DE19913142A1 - Rauchdetektor mit Partikelsensor - Google Patents
Rauchdetektor mit PartikelsensorInfo
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Abstract
Ein Feuerdetektor, der einen Zähler für einzelne Rauchpartikel verwendet, enthält eine Laserdiode als Quelle für kohärentes Licht. Ein Aerosolkanal liegt in der Nähe der Diode, entweder bei einem Ausgangsport der Diode oder so angeordnet, daß er einen Bereich stimulierter Emission schneidet. Ein Lichtamplitudenerfassungselement, wie ein Photodetektor, ist so konfiguriert, daß es Veränderungen der Lichtintensität abhängig von der Anwesenheit einzelner schwebender Rauchpartikel erfaßt. Ein moduliertes Signal aus dem Detektor kann verarbeitet werden, um den Rauchtyp und die Rauchkonzentration zu ermitteln, um die Anwesenheit eines Feuers zu bestimmen. Eine unidirektionale oder bidirektionale Strömung der Partikel kann mit Hilfe ventilloser Festkörperstellglieder vorgesehen werden. Mehrkanalausgangssignale können mit einer einzigen Quelle, mit mehreren Sensoren oder mit mehreren Quellen/Sensoren-Paaren vorgesehen werden.
Description
Die Erfindung betrifft Rauchdetektoren. Spezieller be
trifft die Erfindung solche Detektoren, die einzelne Rauch
partikel erfassen und zählen können.
Feuerdetektoren haben sich als wertvolle Sicherheits
werkzeuge erwiesen, weil man von ihnen üblicherweise erwarten
kann, daß sie eine frühe Warnung eines sich entwickelnden
Feuers in einem Gebiet liefern. Bekannte Feuerdetektoren
verwenden verschiedenartige Sensoren. Es werden z. B. Tem
peraturdetektoren verwendet, um eine Erhöhung der Umgebungs
temperatur zu erfassen. Rauchdetektoren mit Ionisierungs
sensoren oder photoelektrischen Sensoren erfassen das Vor
handensein von in der Luft schwebenden Teilchen in einem
überwachten Bereich. Gasdetektoren erfassen das Vorhandensein
und die Konzentration eines oder mehrerer Gase.
Während die bekannten Detektoren brauchbar sind, sind sie
jedoch so konzipiert, daß sie das Vorhandensein einer ausge
wählten Makro-Bedingung erfassen. Wärmesensoren erfassen z. B.
im allgemeinen die Temperatur der Luft, die sich in einem
überwachten Bereich bewegt. Hierzu werden nicht die Tempera
tureigenschaften einzelner Luftmoleküle erfaßt. Vielmehr
werden mehrere Moleküle abgefühlt, um eine mittlere Tempera
turangabe vorzusehen. Ähnlich erfassen sowohl Ionisierungs-Rauch
detektoren als auch photoelektrische Rauchdetektoren die
Rauchkonzentration in einem Bereich. Dieser umfaßt eine große
Anzahl Rauchpartikel.
Als eine Folge dieser Erfassungsverfahren sind bekannte
Detektoren in bezug auf die Verringerung ihres Energiebedarfs
und ihrer Größe und die Senkung der Herstellungskosten, welche
erreichbar sind, begrenzt. Es wäre wünschenswert, die Vorteile
der heutigen Verarbeitungstechnologie für integrierte Schalt
kreise ausnutzen zu können und einen physisch kleinen, kosten
günstigen Niederleistungs-Rauchdetektor herzustellen. Ein sol
cher Detektor würde vorzugsweise auf einzelne Rauchpartikel
reagieren, anstatt auf das Vorhandensein einer großen Anzahl
Partikel, um Information über die Art des Rauchs und der Kon
zentration zu liefern.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein System
zum Erfassen von in der Luft schwebenden Verbrennungspartikeln
mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Ana
lysieren von in der Luft schwebenden Partikeln mit den Verfah
rensschritten von Anspruch 13 vor.
Ein Niederleistungs-Festkörper-Partikelsensor gemäß der
Erfindung umfaßt eine Laserdiode als Quelle für kohärentes
Licht. Bekannte Laserdioden haben Strahlausgangsöffnungen
(Ports) in der Größenordnung von 1×5 µm. Vorzugsweise werden
die Laserdioden verwendet, welche die kleinstmöglichen Aus
gangsöffnungen haben. Ausgangsöffnungen mit Abmessungen in der
Größenordnung von 1 µm×1 µm sind hierfür geeignet.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein Strömungsweg in
der Nachbarschaft der Ausgangsöffnung angeordnet, der so
dimensioniert ist, daß er eine serielle Strömung aus beab
standeten, einzelnen Rauchpartikeln zuläßt. Der Strömungsweg
hätte vorzugsweise Abmessungen, die vergleichbar denen der
bekannten Partikelgröße sind, z. B. in der Größenordnung von 3
µm. Es ist bekannt, daß die übliche Rauchpartikelgröße in der
Größenordnung von 0,1 bis 1 µm liegt. Es ist auch bekannt, daß
solche Partikel dazu neigen, sich in Strömungskanälen selbst
zu zentrieren, und daß sie nicht dazu neigen, sich entlang der
Kanalwände anzusammeln.
