WO2021115728A1 - Rauchdetektionseinheit für einen brandmelder mit grundpulsunterdrückung sowie geeignetes verfahren zur rauchdetektion - Google Patents

Rauchdetektionseinheit für einen brandmelder mit grundpulsunterdrückung sowie geeignetes verfahren zur rauchdetektion Download PDF

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WO2021115728A1
WO2021115728A1 PCT/EP2020/082156 EP2020082156W WO2021115728A1 WO 2021115728 A1 WO2021115728 A1 WO 2021115728A1 EP 2020082156 W EP2020082156 W EP 2020082156W WO 2021115728 A1 WO2021115728 A1 WO 2021115728A1
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WO
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light
photosensor
smoke
smoke detection
light emitter
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Application number
PCT/EP2020/082156
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Michael Kiy
Ulrich Kuhn-Matysiak
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Siemens Schweiz Ag
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    • 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
    • G08B17/107—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 for detecting light-scattering due to smoke
    • 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

  • Smoke detection unit for a fire detector with basic pulse suppression and a suitable method for smoke detection
  • the invention relates to a smoke detection unit for a fire alarm.
  • the smoke detection unit comprises a light emitter and a spectrally matched photosensor in a scattered light arrangement. It also has a control unit which is connected to the light emitter and to the photosensor, in particular in terms of signals and / or data.
  • the control unit is also set up to control the light emitter repeatedly in particular to emit a light pulse, to detect a temporally assigned sensor signal from the photosensor and to analyze this for at least one fire parameter.
  • the sensor signal can also be referred to as a photo signal.
  • the invention also relates to a smoke detection module with such a smoke detection unit, a (closed) scattered light smoke alarm with such a smoke detection module and an open scattered light smoke alarm with such a smoke detection unit.
  • the invention relates to a method corresponding to the smoke detection unit.
  • Such smoke detection units are generally known.
  • Such a smoke detection unit is known by way of example from EP 2093 732 A1 of the applicant.
  • smoke detection units which are integrated into optoelectronic components as system-on-a-chip (SoC).
  • SoC system-on-a-chip
  • the smoke detection unit embodied as an SMD component in EP 3499 475 A2 comprises an infrared LED, a blue LED and a photodiode which is spectrally matched to it.
  • the optical axes of the LEDs run transversely, ie almost orthogonally, to the circuit board.
  • the optical axis of the photodiode is orthogonal to the circuit board.
  • a measuring chamber for application to a circuit carrier is described, which comprises such an integrated smoke detection unit.
  • the measuring chamber is permeable to the smoke to be detected, but shielded from direct ambient light.
  • a new design of the inside of the measuring chamber can significantly reduce the basic pulse by means of a cone known from US 2009/237259 A1, for example. Reliable smoke detection is far from possible with this, however.
  • an object of the present invention is to specify an improved smoke detection unit.
  • control unit is set up to no longer detect the sensor signal in relation to the point in time of a particularly repeatedly emitted (optical) light pulse after a predetermined time delay, or to leave it disregarded in the analysis of the at least one fire parameter. More precisely, the control unit is set up to no longer detect the sensor signal in relation to the point in time of an (optical) light pulse emitted directly at the light emitter after a predetermined time delay or to leave it unconsidered in the analysis of the at least one fire parameter.
  • the essence of the invention is to end a scattered light smoke measurement based on a sensor signal emitted by the photosensor before the “light wave” of the basic pulse reaches the photosensor.
  • This advantageously ensures that only the portion of light scattered by the smoke particles to be detected in the scattered light volume to the photosensor is recorded metrologically or evaluated for the fire parameter in the subsequent analysis.
  • this requires a measuring time that is shorter than the shortest path from the light emitter to the opposite measuring chamber and back to the photosensor corresponding optical transit time of the light pulse emitted by the light emitter.
  • the measuring chamber is therefore only required to suppress direct outside light, provided that no (spectral) filter, such as a daylight filter, is optically connected upstream of the photosensor.
  • the at least one fire parameter can be, for example, a light intensity level output electrically by the photosensor.
  • Another fire parameter is, for example, the rate of change in the light intensity level.
  • the control unit is preferably a processor-based control unit, in particular a microcontroller, on which a suitable software program for direct or indirect control of the light emitter and for metrological acquisition of the electrical sensor signal from the photosensor is executed.
  • the microcontroller can already include an integrated A / D converter for converting the sensor signal into corresponding measured data values.
  • the microcontroller can also have a digital interface in order to acquire or read in digital values of the sensor signal. This is advantageously the case when the photosensor provides digital measured values that correspond to the analog electrical sensor signal.
  • the “repeated” emission of light pulses means that a scattered light smoke measurement is preferably carried out cyclically, e.g. once, twice or five times per second, or every 10, 20 or 30 seconds.
  • the light emitter is preferably set up to emit monochromatic light, such as emitting light in a wavelength range from 640 nm to 1000 nm, preferably monochromatic light at 870 nm ⁇ 20 nm or at 940 nm ⁇ 20 nm.
  • a light emitter can be, for example, a light emitting diode (LED) or a laser diode.
  • An optical lens or a reflector can be connected downstream of the light emitter. This enables the emitted light cone to be expanded optically.
  • An optical lens can also be connected downstream of the light emitter in such a way as to incline the optical transmission axis towards the optical reception axis of the photo sensor, for example in a range from 10 ° to 25 °.
  • the temporally assigned detection of the sensor signal from the photosensor means that the photosensor is switched on, supplied with electrical voltage or activated in some other way, preferably only in the expected time window of the arrival of scattered light on the photosensor.
  • the photosensor is a photodiode, in particular an avalanche photodiode, or it comprises an array (ARRAY) of avalanche photodiodes.
  • Avalanche photodiodes are highly sensitive, fast photodiodes. They are among the avalanche diodes and use the internal photoelectric effect to generate charge carriers and the avalanche breakdown (avalanche effect) for internal amplification. They can be viewed as the semiconductor equivalent of the photomultiplier, with achievable limit frequencies up to the gigahertz range. The highest spectral sensitivity is, depending on the material used, in a range of approx. 250 nm - 1700 nm.
  • the avalanche photodiode can be preceded by an optical lens for expanding the optical detection area.
  • the avalanche photodiode can be preceded by an optical filter which is spectrally designed for the light emitted by the light emitter.
  • an optical filter which is spectrally designed for the light emitted by the light emitter.
  • the avalanche photodiode comprises a single photon avalanche diode.
  • a single photon avalanche diode is also referred to in the English technical language as SPAD (for single photon avalanche diode).
  • SPADs are already known from the prior art, the time resolution of which is, for example, 7 ps (see the following IEEE publication), 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps or 50 ps.
  • Such SPADs have been specially developed for operation above the breakdown voltage in the so-called Gei ger mode.
  • the proposed TDC is based on a 200 MHz 4-bit counter that guarantees a full-scale range of 80 ns.
  • Two interpolators use the sliding scale technique to reduce the differential non-linearity (DNL).
  • the multi-level interpolators have a new type of dual fine interpolation, which guarantees a resolution of up to 7 ps.
  • the conversion time ( ⁇ 50 ns) is much shorter compared to typical architectures based on Vernier delay lines.
  • the array of avalanche photodiodes comprises an array of single photon avalanche diodes (SPADs).
  • SPADs single photon avalanche diodes
  • Such arrays can comprise a number of, for example, 16 x 16, 32 x 32 or more SPADS.
  • the parallel evaluation also makes it possible to generate and output a time-dependent intensity distribution using a counter, for example in the form of a digital histogram.
  • the array of avalanche photodiodes can comprise a silicon photomultiplier.
  • a silicon photomultiplier also known as SiPM, consists of an array of several avalanche photodiodes on a common silicon substrate. The avalanche photodiodes are operated again in Geiger mode, ie above the breakdown voltage. Each individual avalanche photodiode has its own series resistor. About 100 to 1000 such avalanche photodiodes can be connected in parallel. The advantage is that both single photons and many photons can be measured at the same time.
  • the optical detection range of the photosensor ie the photodiode or the avalanche photodiode, the single photon avalanche diode and the arrays from it, has a detection or aperture angle in a range from 25 ° to 150 °, in particular in a range from 50 ° to 145 °, preferably in a range from 90 ° to 140 °.
  • both the light emitter and the photosensor can be preceded or followed by a diaphragm, such as a pinhole or aperture.
  • the predefinable time delay corresponds to the transit time of an optical path from the light emitter to the photosensor in a range from 7.5 mm to 75 mm, in particular from 7.5 mm to 30 mm, and preferably from 10 mm to 15 mm. This is an adaptation to the Dimensions of a measuring chamber surrounding the light emitter and the photosensor are advantageously possible.
  • the predeterminable time delay is in a range from 10 ps to 250 ps, in particular in a range from 25 ps to 250 ps and preferably in a range from 33 ps to 150 ps.
  • the avalanche diode, the single photon avalanche diode or the arrays thereof are set up to capture the time course of detected light, here the scattered light from the scattered light volume, in the form of so-called "bins", ie in a time grid of, for example 7 ps, 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps or 50 ps, and then output them as a time-dependent intensity distribution in the sense of a histogram.
  • control unit is set up to switch on the photosensor for possible optical detection of scattered light only with a predefinable switch-on delay in relation to the point in time of an emitted light pulse or to supply it with electrical voltage.
  • a predefinable switch-on delay in relation to the point in time of an emitted light pulse or to supply it with electrical voltage.
  • the predefinable switch-on delay corresponds to the transit time of an optical path from the light emitter to the photosensor in a range from 1 mm to 10 mm, in particular from 2 mm to 5 mm.
  • the predefinable switch-on delay can be in a range from 5 ps to 50 ps, in particular in a range from 7.5 ps to 25 ps or from 7 ps to 25 ps, preferably in a range from 10 ps to 20 ps.
  • control unit is set up or programmed to repeatedly activate the light emitter in particular to emit a series of light pulses. Taxes. It is also set up to detect a sensor signal associated with the light pulse series from the photosensor, to determine an averaged sensor signal therefrom and to analyze this for the at least one fire parameter.
  • a light pulse series comprises a number of light pulses in the range from 4 to 100, in particular from 10 to 20.
  • the light pulses emitted by the light emitter are preferably equidistant.
  • the light pulse series preferably has a total duration in the range from 1 ms to 10 ms. The duration of an emitted light pulse is in particular in a range from 1 ps to 100 ps.
  • the light emitter is designed to emit light in a wavelength range from 640 nm to 1000 nm, preferably monochromatic light at 870 nm ⁇ 20 nm or at 940 nm ⁇ 20 nm.
  • the smoke detection unit has a further light emitter.
  • the photosensor is also spectrally matched to the other light emitter.
  • the further light emitter forms a further scattered light arrangement with the photosensor.
  • the control unit is connected to the further light emitter in terms of signal or data technology and is set up or programmed to control either the light emitter or the further light emitter, in particular repeatedly to emit a light pulse, to acquire a respective temporally assigned sensor signal and a further sensor signal from the photo sensor to determine the ratio of the two sensor signals and to analyze the determined ratio for a further fire parameter.
  • Another fire parameter is, for example, an equivalent diameter of detected particles.
  • the particle size can be determined by the type of particle, ie whether it is dust, smoldering fire or an open fire.
  • the (first) light emitter and the further light emitter can be of the same type here. In particular, both light emitters then emit monochromatic light at 430 nm ⁇ 20 nm, 470 nm ⁇ 20 nm, 870 nm ⁇ 20 nm or 940 nm ⁇ 20 nm. In this case, the light emitter and the further light emitter have different scattering angles in relation to the common photo sensor.
  • the (first) light emitter can, for example, have a scattering angle in the range from 45 ° to 90 ° and the second light emitter can have a scattering angle in the range from 100 ° to 170 °.
  • the (first) light emitter and the further light emitter can have the same scattering angle with the common photosensor, but be designed to emit spectrally different light.
  • the common scattering angle is in the range from 45 ° to 170 °, preferably in the range from 60 ° to 160 °.
  • the (first) light emitter is designed to emit monochromatic light at 870 nm ⁇ 20 nm or 940 nm ⁇ 20 nm.
  • the further light emitter is designed to emit light in a wavelength range from 380 nm to 490 nm, preferably monochromatic light at 470 nm ⁇ 20 nm or at 430 nm ⁇ 20 nm.
  • the light emitter and the further light emitter comprise a light-emitting diode (LED).
  • LED light-emitting diode
  • the light emitter preferably comprises a surface emitter laser diode, which is also referred to in the English technical language as VCSEL (for Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • Such a VCSEL is a laser diode in which the light is emitted perpendicular to the plane of the semiconductor chip, in contrast to the edge-emitting laser diode in which the light emerges on one or two flanks of the chip.
  • the advantage of such a VCSEL is that it is highly efficient Light generation with a very high emitted light intensity at the same time.
  • very short, steep-edged light pulses can be generated by means of such a VCSEL.
  • a VCSEL can be integrated on a common semiconductor substrate together with other semiconductor components and optoelectronic semiconductor components such as photodiodes.
  • Such a VCSEL is preferably followed by an optical lens in order to widen the emitted light cone in the range of a few degrees, such as typically 3 °, into a light cone in the range 20 ° to 90 °, preferably in a range from 45 ° to 60 ° .
