Lichtschranken-Rauchmelder: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 23. März 2019, 14:10 Uhr

Lichtschranken-Rauchmelder DIN EN 54 Teil 12

Seit ca. 10 Jahren werden Lichtstrahl-Rauchmelder auch als Reflex-Lichtschranken eingesetzt. Bei diesen kompakten Geräten mit Prismenplatten als Reflektoren wird der Montageaufwand erheblich verringert. Der zu verkabelnde Melder wird auf der einen Seite montiert, gegenüber, ganz ohne elektrische Anschlüsse, die Reflektoren. Das Reflex-Prinzip und die tatsächlichen Baubedingungen schränken den Einsatz der Retro-Lichtschrankenmelder ein.

Lichtschranken-Rauchmelder, „end-to-end

Diese Lichtstrahl-Melder erfordern Montageaufwand und Verkabelungen an beiden „Startpunkten“, Sender und Empfänger sind getrennt, die klassische Form der Lichtschranke, end-to-end.

Sendekegel und Kernlichtstrahl

Der Sender strahlt einen Infrarot-Lichtkegel ab. Nur das Licht, das direkt in den Empfänger fällt, wird in ein analoges Spannungssignal umgesetzt und bewertet. Der Lichtstrahl hat eine Wellenlänge von ca. 940nm und ist mit ca. 10 kHz getaktet. Die Empfängerlinse ist getönt und dient als Filter gegen Fremdlicht. Der Öffnungswinkel des Lichtkegels beträgt ca. 2,6°.

Der Kernlichtstrahl ist der aktive Sensor eines linearen optischen Rauchmelders. Dringt Rauch hinein, so wird das getaktete Infrarotlicht gedämpft. Im Lichtschranken-Rauchmelder steht ein Testausgang zur Verfügung. Die dort anliegende Spannung verhält sich analog dem empfangenen Licht. Bei der Signalauswertung arbeitet das System nach folgenden Parametern:

· Eine schwache und schnelle Dämpfung wird als Verschmutzung bewertet, die automatische Verstärkungsregelung kompensiert diese Lichtschwächung. · Eine ununterbrochene Dämpfung um 25% bis 90% oder 35% bis 90% oder 50% bis 90% (Alarmschwellen) bewertet der Melder als ALARM. · Eine Dämpfung um größer 90% ist eine Störung, der Melder gibt eine nicht gespeicherte Stör-Meldung ab, die sich nach Signalwiederkehr automatisch zurücksetzt.

Automatische Nachregelung

Sinkt das empfangene Infrarot-Lichtsignal um ca. 10% bis nahe zu der Alarmschwelle und verbleibt dort dauerhaft, so wird eine langsame Verschmutzung, eine Alterung oder aber auch eine mechanische Veränderung der Melderachse angenommen.

Die automatische Verstärkungsregelung im Empfänger des Melders kompensiert diese Veränderungen, längerfristige Schwächungen bzw. auch Signalverstärkungen regelt der Melder aus, ggf. in mehreren Schritten nacheinander.

Die Anzahl der Regelschritte und die Länge der Zeitintervalle schwanken innerhalb der Norm-Toleranzen. Kommt der Lichtschranken-Rauchmelder an das Ende seines Nachregelungs-Vermögens, so gibt er wahlweise eine ALARM-oder Störmeldung (nach VdS) ab. Diese Störmeldung wird im Melder gespeichert.

Nachregelungsverhalten des Fireray 1401

Die Grafik zeigt ein langsames und konstantes Absinken des empfangenen Lichtsignals, der Melder regelt zuerst 2 mal hoch und gegen Ende der Kurve 1 mal herunter. Es stehen 15 Regelstufen zur Verfügung. Die Lichtschranken-Rauchmelder sollen bei normaler, guter Sicht in Betrieb genommen werden. Der Melder hat dann die Möglichkeit, seine Verstärkung zu erhöhen oder zu verringern, je nach den herrschenden äußeren Bedingungen.

Blockade des Lichtstrahls

Lichtschranken sind selbstüberwachend, quasi die natürliche Zwangsläufigkeit. Wird ihr Lichtstrahl durch ein Hindernis unterbrochen, so melden sie zwangsläufig diese Störung. Sobald das Hindernis aus dem Kernlichtstrahl entfernt ist, kann die Schranke wieder arbeiten, die Störung ist behoben, und die Störmeldung wird automatisch rückgesetzt.

