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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur winkelgelösten Erfassung von Flammen oder Bränden. Am erfindungsgemäßen Sensor sind pyroelektrische Detektoren in einer Feldanordnung mit mehreren Reihen und Spalten vorhanden, auf die innerhalb eines Observierungsbereiches, beispielsweise innerhalb eines Raumes in einem Gebäudes, emittierte elektromagnetische Strahlung auftrifft.
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Pyroelektrische Infrarotdetektoren werden bereits in der Feuer- und Flammensensorik eingesetzt, um Brände frühzeitig entdecken und bekämpfen zu können. Als auszuwertende Signale wird üblicherweise die spektrale Ausstrahlung der heißen Schwel- und Verbrennungsgase sowie das Flackern der Flamme benutzt. Häufig arbeitet man in verschiedenen Spektralkanälen, also unter Auswertung von elektromagnetischer Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig, um Fehlalarme, z. B. durch das Sonnenlicht zu vermeiden. Ein solches System ist meist so ausgelegt und installiert, dass ein zu überwachender Oberservierungsbereich oder Raum, der sich typischerweise über einen Winkelbereich von ±45° in horizontaler und vertikaler Richtung sowie einen Entfernungsbereich von 20–75 m erstreckt, berücksichtigt werden kann.
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Die Flamme ist bei Ausbruch eines Brandes relativ klein (geometrische Ausdehnungen kleiner 30 cm·30cm sind üblich), dadurch kann eine Flamme für den Sensor näherungsweise als punktförmige Strahlungsquelle in unendlicher Entfernung angesehen werden. Einfach ausgebildete Sensoren oder solche bei denen jeder einzelne pyroelektrische Detektor den gesamten Oberservierungsbereich oder Raum erfasst, liefern im Brandfall keine Information über den Ort des Feuers, so dass automatisch ausgelöste Löschaktionen, wie z. B. die Aktivierung einer Sprinkleranlage, ebenfalls den gesamten Raum abdecken werden.
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Wenn der Ausbruch eines Feuers schnell lokalisiert werden kann, ist es möglich auch die Löschaktionen zielgerichtet, lokalisiert begrenzter und wesentlich effizienter durchführen zu können.
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Eine triviale, aber sehr teuere Lösung für dieses Problem ist der zusätzliche Einsatz einer IR-Kamera, mit der sich Ort und Größe des Feuers sehr genau bestimmen lassen.
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Ein Ansatz für eine kostengünstigere Lösung, ist z. B. in
EP 0 853 237 B1 beschrieben. Darin wird vorgeschlagen ein Detektorfeld mit 10 bis 10000 Elementen und einer in das Detektorgehäuse integrierten fokussierenden Optik einzusetzen. Dieses System stellt im Prinzip eine niedrig auflösende Kamera dar. Die Auflösung des Detektors hängt direkt von der Dektoranzahl und dem Raumwinkel ab. So ergibt ein Detektorarray von 9·9 Detektoren bei einem Öffnungswinkel von +/–45° eine Winkelauflösung von 10°. Dadurch ergeben sich hohe Kosten, weil eine hohe Winkelauflösung viele Detektoren und hohe Anforderungen an die Güte der optischen Elemente erfordert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen, leicht zu fertigenden und kostengünstigen Sensor zur Verfügung zu stellen, der auch eine Winkelauflösung von wenigen Grad ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sensor, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Richtung, in der ein Brand bzw. eine Flamme innerhalb des überwachten Oberservierungsbereiches oder Raumes auftritt, zu bestimmen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Sensor sind pyroelektrische Detektoren in einer ein- oder zweidimensionalen Reihen- und Spalten-Anordnung (Feldanordnung) vorhanden. Es wird elektromagnetische Strahlung, die vom jeweiligen Oberservierungsbereich (beispielsweise ein Freilager) oder einem zu überwachenden Raum emittiert wird, über mindestens ein fokussierendes optisches Element auf pyroelektrische Detektoren gerichtet. Die pyroelektrischen Detektoren sind jeweils einzeln mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden.
