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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Eine
frühe Erfassung
und Kontrolle unerwünschter
Brände
ist und war jahrzehntelang eine nationale Priorität. Während vor
der Entwicklung von Raucherfassungsvorrichtungen (Ionisierungs-
und fotoelektrische Raucherfassungsvorrichtungen) spezialisierte
Erfassungsvorrichtungen verfügbar
waren, hatten die relativ kostengünstigen und empfindlichen Raucherfassungsvorrichtungen
einen großen
Einfluss auf die Verringerung des Verlusts von Leben und Eigentum
aufgrund von Bränden.
Diese Technologien sind jetzt sehr ausgereift und äußerst kostengünstig. Bei
den bestehenden Raucherfassungsvorrichtungen wurden mehrere Probleme
festgestellt. Anfänglich
wurde angenommen, dass batteriebetriebene Einheiten vorzuziehen
seien, so dass die Erfassungsvorrichtungen sogar dann funktionieren,
wenn der Brand das elektrische System des Hauses beeinträchtigt hat.
Jedoch hat die Erfahrung gezeigt, dass ein großer Anteil der batteriebetriebenen
Einheiten nicht betriebsbereit ist, da die Batterien nicht ersetzt
werden. Dieses Problem ist weit ernsthafter als das Problem, das
die Batterien lösen
sollten. Darüber
hinaus war die Rate falscher Alarmmeldungen bei Raucherfassungsvorrichtungen
sehr hoch. Typische Verhältnisse
von falschen zu echten Feueralarmmeldungen liegen in der Größenordnung
von 10:1. Breen („False
Fire Alarms in College Dormitories – The Problem Revisited", SFPE Technology
Report 85-3, Society of Fire Protection Engineers, Boston, MA, 1985)
hat Verhältnisse
von falschen zu echten Alarmmeldungen von mehr als 50:1 für College-Schlafräume berichtet.
Auf die Nichtbeachtung der Bewohner, die Batterien in Raucherfassungsvorrichtungen
zu ersetzen, wird durch öffentliche
Erziehung und die Rückkehr
zu fest verdrahteten Erfassungsvorrichtungen eingegangen. Auf die
Probleme falscher Alarmmeldungen werden ebenfalls durch eine allgemeine
Verringerung der Empfindlichkeitseinstellungen der Erfassungsvorrichtungen
eingegangen. Während
dieser Kompromiss aufgrund des entscheidenden Faktors der Alarmglaubwürdigkeit
vorteilhaft erscheint, lag eine deutliche Verringerung des gebotenen
Schutzniveaus vor.
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Aus
Gründen
der Verständlichkeit
werden die folgenden Definitionen gegeben, um ein korrektes Verständnis des
Themas dieses Dokuments zu unterstützen: „Rauch" wird als kondensierte Phasenkomponente von
Verbrennungsprodukten eines Brandes definiert. „Feuersignatur" wird als jedes Brandprodukt
definiert, das eine Veränderung
in der Umgebung erzeugt. „Feuerprodukt" kann Rauch, eine
andere Energieform, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung,
geleitete Wärme,
konvektierte Wärme
oder akustische Energie, oder jedes individuelle Gas, wie beispielsweise
CO, CO2, NO usw. sein, die von einem Feuer
erzeugt werden können. „Mehrfachsignatur-Feuererfassung" ist die Messung
von zwei oder mehr Feuersignaturen, um das Vorhandensein eines Brandes
zu ermitteln.
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Beschreibung der verwandten
Technik:
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Der
gegenwärtige
Stand der Technik bei der Branderfassung wird am besten von einem
jüngst
erschienenen Bericht von Grosshandler („An Assessment of Technologies
for Advanced Fire Detection",
vorgestellt auf der jährlichen
ASME-Winter-Konferenz,
Symposium on Heat Transfer in Fire and Combustion Systems, 9.–13. November
1992), von den Verfahren der 9. International Conference on Automatic
Fire Detection sowie von den Verfahren des ersten (1988), zweiten
(1989) und dritten (1991) Symposium on Fire Safety Science zusammengefasst.
Die Forschung bei der Branderfassung kann logisch in drei verschiedene
Forschungsbereiche unterteilt werden: neuartige Erfassungsvorrichtungen,
verbesserte Signalverarbeitung und Bewertung der Reaktion von Erfassungsvorrichtungen
auf Brandumgebungen und Umgebungen ohne Brände.
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Grosshandler
stellt einen sehr gründlichen
Bericht neuartiger oder innovativer Sensortechnologien vor. Diese
umfassen Partikel-, chemische, optische und akustische Sensoren.
Der Bericht umfasst viele Technologien, die aktiv verfolgt wurden,
sowie andere mit einer potenziellen Anwendung, die nicht spezifisch
für die Branderfassung
untersucht worden sind.
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Signalverarbeitungsverfahren
wurde in dieser Zeit der Mikroprozessoren große Aufmerksamkeit gewidmet.
Kostengünstige
Berechnungsleistung und digitale Elektronik haben anspruchsvolle
Erfassungsalgorithmen in handelsüblichen
Systemen sehr realisierbar gemacht. Es ist interessant, dass die
untersuchten Algorithmen größtenteils
generische Verarbeitungsalgorithmen anstelle von Verfahren sind,
die spezifisch mit der Kenntnis der Branddynamik, Raucherzeugung
und anderen Prozessen, die an der Erzeugung von Feuersignaturen
beteiligt sind, verknüpft
sind. Eine beachtenswerte Ausnahme ist das Verfahren von Ishii et
al. („An Algorithm
for Improving the Reliability of Detection with Processing of Multiple
Sensors' Signal", Fire Safety Journal,
17, 1991, Seite 469–484),
bei dem ein einfaches Zonenbrandmodell verwendet wird, um die Quellenerzeugungsraten
abzuleiten, die als Daten in einem Querkorrelationsalgorithmus verwendet
werden. Während dieses
Verfahren interessant ist, bedeutet jedoch die Tatsache, dass es
auf Zonenmodellierung beruht, dass es für die frühesten Phasen des Brandes nicht
gut geeignet ist, bei denen das Zonenmodell noch nicht gültig ist
und eine Erfassung erwünscht
ist. Jedoch stellt es eine Richtung dar, die erforscht werden muss.
Günstigerweise
gibt es viele Möglichkeiten,
die erforscht werden können
und den Zonenmodellformalismus nicht umfassen.
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Die
Bewertung von Feuersignaturen und Signaturen, die nicht von einem
Feuer stammen, sowie die Reaktion von Erfassungsvorrichtungen auf
diese Signaturen ist ein Forschungsgebiet, das für die Entwicklung und Bewertung
neuartiger Sensoren, die Optimierung bestehender Sensoren und die
Entwicklung von Erfassungsalgorithmen absolut entscheidend ist.
Während
viele Standardtests verfügbar
sind und Forscher routinemäßig Testquellen
verwenden, wurde der Frage nach den Arten von Quellen, die erforscht
werden müssen und
wie die Quellen am besten an die Laborforschung und -tests angepasst
werden können,
nicht genügend Aufmerksamkeit
gewidmet. Es werden umfassende Quellentypen benötigt, um die erforderliche
Leistung der Erfassungsvorrichtungen sowohl bezüglich echtem Feueralarm als
auch bezüglich
Störalarm
sicherzustellen. Die Definition der Störalarmquellen, die falsche
Alarmszenarien simulieren, bedarf besonders einer gründlicheren
Untersuchung. Der Gesamterfolg bei der Verbesserung der Leistung
der Erfassungsvorrichtungen ist solange beschränkt, bis die Charakterisierung
von echten Feueralarmquellen und Störalarmquellen umfassender behandelt
wird. Ein wichtiges Ergebnis ist der deutliche Hinweis darauf, dass
die Testergebnisse bei Einfassungen gemäßigter Größe hervorragende Einsicht bieten
können,
jedoch muss auch auf die Skalierung der Feuerquellen geachtet werden.
Die Arbeiten von Heskestad und Newman („Fire Detection Using Cross-Correlations
of Sensor Signals",
Fire Safety Journal, 18(4), 1992) sind ein gutes Beispiel hierfür.
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Die
meisten falschen Alarmzustände,
die nicht mit Geräteproblemen
im Zusammenhang stehen, sind das Ergebnis von feuerunabhängigen Aerosolen.
Kochaerosole, Staub, Tabak, Abgaben aus Aerosolsprühdosen und
Autoabgase sind Beispiele für
Aerosolquellen, die falschen Alarm auslösen. Kochaerosole und Dampf (z.B.
aus einer Dusche) sind die häufigsten
Quellen für
falschen Alarm. Von diesen Beispielen wird nur bei Tabakrauch und
Autoabgasen davon ausgegangen, dass sie Kohlenmonoxid enthalten.
Dies macht Kohlenmonoxid zu einer attraktiven Feuersignatur für Erfassungszwecke.
Die Tatsache, dass Kohlenmonoxid die Ursache in einer Vielzahl von
Brandtodesfällen
ist, macht es noch wünschenswerter,
CO als Feuersignatur zu verwenden. Aufgrund der toxischen Eigenschaften
von CO könnte
argumentiert werden, dass falsche Alarmmeldungen aufgrund des tatsächlichen
Vorhandenseins von CO in Situationen, in denen kein Brand vorliegt,
absolut keine falschen Alarmmeldungen sind. Stattdessen sind derartige
Alarmmeldungen für
die allgemeine Sicherheit der Personen in dem Gebäude wünschenswert.
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Basierend
auf diesen Faktoren war die Bewertung der Realisierbarkeit einer
Kombination aus Raucherfassungsvorrichtung und CO-Erfassungsvorrichtung
ein Hauptfokus der vorliegenden Erfindung. Es gibt eine weite Bandbreite
potenzieller Verfahren zur Erfassung von CO. Diese reichen von elektrochemischen Sensoren über die
IR-Absorption (Infrarot-Absorption) und Sensoren für oxidierbare
Gase (Zinnoxid) bis hin zu Gelzellen.
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Von
diesen Verfahren weisen die Sensoren für oxidierbare Gase die geringste
Unterscheidungsfähigkeit
auf. Sämtliche
oxidierbaren Sorten, einschließlich
Kohlenwasserstoffe, werden erfasst. Die erste Generation von Sensoren
für oxidierbare
Gase wurde zu Beginn der 1970er Jahre entwickelt und bei 300 – 400° C betrieben.
