NO860209L - Overoppvarmingsalarm. - Google Patents

Description

OVEROPPVARMINGSALARM

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en overoppvarmingsalarm, og spesielt en innretning som er anordnet i nærheten av en varm gjenstand og måler avgitte infrarøde stråler, og som er innrettet til å utsende et varselsignal og/eller avbryte krafttilførselen når en gjenstand som overvåkes, blir spesielt varm, dvs. når et forhåndsbestemt temperaturnivå overskrides. Ved en utførelsesform med en batterikrafttil-førsel, kan overoppvarminsalarmen være anordnet i et hus, f.eks. festet til en vegg i det lokale hvor overvåkningen skal gjennomføres.

Branner som er forårsaket av overoppvarming, f.eks. på grunn av en overoppvarmet kokeplate på en kjøkkenkomfyr, er forholdsvis sjeldne. Resultatet er vanligvis bare en øde-lagt kokeplate eller et nedsmeltet kokekar. Imidlertid er spesielt eldre mennesker og deres slektninger ofte urolige med hensyn til konsekvensene, og mange mennesker bekymrer seg når de er på reise eller på ferie, p.g.a. uvissheten hvorvidt komfyren var slått av eller ikke da de forlot bolgen. I den hensikt å redusere disse risikoer, har fabri-kantente av komfyrene anordnet hver varmeplate med indivi-duell temperaturs tyring, eller varmeplatene er alternativt anordnet ved en overoppvarmingssikring som er innrettet til å avbryte krafttilførselen når et forhåndsbestemt temperaturnivå blir overskredet. Ved sin enkleste form kan en slik overoppvarmingssikring omfatte en smeltesikring, forutsatt at den samme kan lett byttes ut. Temperaturpåvisning ved hjelp av termoelementer som er anordnet i hver styrte varmeplate, kan selvsagt også benyttes dersom en slik overvåkning er innrettet til å gi hensiktsmessige virkninger når et forhåndsbestemt temperaturnivå overskrides. Imidlertid mangler ofte komfyrer beskyttelse mot overoppvarming og ofte er bare en varmeplate anordnet med temperaturstyring. Selv i andre sammenhenger er det ønskelig å fremskaffe overvåkning mot overoppvarming, f.eks. i forbindelse med elektromotorer, elektrisk oppvarmede radiatorer og andre formål.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å gi anvisn-ing på en overoppvarmingsalarm som kan anordnes på en avstand fra den gjenstand som skal overvåkes, idet alarmen er innrettet til å utsende en alarm og/eller avbryte krafttil-førselen når temperaturen på gjenstanden overskrider et forhåndsbestemt temperaturnivå.

Overoppvarmingsalarmen i henhold til den foreliggende oppfinnelse er uttenkt for overvåkning av varmeutstrålende gjenstander, f.eks. varmeplater, elektriske komfyrer eller lignende, og er i hovedsakkarakterisert vedat utsendelsen av varme fra en gjenstand under overvåkning blir overvåket av en IR-detektor som er plassert på en avstand fra den gjenstand som overvåkes, idet detektoren er innrettet til å utsende et varselsignal og/eller avbryte krafttilførselen til gjenstanden når temperaturnivået til gjenstanden under overvåkning overskrider et forhåndsbestemt maksimalt temperaturnivå .

Som et ytterligere karakteriserende trekk kan der nevnes at IR-detektoren er anordnet med et høypassfilter som ved hjelp av absorbsjon eller refleksjon reduserer eller forhindrer utstråling med kortere bølgelengde enn 1-3 pm fra å påvirke detektorelementet som er innlemmet i IR-detektoren, og at IR-detektoren er anordnet med et kortpassfilter innrettet til å redusere utstråling med lengre bølgelengder enn 3 pm.

Et eksempel på en utførelsesform for en overoppvarmingsalarm i henhold til den foreliggende oppfinnelse vil i det følgende bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer. Fig. 1 er et perspektivriss av en komfyr med tilhørende kjøkkenvifte, som anskueliggjør en utførelsesform anordnet ved det nedre plan av kjøkkenviften og innrettet til å overvåke varmeplatene hos komfyren. Fig. 2 viser et diagram over utstrålt effekt fra en varme-

plate som funksjon av platens temperatur.

