EP1017034B1 - Optischer Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip und Verfahren zur Kompensation von dessen Temperaturdrift - Google Patents

Optischer Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip und Verfahren zur Kompensation von dessen Temperaturdrift Download PDF

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EP1017034B1
EP1017034B1 EP99117502A EP99117502A EP1017034B1 EP 1017034 B1 EP1017034 B1 EP 1017034B1 EP 99117502 A EP99117502 A EP 99117502A EP 99117502 A EP99117502 A EP 99117502A EP 1017034 B1 EP1017034 B1 EP 1017034B1
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EP
European Patent Office
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light source
smoke detector
detector according
temperature drift
measurement
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EP99117502A
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English (en)
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EP1017034A3 (de
EP1017034A2 (de
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Peter Kunz
Kurt Dr. Müller
Dieter Wieser
Markus Dr. Loepfe
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Siemens Building Technologies AG
Original Assignee
Siemens Building Technologies AG
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Publication of EP1017034A3 publication Critical patent/EP1017034A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/103—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using a light emitting and receiving device
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
    • G08B17/113—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to an optical smoke detector based on the extinction principle, with an optical bridge, which is a light source, a measuring and a reference path and has a measuring and a reference receiver, and with an evaluation circuit.
  • the absorbance measurement method uses a beam of light through the ambient air and therefore any measuring section accessible to smoke and through the section not accessible to the smoke Reference route is sent and the two received signals are together compared. Because both the light scattering on the smoke particles and the absorption by this contributes to the extinction and the light is scattered by light particles and dark particles is absorbed, the absorbance measurement method has a relatively uniform sensitivity on different smoke particles and is therefore for the detection of smoldering fires (light particles) and from open fires (dark particles) are equally suitable.
  • This temperature dependency is due to the fact that the optical elements provided in the optical bridge are next to the light source and the receivers, primarily lenses and mirrors, are temperature sensitive.
  • the optical bridge contains that described in EP-A-0 578 189 Transmitted light detector waveguides and lenses and that described in EP-A-0 740 146 Transmitted light detector a plurality of parabolic mirrors made of injection molded plastic.
  • the known point extinction or transmitted light detectors are intended to this effect by the invention be improved that the optical bridge as stable as possible and in particular as possible is less sensitive to temperature.
  • optical bridge next to the Light source and the measuring and the reference receiver as the only optical elements two has perforated screens arranged in front of the light source.
  • a first preferred embodiment of the detector according to the invention is characterized in that that the light source is arranged in a chamber containing an air reservoir.
  • the surface of the chamber is preferably substantially larger than that of the light source.
  • This embodiment has the advantage that because of the large surface of the chamber Smoke particles slowly diffusing into the chamber on the chamber wall and not only be deposited on the light source.
  • a second preferred embodiment of the detector according to the invention is characterized in that that the measuring section has at least one web with a pinhole, which keeps out penetrating, disturbing extraneous light and the radiation of the light source leaves unaffected.
  • a third preferred embodiment of the detector according to the invention is characterized in that that the optical bridge has two end parts and a web connecting them, the measuring section on one side of the web and the reference section on the other side is formed, and that in one end part the chamber with the light source and in the other chambers provided with the measuring receiver or the reference receiver are.
  • This embodiment has the advantage that the optical bridge is manufactured in one piece and can be practically integrated into any detector housing.
  • Another preferred embodiment of the detector according to the invention is characterized in that that the part of the optical bridge containing the reference path is on a Plate, preferably on the circuit board containing the evaluation circuit, attached and is laterally sealed by two side walls connecting the end parts and the web.
  • the invention further relates to a method for compensating the temperature drift of the optical Bridge of the smoke detector mentioned.
  • the method according to the invention is characterized in that that the temperature drift curve by heating the light source and determining the Detector signal is determined at different temperatures.
  • the micro heater in the mounted detector is periodically activated and the current temperature drift curve is measured.
  • the heater is used as part of the Manufacturing process of the detector or activated during a detector revision and the temperature drift curve measured.
  • Another way to measure the temperature drift curve is to turn the detector on Put in a furnace at the end of the manufacturing process and connected to a data bus, and to heat the furnace while measuring the temperature drift curve.
  • a so-called detector insert is shown, which is part of a point extinction or transmitted light detector, which also has a base and a detector hood (not shown).
  • the detector insert is in a known manner for fastening in the base preferably mounted on the ceiling of a room to be monitored.
  • the detector hood covering the detector insert and, if applicable, the base is placed over the detector insert and locked with the base. Based on Fig. 1 located the ceiling with the base above and the dome facing the room to be monitored the detector hood below.
  • the detector insert shown in FIGS. 1 and 2 consists of a base plate as shown 1, the top of an edge web 2 and below a cylindrical wall 3 and one inside the wall 3 has a rectangular recess 4, as well as an evaluation circuit containing circuit board 5 and an optical attached to the circuit board Bridge 6.
  • the circuit board 5 is on the top of the base plate 1, inside the edge web 2, fixed.
  • the optical bridge 6 protrudes from the underside of the circuit board 1 down and is through the recess 4 is inserted.
  • the optical bridge 6 is made of a highly thermally conductive material, preferably aluminum or Die-cast zinc, manufactured and consists of two end parts 7, 7 'and one connecting them Middle web 8.
