DE1598226A1 - Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Luft - Google Patents
Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in LuftInfo
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Description
Priorität aus dem Schweizer Patentgesuch Nr. 9233/64
vom 14. Juli 1964
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Peststellung von i
Aerosolen in Luft, einschließlich optische Feuermelder, die aus einer lmpulBweise betriebenen Lichtquelle und einem lichtempfindlichen
Element besteht, welches außerhalb des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlenbündels derart angeordnet
ist, daß das durch die Aerosole erzeugte Streulicht durch das lichtempfindliche Element gemessen wird, sowie einen Verstärker
besitzt, dessen Eingang mit dem lichtempfindlichen Element und dessen Ausgang mit einer Auswerteschaltung verbunden ist.
Unter Aerosolen werden im folgenden in der Luft schwebende Teilchen
von vorzugsweise weniger als 10 μ (Mikron) Größe verstanden.
Sie entstehen bei praktisch allen Verbrennungsvorgängen.
Die Messung de· Aerosolgebaltes der Luft kann deshalb dazu dienen,
bei Erreiehen eines gewissen Konzentrationswertes automatisch
Feueralarm zu signalisieren. Weiterhin ist es möglich, eine als gefährlich erkannte Konzentrationsgrenze oder Luftver
unreinigung, beispielsweise verursacht durch die Abgase von Pahrseug-Verbrennungsmotoren in geschlossenen Bauwerken wie
Tunnels, Garagen oder ähnlichen, zu melden und/oder das Einschalten von Belüftungseinriohtungen tu veranlassen.
001842/0395 ~2~
Die Messung des Aerosolgehaltes kann auf verschiedene Weise geschehen.
Bekannt sind beispielsweise die Methoden mit Hilfe einer Ionisationskammer und optische Einrichtungen. Bei der optischen
Überwachung kann grundsätzlich entweder die Schwächung eines Lichtstrahles durch Aerosole oder die Lichtstreuung der
Aerosole am Lichtstrahl festgestellt werden. Vorrichtungen, welche die Lichtstreuung (Tyndalleffekt) der Aerosole ausnützen,
sind schon lange bekannt. Sie benutzen als Lichtquelle eine dauernd betriebene Glühlampe und für die Lichtmessung eine
Photozelle oder ein Halbleiterelement.
Bekanntlich muß in modernen Feuermeldeanlagen, in denen bei Auftreten
eines Alarms vielfach Brandbekämpfungsmaßnahmen großen Ausmaßes eingeleitet werden (Auslösung von Sprinkleranlagen,
Alarmierung der Feuerwehr etc.), der Vermeidung von Fehlalarmen besondere Beachtung geschenkt werden. Bei optischen Feuermeldern
spielt dabei der Einfluß von Fremdlicht eine große Rolle. Der Forderung' nach einer Meßkammer mit "Dunkelkammereigenschaften"
steht das Problem der guten Luftzuführung ohne zusätzliche Ventilationsmaßnahmen
sowie die Tatsache entgegen, daß geeignete konstruktive Fremdlichtabschirmungsmaßnahmen die Melder, welche
in der heutigen Zeit immerhin einen "Massenartikel" darstellen, stark verteuern. Es ist dabei zu beachten, daß sich das Fremdlicht aus einer "Gleichlichtkomponente" und einer "Wechsel- oder
Impulslichtkomponente" zusammensetzt. Unter "Gleichlichtkomponente" ist dabei das sich relativ nur langsam ändernde Umgebungslicht
(Tageslicht, Raumbeleuchtung etc.) zu verstehen, während die "Wechsel- oder Impulslichtkomponenten" durch Reflexe
an rotierenden Maschinenteilen, Spiegelungen an bewegten Teilen mit glänzender Oberfläche, fotografische Blitzlichter, Reflexe
beim öffnen von Fenstern bei tiefstehender Sonne etc. entstehen.
Von diesen Fremdlichtbeeinflussungen konnte bisher dem Einfluß des Gleichlichts durch die Verwendung von impulsmäßigen Lichtquellen
sowie durch wechselstrommäßige Auslegung des Photozellenveratärkers
begegnet werden; die Fremdlichtimpulse haben in«
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- 3 dessen immer wieder zu Ffehlalarm Anlaß gegeben.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Fehlalarme infolge
Fremdiichtimpulsen wesentlich gemindert werden.
