DE2823410A1

DE2823410A1 - Flammenmelder

Info

Publication number: DE2823410A1
Application number: DE19782823410
Authority: DE
Inventors: Juerg Dipl Phys Muggli
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1978-04-25
Filing date: 1978-05-29
Publication date: 1979-11-08
Also published as: US4249168A; JPS54146597A; US4280058A; FR2425870A1; AU4648379A; GB2020011A

Description

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mOllerstrasse 31 Flammenmelder

Die Erfindung betrifft einen Flammenmelder mit einem ersten Stromkreis, der durch fotoelektrische Mittel und ein Bandpassfilter die Emission einer Flamme mindestens im Wellenlängenbereich des Kohlendioxids und das Flackern der Flamme empfängt und Haupt-Signale für ein Alarmmittel erzeugt.

Es ist allgemein bekannt, dass die meisten brennbaren Stoffe, wie Holz, Benzin, OeI und Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenhydrate, kurzum die organischen Stoffe, bei der Verbrennung in den Wellenlängenbereichen bei ca. X= 2,7 Aim und insbesondere bei ca. λ = 4,4 ,um stark emittieren. Die Emission der Strahlung erfolgt in Linienspektren und Bandenspektren, wobei der Wellenlängenbereich von 2,7 _//um für Wasser und Kohlendioxid jener von 4,3 μπι für Kohlendioxid charakteristisch ist. In der Zeitschrift "Report of Fire Research Institute of Japan", Serial No. 30, December 1969, wird im Aufsatz "Feuerdetektion unter Benutzung von Infrarot-Resonanz Strahlung", Seiten 55-60, in der Fig. 6 die Schaltung eines auf Flammenstrahlung und auf die Temperatur empfindlichen Melders gezeigt. Dieser Melder ist für den Infrarotbereich konstruiert. Er ist jedoch nicht sicher gegen Fehlalarm: bei Vorhandensein von Störstrahlungen im Infrarotbereich, wie z.B. Heizkörper oder Ofen, deren Wärmestrahlungen durch einen Ventilator oder dergleichen in einem gewissen Rhythmus unterbrochen wird, kann der Melder in unerwünschter Weise Alarm erzeugen, obwohl keine Flamme vorhanden ist.

In der französischen Patentschrift 2 151 14 8 werden zwei Wellenlängenbereiche bzw. -bänder für die Alarmgabe bei Feuer ausgewertet. Die Selektivität ergibt sich durch die Anordnung von zwei schmalbandigen optischen Filtern, welche nur für die beiden Wellenlängenbereiche Λ. = 2,7 und λ= 4,3

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durchlässig sind. Die fotoelektrischen Spannungen, die von diesen beiden Wellenlängenbereichen erzeugt werden, werden für die Feueralarmgabe ausgewertet. Der Melder neigt - wie Versuche gezeigt haben - bei Störstrahlungsquellen geeigneter Farbtemperatur zu Fehlalarmen, so dass die Fehlalarmrate mit diesem Melder nicht wirksam gesenkt werden konnte.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Fehlalarmrate drastisch zu senken und einen Flammenmelder zu konzipieren, der trotz Auftreten von Störquellen jede Flamme eindeutig als solche erkennt und den Feueralarm erzeugt.

Die Erfindung bezweckt ferner die Auswertung von Emissionen im Wellenlängenbereich von ca. X- 4,4/um für die Alarmgabe. Das normale Fensterglas bzw. Lampenglas lassen die Emission in diesem Wellenbereich nicht durch. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Sonneneinstrahlung sowie das normale elektrische Licht in den Räumen, in welchen der Melder untergebracht ist, keinen Einfluss auf die Alarmerzeugung des Melders hat. Der erfindungsgemässe Flammenmelder kann auch im Freien, d.h. ausserhalb der Räume untergebracht sein, da bekanntlich in dem Emissionsspektrum des Sonnenlichtes eine sogenannte Energielücke bei A = 4,3 ^m vorhanden ist. Auch hier wird die Sonne als Störquelle ausgeschaltet.

Der Melder der Erfindung erzeugt nur dann Alarm, wenn eine Flamme vorhanden ist, die im Wellenlängenbereich von X= 4,4 ^m und gleichzeitig im kurzen Wellenlängenbereich von A= 0,2 bis 3 ^m emittiert. Es erfolgt keine Alarmgabe, wenn eine Störstrahlung nur in einem der beiden Bereiche emittiert.

