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Verfahren zur Signalisierung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgabe von Signalen über
die Beleuchtungsanlage vorzugsweise in einem Bergwerk unter Tage, welche Beleuchtungsanlage
Leuchtstofflampen und Glühlampen umfaßt, wobei die Signalisierung durch wiederholtes
Ein- und Ausschalten oder durch wiederholtes Reduzieren der Stromversorgung zur
Beleuchtungsanlage erfolgt.
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In künstlich beleuchteten Betriebsstätten mit hohem Geräuschpegel,
insbesondere in Bergwerken, wird die Allgemeinbeleuchtung, d. h. die gesamte Beleuchtungsanlage,
zur Signalisierung bestimmter Betriebs- oder GeXahrenzustande verwendet. Auch in
anderen Gebäuden, in denen die Beleuchtung ständig benutzt wird wie z B. in Fabrikhallen,
Schulen, Verkaufshallen und dergleichen.
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kann diese Signalisierung silber die Allgemeinbeleuchtung die Sicherheit
beträchtlich erhöhen, weil die Signa1 -sierung über die Beleuchtung von Jedermann
erfaßt werden kann, was bei akustischen Si,nalisierunger oft nicht der
Fall
ist. In Bergwerken beispielsweise wird vor wieder anlauf eines Materialförderbandes
die gesamte Beleuchtung eine Zeitdauer von 5 bis 10 sec. lang in Abständen von 0,5
bis 1 sec. ausgeschaltet. Da die Untertagestrecken - um weniger Schächte mit umfangreichen
oberirdischen Anlagen errichten zu müssen - immer verzweigter und länger geworden-sind,
erhöhte sich dadurch die Bedeutung der Signalisierung über die allgemeine Beleuchtung.
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Solange Glühlampen in der Beleuchtungsanlage verwendet werden, hatte
dieses eingeführte und bewährte Signalverfahren auf die Lampenlebensdauer keinen
nachteiligen Einfluß. Glühlampen nämlich haben praktisch keine Einschaltabnutzung.
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Leuchtstofflampen oder Entladungslampen bringen gegenüber der Glühlampe
lichttechnisch große Vorteile. Wenn die bei Glühlampen problemlosen Signalisierungsverfahren
bei Leuchtstofflampen angewandt werden, verringert sich die Lebensdauer so stark,
daß je nach Anzahl der Signalisierungen oft mehrmals im Jahr ein Austausch der Leuchtstofflampen
erforderlich wird. Sicherheitstechnische Gründe ließen die verantwortlichen Fachleute
bei der Einführung der Leuchtstofflampen in explosions-und/oder schlagwettergefährdeten
Betriebsstätten zu der Entscheidung kommen, Lampen mit vorgeheizten Elektroden nicht
mehr zu verwenden und nur noch starterlose Glimmstartlampen einzusetzen. Diese Glimmstartlampen
haben zur Verminderung der notwendigen Startspannung bei kalten Elektroden auf der
Innenseite der Röhrenwand in Längsrichtung zwischen den beiden Elektroden einen
Widerstandsstreifen, der einseitig mit einer Elektrodenzuführung verbunden ist.
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Der hohe Lampenverschleiß in den Anlagen, insbesondere Untertage ist
schon seit Jahren bekannt; dennoch gab es bisher keine befriedigende Lösung dieses
Problemes.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit dem die Lebensdauer der Leuchtstofflampen bei Signalisierung
von Gefahren- oder Betriebszuständen über die allgemeine Beleuchtungsanlage kaum
verringert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß die Ausschaltzeit bzw. das MaR der Versorgungsstromreduzierung
so gewählt wird, daß die Elektrodentemperatur und Ionisierung einen von der Art
der in der Beleuchtungsanlage verwendeten Entladungslampen abhängigen Mindestwert
nicht unterschreitet.
