Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Unterdrückung von
Rauschstörungen auf elektrischen Signalen, die von
Umgebungszustandssensoren erfasst werden. Insbesondere betrifft die Erfindung
Arbeitsvorrichtungen und -verfahren zur Minimierung von
Rauschstörungsvariationen in elektrischen Signalen, die
Umgebungsbedingungen, wie Rauch oder Feuer, anzeigen.
Hintergrund der Erfindung
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Für die Dedektierung von Meldebedingungen sind verscheidene
Systeme bekannt. Ein spezielles dieser Systeme ist ein
Rauch- oder Feuerdedektierungssystem einer Art, die
allgemein in dem älteren US-Patent 4, 916,432 von Tice et al.,
das auf einen gemeinsamen Anmelder übertragen ist,
veranschaulicht ist. Die anhängige US-Anmeldung 08/522,599
eingereicht 1995, ist ebenfalls auf einen gemeinsamen Anmelder
übertragen und bspw. als EP-A-760464 veröffentlicht, die
den Stand der Technik gemäß Art. 54 (EPC) für die benannten
Vertragsstaaten DE, FR und GB bildet. Andere solche Systeme
sind in der europäischen Patentnameldung EP 0 076 338, den
PCT-Anmeldungen WO 95/29383 und WO 89/04032, der
japanischen Patentanmeldung JP-52 135297 und der englischen
Patentanmeldung GB 2 151 384 offenbart.
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Auf den Empfang von Eingangssignalen aus einem oder
mehreren der Detektoren des Systems hin kann eine dem System
zugeordnete Steuereinheit bestimmen, ob in einem oder mehreren
interessierenden Gebieten eine Feuerbedingung gegeben ist.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Techniken
eingesetzt, um dies zu bestimmen.
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Rauchsensoren, wie bspw. fotoelektrische Rauchsensoren oder
Ionisationsrauchsensoren, sollen Ausgangssignale liefern,
die die erfassten Niveaus von Rauch in der Umgebung
anzeigen. Umgebungsrauschen wie Staubpartikel oder Insekten, die
in den jeweiligen Detektor eintreten können, können
Variationen in den Ausgangssignalen aus den Sensoren erzeugen,
die in keiner Weise mit dem Vorhandensein von Rauch in
Zusammenhang stehen. Diese Rauschausgangssignale können
falsche Meldungen erzeugen, wenn die Empfindlichkeit des
jeweiligen Detektors hoch genug ist. Solche Falschmeldungen
sind unerwünscht.
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Frühere Versuche, dieses Problem anzugehen, waren nur
teilweise erfolgreich. In Detektoren wurden Blenden eingesetzt,
um den Eintritt von Insekten in die Einheit zu sperren. Die
Empfindlichkeit eines gegebenen Detektors kann verringert
werden, wobei größere Ausgangssignale erforderlich sind, um
eine Falschmeldebedingung zu erzeugen (auch größere
Ausgangssignale, um eine wirkliche Meldebedingung zu
erzeugen). Dies ist eine weniger als wünschenswerte Lösung, da
sie die Erzeugung eines Meldesignals beim Vorhandensein von
Rauch oder Feuer verzögert. Alternativ dazu kann eine Art
der Filtration oder Glättung des Ausgangssignals entweder
analog oder digital, für den Zweck des Verringerns der
Effekte solcher vorübergehender Rauschstörungen eingesetzt
werden.
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Nichtsdestoweniger bleibt der Bedarf an einer verbesserten
Vorrichtung und Techniken zum Minimieren von
Rauschstörungen, so dass Detektoren mit der höchstmöglichen
Empfindlichkeit betrieben werden können, wobei sie jedoch ausreichend
immun gegen Falschmeldungen aufgrund vorübergehenden
Rauschens sind. Vorzugsweise können solche Vorrichtungen
und Verfahren in Detektoren integriert werden, ohne die
Komplexität oder Kosten derselben deutlich zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Durch den Lichtstreueffekt von Partikeln, die durch einen
sehr kleinen aber sehr intensiven Lichtstrahl laufen,
werden Detektorkammersignale hervorgerufen. Nicht von Rauch
stammende Partikel wie Staub oder Lint, sind relativ
spärlich und relativ groß im Vergleich mit Rauchpartikeln.
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Erfindungsgemäß wird ein Meldesystem angegeben, das
folgendes aufweist:
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eine Anzahl von Rauchdetektoren;
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eine zweiseitige Kommunikationsverbindung, die mit den
Detektoren gekoppelt ist; und
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ein Steuerelement, das an die Verbindung gekoppelt
ist,
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dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine
Steuerschaltung beinhaltet, welche betätigbar ist, um eine
Anzahl an Empfindlichkeitsniveaus und eine Anzahl an
Glättungsparameter zu erstellen, so dass die Rauchmelder
jeweilige Empfindlichkeitsniveaus und jeweilige zugeordnete
Signalglättungsparameter aufweisen, wobei als Antwort auf
eine Zunahme im Empfindlichkeitsniveau eines Detektors das
Steuerelement betätigbar ist, um den Glättungsparameter
jenes Detektors zu verändern, um ein erhöhtes Glättungsniveau
zu schaffen, wodurch staubinduzierte Anzeigen von Rauch für
den betroffenen Detektor verringert werden.
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Ein erfindungsgemäßer Fotodetektor vereinigt eine kurze
effektive Strahlenlänge mit einem Strahl geringen
Durchmessers. Dies führt zu einem Strahlerfassungsvolumen in der
Größenordnung von 10% derjenigen von Detektoren des Standes
der Technik.