Die Erfindung, welche diese Aufgaben zu lösen hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Unterscheiden einer Flamme von einer Störquelle ein zweiter Stromkreis und ein Verknüpfungsglied mit folgenden Bauteilen vorgesehen ist:

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- ein fotoelektrisches Mittel, das mindestens in einem Teilgebiet eines Wellenlängenbereichs vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot die Emission der Flamme empfängt,

- ein Bandpassfilter mit dem gleichen Flackerfrequenzbcreich der Flamme wie im ersten Stromkreis,

- das Verknüpfungsmittel verknüpft den ersten und den zweiten Stromkreis und ist so konstruiert, dass bei gleichzeitigem und gleichsinnigem Vorhandensein der Signale im ersten und zweiten Stromkreis ein Ausgangssignal für das Alarmmittel erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der gesamten elektrischen Schaltung in teilweiser digitaler Ausführung für den Flammenmelder;

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der in teilweiser digitaler Ausführung konzipierten Schaltung des Flammenmelders;

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der in teil-weiser analoger Weise ausgeführten Schaltung für den Flammenmelder;

Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Schaltung des Flammenmelders, die teilweise digitalisiert ist;

Figur 5 ein konstruktives Ausführungsbeispiel für einen Teil der vier Schaltungsbeispiele;

Figuren 6a und 6b Impuls-und Wellenzüge zur Erklärung des Ausführungsbeispiels der Fig. 5;

Figur 7 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltungsteils, welches wahlweise in die Schaltungen der Figuren If 2 und 4 eingesetzt werden kann;

Figuren 8a und 8b Impulszüge und Wellenzüge zur Erklärung der Wirkungsweise des Schaltungsteils der Fig. 7;

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Figur 9 Filter und fotoelektrisches Mittel für die Ausführungsbeispiele der Figuren 1, 2, 3 und 4;

Figur 10a in grafischer Darstellung die Intensitätsverteilung über den Wellenlängenbereich einer Flamme;

Figur 10b in grafischer Darstellung die Durchlassbereiche eines Flammenmelders mit mehreren Stromkreisen.

Die Fig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel, welches aus zwei Stromkreisen besteht. Der erste Stromkreis ist mit einem Filter 1 und einem fotoelektrischen Mittel 2 ausgerüstet, wobei der Wellenlängenbereich λ = 4,1 bis 4,8 um durchgelassen wird. Dieser Wellenlängenbereich ist so gelegt, dass die Emissionsstrahlung einer Flamme durch Filter 1 auf das fotoelektrische Mittel, welches in der Fig. 9 als sensitives Element 74 ausgebildet ist, gelangt und dort entsprechende elektrische Hauptsignale auslöst. Diese Hauptsignale werden im nachfolgenden Verstärker 3 verstärkt. Das nachgeordnete Bandpassfilter 4 hat einen Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der Flamme, die zwischen 4 und 15 Hz liegt. Dies ist in der Fig. 1 oben als Wellenzug 19 dargestellt. Im anschliessenden Komparator 5 wird der Wellenzug 19 in der Weise verarbeitet, dass Impulse 20 erzeugt werden, deren Breite abhängig ist von der Periode der Schwingungen 19. Zur Unterdrückung eines Rauschens ist in diesem ersten Stromkreis ein Schwellenwert 6 vorgesehen. Die Breite der Impulse 2 0 hängt ab von den Durchgängen der Schwingungen 19 durch den Schwellenwert £. . Im nachfolgenden Gleichrichter werden die Impulse 20 in die Impulse 21 gleichgerichtet. Am Punkt A des ersten Stromkreises stehen die Impulse 21, deren Breite abhängig ist von den Perioden der Schwingungen 19 der Flackerfrequenz der Flamme. Im zweiten Stromkreis ist das Filter für den kurzwel-

fder Flamme,
ligen WellenlängenbereichT"wie z.B. A= 1,5 - 3 yum vorgesehen.

Das fotoelektrische Mittel 8 empfängt die Flammenemission in diesem Bereich. In dem nachfolgenden Verstärker 9 werden die

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Schwingungen verstärkt und gelangen auf das Bandpassfilter 10, welches die Schwingungen nur innerhalb des Flackerfrequenzbereichs der Flamme von 4 - 15 Hz durchlässt. Die Schwingungen 19 verlassen das Bandpassfilter und gelangen auf den Komparator 11, wo sie in gleicher Weise behandelt werden wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Stromkreis bzw. Hauptstromkreis erwähnt wurde. Im zweiten Stromkreis bzw. Bestätigungsstromkreis folgt der Gleichrichter 12, der die Impulse 20 in die Impulse 21 gleichrichtet. Beim Empfang von Flammenstrahlung liegen am Punkt B des Bestätigungsstromkreises die Impulse 21 synchron und gleichsinnig mit denjenigen des Punktes A. Das Verknüpfungsmittel 13, welches in diesem Ausführungsbeispiel als UND-Tor ausgebildet ist, erzeugt in diesem Fall ein Ausgangssignal am Punkt C. Dieser Impuls gelangt auf den nachgeordneten Integrator 15, welcher mittels des Zeitglieds 16 nach einer bestimmten Zeit von z.B. 5-15 Sek. rückgestellt wird. Bei der digitalen Ausführungsform des UND-Tors 13 enthält der Integrator 15 einen Zähler, der die Ausgangsimpulse zählt. Erst wenn eine Reihe von Ausgangsimpulse in den Zähler gelangen und ein bestimmter Schwellenwert, der vorher am Zähler eingestellt wird, überschritten ist, gibt der Integrator 15 eiren Alarmimpuls auf die nachfolgenden Schaltungsteile. Der Alarmimpuls kann nur dann im Integrator erzeugt werden, wenn der Schwellenwert des Zählers vor der Rückstellung durch den Zeitschalter 16 überschritten ist. Damit nicht allzuschnell ein Alarm ausgelöst wird, z.B. innerhalb von 2 Sekunden, ist noch ein Verzögerungsglied 17 vorgesehen, welches die Weitergabe des Alarmsignals um einige Sekunden verzögert und erst dann die Alarmzentrale 18 ansteuert, wenn innerhalb dieser Zeit das Alarmsignal aus dem Integrator 15 noch weiter anhält. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist zwischen dem UND-Tor 13 und dem Integrator 15 eine gestrichelte Linie DF eingetragen. Dies bedeutet, dass auf besonderen Wunsch der Impulslängen-Diskriminator der Fig. 7 eingesetzt werden kann. Dies wird anhand der Fig. 7 näher besprochen. Das Schaltungsbeispiel der Fig. 1 erzeugt am

