DE60203752T2

DE60203752T2 - Brandmelder

Info

Publication number: DE60203752T2
Application number: DE60203752T
Authority: DE
Inventors: Christopher Frederick Carter
Original assignee: Infrared Integrated Systems Ltd
Current assignee: Infrared Integrated Systems Ltd
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: US20020109096A1; EP1233386A3; ATE293821T1; HK1050951A1; GB0202796D0; EP1233386B1; US6818893B2; GB2372317A; DE60203752D1; HK1050951B; GB2372317B; EP1233386A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoren zum Erfassen von unerwünschten Flammen in einem bestimmten Bereich durch das Überwachen der charakteristischen Infrarotstrahlung, die durch derartige Flammen emittiert wird.
Es sind Sensoren zum Erfassen von Flammen bekannt, die einen Bereich auf die charakteristische Infrarotstrahlung überwachen, die durch eine Flamme emittiert wird, wobei die Erfassung einer derartigen Strahlung als Angabe dazu aufgefasst wird, dass eine Flamme vorhanden ist und dass ein Feueralarm signalisiert werden soll. Es können aber Fehlalarme auslösende Strahlungsquellen wie zum Beispiel Halogenleuchten, reflektiertes Sonnenlicht, Entladungsleuchten, elektrische Schweißer, heiße Rohre usw. in einem überwachten Bereich vorhanden sein, die dazu führen können, dass ein Sensor fälschlich das Vorhandensein einer Flamme bestimmt.
Die bestehenden Infrarot-Flammendetektoren verwenden verschiedene Technologien, um so viele Informationen wie möglich zu der in einem Zielbereich emittierten Strahlung innerhalb bestimmter Limits zu sammeln, die durch die Kosten, die Komplexität, die Zuverlässigkeit und die Größe vorgegeben werden. Ein typischer Infrarot-Flammendetektor aus dem Stand der Technik überwacht die durch heißes Kohlendioxid in einem schmalen Wellenlängenband um eine Wellenlänge von 4,5 μm herum emittierte Strahlung und vergleicht diese mit der Strahlung bei einer benachbarten Wellenlänge von zum Beispiel 5,5 μm. Bei Flammen ist das Spektralverhältnis der Strahlungsintensität bei 4,3 μm viel höher als bei einer Strahlung, die durch eine andere Quelle mit der gleichen Temperatur emittiert wird, wodurch gut zwischen dem Vorhandensein und dem Nicht-Vorhandensein einer Flamme unterschieden werden kann. Das System kann eine Analyse der Flimmerfrequenzen in dem Signal oder eine Untersuchung der Korrelation der Signale mit den zwei Wellenlängen durchführen. Das Steuersystem für eine derartige Anordnung wird gewöhnlich mit einem voreingestellten Schwellenwert für das Verhältnis von (3,4 μm Intensität)/(5,5 μm Intensität) programmiert. Wenn dieser Wert für eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten wird, wird ein Alarm aktiviert.
Dieses Basissystem weist jedoch das Problem auf, dass es unter bestimmten Umständen einen Brand nicht korrekt identifizieren kann. Insbesondere wenn zusätzlich zu einer Flamme auch eine Fehlalarm-Strahlungsquelle vorhanden ist, dann wird das 4,3 μm/5,5 μm- Intensitätsverhältnis durch die intensivste Quelle dominiert, wobei der relativ niedrige Fluss der 4,3 μm-Strahlung von einer entfernten oder schwachen Flamme nicht mit ausreichender Genauigkeit erfasst wird, sodass das System aus dem Wert des Intensitätsverhältnisses darauf schließt, dass keine Flamme vorhanden ist, obwohl dies der Fall ist. Außerdem können einige Fehlalarmquellen eine Spektralausgabe erzeugen, die einer Flamme sehr ähnlich ist. Dies kann der Fall sein, wenn die Quelle emittierende Teile mit sehr verschiedenen Temperaturen aufweist, wie das etwa bei einem elektrischen Konvektor/Heizer der Fall ist, oder wenn die Quelle kein schwarzer Strahler ist, wie das bei Quecksilber- oder Natriumdampflampen der Fall ist (derartige Quellen emittieren eine Strahlung über eine große Anzahl von schmalen Wellenbändern).
