Die Erfindung betrifft einen Rauchmelder nach dem Strahlungs-Extinktions-Prinzip mit Strahlungssender unterschiedlicher Wellenlänge und Strahlungsempfänger, welche Strahlungssender Strahlen über eine rauchzugängliche Messstrekke zum Messstrahlungsempfänger und Strahlen über eine nicht oder weniger rauchzugängliche Vergleichsstrecke zum Vergleichsstrahlungsempfänger senden, wobei eine den beiden Empfängern nachgeordnete Auswerteschaltung ein Signal bei einer bestimmten Strahlungsschwäche erzeugt.

Bei einem derartigen Rauchmelder muss eine relativ kleine Abnahme der von einem Strahlungssender auf eine Strahlungsempfänger gerichteten Strahlung nachgewiesen werden. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass eine Bestrahlungsabnahme, beispielsweise durch Alterung der Strahlungsquelle, durch Verstaubung optisch wirksamer Flächen, oder der Temperaturgang von Strahlungssendern und -Empfängern eine ähnliche Wirkung haben können wie das Vorhandensein von Rauch in der Messstrecke, so dass ein fehlerhaftes Alarmsignal ausgelöst werden kann, auch wenn kein Rauch vorhanden ist, oder der Rauchmelder unempfindlicher und daher unbrauchbar wird.

Gemäss US-Patent 3 994 603 kann dieser Nachteil dadurch beseitigt werden, dass ein Vergleichsstrahlengang vorgesehen ist, der nicht oder weniger durch Rauch beeinflusstwird, wobei die Auswerteschaltung mittels eines Vergleichsstrahlungsempfängers die nicht durch Rauch bedingten Strahlungsänderungen kompensiert. Auf diese Weise können zwar die genannten Nachteile weitgehend vermieden werden, jedoch lässt sich auf diese Weise Rauch nicht mit Sicherheit von anderen Schwebeteilchenarten, z.B. Staubpartikel oder Nebeldämpfe, unterscheiden.

Im US-Patent 3 895 233 ist ein Gerät zur Analyse von S0₂ in Abgasen mit festen Schwebeteilchen (Rauch) beschrieben, in welchen zwei abwechselnd betätigte Strahlungssender ihre unterschiedliche Wellenlängen aufweisenden Strahlen über einen Strahlungsteiler in eine Messstrecke und eine Vergleichsstrecke lenken, wobei jede Strecke an ihrem Ende einen eigenen Strahlungsempfänger enthält. Nachteilig hierbei ist, dass die festen Schwebeteilchen (Rauch) keinen Einfluss auf das Messergebnis der Analyse ausüben, und daher eine Extinktion der Strahlung ausgeschlossen ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen Rauchmelder nach dem Extinktions-Prinzip zu schaffen, der gegen Temperaturschwankungen, Verstaubung oder Betauung, Alterung der Bauelemente und andere langsame Eigenschaftsänderungen unempfindlich ist, der eine verbesserte Langzeit-Stabilität aufweist und störunanfällig und betriebssicher arbeitet, und der Rauch mit grösserer Sicherheit von anderen Fehlalarme auslösenden Partikelarten, z. B. Staub oder Nebeltropfen, zu unterscheiden vermag und eine geringere Fehlalarmanfälligkeit aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung, sowie zweckmässige Weiterbildungen derselben, werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

• Figur 1 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit Reflektor.
• Figur 2 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit Strahlungsleiter im Anschluss an die Messstrekke.
• Figur 3 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit Dispersions-Prisma.
• Figur 4 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit hintereinander angeordneten Strahlungssendern.
• Figur 5 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit Strahlungsleitern vor der Messstrecke.
• Figur 6 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit Mattscheibe.
• Figur 7 zeigt eine Rauchmelder-Anordnung mit Dachkanten-Prisma.
• Figuren 8 und 9 zeigen je eine Auswerteschaltung für einen Rauchmelder.

