Rauchdetektor

Abstract

 Bei einem Rauchdetektor mit einer impulsweise betriebenen Strahlungsquelle (1) ist ausserhalb des direkten Strahlungsbereichs der Strahlungsquelle (1) ein Strahlungsempfänger (16) angeordnet, welcher bei Anwesenheit von Rauch im Strahlungsbereich durch Streustrahlung beaufschlagt wird und Ausgangsimpulse an eine Auswerteschaltung abgibt, welche Schahelemente (A, N) aufweist, welche bei Ueberschreⁱten der Ausgangsimpulse über einen vorgegebenen Schwellenwert ein Alarmsignal weiterleiten. Nahe bei dem Strahlungsemfänger (16) ist im direkten Strahlengang der Strahlungsquelle (1) eine Referenzzelle (12) angeordnet, welche die Ausstrahlung der Strahlungsquelle (1) steuert. Ferner sind weitere Mittel (28, 29, 30) vorhanden, welche bei langsamer Aenderung des Empfangsimpulses den Schwellenwert mit einer Zeitkonstante von mehr als einer Minute nachführen. Dadurch ergibt sich ein von der Rauchdichte abhängiges Ausgangssignal des Strahlungsempfängers (16), welches unabhängig von der Verschmutzung des Melders ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer impulsweise betriebenen Strahlungsquelle, einem ausserhalb des direkten Strahlungsbereichs der Strahlungsquelle angeordneten, bei Anwesenheit von Rauch im Strahlungsbereich durch Streustrahlung beaufschlagten und Ausgangssignale abgebenden Strahlungsempfänger und einer Auswerteschaltung, welche Schaltelemente aufweist, die bei Ueberschreiten der Ausgangssignale über einen vorgegebenen Schwellenwert ein Signal an eine Kippstufe zur Abgabe eines Alarmsignals weiterleiten.

[0002] Ein derartiger Rauchdetektor ist beispielsweise aus der WO-PA 80/1326 und der EP-PA 14 779 bekannt. Dabei wird eine Strahlungsquelle von einem Impulsgeber angesteuert und sendet kurzdauernde Strahlungsimpulse aus. Der Empfänger nimmt die Strahlung auf, welche von Rauch im Streuvolumen gestreut, aber auch solche, die von den Wänden reflektiert wird. Zur Kompensation von Alterung und Temperaturgang vom Sender und Empfänger ist (z.B. in US-PS 4'180'742) bereits vorgeschlagen worden, bei einem mit Gleichlicht betriebenen Streulichtmelder mit einer zweiten, identischen Empfangszelle das ausgesandte Licht des Senders zu messen und zu regeln. Dies genügt aber nicht zur Kompensation aller möglichen Veränderungen durch Verschmutzung.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen-Rauchdetektor zu schaffen, dessen Funktionsfähigkeit durch keine Art von Verschmutzung beeinträchtigt wird und dessen Rauchempfindlichkeit über längere Zeiträume stabil bleibt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Rauchdetektor zu schaffen, der ein Störsignal abgibt, wenn seine Verschmutzung so weit fortgeschritten ist, dass seine Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden könnte.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0005] Gemäss einer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Rauchdetektors sendet eine unten positionierte Strahlungsquelle kegelförmig nach oben Licht aus. Der Hauptstrahlungsempfänger ist zentralsymetrisch oben positioniert, der Referenzempfänger etwas seitlich oben im direkten Strahlungsgang des Senders. Bei dieser Art der Positionierung wird Staub nur auf der Strahlungsquelle abgelagert. Kondensation aus Gasen hingegen wird gleichmässig Hauptempfänger und Referenzempfänger belegen. Die Regelung der Lichtleistung des Senders durch die Messung des Signals der Referenzzelle ergibt deshalb ein vom Rauch erzeugtes Streusignal auf der Hauptempfangszelle, welches unabhängig von der Verschmutzung des Melders ist.

[0006] Die elektronische Schaltung gemäss einer weiteren Ausgestaltung besteht im wesentlichen aus einem Oszillator zur durch die Referenzzelle geregelten Stromversorgung der Strahlungsquelle, einem Verstärker und einem Schwellenwertdetektor mit Differentialeigenschaften. Bei sehr langsamer Veränderung des Empfangspulses, wie sie durch Verschmutzung erzeugt werden kann, wird der Schwellenwert mit der Höhe des Empfangspulses verschoben. Bei schneller Erhöhung des Empfangspulses, wie es durch Feuer entstandener Rauch erzeugt, verändert sich der Schwellenwert nur unwesentlich, und bei Erreichen einer bestimmten Empfangshöhe wird die Kippstufe ausgelöst. Der Schwellenwertdetektor mit Differentialeigenschaften vermag somit die langsamen Aenderungen des Empfangspulses zu korrigieren. Die Kombination dieses Schwellenwertdetektors mit dem durch die Referenzzelle gesteuerten Strahlungspuls ergibt einen Rauchdetektor, der seine Rauchempfindlichkeit auch bei stärkerer Verschmutzung nicht verändert. Ausserdem werden die Alterung der Strahlungsquelle und die Temperaturabhängigkeit korrigiert.