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Aufgrund des speziell geringen Volumens des
Lichtstreubereiches und da die Partikel ständig in Bewegung sind,
verbleiben nicht von Rauch stammende Partikel für gewöhnlich
nur für eine kurze Zeitdauer in dem kleinen
Lichtstreuvolumen, weswegen sie ein vorübergehendes Signal erzeugen. Da
Rauchpartikel viel kleiner und zahlreicher im
Lichtstreuvolumen sind, liefern sie ein relativ kontinuierliches
Signal.
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Die Merkmale dieser vorübergehenden Signale können als
Basis für die Unterscheidung zwischen diesen Rauchsignalen
und einem rauchinduzierten Signal verwendet werden. Sobald
es möglich ist, Rauschsignale zuverlässig von Rauchsignalen
zu unterscheiden, wird es möglich, die Detektoren bei
höheren Empfindlichkeitsniveaus ohne übermäßige Zunahme an
Falschmeldungen zu betreiben. Die Folge eines solchen
Betriebes mit hoher Empfindlichkeit ist, dass kleine, langsam
brennende Feuer leichter detektiert werden können.
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Eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Ausgangssignals aus
einem Sensor für Umgebungsbedingungen kann sich beim Sensor
befinden oder von diesem beabstandet. Die
Verarbeitungsvorrichtung entfernt Rauschimpulse, die nicht mit einer
erfassten Umgebungsbedingung korreliert sind.
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In einer Ausführungsform kann eine Software in einem
entfernt angeordneten Steuerelement dazu verwendet werden, die
vorübergehenden Signale von den konitnuierlichen
Rauchsignalen zu unterscheiden. Ein so konstruiertes
Feuermeldesystem kann sehr niedrige Rauchniveaus ohne durch nicht von
Rauch stammenden Signalen hervorgerufene Falschmeldungen
detektieren, weswegen derartige Systeme eine viel frühere
Warnung vor einem Feuer liefern als anders konstruierte
Systeme.
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Zusätzlich kann vor der Entfernung des durch Staub
induzierten Rauschens eine bestehende Gleichspannung entfernt
werden. Schließlich kann das verbleibende Signal, nachdem
die auf induziertem Rauschen beruhenden Effekte entfernt
worden sind, weiter verarbeitet werden, um
Hochfrequenzrauschen zu eliminieren.
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Das verarbeitete Signal kann dann einer Feueranalyse
unterzogen werden. Es kann auch mit einem oder mehreren
Schwellwerten verglichen werden, um eine Feuerbestimmung
auszuführen.
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Das Verarbeiten zum Entfernen von durch Staub
hervorgerufenen Störungen kann durch Vergleichen des vorhandenen
Ausgangswertes aus diesem Sensor mit einem früheren
Ausgangswert und Auswählen eines Minimalwertes dazwischen
ausgeführt werden. Die Vorrichtung kann einen Speicher für zwei
frühere Werte beinhalten, und der aktuelle Ausgangswert
kann mit zwei früheren Werten verglichen und ein Minimun
der drei Werte ausgewählt werden.
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Eine zusätzliche Verarbeitung kann durch Vergleichen des
aktuellen Ausgangswertes mit einem nominalen erwarteten
Ausgangswert ausgeführt werden. Wenn der aktuelle Wert den
nominalen erwarteten Ausgangswert übersteigt, wird unter
dem aktuellen Ausganswert und einem oder mehreren früheren
Werten ein Minimum ausgewählt. Wenn der aktuelle
Ausgangswert geringer ist als der nominal erwartete Wert, wird ein
Maximun unter dem aktuellen Ausgangswert und einem oder
mehreren früheren Ausgangswerten ausgewählt.
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Zahlreiche andere Vorteile und Merkmale der Erfindung
werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der
Erfindung und der Ausführunsformen derselben, aus den
Ansprüchen und aus den begleitenden Zeichnungen
offensichtlich. In den Zeichnungen sind die Details der Erfindung
vollständig und ganz als Teil dieser Darstellung offenbart
sind, offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Meldesystems;
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Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines mit dem Meldesystem
von Fig. 1 verwendbaren Detektors;
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Fig. 2A ist eine Schnittansicht eines fotoelektrischen
Detektors des Standes der Technik;
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Fig. 2B ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemä-
ßen fotoelektrischen Detektors;
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht des
fotoelektrischen Detektors von Fig. 2B, die Raucheffekte
veranschaulicht;
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Fig. 4 ist eine Ansicht des Detektors von Fig. 3, die
Staubeffekte veranschaulicht;
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Fig. 5 ist ein Graph des Ausgangs eines Detektors, wie
des Detektors von Fig. 3, als Funktion der Zeit oder
Probenummer beim Fehlen einer zu erfassenden Umgebungsbedingung;
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Fig. 6 ist ein Graph einer verarbeiteten Darstellung
des Sensorsignalausgangs aus dem in Fig. 3
veranschaulichten Detektor;
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die Fig. 7a bis 7c sind ein Satz von Graphen, die
einen Sensorsignalausgang sowie verarbeitete Variationen
desselben veranschaulichen;
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Fig. 8 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht; und
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Fig. 9 ist ein Graph, der die Effekte des Steigerns
der Glättung beim Verarbeiten auf Niveau 3 als Funktion
zunehmender Empfindlichkeit eines gegebenen Detektors
veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Obwohl die Erfindung in vielen verschiedenen Formen
ausgeführt werden kann, sind in der Zeichnung spezifische
Ausführungsformen derselben gezeigt und werden nachstehend
detailliert beschrieben, wobei anzumerken ist, dass die
Offenbarung als Beispiel für die Prinzipien der Erfindung
anzusehen ist und nicht dafür gedacht ist, die Erfindung auf
die spezifischen veranschaulichen Ausführungsformen zu
beschränken.
