-
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das technische Gebiet der Gefahrmeldetechnik und im Speziellen eine energieeffiziente Ansteuerung von Leuchtdioden, die insbesondere in einem Gefahrenmelder eingesetzt werden können.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gefahrenmelder nach dem Streulichtprinzip mit einer Sensorvorrichtung zum optischen Erfassen eines Objektes mittels zweier Leuchtdioden.
-
Derartige optoelektronische Gefahrenmelder enthalten typischerweise einen oder mehrere Leuchtdioden (kurz LED), die Licht abstrahlen und einen oder mehrere optische Empfänger, die das von der zu erkennenden Größe beeinflusste Licht empfangen. Die Leuchtdiode können z. B. auch Halbleiterlaserdioden sein. Die optischen Empfänger sind typischerweise Fotodioden oder Fototransistoren. Das empfangene Signal ist häufig sehr schwach. Der Empfänger ist deshalb empfindlich auf Störungen. Das empfangene Signal ist im Wesentlichen proportional zu dem von den Sendern abgestrahlten Licht. Somit wäre es erwünscht, möglichst viel Licht abzustrahlen. Dem sind aber durch die verfügbare Energie Grenzen gesetzt.
-
Besonders schwierig ist der Betrieb eines Gefahrenmelders aus Batterien und/oder Akkus, so wie dies im Falle von drahtlosen Gefahrenmeldern der Fall ist. Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit von Batterien und Akkus ist ein geringer Stromverbrauch der Leuchtdioden eines batterie- und/oder akkubetriebenen Gefahrenmelders wichtig, um die Intervalle für Wartungen möglichst lang zu halten, bei denen typischerweise die Batterie gewechselt oder der Akku aufgeladen wird. Die Batterie kann z. B. eine 9 V-Batterie oder ein sogenannter E-Block sein.
-
Auch bei Gefahrenmeldern, die an einer Stromversorgungsleitung angeschlossen werden, ist ein geringer Stromverbrauch sehr wichtig. Die Betriebsspannung der Zentrale der Gefahrmeldeanlage beträgt üblicherweise 24 V (Gleichspannung) und kann aufgrund des Leitungswiderstandes am Ende einer langen Leitung bis auf 16 V absinken. Für den Betrieb eines einzelnen Melders wird üblicherweise eine Stromstärke von lediglich etwa 100 μA zugestanden. Die Gefahrenmelder müssen demzufolge sehr energieeffizient arbeiten.
-
Leuchtdioden, die im infraroten Bereich (IR) abstrahlen und die üblicherweise in optoelektronischen Gefahrenmeldern verwendet werden, werden bei einer Flussspannung im Bereich von 1,6 V betrieben. Im Vergleich dazu werden UV-Leuchtdioden, die ultraviolettes Licht (UV) abstrahlen bei einer Flussspannung von ca. 4 V betrieben. Um diese Spannung zu erreichen, weist ein Gefahrenmelder in einer einfachen Ausführung zwischen der eingangsseitigen Versorgungsgleichspannung und der Leuchtdiode ein Element auf, welches den Stromfluss begrenzt. An diesem Strombegrenzungselement, typischerweise ein Widerstand, fällt die Differenz zwischen der jeweiligen Versorgungsgleichspannung und der Flussspannung ab. Mit anderen Worten kann die Verlustleistung je nach Versorgungsgleichspannung und Flussspannung ein Vielfaches der elektrischen Leistung der betreffenden Leuchtdiode betragen.
-
Um die Verlustleistung innerhalb eines Gefahrenmelders zu reduzieren ist es bekannt, die von der Leitung oder von der Batterie bzw. dem Akkumulator bereitgestellte Spannung auf eine Zwischenspannung umzusetzen, welche etwas höher ist als die benötigte Flussspannung der Leuchtdiode. Es ist jedoch sehr aufwändig und schwierig, einen besonders verlustarmen Spannungsumsetzer zu realisieren. Insbesondere wird es kaum gelingen, einen Spannungsumsetzer zu bauen, welcher alle geforderten Eigenschaften sowie einen Wirkungsgrad von zumindest 50% aufweist. Ein solcher Spannungswandler wäre zumindest sehr teuer und wäre wohl auch kaum in einer kompakten Bauform zu realisieren, so wie die bei Gefahrenmelder wünschenswert wäre.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gefahrenmelder mit einer Sensorvorrichtung nach dem Streulichtprinzip anzugeben, welche einfach, kompakt und preiswert realisiert werden kann und welche eine hohen Wirkungsgrad und damit einen geringen Stromverbrauch aufweist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Schutzansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist die zum optischen Erfassen eines Objektes vorgesehene Sensorvorrichtung eine Schaltungsanordnung aus zwei parallel geschalteten Zweigen mit jeweils einer ersten Leuchtdiode und einer zweiten Leuchtdiode auf. Die Leuchtdioden sind antiparallel zueinander geschaltet und zur Beleuchtung eines in einem Detektionsraum zu detektierenden Objektes eingerichtet. Jedoch können in einem Zweig nicht nur eine Leuchtdiode, sondern auch zwei oder mehrere Leuchtdioden in gleicher Flussrichtung in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein. Die gegebenenfalls miteinander kombinierten Leuchtdioden sind dabei bevorzugt derart zueinander angeordnet, dass sich ihre ausgesandten Lichtstrahlen möglichst überlappen und so zu einer intensiven Strahlung führen.
