DE2619083B2

DE2619083B2 - Rauchdetektor

Info

Publication number: DE2619083B2
Application number: DE2619083A
Authority: DE
Inventors: Zoltan Dipl.-El.-Ing. Maennedorf Horvath; Erwin Zollikon Tresch
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1976-04-05
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1978-11-23
Also published as: NL7702836A; FR2347676B1; GB1561421A; BE852828A; SE411153B; DE2619083A1; CA1111929A; JPS52121379A; DE2619083C3; IT1081572B; US4175865A; AU503661B2; AU2320677A; SE7703072L; CH592933A5; JPS5728361U; FR2347676A1

Description

65

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer Strahlungsquelle, welche Strahlung in einen bestimmten Raumbereich aussendet, und wenigstens einem Strahlungsempfänger, der außerhalb des direkten Strahlungsbereiches angeordnet ist und dem die an Partikeln im Strahlungsbereich gestreute Strahlung zugeführt wird.

Die Strahlung kann dabei je nach Art der nachzuweisenden Rauchpartikel im sichbaren, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich gewählt werden. Bei solchen Rauchdetektoren, wie sie beispielsweise in der Brandmeldetechnik Verwendung finden, wird der Strahlungsempfänger nicht direkt bestrahlt sondern ist außerhalb des Strahlungsbereiches so angeordnet daß er nur dann Strahlung erhält wenn strahlungsstreuende Partikel in den Strahlungsweg eintreten und eine Strahlungsstreuung verursachen. Sobald die vom Strahlungsempfänger aufgenommene Strcustrahlungsintensität ein gewisses Maß erreicht wird über eine geeignete Auswerteschaltung ein Signal gegeben, wie beispielsweise im Schweizer Patent 4 17 405 oder in den japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen Sho 46-11 437, 11 694 und 44 206 (Offenlegungsschriften Sho 47-21 577, 47-21 578 und 48-2687), bzw. der japanischen Patentanmeldung Sho 46-12 199 (OS Sho 47-32 797) beschrieben.

Bei vorbekannten Rauchdetektoren dieser Art wird die Strahlung mittels einer Optik in eine Meßkammer geleitet wobei der Strahlungsempfänger quer zur Strahlungsrichtung so angeordnet ist daß er vorzugsweise die unter 90° gestreute Strahlung empfangen kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist jedoch relativ schlecht, da die Bestrahlung des Empfängers bei einer geringen Rauchdichte in der Meßkammer nur sehr gering ist. Solche Rauchdetektoren haben daher den Nachteil, daß sie bei der Verwendung als Brandmelder nicht früh genug auf die ersten, durch einen Brandausbruch hervorgerufenen Rauchspuren reagieren.

Es ist bereits versucht worden, die an sich bekannte Tatsache auszunützen, daß bei den meisten nachzuweisenden Partikelarten die Vorwärtsstreuung, bei welcher die Empfangsrichtung einen spitzen Winkel mit der Strahlungsrichtung bildet, größer ist als die Seitwärtsoder Rückwärtsstreuung. Dabei wurde der Strahlungsempfänger so angeordnet, daß er gerade noch außerhalb des Strahlungsbündels liegt. Die mit solchen Rauchdetektoren erreichbare Empfindlichkeitserhöhung hielt sich jedoch in engen Grenzen, da immer noch nur ein geringer Teil der Streustrahlung ausgenützt wurde. Außerdem mußte die Strahlung sehr gut gebündelt sein, damit der Empfänger nicht von direkter Randstrahlung getroffen wird, was solche Geräte ziemlich aufwendig und schwer einstellbar macht

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines Rauchdetektors mit verbessertem Wirkungsgrad, entsprechend verminderter Leistungsaufnahme und erhöhter Funktionssicherheit welcher bei Verwendung als Brandmelder eine sicherere und frühzeitigere Signalgabe schon bei geringen Rauchkonzentrationen gestattet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels innerer Reflexionen strahlungsleitende Elemente vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie die in einem spitzen Winkel mit der Strahlungsrichtung vorwärtsgestreute Strahlung in einer ringförmigen Zone um die direkte Strahlung abgreifen und einem Strahlungsempfänger zuführen.

Anhand der Fig. 1—5 werden fünf verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, welche sich durch die unterschiedliche Ausbildung der

strahlungsleitenden Elemente unterscheiden.

