DE2857795C2 - Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder, mit einem Sensorelement und einem vor diesem angeordneten Filter, das im Bereich der Kohlendioxid-Resonanzstrahlung durchlässig ist

Flammenmelder sind in der Praxis verschiedenartigen Störstrahlungen ausgesetzt die ein fehlerhaftes Meldesignal auslösen können. Aus den schweizer Patentschriften 5 09 633,5 19 761,5 37 066 und 5 58 577 sind Flammenmelder bekannt, welche zur Unterscheidung einer Flamme von Störstrahlungen wie Tageslicht, Sonnenstrahlungen oder von künstlichen Lichtquellen davon abweichende Eigenschaften von Flammen heranziehen, z. B. das (unregelmäßige) Rackern und daraus resultierende unregelmäßige Intensitätschwan! ungen der Flammenstrahlung oder die spezielle Farbtemperatur oder spektrale Zusammensetzung der Flammenstrahlung. Da gewisse Störstrahlungen jedoch Strahlungsanteile mit ähnlichen Eigenschaften aufweisen und solche Störstrahlungen in der Praxis häufig um mehrere Größenordnungen intensiver sind als eine nachzuweisende Flammenstrahlung, sind solche Flammenmelder daher nicht völlig fehlalarmsicher und sie dürfen auch nicht auf die höchstmögliche Empfindlichkeit eingestellt werden.

Aus FR 21 51 148 und K. Nakajima, Report of Fire Research Institute of Japan, 30 (December 1969), 55—61, ist bekannt daß die Strahlung einer Flamme überwiegend aus einer schmalbandigen Intensitätspitze im Spektralbereich der Resonanzstrahlung von Kohlendioxid bei etwa 43 μηι bis 4,4 μπι besteht, neben einem wesentlich schwächeren breitbandigen Spektralbereich im Gebiet der sichtbaren Strahlung und des nahen Infrarot Die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung tritt praktisch ausschließlich bei Flammen auf, die bei der Verbrennung organischen Materials entstehen, jedoch fast nie oder, falls doch, mit beinahe verschwindender Intensität bei Störstrahlungen. Ein Flammenmelder, der neben anderen Kriterien im wesentlichen die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid auswertet, ist daher erheblich fehlalarmsicherer und störunanfälliger als Flammenmelder, die Ultraviolettstrahlung, sichtbares Licht oder nahes Infrarot auswerten.

Nachteilig bei bekannten, die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung auswertenden Flammenmeldern ist jedoch, daß die darin verwendeten Strahlungsdetektoren zu breitbandig sind und noch andere Strahlungsanteile durchlassen.
Aus dem DE-Buch von Dr. W. Brügel, »Physik und Technik der Ultrarotstrahlung« (Curt R. Vincente Verlag, Hannover 1961; S. 172). ist ein Thermistorbolomclcr bekannt bei dem eine Germanium-Halbkugellinsc da/u dient, alle einfallende Strahlung auf dem Empfänger zu sammeln, dessen Fläche daher merklich verringert werden kann. Aus dem DE-Buch von Paul W. Kruse, »Grundlagen der Infrarottechnik« (Verlag Berliner Union, Stuttgart 1971; S. 156 und 168), ist die spektrale Transmission sowohl von Germanium als auch von

ίο Quarz bekannt Daraus ergibt sich, daß ein solches Strahlungsbolometer wegen der breiten Durchlässigkeit von Germanium auch in Kommunikation mit einem Quarzfilter nicht als Flammenmelder brauchbar ist
Andererseits besitzen übliche Interferenzfilter für

is 43 um Seitenbänder, die im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich liegen, so daß Störstrahlung in diesen Spektralgebieten ebenfalls detektiert wird. Nakajima verwendet daher ein spezielles, vom Optical Coating Laboratory entwickeltes Filter, das zwar die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung umfaßt, jedoch für die praktische Verwendung noch zu breitbandig ist (33 μπι bis 5,2 μπι). Um benachbarte Störstrahlung zu eliminieren, muß daher ein spezielles Bleiselenid-Fotoelement des Santa Barbara Research Center verwendet werden, das Strahlung mit größerer Wellenlänge als 43 μηι abschneidet Nachteilig ist hierbei, daß bei Normaltemperatur die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung bereits auf der Kante des Empfindlichkeitsabfalles liegt so daß die Flammenstrahlung nicht voll ausgenützt werden kann und die Empfindlichkeit des Flammenmelders nicht den optimal möglichen Wert erreicht

Wieder andere Strahlungsdetektoren verwenden schmalbandige Filter, um die CO2-Bande herauszufiltern, d. h. einer Verwertung zuzuführen. Diese Filter haben aber die nachteilige Eigenschaft ihren Durchlässigkeitsbereich bei schrägem Lichteinfall nach kürzeren Wellenlängen hin zu verschieben. Bei einer idealen Anpassung an die CO2-Bande verschiebt sich dieser Bereich dann so weit, daß jene Bande nicht mehr erfaßt und der Detektor unwirksam wird.

Der Erfindung liegt im Hinblick auf dsn Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden, indem ein Flammenmelder mit besserer Störunanfälligkeit und geringerer Fehlalarmfälligkeit bei möglichst hoher Empfindlichkeit geschaffen wird.

Diese Aufgabe ist bei einem Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Filter eine Quarzschicht eine vorzugsweise aus Germanium bestehende Halbleiterschicht und ein Interferenzfilter aufweist die im Strahlengang hintereinander angeordnet sind.

