DE2631454C3 - Flammenmelder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flammenmelder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Flammenmelder sind bekannt Charakteristisch für sie ist, daß nicht der Mittelwert oder die jeweilige Amplitude der von einem Brand ausgehenden Strahlung, sondern die durch das Flackern der Flammen erfolgende Modulation ausgewertet wird, indem zunächst durch Demodulation das Flackersignal erzeugt und in Abhängigkeit hiervon gegebenenfalls ein Meldesignal abgegeben wird. Die Auswerteschaltung erzeugt das Meldesignal in Abhängigkeit davon, daß das Flackersignal während einer vorgegebenen Mindestdauer vorliegt (DE-AS 10 24 851), daß es eine unregelmäßige Verteilung seiner Nulldurchgangsabstände (DE-PS 21 08 296) oder seiner Amplitudenwerte (DE-PS 20 51 640) aufweist oder daß seine spektrale Leistungsdichte in bestimmter Weise verteilt ist (US-PS 22 677, DE-AS 20 49 968). Als optisch-elektrischer Wandler wird dabei ein Fotowiderstand, beispielsweise eine Bleisulfidzelle, verwendet, die in Reihe mit einem ohmschen Widerstand an einer Speisespannung liegt und der gegebenenfalls ein optisches Filter vorgeschaltet ist Hierbei besteht der Nachteil, daß starke auf den Wandler auftreffende Hintergrundstrahlungen dessen Empfindlichkeit für die durch das Flackern von Flammen erfolgende Modulation herabsetzen. Dies beruht darauf, daß der der Beleuchtungsstärke umgekehrt proportionale Widerstandswert eines Fotowider-

Stands sich bei hohen Beleuchtungsstärken asymptotisch einem geringen Restwert nähert, so daß dann Änderungen der Beleuchtungsstärke praktisch keine Widerstandsänderungen mehr hervorrufen.

Die Hintergrundstrahlung kann sich aus Einflüssen des Tageslichts oder der Beleuchtung ergeben; beim Vorliegen eines Feuers tritt der Mittelwert der von ihm ausgesandten Strahlung hinzu. Diesem Mittelwert ist die durch das Flackern erfolgende Modulation überlagert, wobei insbesondere bei starken Bränden die Flackeramplituden gegenüber dem Strahlungsmittelwert gering sein können und trotzdem noch erfaßbar sein sollen. Tatsächlich aber kann es wegen der erwähnten Empfindiichkeitsabnahme des Wandlers geschehen, daß gerade beim Vorliegen eines starken Brandes und dementsprechend starker Hintergrundstrahlung die Amplituden des Flackersignals relativ dazu so gering werden, daß eine Flammenmeldung unterbleib⁴

Ein weiterer Nachteil von mit Fotowiderständen arbeitenden Flammenmeldern liegt in der starken Temperaturabhängigkeit von Fotowiderständen, was bei der Feuermeldung wegen der dabei auftretenden Wärme besonders ins Gewicht fällt. Eine Erhöhung der Temperatur des Fotowiderstands führt nämlich — im Gegensatz zu einer Erhöhung der Beleuchtungsstärke — zu einer Erhöhung des Widerstandswertes und wirkt damit der gewünschten Meldung entgegen.

Zur wissenschaftlichen Untersuchung des Zeitverhaltens der von Bränden emittierten Temperaturstrahlung ist es bekannt, als optisch-elektrischen Wandler eine Fotodiode zu verwenden, die in Reihe mit einem Widerstand an einer Speisespannung liegt und hierdurch in Sperrichtung vorgespannt ist, an den Verbindungspunkt von Fotodiode und Widerstand über einen Koppelkondensator einen als P-Glied geschalteten Operationsverstärker anzuschließen und mit dessen Ausgangssignal ein Effektivvoltmeter zu speisen (P ο r t s c h t, R.: Dissertation, TH Aachen, »Über das Zeitverhalten der Temperaturstrahlung als Kenngröße eines Brandes«, S. 36—39). Zur Eliminierung des Einflusses des bei unterschiedlichen Temperaturen verschieden großen Dunkelstroms der Fotodiode wird diese hierbei über einen Lichtzerhacker mit der zu messenden Strahlung beaufschlagt, wobei die Zerhackerfrequenz groß gegenüber den Frequenzen des Flackerfrequenzbereichs ist. Diese Maßnahme erfordert einen entsprechenden apparativen Aufwand.

Es ist auch ein Flammenmelder bekannt, der unabhängig von der Modulation der Flammen nur auf die Amplitude der jeweiligen Beleuchtungsstärke anspricht und bei dem als optisch-elektrischer Wandler ein Fotoelement in Gestalt einer Solarzelle verwendet ist (DE-OS 24 541%). Die Auswertschaltung umfaßt hierbei einen mit seinem nicht invertierenden Eingang an ein Referenzpotential angeschlossenen, als P-Glied wirkenden und somit auch für tiefe Frequenzen durchlässigen, gegengekoppelten Operationsverstärker, und das Fotoelement ist zwischen das Referenzpotential und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet

Dessen Gegenkopplung bewirkt, daß die Differenzspannung zwischen seinen Eingängen und damit die Spannung an den Anschlüssen des Fotoelements jedenfalls im Ruhezustand annähernd Null ist, so daß das Fotoelement annähernd im Kurzschluß betrieben ist.

