Streulichtbrandmelder

Abstract

 Ein Branderkennungsverfahren beruht auf der Auswertung der Streulichtsignale, die ein mit einem Streulichtsystem ausgestatteter Brandmelder unter zwei Streuwinkeln mißt. Ein Mikroprozessor in dem Brandmelder gewinnt aus den Streulichtsignalen durch Vergleich mit einer Alarmschwelle einen Alarmwert. Zur Erkennung der häufigsten Rauchtypen und insbesondere zur Auswertung von Mischbränden mit geringem Fehlalarmrisiko wird der Alarmwert in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Streulichtsignale bestimmt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von mit einem Streulichtsystem eines mit einem Mikroprocessor ausgestatteten Brandmelders unter mindestens einem Vorwärts- und einem Rückwärtsstreuwinkel gemessenen Streusignalen, aus denen ein mit einer Alarmschwelle zu vergleichender Alarmwert gewonnen wird, sowie einen Brandmelder zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Streulichtbrandmelder arbeiten in der Regel mit von einer Sendediode abgegebenem Infrarotlicht, das eine Wellenlänge zwischen 800 nm und 1 µm hat. Das an einem im Meßvolumen des Melders gegebenenfalls vorhandenen Brandaerosol gestreute Licht wird unter einem Rückwärtsstreuwinkel, d.h. unter einem Winkel zwischen 0° und 90°, und/oder einem Vorwärtsstreuwinkel, d.h. unter einem Streuwinkel zwischen 90° und 180°, gemessen. Diese Winkel sind auf die den Sender mit dem Empfänger verbindende Achse bezogen.

[0003] Die Messung heller Aerosole unter einem Vorwärtsstreuwinkel liefert ein relativ großes Meßsignal. Die Messung dunkler Aerosole im Vorwärtsstreubereich liefert ein etwa um einen Faktor 10 kleineres Meßsignal. Die Meßsignale wachsen betragsmäßig mit zunehmendem Vorwärtsstreuwinkel. Im Rückwärtsstreubereich ist das gelieferte Signal unabhängig vom Rauchtyp geringer als im Vorwärtsstreubereich. Der Unterschied zwischen den Streusignalen heller und dunkler Aerosole ist im Rückwärtsstreubereich deutlich geringer als im Vorwärtsstreubereich.

[0004] Herkömmliche Streulichtbrandmelder die im Vorwärtsstreubereich arbeiten, erkennen dunkle Rauchsorten schlechter als helle Rauchsorten. Um eine sichere Alarmauslösung zu gewährleisten, muß die Empfindlichkeit des Melders auf die dunklen Rauchsorten eingestellt werden. Eine solche Empfindlichkeitseinstellung hat eine hohe Fehlalarmrate zur Folge, da der Melder auf helle Rauchsorten zu empfindlich reagiert. Insbesondere können Wasserdampf, Zigarettenrauch, durch heißes Fett entstehende Dämpfe oder Abgase zu einer unerwünschten Alarmauslösung führen. Aus diesem Grunde sind solche herkömmlichen Streulichtbrandmelder nicht zum Einsatz z.B. in Großküchen oder Sägewerken geeignet, da sie die dort entstehenden intensiven Dämpfe und Stäube nicht von hellem Rauch unterscheiden können.

[0005] Bei im Rückwärtsstreubereich arbeitenden Meldern besteht das Problem, daß Partikel, Stäube oder Salzkristalle, die in das Meßvolumen des Brandmelders eindringen können, ein erhebliches Rückstreusignal liefern und somit ebenfalls ein erhebliches Fehlalarmrisiko gegeben ist.

[0006] Ein Verfahren der einleitend genannten Gattung ist aus der DE 42 31 088 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden unter mindestens zwei Streuwinkeln Streusignale eines ggfs. im Meßvolumen eines Streulichtbrandmelders vorhandenen Aerosols gemessen und mit für verschiedene Rauchtypen in einem Speicher abgelegten Referenzdaten verglichen, um den im Meßvolumen vorhandenen Rauchtyp zu bestimmen und in Abhängigkeit von diesem der Alarmwert festzulegen. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es nur zur Analyse von bekannten Rauchtypen mit im Speicher abgelegten Referenzdaten, nicht aber zur zufriedenstellenden Auswertung von in der Praxis meist auftretenden Mischbränden geeignet ist, da diese nicht hin-reichend klassifiziert werden können.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend genannten Gattung bereitzustellen, das zur Erkennung der häufigsten Rauchtypen und insbesondere zur Auswertung von Mischbränden geeignet ist, ohne daß ein hohes Fehlalarmrisiko besteht.

