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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ventilierte Umschließungen
um Därnpfe
zu umschließen
und deren Verbreitung zu verhindern, wobei solche Umschließungen üblicherweise
als Rauchabzug bzw. Abzugshaube bekannt sind, insbesondere auf Rauchabzüge, die
zu öffnen
sind, um einen Zugriff auf das Innere zu gestatten, wobei die Öffnung ein unbeabsichtigtes
Entweichen von Rauch bzw. Phrasen zum Äußeren des Abzuges gestatten
kann, und insbesondere auf Rauchabzüge mit einer Steuerung über die
Eintrittsgeschwindigkeit und das Volumen der Nachfülluft.
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Rauchabzüge sind in industriellen und
wissenschaftlichen Einrichtungen wohl bekannt, wo es wünschenswert
ist, die Verteilung von flüchtigen
Substanzen über
den Arbeitsplatz zu verhindern, insbesondere von toxischen Substanzen,
und das Inhalieren von diesen Substanzen durch Personen zu verhindern,
die damit arbeiten. Rauchabzüge
können
in der Größe von Einheiten
variieren, die nur die Hände oder
Arme eines Bedieners zulassen, bis zu großen Einheiten, die eine oder
mehrere Personen und große
Ausrüstungsgegenstände einlassen
können.
Typischerweise weist ein Abzug eine Umschließung mit einem Luftauslaßsystem
auf, um unbelastete Luft in den Abzug zu ziehen, und um Luft und
Rauch mit einer vorbestimmten manchmal variablen Rate vom Inneren
des Abzuges zu einem sicheren Auslaßpunkt entfernt von dem Abzug
zu ziehen. Eine verschließbare Öffnung in
der Umschließung,
wie beispielsweise eine vertikal verschiebbare Tür oder ein Schieber ist typischerweise
vorgesehen, um den Zutritt von Luft und eine mögliche Gegenwirkung durch den Menschen
und Ausrüstungsgegenstände zu gestatten,
wobei Vorgänge
innerhalb des Abzuges ausgeführt
werden.
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Ein übliches Ziel bei der Anwendung
von Rauchabzügen
ist die Verhinderung eines Gegenflußleckes von Rauch durch den
Türweg,
wenn die Tür
offen ist. Es ist eine Strategie, den Luftfluß durch den Abzug zu vergrößern, während die
Tür offen
ist, jedoch kann dieser Vorgang gegenproduktiv sein, da ein vergrößerter Luftfluß eine gesteigerte
Turbulenz innerhalb des Abzu ges bewirken kann, was leicht tatsächlich Verpuffungen
bzw. Stöße von rauchbeladener
Luft bewirken kann, die durch den Türweg ausgestoßen werden.
Zusätzlich
dazu kann die Luft, die zu einem Abzug eingelassen wird und dann
in die Atmosphäre
ausgelassen wird, für
menschliche Bequemlichkeit mit gewissen Kosten konditioniert worden
sein, und es kann daher ein Abzug mit starkem Fluß Energie
verschwenden und sehr teuer zu betreiben sein.
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Das US-Patent 4 741 257, ausgegeben
am 3. Mai 1988 an Wiggin und andere, offenbart ein Steuersystem,
welches den Luftdruck innerhalb und außerhalb eines Abzuges mißt und den
Luftfluß in den
Abzug einstellt, um eine konstante Druckdifferenz aufrecht zu erhalten.
Wenn die Abzugstür
oder der Schieber geöffnet
oder geschlossen wird, steigert oder verringert das System den Fluß der hereinkommenden
Luft, um die Druckdifferenz erneut auszubalancieren, um eine konstante
Luftgeschwindigkeit durch die "Stirnseite" oder den offenen Querschnitt des
Abzuges vorzusehen, und zwar ungeachtet der Position des Schiebers.
Die Annahme, die hinter diesem Steuersystem steht, ist, daß das Aufrechterhalten
einer konstanten Luftgeschwindigkeit durch die Stirnseite der Haube
die optimale Steuerstrategie ist. Die Annahme ist nicht notwendigerweise
wahr, weil sie nicht das ansprechen kann, was die optimale Druckdifferenz
ist, und daher den optimalen Luftfluß durch den Abzug, um einen
Rückfluß zu verhindern. Der
von diesem System angewiesene Fluß kann auch für konditionierte
bzw. klimatisierte Luft verschwenderisch sein. Tracer- bzw. Verfolgungsgasstudien,
die von der Erfinderin ausgeführt
wurden, haben gezeigt, daß Rauchabzüge nicht
inherent sicherer durch Verwendung von einer Geschwindigkeitssteuerung
mit variablem Volumen und fester Stirnseite werden, obwohl Energie
durch eine Verringerung des Durchsatzvolumens eingespart werden kann.