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Fig. 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines
erfindungsgemäßen Systems 10. Dieses System 10 beinhaltet eine
Steuereinheit 12, die mit einem programmierbaren Prozessor 14
und einer Speichereinheit 16 ausgestattet werden kann. Die
Speichereinheit 16, die unter Verwendung eines Lesespeichers,
eines Lese-/Schreibspeichers oder eines elektrisch
programmierbaren Lesespeichers verwirklicht werden kann,
kann sowohl Steuerprogramme als auch Datenspeicherbereiche
zur Verwendung durch den Prozessor 14 beinhalten.
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Die Steuereinheit 12 ist mit einer
Zweiwege-Kommunikationsverbindung 20 mit einer Anzahl an Sensoren für
Umgebungsbedingungen oder Detektoren, die allgemein mit 22
gekennzeichnet sind, gekoppelt. Die Mitglieder der Anzahl 22, wie
Sensoren 22a, 22b-22n, sollen eine spezielle
Umgebungsbedingung in einem benachbarten Bereich detektieren.
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Die Steuereinheit 12 beinhaltet auch eine Anzahl an
Ausgängen. Die Ausgänge können dazu verwenden werden, hörbare
oder visuelle Alarme zu aktivieren. Zusätzlich kann die
Einheit 12 mit Ventilations- oder Lüftungssystemen im
Gebäude gekoppelt sein, um Rauchwanderung zu kontrollieren.
Beispielhafte Arten von Detektoren umfassen Ionisations-
Rauchdetektoren oder fotoelektrische Rauchdetektoren. Auch
Temperatursensoren sowie andere Arten von Sensoren für
Umgebungsbedingungen können bei dem erfindungsgemäßen System
10 eingesetzt werden.
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Fig. 2 ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Detektors
22i, der bei dem System 10 verwendbar ist. Der Detektor 22i
beinhaltet ein Sensorelement 30. Das Element 30 soll eine
spezielle Umgebungstemperatur erfassen, wie bspw. Rauch,
Temperatur, Infrarotstrahlung oder dergleichen, und es
erzeugt ein diese anzeigendes elektrisches Signal auf einer
Leitung 32.
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Wiederum mit Bezug auf Fig. 2 ist der Ausgang des Sensors
30 auf der Leitung 32 mit einem Steuerelement 40 für einen
lokalen Detektor gekoppelt. Das Steuerelement 40 kann durch
eine digitale oder analoge Schalung verwirklicht werden.
Wenn es in digitaler Form vorliegt, kann das Steuerelement
40 entweder als festverdrahtetes Logikelement ausgeführt
sein oder einen programmierten Mikroprozessor beinhalten.
Das Steuerelement 40 kann über eine Schnittstellenschaltung
42 eine Zweiwege-Kommunikation über die
Kommunikationsverbindung 20 mit der Systemsteuereinheit 12 herstellen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das im Folgenden
beschrieben werden soll, kann sowohl in der Systemsteuereinheit 12
oder im Steuerelement 40 für den lokalen Detektor ohne
Begrenzung implementiert werden. Die Implementierung kann
entweder durch eine festverdrahtete Schaltung oder mittels
eines programmierten Mikroprozessors, ebenfalls ohne
Begrenzung, erfolgen.
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Fig. 2A veranschaulicht im Querschnitt eine fotoelektrische
Kammer PA-10 des Standes der Technik. Diese Kammer
beinhaltet ein Gehäuse PA-12 mit einem internen Erfassungsvolumen
PA-14.
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Eine lichtemittierende Quelle PA-16 ist auf dem Gehäuse
getragen und so ausgerichtet, dass sie einen Lichtstrahl PA-
18 in den internen Lichterfassungsbereich PA-14 emittiert.
Wie dies in Fig. 2A veranschaulicht ist, zeigt der
emittierte Lichtstrahl PA-18 eine etwas konische erweiterte
Form, wenn er den Bereich PA-14 durchquert. Der Lichtstrahl
PA-18 ist gegen eine lichtabsorbierende Falle gerichtet,
die ebenfalls auf dem Gehäuse PA-12 getragen ist.
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Gegenüber der Achse des Strahles PA-18 versetzt befindet
sich ein fotoelektrischer Sensor PA-20. Der Sensor PA-20
ist so ausgerichtet, dass Licht vom Strahl PA-18, das durch
Teilchen im Volumen PA-14 gestreut worden ist, auf ihn
trifft, wodurch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt
wird.
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Die Elemente PA-22 und PA-24 begrenzen die Lichtmenge, die
auf den Sensor PA-20 treffen kann.
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Das effektive lichterfassende Volumen für die Geometrie der
Kammer PA-10 liegt in der Größenordnung von 0,064 Kubikzoll
[= π/3 · (1, 25 TAN 10º)² · 1.25] (1,05 · 10³ mm³).
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Fig. 2B ist eine Querschnittszeichnung einer
raucherfassenden Kammer 30 einer beispielhaften
Rauchdetektierungsvorrichtung der Erfindung, wie bspw. 22i. Das Gehäuse 30 kann
bspw. einen Durchmesser in der Größenordnung von 3 Zoll
(76,2 mm) oder weniger aufweisen. Bspw. kann ein Gehäuse
mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 2,5 Zoll
(63.5 mm) oder weniger verwendet werden.
