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Rauchdetektor Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Überwachung
und Sicherung von Rennen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rauchdetektor,
der in der Lage list, das Vorhandensein oder Entstehen von Rauch, bestimmten Dämpfen
und dergleichen unter verschiedenen Bedingungen festzustellen und anzuzeigen.
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Rauchdetektoren sind für eine Vielzahl von Gebäuden und Räumen zu
einem elementaren Bestandteil der Einrichtung geworden. Von entscheidender Bedeutung
ist dabei, daß der Detektor: in der Lage ist, das Auftreten einer Rauchentwicklung
frühzeitig und zuverlässig anzuzeigen.
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Solche Detektoren sind in einer Reihe von Ausführungsformen bekannt.
Bei einer Art, die im Gattungsbereich der Erfindung liegt, ist eine optische Einrichtung
in Verbindung mit einer Erreger-Lichtquelle vorgesehen, die einen dunklen Raum ausleuchtet,
in dem bestimmte Substanzen, insbesondere Rauchpartikel erfaßt werden. Als Teil
der Einrichtung ist meist ein Photozellenpaar vorhanden, das auf sich ändernde Lichtbedingungen
aufgrund vorhandenen Rauchs oder dergleichen anspricht. Da sich das Ansprechverhalten
herkömmlicher Photozellen auf das von den Rauchpartikeln reflektierte oder durch
diese gestreute Licht mit der Zeit, durch Temperatureinflüsse, anliegende Spannung,
Schwankungen der Beleuchtungsstärke und aufgrund einiger anderer Faktoren ändert,
ist es auch üblich, das Photozellenpaar in eine Brückenschaltung zu legen, so daß
sich solche Änderungseffekte im Ansprechverhalten der Photozellen gegenseitig aufheben.
Als repräsentative Beispiele für Rauchdetektoren dieser Art sei auf die US-PSen
3 409 885, 3 723 747 und 3 727 056 hingewiesen. Mit der deutschen Patentanmeldung
P 25 32 063.2 wurde für Rauchdetektoren auch bereits vorgeschlagen, die herkömmlicherweise
verwendete Glühfadenlampe als Lichtquelle durch eine Festkörper-Lichtquelle, also
eine Lichtquelle mit niedrigem Beleuchtungspegel, etwa eine lichtemittierende Diode,
zu ersetzen. Der große Vorteil einer solchen Lichtquelle ist vor allem in einer
extrem langen mittleren Lebensdauer von mehr als 20 Jahren zu erblicken, das heißt
im Normalfall bedarf ein solcher Rauchdetektor keiner Wartung oder des routinemäßigen
Austauschs von Bauelementen, insbesondere der Lichtquelle.
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Rauchdetektorsysteme dieser vorgeschlagenen Art besitzen noch eine
Reihe von weiteren Vorteilen, unter denen jedoch die Ausnutzung der für lange Zeit
gleichbleibenden Kennwerte von lichtemittierenden Dioden als Lichtquellen besonders
herausragt.
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Gleichwohl wurde festgestellt, daß bei zur Zeit industriell herstellbaren
lichtemittierenden Dioden die durchschnittliche Lichtabgabe im Vergleich zu Glühlampen
extrem niedrig liegt. Auch andere herkömmliche Lichtdetektoren wie Photozellen,
die auf Lichteinfall ansprechende Widerstände aus Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid
enthalten,
unterliegen; bestimmten Alterungseinflüssen, d.h. sie neigen zu einer Speicherwirkung,
insbesondere dann, wenn sie einmal einer relativ starken Lichtquelle ausgesetzt
worden sind. Dies führt zu einigen Schwierigkeiten, wenn lichtemittierende Dioden
und die erwähnten Photozellen zusammen eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen kleinen preisgünstig
herstellbaren Rauchdetektor zu schaffen, bei dem der Vorteil der langen Lebensdauer
einer lichtemittierenden Diode als Lichtquelle mit den Vorteilen einer Photodiode
oder ähnlichen Einrichtung als Lichtabtasteinrichtung kombiniert sind.
