EP2083405A1 - Brandmelder - Google Patents

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Publication number
EP2083405A1
EP2083405A1 EP09000836A EP09000836A EP2083405A1 EP 2083405 A1 EP2083405 A1 EP 2083405A1 EP 09000836 A EP09000836 A EP 09000836A EP 09000836 A EP09000836 A EP 09000836A EP 2083405 A1 EP2083405 A1 EP 2083405A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
fire detector
microprocessor
power supply
gas sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09000836A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudi Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SCHMITT, RUDI
Original Assignee
S and G Messtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by S and G Messtechnik GmbH filed Critical S and G Messtechnik GmbH
Publication of EP2083405A1 publication Critical patent/EP2083405A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • G08B17/117—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means by using a detection device for specific gases, e.g. combustion products, produced by the fire
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G08B29/181—Prevention or correction of operating errors due to failing power supply
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G08B29/183—Single detectors using dual technologies

Definitions

  • the invention relates to a fire detector for use in buildings, comprising at least one gas sensor which emits an electrical signal in response to a change in state characteristic of a fire of the air surrounding the gas sensor.
  • the invention furthermore relates to a gas detection device for use in buildings, comprising at least one gas sensor which emits an electrical signal as a function of the concentration of combustible gases in the air surrounding the gas sensor.
  • the power supply of the fire alarm via the electrical installation network of the building, and the fire detector further comprises a backup battery for redundant internal power supply of the fire alarm and a power failure detection device with a microprocessor, which detects an interruption of the mains power supply and then switching to the internal power supply through the Buffer battery causes, wherein the gas sensor comprises a heated metal oxide semiconductor gas sensor element and a heating element for heating the metal oxide semiconductor, and the microprocessor monitors the heating current through the heating element, as an indicator for an interruption of the mains power supply.
  • the advantage here is that is always ready for use by the network operation of the fire detector regardless of its battery life.
  • the risk of a possible power failure in the network is avoided by the backup battery and the automatic switch to battery operation in the event of a power failure.
  • the fire detector comprises a display and alarm device which can be controlled by the microprocessor and emits an optical and / or acoustic alarm in the event of an interruption of the mains power supply of the fire detector.
  • the signal of the gas sensor consists in a change in resistance of the metal oxide semiconductor.
  • a temperature sensor for determining the ambient temperature of the fire detector is provided with the Microprocessor is connected and whose temperature reading is processed in the microprocessor for correction purposes.
  • a calibration characteristic is stored in the microprocessor, on the basis of which a characteristic adjustment value of the sensitivity characteristic of the gas sensor element is automatically adjusted as a function of the measured ambient temperature such that a sensor signal compensated for ambient temperature influences can be determined.
  • the gas sensor is a CO sensor.
  • At least one optical sensor and one infrared sensor are present in addition to the CO sensor and the temperature sensor.
  • FIG. 1 schematically shows a fire detector 1, the housing is indicated by the dashed line.
  • a gas sensor 14 and a temperature sensor 22 for measuring the ambient temperature.
  • the interior of the fire detector in the vicinity of the gas sensor 14 and the temperature sensor 22 is in communication with the air surrounding the fire detector, in particular can via diffusion and / or gas flow rapid gas exchange between the air surrounding the fire detector and the gas sensor 14th respectively. This ensures that the gas sensor 14 of the fire detector 1 sees the same gas composition as prevails in the air surrounding the fire detector 1, and the temperature sensor can measure the ambient temperature of the fire detector 1.
  • the fire detector 1 comprises a microprocessor 2, which includes the usual for a microprocessor peripheral circuit, which is not shown here for reasons of clarity.
  • the gas sensor 14 is connected to the microprocessor 2 via sensor connection lines 20, so that the sensor signal of the gas sensor 14 can be detected and processed in the microprocessor 2.
  • the microprocessor 2 also includes in the functional sense all the necessary electronic circuits and assemblies such as amplifier circuits, current or constant voltage sources, comparators and the like, which can also be constructed on separate printed circuit boards.
  • the fire detector 1 comprises a display and alarm device 4, which is controlled by the microprocessor 2.
  • the power supply can be done for example by means of a standard power cord with a power connector into a power outlet in the building's inner wall; It could also be a separate power cord under plaster led to the fire alarm and the fire alarm can then be connected.
  • Other required for the production of a mains power supply modules, such as a rectifier or a switching power supply, are not shown in the figure for reasons of clarity, however, however, in the fire detector 1 available.
  • the fire detector 1 additionally has a battery 8, which is designed as a redundant power supply. It may be a rechargeable battery or a non-rechargeable primary cell.
  • the battery 8 is connected by means of a changeover switch 10, which is advantageously realized as an electronic switch, to the power supply of the fire alarm when the power supply via the power supply line 6 is interrupted.
  • the mains power supply is also monitored by the microprocessor 2, which in the event of an interruption via a line of action 12 actuates the switch and the power supply switches from mains to battery operation.
  • the fire detector 1 thus operates normally not with battery, but directly on the building electricity network.
  • a green ready indicator such as a green LED, is provided which illuminates when the mains power is intact.
  • Previously known fire detectors normally work with direct current, which they usually obtain via a battery, they do not have a mains connection.
  • An example of such a fire detector is the Smart model from Honeywell. There is no active indication of sufficient battery voltage as this would itself consume power and reduce the life of the battery in the fire detector. Only when the battery charge has fallen below a just tolerable threshold, sounds a short periodic warning signal, which is easily overheard in everyday life. Thus, there is the danger in known fire detectors that one day only a functionless, because powerless, device hangs on the building ceiling. This disadvantage overcomes the fire detector according to the invention Fig. 1 through the mains connection 6.
