Mit der Neuausrichtung des Aufgabengebietes der Bundeswehr infolge der veränderten politischen Lage in der Welt seit Ende des Kalten Krieges haben sich auch die Anforderungen an das Gesamtschutzkonzept für militärische Fahrzeuge stark gewandelt. Die Landesverteidigung im Bündnisrahmen gegen mögliche, aber unwahrscheinliche Bedrohungen stellt nicht mehr die alleinige Hauptaufgabe der Bundeswehr dar. Immer mehr in den Fokus kommen die Einsätze zur Verhütung internationaler Konflikte und die Krisenbewältigung sowie der Kampf gegen den internationalen Terrorismus. Damit ändert sich auch das Bedrohungsszenario ausgehend von symmetrischen Angriffen regulärer Armeen hin zu asymmetrischen Angriffen irregulärer Kräfte. Dennoch ist und bleibt der Schutz der Soldatinnen und Soldaten die oberste Priorität und muss an die sich ändernden Gegebenheiten angepasst und wann immer möglich verbessert werden.
Für die Einsätze innerhalb internationaler Bündnissysteme eigenen sich besonders leichte Radfahrzeuge, die sowohl taktisch, operativ als auch strategisch mobil sind. Dementsprechend muss sich auch das Gesamtschutzkonzept dieser Fahrzeuge stark an den möglichen Gefahren während der Operationen orientieren. Hierbei treten die direkten Schutzmaßnahmen, die primär die Überlebensfähigkeit der Besatzung zum Ziel haben, in den Fokus der weiteren Betrachtung.
Ein integraler Bestandteil dieser direkten Schutzmaßnahmen in militärischen Fahrzeugen ist die Brandunterdrückungsanlage (BUA). Dieses Löschsystem dient zur Reduzierung von Sekundärschäden infolge eines explosionsähnlichen Verbrennungsvorganges (Deflagration) im Kampfraum des Fahrzeuges. Dabei sollen die Deflagrationen bereits in ihren Anfangsstadien erfasst und gelöscht werden, um ernsthafte Verletzungen der Besatzung zu vermeiden. Typische Löschzeiten liegen für diese Anwendungsumgebung im Bereich von 150 – 250 ms. Ein entscheidender Faktor des Löschvorganges ist die schnelle und fehlerfreie Detektion. Aktuelle optische Detektionssysteme basieren immer noch auf dem klassischen Angriffsprofil und werden den heutigen Bedrohungsszenarien nur noch bedingt gerecht. Zudem liefern diese Systeme nur das Detektionssignal und keine zusätzlichen Informationen über das erfasste Ereignis, was wiederum einen Spielraum für Fehlalarme durch Störquellen zulässt. Dabei könnte sich mit zusätzlichen Informationen das nachfolgende Löschsystem effizienter betreiben lassen. [...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen zur Deflagrationsdetektion
2.1 Begriffsklärung: Feuer und Deflagration
2.2 Aktuelle Methoden zur Detektion von Verbrennungsvorgängen
2.2.1 Deflagrationsdetektion mittels optischer Detektoren
2.2.2 Digitale Bildverarbeitung zur Erfassung von Feuern
2.3 Gefährdungsszenarien
2.3.1 Militärische Bedrohungsszenarien
2.3.2 Zivile Anwendungsgebiete am Beispiel der Munitionsproduktion
2.4 Konzept zur Deflagrationsdetektion
2.4.1 Allgemeine Anforderungen
2.4.2 Definition und Einordnung des Detektionskonzeptes
3 Versuchsaufbauten
3.1 Versuchsstand zur Simulation von Gasstrahlung
3.1.1 Einrichtungen zur Nachbildung von Gasstrahlung
3.1.2 Analytische Beschreibung der Strahlungsquellen
3.2 Kleinskalige Propangas-Deflagrationen
3.2.1 Bestimmung der physikalischen Randbedingungen
3.2.2 Aufbau und Wirkungsweise des Versuchsstandes
3.2.3 Charakterisierung der erzeugten Deflagrationen
3.3 Nachbildung von realitätsnahen Szenarien
3.3.1 Einrichtung zur Erzeugung von JP-8-basierten Deflagrationen
3.3.2 Simulation von Angriffen mit BKM
3.3.3 Simulation von Feuern definierter Größe
4 Bildverarbeitungsbasierte Detektion
4.1 Auswahl eines Detektionssystems
4.1.1 Untersuchung von aktuellen Detektions- und Sensorsystemen
4.1.2 Potential eines hochdynamischen Kamerasystems
4.1.3 Modifikation des Detektionskonzeptes
4.2 Strukturierung des Detektionsablaufes
4.3 Identifizierung deflagrations- und feuerähnlicher Bildpunkte
4.3.1 Chromatische Merkmale
4.3.2 Erfassung der Intensitätsdynamik
4.4 Parametrische Differenzierung von Verbrennungsvorgängen
4.4.1 Zweidimensionale Expansionserfassung
4.4.2 Niederfrequente Flammenbewegung
4.5 Fuzzylogikbasierte Klassifizierung der Kennzahlen
4.5.1 Klassifizierungsmodell zur Identifizierung von Bildpunkten
4.5.2 Klassifizierungsmodell zur Deflagrationsverifizierung
4.5.3 Klassifizierungsmodell zur Feuerverifizierung
4.6 Zusammenfassende Beschreibung des Detektionsalgorithmus
5 Verifikation des Detektionsalgorithmus
5.1 Bestimmung der Detektionsparameter
5.1.1 Grenzfrequenz Hochpassfilter
5.1.2 Belichtungszeit Kamera
5.1.3 Intervall Expansionsparameter
5.1.4 Intervall Gewichtungsfaktor
5.1.5 Schwellenwerte Wahrscheinlichkeiten
5.2 Kleinskalige Deflagrationen
5.3 Realitätsnahe Szenarien
5.3.1 Deflagrationen auf Basis von JP8
5.3.2 Brandkampfmittel Molotowcocktail
5.3.3 Feuer auf Basis bekannter Brennstoffe
5.4 Störquellenempfindlichkeit
5.4.1 Auswahl relevanter Störquellenszenarien
5.4.2 Charakterisierung der Störquellen
5.4.3 Optimierungsansätze
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literaturverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Symbolverzeichnis
Griechische Formelzeichen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Lateinische Formelzeichen Großbuchstaben
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Lateinische Formelzeichen Kleinbuchstaben
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Indizes
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Prozessdatenverarbeitung und Systemanalyse an der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg.
Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Krüger für seine intensive, fördernde aber auch fordernde Betreuung. Insbesondere sein persönliches Engagement, das überhaupt zum Start dieser Arbeit führte, als auch seine herzliche und hilfsbereite Art haben sehr zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen.
Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Hendrik Rothe danke ich recht herzlich für die Übernahme des Zweitgutachtens und das Interesse an meiner Arbeit. Herrn. Prof. Dr. rer. nat. habil. Markus Bause als Prüfungsvorsitzenden danke ich für den reibungslosen Ablauf des Promotionsverfahrens.
Außerdem geht ein großer Dank an Sebastian Cepelak, Magnus Bunk, Sascha Einig, Björn Heitbrink, Helge Krystian, David Twardzik, Michael Helmig, Jan-Hendrik Schmedewitz, Jost Cors, Pascal Dluhosch und Hendrik Vogeler, die ich im Rahmen ihrer Studien-, Bachelor- oder Masterarbeiten betreuen durfte und die auf diese Weise einen großen Beitrag für diese Arbeit lieferten.
Bei meinen Kollegen möchte ich mich für die gemeinsame Zeit am Institut und die vielen „lachmuskelintensiven“ Kaffeerunden bedanken. Mein Dank gilt insbesondere Dr.-Ing. Vico Haverkamp und Dr.-Ing. Dustin Büttner für die sehr kurzweilige Zeit als Bürokollegen, die immer auch ein offenes Ohr für fachliche Probleme hatten. Auch geht ein großer Dank an die Kollegen in Werkstatt und Labor, Reinhard Schulz, Hendrik Schönig, Wolfgang Schmidt und Wolfgang Kletz, ohne die die beiden Versuchsstände und die zahlreichen experimentellen Ergebnisse niemals möglich gewesen wären.
Als Projektpartner danke ich Herrn Dr. Winfried Schuhn, Herrn Dr. Frank Sabath und ganz besonders Herrn Felix Kümmerlen vom Wehrwissenschaftlichen Institut Munster für die großartige Zusammenarbeit und stetige Unterstützung.
Ich möchte mich bei all meinen Freunden und meiner Familie bedanken, die mich, auf verschiedenste Weisen, während der gesamten Zeit der Dissertation unglaublich unterstützt haben. Besonders meiner Frau Mandy, ohne ihre Unterstützung wäre diese Arbeit so nicht möglich gewesen. Sie stand mir die gesamte Zeit mit sehr viel Geduld und Verständnis zur Seite und motivierte mich mit den richtigen Worten zur richtigen Zeit.
Hamburg, im Dezember 2016
„Alles, was schiefgehen kann, wird auch schiefgehen.“
Edward A. Murphy
1 Einleitung
„…Soldatinnen und Soldaten im Einsatz haben Anspruch auf den bestmöglichen Schutz. Überlebensfähigkeit und Schutz von Personal und Infrastruktur sind unabdingbare Grundvoraussetzungen für die Auftragserfüllung und Ausdruck der Fürsorgeverpflichtung des Staates gegenüber den Angehörigen der Bundeswehr…“ [Weißbuch 06]
Mit der Neuausrichtung des Aufgabengebietes der Bundeswehr infolge der veränderten politischen Lage in der Welt seit Ende des Kalten Krieges haben sich auch die Anforderungen an das Gesamtschutzkonzept für militärische Fahrzeuge stark gewandelt. Die Landesverteidigung im Bündnisrahmen gegen mögliche, aber unwahrscheinliche Bedrohungen stellt nicht mehr die alleinige Hauptaufgabe der Bundeswehr dar. Immer mehr in den Fokus kommen die Einsätze zur Verhütung internationaler Konflikte und die Krisenbewältigung sowie der Kampf gegen den internationalen Terrorismus. Damit ändert sich auch das Bedrohungsszenario ausgehend von symmetrischen Angriffen regulärer Armeen hin zu asymmetrischen Angriffen irregulärer Kräfte. Dennoch ist und bleibt der Schutz der Soldatinnen und Soldaten die oberste Priorität und muss an die sich ändernden Gegebenheiten angepasst und wann immer möglich verbessert werden.
Für die Einsätze innerhalb internationaler Bündnissysteme eigenen sich besonders leichte Radfahrzeuge, die sowohl taktisch, operativ als auch strategisch mobil sind. Dementsprechend muss sich auch das Gesamtschutzkonzept dieser Fahrzeuge stark an den möglichen Gefahren während der Operationen orientieren. Hierbei treten die direkten Schutzmaßnahmen, die primär die Überlebensfähigkeit der Besatzung zum Ziel haben, in den Fokus der weiteren Betrachtung.
Ein integraler Bestandteil dieser direkten Schutzmaßnahmen in militärischen Fahrzeugen ist die Brandunterdrückungsanlage (BUA). Dieses Löschsystem dient zur Reduzierung von Sekundärschäden infolge eines explosionsähnlichen Verbrennungsvorganges (Deflagration) im Kampfraum des Fahrzeuges. Dabei sollen die Deflagrationen bereits in ihren Anfangsstadien erfasst und gelöscht werden, um ernsthafte Verletzungen der Besatzung zu vermeiden. Typische Löschzeiten liegen für diese Anwendungsumgebung im Bereich von 150 – 250 ms. Ein entscheidender Faktor des Löschvorganges ist die schnelle und fehlerfreie Detektion. Aktuelle optische Detektionssysteme basieren immer noch auf dem klassischen Angriffsprofil und werden den heutigen Bedrohungsszenarien nur noch bedingt gerecht. Zudem liefern diese Systeme nur das Detektionssignal und keine zusätzlichen Informationen über das erfasste Ereignis, was wiederum einen Spielraum für Fehlalarme durch Störquellen zulässt. Dabei könnte sich mit zusätzlichen Informationen das nachfolgende Löschsystem effizienter betreiben lassen. Ebenso könnte die Substitution heutiger Halon-Löschmittel durch neuartige, lokal wirkende Löschsysteme auf Basis von Wassernebel durch die Bereitstellung weiterer Informationen beschleunigt werden.
Auch bei zivilen Infrastrukturen gewinnt der Schutz vor Beschädigungen durch verschiedene Verbrennungsvorgänge eine immer größere Bedeutung. Insbesondere für die informationstechnische Versorgung unserer Gesellschaft kann bereits der Verlust eines Internet-Knotens zu einer Drosselung oder sogar Ausfall des internationalen Datenverkehrs führen. Auch der Ausfall eines neuralgischen Punktes der Energieversorgung hätte einen lokalen, vielleicht sogar einen regionalen, Systemzusammenbruch zur Folge [Pamlin 15]. Dementsprechend sichern sich die Betreiber solcher hochsensibler Infrastrukturen auch gegen die Beschädigung und Zerstörung durch Verbrennungsvorgänge jeglicher Art durch den Einsatz verschiedener Löscheinrichtungen ab. Aber auch innerhalb der Prozessindustrie genießt die schnelle Detektion und rechtzeitige Unterdrückung sich schnell ausbreitender Verbrennungsvorgänge oberste Priorität, um die möglichen Schäden am Prozess und besonders an Personen zu vermeiden oder wenigstens auf einen minimalen Grad zu beschränken.
Für den Schutz der zivilen Infrastrukturen vor Deflagrationen ist die Bandbreite an verwendeten Detektoren und Sensoren deutlich größer als im bereits vorgestellten militärischen Anwendungsgebiet. Jedoch beschränken sich auch die zivil genutzten Systeme zur Erfassung von Deflagrationen überwiegend auf die Bereitstellung eines Detektionssignales und lassen zusätzliche Informationen über den Verbrennungsvorgang außen vor. Zudem sind die Detektoren speziell auf die vor Ort herrschenden Gegebenheiten angepasst und für einen universellen Einsatz in verschiedenen Infrastrukturen nicht verwendbar.
Einzig die bereits seit längerer Zeit etablierten bildverarbeitungsbasierten Detektionssysteme für den Schutz von zivilen Infrastrukturen (z. B. Tunnel, Industriemühlen und Raffinerien) und Wäldern vor Feuer liefern neben der eigentlichen Detektion auch Informationen über die Örtlichkeit und das Ausmaß des Verbrennungsvorganges. Aufgrund der hohen Dichte an Überwachungskameras im öffentlichen Raum und in industriellen Produktionsstätten sind bereits zahlreiche potentielle Sensorsysteme für die bilddatengestützte Detektion von Verbrennungsvorgängen großflächig vorhanden. Außerdem sind für aktuelle Kamerasysteme keine großen Investitionen notwendig, was wiederum den Nachteil bei der Beschaffung gegenüber den bisherigen optischen Detektoren kompensiert. Allerdings sind die bekannten bildverarbeitungsbasierten Detektionssysteme nicht in der Lage, hochdynamische Deflagrationen in einer für eine erfolgreiche Unterdrückung akzeptablen Zeitspanne zu erfassen.
Demzufolge ist die Entwicklung eines neuen technologischen Konzeptes zur Detektion von Deflagrationen notwendig, was Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist. Dazu muss in einem ersten Schritt der bisher in der Fachliteratur vielseitig interpretierbar definierte Verbrennungsvorgang Deflagration exakt erläutert und von den weiteren Verbrennungsvorgängen Explosion und Feuer verständlich abgegrenzt werden. Als Anwendungsumgebung wird primär ein militärisches Gefährdungsszenario als Einsatzzweck für das Detektionssystem angesehen. Jedoch werden im weiteren Verlauf der Arbeit auch zivile Anwendungsgebiete aufgezeigt. Die vorgestellten zivilen und militärischen Szenarien dienen zur detaillierten Bestimmung der Anforderungen an die Methode.
Die entwickelte Detektionsmethode soll dabei vorrangig die Leistungsfähigkeit aktueller Detektionssysteme hinsichtlich der Detektionszeit erreichen und analog zur bilddatengestützten Feuerdetektion weitere Informationen über die Deflagration liefern. Dies kann einerseits durch die Verknüpfung von aktueller Detektionstechnik mit bekannten bilddatengestützten Methoden zur Feuerdetektion erfolgen. Andererseits ist bei ausschließlicher Verwendung eines für die Deflagrationsdetektion geeigneten Kamerasystems die Entwicklung einer speziell auf die Merkmale einer Deflagration ausgelegten bildverarbeitungsbasierten Methode notwendig.
Für eine erste Definition des Detektionskonzeptes werden beide Ansätze evaluiert, indem aktuelle Detektionstechnik für Deflagrationen und bekannte Methoden zur bildverarbeitungsbasierten Erfassung von Feuern vorgestellt und anhand aussagekräftiger Kenndaten miteinander verglichen werden. Die anschließende Einordnung des definierten Detektionskonzeptes in die bereits bekannten Verfahren zur Deflagrationserkennung soll die Vor- und Nachteile des Konzeptes aufzeigen.
Die endgültige Definition des Detektionskonzeptes basiert auf der experimentellen Untersuchung aktueller optischer Detektions- und Sensortechnik und auf der Potenzialanalyse eines für die Rahmenbedingungen der Deflagrationsdetektion geeigneten Kamerasystems. Die für die Untersuchung der Detektionstechnik und der Verifizierung der vorgestellten Detektionsmethode entwickelten und genutzten Versuchsstände werden ebenfalls ausführlich beschrieben und ihre Leistungsfähigkeit eingehend dargestellt.