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In bevorzugter Weise wird die Taktfrequenz für das Ein-und Ausschalten
bzw. für die- Reduzierung des Versorgungsstromes im Frequenzbereich der optimalen
Flimmerempfindlichkeit des menschlichen Auges, also vorzugsweise im Bereich zwischen
5 und 15 Hz gewählt und die Tatsache ausgenutzt, daß das menschliche Auge das Flimmern
einer Lichtquelle sehr genau registriert. Wenn die Ein- bzw. Ausschaltfrequenz oder
die Reduzierung des Versorgungsstromes in der Größenordnung von 5 bis 15 Hz liegt,
dann ist die Erkennbarkeit der Signalisierung auch bei kleinen Amplituden am günstigsten.
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Da das erfindungsgemäße Verfahren an der eigentlichen Beleuchtungsanlage
keine änderungen erfordert, sondern lediglich eine zusätzliche Steuerungsanordnung,
die an einer Zentralstelle vorgesehen werden kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch für die umfangreichen bereits installierten Anlagen verwendbar. Das Tastver-
hältnis,
d . h. die Ein- und Ausschaltdauer sowie die Höhe der Speisespannung für die Beleuchtung
ist den Eigenschaften der Lampen angepaßt und aufgrund der Tatsache, daß die Temperatur
der Elektroden nur geringfügig absinkt, wird die Lebensdauer der eingesetzten Leuchtstofflampen
gegenüber den normalen Betriebsbedingungen ohne Signalisierung - Dauerbetrieb -
kaum verringert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Glühlampen haben praktisch keine Lebensdauerverringerung bei hoher
Einschalthäufigkeit.
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Versuche haben ergeben, daß bei Entladungslampen für die höchstzulässige
Dauer der Stromreduzierung oder Stromunterbrechung die thermische Zeitkonstante
der Lampen elektroden und die Entionisierungszeit der Entladungsstrecke maßgebend
sind.
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Hochdruckentladungslampen (Metalldampflampen) arbeiten bei sehr hohen
Elektrodentemperaturen und erhöhtem Druck in der Entladungsstrecke. Für die Zwecke
der Signalisierung darf der Lampenstromkreis bei derartigen Lampen nicht völlig
unterbrochen werden; er soll nur bis auf den ert der lonisationserhaltung reduziert
werden, d.h.
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auf etwa 5 bis 25% des Nennwertes des Versorgungsstrornes.
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Niederdruckentladungslampen, also Leuchtstofflampen, arbeiten bei
vergleichsweise niedrigen Elektrodentemperaturen (400 bis 8000C) und geringem Druckanstieg
in der Entladungsstrecke. Wenn bei kurzzeitiger Stromunterbrechung oder längerer
Stromreduzierung die Elektrodentemperatur einen Mindestwert nicht unterschreitet,
so
ist eine sofortige Wiederzündung oder Lampenstromerhöhung auf
den Nennwert ohne nachteiligen Einfluß auf die Lebensdauer möglich.
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Bei sogenannten Standardleuchtstofflampen (Glühstartlampen) kann die
Erhaltung der Elektrodentemperatur bei einer Lampenstromunterbrechung oder bei Reduzierung
mittels Strom über die zwei Anschlußstifte zur Heizwendel (z.B. über einen Heiztransformator)
erfolgen, so daß bei derartigen Leuchtstofflampen an sich die geringsten Probleme
auftreten.
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Bei den in explosions- (Ex) und schlagwettergeschützten (Sch) Leuchten
verwendeten Glimmstartlampen ist die Elektrodenwendel nur einseitig an den Anschlußstift
des Sockels (Einstiftsockellampe) angeschlossen. Die Mindestelektrodentemperatur
kann bei Verdunkelung der Lampe zum Zweck der Signalisierung durch verringerten
Lampenstrom aufrecht erhalten werden. Eine zeitlich begrenzte völlige Stromunterbrechung
ist möglich, wenn man die thermische Zeitkonstante, d.h. die Abkflhldauer erfaßt
und dafür sorgt, daß eine gewisse Mindesttemperatur der Elektroden nic-ht unterschritten
wird.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es
möglich, unmittelbar vor der Abschaltung oder Reduzierung des Lampenstromes, also
unmittelbar vor der oder auch zusätzlich während Signalisierung, die Lampe kurzzeitig
mit Überstrom zu betreiben; dadurch wird die Temperatur in den Elektroden geringfügig
erhöht, so daß eine gröRere thermisch Energie in den Elektroden gespeichert ist.
