DE2909809A1

DE2909809A1 - Optischer teilchendetektor

Info

Publication number: DE2909809A1
Application number: DE19792909809
Authority: DE
Inventors: Glenn F Cooper
Original assignee: American District Telegraph Co
Current assignee: American District Telegraph Co
Priority date: 1978-03-13
Filing date: 1979-03-13
Publication date: 1979-09-27
Also published as: FR2420135A1; FR2420135B1; CA1112896A; GB2016680A; US4242673A; JPS54151493A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen optischen Teilchendetektor.

Auf die Erfindung "Riegelalarm-Rauchdetektor" des gleichen Anmelders mit dem gleichen Anmeldetag wird Bezug genommen ^US-Patentanmeldung Serial No. 885 370).

Bekannte optische Rauch- und andere Teilchen—Detektoren weisen eine Quelle auf, dessen Licht auf einem Weg oder Strahl geleitet wird, der durch Rauch oder andere Teilchen oder Medien unterbrochen werden kann der bzw. die Licht vom gerichteten Weg zu einer fühlenden Photozelle verteilt bzw. verteilen, wobei die Photozelle auf das verteilte Licht durch Erzeugung eines elektrischen Signals anspricht.

Ss ist bekannt, die Veränderungen in der Lichtquelle durch Verwendiuig einer zweiten Photozelle zu kompensieren bzw, auszugleichen, die Licht direkt von der Quelle ausgesetzt ist und in einem Kreis mit der ersten Photozelle geschaltet ist, so daß das Ansprechen der zweiten Zelle auf unerwünschte Lichtquellenveränderungen die Wirkung derartiger Veränderungen auf die erste rauchfühlende Zelle aufhebt, die beispielsweise in den Uö-Patentschriften UTr. 2 JOT 367 und 3 409 beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist jedoch die Verwendung einer zweiten Photozelle in einer deutlich unterschiedlichen Weise bezüglich der oben beschriebenen, wobei die zweite Zelle Licht direkt von der Quelle nicht ausgesetzt ist, sondern vielmehr die zweite Zelle dergestalt angeordnet ist, daß sie Lichtquellenveränderungen nicht kompensiert bzw. ausgleicht, sondern statt dessen die Hintergrundlichtzustände in der

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Dunkelkammer eines Rauchdetektors beispielsweise kompensiert. Unter diesen Lichthindergrundzuständen soll auch das äußere TJmgebungs licht verstanden werden, das in die Kammer durch

eintritt
Leckage/und auch dasjenige innere Quellenlicht, das von den Dunkelkammerwänden außerhalb des gerichteten Weges von der Quelle verteilt wird. Der Hintergrundlichtzustand beeinträchtigt die gesamte Reaktion der rauchfühlenden Photozelle in ungebührlicher Weise, wenn das gefühlte Hintergrundlicht sich der Energie des Lichtes nähert, welches durch Rauch vom Lichtstrahl oder -weg verteilt wird. D.h. das Hintergrundlicht neigt zum Verdecken des Rauchverteilungslichtes und zum Herabsetzen der Empfindlichkeit des Detektors auf äußerst niedrige Rauchdichten, die frühzeitig bei einem Feuer eintreten.

Aufgabe der Erfindung ist demnach die Erhöhung der Empfindlichkeit eines Teilchendetektors auf kleine Veränderungen in der Teilchendichte, um die Quellenlichtintensität verringern zu können und die Zunahme des Hintergrundverteilungslichtes zu kompensieren bzw. auszugleichen, während sich Staub oder dgl. an den Wänden der Dunkelkammer ansammelt.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einen optischen Teilchendetektor, der sich kennzeichnet durch eine Einrichtung zum Leiten von Licht auf einem Weg durch die Kammer, eine erste Photozelle, die angeordnet ist, um primär auf Licht anzusprechen, das aus dem Weg durch Teilchen im Weg verteilt wird, eine zweite Photozelle, die angeordnet ist, um im wesentlichen auf Hinteigrundlicht anzusprechen, das vom Äußeren des Durchgangslichtweges verteilt wird, so daß ein zweites elektrisches Signal quer über die zweite Zelle geschaffen wird, und eine Schaltkreiseinrichtung,die die zwei Zellen in Gegenüberstellung bzw. in Gegenphase verbindet, so daß ein Ausgangssignal im wesentlichen unabhängig

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vom Hintergrundlicht hervorgerufen wird, das vom Äußeren des Durchgangslichtweges verteilt wird.

