Brandmelder zur Detektion eines Brandes

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Brandmelder zur Detektion eines Brandes mit einem Brandmelder (BM), wobei der Brandmelder (BM) eine Lichtquelle (LQ), mindestens zwei das ausgesandte Licht empfangende Lichtempfänger (LE) und eine mit den mindestens zwei Lichtempfängern verbundene Auswerteinheit (AE) aufweist. Erfindungsgemäss wird von der Lichtquelle (LQ) ausgesandtes Licht an einer Interferenzeinheit (IE), die im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) angeordnet ist, gebeugt, das gebeugte Licht wird von den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) empfangen und von der Auswerteinheit (AE) wird die Intensität des an jedem Lichtempfänger empfangenen Lichtes bestimmt. Aufgrund brandtypischer Partikeln im Strahlengang des ausgesandten Lichtes wird eine Veränderung der Intensität des empfangenen Lichtes von der Auswerteinheit (AE) detektiert und ein Alarm ausgelöst.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Brandmelder zur Detektion eines Brandes, wobei der Brandmelder eine Messkammer, in der eine Lichtquelle und mindestens zwei das ausgesandte Licht empfangende Lichtempfänger angeordnet sind und eine mit den mindestens zwei Lichtempfängern verbundene Auswerteinheit aufweist.

[0002] Zur Branddetektion werden u. a. so genannte Streulichtrauchmelder, die gegebenenfalls neben dem Optikmodul noch einen weiteren Sensor, beispielsweise einen Temperatursensor, enthalten können, verwendet. Das Optikmodul ist dabei so ausgebildet, dass ein störendes Fremdlicht nicht und Rauch sehr leicht in eine Messkammer eindringen kann. Lichtquelle und Lichtempfänger sind so angeordnet, dass keine Lichtstrahlen auf direktem Weg von der Quelle zum Empfänger gelangen können. Bei Anwesenheit von Rauchpartikeln im Strahlengang wird das Licht der Lichtquelle an diesen gestreut und ein Teil dieses gestreuten Lichts fällt auf den Lichtempfänger und bewirkt ein elektrisches Signal. Die verwendeten Brandsensoren messen dabei Brandkenngrössen, die bei einem Brand entstehen. Derartige Brandkenngrössen können zum Beispiel ein Anstieg der Temperatur, die Entstehung von Gasen und die Detektion von brandtypischen Partikeln wie zum Beispiel Rauch- oder Aerosolpartikeln sein.
In grossen und schmalen Räumen, beispielsweise in Korridoren, Lager- und Fabrikationshallen und in Flugzeughangars werden meist so genannte lineare Brandmelder eingesetzt und unterhalb der Decke an den Wänden montiert. In der Standardausführung liegen Sender und Empfänger einander gegenüber und es ist kein Reflektor erforderlich. Diese werden erst dann verwendet, wenn die Räume so kurz sind, dass die minimale Länge des Lichtstrahls von etwa 10 m sonst nicht erreicht würde, um die Ansprechempfindlichkeit des Melders durch Verdoppelung der Messstrecke zu erhöhen, oder wenn die dem Sender gegenüberliegende Seite nicht stabil ist oder dort kein Empfänger installiert werden kann.

[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass eine effiziente, Platz sparende und kosteneffektive Möglichkeit zur Detektion eines Brandes vorgeschlagen wird.