  • the end part 7 contains a chamber 9 with a light source 10 and the end part 7 ' contains two chambers 11 and 12 with a measuring and a reference receiver 13 and 14 respectively.
  • a measuring section 15 Between the chamber 9 with the light source 10 and the chamber 11 with the measuring receiver 13 is a measuring section 15 and between the chamber 9 with the light source 10 and the chamber 12 with the reference receiver 14, a reference path 16 is formed.
  • At least one web 17 with a perforated diaphragm 18 is arranged in the measuring section 15 Interfering extraneous light penetrating from the side, but that emitted by the light source 18 Leaves usable light unaffected.
  • the chamber 9 has one compared to the light source 10 relatively large surface area, so that smoke particles slowly diffusing into the chamber 9 deposit on the entire wall of the chamber and not only on the light source 10. As a result, the light source 10, if at all, only very slowly through smoke or smoke Dust particles dirty.
  • a web 17 'with a Pinhole 18 ' may be provided.
  • the measuring and reference sections 15 and 16 are designed such that the reference section 16 not accessible to smoke entering the detector from outside and in relation to it shielded and the measuring section 15 is freely accessible for such smoke.
  • the shield the reference section 16 is through the central web 8, the two end parts 7 and 7 'and through two side walls 23 connecting the end parts 7 and 7 'and the central web 8. can the reference path 16 upwards to the printed circuit board 5 through an over the entire Length and width of the optical bridge 6 extending plate (not shown) may be covered.
  • the light source 10 is by a light, possibly infrared radiation, emitting diode (LED or IRED), which sends light pulses into the measuring section 15 and the reference section 16.
  • LED or IRED emitting diode
  • the measuring and reference sections 15 and 16 contain the light source 10 and the receiver 13, 14 as the only optical elements two in the beam path perforated diaphragms L, L 'of approximately 1 to 2 mm in diameter arranged after the light source 10. There is a temperature dependence of the diameter or the position of these pinholes difficult to imagine and would have no impact on the accuracy or stability of the detector.
  • the measuring receiver 13 and the reference receiver 14 are identical photodiodes, which are due to a corresponding design of the measuring and reference sections 15 and 16, respectively receive the same amount of radiation from the light source 10. So that's through the radiation the light source 10 in the two receivers 13 and 14 triggered photo streams of the same size and the difference between these two photo streams remains zero until the optical properties the measuring section 15 by external influences, for example by penetrating smoke particles, to be changed. Then the difference between the photocurrents is no longer zero but increases proportionally for cloudiness or extinction.
  • the light source 10 is arranged on a plate-shaped carrier 19, which on the End face of the optical bridge 6 having chamber 9 is screwed on and the chamber 9 seals dust-tight.
  • the corresponding electrical connections are from the carrier 19 Printed circuit board 5.
  • the two receivers 13 and 14 are on a common plate-shaped Carrier 20 arranged on the end face containing the chambers 11 and 12 of the optical bridge 6 is screwed on. From the carrier 20 are the corresponding electrical Connections to the circuit board 5 out.
  • On the underside of the base plate 1 is a cup-shaped, fine-meshed grid or network 21 (Fig. 1) inserted, which the optical bridge 6 against protects against the penetration of insects or larger smoke or dirt particles.
  • Another potential source of interference is external light entering the measuring section 15 from the outside. This is through the aperture 18, the cylindrical wall 3 and through blocked from this wall radially inward, against the optical bridge 6, protruding shutters 22.
  • the optical bridge 6 has two potential problem points, which are essentially by the temperature dependence of the sensitivity of the photodiodes 13 and 14 and due to the temperature dependence of the emission of the LED forming the light source 10 are.
  • the temperature dependence of the sensitivity of the photodiodes is approximately 100 to 1000 ppm / ° C and that of the emission of the LED 10 about 4000 to 8000 ppm / ° C. Even if for the two photodiodes 13 and 14, a pair of adjacent ones on the silicon wafer Photodiode chips are used, the temperature coefficient cannot be excluded the sensitivity of the two photodiodes 13 and 14 are different, so that an optical bridge 6 aligned at room temperature at from room temperature deviating temperatures would be out of balance.
  • the temperature coefficient weak or slightly dependent on the emission direction. This also applies to bare LED chips, without bond wire across the chip, without epoxy covering and without Press glass lid.
  • the reason for this dependence of the temperature coefficient of the emission lies in the temperature-dependent refractive index of the chip material, such as gallium arsenide, whose refractive index increases by about 0.23% between 20 ° and 50 ° C.
  • the Light emerging from the chip is broken away from the plumb line as the temperature rises and the lobe of light, which is never completely vertical on the chip, widens slightly, causing the optical bridge 6 can also get out of balance.
  • the temperature drift of the optical bridge is used to eliminate these possible interferences 6 is measured and the temperature drift curve determined in this way is stored in a non-volatile memory element stored in the evaluation circuit. Then when evaluating the detector signal the temperature drift is computationally compensated.
  • the measurement of the temperature drift can either periodically on the mounted detector in the field or as part of the manufacturing process or also with detector revisions.
  • the temperature drift curve is preferably stored in an EEPROM of the detector.
  • the measurement of the temperature of the optical bridge 6 is carried out by an arranged on the plate 19 NTC resistor (not shown).
