Ultralyds brannalarmkrets ved bruk av luftturbulensdeteksjon

Prøv Instrumentet Vårt For Å Eliminere Problemer





Den enkle ultralydsbrannalarmkretsen som er forklart nedenfor, oppdager en brannfare ved å plukke opp variasjonene i de omkringliggende luftbølgene eller luftturbulensen. Den høye følsomheten til kretsen sørger for at selv den minste luftturbulens forårsaket av en temperaturforskjell eller brann raskt oppdages og en tilkoblet alarmenhet høres.

Oversikt



Konvensjonelle brannsensorer bruker forskjellige systemer for å identifisere brann, og de kommer med alle slags kompleksiteter.

Et vanlig brannalarmanlegg bruker en temperatur sensor å ane den uvanlig høye temperaturvariansen forårsaket av en brann.



Det er ikke grunnleggende at bare en elektronisk del som en termistor eller en halvleder temperaturenhet brukes, men enkelt materiale som en smeltbar kobling ved lav temperatur eller temperaturbryter for bimetall.

Selv om enkelheten til slike alarmtyper er foretrukket, er deres pålitelighet tvilsom fordi deteksjon bare skjer når en brann allerede har modnet.

Mer komplekse brannalarmsystemer eksisterer, for eksempel røykvarslere som er utstyrt med en distinkt halvlederdel som registrerer eksistensen av røykpartikler, brennbar gass og damp.

Annet enn det er det optoelektronisk brannalarmsystemer som blir utløst når røyken av en hvilken som helst form blokkerer lysstrålene deres. En slik type branndeteksjonssystem ble publisert på Hobby Electronics.

Varmedeteksjon ved hjelp av Doppler Shift

En ny metode for branndeteksjon ved hjelp av ultralydlyd er beskrevet i denne artikkelen. Har samme driftsprinsipper som den berømte Doppler Shift ultralyd innbruddsalarmer , er dette branndeteksjonssystemet enormt følsomt for turbulens i luften, i tillegg til bevegelse av fast objekt.

Varmen fra en elektrisk brann gir enorm turbulens og utløser alarmen. Ofte blir falske alarmer slått av på grunn av turbulensen. Som et resultat er denne typen brannalarm perfekt for et hjem selv om folk som bor i det ofte ikke vil sette pris på det.

Hvordan lyddiskriminering skjer

En ulempe med å bruke en Doppler Shift-innbruddsalarm som brannalarm er det enorme deteksjonsområdet denne enheten leverer. På en eller annen måte, her viser det seg å være en velsignelse fordi rask deteksjon blir mulig selv om en brann starter i et lite hjørne av deteksjonsområdet.

Standardprinsippet for konvensjonelle brannalarmer er å oppdage branner mens man ignorerer mennesker som krypterer rundt i rommet. Dette er avgjørende da alarmsystemet er satt til å kjøre til det er aktivert.

En typisk ultrasonisk Doppler Shift-alarm skiller ikke mellom mennesker og turbulens. Derfor er det mer fornuftig for et brannalarmsystem å bruke en krets som styrer et lite driftsområde.

Alarmenheten kan plasseres på et sted i rommet der menneskelig bevegelse er minimal, men likevel raskt kunne identifisere turbulensen som følge av en brann.

System fungerer

En grunnleggende ultralydsalarm er utstyrt med to uavhengige kretser som er koblet til via samme strømforsyning.

Den enklere elektroniske kretsen fungerer som en sender som sender ut ensartede lydfrekvenser til mottakeren, som er den mer kompliserte kretsen.

Et blokkdiagram over brannalarmen er vist i figur 1.

Som beskrevet fungerer senderkretsen for å produsere ultralydlyd ved hjelp av en oscillator og mater signalet gjennom en høyttaler.

Det elektriske signalet blir omgjort til lydbølger av høyttaleren, men mennesker kan ikke høre dem fordi de er hevet over hørselsområdet.

Vanlige lydforsterkere fungerer ikke bra ved ultralydfrekvenser på grunn av den piezoelektriske transmittertypen.

Vanligvis er en utgangsnivå moderator inkludert, slik at følsomheten til kretsen kan tilpasses til riktig nivå.

Mottaker

En mikrofon ved mottakeren oppdager lydbølgene fra senderen og konverterer dem til tilbake til elektriske signaler.

Nok en gang, a spesialisert piezoelektrisk transduser brukes på mottakermikrofonen fordi de normale er uegnet til å operere ved høye, spesielt ultralydsfrekvenser.

Den ekstremt manøvrerende tilstanden til ultralydlyd forårsaker deteksjonsproblemer mellom mikrofonen og høyttaleren i tilfelle begge enhetene er installert nesten ved siden av hverandre.

I praktiske situasjoner er de fangede signalene refleksjoner fra vegger eller møbler i rommet.

Videre er utgangen fra mikrofonen relativt lav og vanligvis rundt 1 mV RMS. Så, en forsterker er innarbeidet for å forbedre signalet til et arbeidsnivå.