Studien bei NIST von Bukowski und Bright („Some Problems Noted in the
Use of Taguchi Semiconductor Gas Sensors as Residential Fire/Smoke
Detectors", NBSIR
74-591, National Bureau of Standards, Gaithersburg, MD, Dezember
1974) zeigten die Probleme im Zusammenhang mit falschen Alarmmeldungen bei
diesen Erfassungsvorrichtungen und wiesen auf eine relativ schlechte
Leistung als Feuererfassungsvorrichtung hin. Die NIST-Forscher stellten
fest, dass der Sensor für
oxidierbare Gase stark zu falschen Alarmmeldungen aufgrund von Haarsprays,
Deodorants, Reinigungsalkohol, Zigaretten und Kochaerosolen neigte. Diese
falschen Alarmsignaturen umfassen viele, unter denen herkömmliche
Raucherfassungsvorrichtungen leiden. Daher steuert der Sensor für oxidierbare
Gase wenig zur Ergänzung
herkömmlicher
Erfassungsvorrichtungen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit
gegen falsche Alarmmeldungen bei. Es ist beachtenswert, dass keine
dieser Signaturen CO umfasst. Dies weist darauf hin, dass ein Sensor,
der CO selektiv misst, im Zusammenhang mit herkömmlichen Raucherfassungsvorrichtungen
weit nützlicher
wäre als
Erfassungsvorrichtungen für
oxidierbare Gase. Es ist von Interesse, anzumerken, dass in einer
kürzlich
verfassten Arbeit von Harwood et al. („The Use of Low Power Carbon
Monoxide Sensors to Provide Early Warning of Fire", Fire Safety Journal,
17, 1991, Seite 431–443)
exakt derselbe Sensortyp für
oxidierbare Gase bewertet wurde, wobei festgestellt wurde, dass
dieser herkömmlichen
Erfassungsvorrichtungen hinsichtlich seiner Fähigkeit, Testbrände vom
Typ BS 5445 zu erfassen, überlegen
war. Dieselben Forscher stellten fest, dass die Erfassungsvorrichtung
für oxidierbare
Gase widerstandsfähig
gegen falsche Alarmmeldungen ist. Es ist interessant, dass sie keine
Sprühdosenaerosole
oder Kochaerosole bei ihren Tests verwendeten. Diese jüngsten Entdeckungen
dienen der Hervorhebung der Bedeutung der Verwendung realistischer
Quellen für
die Bewertung der Leistung der Erfassungsvorrichtung und der Widerstandsfähigkeit
gegen falsche Alarmmeldungen.
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Harwood
et al. entwickelten die Erfassungsvorrichtungen für oxidierbare
Gase weiter, indem sie Pt hinzufügten,
um einen Betrieb bei Umgebungstemperatur zu ermöglichen und so den Stromverbrauch
zu senken. Diese Verbesserung hat zwei Nachteile, die schwerwiegender
als der Stromverbrauch sind. Erstens neigte die hohe Betriebstemperatur
dazu, eine Verschmutzung der Erfassungsvorrichtung durch Feuchtigkeit
und brennbare Gase zu minimieren, die bei Zimmertemperatur ein Problem
darstellen kann. Dies kann zu Problemen durch falsche Alarmmeldungen
führen.
Zweitens verbesserte der beheizte Sensor die Raucheingangseigenschaften
des Gehäuses
der Erfassungsvorrichtung aufgrund eines Kamineffekts merklich.
Diese gehen beim Betrieb bei Zimmertemperatur verloren. Okayama
(„Approach
to Detection of Fires in Their Very Early Stage by Odor Sensors
and Neural Net",
Fire Safety Science-Proceedings of the Third International Symposium,
Elsevier Scient Publishers, Ltd., 1991, Seite 955–964) beschrieb
eine Arbeit, die zwei verschiedene Zinnoxiderfassungsvorrichtungen
unterschiedlicher Dicke verwendete, um schwelende Quellen zu erfassen,
während nicht-schwelende
flüchtige
Materialien nicht erfasst wurden. Diese Unterscheidung war erfolgreich
und findet möglicherweise
eine allgemeinere Anwendung, obwohl die von Okayama getesteten Störalarmquellen
keine Quellen für
normalen falschen Alarm darstellten.
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Elektrochemische
Sensoren und IR-Absorptionsinstrumente für CO existieren derzeit. Elektrochemische
Sensoren finden bei industriellen Hygieneanwendungen weite Verwendung
und die Verwendung von IR-Absorption ist in Feuer- und Verbrennungsbereichen
weit verbreitet. Die elektrochemischen Sensoren sind preislich angemessen
(einige hundert Dollar), erfordern jedoch, dass die Zelle regelmäßig ersetzt
wird. Daher haben sie einige derselben Wartungsprobleme wie bestehende
batteriebetriebene Erfassungsvorrichtungen. Es hat sich gezeigt,
dass das IR-Absorptionsverfahren zur Messung von CO-ppm-Pegeln in
der Umgebungsluft realisierbar ist. Der Haupthinderungsgrund für diese
Verfahren besteht in den Kosten der erforderlichen Instrumentierung.
Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass jüngste technische Entwicklungen
und die Wirtschaftlichkeit der Massenproduktion die Kostenprobleme
lösen können.
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Das
U.S.-Patent-Nr. 4,639,598 (Kern) lehrt einen Feuersensor-Querkorrelationsschaltkreis
und ein Feuersensor-Querkorrelationsverfahren. Kern arbeitet an
einem optischen Flammfeuersensorsystem, das die Korrelation von
zwei Strahlungssensoren in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen
des EM-Spektrums nutzt. Dieses Patent nutzt die Tatsache, dass die
Strahlung von flammenden Bränden
abhängig
von der Größe des Brandes
eine Primärfrequenz
im Bereich von 0,2 bis 5 Hz aufweist. Diese Eigenschaft von flammenden Bränden wurde
in der Brände
behandelnden Literatur gründlich
untersucht und dokumentiert. Durch die Verwendung einer Querkorrelation
der beiden Bereiche des EM-Spektrums, von denen bekannt ist, dass
Brände darin
eine Strahlung aussenden, werden Quellen für falsche Alarmmeldungen, bei
deren Strahlungsabgabe entweder ein Spektralbereich fehlt oder die
keine starken Frequenzkomponenten im Frequenzbereich von 0,2 bis
5 Hz aufweisen, ausgeschlossen. Dadurch wird eine Unterscheidung
zwischen Strahlungsquellen von flammenden Bränden und Strahlungsquellen,
die kein Brand sind, bereitgestellt. Bei diesen optischen Flammfeuererfassungssystemen,
wie bei allen Feuererfassungssystemen, ist die Empfindlichkeit für Feuer
nicht der beschränkende
Gesichtspunkt der Nützlichkeit
des Erfassungssystems. Vielmehr stellt die Fähigkeit, eine Brandquelle von
einer Quelle, die nicht von einem Brand stammt, zu unterscheiden,
die Beschränkung
dieser Systeme dar. Kern behandelt die verschiedenen Gesichtspunkte
einer Strahlungsabgabe mit einer einzelnen Feuersignatur eines flammenden
Brandes. Die vorliegende Erfindung, die mehrere Feuersignaturen
verwendet, findet sowohl bei flammenden als auch bei schwelenden
Bränden
Anwendung, während
Kerns Verfahren bei schwelenden Bränden keine Rolle spielen.
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US 4640628 offenbart einen
Kompositfeuersensor. Wie in
1 gezeigt,
verwendet
US 4640628 ein erstes
Sensorelement
20 und ein zweites Sensorelement
21,
deren Ausgaben einem Vergleicher
22 zugeführt werden,
wobei eine Ausgabe des Vergleichers den Verzögerungsschaltkreisen
23 und
24 zugeführt wird.
Die Verzögerungsschaltkreise
sind bereitgestellt, um falsche Alarmmeldungen zu vermeiden, die
mit Stromunterbrechungen und Gasen im Zusammenhang stehen können, die
von Quellen, die kein Feuer sind, wie beispielsweise Kochen oder
Aerosolsprühdosen
erzeugt werden können.
Die Ausgabe der Verzögerungsschaltkreise wird
einem Ausgabeschaltkreis
25 zugeführt, der einen Summer oder
einen Alarm antreibt. Die Verwendung dieses Verzögerungsschaltkreises, wie er
von
US 4640628 gelehrt
wird, um vorübergehende
Signale zu vermeiden, verursacht ebenfalls eine Verzögerung bei
der Ausgabe eines Alarms im Fall eines wirklichen Brandes.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist daher eine Mehrfachsignatur-Feuererfassungssystem,
bei dem zwei Sensoren oder Erfassungsvorrichtungen, die Feuersignaturen
erfassen, verwendet werden und deren Ausgaben kombiniert werden,
um die Feuererfassungsleistung zu verbessern. Die Verwendung von
zwei Erfassungsvorrichtungen gemäß der beanspruchten
Erfindung kann Brände
schneller und zuverlässiger
erfassen als eine der Erfassungsvorrichtungen es allein könnte.
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Darüber hinaus
ergibt die Erfindung eine Feuererfassungsvorrichtung, die gegen
falsche Alarmmeldungen widerstandsfähiger ist, wodurch ein bedeutendes
Problem mit gegenwärtigen
Erfassungsvorrichtungen angegangen wird.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrfachsignatur-Feuererfassungsvorrichtung
bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
ein erstes Erfassungsmittel
zur Erfassung einer ersten Art von Feuersignatur, wobei das erste
Erfassungsmittel so angeordnet ist, dass es ein erstes Signal (A)
ausgibt, das eine erste erfasste Feuersignatur anzeigt;
ein
zweites Erfassungsmittel zur Erfassung einer zweiten Art von Feuersignatur,
wobei das zweite Erfassungsmittel so angeordnet ist, dass es ein
zweites Signal (B) ausgibt, das eine zweite erfasste Feuersignatur
anzeigt;
ein Signalverarbeitungsmittel zum Empfang der Ausgaben
des ersten und zweiten Erfassungsmittels, um das erste und das zweite
Signal zu multiplizieren, um ein Produkt zu bilden und daraufhin
entweder das erste oder das zweite Signal zu dem Produkt zu addieren,
um ein kombiniertes Ergebnis zu bilden und ein Feuerzustandsignal
auszugeben, wenn das kombinierte Ergebnis einen ersten vorherbestimmten
Bezugswert (D) überschreitet.
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Das
Signalverarbeitungsmittel kann ein Mittel zum Vergleichen von Folgendem
umfassen: ob das kombinierte Ergebnis unterhalb des ersten vorherbestimmten
Wertes liegt, das erste Signal mit einem zweiten (E) vorherbestimmten
Bezugswert und das zweite Signal mit einem dritten (F) vorherbestimmten
Bezugswert, wobei das Signalverarbeitungsmittel einen Feuerzustand
anzeigt, wenn das erste Signal den zweiten vorherbestimmten Bezugswert überschreitet
oder das zweite Signal den dritten vorherbestimmten Bezugswert überschreitet.
