DE102016208358B3

DE102016208358B3 - Brandmelder, insbesondere thermischer Melder, mit einer Photodiode zur Erfassung von Umgebungslicht, um davon abhängig die Ausgabe eines möglichen Brandalarms zu beschleunigen

Info

Publication number: DE102016208358B3
Application number: DE102016208358.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Fischer; Thomas Rohrer
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2036-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brandmelder (1), insbesondere einen thermischen Melder, mit einem Brandsensor (5), mit einer Steuereinheit (4) und mit einer Photodiode (6) zur Erfassung von Umgebungslicht in einem spektral begrenzten Bereich von 400 nm bis 1150 nm. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein vom Brandsensor empfangenes Sensorsignal (BS) auf zumindest eine charakteristische Brandkenngröße hin zu analysieren, zu bewerten und bei einem detektierten Brand einen Brandalarm (AL) auszugeben. Zudem ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, ein von der Photodiode empfangenes Photosignal (PD) auf das Vorhandensein von für offenes Feuer charakteristischen Flackerfrequenzen hin zu analysieren und abhängig davon den Signalpfad der Brandanalyse zu beschleunigen. Dadurch ist eine schnellere Alarmierung in einem Brandfall möglich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brandmelder, insbesondere einen thermischen Melder, thermischen Brandmelder oder Hitzemelder. Ein derartiger Melder weist zumindest einen Temperatursensor als ausschließlichen Brandsensor auf. Ein solcher Temperatursensor kann z. B. ein temperaturabhängiger Widerstand (Thermistor) sein, wie z. B. ein sogenannter NTC oder PTC, oder ein kontaktlos arbeitender Temperatursensor mit einem Thermopile oder einem Mikrobolometer. Weiterhin umfasst der thermische Melder eine Steuereinheit, vorzugsweise einen Mikrocontroller. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein vom zumindest einen Temperatursensor empfangenes Temperatursignal auf zumindest eine charakteristische Brandkenngröße hin zu analysieren, zu bewerten und bei einem detektierten Brand einen Brandalarm auszugeben.
Eine charakteristische Brandkenngröße ist z. B. das Überschreiten einer Mindesttemperatur in der (unmittelbaren) Umgebung des thermischen Melders, wie z. B. von mindestens 60°C, 65°, 70°C oder 75°C. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein unzulässig hoher Temperaturanstieg eine charakteristische Brandkenngröße sein, wie z. B. von mindestens 5°C pro Minute oder von mindestens 10°C pro Minute.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Flammenmelder bekannt, wie z. B. aus der DE 10 2011 083 455 A1 oder aus der EP 2 251 846 A1 . Derartige Flammenmelder sind speziell zur Detektion von offenem Feuer sowie zum Ausgeben eines Alarms in weniger als einer Sekunde eingerichtet. Sie umfassen zumeist zwei oder mehrere Pyrosensoren als Strahlungssensoren. Derartige Sensoren sind zur Detektion von charakteristischen Flackerfrequenzen offenen Feuers, das heißt von Flammen und lodernder Glut, im Infrarotbereich und gegebenenfalls im sichtbaren und ultravioletten Bereich abgestimmt. Die Flackerfrequenzen liegen typischerweise in einem Bereich von 2 Hz bis 20 Hz.
Die Infrarot-Pyrosensoren sind typischerweise auf Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 4.0 bis 4.8 μm sensitiv. Diese spezifische Strahlung entsteht bei der Verbrennung von Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffen. Ein weiterer Pyrosensor ist für charakteristische Emissionen von Metallbränden im UV-Bereich sensitiv. Für den Einsatz im Freien können Flammenmelder zudem einen Strahlungssensor aufweisen, der auf Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 5.1 bis 6.0 μm sensitiv ist. Bei dieser Strahlung handelt es sich vornehmlich um Störstrahlung, wie z. B. um Infrarotstrahlung von heißen Körpern oder um Sonnenlicht. Auf Basis aller Sensorsignale ist dann eine besonders zuverlässige Bewertung möglich, d. h. ob es sich hier um offenes Feuer handelt oder nicht.
Aus der EP 2 688 274 A1 ist ein Smartphone mit einer Brandmelder-Applikation bekannt, die geeignete Programmschritte aufweist, um von einer internen Kamera erfasste Videobilddaten hinsichtlich zumindest einer für Feuer charakteristischen Information zu analysieren und bei Vorliegen derselben einen Alarm über eine Ausgabeeinheit auszugeben. Dieses Smartphone ist auch dazu eingerichtet, das empfangene Videosignal auf das Vorhandensein von für offenes Feuer charakteristischen Flackerfrequenzen hin zu analysieren und bei einer signifikanten Abweichung in zwei aufeinanderfolgenden Videobildern von einer ersten niedrigen Bildwiederholfrequenz auf eine zweite hohe Bildwiederholfrequenz umzuschalten.
Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermischen Melder anzugeben, der mit geringem technischen Zusatzaufwand schneller und zuverlässiger alarmiert.