Rauchabzüge,
die unterschiedliche Konstruktionen einsetzen und unterschiedliche
Abmessungen haben, können
unterschiedliche optimale Flußgeschwindigkeiten,
und -volumen haben, die auch Umgebungszuständen unterworfen sind, einschließlich dem
absoluten und variierenden Druck außerhalb des Abzuges, einschließlich von
Luftströmen
und der Aktivität
vor dem Abzug, eine Belas tung innerhalb des Abzuges und die Temperatur
der Nachfülluft,
die in den Abzug eintritt.
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Weiterhin sei hingewiesen auf die
Schrift WO 93/04324, die ein Rauchabzugsteuerverfahren und eine
Vorrichtung offenbart, die die Menge der erforderlichen Nachfülluft reduziert,
um einen Rauchabzug zu betreiben, in dem es gestattet, daß der Rauchabzug
mit einer relativ geringen Stirnseitengeschwindigkeit arbeitet,
wobei ein die Umschließung beeinflussender
Zustand nicht vorhanden ist, wobei dies jedoch das Detektieren des
Auftretens eines die Umschließung
beeinflussenden Zustandes ausführen
kann, wie beispielsweise die Anwesenheit oder die Bewegung eines
Anwenders innerhalb eines ausgewählten
Bereiches der Stirnseite des Rauchabzuges, und welches die Stirnseitengeschwindigkeit
auf ein ausgewähltes
Niveau ansprechend auf eine solche Detektion steigern kann. Wenn
der detektierte Zustand nicht weiter vorhanden ist, bringt die Steuerung
automatisch den Rauchabzug zu der niedrigeren Stirnseitengeschwindigkeit
zurück,
vorzugsweise mit einer Zeitverzögerung.
Ein maximales Ersatzluftvolumen und ein minimales Ersatzluftvolumen
kann auch ansprechend auf eine solche Detektion gesteuert werden.
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Ein typischer Abzug mit Auslaß nach oben hat
im Grunde genommen zwei Zonen, eine bei niedriger Stirnseitengeschwindigkeit
arbeitende Kammer und darüber
eine zweite Kammer, die einen Vortex bzw. Wirbel enthalten kann,
der das Auslaßsystem beliefert.
Es ist herausgefunden worden, daß die Festigkeit und Stabilität des Wirbels
von wesentlich größerer Wichtigkeit
bei der Steuerung des Rückflusses
sind, als die Stirnseitengeschwindigkeit der in den Abzug eintretenden
Luft. Wenn der Luftfluß zu gering
ist, ist der Wirbel instabil und schwach definiert, und ein Rückfluß kann durch
einen offenen Schieber auftreten. Wenn der Luftfluß zu hoch
ist, kann der Wirbel verformt oder zerstört werden und durch eine turbulente
Luftbewegung ersetzt werden, die gestattet, daß Wolken von rauchbeladener
Luft durch die Stirnseite des Abzuges ausgestoßen werden. Wenn der Luftfluß ordnungsgemäß eingestellt ist,
wird ein glatter Wirbel in der oberen Kammer eingerichtet, der in wirkungsvoller
Weise Rauch von der unteren Kammer aufnimmt, wobei ihre Ableitung
zum Abgasauslaß vorgesehen
wird und ein Rückfluß von Rauch
durch die Stirnseite verhindert wird.
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An einer kritischen Position an der
Seitenwand der Wirbelkammer, die durch ein im folgenden beschriebenes
Verfahren zu bestimmen ist, ist eine kritische Druckdifferenz zwischen
der Wirbelkammer und dem Äußeren des
Abzuges vorhanden. Die Druckdifferenz variiert mit dem Luftvolumen,
welches durch den Abzug fließt,
und auch mit dem Prozentsatz des geöffneten Gebietes der Stirnseite.
Ein stabiler Wirbel ist im Fluß laminar,
und unter diesen Umständen
detektiert ein Sensor, der an der kritischen Position in dem Wirbel
angeordnet ist, detektiert minimale Druckfluktuationen zwischen
dem Inneren der Wirbelkammer und dem Äußeren des Abzuges. Dieser Zustand
stellt den optimalen Luftfluß durch
den Abzug und die optimale Druckdifferenz dar. Bei stabilen Wirbelzuständen jedoch
wird der Sensor die kleinen Druckfluktuationen detektieren, die
mit turbulentem oder chaotischem Fluß durch die obere Kammer assoziiert
sind. Das dynamische Steuersystem der vorliegenden Erfindung verwendet
eine Rückkoppelungsabfühlung der
Druckveränderung,
um den Fluß der
Nachfülluft
in die Wirbelkammer von der unteren Kammer zu variieren, um einen
stabilen Wirbel einzurichten und dadurch die abgefühlten Druckveränderungen
zu minimieren.
