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EP0120881A1 - Streustrahlungs-rauchdetektor. - Google Patents

Streustrahlungs-rauchdetektor.

Info

Publication number
EP0120881A1
EP0120881A1 EP83902980A EP83902980A EP0120881A1 EP 0120881 A1 EP0120881 A1 EP 0120881A1 EP 83902980 A EP83902980 A EP 83902980A EP 83902980 A EP83902980 A EP 83902980A EP 0120881 A1 EP0120881 A1 EP 0120881A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
smoke detector
detector according
collimation
smoke
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP83902980A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0120881B1 (de
Inventor
Hannes Guttinger
Gustav Pfister
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cerberus AG
Original Assignee
Cerberus AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cerberus AG filed Critical Cerberus AG
Publication of EP0120881A1 publication Critical patent/EP0120881A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0120881B1 publication Critical patent/EP0120881B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G08B17/107—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device for detecting light-scattering due to smoke
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
    • G08B17/113—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to a scattered radiation smoke detector which can be connected to an evaluation unit by means of radiation-conducting elements, in which electromagnetic radiation emitted by the evaluation unit is irradiated into a measurement volume via at least one radiation-conducting element and electromagnetic radiation scattered by the smoke particles in the measurement volume Radiation is picked up by at least one radiation-guiding element and returned to the evaluation unit.
  • electromagnetic radiation which is to be understood as visible light, infrared or ultraviolet radiation, is radiated into a large measuring volume by a light-emitting diode (LED) arranged in the interior of the smoke detector and received by smoke particles in the direction of a solar cell also provided inside the smoke detector.
  • LED light-emitting diode
  • the smoke detector is connected to an evaluation unit or signaling center by means of metallic, electrically conductive signal lines.
  • the smoke detector is connected to the evaluation unit by means of radiation-conducting elements, also known as light guides or fiber optics, in which unit both the radiation source and that Radiation receivers are arranged.
  • the radiation is conducted from the evaluation unit via a light guide to the smoke detector, irradiated into the measurement volume from the end or output of this light guide in the detector, the scattered radiation from the measurement volume is picked up at the input of another light guide and returned from this light guide to the evaluation unit.
  • the disadvantage of such smoke detectors is the relatively broad radiation characteristic of the output of the light guide, that is to say their relatively large opening angle, and also the equally broad reception characteristic of the light guide that receives the scattered radiation.
  • the consequence of this is that with such smoke detectors only scatter radiation with a relatively large scattering angle, that is to say a relatively large angle between the incident and the received radiation, can be used, since at smaller scattering angles a considerable part of the received radiation consists of direct radiation .
  • the extreme forward scatter which is particularly favorable for the detection of smoke, can have scattering angles close to zero cannot be detected with such smoke detectors.
  • the broad radiation characteristic also means that a large part of the inner wall of the detector is struck by direct radiation and partly reflected, particularly as a result of the dust precipitation on the wall that can hardly be avoided during the operating period. This leads to a brightening of the measuring volume and to a disturbance light level, whereby a weak scattered radiation caused by smoke is superimposed and can no longer be detected, or a false alarm can be triggered. As a result, the light output of the radiation source and thus the power consumption of the smoke detector could not be kept as low as desired, and complicated and expensive measures were required to avoid the dust and radiation reflection of the inner wall of the detector.
  • the invention has for its object to eliminate the aforementioned disadvantages of the prior art and in particular to provide a scattered radiation smoke detector of the type mentioned, which is not only explosion-proof, temperature, moisture and corrosion insensitive, but also an increased sensitivity, a has less susceptibility to faults and false alarms, as well as improved operational safety, even with longer operating times and with dustiness under difficult environmental conditions.
  • this object is achieved in that collimation devices for generating an at least approximately non-divergent radiation or reception area (S, E) having a small cross section are provided at the radiation exit or at the radiation entry of the radiation-guiding elements, the radiation-guiding elements and the collimation devices are arranged and aligned such that their radiation and reception areas overlap.
  • FIG. 1 shows a smoke detector arrangement in a schematic illustration
  • FIG. 2 shows a scattered radiation smoke detector in section
  • FIG. 3 shows a smoke detector with evaluation of several scattering angles
  • FIG. 4 shows a smoke detector with evaluation of several wavelengths
  • FIG. 5 shows a smoke detector with radiation monitoring
  • FIG. 6 shows a smoke detector with several scattering volumes
  • FIG. 7 shows a smoke detector with a cone-shaped radiation area.
  • a scattered radiation smoke detector D is connected to an evaluation unit A by means of radiation-conducting elements or light guides L 1 and L 2 . While the smoke detector is arranged at a measuring point of a room to be monitored, the evaluation unit can be located away from it, if necessary at a distance of more than 100 meters.
  • the design of the light guide is expediently adapted to the radiation used and can be of the multimode or monomode type.