Die Aufgabe wird mit den Gegenständen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist der thermische Melder eine Photodiode zur Erfassung von Umgebungslicht in einem spektral begrenzten Bereich von 400 nm bis 1150 nm auf, d. h. von Umgebungslicht im optisch sichtbaren Bereich sowie im angrenzenden nahen UV- und Infrarotbereich. Die Steuereinheit ist zudem dazu eingerichtet, ein von der Photodiode empfangenes Photosignal auf das Vorhandensein von für offenes Feuer charakteristischen Flackerfrequenzen hin zu analysieren. Sie ist weiter dazu eingerichtet, abhängig davon die Ausgabe eines möglichen Brandalarms durch ein Erhöhen einer Abtastrate für die Erfassung des Temperatursignals, durch ein Herabsetzen einer Filterzeit eines Bewertungsfilters der Steuereinheit für die Brandanalyse und/oder durch ein Herabsetzen einer Alarmierungsschwelle zu beschleunigen.
Der Kern der Erfindung liegt somit in der Verwendung einer preisgünstigen Photodiode als „Mini-Flammenmelder”, dessen qualitative Aussagekraft jedoch ausreicht, um den Signalpfad der Brandanalyse bei detektierten Flackerfrequenzen als Indiz für das Vorliegen eines Brandes zu beschleunigen, und dies mit dem Ziel, schneller einen Brandalarm auszugeben.
Durch die Erhöhung der Abtastrate für die Erfassung des Temperatursignals ist ein Temperaturanstieg schneller detektierbar und ein Brandalarm früher ausgebbar.
Dem Bewertungsfilter wird eingangsseitig das erfasste, vorzugsweise digitalisierte Temperatursignal zugeführt. Es ist vorzugsweise ein digitales Filter, welches als Softwareprogramm realisiert ist und durch den Mikrocontroller als Steuereinheit ausgeführt wird. Das digitale Filter ist vorzugsweise ein Tiefpass oder ein sogenanntes Schleppfilter. Hierbei erfolgt eine gewisse Mittelung der erfassten Sensorsignalwerte, so dass nicht unmittelbar bei der Detektion eines Brandes ein Brandalarm ausgegeben wird. Es wird vielmehr abgewartet, ob dieses Ereignis nicht sporadisch, sondern mehrmals hintereinander ansteht, um die Ausgabe eines Fehlalarms zu vermeiden. Durch die Herabsetzung der Filterzeit bzw. der Filterzeitkonstante reagiert das Bewertungsfilter weniger träge. Da die Wahrscheinlichkeit eines eintretenden Brandereignisses bei Detektion der Flackerfrequenzen als hoch bzw. höher angenommen wird als sonst, kann zugunsten der Sicherheit ein Brandalarm schneller ausgegeben werden.
Durch das Herabsetzen der Alarmierungsschwelle wird der thermische Melder sozusagen sensibler und weniger robust geschaltet, sodass die Alarmierungsschwelle schneller erreicht wird. Der Brandalarmierung erfolgt daher schneller.
Der Signalpfad der Brandanalyse beginnt mit der messtechnischen Erfassung des vom Temperatursensor ausgegebenen Temperatursignals, dann mit der nachfolgenden Analyse und Bewertung des Temperatursignals sowie mit dem Vergleich mit einer vorgegebenen Alarmierungsschwelle, und endet mit der Ausgabe eines möglichen Brandalarms.
Durch die Beschleunigung des Signalpfads der Brandanalyse ist vorteilhaft eine schnellere Ausgabe eines Brandalarms möglich, da in diesem Fall mit höherer Wahrscheinlichkeit von einem Brandfall ausgegangen werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn die charakteristischen Flackerfrequenzen für eine Mindestzeit, wie z. B. von 2, 5 oder 10 Sekunden, detektiert werden. Allerdings bedeutet dies nicht, dass nach dieser Mindestzeit eine Alarmierung erfolgt. Denn hierzu ist die Qualität des Photodiodensignals als viel zu mäßig zu betrachten im Vergleich zu den Sensorsignalen der gezielt spektral begrenzten Pyrosensoren in Verbindung mit einer komplexen, leistungsstarken Signalverarbeitung. Vielmehr erfolgt eine schnellere Verarbeitung des Temperatursignals, auf die wegen der sonst damit verbundenen Einbuße an Fehlalarmsicherheit verzichtet wird. Mit anderen Worten reagiert der Brandsensor bei Detektion von charakteristischen Flackerfrequenzen sensibler und schneller, was jedoch wegen der hohen Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines nachfolgenden Temperaturanstiegs infolge eines Brandes vorteilhaft in Kauf genommen wird. Bleibt dann eine „erwartete” Temperaturerhöhung aus, so erfolgt auch keine Brandalarmierung.
Vorzugsweise wird der Signalpfad umso mehr beschleunigt, je höher der Pegel der detektierten Flackerfrequenzen ist. Die Beschleunigung kann z. B. in Abhängigkeit vom Flackerfrequenzpegel proportional oder progressiv erfolgen. Sie kann alternativ oder zusätzlich erst nach Überschreiten eines Mindestdetektionspegels erfolgen.
