DE3018021C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor gemäß
Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Bei einem aus
US-PS 41 21 110 bekannten Detektor dieser Art ist der
Strahlungssender von einem ringförmigen Planspiegel
umgeben, dem ein derart gewölbter zweiter Spiegel
gegenübersteht, daß die von der Strahlungsquelle auf den
gegenüberstehenden Spiegel geworfene Strahlung
normalerweise zum Planspiegel zurückgeworfen wird.
Rechtwinkelig zum Strahlengang ist ein Lichtempfänger
angeordnet, der im Strahlenweg zwischen den beiden
Spiegeln entstehendes Streulicht aufnimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen
Rauchdetektor mit verbesserter Empfindlichkeit,
insbesondere für kleine Rauchpartikel zu schaffen. Unter
kleinen Rauchpartikeln sollen Teilchen verstanden werden,
deren Durchmesser D kleiner ist als die Wellenlänge der
im Detektor benutzten Lichtstrahlung. Kleine
Rauchteilchen werden durch Funkenfeuer oder sehr schnell
brennende Feuer erzeugt, während bei Schwelbränden mehr
große Rauchpartikel entstehen. Darüber hinaus soll der
Rauchdetektor einfach und platzsparend aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1
gekennzeichnete Erfindung. Mit einfachen Mitteln wird
hierdurch die Empfindlichkeit des Rauchdetektors
insbesondere für kleine Rauchteilchen wesentlich erhöht.
Dadurch, daß die strahlungsempfindliche Fläche des
Detektors den Reflektor bzw. die Strahlungsquelle
ringförmig umgibt und somit wesentlich größer ist als die
Fläche von Strahlungsquelle bzw. Reflektor wird eine
erhöhte Empfindlichkeit des Rauchdetektors erzielt, zumal
infolge Verwendung des Reflektors auf den
Strahlungsdetektor nicht nur vorwärtsgestreute sondern
auch rückwärtsgestreute Strahlung auftrifft. Die
Anordnung der Reflektor oder Strahlungsquelle auf dem
Detektor führt zu einem äußerst kompakten und darüber
hinaus leicht justierbaren Aufbau des Rauchdetektors.
Aus DE-PS 6 82 869 und 9 13 540 sind Trübungsmesser
bekannt, bei denen zwischen Lichtquelle und Fotoelement
eine von einem zu überprüfenden Medium durchströmte
Küvette angeordnet ist. Um die Direktstrahlung zwischen
Lichtquelle und Fotoelement auszublenden, ist der
zentrale Bereich des Fotoelements abgedeckt, so daß auf
den ihn umgebenden ringförmigen Bereich nur durch
Schwebeteilchen hervorgerufene Vorwärtsstreustrahlung
auftreffen kann.
Weiterhin zeigt DE-OS 27 09 866 eine Vorrichtung zur
Messung von Schwebeteilchen, bei der ein dem Direkt
licht ausgesetzter zentraler Empfänger von einem nur auf
Streustrahlung ansprechenden ringförmigen zweiten
Empfänger umgeben ist. Schließlich ist aus
DE-OS 19 64 578 ein nur auf Rückstreuung ansprechender
Trübungsmesser bekannt, bei dem zwei Fotodetektoren auf
der gleichen Seite der vom Medium durchströmten Küvette
angeordnet sind wie die Strahlungsquelle, und zwar zu
beiden Seiten des Strahlungseintrittsfensters der
Meßküvette. Keine der zuvor beschriebenen bekannten
Anordnungen weist einen Reflektor auf, dessen
Vorhandensein für die erfindungsgemäße gleichzeitige
Ausnutzung von Vorwärtsstreuung und Rückwärtsstreuung
wesentlich ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen
wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausfüh
rungsform eines Rauchdetektors;
Fig. 2 für diesen Rauchdetektor die Abhängigkeit der
Vorwärts- bzw. Rückwärtsstreuung des Lichts in