  • the light guides can consist of a single fiber or a bundle of several radiation-guiding fibers. Depending on the version of the smoke detector, two or more light guides may be required to connect to the evaluation unit.
  • a driver 1 provided in the evaluation unit A controls a radiation-emitting diode LED 2 in pulses with 0.1 to 10 kHz. Their radiation, depending on the type of LED visible light, infrared or ultraviolet radiation, is coupled into the light guide L 1 and passed via this to the smoke detector.
  • a collimation device 4 is arranged, ie a special optic that collimates the radiation emerging from the light guide into an at least approximately parallel radiation beam.
  • a further collimation device 6 the reception area of which is oriented such that it receives radiation scattered by smoke particles from a scattering volume 7 and the input 8 of the second light guide L 2 feeds, which feeds the received scatter radiation of a solar cell 9 in the evaluation unit A.
  • This solar cell converts the received radiation, ie the optical signal, into an electrical signal which is amplified by a receiving amplifier 10.
  • the amplifier output signal is fed to a signal processing circuit 11, which on the other hand receives a reference signal from the driver 1 via a line 12, and only emits a signal to the downstream alarm circuit 13 when the emitted and received radiation are in coincidence.
  • An alarm device 14 is triggered by the alarm circuit 13 when the scattered radiation signal exceeds a predetermined threshold.
  • the signal processing circuit 11 can be implemented, for example, in the manner of the coincidence circuits known for smoke detectors from the European patents EP 11 205 or EP 14 779, or else can have a phase-sensitive amplifier (lock-in amplifier), as used, for example, by the Princeton Applied Research Corporation is available.
  • FIG. 2 shows the structure of a practically executed smoke detector according to the invention in section.
  • a plastic base plate 20 carries an air-permeable housing 21 enclosing the measuring chamber M and inside a carrier element 22, likewise made of a suitable plastic.
  • a known light guide connection or plug connection C is provided in the base plate 20 and is used to connect the light guides L 1 , L 2 coming from the evaluation unit to the light guide connections 23 and 28 located in the interior of the detector.
  • the two collimation devices 24 and 26 are used, which cooperate with the ends of the light guide connections 23 and 28, so that a radiation ( , s) or reception area with a very small opening angle, that is almost parallel radiation, and a small diameter, ie at most 1 - 3 mm.
  • the optical arrangement thus corresponds to the diagram according to FIG. 1.
  • the optical arrangement is inside the housing 21 surrounded by an air-permeable but radiation-absorbing, labyrinth-like element 27.
  • This can consist, for example, of nested lamellae or have radiation-absorbing ribs 29 on the surfaces in order to also eliminate the last interference radiation, for example from the edges of the screens 25.
  • the Collimation device 24 emitting radiation can be provided with a radiation trap 30 of small extent, but with particularly good absorption, and an analog trap 31 at the end of the reception area. Because of the good collimation and the extremely small diameter of the radiation area, as is not the case with previously known scattered radiation smoke detectors were achievable, the previously required, complex measures for eliminating the interference radiation can largely be dispensed with or reduced, or conversely the sensitivity of the smoke detector can be increased and the susceptibility to false alarms reduced. For the same reason, the optical arrangement can be designed for a smaller scattering angle than before, so that the forward scattering, which is particularly suitable for the detection of smoke, can be exploited, which was previously only possible when accepting increased sensitivity to false alarms and reduced sensitivity.
  • the smoke detector can be made entirely of non-metallic materials, which means that it is absolutely explosion-proof, cannot be disturbed by electromagnetic interference, is hardly at risk of corrosion, can also be used in high-voltage areas, and is also extremely good is temperature-resistant, at least in the range between -50 ° C and + 150 ° C, when replacing plastics with ceramics even at much higher temperatures.
  • FIG. 3 shows the diagram of a smoke detector D which, in addition to the components already shown in FIG. 1, has a further collimation device 15, which absorbs scattered radiation at a larger scattering angle than the first collimation device 6, and which has a third light guide L3 with the Evaluation unit is connected.
  • This makes it possible to take advantage of the different ratio of the scatter at a small scattering angle to the scattering at a larger scattering angle for different types of smoke, and it A suitable evaluation circuit can be used to determine which type of smoke is present in practice.
  • the larger scattering angle can also be selected over 90 °, so that one collimator takes up the forward scattering and the other the backward scattering. This makes it possible to distinguish between highly absorbent, i.e. black smoke, and highly reflective, i.e. white smoke.
  • a two different LEDs 2 1 and 2 2 are provided which emit radiation at two different wavelengths.
  • the two radiation parts are coupled into the same light guide L 1 and fed to the collimation device 4.