Die Photodiode ist vorzugsweise eine Silizium-Photodiode und insbesondere eine Silizium-PIN-Photodiode. Ihr kann ein Tageslicht-Sperrfilter vorgeschaltet sein, das nur Licht in einem Bereich von 700 nm bis 1150 nm, insbesondere von 730 nm bis 1100 nm, passieren lässt. Dadurch lassen sich optische Störgrößen wie das Flackern von Leuchtstoffröhren oder auftreffendes Sonnenlicht vorteilhaft reduzieren. Eine derartige Photodiode, wie z. B. von der Fa. OSRAM (Typ BPW 34 FAS), ist im Vergleich zu einem Pyrosensor besonders preisgünstig erhältlich. Der Zusatzaufwand für die Integration einer solchen Photodiode in einen thermischen Melder ist somit schaltungstechnisch wie kostenmäßig sehr gering.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist der Temperatursensor ein kontaktlos arbeitender Temperatursensor, der einen für Wärmestrahlung im Infrarotbereich empfindlichen Wärmestrahlungssensor umfasst. Letzterer ist beispielsweise eine Thermosäule oder ein Mikrobolometer. Insbesondere ist der Wärmestrahlungssensor nicht bildgebend. Mit anderen Worten weist dieser ein einziges Pixel auf. Weiterhin umfasst der thermische Melder ein Meldergehäuse mit einer Melderhaube, wobei der Wärmestrahlungssensor dann im Meldergehäuse angeordnet und zur rechnerischen Ableitung der Umgebungstemperatur optisch auf die Innenseite der Melderhaube ausgerichtet ist. Die Melderhaube ist im Bereich der Innenseite derart wärmeleittechnisch zu einem gegenüberliegenden Bereich der Außenseite der Melderhaube ausgebildet, dass die sich an der Innenseite einstellende Gehäusetemperatur der Umgebungstemperatur am gegenüberliegenden Bereich der Melderhaube folgt, insbesondere innerhalb weniger Sekunden, wie z. B. 5 Sekunden. Durch den im Meldergehäuse eingebauten Temperatursensor ist der thermische Melder weniger anfällig gegenüber Verschmutzungen. Zudem ist keine schaltungstechnisch und montagemäßig aufwändige Verlegung des Thermistors im Gehäuse erforderlich.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge und unabhängig von der gemachten Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das von der Photodiode ausgegebene Photosignal auf ein Unterschreiten eines Mindesthelligkeitswerts hin zu überwachen und dazu eingerichtet, eine Alarmierungsschwelle für die Ausgabe eines möglichen Brandalarms herabzusetzen, um den thermischen Signalpfad zu beschleunigen. Wegen der sensibleren Einstellung des thermischen Melders ist dann bei Dunkelheit, wie z. B. nachts, vorteilhaft eine schnellere Alarmierung möglich. Dies ist deswegen möglich, da bei geringerer Helligkeit, wie z. B. bei Lux-Werten von weniger als 1 Lux, mit weniger Störungen aus der Melderumgebung zu rechnen ist wie tagsüber. Derartige Störungen sind z. B. Temperaturschwankungen aufgrund von Öffnen und Schließen von Türen und Fenstern mit einhergehender Zugluft sowie das Zu- und Abschalten von Wärmequellen wie Heizung und Kochherd.
Einer Ausführungsform zufolge ist der thermische Melder leitungsgebunden oder drahtlos mit einer übergeordneten Zentrale verbunden. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das Über- und Unterschreiten des Mindesthelligkeitspegels als Tag-/Nacht-Kennung an die Zentrale auszugeben. Dadurch kann übergeordnet gesteuert durch die Zentrale z. B. das Herabfahren von Jalousien oder die Reduzierung der Heizleistung im Gebäude veranlasst werden.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden am Beispiel der nachfolgenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
1 einen beispielhaften thermischen Melder mit einem Temperatursensor und mit einer Photodiode für Umgebungslicht zur Detektion von offenem Feuer gemäß der Erfindung in einer Schnittdarstellung,
2 das Beispiel gemäß 1 in einer Draufsicht entlang der in 1 eingetragenen Blickrichtung,
3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brandmelders mit einem kontaktlos arbeitenden Temperatursensor aufweisend einen für Wärmestrahlung im Infrarotbereich empfindlichen Thermopile als Wärmestrahlungssensor,
4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brandmelders mit einem gemeinsamen Lichtleiter zur Umgebungslichterfassung mittels der Photodiode und als Indikator im Sinne einer Betriebsbereitanzeige,
5 eine spektrale Kennlinie einer Silizium-Photodiode mit und ohne vorgeschaltetem Tageslichtfilter,
6 ein Beispiel für ein von einer Photodiode empfangenes Photosignal mit charakteristischen Flackerfrequenzen für offenes Feuer,
7 das zum Photosignal gemäß 6 zugehörige Frequenzspektrum,
8 ein Funktionsblockdiagramm einer Melder-Steuereinheit mit einem Bewertungsfilter mit einstellbarer Zeitkonstante, um den thermischen Signalpfad der Brandanalyse gemäß der Erfindung zu beschleunigen,
9 ein zweites Funktionsblockdiagramm einer Melder-Steuereinheit mit einem Temperatursensor mit Thermopile gemäß der Erfindung, und
10 ein drittes Funktionsblockdiagramm einer Melder-Steuereinheit zusätzlich zum wechselweisen Ansteuern einer Indikator-Leuchtdiode sowie zur Erfassung des Umgebungslichts mittels der Indikator-Leuchtdiode LED, geschaltet in einer Betriebsart als Photodiode gemäß der Erfindung.