-
Der Detektionsraum kann in einer optisch geschlossenen Messkammer ausgebildet sein. Eine derartige Messkammer kann z. B. ein sogenanntes Labyrinth sein. Alternativ kann der Detektionsraum im „Offenen” liegen oder ausgebildet sein, so dass auch Fremdlicht, wie z. B. Umgebungslicht, Sonnenlicht, gepulstes Licht von Leuchtstoffröhren etc. in den Detektionsraum eindringen kann. Ein derartiger Detektionsraum finden sich typischerweise bei sogenannten offenen Brandmeldern oder auch bei Näherungssensoren. Der Detektionsraum liegt üblicherweise wenige Zentimeter bis wenige Dezimeter entfernt vom jeweiligen Außengehäuse des Brandmelders bzw. Näherungssensors.
-
Die Sensorvorrichtung weist fernen einen elektrischen Anschluss auf, welcher zur Einspeisung einer Gleichspannung zumindest zur elektrischen Versorgung der Schaltungsanordnung vorgesehen ist. Die Sensorvorrichtung kann direkt mit einer Batterie und/oder mit einem Akkumulator angeschlossen sein. Sie kann alternativ oder zusätzlich über eine externe Stromversorgungsleitung angeschlossen sein. Die Gleichspannung kann auch aus einer eingangsseitig an der Sensorvorrichtung anliegenden Wechselspannung abgeleitet sein, wie z. B. mittels eines Gleichrichters.
-
Weiterhin weist die Sensorvorrichtung einen Wechselrichter auf, welcher eingangsseitig an die Gleichspannung und ausgangsseitig an die Schaltungsanordnung geschaltet ist, und welcher eine aus der Gleichspannung umgesetzte Wechselspannung zur wechselweisen Bestromung der Leuchtdioden bereitstellt. Der Wechselrichter weist zumindest zwei getaktet ansteuerbare Schaltelemente, wie z. B. Schalttransistoren, auf. Der Wechselrichter kann z. B. einen Tiefsetzsteller aufweisen. Er kann weiterhin Induktivitäten und Freilaufdioden aufweisen. Wesentlich ist, dass am Ausgang des Wechselrichters eine Wechselspannung mit einer positiven Halbwelle und mit einer negativen Halbwelle in Bezug auf ein mit der Schaltungsanordnung gemeinsames Bezugspotential ausgebbar ist. Der Wechselrichter kann dabei derart eingerichtet sein, dass die Ausgabe der beiden Halbwellen zeitlich voneinander durch eine Pausenphase getrennt ist oder unmittelbar aufeinander folgt. Die Halbwellen können z. B. eine rechteckige, dreieckige, trapezförmige oder sinushalbwellenförmige Kurvenform aufweisen.
-
Ferner weist die Sensorvorrichtung einen optischen Empfänger auf, der zum Empfangen von Streulicht vom zu detektierenden Objekt eingerichtet ist, wobei an dem Objekt das Licht der beiden Leuchtdioden gestreut wird. Die beiden Leuchtdioden sind derart relativ zueinander und zu dem optischen Empfänger angeordnet, dass kein direktes Licht von einer der Leuchtdioden zu dem optischen Empfänger gelangt. Je nach räumlicher Anordnung zwischen der jeweiligen Leuchtdiode und dem optischen Empfänger erfolgt die Detektion nach dem allgemein bekannten Vorwärtsstreuprinzip und/oder nach dem Rückwärtsstreuprinzip. Um zu verhindern, dass direktes Licht zu dem optischen Empfänger gelangt, kann eine lichtdichte Barriere zwischen Leuchtdiode und optischem Empfänger vorgesehen sein.
-
Schließlich weist die Sensorvorrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung eines vom optischen Empfänger stammenden Empfangssignals auf. Der Pegel des Empfangssignals ist dabei typischerweise proportional für die beim optischen Empfänger auftreffende Lichtmenge. Dadurch ist im einfachsten Fall bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarmsignal ausgebbar. Es kann auch ein mit dem Empfangssignalpegel korrespondierender analoger Strom- oder Spannungswert oder ein Digitalwert ausgegeben werden, welcher den Empfangssignalpegel abbildet. Die analog oder digital ausgegebenen Werte können dann z. B. durch eine signal- oder datentechnisch mit der Sensorvorrichtung in drahtloser und/oder kabelgebundener Verbindung stehenden Zentrale ausgewertet werden.
-
Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ein Mikrocontroller, d. h. eine mikroprozessorgestützte Datenverarbeitungseinheit. Sie kann alternativ als elektronische Schaltung mit analogen und/oder digitalen Funktionsbausteinen realisiert sein. Im Falle eines Mikrocontrollers kann dieser Analog-/Digital-Umsetzer zur Signalerfassung und/oder Digital-/Analog-Umsetzer zur Datenausgabe aufweisen. Er kann weiterhin digitale Eingangs- und Ausgangsports für die digitale Erfassung von Eingangsspannungen und für die Ausgabe digitaler Schaltsignale aufweisen. Auch können durch diesen ansteuerbare elektronische Schalter, wie z. B. Transistoren, in diesem bereits integriert sein, wie z. B. sogenannte Open-Collector-Ausgänge. Darüber hinaus ist der Mikrocontroller zum Ausführen von Softwareprogrammen ausgebildet, die im Mikrocontroller selbst nichtflüchtig gespeichert sind oder durch diesen extern geladen werden können. Die Softwareprogramme beschreiben die zur Durchführung der jeweiligen Steuerungs- und Auswertefunktionen der Sensorvorrichtung zugehörigen Steuerung- und Auswerteschritte.
