DE2742338A1

DE2742338A1 - Rauchdetektor

Info

Publication number: DE2742338A1
Application number: DE19772742338
Authority: DE
Inventors: Elias Ezekiel Solomon
Original assignee: SOLOMON ELIAS EZEKIEL
Current assignee: Gamewell Corp 02053 Medway Mass Us
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1977-09-20
Publication date: 1978-03-23
Also published as: JPS5911391U; JPS5338389A; GB1593185A; FR2364671A1; NL7710287A; IT1084772B; SE7710477L; FR2364671B3; AU511670B2; US4126790A; AU2895177A

Description

Elias Ezekiel Solomon, Ouxbury, fflass./USA Rauchdetektor

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer Einrichtung zum Ermitteln bzw. Ertasten der Anwesenheit von Rauch. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Arbeitsweise und der Stromversorgung von Rauchdetektoren.

Die in den letzten Jahren gewonnene Erkenntnis, daß durch Feuer verursachte tödliche Unfälle und Schädigungen besonders in UJohngebäuden wesentlich häufiger auf den Rauch als auf die Flammen selbst zurückzuführen sind, hat die Entwicklung von Rauchdetektoren verschiedener Arten beschleunigt. Auch Gesetze und sonstige Regelungen, die den Einsatz von Rauchdetektoren in neugebauten oder renovierten Gebäuden verlangen,haben diese Arbeit angeregt.

Bei den meisten heutzutage verwendeten Rauchdetektoren wird die Ermittlung von Rauch mittels einer optischen oder einer Ionisierungsvorrichtung durchgeführt. Hinsichtlich einiger Aspekte betrifft die vorliegende Erfindung beide Arten von Detektoren, sie wird jedoch zweckmäßigeru/eise anhand des Beispiels von optischen Detektoren beschrieben.

Das Grundprinzip bei der optischen Rauchermittlung besteht in der Reflektion oder Streuung des Lichts durch Rauchteilchen. Das Fehlen oder Vorhandensein einer bestimmten Lichtmenge aus einer Lichtquelle wird kontinuierlich von einem lichtempfindlichen Element überwacht. Uienn Rauch auftritt, so kann er zwischen die Lichtquelle und das photoempfindliche Element gelangen, und seine Auswirkung auf die Lichtübertragung ändert die Ansprechgröße des photoempfindlichen Elements in irgendeiner lUeise,

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um ein Alarmsignal auszulösen. Gewöhnlich ist es die Reflektion des Lichtes durch Rauchteilchen zu dem photoempfindlichen Element hin, welche die Änderung der Ansprechgröße einleitet.

In den letzten Jahren bestand die am meisten zu beachtende Verbesserung bei Rauchdetektoren darin, Leuchtdioden anstelle von Glühlampen als Lichtauelle in den Detektoren einzusetzen. Die Leuchtdioden (LEO) sind zwar eine zuverlässige und dauerhafte Lichtnuelle, sie weisen jedoch bestimmte Nachteile auf, unter denen nicht zuletzt der schlechte Wirkungsgrad bezüglich der Lichterzeugung zu nennen ist. Der Stromverbrauch, der in batteriebetriebenen Systemen besonders wichtig ist, ist leider hoch. Oa auch das abgegebene Licht relativ schwach ist, werden ferner äußerst empfindliche Empfängervorrichtungen und Schaltungen benötigt.

Bei weiteren Versuchen zur Verbesserung des Wirkungsgrads von optischen Rauchdetektoren wurden pulsierende Lichtauellen verwendet. Bei derartigen Anordnungen hat tatsächlich der Betrieb mit einem Arbeitszyklus, der die Arbeitszeit der Lichtauelle reduziert, ohne das Rauchermittlungsvermögen herabzusetzen, zu einem niedrigeren Stromverbrauch geführt; trotzdem sind derartige Anordnungen verbesserungsbedürftig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit von Rauchdetektoren zu erhöhen und gleichzeitig den Stromverbrauch herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch einen Rauchdetektor mit einer Einrichtung zum Abtasten bezüglich der Anwesenheit von Rauch gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine auf Änderungen der Ausgangsgröße der Abtasteinrichtung ansprechende und erregbare Alarmeinrichtung und eine Stromnuelle für die Abtasteinrichtung und die Alarmeinrichtung vorgesehen sind und daß diese mit einem Abrufsignalgenerator kombiniert sind, der zwischen die Stromauelle und die Abtasteinrichtung geschaltet ist und dieser Impulse zuführt, die ihre periodische Arbeits-

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weise bewirken.