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Eine erfindungsgemäße Lösung dieser technischen Aufgabe gibt der Patentanspruch
1 an. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Erfindungsgedankens sind unter anderemin
der nachfolgenden Beschreibung erläutert und in Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, eine lichtemittierende Diode
als Quelle mit einer einzigen Photodiode als Detektor oder einem anderen gleichrichtenden
Sperrschichtelement, etwa einem Transistor, vorzugsweise so zu verbinden, daß die
lichtemittierende Diode im Pulsbetrieb arbeitet, so daß die Lichtabgabeleistung
für die Dauer des Licht impulses erheblich gesteigert werden kann. Als unumgehbare
Beschränkung ist dabei nur zu beachten, daß die maximal zulässige Verlustleistung
der lichtemittierenden Diode nicht überschritten wird. Bei den vorgesehenen höheren
Stromwerten ist also insbesondere darauf zu achten, daß die Licht impulse bei vergleichsweise
niedriger Impulsfolge eine sehr kurze Dauer erhalten. Die Photodiode oder ein vergleichbarer
Festkörper-Lichtdetektor wird daher zweckmäßigerweise hinsichtlich kurzer Ansprech-
und Abfallzeit so ausgewählt, daß die Lichtimpulse gut reproduzierbar erfaßt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Rauchdetektors mit erfindungsgemäßen
Merkmalen ist die in einer Kapsel angeordnete erwähnte lichtemittierende Diode vorhanden;
sie weist weiterhin
eine Abtast- oder Meßkammer auf, durch die ein
kontinuierlicher Luftstrom von einem Einlaß zu einem Auslaß erzeugt wird, so daß
der in die Kapselung eintretende Rauch gut überwacht werden kann.
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Weiterhin ist die in Form der erwähnten Photodiode vorhandene Lichtmeß-
oder Abtasteinrichtung in der Kapsel, aber außerhalb der Achse des von der Lichtquelle
ausgehenden Lichtstrahls angeordnet.
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Bei einer speziellen Ausführungsform ist die lichtemittierende Diode
an einen Impulsgenerator angeschlossen, der außerdem mit dem Triggereingang eines
tastbaren Verstärkers verbunden ist, an dessen Eingang der Photodiodendetektor liegt.
Auf diese Weise wird mit sehr hoher Sicherheit ausgeschlossen, daß irgendwelches
Streulicht oder sonstige Impulse außer den Lichtimpulsen-von der lichtemittierenden
Diode einen Einfluß auf den Anzeigeteil des Geräts haben, d.h. solche nicht erwünschten
Lichteinflüsse schalten die Alarmeinrichtung nicht wirksam. Der erwähnte tastbare
Verstärker wird also im wesentlichen nur in Koinzidenz mit den durch die lichtemittierende
Diode abgegebenen Lichtimpulsen aufgetastet.
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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter
Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild eines optischen Rauchdetektors gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 das Impulsfolgediagramm zur Verdeutlichung
der im wesentlichen zeitdeckungsgleich auftretenden Impulse in dem System; Fig.
3 in perspektivischer Darstellung die Ansicht des Inneren des Gehäuses des Rauchdetektors,
um zu verdeutlichen, wie die Anordnung der lichtemittierenden Diode und des Photodiodendetektors
vorteilhaft erfolgen kann und
Fig. 4 das Blockschaltbild einer-anderen
bevorzugten Ausführungsform eines Rauchdetektors mit erfindungsgemäßen Merkmalen.
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Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt links eine Impulsquelle in Form
eines Impulsgenerators 10. Dieser Generator gibt kurze Stromimpulse relativ hoher
Leistung ab, die durch eine mit dem Generator 10 verbundene lichtemittierende Diode
12 in entsprechende Lichtimpulse oder Lichtbursts umgesetzt werden. Die Impulsdauer-
und Amplitude läßt sich auf den jeweils vorgesehenen Typ für die lichtemittierende
Diode anpassen. Typischerweise können diese Impulse einer Stromstärke von 1 A aufweisen,
bei einer Impulsbreite von 1 pisec und einer Impulsfolgefrequenz von 100 bis 300
Hz. Wird die Stromstärke niedriger gewählt, so können die Impulse breiter sein.
