Patent HU-176353-B (HU)
Inventor: BARCSI ANTAL
IPC: G08B17/00
Filed: 1978-12-19
Abstract: A találmány tárgya izotópos füstérzékelő, mely az ismert megoldásokhoz képest egyszerűbb felépítése folytán kedvezőbb üzemi feltételeket biztosít és kisebb ráfordítással előállítható. Izotópos füstérzékelőket mind nagyobb mértékben alkalmaznak tűzvédelmi célokra, mert viszonylag egyszerűen és megbízhatóan jelzik a tűzfészek jelenlétére utaló füsíképződést.
Az ilyen ismert készülékeknél alfa sugárzó izotóppal töltött ionizációs kamrát alkalmaznak. A készülék elektródájára kapcsolt feszültség hatására kialakult villamos térben az alfa sugárzó által ionizált levegőmolekulák pikoamper nagyságrendű áramot keltenek és ez az áram az ionizációs kamra elektródájával sorbakapcsolt néhány száz Gigaohm nagyságrendű ellenálláson 1 V körüli feszültségesést hoz létre. Ha a kamra belsejébe füst jut, annak részecskéi az ionizációs levegőmolekulákhoz kapcsolódnak és lerontják azok mozgékonyságát. Emiatt a kamrába jutott füst csökkenti az ionizációs áramot. Az ionizációs kamrákkal bináris kimenőjelet szolgáltató mérőegység és a mérőegység kimenetére csatlakozó jeladó készülék van egybeépítve. A mérőegység kimenete az érzékelőt érő külső közeg füst-tartalmától függően meghatározott — biztosan tűzmen- tes állapotot reprezentáló - küszöbértékig az alapállapotnak megfelelő jelet adja, ha pedig az ionizációs kamra által érzékelt füstmennyiség ezt a
2
küszöbértéket meghaladja, a méröegység kimenetén a riasztóállapotnak megfelelő jel jelenik meg. Az ismert megoldásnál a mérőegység úgy működik, hogy a külső atmoszféra pillanatnyi állapotától függően az ionizációs kamra által szolgáltatott jelet a mérőegységben előállított alapjellel hasonlítják össze, mely alapjel az említett küszöbértéket reprezentálja. Ez a jel tehát megegyezik azzal a jellel, melyet az ionizációs kamra szolgáltatna, ha az atmoszféra füsttartalma elérte a megengedett tartomány felső határszintjét. Az alapjel előállításához az ionizációs kamrát kettős kivitelben készítik el. Az egyik fele közvetlenül közlekedik a külső légtérrel, a másik fele a külső légtérrel gyakorlatilag nem közlekedik, illetve csak kis légjáratokon át. Egyes kiviteleknél az alapjelet szolgáltató rész légterét egy másik izotóp ionizálja, vannak olyan kivitelek is, melyeknél a két kamrafél ionizálása közös izotópról történik, de ebben az esetben is két áramvezető ionizációs teret kell létrehozni, és ezek ionáramát két mérőjellé alakítani, melyek azután komparátor két jelbemenetére csatlakoznak. A találmány alapja az a felismerés, hogy az adott alkalmazási terület fizikai sajátosságaiból eredően az ionizációs kamra ilyen - kétutas - kialakítása szükségtelen, voltaképpen műszaki előítélet, mert a kívánt információt pusztán egy jelűt alkalmazásával is megbízhatóan lehet nyerni. Tűz keletkezése esetén ugyanis a mérés helyét közvetlenül körülvevő légtér füsttartalma elkerülhetetlenül
176353
176353 43