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Ausgang des UND-Tors 13 dann ein Signal, wenn sowohl im Hauptstromkreis als auch im Bestätigungsstromkreis ein mit der Flackerfrequenz moduliertes Signal vorliegt.

Die einzelnen elektronischen Schaltungsteile der beiden Stromkreise der Fig. 1 sind nicht im einzelnen beschrieben worden, da sie als solche in der elektrischen Literatur bekannt sind. Es wird auf folgende Literatur hingewiesen:

"Linear Applications Handbook" Volumes 1 und 2, 1977, der Firma National Semiconductor.

"Applications of Operational Amplifiers", McGraw-Hill Verlag, New York, 1976.

"Sourcebook of Electronic Circuits", McGraw-Hill Verlag, New York, 1968.

CH-PS 519 716.
CH-PS 558 577.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ähnlich aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Allerdings sind nach den Bandpassfiltern 4, 10, Demodulatoren 22 und 23 angeordnet. Jeder dieser Demodulatoren besteht aus einem Gleichrichter 24 bzw. 26 und aus einem Tiefpass 25, 27. Diesen Demodulatoren 22, 23 sind Amplitudenkomparatoren 5, 11 und Gleichrichter 6, 12 nachgeordnet. Durch die Anordnung der Demodulatoren 22, 23 kann die Modulation-Hüllkurve 30 der gleichgerichteten Signal-Halbwellen 29 aus der Flackerfrequenz 28 der Flamme gebildet werden. Die Amplitudenkomparatoren 5, 11 berücksichtigen den vorgegebenen Schwellenwert £ in gleicher Weise wie bereits bei der vorherigen Figur erklärt wurde. Es sei noch darauf hingewiesen, dass an den Punkten A und B des Hauptstromkreises und des Bestätigungsstromkreises Impulse 31 vorhanden sind, deren Breite vom Durchgang der Hüllkurve 30 durch den Schwellenwert £ abhängig ist. Die Amplitude dieser Impulse

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31 ist konstant. Das UND-Tor 13 gibt bei gleichzeitigem Vorhandensein der Impulse 31 an den Punkten A, B ein Ausgangssignal auf den Integrator 15. Der Integrator 15 und Zeitschalter 16 arbeiten in gleicher Weise wie bereits beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben wurde. Auf Wunsch kann zwischen dem UND-Tor 13 und dem Integrator 15 der Impulslängen-Diskriminator der Fig. 7 dort in den Verbindungszug eingefügt werden, der mit einer gestrichelten Linie DF bezeichnet wird. Das Verzögerungsglied 17 sowie das Alarmmittel 18 arbeiten in gleicher Weise wie bereits beschrieben. Die einzelnen Schaltungskomponenten des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 gehen aus der bereits genannten Literatur hervor.

Das dritte Ausführungsbeispiel der Fig. 3 besteht wieder aus den beiden Stromkreisen (Hauptstromkreis und Bestätigungsstromkreis) und einem Verknüpfungsmittel 34, welches in diesem Fall als Phasenkomparator ausgebildet ist. Die Filter 1, 7 haben den gleichen Durchlassbereich wie in den früheren Ausführungsbeispielen. Ebenso sind die fotoelektrischen Mittel 2, 8 gleichwertig ausgebildet. Die Verstärker 3, 9 verstärken die Signale. Die Durchlassfilter 4 und 10 lassen nur die Flackerfrequenz der Flamme im Bereich von 4 - 15 Hz durch. Diesen Bandpassfiltern sind Schwellenwertdetektoren 32, 33 nachgeordnet. Der Schwellenwertdetektor 32 empfängt die Schwingungen 36 aus dem Bandpassfilter 4 und erzeugt bei Ueberschreiten eines bestimmten Schwellenwertes ein Hauptausgangssignal. Der Schwellenwertdetektor 33 empfängt die Schwingungen aus dem Bandpassfilter, welche der Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung entsprechen und erzeugt bei Ueberschreiten eines bestimmten Schwellenwertes ein Bestätigungsausgangssignal. An den Punkten A und B der beiden Stromkreise liegen die Ausgangssignale der beiden Schwellenwertdetektoren. Wenn diese Ausgangssignale gleichsinnig sind, so erzeugt das Verknüpfungsmittel, welches als Phasenkomparator 34 ausgebildet ist, ein Ausgangssignal C. Die Signale an

