioxide.
  • Metal oxide semiconductor gas sensors can also be used to detect ammonia, alcohol, etc.
  • metal oxide semiconductor gas sensor may be a gas-sensitive metal oxide
  • ZnO zinc oxide
  • TiO 2 titanium dioxide
  • WO 3 tungsten oxide
  • Vanadium pentoxide V 2 Os
  • gallium oxide Ga 2 O 3
  • Methane could be at about 200 ppm and ammonia at about 5 ppm.
  • the acceptor density at the surface of the metal oxide which determines the electrical conductivity is influenced by a gas reaction with the gas to be detected.
  • the conductivity of the metal oxide semiconductor gas sensor can be changed.
  • a sequence of this gas reaction could be triggered and / or accelerated by heating the metal-oxide-semiconductor gas sensor and the selectivity required.
  • temperatures between 150 ° C and 900 ° C for example 150 ° C, 300 0 C, 500 0 C, 700 ° C or even 900 0 C, can be used.
  • the intensity of the interaction is also dependent on the chosen temperature of the metal oxide.
  • the sensitivity of a Ga2C> 3 metal oxide sensor to carbon monoxide (CO) decreases to higher operating temperatures hm. That is, the relative conductivity change decreases with increasing temperature.
  • methane (CH 4 ) z For example, the sensitivity of the Ga 2 O 3 metal oxide sensor is maintained substantially as the temperature increases.
  • gases can be distinguished from one another using suitable evaluation methods in this way.
  • metal oxide semiconductor gas sensors which can be heated and cooled down again correspondingly, since they have a low thermal mass, temporal aspects of the gas reaction can be included in the evaluation 20081834 0
  • the property of the gases is based on being able to have different adsorption and desorption times. This may mean that the residence time of the gases on the semiconductor surface may depend on the type of gas.
  • the above-mentioned gas reaction is completely reversible and, in combination with a thermal cycling process, enables detection and discrimination of a variety of gases.
  • 0 and evaluation methods can e.g. Fire types and relevant gases differ from each other and different dangerous situations are detected.
  • Multifunktionsmelder can be advantageous, since these high
  • a capacitive micromachined ultrasonic transducer usually has a plurality of capacitor cells in parallel
  • Single cell has a capacitor which has a membrane and thus represents a capacitive transducer.
  • a DC voltage is applied to electrodes of the capacitor to form an electric field in a vacuum gap of the
  • the electric field provides electromechanical coupling of the capacitive transducer, the field strength being directly proportional to the strength of the electromechanical coupling.
  • the membrane acts as a resonating element, wherein the resonant frequency of the membrane of the thickness
  • a capacitive micromachined ultrasonic transducer can be used as a chemical and / or a biological sensor in which the membrane is filled with one or more polymers
  • the polymers can be selected to absorb certain hazardous substances, for example, flammable and / or hazardous gases.
  • the mass of the membrane can be changed. As the mass of the membrane changes, a change in resonant frequency will occur.
  • CMUT based chemical and / or biological sensor is described, for example, in:
  • CMUT Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer
  • PAAM polyaromatic alkyl methacrylate
  • PEG polysodium 4-styrenesolfonate
  • PSS polyvinyl alcohol
  • the infrared optical gas sensor is responsive to depletion of a broadband infrared light beam radiated from an infrared source and received by a detector by one or more gases.
  • An infrared optical gas sensor further has an analysis chamber in which the characteristic absorption by the gas to be detected or by the gases to be detected takes place.
  • the jet path can be increased by the analysis chamber. This can also be achieved without enlarging the analysis chamber by constructing some boundary surfaces of the chamber in a reflective and / or focusing manner.
  • the detector can be preceded by an optical filter, the appropriate Absorptionslmien the detected gases is tuned.
  • An optoelectronic gas sensor may, for example, be an optoelectronic gas sensor based on optodes.
  • Optodes are so-called color change sensors. When these materials come into contact with the gas to be detected, they change their color. In a simple structure, light can be passed through the detection medium, which is detected at the end with a photodiode. If a color change takes place, this causes a change in the measured amount of light. This can also only affect individual wavelength ranges.
  • An example of an optoelectronic gas sensor based on optodes is described, for example, in the patent EP 1 004 4363 B1.
  • the gas-sensitive sensor device has an arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors, an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors, an arrangement of a plurality of gas-sensitive capacitive micromachined ones 20081834 0
  • Ultrasonic transducers an array of multiple optical infrared gas sensors and / or an arrangement of a plurality of optoelectronic gas sensors.
  • gas-sensitive field-effect transistors can be constructed by means of a hybrid construction, wherein a common base unit is applicable by different gate coatings for different gases.
  • entire arrangements of gas-sensitive field-effect transistors can be realized inexpensively and in the smallest space and thus form a plurality of different gas sensors.
  • Each individual gas sensor of the arrangement of gas-sensitive field-effect transistors reacts differently to a specific event. This results at any time in a signal pattern, which is composed of the individual output signals.
  • signal patterns and / or corresponding signatures can subsequently be compared and assigned to a stored event library. Each additional individual sensor increases the detection reliability of an event.
  • the individual gas sensitive field effect transistors have a low electric power consumption, the overall power consumption of the device can be kept low. Similar to the metal oxide semiconductor gas sensors, the field effect transistors and arrangements of 20081834 0
  • Field-effect transistors are particularly well suited to use intelligent control and evaluation, to safely detect dangerous situations, to distinguish fire types and relevant gases from each other and to recognize 5 different hazardous situations.
  • a hazardous situation e.g. Fire, a fire hazard, a leakage of fire-fighting and / or
  • Each individual metal oxide semiconductor gas sensor of the arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors may differ
  • Each additional Emzel metal oxide semiconductor gas sensor increases the detection reliability of an event.
  • the multiplicity of information derived from an array of metal oxide semiconductor gas sensors provides complete selectivity of the individual sensors to individual gases
  • an array of multiple metal oxide semiconductor gas sensors it may be constructed on a single support element.
  • different gas-sensitive metal oxides 5 and / or a differently treated metal oxide can be used, wherein the treatment of the metal oxide z. B. may have a doping or addition of a catalyst.
  • the number of gases to be detected can be significantly increased.
  • a hazardous situation e.g. Fire, a fire hazard, leakage of fire-fighting and / or hazardous substances, plant defects, and / or bad climate, are detected earlier. Also can thus a
  • Emzel GasCMUT optical infrared gas sensor or optoelectronic gas sensor increases the detection reliability of an event.
  • Gas sensors can be built in a single housing. For example, different filters can be used.
  • the multifunction detector can be used for e.g. Battery-buffered for 72 hours.
  • the gas-sensitive sensor device is set up for the detection of a hazardous substance.
  • the detection of hazardous substances can be very important with regard to
  • the dangerous substance can be eliminated. Also can be explosive in time before an occurrence
  • the optical smoke detector is set up to detect different particle classes of fine dust particles.
  • a recognition of different particle classes of dust dust particles can be made possible by the fact that for example a suitable scattered light sensor is used for the detection of fine dust.
  • a suitable scattered light sensor is used for the detection of fine dust.
  • a scattered light detector a plurality of infrared LEDs, the Pruf light beams of
  • the scattered light sensor can enable detection of different particle classes. For example, a
  • the climate-sensitive sensor device has a temperature sensor and / or a pressure gauge.
  • a building automation system can monitor the sensed temperature and / or air pressure.
  • the perceived temperature is to be understood as an ambient temperature perceived by a human being.
  • the climate-sensitive sensor device can monitor the sensed temperature and / or air pressure.
  • the optical smoke detector has a scattered light sensor and / or a> 0 intake smoke sensor.
  • the scattered light sensors have one
  • Power consumption of the multi-function detector will be kept low and remain in the range of a few mW.
  • Scattered light sensors can operate according to a scattered light method based on the so-called Tyndall effect. It uses the knowledge that clear air reflects or scatters virtually no light. However, if there are smoke, dust and / or particulate matter particles in the air and thus also in an optical chamber of the scattered light sensor, then a test light beam, for example an infrared light emitting diode (LED), is scattered on the smoke, dust and / or dust dust particles. Em part of the resulting scattered light can then be detected by a light receiver such as a photodiode. With a scattered light sensor, both the size of dust particles and the concentration of dust particles can be determined. Thus, a scattered light optical sensor can be used for detecting particulate matter.
  • a test light beam for example an infrared light emitting diode (LED)
  • LED infrared light emitting diode
  • Em part of the resulting scattered light can then be detected by a light receiver such as a photodiode.
  • Scattered light sensors are well suited, for example, for the early detection of fine dust or smoldering fire with relatively large and bright smoke particles.
  • scattered light detectors can preferably be applied if, for example, the fine dust in a fire with cold smoke is expected.
  • a very bright laser diode instead of a simple LED, a very bright laser diode can be used.
  • an array of multiple infrared LEDs emitting Pruf light beams of different wavelengths and / or of multiple light receivers detecting the scattered light at different scattering angles may also be used to enable detection of different particle classes of particulate matter.
  • An aspirating smoke sensor is powered by an integrated air vent via a connected piping system with suction holes 20081834 0
  • the air samples are sent to a detection unit where they are detected by means of a built-in smoke sensor, e.g. a scattered light sensor, on smoke particles and / or fine dust
  • aspiration smoke sensors in comparison to punctiform smoke sensors, can enable an internal warning and intervention by the fire brigade thanks to their widely branched pipe network even at the smallest, barely visible concentrations of smoke and particulate matter particles.
  • the optical smoke detector can also have a linear smoke sensor, which is based on a smoke-induced attenuation of an infrared light beam emitted by a transmitting unit and received by a receiving unit
  • the linear smoke detection sensors may be well suited, for example, for monitoring large areas.
  • the multi-function detector furthermore has a passive infrared sensor, and the evaluation unit is also set up to evaluate a fourth output signal which can be output by the passive infrared sensor.
  • Em use of a passive infrared sensor allows a
  • a passive infrared sensor measures infrared light emitted by objects in its field of view without the passive infrared sensor itself
  • Infrared source with a temperature for example, a person
  • a flame detected when moving in front of another infrared source at a different temperature In order to focus the radiated infrared energy into the sensor surface, a plurality of Fresnel lenses and / or
  • the evaluation unit has a microcontroller, an alarm transmitter and / or a display unit.
  • Em microcontroller allows reliable and effective processing of the output signals of the gas-sensitive sensor device, the climate-sensitive sensor device and the
  • the microcontroller can also process the output of the optional passive infrared sensor.
  • the evaluation of the above-mentioned output signals can be carried out locally in the microcontroller, wherein all these output signals for the detection of a
  • the microcontroller can be connected to the alarm transmitter with a first line and / or radio transmission.
  • a second line and / or radio transmission can connect the microcontroller to a display unit.
  • the alarm can be replaced by an external fire panel and the display unit by an external climate control.
  • the above-mentioned output signals can either be processed in the microcontroller and
  • Fire alarm center can be transmitted.
  • Output data of the microcontroller can then be used by the
  • Microcontroller by means of a climate data collection, by a
  • Reading in a read-out module directly from the fire bus to the
  • the gas-sensitive sensor device, the climate-sensitive sensor device, the optical smoke detector, or the optional passive infrared sensor and the microcontroller are to be understood as a 0 detector unit.
  • This detector unit can be controlled either via a fire alarm panel and / or a building control center.
  • a 5-building automation system with the multi-function detector or a network of erfmdungsgedorfen multi-function detector is described.
  • the essential functions of a building automation system or of a building management system such as fire, air conditioning, air quality control and / or climate control, can be performed in an effective and reliable manner.
  • a building automation system or of a building management system such as fire, air conditioning, air quality control and / or climate control
  • the sensory components required to carry out the above-mentioned comfort and safety functions of a building automation system such as e.g. Fire detectors, sensors, air quality sensors as well as measuring devices for climatic conditions can be combined, wired and evaluated.
  • a discrete structure of the above-mentioned components and separate bus networks for connecting these components with the corresponding control systems are no longer necessary and a structure of partially redundant sensory components, evaluation components and / or connections between these components and the corresponding control systems can be avoided.
  • the control or evaluation of the sensory components can be simpler and less expensive.
  • a reduction in the redundancies of components and / or connections of components of the building automation system made possible by the multifunction detector or the network of the multifunction detectors also makes it possible to reduce the manufacturing, operating and installation costs. At the same time, an increased informative value of an alarm system associated with the multifunction detector or the network of the multifunction detectors is made possible.
  • a method for detecting a dangerous situation using a multi-function detector of the type described above is provided.
  • a suitable method which advantageously takes into account the two sensory principles combined by the multifunction detector, may allow a single sensor to be used 20081834 0
  • Multifunctional detector can be used, for example, for effective and reliable detection of fire, fire, dangerous gases, fire-fighting substances, explosive gas mixtures, particulate matter and / or bad climate.
  • the first output signal, the second output signal and the third output signal are evaluated in a correlated manner and / or compared with one another.
  • Correlated evaluation and / or comparison of the three output signals makes it possible to obtain information regarding a dangerous situation and / or a cause of danger, such as a of a fire and / or a cause of fire to be detected over
  • the fourth output signal is additionally evaluated in a correlated manner with the first output signal, the second output signal and / or the third output signal and / or compared with one another.
  • a time profile of the respective output signal is taken into account in the correlated evaluation and / or the comparison.
