DE3123279C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Früherken­ nung eines Brandes vor Ausbruch eines offenen Feuers mit Hilfe der beim Brand entstehenden Gaskomponente gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner be­ zieht sich die Erfindung auf einen Kohlenmonoxid- Brandmelder zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei den sogenannten Brandmeldern unterscheidet man grundsätzlich zwei Gruppen, nämlich Brandmelder, die auf ein offenes Feuer ansprechen, und solche, die den Brand bereits vor Ausbruch eines offenen Feuers anzeigen können. In die erste Kategorie gehören insbesondere Temperaturmelder und auf den durch einen Brand erzeugten Rauch reagierende Streulichtmelder. Diese Brandmelder besitzen allerdings den Nachteil, daß geeignete Sicherungsmaßnahmen relativ spät in Gang gesetzt werden können.

Dieser Nachteil ist bei den Brandmeldern behoben, die bereits vor Ausbruch des offenen Feuers ein Warn­ signal abgeben. Auch bei dieser Gruppe ist eine Viel­ zahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die sich sowohl von ihrem Aufbau her wie auch in ihrer Wirkungsweise voneinander unterscheiden.

Bei den sogenannten Ionisationsmeldern wird eine Luftstrecke mit Hilfe eines radioaktiven Präparats ionisiert. Falls die bei einem Brand erzeugten Aero­ sole in die ionisierte Luftstrecke gelangen, hat dies eine Änderung des elektrischen Widerstandes zur Folge, welche zur Auslösung des Brandalarms führt. Diese Ionisationsmelder besitzen allerdings den Nach­ teil, daß sehr häufig Fehlalarme ausgelöst werden durch Aerosole, die nicht durch einen Brand, sondern durch hohe Luftfeuchtigkeit, Wasserdampf oder Staub erzeugt werden.

Zur Früherkennung eines Brandes lassen sich auch Kohlenmonoxidmeßgeräte verwenden, mit denen die Kohlenmonoxidkonzentration überwacht wird. Dazu sind Wärmetönungssensoren bekannt (DE-AS 13 00 315), zum Beispiel beheizte Platindrähte, an denen brennbare Gase mit Volumenkonzentrationen von einigen Prozent verbrannt werden. Die dadurch entstehende Tempera­ turerhöhung wird als Widerstandsänderung des Platin­ drahtes gemessen. Setzt man solche Kohlenmonoxidmeß­ geräte ein, so wird bei Überschreiten eines Grenz­ wertes der CO-Konzentration das Warnsignal ausgelöst. Diese CO-Meßgeräte sind allerdings nicht für größere Räume geeignet, in denen oftmals keine eindeutig ge­ richtete Luftbewegung stattfindet, was zur Folge hat, daß das durch einen Brand erzeugte Kohlenmonoxid erst zu spät an den Meßwertaufnehmer des Gasmeßgerätes ge­ langen kann. Große Verzögerungszeiten bis zum Anspre­ chen der Meßeinrichtung können aber auch bei Verwen­ dung von Meßstellenumschaltern auftreten, wenn näm­ lich der Brand an einer ungünstig gelegenen Stelle ausbricht. Der Einsatz einer großen Anzahl von Meßge­ räten, um alle Bereiche abzudecken, wird durch die dabei entstehenden hohen Kosten begrenzt.

Es ist ferner bekannt, Brandmelder mit Metalloxid­ halbleitern als Meßgrößenaufnehmer zu verwenden, welche auf die bei Bränden entstehende Gaskomponenten durch Änderung des Meßwiderstandes ansprechen. Die elektrische Leitfähigkeit kann sich hierbei teilweise um mehrere Zehnerpotenzen ändern. Der Nachteil dieser Brandmelder besteht jedoch darin, daß die verwendeten Halbleiter mehr oder weniger stark auf alle brennba­ ren Gase ansprechen und deshalb den Einsatz derarti­ ger Brandmelder im Untertagebergbau, insbesondere bei Anwesenheit von Methan nicht möglich ist. Auch sind Metalloxidhalbleiter nicht ausreichend stabil, weil sich die elektrische Leitfähigkeit durch Alterung, durch Änderung der relativen Feuchte und der Temperatur ändert.