Der Kurzschlußstrom eines Fotoelements ist bekannilich dessen Beleuchtungsstärke linear proportional und von Temperaturschwankungen weitgehend unabhängig (Valvo-Firmendruckschrift »Fotoelektronische Bauelemente«, 1967, S. 45 bis 47). Trotzdem erzeugt der dem Fotoelement bei dem vorstehend ι erwähnten Rammenmelder nachgeschaltete Operationsverstärker nicht notwendig eine sich zur Beleuchtungsstärke des Fotoelements linear proportional ändernde Ausgangsspannung, da solche Operationsverstärker in der Praxis bei vertretbarem Bauaufwand nur tu eine begrenzte Ausgangsaussteuerbarkeit aufweisen. Bei hohen Beleuchtungsstärken reicht der vom Ausgang des Operationsverstärkers über den Gegenkopplungswiderstand zum Fotoelement fließende Strom nicht mehr als Kurzschlußstrom aus, so daß sich dann außer ι ■> der Sättigung des Operationsverstärkers auch ein nicht lineares Verhalten des Fotoelements ergibt. Dieses Verhalten ist bei dem bekannten Flammenmelder deshalb unbeachtlich, weil bei ihm eine Meldung beim Erreichen einer vorgegebenen Beleuchtungsstärke erfolgt, ohne daß die Modulation der Strahlung der Flammen durch deren Flackern ausgewertet würde. Eine Übertragung der von diesem Flammenmelder bekannten Maßnahmen auf einen Flammenmelder, bei dem mittels eines Demodulators ein Flackersignal erzeugt und dieses ausgewertet wird, ist dagegen nicht ohne weiteres möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem durch Demodulation ein Flackersignal erzeugenden und dieses auswertenden Flammenmelder das Flackersignal ju von Hintergrundstrahlungen, insbesondere bei vorliegenden Bränden vom Mittelwert der hiervon ausgehenden Strahlung, unabhängig zu machen, um hierdurch die Erzeugung des Meldesignals auch bei starker Hintergrundstrahlung sicherzustellen. Die Aufgabe wird υ gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei dem Flammenmelder gemäß der Erfindung wird als optisch-elektrischer Wandler ein im Kurzschluß betriebenes Fotoelement verwendet. Im Ruhezustand steigt die Ausgangsspannung des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers in dem zwischen Ausgang und Eingang des Vorwärtszweigs liegenden Gegenkopplungszweig so lange an, bis dieser Gegenkopplungszweig den Kurzschlußstrom des Foloele-4Ί ments liefert. Erst dann nämlich wird die Differenzspannung an den Eingängen des eingangsseitigen Operationsverstärkers und damit dessen Ausgangsspannung und die Ausgangsspannung des Vorwärtszweigs zu Null, was eine weitere Änderung der Ausgangsspannung des Integrators verhindert. Diese Wirkung ist unabhängig davon,wie groß der Kurzschlußstrom jeweils ist, d. h., der Demodulator paßt sich verschieden starken Hintergrundstrahlungen an, ohne ein Ausgangssignal zu erzeugen, solange der Übergang mit einer relativ tiefen Frequenz (unterhalb der unteren Eckfrequenz des Flackerfrequenzbereichs) erfolgt. Bei im Flackerfrequenzbereich liegender Modulation der empfangenen Strahlung wird dagegen das Modulationssignal durch den eingangsseitigen Operationsverstärker proportional verstärkt; da dieser — unabhängig von dem erwähnten Gegenkopplungszweig — beispielsweise mittels eines ohmschen Widerstands gegengekoppelt ist und da seine Ausgangsspannung im Ruhezustand Null beträgt, ist ein Erreichen des ausgesteuerten Zustands b5 ausgeschlossen, so daß die Beleuchtungsstärkeschwankungen im Flackerfrequenzbereich linear proportional abgebildet werden.
Das integrierende Verhalten des im Gegenkopp-