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den Punkten A und B müssen die Bedingung der Gleichsinnigkeit haben. Die Ausdrucksweise "gleichsinnig" bedeutet hierbei, dass gleiche Vorzeichen der Signale an den beiden Eingängen des Phasendiskriminators 34 vorhanden sein müssen. Das Ausgangssignals am Punkt C des Phasendiskriminators 34 wird im Gleichrichter 35 gleichgerichtet. Die Wirkungsweise des Integrators 15, des Zeitschalters 16, des Verzögerungsgliedes und des Alarmmittels 18 ist die gleiche wie in den beiden vorher diskutierten Ausführungsbeispielen.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 hat im wesentlichen ähnliche Bauelemente wie die anderen Ausführungsbeispiele. Die unterschiedlichen Bauelemente werden ausführlich behandelt. Aufgrund der Flammenemission mit einer gewissen Flackerfrequenz von 4 - 15 Hz werden an den Ausgängen der Bandpassfilter 4, 10 die Signale 45 erzeugt. In den Amplitudenbegrenzern 37, 41 werden diese Signale begrenzt. Die hierdurch erzeugten trapezförmigen Signale 46 gelangen auf das Differenzierglied 38 bzw. 42, welches bei jeder Anstiegsflanke der Signale 46 einen Spannungsimpuls 47 erzeugt. Diese werden im nachfolgenden Gleichrichter 39 bzw. 43 in der Weise gleichgerichtet, dass nur noch dia Spannungsimpulse 4 8 der

einen Polarität zum nachfolgenden monostabilen Multivibrator 40 bzw. 44 gelangen. Diese beiden monostabilen Multivibratoren erzeugen Impulse 4 9 von gleichbleibender Amplitude und gleichbleibender Breite. Amplitude und Breite sind in diesem Fall nicht abhängig von der Intensität der Flamme. Das Verknüpfungsmittel ist in diesem Ausführungsbeispiel als UND-Tor 13 ausgebildet. Wenn gleichzeitig die Impulse an den Punkten A und B vorhanden sind, erzeugt das UND-Tor 13 an seinem Ausgang C ein Signal, welches auf den nachgeordneten Integrator 15 mit Zeitschalter 16 gelangt. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie bereits beschrieben. Das Gleiche gilt auch für das Verzögerungsglied 17 und das Alarmmittel 18. Zwischen dem UND-Tor und dem Integrator 15 kann wahlweise ein Impulslängendiskri-

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- id -

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minator der Fig. 5 eingefügt werden. Dies ist durch die gestrichelte Linie DF im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 gezeichnet.

Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele der Figuren 1, 2, 3, 4 ein Hauptstromkreis für die Hauptsignale der Flammenemission und mehrere Bestätigungsstromkreise der kurzwelligen Flammenemission aufweisen können. Dies ist so zu verstehen, dass jeder der Bestätigungssignal-Stromkreise in einem anderen Wellenlängenbereich arbeitet, während der Hauptsignal-Stromkreis im Wellenlängenbereich von ca. 4,4 jam arbeitet.

Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Integrators 15 der Ausführungsbeispiele der Figuren 1, 2, 3, 4. Der in der Fig. 5 dargestellte Integrator hat einen anderen Zeitschalter 50, der den Integratorinhalt rückstellt, wenn eine bestimmte Zeit kein Impuls vom Verknüpfungsmittel 13 und 34 erzeugt worden ist. Die Funktionsweise ist in den Figuren 6a und 6b erklärt. Wenn ein Impuls vom Verknüpfungsmittel am Punkt G vorhanden ist und auf den Eingang des Integrators 15 gelangt, wird über Diode 51 der Kondensator 52 positiv ent-

LöLex steilen_Flanke-laden. Dies ist in Fig. 6a mitvses WeTlemzuges H dargestellt.