  • the optical lens can be designed to incline the optical transmission axis of the VCSEL, for example in the range from 10 ° to 30 °.
  • the photosensor or the photodiode in particular the single photon avalanche diode, or the array of single photon avalanche diodes, is followed by a respective time-to-digital converter with a gate delay chain.
  • a time-to-digital converter is also referred to as TDC in English usage.
  • TDCs are electronic circuits that are able to measure short to ultra-short time intervals and output them in digital form, e.g. as a data stream. They therefore fall under the category of frequency counters.
  • experts only speak of a TDC when the time resolution is better than that which can be achieved directly with counters. This is currently the case from a resolution of around 1 ns.
  • the time-to-digital converter can, for example, be a so-called single-hit TDC that is not immediately ready for use again after a measurement. It therefore has a dead time which is relatively high compared to the measured interval. Nevertheless, a temporal accuracy for a single hit down to about 100 femtoseconds is currently possible, this using gate delay times in frequency stabilized ring oscillators.
  • the time-to-digital converter can also be a so-called multi-hit TDC if several events are to be measured very close to one another.
  • multi-hit TDCs currently achieve resolutions down to about 10 picoseconds. You do not determine the size of an individual time interval, but a list of pulse arrival times, the so-called "bins".
  • the time-to-digital converter described above can also be electrically connected directly to a separate reference photosensor or to a reference photodiode, preferably to a reference single photon avalanche diode, which are in close proximity at a known distance is arranged to the light emitter.
  • a time-accurate, temporal calibration of the gate delay chains as well as a temporal compensation of thermally induced changes in the light pulse generation by the light emitter is advantageously possible, please include.
  • the light emitting diode and the further light emitting diode preferably the surface emitter laser diode and the further surface emitter laser diode, the single photon avalanche diode or the array of single photon avalanche diodes, as well as a chip controller and the respective time -to-digital converter in a common optoelectronic semiconductor component, in particular in a system-on-a-chip, integrated.
  • the respective time-to-digital converter can alternatively also be part of the chip controller of this system-on-a-chip.
  • the object of the invention is also achieved with a smoke detection module which has a smoke detection unit according to the invention and a measuring chamber opposite the smoke detection unit. The latter has one or more chamber openings for the passage of ambient air into the interior of the measuring chamber.
  • the measuring chamber is also shielded from direct ambient light.
  • the measuring chamber is preferably designed in the shape of a cup or pot. In particular, it has an outside diameter in a range from 20 mm to 60 mm, preferably in a range from 25 mm to 35 mm.
  • the inside diameter is in particular in a range from 10 mm to 50 mm, preferably in a diameter from 20 mm to 30 mm.
  • the overall height of the measuring chamber is in particular in a range from 10 mm to 30 mm, preferably in a range from 15 mm to 20 mm.
  • the minimum distance between the light emitter or the further light emitter and the photosensor on the one hand and the opposite inner side of the measuring chamber ceiling is in particular in a range from 10 mm to 25 mm.
  • the measuring chamber is preferably a plastic injection molded part.
  • the chamber openings are preferably warrantybil det as lamellae.
  • an (optical) measuring chamber is therefore also referred to as a labyrinth.
  • the light emitter and, if applicable, the further light emitter, the photosensor and the control unit are preferably arranged on a circuit carrier, such as a circuit board.
  • the circuit carrier is usually, but not necessarily, provided with a plastic cover with light-absorbing structures. This plastic cover closes the measuring chamber and forms the so-called measuring chamber floor. Circuit carriers and, if necessary, the plastic measuring chamber floor can be part or parts of the smoke detection module according to the invention.
  • the light emitter and the possibly further light emitter as well as the spectrally matched photosensor are located Measuring chamber ceiling directly opposite the measuring chamber.
  • the scatter angle between the respective optical transmission axes of the light emitter and the possibly further light emitter and the reception axis of the photosensor of the smoke detection unit is in particular in the range from 160 ° to 185 °.
  • Such a scattered light arrangement is also referred to as a backward scattered light arrangement.
  • the predeterminable time delay is smaller than that of the shortest distance from the light emitter to an opposite measuring chamber ceiling or to further housing parts of the measuring chamber and further to the photodiode correspond to the optical transit time.
  • the predefinable time delay is the time or the time value from which the sensor signal is no longer recorded by the control unit of the smoke detection unit in relation to the time of a transmitted light pulse or is not taken into account in the analysis of the at least one fire parameter.
  • the light emitter and optionally the further light emitter and the photo sensor are optically aligned to a common scattered light volume.
  • the control unit of the smoke detection unit is set up to switch on the photosensor for the (possible) optical detection of scattered light from the scattered light volume only with a predefinable switch-on delay in relation to the point in time of an emitted light pulse or to supply it with electrical voltage.
  • the predefinable switch-on delay is approximately as large as the optical transit time corresponding to the shortest distance from the light emitter via the scattered light volume to the photosensor. “About as big” means a tolerance value for the optical transit time of ⁇ 20%.
  • a first scattered light smoke detector which has a detector housing and a smoke detector according to the invention accommodated in the detector housing. has tion module.
  • the detector housing has one or more smoke inlet openings for the passage of ambient air into the interior of the detector housing and further into the measuring chamber of the smoke detection module.
  • a scattered light smoke alarm is also referred to as a closed scattered light smoke alarm or as a scattered light smoke alarm of a closed design.
  • a second scattered light smoke detector which has a detector housing and a smoke detection module according to the invention accommodated in the detector housing.
  • the measuring chamber can also be an integral part of the measuring housing itself or be formed by the detector housing itself.
  • the detector housing has one or more smoke inlet openings designed as lamellas, permeable to smoke to be detected and shielding direct ambient light.
  • an open scattered light smoke alarm i.e. by a scattered light smoke alarm of the open type. It has a detector housing and a smoke detection unit according to the invention received on the detector housing.
  • the light emitter and possibly the further light emitter and the photosensor are optically aligned with a common scattered light volume, the scattered light volume being outside the open scattered light smoke detector.
  • the closed and open scattered light smoke alarms under consideration can also have a gas sensor for the detection of typical fire gases and / or a temperature sensor in the sense of a multi-criteria fire alarm.
  • the scattered light smoke detectors under consideration can be connected to a fire alarm center via a common detector line or detector line, in particular via a two-wire line, in terms of signals and / or data.
  • such scattered light smoke alarms can have a radio module for transmitting an alarm message, a warning message or status information to an adjacent fire alarm in the sense of routing and / or directly to a fire alarm center.
  • the object of the invention is achieved by a method for detecting smoke according to the scattered light principle.
  • a light pulse is irradiated repeatedly into a scattered light volume for smoke to be detected by means of a light emitter, in particular by means of a surface emitter laser diode.
  • Scattered light is detected from the scattered light volume by means of a photodio de, in particular by means of a spectrally matched single photon avalanche diode or by means of an array of single photon avalanche diodes, and output as a sensor signal.
  • the sensor signal is analyzed for at least one fire parameter and a fire alarm is issued if a fire is detected.
  • the sensor signal is no longer in relation to the point in time of an emitted light pulse from a given time delay in a range from 10 ps to 250 ps, in particular in a range from 25 ps to 250 ps and preferably in a range from 33 ps to 150 ps detected.
  • the sensor signal remains unconsidered in the analysis of the at least one fire parameter from or after the predetermined period of time. In other words, from this time onwards, the sensor signal is no longer taken into account or ignored in terms of evaluation.
  • the smoke detection method can also be developed by means of individual or several method features that relate to method steps executed by the smoke detection unit, and the smoke detection unit can also be developed by means for executing method steps executed as part of the smoke detection method.
  • FIG. 3 shows a plan view of the smoke detection modules according to the examples in FIG. 1 and FIG. 2,
  • Smoke detection unit according to the invention and, for example, with a measuring chamber
  • FIG. 5 shows a simplified representation of the smoke detection unit according to FIG. 4 with entered light paths, inter alia as the cause of the so-called basic pulse,
  • FIG. 6 shows a section through a scattered light smoke detector with a detector housing and with a smoke detection module accommodated therein according to the invention
  • FIG. 7 shows an example of an integrated optoelectronic semiconductor component as a system-on-a-chip (SoC) and as part of the smoke detection unit according to the invention
  • FIG. 8 shows a section of an open scattered light smoke detector with a smoke detection unit according to the invention
  • FIG. 9 shows examples of the time course of a digital light intensity corresponding to the FIG. 13 sensor signal of a single photon avalanche diode (SPAD), with and without a measuring chamber and in the case of no smoke, with little smoke and with a lot of smoke.
  • SPAD single photon avalanche diode
  • a cup-shaped or pot-shaped measuring chamber which is closed off by a circuit carrier 4, is denoted by M.
  • LA are radially outer lamellae with a symmetry or rotational symmetry axis A of the measuring chamber M, which shield the interior of the measuring chamber M from direct ambient light.
  • An optoelectronic SMD component Soc which comprises a light-emitting diode as a light emitter 2 and a photodiode as a photosensor 3, is already arranged on the circuit carrier 4 as an integrated unit, i.e. as a so-called system-on-a-chip (SoC).
  • SoC system-on-a-chip
  • a microcontroller MC is connected to this “chip” SoC, which is set up to control the LED to emit light pulses and to receive and evaluate a sensor signal from photosensor 3 and, if necessary, to output a fire alarm AL.
  • LK denotes a cone of light emitted by the light-emitting diode 2 and SA denotes the associated optical transmission axis.
  • the optical detection range of the photosensor 3 is designated with FOV.
  • the optical receiving axis of the photosensor 3 is aligned with the axis of symmetry A of the measuring chamber M.
  • the transmitting axis SA is slightly inclined to the optical receiving axis, so that a larger scattered light volume than the geometric intersection of the light cone LK and the optical detection area FOV results.
  • the scatter angle between the optical transmission and reception axes SA, A is denoted by a. It is around 160 ° here.
  • Such a scattered light arrangement is also referred to as a backward scattered light arrangement.
  • the inside of the measuring chamber ceiling directly opposite the light emitter 2 and the photosensor 3 has light-absorbing structures in the form of small, jagged light traps LF.
  • part of the light emitted by the light emitter 2 is disadvantageously scattered back to the photosensor 3, the light level of which is many times higher than the alarm level in the presence of an impermissibly high concentration of smoke in the measuring chamber M.
  • FIG. 2 shows a sectional view through another example of smoke detection module 10 according to the prior art.
  • the measuring chamber M has a cone which is arranged and aligned in such a way that the majority of the light impinging from the light emitter 2 is guided radially outward into the lamellae LA. With this arrangement, considerably less light is scattered to the photosensor 3. Nevertheless, the light level is still much too high, so that a reliable detection of smoke in the measuring chamber M would be possible.
  • FIG. 3 shows a top view of the two measuring chambers M according to FIG. 1 and FIG. 2.
  • the structure of the integrated component SoC with the LED 2 and the photodiode 3 and the lamellae LA for shielding against ambient light can be clearly seen.
  • FIG. 4 initially shows a sectional illustration through an exemplary smoke detection unit 1 according to the invention, here by way of example already with a measuring chamber M as part of a smoke detection module 10, likewise according to the invention, with such a smoke detection unit 1.
  • the light emitter 2 and the photosensor 3 are initially attached to the circuit carrier 4 as separate optoelectronic components.
  • the two components 2, 3 are preferably SMD components.
  • the transmission axis SA of the light emitter 2 and the reception axis EA run parallel to each other and orthogonally to the plane of the circuit board 4.
  • Both components 2, 3 are arranged in relation to the axis of symmetry A of the measuring chamber M in such a way that the axis of symmetry A is aligned with the transmission axis SA or the reception axis EA or runs between the two optical axes SA, EA, in order to enable a uniform, as far as possible direction-independent, scattered light smoke measurement for incoming smoke.
  • the light transmitter 2 and the photosensor 3 are signal and / or data-related to a control unit MC designed as a microcontroller, which is also applied to the circuit carrier 4.
  • a (light-tight) barrier BR is introduced between the light emitter 2 and the photosensor 3 and prevents the emitted light from being directly coupled over from the light emitter 2 to the photosensor 3.
  • the common Streulichtvo volume SV for the scattered light smoke measurement is the intersection of the light cone LK and the optical reception area FOV.
  • an optical lens can be connected downstream of the light emitter 2 and an optical lens can be connected upstream of the photosensor 3.
  • the decreasing hatching density of the light cone LK starting from the light emitter 2 is intended to make it clear that the optical light density decreases sharply with a radial distance from the light emitter 2.
  • a particularly high proportion of scattered light in the smoke particles to be detected is therefore found in the vicinity of the light emitter 2.
  • FIG. 4 further shows, a significant part of the light from the light emitter 2 incident on the opposite measuring chamber ceiling D is scattered as the first light GP and reflected back to the photosensor 3, symbolized by dashed concentric circles. Part of the first light GP scattered by the measuring chamber ceiling D is also scattered on the radial inside of the measuring chamber M, including on the lamellae LA, and arrives as a second light REF in the form of reflections. xionen and subsequent reflections on to the photosensor 3.
  • the sum of all the light reached the inside of the measuring chamber M to the photosensor 3 is referred to as the basic pulse, which is shown as a pulse in the sensor signal of the photosensor 3 in the absence of smoke.
  • the basic pulse increases during operation of the smoke detection module 10 due to increasing contamination of the measuring chamber M.