Bei dem ersten, in F i g. la dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine luftzugängliche Meßkammer 1 von einem rohrförmigen Gehäuse 2 umschlossen, welches an beiden Enden durch Basisplatten 3 und 4 abgeschlossen ist, so daß zwischen diesen und dem Rohr 2 Lufteintrittsschlitze 5 verbleiben, durch welche die Außenluft in das Meßkammerinnere eindringen kann. Dabei ist eine Umlenkung des Luftstromes vorgesehen, eventuell durch zusätzliche Schikanen 6. so daß der direkte Lichteinfall von außen unterdrückt wird.

Auf der einen Basisplatte 3 ist ein Halterungskörper 7 aufgesetzt, in welchem eine Strahlungsquelle 8 eingesetzt ist Diese, kann im Prinzip von beliebiger Ausführung sein, zum Beispiel als Glühlampe, Entladungslampe oder als lichtemittierender Halbleiter, zum Beispiel als Galliumarsenid-Diode ausgeführt sein. Durch eine Optik 9, zum Beispiel eine Linse, wird die Strahlung in einen Strahlungsbereich 10 gebündelt ausgesandt Statt dessen können jedoch auch andere optische Mittel, zum Beispiel Reflektoren, vorgesehen sein oder es kann eine Lichtquelle mit bevorzugter Ausstrahlungsrichtung, zum Beispiel eine Laser-Diode, benützt werden.

Auf der gegenüberliegenden Basisplatte 4 ist ein weiteres Halterungsteil 11 vorgesehen, welches auf der Rückseite, also für die Direktbestrahlung nicht zugänglich, einen Strahlungsempfänger 12 trägt, dessen Empfindlichkeit auf die Wellenlänge der Strahlung abgestimmt ist Auf der vorderen der Strahlungsquelle zugewandten Seite ist das Trägerelement H im zentralen Teil, welcher von der direkten Strahlung getroffen wird, in geeigneter Weise strahlungsabsorbierend, zum Beispiel in der Art einer Lichtfalle 13 ausgebildet, damit möglichst wenig von der auftreffenden Strahlung wieder reflektiert wird. Der direkte Strahlungsbereich 10 ist von einem Kranz strahlungsleitender Elemen;e 14 umgeben, welche beispielsweise als bekannte, lichtleitende Fasern ausgebildet sein können. Die Eintrittsöffnungen dieser Fasern liegen in einer ringförmigen Zone um den direkten Strahlungsbereich 10, so daß an Partikeln im Strahlungsbereich 10 vorwärtsgestreute Strahlung auf die Eintrittsöffnungen trifft.

Ein besonders guter Wirkungsgrad wird erreicht, wenn der Winkel der Streustrahlung von Partikeln im mittleren Strahlungsbereich 10 mit der Richtung der direkten Strahlung in der Größenordnung von 5-15° liegt. Damit ist sichergestellt, daß auch bei nicht idealer Bündelung in den Randgebieten keine direkte Strahlung auf die Eintrittsöffnungen trifft und das Signal/Rauschverhältnis optimal wird.

Wie in Fig. Ib in perspektivischer Ansicht dargestellt führen die Lichtleiter-Fasern zum gemeinsamen Strahlungsempfänger 12 an der Rückseite. Damit wird erreicht, daß mit nur einem einzigen Strahlungsempfänger Streustrahlung aus der gesamten optimalen Zone um den direkten Strahlungsbereich der Streustrahlung aufgenommen und dem Empfänger zugeführt werden kann. Die Wirkung kann noch dadurch verbessert werden, daß nicht nur ein einziger Kranz von Lichtleiterfasern verwendet wird sondern mehrere, übereinanderliegende Schichten.

Der Strahlungsempfänger 12 ist ebenso wie die Strahlungsquelle 8 mit einer elektronischen Schaltung 15 verbunden, welche in einem Hohlraum des Trägerelementes 7 vergossen angeordnet ist. Diese Steuer- und Auswerteschaltung kann in bekannter Weise so ausgeführt sein, daß die Strahlungsquelle 8 intermittierend betrieben wird und der Strahlungsempfänger 12 im Koinzidenzschaltung damit arbeitet Mittels der Kontakte 16, zum Beispiel in Bajonett- oder Stiftausführung, kann die Schaltung 15 über Leitungen mit einer Signalzentrale verbunden werden.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel, in welchem die in F i g. 1 äquivalenten Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine Strahlungsquelle 8 mit Richtcharakteristik vorgesehen, zum Beispiel eine Laserdiode. Um einen begrenzten Strahlungsbereich 10 zu erhalten, sind in diesem Falle keine optischen Bündelungsmittel nötig, sondern es genügt ein System von Blenden 17, welche am entsprechend ausgeformten Trägerelement 7 vorgesehen sind.

