DE2624269A1

DE2624269A1 - Schaltung zur wahrnehmung anormaler ereignisse

Info

Publication number: DE2624269A1
Application number: DE19762624269
Authority: DE
Inventors: Daniel Barbier; Jean Claud Lanore; Bernard Lauwick; Robert Poujois
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Compagnie Centrale Sicli SA
Current assignee: Compagnie Centrale Sicli SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-06-02
Filing date: 1976-05-29
Publication date: 1977-04-07
Also published as: JPS51147997A; US4215278A; NL7605975A; BR7603460A; CH615036A5; BE842208A; LU75038A1; GB1554217A; ES448466A1; FR2313723B1; FR2313723A1

Description

2624/G3

■Patentanwälte

-bff. Wilhelm Seichel -liig. Woligang Roichel

6 Frankfurt a. M. 1 (* 8480

Pärketraße 13 ====

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris, Frankreich und COMPAGNIE CENTRALE SICLI, Le Blanc Mesnil, Frankreich

Schaltung zur Wahrnehmung anormaler Ereignisse

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Wahrnehmung anormaler Ereignisse, sie betrifft insbesondere eine Schaltung, die ein Signal abgibt und evtl. einen Alarm auslöst, sobald eine charakteristische physikalische Größe irgend eines bestimmten Ereignisses gewisse Schwankungen aufweist, die anormalen Zuständen entsprechen. Das anormale Ereignis bzw. der anormale Zustand kann dabei z.B. ein Brand oder ein versuchter Einbruch sein.

Im zuerstgenannten Fall kann die physikalische Größe z.B. aus einer Temperatur, einer Rauchdichte, einer Infrarotstrahlung etc. bestehen. Im zweiten Fall kann als physikalische Größe z.B. eine, von einer fotoelektrischen Zelle gemessene Lichtstärke oder ein, auf eine Scheibe oder ein anderes Objekt ausgeübter anormaler Druck sein, der aufgrund des versuchten Einbruches zur Auswirkung kommt.

Bekanntlich enthalten derartige Schaltungen im allgemeinen einen Meßwertaufnehmer, der die Intensität der betreffenden physikalischen Größe in ein elektrisches Signal (Spannung oder

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Strom) umwandelt. Die Schaltung enthält außerdem einen Schaltungsteil, in dem das elektrische Signal weiterverarbeitet wird und festgestellt wird, ob das Ereignis tatsächlich anormal ist, und in dem dann, sofern das Ereignis tatsächlich als anormal festgestellt wurde, der Alarm ausgelöst oder beliebige Sicherheitsvorrichtungen in Betrieb gesetzt werden.

Es sind verschiedene Schaltungen zur Wahrnehmung anormaler Ereignisse, auch Alarmanlagen genannt, insbesondere zur Früherkennung von Bränden bekannt. Im allgemeinen wird bei diesen bekannten Schaltungen die vom Meßwertaufnehmer gelieferte elektrische Größe mit einer festen Referenzgröße verglichen.

Bei diesen bekannten Schaltungen wird die Größe selbst verarbeitet, was den Nachteil hat, daß häufig Alarm zur falschen Zeit ausgelöst wird, da eine derartige Schaltung die Art und Weise, in der die physikalische Größe sich ändert, außer Acht läßt.

Ferner liefern die Meßwertaufnehmer der bekannten Schaltungen im allgemeinen sehr schwache Ströme, die mit den bekannten Methoden sehr schwer weiterverarbeitbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung zur Wahrnehmung anormaler Ereignisse und Zustände anzugeben, die die genannten Nachteile nicht besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Meßwertauf nehmer zur Umwandlung einer für das Ereignis charakteristischen physikalischen Größe in ein elektrisches Signal vorgesehen ist, daß der Ausgang des Meßwertaufnehmers mit einem der Eingänge eines Komparators verbunden ist, dessen Ausgang

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2624/':" 8

mit einem Verzögerungskreis verbunden ist, und daß vom Ausgang des Verzögerungskreises ein elektrischer Signalgenerator ansteuerbar ist, dessen Ausgang am anderen Eingang des Komparators liegt, wobei das Ausgangssignal des Komparators die zeitlichen Schwankungen des vom Meßwertaufnehmer abgegebenen Signals wiedergibt.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Wahrnehmung anormaler Ereignisse enthält bevorzugt eine Vergleichsschaltung, in der das vom Komparator gelieferte Signal mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird.

Das vom Meßwertaufnehmer gelieferte Ausgangssignal besteht bevorzugt aus einem elektrischen Strom.

