DE2512650A1

DE2512650A1 - Flammendetektor

Info

Publication number: DE2512650A1
Application number: DE19752512650
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Rer Na Scheidweiler
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1974-05-10
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-11-20
Also published as: JPS5658528U; JPS50161280A; JPS628506Y2; GB1467213A; FR2270651B1; DE2512650C2; CH565421A5; FR2270651A1

Description

C 146-3)

ETSCH MÖNCHEN 21

GOTTfJARDSTR.81

Cerberus AG Männedorf (Schweiz)

Flammendetektor

Die Erfindung betrifft einen Flammendetektor mit einer von der Flammenstrahlung beaufschlagten photoelektrischen Einrichtung und einer dair-H verbundenen elektrischen Schaltung zur Auswertung und Signalgabe.

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Solche, beispielsweise zur Brandmeldung oder Flammenüberwachung verwendete Detektoren benützen die von einer Flamme ausgehende infrarote, sichtbare oder ultraviolette Strahlung als Kriterium für die Existenz einer Flamme. Fast alle bekannten Flammendetektoren können jedoch die von einer Flamme ausgehende Strahlung von der gewisser anderer strahlungsabgebender Störquellen im selben Spektralbereich, wie Umgebungslicht, Wärmestrahler, künstliche Lichtquellen, Blitzentladungen oder Schweissgeräte, nicht unterscheiden. Es ist daher notwendig, bei der Auswertung der empfangenen Strahlung besondere charakteristische Merkmale der Flammenstrahlung zur Unterscheidung gegenüber solchen Störquellen heranzuziehen.

Es ist bekannt, bei Flammendetektoren die Flackerfrequenz der Flamme auszuwerten. Weitere bekannte Flammendetektoren verwenden zwei photoelektrische Einrichtungen, welche entweder eine verschiedene, spektrale Empfindlichkeit aufweisen oder bei welcher Filter mit unterschiedlicher, spektraler Durchlässigkeit vorgeschaltet sind. Beispielsweise ist eine Einrichtung vorzugsweise für blaues Licht empfindlich, die andere für den roten oder infraroten Lichtanteil. Die Auswertung erfolgt dann so, dass nur dann ein Flammensignal gegeben wird, wenn das Verhältnis der Strahlungen in den beiden Spektralbereichen bestimmte Werte hat, z. B. wenn die Infrarot- oder Rotstrahlung um einen bestimmten Faktor intensiver ist als die Blaustrahlung. Da zwei phot ο elektrische Einrichtungen und zwei Auswertekanäle vorgesehen sind, sind solche vorbekannten Flammendetektoren aufwendig und dadurch relativ störanfällig sowie kompliziert

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im Aufbau. Besonders nachteilig bei der Verwendung zweier photoelektrischer Einrichtungen ist,dass deren Eigenschaften nie genau übereinstimmen. Auch wenn es sich um Photozellen des gleichen Typs handelt, sind deren Charakteristik, Temperaturabhängigkeit, Veränderung der Eigenschaften durch Alterung usw. immer leicht verschieden, so dass der Arbeitspunkt nicht konstant bleibt.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile und die Schaffung eines störsicheren Flammendetektors mit vereinfachtem, billigerem Aufbau, dessen Auswerteschaltung auf geringem Raum unterzubringen ist und welcher ausserdem eine wesentlich verbesserte Sicherheit gegen Täuschung und eine verbesserte Stabilität des Betriebsverhaltens aufweist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass vor der phot ο elektrischen Einrichtung Mittel zur wechselweisen Aenderung der spektralen Zusammensetzung der auf die photoelektrische Einrichtung einwirkende Flammenstrahlung angeordnet sind und dass die elektrische Schaltung das durch diese wechselweise Aenderung der Bestrahlung der photoelektrischen Einrichtung erzeugte Wechselsignal zur Signalgabe auszuwerten vermag.

Besonders vorteilhaft ist bei einem Flammendetektor mit diesen Merkmalen, dass die Flammenstrahlung nur durch eine einzige photoelektrische Einrichtung ausgewertet wird. Dadurch wird eine Aenderung des Arbeitspunktes des Flammendetektors infolge unterschiedlicher Eigenschaften

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von zwei in kombiniert arbeitenden Photozellen bei vorbekannten Flammendetektoren von vornherein vermieden.