Dies gelingt bei der Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch,
daß erfindungsgemäß das lichtempfindliche Element, der
Verstärker oder Teile desselben periodisch einschaltbar sind, wobei die Einschaltperiode des lichtempfindlichen Elements,
des Verstärkers oder Teile desselben, durch die Einschaltperiode der impulsweise betriebenen Lichtquelle bestimmt ist. Dadurch,
daß bei einer so ausgebildeten Vorrichtung der aus dem lichtempfindlichen Element und dem Verstärker bestehende Streulichtempfänger
nurmehr dann eingeschaltet ist, wenn die Lichtquelle Licht emi-fciert, ist dafür gesorgt, daß Fehlalarme höchstens noch
in den Hellphasen der Lichtquelle auftreten können, deren Wahr- ·
scheinlichkeit jedoch sehr gering ist, da einerseits die Fremdlichtimpulse statistisch verteilt auftreten und andererseits das
Tastverhältnis (Einschaltdauer der Lichtquelle zu Impulsperiode) bei optischen Feuermeldern sehr klein gewählt werden kann.
Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es nicht erforderlich\
die Lichtquelle ständig in Betrieb zu halten, da eine ausreichen-! de Überwachung auch dann gewährleistet ist, wenn in mehr oder
weniger langen zeitlichen Abständen dieselbe nur kurz eingeschaltet wird. Als Einschaltdauer kann z.B. 2 sec. oder weniger gewählt
werden.
Der Vorteil dieser Meßmethode liegt darin, daß die Lebensdauer der Lichtquelle z.B. Glühlampe ganz wesentlich erhöht wird und
der Energieverbrauch zum Betrieb der Melder geringer wird. Eine Erhöhung der Lebensdauer ist sehr erwünscht, da die zur Überwachung
von Räumen eingesetzten Melder verstreut und oft schlecht zugänglich an Decken angeordnet sind. Dem Energiever-
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brauch ist bei Sicherheitsanlagen deshalb besondere Bedeutung zuzumessen, weil die Anlagen auch bei Ausfall der Netzstromversorgung
längere Zeit betrieben werden müssen. Dazu werden Notstromakkumulatoren verwendet, die aus preislichen Gründen möglichst
klein gewünscht werden.
Zur Einschränkung des erstgenannten Nachteils werden bei bekannten
Vorrichtungen die Glühlampen oft mit Unterspannung betrieben. Diese Betriebsweise kann natürlich noch zusätzlich bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung angewandt werden. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Lichtquelle
nicht wie bei den bisher bekannten Systemen ein Gleichlicht aussendet, sondern ein moduliertes Licht bestimmter Frequenz und
das lichtempfindliche Element bzw. der daran angeschlossene Verstärker selektiv nur auf diese Frequenz anspricht. Dadurch können
störende Einflüsse durch Fremdlicht weitgehend ausgeschlossen werden. Es ist daher nicht mehr erforderlich, die Meßkammer
absolut lichtdicht zu gestalten. Es kann also eine Meßkammerkonstruktion gewählt werden, die den Eintritt der zu überwachenden
Luft wesentlich erleichtert. Als Meßfrequenz wird vorzugsweise eine solche gewählt, die wesentlich von der normale» Netzfrequenz
oder Vielfachen davon abweicht, um Störeinflüsse möglichst auszuschalten.
Die intermittierende Messung ermöglicht weiterhin die Verwendung von gasgefüllten Röhren als Lichtquelle. Vorzugsweise werden
Blitzlichtröhren angewandt in der Art, wie sie beispielsweise in Elektronenblitzgeräten eingesetzt sind. Sie zeichnen sich durch !
eine außergewöhnlich hohe Lebensdauer aus, da sie keine Glüh-
drähte zur Heizung oder Lichterzeugung benötigen.
Eine weitere wesentliche Verbesserung der Vorrichtung besteht darin, für die Messung des Aerosclgehaltes eine sehr kurze Lichtwellenlänge
- beispielsweise ultraviolettes Licht - zu verwenden.