lungszweig liegenden Operationsverstärkers bewirkt, daß der Vorwärtszweig unter Berücksichtigung der Gegenkopplung des Gegenkopplungszweigs ein ausgeprägtes Frequenzverhniten aufweist, das zur Verwirklichung des Bandpaßverhaltens des Demodulators verwendet werden kann, so daß der Schaltungsaufwand für die übrigen Bauelemente des Demodulators verringert werden kann oder dessen Güte verbessert ist. Es sind zwar aus dem Stand der Technik auch aktive, unter Verwendung von Operationsverstärkern aufge- κι baute Filter bekannt, die einen Gegenkopplungszweig aufweisen (DE-AS 20 12 642, US-PS 37 25 799, US-PS 37 53 159). Solche Filter können auch an verschiedene Aufgabenstellungen angepaßt werden. Bei einem dieser bekannten Filter (US-PS 37 25 799) ist der Gegenkopp- ι ■> lungszweig von einem steuerbaren Widerstand gebildet, der Teil eines Optokopplers ist, und die Steuerung dieses Optokopplers und damit des Widerstandswerts des genannten Widerstands erfolgt mittels eines als Tiefpaß geschalteten Operationsverstärkers in Abhängigkeit von Signalen, die von einem Multiplexer aus dem Ausgangssignal des Vorwärtszweigs und aus von einer Referenzimpulsquelle abgegebenen Impulsen gebildet werden. Hierdurch kann die Frequenz, bei der die Übertragungsfunktion der gesamten Filterschaltung 2^r> einen Pol hat, an die Frequenz der Referenzimpulsqueile angepaßt werden. Bei einem anderen der genannten Filter (US-PS 37 53159), das in einem Tonfrequenz-Übertragungskanal zwischen einer die höheren Frequenzen anhebenden und einer diese Frequenzen jo abschwächenden Schaltung liegt, ist zwischen den Ausgang und den Eingang des integrierend wirkenden Vorwärtszweigs ein die Bandmittenfrequenz bestimmender Widerstand und parallel zu diesem ein integrierend wirkender Gegenkopplungszweig geschal- js tet, der einen als Integrator geschalteten Operationsverstärker umfaßt Durch Veränderung der Integrationskonstanten des Vorwärtszweigs und des Gegenkopplungszweigs können die hohen und tiefen Frequenzen zur Unterdrückung des Rauschens nach Bedarf unterdrückt werden. Keines der genannten Filter ist jedoch ohne weiteres dazu geeignet, bei einem Flammenmelder ein als optisch-elektrischer Wandler verwendetes Fotoelement im Kurzschluß zu betreiben.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran-Sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in den Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flammenmeiders gemäß der Erfindung,

F i g. 2 Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels des Flammenmelders,

Fig.3 das Frequenzverhalten der Demodulatoren der Flammenmelder gemäß F i g. 1 oder 2.

Der in F i g. 1 gezeigte Flammenmelder zur Erfassung von Bränden weist einen optisch-elektrischen Wandler in Gestalt eines Silizium-Fotoelements Rf auf, das von der durch das Flacken der Flammen modulierten Strahlung der Flammen beaufschlagbar ist und, da es in μ noch zu beschreibender Weise im Kurzschluß betrieben ist, einen der jeweiligen Strahlung proportionalen Kurzschlußstrom erzeugt. Silizium-Fotoelemente sind für den Einsatzzweck besonders geeignet, da die von ihnen erfaßbaren elektromagnetischen Strahlungen im Bereich von 0,3 bis 1,2 μτη bei Bränden besonders stark auftreten. Gewflnschtenfalls kann dem Fotoelement Rf noch ein Schwarzglasfilter vorgeschaltet sein, das die empfangbare Strahlung auf dem Bereich von 0,78 bi> 1,2 μιη einschränkt, wodurch Störeinflüsse, wie sie irr sichtbaren Spektralbereich von Leuchtstofflampem unc anderen Störquellen ausgehen, zusätzlich unterdrücki werden. Im wesentlichen erfolgt allerdings die Unter scheidung zwischen Bränden und Störstrahlunger dadurch, daß mittels des nachgeschaltcicn Demodulators aus dem vom Fotoelement /?/-erzeugten Meßsigna ein Flackersignal erzeugt und erst dieses zur Erzeugung des Meldesignals ausgewertet wird.

Grundsätzlich können außer Silizium-Fotoelementer auch andere Fotoelemente, beispielsweise Germanium-Fotoelemente, als optisch-elektrischer Wandler verwendet werden.

Der als Bandfilter ausgebildete Demodulator wird im wesentlichen von vier Operationsverstärkern Vi bis V₁ gebildet. Die Verstärker Vi, V? bilden einen in Richtung vom Eingang E zum Ausgang F des Demodulators Signale übertragenden Vorwärtszweig, dem der mit seinem Ausgang den Ausgang F des Demodulators bildende Verstärker V₄ nachgeschaltet ist Zwischen dem vom Ausgang des Verstärkers V₂ gebildeter Ausgang des Vorwärtszweigs und dem Eingang E des Demodulators liegt ein Gegenkopplungszweig mit dem Verstärker Vj.