Weiter kann es vorteilhaft sein, die periodische Aenderung der spektralen Zusammensetzung auf rein elektrischem Wege ohne mechanisch bewegbare Teile vorzunehmen. Beispielsweise kann dies mittels zweier Kerr-Zellen erfolgen oder bei einer besonders zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung mittels eines Filters, deren spektrales Durchlässigkeitsmaximum sich durch eine elektrische Spannung steuern lässt.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Flammendetektor mit rotierendem Filter. Figur 2 zeigt einen Flammendetektor mit zwei Kerr-Zellen und Strahlungsteilung, Figur 2A ebenso, jedoch ohne Strahlungsteiler. Figur 3 zeigt einen Flammendetektor mit elektrisch veränderbarem Filter.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Schema eines Flammendetektors wird die von einer Flamme ausgehende Strahlung von einer photoelektrischen Einrichtung P, z.B. einer Photozelle, einem Photoelement oder einer Photodiode, empfangen. Die photoelektrische Einrichtung ist mit einer Auswerteschaltung A verbunden, welche einen Signalgeber S steuert. Vor der photo elektrischen Einrichtung P ist eine Filterscheibe F angebracht, welche mittels eines Motors M in Rotation versetzt werden kann.

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Auf dieser Filterscheibe F sind abwechselnd Filter mit verschiedener spektraler Durchlässigkeit, z.B. Rotfilter R und Blaufilter B, angeordnet. Bei Rotation der Filterscheibe F durchsetzt die Flammenstrahlung periodisch abwechselnd die beiden Arten von Spektralfiltern, so dass die photoelektrische Einrichtung P periodisch abwechselnd vom Rotanteil und vom Blauanteil der Flammenstrahlung beaufschlagt wird. Von der photoelektrischen Einrichtung P wird der Auswerteschaltung A also ein Signal zugeführt, dessen Wechselamplitude vom Verhältnis der empfangenen Rot- und Blaustrahlung abhängt. Die Auswerteeinrichtung ist zusätzlich mit einer Frequenz- oder Phasengeber-Einrichtung des die Filterscheibe F antreibenden Motors M in Koinzidenzschaltung verbunden. Die Auswerteschaltung A ist weiter so eingerichtet, dass nur dann ein Ausganges _,nal an die Signaleinrichtung S abgegeben wird, wenn der Wechselanteil des Ausgangs signals der photoelektrischen Einrichtung bei der Filterfrequenz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Damit wird erreicht, dass mit einem einzigen photo elektrischen Element und einem einzigen Auswertekanal nur eine solche empfangene Strahlung als Flamnae signalisiert wird, welche die richtige, für Flammen charakteristische, spektrale Zusammensetzung bzw. das richtige Rot-Blau-Verhältnis der Strahlung aufweist.

Obwohl ein Flammendetektor dieser Art bei einfachster Konstruktion betriebssicher und störungsfrei zu arbeiten vermag, ist es häufig erforderlich, mechanisch bewegliche, einem Verschleiss unterliegende Teile zu vermeiden, besonders bei Brandmelde- und Flammenüberwachungsanlagen,

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welche während ausserordentlich langer Zeit in Betrieb sind und dabei keine fehlerhaften Signale auslösen sollen. Die Figuren 2 und 3 zeigen Weiterbildung der Erfindung ohne Verwendung mechanisch beweglicher Teile.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Flammendetektor wird die eingehende Strahlung mittels eines halb durchlässigen Spiegels Rl in zwei Strahlengänge aufgeteilt. Der erste Strahl durchsetzt ein Rotfilter R, während der zweite Strahl über einen Reflektor R3 durch ein Blaufilter B geleitet wird. Beide Strahlengänge werden mittels Reflektor R 4 und eines weiteren halbdurchlässigen Spiegels R2 wieder zu einem gemeinsamen Strahl zusammengesetzt, welcher auf die photoelektrische Einrichtung P auftrifft. In beiden Strahlengängen ist je eine Einrichtung mit elektrisch regelbarer Lichtdurchlässigkeit Kl und K2 angeordnet. Diese Einrichtungen können beispielsweise als Kerr-Zellen ausgebildet sein. Die beiden Kerr-Zellen Kl und K2 werden periodisch abwechselnd von einer Steuereinrichtung C auf Strahlungsdurchgang geschaltet und gesperrt, so dass auch in diesem Ausführungsbeispiel die photoelektrische Einrichtung P periodisch abwechselnd Strahlung erhält, welche das Rotfilter R und das Blaufilter B durchsetzt hat. Das Ausgangs signal der photoelektrischen Einrichtung P wird wiederum einer Auswerteschaltung A zugeführt, welche die Signaleinrichtung S steuert. Die Steuereinrichtung C gibt synchron mit den Steuerimpulsen für die Kerr-Zellen Kl und K2 Steuerimpulse an die Auswerteschaltung A, mittels welcher die Phasenlage des Wechselanteils der vom photoelektrischen Element P aufgenommenen Strahlung festgestellt

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werden kann. Die Auswertung zur Signalgabe kann in analoger Weise zum Beispiel nach Figur 1 erfolgen.

