DE3924250A1 - Branddetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Branddetektor mit minde­ stens einem Sensorelement zum Erfassen der von einem Brand in einem Raum ausgehenden Wärme, mit einer Aus­ werteeinheit, die das vom Sensorelement abgegebene Si­ gnal auswertet und die ein Alarmsignal erzeugt.

Ein derartiger Branddetektor wird in der DE 25 12 650 C2 beschrieben, der über ein Sensorelement verfügt, das die von einer Flamme ausgesandte Strahlung erfaßt. Die spektrale Zusammensetzung der Strahlung wird analysiert und abhängig vom Ergebnis wird ein Alarmsignal erzeugt. Als Sensorelement werden Halbleiterbauelemente wie bei­ spielsweise Fotodioden oder Fotoelemente verwendet. Diese haben den Nachteil, daß ihr Störsignalabstand, d. h. das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal, mit steigender Umgebungstemperatur stark abnimmt, da bei hohen Temperaturen einerseits ihr Störsignal, z. B. in­ folge thermischen Rauschens, groß ist und andererseits ihre Empfindlichkeit nachläßt. Die Umgebungstemperatur kann beim Betrieb von Branddetektoren in einem weiten Bereich schwanken. Typische Betriebstemperaturen von Branddetektoren reichen z. B. von -40°C bis +60° und höher im Brandfall, bei denen der Branddetektor noch einwandfrei arbeiten soll. Um Fehlauslösungen über den gesamten Temperaturbereich zu vermeiden, muß die Ansprechschwelle des Nutzsignals, d. h. das Signal, das gerade einen Alarm auszulösen vermag, größer sein als das maximale Störsignal. Dies bedeutet aber, daß die Ansprechempfindlichkeit des Branddetektors niedrig ist und seine Fähigkeit zur frühzeitigen Branderkennung vermindert ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Branddetektor anzugeben, der eine hohe Ansprechempfindlichkeit in einem großen Betriebstemperaturbereich besitzt.

Diese Aufgabe wird für einen Branddetektor eingangs ge­ nannter Art dadurch gelöst, daß das Sensorelement ein Thermoelement ist, dessen Vergleichsstelle thermisch mit einer die Wärme speichernden Wärmesenke verbunden ist, deren Temperatur der mittleren Temperatur des Rau­ mes entspricht.

Ein Thermoelement erzeugt abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen seiner Meßstelle und sei­ ner Vergleichsstelle eine Spannung. Gemäß der Erfindung ist die Vergleichsstelle mit einer Wärmesenke verbun­ den, die infolge Wärmeleitung die Temperatur des Raumes annimmt. Da die Wärmesenke Wärme speichert, folgt es kurzzeitigen Temperaturschwankungen des Raumes nur langsam, so daß sich über der Zeit auf der Wärmesenke eine Temperatur einstellt, die etwa der mittleren Tem­ peratur des Raumes entspricht. Die Meßstelle des Thermoelements hat eine kleine Wärmekapazität und kann Temperaturänderungen schnell folgen. Demgemäß wird die Temperatur der Meßstelle des Thermoelements durch Absorption von Strahlungsenergie, die eine Wärmequelle aussendet, und/oder durch Erwärmung infolge Wärme­ leitung, beispielsweise durch Wärmekonvektion, beein­ flußt. Im Brandfall sind beide Wärmeübertragungsarten wirksam, d. h. das Thermoelement erfaßt Anteile beider Energieformen. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Branddetektors gegenüber dem bekannten Gerät erhöht.