-5-009842/0395
Durch den Einsatz einer Gasentladungsröhre kann dieses Ziel leicht erreicht werden. Da viele Verbrennungen, insbesondere
solche mit offenen Flammen, hauptsächlich sehr kleine Schwebeteile erzeugen, ist man daran interessiert, diese ebenfalls zu
erfassen. Nun ist jedoch bekannt, daß je kurzwelliger das Licht ist, desto stärker kleinere Teilchen gestreut werden.
Die Abhängigkeit zwischen der Intensität des gestreuten Lichtes, der Teilchengröße und der Wellenlänge des einfallenden Lichtes
ist bekannt aus der Formel
I * 128
Darin bedeutet:
I die Intensität des Streulichtes
I die Intensität des einfallenden Lichtes
J^ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes
ν die Zahl der streuenden Teilchen per cm
a die Polarlsierbarkeit
Die gestreute Lichtintensität ist also umgekehrt proportional zur 4, ,Potenz der Wellenlänge und direkt proportional zur Polarisierbarkeit
der Teilchen. Die Polarisierbarkeit ist direkt pro- j
portional zur Aerosolgröße. j
Erzeugt die Lichtquelle also ultraviolettes Licht, so können
- im Gegensatz siu den bekannten Meldern mit Glühlampen - sehr
kleine Teilchen auch erfaßt werden, und eine wesentlich größere Streulichtintensität steht zur Verfügung. Eine erhebliche
Steigerung der Empfindlichkeit und Betriebssicherheit ist die
Polge davon, außerdem kann auch hier wieder, sofern das lichtempfindliche
Element nur auf ultraviolettes Licht anspricht, auf eine vollständige Abschirmung der Meßkammer gegen Umgebungslicht
verdichtet werden. Die sonst üblichen Lichtblenden entfallen somit
und ein leichteres Eindringen der zu überwachenden Luft wird
G0SI42/Q3SS "β"
Als lichtempfindliches Element wird mit Vorteil ein Halbleiterelement
oder eine Photozelle verwendet. Letzteres empfiehlt sich dann, wenn mit UV-Licht gearbeitet wird.
Lediglich der Vollständigkeit wegen sei erwähnt, daß als Lichtquelle
nebst Glühlampe und gasgefüllter Röhre ebenfalls ein lichtemittierender Halbleiter gewählt werden kann. Er eignet
sich besonders gut zur Erzeugung von Wechsellicht höherer Frequenz.
Zur Überwachung der stetigen Punktion der Lichtquelle ist vorgesehen,
daß das von der Lichtquelle emittierte Licht direkt auf ein weiteres lichtempfindliches Element auftrifft. Bei Aussetzen
der Lichtemission soll ein Störungssignal ausgelöst werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert
werden; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips,
Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Lichtimpulsfolge,
Fig. 3 die Vorrichtung mit modulierter Lichtquelle,
Fig. 4 ein weiteres Zeitdiagramm der Lichtimpulsfolge,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit gasgefüllter
Röhre als Lichterzeuger und
Fig. 6 und 7 ein Diagramm der angelegten Spannung und der Lichtabgabe
der gasgefüllten Röhre.
Fig. 1: Die Lichtquelle 1 ist über den Kontakt 2 mit der Spannungsquelle
3 verbunden. Der Kontakt 2 wird periodisch geöffnet und geschlossen. Fig. 2 stellt das Zeitdiagramm für das Aufleuchten
der Lichtquelle 1 dar. Auf der Abszisse ist die Zeit und auf der Ordinate die Lichtstärke aufgetragen. Während der
Zeit t^, welche 2 see. und weniger betragen kann, ist der Schalter
2 geschlossen; in der Zeit t~ ist er geöffnet und die Licht-
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quelle ist ausgeschaltet. t2 kann mehrere Sekunden betragen. Das
von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht wird durch die Optik 4 gebündelt und als paralleler Strahl in den einseitig geschlossenen
lichtabsorbierenden Zylinder 5 geworfen. Der Zylinder 5 soll j verhindern, daß Lichtreflexe entstehen, welche die Messung beeinträchtigen
können.
