DE3536038A1 - Verfahren und vorrichtung zum entdecken von feuer und explosionen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum entdecken von feuer und explosionen

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Brian David Maidenhead Berkshire Powell
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Description

DIPL-ING. H. MARSCH ««»τ. *Ooo Düsseldorf ι
DIPL.-ING. K. SPARING rethelstrasse 123 DIPL.-PHYS. DR. ~W. H. ROHL ^ 1, telefon (0211) 671034 PATENTANWÄLTE TELEX 858 2542 SPRO D ZDOSL. TSKTRETER BEIM IÜROPÄISCHEN PATENTAKT ,- — — _,
O ü J D U 3 8
GRAVINER LIMITED
Sword House
Totteridge Road,
High Wycombe, Buckinghamshire HP13 6EJ
England
8/51
Verfahren und Vorrichtung zum Entdecken von Feuer und Explosionen
Die Erfindung betrifft das Endecken von Feuer und Explosionen (nachstehend allgemein als "Feuer" bezeichnet) und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von Ausgängen in Abhängigkeit vom Abstand eines Feuers und/oder seiner Größe. Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung arbeiten in Ansprache auf von dem Feuer emittierte Strahlung.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ausgangs in Abhängigkeit vom Abstand einer Strahlungsquelle vorgesehen, die Vergleichsmittel umfaßt, um die elektromagnetische Strahlung zu vergleichen, die bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen empfangen wird, von denen eine durch die Umgebungsatmosphäre signifikant absorbiert und die andere in Bezug auf eine derartige Absorption relativ nicht signifikant ist, um einen entfernungsabhängigen Ausgang zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Messen des Abstandes einer Strahlungsquelle vorgesehen, umfassend die Schritte des Messens der Strahlung, die in einem ersten und einem zweiten, zueinander mit Abstand angeordneten engen Wellenlängenbändern empfangen wird, wobei das erste eine Wellenlänge umfaßt, bei der die Strahlung von der Quelle signifikant durch die Umgebungsatmosphäre absorbiert wird, während das zweite Wellenlängenband eine Wellenlänge umfaßt, bei der diese Absorption nicht signifikant ist, und des Messens des Verhältnisses zwischen den beiden
Intensitäten, um einen entfernungsabhängigen Ausgang zu erzeugen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.
5
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt, wie zwei oder mehr Vorrichtungen von
Fig. 1 verwendet werden können, um die Position
eines Feuers zu bestimmen.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer
weiteren Ausführungsform.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen arbeiten auf der Basis der Feststellung von Strahlung, die von einem Feuer emittiert wird. Die Intensität einer derartigen Strahlung, wie sie von einem Strahlungsdetektor empfangen wird, hängt von der Intensität der von dem Feuer emittierten Strahlung, der Größe des Feuers und dem Abstand zwischen dem Feuer und dem Detektor ab. Es ist daher verständlich, daß es nicht möglich ist, den Abstand zwischen einem Feuer und einem Detektor durch einfache Messung der von dem Detektor empfangenen Intensität zu messen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die von dem Feuer emittierte Strahlung gleichzeitig bei zwei verschiedenen Wellenlängen (oder in zwei verschiedenen engen Wellenlängenbändern) gemessen, wobei ein Wellenlängenband um eine Wellenlänge zentriert ist, bei der Strahlung durch die Atmosphäre zwischen dem Detektor und dem Feuer absorbiert wird, während das andere Wellenlängenband um eine Wellenlänge zentriert ist, bei der im wesentlichen keine derartige Absorption stattfindet. Wenn 11 die Intensität der empfangenen Strahlung in dem Wellenlängenband darstellt, in dem im wesentlichen keine Absorption stattfindet, und 12 die Intensität der Strahlung darstellt, die in dem Wellenlängenband empfangen wird, in dem
eine wesentlichen Absorption stattfindet, dient die Vorrichtung dazu, die beiden Intensitäten, etwa durch Messen des Verhältnisses 11/12 zu vergleichen. Dieses Verhältnis steigt an, wenn der Abstand zwischen dem Feuer und der Meßstelle sich vergrößert, da 12 mit sich vergrößerndem Abstand abnimmt, da durch die größere zurückgelegte Weglänge eine stärkere Absorption erhalten wird. Sowohl 11 als auch 12 nehmen natürlich mit sich vergrößerndem Abstand ab, da die von einer Strahlungsquelle empfangene Intensität mit dem Abstand der Quelle vom Meßpunkt über das invertierte Quadrat der Entfernung zusammenhängt. Da dies jedoch 11 als auch 12 betrifft, ist insoweit der Gesamteffekt Null. Es sei angenommen, daß 11 nicht vollständig durch Absorption unbeeinträchtigt bleibt, obwohl das entsprechende Wellenlängenband spezifisch ausgewählt ist, um die Absorption zu minimalisieren. Aufgrund dessen und aufgrund anderer Faktoren kann die Beziehung zwischen 11/12 und dem Abstand möglicherweise keine einfache lineare Beziehung sein. Experimente haben gezeigt, daß unter bestimmten Umständen diese Beziehung folgende Form haben kann:
11/12 = A + Bx (1)
wobei A und B Konstanten und χ der Abstand zwischen der Quelle und der Meßstelle sind.