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Das
erste und zweite Erfassungsmittel können Kombinationen aus Partikeln,
Gasen, Temperatur, Partikelgrößenverteilungen
usw. erfassen. Die spezifischen erfassten Partikel und Gase können Rauch,
Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Chlorwasserstoffsäure, oxidierbares Gas, Stickstoffoxide
usw. umfassen.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Erfassung von Feuer geschaffen, das folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen
eines ersten Erfassungsmittels zur Erfassung einer ersten Feuersignatur,
wobei das erste Erfassungsmittel ein erstes Signal (A) ausgibt,
das die erste Feuersignatur anzeigt;
Bereitstellen eines zweiten
Erfassungsmittels zur Erfassung einer zweiten Feuersignatur, die
sich von der ersten Feuersignatur unterscheidet, wobei das zweite
Erfassungsmittel ein zweites Signal (B) ausgibt, das die zweite
Feuersignatur anzeigt;
Erfassen der ersten Feuersignatur mit
dem ersten Erfassungsmittel und Erzeugen des ersten Signals, das
die erste Feuersignatur anzeigt;
Erfassen der zweiten Feuersignatur
mit dem zweiten Erfassungsmittel, wobei das zweite Erfassungsmittel
das zweite Signal ausgibt, das die zweite Feuersignatur anzeigt;
Multiplizieren
des ersten und des zweiten Signals, wodurch ein Produkt erhalten
wird;
Addieren des Produkts zu entweder dem ersten oder dem
zweiten Signal, wodurch ein kombiniertes Ergebnis erhalten wird;
Vergleichen
des kombinierten Ergebnisses mit einem ersten vorherbestimmten Bezugswert
(D);
Anzeigen eines Feuerzustands, wenn das kombinierte Ergebnis
den ersten vorherbestimmten Bezugswert überschreitet.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrfachsignatur-Feuererfassungsvorrichtung
geschaffen, die Folgendes umfasst:
ein erstes Erfassungsmittel
zur Erfassung einer ersten Art von Feuersignatur, wobei das erste
Erfassungsmittel so angeordnet ist, dass es ein erstes Signal (A)
ausgibt, das eine erste erfasste Feuersignatur anzeigt;
ein
zweites Erfassungsmittel zur Erfassung einer zweiten Art von Feuersignatur,
wobei das zweite Erfassungsmittel so angeordnet ist, dass es ein
zweites Signal (B) ausgibt, das eine zweite erfasste Feuersignatur
anzeigt;
ein erstes Mittel zum Vergleich der Veränderungsrate,
das mit dem ersten Erfassungsmittel verbunden ist, wobei das erste
Mittel zum Vergleich der Veränderungsrate
zum Vergleich einer Veränderungsrate
des ersten Signals mit einer ersten Schwellenveränderungsrate (A*) bestimmt
ist;
ein zweites Mittel zum Vergleich der Veränderungsrate,
das mit dem zweiten Erfassungsmittel verbunden ist, wobei das zweite
Mittel zum Vergleich der Veränderungsrate
zum Vergleich einer Veränderungsrate
des zweiten Signals mit einer zweiten Schwellenveränderungsrate
(B*) bestimmt ist;
ein Signalverarbeitungsmittel, das mit Ausgängen des
ersten und zweiten Erfassungsmittels verbunden und so angeordnet
ist, dass es die Ausgaben des ersten und des zweiten Erfassungsmittels
entweder als Summe oder als Produkt kombiniert, wobei das Signalverarbeitungsmittel
des Weiteren so angeordnet ist, dass es ein Feuerzustandssignal
ausgibt, wenn entweder (i) die Kombination aus dem ersten und dem
zweiten Signal einen ersten vorherbestimmten Bezugswert (D) überschreitet;
oder
(ii) die Veränderungsrate
des ersten Signals oder des zweiten Signals jeweils die entsprechende
erste und zweite Schwellenveränderungsrate überschreitet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben genannten und andere Aufgaben und die daraus folgenden Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende
ausführliche
Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen leichter ersichtlich,
wobei
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1 schematisch
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2 eine
Testumgebung veranschaulicht, in der eine Ausführungsform der Erfindung angeordnet
ist;
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3 eine
alternative Ansicht der Testumgebung veranschaulicht;
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4 eine
Ausführungsform
des Signalverarbeitungsmittels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5 eine
alternative Ausführungsform
des Signalverarbeitungsmittels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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6 eine
alternative Ausführungsform
des Signalverarbeitungsmittels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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7 eine
alternative Ausführungsform
des Signalverarbeitungsmittels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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8 eine
Veränderung
der CO-Konzentration in Bezug auf die Umgebungsbedingungen für eine Anzahl
von Heptantests veranschaulicht;
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9 Rauch
gemäß der Messung
mit einer Ionisierungserfassungsvorrichtung veranschaulicht;
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10 Rauch
gemäß der Messung
mit der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung veranschaulicht;
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11 Ergebnisse
für die
CO-Bildung und Raucherzeugung für
eine Feuergefahrenquelle veranschaulicht;
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12 Ergebnisse
für die
CO-Bildung und Raucherzeugung für
eine Quelle, die keine Feuergefahr darstellt, veranschaulicht;
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13 eine
Zunahme der CO-Konzentration und eine gemessene Raucherzeugung im
Verhältnis
zur Zeit für
schwelendes PVC-isoliertes Kabel veranschaulicht;
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14 eine
Aufzeichnung des Rauchs im Verhältnis
zur CO-Konzentration für
eine Vielzahl von Erfassungsalgorithmusstrategien veranschaulicht,
die darauf veranschaulicht sind;
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15 eine
Alarmkurve veranschaulicht, die durch Kombination von Kurve 2 und 3 aus 14 erzeugt
wird;
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16 und 17 verbesserte
Reaktionszeiten für
die beanspruchte Erfindung veranschaulichen;
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18 die
Fähigkeit
der beanspruchten Erfindung veranschaulicht, falsche Alarmmeldungen
zu verringern;
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19 eine
Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, die der in 5 gezeigten
entspricht, bei der jedoch das Signalverarbeitungsmittel einen Addieren
anstelle eines Multiplizierers der beiden Eingaben desselben umfasst;
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20 eine
alternative Ausführungsform
des Signalverarbeitungsmittels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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21 noch
einen weiteren Gesichtspunkt der Erfindung veranschaulicht, wobei
die Ausgabe der Erfassungsvorrichtung in eine Differenziereinrichtung
eingegeben wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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Bei
der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurde eine Anzahl vorläufiger Tests
durchgeführt,
um die Eigenschaften einer Anzahl unterschiedlicher Feuersignaturerfassungsvorrichtungen
in einer kontrollierten Umgebung zu ermitteln.
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Die
Tests wurden in einem Raum mit den Maßen 2,8 × 2,8 × 3,7 m (9,25 × 9,25 × 12 Fuß) (1027
Fuß3) durchgeführt. Die Wände bestanden aus zwei Schichten
Gipsplatten mit einer Dicke von 0,5 Zoll. Alle Fugen waren überklebt
und verspachtelt und der Innenraum war angestrichen. 2 zeigt
eine Zeichnung des Testraums. Es gab drei Sichtfenster, eines in
der linken Wand an der Vorderseite, eines in der Rückwand in
der rechten Ecke und ein drittes in der rechten Wand. Eine Standardtür war in
der Mitte der Vorderwand angebracht. Belüftung wurde durch einen Kanal
mit den Maßen
38 cm × 30
cm bereitgestellt, der am Boden in der vorderen rechten Ecke des
Raums angeordnet war. Der Raum wurde mittels eines Ventilators mit
einer Leistung von 0,9 m3/s (2000 cfm) entlüftet, der
in die hintere linke Ecke der Raums geleitet wurde.
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Die
Experimente sind in zwei Testreihen unterteilt. Die erste Reihe
bestand aus mehreren Tests mit jeder der Brennstoffquellen. Jeder
Test bestand in der Initiierung der Testquelle, wobei der Raum,
abgesehen von dem Einlasskanal, geschlossen war (siehe 2).
Diese Anordnung stellte ruhige Bedingungen in dem Testraum bereit.
Die zweite Testreihe bestand aus denselben Quellen, die in einem
Zustand mit unruhiger Atmosphäre
initiiert wurden. Dieser Zustand wurde mit Hilfe eines kleinen 15
cm (6 Zoll) großen
Ventilators im Einlasskanal, der in den Testraum blies, erzeugt.
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3 zeigt
die Auslegung der Instrumente an der Decke des Testraums. Die Rauchverdunklung
wurde unter Verwendung folgender Geräte gemessen: (1) einer Simplex-Ionisierungserfassungsvorrichtung
(TM) (Modell 4098-9716), (2) einer fotoelektrischen Simplex-Erfassungsvorrichtung
(Modell4098-9701) und (3) eines Diodenlasers mit Fotodiodenanordnung.
Die Temperatur in dem Raum wurde mit folgenden Geräten gemessen:
(1) einer Simplex-Wärmeerfassungsvorrichtung
(Modell 4098-9731), (2) einem Thermopaar vom Typ T und (3) einer
Kette von 10 Thermopaaren vom Typ K. Kohlenmonoxidkonzentrationen
wurden unter Verwendung von Standardgaserfassungsverfahren gemessen,
wie unten beschrieben.
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Die
meisten im Handel erhältlichen
Einzelstationsraucherfassungsvorrichtungen sind als geschlossene
Einheiten ausgelegt, in denen Rauchverdunklung entweder als Alarmzustand
oder als Nicht-Alarmzustand signalisiert wird. Es war gewünscht, verfügbare Erfassungsvorrichtungen
zu verwenden, die ein Signal proportional zum Pegel der Rauchverdunklung
in dem Testraum bereitstellen könnten.
Dies hatte die Verwendung von Simplex-Erfassungsvorrichtungen zur
Folge, die als Teil eines integrierten Feuererfassungssystems ausgelegt
sind. Diese Erfassungsvorrichtungen werden typischerweise in kommerziellen
und öffentlichen
Gebäuden
verwendet und stellen teuerere Erfassungsvorrichtungen dar als die,
die normalerweise in Wohngebäuden anzufinden
sind. Daher wird angenommen, dass diese Erfassungsvorrichtungen
robuster und weniger anfällig für falschen
Alarm waren, als viele Einzelstationserfassungsvorrichtungen. Die
Erfahrung der Hersteller wies auf dasselbe hin.
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Die
Simplex-Erfassungsvorrichtungen wurden mit einem spezifisch ausgelegten
Hardware-Software-Paket geliefert, das normalerweise für LTL(TM)-Tests
verwendet wird. Dieses Paket (UL-Tester) fragte die Erfassungsvorrichtungen
alle 4 bis 5 Sekunden ab und speicherte die Daten in einer Computerdatei.
Aufgrund von eigentumsrechtlichen Beschränkungen schließt die Konstruktion
dieser Erfassungsvorrichtungen das Erhalten einer Messung von den
Erfassungsvorrichtungen ohne den UL-Tester aus. Die Ausgabe des
UL-Testers wird als prozentuale Verdunklung pro Längeneinheit
basierend auf einem Standardrauch bereitgestellt, der von UL bei
der Bewertung von Raucherfassungsvorrichtungen verwendet wird. Obwohl
die Raucherfassungsvorrichtungen die Lichtabschwächung nicht direkt messen,
wird die Ausgabe basierend auf dem UL-Standardrauch somit als äquivalente
Rauchverdunklung (%/Meter) dargestellt. Die dritte Rauchmessvorrichtung
bestand aus einem Laser mit einer Leistung von 5 mW und einer Wellenlänge von
670 nm (Meredith Instruments (TM)) und einem Fotodiodenempfänger. Die
prozentuale Lichtübertragung
wurde über
eine Pfadlänge
von 282 cm (9,25 Fuß)
gemessen.
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Die
Kette aus 10 Thermopaaren vom Typ K erstreckte sich von der Decke
bis zum, Boden in der Nähe der
Mitte des Raums. Die Thermopaare wurden 30 cm (12 Zoll) voneinander
getrennt angeordnet, beginnend 61 cm (24 Zoll) über dem Boden. Das Thermopaar
vom Typ T bestand aus Draht der Größe AWG 36 (amerikanische Norm
für Drahtquerschnitte)
mit einer Perle von 0,005 Zoll und war neben der Simplex-Wärmeerfassungsvorrichtung angeordnet.
Dieses fein messende Thermopaar wurde gewählt, um zu bewerten, ob eine schnellere
Reaktion eine verbesserte Fähigkeit bietet,
einen Brand zu erfassen, verglichen mit Thermopaaren vom Typ K der
Größe AWG 24.
