Die vorliegende Erfindung betrifft einen Streulicht-Rauchmelder mit einer opto-elektronischen Anordnung zur Messung von Streusignalen unter einem Vorwärts- und einem Rückwärtsstreuwinkel, und mit einer Auswerteelektronik für die Gewinnung eines Messwerts aus den Streusignalen und den Vergleich eines von diesem abgeleiteten Alarmwerts mit einer Alarmschwelle.
Die
Die
Die
Es ist schon lange bekannt, dass das bei Vorwärts- und Rückwärtsstreuung die beiden Streulichtanteile für verschiedene Arten von Bränden in charakteristischer Weise verschieden sind. Dieses Phänomen ist beispielsweise in der
Durch die Erfindung soll nun die Fehlalarmsicherheit der Streulicht-Rauchmelder der eingangs genannten Art erhöht werden, wobei gleichzeitig ein möglichst rasches Ansprechen gewährleistet sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Streulicht-Rauchmelder nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst.
Die Verwendung der Differenz der Streusignale oder Rauchsignale für die Bildung des Messwerts anstatt einer Gewichtung des Messwerts in Abhängigkeit vom Verhältnis der Streusignale hat den Vorteil, dass wesentlich weniger Rechneraufwand benötigt wird und somit eine kurze Ansprechzeit des Melders gewährleistet ist. Die Differenz der Streusignale ermöglicht ebenso wie deren Quotient die Erkennung der Rauchart.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Streulicht-Rauchmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannte lineare Verknüpfung nach der Formel [k1(BW+FW) + k2(BW-FW)] erfolgt, in welcher k1 und k2 zwei unter anderem von einem von den Umgebungsbedingungen am vorgesehenen Installationsort des Melder abhängigen Applikationsfaktor beeinflusste Konstanten sind. Für die genannten Konstanten gilt 0 < k1. k2 < 5, vorzugsweise 0< k1. k2 ≤ 3.
Der Applikationsfaktor ist anwendungsspezifisch wählbar, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit von einem den Anforderungen des Kunden entsprechenden Satz von Einstellparametern des Melders.
Eine Zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Streulicht-Rauchmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitung des Messwerts in zwei Pfaden erfolgt, dass im ersten Pfad eine Bestimmung des Typs des betreffenden Feuers erfolgt und ein entsprechendes Steuersignal gebildet wird und im zweiten Pfad eine Verarbeitung des genannten Messwerts und dessen Vergleich mit einer Alarmschwelle erfolgt, und dass die Verarbeitung des Messwerts im zweiten Pfad durch das im ersten Pfad gebildete Steuersignal gesteuert ist.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Streulicht-Rauchmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Typs des betreffenden Feuers eine Unterscheidung nach Schwelbrand und offenem Brand und gegebenenfalls weiteren Brandarten erfolgt.
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung des Messwerts im zweiten Pfad eine Begrenzung des Messwerts in einer nachfolgend als Slope Regler bezeichneten Stufe umfasst, wobei eine Beschränkung des Messwerts auf ein bestimmtes Niveau oder dessen Verstärkung durch Addition eines Zusatzsignals erfolgt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Streulicht-Rauchmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass der Slope Regler sowohl einen raschen Anstieg des Messwerts aufgrund von Signalspitzen verhindert als auch langsame Signalanstiege bei Schwelbränden akzentuiert. Vorzugsweise ist der Slope Regler durch das im ersten Pfad gebildete Steuersignal gesteuert. Im Slope Regler wird durch eine sehr langsame Filterung des Messwerts ein langsames Rauchsignal gewonnen.
Weitere bevorzugte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des erfindungsgemässen Streulicht-Rauchmelders sind in den Ansprüchen 12 bis 18 beansprucht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:
- Fig. 1 eine schematische Blockbilddarstellung eines erfindungsgemässen Rauchmelders; und
- Fig. 2 einschematisches Blockdiagramm der Signalverarbeitung des Rauchmelders von Fig. 1.