Bei der in Figur 1 dargestellten Rauchmelder-Anordnung sind zwei Strahlungssender L, und L_G so angeordnet, dass ihre Hauptausstrahlungsrichtungen sich unter einem Winkel von 90° kreuzen. Unter einem Winkel von 45° zu den beiden Strahlungsrichtungen ist ein halbdurchlässiger Spiegel D angeordnet. In der direkten Strahlungsrichtung des einen Strahlungssenders L, ist ein Vergleichsstrahlungsempfänger S_v vorgesehen. In Strahlungsrichtung des anderen Strahlungssenders L_G liegt eine rauchzugängliche Messstrecke M, beispielsweise in der Länge von 10 cm-20 cm. Am Ende der Messstrecke befindet sich ein Strahlungsreflektor R, der die die Messstrecke M durchsetzende Strahlung auf einen Messstrahlungsempfänger S_M zurückwirft. Mit dieser Anordnung wird bewirkt, dass sowohl die Strahlung des Strahlungssenders L_R, umgelenkt durch den halbdurchlässigen Spiegel D, als auch der von diesem Spiegel D durchgelassene Anteil des anderen Strahlungssenders L_G die Messstrekke M passiert und vom Reflektor R zurückgeworfen, vom Messstrahlungsempfänger S_M aufgenommen wird. Dahingegen trifft die vom Strahlungssender LR ausgehende direkte Strahlung nach Durchsetzen des halbdurchlässigen Spiegels D und die vom anderen Strahlungssender L_G ausgehende, vom halbdurchlässigen Spiegel D reflektierte Strahlung nach Durchlaufen einer nicht oder weniger rauchzugänglichen Vergleichsstrecke auf den Vergleichsstrahlungsempfänger S_v. Durch diese Anordnung wird also bewirkt, dass die beiden Strahlungsempfänger bei Abwesenheit von Rauch durch die beiden Strahlungssender nahezu gleich beaufschlagt werden, bei Anwesenheit von Rauch in der Messstrecke dagegen stark unterschiedlich.

Die beiden Strahlungssender L_R und L_G sind nun so ausgebildet, dass sie Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängengebieten aussenden. Es hat sich als zweckmässig erwiesen, den einen Strahlungssender so auszubilden, dass er bevorzugt Strahlung mit einer Wellenlänge unter 600 nm aussendet, vorzugsweise im Bereich des grünen Lichtes, während der andere Strahlungssender Strahlung über 600 nm produziert, vorzugsweise rotes Licht oder Infrarotstrahlung. Die Wellenlängengebiete können auch so gewählt werden, dass ihre Mittelwerte einen Abstand von mindestens 50 nm voneinander haben. Mit der Wahl der Wellenlängenbereiche können die unterschiedlichen Extinktionseigenschaften verschiedener Schwebeteilchen zur Unterscheidung von Rauch ausgenützt werden, da es sich gezeigt hat, dass der Unterschied der Absorption in den beiden genannten Spektralbereichen für verschiedene Partikelarten einen charakteristischen Wert hat. Wenn nun die an die beiden Strahlungsempfänger angeschlossene Auswerteschaltung, wie später erläutert, auf diesen Unterschied abgestimmt ist, so kann erreicht werden, dass Rauchpartikel ein besonders grosses Ausgangssignal liefern, während andere Partikelarten, z.B. Staub oder Nebeltröpfchen, einen wesentlich geringeren Einfluss zeigen, so dass eine Alarmsignalgabe im Wesentlichen durch Rauch bewirkt wird, jedoch nicht durch andere Partikelarten. Als Strahlungsquellen können dabei Breitbandstrahler, z. B. Glühlampen, mit entsprechenden, vorgeschalteten Farbfiltern verwendet werden. Besonders zweckmässig hat sich die Verwendung von Leuchtdioden erwiesen, die auf die Emission von Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen ausgerichtet sind. Zur Fokussierung der Strahlung auf die Messstrecke M ist dabei die Verwendung einer Kollimatorlinse K empfehlenswert, um Strahlungsverluste zu vermeiden. Auf eine solche Kollimatorlinse kann jedoch verzichtet werden, wenn die Strahlungsquellen als LASER-Dioden ausgebildet sind. Die beiden Strahlungsempfänger S_v und S_m sind zweckmässigerweise auf die Strahlung der beiden Strahlungssender L_G und L_R abgestimmt, d.h., sie sind zweckmässigerweise so ausgebildet, dass sie für die Spektralbereiche beider Strahiungssender L_G und L_R empfindlich sind.

Das Teilverhältnis des halbdurchlässigen Spiegels D kann, aber muss nicht 1 : 1 betragen. Falls Strahlungssender L_R und L_G mit stark unterschiedlicher Intensität oder Strahlungsempfänger S, und S_v mit stark unterschiedlicher Empfindlichkeit benützt werden, ist es zweckmässig, das Teilverhältnis abweichend zu wählen, nötigenfalls bis zu 50: 1, um zu erreichen, dass die Empfänger bei Bestrahlung in beiden Spektralbereichen etwa das gleiche Ausgangssignal abgeben.