Um derartige Brandmelder auch bei Anwesenheit von Methan zur Bestimmung der CO-Konzentration verwenden zu können, sind CO-Meßgeräte entwickelt worden (DE-PS 23 13 413), bei denen der Umstand genutzt wird, daß die Adsorptions- und Desorptionsgeschwindigkeit der einzelnen Gaskomponenten bei unterschiedlichen Tempe­ raturen verschieden ist. Dazu wird bei diesen Geräten die Temperatur des Halbleiters periodisch geändert und die hierdurch bewirkte unterschiedliche Reakti­ onsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Halbleiter für die Messung ausgenutzt. Diese Geräte sich jedoch relativ aufwendig und deshalb auch störanfällig.

Es ist schließlich bekannt (US-PS 40 74 243), zur Früherkennung eines brennbaren Gases die monotone An­ stiegsgeschwindigkeit der Gaskonzentration zu messen. Ist diese Anstiegsgeschwindigkeit größer als ein festgelegter Wert, so wird ein Alarm ausgelöst. Darüberhinaus wird die Gaskonzentration selbst zur Alarmauslösung benutzt. Der Sinn derartiger Meßgeräte ist die Verkürzung der Ansprechzeit (t₉₀-Zeit) eines Meßgerätes zur Messung explosionsfähiger Gasgemische.

Außerdem ist bereits vorgeschlagen worden (EP- 00 16 351) Gasmelder, die Metalloxidhalbleiter verwen­ den, insbesondere wenn sie in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden mit einem in explosionsge­ schützter Bauart ausgeführten Raum zu versehen, der durch eine Abdeckung aus gasdurchlässigem Sinterme­ tall, durch die ein Gasaustausch mit der Atmosphäre möglich ist, abgeschlossen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise aus­ gehend von dem Stand der Technik der Metalloxidhalb­ leiter das als bekannt vorausgesetzte Verfahren so zu führen, daß eine sichere Erkennung des Kohlenmonoxids vor Ausbruch des offenen Feuers erkennbar wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das Kohlenmonoxid von einem entstehenden Brand nicht gleichförmig erzeugt wird. Die ungleichmäßige Erzeu­ gung von Kohlenmonoxid läßt sich auf das sogenannte Atmen eines Brandes zurückführen. Schwankende Kohlen­ monoxidkonzentrationen an der Meßstelle werden ferner durch Änderungen des Luftstromes zwischen dem Entste­ hungsort des Brandes und dem Brandmelder, sowie durch die turbulente Vermischung des Kohlenmonoxids mit dem jeweils vorhandenen Luftstrom verursacht. Insgesamt gesehen bewirken diese Schwankungen der CO-Konzentra­ tion sowie Schwankungen, die durch die Turbulenz der Luftströmungen verursacht werden, eine zeitabhängige Leitfähigkeitsänderung des Metalloxidhalbleiters. Diese zeitliche Änderung des Meßwiderstandes wird zur Früherkennung des Brandes kontinuierlich gemessen und stellt einen verläßlichen Faktor für die frühzeitige Erkennung eines Brandes dar. Dabei erfolgt die Mes­ sung der Kohlenmonoxidkonzentrationsschwankungen bei einer konstanten Temperatur des Halbleiters, die zwi­ schen der Umgebungstemperatur, vorzugsweise oberhalb der Raumtemperatur unter 350°C gehalten wird. Vom erhaltenen Meßwert wird nach Verstärkung ein der mittleren Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters entsprechendes Signal abgetrennt; nur die Änderungen der Leitfähigkeit, die den Schwankungen der CO-Kon­ zentration an der Meßstelle entsprechen werden ver­ stärkt.

Ein nach diesem Verfahren arbeitender Brandmelder ge­ mäß der Erfindung ist einfach und robust aufgebaut. Er eignet sich insbesondere für die erschwerten Be­ triebsbedingungen im Untertagebergbau.