1 zeigt einen beispielhaften thermischen Melder 1 mit einem Temperatursensor 5 und mit einer Photodiode 6 zur Erfassung von Umgebungslicht zur Detektion von offenem Feuer gemäß der Erfindung in einer Schnittdarstellung.
Im vorliegenden Beispiel weist der Melder 1 ein Gehäuse 2 auf, welches sich aus einem Grundkörper 21 und einer Melderhaube 22 zusammensetzt. Mit dem Grundkörper 21 kann dann der Melder 1 vorzugsweise lösbar an einem an einer Decke montierten Meldersockel angebracht werden. Beide Gehäuseteile 21, 22 sind üblicherweise aus einem lichtdichten Kunststoffgehäuse hergestellt. In der Melderhaube 22 ist eine zentrale Öffnung vorgesehen, in welcher ein Thermistor 5 als Temperatursensor geschützt gegenüber möglichen mechanischen Einwirkungen angebracht ist. Durch die zentrale Anordnung ist eine richtungsunabhängige Erfassung der Umgebungstemperatur UT in unmittelbarer Umgebung des Melders 1 möglich (siehe dazu auch 2). Im Innenraum IR des Melders 1 ist ferner ein Schaltungsträger 3 aufgenommen, auf dem neben einem Mikrocontroller 4 als Steuereinheit auch die Photodiode 6 angeordnet ist. Gegenüberliegend zur Photodiode 6 ist eine Ausnehmung AN in der Melderhaube 22 vorhanden, durch welche die Photodiode 6 in die Umgebung um den Melder 1 „hindurchsehen” kann. Mit FOV ist der zugehörige optische Erfassungsbereich der Photodiode 6 bezeichnet. Offenes Feuer in diesem Erfassungsbereich FOV, symbolisiert durch ein Flammensymbol, kann dann durch die Photodiode 6 optisch erfasst werden. Im vorliegenden Beispiel ist die Ausnehmung AN in der Melderhaube 22 mit einer transparenten Abdeckung AB zum Schutz gegen Verschmutzung versehen. Die Abdeckung AB ist vorzugsweise aus einem lichtdurchlässigen Kunststoff hergestellt. Sie kann auch bereits mit einem Tageslichtfilter versehen sein oder einen solchen aufweisen. Im Falle eines detektierten Brandes ist ein Brandalarm AL sowie eine Tag-/Nachtkennung T/N, symbolisiert durch einen Pfeil, ausgebbar.
2 zeigt das Beispiel gemäß 1 in einer Draufsicht entlang der in 1 eingetragenen Blickrichtung. Mit Z ist die geometrische zentrale Hauptachse des Melders 1 bezeichnet.
Erfindungsgemäss ist die Steuereinheit 4 nun dazu eingerichtet, ein von der Photodiode 6 empfangenes Photosignal auf das Vorhandensein von für offenes Feuer charakteristischen Flackerfrequenzen hin zu analysieren und abhängig davon den Signalpfad der Brandanalyse zu beschleunigen. Sie ist zudem dazu eingerichtet, das Photosignal auf ein Über- und Unterschreiten eines Mindesthelligkeitspegels zu überwachen und als Tag-/Nacht-Kennung T/N, symbolisiert durch einen Sonnen- und Mondsymbol, auszugeben, wie z. B. an eine übergeordnete Zentrale.
3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brandmelders 1 mit einem kontaktlos arbeitenden Temperatursensor 5 aufweisend einen für Wärmestrahlung W im Infrarotbereich empfindlichen Thermopile 50 als Wärmestrahlungssensor.
Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform ist der Thermopile 50 im Meldergehäuse 2 auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet und zur Erfassung der Umgebungstemperatur UT optisch auf die Innenseite IS der Melderhaube 22 ausgerichtet. Die optisch erfasste Fläche an der Innenseite IS der Melderhaube 22 ist in der 3 als Messoberfläche M bezeichnet. Insbesondere ist der Thermopile 50 wieder zentral im Meldergehäuse 2 angeordnet, um eine möglichst richtungsunabhängige Erfassung der Umgebungstemperatur UT in unmittelbarer Umgebung des Melders 1 zu ermöglichen. Dabei ist die Melderhaube 22 im zentralen Bereich 23 der Innenseite IS derart wärmeleittechnisch zu einem gegenüberliegenden Bereich der Außenseite der Melderhaube 22 ausgebildet, dass die sich an der Innenseite IS einstellende Gehäusetemperatur T der Umgebungstemperatur UT am gegenüberliegenden Bereich der Melderhaube 22 folgt. Im einfachsten Fall kann die Wandungsstärke im zentralen Bereich 23 reduziert werden, wie z. B. auf einen halben Millimeter. Alternativ kann dieser zentrale Bereich 23 thermisch gegenüber der restlichen umgebenden Melderhaube 22 isoliert sein. In den meisten Fällen wird keine Veränderung der Wandungsstärke der Melderhaube 22 erforderlich sein.