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Die
Gasanalyse bestand aus CO-, CO2- und O2-Konzentrationen. Kohlenmonoxid
wurde mit einem Beckman(TM)-Analysator 880A NDIR unter Verwendung
eines 500 ppm-Bereiches mit einer ±1%igen Originalgrößengenauigkeit
gemessen. Kohlendioxid wurde mit einem Horiba(TM)-Analysator VIA-510
NDIR unter Verwendung eines 1 Prozent-Bereiches mit einer ± 0,5%igen
Originalgrößengenauigkeit
gemessen. Die Sauerstoffkonzentration wurde mit einem Servomex(TM)-Analysator
540A unter Verwendung eines 0 bis 25 Prozent-Bereiches mit einer ±1%igen
Originalgrößengenauigkeit
gemessen. Die Gaserfassungssonde bestand aus einem Kupferrohr mit
einem Durchmesser von 6 mm (0,25 Zoll), das sich 7,6 cm (3 Zoll)
unterhalb der Decke erstreckte. Die gemessenen 90 prozentigen Reaktionszeiten
für das
Gaserfassungssystem betrugen 13, 17 und 15 Sekunden jeweils für die CO-,
CO2- und O2-Analysatoren.
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Die
Ausgabe der gesamten Instrumentierung bis auf die Simplex-Erfassungsvorrichtungen
wurde in 1 Sekunden-Intervallen unter Verwendung eines PC-Computers
und von LABTECH(TM) Notebook-Datenerfassungssoftware aufgezeichnet.
Die Datenreduktion wurde mit Hilfe von Standard-Tabellenkalkulationssoftware durchgeführt.
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Ausführliche
Beschreibungen jeder Quelle sind unten aufgeführt. Wenn nicht anders angegeben
wurden die Testquellen 61 cm (24 Zoll) von jeder Wand entfernt in
der vorderen linken Ecke des Raums und etwa 10 cm (4 Zoll) über dem
Boden angeordnet. Diese Position wurde gewählt, um die Testquelle und
die Erfassungsvorrichtungen so weit wie möglich voneinander zu trennen
und die Quelle nicht vor dem Einlasskanal anzuordnen. In allen Fällen wurde
die Quelle 100 Sekunden nach Beginn der Datenaufzeichnung gestartet. Die
ersten 100 Sekunden der Datenaufzeichnung wurden genutzt, um eine
Grundlinie für
jede Messung festzulegen.
-
Die
Herdplatte, die für
schwelende Quellen verwendet wurde, war das Gerät Thermolyne (TM) HP46825 mit
einer Leistung von 1100W und einer quadratischen Oberfläche von
19 cm (7,5 Zoll). Die Proben wurden auf eine Aluminiumplatte von
0,6 cm (0,25 Zoll) gelegt, die sich auf der Herdplatte befand. Ein
Thermopaar vom Typ K, das in die Seite der Aluminiumplatte eingeführt wurde, überwachte
die Temperatur während
des gesamten Tests.
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Zigaretten
-
Vier
Marlboro(TM)-Zigaretten wurden horizontal etwa 2 cm von der Mitte
einer Ringständerbaugruppe angeordnet.
Der Ständer
war unterhalb der Erfassungsvorrichtungen angeordnet, so dass die
Zigaretten 51 cm (20 Zoll) von den Wänden und 168 cm (66 Zoll) über dem
Boden angeordnet waren. Es wurden ebenfalls Tests durchgeführt, bei
denen die Zigaretten in der vorderen linken Ecke des Raums 147 cm
(58 Zoll) über
dem Boden und 30 cm (12 Zoll) von den Wänden entfernt angeordnet waren.
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Kerzen
-
Sechs
Kerzen mit einer Höhe
von 5 cm und einem Durchmesser von 4 cm wurden in der Standardposition
angeordnet. Die Kerzen wurden 100 Sekunden nach dem Start der Datenerfassung
mit einem Streichholz angezündet.
Es wurden ebenfalls Tests durchgeführt, bei denen die Kerzen in
derselben Höhe,
jedoch unter den Erfassungsvorrichtungen zentriert angeordnet wurden.
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Autoabgase
-
Die
Abgase von einem 198e6r Ford(TM) Pickup mit einem Verbrennungsmotor
wurden durch ein Aluminiumrohr mit einem Durchmesser von 7,6 cm
(3 Zoll) in den Raum geleitet: Das offene Ende des Rohrs war 61
cm von den Wänden
entfernt und 20 cm über
dem Boden angeordnet, so dass die Abgase nach oben aufstiegen.
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Aerosol
-
Eine
Aerosolsprühdose
mit Haarspray wurde etwa 61 cm (2 Fuß) unterhalb der Erfassungsvorrichtungen
versprüht.
Andere Tests bestanden darin, dass Lufterfrischer von der vorderen
linken Ecke des Raums aus versprüht
wurde. Es stellte sich heraus, dass diese Tests weniger effektiv
für die
Auslösung
eines falschen Alarmzustands waren.
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Bratdämpfe
-
Bratdämpfe wurden
durch Erhitzen von Pflanzenöl
in einem Topf, der auf der Herdplatte stand, erzeugt. Der Topf mit
einem Bodendurchmesser von 16,5 cm wurde 2 cm hoch mit Öl befüllt. Ein
Thermopaar vom Typ K wurde in dem Öl angeordnet, um die Temperatur
während
des Tests zu überwachen.
Die Datenerfassung begann zu dem Zeitpunkt, zu dem die Herdplatte
eingeschaltet wurde. Die Herdplatte wurde anfänglich auf ihre Maximaleinstellung
eingestellt und dann auf halbe Leistung heruntergestellt, wenn die Öltemperatur
einen Wert von 500 K erreichte. Der aus diesem Verfahren resultierende
Dampf erschien repräsentativ
für ein
typisches Bratereignis.
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Eine
zweite Bratsituation bestand aus dem Braten von 5 Speckstreifen
in einer Bratpfanne von 25 cm (10 Zoll), die unterhalb der Erfassungsvorrichtungen
51 cm (20 Zoll) von den Wänden
entfernt und 132 cm (52 Zoll) über
dem Boden angeordnet war. Die Bratpfanne wurde bei einen Test mit
einem Propangasofen und bei einer zweiten Testsituation auf der
Herdplatte erhitzt. Der Propangasofen war eine CO-Quelle, wenn die
Bratpfanne darauf angeordnet wurde. Dies lag an der Dämpfung der
Flamme an der Oberfläche
der Pfanne. Ohne die Bratpfanne erzeugte der Brenner kein messbares
CO.
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Staub
-
Staub
wurde mit einem Feucht-Trocken-Staubsauger mit einem Fassungsvermögen von
10 Gallonen erzeugt, der zu einem Viertel mit einem feinen grauen
Zementpulver befüllt
war. Der Staub wurde vertikal aus der Auslassöffnung herausbefördert. Der
Staubsauger wurde in der Standardposition angeordnet.
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Schwelendes
Holz
-
Gemäß dem LTL-Standard
Nr. 268 wurden Ponderosa-Pinienstöcke auf einer Herdplatte erhitzt,
um eine Schwelquelle zu erzeugen. Die Stockgröße betrug 7,6 × 2,5 × 1,9 cm
(3 × 1 × 0,75 Zoll).
Die Herdplatte wurde außerhalb
des Raums auf eine Temperatur von 400° C (673 K) vorgewärmt und
in der Standardposition kurz vor Ablauf von 100 Sekunden angeordnet.
Die Platte wurde außerhalb
des Raums erwärmt,
um etwaige Wirkungen der Wärmefahne
zu vermeiden. Nach 100 Sekunden wurden acht Stöcke (breite Seite nach unten) in
einem speichenartigen Muster auf die Herdplatte gelegt.
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Baumwolldocht
-
Entsprechend
EN54 wurde Baumwolldocht (Nr. 1115, Pepperell Braiding Co. (TM))
zur Erzeugung einer Schwelquelle verwendet. Zwanzig Stücke von
13 cm (5 Zoll) langen Baumwolldochten wurden an einem Ringständer aufgehängt, so
dass die Dochte benachbart zueinander angeordnet waren. Der Ständer war
so positioniert, dass sich das Ende der Dochte in der Standardquellenposition
befand. Die Dochte wurden mit einem Streichholz entzündet und
unmittelbar nach dem Anzünden
ausgeblasen, so dass sie schwelten.
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PVC-isoliertes
Kabel
-
Elektrisches
Kabel mit einer Polyvinylchloridhülle (PVC-Hülle) (Granger (TM) 18/3 SJT)
wurde auf die Herdplatte gelegt, um eine Schwelquelle zu erzeugen.
Sechs Stücke
von 15 cm (6 Zoll) langem Kabel wurden in einem Abstand von etwa
2 cm auf die Herdplatte gelegt. Die Herdplatte wurde außerhalb
des Raums auf eine Temperatur von 400° C vorgewärmt und in der Standardquellenposition,
kurz bevor die Kabel nach 100 Sekunden darauf gelegt wurden, angeordnet.
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Polyurethanschaumstoff
-
Drei
Stücke
Polyurethanschaumstoff mit den Maßen 13 × 13 × 2,5 cm (5 × 5 × 1 Zoll)
wurden übereinandergestapelt,
um einen 7,5 cm hohen Stapel zu bilden. Der Schaumstoff wies eine
Dichte von 18,4 kg/m3 (1,15 Pfund/Fuß3) auf und war nicht feuerbeständig. 100
Sekunden nach Beginn der Datenerfassung wurde ein Streichholz verwendet,
um eine Ecke des unteren Schaumstoffstücks anzuzünden.
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Heptan
-
Es
wurde ein Flüssigkeitsfeuer
durch Verbrennen von 100 ml Heptan in einer Stahlpfanne mit den
Maßen
10 × 10 × 2,2 cm
(4 × 4 × 0,88 Zoll)
erzeugt. Kurz vor dem Anzünden
wurde der Brennstoff auf ein Wassersubstrat von 20 ml in die Pfanne
gegossen. Das Anzünden
erfolgte mit einem Streichholz.
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Zerfasertes
Papier
-
Diese
Quelle wurde gemäß dem Papierfeuer
(Test A) gestaltet, das in UL 268 spezifiziert ist. Zeitungspapier
(nur Schwarzdruck) wurde zu etwa 8 cm langen und 0,6 cm breiten
Streifen zerfasert. Die ursprünglichen
Tests bestanden aus 1,2 Unzen von zerfasertem Zeitungspapier, das
in ein vertikales Metallrohr mit einem Durchmesser von 10 cm und
einer Länge
von 30,5 cm gefüllt
wurde (ein Rohr mit einem Durchmesser von 7,6 cm wurde ebenfalls
verwendet). Bei vorübergehend
geschlossenem Boden wurde der Brennstoff heruntergedrückt, so
dass sich die Oberseite des Papiers l 0 cm unterhalb der Oberseite
des Rohrs befand. Daraufhin wurde ein Loch mit einem Durchmesser
von etwa 2,5 cm durch die Mitte des Papiers hinunter gebildet. Daraufhin
wurde die vorübergehende
Abdeckung entfernt. Das Papier wurde mit einem Streichholz in der
Mitte an der Unterseite des Rohrs entzündet. Diese Anordnung erzeugte
die ersten 70 Sekunden lang eine große Menge Rauch und ging dann
für etwa
20 Sekunden in ein flammendes Feuer über. Aufgrund einer großen Rauchmenge
wurden die Raucherfassungsvorrichtungen gesättigt, nachdem die Fahne mit
den Erfassungsvorrichtungen in Berührung kam. Dies galt sogar
für das
kleinere Rohr. Zusätzliche
Tests wurden mit 1 Unze von zerfasertem Papier in einem 10 Quart-Eimer
durchgeführt.
Das Papier wurde mit einem Streichholz entzündet, was zu einem flammenden
Feuer führte.