Abhängigkeit von Partikelgröße;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Rauchdetektors;
und die
Fig. 4 und 5 schematisch die Wirkung der Streu
strahlung beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Der Rauchdetektor nach Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 10 mit
Öffnungen 11 und 12 im Boden bzw. Deckel, durch welche ein zu
überwachender Luftstrom in die Kammer 13 eintritt und diese wie
der verläßt. Eine Strahlungsquelle 14, die Licht im sichtbaren,
im Infrarot- oder im Ultraviolettbereich abstrahlt, befindet sich
in dem durch eine Trennwand 20 abgeteilten linken Teil des Gehäu
ses 10. Die Strahlung wird von einer Sammellinse 15 in die Kammer 13
geworfen und dort auf einen kleinen Spiegel 16 fokussiert, der in der
Mitte einer relativ großen Strahlungsdetektorfläche 17 angeordnet
ist. Strahlungsquelle 14, Linse 15 und Strahlungsdetektor 17 be
finden sich innerhalb des Gehäuses 10, wobei die Halterung 20 für
die Linse 15 zugleich eine lichtundurchlässige Trennwand bildet,
so daß Licht von der Strahlungsquelle 14 nur über die Sammellinse
15 in die Kammer 13 gelangen kann. Der flächenhafte Strahlungs
detektor 17 kann durch eine Fotodiode vom Typ CLD31 der Firma
Clairex Corporation, New York gebildet sein. Diese Fotodiode arbei
tet als photovoltaische Zelle und hat eine aktive Fläche von unge
fähr 22 mm2. Ihre Spitzenempfindlichkeit liegt im Bereich zwischen
0,9 und 1,0 µ. Sie ist folglich gut als Strahlungsdetektor ge
eignet für die von einer Infrarot-Leuchtdiode, vorzugsweise einer
Galliumarsenid-Leuchtdiode 14, ausgehende Strahlung.
Die Strahlung der Strahlungsquelle 14 wird mittels der Linse 15
auf den Spiegel 16 inmitten des Strahlungsdetektors 16 abgebildet.
Ohne Rauch in der Kammer erfolgt keine Lichtstreuung, so daß das
von der Strahlungsquelle kommende Licht nicht auf den Detektor 17,
sondern vollständig auf den Spiegel 16 fällt und reflektiert wird.
Ist jedoch Rauch in der Kammer vorhanden, so bewirken die Rauch
teilchen eine Vorwärtsstreuung 21 des ausgesandten Lichts, wodurch
dieses Streulicht vom Detektor 17 aufgefangen wird. Die dargestell
te Anordnung ermöglicht eine hochwirksame Erfassung vorwärtsge
streuten Lichts, weil durch die Geometrie der Meßkammer auch schwach
gestreutes Licht vom Detektor 17 aufgefangen wird.
Fig. 2 zeigt das Strahlungsmuster der Streustrahlung bei großen
Rauchpartikeln (D < λ) bzw. bei kleinen Rauchpartikeln (D < λ). Bei
großen Rauchpartikeln, deren Durchmsser also größer ist als die
Wellenlänge λ des von der Strahlungsquelle 14 gelieferten Lichts,
ist die Streuung von den Rauchpartikeln überwiegend eine Vorwärts
streuung, während nur eine geringfügige Rückwärtsstreuung auftritt.
Bei kleinen Rauchpartikeln hingegen, d. h. wenn der Partikeldurch
messer kleiner als die Wellenlänge λ ist, nimmt die Rückwärts
streuung zu und ist praktisch gleich groß wie die Vorwärtsstreuung.
Die Verwendung eines Spiegels 16, der das auftreffende Licht im we
sentlichen zur Strahlungsquelle 14 zurückreflektiert, ermöglicht
es auch, das durch Rückwärtsstreuung der reflektierten Lichtstrah
len entstehende Streulicht 22 in der gleichen wirkungsvollen Weise
zu erfassen, wie das vorwärtsgestreute Licht der ausgesandten
Lichtstrahlung. Diese wirksame Erfassung rückwärtsgestreuten Lichts
ist bei kleinen Rauchpartikeln wichtig und führt zu einem optischen
Rauchdetektor mit erhöhter Empfindlichkeit für kleine Rauchpartikel.
