DE2161354A1

DE2161354A1 - Rauchdetektor

Info

Publication number: DE2161354A1
Application number: DE19712161354
Authority: DE
Inventors: Peter Oetwil Muller (Schweiz)
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1972-07-13
Also published as: JPS5517274Y2; GB1366335A; AU3716271A; FR2119459A5; AU451854B2; JPS5396993U; CH520990A; SE371708B; US3760395A

Description

Oipl.-lng. Dipt. oec. pubf.

DIETRICH LEWiHSKY

PATENTANWALT 8 Manchen 21 - Sotibanbr. 81

Telefon 5617*2

IO . Dezember 1971 6873

CERBERUS AG

Männedorf

(ScWweiz.}

Rauchdetektor

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer Messkammer, einer Glühlampe und einem photoelektrischen Element, welche so angeordnet sind, dass sich das von der Lampe erzeugte, auf das photoelektrische Element auftreffende Licht bei Anwesenheit von Rauch in der Messkammer ändert, sowie einer elektrischen Schaltung zur Spannungsversorgung und Alarmgabe.

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Vorrichtungen der genannten Art werden beispielsweise als Feuermelder verwendet. Dabei wird die Luft aus dem zu überwachenden Raum mittels natürlicher Zirkulation oder durch Rohrleitungen der Messkammer zugeführt. Entweder sind dabei Lampe und Photoelement so angeordnet, dass kein direktes Licht von der Lampe auf das Photoelement fällt. In der Messkammer vorhandener Rauch führt jedoch zu einer Streuung des Lichtes auf das Photoelement (Streulicht-Feuermelder). Bei anderen bekannten Geräten wird das Photoelement dauernd von der Lanpe beleuchtet und bei Anwesenheit von Rauch in der Messkammer wird das auf das Photoelement auftreffende Licht geschwächt. In jedem Fall ändert sich der auftreffende Lichtstrom und damit der Ausgangsstrom des photoelektrischen Elementes. Durch eine elektrische Schaltung wird diese Stromänderung zur Auslösung eines Alarmsignales benützt, durch welches die Anwesenheit von Rauch im überwachten Raum signalisiert wird.

Bekannte Rauchdetektoren der beschriebenen Art werden oft von einer Signalzentrale aus über Leitungen mit einer Spannung zwischen 100 und 240 V betrieben (meist mit Gleichspannung, gelegentlich jedoch auch mit Wechselspannung). Als Lampe wird eine Glühlampe oder eine Entladungslampe benützt, welche auch im Impulsbetrieb benützt werden kann. Die elektrische Schaltung enthält bei diesen bekannten Vorrichtungen zur Auslösung eines Alarmsignales meist eine Schaltröhre, z.B. eine Kaltkathodenröhre.

Es ist versucht worden, nach diesem Prinzip arbeitende Rauchdetektoren zu transistorisieren, d.h. die elektrische Schaltung mit Halbleitern auszurüsten und mit Niederspannung zu .betreiben. Als zweckmässigste Lichtquelle bei Niederspannungsbetrieb haben sich Glühlampen erwiesen. Die ebenfalls brauchbaren lichtemittierenden Halbleiter weisen demgegenüber sine geringere Lichtausbeute und damit einen schlechteren Wirkungsgrad auf. Bei Glühlampen ändert sich der Lichtstrom jedoch ausserordentlich stark schon bei geringsten Spannungsänderungen, was seinerseits wiederum die Rauchempfindlichkeit des Systems beeinflusst. In der

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Praxis sind jedoch Spannungsvariationen unvermeidlich, z.B. bei batteriebetriebenen Rauchdetektoren, jedoch auch bei Feuermeldeanlagen mit zentraler Spannungsversorgung über Leitungen von einer Signalzentrale aus. Besonders bei Niederspannungsanlagen führen die verhältnismässig hohen Ströme zu teilweise erheblichen Spannungsverlusten, besonders in langen Leitungen. Eine
Spannungsstabilisierung ist daher bei mit Niederspannung betriebenen Rauchdetektoren unumgänglich.