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Stoff
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Zwei
unterschiedliche Stoffarten wurden getestet: Kunstfaser-Baumwoll-Stoff
und Baumwollstoff. Jeder Stoff wurde als Streifen mit den Maßen 25 × 64 cm
(10 × 25
Zoll), die mit der 64 cm langen Seite in der horizontalen Richtung
aufgehängt
wurden, verbrannt. Der Stoff wurde mit einem Streichholz an einer
der unteren Ecken angezündet.
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ERGEBNISSE
-
Die
Tests wurden für
die meisten Quellen dreimal durchgeführt, um die Wiederholbarkeit
der Messungen zu bewerten. Im Allgemeinen waren die Tests ziemlich
wiederholbar, wie aus 8 bis 10 ersichtlich ist,
die ausgewählte
Messungen für
Heptangefäßbrände zeigen. 8 zeigt
die Änderung
der CO-Konzentration
bezüglich
der Umgebungsbedingungen im Verhältnis
zur Zeit für
jeden der drei Heptantests. Der CO-Anstieg ist praktisch identisch,
mit Unterschieden bis zu einem Wert von etwa 16 ppm. 9 und 10 zeigen den
Rauch, wie er jeweils von der Ionisierungserfassungsvorrichtung
und der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung gemessen wird. Wiederum
stimmen die Daten für
alle drei Tests ziemlich gut überein.
Es wird angemerkt, dass der Wert von 7,7 Prozent Verdunklung pro
Meter (2,4 Prozent pro Fuß),
den die Ionisierungserfassungsvorrichtung erreichte, den maximal
messbaren Grenzwert der Erfassungsvorrichtung darstellte. Identische
Heptantests wurden ebenfalls mit und ohne eingeschaltetem Gaserfassungssystem
durchgeführt.
Diese Tests zeigten, dass die Anordnung der Gaserfassungssonde in
der Nähe
der Raucherfassungsvorrichtungen keine Wirkkung hatte.
-
Eine
Erzeugung von Quellen, die keine Feuergefahr darstellten, die verursachte,
dass die Raucherfassungsvorrichtungen Alarmpegel erreichten, stellte
sich als schwieriger als erwartet heraus. Es wird angenommen, dass
dies teilweise eine Folge der Simplex-Erfassungsvorrichtungen ist, die, verglichen
mit einigen weniger teueren Einzelstationsgeräten, über einen einzigartigen Konstruktionsmechanismus
verfügen, der
auf die Beseitigung falscher Alarmmeldungen ausgerichet ist. Als
falscher Alarm wurde eine Ausgabe einer Raucherfassungsvorrichtung
angesehen, die einer Verdunklung von 4,8 Prozent pro Meter (1,5
% pro Fuß)
für eine Störalarmquelle
entspricht. Der Pegel von 4,8 wurde als stellvertretender Wert gewählt, bei
dem die Ionisierungserfassungsvorrichtung und die fotoelektrische
Erfassungsvorrichtung mit den unten erörterten Alarmkriterien auf
einer äquivalenten
Basis verglichen werden konnten. Von den Störalarmquellen löste die
Ionisierungserfassungsvorrichtung nur bei Zigaretten unterhalb der
Erfassungsvorrichtungen bei ruhigen Bedingungen und beim Braten
von Speck auf dem Gasofen einen Alarm aus. Die Alarmbedingungen
für andere
Quellen wären
selbst bei einem Raucherfassungsschwellenwert von 3,2 Prozent Verdunklung
pro Meter (1,0 % pro Fuß)
nicht erreicht worden. Die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung
löste bei
den meisten Quellen, außer
bei Autoabgasen und Kerzen, einen Alarm aus. Es wurden Versuche
unternommen, Dampfquellen zu erzeugen, die keine Feuergefahr darstellen,
indem große
Töpfe mit
Wasser gekocht wurden. Selbst bei einer Zunahme der relativen Luftfeuchtigkeit
von 16 auf 82 Prozent in dem Raum reagierte die fotoelektrische
Erfassungsvorrichtung jedoch nicht und die Ionisierungserfassungsvorrichtung
erreichte sporadische Spitzenwerte von nur 1,3 Prozent Verdunklung
pro Meter (0,4 % pro Fuß).
Die trockenen Winterbedingungen haben möglicherweise zur Schwierigkeit,
falsche Alarmpegel zu erreichen, beigetragen.
-
Obwohl
dies in diesen Experimenten nicht vollständig erreicht wurde, ist bekannt,
dass Kochvorgänge und
Dampf die Hauptquellen für
falschen Alarm bei häuslichen
Raucherfassungsvorrichtungen sind. Es wird ein standardisierter
Test für
eine herkömmliche
Quelle für
falschen Alarm benötigt,
um die Leistung gegenwärtiger
Erfassungsvorrichtungen vollständig
zu vergleichen und die verbesserte Leistung neuer Feuererfassungstechnologien
zu bewerten. Dies kann Feldversuche nicht ersetzen, würde jedoch
eine Richtgröße für den Vergleich
der Empfindlichkeit von Erfassungsvorrichtungen für falschen
Alarm bereitstellen. Der Standard UL 268 spezifiziert drei Tests,
die Quellen verwenden, die keine Feuergefahr darstellen: (1) einen
Feuchtigkeitstest, (2) einen Staubtest und (3) einen Farbbelastungstest.
Diese Tests sind hauptsächlich
dafür ausgelegt,
die Veränderung
der Empfindlichkeit einer Erfassungsvorrichtung, nachdem sie der
Quelle ausgesetzt wurde, zu ermitteln. Als solches gehen diese Tests
nicht auf den Pegel einer Quelle, der einen falschen Alarm auslöst, oder
auf den Zeitpunkt ein, zu dem eine Erfassungsvorrichtung aufgrund
einer Quelle, die keine Feuergefahr darstellt, einen Alarm auslöst. Mit
anderen Worten versäumen
diese Tests, einen Grundwert zum Vergleich aufzustellen, der die
Empfindlichkeit einer Erfassungsvorrichtung für falschen Alarm bewertet.
-
Im
Allgemeinen bot die Ausführung
von Tests unter unruhigen Bedingungen wenig Einblick in die Empfindlichkeit
von Erfassungsvorrichtungen. Diese Bedingungen führten hauptsächlich dazu,
dass die Quellen (Feuergefahrenquellen und Quellen, die keine Feuergefahr
darstellen) aufgrund von größerer Verdünnung schwerer
zu erfassen sind. Dies traf sowohl auf die CO- als auch auf die
Raucherfassung zu.
-
Wie
erwartet war die Ionisierungserfassungsvorrichtung empfindlicher
für flammenden
Quellen als die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung. Jedoch traf
das Gegenteil nicht immer auf schwelende Quellen zu. Tabelle 1 veranschaulicht
diesen Punkt, indem sie die Zeit, die seit der Entzündung verstrichen
ist, bis zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem die Ionisierungserfassungsvorrichtung
und die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung einen Wert von 4,8
Prozent Verdunkelung pro Meter (1,5 % pro Fuß) für Feuerquellen erreichten.
Wie ersichtlich, reagierte die Ionisierungserfassungsvorrichtung
für alle
flammenden Quellen früher.
Die Ionisierungserfassungsvorrichtung reagierte für zwei der
vier schwelenden Feuergefahrenquellen ebenfalls eher als die fotoelektrische
Erfassungsvorrichtung. Es ist interessant, anzumerken, dass die
Ionisierungserfassungsvorrichtung ebenfalls viel früher bei
Zigarettenrauch und beim Frittieren von Speck auf dem Gasofen einen
Alarm auslöste,
wie aus Tabelle 5 und 6 ersichtlich. Im Allgemeinen war jedoch die
fotoelektrische Erfassungsvorrichtung anfälliger für falschen Alarm. Die Ionisierungserfassungsvorrichtung
erzeugte zu vernachlässigende
Reaktionen auf Haarspray, Staub und das Erhitzen von Öl, wobei
Werte von mehr als 6,4 Prozent Verdunkelung pro Meter (2 % pro Fuß) für die fotoelektrische
Erfassungsvorrichtung beobachtet wurden.
-
Tabelle
2 stellt Daten für
die anfängliche
Reaktionszeit für
die Rauch- und CO-Erfassungsvorrichtung für entsprechende
Feuergefahrenquellen dar. In der Tabelle ist die Zeitspanne vom
Zeitpunkt der Entzündung bis
zu dem Zeitpunkt, an dem die Erfassungsvorrichtung zu reagieren
begann, aufgeführt.
Obwohl die Zeit bis zu einem Alarmzustand von größerer Bedeutung ist, zeigt
dieser Vergleich die relativen Reaktionsfähigkeiten der unterschiedlichen
Erfassungsvorrichtungen an, während
die Unsicherheit, die mit der Auswahl geeigneter Alarmpegel einhergeht,
vermieden wird. Bei allen Feuerquellen begann die Ionisierungserfassungsvorrichtung vor
der oder zum selben Zeitpunkt wie die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung
zu reagieren. Wie jedoch aus Tabelle 1 ersichtlich ist, erreichte
die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung die Alarmzustände im Fall
von schwelendem Holz und PVC-Kabel
früher.
Wie aus Tabelle 2 für
alle Quellen ersichtlich ist, reagierte die CO-Erfassungsvorrichtung sowohl eher als
die Ionisierungserfassungsvorrichtung als auch als die fotoelektrische
Erfassungsvorrichtung. Die Reaktionszeiten für die Raucherfassungsvorrichtungen
waren 30 bis 300 Prozent länger.
Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Verwendung einer CO-Erfassungsvorrichtung die
Zeit bis zum Alarm bei CO-erzeugenden Feuergefahrenquellen bedeutend
verkürzen
könnte.
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Tabelle
1. Zeitpunkt seit Entzündung,
zu dem die Ionisierungserfassungsvorrichtung und die fotoelektrische
Erfassungsvorrichtung einen Wert von 4,8 Prozent Verdunkelung pro
Meter (1,5 % pro Fuß)
erreichten
-
Tabelle
2: Zeitspanne(n) bis zur Anfangsreaktion für die Kohlenmonoxid-, Ionisierungs-
und photoelektrische Erfassungsvorrichtung für Feuergefahrenquellen
-
Die
Vorteile der Einbeziehung einer CO-Messung in einen Alarmalgorithmus
sind aus den beiden folgenden Beispielen ersichtlich. Die Ergebnisse
für CO-Bildung
und Raucherzeugung sind in 11 und 12 jeweils
für eine
Feuergefahrenquelle und eine Quelle, die keine Feuergefahr darstellt,
dargestellt. 11 zeigt den Anstieg der CO-Konzentration
und die gemessene Rauchproduktion im Verhältnis zur Zeit für 20 Stücke von
schwelendem Baumwolldocht. Eine CO-Zunahme stellt die früheste Erfassung
von schwelendem Docht bereit. Bei etwa 285 Sekunden stieg die gemessene
Kohlenmonoxidkonzentration schnell auf 40 ppm an und erreichte schließlich einen
Höchstwert
von 70 ppm zum Zeitpunkt, zu dem die Dochte verbraucht waren. Obwohl
die Ionisierungserfassungsvorrichtung bei 441 Sekunden zu reagieren
begann, was schneller war als die Anfangsreaktion der fotoelektrischen
Erfassungsvorrichtung von 465 Sekunden, war sie im Vergleich zu
der CO-Erfassungsvorrichtung
beträchtlich
langsamer.