Normalt brukes to forsterkningstrinn med høy forsterkning i det minste i en ultralyds innbruddsalarm. Men siden det omtalte brannalarmsystemet krever mindre følsomhet, er et enkelt forsterkningstrinn mer egnet.

Detektor

Den neste delen av kretsen er en detektor for amplitudemodulering. I en praktisk situasjon er det oppdagede signalet en direkte 40 kHz utgangsbølge fra senderen.

Dette signalet blir samlet inn ved hjelp av forskjellige baner og faset vilkårlig. Men begge amplitudene til signalet og dets faseforhold bevares uten noen endring. Dermed genereres ingen utgang fra amplitudegeneratoren under klare situasjoner.

Hver gang det er bevegelse foran detektoren eller luften er turbulent, endres hele scenariet.

Den berømte Doppler Shift tar ansvar og produserer en frekvenssving på signalene som reflekteres fra objektet i bevegelse eller uorden i luften.

En del av det kommuniserte signalet samles enten direkte eller ved hjelp av ubevegelige gjenstander gjennom luften som er motstandsdyktig mot turbulensen.

Etter det kanaliseres to eller flere frekvenser inn i amplitude demodulatoren. På dette stadiet er faseforholdet utenfor regulering fordi signalene har varierende frekvenser.

Ultralydbølgeformer

Når du ser på bølgeformdiagrammet i figur 2 nedenfor, ser du for deg at den øvre bølgeformen er standard 40 kHz signal og den nedre bølgeformen er det frekvensendrede signalet. I begynnelsen er signalene i fase, eller de øker og avtar homogent i skala mens de holder samme polaritet.

Fasesignalene oppsummeres inne i demodulatoren for å generere et stort utgangssignal. Etterpå, under bølgeformsekvensen, går de inn i antifasesonen.

Dette betyr at signalene fortsatt øker og reduserer amplituden jevnt, men nå har motsatte polariteter.

Som et resultat produserer demodulatoren et svakt utgangssignal når de to andre signalene avbryter hverandre. Men til slutt hopper signalene tilbake for å være i fase og frigjør en solid utgang fra demodulatoren.

I det øyeblikket kretsen aktiveres, måles et skiftende utgangsnivå fra demodulatoren.

Utgangssignalets frekvens er den samme som avviket mellom de doble inngangssignalene.

Dette sees normalt på en lav lydfrekvens eller en subsonisk frekvens. Uten tvil blir signalet fra utgangen enkelt fanget etter at forsterkningsforsterkeren forbedrer det.

Alarmgenerator

Når signalet er forsterket, brukes det til å kontrollere en standard låsekrets som når alarmen er aktivert, fortsetter å blare til systemet tilbakestilles. Låsingsoperasjonen styres av en koblingstransistor som kobler styrespenning til alarmdeteksjonskretsen.

Alarmgeneratoren er bygget ved hjelp av en Voltage Controlled Oscillator (VCO) moderert av en lavfrekvent oscillator.

En rampebølgeform produseres av lavfrekvente oscillatoren, og en utgang fra VCO vil gradvis øke i frekvens frem til topphøyde.

Deretter vil signalet gå tilbake til minimum tonehøyde og gradvis øke i frekvens igjen. Denne sykliske prosessen fortsetter og gir et effektivt alarmsignal.

Hvordan kretsen fungerer

Hele kretstegningen til ultralyds branndeteksjonssystem eller mottakeren er avbildet i figuren nedenfor.

MOTTAKER KRETS : De stiplede linjene slutter seg til forsyningsskinnene til tranmitterkretsen nedenfor

SENDERKRETS

Senderen er bygget ved hjelp av en 7555-tidsenhet, IC1. Denne CMOS-komponenten er 555-tidtakeren med lavt strømforbruk.

For denne typen alarmgenerator er en 7555 ideell sammenlignet med en 555 fordi kretsens totale strømforbruk opprettholdes til bare rundt 1 mA eller mindre, noe som bidrar til effektiv bruk av batteristrøm.

Videre blir 7555 IC brukt i en typisk oscillerende metode hvor timingsdelene R13, RV1 og C7 velges spesielt for å generere en frekvens på 40 kHz.

Forhåndsinnstillingen er regulert for å generere utgangsfrekvensen som gir optimal effektivitet fra mottaks- og overføringskretsene. Forhåndsinnstillingen er identifisert som RV2 i kretsskjemaet.

Mottaker

X1 er den signalfangende sensoren i mottakerkretsen, og utgangen er koblet til inngangen til en vanlig emitterforsterker som er designet rundt Q1.

På dette tidspunktet opprettholdes en lav kollektorstrøm på rundt 0,1 A for å sikre at strømforbruket til hele delen er lavt.

Vanligvis vil man tro at dette fører til mindre gevinst fra en forsterker av denne typen, men generelt er det mer enn nok for den eksisterende operasjonen.

Kondensator C2 kombinerer forbedret utgang fra Q1 til en vanlig AM-demodulator ved å benytte D1, D2, R3 og C3.