Fig. 3 viser et diagram med hensyn til spektral spredning for utstrålt effekt ved forskjellige temperaturer. Fig. 4 viser et diagram over temperaturen for varmeplater som fuksjon av tiden, idet der med kontinuerlig linje indi-keres alle varmeplater ved maksimal effekt (7000 W), med stiplet linje en mindre og ytre varmeplate ved maksimal effekt (1500 W), og med prikket linje alle varmeplater med temperaturen begrenset til 300°C og med kraftforsyningen avbrutt etter 10 min. Fig. 5 viser hvordan temperatur og utgangssignal for et visst detektorelement varierer med tid når varmeplatene avgir effekt i henhold til fig. 4, og med detektoren anordnet på veggen bak komfyren, og med en utgangsspenning over 1 Mohm fra en bro med en matespenning på 9 V. Fig. 6 er et strømløpsskjerna over en utførelsesform for en overoppvarmingsalarm i henhold til den foreliggende oppfinnelse .

Den viste utførelsesform som er ytterligere beskrevet i det følgende, er tenkt brukt for overvåkning av elektriske kokeplater eller varmeplater ved en komfyr, men overoppvarmingsalarmen kan selvsagt også brukes for andre formål.

Overoppvarmingsalarmen i henhold til den foreliggende oppfinnelse måler IR-utstråling fra en overvåket gjenstand, f.eks. en kokeplate, og varsler og/eller avbryter krafttil-førselen til den overvåkte gjenstand når temperaturen på denne overskrider et forhåndsbestemt temperaturnivå. Den tekniske bakgrunn er velkjent og innretninger for måling uten fysisk berøring har vært kjent i lengre tid. I f.eks. et ardometer blir utstrålt varme forkusert ved hjelp av en linse mot et termoelement for oppvarming av sistnevnte, og den resulterende spenning blir målt ved hjelp av et milli-voltmeter. IR-målsøkende innretninger er også tidligere kjent, idet disse kan detektere varme gjenstander på en avstand a flere kilometer. Imidlertid er der ikke tidligere kjent noen utførelsesformer som er tenkt brukt for anvend-elsesformålet i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Teknisk bakgrunn

Alle legemer utsender varme eller temperaturstråler som i form av synlig lys er en form for elektromagnetisk stråling. Jo varmere legemet blir, jo mer temperturutstråling vil den avgi. Utstrålingseffekten fra et fast legemet eller væske er kontinuerlig fordelt over alle bølgelengder i henhold til Plancks formel. Utstråling ved 300°K (27°C) finner hovedsakelig sted i området 5-15 pm, se fig. 3.

Med økende temperaturer følger der en forskyvning av utstrålingen mot kortere bølgelengder, i henhold til Wiens forskyvningslov som angir at produktet av temperatur (K) og bølgelengde (pm) er konstant = 2986. Den totale effekt - utstråling over alle bølgelengder - er bestemt ifølge Stefan Boltzmanns formel.

Varmestråling blir absorbert og reflektert på samme måte som synlig lys. Imidlertid kan det menneskelige øye bare registrere utstråling for bølgelengder i området 0,45 - 0,65 um. Dersom øye istedenfor var følsomt i det såkalte midlere IR-området for 2-6 pm, skulle kjøkkenet være opp-lyst kokeplater som ville fremtre som kraftige fotolamper. Dersom deres lysstyrke og fargetone kunne blitt registrert med en måler med følsomheten for det menneskelige øye, kunne man stipulere at et varselsignal skulle avgis bare når en mørkeblå lampe innenfor synsfeltet ble tent med høy intensistet, uavhengig av eventuelle andre lamper med andre farger, selv om disse lyste opp med større intensitet.

En varm kokeplate har en meget høy utstrålingseffekt. Fig. 2 viser effekten fra kokeplater med tre vanlige størrelser, utstrålt som en fuksjon av temperatur.

Den spektrale fordelig er vist på fig. 3. Slik det fremgår, blir den bølgelengde hvor maksimal utsråling oppnåes, redu-sert med økende temperatur, fra tilnærmet 10 um ved værel-sestemperatur til tilnærmet 3 jam ved 700°C. Dette forhold i kombinasjon med den mangsdobblete økning i effekt, gjør det mulig å oppfylle overnevnte krav.

Dersom det er spesielt ønskelig å overvåke temperaturområd-et 900 - 1000°K, dvs. når kokeplaten får en mørkerød fargetone, er det åpenbart at man bør avskjerme stråling med kortere bølgelengder enn tilnærmet 1 um. Dette kan finne sted ved hjelp av såkalt høypassfilter. Dette er ugjennomskinnelig for vanlig lys. Dessuten er det ønskelig å filtrere bort utstråling med større bølgelengder enn tilnærmet 3 pm, dvs. kortpassfiltrering. Utstråling fra kokeplater med en normal temperatur blir i den forbindelse begrenset. I sammendrag vil således et smalt båndpassfilter ikke være nødvendig. Dette kortpassfilter kan sløyfes, forutsatt at følsomheten for detektoren avtar ved en motsvar-ende bølgelengde.

