CH651410A5 - Optical smoke detector - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor gemäss Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Solche Detektoren sind äusserst empfindlich für grosse Rauchpartikel, weisen aber eine wesentlich geringere Empfindlichkeit für kleine Rauchpartikel auf. Aufgabe der Erfindung ist es folglich, einen optischen Rauchdetektor mit verbesserter Empfindlichkeit für kleine Rauchpartikel zu schaffen. Unter kleinen Rauchpartikeln sollen Teilchen verstanden werden, deren Durchmesser D kleiner ist als die Wellenlänge der im Detektor benutzten Lichtstrahlung. Kleine Rauchteilchen werden durch Funkenfeuer oder sehr schnell brennende Feuer erzeugt, während bei Schwellbränden mehr grosse Rauchpartikel entstehen. The invention relates to a smoke detector according to the preamble of claim 1. Such detectors are extremely sensitive to large smoke particles, but have a significantly lower sensitivity to small smoke particles. The object of the invention is therefore to provide an optical smoke detector with improved sensitivity for small smoke particles. Small smoke particles are understood to mean particles whose diameter D is smaller than the wavelength of the light radiation used in the detector. Small smoke particles are generated by spark fires or very quickly burning fires, while swell fires produce more large smoke particles.

Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Mit einfachen Mitteln wird hierdurch die Empfindlichkeit des Rauchdetektors für kleine Rauchteilchen wesentlich erhöht. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. The object is achieved by the invention characterized in claim 1. With simple means, the sensitivity of the smoke detector for small smoke particles is significantly increased. Advantageous configurations result from the dependent patent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt The invention is explained below on the basis of some exemplary embodiments shown in the drawings. It shows

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines Rauchdetektors ; 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a smoke detector;

Fig. 2 für diesen Rauchdetektor die Abhängigkeit der Vorwärts- bzw. Rückwärtsstreuung des Lichts in Abhängigkeit von Partikelgrösse; 2 for this smoke detector the dependence of the forward or backward scattering of the light as a function of particle size;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Rauchdetektors und Fig. 3 shows a second embodiment of a smoke detector and

Fig. 4 und 5 schematisch die Wirkung der Streustrahlung beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3. 4 and 5 schematically the effect of scattered radiation in the embodiment of FIG. 3.

Der Rauchdetektor nach Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 10 mit Öffnungen 11 und 12 im Boden bzw. Deckel, durch welche ein zu überwachender Luftstrom in die Kammer 13 eintritt und diese wieder verlässt. Eine Strahlungsquelle 14, die Licht im sichtbaren, im Infrarot- oder im Ultraviolettbereich abstrahlt, befindet sich in dem durch eine Trennwand 20 abgeteilten linken Teil des Gehäuses 10. Die Strahlung wird von einer Sammellinse 15 in die Kammer 13 geworfen und dort auf einen kleinen Spiegel 16 fokussiert, der in der Mitte einer relativ grossen Strahiungsdetektorflä-che 17 angeordnet ist. Strahlungsquelle 14, Linse 15 und Strahlungsdetektor 17 befinden sich innerhalb des Gehäuses 10, wobei die Halterung 20 für die Linse 15 zugleich eine lichtundurchlässige Trennwand bildet, so dass Licht von der Strahlungsquelle 14 nur über die Sammellinse 15 in die Kammer 13 gelangen kann. Der flächenhafte Strahlungsdetektor 17 kann durch eine Fotodiode vom Typ CLD31 der Firma Clairex Corporation, New York gebildet sein. Diese Fotodiode arbeitet als fotovoltaische Zelle und hat eine aktive Fläche von ungefähr 22 mm2. Ihre Spitzenempfindlichkeit liegt im Bereich zwischen 0,9 und 1,0 u. Sie ist folglich gut als Strahlungsdetektor geeignet für die von einer Infrarot-Leuchtdiode, vorzugsweise einer Galliumarsenid-Leucht-diode 14, ausgehende Strahlung. 1 consists of a housing 10 with openings 11 and 12 in the base or cover, through which an air flow to be monitored enters and leaves the chamber 13. A radiation source 14, which emits light in the visible, in the infrared or in the ultraviolet range, is located in the left part of the housing 10, which is divided off by a partition 20. The radiation is thrown by a converging lens 15 into the chamber 13 and there onto a small mirror 16 focused, which is arranged in the middle of a relatively large radiation detector surface 17. Radiation source 14, lens 15 and radiation detector 17 are located within the housing 10, the holder 20 for the lens 15 simultaneously forming an opaque partition, so that light from the radiation source 14 can only enter the chamber 13 via the converging lens 15. The areal radiation detector 17 can be formed by a CLD31 type photodiode from Clairex Corporation, New York. This photodiode works as a photovoltaic cell and has an active area of approximately 22 mm2. Their peak sensitivity is in the range between 0.9 and 1.0 u. It is therefore well suited as a radiation detector for the radiation emanating from an infrared light-emitting diode, preferably a gallium arsenide light-emitting diode 14.

