DE69806404T2

DE69806404T2 - Partikeldetektion mit hoher empfindlichkeit

Info

Publication number: DE69806404T2
Application number: DE69806404T
Authority: DE
Inventors: Brian Powell
Original assignee: Kidde Fire Protection Ltd
Current assignee: Kidde IP Holdings Ltd
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: WO1999019852A1; EP1023709B1; EP1023709A1; DE69806404D1; ATE220233T1; ES2175790T3; JP2001520390A; GB9822057D0; DK1023709T3; AU9450498A; GB9721861D0; GB2330410A; AU756141B2; GB2330410B; US6377345B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilchendetektor zur Erfassung von Teilchen einer Größe von weniger als 1 um, enthaltend eine Strahlungseinrichtung zum gleichzeitigen Abgeben von Strahlung zweier unterschiedlicher Wellenlängen längs eines vorbestimmten Weges durch ein streuendes Volumen, wobei die Strahlung einer der Wellenlängen zwischen etwa 400 nm und etwa 500 nm liegt, und eine Strahlungserfassungseinrichtung zum Empfangen und Erfassen der Strahlung, die von dem streuenden Volumen durch die Anwesenheit von Teilchen unter einem vorbestimmten Vorwärtsstreuwinkel von unter 45º zu dem vorbestimmten Strahlungsweg gestreut worden ist, wobei die Strahlung der anderen Wellenlänge eine Infrarotstrahlung ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Teilchenerfassungsverfahren zum Erfassen von Teilchen mit Größen von weniger als 1 um, umfassend die Schritte der gleichzeitigen Emission von Strahlen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen längs eines vorbestimmten Weges durch ein streuendes Volumen, wobei eine Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 500 nm liegt, und den Empfang und die Erfassung der Strahlung, die von dem steuenden Volumen bei Anwesenheit von Teilchen unter einem vorbestimmten Vorwärtsstreuwinkel von weniger als 45º in Bezug auf den vorbestimmten Weg der Strahlung gestreut werden, wobei die Strahlung der anderen Wellenlänge eine Infrarotstrahlung ist.
Ein solcher Detektor und ein solches Verfahren sind beispielsweise gezeigt in GOODMAN D. S.: "METHOD FOR LOCALISING LIGHT-SCATTERED PARTICELS"; IBM TECHNICAL DISLCOSURE BULLETIN, Band 27, Nr. 5, Oktober 1984, Seite 3164 XP 002066860 und WO-A-89 09392.
Die Erfindung hat zum Ziel, die Empfindlichkeit eines solchen Detektors und eines solchen Verfahrens so zu verbessern, daß der Detektor und das Verfahren besser in der Lage sind, Teilchen von einem Typs zu unterscheiden, der nicht erfaßt werden soll.
Gemäß der Erfindung ist daher der Detektor der o. g. Art gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinrichtung zum Vergleichen der Ausgänge der Erfassungseinrichtung, die jeweils der empfangenen und erfaßten Strahlung zwischen etwa 400 nm und 500 nm entsprechen, und der empfangenen und erfaßten Infrarotstrahlung, wodurch ein Warnsignal erzeugt wird, wenn der Vergleich anzeigt, daß die Teilchen von einem vorbestimmten Typ sind,, jedoch nicht, wenn der Vergleich etwas anderes anzeigt. In gleicher Weise ist gemäß der Erfindung das Verfahren der o. g. Art gekennzeichnet durch den Schritt des Vergleichens von zwei Ausgängen, die jeweils der empfangenen und erfaßten Strahlung zwischen etwa 400 nm und etwa 500 nm entsprechen, und der empfangenen und erfaßten Infrarotstrahlung, wodurch ein Warnsignal erzeugt wird, wenn der Vergleich anzeigt, daß die Teilchen von einem vorbestimmten Typ sind, jedoch nicht, wenn der Vergleich etwas anderes anzeigt.
Die Teilchenerfassungseinrichtung hoher Empfindlichkeit nach der vorliegenden Erfindung und die Verfahren nach der Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist ein Schemadiagramm einer Vorrichtung zur Erläuterung des Betriebs der Vorrichtung, die die Erfindung darstellt und die in Fig. 5 gezeigt ist;
