DE3227170C2

DE3227170C2 - Verfahren zur Signalisierung über eine Beleuchtungsanlage

Info

Publication number: DE3227170C2
Application number: DE19823227170
Authority: DE
Inventors: Carl Heinz Dr. 6930 Eberbach Sturm
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1982-07-21
Filing date: 1982-07-21
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3227170A1

Abstract

Zur Signalisierung bestimmter Vorgänge, Anweisungen oder Informationen über eine Leuchtstofflampen (10, 12, 14) enthaltende Beleuchtungsanlage in Gebäuden oder untertage wird der Versorgungsstrom für die Beleuchtungsanlage in bestimmtem Rhythmus ausgeschaltet bzw. reduziert, wobei während der Signalisierungstakte die Abschaltung bzw. Reduzierung des Versorgungsstromes mit einer die Flimmer- bzw. Flickerempfindlichkeit des Auges berücksichtigenden Frequenz, von vorzugsweise 5-15 Hz erfolgt. Damit wird die Lebensdauer der Leuchtstofflampen deutlich erhöht. Die Ausschaltung bzw. Reduzierung der Versorgungsspannung er folgt über ein Lastrelais (26), das von einem Impulsgeber (28) angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgabe von Signalen über eine Beleuchtungsanlage vorzugsweise in einem Bergwerk unter Tage, welche Beleuchtungsanlage Entladungslampen mit nicht vorheizbaren Elektroden und gegebenenfalls Glühlampen umfaßt, wobei die Signalisierung durch wiederholtes Ein- und Ausschalten oder durch wiederholtes Reduzieren der Stromversorgung der Beleuchtungsanlage erfolgt.

In künstlich beleuchteten Betriebsstätten mit hohem Geräuschpegel, insbesondere in Bergwerken, wird die Allgemeinbeleuchtung, d. h. die gesamte Beleuchtungsanlage, zur Signalisierung bestimmter Betriebs- oder Gefahrenzustände verwendet. Auch in anderen Gebäuden, in denen die Beleuchtung ständig benutzt wird, wie z. B. in Fabrikhallen, Schulen. Verkaufshallen und dergleichen, kann diese Signalisierung über die Allgcmeinbeleuchtung die Sicherheit beträchtlich erhöhen, weil die Signalisierung über die Beleuchtung von Jedermann erfaßt werden kann, was bei akustischen Signalisierungen oft nicht der Fall ist In Bergwerken beispielsweise wird vor Wiederanlauf eines Materialförderbandes die gesamte Beleuchtung eine Zeitdauer von 5 bis 10 see lang in Abständen von 0,5 bis 1 see ausgeschaltet Da die Untertagestrecken — um weniger Schächte -mit umfangreichen oberirdischen Anlagen errichten zu müssen — immer verzweigter und langer geworden sind, erhöhte sich dadurch die Bedeutung der Signalisierung über die allgemeine Beleuchtung.

Solange Glühlampen Γη der Beleuchtungsanlage verv/endet werden, hatte dieses eingeführte und bewährte Signalverfahren auf die Lampenlebensdauer keinen nachteiligen Einfluß. Glühlampen nämlich haben praktisch keine Einschaltabnutzung.

Leuchtstofflampen oder andere 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 erforder-Hch 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.

Der hohe Lampenverschleiß in den Anlagen, insbesondere Untertage, ist schon seit J?Ven bekannt; dennoch gab es bisher nur für Beleuchtungsanlagen mit sogenannten Standardleuchtstofflampen (Glühstartlampen) eine befriedigende Lösung dieses Problems (DE-AS 10 49 746).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Lebensdauer der Entladungslampen ohne vorheizbare Elektroden bei Signalisierung von Gefahren- oder Betriebszuständen über die allgemeine Beleuchtungsanlage kaum verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Ausschaltzeit bzw. das Maß der Versorgungsstromreduzierung so gewählt wird, daß die Elektrodentemperatur und Ionisierung einen von der Art der in der Beleuchtungsanlage verwendeten Entladungslampen abhängigen Mindestwert nicht unterschreitet.