Statt eines einzigen Reflektors R können im Übrigen auch mehrere Reflektorelemente vorgesehen sein, mit denen die Messstrecke M mehrfach gefaltet wird, z.B. in Stern-Form (DE 2 856 259).

Figur 2 zeigt eine abgewandelte Ausführung einer Rauchmelder-Anordnung, bei der für jeden der beiden Strahlungssender L_G und L, jeweils eine separate Kollimatorlinse K₁ und K₂ vorgesehen ist. Zum Unterschied vom ersten Beispiel wird die Strahlung nach Durchlaufen der Messstrecke M nicht reflektiert, sondern mit einem Strahlungsleiter F (Fiberoptik) zum Messstrahlungsempfänger S_M zurückgeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel können Messstrahlungsempfänger S, und Vergleichsstrahlungsempfänger S_v unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, oder in einer Weiterbildung der Erfindung, als Dual-Strahlungsempfänger ausgebildet sein. Der Anschluss an die Auswerteschaltung wird hierdurch wesentlich erleichtert, und es werden gleiche optische Eigenschaften und gleicher Temperaturgang erreicht.

Figur 3 zeigt eine Rauchdetektor-Anordnung mit unmittelbar benachbart angeordneten Strahlungssendern L_G und L_R. Um zu erreichen, dass bei einer solchen Anordnung die Messstrahlen beider Strahlungssender parallel zueinander verlaufen, wird die Dispersion eines Prismas P ausgenützt Die Strahlung der beiden Strahlungssender L_R und L_G wird zunächst von einem Kollimator K ausgerichtet und durchsetzt das gleiche Prisma P. Da längerwelliges Licht weniger gebrochen wird als kürzerwelliges Licht, wird dabei der Winkel der Hauptstrahlungsrichtungen ausgeglichen und beide Strahlen M treten parallel zueinander aus dem Prisma aus. Damit kann gewährleistet werden, dass für beide Wellenlängen oder Spektralbereiche die Messstrahlengänge weitgehend übereinstimmen und den gleichen Einflüssen unterliegen. Die Vergleichsstrahlung kann dabei vor oder hinter dem Prisma an einer geeigneten Stelle abgenommen werden.

Figur 4 zeigt eine weitere Rauchmelder-Anordnung mit übereinstimmendem Messstrahl M in beiden Spektralgebieten. In diesem Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die beiden Strahlungsquellen L_R und L_G auf der gleichen Achse hintereinander angeordnet sind. Dabei kann beispielsweise ein grün emittierender LED-Chip auf einem Infrarot-emittierenden Chip montiert sein, so dass die vom Infrarot-Chip ausgesandte Strahlung durch den Grün-Chip hindurch strahlt. Die beiden Strahlungsarten werden durch einen Kollimator K parallel gerichtet und durchlaufen die Messstrecke M auf identischen Wegen. Dabei ist vor oder hinter dem Kollimator K ein halbdurchlässiger Spiegel D vorgesehen, der einen Teil der Strahlung auf den Vergleichsstrahlungsempfänger S_v leitet. Dies gewährleistet eine vollständige Kompensation aller Intensitätsschwankungen und Dejustierungen.

Wie in Figur 5 dargestellt, kann die Strahlung der beiden Strahlungssender L_G und L_R auch mittels strahlungsleitender Elemente F₁, F₂ (Fiberoptik) und einem Kollimator K am Ausgang der Elemente zum Messstrahl M vereinigt werden.

Nach Figur 6 können die beiden Strahlungssender L_G, L_R auch das gleiche Mattscheiben-Element MS bestrahlen, wobei die von diesem ausgehende Strahlung mittels des Kollimators K in die Messstrecke M geleitet wird.

Gemäss Figur 7 kann die in leicht unterschiedlichen Richtungen ausgesandte Strahlung der beiden Strahlungssender L_R, L_G auch mittels eines Dachkantenprismas DP in der gleichen Richtung der Messstrecke M gerichtet werden. Eine gleichmässigere Ausleuchtung der Apertur kann dabei noch erreicht werden, wenn anstelle des einen Dachkantenprismas ein ganzer Array (Nebeneinanderanordnung) von schmalen Dachkantenprismen verwendet wird (Fresnelprisma).