  • the microprocessor 2 detects that no more current is flowing. Immediately he activates the switch 10, and the backup battery 8 takes over the internal power supply of the fire detector 1. The Brandrnelder then works for at least one hour as intended in battery mode.
  • the microprocessor 2 also monitors the state of charge of the battery and further activates the display and alarm unit 4 so that at the end of the battery life it emits an optical and / or audible signal lasting for about one minute, signaling that the battery is soon depleted.
  • the signal tone can be, for example, quickly pulsating and long-lasting, possibly accompanied by the illumination of a red warning light, for example an LED.
  • the beep is unmistakable and may be similar to the alarm sound emitted by the display and alarm unit 4 of the fire detector 1 to indicate a fire alarm. It can have a volume of about 100 dB, at a frequency of about 3.5 kHz. Because the power failure could indeed have been caused by a short circuit in the pipeline network, which carries the risk of triggering a smoldering fire. Thus, the sound of the fire alarm gives the occupants of the building an indication to search for the causes of the power failure and eliminate the source of danger in a timely manner.
  • the gas sensor 14 is of a type of heated gas sensor. It comprises a heater 16, which is likewise operated by the power supply of the fire detector via a power supply line 26 and heats a gas sensor element 18 to an operating temperature above room temperature.
  • the heater can be operated in particular by the mains current after its rectification, thus by direct current.
  • the heater 16 is then operated by the backup battery 8.
  • the capacity of the backup battery 8 is dimensioned such that it can keep the gas sensor 14 at its working temperature for at least 1 hour and can ensure the intended functioning of the fire detector 1.
  • the heating current through the heater is tapped via a current measuring resistor 24 and the measured Schustromwert supplied to the microprocessor 2 as an input signal.
  • the microprocessor then monitors the correct current value of the heating current. If the microprocessor detects a sharp drop in heating current, it interprets this as a power failure and initiates the power failure signaling and power switching routine, as described above.
  • the gas sensor 14 is a gas sensor based on a heatable metal oxide semiconductor.
  • the functional principle of semiconductor gas sensors also known as Tagushi or Figaro gas sensors, is based on the chemisorption of organic molecules on the surface of an oxide semiconductor, for example of tin oxide (SnO 2) and the associated change in the electron concentration.
  • SnO 2 tin oxide
  • the sensitivity of the sensor is thus a function of the gas partial pressure of the chemisorbable or gases.
  • Semiconductor gas sensors react more or less to a variety of reducing gases and are therefore very suitable as broadband detectors for the rapid detection of oxidizable gases. They can be operated isothermally at temperatures between 200 ° C and 450 ° C or with a programmed periodic heating and cooling.
  • Semiconductor gas sensors have been used for a long time in gas detection systems, smoke detectors and for workplace control. By selective doping of the semiconductor material, the selectivity for certain types of gas can be increased. By doping with noble metals such as platinum or rhodium, for example, the sensitivity to carbon monoxide (CO) or to hydrogen can be increased over the sensitivity to other oxidizable gases.
  • noble metals such as platinum or rhodium
  • a fire detector with a semiconductor gas sensor is for example in the WO 93/108550 described.
  • the semiconductor gas sensor used there is operated at ambient temperature, which makes it particularly susceptible to drift phenomena and transients to ambient temperature variations and humidity changes of the ambient air.
  • the gas sensor used in the fire detector according to the invention is for example a sensor of the type Figaro TGS 82442B00, which has been optimized especially for the detection of combustible gases. Its response threshold is less than 300 ppm CO. It is operated at a working temperature of about 350 ° C with a heating time of 14 ms.
  • FIG. 1 is in the microprocessor a Kenlinienschar 30 deposited.
  • Each characteristic of the family establishes a relationship between the measured electrical resistance of the sensor and the gas concentration at a given ambient temperature.
  • the gas sensor in the fire detector 1 described here was calibrated to CO, therefore, the characteristic family 30 represents the relationship between the measured sensor resistance and the CO concentration.
  • the hydrogen or the methane concentration or the concentration of another combustible gas be recorded.
  • the electrical resistance of the sensor R decreases with respect to a calibration value R 0 .
  • the electrical resistance also decreases with increasing ambient temperature T. But also with increasing relative humidity of the atmosphere surrounding the sensor, the electrical resistance can decrease; the latter relationship is not shown in the figure.
  • a calibration characteristic in a function block for temperature compensation 28 is stored in the microprocessor 2 in addition to the sensitivity characteristics, see FIG. 2 , This links the ambient temperature with a set value for calibration of the sensitivity characteristic.
  • the setting value can be, for example, a test voltage applied to a specific measuring point of an electronic measuring amplifier circuit, which can be set via a variable resistor.
  • the program stored in the microprocessor automatically checks, based on the temperature value of the ambient temperature measured by the temperature sensor 22 and the stored calibration characteristic curve, whether the setpoint value for the sensitivity characteristic is correct, and if deviations are detected, the microprocessor automatically initiates corresponding corrective measures.
  • a sensitivity curve of the gas sensor which is automatically calibrated correctly with respect to the ambient temperature is always used in the fire detector according to the invention. Incorrect measurements are largely prevented.
  • a corresponding self-calibration with respect to the relative humidity of the atmosphere surrounding the sensor could, of course, also be carried out if the fire detector additionally comprised a humidity sensor which cooperates in a corresponding manner with the microprocessor, like the temperature sensor 22.
  • Conventional fire detectors in particular those that are offered to the consumer for easy retrofitting in apartments or residential buildings and are sold relatively cheaply in hardware stores, for example, can only detect particulate smoke or soot.
  • the smoke In the time that must pass until in the case of a fire, the smoke has developed so strong that such a conventional smoke detector responds and emits an alarm, so may have already formed a dangerously high carbon monoxide concentration in the room air.