Gemäß eines weiteren Aspekts kann ein Photosensor, wie
eine Photodiode, in der Nachbarschaft der Ausgangsöffnung der
Quelle angeordnet werden, wobei ein Teil des Strömungsweges
zwischen diesen liegt. Rauchpartikel, die sich durch den
Strömungsweg bewegen, gehen somit jeweils einzeln vor dem
Strahl vorbei und modulieren diesen.
Das elektrische Ausgangssignal des Sensors liefert eine
Angabe über die Größe und Geschwindigkeit des Partikels, der
gerade den Energiestrahl verdeckt. Abhängig von den jeweiligen
Rauch- oder Aerosolpartikeln, die durch den Strömungsweg ge
hen, treten modulierte Ausgangssignale des Sensors auf. Alter
nativ kann der Sensor so ausgerichtet werden, daß er Licht
erfaßt, das von den einzelnen Partikeln reflektiert wird.
Ein Feuerdetektor, der einen Sensor für einzelne Rauch
partikel verwendet, umfaßt eine Laserdiode als Quelle für ko
härentes Licht. Ein Aerosolkanal liegt in der Nachbarschaft
der Diode, entweder bei einer Ausgangsöffnung der Diode oder
so angeordnet, daß er einen Bereich stimulierter Emission
schneidet. Ein Lichtamplitudenmeßelement, wie ein Photo
detektor, ist so konfiguriert, daß es Änderungen der Licht
intensität abhängig von dem Vorhandensein einzelner in der
Luft schwebender Rauchpartikel erfaßt.
Ein moduliertes Signal, das von dem Detektor kommt, kann
verarbeitet werden, um die Rauchart und -konzentration zu
ermitteln, um festzustellen, ob ein Feuerprofil vorliegt oder
nicht. Ein Aspekt der Erfindung sieht einen Schaltkreis zum
Analysieren der Größe der erfaßten Feststoffpartikel vor, um
die Art des Feuers zu bestimmen. Ein Schaltkreis zum Ermitteln
des Abstands zwischen den Partikeln kann dazu verwendet wer
den, die Rauchkonzentration zu erhalten. Zu Analysezwecken
kann eine Mustererkennungsschaltung verwendet werden.
Mit Hilfe ventilloser Festkörper-Stellglieder kann eine
Strömung der Partikel in nur eine Richtung oder in zwei Rich
tungen (bidirektional) vorgesehen werden. Alternativ kann die
Partikelströmung thermisch induziert werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts können mehrere Detektoren in
einer Anordnung angeordnet werden. In solchen Anordnungen kann
sowohl die Absorption als auch die Streuung ausgenutzt werden,
um Signale zu erzeugen, die das Vorhandensein von Feststoff
partikeln, die Partikelgröße und -konzentration angeben.
Alternativ können mehrere Laserquellen verwendet werden, die
Licht unterschiedlicher Frequenzen emittieren. Die Positionen
eines oder mehrerer Photodetektoren können relativ zu der
Quelle verändert werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts können Feststoffpartikel,
die erfaßt wurden, mit einer zweiten Quelle beleuchtet werden,
z. B. mit einem zweiten Laser, der vielleicht eine andere Aus
gangsfrequenz hat. Dieses Beschießen von einzelnen Partikeln
mit Strahlungsenergie kann eine Veränderung der Partikelgröße
oder anderer wahrnehmbarer Eigenschaften bewirken. Die Par
tikel, welche die veränderten Eigenschaften aufweisen, können
wiederum für "vor" und "nach" der Analyse erfaßt werden.