Die von der lichtemittierenden Diode 12 abgegebenen Lichtimpulse werden beispielsweise
durch Rauchpartikel reflektiert und gelangen dadurch auf einen Photodetektor, etwa
in Form einer Photodiode 14. Da Licht kurzer Wellenlänge durch Rauchpartikel besser
gestreut wird als Licht längerer Wellenlängen, ist es empfehlenswert, einen Typ
einer lichtemittierenden Diode auszuwählen, der Licht relativ kurzer Wellenlänge
abgibt. Beim gegenwärtigen Stand der Technik jedoch weisen lichtemittierende Dioden
für längere Wellenlängen (z.B.
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rot und infrarot) einen höheren Wirkungsgrad auf und sind leistungsstärker.
Dementsprechend ist hinsichtlich der Auswahl ein Kompromiß zu treffen. Es wurde
ermittelt, daß die relativ besten Ergebnisse mit einer rotlichtemittierenden Diode
erzielt werden.
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Ein anderer wesentlicher Gesichtspunkt bei der Auswahl der lichtemittierenden
Diode ist deren Fähigkeit, im Impulsbetrieb zu arbeiten. Einige Materialien wie
Galliumphosphid gelangen bei ansteigender Stromstärke in den Sättigungsbereich,ohne
daß dadurch die Lichtabgabe erhöht wird. Andererseits tritt dieser Sättigungseffekt
bei einer Kombination aus Galliumarsenid und Galliumphosphid nicht auf; demzufolge
sind lichtemittierende Dioden dieser Bauart zu bevorzugen. Als spezielles Beispiel
sei auf die LE-Diode 5082-4658 von Hewlett-Packard hingewiesen. Es sei erwohnt,
daß
auch lichtemittierendeDioden mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln je nach den speziellen
Bedürfnissen eingesetzt werden können.
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Die Vorrichtung 14 enthält eine Gleichrichtersperrschicht oder einen
Übergang im Gegensatz zu vielen Photodetektorvorrichtungen, die aus einem einfachen
Photowiderstand bestehen, die also bei Lichteinfall ihren Widerstand ändern. Diese
Photodiode 14 kann entweder einfach als ein eine Photo spannung abgebendes Element
geschaltet sein oder - wie in Fig. 1 dargestellt - in Sperrichtung vorgespannt sein,
so daß eine Potentialquelle +V über einen Widerstand 16 mit der Kathode der Photodiode
14 verbunden ist, während die andere Seite, d.h. die Anode auf Masse liegt. Es zeigte
sich, daß eine in Sperrichtung gepolte Photodiode wie in Fig. 1 den Vorteil eines
raschen Ansprechverhaltens zeigt und daß die abgegebene Ausgangsleistung bei dieser
Betriebsart um etwa 10% höher liegt als bei einer anderen Schaltung, in der lediglich
eine Photospannung unter Ausnützung des Sperrschicht-Photoeffekts gewonnen wird.
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Es wurde auch gefunden, daß die Photodiode 14 vorzugsweise aus Silicium
bestehen sollte, da sich bei diesem Material ein gutes Frequenzansprechverhalten,
ein niedriger Temperaturkoeffizient sowie eine gute Linearität über sechs bis sieben
Größenordnungen ergeben. Einige dieser Silicium-Photodioden zeichnen sich auch durch
eine flache Spektralkennlinie im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums
aus.
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Da die Photodiode 14 die von der lichtemittierenden Diode 12 abgestrahlten
Lichtimpulse auffangen soll, ist eine Wechselspannungskopplung, etwa durch Verwendung
eines Kondensators 18 vorzuziehen, wie in Fig. 1 dargestellt. Dieser Kondensator
18 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 20 verbunden. Diese Wechselspannungskopplung
gewährleistet die Eliminierung eines Dunkelstroms in Abhängigkeit von der Temperatur.
Da außerdem das Ausgangssignal von Photodioden, etwa der Photodiode 14, relativ
klein ist, kann ein Linsensystem vorgesehen werden, um die Lichtsammlung zu verbesssern
und
damit das Ausgangssignal zu erhöhen. Bevorzugt wird eine vor der Photodiode 14 angeordnete
Linse 22. Wird diese Linse richtig gewählt, beispielsweise mit einem Durchmesser
von 25 mm , so läßt sich die Sammlung des Lichteinfalls um etwa l00fach steigern.
