DE2635640A1

DE2635640A1 - Waerme-detektoreinrichtung

Info

Publication number: DE2635640A1
Application number: DE19762635640
Authority: DE
Inventors: Denia Leslie Redfern
Original assignee: Wormald International Ltd
Current assignee: Wormald International Ltd
Priority date: 1975-08-11
Filing date: 1976-08-07
Publication date: 1977-03-03
Also published as: JPS5222976A; CH607179A5; FR2321117A1; GB1507268A; FR2321117B1; NZ181746A

Description

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DIPL-ING. HELMUT KOEPSELL 5 KÖLN 1 , 6. 8. 76=h.

P AT E N TA N W A LT Mittelstrasse 7

Telefon (02 21) 2194 23 α j-% λ r— λ Telegrammadresse: Koepsellpatent Köln

Wr/101

Reg.-Nr. bitte angeben

Patentanmeldung

der Firma

WORMALD INTERNATIONAL LIMITED, Alexander and Ernest Streets, Crows Nest, New South Wales 2065 (Australien)

Wärme-Detektoreinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Wärme-Detektoreinrichtung, die automatisch arbeiten kann und in der Lage ist, über Entfernungen das Auftreten oder Vorhandensein von unnormalen Temperaturzuständen in Bereichen zu signalisieren, die durch die Einrichtung überwacht werden. Besondere Anwendungsfälle dieser Einrichtungen sind Feststellung von Feuer, Überwachung von Ausrüstungen, Geräten, Apparaturen sowie Kontrolle und/oder Regulierung von Ofentemperaturen usw.

Bei Verwendung derartiger Einrichtungen in einem System zum Feststellen von Feuer wird eine grosse Anzahl dieser Einrichtungen benutzt, die mittels elektrischer Leiter mit einer Kontrolltafel oder einer anderen Überwachungseinrichtung verbunden sind. Das Vorhandensein eines Alarmzustandes kann durch irgendwelche geeigneten Mittel signalisiert werden, z. B. durch eine Änderung des Leitungsstromes im Leiter oder der Übertragung einer elek-

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ORIGINAL INSPECTED

trischen Spannung von einer Detektoreinrichtung.

Es wird angestrebt, dass ein Alarm gegeben wird entweder wenn die überwachte Temperatur ein vorherbestimmtes Niveau überschreitet oder wenn die überwachte Temperatur mit einer Geschwindigkeit ansteigt, die grosser ist als eine vorherbestimmte Geschwindigkeit. Es ist allgemeine Praxis, in Abständen voneinander angeordnete Wandler vorzusehen, die in Serie bzw. fortlaufend in Gegenschaltung verbunden sind, um ein elektrisches Signal zu erhalten, dessen Wert oder Grosse einen Aufschluss über die Geschwindigkeit des Temperatur-Anstieges ermöglicht. Diese Wandler sind normalerweise Thermistoren, wobei die Detektoreinrichtungen aus diskreten elektronischen Bauteilen, integrierten Hybrid-Schalteinheiten oder aus einer Kombination von beiden bestehen. Sowohl die Kosten als auch die Zuverlässigkeit dieser Einrichtungen lassen zu wünschen übrig.

Eine der wesentlichen Aufgaben der Erfindung besteht darin, eine Wärme-Detektoreinrichtung zum automatischen Anzeigen des Vorhandenseins oder Auftretens von unnormalen thermischen Zuständen an einem überwachten Punkt zu schaffen, welche die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist und eine Verbesserung darstellt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass an einer Wärme-Detektoreinrichtung zum automatischen Anzeigen des Auftretens oder Vorhandenseins von unnormalen thermischen Zuständen .ein Gehäuse vorhanden ist, welches wenigstens einen wärmeleitenden Bereich aufweist, wobei ein elektrisches Bauteil in inte-

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grierter Schaltung innerhalb des Gehäuses so angeordnet ist, dass ein Wärmeübergang von dem genannten Bereich auf das Bauteil in integrierter Schaltung möglich ist und letzteres ein auf Wärme ansprechendes Halbleiter-Element einschliesst, um ein analoges Signal zu bewirken, welches den Temperatur-Zustand angibt, wobei Mittel zum Verarbeiten des Signals und zum Auslösen eines Alarms vorgesehen sind, wenn das Signal einen vorherbestimmten WErt oder eine vorherbestimmte Grosse überschreitet oder mit einer Geschwindigkeit hinsichtlich Wert oder Grosse zunimmt, die grosser ist als eine vorherbestimmte Geschwindigkeit.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels, welches mehr in die Einzelheiten geht, anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die symbolische Darstellung eines Blockdiagramms der Grundausführung einer elektronischen Schaltung einer Wärme-Detektoreinrichtung, an welcher die Erfindung verwirklicht ist;

Fig. 2 das Schema einer Schaltungsanordnung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform;

Fig. 3 den Längsschnitt einer Wärme-Detektoreinrichtung, an welcher die Erfindung verwirklicht ist.

