ДЕТЕКТОР ОПАСНОСТИ ДЛЯ РАБОТЫ В ЯДЕРНОЙ СФЕРЕ, ИМЕЮЩИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ ДЛЯ НАГРЕВА ТИПИЧНО НЕ-РАДИАЦИОННО-УСТОЙЧИВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СРОКА СЛУЖБЫ Российский патент 2014 года по МПК G08B17/10 

Изобретение относится к детектору опасности, в частности к детектору дыма для работы в зоне, имеющей тенденцию к повышенному радиоактивному излучению, причем детектор опасности имеет по меньшей мере один детекторный блок для детектирования по меньшей мере одной характеристики опасности, полупроводниковый компонент и другие электрические компоненты по меньшей мере для вывода сигнала тревоги.

Кроме того, изобретение относится к детектору опасности, реализованному как линейный детектор дыма, имеющий оптопередатчик для излучения пучка света, который пересекает измеряемое расстояние, и имеющий оптоприемник для приема излученного пучка света в конце измеряемого расстояния.

Детектор опасности включает в себя, например, детектор дыма, такой как оптический детектор дыма или тепловой детектор. Оптические детекторы дыма могут быть основаны, например, на принципе рассеянного света или на опто-акустическом принципе. Если детектор опасности является тепловым детектором, то детектируется температура, соответствующая в текущий момент окружающей среде теплового детектора, например посредством температурно-зависимого резистора. Рассматриваемые детекторы опасности также могут быть детекторами дымовых газов, которые имеют датчик газа в качестве детекторного блока, например, на полевом транзисторе (FET).

Кроме того, детекторы опасности могут включать в себя детекторы движения, которые имеют пассивный инфракрасный (PIR) детекторный блок для детектирования движения. Рассматриваемые детекторы опасности также могут иметь комбинации вышеупомянутых детекторных блоков.

Линейные детекторы дыма основаны на принципе ослабления. Они используются, в частности, в больших или узких пространствах, например в коридорах, товарных складах, фабричных зданиях и в авиационных ангарах, и монтируются под потолком на стенах. В первом варианте осуществления передатчик и приемник расположены противоположно друг другу и не требуется отражатель. Во втором варианте осуществления пучок света, излученный передатчиком, отражается посредством отражателя назад к приемнику. Передатчик и приемник примыкают друг к другу. Измеряемое расстояние линейных детекторов дыма такого типа типично находится в пределах от 20 м до 200 м, что в случае первого варианта осуществления соответствует эквивалентному расстоянию между передатчиком и приемником. Во втором варианте осуществления расстояние между передатчиком/приемником и отражателем соответствует половине измеряемого расстояния.

Область с повышенной, в частности с высокой, тенденцией к радиоактивному излучению может представлять собой ядерную зону или быть в космосе. Ядерные зоны представляют собой, в частности, пространственно ограниченные области, например на атомной электростанции, заводе по регенерации ядерного топлива, оборудовании для окончательного или промежуточного хранения радиоактивных отходов.

Радиоактивное излучение означает ионизированные частицы или электромагнитное излучение, которое исходит от радиоактивных материалов и способно отрывать электроны от атомов и молекул, так что остаются положительно заряженные ионы или остатки молекул. В то время как альфа- и бета-излучение в качестве корпускулярного излучения может экранироваться материалами, имеющими толщину в несколько миллиметров, эффективное экранирование от электромагнитного гамма-излучения возможно только при большой массе материала. В зависимости от требований по экранированию могут потребоваться свинцовые экраны с толщиной экрана в метр или более.

Радиоактивное излучение оказывает в принципе разрушительное воздействие на электронные компоненты, в частности на полупроводниковые компоненты. Такие компоненты имеют очень тонкие шаблоны полупроводниковой структуры порядка менее 1 мкм, в частности менее 100 нм. В этом случае все типы высокоэнергетичного, ионизирующего излучения взаимодействуют с полупроводниковым кристаллом. Даже хотя экранирование от альфа- и бета-излучения сравнительно легко реализовать, например с помощью оболочки из листового материала или пластиковой оболочки, то действие гамма-излучения на экранирование или корпус полупроводниковых компонентов приводит в результате до некоторой степени к вторичным альфа- и бета-частицам, которые в свою очередь взаимодействуют с полупроводниковым кристаллом. Ввиду взаимодействия такой излученной частицы с атомом решетки последний может быть высвобожден из структуры решетки и таким образом формирует свободное место (вакансию) решетки. Если он имеет достаточную перенесенную энергию удара, то свободный атом может выбить другие атомы или мигрировать в промежуточную позицию в решетке. Это формирует так называемый промежуточный комплекс вакансии атома решетки.

Важным эффектом взаимодействующего излучения является формирование дефектов кристалла, которые генерируют дополнительные энергетические состояния в запрещенном диапазоне с центрами рекомбинации. Эти эффекты ускоряются в полупроводниковых структурах высокой сложности, таких как, например, ASIC (специализированная интегральная схема) или микроконтроллеры. С другой стороны, на резисторы или конденсаторы весьма редко оказывается воздействие.

По этой причине прочные, дискретные компоненты, такие как транзисторы или диоды, предпочтительно используются, чтобы учитывать ускоренное ухудшение электрических параметров в схеме, особенно как преимущественно радиационно-устойчивые, старые интегральные полупроводниковые компоненты, такие как интегральные схемы (IC), логические схемы и т.д., которые имеют размер шаблона более 1 мкм и, ввиду достижений в миниатюризации, имеются в ограниченном запасе на полупроводниковом рынке.