Auf der Empfängerseite ist anstelle der lichtleitenden Fasern ein zwiebelschalenförmiger Lichtleiter 18 vorgesehen, welcher die in der ringförmigen Eintrittszone 19 eintretende Streustrahlung wiederum mittels innerer Totalreflexionen zum Strahlungsempfänger 12 leitet Damit wird eine besonders einfache Form der Erfassung der Streustrahlung in einer ringförmigen Zone um den direkten Strahlungsbereich 10 erreicht.

Das von der direkten Strahlung 10 getroffene Zentrum innerhalb des zwiebeiförmigen Strahlungsleiters 18 ist als sogenanntes Rayleigh-Horn 20 ausgebildet, welches eine besonders gute Auslöschung der auftreffenden Strahlung und eine äußerst geringe

JO Reflexion gewährleistet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig.3 unterscheidet sich vom vorhergehenden Beispiel lediglich auf der Empfängerseite dadurch, daß mehrere übereinanderliegende zwiebeiförmige Strahlungsleiter 21, 22, 23 mit

J5 zurückversetzten Öffnungsringen vorgesehen sind, welche die Streustrahlung wiederum auf ein einziges Empfängerelement 12 führen. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß ein noch größerer Streuwinkelbereich der Streustrahlung von den lichtleiteriden Elementen

■to erfaßt und dem Strahlungsempfänger 12 zugeleitet werden kann. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Anordnung im Vergleich zu den vorhergehenden Beispielen weiter verbessert.

Ein weiterer Unterschied ist der, daß in diesem

*■> Beispiel im Zentrum des Strahlungsbereiches 10 keine Strahlungsfalle vorgesehen ist, sondern ein weiterer Strahlungsempfänger 24. Dieser ist mit dem Streustrahlungsempfänger 12 in einer Differenz- oder Quotientenschaltung verbunden, etwa gemäß dem deutschen

so Gebrauchsmuster G 76.09 014.7. Hierbei wird die Tatsache ausgenützt, daß Rauch rächt nur eine Strahlungsstreuung verursacht, sondern ebenfalls eine Strahlungsextinktion im Zentrum des Strahlungsbereiches. In der beschriebenen Weise kann daher die

>^r> Empfindlichkeit der Anordnung durch Anbringung des weiteren Strahlungsempfängers 24 zusätzlich zum Streustrahlungsempfänger 12 weiter verbessert werden. Das in F i g. 4 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel ist im Prinzip nichts anderes, als eine vereinfachte

«» und leichter und billiger herzustellende Ausführungsform des Beispieles nach F i g. 3, wobei die mehrfach übereinanderliegenden zwiebeiförmigen Schalen 21,22, 23 etc. durch ein einziges Element 25 ersetzt sind und auf die Trennwände der einzelnen Schalen verzichtet wird.

h^r> Der Wirkungsgrad ist natürlich etwas geringer als bei lichtleitenden Glasfasern oder Glasschalen, bei welchem die Strahlungsleitung vermittels Totalreflexionen stattfindet. Zum Ausgleich kann jedoch die Außenfläche

26 des lichtleitenden Körpers 25 verspiegelt sein, so daß auch hier eine genügende Strahlungssammlung gewährleistet ist. Mit besonderem Vorteil kann der gesamte Körper 25 aus einem leichter zu verarbeitenden Material, zum Beispiel aus Plexiglas hergestellt sein.

Am hinteren Ende trägt der lichtleitende Körper 25 einen ringförmigen Streustrahlungsempfänger 27, während im Zentrum des Strahlungsbereiches 10 wiederum ein Strahlungsempfänger 28 für die direkte Strahlung vorgesehen ist In diesem Ausführungsbeispiel befinden ι ο sich ein Teil der Auswerteelektronik 29 und die Anschlußkontakte 30 auf der Empfängerseite.