Die Zeit-und die Dämpfungswerte können gemäß der Norm unterschiedlich gewählt sein.

Meldekriterien

Eine ca. 10 Sekunden lange und ununterbrochene Dämpfung des Signals innerhalb der ALARM-Schwellwerte führt zum ALARM. Es kann im Brandmelder gewählt werden, ob der ALARM gespeichert bleibt oder sich der Melder automatisch zurücksetzen soll, sobald das Brandkriterium nicht mehr erfüllt ist.

Die ALARM-Schwellen sind Dämpfungen des Lichtstrahles um:

25% bis ca. 96% 1,25dB +/ -0,28dB schnelles Ansprechen 35% bis ca. 96% 1,87dB +/ -0,28dB normales Ansprechen 50% bis ca. 96% 3,01dB +/ -0,28dB träge, für widrige Verhältnisse

Betriebssicherheit

Die Weite des abgestrahlten Lichtkegels ist ein wesentlicher Faktor für die Betriebssicherheit des Lichtstrahl-Rauchmelders. Bei einer gut ausgerichteten Lichtschranke liegt der Empfänger in der Mitte des vom Lichtkegel auf der Gegenwand abgebildeten Kreises.

Bei einem gut ausgerichteten Sender darf der Senderkegel um bis zu 1° von der ursprünglichen Mittelachse wegdrehen, er trifft dann noch immer seinen Empfänger. Bei Drehbewegungen des Senders > 1° besteht die Gefahr, dass das Licht den Empfänger nur noch schwach oder gar nicht mehr trifft, mit der Folge einer ALARM- oder Störmeldung.

Die folgenden Skizzen zeigen einen Lichtstrahl-Rauchmelder, der durch einen Mauerdurchbruch hindurch detektiert. Der Empfänger hat einen großen Öffnungswinkel, eine Winkel-Abweichung des Empfängers von der Mittelachse ist daher relativ unkritisch. In der folgenden Betrachtung kann man den Empfänger deshalb als unverrückbar und fest betrachten.

Die Melderachse verläuft mittig durch die Maueröffnung, nur der äußere Teil des Sender-Lichtkegels wird von der Mauer ausgeblendet. Der verbleibende Lichtkegel und damit der Kernlichtstrahl trifft den Empfänger.

Neigt oder verdreht man den Sender, so wird ein Teil des Lichtkegels auf der einen Seite der Mauer noch weiter ausgeblendet. Auf der anderen Seite jedoch „rückt“ der restliche Kegel nach, der Lichtkegel trifft weiterhin den Empfänger.

Ein enger Durchbruch oder fluchtende Maueröffnungen beschneiden die Wirkung des Lichtkegels in der Praxis nicht. Beim Neigen oder Verdrehen des Senders gelangt immer ein Teil des gesamten Kegels zum Empfänger, den Empfänger kann man praktisch als unverrückbar betrachten. Die Öffnung in einem Hindernis soll mindestens 30 cm Durchmesser haben, von der letzten Öffnung bis zum Empfänger ist ein Abstand von mindestens 3 m einzuhalten. Wenn die „Löcher“ gut fluchten, dann ist ihre Anzahl theoretisch nicht begrenzt.

Im Detail ist eine solche Projektierung mit allen Beteiligten zu besprechen, denn im Prinzip steht sie im Widerspruch zu der 0,5m-Abstandsregel, der Mindestabstand von Rauchmelder zu Wänden, Einbauten und Lagergut nach VDE 0833.

Retro-Lichtschranken-Rauchmelder

Bei den RETRO-Meldern sind Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Das Senderlicht wird auf der Gegenseite von 180 Grad-Prismen reflektiert und fällt zurück in den Empfänger.

Reflexion am Spiegel

Trifft der Lichtstrahl eines Melders auf eine spiegelnde Fläche, so gilt die bekannte Regel, Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Der Lichtkegel wird „umgeklappt“ und verläuft - sich weiter öffnend - zurück. Trifft der Lichtstrahl rechtwinklig auf, so verläuft er zurück zum Sender, trifft er schräg auf, so wird der Lichtstrahl zur Seite wegreflektiert.