  • FIG. 5 shows a simplified representation of the smoke detection unit 1 according to FIG. 4 with entered distances or scattered light paths S, S With w S K , among other things as the cause of the so-called basic pulse.
  • S M I N is the shortest distance from the light emitter 2 to the opposite inside of the measuring chamber ceiling D. Since the light emitter 2 and the photosensor 3, i.e. their optical axes SA, EA, are only a few millimeters apart, the total distance there and back is about twice the minimum distance MA between the light transmitter 2 and photosensor 3 on the one hand and the inside of the measuring chamber ceiling D on the other hand.
  • the control unit MC is now set up to no longer detect the sensor signal from the photosensor 3 in relation to the point in time to of a light pulse emitted directly at the light emitter 2 from a predeterminable time delay T or to disregard it in the analysis of the at least one fire parameter to let.
  • the control unit MC can be set up to disregard the sensor signal from the photosensor 3, which continues to be captured, in the analysis of the at least one fire parameter from this point in time to. As further shown in FIG.
  • the control unit MC can be set up to switch on the photosensor 3 for optical detection of scattered light from the scattered light volume SV only with a predefinable switch-on delay in relation to the time to of a transmitted light pulse or to supply it with electrical voltage.
  • This switch-on delay is approximately as large as the optical transit time corresponding to the shortest path S K from the light emitter 2 via the scattered light volume SV to the photosensor 3.
  • the shortest distance S K runs in the example of FIG 5 above half the barrier BR. If there are smoke particles to be detected there, then scattered light from the light emitter 2 along the entered distance S K also reaches the photosensor 3. If the photosensor 3 is only switched on before the first scattered light comes from there, it is avoided that External light previously striking the photosensor 3 already leads to an incorrect measurement.
  • an intermediate distance S is shown as an example.
  • a photosensor 3 it is also advantageous from a metrological point of view to use an avalanche photodiode and preferably a single photon avalanche diode, ie a SPAD, as the photosensor 3. It is even better to use a SPAD array ARRAY with a large number of SPADs in order to increase the optical reception performance.
  • the light emitter 2 and the photosensor 3 are separate optoelectronic components.
  • the light emitter 2 and the photosensor 3 are implemented in a common component, preferably as a so-called system-on-a-chip SoC. As a result, the signal paths for the chip-internal control, acquisition and evaluation remain very short.
  • the scattered light smoke detector 100 comprises a detector housing G and a smoke detection module 10 according to the invention accommodated in the detector housing G.
  • the measuring chamber M can be attached as a separate part within the detector housing G on or above the smoke detection unit 1 of the smoke detection module 10.
  • the smoke to be detected reaches the smoke detection unit 1 inside the measuring chamber M through one or more smoke entry openings OF existing or formed in the detector housing G and further through the lamellas LA of the measuring chamber M.
  • the measuring chamber M of the smoke detection module 10 is an integral part of the detector housing G itself.
  • the detector housing G has one or more smoke inlet openings OF designed as lamellae LA, permeable to smoke to be detected and shielding direct ambient light.
  • the detector housing G can also have other housings, such as a detector hood MH or a receptacle AF for at least detachable attachment of the smoke detector 100 to a detector base MS.
  • the detector housing G can be composed of a base body GK and the detector hood MH.
  • the measuring chamber M is then preferably formed or formed as part of the detector housing G shaped.
  • the part of the circuit carrier 4 of the smoke detection module 10 or of the smoke alarm 100 itself which is opposite the measuring chamber ceiling can be covered with additional light absorbing structures.
  • the second light scattered on further parts within the measuring chamber M is in turn denoted by REF. These are reflections and subsequent reflections of the first light GP originating from the measuring chamber ceiling D.
  • the sum of the first and second scattered light is called the basic pulse.
  • HA denotes a main axis of the preferably substantially symmetrical or rotationally symmetrical detector housing G.
  • this main axis HA and the axis of symmetry or rotational symmetry of the measuring chamber M are aligned with one another.
  • the component SoC shown has a maximum dimension of 10 mm, preferably 5 mm.
  • the optical base B that is to say the distance between the transmission and reception axes SA, EA on the component SoC, is in the range from 1.5 mm to 5 mm.
  • the light emitter 2 is preferably a surface laser diode VCSEL with an optical lens connected downstream. It is also possible for two such surface laser diodes VCSEL, VCSEL 'to be arranged adjacent to one another, the (first)
  • the photosensor 3 is in particular an avalanche photo diode and preferably a single photon avalanche diode SPAD or even better a SPAD array ARRAY thereof. The latter two are preferably preceded by an optical spectral filter which allows light to pass through only or mainly in the aforementioned wavelength ranges.
  • a chip controller is denoted by C, which is preferably connected in terms of signal and / or data technology to the or to the two surface laser diodes VCSEL, VCSEL ', to the SPAD or to the SPAD array ARRAY.
  • the chip controller C, the or with the two surface laser diodes VCSEL, VCSEL 'as well as the single photon avalanche diode SPAD or the SPAD array ARRAY can be integrated on a common semiconductor substrate and / or there in the form of «dies», ie of semiconductor wafers, applied by means of bonds and wired tet.
  • the chip controller C is set up to receive control signals from the control unit MC of the smoke detection unit 1 for pulsed control of the surface laser diode (s) VCSEL, VCSEL '. On the output side, the chip controller C is set up to provide digital measured values corresponding to the sensor signal SIG, SIG 'from the single photon avalanche diode SPAD or the SPAD array ARRAY, which digital measured values can then be read in by the control unit MC.
  • the integrated optoelectronic semiconductor component SoC has one or more time-to-digital converters TDC, each with one or more gate delay chains.
  • the TDCs with the gate delays can also be part of the chip controller C.
  • the TDCs are preferably multi-hit TDCs, so that a measurement of several events can be measured very close to one another, ie even in ultra-short time intervals in the range from 5 ps to 50 ps. These typically equal time intervals are referred to as “bins”, so to speak, as pulse arrival times “collection containers”.
  • the integrated optoelectronic semiconductor component SoC can have an electrical connection for connecting a separate reference single photon avalanche diode, which is arranged at a known distance in close proximity to the surface laser diode VCSEL and in its light cone LK. This enables the timing of the gate delay chains to be calibrated with exact runtime and also to compensate for thermally induced changes in the light pulse generation by the surface laser diodes VCSEL.
  • time-locked intensity distributions HIST are shown by way of example, plotted over “bins”.
  • the digital values of the light intensity INT of the intensity distributions HIST are standardized, for example, to a maximum value of 100%.
  • FIG. 8 shows a section of an open scattered light smoke detector with a smoke detection unit 1 according to the invention.
  • the scattered light volume SV lies outside the open scattered light smoke detector.
  • the smoke detection unit 1 is covered by a light-tight cover AB except for two windows F.
  • the two windows F are transparent to the light emitted by the light emitter 2.
  • the light emitter 2 here preferably a light-emitting diode LED or a surface laser diode VCSEL
  • the photosensor 3 here preferably a single photon avalanche diode SPAD
  • an optical blocking filter can be connected upstream of the photosensor 3, which essentially only has light allows a wavelength range to pass which corresponds to the wavelength range of the light emitted by the light emitter 2 and the wavelength range of the light emitted by the possibly further light emitter.
  • FIG. 9 shows an example of the time profile of a digital light intensity INT, corresponding to the sensor signal SIG, of a single photon avalanche diode SPAD in the smoke-free case.
  • the present example shows measurements by means of a smoke detection module 10 according to the invention with a measuring chamber M and in the smoke-free case.
  • the histogram HIST shows, for example, ten bins, that is, pulse arrival times - "collecting containers", in a time grid of, for example, 25 ps.
  • the 25 ps correspond to an optical transit time of 7.5 mm based on the speed of light in a vacuum. It can be seen in the HIST histogram shown that it is only from the fourth bin, i.e. after 30 mm optical transit time, that there are large and then sharply falling values of the light intensity INT. These originate from reflections of the light emitted by the light emitter 2 on the inside of the measuring chamber ceiling D.
  • This incoming optical wave is also referred to as a so-called basic pulse GP, REF.
  • the distance between the light emitter 2 and the inside of the measuring chamber ceiling D is here approx. 15 mm and thus corresponds to half of the aforementioned optical transit time of 30 mm.
  • the values of the light intensity INT from the fourth bin correspond in an analogous manner to the basic pulse GP, REF. In the first three bins, which are decisive for the detection of scattered light smoke, the values of the light intensity INT are very low, since there is no smoke in the scattered light volume SV.
  • FIG. 10 shows an example of the time course of the digital light intensity INT according to FIG. 9 with the presence of little smoke in the measuring chamber M.
  • the values of the light intensity INT in the first three bins increase significantly, while the values of the Light intensity INT of the fourth and subsequent bins of the «basic pulse» decrease considerably due to light absorption.
  • FIG. 11 shows an example of the time course of the digital light intensity INT according to FIG. 9 in the presence of a lot of smoke in the measuring chamber M.
  • the values of the light intensity INT in the first three bins increase considerably, while the values of the Light intensity INT of the fourth and subsequent bins of the «basic pulse» decrease considerably due to light absorption.
  • the values of the light intensity INT “collected” in the first three bins are completely sufficient to issue a reliable fire alarm AL based on them.
  • FIG. 12 shows an example of the time profile of a digital light intensity INT corresponding to the sensor signal SIG in the smoke-free state and when the measuring chamber M is removed in the sense of an open scattered light smoke detector.
  • FIG. 12 shows, all values of the light intensity INT in all bins are very small, since no basic pulse can be present due to the absence of the measuring chamber M.
  • FIG. 13 shows an example of the course over time according to FIG. 12 in the presence of a lot of smoke.
  • the values for the light intensity INT start with a high value at the first bin and then decrease exponentially.
  • a reliable fire alarm AL can also be issued in this case.
  • ARRAY array matrix, two-dimensional field
  • MH detector hood MC control unit microcontroller MS detector base OF smoke inlet opening REF second scattered light, reflections S distance, optical path SA optical transmission axis SIG sensor signal, photo signal SIG 'further sensor signal, photo signal SMIN shortest optical distance for basic pulse SK shortest distance for scattered light SoC system-on-a- Chip, integrated unit SPAD single photon avalanche diode, SPAD SV scattered light volume, measurement volume TDC time-to-digital converter T time delay
  • VCSEL another surface laser diode

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Abstract

Eine Rauchdetektionseinheit (1) umfasst einen Lichtemitter (2) und ein Photosensor (3) in einer Streulichtanordnung sowie eine damit verbundene Steuereinheit (MC). Letztere ist dazu eingerichtet, den Lichtemitter zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photosensor ein zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) zu erfassen und dieses auf eine Brandkenngrösse hin zu analysieren. Erfindungsgemäss ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt (t0) eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung (T) nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen. Die Zeitverzögerung liegt in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere von 25 ps bis 250 ps, vorzugsweise von 33 ps bis 150 ps. Dadurch wird vorteilhaft der Einfluss des Grundpulses, d.h. des Einflusses von an der Innenseite der Messkammer zur Rauchdetektionseinheit zurückgestreuten Lichts, auf die Streulichtmessung reduziert bzw. eliminiert. Der Photosensor ist insbesondere eine Photodiode oder Avalanche-Photodiode, vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) oder ein Array (ARRAY) davon. Der Lichtemitter ist vorzugsweise eine Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL).

Description

Beschreibung
Rauchdetektionseinheit für einen Brandmelder mit Grundpuls unterdrückung sowie geeignetes Verfahren zur Rauchdetektion
Die Erfindung betrifft eine Rauchdetektionseinheit für einen Brandmelder. Die Rauchdetektionseinheit umfasst einen Licht emitter und einen spektral darauf abgestimmten Photosensor in einer Streulichtanordnung. Sie weist zudem eine Steuereinheit auf, welche mit dem Lichtemitter und mit dem Photosensor insbesondere signal- und/oder datentechnisch verbunden ist. Die Steuereinheit ist weiter dazu eingerichtet, den Licht emitter insbesondere wiederholt zum Aussenden eines Lichtpul ses anzusteuern, vom Photosensor ein zeitlich zugeordnetes Sensorsignal zu erfassen und dieses auf zumindest eine Brand kenngrösse hin zu analysieren. Das Sensorsignal kann auch als Photosignal bezeichnet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Rauchdetektionsmodul mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit, einen (geschlosse nen) Streulichtrauchmelder mit einem derartigen Rauchdetekti onsmodul sowie einen offenen Streulichtrauchmelder mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit.
Schliesslich betrifft die Erfindung ein zur Rauchdetektions einheit korrespondierendes Verfahren.
Derartige Rauchdetektionseinheiten sind allgemein bekannt.
Aus der EP 2093 732 Al der Anmelderin ist beispielhaft eine solche Rauchdetektionseinheit bekannt.