[0004] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0005] Ein Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein Lichtstrahl mittels einer Lichtquelle zum Beispiel einen Laser, einer Laserdiode oder einer LED-Diode erzeugt wird und durch eine Interferenzeinheit, beispielsweise ein Einfachspalt, ein Doppelspalt, ein Mehrfachspalt, ein Gitter, ein Lochblende etc. gebeugt wird. Dabei entsteht ein so genanntes Interferenzmuster. Dieses Interferenzmuster ergibt im Falle des Einfachspalt, des Doppelspalts, des Mehrfachspalts, des Gitters das in der Physik bekannte Linienmuster bestehend aus Intensitätsmaxima und -minima. Im Falle eines geeignet kleinen Loches, zum Beispiel einer Lochblende, werden so konzentrische Kreise ebenfalls bestehend aus Intensitätsmaxima und -minima erzeugt. Idealerweise werden mindestens zwei Lichtempfänger, beispielsweise Photozellen, an geeigneten Stellen derart angeordnet, dass sie die maximale Intensität eines Maximas und die minimale (es trifft kein Licht auf den Lichtempfänger, die Intensität = 0) Intensität eines Minimas empfangen. Selbstverständlich könnte auch eine andere Anordnung gewählt werden, die jedoch eine Verschlechterung des Messergebnisses mit sich bringt. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens sind die Lichtempfänger symmetrisch angeordnet. Die Lichtquelle, die mindestens zwei Lichtempfänger und die im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den mindestens zwei Lichtempfängern angeordnete Interferenzeinheit können in einer Messkammer angeordnet sein. Dabei wird unmoduliertes Licht erzeugt und die Lichtquelle, die Interferenzeinheit und die mindestens zwei Lichtempfänger werden in einem Gehäuse bzw. einer Messkammer untergebracht, das durch das Anbringen eines Labyrinths von Fremdlicht geschützt wird.
Gelangen nun in diese Messkammer brandtypische Partikeln, so wird das von der Lichtquelle ausgesandte Licht an den Teilchen gestreut und/oder absorbiert. Dies bedeutet, dass das Interferenzmuster eine Störung erfährt: Licht, das ungestört durch die Partikeln in maximaler Intensität von den Lichtempfängern, die hinter einem Maxima des Interferenzmusters angeordnet sein können, fällt, wird durch Anwesenheit der Partikel abgeschwächt, Lichtempfänger, die hinter einem Minimas angeordnet sein können, werden bei Anwesenheit von Partikeln eine Intensität > null detektieren. Die Lichtempfänger detektieren also eine Veränderung der Intensität des empfangenen Lichtes. Eine mit den mindestens zwei Lichtempfängern verbundene Verarbeitungseinheit löst bei einer derartigen Veränderung der Intensität einen Alarm aus. Das erfindungsgemässe Verfahren ist fundamental verschieden, da nicht die Streuung oder Abschwächung des Lichtes gemessen wird, sondern die Veränderung bzw. Zerstörung des Interferenzmusters durch Partikeln bzw. Teilchen.
Um die Abschirmung des Lichtes von Außen zu unterdrücken, das sich störend auf die Lichtempfänger auswirken kann, wird in einer bevorzugten Ausführungsform moduliertes Licht verwendet, das eine Frequenz verwendet, die nicht mit der Frequenz von Licht in der Umgebung des Brandmelders bzw. Licht innerhalb eines Frequenzbereichs bzw. einer Frequenz, beispielsweise im Infrarotbereich, im ultravioletten Bereich, im Bereich der Röntgenstrahlung, im sichtbaren Bereich des Lichtes, eine bestimmte Frequenz etc., übereinstimmt. Die Lichtempfänger werden dahin eingestellt, dass diese ausschließlich Licht der Frequenzen dieses modulierten Lichtes detektieren.
Die Lichtquelle kann unterschiedliche Frequenzen emittieren, sollte jedoch idealerweise monochromatisch sein. Die Anordnung der Lichtempfänger und die Wahl der Interferenzeinheit sind abhängig von der gewählten Lichtwellenlänge.

[0006] Ein grosser Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mehrere Lichtempfänger in einem Gebiet zusammengefasst werden können. Dies ermöglicht eine kosteneffiziente Bauweise, da die Brandmelder im Gegensatz zu den herkömmlichen Streulichtmeldern keine grosse räumliche Trennung für die Anordnung der Brandmelder notwendig ist.

[0007] Ein weiterer Vorteil durch das Anbringen mehrerer Lichtempfänger kann darin gesehen werden, dass das Altern der Lichtempfänger bzw. Sensoren überwacht werden kann. Dies ist vor allem für die Sensoren, die hinter einem Maximum des Interferenzmusters angeordnet sind, wichtig, da diese immer ein Signal übermitteln. Ein Abflachen des Signals lässt auf ein Nachlassen der Effizienz des Brandmelders schliessen.