Um diese Probleme zu beseitigen, wurde die Verwendung eines Array-basierten Infrarot-Detektors vorgeschlagen, in dem ein Bild eines geschützten Bereichs auf ein Array in einer Brennpunktsebene fokussiert wird. Wenn eine derartige Vorrichtung mit einer entsprechenden Signalverarbeitung kombiniert wird, können Schätzungen zu der Winkelgröße von einem oder mehreren strahlenden Objekten vorgenommen werden und kann die interne Struktur und die Bewegung von flammenartigen Erscheinungen analysiert werden. Leider ist es ohne die oben beschriebene Spektralinformation nicht immer möglich, eindeutig zu entscheiden, ob bestimmte Objekte Flammen sind. Die Verwendung von zwei derartigen Arrays löst dieses Problem, weil dann ein Verhältniswert I (4,3 μm/l (5,5 μm) für jedes separat fokussierte Objekt berechnet werden kann. Diese Lösung ist jedoch sehr teuer, weil zwei hochauflösende Sensor-Arrays erforderlich sind, was für viele Anwendungen zu kostspielig ist. Es wurden andere Systeme vorgeschlagen, die mechanische Abtastanordnungen verwenden, wobei diese Systeme jedoch den Nachteil aufweisen, dass die Beobachtungszeiten reduziert sind und schnelle Ereignisse unter Umständen nicht erfasst werden. Weiterhin sind beweglich Teile in der Vorrichtung für bestimmte Anwendungen unvorteilhaft.
US-A-51537772 gibt ein Feuermeldesystem an, in dem ein Bereich unter Verwendung einer Videokamera sowie Infrarot- und Ultraviolett-Detektoren überwacht wird, wobei Ereignissignale von den Detektoren ausgelöst werden, wenn die empfangene Energie über vorbestimmte Schwellenwerte steigt, wodurch ein Prozessor dazu veranlasst wird, die Daten von der Videokamera zu analysieren, um das Vorhandensein eines Feuers zu bestätigen.
EP-A-0926647, auf welcher der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, beschreibt ein Verfahren zum Erfassen eines Feuers, wobei ein Bereich auf Strahlung mit einer ersten und einer zweiten Wellenlänge überwacht wird und das Intensitätsverhältnis der Strahlung mit der ersten Wellenlänge zu der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge berechnet und verwendet wird, um zu bestimmen, ob ein Feuer vorhanden ist oder nicht.
Eine Flammen-Erfassungsvorrichtung umfasst eine Einrichtung (34) zum Messen des Spektralverhältnisses der Intensität von Strahlung mit einer ersten Wellenlänge, die in dem Sichtbereich emittiert wird, zu der Intensität von Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge, die in dem Bereich emittiert wird, gekennzeichnet durch einen Fokus-Array-Sensor (2), der auf Strahlung mit einer vordefinierten Wellenlänge anspricht, um ein Bild der Infrarotstrahlung zu erzeugen, die in einem Sichtbereich emittiert wird, und dadurch, dass die Einrichtung zum Messen des Spektralverhältnisses einen unfokussierten Volumensensor umfasst, der in dem Sichtbereich emittierte Infrarotstrahlung mit der zweiten Wellenlänge mittelt, eine Verarbeitungseinrichtung (5), die die Ausgänge der Bilderzeugungs- und Spektralverhältnis-Messeinrichtung auf Reaktionen analysiert, die das Vorhandensein einer Flamme anzeigen, und einen zweiten Fokus-Array-Sensor, der auf Strahlung mit einer vordefinierten Wellenlänge anspricht, die sich von der des ersten Fokus-Array-Sensors unterscheidet.
Eine Flammen-Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist den Vorteil auf, dass sie eine besonders genaue und zuverlässige Feststellung einer Flamme in einem überwachten Bereich auch dann ermöglicht, wenn einen Strahlungsquellen vorhanden sind, die einen Fehlalarm auslösen könnten.
