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Title:
OPTOACOUSTIC MEASURING ARRANGEMENT AND USE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/031475
Kind Code:
A1
Abstract:
The measuring arrangement contains a measuring cell and a reference cell (9, 10) to which microphones (11 or 12) are allocated, an evaluating electronics unit (7, 8) being connected to said microphones. In said evaluating electronics unit, the signals of the microphones (11 or 12) are subtracted. The inventive arrangement also comprises a source of radiation (5) which acts on the measuring cell (9) in a modulated manner. The modulation frequency of the radiation source (5) corresponds to the resonance frequency of the measuring cell (9), and the measuring cell and reference cells (9 to 10) are open on at least one side in relation to the gas and/or aerosol to be detected. The measuring arrangement is used as a smoke detector, gas detector, fire risk detector or a combined smoke and gas detector. The measuring cell (9) is subjected to radiation of a wavelength at which a relevant substance to be detected is absorbed and an optoacoustic effect is produced as a result.

Inventors:
FORSTER MARTIN (CH)
NEBIKER PETER (CH)
Application Number:
PCT/CH2001/000588
Publication Date:
April 18, 2002
Filing Date:
October 01, 2001
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS BUILDING TECH AG (CH)
FORSTER MARTIN (CH)
NEBIKER PETER (CH)
International Classes:
G01N21/17; (IPC1-7): G01N21/17
Foreign References:
EP0855592A11998-07-29
US4688942A1987-08-25
US4594004A1986-06-10
US4817413A1989-04-04
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS BUILDING TECHNOLOGIES AG (Fire & Security Products Alte Landstrasse 411 Männedorf, CH)
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Claims:
Patentansprüche
1. Optoakustische Messanordnung für den Nachweis von Gasen und/oder Aerosolen, mit je einer Messund Referenzzelle (1,9,14 bzw. 2,10,15) und diesen zugeordneten Mikrofo nen (3,11 bzw. 4,12), an welche eine Auswerteelektronik (7,8) angeschlossen ist, in wel cher eine Subtraktion der Signale der Mikrofone (3,11 bzw. 4,12) erfolgt, und mit einer Strahlungsquelle (5,16) zur modulierten Beaufschlagung der Messzelle (1, 9, 14), wobei die Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle (5, 16) mit der Resonanzfrequenz der Messzelle (1, 9, 14) übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messund die Referenzzelle (1, 9, 14 bzw. 2, 10,15) gegenüber dem nachzuweisenden Gas und/oder Aerosol mindestens einseitig offen sind.
2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik einen Differenzverstärker (7) und einen phasenempfindlichen Gleichrichter (8) enthält.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welienlänge der von der Strahlungsquelle (5, 16) ausgesandten Strahlung so gewählt ist, dass sie von einem nachzuweisenden Gas absorbiert wird.
4. Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Strah lungsquelle (5,16) eine erste Fotozelle (6) zur Überwachung der Intensität der von der Strahlungsquelle (5,16) ausgesandten Strahlung angeordnet ist.
5. Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Messzelle (9, 14) eine zweite Fotozelle (13) angeordnet ist, welche bei Vorhandensein eines Aerosols von der durch dieses verursachten Streustrahlung der Strahlungsquelle (5, 16) beaufschlagt ist.
6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (9) mit zwei Strahlungsquellen (5,16) bestrahlt ist, welche mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben sind.
7. Messanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Strahlungsquelle (5) mit der Grundfrequenz und die andere mit dem ersten Oberton betrieben ist.
8. Messanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Paare von beidseitig offenen Messund Referenzzelien (9, 14 ; 10,15) vorgesehen sind, welche jeweils unterschiedliche Länge und somit unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, dass jedem Referenzund jedem Messzellenpaar (9, 14 bzw. 10, 15) je ein Mikrofon (11 bzw. 12) zugeordnet, und dass jede Messzelle (9,14) von einer Strahlungsquelle (5 bzw. 16) beauf schlagt ist.
9. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sen sor zur Messung der Umgebungstemperatur vorgesehen ist, und dass eine Einstellung der Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle (5,16) auf einen der gemessenen Umgebungs temperatur entsprechenden Frequenzbereich und eine zeitliche Veränderung der Modula tionsfrequenz innerhalb dieses Frequenzbereichs erfolgt.
10. Verwendung der Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Rauchmelder, da durch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Messzelle (1, 9,14) aufweist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher das nachzuweisende Aerosol absorbiert und dadurch ein optoakustischer Effekt erzeugt wird.
11. Verwendung der Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Brandgefahrenmel der, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Messzelle (1, 9, 14) aufweist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher eine nachzuwei sende brennbare oder explosive Substanz absorbiert und dadurch ein optoakustischer Effekt erzeugt wird.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nachzuweisende brenn bare oder explosive Substanz durch eine oder mehrere der folgenden Stoffe gebildet ist : Kohlenwasserstoffe, speziell CH4, C2H6, C3H8, C4H, o, C2H2, C2H4, sowie allgemein Lösungs mittel, Alkohole, Äther, Ketone, Aldehyde, Amine und Amide, insbesondere Methanol, Atha nol, nPropanol, Diäthyläther, Aceton, C, O und H enthaltende Verbindungen, Carbonsäu ren.
13. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Messzelle (1,9,14) aufweist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher eine nachzuweisende toxische Substanz absorbiert und dadurch ein opto akustischer Effekt erzeugt wird.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nachzuweisende toxische Substanz durch einen oder mehrere der folgenden Stoffe gebildet ist : C02, CO, NO, NO2, SO2, NH3, HCI, HF, HCN, H2S, Nitrile, Phosphorsäureester, Mercaptane, haloge nierte Verbindungen.
15. Verwendung der Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als kombinierter Rauchund Gasmelder, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Messzelle (9, 14) aufweist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher eine nachzuweisende brennbare oder explosive Substanz absorbiert und dadurch ein opto akustischer Effekt erzeugt wird, und dass neben der Messzelle (9, 14) eine Fotozelle (13) so angeordnet ist, dass sie von durch ein Aerosol verursachtem Streulicht der Strahlung beauf schlagt wird.
Description:
Optoakustische Messanordnung und deren Verwendung Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoakustische Messanordnung für den Nachweis von Gasen und/oder Aerosolen, mit je einer Mess-und Referenzzelle und diesen zugeordneten Mikrofonen, an welche eine Auswerteelektronik angeschlossen ist, in welcher eine Subtraktion der Signale der Mikrofone erfolgt, und mit einer Strahlungsquelle zur modulierten Beaufschla- gung der Messzelle, wobei die Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle mit der Resonanzfre- quenz der Messzelle übereinstimmt.

