DE2631454B2

DE2631454B2 - Flammenmelder

Info

Publication number: DE2631454B2
Application number: DE19762631454
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 2061 Schiphorst Schierau
Original assignee: Preussag AG Feuerschutz
Current assignee: Preussag AG Feuerschutz
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1976-07-13
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2631454C3; DE2631454A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flammenmelder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Flammenmelder sind bekannt. Charakteristisch für sie ist, daß nicht der Mittelwert oder die jeweilige Amplitude der von einem Brand ausgehenden Strahlung, sondern die durch das Flackern der Flammen erfolgende Modulation ausgewertet wird, indem zunächst durch Demodulation das Flackersignal erzeugt und in Abhängigkeit hiervon gegebenenfalls ein Meldesignal abgegeben wird. Die Auswerteschaltung erzeugt das Meldesignal in Abhängigkeit davon, daß das Flackersignal während einer vorgegebenen Mindestdauer vorliegt (DE-AS 10 24 851), daß es eine unregelmäßige Verteilung seiner Nulldurchgangsabstände (DE-PS 21 08 296) oder seiner Amplitudenwerte (DE-PS 20 51 640) aufweist oder daß seine spektrale Leistungsdichte in bestimmter Weise verteilt ist (US-PS 22 677, DE-AS 20 49 968). Als optisch-elektrischer Wandler wird dabei ein Fotowiderstand, beispielsweise eine Bleisulfidzelle, verwendet, die in Reihe mit einem ohmschen Widerstand an einer Speisespannung liegt, und der gegebenenfalls ein optisches Filter vorgeschaltet ist. Hierbei besteht der Nachteil, daß starke auf den Wandler auftreffende Hintergrundstrahlungen dessen Empfindlichkeit für die durch das Flackern von Flammen erfolgende Modulation herabsetzen. Dies beruht darauf, daß der der Beleuchtungsstärke umgekehrt proportionale Widerstandswert eines Fotowider-

stands sich bei hohen Beleuchtungsstärken asymptotisch einem geringen Restwert nähert, so daß dann Änderungen der Beleuchtungsstärke praktisch keine Widerstandsänderungen mehr hervorrufen.

Die Hintergrundstrahlung kann sich aus Einflüssen des Tageslichts oder der Beleuchtung ergeben; beim Vorliegen eines Feuers tritt der Mittelwert der von ihm ausgesandten Strahlung hinzu. Diesem Mittelwert ist die durch das Flackern erfolgende Modulation überlagert, wobei insbesondere bei starken Bränden die Flackeramplituden gegenüber dem Strahlungsmittelwert gering sein können «nd trotzdem noch erfaßbar sein sollen. Tatsächlich aber kann es wegen der erwähnten Empfindlichkeitsabnahme des Wandlers geschehen, daß gerade beim Vorliegeil eines starken Brandes und dementsprechend starker Hintergrundstrahlung die Amplituden des Flackersignals relativ dazu so gering werden, daß eine Flammenmeldung unterbleibt.

Ein weiterer Nachteil von mit Fotowiderständen arbeitenden Flammenmeldern liegt in der starken Temperaturabhängigkeit von Fotowiderständen, was bei der Feuermeldung wegen der dabei auftretenden Wärme besonders ins Gewicht fällt Eine Erhöhung der Temperatur des Fotowiderstands führt nämlich — im Gegensatz zu einer Erhöhung der Beleuchtungsstärke — zu einer Erhöhung des Widerstandswertes und wirkt damit der gewünschten Meldung entgegen.

Zur wissenschaftlichen Untersuchung des Zeitverhaltens der von Bränden emittierten Temperaturstrahlung ist es bekannt, als optisch-elektrischen Wandler eine Fotodiode zu verwenden, die in Reihe mit einem Widerstand an einer Speisespannung liegt und hier durch in Sperrichtung vorgespannt ist, an den Verbindungspunkt von Fotodiode und Widerstand über einen Koppelkondensator einen als P-GIied geschalteten Operationsverstärker anzuschließen und mit dessen Ausgangssignal ein Effektivvoltmeter zu speisen (P ο r t s c h t, R.: Dissertation, TH Aachen, »Über das Zeitverhalten der Temperaturstrahlung als Kenngröße eines Brandes«, S. 36—39). Zur Eliminierung des Einflusses des bei unterschiedlichen Temperaturen verschieden großen Dunkelstroms der Fotodiode wird diese hierbei über einen Lichtzerhacker mit der zu messenden Strahlung beaufschlagt, wobei die Zerhackerfrequenz groß gegenüber den Frequenzen des Flackerfrequenzbereichs ist. Diese Maßnahme erfordert einen entsprechenden apparativen Aufwand.