  • the evaluation unit can compare and / or superimpose the output signals of the gas sensor, the climate sensor and / or the optical smoke detector and / or relate the time profile of the output signals to one another
  • An additional evaluation of the output signal of the passive infrared sensor can further increase the validity of the method for detecting a dangerous situation.
  • Such an evaluation of the output signals can be both a dangerous situation and
  • an evaluation process is triggered in the evaluation unit when a predetermined threshold value is exceeded with respect to an output signal of the gas-sensitive sensor device, the climate-sensitive sensor device, the optical smoke detection device and / or the passive infrared sensor.
  • > 0 threshold value can be achieved, for example, that the evaluation process only at certain concentrations of certain gases, only at certain concentrations of smoke,
  • the evaluation process can be triggered 20081834 0
  • the concentration, temperature, humidity and / or air pressure exceeds a certain value or within a certain time, the concentration, temperature, humidity and / or air pressure increases above average quickly.
  • the appropriate thresholds may be selected for a preferred application and / or functionality of the multifunction detector. For example, false alarms and / or unnecessary evaluation processes can thus be avoided.
  • the evaluation process can thus be triggered by means of a suitable trigger.
  • the single figure shows a multifunctional detector.
  • the figure shows a schematic representation of the structure of a multi-function detector 100.
  • the multifunction sensor 100 can be integrated in a building automation system (not shown), wherein the building automation system can have a network of multifunction detectors 100.
  • the multi-function detector 100 has a gas-sensitive sensor device 111, a climate-sensitive sensor device 113, 5, an optical smoke detector 115 and an electronic circuit with an evaluation unit 117.
  • the multi-function detector 100 may include a passive infrared sensor 119.
  • the gas-sensitive sensor device 111 has a gas-sensitive field effect transistor (GasFET) HlA. According to the exemplary embodiment described here, the gas-sensitive sensor device 111 also has further gas FETs HIB to HIF, the gas FETs HlA to HlF being an arrangement of several
  • the climate-sensitive sensor device 113 has a temperature sensor 113T and a pressure gauge 113P. Further, the climate sensitive sensor device 113 may include a humidity sensor or a hygrometer (not shown). Furthermore, the climate-sensitive sensor device 113 may have a light sensor or a brightness sensor (not shown).
  • the optical smoke detector 115 may include a scattered light sensor (not shown) or a suction smoke sensor (not shown).
  • the smoke detector 115 is designed for the detection of fine dust particles. Further, the smoke detector 115 may combine detection of smoke and dust particles
  • the scattered light sensor can have several infrared LEDs, the
  • the scattered light sensor can detect different
  • Allow particle classes For example, a
  • Standard defined particle classes PMi 0 and PM 2 , 5 detect particulate matter. This detection may be particularly important in terms of the harmful effects of particulate matter.
  • the optical smoke detector 115 may also include a suction smoke sensor (not shown).
  • the evaluation unit 117 has a microcontroller 117M, an alarm transmitter 1171 and a display unit 117J.
  • the gas-sensitive sensor device 111, the climate-sensitive sensor device 113, the optical smoke detector III, or the optional passive infrared sensor 119 and the microcontroller 117M are to be understood as a detector unit.
  • the GasFET HlA to HlF are connected to the microcontroller 117M to sense the output of the gas sensitive
  • Sensor device 111 output signals of the respective GasFET HlA to HlF on.
  • the temperature sensor 113P and the pressure gauge 113T are connected to the microcontroller 117M to relay the output of the climate-sensitive sensor device 113 to the microcontroller 117M.
  • the output signal of the climate-sensitive sensor device 113 has output signals of the temperature sensor 113P and the pressure gauge 113T.
  • the optional humidity sensor or hygrometer and / or light or brightness sensor can be connected to the microcontroller 117M. In this case, the output signal of the climate-sensitive sensor device 113 may also have the output signals of these optional sensors. 20081834 0
  • the optical smoke detector is connected to the microcontroller 117M to pass the output of the optical smoke detector 115 to the microcontroller 117M.
  • the optional passive infrared sensor 119 can also be connected to the microcontroller 117M in order to forward the output signal of the passive infrared sensor to the microcontroller 117M.
  • the microcontroller 117M is connected to the alarm transmitter 1171 with a first line and / or radio transmission 112.
  • a second line and / or radio circuit 114 connects the microcontroller 117M to a display unit 117J. In this case, the complete evaluation of the output signals of the gas-sensitive
  • the alarm device 1171 by an external
  • the lines and / or radio transmissions 112, 114 can be transmitted by a fire bus - for transmitting fire and air-relevant output data of the microcontroller 117M - or a climate bus - for transmitting climate-relevant
  • only the microcontroller 117M can be connected to the fire alarm panel with the fire bus 112, the fire bus both fire and luftguterelevante as well
  • Fire alarm panel 1171 can be transmitted. From the fire panel 1171 relevant data can be further transmitted to a building control center (not shown). The climate-relevant output data of the microcontroller can be transmitted from the fire panel 1171 and the climate control 117J via a dedicated line and / or Funkubar (not shown) on.
  • the climate-relevant output data of the microcontroller can be transmitted directly from the fire bus 112 to the climate controller 117J by means of a climate data acquisition, by reading in a read-out module (not shown). This can also take place without active control of the detector unit via the building control center, since various standards may prohibit processing of climate-relevant signals or data via the fire alarm control panel.
  • the gas-sensitive sensor direction 111 may include a metal oxide semiconductor gas sensor HlA or an arrangement of a plurality of metal oxide semiconductor gas sensors HlA to HlF, wherein the respective metal oxide semiconductor gas sensors HlA to HlF, similar to the arrangement of a plurality of gas FETs described above in detail, by a suitable selection Semiconductor materials for the detection of different gases can be determined.
  • the arrangement may of several metal oxide semiconductor gas sensors an CO sensor 111 A, a NOx sensor HIB, having a moisture sensor HIC, an ozone sensor HLD, a VOC sensor HLE and a CO 2 sensor HIF.
  • the gas-sensitive sensor direction 111 may comprise a gas-sensitive capacitive micromachined ultrasonic transducer (GasCMUT) HlA or an arrangement of a plurality of GasCMUT IHA to HlF.
  • GasCMUT gas-sensitive capacitive micromachined ultrasonic transducer
  • Membranes of the respective GasCMUT HlA to HlF can be used for the detection of different gases, eg. As CO, NO x , moisture, ozone, VOC and / or CO 2 , are used.
  • the gas-sensitive sensor direction 111 may comprise an optical infrared gas sensor HlA or an arrangement of a plurality of infrared optical gas sensors HlA to HlF.
  • an optical infrared gas sensor HlA or an arrangement of a plurality of infrared optical gas sensors HlA to HlF By a suitable selection of wavelengths and / or filters of the respective optical infrared gas sensors HlA to HlF these can be used for the detection of different gases, for.
  • CO, NO x , moisture, ozone, VOC and / or CO 2 are used.
  • the gas-sensitive sensor direction 111 may comprise an optoelectronic gas sensor HlA or an arrangement of a plurality of optoelectronic gas sensors HlA to HlF.
  • optodes these can be used for the detection of different gases, eg. As CO, NO x , moisture, ozone, VOC and / or CO 2 , are used.
  • the gas-sensitive sensor direction 111 or an arrangement of different gas sensors including a gas-sensitive field effect transistor, a metal oxide semiconductor gas sensor, a gas-sensitive capacitive micromachined ultrasonic transducer, an optical infrared gas sensor and / or an optoelectronic gas sensor.
  • the sequence of an evaluation of output signals of a gas-sensitive sensor device 111, a climate-sensitive sensor device 113 and an optical smoke detector 115 will be described with reference to an exemplary embodiment in which the gas-sensitive sensor device 111 has a gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor HlA.
  • the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor HlA is provided with a suitable 20081834 0
  • Temperature pulse method for example, operated by temperature pulses and different temperature ramps.
  • the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor HlA is heated accordingly, for example, a Schuungsmakerssemheit the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor HlA suitable current or voltage pulses are applied to an integrated in the gas-sensitive metal oxide semiconductor gas sensor HlA heating element.
  • the gas reactions at the gas-sensitive metal oxide semiconductor material layer will run differently, so that the metal oxide semiconductor gas sensor supplies a characteristic of the detected gas molecules output signal. This can be evaluated by means of a subsequent pattern recognition method.
  • signatures gas-characteristic response curves can be understood, which show the time profile, for example, of the resistance and / or the impedance of the metal-oxide-semiconductor gas sensor.
  • signatures can be understood to mean the corresponding rise curves of the resistance and / or the impedance of the metal-oxide-semiconductor gas sensor.
  • the measured signatures can be compared with signatures stored in a database.
  • the evaluation may provide information as to whether a fire-demanding substance is present.
  • the type of the existing fire-fighting substance can be determined.
  • the information as to whether a fire gas and / or a health-endangering gas are present and possibly also its concentration can be provided.
  • the information about the time profile of the output signal and / or the concentrations of the gases to be detected can be given.
  • an evaluation of the output signal of the scattered light detector or the Ansaugrauchsensors 115 is performed.
  • This output signal can also be evaluated by means of a pattern recognition method.
  • signatures of smoke and dust including specks, are recognized.
  • the signatures can have the time profile of the intensity and / or the flicker frequency and / or the signal decrease or increase rate of the scattered light.
  • These signatures can be compared to signatures stored in a database.
  • the evaluation may provide information as to whether smoke, dust and / or particulate matter is present.
  • the type and concentration of the smoke, dust and / or particulate matter particles can be communicated.
  • the information about the time course of the output signal and / or the concentrations of smoke, dust and / or Femstaubpumblen can be supplied.
  • an evaluation is made in parallel from the output signal of, for example, the temperature sensor 113T, the pressure gauge 113P, the hygrometer, and / or the brightness sensor.
  • the output signals of the metal oxide semiconductor gas sensor of the climate-sensitive sensor device and of the optical smoke detector are superimposed and / or compared.
  • the evaluation of the superposition and the comparison can also be done as described above by means of a 20081834 0
  • Pattern recognition process can be performed. Furthermore, this evaluation may include an analysis of the time profile of the output signals. Through the combined evaluation of the three output signals described here additional statements can be made such as whether it burns without smoke, whether a fire was supported by a fire-demanding substance and / or was triggered. Optionally, an identification of the burning medium and / or another dangerous substance can be made.
  • measures and / or recommendations regarding the type of a suitable extinguishing agent and / or a control of various actuators can be output with this information.
  • the evaluation process by the evaluation unit can be triggered, for example, by exceeding a threshold value of the gas-sensitive sensor device, the climate-sensitive sensor device, the optical smoke detector and / or the optional passive infrared sensor.
  • the output signals of the arrangement of a plurality of gas-sensitive field-effect transistors HlA to HlF can be carried out in various ways. Em currently considered to be particularly suitable evaluation method is described in the publication by U. Hoefer, A Felske, G. Sulz and K. Steiner: Sn ⁇ 2 multi-sensor systems for the analysis of gases and odors, conference proceedings GMA conference "Process Automation in the food industry" , 1-2 February 1996. 20081834 0
  • this evaluation may include an analysis of the time profile of the output signals.
  • the temporal characteristics of the frequency response and / or the resonance frequency of the CMUT can be used as signatures.
  • the case of CMUT the temporal characteristics of the frequency response and / or the resonance frequency of the CMUT can be used as signatures.
  • optical infrared sensors can have as signatures the time profile of the intensity and / or the flicker frequency and / or the signal decrease or increase rate of the scattered light.
  • the signatures can be used as the time profile of the intensity and / or the flicker frequency and / or the signal decrease or increase rate of the scattered light.
  • Statistical methods such as principal component analysis, multivariate data analysis and / or linear disk analysis can generally be used in the evaluation.

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Abstract

Es wird ein Multifunktionsmelder (100) beschrieben, der eine gassensitive Sensoreinrichtung (111), eine klimasensitive Sensoreinrichtung (113) einen optischen Rauchdetektor (115), der eingerichtet ist zur Detektion von Feinstaubpartikeln und eine Auswerteeinheit (117) aufweist. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, um eine Auswertung ersten Ausgangssignals, welches von der gassensitiven Sensoreinrichtung (111) ausgebbar ist, eines zweiten Ausgangssignals, welches von der klimasensitiven Sensoreinrichtung (113) ausgebbar ist, und eines dritten Ausgangssignals, welches von dem optischen Rauchdetektor (115) ausgebbar ist, durchzuführen. Die gassensitive Sensoreinrichtung (111) kann einen gassensitiven Feldeffekttransistor, einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor, einen gassensitiven kapazitiven mikromaschinell bearbeiteten Ultraschallwandler, einen optoelektronischen Gassensor, und/oder einen optischen Infrarot-Gassensor aufweisen. Der Rauchdetektor kann optional zur Erkennung von unterschiedlichen Partikelklassen von Feinstaubpartikeln eingerichtet werden. Ferner wird ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrensituation unter Verwendung des oben beschriebenen Multifunktionsmelders (100) angegeben. Die Auswertung kann eine korrelierte Auswertung und/oder einen Vergleich der jeweiligen Ausgangssignale aufweisen. Die Auswertung kann in Bezug auf einen zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale durchgeführt werden.

Description

20081834 0
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Beschreibung
MuItifunktionsmelder
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Gebaude- automatisierung, insbesondere betrifft die Erfindung das technische Gebiet der Luftgutemessung und der Branddetektion mit Detektion von Feinstaubpartikeln . Ferner betrifft die Erfindung insbesondere einen Multifunktionsmelder der einen optischen Rauchdetektor aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrensituation unter Verwendung eines derartigen Multifunktionsmelders .