Das in F i g. 5 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel besitzt ebenfalls einen aus einem Stück aufgebauten lichtleitenden Glas- oder transparenten Kunststoffkörper 31, dessen Außenfläche 32 die Form einer schlanken Zwiebel besitzt. Im Zentrum besitzt dieser Körper 31 eine dem öffnungswinkel des Strahlungsbereiches 10 angepaßte Bohrung mit leicht konischer Innenfläche 31, welche in einen ebenfalls zwiebeiförmig ausgebildeten Absorptionsraum 34 mündet, dessen Innenfläche geschwärzt oder verspiegelt sein kann. Bei Ausführung des lichtleitenden Körpers 31 aus stark brechendem Material, zum Beispiel einem geeigneten Glas, wirkt die Außenfläche 32 zumindest für flach eintreffende, das heißt vorwärtsgestreute Strahlen total-reflektierend, ebenso die Innenseite des Absorptionsraumes 34. Bei Ausführung aus transparentem Kunststoff, zum Beispiel Plexiglas empfiehlt sich doch eine Verspiegelung der Außenfläche. Wiederum ist ein Strahlungsempfänger 12 an der Spitze der Zwiebel angebracht um die durch die Innenfläche 33 hindurchtretende Streustrahlung zu sammeln, während die direkte, in den Absorptionsraurr 34 eintretende Strahlung absorbiert wird. Da bei diesel Anordnung der lichtsammelnde Körper 31 einen großer Teil des Strahlungsbereiches 10 umschließt, wird ein besonders großer Teil der Streustrahlung aufgenommer und durch die besondere flache Zwiebelform des lichtleitenden Körpers 31 mit besonders gutem Wirkungsgrad zum Strahlungsempfänger 12 geleitet Ein Rauchdetektor nach diesem Ausführungsbeispiel weist also trotz einfachen Aufbaues eine besonders große Empfindlichkeit auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rauchdetektor mit einer Strahlungsquelle, welche Strahlung in einen bestimmten Raumbereich aussendet, und wenigstens einem Strahlungsempfänger, der außerhalb des direkten Strahlungsbereiches angeordnet ist und dem die an Partikeln im Strahlungsbereich gestreute Strahlung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels innerer Reflexionen strahlungsleitende Elemente vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie die in einem spitzen Winkel mit der Strahlungsrichtung vorwärts gestreute Strahlung in einer ringförmigen Zone um die direkte Strahlung abgreifen und dem is Strahlungsempfänger (12) zuführen.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsleitenden Elemente als strahlungsleitende Fasern (14) ausgebildet sind, deren Eingangsöffnungen in einer ringförmigen Zone (R) um die direkte Strahlung angeordnet sind und deren Ausgänge auf den Strahlungsempfänger (12) münden.

3. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtieitenden Elemente als zwiebelschalenförmige Schichten (18, 21, 22, 23) ausgebildet sind, deren ringförmige Eingangsöffnungen in der ringförmigen Zone (R) um die direkte Strahlung (10) liegen und an deren Spitze der Strahlungsempfänger (12) angeordnet ist.

4. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsleitendes Element ein transparenter Körper (25) mit reflektierender Außenfläche (26) und stufenringförmigen Eintrittsöffnungen außerhalb der direkten Strahlung (10) vorgesehen ist

5. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtleitendes Element ein Körper mit zwiebelschalenformiger Außenfläche (32) und zylindrischer oder schwach konischer, die direkte Strahlung (10) umschließender, in einen Absorptionsraum (34) mündender Bohrung vorgesehen ist, wobei an der Zwiebelspitze der Strahlungsempfänger (12) angeordnet ist.

6. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des oder der leichtleitenden Elemente eine Strahlungsfalle angeordnet ist.

7. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des oder der lichtleitenden Elemente ein weiterer Strahlungsempfänger (24, 23) zur Aufnahme der direkten Strahlung angeordnet ist

8. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis

7, gekennzeichnet durch Mittel (9,17) zur Fokussierung oder Begrenzung der von der Strahlungsquelle (8) ausgesandten Strahlung auf einen zentralen Strahlungsbereich (10) innerhalb der ringförmigen Zone (R)

9. Rauchdetektor nach Anspruch 8, dadurch <>o gekennzeichnet, daß als Fokussierungs- oder Begrenzungsmittel eine Linse (9) bzw. Blenden (17) vorgesehen sind.