Die Anordnung der zweiten Zelle für ein Ansprechen auf verteiltes Licht von außerhalb des Quellenlicht-Durchgangsweges unterscheidet sich deutlich von der bekannten Anordnung einer zweiten Zelle in einem Weg optisch direkt von der Quelle. Der Ausdruck "Durchgangslichtweg" beschreibt den Quellenlichtdurchgang durch den Luftraum der Kammer, von wo der Lichtweg durch Teilchen verteilt bzw. gestreut werden kann im Vergleich zu dem begrenzten Wandbereich, wo der Lichtweg an der Dunkelkammerwand auftrifft und von wo Hintergrundlicht verteilt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Rauchdetektors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 und 3 Zeit-Spannungs-Aufzeichnungen, aus denen vergleichbare Signalspannungen im Kreis der Fig. 3 ersichtlich sind,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kreises für Detektoren der Fig. 1 und 2, und

Fig. 5 eine ähnliche Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines optischen .Rauchdetektors hat ein Außengehäuse, das in Fig. 1 schematisch gezeigt ist und eine Basis 1, eine kreisförmige Seitenwand 2 und eine Abdeckwand 3 enthält, wobei eine Dunkelkammer 4 um-

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schlossen ist, zu der Rauch durch ein poröses Schaumblatt 6 (US-Patent Nr. 3 9^7 303) Zugang hat oder einen anderen Labyrinth-Aufbau, der Licht und Insekten ausschließt. An die Dunkelkammer angrenzend befindet sich ein Kammerblock 7, der die optischen Elemente des Detektors befestigt. Unter dem optischen Block ist eine Schaltungsplatte 8, die die Schaltkreisbauteile des Detektors gemäß Fig. 3 trägt, ausgenommen die Bauteile im optischen Block 7.

An dem einen Ende eines Lichtdurchgangs 9 im optischen Block 7 befindet sich eine Infrarotlicht emittierende Diode D6, beispielsweise RCA LED Typ SG 101A mit Leitungen 5 zur Schaltungsplatte 8. Eine Linse 11 leitet ca. 98% des Lichts von dieser Quelle auf einem schmalen Weg 12 durch den Luftraum in der Kammer, das einen begrenzten Bereich 13 der Gehäusewand 3 ö^ensei"b^s &^es Durchgangswegs trifft. Die restlichen 2% des Lichts der Quelle werden im allgemeinen über die gesamte Dunkelkammer verteilt, wie das Licht, das auf den begrenzten Bereich 13 eingefallen ist, wobei beide das Hintergrundlicht bilden.

Am Ende eines zweiten Durchgangs 14, der um 120 zum Lichtdurchgang 9 gerichtet bzw. geneigt ist, befindet sich eine Rauchfühl-Photodiode D9, Clairex Corporation Typ CLD56-1, eine photovoltaische Form einer Photozelle mit Leitungen zur Schaltungsplatte. Diese Photodiode D9 ist primär angeordnet, um den freien Weg des Lichts von der Leuchtdiodenquelle D6 zu sehen und auf Licht anzusprechen, das von den Rauchteilchen im Weg innerhalb der Sicht 16 der Photodiode D9 verteilt wird. Die Rauchfühldiode D9, obgleich durch den optischen Block 7 von dem Licht abgeschirmt, das direkt vom begrenzten Bereich 13 jenseits des Durchgangswegs 12 des Quellenlichts, Leuchtdiode D9, verteilt wird, empfängt unvermeidlich Licht, das von diesem Bereich 13 und von anderen Bereichen der Seitenwand 2, der Deckwand 3 und dem optischen

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Block 7 einschließlich des zweiten Durchgangs 14 verteilt wird.