Die Strahlung der Strahlungsquelle 14 wird mittels der Linse 15 auf den Spiegel 16 inmitten des Strahlungsdetektors 17 abgebildet. Ohne Rauch in der Kammer erfolgt keine Lichtstreuung, so dass das von der Strahlungsquelle kommende Licht nicht auf den Detektor 17, sondern vollständig auf den Spiegel 16 fällt und reflektiert wird. Ist jedoch Rauch in der Kammer vorhanden, so bewirken die Rauchteilchen eine Vorwärtsstreuung 21 des ausgesandten Lichts, wodurch dieses Streulicht vom Detektor 17 aufgefangen wird. Die dargestellte Anordnung ermöglicht eine hochwirksame Erfassung vorwärtsgestreuten Lichts, weil durch die Geometrie der Messkammer auch schwach gestreutes Licht vom Detektor 17 aufgefangen wird. The radiation from the radiation source 14 is imaged on the mirror 16 in the middle of the radiation detector 17 by means of the lens 15. Without smoke in the chamber, there is no light scattering, so that the light coming from the radiation source does not fall on the detector 17 but completely on the mirror 16 and is reflected. However, if smoke is present in the chamber, the smoke particles cause the emitted light to be forward scattered 21, as a result of which this scattered light is captured by the detector 17. The arrangement shown enables highly effective detection of forward-scattered light because the geometry of the measuring chamber also detects weakly scattered light from the detector 17.

Fig. 2 zeigt das Strahlungsmuster der Streustrahlung bei grossen Rauchpartikeln (D>A.) bzw. bei kleinen Rauchpartikeln (D<X). Bei grossen Rauchpartikeln, deren Durchmesser also grösser ist als die Wellenlänge À. des von der Strahlungsquelle 14 gelieferten Lichts, ist die Streuung von den Rauchpartikeln übewiegend eine Vorwärtsstreuung, während nur eine geringfügige Rückwärtsstreuung auftritt. Bei kleinen Rauchpartikeln hingegen, d.h. wenn der Partikeldurchmesser kleiner als die Wellenlänge X ist, nimmt die Rückwärtsstreuung zu und ist praktisch gleich gross wie die Vorwärtsstreuung. 2 shows the radiation pattern of the scattered radiation in the case of large smoke particles (D> A.) Or in the case of small smoke particles (D <X). For large smoke particles, the diameter of which is larger than the wavelength À. of the light provided by the radiation source 14, the scatter from the smoke particles is predominantly a forward scatter while only a slight backward scatter occurs. With small smoke particles, however, i.e. if the particle diameter is smaller than the wavelength X, the backward scatter increases and is practically the same size as the forward scatter.

Die Verwendung eines Spiegels 16, der das auftreffende Licht im wesentlichen zur Strahlungsquelle 14 zurückreflektiert, ermöglicht es auch, das durch Rückwärtsstreuung der reflektierten Lichtstrahlen entstehende Streulicht 22 in der gleichen wirkungsvollen Weise zu erfassen, wie das vorwärtsgestreute Licht der ausgesandten Lichtstrahlung. Diese wirksame Erfassung rückwärtsgestreuten Lichts ist bei kleinen Rauchpartikeln wichtig und führt zu einem optischen Rauchdetektor mit erhöhter Empfindlichkeit für kleine Rauchpartikel. The use of a mirror 16, which essentially reflects the incident light back to the radiation source 14, also makes it possible to detect the scattered light 22 resulting from backscattering of the reflected light beams in the same effective manner as the forwardly scattered light of the emitted light radiation. This effective detection of backscattered light is important for small smoke particles and leads to an optical smoke detector with increased sensitivity for small smoke particles.