Die aktuelle Umgebungstemperatur UT bzw. die dieser folgenden Gehäusetemperatur T wird aus dem vom Wärmestrahlungsensor 50 erfassten Wärmestrahlungswert nach dem pyrometrischen Messprinzip rechnerisch abgeleitet. Hierbei geht der Emissionsgrad für die Wärmeabstrahlung W der Messoberfläche M in die Berechnung ein. Dieser Wert kann messtechnisch ermittelt werden und liegt typischerweise im Bereich von 0.75 bis 0.9. Hierbei gilt: Je schwärzer die Messoberfläche ist, desto größer ist der Emissionsgrad. Ein Emissionsgrad von 1.0 entspricht dabei dem theoretisch maximal erreichbaren Wert für einen schwarzen Strahler.
Die rechnerische Ermittlung kann durch einen im Thermopile 50 integrierten Mikrocontroller ausgeführt werden, der ausgangsseitig den aktuell ermittelten Temperaturwert ausgibt und somit einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor darstellt. Alternativ kann der Thermopile 50 lediglich einen aktuellen Wärmestrahlungswert ausgeben, der dann durch den Mikrocontroller 4 des Brandmelders 1 erfasst und zur rechnerischen Ermittlung des aktuellen Temperaturwerts weiterverarbeitet wird. Hierzu ist vorzugsweise im Mikrocontroller 4 der zugehörige Emissionsgrad abgespeichert.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brandmelders 1 mit einem gemeinsamen Lichtleiter 7 zur Umgebungslichterfassung mittels der Photodiode 6 und als Indikator im Sinne einer Betriebsbereitanzeige.
Dazu ist eine Indikator-Leuchtdiode LED benachbart zur Photodiode 6 auf dem Schaltungsträger 6 angeordnet. Der Lichtleiter 7 ist dergestalt, dass er mit einem ersten Ende sowohl der Indikator-Leuchtdiode LED als auch der Photodiode 6 gegenüberliegt. Das zweite Ende des Lichtleiters 7 ragt vorzugsweise durch eine zentrale Ausnehmung in der Melderhaube 22. Dadurch ist Umgebungslicht durch den Lichtleiter 7 hindurch mittels der Photodiode 6 detektierbar. Unabhängig davon ist auf umgekehrtem Wege Licht der Indikator-Leuchtdiode LED durch den Lichtleiter 7 hindurch am zweiten Ende des Lichtleiters 7 auskoppelbar. Die Indikator-Leuchtdiode LED wird typischerweise zyklisch zum Aussenden eines optisch sichtbaren Pulses, wie z. B. alle 30 Sekunden, zur Betriebsbereitanzeige des Brandmelders 1 angesteuert. Insbesondere ist das zweite Ende des Lichtleiters 7 als optische Linse L ausgebildet. Dadurch ist Umgebungslicht aus einem größeren optischen Erfassungsbereich FOV detektierbar. Zudem ist die Betriebsbereitanzeige des Brandmelders 1 in einem größeren Raumwinkelbereich erkennbar. Der Lichtleiter 7 ist vorzugsweise einstückig und aus einem transparenten Kunststoff hergestellt.
Die gezeigte Photodiode 6 ist vorzugsweise eine Silizium-Photodiode und insbesondere eine Silizium-PIN-Photodiode.
Alternativ kann auf eine solche speziell zur Lichtdetektion hergestellte Photodiode verzichtet werden. In diesem Fall liegt der Lichtleiter 7 mit seinem ersten Ende nur der Indikator-Leuchtdiode LED gegenüber. Die Lichtauskopplung des LED-Lichts erfolgt wieder am zweiten Ende des Lichtleiters 7 in die Umgebung des Brandmelders 1.
Gemäß der Erfindung ist nun die Indikator-Leuchtdiode LED zur Umgebungslichtdetektion vorgesehen, da prinzipiell jede Leuchtdiode auch zur Detektion von Umgebungslicht geeignet ist, wenn auch mit deutlich geringerer Effizienz. In diesem Fall wird abwechselnd die Indikator-Leuchtdiode LED in einen Betriebsmodus zur Lichterzeugung und in einen Betriebsmodus als Photodiode geschaltet (siehe dazu die nachfolgenden Erläuterungen in der 10).
Im Unterschied zur 1 und 3 weist der Brandmelder 1 beispielhaft zwei sich gegenüberliegende Temperatursensoren 5 für die Erfassung der Umgebungstemperatur UT auf.
5 zeigt eine spektrale Kennlinie einer Silizium-PIN-Photodiode mit und ohne vorgeschaltetem Tageslichtfilter. Die maximale, auf 100% normierte spektrale Empfindlichkeit S_Rel liegt bei einer Lichtwellenlänge λ von ca. 900 nm, also im nahen Infrarotbereich. Die durchgezogene Kennlinie zeigt die spektrale Empfindlichkeit S_Rel einer Silizium-PIN-Photodiode mit vorgeschaltetem Tageslichtfilter. Dabei wird Licht mit einer Wellenlänge λ von weniger als 730 nm unterdrückt. Der gestrichelte Ast der Kennlinie zeigt dagegen die spektrale Empfindlichkeit S_Rel der Silizium-PIN-Photodiode ohne Tageslichtfilter.