Figur 2A zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel, jedoch ohne Strahlungsteiler. Wiederum ist ein einziges Photoelement P vorgesehen, vor dessen Strahlungs-empfindlicher Oberfläche nebeneinander zwei verschiedene Filter Fx und F2 mit unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet sind. Vor diesen Filtern befindet sich jeweils eine Kerr-Zelle Kl und K2, welche von der Steuereinrichtung C wiederum abwechselnd periodisch geöffnet und geschlossen werden, so dass am Ausgang der Photozelle P wiederum ein Wechselsignal erscheint, welches einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden kann.

Der Erfindungsgedanke lässt sich jedoch, wie das in Figur 3 dargestellte Beispiel zeigt, auch ohne geteilten Strahlengang verwirklichen. Hierbei ist vor der photoelektrischen Einrichtung P ein mit Hilfe einer elektrischen Steuerspannung in seiner spektralen Durchlässigkeit variables Filter F angeordnet. Diesem Filter F wird von einer Steuereinrichtung C eine Wechselspannung zugeführt. Das variable Filter F kann beispielsweise in der Art bekannter Interferenzfilter mit Λ /4 Schichten aufgebaut sein, wobei jedoch die Schichtdicke der optisch wirksamen Schichten kapazitiv oder durch Magnetostriktion oder piezoelektrisch mittels einer Steuerspannung variiert werden kann, wobei sich das Durchlässigkeitsmaximum verschiebt. Es können jedoch auch Flüssigkristalle verwendet werden,

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deren Farbe, d. h. spektrales Durchlässigkeitsmaximum, von der angelegten Spannung abhängt. Auch hier wird vom Steuergerät C die gleiche Steuerspannung der Auswerteschaltung A zugeführt, so dass diese aus den von der photoelektrischen Einrichtung P abgegebenen Signalen diejenigen mit der richtigen Frequenz und Phasenlage und zur Signalauslösung hinreichender Amplitude nachzuweisen vermag.

Es sei bemerkt, dass die Erfindung nicht auf zwei abwechselnd in den Strahlengang gebrachte Filter mit verschiedener spektraler Durchlässigkeit beschränkt ist, sondern mehr als zwei unterschiedliche Filter vorgesehen sein können oder auch eine kontinuierliche, jedoch periodische Aenderung der spektralen Durchlässigkeit, z. B. eine periodische Verschiebung der Wellenlänge Λ^ des spektralen Durchlässigkeitsmaximums. Die Auswerteschaltung ist so einzurichten, dass das vom photoelektrischen Element P eintreffende Wechselsignal mit dem Takt der periodischen Aenderung der spektralen Durchlässigkeit verglichen wird. Es soll nur in dem Fall ein Flammensignal ausgelöst werden, wenn dieses Wechselsignal eine solche Amplitude im Vergleich zum Gleichanteil und eine solche Phasenlage aufweist, wie sie für eine normale Flammenstrahlung charakteristisch wäre, z.B. wie sie durch einen Strahler mit einem bestimmten Rot-Blau-Verhältnis der Strahlung hervorgerufen würde. Damit würde ein derartiger Flammendetektor ebenso wie vorbekannte Detektoren mit zwei Photozellen das Rot-Blau-Verhältnis der Flammenstrahlung zur Auswertung heranziehen, jedoch nur unter Verwendung eines einzigen Photoelementes. Dadurch werden von vornherein die Nachteile vermieden, die

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durch die unterschiedlichen Eigenschaften von zwei Photo el em ent en entstehen könnten.

Darüber hinaus kann es zweckmässig sein, weitere charakteristische Eigenschaften einer Flammenstrahlung zur Unterscheidung von Störquellen heranzuziehen, z. B. das Flackern in einem bestimmten niederfrequenten Frequenzbereich, z.B. zwischen 8 und 25 Hz. Dieses Auswerte-Kriterium lässt sich bei dem erfindungsgemässen Flammendetektor zusätzlich benützen, z.B. indem das Ausgangssignal der photoelektrischen Einrichtung P über ein im Bereich zwischen 8 und 25 Hz durchlässiges Wechselspannungsfilter geleitet wird. Damit sich Flammenflackern und periodische Umschaltung der Filter bei der Auswertung gegenseitig nicht stören, muss entweder die Filterumschaltfrequenz wesentlich höher gewählt werden als der Durchlassbereich des Wechselspannungsfilters, z.B. kann die Taktfrequenz im kHz-Bereich liegen oder die Umschaltung erfolgt wesentlich langsamer, beispielsweise mit einer Periode von 2-3 sec. Im letzteren Fall, also bei niedrigerer Taktfrequenz erfolgt die Auswertung in der Weise, dass während jeder Taktperiode das dem Flammenflackern entsprechende Wechselsignal gebildet und dieses mit dem Wechselsignal der nächstfolgenden Taktperiode verglichen wird. Ein Flammensignal wird nur dann ausgelöst, wenn der Flackeranteil der Strahlung sich beim Umtakten der Filter periodisch in der für die spektrale Zusammensetzung einer Flammenstrahlung charakteristischen Weise ändert.