Senere rampes det påfølgende lavfrekvente signalet ved hjelp av en andre vanlig emitterforsterker lokalisert ved Q2.

En annen IC1-timer brukes som sperre. I motsetning til vanlig praksis brukes tidtakeren IC1 i den monostabile tilnærmingen som gir en positiv utgangspuls hvis pinne 2 reduseres med 33% fra forsyningsspenningen.

Vanligvis vil utgangspulsbredden reguleres av et par tidsmotstander og kondensatorer, men denne kretsen er uten disse komponentene.

I stedet er pinne 6 og 7 i IC1 koblet til minusforsyningsskinnen. Når den er aktivert, blir utgangen fra IC1 slått på og fortsetter å være i den tilstanden, slik at låsingen blir mulig.

Fra samleren til transistoren Q2 er pin 2 på IC1 koblet til og regulert til lik halvparten av forsyningsspenningen.

Dermed, under standby-tilstand, er ikke IC1 aktivert. I det øyeblikket enheten startes, svinger kollektorspenningen ved Q2.

Videre blir den lavere enn utløserterskelspenningen i løpet av de negative halvsyklusene. Ved hjelp av driftsbryteren SW1 og tilbakestillingsinngangen til IC1 til 0V forsyningsspenning, kan hele kretsen tilbakestilles.

Komponenten som brukes til å kanalisere strøm til alarmkretsen når IC1 aktiveres er transistor Q3. Av sikkerhetsmessige årsaker fungerer R8 som en strømbegrensende motstand.

Alarmsignal

IC2 er den siste brikken, som er en faselåst sløyfe CMOS 4046BE. Imidlertid er bare VCO-delen avgjørende i dette designet. En fasekomparator brukes hensiktsmessig, men bare som en inverter til alarmkretsen.

Inversjonen av utgangen fra VCO resulterer i en tofaset utgang som gjør det mulig for keramisk resonator LS1 å motta en topp-til-topp-spenning er to ganger forsyningsspenningen.

Som et resultat produseres et skrikende alarmsignal. Hvis det er nødvendig, kan utgangen fra pin 4 på IC2 forbedres og brukes til å aktivere en standard høyttaler. Kondensator C6 og motstand R12 fungerer som tidsdeler for VCO. De elektroniske komponentene gir en stabil utgangsfrekvens rundt 2 kHz, som er sonen der den keramiske resonatoren når toppeffektivitet.

Modulasjonssignalet produseres av en typisk avkoblingsoscillator for ununksjon, fra transistoren Q4. Dette gir en divergerende rampebølgeform ved 4 kHz.

Hvordan sette opp

Begynn med RV1 halvveis, og RV2 er bestemt for maksimal effekt som er fullstendig dreid mot urviseren.

Bruk et multimeter (hvis tilgjengelig), sett RV2 til minimum DC-spenning og koble den over R3 når den negative sonden er festet til den negative tilførselsledningen.

Slå på strømmen til enheten og plasser transduserne mot en vegg eller en hvilken som helst glatt overflate med ca. 10 eller 20 cm avstand.

Når RV1 aktiveres, vil det være avlesning eller bevegelse på multimeteret, og deretter er RV1 innstilt for å oppnå maksimal avlesning mulig.

Det anbefales på det sterkeste å feste en leder over SW1 når reguleringen er utført fordi alarmgeneratoren er stille, og dens utgang ikke kan påvirke målingene.

I tilfelle et multimeter ikke er tilgjengelig, kan RV1 stilles inn ved å bruke prøving og feiling tilnærming for å oppdage en verdi som fungerer for hele delen.

Selv om RV2 er godt beskyttet, er alarmenheten fortsatt følsom. Monteringsstedet må være godt planlagt for enheten. Et godt sted vil være litt over operatørens arbeidsbenk der den høyeste risikoen for brann er tilstede på grunn av det elektriske verktøyet og loddematerialet.

En annen fordel med å plassere enheten høyere, er at varm luft vil stige og gjør det lettere å utløse alarmen uten risiko for falske signaler skapt av mennesker som løper rundt i rommet.

Med noen få forsøk kan en passende posisjon uten konsekvenser fra menneskelige faktorer og stabil følsomhet oppnås for brannalarmgeneratoren.

For å teste effektiviteten til enhetens posisjon plasseres et arbeidsloddejern under og foran komponenten.

Når det produseres tilstrekkelig turbulent luft, bør den aktivere alarmen. Når du slår på, vil kretsen være energisk, men dette kan umiddelbart negeres ved å sette SW1 på tilbakestilling.

Ultralydsbrannalarmkretsen er ikke designet med forsinkelsesbryter, men din tilstedeværelse bak enheten må sikres når du bruker SW1. Det er ingen risiko hvis du tar ut hånden etter at du har slått på bryteren.

Deleliste

PCB-design og sporoppsett

Prototypebilde




Forrige: Serie 2S, 5S Li-Ion Cell Charger ved bruk av BQ7718 Neste: Alarmkrets for kroppsfuglesensor