Unter dem Begriff Gebaudeautomatisierung oder Gebaudeautomation wird die Gesamtheit von Uberwachungs-, Steuer-, Regel- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden verstanden. Ziel der Gebaudeautomatisierung ist es Funktionsablaufe in einem Gebäude oder einem Gebaudekomplex automatisch nach vorgegebenen Einstellwerten oder Parametern durchzufuhren und die Bedienung bzw. Überwachung der entsprechenden technischen Einheiten zu vereinfachen. Alle Sensoren, Aktoren, Bedienelemente, Verbraucher und/oder andere technische Einheiten im Gebäude werden miteinander vernetzt. Somit können die Ablaufe der Uberwachungs-, Steuer-, Regel- und/oder Optimierungsprozessen in Szenarien zusammengefasst werden. Kennzeichnendes Merkmal der Gebaudeautomatisierung ist eine dezentrale Anordnung der Uberwachungs-, Steuer-, Regel- und/oder Optimierungseinheiten sowie die durchgangige Vernetzung der entsprechenden technischen Einheiten mittels eines Bussystems.
Durch eine intelligente Regelung ermöglicht die Gebaudeautomatisierung eine Reduktion des Energieverbrauchs. Durch eine intelligente Steuerung kann ein Komfortgewinn ermöglicht werden. Zum Beispiel kann auf einen Tastendruck eine vordefinierte Beleuchtungsemstellung oder Klimaemstellung hergestellt werden, 20081834 0
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ohne dass mehrere Lampen oder Klimaanlagen einzeln geschaltet oder gedimmt werden müssen. Auch können zum Beispiel durch logische Verknüpfungen von Schaltzustanden alternativ definierte Beleuchtungsaktionen oder klimabezogene Aktionen ausgelost werden. Ferner kann eine Gebaudeautomatisierung, z.B. durch eine Anwesenheitssimulation, auch einen erhöhten Schutz gegen Einbrüche ermöglichen. Zu einem erhöhten Schutz gegen Einbrüche können auch die in dem Gebäude eingesetzten Bewegungsmelder beitragen. Ein weiter Vorteil der Gebaudeautomatisierung ist, dass diese eine automatische Alarmweiterleitung ermöglicht. Dadurch kann die Überwachung des Gebäudes von einem externen Sicherheitsdienst übernommen werden.
Durch eine intelligente Regelung und Steuerung von Gefahrmeldern, wie zum Beispiel automatischen Brandmeldern, wird eine erhöhte Sicherheit für die Bewohner beim Auftreten von kritischen Situationen, zum Beispiel Branden, ermöglicht. Zum Beispiel können Maßnahmen zur Brandbekämpfung initialisiert werden und Warnungen an Personen innerhalb eines Gebäudes ausgegeben werden. Durch eine Alarmierung von zustandigem Sicherheitspersonal und/oder der Feuerwehr können Maßnahmen zum Sach- und Personenschutz getroffen werden. Somit gehört eine Branddetektion zur wichtigen Funktionen jedes Gebaudeautomatisierungssystem.
Eine weitere wichtige Funktion eines Gebaudeautomatisierungs- systems kann darin bestehen, mittels der intelligenten Regelung und Steuerung, für optimale klimatische Bedingungen in einem Gebäude oder einem Gebaudekomplex zu sorgen. Optimale klimatische Bedingungen können von einer großen Bedeutung für die Gesundheit der Personen sein, die sich im Inneren des Gebäudes oder des Gebaudekomplexes befinden. Ferner tragen die optimalen klimatischen Bedingungen zur Schonung empfindlicher Gegenstande wie z.B. Möbel, Bilder, Dokumente, Pflanzen usw. in dem Gebäude oder dem Gebaudekomplex bei. Um die optimalen klimatischen Bedingungen zu schaffen, können mit dem 20081834 0
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Gebaudeautomatisierungssystem klimatische Großen wie z. B. Temperatur, Feuchte, Luftdruck und/oder Luftbewegung automatisch eingestellt, überwacht und/oder reguliert werden.
5 Weiterhin ist eine wichtige Funktion eines Gebaudeautomati- sierungssystems auch die Überwachung der Luftgute innerhalb eines Gebäudes oder eines Gebaudekomplexes . Somit können bei einer niedrigen Luftgute entsprechende Maßnahmen, wie z. B. ein Lüften und/oder eine Warnung, durch das Gebaudeautomatisierungssystems
0 initialisiert werden. Dazu können Konzentrationen unterschiedlicher Gase wie z.B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, fluchtige organische Verbindungen (VOC), Ozon, Stickoxide erfasst werden. In Hinsicht auf die Gesundheit der sich in dem Gebäude befindenden Personen ist eine rechtzeitige Detektion von Feinstaub besonders
5 wichtig, da eine Femstaubbelastung heutzutage bedeutende Auswirkungen auf die Gesundheit hat.
Jedoch wurden bisher die zur Ausfuhrung der oben genannten Komforts- und Sicherheitsfunktionen eines Gebaude-
0 automatisierungssystem notwendigen sensorischen Komponenten wie z.B. Brandmelder, Sensoren, Luftgutesensoren sowie Messgerate für klimatische Große einzeln hergestellt, verdrahtet und ausgewertet. Em komplett diskreter Aufbau der oben genannten Komponenten und separate Busnetze zur Verbindung dieser
5 Komponenten mit den entsprechenden Steuerungsanlagen benotigt ein Aufbau von zum Teil redundanten sensorischen Komponenten, Auswertekomponenten und/oder Verbindungen zwischen diesen Komponenten und den entsprechenden Steuerungsanlagen. Der diskrete Aufbau der sensorischen Komponenten sowie eine Verlegung
>0 unterschiedlicher Infrastrukturen zu deren Ansteuerung bzw. Auswertung sind außerdem aufwandig und teuer.
Ferner wurde eine flachendeckende Detektion von Feinstaub in
Innenraumen wegen der zusätzlichen Kosten bisher nicht üblich
>5 sondern wurde nur bei Verdacht auf Partikelbelastung (z.B. 20081834 0
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Asbest, Milben, Pollen, Schimmelpilze oder Autoabgase) durchgeführt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
5 Multifunktionsmelder anzugeben, welcher eine Reduktion der
Redundanzen von Komponenten und/oder Verbindungen zwischen diesen
Komponenten und den entsprechenden Steuerungsanlagen eines
Gebaudeautomatisierungssystems, eine Senkung der Herstell-,
Betriebs- und Installationskosten und gleichzeitig eine erhöhte
0 Aussagekraft eines mit dem Multifunktionsmelder assoziierten
Alarmsystems ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelost durch die Gegenstande der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der vorliegenden 5 Erfindung sind in den abhangigen Ansprüchen beschrieben.
Mit dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird ein Multifunktionsmelder mit einer gassensitiven Sensoreinrichtung, einer klimasensitiven Sensoreinrichtung, einem optischen
0 Rauchdetektor, der eingerichtet ist zur Detektion von Feinstaubpartikeln, und einer Auswerteeinheit beschrieben. Die Auswerteeinheit dient zur Auswertung eines ersten Ausgangssignals, welches von der gassensitiven Sensoreinrichtung ausgebbar ist, eines zweiten Ausgangssignals, welches von der
5 klimasensitiven Sensoreinrichtung ausgebbar ist, und eines dritten Ausgangssignals, welches von dem optischen Rauchdetektor ausgebbar ist.
Dem genannten Multifunktionsmelder liegt die Erkenntnis zugrunde,
>0 dass die in einem Gebaudeautomatisierungssystem auftretenden
Redundanzen von sensorischen Komponenten, Auswertekomponenten und/oder Verbindungen zwischen diesen Komponenten und den entsprechenden Steuerungsanlagen signifikant reduziert werden können, indem unterschiedliche sensorische Komponenten
>5 vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Außerdem kann die 20081834 0
-5- dadurch entstehende Kombination der entsprechenden zugrundeliegenden sensorischen Prinzipien eine erhöhte Aussagekraft des Multifunktionsmelders bezüglich möglicher Gefahrensituationen gewährleisten .
5
Als eine Gefahrensituation kann eine beliebige Situation bezeichnet werden bei der zum Beispiel die Sicherheit und/oder die Gesundheit von Personen gefährdet werden oder mateπale Schaden entstehen können. Zum Beispiel ein Brand, ein Austritt
0 von brandfordernden und gesundheitsgefährdenden Stoffe, Anlagendefekte und/oder schlechtes Klima können als eine Gefahrensituation bezeichnet werden.
Grundsätzlich ist es zum Beispiel auch möglich, die für einen 5 klassischen Brandmelder benutzten sensorischen Prinzipien auf verschiedene Art und Weise zu kombinieren. Auch ist es grundsätzlich möglich diese mit den zur Erfassung von anderen für die Gebaudeautomatisierung wichtigen physikalischen Großen benutzten sensorischen Prinzipien zu kombinieren. Eine optimierte 0 Auswahl der für eine Kombination benutzten Prinzipien kann von einer erheblichen Bedeutung in Bezug auf eine effektive und zuverlässige Funktion eines derartigen Multifunktionsmelders sein. Kriterien und Randbedingungen, wie zum Beispiel eine niedrige elektrische Leistungsaufnahme, ausreichende Sensitivitat 5 und Querempfmdlichkeit, eine Unterscheidbarkeit einer Mehrzahl von verschiedenen Signalen und wirtschaftliche Aspekte können bei der Auswahl der zu kombinierenden sensorischen Prinzipien berücksichtigt werden.
>0 Bei dem genannten Multifunktionsmelder wird vorteilhaft ein Erkennungssystem eines optischen Rauchmelders (Rauchdetektor) mit einem Erkennungssystem eines Gassensors (gassensitive Sensoreinrichtung) und eines Klimasensors (klimasensitive Sensoreinrichtung) kombiniert. Dabei wird der optische
>5 Rauchmelder als ein Feinstaubdetektor eingesetzt, so das eine 20081834 0
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flachendeckende Detektion des Feinstaubes ermöglicht werden kann. Diese Funktionalität des optischen Rauchmelders ist besonders vorteilhaft in Hinsicht auf die gesundheitsschädlichen Aspekte des Feinstaubes. Gleichzeitig kann der optische Rauchdetektor
5 auch zur Detektion von brandtypischem Rauch benutzt werden, da die Rauch- und Feinstaubpartikel, obwohl sie in unterschiedlichen Konzentrationen auftreten, von derselben Größenordnung sind. Unter Feinstaub wurden alle Partikel einem Durchmesser weniger als 10 Mikrometer, einschließend ultrafeine Partikeln von einem
0 Durchmesser mit weniger als 100 Nanometer verstanden. Mittels des optischen Rauchmelders kann zum Beispiel überwacht werden ob die in dem National Air Quality Standard for Particulate Matter (PM- Standard) oder in der EU-Richtlinie 1999/30/EG definierten Feinstaubgrenzwerte nicht überschritten wurden.
5
Die Auswerteeinheit kann sowohl ein Ausgangssignal des optischen Rauchmelders, des Klimasensors als auch ein Ausgangssignal des Gassensors auswerten. Jedoch wird die Auswerteeinheit bevorzugt eine Auswertung durchfuhren, die auf allen drei Ausgangssignalen
0 basiert.
Die Auswerteeinheit kann zum Beispiel einen Analog-Digital- Umsetzer zum Umsetzen und einen Multiplexer zum Kombinieren der drei Ausgangssignale ausweisen. Ferner kann die Auswerteeinheit
5 einen Prozessor ausweisen, der geeignet ist die beiden Ausgangssignale einzeln oder in einer Kombination mittels einer entsprechenden Software auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann entweder zusammen mit der gassensitiven Sensoreinrichtung, dem optischen Rauchdetektor und der klimasensitiven Sensoreinrichtung
>0 auf einem Chip monolithisch integriert oder hybrid aufgebaut werden .
Somit wird es möglich, zum Beispiel neben der klassischen
Detektion von Branden auch Aussagen über andere Gefahrenlagen wie
>5 ein Vorhandensein oder einen Einsatz von gefährlichen Stoffen zu 20081834 0
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machen. Beispiele für gefährliche Stoffe sind gefährliche Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere brandgefahrliche, brandfordernde Stoffe, brandbeschleunigende Stoffe, explosive Gasgemische und/oder explosive Staube. Weitere gefährliche Stoffe 5 können zum Beispiel gesundheitsgefährdende Stoffe sein.
Brandgefahrliche Stoffe können Stoffe sein, die besonders geeignet sind, eine Brandgefahr herbeizufuhren. Es können zum Beispiel leicht brennbare, leicht entzündbare, leicht
0 entflammbare und selbstentzundliche Stoffe sein. Unter brandbeschleunigenden Stoffen können brennbare chemische Stoffe verstanden werden, die dazu verwendet werden, die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Feuers zu erhohen. Beispiele für brandbeschleunigende Stoffe sind Flüssigkeiten wie Ethanol
5 (Spiritus), Benzin oder ähnliche, die über abzubrennende Gegenstande vergossen werden können.
Stoffe, die eine Verbrennung unterstutzen aber selbst nicht brennbar sind, können als brandfordernde Stoffe bezeichnet 0 werden. Beispiele für brandfordernde Stoffe sind Sauerstoff, Sauerstoffreiche Salze wie beispielsweise Kaliumchlorat, Peroxide und Fluor.