Dies führt dann dazu, daß die Frequenz der Signalisierung verringert werden kann,
bzw. der Lampenstrom auf einen tieferen inert gebracht werden kann.
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In den geschilderten Betriebsfällen tritt bei Leuchtstofflampen keine
Verringerung der Lebensdauer durch Schalthandlungen auf, weil die erforderliche
Mindestelektrodentemperatur nicht unterschritten wird. Zweckmäßigerweise wird die
Ein- und Ausschaltung der Leuchten entsprechend der Frequenz der Versorgungswechselspannung
vorgenommen, wobei die Ein- und Ausschaltung im Stromnulldurchgang erfolgen soll.
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Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, soll die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt: Fig. 1 eine idealisierte Darstellung der Empfindlichkeit
des Auges bei einer Spannungsabsenkung, ausgehend von der Nennspannung, in Prozent
mit einer bestimmten Frequenz, Fig. 2 eine graphische Darstellung der Anzahl der
Halbwellen, die erforderlich sind, um nach einer bestimmten Ausschaltdauer die Leuchtstoffiampe
wieder zu zünden, Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abkühlzeit der Elektroden
einer Leuchtstofflampe, Fig. 4-6 Taktverhältnisse verschiedener Art zur Signalisierung
und Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Lebensdauer einer Leuchtstofflampe hängt zum Teil auch von der
Anzahl der Zündungen bzw. Starts ab. Wenn Leuchtstofflampen im kalten Zustand gestartet
werden, ist die Lebensdauer gegenüber einem Start in warmen Zustand deutlich verringert.
Man wird also dann, wie allgemein bekannt, damit zu rechnen haben, daß eine manuelle
Signalisierung durch Ein- und Ausschalten einer Leuchtstofflampe dann zu einer starken
Verringerung der Lebensdauer führt, wenn nach dem Ausschalten Zeit genug bleibt,
daß sich die Elektroden abkühlen können.
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In der Fig. 3 ist dargestellt, wie die Abkühlung einer Elektrode verläuft.
Die drei Kurven 1, 2 und 3 zeigen drei unterschiedliche Abkühlverhältnisse, jeweils
abhängig von bestimmten Anfangstemperaturen. Die Zeitdauer, bis zu der sich die
Elektroden bis auf die Temperatur e abgekühlt haben, beträgt, ausgehend von dem
Abschaltzeitpunkt Eo bei der Kurve 1 T1, bei der Kurve 2 T2 und bei der Kurve 3
T3. Die Zeitdauer T1 minus Tg ist, wie aus Fig. 3 zu ersehen und auch einleuchtend
ist, kleiner als die Zeitdauer T2 minus TO und diese wiederum kleiner als die Zeitdauer
T3 minus Tg. Je nach Temperatur zu Beginn der Ausschaltung hat man also unterschiedliche
Zeiträume zur Verfügung, damit die Temperatur der Elektrode einen bestimmten Wert
nicht unterschreitet. Die Temperatur der Elektrode ist nun bedeutsam für das erhalten
beim Wiederzünden. In der Fig. 2 ist dargestellt, wie lange es dauert, bis nach
einem Ausschalten ein Wiederzünden erfolgt. Solange die Ausschaltzeit kleiner ist
als ca. 220 msec., wird sofort nach Wiedereinschalten gezündet. Dies liegt daran,
daß die Temperatur der Elektroden noch hoch genug ist, daß sofort in ausreichendem
Maße Elektronen aus der Elek-
trode austreten können und so ein
Stromfluß sich wieder einstellt. Wenn beispielsweise die Ausschaltdauer 1400 msec.
betrug, dann benötigte die Leuchtstofflampe vier Halbwellen, um wieder zu zünden,
und bei einer Ausschaltdauer von 1100 msec. waren insgesamt 14 Halbwellen erforderlich.