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 Versorgiingsstromes in der Größenordnung

b5 von 5 bis 15Hz liegt, dann ist die Erkennbarkeit der Signalisierung auch bei kleinen Amplituden am günstigsten.

Da das erfindungsgema'ße Verfahren an der eigcntli-

chen 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 Tastverhältnis, 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 und die Ionisierung des Gases in der Lampe nur geringfügig absinkt, wird :die Lebensdauer der eingesetzten Entladungslampen gegenüber den normalen Betriebsbedingungen ohne Signalisierung — Dauerbetrieb — kaum verringert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Glühismpen haben praktisch keine Lebensdauerverringerung bei hoher Einschalthäufigkeit.

Versuche haben ergeben, daß bei Entladungslampen für die höchstzulässige Dauer der iStromreduzierung oder Stromunterbrechung die thermische Zehkonstante der Lampenelektroden und die Entionisierungszeit der Entladungsstrecke maßgebend sind.

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 Wert der Ionisationserhallung reduziert werden, d.h. auf etwa 5 bis 25% des Nennwertes des Versorgungsstromes.

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 Wiederanzündung oder Lampenstro^ierhöhung auf den Nennwert ohne nachteiligen Einfluß auf die Lebensdauer möglich.

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 Hek transformator) erfolgen, so daß bei derartigen Leuchtstofflampen an sich die geringsten Probleme auftreten (DE-AS 10 49 746).

Bei den in explosions- (Ex) und schlagwettergeschützten (Sch) Leuchten verwendeten Glimmstartlampen ist die Elektrodenwendel nur einseitig an den Anschlußstift des Sockel? (Einstiftsockellampe) angeschlossen. Die Mindestelektrodentemperatur kann bei Verdunkelung der Lampe zum Zweck der Signalisierung durch verringerten Lampenstrom aufrechterhalten werden. Eine zeitlich begrenzte völlige Stromunterbrechung ist möglich, wenn man die thermische Zeitkonstante, d. h. die Abkühldauer, erfaßt und dafür sorgt, daß eine gewisse Mindesttemperatur der Elektroden nicht unterschritten wird.

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 gvößere thermische Energie in den Elektroden gespeichert ist. Dies führt dann dazu, daß die Frequenz der Signalisierung verringert werden kann, bzw. der Lampenstrom auf einen tieferen Wert gebracht werden kann.

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. Anhand der Zeichnung, in der ein Ausfühvungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, soll die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigt
F i g. 1 eine idealisierte Darstellung der Empfindlichkeit des Auges gegen Lichtflickern bei periodischen Spannungsabsenkungen in Prozent der Nennspannung in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Anzahl der Halbwellen der 50-Hz-Netzspannur_;:·, die erforderlich sind, um nach einer bestimmten Aassehaitdaiier die Leuchtstofflampe wieder zu zünden,

Fig.3 eine graphische Darstellung der Abkühlzeit der Elektroden einer Leuchtstofflampe,

F i g. 4—6 Taktverhältnisse verschiedener An zur Signalisierung und

F i g. 7 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Lebensdauer einer LeuchtstorfLimpe 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 im 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.

In der F i g. 3 ist dargestellt, wie die Abkühlung einer Elektrode verläuft. Die drei Kurven 1, 2 und 3 zeigen den Abkühlungsverlauf jeweils abhängig von drei unterschiedlichen Anfangstemperaturen. Die Zeitdauer, bis zu der sich die Elektroden bis auf die Temperatur &_E abgekühlt haben, beträgt, ausgehend von dem Abschalt-Zeitpunkt fo bei der Kurve 1 t\, bei der Kurve 2 fc und bei der Kurve 3 ti. Die Zeitdauer fi —fo ist, wie aus F i g. 3 zu ersehen und auch einleuchtend ist. kleiner als die Zeitdauer f₂—1₀ und diese wiederum kleiner als die Zeitdauer /3-/0. Je nach Temperatur zu Beginn der Ausschaltung hat man also unterschiedliche Zeiträume zur Verfügung, in denen die Temperatur der Elektrode einen bestimmten Wert nicht unterschreitet. Die Temperatur der Elektrode ist nun bedeutsam für das Verhalten beim Wiederzür-den. In der Fig.2 ist als Beispiel nach Messungen an einer Lampe 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 Elektrode austreten können und so ein Stromfluß sich wieder einstellt. Wenn beispielsweise die Ausschaltdauer 400 msec betrug, dann benötigte die Leuchtstofflampe vier Halbwellen, um wieder voll zu