  • the outside temperature can also be measured so that the described one Transmitted light detectors can also be used to detect aerosol-free fires.
  • a further NTC resistor is provided in an area of the top of the detector hood that is easily accessible to ambient air, the output signal of which is compared with a temperature limit value, an alarm being triggered if this limit value is exceeded.
  • the design of the detector hood and the arrangement of the NTC resistor for measuring the temperature of the ambient air and the evaluation of its signal are similar to the optical-thermal smoke detector PolyRex of the AlgoRex fire detection system mentioned above .
  • the temperature drift curve as part of the manufacturing process or for detector revisions To be able to measure, the aluminum part carrying the optical bridge 6 with a small Provide heating. This heater is used at the end of the manufacturing process or for detector revisions activated and measurements are made at different temperatures, the results, which represent the temperature drift curve, in the EEPROM of the Be filed.
  • the heater can be, for example, a power transistor, a PTC heating element, a thick film resistor or a thin film resistor on ceramic.
  • the temperature drift curve can also be measured as part of the manufacturing process be that the detector, which in this case does not require any special heating, on Put the end of the manufacturing process in an oven and a suitable temperature cycle from for example 20 ° to 60 ° C and the temperature drift curve in the EEPROM of the Filers.
  • Light source 10 used.
  • An example of such a light source is shown in FIG schematic view with the housing cut open. Contains as shown the LED 10 forming the light source essentially one surrounded by a housing wall 24 Base or base 25 which carries the chip 26 of the LED. Between the chip 26 and a self-regulating PTC heating element 27 is provided in the base 25.
  • the LED 10 has three Connection wires 28, 29 and 30, wherein the connection 28 with the chip 26, the chip 26 bearing upper surface of the PTC heating element 27 with the connection 30 and that on the Base 25 lying on the lower surface of the heating element 27 is bonded to the connection 29.
  • bonding is understood to mean the establishment of electrical connections within of semiconductor elements through thin gold wires.
  • the PTC heating element 27 consists, for example, of doped barium titanate, the contact surfaces are each coated with gold, silver or aluminum.
  • the housing is at the top completed by a glass lid 31. If necessary, can be between the PTC heating element 27 and the base 25 a thermal insulation, for example a glass pane 32, be provided.
  • the heating element 27 is periodically, for example once a day, on different Temperatures heated and the temperature drift curve is measured and in EEPROM of the detector stored. Since it cannot be ruled out that it is in the measurement the temperature drift curve has just burned, is used to compensate for the temperature drift Detector signal always uses the temperature drift curve of the previous day.
  • the PTC heating element 27 instead of the PTC heating element 27, another micro heater can also be used within the housing the LED 26 can be used, for example a transistor chip or a platinum wire heater. Practical investigations have shown that a platinum wire micro heater on the the same temperature drift curve leads as heating the entire light source 10 from the outside. This Method is very attractive because it adapts the detector to the detector life span changing component properties allowed. However, it presupposes that the two photodiodes 13, 14 (Fig. 3) form a matching pair. If not If this is the case, the contribution of the photodiodes to the temperature drift of the detector signal must be corrected one of the two methods described in the manufacture of detectors can be determined.
  • the natural temperature fluctuation can vary between Day and night are used to measure the slope of the temperature drift in the corresponding Check section and adjust the temperature drift curve if necessary and in To issue an emergency notification in the event of deviations that are too large.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip, mit einer optischen Brücke, welche eine Lichtquelle, eine Mess- und eine Referenzstrecke und einen Mess- und einen Referenzempfänger aufweist, und mit einer Auswerteschaltung.
Beim Extinktionsmessverfahren wird bekanntlich ein Lichtstrahl durch die der Umgebungsluft und damit eventuellem Rauch zugängliche Messstrecke und durch die dem Rauch nicht zugängliche Referenzstrecke gesandt und es werden die beiden Empfangssignale miteinander verglichen. Da sowohl die Lichtstreuung an den Rauchpartikeln als auch die Absorption durch diese zur Extinktion beiträgt und das Licht von hellen Partikeln gestreut und von dunklen Partikeln absorbiert wird, besitzt das Extinktionsmessverfahren eine relativ gleichmässige Empfindlichkeit auf verschiedene Rauchpartikel und ist daher zur Detektion von Schwelbränden (helle Partikel) und von offenen Bränden (dunkle Partikel) gleichermassen gut geeignet.
Bei Anwendung des Extinktionsmessverfahrens bei Punktmeldern, das sind Rauchmelder, die vollständig in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, kann die Extinktion der Aerosole in der Luft nur über eine sehr kurze Messstrecke bestimmt werden, wodurch die Anforderungen an die Empfindlichkeit der Transmisionsmessung entsprechend steigen. So liegt bei einer Messstrecke von 10cm die Alarmschwelle von 4%/m bei einer Transmission von 99.6% der Referenztransmission. Sollen Transmissionswerte unterhalb der Alarmschwelle ausgelöst werden, müssen Werte von beispielsweise 99.96% Transmission erkennbar sein, was an die Stabilität der Elektronik, der Optoelektronik und der Mechanik von Punkt-Extinktionsmeldem, die in der Literatur auch als Durchlichtmelder bezeichnet werden, ausserordentlich hohe Anforderungen stellt. Derartige Durchlicht- oder Punkt-Extinktionsmelder sind beispielsweise in der EP-A-0 578 189 und in der EP-A-0 740 146 beschrieben.