6 zeigt ein Beispiel für ein von einer Photodiode 6 empfangenes Photosignal PD mit charakteristischen Flackerfrequenzen für offenes Feuer gemessen in Millivolt. Es wird dabei die an der Photodiode 6 erzeugte Photospannung als Photosignal PD gemessen. Die Messung erfolgte über einen Zeitraum von 4 Sekunden und zeigt zyklische Spannungsspitzen im Bereich von 20 bis 30 mV, die mit dem Flackern der Flammen von offenem Feuer korrelieren.
7 zeigt das zum Photosignal PD gemäß 6 zugehörige Frequenzspektrum. Mit A ist die spektrale Amplitude bezeichnet, gemessen in dB und aufgetragen über der Frequenz f in Hertz. Betrachtet man nur den für das Flackern maßgeblichen Frequenzbereich von mindestens 2 Hz, so erkennt man die reziproke Abnahme der Amplitude für zunehmende Frequenzen ab 2 Hz. Das gezeigte Spektrum ist typisch und signifikant für offenes flackerndes Feuer.
8 zeigt ein Funktionsblockdiagramm einer Melder-Steuereinheit 4 mit einem Bewertungsfilter 41 mit einstellbarer Filterzeit, um den thermischen Signalpfad der Brandanalyse gemäß der Erfindung zu beschleunigen.
Die gezeigten Funktionsblöcke 40–44 sind vorzugsweise als Software realisiert, d. h. als Programmroutinen, die durch eine Prozessoreinheit einer als Mikrocontroller ausgebildeten Steuereinheit ausgeführt werden. Die jeweiligen Programmroutinen sind in einem Speicher des Mikrocontrollers 4 geladen bzw. ladbar. Der Speicher ist vorzugsweise ein nichtflüchtiger elektronischer Speicher, wie z. B. ein Flash-Speicher. Der Mikrocontroller 4 kann darüber hinaus spezifische Funktionsblöcke aufweisen, die bereits als Hardware-Funktionseinheiten im Mikrocontroller 4 integriert sind, wie z. B. Analog-/Digital-Umsetzer 51, 52, Signalprozessoren, digitale Ein-/Ausgabeeinheiten sowie Busschnittstellen.
Im vorliegenden Beispiel umfasst der Mikrocontroller 4 beispielhaft zwei Analog-/Digital-Umsetzer 51, 52, um ein aktuelles Temperatursignal BS vom Brandsensor 5, d. h. hier von einem NTC, sowie ein Photosignal PD von einer Photodiode 6 zu digitalisieren. Das digitalisierte Temperatursignal wird anschließend einem (digitalen) Bewertungsfilter 41 entlang des thermischen Pfads zugeführt. Das Bewertungsfilter 41 ist vorzugsweise ein digitales Tiefpassfilter, welches eine gewisse Signalglättung bzw. Mittelung vornimmt. Allerdings bedingt diese Filterung eine verzögerte Filterantwort am Ausgang des Bewertungsfilters 41 analog einer Filterzeitkonstante bei einem Tiefpass. Das nicht weiter bezeichnete Ausgangssignal des Bewertungsfilters 41 wird nachfolgend einem Komparator 44 zugeführt, der dieses mit einer Alarmierungsschwelle LEV vergleicht, wie z. B. mit einem Temperaturwert für 65°. Überschreitet das Filterausgangssignal diesen Vergleichswert LEV, so erfolgt die Ausgabe eines Brandalarms AL, wie z. B. an eine übergeordnete Brandmeldezentrale.
Erfindungsgemäß ist der Mikrocontroller 4 zudem dazu eingerichtet, das von der Photodiode 6 empfangene Photosignal PD auf das Vorhandensein von für offenes Feuer charakteristischen Flackerfrequenzen hin zu analysieren und abhängig davon den Signalpfad der Brandanalyse zu beschleunigen. Die spektrale Signalanalyse kann z. B. mittels einer digitalen Fouriertransformation oder mittels einer Wavelet-Analyse durchgeführt werden. Technisch wird dies zum einen durch den Funktionsblock Flackerfrequenzdetektor 42 bewerkstelligt. Im Falle von detektiertem flackerndem Feuer gibt dieser einen Flackerindikator F an einen Logikblock 40 aus, der daraufhin die Abtastrate f_Takt des A/D-Umsetzer 51 für die Digitalisierung des Temperatursignals BS erhöht und/oder die Filterzeitkonstante T_Filter erniedrigt. Der Flackerindikator F kann z. B. ein binärer Wert sein, wie z. B. 0 oder 1, oder ein digitaler Wert sein, wie z. B. im Wertebereich von 0 bis 9. Der Wert 0 kann für den binären Fall z. B. das Nichtvorliegen von Flackerfrequenzen und der Wert 1 entsprechend das Vorliegen repräsentieren. Im digitalen Fall kann der Wert 0 z. B. das Nichtvorliegen von Flackerfrequenzen repräsentieren. Die Werte 1 bis 9 können z. B. das Vorliegen von Flackerfrequenzen anzeigen, wobei hohe Zahlenwerte hohe Flackerfrequenzpegel und niedrige Zahlenwerte geringe Flackerfrequenzpegel anzeigen. Durch die Erhöhung der Abtastrate f_Takt liegt das digitalisierte Temperatursignal BS schneller am Bewertungsfilter 41 für die Weiterverarbeitung an. Andererseits spricht das Bewertungsfilter 41 durch die Herabsetzung der Filterzeitkonstante T_filter schneller an, so dass ein tatsächlicher Anstieg des Temperatursignals BS auch zu einer schnelleren Brandalarmierung AL führt. Die Erhöhung der Abtastrate f_Takt und/oder die Erniedrigung der Filterzeitkonstante T_filter kann z. B. für den digitalen Fall des Flackerindikators F in Abhängigkeit von dessen Wertbereich erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Logikblock 40 programmiert sein, dass die Alarmierungsschwelle LEV abgesenkt wird, wie z. B. von 65° auf 60°. Dadurch erfolgt für den mit erhöhter Wahrscheinlichkeit aufgrund der detektierten Flackerfrequenz eintretenden Brandfall eine Beschleunigung des thermischen Pfads und somit eine schnellere Brandalarmierung AL.