Jedoch kann diese Beziehung auch andere Formen besitzen. Insbesondere kann es sich um eine Exponentialbeziehung handeln. Vorausgesetzt jedoch, daß die Form der Beziehung bekannt ist, kann die Beziehung dazu verwendet werden, den Abstand zwischen dem Feuer und der Meßstelle zu bestimmen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besitzt Strahlungsdetektoren 10 und 12, die den Bereich, in dem Feuer erwartet wird, über entsprechende Strahlungsfilter 14 und 16 überwachen. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich insbesondere um eine solche, die zur Entdeckung von Kohlenwasserstoff feuern geeignet ist.
Das Filter 14 läßt Strahlung zum Detektor 10 in einem engen Wellenlängenband im Bereich von 4,35 bis 4,6 um durch, wobei es sich um Wellen-
Τ-
längen handelt, bei denen Feuer Strahlung emittiert und bei denen im wesentlichen keine atmosphärische Absorption stattfindet, während das Filter 16 Strahlung zu dem Detektor 12 in einem engen Wellenlängenband von etwa 4,1 bis 4,35 pm durchläßt, wobei es sich um ein Wellenlängenband handelt, bei dem Strahlung durch atmosphärisches Kohlendioxid absorbiert wird. Die Detektoren 10 und 12 können beispielsweise thermosäulen- oder pyroelektrische Detektoren sein. Jeder Detektor 10,12 erzeugt einen entsprechenden elektrischen Ausgang 11, 12 in Abhängigkeit von der Größe der Strahlungsintensität, die empfangen wird. Die Ausgänge 11, 12 werden einer Verhältnismeßeinheit 18 zugeführt, die auf einer Leitung 20 ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Verhältnis 11/12 erzeugt. Ein Analog/Digital-Konverter 22 konvertiert diesen Verhältnisausgang in Digitalform, wobei der Digitalwert über eine Leitung 24 einer Verarbeitungseinheit 26 zugeführt wird. Letztere verarbeitet das Digitalsignal von Leitung 24 zum Erzeugen eines Ausgangs auf einer Leitung 28, der den Abstand χ zwischen dem Feuer und den Detektoren anzeigt. Die Verarbeitungseinheit 26 muß daher in Übereinstimmung mit der Beziehung zwischen 11/12 und dem Abstand χ arbeiten, beispielsweise entsprechend der oben aufgeführten Gleichung, wenn diese die Beziehung darstellt. Die Verarbeitungseinheit 26 kann irgendeine geeignete Form besitzen. Beispielsweise kann es sich um einen Mikroprozessor handeln, der durch eine geeignete Software entsprechend der speziellen Beziehung zwischen dem Verhältnis 11/12 und dem Abstand χ gesteuert wird. Statt dessen kann es sich auch um eine Tabelle handeln.
Die Intensität des Feuers selbst sei 10; dann folgt;
H=C. IO/x2,
wobei C eine Konstante ist. Dann ist:
10 = Il '. x7C (2)
Entsprechend der Gleichung (2) kann daher die Vorrichtung gemäß Fig. 1 einen Ausgang entsprechend 10 erzeugen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird der Digitalausgang auf Leitung 28, der den Abstand χ darstellt, einer Quadriereinheit 30 zugeführt, deren Ausgang, gleich x2, auf einen Eingang einer Multipliziereinheit 32 gegeben wird. Der weitere Eingang der Multi-
• S-
pliziereinheit 32 empfängt ein Signal entsprechend 11 über einen Analog/Digitalwandler 34. Daher stellt der Ausgang der Multipliziereinheit 32 auf einer Leitung 36 die Intensität IO des Feuers selbst dar. Der Ausgang auf Leitung 36 kann ebenfalls einem Eingang des Komparators 38 gegeben werden, dessen weiterer Eingang ein Konstantsignal auf einer Leitung 40 empfängt. Der Komparator 38 erzeugt nur einen Ausgang auf einer Leitung 42, wenn IO einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Für einen vorgegebenen Feuertyp erhält man daher IO als Maß für die Größe des Feuers und auf der Leitung 42 einen Ausgang, der anzeigt, daß das Feuer wenigstens von einer vorbestimmten Größe ist.