  • this is not covered by conventional smoke detectors.
  • the fire detector according to the invention reacts straight to the carbon monoxide, and therefore it triggers an alarm much earlier than conventional smoke detectors.
  • the alarm threshold can be set below 500 ppm or 0.05 vol% CO.
  • the calibration characteristic stored in the microprocessor and the automatic recalibration of the sensor characteristic with fluctuating ambient temperature increase the measuring accuracy and thereby reduce the number of false alarms.
  • the fire detector according to the invention is particularly advantageous for the detection of a fire dwelling can be used, it can also be operated generally as Gaswam réelle because of the high accuracy and the low threshold.
  • a gas detector for example, it recognizes leaking gas from defective gas pipes in the house, be it a gas heater or a gas stove, or even carbon monoxide, which forms in a room due to an exhaust gas backlog.
  • An inventive Brandrnelder can be dimensioned so that it meets the requirements of the standard DIN ES 50291 "Electrical equipment for the detection of carbon monoxide in Wousem".
  • a possible development of the fire detector according to the invention may consist in that, in addition to the CO gas sensor, there are also other sensors for detecting further changes of state of the air surrounding the fire detector which are characteristic of a fire.
  • CO and smoke in addition to CO and smoke, hydrogen is also produced, and steam can also be produced; In addition, heat and infrared radiation is generated.
  • the fire detector according to the invention could, in addition to the CO sensor, also comprise an optical particle sensor. This would then be a combination of a fire detector according to the invention with a conventional smoke detector. Furthermore, a fire detector according to the invention could also comprise an infrared sensor for measuring the temperature or the IR radiation of a flame.
  • CO sensor in addition to the described semiconductor gas sensors also other heatable gas sensors in question, such as pellistors, ie catalytically active gas sensors in which CO is catalytically oxidized and detects the resulting increase in temperature and evaluated metrologically is, or gas sensors based on solid electrolytes, such as zirconium dioxide sensors, which operate on the potentiometric principle, ie, depending on the CO concentration, an electrical voltage between two electrodes referred to as measuring and reference electrodes is formed.
  • pellistors ie catalytically active gas sensors in which CO is catalytically oxidized and detects the resulting increase in temperature and evaluated metrologically is, or gas sensors based on solid electrolytes, such as zirconium dioxide sensors, which operate on the potentiometric principle, ie, depending on the CO concentration, an electrical voltage between two electrodes referred to as measuring and reference electrodes is formed.
  • zirconium dioxide sensors which operate on the potentiometric principle, ie, depending on the CO concentration
  • Another advantage of the invention is that the devices can be calibrated with gases of defined CO concentration, whereby the alarm can be triggered at each predeterminable concentrations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brandmelder (1) zum Einsatz in Gebäuden, umfassend wenigstens einen Gassensor (14), der in Abhängigkeit von einer für einen Brand charakteristischen Zustandsänderung der den Gassensor (14) umgebenden Luft ein elektrisches Signal abgibt, wobei die Stromversorgung des Brandmelders (1) über das elektrische Installationsnetz (6) des Gebäudes erfolgt, und der Brandmelder (1) weiterhin umfasst - eine Pufferbatterie (8) zur redundanten internen Stromversorgung des Brandmelders (1) sowie - eine Netzausfallerkennungseinrichtung mit einem Mikroprozessor, welche eine Unterbrechung der Netzstromversorgung (6) erkennt und daraufhin das Umschalten auf die interne Stromversorgung durch die Pufferbatterie (8) bewirkt. Der Gassensor (14) umfasst einen geheizten Metatloxidhalbleiter als Gassensorelement (18) und ein Heizelement (16) zum Aufheizen des Metalloxidhalbleiters, und dass der Mikroprozessor (2) überwacht den Heizstrom durch das Heizelement (16), als Indikator für eine Unterbrechung der Netzstromversorgung (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brandmelder zum Einsatz in Gebäuden, umfassend wenigstens einen Gassensor, der in Abhängigkeit von einer für einen Brand charakteristischen Zustandsänderung der den Gassensor umgebenden Luft ein elektrisches Signal abgibt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Gaswamgerät zum Einsatz in Gebäuden, umfassend wenigstens einen Gassensor, der in Abhängigkeit der Konzentration von brennbaren Gasen in der den Gassensor umgebenden Luft ein elektrisches Signal abgibt.
  • Die meisten heute in Wohngebäuden eingesetzten Brandmelder sind Rauchmelder, die empfindlich auf Partikel in der den Rauchmelder umgebenden Luft reagieren, wie sie in Rauch oder Ruß, der bei einem Brand entsteht, vorhanden sind. Sie sind vorwiegend an Innenraumdecken angebracht und werden mit einer Batterie betrieben. Es handelt sich um typische Niedrigpreisprodukte, die sich an den Endverbraucher richten. Der Ladezustand der Batterien wird nicht aktiv angezeigt. Wenn die Batterieladung unterhalb eines zum Betrieb des Brandmelders noch ausreichenden Wertes abzusinken droht, so ertönt ein kurzes Signalpiepsen in relativ langen Zeitabständen, welches im Alltag leicht überhört werden kann. Wenn die Batterie dann vollständig entladen ist, erfolgt überhaupt keine Anzeige. Wenn der Betreiber dann auch noch vergisst, den regelmäßigen Selbsttest des Brandmelders durchzuführen, merkt er gar nicht, dass nur noch ein funktionsuntüchtiges Gerät an der Decke hängt, welches im Falle eines Brandes keinen Alarm mehr auslösen kann.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Brandmelder so weiterzuentwickeln, dass seine Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brandmelder mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß also erfolgt die Stromversorgung des Brandmelders über das elektrische Installationsnetz des Gebäudes, und der Brandmelder umfasst weiterhin eine Pufferbatterie zur redundanten internen Stromversorgung des Brandmelders sowie eine Netzausfallerkennungseinrichtung mit einem Mikroprozessor, welche eine Unterbrechung der Netzstromversorgung erkennt und daraufhin das Umschalten auf die interne Stromversorgung durch die Pufferbatterie bewirkt, wobei der Gassensor einen geheizten Metalloxidhalbleiter als Gassensorelement und ein Heizelement zum Aufheizen des Metalloxidhalbleiters umfasst, und der Mikroprozessor den Heizstrom durch das Heizelement überwacht, als Indikator für eine Unterbrechung der Netzstromversorgung.