-
Der große Vorteil der Erfindung liegt in der besonders einfachen Ansteuerung der beiden Leuchtdioden über den Wechselrichter. Separate Schaltelemente für die beiden Leuchtdioden sind nicht erforderlich. Die Ansteuerung erfolgt in denkbar einfacher Weise durch Bestromung der jeweiligen Leuchtdiode in der positiven und negativen Halbwelle der am Ausgang des Wechselrichters bereitgestellten Wechselspannung.
-
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Wechselrichter einen ausgangsseitig in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator, auf. Dadurch ist ein besonders hoher Wirkungsgrad für die elektrische Versorgung der beiden Leuchtdioden bei zugleich äußerst geringer Anzahl von Schaltungskomponenten möglich. Durch geeignete Auslegung und Bemessung des Kondensators sowie durch geeignete zeitliche Ansteuerung der beiden Leuchtdioden mit einer jeweils vorgebbaren Mindesteinschaltdauer kann der durch die Leuchtdioden fließende Strom doppelt genutzt werden, so dass der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung besonders hoch wird. Mit anderen Worten wird für den Fall einer positiven Versorgungsspannung in Bezug auf das Massepotential in der ersten Betriebsphase zugleich der Kondensator aufgeladen und die in Reihe sowie in Flussrichtung liegende erste Leuchtdiode bestromt, sodass diese einen Lichtimpuls aussendet. In der zweiten Betriebsphase, die durch eine beliebige Pausenphase von der ersten Betriebsphase durch sperrende Ansteuerung des Wechselrichters getrennt einstellbar sein kann, wird der Kondensator entladen, wobei der sich einstellende Entladestrom nun über die zweite, jetzt in Flussrichtung liegende Leuchtdiode geführt wird, sodass diese gleichfalls einen Lichtimpuls aussendet. Vorzugsweise erfolgen die beiden Betriebsphasen zeitlich kurz aufeinander, gefolgt von einer relativ langen Pause, die im Bereich von wenigen Sekunden bis zu einer Minute liegen kann.
-
Unter dem Wirkungsgrad ist in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen der Strahlungsenergie, welche von beiden Leuchtdioden ausgesandt wird, und der elektrischen Energie, welche der Schaltungsanordnung zugeführt wird, zu verstehen. Da die Schaltungsanordnung typischerweise nicht streng kontinuierlich sondern getaktet betrieben werden wird, kann bei der Bestimmung des Wirkungsgrades eine geeignete zeitliche Mittelwertbildung vorgenommen werden, wobei die betrachtete Zeitspanne zumindest eine volle Periode aufweisen sollte. Bevorzugt ist während der ersten Betriebsphase die zweite Leuchtdiode ausgeschaltet. In entsprechender Weise ist während der zweiten Betriebsphase die erste Leuchtdiode ausgeschaltet.
-
Im einfachsten Fall weist der Wechselrichter eine Halbbrücke mit zwei Halbleiterschaltern auf, dessen erster Anschluss auf dem gemeinsamen Bezugspotential, wie z. B. Masse, liegt und dessen zweiter Anschluss auf einem vorzugsweise dazu positiven Bezugspotential liegt. Typischerweise sind dann das gemeinsame Bezugspotential mit dem Minuspol der Batterie bzw. Akkumulator und/oder mit der Masseleitung der Stromversorgungsleitung verbunden und das vorzugsweise dazu positive Bezugspotential mit dem Pluspol der Batterie/Akkumulator und/oder mit der Plusleitung der Stromversorgungsleitung zumindest mittelbar verbunden. An dem Mittelabgriff der Halbbrücke ist ein Kondensator als Kapazität angeschaltet. Am anderen Anschluss des Kondensators liegt dann die ausgangsseitige Wechselspannung an. Ergänzend wird angemerkt, dass anstelle eines Kondensators auch eine Spule bzw. ein Drossel (Induktivität) als Energiespeicher verwendet werden kann.
-
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist zumindest in einem der parallelen Zweige der Schaltungsanordnung ein Strombegrenzungselement, insbesondere ein Widerstand, in Reihe und/oder parallel zur jeweiligen Leuchtdiode geschaltet. Dadurch kann ein mögliches Überschreiten eines unzulässigen Stromwertes bei der Bestromung der Leuchtdiode verhindert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Strombegrenzungselement auch in Reihe zur Schaltungsanordnung selbst geschaltet sein, insbesondere im Fall der Verwendung zweier baulich identischen Leuchtdioden. Das Strombegrenzungselement kann alternativ eine Spule oder eine Stromquelle sein.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Leuchtdioden zum Aussenden von Licht im Wesentlichen einheitlicher Wellenlänge ausgebildet. Die beiden Leuchtdioden können z. B. IR- oder UV-Leuchtdioden sein. Sie können andererseits auch rote, grüne oder blaue Leuchtdioden sein. Die beiden Leuchtdioden können elektromagnetische Strahlung mit beliebigen Wellenlängen aussenden. Die elektromagnetische Strahlung kann neben einem vergleichsweise schmalbandigen Spektralbereich oder sogar einer monochromatischen Strahlung auch verschiedene Wellenlängen aufweisen, die ein kontinuierliches Spektrum oder verschiedene voneinander getrennte schmalbandige und/oder breitbandige Spektralbereiche darstellen.