Aus der EP 3499 475 A2 und aus der EP 3319 057 Al sind Rauchdetektionseinheiten bekannt, die in optoelektronische Bauteile als System-on-a-Chip (SoC) integriert sind. Die in der EP 3499 475 A2 als SMD-Bauelement ausgebildete Rauchdetektionseinheit umfasst eine Infrarot-LED, eine blau leuchtende LED sowie eine spektral darauf abgestimmte Photo diode. Die optischen Achsen der LEDs verlaufen im montierten Zustand der Rauchdetektionseinheit quer, d.h. nahezu orthogo nal, zur Leiterplatte. Die optische Achse der Photodiode verläuft orthogonal zur Leiterplatte. Zudem ist eine Messkam mer zur Applizierung auf einem Schaltungsträger beschrieben, der eine solche integrierte Rauchdetektionseinheit umfasst. Die Messkammer ist durchlässig für zu detektierenden Rauch, jedoch gegenüber direktem Umgebungslicht abgeschirmt.
Hierbei tritt das Problem auf, dass durch die extreme Rück- wärtsstreulichtanordnung von ca. 160° ein nicht unerheblicher Teil des von den beiden LEDs in Richtung zur gegenüberliegen den Messkammer ausgesandten Lichts als sogenannter Grundpuls zurück zum Photosensor bzw. zur Photodiode gestreut und/oder reflektiert wird. Weist eine solche Messkammer einen angenom menen Durchmesser von 25 mm bis 40 mm bei einer Bauhöhe von 10 mm bis 20 mm auf, so überschreitet der empfangene Lichtin- tensitätspegel des reflektierten Grundpulses den Alarmie rungspegel für den Brandfall um ein Vielfaches. Eine zuver lässige Rauchdetektion ist somit nicht möglich.
Zwar vermag ein neues Design der Messkammerinnenseite den Grundpuls mittels eines z.B. aus der US 2009/237259 Al be kannten Kegels deutlich zu reduzieren. Eine zuverlässige Rauchdetektion ist damit jedoch bei weitem nicht möglich.
Davon ausgehend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rauchdetektionseinheit anzugeben.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rauchdetektionseinheit anzugeben, bei welcher der Ein fluss des Grundpulses stark reduziert ist. Schliesslich ist eine Aufgabe der Erfindung, ein dazu korres pondierendes Verfahren zur Detektion von Rauch anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Schliesslich wird die Aufgabe durch ein dazu korrespondieren des Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
Erfindungsgemäss ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt eines insbesondere wiederholt ausgesendeten (optischen) Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksich tigt zu lassen. Genauer gesagt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Sensorsignal in Bezug auf den Zeitpunkt eines direkt am Lichtemitter ausgesendeten (optischen) Licht pulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenn grösse unberücksichtigt zu lassen.
Der Kern der Erfindung liegt darin, eine Streulichtrauchmes sung auf Basis eines vom Photosensor ausgegebenen Sensorsig nals zu beenden, noch bevor die «Lichtwelle» des Grundpulses den Photosensor erreicht. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass nur der von zu detektierenden Rauchteilchen im Streu lichtvolumen zum Photosensor gestreute Lichtanteil messtech nisch erfasst bzw. bei der nachfolgenden Analyse auf die Brandkenngrösse hin ausgewertet wird. Dies setzt jedoch eine Messzeit voraus, die kürzer ist als die der kürzesten Weg strecke vom Lichtemitter zur gegenüberliegenden Messkammer decke und zurück zum Photosensor entsprechenden optischen Laufzeit des vom Lichtemitter ausgesandten Lichtpulses. Die Messkammer wird somit nur benötigt, um direktes Aussenlicht zu unterdrücken, sofern kein (Spektral-)Filter, wie z.B. Tageslichtfilter, dem Photosensor optisch vorgeschaltet ist. Die zumindest eine Brandkenngrösse kann z.B. ein elektrisch vom Photosensor ausgegebener Lichtintensitätspegel sein. Eine weitere Brandkenngrösse ist z.B. die Änderungsgeschwindigkeit des Lichtintensitätspegels.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise eine prozessorgestützte Steuereinheit, insbesondere ein Mikrocontroller, auf dem ein geeignetes Softwareprogramm zur direkten oder indirekten Ansteuerung des Lichtemitters sowie zur messtechnischen Erfassung des elektrischen Sensorsignals vom Photosensor ausgeführt wird. Der Mikrocontroller kann hierzu bereits einen integrierten A/D-Umsetzer zur Umsetzung des Sensorsig nals in korrespondierende Datenmesswerte umfassen. Der Mikro controller kann auch eine digitale Schnittstelle aufweisen, um bereits digitale Werte des Sensorsignals zu erfassen bzw. einzulesen. Dies ist vorteilhaft dann der Fall, wenn der Photosensor digitale Messwerte bereitstellt, die mit dem analogen elektrischen Sensorsignal korrespondieren.
Mit der «wiederholten» Aussendung von Lichtpulsen ist ge meint, dass vorzugsweise zyklisch eine Streulichtrauchmessung erfolgt, wie z.B. einmal, zweimal oder fünfmal pro Sekunde, oder alle 10, 20 oder 30 Sekunden.
Vorzugsweise ist der Lichtemitter dazu eingerichtet, mono chromatisches Licht auszusenden, wie z.B. Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden. Ein solcher Lichtemitter kann z.B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode sein.
Dem Lichtemitter kann eine optische Linse oder ein Reflektor nachgeschaltet sein. Dadurch ist eine optische Aufweitung des emittierten Lichtkegels möglich. Dem Lichtemitter kann auch eine optische Linse derart nachgeschaltet sein, um die opti sche Sendeachse hin zur optischen Empfangsachse des Photo sensors zu neigen, wie z.B. in einem Bereich von 10° bis 25°. Mit der zeitlich zugeordneten Erfassung des Sensorsignals vom Photosensor ist gemeint, dass vorzugsweise nur im erwarteten Zeitfenster des Eintreffens von Streulicht auf den Photo sensor dieser im Sinne eines «Gatings» eingeschaltet, mit elektrischer Spannung versorgt oder anderweitig aktiviert wird.
Nach einer Ausführungsform ist der Photosensor eine Photodio de, insbesondere eine Avalanche-Photodiode, oder er umfasst ein Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden umfasst.
Avalanche-Photodioden sind hochempfindliche, schnelle Photo dioden. Sie zählen zu den Avalanche-Dioden und nutzen den inneren photoelektrischen Effekt zur Ladungsträgererzeugung und den Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt) zur internen Verstärkung. Sie können als das Halbleiteräquivalent zum Photomultiplier betrachtet werden, mit erreichbaren Grenzfre quenzen bis in den Gigahertz-Bereich. Die höchste spektrale Empfindlichkeit liegt dabei je nach verwendetem Material in einem Bereich von ca. 250 nm - 1700 nm.
Der Avalanche-Photodiode kann eine optische Linse zur Aufwei tung des optischen Erfassungsbereichs vorgeschaltet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Avalanche-Photodiode ein optisches Filter vorgeschaltet sein, welches spektral auf das vom Lichtemitter ausgesandte Licht ausgelegt ist. Somit kann nur monochromatisches Licht oder zumindest der grösste Teil des monochromatischen Lichts das optische Filter passieren.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Avalanche- Photodiode eine Einzelphoton-Avalanche-Diode. Eine solche Einzelphoton-Avalanche-Diode wird in der englischen Fachspra che auch als SPAD (für Single-Photon Avalanche Diode) be zeichnet. Aus dem Stand der Technik sind bereits derartige SPADs be kannt, deren zeitliche Auflösung z.B. bei 7 ps (siehe nach folgende Veröffentlichung des IEEE), 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps oder 50 ps liegt. Solche SPADs sind speziell für den Betrieb oberhalb der Durchbruchspannung im sogenannten Gei ger-Modus entwickelt worden. Sie erreichen eine kurzzeitige Verstärkung von bis zu 108, da ein durch ein einzelnes Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar auf Grund der Beschleunigung in der Multiplikationszone, hervorgerufen durch die hohe elekt rische Feldstärke, mehrere Millionen Ladungsträger erzeugen kann. Durch eine entsprechende Beschaltung, vorzugsweise durch einen Vorwiderstand, wird verhindert, dass die SPAD durch den hohen Strom leitfähig bleibt. Der Spannungsabfall am Vorwiderstand ist dann messtechnisch auswertbar.
Aus der Veröffentlichung von Vincenzo Sesta, Federica Villa, Enrico Conca, and Alberto Tosi, «A novel sub-10 ps resolution TDC for CMOS SPAD array», 25. IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), IEEE, 9.-12. Dezember 2018, ist ein neuartiger Time-to-Digital Converter (TDC) für die Single-Chip-Integration in Single-Photon Ava- lanche-Diode (SPAD)-Arrays und in digitalen Silizium-Photo vervielfacher (SiPM) bekannt. Die Detektor-Timing-Elektronik- Kombination eignet sich für zeitkorrelierte Einzelphotonen- Zählanwendungen (TCSPC) und direkte Time-Of-Flight (ToF)- Messungen. Der vorgeschlagene TDC basiert auf einem 200-MHz- 4-Bit-Zähler, der einen Full-Scale-Bereich von 80 ns garan tiert. Zwei Interpolatoren nutzen die Gleitskalentechnik zur Reduzierung der differentiellen Nichtlinearität (DNL). Neben der groben Interpolation verfügen die mehrstufigen Interpola toren über eine neuartige Dual-Fine-Interpolation, die eine Auflösung von bis zu 7 ps garantiert. Die Konvertierungszeit (<50 ns) ist im Vergleich zu typischen Architekturen, die auf Vernier-Verzögerungsleitungen basieren, viel kürzer.
Alternativ umfasst das Array von Avalanche-Photodioden ein Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPADs). Durch die parallele Anordnung ist eine vielfach höhere Detektionsleis tung möglich. Derartige Arrays können eine z.B. Anzahl von 16 x 16, 32 x 32 oder mehr SPADS umfassen. Durch die parallele Auswertung ist es zudem möglich, eine zeitabhängige Intensi- tätsverteilung mittels Zähler (Counter) zu erzeugen und auszugeben, z.B. in Form eines digitalen Histogramms.
Weiter alternativ kann das das Array von Avalanche-Photo- dioden einen Silizium-Photomultiplier umfassen. Ein Silizium- Photomultiplier, auch als SiPM bezeichnet, besteht aus einem Array mehrerer Avalanche-Photodioden auf einem gemeinsamen Silizium-Substrat. Die Avalanche-Photodioden werden wieder im Geiger-Modus, also oberhalb der Durchbruchspannung, betrie ben. Jede einzelne Avalanche-Photodiode besitzt dabei ihren eigenen Vorwiderstand. Es können ca. 100 bis 1000 solcher Avalanche-Photodioden parallelgeschaltet sein. Der Vorteil ist, dass dadurch sowohl einzelne Photonen und zugleich auch viele Photonen gleichzeitig gemessen werden.
Der optische Erfassungsbereich des Photosensors, d.h. der Photodiode oder der Avalanche-Photodiode, der Einzelphoton- Avalanche-Diode sowie der Arrays daraus, weist - unter Be rücksichtigung einer gegebenenfalls optisch vorgeschalteten optischen Linse - einen Erfassungs- oder Öffnungswinkel in einem Bereich von 25° bis 150°, insbesondere in einem Bereich von 50° bis 145°, vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140°, auf. Zur räumlich scharfen Begrenzung des Streulichtvo lumens kann sowohl dem Lichtemitter als auch dem Photosensor eine Blende nach- oder vorgeschaltet sein, wie z.B. eine Lochblende oder Apertur.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge entspricht die vorgeb- bare Zeitverzögerung der Laufzeit einer optischen Wegstrecke vom Lichtemitter zum Photosensor in einem Bereich von 7.5 mm bis 75 mm, insbesondere von 7.5 mm bis 30 mm, und vorzugswei se von 10 mm bis 15 mm. Dadurch ist eine Anpassung auf die Dimensionen einer den Lichtemitter und den Photosensor umge benden Messkammer vorteilhaft möglich.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt die vorgebbare Zeitverzögerung in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbe sondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps und vorzugswei se in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps. Insbesondere sind die Avalanche-Diode, die Einzelphoton-Avalanche-Diode oder die Arrays davon dazu eingerichtet, den zeitlichen Verlauf erfassten Lichts, hier des Streulichts aus dem Streulichtvo lumen, in Form von sogenannten «Bins», d.h. in einem Zeiter fassungsraster von z.B. von 7 ps, 10 ps, 17 ps, 25 ps, 33 ps oder 50 ps, zu sammeln und diese dann als zeitabhängige Intensitätsverteilung im Sinne eines Histogramms auszugeben.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Photosensor zur möglichen optischen Erfassung von Streulicht erst mit einer vorgebbaren Ein- schaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesen deten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Span nung zu versorgen. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass der Photosensor eventuell vorhandenes Fremdlicht in der Messkammer noch vor dem eigentlichen Auftreffen von Streu licht aus dem Streulichtvolumen erfasst, das dann die Streu lichtrauchmessung verfälschen könnte. Insbesondere entspricht die vorgebbare Einschaltverzögerung der Laufzeit einer opti schen Wegstrecke vom Lichtemitter zum Photosensor in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis 5 mm.