Поэтому, ввиду использования дискретных полупроводниковых компонентов, может быть реализован минимальный срок службы, например 3 года, что удовлетворяет релевантным требованиям, таким как таковые, например, для атомной электростанции. Таким требованием может быть, например, то, что детектор дыма должен выдерживать воздействие излучения или дозу энергии 0,25 Гр в течение периода 3 года. Здесь термин «Гр» (Грэй) является единицей измерения в системе СИ поглощенной дозы D энергии ионизирующего излучения. В этом случае поглощенная доза энергии по отношению к времени определяется как интенсивность (мощность) дозы.

В несвязанной области полупроводниковый лазер для применений в космосе известен из китайской патентной заявки CN 101841125 А. До неописанной степени и посредством неописанных средств температура полупроводникового лазера повышается, чтобы ускорить отжиг повреждения, вызванного излучением, в типовом случае, протонами и электронами.

Детальное описание эффекта радиоактивного излучения на электронные полупроводники, в частности ассоциированное накопленное или временное повреждение по времени таких полупроводниковых компонентов, описано в диссертации “Component degradation due to radioactive radiation and its consequences for the design of radiation-hardened electronic circuits”, Detlef Brumbi, Faculty of Electronic Engineering at Ruhr University, Bochum, 1990.

Математическая модель для метода напряжений для MOS (структура металл-окисел-полупроводник - МОП) полупроводников с высокой интенсивностью излучения, которая обеспечивает возможность получения точных долговременных прогнозов относительно скорости формирования индуцированных дырок (положительных зарядов) в полупроводниковом материале, ввиду эффекта радиоактивного излучения, в частности, в оксиде полупроводника, используемом в качестве изолятора электрической схемы, такого как SiO₂, например, предложена в публикации: IEEE Transactions on Nuclear Science, VOL.37, No. 6, December 1990, “Modeling the anneal of radiation-induced trapped holes in a varying thermal environment”, P.J. McWhorter, S.L. Miller, W.M. Miller, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, USA, December 1990. На основе этой определенной скорости формирования получают надежные данные по режимам долговременных отказов исследуемого полупроводника при сравнительно коротком времени тестирования и высокой выдержке к излучению.

Этот способ, описанный в публикации, демонстрирует решение относительно того, как можно сократить необходимое время охлаждения, так называемый отжиг. Это время необходимо для рекомбинации индуцированных дырок вслед за воздействием излучения высокого уровня, чтобы в конечном счете определить влияние выдержки излучения на показатель надежности полупроводника согласно так называемому стандарту MIL 883 TM 1019. В этой связи описан температурно-зависимый процесс рекомбинации, действующий противоположно скорости формирования дырок, скорость формирования которых аналогичным образом возрастает с повышением температуры полупроводника. Причина этой рекомбинации состоит в том, что ионы, формируемые в оксиде полупроводника посредством радиации, являются нестабильными и поэтому пытаются получить снова отсутствующие электроны из окружающей их среды, при этом восстанавливаются исходные молекулы или атомы.

Основываясь на предшествующем уровне техники, как изложено в вводной части описания, целью настоящего изобретения является разработать улучшенный детектор опасности для использования в области с повышенным выделением радиоактивного излучения.

Эта цель достигается сущностью изобретения согласно независимым пунктам формулы изобретения.

Согласно изобретению детектор опасности имеет схему терморегулирования. Схема терморегулирования конфигурирована для регулирования температуры по меньшей мере одного полупроводникового компонента.

Предпочтительным образом, в результате, та же самая температура полупроводника достигается независимо от монтажа детектора опасности.

Фундаментальная идея изобретения состоит в том, что путем управления по меньшей мере одним полупроводниковым компонентом, в частности в типовом случае не-радиационно-устойчивым полупроводниковым компонентом, до предопределенной рабочей температуры, повышенная электрическая дырочная проводимость, индуцированная выделением радиоактивного излучения в полупроводниковом материале, в частности в полупроводниковом изоляционном материале, таком как двуокись кремния или нитрид кремния, теперь по меньшей мере частично компенсируется скоростью рекомбинации дырок, которая возрастает с ростом рабочей температуры. Предпочтительным образом, в результате, пороговое напряжение переключения, которое является критичным для надлежащей работы электронной схемы, останется в пределах определенного разрешенного диапазона допусков в течение длительного периода, в частности требуемого минимального рабочего времени, например три года.

Здесь термин «не-радиационно-устойчивые полупроводниковые компоненты» означает полупроводниковые компоненты, которые не предназначаются для использования в ядерном секторе. Это полупроводниковые компоненты, типично предназначенные для потребительского рынка или для военных применений. Конкретной особенностью является то, что вышеупомянутые полупроводниковые компоненты выходят из строя в течение нескольких месяцев или вообще не функционируют, когда они подвергаются воздействию радиации или дозе энергии 0,25 Гр.

Согласно одному варианту осуществления схема терморегулирования имеет, в частности, электрический нагревательный элемент для управляемого нагрева по меньшей мере одного полупроводникового компонента. Следовательно, если электрическое рассеяние тепла не-радиационно-устойчивых полупроводниковых компонентов и, если применимо, других электрических компонентов недостаточно для поддержания определенного рабочего температурного диапазона, предпочтительным образом возможно нагревание и сохранение в требуемом температурном диапазоне. Предпочтительным образом, электрический нагревательный элемент является омическим резистором. Он может быть, например, реализован как нагревательный элемент в виде проводящего листа.