-
Nach einer dazu alternativen Ausführungsform sind die beiden Leuchtdioden zum Aussenden von Licht im Wesentlichen einheitlicher Wellenlänge ausgebildet, wobei die erste Leuchtdiode zum Aussenden von Licht im Wesentlichen einer ersten Wellenlänge ausgebildet ist und wobei die zweite Leuchtdiode zum Aussenden von Licht im Wesentlichen einer zweiten Wellenlänge ausgebildet ist. Dadurch ist durch das unterschiedliche Streuverhalten, wie z. B. von Rauchpartikeln im Rauch, eine Bestimmung der Rauchart und somit der Brandart möglich. Insbesondere ist mittels Auswertens des Empfangssignals durch die Auswerteeinheit bei der jeweiligen Betriebsphase eine Unterscheidung von schwarzem Rauch bei einem offenen Brand und weißem Rauch bei einem Schwelbrand möglich. Durch ein wiederholtes Umschalten zwischen den beiden Leuchtdioden können immer wieder verschiedenartige Streulichtmessungen durchgeführt werden, deren Ergebnisse einzeln oder in Kombination miteinander Informationen über den Art des Rauches und damit ggf. über die Brandursache liefern können.
-
Vorzugsweise ist die dann erste Leuchtdiode eine IR-LED und die zweite Leuchtdiode eine Blaulicht-LED oder eine UV-LED ist. Durch den weit auseinander liegenden Wellenlängenbereich ist eine besonders gute Erfassung der Teilchengröße z. B. im zu detektierendem Rauch möglich. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung einer IR- und UV-Leuchtdiode liegt darin, dass die ausgesandte Lichtstrahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar und somit im Falle der Verwendung der Sensorvorrichtung bei einem offenen Brandmelder oder bei einem Näherungssensor nicht als störend empfunden wird. Vorzugsweise ist der optische Empfänger eine Fotodiode oder Fototransistor, der auf das von den beiden Leuchtdioden ausgesandte Licht empfindlich ist.
-
Einer bevorzugten Ausführungsform zufolge ist der optische Empfänger als erster optischer Empfänger zum Empfangen von Streulicht im Wesentlichen vom zu detektierenden Objekt eingerichtet, an dem das Licht der ersten Leuchtdiode gestreut wird. Weiterhin weist die Sensorvorrichtung einen zweiten optischen Empfänger auf, der zum Empfangen von Streulicht im Wesentlichen vom zu detektierenden Objekt eingerichtet ist, an dem das Licht der zweiten Leuchtdiode gestreut wird. Die Auswerteeinheit ist zur Auswertung eines von den optischen Empfängern stammenden ersten und zweiten Empfangssignals eingerichtet. Zwischen der ersten Leuchtdiode und dem ersten optischen Empfänger sowie zwischen der zweiten Leuchtdiode und dem zweiten optischen Empfänger kann jeweils eine lichtdichte Barriere vorhanden sein, so dass im Wesentlichen nur gestreutes Licht von der ersten Leuchtdiode nur zum ersten optischen Empfänger und gestreutes Licht von der zweiten Leuchtdiode nur zum zweiten optischen Empfänger gelangen kann. Durch die getrennte Auswertung des ersten und zweiten Empfangssignals ist eine Detektion von kleineren Objekten, wie z. B. Insekten im Bereich der Leuchtdioden und optischen Empfänger, möglich. Dadurch ist mittels der Auswerteeinheit aufgrund der erfassten, betragsmäßig unterschiedlichen und sich zeitlich stark verändernden Empfangssignale die Anwesenheit eines kleinen Objektes detektierbar und somit die Ausgabe eines Fehlalarms verhinderbar. Andererseits ist mittels der Auswerteeinheit aufgrund der erfassten, betragsmäßig unterschiedlichen und sich zeitlich langsam fluktuierend verändernden Empfangssignale die Anwesenheit von Rauch mit höherer Zuverlässigkeit ermittelbar und somit Ausgabe eines Brandalarms zuverlässiger ausgebbar.
-
Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit auch Mittel zur Ausgabe von Ansteuersignalen zum getakteten Ansteuern der Schaltelemente des Wechselrichters auf. Durch die Kenntnis der zeitlichen Phasenlage ist eine interne Synchronisation mit dem jeweiligen erfassten Empfangssignal und dessen Zuordnung zur jeweiligen Leuchtdiode möglich.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Schaltmittel mit einer vorgebbaren Pulsdauer, mit einem vorgegebenen Tastverhältnis und/oder mit einer vorgegebenen Kurvenform ansteuerbar, sodass mittels der Auswerteeinheit das im Empfangssignal abgebildete, von einem zu detektierenden Objekt zurückgestreute und mit dem Licht der beiden Leuchtdioden modulierte Streulicht von gleichfalls auf den ersten optischen Empfänger und gegebenenfalls auf den zweiten optischen Empfänger auftreffendes Fremdlicht unterscheidbar ist.