[0008] Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Auftreten von Rauch nicht allein durch die Abschwächung des Signals des bei den hinter der Maxima angeordneten Lichtempfänger empfangen Lichtes detektiert wird, sondern durch die Änderung der Intensitäten bei all den einzelnen Lichtempfängern. Die Branddetektion erfolgt daher von zwei zueinander komplementär verlaufenden Signalbildern.

[0009] Auch kann durch das erfindungsgemässe Verfahren erreicht werden, dass die Brandmelder äusserst klein und kompakt in ihren Ausmassen sein können. Durch die Verwendung von moduliertem Licht besteht keine Notwendigkeit für ein sehr raum- und kostenintensives Labyrinth zum Schutz vor Fremdlicht.

[0010] Die Erfindung wird anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen

Figur 1

eine vereinfachte Anordnung für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Figur 2

ein Interferenzmuster eines Einfachspaltes

Figur 3

ein erfindungsgemässer Brandmelder.

[0011] Figur 1 zeigt eine vereinfachte Anordnung für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Eine Lichtquelle LQ, beispielsweise ein Laser, eine Laserdiode, eine LED-Diode etc., sendet einen Lichtstrahl aus, der eine Interferenzeinheit IE, beispielsweise ein Einfachspalt, ein Doppelspalt, ein Mehrfachspalt, ein Gitter, ein Lochblende etc., trifft. Das von der LED-Diode ausgesandte Licht kann derart mittels zum Beispiel eines Filters, einer Linse etc. verändert, so monochromatisches und/oder kohärentes Licht erzeugt wird. Der auf die Interferenzeinheit IE auftreffende Lichtstrahl wird an der Interferenzeinheit IE gebeugt und es entsteht ein so genanntes Interferenzbild bzw. -muster. Im Falle eines geeigneten kleinen Loches, zum Beispiel eine Lochblende, werden konzentrische Kreise ebenfalls bestehend aus Intensitätsmaxima und -minima erzeugt. Die Beugung oder Diffraktion ist die "Ablenkung" von Wellen (wie Licht- und anderen elektromagnetischen Wellen, Wasser- oder Schallwellen) an einem Hindernis, erfindungsgemäss eine Interferenzeinheit IE. Bei Beugungserscheinungen kann sich die Welle im geometrischen Schattenraum der Interferenzeinheit IE ausbreiten. Zur Beugung kommt es durch die Entstehung neuer Wellen entlang der Wellenfront gemäß dem Huygensschen Prinzip. Diese führen durch Überlagerung der Wellen zu Interferenz-Erscheinungen. Bei der Überlagerung von zwei Wellen mit gleicher Wellenlänge, gleicher Frequenz und gleichem Takt bzw. gleicher Phase verstärkt sich die Amplitude - man spricht dann von konstruktiver Interferenz (Maxima); sind die beiden Wellen um 180° phasenverschoben, sodass ein Wellenberg mit einem Wellental zusammenfällt, löschen sie sich gegenseitig aus, wenn ihre Amplitude gleich groß ist - es entsteht eine so genannte destruktive Interferenz (Minima). Durch die konstruktive Interferenz ergeben sich eine Reihe von Interferenzmaxima mit der Eigenschaft, dass der Weglängenunterschied der beiden Teilstrahlen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist. An einem Spalt ergibt sich so wieder eine Reihe von Beugungsmaxima bzw. Beugungsminima. Sind in regelmäßigen Abständen viele Spalte angeordnet wie zum Beispiel bei einem optischen Gitter bzw. Gitter, ergibt sich eine Reihe von Beugungsreflexen, deren Anordnung derjenigen entspricht, die man bei einem Doppelspalt mit dem gleichen Abstand erwartet. Mit zunehmender Anzahl der Einzelspalte werden die Reflexe aber zu immer schärferen Linien. Da die Lage der Reflexe von der Wellenlänge des Lichtes abhängt, kann man optische Gitter zur Trennung verschiedener Wellenlängen nutzen. Die Interferenzeinheit IE wird im Strahlengang zwischen der Lichtquelle LQ und den mindestens zwei das ausgesandte Licht empfangende Lichtempfänger LE angeordnet. Der Lauf von Lichtstrahlen durch optische Geräte, die Interferenzeinheit IE, hindurch wird Strahlengang genannt. Dabei wird vereinfachend angenommen, dass Licht aus kleinen Teilchen (Photonen) besteht, die sich auf geraden Bahnen bewegen, solange sie nicht durch Linsen, Spiegel oder andere optische Bauelemente abgelenkt werden. Durch die mindestens zwei Lichtempfänger LE, die hinter der Interferenzeinheit IE angeordnet sind, können nun die durch die Beugung entstandenen Intensitätsmaxima 1 und -minima 2 (siehe Figur 2) empfangen werden. Dafür werden die Lichtempfänger LE derart angeordnet, dass die maximale Intensität eines Maximas und die minimale Intensität, ist gleich null, eines Minimas empfangen werden kann. Die Lichtempfänger LE werden idealerweise symmetrisch angeordnet, da das Interferenzmuster im Allgemeinen auch symmetrisch ist. Befinden sich nun Partikeln, beispielsweise Aerosolteilchen und Rauchpartikeln, die durch einen Brand entstehen, im Strahlengang hinter der Interferenzeinheit IE, wird das durch die Interferenzeinheit IE entstandene Interferenzmuster gestört bzw. verändert. Das erfindungs-gemässe Verfahren ist somit fundamental verschieden, da nicht die Streuung oder Abschwächung des Lichtes gemessen wird, sondern die Veränderung bzw. Zerstörung des Interferenzmusters durch Partikeln bzw. Teilchen, die für einen Brand typisch sind.
Dies wirkt sich auf die empfangenen Intensitäten bei den einzelnen Lichtempfängern LE aus. So wird ein Lichtempfänger LE, der sonst die maximale Intensität empfängt, eine Abschwächung dieser Intensität detektieren und ein Lichtempfänger LE, der normalerweise keine Intensität empfängt wird eine Intensität grösser null empfangen. Da die Lichtempfänger LE erfindungsgemäss als Photodioden bzw. Photozellen ausgebildet sein können, wird die empfangene Intensität des Lichtes in elektrische Signale umgewandelt und an eine Auswerteinheit AE weitergeleitet. Die Auswerteinheit AE bestimmt die Intensität des empfangenen Lichtes.

