CH648660A5

CH648660A5 - Strahlungsdetektor fuer einen flammenmelder.

Info

Publication number: CH648660A5
Application number: CH8921/80A
Authority: CH
Inventors: Domokos Tar
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1980-12-03
Filing date: 1980-12-03
Publication date: 1985-03-29
Also published as: US4459484A; GB2090425B; DE3147752A1; FR2495319B1; JPS57121793A; FR2495319A1; GB2090425A; DE3147752C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder mit einem Sensorelement und einer vor diesem angeordneten Filteranordnung, die für die Resonanzstrahlung 50 von Kohlendioxid durchlässig ist.

Flammenmelder sind in der Praxis verschiedenartigen Störstrahlungen ausgesetzt, die ein fehlerhaftes Meldesignal auslösen können. Aus CH 509 633, CH519761, CH 537066 oder CH 558577sind Flammenmelder bekannt, welche zur Unterschei- 55 dung einer Flamme von Störstrahlungen, wie Tageslicht, Sonnenstrahlungen oder künstliche Lichtquellen, die unterschiedlichen Eigenschaften von Flammen heranziehen, z. B. das unregelmässige Flackern und daraus resultierende unregelmässige Intensitätsschwankungen der Flammenstrahlung, oder die spe- 60 zielle Farbtemperatur oder spektrale Zusammensetzung der Flammenstrahlung. Da gewisse Störstrahlungen jedoch Strahlungsanteile mit ähnlichen Eigenschaften aufweisen können und solche Störstrahlungen in der Praxis häufig um mehrere Grössen-ordnungen intensiver sind als eine nachzuweisende Flammen- 65 Strahlung, sind solche Flammenmelder daher nicht völlig fehla-larmsicher und können nicht auf die höchstmögliche Empfindlichkeit eingestellt werden.

Aus FR2151148 und K. Nakajima, Report of Fire Research Institute of Japan, 30 (December 1969), 55-61, ist es bekannt, dass die Strahlung einer Flamme überwiegend aus einer schmal-bandigen Intensitätsspitze im Spektralbereich der Resonanzstrahlung von Kohlendioxid bei etwa 4,3-4,4 um besteht, neben einem wesentlich schwächeren breitbandigen Spektralgebiet im Bereich der sichtbaren Strahlung und dem nahen Infrarot. Die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung tritt praktisch ausschliesslich bei Flammen auf, die bei der Verbrennung organischen Materia-les entstehen, jedoch fast nie oder mit nur verschwindender Intensität bei Störstrahlungen. Ein Flammenmelder, der neben anderen Kriterien im wesentlichen die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid auswertet, ist daher erheblich fehlalarmsicherer und störunanfälliger als Flammenmelder, die Ultraviolettstrahlung, sichtbares Licht oder nahes Infrarot auswerten.

Nachteilig bei solchen, die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung auswertenden Flammenmeldern war jedoch, dass die darin verwendeten Strahlungsdetektoren zu breitbandig waren und noch andere Strahlungsanteile durchliessen. Übliche Interferenzfilter für 4,3 (im besitzen beispielsweise Seitenbänder, die im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich liegen, so dass Störstrahlung in diesen Spektralgebieten ebenfalls detektiert wird. Nakajima verwendet daher ein spezielles von Optical Coating Laboratory hergestelltes Filter, das zwar die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung umfasst, jedoch für die praktische Verwendung noch zu breitbandig ist (3,9-5,2 ftm). Um benachbarte Störstrahlung zu eliminieren, muss ein Bleiselenid-Fotoelement verwendet werden, das Strahlung mit grösserer Wellenlänge als 4,3 u,m abschneidet. Nachteilig ist hierbei, dass bei Normaltemperatur die Kohlendioxid-Resonanzstrahlung bereits auf der Kante des Empfindlichkeitsabfalles liegt, so dass die Rammenstrahlung nicht voll ausgenützt werden kann, die Empfindlichkeit des Flammenmelders nicht den optimal möglichen Wert erreicht und die Strahlungsempfänger nicht optimal ausgewählt werden können.