Eines der Hauptprobleme hinsichtlich der Stabilität derartiger Melder besteht in der Temperaturabhängigkeit der optischen Brücke. Diese Temperaturabhängigkeit ist dadurch begründet, dass die in der optischen Brücke vorgesehenen optischen Elemente, das sind neben der Lichtquelle und den Empfängern in erster Linie Linsen und Spiegel, temperaturempfindlich sind.
So enthält beispielsweise die optische Brücke des in der EP-A-0 578 189 beschriebenen Durchlichtmelders Wellenleiter und Linsen und diejenige des in der EP-A-0 740 146 beschriebenen Durchlichtmelders eine Mehrzahl von Parabolspiegeln aus spritzgegossenem Kunststoff.
Da sich dieser Kunststoff nicht isotrop ausdehnt, sind die Parabolspiegel temperaturempfindlich, was die Stabilität der optischen Brücke negativ beeinflusst. Aber auch die Linsen und Wellenleiter des in der EP-A-0 578 189 beschriebenen Durchlichtmelders sind von der Temperatur beeinflusst und damit unstabil.
Durch die Erfindung sollen nun die bekannten Punkt-Extinktions- oder Durchlichtmelder dahingehend verbessert werden, dass die optische Brücke möglichst stabil und insbesondere möglichst wenig temperaturempfindlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die optische Brücke neben der Lichtquelle und dem Mess- und dem Referenzempfänger als einzige optische Elemente zwei vor der Lichtquelle angeordnete Lochblenden aufweist.
Das bedeutet gegenüber den bekannten Punkt-Extinktionsmeldern durch den Wegfall der Parabolspiegel bzw. der Linsen und Lichtleiter nicht nur eine Verbesserung der Stabilität sondern auch eine merkbare Kosteneinsparung.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Melders ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle in einer ein Luftreservoir enthaltenden Kammer angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Oberfläche der Kammer wesentlich grösser als diejenige der Lichtquelle.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass wegen der grossen Oberfläche der Kammer langsam in die Kammer eindiffundierende Rauchpartikel auf der Kammerwand und nicht nur auf der Lichtquelle abgelagert werden.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Melders ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke mindestens einen Steg mit einer Lochblende aufweist, welche seitlich eindringendes, störendes Fremdlicht abhält und die Strahlung der Lichtquelle unbeeinflusst lässt.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Melders ist dadurch gekennzeichnet, dass die optische Brücke zwei Endteile und einen diese verbindenden Steg aufweist, wobei an der einen Seite des Stegs die Messstrecke und an der anderen Seite die Referenzstrecke gebildet ist, und dass in dem einen Endteil die Kammer mit der Lichtquelle und in dem anderen Kammern mit dem Messempfänger beziehungsweise dem Referenzempfänger vorgesehen sind.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die optische Brücke einstückig hergestellt und praktisch in beliebige Meldergehäuse integriert werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Melders ist dadurch gekennzeichnet, dass der die Referenzstrecke enthaltende Teil der optischen Brücke auf einer Platte, vorzugsweise auf der die Auswerteschaltung enthaltenden Leiterplatte, befestigt und seitlich durch zwei die Endteile und den Steg verbindende Seitenwände abgedichtet ist.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Kompensation der Temperaturdrift der optischen Brücke des genannten Rauchmelders. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdriftkurve durch Heizen der Lichtquelle und Bestimmung des Meldersignals bei verschiedenen Temperaturen ermittelt wird.
Wenn der Chip der Leuchtdiode des Melders auf einer Mikroheizung innerhalb des Diodengehäuses montiert ist, wird die Mikroheizung im montierten Melder vor Ort periodisch aktiviert und dabei die aktuelle Temperaturdriftkurve gemessen.
Wenn die optische Brücke auf einem Träger aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit montiert und dieser Träger mit einer Heizung versehen ist, wird die Heizung im Rahmen des Herstellungsprozesses des Melders oder bei einer Melderrevision aktiviert und dabei die Temperaturdriftkurve gemessen.
Eine andere Möglichkeit zur Messung der Temperaturdriftkurve besteht darin, den Melder am Ende des Herstellungsprozesses in einen Ofen zu geben und an einen Datenbus anzuschliessen, und den Ofen zu heizen und dabei die Temperaturdriftkurve zu messen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert; dabei zeigt:
Fig. 1
eine Seitenansicht des Meldereinsatzes eines erfindungsgemässen Melders,
Fig. 2
eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II von Fig. 1,
Fig. 3
einen Längsschnitt durch die optische Brücke des Meldereinsatzes nach der Linie III-III von Fig. 2; und
Fig. 4
ein Detail der optischen Brücke von Fig. 3.
In den Fig. 1 und 2 ist ein sogenannter Meldereinsatz dargestellt, der Teil eines Punkt-Extinktions- oder Durchlichtmelders bildet, welcher ausserdem noch einen Sockel und eine Melderhaube (nicht dargestellt) aufweist. Der Meldereinsatz ist in bekannter Weise zur Befestigung in dem vorzugsweise an der Decke eines zu überwachenden Raumes montierten Sockel vorgesehen. Die den Meldereinsatz und gegebenenfalls auch den Sockel abdeckende Melderhaube ist über den Meldereinsatz gestülpt und mit dem Sockel verriegelt. Bezogen auf Fig. 1 befindet sich die Decke mit dem Sockel oben und die dem zu überwachenden Raum zugewandte Kuppe der Melderhaube unten.