Die Vorrichtung kann mit einem dritten Strahlungsdetektor 44 versehen sein, der Strahlung durch ein Filter 46 empfängt. Der Ausgang 13 des Detektors 44, der die Intensität der Strahlung repräsentiert, die durch den Detektor 44 in dem durch das Filter 46 definierten Wellenlängenband empfangen wird, wird auf einen Eingang eines Komparators 48 gegeben, dessen anderer Eingang den Ausgang 11 auf einer Leitung 50 empfängt. Der Komparator 48 vergleicht daher die Ausgänge 13 und 11 und erzeugt nur dann einen Ausgang auf einer Leitung 52, wenn einer der beiden Eingänge die Größe des anderen übersteigt. Das über das Filter 46 definierte Wellenlängenband ist derart ausgewählt, daß irgendein Ausgang auf der Leitung 52 die Existenz eines Feuers bestätigt. Strahlung von anderen Quellen als von dem zu entdeckenden Feuertyp (das heißt "Untergrundstrahlung") erzeugt auf der Leitung 52 kein Ausgangssignal. Beispielsweise könnte das Filter 46 ein enges Wellenlängenband zentriert um 1um definieren. Bei Anwesenheit eines Kohlenwasserstofffeuers wird die Strahlung in dem Wellenlängenband von 4,35 bis 4,6 pm (dieses Band wird durch das Filter 14 definiert) beträchtlich größer als die Strahlung bei 1um sein, so daß daher auf der Leitung 52 ein Ausgangssignal erzeugt wird. Wenn jedoch eine Rauschquelle für Strahlung existiert, beispielsweise Strahlung von der Sonne oder von heißen Flächen, wird die Strahlung bei 1um verhältnismäßig größer, so daß kein Ausgangssignal auf der Leitung 52 erzeugt wird.
Das Filter 46 könnte jedoch auch ein breites Wellenlängenband, zentriert um 4,4 pm (d.h. wesentlich breiter als das von dem Filter 14 definierte Wellenlängenband) definieren. In Anwesenheit eines Kohlenwasserstofffeuers wird der Komparator 48 wiederum ein Ausgangssignal erzeugen, jedoch nicht in Ansprache auf eine Rauschquelle des oben erwähnten Typs.
Die Ausgänge auf den Leitungen 42 und 52 können auf ein UND-Gatter 54 gegeben werden, um ein Feueralarmsignal auf einer Leitung 56 zu erzeugen. Der Ausgang gemäß Leitung 56 wird daher nur dann erzeugt, wenn Strahlung von einem Feuer des zu entdeckenden Typs als vorhanden festgestellt wird und die Größe des Feuers die Größe der Schwelle, die durch das Signal auf der Leitung 40 definiert wird, übersteigt. Daher vollführt die Vorrichtung eine Diskriminierung gegen kleine Feuer nahe bei den Detektoren, die es nicht erforderlich machen, Alarm zu machen. Beispielsweise würde auf der Leitung 56 kein Ausgang in Ansprache zu der Flamme eines Raucherfeuerzeugs erzeugt werden, da die Größe dieser Flamme zu klein ist, um einen Ausgang auf der Leitung 42 zu erzeugen. Jedoch würde auf der Leitung 56 ein Ausgang in Ansprache auf ein großes Feuer (beispielsweise einem Bohrlochbrand an einem ölbohrturm), selbst wenn sich dieses in großer Entfernung befindet, erzeugt werden.
Wenn es sich um Detektoren handelt, deren Empfindlichkeit mit dem Sichtwinkel variiert, führen die erzeugten Ausgangssignale zu einer Verminderung in der Genauigkeit mit der Änderung des Sichtwinkels.