Das Thermoelement gibt ein Signal ab, das der Temperaturdifferenz zwischen der Vergleichsstelle und der Meßstelle unabhängig von der absoluten Temperatur proportional ist. Dies bedeutet, daß die absolute Tem­ peratur des Raumes die Empfindlichkeit des Brand­ detektors nicht beeinflußt. Weiterhin ist das Stör­ signal von Thermoelementen über einen weiten Temperaturbereich klein, da ihr thermisches Rauschen kleiner ist als das von Halbleiterbauelememten. Der Branddetektor hat daher über seinen gesamten Betriebs­ temperaturbereich einen annähernd konstanten Störab­ stand. Dadurch wird es möglich, die Ansprechschwelle für das Erkennen eines Brandes entsprechend niedrig zu wählen, so daß Brände frühzeitig erkannt werden können. Da als Sensorelement anders als beim Stand der Technik kein Halbleiterbauelement verwendet wird, das bekannt­ lich eine niedrige Grenztemperatur hat, ist auch der Temperaturbereich, in dem der Branddetektor eingesetzt werden kann, gegenüber dem Stand der Technik vergrö­ ßert. Dies hat zur Folge, daß der Branddetektor auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise im Brandfall, noch funktionstüchtig bleibt und Informationen über den Brandverlauf liefern kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Thermoelemente zu einer Thermosäule zusammengeschaltet sind. Durch diese Maß­ nahme wird die Empfindlichkeit des Branddetektors noch weiter gesteigert.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist dem Thermoelement ein optisches Filter vorgeschaltet, das für Strahlung brandspezifischer Wellenlänge durchlässig ist. Bei einem Brand senden die Flammen Strahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge aus, die sich von der Wellenlänge anderer Wärmequellen unterscheidet. Durch die genannten Maßnahmen wird die Störstrahlung von Wärmequellen, wie beispielsweise Glühlampen, Radiatoren, usw., wirksam unterdrückt.

Eine andere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß das Alarmsignal abhängig vom Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes des Signals des Thermoelements und/oder abhängig von der Flackerfrequenz des Signals erzeugbar ist. Zur Unter­ scheidung der von einem Brand ausgehenden Strahlung ge­ genüber einer Störstrahlung kann auch die Frequenz der von einem Brand ausgehenden Strahlung herangezogen wer­ den. Die Frequenz mit der eine Flamme Strahlung aussen­ det, die sogenannte Flackerfrequenz, liegt normaler­ weise in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 10 Hz. Be­ schränkt sich die Auswertung der Signale des Thermoelements auf diesen Frequenzbereich, so kann das Störsignal der Störstrahlung anderer Wärmequellen mit davon abweichenden Frequenzen, wie beispielsweise das Umgebungslicht mit einer Frequenz von 0 Hz oder die Strahlung einer Glühlampe mit einer Frequenz von 100 Hz, das Ergebnis nicht verfälschen. Bei einer kombi­ nierten Auswertung, bei der die Größe des Signals des Thermoelements und das Vorliegen einer Flackerfrequenz Bedingungen für das Erzeugen des Alarmsignals sind, wird das Ansprechen des Branddetektors auf Brände noch selektiver und damit zuverlässiger.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß nahe dem Thermoelement mindestens ein Testsensor angeordnet ist, der eine Teststrahlung empfangen kann und der ein Testsignal an die Auswerte­ einheit abgibt, die abhängig von dessen Größe ein den Funktionszustand des Branddetektors angebendes Zu­ standssignal erzeugt, und daß dem Thermoelement sowie dem Testsensor ein Schutzglas vorgeschaltet ist, das für Strahlung breitbandig durchlässig ist.

Branddetektoren, die unter anderem auch die Strahlung zur Branderkennung auswerten, sind naturgemäß empfind­ lich gegen Verschmutzung, da die Strahlung bereits von Schmutzpartikeln absorbiert wird, bevor sie auf die strahlungsempfindliche Fläche des Sensorelements gelan­ gen. Die Empfindlichkeit des Branddetektors wird da­ durch herabgesetzt, und bei einem bestimmten Verschmutzungsgrad kann der Branddetektor seine Funk­ tion nicht mehr ordnungsgemaß erfüllen. Dies ist auch deshalb kritisch, weil die sonstigen elektrischen Funk­ tionen des Branddetektors bei Verschmutzung noch ein­ wandfrei arbeiten, so daß ein elektrischer Test keinen Aufschluß über die Funktionstüchtigkeit des Band­ detektors geben kann. Bei der Weiterbildung werden nun mindestens zwei Sensorelementen, nämlich dem Thermoelement und dem Testsensor, ein Schutzglas vor­ geschaltet. Dieses ist der Umgebungsluft ausgesetzt und kann verschmutzen. Die Durchlässigkeit des Schutzglases für breitbandige Strahlung wird mit Hilfe des Testsensors festgestellt. Dessen spektrale Empfindlich­ keit kann dabei in einem anderen Wellenlängenbereich liegen als die vom Thermoelement erfaßte Strahlung, da davon ausgegangen werden kann, daß der Schmutzbelag auf dem Schutzglas die einfallende Strahlung im allgemeinen breitbandig abschwächt. Anhand der Größe des vom Testsensor abgegebenen Testsignals kann auf die Funktionstüchtigkeit des Branddetektors sowohl hin­ sichtlich seiner elektrischen Funktion als auch hin­ sichtlich seiner Fähigkeit, Strahlung eines Brandes zu erfassen, geschlossen werden.