Der Fokus-Array-Sensor spricht vorzugsweise auf Strahlung in dem Bereich von 2 bis 15 μm an. Unter Array ist hier ein zweidimensionales Array zu verstehen, das zum Beispiel eine Anordnung von 16 mal 16 Sensoren umfasst und ein zweidimensionales Bild eines Sichtfeldes erzeugen kann. Weiterhin bietet die Verwendung eines unfokussierten Volumensensors zum Messen der in dem Bereich emittierten Strahlung mit der zweiten Wellenlänge den Vorteil, dass das System nur einen einzigen Fokus-Array-Sensor benötigt, weshalb die Vorrichtung viel kostengünstiger ist als Systeme aus dem Stand der Technik mit einer vergleichbaren Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
In einer Ausführungsform der Erfindung spricht der Array-Sensor auf die erste oder zweite Wellenlänge an, vorzugsweise auf die erste Wellenlänge von 4,3 μm ist, während der Volumensensor auf die andere Wellenlänge anspricht, vorzugsweise auf die zweite Wellenlänge von 5,5 μm. Die Verarbeitungseinrichtung summiert die auf den Array-Sensor einfallende Gesamtstrahlung und vergleicht diese mit der Ausgabe des Volumensensors, um das Spektralverhältnis zu berechnen. Dies bietet den Vorteil, dass die Anzahl der Komponenten im System und damit die Komplexität und die Kosten reduziert werden können.
Vorzugsweise umfasst das System jedoch zwei Volumensensoren, von denen einer bei der ersten Wellenlänge betrieben wird, während der andere bei der zweiten Wellenlänge betrieben wird. Die Ausgabe aus den beiden Volumensensoren wird verwendet, um das Spektralverhältnis zu berechnen. Der Array-Sensor wird dann verwendet, um ein Bild des Sichtbereichs zu erzeugen. Dies bietet den Vorteil, dass die Komplexität der Verarbeitungseinrichtung zum Betreiben des Systems reduziert wird.
Vorzugsweise ist die erste Wellenlänge gleich 4,3 μm und ist die zweite Wellenlänge gleich 5,5 μm, woraus ein gut definierter Schwellenwert für das Spektralverhältnis resultiert, der bei einer Überschreitung auf das Vorhandensein einer Kohlenwasserstoff-Flamme hinweist. Alternativ hierzu können aber auch andere Wellenlängen wie etwa 2,9 μm anstelle von 4,3 μm verwendet werden, um andere Typen von Flammen wie etwa nicht-Kohlenwasserstoff-Flammen erfassen zu können.
Der Betrieb des Systems kann weiter verbessert werden, indem ein weiterer unfokussierter Volumensensor vorgesehen wird, der die Intensität einer kurzen Wellenlänge oder einer sichtbaren Strahlung misst. Dies bietet den Vorteil, dass Fehlalarme des Systems reduziert werden können, die zum Beispiel durch direkt in das System einfallendes Sonnenlicht ausgelöst werden. Weiterhin kann wenigstens ein weiterer Sensor, der die Temperatur, die Temperaturanstiegsrate oder die Schwingung in dem überwachten Bereich misst, in dem System vorgesehen werden, wobei diese zusätzlichen Informationen durch die Verarbeitungseinrichtung als zusätzliche Bestätigung zu dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein eines Feuers in dem Sichtbereich verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin ein Verfahren zum Erfassen einer Flamme mit folgenden Schritten an: Messen der Intensität von Strahlung mit einer ersten Wellenlänge in einem überwachten Bereich; Messen der Intensität von Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge in dem überwachten Bereich; Berechnen des Spektralverhältnisses der Intensität der Strahlung mit der ersten Wellenlänge zu der Intensität der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge und Vergleichen derselben mit einem vordefinierten Schwellenwert, der das Vorhandensein einer Flamme angibt; Erzeugen eines Bildes der Infrarotstrahlung in dem überwachten Bereich; Analysieren des Bildes auf Anzeichen zu dem Vorhandensein einer Flamme in dem überwachten Bereich; Aktivieren eines Alarms, wenn die Ergebnisse der Spektralanalyse und der Bildanalyse einem vordefinierten Profil entsprechen, das das Vorhandensein einer Flame angibt; Messen der Intensität von wenigstens einer kurzwelligen Strahlung und einer sichtbaren Strahlung in dem überwachten Bereich und Analysieren des Profils auf Anzeichen zu einer Nicht-Flammen-Strahlungsquelle.