Falls die beiden Strahlungssender hintereinander montiert sind, lässt sich deren Licht in die Messstrecke vereinigen, indem man eine bifokale Fresnellinse verwendet. Jeder zweite Ring dieser Fresnellinse bildet den einen Strahlungssender auf einen Punkt (der sich auch im Unendlich befinden kann) ab, während die anderen Ringe den anderen Strahlungssender auf denselben Punkt abbilden. Falls die beiden Strahlungssender nebeneinander montiert sind, können sie mit Hilfe einer zylindrischen bifokalen Fresnellinse auf denselben Bildpunkt abgebildet werden.

Eine vollständige Identität der Messstrecke für die beiden Spekträlgebiete kann im Übrigen dadurch erreicht werden, dass die beiden Strahlungssender zu einer spektralvariablen Strahlungsquelle, z.B. einer Glühlampe mit einem auf zwei verschiedene Spektralgebiete umschaltbaren optischen Filter oder einer durchstimmbaren Leuchtdiode, vereinigt sind.

Figur 8 zeigt eine geeignete Auswerteschaltung, die an die Strahlungsempfänger S_m und S_v angeschlossen werden und zum Betrieb der Strahlungssender L_R und L_G dienen kann.

In dieser Schaltung ist der Vergleichsstrahlungsempfänger S_v an den negativen Eingang eines Operationsverstärkers C₁ vom Typ MC 34002 angeschlossen, dessen positiver Eingang geerdet ist und dessen Ausgang über einen Widerstand R₁ mit dem negativen Eingang gegengekoppelt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers C₁ ist an einen steuerbaren Schalter S_w angeschlossen, z.B. ein FET-Schalter MC 14066, der von einem Oszillator OS periodisch von einer Ausgangsstellung auf die andere umgeschaltet wird. Beide Ausgänge der Schalteinrichtung SW sind an je einen Treiberkanal für die beiden Strahlungssender L_G und LR angeschlossen. Der Oszillator bewirkt, dass die beiden Strahlungssender alternierend Strahlung aussenden, und zwar entweder aneinander anschliessend oder mit Zwischenzeiten, d.h. in Form alternierender Strahlungsimpulse. Beide Kanäle können im Prinzip identisch oder unter Berücksichtigung unterschiedlicher Eigenschaften der Strahlungssender zumindest analog aufgebaut sein. In der folgenden Beschreibung sind die analogen Komponenten jeweils in Klammern gesetzt. Die beiden Ausgänge der Schalteinrichtung SW liegen über einen Widerstand R₃ (R₇) an Erde und sind gleichzeitig mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers C₃ (C₄) vom Typ MC 34002 verbunden, dessen positiver Eingang am Abgriff eines Spannungsteilers R₄, R_s (R_a, R₉) liegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers C₃ (C₄) betreibt über einen Widerstand R₆ (R₁₀) den zugehörigen Strahlungssender L_G (L_R). Ein Widerstand des Spannungsteilers, beispielsweise Widerstand R₄ (R₈), ist zweckmässigerweise einstellbar oder auswechselbar, um das Regelniveau für die Intensität der beiden Strahlungsquellen einstellen zu können.

Die beschriebene Schaltung bewirkt, dass die Intensität der beiden Strahlungssender L_G und L_R je nach Intensität der vom Referenzstrahlungsempfänger S_v aufgenommenen Referenzstrahlung auf ein bestimmtes Intensitätsniveau automatisch geregelt wird, so dass Intensitätsschwankungen durch Alterung, Temperaturänderungen und ähnliche Effekte automatisch kompensiert werden.

Der Messstrahlungsempfänger S_M ist ebenfalls an den negativen Eingang eines Operationsverstärkers C₂ vom Typ MC 34002 angeschlossen, dessen positiver Eingang wiederum geerdet ist und dessen Ausgang über einen Widerstand R₂ mit dem negativen Eingang gegengekoppelt ist. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers C₂ ist mit einem Wechselspannungsverstärker AC verbunden, an dessen Ausgang eine Alarmschaltung A liegt.