Die Erfindung beruht also ebenfalls auf einer Impulsbetriebtechnik bzu/. Abruf technik, um den Stromverbrauch zu reduzieren und um ferner die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Rauchdetektors zu verbessern. Durch einen indirekten Pulsbetrieb bzw. Abruf der Lichtquelle werden jedoch noch größere V/orteile erzielt. Insbesondere wird die Stromversorgung intermittierend betrieben, oder besser noch die Regeleinrichtung, die gewöhnlich für die Stromversorgung der Lichtauelle und der zugeordneten Schaltungskreise verwendet wird. Ein weiterer Schritt, der darin besteht, zwischen den Impulsen Spannung zu speichern, reduziert weiter den Stromverbrauch des Rauchdetektors auf ein Minimum, indem Einschaltbeanspruchungen vermieden werden. Dieses Konzept kann bei jeglicher Art von Rauchdetektor Anwendung finden, einschließlich der optischen Rauchdetektoren und der Ionisations— detektoren sowie der weniger bekannten Detektoren.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren, Won den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines vereinfachten

Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die geregelte Ausgangsgröße einer Stromversorgung pulsierend erzeugt wird;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Detektorschaltung ähnlich derjenigen nach Figur 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Detektorschaltung, bei der die ungeregelte Eingangsgröße eines Spannungsreglers pulsierend erzeugt wird;

Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild der den Abrufsignalgenerator bildenden Bauteile, den durch ein Gatter gesteuerten Regler und die Speicherschaltung nach der Erfindung;

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Fig. 5 ein Blockschaltbild eines batteriebetriebenen und überwachten Systems, bei dem die Erfindung angewendet wurde; und

Fig. 6 ein detailliertes Schaltbild der Überwachungsschaltung nach Figur 5.

An die in Figur 1 gezeigte geregelte Stromversorgung 12 ist direkt eine Alarm-Einrasteinrichtung 14 angeschlossen, die im getriggerten bzw. ausgelösten Zustand die Stromversorgung mit der Alarmeinrichtung in herkömmlicher Weise verbindet, bis die Einrasteinrichtung zurückgesetzt ist. Parallel zu der Einrasteinrichtung bzw. -schaltung sind ein Abrufsignalgenerator 16 und eine Leuchtdiode (LEO) 18 in Reihe mit der Parallelkombination aus einem lichtempfindlichen Wandler 20 und einem Verstärker 22 vorgesehen. 0er Ausgang des Wandlers 20 ist mit dem Verstärker 22 verbunden, und der Ausgang des Verstärkers ist mit einer Auslöseschaltung 24 verbunden. 0er Ausgang der Auslöseschaltung 24 ist wiederum mit der Einrastschaltung 14 verbunden.

Bei den meisten bekannten optischen Rauchdetektoren beträgt die Versorgungsspannung typischerweise 12 oder 24 Volt Gleichspannung. Oa die Leuchtdiode (LED) typischerweise einen Spannungsabfall von etwa 1,5 Volt Gleichspannung aufweist, wird gewöhnlich ein Lastwiderstand in Reihenschaltung verwendet, und es werden 80 % oder mehr der verbrauchten Leistung verschwendet. Dadurch, daß die Leuchtdiode mit der zugeordneten Schaltung in Reihe gelegt ist, wie dies hier beschrieben wird, wird eine derartige Vergeudung vermieden, wobei es nur erforderlich ist, daß die ausgeregelte Spannung aus der Stromversorgung 12 minus der Einschaltspannung der Leuchtdiode 18 geteilt durch die Schaltungsimpedanz gleich oder größer als der Einschaltstrom der Leuchtdiode 18 ist.