Beim optoakustischen oder fotoakustischen Effekt wird durch die Bestrahlung eines zu detektie- renden Gases durch moduliertes Licht eine akustische Druckwelle verursacht, deren Grosse in direktem Verhältnis zur Konzentration des betreffenden Gases steht. Die akustische Druckwelle entsteht deswegen, weil das Gas die Lichtstrahlung absorbiert und sich dadurch erwärmt. Da- raus resultiert eine thermische Ausdehnung und, entsprechend der Modulation der Lichtstrah- lung, eine periodische Druckschwankung. Die beiden Zellen werden in der Regel als Mess-und Referenzzelle bezeichnet, und die Messanordnung ist so ausgebildet, dass entweder die Zellen voneinander getrennt sind und die Strahlung beide Zellen durchsetzt (C. F. Dewey, Jr. : Opto- acoustic Spectroscopy and Detection, [Y. H. Pao, ed.], Academic Press, New York, 1977,47- 77) oder die Zellen miteinander verbunden sind und die Strahlung nur die Messzelle durch-setzt (G. Busse and D. Herboeck : Differential Helmholtz resonator as an opto-acoustic detector, Applied Optics, Vol 18, No. 23,3959).

Beim Nachweis von Aerosolen verhält es sich ähnlich, auch diese absorbieren die modulierte Strahlung, wodurch modulierte Wärme und von dieser modulierter Druck erzeugt wird. Bisher beschriebene optoakustische Sensoren für die Messung von Aerosolen sind meistens Mono- sensoren mit nur einer Messzelle. Wenn für die Aerosolmessung Sensoren mit zwei Zellen, so- genannte Dualsensoren mit einer Mess-und einer Referenzzelle vorgeschlagen werden, dann sind diese so aufgebaut, dass die Referenzzelle gegen Aerosol abgeschirmt ist. Letzteres wird dadurch erreicht, dass die Luft gefiltert wird, bevor sie in die Referenzzelle gelangt. Ausserdem wird auf die starke Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz hingewiesen, welche eine Korrektur der Signalgrösse erfordert.