Der kan benyttes en flerhet av detektorer for omforming av den innkommende stråling til f.eks. et elektrisk signal. De er inndelt i to hovedgrupper. I forbindelse med Phcton -

(foto) - eller kvantdetektorer blir der utnyttet endringer i elektriske egenskaper som finner sted i halvledermaterialer ved IR-bestråling. Ved et passende valg av materiale og dopningsgrad, kan man oppnå maksimal følsomhet for en viss bølgelengde/temperatur. Eventuelle temperaturendringer i detektoren kan betraktes som uvesentlige. Blandt annet fun-gerer de følgende detektorer i henhold til dette prinsipp.

Fotokonduktive detektorer. Innfalne fotoner mot et halvled-ermateriale kan løfte elektronene i det ledende bånd - fotoelektrisk effekt. Som et resultat blir materialets res-istans endret. Når der påtrykkes en spenning over material-et, blir innfallende fotoner detektert ved strømendring. Hovedsakelig benyttet for detektering av raske endringer. Fotovoltaiske detektorer. Disse meget følsomme detektorer fremskaffer en spenning når de utsettes for fotonbestråling under en viss grensebølgelengde. Forspenning er ikke påkre-vet .

Termiske detektorer er i prinsippet temperaturavkjennende og gir et målbart utsignal når detektorelementets temperatur endrer seg.

Termistorer. Disse består av halvledermaterialer med en motstand som er sterkt avhengig av elementets temperatur. Termistorene kan ha en positiv temperaturkoeffisient, PTC-termstorer, med et motstandselement som består av sintrede oksyder. NTC-termistorer blir fremstilt hovedsakelig på samme måte, men av andre oksyder som gir en negativ tempe-raturkoef f isient . Ved romtemperatur er motstandsendringen 2 - 5% pr grad C.

Termoelementer. Dersom to materialer, f.eks. tråder, blir loddet sammen ved den ene ende, og de andre blir plassert

ved en temperatur som er forskjellig fra forbindelsespunkt-et, oppstår der en termoelektrisk spenningskilde som driver strøm gjennom kretsen og hvis størrelse er avhengig av temperaturforskjellen. En kombinasjon av jern og konstantan

ville f.eks. resultere i 52 uV/C ved romtemperatur.Spenningen kan økes ved kobling av flere elementer i serie.

Pyroelektriske detektorer. Et pyroelektrisk krystall oppvi-ser spontan polarisasjon eller ladningskonsentrasjon, som er sterkt avhengig av temperatur. Et tynt sjikt av et slikt materiale mellom to elektroder danner en kondensator hvis ladning er en funksjon av en temperatur. Oppvarming av ele-mentet endrer ladningen og fremskaffer en spenning over elektrodene proporsjonal med bestrålingen. Pyroelektriske detektorer er også meget følsomme, men egner seg best for overvåkning av raske endringer.

Pneumatiske detektorer. Trykkendringer i et gassfylt kammer blir registrert ved hjelp av slike.

Den høye effekten gjør det mulig å bruke alle typer IR- detektorer i en alarminnretning for det tenkte bruksområdet. Passende fotodetektorer er blysulfid, PbS, og blyselen, PbSe, idet begge er fotokonduktive halvlederdetektorer som påvirkes av IR-stråling uten at de behøver å oppvarmes. Uten ytterligere avkjøling ligger den maksimale følsomhet med hensyn til temperaturer i området ca. 600°C, idet denne raskt avtar både for høyere og lavere temperaturer, noe som eliminerer behovet for filteret. En slik varselinnretning kan i prinsippet brukes hvor som helst.

Ved den første utførelsesform som ble brukt, ble der an-vendt to termistorer i form av rimelige NTC-motstander. Disse er følsomme over hele det bølgelengdeområdet som har interesse. Ved motering av begge detektorer i et felles lukket hus, oppnådde man kompensasjon for endringer i vær-elsetemperatur. Imidlertid ble den ene termistor beskyttet mot direkte varmestråling, idet temperaturen ble noe lavere og motstanden høyere, hvilket ga en forskjellig belastning som ble påført brokretsen.