Die Detektionsmethode zur Erfassung von Deflagrationen wird mitsamt aller zugrundeliegender Methoden und Funktionen abschließend präzise erläutert und anhand verschiedener Gefährdungsszenarien auf ihre Leistungsfähigkeit hin beurteilt. Zu den Gefährdungsszenarien zählen sowohl Deflagrationen in unterschiedlichen Umgebungen als auch Feuer auf Basis verschiedener Brennstoffe. Außerdem wird eine abschließende Betrachtung der Störquellenempfindlichkeit der Methode hinsichtlich ihrer Fehlalarmrate gemacht und notwendige Optimierungsansätze diesbezüglich aufgezeigt.
2 Grundlagen zur Deflagrationsdetektion
Die Erfassung von Deflagrationen ist ein Teilgebiet innerhalb der allgemeinen Detektion von Verbrennungsvorgängen. Dazu werden in einem ersten Schritt die in dieser Arbeit zu detektierenden Verbrennungsvorgänge, Feuer und Deflagration, detailliert definiert. Ein Überblick über die aktuell bekannten Detektionsmethoden für Verbrennungsvorgänge bildet einen weiteren Schwerpunkt dieses Kapitels. Die besonderen Eigenschaften einer Deflagration verlangen entsprechend an den Prozess angepasste Sensoren, die in der Lage sind, Deflagrationen bereits in ihrem Anfangsstadium zu erkennen und demzufolge frühzeitig wirksame Löschmaßnahmen einzuleiten. Diese Detektionssysteme basieren auf fotoelektrischen Sensoren und werden im Folgenden ebenfalls genauer vorgestellt. Eine bereits weit verbreitete und vielversprechende Methode zur Detektion von Feuer und Rauch ist die bildverarbeitungsbasierte Erfassung feuertypischer chromatischer und dynamischer Eigenschaften. Anschließend werden anhand von verschiedenen Gefährdungsszenarien Anforderungen an ein Detektionsverfahren zur Erfassung von Deflagrationen festgelegt. Den Abschluss des Kapitels bildet die Definition eines aus der Analyse der vorhandenen Detektionsmethoden entstandenen Konzeptes zur zuverlässigen und schnellen Erfassung von Verbrennungsvorgängen.
2.1 Begriffsklärung: Feuer und Deflagration
Die in dieser Arbeit zu erfassenden Vorgänge werden allgemein als Verbrennungen bezeichnet und sind als sich selbst erhaltende Oxidation von Brennstoffen, für gewöhnlich Kohlenwasserstoffe, unter Abgabe von Licht und Wärme definiert [Joos 06]. Das Gebiet, in dem diese chemische Umsetzung stattfindet, wird als Flamme bezeichnet. Die Eigenschaften der Flammen hängen direkt vom Brennstoff, der Versorgung mit Luft oder einem anderen gasförmigen Oxidationsmittel und weiteren physikalischen Umgebungsbedingungen ab.
Als Überbegriff für eine Verbrennung mit Flammenbildung wird üblicherweise Feuer verwendet. Bei dieser Art der Verbrennung wird davon ausgegangen, dass keine Vormischung der Verbrennungsedukte und ein konstanter Druckausgleich mit der Umgebung vorliegen. Dadurch wird Brennstoff der Reaktionsfront zugeführt, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten. Dementsprechend treten nach Zündung der Verbrennung keine schlagartigen Druckanstiege auf, die eine Expansion der Edukte verursachen würden. Folglich kann diese Art einer Verbrennung als ortsunveränderlich (stationär) angesehen werden. Eine Ausbreitung eines Feuers kann nur durch die Entzündung der in der Umgebung befindlichen Brennstoffe erfolgen. [DeBano 98] [Joos 06] [Warnatz 01]
Neben der Verbrennungsart Feuer existieren auch Verbrennungen mit vorgemischten Flammen. In diesem Fall sind Brennstoff und Oxidationsmittel bereits in einem zündfähigen Verhältnis vorhanden und können ohne weitere Stoffzufuhr von außen eine Reaktion aufrechterhalten. Nach Zündung des Gemisches kann es bei dieser Art der Verbrennung zu einem Anstieg des Verbrennungsdruckes kommen. Das wiederum führt zu einer Expansion der Flammenfront und der noch unverbrannten Edukte. Diese ortsveränderliche (instationäre) Verbrennungsart wird auch als Explosion bezeichnet. Als eine Unterart der Explosion wird die Deflagration angesehen. [Warnatz 01]
Für eine detaillierte Defintion des Begriffes Deflagration stellt die Literatur unterschiedliche Ansätze bereit. Dementsprechend werden im folgenden Kapitel mehrere Erläuterungen zur Einteilung der unterschiedlichen Explosionsarten genannt, um daraus eine allgemeingültige Definition der in dieser Arbeit zu erfassenden Deflagrationsart zu entwickeln.
Unter einer Explosion wird die Freisetzung von Energie verstanden, so dass eine endlich große und sich vom Ursprung wegbewegende Druckwelle erzeugt wird. Die ursprünglich im System gespeicherte Energie kann in nuklearer, chemischer oder elektrischer Form oder auch als Druck vorliegen. Die Umwandlung der vorliegenden Energie in eine andere Energieform kann durch eine chemische Reaktion oder einen physikalischen Vorgang ausgelöst werden. Eine primäre Bedingung zur Entstehung einer Explosion ist das Vorliegen einer zündfähigen Atmosphäre. [Baker 92] [Baum 59]
Zur Definition des Begriffes Deflagration werden im Folgenden die verschiedenen Explosionsarten vorgestellt. Nach Baker et al. können Explosionen dabei in theoretische Modelle (ideale Punktquelle, Art der Flammenausbreitung), natürliche Explosionen (Vulkanausbrüche, Einschlag von astronomischen Kleinkörpern), vorsätzlich hervorgerufene Explosionen (Nuklearwaffenexplosion, Spreng- und Brandvorrichtungen) und unfallbedingte Explosionen (Staub- und Gasexplosionen, instabile chemische Reaktionen) unterschieden werden [Baker 92]. Im weiteren Verlauf wird sich auf eine Einteilung der Explosionsarten nach der Art der Flammenausbreitung beschränkt. Damit können sowohl alle Arten von natürlich oder künstlich auftretenden Explosionen berücksichtigt als auch charakteristische Merkmale aufgezeigt werden.
Die Unterteilung von Explosionen erfolgt dabei nach der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Art des Ausbreitungsmechanismus und dem durch die Freisetzung der Energie resultierenden Druckanstieg. Einen Überblick über die Explosionsarten liefert Tabelle 2.1.
Demzufolge ist eine Deflagration ein Verbrennungsvorgang, bei dem sich die Flammenfront mit einer Geschwindigkeit mit Unterschallgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Entzündung der Reaktanten in der Flammenfront wird durch Wärmeleitung induziert. Das wiederum führt zu einer sich selbsterhaltenden und fortpflanzenden Flammenfront. Die Differenzierung anhand des resultierenden Druckanstiegs als sehr eingeschränkt anzusehen, da der Druckanstieg als Unterscheidungsmethode in der Literatur kaum Erwähnung findet. Zudem hängt der Enddruck von Deflagrationen nicht von der Kinematik der vorherigen Verbrennungsreaktion ab, sondern wird vielmehr vom Anfangs- und Endzustand des Systems bestimmt. [Joos 06] [Köhler 95] [Lee 08] [Steen 00]
Im Gegensatz zu einer Deflagration pflanzt sich eine Detonation mit Überschallgeschwindigkeit fort. Die Ausbreitung der Flammenfront wird durch die sich ausbreitende Druckwelle induziert. Hierbei verursacht der Verdichtungsstoß ein Ansteigen von Dichte, Druck und Temperatur im Medium, was eine Entzündung des Frischgases an der Flammenfront zur Folge hat. In dieser fortschreitenden Stoßwelle können Druckanstiege größer als 105 bar/s erreicht werden. Entsprechend sind die Auswirkungen von Detonationen in direkter Umgebung sowohl thermisch als auch mechanisch als verheerend anzusehen [Bartlmä 75] [Lee 08] [Steen 00] [Warnatz 01].
Als ein Sonderfall der Deflagration kann der Explosionstyp Verpuffung definiert werden. Nach der Norm DIN EN 13237 sind Explosionen nur in Deflagrationen und Detonationen einzuteilen. Jedoch ist der Begriff Verpuffung im Sprachgebrauch sehr verbreitet und lässt sich als eine abgeschwächte Form einer Deflagration beschreiben. Demzufolge breitet sich die Flammenfront einer Verpuffung relativ langsam aus, womit die Temperatur auf im Raum befindliche Gegenstände und Lebewesen im Vergleich zu den schnelleren Deflagrationen länger einwirkt. Das kann zu Folgebränden in der direkten Umgebung einer Verpuffung führen. Für die weitere Definition der Merkmale des zu detektierenden Verbrennungsvorganges wird die Verpuffung den Deflagrationen zugeordnet [Löhmer 95].
Wie in Tabelle 2.1 dargestellt, ist die Nomenklatur für die einzelnen Explosionsarten in der Literatur ungenau definiert. In der Definition nach DIN EN 13237 dient nur die Schallgeschwindigkeit als Grenze zur Unterscheidung der beiden Explosionsarten. So werden Explosionen in Deflagrationen und Detonationen unterteilt. Jedoch bleibt aufgrund der Bandbreite von Unterschall- bzw. Überschallgeschwindigkeit ein großer Spielraum zur genauen Definition spezieller Deflagrations- bzw. Detonationsarten.
Tabelle 2.1: Einteilung der Explosionsarten nach Art der Flammenausbreitung anhand charakteristischer Merkmale von Verbrennungsvorgängen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die in der vorliegenden Arbeit zu erfassende Explosionsart ist gemäß DIN EN 13237 als Deflagration anzusehen. Jedoch muss der allgemeingültige Begriff der Deflagration hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit nach oben begrenzt werden. Dementsprechend werden Deflagrationen im oberen Unterschallbereich nicht weiter berücksichtigt.
Im weiteren Verlauf wird unter einer Deflagration eine Verbrennung verstanden, die sich mit einer Geschwindigkeit von 0,034 m/s bis zu 10 m/s in einer Standardatmosphäre nach DIN ISO 2533 ausbreitet. Diese Festlegung beruht auf der Definition nach Kuo, mit der sich eine Deflagration mit 0,01 – 3 % des Verhältnisses von Ausbreitungsgeschwindigkeit des unverbrannten Gases zu Schallgeschwindigkeit bewegt [Kuo 86]. Die thermischen Auswirkungen der Deflagrationen überwiegen aufgrund der längeren Ausbreitungszeit gegenüber den mechanischen Folgen. Daher sind auch die zu erwartenden absoluten Druckanstiege gemäß Löhmer nicht größer als maximal 1,0 bar anzusehen [Löhmer 95].
Eine Zusammenfassung der Begriffsdefinitionen für die in dieser Arbeit zu erfassenden Verbrennungsvorgänge liefert Tabelle 2.2.
Tabelle 2.2: Zusammenfassende Darstellung der in dieser Arbeit zu erfassenden Verbren- nungsvorgänge mitsamt charakteristischen Merkmalen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2 Aktuelle Methoden zur Detektion von Verbrennungsvorgängen
Die automatische Erfassung von Verbrennungsvorgängen ist ein breitgefächertes Gebiet mit einer Vielzahl an technischen Lösungen. Speziell für die Feuerdetektion ist eine große Bandbreite von zuverlässigen und etablierten Methoden bekannt, die verschiedene physikalische Messprinzipien zur Detektion nutzen. Diese reichen von der Erfassung des durch ein Feuer produzierten Rauches bis zur Ermittlung der Wärmestrahlung eines Brandes im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine entsprechende Aufstellung der grundlegenden Methoden zur Detektion von Verbrennungsvorgängen, sowohl von Feuer als auch von Deflagrationen, ist in Abbildung 2.1 dargestellt [Liu 03] [Nolan 11].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.1: Einordnung der Methoden zur Feuer- und Deflagrationsdetektion nach Art des Detektortyps (Fett hervorgehobene Pfade entsprechen den aktuell be- kannten Methoden zur gleichzeitigen Feuer- und Deflagrationsdetektion)
Nachfolgend werden die verschiedenen Methoden zur Detektion von Verbrennungsvorgängen detailliert erläutert und die Daten zur Beschreibung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Methode vorgestellt. Die Methoden auf Basis von optischen Detektoren, in denen auch die Detektion von Deflagrationen mittels fotoelektrischer Sensoren einzuordnen ist, werden anschließend detaillierter beschrieben und die Grenzen und Möglichkeiten der jeweiligen Leistungsfähigkeit herausgearbeitet.
Die Detektionsverfahren mittels Rauchmelder, Wärme- und Gassensoren eigenen sich aufgrund ihrer Leistungsvermögen (bspw. Detektionszeit) nur zur Erfassung von Feuer. Dabei registrieren Rauchmelder die bei einem Verbrennungsvorgang entstehenden Partikel über eines der beiden folgenden Verfahren. Beim Streulichtverfahren wird ein innerhalb des Sensors ausgesandter Lichtstrahl durch die Rauchpartikel gestreut. Dieses Streulicht wird anschließend durch einen optischen Sensor (Fotodiode) erfasst und bei Überschreiten eines Schwellenwertes ein Alarm ausgelöst. Bei Ionisationsrauchmeldern wird die Leitfähigkeit der Luft innerhalb einer Kammer des Detektors permanent gemessen und mit einem Referenzwert verglichen. Dazu ionisiert ein Alpha- oder Beta-Strahler das Luftvolumen. Rauchpartikel stören den Ionenfluss, so dass die Leitfähigkeit der Luft abnimmt. Dabei ist die Menge der Rauchpartikel proportional zur Leitfähigkeit des Luftvolumens innerhalb des Detektors. Für die Detektion von Feuer dienen Rauchmelder als Frühindikatoren, da Rauchpartikel bereits in den Anfangsstadien eines Brandes entstehen und somit rechtzeitig als Anzeichen erfasst werden können. Jedoch liegen typische Reaktionszeiten von Rauchmeldern, abhängig von der Art des Feuers, im Bereich von 160 s bis zu 465 s [Liu 03] [Müller 95] [Nolan 11] [Tränkler 00].
Wärmesensoren werden nur zur Feuerdetektion verwendet und lassen sich in Thermomaximalmelder, die beim Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle reagieren, und Thermodifferentialmelder, die den Anstieg der Temperatur in einer bestimmten Zeitspanne messen und auswerten, unterschieden. Dabei sind auch Thermodifferentialmelder mit einer Funktion zur Messung der absoluten Temperatur ausgestattet und werden demzufolge auch als Thermomaximalmelder genutzt. Aufgrund der thermischen Trägheit und den daraus resultierenden langen Reaktionszeiten werden Wärmesensoren nur zum Sachschutz, hier hauptsächlich zur Aktivierung von Sprinkleranlagen, und nicht zum Schutz von Personen verwendet. [Liu 03] [Nolan 11]
Weitere Entwicklungen von Wärmesensoren nutzen Lichtwellenleiter zur Lokalisierung von Bränden innerhalb von Tunneln, U-Bahnen oder in der petrochemischen Industrie. Dabei können auf Basis der Rayleigh-Streuung entlang der Lichtwellenleiter Änderungen der Temperatur anhand der daraus resultierenden Änderungen der Berechnungsfaktoren, welche wiederum die Intensität, Phase und Polarisation des Lichts beeinflussen, ermittelt werden. [Meacham 94]
Die neuesten Entwicklungen im Bereich der Wärmesensoren zielen auf eine frühzeitigere Erfassung eines Feuers ab. Das entwickelte System basiert auf einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung und kann sowohl als Sensor als auch als Aktuator agieren. Durch die neuartige Legierung können ähnliche Reaktionszeiten wie bei den Rauchmeldern erreicht werden. Bei einer Temperaturanstiegsrate von 22 °C/min konnte bei einer Aktivierungstemperatur von 55 ± 5 °C nach 90 s ein Feuer durch einen solchen Sensor detektiert werden. [Zhuiykov 08]
Mit Gassensoren können die typischen Produkte von Verbrennungsvorgängen erfasst und bewertet werden. Insbesondere die erhöhte Konzentration der Indikationsgase CO, CO2, und H2 im Umfeld eines Brandes geben einen Hinweis auf die Existenz einer Verbrennung. Demzufolge werden die Gaskonzentrationen durch ein Zusammenwirken von katalytischen, elektrochemischen, mechanisch-chemischen und optischen Prozessen ermittelt. Gassensoren werden speziell bei Schwelbränden von organischen Materialien, die keine offene Flamme bzw. nur eine sehr geringe Rauchentwicklung zeigen, eingesetzt. In Kombination mit einem Rauchmelder zeigen Gassensoren eine deutlich bessere Zuverlässigkeit in der Detektion von Feuern, da typische Störquellen von Gassensoren (z. B. natürlich vorkommende Konzentrationsschwankungen) mithilfe dieser Sensorkombination von Verbrennungsvorgängen unterschieden werden können. Zudem sind Gassensoren in der Lage, auch in staubigen Atmosphären verlässlich zu detektieren und bieten somit einen Vorteil gegenüber Rauchmeldern [Kohl 01] [Liu 03].
Die Erweiterung der Kombination aus Rauchmelder und Gassensor zu einem Sensorarray, das aus mehreren Gas- und Rauchsensoren und einem probabilistischen künstlichen neuronalen Netzwerk zur Auswertung der einzelnen Sensorergebnisse besteht, verbessert zusätzlich die Zuverlässigkeit und Störunempfindlichkeit der Detektion. Die Reaktionszeiten dieser Sensorarrays bewegen sich im gleichen Bereich wie bei den bereits vorgestellten Detektionsmethoden [Rose-Pehrsson 00].
