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Untersuchungen zur Minderung von durch Störaerosole bedingten Fehlalarmen bei optischen Rauchmeldern

Schultze, Thorsten LSF

Das Ausmaß der Schäden die durch einen Brand verursacht werden steht in direktem Zusammenhang mit seiner Dauer, bzw. mit der Zeit zwischen dem Beginn des Brandes und der Löschung. Um den Schaden zu minimieren ist es demzufolge notwendig, den Brand möglichst früh zu erkennen. Automatische Systeme, die einen Brand in seiner frühen Phase erkennen, sind bereits für viele Einsatzgebiete erhältlich. Im Betrieb einer Brandmeldeanlage zeigt sich jedoch, dass nicht allein die frühzeitige Alarmierung im Falle eines Brandes wichtig ist. In der Zeit, in der kein Brand vorliegt (meist die überwiegende Zeit), sollte das Brandentdeckungssystem auch keinen Alarm melden. Die Unterdrückung von möglichen Fehlalarmen erweist sich als eine noch komplexere Aufgabe als die tatsächliche Branderkennung, zumal die strenge Vorgabe besteht, dass alle Brände entdeckt werden müssen. Thema dieser Arbeit ist die optische Erkennung und Unterscheidung von Rauch und möglichen Störaerosolen wie Staub oder Wasserdampf. Dabei wurden zwei Ansätze verfolgt: einerseits die Aerosolcharakterisierung anhand von hoch aufgelösten Streulichtaufnahmen und andererseits die Unterscheidung von Rauch und Störaerosolen anhand von polarimetrischen Streulichtmessungen. Diese Ansätze können zur optimalen Störunterdrückung auch kombiniert werden. Durch die bildgestützte Messung von Streulicht ist es möglich, Informationen über die Partikelgrößenverteilung des überwachten Aerosols zu erhalten. Der besondere Vorteil eines videogestützten Systems gegenüber Systemen mit Photodioden, die lediglich die mittlere Intensität des Streulichts auswerten, liegt darin, dass kleine Partikel auch dann erkannt werden können, wenn große, stärker streuende Partikel im Aerosol vorhanden sind. Messungen mit verschiedenen Brand- und Nichtbrandaerosolen haben gezeigt, dass Wasserdampf und Staub von Rauch unterschieden werden kann. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Bildsensoren zur Streulichtmessung bietet die Möglichkeit der Richtungsschätzung der strömenden Rauchwolken. Diese kann zur Ortung des Brandherdes beitragen und in Verbindung mit automatischen Löschanlagen eingesetzt werden. Das zweite vorgestellte Verfahren basiert auf der polarimetrischen Streulichtmessung. Dabei wird zwar nur eine Polarisationsrichtung untersucht, aber auch die Depolarisation der Strahlung wird gemessen. Das System zeigt eine ähnliche Empfindlichkeit für Rauch von offenen Bränden und Rauch von Schwelbränden. Es ist möglich, Staub we-gen seiner stark unregelmäßigen Partikelform anhand der Depolarisation zu erkennen. Das Verfahren ist unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und kann Rauch auch dann erkennen, wenn die Luft bereits mit Staub verunreinigt ist. Ein weiterer Vor-teil ist, dass auch Rauch von Schwelbränden mit geringer Temperatur von feinen Stäuben unterschieden werden kann.

The extent of damage of a fire is related to the time between its ignition and its extinction. Therefore it is necessary to detect a fire as soon as possible. Fast automatic fire-detection systems are available on the market for different fields of application. However, during its lifetime, the fire-detection system will probably “see” more non-fire situations than real fires. During this period of no fire the system should raise no alarm. This simple target is, apart from the fire-detection itself, one of the most complex tasks. Fire-like scenarios may lead to a false-alarm. For detectors which are based on the light scattering principle such scenarios may be caused by clouds of steam or dust. The topic of this work is the fire-detection based on the detection of smoke and its differentiation from nuisance aerosols like steam or dust. Two approaches have been followed: the aerosol characterisation by light scattering measurements performed with an optical sensor with a high spatial resolution, and the characterisation of the monitored aerosol by polarised light scattering measurements. Both methods may be combined for an optimal discrimination of smoke, dust and steam, without losing the sight of a fast fire-detection. Image based light scattering measurements provide information about the size distribution of the observed aerosol. The advantage over simple measurements with a photodiode is that small particles can be monitored even if larger, stronger scattering particles are present in the atmosphere. Measurements with different fire and nuisance aerosols have shown that a discrimination of smoke, dust and steam is possible. Further on the recorded images provide information about the flow direction of the aerosol, which may be important for the localisation of the fire source. This information can be used by automatic extinguishing systems, for a directed operation. The second presented method analyses the polarisation of the scattered light. With it, it is not only possible to achieve a similar sensitivity for smoke from open and smouldering fires, but also a discrimination between smoke and dust is possible. Due to the compact, irregular shaped particles present in dust, part of the polarised light is depolarised. This effect is negligible when light is scattered by smoke particles, which are usually spherical or have a low fractal dimension. The method is independent of the flow velocity of the aerosol and allows a detection of smoke even in dusty atmospheres. By the analysis of the depolarisation of the scattered light it is possible to discern dust even from smoke from fires with low temperature.

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Schultze, Thorsten: Untersuchungen zur Minderung von durch Störaerosole bedingten Fehlalarmen bei optischen Rauchmeldern. 2011.

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