Bei Anwendung des Dual-Prinzips liegt die Nachweisempfindlichkeit optoakustischer Sensoren für Gase oder Aerosole im Bereich derjenigen von optischen Rauchmeldern. Da die optoakusti- schen Signale durch Absorption und nicht durch Streuung erzeugt werden, könnten mit dem op- toakustischen Prinzip sowohl grosse und auch kleinste Aerosole bis unterhalb des Vt-Bereichs detektiert und helle und dunkle Raucharten könnten etwa gleich gut gemessen werden. Trotz- dem wird bisher das optoakustische Prinzip zur Rauchdetektion nicht verwendet, was haupt- schlich durch den für die Luftfilterung und die Korrektur der Signalgrösse erforderlichen zu- sätzlichen Aufwand bedingt ist.

Durch die Erfindung soll nun eine optoakustische Messanordnung der eingangs genannten Art angegeben werden, deren Kosten mit denjenigen eines Streulichtmelders konkurrenzfähig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Mess-und die Referenzzelle gegenüber dem nachzuweisenden Gas und/oder Aerosol mindestens einseitig offen sind.

Da bei der erfindungsgemässen optoakustischen Messanordnung beide Zellen gegenüber dem nachzuweisenden Gas und/oder Aerosol offen sind, ist eine Filterung des zu untersuchenden Gases/Aerosols nicht erforderlich. Das Sensorsignal ist im Normalfall gleich Null, und erst bei Anwesenheit von Aerosol oder eines brennbaren Gases, welches die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung absorbiert, wird in der Messzelle ein Signal erzeugt, welches zu seiner Verarbeitung nur eine relativ einfache Elektronik benötigt.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik einen Differenzverstärker und einen phasenemp- findlichen Gleichrichter enthält.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung so gewählt ist, dass sie von einem nachzuweisenden Gas absorbiert wird. Vorzugsweise ist im Bereich der Strahlungsquelle eine erste Fotozelle zur Überwachung der Intensität der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung angeordnet.

Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass neben der Messzelle eine zweite Fotozelle angeordnet ist, welche bei Vorhandensein eines Aerosols von der durch dieses verursachten Streustrahlung der Strah- lungsquelle beaufschlagt ist.

Eine auf diese Weise ausgebildete Messanordnung kann also sowohl ein Aerosol, also Rauch, als auch ein Gas nachweisen und ist damit hervorragend für die Verwendung als sogenannter Zweikriterienmelder für Rauch und Gas geeignet. Es verhält sich in der Praxis so, dass ein be- stimmtes Aerosol in einem bestimmten Wellenlängenbereich absorbiert, wobei die Art des Aero- sols vom Brandgut abhängt. Da aber der Rauch eines Feuers praktisch immer auch Mischun- gen von organischen Substanzen, wie beispielsweise Holz, enthält, welche im gesamten Infra- rotbereich stark und im Bereich des sichtbaren Lichts immer noch ausreichend absorbieren, ist die Wahl der Wellenlänge für einen optimalen Aerosolnachweis nicht kritisch.

Wenn nur Rauch nachgewiesen werden soll, ist die zweiteFotozelle nicht erforderlich, weil in diesem Fall eine Wellenlänge gewählt werden kann, bei der keine brennbaren Gase absorbie- ren. Beim Nachweis von Rauch und Gas ist die seitliche Fotozelle jedenfalls dann erforderlich, wenn ein Gas detektiert werden soll, dessen Absorptionsbereich bei demjenigen von Aerosol liegt.

Eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle mit zwei Strahlungsquellen bestrahlt ist, welche mit unter- schiedlichen Frequenzen betrieben sind. Diese Anordnung eignet sich zum Nachweis von Rauch und von zwei Gasen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Messanordnung ist da- durch gekennzeichnet, dass zwei Paare von beidseitig offenen Mess-und Referenzzellen vor- gesehen sind, welche jeweils unterschiedliche Länge und somit unterschiedliche Resonanzfre- quenzen aufweisen, dass jedem Referenz-und jedem Messzellenpaar je ein Mikrofon zugeord- net, und dass jede Messzelle von einer Strahlungsquelle beaufschlagt ist.

Die Messanordnung mit den zwei Paaren von Mess-und Referenzzellen eignet sich zum Nach- weis von Rauch und von zwei Gasen. Durch Hinzufügung eines weiteren Paares mit einer Mess-und einer Referenzzelle kann der Nachweisbereich der Messanordnung auf ein drittes Gas erweitert werden.

Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung der genannten Messanordnung als Rauchmelder.

Diese Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Messzelle auf- weist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher das nachzu- weisende Aerosol absorbiert und dadurch ein optoakustischer Effekt erzeugt wird.

Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung der genannten Messanordnung als Brandgefah- renmelder. Diese Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Messzelle aufweist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher eine nachzuweisende brennbare oder explosive Substanz absorbiert und dadurch ein optoaku- stischer Effekt erzeugt wird.

Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung der genannten Messanordnung als kombinierter Rauch-und Gasmelder. Diese Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messanord- nung eine Messzelle aufweist, welche von einer Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher eine nachzuweisende brennbare oder explosive Substanz absorbiert und dadurch ein optoakustischer Effekt erzeugt wird, und dass neben der Messzelle eine Fotozelle so ange- ordnet ist, dass sie von durch ein Aerosol verursachtem Streulicht der Strahlung beaufschlagt wird.

Die Erfindung betrifft weiter eine Verwendung der genannten Messanordnung als kombinierter Brand-und Brandgefahrenmelder. Diese Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung zwei Messzellen aufweist, von denen die eine mit Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher das nachzuweisende Aerosol und oder ein Brandgas absorbiert, und von denen die andere mit Strahlung einer Wellenlänge beaufschlagt ist, bei welcher eine nachzuweisende brennbare oder explosive Substanz absorbiert und dadurch ein optoakusti- scher Effekt erzeugt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen näher erläutert ; es zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines einseitig offenen, resonanten, optoakustischen Dualsensors für Rauch und Gas, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beidseitig offenen, resonanten, optoakustischen Dualsensors für Rauch und Gas ; und Fig. 3 eine Weiterbildung des Dualsensors von Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte optoakustische Messanordnung ist ein resonanter, einseitig offener Dualsensor mit einer rohrförmigen Messzelle 1 und einer rohrförmigen Referenzzelle 2, denen je ein Mikrofon 3 bzw. 4 zugeordnet ist. Ausserdem ist eine Strahlungsquelle 5, beispielsweise eine LED, vorgesehen, welche den Innenraum der Messzelle 1 mit Strahlung einer bestimmten Wellenlänge beaufschlagt. Neben der Strahlungsquelle 5 ist eine erste Fotozelle 6 zur Überwa- chung der Intensität der von der Strahlungsquelle 5 ausgesandten Strahlung angeordnet. Die Ausgänge der beiden Mikrofone 3 und 4 sind an einen Differenzverstärker 7 geführt, in wel- chem die Mikrofonsignale voneinander subtrahiert werden. Das Ausgangssignal des Differenz- verstärkers 7 ist an einen phasenempfindlichen Gleichrichter (lock-in) 8 geführt.

Einseitig offene Rohre der Länge I haben eine Resonanzfrequenz uk, die gegeben ist durch <BR> <BR> vk =cl (k=011, 2, 3,... ; c = Schallgeschwindigkeit in Luft)<BR> 4 cl Bei einer Länge I von 2 cm ergibt sich eine Resonanzfrequenz uo = 4.1 kHz ; bei einem beidsei- tig offenen Rohr ist diese Resonanzfrequenz doppelt so gross. Im Rohr treten also stehende Wellen auf, wobei beim einseitig offenen Rohr am geschlossenen Ende ein Druckbauch (= Be- wegungsknoten) und am offenen Ende ein Druckknoten (= Bewegungsbauch) auftritt. Beim beidseitig offenen Rohr befindet sich der Druckbauch in der Mitte des Rohres und je ein Bewe- gungsbauch an jedem offenen Ende.

Die Strahlungsquelle 5 strahlt moduliert in die Messzelle 1, wobei die Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle 5 mit der Resonanzfrequenz der Messzelle übereinstimmt. Wenn die Mess- zelle 1 ein Aerosol enthält, dann absorbiert dieses die modulierte Strahlung, wodurch modulier- te Wärme erzeugt wird. Die modulierte Wärme erzeugt modulierten Druck und dadurch Schall mit der Frequenz der Resonanzfrequenz der Messzelle 1, wodurch die Luftsäule in der Mess- zelle zu Schwingungen angeregt wird. Gleiches gilt bei Vorhandensein eines Gases in der Messzelle 1. Das Mikrofon 3, welches sich am Ort eines Druckbauches der stehenden Welle befindet, misst die Schwingungen (= Ton) im Rohr. Sobald das Mikrofon 3 einen Ton misst, welcher mit der Resonanzfrequenz der Messzelle 1 übereinstimmt, befindet sich in der Mess- zelle 1 ein Aerosol und/oder ein Gas.