Fig. 2, 3 und 4 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung des Betriebs der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 5 ist ein Schemadiagramm der Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert; und
Fig. 6 und 7 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Fig. 5 gezeigt ist. Die zu beschreibende Vorrichtung und Verfahren sind zur Erfassung von Rauch in Luft unter Verwendung von Lichtstreutechniken vorgesehen, obgleich anzumerken ist, daß andere Teilchen unter Verwendung derselben Vorrichtung und Verfahren ebenfalls erfaßt werden können. Die Vorrichtung und Verfahren sollen die Anwesenheit von Rauchteilchen oder Rauchdichten von wenigstens bis zu 0,2% pro Meter herab erfassen. Die primäre Verwendung einer solchen Vorrichtung ist die Erfassung im Entstehen begriffener Brände.
Die Vorrichtung 1 (Fig. 1) enthält eine Strahlenquelle 3, die längs eines Weges 5 Strahlung emittiert. Die Strahlung 7 läuft durch ein Volumen 9 in Richtung auf eine Strahlensenke 11. Ein Ellipsoidspiegel 13 ist zur Sammlung der bei Anwesenheit von Rauchteilchen im Volumen 9- gestreuten Strahlung angeordnet (innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von unten zu diskutierenden Vorwärtsstreuwinkeln) und für die Fokussierung solcher Strahlung auf eine Silizium-Fotodiode 15 bestimmt.
Man erkennt, daß die Sammeleinrichtung für die gestreute Strahlung kein Ellipsoidspiegel 13 sein muß, sondern auch jede geeignete Sammeleinrichtung sein kann. Außerdem sei angemerkt, daß jede geeignete Erfassungseinrichtung verwendet werden kann und der Detektor nicht notwendigerweise eine Silizium-Fotodiode ist.
Im Gebrauch wird Strahlung 7 von der Strahlenquelle 3 längs des Weges 5 durch das Streuvolumen 9 emittiert. Die Anwesenheit von Rauchteilchen im Streuvolumen 9 hat zur Folge, daß die Strahlung 9 über einen vorbestimmten Winkelbereich gestreut wird. Der Ellipsoidspiegel 13 ist so angeordnet, daß alles Licht, das unter Vorwärtsstreuwinkeln von weniger als 45º gestreut wird, und insbesondere unter Streuwinkeln zwischen etwa 10º und 35º, durch den Ellipsoidspiegel 13 gesammelt wird. Der Ellipsoidspiegel 13 fokussiert das unter diesen Winkeln gestreute Licht aus dem Streuvolumen in allen Ebenen senkrecht zur Einfallsstrahlrichtung auf die Silizium-Fotodiode 15. Diese Anordnung maximiert die auf die Fotodiode 15 auftreffende Strahlung. Das von der Silizium-Fotodiode 15 erzeugte Signal kann dazu verwendet werden, ein geeignetes Alarmsystem und/oder ein Feuerlöschsystem auszulösen.
Jegliche Strahlung, die nicht gestreut wird, fällt auf die Strahlensenke 11 und wird dort im wesentlichen Gefangen, und kein entsprechendes Signal wird von der Silizium-Fotodiode 15 erzeugt.
Die Strahlenquelle 3 emittiert Strahlung 7 mit relativ kurzen Wellenlängen zwischen etwa 400 nm und 500 nm, d. h. blaues sichtbares Licht; vorzugsweise ist die Strahlenquelle 3 eine Leuchtdiode, die Strahlung mit einer Wellen von 470 nm erzeugt. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung dieser relativ kurzen Wellenlänge in Kombination mit der Verwendung relativ kleiner Vorwärtsstreuwinkel eine vergrößerte Empfindlichkeit der Teilchenerfassung hervorruft, wenigstens für Rauchteilchen. Dieses wird in größerem Detail unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 erläutert.