[0012] Erfindungsgemäss kann die Auswerteinheit AE im Brandmelder BM und/oder in einer Brandmeldezentrale integriert sein oder eine separate Einheit darstellen. Die Lichtquelle LQ, die Interferenzeinheit IE und die mindestens zwei Lichtempfänger LE können in einer Messkammer MK eines Brandmelders BM angeordnet sein. Wird unmoduliertes Licht verwendet muss die Messkammer MK von Fremdlicht geschützt werden. Dies wird meist dadurch erreicht, dass die Messkammer MK ein so genanntes Labyrinth aufweist. Eine weitere Möglichkeit zur effizienten Rauchdetektion besteht darin, dass moduliertes Licht verwendet wird, dessen Frequenz nicht mit der Frequenz von Licht in der Umgebung des Brandmelders BM bzw. Licht in einem Frequenzbereich bzw. einer Frequenz übereinstimmt. Die Lichtempfänger LE werden dahin eingestellt, dass diese ausschließlich Licht der Frequenzen dieses modulierten Lichtes detektieren. Die Lichtquelle LQ kann unterschiedliche Frequenzen emittieren, sollte jedoch idealerweise monochromatisch sein. Die Anordnung der Lichtempfänger LE und die Wahl der Interferenzeinheit IE sind abhängig von der gewählten Lichtwellenlänge.

[0013] Figur 2 zeigt ein typisches Interferenzmuster, das durch einen Einfachspalt hervorgerufen wurde. Die empfangene maximale Intensität wird meist als 0. Maximum 2 und die weiteren schwächeren Intensitäten werden als 1. Maximum 2, 2. Maximum 2 bis hin zum n. Maximum 2 bezeichnet. Zwischen diesen Wellenbergen bzw. Maxima 2 ergeben sich Wellentäler bzw. Minima 1.

