Ultralyd brandalarmkredsløb ved hjælp af luftturbulensregistrering

Ultralyd brandalarmkredsløb ved hjælp af luftturbulensregistrering

Det enkle ultralyds brandalarmskredsløb, der er forklaret nedenfor, registrerer en brandfaresituation ved at opfange variationerne i de omgivende luftbølger eller luftturbulensen. Kredsløbets høje følsomhed sikrer, at selv den mindste luftturbulens skabt af en temperaturforskel eller brand hurtigt opdages, og en tilsluttet alarmenhed lyder.



Oversigt

Konventionelle brandsensorer bruger forskellige systemer til at identificere brand, og de kommer med alle mulige kompleksiteter.



Et almindeligt brandalarmsystem bruger en temperatur måler at mærke den usædvanligt høje temperaturvarians forårsaget af en brand.

Det er ikke grundlæggende, at kun en elektronisk del som en termistor eller der anvendes en enhed til halvleder temperatur, men simpelt materiale som et smeltbart led ved lav temperatur eller en temperaturkontakt til bimetal.



Selvom det er at foretrække enkelheden af ​​sådanne alarmtyper, er deres pålidelighed tvivlsom, fordi detektering kun sker, når en brand allerede er modnet.

Der findes mere komplekse brandalarmsystemer, for eksempel røgdetektorer, der er udstyret med en særskilt halvlederdel, der registrerer eksistensen af ​​røgpartikler, brændbar gas og damp.

Bortset fra det er der optoelektronisk brandalarmsystemer, der udløses, når røg af en hvilken som helst form blokerer deres lysstråler. En sådan type branddetekteringssystem blev offentliggjort på Hobby Electronics.

Varmedetektion ved hjælp af Doppler Shift

En ny metode til branddetektion ved hjælp af ultralydslyd er beskrevet i denne artikel. Bærer de samme driftsprincipper som den berømte Doppler Shift ultralyds indbrudsalarmer , dette branddetekteringssystem er enormt følsomt over for turbulens i luften ud over det faste objekts bevægelse.

Varmen fra en elektrisk ild frembringer enorm turbulens og udløser alarmen. Ofte udløses falske alarmer på grund af turbulensen. Som et resultat er denne type brandalarm perfekt til et hjem, selvom folk der bor i det ofte ikke vil sætte pris på det.

Hvordan sund diskrimination sker

En ulempe ved at bruge en Doppler Shift-tyverialarm som en brandalarm er det massive detektionsområde, som denne enhed leverer. På en eller anden måde viser det sig her at være en velsignelse, fordi hurtig detektion bliver mulig, selvom en brand starter i et lille hjørne af detektionsområdet.

Standardprincippet for konventionelle brandalarmer er at opdage brande, mens man ignorerer mennesker, der krypterer rundt i lokalet. Dette er afgørende, da alarmsystemet er indstillet til at køre, indtil det er aktiveret.

En typisk ultrasonisk Doppler Shift-alarm skelner ikke mellem mennesker og turbulens. Derfor giver det mere mening for et brandalarmsystem at bruge et kredsløb, der styrer et lille funktionsområde.

Alarmenheden kan placeres et sted i rummet, hvor menneskelig bevægelse er minimal, men stadig være i stand til hurtigt at identificere turbulensen som følge af en brand.

System fungerer

En grundlæggende ultralydsalarm er udstyret med to uafhængige kredsløb, der er forbundet via den samme strømforsyning.

Det enklere elektroniske kredsløb fungerer som en sender, der udsender ensartede lydfrekvenser til modtageren, hvilket er det mere komplicerede kredsløb.

Et blokdiagram over brandalarmen er vist i figur 1.

Som beskrevet fungerer senderkredsløbet til at producere ultralydslyd ved hjælp af en oscillator og fremfører signalet gennem en højttaler.

Det elektriske signal konverteres til lydbølger af højttaleren, men mennesker kan ikke høre dem, fordi de hælder over høreområdet.

Almindelige lydforstærkere fungerer ikke godt ved ultralydsfrekvenser på grund af den piezoelektriske type transmitterende transducer.

Normalt er en output-niveau moderator inkluderet, så følsomheden af ​​kredsløbet kan tilpasses til det rigtige niveau.

Modtager

En mikrofon ved modtageren registrerer lydbølgerne fra senderen og konverterer dem til tilbage til elektriske signaler.

Endnu en gang a specialiseret piezoelektrisk transducer bruges på den modtagende mikrofon, fordi de normale er uegnede til at fungere ved høje, især ultralydsfrekvenser.

Den ekstremt manøvrerende tilstand af ultralydslyd forårsager detekteringsproblemer mellem mikrofonen og højttaleren, hvis begge enheder er installeret næsten ved siden af ​​hinanden.

I praktiske situationer er de fangede signaler refleksioner fra vægge eller møbler i rummet.

Desuden er output fra mikrofonen relativt lavt og typisk omkring 1 mV RMS. Så en forstærker er inkorporeret for at forbedre signalet til et funktionsniveau.