Die vorgenannte Ausführungsform der Erfindung kann in sinnvoller Weise derart weitergebildet sein, daß die Teststrahlung moduliert ist und in der Auswerteeinheit zur Demodulation des Testsignals ein Demodulatorbaustein vorgesehen ist. Dadurch wird er­ reicht, daß sich das Signal, das von der Teststrahlung hervorgerufen wird, deutlich vom Signal der Strahlung anderer Strahlungsquellen unterscheidet. Das Testsignal hat somit einen hohen Storabstand, so daß der Verschmutzungsgrad des Schutzglases mit hoher Zuverläs­ sigkeit festgestellt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Branddetektor mit zwei Thermosäulen, die Strahlung unter­ schiedlicher Wellenlänge erfassen, und

Fig. 2 einen Branddetektor mit einer Thermosäule und zwei Testsensoren.

In Fig. 1 ist schematisch ein Branddetektor nach der Erfindung dargestellt, der mit zwei als Thermosäulen 16, 46 ausgebildeten Sensorelementen ausgerüstet ist. Die im oberen Schaltungszweig in der Fig. 1 angeordnete Thermosäule 16 empfängt durch eine optische strahlungs­ durchlässige Abdeckung 12 eine Strahlung 10, von der ein Interferenzfilter 14 einen für einen Brand charak­ teristischen Wellenlangebereich durchläßt. Die Thermosäule 16 hat eine Vergleichsstelle, die mit einer Wärmesenke 18 verbunden ist. Diese besteht aus einem wärmespeichernden Material, wie beispielsweise Keramik, und ist der Umgebungstemperatur des Raumes ausgesetzt. Die Wärmespeicherung bewirkt, daß kurzzeitige Temperaturschwankungen des Raumes ausgemittelt werden, so daß sich auf der Wärmesenke 18 eine mittlere Tempe­ ratur Tm einstellt.

Der Meßstelle der Thermosäule 16 wird die vom Interferenzfilter 14 durchgelassene Strahlung zu­ geführt, die diese erwärmt. Ferner kann auf die Meßstelle auch ein Wärmestrom 20 mit der Temperatur Tw einwirken. Dieser Wärmestrom 20 kann zum Beispiel in­ folge der Wärmekonvektion bei einem Brand entstehen und wird daher neben der Strahlung 10 zusätzlich zur Brand­ erkennung ausgenutzt. Auf der Meßstelle der Thermosäule 16 stellt sich somit eine Temperatur T1 ein, die durch unterschiedliche Energieübertragung entstanden ist, nämlich durch Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.

Die Meßstelle hat eine kleinere Wärmekapazität als die mit der Wärmesenke 18 thermisch verbundene Vergleichs­ stelle, so daß sie kurzzeitigen Schwankungen der Strah­ lung 10 und/oder des Wärmestroms 20 folgen kann. Die Temperaturdifferenz zwischen der Meßstelle und der Vergleichsstelle der Thermosäule 16 erzeugt nach dem Seebeck-Effekt eine elektrische Spannung, die von einem Anpassungsverstärker 22, dessen Impedanz dem Innen­ widerstand der Thermosäule 16 angepaßt ist, verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Anpassungsverstärkers 22 wird einem Verstärker 24, einem Frequenzanalysator 26 sowie einem Differentialverstärker 28 zugeführt. Diesen Bausteinen 24, 26, 28 sind jeweils Grenzwertmelder 30, 32 bzw. 34 nachgeschaltet. Der Verstärker 24 und der Grenzwertmelder 30 wirken so zusammen, daß sie bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen der Meßstelle und der Vergleichsstelle der Thermosäule 16 ein Signal an einen Verknüpfungsbaustein 68 abgeben. Der Frequenzanalysator 26 stellt fest, ob im Signal der Thermosäule eine Flackerfrequenz vorhanden ist und gibt über den Grenzwertmelder 32 ein entspechendes Signal an den Verknüpfungsbaustein 68 ab. Mit Hilfe des Differentialverstärkers 28 wird festgestellt, welches Vorzeichen die Temperaturänderung hat. Anhand des Vor­ zeichens kann wiederum festgestellt werden, ob die Tem­ peratur der Meßstelle der Thermosäule 16 abnimmt oder zunimmt. Aus dieser Information kann beispielsweise auf ein Abklingen des Brandes geschlossen werden.