Kurve A in Fig. 2 zeigt den Ausgang des Detektors 15 für unterschiedliche Grade von Rauchabschattung, ausgedrückt als Prozentsatz von pro Meter abgeschattetem Licht. Die Kurven B, C, D und E zeigen die entsprechenden Detektorausgänge beim selben Streuwinkel für verschiedene (größere) Strahlungswellenlängen. Kurve B zeigt den Detektorausgang, wenn die Strahlung im grünen Teil des Spektrums liegt. Kurve C zeigt den Detektorausgang, wenn die Strahlung im roten Teil des Spektrums liegt. Kurve D zeigt den Detektorausgang, wenn die Strahlung im infraroten Teil des Spektrums liegt und in der Größenordnung von 880 nm liegt. Schließlich zeigt die Kurve E den Detektorausgang, wenn die Strahlung im Infrarotteil des Spektrums und in der Größenordnung von 950 nm liegt, In jedem Falle ist der Bereich der Vorwärtsstreuwinkel gleich (zwischen etwa 10º und 35º). Der Rauch wurde für die dargestellten Tests durch Verschwelen von Baumwolle erzeugt.
Fig. 2 zeigt klar die gesteigerte Detektorausgabe und somit die gesteigerte Erfassungsempfindlichkeit, die man durch Verwendung einer Strahlenquelle erhält, die blaues sichtbares Licht in der Größenordnung von 470 nm erzeugt. Fig. 2 zeigt, wie erfaßbare Signale von der Fotodiode 15 bei Rauchdichten von bis zu 0,2% pro Meter herab erzeugt werden können. Die Strahlung bei den anderen Wellenlängen (Kurven B, C, D und E) erzeugen beträchtlich niedrigere Ausgänge.
Licht kürzerer Wellenlänge hat auch den Vorteil, daß es von typischen mattschwarzen Oberflächen weniger stark reflektiert wird. Durch geeignete Gestaltung der Erfassungsvorrichtung kann der Ausgang der Fotodiode 15 aufgrund gestreuter Hintergrundlichtsignale (hauptsächlich Signale, die von inneren Oberflächen der Vorrichtung und nicht vom Rauch reflektiert werden) sehr klein gemacht werden - und beträchtlich kleiner, als wenn Licht größerer Wellenlängen verwendet wird.
In Fig. 3 ist der berechnete Streugewinn für eine Teilchengrößenverteilung aufgetragen, die typisch für Rauch ist, gegenüber dem Vorwärtsstreuwinkel unter Verwendung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Der Streugewinn ist der Lichtanteil, der in einen Einheitsfestwinkel gestreut ist, als ein Bruchteil des Lichts, das auf ein einzelnes Teilchen fällt. Kurve A entspricht dem blauen sichtbaren Licht, Kurve B dem grünen sichtbaren Licht, Kurve C dem roten sichtbaren Licht, Kurve D einer Infrarotstrahlung in der Größenordnung von 880 nm und Kurve E einer Infrarotstrahlung von 950 nm. Fig. 3 zeigt, wie die Verwendung von blauem sichtbaren Licht (Kurve A) einen signifikant größeren Streugewinn als Strahlung der anderen Wellenlängen (Kurven B bis E) unter Streuwinkeln bis zu etwa 155º erzeugt, obgleich die Steigerung des Streugewinns bei Streuwinkeln von weniger als 45º sehr viel markanter ist.
Die Kurven A in den Fig. 2 und 3 zeigen daher, wie die Kombination der Verwendung von blauem sichtbaren Licht (Strahlung zwischen 400 und 500 nm) und die Verwendung von niedrigen Streuwinkeln (zwischen etwa 10º und 35º) zu einer signifikanten Steigerung der Empfindlichkeit führen.
Rauchdetektoren lösen bei Anwesenheit größerer Aerosolteilchen, wie beispielsweise kondensiertem Wasserdampf oder Staub, leicht Fehlalarme aus. Fig. 4 entspricht Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die verwendeten Teilchen solche sind, die eine Größenverteilung haben, die typisch für kondensierten Wasserdampf sind, und Berechnungen wurden nur für zwei Wellenlängen ausgeführt: blaues sichtbares Licht bei 450 nm (Kurve A) und Infrarotstrahlung bei 950 nm (Kurve E). Die Kurven A und E in Fig. 4 zeigen, daß der Streugewinn bei beiden getesteten Wellenlängen im wesentlichen gleich ist, wenigstens für Streuwinkel zwischen etwa 15º und 30º. Ein Vergleich der Fig. 3 und 4 zeigt daher, daß das Verhältnis (Signal- zu Rausch-Verhältnis) zwischen dem Ausgang der Fotodiode als Folge von Rauchteilchen und dem entsprechenden Ausgang für "störende" Aerosole, wie beispielsweise Wasserdampfteilchen, größer ist, wenn blaues Licht verwendet wird, als wenn Strahlung der anderen Wellenlängen verwendet würde.
