专利名称：按消光原理工作的、光学的烟气报警器和用于补偿该烟气报警器的温度飘移的方法
技术领域：
本发明涉及一种按消光原理工作的、光学的烟气报警器，该烟气报警器具有一个光桥和一个评估电路，其中，光桥具有一个光源、一个测量段和一个基准段以及一个测量接收器和一个基准接收器。
据人们所知，在消光测量法中，光束被发射经过大气并据此经过可为可能出现的烟气接近的测量段并通过不可为烟气接近的基准段并且两个接收信号被相互比较。因为在遇到烟气微粒时所出现的光散射和通过烟气微粒进行的光吸收均导致消光并且光被明亮的微粒散射并被暗的微粒吸收，所以消光测量法对不同的烟气微粒具有等同的灵敏度并据此同样地很适用于探测低温炭化火警(明亮的微粒)和明光警(暗的微粒)。
在消光测量法应用于完全装在一个唯一的壳体内的点式报警器(烟气报警器)时，空气中的尘埃微粒的消光可只经由很短的测量段被确定，据此，相应地提高了对大气透射测量的灵敏度所提出的要求。因此，在测量段的长度为10厘米的情况下，在透射值为基准透射值的99.6％时，报警门限为4％。如果透射值应在报警门限以下被解算，则譬如99.96％的透射值须是可识别的，这对在文献中也被称为透射光报警器的点式消光报警器的电子、光电子和机械构件的稳定性提出了特别高的要求。譬如EP-A-0 578 189和EP-A-0 740 146描述了这种透射光报警器或点式消光报警器。
涉及这种报警器的稳定性，主要问题之一在于，光桥与温度有关。与温度有关的依据在于，设在光桥中的光学器件(除光源和接收器外，主要是透镜和镜)是对温度敏感的。
EP-A-0 578 189所描述的透射光报警器的光桥譬如包括波导和透镜并且EP-A-0 740 146所描述的透射光报警器的光桥包括多个由注塑的塑料构成的抛物面镜。因为该塑料并非各向同性地膨胀，所以抛物面镜是对温度敏感的，这对光桥的稳定性有负面影响。而EP-A-0 578 189所描述的透视光报警器的透镜和波导也受温度影响并据此是不稳定的。
那么，公开的点式消光报警器或透射光报警器应通过本发明被改进，使光桥变得尽可能稳定并特别是尽可能少地对温度敏感。
按照发明，解决以上任务的技术方案在于，光桥除具有光源和测量接收器及基准接收器之外，还具有两个设在光源之前的孔眼光阑，作为仅有的光学构件。
对照公开的点式消光报警器，通过去掉抛物面镜或者透镜和光波导，这不仅意味着稳定性有所改善，而且还意味着成本的显著降低。
发明的报警器的第一个优选的实施形式的特征在于，光源设在一个包括一个空气容器的室内。该室的表面有利地远远大于光源的表面。
该实施形式的优点在于，由于该室具有大的表面，缓慢扩散到室内的烟气微粒沉积在室壁上并不仅是沉积在光源上。
发明的报警器的第二个优选的实施形式的特征在于，测量段具有至少一个具有一个孔眼光阑的横档，该孔眼光阑阻止从侧方进入的、干扰的外部光并让由光源发出的光不受阻碍地通过。
发明的报警器的第三个优选的实施形式的特征在于，光桥具有两个端部和一个把这两个端部连在一起的桥形接片，其中，在该桥形接片的一侧形成测量段并在该桥形接片的另一侧形成基准段，并且在一个端部中设有具有光源的室并在另一端部中设有具有测量接收器的或者基准接收器的室。
该实施形式的优点在于，光桥可一体地被制作并且实际上可被装到任意的报警器外壳中。
发明的报警器的另一优选的实施形式的特征在于，光桥的包括基准段的部分固定在一块板上，有利地固定在包括评估电路的线路板上并且是通过两个连接端部和横挡的侧墙密封的。
本发明还涉及一种用于补偿所述的烟气报警器的光桥的温度飘移的方法。该发明的特征在于，温度飘移曲线通过加热光源和通过确定报警器信号，在不同的温度下被测定。
如果报警器的发光二极管的芯片是装在二极管的外壳内的一个微型加热装置上，则在安装好了的报警器中的微型加热装置在现场周期地被激活并且实际的温度飘移曲线当时被测量。