Weitere Möglichkeiten zur Detektion von Verbrennungsvorgängen ergeben sich durch die Auswertung der elektromagnetischen Strahlung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die in den folgenden Kapiteln 2.2.1 und 2.2.2 genauer beschriebenen optischen Detektoren nutzen den ultravioletten, sichtbaren und nahen infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, um die Strahlung von Feuern und Deflagrationen zu erfassen.
Jedoch sind auch Verfahren, die ebenfalls die elektromagnetische Strahlung eines Verbrennungsvorganges zur Detektion nutzen, nicht zwangsläufig einer der vorgestellten Methoden zuzuordnen (sonstige Verfahren). Ein Beispiel ist die Auswertung von Strahlung im Mikro- bzw. Millimeterbereich des elektromagnetischen Spektrums mithilfe von Antennen im Frequenzbereich von 2 – 40 GHz auf Merkmale, die auf eine Verbrennung hindeuten. Aufgrund der Eigenschaft dieser Mikrowellen, Materie mit einer geringen Dämpfung zu durchdringen, ist die Detektion von Feuern durch Wände hindurch oder innerhalb großer Volumen möglich. Die Reaktionszeiten bewegen sich bei diesem Verfahren im unteren einstelligen Minutenbereich und sind besonders bei Schwelbränden im Vergleich zu den konventionellen Rauch- und Gasdetektionsmethoden deutlich geringer [Kempka 06].
Die bisher vorgestellten Methoden zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen zeigen die große Bandbreite an technischen Lösungen in diesem Bereich. Jedoch eignen sich diese beschriebenen Verfahren nur zur Detektion von Feuern und anderen stationären Verbrennungsvorgängen. Die Erfassung von Deflagrationen in ihren Anfangsstadien, die zur Vermeidung von schwerwiegenden Verletzungen und Beschädigungen erforderlich ist, ist durch die beschriebenen Methoden nicht möglich. Zum einen benötigen die vorgestellten Sensoren für eine schnelle und zuverlässige Detektion die direkte Nähe zum Verbrennungsvorgang, was jedoch nur eine lokal sehr begrenzte Überwachung sicherstellt. Zum anderen ist eine zeitkritische Detektion, wie bei der Erfassung von Deflagrationen, aufgrund der angewandten Messprinzipien grundsätzlich nicht durchführbar. Hierbei weisen typische Methoden zur Deflagrationsdetetktion Reaktionszeiten von kleiner 1 ms [Sense-Ware 09] bis maximal 5 ms [Minimax 09] auf. Demgegenüber sind die Reaktionszeiten der bereits vorgestellten Messprinizipien im niedrigen einstelligen Minutenbereich einzuordnen.
Eine Möglichkeit zur Erfassung von ortsveränderlichen Verbrennungsvorgängen ist die Verwendung von dynamischen Drucksensoren. Hierbei wird infolge der Flammenausbildung der erzeugte Druckanstieg an der Flammenfront durch hochempfindliche piezoelektrische Sensoren detektiert [Kidde 07a]. Diese Detektionssysteme sind in der Regel jedoch für kleine abgeschlossene Volumina vorgesehen, wie beispielsweise Rohrleitungen oder Kanäle. Hier kann der ansteigende Druck nicht entweichen und die Sensoren können den Verbrennungsvorgang schnell erfassen. Grundsätzlich eignen sich diese Detektorsysteme nur zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen, die einen signifikanten Druckanstieg aufweisen. Zudem erfassen Drucksensoren typischerweise nur solche Explosionen, die eine Mindestdruckänderung von 0,05 bar [Mannan 12b] aufweisen. Dadurch können zwar Störquellen unterdrückt werden, aber Verbrennungsvorgänge ohne signifikanten Druckanstieg oder Explosionen in großen Volumina, in denen sich ein Druckausgleich einstellen kann, sind nicht detektierbar.
Optische Detektoren sind grundsätzlich in der Lage, sowohl ortsunveränderliche als auch ortsveränderliche Verbrennungen in einer akzeptablen Zeitspanne zu erkennen. Dabei wird die von der Verbrennung in Form von Wärmestrahlung freigesetzte Energie zur Detektion herangezogen. Der entscheidende Vorteil besteht hierbei darin, dass die Strahlung sich deutlich schneller ausbreitet als die Verbrennung selbst. Als Grundlage wird bei den optischen Sensoren die Umwandlung der Wärmestrahlung in elektrisch auswertbare Signale durch quantenmechanische Effekte von Licht (fotoelektrischer Effekt bzw. Fotoeffekt) genutzt. Die einzelnen Sensoren unterscheiden sich hauptsächlich durch die Nutzung unterschiedlicher Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Dabei erfolgt typischerweise eine Beschränkung auf Infrarotstrahlung, sichtbares oder ultraviolettes Licht [Nolan 11] [Schröder 02].
Im nachfolgenden Kapitel werden die verschiedenen Methoden zur Detektion von Feuern und Deflagrationen auf Basis von optischen Detektoren näher vorgestellt. Prinzipiell kann dabei zwischen Detektoren unterschieden werden, die den inneren oder äußeren fotoelektrischen Effekt nutzen. Beim äußeren Fotoeffekt bewirken die Strahlungsquanten einen Austritt von Elektronen aus der Kathodenfläche in den freien Raum. Fotozellen und Fotomultiplier nutzen diese Art der Wechselwirkung von Photonen mit Materie. Beim inneren Fotoeffekt wird durch die Strahlungsenergie die Zahl der freien Ladungsträger in Halbleiterelementen erhöht. Typische Detektoren sind Fotodioden und -widerstände sowie CCD- und CMOS-Sensoren [Schröder 02].
Üblicherweise dienen heutzutage nur noch Sensoren auf Basis des inneren Fotoeffekts als optische Detektoren zur Erkennung von Verbrennungsvorgängen. Insbesondere zur Detektion von Deflagrationen kommen, aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Sensoren, fast ausschließlich optische Detektoren zum Einsatz.
2.2.1 Deflagrationsdetektion mittels optischer Detektoren
Wie bereits angedeutet, basieren heutige optische Detektoren zur Deflagrationsdetektion auf dem inneren Fotoeffekt. Die Sensoren, typischerweise Fotodioden und -widerstände, bestehen aus Halbleitermaterialien, sind in der Lage, die Strahlungsenergie von Verbrennungsvorgängen aufgrund des inneren Fotoeffektes in elektrischen Strom umzuwandeln. Als häufig verwendete Materialien sind Silizium, für die Detektion von sichtbarem Licht, oder Germanium, für die Detektion von Infrarotstrahlung bis zu einer Wellenlänge von 1,8 µm, zu nennen [Schröder 02] [Thuselt 05].
Mit Hilfe der optischen Detektoren soll die Wärmestrahlung der stattfindenden Deflagration erfasst werden. Die Wärmestrahlung kann als eine Form des Wärmeaustausches eines Körpers mit seiner Umgebung angesehen werden, um den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts herzustellen [Wagemann 97]. Der Bereich der Wärmestrahlung reicht dabei von der ultravioletten Strahlung über das sichtbare Licht bis zur Infrarotstrahlung [Baehr 08]. Die Strahlungsemission eines Körpers kann durch das Plancksche Strahlungsgesetz
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(2.1)
beschrieben werden. Dieses stellt die spezifische spektrale Ausstrahlung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten eines schwarzen Strahlers (ideale Strahlungsquelle mit einem Emissionsgrad von eins) in Abhängigkeit von Temperatur T und Wellenlänge l dar. Hierbei sind h das Plancksche Wirkungsquantum, c 0 die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und k die Boltzmann-Konstante.
Die typischen Verläufe solcher Planckscher Strahler sind in Abbildung 2.2 dargestellt. Zudem sind in der Abbildung die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche innerhalb des elektromagnetischen Spektrums zu sehen, die von optischen Sensoren genutzt werden.
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Abbildung 2.2: Einteilung des elektromagnetischen Spektrums und spektrale Verteilung der Planckschen Strahlung von zwei Körpern mit der Temperatur von 2000 K und 3000 K
Heutige Detektoren zur Erfassung von Deflagrationen beschränken sich bei der Detektion von Wärmestrahlung hauptsächlich auf den infraroten Bereich. Es werden jedoch auch optische Sensoren im ultravioletten Bereich eingesetzt. Diese Sensoren erfassen z.B. in einem Wellenlängenbereich von 0,185 µm bis 0,245 µm die relativ niedrigen Ausstrahlungsenergien einer Verbrennung. Dieser Spektralbereich hat den Vorteil, dass er außerhalb des terrestrischen Sonnenlichtspektrums liegt und damit durch dieses nicht beeinflusst werden kann. Jedoch lösen bei diesem Sensortyp Vorgänge mit einer hohen Temperatur (>5000 K), wie beispielsweise Schweißlichtbögen, Fehlalarme aus und schränken demzufolge die Detektionsfähigkeit stark ein [Nolan 11]. Zudem erzeugt kein Molekül der typischen Verbrennungsprodukte von kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen (H2O, CO2, CO, O2, N2) ein Spektrum akzeptabler Breite im sichtbaren oder ultravioletten Bereich [Gaydon 70].
Optische Sensoren im infraroten Bereich dagegen nutzen die besondere Eigenschaft der Wärmestrahlung bei typischen Verbrennungsgasen von kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen. Aufgrund des Übergangsdipolmomentes von heteronuklearen Molekülen, wie den Verbrennungsgasen Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Wasser (H2O), emittieren oder absorbieren diese Moleküle in Abhängigkeit von ihrem Energieniveau elektromagnetische Strahlung ausschließlich in bestimmten Wellenlängen. Aufgrund der hohen Temperatur der Verbrennungsgase weisen die Moleküle hier ein hohes Energieniveau auf und emittieren Energie in Form von Strahlung in den charakteristischen Linienspektren, um so ein Gleichgewicht mit der Umgebung herzustellen. Die stärkste Infrarotemission von kohlenwasserstoffbasierten Verbrennungen wird durch die zwei Hauptverbrennungsprodukte CO2 und H2O erzeugt [Gaydon 74]. Charakteristische Wellenlängen sind 2,8 µm und 4,4 µm für CO2 bzw. 1,4 µm, 1,9 µm und 2,7 µm für H2O. Da CO2 und H2O in der Atmosphäre vorkommen und dort aufgrund der vorherrschenden Energieniveaus elektromagnetische Strahlung absorbieren, weist das an der Erdoberfläche eintreffende Sonnenlichtspektrum in den genannten Wellenlängenbereichen Lücken auf. Infrarotdetektoren, welche selektiv die genannten Wellenlängen nutzen, können deshalb durch das Sonnenlicht nicht versehentlich ausgelöst werden [Drysdale 11].
Die aktuellen optischen Infrarotdetektoren lassen sich anhand der zu erfassenden Anzahl an Wellenlängenbereichen in vier verschiedene Typen unterteilen. Grundsätzlich gilt für alle Typen von optischen Detektoren unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit des Sensors ein Abstand von 15 m zum Verbrennungsvorgang als maximale Obergrenze [Cote 03].
Einfache Infrarotdetektoren erfassen nur die Wärmestrahlung im CO2-Wellenlängenbereich von 4,4 µm. Damit lässt sich eine große Auswahl an kohlenwasserstoffbasierten Verbrennungen erfassen, aber aufgrund der Dämpfungseigenschaften der Atmosphäre lassen sich diese Detektoren nur bei geringen Abständen zur Verbrennung zuverlässig verwenden. Zudem sind diese Infrarotdetektoren empfindlich gegenüber künstlichen Strahlungsquellen, welche Strahlung in der enztsprechenden Wellenlänge aufweist und können demzufolge Fehlalarme verursachen [Nolan 11].
Infrarotdetektoren mit zwei oder mehr erfassten Wellenlängenbereichen nutzen wiederum den charakteristischen CO2-Wellenlängenbereich von 4,4 µm und einen bzw. mehrere zusätzliche Wellenlängenbänder außerhalb der CO2- und H2O-Bereiche als Referenzwert. Durch das Bilden eines Verhältnisses der Eingangssignale können Störquellen wie künstliche Strahlungsquellen mit Strahlung in den charakteristischen Wellenlängen als solche erkannt werden. Jedoch mindert diese Verhältnisbildung wiederum die Empfindlichkeit des Detektortyps im Vergleich zu einem einfachen Infrarotdetektor. Trotzdem lässt sich eine große Anzahl an kohlenwasserstoffbasierten Verbrennungen mit diesem Detektor erfassen [Nolan 11].
Die kombinierten Ultraviolett-Infrarotdetektoren erfassen sowohl die Strahlung aus einem Wellenlängenbereich der ultravioletten Strahlung als auch die Infrarotstrahlung in den entsprechenden charakteristsichen Wellenlängenbereichen. Eine Verbrennung wird detektiert, wenn beide Eingänge entweder gleichzeitig einen gewissen Wert an Strahlung erfassen oder das Verhältnis aus ultravioletter und infraroter Strahlung einen definierten Schwellenwert überschreitet. Diese Detektorart ist unempfindlich gegenüber Lichtbögen oder Strahlung eines Schwarzen Strahlers. Andererseits detektiert dieser Typ nur Verbrennungen, die auch signifikant in den ultravioletten Bereich ausstrahlen. An die Empfindlichkeit der zuvor beschriebenen Infrarotdetektoren reicht dieser Detektortyp nicht heran [Nolan 11].
Der vierte Detektortyp ist ein Multiband-Detektor, der eine Vielzahl an Wellenlängenbereichen erfasst und diese optional mithilfe eines Mikroprozessors auswertet. Diese Detektorart kann sowohl die Strahlung in vielen typischen Wellenlängenbereichen von Verbrennungsgasen als auch die Strahlung in weiteren Referenzwellenlängenbereichen erfassen. Durch einen nachfolgenden optionalen intelligenten Auswertalgorithmus ist der Detektor in der Lage, die erfassten Feuer in unterschiedliche Typen einzuteilen. Allerdings erfordert dieser Detektor eine speziell an den Detektionszweck angepasste Programmierung des Auswertealgorithmus, was wiederum auch Spielräume für Fehlalarme durch Störquellen entstehen lässt und die Empfindlichkeit des Detektors verringern kann [Nolan 11].
Die Funktionsweise aller vorgestellten Detektorarten beruht auf der Erfassung der Bestrahlungsstärke innerhalb der beschriebenen Wellenlängenbänder der typischen Verbrennungsgase. Bei Überschreiten eines kritischen Wertes der Bestrahlungsstärke melden die Detektoren entsprechend eine identifizierte Gefahr. Nachfolgend sollen die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Ausstrahlungsleistung einer Verbrennung und der auf die Detektoren eintreffende Bestrahlungsstärke dargestellt werden. Dies festigt einerseits das weitere Verständnis zur Funktionsweise der Detektoren, zeigt aber auch weitere kritische Punkte der Detektionsmethode auf. Zudem dienen die physikalischen Zusammenhänge als Grundlage zur Bewertung optischer Infrarotdetektoren anhand experimenteller Untersuchungen in Kapitel 4.1.
Ausgehend von der in Gleichung (2.1) beschriebenen spezifischen spektralen Ausstrahlung M e l lässt sich durch Integration über die bekannten Wellenlängenbereiche der Verbrennungsgase die spezifische Ausstrahlung M e im für die Detektoren sensitiven Wellenlängenbereich mit den Grenzen l min und l max ermitteln. Folglich ergibt sich die spezifische Ausstrahlung aus
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Die abgestrahlte Leistung, als Strahlungsfluss f e definiert, folgt aus Gleichung (2.2) in Verbindung mit der emittierenden Fläche der Verbrennung. Demzufolge lässt sich der Strahlungsfluss gemäß
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berechnen. Hierbei repräsentiert A S die abstrahlende Fläche der Verbrennung. Unter der Annahme, dass eine Verbrennung eine gleichmäßig in den dreidimensionalen Raum strahlende Quelle darstellt, ist die letztendlich auf den Detektor auftreffende Bestrahlungsstärke der Verbrennung das Verhältnis aus Strahlungsfluss und der wirksamen Empfängerfläche,
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Wie in Gleichung (2.4) analytisch dargestellt und in Abbildung 2.3 zu sehen, unterliegt die Bestrahlungsstärke einer Punktquelle dem Abstandsgesetz, womit die zu messende Energie pro Fläche mit der Entfernung von der Verbrennung r reziprok-quadratisch abnimmt. Folglich ist die Überwachung eines größeren Raumes durch optische Detektoren nur bedingt möglich, da die zu erfassende Bestrahlungsstärke einerseits von der Entfernung aber andererseits auch von der emittierten Strahlungsleistung abhängt. Je größer der Abstand zwischen Detektor und Verbrennungsvorgang und je kleiner die abgestrahlte Leistung der Verbrennung desto kleiner wird die auf den Detektor auftreffende Bestrahlungsstärke, wobei diese überproportional mit dem Abstand sinkt. Kompensiert werden kann dieses Defizit durch eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Detektoren, was wiederum die Anfälligkeit für Störquellen verstärkt.
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Abbildung 2.3: Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke eines Verbrennungsvorganges als Punktquelle als Funktion des Abstandes [Pedrotti 96]
Ist die abzustrahlende Energie der Quelle bekannt bzw. lässt sie sich entsprechend bestimmter Vorgaben einstellen, vereinfacht sich bei bekannter Strahlstärke I e,
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die Gleichung (2.4) unter Berücksichtigung, dass der Raumwinkel W bei einer Punktquelle 4p beträgt, zu
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Auch in Gleichung (2.6) zeigt sich die Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke vom Abstandsgesetz und der emittierten Energie der Strahlungsquelle.