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Von dem Gehäuse der Kammer 30 wird eine kohärente
Lichtquelle 30-1 hoher Intensität, wie bspw. ein Laser oder eine
Laserdiode, getragen. Die Lichtquelle ist gepulst, damit
sie in periodischen Intervallen (alle paar Sekunden) einen
kurzen Lichtpuls emittiert.
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Eine Linse 30-2 fokussiert das Licht in einen kleinen aber
intensiven zylindrischen Strahl 30-3, der sich durch die
Detektorkammer fortsetzt, bis er auf eine Lichtfalle 30-4
am gegenüberliegenden Ende der Kammer trifft. Die
Lichtfalle absorbiert den Großteil des Lichtes und reflektiert eine
kleine Menge vom zentralen Kammerbereich weg.
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Vorzugsweise erzeugt die Quelle 30-1 zusammen mit der Linse
30-2 einen Strahl 30-3, welcher ein effektives
Strahlenvolumen oder Lichterfassungsvolumen in der Größenordnung von
0.0067 Kubikzoll [= π/3 · (0,7 TAN 4,5º)² · 0,7] (110.7 mm³)
aufweist. Dieses Strahlvolumen liegt in der Größenordnung
von 10% desjenigen der Detektoren des Standes der Technik.
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Somit sind Staubpartikel im Vergleich zum Durchmesser und
Volumen des Strahls 30-3 groß. Die Abmessungen des
Lichtstrahls 30-3 sowie des Erfassungsstrahlvolumens sind
geringer als ein typischer Abstand zwischen umgebenden
Staubpartikeln. Wie nachfolgend beschrieben wird, bewirkt dieses
verringerte Volumen, dass der Detektor 30 weniger
wahrscheinlich staubinduzierte Ausgangssignale erzeugt, die vom
Vorhandensein von Rauch zu stammen scheinen.
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Die Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen des
Detektors 30 von Fig. 2B.
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Es sind kleine Rauchpartikel 5 gezeigt, die sich an vielen
Stellen in der Luft in der Detektorkammer befinden. Die
Rauchpartikel 6 im zentralen Bereich des Lichtstrahls
streuen einen Teil des Lichts in alle Winkel.
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Ein Lichtsensor 30-7, wie bspw. eine Fotodiode, ist unter
einem Winkel zur Achse des Lichtstrahls angeordnet, so dass
Lichtsignale von der Laserdiode 30-1 normalerweise nicht
den Lichtsensor berühren. Der Lichtsensor 30-7 detektiert
jedoch einen Teil des Lichts, das durch die Rauchpartikel
6 gestreut wird, und wandelt das Lichtsignal in ein
elektrisches Signal um. Die elektronische Schaltung 40, 42 im
Detektor überträgt ein elektrisches Signal zum Steuerpanel
oder der Einheit 12.
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Als Quelle 30-1 im Detektor 30 ist ein 5-Milliwatt-Laser
ROHM, Modell Nr. RLD-78MAT1 verwendbar. Die Linse 30-2 ist
eine Sammellinse.
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Fig. 4 ist identisch mit Fig. 3 mit der Ausnahme, dass
keine Rauchpartikel im Gehäuse vorhanden sind. Stattdessen
sind Staubpartikel 7 gezeigt, die im Vergleich mit dem
Strahldurchmesser relativ groß und relativ spärlich sind
und an mehreren Punkten in der Luft der Detektorkammer
vorhanden sind. Aufgrund ihrer geringen Dichte treten
Staubpartikel nur selten in das relativ kleine Lichstrahlvolumen
ein. Als Folge davon kann Rauschen aufgrund von
Staubpartikeln von Rauch unterschieden werden.
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Ein einzelnes Staubpartikel 8 ist in dieser seltenen Position
gezeigt und streut eine große Lichtmenge, von der ein
Teil durch den Lichtsensor 30-7 detektiert wird. Die
Staubpartikel sind aufgrund von kleinen Luftströmungen in der
Kammer ständig in Bewegung. Aufgrund dieser Bewegung können
die Staubpartikel 8 nur für eine kurze Zeitdauer im
Lichtstrahl verbleiben.
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Der Sensor 30-7 erzeugt ein vorrübergehendes Signal für
Staubteilchen. Die Zeit, die das Teilchen 8 im Lichtstrahl
verbleibt, ist gleich der Breite des Strahles in Richtung
des Teilchenflusses, geteilt durch die
Durchschnittsgeschwindigkeit des Teilchens.
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Wie dies bekannt ist, wird die Lichtquelle 30-1 alle paar
Sekunden durch kurze Impulse aktiviert. Als Ergebnis davon
tritt es häufig auf, dass ein Staubteilchen dazu führt,
dass der Sensor 30-7 nur einen einzelnen Ausgangsrauschpuls
erzeugt.
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Fig. 5 ist eine Darstellung eines elektrischen
Ausgangssignals aus einem Sensor 30, bei dem ein Staubpartikel durch
den Detektorlichtstrahl getreten ist, auf einer Leitung
oder Leitungen 32. Dies ist das Rohsignal, wie es direkt
von einem einzelnen Rauchdetektor über mehrere Proben
erhalten wird. Das Signal auf der Leitung oder den
Leitungen 32 kann genommen und über die Schnittstelle 42
und die Verbindung 20 zur Steuereinheit 12 übertragen
werden.