Dieser Melderaufbau ist bekannt und wird deswegen hier nicht näher beschrieben; es wird in diesem Zusammenhang auf die Brandmelder der Reihe AlgoRex der Siemens Building Technologies AG, Cerberus Division (früher Cerberus AG) verwiesen (Cerberus und AlgoRex sind eingetragene Warenzeichen der Siemens Building Technologies AG bzw. der Cerberus AG).
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Meldereinsatz besteht darstellungsgemäss aus einer Basisplatte 1, die oben einen Randsteg 2 und unten eine zylindrische Wand 3 sowie eine innerhalb der Wand 3 liegende rechteckige Ausnehmung 4 aufweist, sowie aus einer eine Auswerteschaltung enthaltenden Leiterplatte 5 und aus einer auf der Leiterplatte befestigten optischen Brücke 6. Die Leiterplatte 5 ist an der Oberseite der Basisplatte 1, innerhalb des Randstegs 2, fixiert. Die optische Brücke 6 ragt von der Unterseite der Leiterplatte 1 nach unten und ist durch die Ausnehmung 4 gesteckt.
Die optische Brücke 6 ist aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Aluminiumoder Zinkdruckguss, gefertigt und besteht aus zwei Endteilen 7, 7' und einem diese verbindenden Mittelsteg 8. Der Endteil 7 enthält eine Kammer 9 mit einer Lichtquelle 10 und der Endteil 7' enthält zwei Kammern 11 und 12 mit einem Mess- und einem Referenzempfänger 13 bzw. 14. Zwischen der Kammer 9 mit der Lichtquelle 10 und der Kammer 11 mit dem Messempfänger 13 ist eine Messstrecke 15 und zwischen der Kammer 9 mit der Lichtquelle 10 und der Kammer 12 mit dem Referenzempfänger 14 ist eine Referenzstrecke 16 gebildet.
In der Messstrecke 15 ist mindestens ein Steg 17 mit einer Lochblende 18 angeordnet, welche seitlich eindringendes, störendes Fremdlicht abhält, aber das von der Lichtquelle 18 ausgesandte Nutzlicht unbeeinflusst lässt. Die Kammer 9 weist verglichen mit der Lichtquelle 10 eine relativ grosse Oberfläche auf, so dass langsam in die Kammer 9 eindiffundierende Rauchpartikel sich auf der gesamten Wand der Kammer und nicht nur auf der Lichtquelle 10 ablagern. Dies führt dazu, dass die Lichtquelle 10, wenn überhaupt, nur sehr langsam durch Rauch- oder Staubpartikel verschmutzt. In der Referenzstrecke 16 kann ebenfalls ein Steg 17' mit einer Lochblende 18' vorgesehen sein.
Die Mess- und die Referenzstrecke 15 bzw. 16 sind so ausgebildet, dass die Referenzstrecke 16 für von aussen in den Melder einströmenden Rauch nicht zugänglich und gegenüber diesem abgeschirmt und die Messstrecke 15 für solchen Rauch frei zugänglich ist. Die Abschirmung der Referenzstrecke 16 erfolgt durch den Mittelsteg 8, die beiden Endteile 7 und 7' und durch zwei die Endteile 7 und 7' und den Mittelsteg 8 verbindende Seitenwände 23. Falls erforderlich, kann die Referenzstrecke 16 nach oben zur Leiterplatte 5 hin durch eine sich über die gesamte Länge und Breite der optischen Brücke 6 erstreckende Platte (nicht dargestellt) abgedeckt sein.
Die Lichtquelle 10 ist durch eine Licht, eventuell Infrarotstrahlung, aussendende Diode (LED bzw. IRED) gebildet, welche Lichtpulse in die Messstrecke 15 und die Referenzstrecke 16 sendet. Die Mess- und die Referenzstrecke 15 bzw. 16 enthalten mit Ausnahme der Glasfenster der Lichtquelle 10 und der Empfänger 13, 14 als einzige optische Elemente zwei im Strahlengang nach der Lichtquelle 10 angeordnete Lochblenden L, L' von etwa 1 bis 2 mm Durchmesser. Eine Temperaturabhängigkeit des Durchmessers oder der Position dieser Lochblenden ist nur schwer vorstellbar und wäre auch ohne Einfluss auf die Genauigkeit oder Stabilität des Melders.
Der Messempfänger 13 und der Referenzempfänger 14 sind baugleiche Fotodioden, die aufgrund einer entsprechenden Auslegung der Mess- und der Referenzstrecke 15 bzw. 16 die gleiche Menge von Strahlung der Lichtquelle 10 empfangen. Somit sind die durch die Strahlung der Lichtquelle 10 in den beiden Empfängern 13 und 14 ausgelösten Fotoströme gleich gross und die Differenz dieser beiden Fotoströme bleibt so lange null bis die optischen Eigenschaften der Messstrecke 15 durch Fremdeinfluss, beispielsweise durch eindringende Rauchpartikel, verändert werden. Dann ist die Differenz der Fotoströme nicht mehr null sondern steigt proportional zur Trübung oder Extinktion an.
