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Dokumentenidentifikation DE19809896A1 09.09.1999
Titel Brandmelder
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Pfefferseder, Anton, Dr., 82054 Sauerlach, DE;
Hensel, Andreas, 71665 Vaihingen, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.1998
DE-Aktenzeichen 19809896
Offenlegungstag 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse G08B 17/107
IPC-Nebenklasse G01J 1/16   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Brandmelder zur Detektion von gasförmigen und von staubförmigen Verbrennungsprodukten, mit wenigstens einem optischen Sender und wenigstens zwei optischen Empfängern zur Ausgabe jeweils eines elektrischen Signals an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit.
Es ist vorgesehen, daß wenigstens einer der optischen Empfänger (28) außerhalb eines direkten Strahlungsbereiches (8) des optischen Senders (2) angeordnet ist und als Streulichtempfänger fungiert und daß wenigstens einem weiteren, in einem direkten Strahlungsbereich (8) des optischen Senders (2) angeordneten, optischen Empfänger (4) eine gassensitive Schicht (18) vorgeschaltet ist, die bei einem Kontakt mit einem spezifischen Gas bevorzugt Lichtsignale eines bestimmten schmalen Wellenlängenbereiches absorbiert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Brandmelder mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Zur Brandfrüherkennung werden im allgemeinen Rauchmelder eingesetzt. Zu den am häufigsten eingesetzten Meldern im Bereich der Branddetektion zählen optische Rauchmelder. Sie können als Durchlicht- oder als Streulichtmelder ausgeführt sein. Auf dem Streustrahlungsprinzip beruhende Rauchmelder detektieren Rauchpartikel durch eine Messung von an diesen Rauchpartikeln gestreuter Strahlung. Das Ansprechverhalten beziehungsweise die Empfindlichkeit aller optischen Rauchmelder ist stark abhängig von der Art des Brandes. Die Menge, die Beschaffenheit und die Zusammensetzung des durch den Brand erzeugten Rauches spielt eine große Rolle für die Empfindlichkeit der Rauchmelder. Brände mit geringer Rauchentwicklung können schlechter detektiert werden als Brände, bei denen viel Rauch entsteht. Streulichtrauchmelder sind zudem darauf angewiesen, daß eine Reflexion des Lichtes an den Rauchpartikeln entsteht. Zur Erzielung eines gleichmäßigeren Ansprechverhaltens von Brandmeldern können optische Rauchmelder mit Meldern kombiniert werden, die auf anderen Prinzipien basieren. Bekannt sind beispielsweise Ionisationsrauchmelder oder Temperaturmelder. Diese verschiedenen Brandmeldertypen können an verschiedenen Orten in einem Raum angebracht oder auch in einem einzigen Melder integriert werden.

Solche Kombinationen von optischen Rauchmeldern mit Temperaturmeldern oder Ionisationsrauchmeldern sind bekannt. Neben einer Temperaturerhöhung und der Entstehung von Rauch ist ein weiteres signifikantes Merkmal zur Branderkennung das Auftreten gasförmiger Verbrennungsprodukte. Diese können durch verschiedene Arten von Gassensoren detektiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brandmelder zu schaffen, der verschiedenartige Brände, mit und ohne Rauchentwicklung, sicher detektieren kann.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Brandmelder mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß durch die Kombination zweier verschiedener Sensormethoden eine zuverlässigere Branderkennung möglich ist als dies bei herkömmlichen Rauch- oder Brandmeldern der Fall ist. So ist ein an sich bekannter Streulichtempfänger zur Detektion von Rauch mit wenigstens einem weiteren optischen Empfänger kombiniert, der durch Vorschaltung einer gassensitiven Schicht auf spezifische Bestandteile in der Luft reagiert, die bei der Verbrennung typischerweise entstehen. Durch Verwendung einer gemeinsamen Lichtquelle als optischen Sender kann der Brandmelder sehr kompakt und platzsparend aufgebaut sein. Auch die Signalverarbeitung einer nachgeschalteten Auswerteeinheit vereinfacht sich. Weiterhin genügt es in der Regel, nur einen solchen Brandmelder je Raum, wenn dieser eine bestimme Größe nicht überschreitet, vorzusehen, anstatt mehreren auf verschiedenen Meßprinzipien arbeitenden, was die Installation und Verkabelung erheblich vereinfacht. Die im direkten Strahlungsbereich des optischen Senders befindlichen optischen Empfänger können zusätzlich als Durchlichtrauchmelder fungieren und sind somit in der Lage, Helligkeitsänderungen aufgrund in der Luft vorhandener Aerosole zu registrieren. Dies wird vorteilhafterweise durch eine Auswerteeinheit ermöglicht, die dem optischen Empfänger nachgeschaltet ist und Schwankungen des elektrischen Signals aufgrund Schwankungen der Helligkeit des empfangenen Lichtsignals auswertet. Dabei kommen bekannte Verfahren, wie zum Beispiel modulierte Messung oder Lock-In-Technik zum Einsatz.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten, Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung einer gassensitiven Schicht zwischen optischem Sender und optischem Empfänger;