如果光桥是装在由具有良好的导热能力的材料制成的支架上的并且该支架具有加热装置，则该加热装置在报警器的制作过程的范畴内或在对报警器进行检查时被激活并且温度飘移曲线当时被测量。
测量温度飘移曲线的另一可能性在于，在制作过程结束时把报警器放到一个炉内并与一条数据总线连接，并且对炉子进行加热并届时测量温度飘移曲线。
下面借助一个实施例和附图详细说明本发明附图所示为
图1发明的报警器的报警器芯的侧视图，图2沿图1中的箭头II的视图，图3报警器芯的光桥的沿图2中的线III-III的纵截面图，图4图3中的光桥的详细图。
在图1和2中示出了一个所谓的报警器芯，该报警器芯是点式消光报警器或透射光报警器的一部分，此外，上述报警器还具有一个底座和一个报警器罩(图中未示出)。为了固定，报警器芯以公开的方式设在有利地安装在待监视的屋子的天花板上的底座中。覆盖报警器芯的和或许还覆盖底座的报警器罩罩在报警器芯上并与底座锁定在一起。如图1所示，天花板连同底座位于上方并且报警器罩的面朝待监视的屋子的顶端位于下方。
该报警器结构是公开的并因此在这里不加以详细描述。与此相关联，参见西门子建筑技术有限公司，Cerberus分部(过去是Cerberus有限公司)的Algo Rex系列火警报警器(Cerberus和AlgoRex是西门子建筑技术有限公司和Cerberus有限公司的注册商标)。
如图所示，在图1和2中示出的报警器芯由一块基板1和一块包括评估电路的线路板5以及一个固定在线路板上的光桥6组成，其中，基板1在上部具有一个边挡2，在下部具有一个圆柱形的壁3以及一个位于壁3内的矩形空为4。线路板5固定在基板1的上表面上并位于边挡2之内。光桥6从基板1的下表面向下伸出并伸入空当4。
光桥6是由一种导热性好的材料，最好是钻压铸件或锌压铸件制作的并由两个端部7、7’和一个把以上两个端部连在一起的、位于中间的桥形接片8组成。端部7包括一个其内具有一个光源10的室9并且端部7’包括两个其内具有一个测量接收器13或者一个基准接收器14的室11和12。在其内具有光源10的室9和其内具有测量接收器13的室11之间形成一个测量段15并且在其内具有光源10的室9和其内具有基准接收器14的室12之间形成一个基准段16。
在测量段15中设有至少一个具有一个孔眼光阑18的横挡17，光阑18阻止从侧方侵入的、干扰的外部光，但让被光源10发出的有效光不受影响地通过。室9的表面大于光源10的表面，据此，缓慢扩散到室9内的烟气微粒沉积在室的整个壁上，而不是只沉积在光源10上。其结果在于，光源10如果被污染的话也只会很慢地通过烟尘或灰尘受到污染。在基准段16中也可设置一个具有一个孔眼光阑18’的横挡17’。
测量段15和基准段16的结构在于，对从外部进入报警器的烟气而言，基准段16是不可达的并且是对其屏蔽的；对从外部进入报警器的烟气而言，测量段15是可达的。屏蔽基准段16是通过位于中间的桥形接片8、两个端部7和7’和通过两个连接端部7和7’的侧壁23完成的。在需要的情况下，基准段16向上朝线路板5是可通过一块沿光桥6的整个长度和宽度伸展的板(图中未示出)覆盖的。
光源10是通过一个发射光的、或许是发射红外辐射的二极管(发光二极管或者红外发射二极管)构成的，该二极管把光脉冲发到测量段15和基准段16中。测量段15和基准段16除包括光源10的玻璃窗口和接收器13、14外，还包括两个在光程中位于光源10之后的、其直径为约1至2毫米的孔眼光阑L、L’，作为唯一的光学构件。这两个孔眼光阑的直径与温度有关或其位置与温度有关是很难以想象的并且也影响不到报警器的精度或稳定性。