-
Die
Reaktionen der Erfassungsvorrichtungen auf eine Quelle, die keine
Feuergefahr darstellt (Kochdämpfe
von erhitztem Öl),
sind in 12 gezeigt. In diesem Fall war die
fotoelektrische Erfassungsvorrichtung recht empfindlich für den erhitzten Öldampf,
wie aus dem steilen Anstieg der Erfassungsvorrichtungsausgabe ersichtlich.
Werte bis zu 14,5 Prozent Rauchverdunkelung pro Meter (4,7 % pro
Fuß) wurden
am Ende des Tests erreicht. Die Ionisierungserfassungsvorrichtung
zeigte keine bedeutende Reaktion im Verlauf des gesamten Tests.
Aufgrund des Verbrennungsmangels wurde kein CO erzeugt.
-
Die
Ergebnisse dieser beiden Quellen weisen darauf hin, dass die Kombination
aus der CO-Konzentration und der Ionisierungserfassungsvorrichtungsausgabe
ein gutes Multi-Signatur-Verfahren bereitstellt, um Feuergefahren
zu erfassen und falschen Alarm auszuschließen. Dies stimmt mit den Erkenntnissen
von Heskestad und Newman überein.
Die Einbeziehung eines CO-Anstiegs hat zwei Vorteile. Einer besteht
darin, dass die Erfassungszeit verkürzt wird, und der zweite, dass
falscher Alarm vielfach vermieden werden kann, da diese Quellen
(zum Beispiel Kochdämpfe,
Duschdämpfe
und Staub) kein CO erzeugen. Die alleinige Erfassung von CO ist
jedoch nicht ausreichend, da bestimmte potenzielle Feuergefahren
keine bedeutenden CO-Pegel erzeugen. Wie aus 13 ersichtlich,
erzeugte zum Beispiel das schwelende PVC-beschichtete Kabel einen CO-Anstieg
von weniger als 2 ppm, obwohl Rauchpegel von über 12,5 Prozent Verdunkelung
pro Meter (4 % pro Fuß)
unter Verwendung der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung gemessen
wurden. Dieses Beispiel weist auf den Bedarf für die Einrichtung von Multi-Signatur-Erfassungsverfahren
hin, die Rauch- und CO-Messungen verwenden und zwischen Feuergefahr
und Zuständen,
die keine Feuergefahr darstellen, unterscheiden können. Die
vorliegende Erfindung betrifft solche Multi-Signatur-Erfassungsverfahren.
-
Die
Ergebnisse dieser Tests weisen darauf hin, dass die Verwendung einer
CO-Messung die Zeit
bis zum Alarm für
viele Brände
bedeutend verkürzen
und in Verbindung mit Standard-Raucherfassungsvorrichtungen falsche
Alarmmeldungen verringern kann. Zu diesem Zweck wurden bei der Entwicklung
der vorliegenden Erfindung viele Multi-Signatur-Signalverarbeitungsalgorithmen
untersucht, um vielversprechende Erfassungsverfahren zu identifizieren.
Aufgrund zeitlicher Beschränkungen
bei der Prüfung
der zahlreichen Experimente und möglichen Alarmalgorithmen lag
der Schwerpunkt auf der Identifizierung einfacher Erfassungsalgorithmen,
die die geeigneten Tendenzen bereitstellen (d.h. eine schnellere
Feuererfassung und weniger falsche Alarmmeldungen). Der beschrittene
Lösungsweg
ist in 14 dargestellt, die eine Aufzeichnung
der Rauchverdunkelung im Verhältnis
zur CO-Konzentration zeigt. Diese Aufzeichnung veranschaulicht mehrere
Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus-Strategien. Linie 1 stellt
den Alarm einer Raucherfassungsvorrichtung dar, der auf 4,8 Prozent
Verdunkelung pro Meter (1,5 % pro Fuß) eingestellt ist. Quellen,
die Erfassungsvorrichtungsausgaben von weniger als diesem Wert erzeugen,
werden als Störalarmquellen
angesehen.
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Kurve 2 stellt
die Verwendung von "UND/ODER"-Logik durch die
Anforderung dar, dass die Summe der Rauchmessung UND die CO-Konzentration
ODER die Rauchmessung ODER die CO-Konzentration einen voreingestellen
Wert erreicht. Bei diesem Beispiel ist der Alarmwert 10 (d.h.
Rauch + CO = 10) und der Rauch wird in Prozent Verdunkelung pro
Meter gemessen und die CO-Konzentration wird als Teile je Million
Teile (ppm) gemessen. Verglichen mit Kurve 1 verringert
Kurve 2, einzeln betachtet, effektiv die Empfindlichkeit
der Raucherfassungsvorrichtung. Der erforderliche Rauchpegel für Alarm
beträgt
10 anstatt 4,8. Eine Verringerung der Empfindlichkeit der Erfassungsvorrichtung
ist ein herkömmliches
Verfahren zur Verringerung von falschen Alarmzuständen gewesen
[4]. Jedoch kann die verringerte Empfindlichkeit auch zu viel längeren Reaktionszeiten
für tatsächliche
Brände
führen.
Da Feuerausbreitung exponentiell verläuft, können längere Reaktionszeiten zu Feuertod
führen.
Die Einbeziehung einer Veränderung
des CO-Pegels in den Algorithmus dient dazu, diese Reaktionszeitwirkung
zu verkürzen,
während
das ursprüngliche
Ziel der Verringerung falscher Alarmmeldungen aufrecht erhalten
wird. Um beispielsweise einen Alarm mit einer Rauchmessung von 5
Prozent pro Meter zu erhalten, müsste
der gemessene CO-Anstieg 5 ppm betragen. Da die meisten Quellen
für falschen
Alarm kein CO erzeugen, schließt
der Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
raucherzeugende Störalarmquellen aus,
die unter die Kurve 2 aus 14 fallen.
Diese Art von Erfassungsalgorithmus kann ebenfalls schnellere Alarmreaktionen
für Feuergefahren
bereitstellen, bei denen CO viel schneller als Rauch erfasst wird,
wie beispielsweise der in 11 gezeigte
Test mit schwelendem Docht.
-
Eine
allgemeine Ausführungsform
der Erfindung ist in 1 und 4 veranschaulicht.
Erfassungsvorrichtung 1 und Erfassungsvorrichtung 2 können zum
Beispiel jeweils eine Raucherfassungsvorrichtung und eine CO-Erfassungsvorrichtung
sein. Die Ausgaben dieser Erfassungsvorrichtungen werden dem Signalprozessor 3 zugeführt, der
zum Beispiel eine CPU sein könnte.
Der Signalprozessor kombiniert das erste und zweite Signal und vergleicht
das erste und zweite Signal mit einem ersten vorherbestimmten Bezugswert,
der im Speicher 303 gespeichert ist. Wenn der Signalprozessor
bestimmt, dass die Kombination dieser Signale den vorherbestimmten
Bezugswert überschreitet,
wird ein Signal zum Alarm 4 gesendet, das anzeigt, dass
ein Feuerzustand besteht. 4 veranschaulicht
eine ausführlichere
Ansicht einer Ausführungsform
des Signalprozessors 3. Die Ausgabesignale A und B der
Erfassungsvorrichtungen 1 und 2 werden jeweils
in den Multiplizierer 301. eingegeben. Der Multiplizierer 301 multipliziert
Signal A mit B und erzeugt so die Ausgabe C. Die Ausgabe C wird
in die Vergleichsvorrichtung 302 eingegeben, die den Wert
der Ausgabe C mit einem Bezugswert D vergleicht, der im Speicher 303 gespeichert
ist. Wenn die Vergleichsvorrichtung 302 bestimmt, dass
die Ausgabe C den Bezugswert D überschreitet,
wird ein Signal zum Alarm 4 gesendet, das einen Feuerzustand anzeigt.
Wenn die Ausgabe C nicht größer als
der Bezugswert D ist, wird ein "kein
Alarm"-Signal erzeugt. Wenn
die Leistung der Vorrichtung aufgezeichnet oder überwacht wird, könnte das
kein-Alarm-Signal im Speicher 304 gespeichert werden. In 14 stellt
die Kurve 3 das Produkt als konstanten Wert von 25 dar.
Der Deutlichkeit halber sind die Kurven in 14 willkürlich gezeichnet
und weisen einen gemeinsamen Tangentialpunkt auf. Aufgrund der asymptotischen
Beschaffenheit dieser Kurve ist ein Nicht-Null-Wert sowohl für die Rauchverdunkelung
als auch die Veränderung
der CO-Konzentration erforderlich, um einen Alarm für diesen Erfassungsalgorithmus
zu signalisieren. Diese Eigenschaft ist nicht immer erwünscht, da
es Feuerquellen gibt, die Fast-Null-Veränderungen der gemessenen CO-Konzentration
erzeugen können
(z.B. schwelendes PVC-Kabel). Daher würde dieser Algorithmus in der
tatsächlichen
Praxis vorzugsweise mit einem Alarmgrenzwert sowohl für Rauch
als auch für
CO kombiniert werden. Zur Veranschaulichung würde ein Alarmzustand für ein Produkt
von mehr als 25 vorliegen oder wenn die CO-Veränderung größer als 20 ppm wäre oder
wenn der Rauchpegel größer als
10 Prozent pro Meter wäre.
Eine derartige Ausführungsform
wird später
erörtert.
-
Noch
eine weitere alternative Ausführungsform
des Signalverarbeitungsmittels ist in 5 veranschaulicht,
wobei die Multipliziervorrichtung 301 durch eine Addiervorrichtung 306 ersetzt
ist. Bei dieser Ausführungsform
werden die Ausgabesignale A und B addiert und als Ausgabe C aus
der Addiervorrichtung 306 ausgegeben. Die Ausgabe C wird
daraufhin mit dem Bezugswert D verglichen. Wenn die Ausgabe C den
Bezugswert D nicht überschreitet,
wird kein Feuerzustandssignal erzeugt. Die Ausführung von 4 leidet,
wie oben erörtert,
unter der Beschränkung,
dass Ausgabe C in 4, wenn die Art von Feuer, das
erfasst wird, eine hohe Ausgabe der Erfassungsvorrichtung 1 verursacht,
jedoch eine Null-Ausgabe der Erfassungsvorrichtung 2 verursacht,
null wäre
und ein Feuerzustand nicht signalisiert würde, selbst wenn ein Feuer
vorhanden wäre.
Durch Verwendung eines sehr niedrigen Bezugswerts in der Ausführungsform
aus 5 kann dieses Problem beseitigt werden; jedoch
würde dies
ein bedeutend größeres Vorkommen
falscher Alarmzustände verursachen
und wäre
daher unakzeptabel. Die Auslegung der Ausführungsformen aus 6 und 7 geht daher
auf das Null-Zustandssignals ein. Unter Bezugnahme auf 6 empfängt der
Eingabeschaltkreis 305 die Signale A und B von den Erfassungsvorrichtungen 1 und 2 und
multipliziert zuerst die Signale A und B und addiert daraufhin mindestens
eine der individuellen Ausgaben A oder B und optional beide zum
Endergebnis, wodurch die Ausgabe C erzeugt wird. Die Ausgabe C wird
von der Vergleichsvorrichtung 302 mit dem Bezugswert D
verglichen und es wird ein Feuerzustandssignal zum Alarm 4 gesendet,
wenn die Ausgabe C den Bezugswert D überschreitet. Der Bezugswert
kann für
spezifische Anwendungen entsprechend optimiert werden.