In der Deutschen Offenlegungsschrift2823411 ist bereits ein Flammenmelder beschrieben, dessen Strahlungsempfänger eine Filteranordnung aus einem Quarzfilter und einem Germaniumfilter aufweist. Dabei begrenzt das Quarzfilter die Wellenlänge der ausgewerteten Strahlung nach oben bei ca. 4,5 [im, während das Germaniumfilter Strahlungen unter ca. 1,5 (im fernhält. Nachteiligist dabei, dass die Kanten des Quarzfilters bereits in den Resonanzbereich von Kohlendioxid hineinreichen und einen Teil der Resonanzstrahlung absorbieren. Die Empfindlichkeit eines solchen Flammenmelders ist daher ebenfalls noch nicht optimal.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere einen Flammenmelder mit besserer Störunanfälligkeit, geringerer Fehlalarmanfälligkeit und höherer Empfindlichkeit zu schaffen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung aus einer Kombination eines aus der Gruppe von Germanium- oder Silizium-Filtern ausgewählten Filterelementes, eines aus der Gruppe von Saphir-Filtern, Rutil-Filtern und infrarotdurchlässigen Kalziumaluminat-, Kalziumgermanat-oder Magnesiumfluorid-Gläsern ausgewählten weiteren Filterelementes und eines für die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid durchlässigen Schmalbandfilters besteht. Als Sensorelement kann dann ein pyroelektrisches Element verwendet werden, das eine optimale Empfindlichkeit gewährleistet.

Die Erfindung wird anhand des in der Figur wiedergegebenen Ausführungsbeispieles eines Strahlungsdetektors erläutert.

Dieser Strahlungsdetektor weist ein nahezu hermetisch abgeschlossenes Gehäuse 1 auf, in dessen Inneren eine Print-Platte 10 angeordnet ist, die die Auswerteschaltung des Flammendetektors trägt. An der Vorderseite ist eine Saphir-Scheibe 4 von ca. einem mm Dicke angekittet. Im Inneren des Gehäuses 1 ist auf die Printplatte 10 ein weiteres Gehäuse 11 vom handelsüblichen

Typ TO-5 aufgesteckt und eingelötet. Auf der Vorderseite dieses weiteren Gehäuses 11 ist eine weitere Filteranordnung vorgesehen. Diese besteht aus einer Germaniumscheibe 6 von ca. einem mm Dicke. Auf beiden Seiten dieser Germaniumscheibe sind Interferenz-Filterschichten 5 und 5' aufgedampft. Die Interferenz-Filterschichten können auch in bekannterWeise aus jeweils mehreren Schichten zusammengesetzt sein, so dass ein Schmalbandfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich bei 4,1-4,8 [xm, oder bevorzugt 4,3-4,4 um, entsteht. In dieser Filterkombination liefert das Saphir-Filterelement 4 eine obere Begrenzung bei ca. 5,5 [im und das Germanium-Filterelement eine untere Begrenzung bei ca. 1,5 [im.

Statt des Saphir-Filterelementes kann auch ein Rutil-Filter, ein Kalzium-Aluminat-Glas, z. B. vom Typ IRG11 (Schott), ein Germanat-Glas, z. B. vom Typ IRG 2 (Schott) oder ein Magne-siumfluorid-Glas, z. B. vom Typ Irtran 1 (Eastman Kodak) verwendet werden und statt eines Germanium-Filters, ein Silizium-Filter.

Auf der Grundplatte 7 im Inneren des TO-5-Gehäuses 11 ist als Strahlungssensor ein pyroelektrisches Element 2 vorgesehen, dessen Empfindlichkeit bis ins ferne Infrarot reicht und welches im gesamten Resonanzband von Kohlendioxid eine optimale Empfindlichkeit aufweist. Als besonders geeignet hat sich ein pyroelektrisches Element aus Lithium-Tantalat erwiesen.

Andere geeignete Elemente sindTriglycinsulfat, Blei-Zirkonat-Titanat oder Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat. Auch ein pyroelektri-scherFilm, bestehend aus Polyvinyl-Difluorid, ist geeignet. Solche für Flammenmelder geeigneten pyroelektrischen Elemente werden beispielsweise von den Firmen Eltec (USA) und Plessey (England) hergestellt und vertrieben. Bei einer strahlungsempfindlichen Fläche von beispielsweise 2x2 mm, wie sie bei üblichen Flammenmeldern zur Verfügung steht, ergibt sich dabei eine besonders gute Empfindlichkeit. Die Anordnung des Sensorelementes 2 ist im beschriebenen Beispiel so gewählt, dass der Flammenmelder einen Sichtwinkel von ca. 135° aufweist.

Mit der beschriebenen Filterkombination wird erreicht, dass der Durchlassbereich auf die unmittelbare Umgebung der Kohlendioxid-Resonanzlinie bei 4,3-4,4 [un beschränkt ist.