Der elektrische Signalgenerator ist bevorzugt ein Stromgenerator, der nach dem Ladungstransferprinzip arbeitet, und zwischen dem Verzögerungskreis und dem Signalgenerator ist bevorzugt ein Spannungs-Frequenzkonverter zwischengeschaltet.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Komparator eine Kapazität, deren eine Platte den vom Meßwertaufnehmer gelieferten Strom und den vom Signalgenerator gelieferten Strom zugeführt erhält, und deren andere Platte an Masse gelegt ist.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 2 ein Schaltschema einer erweiterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung;

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ORIGINAL INSPECTED

26 2 4 26 3

Fig. 3 ein Schaltschema des Stromgenerators und des Komparator s_f die in der erfindungsgemäßen Schaltung vorgesehen sind;

Fig. 4 eine weitere erweiterte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4^f eine weitere Ausführungsform des in Fig. 4 dargestellten Schaltkreises, bei der der Meßwertaufnehmer eine Spannung abgibt;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des in Fig. 4 dargestellten Schaltkreises;

Fig. 5' einen zeitlichen Signalverlauf, der die Funktion der in Fig. 5 dargestellten Schaltung angibt;

Fig. 6 einen genauen Schaltplan der erfindungsgemäßen Schaltung entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;

Fig. 7 ein Diagramm, das die Funktionsweise des Schaltplanes nach Fig. 6 erläutert;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, die die relativen Änderungen des vom Meßwertaufnehmer gelieferten Signals erzeugt;

Fig. 9 eine Schaltung zur Eichung des vom Meßwert aufnehmer gelieferten Stromes; und

Fig. 10 die Verwirklichung eines Widerstands mit sehr hohem Wert für den Verzögerungskreis.

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AO

In Fig. 1 ist eine erste einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt. Diese Schaltung enthält einen Meßwertaufnehmer 2, der eine für das beobachtete Phänomen charakteristische physikalische Größe in einen Strom umwandelt. Es lassen sich selbstverständlich verschiedene Typen von Meßwertaufnehmern verwenden, so z.B. Verbrennungsgasdetektoren mit einer Ionisationskammer, oder Temperaturdetektoren mit einer in Sperrichtung vorgespannten Diode.

Der vom Meßwertaufnehmer 2 abgegebene Strom ist im allgemeinen sehr klein und wird in einen Komparator 4 eingespeist. Der Komparator 4 empfängt außerdem einen Strom I , der als Referenzstrom bezeichnet wird, und von dem Stromgenerator 6 geliefert wird.

Der Stromgenerator 6 wird über die Regelschleife 8 gesteuert, die ständig vom Ausgang des Komparators 4 die Differenz der Ströme I und I erhält, wobei dieses Fehlersignal den Stromgenerator 6 in einer solchen Weise steuert, daß der von dem Stromgenerator abgegebene Strom I_p dem Wert des Stromes I_m angeglichen ist.

Die Regelschleife enthält einen Verzögerungskreis 10, der eine geeignet große Zeitkonstante besitzt.

Es ist also ersichtlich, daß der Strom I gleich demjenigen Wert des Stromes I ist, den dieser Strom ¹ST Sekunden vorher besaß, wobei T'gleich der Zeitkonstante des Verzögerungskreises 10 ist.

Am Ausgang des Komparators 4 ergibt sich daher eine Spannung, die der Abweichung I_m und (t + ⁴T) entspricht.

die der Abweichung I_m - I_r des Stromes zwischen den Zeiten t

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Diese Abweichung des Stromes entspricht daher der Änderung der für das beobachtete Ereignis charakteristischen physikalischen Größe und wird einem Ausgangskreis 12 zugeführt, der ein Alarmauslösesignal erzeugt, wenn die Änderung des Stromes innerhalb zweier um If auseinanderliegender Zeitpunkte größer als ein vorgegebener Schwellwert ist.

Es ist klar erkennbar, daß die erfindungsgemäße Schaltung nicht mit den absoluten Stromwerten arbeitet, die vom Meßwertaufnehmer abgegeben werden, sondern mit der Neigung der Stromänderung als Funktion der Zeit.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann ohne weiteres ebenso einen absoluten Schwellwert besitzen, bei dem Alarm ausgelöst wird, wenn der Absolutwert des Stromes I diesen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, bei dessen Überschreiten keinerlei Unsicherheit mehr vorhanden ist, daß das Ereignis tatsächlich anormal ist.

Fig. 2 zeigt eine erweiterte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung. Diese Ausführungsform enthält einen Meßwertaufnehmer 2, der den Strom I abgibt, der dem Komparator 4 zugeführt wird. Der Komparator 4 empfängt am anderen Eingang den Strom I , der vom Stromgenerator 6 geliefert wird.

Der Stromgenerator 6 arbeitet nach dem Ladungstransferprinzip die Funktion des Stromgenerators wird später erläutert.

