NL2006013C2 - Verlichtingsarmatuur voor verlichting van omgevingen waar explosiegevaar kan bestaan. - Google Patents

Description

CMJ/P93789NL00

Titel: Verlichtingsarmatuur voor verlichting van omgevingen waar explosiegevaar kan bestaan.

De uitvinding heeft betrekking op een verlichtingsarmatuur met ingebouwde beveiligingsschakeling voor toepassing in omgevingen waar explosiegevaar kan bestaan. Armaturen voor toepassing in dergelijke ruimtes moeten aan speciale eisen voldoen. Met name mag een te hoge 5 oppervlakte temperatuur of het ontstaan van een vonk niet tot een explosie leiden als er een explosief gasmengsel in de omgeving aanwezig is. Voor de meeste armaturen wordt er van uit gegaan dat de armatuur niet zo gasdicht gemaakt kan worden, dat binnendringen van een explosief gasmengsel te voorkomen is. Daarom worden in de praktijk andere maatregelen getroffen 10 om explosies te voorkomen. Veel toegepast voor algemene werkruimte verlichting bijvoorbeeld op boorplatforms of in chemische fabrieken zijn armaturen met koud ontstoken fluorescentie lampen, bijvoorbeeld 36 Watt T8 types met een diameter van 26 millimeter en een lengte van 120 centimeter. Deze lampen worden in relatief zware en grote armaturen 15 geplaatst, waarbij een voorschakelapparaat voor het ontsteken van de lampen en het stabiliseren van de lampstroom gebruikt wordt dat op speciale wijze wordt beschermd tegen explosies die zouden kunnen ontstaan tengevolge van interne fouten of warmte bij defecten in het voorschakelapparaat. Zo wordt vaak een zandvulling toegepast voor het 20 voorschakelapparaat in combinatie met een mechanisch zeer sterke kast.

In dit type armaturen kan een noodlichtfunctie wordt geïntegreerd. Daarbij wordt een accubatterij gemonteerd, wordt een laadcircuit voor de accubatterij opgenomen, en wordt bij uitval van de netspanning tenminste één van de lampen, in het algemeen met verminderd vermogen, van 25 spanning voorzien, via het voorschakelapparaat gevoed door genoemde accubatterij.

2

Het nadeel van de bestaande armaturen is dat ze groot en zwaar zijn, dat bij frequent schakelen van de lichtbron de lampen bij het starten relatief snel slijten door de zogenaamde koude lampstart waartegen moderne standaard lage druk fluorescentie lampen zeer slecht bestand zijn.

5 Daardoor is in veel situaties relatief vaak vervanging van de lampen nodig, hetgeen de kosten voor de instandhouding van de licht installatie hoog maakt. Het blijkt dat in de praktijk in armaturen voor de genoemde toepassing, waarbij behalve lucht en waterdamp ook allerlei agressieve gassen of nevels in de buitenlucht aanwezig zijn, dat in bepaalde situaties 10 deze agressieve gassen, nevels of water, vooral in tropische omgevingen, in de armatuur binnendringen. Dit kan schadelijk zijn voor de componenten, tot onveilige situaties leiden door ongewenste kruipstromen of tot corrosie van de interne elektrische verbindingen. Dit kan tot uitval leiden en het kan ook de veiligheid van de armatuur in gevaar kan brengen.

15 Er zijn tegenwoordig lichtbronnen beschikbaar die frequent schakelen wel toelaten en toch een vergelijkbaar rendement, in de lichttechniek aangeduid als efficacy, als fluorescentie lampen hebben, zoals Licht Emitterende Diodes, verder aan te duiden als LEDs, en inductielampen. Deze lichtbronnen voldoen echter ook in het algemeen niet 20 aan de eisen die aan elektrische apparatuur in omgevingen met explosiegevaar gesteld worden, bijvoorbeeld ten aanzien van kruip- en luchtwegen tussen de elektrische aansluitingen, en ook moet de voorschakelapparatuur, nodig voor het voeden van de lichtbronnen op de in de voorgaande genoemde wijze beschermd worden. De levensduur van 25 genoemde lichtbronnen is echter zo groot, dat vervanging van de lichtbron gedurende de levensduur van de armatuur niet nodig is.

In het geval LEDs als lichtbron gebruikt worden, speelt een extra facet een rol, namelijk dat LEDs in tegenstelling tot gangbare lichtbronnen geen gasdichte glas- en metaalomhulling hebben, maar dat de 30 halfgeleiderchip vaak alleen afgedekt is door een laag siliconenmateriaal.

3

Daardoor kan door genoemde omgevingsinvloeden ook de LED voortijdig degraderen. Dit geldt ook voor de elektronische componenten van de voedingsschakeling van de lichtbronnen.

Het doel van de uitvinding is een armatuur voor verlichting van 5 ruimtes met explosiegevaar te verschaffen, met in een bijzonder uitvoeringsvorm de mogelijkheid van noodlicht functionaliteit, met een laag gewicht, die tegen relatief lage kosten kan worden gefabriceerd, waarbij de interne componenten zeer goed beschermd zijn tegen de omgevingsomstandigheden buiten de armatuur, met name tegen agressieve 10 gassen, agressieve nevels of zeer hoge vochtigheid en waarbij vervanging van de lichtbron gedurende de levensduur van de armatuur niet nodig is. Dit doel wordt bereikt door de ruimte binnen de armatuur, die omsloten wordt door de behuizing daarvan en het lichtvenster en waarin de lichtbron(nen) of voedingsschakeling(en) zijn aangebracht, te vullen met 15 tenminste een niet explosief gas, bijvoorbeeld zuiver stikstof. Verder zijn de behuizing en het lichtvenster vervaardigd uit materialen, die slecht of geen of gas en vocht (waterdamp) doorlaten, zodat gas en vocht slecht of niet van buiten de armatuur in de ruimte kunnen doordringen. Niet gasdoorlatende materialen zijn metalen en glas. Theoretisch kan het armatuur geheel uit 20 glas worden opgebouwd, waarbij de toevoer van elektrische energie via ingesmolten metalen pennen plaatsvindt, en de warmteafvoer van de interne onderdelen eveneens via het glas.