Fig. 5 zeigt eine modifizierte Anordnung von Fig. 1, die das durch Vergleich der Fig. 3 und 4 dargestellte Prinzip benutzt. In Fig. 5 sind Gegenstände, die jenen von Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 5 ist die Quelle 3 von Fig. 1 durch eine Quelle 3A ergänzt. Die Quelle 3 erzeugt blaues Licht, wie zuvor, im Bereich von 400 bis 500 nm. Die Quelle 3A erzeugt Infrarotstrahlung mit etwa 880 nm und kann (wie Quelle 3) eine Leuchtdiode sein. Die von beiden Quellen abgegebene Strahlung gelangt durch einen Strahlenteiler 17 und dann durch das Volumen 9.
Wie zuvor wird (unter den geeigneten Winkeln) durch Störung im Volumen 9 vorwärts gestreute Strahlung durch den Ellipsoidspiegel 13 gesammelt und auf einen Detektor 15 fokussiert. Wie zuvor ist der Detektor 15 eine Silizium-Fotodiode. Ein solcher Detektor ist auf blaues Licht und auch auf Infrarotstrahlung von etwa 880 nm empfindlich. Ein allgemein mit 19 und 20 bezeichnetes Steuersystem ermöglicht es dem Detektor 15, gesonderte Ausgänge auf Leitungen 21 und 23 abzugeben, die dem gestreuten blauen Licht und der gestreuten Infrarotstrahlung entsprechen, wie sie vom Detektor aufgenommen werden. Das Steuersystem 19, 20 kann jede geeignete Form haben. Beispielsweise können die Quellen 3 und 3A getrennt mit unterschiedlichen Frequenzen erregt werden, und getrennte schmalbandige oder phasenverriegelte Verstärker können verwendete werden, um auf die Ausgänge vom Detektor anzusprechen und die betreffenden Leitungen 21 und 23 mit Energie zu versorgen. Die Ausgänge des Detektors 15 auf den Leitungen 21 und 23 werden durch eine Vergleichseinheit 25 verarbeitet.
Die Fig. 6 und 7 zeigen den Betrieb der Anordnung von Fig. 5.
In den Fig. 6 und 7 repräsentiert die Horizontalachse die Zeit, die Vertikalachse links repräsentiert die sichtbare Abschattung, ausgedrückt als Prozentsatz des abgeschatteten Lichts pro Meter, und die Vertikalachse rechts repräsentiert die Ausgabe des Detektors 15 in Fig. 5. Die linken und rechten Achsen sind in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen.
Fig. 6 zeigt die Ergebnisse, die man erhält, wenn die Abschattung durch Rauch (in diesem Falle grauer Rauch, der durch Verschwelen von Baumwolle erzeugt wurde), wobei der Rauch für. 5 Sekunden bei 100 Sekunden und dann für 100 Sekunden zwischen 200 und 300 Sekunden ausgelöst wurde. In Fig. 7 ist die Abschattung durch eine Nicht-Rauchquelle verursacht, in diesem Falle durch ein Haarspray-Aerosol. Ein Spray von einer Sekunde wird bei 100 Sekunden ausgelöst, und ein Spray von 10 Sekunden bei 200 Sekunden.
In Fig. 6 ist mit Kurve I die Abschattung aufgetragen. Kurve II zeigt die Ausgabe des Detektors 15 in Abhängigkeit vom blauen Licht, das von der Quelle 3 emittiert wird. Mit Kurve 3 ist die Ausgabe des Detektors 15 in Abhängigkeit von der Infrarotstrahlung aufgetragen, die von der Quelle 3A abgegeben wird. Man erkennt, daß die Detektorausgabe in Abhängigkeit von der gestreuten Infrarotstrahlung (Kurve III) sehr viel geringer ist, als die Detektorausgabe als Folge des gestreuten blauen Lichts (Kurve II). Kurve IV zeigt das Verhältnis der Detektorausgabe, wenn die emittierte Strahlung blaues Licht ist (Kurve II) zur Ausgabe, wenn die emittierte Strahlung infrarot ist (Kurve III). Das Verhältnis ist signifikant größer als eins.
In Fig. 7 haben die Kurven I, II, III und IV die gleichen Identitäten, wie in Fig. 6. Es ist anzumerken, daß das von der Kurve IV gezeigte Verhältnis signifikant kleiner als eins ist.
Die Einheit 23 ist daher dazu eingerichtet, das Verhältnis der Ausgabe des Detektors 15 zur Ausgabe des Detektors 15A zu messen. Wenn dieses Verhältnis größer als eins ist, wird Abschattung durch Rauch signalisiert. Wenn das Verhältnis kleiner als eins ist, wird keine Abschattung durch Rauch signalisiert.
Die in der Ausführungsform der Fig. 5 verwendete Infrarotstrahlung muß nicht bei 880 nm liegen.