测量接收器13和基准接收器14是结构相同的光电二极管。由于测量段15和基准段16具有相应的设计结构，所以测量接收器13和基准接收器14接收光源10的相同的辐射量。据此，通过光源10的辐射在两个接收器13和14中触发的光电流是相同大的并且这两个光电流的差一直保持为零，直至测量段15的光学性能通过外部影响，譬如通过侵入的烟气微粒被改变为止。然后，两个光电流的差不再等于零，而是与浑浊度或消光成比例地增长。
光源10设在一块支承板19上，该支承板19借助螺钉把紧在光桥6的包括室9的端面上，并且防尘地密封室9。从支承板19引出相应的、通往线路板5的电气连接。两个接收器13和14设在一块共用的支承板20上，该支承板20借助螺钉把紧在光桥6的包括室11和12的端面上。从支承板20引出相应的、通往线路板5的电气连接。一个锅形的、细网目的栅或网21(见图1)插到基板1的底面上，用以保护光桥6，防止昆虫或粒度较大的烟尘或灰尘进入光桥6。
通过对室9的密封和通过覆盖室11和12的支承板20可保证，实际上没有烟气微粒能进入基准段16，并且烟气微粒也不能经由测量段15的通入室9的孔眼光阑L和室9明显地侵入基准段16。实际上可被观察到的至多是在光桥6的与测量段15和基准段16临界的部分上很缓慢地发生的尘埃沉积，而该尘埃沉积在该两个段中所起的作用大致相同。绝不可能发生的是，显著量的烟气进入基准段16并影响测量结果。
另一潜在的干扰源是从外部侵入测量段15的外部光。该外部光通过已述的孔眼光阑18、圆柱形的壁3和通过由该壁3径向向内朝光桥6伸出的遮挡板22被阻隔。
对测量接收器13的和基准接收器14的输出信号的评估和处理是在设在线路板5上的评估电路中进行的，在本文中不详细描述评估电路。与此相关联，参见EP-A-0 886 252，该文件对一种适宜的评估电路进行了详细描述。
原理上，光桥6存在两个潜在的问题，这两个问题主要是通过光电二极管13和14的灵敏度与温度的关系和通过构成光源10的发光二极管的发射与温度的关系造成的。光电二极管的灵敏度与温度的关系为约100至1000ppm/℃并且发光二极管10的发射与温度的关系为约4000至8000ppm/℃。虽然各一对在硅片上相邻的光电二极管芯片被用于两个光电二极管13和14，但不能排除的是，两个光电二极管13和14的灵敏度的温度系数是不同的，据此，在室温下被平衡了的光桥6在与室温有偏差的温度下会失去平衡。
在应用发光二极管的情况下，附加于发射与温度的关系的尚有温度系数与发射方向有轻微的关系。在芯片上没有横向键合线、没有环氧覆盖和没有压制玻璃盖的情况下，这还适用于裸露的发光二极管芯片。发射的温度系数的从属性的根据在于芯片材料的，如砷化镓的与温度有关的折射指数，砷化镓的折射指数在20°和50℃之间升高约0.23％。随温度升高，出自芯片的光更远地偏离铅锤地被折射并且永不完全垂直地立于芯片上的光射束稍许展宽，据此，光桥6同样可失去平衡。
为了消除这些可能的干扰影响，光桥6的温度飘移被测量并且在测量时得出的温度飘移曲线被存储在评估电路的一个非易失存储元件中。然后，在对报警器信号进行评估时，温度飘移被计算地补偿。其中，测量温度飘移或者是可在现场在安装好了的报警器上进行，或者是在制作过程的范畴内进行或者是也可在检查报警器时进行。温度飘移曲线的存储有利地在报警器的EEPROM中进行。
光桥6的温度测量通过一个设在板19上的负温度系数电阻器(图中未示出)进行。除在报警器内进行温度测量外，还可附加地进行外部温度测量，使描述的透射光报警器也可被用于探测无空气尘埃的火警。
在这种情况下，在报警器罩的顶部的可为周围空气良好地达到的范围内设有另一负温度系数电阻器，该电阻器的输出信号被与温度极限值比较，届时，如果超过温度极限值，则触发报警。在这种情况下，报警器罩的结构和用于测量周围空气的温度的负温度系数电阻器的配置以及对负温度系数电阻器的信号的评估均与前述火警报器系统AlgoRex的光-热的烟气报警器PolyRex的相似。