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Unter
Bezugnahme auf 14 und 15 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung des Problems
von Fast-Null-Rauch oder -CO-Messungen tatsächlich eine Kombination der
Kurven 2 und 3 unter Verwendung von ODER-Logik.
Eine ähnliche
Kombination, die UND- und ODER-Logik verwendet, wird durch Kurve 4 dargestellt.
Bei diesem Beispiel beträgt
der Alarmpegel sowohl für
die UND- als auch für
die ODER-Kombination 35. Daher können die beiden Zustände als
eine einzige Gleichung dargestellt werden. Diese Art von Erfassungsalgorithmus
gibt an, dass ein Alarmzustand erreicht ist, wenn das Produkt der
Rauch- und der CO-Ausgabe plus die individuellen Ausgaben einem
Sollwert entspricht (UND-Logik). Ein Alarm wird ebenfalls signalisiert,
wenn das Produkt oder eins der individuellen Signale dem Alarmwert
entspricht (ODER-Logik).
-
Durch
Auswahl verschiedener Alarmgrenzwerte und mehrerer Kombinationen
dieser Signale unter Verwendung Boolescher Logik kann eine unendliche
Anzahl von Alarmkurven erzeugt werden. 15 zeigt ein
Beispiel für
eine Alarmkurve, die durch Kombination von Kurve 2 und 3 aus 14 unter
Verwendung von ODER-Logik
mit unterschiedlichen Alarmpegeln und Gewichtungskoeffizienten erzeugt
ist. Kurve 2 in 14 ist
verändert
worden, so dass die Rauchmessung in Kurve 2' aus 15 gewichteter
ist (d.h, eine Linie von 8 Prozent Rauch bis 12 ppm CO anstelle
einer Linie von 10 Prozent Rauch bis 10 ppm CO). Diese Veränderung stellt
die Abnahme der Empfindlichkeit des Erfassungsalgorithmus im Hinblick
auf die CO-Komponente
dar. Dies würde
dazu neigen, falsche Alarmmeldungen beispielsweise aufgrund von
CO von Tabakrauch zu verringern.
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Die
gestrichelten und gepunkteten Linien in 15 stellen
die einzelnen Kurven für
die beiden unterschiedlichen Erfassungsalgorithmen dar. Die durchgezogene
Linie stellt den Alarmzustand dar, der sich aus der Kombination
der beiden Algorithmen unter Verwendung von ODER-Logik ergibt. Ein
Alarm wird angezeigt, wenn entweder Zustand 2' (Rauch+(2/3)CO≥8) ODER Zustand 3 (Rauch*CO≥10) zutrifft.
Dieser Alarmalgorithmus ist empfindlicher für Feuerquellen, die sowohl
Rauch als auch CO erzeugen, als die einfache Verwendung von Kurve 2'. Und er stellt
individuelle Alarmgrenzwerte sowohl für Rauch als auch für CO ein,
wodurch das asymptotische Verhalten von Kurve 3 vermieden
wird.
-
Eine
Ausführungsform
der Erfindung, die sich mit dem Null-Zustand befasst, ist in 7 veranschaulicht. 7 veranschaulicht
die Signale A und B von den Erfassungsvorrichtungen 1 und 2,
die der Multipliziervorrichtung 301 zugeführt werden,
wodurch die Ausgabe C gebildet wird. Die Ausgabe C wird in die Vergleichsvorrichtung 302 eingegeben,
die die Ausgabe C mit einem Bezugswert D vergleicht. Wenn die Ausgabe
C den Bezugswert D, der im Speicher 303 gespeichert ist, überschreitet,
wird ein Feuerzustandssignal zum Alarm 4 gesendet, das
daher einen Feuerzustand anzeigt. Wenn die Ausgabe C den Bezugswert
D nicht überschreitet, wird
eine andere Initiierung 307 ausgeführt, die die Vergleichsvorrichtungen 308 und 309 aktiviert.
Der im Speicher 310 gespeicherte Bezugswert E wird mit
der Ausgabe A in der Vergleichsvorrichtung 308 verglichen. Wenn
die Ausgabe A den Bezugswert E überschreitet,
sendet die Vergleichsvorrichtung 308 ein Feuerzustandssignal
zum Alarm 4. Wenn die Ausgabe A den Bezugswert E nicht überschreitet,
sendet die Vergleichsvorrichtung 308 kein Alarmsignal.
Gleichzeitig wird die Ausgabe B mit dem Bezugswert F verglichen,
der im Speicher 311 gespeichert ist. Wenn die Ausgabe B
den Bezugswert F überschreitet,
wird ein Feuerzustandssignal zum Alarm 4 gesendet. Wenn
die Ausgabe B den Bezugswert F nicht überschreitet, wird kein Alarm
gesendet. Wenn bei dieser Konfiguration A eine hohe Zahl und B null
ist, dann würde
die Ausgabe A, obwohl die Ausgabe C den Bezugswert D nicht überschreitet,
den Bezugswert E überschreiten,
wodurch ein entsprechendes Alarmsignal angezeigt würde. Die
Bezugswerte D, E und F könnten
ausreichend hoch eingestellt werden, so dass die Anzahl falscher
Alarmzustände
minimiert würde. 19 veranschaulicht
eine ähnliche
Ausführungsform
wie 7, bei der jedoch der Multiplizierer 301 durch
einen Addierer 306 ersetzt ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 20 veranschaulicht; die Ausführungsform
aus 20 entspricht der Ausführungsform aus 7 und 19;
jedoch sind in 20 Multiplizierer 312 und 313 bereitgestellt,
um jeweils die Eingaben A und B mit den Gewichtungskoeffizienten α und β zu mulitiplizieren,
die jeweils aus dem Speicher 314 bzw. 315 stammen.
Diese Gewichtungskoeffizienten können
basierend auf bestimmten Anwendungen bestimmt werden, wobei die
Eingaben von einer der Erfassungsvorrichtungen A oden B eventuell
gewichtet werden müssen,
um einen höheren
Gewichtungswert aufzuweisen und damit eine korrekte Feuererfassung
für die
spezifische Anwendung sicherzustellen. Die Bestimmung des spezifischen
Gewichtungskoeffizienten liegt in Anbetracht der hierein enthaltenen
Informationen im Ermessen einer Fachperson.
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Ein
Beispiel dafür,
wie die jeweilige Gewichtung der Signale durchgeführt werden
kann, ist ein System, bei dem das Signalverarbeitungsmittel so konfiguriert
ist, dass es die Gewichtungskoeffizienten α und β mit dem Signal, das potenziert
ist, multipliziert oder addiert. Beispielsweise könnte das
Signalverarbeitungsmittel eine der folgenden Berechnungen durchführen: (αAn), (Bm)oder (αAn) + (βBm)wobei α, β, n und m vorherbestimmte Konstanten
sind und A und B das erste und zweite Signal sind. Es sollte angemerkt
werden, dass jede Kombination von Funktionen, wie beispielsweise
trigonometrisch, exponentiell oder logarithmisch, verwendet werden
kann, um die Gewichtung des ersten und zweiten Signals basierend
auf einem gewünschten
Verhältnis
von Signalwerten zu Alarm-/kein Alarm-Signalen zu variieren. Diese
Funktionen können
von dem Signalverarbeitungsmittel unter Verwendung bekannter Reihenentwicklungsverfahren, wie
beispielsweise Funktionen der MacLaurin-Reihe, Taylor-Reihe und
Fourier-Reihe, bestimmt werden.
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21 veranschaulicht
eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Ausgabe der Erfassungsvorrichtung 1 in
eine Differenziereinrichtung eingegeben wird, die eine Änderungsrate
des Ausgabesignals im Verhältnis
zur Zeit dA / dt berechnet, und wobei die Ausgabe der Differenziereinrichtung
einem Schaltkreis bereitgestellt wird, der folgende mathematische
Gleichung ausführt:
-
-
Die
Ausgabe dieses Berechnungsmittels, A*, wird daraufhin mit der Ausgabe
A' der Differenziereinrichtung
verglichen. Wenn A' größer ist
als A*, wird ein Feuerzustand signalisiert. Wenn A' nicht größer als
A* ist, wird kein Alarm ausgelöst.
Der Schaltkreis aus 21 kann in einer der Ausgaben
A oder B oder in beiden Ausgaben A und B der Erfassungsvorrichtungen 1 und 2 implementiert
werden und kann in Verbindung mit der Schaltung einer der anderen
Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden.
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Die
spezifische Schaltung, die zur Implementierung der Ausführungsform
der Erfindung notwendig ist, die in den Zeichnungen veranschaulicht
ist, wäre
einer Fachperson basierend auf der hierin enthaltenen Erläuterung
der Erfindung bekannt. Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung,
wie sie hierein erörtert werden,
könnten
in einer Reihe von Weisen implementiert werden. Ein Hardware-Techniker
könnte
den Algorithmus unter Verwendung diskreter Logikkomponenten implementieren,
um die Mittel zu implementieren, die die oben aufgeführten Funktionen
ausführen.
Die Ausführungsformen
sollten bei einer Alternative in einer von vielen verfügbaren Arten
von ROM oder an einem geeigneten Hardware-Ort implementiert werden,
um eine selbständige
Einheit mit den Erfassungsvorrichtungen an lokalen Erfassungsstellen
zu bilden. Eine alternative Ausführungsform
könnte
umfassen, dass die Erfassungsvorrichtungen lokal an einer Erfassungsstelle
angeordnet sind und die Erfassungssignale zu einem Ferncomputer
zurückgeleitet
werden, der zur Analyse und Verarbeitung der Ausgaben gemäß der oben
erörterten
Ausführungsformen
konfiguriert ist. Die Figuren veranschaulichen verschiedene Bezugswerte
und Koeffizienten, die in Speicherstellen sowohl in den als auch
außerhalb
der Signalprozessoren gespeichert sind. Für die Zwecke dieser Erfindung
können
die Speicherstellen, die die tatsächlichen Bezugswert- und Koeffizientenwertinformationen
speichern, Teil des Signalprozessors sein oder sie können dem
Signalprozessor von einer externen Speicherquelle aus zugeführt werden.
Wie oben erwähnt,
können
spezifische Konfigurationen der Erfindung abhängig von der jeweiligen gewünschten
Anwendung stark variieren. Die spezifischen Elemente der Verfahren
und der Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind in den angehängten Ansprüchen deutlich
dargelegt.
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Tabelle
3 und 4 zeigen Vergleiche zwischen der Zeit bis zum Alarm für Erfassungsvorrichtungen
und für
zwei unterschiedliche Erfassungsalgorithmen. Bei beiden Vergleichen
beruhte die Zeit bis zum Alarm für die
Erfassungsvorrichtungen auf einem Alarmwert von 4,8 Prozent Verdunkelung
pro Meter (1,5 % pro Fuß). Beide
Tabellen vergleichen die Erfassungsalarmzeiten mit den Alarmzeiten
basierend auf dem Kriterium des Erfassungsalgorithmus, dass das
Produkt aus der Veränderung der
CO-Konzentration (ppm) und der Rauchverdunkelung (Prozent pro Meter)
größer oder
gleich 10 ist. Alle gezeigten Tests stellen Ruhezustände in dem Raum
dar.