Zahlreiche weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung
ergeben sich deutlich aus der folgenden detaillierten Be
schreibung der Erfindung und ihrer Ausführungsformen, aus den
Ansprüchen und den Zeichnungen. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Partikelzählers gemäß der
Erfindung;
Fig. 1A eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Detek
tors der Fig. 1;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Partikelzähler der Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils des
Partikelzählers der Fig. 1;
Fig. 4A eine vergrößerte Seitenansicht einer alternativen
Ausführungsform einer Laserquelle;
Fig. 4B eine vergrößerte Seitenansicht nach einer anderen
Ausführungsform einer Laserquelle;
Fig. 5 eine vergrößerte Teil-Seitenansicht nach einer
weiteren Ausführungsform einer Laserquelle;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Partikelzählers, der dem
von Fig. 1 entspricht und eine ventillose Fest
körperpumpe zum Bewegen von Partikeln enthält;
Fig. 6A eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Pumpe der
Fig. 6;
Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht einer alternativen
Ausführungsform eines Partikelzählers, der eine
Festkörperpumpe enthält;
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Partikelzählers, der eine
Photosensoranordnung enthält;
Fig. 8B eine vergrößerte Seitenansicht eines Partikelzäh
lers, der eine Anordnung aus Quellen und Sensoren
enthält; und
Fig. 9 eine vergrößerte Seitenansicht noch einer anderen
Ausführungsform eines Mehrfachquellen-Partikel
zählers.
Während die Erfindung in vielen verschiedenen Formen
realisiert werden kann, sind in den Zeichnungen und in dieser
Beschreibung bestimmte Ausführungsformen der Erfindung mit
weiteren Einzelheiten unter der Prämisse ausgeführt, daß die
vorliegende Offenbarung als ein Beispiel der Grundsätze der
Erfindung betrachtet werden soll und die Erfindung nicht auf
die spezifischen, erläuterten Ausführungsformen beschränken
soll.
Es wird vorausgesetzt, daß Rauchpartikel eine Durch
messerschwankung innerhalb eines Bereichs in der Größenordnung
von 0,1 bis 1,0 µm aufweisen. Bei einem Verdunkelungsgrad von
2% pro Fuß werden sie einen Abstand in der Größenordnung von
10 : 100 µm haben.
Es ist ferner bekannt, daß bei konstanten Verdunkelungs
pegeln kleinere Partikel, die ein Anzeichen heißerer Feuer
sind, näher beieinanderliegen. Zusätzlich brennen verschiedene
Materialien unter verschiedenen Bedingungen und erzeugen ver
schiedene Partikelgrößenverteilungen. Die schwankenden Eigen
schaften der Rauchpartikel können daher in Kombination mit der
Partikelkonzentration dazu verwendet werden, ein oder mehrere
Energiestrahlen auf Partikelbasis zu reflektieren, zu streuen,
zu absorbieren oder zu verdunkeln.
Fig. 1 zeigt ein Partikelzählsystem 10 gemäß der vor
liegenden Erfindung. Das System der Fig. 1 sowie zahlreiche
beschriebene Alternativen können dazu verwendet werden, phy
sisch kleine, kostengünstige Rauchdetektoren mit niedrigem
Energiebedarf zu realisieren. Das System kann einzelne
Rauchpartikel zählen und deren Eigenschaften analysieren.
Das System 10 umfaßt eine Festkörperlaserquelle für
Strahlungsenergie 12. Die Quelle 12 könnte z. B. als eine
Festkörperlaserdiode realisiert werden. Es ist bekannt, daß
solche Dioden einen monochromatischen Energiestrahl aus einer
Ausgangsöffnung (Port) senden, wenn elektrische Energie ange
legt wird. Ein optischer Resonanzkanal oder Hohlraum ist bei
einem pn-Übergang der Laserdiode ausgebildet. Die Enden des
Kanals sind durch reflektierende Flächen oder Ebenen begrenzt.
Bei bekannten Laserdioden liegt die Ausgangsöffnung an einem
Ende des Kanals.
Das System 10 umfaßt auch einen Sensor 14. Der Sensor 14
könnte z. B. als Photodiode realisiert werden.
Die Elemente 12 und 14 werden voneinander getrennt auf
einer Unterlage 16 getragen. Das System 10 kann in einem
Gehäuse 16a untergebracht sein. Es kann über eine Batterie
oder über eine andere elektrische Quelle 18 versorgt werden
und eine Steuerschaltung 18a enthalten.
Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist der Partikelsensor
14 von einer Ausgangsöffnung 12a des Lasers 12 eine Strecke
entfernt, die der Breite eines Rauchpartikelströmungswegs 20
entspricht, was in den Fig. 1A, 2 und 3 mit weiteren Einzel
heiten gezeigt ist.
Der Strömungsweg 20 hat Abmessungen, die in derselben
Größenordnung liegen, wie die Abmessung des Rauchpartikeltyps,
der gezählt oder erfaßt wird. Der Strömungsweg 20 könnte z. B.
so konfiguriert werden, daß seine Breite und Tiefe in der
Größenordnung von 3 µm×3 µm liegen. Mit solchen Abmessungen
können Rauchpartikel, wie die Partikel P1, P2 und P3, dazu
gebracht werden, einzeln und mit Abstand zueinander durch den
Kanal 20 zu strömen.