Meer praktisch is de uitvoering van metaal en glas waarbij een slecht gas doorlatend materiaal als butylrubber als afdichting tussen metaal en glas 25 gebruikt wordt. Andere mogelijkheden zijn het gebruik van kunststof in combinatie met folies met slechte gasdoorlatende eigenschappen. Degelijke materialen zijn in ontwikkeling als vervanging van glas, voor bijvoorbeeld toepassing als verpakking voor levensmiddelen, als bierfles, en voor verpakking van medicijnen of bewaren van bloedplasma.

30 Voor praktische constructie van een armatuur moet worden voldaan aan de 4 eis dat gedurende de levensduur van het armatuur het binnendringend vocht en zuurstof door vocht en zuursofabsorberende materialen kunnen worden geabsorbeerd, waarbij kosten voor en volume van deze absorberende materialen redelijk zijn. Voor een levensduurverwachting van bijvoorbeeld 5 20 jaar en een armatuurvolume van 2 liter, is een redelijke zuurstofabsorptie van 2 liter, en weegt het zuurstof absorberende materiaal ongeveer 20 gram. Dergelijke vocht- en zuurstofabsorberende materialen kunnen in de ruimte worden opgenomen die door de behuizing en het lichtvenster wordt omsloten.

10 Voor de transmissie van zowel zuurstof als stikstof en waterdamp is bij de werkcondities een bruikbare aanname dat de transmissie evenredig is met het partieel drukverschil over het materiaal, evenredig met het aan de buiten en binnen atmosfeer grenzend oppervlak waar sorptie en desorptie van de gassen plaatsvindt, en omgekeerd evenredig met de dikte van de laag 15 waardoor het gas of de waterdamp moet diffunderen.

Dit betekent dat de zuurstoftransmissie per dag niet meer dan 0.27 cm3 zuurstof mag zijn. Uit materiaal gegevens kan berekend worden, welke materialen aan een dergelijke eis voldoen.

Voor butylrubber is een typische permeatie 9 kubieke centimeter zuurstof 20 per dag per vierkante meter per Bar drukverschil bij een dikte van 1 centimeter.

Over 20 jaar betekent voor een afdichtring met een omtrek van 30 centimeter en een dikte van 1 millimeter en een partieel drukverschil van de zuurstof van 0,2 Bar, dat er per dag 0,0018 kubieke centimeter 25 diffundeert en in 20 jaar tijd een zuurstof volume van 13 kubieke centmeter naar binnen diffundeert.

Hetzelfde geldt indien een armatuur wordt ontworpen voor toepassing in tropische omgevingen, en intern de luchtvochtigheid tot dichtbij 0 % relatieve vochtigheid gehouden wordt.

30 Een moleculair zeefmateriaal zoals Zeoliet met 3 Angstöm poriën kan tot 5 20% van het eigen gewicht aan waterdamp opnemen. Een dergelijk vochtabsorberend materiaal kan in de ruimte worden opgenomen die door de behuizing en het lichtvenster wordt omsloten. Bij toepassing van 40 gram van genoemd type Zeoliet kan dan 8 gram water worden geadsorbeerd, en is 5 de maximaal toelaatbare vocht instroom 0.001 gram per dag.

De gespecificeerde vochtdoorlatendheid van een commercieel verkrijgbare butylrubber Adcotherm 32 is 0.2 gram per vierkante meter per dag voor een dikte van 2 millimeter volgens Amerikaanse norm ASTM F1249. Bij aanname van een afdichtring breedte van 10 millimeter en een 10 hoogte van 1 millimeter en een omtrek van 30 centimeter is het gas absorptie en desorptie oppervlak ongeveer 1 vierkante centimeter, en bij een diffusielengte van 10 mm, wordt dan een transmissie van 4 microgram water per dag gevonden of 0,3 gram over 20 jaar. Bij hogere temperaturen en luchtvochtigheid zal de watertransmissie sterk toenemen, bijvoorbeeld 15 meer dan een factor 3, maar niettemin is er dan nog ruim voldoende marge aanwezig.

In principe kan het glas vervangen worden door kunststof met voldoend lage vocht en zuurstof transmissie, maar aangezien het oppervlak voor sorptie en desorptie dan in de veel groter zijn, in de orde van 100 tot 20 1000 vierkante centimeter en een praktische dikte niet meer dan 2 tot 4 millimeter zal bedragen zijn de eisen, die aan dit materiaal gesteld moeten worden veel hoger dan die aan een afdichtring moeten worden gesteld.

Volgens een uitvoeringsvorm bevat de armatuur een bewakingsschakeling, die het aanwezig zijn van zuurstof betrouwbaar 25 detecteert, en bij een geconstateerde afwijking de voeding naar de elektronische schakeling van het voorschakelapparaat en de aangesloten lichtbron onderbreekt. In een verdere voorkeursuitvoering wordt een fouttolerante schakeling en beveiligingsmethode toegepast met behulp van een microcontroller en een druksensor, gemaakt met behulp van Micro 30 Electro-Mechanische Systeem technologie, verder aan te duiden als MEMS.