Obgleich das unerwünschte wand-verteilte Licht in der Intensität sehr gering ist, ist es auch das Rauchverteilungslicht. Laufende nationale Formen hinsichtlich Rauchdetektorempfindlichkeit erfordern die Aufspürung von grauem Rauch, der 1,5% des Lichts über ein Fuß verdunkelt. Eine derartige Rauchdichte verteilt etwas weniger als 1,5% des Quellenlichts in sämtlichen Richtungen, und ein beträchtlich geringerer Prozentsatz erreicht die Rauchfühlzelle D9.

Etwas idealisiert in Fig. 2 dargestellt ist ein typisches Verhältnis zwischen der Reaktion auf ,Hintergrundlicht und Rauch- plus- Hintergrundlicht vor der Erfindung. Wie im Zusammenhang mit Fig. 4 erklärt werden wird, wird die Leuchtdiodenquelle D6 für ein Impulsintervall P erhellt. Während dieses Intervalls wird die Relativspannungsreaktion der Rauchzelle D9 bei Abwesenheit von Rauch in Fig. 3 durch die ausgezogene Linienkurve BD9 gezeigt. Bei Vorhandensein von Rauchplus-Hintergrund wird die Relativspannungsreaktion durch die unterbrochene Linienkurve SBD9 gezeigt. Das Verhältnis der Hintergrundreaktion BD9 zu der Rauch-plus-Hintergrund-Reaktion SBD9 der Rauchfühldiode D9 verändert sich mit der Intensität der Lichtquelle und der Konfiguration und den optischen Eigenschaften der Dunkelkammerwände. Fig. 2 zeigt jedoch klar, daß bei Abwesenheit einer Kompensation gemäß der Erfindung die kontinuierliche Reaktion BD9 der Rauchzelle 9 auf das Hintergrundlicht ein wesentlicher Anteil der Reaktion SBD9 der gleichen Zelle auf Rauchverteilungslicht und Hintergrundlicht ist. D.h. die Sensitivität der Zelle wird größtenteils durch ihre große Reaktion auf Hintergrundlicht herabgesetzt. Genäß der Erfindung kann der Verlust der Sensitivität gemäß Fig.2 größtenteils überwunden werden, wie dies in den Fig. 1, 3 und 4 gezeigt ist.

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In der Fig. 1 ist eine zweite photovoltaische Diode D10 gezeigt, die an der Oberseite des optischen Blocks 7 befestigt ist, wobei Leitungen 20 vorgesehen sind, die zur Schaltungsplatte 8 verlaufen. Die Photodiode D10 ist eine Kunststoffkörperdiode, Typ 1N4001, eine andere wesentlich weniger empfindliche Bauart als die Rauchfühldiode D9, da diese dem hellerleuchteten begrenzten Bereich 13 jenseits des Durchgangswegs 12 vom Quellenlicht D6 ausgesetzt ist.