Die Lichtquelle 10 ist auf einem plattenförmigen Träger 19 angeordnet, welcher auf die die Kammer 9 aufweisende Stirnfläche der optischen Brücke 6 aufgeschraubt ist und die Kammer 9 staubdicht abdichtet. Vom Träger 19 sind die entsprechenden elektrischen Verbindungen zur Leiterplatte 5 geführt. Die beiden Empfänger 13 und 14 sind auf einem gemeinsamen plattenförmigen Träger 20 angeordnet, der auf die die Kammern 11 und 12 enthaltende Stirnfläche der optischen Brücke 6 aufgeschraubt ist. Vom Träger 20 sind die entsprechenden elektrischen Verbindungen zur Leiterplatte 5 geführt. Auf die Unterseite der Basisplatte 1 ist ein topfförmiges, feinmaschiges Gitter oder Netz 21 (Fig. 1) gesteckt, welches die optische Brücke 6 gegen das Eindringen von Insekten oder grösseren Rauch- oder Schmutzpartikeln schützt.
Durch die Abdichtung der Kammer 9 und durch die die Kammern 11 und 12 abdeckende Trägerplatte 20 ist sichergestellt, dass praktisch keine Rauchpartikel in die Referenzstrecke 16 gelangen können, und es erfolgt auch kein merkliches Eindringen von Rauchpartikeln in die Referenzstrecke 16 über die in die Kammer 9 hineinführende Lochblende L der Messstrecke 15 und die Kammer 9. Was in der Praxis beobachtet werden kann, ist höchstens eine sehr langsame Staubablagerung an den die Mess- und die Referenzstrecke 15 bzw. 16 begrenzenden Teilen der optischen Brücke 6, die sich aber in beiden Strecken etwa gleich auswirkt. Auf keinen Fall kann es vorkommen, dass Rauch in einer merkbaren Menge in die Referenzstrecke 16 gelangt und das Messergebnis beeinflusst.
Eine weitere potentielle Störquelle ist von aussen in die Messstrecke 15 eindringendes Fremdlicht. Dieses wird durch die schon genannte Lochblende 18, die zylindrische Wand 3 und durch von dieser Wand radial nach innen, gegen die optische Brücke 6 hin, ragende Blenden 22 abgeblockt.
Die Auswertung und Verarbeitung der Ausgangssignale des Messempfängers 13 und des Referenzempfängers 14 erfolgt in der auf der Leiterplatte 5 angeordneten Auswerteschaltung, die hier nicht näher beschrieben wird. Es wird in diesem Zusammenhang auf die EP-A-0 886 252 verwiesen, welche eine ausführliche Beschreibung einer geeigneten Auswerteschaltung enthält.
Die optische Brücke 6 weist vom Prinzip her zwei potentielle Problempunkte auf, die im wesentlichen durch die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit der Fotodioden 13 und 14 und durch die Temperaturabhängigkeit der Emission der die Lichtquelle 10 bildenden LED bedingt sind. Die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit der Fotodioden beträgt etwa 100 bis 1000 ppm/°C und diejenige der Emission der LED 10 etwa 4000 bis 8000 ppm/°C. Auch wenn für die beiden Fotodioden 13 und 14 jeweils ein Paar von auf dem Silizium-Wafer benachbarten Fotodioden-Chips verwendet wird, kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit der beiden Fotodioden 13 und 14 unterschiedlich sind, so dass eine bei Zimmertemperatur abgeglichene optische Brücke 6 bei von der Zimmertemperatur abweichenden Temperaturen aus dem Gleichgewicht geraten würde.
Bei der LED kommt zur Temperaturabhängigkeit der Emission noch hinzu, dass der Temperaturkoeffizient schwach oder leicht von der Emissionsrichtung abhängig ist. Das gilt auch für nackte LED-Chips, ohne Bonddraht quer über dem Chip, ohne Epoxy-Überdeckung und ohne Pressglasdeckel. Der Grund für diese Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten der Emission liegt im temperaturabhängigen Brechungsindex des Chip-Materials, wie bei-spielsweise Galliumarsenid, dessen Brechungsindex sich zwischen 20° und 50°C um etwa 0.23% erhöht. Das aus dem Chip austretende Licht wird mit steigender Temperatur stärker vom Lot weggebrochen und die nie ganz lotrecht auf dem Chip stehende Lichtkeule verbreitert sich leicht, wodurch die optische Brücke 6 ebenfalls aus dem Gleichgewicht geraten kann.
Zur Ausschaltung dieser möglichen Störeinflüsse wird die Temperaturdrift der optischen Brücke 6 gemessen und die dabei ermittelte Temperaturdriftkurve wird in einem nichtflüchtigen Speicherelement der Auswerteschaltung abgelegt. Bei der Auswertung des Meldersignals wird dann die Temperaturdrift rechnerisch kompensiert. Dabei kann die Messung der Temperaturdrift entweder periodisch am montierten Melder im Feld oder im Rahmen des Herstellungsprozesses oder auch bei Melderrevisionen erfolgen. Die Ablage der Temperaturdriftkurve erfolgt vorzugsweise in einem EEPROM des Melders.