Trotz dieser physikalischen Einflüsse auf die Detektionsrate sind optische Detektoren im ultravioletten und infraroten Bereich der Stand der Technik für die rechtzeitige Erfassung von Deflagrationen und Feuern. Einen Überblick über ausgewählte aktuelle Detektionssysteme und deren Leistungsdaten liefern die Tabelle 2.3 und Tabelle 2.4. Hierbei lässt sich zwischen militärischen Detektoren (Tabelle 2.3) und zivilen Systemen (Tabelle 2.4) unterscheiden.
Die militärischen Detektionssysteme sind typischerweise ein Bestandteil von Brandunterdrückungsanlagen (BUA) innerhalb des Besatzungsraumes von gepanzerten Rad- und Kettenfahrzeugen. Die Hauptaufgabe von militärischen BUA liegt im rechtzeitigen Löschen von Verbrennungsvorgängen bevor die ansteigende Temperatur oder der Druck letale Verletzungen bei der Besatzung verursachen können. Deflagrationen innerhalb gepanzerter Fahrzeuge resultieren hauptsächlich aus explosionsfähigen Aerosolen, die infolge von Beschädigungen des Tanks oder der hydraulischen Richtantriebskomponenten durch Beschuss mit verschiedenen Munitionsarten oder durch Angriffe mit Spreng- und Brandvorrichtungen entstehen (vgl. Kapitel 2.3.1). Die automatisch agierende BUA besteht grundsätzlich aus drei Komponenten, den Detektoren, einem Steuergerät und Löschmittelbehältern, welche die enthaltenen inerten Löschgase (Halon bzw. Halonersatz) entweder pyrotechnisch oder elektromagnetisch freisetzen. Die Detektoren und Löschmittelbehälter sind so im Besatzungsraum installiert, dass eine löschwirksame Konzentration des Löschmittels innerhalb von maximal 150 ms [Janes 11] erreicht wird. Ein entscheidender Faktor des Löschvorganges ist die schnelle und fehlerfreie Detektion der sich ausbreitenden Deflagration. Demzufolge sind optische Detektoren im ultravioletten und infraroten Spektralbereich zur Erfassung von Deflagrationen in ihrem Anfangsstadium als alternativlos anzusehen [Janes 11].
Tabelle 2.3: Auswahl militärischer Detektionssysteme für die Erfassung von Deflagrationen und deren Leistungsdaten [Janes 11] [Mikro 14]
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Eine Auswahl der am Markt verfügbaren Detektoren von BUAs und deren Leistungsdaten sind in Tabelle 2.3 dargestellt. Aufgrund der militärischen Ausrichtung der Applikationen sind detailliertere Informationen über die verwendeten Wellenlängenbereiche entweder überhaupt nicht zu erhalten oder es können nur qualitative Aussagen über die Detektoren gemacht werden. Jedoch kann festgehalten werden, dass alle aufgelisteten Anbieter zur Detektion von Deflagrationen optische Sensoren verwenden, die mehrere Wellenlängenbereiche erfassen können. Das finnische System setzt zusätzlich noch einen Wärmesensor ein und verwendet wie das israelische System einen kombinierten UV-IR-Detektor zur Erfassung. Hinsichtlich der Reaktionszeit weisen die vorgestellten Systeme signifikante Unterschiede von bis zu 66 % auf, die aber bei absoluter Betrachtung immer noch als sehr gering eingestuft werden können. Bei den Sichtfeldern sind keine Unterschiede zwischen den Systemen festzustellen. Die angegebenen Reaktionszeiten werden aber nur dann erreicht, wenn die Deflagration bzw. der Brand sich direkt im Sichtfeld des Sensors entwickelt. Demzufolge können sich die Reaktionszeit und damit auch die Löschzeit schnell vergrößern, sofern die Gefährdung bereits außerhalb des Sichtfeldes des Sensors eintritt. Um diese Löschverzögerung zu verhindern, installieren manche Anbieter bis zu vier Sensoren in dem zu überwachenden Fahrzeug. Ausgehend von durchschnittlichen Entleerungszeiten der Löschmittelbehälter von 100 ms [Janes 11] werden die zur rechtzeitigen Unterdrückung von Deflagrationen benötigten Detektionszeiten durch die Verwendung von optischen Detektoren definitiv erreicht.
Tabelle 2.4: Leistungsdaten ziviler Detektionsdetektion zur hochdynamischen Erfassung von Verbrennungsvorgänge [Kidde 07b] [Minimax 09] [Fire Sentry 02] [Sense-Ware 09]
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Im Gegensatz zur militärischen Detektionstechnik werden zivil genutzte Detektoren in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Diese reichen von der Überwachung von Kanälen und Rohrleitungen in der Prozessindustrie bis zur Erfassung von Natriumazidbränden bei der Produktion von Airbags (vgl. Kapitel 2.3.2). Aufgrund dieser großen Bandbreite von Anwendungsmöglichkeiten variieren auch die Leistungsdaten der ausgewählten Detektionssysteme in Tabelle 2.4. Zivile Detektionssysteme sind nicht nur für die universelle Detektion von Verbrennungsvorgängen vorgesehen, sondern werden auch speziell an die während der Detektion vorherrschenden Umgebungsbedingungen angepasst. Dementsprechend sind beispielsweise Funkendetektoren auch nur in dunklen Räumen zu verwenden, da nur dort der notwendige möglichst große Kontrast zwischen der Umgebung und einem leuchtenden Funken gegeben ist. Durch die spezielle Anpassung an die Detektionsaufgabe ergeben sich auch bei den zivilen Detektionssystemen Reaktionszeiten im einstelligen Millisekundenbereich.
Aktuelle zivile wie auch militärische optische Systeme zur Detektion von Deflagrationen überzeugen aufgrund ihrer sehr geringen Reaktionszeit. Dadurch ist gewährleistet, dass Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden und sich ausbreitende Deflagrationen, ob innerhalb des Besatzungsraumes eines gepanzerten Fahrzeuges oder in der Rohrleitung einer Industriemühle, keinen großen Schaden an Person und Material anrichten können. Jedoch müssen aufgrund der Detektorcharakteristik als Punktmelder genügend Sensoren in einem Raum installiert sein, um ortsveränderliche Verbrennungsvorgänge in den angegebenen Reaktionszeiten erfassen zu können. Zudem sind die Systeme nicht in der Lage, explizit zwischen einem deflagrationsähnlichen ungefährlichen Ereignis und einer wirklichen Gefahr zu unterscheiden. Allerdings sind einige militärische Systeme laut Herstellerangaben in der Lage, zwischen einem Panzerungsdurchschlag mit und ohne Deflagrationsentwicklung zu unterscheiden [Janes 11], jedoch kann insbesondere bei den für universelle Detektionsaufgaben entwickelten militärischen Systemen aufgrund der Vielzahl an möglichen Störquellen in der Detektionsumgebung von einer erhöhten Fehlalarmanfälligkeit ausgegangen werden. Auch zusätzliche Informationen über die detektierte Gefahr, beispielsweise in Form der Unterscheidung zwischen stationären und instationären Verbrennungsvorgängen, können durch die aktuellen Detektionssysteme nicht zur Verfügung gestellt werden.
2.2.2 Digitale Bildverarbeitung zur Erfassung von Feuern
Die Erfassung von Verbrennungsvorgängen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums erfolgt ebenfalls mit optischen Detektoren. Jedoch bilden diese Sensoren einen deutlich breiteren Wellenlängenbereich ab als Ultraviolett- oder Infrarotdetektoren. In Abgrenzung zu den bisher vorgestellten Detektortypen werden bildgebende Detektoren im sichtbaren Bereich als Bildsensoren bezeichnet. Bekannte Technologien sind CMOS und CCD, die in den meisten gängigen Digitalkamerasystemen verwendet werden.
Der große Vorteil dieser Systeme besteht in der farblich realistischen Abbildung der Umgebung analog zur Wahrnehmung des menschlichen Auges. Zudem können Kamerasysteme im Vergleich zu den durch das Sichtfeld limitierten Ultraviolett- und Infrarotdetektoren deutlich größere Räume und Flächen überwachen. Sowohl diese Eigenschaft als auch die Möglichkeit, mit geeigneten bildverarbeitenden Verfahren und Algorithmen eine automatisierte Überwachung zu realisieren und weitere Informationen über die Gefahr zu erhalten, lassen Kamerasysteme mit Bildsensoren für die Detektion von Verbrennungsvorgängen immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die verschiedenen Verfahren nutzen dabei die Informationen der einzelnen Pixel der Bildsensoren um durch nachfolgende mikroprozessorunterstützte Analyse dieser Informationen charakteristische Eigenschaften der gesuchten Verbrennungsvorgänge zu finden [Lee 12].
Insbesondere die Detektion von Feuern mittels digitaler Bildverarbeitung ist ein seit mehr als zwei Jahrzehnten etabliertes Verfahren innerhalb der bestehenden Detektionsverfahren [Healey 93]. Hierbei werden die durch das Kamerasystem aufgenommenen Bilder als zweidimensionale Signale angesehen und mit bekannten Methoden der Signalverarbeitung untersucht. Anwendung finden solche bildverarbeitende Feuerdetektionssysteme aktuell bei der Überwachung von sensibler Infrastruktur, wie beispielsweise Tunneln [Noda 94] [Han 09], zur Überwachung von Lagerhallen [Le Maoult 07] oder zur Detektion von Landschafts- und Waldbränden [Vicente 02]. Aufgrund der großen Verbreitung von Überwachungskameras werden bildverarbeitungsbasierte Feuerdetektionssysteme auch bereits an Bord von Schiffen verwendet [Wang 08]. Dadurch können ohne größeren infrastrukturellen Aufwand die Nachteile von bereits installierten Punktmeldern, wie Rauch- und Infrarotdetektoren, kompensiert und die Fehlalarmanfälligkeit des gesamten Detektionssystems gesenkt werden.
Für die Feuerdetektion lassen sich allgemein mehrere Überbegriffe für die verwendeten Detektionsmethoden definieren, die aus den Eigenschaften eines Feuers abgeleitet werden. Die signifikanteste Eigenschaft eines Feuers sind die auftretenden Farben der Flammen. Dementsprechend ist die Farbdetektion eine der ersten verwendeten und noch immer die am weitesten verbreitete Detektionsmethode für die kameragestützte Feuerdetektion. Dabei basiert diese Methode auf der Auswertung der Pixelinformationen, die in verschiedenen Farbräumen vorliegen. Die Mehrzahl der bekannten Detektionsansätze verwendet dabei den RGB-Farbraum [Phillips 02] [Töreyin 06] [Ko 10], der insbesondere den feuer- bzw. flammenrelevanten rot-gelblichen Farbbereich klar erkennbar darstellt. Weitere Ansätze nutzen neben dem RGB-Farbraum parallel auch den HSV/HSI-Farbraum [Chen 04] [Qi 09] bzw. überführen den RGB-Farbraum durch Umrechnung direkt in den zu verwendenden Zielfarbraum [Yamagishi 99]. Mit der Nutzung des HSV/HSI-Farbraumes, aber auch mit den weiteren Farbräumen YCbCr, YUV und L*a*b, kann die Intensität bzw. die Helligkeit eines Pixels deutlicher von dessen Farbigkeit getrennt dargestellt werden. Zusätzliche Informationen lassen sich durch diese Farbraumumrechnungen jedoch nicht gewinnen.
Für die chromatische Identifizierung potentieller feuerähnlicher Pixel wird wiederum eine Vielzahl von Methoden verwendet. Einige Detektionsansätze unterteilen die verwendeten Farbräume anhand empirisch ermittelter Werte in unterschiedliche Bereiche, die den typischen Feuerfarben entsprechen. Die daraus entstehenden Farbmasken werden dann als Ausgangspunkt für den weiteren Identifizierungsprozess verwendet [Yamagishi 99] [Qi 09]. Aber auch durch statistisch erzeugte Farbmodelle auf Basis von Bedingungen zwischen den einzelnen Komponenten der Farbräume können die Pixel entsprechend klassifiziert werden [Chen 04] [Celik 10]. Beispielsweise ergibt sich aus experimentellen Analysen, dass im YCbCr-Farbraum der Wert der Grundhelligkeit Y eines feuerähnlichen Pixels immer größer ist als die Werte der Farbkomponenten Blau-Grün Cr und Blau-Gelb Cb [Celik 07].
Die aber am häufigsten angewandte statische Methode zur Identifizierung von Feuerpixeln stellt die Analyse der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Farbwerte dar. Die Identifizierung kann dabei einerseits anhand von Farbhistogrammen geschehen, die für die Übereinstimmung mit den Pixelwerten herangezogen werden [Dedeoglu 05]. Andererseits ist eine Erkennung feuerähnlicher Pixel durch das Aufstellen von Farbwahrscheinlichkeitsmodellen auf Basis einer Normalverteilung der Farbkanäle möglich [Phillips 02][Ko 10], die sich aus empirisch ermittelten Werten zusammensetzen. Für mehr Flexibilität in der Auswertung der Wahrscheinlichkeitsverteilung werden Mischverteilungsmodelle genutzt. Diese Modelle erlauben einen Vergleich von Pixelwert und Verteilungsfunktion [Töreyin 06] oder ermöglichen das Modellieren von Farbwahrscheinlichkeitsdichtefunktionen eines Feuers und den anschließenden Vergleich der Pixel mit dem Modell [Liu 04].
Eine auch sehr häufig verwendete Methode der bildverarbeitungsbasierten Feuerdetektion ist die Hintergrundsubtraktion. Diese Methode wird sehr häufig als erste Stufe der Feuerdetektion genutzt, um Störeinflüsse durch feuerähnliche stationäre Quellen aus dem Bild zu entfernen. Bei der Hintergrundsubtraktion werden durch verschiedene Verfahren stationäre Anteile des Bildes entfernt und die bewegten Anteile, womöglich resultierend aus Feuern, extrahiert. Das geschieht zum einen durch Mischverteilungsmodelle [Truong 12], bei dem jeder Pixelintensitätswert mit modellierten Normalverteilungen verglichen wird. Ein weiteres Verfahren sind hybride oder adaptive Hintergrundsubtraktionen [Töreyin 06] [Celik 10] [Ko 10]. Hierbei wird die Differenz aus Pixelintensität und der durch Glättung ermittelten Hintergrundintensität des Pixels mit einem dynamischen Schwellenwert verglichen. Die daraus resultierenden binären Bewegungsmasken eines Bildes können dann mit den ausgewerteten Farbinformationen der Pixel zu einem Gesamtergebnis verknüpft werden [Celik 10]. Eine sehr einfache, effektive aber auch anfällige Methode ist das Differenzbildverfahren [Chen 04]. Hierbei werden durch die Subtraktion von zweiaufeinanderfolgenden Bildern die stationären Anteile entfernt. Jedoch können durch die Berücksichtigung von nur zwei Bildern auch Anteile eines Feuers verschwinden. Insbesondere der innere Kern eines Feuers, gekennzeichnet durch eine hohe gleichbleibende Intensität, wird durch das Differenzbildverfahren auch als stationär angesehen.
Nach dem Extrahieren der bewegten Anteile bzw. nach der Identifizierung feuerfarbenähnlicher Pixel sind Methoden notwendig, um die ausgewählten Pixel auch als Feuerpixel zu verifizieren. Für diesen Nachweis lassen sich abermals die Eigenschaften eines Feuers heranziehen. Die Erfassung der zeitlichen Änderung der Form bzw. Gestalt eines Feuers kann als eine hierfür zuverlässige Methode bezeichnet werden. Hierbei wird einerseits versucht, die zeitliche Periodizität mit denen die Pixelwerte an den Flammenrändern oszillieren, zu erfassen. Diese Charakteristik wird als Flickern bezeichnet und tritt typischerweise bei einem Feuer mit einer turbulenten Flamme im Frequenzspektrum von 1–20 Hz auf [Hamins 92]. Andererseits werden auch weit einfachere Methoden zur Erfassung der Formänderung verwendet, die sich sehr stark an der Erfassung sich bewegender Pixel orientieren. Bei der Ermittlung der Formänderung eines Feuers kann zwischen mikroskopischer und makroskopischer Betrachtung unterschieden werden.
Die mikroskopische Betrachtung untersucht die zeitliche Änderung eines jeden einzelnen Pixels hinsichtlich der Formänderung des gesamten Feuers. Die am weitesten verbreitete Methode bei dieser pixelweisen Betrachtung ist dabei die Überführung des zeitlichen Verlaufes einzelner Pixelwerte, die vorab bereits durch andere Methoden als feuerähnlich klassifiziert werden konnten, in den Frequenzbereich. Mit den erhaltenen Ergebnissen können die typischen Flickerfrequenzen entsprechend nachgewiesen werden. Die Überführung vom Zeit- in den Frequenzbereich erfolgt hierbei hauptsächlich mittels Wavelet-Transformation [Dedeoglu 05] [Töreyin 06] [Ko 10]. Aber auch ohne Transformationen lässt sich die zeitliche Formänderung eines Feuers anhand einzelner Pixelwerte nachweisen. Ein entsprechender Ansatz erfasst durch die Bildung kumulativer zeitlicher Ableitungen der Intensitätswerte basierend auf der exponentiellen Glättung die sich bewegenden Bildregionen hoher Intensität [Marbach 06].