Die gesamte Schaltung gemäss Fig. 1 ist in dem Bereich anzuordnen, in welchem die Temperaturüberwachung durchgeführt werden soll; sie ist mittels einer oder mehrerer elektrischer Leiter 3

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an eine räumlich entfernte zentrale Überwachungs- bzw. Kontrollstelle oder dgl. angeschlossen. Normalerweise wird eine grosse Anzahl derartiger Efebektoreinrichtungen mittels einzelner Leiter mit dieser zentralen Kontrolleinrichtung oder dgl. verbunden sein. Ein Wandler 4 spricht auf die Temperatur im jeweiligen Bereich an und erzeugt ein analoges elektrisches Signal, welches durch eine Einheit 5 verstärkt und über eine Zuführungsleitung 6 auf zwei parallel geschaltete Detektoren 7 und 8 gegeben wird. Das verstärkte Signal in der Zuführungsleitung 6 steht hinsichtlich entweder seiner Spannung oder seiner Stromstärke in linearer Beziehung zu der festgestellten Temperatur über den wirksamen Arbeitstemperaturbereich des Wandlers 4. Vorteilhaft wird der Spannungs-Parameter des Signals benutzt, da dies einen geringeren Leistungsbedarf zur Folge hat.

Der Detektor 7 arbeitet in der Weise, dass er an seinem Ausgang eine festgestellte Temperatur signalisiert, die oberhalb einer vorherbestimmten Grenze liegt. Eine geeignete Ausgestaltung des Detektors 7 schliesst einen Komparator bzw. eine Vergleichseinrichtung ein, um die Spannung des analogen Signales, welches aus der Zuführungsleitung 6 erhalten wird, mit einer vorherbestimmten Bezugsspannung zu vergleichen. Der Detektor 8 arbeitet in der Weise, dass an seinem Ausgang das Vorhandensein eines Zustandes signalisiert wird, bei welchem die Geschwindigkeit des Anstieges der festgestellten Temperatur grosser ist als eine Soll-Geschwindigkeit. Dies kann entweder durch eine analoge oder digitale ansprechende Schaltungsanordnung erreicht werden, wobei eine

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Abfragetechnik (sempling technique) benutzt werden kann. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Schaltungsanordnung so arbeitet, dass die Spannung des Signales in der Zuführungsleitung 6 differenziert wird. Die Ausgaben der Detektoren 7 und 8 werden gemeinsam dem Eingang eines Alarmschalters 9 zugeführt, der, wenn betätigt, entweder das Entstehen einer Spannung in den Leitern 3 bewirkt oder eine vorhandene Spannung oder einen vorhandenen Strom ändert.

Die Schaltung gemäss Fig. 2 arbeitet in gleicher oder ähnlicher Weise wie die vorbeschriebene Schaltung; sie weist darüber hinaus einige vorteilhafte Merkmale auf. Für jene Teile und Bereiche der Schaltung, die denen der Fig. 1 entsprechen, werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Bei dieser Ausführung ist die Wärme-Detektoreinrichtung mit Teilen von voll-integrierten Bauelementen versehen, in welcher sowohl der Wandler und alle anderen aktiven Bauteile und die meisten passiven Bauteile in einem einzigen Bauteil mit integrierter Schaltung kombiniert sind, welches Bauteil in einer hermetisch verschlossenen Abschirmung, z, B. einer Hülse, untergebracht ist. Bekannte Wärme-Detektoreinrichtungen benutzen diskrete Wandler, häufig einen Thermistor, der so angebracht sein muss, dass ein unmittelbares Feststellen der Wärme im Luftstrom im überwachten Bereich möglich ist; demgegenüber macht die Erfindung von einer temperaturabhängigen Spannung in Abhängigkeit von der Stromcharakteristik eines ungleich dotierten Halbleiter-Materials wie z. B. der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors Gebrauch.