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Die Messung des Wirbeldruckes an
der Grenzwand erfordert einen Differentialwandler, der in Echtzeitgeschwindigkeit
Drücke
in der Größenordnung
von 0,000381 mm (0,000015 Zoll) Wassersäule messen kann. Bekannte mechanische
Differenzdruckablenkungssensoren sind nicht geeignet, da die Masse
und die Laufdistanz der Membran zu groß sind und die Reaktionszeit
zu gering ist. Bekannte Heißdraht-Widerstandsthermovorrichtungen
(RTD = resistance thermal devices) oder Thermistoren bzw. Temperaturfühler können keine
ausreichende Verstärkung
in der ersten Stufe für
eine Echtzeitmessung vorsehen.
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Es ist ein prinzipielles Ziel der
Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Minimierung
der Turbulenz in der Wirbelkammer eines Rauchabzuges vorzusehen.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung,
verbesserte Steuermittel vorzusehen, um das Entweichen von rauchbeladener
Luft aus einem Rauchabzug gegen den Fluß zu minimieren.
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Es ist noch ein weiteres Ziel der
Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren vorzusehen,
um die Rauchableitungs- bzw. Rauchumschließungsleistung eines Rauchabzuges
zu maximieren, während
der Durchsatz der Nachfülluft
minimiert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden ein System nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch
14 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Kurz beschrieben hat ein System gemäß der Erfindung
einen schnell ansprechenden Differenzdrucksensor, der in einem Ausführungsbeispiel
des beanspruchten Systems zur Steuerung des Luftflusses durch eine
Wirbelkammer verwendet wird, jedoch selbst nicht beansprucht wird,
und an einer kritischen und zu bestimmenden Stelle in der Wand der Wirbelkammer über der
Arbeitskammer positioniert ist. Im Betriebszustand gibt es einen
kleinen kontinuierlichen Luftfluß durch den Sensor in die Wirbelkammer
von außerhalb
des Abzuges wegen dem niedrigeren Druck in der Wirbelkammer. Wenn
das System sehr kleine und sehr schnelle Veränderungen des Druckes in der
Wirbelkammer detektiert, bringt es eine Instabilität in den
Wirbel und signalisiert einer Betätigungsvorrichtung, einen oder
mehrere Dämpfer
einzustellen, um den Luftfluß in
den Wirbel hinein und aus diesem heraus zu verändern, um die Turbulenz zu
reduzieren und den Wirbel zu stabilisieren. Der Sensor kann auch
in einem nicht gesteuerten Betriebszustand verwendet werden, und
zwar als Teil eines Alarmsystems zur Warnung eines Be dieners des Abzuges
bezüglich
eines möglicherweise
gefährlichen
Rückflußzustandes.
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Der Sensor weist ein Paar von passenden
linearen Zehner-Thermodioden an gegenüberliegenden Beinen einer Widerstandsbrücke auf,
welches als Signalwandler wirkt. Eine der Dioden ist mit einer Wärmesenke
verbunden, um mechanisch die passenden Sensoren außer Gleichgewicht
zu bringen, was eine feste Wärmeverlustvorspannung
zwischen den Sensoren vorsieht, was eine elektronische Abweichung
verhindert. Die Brücke
weist einen zweistufigen Ausgangsverstärker auf. Die Sensoren sind durch
identische Stücke
eines Metallrohrs abgeschirmt, die von den Dioden durch Gummiabstandshalter
isoliert sind und differentiell auf die Kühlung von Luft ansprechen,
die über
die Thermodioden läuft.
Luftgeschwindigkeiten werden so kalibriert, daß sie direkt die Veränderung
der Druckdifferenzen zwischen der Innenseite und der Außenseite
des Abzuges anzeigen. Beispielsweise kann eine Brückenausgangsgröße von 2
Volt einer Amplitudenveränderung von
0,000015 Zoll Wassersäule
entsprechen.
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Die linearen Dioden in Kombination
mit der festen mechanischen Wärmedifferenzstruktur
gestatten, daß sehr
kleine Druckveränderungen
an der Wirbelkammerwand gemessen werden, die den Grad der Perfektion
und der Stabilität
des Wirbels zeigen. Eine neuartige Eingangsdüse und eine aerodynamische
Aufnahmeform bringen unerwünschte
Energiewellen von ähnlicher
Größe von Rauschquellen
außerhalb
des Abzuges zurück,
die beispielsweise HVAC-Impulse und Wind in einem Gebäude.