Som båndpassfil ter ble der benyttet vanlig glass og en mørkfarget plastfilm. For å sikre at temperaturforskjellen bare hadde å gjøre med forskjellen i innkommende stråling, er det viktig at det glassfilter som ble benyttet for skjerming av IR-stråling med lave frekvenser, kan "sees" av begge termistorer for kompensasjon av oppvarmingen av glasset. Best funksjon oppnår man ved bruk av to glassplater som er skilt fra hverandre ved hjelp av et luftfylt mellom-rom. Det indre glasset vil i den forbindelse avskjerme utstrålt varme fra det ytre, hvis temperaturen blir øket på grunn av utstrålingen av varme og f.eks. damp fra kokekare-ne. Dessuten må begge termistorer være lokalisert i det samme hus, som må være fremstilt av et materiale med gode varmeledningsegenskaper, f.eks. aluminium.

En temperaturøkning som man oppnår i den bestrålte detektor blir en funskjon av forskjellen mellom absorbert varmestråling og den varme som utsendes ved konveksjon og varme som ledes av forbindelsestrådene. For å holde varmeledningen på et minimum, kan trådene som fører vekk fra termistorene ha et lite tverrsnitt og være varmeisolert. Konsentrasjon av utstråling, f.eks. ved hjelp av halvsfæreformede glassgjen-stander, kan være nødvendig dersom detektoren skal plasser-es på større avstand fra kokeplaten. Også i dette tilfellet vil glasset tjene som et kortpassfilter og avskjerme stråling fra legemer med en lavere temperatur.

Teknisk omtale av utførelsesformer

I forbindelse med to eksperimentelle innretninger som ble testet, ble der benyttet en såkalt industrikrets fra Natio-nal Semiconductor med betegnelsen 1801, som primært var konstruert for bruk i forbindelse med brannalarminnretning-er av ioniseringstypen. Den elektriske krets er vist på fig. 6. Kretsen er forbundet med et 9 V batteri omfattende to spenningstabilisatorer, idet den ene på pinne 2 har et utgangsnivå på 5,9 V og blir brukt til spenningsmating av brokretsen. Den samme omfatter termistorer Tl og T2, samt motstander RI og R2. Motstandene er forbundet i serie med en variabel motstand R3 som brukes til å balansere broen, slik at utgangsspenningen som man får via motstanden R4 til komperatoren, kan balanseres i området 100 mV. Komparatoren vil overvåke den spenning på den negative inngang, pinne 4, når denne blir høyere enn den negative, pinne 5, og da trigger via en OR-krets sluttrinnet som driver en passende summer. Kretsen innebefatter også et spenningsavfølingsor-gan som gir et kort alarmsignal annet hvert minutt når bat-teriet blir utladet eller bør skiftes ut. Nivået detekteres ved hjelp av motstandene RIO og Ril og bør velges på en slik måte at varselsignalet fremskaffes når spenningen blir lavere enn ca. 8 V. Denne spenning er tilstrekkelig for kontinuerlig drift av varselinnretningen for flere måneder.

Når der opptrer en overoppvarmingsalarm, blir kondensatoren Cl utladet via R8 og dioden Dl, noe som bringer broen i u-balanse og reduserer spenningen tilført pinnen 4 og avbryter alarmsignalet. Med de valgte komponenter oppnår man et kort signal på intervaller av 15 sek. Imidlertid reduseres dette signal proporsjonalt med absorbert utstråling, det vil se alarmfrekvensenøker suksessivt dersom kokeplaten ikke blir utkoblet.

For å kunne bringe alarmen til taushet når temperaturen på kokeplaten reduseres, foreligger der en "vær stille" knapp, som utlader kondensatoren C4 som bringer broen ut av balan-se og således avbryter signalet. Imidlertid blir kondensatoren ladet på nytt via motstanden R9 og etter ca. 5 min vil alarmen på ny få vanlig følsomhet. Varselsignalet kan således ikke avbrytes permanent sålende detektoren er lokalisert ved siden av komfyren.

De forholdsvis store kondensatorer C2 og C3 reduserer føl-somheten med hensyn til forstyrrelser, f.eks. slik det kan opptre når viften blir slått på eller av.

Antallet komponenter kan reduseres samtidig som man bibe-holder funksjonen uendret dersom NS 1801 blir erstattet med en mere moderne krets, f.eks. CA3164E fra RCA. Selv denne krets inneholder en utgang som muliggjør parallell kobling av inntil 20 overoppvarmingsalarmer. I den samme forbindelse kan der også inngå de fleste batteridrevne brannalarmer som idag innstilles i de fleste hjem. Det er av spesiell betydning i blokkleiligheter, fordi et stort antall av alarminnretninger av begge typer kan kobles i parallell til en felles varsler, som f.eks. er anordnet hos en vaktmester eller forbundet til en ekstern alarm.