Die makroskopische Betrachtung der Formänderung eines Feuers untersucht im Gegensatz zur mikroskopischen Betrachtung nicht jeden einzelnen Pixel, sondern bereits identifizierte feuerähnliche Regionen eines Bildes auf eventuelle periodische Änderungen. Auch in diesem Fall wird wieder eine Transformation der zeitlichen Verläufe bestimmter Charakteristiken in den Frequenzbereich durchgeführt. Nach Yamagishi und Yamaguchi wird die in einem vorherigen Schritt identifizierte Kontur des Feuers in Polarkoordinaten dargestellt und anschließend der zeitliche Verlauf des Radius in Abhängigkeit vom Polarwinkel in den Frequenzbereich transformiert und analysiert. Die Transformation in den Frequenzbereich erfolgt bei diesem Ansatz mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation [Yamagishi 99].
Der Detektionsansatz nach Liu und Ahuja nutzt die Koeffizienten der Fourier-Transformationen zur Erfassung der zeitlichen Formänderung eines Feuers. Als Ausgangspunkt dient die Beschreibung der Kontur durch einen achtelementigen Kettencode. Dabei wird ein Vollkreis in acht verschiedene Richtungen durch fortlaufende Zahlen (bspw. 0 – 7), ähnlich einer Windrose, eingeteilt. Die Kontur eines Feuers kann anschließend durch die Reihenfolge der verschiedenen Richtungen als ein Zahlencode angegeben werden. Bei diesem Ansatz werden die vom Kettencode erzeugten Koordinaten der Kontur in komplexer Form wiedergegeben. Die durch den Zahlencode generierte mathematische Folge von Koordinaten kann durch Fourier-Koeffizienten beschrieben werden. Die zeitlichen Formänderungen eines Feuers spiegeln sich in der Änderung der Fourier-Koeffizienten wider und werden mit einem autoregressiven Modell erfasst [Liu 04].
Zur Verifizierung identifizierter feuerähnlichen Pixel oder Bildregionen können nicht nur zeitliche Änderungen, sondern auch die räumliche Varianz eines Feuers erfasst werden. Bei diesen räumlichen Unterschieden wird davon ausgegangen, dass zwischen benachbarten feuerähnlichen Pixeln eines Bildes signifikante Unterschiede bestehen. Diese Ungleichmäßigkeit der Pixelwerte können beispielsweise durch Gradientenverfahren [Liu 04] aufdeckt werden. Aber auch Wavelet-Transformationen kommen bei dieser Detektionsmethode zum Einsatz [Dedeoglu 05] [Töreyin 06]. Ein anderer Ansatz erfasst die ungleichmäßigen Farbeigenschaften eines Feuers durch einen Bereichsfilter [Qi 09], der alle benachbarten Pixel eines als feuerähnlich identifizierten Bildpunkt auf deren Farbunregelmäßigkeit untersucht. Der Ansatz nach Truong und Kim verwendet statistische Methoden, um die Ungleichmäßigkeit der Intensitäten in einem Grauwertbild aufzuzeigen [Truong 12].
Eine weitere wichtige Charakteristik eines Feuers ist es, sofern ausreichend Brennstoff vorhanden ist, sich innerhalb einer bestimmten Zeitspanne in der Fläche auszudehnen und entsprechend anzuwachsen. Die Ermittlung dieser Ausbreitung lässt sich ebenfalls zur Verifizierung der identifizierten Pixel nutzen. Das vorgeschlagene Verfahren nach Chen et al. überprüft in einem ersten Schritt die kontinuierliche Ausbreitung des Feuers, indem die Anzahl der als feuerähnlich identifizierten Pixel des aktuellen Bildes mit der Pixelanzahl des nächsten Bildes verglichen wird. Zudem werden explosionsartig brennende Feuer durch das Aufstellen einer Verhältnisgleichung aus der Differenz aus aktueller Pixelanzahl und der nächsten Pixelanzahl bezogen auf die aktuelle Pixelanzahl erfasst. Überschreitet das Ergebnis dieser Verhältnisgleichung einen empirisch ermittelten Schwellenwert kann von einer Expansion des identifizierten Feuers ausgegangen werden [Chen 04].
Auch der Ansatz nach Celik verfolgt die Erfassung der Ausbreitung anhand der identifizierten feuerähnlichen Pixel pro Bild. Der Fokus dieses Ansatzes liegt jedoch auf der Detektion von Feuern in deren Anfangsstadien. Dementsprechend wird der Anstieg der Pixelanzahl bezogen auf die Bildaufnahmerate des benutzten Kamerasystems ermittelt und anschließend mit einem empirisch ermittelten Schwellenwert verglichen. Dieser Ansatz geht allerdings bei der Ermittlung dieser Kennzahl davon aus, dass der Verbrennungsvorgang sich graduell räumlich ausbreitet und nicht plötzlich, wie bei einer Deflagration üblich [Celik 10].
Die abschließende Evaluierung der aus den einzelnen Stufen des Detektionsalgorithmus erhaltenen Informationen wird anhand verschiedener Klassifizierungsverfahren durchgeführt. Grundsätzlich lassen sich diese Verfahren in eine Schwellenwertbasierte Klassifizierung und eine Klassifizierung basierend auf den Methoden der künstlichen Intelligenz unterscheiden. Die Evaluierungsverfahren können sowohl nach jeder Stufe des Detektionsalgorithmus angewendet als auch abschließend zur Bewertung aller zusammengetragenen Erkenntnisse über die identifizierte Gefahr herangezogen werden. Die vorgestellten Detektionsansätze nutzen hauptsächlich die Schwellenwertbasierte Klassifizierung für die Detektion von feuerähnlichen Pixeln oder Bildregionen. Insbesondere die chromatische Klassifizierung der Pixel erfolgt bei den meisten Detektionsalgorithmen durch empirisch oder statistisch ermittelte Schwellenwerte [Phillips 02] [Chen 04] [Dedeoglu 05] [Celik 10] [Qi 09]. Aber auch die Erfassung von sich bewegenden Pixelregionen mittels Hintergrundsubtraktion [Celik 10] oder der Nachweis, dass feuerähnliche Pixel im Bereich der Flickerfrequenz oszillieren [Töreyin 06], erfolgt über die Schwellenwertbasierten Verfahren.
Besonders die Ermittlung der Schwellenwerte, in den meisten Fällen auf empirischem Wege, stellt einen großen Nachteil der Schwellenwertbasierten Klassifizierung dar. Da ein statischer Schwellenwert keine große Flexibilität bei der Evaluierung sich stark ändernder Ergebnisse zulässt, kommen zu diesem Zweck adaptive Schwellenwerte zum Einsatz [Ko 10]. Insbesondere bei sich verändernden Hintergründen liefert ein adaptiver Schwellenwert deutlich bessere Ergebnisse bei der Klassifizierung potentieller Pixel als konventionelle statische Schwellenwerte.
Um die Detektion von Feuern effizienter und zuverlässiger zu gestalten und um bei komplexen Algorithmen die Anzahl an Schwellenwerten auf ein Minimum zu begrenzen, werden Verfahren basierend auf den Methoden der künstlichen Intelligenz für die Evaluierung der Detektionsergebnisse herangezogen. Dabei reicht die Bandbreite der Methoden von künstlichen neuronalen Netzen [Yamagishi 99], welche die statistische Verteilung der Frequenzkomponenten der detektierten Flammen evaluieren, bis zu Fuzzylogiken [Celik 07], die regelbasiert die Farbverteilungen der Pixel bewerten. Auch hierarchische Bayessche Netze [Ko 10] als wissensbasierte Systeme, die bereits identifizierte Feuerpixel auf auftretende Muster von bewegenden Objekte untersuchen, und Support Vector Machines [Liu 04] [Truong 12] als typische Klassifizierungsmethode bei der Auswertung von einer Vielzahl an Eingangsparametern finden Verwendung bei bildverarbeitungsbasierten Feuerdetektionsalgorithmen.
Tabelle 2.5 liefert einen zusammengefassten Überblick über die beschriebenen bildverarbeitungsbasierten Detektionsansätze unter Berücksichtigung der verwendeten Detektions- und Klassifizierungsmethoden.
Trotz ihrer Vielfalt sind die vorgestellten Ansätze zur Erfassung von Feuern nicht für die Detektion von Deflagrationen geeignet. Die Reaktionszeiten liegen aufgrund der rechenzeitintensiven Detektionstechniken deutlich über denen der konventionellen optischen Punktmelder (Vgl. Kapitel 2.2.1). Abhängig von den verwendeten Rechnersystemen benötigen die verschiedenen Algorithmen durchschnittlich zwischen 15 ms [Töreyin 06] und 1,5 s [Qi 09] für die Auswertung eines Bildes. Diese Zahlen liegen weit über den Reaktionszeiten der Ultraviolett- und Infrarotdetektoren. Zudem sollten bei der Auswertung für eine hohe Detektionssicherheit mehrere Bilder berücksichtigt werden.
Tabelle 2.5: Überblick auf häufig referenzierte Ansätze zur bildverarbeitungsbasierten Feuerdetektion und die entsprechend verwendeten Detektionsmethoden [Verstockt 09]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Außerdem sind die vorgestellten Algorithmen speziell auf die Eigenschaften eines Feuers zugeschnitten. Im Gegensatz zu einer Deflagration lässt sich ein Feuer nach ISO/TR 13387 in vier Phasen (Entzündung, Wachstum, Vollbrand, Abklingen) einteilen [ISO/TR 13387]. Entsprechend gehen die meisten Detektionsansätze davon aus, dass sich ein Feuer entsprechend den Phasen verhält und wächst. Im Gegensatz dazu ist eine Deflagration, wie bereits in Kapitel 2.1 festgestellt, als instationär anzusehen und wird diese Phasen nicht in der für Feuer typischen Dauer und nicht an einem festgelegten Ort durchlaufen. Entsprechend wird bei einigen Detektionsansätzen explizit darauf hingewiesen, dass Feuer resultierend aus Explosionen durch die vorgestellten Detektionsalgorithmen nicht erfassbar sind [Celik 10].
Trotz des Ausschlusses der Verwendbarkeit aktueller Feuerdetektionsalgorithmen für die Detektion von Deflagrationen können sich die den Algorithmen zugrunde liegenden, vorgestellten Detektionsmethoden durchaus für die Erfassung einzelner Eigenschaften von Deflagrationen eignen. Dazu werden im weiteren Verlauf der Arbeit die chromatischen und dynamischen Eigenschaften von Deflagrationen untersucht. Anschließend können die geeigneten Detektionsmethoden an die ermittelten Charakteristiken adaptiert und weiter verwendet werden.
Zusammengefasst bietet die digitale Bildverarbeitung zur Detektion von Deflagrationen ein enormes Anwendungs- und Entwicklungspotential. Wie in Kapitel 2.2.1 detailliert erläutert, stellen aktuelle Systeme zur Erfassung von Deflagrationen in den meisten Fällen nur das Detektionssignal bereit. Weitere Informationen, die sich aus den aufgenommenen Signalen ergeben könnten, fehlen oder es werden nur einfache Unterscheidungen zwischen den Gefahren gemacht. Allein die Bereitstellung von zusätzlichen Informationen, wie beispielsweise den Grad der Ausbreitung oder die Dimension des Ereignisses durch einen bildverarbeitungsbasierten Algorithmus, würden Löschsysteme effizienter arbeiten lassen. Auch die Anfälligkeit des Detektionssystems gegenüber Störquellen könnte sich durch zusätzliche Informationen bei gleichbleibender Detektionsempfindlichkeit verringern lassen. Zudem würden durch digitale Bildverarbeitung erweiterte Detektionssysteme eine Überwachung großer Räume und Flächen ermöglichen, ohne gleichzeitig die Anzahl der einzusetzenden Sensoren stark zu erhöhen.
2.3 Gefährdungsszenarien
Nachdem aktuell bekannte Sensoren und Methoden zur Deflagrationsdetektion vorgestellt wurden, dient das folgende Kapitel der Eingrenzung und Definition von realen Anwendungsgebieten dieser Detektionssysteme. Hierbei werden sowohl die im militärischen als auch die im zivilen Bereich auftretenden Gefährdungsszenarien aufgezeigt, aus denen die in Kapitel 2.1 beschriebenen Deflagrationen resultieren können. Für die militärische Anwendung wird die deflagrations- bzw. feuerrelevante Wirkung der verschiedenen Bedrohungen dargestellt. Aufgrund der großen Bandbreite an möglichen zivilen Anwendungsgebieten werden in einem ersten Schritt allgemeingültige Einsatzgebiete der Deflagrationsdetektion genannt und anschließend anhand eines konkreten Anwendungsbeispiels aus der Produktion dargestellt. Zudem werden die im zivilen Bereich verwendeten Detektorarten kritisch bewertet und deren Nachteile, wiederum am genannten Beispiel, erläutert.
2.3.1 Militärische Bedrohungsszenarien
Optische Systeme zur Erfassung von Deflagrationen kommen im militärischen Bereich fast ausschließlich in den bereits in Kapitel 2.2.1 vorgestellten BUA zum Einsatz. Diese automatischen Löschsysteme sind integraler Bestandteil der direkten Schutzmaßnahmen von gepanzerten Fahrzeugen. Die Hauptaufgabe der Löschsysteme besteht in der Erhöhung der Durchhalte- und Überlebensfähigkeit der Besatzung und der Aufrechterhaltung der Mobilität des Fahrzeuges in Anbetracht der Sekundärwirkung von Geschossen und anderen Kampfmitteln. In diesem Fall bedeutet Sekundärwirkung das Auftreten von Deflagrationen und Feuern innerhalb des Besatzungsraumes ausgelöst durch die angesprochenen sekundären Effekte nach Durchschlag des Geschosses durch Panzerung oder Karosserie. Zudem kann es durch die Restenergie des Geschosses nach Durchschlag des Schutzes zur Bildung von Geschosssplittern kommen. Auch können Sekundärsplitter aus dem Zielmaterial ausgelöst werden [Krauss-Maffei 99] [Manthey 10].
Beschädigen diese Geschosse oder Splitter innerhalb des Fahrzeuges kraftstoff- oder hydraulikölführende Leitungen oder Tanks, können die sich darin befindlichen Flüssigkeiten mitgerissen und mit der Umgebungsluft zu einem zündfähigen Aerosol vermischt werden. Weitere Geschosse oder Splitter, die in den Besatzungsraum eindringen, können das Aerosol mit ihrer Restenergie entzünden. Dieser Vorgang ist in Abbildung 2.4 bildlich dargestellt [Krauss-Maffei 99].
Als direkte Zündquelle für ein aufbereitetes Aerosol bzw. als Ursache für Sekundärsplitter können verschiedene Geschossarten verantwortlich sein, die im Nachfolgenden detaillierter vorgestellt werden. Zudem können Brandkampfmittel (BKM) auch als ein Grund für die Entstehung einer Deflagration oder eines Feuer im Besatzungsraum angesehen werden. Diese Art der Bedrohung wird nachfolgend ebenfalls genauer erklärt. Aufgrund der immer wieder auftretenden Anschläge auf militärische Fahrzeuge in den weltweiten Krisengebieten kommen auch unkonventionelle Brand- und Sprengvorrichtungen (IED), umgangssprachlich als Sprengfallen bekannt, als weitere mögliche Ursache von Deflagrationen innerhalb des Besatzungsraumes in Betracht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.4: Ablauf der Deflagrationsentstehung innerhalb eines gepanzerten Fahrzeuges infolge eines Beschusses: a) Eindringen des Geschosses und Aufbereiten des Aerosols (1 bis 5 ms), b) Entzünden des Aerosols durch Geschoss oder Sekundärsplitter (5 bis 15 ms) [Manthey 10]
Grundsätzlich kommen für ein im Kampfeinsatz befindliches gepanzertes Fahrzeug die nachfolgend aufgeführten Bedrohungen in Betracht. Diese fünf Bedrohungen sind:
- Hohlladungsgeschosse,
- Wuchtgeschosse,
- HE-Geschosse,
- Brandkampfmittel (BKM),
- Minen und IEDs.
Allgemein kann die primäre Wirkung aller drei aufgeführten Geschossarten, aber auch der Minen und IEDs als Eindringen in den Panzerschutz, Durchschlagen von Panzerschutz und Karosserie und das Einleiten von einer großen Menge an Energie in den Panzerschutz und die Karosserie definiert werden. Die eigentliche Deflagrationswirkung der Geschosse und Sprengvorrichtungen entsteht erst aus den vorher beschriebenen Sekundäreffekten. Bei der Wirkung von BKM ist eine Unterteilung in primär und sekundär nicht zweckmäßig. Für alle aufgeführten Bedrohungen werden deflagrations- und feuerrelevante Effekte auf ein gepanzertes Fahrzeug im Folgenden aufgezeigt.
Hohlladungsgeschosse bestehen prinzipiell aus einer kegelförmigen Metalleinlage, die von einer Sprengladung umgeben ist. Nach Zündung der Ladung bildet sich aus der konischen Metalleinlage ein Strahl aus kaltverformten Metall, bei dem sich die Spitze mit einer Geschwindigkeit von 8000 – 9000 m/s, das Ende mit noch ca. 2000 m/s fortbewegt. Bei diesen Geschwindigkeiten bzw. Drücken von bis zu 200 GPa unterliegt das Verhalten des Metallstrahls den Gesetzmäßigkeiten der Fluiddynamik und er durchdringt eine Panzerung wie eine Flüssigkeit. Die beim Durchschlag der Panzerung eindringende, dem Strahl nachfolgende Hauptmasse kann aufgrund der Temperatur von ca. 550 °C direkt als Zündquelle für das aufbereite Aerosol aber auch für gelagerte Munition wirken. Darüber hinaus werden durch den Hohlladungsstrahl auch die erwähnten Sekundärsplitter aus dem Schusskanal herausgerissen und Geschosssplitter entstehen. Die Splitter selbst werden bei diesem Prozess erwärmt und können ihrerseits auch als Zündquelle wirken. Zudem stellen die entstehenden Ausschussränder der Panzerung eine weitere mögliche Zündquelle dar [Courtney-Green 91] [Krauss-Maffei 99].