Es ist versucht worden, eine solche Stabilisierung der Lampenspannung und damit des Lichtstromes in naheliegender Weise durch Parallelschalten einer Zenerdiode zur Glühlampe oder durch
Serie-Stabilisierung mit Transistoren vorzunehmen. Dies führt jedoch zu verhältnismässig grossen Verlustleistungen, die den Wirkungsgrad verschlechtern, da der Ueberschuss an Spannung wie auch der parallel zur Lampe in den zur Stabilisierung notwendigen Bauelementen fliessende Strom in nutzlose, ja unerwünschte Wärme umgesetzt wird.

Ziel der Erfindung ist daher eine stromsparende und leistungsarme Stabilisierung der in dem Niederspannungs-Rauchdetektor
verwendeten Glühlampen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Herabsetzung der Wärmeentwicklung zur Erzielung einer
grösseren Zuverlässigkeit temperaturempfindlicher Bauelemente der Rauchdetektoren. Diese Ziele sollen mit möglichst geringem zusätzlichem Aufwand erreicht werden.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass sie die von der Glühlampe verbrauchte elektrische Leistung durch periodische Unterbrechung der Spannung, welche die Glühlampe speist, auf einen konstanten Wert regelt.

Um gleichzeitig mit der Leistungsaufnahme auch den Lichtstrom der Glühlampe konstant halten zu können, ist es zweckmässig, die Unterbrechungsfrequenz der Spannung so gross zu wählen, dass die Temperatur des Leuchtkörpers der Lampe trotz der periodischen Unterbrechung nahezu konstant bleibt und der Lichtstrom um nicht mehr als 5% schwankt.

Eine besonders zweckmässige Lösung ergibt sich, wenn nicht die Lampenspannung selbst abgeschaltet wird, sondern die an einer Serie-Schaltung der Lampe mit einem stromspeichernden Element liegende Spannung. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass während der Abschaltphasen der Lampenstrom eine gewisse Zeit weiterfliesst und insgesamt nur wenig schwankt. Bei einer solchen Ausführung ist es daher nicht nötig, bei der Regelung der Unterbrechungsdauern von der Lampenleistung aus-ziL·gehen, d.h. vom quadratischen Mittel des Lampenstromes, sondern es genügt die Regelung mittels des linearen Mittelwertes. Als stromspeicherndes Element kann eine Induktivität benützt werden. Als besonders zweckmässig erweist sich die Verwendung einer in Serie mit der Glühlampe liegenden Relaisspule, welche gleichzeitig der Ueberwachung des Lampenstromes dient. Bei völligem Ausfall des Lampenstromes z.B. infolge

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Durchbrennens des Leuchtkörpers fällt das Relais ab und erzeugt ein Störungssignal.

Zur Regelung der periodischen Unterbrechungen lässt sich auf einfache Weise ein elektronischer Schalter (Chopper), welcher aus zwei Transistoren besteht, verwenden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

- Fig. 1 das Prinzip-Schema eines erfindungsgemässen Rauchdetektors,

- Fig. 2 die Schaltung eines Streulicht-Feuermelders,

- Fig. 3 das Funktionsdiagramm der Schaltung nach Fig. 1,

- Fig. 4 das Funktionsdiagramm der Schaltung nach Fig. 2.

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Fig. 1 zeigt das Prinzip-Schema eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. In eine der äusseren Atmosphäre zugänglichen, jedoch lichtdichten Messkammer 1 wird von einer seitlich angebrachten Glühlampe 2 Licht hineingestrahlt. Befinden sich in der Atmosphäre der Messkammer 1 Rauchteilchen, so wird ein Teil dieses Lichtes auf ein photoelektrisches Element 3 gestreut, welches hier als Photowiderstand ausgebildet ist. Stattdessen können jedoch auch andere Arten photoelektrischer Wandler, d.h. Photoelemente, Photozellen etc. benützt werden. Der Photowiderstand 3 liegt in Serie mit einem Widerstand 4 zwischen den Speiseleitungen 5 und 6, welche von einer nicht dargestellten Signalzentrale aus mit einer niedrigen Gleichspannung versorgt werden, vorzugsweise unter 60 V. Uebersteigt die Spannungsänderung am Verbindungspunkt 7 von Photowiderstand und Widerstand 4 einen bestimmten Wert, so wird mittels der Alarmschaltung A ein Alarmsignal ausgelöst. Dieses Signal kann in einer Vergrösserung des in den Leitungen 5 und 6 fliessenden Stromes bestehen, wodurch in der Signalzentrale ein Alarmrelais aufzieht oder in einem an eine besondere Leituna 8 abgegebenen Signal. Auch an der Alarmschaltung A selbst kann eine visuelle oder akustische Anzeige vorgesehen sein.