Das Fotoelement Rf liegt mit seinem positiver Anschluß am Referenzpotential Null und mit seinem negativen Anschluß am Eingang E und damit am invertierenden Eingang des eingangsseitigen Verstärkers Vj. Dessen nicht invertierender Eingang ist über einen Widerstand Rp 1 mit dem Referenzpotential Null verbunden; dadurch, daß das Referenzpotential zu Null gewählt wird, wird eine störende Gleichtaktverstärkung vermieden. Der Ausgang des Verstärkers V₁ ist über einen ohmschen Widerstand R\ mit dem invertierenden Eingang gegengekoppelt, so daß der Verstärker Vi unter Berücksichtigung seiner Beschallung ein reines P-Verhalten aufweist

Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers V₂ ist über einen Widerstand Rp 2 mit dem Referenzpotential Null verbunden, während der invertierende Eingang über einen Widerstand Ä21 mit dem Ausgang des Verstärkers Vi verbunden ist Die Beschattung des Verstärkers V₂ besteht aus der Parallelschaltung eines Widerstands Rn und eines Kondensators C₂, die zwischen den Ausgang des Verstärkers V₂ und dessen invertierenden Eingang geschaltet sind. Der Verstärker V₂ wirkt somit als ein Verzögerungsglied 1. Ordnung und der aus dem Verstärker Vi und dem Verstärker V₂ gebildete Vorwärtszweig hat insgesamt das Verhalten eines Verzögeningsgliedes 1. Ordnung. Wichtig ist dabei, daß der Vorwärtszweig auch für tiefe Frequenzen durchlässig ist, da diese über den Gegenkopplungszweig mit dem Verstärker V3 gegengekoppelt werden.

Der invertierende Eingang des Verstärkers V3 ist über einen Widerstand /?₃i mit dem Ausgang des Verstärkers V₂ verbunden, und der nicht invertierende Eingang des Verstärkers V₃ liegt über einen Widerstand Ap₃ am Bezugspotential NuIL Die Beschallung des Verstärkers V₃ besteht aus einem Kondensator C₃, der zwischen Ausgang und invertierendem Eingang liegt Damit stellt der Verstärker V₃ unter Berücksichtigung seiner Beschallung einen Integrator dar. Dessen Ausgang ist fiber einen Widerstand R33 mit dem Eingang fund damit mit dem negativen Anschluß des Fotoelements Rf verbunden.

Die Ausgangsspannungen der Verstärker Vi bis V₄ sind mit U\ bis IA bezeichnet Die Widerstandswerte

b/w. Kcipa/.itälswcric der Widerstände und Kondensatoren seien im folgenden cinfachhcitshalbcr mit den Bezeichnungen dieser Widerstände b/w. Kondensatoren bezeichnet, /.. B. habe der Widerstand Wi den Widerstandswert /?,. Für den das Fotoelement Ri < durchfließenden Strom Λ ergibt sich somit

in

Im Ruhezusland, bei beliebiger Hintergrundslrahlung und demgemäß vom Fotoelement Rr empfangener Beleuchtungsstärke, nimmt die Ausgangsspannung i/j und damit der Ausgangsstrom des als Integrator geschalteten Verstärkers Vj so lange zu, wie seinem ι nicht invertierendem Eingang eine endliche F.ingangsspannung zugeführt wird. Erreicht der Ausgangsslrom einen Betrag, bei dem die Differenzspannung zwischen dem nicht invertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang des eingangsseitigen Verstärkers V, zu .'" Null wird, so werden auch die Ausgangsspannungen Ui, U2 und damit die Eingangsspannung des Verstärkers Vj zu Null. Die Ausgangsspannung des Verstärkers Vj steigt daher dann nicht mehr an. Das Nullwerden der Differenzspannung zwischen den Eingängen des Vcr- :; stärkers Vi bedeutet auch, daß die Spannung an den Anschlüssen des Fotoelements R/ zu Null wird, d. h., daß dieses im Kurzschluß betrieben ist. Im Ruhezustand ist daher der Strom // stets gleich dem Kurzschlußstrom des Fotoelements Ri- Bei einer Modulation der auf m dieses fallenden Strahlung schwankt der Strom // um dpn Kurzschlußstrom herum, und da diese Schwankungen gerade bei starken Hintergrundstrahlungen nur einen geringen Bruchteil des jeweiligen Kurzschlußstromes ausmachen, bilden sie die Beleuchtungsstärke- r. Schwankungen linear proportional ab. Es gilt daher für den Zusammenhang zwischen dem Strom // und der Beleuchtungsstärke B

UI₁IdB = k. (2)

wobei k eine Proportionalitätskonstante ist.