Es ist auch ein Flammenmelder bekannt, der unabhängig von der Modulation der Flammen nur auf die Amplitude der jeweiligen Beleuchtungsstärke anspricht und bei dem als optisch-elektrischer Wandler ein Fotoelement in Gestalt einer Solarzelle verwendet ist (DE-OS 24 54 196). Die Auswertschaltung umfaßt hierbei einen mit seinem nicht invertierenden Eingang an ein Referenzpotential angeschlossenen, als P-Glied wirkenden und somit auch für tiefe Frequenzen durchlässigen, gegengekoppelten Operationsverstärker, und das Fotoelement ist zwischen das Referenzpotential und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet.

Dessen Gegenkopplung bewirkt, daß die Differenzspannung zwischen seinen Eingängen und damit die Spannung an den Anschlüssen des Fotoelements jedenfalls im Ruhezustand annähernd Null ist, so daß das Fotoelement annähernd im Kurzschluß betrieben ist.

Der Kurzschlußstrom eines Fotoelements ist bekanntlich dessen Beleuchtungsstärke linear proportional und von Temperaturschwankungen weitgehend unabhängig (Valvo-Firmendruckschrift »Fotoelektronische Bauelemente«, 1967, S. 45 bis 47). Trotzdem erzeugt der dem Fotoelement bei dem vorstehend erwähnten Flammenmelder nachgeschaltete Operationsverstärker nicht notwendig eine sich zur Beleuchtungsstärke des Fotoelements linear proportional ändernde Ausgangsspannung, da solche Operationsverstärker in der Praxis bei vertretbarem Bauaufwand nur

ίο eine begrenzte Ausgangsaussteuerbarkeit aufweisen. Bei hohen Beleuchtungsstärken reicht der vom Ausgang des Operationsverstärkers über den Gegenkopplungswiderstand zum Fotoelement fließende Strom nicht mehr als Kurzschlußstrom aus, so daß sich dann außer der Sättigung des Operationsverstärkers auch ein nicht lineares Verhalten des Fotoelements ergibt. Dieses Verhaken ist bei dem bekannten Flammenmelder deshalb unbeachtlich, weil bei ihm eine Meldung beim Erreichen einer vorgegebenen Beleuchtungsstärke erfolgt, ohne daß die Modulation der Strahlung der Flammen durch deren Flackern ausgewertet würde. Eine Übertragung der von diesem Flammenmelder bekannten Maßnahmen auf einen Flammenmelder, bei dem mittels eines Demodulators ein Flackersignal erzeugt und dieses ausgewertet wird, ist dagegen nicht ohne weiteres möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem durch Demodulation ein Flackersignal erzeugenden und dieses auswertenden Flammenmelder das Flackersignai von Hintergrundstrahlungen, insbesondere bei vorliegenden Bränden vom Mittelwert der hiervon ausgehenden Strahlung, unabhängig zu machen, um hierdurch die Erzeugung des Meldesignals auch bei starker Hintergrundstrahlung sicherzustellen. Die Aufgabe wird

si gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Flammenmelder gemäß der Erfindung wird als optisch-elektrischer Wandler ein im Kurzschluß betriebenes Fotoelement verwendet. Im Ruhezustand steigt die Ausgangsspannung des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers in dem zwischen Ausgang und Eingang des Vorwärtszweigs liegenden Gegenkopplungszweig so lange an, bis dieser Gegenkopplungszweig den Kurzschlußstrom des Fotoelements liefert. Erst dann nämlich wird die Differenzspannung an den Eingängen des eingangsseitigen Operationsverstärkers und damit dessen Ausgangsspannung und die Ausgangsspannung des Vorwärtszweigs zu Null, was eine weitere Änderung der Ausgangsspannung des

so Integrators verhindert. Diese Wirkung ist unabhängig davon wie groß der Kurzschlußstrom jeweils ist, d. h., der Demodulator paßt sich verschieden starken Hintergrundstrahlungen an, ohne ein Ausgangssignal zu erzeugen, solange der Übergang mit einer relativ tiefen Frequenz (unterhalb der unteren Eckfrequenz des Flackerfrequenzbereichs) erfolgt. Bei im Flackerfrequenzbereich liegender Modulation der empfangenen Strahlung wird dagegen das Modulationssignal durch den eingangsseitigen Operationsverstärker proportional verstärkt; da dieser — unabhängig von dem erwähnten Gegenkopplungszweig — beispielsweise mittels eines ohmschen Widerstands gegengekoppelt ist und da seine Ausgangsspannung im Ruhezustand Null beträgt, ist ein Erreichen des ausgesteuerten Zustands ausgeschlossen, so daß die Beleuchtungsstärkeschwankungen im Flackerfrequenzbereich linear proportional abgebildet werden.
Das integrierende Verhalten des im GegenkoDD-

lungszweig liegenden Operationsverstärkers bewirkt, daß der Vorwärtszweig unter Berücksichtigung der Gegenkopplung des Gegenkopplungszweigs ein ausgeprägtes Frequenzverhalten aufweist, das zur Verwirklichung des Bandpaßverhaltens des Demodulators verwendet werden kann, so daß der Schaltungsaufwand für die übrigen Bauelemente des Demodulators verringert werden kann oder dessen Güte verbessert ist.