Fig. 2 ein Absorptionsspektrum einer auf NO- beziehungsweise NO2 sensitiven Schicht;

Fig. 3 eine Meßanordnung mit gassensitiver Schicht auf dem optischen Empfänger und

Fig. 4 einen Aufbau eines kombinierten Brandmelders.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Meßanordnung, bestehend aus einem optischen Sender 2, beispielsweise einer Infrarot-Leuchtdiode, und einem optischen Empfänger 4, beispielsweise einer Fotodiode, der auf Infrarotlicht empfindlich ist. Mit solchen Bauteilen sind kleine kompakte und kostengünstige Brandmelder möglich, die zudem mit sehr wenig Energie auskommen. Ebensogut können jedoch auch optische Sender 2 und Empfänger 4 verwendet werden, die mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeiten. Entscheidend für die Funktion der Meßanordnung ist die Abstimmung zwischen der Wellenlänge des vom optischen Sender 2 ausgesandten Lichts und der absorbierten Wellenlänge einer im folgenden beschriebenen gassensitiven Schicht 6. Zwischen optischem Sender 2 und in dessen direktem Strahlengang 8 in gewissem Abstand angebrachtem optischem Empfänger 4 befindet sich eine für die Strahlung des optischen Senders 2 durchlässige Schicht 6, beispielsweise bestehend aus einem Träger aus Polymermaterial, der mit einer bestimmten gassensitiven Schicht versehen ist. Diese für das vom optischen Sender 2 abgestrahlte Licht durchlässige Schicht 6 kann sich genau in der Mitte zwischen dem optischen Sender 2 und dem optischen Empfänger 4 befinden, es ist jedoch ebenso möglich, sie an jeder Position zwischen dem optischen Sender 2 und dem optischen Empfänger 4 anzuordnen, sofern sie sich im Strahlengang 8 befindet. Die an sich bekannte gassensitive Schicht 6 kann ein von dem optischen Sender 2 ausgesandtes Licht bestimmter Wellenlänge bei Wechselwirkung mit bestimmten Gasen teilweise absorbieren. Die gassensitive Schicht 6 enthält eine auf ein bestimmtes Gas sensitive Indikatorsubstanz und wird vor dem Einbau mittels vorheriger Eichmessungen kalibriert. Sobald das zu detektierende Gas in den Bereich zwischen optischem Sender 2 und optischem Empfänger 4 eintritt, ändert die in der Schicht 6 enthaltene Indikatorsubstanz ihre Absorption für bestimmte Wellenlängenbereiche der auf sie auftreffenden elektromagnetischen Strahlung. Da diese Wellenlänge einem lokalen Absorptionsmaximum der Indikatorsubstanz entspricht, registriert der hinter der Schicht 6 angeordnete optische Empfänger 4 eine veränderte Transmission. Die Höhe des Absorptionsmaximums und damit die Größe der Transmission sind proportional zur Konzentration des Gases. Diese kann mittels einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit erfaßt und bei einem Einsatz als Rauchmelder mit einem Signalgeber verbunden werden.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm beispielhaft einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Absorption von Licht einer gassensitiven Schicht bei verschiedenen Konzentrationen eines mit der gassensitiven Schicht in Berührung kommenden Gasgemisches. Auf der horizontalen Achse 16 des Diagramms ist die Wellenlänge λ des vom optischen Sender abgestrahlten Lichts in Nanometern (nm) aufgetragen. Auf der vertikalen Achse 14 ist ein relativer Absorptionswert aufgetragen, der bei vollständiger Absorption einen Wert von 1,0 annehmen würde. In der Fig. 2 beispielsweise ist die gassensitive Schicht eine auf NO und/oder NO2 sensitive Schicht. Erkennbar ist, daß bei einer bestimmten Lichtwellenlänge, im gezeigten Beispiel bei circa 670 nm, die Absorption von Licht bei steigender NO-Konzentration ein deutliches Maximum aufweist. Es sind mehrere Kurven 11 aufgetragen, deren Maximum bei steigender NO-Konzentration jeweils zunimmt. Diese Zunahme ist durch einen aufwärts gerichteten Pfeil 12 angedeutet. Der Sensoreffekt, das heißt die Absorptions- beziehungsweise die Transmissionsänderungen, können bei den verwendeten gassensitiven Schichten in der Regel in relativ engen Wellenlängenbereichen nachgewiesen werden. Als Träger für solche gassensitiven Schichten eignen sich bestimmte Polymere, die chemisch weitgehend inert sind, so daß sichergestellt ist, daß nur die Indikatorsubstanz mit dem Gas wechselwirkt. Diese Indikatorsubstanz ist auf das Polymer aufgebracht und zeigt eine Wechselwirkung mit bestimmten Gasen. Weiterhin ist mit dieser Meßmethode möglich, mehrere optische Empfänger mit jeweils unterschiedlichen gassensitiven Schichten zu versehen und auf diese Weise kombinierte Rauchmelder darzustellen, die auf eine Vielzahl von verschiedenen Gasen ansprechen.