  • the smoke detector D In extension of the radiation direction of the collimator 4, the smoke detector D according to FIG. 5 has a further radiation-receiving collimator 17 which receives the direct radiation and feeds it to the evaluation unit via a further light guide L 4 . Functional monitoring of the LED can thus be achieved, ie a signal is given if the radiation is absent, or the LED can be readjusted if the radiation intensity changes slowly.
  • a second system constructed analogously and consisting of the collimators 4 2 and 6 2 is closely adjacent to a first system consisting of the collimators 4 1 and 6 1 , the light guides L 1 and L 2 and the diaphragm 5 1 , the light guides L 5 and L 6 and the aperture 5 2 arranged.
  • FIG. 7 shows an embodiment of such a smoke detector D. Like the smoke detector according to the example of FIG. 1, this is connected to an evaluation unit with two light guides L 1 , L 2 , the light guides 3, 8 at the output and at the entrance, respectively a collimation device 4, 6 is provided. In contrast to the embodiments described above, these collimation devices are, however, provided with aspherical surfaces, so that their radiation or reception area has the shape of a cone jacket of small thickness.
  • the radiation intensity or reception sensitivity is essentially limited to the cone jacket and is relatively low both outside the jacket and inside the cone, near the axis.
  • the collimation optics is in turn designed such that the opening angle of the radiation in a surface line of the cone shell is very small, ie that the thickness of the radiation or reception area changes only slightly along a surface line.
  • the radiation and reception area intersect in a circular or toroidal zone 7 with a small diameter.
  • radiation traps 29 are also provided in the example according to FIG. 7, which here are expediently designed in a ring shape and surround the collimation devices 4, 6 in a ring shape.

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Description

Streustrahlungs-Rauchdetektor
Die Erfindung betrifft einen Streustrahlungs-Rauchdetektor, der mittels strahlungsleitender Elemente an eine Auswerte- Einheit anschliessbar ist, bei dem von der Auswerte-Einheit ausgesandte elektromagnetische Strahlung über wenigstens ein strahlungsleitendes Element in ein Messvolumen eingestrahlt wird und an den Rauch-Partikeln im Messvolumen gestreute elektromagnetische Strahlung von wenigstens einem strahlungsleitenden Element aufgenommen und zur Auswerte- Einheit zurückgeleitet wird.
Bei vorbekannten Streustrahlungs-Rauchdetektoren, wie sie beispielsweise im U.S. Patent No. 4 181 439 oder in der PCT-Anmeldung WO 80/01326 beschrieben sind, wird elektromagnetische Strahlung, worunter sichtbares Licht, Infrarotoder Ultraviolett-Strahlung zu verstehen ist, von einer im Rauchdetektor-Innern angeordneten lichtemittierenden Diode (LED) in ein ausgedehntes Messvolumen eingestrahlt und die von Rauch-Partikeln in Richtung einer ebenfalls im Rauchdetektor-Inneren vorgesehenen Solarzelle empfangen. Zur Spannungs-Versorgung und zur Signal-Uebermittlung ist der Rauchdetektor mittels metallischer, elektrisch leitender Signalleitungen mit einer Auswerte-Einheit oder Signalzentrale verbunden.
Wegen der metallischen Zuleitungen und der im Rauchdetektor vorhandenen elektrischen Schaltungen, zumindest der Dioden-Steuerung und der Empfänger-Schaltung, sind solche Rauchdetektoren nicht ohne spezielle, komplizierte und aufwendige Schutz- und Vorsichts-Mas sn ahmen in explosionsgefährdeten Bereichen verwendbar . E in weiterer Nachteil besteht im unerwünschten Temperaturgang der elektrischen Komponenten, der komplizierte Kompensations-Massnahmen erforderlich macht. Bei bestimmten Umgebungs-Bedingungen besteht ferner die Gefahr der Korrosion metallischer Teile, und gewisse Komponenten sind feuchte- oder wasserempfindlich. Dies erfordert eine aufwendige Konstruktion und komplizierte Herstellungs-Verfahren, wie Schutz von Komponenten durch Vergiessen,etc.
Zum Teil können diese Nachteile, wie beispielsweise im belgischen Patent No. 881 812 oder in der deutschen Patentanmeldung 30 37 636 beschrieben, dadurch vermieden werden, dass der Rauchdetektor mittels strahlungsleitender Elemente, auch als Lichtleiter oder Fiber-Optik bekannt, mit der Auswerte-Einheit verbunden wird, in welcher Einheit sowohl die Strahlungsquelle als auch, der Strahlungsempfänger angeordnet sind. Die Strahlung wird dabei von der Auswerteeinheit über einen Lichtleiter zum Rauchdetektor geleitet, vom Ende oder Ausgang dieses Lichtleiters im Detektor in das Messvolumen eingestrahlt, die Streustrahlung aus dem Messvolumen vom Eingang eines anderen Lichtleiters aufgenommen und von diesem Lichtleiter zur Auswerte-Einheit zurückgeleitet. Im eigentlichen Rauchdetektor sind daher keine metallischen Zuleitungen oder elektrische Komponenten vorhanden, so dass Explosions-Sicherheit, Temperatur-, Feuchte- und Korrosions-Unempfindlichkeit erreichbar sind.