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Die Linie 36a zeigt ein Schwellwertsignalniveau für eine
Meldung an, bei dem die Steuerkonsole 12 normalerweise
einen Alarmzustand anzeigt.
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Wie dies ebenfalls in Fig. 5 veranschaulicht ist, erzeugt
der Sensor 30 auf der Leitung oder den Leitungen 32
statistisches Rauschen, das durch Pulse, wie bspw. Pulse 38a,
38b, angezeigt ist. Diese Pulse, die
in Fig. 5 nicht mit
einer zu erfassenden Umgebungsbedingung, wie Rauch, Feuer
oder Temperatur, korreliert sind, stellen das Vorhanden von
statistischem Rauschen dar, auf das der Sensor 30
anspricht.
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Typische solcher Rauschquellen beinhalten Staub, Insekten,
vorübergehende elektrische Bedingungen, auf die der Sensor
30 anspricht, und dergleichen. Die Pulse 38a-38b sind mit
keiner zu erfassenden Umgebungsbedingung, wie Rauch, Wärme
oder Feuer, korreliert. Als Ergebnis stellen diese Signale
unerwünschte Variationen dar, welche, bei hochempfindlichen
Systemen wahrnehmbar falsche Meldungen erzeugen würden,
wenn nicht gegengesteuert würde.
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Es existiert eine Gleichspannung oder ein Wert 36 für klare
Luft, der durch Hintergrund-Lichtreflexionen, Alterung von
Komponenten und anderen Langzeiteffekten hervorgerufen
wird. Zusätzlich existiert auf der Wellenform aufgrund
relativ hochfrequenter elektrischer Interferenz ein Rauschen
38C.
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Als Ergebnis extensiver Experimente mit Detektoren des
Standes der Technik, wie der Art von Detektor, die in Fig.
2A veranschaulicht ist, wurde festgestellt, dass beim
Vorhandensein von Staubpartikeln solche Detektoren glatte
Ausgangssignale zeigen, die fälschlich als Vorhandensein
von Rauch interpretiert werden können. Andererseits
erzeugen Detektoren der Art, die in Fig. 2B veranschaulicht
ist, wenn sie ähnlich staubigen Umgebungen ausgesetzt
werden, nur vorübergehende Ausgangssignale als Antwort auf
den Staub, die den Signalen 38A, 38B von Fig. 5
vergleichbar sind. Dies ist der Fall, da der Abstand
zwischen Staubteilchen relativ zu den Abmessungen des
Lichtstrahles 30-3 groß zu sein scheint.
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Fig. 6 ist eine Darstellung eines verarbeiteten
elektrischen Signals 36'. Das Signal 36' ist eine verarbeitete
Darstellung des Signals 36 von Fig. 5. Die Verarbeitung
kann in der Steuerkonsole 12 stattfinden. Die Verarbeitung
kann auch lokal im jeweiligen Detektor erfolgen. Die
Steuereinheit oder die Konsole 12 beinhaltet einen
Mikroprozessor 14 und zugeordnete Steuerprogramme, die die
empfangenenen Darstellungen des Signals vom Sensor 30
verarbeiten, um die nicht von Feuer stammenden Signale zu
entfernen, wodurch die in Fig. 6 gezeigte Wellenform 36'
erzeugt wird.
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Die Lichtquelle 30-1 in der Kammer wird alle paar Sekunden
aktiviert. Die Steuereinheit 12 nimmt in etwa der selben
Rate Proben durch den Detektor.
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Der Prozessor 14 entfernt zunächst die Gleichspannung oder
das Signal 36 für reine Luft, das in Fig. 5 als 36
dargestellt ist. Diese Vorspannung wird durch Langzeiteffekte
hervorgerufen, wie Staubansammlung auf den Oberflächen der
Detektorkammer, was bewirkt, dass sie mehr Licht
reflektieren und weniger absorbieren. Dies wird durch Verwenden
eines Langzeit-Betriebsdurchschnittes (etwa ein Tag)
erreicht, um langsam etwa das Gleichspannungsniveau der für
jeden Detektor empfangenen Wellenform zu ermitteln.
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Bei jeder Probe wird zugelassen, dass der
Langzeit-Betriebsdurchschnitt sich um einen sehr geringen Prozentsatz gegen
das aktuelle Ausleseergebnis bewegt. Ähnliche Aussagen
treffen auf Ausgänge beispielhafter Sensoren zu, wie bspw.
Strahlungsenergiesensoren, Temperatursensoren oder andere
Arten von Umgebungsbedingungssensoren ohne Beschränkung.
Eine zweite Ebene der Verarbeitung wird eingesetzt, um die
Effekte der vorübergehenden Staubsignale zu entfernen, wie
bspw. den Puls 38a von Fig. 5. In einer Ausführungsform
vergleicht der Prozessor 14, wenn die aktuelle Auslesung
über dem Meldeschwellwert 36a liegt, die aktuelle Auslesung
des Rauchsensors mit der vorherigen Auslesung und nimmt die
niedrigste der beiden Auslesungen als die überarbeitete
aktuelle Auslesung. Dies ermöglicht, dass das System eine
einzige große Probe eleminiert.
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Eine weitere Verbesserung auf dieser Ebene der Verarbeitung
ist es, die niedrigste der aktuellen Auslesungen verglichen
mit den beiden vorhergehenden Auslesungen zu verwenden.