Согласно специальному варианту осуществления по меньшей мере один полупроводниковый компонент является микроконтроллером с процессорной поддержкой или процессором. По меньшей мере одна компьютерная программа может исполняться на микроконтроллере, которая предназначена для управления электрическим рассеянием тепла микроконтроллера и/или по меньшей мере одного из других полупроводниковых компонентов, которые могут управляться микроконтроллером в соответствии с детектируемой температурой полупроводникового компонента посредством нагревательной системы.

Это упрощает издержки на нагревательную систему. Скорее, можно отказаться от отдельного нагревательного элемента. Увеличение рассеяния мощности в самом микроконтроллере может быть реализовано, например, действием копирования памяти или путем исполнения математических функций путем увеличения использования CPU (центрального процессора) или процессора. Альтернативно, где имеется необходимость в охлаждении, нормальный поток программы может быть переключен в режим минимальной функции, только лишь с шагами программы, которые абсолютно необходимы для исполняемого режима детектора опасности.

По меньшей мере одна часть схемы терморегулирования может, таким образом, быть реализована как компьютерная программа, которая может исполняться на микроконтроллере.

Более того, это значительно упрощает технически издержки на схему терморегулирования. Такая схема терморегулирования типично включает в себя систему регистрации температуры для текущего значения температуры, компаратор для сравнения зарегистрированного текущего значения температуры с заданным значением уставки температуры, контроллер, на который подается определенное значение сравнения в качестве отклонения погрешности, и, наконец, конечный по ходу обработки управляющий элемент для управления электрическим нагревательным элементом. Установленное по умолчанию значение уставки температуры может быть сохранено электронным образом, например, в энергонезависимой памяти микроконтроллера.

Предпочтительным образом, вся схема терморегулирования интегрирована в микроконтроллер, причем датчик температуры тогда, вероятно, интегрирован в микроконтроллер. Только одна часть схемы терморегулирования, например контроллер или конечный управляющий элемент, может быть интегрирована, например, в микроконтроллер.

Программа терморегулирования для схемы терморегулирования и компьютерная программа для управления рассеянием мощности могут также быть объединенной компьютерной программой. По меньшей мере один дополнительный полупроводниковый компонент может быть, например, электронным переключателем, например таким, как транзистор, который присутствует где угодно и с помощью соответствующего запуска, например посредством высокочастотной пусковой схемы, осуществляет нагрев отдельно, без влияния на его действительную функцию переключения по отношению к последующим по ходу частям схемы.

Микроконтроллер может иметь, например, температурный вход, вход для подсоединения датчика температуры, такого как NTC или уже интегрированный датчик температуры для регистрации внешней температуры. Более того, микроконтроллер конфигурирован для запуска переключающего элемента, такого как, например, транзистор, или он уже имеет переключающий выход, так что электрический нагревательный элемент может регулироваться. Более того, программа терморегулирования может быть сохранена в микроконтроллере, так что определенный диапазон рабочих температур может регулироваться через детектирование измерения внешней температуры в качестве текущего значения. Предпочтительно, рабочая температура регулируется с отклонением в несколько градусов Цельсия.

Предпочтительным образом, схема терморегулирования конфигурирована для регулирования заданной, предпочтительно примерно постоянной рабочей температуры в диапазоне от 60°С до 160°С. Полупроводниковые компоненты могут поддерживаться в вышеупомянутом диапазоне рабочих температур, например посредством термоизоляции полупроводниковых компонентов, спроектированных таким образом, что внутренние потери тепла полупроводниковых компонентов достаточны для нагрева и поддержания их в упомянутом температурном диапазоне. Более того, диапазон рабочих температур может также быть более узким, таким как, например, диапазон от 90°С до 110°С или от 70°С до 90°С.

Диапазон рабочих температур может, в частности, определяться метрологически или эмпирически, так что установленное, максимально допустимое отклонение порога напряжения переключения, то есть так называемое пороговое напряжение, которое зависит от полупроводникового материала и используемой схемной логики, не превышается порогом напряжения переключения при комнатной температуре в качестве номинального порога напряжения переключения.

Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере один полупроводниковый компонент развязан от детекторного блока. «Термическая развязка» означает, что незначительный и, в принципе, пренебрежимо малый ввод тепла имеет место от нагреваемых полупроводниковых компонентов в детекторный блок.

Предпочтительным образом, в результате, на проникновение дыма в корпус детектора, в частности в детектор дыма, не оказывают влияние эффекты конвекции. Иначе, тепло, охватывающее детекторный блок, могло бы препятствовать проникновению дыма или отклонять его так, что, в случае пожара, недостаточное для обнаружения количество частиц дыма может достичь детекторного блока. Последний предпочтительно представляет собой оптическую измерительную камеру, работающую на принципе рассеянного света или так называемого лабиринта с большим количеством входных отверстий для дыма, которые экранированы от внешнего света. Термическая развязка может быть реализована, например, с помощью теплопроводящей пластины или путем помещения полупроводниковых компонентов над детекторным блоком, причем в последнем случае полупроводниковые компоненты предпочтительно подсоединены теплопроводным способом к потолку, например как монтажная поверхность для проведения отходящего тепла.

Детекторный блок предпочтительно смонтирован так, чтобы быть пространственно отделенным от по меньшей мере одного полупроводникового компонента. Во многих случаях пространственное разделение в несколько сантиметров является адекватным, причем в этом случае внешний воздух функционирует как термический изолятор. Пространственное разделение предпочтительно продолжается в вертикальном направлении, при этом нагретые полупроводниковые компоненты расположены над детекторным блоком, так что отходящее тепло может быть удалено вверх путем конвекции или может просачиваться.