为了能在制作过程的范畴中或在对报警器进行检查时测量温度飘移曲线，支承光桥6的铝件具有一个小的加热装置。该加热装置在制作过程结束时或在检查报警器时被激活并且在不同的温度下进行测量，代表温度飘移曲线的测量结果被存储在报警器的EEPROM中。
加热装置可譬如为一个大功率晶体管、一个正温度系数热敏电阻、一个厚膜电阻或一个以陶瓷为基的薄膜电阻。应用该方法的前提在于，温度飘移曲线在报警器的寿命过程中或在两次检查报警器期间没发生变化。检查表明，温度飘移曲线长时间地维持不变并且至多是其绝对位置稍许迁移，而这可通过跟踪报警器信号被补偿。
而温度飘移曲线也可以在制作过程的范畴内如此地被测量，即在制作过程结束时，把在该情况下无需专门的加热装置的报警器放入炉中并且执行适宜的、譬如20°至60℃的温度循环并且届时把温度飘移曲线存储在报警器的电可擦可编只读存储器中。
为了能在现场中的安装好的报警器上测量温度飘移曲线，可加热的光源10被采用。图4以示意图的形式示出了这种光源的一个实施例，在该示图中，外壳被剖开。如图所示，构成光源的发光二极管10主要包括一个被外壳壁24围住的、支承发光二极管的芯片26的底座或底25。在芯片26和底座25之间设有一个自调的正温度系数热敏电阻27。发光二极管10具有三条接线28、29和30，其中，接线28与芯片26键合，正温度系数热敏电阻27的支承芯片26的上表面与接线30键合并且热敏电阻27的位于底座25上的下表面与接线29键合。据人们所知，接合指的是通过细的金线建立半导体元件之内的电气连接。
正温度系数热敏电阻譬如由掺杂了的钛酸钡构成，接触面分别覆有金、银或铝。外壳朝上是通过玻璃盖31封闭的。在有要求的情况下，在正温度系数热敏电阻27和底座25之间设有热绝缘装置，譬如一块玻璃板32。热敏电阻27被周期地，譬如每天一次地加热至不同的温度并且温度飘移曲线被测量并被存储在报警器的电可擦可编只读存储器中。因为不能杜绝其出现的情况是，在测量温度飘移曲线时恰好在着火，所以，为了对报警器信号进行温度飘移补偿，总是采用头一天的温度飘移曲线。
也可在发光二极管10的外壳内采用另一种微型加热装置，如晶体管管芯或铂丝微型加热装置，用以取代正温度系数热敏电阻27。实际的试硷表明，铂丝微型加热装置可导致与从外部加热整个光源10所导致的同样的温度飘移曲线。该方法是很有吸引力的，因为该方法可使报警器适应在报警器的寿命期中变化的组分性能。应用该方法的前提条件在于，两个光电二极管13和14(见图3)构成相互配合的一对。否则，必须按两种已述的方法之一在报警器的制作中测定出光电二极管对报警器信号的温度飘移的促进。
在全部三种所描述的方法中，白天和黑液之间的温度自然起伏可被采用，以便对相应段中的温度飘移曲线的升高进行核查并根据情况对温度飘移曲线进行跟踪并且在紧急的情况下，在偏差过大时发出故障显示。
权利要求
1.按消光原理工作的光学烟气报警器，该烟气报警器具有一个光桥(6)和一个评估电路，其中，光桥(6)具有一个光源(10)、一个测量段(15)和一个基准段(16)以及一个测量接收器(13)和一个基准接收器(14)，其特征在于，光桥(6)除具有光源(10)和测量接收器(13)及基准接收器(14)之外，还具有两个设在光源(10)之前的孔眼光阑(L、L’)，其作为仅有的光学构件。
2.按照权利要求1所述的烟气报警器，其特征在于，光源(10)设在一个包括一个空气容器的室(9)内。
3.按照权利要求2所述的烟气报警器，其特征在于，该室(9)的表面远远大于光源(10)的表面。
4.按照权利要求2或3所述的烟气报警器，其特征在于，测量段(15)具有至少一个具有一个孔眼光阑(18)的横挡(17)，该孔眼光阑(18)阻止从侧方进入的、干扰的外部光并让由光源发出的光不受阻碍地通过。