Durch die RC-Konstante von Kondensator 52 und Widerstand 53 lädt sich der Kondensator nach einer bestimmten Zeit auf. Sofern ein Impuls innerhalb einer gewissen Zeit vom Verknüpfungsmittel auf den Eingang des Integrators 15 gegeben wird, wird der Kondensator 52 wieder entladen. Dies spielt sich gemäss Fig.6a oberhalb des Schwellenwertes 60 ab, was durch

(.invertier ende., den Wellenzug H dargestellt wurde. Der anschliessendeySchmitttrigger 54 erzeugt in diesem Fall an seinem Ausgang kein Signal I auf den Rückstelleingang des Integrators 15, so dass der Inhalt des Integrators 15 nicht rückgestellt wird. Wenn nun ein Impuls aus dem Verknüpfungsmittel längere Zeit ausbleibt, wie es z.B. in der Figur 6b dargestellt ist, so ändert sich

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auch der zeitliche Laderhythmus des Kondensators 52 gemäss Wellenzug H der Fig. 6b, der nun nicht mehr oberhalb des Schwellenwertes 60 sich bewegt. In diesem Fall wird am Ausgang des Schmitttriggers 54 ein Signal I erzeugt, welches den Inhalt des Integrators 15 rückstellt. Die Zeitkonstante des RC-Glieds 52, 53 bewegt sich im Bereich zwischen 0,1 bis 1 Sek.

Der Impulslängen-Diskriminator der Fig. 7 wird dann zwischen dem Verknüpfungsmittel 13 und dem Integrator 15 eingeordnet, wenn verhindert werden soll, dass winzige Impulse aus dem Verknüpfungsmittel den Inhalt des. Integrators 15 aufsummieren sollen. Hierdurch wird der Störabstand zur Nutzinformation vergrössert. Nur die Impulse, welche langer sind als eine minimale Zeit, z.B. eine Millisekunde, erzeugen am Ausgang F einen Impuls. Dies wird anhand der Figuren 8a und 8b gezeigt. Die Fig. 8a zeigt Eingangsimpulse D, welche unterhalb der minimalen Zeit liegen. Am Punkt E (Verbindung von Widerstand 55, Kondensator 57, Diode 56 und Schmitttrigger 58) erhöht sich die Spannung nur sehr gering, so dass sie unterhalb des Schwellenwertes 59 liegt. Daher erzeugt der Schmitttrigger an einem Ausgang F keinen Impuls. Wenn die Eingangsimpulse über der minimalen Zeit liegen, wie dies in Fig. 8b dargestellt ist, dann wird am Punkt E des Impulslängen-Diskriminators der Fig. 7 der Schwellenwert 59 überschritten. Der Schmitttrigger 58 erzeugt an seinem Ausgang das Signal F, welches auf den Eingang des Integrators 15 gelangt.

In der Fig. 9 ist die konstruktive Ausfuhrungsform der Filter einschliesslich fotoelektrischen Mitteln dargestellt, wie sie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 2, 3, 4 verwendet werden können. Gemäss dieser Fig. 9 besteht das Filter 1 des Hauptstromkreises aus einer Germanium- oder Siliziumschicht 70, einem Interferenzfilter 71 und aus einer Quarzschicht 72. Diese verschiedenen Schichten liegen planparallel, wobei die

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Dicke der Germaniumschicht 70 ca. 1 mm und des Interferenzfilters 71 ca. 1 - 50 Aim und die Dicke der Quarzschicht 72 ca. 0,5 mm betragen. Der Durchmesser dieser Schichten bzw. des Filters 1 beträgt ca. 8-12 mm. Das Interferenzfilter 71 kann aus mehreren Schichten bestehen. Das Material dieser Schichten kann metallisch, dielektrisch oder ein Halbleiter sein. Das aus den Schichten 70, 71 und 72 bestehende Filter wird in ein sogenanntes "TO-5-Gehäuse" untergebracht. Ein solches Gehäuse ist unter diesem Markennamen auf dem Markt erhältlich. Das Gehäuse wird mit dem Filter über eine Klebverbindung 73 verbunden. Im Gehäuse ist das sensitive Element 74 mit einem eventuellen Feldeffekttransistor vorgesehen. Dies Element wandelt die optischen Strahlen in elektrische Signale um. Die Signale gelangen über die Leitungen 75 auf die Stromkreise der Figuren 1, 2, 3, 4. Das sensitive Element 74 kann ein pyroelektrischer Detektor, wie z.B. Lithium-Tantalat oder Blei-Zirkanat-Titanat, oder ein NTC-Thermistor oder ein Fotoleiter oder eine Thermosäule sein. Das Filter und/oder das fotoelektrische Mittel 1, 2 ist für den Hauptstromkreis in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 2, 3, 4 vorgesehen. Das Filter 7 und/oder fotoelektrische Mittel 8 für -die Bestätigungsstromkreise der gleichen Ausführungsbeispiele kann gleich aufgebaut sein, wobei noch folgende Elemente vorteilhafte Verwendung finden können: fotovoltaische Zelle oder eine UV-empfindliche gasgefüllte Röhre.