Die Glühlampe 2 liegt in Serie mit einem in Ruhelage geschlossenen Relaiskontakt 9 an den Speiseleitungen 5 und 6. Der Spannungsabfall an der Lampe 2 steuert eine Regeleinrichtung R, welche mittels der Relais-Spule 10 den Relais-Kontakt 9 in regelmässigen Zeitabständen während bestimmter Zeitdauern per-

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iodisch öffnet. Die Regeleinrichtung R ist so aufgebaut, dass die von der Glühlampe 2 aufgenommene Leistung durch diese
periodischen Unterbrechungen des Lampenstromes nahezu auf

einen konstanten, von der Speisesparnung unabhängigen Wert
geregelt wird.

Es erweist sich als besonders zweckmässig, die Frequenz dieser periodischen Unterbrechungen so hoch zu wählen, dass die Temperatur des Leuchtkörpers der Glühlampe während der Unterbrechungszeiten infolge seiner Wärmeträgheit nur unwesentlich absinkt. Der unmittelbar temperaturabhängige Lichtstrom der
Lampe wird dann trotz der laufenden Unterbrechungen ebenfalls nur wenig schwanken. Da bei nahezu konstanter Temperatur auch der sonst temperaturabhängige t7iderstand der Glühlampe fast
konstant bleibt, kann die Regelung der Lampenleistung in diesem Fall durch Bildung des quadratischen Mittels der
Lampenspannung U^₁ oder des Lampenstromes Il durchgeführt werden. Es zeigt sich, dass bei einer Unterbrechungsfrequenz, bei der die Lichtstromschwankungen etwa 5% betragen, die Regelungsfehler etwa in der Grössenordnung der Regelgenauigkeit liegen. Bei relativ tragen Lampentypen, z.B. dickdrähtigen gasgefüllten Glühlampen liegt die untere Frequenzgrenze, bei der derartige Lichtstromschwankungen noch auftreten, in der Grössenordnung von 20 Hz, während bei besonders dünndrähtigen Vakuumlampen noch bei 100 Hz ein Flackern in der Grössenordnung von 5 % zu beobachten ist. Es ist daher zweckmässig, eine Unterbrechungsfrequenz von mindestens 100 Hz zu wählen.

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Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der verschiedenen charakteristischen Grossen bei hinreichend hohen Unterbrechungsfrequenzen. Während die Lampenspannung Ul periodisch für bestimmte Zeiten unterbrochen wird, sinken Lichtstrom Φ und Temperatur T während der Ausschaltzeiten der Spannung nur geringfügig ab. Der Stromverlauf Ij₁ zeigt wegen des nur geringfügig schwankenden Lampenwiderstandes nicht die bei Glühlampen üblichen hohen Einschaltspitzen, sondern folgt angenähert der Spannung Ul.

Fig. 2 zeigt die Schaltung eines weiteren Ausführungsbeispieles, bei dem trotz periodischer Unterbrechung der Spannung der Lampenstrom nur wenig schwankt. Der Lichtstrom der Glühlampe bleibt dabei nahezu konstant. Die Lampe 11 ist zu diesem Zv/eck in Serie mit einer Induktivität 12 geschaltet. Parallel zur Lampe 11 liegt ein Kondensator 13 und parallel zur Serieschaltung von Lampe 11 und Induktivität 12 eine Diode 14. Die Induktivität 12 wirkt hier als stromspeicherndes Element, d.h. während der Abschaltzeiten fliesst der Strom in dem aus Induktivität 12, Diode 14 und Lampe 11 bestehenden geschlossenen Stromkreis weiter. Während die Spannung U am Ausgang der Regeleinrichtung R¹ wieder einen rechteckartigen Verlauf zeigt (wie in Fig. 4 dargestellt) , sinken Lampenspannung U_L und Lampenstrom Il während der Abschaltphasen wegen der stromspeichernden Wirkung der Induktivität nur wenig ab. Nach dem Wiedereinschalten der Spannung U durch die Regeleinrichtung R¹ steigen U_L und I_L wieder geringfügig an. Da also Lampenstrom und Lampenspannung nur we-

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nig schwanken, ist der quadratische Mittelwert praktisch gleich dem linearen Mittel. Anstelle der Bildung des quadratischen Spannungsmittels kann daher das viel einfacher und mit geringerem Aufwand herzuleitende lineare Mittel zur Regelung verwendet werden, ohne an Genauigkeit zu verlieren.