Am Ausgang des Komparators 4 erhält man eine Spannung V-j. Diese Spannung Y* wird einem Anpassungskreis 11 zugeführt. Dieser Anpassungskreis verstärkt die Spannung V und vermeidet aufgrund seiner hohen Eingangsimpedanz die Entstehung eines Stromes, der den Vergleich der beiden Ströme I_m und I_r von schwacher Intensität verfälschen würde.

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-JT-

A,

Der Ausgang des Anpassungskreises 11 stellt gleichermaßen den Ausgang der Schaltung dar und gibt das Ausgangssignal der Schaltung ab. Dieses Ausgangssignal kann evtl. noch durch das Filter 13 geleitet werden, um zu kurze SignalSchwankungen zu eliminieren. Das Ausgangssignal des Anpassungskreises 11 wird ferner in den Verzögerungskreis 10 eingespeist, der eine bestimmte Zeitkonstante T*besitzt. Das vom Kreis 10 gelieferte Signal wird einem Spannungs-Frequenzkonverter 16 zugeführt, der ein Signal abgibt, dessen Frequenz proportional zu der an seinem Eingang liegenden Spannung ist. Die vom Konverter gelieferte Frequenz F steuert den Ladungsgenerator 17. Der Konverter 16 bildet zusammen mit dem Ladungsgenerator 17 den Stromgenerator 6.

Eine Ausführungsform des Ladungsgenerators 17 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt; der Ladungsgenerator besteht im wesentlichen aus einer Kapazität C., die von einer Spannungsquelle mit der Spannung Vq über einen Schalter K^ aufladbar ist.

Die Kapazität C, ist über den Komparator 4 mit Hilfe eines Schalters K₂ entladbar. Das abwechselnde Öffnen und Schließen der Schalter K^ und K₂ wird durch das Signal mit der Frequenz F gesteuert. Um das alternierende Öffnen und Schließen zu erzielen, ist vor den Steuereingang des Schalters K-. ein Umschalter 18 geschaltet.

Mittels des Umschalters 18 wird alternativ die Kapazität C₁ geladen und entladen. Der Komparator 4 besteht aus einer Kapazität C, die gegenüber C. groß ist und die bezüglich des Eingangsstromes einen sehr geringen Entladestrom besitzt. In die Spannungen der beiden Eingänge und des Ausgangs dieses Komparators sind alle auf dem gleichen Wert V^. Der Strom I_r, der vom Generator dann geliefert wird, ist durch die Formel

70981 W089S

I₁. = C₁ F(V₀ - V₁) gegeben.

In anderen Worten ist dieser Kreis einem Widerstandskreis äquivalent, dessen mittlerer Widerstand den Wert R_ß = s—„

besitzt und einer Spannung V₀ - V₁ unterworfen ist.

In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltung angegeben. Zum besseren Verständnis ist der dem Generator 17 äquivalente Widerstand R_e eingezeichnet. Der Komparator 4· besteht aus einem Differenzverstärker mit der Verstärkung G, dem an einem Eingang diejenige Spannung zugeführt ist, die an einer Kapazität C durch die algebraische Summe der Ströme I_m und I_r erzeugt ist, und die der Spannung V₁ in Fig. 3 entspricht, und dem am zweiten Eingang eine Referenzspannung V₁₀ zugeführt wird. Der Verzögerungskreis 10 besteht aus einem Widerstand R₁ und der Kapazität C₁. Der Spannungs-Frequenzkonverter 16 besitzt die Konversationsrate K.

Bei langsamen Betrieb (langsame Änderungen im Vergleich zur Zeitkonstante R₁, C₁ der Regelschleife) ergibt sich V₁ = V, und R_e β £kT~ * ^{woraus sich die} Beziehung ableiten läßt:

I_m
V₁ = (V₀ + ^₇- - V₁₀) G

Sofern man V₁ durch ■ ersetzt, ergibt sich die Gleichung!

(^V0 " ^V10^ ^Re ^{+ 1}Oi ^Re " ⁷^ ⁼ °

Die Lösung dieser Gleichung lautet:

_β

V;

^e ° ^{x X/}GCK (V_n - V._n) ²

U IU

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die gegen den Wert

V - V ^V1O ^VO

strebt, wenn GCK gegen unendlich strebt, wo I_m den mittleren Strom darstellt.

Sofern also das Produkt GK großgemacht wird, ist das Produkt R . I im wesentlichen konstant. R I stellt die Spannung am Eingang dar, die, wie gezeigt wurde, im stationären Zustand, eine Konstante ist. Wenn man die durch eine schnelle Änderung Δΐ_ des Stromes I erzeugte zusätzliche Spannung angibt, so erhält man:

R) = GAl_m ^V10 " ^V0

die gut proportional zu ist. Das Ausgangs signal ent-

spricht daher schnellen Änderungen des Stromes I .

Die Quadratwurzel läßt sich gegenüber dem Wert 1 kleinmachen, sofern man der Konstanten K einen großen Wert gibt.