Es sind zwar aus dem Stand der Technik auch aktive, unter Verwendung von Operationsverstärkern aufge- ι ο baute Filter bekannt, die einen Gegenkopplungszweig aufweisen (DE-AS 20 12 642, US-PS 37 25 799, US-PS 37 53 159). Solche Filter können auch an verschiedene Aufgabenstellungen angepaßt werden. Bei einem dieser bekannten Filter (US-PS 37 25 799) ist der Gegenkopp- ι > lungszweig von einem steuerbaren Widerstand gebildet, der Teil eines Optokopplers ist, und die Steuerung dieses Optokopplers und damit des Widerstandswerts des genannten Widerstands erfolgt mittels eines als Tiefpaß geschalteten Operationsverstärkers in Abhängigkeit von Signalen, die von einem Multiplexer aus dem Ausgangssignal des Vorwärtszweigs und aus von einer Referenzimpulsquelle abgegebenen Impulsen gebildet werden. Hierdurch kann die Frequenz, bei der die Übertragungsfunktion der gesamten Filterschaltung 2> einen Pol hat, an die Frequenz der Referenzimpulsquelle angepaßt werden. Bei einem anderen der genannten Filter (US-PS 37 53 159), das in einem Tonfrequenz-Übertragungskanal zwischen einer die höheren Frequenzen anhebenden und einer diese Frequenzen abschwächenden Schaltung liegt, ist zwischen den Ausgang und den Eingang des integrierend wirkenden Vorwärtszweigs ein die Bandmittenfrequenz bestimmender Widerstand und parallel zu diesem ein integrierend wirkender Gegenkopplungszweig geschal- η let, der einen als Integrator geschalteten Operationsverstärker umfaßt. Durch Veränderung der Integrationskonstanten des Vorwärtszweigs und des Gegenkopplungszweigs können die hohen und tiefen Frequenzen zur Unterdrückung des Rauschens nach Bedarf unterdrückt werden. Keines der genannten Filier ist jedoch ohne weiteres dazu geeignet, bei einem Flammenmelder ein als optisch-elektrischer Wandler verwendetes Fotoelement im Kurzschluß zu betreiben.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- 4> Sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der 2'eichnungen näher erläutert, in den Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flammen- ·>υ rnelders gemäß der Erfindung,

Fig. 2 Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels des Flammenmelders,

F i g. 3 das Frequenzverhalten der Demodulatoren der Flammenmelder gemäß F i g. 1 oder 2. «

Der in F i g. 1 gezeigte Flammenmelder zur Erfassung von Bränden weist einen optisch-elektrischen Wandler in Gestalt eines Silizium-Fotoelements Rf auf, das von der durch das Flacken der Flammen modulierten Strahlung der Flammen beaufschlagbar ist und, da es in mi noch zu beschreibender Weise im Kurzschluß betrieben is;t, einen der jeweiligen Strahlung proportionalen Kurzschlußstrom erzeugt. Silizium-Fotoelemente sind für den Einsatzzweck besonders geeignet, da die von ihnen erfaßbaren elektromagnetischen Strahlungen im μ Bereich von 0,3 bis 1,2 μΐπ bei Bränden besonders stark auftreten. Gewünschtenfalls kann dem Fotoelement /?/ noch ein Schwarzglasfilter vorgeschaltet sein, das die empfangbare Strahlung auf dem Bereich von 0,78 bis 1,2 μηι einschränkt, wodurch Störeinflüsse, wie sie im sichtbaren Spektralbereich von Leuchtstofflampem und anderen Störquellen ausgehen, zusätzlich unterdrückt werden. Im wesentlichen erfolgt allerdings die Unterscheidung zwischen Bränden und Störstrahlungen dadurch, daß mittels des nachgeschalteten Demodulators aus dem vom Fotoelement Äperzeugten Meßsignal ein Flackersignal erzeugt und erst dieses zur Erzeugung des Meldesignals ausgewertet wird.

Grundsätzlich können außer Silizium-Fotoelementen auch andere Fotoelemente, beispielsweise Garmanium-Fotoelemente, als optisch-elektrischer Wandler verwendet werden.

Der als Bandfilter ausgebildete Demodulator wird im wesentlichen von vier Operationsverstärkern Vi bis V4 gebildet. Die Verstärker V₁, V₂ bilden einen in Richtung vom Eingang E zum Ausgang F des Demodulators Signale übertragenden Vorwärtszweig, dem der mit seinem Ausgang den Ausgang F des Demodulators bildende Verstärker V₄ nachgeschaltet ist Zwischen dem vom Ausgang des Verstärkers V? gebildeten Ausgang des Vcrwärtszweigs und dem Eingang E des Demodulators liegt ein Gegenkopplungszweig mit dem Verstärker V₃.