Die Regeleinrichtung R¹ besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus 2 komplementären Transistoren 15 und 16, welche einen astabilen Schalter bilden. Uebersteigt die Lampenspannung U^ einen bestimmten Wert U]_, so wird der Transistor 15, an dessen Basis eine im wesentlichen durch die Zenerdiode 21 und Widerstände 17, 18 und 19 bestimmte Spannung liegt, vom leitenden in den sperrenden Zustand gebracht. Ueber den Kollektor-Widerstand 20 des ersten Transistors 15 wird wiederum der zweite Transistor 16 gesteuert. In dieser Weise werden beide Transistoren 15 und 16 gesperrt. Sinkt nun während der Abschaltpause die Lampenspannung ü_L unter einen bestimmten Wert U2r so schalten beide Transistoren wieder auf Durchgang und der Vorgang beginnt von neuem. Der Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 17 und 18 dient der positiven Rückkopplung der geschalteten Spannung.

Die Aufeinanderfolge oder Frequenz dieser periodischen Unterbrechungen wird durch die Kapazität des Kondensators 13 und durch die Grosse der Induktivität 12 bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel mit einer Kapazität von 5 μ F und einer Induktivität von 10 μ H ergab sich eine Unterbrechungsfrequenz von etwa 20 kHz.

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Da die Abmessungen eines Feuermelders im allgemeinen relativ klein gehalten werden müssen, ist die Verwendung allzu grosser Bauteile nicht möglich. Bei einer gerade noch annehmbaren Grösse der Induktivität und des Kondensators lässt sich gerade noch eine Unterbrechungsfrequenz von etwa 1 kHz realisieren. Anderseits ist es nicht zweckmässig, diese Bauteile zu klein zu wählen, denn bei Frequenzen über etwa 1OO kHz treten bereits grössere Verlustleistungen in den Schalttransistoren auf, da deren Umschaltzeiten nicht unendlich klein sein können.

Die Auswertung der Lichtstrom-Aenderungen am photoelektrischen Element 22 erfolgt wiederum durch Serieschaltung mit einem Widerstand 23. Die Alarmschaltung A enthält am Eingang einen Transistor 24, dessen Basis vom Spannungsabfall über dem Photoelement 22 gesteuert wird. Der Emitter dieses Transistors 24 liegt an einem Spannungsteiler aus den Widerständen 25 und 26. Der Spannungsabfall am Kollektor-Widerstand 27 des Transistors 24 steuert einen bistabilen Schalter, bestehend aus den Transistoren 28 und 29 mit zugehörigem Kollektor-Widerstand 30.

Sind beide Transistoren 28 und 29 auf Durchgang geschaltet, so fliesst ein Strom von der Erdleitung 32 über eine Alarmindikatorlampe 33 und den bistabilen Schalter zur Alarmleitung 31. Parallel zur Anzeigelampe 33 liegt ein Widerstand 34, der das Funktionieren der Anlage auch bei Ausfall der Lampe 33 sicherstellt. In der Signalzentrale wird durch das Schliessen eines Alarmstromes in der Alarmleitung 31 ein Alarmsignal ausgelöst.

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Die Alarmleitung i.st in diesem Ausführungsbeispiel unabhängig von dor Speiseleitung 35, welche zur Spannungsversorgung der Glühlampe 11 dient. Da durch diese Lampe dauernd ein gewisser Strom fliesst, ist es besonders bei Parallelschaltung vieler Feuermelder nötig, Alarm- und Speiseleitungen zu trennen«, Andernfalls könnte in der Signalzentrale wegen des hohen Ruhestromes ein /vlarm nicht mehr erkannt werden. Während die Span-» nung an der Alarmleitung 31, in der normalerweise kein ^trom fliesst, relativ konstant bleibt, kann die Spannung an der Speiseleitung 35 in relativ weiten Grenzen schwanken. Durch die Regeleinrichtung R¹ werden diese SpannungsSchwankungen jedoch kompensiert, sodass die Gesamtempfindlichkeit des Rauchdetektors praktisch unabhängig von diesen Spannungsschwankungen wird.