Die Fig. 10a zeigt die Verteilung der Intensität eines typischen Flammenspektrums. Der Wellenlängenbereich λ ist auf der Abszisse in der Einheit um gezeigt. Die Ordinate enthält die Intensität im jeweiligen Wellenlängenbereich. Man erkennt an der Fig. 10a deutlich eine starke Intensität im Wellenlängenbereich λ= 4,4 um. Die ist der Wellenlängenbereich des Kohlendioxids. Die Intensitätsverteilung hat zwei deutlich ausgeprägte Maxima bei 2,8 und 4,4 um.

Die Fig. 10b zeigt verschiedene möglich Durchlassbereiche der Filter für die Bestätigungsstromkreise und für den Hauptstromkreis, um das in Fig. 10a dargestellte Flammenspektrum in optimaler Weise zu erfassen. Jeder der Stromkreise der Figuren 1, 2, 3, 4 ist auf einen der in der Fig. 10b dargestellten Durchlassbereiche sensitiv. Die Verstärker 3, 9 der Stromkreise haben einen Verstärkungsfaktor, der einstellbar ist. Die Verstärkungsfaktoren der einzelnen Verstärker werden umgekehrt proportional zu der Intensitätsverteilung der Fig. 10a eingestellt. Dies bedeutet, dass der aus den verschiedenen Stromkreisen bestehende Flammenmelder eine gleichmässige Empfindlichkeit über den gesamten Wellenlängenbereich der Fig. 10a aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass Störquellen, welche mit einem anderen Spektrum emittieren, als die Flamme der Fig. 10a, keinen Alarm auslösen können.

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Claims

DR. - inc. υ. .-INCKE. ο« MA11S78

D I P L. - I N G. H. 3 0 H R
DiPL-IMG. S. STAEGuR

MÜNCHEN 5 2^234 TG

MÜLLERSTRASSE 31

PATENTANSPRUEC II E

( 1.JFlammenmelder mit einem ersten Stromkreis, der durch fotoelektrische Mittel und ein Bandpassfilter die Emission einer Flamme im Wellenlängenbereich des Kohlendioxids und das Flackern der Flamme empfängt und Haupt-Signale für ein Alarmmittel erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Unterscheiden einer Flamme von einer Störquelle ein zweiter Stromkreis und ein Verknüpfungsglied mit folgenden Bauteilen vorgesehen ist:

- ein fotoelektrisches Mittel (7, 8), das mindestens in einem Teilgebiet eines Wellenlängenbereichs vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot die Emission der Flamme empfängt,

- ein Bandpassfilter (10) mit dem gleichen Flackerfrequenzbereich der Flamme wie im ersten Stromkreis,

- das Verknüpfungsmittel (13, 34) verknüpft den ersten und den zweiten Stromkreis und ist so konstruiert, dass bei gleichzeitigem und gleichsinnigem Vorhandensein der Signale im ersten und zweiten Stromkreis ein Ausgangssignal für das Alarmmittel 18 erzeugt wird.

2. Flammenmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis enthält:

- ein Filter (1) mit einem Durchlassbereich für die Infrarot-Strahlung der Flamme,

- ein fotoelektrisches Mittel (2) zum Empfang der Infrarot-Strahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Hauptsignale,

- einen Verstärker (3) zum Verstärken der elektrischen Hauptsignale des fotoelektrischen Mittels,

- ein Bandpassfilter (4) mit einem Durchlassbereich für

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die Flackerfrequenz der Flamme,

- einen Signalwandler (5, 6) , der Haupt-Rechteckimpulse

(21) erzeugt, deren Breite von der Periode jeder einzelnen Schwingung (19) der die Flackerfrequenz der Flamme darstellenden Hauptsignale abhängt und deren Amplitude konstant ist,

- das als UND-Tor gebildete Verknüpfungsmittel (13) empfängt auf seinem ersten Eingang die Haupt-Rechteckimpulse (21) von unterschiedlicher Breite und konstanter Amplitude,

und dass der zweite Stromkreis enthält:

- ein Filter (7) mit einem Wellenlängen-Durchlassbereich von λ< 3 um der kurzwelligen Flammenstrahlung,

- ein fotoelektrisches Mittel (8) zum Empfang der kurzwelligen Flammenstrahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Bestatigungssignale,

- einen Verstärker (9) zum Verstärken der elektrischen Bestätigungssignale des fotoelektrischen Mittels (8),

- einen Bandpassfilter (10) mit dem gleichen Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung wie im ersten Stromkreis für die Flackerfrequenz der langwelligen Flammenstrahlung,

- einen Signalwandler (11, 12), der Bestätigungs-Rechteckimpulse erzeugt, deren Breite von der Periode jeder einzelnen Schwingung (19) der die Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung darstellenden Bestätigungssignale abhängt und deren Amplitude konstant ist,

- das als UND-Tor gebildete Verknüpfungsmittel (13) empfängt auf seinem zweiten Eingang die Bestätigungs-Rechteckimpulse unterschiedlicher Breite und konstanter Amplitude. (Fig. 1)

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Flanunenmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis enthält:

- ein Filter (1) mit einem Wellenlängen-Durchlassbereich für die Infrarot-Strahlung der Flamme,