Gemäß I¹Xg. 4 sind die ersten und zweiten Dioden durch ihre entsprechenden Leitungen 10 und 20 so verbunden, daß sie beim Eingang 23 einem Betriebsverstärker U gegenüberstehen, beispielsweise Typ CA 30785. D.h. die Anode jeder Photodiode ist entweder direkt wie gezeigt oder indirekt mit der Kathode der anderen Diode verbunden. In Fig. 4 erregt eine 24 Volt-Gleichstrom-Energiequelle 21 einen Impulsgenerator 22, der seinerseits die Leuchtdiodenlichtquelle D6 für ca. 150 Mikrosekunden Impulsdauer P in 2,5 Sekundenintervallen beispielsweise aufleuchten läßt. Die Dioden D9 und D10 pulsieren somit mit Hintergrundlicht und auch mit Streulicht, wenn Rauch vorhanden ist. Aufgrund der Art des Lichts, dem sie ausgesetzt sind, und der Art ihres Anschlusses in Gegenüberstellung nehmen ihre Spannungen beim Verstärkereingang 23 die Form ein, die idealisiert in Fig. 3 gezeigt ist. Im rauchlosen Zustand ist die ausgezogene Spannungslinie BD9,10, die von den angeschlossenen Reaktionen der Photozellen D9 und D10 auf das Hintergrundlicht während des Lichtimpulses P herrührt, befindet sich nun im wesentlichen auf einem Pegel der angelegten Spannung von der Energiequelle 21, mit unwesentlichen Abweichungen zu Beginn und am Ende der Impulsdauer P. Bei Vorhandensein von Rauch ist die in gestrichelter Linie gezeigte Spannung SBD9, 10,die von den angeschlossenen Reaktionen beider Photozellen D9, 10 auf Rauchverteilungs- und Hintergrundlicht herrührt, sehr ähnlich der Einzelzellenreaktion SBD9 der Fig. 2. Es ist.j'e-

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doch das Verhältnis zwischen der Nichtrauch- und Rauch-Reaktion viel größer, da die in ausgezogener Linie gezeigte Nichtrauch-Reaktion BD9, D10 unbeträchtlich hinsichtlich der in unterbrochener Linie gezeigten Rauch-Reaktion SBD9, 10 ist. Folglich können sehr niedrige Rauchdichten, beispielsweise eine Verdunkelung von unter 1% pro Fuß, empfindlich und genau bei bei abgeschwächtem Lichtausgang aufgespürt werden und demnach mit niedrigem Energieverbrauch durch die Leuchtdiodenquelle D6.

Das angeschlossene Rauchsignal mit unterschiedlicher Spannung wird durch einen Betriebsverstärker U verstärkt, dessen Widerstands- und Schaltungselemente Werte aufweisen, die in bekannter Weise angezeigt werden. Der verstärkte Ausgang des Betriebsverstarkers wird über ein 50 Kilohm Potentiometer an einen Pegeldetektor 24 angelegt, dessen Schwelle durch das Potentiometer eingestellt wird, um einer vorbestimmten Rauchdichte zu entsprechen. Wird die Schwelle des Pegeldetektors durch den Verstarkerausgang überschritten, legt der Pegeldetektor einen Datenimpuls an einen logischen Schaltkreis 26 gleichzeitig mit einem Taktimpuls aus dem ■ Impulsgenerator 22 an. Der logische Schaltkreis löst dann ein Rauchwarnsignal 27 aus, das ein lokales sichtbares oder hörbares Warnsignal sein kann, oder ein Relais zu einer entfernten Alarmanlage.

In Fig. 5 ist ein Rauchdetektor mit Bauteilen und Spannungen ähnlich denjenigen der Fig. 1 gezeigt, mit dem Unterschied, daß eine zweite Photodiode D10* die gleiche Empfindlichkeitsordnung bzw.-größe wie die erste Photodiode D9 aufweist, wobei die zweite Diode vom Licht abgeschirmt wird, das vom zweiten Durchgangsweg 12 verteilt wird, und der Schirm die Form einer Einstellschraube 28 besitzt, die Licht verändert, welches die zweite Diode durch einen Durchgang 29 im optischen Block 8 erreicht. Die zweite Photodiode der Fig. 5 empfängt auch Licht, das von der Gehäusewand 3 und der Seitenwand 2 indirekter als im Fall der Fig. 1 verteilt wird.