-
Der besondere Vorteil liegt darin, dass in den Empfangssignalen enthaltene Signalanteile sowohl von gleichförmigem wie auch von gepulstem Fremd- oder Umgebungslicht, wie z. B. Sonnenlicht oder flackerndes Licht von Leuchtstoffröhren, mittels der Auswerteeinheit rechnerisch unterdrückt, d. h. herausgerechnet werden können, wie z. B. durch Subtraktion der Fremdsignalanteile, die in den Betriebspausen bei nicht angesteuerten Leuchtdioden durch die Auswerteeinheit ermittelt worden sind.
-
Vorzugsweise sind die beiden optischen Empfänger Fotodioden oder Fototransistoren, welche auf das von der zugeordneten Leuchtdiode ausgesandte Licht empfindlich sind. Alternativ können beide Fotodioden oder Fototransistoren zugleich auf das von beiden Leuchtdioden ausgesandte Licht, wie z. B. IR- und UV-Licht, empfindlich sein.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Auswerteeinheit Mittel zum Ansteuern von zwei Deaktivierungsschaltelementen auf, welches jeweils zum Deaktivieren einer der beiden Leuchtdioden vorgesehen ist. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, einen gemeinsamen Messwert für gemeinsam auf beide optischen Empfänger auftreffendes Licht aus den Empfangssignalen zu ermitteln. Sie ist ferner dazu eingerichtet, einen ersten und zweiten Messwert zu ermitteln, wenn der gemeinsame Messwert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. In diesem Fall ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, nacheinander den ersten Messwert bei angesteuertem erstem Deaktivierungsschaltelement und den zweiten Messwert bei angesteuertem zweitem Deaktivierungsschaltelement zu ermitteln und auf Basis dieser drei Messwerte einen Indikator für das Vorliegen eines Brandfalls zu ermitteln. Durch das selektive Deaktivieren, d. h. Abschalten einer der beiden Leuchtdioden, ist vorteilhaft eine genauere Erfassung des jeweiligen Streulichts möglich. Mögliche Überkopplungen der ersten Leuchtdiode auf den zweiten optischen Empfänger sowie Überkopplungen der zweiten Leuchtdiode auf den ersten optischen Empfänger werden vermieden. Ferner ist durch Auswertung von durch die Auswerteeinheit erfassten zeitlich stark oder abrupt änderten Differenzen in den beiden Empfangssignalen die Anwesenheit kleinerer Objekte, wie z. B. Fliegen, Insekten oder Spinnen im Bereich der Leuchtdioden und optischen Empfänger, besonders zuverlässig detektierbar. Auch ist mittels der Auswerteeinheit besonders zuverlässig die Anwesenheit feststehender Objekte, wie z. B. eine geöffnete Tür als feststehendes Hindernis im Detektionsraum, bei zeitlich sich nicht ändernden Differenzen in den beiden Empfangssignalen detektierbar. Darüber hinaus ist bei der Verwendung unterschiedlich farbiger Leuchtdioden, wie z. B. einer IR-Leuchtdiode und einer UV-Leuchtdiode, besonders zuverlässig die Rauchart mittels der Auswerteeinheit ermittelbar. In diesem Fall sind mittels der Auswerteeinheit Fluktuationen im jeweiligen Empfangssignal besonders gut ermittelbar.
-
Vorzugsweise sind die Deaktivierungsschaltelemente parallel zur jeweiligen Leuchtdiode geschaltet. Bei Ansteuerung sind diese dann durch die Auswerteeinheit schließbar. Dadurch werden die jeweiligen Leuchtdioden mehr oder weniger kurzgeschlossen, sodass eine Lichtaussendung unterbleibt. Diese Ausführungsform der Deaktivierung ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung eines Wechselrichters mit dem an dessen Ausgang geschalteten Kondensators, sodass der Lade- und Entladezyklus des Kondensators weiterhin aufrecht erhalten werden kann. Im anderen Fall ist es auch möglich, dass die Deaktivierungsschaltelemente in Reihe zur jeweiligen Leuchtdiode geschaltet sind, sodass diese im normalen Betriebsfall durch die Auswerteinheit geschlossen ansteuerbar sind und sodass diese zum gezielten Deaktivieren einer der Leuchtdioden öffnend ansteuerbar sind.