Als Verstärker 20 kommt vor allem ein solcher mit hohem Verstärkungsgrad (100 bis
110 dB) in Frage, mit einer so ausreichenden Durchlaßbandbreite, daß Impulse im
Mikrosekundenbereich gut verstärkt werden (Bandbreite etwa 1 bis 5 MHz; Grenzfrequenzabfall
-3dB). Um Rauschprobleme und damit die Möglichkeit einer falschen Alarmauslösung
zu vermindern, kann der Verstärker 20 als tastbarer Verstärker aufgebaut sein. Als
Beispiel für einen solchen tastbaren Verstärker sei auf die bekannte Type CA 3130
der Firma RCA hingewiesen.
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Die Auftastung des Verstärkers 20 erfolgt vorzugsweise vom Impulsgenerator
10 aus über die Triggerleitung 24. Damit wird der Verstärker 20 nur dann aktiviert
und wirksam, wenn auch die lichtemittierende Diode 12 Lichtimpulse abgibt. Zu allen
anderen Zeitabschnitten, d.h. wenn kein Licht übertragen wird, ist der Verstärker
gesperrt. Wie sich aus Fig. 2 ersehen läßt, sind die vom Impulsgenerator 10 abgegebenen
Aktivierungs- oder Triggerimpulse von etwas längerer Dauer als die Ansteuerimpulse
für die lichtemittierende Diode 12. Der Verstärker 20 ist also bereits kurz vor
der Auslösung eines Lichtimpulses bzw. geringfügig über das Abklingen des Lichtimpulses
hinaus wirksam.
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Der wesentliche Vorteil des tastbaren Verstärkers 20 ergibt sich daraus,
daß irgendwelche Rausch- oder Störsignale, die während der Sperrzeit des Verstärkers
insbesondere auf die Photodiode 14 gelangen, nicht verstärkt werden, so daß die
Möglichkeit der Falschtriggerung um einen Faktor vermindert wird, der dem Verhältnis
Einschaltzeit:Ausschaltzeit entspricht, was sich gut aus Fig. 2 ersehen läßt.
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Das Ausgangs signal des triggerbaren Verstärkers 20 speist eine Vorrichtung
26, die wahlweise vorgesehen sein kann und zur Beseitigung falscher Triggerimpulse
dient. Damit läßt sich die
Möglichkeit einer Falschtriggerung weiter
vermindern. Die Vorrichtung 26 kann beispielsweise ein Binärzähler sein, der die
vom Verstärker 20 abgegebenen Impulse zählt, beispielsweise bis zur Zahl 20, um
damit sicherzustellen, daß auch tatsächlich in der Umgebung Rauch vorhanden ist,
bevor eine Alarmanzeige ausgelöst wird. Da normale Rauschsignale in aller Regel
in Zufallsverteilung einfallen und gewöhnlich von sehr kurzer Dauer sind, wird die
erforderliche Anzahl von Impulsen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit
nicht erreicht. Entsprechendes gilt für Dunst- oder Nebelpartikel oder dergleichen,
die eine falsche oder nicht erwünschte Anzeige auslösen könnten.
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Zur Erfüllung der der Vorrichtung 26 zugeordneten Funktion kommt eine
Reihe von Schaltungen in Frage. Anstelle eines Binär- oder Impulszählers könnte
etwa ein Integrator mit geeignet gewählter Zeitkonstante gefolgt von einem Schwellwertdetektor
vorgesehen werden.
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Für die nachfolgende Baugruppe 28, die die Einschaltung einer Hörsignalanzeige
30, etwa einer Glocke, einer Hupe, eines Summers oder dergleichen bewirkt, kann
ein einfacher Schalter vorgesehen sein, beispielsweise ein steuerbarer Siliciumgleichrichter
oder ein Triac.
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Die Fig. 3 veranschaulicht einen möglichen konkreten physikalischen
und mechanischen Aufbau für einen Rauchdetektor mit erfindungsgemäßen Merkmalen.
Bei der dargestellten Ausführung sind nur das Deckelteil 40 und eine gedruckte Leiterplatte
42 dargestellt. Die übrigen Teile des Gehäuses, die im wesentlichen noch eine Grundplatte
und geeignete Halteelemente wie Klammern und dergleichen umfassen, sind aus Gründen
der einfacheren Darstellung weggelassen. Das Deckelteil 40 und die Leiterplatte
42 umgrenzen gemeinsam einen Innenraum 44.
