Entwicklung eines optischen Verfahrens zur Erkennung von Störaerosolen und einer Prüfapparatur zum quantitativen Vergleich ähnlicher Methoden

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Paulina Kramer
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1 Entwicklung eines optischen Verfahrens zur Erkennung von Störaerosolen und einer Prüfapparatur zum quantitativen Vergleich ähnlicher Methoden Thorsten Schultze, Wolfgang Krüll, Ingolf Willms Universität Duisburg - Essen Folie: 1

2 Inhalt: Motivation und Stand der Technik Bildsensor als hochauflösender Rauchsensor Depolarisation als Indikator für die Partikelform Reproduzierbare Versuche mit Nicht-Brand Aerosolen Zusammenfassung & Ausblick Folie: 2 Thorsten Schultze

3 Motivation: Automatische Brandmelder: Rauch (optisch, Ionisation) Temperatur Gas Flammenmelder (IR und UV Strahlung) Video (Strahlung und Bildtrübung) Aufgabe: Schnelle Alarmierung bei jedem Brand, möglichst in der Anfangsphase (100% Erkennung) Ziel: Möglichst geringer Schaden im Brandfall Bedingung: Nahezu keine Alarme in der brandlosen Zeit Folie: 3 Thorsten Schultze

4 Motivation: Automatische Brandmelder: Rauch (optisch) Rauch Wasserdampf Staub Folie: 4 Thorsten Schultze

5 Motivation: Feuerwehr Duisburg, 2008, 374 BMA, 533 Alarme durch BMA Brände 16 % technisch regulär ausgelöst, aber kein Brand! 44 % 21 % technische Störungen 16 % unklar 3 % böswillige Alarme Folie: 5 Thorsten Schultze

6 Stand der Technik: Einsatz von Filtern (z.b. bei Ansaugmeldern, sonst hoher Aufwand) Kombination verschiedener Prinzipien: Streulicht & Temperatur & Gas Erweiterung der Optik verschiedene Ansätze: mehrere Streuwinkel Hell-Dunkel-Faktor verschiedene Wellenlängen (blaue Dioden) Partikelgröße hohe örtliche Auflösung (Bildsensoren) Muster? polarisiertes Licht (Laser, Filter) Größe/Form? Folie: 6 Thorsten Schultze

7 Bildgestützter Streulichtsensor: Window visible Folie: 7 Thorsten Schultze

8 Bildgestützter Streulichtsensor: Offener Br. Holz Schwelbrand Holz Staub Dampf Mittlere Helligkeit: Indikator für die Aerosolkonzentration Richtung: liefert Informationen für die Lokalisierung Rauheit: Aerosol Klassifikation, Anpassung der Empfindlichkeit 5 mm visible Folie: 8 Thorsten Schultze

9 Bildgestützter Streulichtsensor: Bildrauheit für verschiedene Aerosole offene Br. Schwelbr. Ultrafine-Staub Medium-Staub, Zellulose-Staub 0 Paraffin 13 Wasserdampf g 2 1 Gewichtung der mittleren Helligkeit 0 13 visible Folie: 9 Thorsten Schultze

10 Depolarisation als Indikator für die Partikelform: Unterscheidung Rauch/Störaerosole über die Form der Partikel? Schwelbrände: kugelförmige Partikel offene Brände: Agglomerate Staub: Körner mit unregelmäßiger Oberfläche und Kanten Von der Kamera nicht auflösbar, aber auch die Polarisation des Streulichts birgt Informationen über die Partikelform! Folie: 10 Thorsten Schultze

11 Depolarisation als Indikator für die Partikelform: Kugeln Agglomerate körnige Form niedrige fraktale Dimension Wasserdampf kompakt Folie: 11 Thorsten Schultze

12 Vergleich zwischen verschiedenen Technologien / Meldern Folie: 12 Thorsten Schultze

13 Brandmelder Tests in Nicht-Brand-Szenarien: Funktionsprüfung: Fehlalarmverhalten: DIN EN 54-7? Folie: 13 Thorsten Schultze

14 Nicht-Brand Aerosole: % Durchlass A1 Ultra-Fine A2 Fine A3 Medium A4 Coarse d/µm Vergleich der ISO Staubsorten Quelle: Powder Technology Incorporated (PTI) Folie: 14 Thorsten Schultze

15 Prüfapparatur: Brandentdeckungslabor der Universität Duisburg-Essen Fläche: 100 m 2, Höhe: 2.8 m bis 6 m Volumen: 280 m 3 bis 600 m 3 EN 54 Test-Duct 1200 Liter Großes Volumen, schwer zu reinigen! Folie: 15 Thorsten Schultze

16 Prüfapparatur: Aerosol-Einlassstutzen Referenzmesstrecke Optik für die Referenzmesstrecke Lüfter, Strömungsrichtung im Uhrzeigersinn Melder (An der Deckenplatte montiert!) Abluft- und Druckausgleichsöffnung Kanalwände, Decke und Boden aus poliertem Edelstahl Grundplatte aus Kunststoff Folie: 16 Thorsten Schultze

17 Prüfapparatur: Vorteile der Prüfapparatur Kompakte Bauform, dadurch leicht und portabel Leichte Reinigung durch sehr schnelle Demontage und geringes Volumen (32l) Geringe notwendige Staubmenge Kontrollierte und reproduzierbare Staubzufuhr Weitgehend laminare Luftströmung im Bereich des zu testenden Melders Anströmungsrichtung und Anströmungsgeschwindigkeit des Melders definiert eingestellt werden Strömungsgeschwindigkeiten von 0.2 m/s... 1 m/s einstellbar Folie: 17 Thorsten Schultze

18 Erste Messungen: 0,25 0,20 Chopper frequency 0.8 Hz Dust feed-in 600 ms Dust break 600 ms 0,15 m [db/m] 0,10 0,05 0, Time [sec] Gepulste Aerosol Zufuhr, Steigung 0,06 db m -1 min -1 Anstieg der Aerosol Konzentration für EN54-Tests im Rauchkanal: m 0,015 t 0,1 [db m -1 min -1 ] Folie: 18 Thorsten Schultze

19 Zusammenfassung: Optischer Rauchmelder mit Bildsensor: + grobe Ortung des Brandes möglich + Charakterisierung des Aerosols (Brand- / Störaerosol) Auswertung der Depolarisation: + eindeutiges Unterscheidungsmerkmal zwischen Staub und Rauch Miniaturisierung und Implementierung Neues Verfahren für den quantitativen Vergleich von Brandmeldern in staubigen Umgebungen Definition der Test-Szenarien: Staubsorte, Steigungen (Verschmutzung), Schwellenwerte Integration weiterer Nicht-Brand Aerosole wie Dampf and Sprays Folie: 19 Thorsten Schultze

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie: 20 Thorsten Schultze

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