6J brennen, und bei einer Ausschaltdauer von 1100 msec waren insgesamt 14 Halbwellen erforderlich. Es ist verständlich, daß eine Ausschaitdauer von einer see (1000 msec) mit der sroßen Zahl von Halhwpllpn 7nm

Start für die Leuchtstofflampen und insbesondere für die Elektroden sehr schädlich ist.

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. 200 msec eindeutig von einer Neuzündung oder Neustart sprechen. Wiederzündungen sind für die Lebensdauer deutlich günstiger als Neuzündungen.

Von der Überlegung, daß die Wiederzündungen günstiger sind als Neuzündungen, geht die Erfindung aus. In der F i g. 1 ist dargestellt, wie sich die Empfindlichkeit des Auges gegenüber periodischen Spannungsabsenkungen 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 ! und 2% ücgcr. rnaS. Geht man aus von der Erkenntnis der F i g. 2, daß eine Ausschaltzeit von 200 msec und kleiner für die Lebensdauer für die Leuchtstofflampe am günstigsten ist, und berücksichtigt man femer, daß bei einer Ausschaltdauer von 30 msec die Frequenz des Flickern etwa 10 Hz beträgt, dann kommt man zu dem Schluß, daß eine Signalisierung am optimalsten zu erkennen ist, und dabei auch die längste Lebensdauer bewirkt, wenn eine Spannungsabsenkung beispielsweise größer als 1 % mit einer Frequenz von 8,3 Hz (ca. 9 Hz) erfolgt Diese Frequenz von ca. 9 Hz entspricht einer Ein-Aus-Schaltspieidauer von ca. 120 msec mit einer Ausschaltdauer von ca. 60 msec Diese Ausschaltdauer von ca. 60 msec liegt deutlich unterhalb 200 msec, so daß eine Wiederzündung in diesem Falle erfolgt, nicht aber eine Neuzündung bzw. ein Neustart Wenn man die Signalisierung 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 Maß der Absenkung der Stromversorgung groß genug ist, größer jedenfalls als ein Prozent, eine optimale Signalisierungsmöglichkeit

Man kann, wie aus den F i g. 4 bis 6 hervorgeht, die Ausschaltzeit in bestimmten Grenzen frei wählen. Man erkennt in F i g. 6 einen Anfangsstrom /; mit einer Ausschaltzeit von f'i, entsprechend einer bestimmten Frequenz zwischen 5 bis 15 Hz. Erhöht man den Anfangsstrom auf /2 (F i g. 4), dann wird auch die Elektrodentemperatur erhöht so daß dadurch die Ausschaltzeit tΊ erhöht werden kann. Senkt man lediglich den Versorgungsstrom auf /_ ab. dann kann die Absenkdauer auf einen Zeitraum f 4 vergrößert werden. Der Versorgungsstrom wird also aufgrund von I\ und h erhöht, und zwar kurz vor Beginn der Signalisierung. Die zeitweilige Absenkung des Stromes auf I₃ dauert dann u, bevor der Strom /3 wieder auf h erhöht wird, usw. Der Zeitraum t\>t'2>t'\. In allen drei Fällen wird eine bestimmte Mindesttemperatur nicht unterschritten, so daß eine Wiederzündung, nicht aber eine die Lebensdauer der Leuchtstofflampe herabsetzende Neuzündung erreicht wird. Aus F i g. 4 bis 6 ist ersichtlich, daß durch geeignete Maßnahmen (Stromerhöhung vor oder während der Signalisierung) die Ausschaltfrequenz bzw. die Spielfrequenz variiert werden kann.