Der Widerstandswert Rn wird so gewählt, daß der als Integrator geschaltete Verstärker V₃ bei der höchsten bei einem Brand denkbaren Beleuchtungsstärke den -r, Kurzschlußstrom des Fotoelements Rr zu liefern vermag. Beispielsweise kann die höchste denkbare Beleuchtungsstärke 50 000 Lx und der hierbei erforderliche Kurzschlußstrom 5 mA betragen. Beträgt die Ausgangsspannung Uj des Verstärkers V3 bei Aussteue- ,0 rung 5 V, so ergibt sich für den Widerstandswert

R₃₃ = 5 V/5 - 10 ³A = 1 kOhm.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der als Integrator geschaltete Verstärker V₃ durchaus mit Ausgangsströmen belastet werden kann, bei denen der Verstärker V₃ bereits ein nichtlineares Verhalten zeigt, da durch diese Nichtlinearität das Flackersignal praktisch nicht beeinflußt wird

Der Frequenzgang der beschalteten Verstärker Vi bis V₄ kann jeweils als Produkt einer Übertragungskonstanten K und eines frequenzabhängigen Ausdrucks G angegeben werden. So ist

O, = K₂G₂U₁ mit K₂ =

I₂I'

O.( (i'it'j mit (»'.ι

Lost man oieichung (3) nach U\ auf und setzt den so gewonnenen Ausdruck für U\ sowie denjenigen für Ui nach Gleichung (4) in Gleichung (1) ein, so erhält man den Zusammenhang zwischen dem Strom // und der Ausgangsspannung lh des Vorwärtszweiges:

K₁C₁R,

Mil der Abkürzung

erhält man hieraus

V₁

Der Nenner der rechten Seite der Gleichung (6) stellt die charakteristische Gleichung der Übertragungsfunktion des Vorwärtszweiges unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Gegenkopplungszweiges dar und entspricht einem Verzögerungsglied zweiter Ordnung. Das Gesamtverhalten ist daher dasjenige eines DT2-Gliedes.

Die Koeffizienten der charakteristischen Gleichung und damit die Werte der entsprechenden Widerstände und Kondensatoren werden gefunden, indem die charakteristische Gleichung mit deren Normalform

+ 2Mp f 7 V mit 7 =

verglichen wird, worin D die Dämpfung und ω,, die Bezugs-Kreisfrequenz sind. Die Bezugs-Kreisfrequenz ω_ο 2 πί_ο wird so gewählt, daß die Bezugsfrequenz f_o mit der Flackerfrequenz zusammenfällt, bei der die Modulation der Beleuchtungsdichte erfahrungsgemäß am stärksten ist, nämlich annähernd in der Mitte des Flackerfrequenzbereichs. Beispielsweise kann als Flackerfrequenzbereich der Bereich von 3 bis 20 Hz und die Bezugsfrequenz als 10 Hz gewählt werden. Als untere Eckfrequenz, bei der gegenüber der Bezugsfrequenz /ödie Dämpfung D auftritt, kann

/p,= 1/2 /„ = 5 Hz

gewählt werden. Die Dämpfung D liegt dann in der Praxis erfahrungsgemäß bei 0,05, wobei sich bei der Bezugs-Kreisfrequenz eine Verstärkung in der Größenordnung von 20 dB ergibt.

Mit dun vorstehend angegebenen Werten findet man in der Praxis

V, * 100

/4

κ;

d. h. bei giöUenordnungsmäßig bei Kins liegendem Faktor Ki ist die Integrationskonstante T₂ des Verstärkers V₂ größenordnungsmäßig hundertfach grft ßer als die Integrationskonstante ΤΊ des als Integrator geschalteten Verstärkers Vj.

Damit zur Erzielung der großen Integrationskonstanten T₂ des Verstärkers V₂ kein allzugroßer Kondensator C₂ erforderlich ist, wodurch bei der geringen Baugröße von Operationsverstärkern die gesamte Baugröße des Flammenmelders stark beeinflußt werden könnte, ist es zweckmäßig, wenn der Faktor Aw₂' als Ki = 1 gewählt wird. Dies ist am einfachsten dadurch möglich, daß einerseits die Übertragungskonstante AC₂ zu Eins gemacht, d. h. Rn — Ri\ gewählt wird, und indem andererseits der Widerstandswert des hinter dem als Integrator geschalteten Verstärkers V) im Gegenkopplungszweig liegenden Widerstand Rn gleich demjenigen des Gegenkopplungswiderstands /?i des eingangsseitigen Verstärkers Vi gewählt wird.

Auf Grund der erläuterten Bemessung hat die aus Vorwänszweig mit Verstärkern Vi, V₂ und Gegenkopplungszweig mit Verstärkern Vi gebildete Schleife eine ausgeprägte Filterwirkung. Diese wird durch den iri im folgenden noch beschriebener Weise geschalteten Operationsverstärker V₄ noch verbessert. Sein invertierender Eingang ist über die Reihenschaltung eines Kondensators Gi und eines Widerstands Ra\ mit dem Ausgang des Verstärkers V₂ verbunden, während sein nicht invertierender Eingang über einen Widerstand /?ί·4 am Referenzpotential Null liegt. Die Rückkopplung vom Ausgang zum nicht invertierenden Eingang erfolgt über die Parallelschaltung eines Widerstands /?₄₂ und eines Kondensators G?. Damit ergibt sich für die Abhängigkeit der Ausgangsspannung £A des Verstärkers V₄ und damit des Demodulators von der Ausgangsspannung Uides Vorwärtszweiges:

I/4 Ka(^U₂ mil K₄ ⁴-.