Im Bereich sichtbaren Lichtes und im nahen Infrarot bis 1,5 um weist sie eine absolute Undurchlässigkeit auf. Zwischen 1,5 jxm bis zur unteren Kante des Bandpasses für Kohlendioxid (ca. 4,1 (im) und zwischen der oberen Kante des Bandpasses (ca. 4,8 (im) bis der oberen Kante des Saphir-Filters ist eine Dämpfung des einfallenden Lichtes von mindestens 1000 vorhanden, d. h. eine kleinere Durchlässigkeit als 0,1 %. Oberhalb der oberen Kante des Saphir-Filters bei 6 um ist wiederum eine praktisch absolute

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Undurchlässigkeit vorhanden. Störstrahlungen wie Sonnen- und Tageslicht, sowie künstliche Lichtquellen wie Glühlampen, Fluoreszenzlampen und andere Störungen wie Schweissfunken usw., die kein scharfes Intensitätsmaximum bei der Resonanzwellenlänge von Kohlendioxid aufweisen, werden also durch das beschriebene Filter nahezu vollständig vom Sensorelement ferngehalten , auch wenn deren Intensität erheblich grösser ist, z. B. mehr als das tausendfache, als die Flammenstrahlung. Es ist daher möglich, bereits eine Flammenbildung im Anfangsstadium auch bei Anwesenheit von Licht- und anderer Störstrahlung mit ausserordentlicher Sicherheit zu erkennen und von anderer Strahlung zu unterscheiden. Bei Verwendung der beschriebenen Filterkombination kann dabei ein besonders empfindliches Sensorelement, wie die beschriebenen pyroelektrischen Elemente, verwendet werden, ohne dass ein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dabei ist die Empfindlichkeit im Vergleich zu älteren Filterkombinationen mit Quarz-Filterelement mehr als verdoppelt.

Das pyroelektrische Element 2 ist über die Anschlüsse 3 an die Auswerteschaltung auf dem Print 10 angeschlossen, die bei Vorhandensein und Detektion von Flammenstrahlung ein entsprechendes Signal auslöst. Im Prinzip genügt dazu ein Schwellenwertschalter, wie er in der Brandmeldetechnik vielfach beschrieben wurde. Da das pyroelektrische Element Differentialeigenschaften besitzt, d. h. da sein Ausgangssignal nicht dem Absolutwert entspricht, sondern der Änderungsgeschwindigkeit, werden konstante oder sich nur langsam ändernde Signale automatisch blockiert. Ein mit dem beschriebenen Strahlungsdetektor ausgerüsteter Flammenmelder benötigt also nur eine einfache und unkomplizierte Auswerteschaltung und ist aus diesem Grund wesentlich betriebssicherer und störunanfälliger als vorbekannte Flammenmelder. Trotzdem ist die Selektivität auf Flammen und die Unempfindlichkeit gegen Störstrahlungen erheblich verbessert. Falls jedoch für besonders ungünstige Verwendungsbedingungen eine noch grössere oder praktisch absolute Selektivität für eine Flammenstrahlung erforderlich ist, so kann die Auswerteschaltung auch so ausgebildet sein, dass weitere Flammenkriterien zur Auswertung herangezogen werden, wie beispielsweise aus den Schweizerpatenten 509 633, 519761,537 066 oder 558 577 bekannt. Zum gleichen Zweck kann. der beschriebene Strahlungsdetektor mit einem zweiten, für sichtbares Licht oder fernes Infrarot empfindlichen Strahlungsdetektor in einer logischen Schaltung verbunden sein, wie aus den Deutschen Offenlegungsschriften 2823 410 oder 2823 411 bekannt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Strahlungsdetektor für einen Flammenmelder mit einem Sensorelement (2) und einer vor diesem angeordneten Filteranordnung, die für die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid 5 durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung aus einer Kombination eines aus der Gruppe von Germanium- oder Silizium-Filtern ausgewählten Filterelementes (6),

eines aus der Gruppe von Saphir-Filtern, Rutil-Filtern und infrarotdurchlässigen Kalziumaluminat-, Kalziumgermanat- 10 oder Magnesiumfluorid-Gläsern ausgewählten weiteren Filterelementes (4) und eines für die Resonanzstrahlung von Kohlendioxid durchlässigen Schmalbandfilters (5,5') besteht.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlässigkeitsbereich des Schmalbandfilters (5, 15 5') die Resonanz-Wellenlängen von Kohlendioxid bei 4,3-4,4 (xm einschliesst.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlässigkeitsbereich des Schmalbandfilters (5,

5') 4,l-4,8nm beträgt. 20
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmalbandfilter (5,5') als Interferenzfilter ausgebildet ist.
5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter aus mehreren auf das Germanium-Filterelement (6) aufgedampften Schichten (5, 5') besteht.
6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzfilter aus mehreren beidseitig auf das Germanium-Filterelement aufgedampften Schichten (5,5') besteht.
7. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) als pyroelektrischer Sensor ausgebildet ist.
8. Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) aus Lithiumtantalat besteht.
9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) aus Bleizirkonattitanat oder aus Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat besteht.
10. Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) aus Polyvinyldifhiorid 40 besteht.
11. Strahlungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement aus Triglycinsulfat besteht.

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