Ein repräsentativer Rauchpartikel, z. B. P2, wird, wenn er
vor einem Energiestrahl 12b vorbeigeht, der bei einer Aus
gangsöffnung 12a ausgesendet wird, zumindest teilweise einen
Teil der Strahlungsenergie verdecken, die auf die Photodiode
14 auftrifft. Dieses Verdecken durch einzelne Rauchpartikel,
welche durch den Kanal 20 gehen, führt seinerseits dazu, daß
die Photodiode 14 ein sich veränderndes elektrisches Signal
ausgibt, das eine Angabe über die Abnahme und Zunahme der
Menge der Strahlungsenergie liefert, die auf den Detektor 14
auftrifft, während einzelne Rauchpartikel, wie der Partikel
P2, den Kanal 20 entlang durch den Strahl 12b gehen.
Mit den beispielhaften Abmessungen, die anhand des Kanals
20 gezeigt wurden, kann der Durchtritt einzelner Rauchpartikel
gezählt werden. Zusätzlich können, wie noch erläutert wird,
die Art der Rauchpartikel und Informationen in bezug auf den
Konzentrationsgrad mit Hilfe des Systems 10 abgeleitet werden.
Das Ausgangssignal der Diode 10, das abhängig von der Größe,
Geschwindigkeit und Konzentration der durchgehenden Fest
stoffpartikel variieren wird, kann somit durch eine nachge
schaltete Verarbeitungsschaltung analysiert werden, um
sicherzustellen, ob die erfaßten Feststoffpartikel ein Feuer
profil nachweisen. Reflektiertes oder gestreutes Licht könnte
ebenso erfaßt werden, ohne den Bereich der Erfindung zu ver
lassen.
Man wird verstehen, daß die Feststoffpartikel P1, P2, . . .
Pn dazu neigen, entlang der Mittelachse des Kanals 20 zu
gehen. Solche Feststoffpartikel werden in der Regel nicht von
der Oberfläche des Lasers 12 oder des Sensors 14 angezogen
und/oder haften nicht an diesen, wenn sie zwischen ihnen
strömen.
Während das System 10 so ausgelegt ist, daß der Kanal 20
zwischen der Ausgangsöffnung 12a des Lasers 12 und der davon
entfernten Diode 14 liegt, weichen auch andere Konfigurationen
nicht vom Bereich der Erfindung ab. Fig. 4A zeigt z. B. eine
alternative Konfiguration einer Laserdiode 30. Die Diode 30
ist aus einem Halbleiterkörper 32 mit einem pn-Übergang auf
gebaut, der eine Laserschwingung erzeugen kann.
Eine Photodiode 34 ist mit einem Ende des Körperab
schnitts (Body) 32 bei einer Ausgangsöffnung gekoppelt. Ein
Strömungskanal 36 ist teilweise in dem Körper 32 der Diode 30
ausgebildet. Der Strömungskanal 36 schafft einen Pfad, durch
den in Verbindung mit der Erzeugung der erforderlichen op
tischen Schwingung, die durch einen monochromatischen Aus
gangsstrahl gekennzeichnet ist, stimulierte optische Emission
gehen muß.
Der Kanal 36 verläuft teilweise quer durch den Körper, im
wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stimulier
ten Emission durch den Körper 32. Diese Konfiguration macht es
möglich, daß Rauch-Feststoffpartikel, die durch den Kanal 36
gehen, in den optischen Schwingungsprozeß eingreifen. Dadurch
wird wiederum die Ausgangsstrahlungsenergie verringert. Diese
Verringerung oder Veränderung kann ihrerseits von der Photo
diode 34 erfaßt werden.
Fig. 4B zeigt eine Alternative, bei der eine Laserdiode
30a in einem Halbleiterkörper 32a ausgebildet ist. Bei der
Ausführungsform der Fig. 4B geht ein Kanal 36a durch den Kör
per 32a, der konzentrisch zu einem Kanal ist, durch den die
stimulierte Emission läuft. Das Vorhandensein von Rauch-Fest
stoffpartikeln in dem Kanal interferiert mit dem optischen
Schwingungsprozeß und kann von einem benachbarten Photosensor
34a wie oben erläutert erfaßt werden.
Noch eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt.
In Fig. 5 ist ein System 40 gezeigt, das einen Laserhalbleiter
42 und eine zugehörige Photodiode 44 umfaßt. Die Photodiode 44
liegt bei einem ersten Ende 42a des Laserhalbleiters 42. Eine
Strahlungsenergie-Ausgangsöffnung 42b liegt in der Nähe des
Photosensors 44.