Das elektrische Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 17 wird über eine Leitung 23 einer Alarmschaltung 24 zugeleitet. Trifft infolge Lichtstreuung an Rauchpartikeln Strahlung auf den Detektor 17 und erzeugt dieser ein Ausgangssignal, The electrical output signal of the radiation detector 17 is fed to an alarm circuit 24 via a line 23. If radiation strikes the detector 17 as a result of light scattering on smoke particles and generates an output signal,

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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so spricht die Alarmschaltung 24 an. Sie kann einen Verstärker mit Relais umfassen, welches anzieht, sobald das Detektorsignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. the alarm circuit 24 responds. It can comprise an amplifier with a relay, which picks up as soon as the detector signal exceeds a predetermined threshold value.

Vielfach werden Rauchdetektoren derart ausgebildet, dass die zu überwachende Luft leicht hindurchströmen kann. Dies 5 führt jedoch dazu, dass vielfach auch Umgebungslicht in die Detektorkammer gelangen kann. Um Einflüsse des Umgebungslichtes auf das Messergebnis des Rauchdetektors auszuschalten, empfiehlt es sich, einen solchen Rauchdetektor nicht mit Gleichlicht, sondern mit gepulstem Licht zu betrei- io ben und gegebenenfalls einen auf Impulslicht ansprechenden Detektor vorzusehen, der erforderlichenfalls mit der Lichtimpulsquelle synchronisiert werden kann. Ein solcher mit Impulsen betriebener Rauchdetektor ist für das üblicherweise gleichbleibende oder sich nur langsam ändernde Umgebungs- i5 licht kaum empfindlich. Smoke detectors are often designed in such a way that the air to be monitored can easily flow through them. However, this 5 leads to the fact that in many cases ambient light can also enter the detector chamber. In order to eliminate influences of the ambient light on the measurement result of the smoke detector, it is advisable not to operate such a smoke detector with pulsed light but with pulsed light and, if necessary, to provide a detector which responds to pulse light and which can be synchronized with the light pulse source if necessary. Such a smoke detector operated with pulses is hardly sensitive to the ambient light, which usually remains the same or changes only slowly.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rauchdetektors mit einem Gehäuse 110 sowie Luftdurchtrittsöffnun-gen 111 und 112 im Boden bzw. Deckel des Gehäuses. In der Gehäusekammer 113 ist eine Strahlungsquelle, beispielsweise 20 eine Leuchtdiode 114, auf einem Scheiben- oder plattenförmi-gen Fotodetektor 115 angebracht. Sie ist derart abgeschirmt, Fig. 3 shows a second embodiment of a smoke detector with a housing 110 and air passage openings 111 and 112 in the bottom or cover of the housing. A radiation source, for example 20 a light-emitting diode 114, is mounted in the housing chamber 113 on a disk-shaped or plate-shaped photo detector 115. It’s shielded

dass ihr Licht nicht unmittelbar zurück auf den Fotodetektor 115 fallen kann. Die aus Strahlungsquelle 114 und Detektorfläche 115 bestehende Anordnung 116 steht einem Spiegel 25 117 gegenüber, der durch die Innenfläche einer Halbkugelschale gebildet ist. Dabei befindet sich die Strahlungsquelle 114 im Krümmungsmittelpunkt der Kugelfläche. Infolge ihrer kleinen Abmessungen bildet sie in bezug auf den Reflektor praktisch eine Punktlichtquelle und sendet ihre Lichtstrahlen 30 radial zum Reflektor 117 aus. Bei fehlendem Rauch erfolgt keine Lichtstreuung, und das von der Strahlungsquelle 114 abgestrahlte Licht wird vom Spiegel 117 vollständig zur Strahlungsquelle 114 zurückreflektiert und fält nicht auf den die Strahlungsquelle umgebenden Fotodetektor 115. Ist hin- 35 gegen Rauch in der Kammer 113, so bewirken die Rauchteilchen eine Vorwärts- oder Rückwärtsstreuung des ausgesandten Lichts. Der Strahlungsdetektor 115 ist wiederum über eine Leitung 120 an eine Alarmschaltung 121 angeschlossen. Ungestreutes Licht wird, wie erwähnt, zur Strahlungsquelle 40 114 zurückgeworfen und dort entweder absorbiert oder that their light cannot immediately fall back onto the photodetector 115. The arrangement 116 comprising the radiation source 114 and the detector surface 115 faces a mirror 25 117, which is formed by the inner surface of a hemisphere shell. The radiation source 114 is located at the center of curvature of the spherical surface. Due to its small dimensions, it practically forms a point light source with respect to the reflector and emits its light rays 30 radially to the reflector 117. If there is no smoke, there is no light scattering, and the light emitted by the radiation source 114 is completely reflected back by the mirror 117 to the radiation source 114 and does not fold onto the photodetector 115 surrounding the radiation source. If there is smoke in the chamber 113, the smoke particles act a forward or backward scatter of the emitted light. The radiation detector 115 is in turn connected to an alarm circuit 121 via a line 120. As mentioned, unscattered light is returned to the radiation source 40 114 and either absorbed or there