Alternativ oder zusätzlich kann der Logikblock 40 auch dahingehend programmiert sein, dass die Alarmierungsschwelle LEV insbesondere dann abgesenkt wird, wenn ein Hell/Dunkel-Indikator H/D, der vom Funktionsblock 43 des Mikrocontrollers 4 bereitgestellt wird, einen Mindesthelligkeitswert unterschreitet, wie z. B. einen Wert von 1 Lux. Dieser beispielhafte Wert korrespondiert mit einer dunklen bis stark dämmrigen Umgebung. In einer solchen Umgebung ist mit weniger thermischen Störungen aus der Melderumgebung zu rechnen wie tagsüber, wie z. B. mit den eingangs beschriebenen Temperaturschwankungen. Durch die Annahme geringerer Störungen aus der Melderumgebung kann die Alarmierungsschwelle LEV abgesenkt werden. Durch die sensiblere Einstellung erfolgt eine Beschleunigung des thermischen Pfads, indem die herabgesetzte Alarmierungsschwelle LEV durch das Ausgangssignal des Bewertungsfilters 41 schneller überschritten wird. Die Tag-/Nacht-Erkennung erfolgt durch eine Tiefpassfilterung des Photosignals PD mit einer Zeitkonstante von weniger als 1 Hz, insbesondere von weniger als 0,1 Hz.
9 zeigt ein zweites Funktionsblockdiagramm einer Melder-Steuereinheit 4 mit einem Temperatursensor 5 mit Thermopile 50 gemäß der Erfindung.
Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform wird die aktuelle Umgebungstemperatur UT bzw. die dieser folgenden Gehäusetemperatur T mit einem Temperaturberechnungsblock 54 des Mikrocontrollers 4 ermittelt. Letzerem wird ein digitalisiertes Wärmesignal WS mittels eines A/D-Umsetzers 51 von einem Thermopile 50 als Beispiel für einen Wärmestrahlungssensor zugeführt. Bei der rechnerischen Ermittlung geht der Emissionsgrad für die Wärmeabstrahlung W im Infrarotbereich der Messoberfläche M in die Berechnung mit ein.
10 zeigt ein drittes Funktionsblockdiagramm einer Melder-Steuereinheit 4 zusätzlich zum wechselweisen Ansteuern einer Indikator-Leuchtdiode LED sowie zur Erfassung des Umgebungslichts mittels der Indikator-Leuchtdiode LED, geschaltet in einer Betriebsart als Photodiode 5 gemäß der Erfindung.
Im Vergleich zur vorherigen 8 steuert der Logikblock 40 über ein Umschaltsignal US wechselweise eine Umschalteinheit 55 an, so dass in einer ersten Phase die Indikator-Leuchtdiode LED mit einem Stromsignal IND von einer Pulserzeugungseinheit 45 zum kurzzeitigen Leuchten angesteuert werden kann, wie z. B. alle 30 Sekunden. In einer zweiten Phase steuert der Logikblock 40 die Umschalteinheit 55 so an, dass das geringe Photosignal PD von der Indikator-Leuchtdiode LED einem Verstärker 60 zugeführt wird. Diesem folgt wiederum ein A/D-Umsetzer 52 zur Digitalisierung des Photosignals PD. Der Verstärker 60 ist vorzugsweise ein Transimpedanzverstärker.