Ein Rauchpartikelkanal 46 ist zwischen einem zweiten Ende
42b des Halbleiters 42 und einem reflektierenden Element 48
ausgebildet. Um eine optische Resonanzbedingung herzustellen,
d. h. um die notwendige stimulierte Emission dazu zu bringen,
einen monochromatischen Ausgangsstrahl an der Ausgangsöffnung
42b zu erzeugen, arbeitet der Halbleiterkörper 42 mit dem
Reflektor 48 zusammen. Wie in Fig. 5 gezeigt, geht Strah
lungsenergie R1, die von der Oberfläche 42b emittiert wird, zu
dem Reflektorelement 48, wird dort reflektiert und tritt
wieder in den Laserkanal 42b des Körpers 42 ein und trägt
dadurch weiter zu der optischen Resonanz bei.
Das Vorhandensein von Rauch-Feststoffpartikeln P1, P2 in
dem Kanal 46 interferiert mit dem optischen Resonanzprozeß.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der Durchgang der Feststoffpar
tikel, wie des Partikels P1, durch den Kanal 46 teilweise die
Ausbreitung der Strahlungsenergie R1 von dem Kanal 42d zu dem
reflektierenden Element 48 verhindern. Wenn sie auf dem Weg zu
dem reflektierenden Element 48 nicht blockiert wird, kann die
Strahlungsenergie R1' von dem Feststoffpartikel P1 auf dem
Rückweg von dem reflektiven Element 48 blockiert werden. In
diesem Fall kann erwartet werden, daß das Ausgangssignal des
Photosensors 44 eine Angabe über die Bewegung des Partikels
durch den Kanal 46 aufgrund der Interferenz mit dem optischen
Prozeß oder Resonanzprozeß liefert. Es kann erwartet werden,
daß die Struktur der Fig. 5 ein verbessertes Signal-Rausch-Ver
hältnis ergibt, weil die Feststoffpartikel in dem Kanal 46
sowohl die ausgehende Strahlung R1 als auch die reflektierte,
zurückkommende Strahlung R1' behindern.
Fig. 6 zeigt noch einen weiteren Aspekt des Systems 10.
Im Hinblick auf die Abmessung des Kanals 20 ist es vorteil
haft, eine Art eines Antriebs für die Feststoffpartikel zu
schaffen, damit diese durch den Kanal 20 gehen. Es könnte z. B.
ein Ventilator verwendet werden, um einen Überdruck zu er
zeugen, damit die Feststoffpartikel durch den Kanal 20 strö
men. Alternativ kann ein Ventilator dazu verwendet werden,
einen Unterdruck zu erzeugen, um die Feststoffpartikel durch
den Kanal 20 zu ziehen.
Festkörpereinrichtungen können für den Zweck eingesetzt
werden, Feststoffpartikel in den Kanal 20 zu ziehen und sel
bige aus diesem auszustoßen. Es kann z. B. eine Festkörperpumpe
60 an einem Ende des Kanals 20 vorgesehen werden, um abhängig
von einem angelegten elektrischen Signal eine reziproke Bewe
gung der Feststoffpartikel in dem Kanal 20 zu erzeugen.
Es ist bekannt, daß piezoelektrische Elemente, die häufig
dazu verwendet werden, einen hörbaren Alarm in einem Rauch
detektor zu erzeugen, dies tun, indem sie physisch hin- und
herschwingen, analog zu der Art, wie sich das Zentrum der
Stirnseite einer Stahltrommel bewegt, wenn es herabgedrückt
wird. Dieser Schwingungsmodus kann dazu verwendet werden,
Feststoffpartikel in den Kanal 20 zu ziehen, wenn er in eine
erste Richtung geht, und wenn die Bewegung danach in die
entgegengesetzte Richtung verläuft, werden die Feststoffpar
tikel aus dem Kanal 20 ausgestoßen. Das Piezoelement sieht
somit eine Art einer ventillosen Festkörperpumpe vor, die
vorhandene Feststoffpartikel zum Zählen und Analysieren
partikelweise in den Kanal zieht und danach die Feststoff
partikel ausstößt.
Alternativ kann Wärme, die durch Absorption der Strah
lungsenergie aus den Laserquellen erzeugt wird, als ein Mittel
zur Erzeugung einer Strömung der Feststoffpartikel durch den
Kanal 20 eingesetzt werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Konfiguration, bei der ein
piezoelektrisches Element dazu verwendet wird, Feststoff
partikel in einen Kanal zu ziehen. Der Partikelzähler 10a der
Fig. 7 umfaßt eine Laserquelle 12-1 und einen Photodetektor
14-1. Der Kanal 20-1 erstreckt sich dazwischen.