Das Fotoelement Rf liegt mit seinem positiven Anschluß am Referenzpotential Null und mit seinem negativen Anschluß am Eingang E und damit am invertierenden Eingang des eingangsseitigen Verstärkers Vi. Dessen nicht invertierender Eingang ist über einen Widerstand Rp \ mit dem Referenzpotential Null verbunden; dadurch, daß das Referenzpotential zu Null gewählt wird, wird eine störende Gleichtaktverstärkung vermieden. Der Ausgang des Verstärkers V, ist über einen ohmschen Widerstand R\ mit dem invertierenden Eingang gegengekoppelt, so daß der Verstärker Vi unter Berücksichtigung seiner Beschallung ein reines P-Verhalten aufweist.

Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers V₂ ist über einen Widerstand Rp2 mit dem Referenzpotenlial Null verbunden, während der invertierende Eingang über einen Widerstand Ä21 mit dem Ausgang des Verstärkers Vi verbunden ist. Die Beschallung des Verstärkers V₂ besteht aus der Parallelschaltung eines Widerstands R22 und eines Kondensators C₂, die zwischen den Ausgang des Verstärkers V₂ und dessen invertierenden Eingang geschaltet sind. Der Verstärker V₂ wirkt somit als ein Verzögerungsglied 1. Ordnung und der aus dem Verstärker Vi und dem Verstärker V₂ gebildete Vorwärtszweig hat insgesamt das Verhalten eines Verzögerungsgliedes 1. Ordnung. Wichtig ist dabei, daß der Vorwärtszweig auch für tiefe Frequenzen durchlässig ist, da diese über den Gegenkopplungszweig mit dem Verstärker V3 gegengekoppelt werden.

Der invertierende Eingang des Verstärkers V3 ist über einen Widerstand R₃] mit dem Ausgang des Verstärkers V₂ verbunden, und der nicht invertierende Eingang des Verstärkers V₃ liegt über einen Widerstand Rp₃ am Bezugspotential Null. Die Beschaltung des Verstärkers V₃ besteht aus einem Kondensator C₃, der zwischen Ausgang und invertierendem Eingang liegt. Damit stellt der Verstärker V₃ unter Berücksichtigung seiner Beschaltung einen Integrator dar. Dessen Ausgang ist über einen Widerstand R₃₃ mit dem Eingang Eund damit mit dem negativen Anschluß des Fotoelements Rf verbunden.

Die Ausgangsspannungen der Verstärker Vi bis V4 sind mit U\ bis Ua bezeichnet. Die Widerstandswerte

bzw. Kapazitätswerte der Widerstände und Kondensatoren seien im folgenden einfachheitshalber mit den Bezeichnungen dieser Widerstände bzw. Kondensatoren bezeichnet, z. B. habe der Widerstand R\ den Widerstandswert R\. Für den das Fotoelement Rf durchfließenden Strom /^ergibt sich somit

/,, = UJR₁ + U₃IR₃,

(D

Im Ruhezustand, bei beliebiger Hintergrundstrahlung und demgemäß vom Fotoelement Rf empfangener Beleuchtungsstärke, nimmt die Ausgangsspannung U₃ und damit der Ausgangsstrom des als Integrator geschalteten Verstärkers V₃ so lange zu, wie seinem nicht invertierendem Eingang eine endliche Eingangsspannung zugeführt wird. Erreicht der Ausgangsstrom einen Betrag, bei dem die Differenzspannung zwischen dem nicht invertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang des eingangsseitigen Verstärkers Vi zu Null wird, so werden auch die Ausgangsspannungen U\, U₂ und damit die Eingangsspannung des Verstärkers V₃ zu Null. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V₃ steigt daher dann nicht mehr an. Das Nullwerden der Differenzspannung zwischen den Eingängen des Verstärkers Vi bedeutet auch, daß die Spannung an den Anschlüssen des Fotoelements Ä/rzu Null wird, d. h., daß dieses im Kurzschluß betrieben ist. Im Ruhezustand ist daher der Strom If stets gleich dem Kurzschlußstrom des Fotoelements R_F. Bei einer Modulation der auf dieses fallenden Strahlung schwankt der Strom If um den Kurzschlußstrom herum, und da diese Schwankungen gerade bei starken Hintergrundstrahlungen nur einen geringen Bruchteil des jeweiligen Kurzschlußstromes ausmachen, bilden sie die Beleuchtungsstärkeschwankungen linear proportional ab. Es gilt daher für den Zusammenhang zwischen dem Strom If und der Beleuchtungsstärke B

10

d !Ja B = k.

(2)

wobei /reine Proportionalitätskonstante ist.