-
Einer besonders vorteilhaften Ausführungsform zufolge weist die Sensorvorrichtung eine weitere Schaltungsanordnung aus zwei parallel geschalteten Zweigen mit jeweils einer ersten Fotodiode bzw. einem ersten Fototransistor als ersten optischen Empfänger und jeweils einer zweiten Fotodiode bzw. einem zweiten Fototransistor als zweiten optischen Empfänger auf. Die beiden Fotodioden sind antiparallel zueinander geschaltet, wobei die über den beiden Fotodioden anliegende Spannung als gemeinsames Empfangssignal einem Differenzbildner, insbesondere einem Differenzverstärker, zugeführt ist und wobei ein ausgangsseitiges Differenzsignal der Auswerteeinheit zur weiteren Auswertung zugeführt ist. Der besondere Vorteil liegt hier in der einfachen Realisierung einer Gleichtaktunterdrückung für auf beide Fotodioden bzw. Fototransistoren gleichzeitig auftreffendes Fremd- oder Umgebungslicht. In diesem Fall heben sich die von beiden Fotodioden erzeugten Fotospannungen gegenseitig auf, während Streulicht durch gegebenenfalls anwesende Objekte, welches durch die zeitversetzte Ansteuerung der beiden Leuchtdioden in unterschiedlichen Betriebsphasen auf die jeweilige räumlich zugeordnete Fotodiode fällt, in den jeweiligen Betriebsphasen zu einem eindeutigen Differenzsignal führt, welches dann an der zweiten Schaltungsanordnung zur weiteren Verarbeitung anliegt.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den gemeinsamen Messwert aus diesem Differenzsignal zu ermitteln. Für den Fall, dass dieser gemeinsame Messwert den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, ist die Auswerteinheit dazu eingerichtet, zuerst den ersten Messwert bei angesteuertem ersten Deaktivierungsschaltelement und dann den zweiten Messwert bei angesteuertem zweiten Deaktivierungsschaltelement oder in umgekehrter Reihenfolge aus dem Differenzsignal zu ermitteln. Auf Basis dieser drei Messwerte ist dann wiederum mittels der Auswerteeinheit, wie zuvor beschrieben, ein Indikator für das Vorliegen eines Brandfalls ermittelbar.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch einen Gefahrenmelder zum Erkennen einer Gefahrensituation gelöst, welcher auf dem Streulichtprinzip basiert und eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aufweist. Der Gefahrenmelder ist insbesondere ein Rauchmelder zum Detektieren von Rauch in einem Detektionsraum. Insbesondere ist dieser Rauchmelder ein offener Rauchmelder, der keine optisch geschlossene Messkammer aufweist. Alternativ kann der Rauchmelder ein geschlossener Rauchmelder sein. Gegebenenfalls dort eindringende Insekten, wie z. B. kleine Fliegen, können gleichfalls mittels der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung detektiert werden.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
-
1 zeigt eine Prinzipschaltung einer Sensorvorrichtung für einen erfindungsgemäßen Gefahrenmelder,
-
2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Sensorvorrichtung gemäß 1,
-
3 zeigt in einem Zeitdiagramm die Funktionsweise der Sensorvorrichtung gemäß 2.
-
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit zwei Fotodioden als optische Empfänger bei Anwesenheit eines großen Objekts,
-
5 zeigt in einem Zeitdiagramm die Funktionsweise der Sensorvorrichtung gemäß 4,
-
6 zeigt die zweite Ausführungsform gemäß 4 bei Anwesenheit eines kleinen Objekts,
-
7 zeigt in einem Zeitdiagramm die Funktionsweise der Sensorvorrichtung gemäß 6,
-
8 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit elektrisch überbrückbaren Fotodioden bei Anwesenheit eines kleinen Objekts und
-
9 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einer weiteren Schaltungsanordnung mit zwei antiparallel geschalteten Fotodioden als optische Empfänger bei Anwesenheit eines kleinen Objekts.
-
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung in den verschiedenen Figuren gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
-
1 zeigt eine Prinzipschaltung einer Sensorvorrichtung 100 für einen erfindungsgemäßen Gefahrenmelder.
-
Im linken Teil der 1 ist ein Wechselrichter 6 zu sehen, welcher eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung UDC in eine Wechselspannung UAC umsetzt. Mit dem Bezugszeichen 7 ist der zugehörige elektrische Anschluss bezeichnet. Dieser kann mit einer Batterie, einem Akkumulator und/oder einer externen elektrischen Spannungsversorgung – symbolisiert durch das Symbol einer Gleichspannungsquelle 8 – verbunden sein.
-
Im mittleren Teil der 1 ist gemäß der Erfindung eine Schaltungsanordnung 1 aus zwei parallel geschalteten Zweigen 2, 3 mit jeweils einer ersten Leuchtdiode 4 und einer zweiten Leuchtdiode 5 zu sehen. Beide Leuchtdioden 4, 5 sind antiparallel zueinander geschaltet und zur Beleuchtung eines in einem Detektionsraum DR zu detektierenden Objektes 10 eingerichtet. Das Objekt 10 selbst ist im vorliegenden Beispiel eine Wolke, welche das Eindringen von Rauch in den Detektionsraum DR im Brandfall symbolisieren soll.
-
Im rechten Teil der 1 ist ein optischer Empfänger 14 in Form einer Fotodiode gezeigt, welcher bzw. welche zum Empfangen von Streulicht vom zu detektierenden Objekt 10 eingerichtet ist. An diesem Objekt 10 wird das Licht der beiden Leuchtdioden 4, 5 gestreut und durch den optischen Empfänger 14 detektiert. Das Streulicht ist durch einen vom Objekt 10 wegzeigenden, gestrichelten Pfeil symbolisiert. Ganz rechts ist im Beispiel der 1 eine Auswerteeinheit 16 zur Auswertung eines vom optischen Empfänger 14 stammenden Empfangssignals dargestellt. Diese Auswerteeinheit 16, vorzugsweise ein Mikrocontroller, wertet das Messsignal in bekannter Weise aus und erzeugt bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein Alarm- oder Meldesignal A. Mit dem Bezugszeichen 13 ist eine Barriere zu sehen, welche verhindert, dass Licht von den beiden Leuchtdioden 4, 5 direkt zum optischen Empfänger 14 gelangen kann.
-
Gemäß der Erfindung erfolgt die Ansteuerung der beiden Leuchtdioden 4, 5 derart, dass während der positiven Halbwelle – hier in Bezug auf das gemeinsame Massepotential und symbolisiert durch das Massesymbol – nun die linke Leuchtdiode 4 bestromt wird, d. h. mit Strom beaufschlagt wird, und dass während der negativen Halbwelle die rechte Leuchtdiode 5 bestromt wird.