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Die pyroelektrischen Detektoren sind in einer Ebene mit einem Abstand vor (intrafokal) oder hinter (extrafokal) der Brennpunktebene des fokussierenden optischen Elements angeordnet, wodurch das Bild einer punktförmigen Strahlungsquelle in unendlicher Entfernung, das in der Detektorebene entsteht, kein scharfer Spot ist, sondern ein ausgedehnter Fleck mit einer Intensitätsverteilung. Die intrafokale Anordnung ist aus folgenden Gründen noch weiter zu bevorzugen. Sie ermöglicht eine kleinere Bauweise, da dann die pyroelektrischen Detektoren zwischen einem fokussierenden optischen Element und dessen Brennpunktebene angeordnet sind und nicht dahinter. Weiterhin muss die Brennweite des optischen Elementes nicht so klein sein, wie im Falle einer fokussierenden Anordnung oder einer extrafokalen Anordnung bei gleichem Öffnungswinkel, wodurch auch der Strahlungsdurchsatz (Lichtstärke) des optischen Elements höher sein kann. Außerdem lässt sich mit einer intrafokalen Anordnung ein eher rechteckförmiges Intensitätsprofil in der Detektorebene erzielen, woraus im Zusammenhang mit dem Auswerteverfahren eine bessere Winkelauflösung resultiert.
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Als fokussierendes optisches Element kann eine plankonvexe Linse, deren konvex gekrümmte Oberfläche in Richtung der pyroelektrischen Detektoren weist, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind Halbkugellinsen, da diese die für einen großen Winkelbereich erforderlichen kurzen Brennweiten aufweisen und trotzdem kostengünstig herstellbar sind.
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Vorteilhaft ist es auch eine optische Blende im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vor den pyroelektrischen Detektoren anzuordnen. Eine optische Blende kann dabei unmittelbar auf oder an der in Richtung des observierenden Bereichs oder Raums weisenden Seite des fokussierenden optischen Elements angeordnet oder darauf angebracht bzw. ausgebildet sein. Mit einer solchen optischen Blende können der optische Durchsatz und das Intensitätsprofil in der Detektorebene optimiert werden.
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Die optische Blende kann eine kreisförmige Öffnung für den Durchtritt elektromagnetischer Strahlung aufweisen, wenn am Sensor eine symmetrische zweidimensionale Anordnung der pyroelektrischen Detektoren ausgebildet ist. Dann sind die pyroelektrischen Detektoren mit gleicher Anzahl in einer Reihen- und Spaltenanordnung vorhanden. Dabei sollten auch die sensitiven Flächen der pyroelektrischen Detektoren sowie deren Mittenabstände gleich groß und die geometrische Gestalt der Detektoren gleich gewählt sein.
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Unabhängig davon können pyroelektrische Detektoren eine gleichgroße sensitive Fläche aufweisen, gleichgroße Mitten- oder Flächenschwerpunktsabstände zueinander aufweisen und/oder in gleichen Abständen zur Brennpunktebene des fokussierenden optischen Elements angeordnet sein. Die Anzahl von pyroelektrischen Detektoren in Reihen und Spalten und/oder die Ausdehnung bzw. Größe einer Feldanordnung (Arrayanordnung) in den beiden Achsrichtungen kann aber auch unterschiedlich sein. Dies ist dann vorteilhaft, wenn in den zwei Achsrichtungen in denen eine Überwachung erfolgen soll, jeweils unterschiedliche Winkelbereiche abgedeckt werden sollen oder wenn die geforderte Winkelauflösung in den zwei Achsrichtungen unterschiedlich sein soll. So kann je nach dem ein größerer Winkelbereich in horizontaler oder vertikaler Achsrichtung überwacht werden, wenn die Ausdehnung der Feldanordnung in der jeweiligen Achsrichtung größer, als in der anderen Richtung ist. Es kann je nach dem eine größere Winkelauflösung in horizontaler oder vertikaler Achsrichtung erzielt werden, wenn die Anzahl der Detektoren in der jeweiligen Achsrichtung größer, als in der anderen Richtung ist. In diesem Fall kann dann auch ein an eine solche Anordnung der pyroelektrischen Detektoren angepasstes fokussierendes optisches Element sowie eine dementsprechende optische Blende eingesetzt werden. Soll die Bestimmung der Winkelposition auf eine Achsrichtung beschränkt sein, so kann vorzugsweise ein optisches Element eingesetzt werden, das nur in dieser Achsrichtung fokussierend wirkt. Ein solches optisches Element kann z. B. eine Zylinderlinse sein.