Der untere Schaltungszweig des Branddetektors ist in gleicher Weise aufgebaut wie der obere Schaltungszweig, seine entsprechenden Bausteine 42 bis 64 müssen daher bis auf wenige Unterschiede nicht näher erläutert wer­ den. Ein Unterschied besteht im Interferenzfilter 44, dessen Durchlaßbereich auf eine andere brandspezifische Wellenlänge abgestimmt ist als die des Interferenzfilters 14 des oberen Schaltungszweigs. Fer­ ner wirkt auf die Meßstelle der Thermosäule 46 kein Wärmestrom ein, so daß allein die Strahlungsenergie der Strahlung 10 ausgewertet wird. Der Verknüpfungsbaustein 68 verknüpft die Signale der Grenzwertmelder 30 bis 64 nach vorgegebenen Verknüpfungsregeln, die in einem Programmbaustein 70 gespeichert sind. Beispielsweise kann am Ausgang 72 des Verknüpfungsbausteins 68 dann ein Alarmsignal erzeugt werden, das einen Brandzustand signalisiert, wenn die Temperaturdifferenzen der Wärme­ säulen 16 und 46 einen vorgegebenen Wert überschreiten, die Frequenzanalysatoren 26 und 56 eine bestimmte Flackerfrequenz signalisieren und wenn ferner die Differentialverstärker 28 und 58 Signale abgeben, die einer positiven Steigung entsprechen. Es sind aber auch andere Verknüpfungen der Signale der Grenzwertbausteine 30 bis 34 und 60 bis 64 denkbar, die einen Gefahrenzu­ stand definieren. Die Signale der Bausteine 24 bis 28 sowie 54 bis 58 werden ferner auf einen Ausgabebaustein 66 geführt, der sie nach einer Parallel- Serienumwandlung über einen Ausgang 74 zu einer Zen­ trale (nicht dargestellt) übermittelt. Dort können diese Signale weiter ausgewertet werden.

In Fig. 2 ist der obere Schaltungszweig nach der Fig. 1 derart weitergebildet, daß neben der Thermosäule 16 zwei Testsensoren 82, 84 angeordnet sind. Die Verarbei­ tung des von der Thermosäule 16 abgegebenen Signals stimmt mit der bei der Fig. 1 beschriebenen überein. Auf eine genaue Erläuterung hierzu wird daher verzich­ tet. Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 fällt die Strahlung 10 auf ein Schutzglas 80, welches die Strah­ lung in einem breiten Wellenlängenbereich durchläßt. Aus diesem Wellenlängenbereich filtert das Interferenzfilter 14 einen brandspezifischen Wellenlängenbereich aus, der auf die Thermosäule 16 ge­ langt. Ein anderer Teil der Strahlung 10 gelangt auf die Testsensoren 82 und 84. Diese sind Silizium- Photodioden, deren maximale spektrale Emfindlichkeit im Bereich unter 1 Mikrometer Wellenlänge der Strahlung liegt. Es sind jedoch auch andere Typen von Foto­ empfängern einsetzbar wie beispielsweise Germanium- Photodioden, Fotoelemente, etc. Die Testsensoren sind an ihren gegenpoligen Elektroden in Reihe geschaltet und an einen Differenzverstärker 88 angeschlossen, der das von den Sensoren 82, 84 abgegebene Testsignal ver­ stärkt.