1 t Γ/41 K T₄₂)P f V₄, l₄₂p² '

/42

Bekanntermaßen wirkt der Verstärker V₄ mit der gewählten Beschallung nur als Differentiator bei Kreisfrequenzen, die ausreichend gering sind gegenüber seiner Bezugs-Kreisfrequenz, dem Kehrwert der Zeitkonstanten ifT,iT,2- Bei demgegenüber höheren Frequenzen sinkt durch die dann stärkere Gegenkopplung die Verstärkung ab, so daß sich insgesamt ein Bandpaßverhalten ergibt Die nur wechselspannungsmäßige Kopplung über den Kondensator Gi verhindert vollständig, daß Gleichsignalanteile zum Ausgang F des Demodulators übertragen werden.

Dem Demodulator ist eine Ausgangsschaltung A nachgeschaltet die das am Ausgang F erhaltene Flackersignal in bekannter Weise auswertet Sind bestimmte Kriterien erfüllt die auf das Vorliegen eines Brandes schließen lassen, so wird ein Meldesignal erzeugt, indem ein Thyristor Thgezündet wird, wodurch über die Reihenschaltung des Thyristors Th und eines Lastwiderstands /?A/ein Meldcstrom fließt, der beispielsweise in einer räumlich entfernten Signal/enlrale eine entsprechende Anzeige bewirkt sowie Fcuerlöschmaßnahmen auslöst. Dabei können mehrere gleichartige Flammenmelder oder auch Melder anderer Art parallel zueinander an dieselbe zweiadrige, zur Zentrale führende Linie angeschlossen sein.

In Anwendungsfällen, in denen es auf eine besonders große Schnelligkeit der Flammenerkennung ankommt, kann von der Auswerteschaltung bereits dann ein Meldesignal erzeugt werden, wenn nur eine einzige Flackersignalamplitude von genügender Höhe auftritt. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung A von einem Schwellenwertschalter gebildet sein, der immer dann einen Meldestrom durchschaltet, wenn der Absolutwert des Flackersignals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Beim Vorliegen des Flackersignals wird so eine Impulsfolge als Meldesignal erzeugt, die wiederum zu einer räumlich entfernten Sigiialzentrale übertragen und dort ausgewertet werden kann. Hierbei kann durch die Art der Auswertung — beispielsweise Alarmgabe erst nach Empfan«? mehrerer Impulse — trotz der schnellen Branderkennung eine fälschliche und zu frühe Aiarmgabe oder Löschmittelabgabe verhindert werden

Zur Erhöhung der Sicherheit gegen die Abgabe von fälschlichen Meldesignalen kann weiter vorgesehen sein, daß der Melder zusätzliche auf Brandfolgeerscheinungen ansprechende Wandler aufweist, beispielsweise die üblichen Teile eines lonisations-Brandmelders, und daß die Auswerteschaltung A ein Meldesignal oder verschiedene Meldesignale in logischer Abhängigkeit davon erzeugt, welche Wandler jeweils Brandfolgeerscheinungen erfassen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung A so aufgebaut sein, daß das Vorhandensein des Flackersignals allein nicht zur Meldesignalerzeugung führt, daß das Ansprechen des lonisations-Brandmelders zu einer Vorwarnung führt daß das gleichzeitige Vorhandensein des Flackersignals und des vom lonisations-Brandmelder erzeugbaren Signals zu einer Alarmgabe führt, wobei das Alarmsignal gespeichert wird, und daß nach erfolgtem Löschen das erneute Auftreten des Flackersignals durch logische UND-Verknüpfung mit dem gespeicherten Signa! zu einer erneuten Alarmgabe führt die getrennt gespeichert wird und die eine Nachlösung auslöst oder ermöglicht.

F i g. 2 zeigt eine Abwandlung des Demodulators gegenüber Fig. 1. Hierbei besteht der Vorwärtszweig aus einem als P-Glied geschalteten Operationsverstärker V5 und einem nachgeschalteten, als Integrierglied wirkenden /?C-Glied R Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers V5 ist über einen Widerstand Rp 5 mit dem Bezugspotential Null verbunden, während die Gegenkopplung über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor £5 und einen Widerstand R$ erfolgt Das RC-CWed B besteht aus dem mit dem Ausgang des Verstärkers V5 verbundenen Widerstand Rb und dem Kondensator Cb, deren Verbindungspunkt den Ausgang des Vorwärtszweiges bildet An diesen Ausgang ist der Gegenkopplungszweig angeschlossen, der den Operationsverstärker V₆ enthält Der nicht invertierende Eingang dieses Verstärkers V₆ ist über den Widerstand /?6i mit dem Ausgang des Vorwärtszweiges verbunden, während der invertierende Eingang über einen Widerstand R_n b am Bezugspotential Null liegt Der Verstärker Κ ist mittels eines Kondensators G gegengekoppelt