Соответственно другому варианту осуществления детекторный блок конфигурирован для детектирования физической характеристики, такой как температура, плотность дыма и т.д., например, окружающего воздуха. Здесь детекторный блок развязан от по меньшей мере одного полупроводникового компонента, например, посредством термоизолирующей переборки, перегородки или воздушного экрана.

Согласно предпочтительному варианту осуществления детектор опасности имеет термоизоляцию для по меньшей мере одного полупроводникового компонента. Как следствие, с одной стороны, предпочтительным образом достигается особенно эффективная термическая развязка от детекторного блока. С другой стороны, характеристические значения термоизоляции, например толщина, размеры и коэффициент теплопроводности изолирующего материала, могут определяться так, что тепло, рассеянное на поверхности термоизоляции, и внутренние потери тепла термоизолированного полупроводящего компонента находятся в термическом равновесии, так что, предпочтительно, полупроводниковые компоненты и, если применимо, другие электрические компоненты остаются в заданном диапазоне рабочих температур.

Термоизоляция может быть реализована, например, как капсула из изолирующего материала, в котором размещены не-радиационно-устойчивые полупроводниковые компоненты и, если применимо, другие, типично радиационно-устойчивые электрические компоненты. Последними являются, например, пассивные компоненты, такие как резисторы, катушки или конденсаторы или электронные компоненты, такие как полупроводниковые диоды или транзисторы, имеющие шаблон полупроводниковой структуры в мкм диапазоне.

Термоизоляция может также быть реализована как полуоболочка из изолирующего материала, которая окружает типично не-радиационно-устойчивые полупроводниковые компоненты, смонтированные на держателе схемы, и, если применимо, другие электрические компоненты, от соответствующей стороны компонентов.

Кроме того, термоизоляция может также быть реализована как упругий лист или пеноматериал, который покрывает по типу пассивирования не-радиационно-устойчивые полупроводниковые компоненты и, если применимо, другие электрические компоненты.

Термостойкие пластики, такие как полиуретан, в форме листов твердого пеноматериала, например, рассматриваются в качестве изолирующих материалов для предполагаемого диапазона рабочих температур. Они также могут быть пеноэластомерами, которые основаны на наопреновом каучуке, на EPDM (этилен-пропилен-диен)-каучуке или подобных базовых материалах каучукоподобного типа. Кроме того, они могут состоять, например, из пеностекла (ячеистого стекла).

В качестве альтернативы или дополнительно термоизоляция может быть вакуумной изоляцией, основанной на принципе термоса. В этом случае не-радиационно-устойчивые полупроводниковые компоненты и, если применимо, другие электрические компоненты могут быть размещены в предпочтительно вакуумированной капсуле, например, выполненной из металла. Капсула также может быть выполнена с двойной стенкой, область между обеими стенками является высоковакуумированной или заполнена термоизолирующим газом, например таким, как инертный газ. Электрические выводы питания проведены тогда через эту капсулу подходящим газонепроницаемым образом.

Согласно другому варианту осуществления детектор опасности имеет корпус, спроектированный таким образом, что излучение радиоактивных частиц в ядерной зоне, которое падает на детектор опасности, по существу, отгораживается. Излучение частиц, остающееся в ядерной зоне, по существу включает в себя гамма-излучение и небольшую долю нейтронного излучения. Корпус может быть выполнен, например, как пластиковый корпус толщиной в несколько миллиметров или металлический корпус, например из алюминия. Толщина предпочтительно находится в диапазоне от 4 до 10 мм.

Изобретение и предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения поясняются на примерах, представленных на чертежах, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - пример системы детектора опасности со станцией управления опасностью и с тремя детекторами опасности, каждый из которых подсоединен к станции управления опасностью с помощью двухпроводной линии, в ядерной зоне,

Фиг. 2 - пример другой системы детектора опасности со станцией управления опасностью и с тремя адресуемыми детекторами опасности, соединенными со станцией управления опасностью с помощью общей двухпроводной линии, в ядерной зоне,

Фиг. 3 - пример схемы терморегулирования для регулирования температуры полупроводникового компонента,

Фиг. 4 - пример схемы терморегулирования, интегрированной в микроконтроллер, а также для возможного управления рассеянием внутренней электрической мощности,

Фиг. 5 - примерная конструкция соответствующего изобретению детектора опасности на примере комбинированного детектора дымового газа/тепла в соответствии с первым вариантом осуществления,

Фиг. 6 - первый пример термоизоляции не-радиационно-устойчивых полупроводниковых компонентов согласно изобретению,

Фиг. 7 - второй пример термоизоляции не-радиационно-устойчивых полупроводниковых компонентов согласно изобретению,

Фиг. 8 - примерная конструкция соответствующего изобретению детектора опасности на примере детектора дыма в соответствии с вторым вариантом осуществления,

Фиг. 9 - примерная конструкция соответствующего изобретению детектора опасности на примере детектора дыма в соответствии с третьим вариантом осуществления, и

Фиг. 10 - пример детектора опасности, реализованного как линейный детектор дыма, согласно изобретению, с отражающим блоком с блоком детектора дыма.

На фиг. 1 показан пример системы 100 детектора опасности со станцией 2 управления опасностью и с тремя детекторами 1 опасности, каждый из которых подсоединен к станции 2 управления опасностью с помощью известной двухпроводной линии, в ядерной зоне NUC.

Ядерная зона NUC обозначена тремя символами радиоактивного излучения. Показанные детекторы 1 опасности могут представлять собой, например, оптические детекторы дыма, которые имеют оптический детекторный блок, работающий на принципе рассеянного света для обнаружения частиц дыма. Альтернативно, он может иметь блок температурного детектора в качестве детектора тепла, такой как, например, датчик температуры для обнаружения пожара.