Im Unterschied zu einem Streulicht-Rauchmelder spricht die dargestellte Messanordnung auf dunkle und helle Aerosole gleich gut an : Dunkle Aerosole ergeben ein grosses Signal, weil schon beim ersten Auftreffen der Strahlung der Strahlungsquelle 5 auf ein Teilchen viel Strah- lungsleistung absorbiert wird. Und helle Aerosole ergeben ebenfalls ein grosses Signal, da die Strahlung an den hellen Teilchen mehrfach reflektiert und in Summe ebenfalls stark absorbiert wird. Ausserdem spricht der optoakustische Sensor sowohl auf grosse Aerosole als auch auf sehr kleine unterhalb des p-Bereichs an, da die optoakustischen Signale durch Absorption und nicht durch Streuung erzeugt werden.

Das Mikrofon 3 misst nicht nur die Resonanzschwingungen in der Messzelle 1, sondern auch alle Geräusche im Raum, was zu Störungen führen kann. Diese Störungen werden durch die Referenzzelle 2 und das Mikrofon 4 eliminiert. Da die Referenzzelle 2 nicht mit der Strahlung einer Strahlungsquelle beaufschlagt ist, kann das Mikrofon 4 auch keine von einer Strahlungs- quelle hervorgerufenen Schwingungen messen, sondern misst ausschliesslich die Geräusche des Raumes. Die Signale des Referenzmikrofons 4 werden im Differenzverstärker 8 von den Signalen des Messmikrofons 3 subtrahiert, wodurch die Geräusche des Raumes eliminiert werden. Ebenfalls eliminiert werden Vibrationen, die auf beide Mikrofone gleich einwirken. Die beiden Zellen, Messzelle und Referenzzelle, können auch beidseitig offen sein.

Eine solche Anordnung mit einer beidseitig offenen Messzelle 9, einer beidseitig offenen Refe- renzzelle 10, einem Messmikrofon 11 und einem Referenzmikrofon 12 ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 ist ausserdem eine zweite Fotozelle 13 eingezeichnet, welche im Bereich zwischen der Strahlungsquelle 5 und der Messzelle 1 angeordnet ist. Die Lage der zweiten Fotozelle 13 ist so gewählt, dass bei Vorhandensein von Partikeln in dem Bereich zwischen Strahlungsquelle 5 und Messzelle 1 ein Teil des von diesen verursachten Streulichts der Strahlung der Strahlungs- quelle 5 auf die Fotozelle 13 fällt. Die zweite Fotozelle 13 ermöglicht eine Unterscheidung zwi- schen Aerosol und Gas. Wenn sowohl die Messzelle 1 als auch die zweite Fotozelle 13 ein Signal liefern, dann ist ein Aerosol vorhanden. Wenn nur die Messzelle 1 ein Signal liefert, dann ist entweder ein Gas oder ein sehr kleines und damit nicht streuendes Aerosol vorhanden.

Wenn auf die Unterdrückung von Geräuschen im Raum und von Vibrationen verzichtet werden kann, könnte grundsätzlich mit einer Messanordnung ohne Referenzzelle 2 und das dieser zu- geordnete Mikrofon 4 das Auslangen gefunden werden. Wenn man bei einer solchen Anord- nung die Wellenlänge der Strahlungsquelle 5 beispielsweise auf die CO2-Linie legt, dann wird die Messanordnung sehr empfindlich einerseits die Konzentration des Brandgases C02 und andererseits die Konzentration von Aerosol messen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Messanordnung kann als Gasmelder, als Rauch (Aerosol)- Melder, als kombinierter Gas-und Rauchmelder ausgelegt und sie kann in diesen verschiede- nen Ausbildungen als Brandmelder oder als Brandgefahrenmelder verwendet werden. Ein Brandmelder detektiert Rauch und/oder von Brandgase, oder allgemein, Stoffe, die einen Brand charakterisieren. Ein Brandgefahrenmelder detektiert einerseits einen schon existierenden Brand durch Nachweis eines Aerosols oder von in einem Brand entstehenden Substanzen, er weist andererseits in einem Brand entstehende toxische Substanzen nach, und er erkennt die Gefahr eines möglichen Brandes oder einer möglichen Explosion anhand der Detektion der Anwesenheit brennbarer Stoffe in der Luft.