Die Wirkung der Wuchtgeschosse zur Entzündung von Aerosolen innerhalb des Besatzungsraumes gleicht im Wesentlichen denen der Hohlladungsgeschosse. Primär zielt ein Wuchtgeschoss darauf ab, das gepanzerte Ziel mit einer großen kinetischen Energie resultierend aus einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zu durchschlagen. Die Restenergie der Geschoss- und Sekundärsplitter reicht aus, um einzelne Fahrzeugkomponenten, die geladene Munition oder die Besatzung zu beschädigen. Zudem können die Splitter auch als mögliche Zündquellen für zündfähige Aerosole auftreten. [Courtney-Green 91] [Krauss-Maffei 99].
In Bezug auf das Auftreten von sekundären Effekten infolge eines direkten Treffers können HE-Geschosse von der Betrachtung als deflagrationsverursachende Bedrohung ausgeschlossen werden. Einerseits kann davon ausgegangen werden, dass bei einem direkten Treffer in jedem Fall der Totalverlust von Fahrzeug und Besatzung zu erwarten ist. Andererseits sind gepanzerte Fahrzeuge so weit geschützt, dass auch bei einem indirekten Treffer ein Splitterdurchschlag vermieden wird [Krauss-Maffei 99].
Da BKM bereits als primäres Ziel das Entzünden einer Verbrennung in oder an gepanzerten Fahrzeugen verfolgen, kann diese Art der Bedrohung als direkte Ursache von Deflagrationen und Feuern angesehen werden. BKM auf Erdölbasis, wie beispielsweise Molotow-Cocktails, Napalm und Pyrogele, erzeugen grundsätzlich eine breite Brandfläche mit starker Flammenbildung und hoher Temperaturentwicklung (800 – 1600 °C). Im Besatzungsraum gezündete BKM müssen schnellstmöglich entdeckt und der weitere Verbrennungsvorgang unterdrückt werden, da ansonsten neben dem Eintrag großer Hitze auch ein schlagartiger Entzug großer Mengen an Sauerstoff aus der Umgebungsluft erfolgt. Entsprechend ist die Besatzung insbesondere vom Erstickungstod bedroht [Krauss-Maffei 99].
Bei BKM auf Metallpulver- und Phosphorbasis (Ausnahme: Roter Phosphor) ist der Sauerstoff bereits chemisch im Stoff gebunden. Folglich sind Löschversuche mit den verwendeten Inertgas-Löschanlagen zwecklos, obwohl eine Erfassung der Verbrennung möglich ist. Dementsprechend sind BKM auf Metallpulver- und Phosphorbasis auch nicht Bestandteil eines möglichen Bedrohungsszenarios, bei dem es innerhalb des gepanzerten Fahrzeuges zur Zündung von löschbaren Deflagrationen oder Feuern kommt [Krauss-Maffei 99].
Die Effekte bei Angriffen mit Sprengminen und IEDs gleichen überwiegend den Wirkungen von HE-Geschossen. Ein direktes Auslösen einer Mine oder IED unterhalb eines Fahrzeuges würde, aufgrund der Detonationswirkung der Mine, einen Totalverlust von Besatzung und Fahrzeug bedeuten. Daher ist die deflagrations- bzw. feuerrelevante Gefahr durch Sprengminen oder IEDs als sehr gering einzuschätzen. Jedoch können Hohlladungsminen oder projektilbildende Minen, ähnlich den Hohlladungs- und Wuchtgeschossen, bei Durchschlag des Panzerschutzes Aerosole entstehen lassen und diese selbst oder durch Geschoss- bzw. Sekundärsplitter entzünden [Krauss-Maffei 99] [Wilson 06].
Aus der Betrachtung der verschiedenen militärischen Bedrohungen ergeben sich zwei allgemeine Szenarien, in denen eine rechtzeitige und zuverlässige Detektion des Verbrennungsvorganges erforderlich ist. Zum einen zählt dazu das Entzünden von Aerosolen, die infolge des Durchschlages von Hohlladungs- und Wuchtgeschossen durch die Panzerung und flüssigkeitsführende Behälter entstehen und durch die Restenergie des Geschosses, dessen Splitter oder durch Sekundärsplitter gezündet werden können.
Das zweite Szenario stellt den Angriff und das Entzünden von BKM auf Erdölbasis im Besatzungsraum dar. In dieser Art der BKM ist der Sauerstoff nicht chemisch im Brennstoff gebunden und dementsprechend mit inerten Gasen löschbar. Durch Luken am Dach des Fahrzeuges, aber auch durch Ansaugöffnungen können BKM in den Besatzungsraum eintreten und gezündet werden. Aufgrund der breiten Brandfläche, der starken Temperaturentwicklung und des großen Sauerstoffbedarfes bei Zündung und Ausbreitung ist eine schnelle und äußerst zuverlässige Detektion durch BKM ausgelöster Verbrennungen notwendig.
2.3.2 Zivile Anwendungsgebiete am Beispiel der Munitionsproduktion
Auch im zivilen Bereich ergeben sich Anwendungsgebiete, die eine schnelle Detektion von Deflagrationen in ihren Anfangsstadien notwendig machen. Wie bereits in Kapitel 2.2.1 aufgezeigt, werden optische Systeme zur Deflagrationsdetektion in vielen Bereichen der Prozessindustrie verwendet. Grundsätzlich dienen diese Detektionssysteme dem tertiären Explosionsschutz, der die Auswirkungen von Explosionen zu begrenzen versucht. Die hochdynamischen Detektionssysteme werden dabei als Auslöser für Gegenmaßnahmen genutzt, um die sich ausbreitenden Deflagrationen rechtzeitig örtlich zu begrenzen und zu unterdrücken [Steen 00].
Die Bandbreite an Anwendungen für die Detektionssysteme reicht von der einfachen Funkendetektion innerhalb von Rohrleitungen zur Prävention von Staubexplosionen in Industriemühlen bis zur Erfassung von Explosionen bei der Produktion von Airbags. Insbesondere die Überwachung von technischen Prozessen und Verfahren, die entweder in explosionsfähigen Atmosphären stattfinden oder explosionsfähige Produkte herstellen, ist zur Verbesserung der Schadensverhütung von besonderem Interesse. Nach Mannan sind in der chemischen Industrie zwei Drittel der auftretenden Schäden infolge von Unfällen auf Explosionen zurückzuführen, die wiederum in drei Viertel der Fälle aus Verbrennungsvorgängen oder dem Vorhandensein explosiver Stoffe resultieren [Mannan 12a]. Dies zeigt, welchen Stellenwert eine zuverlässige und rechtzeitige Detektion von Verbrennungsvorgängen bei der Vermeidung von Schäden innerhalb dieser Industriebranche einnehmen kann.
Aber auch die Überwachung technischer Infrastrukturen, wie beispielsweise Tunnel oder Pipelines, wo im Falle einer Deflagrationen sehr schnelle Gegenmaßnahmen erforderlich sind, um eine weitere Ausbreitung und damit weitaus größere Schäden an Mensch und Material zu vermeiden, können als potentielle Anwendungsgebiete angesehen werden.
Aufgrund der großen Bandbreite an möglichen Anwendungsgebieten wird im Folgenden am Beispiel der Munitionsproduktion ein konkretes ziviles Anwendungsgebiet definiert. Dabei werden einige risikobehaftete Produktionsschritte aufgezeigt und die damit verbundenen Gefahren erläutert. Die effektivste Position der Detektionstechnik während des jeweiligen Produktionsschrittes wird begleitend vorgestellt. Zum Abschluss folgt eine Bewertung der aktuell für die Munitionsproduktion verwendeten Detektionstechnik einschließlich der sich aus der Detektionsmethode ergebenden Nachteile.
Liegt der Explosionsstoff der Munition als Pulver vor, kann beim Abwiegen der benötigten Stoffmenge der dabei entstehende Staub durch statische Aufladung entzündet werden. Die Detektionstechnik sollte bei diesem Vorgang so nah wie möglich an der Gefahr installiert sein, damit ein sich entwickelnder Verbrennungsvorgang so schnell wie möglich erfasst wird. Neben der punktuellen Überwachung ist auch eine Erfassung des Umfeldes notwendig, um auch die Wege zwischen den Produktionsstationen zu kontrollieren [Cote 03].
Das Pressen und Pelletieren des Explosivstoffes ist ebenfalls ein deflagrationsauslösender Prozess während der Munitionsproduktion. Hierbei kann es während des Prozesses zur Entzündung der Munition an den Kontaktpunkten kommen. Die dann fortschreitende Flammenfront kann wiederum weitere, den Prozess durchlaufende Munition entzünden. Entsprechend ist auch hier eine möglichst nah installierte Detektionstechnik notwendig [Cote 03].
Besonders der Prozess zur Bestückung der Munition mit der Treibladung ist als risikoreich einzustufen. Das Entzünden der Treibladungen würde in einer gleichzeitigen Entzündung des Explosivstoffes resultieren, was letztendlich eine sich ausbreitende Deflagration zur Folge hätte. Folglich ist die Detektion hier sehr auf den Produktionsprozess zu fokussieren. Aber auch eine weiträumige Erfassung von Lagerflächen und Wegen zwischen Lager und Bestückungsprozess ist notwendig, um eine Ausbreitung der Deflagration in andere Produktionsbereiche weitestgehend zu unterbinden [Cote 03].
Als Detektoren werden aktuell in der Munitionsproduktion die bereits vorgestellten Ultraviolett- und Infrarotdetektoren bzw. Kombinationen aus beiden (vgl. Kapitel 2.2.1) eingesetzt. Diese Detektortypen eignen sich aufgrund ihrer geringen Reaktionszeiten und hohen Empfindlichkeit besonders für die frühzeitige Erfassung von Verbrennungsvorgängen während der Munitionsherstellung.
Jedoch ist die Fehlalarmanfälligkeit infolge von Störquellen im Umfeld der Produktionsbereiche bei Ultraviolettdetektoren hoch. Künstliche Lichtquellen und Lichtbogenschweißen während Produktionspausen zu Wartungszwecken verursachen dabei die häufigsten Fehlalarme. Auch eine Abschirmung der Produktionsbereiche durch Schutzscheiben aus Polycarbonat oder Stäube vermindern stark die Empfindlichkeit von Ultraviolettdetektoren. Im Gegensatz dazu zeigen Infrarotdetektoren nur eine Störquellenempfindlichkeit gegenüber typischen Wärmequellen (Heizungen oder entzündete Tabakprodukte), die sich aber in den Produktionsbereichen sehr gut verhindern lassen [Cote 03].
Einfache Infrarotdetektoren sollten möglichst nahe an den Gefahrenstellen angebracht werden, um ungewollte Signale auszuschließen und den Zeitverzug so weit wie möglich zu minimieren. Kombinationen aus beiden Detektortypen können auch bei der Überwachung der Produktion eingesetzt werden. Diese Multiwellenlängendetektoren reduzieren die Fehlalarmanfälligkeit und ermöglichen noch niedrigere Reaktionszeiten durch Algorithmen basierend auf Auswerte- und Entscheidungslogiken. Für Multiwellenlängendetektoren bedarf es jedoch auch deutlich höherer Investitionskosten im Vergleich zu konventionellen Ultraviolett- und Infrarotdetektoren [Cote 03] [Steen 00].
Trotz der Verbesserungen in der Fehlalarmanfälligkeit und der weiteren Reduzierung der Reaktionszeit erfassen die verwendeten Detektorarten die Gefahren nur punktuell. Eine flächendeckende Überwachung der Produktionsbereiche zusätzlich zur punktuellen, wie bei der Munitionsproduktion gefordert, kann nur durch eine Vielzahl von im Raum angeordneten optischen Detektoren gewährleistet werden. Vor dem Hintergrund, dass die optischen Detektoren nur für Abstände von max. 15 m verwendet werden sollten, können solche Arten von Produktionsstätten nur durch eine große Zahl an optischen Detektoren erfolgreich überwacht werden. Folglich besteht, wie an dem Beispiel der Munitionsproduktion aufgezeigt, ein Mangel an hochdynamischen flächendeckenden Detektionssystemen. Aber auch die Überwachung der einzelnen Produktionsbereiche kann und muss, trotz Verwendung von Multiwellenlängendetektoren, hinsichtlich der Detektionssicherheit noch weiter verbessert werden. Dabei könnten zusätzliche Informationen über die erfasste Gefahr entscheidend weiterhelfen [Cote 03].
Wie bei den militärischen Anwendungen kann auch beim zivilen Einsatz solcher hochdynamischer Detektionssysteme aus den genannten deflagrationsauslösenden Vorgängen ein allgemeingültiges Bedrohungsszenario abgeleitet werden. Folglich ist der Einsatz der Detektionssysteme in Kombinationen mit entsprechenden Löschsystemen notwendig, wenn der primäre (Verhinderung explosionsfähiger Atmosphären) und sekundäre (Vermeiden wirksamer Zündquellen) Explosionsschutz sich als nicht genügend zuverlässig oder als nicht genügend wirksam erweisen. Die Einsatzgebiete für zivile Detektionssysteme sind in erster Linie geschlossene Produktionsstätten der Prozessindustrie, in denen explosionsfähige Produkte hergestellt oder explosionsfähige Stoffe verarbeitet werden. Dabei müssen sowohl die einzelnen explosionsgefährdeten Bereiche der Produktion punktuell als auch die gesamte Produktionsstätte flächendeckend überwacht werden.
Aber auch strategisch wichtige technische Infrastrukturen, die eine besondere Überwachung benötigen, um bei einer Deflagration die Ausmaße der Schäden so gering wie möglich und damit die Infrastruktur zum größten Teil funktionsfähig zu halten, können als potentielle Einsatzgebiete berücksichtigt werden.
2.4 Konzept zur Deflagrationsdetektion
Ausgehend von den Erkenntnissen aus Kapitel 2.2.1 und 2.2.2 werden im folgenden Abschnitt die entsprechenden Anforderungen an die in dieser Arbeit vorgestellte Detektionsmethode für Deflagrationen abgeleitet. Hierbei werden sowohl das Leistungsvermögen und die Defizite der aktuellen Detektionssysteme als auch die geforderten Fähigkeiten eines verbesserten Systems in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten berücksichtigt. Zudem kann aus den aufgestellten Anforderungen ein allgemeines Konzept für die Detektionsmethode formuliert und dieses Konzept entsprechend thematisch eingeordnet werden.
Aktuelle militärische als auch zivile Detektionssysteme für Deflagrationen zeichnen sich durch eine sehr kurze Reaktionszeit (vgl. Tabelle 2.3 und Tabelle 2.4) und eine hohe Empfindlichkeit aus, die es ermöglicht, Deflagrationen bereits in ihren Anfangsstadien zu erfassen. Jedoch liefern diese Detektoren nur ein binäres Detektionssignal und weisen gerade aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit eine große Fehlalarmanfälligkeit auf (vgl. Kapitel 2.2.1). Außerdem ermöglichen diese Detektoren nur eine punktuelle Überwachung des jeweiligen Raumes, was wiederum die Detektionssicherheit einschränkt.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die bildverarbeitungsbasierte Detektion eine flächendeckende Erfassung potentieller Verbrennungsvorgänge. Der entscheidende Vorteil der Bildverarbeitung gegenüber konventionellen Detektoren ist die Generierung weiterer Informationen über die identifizierte Gefahr unter Zuhilfenahme verschiedenster Funktionen der Signal- und Bildverarbeitung (vgl. Kapitel 2.2.2). Dies erhöht zum einen die Detektionssicherheit, da Störquellen besser diskriminiert werden können, zum anderen können die zusätzlich generierten Informationen beispielsweise die Effektivität der Löschanlagen steigern. Dem Einsatz dieser Methoden zur Deflagrationsdetektion entgegen steht jedoch bisher die Tatsache, dass die aktuell bekannten bildverarbeitungsbasierten Detektionsverfahren deutlich längere Reaktionszeiten als die optischen Detektoren aufweisen. Das ist einerseits auf die komplexen Auswerte- und Entscheidungsalgorithmen der einzelnen Detektionsverfahren zurückzuführen. Andererseits sind die aktuellen bildverarbeitungsbasierten Detektionen nur auf die Erfassung von Feuern, genauer deren spezifischer Eigenschaften, ausgerichtet. Wie in Kapitel 2.1 definiert, zeigen Deflagrationen im Vergleich zu Feuer deutlich unterschiedliche Eigenschaften insbesondere in der Expansion und der Dauer der Energiefreisetzung.
2.4.1 Allgemeine Anforderungen
Zusammenfassend ergibt sich aus den bisher vorgestellten Detektionsverfahren, dass keine entsprechende Methode existiert, die Deflagrationen in ihren Anfangsstadien mit einer hohen Sicherheit detektieren und gleichzeitig zusätzliche Informationen über die erfasste Gefahr zur Verfügung stellen kann. Infolgedessen wird an dieser Stelle ein konzeptioneller Lösungsansatz vorgestellt, der eine neuartige Methode zur Deflagrationsdetektion beinhaltet. Ein erster Schritt ist dabei die Definition der grundsätzlichen Anforderungen an die Methode. Es ergeben sich zwei grundlegende Forderungen, nämlich die Detektion von Deflagrationen innerhalb einer minimalen Reaktionszeit und die Generierung von zusätzlichen Informationen über die erfasste Deflagration. Weitere untergeordnete Anforderungen sind die Kombination von punktueller als auch flächendeckender Überwachung sowie die Erweiterung der Detektionsbandbreite auf stationäre Verbrennungsvorgänge.