Кроме того, он может представлять собой датчик газа, такой как детектор дымового газа, для обнаружения типовых горючих дымовых газов. Поскольку детекторы 1 опасности распределены в точках контролируемой области, они также могут описываться как точечные детекторы.

Кроме того, станция 2 управления опасностью расположена вне ядерной зоны NUC. В случае, где подсоединены по меньшей мере предпочтительно только сигнализаторы 1 пожара и, в частности, только детекторы 1 дыма, она также может описываться как CIE (оборудование управления и индикации). Поскольку станция 2 управления опасностью, в принципе, не предназначается для работы в ядерной зоне NUC, она имеет в типовом случае только промышленные полупроводниковые компоненты. ST - это статус детектора, который выводится в каждом случае посредством подсоединенного детектора 1 опасности и обозначается как ST. Статус ST детектора может представлять собой, например, первый или второй уровень тревоги, сигнал готовности или сигнал неисправности. Возможные состояния такого статуса ST детектора обычно модулируются по току известным способом и передаются подсоединенным детектором 1 опасности в станцию 2 управления опасной ситуацией. Соответствующий статус ST детектора в конечном счете регистрируется посредством станции 2 управления опасной ситуацией, которая, при необходимости, может вывести сигнал тревоги, например, для пожарной команды.

На фиг. 2 показан пример другой системы 100 детектора опасности со станцией 2 управления опасностью и с тремя адресуемыми детекторами 1 опасности, соединенными со станцией 2 управления опасности с помощью общей двухпроводной линии, в ядерной зоне NUC.

ADR1-ADR3 обозначают соответствующие адреса выбора, которые в показанных детекторах 1 опасности выбираются предпочтительно вручную. ADR обозначает адрес детектора, который выводится станцией 2 управления опасностью. Если он совпадает с одним из адресов ADR1-ADR3 выбора, то соответствующий детектор 1 опасности адресуется. В свою очередь, ST обозначает статус детектора, который выводится адресованным детектором 1 опасности в ответ на результирующую действительную адресацию.

На фиг. 1, а также на фиг. 2 питание детектора 1 опасности предпочтительно осуществляется посредством станции 2 управления опасности через двухпроводные линии (не описаны в дополнительных деталях). Двухпроводная линия может также описываться как сигнальная шина.

На фиг. 3 показан пример схемы 20 терморегулирования для регулирования температуры полупроводникового компонента 5. Здесь схема терморегулирования имеет датчик 21 температуры для определения действительного значения TI температуры, компаратор 22 или вычитатель для сравнения определенного действительного значения TI температуры с заданным значением TS уставки температуры, контроллер 23, в который вводится полученное значение сравнения в качестве отклонения погрешности, и, наконец, последний по ходу конечный управляющий элемент 24 для управления электрическим нагревательным элементом 70. Здесь датчик 21 температуры расположен рядом с нагревательным элементом 70, чтобы определять текущую температуру в области полупроводникового компонента 5 по возможности быстро и точно. Ссылочная позиция W обозначает тепловое излучение, которое нагревает полупроводниковый компонент 5, который расположен над ним.

На фиг. 4 показан пример схемы 20 терморегулирования, интегрированной в микроконтроллер 51, а также для возможного управления рассеянием внутренней электрической мощности.

IN и OUT обозначают входы и выходы, известные как таковые, микроконтроллера 20. В соответствии с изобретением по меньшей мере часть схемы 20 терморегулирования реализована как компьютерная программа TC-PRG, которая может исполняться на микроконтроллере 51. Кроме того, другая компьютерная программа PV-PRG, которая может исполняться на микроконтроллере 51, предназначена для управления рассеянием электрической мощности микроконтроллера 51 в соответствии с зарегистрированной температурой полупроводникового компонента 5, 51 в смысле нагревательной системы 70. PV обозначает значение уставки для рассеяния мощности, определенное схемой 20 терморегулирования. Кроме того, M-PRG обозначает управляющую программу для выполнения функции детектора опасности. Это может приводить в результате, например, к обнаружению, оценке и генерации предупреждения об опасности.

Как показано пунктирной линией на фиг. 4, эти части схемы 20 терморегулирования могут быть так же расположены вне микроконтроллера 51, как датчик 21 внешней температуры. Альтернативно или дополнительно другой полупроводниковый компонент 5, который может управляться микроконтроллером 52, может быть предусмотрен, чтобы обеспечивать более высокую электрическую нагревательную мощность, если требуется.

На фиг. 5 показана примерная конструкция соответствующего изобретению детектора 1 опасности на примере комбинированного детектора дымового газа/тепла в соответствии с первым вариантом осуществления.

Основание 11 детектора, предназначенное для прикрепления детектора 1 опасности съемным образом, можно видеть в верхней части чертежа. Основание 11 детектора в типовом случае предназначено для упрощенного монтажа детектора 1 опасности. Он обычно монтируется на расстоянии от других оснований 11 детекторов на потолке контролируемой зоны. В то же время основание 11 детектора используется для соединения с линейной или звездообразной сигнальной шиной или для соединения с соответствующей двухпроводной линией, как показано на фиг. 1 и фиг. 2. В этом случае линейная сигнальная шина образует контур от одного основания 11 детектора к следующему основанию 11 детектора, при этом соответствующие проводники двухпроводной линии находятся в электрическом контакте и проведены к ассоциированному сигнальному контакту 14, например, в форме гнезда. В присоединенном состоянии детектора 1 опасности, чтобы установить контакт с соответствующим сопряженным контактом 15, например, в форме штыря, сигнальный контакт 14 обеспечен на основании 11 детектора. Основание 11 детектора может, разумеется, также быть интегральной частью самого детектора 1 опасности.