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So kann in günstiger Weise an einem erfindungsgemäßen Sensor ein Detektorarray mit mindestens neun pyroelektrischen Detektoren vorhanden sein, das zusammen mit einem fokussierenden optischen Element, einer Aperturblende und neun Vorverstärkern in einem Gehäuse integriert aufgenommen ist.
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Ein solches 3·3 Detektorarray ermöglicht in Verbindung mit einer scharf abbildenden Optik bei einem Öffnungswinkel von 90° eine Auflösung von 30° in horizontaler und vertikaler Richtung.
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Beim erfindungsgemäßen Sensor wird aber eine unscharfe Abbildung ausgenutzt, indem das Detektorarray in einem Abstand zur Brennpunktebene, bevorzugt intrafokal angeordnet ist. Dadurch ist die Abbildung einer Flamme (Strahlquerschnitt) unscharf und ungefähr so groß, wie der Mittenabstand der pyroelektrischen Detektoren. Bei nicht quadratischen oder nicht kreisförmigen sensitiven Flächen von pyroelektrischen Detektoren kann dies der Abstand der Flächenschwerpunkte sein. Quadratische sensitive Flächen sind jedoch bevorzugt, da hier die Messsignale an den Detektoren in horizontaler und vertikaler Richtung einen gleichen Einfluss berücksichtigen. Außerdem können die nicht nutzbaren Trennflächen zwischen nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren klein gehalten werden.
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Auf Grund der geringen Ausdehnung einer Flamme oder eines beginnenden Brandes und der großen Entfernung kann bezüglich der optischen Abbildung von kollimierter elektromagnetischer Strahlung ausgegangen werden.
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Wie in der Beschreibungseinleitung bereits zum Ausdruck gebracht, soll bei der Erkennung von Flammen oder eines Brandes eine Detektion mit Richtungsbestimmung durchgeführt werden. Dabei soll diese zumindest nahezu zweifelsfrei diesen Zustand erfassen können. Wie aus dem Stand der Technik üblich, kann bei der Erfindung auch die von heißem Kohlenstoffdioxid emittierte elektromagnetische Strahlung ausgewählt werden, die bei der Wellenlänge von 4,3 μm liegt. Dies berücksichtigend kann im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vor den pyroelektrischen Detektoren mindestens ein optisches Filter, das zumindest für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 4,3 ± 0,1 μm optisch transparent ist, oder ein solches fokussierendes optisches Element vorhanden sein. Dabei kann auch ein Bandpassfilter mit kleinerem Durchlassintervall oder ein Kantenfilter, dessen untere Begrenzung diese Wellenlänge des Kohlendioxids berücksichtigt, eingesetzt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Sensor sollten pyroelektrische Detektoren in einem Abstand zur Brennpunktebene des fokussierenden optischen Elements angeordnet sein, bei dem die Größe der Abbildung einer Flamme oder Brandes der Größe der Mitten- oder Flächenschwerpunktabstände der nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren entspricht.
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Bei Einsatz der Erfindung werden zeitgleich erfasste Messsignale von mindestens zwei unmittelbar nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren, die mit einer unscharfen Abbildung durch die Anordnung der pyroelektrischen Detektoren in einem Abstand zur Brennpunktebene des fokussierenden optischen Elements erfasst worden sind, miteinander verglichen und/oder in Beziehung zueinander gesetzt werden. Daraus wird die räumliche Winkelposition einer Flamme oder eines Brandes innerhalb eines Observierungsbereiches bestimmt.