Beispiele für gesundheitsgefährdenden Stoffe sind zum Beispiel 5 Autoabgase, Asbest, Milben, Pollen, Schimmelpilze, Kohlenoxide, fluchtige organische Verbindungen, Ozon und Stickoxide.
Wird zum Beispiel ein Vorhandensein von gefährlichen Stoffen in einem Raum frühzeitig mittels des Multifunktionsmelders
>0 detektiert, dann kann der gefährliche Stoff beseitigt werden. Auch kann rechtzeitig vor einem Auftreten explosionsfahiger Gasgemische gewarnt werden. Ist zum Beispiel bei einer Brandstiftung keine rechtzeitige Warnung mehr möglich, so kann zusätzlich eine Möglichkeit geschaffen werden, den möglicherweise
>5 genutzten brandfordernden Stoff zu erkennen sowie 20081834 0
Uberwachungsemrichtungen zu initialisieren.
Ferner können mit einem derartigen Multifunktionsmelder gegebenenfalls auch Aussagen über Gefahrenursachen wie zum 5 Beispiel Brandstiftung, Austritt von brandfordernden und gesundheitsgefährdenden Stoffe, Anlagendefekte usw. gemacht werden .
Durch die Kombination der Erkennungssysteme des optischen
0 Rauchmelders, des Gassensors und des Klimasensors wird auch eine
Detektion von explosiven Stauben und/oder deren Brandprodukte möglich. Mit einem optischen Rauchmelder können grundsätzlich auch Staube, einschließend Feinstaub, erkannt werden. Sind diese aber in ihrer Beschaffenheit oder Konzentration derart vorhanden,
5 dass sie als Feinstaub zu erkennen sind, wird eine
Feinstaubgefahr gemeldet aber in der der Regel kein Brandalarm ausgelost. Kommt es nachfolgend zu einer Entzündung des Staubes, so kann der Brand mittels des Gassensors, des optischen
Rauchmelders und/oder des Klimasensors erkannt werden. Über eine
0 Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale wird dann die Erkennung des Staubes als Brandursache möglich.
Die Auswerteeinheit kann die Ausgangssignale des Gassensors, des optischen Rauchmelders und des Klimasensors vergleichen und/oder
5 superpomeren und/oder den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale zueinander in Beziehung setzen, um die Gefahrenursache einschätzen zu können. Dabei kann eine kombinierte Auswertung der Ausgangssignale sowohl vor einer Gefahrensituation auch als wahrend einer Gefahrensituation, z.B. vor einem Brand auch als
>0 wahrend eines Brandes, durchgeführt werden. Somit kann zum Beispiel eine weitere Gefahrenursache oder eine zusätzliche latente Gefahr erkannt werden.
Informationen über mögliche Gefahrenursachen zusammen mit >5 Informationen über Gefahrenlagen sind vor dem Hintergrund einer 20081834 0
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geeigneten Maßnahme wie z.B. einer Wahl von Loschmitteln zur Bekämpfung eines Brandes, einer Klarung von Sachversicherungsfragen, einer Ursachenermittlung wie beispielsweise Brandstiftung, Austritt von brandfordernden und/oder gesundheitsgefährdenden Substanzen, Anlagendefekte, einer Strafverfolgung eines möglichen Taters sowie einer Warnung und Evakuierung von Personen sehr wünschenswert.
Mit dem genannten Multifunktionsmelder wird es möglich eine umfassende Erweiterung des Sicherheitskonzepts in Wohnräumen, öffentlichen Gebauen, Verkehrsmitteln oder Industrieanlagen zu realisieren. Unter anderem kann es möglich werden Erdgas zu detektieren, das mit der Luft ein explosives Gasgemisch bilden kann und somit ein brandfordernder Stoff ist. Auch wird es möglich auch weitere gefährliche Gase wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, welches möglicherweise durch defekte Verbrennungsanlagen freigesetzt wird, sowie Kohlendioxid, fluchtige organische Verbindungen, Ozon und Stickoxide zu detektieren. Ferner wird es möglich die im Gebäude generierte Pollen, Asbest, Milben, Schimmelsporen und/oder von außen kommende Dieselabgase zu detektieren. Gleichzeitig wird es möglich die klimatischen Großen wie zum Beispiel Temperatur, Feuchte und/oder Luftdruck zu messen. Die erfassten Ausgangssignale des Gassensors, des optischen Rauchmelders und der Klimasensors können dann sowohl zur Steuerung des Klimas als auch zu Gefahrenerkennung, z.B. Branderkennung, verwendet werden.
Somit kann ein einziges Gerat - der Multifunktionsmelder - verschiedene Arten von Alarmen, wie zum Beispiel einen Alarm „Brand", einen Alarm „brandfordernder Stoff", einen Alarm „CO", einen Alarm „Staub", einen Alarm „Feinstaub", einen Alarm „gesundheitsgefährdender Stoff" auslosen. Ferner können relevante Informationen bezüglich einer Ermittlung der Gefahrenursache und entsprechenden Maßnahmen ermittelt werden. Auch können Kontroll- und Steuerungsmechanismen von zum Bespiel Uberwachungskameras 20081834 0
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und/oder Notausgangen aktiviert werden.
Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Sensoreinrichtung einen gassensitiven
5 Feldeffekttransistor (GasFET) , einen Metalloxidhalbleiter- Gassensor, einen gassensitiven kapazitiven mikromaschinell bearbeiteten Ultraschallwandler (GasCMUT) , einen optischen Infrarot-Gassensor und/oder einen optoelektronischen Gassensor auf .
0
Ein Einsatz der gassensitiven Feldeffekttransistoren kann vorteilhaft sein, da diese (a) sehr kleine Abmessungen haben können (zum Beispiel ungefähr 2 mm2), (b) sowohl im beheizten Zustand als auch bei Raumtemperaturen messen können, (c) eine
5 lange Lebensdauer haben und (d) einen minimalen Leistungsverbrauch haben. Die gassensitiven Feldeffekttransistoren können für eine Messung von Leckagen und zu einer Explosionswarnung besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Weiterhin zeichnen sich die gassensitiven
0 Feldeffekttransistoren durch eine einfache Signalauslesung aus. Die gassensitiven Feldeffekttransistoren sind ferner kostengünstig und können für eine Produktion für Gassensoren verschiedener Art in hohen Zahlen verwendet werden.
5 Ein gassensitiver Feldeffekttransistor kann als modifizierter CMOS-FET aufgebaut werden. Eine Gasdetektion kann auf einer Änderung der Austrittsarbeit an einem Gatter basieren. Zwischen dem Gatter und einem Transistor-Kanal wird ein kleiner Luftspalt aufgebaut, der gegenüber einem Gasraum offen ist. Somit kann ein
>0 Gas durch die Änderung der Austrittsarbeit am Gatter nachgewiesen werden, das mit einer gassensitiven Gatterschicht ausgestattet ist.
Das mit gassensitiven Schichten versehene Gatter kann in >5 mikromechanischer Weise in einem Wafer aufgebaut werden. Ein 20081834 0
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Messbereich kann zum Beispiel bei ungefähr 100 ppm beginnen. Der geringe elektrische Leistungsverbrauch ermöglicht es die gassensitiven Feldeffekttransistoren auch mit Metalloxidhalbleiter-Gassensoren zu kombinieren. 5
Eine Anwendung der FET zu einer Gasdetektion ist beschrieben zum Beispiel in:
M. Zimmer: Mikrosensoren auf Transistor-Basis zur Wasserstoff- 0 und Ozondetektion , Dissertation, Universität der Bundeswehr München, 2003.
Die Verwendung von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren für einen Multifunktionsmelder kann vorteilhaft sein, da diese preiswert
5 sind, eine hohe Empfindlichkeit, eine einfache elektronische Beschaltung und eine Lebensdauer bis zu mehreren Jahren aufweisen. Ein Metalloxidhalbleiter-Gassensor verändert seine elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise seinen Widerstand, sobald bestimmte Gase auf ihn wirken. Typische Gase, welche mit
0 Metalloxidhalbleiter-Gassensoren detektiert werden können, sind zum Beispiel Propan, Butan, Methan, Erdgas, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Stickstoffmonoxid und/oder Stickstoffdioxid. Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können auch zum Nachweis von Ammoniak, Alkohol usw. eingesetzt werden. Der
5 Metalloxidhalbleiter-Gassensor kann eine gassensitive Metalloxid-
Halbleitermateπal-Schicht wie zum Beispiel Zinndioxid (SnC>2) ,
Zmkoxid (ZnO), Titandioxid (TiO2), Wolframoxid (WO3),
Vanadiumpentoxid (V2Os) , Galliumoxid (Ga2O3) oder Chromtitanoxid
(Cr2_xTix03+z) aufweisen. Um eine Selektivität auf bestimmte Gase
>0 zu erreichen können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Zu einem Nachwies von Kohlenmonoxid und/oder Stickstoffmonoxid und/oder Methan kann Zinndioxid, zu einem Nachweis von Stickstoffdioxid kann Wolframoxid und zu einem Nachweis von Ammoniak kann Cr2_xTix03+z eingesetzt werden. Dabei
>5 konnte es untere Nachweisgrenzen geben, die zum Beispiel bei 20081834 0
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Kohlenmonoxid bei ungefähr 5 ppm, bei Stickstoffmonoxid bei ungefähr 100 ppb, Stickstoffdioxid bei ungefähr 10 ppm, bei
Methan bei ungefähr 200 ppm und bei Ammoniak bei ungefähr 5 ppm liegen konnten.
Die die elektrische Leitfähigkeit bestimmende Akzeptordichte an der Oberflache des Metalloxids wird durch eine Gasreaktion mit dem zu detektierenden Gas beeinflusst. Somit kann die Leitfähigkeit beziehungsweise der Widerstand des Metalloxidhalbleiter-Gassensors verändert werden. Im Betrieb konnte ein Ablauf dieser Gasreaktion mit einer Beheizung des Metalloxidhalbleiter-Gassensors ausgelost und/oder beschleunigt und die Selektivität gefordert werden. Abhangig von den verwendeten Materialien und den zu detektierenden Gase können Temperaturen zwischen 150°C und 900°C, beispielsweise 150°C, 3000C, 5000C, 700°C oder sogar 9000C, verwendet werden. Je nach Beschaffenheit der Gase reagieren diese mit der Metalloxidoberflache unterschiedlich stark. Die Intensität der Wechselwirkung ist zudem von der gewählten Temperatur des Metalloxids abhangig. Z.B. nimmt die Sensitivitat eines Ga2C>3- Metalloxidsensors auf Kohlenmonoxid (CO) zu höheren Betriebstemperaturen hm ab. D.h. die relative Leitfahigkeitsanderung verringert sich mit zunehmender Temperatur. Bei Methan (CH4) z. B. bleibt die Sensitivitat des Ga2θ3-Metalloxidsensors im Wesentlichen mit zunehmender Temperatur erhalten.
Durch Verwendung eines Betriebsverfahrens, welches den Metalloxidhalbleiter-Gassensor z.B. zyklisch bei unterschiedlichen Temperaturen betreibt, können unter Verwendung geeigneter Auswerteverfahren, auf diese Weise Gase voneinander unterschieden werden. Zudem können bei Metalloxidhalbleitergas- Sensoren, die entsprechend schnell aufgeheizt und wieder abgekühlt werden können, da sie eine geringe thermische Masse haben, zeitliche Aspekte der Gasreaktion mit in die Auswertung 20081834 0
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einbezogen werden. Hier liegt die Eigenschaft der Gase zugrunde, unterschiedliche Ad- bzw. Desorbtionszeiten aufweisen zu können. Dies kann bedeuten, dass die Verweildauer der Gase an der Halbleiteroberflache von der Gasart abhangig sein kann. Diese
5 Unterschiede können sich in der zeitlichen Form des Sensorsignals wiederfinden und können somit in die Auswertung mit einbezogen werden. Eine geringere Arbeitstemperatur kann hingegen zusätzlich für einen geringen Leistungsverbrauch sorgen. Dabei kann der Metalloxidhalbleiter-Gassensor je nach Ausfuhrungsform eine
0 Aufheiz- und Abkuhlzeit von weniger als 100 ms aufweisen. Die oben genannte Gasreaktion ist im Idealfall vollständig reversibel und in Kombination mit einem Temperaturwechselverfahren ermöglicht dies einen Nachweis und Unterscheidung einer Vielzahl von Gasen.
5
Mittels der Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können besonders gut intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren zum Einsatz kommen, die dazu geeignet sein können, Gefahrensituationen sicher zu detektieren. Mittels der oben genannten intelligenten Ansteuer-
0 und Auswerteverfahren können z.B. Brandtypen und relevante Gase voneinander unterschieden sowie unterschiedliche Gefahrensituationen erkannt werden.
Die Verwendung von gassensitiven kapazitiven mikromaschinell
5 bearbeiteten Ultraschallwandlern (Gas-sensitive Capacitive
Micromachmed Ultrasonic Transducer, GasCMUT) für den
Multifunktionsmelder kann vorteilhaft sein, da diese eine hohe
Sensitivitat und Stabilität und eine kleine Falschalarmrate aufweisen. Ferner sind diese leicht in elektronischen Schaltungen
>0 zu integrieren, sind preisgünstig und haben einen geringen
Leistungsverbrauch .