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Die lichtemittierende Diode 12 und die Photodiode 14 sind auf der
rechten Seite der Leiterplatte 42 angeordnet, so daß der Innenraum 44 durch die
von der Diode 12 abgegebenen Lichtimpulse
beleuchtet wird, wenn
die Teile 40 und 42 zusammengesetzt sind.
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Ersichtlicherweise steht die Photodiode 14 nicht in Ausrichtung auf
die Achse des von der Vorrichtung 12 ausgehenden Lichtstrahls, d.h. dr Winkel zwischen
der Achse der Vorrichtung 12 und der 0 Achse der Photodiode 14 beträgt etwa 90°.
Dieser Winkel ist jedoch nicht notwendigerweise auf 900 beschränkt. Er kann auf
jeden anderen geeigneten Winkelwert eingestellt werden.
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Das Gehäuse weist einen oder mehrere Einlaßöffnungen 46 und Auslaßöffnungen
48 auf, so daß sich Luft auf einfache Weise durch den Innenraum 44 hindurchführen
läßt. Damit ist sichergestellt, daß beim Auftreten von Rauch in der Umgebung des
Geräts auch Rauch in den Innenraum 44 gelangt. Wegen deswie dargestellt, labyrinthartigen
Luft- bzw. Rauchführungswegs gelangt kein Lichteinfall in den Innenraum 44. Das
Deckelteil 40 weist außerdem eine umgrenzte Aussparung 50 zur Aufnahme einer Höralarm-Anzeigevorrichtung
30 auf, deren Schaltsignal über eine Öffnung 52 an der Vorderseite des Decktils
40 nach außen übertragen wird.
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Die durch die Einlaßöffnung eingesaugte Luft gelangt durch den durch
die lichtemittierende Diode 12 beleuchteten Innenraum. Unter normalen Umständen
wird der Eingang des tastbaren Verstärkers 20 durch das Hindurchtreten sauberer
Luft in keiner Weise nennenswert beeinflußt, d.h. durch Luft, die keine Rauchpartikel
oder dergleichen enthält. Sind jedoch Rauchpartikel in nennenswertem Umfang vorhanden,
so wird die dadurch auftretende Reflexion im Weg des Lichtstrahls und damit im Sichtfeld
der Photodiode 14 erfaßt. Die aktustische Signalanzeigevorrichtung 30 wird damit
aufgrund der Betätigung des Schalters 28 eingeschaltet und gibt ein Warnsignal ab.
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Die Fig. 4 verdeutlicht einen anderen möglichen Aufbau für einen Rauchdetektor
erfindungsgemäßer Bauart. Bei dieser Ausführungsform liegen die optische Achse der
lichtemittierenden Diode 12 und die Achse der Photodiode 14 nahezu parallel. Die
Photodiode 14 erfaßt die Reflexion von Rauchpartikeln im offenen umgebenden Raum.
In diesem Fall kann der Aufbau des Gehäuses äußerst einfach
sein;
das Gehäuse 60 muß nämlich lediglich die elektronischen Baugruppen aufnehmen. Die
Rauchkammer bildet in diesem Fall der den Rauchdetektor umgebende Raum anstelle
einer Innenkammer im Inneren des Gehäuses.
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Der Lichtpegel des Umgebungslichts wirft in der Regel keine Probleme
auf, da die Photodiode 14 hinsichtlich der Ansprechcharakteristik auf Licht so gewählt
ist, daß sich eine lineare Kennlinie über sechs bis sieben Größenordnungen ergibt.
Sollten jedoch Schwierigkeiten bestehen, beispielsweise wenn Leuchtstofflampen als
Lichtquellen vorhanden sind, so kann vorgesehen werden, das System mit Infrarotlicht
zu betreiben, d.h. das sichtbare Spektrum auszufiltern. In diesem Fall ist es möglich,
die Funktion als Rauchdetektor mit der einer Einbruchsicherung zu kombinieren, da
die Photodiode die Ursache der Reflexion nicht unterscheidet.