  • Vorteilhaft dabei ist, dass durch den Netzbetrieb der Brandmelder unabhängig von seiner Batterielebensdauer immer einsatzbereit ist. Das Risiko eines eventuellen Stromausfalls im Netz wird durch die Pufferbatterie und die automatische Umschaltung auf Batteriebetrieb im Falle eines Stromausfalles vermieden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Brandmelder eine Anzeige- und Alarmvorrichtung, die von dem Mikroprozessor ansteuerbar ist und bei einer Unterbrechung der Netzstromversorgung des Brandmelders einen optischen und/oder akustischen Alarm abgibt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht das Signal des Gassensors in einer Widerstandsänderung des Metalloxidhalbleiters.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Temperaturfühler zur Ermittlung der Umgebungstemperatur des Brandmelders vorgesehen, der mit dem Mikroprozessor verbunden ist und dessen Temperaturmesswert in dem Mikroprozessor zu Korrekturzwecken verarbeitet wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Mikroprozessor eine Kalibrierkennlinie hinterlegt, anhand derer in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur ein charakteristischer Einstellwert der Empfindlichkeitskennlinie des Gassensorelements automatisch so angepasst wird, dass ein um Umgebungstemperatureinflüsse kompensiertes Sensorsignal ermittelbar ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Gassensor ein CO-Sensor.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind neben dem CO-Sensor weitere Sensoren zur Erfassung weiterer für einen Brand charakteristischen Zustandsänderung der den Brandmelder umgebenden Luft vorhanden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind neben dem CO-Sensor und dem Temperatursensor noch wenigstens ein optischer Sensor und ein Infrarot-Sensor vorhanden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Brandmelders und weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brandmelders, sowie
    Figur 2
    schematisch eine Kalibrierkennlinie, wie sie in dem Mikroprozessor des Brandmelders gemäß Fig. 1 hinterlegt ist.
  • Es werde zunächst Figur 1 betrachtet. Figur 1 zeigt schematisch einen Brandmelder 1, dessen Gehäuse durch die strichliierte Linie angedeutet ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Gassensor 14 und ein Temperaturfühler 22 zur Messung der Umgebungstemperatur. Über Schlitze in der Gehäusewandung steht das Innere des Brandmelders in der Nähe des Gassensors 14 und des Temperaturfühlers 22 mit der den Brandmelder umgebenden Luft in Verbindung, insbesondere kann über Diffusion und/oder Gasströmung ein rascher Gasaustausch zwischen der den Brandmelder umgebenden Luft und dem Gassensor 14 erfolgen. Damit ist sichergestellt, dass der Gassensor 14 des Brandmelders 1 dieselbe Gaszusammensetzung sieht wie sie in der den Brandmelder 1 umgebenden Luft vorherrscht, und der Temperaturfühler die Umgebungstemperatur des Brandmelders 1 messen kann.
  • Weiterhin umfasst der Brandmelder 1 einen Mikroprozessor 2, welcher die für einen Mikroprozessor übliche Peripheriebeschaltung umfasst, welche hier aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt ist. Der Gassensor 14 ist über Sensoranschlussleitungen 20 mit dem Mikroprozessor 2 verbunden, so dass das Sensorsignal des Gassensors 14 in dem Mikroprozessor 2 erfasst und verarbeitet werden kann. Dazu umfasst der Mikroprozessor 2 im funktionalen Sinn auch alle erforderlichen elektronischen Schaltungen und Baugruppen wie beispielsweise Verstärkerschaltungen, Strom- oder Konstantspannungsquellen, Komparatoren u.s.w., die auch auf separaten Leiterplatten aufgebaut sein können.
  • Weiterhin umfasst der Brandmelder 1 eine Anzeige- und Alarmvorrichtung 4, welche von dem Mikroprozessor 2 angesteuert wird.
  • Zur Stromversorgung des Brandmelders verfügt dieser über einen Netzanschluss 6, über den der Brandmelder 1 in Einbaulage mit einem Netzkabel (hier nicht dargestellt) an das Stromnetz des Gebäudes, in dem er eingebaut ist, angeschlossen werden kann. Der Netzanschluss kann beispielsweise mittels eines üblichen Netzkabels mit einem Netzanschlussstecker in eine Netzsteckdose in der Gebäudeinnenwand erfolgen; es könnte auch ein separates Netzanschlusskabel unter Putz zu dem Brandmelder geführt sein und der Brandmelder daran dann angeschlossen werden. Weitere zur Herstellung einer Netzstromversorgung erforderliche Baugruppen, wie beispielsweise ein Gleichrichter oder ein Schaltnetzteil, sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, gleichwohl jedoch in dem Brandmelder 1 vorhanden.
  • In Ergänzung zu der Netzstromversorgung verfügt der Brandmelder 1 zusätzlich noch über eine Batterie 8, welche als redundante Stromversorgung ausgebildet ist. Es kann sich dabei um einen wiederaufladbaren Akku oder eine nicht wiederaufladbare Primärzelle handeln.