Gemäß dem Anspruch 2 wird das erhaltene Meßsignal ge­ filtert, indem man die Amplituden und Frequenzen aus­ filtert, die durch Änderungen der CO-Konzentration infolge der normalen CO-Vorbelastung entstehen. Dieses Meßsignal wird dann gleichgerichtet und in einem Integrator aufsummiert, so daß bei Überschrei­ ten eines vorbestimmbaren Grenzwertes ein Signalgeber ausgelöst wird. Hierfür eignen sich optische und akustische Signalgeber. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß langsame und langfristige Änderungen der Leitfähigkeit des bzw. der Metalloxid­ halbleiter keine wesentliche Änderung des Ausgangs­ signals bewirken. Hierbei kann man die Ausgangs­ signale mehrerer CO-Brandmelder in einem Prozeßrech­ ner so miteinander verknüpfen, daß durch Differenz­ bildung zwischen den einzelnen Meldern Änderungen der Konzentration, die beispielsweise durch ein CO-Vorbe­ lastung verursacht werden, ausgefiltert werden.

Ferner ist Gegenstand des Anspruches 2, daß der Meß­ größenaufnehmer eine große Wärmeträgheit besitzt, so daß die Metalloxidhalbleiter in einem Metallblock großer Wärmeträgheit angeordnet sind. Hierdurch werden schnelle Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit vermieden, die durch Temperaturschwan­ kungen verursacht werden.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung, die Gegen­ stand des Anspruches 3 sind, wird das der mittleren Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters entsprechende Signal abgetrennt. Durch diesen differenzierenden Verstärker können weitere Anzeigeänderungen durch Driften der Elektronik, beispielsweise infolge von temperaturabhängigen Offsetströmen vermieden werden.

Die Erfindung läßt sich ferner zweckmäßig dadurch ausgestalten, daß zwei Metalloxidhalbleiter in einem Gehäuse vorgesehen werden, welche beide auf einer konstanten, jedoch unterschiedlichen Temperatur ge­ halten werden. Der zweite ständig beheizte Metall­ oxidhalbleiter dient dabei der Kompensation der Quer­ empfindlichkeit, beispielsweise gegen Methan. Wird die Temperatur des zweiten Metalloxidhalbleiters niedriger gehalten, so reagiert dessen Meßwiderstand langsamer und in geringerem Maße auf Änderungen der durch einen Brand verursachten Kohlenmonoxidkonzen­ tration.

Ordnet man den zweiten Metalloxidhalbleiter hinter einer Lochblende an, so ändert sich dort die Gaskon­ zentration langsamer als am Metalloxidhalbleiter, so daß auch hier der zweite Halbleiter langsamer auf durch einen Brand verursachte CO-Konzentrationsände­ rungen reagiert.

Insgesamt ist der erfindungsgemäße Brandmelder durch die geschilderten Maßnahmen einfach und robust aufge­ baut. Solche Melder sind ohne besondere Abgleichar­ beiten einsatzfähig. Bei der Herstellung muß ledig­ lich die Empfindlichkeit auf den gleichen Wert einge­ stellt werden.

Der Ausgang der Brandmelder kann zu einer Brandmelde­ zentrale erfolgen, wo die Meßsignale ausgewertet wer­ den, jedoch ist es auch zweckmäßig, wenn das Ausgangs­ signal einem Prozeßrechner zur Weiterverarbeitung zu­ geführt wird. Die erfindungsgemäßen Brandmelder sind besonders für den Untertageeinsatz geeignet. Infolge der gerichteten Wetterströme zwischen Einzieh- und Ausziehschacht gelangen Schwankungen der Kohlen­ monoxidkonzentration, die durch einen verdeckten Gru­ benbrand oder durch einen Glimmbrand entstehen, in je­ dem Fall bis zu einem in größerer Entfernung hinter dem Brandherd aufgehängten Brandmelder. Da die erfin­ dungsgemäßen Brandmelder zudem ohne Schwierigkeiten eigensicher ausgeführt werden können, ist ihre Zulas­ sung ohne Einschränkung möglich.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des CO-Brandmelders,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines CO-Brand­ melders,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Meßgrößenaufnehmers mit eingebautem Metalloxidhalbleiter sowie