Der Lichtkegel wird umgeklappt und verläuft sich stark abschwächend zurück in den Raum, ggf. auch als störendes Signal von spiegelnden Flächen.

Reflexion am idealen Prisma

Diese Skizze zeigt den Retro-Melder mit einem großen idealen Prisma. Der Lichtstrahl wird vom 180° Prisma in den Sender zurückgeworfen.

Bei diesem idealen 180° Prisma wird der Lichtstrahl direkt in den Sender reflektiert, den Empfänger trifft er nicht, die Lichtschranke ist nicht geschlossen.

Reflexion mit Streuung

In dieser Skizze werden Prismenplatten als Reflektor verwendet.

Die vielen hundert Prismen der Prismenplatte „streuen und bündeln“ das Licht zurück, es fällt in den Empfänger und die Lichtschranke ist geschlossen.

Die Signalauswertung erfolgt wie bei den „end to end“ Lichtschranken-Rauchmeldern:

· Eine schwache und langsame Dämpfung wird als Verschmutzung bewertet, die automatische Verstärkungsregelung kompensiert diese Lichtschwächung. · Eine ununterbrochene Dämpfung um 25% (bis 90%) oder 35% (bis 90%) oder 50% (bis 90%) (Alarmschwellen) bewertet der Melder als ALARM. · Eine Dämpfung größer 90% ist eine Störung, der Melder gibt eine nicht gespeicherte Stör-Meldung ab, die sich nach Signalwiederkehr automatisch zurücksetzt.

Doppelte Dämpfung bei RETRO-Rauchmeldern

Bei den Lichtstrahl-Rauchmeldern nach dem Retro-Prinzip wird der Lichtstrahl von dem „einen Rauch“ zweimal geschwächt, auf dem Weg zum Reflektor und auf dem Weg zurück zum Melder:

Signal Dämpfung Signal durch Rauch am Prisma durch Rauch am Empfänger Sender 100% -25% Rauch = 75% Prisma -25% Rauch = 56,25% Empf. Sender 100% -35% Rauch = 65% Prisma -35% Rauch = 42,25% Empf. Sender 100% -50% Rauch = 50% Prisma -50% Rauch = 25,00% Empf.

Diese Verhältnisse sind beim Testen der Lichtschranken-Rauchmelder zu berücksichtigen. Die Dämpfungsfolien zum Testen der Lichtschranken-Rauchmelder weisen daher zwei unterschiedliche Skaleneinteilungen auf: „end-to-end“ und „RETRO“.

Bei der Auswertung der Melderdaten wie unter 5.2 beschrieben sind diese „doppelten“ Dämpfungen zu beachten, der dort aufgeführte AV-Wert ist vor der logischen Verknüpfung ausgekoppelt und so ist diese „doppelte“ Dämpfung noch nicht eingerechnet.

Reflexionen und Fremdlicht

Bei dem „end-to-end“ Lichtschranken-Rauchmelder sind die optischen Verhältnisse einfach, nur das Licht des Kernlichtstrahls fällt in den Empfänger, Fremdlichteinflüsse können in der Regel vernachlässigt werden.

Lichtauswertung

Das Infrarotlicht der Sender, ca. 840nm Wellenlänge, ist charakteristisch moduliert und die Empfängerlinse dient als Filter und blendet „fremdes“ Licht anderer Quellen aus.

· Ein starkes Fremdlicht gleicher Frequenz könnte den Empfänger „zustopfen“, dies wird durch den Montageort der Linearen Rauchmelder oberhalb von Lampen verhindert.

· Ein zweiter Lichtschranken-Sender könnte den einen Empfänger bestrahlen, es käme zu Interferenzen oder Schwebungen. Man verhindert dies durch einen Mindestabstand zwischen beiden Melderachsen.

· Reflektierende Flächen nahe dem Empfänger, dicht zur Achse, sollen vermieden werden. Streuung des eigenen Lichtes können in den Empänger fallen und das Nutzsignal vom eigenem Reflektor verfälschen.

Zusätzliche Reflektoren

Der Empfänger eines Retro-Melders soll nur das Licht erhalten, welches direkt von seinem Sender zum Reflektor und von dort zurück in den Empfänger fällt.