6

Verder wordt bij voorkeur een temperatuursensor toegepast en een relatieve vochtigheidssensor. De microcontroller bepaalt op grond van de signalen afgegeven door de druksensor, de temperatuursensor, en indien aanwezig de relatieve vochtigheidssensor, of de behuizing nog intact is en er geen 5 zuurstof aanwezig kan zijn, dat afschakeling van de apparatuur niet nodig is. Als uit de signalen wordt afgeleid dat er wel zuurstof aanwezig kan zijn, wordt de elektrische apparatuur uitgeschakeld, waardoor explosie gevaar uitgesloten wordt. De uitwerking zal in de meeste gevallen gecompleteerd worden, door een zuurstof absorberend materiaal, bijvoorbeeld gebaseerd op 10 zeer fijn ijzerpoeder in combinatie met een katalysator, zoals bijvoorbeeld onder de naam Ageless door Mitsubishi Gas Chemical Company op de markt verkrijgbaar, die naar binnen diffunderende zuurstof bindt. Een dergelijk zuurstofabsorberend materiaal kan in de ruimte worden opgenomen die door de behuizing en het lichtvenster wordt omsloten. Ook kunnen vocht 15 absorberende materialen worden gebruikt, waardoor, vooral in tropische omgevingen, interne condensvorming, bijvoorbeeld ’s nachts als de temperatuur daalt en de lichtbron niet ingeschakeld is, wordt voorkomen.

De uitvinding zal nu in meer detail worden beschreven, mede aan de hand van de tekening. Hierin toont: 20 Figuur 1 een doorsnede van een mogelijke uitvoeringsvorm van de armatuur volgens de uitvinding, met LEDs als lichtbron.

Figuur 2 een doorsnede van een mogelijke spanningsdoorvoer, toegepast in de armatuur volgens de uitvinding.

Figuur 3 een elektrisch blokschema van een mogelijke 25 uitvoeringsvorm van de beveilingsschakeling en lichtbron voedingsschakeling van de armatuur volgens de uitvinding.

Figuur 4 het elektrisch blokschema van een variant van een mogelijke uitvoeringsvorm van de beveiligingsschakeling en lichtbron voedingsschakeling van de armatuur volgens de uitvinding.

7

Figuur 5 een detail van een uitvoeringsvorm van een uitbreiding van de schakelingen uit figuur 3 en figuur 4 om een noodverlichtingsfunctie mogelijk te maken.

Figuur 6 een karakteristiek van de drukverandering als functie 5 van de temperatuur en de relatieve luchtvochtigheid in de armatuur.

Figuur 7 een mogelijke uitvoeringsvorm van de relatieve vochtigheidssensor schakeling.

De armatuur bestaat in de voorkeursuitvoering uit een behuizing 1, vervaardigd uit een materiaal dat weinig of geen gas en vocht doorlaat, 10 bijvoorbeeld vervaardigd uit aluminium en een lichtvenster 2, dat uit een materiaal bestaat dat geen of zeer weinig gas en vocht doorlaat, bijvoorbeeld glas. Tussen deze twee onderdelen is een afdichtring 3 aangebracht, bij voorbeeld van butylrubber. Er kan, zoals gebruikelijk bij isolerend dubbel glas voor toepassing in woonhuizen en utiliteitsgebouwen, een extra 15 hechtlaag aan de buitenzijde van de butylrubber of andere primaire afdichting worden aangebracht omdat daarmee in de praktijk het binnendringen van vocht en gas nog eens extra wordt belemmerd. In de ruimte die omsloten wordt door de behuizing en het lichtvenster bevindt zich een printplaat 4, met daarop de elektronische schakeling met daarop 20 aangebracht een druksensor 5, een temperatuursensor, die in het uitvoeringsvoorbeeld is geïntegreerd in een microcontroller 6, en bij voorkeur een relatieve vochtigheidssensor 7. Ook uitvoeringen waarbij de temperatuursensor in de relatieve vochtigheidssensor is geïntegreerd, zijn mogelijk. Ook zijn aangebracht in de voorkeursuitvoering een zuurstof 25 absorptie materiaal 8 en een vocht absorberend materiaal 9, bijvoorbeeld op een drager van gaas of geperforeerde plaat 10. Verder bevinden zich, bij voorkeur op dezelfde printplaat de schakeling om de lichtbronnen van voeding te voorzien, en de schakeling om de ingangsspanning te onderbreken in geval van binnendringen van zuurstof.

8

Als voor de lichtbron LEDs 11 worden gebruikt, worden deze op een drager 12 gemonteerd, die de door de LEDs opgewekte warmte naar de metalen behuizing van de armatuur geleiden. Dit resulteert in een gering temperatuurverschil tussen de LEDs en de behuizing. Deze drager 12 kan 5 uit keramisch materiaal bestaan, maar ook uit FR4 printplaat met speciale voorzieningen om de warmtegeleidbaarheid te verhogen, zoals doorgemetalliseerde gaten. De behuizing heeft bij voorkeur koel vinnen 13, zodat de junctie temperatuur van de LEDs laag genoeg blijft om een zeer lange levensduur te garanderen, bijvoorbeeld meer dan 100 000 uur voor 10 een lichtafname van minder dan 30% van de oorspronkelijke waarde.