Normalt anvendes to forstærkningstrin med høj forstærkning som minimum i en ultralyds indbrudstyv alarm. Da det diskuterede brandalarmsystem kræver mindre følsomhed, er et enkelt forstærkningstrin imidlertid mere passende.

Detektor

Det næste afsnit af kredsløbet er en amplitudemodulationsdetektor. I en praktisk situation er det detekterede signal en direkte 40 kHz outputbølge fra senderen.

Dette signal indsamles ved hjælp af forskellige stier og vilkårligt indfases. Men begge amplituder af signalet og dets faseforhold bevares uden nogen ændring. Der genereres således ikke noget output fra amplitudegeneratoren under klare situationer.

Hver gang der er bevægelse foran detektoren, eller luften er turbulent, ændres hele scenariet.

Den berømte Doppler-skift tager ansvar og producerer en frekvenssving på de signaler, der reflekteres fra objektet i bevægelse eller uorden i luften.

En del af det kommunikerede signal opsamles enten direkte eller ved hjælp af ubevægelige genstande gennem luften, der er modstandsdygtig over for turbulensen.

Derefter kanaliseres to eller flere frekvenser ind i amplitude-demodulatoren. På dette stadium er faseforholdet ud over regulering, fordi signalerne har varierende frekvenser.

Ultralydbølgeformer

Når man ser på bølgeformdiagrammet i figur 2 nedenfor, skal man forestille sig, at den øvre bølgeform er det normale 40 kHz signal, og den nedre bølgeform er det frekvensændrede signal. I begyndelsen er signalerne i fase, eller de stiger og falder homogent i skala, mens de opretholder den samme polaritet.

In-fase signalerne opsummeres inde i demodulatoren for at generere et enormt udgangssignal. Bagefter går de ind i anti-fasezonen under bølgeformssekvensen.

Dette betyder, at signalerne stadig stiger og formindsker deres amplitude ensartet, men nu har modsatte polariteter.

Som et resultat producerer demodulatoren et svagt udgangssignal, da de to andre signaler annullerer hinanden. Men til sidst springer signalerne tilbage for at være i fase og frigiver et robust output fra demodulatoren.

I det øjeblik kredsløbet aktiveres, måles et skiftende outputniveau fra demodulatoren.

Udgangssignalets frekvens er den samme som variansen mellem de dobbelte indgangssignaler.

Dette ses normalt på en lav-lydfrekvens eller en subsonisk frekvens. Uden tvivl fanges signalet fra udgangen ubesværet, efter at forstærkningsforstærkeren forbedrer det.

Alarmgenerator

Når signalet er forstærket, bruges det til at styre et standard låsekredsløb, der en gang aktiveret, og alarmen fortsætter med at blare, indtil systemet nulstilles. Låsefunktionen styres af en koblingstransistor, der forbinder styrespænding med alarmdetekteringskredsløbet.

Alarmgeneratoren er bygget ved hjælp af en spændingsstyret oscillator (VCO) modereret af en lavfrekvent oscillator.

En rampebølgeform produceres af lavfrekvent oscillator, og et output fra VCO vil gradvist øges i frekvens indtil dets maksimale tonehøjde.

Derefter vender signalet tilbage til minimum tonehøjde og øges gradvist i frekvens igen. Denne cykliske proces fortsætter og giver et effektivt alarmsignal.

Sådan fungerer kredsløbet

Den komplette kredsløbstegning af ultralydsbranddetekteringssystemet eller modtageren er vist i nedenstående figur.

MODTAGERKRETS : De stiplede linjer slutter sig til forsyningsskinnerne i tranmitter-kredsløbet nedenfor

TRANSMITTERKredsløb

Senderen er bygget ved hjælp af en 7555 timer-enhed, IC1. Denne CMOS-komponent er 555-timeren med lavt strømforbrug.

Til denne type alarmgenerator er en 7555 ideel i forhold til en 555, fordi kredsløbets samlede strømforbrug kun holdes på omkring 1 mA eller mindre, hvilket bidrager til effektiv brug af batteristrøm.

Desuden anvendes 7555 IC i en typisk oscillerende metode, hvorved timingdelene R13, RV1 og C7 vælges specielt til at generere en frekvens på 40 kHz.

Forudindstillingen er reguleret til at generere udgangsfrekvensen, der leverer ideel effektivitet fra de modtagende og transmitterende kredsløb. Forudindstillingen er identificeret som RV2 i kredsløbsskemaet.

Modtager

X1 er den signaloptagende sensor i modtagerkredsløbet, og dens output er forbundet til indgangen på en fælles emitterforstærker, der er designet omkring Q1.

På dette tidspunkt opretholdes en lav kollektorstrøm på ca. 0,1 A for at sikre, at hele delens strømforbrug er lavt.

Typisk skulle man tro, at dette medfører mindre gevinst fra en forstærker af denne slags, men generelt er det mere end nok til den eksisterende operation.

Kondensator C2 kombinerer det forbedrede output fra Q1 til en almindelig AM-demodulator ved at anvende D1, D2, R3 og C3.