Es ist verständlich, daß eine Ausschaltdauer von einer sec. (1000 msec.) mit der
großen Zahl von Halbwellen zur Wiederzündung für die Leuchtstofflampen und ins esondere
für die Elektroden sehr schädlich ist.
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Mit anderen Worten: bei einer Ausschaltdauer von unter 200 msec. in
diesem speziellen Versuch konnte man von einer Wiederzündung und bei einer Ausschaltdauer
von größer als ca. 200msec. eindeutig von einer Neuzündung sprechen. Wiederzündungen
sind für die Lebensdauer deutlich günstiger als Neuzündungen.
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Von der Überlegung, daß die Wiederzündungen günstiger sind als Neuzündungen,
geht die Erfindung aus. In der Fig. 1 ist dargestellt, wie sich die Empfindlichkeit
des Auges gegenüber einer Spannungsabsenkung der Netzspannung mit einer bestimmten
Frequenz ändert. Man erkennt aus Fig. 1, daß dann, wenn die Frequenz der Spannungsabsenkung
im Bereich von 5 bis 20 Hz liegt, die Spannungsabsenkung nur zwischen 1 und 2 %
liegen muß. Wählt man also - ausgehend von der Erkenntnis der Fig. 2, daß eine Ausschaltzeit
von 200 msec. und kleiner für die Lebensdauer für die Leuchtstofflampe am günstigsten
ist berücksichtigt man ferner, daß bei einer Ausschaltdauer von 200 msec. die Frequenz
des Flickern auf etwa 10 Hz beträgt, dann kommt man zu dem Schluß, daß eine Signalinierung
am optimalsten zu erkennen ist, und dabei auch die längste Lebensdauer bewirkt,
wenn eine Spannungsabsenkung beispielsweise größer als 1g mit einer Frequenz
von
ca. 9 Hz erfolgt. Diese Frequenz von 9 Hz entspricht einer Ein-Aus-Schaltspieldauer
von ca. 110 msec. mit einer Ausschaltdauer von ca. 55 msec.. Diese Ausschaltdauer
von ca. 55 mseo. liegt deutlich unterhalb 200 msec., so daß eine Wiederzündung in
diesem Falle erfolgt, nicht aber eine Neuzündung bzw. ein Neustart.
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Wenn man die Sinalisierung also mit einem derartigen Lichtflickern
von 9 Hz vornimmt, d.h., wenn man die Leuchtstofflampe mit einer Frequenz von 9
Hz ein- und ausschaltet oder wenn man mit einer Frequenz von 9 Hz die Stromversorgung
absenkt, dann erhält man, wenn das MaR der Absenkung der Stromversorgung groß genug
ist, größer jedenfalls als ein Prozent, eine optimale Signalisierungsmöglichkeit.
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Man kann, wie aus den Fig. 4 bis 6 hervorgeht, die Ausschaltzeit in
bestimmten Grenzen frei wählen. Man erkennt in Fig. 6 einen Anfangsstrom I1 mit
einer Ausschaltzeit von t0, entsprechend einer bestimmten Frequenz zwischen 5 bis
15 Hz. Erhöht man den Anfangsstrom auf I2 (Fig.6), dann wird auch die Elektrodentemperatur
erhöht, so daR dadurch die Ausschaltzeit t2 erhöht werden kann. Senkt man lediglich
den Versorgungsstrom auf I3 ab, dann kann die Absenkdauer auf einen Zeitraum t4
abgesenkt werden. Der Versorgungsstrom wird also aufgrund von I1 und I2 erhöht,
und zwar kurz vor Beginn der Signalisierung. Die zeitweilige Absenkung des Stromes
auf 13 dauert dan t4, bevor der Strom I3 wieder auf 12 erhöht wird, usw.. Der Zeitraum
t4,t2 > t1 In allen drei Fällen wird eine bestimmte Mindesttemperatur nicht unterschritten,so
daR eine Wiederzündung, nicht aber eine die Lebensdauer der Leuchtstofflampe herabsetzende
Neuzündung erreicht wird. Aus Fig. 4-bis 6 ist ersichtlich, daß durch geeignete
Maßnahmen (Sttomer höhung vor oder während der Signalisierung) die Aus-
schaltfrequenz
bzw. die Spielfrequenz variiert werden kann.