Stoffe, welche einen Brand charakterisieren, sind insbesondere die folgenden : COz, CO, NO, NO21 SO21 NH3, HCI, HF, HCN, Amine und Amide, Kohlenwasserstoffe, C, O und H enthaltende Verbindungen ; Aerosole. Brennbare Substanzen sind allgemein Kohlenwasserstoffe, speziell CH4, C2H6, C3H8, C4H, C2H2, C2H4, sowie allgemein Lösungsmittel, Alkohole, Äther, Ketone, Aldehyde, Amine und Amide, insbesondere Methanol, Äthanol, n-Propanol, Diäthyläther, Ace- ton. Weitere brennbare Substanzen, die ein Brandgefahrenmelder nachweisen sollte, sind C, O und H enthaltende Verbindungen und Carbonsäuren. Toxische Stoffe sind C02, CO, NO, NO SOz, NH3, HCI, HF, HCN, H2S, Nitrile, Phosphorsäureester, Mercaptane, halogenierte Verbin- dungen.

Da die Schallgeschwindigkeit in der Luft temperaturabhängig ist und sich im Temperaturbereich eines Brandmelders von-20°C bis +70°C um bis zu 30% ändern kann, kann sich auch die Re- sonanzfrequenz entsprechend ändern. Ebenso beeinflusst auch Wasserdampf die Schallge- schwindigkeit und damit die Resonanzfrequenz. Zur Ausschaltung dieser Einflüsse kann man mit einer Temperaturmessung den ungefähren Bereich der Resonanzfrequenz und die zusätz- lich mögliche Ausweitung des Frequenzbereichs durch variierenden Gehalt an Wasserdampf in der Luft berechnen und die Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle in diesem Bereich zeit- lich verändern (wobbeln).

Eine weitere Störmöglichkeit besteht durch Frequenzen im Raum, welche mit der Resonanzfre- quenz übereinstimmen. Solche Frequenzen regen beide Zellen zum Schwingen an, können aber durch die Differenzschaltung nicht vollständig zu Null subtrahiert werden, weil sie wegen des Abstands vom Zentrum der Messzelle 1, 9 zum Zentrum der Referenzzelle 2, 10 mit einer zeitlichen Verschiebung auf die Zellen auftreffen und diese zu leicht phasenverschobenen Schwingungen anregen. Diese Phasenverschiebung kann durch eine möglichst tiefe Resonanz- frequenz minimiert werden, weil dann die störenden Ton-Frequenzen eine grosse akustische Wellenlänge haben und die Phasenverschiebung klein wird. Oder man kann das Signal der Referenzzelle 2, 10 separat messen und beim Auftreffen eines Signals in der Referenzzelle, welches ja nur von aussen erzeugt sein kann, die Alarmschwelle der Messanordnung erhöhen.

Weitere potenzielle Störgrössen sind unterschiedliche Längen der Zellen. Diese Störgrössen kann man dadurch ausschalten, dass man die Resonanzfrequenz einer der beiden Zellen misst und die Länge der anderen Zelle entsprechend mechanisch verändert. Man kann auch die Re- sonanzfrequenz der Referenzzelle messen und die Strahlungsquelle 5 so platzieren, dass ihre Position die Resonanzfrequenz der Messzelle beeinflusst und mit der Referenzzelle in Überein- stimmung bringt.

Als weitere Kontrolle empfiehlt sich die Überwachung der Mikrofonempfindlichkeit anhand der von der Strahlungsquelle in der Wand der Messzelle 1, 9 erzeugten Nullpunktsignale, die unter allen Umweltbedingungen auftreten.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung zur Messung/Detektion von Rauch und eines Gases kann durch ein zusätzliches Zellenpaar für die Messung/Detektion eines weiteren Gases erweitert werden. Gemäss Fig. 3 ist eine zusätzliche Messzelle 14, eine zusätzliche Referenz- zelle 15 und eine zusätzliche Strahlungsquelle 16 vorgesehen, wobei beispielsweise die Mess- zelle 9 Aerosol und ein erstes Gas misst und die Messzelle 14 ein zweites Gas. Die beiden Messzellen 9 und 14 und entsprechend auch die beiden Referenzzellen 10 und 15 haben unter- schiedliche Längen und damit auch verschiedene Resonanzfrequenzen und die beiden Mess- zellen werden von den Strahlungsquellen 5 bzw. 16 mit Strahlung unterschiedlicher Wellenlän- gen beaufschlagt. Die beiden unterschiedlichen Resonanzfrequenzen können mit nur einem Messmikrofon 11 gemessen werden. Ebenso ist nur ein Referenzmikrofon 12 und nur eine einzige Fotozelle 6 für die Überwachung der Emission der beiden Strahlungsquellen 5 und 16 erforderlich.