Die Temperatursensoren 5 und 6 liegen einander radial gegenüber, was den Vorteil hat, dass sie unterschiedliches Ansprechverhalten auf aus einer bestimmten Richtung anströmende Luft aufweisen, so dass die Richtungsabhängigkeit des Ansprechverhaltens reduziert wird. Die Anordnung der beiden Lichtquellen 2 und 3 ist so gewählt, dass die optische Achse der Empfangsdiode 4 mit der optischen Achse der einen Lichtquelle, darstellungsgemäss der Lichtquelle 2, einen stumpfen und mit der optischen Achse der anderen Lichtquelle, darstellungsgemäss der Lichtquelle 3, einen spitzen Winkel einschliesst. Das Licht der Lichtquellen 2 und 3 wird durch in die Messkammer 7 eindringenden Rauch gestreut und ein Teil dieses Streulichts fällt auf die Empfangsdiode 4, wobei man bei einem stumpfen Winkel zwischen den optischen Achsen von Lichtquelle und Empfangsdiode von Vorwärtsstreuung und bei einem spitzen Winkel zwischen den genannten optischen Achsen von Rückwärtsstreuung spricht. Der mechanische Aufbau des Melders 1 bildet nicht Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung wird daher hier nicht näher beschrieben; es wird in diesem Zusammenhang auf die
Zur besseren Diskriminierung zwischen verschiedenen Aerosolen können im Strahlengang sender- und/oder empfängerseitig aktive oder passive Polarisationsfilter vorgesehen sein. Als weitere Option können als Lichtquellen 2 und 3 Dioden verwendet werden, die eine Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts aussenden (siehe dazu
Der Melder 1 macht beispielsweise alle 2 Sekunden eine Messung, wobei die Vorwärts- und die Rückwärts-Streulichtsignale sequentiell erzeugt werden. Die Signale der Empfangsdiode, die nachfolgend als Sensorsignale bezeichnet werden, werden in einem Filter 8 von den gröbsten Störungen eines definierten Frequenzbereichs befreit und gelangen anschliessend in einen ASIC 9, der im wesentlichen einen Verstärker 10 und einen A/D-Wandler 11 aufweist. Anschliessend gelangen die im Folgenden als Streulichtsignale bezeichneten digitalisierten Sensorsignale, SB (Rückwärts-Streusignal) und SF (Vorwärts-Streusignal) in einen Micro Controller 12, der eine Sensor Control Software 13 für die digitale Verarbeitung der Streusignale enthält.
Der Sensor Control Software ist zusätzlich zu den Streusignalen SB und SF noch ein Offset-Signal OF zugeführt. Dieses ist das Ausgangssignal der Empfangsdiode 4, wenn diese nicht mit Streulicht von einer der beiden Lichtquellen 2 oder 3 beaufschlagt ist. Die mit T1 und T2 bezeichneten Signale der beiden Temperatursensoren 5 und 6 sind ebenfalls dem Micro Controller 12 zugeführt, und gelangen nach Digitalisierung in einem A/D-Wandler 18 zur Sensor Control Software 13.
Die Verarbeitung der Signale der verschiedenen Sensoren mit der Sensor Control Software 13 soll nun anhand von Fig. 2 erläutert werden: Zuerst erfolgt eine getrennte Vorverarbeitung sowohl der Streusignale SB und SF sowie des Offsetsignals OF einerseits als auch der Signale T1, T2 der Temperatursensoren 5, 6 anderseits in je einer Vorverarbeitungsstufe 14 bzw. 15. In der Rauchvorverarbeitung 14 werden die Schwankungen des Offset-Signals OF geglättet, indem der Zuwachs oder die Abnahme der Sensorsignale auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird. Dann wird das Offset-Signal OF von den Streusignalen subtrahiert. Die Vorverarbeitung der Signale T, und T2 in der Temperaturvorverarbeitung 15 ist erforderlich, weil zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Temperatur ein Unterschied besteht, der unter anderem durch die thermische Masse der NTC-Widerstände 5 und 6 und des Meldergehäuses, durch die Position der NTC-Widerstände im Melder 1 und durch Einflüsse des Melders und dessen Umgebung bedingt ist, die zu einer Verzögerung führen. Die gemessene Temperatur wird mit einem Referenzwert verglichen und anschliessend wird anhand eines Modells auf die tatsächliche Temperatur zurückgerechnet. Diese tatsächliche Temperatur wird linearisiert und in ihrem Anstieg begrenzt, so dass am Ausgang der Temperaturvorverarbeitung 15 ein Temperatursignal T erhältlich ist, welches unter anderem der Rauchvorverarbeitung 14 zugeführt wird.