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Es gibt keine allgemeine optimale
Anordnung für
den Sensor für
alle Abzüge.
Es ist ein Verfahren und eine mathematische Formel abgeleitet worden,
um die optimale Stelle für
irgend einen gegebenen Abzug zu bestimmen, und zwar basierend auf der
Höhe und
der Tiefe der Wirbelkammer und auf dem Verhältnis der gemessenen Stirnseitenluftgeschwindigkeiten
an zwei unterschiedlich bemessenen Öffnungen der Stirnseite.
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Die Brücke, die Sensoren und Verstärker aufweist,
ist ein Wirbeldifferentialdruckwandler, der Echtzeitsignale zu einer
extra dafür
vorgesehenen analogen Steuervorrichtung überträgt, und zwar mit proportionalen,
integralen und adaptiven Gain- bzw. Verstärkungsalgorithmen. Die Ausgangsgröße der Steuervorrichtung
wird an eine Betätigungsvorrichtung
gesandt, die die Position eines Bypass- bzw. Überleitungsluftdämpfers in
den Abzug variiert, um das Volumen der Nachfülluft zu variieren, die in
den Wirbel eintritt. Das Steuersystem sucht eine Dämpferposition,
in der eine minimale Druckveränderung durch
den Sensor erfahren wird, was die Anwesenheit eines stabilen Wirbels
anzeigt. Ein zweiter Dämpfer
am Ausgangsschlitz der Wirbelkammer kann auch durch das Steuersystem
manipuliert werden, um dabei zu helfen, den ordnungsgemäßen Luftfluß durch
den Wirbel zu erhalten. Wenn kein Minimum innerhalb des Wirkungsbereiches
der Steuerdämpfer
zu erhalten ist, aktiviert das Ausgangssignal einen Abzugauslaßdämpfer, um
den Auslaßventilator zu
drosseln und das System in die Steuerung der Steuerdämpfer zu
bringen.
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Diese Technik ist insbesondere nützlich bei der
Steuerung von mehreren Rauchabzügen,
die auf ein einziges Auslaßsystem
zusammenlaufen. Es ist unmöglich,
ein zentrales Auslaßsystem
so einzustellen, daß es
optimal mehrere Abzüge
an verschiedenen Stellen innerhalb eines Gebäudes bedient. Die Entdeckung,
wie der Wirbel durch Manipulation von Dämpfern innerhalb des Abzuges
optimiert werden kann, um den Anwender des Rauchabzuges zu schützen, ist
ein sehr wichtiger Fortschritt bei der Sicherheit für den Bedienet.
Das System kann angepaßt
werden, so daß es
einen Alarm bezüglich
eines unsicheren Zustandes liefert, wenn aus irgend einem Grund
der Wirbel nicht durch Betätigung
des Auslaßdämpfers und
des Bypass-Dämpfers stabil
gemacht werden kann. Dieser Alarm basiert nicht auf der Stirnseitengeschwindigkeit,
wie es im Stand der Technik offenbart wurde, sondern auf der Aufnahmequalität des Rauchabzuges.
Diese Technik spart auch Energie ein, da eine niedrige Stirnseitengeschwindigkeit verwendet
werden kann, wenn die Stirnseitenfläche bzw. der Stirnseitenquerschnitt
des Abzuges klein ist (Tür
nahezu geschlossen).