Das elektrische Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 17 wird
über eine Leitung 23 einer Alarmschaltung 24 zugeleitet. Trifft in
folge Lichtstreuung an Rauchpartikeln Strahlung auf den Detektor
17 und erzeugt dieser ein Ausgangssignal, so spricht die Alarm
schaltung 24 an. Sie kann einen Verstärker mit Relais umfassen,
welches anzieht, sobald das Detektorsignal einen vorgegebenen
Schwellwert überschreitet.
Vielfach werden Rauchdetektoren derart ausgebildet, daß die zu
überwachende Luft leicht hindurchströmen kann. Dies führt jedoch
dazu, daß vielfach auch Umgebungslicht in die Detektorkammer ge
langen kann. Um Einflüsse des Umgebungslichtes auf das Meßergebnis
des Rauchdetektors auszuschalten, empfiehlt es sich, einen solchen
Rauchdetektor nicht mit Gleichlicht, sondern mit gepulstem Licht
zu betreiben und gegebenenfalls einen auf Impulslicht ansprechenden
Detektor vorzusehen, der erforderlichenfalls mit der Lichtimpuls
quelle synchronisiert werden kann. Ein solcher mit Impulsen be
triebener Rauchdetektor ist für das üblicherweise gleichbleibende
oder sich nur langsam ändernde Umgebungslicht kaum empfindlich.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rauchdetektors mit
einem Gehäuse 110 sowie Luftdurchtrittsöffnungen 111 und 112 im
Boden bzw. Deckel des Gehäuses. In der Gehäusekammer 113 ist eine
Strahlungsquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode 114, auf einem
scheiben- oder plattenförmigen Fotodetektor 115 angebracht. Sie
ist derart abgeschirmt, daß ihr Licht nicht unmittelbar zurück
auf den Fotodetektor 115 fallen kann. Die aus Strahlungsquelle 114
und Detektorfläche 115 bestehende Anordnung 116 steht einem Spie
gel 117 gegenüber, der durch die Innenfläche einer Halbkugelschale
gebildet ist. Dabei befindet sich die Strahlungsquelle 114 im
Krümmungsmittelpunkt der Kugelfläche. Infolge ihrer kleinen Abmes
sungen bildet sie in bezug auf den Reflektor praktisch eine Punkt
lichtquelle und sendet ihre Lichtstrahlen radial zum Reflektor 117
aus. Bei fehlendem Rauch erfolgt keine Lichtstreuung, und das von
der Strahlungsquelle 114 abgestrahlte Licht wird vom Spiegel 117
vollständig zur Strahlungsquelle 114 zurückreflektiert und fällt
nicht auf den die Strahlungsquelle umgebenden Fotodetektor 115. Ist
hingegen Rauch in der Kammer 113, so bewirken die Rauchteilchen
eine Vorwärts- oder Rückwärtsstreuung des ausgesandten Lichts. Der
Strahlungsdetektor 114 ist wiederum über eine Leitung 120 an eine
Alarmschaltung 121 angeschlossen. Ungestreutes Licht wird, wie er
wähnt, zur Strahlungsquelle 114 zurückgeworfen und dort entweder
absorbiert oder reflektiert; es erzeugt am Fotodetektor 115 kein
Ausgangssignal. Bei Reflexion ungestreuten Lichts durch die Leucht
diode ergibt sich praktisch nur eine Vergrößerung des Lichtweges.
Die schematische Darstellung in Fig. 4 zeigt einen Lichtstrahl 123,
der von der Leuchtdiode 114 zu einem Punkt 124 auf dem Reflektor
117 gelangt und von dort auf dem gleichen Weg zur Leuchtdiode 114
zurückgeworfen wird. Dieser Strahl wird nicht gestreut. Der nächste
Lichtstrahl 125 hingegen wird im Knickpunkt durch ein Rauchteilchen
gestreut, so daß er in Form des Strahls 125′ auf den Reflektor 117
fällt und von dort zum Punkt 126 auf dem Fotodetektor 115 zurück
geworfen wird. Er liefert also ein Ausgangssignal. Während herkömm
liche optische Rauchdetektoren nur einen kleinen Anteil des an
Rauchpartikeln gestreuten Lichtes erfassen, führt die Verwendung
eine sphärischen Reflektorspiegels dazu, daß praktisch das gesamte
Streulicht sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung
ausgenutzt wird.