Besonders wichtig ist jedoch, daß es durch Verwendung eines Abrufsignalgenerators 16 ermöglicht wird, die Belastung am Ausgang der geregelten Stromversorgung auf kurze intermittierende Zeitspannen zu begrenzen. Diese Zeitspannen können beispielsweise in

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der Größenordnung von 20 Mi Hi Sekunden liegen und alle 5 Sekunden auftreten, und nur während dieser Zeitspannen sind die Leuchtdiode 18, der Wandler 20 und der Verstärker 22 in Betrieb und verbrauchen Strom. Diese Zeitspanne ist nur als Beispiel angegeben. Die einzigen Einschränkungen ergeben sich hier durch die Ansprechzeit der Schaltungselemente, den Arbeitszyklus des Abruf Signalgenerators 16 und durch eine akzeptable Prüfdauer zur Gewährleistung der Ermittlung von Rauch.

Bei dem angegebenen Beispiel kann der Stromverbrauch bei stetigem Betrieb zweckmäßig erweise in der Größenordnung von 50 IYIiHiainpsE liegen. Bei der gepulsten Schaltung wird der Stromverbrauch:

20

50 χ mA = 200 M A

5 χ 1000

In Figur 2 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der in Figur 1 gezeigten Schaltung dargestellt. Auch hier u/ird das Ausgangssignal der geregelten Stromversorgung 12 direkt an die Einrastschaltung 14 angelegt, wird von dem Abrufsignalgenerator 16 gepulst und in gepulster Form an die Sendeschaltung 19 und die davon getrennte Empfängerschaltung 21 angelegt. Bei dieser Ausführungsform sind die Leuchtdiode (LED) 1Θ und der Wandler 20 mit den zugeordneten Schaltungsteilen in der Sendeschaltung 19 enthalten, und der Verstärker 22, die Auslöseschaltung 24 und die zugeordneten Schaltungsteile sind in der Empfängerschaltung 21 enthalten.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades wird dadurch erzielt daß die Schaltungselemente gemäß Figur 3 angeordnet werden. Bei dieser Ausführungsform wird der ungeregelte Eingangsstrom direkt an den Abrufsignalgenerator 16 und die Einrastschaltung 14 angelegt. Der Spannungsregler 13 ist dann nur in Betrieb, wenn er intermittierend bzw. pulsierend eingeschaltet wird, ebenso wie die Sendeschaltung 19 und die Empfängerschaltung 21.

Alle Regler erfordern notwendigerweise einen bestimmten Strombetrag, um eine geregelte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

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Bei einem gewöhnlich verwendeten Regler wird die ungeregelte Eingangsspannung an eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Zenerdiode angelegt. Die geregelte Spannung wird dann am Verbindungspunkt der Diode mit dem Widerstand abgenommen. Es flieQt also ein kontinuierlicher Zenerstrom; wenn jedoch wie bei der Schaltung nach Figur 2 ein Strom von etwa 12 Milliampere periodisch von der gepulsten Schaltung benötigt wird, so muß ein noch größerer Zenerstrom normalerweise fließen, um eine Regulierung zu erzielen. Bei der Schaltung nach Figur 3 zieht jedoch der Regler 13 nur während einer kurzen Zeitspanne in der Größenordnung von Millisekunden und alle 5 Sekunden Strom. Der Abrufsignalgenerator selbst benötigt übrigens einen sehr geringen Strom, wie noch im einzelnen erläutert wird.

Figur 4 zeigt Einzelheiten eines geeigneten Impuls- oder Abrufsignalgenerators 16 mit niedrigem Stromverbrauch für die Zuführung von Impulsen an einen Schalttransistor 25.