  • Die Batterie 8 wird mittels eines Umschalters 10, welcher vorteilhafterweise als elektronischer Umschalter realisiert ist, zur Stromversorgung des Brandmelders hinzugeschaltet, wenn die Stromversorgung über die Netzzuleitung 6 unterbrochen ist. Die Netzstromversorgung wird ebenfalls von dem Mikroprozessor 2 überwacht, welcher im Falle einer Unterbrechung auch über eine Wirklinie 12 den Umschalter betätigt und die Stromversorgung von Netz- auf Batteriebetrieb umschaltet.
  • Der Brandmelder 1 arbeitet also im Normalfall nicht mit Batterie, sondern direkt am Gebäudestromnetz. Um den intakten Netzbetrieb anzuzeigen, ist in der Anzeige- und Alarmvorrichtung eine grüne Bereitschaftsanzeige, beispielsweise eine grüne LED, vorgesehen, welche bei intakter Netzstromversorgung leuchtet.
  • Bisher bekannte Brandmelder arbeiten im Normalfall alle mit Gleichstrom, den sie in der Regel über eine Batterie beziehen, sie verfügen nicht über einen Netzanschluss. Ein Beispiel für einen solchen Brandmelder ist das Modell Smart der Firma Honeywell. Eine aktive Anzeige ausreichender Batteriespannung erfolgt nicht, denn diese würde selbst wieder Strom verbrauchen und die Lebensdauer der Batterie in dem Brandmelder herabsetzen. Erst wenn die Batterieladung unterhalb eines gerade noch tolerierbaren Schwellwertes gesunken ist, ertönt periodisch ein kurzes Warnsignal, welches aber im Alltag leicht überhört wird. Somit besteht bei bekannten Brandmeldern die Gefahr, dass eines Tages nur noch ein funktionsloses, weil stromloses, Gerät an der Gebäudedecke hängt. Diesen Nachteil überwindet der erfindungsgemäße Brandmelder nach Fig. 1 durch den Netzanschluss 6.
  • Durch die Pufferbatterie 8 funktioniert der Brandmelder nach Figur 1 jedoch auch dann noch, wenn der Strom ausfällt. In diesem Fall erkennt der Mikroprozessor 2, dass kein Strom mehr fließt. Sofort aktiviert er den Umschalter 10, und die Pufferbatterie 8 übernimmt die interne Stromversorgung des Brandmelders 1. Der Brandrnelder funktioniert dann noch für wenigstens eine Stunde lang bestimmungsgemäß im Batteriebetrieb.
    Der Mikroprozessor 2 überwacht auch den Ladezustand der Batterie und aktiviert weiterhin die Anzeige- und Alarmeinheit 4, so dass diese gegen Ende der Batterielaufzeit ein etwa eine Minute lang andauerndes optisches und/oder akustisches Signal abgibt, das signalisiert, dass die Batterie bald erschöpft ist. Der Signalton kann beispielsweise schnell pulsierend und lange anhaltend sein, gegebenenfalls begleitet vom Aufleuchten einer roten Warnleuchte, beispielweise einer LED.
  • Der Signalton ist nicht zu überhören und kann demjenigen Alarmton ähneln, der zum Anzeigen eines Brandalarms von der Anzeige- und Alarmeinheit 4 des Brandmelders 1 abgegeben wird. Er kann eine Lautstärke von etwa 100 dB haben, bei einer Frequenz von etwa 3,5kHz. Denn der Stromausfall könnte ja durch einen Kurzschluss im Leitungsnetz verursacht worden sein, der die Gefahr in sich trägt, einen Schwelbrand auszulösen. Somit gibt der Signalton des Brandmelders den Bewohnern des Gebäudes einen Hinweis darauf, nach den Ursachen für den Stromausfall zu forschen und die Gefahrenquelle rechtzeitig zu beseitigen.
  • Der Gassensor 14 ist von Typ eines beheizten Gassensors. Er umfasst einen Heizer 16, welcher über eine Stromversorgungsleitung 26 ebenfalls von der Stromversorgung des Brandmelders betrieben wird und ein Gassensorelement 18 auf eine Betriebstemperatur oberhalb der Raumtemperatur erhitzt. Der Heizer kann insbesondere vom Netzstrom nach dessen Gleichrichtung, mithin also durch Gleichstrom, betrieben werden. Im Fall des Umschaltens der Stromversorgung auf die interne Stromversorgung durch die Pufferbatterie 8 wird der Heizer 16 dann von der Pufferbatterie 8 betrieben. Die Kapazität der Pufferbatterie 8 ist so bemessen, dass sie den Gassensor 14 noch mindestens 1 Stunde lang auf seiner Arbeitstemperatur halten und ein bestimmungsgemäßes Funktionieren des Brandmelders 1 sicherstellen kann.
  • Der Heizstrom durch den Heizer wird über einem Strommesswiderstand 24 abgegriffen und der gemessene Heizstromwert dem Mikroprozessor 2 als Eingangssignal zugeführt. Der Mikroprozessor überwacht dann den korrekten Stromwert des Heizstroms. Stellt der Mikroprozessor ein starkes Absinken des Heizstroms fest, so interpretiert er dies als Stromausfall und setzt die Netzausfall-Signalisierungs- und Stromversorgungs-Umschaltroutine in Gang, wie oben beschrieben.