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Eine weitere Möglichkeit, das Flammeiiflackern zur Auswertung heranzuziehen* besteht darin* ein weiteres Pfcotoelemenit vorzusehen, welches
ein wechselweises Umschalten der FilterdurcMässigkeit in Abhängigkeit vom Flamxaenfladiern bewirkt. Hierdiirch wird erreicht, dass eine Umschaltung nur vorgenommen wird!* solange eine flackernde Strahlung eintritt, jedoch nicht bei einer konstanten StraMutEsgsqaelle.

Claims

PATENTANWÄLTE

RFiNFR PkIHTSCH *^h Ufa 1975

» · ♦ «u MÜNCHEN 21

λ QTTHAR D ST R. 81

' I
ή/Flammendetektor mit einer photoelektrischen Einrichtung und einer damit verbundenen elektrischen Schaltung zur Auswertung und Signalgabe, dadurch gekennzeichnet, dass vor der photoelektrischen Einrichtung Mittel zur wechselweisen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der auf die photoelektrische Einrichtung einwirkende Flammenstrahlung angeordnet sind und dass die elektrische Schaltung das durch diese wechselweise Aenderung der Bestrahlung der photoelektrischen Einrichtung erzeugte Wechselsignal zur Signalgabe auszuwerten vermag.

2. Flämmendetektor nach Patentanspruch^dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Filter mit unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit vorgesehen sind, welche periodisch abwechselnd von der auf die photoelektrische Einrichtung auf treffende Flammenstrahlung durchsetzt werden.

3 Flammendetektor nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet,

dass die Filter auf einer rotierenden Scheibe angeordnet sind.

4-„ Flammendetektor nach Anspruch 2.» dadurch gekennzeichnet,

dass Mittel zur Strahlungsteilung vorgesehen sind, welche die Flammenstrahlung auf verschiedenen Wegen durch die Filter auf

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ORIGINAL INS⁰ECTf=D

die photoelektrische Einrichtung leiten und dass in den Strahlungswegen Mittel mit elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit angeordnet sind.

5. Flammendetektor nach . Anspruch 4-_y dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mit elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit Kerr-ZeIlen aufweisen.

Flammendetektor nach Patentanspruch"!, dadurch gekennzeichnet, dass vor der photoelektrischen Einrichtung ein Filter mit elektrisch steuerbarer sp'ektraler Durchlässigkeit angeordnet ist.

7. Flammendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter als Interferenzfilter mit variabler Dicke der optischen Schichten gebildet ist.

8. Flammendetektor nach Anspruch % dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine optisch wirksame Schicht des Filters kapazitiv durch Magnetostriktion oder piezoelektrisch in ihrer Dicke veränderbar ist.

9. Flammendetektor nach Anspruch 6", dadurch gekennzeichnet, dass das Filter einen Flüssigkristall aufweist, dessen spektrales Durchlässigkeitsmaximum von der angelegten Spannung abhängig ist.

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10. Flammendetektor nach Patentanspruch^,dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung von den Mitteln zur wechselweisen Aenderung der spektralen Zusammensetzung angesteuert wird.

W Flammendetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

dass die Auswerteschaltung den Wechselanteil der auf die photoelektrische Einrichtung treffenden Strahlung bezüglich der Frequenz und Phasenlage der wechselweisen Aenderungen der spektralen Zusammensetzung auswertet und nur dann ein Flammensignal auszulösen vermag, wenn die aufgenommene Strahlung in einem vorgegebenen Bereich in einem längerwelligen Gebiet eine grössere bzw, eine kleinere Intensität aufweist als in einem kürzerwelligen Gebiet,

12. Flammendetektor nach Anspruch 2₇ dadurch gekennzeichnet,

dass die Filter nebeneinander vor der photoelektrischen Einrichtung angeordnet sind.

Flammendetektor nach Anspruch 12., dadurch gekennzeichnet,

dass zu jedem der Filter je eine Kerr-Zelle vorgesehen ist, welche periodisch mit gleicher Frequenz, aber verschiedener Phasenlagen wie die anderen Kerr-Zellen geöffnet und geschlossen wird.

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14*. Flammendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zusätzlich eingerichtet ist, nur dann ein.Signal zu geben, wenn die Flammenstrahlung einen Wechselanteil in einem bestimmten niederfrequenten Frequenzbereich aufweist.

Ί5 Flammendetektor nach Patentanspruch^ dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur wechselweisen A enderung der spektralen Zusammensetzung vom Takt des Flammenflackerns gesteuert werden.