Ein piezoelektrisches Beugeelement trägt die Photodiode
14-1. Abhängig von dem Anlegen elektrischer Energie lenkt das
piezoelektrische Element aus und bewegt die Photodiode 14-1
axial relativ zu der Quelle 12-1, wodurch Feststoffpartikel in
den Kanal 20-1 zwischen diesen gezogen werden.
Das System 10a zeigt somit eine andere Form einer ventil
losen Festkörperpumpe, die dazu verwendet werden kann, eine
Partikelströmung zu erzeugen, bei der die Partikel einzeln an
der Kombination aus Quelle und Detektor 12-1/14-1 vorbeigehen.
Dies erzeugt seinerseits ein sich veränderndes elektrisches
Ausgangssignal des Detektors 14-1, das im Hinblick auf die Art
des Rauches und seine Konzentration analysiert werden kann.
Man wird verstehen, daß nach Bedarf ein geeigneter Filter am
Eingang des Kanals 20 angeordnet werden kann, um in der Luft
schwebende Feststoffpartikel, die nicht Rauch sind, wie Haar,
Staub und dergleichen, auszuschließen.
Fig. 8A zeigt eine weitere Form eines Partikelzählsystems
10b. Dieses System umfaßt eine Laserquelle 12-2 und eine
Photodiodenanordnung 14-2, die mit Abstand zur Ausgangsöffnung
der Quelle 12-2 angeordnet ist, wobei sich ein Partikelkanal
20-2 zwischen diesen erstreckt.
Die Anordnung 14-2 kann entweder zweidimensional oder
dreidimensional realisiert sein. Die verschiedenen Elemente
der Anordnung 14-2 reagieren sowohl auf absorbierte als auch
gestreute Strahlungsenergie, während Feststoffpartikel, wie
der Partikel P1, durch den Kanal 20-2 gehen. Die Verwendung
einer Anordnung, wie die Anordnung 14-2, die mit mehreren
Festkörperdetektoren realisiert werden könnte, welche auf
einem einzigen Substrat ausgebildet sind, und somit sehr klein
sein könnte, ermöglicht die Durchführung einer Mehrkanalana
lyse einzelner Rauchpartikel.
Eine andere Form einer Mehrkanalstruktur kann mit einer
Reihe paralleler Quellen 12-3, 12-4, . . ., 12-n realisiert
werden, wie in Fig. 8B gezeigt. Die Laserquellen der Fig. 8B
können so konfiguriert werden, daß sie Lichtstrahlen unter
schiedlicher Frequenzen erzeugen. Die Ausgangssignale der je
weiligen Photosensoren, die abhängig von den einzelnen, durch
sie erfaßten Partikel sind, können auch dazu verwendet werden,
eine Mehrkanalanalyse der Eigenschaften der Rauchpartikel und
ihrer Konzentration auszuführen, um ein Feuerprofil zu be
stimmen.
Man wird verstehen, daß die verschiedenen erfaßten
Partikel von einer zugehörigen Steuerschaltung 18a genutzt
werden, um Verteilungen der Partikelgröße oder Verteilungen
anderer feuerspezifischer Eigenschaften zum Zwecke der Analyse
abzuleiten. Die Verteilungen können ihrerseits dazu verwendet
werden, ein Feuerprofil zu bestimmen. Die Schaltung 18a kann
nach Wunsch für die Quelle 12 dezentral vorgesehen werden.
Alternativ kann sie teilweise dezentral und teilweise in
einer entfernten gemeinsamen Datenübertragungseinheit oder
Konsole liegen.
Mehrkanal-Partikelzähler der in den Fig. 8A und 8B
gezeigten Art machen es ihrerseits möglich, Verteilungen der
erfaßten Partikel oder Eigenschaften der erfaßten Partikel
gestützt auf den Grad des abgeblockten Lichtes zu erzeugen,
welche die Partikelgröße sowie den Abstand zwischen den
Partikeln angeben, wodurch wiederum die Rauchkonzentration
erfaßbar ist. Sie können diese Eingangssignale z. B. für
Analysenzwecke an eine Mustererkennungsschaltung liefern.
Fig. 9 zeigt noch eine andere Form eines Partikelzähl/Analyse
Systems mit mehrfachen Quellen/Detektoren 70. Das System 70
umfaßt mehrere Analyselaser 72a, 72b zusammen mit den
zugehörigen Sensoren 74a und 74b. Ein Kanal 76a erstreckt sich
zwischen diesen.
Feststoffpartikel können in den Kanal 76a mit Hilfe einer
ventillosen Festkörperpumpe 76b injiziert werden. Während sich
die Feststoffpartikel in dem Kanal 76a bewegen, kann ihre
Anwesenheit von den Sensoren 74a und 74b erfaßt werden.