Ein kapazitiver mikromaschinell bearbeiteter Ultraschallwandler weist üblicherweise mehrere Kondensatorzellen auf, die parallel
>5 geschaltet sind. Eine auf einem Siliziumsubstrat aufgebaute 20081834 0
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Einzelzelle weist einen Kondensator auf, der eine Membran aufweist und damit einen kapazitiven Wandler darstellt. In Betrieb wird eine Gleichspannung an Elektroden des Kondensators angelegt um ein elektrisches Feld in einem Vakuumspalt des
5 Kondensators zu erzeugen. Das elektrische Feld sorgt für eine elektromechanische Kopplung des kapazitiven Wandlers, wobei die Feldstarke direkt proportional der Starke der elektromechanischen Kopplung ist. Die Membran wirkt dabei als ein resonierendes Element, wobei die Resonanzfrequenz der Membran von der Dicke
0 und/oder der Masse der Membran abhangt.
Ein kapazitiver mikromaschinell bearbeiteter Ultraschallwandler kann als ein chemischer und/oder ein biologischer Sensor benutzt werden, in dem die Membran mit einem oder mehreren Polymeren
5 beschichtet wird. Die Polymere können so gewählt werden, dass sie bestimmte gefahrliche Stoffe, zum Beispiel brandgefahrliche und/oder gesundheitsgefährdende Gase, absorbieren. Somit kann die Masse der Membran verändert werden. Mit der Änderung der Masse der Membran wird eine Änderung der Resonanzfrequenz auftreten.
1O Somit ist es möglich aus der Änderung der Resonanzfrequenz auf eine Präsenz eines oder mehrer gefahrlichen Stoffe zu schließen. Ein Beispiel für einen chemischen und/oder biologischen Sensor auf Basis eines CMUTs ist beschreiben zum Beispiel in:
'5 B. T. Khuri-Yakub et al.: The Capacitive Micromaschined Ultrasonic Transducer (CMUT) as a Chem/Bio Sensor, 7ιoc, TEFF ϊ'.t^scmc Syn.pos: ^r?, pp . 47/~4'b, /1OOV.
In dieser Veröffentlichung wurden als Polymere zum Beispiel
IO polyaromatischer Alkylmethakrylat (PAAM) , Polyethylenglykol
(PEG) , Polysodium-4-Styrenesolfonate (PSS) , Polyvinylalkohol
(PVA) usw. zu einer Detektion von Wasser, Ethanol, Isopropyl,
Alkohol und Toluen benutzt. Allerdings sind die in dieser
Veröffentlichung beschriebenen Prinzipien durch eine gezielte
15 Auswahl von Polymeren direkt anwendbar, um eine Vielzahl von 20081834 0
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unterschiedlichen gefährlichen Stoffen zu detektieren.
Em optischer Infrarot-Gassensor reagiert auf eine durch ein Gas oder durch mehrere Gase erzeugte Abschwachung eines bespielweise von einer Infrarot-Quelle ausgestrahlten und von einem Detektor empfangenen breitbandigen infraroten Lichtstrahls. Em optischer Infrarot-Gassensor weist ferner eine Analysekammer, in der die charakteristische Absorption durch das zu detektierende Gas oder durch die zu detektierenden Gase stattfindet. Um auch schwach absorbierende Gase detektieren zu können, kann der Strahllaufweg durch die Analysekammer vergrößert werden. Dies kann auch ohne eine Vergrößerung der Analysekammer erreicht werden, indem einige Begrenzungsflachen der Kammer reflektiv und/oder fokussierend aufgebaut werden. Dem Detektor kann ein optisches Filter vorangestellt werden, das entsprechende Absorptionslmien der nachzuweisenden Gase abgestimmt ist.
Em optoelektronischer Gassensor kann zum Beispiel ein optoelektronischer Gassensor auf der Basis von Optoden sein. Bei Optoden handelt es sich um sog. Farbumschlagsensoren. Kommen diese Materialien mit dem zu detektierenden Gas in Kontakt, verandern diese ihre Farbe. In einem einfachen Aufbau kann Licht durch das Detektionsmedium geleitet werden, welches am Ende mit einer Photodiode detektiert wird. Findet ein Farbumschlag statt, so verursacht dies eine Änderung der gemessenen Lichtmenge. Dies kann auch nur einzelne Wellenlangenbereiche betreffen. Em Beispiel für einen optoelektronischen Gassensor auf der Basis von Optoden ist zum Beispiel in der Patentschrift EP 1 004 4363 Bl beschrieben .
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die gassensitive Sensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren, eine Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren, eine Anordnung mehrerer gassensitiver kapazitiver mikromaschinell bearbeiteter 20081834 0
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Ultraschallwandlern, eine Anordnung mehrer optischer Infrarot- Gassensoren und/oder eine Anordnung mehrer optoelektronischer Gassensoren auf.
Ein wichtiger Vorteil der gassensitiven Feldeffekttransistoren ist, dass sie mittels einer hybriden Bauweise aufgebaut werden können, wobei eine gemeinsame Grundeinheit durch unterschiedliche Gatterbeschichtungen für verschiedene Gase anwendbar ist. Somit können ganze Anordnungen von gassensitiven Feldeffekttransistoren kostengünstig und auf kleinstem Raum realisiert werden und somit eine Mehrzahl von unterschiedlichen Gassensoren bilden. Jeder einzelne Gassensor der Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren reagiert unterschiedlich auf ein bestimmtes Ereignis. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechende Signaturen können nachfolgend mit einer gespeicherten Ereignisbibliothek verglichen und zugeordnet werden. Dabei erhöht jeder zusätzliche Einzelsensor die Detektionssicherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren stammenden Informationen ist eine völlige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase nicht notwendig. Mit der Anordnung von gassensitiven Feldeffekttransistoren kann somit die Zahl der zu detektierenden Gase erheblich erhöht werden. Somit kann z.B. ein Brand, eine Brandgefahr, ein Austritt von brandfordernden und gesundheitsgefährdenden Stoffe, schlechtes Klima und/oder Anlagendefekte früher erkannt werden. Auch kann somit eine Gefahrenursache effektiver und vollständiger ermittelt werden.
Da die einzelnen gassensitiven Feldeffekttransistoren ferner einen geringen elektrischen Leistungsverbrauch haben, kann auch der gesamte Leistungsverbrauch der Anordnung gering gehalten werden. Ähnlich wie die Metalloxidhalbleiter-Gassensoren können auch die Feldeffekttransistoren und Anordnungen von 20081834 0
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Feldeffekttransistoren besonders gut geeignet sein um intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren auszunutzen, die Gefahrensituationen sicher zu detektieren, Brandtypen und relevante Gase voneinander zu unterscheiden sowie 5 unterschiedliche Gefahrensituationen zu erkennen.
Ein Beispiel für eine Analyse von Gasmischungen, deren Prinzip leicht auf die hier angesprochenen Anordnungen von Feldeffekttransistoren übertragbar ist, wird beschrieben in:
0
U. Hoefer, A Felske, G. Sulz und K. Steiner: SnO2- Multisensorsysteme für die Analyse von Gas- und Geruchsstoffgemischen, Tagungsband GMA-Tagung „Prozeßautomation in der Lebensmittelindustrie", 1.-2. Februar 1996.
5
Mit der beschriebenen Anordnung von Metalloxidhalbleiter- Gassensoren kann die Zahl der zu detektierenden Gase erheblich erhöht werden. Somit kann eine Gefahrensituation, z.B. Brand, eine Brandgefahr, ein Austritt von brandfordernden und/oder
0 gesundheitsgefährdenden Stoffe, Anlagendefekte und/oder ein schlechtes Klima, früher erkannt werden. Auch kann somit eine Gefahrenursache effektiver und vollständiger ermittelt werden. Jeder einzelne Metalloxidhalbleiter-Gassensor der Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren kann unterschiedlich
5 auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechende Signaturen können nachfolgend mit in einer Ereignisbibliothek gespeicherten Eintragen verglichen und den
>0 Eintragen ggf. zugeordnet werden. Dabei erhöht jeder zusätzliche Emzel-Metalloxidhalbleiter-Gassensor die Detektionssicherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren stammenden Informationen ist eine völlige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase
>5 nicht notwendig. 20081834 0
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In dem Fall einer Anordnung von mehreren Metalloxidhalbleiter- Gassensoren kann diese an einem einzelnen Tragerelement aufgebaut werden. Dabei können unterschiedliche gassensitive Metalloxide 5 und/oder ein unterschiedlich behandeltes Metalloxid benutzt werden, wobei die Behandlung des Metalloxids z. B. eine Dotierung oder eine Zugabe eines Katalysators aufweisen kann.
Beispiele, wie einzelne Metalloxidhalbleiter-Gassensoren 0 temperaturgepulst angesteuert werden und mit einem Mustererkennungsverfahren ausgewertet werden, um mit einem einzigen mikromechanisch hergestellten Metalloxidhalbleiter- Gassensor Gase voneinander zu unterscheiden, sind unter anderen beschrieben in: 5
A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl: Identification of Organic Solvente by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp . 857-863, December 2004.
0 T. Kunt et al: Optimization of temperature programmed sensing for gas Identification using micro-hotplate sensors, Sensors&Actuators B53 (1998), 24-43.
R.E. Cavicchi, J. S. Suehle, K. G. Kreider, M. Gaitan and P. 5 Chaparala: Fast Temperature Programmed Sensing for Micro-Hotplate Gas Sensors, IEEE Electron Device Letters, 16, (1995), 286-288.
Ähnlich wie die Anordnungen von Metalloxidhalbleiter-Gassensoren und von gassensitiven Feldeffekttransistoren können auch
>0 Anordnungen von GasCMUT, Anordnungen von optischen Infrarot- Gassensoren und Anordnungen von optoelektronischen Gassensoren besonders gut geeignet sein intelligente Ansteuer- und Auswerteverfahren auszunutzen, die Gefahrensituationen sicher zu detektieren, Brandtypen und relevante Gase voneinander zu
>5 unterscheiden sowie unterschiedliche Gefahrensituationen zu 200818340
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erkennen .
Auch mit der Anordnung von GasCMUT, der Anordnung von optischen Infrarot-Gassensoren und der Anordnung von optoelektronischen
5 Gassensoren kann die Zahl der zu detektierenden Gase erheblich erhöht werden. Somit kann eine Gefahrensituation, z.B. Brand, eine Brandgefahr, ein Austritt von brandfordernden und/oder gesundheitsgefährdenden Stoffe, Anlagendefekte, und/oder schlechtes Klima, früher erkannt werden. Auch kann somit eine
0 Gefahrenursache effektiver und vollständiger ermittelt werden. Jeder einzelne GasCMUT, optischer Infrarot-Gassensor oder optoelektronischer Gassensor kann unterschiedlich auf ein bestimmtes Ereignis reagieren. Es resultiert somit zu jedem Zeitpunkt ein Signalmuster, welches sich aus den
5 Einzelausgangssignalen zusammensetzt. Diese Signalmuster und/oder entsprechende Signaturen können nachfolgend mit in Ereignisbibliotheken gespeicherten Eintragen verglichen und den Eintragen ggf. zugeordnet werden. Dies kann durch Algorithmen geschehen, die mathematische Methoden wie z.B. PCA (Principal
0 Component Analysis), PLS (Partial Least Squares) oder LDA (Linear Discπminant Analysis) verwenden. Dabei erhöht jeder zusätzliche Emzel-GasCMUT, optischer Infrarot-Gassensor oder optoelektronischer Gassensor die Detektionssicherheit eines Ereignisses. Durch die Vielzahl der aus einer Anordnung von
5 GasCMUT, einer Anordnung von optischen Infrarot-Gassensoren oder einer Anordnung von optoelektronischen Gassensoren stammenden Informationen ist eine völlige Selektivität der Einzelsensoren auf einzelne Gase nicht notwendig.
>0 In dem Fall einer Anordnung von mehreren GasCMUT kann diese an einem einzelnen Tragerelement aufgebaut werden. Dabei können unterschiedliche gassensitive Polyamide benutzt werden.
In dem Fall einer Anordnung von mehreren optischen Infraror- >5 Gassensoren oder einer Anordnung von mehreren optoelektronischen 20081834 0
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Gassensoren kann diese in einem einzelnen Gehäuse aufgebaut werden. Dabei können zum Beispiel unterschiedliche Filter benutzt werden .
5 In allen der oben genannten Falle kann ein geringer Leistungsverbrauch des Multifunktionsmelders ermöglich werden. Somit kann der Multifunktionsmelder für z.B. 72 Stunden batteriegepuffert werden.
0 Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist die gassensitive Sensoreinrichtung zur Detektion eines Gefahrstoffs eingerichtet .
Die Detektion der Gefahrstoffe kann sehr wichtig in Hinblick auf
5 eine frühzeitige Erkennung einer Gefahrensituation sein. Wird ein
Vorhandensein von gefährlichen Stoffen in einem Raum frühzeitig detektiert, kann der gefährliche Stoff beseitigt werden. Auch kann rechtzeitig vor einem Auftreten explosionsfahiger
Gasgemische und/oder gesundheitsgefährdenden Gase gewarnt werden.
0 Ist zum Beispiel bei einer Brandstiftung keine rechtzeitige
Warnung mehr möglich, so kann zusätzlich eine Möglichkeit geschaffen werden den möglicherweise eingesetzten brandfordernden
Stoff zu erkennen und nachfolgend Uberwachungsemπchtungen zu initialisieren.
5
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist der optische Rauchdetektor eingerichtet zur Erkennung von unterschiedlichen Partikelklassen von Feinstaubpartikeln .