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Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur
Durchführung des Verfahrens. Eine Beleuchtungsanlage, die aus der Prallelschaltung
von beispielsweise drei Leuchtstofflampen 1Q, 12, 14 bestehtEnatürlich auch erheblich
mehr-Leuchtstofflampen aufweisen kann, wird aus einer Quelle 16 gespeist. Der Leuchtstofflampe
10 ist eine rein induktive Vorschaltdrossel 18, der Leuchtstofflampe 12 eine Vorschaltdrossel
gemäß einer Steinmetzschaltung mit einer gemischt-induktivkapazitiven Drossel und
der Leuchtstofflampe 14 ein kapazitives Vorschaltgerät 20 vorgeschaltet. Die Steinmetzschaltung
besitzt eine Drossel 22 mit Anzapfung und parallel dazu und zur Leuchtstofflampe
12 eine Kapazität 24.
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Die Versorgung der Beleuchtungsanlage 10, 12, 14 erfolgt von der Stromversorgung
16 über ein elektronisch gesteuertes Lastrelais 26. Das Steuerglied, mit dem das
Lastrelais 26 angesteuert wird, ist ein elektronischer Impulsgeber 28, wobei über
eine Befehlsdrucktaste 30 der elektronische Impulsgeber eingeschaltet werden kann.
Dem elektronischen Impulsgeber 28 kann ein Programm eingegeben werden: Es kann ein
Notfallprogramm mit einer für den Notfall charakteristischen Flicker-Taktfolge oder
ein sonstiges Programm eingegeben werden, beispielsweise eine Flicker-Signalfolge,
die den Wiederanlauf eines F6nderbandes signalisieren soll. Die Signalisierung erfolgt.
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dann einfach dadurch, daß eine bestimmte Zeitdauer lang ein Flickern
zu sehen ist: entweder ein Dauerflickern ca. 1 min. lang, oder ein getaktetes Flickern.
bei dem der Flickervorgang in jeweils 3 sec. aufrecht erhalten
bleibt
und dann auch wieder für 3 sec. abgeschaltet wird und dergleichen. Es ist bekannt,
daß das Fliekern nicht nur beim unmittelbaren Einsehen in die Lampe, sondern auch
am Arbeitsplatz erkennbar ist; es hat sich herausgestellt, daß das-Flickern auch
dann sehr deutlich und sehr klar kennbar ist, wenn eine Signalisierung Untertage
erfolgt, also dann, wenn die Beleuchtungsverhriltnisse schon von vorne herein sehr
problematisch sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann kiese normale Beleuchtungsanlage
nachträglich umgerüstet werden, ohne das besondere Umbauten erforder1ich sind Man
wird einfach in die Stromversorung ein entsprechcndes Lastrelais , einen Impulsgeber
und einen Einschaltdrucktaster einsetzen, wobei alle drei Elemente für den Bereich
Untertage sehlagwettergeschützt gekapselt sein sollten. Wie sich herausgestellt
hat, sind die Leben dauerverhältnisse wie folgt: a) Beginn des Lebensdauerendes
bei Signalisierung von iland mit einer Ein- Ausschaltfrequenz von 1 sec.: nach 7000
Schaltungen, weil hierbei Neuzündungen er folgen; b) Beginn des Lebensdauerendes
bei Signalisierung mit Impulssteuerung ca. 100 nsec. Ein- und 100msec. Aus, also
200 msec. Spieldauer nach 125.000 Schaltungen, weil hier nur sofortige Wiederzündungen
erfolgen.
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