Verder is in de voorkeursuitvoering intern een spiegel 14 aangebracht, zodat een groot deel van het opgewekte licht wordt weerkaatst, en kan het glazen venster geëtst of anderszins van een licht diffusie laag voorzien zijn, bijvoorbeeld door geribbeld glas of matglas toe te passen. Spiegel en glas 15 kunnen daarbij zo gevormd zijn, dat een gelijkmatige spreiding van het licht wordt verkregen, terwijl geen verblinding optreedt doordat de felle lichtspots van de LEDs niet zichtbaar zijn, terwijl toch het licht over een groot oppervlak worden verspreid, zoals het geval is bij de op fluorescentie lampen gebaseerde, gebruikelijke armaturen voor toepassing 20 explosiegevaarlijke omgevingen. Er kunnen ook andere interne constructies worden toegepast, zoals lenzen, in het bijzonder als de armatuur meer als spotlight wordt uitgevoerd, en er op de te verlichten vlakken normaal gesproken geen direct zicht op de lichtbronnen is. In de behuizing zijn tevens doorvoeropeningen aangebracht om de netspanning aan de interne 25 schakeling toe te voeren, en in geval van een armatuur met noodlicht de elektrische verbinding met een extern aangebrachte accubatterij te realiseren. De elektrische verbindingen kunnen uitgevoerd worden als aangegeven in figuur 2. Massieve metalen pennen 15, opgenomen in een rubber doorvoer stuk 16, dat in cilindrische openingen 17 van de behuizing 1 30 is aangebracht. Aan de binnenzijde van de armatuur kan nog een extra 9 isolatiestuk 18 worden aangebracht om aan de eisen ten aanzien van kruipen luchtwegen te voldoen. Er kunnen andere vormen van massieve doorvoer worden toegepast, zoals massieve rechthoekige tongen.

De armatuur wordt bij productie voorzien van een zuivere stikstof 5 vulling. De eenvoudigste manier om dit te bereiken is het aanbrengen van een zuurstof absorberend materiaal 8 met voldoende capaciteit om de in de lucht aanwezige zuurstof geheel te absorberen, waarbij er dan nog voldoende capaciteit over is om de berekende zuurstof diffusie van buitenaf gedurende de levensduur van de armatuur te absorberen.

10 Een ander methode is het sluiten van de armatuur in een beschermde stikstofomgeving met de gewenste druk, bij voorkeur tussen 65 en 80 kiloPascal bij een temperatuur van 25 °C. Een derde mogelijkheid is het aanbrengen van één of meer vulopeningen waarop een pomp kan worden aangesloten om de lucht er uit te pompen en een stikstofbron om de 15 stikstof toe te laten. Deze vulopeningen worden dan naderhand afgesloten en zo nodig extra afgedicht.

De vuldruk van de armatuur wordt zo gekozen dat er onder alle bedrijfsomstandigheden een overdruk aan de buitenzijde van de armatuur aanwezig is, en dat tevens voor de gemiddelde bedrijfsomstandigheden de 20 partiële druk van de stikstof binnen en buiten de armatuur vrijwel gelijk is, waardoor diffusie van stikstof door de afdichtingen tot een minimum wordt beperkt.

Een eerste variant van het elektrische schema van de beveiligingsschakeling van een armatuur volgens de uitvinding is gegeven 25 in figuur 3. De netspanning wordt aangeboden op klemmen 20 en 21. Een beveiligings- of bewakingsschakeling 25 bijvoorbeeld gevoed vanuit de netspanning via een condensator 23 en een weerstand 24 stuurt het relais 22. Dit relais wordt alleen ingeschakeld als uit de signalen van de in de beveiligingsschakeling ingebouwde temperatuursensor, de druksensor 26, 30 en de relatieve vochtigheidssensor 27 wordt geconcludeerd dat de armatuur 10 voldoende gasdicht is en er geen zuurstof in de armatuur aanwezig kan zijn. De manier waarop dit gebeurt wordt later beschreven.

De in de armatuur aangebrachte schakeling kan verder zijn voorzien van de vakman bekende schakelingen om aan eisen voor 5 netbelasting ten aanzien van harmonische stromen en opgewekte stoorspanning en aan elementaire elektrische veiligheidseisen te voldoen, en verder uit schakelingen om de stroom door de LEDs 34 te stabiliseren. Zo bestaat de in figuur 3 getoonde voorbeeldschakeling een zekering 33 een ontstoorfilter (38) een boost converter 36 die harmonische stromen in het 10 net voorkomt, een afvlakcondensator 40 en een gelijkspanning naar gelijkstroom omzetter 37 die de gelijkspanning op de afvlakcondensator 40 omzet in een gestabiliseerde gelijkstroom door de LEDs 34. Verder kan er een verbinding 31 met een hoogfrequent ontvanger of zend-ontvanger 32 zijn aangebracht die bijvoorbeeld informatie over gewenst dimmen van de 15 lampen kan doorgeven. Verder kan de bewakingsschakeling 25 gecombineerd worden met een regelschakeling, die gedeeltelijk in software kan zijn geïmplementeerd, die de bedrijfsparameters van de deelschakelingen instelt, bijvoorbeeld door de gelijkgerichte spanning via verbinding 28 te meten, en via instelsignaal 29 de boost converter 36 te 20 regelen en via signaal 30 de gelijkspanning naar gelijkstroom omzetter 37, indien gewenst tevens gebaseerd op de informatie, die via de hoogfrequent zend/ontvanger 32 binnenkomt. De elementen 20, 21, 22, 28, 29, 33, 35, 36, 37 en 40 tezamen vormen de voedingsschakeling van de LEDs 34.

De bewakingsschakeling en de voeding daarvan blijven met de 25 netspanning verbonden als er een defect in de afdichting van de armatuur wordt geconstateerd. Daarom moeten deze delen op aanvullende wijze worden beschermd ter voorkoming van explosiegevaar, bijvoorbeeld moeten ze voldoen aan de eisen die gelden voor apparatuur voor toepassing in omgevingen waar explosiegevaar kan bestaan, bijvoorbeeld de voorschriften 11 voor ingegoten schakelingen, voor verhoogde veiligheid of voor intrinsieke veiligheid.