Eigenes Licht, reflektiert von Hindernissen oder Licht anderer Detektoren verfälschen das Signal und führen zu nicht definierten Verhältnissen. Es kann zu Störungen durch Interferenzen kommen oder sogar zu optischen Kurzschlüssen, der Melder wäre dann nicht über die Gesamtlänge meldebereit.

Dieses schematische Beispiel soll die störenden Lichtverhältnisse verdeutlichen.

Das gesendete Infrarotlicht fällt auf drei spiegelnde Flächen, diese werfen es zum Melder zurück. Das Rücksignal im Empfänger setzt sich aus drei „Echos“ zusammen:

Der IST-Zustand...

Der Melder funktioniert einwandfrei, man kann sogar feststellen, der Melder ist sehr empfindlich, da er auf mehreren Achsen gleichzeitig detektiert.

Vom Reflektor 45 %

Von der Glasfläche 30 %

Vom Klimakanal 25 %

Summe Empfänger 100 % Der Melder ist im Ruhezusand

Dies darf nicht eintreten...

Dieses Echo ist stabil, wenn jetzt allerdings jemand das Fenster öffnet, dann fehlen 30 % Signal. Der Melderhat jetzt nur noch 70 % Restsignalstärke.

Vom Reflektor 45 %

Von der Glasfläche 0 %

Vom Klimakanal 25 %

Summe Empfänger 70 % Der Melder gibt ALARM

Die Störmeldung

Der „richtige“ Reflektor wird zum Test der Störmeldung abgedeckt. Es bleiben 45 % Signalstärke, gesendet von den beiden weitere Reflektoren ! Es sollte eine Störung sein.

Vom Reflektor 0 %

Von der Glasfläche 30 %

Vom Klimakanal 25 %

Summe Empfänger 55 % Der Melder gibt ALARM

Resultat: Diese Retro-Lichtstrahlmelder brauchen ein freies Sichtfeld von ca. 0,5m2 bei einer Entfernung von ca. 50m und bei 100m von ca. 1m2.

Testen Sie bei der Inbetriebnahme, ob der Sender sein Prisma trifft und nur sein Prisma !

Beim Testen mit einer Dämpfungsfolie direkt vor der Melderoptik überprüfen Sie nur die Gerätefunktion. Sie bemerken dabei nicht, dass die Melderstrecke ganz oder zum Teil durch Einbauten kurzgeschlossen ist.

Helle Decke und Klimarohr

Kabelpritsche

Glasflächen und Fensterfronten

In den Foyerbereichen großer Gebäude mit vielen spiegelnden Flächen ist der Einsatz von Lichtschranken-Rauchmeldern „end to end“ zu empfehlen.

Dies entspricht natürlich nicht dem Anspruch der Architekten und dem Design dieser Räume: die Melder sollen möglichst unauffällig auf die Innenwände montiert werden, die kleinen flachen Prismenkacheln unsichtbar auf die Glasfronten.

Reflektion an Glasflächen

In dieser Darstellung trifft das Senderlicht senkrecht auf die Prismenplatte und auf die Glasfläche. Deckt man zum Testen der Störmeldung das Prisma ab, so wird wahrscheinlich der Empfänger so viel vom Glas reflektiertes Licht empfangen, dass er nicht Störung, sondern Alarm meldet, wie oben beschrieben.

Glasflächen reflektierten sehr unterschiedlich, abhängig von den Glas-Beschichtungen, den Glasqualitäten und den Lichtverhältnissen hinter dem Glas.

Die Reflexionen eines Glases kann man nutzen, aber nur in einem praktischen Test kann festgestellt werden, ob sich nicht auch negative Einflüsse einstellen.

Einige Rahmeninformationen zu den optischen Verhältnissen:

Der Sendekegel hat einen Öffnungswinkel von ca. 0,5° bis 2,6°, je nach Melder und Hersteller. Der Eingangswinkel am Empfänger beträgt ca. 4,5°.

Die Prismenplatten können bis zu ca. 5° aus der Senkrechten zum Lichtsender geneigt sein, ohne merklich weniger Licht zum Empfänger zu reflektieren (180 Grad-Prismenwirkung).