annyira gyorsan és ugrásszerűen változik, hogy pusztán a változás meredeksége is már egyértelmű felvilágosítást ad arról, hogy rendellenes füstforrás keletkezett. Nincs tehát szükség arra, hogy valamilyen füstjei referenciaértéket állítsunk elő és azzal hasonlítsuk össze a pillanatnyi tényleges állapotot reprezentáló jelet. Elegendő a változás meredekségével arányos jelet előállítani és azt egy meredekség! referenciajellel összehasonlítani. Ez a referenciajel elemi elektronikus építőelem alkalmazásával megbízhatóan előállítható, az ionizációs kamra pedig sokkal egyszerűbben alakítható ki és az ionizációs kamra ionáramát a komparációra alkalmas mennyiséggé alakító illesztő hálózat is sokkal kedvezőbben alakítható ki az egyutas mérésnél. Találmányunk tárgya izotópos füstérzékelő készülék, tápforrás sarkai közé kapcsolt ionizációs kamrával és bináris kimenőjelet szolgáltató mérőegységgel, mely mérőegység bemenetét az ionizációs kamra elektródája és a készülék közös potenciálú pontja közé kapcsolt áramköri ágban elrendezett ellenállás alkotja és mely mérőegység tartalmaz láncba kapcsolt komparátor fokozatot és kapcsoló fokozatot és a kapcsoló fokozat kimenetére csatlakozó optikai és/vagy akusztikai jeladó eszközt. A találmány abban van, hogy a komparátor fokozat jelbemenetére frekvenciafüggő áramköri elemet, célszerűen felüláteresztő szűrőt, illetve differenciáló tagot tartalmazó jelátalakító fokozat kimenete csatlakozik és a jelátalakító fokozat bemenetére csatlakozik - impedanciaváltó fokozaton át - a mérőegység bemenete. Találmányunkat részletesebben ábrák kapcsán ismertetjük. Az 1. ábra a találmány szerinti készülék példakénti kiviteli alakjának összeállítási rajzát mutatja, az la. ábra metszetben, az lb. ábra felszerelve, nézetben, a felszerelés szemléltetéséhez szükséges kitörésekkel. A 2. ábra a mérőegység és az azzal csatolt jeladó eszköz általánosított tömbvázlatát mutatja. A többi ábra egy előnyös kiviteli alak egyes fokozatainak kapcsolási vázlatait mutatja, mégpedig a 3. ábra az impedanciaváltó fokozatot, a 4. ábra a jelátalakító fokozatot, az 5. ábra a komparátor fokozatot és a 6. ábra a kapcsoló fokozatot az általa kapcsolt jeladó eszközzel. Az 1. ábrához nem adunk részletes szerkezeti ismertetést, alapvetően a szerkezeti részletek - a 2. ábrán mutatott tömbvázlattól eltekintve - az ismert megoldásokból értelemszerűen adódnak azzal az eltéréssel, hogy az ionizációs kamránál nem kell kialakítani az alapjelet szolgáltató kamrarészt. Erre az ábrára hivatkozva ismertetjük most a készülék általános működésmódját. Az alfa sugárzó izotópot tartalmazó 101 tabletta a gyűjtő 113 elektródában van elhelyezve. Ez besugározza az ionizációs kamra belső terét. A példánknál alkalmazott izotóp Plutónium 239 vagy Americium 241, esetleg hasonló alfa sugárzó anyag. Az ionizációs kamra belső terét a pozitív tápfeszültségen levő 102 kamrafedél, valamint a - nyomtatott áramköri lapon elrendezett — gyűrűs eiektródarendszer határolják. A 102 kamrafe
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
délen kiképzett lyukak lehetővé teszik a füst bejutását az ionizációs kamrába. Az elektródarendszer részei: a pozitív 111 elektróda, a negatív tápfeszültségre helyezett védő 112 elektróda, a gyűjtő 113 elektróda. A 111, 112, és 113 elektródák elrendezése megfelel az ionizációs kamráknál szokásos elrendezésnek, vagyis a gyűjtő 113 elektródát koncentrikusan körülvevő pozitív elektróda-védőelektróda rendszer megakadályozza, hogy a szigetelő felületen a szivárgó áramok eltorzítsák a gyűjtő 113 elektróda közelében kialakult tértöltés-el- osztást. A gyűjtő 113 elektróda és az izotóp közötti érintkezést a 110 érintkezőrugó biztosítja. Az ionizációs kamra áramkörei nyomtatott áramköri 103 lapon vannak elrendezve, az áramköröket műgyanta 104 kiöntés és 105 árnyékolás veszi körül. A kiöntött nyomtatott áramköri 103 lap rögzítését a 105 árnyékolás és 109 szegecsek teszik lehetővé. Az ionizációs kamra külső burkolatát a 108 palást és a