Die vorgebbare Einschaltverzögerung kann in zeitlicher Hin sicht in einem Bereich von 5 ps bis 50 ps, insbesondere in einem Bereich von 7.5 ps bis 25 ps oder von 7 ps bis 25 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 10 ps bis 20 ps, liegen.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet bzw. programmiert, den Lichtemitter insbe sondere wiederholt zum Aussenden einer Lichtpulsserie anzu- steuern. Sie ist weiter dazu eingerichtet, vom Photosensor ein der Lichtpulsserie jeweils zeitlich zugeordnetes Sensor signal zu erfassen, daraus ein gemitteltes Sensorsignal zu ermitteln und dieses auf die zumindest eine Brandkenngrösse hin zu analysieren. Insbesondere umfasst eine Lichtpulsserie eine Anzahl von Lichtpulsen im Bereich von 4 bis 100, insbe sondere von 10 bis 20. Die vom Lichtemitter ausgesandten Lichtpulse sind vorzugsweise äquidistant. Vorzugsweise um fasst die Lichtpulsserie eine Gesamtdauer im Bereich von 1 ms bis 10 ms. Die Zeitdauer eines ausgesandten Lichtpuls liegt insbesondere in einem Bereich von 1 ps bis 100 ps.
Durch arithmetisches Mitteln einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Messergebnissen ist eine Erhöhung der Genauigkeit des empfan genen Lichtintensitätspegels vom Photosensor möglich. Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist der Lichtemitter dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist die Rauchdetekti- onseinheit einen weiteren Lichtemitter auf. Der Photosensor ist zudem spektral auf den weiteren Lichtemitter abgestimmt. Der weitere Lichtemitter bildet mit dem Photosensor eine weitere Streulichtanordnung. Die Steuereinheit ist mit dem weiteren Lichtemitter signal- oder datentechnisch verbunden und dazu eingerichtet bzw. programmiert, entweder den Licht emitter oder den weiteren Lichtemitter insbesondere wieder holt zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photo sensor ein jeweilig zeitlich zugeordnetes Sensorsignal sowie ein weiteres Sensorsignal zu erfassen, das Verhältnis aus beiden Sensorsignale zu ermitteln und das ermittelte Verhält nis auf eine weitere Brandkenngrösse hin zu analysieren. Die weitere Brandkenngrösse ist z.B. ein äquivalenter Durchmesser detektierter Teilchen. Auf Basis einer so ermittelten Teil- chengrösse ist der Teilchentyp bestimmbar, d.h. ob es sich um Staub, Schwelbrand oder um offenes Feuer handelt.
Der (erste) Lichtemitter und der weitere Lichtemitter können hierbei typgleich sein. Insbesondere senden dann beide Licht emitter monochromatisches Licht bei 430 nm ± 20 nm, 470 nm ±20 nm, 870 nm ± 20 nm oder 940 nm ± 20 nm, aus. In diesem Fall weisen der Lichtemitter und der weitere Lichtemitter unterschiedliche Streuwinkel in Bezug zum gemeinsamen Photo sensor auf. Der (erste) Lichtemitter kann z.B. einen Streu winkel im Bereich von 45° bis 90° und der zweite Lichtemitter einen Streuwinkel im Bereich von 100° bis 170° aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich können der (erste) Lichtemitter und der weitere Lichtemitter einen gleichen Streuwinkel mit dem gemeinsamen Photosensor aufweisen, jedoch dazu ausgebil det sein, spektral unterschiedliches Licht auszusenden. Der gemeinsame Streuwinkel liegt im Bereich von 45° bis 170°, vorzugsweise im Bereich von 60° bis 160°. Insbesondere ist der (erste) Lichtemitter dazu ausgebildet, monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder 940 nm ± 20 nm auszusenden. Der weitere Lichtemitter ist dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, vorzugsweise mono chromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm, auszusenden.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Lichtemitter sowie der weitere Lichtemitter eine Leuchtdiode (LED).
Bevorzugt umfasst der Lichtemitter eine Oberflächenemitter- Laserdiode, die in der englischen Fachsprache auch als VCSEL (für Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) bezeichnet wird. Ein solcher VCSEL ist eine Laserdiode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zur kantenemittierenden Laserdiode, bei der das Licht an einer oder zwei Flanken des Chips austritt. Der Vorteil eines solchen VCSEL liegt in der hocheffizienten Lichterzeugung bei zugleich sehr hoher emittierter Lichtin tensität. Darüber hinaus sind mittels eines solchen VCSEL sehr kurze steilflankige Lichtpulse erzeugbar. Zudem ist ein VCSEL auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zusammen mit weiteren Halbleiterkomponenten und optoelektronischen Halb leiterbauelementen, wie z.B. Photodioden, integrierbar.
Vorzugsweise ist einem solchen VCSEL eine optische Linse nachgeschaltet, um den emittierten Lichtkegel im Bereich von wenigen Grad, wie z.B. von typischer 3°, in einen Lichtkegel im Bereich 20° bis 90°, vorzugsweise in einem Bereich von 45° bis 60°, aufzuweiten. Alternativ oder zusätzlich kann die optische Linse dazu ausgebildet sein, die optische Sendeachse des VCSEL zu neigen, wie z.B. im Bereich von 10° bis 30°.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist dem Photosensor oder der Photodiode, insbesondere der Einzelphoton-Avalanche- Diode, oder dem Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, ein jeweiliger Time-to-Digital-Converter mit einer Gatterverzöge rungskette nachgeschaltet. Ein solcher Time-to-Digital- Converter wird im englischen Sprachgebrauch auch als TDC bezeichnet. TDCs sind elektronische Schaltungen, die in der Lage sind, kurze bis ultrakurze Zeitintervalle zu messen und in digitaler Form, wie z.B. als Datenstrom, auszugeben. Sie fallen somit unter die Gattung der Frequenzzähler. In der Fachwelt ist jedoch erst dann von einem TDC die Rede, wenn die Zeitauflösung besser ist als diejenige, die sich direkt mit Zählern erreichen lässt. Dies ist gegenwärtig ab einer Auflösung von etwa 1 ns der Fall.
Der Time-to-Digital-Converter kann z.B. ein sogenannter Single-Hit-TDC sein, der nach einer Messung nicht sofort wieder einsatzbereit ist. Er weist daher eine Totzeit auf, die im Vergleich zum gemessenen Intervall relativ hoch ist. Dennoch ist derzeit eine zeitliche Genauigkeit für einen Single-Hit hinunter bis zu etwa 100 Femtosekunden möglich, dies unter Nutzung von Gatterlaufzeiten in frequenzstabili sierten Ringoszillatoren.
Der Time-to-Digital-Converter kann auch ein sogenannter Multi-Hit-TDC sein, wenn mehrere Ereignisse sehr dicht hin tereinander gemessen werden sollen. In diesem Fall kommen Techniken zum Einsatz, die einen Taktzyklus direkt interpo lieren, oft über selbstkalibrierende Gatterverzögerungsket ten. Solche Multi-Hit-TDCs erreichen derzeit Auflösungen bis hinunter zu etwa 10 Pikosekunden. Sie bestimmen dabei nicht die Grösse eines einzelnen Zeitintervalls, sondern eine Liste mit Pulsankunftszeiten, den sogenannten «Bins».
Der zuvor beschriebene Time-to-Digital-Converter kann auch direkt elektrisch mit einem separaten Referenz-Photosensor bzw. mit einer Referenz-Photodiode, vorzugsweise mit einer Referenz-Einzelphoton-Avalanche-Diode, verbunden sein, die in einem bekannten Abstand in direkter Nähe zum Lichtemitter angeordnet ist. Dadurch ist eine laufzeitgenaue, zeitliche Kalibrierung der Gatterverzögerungsketten sowie eine zeitli che Kompensation thermisch bedingter Änderungen bei der Lichtpulserzeugung durch den Lichtemitter vorteilhaft mög lich.
Nach einer besonderen Ausführungsform sind die Leuchtdiode sowie die weitere Leuchtdiode, vorzugsweise die Oberflächen emitter-Laserdiode sowie die weitere Oberflächenemitter- Laserdiode, die Einzelphoton-Avalanche-Diode oder das Array von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, sowie ein Chip-Controller und der jeweilige Time-to-Digital-Converter in ein gemeinsa mes optoelektronisches Halbleiterbauelement, insbesondere in ein System-on-a-Chip, integriert.
Der jeweilige Time-to-Digital-Converter kann alternativ auch Teil des Chip-Controllers dieses System-on-a-Chip's sein. Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Rauchde tektionsmodul gelöst, welches eine erfindungsgemässe Rauchde tektionseinheit sowie eine der Rauchdetektionseinheit gegen überliegende Messkammer aufweist. Letztere weist eine oder mehrere Kammeröffnungen für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere der Messkammer auf.
Die Messkammer ist zudem gegen direktes Umgebungslicht abge schirmt. Vorzugsweise ist die Messkammer becher- oder topf förmig ausgebildet. Sie weist insbesondere einen Aussendurch- messer in einem Bereich von 20 mm bis 60 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 25 mm bis 35 mm auf. Der Innendurchmesser liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 50 mm, vorzugsweise in einem Durchmesser von 20 mm bis 30 mm. Die Bauhöhe der Messkammer liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 30 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 15 mm bis 20 mm. Der Mindestabstand zwischen dem Lichtemitter bzw. dem weiteren Lichtemitter sowie dem Photosensor einerseits und der gegenüberliegenden Innenseite der Messkammerdecke liegt insbesondere in einem Bereich von 10 mm bis 25 mm. Die Messkammer ist vorzugsweise ein Kunststoffspritzgussteil.
Die Kammeröffnungen sind vorzugsweise als Lamellen ausgebil det. In der Fachsprache wird eine solche (optische) Messkam mer daher auch als Labyrinth bezeichnet. Der Lichtemitter und ggf. der weitere Lichtemitter, der Photosensor sowie die Steuereinheit sind vorzugsweise auf einem Schaltungsträger, wie z.B. auf einer Leiterplatte angeordnet. Der Schaltungs träger ist üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise mit einer Kunststoffabdeckung mit lichtabsorbierenden Strukturen versehen. Diese Kunststoffabdeckung schliesst die Messkammer ab und bildet den sogenannten Messkammerboden. Schaltungsträ- ger und ggf. der Kunststoff-Messkammerboden können Teil bzw. Teile des erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls sein.
Der Lichtemitter und der gegebenenfalls weitere Lichtemitter sowie der spektral darauf abgestimmte Photosensor liegen der Messkammerdecke der Messkammer direkt gegenüber. Der Streu winkel zwischen den jeweiligen optischen Sendeachsen des Lichtemitters und des gegebenenfalls weiteren Lichtemitters sowie der Empfangsachse des Photosensors der Rauchdetektions einheit liegt insbesondere im Bereich von 160° bis 185°. Eine derartige Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreu lichtanordnung bezeichnet.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Rauch detektionsmoduls ist die vorgebbare Zeitverzögerung kleiner als die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter zu einer gegenüberliegenden Messkammerdecke oder zu weiteren Gehäuse teilen der Messkammer und weiter zur Photodiode entsprechen den optischen Laufzeit. Die vorgebbare Zeitverzögerung ist dabei die Zeit bzw. der Zeitwert, ab der das Sensorsignal mittels der Steuereinheit der Rauchdetektionseinheit in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses nicht mehr erfasst wird oder bei der Analyse der zumindest einen Brand kenngrösse unberücksichtigt bleibt.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge sind der Lichtemitter und gegebenenfalls der weitere Lichtemitter sowie der Photo sensor optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen ausge richtet. Die Steuereinheit der Rauchdetektionseinheit ist dazu eingerichtet, den Photosensor zur (möglichen) optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Dabei ist die vorgeb bare Einschaltverzögerung in etwa so gross ist wie die der kürzesten Wegstrecke vom Lichtemitter über das Streulichtvo lumen zum Photosensor entsprechenden optischen Laufzeit. Mit «in etwa so gross» ist ein Toleranzwert für die optische Laufzeit von ± 20% gemeint.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch einen ersten Streulichtrauchmelder gelöst, der ein Meldergehäuse sowie ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetek- tionsmodul aufweist. Das Meldergehäuse weist eine oder mehre re Raucheintrittsöffnungen für den Durchtritt von Umgebungs luft in das Innere des Meldergehäuses und weiter in die Messkammer des Rauchdetektionsmoduls hinein auf. Ein derarti ger Streulichtrauchmelder wird auch als geschlossener Streu lichtrauchmelder oder als Streulichtrauchmelder geschlossener Bauart bezeichnet.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch einen zweiten Streulichtrauchmelder gelöst, der ein Meldergehäuse und ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetek tionsmodul aufweist. Die Messkammer kann auch integraler Bestandteil des Messgehäuses selbst sein bzw. durch das Meldergehäuse selbst ausgeformt sein. Das Meldergehäuse weist eine oder mehrere als Lamellen ausgebildete, für zu detektie- renden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht ab schirmende Raucheintrittsöffnungen auf.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch einen offenen Streulichtrauchmelder, d.h. durch einen Streulicht rauchmelder offener Bauart, gelöst. Er weist ein Meldergehäu se und eine am Meldergehäuse aufgenommene erfindungsgemässe Rauchdetektionseinheit auf. Der Lichtemitter und ggf. der weitere Lichtemitter sowie der Photosensor sind optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen ausgerichtet, wobei das Streulichtvolumen ausserhalb des offenen Streulichtrauchmel ders im Freien liegt.