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Dabei wird bevorzugt der Quotient von Messsignalen der unmittelbar nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren bestimmt und bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Bei der Auswertung der Messsignale und der Zuordnung zu Winkelpositionen entsprechen die Positionen der einzelnen Detektoren in der Feldanordnung bzw. die Lage ihrer Mittelpunkte oder Flächenschwerpunkte diskreten Winkelpositionen im Observierungsbereich. Durch die Bildung von Quotienten der Messsignale benachbarter Detektoren wird zwischen ihren diskreten Winkelpositionen interpoliert, wodurch die Winkelauflösung deutlich höher sein kann als die minimale Auflösung, die durch die Anzahl der in der entsprechenden Achsrichtung vorhandenen Detektoren gegeben ist.
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Dabei müssen für jede Achsrichtung, in der die Winkelposition der Flamme bestimmt werden soll, die Messsignale von mindestens zwei der in der entsprechenden Richtung der Feldanordnung nebeneinander liegenden Detektoren verglichen werden. Soll z. B. die horizontale Winkelposition einer Flamme bestimmt werden, so muss die Feldanordnung der Detektoren mindestens eine horizontale Reihenanordnung aufweisen und es müssen Messsignale von mindestens zwei in einer horizontalen Reihe nebeneinander liegenden Detektoren miteinander verglichen werden. Soll die Winkelposition der Flamme zusätzlich in der vertikalen Achsrichtung bestimmt werden, so muss die Feldanordnung der Detektoren außerdem eine vertikale Spaltenanordnung aufweisen und es müssen zusätzlich Messsignale von mindestens zwei in einer vertikalen Spalte nebeneinander liegenden Detektoren miteinander verglichen werden.
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Es können zusätzlich auch mehr Messsignale von Paaren pyroelektrischer Detektoren in der Feldanordnung miteinander verglichen werden, als für eine eindeutige Bestimmung der Winkelposition nötig sind. Dadurch kann die Genauigkeit und/oder Auflösung der Winkelbestimmung unter Umständen noch erhöht werden.
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Ein Auslösesignal für eine Feueralarm- und/oder Sprinkleranlage sollte dann generiert werden, wenn mit mindestens einem pyroelektrischen Detektor ein Messsignal erfasst worden ist, das größer als ein vorgebbarer Schwellwert ist.
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Die von unmittelbar nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren erfassten Messsignale, sollten immer dann miteinander verglichen oder in Beziehung zueinander gesetzt werden, wenn mit mindestens einem pyroelektrischen Detektor ein einen vorgebbaren Schwellwert überschreitendes Messsignal erfasst worden ist.
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Die Messsignale der pyroelektrischen Detektoren können zusätzlich auch einer Frequenzanalyse im Frequenzbereich 2 Hz bis 20 Hz unterzogen werden. Da in diesem Frequenzbereich Veränderungen der Intensität von Flammen oder bei Bränden auftreten, kann dies zusätzlich zur sicheren Erkennung, ob es sich bei der mit den pyroelektrischen Detektoren erfassten elektromagnetischen Strahlung um Strahlung handelt, die von einer Flamme oder einem Feuer emittiert wird, handelt oder nicht.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit einfallender elektromagnetischer Strahlung in einer Schnittdarstellung auf der linken Seite und einer Draufsicht auf die Detektorebene auf der rechten Seite;
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2 ein Diagramm von mit drei pyroelektrischen Detektoren, die in einer horizontalen Reihenanordnung an einem erfindungsgemäßen Sensor vorhanden sind, idealisiert erfassbarer Messsignalverläufe;
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3 ein Diagramm mit Winkeln zugeordneten Quotienten von mit den drei nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren erfassten Messsignalen nach 2 und
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4 ein Diagramm der real erfassten Messsignalverläufen der drei pyroelektrischen Detektoren in horizontaler Achsrichtung.
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Beim in 1 gezeigten Beispiel haben die pyroelektrischen Detektoren A1 bis C3 der Reihen- und Spalten-Anordnung bzw. des Array eine Größe von 300 μm·300 μm und einen Mittenabstand von 500 μm zueinander. Ihre sensitiven Flächen sind quadratisch.