Er is echter een uitvoeringsvariant mogelijk, die gebruikt maakt van een bistabiel remanentie relais. Een dergelijk relais kan door een 5 pulsspanning bij de productie van de bewakingsschakeling in de geleidende toestand gebracht worden, en blijft daarna bekrachtigd ten gevolge van remanent magnetisme, zonder dat daarvoor extern vermogen geleverd hoeft te worden. Om de relaiscontacten te openen hoeft slechts een korte impuls in tegengestelde richting te worden aangeboden, en is geen aparte voeding 10 van de bewakingsschakeling nodig, maar kan de voeding uit één van de omzettere betrokken worden, zoals hierna beschreven in het tweede uitvoeringsvoorbeeld.

Een tweede uitvoeringsvoorbeeld is getoond in figuur 4. Het verschil met de eerder beschreven schakeling is dat de 15 beveiligingsschakeling 25 nu niet een relais bedient, maar een kortsluittransistor 39, die in geval van een geconstateerd lek in de armatuur een grote stroom in het ingangscircuit veroorzaakt waardoor zekering 33 zal onderbreken. De kortsluitstroom wordt hierbij beperkt door de weerstand van het ontstoorfilter 38. De dimensionering dient zodanig te zijn dat 20 bijvoorbeeld de bonds naar de chip van transistor 39 niet zullen onderbreken voordat de zekering onderbreekt. Verder is een extra buffercondensator 48 opgenomen, die voldoende lading heeft om de kortsluittransistor voldoende lang te bekrachtigen om de zekering door te laten smelten. Verder wordt in deze uitvoeringsvorm de beveiligings- en 25 regelschakeling 25 bij voorkeur in normaal bedrijf gevoed uit een van de gelijkspanning naar gelijkspanningsomzetter 37 afkomstige spanning. Het is echter mogelijk in geval van defect van één van de converters 36 of 37, de beveiligingsschakeling 25 te voeden via een serie weerstand uit de gelijkgerichte netspanning. In dat geval wordt het stroomverbruik van de 30 beveiligingsschakeling sterk gereduceerd bijvoorbeeld door in geval van een 12 microcontroller om te schakelen naar een zeer lage klokfrequentie, en de stroomtoevoer naar de sensoren te onderbreken. Omdat nu geen sensing van de nodige parameters meer kan plaatsvinden zal in dit geval uit voorzorg de kortsluittransistor 39 worden bekrachtigd. Een energiebuffer in de vorm 5 van een condensator 48 zorgt er voor dat ook in foutcondities afschakeling nog plaats kan vinden. Indien nodig kan de schakeling worden voorzien van een hardware matige watchdog schakeling, die in het geval van een niet werkende processor de transistor onafhankelijk en gevoed vanuit deze condensator afschakelt.

10 Na onderbreken van de zekering 33 is de gehele schakeling nog slechts met één pool met de netspanning verbonden. Er kan derhalve geen energietoevoer meer plaatsvinden naar de schakeling, en er is daarom geen kans op vonkvorming of warmteontwikkeling in de onderdelen die tot een explosiegevaarlijke situatie zouden kunnen leiden. In geval van een geaarde 15 metalen wand, zoals in het algemeen voor dit type armatuur het geval is moeten de onderdelen in de armatuur echter wel de vereiste kruip- en luchtwegen ten opzichte van de geaarde delen hebben, bijvoorbeeld als beschreven in de normen voor explosie preventie bescherm wijze “verhoogde veiligheid”.

20 Indien gewenst kan als kortsluittransistor één van de transistoren die in de noemde gelijkspanning naar gelijkspanning omzetters aanwezig zijn gebruikt worden. Ook kan de schakeling op deze manier redundant gemaakt worden, door als de korsluittransistor zou falen, als tweede één van de transistoren uit de gelijkspanning naar gelijkspanning omzetters te 25 gebruiken.

Het is mogelijk de armatuur te voorzien van een noodlichtfunctie. Een mogelijke manier om dit te realiseren is aangegeven in figuur 5. Als extra zijn aangebracht een laadschakeling 43, een accubatterij 44 en een gelijkspanning naar gelijkspanning omzetter 45. Andere uitvoeringsvormen 30 zijn mogelijk. De accubatterij wordt bij voorkeur buiten de stikstof 13 beschermde omgeving van de armatuur aangebracht, omdat kleine hoeveelheden waterstof, die door de rubber afdichtringen van bijvoorbeeld Nikkel Cadmium accu cellen kunnen ontsnappen het gasevenwicht in de armatuur in onbalans zouden brengen door druktoename, waardoor de 5 beveiligingsschakeling zou aanspreken. Andere mogelijkheden om de noodlicht functie te realiseren zijn mogelijk zoals de vakman bekend, bijvoorbeeld slechts één bidirectionele gelijkspanning naar gelijkspanningsomzetter, die zowel het laden van de accu als de noodlichtvoorziening verzorgt, of de mogelijkheid om vanuit gelijkspanning 10 naar gelijkspanningsomzetter 45 direct alle of een deel van de LEDs 34 aan te sturen. In dit uitvoeringsvoorbeeld is een tweede zekering (49) opgenomen in de acculeiding. De kortsluittransistor is in dit voorbeeld opgenomen parallel aan de ingang van gelijkspanning naar gelijkspanning omzetter 37, waardoor bij gelijkstroom gekoppelde converter 36, bij het 15 geleidend maken van transistor 39 zowel zekering 33 de energietoevoer vanuit de externe netspanning onderbreekt als zekering 49 de energietoevoer vanuit de accu. Diodes 47 en 35 scheiden in dit uitvoeringsvoorbeeld de gelijkspanning naar gelijkspanning omzettere 45 en 36.