In der Rauchvorverarbeitung 14 erfolgt nach der Kompensation der Streusignale SB, SF mit dem Offset-Signal eine Temperaturkompensation, bei der aus dem Temperatursignal T ein Korrekturfaktor gewonnen wird, mit dem die Streusignale SB, SF multipliziert werden. Wenn es sich beim Melder 1 um einen rein optischen Melder ohne Temperatursensoren 5 und 6 handelt, dann ist im Melder ein einzelner Temperatursensor vorgesehen, der ein Temperatursignal liefert.
Das Temperatursignal T gelangt ausserdem in eine mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnete Stufe Temperaturdifferenz und eine mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnete Stufe Maximaltemperatur. In der Maximaltemperatur-Stufe 17 wird analysiert, ob das Maximum des Temperatursignals T einen Alarmwert von beispielsweise 80° C (in einigen Ländern 60° C) überschreitet. In der Temperaturdifferenz-Stufe 16 wird untersucht, wie rasch das Temperatursignal T ansteigt. Der Ausgang der Stufe 16 ist mit einem Eingang der Stufe 17 verbunden, an deren Ausgang ein Temperaturwert T' erhältlich ist, der für die weitere Signalverarbeitung verwendet wird.
Die in der Stufe 14 vorverarbeiteten Streusignale gelangen in ein Medianfilter 19, welches aus mehreren, vorzugsweise aus fünf, aufeinander folgenden Werten der Sensorsignale den Medianwert auswählt. Das Medianfilter 19 enthält ausserdem einen so genannten Time Shifter, der aus den genannten fünf Sensorsignalen den bezüglich der Reihenfolge mittleren, also den dritten Wert auswählt. Dann wird die Differenz aus diesen beiden Werten gebildet, die zu den Schwankungen der Streusignale proportional ist und eine Abschätzung der Standardabweichung des Streusignale ermöglicht. Diese ermöglicht wiederum die Berechnung von Störungen. Die Ausgangssignale des Medianfilters 19, die im Folgenden als Rauchsignale BW und FW bezeichnet werden, gelangen in eine mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Extraktionstufe für die Gewinnung eines Rauchwerts S. Das Bezugszeichen BW bezeichnet das Rückwärts-Rauchsignal und das Bezugszeichen FW das Vorwärts-Rauchsignal.
In der Extraktionsstufe 20 erfolgt durch eine sehr langsame Filterung eine Hintergrundkompensation, bei der im wesentlichen durch Verstaubung bedingte Störungen kompensiert werden. Ausserdem wird die Summe der Rauchsignale (BW+FW) und die Differenz der Rauchsignale (BW-FW) gebildet und mit je einem Applikationsfaktor multipliziert. Die so gebildeten Terme werden dann linear verknüpft, beispielsweise nach der Formel
Das Ergebnis der linearen Verknüpfung ist der am Ausgang der Extraktionsstufe 20 erhältliche so genannte Messwert S, welcher der weiteren Signalverarbeitung zugrunde liegt. Der Applikationsfaktor hängt von der vorgesehenen Anwendung und vom vorgesehenen Einsatzort des Melders 1 ab, oder mit anderen Worten, welcher Typ von Feuer, insbesondere ob Schwelbrand oder offenes Feuer, mit Priorität detektiert werden soll.