In Fig. 5 ist eine Schaltung dargestellt,, die es gestattet, eine größere Zeitkonstante zu verwirklichen als das mit einer RC-Integrationsschaltung möglich ist. Der einzige Unterschied besteht in dem Vorhandensein des Schalters K,, der vor dem Integrationskreis liegt. Der Schalter K, wird durch eine Uhr gesteuert (nicht dargestellt) und gestattet es, während einer bestimmten Zeit die Gegenkopp lungs schleife zu unterbrechen.

Die auf diese Weise eingeführte Zeitkonstante ist gleich dem

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Zeitintervall zwischen zwei geschlossenen Zuständen der Schleife. Die Kapazität C dient dazu, die Spannung zu speichern, die dem Mittelwert des Meßstromes während des geschlossenen Schalters entspricht. Diese Spannung wird durch den Konverter 16 in eine Frequenz umgesetzt.

Die auf diese Weise verwirklichte Verzögerung gestattet es, während zweier aufeinanderfolgender Zeitintervalle, in denen der Schalter geschlossen ist, den mittleren Strom I zu vergleichen und einen Alarm auszulösen, wenn die Abweichungen einen bestimmten Schwellwert übersteigen.

Anstelle die Öffnung und Schließung des Schalters K^ zu steuern, kann man auch, um eine große Schließzeit des Schalters zu erzielen (in der Größenordnung von 10 s), kann man auch den Schalter K-, mit einem Generator (nicht dargestellt) steuern, der periodische Signale abgibt, deren Periode klein gegenüber den zu messenden Änderungen ist.

In Fig. 5' ist der zeitliche Verlauf des Steuersignals des Schalters K, dargestellt. Der Schalter K, ist während der Zeit t^ geschlossen und während der Zeit tp geöffnet.

Die Zeitkonstante des neuen Kreises beträgt dann:

wobei RpCp die Zeitkonstante des Kreises darstellt, der ohne Schalter betrieben wird.

Auf diese Weise vermeidet man die Nachteile der vorherigen Schaltungen, mit denen sich Messungen nicht während der gesamten Periode der Gegenkopplung durchführen ließen.

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In Fig. 6 ist ein genauer Schaltplan für die erfindungsgemäße Schaltung angegeben, mit der man ein relatives Fehlersignal erhält.

Der Meßwertaufnehmer 2, der den Strom I liefert, speist den Komparator 4, der aus der Kapazität C besteht, die zwischen dem gemeinsamen Anschluß 100 und dem Masseanschluß liegt. Am Anschlußunkt 100 liegt außerdem der Stromgenerator 17, der, wie schon- angegeben, aus der Kapazität C-, besteht, die über den die Rolle des Schalters K^ übernehmenden MOS-Transistor am Referenzpotential V und über den die Rolle des Schalters K₂ übernehmenden MOS-Transistor 104 am Anschlußpunkt 100 liegt.

Der Ausgang des Koinparators 4 ist mit dem Eingang des MOS-Transistors 106 verbunden, der mit dem MOS-Ladetransistor 107 den Anpassungskreis 11 darstellt. Der Ausgang des Anpassungskreises ist mit dem Filter 13 und außerdem mit dem Verzögerungskreis 10 verbunden. Das Filter 13 besteht im wesentlichen aus der Kapazität C-*, die zwischen Masse und dem MOS-Transistor 108 angeordnet ist, der das Ausgangssignal des Anpassungskreises zugeführt erhält.

Der andere Anschluß des Transistors 108 liegt am Steueranschluß des MOS-Transistors 110, der einen Schwellwert festlegt. Am Ausgang 112 des MOS-Transistors 110 erhält man ein logisches Signal mit dem Niveau 1 oder 0, das geeignet ist, einen Alarm auszulösen, wenn die Signalamplitude größer oder kleiner dem vorgegebenen Schwellwert ist, und es wird deutlich, daß dieses Signal eine Funktion der relativen Änderungen des Stromes I ist.

Der Anpassungskreis 11 ist außerdem mit dem Verzögerungskreis 10 verbunden, der auch als Speicher dient.

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Der Verzögerungskreis 10 enthält am Eingang einen MOS-Transistor 114, der als Schalter K, dient.

Am Ausgang des Transistors 114 ist der eine Anschluß der Kapazität C^ angeschlossen,, die gleichzeitig als Integrator und als Speicher wirkt.

Der Transistor 114 wird durch ein Signal H gesteuert, das von der Uhr 116 stammt und an die Gate-Elektrode des Transistors angelegt wird. H entspricht dem Bruchteil der Periode T des Signals der Uhr. Das komplementäre Signal wird mit H bezeichnet.