Signale aus diesen Sensoren können wie oben beschrieben
verarbeitet werden.
Zwischen den Quellen 72a und 72b ist eine weitere
Strahlungsenergiequelle 72c angeordnet. Der Zweck der Quelle
72c besteht darin, Strahlungsenergie oder Licht in die
Feststoffpartikel einzuschießen, nachdem sie an der Quelle 72a
und bevor sie an der Quelle 72b vorbeigegangen sind. Dieser
Prozeß bewirkt eine Form einer wenigstens teilweisen
Zerstörung der verschiedenen Rauchpartikel, wobei sich ihre
Eigenschaften abhängig von der injizierten Energie aus der
Quelle 72c möglicherweise ändern.
Die modifizierten Feststoffpartikel oder Eigenschaften
können ihrerseits von dem Photosensor 74b erfaßt werden, um
sie mit Signalen zu vergleichen, die mit dem Sensor 74a
erzeugt wurden, und weiter zu analysieren. Wenn die Pumpe 76b
eine reziproke Bewegung der Feststoffpartikel erzeugt,
erfassen die Sensoren 74a und 74b Feststoffpartikel, die sich
abhängig von der Tätigkeit der Festkörperpumpe 76a zuerst in
eine erste Richtung und dann in eine zur ersten Richtung
entgegengesetzte Richtung bewegen.
Aus der obigen Erörterung wird man verstehen, daß
vorzugsweise eine Laserquelle mit einer Ausgangsöffnung
verwendet wird, die der Fläche des Laserkanals entspricht, die
so klein wie möglich ist, um einen Ausgangsstrahl zu
definieren, der den kleinstmöglichen Querschnitt hat. Es kann
erwartet werden, daß dadurch das größtmögliche Signal-Rausch-Ver
hältnis erzeugt wird. Ähnlich wird man verstehen, daß die
Größe des aktiven Bereichs des Photodetektors so klein wie
möglich sein sollte, um ein verbessertes Signal-Rausch-Ver
hältnis vorzusehen.
Die Ausgangsöffnung der Quelle hat vorzugsweise
Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm×1 µm. Auch der
aktive Bereich der jeweiligen Photodetektoren hat vorzugsweise
Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm×1 µm.
Man wird auch verstehen, daß mehrere Photodetektoren mit
verschieden Abständen zur Ausgangsöffnung der jeweiligen
Laserquelle angeordnet werden können. Die Analyse der Signale
aus den verschiedenen versetzten Photodetektoren kann dazu
verwendet werden, das Vorhandensein eines Feuerprofils zu
ermitteln.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird man erkennen, daß
zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden
können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Eine
Beschränkung auf die speziellen, hier erläuterten
Ausführungsbeispiele ist weder beabsichtigt, noch sollte sie
angenommen werden. Durch die folgenden Ansprüche sollen all
die Modifikationen umfaßt sein, die im Bereich der Ansprüche
liegen.
Claims (15)
1. System zum Erfassen von schwebenden Verbrennungs-Fest
stoffpartikeln, mit:
wenigstens einer Festkörper-Strahlungsenergiequelle (12) mit einer im wesentlichen vorgegebenen Frequenz, wobei bei einer Ausgangsöffnung mit einer ausgewählten Fläche ein Energiestrahl die Quelle (12) verläßt;
einem Strömungsweg (20) für wenigstens einen Teil der Feststoffpartikel, wobei der Weg (20) wenigstens einen Teil der Strahlungsenergie in einem ausgewählten Bereich schneidet, so daß die Feststoffpartikel darin den Strahl beeinflussen, und wobei der Weg (20) so dimensioniert ist, daß er die Strömung von Partikeln einzeln und mit Abstand zueinander fördert; und
einem Festkörpersensor (14) für Strahlungsenergie, der in der Nähe der Ausgangsöffnung liegt, wobei der Sensor (40) ein elektrisches Signal erzeugt, das von den Effekten der Feststoffpartikel abhängig ist.
wenigstens einer Festkörper-Strahlungsenergiequelle (12) mit einer im wesentlichen vorgegebenen Frequenz, wobei bei einer Ausgangsöffnung mit einer ausgewählten Fläche ein Energiestrahl die Quelle (12) verläßt;
einem Strömungsweg (20) für wenigstens einen Teil der Feststoffpartikel, wobei der Weg (20) wenigstens einen Teil der Strahlungsenergie in einem ausgewählten Bereich schneidet, so daß die Feststoffpartikel darin den Strahl beeinflussen, und wobei der Weg (20) so dimensioniert ist, daß er die Strömung von Partikeln einzeln und mit Abstand zueinander fördert; und
einem Festkörpersensor (14) für Strahlungsenergie, der in der Nähe der Ausgangsöffnung liegt, wobei der Sensor (40) ein elektrisches Signal erzeugt, das von den Effekten der Feststoffpartikel abhängig ist.