  • Bei dem Gassensor 14 handelt es sich um einen Gassensor auf Basis eines beheizbaren Metalloxidhalbleiters. Das Funktionsprinzip von Halbleiter-Gassensoren, die auch als Tagushi- oder Figaro-Gassensoren bekannt sind, basiert auf der Chemisorption organischer Moleküle an der Oberfläche eines oxidischen Halbleiters, beispielsweise von Zinnoxid (Sn02) und der damit verbundenen Änderung der Elektronenkonzentration. Je höher die Konzentration der Moleküle in der den Sensor umgebenden Atmosphäre, desto mehr Moleküle werden chemisorbiert, und desto höher wird die elektrische Leitfähigkeit des Sensors. Die Sensitivität des Sensors ist somit eine Funktion des Gaspartialdruckes des oder der chemisorbierbaren Gase.
  • Halbleiter-Gassensoren reagieren mehr oder weniger auf eine Vielzahl von reduzierenden Gasen und sind daher als Breitbanddetektoren zum schnellen Erkennen von oxidierbaren Gasen sehr geeignet. Sie können isotherm bei Temperaturen zwischen 200°C und 450°C oder mit einer programmierten periodischen Aufheizung und Abkühlung betrieben werden.
  • Halbleiter-Gassensoren werden seit langem in Gaswarnsystemen, Rauchmeldern und zur Arbeitsplatzkontrolle eingesetzt. Durch gezieltes Dotieren des Halbleitermaterials kann die Selektivität für bestimmte Gasarten erhöht werden. Durch Dotieren mit Edelmetallen wie Platin oder Rhodium kann beispielsweise die Empfindlichkeit für Kohlenmonoxid (CO) oder für Wasserstoff gegenüber der Empfindlichkeit für andere oxidierbare Gase erhöht werden.
  • Ein Brandmelder mit einem Halbleiter-Gassensor ist beispielsweise in der WO 93108550 beschrieben. Der dort verwendete Halbleiter-Gassensor wird jedoch bei Umgebungstemperatur betrieben, dies macht ihn besonders anfällig für Drifterscheinungen und Querempfiindlichkeiten gegenüber Umgebungstemperaturschwankungen und Feuchte-änderungen der Umgebungsluft.
  • Der in dem erfindungsgemäßen Brandmelder verwendete Gassensor ist beispielsweise ein Sensor vom Typ Figaro TGS 82442B00, der speziell für die Detektion von brennbaren Gasen optimiert wurde. Seine Ansprechschwelle liegt bei kleiner 300 ppm CO. Er wird bei einer Arbeitstemperatur von etwa 350°C bei einer Aufheizzeit von 14 ms betrieben.
  • In der Figur 1 ist in dem Mikroprozessor eine Kenlinienschar 30 hinterlegt. Jede Kennlinie der Schar stellt bei einer bestimmten Umgebungstemperatur einen Zusammenhang her zwischen dem gemessenen elektrischen Widerstand des Sensors und der Gaskonzentration. Der Gassensor in dem hier beschriebenen Brandmelder 1 wurde auf CO geeicht, daher stellt die Kennlinienschar 30 den Bezug zwischen dem gemessenen Sensorwiderstand und der CO-Konzentration dar. Bei entsprechend anderer Eichung könnte auch die Wasserstoff- oder die Methankonzentration oder die Konzentration eines anderen brennbaren Gases erfasst werden.
  • Man sieht, dass bei steigender Gaskonzentration der elektrische Widerstandswert des Sensors R bezogen auf einen Eichwert R0 sinkt. Bei konstanter Gaskonzentration sinkt der elektrische Widerstand ebenfalls mit steigender Umgebungstemperatur T. Aber auch mit zunehmender relativer Feuchte der den Sensor umgebenden Atmosphäre kann der elektrische Widerstand sinken; letzterer Zusammenhang ist in der Figur nicht dargestellt.
  • Dies ist Ausdruck des bekanten Phänomens, dass sich Halbleiter-Gassensoren neben der Breitbandigkeit in der Sensitivität auch noch durch eine gewisse Temperatur- und Feuchteempfindlichkeit auszeichnen. Um ein stabiles Sensorsignal zu erhalten ist eine längere "Einlaufzeit" von zwei bis fünf Tagen bei der vorgewählten Betriebstemperatur erforderlich, innerhalb derer sich der Sensor in sein chemisches und physikalisches Gleichgewicht einstellt. Innerhalb der "Einlaufzeit" verschiebt sich die Sensorkennlinie dabei. Um im Betrieb eine genaue Messung durchführen zu können, ist es erforderlich, die Verschiebung der Sensorkennlinie während der Einlaufzeit und auch später, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, zu korrigieren.
  • Dazu ist in dem Mikroprozessor 2 neben den Empfindlichkeitskennlinien eine Kalibrierkennlinie in einem Funktionsblock zur Temperaturkompensation 28 hinterlegt, siehe Figur 2. Diese verknüpft die Umgebungstemperatur mit einem Einstellwert zur Kalibrierung der Empfindlichkeitskennlinie.
  • Der Einstellwert kann beispielsweise eine an einem bestimmten Messpunkt einer elektronischen Messverstärkerschaltung anliegende Prüfspannung sein, die über einen veränderbaren Widerstand einstellbar ist. Das in dem Mikroprozessor hinterlegte Programm überprüft automatisch anhand des über den Temperaturfühler 22 gemessenen Temperaturwertes der Umgebungstemperatur und der hinterlegten Kalibrierkennlinie, ob der Einstellwert für die Empfindlichkeitskennlinie stimmt, und bei erkannten Abweichungen leitet der Mikroprozessor automatisch entsprechende Korrekturmaßnahmen ein. Dadurch wird in dem erfindungsgemäßen Brandmelder jederzeit eine bezüglich der Umgebungstemperatur automatisch richtig kalibrierte Empfindlichkeitskennlinie des Gassensors verwendet. Fehlmessungen sind dadurch weitgehend verhindert.