Gleichspannung wird an einen Relaxationsoszillator angelegt, der aus Widerständen R₁ und R₂* einem Kondensator C₁ und einer Diode D₁. gebildet ist. An ein Bauteil P₁, bei dem es sich um einen sogenannten Unijunction-Transistor oder eine andere Schaltvorrichtung handeln kann, wird eine Referenzspannung angelegt, die von einem aus Widerständen R. und R₅ gebildeten Spannungsteiler abgeleitet wird. Jedesmal, wenn die Ladung am Kondensator C₁ einen Wert erreicht, der die Durchbruchsspannung des Bauteils P₁ überschreitet, so werden Ausgangsimpulse am Widerstand R₃ erzeugt. Wenn wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel angenommen wird, daß ein 10 Millisekunden dauernder Impuls alle 5 Sekunden an den Transistor 25 angelegt wird, so fließt Strom durch eine recht große Impedanz der Sende— und Empfängerschaltungen, die hier als Block 27 zusammengefaßt sind, und durch die Realteile der anderen Bauelemente, beispielsweise Widerstand 29.

Während der Zeitspannen, wo Transistor 25 von dem Abrufsignal— generator 16 eingeschaltet wird, wird ein Speicherkondensator 31,

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der parallel zu einer Zenerdiode 33 geschaltet ist, über die von den Schaltungen 27 gebildete Impedanz entladen. Diese Entladung erfolgt jedoch nur teilweise. Zwischen den Impulsen, wenn der Transistor 25 abgeschaltet ist, wird der Kondensator 31 auf die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 33 aufgeladen. Der Widerstand 29 weist jedoch einen ausreichend hohen liiert auf, damit der Stromfluß gering gehalten wird.

Bei anderen Werten als den vorstehend angegebenen, ergeben eine Versorgungsspannung von 12 UoIt Gleichspannung und eine Zenerspannung von 10 WoIt, ein Kondensator 31 mit 1Qü/<^ F und ein Widerstand 29 mit 30k0hm einen zufriedenstellenden Betrieb mit einem Konstantstrom von 100 Mikroampere.

Bei solchen Bedingungen entlädt sich der Kondensator 31 im Betrieb nur um 10 %, beispielsweise von 10 UoIt auf 9 Volt Gleichspannung, und eine Wiederaufladung um nur 1 Volt stellt das Gleichgewicht wieder her.

Die hier beschriebene Erfindung kann auch bei Ionisations-Rauchdetektoren und anderen weniger bekannten Systemen angewendet werden. Sie kann auch bei batteriebetriebenen Systemen Anwendung finden. Eine typische Anordnung für Batteriebetrieb ist in Figur 5 gezeigt.

Eine Batterie 41 weist einen inneren Widerstand 43 auf, der sich verändert, während die Batterie entladen wird, obwohl die Spannuni ungefähr konstant bleibt. Es wird kein Regler benötigt, und der Abrufsignalgenerator 16 ist direkt an die Batterie 41 angeschlossen. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen schaltet der Abrufsignalgenerator 16 ein Gatter 25 pulsierend, um den periodischen Betrieb der Schaltungen 27 zu bewirken. In diesem Falle dient jedoch der Speicherkondensator 31 nur dazu, die Erhöhung des Batteriewiderstandes bei Entladung der Batterie zu kompensieren.

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Es kann auch eine Batterieüberwachung vorgesehen sein, um ein Warnsignal bei zu niedriger Batteriespannung zu erzeugen. Um dies zu erreichen, wird eine Überwachungsschaltung 45 hinzugefügt, und auch diese wird pulsierend betrieben, um im Hinblick auf Stromeinsparung einen periodischen Betrieb zu erzielen. Figur 6 zeigt Einzelheiten der Überwachungsschaltung, die einfach als Vergleicherschaltung ausgebildet ist.

Wenn das Gatter 25 die Schaltung erregt, so wird eine Spannung U an der Verbindung zwischen den Spannungsteilerwiderständen 51 und 53 erzeugt. Eine einstellbare Referenzspannung V_R wird am Abgriff eines Potentiometers 5Θ erzeugt, welches mit den Widerständen 55 und 57 einen zweiten Spannungsteiler an der Zenerdiode 33 bildet, wobei die Gesamtspannung V₇ ist. Die Werte der Schaltung werden derart gewählt, daß bei voll aufgeladener Batterie V größer ist als \l_o und ein hoch liegendes Ausgangssignal am Vergleicher 59 erzeugt wird, dessen Eingangssignale U₀ und V sind. Bei abfallender Batteriespannung V₇ neigt die