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reflektiert; es erzeugt am Fotodetektor 115 kein Ausgangssignal. Bei Reflexion ungestreuten Lichts durch die Leuchtdiode ergibt sich praktisch nur eine Vergrösserung des Lichtweges. reflected; it does not generate an output signal at the photodetector 115. When light is reflected by the light emitting diode, practically only an enlargement of the light path results.

Die schematische Darstellung in Fig. 4 zeigt einen Lichtstrahl 123, der von der Leuchtdiode 114 zu einem Punkt 124 auf dem Reflektor 117 gelangt und von dort auf dem gleichen Weg zur Leuchtdiode 114 zurückgeworfen wird. Dieser Strahl wird nicht gestreut. Der nächste Lichtstrahl 125 hingegen wird im Knickpunkt durch ein Rauchteilchen gestreut, so dass er in Form des Strahls 125' auf den Reflektor 117 fällt und von dort zum Punkt 126 auf dem Fotodetektor 115 zurückgeworfen wird. Er liefert also ein Ausgangssignal. Während herkömmliche optische Rauchdetektoren nur einen kleinen Anteil des an Rauchpartikeln gestreuten Lichtes erfassen, führt die Verwendung eines sphärischen Reflektorspiegels dazu, dass praktisch das gesamte Streulicht sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung ausgenutzt wird. The schematic representation in FIG. 4 shows a light beam 123 which arrives from the light-emitting diode 114 to a point 124 on the reflector 117 and from there is reflected back to the light-emitting diode 114 in the same way. This beam is not scattered. The next light beam 125, on the other hand, is scattered by a smoke particle at the break point, so that it falls on the reflector 117 in the form of the beam 125 'and is thrown back from there to the point 126 on the photodetector 115. So it delivers an output signal. While conventional optical smoke detectors only detect a small proportion of the light scattered by smoke particles, the use of a spherical reflector mirror means that practically all of the scattered light is used both in the forward and in the reverse direction.

Fig. 5 macht dies in vergrossertem Massstab deutlich. Sie zeigt die Vorwärts- und die Rückwärtsstreuung sowohl eines von der Strahlungsquelle 114 ausgehenden Lichtstrahls als auch eines vom Spielgel 117 reflektierten Strahls. Der Strahl 125 unterliegt einer Vorwärtsstreuung in ähnlicher Weise wie zuvor anhand von Fig. 4 beschrieben. Der Strahl 130 wird an einem Rauchteilchen rückwärts gestreut und fällt im Punkt 131 auf den Strahlungsdetektor 115. Der Strahl 132 läuft ungestreut zum Reflektor 117 und von dort zunächst auf der gleichen Bahn zurück bis zu einem Rauchteilchen, wo er in Vorwärtsrichtung gestreut wird und im Punkt 133 auf den Strahlungsdetektor 115 auftrifft. Schliesslich veranschaulicht der Strahl 134 die Rückwärtsstreuung eines reflektierten Strahls. Er läuft zunächst ungestreut zum Reflektor 117, wird von dort zurückgeworfen und trifft auf ein Rauchteilchen. Fig. 5 makes this clear on an enlarged scale. It shows the forward and backward scattering of both a light beam emanating from the radiation source 114 and a beam reflected by the game gel 117. The beam 125 is subject to forward scatter in a manner similar to that previously described with reference to FIG. 4. The beam 130 is scattered backwards on a smoke particle and falls at point 131 on the radiation detector 115. The beam 132 runs without scattering to the reflector 117 and from there initially back on the same path to a smoke particle, where it is scattered in the forward direction and at the point 133 strikes the radiation detector 115. Finally, beam 134 illustrates the backscatter of a reflected beam. It initially runs unscattered to reflector 117, is thrown back from there and hits a smoke particle.