Overoppvarmingsalarmen kan også være slik innrettet at den innebefatter en røkdetektor i den hensikt å fremskaffe en alarm ved røkutvikling, fordi dannelse av røk i visse til-feller går forut for overskridelsen av et forhåndsbestemt temperaturnivå. Detektorer av standard typer kan integreres med den samme brokobling, noe som resulterer i alarm både ved røkutvikling og overoppvarming.

Videre kan alarmapparatet enten motta en spenningsforskyn- ing fra et batteri eller alternativt være forbundet med en passende elektrisk krets ved gjenstanden som overvåkes,

f.eks. en signallampe som lyser oppnår den overvåkede gjenstand blir slått på. Det er innlysende at det også er mulig å utføre koblingen på en slik måte at overvåkning bibeholdes kontinuerlig uavhengig hvorvidt den overvåkede gjenstand blir slått på eller ikke.

Under praktiske tester som ble utført i forbindelse med ut-førelsesformen vist på fig. 6, ble der benyttet kokeplater som varmeavgivende og overvåkede gjenstander, idet detektoren var plassert en avstand 0,36 m fra kokeplatene. Derved oppnådde man en god temperaturovervåkning, og detektoren ble ikke vesentlig påvirket av varme som ble avgitt av kokeplatene. Den nevnte avstand kan dessuten varieres innen brede grenser samtidig som der bibeholdes gode funksjons-egenskaper.

Sluttelig er det også mulig å anordne detektoren med passende logikkfunksjoner, f.eks. ved innkobling av en mikroprosessor i den hensikt å fremskaffe et intermittent varselsignal som vedrører tidligere temperaturendringer og tem-peraturderivaten.

Den foreliggende oppfinnelse kan åpenbart ytterligere modi-fiseres innenfor oppfinnelsens idé og ramme samt de vedføy-de krav, og skal således på ingen måte være begrenset til de eksempler på utførelsesformer som er vist og omtalt, og for hvilke kokeplater og komfyrer er valgt som eksempler på overvåkede gjenstander.

Claims (10)

1. Overoppvarmingsalarm for overvåkning av en varmeavgivende gjenstand, f.eks. kokeplater, elektriske komfyrer eller lignende, karakterisert ved at avgitt varme fra en gjenstand under overvåkning blir avfølt av en IR-detektor som er lokalisert på en avstand fra den overvåkede gjenstand, og som er innrettet til å avgi et varselsignal og/eller avbryte krafttilførselen til gjenstanden når temperaturnivået for den overvåkede gjenstanden overskrider et forhåndsbestemt maksimalt temperaturnivå.

2. Alarm som angitt i krav 1, karakterisert ved at IR-detektoren er innrettet med et høypassfilter som ved hjelp av absorbsjon eller refleksjon redusere eller forhindrer utstråling med kortere bølgelengder enn 1 - 3 pm fra å påvirke detektorelementet innlemmet i IR-detektoren.

3. Alarm som angitt i krav 1 og 2, karakterisert ved at IR-detektoren er innrettet med et kortpassfilter innrettet til å redusere utstråling med lengre bø lgelengder enn 3 pm.

4. Alarm som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at detektorelementet er slik innrettet at det er forbundet med en logikkrets, f.eks. en mikroprosessor, som avgir et intermittent varselsignal som har å gjøre med foregående temperaturendringer og tempera-turderivat.

5. Alarm som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at detektorelementet omfatter to brokretskoblede termistorer, f.eks. NPC-motstander.

6. Alarm som angitt i krav 1, karakterisert ved at overoppvarmingsalarmen er anordnet som en integrert enhet med en støttedel for gjenstanden som overvåkes, f.eks. en komfyr, eller en del som er knyttet til gjenstan den som overvåkes, f.eks. huset for en tilhørende kjøkken-vifte.

7. Alarm som angitt i krav 1, karakterisert ved at kompensasjon for lyspåvirkning fra tilstøtende plasserte lyskilder utføres ved hjelp av diferensialmåling i det synlige og nære IR-området.

8. Alarm som angitt i krav 1, karakterisert ved at det ytre hus som omgir detektorelementet, er forsynt med en permanent magnet som forenkler festingen til en passende plassert ferromagnetisk gjenstand, f.eks. huset for en kjøkkenvifte.

9. Alarm som angitt i krav 1, karakterisert ved at den er forbundet med og får spenning tilført av det elektriske system som utnyttes av den overvåkede gjenstand, f.eks. forbundet i parallell med en indikerings-1ampe.

10. Alarm som angitt i et av kravene 1-9, karakterisert ved at den er anordnet integrert med en røkdetektor.