Vorzugsweise liegt die erste Wellenlänge bei 4,3 μm und liegt die zweite Wellenlänge bei 5,5 μm, sodass die Erfassung von Kohlenwasserstoff-Flammen möglich ist. Es können jedoch auch andere Wellenlängen verwendet werden, um andere Typen von Flammen wie etwa nicht-Kohlenwasserstoff-Flammen insbesondere bei 2,9 μm festzustellen.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Analyse Schritte zum Feststellen der Anzahl von separaten dynamischen Strahlungsquellen in dem Sichtbereich sowie zum Analysieren der Form, der Bewegung und/oder der Intensität jeder Quelle auf vordefinierte flammenartige Qualitäten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung umfasst das Verfahren einen Schritt zum Messen der Temperatur, der Temperatur-Anstiegsrate und/oder der Schwingung in dem überwachten Bereich sowie zum Analysieren der Eigenschaften auf ein Verhalten, das auf das Vorhandensein einer Flamme hindeutet, sodass zusätzliche Informationen für den Prozessor verfügbar sind, um das Vorhandensein oder das Nicht-Vorhandensein einer Flamme zu bestätigen.
Um die Erfindung zu verdeutlichen, werden im Folgenden einige Ausführungsformen beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Wiedergabe einer Flammen-Erfassungsvorrichtung der Erfindung.
2 ist ein Flussdiagramm, das die durch einen mit der Vorrichtung der Erfindung assoziierten Prozessor durchgeführten Schritte zum Identifizieren des Vorhandenseins einer Flamme in einem überwachten Bereich zeigt.
Die Flammen-Erfassungsvorrichtung von 1 umfasst einen Array-Detektor 2, einen unfokussierten Volumen-4,3 μm-Detektor 3 und einen unfokussierten Volumen-Schutzkanal-5,5 μm-Detektor 4. Der Array-Detektor 2 erfasst ein fokussiertes Bild des überwachten Bereichs, während die Volumen-Sensoren die Szene unfokussiert betrachten. Das Sichtfeld aller drei Detektoren ist ähnlich und erstreckt sich gewöhnlich über ungefähr 90 Grad. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Prozessor 5, der die Ausgaben aus den Detektoren 2, 3, 4 empfängt und einen Alarm aktiviert, wenn er aus diesen Ausgaben bestimmt, dass eine Flamme in dem überwachten Bereich vorhanden ist.
Die Ausgaben aus den zwei Volumen-Detektoren 3, 4 werden elektronisch durch eine bekannte Einrichtung verarbeitet, um numerische Schätzungen des Gesamtsignalpegels und des Spektralverhältnisses der zwei Kanäle zu erzeugen. Die zeitliche Analyse dieser Daten erzeugt auch eine einfache Kennzeichnung der vorhandenen Modulationsfrequenzen hinsichtlich der zentralen Frequenz und der Bandbreite. Der Prozessor 5 verwendet diese Informationen, um eine von drei anfänglichen Bewertungen der Szene zu geben, sobald eine Aktivität festgestellt wird: flammenartig, nicht-flammenartig und dazwischen. Die Ausgabe aus dem Array-Detektor 2, der in der gezeigten Ausführungsform ein 4,3 μm-Filter 7 zur Verbesserung der Flammen-Erkennung umfasst, wird zu Beginn analysiert, um eine von drei Bewertungen der Szene zu geben: (1) Sättigung oder Fehlalarm; (2) eine einzelne Quelle ist vorhanden; (3) zwei oder mehr winkelig getrennte Quellen sind vorhanden. Schließlich analysiert der Prozessor die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften jeder festgestellten Quelle, um zu entscheiden, ob die Daten den bekannten Eigenschaften einer Flamme oder der Größe der Quelle hinsichtlich des Winkels entsprechen.