Der Ausgang 118 des Verzögerungskreises ist mit dem Eingang des Spannungs-Frequenzkonverters 16 verbunden. Dieser Konverter ist in der französischen Patentanmeldung EN 74 00295 vom 4. Januar 1974 (Fig. 2) beschrieben, es ist lediglich dabei der einen Strom liefernde Meßwertaufnehmer (Diode) durch einen MOS-Transistor ersetzt, der eine Transformationspannung-Strom liefert, der Konverter enthält im wesentlichen eine Kapazität Cc, die es erlaubt, die Konversionsrate zwischen der am Eingang angelegten Spannung und der am Ausgang als Signal abgegebenen Frequenz F zu regeln.

In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform enthält der Spannungs-Frequenzkonverter außerdem eine Kapazität Cg zur Frequenzverschiebung.

Diese Kapazität Cg kann mit der Kapazität Cc (unter Zwischenschaltung des MOS-Transistors 120, der die Rolle des Schalters einnimmt) in Parallelschaltung angeordnet sein und erzeugt eine Verringerung der Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenzkonverters bei einer konstanten Eingangsspannung.

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Der MOS-Transistor wird an seiner Gate-Elektrode durch das Signal ΪΪ gesteuert, das von der Uhr 116 geliefert wird.

Wenn also der Transistor 120 gesperrt ist, befindet sich der Transistor 114 in seinem leitenden Zustand bzw. wenn der Transistor 120 leitet, ist der Transistor 114 gesperrt.

Am Ausgang 122 liefert der Konverter 16 ein Signal F, dessen Frequenz proportional zu der an seinem Eingang angelegten Spannung und umgekehrt proportional zu der Eingangskapazität (Ck oder C= + C^) ist. Der Ausgang 122 ist mit der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 des Generators 17 verbunden, er ist außerdem mit der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 124 verbunden. Der inverse Ausgang 126 des Spannungs-Frequenzkonverters ist mit der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 104 des Generators 17 verbunden, er ist außerdem mit der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 128 verbunden.

Die Schaltung enthält außerdem eine Schwellwertschaltung für den absoluten Strom, die im wesentlichen aus der Kapazität CU besteht, die sich über den Widerstand R entladen kann. Der Widerstand R ist zwischen den Masseanschluß und die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 132 geschaltet.

Die Kapazität C« wird von einem Strom aufgeladen, der von der Kapazität C_Q durch den MOS-Transistor 128 fließt, der als Schalter dient.

Die Kapazität C₈ wird selbst durch die Hochspannungsversorgung über den MOS-Transistor 124 aufgeladen, der ebenfalls als Schalter dient.

Wenn die Frequenz sehr hoch ist, hat die Kapazität C~ nicht Zeit, um sich über den Widerstand R zu entladen, der MOS-

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Transistor 132 ist dann leitend und ein Alarmsignal erscheint am Ausgang 134. Ist hingegen die Frequenz niedrig,so entlädt sich die Kapazität C« über den Widerstand R und der Transistor 132 ist gesperrt.

Fig. 7 zeigt die Wirkungsweise dieser Ausführungsform für den Fall, daß das anormale Ereignis ein Abnehmen des Stromes bewirkt. Als Abszisse ist die Zeit aufgetragen, als Ordinaten die Stromstärke.

Die Kurve I stellt die Schwankungen des Stromes I_m dar, die Kurve II zeigt die aufeinanderfolgenden Werte des Stromes I_r, die vom Generator 17 geliefert werden.

T ist die Periode der Uhr 116. Mit der Periode T finden Änderungen des Stromwertes I_r statt, da die Parallelschaltung der Kapazität Cg die Konversionskonstante K und damit den Wert der Frequenz F modifiziert, während der Kreis offen ist (die Spannung wird durch die Kapazität C^ dabei gespeichert).

Während der Rückkopplung (K, , der MOS-Transistor 114 ist aufgrund des Signals H der Uhr leitend) besitzt K den normalen Wert, der durch Cc und Cg festgelegt ist, und der Stromgenerator erzeugt den Strom I_r = I_m. Anschließend (während des Signals S der Uhr) ist K₃ offen und C^ behält den Speicherwert der Spannung, der an dieser Kapazität anliegt.

Gleichzeitig wird K um den Wert Δ K modifiziert, da die Kapazität Cg herausgenommen ist. Die Änderung von K erzeugt eine bemerkbare Änderung von R , der folgenden Wert annimmt;

^e " C₁ (K -ΔΚ) V₃

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26242^° ZO

Man legt zuerst einen bestimmten Wertunterschied zwischen dem Strom I_m und dem Strom I_r fest. Wenn dieser Unterschied zu Null wird (Punkt A) wird der Alarm ausgelöst. Der Punkt B, der der nachfolgenden Übereinstimmung beider Stromwerte entspricht, kann zur Bestätigung herangezogen werden.

Wenn der Alarm bei V₁ = V-* ausgelöst ist, so gilt: V₁ V₁ χ C₁

R^ C₁ (K - AK) V₃

C₁ K

woraus folgt:

¹A Κ-ΔΚ

K
d.h.