felerősítő szerelvény elemek alkotják, ezek műanyagból készülnek és a felirati 115 tábla is ezeken helyezhető el. Természetesen az áramkörök vagy azok egyes fokozatai integrált áramkörökként is kialakíthatók. Az érzékelő állapotának kijelzésére lumineszcens 116 dióda, úgynevezett LED szolgál. A mennyezetre vagy bármely más felületre való szerelés 107 feszítőkarom segítségével történik. A külső, központi áramkörökkel való kapcsolat a készülék 106 falán át kivezetett 114 érpáron keresztül van biztosítva. Az lb. ábrán látható a beépítési fal 117 síkja is. A fentiekben leírt rendszer alapvetően megegyezik az ismert megoldásoknál alkalmazott ionizációs kamrák azon részével, mely a mérés helyén tényleg fennálló pillanatnyi helyzettől függően szolgáltat a levegő füsttartalmával arányos ionáramot. Ez az áram — ellenálláson áthaladva — az ellenálláson feszültségesést idéz elő és ennek a feszültségjelnek a további feldolgozása a mérőegység feladata, melynek kimenőjele példánknál optikai jeladó eszközt működtet. Természetesen a jeladó eszköz lehet akusztikus riasztó eszköz is vagy akár mindkét jeltípussal végezhető egyidejűleg a riasztás. A mérőegység és az azzal csatolt optikai jeladó eszköz általános vázlatát mutatja a 2. ábra. Az ionizációs 201 kamra árama befolyik a mérőegység A bemenetére. Az A bemenetel, az ismert megoldásokhoz hasonlóan, itt is 100 Gigaohm nagyságrendű ohmos ellenállás alkotja, melyen áthaladva a pikoamper nagyságrendű áram Volt nagyságrendű feszültséget hoz létre. A jelfeldolgozó szervek üzemi impedanciái sok nagyságrenddel kisebb értékűek, ezért az érzékelőt követően egy- -vagy többfokozatú impedancia transzformációt kell alkalmazni, A mérőegység A bemenete ennek felelően impedanciaváltó 202 fokozat bemenetéként van kialakítva. Az impedanciaváltó 202 fokozat B kimenetére frekvenciafüggő elemet tartalmazó jelátalakító 203 fokozat, annak C kimenetére komparátor 204 fokozat, majd kapcsoló 205 fokozat csatlakozik. A kapcsoló 205 fokozat E kimenetén jelenik meg a komparátor 204 fokozat kimenetén fennálló mindenkori pillanatnyi állapotnak megfelelő, de az optikai jeladó 206 eszköz (pl·
2
176353 65
jelzőlámpa) üzemi paramétereihez illesztett kétállapotú jel, a kapcsolójel. A 3. ábrán látható, hogy kiviteli példánknál az impedanciaváltást a mérőegység A bemenetét alkotó 301 ellenállásra csatlakozó félvezető 302 erősítő és arra csatlakozó integrált áramkörös 304 erősítő alkotja. A félvezető 302 erősítő célszerűen kiürítéses üzemmódú, MOS típusú térvezérlésű tranzisztor, melynek 303 munkaellenállása már jóval kisebb, mint a bemeneti 301 ellenállás, de még mindig olyan nagy értékű, hogy további impedan- ciatranszformációra van szükség. Ezért a félvezető 302 erősítő kimenő jelét az integrált áramkörös 304 erősítő egyenes (+) bemenetére csatoljuk, míg annak inverz (—) bemenetére visszacsatoljuk annak kimenetét. Ez a kimenet alkotja az impedanciaváltó 202 fokozat B kimenetét. Erre a B kimenetre csatlakozik a jelátalakító 203 fokozat soros 401 kondenzátora (lásd a 4. ábrát), mely a 402 és 403 ellenállások alkotta, a tápfeszültség (+0) sarkai közé kapcsolt feszültségosztónak a tápfeszültség közös potenciálú pontjára, vagyis a (0) sarokra kötött 403 ellenállással felüláteresztő szűrőt, illetve differenciáló tagot alkot. A tápforrás pozitív (+) sarkára kötött 402 ellenállás arra szolgál, hogy a továbbhaladó jel szintjét a komparáláshoz szükséges értékre lehessen beállítani. A feszültségosztó leágazására — feszültségkövetőként kapcsolt — 405 erősítő bemenete csatlakozik, mely példánknál ugyancsak MOS típusú térvezérlésű tranzisztor, a közös potenciálú pontra kötött 406 ellenállás a munkaellenállás, míg a pozitív (+) sarokra kötött 404 ellenállás ismét a munkapont beállítására szolgál. A tranzisztor bemeneti diódáján át az RC-tag kimenő jele vezérli a feszültségkövetőt. A munkaellenáílás alkotja a differenciáló 203 fokozat C kimenetét. A komparátor 204 fokozat további integrált áramkörös 503 erősítőt tartalmaz (lásd az 5. ábrát). Ennek inverz (—) bemenetére csatlakozik a jelátalakító 203 fokozat C kimenete, míg az egyenes (+) bemenetre referenciajelforrás csatlakozik. A referenciajelforrás példánknál a tápforrás (+,0) sarkai közé iktatott áramköri ág, melyben 501 tranzisztor vezérlőelektródája a készülék közös potenciálú pontjára van kötve és az 501 tranzisztor 502 munkaellenállása csatlakozik a további integrált áramkörös 503 erősítő egyenes (+) bemenetére. A további integrált áramkörös 503 erősítő kimenete sorosan beiktatott feszültségstabilizáló elemen, célszerűen — és példánknál is — 504 Zener-diódán át csatlakozik a kapcsoló 205 fokozat aktív elemét alkotó vezérelt félvezető dióda vezérlőelektródájára. Ezt a kapcsoló 205 fokozatot, az arra csatlakozó optikai jeladó 206 eszközzel mutatja a 6. ábra. A kapcsoló 205 fokozat aktív eleme példánknál 601 tirisztor, mellyel lumineszcens 603 dióda, ún. LED van sorbakötve. A 601 tirisztor vezérlőelektródája alkotja a kapcsoló 205 fokozat D bemenetét. Az 504 Zener-dióda soros 505 ellenálláson át csatlakozik a D bemenetre és a vezérlő elektróda levezető 506 ellenállásán át a készülék közös potenciálú pontjára. A lumineszcens 603 dióda és a 601 tirisztor anódja közé sorosan 602 ellenállás van beiktatva, az egyenáramú tápfonás kapcsait áthidaló 604 kondenzátor pedig az egyenáramú rend
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
szerként működő mérőegységet váltakozóáramú zavarok ellen védi. Minthogy a részletesen leírt kapcsolási elrendezés működésmódja az előbbiekben leírt alapvető működési elv ismeretében szakember számára kézenfekvő, azt csak röviden ismertetjük. A nem mutatott tápforrás pl. 12 V, esetleg 24 V feszültségű. A tápforrásról érkező érpár egyfelől a tápáram bevezetésére, másfelől arra is szolgál, hogy a jelet - áramváltozásként - továbbítsa. A mért jelet, mint már említettük, itt nem alapjelként alkalmazott további ionáranunal hasonlítjuk össze, hanem az összehasonlítást egy sebességi, pontosabban meredekségi referenciamennyiség teszi lehetővé, amelyet a differenciáló 203 fokozat RC tagjának időállandója reprezentál. Ennek helyes megválasztása — a leírt kapcsolás sztatikus és dinamikus paramétereire vonatkoztatva, amire a továbbiakban kitérünk - biztosítja, hogy a veszélyes állapotot jellemző küszöbérték elérésekor a differenciálhányadost (illetve a magasabb frekvenciájú komponenseket) - tehát a változás meredekségét — reprezentáló jel éppen egyenlő legyen a komparátor 204 fokozat referenciajelforrása által szolgáltatott referenciafeszültséggel. Ezt azért nem állítjuk elő egyszerűen ohmos feszültségosztóval, hanem az 501 tranzisztor alkalmazásával, mert biztosítani kívánjuk a referenciajel dinamikusan stabil értékét. Célszerűen természetesen a készülékben alkalmazott tranzisztorok típusa megegyező. A mutatott példakénti kapcsolási elrendezésben alkalmazott aktív elemek munkapontjaiból folyóan az ionizációs kamra által veszélymentes — normál - állapotban szolgáltatott ionáram hatására a komparátor 204 fokozat integrált áramkörös 503 erősítőjének inverz (—) bemenetén mintegy 7 V értékű feszültség jelenik meg és az illesztések és transzformációk olyan dinamikus viszonyokat teremtenek, hogy a füsttartalom normális ingadozásai esetén ez az érték tizedvoltnyit meghaladó mértékben nem változik. Ennél nagyobb változás csak rendellenes füstforrás fellépésekor várható, mégpedig ugrásszerűen. Az integrált áramkörös 503 erősítő egyenes (+) bemenetére kapcsolt stabilizált feszültséget ezért az 502 ellenállás értékének alkalmas megválasztásával úgy állítjuk be, hogy azt a veszélymentes üzemállapotban az inverz (—) bemenetre jutó feszültség néhány tized Volttal meghaladja. Az 503 erősítő kimenete így - az 504 Zener-dióda helyes munkaponti beállítása esetén — a közös potenciálú ponthoz közelálló potenciálon lesz, amíg rendellenesség nem lép fel, a kapcsoló 205 fokozat nem kap kivezérlést, a lumineszcens 603 dióda árammentes és nem világít. Ha számottevő füst jut az ionizációs kamrába, ez az egyensúly felbillen. Az erősítő lánc az integrált áramkörös 503 erősítő inverz (—) bemenetére időben csökkenő feszültséget szolgáltat. Ha ez a feszültség csak egy pillanatra is kisebb lesz, mint a referenciafeszültség, a komparátor 204 fokozat átbillen, a kapcsoló 205 fokozat bemenetére, így gyujtófe- szültség jut, a 601 tirisztor gyújt és megmarad vezető állapotában. A lumineszcens 603 dióda világít, a készülék áramfelvétele a nyugalmi állapothoz tartozó érték többszörösére nő meg. Ez az állapot
3
176353 87
mindaddig fennmarad amíg a készüléket - pl. a tápfeszültség kikapcsolásával - nem állítjuk újra alapállapotba.Az alapállapotba állításhoz célszerűen kezelőszervet iktatunk be megfelelő helyen, de ezt szakember konkrét kialakítás és a konkrét ajkai- · mazási hely függvényében tetszőlegesen végezheti, ezért a készülék ezen szervét nem ismertetjük, ahogyan a tápfonást sem szükséges bemutatni. A készülék kétvezetékes kapcsolata a tápfonással, mely - amint azt már említettük - a táplálást és 1' a változás áramváltozáskénti érzékelését egyaránt lehetővé teszi - olyan kapcsolat, mely lehetővé teszi, hogy egy vezetékpárra több, pl. célszerűen legfeljebb huszonöt ilyen készülék a közös tápfonásra hurokban felfűzhető, mely esetben a teljes 11 rendszerhez önmagában ismert módon kapcsolt központi kiértékelő egység az áramfelvétel ugrás- szert megnövekedésekor megfelelő teljesítményű beavatkozó jelet is adhat bármilyen további jelzővagy önműködő hibaelhárító beavatkozó szerv(ek) 0 felé. A huszonöt figyelt hely közül a veszélyeztetett hely azonnal azonosítható, ha a 603 diódákat elkülönítve, a kiértékelő egység környeztében rendezzük el, hiszen a huszonöt darab lumineszcens 603 dióda közül csak az érintett 603 2. diódá(k) fog(nak) világítani. A fentiekben egy előnyös kiviteli alakot ismertetünk. Általánosságban a találmány szerinti készüléket jellemzi, hogy az ismert megoldásokhoz hasonlóan rendelkezik az ionáramból leszármaz- 3 látott feszültség szintjét kiértékelő komparátorral es a komparátor kimenőjelével vezérelt kapcsoló fokozattal, mely jeladó eszközt működtet, s hogy ugyancsak ismert módon - az ionáram által átfolyt igen nagyertékű ellenálláson jön létre a 3 vezetőjel, új viszont, hogy a vezetőjelből a szükséges impedancia-, illetve fcszültségtranszformáció után frekvenciafuggö elemet tartalmazó jelátalakító fokozatban előállítjuk a ve/etőjcl szintváltozásának meredekségével aranyos egycnfcszultségszintet, s ezt 4 a szintet a komparatorban nem valamely külön előállított ionáramból leszármaztatott feszültséggel hasonlítjuk össze, hanem a komparátorra stabilizált cgyenfcszultségct kapcsolunk, s azz,al hasonlítjuk össze a meredekségre jellemző feszültséget. 4