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In
Tabelle 3 ist die Rauchverdunkelungsmessung von der Ionisierungserfassungsvorrichtung
genommen. Insgesamt erwies sich der Algorithmus (Ion*CO=10) als
besseres Mittel zur Unterscheidung zwischen Feuergefahren und Zuständen, die
keine Feuergefahr darstellen, als die Raucherfassungsvorrichtungen
allein. Verglichen mit der Ionisierungserfassungsvorrichtung führte das
Multi-Signatur-Verfahren
zu derselben Anzahl von falschen Alarmmeldungen. Beide gaben Alarm
bei einem Test, der aus Zigarettenrauch und einem Test von gebratenem
Speck auf dem Gasofen bestand. Jedoch stellte der Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus eine
gewisse Verbesserung der Feuererfassung bereit. Die Ionisierungserfassungsvorrichtung
gab keinen Alarm für
schwelendes PVC-Kabel, bei der Verwendung des Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
wurde jedoch ein Alarmpegel erreicht.
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Tabelle
3. Vergleich zwischen der Zeit bis zum Alarm für die Ionisierungserfassungsvorrichtung
(ION) und die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung (PHOTO) und
das ION*CO-Kriterium
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Tabelle
4. Vergleich zwischen der Zeit bis zum Alarm für die Ionisierungserfassungsvorrichtung
(ION) und die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung (PHOTO) und
das PHOTO*CO-Kriterium
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Verglichen
mit der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung zeigte das Multi-Signatur-Verfahren noch größere Verbesserungen.
Die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung erzeugte sechs falsche
Alarmmeldungen, verglichen mit zwei bei dem Multi-Signatur-Algorithmus. Die
Erfassungsvorrichtung löste
ebenfalls bei dem Test mit flammendem Papier und bei dem Test mit
Baumwollstoff keinen Alarm aus. Die Verwendung des Multi-Signatur-Algorithmus
führte
zu Alarmmeldungen für
beide Tests.
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Tabelle
4 vergleicht die Alarmleistung der Erfassungsvorrichtung mit dem
Kriterium des Multi-Signatur-Algorithmus unter Verwendung der Ausgabe
der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung (d.h. Photo*CO=10). Die
Ergebnisse sind dieselben wie für
den Ion*CO-Erfassungsalgorithmus, außer dass der Photo*CO-Erfassungsalgorithmus
zusätzlich
falsche Alarmzustände
für die
Tests mit Haarspray und für
das Braten von Speck auf der Herdplatte erzeugte. Eine kleine Verbesserung
bestand darin, dass der Multi-Signatur-Algorithmus bei dem Zigarettentest
für einen
Zeitraum von 38 Sekunden, nachdem die Ionisierungserfassungsvorrichtung
Alarm schlug, keinen falschen Alarm erzeugte.
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Tabelle
3 und 4 zeigen ebenfalls, dass die beiden Multi-Signatur-Algorithmen
zu kürzeren
Erfassungszeiten für
Feuergefahrenquellen führen.
Aus Tabelle 3 ist für
alle Quellen ersichtlich, dass der ION*CO-Erfassungsalgorithmus
kürzere
Zeitspannen bis zum Alarm bereitstellte als die Ionisierungserfassungsvorrichtung. Verglichen
mit der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung wurden für alle Quellen,
außer
für schwelendes
Holz und PVC-Kabel, mit dem Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
kürzere
Reaktionszeiten erreicht.
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Wie
aus Tabelle 4 ersichtlich, war der Photo*CO-Erfassungsalgorithmus
bei der Verkürzung
der Zeitspanne bis zur Alarmmeldung nicht so erfolgreich wie der
Ion*CO-Erfassungsalgorithmus. Dies ist zum Teil dadurch zum Ausdruck
gebracht, dass der Ion*CO-Erfassungsalgorithmus bei den meisten
Feuergefahrenquellen kürzere
Zeitspannen bis zum Alarmzustand bereitstellte als der Photo*CO-Erfassungsalgorithmus.
Verglichen mit der Ionisierungserfassungsvorrichtung erzeugte der
Photo*CO-Erfassungsalgorithmus kürzere Alarmzeiten
bei nur etwa der Hälfte
der Feuergefahrentests. Jedoch erwies sich die Verwendung des Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
als der Verwendung der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung überlegen.
Der Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus führte in allen Fällen, außer bei
schwelendem PVC-Kabel, zu kürzeren (bei
einem Test zu gleichen) Alarmzeiten.
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16 und 17 zeigen
Veranschaulichungen der verbesserten Reaktionszeit für die beiden
geprüften
Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmen. 16 zeigt
die Rauchverdunkelung pro Meter, gemessen mit der Ionisierungserfassungsvorrichtung
(Ion) im Verhältnis
zur Veränderung
der CO-Konzentration (ppm) während
eines Tests mit schwelendem Holz. In der Figur sind zwei Kurven
gezeichnet. Kurve 1 stellt den Alarmpegel von 4,8 Prozent
pro Meter für
die Ionisierungserfassungsvorrichtung dar und Kurve 2 stellt
den Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus (Ion*CO=10) dar. Da die
Rauchverdunkelung und die CO-Konzentrationen grundsätzlich mit
der Zeit zunehmen, ist der Abstand zum Ursprung (0, 0) proportional
zur Zeit. Mit anderen Worten entspricht ein längerer Vektor vom Usprung zu
einer Kurve einer längeren
Zeitspanne bis zum Alarm. Es ist klar ersichtlich, dass die Daten
lange, bevor sie den Ionisierungserfassungsvorrichtungsalarmpegel
(Kurve 1) schneiden, den Ion*CO-Erfassungsalgorithmus schneiden. Demnach
führt der
Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
zu einer Zeitspanne bis zum Alarm von 172 Sekunden, verglichen mit
471 Sekunden für
die Ionisierungserfassungsvorrichtung allein. 17 zeigt
ein ähnliches
Ergebnis für
den Photo*CO-Erfassungsalgorithmus für denselben Test mit schwelendem
Holz. Dieser Algorithmus führt
zu einer Zeitspanne bis zum Alarm von 134 Sekunden, verglichen mit
151 für
die fotoelektrische Erfassungsvorrichtung allein.
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18 veranschaulicht
die Fähigkeit
des Multi-Signatur-Erfassungsverfahrens, falsche Alarmzustände zu beseitigen. 18 zeigt
die Rauchverdunkelung pro Meter, gemessen mit der fotoelektrischen
Erfassungsvorrichtung, im Verhältnis
zu der Veränderung
der CO-Konzentration für
eine Störalarmquelle.
Die Rauchquelle bestand in erhitztem Bratöl. Wie ersichtlich, führen die
Bratdämpfe
zu einem großen
Rauchsignal der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung, das den
Alarmschwellenwert weit überschritt
(d.h. zu einem falschen Alarm führte).
Im Gegensatz dazu beseitigt die Verwendung eines Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
den falschen Alarm, indem ein Kriterium aufgestellt wird, für das der
Rauch im Verhältnis
zu den CO-Daten
unterhalb der Kurve liegt. Die wenigen Datenpunkte, die über der
Kurve des Alarmkriteriums liegen, waren unerwünschte Daten, die nicht zeitlich
aufeinanderfolgend auftraten. Da die meisten Erfassungssysteme eine Art
von Signalkonditionierung (z.B. Zeitdurchschnittsbildung) verwenden,
stellen diese Datenpunkte keine Auslösung falscher Alarmzustände dar.
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Wie
oben erörtert,
schafft die vorliegende Erfindung im Vergleich zu Standard-Raucherfassungsvorrichtungen,
die in der Technik bekannt sind, verbesserte Feuererfassungsfähigkeiten.
Die verbesserten Fähigkeiten
werden durch die Kombination von zwei Feuersignaturen, wie beispielsweise
Rauchmessungen und CO-Messungen, bereitgestellt. Falsche Alarmzustände können unter
Verwendung der oben erörterten
Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmen verringert werden, die auf
die Produkte der Raucherfassungsvorrichtung oder der Partikelerfassungsvorrichtung
und der CO- oder Gaserfassungsvorrichtung ausgerichtet sind, während die
Empfindlichkeit vergrößert wird.
Selbst einfache Algorithmen führten
zu einer bedeutenden Verringerung falscher Alarmzustände im Vergleich
zu der Ionisierungserfassungsvorrichtung und der fotoelektrischen Erfassungsvorrichtung
allein. Dieser Algorithmus führte
ebenfalls zu kürzeren
Erfassungszeiten für
alle Feuergefahren als die Ionisierungserfassungsvorrichtung.
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Bestimmte
Anwendungen der Erfindung erfordern möglicherweise die Aufstellung
eines Grundlinienpegels von Feuersignatur, der durch die Herstellungsumgebungen
oder andere Umgebungen verursacht wird, wobei sich ein höherer Pegel
an mit Feuersignaturen verbundenen Partikeln und Gasen in der Luft
befindet, als es normalerweise der Fall ist. Die Erfindung kann
so konfiguriert werden, dass das Signalverarbeitungsmittel die Grundlinie
auf der Grundlage eines Probenverfahrens erstellt. Diese Grundlinie
kann entweder auf dem Durchschnittswert der Feuersignatur oder der
durchschnittlichen Änderungsrate
der Feuersignatur über
eine geeignete Zeitspanne hinweg beruhen. Sobald diese Grundlinie
erstellt ist, würde
das Signalverarbeitungsmittel die Differenz zwischen dem momentanten
Wert der Feuersignatur und der Grundlinie oder die Differenz zwischen
der momentanen Änderungsrate
der Feuersignatur und der Grundlinie als Eingabe in den Multi-Signatur-Erfassungsalgorithmus
verwenden.
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Darüber hinaus
kann die Erfindung so konfiguriert werden, dass die Raucherfassungsvorrichtung,
anstelle einen spezifischen Rauchwert zu erfassen, eine Partikelgrößenverteilung
erfasst, wobei die Erfassungsvorrichtung eine Vielzahl von Partikelgrößen erfasst
und Daten bezüglich
einer Partikelgrößenverteilung
mit einem im Speicher gespeicherten Schwellenwert vergleicht. Obwohl
die Erläuterung
der oben erörterten
Erfindung hauptsächlich
eine Multi-Signatur- Feuererfassungsvorrichtung
betrifft, die eine Partikelerfassungsvorrichtung und eine Gaserfassungsvorrichtung
verwendet, kann des Weiteren jede Kombination von Erfassungsvorrichtungen
implementiert werden und im Bereich der beanspruchten Erfindung
liegen. Es können
zwei Gaserfassungsvorrichtungen, die unterschiedliche Arten von
Gasen erfassen, oder eine Kombination aus einer Raucherfassungsvorrichtung,
einer Gaserfassungsvorrichtung, einer Wärmeerfassungsvorrichtung usw.
verwendet werden, wobei die Ausgabe der Erfassungsvorrichtungen
wie oben erörtert
verarbeitet wird. Die Kombination der Erfassungsvorrichtungen könnte Rauch,
Kohlenmonoxid, Temperatur, Kohlendioxid, Chlorwasserstoffsäure, oxidierbares
Gas und Stickstoffoxide umfassen. Andere Erfassungsvorrichtungen
können
basierend auf der Anwendung der Vorrichtung ausgewählt werden.
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Es
ist leicht ersichtlich, dass die oben beschriebene Erfindung den
Vorteil einer weiten kommerziellen Verwendbarkeit aufweist. Es versteht
sich, dass die hierin im Vorangehenden beschriebene spezifische
Form der Erfindung nur stellvertretende Funktion hat, da Fachleuten
bestimmte Modifikationen innerhalb des Bereichs dieser Lehren ersichtlich
sind. Daher sollte bei der Bestimmung des vollständigen Bereichs der Erfindung
nur auf die folgenden Ansprüche
Bezug genommen werden.