Fig. 5 macht dies in vergrößertem Maßstab deutlich. Sie zeigt die
Vorwärts- und die Rückwärtsstreuung sowohl eines von der Strah
lungsquelle 114 ausgehenden Lichtstrahls als auch eine vom Spie
gel 117 reflektierten Strahls. Der Strahl 125 unterliegt einer Vor
wärtsstreuung in ähnlicher Weise wie zuvor anhand von Fig. 4 be
beschrieben. Der Strahl 130 wird an einem Rauchteilchen rückwärts ge
streut und fällt im Punkt 131 auf den Strahlungsdetektor 115. Der
Strahl 132 läuft ungestreut zum Reflektor 117 und von dort zunächst
auf der gleichen Bahn zurück bis zu einem Rauchteilchen, wo er in
Vorwärtsrichtung gestreut wird und im Punkt 133 auf den Strahlungs
detektor 115 auftrifft. Schließlich veranschaulicht der Strahl 134
die Rückwärtsstreuung eines reflektierten Strahls. Er läuft zu
nächst ungestreut zum Reflektor 117, wird von dort zurückgeworfen
und trifft auf ein Rauchteilchen. Dort wird er nach rückwärts ge
streut, so daß er erneut auf den Reflektor 117 auftrifft und von dort
aus etwa an der gleichen Stelle auf den Fotodetektor 115 auftrifft,
wie der oben erwähnte Strahl 125. Somit tragen Vorwärtsstreuung
und Rückwärtsstreuung sowohl der ausgesandten als auch der reflek
tierten Strahlen zur Erzeugung eines das Vorhandensein von Rauch
anzeigenden Detektorsignals bei.
Claims (8)
1. Optischer Rauchdetektor mit einer einen Lufteinlaß und
einen Luftauslaß aufweisenden Kammer, in welcher eine
Strahlungsquelle, ein Reflektor und ein
Strahlungsdetektor derart angeordnet sind, daß nur
beim Vorhandensein von Rauch ein Teil der Strahlung
gestreut wird und die gestreute Strahlung auf den
Detektor fällt,
dadurch gekennzeichnet, daß
entweder der der Strahlungsquelle (14) gegenüber
stehende Reflektor (16) oder die dem Reflektor (117)
gegenüberstehende Strahlungsquelle (114) auf dem
Detektor (17, 115) angeordnet und von dessen
strahlungsempfindlicher Fläche ringförmig umgeben ist.
2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Fläche des
Strahlungsdetektors (17, 115) größer ist als die des
Reflektors (16 in Fig. 1) bzw. die der
Strahlungsquelle (114 in Fig. 3).
3. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strahlungs
detektor (17, 115) eine ebene Oberfläche aufweist und
der Reflektor (16) bzw. die Strahlungsquelle (114)
einen Teil dieser Oberfläche bedeckt.
4. Rauchdetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet, daß
zwischen Strahlungsquelle (14) und Reflektor (16) eine
Sammellinse (15) angeordnet ist (Fig. 1).
5. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reflektor (117)
durch die Innenfläche einer Teilkugelschale gebildet
und die Strahlungsquelle (114) im Krümmungsmittelpunkt
der Kugelschale angeordnet ist.
6. Rauchdetektor nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle
(114) innerhalb des Flächenbereiches einer ebenen
Strahlungsdetektorfläche (15) angeordnet ist.
7. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlungsquelle (14; 114) eine Infrarotlichtquelle
und der Strahlungsdetektor (17; 115) infrarot
empfindlich ist.
8. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die
Strahlungsquelle (14; 114) eine
Galliumarsenid-Leuchtdiode ist.
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Legal Events
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D2 | Grant after examination | ||
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