Die Forderung nach einer minimalen Reaktionszeit resultiert aus der Bedingung, dass Deflagrationen bereits in ihren Anfangsstadien erfasst und durch entsprechende Löschsysteme unterdrückt werden sollen. Nur dadurch können eine weitere Ausbildung der physikalischen Vorgänge (Temperatur- und Druckerhöhung) während der Deflagration und somit mögliche letale Verletzungen von Menschen und schwerwiegende Schäden an Material im direkten Bereich der Deflagration verhindert werden.
Absolute Werte für die maximalen Reaktions- oder Detektionszeiten werden sowohl bei den zivilen als auch bei den militärischen Anwendungen nicht explizit vorgegeben. Für militärische Detektionssysteme innerhalb gepanzerter Fahrzeuge gilt nach der NATO STANAG 4317, dass Deflagrationen unterdrückt werden müssen, bevor Menschen Verbrennungen 2. Grades erleiden oder sich in einem geschlossenen Raum ein Überdruck größer als 35 kPa (0,35 bar) ausbildet [NATO 4317]. Durch verschiedene Versuche konnte eine zulässige Zeitdauer von 150 ms für den gesamten Löschvorgang einer Deflagration innerhalb eines gepanzerten Fahrzeuges ermittelt werden. Unter Berücksichtigung der in Abbildung 2.4 dargestellten Phasen und Zeiten bis zur Entzündung des Aerosols und der maximalen Löschzeit lässt sich eine maximal zulässige Detektions- bzw. Reaktionszeit von 15 ms ableiten [Manthey 10] [Müller 10].
Wie auch im militärischen Bereich streben zivile Detektionssysteme nach einer möglichst kurzen Reaktionszeit, um mögliche Schäden durch Deflagrationen zu minimieren oder sogar zu verhindern. Konkrete Reaktionszeiten im zivilen Bereich können in Anlehnung an die gegebenen Detektionszeiten der vorgestellten zivilen Detektoren (Vgl. Tabelle 2.4) definiert werden. Hier liegt die maximale Reaktionszeit der vorgestellten Detektoren bei maximal 5 ms. Dieser im Vergleich zu den militärischen Systemen geringere Wert ist darauf zurückzuführen, dass die Detektionssysteme im zivilen Bereich speziell auf einzelne Arten von Deflagrationen ausgerichtet sind und dafür entsprechende Umgebungsbedingungen benötigen. Für die Erfassung einer größeren Bandbreite an Verbrennungsvorgängen scheinen die angegebenen Reaktionszeiten jedoch nicht realisierbar.
Demzufolge wird, analog zu den militärischen Detektionssystemen, für die konzipierte Methode zur Erfassung von Deflagrationen eine maximale Detektionszeit von 15 ms angestrebt.
Neben einer möglichst geringen Detektionszeit sollte das Detektionskonzept auch eine möglichst große Menge an zusätzlichen Informationen über die erfasste Gefahr generieren. Diese zusätzlichen Informationen umfassen beispielsweise die Position, das Ausmaß der Gefahr oder den Grad der Expansion einer Deflagration. Durch diese Informationen kann eine Erhöhung der Detektionssicherheit bzw. die Verringerung der Fehlalarmanfälligkeit im Vergleich zu den konventionellen Detektoren ermöglicht werden.
Zudem können solche zusätzlichen Informationen helfen, die Effektivität des Löschmittels zu steigern. Vor dem Hintergrund, dass das in aktuellen Löschsystemen eingesetzte inerte Gas Halon aufgrund der FCKW-Halon-Verbots-Verordnung bzw. der Chemikalien-Ozonschicht-verordnung bereits seit 1991 nicht mehr hergestellt werden darf, gewinnen alternative Löschmittel immer mehr an Bedeutung [ChemOzonSchichtV 12]. Ein großes Potential besitzen dabei die wassernebelbasierten Löschsysteme, die jedoch als lokalwirkende Löschmittel nicht die Effektivität von Halon aufweisen. Mit Kenntnis über die Position und das Ausmaß eines Verbrennungsvorganges könnten die Tropfen des Wassernebels optimal an die jeweilige Gefahr angepasst und somit die Effektivität dieses Löschsystems entscheidend verbessert werden [Kim 02].
Neben der Effektivitätssteigerung von Löschmitteln könnte durch die zusätzlich generierten Informationen auch der Löschvorgang weiter optimiert werden. Automatische Löschsysteme bestehend aus mobiler Detektor- und Wasserwerfereinheit ähnlich dem System nach Yuan wären in der Lage das Löschmittel effektiver einzusetzen und schneller den erfassten Verbrennungsvorgang zu löschen [Yuan 10].
Weitere Anforderungen an das Detektionskonzept ergeben sich aus den in Kapitel 2.3 aufgezeigten Gefährdungsszenarien und deren spezifischen Forderungen an die einzusetzende Detektionstechnik. Sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich können Feuer als eine Ursache einer Deflagration oder als unabhängige Bedrohung auftreten und müssen dementsprechend sicher durch die verwendeten Sensoren erfasst werden. Daraus folgt für das Detektionskonzept, dass neben Deflagrationen auch Feuer zuverlässig und in einer akzeptablen Detektionszeit erfasst werden müssen.
Zudem erfordert die Überwachung von Produktionsstätten eine punktuelle Erfassung der Produktionsschritte wie auch eine flächendeckende Beobachtung der gesamten Produktion. Demnach sollte bei dem zu entwickelnden Detektionskonzept eine Vereinbarkeit von punktueller und flächendeckender Erfassung gegeben sein.
Für die Machbarkeit des nachfolgend aufgezeigten Detektionskonzeptes werden die beiden letztgenannten Anforderungen als untergeordnet betrachtet, da primär die Reaktionszeit und das Erzeugen zusätzlicher Informationen im Vordergrund steht. Entsprechend wird im nachfolgenden Abschnitt abhängig von den beiden definierten Hauptanforderungen die allgemeine Struktur einer Methode zur Detektion von Deflagrationen vorgestellt.
2.4.2 Definition und Einordnung des Detektionskonzeptes
Aus der an das Detektionskonzept geforderten Kombination aus einer geringen Reaktionszeit und der Generierung einer möglichst großen Menge an Informationen ergibt sich der allgemeine Ansatz einer Sensorfusion aus einem optischen Detektor und der bildverarbeitungsbasierten Detektion. Wie in Abbildung 2.5 dargestellt, vereinigt der Ansatz die Vorteile der konventionellen Deflagrationsdetektion basierend auf optischen Sensoren und die Vorteile der bildverarbeitungsbasierten Detektion. Dabei gewährleisten die optischen Detektoren die Möglichkeit die geforderte Reaktionszeit zur Erfassung verschiedener Verbrennungsvorgänge einzuhalten. Die Methoden der bildverarbeitungsbasierten Detektion (vgl. Kapitel 2.2.2) weisen ein enormes Potential auf und werden für die Ermittlung relevanter Zusatzinformationen über den erfassten Verbrennungsvorgang verwendet. Jedoch wird dafür eine Modifikation bestehender oder eine Neuentwicklung von bildverarbeitungsbasierten Methoden zugeschnitten auf die Eigenschaften einer Deflagration notwendig. Zudem dienen die Methoden der künstlichen Intelligenz dazu, die Informationen der einzelnen Detektionsmethoden auszuwerten und miteinander zu verknüpfen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.5: Konzeptioneller Ansatz zur Deflagrationsdetektion mittels Sensorfusion unter Verwendung von Methoden der Künstlichen Intelligenz
Diese Verknüpfung beider Detektionsmethoden ermöglicht eine Erfassung von Deflagrationen in der geforderten geringen Reaktionszeit bei gleichzeitiger Bestimmung weiterer Attribute der Deflagrationen. Primär soll der Detektionsvorgang durch Methoden der Bildverarbeitung in Kombination mit einem geeigneten Kamerasystem durchgeführt werden. Die optischen Detektoren dienen als bestätigendes Element der Detektion und garantieren die rechtzeitige Erkennung des Verbrennungsvorganges. Eine detailliertere Erläuterung des Detektionsansatzes und dessen Struktur erfolgt in Kapitel 4.2.
Durch diese dargestellte Verbindung der beiden Detektionsverfahren ergibt sich eine neue Methode zur Erfassung von Deflagrationen. Für eine Einordnung der prognostizierten Leistungsfähigkeit dieser neuen Methode können die primären Anforderungen als Grundlage für den Vergleich mit den aktuellen Methoden zur Detektion von Verbrennungsvorgängen herangezogen werden. In Abbildung 2.6 ist eine Matrix unterteilt in Reaktionszeit und generierter Informationsmenge dargestellt. Hierbei ist der als II. Quadrant definierte Bereich der Matrix als anzustrebendes Optimum einer Detektionsmethode für Deflagrationen aus der Kombination einer möglichst großen Menge an generierten Informationen und einer möglichst niedrigen Reaktionszeit anzusehen. Die in Kapitel 2.2 aufgezeigten aktuellen Methoden zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen sind hinsichtlich ihrer Eigenschaften in die Matrix eingefügt. Es zeigt sich, dass Rauchmelder, Wärme- und Gassensoren aufgrund ihrer Messcharakterikstik relativ hohe Reaktionszeiten im Vergleich zu optischen Detektoren und Drucksensoren aufweisen. Für die Detektion von Deflagrationen akzeptable Reaktionszeiten weisen nach dieser Matrix nur optische Detektoren und mit Abstrichen auch Drucksensoren auf.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.6: Einordnung des Detektionskonzeptes und der aktuellen Methoden zur Er- fassung von Verbrennungsvorgängen innerhalb einer Reaktionszeit- Informationsmenge-Matrix
Aktuelle bildverarbeitungsbasierte Feuerdetektionsverfahren liegen bei der Reaktionszeit im Bereich der eher trägen Gassensoren. Jedoch sind diese bilddatengestützten Verfahren in der Lage aus den ermittelten Daten eine deutlich größere Menge an verwertbaren Informationen zu generieren. Innerhalb der im vierten Quadranten befindlichen Messverfahren weisen die Gassensoren die Möglichkeit auf, neben der eigentlichen Detektion auch die Zusammensetzung der Verbrennungsluft als Information weiter zu geben und auf diese Weise auf die Art der Ausgangsstoffe zu schließen. Konventionelle Wärmesensoren, Rauchmelder und auch Drucksensoren geben nur die binäre Information der Detektion weiter. Im Gegensatz dazu sind optische Detektoren schon in der Lage auch zwischen unterschiedlichen Verbrennungsarten zu unterscheiden und somit auch zusätzliche Informationen der nachfolgenden Auswertelogik zur Verfügung zu stellen [Nolan 11] [Janes 11].
Zusammengefasst ist die Kombination aus bildverarbeitungsbasierten Erfassung und optischen Detektoren, wie bereits im vorangegangenen Kapitel als konzeptioneller Ansatz vorgestellt, als die anzustrebende Methoden zu wählen. Diese Sensorfusion gewährleistet sowohl die notwendigen geringen Reaktionszeiten für die Erfassung von Deflagrationen als auch die Möglichkeit zur Generierung von zusätzlichen Informationen über den Verbrennungsvorgang, um die Detektionsrate zu maximieren und dementgegen die Fehlalarme möglichst zu vermeiden.
Aufbauend auf diesem konzeptionellen Ansatz zur Detektion von Deflagrationen werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit die zur Verwendung vorgesehenen optischen Sensoren analysiert und eine Methode zur bildverarbeitungsbasierten Detektion von Deflagrationen entwickelt. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Sensorauswahl in Kapitel 4.1 wird der vorgestellte Ansatz weiter konkretisiert und spezifiziert.
3 Versuchsaufbauten
Die Grundlage zur Erprobung von optischen Sensoren und zur Entwicklung von bildverarbeitungsbasierten Detektionsmethoden bilden zwei neu entwickelte Versuchsstände. Damit können sowohl die charakteristischen Strahlungen von kohlenwasserstoffbasierten Verbrennungsprodukten nachgebildet als auch reale kleinskalige Deflagrationen auf Basis eines Propan-Luft-Gemisches erzeugt werden.
Zudem werden für realitätsgetreue Untersuchungen innerhalb gepanzerter Fahrzeuge die Versuchseinrichtungen des Wehrwissenschaftlichen Instituts für Schutztechnologien und ABC-Schutz (WIS) in Munster genutzt. Hierbei wird unterschieden zwischen einer Vorrichtung zur Erzeugung von Deflagrationen in einem größeren Maßstab und verschiedenen Brandwannen zur Nachbildung von Feuern unterschiedlicher Größen.
Nachfolgend werden alle Versuchsstände und -einrichtungen detailliert vorgestellt und deren Leistungsvermögen beschrieben.
3.1 Versuchsstand zur Simulation von Gasstrahlung
Wie in Kapitel 2.2.1 beschrieben, emittieren Verbrennungsprodukte Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen. Dementsprechend sind kohlenwasserstoffbasierte Verbrennungsvorgänge anhand des Auftretens der Strahlung der Hauptverbrennungsprodukte in deren charakteristischen Wellenlängenbereichen eindeutig und schnell detektierbar. Aktuelle Detektionssysteme erfassen diese charakteristische Gasstrahlung, um die Existenz der Hauptverbrennungsprodukte und somit das Auftreten eines Verbrennungsvorganges nachzuweisen. Insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich kommt der Erfassung dieser Gasstrahlung der Umstand entgegen, dass die Hauptverbrennungsprodukte als chemische Verbindungen ebenfalls in der Atmosphäre vorkommen und die Sonnenstrahlung in den entsprechenden Wellenlängenbereichen absorbieren. Folglich weist die terrestrische Sonnenstrahlung in den Emissions- bzw. Absorptionswellenlängenbereichen der Verbrennungsprodukten Lücken auf. Beim Auftreten einer Strahlung in diesen Wellenlängenbereichen kann somit direkt auf das entsprechende Verbrennungsprodukt geschlossen werden.
Um die Leistungsfähigkeit aktueller optischer Sensoren und Detektoren zu untersuchen und zu modellieren, bedarf es einer geeigneten Untersuchungsgrundlage, welche die Fähigkeit aufweist, eine reproduzierbare und skalierbare Strahlung in den charakteristischen Wellenlängenbereichen zu erzeugen. Im Folgenden werden die einzelnen Elemente des neu entwickelten Versuchsstandes vorgestellt. Die verwendeten Strahlungsquellen und deren spezifische Kennfelder werden zudem in einem gesonderten Abschnitt genauer betrachtet.
3.1.1 Einrichtungen zur Nachbildung von Gasstrahlung
Der Versuchsstand besteht aus den grundlegenden Elementen Strahlungsquelle, Shuttersystem, Interferenzfilter, Thermoelement, Lüfter und der Aufnahme für die zu untersuchenden Sensoren und Detektoren. Aufgrund der modularen Bauweise des Versuchsstandes ergeben sich verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten. Abbildung 3.1 zeigt den Aufbau des Versuchsstandes zur Bestrahlung eines Sensors mit zwei Strahlungsquellen unterschiedlicher Wellenlängen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.1: a) Draufsicht und b) Seitenansicht des Versuchsstandes zur Nachbildung charakteristischer Gasstrahlung: A Infrarotstrahler, B Shutter, C Interferenz- filter (4400 nm), D Infrarotdiode, E Interferenzfilter (940 nm), F Sensorauf- nahme mit vertikalem Schienensystem, G Thermoelement, H Lüfter, I Schie- nensystem zum horizontalen Verfahren
Als Strahlungsquellen kommen der Infrarotstrahler QSKH125 der Optron GmbH, der sich durch eine hohe Strahlungsleitung bei einer gleichzeitig breitbandigen Ausstrahlung im Wellenlängenbereich von 1 µm bis 8 µm mit einer Leistung von 125 W auszeichnet, und die monochromatisch abstrahlende Infrarotdiode SFH 4751 der Osram Opto Semiconductors GmbH mit einer Emissionswellenlänge von 940 nm und einem Gesamtstrahlungsfluss von 3,1 W zum Einsatz. Die typischen Strahlungen der verschiedenen Verbrennungsprodukte von kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen werden durch die Kombination des Infrarotstrahlers mit einem entsprechenden Interferenzfilter modelliert. Diese Filter nutzen den Effekt der destruktiven Interferenz, bei der abhängig von den Eigenschaften des jeweiligen Filters nur solche Strahlung den Filter passieren kann, deren Wellenlänge in der Bandbreite des Filters liegt. Strahlung außerhalb der Bandbreite des Filters wird durch die destruktive Interferenz des Filters gezielt blockiert.
Für die Nachbildung der charakteristischen Strahlung von CO2 im Wellenlängenbereich von 4,4 µm wird der Filter IF-4350-200 der EURECA GmbH mit der Zentralwellenlänge von 4350 nm und einer Halbwertsbreite von 200 nm verwendet. Die weiteren signifikanten Wellenlängenbereiche von CO2 (2,8 µm) und H2O (2,7 µm) können ebenfalls durch entsprechende Interferenzfilter realisiert werden. Für den Zweck des Versuchsstandes erscheint die Nachbildung des signifikanten Wellenlängenbereiches von CO2 mit nur einer charakteristischen CO2-Wellenlänge als vollkommen ausreichend. Der zweite verwendete Filter IF-950-60 dient der Nachbildung einer Referenzwellenlänge (960 nm) für die Untersuchung eines aktuellen Deflagrationsdetektors. Die Zentralwellenlänge des Filters beträgt 956 nm mit einer Halbwertsbreite von 60 nm. Der Transmissionsgrad beider Filter beträgt 90 %.