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Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 wird während der überwachung eine Spannung zwischen den beiden Leitern 3 von der zentralen Überwachungsstelle oder dgl., die mittels eines Spannungsreglers 10 reguliert wird,- angelegt. Eine Sicherungseinrichtung 11, z. B. eine Diode, gewährleistet eine einwandfreie Verbindung bzw. Schaltung der angelegten Spannung. Eine stabilisierte Spannung von Spannungsregler 10 wird an die aktiven Teile der Schaltung angelegt. Ein Festkörper-Verstärker 5 entwickelt und verstärkt ein temperaturabhängiges analoges Signal V , welches an der Zuführungsleitung 6 und von dort parallel an den Vergleicher 7 eine passive Differenziereinrichtung 8 angelegt wird. Der Verstärker benutzt die innewohnende Temperaturempfindlichkeit einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Strecke in einem Transistor, um das analoge Signal abzuleiten, das dann zur Anpassung an die Einheiten 7 und 8 auf ein gewünschtes Niveau verstärkt wird.' Eine Alternative besteht darin, dass der Transistor durch eine Halbleiter-Diode ersetzt wird, die eine gleiche oder ähnliche Streckencharakteristik aufweist. In einem solchen Fall wird der Diode ein Verstärker-Transistor nachgeordnet sein. In einer Form wird das resultierende analoge Signal eine thermisch bedingte Abweichung von 60 - 70 mV pro C aufweisen. Das analoge Signal V kann durch eine Vorspannung, die von einer stationären Justiereinheit 12 erhalten wird, die ein einzelnes äusseres Widerstandsglied enthält, verschoben werden.

Das Vorhandensein eines Transistors zum Ansprechen auf Temperaturänderungen gibt die Möglichkeit, sowohl den die Wärme feststellenden Geber oder dgl. der Einrichtung als auch die meisten anderen

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Teile der Schaltung in einem Bauteil mit integrierter Schaltung unterzubringen; aufgrund sowohl ihrer kleinen Abmessungen als auch der Festkörperform der übrigen Bauteile der Schaltung ist die gesamte Einrichtung kompakt, so dass sie so unauffällig wie möglich angebracht werden kann. Weiterhin ist aufgrund der Anordnung und Ausgestaltung der Schaltung die Verwendung nur eines Wärmefühlers, Gebers oder dgl. notwendig, wohingegen bei den bekannten Fällen zwei einen Abstand voneinander aufweisende Fühler oder dgl. vorhanden sein müssen.

Der Komparator 7 arbeitet als oberer Temperaturgrenzwert-Detektor und kann aus einem Schwellwert-Festkörper-Verstärker bestehen, dessen Verschiebung durch einen äusseren Widerstand einstellbar ist, der die Möglichkeit gibt, die maximale Temperatur einzustellen, bei welcher das Ansprechen erfolgt. Die Differenziereinrichtung 8 ist vorzugsweise ein Differenzierglied, dessen Zeitkonstante von aussen mit einem R-C-Glied einstellbar ist. Es dient dazu, die Spannung V zu differenzieren und resultiert in einer Spannung temp , die am Komparator 7 angelegt und mit

dt

einer Bezugsspannung verglichen wird. Wenn die Spannung temp

die Bezugsspannung übersteigt, wird das Alarmglied 9 betätigt. Wenn ein Ausgangssignal aus den Komparator 7 erscheint, wird das Alarmglied 9, das vorteilhaft ein selbsthaltendes Haltleiter-Schaltglied ist, aktiviert, um den Scheinwiderstand der Schaltung .zwischen den Leitern 3 zu verringern, wodurch eine Vergrösserung der Stromstärke eintritt, um den Alarmzustand an der zentralen Kontrolleinrichtung oder dgl. zu bewirken.

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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass eine Justierung, R egelung oder dgl. der Einstellung der festgelegten Temperatur dadurch erreicht wird, dass der stationäre Wert der Spannung ^v._emD verschoben wird; der Verstärkungsgrad oder dgl. des Verstärkers 5 bleibt davon unberührt. So wird z. B. dann, wenn der Komparator 7 bei 6 V vergleicht und wenn die Spann V (bei 20 C) durch das äussere Widerstandsglied der Reguliereinrichtung 12 auf 4,8V eingestellt ist, vom Verstärker eine Steigerung um ^Ί,2 V benötigt, bevor ein Vergleich das Alarmglied 9 aktiviert. Wenn die Zunahme bzw. der Verstärkungsfaktor 60 mV/ °C beträgt, ergibt sich folgendes:

Eine Steigerung um 1,2 V erfordert

= 20° C. 0,06V/ C

Somit ist ein Anstieg um 20° C erforderlich, bevor die Spannung V. 6 V erreichen wird, so dass die Ansprechtemperatur 20 + 20 (umgebend) oder 40° C beträgt.