Der betrachteten geschlossenen und offenen Streulichtrauch melder können zudem einen Gassensor zur Detektion brandtypi scher Gase und/oder auch einen Temperatursensor im Sinne eines Multikriterien-Brandmelders aufweisen. Weiterhin können die betrachteten Streulichtrauchmelder über eine gemeinsame Melderleitung oder Melderlinie, insbesondere über eine Zwei drahtleitung, signal- und/oder datentechnisch mit einer Brandmeldezentrale verbunden sein. Sie können alternativ oder zusätzlich eine autonome Energieversorgung, wie z.B. eine Batterie, aufweisen. Weiterhin können derartige Streulicht rauchmelder ein Funkmodul zur Übertragung einer Alarmmeldung, einer Warnmeldung oder einer Statusinformation an einen benachbarten Brandmelder im Sinne eines Routings und/oder direkt an eine Brandmeldezentrale aufweisen.
Schliesslich wird Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Detektion von Rauch nach dem Streulichtprinzip gelöst. Hierbei wird mittels eines Lichtemitters, insbesondere mit tels einer Oberflächenemitter-Laserdiode, insbesondere wie derholt ein Lichtpuls in ein Streulichtvolumen für zu detek- tierenden Rauch eingestrahlt. Es wird mittels einer Photodio de, insbesondere mittels einer spektral darauf abgestimmten Einzelphoton-Avalanche-Diode oder mittels eines Arrays von Einzelphoton-Avalanche-Dioden, Streulicht aus dem Streulicht volumen erfasst und als Sensorsignal ausgegeben. Das Sensor signal wird auf zumindest eine Brandkenngrösse hin analysiert und gegebenenfalls in einem detektierten Brandfall ein Bran dalarm ausgegeben. Das Sensorsignal wird in Bezug auf den Zeitpunkt eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgegebe nen Zeitverzögerung in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps und vor zugsweise in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps nicht mehr erfasst. Alternativ dazu bleibt das Sensorsignal bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse ab bzw. nach der vorgegebenen Zeitdauer unberücksichtigt. Mit anderen Worten wird ab dieser Zeitdauer das Sensorsignal auswertetechnisch nicht mehr berücksichtigt bzw. ignoriert.
Für die weitere Beschreibung gilt zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen, dass Merkmale und Details, die im Zusammen hang mit der genannten Rauchdetektionseinheit sowie deren Ausgestaltungen beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit und im Hinblick auf das zur Rauchdetektions einheit korrespondierende Rauchdetektionsverfahren und umge kehrt gelten, so dass bezüglich der Offenbarung zu den ein zelnen Aspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Entsprechend kann das Rauch detektionsverfahren auch mittels einzelner oder mehrerer Verfahrensmerkmale fortgebildet sein, die sich auf von der Rauchdetektionseinheit ausgeführte Verfahrensschritte bezie hen, und die Rauchdetektionseinheit kann ebenso durch Mittel zur Ausführung von im Rahmen des Rauchdetektionsverfahren ausgeführten Verfahrensschritten fortgebildet sein.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegen den Erfindung sind am Beispiel der nachfolgenden Figuren ersichtlich. Dabei zeigen
FIG 1, eine Schnittdarstellung durch zwei beispielhafte FIG 2 Rauchdetektionsmodule nach dem Stand der Technik,
FIG 3 eine Draufsicht auf die Rauchdetektionsmodule ge mäss den Beispielen in FIG 1 und FIG 2,
FIG 4 eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte
Rauchdetektionseinheit gemäss der Erfindung und beispielhaft mit einer Messkammer,
FIG 5 eine vereinfachte Darstellung der Rauchdetektions einheit gemäss FIG 4 mit eingetragenen Lichtstre cken, u.a. als Ursache für den sog. Grundpuls,
FIG 6 einen Schnitt durch einen Streulichtrauchmelder mit einem Meldergehäuse und mit einem darin aufgenomme nen Rauchdetektionsmodul gemäss der Erfindung,
FIG 7 ein Beispiel für ein integriertes optoelektroni sches Halbleiterbauelement als System-on-a-Chip (SoC) und als Teil der erfindungsgemässen Rauchde tektionseinheit,
FIG 8 einen Ausschnitt eines offenen Streulichtrauchmel ders mit einer Rauchdetektionseinheit gemäss der Erfindung, FIG 9 - Beispiele für den zeitlichen Verlauf einer dem FIG 13 Sensorsignal entsprechenden digitalen Lichtintensi- tät einer Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD), mit und ohne Messkammer sowie im Fall ohne Rauch, mit wenig Rauch und mit viel Rauch.
FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein beispielhaftes Rauchdetektionsmodul 10 nach dem Stand der Technik. Mit M ist eine becherförmige oder topfförmige Messkammer bezeichnet, die durch einen Schaltungsträger 4 abgeschlossen wird. Mit LA sind radial zu einer Symmetrie- bzw. Rotationssymmetrieachse A der Messkammer M radial aussenliegende Lamellen bezeichnet, die das Innere der Messkammer M gegenüber direkten Umgebungs licht abschirmen. Auf dem Schaltungsträger 4 ist bereits als integrierte Baueinheit, d.h. als ein sogenanntes System-on-a- Chip (SoC), ein optoelektronisches SMD-Bauelement Soc ange ordnet, welches eine Leuchtdiode als Lichtemitter 2 und eine Photodiode als Photosensor 3 umfasst. Mit diesem «Chip» SoC ist ein Mikrocontroller MC verbunden, der dazu eingerichtet, die LED zum Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern und ein Sensorsignal vom Photosensor 3 zu empfangen, auszuwerten und ggf. einen Brandalarm AL auszugeben.
Mit LK ist ein von der Leuchtdiode 2 emittierter Lichtkegel und mit SA die zugehörige optische Sendeachse bezeichnet. Mit FOV ist der optische Erfassungsbereich des Photosensors 3 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel fluchtet die optische Empfangsachse des Photosensors 3 mit der Symmetrieachse A der Messkammer M. Die Sendeachse SA ist leicht zur optischen Empfangsachse geneigt, so dass ein grösseres Streulichtvolu men als geometrisches Schnittvolumen aus Lichtkegel LK und optischen Erfassungsbereich FOV resultiert. Mit a ist der Streuwinkel zwischen den optischen Sende- und Empfangsachsen SA, A bezeichnet. Er liegt hier bei ca. 160°. Ein solche Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreulichtanord nung bezeichnet. Die dem Lichtemitter 2 und dem Photosensor 3 direkt gegen überliegende Innenseite der Messkammerdecke weist lichtabsor bierende Strukturen in Form kleiner, gezackter Lichtfallen LF auf. Bei dieser Anordnung wird nachteilig ein Teil des vom Lichtemitter 2 ausgesandten Lichts zurück zum Photosensor 3 gestreut, dessen Lichtpegel um ein Vielfaches höher ist als der Alarmierungspegel bei Anwesenheit von einer unzulässig hohen Konzentration von Rauch in der Messkammer M.
FIG 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein weiteres bei spielhaftes Rauchdetektionsmodul 10 nach dem Stand der Tech nik. Im Vergleich zur vorherigen FIG 1 weist die Messkammer M einen Kegel auf, der so angeordnet und ausgerichtet ist, dass der Grossteil des vom Lichtemitter 2 auftreffenden Lichts radial nach aussen in die Lamellen LA geleitet wird. Bei dieser Anordnung wird erheblich weniger Licht zum Photosensor 3 gestreut. Trotzdem ist der Lichtpegel noch immer viel zu hoch, so dass eine zuverlässige Detektion von Rauch in der Messkammer M möglich wäre.
FIG 3 zeigt eine Draufsicht auf die beiden Messkammern M gemäss FIG 1 und FIG 2. In dieser Darstellung sind der Aufbau der integrierten Baueinheit SoC mit der LED 2 und der Photo diode 3 sowie die Lamellen LA zur Abschirmung gegen Umge bungslicht gut erkennbar.
FIG 4 zeigt zunächst eine Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Rauchdetektionseinheit 1 gemäss der Erfindung, hier beispielhaft bereits mit einer Messkammer M als Teil eines gleichfalls erfindungsgemässen Rauchdetektionsmoduls 10 mit einer derartigen Rauchdetektionseinheit 1.
Im Vergleich zur vorherigen FIG 1 sind zunächst der Licht emitter 2 sowie der Photosensor 3 als separate optoelektroni sche Bauelemente auf dem Schaltungsträger 4 angebracht. Die beiden Bauelemente 2, 3 sind vorzugsweise SMD-Bauelemente. Im montierten bzw. aufgelöteten Zustand verlaufen die Sendeachse SA des Lichtemitters 2 und die Empfangsachse EA parallel zueinander und orthogonal zur Ebene des Schaltungsträgers 4. Beide Bauelemente 2, 3 sind im Bezug zur Symmetrieachse A der Messkammer M so angeordnet, dass die Symmetrieachse A mit der Sendeachse SA oder der Empfangsachse EA fluchtet oder zwi schen beiden optischen Achsen SA, EA verläuft, um eine gleichmässige, möglichst richtungsunabhängige Streulicht rauchmessung für eintretenden Rauch zu ermöglichen. Der Lichtsender 2 und der Photosensor 3 sind signal- und/oder datentechnisch mit einer als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinheit MC verbunden, die gleichfalls auf dem Schal tungsträger 4 appliziert ist.
Zwischen Lichtemitter 2 und Photosensor 3 ist eine (licht dichte) Barriere BR eingebracht, die ein direktes Überkoppeln von emittierten Licht vom Lichtemitter 2 zum Photosensor 3 verhindert .
Wie die FIG 4 weiter zeigt, ist das gemeinsame Streulichtvo lumen SV für die Streulichtrauchmessung das Schnittvolumen aus dem Lichtkegel LK und dem optischen Empfangsbereich FOV. Aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt, können sowohl dem Lichtemitter 2 eine optische Linse nachgeschaltet und dem Photosensor 3 eine optische Linse vorgeschaltet sein. Die abnehmende Schraffierungsdichte des Lichtkegels LK ausgehend vom Lichtemitter 2 soll verdeutlichen, dass die optische Lichtdichte mit radialem Abstand vom Lichtemitter 2 stark abnimmt. Ein besonders hoher Anteil von Streulicht an zu detektierenden Rauchteilchen findet sich somit in der Nähe zum Lichtemitter 2.
Wie die FIG 4 weiter zeigt wird ein signifikanter Teil des an der gegenüberliegenden Messkammerdecke D auftreffenden Lichts des Lichtemitters 2 als erstes Licht GP gestreut und zurück zum Photosensor 3 reflektiert, symbolisiert durch gestrichel te konzentrische Kreise. Ein Teil des von der Messkammerdecke D gestreuten ersten Lichts GP wird auch an der radialen Innenseite der Messkammer M, u.a. auch an den Lamellen LA, gestreut und gelangt als zweites Licht REF in Form von Refle- xionen und Folgereflexionen weiter zum Photosensor 3. Die Summe aller an der Innenseite der Messkammer M zum Photo sensor 3 gelangten Lichts wird als Grundpuls bezeichnet, der sich als Puls im Sensorsignal des Photosensors 3 bei Abwesen heit von Rauch zeigt. Zudem erhöht sich der Grundpuls im laufenden Betrieb des Rauchdetektionsmoduls 10 aufgrund zunehmender Verschmutzung der Messkammer M.
FIG 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Rauchdetekti onseinheit 1 gemäss FIG 4 mit eingetragenen Wegstrecken bzw. Streulichtpfaden S, SMitw SK, u.a. als Ursache für den soge nannten Grundpuls. Dabei ist mit SMIN die kürzeste Wegstrecke vom Lichtemitter 2 zur gegenüberliegenden Innenseite der Messkammerdecke D bezeichnet. Da der Lichtemitter 2 und der Photosensor 3, das heisst deren optischen Achsen SA, EA, nur wenige Millimeter voneinander beabstandet sind, beträgt die gesamte Wegstrecke hin und zurück etwa das Doppelte des Mindestabstands MA zwischen Lichtsender 2 und Photosensor 3 einerseits und der Innenseite der Messkammerdecke D anderer seits.
Gemäss der Erfindung ist die Steuereinheit MC nun dazu einge richtet, das Sensorsignal vom Photosensor 3 in Bezug auf den Zeitpunkt to eines direkt am Lichtemitter 2 ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung T nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brand kenngrösse unberücksichtigt zu lassen. Für das vorliegende Beispiel bedeutet dies, dass der Photosensor 3 die optische Erfassung beendet bzw. abgeschaltet wird, bevor das erste an der Innenseite der Messkammer M zurück zum Photosensor 3 gestreute Licht entlang der Wegstrecke SMIN die photosensitive Schicht des Photosensors 3 erreicht. Alternativ kann die Steuereinheit MC dazu eingerichtet sein, das weiterhin er fasste Sensorsignal vom Photosensor 3 bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse ab diesem Zeitpunkt to unbe rücksichtigt zu lassen. Wie weiter in der FIG 5 gezeigt, kann die Steuereinheit MC eingerichtet sein, den Photosensor 3 zur optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvolumen SV erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt to eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen. Diese Einschaltverzöge rung ist dabei in etwa so gross wie die der kürzesten Weg strecke SK vom Lichtemitter 2 über das Streulichtvolumen SV zum Photosensor 3 entsprechenden optischen Laufzeit. Die kürzeste Wegstrecke SK verläuft im Beispiel der FIG 5 ober halb der Barriere BR. Sind dort zu detektierende Rauchteil chen vorhanden, so gelangt an diesen gestreutes Licht vom Lichtemitter 2 entlang der eingetragenen Wegstrecke SK auch zum Photosensor 3. Wird der Photosensor 3 erst dann einge schaltet, bevor das erste Streulicht von dort kommt, so wird vermieden, dass zuvor auf den Photosensor 3 auftreffendes Fremdlicht bereits zu einer fehlerhaften Messung führt.