5.按照权利要求2至4之一所述的烟气报警器，其特征在于，光桥(6)具有两个端部(7、7’)和一个把这两个端部连在一起的桥形接片(8)，其中，在该桥形接片(8)的一侧形成测量段(15)并在该桥形接片(8)的另一侧形成基准段(16)，并且在一个端部(7)中设有具有光源(10)的室(9)并在另一端部(7’)中设有具有测量接收器(13)的或者基准接收器(14)的室(11、12)。
6.按照权利要求5所述的烟气报警器，其特征在于，光桥(6)的包括基准段(16)的部分固定在一块板上，有利地固定在包括评估电路的电路板(5)上并且在侧方通过两个连接端部(7、7’)和桥形接片(8)的侧墙进行密封。
7.按照权利要求5或6所述的烟气报警器，其特征在于，包括光源(10)的室(9)和包括测量接收器(13)和基准接收器(14)的室(11、12)是对外封闭的。
8.按照权利要求7所述的烟气报警器，其特征在于，所述的室(9、11、12)是分别通过一块板(19、20)封闭的，该板(19、20)用作光源(10)的或者测量接收器(13)和基准接收器(14)的支承板。
9.按照权利要求8所述的烟气报警器，其特征在于，在这两块板(19、20)之一上，最好是在支承光源(10)的板(19)上设有一个用于测量光桥(6)的温度的装置。
10.按照权利要求1至9之一所述的烟气报警器，其特征在于，光桥(6)是由一种导热性能好的材料，最好是由铝压铸件或锌压铸件制作的。
11.按照权利要求2所述的烟气报警器，其特征在于，评估电路包括一个非易失的存储元件，光桥(6)的温度飘移曲线存储在该存储元件内，并且设有用于计算地补偿温度飘移曲线对报警器信号的影响的装置。
12.按照权利要求11所述的烟气报警器，其特征在于，光源(10)是通过一个具有外壳(24)的发光二极管构成的，该光发二极管的芯片(26)是装在外壳(24)内的微型加热装置(27)上的。
13.按照权利要求12所述的烟气报警器，其特征在于，在微型加热装置(27)是通过一个铂丝加热装置或一个正温度系数热敏电阻或一个晶体管管芯构成的。
14.按照权利要求13所述的烟气报警器，其特征在于，在微型加热装置(27)和外壳(24)的底(25)之间设有一个热绝缘装置(32)。
15.用于补偿权利要求1所述的烟气报警器的光桥(6)的温度飘移的方法，其特征在于，温度飘移曲线通过加热光源(10)和通过确定报警器信号在不同的温度下被测定。
16.按照权利要求15的方法，其特征在于，在其光源(10)通过一个具有一个可用微型加热装置(27)加热的芯片(26)的发光二极管的构成的报警器中，现场上的安装好了的报警器中的微型加热装置(27)周期地被激活并且现时的温度飘移曲线届时被测量。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，在其光桥(6)设在一个由导热性能好的材料制作的、具有一个加热装置的支承板上的报警器中，加热装置在制作过程的范畴内或在对报警器进行检查时被激活并且温度飘移曲线届时被测量。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，报警器在制作过程结束时被放入炉内并被连接在一条数据总线上，并且炉子被加热并且温度飘移曲线届时被测量。
全文摘要
烟气报警器包括一个光桥,该光桥具有一个光源、一个测量段和一个基准段以及一个测量接收器和一个基准接收器。光桥除包括光源和接收器之外,还包括两个在光程中设在光源之后的孔眼光阑。光源设在一个包括一个空气容器的室中,该室的表面远远大于光源的表面。温度飘移曲线通过对光源进行加热和通过确定报警器信号在不同的温度下被测定。
文档编号G08B29/00GK1248034SQ9911884
公开日2000年3月22日 申请日期1999年9月14日 优先权日1998年9月14日
发明者P·昆兹, K·米勒, D·维瑟尔, M·勒普菲 申请人:西门子建筑技术公司