Senere rampes det deraf følgende lavfrekvente signal ved hjælp af en anden fælles emitterforstærker placeret ved Q2.

En anden IC1-timer bruges som låsen. I modsætning til normal praksis anvendes timeren IC1 i den monostabile tilgang, der tilvejebringer en positiv udgangspuls, hvis pin 2 reduceres med 33% fra forsyningsspændingen.

Normalt vil udgangsimpulsbredden blive reguleret af et par timingmodstande og kondensator, men dette kredsløb er uden disse komponenter.

I stedet er ben 6 og 7 i IC1 forbundet med minusforsyningsskinnen. Når den er aktiveret, bliver output fra IC1 tændt og fortsætter med at være i den tilstand, hvilket tillader låsning.

Fra samleren af ​​transistoren Q2 er pin 2 i IC1 forbundet og reguleret til lige halvdelen af ​​forsyningsspændingen.

Under standbytilstand er IC1 således ikke aktiveret. I det øjeblik enheden startes, svinger kollektorspændingen ved Q2.

Desuden bliver det under de negative halvcyklusser lavere end udløsertærskelspændingen. Ved hjælp af betjeningsafbryderen SW1 og resetindgangen på IC1 til 0V forsyningsspænding kan det komplette kredsløb nulstilles.

Komponenten, der bruges til at kanalisere strøm til alarmkredsen, når IC1 aktiveres, er transistor Q3. Af sikkerhedsmæssige årsager fungerer R8 som en strømbegrænsende modstand.

Alarmsignal

IC2 er den sidste chip, som er en CMOS 4046BE faselåst sløjfe. Men i dette design er kun VCO-delen afgørende. En fasekomparator bruges passende, men kun som en inverter til alarmkredsen.

Inversionen af ​​VCO's output resulterer i en tofaset output, som tillader keramisk resonator LS1 at modtage en peak-to-peak spænding er to gange forsyningsspændingen.

Som et resultat produceres et skrigende alarmsignal. Hvis det er nødvendigt, kan output fra pin 4 i IC2 forbedres og bruges til at aktivere en standardhøjttaler. Kondensator C6 og modstand R12 fungerer som timingdele for VCO. De elektroniske komponenter giver en stabil udgangsfrekvens omkring 2 kHz, hvilket er den zone, hvor den keramiske resonator når maksimal effektivitet.

Modulationssignalet frembringes af en typisk unijunction afslapningsoscillator fra transistoren Q4. Dette leverer en divergerende rampebølgeform ved 4 kHz.

Sådan opsættes

Begynd med RV1 i halvvejs og RV2 bestemt for maksimal ydelse, som drejes helt mod uret.

Brug et multimeter (hvis tilgængeligt), indstil RV2 til dets minimale jævnstrømsspænding, og slut den på tværs af R3, når den negative sonde er fastgjort til den negative forsyningsledning.

Tænd for enhedens strøm, og placer transducerne mod en væg eller en hvilken som helst glat overflade med ca. 10 eller 20 cm afstand.

Når RV1 aktiveres, vil der være aflæsning eller bevægelse på multimeteret, og derefter tilpasses RV1 for at nå den maksimale aflæsning.

Det anbefales stærkt at fastgøre en leder på tværs af SW1, når reguleringen er udført, fordi alarmgeneratoren dæmpes, og dens output ikke kan påvirke målingerne.

I tilfælde af at et multimeter ikke er tilgængeligt, kan RV1 indstilles ved at anvende prøve- og fejltilgangen for at finde en værdi, der fungerer for hele delen.

Selvom RV2 er godt beskyttet, er alarmenheden stadig følsom. Monteringsstedet skal være godt planlagt for enheden. Et godt sted ville være lidt over operatørens arbejdsbænk, hvor den største brandrisiko er til stede på grund af det elektriske værktøj og loddematerialer.

En anden fordel ved at placere enheden højere er, at varm luft vil stige og gør det lettere at udløse alarmen uden risikoen for falske signaler skabt af mennesker, der løber rundt i lokalet.

Med et par forsøg kan der opnås en passende position uden konsekvenser fra menneskelige faktorer og stabil følsomhed for brandalarmgeneratoren.

For at teste effektiviteten af ​​enhedens position placeres et arbejdende loddejern under og foran komponenten.

Når der produceres tilstrækkelig turbulent luft, skal den aktivere alarmen. Ved tænding kan kredsløbet ikke få strøm, men dette kan straks negeres ved at placere SW1 på reset.

Ultralyds brandalarmkredsløbet er ikke designet med en forsinkelsesafbryder, men din tilstedeværelse bag enheden skal sikres, når du bruger SW1. Der er ingen risiko, hvis du fjerner din hånd efter at have aktiveret kontakten.

Liste over dele

PCB-design og sporlayout

Prototype billede




Forrige: Serie 2S, 5S Li-Ion-celleoplader ved hjælp af BQ7718 Næste: Alarmkredsløb til kropsfugtighed