Zwischen den beiden extremen Wegstrecken SMIN und SK ist bei spielhaft eine dazwischenliegende Wegstrecke S gezeigt. Für die messtechnisch beste Ausbeute ist es vorteilhaft, wenn möglichst viel Streulicht aus dem Bereich der gezeigten unteren Kegelspitze des Streulichtvolumens SV erfasst wird, da dort die Lichtdichte des vom Lichtemitters 2 ausgesandten Lichtkegels LK und somit auch die Lichtdichte des an Rauch teilchen erzeugten Streulichts sehr hoch ist.
Wie eingangs beschrieben, ist es in messtechnischer Hinsicht vorteilhaft, eine Leuchtdiode LED und vorzugsweise eine Oberflächen-Laserdiode VCSEL mit nachgeschalteter optischer Linse für die Lichtkegel-Strahlaufweitung als Lichtemitter 2 einzusetzen. Auf der Empfängerseite ist es gleichfalls in messtechnischer Hinsicht vorteilhaft, eine Avalanche-Photo- diode und vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode, d.h. eine SPAD, als Photosensor 3 einzusetzen. Noch besser ist es, ein SPAD-Array ARRAY mit einer Vielzahl von SPADs einzusetzen, um die optische Empfangsleistung zu steigern. Im Beispiel der FIG 5 sind der Lichtemitter 2 sowie der Photosensor 3 separate optoelektronische Bauelemente. Wegen der hohen technischen Anforderungen für das Timing und für die Hochgeschwindigkeitserfassung bei der erfindungsgemässen Streulichtrauchdetektion ist er vorteilhaft, wenn der Lichtemitter 2 und der Photosensor 3 in einem gemeinsamen Bauteil, vorzugsweise als sogenanntes System-on-a-Chip SoC realisiert sind. Dadurch bleiben die Signalwege für die chipinterne Steuerung, Erfassung und Auswertung sehr kurz.
Ein derartiges integriertes System SoC ist in der nachfolgen den FIG 7 beschrieben.
FIG 6 zeigt einen Schnitt durch einen als Rauchmelder ausge bildeten Streulichtrauchmelder 100. Der Streulichtrauchmelder 100 umfasst ein Meldergehäuse G und ein im Meldergehäuse G aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetektionsmodul 10.
Im einem nicht weiter gezeigten Fall kann die Messkammer M als separates Teil innerhalb des Meldergehäuses G auf bzw. über der Rauchdetektionseinheit 1 des Rauchdetektionsmoduls 10 angebracht sein. In diesem Fall gelangt der zu detektie- rende Rauch durch eine oder mehrere, im Meldergehäuse G vorhandene bzw. ausgebildete Raucheintrittsöffnungen OF und weiter durch die Lamellen LA der Messkammer M zur Rauchdetek tionseinheit 1 im Inneren der Messkammer M.
Im gezeigten Fall ist die Messkammer M des Rauchdetektions moduls 10 integraler Bestandteil des Meldergehäuses G selbst. Dabei weist das Meldergehäuse G eine oder mehrere als Lamel len LA ausgebildete, für zu detektierenden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht abschirmende Raucheintrittsöff nungen OF auf. Das Meldergehäuse G kann zudem weitere Gehäu seteile aufweisen, wie z.B. eine Melderhaube MH oder eine Aufnahme AF zur zumindest lösbaren Anbringung des Rauchmel ders 100 an einem Meldersockel MS. Dabei kann das Melderge häuse G aus einem Grundkörper GK und der Melderhaube MH zusammengesetzt sein. Dazwischenliegend ist dann vorzugsweise die Messkammer M als Teil des Meldergehäuses G angeformt oder ausgeformt. Der der Messkammerdecke gegenüberliegende Teil des Schaltungsträgers 4 des Rauchdetektionsmoduls 10 bzw. des Rauchmelders 100 selbst kann mit zusätzlichen lichtabsorbie renden Strukturen abgedeckt sein.
Mit GP ist wiederum das von der Messkammerdecke D gestreute erste Licht - symbolisiert als konzentrische Kreise - be zeichnet, das durch direktes auftreffendes Licht vom Licht emitter 2 an der Messkammerdecke D erzeugt wird. Mit REF ist wiederum das an weiteren Teilen innerhalb der Messkammer M gestreute zweite Licht bezeichnet. Es handelt sich hier um Reflexionen und Folgereflexionen des von der Messkammerdecke D stammenden ersten Lichts GP. Die Summe des ersten und zweite gestreuten Lichts wird als Grundpuls bezeichnet.
Mit HA ist eine Hauptachse des vorzugsweise im Wesentlichen symmetrischen bzw. rotationssymmetrisch ausgestalteten Mel dergehäuses G bezeichnet. Im Besonderen fluchten diese Haupt achse HA und die Symmetrie- oder Rotationssymmetrieachse der Messkammer M miteinander. Dadurch wird ein weitgehend rich tungsunabhängiges Ansprechen des Rauchmelders 100 auf zu detektierenden Rauch erzielt.
FIG 7 zeigt ein Beispiel für ein integriertes optoelektroni sches Halbleiterbauelement SoC als System-on-a-Chip und als Teil der erfindungsgemässen Rauchdetektionseinheit 1. Das gezeigte Bauelemente SoC weist eine maximale Abmessung von 10 mm, vorzugsweise von 5 mm auf. Die optische Basis B, das heisst der Abstand zwischen der Sende- und Empfangsachse SA, EA am Bauelement SoC, liegt im Bereich von 1.5 mm bis 5 mm. Vorzugsweise ist der Lichtemitter 2 eine Oberflächen-Laser- diode VCSEL mit nachgeschalteter optischer Linse. Es können auch zwei solcher Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL' benachbart zueinander angeordnet sein, wobei die (erste)
VCSEL monochromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm und die weitere VCSEL' monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 oder umgekehrt auszusen den. Der Photosensor 3 ist insbesondere eine Avalanche-Photo- diode und vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder noch besser ein SPAD-Array ARRAY davon. Den beiden letzteren ist vorzugsweise ein optisches Spektralfilter vorgeschaltet, welches Licht nur bzw. hauptsächlich in den zuvor genannten Wellenlängenbereichen passieren lassen.
Mit C ist ein Chip-Controller bezeichnet, der vorzugsweise mit der oder mit den beiden Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL', mit der SPAD oder dem SPAD-Array ARRAY signal- und/ oder datentechnisch verbunden ist. Der Chip-Controller C, der oder mit die beiden Oberflächen-Laserdioden VCSEL, VCSEL' sowie die Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD oder das SPAD- Array ARRAY können auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein und/oder dort in Form von «Dies», d.h. von Halbleiterplättchen, mittels Bondings appliziert und verdrah tet sein.
Der Chip-Controller C ist zum Empfang von Steuersignalen von der Steuereinheit MC der Rauchdetektionseinheit 1 zur gepuls ten Ansteuerung der Oberflächen-Laserdiode(n) VCSEL, VCSEL' eingerichtet. Ausgangsseitig ist der Chip-Controller C dazu eingerichtet, ein dem Sensorsignal SIG, SIG' von der Einzel photon-Avalanche-Diode SPAD oder dem SPAD-Array ARRAY ent sprechende digitale Messwerte bereitzustellen, die dann durch die Steuereinheit MC eingelesen werden können.
Insbesondere weist das integrierte optoelektronische Halblei terbauelement SoC einen oder mehrere Time-to-Digital-Conver- ter TDC mit jeweils einer oder mehrerer Gatterverzögerungs ketten auf. Die TDCs mit den Gatterverzögerungen können auch Teil des Chip-Controllers C sein. Vorzugsweise sind die TDCs Multi-Hit-TDCs, so dass eine Messung mehrere Ereignisse sehr dicht hintereinander, d.h. sogar in ultrakurzen Zeitinterval- len im Bereich von 5 ps bis 50 ps, gemessen werden können. Diese typischerweise gleichen Zeitintervalle werden als «Bins» bezeichnet, sozusagen als Pulsankunftszeiten-«Sammel- behälter». Diese «Bins» sind dann als zeitlich gerastete Werte der Lichtintensität INT, die dem analogen Sensorsignal SIG, SIG' entspricht, ausgangsseitig als Datenstrom in Form eines Histogramms HIST ausgebbar. Auch die Werte der Lichtin tensität INT selbst sind quantisiert und entspricht der Anzahl der Hits in einem solchen «Bin».
Weiterhin kann das integrierte optoelektronische Halbleiter bauelement SoC einen elektrischen Anschluss zum Anschliessen einer separaten Referenz-Einzelphoton-Avalanche-Diode aufwei sen, die in einem bekannten Abstand in direkter Nähe zur Oberflächen-Laserdiode VCSEL und in deren Lichtkegel LK ange ordnet ist. Dadurch ist eine laufzeitgenaue, zeitliche Kalib rierung der Gatterverzögerungsketten und auch eine zeitliche Kompensation thermisch bedingter Änderungen bei der Lichtpul serzeugung durch die Oberflächen-Laserdioden VCSEL möglich.
Im Beispiel der nachfolgenden Figuren FIG 9 bis FIG 13 sind exemplarisch solche zeitlich gerastete Intensitätsverteilun gen HIST dargestellt, aufgetragen über «bins». Die digitalen Werte der Lichtintensität INT der Intensitätsverteilungen HIST sind beispielhaft auf einen maximalen Wert von 100 % normiert.
FIG 8 zeigt einen Ausschnitt eines offenen Streulichtrauch melders mit einer Rauchdetektionseinheit 1 gemäss der Erfin dung. Das Streulichtvolumen SV liegt dabei ausserhalb des offenen Streulichtrauchmelders. Die Rauchdetektionseinheit 1 ist bis auf zwei Fenster F durch eine lichtdichte Abdeckung AB abgedeckt. Die beiden Fenster F sind transparent für das vom Lichtemitter 2 emittierte Licht. Zwischen Lichtemitter 2, hier vorzugsweise eine Leuchtdiode LED oder eine Oberflächen- Laserdiode VCSEL, und dem Photosensor 3, hier vorzugsweise eine Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD, sind durch eine lichtdichte Barriere BR getrennt. Dadurch resultiert eine kürzeste Wegstrecke SK für Streulicht zum Photosensor 3.
Darüber hinaus kann dem Photosensor 3 ein optisches Sperrfil ter vorgeschaltet sein, welches im Wesentlichen nur Licht mit einem Wellenlängenbereich passieren lässt, welcher dem Wel lenlängenbereich des vom Lichtemitter 2 ausgesendeten Lichts und dem Wellenlängenbereich des vom gegebenenfalls weiteren Lichtemitter ausgesendeten Lichts entspricht.
FIG 9 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer dem Sensorsignal SIG entsprechenden digitalen Lichtintensität INT einer Einzelphoton-Avalanche-Diode SPAD im rauchfreien Fall.
Das vorliegende Beispiel zeigt Messungen mittels eines erfin- dungsgemässen Rauchdetektionsmoduls 10 mit einer Messkammer M und im rauchfreien Fall. Das Histogramm HIST zeigt beispiel haft zehn Bins, also Pulsankunftszeiten-«Sammelbehälter», in einem Zeitraster von beispielhaft 25 ps. Die 25 ps entspre chen dabei einer optischen Laufzeit von 7.5 mm basierend auf der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist im gezeigten His togramm HIST erkennbar, dass erst ab dem vierten Bin, also nach 30 mm optischer Laufzeit, grosse und dann stark abfal lende Werte der Lichtintensität INT vorliegen. Diese stammen durch Reflexionen des vom Lichtemitter 2 ausgesandten Lichts an der Innenseite der Messkammerdecke D. Diese eintreffende optische Welle wird auch als sogenannter Grundpuls GP, REF bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Lichtemitter 2 und der Innenseite der Messkammerdecke D beträgt hier ca. 15 mm und entspricht somit der Hälfte der zuvor genannten optischen Laufzeit von 30 mm. Die Werte der Lichtintensität INT ab dem vierten Bin entsprechen in analoger Weise dem Grundpuls GP, REF. In den für die Streulichtrauchdetektion massgeblichen ersten drei Bins sind die Werte der Lichtintensität INT sehr gering, da kein Rauch im Streulichtvolumen SV vorhanden ist.
FIG 10 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der digitalen Lichtintensität INT gemäss FIG 9 bei Anwesenheit von wenig Rauch in der Messkammer M. Wie die FIG 10 zeigt, nehmen die Werte der Lichtintensität INT in den ersten drei Bins signifikant zu, während die Werte der Lichtintensität INT der vierten und folgenden Bins des «Grundpulses» durch die Lichtabsorption erheblich abnehmen. FIG 11 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der digitalen Lichtintensität INT gemäss FIG 9 bei Anwesenheit von viel Rauch in der Messkammer M. Wie die FIG 11 zeigt, nehmen die Werte der Lichtintensität INT in den ersten drei Bins erheblich zu, während die Werte der Lichtintensität INT der vierten und folgenden Bins des «Grundpulses» durch die Lichtabsorption erheblich abnehmen. Die in den ersten drei Bins «gesammelten» Werte der Lichtintensität INT reichen jedoch völlig aus, um davon ausgehend eine zuverlässige Brandmeldung AL auszugeben.