Dies ermöglicht eine Elimination zweier großer Staubimpulse
hintereinander, die in ungewöhnlichen Situationen auftreten
können.
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Eine dritte Verarbeitungsebene kann dazu eingesetzt werden,
das Signal zu glätten, um hochfrequentes Rauschen, wie
durch 38c, 38d in Fig. 5 gezeigt, zu entfernen. Dieses
Rauschen kann aufgrund äußerer elektrischer Signale
vorhanden sein, die in den Detektor geleitet oder gestrahlt
werden, oder aufgrund von Rauschen, das durch die
Elektronik des Detektors selbst erzeugt wird.
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Die Empfindlichkeit jedes Detektors ist einstellbar, um
niedrige Rauchniveaus zu berücksichtigen. Die Verarbeitung
der Signale steigert automatisch den Grad an Glättung, wenn
die Empfindlichkeit zunimmt. Obwohl zunehmende Glättung
Verzögerungen der Detektierung durch Eliminierung
unkorrelierten Rauschens hervorrufen kann, könnnen die Detektoren mit
höheren Empfindlichkeitsniveaus betrieben werden. So können
langsam brennende Feuer eher detektiert werden.
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Die Glättungsverarbeitung verringert den Grad an Glättung,
wenn die empfangenen Signale abnehmen. Für hohe
Empfindlichkeiten steigert diese Glättungsfunktion die
Rauschabscheidung auf Kosten der Verzögerung. Für niedrige
Empfindlichkeiten verringert sie die Rauschabscheidung, um
Verzögerungen der Meldung zu verringern.
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Diese dritte Verarbeitungsebene verändert auch den Grad an
Glättung in Abhängigkeit davon, ob das empfangene Detektorsignal
abfällt oder ansteigt. Wenn es abfällt, wird der
Grad an Glättung verringert, was zu einem schnelleren Abbau
des geglätteten Signales führt. Dies liefert eine
schnellere Erholung nach kleinen Rauschimpulsen und wirkt
dahingehend, die Gesamtempfindlichkeit während starker
Rauschsituationen zu verringern.
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Die Steuersoftware verarbeitet zusammen mit dem
Digitalprozessor 14 das von den Detektoren empfangene Signal gemäß
dem folgendne Verfahren:
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Ebene 1: Für den Detektor 22n wird eine Driftkompensation
erhalten, indem ein Langzeit-Betriebsdurchschnittswert VAn
aus der aktuellen Auslesung oder dem Ausgangswert des
Detektors Vn zu einer Zeit oder Probennummer t und einer
Langzeitkonstante LC (LC ist eine sehr kleine Zahl, wie
bspw. 0,0001) errechnet wird.
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VAnt = LC·Vnt + (1-LC)·VAnt-1
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Ein differenzieller Wert oder Deltawert VΔnt = (Vnt - VAnt)
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Ebene 2: VΔnt wird mit früheren Detektorauslesungen der Probe
(t-1) und (t-2) verglichen und der kleinste der drei Werte
wird ausgewählt.
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Wenn VΔnt > (Vn - VAn)t-1, dann VΔnt = (V - nVn)t-1.
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Wenn VΔnt > (Vn - VAn)t-2, dann VΔnt = (V - nVAn)t-2
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Wenn die aktuelle Deltaauslesung VΔnt kleiner ist als ein
vorgegebener Meldeschwellwert (ACn), dann wird die Auslesung
in jene Auslesung umgewandelt. Dies verhindert eine
Verzögerung für langsam ansteigende Signale, die Rauch anzeigen.
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Wenn (Vn - VAn) < ACn, dann VΔn = (Vnt - VAn)
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Ebene 3: Ein Glättungsfaktor SFn wird auf der Basis der
vorhandenen Empfindlichkeitsauswahl Sn (1 bis 9) erstellt, um
eine kontinuierliche Progression von Glättungsfaktoren
vorzugeben. Wenn bspw. Sn = 1, SFn = 0,04, wenn Sn = 9, SFn =
0,50. Wenn die Auslesungen abnehmen, wird der
Glättungsfaktor auf den größten Wert gesetzt, bspw. 0.50. Sn = 1 ist
eine maximale Empfindlichkeit.
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Wenn VΔn ≥ VSn, dann SFn = 0,06·Sn - 0,02, sonst SFn = 0,5
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Das folgende ist eine Auflistung von Sn-Zahlen der
Empfindlichkeitsniveaus(1 = höchste Empfindlichkeit, 9 = geringste
Empfindlichkeit) gegen die Glättungskonstante SFn. Die
Glättungskonstante wird wie folgt errechnet: SFn = 0,06·Sn -
0,02.
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Sn SFn
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1 0,04
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2 0,10
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3 0,16
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4 0,22
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5 0,28
-
6 0,34
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7 0,40
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8 0,46
-
9 0,52
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Die Glättungskonstante SFn spezifiziert den Prozentsatz der
aktuellen Probe, der dem vorherigen geglätteten Wert
hinzugefügt werden muss (nachdem der geglättete Wert mit 1-SFn
multipliziert worden ist). Deshalb bewirkt eine geringere
Glättungskonstante eine größere Glättung als eine größere
Glättungskonstante.
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Der geglättete Wert des Signals jedes Detektors VSn wird bei
jeder Probe errechnet, indem ein geringer Prozentsatz,
basierend auf dem Glättungsfaktor SFn, zu einem größeren
Prozentsatz des vorhergehenden geglätteten Wertes addiert
wird.