Nachteilig ist bei solchen Rauchdetektoren die relativ breite Strahlungs-Charakteristik des Ausganges des Lichtleiters, das heisst deren relativ grosser Oeffnungswinkel, sowie die ebenso breite Empfangs-Charakteristik des die Streustrahlung aufnehmenden Lichtleiters. Dies hat zur Folge, dass bei solchen Rauchdetektoren nur Streustrahlung mit einem relativ grossen Streuwinkel, das heisst einem relativ grossen Winkel zwischen der eingestrahlten und der aufgenommenen Strahlung, ausgenützt werden kann, da bei kleineren Streuwinkeln ein erheblicher Teil der aufgenommenen Strahlung aus Direkt-Strahlung besteht. Insbesondere kann die für das Erkennen von Rauch besonders günstige extreme Vorwätrs-Streuung mit Streuwinkeln nahe bei Null mit solchen Rauchdetektoren nicht erfasst werden. Die breite Strahlungs-Charakteristik bewirkt ausserdem, dass ein grosser Teil der Detektor-Innenwand von Direkt-Strah lung getroffen wird und diese zum Teil reflektiert, insbesondere infolge des im Laufe der Betriebszeit kaum zu vermeidenden Staub-Niederschlages an der Wand. Dies führt zu einer Aufhellung des Messvolumens und zu einem Störlicht-Pegel, wodurch eine schwache durch Rauch verursachte Streustrahlung überlagert und nicht mehr nachweisbar wird, oder ein Fehlalarm ausgelöst werden kann. Infolgedessen konnte die Lichtleistung der Srahlungsquelle und damit die Leistungsaufnahme des Rauchdetektors nicht in erwünschtem Masse niedrig gehalten werden, und zur Vermeidung der Verstaubung und der Strahlungs-Reflexion der Detektor- Innenwand waren komplizierte und aufwendige Massnahmen erforderlich.
Eine gewisse Verbesserung konnte dadurch erreicht werden, dass optische Mittel zur Bündelung der Strahlung auf eine Fokal-Linie oder einen Focus vorgesehen sind, wie beispielsweise in den vorstehend genannten Publikationen unter anderem beschrieben. Da die Strahlung hinter der Fokal-Linie oder dem Focus wieder divergiert, wird immer noch ein zu grosser Teil der Innenwand von Direktstrahlung getroffen und das Störstrahlungs-Niveau ist immer noch unerwünscht hoch. Falls vor dem Empfänger ebenfalls eine analoge Bündelungs-Optik vorgesehen wird, so ist eine genaue Justierung auf den Focus der eingesandten Strahlung erforderlich, was die Herstellung kompliziert und verteuert. Die Justierung kann sich ausserdem im Laufe der Zeit, durch Temperatur- oder Erschütterungs-Einwirkung verstellen, so dass die Empfindlichkeit abnimmt oder verschwindet.
Schliesslich ist es schwierig, wegen der gegenseitigen Behinderung zwei oder mehr Strahlungsquellen in einem Detektor vorzusehen, was vorteilhaft zur Unterscheidung verschiedener Partikel-Typen und zur Ermöglichung einer intelligenteren Signal-Auswertung wäre. Die Erfindung bertifft die Aufgabe , die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere einen Streustrahlungs-Rauchdetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der nicht nur explosionssicher, temperatur-, feuchte- und korrosionsunempfindlich ist, sondern ausserdem eine erhöhte Empfindlichkeit, eine geringere Störanfälligkeit und Fehl alarmneigung, sowie eine verbesserte Betriebssicherheit, auch bei längeren Betriebszeiten und bei Verstaubung unter schwierigen Umgebungsbedingungen hat.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass am Strahlungs-Austritt, beziehungsweise am Strahlungs-Eintritt der strahlungsleitenden Elemente Kollimations-Einrichtungen zur Erzeugung eines wenigstens angenähert nichtdivergenten Strahlungs- , bzw. Empfangsbereiches (S ,E) kleinen Querschnittes vorgesehen sind, wobei die strahlungsleitenden Elemente und die Kollimations-Einrichtungen so angeordnet und ausgerichtet sind, dass sich deren Strahlungs- und Empf angs-Berεich überschneiden .