Zwei oder mehr Vorrichtungen gemäß Fig. 1 können verwendet werden, um die Position eines Feuers in einem zu überwachenden Bereich zu lokalisieren. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, in der D1, D2 und D3 jeweils eine Vorrichtung mit Detektoren 10,12 oder ähnliche Vorrichtungen darstellen. Die auf einer senkrechten Achse in Fig. 2 stellen die Abstände in Metern dar. Wenn daher ein Feuer am Punkt F existiert, erzeugt die Vorrichtung D1 einen Ausgang auf ihrer Leitung 28, der den Abstand zu dem Feuer als 4m anzeigt, während die Vorrichtung D2 einen entsprechenden Ausgang erzeugt, der den Abstand als 8m anzeigt. Diese beiden Ausgangssignale für die Abstände können in entsprechender Weise (etwa durch einen Mikroprozessor) verarbeitet werden, um die Position des Feuers F zu identifizieren. Das Ausgangssignal für den Abstand der Vorrichtung D3 liefert die Bestätigung der Position, obwohl dies nicht wesentlich ist).
Vorstehend war angenommen, daß das Feuer F von kleiner physischer Ausdehnung in Bezug auf die durch die Vorrichtungen gemessenen Abstände ist. Wenn es jedoch von wesentlicher physischer Ausdehnung ist, werden die Ausgangssignale für die Abstände von den Vorrichtungen D1, D2 und D3 nicht nur die Position des Feuers, sondern auch wenigistens näherungs-
• /Ο-
weise seine physische Ausdehnung anzeigen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Vorrichtung, die der von Fig. 1 entspricht, jedoch analog arbeitet. Hierbei wird spezifisch von der Annahme ausgegangen, daß die Beziehung zwischen 11 und 12 entsprechend der vorstehend aufgeführten Gleichung (1) ist. Die Vorrichtung von Fig. 3 besitzt die drei Detektoren 10,12 und 44 von Fig. 1 und deren zugehörige Filter 14, 16 und 46.
Der Ausgang 11 des Detektors 10 wird einem logarithmischen Verstärker 68 zugeführt, um einen Ausgang log (11) auf einer Leitung 69 zu erzeugen, der auf einen Eingang eines DifferenzialVerstärkers 70 gegeben wird. Der andere Eingang des Verstärkers 70 empfängt einen Ausgang log (12) auf einer Leitung 72 von einem logarithmischen Verstärker 74, der das Signal 12 vom Detektor 12 empfängt. Der Ausgang des Verstärkers 70 wird einem Eingang eines zweiten Differenzialverstärkers 76 zugeführt, dessen zweiter Eingang ein Konstantsignal auf einer Leitung 78 empfängt. Der Ausgang des Verstärkers 76 wird auf einen Antilogarithmusverstärker 80 gegeben, dessen Ausgangssignal an einem Ausgang 82 erscheint.
Unter Bezugnahme auf Gleichung (1) ist es daher verständlich, daß der Ausgang auf der Leitung 82 ein Signal ist, das den Abstand χ darstellt. Der Konstanteingang auf der Leitung 78 zum Verstärker 76 zieht die Konstanten A und B in Betracht.
25
Der Ausgang vom Verstärker 76, der log (x) darstellt) wird auf einen Verzweifachungsverstärker 84 gegeben, der einen Eingang für eine Summiereinheit 86 liefert. Der zweite Eingang der Summiereinheit 86 empfängt das Signal log (11) von der Leitung 69. Der Summenausgang wird auf einen Differenzialverstärker 88 gegeben, dessen zweiter Eingang ein Konstantsignal auf einer Leitung 90 empfängt.
Aus der vorstehenden Gleichung (2) ist ersichtlich, daß
log (10) = log (11) + log (x2) - log (C).
Daher ist der Ausgang des Verstärkers 88 auf der Leitung 92 gleich log (10). Dies wird auf einen Antilogarithmusverstärker 94 gegeben, der ein Ausgangssignal an einem Anschluß 96 erzeugt, das IO darstellt. Der log (IO)-Ausgang wird ferner auf einen Eingang eines !Comparators 98 gegeben, dessen anderer Eingang ein Konstantsignal auf einer Leitung 100 empfängt. Der Komparator 98 erzeugt daher ein Signal am Anschluß 102, vorausgesetzt, daß die tatsächliche Intensität des Feuers 10, die für einen gegebenen Feuertypus mit der Feuergröße gleichgesetzt werden kann, einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Um eine Bestätigung für die Anwesenheit des zu entdeckenden Feuers zu liefern, wird der Ausgang 13 des Detektors 44 auf einen Logarithmusverstärker 104 gegeben, dessen Ausgangssignal einem Eingang eines Komparators 106 zugeführt wird, dessen zweiter Eingang den log (H)-Ausgang des Verstärkers 68 empfängt. Der Komparator 106 arbeitet in der gleichen Weise wie der Komparator 48 von Fig. 1, so daß ein Feuerbestätigungssignal am Anschluß 108 erzeugt wird. Die Ausgänge der Anschlüsse 102 und 108 können einem UND-Gatter zugeführt werden, das dem UND-Gatter 54 von Fig. 1 entspricht.