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VSnt = SFn·VΔnt + (1-SFn)·VSn-1)
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Wenn der geglättete Wert VSn ein gespeichertes
Meldeschwellwertniveau ACn, basierend auf einem gegenwärtigen
Empfindlichkeitsniveau Sn, übersteigt, wird eine Meldung vom System
detektiert.
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Wenn VSn > ACn, dann setze Meldung, sonst Ende
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Falls gewünscht, können mehrere Schwellwerte benutzt
werden, um Voralarmbedingungen anzuzeigen.
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Das in Fig. 6 veranschaulichte Verarbeiten kann entweder
im lokalen Steuerelement 40 oder der Systemsteuereinheit 12
ausgeführt werden. Wie in Fig. 6 veranschaulicht, wurden
die individuellen Rauschpulse, wie 38a, 38b, fast
vollständig eliminiert.
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Gemäß der zweiten Verarbeitungsebene wird der aktuelle
Sensorausgang auf der Leitung 32 mit dem vorherigen
Sensorausgang aus einer früheren Probenzeit verglichen. Das Minimum
der beiden Werte wird als der aktuelle Ausgangswert
ausgewählt. Im Fall, dass der aktuelle Sensorausgangswert das
Minimum der beiden Werte übersteigt, wird er im
vorverarbeitetetem Ausgangsstrom durch den Minimalwert ersetzt.
Somit wird ein einzelner Rauschpuls, wie der Puls 38a (Fig.
5) durch die erfindungsgemäße Verarbeitung vollständig
entfernt.
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Die zweite Verarbeitungsebene kann in einer Form durch das
Folgende dargestellt werden:
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Wenn AusgangN-1 größer ist als AusgangN, dann setze Ausgang
N = AusgangN, sonst AusgangN = AusgangN-1.
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Somit wird das Rauschen bei Einsatz des obigen
Verarbeitungsverfahrens im Wesentlichen entfernt. Jedoch wird das
Ansprechen auf Rauch, Wärme oder einen Feuerzustand nicht
merklich verringert. Dieses Ansprechen wird verzögert,
jedoch nur in der Größenordnung von einem oder zwei
Probenintervallen. Diese Verzögerung kann dadurch mehr als
ausgeglichen werden, dass die Empfindlichkeit jedes der
Detektoren für das System 10 aufgrund der Entfernung der
Bedingungen für vorübergehendes Rauschen durch Verwendung des
angegebenen Vorverarbeitungsverfahrens bedeutend gesteigert
wird. Das System 10 als solches sollte schneller auf eine
Feuerbedingug ansprechen, da es mit Detektoren arbeiten
kann, die auf eine höhere Empfindlichkeit eingestellt sind
als im Fall, dass die Empfindlichkeit der Detektoren
verringert werden muss, um Probleme mit durch vorübergehendes
Rauschen hervorgerufenen Falschmeldungen zu minimieren.
Die zweite Verarbeitungsebene kann verbessert werden, indem
zunächst der Minimalwert zwischen dem aktuellen Wert und
dem vorhergehenen Wert ausgewählt wird, wobei angenommen
wird, dass der aktuelle Wert den nominalen Wert 36, der
beim Fehlen von erfasster Umgebungsbedingung und beim
Fehlen von Rauschen erwartet würde, übersteigt. Zusätzlich
minimiert der rauschfreie Ausgang 36 durch das Auswählen
des Maximalwertes zwischen dem aktuellen Sensorwert und dem
vorhergehenden Sensorwert in dem Fall, dass der aktuelle
Sensorwert geringer ist als der nominale, negativ laufende
Rauschsensoren. Die obigen Schritte eliminieren sowohl
positiv verlaufende als auch negativ verlaufende
Rauschpulse.
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Es sind andere Variationen der Verarbeitung auf Ebene 2
möglich, ohne vom Geist und Schutzbereich des angegebenen
Verfahrens abzuweichen. Bspw. veranschaulichen die Graphen
7A, 7B und 7C Verarbeitungen auf Ebene 2 unter Verwendung
eines oder zweier früherer Ausgangswerte aus dem Sensor 30.
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Fig. 7A veranschaulicht schematisch Probenwerte aus dem
Sensor 30 auf der Leitung 32 als Funktion einer Probenzahl
oder eines Intervalles, wenn jene Werte um den nominalen
Ausgangswert 36 herum variieren. Im Bereich 50 nimmt das
Niveau des erfassten Rauches auf nicht statistische Weise
als Antwort eines erfassten Rauches zu.
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Fig. 7B veranschaulicht die Verarbeitung des Signals von
Fig. 7A auf Ebene 2, wobei ein Minimum des aktuellen
Ausgangswertes und eines früheren Ausgangswertes ausgewählt
wird. Wie in Fig. 7B veranschaulicht, liefert diese
Verarbeitung der Ebene 2 beim Vorhandensein von Rauch, wie im
Bereich 50 veranschaulicht, einen geglätteten Ausgang, der
zu detektierenden Rauch anzeigt.
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Gemäß einem anderen Aspekt des Verfahrens kann der aktuelle
Ausgangswert des Sensors 30 mit zwei früher erfassten und
gespeicherten Ausgangswerten verglichen werden. Wenn der
aktuelle Ausgangswert den Schwellwert 36 übersteigt, wird
unter dem aktuellen Ausgangswert und zwei früheren
Probenwerten ein Minimalwert bestimmt. Dieses Minimum wird
dann im vorverarbeiteten Ausgangsstrom für den aktuellen
Ausgangswert eingesetzt. Im Fall, dass jede der früheren
Proben Werte unterhalb des nominalen Ausgangsschwellwertes
36 aufweisen, werden sie so behandelt, als wäre ihr Wert
gleich 0.