Die Kombination strahlungsleitender Elemente mit. geeigneten Kollimations-Einrichtungen ermöglicht auf einfache Weise ohne Verwendung aufwendiger Mittel, wie etwa LASER, eine enge Begrenzung der Strahlungs- und Empfangs-Bereiche auf parallele Bündel mit Durchmessern von beispielsweise weniger als 3 Millimeter. Damit kann eine Anordnung getroffen werden, bei der ausschliesslich extreme Vorwärts-Streuung aufgenommen wird, jedoch praktisch keine Direkt-Strahlung, und die dabei unempfindlich ist gegen geringe Dejustierungen. Da nur ein winziger Fleck der Detektor-Innenwand direkt bestrahlt wird, kann störende Streustrahlung von dieser Stelle durch einfache Massnahmen, wie eine kleine, aber hochwirksame Strahlungs falle oder Oeffnungen, praktisch völlig eliminiert werden. Eine analoge Strahlungsfalle kann im Empfangsbereich vorgesehen sin . Es bietet auch keine Schwierigkeiten, mehrere Strahlungs- und Empf angsbereiche vorzusehen . Die Erfindung, sowie zweckmässige und vorteilhafte Weiterbildungen derselben, werden an Hand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Rauchdetektor-Anordnung in schematischer Darstellung,
Figur 2 einen Streustrahlungs-Rauchdetektor im Schnitt,
Figur 3 einen Rauchdetektor mit Auswertung mehrerer Streuwinkel,
Figur 4 einen Rauchdetektor mit Auswertung mehrerer Wellenlängen, Figur 5 einen Rauchdetektor mit Strahlungs Überwachung, Figur 6 einen Rauchdetektor mit mehreren Streuvolumina,
Figur 7 einen Rauch detektor mit kegelmantelförmigem Strahlungs- Bereich.
Bei der in Figur 1 wiedergegebenen Rauchdetektor-Anordnung ist ein Streustrahlungs-Rauchdetektor D mittels strahlungsleitender Elemente oder Lichtleiter L1 und L 2 mit einer Auswerte- Einheit A verbunden. Wahrend der Rauchdetektor an einer Messstelle eines zu überwachenden Raumes angeordnet ist, kann sich die Auswerte-Einheit entfernt davon befinden, nötigenfalls in einer Distanz von mehr als 100 Metern. Die Ausführung der Lichtleiter ist zweckmässigerweise an die verwendete Strahlung angepasst und kann vom Multimode- oder Monomode-Typ sein. Die Lichtleiter können aus einer einzigen Faser bestehen oder aus einem Bündel mehrerer stahlungsleitender Fasern. Je nach Ausführung des Rauchdetektors können zwei oder auch mehr Lichtleiter zur Verbindung mit der Auswerte-Einheit erforderlich sein. Auch können mehrere Rauchdetektoren mittels derselben Lichtleiter über bekannte Verzweigungs-Elemente parallel an die Auswerte-Einheit angeschlossen werden, oder mittels verschiedener Lichtleiter an denselben Eingang . In der dargestellten Anordnung steuert ein in der Auswerte-Einheit A vorgesehener Treiber 1 eine Strahlungsemittierende Diode LED 2 pulsweise mit 0, 1 - 10 kHz an. Deren Strahlung, je nach LED- Typ sichtbares Licht, Infrarot- oder Ultraviolett- Strahlung, wird in den Lichtleiter L1 eingekoppelt und über diesen zum Rauchdetektor geleitet. Am Ausgang 3 dieses Lichtleiters ist eine Kollimations-Einrichtung 4 angeordnet, d. h. eine spezielle Optik, die die aus dem Lichleiter austretende Strahlung in ein wenigstens angenähert paralleles Strahlungsbündel kollimiert. Ausserhalb dieses Strahlungsbündels ist, durch eine Blende 5 von direkter Strahlung abgeschirmt, eine weitere Kollimations-Einrichtung 6 angeordnet, deren Empfangsbereich so ausgerichtet ist, dass diese an Rauchpartikeln gestreute Strahlung aus einem Streu-Volumen 7 aufnimmt und dem Eingang 8 des zweiten Lichtleiters L2 zuführt, der die empfangene Streustrahlung einer Solarzelle 9 in der Auswerte-Einheit A zuleitet. Diese Solarzelle wandelt die empfangene Strahlung, d. h. das optische Signal, in ein elektrisches Signal um, das von einem Empfangs-Verstärker 10 verstärkt wird. Das Verstärker-Ausgangssignal wird einer Signal-verarbeitungs-Schaltung 11 zugeleitet, die andererseits über eine Leitung 12 ein Referenzsignal vom Treiber 1 erhält, und nur dann ein Signal an den nachgeschalteten Alarmkreis 13 abgibt, wenn ausgesandte und empfangene Strahlung in Koinzidenz sind. Vom Alarmkreis 13 wird eine Alarmeinrichtung 14 ausgelöst, wenn das Streustrahlungs-Signal eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Bei einer praktisch ausgeführten Auswerte-Einheit wurden folgende Schaltungs-Komponenten verwendet:
- Treiber 1 : Oszillator mit 555-Timer (Signetics) und 7473 Flip-Flop zur Erzeugung einer Rechteck-Spannung mit ca. 270 Hz.