Außerhalb des Lichtstrahls ist das lichtempfindliche Element 6 angebracht. Im Strahlengang zwischen Linse ή und Zylinder 5 wird
durch die Anwesenheit von Aerosolen 12, welche von der die Vorrichtung umgebenden Luft über die Schlitze zwischen den Blenden
8 eintreten können, eine Lichtstreuung auf das lichtempfindliehe Element 6 erreicht, wodurch dasselbe aufgehellt wird. Befinden
sich im Strahlengang keine Aerosole 12, so ist das Photoelement nicht beleuchtet. Das bei Anwesenheit der Aerosole 12 im
Element 6 erzeugte elektrische Signal wird im Verstärker 7 so verstärkt, daß bei einem gewissen Grenzwert ein Signal ausgelöst I
wird. Dieses Signal wird in einer nicht dargestellten Alarmein- !
richtung zur Alarmgabe ausgenützt. Der optische Teil der Vorrichtung ist durch die Blenden 8 so abgeschirmt, daß kein Premdlicht '.
eindringen kann. j
Die Vorrichtung nach Flg. 3 entspricht im Aufbau Jenifer von
Fig. 1. Die Lichtquelle ist jedoch mit der Frequenz f. moduliert.
Zur Spannungserzeugung wird vorzugsweise ein transistor!- · sierter Oszillator 3 verwendet. ]
Das entsprechende Zeitdiagramm ist aus Flg. 4 ersichtlich. Auf
der Abszisse ist die Zeit und auf der Ordinate die Lichtstärke aufgetragen. In der Zeit t. ist der Schalter 2 geschlossen, so
daß die Lichtquelle 1 einen modulierten Lichtimpuls mit der Frequenz f.. aussendet. In der Zeit t^ ist der Schalter 2 geöffnet
und die Lichtquelle ausgeschaltet. Es ist auch ohne weiteres
möglich, den Schalter 2 durch eine feste Verbindung zu ersetzen, so daß die Lichtquelle 1 mit dem Oszillator dauernd verbunden !
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ist. Hierdurch leuchtet die Lichtquelle dauernd kurzzeitig intermittierend mit der Modulationsfrequenz f. auf. Der selektive
Verstärker 7 verstärkt nur die vom lichtempfindlichen Element erzeugten Signale mit der Frequenz f. und gibt ein Signal auf
die nicht dargestellte Alarmeinrichtung. Durch diese Kodierung des Lichtes können die äußeren Blenden 8 in Bezug auf leichten
Luftzutritt konstruktiv wesentlich günstiger gestaltet werden. Sie müssen lediglich verhindern, daß direktes Licht und im besonderen
Lichtreflexe das lichtempfindliche Element 6 beeinflus-
; Fig. 5 zeigt die Vorrichtung bei Verwendung einer gasgefüllten
i
Röhre als Lichtquelle 1. Die Gleichspannung 3 lädt über den
Widerstand 2 den Kondensator 9; bei Erreichen der Zündspannung
j der Röhre 1 wird diese leitend und die im Kondensator gespeicherteelektrische
Energie wird über die Röhre 1 entladen. Diese
! -gibt einen Lichtblitz ab. Die über dem Kondensator 9 auftretende
Spannung zeigt Fig. 6. Es handelt sich vornehmlich um eine sägezahnförmige
Kondensatorspannung. Aus Fig. 7 ist die Lichtabgabe j der Röhre 1 in Funktion der Zeit ersichtlich. Fig. 7 zeigt die
Lichtimpulse der Lichtquelle 1 in Abhängigkeit von der Sägezahnspannung am Kondensator 9. Als bemerkenswerter Vorteil der Schaltung
sei erwähnt, daß infolge des sehr kleinen Ladestromes des Kondensators 9 die Spannungsquelle 3 wenig belastet wird, obwohl
für die Durchführung der Meßaufgabe eine sehr kräftige Lichtquelle 1 zur Verfügung steht.