Die Messung der Temperatur der optischen Brücke 6 erfolgt durch einen auf der Platte 19 angeordneten NTC-Widerstand (nicht dargestellt). Zusätzlich zur Temperaturmessung im Melderinnenraum kann auch eine Messung der Aussentemperatur erfolgen, so dass der beschriebene Durchlichtmelder auch zur Detektion von aerosolfreien Bränden verwendet werden kann.
In diesem Fall ist in einem für Umgebungsluft gut zugänglichen Bereich der Kuppe der Melderhaube ein weiterer NTC-Widerstand vorgesehen, dessen Ausgangssignal mit einem Temperaturgrenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten dieses Grenzwerts eine Alarmauslösung erfolgt. Die Ausbildung der Melderhaube und die Anordnung des NTC-Widerstands für die Messung der Temperatur der Umgebungsluft sowie die Auswertung von dessen Signal sind in diesem Fall ähnlich wie beim optisch-thermischen Rauchmelder PolyRex des weiter vorne genannten Brandmeldesystems AlgoRex.
Um die Temperaturdriftkurve im Rahmen des Herstellungsprozesses oder bei Melderrevisionen messen zu können, wird das die optische Brücke 6 tragende Aluminiumteil mit einer kleinen Heizung versehen. Diese Heizung wird am Ende des Herstellungsprozesses oder bei Melderrevisionen aktiviert und es werden Messungen bei verschiedenen Temperaturen vorgenommen, deren Ergebnisse, welche die Temperaturdriftkurve repräsentieren, im EEPROM des Melders abgelegt werden.
Die Heizung kann beispielsweise ein Leistungstransistor, ein PTC-Heizelelement, ein Dickfilmwiderstand oder ein Dünnfilmwiderstand auf Keramik sein. Bei der Anwendung dieser Methode wird vorausgesetzt, dass sich die Temperaturdriftkurve während der Lebensdauer des Melders oder während des Zeitraums zwischen zwei Melderrevisionen nicht ändert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Temperaturdriftkurve über lange Zeit erhalten bleibt und dass höchstens ihre absolute Lage leicht wegwandert, was aber durch eine Nachführung des Meldersignals kompensiert werden kann.
Die Temperaturdriftkurve kann im Rahmen des Herstellungsprozesses aber auch dadurch gemessen werden, dass man den Melder, der in diesem Fall keine spezielle Heizung benötigt, am Ende des Herstellungsprozesses in einen Ofen gibt und einen geeigneten Temperaturzyklus von beispielsweise 20° bis 60°C fährt und dabei die Temperaturdriftkurve im EEPROM des Melders ablegt.
Um die Temperaturdriftkurve an montierten Meldern im Feld messen zu können, wird eine heizbare Lichtquelle 10 verwendet. Ein Beispiel für eine solche Lichtquelle ist in Figur 4 in einer schematischen Ansicht mit aufgeschnittenem Gehäuse dargestellt. Darstellungsgemäss enthält die die Lichtquelle bildende LED 10 im wesentlichen einen von einer Gehäusewandung 24 umgebenen Sockel oder Boden 25, der den Chip 26 der LED trägt. Zwischen dem Chip 26 und dem Sockel 25 ist ein selbstregelndes PTC-Heizelement 27 vorgesehen. Die LED 10 weist drei Anschlussdrähte 28, 29 und 30 auf, wobei der Anschluss 28 mit dem Chip 26, die den Chip 26 tragende obere Fläche des PTC-Heizelements 27 mit dem Anschluss 30 und die auf dem Sockel 25 aufliegende untere Fläche des Heizelements 27 mit dem Anschluss 29 gebondet ist.
Unter Bonden versteht man bekanntlich die Herstellung elektrischer Verbindungen innerhalb von Halbleiterelementen durch dünne Golddrähte.
Das PTC-Heizelement 27 besteht beispielsweise aus dotiertem Bariumtitanat, die Kontaktflächen sind jeweils mit Gold, Silber oder Aluminium beschichtet. Nach oben ist das Gehäuse durch einen Glasdeckel 31 abgeschlossen. Falls erforderlich, kann zwischen dem PTC-Heizelement 27 und dem Sockel 25 eine thermische Isolierung, beispielsweise eine Glasscheibe 32, vorgesehen sein. Das Heizelement 27 wird periodisch, beispielsweise einmal pro Tag, auf verschiedene Temperaturen erhitzt und es wird die Temperaturdriftkurve gemessen und im EEPROM des Melders abgelegt. Da nicht ausgeschlossen werden kann, dass es bei der Messung der Temperaturdriftkurve gerade gebrannt hat, wird zur Temperaturdriftkompensation des Meldersignals immer die Temperaturdriftkurve des Vortages verwendet.
Anstatt des PTC-Heizelements 27 kann auch eine andere Mikroheizung innerhalb des Gehäuses der LED 26 verwendet werden, beispielsweise ein Transistorchip oder eine Platindrahtheizung. Praktische Untersuchungen haben ergeben, dass eine Platindraht-Mikroheizung auf die selbe Temperaturdriftkurve führt wie ein Heizung der ganzen Lichtquelle 10 von aussen. Diese Methode ist sehr attraktiv, weil sie eine Adaption des Melders an die sich über die Melder-Lebensdauer verändernden Komponenteneigenschaften erlaubt. Sie setzt aber voraus, dass die beiden Fotodioden 13, 14 (Fig. 3) ein zusammenpassendes Paar bilden. Wenn dies nicht der Fall ist, dann muss der Beitrag der Fotodioden zur Temperaturdrift des Meldersignals nach einer der beiden beschriebenen Methoden bei der Melderherstellung ermittelt werden.