Fig. 3 zeigt eine alternative Meßanordnung, bei der eine gassensitive Schicht 10 direkt auf den optischen Empfänger 4, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine lichtempfindliche Fotodiode, aufgebracht ist. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal erläutert. Eine solche Meßanordnung weist den Vorteil auf, daß damit sehr kompakte Rauch- beziehungsweise Verbrennungsgasmelder darstellbar sind. Zur Detektion verschiedener gasförmiger Verbrennungsprodukte können mehrere optische Empfänger 4 jeweils auf unterschiedliche Gase sensitive Schichten 10 aufweisen. Diese können alle im Strahlengang 8 des optischen Sensors 2 in einem bestimmten Abstand von diesem angeordnet sein und sind dadurch in der Lage, verschiedene charakteristische Absorptionssignale für verschiedene Verbrennungsgase an eine hier nicht dargestellte Auswerteeinheit zu liefern.

Fig. 4 zeigt schließlich einen Aufbau eines kombinierten Brandmelders 1, der neben einem optischen Sender 2 einen als Streulichtsensor wirkenden optischen Empfänger 28 und wenigstens einen als Gassensor wirkenden optischen Empfänger 4 aufweist. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal erläutert. Aufgrund des verwendeten Wellenlängenbereiches des von dem optischen Sender 2 abgestrahlten Lichts kann für beide Detektionsmethoden eine gemeinsame Lichtquelle, hier beispielsweise eine Infrarot- Leuchtdiode, eingesetzt werden. Der Brandmelder 1 besteht im wesentlichen aus einer Kammer 32, die so gestaltet ist, daß kein oder nur wenig Licht von außen eindringen kann und gleichzeitig Rauch und gasförmige Verbrennungsprodukte möglichst ungehindert Zugang haben. Dies kann, wie bei Streulichtmeldern üblich, in Form eines hier nicht dargestellten optischen Labyrinths realisiert sein. In der Wandung sind mehrere nach außen verschlossene Aufnahmen 34, 36, 38 für den optischen Sender 2 und den optischen Empfänger 4, 28 eingelassen. Die Kammer 32 ist nach wenigstens einer Stirnseite hin offen, so daß die Sensoren mit der Atmosphäre in der Kammer und darin enthaltenen Verbrennungsgasen oder Rauch in Verbindung stehen. Die Außenwand der Kammer 32 besteht vorzugsweise aus lichtundurchlässigem Material, damit bei den Messungen keine Fehleinflüsse durch einfallendes Streulicht auftreten. Die Aufnahmen 34, 36, 38 für den optischen Sender 2 und die optischen Empfänger 4, 28 sind vorzugsweise so tief gestaltet, daß der optische Sender 2 nur mit einem schmalen Lichtaustrittskegel abstrahlen kann, und daß auf die optischen Empfänger 4, 28 kein in die Stirnseiten der Kammer 32 einfallendes Streulicht auftreffen kann. Die optische Achse 8 des Lichtaustrittskegels des optischen Senders 2 liegt vorzugsweise in einem schrägen Winkel von beispielsweise 45° zur Längsachse der Kammer 32. Der optische Empfänger 28 für den Streulichtsensor, hier beispielsweise eine Photodiode, ist vorzugsweise so angeordnet, daß er nicht im direkten Strahlungsbereich 8 des optischen Senders 2 liegt und damit nur Streulicht empfangen kann. So kann eine optische Achse 30 des optischen Empfängers 28 ebenfalls in einem schrägen Winkel von beispielsweise 45° zur Längsachse der Röhre 32 liegen, so daß sich die optischen Achsen 8 und 30 in einem bestimmten Punkt auf der Längsachse der Röhre 32 unter einem Winkel von beispielsweise 90° schneiden. Der optische Empfänger 28 arbeitet in Verbindung mit dem optischen Sender 2 somit wie ein herkömmlicher Streulichtrauchmelder. Wenigstens ein weiterer optischer Empfänger 4 ist in einer weiteren Aufnahme 36 angeordnet, deren Längserstreckung in gleicher Richtung wie die Aufnahme 34 für den optischen Sender 2 ausgerichtet ist. Der optische Empfänger 4 liegt somit im direkten Strahlungsbereich des optischen Senders 2 und ist daher vorzugsweise zur Detektion von für den Streulichtsensor nicht detektierbaren Verbrennungsgasen geeignet. Zu diesem Zweck ist dem optischen Empfänger 4 ein Träger mit einer gassensitiven Schicht 18 zur Absorption bestimmter Lichtanteile in Abhängigkeit von in der Luft befindlichen Gaskonzentrationen vorgesetzt. Zur Bündelung des von den optischen Empfängern 4, 28 empfangenen Lichts sind diesen vorzugsweise Sammellinsen 22, 24 vorgeschaltet, die das in die Aufnahmen 36, 38 einfallende Licht exakt auf die lichtempfindliche Stelle der optischen Empfänger 4, 28 fokussieren. In einem Brandmelder 1 können mehrere optische Empfänger 4 mit jeweils unterschiedlichen vorgesetzten ganssensitiven Schichten vorgesehen sein. Dadurch können verschiedene gasförmige Verbrennungsprodukte erfaßt werden. Bei bestimmten Brandsituationen, wo keine Gase entstehen, auf welche die gassensitiven Schichten ansprechen könnten, kann der Streulichtsensor dennoch Alarm auslösen.