Claims

1. Teilchendetektor zum Erfassen von Teilchen mit unter einem Mikrometer liegenden Größen, mit einem Strahlungsemittiermittel (3, 3A) zum gleichzeitigen Emittieren von Strahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen entlang einem vorbestimmten Weg durch ein streuendes Volumen (9), wobei die Strahlung bei einer der Wellenlängen zwischen etwa 400 nm und etwa 500 nm liegt, und einem Strahlungserfassungsmittel (15) zum Empfangen und Erfassen der Strahlung, die von dem streuenden Volumen durch das Vorliegen von Teilchen unter einem vorbestimmten Vorwärtsstreuwinkel von unter 45º zu dem vorbestimmten Strahlungsweg gestreut worden ist, wobei die Strahlung der anderen Wellenlänge Infrarotstrahlung ist, gekennzeichnet durch ein Ausgabemittel (23) zum Vergleichen von Ausgaben von dem Erfassungsmittel (15), die jeweils der empfangenen und erfaßten Strahlung zwischen etwa 400 nm und 500 nm entsprechen, und der empfangenen und erfaßten Infrarotstrahlung, wodurch ein Warnsignal erzeugt wird, wenn der Vergleich anzeigt, daß die Teilchen von einem vorbestimmten Typ sind, aber nicht, wenn der Vergleich etwas anderes anzeigt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Rauchteilchen sind.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsmittel (3) eine Fotodiode ist.

4. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgabemittel (23) das Verhältnis zwischen den beiden Ausgaben mißt.

5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlungsemittiermittel (3, 3A) eine LED ist.

6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Streuwinkel in einem Bereich zwischen etwa 10º und 35º liegt.

7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sammel- und Fokussiermittel (13) zum Sammeln der gestreuten Strahlung und ihrem Fokussieren auf das Erfassungsmittel (15).

8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammel- und Fokussiermittel ein elliptischer Spiegel (13) ist.

9. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Strahlsumpfmittel (11), das in dem vorbestimmten Weg so positioniert ist, daß es von dem Strahlungsemittiermittel (3, 3A) weiter entfernt ist als das streuende Volumen (9).

10. Teilchenerfassungsverfahren zum Erfassen von Teilchen mit unter einem Mikrometer liegenden Größen, mit den folgenden Schritten: gleichzeitiges Emittieren von Strahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen entlang einem vorbestimmten Weg durch ein streuendes Volumen (9), wobei eine Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 500 nm liegt, und Empfangen und Erfassen der Strahlung, die von dem streuenden Volumen (9) durch das Vorliegen von Teilchen unter einem vorbestimmten Vorwärtsstreuwinkel von unter 45º zu dem vorbestimmten Strahlungsweg gestreut worden ist, wobei die andere Wellenlänge eine Infrarotstrahlungswellenlänge ist, gekennzeichnet durch den Schritt: Vergleichen von zwei Ausgaben, die jeweils der empfangenen und erfaßten Strahlung zwischen etwa 400 nm und etwa 500 nm entsprechen, und der empfangenen und erfaßten Infrarotstrahlung, wodurch ein Warnsignal erzeugt wird, wenn der Vergleich anzeigt, daß die Teilchen von einem vorbestimmten Typ sind, aber nicht, wenn der Vergleich etwas anderes anzeigt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Rauchteilchen sind.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsschritt den Schritt umfaßt: Messen des Verhältnisses zwischen den verglichenen Ausgaben.

13. Detektor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Streuwinkel in einem Bereich zwischen etwa 10º und 35º liegt.

14, Detektor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch den Schritt: Sammeln und Fokussieren der gestreuten Strahlung.