Нижняя часть фиг. 5 показывает представление в сечении детектора 1 опасности, соответствующего изобретению. Ссылочная позиция 12 обозначает корпус, а ссылочная позиция 13 - крышку корпуса 12, 13 детектора. Кроме того, в крышке 13 предусмотрены отверстия OF, через которые дым, дымовой газ и/или нагретый воздух, подлежащие детектированию, могут дойти до соответствующего внутреннего детекторного блока 3.

Данный пример относится к комбинированному детектору дымового газа/тепла с блоком 31 обнаружения дымового газа и блоком 32 определения температуры в форме температурно-зависимого резистора. Ссылочная позиция 9 обозначает датчик газа, такой как, например, газовый FET, который является чувствительным к конкретным дымовым газам (продуктам горения). Соответствующие сигналы детектора затем оцениваются электронным блоком оценки, таким как, например, микроконтроллер. На основе этой оценки упомянутый микроконтроллер формирует назначенный статус детектора, который в конечном счете выводится в сигнальную шину, например, в форме сигнала тревоги.

В соответствии с изобретением проиллюстрированный детектор 1 опасности теперь конфигурируется таким образом, что типично не-радиационно-устойчивый полупроводниковый компонент 5 и, если применимо, другие радиационно-устойчивые электрические компоненты 6 остаются в пределах диапазона рабочих температур от 60°С до 160°С. В этом случае вышеупомянутые компоненты 5, 6 расположены на носителе 4 схемы, таком как, например, печатная плата. Кроме того, проиллюстрированные компоненты 5, 6 термически развязаны от двух детекторных блоков. В настоящем примере это достигается пространственным разнесением относительно друг друга. Кроме того, перегородка, - не показана детально - которая термически изолирует два детекторных блока 3 от платы 4 печатной схемы с компонентами 5, 6, может также быть выполнена или расположена в основном корпусе 12 или в крышке 13.

В настоящем примере компоненты 5, 6 термически изолированы от внешней среды посредством куполообразной термоизолирующей полуоболочки 71. Это уменьшает требуемое пространство для нагрева не-радиационно-устойчивого полупроводникового компонента 5 до герметизированного внутреннего пространства термоизолированной полуоболочки 71. Это препятствует остаточному, но возможному тепловому влиянию, воздействующему на два детекторных блока 31, 32.

Кроме того, ссылочная позиция 70 обозначает нагревательный элемент в форме омического резистора, который может быть обеспечен для нагрева компонентов 5, 6 на печатной плате 4. Это будет в случае, если внутреннее рассеяние электрической мощности компонентов 5, 6 не адекватно несмотря на термоизоляцию 7. Это может быть в случае, когда, например, требуемый диапазон рабочих температур по сравнению с внешней температурой заметно выше, чем внешняя температура, например больше, чем 30°С. В этом случае необходимое требование по мощности для нагрева через сигнальную шину предпочтительным образом минимизируется за счет термоизоляции 7.

На фиг. 6 показан первый пример термоизоляции 7 не-радиационно-устойчивых полупроводниковых компонентов 5 согласно изобретению. В этом случае термоизоляция 7 состоит из термоизолирующей полуоболочки 71 и противоположной термоизолирующей платы 72, отделенных носителем 4 схемы. В результате, степень термоизоляции по отношению к внешней среде повышается по сравнению с предыдущим вариантом осуществления.

На фиг. 7 показан второй пример термоизоляции 7 для не-радиационно-устойчивых полупроводниковых компонентов 5 согласно изобретению. В представленном примере обе стороны носителя 4 схемы заполнены не-радиационно-устойчивыми полупроводниковыми компонентами 5 и другими электрическими компонентами 6. В этом случае термоизоляция 7 реализована как капсула 73, в которой размещен весь носитель 4 схемы вместе с компонентами 5, 6. Ссылочная позиция 8 обозначает электрическое соединение, которое выведено из термоизолирующей капсулы 73 для подачи питания, обнаружения сигнала и вывода сигнала. Как показано на чертеже, проиллюстрированная капсула 73 может также быть выполнена из двух частей для упрощения сборки. По сравнению с предыдущим вариантом осуществления степень термоизоляции по отношению к внешней среде также увеличена.

Кроме того, нагревательный элемент 70 типа проводящего листа, на который подается электрическое питание через контакты питания - более детально не описывается - на носителе 4 схемы, показан на носителе 4 схемы. Равномерный нагрев компонентов 5, 6 делается возможным за счет двумерного конструктивного выполнения нагревательного элемента 70. Кроме того, проиллюстрированный детектор 1 опасности имеет регулирование температуры, так что с помощью нагревательного элемента 70, в частности, не-радиационно-устойчивые полупроводниковые компоненты 5 остаются в пределах диапазона рабочих температур. В данном случае это реализовано посредством микроконтроллера 51, который одновременно также является не-радиационно-устойчивым полупроводниковым компонентом 5. Определение текущей температуры может быть реализовано, например, посредством датчика температуры, уже интегрированного в микроконтроллер 51. Электрическое, предпочтительно тактируемое управление электронным полупроводниковым переключателем, - не показан - для подачи питания на нагревательный элемент 70, реализуется аналогичным образом с помощью микроконтроллера 51 на основе исполняемой компьютерной программы регулирования температуры, сохраненной в упомянутом микроконтроллере.