- LED 2 : 2 SE 3352 (Honeywell)
- Lichtleiter: QSF 200 A (Quartz et Silice)
- Kollimator 3, 8 : SELFOC SLW 1 . 8/0. 23 P (Nippon Sheet Glass)
- Solarzelle 9 : PIN BPX 65 (Siemens)
- Verstärker 1 0: ICL 7621 (Intersil) Die Signalverarbeitungs- Schaltung 1 1 kann beispielsweise in der Art der für Rauchdetektoren aus den Europäischen Patenten EP 11 205 oder EP 14 779 bekannten Koinzidenz-Schaltungen ausgeführt sein, oder aber einen phasenempfindlichen Verstärker (Lock-in amplifier) aufweisen, wie er beispielsweise von der Princeton Applied Research Corporation erhältlich ist.
Figur 2 zeigt den Aufbau eines praktisch ausgeführten erfindungs gemässen Rauchdetektors im Schnitt. Eine Kunststoff-Basisplatte 20 trägt ein luftdurchlässiges, die Messkammer M umεchliessendes Gehäuse 21 und im Inneren ein Träger-Element 22, ebenfalls aus einem geeigneten Kunststoff. In der Basisplatte 20 ist eine bekannte Lichtleiter-Anschluss- oder Steck-Verbindung C vorgesehen, die zum Anschluss der von der Auswerte-Einheit kommenden Lichtleiter L1 , L2 an die im Detektor-Inneren befindlichen Lichtleiter-Verbindungen 23 und 28 dient. In Einsparungen des Träger-Elements 22 sind die beiden Kollimations-Einrichtungen 24 und 26 eingesetzt, die mit den Enden der Lichtleiter-Verbindungen 23 und 28 zusammenwirken, so dass ein Strahlungs-(,s) beziehungsweise Empfangs-Bereich mit sehr kleinem Oeffnungswinkel, also nahezu paralleler Strahlung, und einem geringen Durchmesser, d. h. höchstens 1 - 3 mm entsteht. Im zentralen Teil des Träger-Elementes 22 sind mehrere Blenden 25 zur Abschirmung der direkten Rest-Strahlung vom Kollimator 26 aufgestzt. Die optische Anordnung entspricht also dem Schema nach Figur 1. Um Störungen durch von aussen durch das Gehäuse -21 in die Messkammer M ein-drigendes Licht oder durch von der Gehäuse-Innenwand reflektierte Strahlung zu vermeiden, ist die optische Anordnung im Inneren des Gehäuses 21 von einem luftdurchlässigen, aber strahlungsabsorbierenden, labyrinth-artigen Element 27 umgeben. Dieses kann beispielsweise aus ineinandergeschachtelten Lamellen bestehen oder strahlungsabsorbierende Rippen 29 auf den Oberflächen aufweisen, um auch noch die letzte, beispielsweise von den Kanten der Blenden 25 ausgehende Störstrahlung zu eliminieren. Zum Auffangen der direkten, von der Kollimations-Einrichtung 24 ausgehenden Strahlung kann eine Strahlungsfalle 30 kleiner Ausdehnung, jedoch besonders guter Absorption vorgesehen sein, und am Ende des Empfangsbereiches eine analoge Falle 31. Wegen der guten Kollimation und des extrem kleinen Durchmessers des Strahlungsbereiches, wie sie bei vorbekannten Streustrahlungs-Rauchdetektoren nicht erreichbar waren, können bei der beschriebenen Konstruktion die bisher notwendigen, aufwendigen Massnahmen zur Beseitigung der Störstrahlung weitgehend entfallen oder vermindert werden, oder umgekehrt kann die Empfindlichkeit des Rauchdetektors erhöht und die Fehlalarmanfälligkeit reduziert werden. Aus dem gleichen Grund kann die optische Anordnung auf einen kleineren Streuwinkel ausgelegt werden als bisher, so dass die besonders zum Nachweis von Rauch geeignete Vorwärts-Streuung ausnutzbar wird, was bisher nur bei Inkaufnahme einer erhöhten Fehlalarmempfindlichkeit und herabgesetzten Empfindlichkeit möglich war. Vorwärts-Streuwinkel unter 15° Hessen sich ohne aufwendige Bleπdensysteme bequem erreichen, mit geeigneten Blenden sogar Streuwinkel bis herab zu 5°. Hinzu kommen noch die dadurch bedingten Vorteile, dass der Rauchdetektor vollständig aus nicht-metal lischen Materialien aufgebaut sein kann, das heisst, dass er absolut explosions sicher, nicht durch elektromagnetische Interferenzen störbar, kaum korrosionsgefährdet, auch in Hochspannungs-Gebieten einsetzbar, und zudem äusserst temperaturbeständig ist, zumindest im Bereich zwischen -50° C und + 150° C, bei Ersatz der Kunststoffe durch Keramik sogar noch bei wesentlich höheren Temperaturen.