Eine besonders zweckmässige Ausführungsform ergibt sich, wenn als Induktivität 12 eine Relaisspule benützt wird, welche der Ueberwachung des durch die Glühlampe 11 fliessenden Stromes dient. Solange durch die Lampe 11 ein Strom fliesst, ist der zur Relaissjiule 12 gehörende Kontakt 36 geschlossen. Sobald jedoch der Lanpenstrom unterbrochen wird, z.B. infolge Durchbrennens des Leuchtkörpers der Lampe, öffnet sich der Störungskontakt 36 und über die Störungsleitung 37 wird in der Signal zentrale ein Störungssignal ausgelöst.

Es ist zu bemerken, dass der beschriebene, mit einem elektronischen Schalter arbeitende Rauchdetektor nur eines der mögli-

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chen Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt. Es ist ohne weiteres möglich, stattdessen eine äquivalente Schaltung zu verwenden, welche die gleiche Funktion hat, nämlich den Lampenstrom so zu steuern, dass die Gesamt-Leistungsaufnahme der Lampe und damit auch deren Lichtstrom nahezu konstant bleibt, wobei zweckmassigerweise die Schaltfrequenz so gewählt wird, dass der Lichtstrom nur geringe Schwankungen aufweist.

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Claims

Patentansprüche

Rauchdetektor mit einer Messkammer, einer Glühlampe und einem photoelektrischen Element, welche so angeordnet sind, dass sich das von der Lampe erzeugte, auf das photoelektrische Element auftreffende Licht bei Anwesenheit von Rauch in der Messkammer ändert, sowie einer elektrischen Schaltung zur Spannungsversorgung und Alarmgabe, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung die von der Glühlampe aufgenommene Leistung durch periodische Unterbrechung der die Glühlampe speisenden Spannung auf einen konstanten Wert zu regeln vermag.
2. Rauchdetektor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung die Lampenspannung periodisch zu unterbrechen vermag, wobei die Unterbrechungsfrequenz der Lampenspannung so hoch gewählt ist, dass die durch die periodische Unterbrechung des Lampenstromes hervorgerufenen Lichtstrom-Schwankungen geringer als 5% des Maximal-Lichtstromes sind.
3. Rauchdetektor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungsfrequenz der Lampenspannung grosser ist als 100 Hz.
4. Rauchdetektor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung die Dauer der Unterbrechungen so zu regeln vermag, dass das quadratische Mittel des Lampenstromes konstant bleibt.
5. Rauchdetektor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Glühlampe in Serie mit einem stromspeichernden Element geschaltet ist und dass die elektrische Schaltung die an dieser Serie-Schaltung liegende Spannung periodisch zu unterbrechen vermag.

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6. Rauchdetektor nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das stromspeichernde Element einen induktiven Widerstand besitzt.
7. Rauchdetektor nach Patentanspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das stromspeichernde Element die Wicklung eines zur üeberwachung des Lampenstromes dienenden Relais ist.
8. Rauchdetektor nach Patentanspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Glühlampe ein Kondensator und parallel zu der Serieschaltung von Glühlampe und stromspeichernden Element eine Diode geschaltet ist.
9. Rauchdetektor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung zur periodischen Unterbrechung der Spannung einen astabilen, mindestens zwei Transistoren aufweisenden elektronischen Schalter enthält, wobei einer der Transistoren von der Lampenspannung gesteuert wird.
10. Rauchdetektor nach Patentanspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der astabile elektronische Schalter zwei komplementäre, gegenseitig rückgekoppelte Transistoren aufweist, welche so geschaltet sind, dass entweder beide Transistoren leitend oder beide Transistoren gesperrt sind.
11. Rauchdetektor nach Patentanspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der astabile elektronische Schalter eine Schaltfrequenz zwischen 1 und 50 kHz aufweist.

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