Bezugszeichenliste

1: Brandmelder, thermischer Melder, Hitzemelder, Punktmelder
2: Meldergehäuse, Kunststoffgehäuse
3: Schaltungsträger, Leiterplatte
4: Steuereinheit, Mikrocontroller
5: Brandsensor, Temperatursensor, Thermistor, NTC, Temperatursensor mit Thermopile, Temperatursensor mit Mikrobolometer
6: Photodiode, IR-Photodiode, Silizium-PIN-Photodiode
7: Lichtleiter
21: Grundkörper
22: Melderhaube, Gehäusedeckel
23: zentrales Gehäuseteil
40: Funktionsblock, Logikblock
41: Funktionsblock, Bewertungsfilter
42: Funktionsblock, Flackerfrequenzdetektor
43: Funktionsblock, Tag-/Nacht-Erkennungsblock
44: Funktionsblock, Komparator
45: Funktionsblock, Pulserzeugungseinheit
50: Thermopile
51, 52: A/D-Umsetzer, Analog-/Digital-Umsetzer
54: Temperaturberechnungsblock
55: Umschalteinheit, Multiplexer
60: Verstärker, Transimpedanzverstärker
A: Amplitude, Signalamplitude
AB: Abdeckung, transparente Abdeckung, Fenster
AL: Brandalarm, Alarmmeldung, Alarminformation
AN: Ausnehmung, Aussparung, Öffnung
BS: Sensorsignal, Brandsensorsignal, Temperatursignal
E: Empfänger, Empfangseinheit, Photosensor
F: Flackerindikator
f: Frequenz
FOV: Erfassungsbereich, Field-of-View
f_Takt: Abtastfrequenz, Taktfrequenz
FZ: Filterzeiteinstellsignal, Einstellsignal
H/D: Helldunkel-Indikator
L: Linse, optische Linse
LEV: Alarmierungsschwelle
LED: Indikator-LED
N: Insektenschutz, Netz
OF: Raucheintrittsöffnung
PD: Photosignal, Photodiodensignal
S: Sender, Sendeeinheit, LED
SA: Streulichtanordnung
S_Rel: relative spektrale Empfindlichkeit
SZ: Streulichtzentrum, Messvolumen
T: Temperaturwert
TS: Temperatursignal
t: Zeit, Zeitachse
T/N: Tag-/Nacht-Kennung
T_Filter: Filterzeit, Filterzeitkonstante
FZ: Einstellsignal, Filterzeiteinstellsignal
UT: Umgebungstemperatur
Z: Hauptachse, Symmetrieachse
λ: Lichtwellenlänge

Claims

Thermischer Melder, welcher einen Temperatursensor (5) als ausschließlichen Brandsensor sowie eine Steuereinheit (4) aufweist, wobei die Steuereinheit (4) dazu eingerichtet ist, ein vom Temperatursensor (5) empfangenes Temperatursignal (BS) auf zumindest eine charakteristische Brandkenngröße hin zu analysieren, zu bewerten und bei einem detektierten Brand einen Brandalarm (AL) auszugeben, wobei – der thermische Melder eine Photodiode (6) zur Erfassung von Umgebungslicht in einem spektral begrenzten Bereich von 400 nm bis 1150 nm aufweist, und – die Steuereinheit (4) zudem dazu eingerichtet ist, ein von der Photodiode (6) empfangenes Photosignal (PD) auf das Vorhandensein von für offenes Feuer charakteristischen Flackerfrequenzen hin zu analysieren und abhängig davon die Ausgabe eines möglichen Brandalarms (AL) durch ein Erhöhen einer Abtastrate für die Erfassung des Temperatursignals (BS), durch ein Herabsetzen einer Filterzeit (T_Filter) eines Bewertungsfilters (41) der Steuereinheit (4) für die Brandanalyse und/oder durch ein Herabsetzen einer Alarmierungsschwelle (LEV) zu beschleunigen.
Thermischer Melder nach Anspruch 1, wobei die Photodiode (6) eine Silizium-Photodiode, insbesondere eine Silizium-PIN-Photodiode, ist.
Thermischer Melder nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Photodiode (6) ein Tageslicht-Sperrfilter vorgeschaltet ist, welches nur Licht in einem Bereich von 700 nm bis 1150 nm, insbesondere von 730 nm bis 1100 nm, passieren lässt.
Thermischer Melder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Temperatursensor (5) ein im oder am thermischen Melder angeordneter Thermistor, insbesondere ein NTC, ist.
Thermischer Melder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Temperatursensor (5) ein kontaktlos arbeitender Temperatursensor ist, der einen für Wärmestrahlung (W) im Infrarotbereich empfindlichen Wärmestrahlungssensor umfasst, insbesondere eine Thermosäule oder ein Mikrobolometer, wobei der thermische Melder ein Meldergehäuse (2) mit einer Melderhaube (22) aufweist, wobei der Wärmestrahlungssensor (6) im Meldergehäuse (2) angeordnet und zur rechnerischen Ableitung der Umgebungstemperatur (UT) optisch auf die Innenseite (IS) der Melderhaube (22) ausgerichtet ist, und wobei die Melderhaube (22) im Bereich der Innenseite (IS) derart wärmeleittechnisch zu einem gegenüberliegenden Bereich der Außenseite der Melderhaube (22) ausgebildet ist, dass die sich an der Innenseite (IS) einstellende Gehäusetemperatur (T) der Umgebungstemperatur (UT) am gegenüberliegenden Bereich der Melderhaube (22) folgt.
Thermischer Melder nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (4) zudem dazu eingerichtet ist, das von der Photodiode (6) ausgegebene Photosignal (PD) auf ein Unterschreiten eines Mindesthelligkeitswerts hin zu überwachen und dazu eingerichtet ist, eine Alarmierungsschwelle (LEV) für die Ausgabe eines möglichen Brandalarms (AL) herabzusetzen.
Thermischer Melder nach Anspruch 6, wobei der thermische Melder leitungsgebunden oder drahtlos mit einer übergeordneten Zentrale verbunden ist und wobei die Steuereinheit (4) dazu eingerichtet ist, das Über- und Unterschreiten des Mindesthelligkeitspegels als Tag-/Nacht-Kennung (T/N) an die Zentrale auszugeben.