  • Eine entsprechende Selbstkalibrierung hinsichtlich der relativen Feuchte der den Sensor umgebenden Atmosphäre könnte selbstverständlich ebenfalls durchgeführt werden, wenn der Brandmelder zusätzlich noch einen Feuchtesensor umfassen würde, der in entsprechender Weise mit dem Mikroprozessor zusammenwirkt wie der Temperatursensor 22.
  • Im folgenden sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Brandmelders gegenüber dem Stand der Technik beschrieben werden.
  • Bei einem Brand entsteht zuerst hoch giftiges Kohlenmonoxid in hohen Konzentrationen, besonders bei Schwelbränden. Oft ist die hohe CO-Konzentration von einer hohen Konzentration an Wasserstoff begleitet, wenn nämlich kohlenwasserstoffhaltige Materialien brennen, beispielsweise Kunststoffe. Der partikelhaltige Brandrauch entsteht erst später. Das giftige Kohlenmonoxid ist leichter als Luft, daher steigt es in einem Gebäude schnell zur Decke hoch und breitet sich dort im ganzen Haus aus.
  • Konventionelle Brandmelder, insbesondere solche, die für den Endverbraucher zur einfachen nachträglichen Installation in Wohnungen oder Wohngebäuden angeboten werden und relativ preiswert in Baumärkten beispielsweise verkauft werden, können nur partikelhaltigen Rauch oder Ruß erkennen. In der Zeit, die vergehen muß, bis im Falle eines Brandes der Rauch sich so stark entwickelt hat, dass ein solcher konventioneller Rauchmelder anspricht und einen Alarmton abgibt, hat sich also unter Umständen schon eine gefährlich hohe Kohlenmonoxidkonzentration in der Raumluft gebildet. Diese wird aber von konventionellen Rauchmeldern nicht erfasst. Der erfindungsgemäße Brandmelder reagiert aber gerade auf das Kohlenmonoxid, und daher löst er sehr viel früher einen Alarm aus als konventionelle Rauchmelder. Die Alarmschwelle ist bei unterhalb 500 ppm oder 0,05 Vol% CO einstellbar.
  • Der Netzbetrieb und das automatische Umschalten auf die Pufferbatterie bei Netzausfall, verbunden mit dem Signal bei nahendem Ende der Batterieladung vermindert die Gefahr, einen funktionsuntüchtigen, weil nicht mehr ausreichend mit elektrischer Energie versorgten, Brandmelder installiert zu haben, erheblich.
  • Die in dem Mikroprozessor hinterlegte Kalibrierkennlinie und die automatische Nachkalibrierung der Sensorkennlinie bei schwankender Umgebungstemperatur erhöht die Messgenauigkeit und verringert dadurch die Anzahl von Fehlalarmen.
  • Obwohl der erfindungsgemäße Brandmelder besonders vorteilhaft für die Erkennung eines Wohnungsbrandes einsetzbar ist, kann er wegen der hohen Messgenauigkeit und der niedrigen Ansprechschwelle auch allgemein als Gaswamgerät betrieben werden. Als Gaswarngerät erkennt er beispielsweise austretendes Gas aus defekten Gasleitungen im Haus, sei es bei einer Gasheizung oder bei einem Gasherd, oder auch Kohlenmonoxid, das sich in einem Raum durch einen Abgasrückstau bildet. Ein erfindungsgemäßer Brandrnelder kann so dimensioniert werden dass er die Anforderungen der Norm DIN ES 50291 "Elektrische Geräte für die Detektion von Kohlenmonoxid in Wohnhäusem" erfüllt.
  • Eine mögliche Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brandmelders kann darin bestehen, dass neben dem CO-Gassensor noch weitere Sensoren zur Erfassung weiterer für einen Brand charakteristischen Zustandsänderung der den Brandmelder umgebenden Luft vorhanden sind. Denn bei einem Brand entsteht, wie bereits erwähnt, neben CO und Rauch auch noch Wasserstoff, es kann auch Wasserdampf entstehen; darüber hinaus entsteht Wärme und Infrarotstrahlung.
  • So könnte der erfindungsgemäße Brandmelder neben dem CO-Sensor noch einen optischen Partikelsensor umfassen. Dies wäre dann eine Kombination eines erfindungsgemäßen Brandmelders mit einem herkömmlichen Rauchmelder. Weiterhin könnte ein erfindungsgemäßer Brandmelder auch noch einen Infrarotsensor umfassen, zur Messung der Temperatur oder der IR-Strahlung einer Flamme.