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht durch einen mit zwei Metalloxidhalbleitern versehenen CO-Brandmelder.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild ist eine Stromquelle 1 mit einer Heizwicklung 2 vorgesehen, über welche der mit dem Bezugszeichen 3 versehene Me­ talloxidhalbleiter mit einem konstanten Strom versorgt und auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Der Metalloxidhalbleiter 3 ist an einen Eingang eines Ope­ rationsverstärkers 4 angeschlossen, so daß Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxidhalblei­ ters 3, die durch adsorbierte Gaskomponenten hervorge­ rufen werden, verstärkt und als Spannungsänderungen über den Ausgang des Operationsverstärkers 4 abgegeben werden. In einer Rückführung des Verstärkers ist ein Widerstand 5 vorgesehen, welcher zur Einstellung der Empfindlichkeit dient. Dem Operationsverstärker 4 ist ein Wechselspannungs-Differenzverstärker 6 nachgeschal­ tet durch den das Ausgangssignal des Verstärkers 4 dif­ ferenziert wird. Das heißt, im Differenzverstärker wird das der mittleren Leitfähigkeit des Metalloxidhalblei­ ters entsprechende Signal abgetrennt und werden nur die Änderungen der Leitfähigkeit verstärkt, die den Schwan­ kungen der Kohlenmonoxidkonzentration an der Meßstelle entsprechen. Hierdurch ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6 proportional zur zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4 und damit zur Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters 3. In einem elektrischen Fil­ terkreis 7 wird die Abtrennung des für einen entstehen­ den Brand bei der jeweils vorhandenen Strömungsgeschwin­ digkeit der Luft typischen Frequenz- und Amplitudenbe­ reiches von den Schwankungen durch die CO-Vorbelastung bewirkt, so daß am Ausgang des Filterkreises 7 nur die durch einen Brand verursachten Schwankungen der CO-Konzentrationen anstehen. Dieses Signal wird dann in einem Gleichrichter 8 gleichgerichtet und durch ein nicht näher dargestelltes Integrationsglied geglättet. Dieses Ausgangssignal wird über die Leitung 10 in eine Brandmeldezentrale zur weiteren Auswertung geleitet und betätigt bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenz­ werts einen Grenzsignalgeber 9, der dann eine Anzeige 11 auslöst, die zweckmäßigerweise eine optische oder akustische Anzeige ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Metalloxidhalbleiter 3, 14 vorgesehen, von denen der gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 zusätzliche Metalloxidhalbleiter 14 zur Kompensation der Querempfindlichkeit, beispielsweise gegen Methan, anstelle des Widerstandes 5 in der Rückführung des Ope­ rationsverstärkers 4 vorgesehen ist. Auch dieser Metall­ oxidhalbleiter 14 wird über eine Heizwicklung 13 be­ heizt, die aus einer Stromquelle 12 gespeist wird. Die Stromquelle 12 speist die Heizwicklung 13 zweckmäßiger­ weise mit einem niedrigeren Strom als es bei der Heiz­ wicklung 2 für den Metalloxidhalbleiter 3 de; Fall ist, so daß der Metalloxidhalbleiter 14 auf eine unterschied­ liche, nämlich niedrigere Temperatur gegenüber dem Me­ talloxidhalbleiter 3 gehalten ist. Durch die niedrige­ re Temperatur reagiert der Meßwiderstand des Metali­ oxidhalbleiters 14 langsamer und in geringerem Maße auf Änderungen der CO-Konzentration, die durch einen Brand verursacht wird. Langsame Änderungen der mittle­ ren Leitfähigkeiten beider Halbleiter werden jedoch ebenso wie die Methan-Querempfindlichkeit weitgehend kompensiert. Die weiteren Elemente 6 bis 11 des Block­ schaltbilds entsprechen den in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Elementen.

Bei einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Metalloxidhalbleiter 14 hinter einer Lochblende angeordnet, so daß die Gaskonzentration an diesem Me­ talloxidhalbleiter sich langsamer ändert als am Metall­ oxidhalbleiter 3. Die beiden Metalloxidhalbleiter wer­ den auf konstanten Temperaturen gehalten.