Das von der Röhre 1 ausgehende Licht wird wiederum durch die optische Linse 4 gebündelt und im reflexfreien Zylinder auf das
lichtempfindliche Element 5 geworfen. Dieses dient dazu, die Lichtquelle auf richtige Arbeitsweise zu überwachen. Das durch
das Element 5 erzeugte elektrische Signal wird - sofern erforderlich - durch den Verstärker 10 verstärkt und einem Integrierglied
11, z.B. Kondensator, zugeführt. Das ständig eintreffende Signal erzeugt einen bestimmten Spannungspegel. Setzt das Signal aus,
so sinkt der Pegel ab und ein Störungesignal wird ausgelöst, das
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BAD ORIGINAL
I i
die Verringerung oder den Ausfall der Lichtemission von Röhre 1 \
anzeigt. Das lichtempfindliche Element 6 mit Verstärker 7 über- [
wachen das Vorhandensein von Aerosolen 12 im Lichtstrahl, wie
dies bereits bei den Fig. 1 und 3 beschrieben wurde. Sofern die }
j Röhre 1 UV-Licht emittiert, wird das Element 6 vorzugsweise eine
j i
j Photo^zelle sein. i
Abschließend sei noch auf die Möglichkeit hingewiesen, daß das f
lichtempfindliche Element 6 durch die Steuereinrichtung (Schal- ι
■ ■
■ J
ter bzw. Widerstand 2, Oszillator bzw. Spannungsquelle 3, Kon- ·
densator 9) in der Weise beeinflußt werden kann, so daß nur
während der Lieh&ejnission der Quelle 1 das lichtempfindliche Ele-j ment eingeschaltet ist. Hierdurch wird der Vorteil erreicht t daß | während der Dunkelphase der Quelle 1 ein nicht gewolltes und · störendes Fremdlicht, welches von außen über die Zwischenräume
der Blenden 8 in die Meßkammer eindringen kann, Fehlsignale über
das lichtempfindliche Element 1 nicht auslöst. Dies gilt für
alle gezeigten Ausführungsbeispiele.
während der Lieh&ejnission der Quelle 1 das lichtempfindliche Ele-j ment eingeschaltet ist. Hierdurch wird der Vorteil erreicht t daß | während der Dunkelphase der Quelle 1 ein nicht gewolltes und · störendes Fremdlicht, welches von außen über die Zwischenräume
der Blenden 8 in die Meßkammer eindringen kann, Fehlsignale über
das lichtempfindliche Element 1 nicht auslöst. Dies gilt für
alle gezeigten Ausführungsbeispiele.
Erwähnt sei noch, daß durch eine entsprechende Modifikation der
Schaltung für die Speisung der Röhre 1 eine Modulation des
emittierten Lichtes in der Weise stattfinden kann, daß das Zeit-
diagramm ύ*ψ Lichterzeugung in FIg. k entspricht, r t
Schaltung für die Speisung der Röhre 1 eine Modulation des
emittierten Lichtes in der Weise stattfinden kann, daß das Zeit-
diagramm ύ*ψ Lichterzeugung in FIg. k entspricht, r t
9842/0395
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE:1. Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in.Luft, einschließlich optische Feuermelder, bestehend aus einer impulsweise betriebenen Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Element, welches außerhalb des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlenbündels derart angeordnet ist, daß das durch die Aerosole erzeugte Streulicht durch das lichtempfindliche Element gemessen wird, sowie aus einem Verstärker, dessen Eingang mit dem lichtempfindlichen Element und dessen Ausgang mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (6), der Verstärker (7) oder Teile desselben periodisch einschaltbar sind, wobei die Einschaltperiode des lichtempfindlichen Elements, des Verstärkers oder Teile desselben durch die Einschaltperiode der impulsweise betriebenen Lichtquelle bestimmt ist.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdauer kurier als 2 see. ist.3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle moduliertes Licht bestimmter Frequenz emittiert, die verschieden ist von der Netzfrequenz und deren harmonischen Frequenzen, und daß der aus dem lichtempfindlichen Element (6) und Verstärker (7) bestehende Streulichtempfänger. selektiv auf die Modulationsfrequenz anspricht.*L Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine gasgefüllte Röhre (1) vorgesehen ist.009842/0395Ί59Β2265. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ultraviolettes Licht emittiert,6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasgefüllte Röhre (1) parallel zu einem Kondensator (9) geschaltet ist, welcher durch einen in Serie liegenden Widerstand (2) aufgeladen wird und sich periodisch Über die Röhre (1) entlädt und dadurch Lichtblitze erzeugt.7. Vorrichtung nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß als lichtempfindliches Element ein Halbleiter-Element vorgesehen ist.8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtempfindliches Element eine Photozelle vorgesehen ist.9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lichtquelle emittierte Licht direkt auf ein zweites . lichtempfindliches Element zur ständigen Überwachung der Licht« quelle auftrifft.009842/0395
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