  • Als CO-Sensor kommen neben den beschriebenen Halbleiter-Gassensoren auch noch andere beheizbare Gassensoren in Frage, beispielsweise Pellistoren, also katalytisch wirkende Gassensoren, bei denen CO katalytisch oxidiert wird und die dabei entstehende Temperaturerhöhung erfasst und messtechnisch ausgewertet wird, oder Gassensoren auf der Basis von Festkörperelektrolyten, beispielsweise Zirkondioxidsensoren, die nach dem potentiometrischen Prinzip arbeiten, bei denen also in Abhängigkeit von der CO-Konzentration eine elektrischen Spannung zwischen zwei als Mess- und Referenzelektroden bezeichneten Elektroden entsteht.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Geräte mit Gasen definierter CO Konzentration kalibriert werden können, wodurch der Alarm bei jeweils vorgegebbaren Konzentrationen ausgelöst werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brandmelder
    2
    Mikroprozessor mit Peripherie
    4
    Anzeige und Alarm
    6
    Netzanschluss
    8
    Pufferbatterie
    10
    Umschalter
    12
    Wirklinie
    14
    CO-Sensor
    16
    Heizer
    18
    Gassensorelement
    20
    Sensoranschlussleitungen
    22
    Temperaturfühler
    24
    Strommesswiderstand
    26
    Stromversorungsleitung
    28
    Temperaturkompenstion
    30
    Empfindlichkeitskurvenschar des Gassensorelements

Claims (14)

  1. Brandmelder (1) zum Einsatz in Gebäuden, umfassend wenigstens einen Gassensor (14), der in Abhängigkeit von einer für einen Brand charakteristischen Zustandsänderung der den Gassensor (14) umgebenden Luft ein elektrisches Signal abgibt, wobei die Stromversorgung des Brandmelders (1) über das elektrische Installationsnetz (6) des Gebäudes erfolgt, und der Brandmelder (1) weiterhin umfasst
    - eine Pufferbatterie (8) zur redundanten internen Stromversorgung des Brandmelders (1) sowie
    - eine Netzausfallerkennungseinrichtung mit einem Mikroprozessor, welche eine Unterbrechung der Netzstromversorgung (6) erkennt und daraufhin das Umschalten auf die interne Stromversorgung durch die Pufferbatterie (8) bewirkt, wobei der Gassensor (14) einen geheizten Metalloxidhalbleiter als Gassensorelement (18) und ein Heizelement (16) zum Aufheizen des Metalloxidhalbleiters umfasst, und der Mikroprozessor (2) den Heizstrom durch das Heizelement (16) überwacht, als Indikator für eine Unterbrechung der Netzstromversorgung (6).
  2. Brandmelder (1) nach Anspruch 1, umfassend eine Anzeige- und Alarmvorrichtung (4), die von dem Mikroprozessor (2) ansteuerbar ist und bei einer Unterbrechung der Netzstromversorgung (6) des Brandmelders (1) einen optischen und/oder akustischen Alarm abgibt.
  3. Brandmelder (1) nach Anspruch 1, wobei das Signal des Gassensors (14) in einer Widerstandsänderung des Metalloxidhalbleiters besteht.
  4. Brandmelder (1) nach Anspruch 1, wobei ein Temperaturfühler (22) zur Ermittlung der Umgebungstemperatur des Brandmelders vorgesehen ist, der mit dem Mikroprozessor (2) verbunden ist und dessen Temperaturmesswert in dem Mikroprozessor (2) zu Korrekturzwecken verarbeitet wird.
  5. Brandmelder (1) nach Anspruch 4, wobei in dem Mikroprozessor (2) eine Kalibrierkennlinie hinterlegt ist, anhand derer in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur ein charakteristischer Einstellwert der Empfindlichkeitskennlinie des Gassensorelements (18) automatisch so angepasst wird, dass ein um Umgebungstemperatureinflüsse kompensiertes Sensorsignal ermittelbar ist.
  6. Brandmelder(1) nach Anspruch 1, wobei der Gassensor (14) ein CO-Sensor ist.
  7. Brandmelder (1) nach Anspruch 6, wobei neben dem CO-Sensor (14) weitere Sensoren zur Erfassung weiterer für einen Brand charakteristischen Zustandsänderung der den Brandmelder (1) umgebenden Luft vorhanden sind.
  8. Brandmelder (1) nach Anspruch 7, wobei neben dem CO-Sensor und dem Temperatursensor noch wenigstens ein optischer Sensor und ein Infrarot-Sensor vorhanden sind.
  9. Gaswarngerät zum Einsatz in Gebäuden, umfassend wenigstens einen Gassensor (14), der in Abhängigkeit der Konzentration von brennbaren Gasen in der den Gassensor (14) umgebenden Luft ein elektrisches Signal abgibt, wobei die Stromversorgung des Gaswarngerätes über das elektrische Installationsnetz (6) des Gebäudes erfolgt, und das Gaswarngerät weiterhin umfasst
    - eine Pufferbatterie (8) zur redundanten internen Stromversorgung des Gaswarngerätes sowie
    - eine Netzausfallerkennungseinrichtung mit einem Mikroprozessor, welche eine Unterbrechung der Netzstromversorgung (6) erkennt und daraufhin das Umschalten auf die interne Stromversorgung durch die Pufferbatterie (8) bewirkt, wobei der Gassensor (14) einen geheizten Metalloxidhalbleiter als Gassensorelement (18) und ein Heizelement (16) zum Aufheizen des Metalloxidhalbleiters umfasst, und der Mikroprozessor (2) den Heizstrom durch das Heizelement (16) überwacht, als Indikator für eine Unterbrechung der Netzstromversorgung (6).
  10. Gaswamgerät nach Anspruch 9, umfassend eine Anzeige- und Alarmvorrichtung (4), die von dem Mikroprozessor (2) ansteuerbar ist und bei einer Unterbrechung der Netzstromversorgung (6) des Gaswarngerätes einen optischen und/oder akustischen Alarm abgibt.
  11. Gaswamgerät nach Anspruch 9, wobei das Signal des Gassensors (14) in einer Widerstandsänderung des Metalloxidhalbleiters besteht.
  12. Gaswamgerät nach Anspruch 9, wobei ein Temperaturfühler (22) zur Ermittlung der Umgebungstemperatur des Brandmelders vorgesehen ist, der mit dem Mikroprozessor (2) verbunden ist und dessen Temperaturmesswert in dem Mikroprozessor (2) zu Korrekturzwecken verarbeitet wird.
  13. Gaswarngerät nach Anspruch 12, wobei in dem Mikroprozessor (2) eine Kalibrierkennlinie hinterlegt ist, anhand derer in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur ein charakteristischer Einstellwert der Empfindlichkeitskennlinie des Gassensorelements (18) automatisch so angepasst wird, dass ein um Umgebungstemperatureinflüsse kompensiertes Sensorsignal ermittelbar ist.
  14. Gaswamgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Gassensor (14) ein CO-Sensor ist.
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