Die F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine Beleuchtungsanlage, die aus der Parallelschaltung von beispielsweise drei Leuchtstofflampen 10, 12, 14 besteht natürlich 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 einnr gemischt-induktiv-kapazitiven 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.

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:

0 j^ CVUl 11 I ^ JIl C^ \* Cl CC CI C^J S^ βί I CCt IiClJ JJICC ^^IC J^^ C C U J CJ C^ IC J^ ^J t ™

fall charakteristischen Flicker-Taktfolge oder ein sonstiges Programm eingegeben werden, beispielsweise eine Flicker-Signalfolge, die den Wiederanlauf eines Förderbandes signalisieren soll. Die Signalisierung erfolgt dann einfach dadurch, daß eine bestimmte Zeitdauer lang ein Flickern zu sehen ist: entweder ein Dauerflickem ca. 1 min lang, oder ein getaktetes Flickern, bei dem der Flickervorgang in jeweils 3 see aufrechterhalten bleibt und dar c. auch wieder für 3 see abgeschaltet wird und dergleichen. Es ist bekannt, daß das Flickern 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 erkennbar ist, wenn eine Signalisierung Untertage erfolgt, also dann, wenn die Beleuchtungsverhältnisse schon von vorne herein sehr problematisch sind.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann jede normale Beleuchtungsanlage nachträglich umgerüstet werden, ohne daß besondere Umbauten erforderlich sind. Man wird einfach in die Stromversorgung ein entsprechendes Lastrelais, einen Impulsgeber und einen Einschaltdrucktaster einsetzen, wobei alle drei Elemente für den Bereich Untertage schlagwettergeschützt gekapselt sein sollten. Wie sich herausgestellt hat, sind die Lebensdauerverhältnisse wie folgt:

a) Beginn des Lebensdauerendes bei Signalisierung von Hand mit einer Ein-Ausschaltfrequenz von 1 see:

nach 7000 Schaltungen,

weil hierbei Neuzündungen erfolgen;

b) noch keine erkennbare Verringerung der Lampendaten bei Signalisierung mit Impulssteuerung ca. 100 msec Ein- und 100 msec Aus-, also 200 msec Spieldauer

nach 125 000 Schaltungen,

weil hier nur sofortige Wiederzündungen erfolgen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abgabe von Signalen über eine Beleuchtungsanlage, insbesondere in einem Bergwerk unter Tage, welche Beleuchtungsanlage Entladungslampen mit nicht vorheizbaren Elektroden und gegebenenfalls Glühlampen umfaßt, wobei die Signalisierung durch wiederholtes Ein- und Ausschalten oder durch wiederholtes Reduzieren der Stromversorgung der Beleuchtungsanlage erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltzeit bzw. das Maß der Versorgungsstromreduzierung so gewählt wird, daß die Elektrodentemperatur und Ionisierung einen von der Art der in der Beleuchtungsanlage verwendeten Entladungslampen abhängigen Mindestwert nicht unterschreitet

2. Verfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, ds.2 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 wird.

3. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, mit als Hochdruckentladungslampen ausgebildeten Entladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenstrom so weit reduziert wird, daß eine Entionisierung mit Sicherheit nicht eintritt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenstrom auf ca. 5 bis 25% des Nennstromes reduziert wird.

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Abschaltung und/oder Reduzierung des Lampenstromes und ggf. zusätzlich während der Signalisierung die Entladungslampe kurzzeitig mit einem Strom versorgt wird, dessen Wert oberhalb des Nennstromwertes liegt, so daß die Elektrodentemperatur kurz vor Beginn oder während der Signalisierung erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalisierung bestimmter Anweisungen bzw. Informationen, wie z. B. Notfälle, unter Tage Anlaufen eines Förderbandes und dergleichen das Ein- und Ausschalten bzw. eine bestimmte Zeit ggf. mit Unterbrechungen in vorbestimmtem Rhythmus aufrechterhalten wird.