Unter Verwendung der Informationen aus den Sensoren kann der Prozessor dann die im überwachten Bereich identifizierten Strahlungsquellen analysieren, wobei er den Schritten des Flussdiagramms in 2 und den folgenden Tabellen 1 und 2 folgend entscheidet, ob und welcher Typ von Alarm aktiviert werden soll. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf fünf Hauptszenarios erläutert, die in einem überwachten Bereich entstehen können.
Tabelle 1 Analyse eines anfänglichen einzelnen Elements
Tabelle 2 Entscheidungsbaum
Tabelle 1 gibt sechs kategorisierte Ergebnisse der anfänglichen Bewertung durch die Sensoren wieder. Jedes dieser Ergebnisse entspricht dem Start eines Entscheidungsbaums, in dem zusätzliche Daten aus den Sensoren durch den Prozessor 5 verwendet werden. Die Analyse in 2 und in den Tabellen 1 und 2 wird kontinuierlich durchgeführt. Es können auch weitere Datenanalysen durchgeführt werden, die für die Erfindung nicht relevant sind, aber eine nähere Bestimmung der Kategorien „möglich" und „wahrscheinlich" ermöglichen.
1) Einzelne Fehlalarm-Quelle
Die Analyse der Ausgabe aus dem Array-Detektor 2 ergibt, dass nur eine einzelne Quelle in dem Zielbereich vorhanden ist (dabei handelt es sich wahrscheinlich um ein heißes Objekt wie etwa eine Halogenlampe oder einen Elektroheizer). In einem einfachen Fall kann die Ausgabe aus dem Array 2 ausreichen, um zu bestimmen, dass das Objekt keine flammenartigen Eigenschaften aufweist. In der Praxis tritt jedoch häufig eine Modulation der Quelle auf, die zum Beispiel auf Objekte zurückzuführen ist, die sich vor der Quelle bewegen. Dadurch können flammenartige Eigenschaften erzeugt werden, die dazu führen, dass der Array-Detektor die Quelle fälschlich als eine Flamme identifiziert. Bei einer derartigen Fehlalarmquelle ohne Flammen fällt jedoch das von der Quelle gemessene Spektralverhältnis unter den vorbestimmten Wert für eine Flamme. Das System der vorliegenden Erfindung verwendet diese Information als primären Faktor bei der Bestimmung, ob ein Alarm aktiviert werden soll oder nicht. In seiner sekundären Prüfung kann die Array-Ausgabe weiterhin auf flammenartige Raummerkmale im Ziel wie etwa auf die Größe, Bewegung und Form analysiert werden. Wenn alle Detektor-Informationen kombiniert werden, kann der Fehlalarm positiv mit einem hohen Grad an Gewissheit identifiziert werden.
2) Einzelne Flamme in nahem Bereich
Wenn eine Flamme in der Nähe der Erfassungsvorrichtung vorhanden ist, werden mehrere Bildpunkte des Array-Sensors beleuchtet, sodass eine zuverlässige Analyse der Quelle auf flammenartige Raumeigenschaften durchgeführt werden kann. Das aus den Ausgaben der unfokussierten Detektoren 3, 4 berechnete Spektralverhältnis gibt auch an, dass die Quelle eine Flamme ist. Der Alarm kann also mit einem hohen Grad an Gewissheit aktiviert werden.
3) Einzelne Flamme in weiter Entfernung
Wenn eine Flamme im Sichtbereich in großer Entfernung zu der Erfassungsvorrichtung vorhanden ist, sodass unter Umständen nur ein Bildpunkt des Array-Detektors beleuchtet wird, ermöglicht das aus den Ausgaben der unfokussierten Sensoren berechnete Spektralverhäitnis eine gute Identifizierung des Vorhandenseins einer Flamme. Die Ausgabe aus dem Array-Detektor bestätigt diese Identifikation, weil die Winkelgröße, Position und Intensität der Quelle bekannt sind und vernünftigen Grenzwerten folgen müssen (z. B. kann eine breite Quelle mit niedriger Intensität keine Flamme sein und kann eine sich über große Winkeldistanzen bewegende Quelle keine Flamme sein). Dementsprechend kann die Quelle als eine Flamme identifiziert werden und kann ein Alarm mit hoher Wahrscheinlichkeit aktiviert werden.