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Die vorangegangenen und andere Ziele, Merkmale
und Vorteile der Erfindung, genauso wie gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele
davon, werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen offensichtlich, in denen die Figuren folgendes darstellen:
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1 eine
vertikale Querschnittsansicht eines Abzuges des Standes der Technik
ohne Abfühlung
und eine aktive Steuerung des Wirbels;
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2 eine
Querschnittsansicht wie jene der 1,
die Wirbelabfühlund
-steuerelemente in einem System gemäß der Erfindung zeigt;
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3 ein
schematischer Querschnitt einer Rauchabzugwirbelkammer, die die
korrekte Anordnung des Wirbeldrucksensors veranschaulicht, die in der
vorliegenden Erfindung nicht beansprucht wird;
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4 zeigt
die Montage der Thermodioden in dem Sensor;
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5 ist
eine Ansicht des Sensors;
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6 ist
eine Querschnittsansicht des Sensors aufgenommen entlang der Linie 6-6 in 5;
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7 ist
eine Querschnittsansicht des Sensors, der zum Betrieb in einem Düsenelement
montiert ist, welches sich durch die Seitenwand der Wirbelkammer
erstreckt;
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8 ist
eine Querschnittsansicht der Eingangskurve der in 7 gezeigten Düse, die Abmessungen zeigt,
die ermöglichen,
daß die
Düse unerwünschte Druckwellen
von außerhalb
der Wirbelkammer zurückweist;
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9 ist
eine schematische Darstellung eines dynamischen Wirbeldruckwandlers,
der die in den 4 und 6 gezeigten Sensoren aufweist;
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10 ist
ein schematisches Diagramm einer adaptiven Verstärkungssteuervorrichtung zur Übertragung
von Eingangssignalen von dem Wirbeldruckwandler in Ausgangssignale
für den
Einstellservo des Rauchabzugprallelementes und den Auslaßdämpfer; und
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11 ist
eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abzuges, der
mit einem Rauchabzugleistungsalarm ausgerüstet ist, der einen Wirbeldrucksensor
und einen Wandler gemäß der Erfindung
aufweist.
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Mit Bezug auf 1 ist ein typischer Rauchabzug 10 des
Standes der Technik mit einem Gehäuse 12 gezeigt, welches
verschiedene Elemente zur Steuerung und Leitung der Bewegung von
Luft in den Abzug hinein, innerhalb des Abzuges und aus diesem heraus
enthält.
Eine vertikal verschiebbare Tür oder
ein Schieber 14 kann variabel eine Öffnung oder eine Stirnseite 16 zum
Zugang von Bedienern und Luft in den Abzug freilegen. Das Innere
des Abzuges weist eine Arbeitskammer 18 auf und darüber eine Wirbelkammer 20 und
kann ein Arbeitslicht 21 aufweisen. Ein Auslaßzug 22 ist
mit einem Ventilator 24 versehen (der in 1 nicht gezeigt ist), der Luft in den
Abzug durch die Stirnseite 16 und den Bodenwischeingang 17 zieht
und diese durch eine Öffnung
in dem Gehäuse 12 ausstößt. Luft,
die durch den Abzug fließt,
tritt vorzugsweise durch eine Stirnseite 16 ein, fließt in die
Nähe eines
hinteren Prallelementes 26 und nach oben zu einem abgewinkelten
Prallelement 28, welches dabei hilft, den Luftfluß in einen
zylindrischen Wirbel 30 zu wälzen. Um für eine Wischwirkung am Boden
des Abzuges zu sorgen, hat der Abzug einen zweiten Luftflußpfad. Prallelemente 26 und 28 sind
von der hinteren Wand 32 beabstandet, um eine Leitung 33 zu
bilden, ebenfalls vom Oberteil 34, um einen Ausgangsschlitz 36 von
der Wirbelkammer 20 zu bilden, und auch vom Unterteil 38,
um einen unteren Schlitz 40 zu bilden. Das Prallelement 26 kann
auch einen dazwischenliegenden Schlitz 42 in der Leitung 33 haben.
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2 zeigt
den Abzug 10, der gemäß eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung modifiziert wird. Die Abfühlstufe 44 eines dynamischen
Differenzdruckwandlers 45, der ein zusammenpassendes Paar
von Zehner- Thermodioden
an gegenüberliegenden
Schenkeln einer elektronischen Brücke aufweist, der genauer im
folgenden beschrieben wird und in 9 gezeigt
ist, ist außerhalb
eines Anschlusses in der Abzugsseitenwand 46 angeordnet, um
kleine Veränderungen
des Luftflusses durch den Anschluß zu fühlen, die aus kleinen Veränderungen des
Druckes innerhalb der Wirbelkammer herrühren, die eine Turbulenz anzeigen.
Eine Turbulenz stellt einen instabilen und unennrünschten
Zustand dar, in dem der Wirbel entweder nicht vorhanden ist oder nicht
perfekt ausgebildet ist, und wobei Rauch wahrscheinlich durch die
Stirnseite des Abzuges entweicht. Wenn solche Veränderungen
abgefühlt
werden, wird ein Signal, welches von einer thermisch eingeleiteten
elektrischen Unausgeglichenheit zwischen den Dioden herrührt, zu
der zweiten Stufe 48 des Wandlers gesandt, der einen Signalverstärker aufweist
und vorzugsweise außerhalb
des Abzuges gelegen ist. Das in Echtzeit verstärkte Signal wird zu einer Rückkoppelungssteuervorrichtung 50 gesandt, vorzugsweise
zu einem schematisch in 10 gezeigten
analogen Computer mit proportionalen, integralen und adaptiven Gain-
bzw. Verstärkungsalgorithmen.