20 Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm kan de bewakingsschakeling 25 de energietoevoer onderbreken vanuit de accu naar de voedingsschakeling voor de lichtbronnen door het openen van één of meer relaiscontacten.

De armatuur volgens de uitvinding kan ook van een andere 25 lichtbron gebruik maken, bijvoorbeeld een inductielamp met bijbehorende voedingsschakeling. Beveiliging tegen explosiegevaar kan daarbij op de hiervoor beschreven wijze plaatsvinden.

De karakteristiek waarop de beveiligingsschakeling is gebaseerd is getoond in fig6.

14

Dit is de algemene gaswet, waarbij voor constant volume van het ingesloten gas geldt: p/T = constant met p de totaaldruk en T de absolute temperatuur.

5 De software in de beveiligingsschakeling controleert voortdurend of deze verhouding constant blijft. Stikstofdiffusie in verhouding tot zuurstofdiffusie gering, bij gelijk partieel druk verschil gelijke temperatuur en gelijke luchtvochtigheid is de diffusiesnelheid van stikstof ongeveer een factor 5 lager dan die van zuurstof.

10 Een belangrijk gegeven is dat de diffusie door de rubber afdichtring, en ook door vergelijkbare materialen zeer sterk temperatuurafhankelijk is, bij hoge temperaturen van bijvoorbeeld 45 °C wordt de diffusiesnelheid vele malen groter dan bij 25 °C en bij lage temperaturen, bijvoorbeeld -20 °C vele malen lager.

15 Juist bij hoge temperatuur zal de interne partiële stikstofdruk iets groter zijn dan in de buitenlucht, hetgeen tot een geringe afname van de totaal druk zal leiden.

Naar binnen diffunderende zuurstof wordt volledig gebonden door het zuurstof absorberende materiaal. Dit is een irreversibel chemisch 20 proces. Als er een lek in de afdichting is ontstaan, waardoor de gasdiffusie vele malen groter wordt dan waarbij bij de dimensionering vanuit gegaan is, zal er een afwijking van de p/T curve optreden. Bij een dermate hoge temperatuur dat de partiële druk van het interne stikstof groter wordt dan die van de buitenlucht, in het algemeen groter dan circa 80 kPa, zal de druk 25 in eerste instantie afnemen totdat het zuurstof absorberend materiaal verzadigd is, waarna juist een druk toename optreedt. De druktoename gaat echter door de grotere diffusiesnelheid van zuurstof en het veel grotere partiële druk verschil veel sneller, in de orde van een factor 20 sneller. Dit betekent dat de langzame drukafname die bij voortdurend hoge 30 temperaturen optreedt gecorrigeerd kan worden door de software, omdat dit 15 niet tot een gevaarlijke situatie leidt, terwijl bij beginnende snelle druktoename afgeschakeld zal worden.

Bij lage temperatuur is de diffusie van gassen zo gering, dat pas bij een vrij groot lek een druktoename optreedt in eerste instantie door stikstof 5 druk toename, en pas als de het zuurstof absorberend materiaal verzadigd is door een veel snellere toename van de zuur stof druk. De beveiligingsschakeling zal de druk temperatuur curve in een niet vluchtig EEPROM geheugen bijhouden, en zo bij afwijking van de curve kunnen ingrijpen. Een referentie curve kan direct na fabricage gegenereerd worden 10 door de armatuur door het hele omgevingstemperatuur traject te laten gaan, waarvoor de armatuur ontworpen is. Daarbij worden automatisch temperatuurafhankelijkheden van de sensors, niet-lineariteiten en offset afwijkingen van de sensors en afwijkingen van de algemene gaswet, gecompenseerd.

15 Vooral bij hogere temperatuur, zoals in tropische omgevingen, speelt de relatieve luchtvochtigheid een belangrijke rol. In tegenstelling tot zuurstof absorptie, berusten de verkrijgbare vochtigheid absorberende materialen op een reversibel fysisch principe. Dat betekent dat bij een bepaalde relatieve vochtigheid, er een bepaalde gewichttoename van het 20 absorberende materiaal is.

In tropische omgevingen bestaat de mogelijkheid van condensatie bij temperatuurwisselingen, waardoor een vochtabsorberend materiaal gekozen zal worden dat de maximale vochtigheid laag genoeg kan houden.

In deze omgevingen zal, afhankelijk van het gekozen type vochtigheid 25 absorberend materiaal, in sommige gevallen de relatieve vochtigheid gedurende de levensduur van de armatuur toenemen. In andere omgevingen kan deze fluctueren en in zeer koud droge omgevingen zelfs afnemen gedurende de levensduur van de armatuur. Met de beschikbare materialen voor afdichting tussen metalen behuizing en glazen lichtvenster is het niet 30 mogelijk vochttransport geheel uit te sluiten. De invloed van vocht op de 16 interne druk is echter nauwkeurig bekend, zodat met een gekalibreerde relatieve vochtigheidssensor hiervoor gecorrigeerd kan worden. Dit is schetsmatig aangegeven in de curves in figuur 6. De nauwkeurigheid moet dusdanig zijn, dat de betrouwbare detectie van naar binnen diffunderend 5 zuurstof niet gehinderd wordt.