Jeder Melder 1 besitzt einen an die Umgebung seines Installationsortes und an Wünsche des Kunden angepassten Satz geeigneter Parameter, das ist der so genannte Parametersatz. Dieser ist beim Melder 1 beispielsweise von der kritischen Feuergrösse, dem Brandrisiko, dem Personenrisiko, der Wertkonzentration, der Raumgeometrie und von Täuschungsgrössen abhängig, wobei die Täuschungsgrössen beispielsweise durch nicht von einem Feuer herrührenden Rauch, Abgase, Dampf, Staub, Fasern oder elektromagnetische Störungen gebildet sein können. Bei der linearen Verknüpfung der Rauchwerte gemäss Formel 1 gilt für die beiden Applikationsfaktoren k1 und k2: 0 < k1. k2 < 5, vorzugsweise 0 < k1. k2 ≤ 3.
In der Extraktionsstufe 20 erfolgt ausserdem eine Optimierung des Arbeitsbereichs des A/D-Wandlers 11 (Fig. 1) und eine Bestimmung der Kurz- und Langzeitvarianz der Sensorsignale und der Variationen von Rauschen im Signal. Eine grosse Varianz ist ein Hinweis auf Störungen und kann eine Reduktion der Detektionsgeschwindigkeit für bestimmte Parametersätze auslösen. Ausserdem erfolgt in der Stufe 20 noch eine abgeleitete Analyse, bei der berechnet wird, ob das Sensorsignal über eine längere Zeit von beispielsweise 40 Sekunden hauptsächlich zunimmt, das heisst monoton wächst, wobei eine monotone Zunahme des Sensorsignal auf ein Feuer hindeutet. Das Ergebnis der abgeleiteten Analyse wird bei einigen Parametersätzen dazu verwendet, die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung anzupassen. Wenn beispielsweise das Sensorsignal monoton wächst und das Feuer in der nachfolgenden Bewertungsstufe 21 als offenes Feuer bewertet wird, kann die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung vervierfacht werden, um einen höher empfindlichen Parametersatz zu erhalten. Die Monotonie wird dadurch bestimmt, dass man aus einer Anzahl von beispielsweise 20 Werten des Sensorsignals bestimmte Paare (Vn) und (Vn-5) auswählt, beispielsweise den ersten (V1) und den sechsten (V6), den sechsten (V6), und den elften (V11) Wert, und so weiter und die Differenzen (Vn-Vn-5) bildet. Eine Differenz Vn-Vn-5 > 0 entspricht einer monotonen Zunahme des Sensorsignals und diese ist ein Hinweis auf Feuer.
Der Messwert S wird vom Ausgangl der Extraktionsstufe 20 einerseits der schon erwähnten Bewertungsstufe 21 und andererseits einer mit Slope Regler 22 bezeichneten Stufe zur Regelung der Signalform zugeführt. In der Bewertungsstufe 21 werden der Brandtyp, das so genannte Störungskriterium, das so genannte Monotoniekriterium und die Wichtigkeit der Temperatur bestimmt. Die Bestimmung des Brandtyps erfolgt anhand der linearen Verknüpfung (BW+FW) + (BW-FW), wobei als mögliche Typen Schwelbrand, offener Brand oder transienter Brand in Frage kommt. Unter einem transienten Brand versteht man den Übergang vom Schwelbrand zum offenen Brand, der bei Zündung des Feuers detektiert wird. Selbstverständlich könnte für die Bestimmung des Brandtyps auch der Quotient (BW/FW) verwendet werden, wie dies beispielsweise in der der
Zur Bestimmung des Störungskriteriums werden die aus der Standardabweichung berechneten Störungen (Medianfilter 19) mit einem Schwellwert verglichen. Zur Bestimmung des Monotoniekriteriums wird die bei der abgeleiteten Analyse in der Extraktionsstufe 20 berechnete Monotonie des Sensorsignals mit einem Schwellwert verglichen. Die Bestimmung der Wichtigkeit der Temperatur erfolgt durch Vergleich des Anstiegs ΔT der Temperatursignale T1, T2 mit einem Schwellwert; ΔT > 20° bedeutet Brand.