Das Signal kann auch zu einem Alarm bzw. einer Alarmeinrichtung 51 gesandt
werden, die verschiedene Schwellendiskriminatoren haben kann, um
vorbestimmte Alarmgrenzen vorzusehen. Der Ausgang der Steuervorrichtung 50 wird
zu einer Betätigungsvorrichtung 52 gesandt,
vorzugsweise zu einer Gleichstrom-Servostufenmotorbetätigungsvorrichtung,
die einen Ausgangsschlitzdämpfer 54 und einen
Bypass- bzw. Überleitungsdämpfer 56 synchron über eine
Verbindungskette oder ein Kabel 58 bewegt. Um mehr Luft
in den Wirbel einzuführen, wird
der Bypass-Dämpfer 56 so
bewegt, daß er
weiter einschränkt,
daß Bypass-
bzw. Überleitungsluft durch
den unteren Schlitz 40 läuft, und der Ausgangsschlitzdämpfer 54 wird
dahingehend bewegt, daß er
weiter den Ausgangsschilitz 36 öffnet. Im Gegensatz dazu wird,
um die Luft zu verringern, die in den Wirbel fließt, der
untere Schlitz geöffnet,
um Luft durch die Leitung 33 umzuleiten, und der Ausgangsschlitz 36 wird
eingeschränkt.
Das System sucht eine Null bei der Variation des Signals vom Sensor 44, was
anzeigt, daß ein
stabiler Wirbel in der Wirbelkammer vorhanden ist. Wenn keine Null
zu erreichen ist, nimmt das System an, daß der gesamte Luftfluß durch
den Abzug nicht korrekt ist, und signalisiert einer zweiten Betätigungsvorrichtung 53,
daß ein
Drosseldämpfer 55 in
dem Auslaßzug
zu bewegen ist, um den gesamten Durchsatz zu verändern.
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Die korrekte Stelle für den Drucksensor
in der Abzugseitenwand kann für
irgend einen Abzug wie in 3 gezeigt
gemäß des folgenden
Verfahrens bestimmt werden: Als erstes werden alle Eingänge in den
Abzug abgedichtet, wie beispielsweise der Bypass bzw. die Überleitung
zum Abstreifen des Bodens, so daß nur Luft zulässig ist,
die durch die Stirnseite läuft.
Es wird der Schieber in seine maximal geöffnete Position geöffnet.
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Als zweites wird das Volumen des
Rauchabzuges eingestellt, um eine durchschnittliche Stirnseitengeschwindigkeit
von 100 Fuß pro
Minute vorzusehen, und zwar beispielsweise durch Variieren der Geschwindigkeit
des Auslaßventilators
oder durch Einstellung eines Auslaßdämpfers.
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Drittens wird der Schieber um 50%
geschlossen und die durchschnittliche Stirnseitengeschwindigkeit
gemessen. Als viertes wird der im Schritt drei erhaltene Wert durch
100 geteilt, um eine Indexzahl für
den reinen Abzug zu erhalten, die R2 genannt wird:
R2 = 100 f/min / durchschnittliche Stirnseitengeschwindigkeit
f7min
(1)
(1 f = 1 Fuß =
30,48 cm) Als fünftes
wird die Höhe
A und die Tiefe B der Wirbelkammer an den Mittelpunkten des Oberteils
bzw. des Vorderteils bestimmt, und sie wird verwendet, um den Radius
C zu berechnen, der den Ursprung O an dem orthogonalen Schnittpunkt
von A und B gemäß der folgenden
Gleichung hat:
C
= {√(2,98 × AB/π)}/2 (2) Als sechstes
wird die Distanz D vom Ursprung O zur oberen Kante der Stirnseitenöffnung F
gemessen und es wird C von diesem Wert subtrahiert, um X zu erhalten: X = D–C (3) Als siebtes
nimmt man Z = X/2, um einen Anordnungsfaktor b gemäß der folgenden
Gleichung zu berechnen: b
= Z (R2) (4)
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Als achtes ordnet man den Sensor
an einer Distanz (b + Z) entlang der Linie D von der Öffnung F an.