[0008] Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den einleitend genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Alarmwert in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Streusignale bestimmt wird.

[0009] Durch dieses Vorgehen wird der Tatsache Rechnung getragen, daß in der Praxis meist Mischbrände auftreten, die nicht immer eindeutig klassifizierbare Aerosole liefern. Über das Verhältnis der Streusignale, dem sog. Hell-Dunkel-Quotienten, erfolgt nämlich eine stufenlose Bewertung des ggfs. in dem Meßvolumen des Brandmelders vorhandenen Aerosols, ohne daß es, wie nach dem Stand der Technik, erforderlich ist, bestimmte Brandmuster zum Vergleich mit dem Meßergebnis zu speichern. Wird z.B. ein kleiner Hell-Dunkel-Quotient ermittelt, liegt ein helles Aerosol vor. Entsprechend wird bei dunklen Aerosolen ein großer Hell-Dunkel-Quotient gemessen. Die Bestimmung des Alarmwerts erfolgt also in Abhängigkeit von der Helligkeit des Aerosols. Der tatsächlich vorliegende Rauchtyp muß nicht ermittelt werden. Dies hat zur Folge, daß die Empfindlichkeit eines nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden Streulichtbrandmelders für alle Aerosole, d.h. unabhängig von der Helligkeit eines Aerosols, in etwa konstant gehalten werden kann und das Fehlalarmrisiko äußerst gering ist. Die Anordnung der beiden Streulichtstrecken sollte so gewählt sein, daß die eine ein sehr gutes Ansprechverhalten für helle Aerosole und die andere ein sehr gutes Ansprechverhalten für dunkle Aerosole hat.

[0010] Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Rückwärtsstreuwinkel etwa 70° (Anspruch 2). Etwa bei diesem Streuwinkel haben durch Streuung von IR-Strahlung an einem Aerosol gewonnene Signale ein Minimum. Damit ist eine Normierung der Meßwerte möglich und mithin eine zuverlässige Bestimmung des Hell-Dunkel-Quotienten gewährleistet.

[0011] Der Vorwärtsstreuwinkel kann dem doppelten Rückwärtsstreuwinkel entsprechen (Anspruch 3).

[0012] Vorteilhaft ist das Verhältnis der unter den Meßwinkeln gemessenen Streusignale mindestens einer Täuschungsgröße, wie z.B. Wasserdampf, Stäube und/oder Dämpfe aus Arbeitsprozessen, in einem Speicher abgelegt. Damit ist es möglich, Täuschungsgrößen als solche zu erkennen und eindeutig von Rauch zu unterscheiden, so daß kein Fehlalarm ausgelöst wird. Somit ist ein Streulichtbrandmelder, der das Verfahren nach der Erfindung nutzt, auch in Umgebungen einsetzbar, in denen herkömmliche Melder aufgrund ihrer hohen Fehlalarmanfälligkeit nicht einsetzbar sind. Die resultierende Fehlalarmempfindlichkeit des Melders kann so den tatsächlichen Erfordernissen angepaßt werden.

[0013] Bei der Weiterverarbeitung des Hell-Dunkel-Quotienten S_R/S_V (S_R: Rückwärtsstreusignal, S_V: Vorwärtsstreusignal) kann unter Berücksichtigung der Tatsache, daß dieser Quotient im allgemeinen zwischen 0,2 und 0,8 liegt, zur Meßbereichsaufweitung ein Faktor F, F'

ermittelt werden (Anspruch 5). Dieser kann dann zur Bestimmung der Helligkeit des Aerosols herangezogen werden.

[0014] Bei einem Hell-Dunkel-Quotienten von 0,2, d.h. F=0, liegt ein sehr heller Rauch, bei einem Hell-Dunkel-Quotienten von 0,8, d.h. F = 1, liegt ein sehr dunkler Rauch vor. Wasserdampf liefert ein Verhältnis S_R/S_V von etwa 0,20. Ein solches Verhältnis wird von keiner anderen bekannten Aerosolart erzeugt, so daß Wasserdampf eindeutig als Störgröße identifizierbar ist. Sind Störgrößen wie Staub o.ä. im Meßvolumen des Brandmelders vorhanden, so kann der Quotient S_R/S_V einen Wert über 1 annehmen. Dann ist das Rückwärtsstreusignal also größer als das Vorwärtsstreusignal und der Faktor F' wird ermittelt. Bei solchen Werten ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, daß keine Brandaerosole sondern Störgrößen im Meßvolumen des Brandmelders vorliegen. Dies kann bei der Auswertung des Meßsignals berücksichtigt werden.