¹M ^K

Die relative Abnahme, die bei dieser Ausführungsform zu einer Alarmauslösung führt, sobald diese relative Stromabnahme vorhanden ist, läßt sich von dem Verwender dadurch steuern, daß die relativen Werte der Kapazitäten Cc und Cg geregelt werden.

Der nicht dargestellte Schaltkreis, der die Auslösung eines Alarmes bei V₁ = V^ gestattet, besteht z.B. aus einem Differenzverstärker, der von einem Nullpunktdetektor gefolgt ist.

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Sofern man einen Alarm bei einem relativen Anwachsen des Stromes I_m erzielen will, was der Fall ist, wenn der vom Meßwertaufnehmer abgegebene Strom mit der Amplitude des beobachteten Ereignisses anwächst (wenn z.B. der Meßwertaufnehmer die Temperatur eines Brandes mißt), so genügt es, die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 120 mit dem Ausgang H der Uhr 116 zu verbinden (diese Verbindung ist gestrichelt dargestellt) und die Verbindung zwischen dem Ausgang H der Uhr mit dem Transistor zu entfernen.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der absolute Schwellwert des Stromes, der das Auslösen eines Alarmes gestattet, durch die Schwellspannung des MOS-Transistors 132 verwirklicht.

Sofern eine genauere Schwelle gewünscht ist, läßt sich dieser Transistor durch einen Komparator ersetzen, der einerseits einen Strom von dem Transistor 128 und andererseits einen Referenzstrom zugeführt erhält. Der Komparator kann zum Beispiel aus einem Differenzverstärker mit kleiner Offsetspannung aufgebaut sein.

Es wurde gezeigt, daß der in Fig. 4 dargestellte Schaltkreis nur dann ein Signal abgibt, das der relativen Änderung des vom Meßwertaufnehmer gelieferten Stromes entspricht, wenn der Konversionskoeffizient K des Spannung-Konverters erhöht wird.

Tatsächlich ist dieser Koeffizient nicht sehr groß. Eine erste Lösung, um ein Signal zu erzeugen, das den relativen Änderungen entspricht, ohne einen sehr hohen Koeffizient K zu benötigen, wurde durch die in Fig. 6 dargestellte Schaltung aufgezeigt.

?09814/089δ

2624259

Eine weitere Lösung dieses Problems ist in Fig. 8 dargestellt, die auf die Fig. 5 Bezug nimmt und der Fig. 5 nur die für diese Lösungsform speziellen Elemente hinzufügt. Diese Ausführungsform besteht im wesentlichen darin, die Differenz der Potentiale an den Klemmen des Verzögerungskreises 14 abzunehmen, d.h. die Potentialdifferenz V₁ - V* zu entnehmen.

Bevorzugt wird diese Ausführungsform mit einem Filter verbunden, das es gestattet, die Geschwindigkeiten der interessanten Änderungen auszuwählen.

Für diesen Zweck ist am Ausgang des !Comparators 4^f ein Schalter K^f3 vorgesehen, der einen Verzögerungskreis 10' steuert, der aus dem Widerstand R'₂ und der Kapazität C'₂ zusammengesetzt ist und als Filter dient. Der Ausgang dieses Verzögerungskreises 10» ist an einen der Eingänge des Komparators 20 gelegt, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Verzögerungskreises 10 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 20 ist an den Eingang der Schwellenschaltung 22 gelegt, deren Ausgangs signal den Alarm auslöst, sofern der Schwellwert erreicht ist. Die Schalter K* und K¹, werden simultan gesteuert. Die Zeitkonstante des Kreises R^f ₂, C'₂ besitzt einen wesentlich kleineren Wert als diejenige des Kreises R₂, C₂.

Außerdem ist in den Steuerleitungen für die Schwellenschaltung 22 eine Kompensation der durch die Schalter eingeführten parasitären Elemente vorgesehen.

Im normalen Betriebszustand sind die Spannungen V^ und V* gleich.

Da der Schaltkreis 14 die schnellen Änderungen des Stromes I_m passieren läßt, gibt die Differenz V^ - V* die interessanten Schwankungen von V-, gut wieder. '

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- 2624263 2}

In Fig. 9 ist eine Schaltung dargestellt, die zur Eichung des vom Meßwertauf nehmer 2 abgegebenen Normalstroms I _Q dient.

In der Tat liefern die verschiedenen Meßwert aufnehmer, die sich verwenden lassen, einen Strom I_m, der je nach dem verwendeten Typ des Meßwert auf nehmers bei Abwesenheit von anormalen Signalen sehr verschieden ist. Trotz dieser Unterschiede will man jedoch die gleichen relativen und absoluten Alarmschwellwerte verwenden können.