4) Eine Flamme und eine Fehlalarmquelle in geringer Entfernung
Wenn sowohl eine Flamme als auch eine Fehlalarmquelle in der Nähe der Erfassungsvorrichtung vorhanden sind, wird das aus den unfokussierten Detektoren 3, 4 berechnete Spektralverhältnis durch die von der Fehlalarmquelle emittierte Strahlung verfälscht. Da die Flamme jedoch nahe an dem Detektor ist, überschreitet der Wert des Spektralverhältnisses den vorbestimmten Schwellwert, was dazu führt, dass der Prozessor das Vorhandensein der Flamme mit entsprechender Gewissheit bestimmt. Wenn beide Quellen mehrere Bildpunkte in separaten Teilen des Arrays beleuchten, werden die durch den Prozessor aus dem Array abgeleiteten Strukturmerkmale wie die Form, die Bewegung und die Intensität zur Bestätigung der Spektraldaten verwendet und können in einer erweiterten Konfiguration auch verwendet werden, um die Richtung des Feuers zu bestimmen.
5) Eine Flamme in großer Entfernung und eine intensive Fehlalarmquelle
Wenn sowohl eine Flamme als auch eine intensive Fehlalarmquelle vorhanden sind, wobei sich die Flamme mit einer großen Entfernung zu dem Detektor befindet, wird die durch die unfokussierten Detektoren 3, 4 empfangene Strahlung durch die Fehlalarmquelle dominiert, sodass das aus der Ausgabe der Volumen-Detektoren 3, 4 berechnete Spektralverhältnis unter den Schwellwert für den zu aktivierenden Alarm fällt. Solange eine Winkeltrennung zwischen der Flamme und der Fehlalarmquelle vorhanden ist, gibt das Vorhandensein eines Signals von der Flamme an, dass eine zusätzliche Strahlungsquelle in der Szene vorhanden ist und dass deren Größe derart ist, dass sie wesentlich zu der durch die unfokussierten Detektoren 3, 4 erfassten Gesamtstrahlung beiträgt. Obwohl unter diesen Bedingungen kein zuverlässiges Spektralverhältnis für die Flamme alleine erhalten werden kann, kann das System der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein einer Flamme mit ausreichender Zuverlässigkeit bestimmen, um einen Alarm oder ein weniger dringliches Warnsignal zu erzeugen. Um die Zuverlässigkeit des Systems in diesem Szenario zu verbessern, können zusätzliche Signalverarbeitungsmethoden wie etwa eine Zeitserien-Analyse des Flammensignals aus einem Bildpunkt des Arrays durch den Prozessor durchgeführt werden.
Aus dem vorstehenden geht hervor, dass die Systeme aus dem Stand der Technik in einem bzw. einigen der Szenarios zuverlässig betrieben werden können, während die vorliegende Erfindung ein System vorsieht, das in praktisch allen Szenarios zuverlässig eine Flamme feststellen und von einer Fehlalarmquelle unterscheiden kann.