-
2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Sensorvorrichtung 100 gemäß 1. In diesem Fall weist der Wechselrichter 6 einen ausgangsseitig in Reihe geschalteten elektrischen Energiespeicher 9 in Form eines Kondensators auf. Weiterhin umfasst der Wechselrichter 6 eine Halbbrücke aus zwei in Reihe geschalteter, elektronisch ansteuerbarer Schaltelemente 61, 62 auf, wobei im vorliegenden Beispiel der Mittelabgriff der Halbbrücke direkt mit diesem Kondensator 9 verbunden ist. Üblicherweise sind diese Schaltelemente 61, 62 Schalttransistoren, die vorzugsweise auch von der Auswerteeinheit 16 angesteuert werden. Mit T1, T2 sind die zugehörigen Ansteuersignale zur Ansteuerung der Schaltelemente 61, 62 bezeichnet.
-
Rechts neben dem als gestrichelten Rahmen dargestellten Wechselrichter 6 sind beispielhaft zwei mögliche Signalformen für die ausgangsseitige Wechselspannung UAC zu sehen. Die positive Halbwelle der gezeigten Periode resultiert aus der Ansteuerung des oberen Schaltelementes 61 für eine vorgebbare Mindestzeit, in welcher der Kondensator 9 aufgeladen wird, wobei der Ladestrom zugleich über die linke Leuchtdiode 4 fließt. Unmittelbar im Anschluss erfolgt die sperrende Ansteuerung des ersten Schaltelementes 61 gefolgt von einer schließenden Ansteuerung des zweiten Schaltelementes 62. Dadurch entlädt sich der Kondensator 9 über das zweite Schaltelement 62, wobei der Entladestrom zugleich über die rechte Leuchtdiode 5 fließt. Der Lade- und Entladezyklus ist somit abgeschlossen. Es kann sich nun durch sperrende Ansteuerung beider Schaltelemente 61, 62 wiederholt eine längere Pause von wenigen Sekunden bis zu einer Minute anschließen, während die Lade-phase und die Entladephase des Kondensators 9 jeweils typischerweise im Nano-, Mikro- und Millisekundenbereich liegt.
-
Bei der zweiten beispielhaften Signalform liegt zwischen den beiden Halbwellen eine Pause, die durch sperrende Ansteuerung der beiden Schaltelemente 61, 62 einstellbar erreicht werden kann.
-
Des Weiteren ist zumindest in einem der parallelen Zweige 2, 3 der Schaltungsanordnung 1 ein Strombegrenzungselement 11, 12 vorhanden, welches wie gezeigt in Reihe zur jeweiligen Leuchtdiode 4, 5 geschaltet ist. Dadurch ist eine Begrenzung des durch die jeweilige Leuchtdiode 4, 5 fließenden Stromes auf zulässige Werte möglich. Ganz rechts im Beispiel der 2 ist noch ein Alarmkontakt 17 zu sehen, welcher im Alarmfall durch die Ansteuereinheit 16 schließend angesteuert wird.
-
3 zeigt in einem Zeitdiagramm die Funktionsweise der Sensorvorrichtung 100 gemäß 2.
-
Es ist eine Kurve 31 einer beispielhaften Ausgangswechselspannung UAC zu sehen, welche unter anderem Pausenphasen aufweist und welche durch einen Verlauf mit rechteckigen Phasenanteilen vereinfacht dargestellt ist. Die Kurve 31 entspricht dabei dem zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes, welcher einerseits durch die erste Leuchtdiode 4 fließt. Dieser Strom, welcher im Wesentlichen direkt proportional zum durch die erste Leuchtdiode 4 ausgesendeten Licht ist, erreicht seine maximale Stärke jeweils in der ersten Betriebsphase im ersten und fünften Zeitabschnitt 30 mit positiver Amplitude. Andererseits zeigt die Kurve 31 auch den zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes, welcher im dritten sowie im siebten Zeitabschnitt 30 mit negativer Amplitude durch die zweite Leuchtdiode 5 fließt. In den verbleibenden Pausenabschnitten ist dieser Strom vernachlässigbar klein.
-
Eine Kurve 32 entspricht dem zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes, welcher nur durch die erste Leuchtdiode 4 fließt, während die Kurve 33 den Verlauf des Stromes zeigt, der nur durch die zweite Leuchtdiode 5 fließt.
-
Eine Kurve 34 zeigt den zugehörigen Lichtstrom des optischen Empfängers 14, der durch etwa gleich großes Streulicht vom Objekt 10 mittels der beiden Leuchtdioden 4, 5 hervorgerufen wird. Durch diesen beispielhaften signifikanten Verlauf der Wechselspannung UAC ist eine eindeutige Unterscheidung des Streulichts zu Fremd- oder Umgebungslicht im Empfangssignal des optischen Empfängers 14 möglich.
-
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 mit zwei Fotodioden 14, 15 als optische Empfänger bei Anwesenheit eines großen Objekts 10.