- ein fotoelektrisches Mittel (2) zum Empfang der Infrarot-Strahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Hauptsignale,

- einen Verstärker (3) zum Verstärken der elektrischen Hauptsignale des fotoelektrischen Mittels (2),

- ein Bandpassfilter (4) mit einem Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der Flamme,

- einen Signalwandler (22), der Haupt-Rechteckimpulse (31) erzeugt, deren Breite von einer die Schwingungen (28) der Flackerfrequenz der Flamme umhüllenden Hüllkurve (30) abhängt und deren Amplitude konstant ist,

- das als UND-Tor gebildete Verknüpfungsmittel (13) empfängt auf seinem ersten Eingang die Haupt-Rechteckimpulse (31) unterschiedlicher Breite und konstanter Amplitude ,

und dass der zweite Stromkreis enthält:

- ein Filter (7) mit einem Wellenlängen-Durchlassbereich von A<3 jum der kurzwelligen Flammenstrahlung,"

- ein fotoelektrisches Mittel (8) zum Empfang der kurzwelligen Flammenstrahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Bestätigungssignale,

- einen Verstärker (9) zum Verstärken der elektrischen Beetätigungssignale des fotoelektrischen Mittels (8),

- ein Bandpassfilter (10) mit dem gleichen Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung wie im ersten Stromkreis für die Flackerfrequenz der langwelligen Flammenstrahlung,

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- einen Signalwandler (23), der Bestätigungs-Rechteckimpulse erzeugt, deren Breite von einer die Schwingungen

(28) der Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung umhüllenden Hüllkurve (30) abhängt und deren Amplitude konstant ist,

- das als UND-Tor gebildete Verknüpfungsmittel (13) emfängt auf seinem zweiten Eingang die Bestätigungs-Rechteckimpulse unterschiedlicher Breite und konstanter
Amplitude. (Fig. 2)

4. Flammenmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Stromkreis enthält:

- ein Filter (1) mit einem Wellenlängen-Durchlassbereich für die Infrarot-Strahlung der Flamme,

- ein fotoelektrisches Mittel (2) zum Empfang der Infrarot-Strahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Hauptsignale,

- einen Verstärker (3) zum Verstärken der elektrischen
Hauptsignale des fotoelektrischen Mittels (2),-

- ein Bandpassfilter (4) mit einem Durchlassbereich für
die Flackerfrequenz der Flamme,

- einen Schwellenwertdetektor (32), der die die Flackerfrequenz der Flamme repräsentierenden elektrischen
Schwingungen (36) aus dem Bandpassfilter (4) empfängt
und bei Ueberschreiten eines bestimmten Schwellenwertes ein Haupt-Ausgangssignal erzeugt,

- das als Phasenkomparator gebildete Verknüpfungsmittel

(34) empfängt auf seinem ersten Eingang das Haupt-Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors (32),

und dass der zweite Stromkreis enthält:

- ein Filter (7) mit einem Wellenlängen-Durchlassbereich von A<3 um der kurzwelligen Flammenstrahlung,

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- ein fotoelektrisches Mittel (8) zum Empfang der kurzwelligen Flammenstrahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Bestätigungssignale,

- einen Verstärker (9) zum Verstärken der elektrischen Bestätigungssignale des fotoelektrischen Mittels (8),

- ein Bandpassfilter (10) mit dem gleichen Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung wie im ersten Stromkreis für die Flackerfrequenz der langwelligen Flammenstrahlung,

- einen Schwellenwertdetektor (33) , der die die Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung repräsentierenden elektrischen Schwingungen aus dem Bandpassfilter empfängt und bei Ueberschreiten eines bestimmten Schwellenwertes ein Bestätigungs-Ausgangssignal erzeugt,

- das als Phasenkomparator gebildete Verknüpfungsmittel

(34) empfängt auf seinem zweiten Eingang das Bestätigungs-Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors. (Fig. 3)

5. Flammenmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis enthält:

- ein Filter (1) mit einem Durchlassbereich für die Infrarot-Strahlung der Flamme,

- ein fotoelektrisches Mittel (2) zum Empfang der Infrarot-Strahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Hauptsignale,

- einen Verstärker (3) zum Verstärken der elektrischen Hauptsignale des fotoelektrischen Mittels (2),

- Bandpassfilter (4) mit einem Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der Flamme,

- einen Signalwandler (37, 38, 39, 40), der die verstärkten Ausgangssignale des Bandpassfilters umformt, differenziert und Impulse (49) gleicher Breite und Amplitude

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erzeugt,

- das als UND-Tor gebildete Verknüpfungsmittel (13) empfängt auf seinem ersten Eingang die Impulse gleicher Breite und Amplitude,

und dass der zweite Stromkreis enthält:

- ein Filter (7) mit einem Wellenlängen-Durchlassbereich

X<3 um der kurzwelligen Flammenstrahlung,

- ein fotoelektrisches Mittel (8) zum Empfang der kurzwelligen Flammenstrahlung und zum Erzeugen entsprechender elektrischer Bestätigungssignale,