Er bestaan ook vocht absorberende materialen, bestaand uit moleculaire zeven, zoals synthetisch zeoliet met poriën van 3 of 4 Angstrom. Daarbij wordt, zolang het materiaal niet verzadigd is, een luchtvochtigheid dichtbij 0% worden gehandhaafd. Als de interne delen van de armatuur een 10 dermate lage luchtvochtigheid verdragen, kan afgezien worden van een correctie van de curves voor luchtvochtigheid, en kan desgewenst de relatieve vochtigheidssensor achterwege blijven. De relatieve vochtigheidssensor kan echter ook gebruikt worden om aan te geven dat het vocht absorberend zeoliet materiaal verzadigd is. Dat kan ook een indicatie 15 zijn voor een te groot lek in de afdichting, zodat uit voorzorg toch bij toenemende luchtvochtigheid de armatuur uitgeschakeld kan worden op reeds beschreven wijze.

Met name zijn er constructies denkbaar, waarbij door uitgassen van bepaalde interne componenten afwijkingen van de referentie druk-20 temperatuur curve ontstaan. Echter ook kan bij toepassing van genoemd zeoliet materiaal een deel van het stikstof geabsorbeerd worden, waardoor ook een afwijking van genoemde referentie curve ontstaat. In dit geval kan afgeschakeld worden uitsluitend op basis van het signaal van de relatieve vochtigheidssensor. Dit kan uitsluitend als onder alle denkbare lek situaties 25 of einde levensduur situaties, het vochtabsorberend materiaal eerder verzadigd raakt, dan het zuurstof absorberend materiaal. Er moet dus relatief gezien, voldoende overmaat aan zuurstofabsorberend materiaal aanwezig zijn in de armatuur. Omdat de temperatuurafhankelijkheid van vocht en zuurstof transport door poriën van materiaal maar ook het zuurstof 30 en gas transport door kleine scheurtjes of anders gevormde openingen in de 17 afdichting, vergelijkbare vormen vertonen is het goed mogelijk de minimaal benodigde overmaat aan zuurstof absorberend materiaal zodanig te kiezen, dat altijd het vochtabsorberend materiaal verzadigd raakt. In principe kan dan van een druksensor worden afgezien. Echter, als extra bewaking, en 5 bijvoorbeeld ook voor het betrouwbaar detecteren van afwijkingen in een zeer droge, koude omgeving kan het wenselijk zijn de druksensor te handhaven.

Een systematische afwijking van de curve, waarbij op lange termijn gezien een vrij abrupte drukstijging optreedt, aangevende dat de 10 zuurstofabsorberende materiaal verzadigd is, kan betrouwbaar gedetecteerd worden. Om aan de gangbare eisen van explosieveiligheid te voldoen moet de zuurstofconcentratie kleiner dan een zekere limietwaarde blijven. Dat betekent dat de sensoren gemiddeld een voldoende nauwkeurigheid moeten hebben. Door over lange tijd signaalmiddeling toe te passen en sensoren toe 15 te passes, die geen systematisch verloop vertonen, kan de gewenste nauwkeurigheid gerealiseerd worden.

Een goed bruikbare relatieve vochtigheidssensor is een capacitieve sensor die bijvoorbeeld een diëlectricum van polyamide of een ander polymeer heeft. Dergelijke sensoren hebben een goed gedefinieerde 20 temperatuur coëfficiënt en zullen in de beschermde stikstof omgeving een hoge betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid hebben. Een mogelijk schakeling om dit type sensor aan de beveiligingsschakeling te koppelen is getoond in figuur 7. Een inverterende versterker 50 vormt samen met serie weer stand 54 spoel 52 condensator 53 en de sensor condensator 27 met 25 van de luchtvochtigheid afhankelijke capaciteit, 51 een oscillator schakeling. De frequentie op uitgang 55 is nu een directe maat voor de luchtvochtigheid. Karakteristieke waarde voor de capaciteit is tussen 100 en 300 picoFarad, afhankelijk van fabrikant en type sensor, terwijl de capaciteit 15 tot 20 procent varieert tussen 0 en 100 procent relatieve luchtvochtigheid. Dit 30 resulteert bij goed dimensionering van de schakeling van figuur 8 in een 18 frequentievariatie in de orde van 6 tot 8 procent, hetgeen zeer betrouwbaar en met grote nauwkeurigheid gemeten kan worden.

De druksensor kan zoals in voorgaande beschreven met MEMS technologie gemaakt worden. Ook hier is de beschermde stikstof omgeving 5 een garantie voor langdurig nauwkeurige werking van dit onderdeel. De werking berust op de elasticiteit van de silicium wand van een afgesloten kamer die door de variërende druk buigt. Door piëzo-resistieve weerstanden opgenomen in een brugschakeling wordt deze doorbuiging in een elektrisch signaal omgezet. Daarbij kan de gevoeligheid in de orde van ruim 1 millivolt 10 per kiloPascal druk liggen bij 5 Volt voedingsspanning. Dit signaal kan door in bepaalde types microcontrollers ingebouwde differentiële versterkers worden versterkt, en daar na door een analoog naar digitaal converter worden gedigitaliseerd.

Vele types temperatuursensoren kunnen worden gebruikt. Van 15 voordeel is een in de microcontroller opgenomen sensor te gebruiken.

De sensoren moeten voor gebruik gekalibreerd worden, als ze te voren niet de vereiste nauwkeurigheid hebben. In principe kan de druk-temperatuurcurve in de armatuur gemonteerd achteraf gemeten worden, zoals eerder beschreven. Als uitsluitend of voornamelijk op basis van het 20 signaal van de relatieve vochtigheidssensor wordt afgeschakeld, is de noodzaak van precisie kalibratie minder.