[0007] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in der vorerwähnten Schaltung Mittel vorzusehen, durch welche ein Sperrpuls erzeugt wird (beispielsweise durch einen elektrischen Puls eines Oszillators), sowie Mittel durch welche die Differenz dieses Sperrpulses und des Ausgangsimpulses des Strahlungsempfängers gebildet wird, welche dann als Rückstellsignal einer Zähleinrichtung zugeführt wird, wobei die Zähleinrichtung bei Ausbleiben des Rückstellsignals weitergeschaltet wird und bei Erreichen eines vorbestimmten Zählerstandes ein Alarmsignal auslöst. Eine derart verbesserte Schaltung ist besonders unempfinlich gegen elektrische Störungen, insbesondere hochfrequente elektrische Störungen, da diese höchstens ein zusätzliches Rückstellsignal für die Zähleinrichtung erzeugen können, wodurch der Rauchdetektor gegen die Auslösung von Fehlalarmen sicherer wird.

[0008] Ausserdem kann die Regelung der Strahlungsquelle auch folgendermassen zur Auslösung eines Störsignals verwendet werden: Solange die Strahlungsquelle durch die Referenzzelle voll nachgeregelt werden kann, behält der Rauchdetektor eine unveränderte Rauchempfindlichkeit. Sobald dieser Schaltkreis an die Grenzen der Regelungsmöglichkeit kommt, kann dies detektiert werden, und ein Störsignal kann ausgelöst werden. Ein solcher Detektor löst also ein Störsignal aus, solange er zwar noch eine kaum veränderte Rauchempfindlichkeit besitzt, aber durch weitere Verschmutzung oder Alterung der Strahlungsquelle bald unempfindlich werden würde.

[0009] Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchdetektors wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0010] 

Fig. 1 zeigt einen Rauchdetektor mit Referenzzelle.

Fig. 2 stellt die Schaltung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles dar.

_Fig. 3 stellt eine weitere Schaltung mit digitaler Nachführung dar.

[0011] In Fig. 1 ist im Schnitt der Aufbau eines erfindungsgemässen Rauchdetektors dargestellt. Die Strahlungsquelle 1 sendet hohlkegelförmig Strahlung in den umschlossenen Raum des Detektors aus. Eine Zentralblende (50) hält direkte Strahlung vom Strahlungsempfänger 16 fern. Hingegen ist die Referenzzelle 12 im Strahlungskegel positioniert. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass Strahlungsempfänger 16 und Referenzzelle 12 gleich stark verschmutzen. Insbesondere lagert sich Staub hauptsächlich auf der Strahlungsquelle 1 ab und beeinflusst damit Referenz- und Streulichtsignal gleichermassen.

[0012] Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Rauchdetektors liegen zwischen zwei Gleichspannung führenden Leitungen L_l und L₂ ein Strahlungssender S, ein Strahlungsaufnehmer A, ein Korrelator C, ein Schwellenwertdetektor N, ein Integrator I, eine Alarm-Kippstufe K und eine Ueberwachungsschaltung mit Kippstufe U.

[0013] Der Strahlungssender S besteht aus einem Oszillator, der in einem Zeitabstand von etwa zwei Sekunden einen Strom von zirka einem Ampere etwa 100 ps durch die Strahlungsquelle 1 leitet. Die Strahlungsquelle 1 besteht aus einer Licht oder IR-Strahlung emittierenden Diode. Der Oszillator besteht aus dem Leistungstransistor 2 mit zugehörigem Begrenzungswiderstand 3, aus der aus Transistor 4 mit zugehörigem Begrenzungswiderstand 5 bestehenden Ansteuerschaltung, sowie aus dem aus Widerstand 7 und Kondensator 6 bestehenden Rückkopplungsglied. Der grosse Kondensator 10 liefert den Strompuls für die Strahlungsquelle 1; er wird über den Widerstand 11 aufgeladen.

[0014] Der Strompuls wird ausgelöst, wenn die Widerstände 8 und 9 an der Basis des Transistors 4 die Spannung liefern, welche diesen leitend macht.

[0015] Der Strom durch die Leuchtdiode (Strahlungsquelle l) wird über die Referenzzelle (Fototransistor 12) mit Messwiderstand 13 und Rückkopplungswiderstand 14 geregelt. Sobald die Spannung am Widerstand 13 hoch genug ist, wird der Transistor 15 etwas leitend und reduziert damit den Basisstrom des Leistungstransistors 2. Statt eines Fototransistors kann natürlich auch eine Fotozelle verwendet werden.