Figur 3 zeigt das Schema eines Rauchdetektors D, der ausser den bereits in Figur 1 dargestellten Komponenten eine weitere Kollimations-Einrichtung 15 aufweist, die Streustrahlung bei einem grösseren Streuwinkεl aufnimmt als die erste Kollimations- Einrichtung 6, und die mit einem dritten Lichtleiter L3 mit der Auswerte-Einheit verbunden ist. Damit lässt sich das für verschiedene Raucharten unterschiedliche Verhältnis der Streuung bei kleinem Streuwinkel zur Streuung bei einem grösseren Streuwinkel ausnützen, und es lässt sich mit einer geeigneten Auswerteschaltung feststellen, welche Art von Rauch in der Praxis vorliegt. Der grössere Streuwinkel kann auch über 90° gewählt werden, so dass ein Kollimator die Vorwärts-Streuung und der andere die Rückwärts-Streuung aufnimmt. Damit lässt sich stark absorbierender, also schwarzer Rauch, von stark reflektierendem, also weissem Rauch, unterscheiden.
Bei der in Figur 4 gezeigten Anordnung sind in der Auswerte-Einheit
A zwei unterschiedliche LED 21 und 22 vorgesehen, die Strahlung bei zwei verschiedenen Wellenlängen aussenden. Mittels eines Koppel- Elementes 16 werden die beiden Strahlungsteile in denselben Lichtleiter L1 eingekoppelt und der Kollimations-Einrichtung 4 zugeleitet. Durch getrennte Auswertung der Streustrahlung bei den zwei Wellenlängen können ebenfalls Schlüsse auf die Art des streuenden Mediums gezogen werden, insbesondere über die Partikel-Grösse.
Der Rauchdetektor D nach Figur 5 weist in Verlängerung der Strahlungsrichtung des Kollimators 4 einen weiteren Strahlungsempfangende Kollimator 17 auf, der die direkte Strahlung aufnimmt und über einen weiteren Lichtleiter L4 der Auswerte- Einheit zuleitet. Damit kann eine Funktionsüberwachung der LED erreicht werden, d. h. bei Ausbleiben der Strahlung ein Signal gegeben werden, oder bei einer langsamen Aenderung der Strahlungs-Intensität die LED nachgeregelt werden.
Bei dem in Figur 6 wiedergegebenen Rauchdetektor ist eng benachbart zu einem ersten, aus den Kollimatoren 41 und 61 , den Lichtleitern L1 und L2 und der Blende 51 bestehenden System ein zweites analog aufgebautes, aus den Kollimatoren 4 2 und 62 , den Lichtleitern L 5 und L6 und der Blende 52 angeordnet. Mit einer Koinzidenz-Schaltung in der
Auswerte-Einheit lässt sich feststellen, ob in beiden Systemen gleichzeitig Streustrahlung auftritt, so dass Fehlalarme vermieden werden. Strahlungs- uns Empfangs-Bereich können statt als parallele Bündel kleinen Durchmessers auch in anderer Weise ausgebildet sein. Figur 7 zeicht ein Ausführungsbeispiel eines solchen Rauchdetektors D. Dieser ist wie der Rauchdetektor nach dem Beispiel von Figur 1 mit zwei Lichtleitern L1 , L2 an eine Auswerte-Einheit angeschlossen, wobei am Ausgang, bzw. am Eingang der Lichtleiter 3, 8 je eine Kollimations-Einrichtung 4, 6 vorgesehen ist. Zum Unterschied von den vorstehend beschriebenen Ausführungen sind diese Kollimations-Einrichtungen jedoch mit asphärischen Flächen versehen, so dass deren Strahlungs-, bzw. Empfangsbereich die Form eines Kegelmantels geringer Dicke aufweist. Die Strahlungsintensität, bzw. Empfangs-empfindlichkeit ist dabei im Wesentlichen auf den Kegelmantel beschränkt und ist sowohl ausserhalb des Mantels, als auch innerhalb des Kegels, in Achsennähe, relativ gering. Die Kollimations-Optik ist wiederum so ausgebildet, dass der Oeffnungswinkel der Strahlung in einer Mantellinie des Kegelmantels sehr gering ist, d. h. dass sich die Dicke des Strahlungs-, bzw. Empfangs-Bereiches entlang einer Mantellinie nur wenig ändert. Der Strahlungs- und Empfangs-Bereich schneiden sich im dargestellten Beispiel in einer kreisring- oder torusförmigen Zone 7 mit geringem Durchmesser. Auf diese Weise werden analoge Vorteile erreicht wie bei den vorher beschriebenen Ausführungen mit parallelem Strahlungs-, bzw. Empfangsbereich, sofern die Divergenz des Strahlungs- und Empfangsbereiehes, d. h. die Aenderung der Dicke des Strahlungs- und Empfangsbereiches in Strahlungs-, bzw. Empfangsrichtung klein "gehalten werden können. Zur Absorption der direkten Strahlung und zur Vermeidung einer Aufnahme von Hintergrundstrahlung sind auch im Beispiel nach Figur 7 Strahlungsfallen 29 vorgesehen, die hier zweckmässigerweise kreisringförmig ausgebildet sind und die Kollimations-Einrichtungen 4, 6 ringförmig umgeben.