Es ist daher erforderlich, je nach dem verwendeten Typ des Meßwertaufnehmers, die Wahrnehmungsschwelle des relativen Werts des vom Meßwertaufnehmer gelieferten Stromes I_m zu ändern und einzujustieren.

Der in der Fig. 9 dargestellte Schaltkreis ermöglicht es, an seinem Ausgang einen "normierten" Strom 1^ q je nachdem vom Meßwertaufnehmer gelieferten nominellen Strom I_mÄ ~ zu entnehmen.

Der Schaltkreis enthält einen Komparator 4., der einerseits eine Spannung enthält, die der Summe der Ströme I_n^ und Ι_Γ· entspricht, die vom Meßwertaufnehmer und vom Stromgenerator 17A (identisch mit dem Generator 17) geliefert werden, und der andererseits die Referenzspannung V-,q enthält. Der Schaltkreis enthält außerdem einen Integrationskreis R», C» und einen Spannungs-Frequenzkonverter 16A. Der Ausgang des Konverters 16A wird an den Steuereingang des Stromgenerators 17» und außerdem an einen anderen Stromgenerator 17« geliefert, der den Strom I₁₀₀ abgibt.

Die Zeitkonstante R»Cj, des Integrationskreises ist wesentlich kleiner als diejenige, des Meßkreises, wie das bei dem Kreis 10· in Fig. 8 der Fall war. Die Änderungen von I^ stellen daher

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" **"" 262/7

die erforderlichen Änderungen des Stromes I . dar; lediglich die Intensität des Stromes I^ ist entsprechend der Intensität

des Stromes l_mk verändert.
mA

Durch Einstellung des Wertes der Spannung V₀ des Stromgenerators 17A kann der nominelle Wert I_{mB Q} des Stromes I_n^ konstant gehalten werden, unabhängig von dem Nominalwert I . _Q des Stromes I₁-. Es ergibt sich daher die Proportionalität:

mB

^XmB

Der Strom I „ wird dann durch eine der bisher beschriebenen

mij

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltung gemessen.

Die Erfindung wurde bisher für den Fall beschrieben, in dem der Meßwertaufnehmer das Signal in Form eines Stromes abgibt, was der häufigste Fall ist. Die Erfindung umfaßt jedoch, auch solche Ausführungsformen, bei denen das Signal als Spannung abgegeben wird, was z.B. bei einem Thermoelement der Fall ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung läßt sich zu diesem Zweck entsprechend der in Fig. 4· dargestellten Schaltung verändern: Der Meßwertaufnehmer 2 liefert dann eine Spannung V_m, die an einen Anschluß des Widerstands R^ angelegt wird, dessen anderer Anschluß am Komparator 4· liegt. Man wird dann V^₀ = 0 wählen.

Eine Umwandlung einer Spannung in einen Strom läßt sich auch mittels eines MOS-Transistors erzielen, an dessen Gate-Elektrode die Spannung V_m angelegt wirdj der MOS-Transistor liefert dann einen Strom I=K ("VL - V_e), wobei V₀ die Schwell spannung des

Iu Xu S 5

MOS-Transistors darstellt und die Beziehung Al =

709814/0898

Anstelle eines Referenzstromes I läßt sich ebenso eine Referenzspannung V_r verwenden, die dann direkt mit der Spannung V_m in einem Spannungskomparator verglichen wird, wobei der Referenzspannungsgenerator von dem Ausgangssignal des Komparators gesteuert wird. Dieser Referenzspannungsgenerator besteht bevorzugt aus einem Spannungs-Frequenzkonverter, dem ein Frequenz-Spannungskonverter nachgeschaltet ist, der die Spannung V_r liefert.

Nach einer weiteren Ausführungsform läßt sich zwischen dem Verzögerungskreis 10 und dem Eingang des Spannungs-Frequenzwandlers 16 eine Stufe mit exponentieller Antwortsfunktion (Strom als Funktion der Spannung) einfügen. Eine derartige Stufe läßt sich z.B. durch eine Diodenstufe verwirklichen.

Bei dieser Ausbildungsform ist die Wirkungsweise dann folgende: In der Schaltung nach Fig. 4 (in der diese exponentielle Stufe eingefügt sei) ist dann am Ausgang die Frequenz F eine exponentielle Funktion der Spannung V*. Die Spannung V, ist dann das Bild des Logarithmus von F in Neper. Die Spannung V-j stellt dann die logarithmische Ableitung der Frequenz dar. Im Gleichgewichtszustand ergibt sich I_m - I₁,. Die Spannung V^ besitzt

daher im Gleichgewichtszustand unabhängig von dem Wert ΙΑ Τ

den Wert ** m . Durch die Einfügung der Exponentialfunktion

m
läßt sich daher auf den Eichkreis nach Fig. 9 verzichten.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform eines Widerstandes mit sehr hohem Wert, der den Aufbau von Verzögerungskreisen mit sehr großer Zeitkonstante erlaubt. Ein derartiger Widerstand kann z.B. die Widerstände K^, Rp und K¹,, R¹, der Fig. 8 ersetzen. Wie sich der Figur entnehmen läßt, besteht ein derartiger