[0016] Der Strahlungsaufnehmer A besteht aus dem als Fotozelle ausgebildeten Strahlungsempfänger 16 und dem zweistufigen Verstärker, bestehend aus den Transistoren 17 und 18, den Kollektorwiderständen 22 und 23, dem Emitterwiderstand 20 mit parallelem Kondensator 21 zur höheren Pulsverstärkung und dem Rückkopplungswiderstand 19. Ueber Widerstand 24 und Kondensator 25 wird aus dem Oszillator der Sperrpuls erzeugt. Am _Kol- lektor von Transistor 18 erscheint über dem Kopplungskondensator 26 somit ein negativer Sperrpuls, wozu in positiver Richtung der verstärkte Empfangspuls dazugezählt wird. Statt einer Fotozelle kann als Strahlungsempfänger 16 auch ein Fototransistor verwendet werden: dieser würde gleichzeitig den Transistor 17 ersetzen.

[0017] Als Korrelator C wird ein selbstleitender P-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor 27 verwendet, dessen Gate normalerweise tief liegt, wodurch er leitend ist und damit jeder mögliche Störpuls kurzgeschlossen wird. Nur während des Pulses liegt das Gate hoch und der JFET 27 sperrt und lässt damit den Empfangs- und Sperrpuls durch.

[0018] Der Schwellwertdetektor N besteht aus dem selbstleitenden N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor 28 und der Haltestufe mit Kondensator 29 und dem hochohmigen Widerstand 30. Bei jedem Impuls wird durch den negativen Sperrpuls der FET 28 leitend gemacht. Dies erzeugt über Transistor 31 mit Basiswiderstand 32 einen Rückstellpuls. Gleichzeitig wird über die Vorwärtsdiode Gate-Source des FET 28 der Kondensator 29 aufgeladen. Solange die Pulshöhe unverändert bleibt, bleibt der Kondensator 29 im wesentlichen auf dem gleichen Potential. Ueber den Widerstand 30 entlädt er sich ganz wenig und wird beim nächsten Puls wieder auf das vorhergehende Potential aufgeladen. Bei sehr langsamen Aenderungen der Pulshöhe folgt das Potential des Kondensators 29 entsprechend. Falls Rauch in den Detektor eindringt, wird der Puls am Gate des FET 28 betragsmässig kleiner. Falls er klein genug wird, wird der _FET während des Pulses nicht mehr leitend, wodurch kein Rückstellimpuls mehr erzeugt wird.

[0019] Die Integrationsstufe I besteht aus einem Zähler 33 (z.B. 4024), welcher Zählimpulse vom Oszillator bei jedem Strahlungsimpuls erhält. Solange Rückstellimpulse erzeugt werden, wird er aber bei jedem Puls auch wieder auf 0 zurückgestellt. Bei Ausbleiben der Rückstellimpulse geht nach 2 Pulsen der Ausgang Q_n hoch.

[0020] Die Kippstufe K besteht aus dem Thyristor 34, der vom Ausgang _Q des Zählers angesteuert wird. Die Zenerdiode 35 erzeugt eine Spannung (z.B. 6 V), um den Alarmzustand vom Störzustand zu unterscheiden.

[0021] Die Ueberwachungsschaltung U besteht aus dem Spannungsteiler mit Widerständen 37 und 38 und dem Thyristor 36. Der Widerstand 3 misst den Strom durch die Strahlungsquelle 1. Sobald dieser infolge Verschmutzung oder Alterung der Strahlungsquelle 1 zu hoch wird, wird der Thyristor 36 angesteuert und damit Störung angezeigt.

[0022] Die angegebene Schaltung ist nur ein Beispiel. Es lassen sich auch Teile weglassen, wie z.B. Ueberwachungschaltung U oder der Korrelator C. Die verschiedenen Elemente lassen sich auch anders ausbilden, z.B. kann die Differenzierung des Schwellenwertdetektors auch digital mit einem Zähler und einem Digital/Analog-Wandler erfolgen, wie dies in Fig. 3 dargestellt wird.

[0023] Ueber den Kopplungskondensator 39 wird das Pulssignal zu der Spannung an dem aus den Widerständen 40 und 41 gebildeten Spannungsteiler addiert und an den negativen Eingang der Komparatoren 45 und 46 geführt. Diese erhalten auf ihren positiven Eingang Spannungen, die durch die Widerstände 42, 43 und 44 erzeugt werden. Am Ende jedes Pulses erzeugt je nach dem Zustand des Komparators 46 der Zählimpuls, welcher mit dem Element 49 invertiert wird, einen um 1 höheren oder tieferen Zustand des Zählers 47 (z.B. 14516). Der Zustand des Zählers 47 erzeugt über den parallelen Digital/Analog-Wandler 48 die Eingangsgleichspannung über die Widerstände 41 und 40. Durch diese Schaltung wird erreicht, dass im Ruhezustand die Pulsspannung am negativen Eingang gerade um die Spannung am positiven Eingang des Komparators 46 pendelt. Bei schneller Verminderung des Betrages des Pulses kann der Zähler 47 diese Spannung nicht nachführen. Sobald der Puls die Spannung am positiven Eingang des Komparators 45 nicht mehr erreicht, wird kein Rückstellimpuls mehr erzeugt und der Zähler 33 wird nicht mehr rückgestellt. Diese Art von Schaltung lässt sich natürlich auch in einer Detektorschaltung ohne Sperrpuls verwenden.