[0015] Zweckmäßig ist der Alarmwert eine gewichtete Summe der den Streusignalen entsprechenden Werte (Anspruch 6). In dieser Summe werden die unter den beiden Streuwinkeln ermittelten Meßwerte ihrer jeweiligen Bedeutung entsprechend berücksichtigt. Es ist auch denkbar, daß statt der Summe nur das gewichtete Vorwärts- oder nur das gewichtete Rückwärtsstreusignal bei der Bestimmung des Alarmwerts berücksichtigt wird.

[0016] Um weitere, relevante Parameter, wie z.B. die Umgebungstemperatur, bei der Bestimmung des Alarmwerts zu berücksichtigen, können die Streusignale mit mindestens einem Wert, der einer weiteren Eingangsgröße, z.B. der Umgebungstemperatur, entspricht, multipliziert werden (Ansprüche 7, 8). Die Temperatur kann aber auch unabhängig von den ermittelten Streusignalen berücksichtigt werden. Dann ist auch bei einem nahezu aerosolfreien Brand, wie z.B. einem Spiritusbrand, eine Alarmauslösung gewährleistet.

[0017] Zur Fremdlichtkompensation wird zweckmäßig für jeden Streuwinkel ein Ruhewert ermittelt und der jeweilige Ruhewert von dem zugehörigen Streusignal subtrahiert (Anspruch 9).

[0018] Abhängig davon, ob ein Meßsystem mit einer Sendediode und zwei Empfängerdioden oder ein Meßsystem mit zwei Sendedioden und einer Empfängerdiode eingesetzt wird, können die Streusignale gleichzeitig (Anspruch 10) oder alternierend (Anspruch 11) ermittelt werden.

[0019] Zur Unterdrückung von Störgrößen ist es zweckmäßig, die Streusignale vor ihrer Verarbeitung zu filtern (Anspruch 12).

[0020] Die Erfindung hat auch einen mit einem Mikroprozessor ausgestatteten Streulichtbrandmelder mit einem Streulichtsystem zur Messung von Streusignalen unter mindestens einem Vorwärts- und einem Rückwärtsstreuwinkel zum Gegenstand, der insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist (Anspruch 13).

[0021] Der Streulichtbrandmelder kann entweder eine Sendediode und zwei Empfängerdioden (Anspruch 14) oder zwei Sendedioden und eine Empfängerdiode (Anspruch 15) aufweisen.

[0022] Zur Speicherung von Parametern, z.B. dem Hell-Dunkel-Quotienten von Wasserdampf, kann der Streulichtbrandmelder ein EEPROM aufweisen (Anspruch 16).

[0023] Vorteilhaft ist der Streulichtbrandmelder mit einer Schnittstelle zum Anschluß eines Computers ausgestattet (Anspruch 17), so daß die Parameter mittels einer geeigneten Software an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepaßt werden können.

[0024] Zur Messung der Umgebungstemperatur kann der Streulichtbrandmelder ein Thermoelement aufweisen (Anspruch 18).

[0025] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

einen Meßaufbau des Streulichtsystems;

Fig. 2a

ein Blockschaltbild zur Durchführung des Auswerteverfahrens nach der Erfindung;

Fig. 2b

das zugehörige Flußdiagramm; und

Fig. 3 a, b

das Streusignal in Abhängigkeit vom Streuwinkel für ausgewählte Brandgüter.

[0026] Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßkammer 24 eines Streulichtbrandmelders. In der Meßkammer 24 liegen ein Sender 20 für IR-Strahlung und zwei Empfänger 21, 22. Die Empfänger 21, 22 haben Linsen, die aus tageslichtabsorbierendem und infrarotdurchlässigem Material bestehen. Der Sender 20 und die Empfänger 21, 22 haben optische Achsen, die einen Winkel kleiner 90° bzw. größer 90° einschließen. Der Meßaufbau umfaßt also eine Rückwärtsstreustrecke und eine Vorwärtsstreustrecke. Sichtblenden 23 verhindern, daß von dem Sender 20 ausgehende Strahlung direkt auf die Empfänger 21 und 22 trifft.