Claims

Patentansprüche
1. Streustrahlungs-Rauchdetektor, der mittels strahlungsleitender Elemente (L1 , L2, 23, 28) an eine Auswerte- Einheit (A) anschliess bar ist, bei dem von der Auswerte- Einheit (A) ausgesandte elektromagnetische Strahlung über wenigstens ein strahlungsleitendes Element ( L1 , L5, 23) in ein Messvolumen (M, 7) eingestrahlt wird und an de n Rauch-Partikeln im Messvolumen (M, 7) gestreute elektromagnetische Strahlung von wenigstens einem strahlungsleitenden Element (L2, L3, L6, 28) aufgenommen und zur Auswerte-Einheit (A) zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass am Strahlungs-Austritt (3), beziehungsweise am Strahlungs-Eintritt (8) der strahlungslεitenden Elemente (L1, L2) Kollimations- Einrichtungen (4, 6, 24, 26) zur Erzeugung eines wenigstens angenähert nichtdivergenten Strahlungs-, bzw. Empfangs-Bereiches (S, E) kleinen Querschnittes vorgesehen sind wobei die strahlungsleitenden Elemente und die Kollimations-Einrichtungen so angeordnet und ausgerichtet sind, dass sich deren Strahlung s- und Empfangs-Bereich überschneiden.
2. Rauchdetektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimations-Einrichtungen (4, 6, 24, 26) so ausgebildet und ausgerichtet sind, dass deren Strahlungs- und Empfangs-Bereiche (S, E) wenigstens angenähert parallele Bündel sind, die sich in einem spitzen Winkel schneiden, so dass die strahlungs empfangende Kollimations-Einrichtung (6, 26) unter einem spitzen Winkel in Vorwärtsrichtung gestreute Strahlung aufnimmt.
3. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 5 und 15 liegt.
4. Rauchdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Strahlungs-Bereiches höchstens 3 mm ist.
5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Empfangs-Bereiches höchstens 3 mm beträgt.
6. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen den Kollimations-Einrichtungen
(4, 6, 24, 26) wenigstens eine Blende (5) zur Abschirmung der von der einen Kollimations-Einrichtung (4, 24) ausgestrahlten direkten Strahlung von der εtrahlungsempfangenden Kollimations-Einrichtung (6, 26) vorgesehen ist.
7. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Kollimations- Einrichtung (15) so angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie Streustrahlung in einem grösseren Streuwinkel als die erste Kollimations-Einrichtung (6) empfängt.
8. Rauchdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der grössere Streuwinkel wenigstens 90° beträgt.
9. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung aus wenigstens zwei verschiedenen Wellenlängen-Gebieten besteht.
10. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Kollimations-Einrichtung (17) im direkten Strahlungsbereich vorgesehen ist.
11. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei optische Anordnungen, die je eine
Strahlungsaussendende Kollimator-Einrichtung (41 , 42) und je eine Strahlungsempfangende Kollimator-Einrichtung (6 1 , 62 ) aufweisen, vorgesehen sind, wobei sich die Strahlungs- und Empfangs-Bereiche der beiden optischen Anordnungen in benachbarten Mess- Volumina überschneiden.
12. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesandte elektromagnetische Strahlung Impulsform, besitzt.
13. Rauchdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er an eine Auswerte-Einheit (A) anschliessbar ist, welche eine Koinzidenz-Schaltung (11) zum Vergleich der ausgesandten und der empfangenen Strahlung aufweist.
14. Rauchdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Koinzidenz-Schaltung (11) einen phasenempfindlichen Verstärker (lock-in amplifier) aufweist.
1 5. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsbereich (S) durch eine Strahlungsfalle (30) abgeschlossen ist.
1 6. Rauchdetektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsbereich (E) durch eine Strahlungsfalle (31 ) abgeschlossen ist.
17. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimations-Einrichtungen (4, 6) so ausgebildet sind, dass der Strahlungs- und Empfangsbereich die Form von Kegelmänteln geringer Dicke aufweisen, die sich, in einem kreisringförmigen Messvolumen (7) schneiden.
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