Π S L

Zenerspannung wegen der Reihenschaltung aus einem Widerstand und dem Abrufsignalgenerator und wegen der Natur des Zenereffektes dazu, konstant zu bleiben, und folglich bleibt V_R ebenfalls konstant. Andererseits sinkt der Wert von V ab, bis er schließlich unter V_R absinkt, sodaß die Eingangsgrößen des Vergleichers 59 vertauscht werden und dadurch ein Alarmsignal ausgelöst wird. Der Kondensator 63 liegt am Widerstand 57 und einem abgegriffenen Teil des Potentiometers 58. Damit wird gewährleistet, daß V seinen stabilen Wert vor V_R erreicht und eine fehlerhafte Ansteuerung des Vergleichers 59 vermieden wird.

eerseite

Claims

27A2338 Elias Ezekiel Solomon, Duxbury, lYlass./USA Patentansprüche

1.}Rauchdetektor mit ainer Einrichtung zum Abtasten hinsicht-

ich der Anwesenheit von Rauch, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf Änderungen der Ausgangsgröße der Abtasteinrichtung (20) ansprechende und dadurch erregbare Alarmeinrichtung und eine Stromquelle (12, 43) für die Abtasteinrichtung (20) und die Alarmeinrichtung vorgesehen sind und daß damit ein Abrufsignalgenerator (16) kombiniert ist, der zwischen die Stromquelle (12, 43) und die Abtasteinrichtung (20) geschaltet ist und diesen Impulse zuführt, sc/daß diese periodisch betrieben werden.

2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromauelle (12) eine ungeregelte Spannungsnuelle und einen Spannungsregler enthält und daß der Abrufsignalgenerator (16) zwischen die ungeregelte Spannungsauelle und den Spannungsregler geschaltet ist, sodaß der Spannungsregler periodisch in Betrieb ist.

3. Rauchdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (20) eine Strahlungsquelle (18) und ein für Strahlungsenergie empfindliches Element aufweist, die derart angeordnet sind, daß sie zusammen wirken, wobei das Vorhandensein von Rauch in der Nähe der Strahlungsauelle und des dafür empfindlichen Elements die dazwischen wirksame Beziehung verändert und den Betrieb der Alarmeinrichtung verursacht.

4. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speicherschaltung (31) an die Stromauelle (43) angeschlossen ist, daß eine Einrichtung zum teilweisen Entladen der Speicherschaltung durch die Abtasteinrichtung während

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deren periodischen Betriebs und eine Einrichtung zum Aufladen der Speicherschaltung mährend der Zeitintervalle zwischen dem periodischen Betrieb der Abtasteinrichtung vorgesehen sind.

5. Rauchdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daO die Strahlungsquelle einen Lichtsender enthält und das Abtastelement eine lichtempfindliche Vorrichtung enthält, wobei das Vorhandensein von Rauch in der Nähe des Lichtsenders eine Veränderung der aus der Lichtquelle die lichtempfindliche Vorrichtung erreichenden Lichtmenge und den Betrieb der Alarmeinrichtung bewirkt.

6. Rauchdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsschaltung zur Überprüfung des Zustands der Stromquelle vorgesehen ist, und daß die Überwachungsschaltung im Hinblick auf periodischen Betrieb an den Abrufsignalgenerator angeschlossen ist und eine Vergleicherschaltung aufweist, die eine Einrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Referenzspannung, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Prüfspannung, die sich mit dem Zustand der Stromquelle ändert, eine Einrichtung zum periodischen Vergleichen der liierte der Prüf spannung und der Referenzspannung und eine Alarmeinrichtung umfaßt, die ansprechend auf einen Abfall der Prüfspannung unter die Referenzspannung arbeitet.

7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Einstellen der Referenzspannung zur Bestimmung des Punktes, an dem die Alarmeinrichtung wirksam wird, vorgesehen ist.

8. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsschaltung an die Einrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Referenzspannung vorgesehen ist, durch die der Vergleich der Prüfspannung mit dieser verzögert wird, bis die Prüfspannung einen stabilen UJert erreicht hat.

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