In der praktischen Konstruktion der Detektoreinrichtung gemäss Fig. 3 ist die integrierte Schaltungsanordnung derart angebracht, dass ihre Leitfähigkeit bzw. der Wärmeübergang zwischen der Luft und der die Temperatur fühlenden Halbleiter-Strecke maximiert wird. Die Halterung ist mit einer wärmeleitenden Metallkappe 13, die das Bauteil 14 in integrierter Schaltung einschliesst, einem wärmefestem Kegelstumpf 15, der das Bauteil 14 trägt oder stützt

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und die vorstehenden Schenkel, Füsse oder dgl. 16 der integrierten Schaltung einschliesst, und einem konischen wärmefesten Grundkörper 17 versehen, der den Kegel oder dgl. 15 trägt und ein zugeordnetes Brettchen, Plättchen oder dgl. 18 mit gedruckter Schaltung einschliesst, das äussere Bauteile und Bestandteile enthält. Das Zusammenfügen wird in der Weise bewerkstelligt, dass Bauteil 14 und zugehörige Kappe 13 auf dem Scheitel des Kegels durch Anleimen unter Verwendung von Epoxydharz angebracht werden, um so eine gegen Feuchtigkeit wirksame Abdichtung zwischen diesen Teilen herzustellen. Die Schenkel oder dgl. 16 des Bauteiles 14 werden dann am Träger 18 für die gedruckte Schaltung angelötet; die so hergestellte Baueinheit wird im oder am Grundkörper 17 feuchtigkeitsdicht angeleimt. Das Innere des Grundkörpers 17 wird dann entweder mit einer nicht dargestellten Füll- bzw. Vergussmasse, z. B. Eccosphere ausgefüllt und oberseitig zur Herstellung einer Abdichtung mit Epoxydharz abgedeckt oder vollständig mit Epoxydharz gefüllt. Die erforderliche Ansprechzeit in Bezug auf Wärme bestimmt die Auswahl des Füllmaterials.

Im übrigen wird in Bezug auf die Ausgestaltung der erfindungsgemässen Einrichtung auf die Zeichnung verwiesen.

Vorstehend sind einige Ausführungsmöglichkeiten der Einrichtung beschrieben; selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen und Abwandlungen möglich, die innerhalb des Bereiches der ERfindung liegen.

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Claims

Patentansprüche

1. Wärme-Detektoreinrichtung zum automatischen Anzeigen des Vorhandenseins von unnormalen thermischen Zuständen mit einem Gehäuse, innerhalb des Gehäuses angeordneten Mitteln, die auf Temperaturänderungen ansprechen und ein analoges elektrisches Signal bewirken, Mitteln zum elektrischen Verarbeiten dieses Signals, um einen Alarm auszulösen, wenn das Signal einen Soll-Wert überschreitet oder hinsichtlich seines Wertes oder seiner Grosse mit einer Geschwindigkeit ansteigt, die eine Soll-Geschwindigkeit übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (13) wenigstens einen wärmeleitenden Bereich aufweist und ein elektrisches Bauteil (14) in integrierter Schaltung innerhalb des Gehäuses (13) derart angeordnet ist, dass ein Wärmeübergang von dem erwähnten Bereich möglich ist, wobei das Bauteil in integrierter Schaltung ein auf Wärme ansprechendes Halbleiter-Element einschliesst, welches das eine Temperaturänderung anzeigende Analog-Signal bewirkt.

2. Wärme-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Schaltstrecke aufweist.

3. Wärme-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Element ein Transistor ist.

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4. Wärme-Detektoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen abgestumpften oder abgerundeten Grundkörper von pyramidenförmiger oder konischer Gestalt aufweist und der wärmeleitende Bereich eine Metallkappe (13) an seinem abgeflachten Ende ist, wobei das Bauteil (14) mit integrierter Schaltung von dieser Kappe (13) umschlossen ist.

5. Wärme-Detektoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die übrigen elektrischen Bauteile, die nicht im Bauteil

(14) in integrierter Schaltung enthalten sind, an einem Brettchen oder dgl. (18) mit gedruckter Schaltung angebracht sind, welches mit dem Bauteil in integrierter Schaltung verbunden und innerhalb des Grundkörpers angeordnet ist.

6. Wärme-Detektoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Verarbeiten des Analog-Signales zwei parallele elektrische Detektoren aufweist, denen das Analogsignal zugeführt wird, wobei einer dieser Detektoren dazu dient, an seinem Ausgang einen unnormalen Anstieg der Grosse oder des Wertes des Analog-Signales anzugeben, und eine mit einer Quelle für ein Bezugssignal verbundene Komparatur-Schaltung aufweist, und der andere Detektor dazu dient, an seinem Ausgang eine unnormale Steigerung der Geschwindigkeit des Wertes bzw. der Grosse des Analogsignales angibt und eine Differenzier-R-C-Schaltung einschliesst.

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7. Wärme-Detektoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Alarmmittel so verbunden bzw. geschaltet ist, dass es die Ausgaben beider Detektor-Einheiten aufnimmt und ein Halbleiter-Schaltglied einschliesst, um einen Alarm über Zuführungsleitungen an einen entfernten Ort zu signalisieren, und auf eine Ausgabe von jeder der beiden Detektoreinheiten enspricht,

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