Bei allen drei beschriebenen Methoden kann die natürliche Temperaturfluktuation zwischen Tag und Nacht verwendet werden, um die Steigung der Temperaturdriftkurve im entsprechenden Abschnitt zu überprüfen und die Temperaturdriftkurve gegebenenfalls nachzuführen und im Notfall bei zu grossen Abweichungen eine Störungsanzeige auszugeben.

Claims (18)

  1. Optischer Rauchmelder nach dem Extinktionsprinzip, mit einer optischen Brücke (6), welche eine Lichtquelle (10), eine Mess- und eine Referenzstrecke (15 bzw. 16) und einen Messund einen Referenzempfänger (13 bzw. 14) aufweist, und mit einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Brücke (6) neben der Lichtquelle (10) und dem Mess- und dem Referenzempfänger (13 bzw. 14) als einzige optische Elemente zwei vor der Lichtquelle (10) angeordnete Lochblenden (L, L') aufweist.
  2. Rauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (10) in einer ein Luftreservoir enthaltenden Kammer (9) angeordnet ist.
  3. Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kammer (9) wesentlich grösser ist als diejenige der Lichtquelle (10).
  4. Rauchmelder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (15) mindestens einen Steg (17) mit einer Lochblende (18) aufweist, welche seitlich eindringendes, störendes Fremdliche abhält und die Strahlung der Lichtquelle (10) unbeeinflusst lässt.
  5. Rauchmelder nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Brücke (6) zwei Endteile (7, 7') und einen diese verbindenden Steg (8) aufweist, wobei an der einen Seite des Stegs (8) die Messstrecke (15) und an der anderen Seite die Referenzstrecke (16) gebildet ist, und dass in dem einen Endteil (7) die Kammer (9) mit der Lichtquelle (10) und in dem anderen (7') Kammern (11, 12) mit dem Messempfänger (13) beziehungsweise dem Referenzempfänger (14) vorgesehen sind.
  6. Rauchmelder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Referenzstrecke (16) enthaltende Teil der optischen Brücke (6) auf einer Platte, vorzugsweise auf der die Auswerteschaltung enthaltenden Leiterplatte (5), befestigt und seitlich durch zwei die Endteile (7, 7') und den Steg (8) verbindende Seitenwände (23) abgedichtet ist.
  7. Rauchmelder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Lichtquelle (10) enthaltende Kammer (9) und die den Mess- und den Referenzempfänger (13 bzw. 14) enthaltenden Kammern (11 bzw. 12) nach aussen abgeschlossen sind.
  8. Rauchmelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Kammern (10, 11, 12) je durch eine Platte (19, 20) abgeschlossen sind, welche als Träger der Lichtquelle (10) beziehungsweise des Mess- und des Referenzempfängers (13, 14) dient.
  9. Rauchmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der beiden Platten (19, 20), vorzugsweise auf der die Lichtquelle (10) tragenden, ein Mittel zur Messung der Temperatur der optischen Brücke (6) vorgesehen ist.
  10. Rauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Brücke aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Aluminium- oder Zinkdruckguss, besteht.
  11. Rauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung ein nicht-flüchtiges Speicherelement enthält, in welchem die Temperaturdriftkurve der optischen Brücke (6) abgelegt ist, und dass Mittel zur rechnerischen Kompensation des Einflusses der Temperaturdriftkurve auf das Meldersignal vorgesehen sind.
  12. Rauchmelder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (10) durch eine ein Gehäuse (24) aufweisende Leuchtdiode gebildet ist, deren Chip (26) auf einer Mikroheizung (27) innerhalb des Gehäuses (24) montiert ist.
  13. Rauchmelder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroheizung (27) durch eine Platindrahtheizung oder ein PTC-Heizelement oder einen Transistorchip gebildet ist.
  14. Rauchmelder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mikroheizung (27) und dem Boden (25) des Gehäuses (24) eine thermische Isolierung (32) vorgesehen ist.
  15. Verfahren zur Kompensation der Temperaturdrift der optischen Brücke (6) des Rauchmelders nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdriftkurve durch Heizen der Lichtquelle (8) und Bestimmung des Meldersignals bei verschiedenen Temperaturen ermittelt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Melder, dessen Lichtquelle (10) durch eine Leuchtdiode gebildet ist, welche einen mit einer Mikroheizung (27) heizbaren Chip (26) aufweist, die Mikroheizung (27) im montierten Melder vor Ort periodisch aktiviert und dabei die aktuelle Temperaturdriftkurve gemessen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Melder, dessen optische Brücke (6) auf einem mit einer Heizung versehenen Träger aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit montiert ist, die Heizung im Rahmen des Herstellungsprozesses des Melders oder bei einer Melderrevision aktiviert und dabei die Temperaturdriftkurve gemessen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Melder am Ende des Herstellungsprozesses in einen Ofen gegeben und an einen Datenbus angeschlossen, und dass der Ofen geheizt und dabei die Temperaturdriftkurve gemessen wird.
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