FIG 12 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer dem Sensorsignal SIG entsprechenden digitalen Lichtintensität INT im rauchfreien Zustand und bei Entfernung der Messkammer M im Sinne eines offenen Streulichtrauchmelders. Wie die FIG 12 zeigt, sind sämtliche Werte der Lichtintensität INT in allen Bins sehr klein, da durch das Fehlen der Messkammer M auch kein Grundpuls vorliegen kann.
FIG 13 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf gemäss FIG 12 bei Anwesenheit von viel Rauch. In diesem Fall gehen die Werte für die Lichtintensität INT beginnend mit einem hohen Wert beim ersten Bin und danach exponentiell abfallend zurück. Auch in diesem Fall ist die Ausgabe einer zuverlässi gen Brandmeldung AL möglich.
Bezugszeichenliste
1 Rauchdetektionseinheit
2 Lichtemitter, Leuchtdiode, VCSEL
3 Photosensor, Photodiode, SPAD, SiPM
4 Schaltungsträger, Leiterplatte
10 Rauchdetektionsmodul
100 Brandmelder, Rauchmelder a Streuwinkel
A Symmetrieachse, RotationsSymmetrieachse
AB transparente Abdeckung
AF Aufnahme
AL Alarmmeldung, Brandalarm
ARRAY Array, Matrix, zweidimensionales Feld
B optische Basis, Abstand bins Zeitblöcke, Bins
C Controller, Chip-Controller
BR Barriere, Blende
D Messkämmerdecke
EA optische Empfangsachse
F Fenster
FOV optischer Erfassungsbereich, Field-of-View
G Meldergehäuse
GK Grundkörper
GP erstes gestreutes Licht, Grundpuls
HA Hauptachse
HIST Intensitätsverteilung, Histogramm
INT Lichtintensität, digitale Lichtintensität
LA Kammeröffnungen, Lamellen
LED Leuchtdiode
LED' weitere Leuchtdiode
LF Lichtfallenstruktur, Lichtfalle
LK Lichtkegel, Lichtbündel
M Messkammer, Messkammer mit Labyrinth
MA Mindestabstand
MH Melderhaube MC Steuereinheit, Mikrocontroller MS Meldersockel OF Raucheintrittsöffnung REF zweites gestreutes Licht, Reflexionen S Wegstrecke, optischer Pfad SA optische Sendeachse SIG Sensorsignal, Photosignal SIG' weiteres Sensorsignal, Photosignal SMIN Kürzeste optische Wegstrecke für Grundpuls SK Kürzestes Wegstrecke für Streulicht SoC System-on-a-Chip, integrierte Baueinheit SPAD Einzelphoton-Avalanche-Diode, SPAD SV Streulichtvolumen, Messvolumen TDC Time-to-Digital-Converter T Zeitverzögerung
VCSEL Oberflächen-Laserdiode, VCSEL
VCSEL weitere Oberflächen-Laserdiode, VCSEL

Claims

Patentansprüche
1. Rauchdetektionseinheit (1) für einen Brandmelder, mit einem Lichtemitter (2) und mit einem spektral darauf abge stimmten Photosensor (3) in einer Streulichtanordnung, sowie mit einer Steuereinheit (MC), wobei die Steuereinheit (MC) mit dem Lichtemitter (2) und dem Photosensor (3) signal- und/ oder datentechnisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Lichtemitter (2) zum Aussenden eines Lichtpulses anzu steuern, vom Photosensor (3) ein zeitlich zugeordnetes Sen sorsignal (SIG) zu erfassen und dieses auf zumindest eine Brandkenngrösse hin zu analysieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, das Sen sorsignal (SIG) in Bezug auf den Zeitpunkt (tO) eines ausge sendeten Lichtpulses ab einer vorgebbaren Zeitverzögerung (T) nicht mehr zu erfassen oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberücksichtigt zu lassen.
2. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei der Photosensor (3) eine Photodiode (3) ist, insbesondere eine Avalanche-Photodiode, oder wobei der Photosensor (3) ein Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden umfasst.
3. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 2, wobei die Avalanche-Photodiode (3) eine Einzelphoton-Avalanche-Diode
(SPAD) umfasst, oder wobei das Array (ARRAY) von Avalanche- Photodioden ein Array (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche- Dioden (SPAD) oder einen Silizium-Photomultiplier umfasst.
4. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem vorherigen Ansprü che, wobei die vorgebbare Zeitverzögerung (T) der Laufzeit einer optischen Wegstrecke (S) vom Lichtemitter (2) zum Photosensor (3) in einem Bereich von 7.5 mm bis 75 mm, insbe sondere von 7.5 mm bis 30 mm, und vorzugsweise von 10 mm bis 25 mm entspricht.
5. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem vorherigen Ansprü che, wobei die vorgebbare Zeitverzögerung (T) in einem Be- reich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 250 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 33 ps bis 150 ps, liegt.
6. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, den Photosensor (3) zur optischen Erfassung von Streu licht erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung in Bezug auf den Zeitpunkt (tO) eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen.
7. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 6, wobei die vorgebbare Einschaltverzögerung der Laufzeit einer optischen Wegstrecke (S) vom Lichtemitter (2) zum Photosensor (3) in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis
5 mm, entspricht.
8. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 7, wobei die vorgebbare Einschaltverzögerung in einem Bereich von 5 ps bis 50 ps, insbesondere in einem Bereich von 7 ps bis 25 ps, vorzugsweise in einem Bereich von 10 ps bis 20 ps, liegt.
9. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, den Lichtemitter (2) zum Aussenden einer Lichtpulsserie anzusteuern, vom Photosensor (3) ein der Lichtpulsserie jeweils zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) zu erfassen, daraus ein gemitteltes Sensorsignal (SIG) zu ermitteln und dieses auf die Brandkenngrösse hin zu analysieren.
10. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 9, wobei eine Lichtpulsserie eine Anzahl von Lichtpulsen im Bereich von 4 bis 100, insbesondere von 10 bis 20, und eine Gesamtdauer im Bereich von 1 ms bis 10 ms umfasst.
11. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtemitter (2) dazu ausgebildet ist, Licht in einem Wellenlängenbereich von 640 nm bis 1000 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 870 nm ± 20 nm oder bei 940 nm ± 20 nm, auszusenden.
12. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Rauchdetektionseinheit einen weiteren Lichtemitter (2') aufweist, wobei der Photosensor (3) zudem spektral auf den weiteren Lichtemitter (2') abgestimmt ist, wobei der weitere Lichtemitter (2') mit dem Photosensor (3) eine weitere Streulichtanordnung bildet, wobei die Steuerein heit (MC) mit dem weiteren Lichtemitter (2') signal- und/oder datentechnisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist, ent weder den Lichtemitter (2) oder den weiteren Lichtemitter (2') zum Aussenden eines Lichtpulses anzusteuern, vom Photo sensor (3) ein jeweilig zeitlich zugeordnetes Sensorsignal (SIG) und ein weiteres Sensorsignal (SIG') zu erfassen, das
Verhältnis aus beiden Sensorsignale (SIG, SIG') zu ermitteln und das ermittelte Verhältnis auf eine weitere Brandkenngrös se hin zu analysieren.
13. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 12, wobei der weitere Lichtemitter (2') dazu ausgebildet ist, Licht in einem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm, vorzugsweise monochromatisches Licht bei 470 nm ± 20 nm oder bei 430 nm ± 20 nm, auszusenden.
14. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtemitter (2) sowie der weitere Lichtemitter (2') eine Leuchtdiode (LED, LED') oder eine Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL, VCSEL') umfasst.
15. Rauchdetektionseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem Photosensor (3) oder der Photodiode, insbesondere der Avalanche-Photodiode, oder dem Array (ARRAY) von Avalanche-Photodioden, vorzugsweise der Einzelphoton- Avalanche-Diode (SPAD), oder dem Array (ARRAY) von Einzelpho- ton-Avalanche-Dioden (SPAD), ein jeweiliger Time-to-Digital- Converter (TDC) mit einer Gatterverzögerungskette nachge schaltet ist.
16. Rauchdetektionseinheit (1) nach Anspruch 14 und 15, wobei die Leuchtdiode (LED) sowie die weitere Leuchtdiode (LED'), oder die Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL) sowie die weitere Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL'), die Einzelp- hoton-Avalanche-Diode (SPAD) oder das Array (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche-Dioden (SPAD), sowie ein Chip-Control ler (C) und der jeweilige Time-to-Digital-Converter (TDC) in ein gemeinsames optoelektronisches Halbleiterbauelement
(SoC), insbesondere in ein System-on-a-Chip, integriert sind.
17. Rauchdetektionsmodul (10), mit einer Rauchdetektionsein heit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und mit einer der Rauchdetektionseinheit (1) gegenüberliegenden Messkammer (M), wobei die Messkammer (M) eine oder mehrere Kammeröffnungen
(LA) für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere der
Messkammer (M) aufweist und wobei die Messkammer (M) gegen direktes Umgebungslicht abgeschirmt ist.
18. Rauchdetektionsmodul (10) nach Anspruch 17, wobei die vorgebbare Zeitverzögerung (T) kleiner ist als die der kür zesten Wegstrecke (SMIN) vom Lichtemitter (2) zu einer gegen überliegenden Messkammerdecke (D) oder zu weiteren Gehäuse teilen der Messkammer (M) und weiter zum Photosensor (3) entsprechenden optischen Laufzeit.
19. Rauchdetektionsmodul (10) nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Lichtemitter (2) und gegebenenfalls der weitere Licht emitter (2') sowie der Photosensor (3) optisch auf ein ge meinsames Streulichtvolumen (SV) ausgerichtet sind, wobei die Steuereinheit (MC) dazu eingerichtet ist, den Photosensor (3) zur optischen Erfassung von Streulicht aus dem Streulichtvo lumen (SV) erst mit einer vorgebbaren Einschaltverzögerung
(TE) in Bezug auf den Zeitpunkt (tO) eines ausgesendeten Lichtpulses einzuschalten oder mit elektrischer Spannung zu versorgen, und wobei die vorgebbare Einschaltverzögerung (TE) in etwa so gross ist wie die der kürzesten Wegstrecke (SK) vom Lichtemitter (2) über das Streulichtvolumen (SV) zum Photosensor (3) entsprechenden optischen Laufzeit.
20. Streulichtrauchmelder, mit einem Meldergehäuse (G) und mit einem im Meldergehäuse (G) aufgenommenen Rauchdetektions modul (10) nach einem der Ansprüche 17, 18 oder 19, wobei das Meldergehäuse (G) eine oder mehrere Raucheintrittsöffnungen
(OF) für den Durchtritt von Umgebungsluft in das Innere des Meldergehäuses (G) und weiter in die Messkammer (M) des Rauchdetektionsmoduls (10) aufweist.
21. Streulichtrauchmelder, mit einem Meldergehäuse (G) und mit einem im Meldergehäuse (G) aufgenommenen Rauchdetektions modul (10) nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei die Messkammer
(M) des Rauchdetektionsmoduls (10) integraler Bestandteil des
Meldergehäuses (G) ist und wobei das Meldergehäuse (G) eine oder mehrere als Lamellen (LA) ausgebildete, für zu detektie- renden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht ab schirmende Raucheintrittsöffnungen (OF) aufweist.
22. Offener Streulichtrauchmelder, mit einem Meldergehäuse und mit einer am Meldergehäuse aufgenommenen Rauchdetektions einheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 16, wobei der Lichtemitter (2) und ggf. der weitere Lichtemitter
(2') sowie die Photodiode (3) optisch auf ein gemeinsames Streulichtvolumen (SV) ausgerichtet sind und wobei das Streu lichtvolumen (SV) ausserhalb des offenen Streulichtrauchmel ders im Freien liegt.
23. Verfahren zur Detektion von Rauch nach dem Streulicht prinzip, wobei mittels eines Lichtemitters (2), insbesondere mittels einer Oberflächenemitter-Laserdiode (VCSEL), ein Lichtpuls in ein Streulichtvolumen (SV) für zu detektierenden Rauch eingestrahlt wird, wobei mittels eines Photosensors (3) oder einer Photodiode, insbesondere mittels einer spektral darauf abgestimmten Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) oder mittels eines Arrays (ARRAY) von Einzelphoton-Avalanche- Dioden (SPAD), Streulicht aus dem Streulichtvolumen (SV) erfasst und als Sensorsignal (SIG) ausgegeben wird, wobei das Sensorsignal (SIG) auf zumindest eine Brandkenngrösse hin analysiert und gegebenenfalls in einem detektierten Brandfall ein Brandalarm (AL) ausgegeben wird, wobei das Sensorsignal (SIG) in Bezug auf den Zeitpunkt (tO) eines ausgesendeten Lichtpulses ab einer vorgegebenen Zeitverzögerung (T) in einem Bereich von 10 ps bis 250 ps, insbesondere in einem Bereich von 25 ps bis 150 ps, nicht mehr erfasst wird oder bei der Analyse der zumindest einen Brandkenngrösse unberück sichtigt bleibt.
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