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Widerstand aus der Kapazität C¹ und den Schaltern K1 und K2, die alternierend durch die Uhr H gesteuert werden, deren Frequenz gleich f ist. Der Widerstand entspricht dann einem Wert J

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Claims

26242G9 Patentansprüche

1.' Schaltung zur Wahrnehmung anormaler Ereignisse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertaufnehmer (2) zur Umwandlung einer . für das Ereignis charakteristischen physikalischen Größe in ein elektrisches Signal vorgesehen ist, daß der Ausgang des Meßwertaufnehmers (2) mit einem der Eingänge eines Komparators (4) verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Verzögerungskreis (10) verbunden ist, und daß vom Ausgang des Verzögerungskreises (10) ein elektrischer Signalgenerator (6) ansteuerbar ist, dessen Ausgang am anderen Eingang des Komparators (4) liegt, wobei das Ausgangssignal des Komparators (4) die zeitliche Änderung des vom Meßwertaufnehmer (2) abgegebenen Signals wiedergibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das vom Meßwertaufnehmer (2) abgegebene Signal ein Strom ist.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Vergleichsschaltung für das vom Komparator (4) gelieferte Signal mit einem vorgegebenen Niveau vorgesehen ist.

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4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungskreis (10) aus einem Widerstand (R₁; R₂) und einer Kapazität (C^; C₂) besteht.

5· Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (6) ein nach dem Ladungstransferprinzip arbeitender Stromgenerator ist, und daß zwischen dem Verzögerungskreis (10) und dem Generator (6) ein Spannungs-Frequenzwandler (16) vorgesehen ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (4) eine Kapazität enthält, deren einer Belag das vom Meßwertaufnehmer (2) gelieferte Signal und das vom Generator erzeugte Signal zugeführt erhält, und dessen anderer Belag an Masse gelegt ist.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3» 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzogerungskreis (10) einen Schalter (K,) enthält, der von einem Uhrensignal steuerbar ist, und einen Widerstand (R₂) und eine Kapazität (C₂) zwischen Masse und dem Ausgangsanschluß des Widerstandes (R₂) enthält.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenzkonverter (16) eine erste Kapazität (Cc) enthält, die den Konvertionsgrad Spannung-Frequenz bestimmt, und eine zweite Kapazität

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(Cg) parallel zur ersten Kapazität (Cc) unter Zwischenschaltung eines Schalters (120) enthält, der durch ein Signal einer Uhr (116) so gesteuert ist, daß die öffnung des Schalters (120) gleichzeitig mit der öffnung des Schalters (K^; 114) des Verzögerungskreises (10) erfolgt.

9. Schaltung nach Anspruch 8,
.dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker mit zwei Eingängen vorgesehen ist, daß ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen ist, und daß die beiden Anschlüsse des Verstärkers mit den Anschlüssen des Verzögerungskreises (10) verbunden sind.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur Erzeugung eines Signales vorgesehen ist, das dem vom Meßwertaufnehmer (2) gelieferten Signal entspricht und einen Stromgenerator enthält, der über einen zwischengeschalteten und vom Ausgangssignal des Konverters gesteuerten Schalter eine Kapazität auflädt, der ein Widerstand parallelgeschaltet ist.

11. Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker mit zwei Eingängen vorgesehen ist, von denen je ein Eingang an den Klemmen des Verzögerungskreises (10) liegt.

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- 2 6 2 Λ 2 6 9

12. Schaltung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem Eingangsanschluß des Verzögerungskreises (10) und dem Differenzverstärker (20) ein weiterer Verzögerungskreis (10¹) vorgesehen ist.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichsschaltung (22) vorgesehen ist, in der das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (20) mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichbar ist.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Meßwert auf nehmers (2) und dem Komparator (4) ein Schaltkreis zur Eichung des vom Meßwertaufnehmer (2) gelieferten Stromes vorgesehen ist, der denselben Aufbau wie die Schaltung nach Anspruch 1 besitzt, und daß die Verzögerung des Verzögerungskreises (R., C.) der Eichschaltung klein gegenüber der Verzögerung des Verzögerungskreises (10) der Schaltung nach Anspruch 1 ist.

15. Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das von dem Meßwertaufnehmer (2) abgegebene Signal eine Spannung ist, und daß ein Spannungs-Stromwandler vorgesehen ist.

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16. Schaltung nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spannungs-Frequenzwandler und dem Verzögerungskreis eine Stufe mit exponentiellem Antwortsignal vorgesehen ist.

ReRb/Pi.

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