Szabadalmi igénypontok:
I .Izotópos fustérzékelő készülék, tápforrás sarkai közé kapcsolt ionizációs kamrával és bináris kimenőjelet szolgáltató mérőegységgel, mely mérőegység bemenetét az ionizációs kamra elektródája és a készülék közös potenciálú pontja közé kapcsolt áramköri ágban elrendezett ellenállás alkotja és mely mérőegység tartalmaz láncba kapcsolt 5 komparátor fokozatot és kapcsoló fokozatot és a kapcsoló fokozat kimenetére csatlakozó optikai
és/vagy akusztikai jeladó eszközt, azzal jellemezve, hogy a komparátor fokozat (204) jeibemenetére frekvenciafuggö áramköri elemet, célszerűen felüláteresztő szűrőt, illetve differenciáló tagot tartalmazó jelátalakító fokozat (203) csatlakozik és a jelátalakító fokozat (203) bemenetére csatlakozik - impedanciaváltó fokozaton (202) át - a mérőegység bemenete (A). 2. Az 1. igénypont szerinti készülék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a jelátalakító fokozat (203) bemenetét soros kondenzátor (401) egyik fegyverzete alkotja, s a kondenzátor (401) másik fegyverzete a tápfonás sarkai (+,0) közé kapcsolt feszültségosztó leágazására van kötve, mely leágazás feszültségkövetőként kapcsolt erősítő (405) bemenetére van kötve és ennek az erősítőnek j (405) a kimenete alkotja a jelátalakító fokozat (203) kimenetét (C). 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti készülék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az Impedanciaváltó fokozat (202) tartalmaz félvezető erősítőt (302), melynek kimenete integrált áramkörös erősítő (304) egyenes bemenetére (+) csatlakozik, s az integrált áramkörös erősítő (304) kimeneté, mely egyben az impedanciaváltó fokozat (202) kimenete (B) is, vissza van csatolva az integrált áramkörös erősítő (304) inverz bemenetére (-). 4. A 3. igénypont szerinti készülék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a félvezető erősítő (302) MOS típusú térvezérlésű tranzisztorral van kialakítva. 5. Az 14. igénypontok bármelyike szerinti készülék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kapcsoló fokozat (205) vezérelt félvezető diódával, pl. tirisztorral (601) van kialakítva és a vezérelt félvezető diódával lumineszcens dióda (603), ún. LED van sorbakötve.
6. Az 5. igénypont szerinti készülék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a komparátor fokozat (204) tartalmaz további integrált áramkörös erősítőt (503), melynek inverz bemenetére (-) a differenciáló fokozat (203) kimenete (C) van kötve, egyenes bemenetére (+) referenciajel forrás csatlakozik és a további integrált áramkörös erősítő (503) kimenete sorosan beiktatott feszüitségstabí- lizáló elemen, célszerűen Zener-diódán (504) át csatlakozik a vezérelt félvezető dióda vezérlőelektródájára. 7. A 6. igénypont szerinti készülék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a referenciajelforrás a tápforrás sarkai közé iktatott áramköri ág, melyben tranzisztor (501) anód-katód útja és munkaellenállás (502) van sorbakapcsolva, a tranzisztor (501) vezérlőelektrődája a készülék közös potenciálú pontjára van kötve és a tranzisztor (501) munkaellenállása (502) csatlakozik a további integrált áramkörös erősítő (503) egyenes bemenetére (+).