- einen Verstärker (9) zum Verstärken der elektrischen Bestätigungssignale,

- Bandpassfilter (10) mit dem gleichen Durchlassbereich für die Flackerfrequenz der kurzwelligen Flammenstrahlung wie im ersten Stromkreis für die Flackerfrequenz der langwelligen Flammenstrahlung,

- einen Signalwandler (4I₇ 42, 43, 44), der die verstärkten Ausgangssignale des Bandpassfilters umformt, differenziert und Bestätigungsimpulse gleicher Breite und Amplitude erzeugt,

- das als UND-Tor gebildete Verknüpfungsmittel (13) empfängt auf seinem zweiten Eingang die Bestätigungsimpulse gleicher Breite und Amplitude. (Fig. 4)

6. Flammenmelder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verknüpfungsmittel (13, 34) ein Integrationsglied (15) nachgeordnet ist, das die Ausgangssignale des Verknüpfungsmittels aufsummiert, und das eine Rückstellschaltung (16) enthält, die den aufsummierten Inhalt des Integrationsglieds rückstellt und somit Fehlalarme durch vereinzelte, unerwünschte Impulse vermeidet. (Figuren 1, 2, 3, 4)

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7. Flammenmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrationsglied (15) einen die Ausgangssignale des Verknupfungsmittels (13) zählenden Zähler enthält, und die Rückstellschaltung (16) Mittel enthält, die den Zähler periodisch oder bei Ausbleiben der Ausgangssignale innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes rückstellen.

8. Flammenmelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrationsglied (15) einen die Ausgangssignale des Verknüpfungsmittels (13, 34) aufsummierenden Kondensator enthält, und die Rückstellschaltung (16) Mittel enthält, die den Kondensator mit einer grösseren Entladezeitkonstante entladen als er durch die Ausgangssignale aufgeladen wird.

9. Flammenmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang der Rückstellschaltung (50) mit dem Eingang des Integrationsglieds (15) verbunden ist und Mittel (51, 52, 53, 54) enthält, die den aufsummierten Inhalt des Integrationsgliedes rückstellen, wenn ein Impuls aus dem Verknüpfungsmittel (13, 34) während einer bestimmten Zeit ausbleibt. (Fig. 5)

10. Flammenmelder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrationsglied (15) einen Schwellenwert-Schalter enthält, der ein Ausgangssignal für einen Alarmgeber (18) erzeugt, wenn die aufsummierten Signale des Integrationsglieds (15) einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. (Fig. 1,2,3,4)

11. Flammenmelder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verknüpfungsmittel (13, 34) und dem Integrationsglied (15) ein Impulslängen-Diskriminator (55, 56, 57, 58) angeordnet

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ist, der nur Impulse von einer bestimmten Minimal-Breite auf das Integrationsglied weitergibt. (Fig. 7)

12. Flammenmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Integrationsglied mit Schwellenwert-Schalter und dem Alarmgeber (18) ein Verzögerungsglied (17) angeordnet ist, welches das Ausgangssignal des Integrationsglieds zeitlich verzögert auf den Alarmgeber (18) gibt.

13. Flammenmelder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stromkreise (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12; 22, 23 j 32, 33, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44) zum Erzeugen von Flammen-Signalen des Wellenlängenbereichs X= 4 bis 4,8yum, 3 bis 3,8^m, 1,8 bis 2,8 yum, 0,7 bis 1,2/um oder 0,1 bis 0,5 yum der Flamme. (Figuren 1, 2, 3, 4, 9)

14. Flammenmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (1) des ersten Stromkreises aus einer Quarzschicht (72), Halbleiterschicht (70) und einem Interferenzfilter (71) im Wellenlängenbereich X= 4,0 - 4,8 yum besteht. (Fig. 9)

15. Flammenmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (1) des ersten Stromkreises aus einer Quarzschicht (72) , Germaniumschicht und einem Interferenzfilter (71) im Wellenlängenbereich X = 4,0 bis 4,8 yum besteht. (Fig. 9)

16. Flammenmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (2) des ersten Stromkreises ein pyroelektrischer Detektor ist.

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17. Flammenmelder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (2) des ersten Stromkreises aus Lithium-Tantalat oder Blei-Zirkanat-Titanat besteht.

18. Flanunenmelder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (2) des ersten Stromkreises ein NTC-Thermistor ist.

19. Flammenmelder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (2) des ersten Stromkreises eine Thermosäule ist.

20. Flanunenmelder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (8) des zweiten Stromkreises ein Fotoleiter ist.

21. Flammenmelder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 >* bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (8) des zweiten Stromkreises eine fotovoltaische Zelle ist.

22. Flammenmelder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelektrische Mittel (8) des zweiten Stromkreises eine UV-empfindliche, gasgefüllte Röhre ist.

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