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Als fokussierendes optisches Element 1 ist eine Halbkugellinse mit dem Radius R = 1,0 mm und einer Brennweite von 1,45 mm eingesetzt worden, deren Planseite in Richtung des zu überwachenden Observierungsbereichs oder Raumes weist. Auf dieser Oberfläche des fokussierenden optischen Elementes 1 ist eine Aperturblende 2 mit einem Durchmesser von d = 1,0 mm aufgebracht.
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Das mit den neun pyroelektrischen Detektoren A1 bis C3 gebildete Array ist intrafokal in einem Scheitelabstand von 0.385 mm zum fokussierenden optischen Element 1 angeordnet, so dass die Abbildungen in der Ebene in der die pyroelektrischen Detektoren A1 bis C3 angeordnet sind, einen Durchmesser von 500 μm aufweisen. Dies entspricht dem Mittenabstand der nebeneinander angeordneten pyroelektrischen Detektoren A1 bis C3, die äquidistant zueinander angeordnet sind.
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Werden die Messsignale der einzelnen pyroelektrischen Detektoren A1 bis C3 gleichzeitig ausgewertet und insbesondere dabei die Messsignale der benachbarten pyroelektrischen Detektoren A1 bis C3 ins Verhältnis zueinander gesetzt, kann zwischen den diskreten Detektorpositionen interpoliert werden.
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In den 2 und 3 ist das Prinzip vereinfacht für eine Achsrichtung (nur horizontale Winkel) dargestellt. In 2 sind idealtypische normierte Messsignale der Detektoren A2, B2 und C2, die durch eine unter horizontalen Winkeln zwischen +45° und –45° auftretenden Flamme und der durch diese emittierten elektromagnetischen Strahlung entstehen, über dem horizontalen Winkel aufgetragen (normierte Winkelempfindlichkeit). In 3 sind die Quotienten der Messsignale nach 1 jeweils benachbarter Detektoren C2/B2 bzw. B2/C2 und B2/A2 bzw. A2/B2 über dem horizontalen Winkel aufgetragen. Diese Quotienten dienen als Zuordnungsfunktion zur Winkelposition des aktuell detektierten Ereignisses.
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Wird am Sensor durch das Auftreten einer Flamme ein Messsignal registriert, das über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, kann zunächst der Detektor mit dem größten Messsignal ermittelt werden. Anschließend wird der Quotient aus diesem Messsignal und aus dem des dazu benachbarten Detektors ermittelt, der das zweithöchste Messsignal liefert. Aus diesem Quotienten kann mit Hilfe der Zuordnungsfunktion die Winkelposition bestimmt werden.
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Die Zuordnungsfunktion kann z. B. in Form einer Tabelle gespeichert sein.
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Tritt z. B. im Falle der idealtypischen Situation in den 2 und 3 elektromagnetische Strahlung, die von einer Flamme unter einem horizontalen Winkel von –33° emittiert worden ist, (vertikaler Winkel 0°) auf den Sensor auf, so ist das Messsignal des Detektors C2 am größten. Der Detektor B2 liefert ein Messsignal, das genau ein Drittel so groß ist, wie das Messsignal, das mit dem Detektor C2 erfasst worden ist. Das Messsignal des Detektors A2 (und die übrigen Messsignale) sind Null. Der Quotient der Messsignale, die mit den Detektoren C2 und B2 erfasst worden sind, ist genau 3. Aus der Zuordnungsfunktion (3) kann der Winkel –33° ermittelt werden. Das Prinzip ist in gleicher Weise auf die zweite Achsrichtung (vertikale Winkel) erweiterbar.
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In dem vorgestellten idealtypischen Fall ist die erreichbare Winkelauflösung nur durch das Messsignal-Rausch-Verhältnis der Messung begrenzt.
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In 4 sind die Messsignalverläufe über den horizontalen Winkel eines realisierten Flammensensors dargestellt. Die erreichte Auflösung liegt etwa bei 5°. Die Zuordnungsfunktion eines realen Flammensensors kann experimentell bestimmt und in einer Tabelle abgelegt werden (Kalibrierung).
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Es kann auch eine abweichende Anzahl und Anordnung von pyroelektrischen Detektoren gewählt werden. Dann können pyroelektrische Detektoren in X Spalten und N Reihen an einem erfindungsgemäßen Sensor vorhanden sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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