Ansprüche

1. Rauchdetektor mit einer impulsweise betriebenen Strahlungsquelle (1), einem ausserhalb des direkten Strahlungsbereichs der Strahlungsquelle (1) angeordneten, bei Anwesenheit von Rauch im Strahlungsbereich durch Streustrahlung beaufschlagten und Ausgangsimpulse abgebenden Strahlungsempfänger (16) und einer Auswerteschaltung, welche Schaltelemente (A,N) aufweist, welche bei Ueberschreiten der Ausgangsimpulse über einen vorgegebenen Schwellenwert ein Signal an eine Kippstufe (K) zur Abgabe eines Alarmsignals weiterleiten, dadurch gekennzeichnet, dass im direktem Strahlengang der Strahlungsquelle (1) nahe bei dem Strahlungsempfänger (16) eine Referenzzelle (12) vorhanden ist, welche die Ausstrahlung der Strahlungsquelle (1) steuert und dass weitere Mittel (28, 29, 30) vorhanden sind, welche den Schwellenwert bei langsamer Aenderung des Empfangsimpulses diesen mit einer Zeitkonstante von mehr als einer Minute nachführen.

₂. Rauchdetektor gemäss Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) unten, Strahlungsempfänger (16) und Referenzzelle (12) oben positioniert sind.

3. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzzelle (12) ein Fototransistor oder eine Fotodiode ist.

4. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchdetektor Mittel aufweist, welche bei iedem Puls den Strom der Strahlungsquelle (1) so regeln, dass die Referenzzelle (12) ein vorgegebenes Signal erzeugt.

5. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchdetektor Mittel aufweist, welche bei jedem Puls den Strom der Strahlungsquelle (16) auf ein bestimmtes Niveau regeln, wobei dieses Niveau durch die Referenzzelle (12) langsam nachgeregelt wird.

6. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchdetektor einen Kondensator (29) aufweist, welcher durch einen Empfangspuls auf ein bestimmtes Niveau eingestellt wird und dass weitere Mittel (28) vorhanden sind, welche den Schwellenwert, bei dessen Ueberschreitung ein Signal weitergegeben wird, in gleichbleibender Spannung zum Potential am Kondensator (29) halten.

7. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (24, 25) vorhanden sind, welche einen Sperrpuls erzeugen, dass weitere Mittel (N) vorhanden sind, welche bei Unterschreiten des Betrages der Differenz von Sperrpuls und Empfangspuls ein Rückstellsignal erzeugen, welches den nachgeschalteten Integrator (I) rückstellt.

8. Rauchdetektor gemäss Patentanspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das langsam nachführende Mittel (28) für die Schwellenwertdetektion durch einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (28) gebildet wird mit einem Haltekondensator (29) am Gate, wobei die Ladung des Kondensators (29) über die Gate-Source-Diode erfolgt.

9. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur langsamen Nachführung des Schwellenwertes durch einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler (47) und Digital/Analog-Wandler (48) gebildet wird.

10. Rauchdetektor gemäss Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparator (46) vorhanden ist, welcher den Vorwärts-Rückwärts-Zähler (47) vorwärts oder rückwärts steuert und dass der durch den Zähler (47) gesteuerte Digital/Analog-Wandler (48) die Gleichspannung, zu welcher der Empfangspuls addiert wird, steuert.

11. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zähler (33) nachgeschaltet ist, welcher nach einer vorgegebenen oder einstellbaren Zahl von Rauchempfangspulsen über dem Schwellenwert eine Kippstufe (K) ansteuert.

12. Rauchdetektor gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (U) vorhanden sind, welche den Strom durch die Strahlungsquelle (1) messen und bei Ueberschreiten dieses Stroms über einen vorgegebenen Schwellenwert ein Störsignal abgeben.

13. Rauchdetektor gemäss Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thyristor (36) vorgesehen ist, der bei Vorliegen eines Störsignals ausgelöst wird.

14. Rauchdetektor gemäss Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Störsignal auslösender Oszillator vorgesehen ist, der in einem Zeitabstand von 20 bis 200 Sekunden die Leitungen L₁ und L₂ 0,5 bis 10 Sekunden lang kurzschliesst.

Zeichnung