In der Praxis kann das System programmiert werden, um eine von vier verschiedenen Alarmmeldungen in Abhängigkeit von den Bedingungen anzugeben, die in dem Sichtbereich festgestellt werden, nämlich:

Warnung!	wenn die Möglichkeit besteht, dass Flammen vorhanden sind
Aktivität!	wenn Strahlungsquellen in der Szene festgestellt wurden, die aber wahrscheinlich keine Flammen sind
Alarm!	wenn eine große Wahrscheinlichkeit besteht, dass Flammen vorhanden sind
Feuer!	Wenn eine große Wahrscheinlichkeit besteht, dass Flammen in dem überwachten Bereich vorhanden sind

Die Zuverlässigkeit des Systems kann weiter verbessert werden, indem ein Absoluttemperatur-Sensor in das Instrumentengehäuse aufgenommen wird, dessen Ausgabe durch den Prozessor als weiterer Faktor bei der Bestimmung der Natur einer Strahlungsquelle im Sichtbereich verwendet werden kann. Als weitere Sensoren für die Verbesserung des Systembetriebs können ein Temperaturanstiegsraten-Sensor und ein Schwingungssensor verwendet werden. Das System kann auch einen dritten unfokussierten Volumensensor umfassen, der die Intensität einer Kurzwelle oder einer sichtbaren Strahlung misst. Auf diese Weise können zusätzliche Informationen zu Fehlalarmquellen wie etwa Sonnenstrahlung oder Schweißgeräten erhalten werden, wodurch die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit des Systems verbessert wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung (nicht gezeigt) kann der Prozessor eine Schätzung der Gesamtstrahlung um eine Wellenlänge von 4,3 μm herum ableiten, um das Spektralverhältnis durch eine Summierung der gesamten auf den Array-Detektor 2 einfallenden 4,3 μm-Strahlung zu berechnen. Auf diese Weise kann auf den 4,3 μm-Volumen-Sensor verzichtet werden. Das System kann dann durch einen zweiten Array-Sensor verbessert werden, der mit einer anderen Wellenlänge arbeitet.
In einigen Situationen kann es vorteilhaft sein, die auf den Array-Detektor einfallenden Wellenlängen nicht auf 4,3 μm zu beschränken. Zum Beispiel bildet ein Breitband-Sensor für einen Bereich von ungefähr 2 μm bis 15 μm auch heiße Objekte ab, die nicht unbedingt Flammen sind. Dies ermöglicht eine frühe Erfassung eines schwelenden Feuers oder von Objekten, die durch eine verdeckte Flamme erhitzt werden. Außerdem kann die Flammen- Erfassungsvorrichtung auch als Personen- oder Tiersensor in einer Sicherheitsanwendung verwendet werden.
Unter Umständen kann die Vorrichtung der Erfindung durch sehr intensives Licht geblendet oder durch ein intensives sehr nahes Feuer in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Um dieses Problem zu beseitigen, kann die Vorrichtung mit zusätzlichen kostengünstigen Sensoren wie etwa Silizium-Photodioden für sichtbares Licht sowie mit Thermistoren oder ähnlichem ausgestattet werden, um die Temperatur und die Temperatur-Anstiegsrate zu überwachen. Durch diese zusätzlichen Sensoren kann der Prozessor eine zuverlässige Erfassung der Situation leisten, wenn die primären Detektoren geblendet sind.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird auf die Überwachung eines Bereichs auf Kohlenwasserstoff-Flammen und bestimmte Wellenlängen durch verschiedene Detektoren Bezug genommen. Das System der Erfindung kann aber auch verwendet werden, um nicht-Kohlenwasserstoff-Flammen zu überwachen, indem die Wellenlängen variiert werden, auf die die Detektoren ansprechen. Wenn zum Beispiel der 4,3 μm-Volumendetektor durch einen 2,9 μm-Volumendetektor ersetzt wird, kann das System verwendet werden, um Emissionen aus heißem Wasserdampf zu überwachen.

Claims

Flammenerfassungsvorrichtung, die eine Einrichtung (34) zum Messen des Spektralverhältnisses der Intensität von Strahlung mit einer ersten Wellenlänge, die in dem Sichtbereich emittiert wird, zu der Intensität von Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge umfasst, gekennzeichnet durch einen Sensor (2) auf Fokusfeld-Basis, der auf Strahlung mit einer vordefinierten Wellenlänge anspricht, um ein Bild der Infrarotstrahlung zu erzeugen, die in einem Sichtbereich emittiert wird, und dadurch, dass die Einrichtung zum Messen des Spektralverhältnisses einen unfokussierten Volumensensor, der in dem Sichtbereich emittierte Infrarotstrahlung mit der zweiten Wellenlänge mittelt, eine Verarbeitungseinrichtung (5), die die Ausgänge der Bilderzeugungs- und der Spektralverhältnis-Messeinrichtung auf Reaktionen analysiert, die das Vorhandensein einer Flamme anzeigen, und einen zweiten Sensor auf Fokusfeld-Basis enthält, der auf Strahlung mit einer vordefinierten Wellenlänge anspricht, die sich von der des ersten Sensors auf Fokusfeld-Basis unterscheidet.
Flammenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor auf Feld-Basis für Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von im Wesentlichen 2 μm bis 15 μm empfindlich ist.
Flammenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Sensor auf Feld-Basis für Strahlung mit einer Wellenlänge von im Wesentlichen 4,3 μm empfindlich ist.
Flammenerfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Wellenlänge im Wesentlichen 5,5 μm beträgt.
Flammenerfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Messen des Spektralverhältnisses des Weiteren den Sensor auf Feld-Basis enthält, der empfindlich für Strahlung mit der ersten Wellenlänge ist, so dass die Gesamtmenge an Strahlung mit der ersten Wellenlänge, die in dem Sichtbereich emittiert wird, berechnet und mit dem Ausgang des unfokussierten Volumensensors verglichen werden kann, um das Spektralverhältnis zu berechnen.
Flammenerfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Messen des Spektralverhältnisses des Weiteren einen zweiten unfokussierten Volumensensor enthält, der in dem Sichtbereich emittierte Infrarotstrahlung mit der ersten Wellenlänge misst.
Flammenerfassungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die erste Wellenlänge im Wesentlichen 4,3 μm beträgt.
Flammenerfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren einen unfokussierten Volumensensor enthält, der die Intensität kurzer Wellenlänge oder sichtbarer Strahlung misst.
Flammenerfassungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, der des Weiteren wenigstens einen Sensor zum Überwachen wenigstens der Ist-Temperatur, der Geschwindigkeit des Anstiegs der Temperatur und der Schwingung in dem überwachten Bereich enthält.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, das die Schritte des Messens der Intensität von Strahlung mit der ersten Wellenlänge in dem überwachten Bereich, des Messens der Intensität von Strahlung mit der zweiten Wellenlänge in dem überwachten Bereich, des Berechnens des Spektralverhältnisses der Intensität der Strahlung mit der ersten Wellenlänge zu der Intensität der Strahlung mit der zweiten Wellenlänge und des Vergleichens desselben mit einem vordefinierten Schwellenwert, der das Vorhandensein einer Flamme anzeigt, des Erzeugens eines Bildes der Infrarotstrahlung in dem überwachten Bereich, des Analysierens des Bildes auf Merkmale, die das Vorhandensein einer Flamme in dem überwachten Bereich anzeigen, und des Aktivierens einer Warneinrichtung, wenn die Ergebnisse der Spektralverhältnis-Analyse und der Bild-Analyse einem vordefinierten Profil entsprechen, das das Vorhandensein einer Flamme anzeigt sowie des Messens der Intensität wenigstens der kurzwelligen Strahlung oder der sichtbaren Strahlung in dem überwachten Bereich und des Analysierens des Profils derselben auf Kennzeichen umfasst, die eine flammenlose Strahlungsquelle anzeigen.
Verfahren zum Erfassen einer Flamme nach Anspruch 10, wobei die erste Wellenlänge 4,3 μm beträgt.
Verfahren zum Erfassen einer Flamme nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die zweite Wellenlänge 5,5 μm beträgt.
Verfahren zum Erfassen einer Flamme nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Analyse des Bildes das Wahrnehmen der Anzahl separater dynamischer Strahlungsquellen, die in dem Sichtbereich vorhanden sind, und das Analysieren wenigstens der Form, der Bewegung oder der Intensität jeder Quelle auf vordefinierte flammenartige Eigenschaften einschließt.
Verfahren zum Erfassen einer Flamme nach einem der Ansprüche 10 bis 13, das des Weiteren die Schritte des Messens wenigstens der Ist-Temperatur, der Geschwindigkeit des Anstiegs der Temperatur und der Schwingung in dem überwachten Bereich sowie des Analysierens der Kennzeichen derselben auf Verhalten einschließt, das das Vorhandensein einer Flamme anzeigt.