>0 Eine Erkennung von unterschiedlichen Partikelklassen von Femstaubpartikeln kann dadurch ermöglicht werden, dass zum Bespiel ein geeigneter Streulichtsensor zur Detektion von Feinstaub benutzt wird. Em derartiger Streulichtdetektor kann mehrere Infrarot-LEDs, die Pruf-Lichtstrahlen von
>5 unterschiedlichen Wellenlangen ausstrahlen, und/oder mehrere 20081834 0
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Lichtempfanger, die das Streulicht unter unterschiedlichen Streuwinkeln detektieren, verwenden. Somit kann der Streulichtsensor eine Erkennung von unterschiedlichen Partikelklassen ermöglichen. Zum Bespiel kann ein
5 Streulichtsensor, der zwei Wellenlangen benutzt, die in dem PM- Standard definierten Partikelklassen PMi0 und PM2, 5 von Feinstaubpartikeln detektieren. Diese Detektion kann besonders wichtig in der Hinsicht auf gesundheitsschädliche Auswirkungen des Feinstaubs sein.
0
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die klimasensitive Sensoreinrichtung einen Temperaturfühler und/oder einen Druckmesser auf.
5 Klimatischen Großen in einem Innenraum wie beispielweise Temperatur und/oder Luftdruck können von einer erheblichen Bedeutung für die sich in einem Innenraum befindenden Personen und Gegenstande sein. Ein optimales Klima kann zum Beispiel wichtig für die Gesundheit der Personen. Um eine optimale
0 Klimaemstellung in einem Gebäude herstellen zu können, kann ein Gebaudeautomatisierungssystem die gefühlte Temperatur und/oder den Luftdruck überwachen. Die gefühlte Temperatur ist als eine von einem Menschen wahrgenommene Umgebungstemperatur zu verstehen. Zusätzlich kann die klimasensitive Sensoreinrichtung
5 einen Licht- oder einen Helligkeitssensor und/oder einen Feuchtigkeitssensor oder ein Hygrometer aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist der optische Rauchdetektor einen Streulichtsensor und/oder einen >0 Ansaugrauchsensor auf.
Ein Einsatz eines Streulichtsensors oder eines Ansaugrauchsensor ermöglicht eine zuverlässige Detektion von Rauch und/oder Stauben verschiedener Größenordnungen. Die Streulichtsensoren haben einen
>5 geringen Leistungsverbrauch. Somit kann der gesamte 20081834 0
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Leistungsverbrauch des Multifunktionsmelders gering halten werden und im Bereich von einigen mW bleiben.
Streulichtsensoren können nach einem Streulichtverfahren arbeiten, das auf den so genanten Tyndall-Effekt basiert. Dabei wird die Erkenntnis benutzt, dass klare Luft praktisch kein Licht reflektiert beziehungsweise streut. Befinden sich aber Rauch- Staub- und/oder Feinstaubpartikeln in der Luft und somit auch in einer optischen Kammer des Streulichtsensors, so wird ein Pruf- Lichtstrahl beispielsweise einer Infrarot-Leuchtdiode (LED) an den Rauch- Staub- und/oder Femstaubpartikeln gestreut. Em Teil des dabei entstehenden Streulichtes kann dann von einem Lichtempfanger wie beispielsweise einer Photodiode detektiert werden. Mit einem Streulichtsensor kann sowohl die Große von Staubpartikel als auch die Konzentration von Staubpartikeln ermittelt werden. Somit kann ein optischer Streulichtsensor als zur Detektion von Feinstaub verwendet werden.
Streulichtsensoren sind gut geeignet zum Beispiel zum frühzeitigen Erkennen von Feinstaub oder von Schwelbranden mit relativ großen und hellen Rauchpartikeln. Somit können Streulichtdetektoren bevorzugt angewendet werden, wenn zum Beispiel mit dem Feinstaub bei einem Brandausbruch mit kaltem Rauch zu rechnen ist. Um die Empfindlichkeit des Streulichtdetektors zu erhohen, kann statt einer einfachen LED eine sehr helle Laserdiode benutzt werden. Ferner kann auch eine Annordnung von mehreren Infrarot-LEDs, die Pruf-Lichtstrahlen von unterschiedlichen Wellenlangen ausstrahlen, und/oder von mehreren Lichtempfangern, die das Streulicht unter unterschiedlichen Streuwinkeln detektieren, verwendet werden, um eine Erkennung von unterschiedlichen Partikelklassen von Feinstaubpartikeln zu ermöglichen .
Bei einem Ansaugrauchsensor wird durch einen integrierten Lufter über ein angeschlossenes Rohrsystem mit Ansaugbohrungen 20081834 0
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kontinuierlich Luft aus einem Uberwachungsbereich entnommen. Die Luftproben werden einer Detektionsemheit zugeführt und dort mit Hilfe eines eingebauten Rauchsensors, z.B. eines Streulichtsensors, auf Rauchpartikel und/oder Feinstaube
5 untersucht. So können Ansaugrauchsensoren im Vergleich zu punktförmigen Rauchsensoren durch ihr weitverzweigtes Rohrnetz bereits bei kleinsten, kaum sichtbaren Konzentrationen von Rauch- und Feinstaubpartikeln eine interne Vorwarnung und ein Eingreifen der Feuerwehr ermöglichen.
0
Ferner kann der optische Rauchdetektor auch einen linearen Rauchsensor aufweisen, der auf eine durch Rauch erzeugte Abschwachung eines - von einer Sendeeinheit ausgestrahlten und von einer Empfangseinheit empfangenen - infraroten Lichtstrahls
5 reagiert. Die linearen Rauchmeldesensoren können gut geeignet sein zum Beispiel zur Überwachung von großen Flachen.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist der Multifunktionsmelder ferner einen passiven Infrarot-Sensor auf, 0 und die Auswerteeinheit ist ferner zur Auswertung eines vierten Ausgangssignals eingerichtet, welches von dem passiven Infrarot- Sensor ausgebbar ist.
Em Einsatz eines passiven Infrarot-Sensors ermöglicht eine
5 zuverlässige Detektion von Warme. Em passiver Infrarot-Sensor misst infrarotes Licht das von Objekten in seinem Blickfeld ausgestrahlt wird, ohne dass der passive Infrarot-Sensor selbst
Energie ausstrahlt. Somit kann zum Beispiel eine Bewegung einer
Infrarot-Quelle mit einer Temperatur, zum Beispiel einer Person
>0 oder einer Flamme, detektiert werden, wenn sich diese vor einer anderen Infrarot-Quelle mit einer anderen Temperatur bewegt. Um die ausgestrahlte Infrarot-Energie in die Sensorflache zu fokussieren, kann eine Mehrzahl von Fresnel-Lmsen und/oder
Spiegeln benutzt werden. Somit wird ein Teilbereich der
>5 Sensorflache erwärmt. Entsprechend der Bewegung der Infrarot- 20081834 0
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Quelle wird sich auch der erwärmte Telbereich der Sensorflache bewegen. Somit kann die Bewegung der Infrarot-Quelle detektiert werden. Mit der zusätzlichen Information des Ausgangsignals des passiven Infrarot-Sensors kann die Zuverlässigkeit und die 5 Aussagekraft des Multifunktionsmelders und damit auch die Gebaudesicherheit weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist Auswerteeinheit einen MikroController, einen Alarmgeber und/oder 0 eine Anzeigeeinheit auf.
Em MikroController ermöglicht eine zuverlässige und effektive Verarbeitung der Ausgangssignale der gassensitiven Sensoreinrichtung, der klimasensitiven Sensoreinrichtung und des
5 optischen Rauchdetektors . Der MikroController kann auch das Ausgangssignal des optionalen passiven Infrarot-Sensors verarbeiten. Auch die Auswertung der oben genanten Ausgangssignale kann lokal in dem MikroController durchgeführt werden, wobei alle diese Ausgangssignale zur Detektion einer
0 Gefahrensituation und zu einer Klimabeurteilung herangezogen werden. Der MikroController kann mit einer ersten Leitung und/oder Funkubermittlung mit dem Alarmgeber verbunden werden. Eine zweite Leitung und/oder Funkubermittlung kann den MikroController mit einer Anzeigeeinheit verbinden.
5
Alternativ kann der Alarmgeber durch eine externe Brandmeldezentrale und die Anzeigeinheit durch eine externe Klimasteuerung ersetzt werden. Dabei können die oben genannten Ausgangssignale entweder in dem MikroController verarbeitet und
>0 ausgewertet oder in dem Mikrocontroller verarbeitet und in der Brandmeldezentrale und/oder Klimasteuerung ausgewertet werden. In diesem alternativen Ausfuhrungsbeispiel können die Leitungen und/oder Funkubermittlungen durch einen Brandbus - zum Übermitteln von brand- und luftguterelevanten Ausgangsdaten des
>5 MikroControllers- bzw. einem Klimabus - zum Übermitteln von 20081834 0
-25- klimarelevanten Ausgangsdaten des Mikrocontrollers - ersetzt werden .
In einem Ausfuhrungsbeispiel kann nur der MikroController mit der
5 Brandmeldezentrale mit dem Brandbus verbunden werden, wobei der
Brandbus sowohl brand- und luftguterelevante auch als klimarelevante Ausgangsdaten des Mikrocontrollers and die
Brandmeldezentrale übermittelt kann. Die klimarelevanten
Ausgangsdaten des Mikrocontrollers können dann von der
0 Brandmeldezentrale and die Klimasteuerung über eine dazu bestimmte Leitung und/oder Funkubermittlung weiter übermittelt werden. Alternativ können die klimarelevanten Ausgangsdaten des
Mikrocontrollers mittels einer Klimadatenerfassung, durch ein
Ablesen in einem Read-out-Modul, direkt von dem Brandbus an die
5 Klimasteuerung übermittelt werden.
Die gassensitive Sensoreinrichtung, die klimasensitive Sensoreinrichtung, der optische Rauchdetektor, bzw. der optionale passive Infrarot-Sensor und der MikroController sind als eine 0 Detektor-Einheit zu verstehen. Diese Detektor-Einheit kann wahlweise über eine Brandmeldezentrale und/oder über eine Gebaudezentrale gesteuert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein 5 Gebaudeautomatisierungssystem mit dem Multifunktionsmelder oder einem Netzwerk der erfmdungsgemaßen Multifunktionsmelder beschrieben .
Mit einem Mutifunktionsmelder oder einem Netzwerk aus mehreren >0 Multifunktionsmeldern können die wichtigen Funktionen eines Gebaudeautomatisierungssystems oder eines Gebaudemanagement- systems, wie zum Beispiel eine Brand-, Klima-, Luftgute- uberwachung und/oder Klimaregulierung, auf eine effektive und zuverlässige Weise ausgeführt werden. ,5 20081834 0
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Dabei können die zur Ausfuhrung der oben genannten Komforts- und Sicherheitsfunktionen eines Gebaudeautomatisierungssystem notwendigen sensorischen Komponenten wie z.B. Brandmelder, Sensoren, Luftgutesensoren sowie Messgerate für klimatische Große kombiniert hergestellt, verdrahtet und ausgewertet werden. Somit sind ein diskreter Aufbau der oben genannten Komponenten und separate Busnetze zur Verbindung dieser Komponenten mit den entsprechenden Steuerungsanlagen nicht mehr notig und ein Aufbau von zum Teil redundanten sensorischen Komponenten, Auswertekomponenten und/oder Verbindungen zwischen diesen Komponenten und den entsprechenden Steuerungsanlagen kann vermieden werden. Dadurch kann die Ansteuerung bzw. Auswertung der sensorischen Komponenten einfacher und kostengünstiger werden.
Ferner kann eine flachendeckende Detektion von Feinstaub in Innenraumen ermöglicht werden.
Mit einer durch den Multifunktionsmelder oder das Netwerk der Multifunktionsmelder ermöglichten Reduktion der Redundanzen von Komponenten und/oder Verbindungen von Komponenten des Gebaudeautomatisierungssystems wird auch eine Senkung der Herstell-, Betriebs- und Installationskosten ermöglicht. Gleichzeitig wird auch eine erhöhte Aussagekraft eines mit dem Multifunktionsmelder oder dem Netwerk der Multifunktionsmelder assoziierten Alarmsystems ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erkennen einer Gefahrensituation unter Verwendung eines Multifunktionsmelders des oben beschriebenen Typs angegeben.
Mit einem derartigen Verfahren, konnten die oben genannten Vorteile des Multifunktionsmelders optimal ausgenutzt werden. Ein geeignetes Verfahren, das auf vorteilhafte Weise die beiden von dem Multifunktionsmelder kombinierten sensorischen Prinzipien berücksichtigt, kann ermöglichen, dass ein einziger 20081834 0
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Multifunktionsmelder zum Beispiel zu einer effektiven und zuverlässigen Erkennung von Branden, Brandursachen, gefährlichen Gasen, brandfordernden Stoffen, explosiven Gasgemischen, Feinstauben und/oder schlechten Klima eingesetzt werden kann.
5
Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung werden das erste Ausgangssignals, das zweite Ausgangssignal und das dritte Ausgangssignal in korrelierter Weise ausgewertet und/oder miteinander verglichen.