На фиг. 8 показана примерная конструкция соответствующего изобретению детектора 1 опасности на примере детектора дыма в соответствии с вторым вариантом осуществления. В отличие от варианта осуществления по фиг. 7, здесь вся термоизолированная, нагреваемая «электроника» или блок управления детектора 1 дыма, то есть носителя 4 схемы, компоненты 5, 6 нагревательного элемента 51 и термоизолирующая полуоболочка 71 расположены в основании 11 детектора. Электрическое соединение с источником питания, управлением и обнаружением сигнала оптоэлектронных компонентов - не показано - в блоке 3 детектора дыма вновь осуществлено с основанием 11 детектора через электрические контакты 14, 15 в собранном состоянии детектора 1 дыма. В настоящем примере термическая развязка носителя 4 схемы с компонентами 5, 6, 70 от блока 3 детектора реализуется за счет их пространственно разнесенного расположения по вертикали. Заштрихованная граница термоизоляции 7 или блока термоизоляции предназначена для того, чтобы показать, что такое размещение не является необходимым в каждом случае.

На фиг. 9 показана примерная конструкция соответствующего изобретению детектора 1 опасности на примере детектора дыма в соответствии с третьим вариантом осуществления.

В отличие от варианта осуществления по фиг. 8, здесь пространственно разнесенное по вертикали расположение всей, полностью термоизолированной, нагреваемой «электроники» реализуется блоком 3 детектора в собственно детекторе 1 дыма. В дополнение, для улучшения термической развязки, термоизолированные компоненты 5, 6 расположены на компонентной стороне носителя 4 схемы, обращенной к основанию 11 детектора. Вследствие этого остаточное тепло предпочтительным образом удаляется от термоизоляции 7 вверх наружу и затем по типично холодной области потолка посредством конвекции, так что неблагоприятная тепловая связь остаточного тепла с детекторным блоком 3 может быть виртуально устранена.

На фиг. 10 показан пример детектора 1 опасности, реализованного как линейный детектор 200 дыма согласно изобретению с отражающим блоком 204 с блоком 210 детектора дыма.

В представленном примере блок 210 детектора дыма, который типично сконструирован как модуль, и отражающий блок 204 расположены напротив друг друга. В соответствии с изобретением блок 210 детектора дыма имеет детекторный блок 203 для детектирования по меньшей мере одной характеристики опасности. Последняя в типичном случае является минимальной плотностью дыма или минимальной плотностью частиц дыма. В качестве своей части детекторный блок 203 включает в себя передатчик 201 света для излучения пучка LS света, который пересекает измеряемое расстояние, и смежный приемник 202 света для приема излученного пучка LS света в конце измеряемого расстояния. Передатчик 201 света предпочтительно излучает высококоллимированный инфракрасный свет, например посредством IR лазера или IR светоизлучающего диода. Приемник 202 света является чувствительным к принимаемому свету. Он представляет собой, например, IR фотодиод или IR фототранзистор. В настоящем случае отражающий блок 204 является отражающей призмой. Альтернативно, он может быть зеркалом или так называемым ретрорефлектором, как в «кошачьем глазу». Здесь отражающий блок 204 предназначен для отражения пучка LS света, излученного передатчиком 201 света, назад к приемнику 202 света.

В настоящем примере пучок LS света состоит из прямого пучка HS и обратного пучка RS, которые распространяются примерно антипараллельно друг другу. Здесь измеряемое расстояние, которое проходит пучок LS света, составляется из длины прямого пучка HS и длины обратного пучка RS, то есть равно удвоенному расстоянию между блоком 210 детектора дыма и отражающим блоком 204. Кроме того, согласно изобретению блок 210 детектора дыма имеет по меньшей мере один полупроводниковый компонент 5 и другие электрические компоненты 6, по меньшей мере для вывода сигнала SIG тревоги. Здесь упомянутый блок детектора дыма также имеет схему 20 терморегулирования, которая конфигурирована для регулирования температуры по меньшей мере одного полупроводникового компонента 5, в частности до конкретной, предпочтительно примерно постоянной рабочей температуры в диапазоне от 60°С до 160°С.

Как следствие, по сравнению с предшествующим уровнем техники можно использовать линейный детектор 200 дыма для более длительного периода в области с повышенным выделением радиоактивного излучения, например в так называемой запрещенной зоне NUC ядерного реактора атомной электростанции.

Альтернативно - не показано на чертежах - передатчик света и приемник света могут также быть пространственно отделены друг от друга. В этом случае, таким образом, не требуется отражающий блок. Передатчик света располагается тогда в месте проиллюстрированного отражающего блока и отъюстирован по отношению к противолежащему приемнику света. В этом случае расстояние между передатчиком света и приемником света аналогичным образом соответствует измеряемому расстоянию.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 детектор опасности, детектор дыма, линейный детектор дыма

2 станция управления опасностью, оборудование управления и индикации (CIE), панель

3 детекторный блок, блок детектора дыма, оптическая измерительная камера

4 носитель схемы, печатная плата

5 полупроводниковый компонент

6 другой электрический компонент

7 термоизоляция, блок термоизоляции

8 электрическое соединение

9 датчик газа, газовый FET

11 основание детектора, плата терминала

12 корпус

13 крышка корпуса

14 соединение основания

15 соединение детектора

20 схема терморегулирования

21 датчик температуры

22 компаратор, вычитатель

23 контроллер

24 конечный управляющий элемент

31 детекторный блок датчика газа

32 блок обнаружения тепла, NTC

51 микроконтроллер

70 нагревательный элемент, резистор нагревательный элемент типа проводящего листа