Claims (19)

1. Verlichtingsarmatuur die voorzien is van één of meer ingebouwde lichtbronnen (11), tenminste een ingebouwde bijbehorende voedingsschakeling voor de lichtbronnen en voorzieningen voor elektrische energietoevoer van buiten de armatuur naar de ingebouwde 5 voedingsschakeling, waarbij de verlichtingsarmatuur voor toepassing is in omgevingen waar explosiegevaar kan bestaan, met het kenmerk, dat de armatuur een behuizing (1) en één of meer lichtvensters (2) bevat, waarbij de behuizing en de een of meer lichtvensters gezamenlijk een ruimte omsluiten waarin de tenminste ene lichtbron en de tenminste ene 10 voedingsschakeling zijn aangebracht en waarbij de behuizing en het lichtvenster zijn vervaardigd uit een materiaal of materialen, die slecht of geen gas en vocht doorlaten zodat gas en vocht slecht of niet van buiten de armatuur in de ruimte kunnen doordringen, waarbij de ruimte gevuld is met tenminste een niet explosief gas zoals stikstof. 15

2. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de behuizing buitenwanden bevat die zijn vervaardigd uit metaal en de een of meer lichtvensters zijn vervaardigd van glas, terwijl tussen het metaal en het glas een afdichting (3) is aangebracht van slecht gas en vocht doorlatend 20 materiaal.

3. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de afdichting is uitgevoerd in de vorm van butylrubber.

4. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk dat de afdichting aan de buitenzijde wordt voorzien van een extra laag, die een goede hechting van de behuizing en het lichtvenster garandeert.

5. Verlichtingsarmatuur volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat een zuurstofabsorberend materiaal (8) in de omsloten ruimte is opgenomen. 5

6. Verlichtingsarmatuur volgens één de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat in de verlichtingsarmatuur een bewakingsschakeling (25) is aangebracht, alsmede in de omsloten ruimte een druksensor (5) en temperatuursensor, waarin de bewakingsschakeling is ingericht om op 10 grond van gemeten interne druk en interne temperatuur het binnendringen van zuurstof te detecteren en bij geconstateerde ontoelaatbaar grote hoeveelheid zuurstof voor het afschakelen van de energietoevoer naar de voedende schakeling voor de lichtbronnen.

7. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat een relatieve vochtigheidssensor (7) in de omsloten ruimte is opgenomen, waarbij de bewakingsschakeling is ingericht om de drukverandering ten gevolge van de relatieve vochtigheid op basis van kennis van deze verandering te berekenen, en dat bij de berekening van binnengedrongen 20 zuurstof wordt gecompenseerd voor de bekende druktoename ten gevolge van de relatieve vochtigheid.

8. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een relatieve vochtigheidssensor (7) en een vocht absorberend materiaal (9) 25 in de omsloten ruimte zijn opgenomen, resulterend in een lage relatieve luchtvochtigheid, zolang het vocht absorberend materiaal niet verzadigd is, en dat de bewakingsschakeling (25) is ingericht voor het afschakelen van de energietoevoer naar de voedende schakeling voor de lichtbronnen, als een signaal van de relatieve vochtigheidssensor aangeeft dat de relatieve 30 vochtigheid boven een zekere limietwaarde is gestegen.

9. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 8, met het kenmerk dat de limietwaarde kleiner dan 5 procent relatieve vochtigheid is.

10. Verlichtingsarmatuur volgens één der conclusies 1 tot en met 7, met het kenmerk dat een vochtabsorberend materiaal (9) in de omsloten ruimte is opgenomen.

11. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 6, 7, 8, 9 of 10, met het 10 kenmerk dat de bewakingsschakeling (25) is ingericht voor het onderbreken van de energietoevoer naar de voedingsschakeling door één of meer relaiscontacten (22) te openen.

12. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 6, 7, 8, 9 of 10, met het 15 kenmerk, dat in de voedingsschakeling een zekering (33) en een kortsluittransistor (39) zijn opgenomen, en dat de bewakingsschakeling (25) is ingericht voor het onderbreken van de energietoevoer naar de voedingsschakeling door het geleidend maken van de kortsluittransistor, resulterend in een onderbreking van de zekering. 20

13. Verlichtingsarmatuur volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de armatuur tevens voorzien is van een accubatterij (44) en middelen om de accubatterij te laden en vanuit de accubatterij de lichtbronnen te voeden, resulterend in een noodverlichtingsfunctie. 25

14. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de bewakingsschakeling (25) is ingericht voor het onderbreken van de energietoevoer vanuit de accu naar de voedingsschakeling voor de lichtbronnen door het openen van één of meer relaiscontacten. 30

15. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat tussen de accu en de voedingsschakeling voor de lichtbronnen een accu-zekering (49) is opgenomen, en dat er in de voedingsschakeling een kortsluittransistor (39) is opgenomen, en dat de bewakingsschakeling (25) is 5 ingericht voor het onderbreken van de energietoevoer vanuit de accu naar de voedingsschakeling voor de lichtbronnen door het geleidend maken van de kortsluittransistor (39), resulterend in een onderbreking van de accu-zekering (49).

16. Verlichtingsarmatuur volgens één der voorgaande conclusies met het kenmerk dat de druk in de omsloten ruimte bij een interne temperatuur van 25 °C tussen 65 en 80 kiloPascal ligt.

17. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 6 met het kenmerk dat de 15 druksensor is vervaardigd met behulp van Micro Mechanische systeem technologie, en dat de verlichtingsarmatuur een brugschakeling van vier weerstanden bevat voor omzetting van druk naar een elektrisch signaal.

18. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de 20 relatieve vochtigheidsensor een condensator met een polymeer diëlectricum bevat, waarvan de capaciteitswaarde varieert met de temperatuur.

19. Verlichtingsarmatuur volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de relatieve vochtigheidssensor opgenomen is in een LC 25 oscillatorschakeling.