[0014] Figur 3 zeigt einen erfindungsgemässen Brandmelder BM, welcher unter Figur 1 beschrieben wurde. Der Brandmelder BM enthält eine Messkammer MK mit einer Lichtquelle LQ, einer Interferenzeinheit IE und mindestens zwei Lichtempfänger LE.

[0015] Die Lichtempfänger sind mit einer Auswerteinheit AE verbunden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Detektion eines Brandes mit einem Brandmelder (BM), wobei der Brandmelder (BM) eine Lichtquelle (LQ), mindestens zwei das ausgesandte Licht empfangende Lichtempfänger (LE) und eine mit den mindestens zwei Lichtempfängern verbundene Auswerteinheit (AE) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass von der Lichtquelle (LQ) ausgesandtes Licht an einer Interferenzeinheit (IE), die im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) angeordnet ist, gebeugt, das gebeugte Licht von den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) empfangen und von der Auswerteinheit (AE) die Intensität des an jedem Lichtempfänger empfangenen Lichtes bestimmt wird und
dass aufgrund brandtypischer Partikeln im Strahlengang des ausgesandten Lichtes eine Veränderung der Intensität des empfangenen Lichtes von der Auswerteinheit (AE) detektiert und ein Alarm ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Interferenzeinheit (IE) ein Einfachspalt, ein Doppelspalt, ein Mehrfachspalt, ein Gitter und/oder eine Lochblende verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens zwei Lichtempfänger (LE) derart angeordnet sind, dass die maximale Intensität der durch das Beugen des Lichtes entstandenen Maxima (2) empfangen wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens zwei Lichtempfänger (LE) derart angeordnet sind, dass die minimale Intensität der durch das Beugen des Lichtes entstandenen Minima (1) empfangen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens zwei Lichtempfänger (LE) symmetrisch angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Lichtquelle (LQ) ein Laser, eine Laserdiode und/oder eine LED-Diode verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle (LQ) monochromatisches Licht aussendet.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass moduliertes Licht verwendet wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Frequenz des modulierten Lichtes eine Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs des sichtbaren Lichtes und/oder des Lichtes der Umgebung des Brandmelders (BM) verwendet wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Frequenzen des modulierten Lichtes aus dem Frequenzbereich des Lichtes und/oder des Lichtes der Umgebung des Brandmelders (BM) verwendet wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtempfänger (LE) nur Licht des modulierten Lichtes empfangen.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass unmoduliertes Licht verwendet wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einer Messkammer (MK) die Lichtquelle (LQ), die Interferenzeinheit (IE) und die mindestens zwei Lichtempfänger (LE) angeordnet sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Messkammer (MK) zum Schutz gegen Fremdlicht ein Labyrinth verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die brandtypischen Partikeln Rauch- und/oder Aerosolpartikel eines Brandes sind.

16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung der mindestens zwei Lichtempfänger (LE) und die Wahl der Interferenzeinheit (IE) abhängig von der gewählten Lichtwellenlänge sind.

17. Brandmelder (BM) zur Detektion eines Brandes, wobei der Brandmelder (BM) eine Lichtquelle (LQ), mindestens zwei das ausgesandte Licht empfangende Lichtempfänger (LE) und eine mit den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) verbundene Auswerteinheit (AE) aufweist,

- mit der Lichtquelle (LQ) zum Aussenden von Licht,

- mit einer Interferenzeinheit (IE), die im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (LQ) und den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) angeordnet ist, zum Beugen des Lichtes,

- mit den mindestens zwei Lichtempfängern (LE) zum Empfangen des gebeugten Lichtes,

- mit der Auswerteinheit (AE) zum Bestimmen der Intensität des an jedem Lichtempfänger (LE) empfangenen Lichtes und zum Ausgeben eines Alarms bei einer Veränderung der Intensität des empfangenen Lichtes aufgrund brandtypischer Partikeln im Strahlengang des ausgesandten Lichtes.

Zeichnung