[0027] Alternativ kann die Meßkammer zwei Sender und einen Empfänger enthalten.

[0028] Der Brandmelder weist zudem einen Mikroprozessor, ein EEPROM und einen Arbeitsspeicher auf, die nicht dargestellt sind.

[0029] Das in Fig. 2a dargestellte Blockschaltbild und das in Fig. 2b dargestellte Flußdiagramm verdeutlichen das Verfahren nach der Erfindung. Die IR-Strahlung des Senders 20 wird, sofern ein Aerosol im Meßvolumen vorhanden ist, gestreut und gelangt dadurch zu einem einer Vorwärtsstreustrecke zugeordneten Empfänger 22 und einem einer Rückwärtsstreustrecke zugeordneten Empfänger 21. Der Vorwärtsstreuwinkel beträgt 140° und der Rückwärtsstreuwinkel beträgt 70°. Der gemessene Photostrom der Empfänger 21 und 22 wird mittels Strom-/Spannungswandlern 2 bzw. 7 in eine Spannung umgewandelt und zur Eliminierung von Störspitzen gefiltert. Integratoren 3 und 8 integrieren zur Umgebungslichtkompensation den Ruhewert auf, d.h. das Signal, das die Empfänger 21 und 22 außerhalb der Sendeintervalle der Sendediode 20 messen. Dies ist erforderlich, denn durch Restreflexionen in der Kammer liegt ein geringer Restlichtanteil in der Kammer vor, so daß das Ruhesignal nicht Null ist.

[0030] Des weiteren umfaßt der Streulichtbrandmelder ein Temperaturmeßmodul 25. Dieses, der IR-Sender 20 und die Empfänger 21, 22 werden gepulst angesteuert, um den Energieverbrauch des Brandmelders möglichst niedrig zu halten. Das Temperaturmeßmodul 23 verfügt über einen Ruhewertintegrator 9, der einen gleitenden Ruhewert ermittelt. Im Gegensatz zu der Zeitkonstanten der Integratoren 3 und 8 der Empfänger 21 und 22 ist dessen Zeitkonstante kleiner, uzw. aus folgendem Grund: Die Ruhewerte der Streulichtstrecken sind sehr konstant und ändern sich durch Verschmutzung oder Alterung nur sehr langsam. Zudem können z.B. Schwelbrände mehrere Stunden dauern, so daß die Integratoren den damit verbundenen Anstieg des Meßsignals keinesfalls kompensieren dürfen. Die Zeitkonstanten der Ruhewertintegratoren 3 und 8 müssen daher im Stundenbereich liegen. Die Raumtemperaturen können sich aber im Minutenbereich ändern, uzw. auch, wenn kein Brand vorliegt, z.B. beim Öffnen eines Fensters. Im Falle eines Brandes steigt die Temperatur aber zumeist sehr schnell an. Daher muß die Zeitkonstante des Integrators 9 so bemessen sein, daß nur sehr schnelle Temperaturanstiege bei der Auswertung berücksichtigt werden.

[0031] Es gibt allerdings auch Brandverläufe mit sehr langsamem Temperaturanstieg. Diese sind aber stets mit starker Rauchentwicklung verbunden; letztere wird mittels der Streulichtempfänger 21, 22 gemessen.

[0032] Nach den Integratoren 8, 3, 9 werden die Meßwerte normiert, so daß sie in einheitlicher Form weiterverarbeitet werden können (Z_V, Z_R, Z_t). Aus den beiden normierten Streulichtmeßwerten (Z_V, Z_R) wird der Hell-Dunkel-Quotient des im Meßvolumen des Brandmelders vorhandenen Aerosols berechnet. Über diesen Faktor wird bewirkt, daß das Meßsignal eines dunklen Aerosols eine höhere Gewichtung als das Meßsignal eines hellen Aerosols erfährt. Die beiden Meßsignale (Z_V, Z_R) werden gewichtet summiert. Die gewichtete Summe wird mit dem Hell-Dunkel-Quotienten F_H,D multipliziert. Aus diesem Meßergebnis und dem Wert Z_t wird nun eine weitere gewichtete Summe gebildet. An dieser Stelle wird nun das Temperaturanstiegsverhalten berücksichtigt.