71 термоизолирующая полуоболочка

72 термоизолирующая пластина

73 термоизолирующая капсула

74 термостабильный носитель схемы

100 система детектора опасности, система детектора дыма

200 линейный детектор дыма (LRM)

201 передатчик света, лазер, лазерный диод

202 приемник света, фотодиод

203 детекторный блок

204 отражающий блок, отражатель, ретрорефлектор

210 блок детектора дыма

ADR адрес детектора

ADR1-ADR3 адрес выбора

HS прямой пучок

IN входы

LS лазерный пучок

M-PRG главная программа

NUC область с высокой радиоактивностью, ядерная зона

OF отверстие в корпусе

OUT выходы

PV значение уставки для рассеяния мощности

PV-PRG программа управления рассеянием мощности

RS обратный пучок

SIG сигнал детектора, сигнал тревоги

TC-PRG программа терморегулирования

TI текущее значение температуры

TS значение уставки температуры

W тепло

T определение температуры

Детектор опасности для работы в ядерной сфере, имеющий нагревательную систему для нагрева типично не-радиационно-устойчивых полупроводниковых компонентов для увеличения функционального срока службы. Изобретение относится к детектору (1) опасности, в частности детектору дыма для работы в зоне (NUC), имеющей тенденцию к повышенному радиоактивному излучению. Технический результат - повышение надежности и увеличение срока службы. Детектор (1) опасности имеет по меньшей мере один детекторный блок (3) для детектирования по меньшей мере одной характеристики опасности, полупроводниковый компонент (5) и другие электрические компоненты (6) по меньшей мере для вывода сигнала тревоги (SIG). В соответствии с изобретением детектор (1) опасности имеет схему (20) терморегулирования. Схема (20) терморегулирования конфигурирована для регулирования температуры по меньшей мере одного полупроводникового компонента (5). Кроме того, изобретение относится к детектору (1) опасности, который реализован как линейный детектор (200) дыма. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Детектор опасности, в частности детектор дыма для работы в зоне (NUC) с высоким радиоактивным излучением, причем детектор (1) опасности имеет по меньшей мере один детекторный блок (3, 203) для детектирования по меньшей мере одной характеристики опасности, полупроводниковый компонент (5) и другие электрические компоненты (6) по меньшей мере для вывода сигнала (SIG) тревоги, отличающийся тем, что
детектор опасности имеет схему (20) терморегулирования, и что схема (20) терморегулирования сконфигурирована для регулирования температуры по меньшей мере одного полупроводникового компонента (5).

2. Детектор опасности по п.1, в котором схема (20) терморегулирования имеет, в частности, электрический нагревательный элемент (70) для управляемого нагрева по меньшей мере одного полупроводникового компонента (5).

3. Детектор опасности по п.1 или 2, в котором по меньшей мере один полупроводниковый компонент (5) является поддерживаемым процессором микроконтроллером (51), причем по меньшей мере одна компьютерная программа (PV-PRG) способна исполняться на микроконтроллере (51), причем компьютерная программа (PV-PRG) предназначена для управления электрическим рассеянием тепла микроконтроллера (51) и/или по меньшей мере одного из других полупроводниковых компонентов (5), которые могут управляться микроконтроллером (51) в соответствии с детектируемой температурой полупроводникового компонента (5, 51) посредством нагревательной системы (70).

4. Детектор опасности по п.1 или 2, в котором схема (20) терморегулирования сконфигурирована для регулирования заданной, предпочтительно приблизительно постоянной рабочей температуры в диапазоне от 60°С до 160°С.

5. Детектор опасности по п.3, в котором схема (20) терморегулирования сконфигурирована для регулирования заданной, предпочтительно приблизительно постоянной рабочей температуры в диапазоне от 60°С до 160°С.

6. Детектор опасности по п.1, в котором по меньшей мере один полупроводниковый компонент (5) термически развязан с детекторным блоком (3).

7. Детектор опасности по п.6, детекторный блок (3) расположен так, чтобы быть пространственно отделенным от по меньшей мере одного полупроводникового компонента (5).

8. Детектор опасности по п.1, в котором детекторный блок (3) сконфигурирован для детектирования физической характеристики находящегося рядом окружающего воздуха и в котором детекторный блок (3) термически развязан с по меньшей мере одним полупроводниковым компонентом (5).

9. Детектор опасности по п.1, в котором детектор опасности имеет термоизоляцию (7) по меньшей мере для по меньшей мере одного полупроводникового компонента (5).

10. Детектор опасности по п.1, в котором детектор опасности имеет корпус (11, 12), спроектированный таким образом, что в зоне (NUC) с повышенным радиоактивным излучением излучение радиоактивных частиц, падающее на детектор опасности, по существу, экранируется.

11. Детектор (1) опасности, выполненный как линейный детектор (200) дыма по любому из предыдущих пунктов, с блоком (210) детектора дыма и, если применимо, с по меньшей мере одним светоотражающим блоком (204), причем блок (210) детектора дыма имеет детекторный блок (203) с передатчиком (201) света для излучения пучка (LS) света, который проходит измеряемое расстояние, и с приемником (202) света для приема излученного пучка (LS) света в конце измеряемого расстояния, чтобы обнаруживать по меньшей мере одну характеристику опасности, при этом по меньшей мере один отражающий блок (204) предусмотрен для отражения пучка (LS) света, излученного передатчиком (201) света, назад к приемнику (202) света, и при этом блок (210) детектора дыма имеет по меньшей мере один полупроводниковый компонент (5) и другие электрические компоненты (6) по меньшей мере для вывода сигнала (SIG) тревоги.