Der Ausgang der Bewertungsstufe 21 ist einem Event Regler 23 zugeführt, der einerseits den Slope Regler 22 und andererseits die Maximaltemperatur 17 steuert. Im Event Regler 23 entscheidet das System, ob und gegebenenfalls wie die Signalverarbeitung geändert werden soll. Eine solche Änderung erfolgt im Slope Regler 22, der einen intelligenten Begrenzer von Anstieg/Abnahme des Sensorsignals darstellt und ausserdem Symmetrie und Gradient des Sensorsignals bestimmt.
In einigen Parametersätzen möchte man beispielsweise rein optische, also nur durch Rauch verursachte Alarme verbieten, beschränken oder unterstützen. Dazu verwendet man eine Methode, die den Messwert S beim Anstieg auf einen bestimmten Wert beschränkt und anderseits aus einem verzögerten Rauchsignal einen bestimmten Maximalwert ableitet, und dann je nachdem, ob eine Zündung erfolgt ist, einen der beiden Werte für die weitere Verarbeitung verwendet. Dadurch erfolgt einerseits eine Beschränkung von sehr schnellen, durch Signalspitzen verursachten Anstiegen des Messwerts S und andererseits eine Betonung (Unterstützung) von durch Schwelbrände verursachten sehr langsam ansteigenden Signalen.
Am Ausgang des Slope Reglers 22 sind zwei Signale erhältlich, einerseits ein durch die gerade beschriebene Verarbeitung gewonnener Rauchwert S' und andererseits ein durch eine sehr langsame Filterung gewonnenes langsames Rauchsignal S+. Der Rauchwert S' wird für die weitere Verarbeitung verwendet und unter anderem einem Bypass Addierer 25 zugeführt, dem auch das langsame Rauchsignal S+ zugeführt ist. In einer unmittelbar vor dem Bypass Addierer 25 angeordneten Stufe (nicht dargestellt) wird der Rauchwert S' auf einen vom jeweiligen Parametersatz abhängigen Wert begrenzt, zu dem dann im Bypass Addierer 25 das langsame Rauchsignal S+ addiert wird, wobei der Anstieg des langsamen Rauchsignals S+ vom jeweiligen Parametersatz abhängt und bei einem robusten Parametersatz geringer ist als bei einem empfindlichen Parametersatz. Der Bypass Addierer 25 dient also dazu, bei einem robusten Parametersatz bei einem rasch ansteigenden Rauchwert S' einen zu raschen Alarm zu vermeiden, und bei einem empfindlichen Parametersatz bei einem langsam ansteigenden Rauchwert S' die Alarmauslösung zu unterstützen.
Der Rauchwert S' und der Temperaturwert T' werden in Form von je zwei Werten Wos und Wop beziehungsweise Wts und Wtp verarbeitet, dabei bedeutet:
- Wos Gewicht des optischen Pfades für Summenbildung
- Wop Gewicht des optischen Pfades für Produktbildung
- Wts Gewicht des thermischen Pfades für Summenbildung
- Wtp Gewicht des thermischen Pfades für Produktbildung.
In einer auf die Gefahrensignal-Zusammensetzung 28 folgenden Gefahrenstufen-Erfassung 29 erfolgt eine Zuordnung des Signals der Gefahrensignal-Zusammensetzung 26 zu einzelnen Gefahrenstufen und in einer Gefahrenstufen-Verifikation 28 wird überprüft, ob die betreffende Gefahrenstufe über eine bestimmte Zeit von beispielsweise 20 Sekunden überschritten wird. Ist dies der Fall, wird Alarm ausgelöst. Die gestrichelten Verbindungen vom Event Regler 23 zur Maximaltemperatur 17, zum Slope Regler 22, zur Multiplikation 27 und zur Gefahrenstufen-Verifikation 30 symbolisieren Steuerleitungen.