0
Durch eine korrelierte Auswertung und/oder Vergleich der drei Ausgangsignale wird es möglich Informationen bezüglich einer Gefahrensituation und/oder einer Gefahrenursache wie z.B. eines Brandes und/oder einer Brandursache zu ermitteln, die über
5 Informationen der einzelnen Ausgangsignale hinaus gehen. Somit kann zum Beispiel eine weitere Gefahrenursache und/oder eine zusätzliche latente Gefahr erkannt werden. Zum Beispiel kann gleichzeitig auch ein Austritt von brandfordernden und gesundheitsgefährdenden Stoffe, Anlagendefekte und/oder
0 schlechtes Klima erkannt werden.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird zusätzlich das vierte Ausgangssignal mit dem ersten Ausgangssignal, dem zweiten Ausgangssignal und/oder dem dritten 5 Ausgangssignal in korrelierter Weise ausgewertet und/oder miteinander verglichen.
Durch eine zusätzliche korrelierte Auswertung und/oder einen zusätzlichen Vergleich des vierten Ausgangssignals mit dem ersten
>0 Ausgangssignal, dem zweiten Ausgangssignal und/oder dem dritten Ausgangssignal wird es möglich Informationen bezüglich einer Gefahrensituation und/oder einer Gefahrenursache wie z.B. eines Brandes und/oder einer Brandursache noch effektiver und zuverlässiger zu ermitteln. Da der passive Infrarot-Sensor auch
>5 als Bewegungssensor benutzt werden kann, wird es somit möglich 20081834 0
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die Gefahrsituation auch mit einer Bewegung von einer Person in Bezug zu setzen. Dadurch konnte zum Beispiel eine Brandstiftung entdeckt werden. Auch kann somit zum Beispiel eine weitere Gefahrenursache oder eine zusätzliche latente Gefahr früher 5 erkannt werden.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird bei dem korrelierten Auswerten und/oder dem Vergleichen ein zeitlicher Verlauf des jeweiligen Ausgangsignals berücksichtigt.
0
Dabei kann die Auswerteeinheit die Ausgangssignale des Gassensors, des Klimasensors und oder des optischen Rauchmelders vergleichen und/oder superponieren und/oder den zeitlichen Verlauf der Ausgangssignale zueinander in Beziehung setzen, um
5 die Gefahrenursache einschätzen zu können. Ein zusätzliches Auswerten des Ausgangssignals des passiven Infrarot-Sensors kann die Aussagekraft des Verfahrens zum Erkennen einer Gefahrensituation weiter erhohen. Eine derartige Auswertung der Ausgangssignale kann sowohl vor einer Gefahrensituation als auch
0 wahrend einer Gefahrensituation durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes bezüglich eines Ausgangsignals der gassensitiven Sensoreinrichtung, der 5 klimasensitiven Sensoreneinrichtung, der optischen Rauchdetektionsemπchtung und/oder des passiven Infrarot-Sensors in der Auswerteeinheit ein Auswertevorgang ausgelost.
Mit dem Auswertevorgang, der durch das Überschreiten des
>0 Schwellenwerts ausgelost wird, kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Auswertevorgang nur bei bestimmten Konzentrationen von bestimmten Gasen, nur bei bestimmten Konzentrationen von Rauch-,
Staub- und/oder Feinstaubpartikeln und/oder nur bei einem
Überschreiten eines bestimmten Wertes einer klimatischen Große
>5 durchgeführt wird. Dabei kann der Auswertevorgang ausgelost 20081834 0
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werden, wenn zum Beispiel die Konzentration, Temperatur, Feuchte und/oder Luftdruck einen bestimmten Wert überschreitet oder innerhalb einer bestimmten Zeit die Konzentration, Temperatur, Feuchte und/oder Luftdruck überdurchschnittlich schnell ansteigt.
5 Die geeigneten Schwellenwerte können bezüglich einer bevorzugten Anwendung und/oder Funktionalität des Multifunktionsmelders gewählt werden. Zum Beispiel können somit Falschalarme und/oder unnötige Auswertevorgange vermieden werden. Der Auswertevorgang kann somit mittels eines geeigneten Triggers ausgelost werden.
0
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausfuhrungsform.
5 Die einzige Figur zeigt einen Multifunktionsmelder .
Die Figur zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Multifunktionsmelders 100. Der Multifunktionssensor 100 kann in einem Gebaudeautomatisierungssystem (nicht gezeigt) 0 integriert werden, wobei das Gebaudeautomatisierungssystem ein Netzwerk von Multifunktionsmeldern 100 aufweisen kann.
Der Multifunktionsmelder 100 weist eine gassensitive Sensoreinrichtung 111, eine klimasensitive Sensoreinrichtung 113, 5 einen optischen Rauchdetektor 115 sowie eine elektronische Schaltung mit einer Auswerteeinheit 117 auf. Optional kann der Multifunktionsmelder 100 einen passiven Infrarot-Sensor 119 aufweisen .
>0 Die gassensitive Sensoreinrichtung 111 weist einen gassensitiven Feldeffekttransistor (GasFET) HlA auf. Gemäß dem hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel weist die gassensitive Sensoreinrichtung 111 noch weitere GasFET HIB bis HlF auf, wobei die GasFET HlA bis HlF eine Anordnung mehrerer
>5 gassensitiver Feldeffekttransistoren 111 darstellen. Gemäß dem 20081834 0
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hier beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel werden verschiedene
Materialien wie zum Beispiel mit Palladium dotiertes Zinndioxid
(Pa/SnO2), Kupferphthalocyanin (CuPC), Polyamid (PA),
Heteropolysiloxan, Titannitrid (TiN) , Platin (Pt) , Platin
5 modifiziertes Galliumoxid (Pt/GaOx) und mit Baπumtitanat dotiertes Kupferoxid (BaTiC>3/CuO) als gassensitive Gatterbeschichtungen benutzt. Somit weist diese Annordung einen CO-Sensor 111 A, einen NOx-Sensor HIB, einen Feuchtigkeitssensor HlC, einen Ozon-Sensor HlD, einen VOC-Sensor HlE, und einen
0 CC>2-Sensor HlF aufweisen.
Die klimasensitive Sensoreinrichtung 113 weist einen Temperaturfühler 113T und einen Druckmesser 113P auf. Ferner kann die klimasensitive Sensoreinrichtung 113 einen 5 Feuchtigkeitssensor oder einen Hygrometer (nicht gezeigt) aufweisen. Weiterhin kann die klimasensitive Sensoreinrichtung 113 einen Licht- oder einen Helligkeitssensor (nicht gezeigt) aufweisen .
0 Der optische Rauchdetektor 115 kann einen Streulichtsensor (nicht gezeigt) oder einen Ansaugrauchsensor (nicht gezeigt) aufweisen. Der Rauchdetektor 115 ist eingerichtet zur Detektion von Feinstaubpartikeln . Ferner kann der Rauchdetektor 115 zu einer kombinierten Detektion von Rauch und Femstaubpartikeln
5 eingerichtet sein. Die kombinierte Detektion ist möglich, da die Rauch- und Femstaubpartikel, obwohl sie in unterschiedlichen Konzentrationen auftreten, von derselben Größenordnung sind.
Ferner kann der Streulichtsensor mehrere Infrarot-LEDs, die Pruf-
>0 Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlangen ausstrahlen, und/oder mehreren Lichtempfanger, die das Streulicht unter unterschiedlichen Streuwinkeln detektieren, verwenden. Somit kann der Streulichtsensor eine Erkennung von unterschiedlichen
Partikelklassen ermöglichen. Zum Bespiel kann ein
>5 Streulichtsensor, der zwei Wellenlangen benutzt, die in dem PM- 20081834 0
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Standard definierten Partikelklassen PMi0 und PM2, 5 von Feinstaubpartikeln detektieren. Diese Detektion kann besonders wichtig in der Hinsicht auf die gesundheitsschädlichen Auswirkungen des Feinstaubs sein.
Der optische Rauchdetektor 115 kann auch einen Ansaugrauchsensor (nicht gezeigt) aufweisen.
Die Auswerteinheit 117 weist einem MikroController 117M, einen Alarmgeber 1171 und eine Anzeigeeinheit 117J auf.
Die gassensitive Sensoreinrichtung 111, die klimasensitive Sensoreinrichtung 113, der optische Rauchdetektorll5 , bzw. der optionale passive Infrarot-Sensor 119 und der MikroController 117M sind als eine Detektor-Einheit zu verstehen.
Die GasFET HlA bis HlF sind mit dem MikroController 117M verbunden, um das Ausgangssignal der gassensitiven
Sensoreinrichtung 111 an den MikroController 117M weiterzuleiten . Dabei weist das Ausgangssignal der gassensitiven
Sensoreinrichtung 111 Ausgangssignale der jeweiligen GasFET HlA bis HlF auf.
Der Temperaturfühler 113P und der Druckmesser 113T sind mit dem MikroController 117M verbunden, um das Ausgangssignal der klimasensitiven Sensoreinrichtung 113 an den MikroController 117M weiterzuleiten. Das Ausgangssignal der klimasensitiven Sensoreinrichtung 113 weist Ausgangssignale des Temperaturfühlers 113P und des Druckmessers 113T auf. Auch die optionalen Feuchtigkeitssensor bzw. Hygrometer und/oder Licht- bzw. Helligkeitssensor können mit dem MikroController 117M verbunden werden. Dabei kann das Ausgangssignal der klimasensitiven Sensoreinrichtung 113 auch die Ausgangssignale dieser optionalen Sensoren aufweisen. 20081834 0
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Der optische Rauchdetektor ist mit dem MikroController 117M verbunden, um das Ausgangssignal des optischen Rauchdetektors 115 an den MikroController 117M weiterzuleiten .
5 Ferner kann auch der optionale passive Infrarot-Sensor 119 mit dem MikroController 117M verbunden werden, um das Ausgangssignal des passiven Infrarot-Sensors an den MikroController 117M weiterzuleiten .
0 Der MikroController 117M ist mit einer ersten Leitung und/oder Funkubermittlung 112 mit dem Alarmgeber 1171 verbunden. Eine zweite Leitung und/oder Funkubermittlung 114 verbindet den MikroController 117M mit einer Anzeigeeinheit 117J. Dabei kann die komplette Auswertung der Ausgangssignale der gassensitiven
5 Sensoreinrichtung 111, der klimasensitiven Sensoreinrichtung 113, des optischen Rauchdetektors 115 und des optionalen passiven Infrarot-Sensors 119 in dem MikroController 117M stattfinden.
Alternativ kann der Alarmgeber 1171 durch eine externe
0 Brandmeldezentrale und die Anzeigeinheit 117J durch eine externe
Klimasteuerung ersetzt werden. Dabei können die oben genannten
Ausgangssignale entweder in dem MikroController 117M verarbeitet und ausgewertet oder in dem MikroController 117M verarbeitet und in der Brandmeldezentrale 1171 und/oder Klimasteuerung 117J
5 ausgewertet werden. In diesem alternativen Ausfuhrungsbeispiel können die Leitungen und/oder Funkubermittlungen 112, 114 durch einen Brandbus - zum Übermitteln von brand- und luftguterelevanten Ausgangsdaten des MikroControllers 117M - bzw. einem Klimabus - zum Übermitteln von klimarelevanten
>0 Ausgangsdaten des MikroControllers 117M - ersetzt werden.
In einem Ausfuhrungsbeispiel kann nur der MikroController 117M mit der Brandmeldezentrale mit dem Brandbus 112 verbunden werden, wobei der Brandbus sowohl brand- und luftguterelevante auch als
>5 klimarelevante Ausgangsdaten des Mikrocontrollers and die 20081834 0
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Brandmeldezentrale 1171 übermittelt kann. Von der Brandmeldezentrale 1171 können relevante Daten weiter an eine Gebaudezentrale (nicht gezeigt) übermittelt werden. Die klimarelevanten Ausgangsdaten des MikroControllers können von der Brandmeldezentrale 1171 and die Klimasteuerung 117J über eine dazu bestimmte Leitung und/oder Funkubermittlung (nicht gezeigt) weiter übermittelt werden.
Alternativ können die klimarelevanten Ausgangsdaten des MikroControllers mittels einer Klimadatenerfassung, durch ein Ablesen in einem Read-out-Modul (nicht gezeigt) , direkt von dem Brandbus 112 an die Klimasteuerung 117J übermittelt werden. Dies kann auch ohne eine aktive Steuerung der Detektor-Einheit über die Gebaudezentrale erfolgen, da ggf. diverse Normen eine Verarbeitung klimarelevanten Signale bzw. Daten über die Brandmeldezentrale untersagen.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel kann die gassensitive Sensorenrichtung 111 einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor HlA oder eine Anordnung mehrer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren HlA bis HlF aufweisen, wobei die jeweiligen Metalloxidhalbleiter- Gassensoren HlA bis HlF, ähnlich der oben in Detail beschriebenen Anordnung mehrerer GasFET, durch eine geeignete Auswahl Halbleiter-Materialien zur Detektion von unterschiedlichen Gasen bestimmt werden können. Zum Beispiel kann die Anordnung mehrer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren einen CO- Sensor 111 A, einen NOx-Sensor HIB, einen Feuchtigkeitssensor HlC, einen Ozon-Sensor HlD, einen VOC-Sensor HlE und einen Cθ2-Sensor HlF aufweisen.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel kann die gassensitive Sensorenrichtung 111 einen gassensitiven kapazitiven mikromaschinell bearbeiteten Ultraschallwandler (GasCMUT) HlA oder eine Anordnung mehrer GasCMUT IHA bis HlF aufweisen. Durch eine geeignete Auswahl von Polymeren zur Beschichtung von 20081834 0
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Membranen der jeweiligen GasCMUT HlA bis HlF können diese zur Detektion von unterschiedlichen Gasen, z. B. CO, NOx, Feuchte, Ozon, VOC und/oder CO2, benutzt werden.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel kann die gassensitive Sensorenrichtung 111 einen optischen Infrarot-Gassensor HlA oder eine Anordnung mehrer optischen Infrarot-Gassensoren HlA bis HlF aufweisen. Durch eine geeignete Auswahl von Wellenlangen und/oder Filtern der jeweiligen optischen Infrarot-Gassensoren HlA bis HlF können diese zur Detektion von unterschiedlichen Gasen, z. B. CO, NOx, Feuchte, Ozon, VOC und/oder CO2, benutzt werden .
