DE3123279C2 - - Google Patents
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19813123279 DE3123279A1 (de) | 1981-06-12 | 1981-06-12 | Verfahren zur frueherkennung eines brandes sowie brandmelder |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19813123279 DE3123279A1 (de) | 1981-06-12 | 1981-06-12 | Verfahren zur frueherkennung eines brandes sowie brandmelder |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3123279C2 true DE3123279C2 (de) | 1990-12-20 |
Family
ID=6134510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19813123279 Granted DE3123279A1 (de) | 1981-06-12 | 1981-06-12 | Verfahren zur frueherkennung eines brandes sowie brandmelder |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3123279A1 (de) |
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