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Die Detektoren sowohl der Fig. 5 als auch der der Fig. 1 liefern den Vorteil einer wesentlich größeren Empfindsamkeit hinsichtlich äußerst geringfügiger Veränderungen von 0 bis weniger als 1% Rauchverdunklung pro Fuß. Es kann stärkeres Hintergrundlicht toleriert werden als dies bisher der Fall war, und die Größe der Dunkelkammer und demzufolge die Außendimension des Detektors kann ohne Einbuße an Zuverlässigkeit verringert werden. Es kann der Energiebedarf der Leuchtdiodenlichtquelle reduziert werden, während die Empfindlichkeit der Rauchfühlzelle D9 auf Veränderungen im Leuchtdiodenstrom und -wirkungsgrad minimiert wird. Während der Lebensdauer des Detektors von vielen Jahren wird eine Zunahme des Hintergrundlichts, das aufgrund einer Ansammlung von Staub an den Dunkelkammer wänden verteilt wird, durch Anordnung der zweiten Zelle kompensiert, so daß Licht primär von Außerhalb des Durchgangsweges des Quellenlichts gesehen wird, und durch die Verbindung der ersten mit der zweiten Zelle in Gegenüberstellung bzw. Gegenphase im Verstärkerkreis .

Die Erfindung kann in Einzelheiten abgeändert werden, wie auch äquivalente Mittel verwendbar sind.

Erfindungsgemäß wird somit ein photoelektronischer Rauchdetektor oder -schnüffler geschaffen, der Wände um eine Dunkelkammer herum aufweist, zu der Rauch, nicht jedoch Licht, Zutritt hat und durch die Licht von einer Quelle auf einem Weg zu einem begrenzten Bereich einer Kammerwand geleitet wird. Eine erste Photozelle sieht Licht, das vom Durchgangsweg durch Teilchen im Weg primär verteilt wird, und empfängt auch Hintergrundlicht, das von der Kammerwand außerhalb des begrenzten Bereiches verteilt wird. Eine zweite Photozelle ist angeordnet, um Hintergrundlicht im wesentlichen nur vom begrenzten Bereich und von anderen Bereichen außerhalb des Quellenlichtweges zu empfangen. Die erste Zelle ruft ein

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erstes Signal in Reaktion auf das Hintergrund- und Teilchen—
Verteilungs-Licht hervor. Die zweite Zelle schafft ein zweites Signal entsprechend der Hintergrundverteilung. Die ersten und zweiten Zellen, zweckmäßigerweise photovoltaische Photodioden, sind in Gegenüberstellung bzw. in Gegenphase in einem Kreis
geschaltet, dessen Ausgang folglich im wesentlichen unabhängig vom Hintergrundlicht ist.

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. Ί6.

Leerseite

Claims

.j Optischer Teilchendetektor, gekennzeichn e t durch
eine Einrichtung mit einer Wand unter Ausbildung einer

eine Einrichtung zum Leiten von Licht auf einem Weg ■

durch die Kammer,

eine erste Photoaelle, die angeordnet ist, um primär auf Licht anzusprechen, das aus dem Weg durch Teilchen

im Weg verteilt wird,

eine zweite Photozelle, die angeordnet ist, um im wesentlichen auf Hintergrundlicht anzusprechen, das vom Äußeren des Durchgangs1ichtweges verteilt wird, ho daS ein zweites elektrisches Signal quer über die

ir.'/eibe Zelle geschaffen wird, und

eine oCiialt-kr-eiseinrichtung, die zwei Zellen, in Gegen-

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übersteilung bzw. in Gegenphase verbindet, so daß ein Ausgangssignal im wesentlichen unabhängig vom Hintergrundlicht hervorgerufen wird, das vom Äußeren des Durchgangslichtweges verteilt wird.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zellen photovoltaxsch sind.
3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zellen Photodioden sind, wobei die Anode einer jeden Photodiode mit der Kathode der anderen Diode gekoppelt ist.
4. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-' durch gekennzeichnet , daß die Lichteinrichtung und die erste Zelle in einem umschließenden optischen Block befestigt sind, und daß die zweite Zelle außerhalb des Blockes liegt.
5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die die zweite Zelle vom Verteilungslicht einstellbar abschirmt.
6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Verstärkereinrichtung vorgesehen ist, die auf ein Ausgangssignal über einer vorbestimmten Schwelle anspricht, um ein Alarmsignal zu erzeugen.
7. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine übliche Energiespeisung für die Lichtquelle und die Verstärkereinrichtung vorgesehen ist.

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