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Die Struktur des Abfühlelementes
ist in den 4 bis 6 gezeigt. Die erste Thermodiode 60 und die
zweite Thermodiode 62 sind elektronisch identisch bezüglich des
thermischen Ansprechens und sind in jeweiligen Schenkeln 64 und 66 der
elektronischen Brücke 45 angeschlossen,
wie in 9 gezeigt. Jede
Diode wird durch eine Länge
eines dünnwandigen
Metallrohrs 70 bzw. 72 abgeschirmt, wobei die Abschirmungsstücke bezüglich der
Größe und des
Materials identisch sind, beispielsweise Messingrohre mit einer
Länge von
0,559 cm (0,220 Zoll) und einem Außendurchmesser von 0,239 cm
(0,094 Zoll) mit einer Wanddicke von 0,015 cm (0,006 Zoll). Jedes
Rohr wird von der Diode durch Gummiabstandshalter 74 isoliert,
um einen gleichförmigen Luftspalt
zwischen dem Sensorglasschnabel und dem Abschirmungsrohr vorzusehen.
Die Diode 60 ist die Referenzdiode in der Brücke. Das
Rohr 72 um die Diode 62 herum ist mechanisch beispielsweise
durch Löten
an der Anodenleitung der Diode angebracht, was eine mechanische
Wärmesenke 73 für die Diode 62 als
Abfühldiode
vorsieht, wobei Wärme
schneller von der Diode 62 als von der Diode 60 abgeleitet wird.
Die Ausgleichsstrombrücke
versucht einen konstanten Strom durch beide Schenkel der Brücke aufrecht
zu erhalten, jedoch Luft, die über
die Dioden läuft,
bewirkt, daß eine
Unausgeglichenheit des Widerstands und des Stroms auftritt, was
ein Trägerausgangssignal
aus der Brücke
erzeugt.
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Diese mechanisch eingeleitete elektrische Aufstellung
sorgt für
mehrere Vorteile. Als erstes verändert
sich die mechanische Unausgeglichenheit niemals und folglich gibt
es keinen Drift mit der Zeit zwischen den zwei Sensoren, wie dies
bei bekannten elektronischen Techniken zur Unausgeglichenheit der
Fall sein kann. Zweitens sorgt die Kombination von linearen thermischen
Dioden mit Metallabschirmungsrohren für eine hohe Verstärkungsabfühlung bei
niedrigen Temperaturen, was das Anbacken von Verunreinigungen verhindert,
wie es bei Heißdraht-Thermowiderstandstemperaturvorrichtungen auftreten
kann. Als drittes können
die bei dieser Konfiguration verwendeten Dioden eine Druckdifferenz von
nur 0,0000381 mm (0,000015 Zoll Wassersäule (wc = water column) abfühlen und
eine verstärkte Ausgangsspannung
aus der Brücke
von 2 Volt Gleichspannung liefern.
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Die Thermodioden mit ihren Abschirmungen sind
an ihren jeweiligen Leitungen 76 und 78 in einem Fenster 80 in
dem Sensorgehäuse 82 montiert.
Die Leitungen sind durch ein Kabel 84 an den Eingangsleitungen
der zweiten Stufe 48 angeschlossen, die erste und zweite
Verstärker 86 und 88 und
andere bekannte Widerstandselemente einer elektronischen Brücke enthalten.
Vorzugsweise sind die Kanten des Fensters gephast, um einen eingeschlossenen
Eingangswinkel a von ungefähr
60° vorzusehen.
Vorzugsweise ist die Verjüngung 90 des
Fensters ungefähr
0,818 cm (0,322 Zoll breit.
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Wie in den 7 und 8 gezeigt,
ist ein Sensorgehäuse 82 in
der Quelle 91 in der Befestigung 92 angeordnet,
und zwar angebracht an der Außenseite 93 der
Abzugseitenwand 46benachbart zu einem Anschluß 94 in
der Seitenwand. Vorzugsweise ist die Befestigung 92 im
wesentlichen kreisförmig
und umgibt den Anschluß 94.
Da Rauschen in Form von Druckimpulsen, die von außerhalb
des Abzuges herkommen, von den Dioden abgefühlt werden kann und eine Erzeugung
von falschen Signalen zur Folge haben kann, ist die Befestigung 92 vorzugsweise
eine ringförmige
Düse, die
effektiv äußere Impulse
von außerhalb
des Abzuges dämpfen
kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Dioden in einem Abstand 96 zwischen 0,508 cm (0,2
Zoll und 8,63 cm (3,4 Zoll) von der Innenseite 98 der Seitenwand 46 angeordnet,
und der Anschluß 94 hat
einen Durchmesser 95 von 1,753 cm (0,690 Zoll). Beginnend
an der Kante der Quelle 91 ist die Düsenform der Befestigung 92 in
einem Krümmungsradius 97 von
1,52 cm (O,600 Zoll) zu einem Punkt gekrümmt, an dem der Durchmesser 100 der Öffnung 3,81
cm (1,5 Zoll) ist, und die Tiefe 101 der Befestigung 92 an der
Quelle 91 0,986 cm (0,388 Zoll) ist. Über den Durchmesser 100 hinaus
krümmt
sich die Oberfläche der
Befestigung nach außen
und definiert eine im wesentlichen parabolförmige Eingangskurve, die sich ungefähr mit einer
Quadratwurzelfunktion des Luftflusses gegenüber dem Differenzdruck über den
vorhergesehenen Betriebsdruckbereich des Rauchabzuges wiederholt,
und zwar auf einen Durchmesser 102 der Öffnung von ungefähr viermal
dem Durchmesser 95 und eine Befestigungstiefe von 1,143
cm (0,450 Zoll. Außerhalb
des Durchmessers 102 ist eine ebene ringförmige Oberfläche 103 0,079
cm (0,031 Zoll breit und im wesentlichen parallel zur Seitenwand 46.