-
Im Vergleich zur vorherigen 2 weist die Sensorvorrichtung 100 nun neben dem ersten optischen Empfänger 14, welcher zum Empfangen von Streulicht im Wesentlichen von dem zu detektierenden Objekt 10, an dem das Licht der ersten Leuchtdiode 4 gestreut wird, eingerichtet ist, einen weiteren, zweiten optischen Empfänger 15 auf, der zum Empfangen von Streulicht im Wesentlichen vom zu detektierenden Objekt 10 eingerichtet ist, an dem das Licht der zweiten Leuchtdiode 5 gestreut wird. Die Auswerteinheit 16 ist zur Auswertung eines von den beiden optischen Empfängern 14, 15 stammenden ersten und zweiten Empfangssignals eingerichtet. Bei dem gezeigten großen Objekt 10 kann es sich um eine Rauchfront handeln oder um ein feststehendes Objekt, welches Streulicht von beiden Leuchtdioden 4, 5 zum jeweiligen optischen Empfänger 14, 15 in etwa gleicher Größenordnung zurückstreut.
-
5 zeigt in einem Zeitdiagramm die Funktionsweise der Sensorvorrichtung 100 gemäß 4.
-
Die Signalform der Kurve 51 der gezeigten Ausgangswechselspannung UAC ist durch einen rechteckigen Verlauf mit einem Tastverhältnis von 50:50 vereinfacht dargestellt.
-
Die Kurve 52 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes nur durch die erste Leuchtdiode 4, während die Kurve 53 den Verlauf des Stromes nur durch die zweite Leuchtdiode 5 zeigt.
-
Die Kurven 54 und 55 zeigen den jeweils zugehörigen Lichtstrom der optischen Empfänger 14 und 15, der jeweils durch etwa gleich großes Streulicht vom Objekt 10 über die beiden Leuchtdioden 4, 5 hervorgerufen wird.
-
6 zeigt die zweite Ausführungsform gemäß 4 bei Anwesenheit eines kleinen Objekts 10. Das kleine Objekt 10 ist z. B. eine Fliege, welche sich im Bereich der Sensorvorrichtung 100 aufhält. Es ist erkennbar, dass nur das von der ersten Leuchtdiode 4 ausgesandte Licht an dem Objekt 10 gestreut wird. Dieses Streulicht gelangt dann zu dem ersten Empfänger 14. Licht der zweiten Leuchtdiode 5 gelangt wegen der räumlichen Anordnung der zweiten Leuchtdiode 5 dagegen überhaupt nicht zum Objekt 10. Folglich erfolgt auch keine Detektion von Streulicht beim zugeordneten zweiten optischen Empfänger 15.
-
7 zeigt in einem Zeitdiagramm die Funktionsweise der Sensorvorrichtung 100 gemäß 6. Ein Vergleich mit der 5 zeigt, dass die Amplitude der Kurve 74, die mit der Kurve 54 in 5 korrespondiert, wegen des kleineren Objektquerschnitts nun deutlich geringer ist. Dagegen ist die Amplitude der Kurve 75, die mit der Kurve 55 in 5 korrespondiert, verschwindend gering, da praktisch kein Streulicht im zugehörigen optischen Empfänger 15 detektiert wird.
-
8 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 mit elektrisch überbrückbaren Fotodioden 4, 5 bei Anwesenheit eines kleinen Objekts 10.
-
Im vorliegenden Beispiel sind zwei Deaktivierungsschaltelemente 18, 19 parallel zur jeweiligen Leuchtdiode 4, 5 angeschaltet. Diese Schaltelemente 18, 19 sind vorzugsweise Schalttransistoren, die bei Ansteuerung durch die Auswerteeinheit 16 schließbar sind. Mit S1 und S2 sind die zugehörigen Deaktivierungssignale bezeichnet, die von der Auswerteeinheit 16 ausgegeben werden, um selektiv nur eine der beiden Leuchtdiode 4, 5 abzuschalten. In Reihe zum jeweiligen Deaktivierungsschaltelement 18, 19 ist eine Flussdiode 24, 25 geschaltet, welche bei Ansteuerung des Deaktivierungsschaltelementes 18, 19 den Stromfluss durch den jeweiligen Zweig 2, 3 möglichst übergangslos übernimmt. Dadurch wird der Lade- und Entladezyklus des Kondensators 9 durch den Wechselrichter 6 weiterhin aufrecht erhalten.
-
9 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 mit einer weiteren Schaltungsanordnung 20 mit zwei antiparallel geschalteten Fotodioden 14, 15 als optische Empfänger bei Anwesenheit eines kleinen Objekts 10.
-
Mit dem Bezugszeichen 22, 23 sind die beiden Zweige der weiteren Schaltungsanordnung 20 bezeichnet. Die über beiden Fotodioden 14, 15 anliegende Spannung ist einem Differenzbildner 21 als gemeinsames Empfangssignal zugeführt. Der Differenzbildner 21 ist im Beispiel der vorliegenden 9 zugleich ein Differenzverstärker (symbolisiert durch das Schaltsymbol eines Operationsverstärkers), welcher das gebildete Differenzsignal um einen vorgegebenen Verstärkungsgrad zur verbesserten Weiterverarbeitung verstärkt. Das ausgangsseitige Differenzsignal D ist im Beispiel der 9 bereits intern der Auswerteeinheit 16 zur weiteren Auswertung zugeführt. Zugleich weist die Auswerteeinheit 16 bereits integrierte, nicht weiter bezeichnete Schaltelemente auf, die als Deaktivierungsschaltelemente zur Deaktivierung der beiden Leuchtdioden 4, 5 vorgesehen sind.