Il

und damit als Integrator geschaltet. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V_h steuert einen wiederum als Emitterfolger geschalteten Transistor E₀, dessen Emitter über einen Widerstand R_bl mit dem Eingang E verbunden ist. Durch den Emiiterfolger-Transiosior fi, wird der von dem Verstärker V_b zu liefernde Ausgangsstrom s^ark herabgesetzt oder bus gegebener Belastbarkeit der Bereich zulässiger Kurzschlußströme und Beleuchtungsstärken des Fotoelemcnis Ri noch wt'.ler erhöht. ;■.■.

Die Stromverstärkung β des Emitterfolgcr-Transistors Et, ist stark temperaturabhängig. Dies ist jedoch im Ruhezustand wegen der integrierenden Wirkung des Verstärkers V₆ ohne Folgen; die Ausgangsspannung des Verstärkers V₀ stellt sich so ein, daß über den ι ■ Emiucrfolger-Transistor E* 'ind den Widerstand /f_bj der Kurzschlußstrom zum Fotoelement Af/.- fließt, da nur dann die Differenzspap.iu.ing an den Eingängen des Verstärkers V% und damit die Ausgangsspannung des Vorwärtszweiges zu Null wird. Um jedoch verbleibende jn geringe Auswirkungen der Temperaturabhängigkeit auf das Flackersignal zu kompensieren, ist der Emitterfolger-Transistor £5 zur Gegenkopplung des eingangsseitigen Verstärkers Vs vorgesehen. Zweckmäßig werden beide Transistoren fs, G. räumlich beieinander auf j-, derselben Unterlage angeordnet, so daß sie dieselbe Temperatur aufweisen und denselben Schwankungen ihres Stromverstärkungsfaktors unterliegen.

Dem Vorwärtszweig sind in F i g. 2 zwei weitere Operationsverstärker V₇, Vb nachgeschaltet. Der inver- u> tierende Eingang des Verstärkers V₇ ist über einen Widerstand Af₇| mit dem Ausgang des Vorwärtszweigs verbunden, während der nicht invertierende Eingang über einen Widerstand Afp₇ am Bezugspotential Null liegt. Die Röckkopplung des Verstärkers V₇ gibt diesem r. einen hohen Eingangswiderstand. Sie ist mit einem Spannungsteiler Af₇2, Af₇» ausgebildet, von dessen Abgriffspunkt ein Widerstand Af₇4 zum invertierenden Eingang führt. Der somit P-Verhalten aufweisende Verstärker Vi kann durch die Wahl der Widerstände Af; ι bis Af₇4 hinsichtlich seiner Verstärkung in gewünschter Weise ausgebildet werden. Der aus^angsseitige Versia'rker V« ist in entsprechender Weise -vie der Verstärker Vi (Fig. I) geschaltet, nämlich mit Widerständen A?8i, Rn> und Kondensatoren CItι■ (V', während scm nicht invertierender Eingang über einen Widerstand if/·« mit dem Bezugspotential Null verbunden ist.

Diejenigen Widerstände Rr\. Rr?, Rr*. Ri'% Rn, RrH. übe^r die in Fig.! und 2 die Operationsverstärker Vi, V₃, V₄, V₅, V₇, V₈ mit dem Ruhepotential Null verbunden sind, werden so bemessen daß ihr Widerstandswert gleich dem Innenwiderstand der jeweiligen Gegenkopplungsschaltung am invertierenden Eingang ist. Beispielsweise ist bei dem Verstärker V₂ in F i g. 1 Ri·! gleich dem Widerstandswert der Parallelschaltung der Widerstände Af₂I und R-,, /u wählen. Hierdurch wird die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen klein gehalten, die anderenfalls die Wirkung einer Offselspannung hätte. Bei den als Integrator geschalteten Verstärkern Vj (Fig. 1) und V_b (Fig. 2) werden die Widerstände Rp ι bzw. A?/vb jeweils zumindest größenordnungsmäßig so groß wie der jeweils andere Eingangswiderstand Af ji bzw. Afbi gewählt, wodurch ein Fehlerstrom über den Kondensator Ci bzw. Q, vermieden und auch kleine Offsetströme und Offsetspannungen kompensiert werden.

Durch die Bemessungen der Widerslände und Kondensatoren des Demodulators gemäß Fig. 2 kann diesem in ähnlicher Weise, wie dies an Hand von F i g. 1 hergeleitet wurde, ein vorgegebenes Frequenzverhalten gegeben werden, und zwar gewünschtenfalls auch dasselbe wie dasjenige des Demodulators gemäß F i g. 1. Dieses ist in F i g. 3 dargestellt, die in einfachlogarilhmischem Maßstab den Amplitudengang in Abhängigkeit von der normierten Frequenz oder Kreisfrequenz darstellt. Es zeigt sich, daß sich ein relativ scharfbandiges Filterverhalten erreichen läßt.