Die Schaltkreisanordnung ist bei anderer Beziehung zwischen 11, 12 und dem Abstand χ entsprechend zu modifizieren.
- Leerseite -

Claims (12)

High wycombe, Buckinghamshire HP13 6EJ England Ansprüche
1. Verfahren zum Messen der Entfernung einer Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität gemessen wird, die in zwei mit Abstand zueinander angeordneten engen Wellenlängenbändern empfangen wird, wobei ein Wellenlängenband in einem Strahlungsbereich der Strahlungsquelle liegt, der signifikant durch die Umgebungsatmosphäre absorbiert wird, während das zweite Wellenlängenband in einem Bereich liegt, in dem eine nicht signifikante Absorption durch die Umgeburfgsatmosphäre stattfindet, und daß die beiden Intensitäten miteinander verglichen werden, um ein entfernungsabhängiges Ausgangssignal zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den beiden Intensitäten gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal abhängig von der Intensität, die in dem zweiten Wellenlängenband empfangen wird mit einem Signal, abhängig von dem Quadrat des Verhältnisses, multipliziert wird, um ein Intensitätsausgangssignal zu erhalten, das von der Intensität der Strahlung, wie sie tatsächlich von der Strahlungsquelle emittiert wird, abhängig ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsausgangssignal mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird, um einen Schwellenwertausgang nur dann zu erzeugen, wenn das Intensitätsausgangssignal den Schwellenwert überschreitet.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und zum Erzeugen eines Ausgangs, abhängig von der Entfernung einer Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch einen ersten Detektor (10,14) zur Erzeugung eines ersten Signals, abhängig von der elektromagnetischen Strahlung empfangen in einem ersten Wellenlängenband, in dem die empfangene Strahlung durch die Umgebungsatmosphäre signifikant absorbiert wird, einen zweiten Strahlungsdetektor (12,16) zum Erzeugen eines zweiten Signals, abhängig von der elektromagnetischen Strahlung empfangen in einem zweiten Wellenlängenband, in dem diese Absorption relativ unsignifikant ist, und durch einen Komparator (18,70) zum Empfangen und Vergleichen des ersten und zweiten Signals und zum Erzeugen eines entfernungsabhängigen Ausgangssignals.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator eine Verhältnismeßeinheit (18;68, 64, 70) umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltkreisanordnung (30,32,34;84,86) auf das entfernungsabhängige Ausgangssignal und das zweite Signal ansprechend vorgesehen ist, um einen Intensitätsausgang (36,96) abhängig von der Intensität der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung zu erzeugen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreisanordnung eine Quadriereinheit (30;84) zum Quadrieren des entfernungsabhängigen Ausgangssignals und einen Multiplizierer (32;86) zum Multiplizieren des quadrierten entfernungsabhängigen Ausgangssignals mit einem von dem zweiten Signal abhängigen Signal aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltkreisanordnung (40;98) auf den Intensitätsausgang (36) vorgesehen ist, um einen Schwellenwertausgang (42;102) nur dann zu erzeugen, wenn der Intensitätsausgang einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Detektor (44,46) zum Erzeugen eines dritten Signals abhängig von der elektromagnetischen Strahlung empfangen in einem
dritten Wellenlängenband und ein weiterer Komparator (48,106) vorgesehen sind, der das zweite Signal mit dem dritten Signal vergleicht, um einen Feueranzeigeausgang nur dann zu erzeugen, wenn die Größe eines der beiden verglichenen Signale die Größe des anderen übersteigt, wobei der dritte Wellenlängenbereich derart ausgewählt ist, daß der Feueranzeigeausgang erzeugt wird, wenn die Strahlungsquelle ein Feuer des zu entdeckenden Typs ist, und kein Feueralarmausgang erzeugt wird, wenn die Strahlungsquelle kein derartiges Feuer ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koinzidenzkreis (54) zum Erzeugen eines Alarmsignals (56) nur dann, wenn der Schwellenwertausgang und der Feuerausgang gleichzeitig existieren, vorgesehen ist.
12. Einrichtung bestehend aus zwei Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 5 bis 11 in getrennter räumlicher Anordnung zur Überwachung eines Raumbereiches und zur Ansprache auf den gleichen Feuertyp, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit, die auf die entfernungsabhängigen Ausgangssignale der beiden Vorrichtungen zum Bestimmen der ungefähren Position der Strahlungsquelle vorgesehen ist.
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