Der Widerstandswert R₃₃ wird so gewählt, daß der als Integrator geschaltete Verstärker V₃ bei der höchsten bei einem Brand denkbaren Beleuchtungsstärke den Kurzschlußstrom des Fotoelements Rf zu liefern vermag. Beispielsweise kann die höchste denkbare Beleuchtungsstärke 50 000 Lx und der hierbei erforderliche Kurzschlußstrom 5 mA betragen. Beträgt die Ausgangsspannung U₃ des Verstärkers V₃ bei Aussteuerung 5 V, so ergibt sich für den Widerstandswert

· 10-³A = ikOhm.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der als Integrator geschaltete Verstärker Vj durchaus mit Ausgangsströmen belastet werden kann, bei denen der Verstärker V3 bereits ein nichtlineares Verhalten zeigt, da durch diese Nichtlinearität das Flackersignal w> praktisch nicht beeinflußt wird.

Der Frequenzgang der beschalteten Verstärker V\ bis Vn kann jeweils als Produkt einer Übertragungskonstanten K und eines frequenzabhängigen Ausdrucks G angegeben werden. So ist <r>

U₂ = K₂G₁U₁ mil K₂ =

«22

G -- -!—

⁰^ I₊T₂P'

T₂ = R₂₂C₂

U₃ = G₃U₁ mit G, =
T₃ = R₃] C₃₁ .

T₃P'

■> Löst man Gleichung (3) nach U₁ auf und setzt den so gewonnenen Ausdruck für U\ sowie denjenigen für U₃ nach Gleichung (4) in Gleichung (1) ein, so erhält man den Zusammenhang zwischen dem Strom If und der Ausgangsspannung U₂ des Vorwärtszweiges:

= [TTGiT⁺^l

L Λ₂υ₂κ, κ j₃j

2^Γι Mit der Abkürzung

K₂ =

erhält man hieraus

JO

U₂ = KiR₃₃ =

T₃P

■ Ir ■ (6)

i 5 Der Nenner der rechten Seite der Gleichung (6) stellt die charakteristische Gleichung der Übertragungsfunktion des Vorwärtszweiges unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Gegenkopplungszweiges dar und entspricht einem Verzögerungsglied zweiter Ordnung. Das Gesamtverhalten ist daher dasjenige eines DT₂-Gliedes.

Die Koeffizienten der charakteristischen Gleichung und damit die Werte der entsprechenden Widerstände und Kondensatoren werden gefunden, indem die charakteristische Gleichung mit deren Normalform

1 +2DTp+ T²P² mit T =

verglichen wird, worin D die Dämpfung und ω_ο die Bezugs-Kreisfrequenz sind. Die Bezugs-Kreisfrequenz Ci)₀ 2 πto wird so gewählt, daß die Bezugsfrequenz f_o mit der Flackerfrequenz zusammenfällt, bei der die Modulation der Beleuchtungsdichte erfahrungsgemäß am stärksten ist, nämlich annähernd in der Mitte des Flackerfrequenzbereichs. Beispielsweise kann als Flackerfrequenzbereich der Bereich von 3 bis 20 Hz und die Bezugsfrequenz als 10 Hz gewählt werden. Als untere Eckfrequenz, bei der gegenüber der Bezugsfrequenz 4die Dämpfung ZJauftritt, kann

f_gl, = 1/2 4 = 5 Hz

gewählt werden. Die Dämpfung D liegt dann in der Praxis erfahrungsgemäß bei 0,05, wobei sich bei der Bezugs-Kreisfrequenz eine Verstärkung in der Größenordnung von 20 dB ergibt.

809 636/361

Mit den vorstehend angegebenen Werten findet man in der Praxis

T, * 100 ~ ,

Λ2

(8)

d. h. bei größenordnungsmäßig bei Eins liegendem Faktor K₂ ist die Integrationskonstante T₂ des Verstärkers V2 größenordnungsmäßig hundertfach größer als die Integrationskonstante Ti des als Integrator geschalteten Verstärkers V3.

Damit zur Erzielung der großen Integrationskonstanten T₂ des Verstärkers V₂ kein allzugroßer Kondensator C₂ erforderlich ist, wodurch bei der geringen Baugröße von Operationsverstärkern die gesamte Baugröße des Flammenmelders stark beeinflußt werden könnte, ist es zweckmäßig, wenn der Faktor K₂ als K₂' = 1 gewählt wird. Dies ist am einfachsten dadurch möglich, daß einerseits die Übertragungskonstante K₂ zu Eins gemacht, d. h. R₂₂ = Λ21 gewählt wird, und indem andererseits der Widerstandswert des hinter dem als Integrator geschalteten Verstärkers V₃ im Gegenkopplungszweig liegenden Widerstand R33 gleich demjenigen des Gegenkopplungswiderstands R\ des eingangsseitigen Verstärkers Vi gewählt wird.