Als eine weitere Funktionsmöglichkeit des Brandmelders kann die Lichtdämpfung durch in der Verbrennungsluft enthaltene Aerosole gemessen und als Alarmkriterium herangezogen werden. Bei konstanter Helligkeit des vom optischen Sender 2 ausgestrahlten Lichts ist das vom optischen Empfänger 4 abgegebene elektrische Signal ebenfalls konstant. Bei einer Helligkeitsabschwächung durch in der Luft enthaltene Aerosole, auf welche die gassensitive Schicht 18 nicht durch eine teilweise Absorption anspricht, wird das vom optischen Empfänger 4 abgegebene Signal dennoch schwächer, was als weiteres Kriterium für einen möglichen Brand ausgewertet werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Brandmelder, insbesondere zur Detektion von gasförmigen und/oder staubförmigen Verbrennungsprodukten, mit wenigstens einer optischen Erkennungseinrichtung, wobei in Abhängigkeit von physikalischen und/oder chemischen Parametern der Verbrennungsprodukte ein Signal generiert und an eine nachgeschaltete Auswerteeinheit gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennungseinrichtung wenigstens einen optischen Sender (2) und wenigstens zwei optische Empfänger (4, 28) umfaßt, wobei einer der optischen Empfänger (28) außerhalb eines direkten Strahlungsbereiches (8) des optischen Senders (2) angeordnet ist und als Streulichtempfänger fungiert und daß wenigstens einem weiteren, in einem direkten Strahlungsbereich (8) des optischen Senders (2) angeordneten, optischen Empfänger (4) eine gassensitive Schicht (18) vorgeschaltet ist, die bei einem Kontakt mit einem spezifischen Gas bevorzugt Lichtanteile eines bestimmten schmalen Wellenlängenbereiches absorbiert.
  2. 2. Brandmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere optische Empfänger (4) im direkten Strahlungsbereich (8) des optischen Senders (2) angeordnet sind, denen jeweils auf unterschiedliche Gase sensitive Schichten (18) vorgeschaltet sind.
  3. 3. Brandmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den optischen Empfängern (4, 28) jeweils eine Optik (22, 24) vorgeschaltet ist.
  4. 4. Brandmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von wenigstens einem im direkten Strahlengang (8) des optischen Senders (2) angeordneten optischen Empfänger (4) empfangenes Signal als das eines Durchlichtrauchmelders ausgewertet wird.
  5. 5. Brandmelder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem wenigstens einen im direkten Strahlengang (8) des optischen Senders (2) angeordneten optischen Empfänger (4) jeweils eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Helligkeitsänderungen durch im Strahlengang befindliche Aerosole nachgeschaltet ist.
  6. 6. Brandmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (2) sowie die wenigstens zwei optischen Empfänger (4, 28) in einem gemeinsamen, für Luft durchlässigen und für Licht undurchlässigen, Gehäuse eingebaut sind.






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