2. System nach Anspruch 1, bei dem die Quelle (12) innerhalb
eines Abstands von 5 µm zum Sensor (14) angeordnet ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Weg (20)
teilweise in der Quelle ausgebildet ist, wobei die
Feststoffpartikel die Bildung des Strahls beeinflussen.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
Feststoffpartikel (P1) in dem Kanal wenigstens teilweise
verhindern, daß der Strahl auf den Sensor (14) auftrifft.
5. System nach Anspruch 3, bei dem die Quelle (12) einen
Laser aufweist und Feststoffpartikel in dem Weg (20) die
Lasertätigkeit der Quelle beeinflussen.
6. System nach Anspruch 5, bei dem der Weg (20) eine Abmes
sung hat, die teilweise in der Quelle (12) ausgebildet
ist und weniger als 5 µm lang ist.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
die Quelle (12) eine Laserdiode umfaßt, wobei der Weg
(20) einen Bereich mit einer Länge von weniger als 5 µm
aufweist und sich zwischen der Ausgangsöffnung und dem
Sensor (14) erstreckt, wobei der Sensor abhängig von dem
Durchgang einzelner Verbrennungspartikel durch den
Bereich ein variierendes Ausgangssignal erzeugt.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer
Saugeinrichtung (76), die eine Strömung der Feststoff
partikel (P1) entlang des Weges (20) in wenigstens einer
Richtung bewirkt.
9. System nach Anspruch 8, bei der die Saugeinrichtung (76)
elektrisch mit Energie versorgbar ist und ein Fest
körperstellglied aufweist.
10. System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Saugeinrich
tung (76) ventillos ist.
11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem der Weg
(20) teilweise zu einem Nachbarbereich offen ist und die
Saugeinrichtung (76) bewirkt, daß sich die Feststoffpar
tikel zwischen der Quelle (12) und dem Sensor (14) hin- und
herbewegen, wenn sie mit Energie versorgt wird.
12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer
Steuerschaltung, die wenigstens mit dem Sensor (14)
gekoppelt ist, um auf Signale des Sensors zu reagieren.
13. Verfahren zum Analysieren schwebender Feststoffpartikel,
insbesondere in einem System nach einem der vorangehenden
Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
Etablieren einer Strömung aus einzelnen, beabstandeten schwebenden Partikeln;
Bestrahlen der Partikel einzeln mit einem im wesentlichen monochromatischen Energie-Erfassungsstrahl;
Erfassen einer modifizierten Strahleigenschaft, die abhängig von einem bestrahlten Partikel entsteht; und
Verarbeiten mehrerer erfaßter modifizierter Eigen schaften.
Etablieren einer Strömung aus einzelnen, beabstandeten schwebenden Partikeln;
Bestrahlen der Partikel einzeln mit einem im wesentlichen monochromatischen Energie-Erfassungsstrahl;
Erfassen einer modifizierten Strahleigenschaft, die abhängig von einem bestrahlten Partikel entsteht; und
Verarbeiten mehrerer erfaßter modifizierter Eigen schaften.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem nach dem Erfassen
einzelne Partikel mit einem modifizierten Energiestrahl
bestrahlt werden, wodurch Parameter wenigstens einiger
der Partikel modifiziert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Partikel mit den
modifizierten Parametern mit einem Erfassungsstrahl be
strahlt und die modifizierten Partikel abgefühlt werden.
Applications Claiming Priority (1)
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US4702398A | 1998-03-24 | 1998-03-24 |
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ID=21946659
Family Applications (1)
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DE19913142A Withdrawn DE19913142A1 (de) | 1998-03-24 | 1999-03-23 | Rauchdetektor mit Partikelsensor |
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GB (1) | GB2335737A (de) |
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---|---|---|---|---|
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DE102020127714A1 (de) | 2020-10-21 | 2022-04-21 | Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg | Warnmelder zur Warnung vor einer zu hohen Luftbelastung der Luft mit Partikeln und insbesondere Viren einer bestimmten Größe |
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WO2008042199A2 (en) * | 2006-09-29 | 2008-04-10 | Cyberoptics Semiconductor, Inc. | Particles sensor integrated with substrate |
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1999
- 1999-03-18 JP JP11073762A patent/JPH11328554A/ja active Pending
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- 1999-03-23 DE DE19913142A patent/DE19913142A1/de not_active Withdrawn
- 1999-03-24 CN CN99103172A patent/CN1236097A/zh active Pending
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CN1236097A (zh) | 1999-11-24 |
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GB9906426D0 (en) | 1999-05-12 |
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