Auf Grund der erläuterten Bemessung hat die aus Vorwärtszweig mit Verstärkern Vi, V2 und Gegenkopp-'ungszweig mit Verstärkern V3 gebildete Schleife eine ausgeprägte Filterwirkung. Diese wird durch den in im folgenden noch beschriebener Weise geschalteten Operationsverstärker V4 noch verbessert. Sein invertierender Eingang ist über die Reihenschaltung eines Kondensators Qi und eines Widerstands Äti mit dem Ausgang des Verstärkers V₂ verbunden, während sein nicht invertierender Eingang über einen Widerstand Rp 4 am Referenzpotential Null liegt. Die Rückkopplung vom Ausgang zum nicht invertierenden Eingang erfolgt über die Parallelschaltung eines Widerstands, Ä42 und eines Kondensators Q₂. Damit ergibt sich für die Abhängigkeit der Ausgangsspannung t/4 des Verstärkers Vt, und damit des Demodulators von der Ausgangsspannung LJ₂ des Vorwärtszweiges:

U₄ = K₄G₄U₂ mit K₄ =

■42

G₄ =

T₄\ —

T₄₂P

1 + (T₄₁ + T₄₂)P + T₄₁ T₄₂p²

u — R₄₂G₄

(9)

Bekanntermaßen wirkt der Verstärker V₄ mit der gewählten Beschattung nur als Differentiator bei Kreisfrequenzen, die ausreichend gering sind gegenüber seiner Bezugs-Kreisfrequenz, dem Kehrwert der Zeitkonstanten j/r«i T«. Bei demgegenüber höheren Frequenzen sinkt durch die dann stärkere Gegenkopplung die Verstärkung ab, so daß sich insgesamt ein Bandpaßverhalten ergibt. Die nur wechselspannungsmäßige Kopplung über den Kondensator Gi verhindert vollständig, daß Gleichsignalanteile zum Ausgang Fdes Demodulators übertragen werden.

Dem Demodulator ist eine Ausgangsschaltung A nachgeschaltet, die das am Ausgang F erhaltene Flackersignal in bekannter Weise auswertet. Sind bestimmte Kriterien erfüllt, die auf das Vorliegen eines Brandes schließen lassen, so wird ein Meldesignal

erzeugt, indem ein Thyristor Th gezündet wird, wodurch über die Reihenschaltung des Thyristors 77? und eines Lastwiderstands Rm ein Meldestrom fließt, der beispielsweise in einer räumlich entfernten Signalzentrale eine entsprechende Anzeige bewirkt sowie Feuerlöschmaßnahmen auslöst. Dabei können mehrere gleichartige Flammenmelder oder auch Melder anderer Art parallel zueinander an dieselbe zweiadrige, zur Zentrale führende Linie angeschlossen sein.

In Anwendungsfällen, in denen es auf eine besonders große Schnelligkeit der Flammenerkennung ankommt, kann von der Auswerteschaltung bereits dann ein Meldesignal erzeugt werden, wenn nur eine einzige Flackersignalamplitude von genügender Höhe auftritt. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung A von einem Schwellenwertschalter gebildet sein, der immer dann einen Meldestrom durchschaltet, wenn der Absolutwert des Flackersignals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Beim Vorliegen des Flackersignals wird so eine Impulsfolge als Meldesignal erzeugt, die wiederum zu einer räumlich entfernten Signalzentrale übertragen und dort ausgewertet werden kann. Hierbei kann durch die Art der Auswertung — beispielsweise Alarmgabe erst nach Empfang mehrerer Impulse — trotz der schnellen Branderkennung eine fälschliche und zu frühe Alarmgabe oder Löschmittelabgabe verhindert werden.

Zur Erhöhung der Sicherheit gegen die Abgabe von fälschlichen Meldesignalen kann weiter vorgesehen sein, daß der Melder zusätzliche auf Brandfolgeerscheinungen ansprechende Wandler aufweist, beispielsweise die üblichen Teile eines Ionisations-Brandmelders, und daß die Auswerteschaltung A ein Meldesignal oder verschiedene Meldesignale in logischer Abhängigkeit davon erzeugt, welche Wandler jeweils Brandfolgeerscheinungen erfassen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung A so aufgebaut sein, daß das Vorhandensein des Flackersignals allein nicht zur Meldesignalerzeugung führt, daß das Ansprechen des Ionisations-Brandmeiders zu einer Vorwarnung führt, daß das gleichzeitige Vorhandensein des Flackersignals und des vom Ionisations-Brandmelder erzeugbaren Signals zu einer Alarmgabe führt, wobei das Alarmsignal gespeichert wird, und daß nach erfolgtem Löschen das erneute Auftreten des Flackersignals durch logische UND-Verknüpfung mit dem gespeicherten Signal zu einer erneuten Alarmgabe führt, die getrennt gespeichert wird und die eine Nachlösung auslöst oder ermöglicht.