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Weil die Steuerung des Rauchabzugwirbels ein
zeitveränderlicher
nicht linearer Prozeß ist,
wird er in Echtzeit durch Anwendung eines adaptiven Algorithmus
gesteuert. Die selbstadaptive Verstärkungssteuerung 50,
die in 10 gezeigt ist, kompensiert
verschiedene Schleifenverstärkungen
und nimmt den Platz eines menschlichen Rauchabzugbedieners ein,
um Einstellungen an der Steuervorrichtung an unterschiedlichen Schieberpositionen
vorzunehmen. Die Symbole in 10 sind
allgemein akzeptierte Bezeichnungen für die Komponenten in der Steuervorrichtung 50 und
beschreiben den Steueralgorithmus. Entweder eine analoge (wie gezeigt)
oder eine digitale Steuerschleife können den Steueralgorithmus
einrichten. Eine analoge Steuerung wird gegenüber der digitalen aufgrund
der Ansprechgeschwindigkeit bevorzugt.
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Die adaptive Steuervorrichtung regelt
die Systemdämpfung
ohne die Erfordernis einer Echtzeitsteuerung aufzusetzen. Wenn der
Wirbel stetig ist, wird keine Dämpfung
erforderlich sein, und das proportionale Band ist eng. Wenn jedoch
eine Störung
eingeleitet wird, wird sich das Band durch Auftrennung der Abweichung
in Frequenzbänder
aufweiten. Wenn die Oszillationen normal sind, werden sie durch
den Hochfrequenzkanal laufen. Das Signal wird dann gleichgerichtet,
und das Ergebnis wird zu der positiven und negativen Abweichungsanpassungsvorrichtung
gesandt. Der Integrator spricht proportional auf die Abweichung
durch Steigerung des proportionalen Bandes der Steuervorrichtung
an. Gleichzeitig werden niederfrequente Bänder der Abweichung mit der
Verstärkung
K verstärkt,
werden gleichgerichtet und zu dem Integrator gesandt. Irgend eine
Versetzung, Abweichung bzw. Drift oder ein langsames Ansprechen
bewirkt, daß der
Integrator das Proportionalband der Steuervorrichtung absenkt, um
den Wirbel zum Einstellpunkt zurückzubringen.
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Ein Wirbeldifferenzdruckwandler 45 kann auch
als eine Komponente eines alleinstehenden Abzugalarmsystems verwendet
werden, wie in 11 gezeigt.
Für Abzüge, die
nicht mit einer Wirbelsteuervorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet sind, ist
es für
die Bediener wichtig zu wissen, wann der Abzug nicht in einer ordnungsgemäßen Flußsteuerung
ist, und wann der Rückfluß oder Rauchschwaden
auftreten können.
Das Ausgangssignal des Wandlers 45 kann direkt zum Alarm 51 mit
einem Schwellendiskriminator gesandt werden, um Alarmsignale von
dem Trägersignal
zu unterschieden.
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Aus der vorangegangenen Beschreibung wird
offensichtlich sein, daß eine
verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen worden ist,
um eine dynamische Rauchumschließung in einem Abzug zu optimieren,
wobei der Differenzdruck an einer kritischen Stelle in der Wirbelkammer
abgefühlt
wird, und der Luftfluß durch
die Wirbelkammer steuerbar variiert wird, um einen robusten Wirbel
aufrecht zu erhalten. Veränderungen
und Modifikationen der hier beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens
gemäß der Erfindung
werden sich unzweifelhaft dem Fachmann offenbaren. Entsprechend
soll die vorangegangene Beschreibung als veranschaulichend und nicht
im einschränkenden
Sinne aufgenommen werden.