Das Schutzglas 80 kann beim Betrieb des Brandmelders im Laufe der Zeit verschmutzen, was durch einen Schmutz­ belag 92 in der Fig. 2 angedeutet ist. Dieser Schmutz­ belag schwächt die Intensität der einfallenden Strah­ lung 10 und setzt dadurch die Empfindlichkeit des Branddetektors zum Erkennen von Bränden herab. Der Strahlung 10 des Raumes wird bei diesem Ausführungs­ beispiel eine Teststrahlung 94 mit einer bestimnten, an die spektrale Empfindlichkeit der Sensoren 82, 84 ange­ paßten Wellenlänge sowie einer bestimmten Intensität zugemischt. Diese Teststrahlung 94 wird zusätzlich mit einer Frequenz moduliert. Im Signal der Testsensoren 82, 84 sind nun Anteile enthalten, die sowohl von der Teststrahlung 94 als auch von der Raumstrahlung 10 her­ rühren. Das Signal wird im Differenzverstärker 88 ver­ stärkt und einem Bandpaßfilter 90 zugeführt, der als Demodulator dient. Dieses filtert den Signalanteil aus, der von der Teststrahlung 94 herrührt und vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Grenzwert. Die Abweichung von diesem Grenzwert ist ein Maß für die Schwächung der Gesamtstrahlung durch das Schutzglas 80. Das Ergebnis des Vergleichs wird dann über einen Digitalausgang des Bandpaßfilters 90 an den Übertragungsbaustein 86 weitergegeben, der dieses nach einer Parallel-Serien- Umwandlung an die Zentrale weiterleitet. Die Zentrale kann daraus auf die Funktionstüchtigkeit des Brandmelders schließen und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist nicht nur für Branddetektoren verwendbar, die mit Thermoelementen oder Thermosäulen ausgerüstet sind, sondern auch für andere Arten von Sensorelementen, die mit einem Schutz­ glas versehen sind. Es ist hierzu lediglich erforder­ lich, daß die Teststrahlung charakteristische Unter­ schiede zu der Strahlung hat, die zur Erkennung eines Brandes ausgewertet werden. Solche charakteristischen Unterschiede können in der Modulationsfrequenz, in der Wellenlänge der Strahlung und im Polarisationsszustand der Strahlung liegen.

Claims (9)

1. Branddetektor mit mindestens einem Sensorelement zum Erfassen der von einem Brand in einem Raum ausgehenden Wärme, mit einer Auswerteeinheit, die das vom Sensorelement abgegebene Signal auswertet und die ein Alarmsignal erzeugt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorelement ein Thermoelement (16, 46) ist, dessen Vergleichsstelle thermisch mit einer die Wärme speichernden Wärmesenke (18, 48) verbunden ist, deren Temperatur (Tm) der mitt­ leren Temperatur des Raumes entspricht.

2. Branddetektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Thermoelemente zu einer Thermosäule (16, 46) zusammengeschaltet sind.

3. Branddetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Thermoelement (16, 46) auf einem Träger aus Keramik angeordnet ist, der die Wärmesenke (18) bildet.

4. Branddetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Thermoelement (16, 46) ein optisches Filter (14, 44) vorgeschaltet ist, das nur für Strahlung brandspezifischer Wel­ lenlänge durchlässig ist.

5. Branddetektor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Alarm­ signal abhängig vom Überschreiten eines vorgegebe­ nen Schwellwertes des Signals des Thermoelements (16, 46) und/oder abhängig von der Flackerfrequenz des Signals erzeugbar ist.

6. Branddetektor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nahe dem Thermoelement (16) mindestens ein Testsensor (82, 84) angeordnet ist, der eine Teststrahlung (94) empfangen kann und der ein Testsignal an die Aus­ werteeinheit abgibt, die abhängig vom Testsignal ein den Funktionszustand des Branddetektors ange­ bendes Zustandssignal erzeugt, und daß dem Thermoelement (16) sowie dem Testsensor (82, 84) ein Schutzglas (80) vorgeschaltet ist, das für Strahlung (10) breitbandig durchlässig ist.

7. Branddetektor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der vom Testsensor (82, 84) er­ faßbare Wellenlängenbereich der Strahlung außer­ halb des Wellenlängenbereichs der Strahlung (10) im Raum bei Normalbedingungen liegt.

8. Branddetektor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenlänge der Teststrahlung (94) dem vom Testsensor (82, 84) erfaßbaren Wellenlängenbereich angepaßt ist.

9. Branddetektor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teststrahlung (94) moduliert ist und in der Auswerteeinheit zur Demodulation des Testsignals ein Demodulatorbaustein (96) vorgesehen ist.