Ilicr/u 2 Blatt /cicltniiniicn

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Flammenmelder mit einem von der durch das Flackern der Flammen modulierten Strahlung der -> Flammen beaufschlagbaren, ein der jeweiligen Strahlung proportionales Meßsignal erzeugenden optisch-elektrischen Wandler, einem diesem nachgeschalteten, durch Beschränkung des Meßsignals auf einen vorgegebenen Flackerfrequenzbereich ein in Flackersignal erzeugenden, als aktives Bandfilter ausgebildeten Demodulator und einer diesem nachgeschalteten, bei Vorhandensein einer vorgegebenen physikalischen Eigenschaft des Flackersignals ein Meldesignal erzeugenden Auswerteschaltung, ΐί dadurch gekennzeichnet, daß der optischelektrische Wandler ein Fotoelement (R_F) ist, daß der Demodulator einen in Richtung von seinem Eingang (E) zu seinem Ausgang (F) Signale übertragenden, für tiefe Frequenzen durchlässigen 2» Vorwärtszweig (V\, V₂; Vs, B)aufweist, der einen mit seinem nicht invertierenden Eingang an ein Referenzpotential angeschlossenen, gegengekoppelten Operationsverstärker (Vw V₅) aufweist, daß das Fotoelement (Rf) zwischen das Referenzpotential r> und den invertierenden Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (Vw V₅)geschaltet ist und daß der Ausgang des Vorwärtszweigs (Vi, V2; V5, B) über einen als Integrator geschalteten Operationsverstärker (Vy, Vt) und einen diesem nachgeschalte- j< > ten Widerstand (Rn; Rhi) mit dem invertierenden Eingang des eingangsseitigen Operationsverstärkers (Vw V5) im Sinne einer Gegenkopplung verbunden ist.

2. Flammenmelder nach Anspruch 1, dadurch π gekennzeichnet, daß das Referenzpotential das Potential Null ist.

3. Flammenmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingangsseitige Operationsverstärker (V\; V·,) als P-Glied geschaltet w ist.

4. Flammenmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszweig (Vu Vr, Vs, B) das Verhalten eines Verzögerungsgliedes 1. Ordnung aufweist. 4>

5. Flammenmelder nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszweig (V\, V₂) einen dem eingangsseitigen Verstärker (V\) nachgeschalteten Operationsverstärker (V2) aufweist, der als Verzögerungsglied t. Ordnung >o geschaltet ist.

6. Flammenmelder nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärtszweig (Vs, B) ein dem eingangsseitigen Operationsverstärker (Vs) nachgeschaltetes ÄC-Glied ^aufweist. v>

7. Flammenmelder nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers (Vt, Vt) größenordnungsmäßig hundertfach geringer ist als die Zeitkonstante des Vorwärts- wi zweigs CV₁, V₂; Vs, B).

8. Flammenmelder nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des den Ausgangs des eingangsseitigen Verstärkers (Vw Vs) mit dessen invertierendem b5 Eingang gegenkoppelnden Widerstands (Rw Rs) zumindest annähernd gleich dem Widerstandswert des Widerstands (Rn; R<,j)\si, der dem als Integrator geschalteten Operationsverstärker (Vy, Vt) nachgeschaltet ist

9. Flammenmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des als Integrator geschalteten Verstärkers (Ve) und den Eingang des eingangsseitigen Verstärkers (Vs) eine vorzugsweise als Emitterfolger geschaltete Transistor-Verstärkerstufe (£y geschaltet ist.

10. Flammenmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, gleichartige, vorzugsweise ebenfalls als Emitterfolger geschaltete Transistor-Verstärkerstufe (Es) im Gegenkopplungspfad des eingangsseitigen Verstärkers (Vs) liegt.

11. Flammenmelder nach Anspruch 9 und tO, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistor-Verstärkerstufe (EeJ und die weitere Transistor-Verstärkerstufe (E₅) in räumlicher Nähe auf derselben Unterlage angeordnet sind.

12. Flammenmelder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator ausgangsseitig einen als Bandfilter geschalteten Operationsverstärker (Va; Vt)aufweist.

13. Flammenmelder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem ausgangsseitigen Operationsverstärker (Vi) ein weiterer Operationsverstärker (Vj)m\\. P-Verhalten vorgeschaltet ist.

14. Flammenmelder nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfrequenz des ausgangsseitigen Operationsverstärkers (V*; Vs) zumindest annähernd mit derjenigen übereinstimmt die der Vorwärtszweig (Vu V₂; V₅, B) unter Berücksichtigung der Gegenkopplung mittels des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers (Vj; V_b) aufweist.