Vorzugsweise weist das Interferenzfilter einen Durchlässigkeitsbereich von 4,0 μπι bis 4,8 μπι auf. Als Sensorelement kann ein pyroelektrisches Element aus Lithiumtantalat oder Blei-Zirkonat-Titanat verwendet werden, welches eine optimale Empfindlichkeit gewährleistet.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnungs-Figur wiedergegebenen Ausführungsbeispieles eines Strahlungsdetektors erläutert.

Dieser Strahlungsdetektor weist auf seiner oben befindlichen Frontseite ein mehrteiliges Filter auf, das im Bereich der Kohlendioxid-Resonanzstrahlung durchlässig ist. Dieses besteht aus mehreren Filterelementen, nämlich aus einer Germaniumschicht 6 als Halbleiterschicht, aus einem Schmalbandfilter als Interferenzfilter 1 für 43 μηι bis 4,4 μπι, also zwischen 4,0 μπι und 4,8 μπι.

and aus eine.- Quarzschicht 2. Diese drei verschiedenen Elemente liegen planparallel, wobei die Dicke der Germaniumschicht 6 ca. 1 mm, die des Interferenzfilters 1 ca. 1 um bis 50 μΐπ und die der Quarzschicht 2 ca. 0,5 mm beträgt Der Durchmesser dieser Elemente, d.h. des FU-ters, beträgt ca. 8 mm bis 12 mm. Das Interferenzfilter 1 kann selbst aus mehreren Schichten bestehen; jede dieser Schichten besteht dann aus einem dielektrischen Material. Das aus den Elementen 6,1 und 2 bestehende Filter wird in einem handelsüblichen sogenannten »TO-5«-Gehäuse 7 untergebracht, das mit dem Filter Ober eine Klebverbindung 3 verbunden wird und eio sensitives oder Sensor-Element 4, gegebenenfalls mit einem Feldeffekttransistor, aufnimmt Dieses Element 4 wandelt die optischen Strahlen in elektrische Signale um, die über Leitungen 5 auf nicht dargestellte Stromkreise gelangen. Das Sensor-Element 4 kann ein pyroelektrischer Detektor aus z. B. Lithium-Tantalat oder Blei-Zirkonat-Titanat, oder ein NTC-Thennistor oder ein Fotoleiter oder eine Thermosäule sein.

Das pyroelektrische Sensorelement 4 ist Ober die Leitungen 5 an eine nicht dargestellte Auswerteschaltung angeschlossen, die bei Vorhandensein und Detektion von Flammenstrahlung ein entsprechendes Signal abgibt beispielsweise gemäß DE-OS 28 23 411. . 2s

Der Vorteil der Anordnung eines solchen, aus kombinierten Elementen bestehenden Filters in einem Flammenmelder ist daß die Quarzschicht 2 Strahlung über 4,5 μιη Wellenlänge praktisch nicht durchläßt Die Germaniumschicht 6 besitzt dagegen eine scharfe untere Kante, etwas unterhalb 1,5 μιη; für kürzere Welleniängen, insbesondere für sichtbares Licht ist dieses Germanium-Filterelement praktisch undurchlässig. Das Interferenzfilter 1 läßt seinerseits nur Strahlung im Spektralbereich von 43 um bis 4,4 μιη durch.

Mit dieser Filterelementekombination wird erreicht daß der Durchlaßbereich auf die unmittelbare Umgebung der Kohlendioxid-Rescnanzlinie bei 43 μπι beschränkt ist. Lär.gerwellige Strahlung über 4,5 μηι wird durch das Quarz-Filterelement (Schicht 2) praktisch vollständig eliminiert während Strahlung mit einer Wellenlänge unter 1,5 μηι durch das Germanium-Filterelement (Schicht 6) praktisch vollständig blockiert wird. Im Wellenlängenbereich zwischen 1,5 μιη und 4,2 μπι ist die Durchlässigkeit kleiner als 1% des Maximalwertes bei 4,3 μιη bis 4,4 μιη.

Die beschriebene Filterelementekombination weist also im nahen Infrarot eine Störunterdrückung um einen Faktor von mehr als 100 auf, im Bereich sichtbaren Lichtes und im fernen Infrarot oberhalb der Resonanzwellenlänge von Kohlendioxid eine Unterdrückung um mehr als den Faktor Γ0Ο0. Störstrahlungen wie Sonnen- und Tageslicht sowie künstliches Licht von Glühlampen, Fluoreszenzlampen und andere Störungen z. B. von Schweißfunken usw, welche kein scharfes Intensilätsmaximum bei der Resonanzwellenlänge von Kohlendioxid aufweisen, werden also durch das beschriebene Filter 6,1,2 nahezu vollständig vom Sensorelement 4 ferngehalten, auch wenn ihre Intensität erheblich größer ist z. B. mehr als das Tausendfache beträgt als die der Flammenstrahlung. Es ist daher möglich, bereits eine Flammenbildung im Anfangsstadium auch bei Anwesenheit von Licht- und anderer Störstrahlung mit außerordentlicher Sicherheit zu erkennen und von anderen Strahlungsquellen zu unterscheiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder, mit einem Sensorelement (4) und einem vor diesem angeordneten Filter (1,2,6), das im Bereich der Kohlendioxid-Resonanzstrahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter eine Quarzschicht (2), eine Halbleiterschicht (6) und ein Interferenzfilter (1) aufweist, die im Strahlengang hintereinander angeordnet sind.

2. Strahlungsdetektor gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (1) einen Durchlässigkeitsbereich von 4,0 μηι bis 4,8 μηι aufweist

3. Strahlungsdetektor gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbieiterschicht (6) aus Germanium besteht