F i g. 2 zeigt eine Abwandlung des Demodulators gegenüber Fig. 1. Hierbei besteht der Vorwärtszweig aus einem als P-Glied geschalteten Operationsverstärker V5 und einem nachgeschalteten, als Integrierglied wirkenden /?C-Glied B. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers Vs ist über einen Widerstand Rp 5 mit dem Bezugspotential Null verbunden, während die Gegenkopplung über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor £5 und einen Widerstand R5 erfolgt. Das RC-G\\sd B besteht aus dem mit dem Ausgang des Verstärkers V5 verbundenen Widerstand Rb und dem Kondensator C» deren Verbindungspunkt den Ausgang des Vorwärtszweiges bildet. An diesen Ausgang ist der Gegenkopplungszweig angeschlossen, der den Operationsverstärker Vt enthält. Der nicht invertierende Eingang dieses Verstärkers V₆ ist über den Widerstand Rb\ mit dem Ausgang des Vorwärtszweiges verbunden, während der invertierende Eingang über einen Widerstand Rn 6 am Bezugspotential Null liegt. Der Verstärker Ve ist mittels eines Kondensators Q, gegengekoppelt

und damit als Integrator geschaltet. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V₆ steuert einen wiederum als Emitterfolger geschalteten Transistor Ef,, dessen Emitter über einen Widerstand Ra mit dem Eingang E verbunden ist. Durch den Emitterfolger-Transiostor Ek wird der von dem Verstärker V₆ zu liefernde Ausgangsstrom stark herabgesetzt oder bei gegebener Belastbarkeit der Bereich zulässiger Kurzschlußströme und Beleuchtungsstärken des Fotoelements Rf noch weiter erhöht.

Die Stromverstärkung β des Emitterfolger-Transistors Et ist stark temperaturabhängig. Dies ist jedoch im Ruhezustand wegen der integrierenden Wirkung des Verstärkers V₆ ohne Folgen; die Ausgangsspannung des Verstärkers V₆ stellt sich so ein, daß über den Emitterfolger-Transistor E₆ und den Widerstand Ra der Kurzschlußstrom zum Fotoelement Rf fließt, da nur dann die Differenzspannung an den Eingängen des Verstärkers V₅ und damit die Ausgangsspannung des Vorwärtszweiges zu Null wird. Um jedoch verbleibende geringe Auswirkungen der Temperaturabhängigkeit auf das Flackersignal zu kompensieren, ist der Emitterfolger-Transistor Es zur Gegenkopplung des eingangsseitigen Verstärkers V₅ vorgesehen. Zweckmäßig werden beide Transistoren £s, E₆ räumlich beieinander auf derselben Unterlage angeordnet, so daß sie dieselbe Temperatur aufweisen und denselben Schwankungen ihres Stromverstärkungsfaktors unterliegen.

Dem Vorwärtszweig sind in F i g. 2 zwei weitere Operationsverstärker W, V₈ nachgeschaltet. Der invertierende Eingang des Verstärkers V₇ ist über einen Widerstand Ä71 mit dem Ausgang des Vorwärtszweigs verbunden, während der nicht invertierende Eingang über einen Widerstand R_P7 am Bezugspotential Null liegt. Die Rückkopplung des Verstärkers V7 gibt diesem einen hohen Eingangswiderstand. Sie ist mit einem Spannungsteiler R₇₂, R₇₃ ausgebildet, von dessen Abgriffspunkt ein Widerstand Λ74 zum invertierenden Eingang führt. Der somit P-Verhalten aufweisende Verstärker V₇ kann durch die Wahl der Widerstände R_7i bis Rn hinsichtlich seiner Verstärkung in gewünschter Weise ausgebildet werden. Der ausgangsseitige Verstärker Ve ist in entsprechender Weise wie der Verstärker V₄ (Fig. 1) geschaltet, nämlich mit Widerständen Rau R&2 und Kondensatoren Cm, Cs₂, während sein nicht invertierender Eingang über einen Widerstand Rp s mit dem Bezugspotential Null verbunden ist.
Diejenigen Widerstände Rp\, Rp₂, Rp4, Rp5, Rp₇, Rpa, über die in F i g. 1 und 2 die Operationsverstärker Vi, V₂, V₄, V₅, VV₁ V₈ mit dem Ruhepotential Null verbunden sind, werden so bemessen, daß ihr Widerstandswert gleich dem Innenwiderstand der jeweiligen Gegenkopplungsschaltung am invertierenden Eingang

i) ist. Beispielsweise ist bei dem Verstärker V₂ in Fig. 1 Rp₂ gleich dem Widerstandswert der Parallelschaltung der Widerstände Λ21 und R₂₂ zu wählen. Hierdurch wird die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen klein gehalten, die anderenfalls die Wirkung einer Offsetspannung hätte. Bei den als Integrator geschalteten Verstärkern Vj (Fig. 1) und V₆ (Fig.2) werden die Widerstände Rp 3 bzw. Rn ₆ jeweils zumindest größenordnungsmäßig so groß wie der jeweils andere Eingangswiderstand R3] bzw. /?ei gewählt, wodurch ein

2ϊ Fehlerstrom über den Kondensator Cj bzw. Q vermieden und auch kleine Offsetströme und Offsetspannungen kompensiert werden.