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel kann die gassensitive Sensorenrichtung 111 einen optoelektronischen Gassensor HlA oder eine Anordnung mehrer optoelektronischen Gassensoren HlA bis HlF aufweisen. Durch eine geeignete Auswahl von Optoden können diese zur Detektion von unterschiedlichen Gasen, z. B. CO, NOx, Feuchte, Ozon, VOC und/oder CO2, benutzt werden.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel kann die gassensitive Sensorenrichtung 111 oder eine Anordnung von unterschiedlichen Gassensoren, einschließend einen gassensitiven Feldeffekttransistor, einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor, einen gassensitiven kapazitiven mikromaschinell bearbeiteten Ultraschallwandler, einen optischen Infrarot-Gassensor und/oder einen optoelektronischen Gassensor, aufweisen.
Der Ablauf einer Auswertung von Ausgangssignalen einer gassensitiven Sensoreinrichtung 111, einer klimasensitiven Sensoreinrichtung 113 und eines optischen Rauchdetektors 115 wird im Bezug auf ein Ausfuhrungsbeispiel beschrieben, in dem die gassensitive Sensoreinrichtung 111 einen gassensitiven Metalloxidhalbleiter-Gassensor HlA aufweist. Der gassensitive Metalloxidhalbleiter-Gassensor HlA wird mit einem geeigneten 20081834 0
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Temperaturpulsverfahren zum Beispiel durch Temperaturpulse und unterschiedliche Temperaturrampen betrieben. Dabei wird der gassensitive Metalloxidhalbleiter-Gassensor HlA entsprechend beheizt, wobei zum Beispiel eine Heizungsversorgungsemheit des gassensitiven Metalloxidhalbleiter-Gassensors HlA geeignete Strom- bzw. Spannungspulse an ein in dem gassensitiven Metalloxidhalbleiter-Gassensors HlA integriertes Heizungselement angelegt werden. Abhangig von den gewählten Temperaturpulsen und Temperaturrampen werden die Gasreaktionen an der gassensitiven Metalloxid-Halbleitermateπal-Schicht unterschiedlich ablaufen, so dass der Metalloxidhalbleiter-Gassensor ein für die detektierten Gasmolekule charakteristisches Ausgangssignal liefert. Dieses kann mittels eines nachfolgenden Mustererkennungsverfahrens ausgewertet werden.
Über benutzte mathematische Algorithmen werden Signaturen unterschiedlicher Gase erkannt, wie dieses zum Beispiel in der Publikation A. Schütze, A. Gramm, T. Ruhl : Identification of Organic Solvente by a Virtual Multisensor System with Hierarchical Classification, In: IEEE Sensors J, vol. 4, pp . 857- 863, December 2004 beschrieben ist.
Unter Signaturen können zum Beispiel gascharakteristische Reaktions-Kurven verstanden werden, die den zeitlichen Verlauf zum Beispiel des Widerstandes und/oder der Impedanz des Metalloxidhalbleiter-Gassensors zeigen. Ferner können unter dem Begriff Signaturen die entsprechenden Anstiegskurven des Widerstandes und/oder der Impedanz des Metalloxidhalbleiter- Gassensors verstanden werden. Die gemessenen Signaturen können mit in einer Datenbank gespeicherten Signaturen verglichen werden. Somit kann die Auswertung als Ergebnis zum Beispiel die Information liefern, ob ein brandfordernder Stoff vorhanden ist. Ferner kann als Ergebnis ggf. auch der Typ des vorhandenen brandfordernden Stoffes ermittelt werden. Weiterhin kann als Ergebnis eine Konzentration eines oder mehrerer gefährlicher Gase 20081834 0
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wie beispielsweise CO gemeldet werden. Auch kann die Information, ob ein Brandgas und/oder ein gesundheitsgefährdendes Gas vorhanden sind und gegebenenfalls auch dessen Konzentration bereitgestellt werden. Außerdem kann als Ergebnis die Information über den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals und/oder der Konzentrationen der zu detektierenden Gase gegeben werden.
Parallel wird eine Auswertung von dem Ausgangssignal des Streulichtdetektors beziehungsweise des Ansaugrauchsensors 115 durchgeführt. Dieses Ausgangssignal kann auch mittels eines Mustererkennungsverfahrens ausgewertet werden. Über benutzte mathematische Algorithmen werden Signaturen von Rauch und Stauben, einschließend Feinstaben, erkannt. Die Signaturen können in dem Fall des Steuerlichtdetektors den zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahme- bzw. Anstiegsrate des Streulichts aufweisen. Diese Signaturen können mit in einer Datenbank gespeicherten Signaturen verglichen werden. Somit kann die Auswertung als Ergebnis zum Beispiel die Information liefern, ob ein Rauch, Staub und/oder Feinstaub vorhanden ist. Ferner kann als Ergebnis die Art und Konzentration der Rauch-, Staub- und/oder Feinstaubpartikel mitgeteilt werden. Auch kann als Ergebnis die Information über den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals und/oder der Konzentrationen von Rauch-, Staub- und/oder Femstaubpartikeln geliefert werden.
Ferner wird parallel eine Auswertung vom Ausgangssignal zum Beispiel des Temperaturfühlers 113T, des Druckmessers 113P, des Hygrometers und/oder des Helligkeitssensors durchgeführt.
Nachfolgend werden die Ausgangssignale des Metalloxidhalbleiter- Gassensors der klimasensitiven Sensoreinrichtung und des optischen Rauchdetektors superponiert und/oder verglichen. Auch die Auswertung der Superposition und des Vergleichs kann ähnlich wie schon oben beschrieben mittels eines 20081834 0
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Mustererkennungsverfahrens durchgeführt werden. Weiterhin kann diese Auswertung eine Analyse des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale aufweisen. Durch die hier beschriebene kombinierte Auswertung der drei Ausgangssignale können zusätzliche Aussagen getroffen werden wie zum Beispiel ob es ohne eine Rauchentwicklung brennt, ob ein Brand durch einen brandfordernden Stoff unterstutzt und/oder ausgelost wurde. Gegebenenfalls kann auch eine Identifikation des brennenden Mediums und/oder eines anderen gefährlichen Stoffes vorgenommen werden.
Zusätzlich können mit diesen Informationen zu treffende Maßnahmen und/oder Empfehlungen bezüglich der Art eines geeigneten Loschmittels und/oder einer Steuerung verschiedener Aktoren wie zum Beispiel der Start einer Uberwachungskamera und/oder einer Aktivierung von Notausgangen ausgegeben werden.
Der Auswertevorgang durch die Auswerteeinheit kann zum Beispiel durch ein Überschreiten eines Schwellenwerts der gassensitiven Sensoreinrichtung, der klimasensitiven Sensoreinrichtung, des optischen Rauchdetektor und/oder des optionalen passiven Infrarot-Sensors ausgelost werden.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel, in dem die gassensitive Sensoreinrichtung 111 eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren HlA bis HlF aufweist, können die Ausgangssignale der Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren HlA bis HlF verschiedene Weisen durchgeführt werden. Em derzeit als besonders geeignet angesehenes Auswerteverfahren ist beschrieben in der Veröffentlichung von U. Hoefer, A Felske, G. Sulz und K. Steiner: Snθ2-Multisensorsysteme für die Analyse von Gas- und Geruchsstoffe, Tagungsband GMA-Tagung „Prozessautomation in der Lebensmittelindustrie", 1.-2. Februar 1996. 20081834 0
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Auch bei einer Verwendung der CMUT, der optischer Infrarot- Sensoren und/oder der optoelektronischer Gassensoren kann die Auswertung der Superposition und des Vergleichs der jeweiligen Ausgangssignale ähnlich wie schon oben beschrieben mittels eines
5 Mustererkennungsverfahrens durchgeführt werden. Weiterhin kann diese Auswertung eine Analyse des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale aufweisen. In Fall der Verwendung der CMUT können als Signaturen die zeitlichen Verlaufe des Frequenzverhaltens und/oder der Resonanzfrequenz der CMUT benutz werden. In Fall der
0 Verwendung der optischer Infrarot-Sensoren können als Signaturen den zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahme- bzw. Anstiegsrate des Streulichts aufweisen. In Fall der Verwendung der optoelektronischer Gassensoren können die Signaturen den
5 zeitlichen Verlauf der Intensität und/oder der Flackerfrequenz und/oder der Signalabnahme- bzw. Anstiegsrate des von der Photodiode empfangenen Durchlichts aufweisen.
Bei der Auswertung können allgemein statistische Verfahren wie 0 zum Beispiel Hauptkomponentenanalyse, multivaπate Datenanalyse und/oder lineare Diskπmmanzanalyse angewandt werden.
Bei den in dieser Anmeldung beschriebenen sensorischen Prinzipien ist besonders die geringe elektrische Leistungsaufnahme, der
5 geringe Preis, die hohe Empfindlichkeit auf unterschiedliche Gase und die Stabilität der benutzten Sensoren hervorzuheben. Die genannten Vorteile stellen eine wichtige Voraussetzung dar, um die in dieser Anmeldung beschriebenen Multifunktionsmelder zu realisieren und deren Betrieb in elektronischen Netzwerken und
>0 Bussystemen innerhalb eines Gebaudeautomatisierungssystems zu ermöglichen .
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen
Ausfuhrungsformen lediglich eine beschrankte Auswahl an möglichen
>5 Ausfuhrungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, 20081834 0
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die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Claims

20081834 0-40-Patentansprüche
1. Multifunktionsmelder mit
• einer gassensitiven Sensoreinrichtung,
• einer klimasensitiven Sensoreinrichtung,
• einem optischen Rauchdetektor, der eingerichtet ist zur Detektion von Feinstaubpartikeln, und
• einer Auswerteeinheit zur Auswertung
- eines ersten Ausgangssignals, welches von der gassensitiven Sensoreinrichtung ausgebbar ist, eines zweiten Ausgangssignals, welches von der klimasensitiven Sensoreinrichtung ausgebbar ist, und eines dritten Ausgangssignals, welches von dem optischen Rauchdetektor ausgebbar ist.
2. Multifunktionsmelder nach Anspruch 1, wobei die gassensitive Sensoreinrichtung einen gassensitiven Feldeffekttransistor, einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor, einen gassensitiven kapazitiven mikromaschinell bearbeiteten
Ultraschallwandler, einen optischen Infrarot-Gassensor, und/oder einen optoelektronischen Gassensor aufweist.
3. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gassensitive Sensoreinrichtung eine Anordnung mehrerer gassensitiver Feldeffekttransistoren, eine Anordnung mehrerer Metalloxidhalbleiter-Gassensoren, eine Anordnung mehrerer gassensitiver kapazitiver mikromaschinell bearbeiteter Ultraschallwandlern, eine Anordnung mehrer optischer Infrarot-Gassensoren, und/oder eine Anordnung mehrerer optoelektronischer Gassensoren aufweist.
4. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, 200818340
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wobei die gassensitive Sensoreinrichtung eingerichtet ist zur Detektion eines Gefahrstoffs.
5 5. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der optische Rauchdetektor eingerichtet ist zur Erkennung von unterschiedlichen Partikelklassen von Feinstaubpartikeln.
0 6. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die klimasensitive Sensoreinrichtung einen Temperaturfühler und/oder einen Druckmesser aufweist.
5 7. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, der optische Rauchdetektor einen Streulichtsensor und/oder einen Ansaugrauchsensor aufweist.
1O 8. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Multifunktionsmelder ferner einen passiven Infrarot-Sensor aufweist, und die Auswerteeinheit ferner zur Auswertung eines vierten '5 Ausgangssignals eingerichtet ist, welches von dem passiven
Infrarot-Sensor ausgebbar ist.
9. Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit einen MikroController, einen Alarmgeber
10 und/oder eine Anzeigeeinheit aufweist.
10. Gebäudeautomatisierungssystem mit dem Multifunktionsmelder oder einem Netzwerk der Multifunktionsmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche.
!5 20081834 0
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11. Verfahren zum Erkennen einer Gefahrensituation unter Verwendung eines Multifunktionsmelders nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das erste Ausgangssignals, das zweite Ausgangssignal und das dritte Ausgangssignal in korrelierter Weise ausgewertet und/oder miteinander verglichen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem zusätzlich das vierte Ausgangssignal mit dem ersten Ausgangssignal, dem zweiten Ausgangssignal und/oder dem dritten Ausgangssignal in korrelierter Weise ausgewertet und/oder miteinander verglichen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei bei dem korrelierten Auswerten und/oder dem Vergleichen ein zeitlicher Verlauf des jeweiligen Ausgangsignals berücksichtigt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes bezüglich eines Ausgangsignals der gassensitiven Sensoreinrichtung, der klimasensitiven Sensoreneinrichtung, der optischen Rauchdetektionsemπchtung, und/oder des passiven Infrarot-Sensors in der Auswerteeinheit ein Auswertevorgang ausgelost wird.
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