Die Mess-und Referenzzellen können beispielsweise folgende Abmessungen haben : Messzelle 9, Referenzzelle 10 : Länge je 2 cm, Resonanzfrequenz je 8.2 kHz Messzelle 14, Referenzzelle 15 : Länge je 2.2 cm, Resonanzfrequenz je 7.6 kHz.

Die Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle 5 beträgt entsprechend 8.2 kHz und diejenige der Strahlungsquelle 16 beträgt 7.6 kHz. Als Strahlungsquellen werden LEDs verwendet.

Der Zusatzaufwand für die Detektion eines zweiten Gases beträgt also nur die Kosten für das zweite Zellenpaar und für die zweite Strahlungsquelle. Es ist leicht einzusehen, dass ein Aus- bau für die Detektion eines dritten Gases nur ein weiteres Zellenpaar und eine weitere Strah- lungsquelle erfordert.

An Stelle von zwei verschieden langen Paaren von Mess-und Referenzzellen (9, 10 ; 14, 15), welche mit zwei Strahlungsquellen 5 und 16 gleichzeitig bestrahlt werden, kann man bei der Anordnung von Fig. 2 die Messzelle 9 des einen Zellenpaares mit zwei Strahlungsquellen 5 und 16 gleichzeitig bestrahlen und diese mit verschiedenen Frequenzen betreiben. Beispielsweise die Strahlungsquelle 5 mit der Grundfrequenz und die Strahlungsquelle 16 mit dem ersten Oberton. Man benötigt dadurch verglichen mit der Anordnung von Fig. 3 nur die halbe Anzahl an Zellen und Mikrofonen und spart entsprechend Kosten.

Neben den resonanten ein-oder beidseitig offenen optoakustischen Dualsensoren sind auch nichtresonante, geschlossene Dualsensoren bekannt (siehe beispielsweise EP-A-0 855 592), welche ebenfalls so ausgebildet werden können, dass mit ihnen der Nachweis von Aerosolen und Gasen möglich wird. Wie der EP-A-0 855 592 zu entnehmen ist, enthalten diese optoaku- stischen Dualsensoren eine Mess-und eine Referenzzelle, die durch je eine Membran gegen- über der Umweit abgeschlossen sind, und eine Strahlungsquelle. Durch die Membran kann Gas in die Zellen eindringen. Es ist ein Mess-und ein Referenzmikrofon vorgesehen, wobei das Re- ferenzmikrofon gegenüber optoakustischen Signalen des nachzuweisenden Gases/Aerosols abgeschirmt ist. Damit auch Aerosolteilchen in die Zellen eindringen können, ist die Porenweite der Membranen entsprechend vergrössert.

Dadurch werden aber die Membranen für Frequenzen unterhalb von 500 Hz akustisch weich, es ist kein Druckaufbau in der Zelle mehr möglich und die Empfindlichkeit sinkt stark. Durch Erhöhung der Modulationsfrequenz auf einige Kilohertz werden die Membranen wieder aku- stisch hart und die Empfindlichkeit sinkt nicht mehr ab. Eine eventuelle Verstopfung der Mem- branen kann man dadurch überwachen, dass man das Referenzsignal separat misst, was einen Grundpegel an Rauschen ergibt, und die Empfindlichkeit anhand dieses Grundpegels nach- führt. Wenn man die Wellenlänge der Strahlungsquelle beispielsweise auf die CO2-Linie legt, dann wird die Messanordnung sehr empfindlich die Konzentration des Brandgases CO2 mes- sen. Andererseits wird aber auch die Konzentration von Aerosol sehr empfindlich gemessen, weil Cellulose und angekohite Celluloseteilchen im gesamten Infrarot intensiv absorbieren. Das Volumen pro Zelle beträgt etwa 2 mal 2 mal 2 cm3.