Die Amplitude des der Alarmschaltung zugeführten Ausgangssignales des Wechselspannungsverstärkers AC hängt also in folgender Weise von den vom Messstrahlungsempfänger S_M aufgenommenen Strahlungsintensitäten I_G und I_R in den beiden Spektralbereichen und von den vom Referenzstrahlungsempfänger S_v in den gleichen Spektralbereichen aufgenommenen Referenzstrahlungsintensitäten I_Rv und I_Gv ab:dabei sind a und b Faktoren, die sich aus den Eigenschaften der Komponenten speziell im Spannungsteilerverhältnis R₄/R₅ (R₈/R₉) ergeben. Durch geeignete Einstellung des Widerstandes R₄ (R_s) kann dabei erreicht werden, dass das Wechselspannungssignal A Null wird, wenn kein Rauch in der Messstrecke M vorhanden ist. Das Ausgangssignal A wird dabei unmittelbar abhängig von der Rauchdichte, und die Alarmschaltung kann so eingerichtet werden, dass ein Alarmsignal ausgelöst oder weitergegeben wird, sobald das Ausgangssignal A einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Da in diesem Fall die Abweichung von Null als Kriterium zur Auslösung eines Alarmsignales dient, werden die Schwierigkeiten vorbekannter, nach dem Extinktionsprinzip arbeitende Rauchmelder, bei denen eine kleine Abweichung von einem grossen und schwierig zu stabilisierenden Wert bestimmt werden musste, von Vornherein vermieden.

Es besteht auch die Möglichkeit eine der Grössenoderoderzu bilden und als Alarmkriterium auszuwerten. Sie sind ebenfalls ein Mass für die Rauchdichte.

Dabei wird ein Alarmsignal ausgelöst, wenn eine der Grössen A, B/a, C/b oder 2D/a einen Wert zwischen 0,01 (bedingt durch die Stabilität des Rauchmelders) und 0,2 (bedingt durch die Länge der Messstrecke) überschreitet, wobei a und b so gewählt werden, dasswerden.

Die Schaltung kann noch so weitergebildet werden, dass zusätzlich weitere Kenngrössen gebildet werden, z.B.oderdie von der Rauchart abhängen und die einen Schluss darauf zulassen, welche Art von Rauch vorliegt.

Es kann auchgebildet werden,
welche ebenfalls, in Kombination mit dem Hauptkriterium A, B, C oder D, dazu verwendet werden können, die Unterschiede im Ansprechverhalten für verschiedene Feuerarten zu verändern. Eine Zusatzauswertung einer der Grössen E, F, G, oder H kann auch verwendet werden, um noch schärfer zwischen Rauch und Störgrössen wie Staub oder Betauung zu unterscheiden.

Die Rauchentwicklung kann verfolgt werden, wenn zusätzlich noch der zeitliche Differentialquotient dA/dt, dB/dt, dC/dt oder dD/dt des Ausgangssignales A, B, C oder D gebildet wird.

Die Stabilität des Rauchmelders kann noch erheblich erhöht werden, wenn man die kleinen und langsamen Veränderungen des Ausgangssignals unterdrückt und nur Signale auswertet, welche mindestens so schnell sind, wie sie durch ein Feuer erzeugt werden können. Dies kann erzielt werden entweder dadurch, dass mindestens einer der Faktoren a, b, c, d, e, f, g oder h langsam verändert wird, um diese Schwankungen auszugleichen oder dadurch, dass das Ausgangssignal mit seinem gleitenden Mittelwert verglichen wird.

Eine andere Auswerteschaltung ist in Figur 9 aufgezeichnet. Das Signal des Messstrahlungsempfängers S_M wie auch das Signal des Vergleichsstrahlungsempfängers S_v wird zeitlich integriert (A₂, C₂, S₂ bzw. A₁, C₁, S,). Der Komparator K vergleicht das Integral des Vergleichsstrahlungsempfängers mit einem vorgegebenen Wert, welcher durch den Spannungsteiler E3, R₄ bestimmt wird, und öffnet den Schalter S₃ des Sample and Hold-Verstärkers (S₃, C₃, A₃) zu demjenigen Zeitpunkt zu dem der Integrationswert den vorgegebenen Wert überschreitet. Am Ausgang des Verstärkers A₃ liegt eine Alarmschaltung A. Der Oszillator OS steuert die Wiederholung des Integrationsvorganges und schaltet mit Hilfe des Flip-Flops FF zwischen den beiden Strahlungssendern L_G und L_R um.

Die beschriebenen Rauchmelder weisen eine wesentlich verbesserte Stabilität, auch über längere Zeiträume, sowie eine verbesserte Funktionssicherheit und eine grössere Störunanfälligkeit auf. Änderungen durch Verstaubung und Änderungen der Eigenschaften der Komponenten werden automatisch kompensiert ohne die Gefahr einer fehlerhaften Alarmauslösung und ohne Empfindlichkeitsverlust. Durch eine zweckmässige Auswahl der benützten Spektralbereiche kann zudem erreicht werden, dass die beschriebenen Rauchmelder vorzugsweise auf Rauchpartikel reagieren, jedoch nicht oder nur schwach auf andere Partikelarten.