Durch die Bemessungen der Widerstände und Kondensatoren des Demodulators gemäß Fig. 2 kann

so diesem in ähnlicher Weise, wie dies an Hanu von F i g. 1 hergeleitet wurde, ein vorgegebenes Frequenzverhalten gegeben werden, und zwar gewünschtenfaiis auch dasselbe wie dasjenige des Demodulators gemäß F i g. 1. Dieses ist in F i g. 3 dargestellt, die in einfachlogarithmi-

)-, schem Maßstab den Amplitudengang in Abhängigkeit von der normierten Frequenz oder Kreisfrequenz darstellt. Es zeigt sich, daß sich ein relativ scharfbandiges Filterverhalten erreichen läßt.

Hierzu 2 BIaIt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fiammenmelder mit einem von der durch das Flackern der Flammen modulierten Strahlung der Flammen beaufschlagbaren, ein der jeweiligen Strahlung proportionales Meßsignal erzeugenden optisch-elektrischen Wandler, einem diesem nachgeschalteten, durch Beschränkung des Meßsignals auf einen vorgegebenen Flackerfrequenzbereich ein Flackersignal erzeugenden, als aktives Bandfilter ausgebildeten Demodulator und einer diesem nachgeschalteten, bei Vorhandensein einer vorgegebenen physikalischen Eigenschaft des Flackersignals ein Meldesignal erzeugenden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der optischelektrische Wandler ein Fotoelement (R_F) ist, daß der Demodulator einen in Richtung von seinem Eingang (E) zu seinem Ausgang (F) Signale übertragenden, für tiefe Frequenzen durchlässigen Vorwärtszweig (V₁, V₂; V₅, B) aufweist, der einen mit seinem nicht invertierenden Eingang an ein Re/erenzpotential angeschlossenen, gegengekoppelten Operationsverstärker (V₁; V₅) aufweist, daß das Fotoelement (R_F) zwischen das Referenzpotential und den invertierenden Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (V,; V₅)geschaltet ist und daß der Ausgang des Vorwärtszweigs (Vy, V₂; V₅, B) über einen als Integrator geschalteten Operationsverstärker (V₃; V₆) und einen diesem nachgeschalteten Widerstand (R₃₃; Ra) mit dem nicht invertierenden Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (Vy, V₅) im Sinne einer Gegenkopplung verbunden ist.

2. Flammenmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzpotential das Potential Null ist.

3. Flammenmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingangsseitige Operationsverstärker (Vy, V₅) als P-Glied geschaltet ist.

4. Flammenmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszweig (Vu V₂; V₅, B) das Verhalten eines Verzögerungsgliedes 1. Ordnung aufweist.

5. Flammenmelder nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszweig (Vu V₂) einen dem eingangsseitigen Verstärker (V₁) nachgeschalteten Operationsverstärker (V₂) aufweist, der als Verzögerungsglied 1. Ordnung geschaltet ist.

6. Flammenmelder nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszweig (V₅, B) ein dem eingangsseitigen Operationsverstärker (V₅) nachgeschaltetes ÄC-Glied φ) aufweist.

7. Flammenmelder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers (V₃, V₆) größenordnungsmäßig hundertfach geringer ist als die Zeitkonstante des Vorwärtszweigs (Vu V₂; V₅, Β).

8. Flammenmelder nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des den Ausgangs des eingangsseitigen Verstärkers (Vy, V₅) mit dessen invertierendem Eingang gegenkoppelnden Widerstands (Ry, R₅) zumindest annähernd gleich dem Widerstandswert des Widerstands (R₃₃; R₆₃)ISt, der dem als Integrator

geschalteten Operationsverstärker (V₃; V₆) nachgeschaltet ist

9. Fiammenmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; daß zwischen den Ausgang des als Integrator geschalteten Verstärkers (V₆) und den Eingang des eingangsseitigen Verstärkers (V₅) eine vorzugsweise als Emitterfolger geschaltete Transistor-Verstärkerstufe (E₆) geschaltet ist

10. Flammenmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, gleichartige, vorzugsweise ebenfalls als Emitterfolger geschaltete Transistor-Verstärkerstufe (E₅) im Gegenkopplungspfad des eingangsseitigen Verstärkers (V₅) liegt

11. Flammenmelder nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistor-Verstärkerstufe (E₆) und die weitere Transistor-Verstärkerstufe (E₅) in räumlicher Nähe auf derselben Unterlage angeordnet sind.

12. Flammenmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator ausgangsseitig einen als Bandfilter geschalteten Operationsverstärker (V₄; V₈) aufweist.

13. Fiammenmelder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem ausgangsseitigen Operationsverstärker (Vs) ein weiterer Operationsverstärker (V₇)mh P-Verhalten vorgeschaltet ist.

14. Flammenmelder nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfrequenz des ausgangsseitigen Operationsverstärkers (V₄; Vg) zumindest annähernd mit derjenigen übereinstimmt, die der Vorwärtszweig (V₁, V₂; V₅, B) unter Berücksichtigung der Gegenkopplung mittels des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers (V₃; V₆) aufweist.