Eine Charakterisierung der Strahlungsquellen in Kombination mit den entsprechenden Filtern hinsichtlich deren Bestrahlungsstärke erfolgt im nachfolgenden Kapitel 3.1.2.
Das zwischen Infrarotstrahler und Interferenzfilter installierte Shuttersystem VS25 der Vincent Associates Inc. ermöglicht die Regulierung der Bestrahlungsdauer des jeweiligen Sensors. Der Shutter hat eine 25 mm große Öffnung und benötigt 6 ms für eine komplette Öffnung des Lamellenverschlusses. Die Verzögerungszeit des Shutters teilt sich dabei auf in eine Verzögerung von 3 ms bedingt durch die elektrische Ansteuerung und eine mechanische Verzögerung von 3 ms durch die Verschlussöffnung. Aufgrund dieser geringen Verzögerung lassen sich mit dem Shuttersystem für die Systemidentifikation unbekannter auch nahezu sprungförmige Eingangssignale erzeugen.
Um eine konstante Temperatur während der Untersuchungen im Versuchsstand sicherzustellen, sind ein Thermoelement und ein entsprechend gekoppelter Lüfter installiert. Steigt die Temperatur innerhalb des Versuchsstandes über die Umgebungstemperatur bzw. über eine noch akzeptable Maximaltemperatur, wird dieses durch das Thermoelement registriert und ein schneller Abtransport der gestauten Wärme zwischen Strahlungsquelle und Sensor durch den Lüfter ermöglicht. Außerdem kann durch die Überwachung der Temperatur der Einfluss externer Wärmestrahlung, beispielsweise durch die Eigenstrahlung des Versuchsstandes, erfasst und die entsprechende Störstrahlung bei der Untersuchung mit berücksichtigt werden.
Durch das am Boden des Versuchsstandes verbaute Schienensystem lässt sich der horizontale Abstand zwischen Strahlungsquelle und Sensor stufenlos von 1 bis 60 cm verstellen. Auch ist die Sensoraufnahme über ein entsprechendes Schienensystem vertikal stufenlos verstellbar. Dies ermöglicht einerseits eine optimale Positionierung der Sensoren. Andererseits lässt sich bereits durch die Veränderung des Abstandes eine entsprechende Variation der Bestrahlungsstärke der Strahlungsquellen nach Gleichung (2.6) erreichen.
Alle beschriebenen Elemente des Versuchsstandes befinden sich in einem quaderförmigen Behälter aus Holz mit den Abmessungen 100 × 50 × 40 cm³. Der Innenraum des Versuchsstandes ist durch einen verschließbaren Deckel zugänglich. Dies erlaubt eine Entkopplung des Versuchssaufbaus von der Störstrahlung außerhalb des Behälters. Die Innenwände des Behälters sind zudem schwarz lackiert, um Reflexionen der Strahlung an den Wänden zu minimieren.
Zusammenfassend erlaubt die modulare Bauweise des Versuchsstandes eine flexible Installation verschiedener Elemente, die sich an den Anforderungen der zu untersuchenden Sensoren orientieren kann.
3.1.2 Analytische Beschreibung der Strahlungsquellen
Um die Reproduzierbarkeit der Untersuchungen am Versuchsstand zu gewährleisten, ist es notwendig die Bestrahlungsstärke der beiden zur Verfügung stehenden Strahlungsquellen zu kennen. Die Charakterisierung der beiden Strahlungsquellen erfolgt dabei in Kombination mit den vorgestellten Interferenzfiltern. Dabei bezieht sich das ermittelte Bestrahlungsstärkenkennfeld des Infrarotstrahlers QSKH125 auf den Wellenlängenbereich, der dem Durchlassbereich des Interferenzfilters IF-4350-200 (4,25 – 4,45 µm) entspricht. Analog dazu gilt das Kennfeld der Infrarotdiode SFH 4751 für den Wellenlängenbereich des Interferenzfilters IF-950-60 (920 – 980 nm).
Die Ermittlung der Bestrahlungsstärkenkennfelder erfolgt experimentell mithilfe von Fotodioden. Aus dem Fotostrom der Diode, der sich aus der gemessenen Spannung U Diode und dem bekannten Messwiderstand R berechnen lässt, der aktiven Sensorfläche A S,Diode sowie der Sensitivität der Diode S im gefilterten Wellenlängenbereich kann auf die entfernungs- und stromabhängige Bestrahlungsstärke E e(r, I SQ) der Strahlungsquelle geschlossen werden. Der entsprechende mathematische Zusammenhang ist wie folgt definiert:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
Durch die Variation des Abstandes r zwischen Strahlungsquelle und Diode und der Veränderung der elektrischen Stromstärke der Strahlungsquelle I SQ ergibt sich ein entsprechendes Kennfeld der Bestrahlungsstärke für die jeweilige Strahlungsquelle.
Aus den experimentell ermittelten Werten lassen sich die mathematischen Zusammenhänge zwischen der Bestrahlungsstärke, dem Abstand zwischen Strahlungsquelle und Diode sowie der Stromstärke der Strahlungsquelle ermitteln. Diese Korrelation wird für die analytische Beschreibung der Kennfelder herangezogen. Zudem wird bei der Ermittlung der Kennfelder davon ausgegangen, dass sich die Strahlungsquellen entsprechend einer Punktquelle verhalten.
Dabei lässt sich der Zusammenhang zwischen Bestrahlungsstärke und Entfernung aus dem Abstandsgesetz herleiten. Gemäß Gleichung (2.4) nimmt die Bestrahlungsstärke reziprok-quadratisch mit steigender Entfernung von der Strahlungsquelle ab. Dementsprechend lässt sich der entfernungsabhängige Anteil der Bestrahlungsstärke durch folgenden Zusammenhang analytisch beschreiben:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
Die Parameter a, b und c werden mittels einer Regressionsrechnung ermittelt. Die Parameter a und b approximierten dabei den reziprok-quadratischen Verlauf der Bestrahlungsstärke. Nach Gleichung (3.1) sollte der Parameter b gleich Null sein. Der Parameter c gibt den Strahlungsfluss der jeweiligen Strahlungsquelle an.
Der stromabhängige Anteil der Bestrahlungsstärke kann nach Auswertung der Messreihen durch eine lineare Funktion der Form
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
approximiert werden. Dabei beeinflusst die Stromstärke der Strahlungsquelle direkt den Strahlungsfluss. Die Parameter d und g beschreiben die Änderung der Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Stromstärke, sowie den Dunkelstrom der Diode. Die Variable g ist folglich als ein durch die Messung der Bestrahlungsstärke aufgetretener Offset-Wert anzusehen.
Die entfernungs- und stromabhängigen Kennfelder der verwendeten Strahlungsquellen lassen sich durch die Substitution des Parameters c von Gleichung (3.2) durch den stromabhängigen Anteil der Bestrahlungsstärke nach Gleichung (3.3) in der folgenden analytischen Form darstellen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
Aufgrund der Substitution verändern sich auch die Eigenschaften der einzelnen Parameter. Insbesondere die Variablen d und g beschreiben nun die Änderung des Strahlungsflusses der Strahlungsquelle in Abhängigkeit von der veränderbaren elektrischen Stromstärke bzw. den Offset-Wert des Strahlungsflusses.
Die Ermittlung der Parameter erfolgt auf Basis der über die Spannung berechneten Werte der Bestrahlungsstärken durch ein geeignetes Regressionsverfahren (Methode der kleinesten Fehlerquadrate). Aus dieser Ausgleichsrechnung ergeben sich für die Kombinationen aus Strahlungsquelle und Interferenzfilter die in Tabelle 3.1 aufgelisteten Parameterwerte zur analytischen Beschreibung der Bestrahlungsstärkenkennfelder.
Tabelle 3.1: Ermittelte Parameter der Gleichung (3.4) zur analytischen Beschreibung der Bestrahlungsstärkenkennfelder der Strahlungsquellen QSKH125 und SFH 4751
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
Zur besseren Illustration der nach Tabelle 3.1 definierten Kennfelder sind in Abbildung 3.2 die jeweiligen Kennfelder grafisch dargestellt. Es zeigt sich bei beiden Kennfeldern die reziprok-quadratische Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke von der Entfernung zwischen Strahlungsquelle und Diode. Erwartungsgemäß zeigt sich im Kennfeld des Infrarotstrahlers QSKH125, trotz der im Vergleich zur Infrarotdiode deutlich größeren Eingangsleistung, eine niedrigere Bestrahlungsstärke. Dies ist auf die in diesem Wellenlängenbereich (4,25 – 4,45 µm) relativ geringe Ausstrahlungsleistung des Infrarotstrahlers zurückzuführen. Jedoch erstreckt sich der für die Untersuchung von Sensoren zweckmäßige Bereich der Bestrahlungsstärke (10 – 124 W/m²) auf einen relativ breiten Entfernungsbereich (5 – 35 cm). Bei der Variation der Stromstärke bietet der Infrarotstrahler aufgrund des geforderten Betriebes bei Nennstrom (0,65 A) kaum Einstellmöglichkeiten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.2: Grafische Darstellung der Bestrahlungsstärkenkennfelder der Strahlungs- Quellen: a) Infrarotstrahler QSKH125 im Wellenlängenbereich von 4,25 µm bis 4,45 µm und b) Infrarotdiode SFH 4751 im Wellenlängenbereich von 920 nm bis 980 nm
Im Gegensatz dazu ist der Strom der Infrarotdiode im Bereich von 0 A bis 1 A (Nennstrom) stufenlos einstellbar. Auch umfasst der zweckmäßige Bereich der Bestrahlungsstärke der Infrarotdiode SFH 4751 einen relativ großen Entfernungsbereich (5 – 30 cm). Andererseits erreicht die monochromatisch ausstrahlende Diode bei Nennstromstärke für den gefilterten Wellenlängenbereich auch sehr große Bestrahlungsstärken. Bei einer minimalen Entfernung von 1 cm und einem Nennstrom von 1 A kann eine theoretische Bestrahlungsstärke von bis zu 7200 W/m² erreicht werden.
Neben der Möglichkeit, die Bestrahlungsstärke der einzelnen Strahlungsquellen bei jedem Betriebspunkt und jeder möglichen Entfernung bestimmen zu können, muss bei der Untersuchung von Sensoren auch der Einfluss von Störquellen mit berücksichtigt werden. Um jegliche Fremdstrahlung zu unterbinden, die zur Verfälschung der Untersuchungsergebnisse führen könnte, ist der Versuchsstand verschließbar ausgeführt und hat schwarz lackierte Innenwände. Nicht zu vernachlässigen ist jedoch die Eigenstrahlung des Versuchsstandes in den jeweiligen Wellenlängenbereichen der Strahlungsquellen.
Dementsprechend wird nach Gleichung (2.1) die spektrale spezifische Ausstrahlung für verschiedene Umgebungstemperaturen berechnet. Die entsprechenden Ergebnisse für die beiden relevanten Wellenlängenbereiche sind in Abbildung 3.3 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Eigenstrahlung für den Wellenlängenbereich von 920 nm bis 980 nm als vernachlässigbar gering angesehen werden kann. Für den Wellenlängenbereich von 4,25 µm bis 4,45 µm hingegen ergibt sich bereits ab einer Temperatur von 20 °C eine spektrale spezifische Ausstrahlung von 3 W/(m² µm) und damit eine Bestrahlungsstärke von 0,6 W/m².
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3.3: Spektrale spezifische Ausstrahlung des Versuchsstandes bei der Betrach- tung als schwarzer Körper in den relevanten Wellenlängenbereichen: a) von 920 nm bis 980 nm und b) von 4,25 µm bis 4,45 µm
Folglich wird die Eigenstrahlung des Versuchsstandes für den Wellenlängenbereich um 4,4 µm berücksichtigt und zusätzlich die maximal zulässige Umgebungstemperatur für Untersuchungen im Versuchsstand auf 30 °C festgelegt. Damit ist sichergestellt, dass bei vollständiger Erwärmung des Versuchsstandes auf diese festgelegte Temperatur im relevanten Wellenlängenbereich die spektrale spezifische Ausstrahlung immer kleiner 6 W/(m² µm) ist.
Mit der Kenntnis über die Bestrahlungsstärkenkennfelder der Strahlungsquellen und den Einfluss der Eigenstrahlung des Versuchsstandes ist es möglich, die Bestrahlungsstärken bei bekannter Entfernung zwischen Strahlungsquelle und Sensor und bekannter Stromstärke der jeweiligen Strahlungsquelle unter Berücksichtigung der Eigenstrahlung des Versuchsstandes zu bestimmen. Zudem ist es umgekehrt möglich, bei vorgegebener Bestrahlungsstärke die am Versuchsstand einzustellenden Entfernungen und die notwendige Stromstärke zu berechnen. Für die Berechnung steht ein eigenes Computerprogramm zur Verfügung, indem sowohl die Kennfelder der Strahlungsquellen in analytischer Form als auch die Berechnungsvorschrift der Eigenstrahlung des Versuchsstandes für die Ermittlung der Bestrahlungsstärken hinterlegt sind.
3.2 Kleinskalige Propangas-Deflagrationen
Zur weitaus realitätsgetreueren Untersuchung aber auch zur Ermittlung deflagrationstypischer Merkmale und der darauf beruhenden Entwicklung von bildverarbeitungsbasierten Detektionsmethoden dient ein Versuchsstand zur Erzeugung von Deflagrationen. Im Vergleich zum vorgestellten Versuchsstand in Kapitel 3.1 ermöglicht dieser Versuchsstand die reale Darstellung der Dynamik der Lichtemission bzw. den Anstieg von Temperatur und Druck infolge einer Deflagration. Zudem gewährleistet der Versuchsstand durch die Erzeugung von reproduzier- und skalierbaren Deflagrationen vergleichbare Untersuchungsgrundlagen.
Bisherige Versuchsstände, die zur Erzeugung von Explosionen genutzt werden, dienen entweder der Erforschung von Feuer- und Explosionsgefahren [Yang 01] oder werden zur Bewertung von Wasserstoffdeflagrationen genutzt [Sato 06]. Die für diese Zwecke entwickelten Versuchsaufbauten werden nur in Freifeldversuchen eingesetzt und bestehen aus brennstoffgefüllten Zelten, Kunststoffsäcken oder Röhren unterschiedlicher Volumina. Ein laborgeeigneter Versuchsstand für die Verifikation eines Flammenwachstumsmodells basiert auf einem kugelförmigen Behälter mit einem Volumen von 20 L [Jo 10]. Jedoch liegt bei diesen Versuchsständen der Fokus auf der Untersuchung von Explosions- und Deflagrationseigenschaften und nicht auf der Möglichkeit, Detektionstechnik in einer störquellenfreien Umgebung zu entwickeln und zu bewerten.
Im folgenden Kapitel wird ein neu entwickelter Versuchsstand in modularer Bauweise zur Erzeugung von kleinskaligen Deflagrationen vorgestellt. Die Grundlage für die Entwicklung bildet die Bestimmung der Rahmenbedingungen des Versuchsstandes, welche die theoretische Vorbetrachtung der physikalischen Vorgänge der erzeugten Deflagrationen umfasst. Hierbei werden die auftretende maximale Verbrennungstemperatur und der maximale Explosionsdruck für eine optimale Dimensionierung des Versuchsstandes ermittelt. Neben der anschließenden detaillierten Vorstellung der einzelnen Versuchsstandselemente wird der Versuchsstand anhand verschiedener spezifischer physikalischer Größen charakterisiert. Darauf basierend kann eine Aussage zu der Reproduzierbarkeit der erzeugten Deflagrationen getroffen werden.
3.2.1 Bestimmung der physikalischen Randbedingungen
Für die Dimensionierung des Versuchsstandes, u. a. zur Wahl des zu verwendenden Materials und der Wandstärke, sind die Kenngrößen des stattfindenden Verbrennungsvorganges zu ermitteln. Dazu zählt die adiabate Flammentemperatur T ad in Abhängigkeit vom Verbrennungsluftverhältnis l und die sich daraus ergebende maximale theoretische Flammentemperatur. Darüber hinaus wird der sich aufgrund der freiwerdenden Verbrennungsenergie einstellende maximal auftretende Verbrennungsdruck p max ermittelt.
Grundlegend kann für die Berechnung der adiabaten Flammentemperatur, aber auch für die Ermittlung des maximal auftretenden Verbrennungsdruckes, davon ausgegangenen werden, dass der verwendete gasförmige, kohlenwasserstoffbasierte Brennstoff und die als Oxidationsmittel zur Verfügung stehende Luft sich wie ideale Gase verhalten.
Adiabate Flammentemperatur
Als Ausgangspunkt für die Berechnung der adiabaten Flammentemperatur dient der 1. Hauptsatz der Thermodynamik unter der Annahme einer isochoren Verbrennung. Dies liegt darin begründet, dass die Verbrennung in einem abgeschlossenen Volumen stattfinden soll. Entsprechend lautet der modifizierte 1. Hauptsatz:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
Die Änderung der Wärme dQ kann bei vollständiger Verbrennung durch das Produkt aus unterem Heizwert des Brennstoffes H u und der Brennstoffmasse m Br angeben werden. Der entsprechende Zusammenhang lautet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
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