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Wenn der aktuelle Ausgangswert des Sensors 30 unterhalb des
nominalen Ausgangswertes 36 liegt, wird der aktuelle
Ausgangswert mit zwei früheren Werten verglichen, und das
Maximum der drei Werte wird als aktueller Ausgangswert
genommen. Wenn keiner der früheren Ausgangswerte gleich oder
größer ist als der nominale Ausgangsschwellwert 36, wird
jener Wert (jene Werte) gleich 0 gesetzt. Die Verwendung
zweier früherer Werte verringert das Rauschen deutlich im
Vergleich zur Verwendung eines einzelnen früheren Wertes
gemäß Fig. 7B.
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Fig. 7C veranschaulicht eine auf Ebenen 2 verarbeitete
Darstellung des Signals von Fig. 7A, wobei ein Minimum des
aktuellen Ausgangswertes und zweier früherer Ausgangswerte
ausgewählt ist (wenn der aktuelle Ausgangswert den
nominalen Ausgangsschwellwert 36 übersteigt). Alternativ dazu
wird ein Maximum des aktuellen Ausgangswertes und zweier
früherer Ausgangswerte ausgewählt (wenn der aktuelle
Ausgangswert unter den nominalen Ausgangsschwellwert 36
fällt). Wie in Fig. 7C veranschaulicht ist, wurden die
statistischen unkorrelierten Rauschvariationen von Fig. 7A
im Wesentlichen auf 0 reduziert, ohne dass eine
signifikante Verzögerung im verarbeiteten Ausgang in einem
Zeitintervall 50, in dem Rauch vorhanden ist, erzeugt wird.
Es können nach Bedarf mehr als zwei frühere Werte verwendet
werden.
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Es ist anzumerken, dass das genaue Probenintervall keine
Beschränkung der Erfindung darstellt. Der Fachmann wird
verstehen, dass ein geeignet hohes Probenintervall im
Hinblick auf die Arten der eingesetzten Sensoren sowie der
erwarteten Veränderungsraten der Umgebungsbedingungen
auszuwählen ist. Nur beispielhaft und ohne Beschränkung
scheinen Probenintervalle in der Größenordnung von 5 bis 6
Sekunden ausreichend kurz, wenn Rauch, Wärme oder
Feuerbedingungen erfasst werden sollen.
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Fig. 8 veranschaulicht ein Flussdiagramm des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 9 ist ein Graph, der die Effekte der Zunahme der
Glättung in der Verarbeitung von Ebene 3 als Funktion der
Zunahme der Empfindlichkeit eines gegebenen Detektors
veranschaulicht. Die Meldeverzögerung in Sekunden ist entlang
der x-Achse für abnehmende Empfindlichkeitsniveaus, die auf
der y-Achse dargestellt sind, dargestellt.
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Wie in Fig. 9 veranschaulicht, erzeugt eine maximale
Empfindlichkeitseinstellung eine Meldeverzögerung in der Größenordnung
von 60 Sekunden als Ergebnis einer maximalen
Glättung. Andererseits erzeugt eine minimale
Empfindlichkeitseinstellung eine Alarmverzögerung in der Größenordnung
von nur 12 Sekunden, wobei eine geringere Glättung
veranschaulicht ist.
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Der Graph von Fig. 9 macht deutlich, dass beim Betrieb
eines Detektors mit höchstem Empfindlichkeitsniveau eine
zusätzliche Verzögerung vorhanden ist, bevor eine
Alarmbedingung detektiert wird. Andererseits tendieren Detektoren,
die bei den höchsten Empfindlichkeitsstufen arbeiten, dazu,
anfälliger für Falschmeldungen zu sein. Die zusätzliche
Verzögerung verringert das Potential für Falschmeldungen.
Detektoren, die mit hohen Empfindlichkeitsniveaus arbeiten,
die dann, wie vorstehend beschrieben, mit einer größeren
Glättung verarbeitet werden, sind besonders nützlich beim
Detektieren langsam fortschreitender oder schwelender
Feuer. Solche Feuer benötigen oft Minuten oder sogar Stunden,
bis sie hohe Niveaus erreichen. In diesem Fall sind die 48-
Sekunden-Verzögerung oder die 60-Sekunden-Verzögerung, wie
in Fig. 9 veranschaulicht, häufig ein geringer Anteil der
für die Detektierung eines solchen Feuers notwendigen
Gesamtzeit.
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Andererseits können schneller fortschreitende Feuer häufig
aufgrund der schnell zunehmenden Rauchniveaus bei
niedrigeren Empfindlichkeitsniveaus detetkiert werden. In solchen
Fällen besteht nur eine geringe Möglichkeit, dass Staub
oder anderes Rauschen eine Falschmeldung hervorruft. Unter
solchen Umständen sind die kurzen 12- und
18-Sekunden-Verzögerungen, wie in Fig. 9 veranschaulicht, mit dem Wunsch
nach der Meldung des Vorhandenseins solcher Feuer so
schnell wie möglich konsistent.
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Aus dem vorstehenden ist zu erkennen, dass zahlreiche
Variationen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne
den Schützbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten
Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Es ist ersichtlich,
dass keine Beschränkung in Bezug auf die spezifische hierin
veranschaulichte Vorrichtung beabsichtigt ist oder
abgeleitet werden sollte.