[0033] Um ein Quantisierungsrauschen zu vermeiden, wird der Hell-Dunkel-Quotient erst dann berechnet, wenn das Vorwärts- und das Rückwärtstreusignal einen in dem EEPROM gespeicherten Mindestwert überschreiten.

[0034] Das gewonnene Ergebnis wird mit einer festen, im EEPROM abgelegten Alarmschwelle verglichen, bei deren Überschreiten Alarm ausgelöst wird.

[0035] U.U. kann aber die Temperatur auch sehr rasch ansteigen, ohne daß ein Brandaerosol gebildet wird. Dies ist z.B. bei einem reinen Spiritusbrand der Fall. Um auch in diesem Fall eine Alarmauslösung zu gewährleisten, ist in dem EEPROM des Brandmelders eine feste Temperaturalarmschwelle abgespeichert, bei deren Überschreiten Alarm ausgelöst wird. Mithin wird also entweder bei Überschreiten einer Maximaltemperatur oder bei Überschreiten eines maximalen Streulichtwerts Alarm ausgelöst.

[0036] Um eine spätere Analyse zu ermöglichen, werden zum Alarmzeitpunkt wichtige Daten aus dem Arbeitsspeicher des Brandmelders in einen ebenfalls nicht dargestellten flüchtigen Speicher kopiert.

[0037] Fig. 3a zeigt Streusignale ausgewählter Brandgüter in Abhängigkeit vom Streuwinkel. Der charakteristische Verlauf ist für alle Rauchsorten ähnlich. Das Signal steigt in Rinchtung großer und in Richtung kleiner Streuwinkel an. Baumwolle (Cotton) und Paraffin erzeugen helle Rauchsorten. Bei einem PU-Schaumbrand entsteht ein dunkles Aerosol. Bei einem großen Streuwinkel zeigt ein Baumwollaerosol ein sechs Mal stärkeres Streusignal als ein PU-Schaumaerosol. Im Minimum, bei ca. 70°, ist dieses Signal nur doppelt so groß.

[0038] In Fig. 3b sind die in Fig. 3a dargestellten Signale auf einen Rückwärtsstreuwinkel von 70° normiert. Brände der angegebenen Brandgüter erzeugen also Aerosole, die bei Normierung auf den Rückstreuwinkel unterschiedliche Hell-Dunkel -Quotienten liefern, welche bei dem Verfahren nach der Erfindung verarbeitet werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Auswertung von mit einem Streulichtsystem eines mit einem Mikroprozessor ausgestatteten Brandmelders unter zwei Streuwinkeln gemessenen Streusignalen, aus denen ein mit einer Alarmschwelle zu vergleichender Alarmwert gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Alarmwert in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Streusignale bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärtsstreuwinkel etwa 70° beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtsstreuwinkel etwa gleich dem doppelten Rückwärtsstreuwinkel ist.

4. Verfahren nach einem der ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Streusignale mindestens einer Täuschungsgröße in einem Speicher abgelegt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verhältnis der Streusignale der Faktor F, F'

gewonnen wird, mit dem die Helligkeit eines ggfs. vorhandenen Aerosols bestimmt wird, wobei S_R dem Rückwärtsstreusignal und S_V dem Vorwärtsstreusignal entsprechen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Alarmwert eine gewichtete Summe der den Streusignalen entsprechenden Werte ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale mit mindestens einem mit einer weiteren Eingangsgröße korrespondierenden Wert multipliziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Eingangsgröße die Umgebungstemperatur ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Streuwinkel ein Ruhewert ermittelt wird und der jeweilige Ruhewert von dem zugehörigen Streusignal subtrahiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale gleichzeitig ermittelt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale alternierend ermittelt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streusignale vor ihrer Verarbeitung gefiltert werden.

13. Streulichtbrandmelder mit einem Streulichtsystem zur Messung von Streusignalen unter mindestens einem Vorwärts- und einem Rückwärtsstreuwinkel sowie mit einem Mikroprocessor, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

14. Streulichtbrandmelder nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Sendediode und zwei Empfängerdioden.

15. Streulichtbrandmelder nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch zwei Senderdioden und eine Empfängerdiode.

16. Streulichtbrandmelder nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch ein EEPROM.

17. Streulichtbrandmelder nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine Schnittstelle zum Anschluß eines Computers.

18. Streulichtbrandmelder nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch ein Thermoelement.

Zeichnung