Dort wird er nach rückwärts gestreut, so dass er erneut auf den Reflektor 117 auftrifft und von dort aus etwa an der gleichen Stelle auf den Fotodetektor 115 auftrifft, wie der oben erwähnte Strahl 125. Somit tragen Vorwärtsstreuung und Rückwärtsstreuung sowohl der ausgesandten als auch der reflektierten Strahlen zur Erzeugung eines das Vorhandensein von Rauch anzeigenden Detektorsignals bei. There it is scattered backwards so that it strikes the reflector 117 again and from there strikes the photodetector 115 at approximately the same location as the above-mentioned beam 125. Thus forward scattering and backward scattering carry both the emitted and the reflected Rays to produce a smoke signal indicating presence of smoke.

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3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims (10)

651 410 651 410 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 1. Optischer Rauchdetektor mit einer einen Lufteinlass und einen Luftauslass aufweisenden Kammer, in welcher eine Strahlungsquelle, ein Reflektor und ein Strahlungsdetektor derart angeordnet sind, dass nur beim Vorhandensein von Rauch ein Teil der Strahlung gestreut wird und die gestreute Strahlung auf den Detektor fällt, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) oder die Strahlungsquelle (114) auf dem Detektor (17, 115, 126) angeordnet und von dessen strah-lungsempfindlicher Fläche umgeben ist. 1. Optical smoke detector with a chamber having an air inlet and an air outlet, in which a radiation source, a reflector and a radiation detector are arranged such that only in the presence of smoke is part of the radiation scattered and the scattered radiation falls on the detector, thereby characterized in that the reflector (16) or the radiation source (114) is arranged on the detector (17, 115, 126) and is surrounded by its radiation-sensitive surface. 2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Strahlungsdetektors ( 17) grösser ist als die des Reflektors (16) (Fig. 1). 2. Smoke detector according to claim 1, characterized in that the area of the radiation detector (17) is larger than that of the reflector (16) (Fig. 1). 3. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor (17) den Reflektor (16) grossflächig umgibt. 3. Smoke detector according to claim 2, characterized in that the radiation detector (17) surrounds the reflector (16) over a large area. 4. Rauchdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor ( 17) eine ebene Oberfläche aufweist und der Reflektor ( 16) als Spiegel einen Teil dieser Oberfläche bedeckt. 4. Smoke detector according to claim 2 or 3, characterized in that the radiation detector (17) has a flat surface and the reflector (16) covers a part of this surface as a mirror. 5. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Strahlungsquelle (14) und Reflektor (16) eine Sammellinse (15) angeordnet ist. 5. Smoke detector according to claim 1, characterized in that a collecting lens (15) is arranged between the radiation source (14) and reflector (16). 6. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdetektor ( 115) die Strahlungsquelle (114; grossflächig umgibt (Fig. 3). 6. Smoke detector according to claim 1, characterized in that the radiation detector (115) surrounds the radiation source (114; large area (Fig. 3). 7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (117) durch die Innenfläche einer Teilkugelschale gebildet und die Strahlungsquelle (114) im Krümmungsmittelpunkt der Kugelschale angeordnet ist. 7. Smoke detector according to claim 6, characterized in that the reflector (117) is formed by the inner surface of a partial spherical shell and the radiation source (114) is arranged in the center of curvature of the spherical shell. 8. Rauchdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (114) innerhalb des Flächenbereiches einer ebenen Strahlungsdetektorfläche ( 115) angeordnet ist. 8. Smoke detector according to claim 7, characterized in that the radiation source (114) is arranged within the surface area of a flat radiation detector surface (115). 9. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (14; 114) eine Infrarotlichtquelle und der Strahlungsdetektor ( 17 ; 115) infrarotempfindlich ist. 9. Smoke detector according to claim 1, characterized in that the radiation source (14; 114) is an infrared light source and the radiation detector (17; 115) is sensitive to infrared. 10. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (14; 114) eine Galli umar-senid-Leuchtdiode ist. 10. Smoke detector according to claim 1, characterized in that the radiation source (14; 114) is a Galli umar-senide light-emitting diode.