In den Fig. 3 und 4 sind Meßgrößenaufnehmer in schema­ tischen Schnittansichten dargestellt, welche einen Metalloxidhalbleiter aufweisen. Der in Fig. 3 gezeigte Meßgrößenaufnehmer umfaßt einen Metalloxidhalbleiter 15, der in einem druckfesten Metallgehäuse großer Wär­ meträgheit 16 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist das Gehäuse durch einen insbesondere mehrschichti­ gen Metallblock gebildet, in dem der oder die Metall­ oxidhalbleiter angeordnet sind. Dies hat zur Folge, daß durch Temperaturschwankungen verursachte schnelle Än­ derungen der elektrischen Leitfähigkeit vermieden wer­ den. Unterhalb des Metalloxidhalbleiters ist eine Sintermetallscheibe 17 angeordnet, die als Zünddurch­ schlagsicherung dient. Zur Wärmeisolierung ist das Ge­ häuse 16 in ein Kunststoffgehäuse 18 eingelassen, wel­ ches oben durch einen Deckel verschlossen ist. Der Me­ talloxidhalbleiter 1 ist zusammen mit dem Anschlußkabel 19 mit Vergußmasse 20 eingegossen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines CO-Brand­ melders, bei dem zwei Metalloxidhalbleiter 24 als Meß­ fühler verwendet werden. Diese Halbleiter 24 sind zweck­ mäßigerweise gleichfalls in einem Gehäuse mit großer Wärmeträgheit angeordnet. Der Meßgrößenaufnehmer 21 ist hinter einem Aktivkohlefilter 22 und einer als Zünd­ durchschlagsicherung dienenden Sintermetallscheibe 23 angeordnet. Im übrigen entspricht die Ausführungsform des Meßgrößenaufnehmers 21 dem in Fig. 3 dargestellten Meßgrößenaufnehmer. Im Gehäuse 25 befinden sich schließ­ lich außerdem die elektronische Schaltung 26 und der Anschlußraum für das Kabel 27, welches über eine Zug­ entlastung 28 eingeführt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Früherkennung eines Brandes vor Ausbruch eines offenen Feuers mit Hilfe der beim Brand entstehen­ den Gaskomponenten, bei welchem der durch das Gas beein­ flußte elektrische Widerstand eines die zu messende Gas­ komponente adsorbierenden Metalloxidhalbleiters gemessen und das dabei erhaltene Signal für die Brandmeldung ver­ wendet wird, gekennzeichnet durch kontinuierliche Mes­ sung der zeitlichen Änderung des elektrischen Widerstands des Metalloxidhalbleiters (3), der auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, die zwischen der Umgebungstem­ peratur und 350 Grad Celsius liegt, wobei das der mittle­ ren Leitfähigkeit des Metalloxidhalbleiters entsprechende Signal abgetrennt wird und nur die den Schwankungen der CO-Konzentration an der Meßstelle entsprechenden Änderun­ gen der Leitfähigkeit zur Brandmeldung verwendet werden.

2. Kohlenstoffmonoxid-Brandmelder zur Durchführung des Ver­ fahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalloxidhalbleiter (3) in einem Gehäuse (16) mit großer Wärmeträgheit angeordnet und auf konstanter Temperatur gehalten ist, daß dem Metalloxidhalbleiter (3) ein Wech­ selspannungs-Differenzverstärker (6) zur Verstärkung von lediglich Leitfähigkeitsänderungen des Metalloxidhalblei­ ters nachgeschaltet ist und daß dem Differenzverstärker (6) ein elektrischer Filterkreis (7) nachgeschaltet ist, welcher nur die brandtypischen Frequenz- und Amplituden­ schwankungen des verstärkten Signals aussiebt.

3. Brandmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzverstärker (6) ein Operationsverstärker (4) vorgeschaltet ist, in dessen Rückführung ein Widerstand (5) zur Empfindlichkeitseinstellung vorgesehen ist.

4. Brandmelder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ausgangssignal (10) des Melders einer Brand­ meldezentrale zugeführt und/oder einem Prozeßrechner für mehrere Melder zugeführt ist.