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Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen.
Im folgenden sollen unter Aerosolen Teilchen von submikroskopischer bis mikroskopischer Grö- sse verstanden werden, die in Gasen, z. B. der Luft schweben. Aerosole entstehen u. a. bei vielen chemischen Reaktionen, so bei den meisten Ver- brennungsvorgängen. Die Einrichtung gemäss der Erfindung ist daher zur Feststellung von Rauchund Verbrennungsgasen und insbesondere zur automatischen Feuermeldung geeignet.
Die Erfindung betrifft mehr im einzelnen eine Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen, bei welcher in einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden Ladungsträger erzeugt und die durch die Aerosole verursachte Strom- änderung zwischen den beiden Elektroden gemes- sen wird, und bei welcher zur Erzeugung der Ladungsträger eine Quelle ionisierender Strahlen vorgesehen ist.
Die Verwendung von Ionisationskammern zur elektrischen Kontrolle der Zusammensetzung von Gasen ist schon lange bekannt. Obwohl bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls eine Ionisationskammer verwendet wird, unterscheidet sich die Erfindung insofern von den bekannten Anordnungen, als ein grundsätzlich anderer physikalischer Vorgang ausgenützt wird. Als Folge der unterschiedlichen Arbeitsweise ist auch die Anordnung und die Ausgestaltung der verwendeten Ionisationskammer gegenüber den bisherigen Kammern verschieden.
Zur Erklärung des Unterschiedes muss näher auf die Vorgänge innerhalb einer Ionisationskammer eingetreten werden.
Das bisherige Verfahren wird an Hand von Fig. l erklärt. An den Platten 1 und 2 einer Ionisationskammer liegt eine elektrische Spannung, welche kleiner als die Sättigungsspannung ist. Der gesamte Raum zwischen den Platten wird durch die radioaktive Strahlungsquelle 3 ionisiert. Die, schematisch eingezeichneten, geladenen Teilchen bzw. Ionen wandern in der angedeuteten Richtung, so dass ein elektrischer Strom durch die Kammer fliesst, dessen Grösse von der Intensität der Strahlungsquelle, der Geometrie der Anord- nung und der Grösse der angelegten Spannung abhängt. Die Spannungsabhängigkeit des Stromes hat ihre Ursache darin, dass bei mässigen Spannungen nicht alle erzeugten Ionen die Elektroden erreichen, sondern zufolge Rekombination mit gegenpolig geladenen Teilchen verschwinden.
In Fig. 2 zeigt die Kurve 8 schematisch den Verlauf des Stromes I in Funktion der Spannung V fü. reine Luft. Gelangen nun Aerosole, d. h. Teilchen, welche viel grösser sind als die Gasmoleküle, zwischen die Platten 1 und 2, so ändern sich die Rekombinationsverhältmsse. Ein Teil der Ionen lagert sich an Aerosol-Partikel an, wodurch sich die Wanderungsgeschwindigkeit der betreffenden Ionen stark vermindert. Diese "schweren" Ionen verbleiben viel länger im Zwischenraum, so dass die Wahrscheinlichkeit für einen Rekom- binationsprozess infolge der längeren Verweilzeit entsprechend zunimmt.
Die vermehrte Rekombi- nation bei Anwesenheit von Aerosolen bewirkt daher eine Abnahme des lonisationsstromes bei gleicher Spannung. Der Zusamenhang zwischen Strom und Spannung bei Anwesenheit von Aerosolen ist beispielsweise in Fig. 2 als Kurve 9 eingetragen. Die wesentlichen Merkmale des bis anhin bekannten Verfahrens sind somit in der Anwesenheit von Ionen beider Vorzeichen im Messraum (bipolarer Ionenstrom) sowie in einer erhöhten Rekombinations-Wahrscheinlichkeit durch Anlagerung von Ionen an Aerosol-Teilchen zu erblicken.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen bekannt geworden, bei welcher eine Spitzenentladung zur Erzeugung von freien Elektronen verwendet wird, die sich an die Aerosole anlagern. Die Verweilzeit in dem Feld ist dabei ein Mass für den Aerosolgehalt. Diese Vorrichtung ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, die eine praktische Verwertung nicht zulassen. Zunächst kann die Emission einer Spitze nur schwer konstant gehalten werden. Weiterhin dient die felderzeugende Spannung auch zur Hervorrufung der Spitzenentladung, so dass die relativ hohe Spannung weitgehend genau konstant gehalten werden muss, da Schwankungen oder Abweichungen das ermittelte Ergebnis sehr
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stark beeinflussen. Auch ist öfters eine Reinigung des Gerätes erforderlich.
Alle diese Nachteile lassen erkennen, dass die Erzeugung von Ladungsträgern zur Aerosolbestimmung mittels Spitzenentladung unbefriedigend ist.
Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung ist einerseits empfindlicher als die ersterwähnte Vorrichtung und zuverlässiger und genauer als die zweiterwähnte Vorrichtung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode und ein Teil des sich anschliessenden, von dem Feld durchdrungenen Raumes ausserhalb des lonisationsbereiches der Strahlungsquelle befindet, so dass in diesem Teil des Raumes nur Ladungsträger eines Vorzeichens auftreten.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nachfolgend an Hand der Fig. 3-7 näher erläutert. In Fig. 3 sind mit 1 und 2 wiederum zwei Elektroden bezeichnet, an denen eine Spannung mit dem negativen Pol an der Elektrode 1 liegt ; bei 3 ist eine radioaktive Strahlungsquelle dargestellt, die sich in einem abschirmenden, einseitig geöffneten Gefäss befindet, so dass die Strahlung lediglich in den Raum 4 vor der Elektrode 1 gelangen kann. In diesem Raum entstehen Ionen beider Vorzeichen, die in der angedeuteten Richtung wandern.
Ein Teil der negativen Ionen verlässt sehr bald die lonisationszone 4 und bewegt sich durch den
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gegen die Anode 2. Während also im Raum 4 Ionen beider Vorzeichen wandern (bipolarer Strom), sind im Raum 5 nur negative Ionen vorhanden (unipolarer Strom), wodurch eine negative Raumladung erzeugt wird. Diese Raumladung verändert das statische Feld zwischen den Elektroden 1 und 2 und insbesondere auch die elektrische Feldstärke im Grenzgebiet zwischen den Räumen 4 und 5, welche bestimmend ist für den fliessenden Strom. Die resultierende Feldstärke im Grenzgebiet hängt selbstverständlich von der Gesamtspannung V ab, die an die Elektroden 1 und 2 gelegt wird, d. h. je höher diese Spannung, desto mehr Ionen werden aus der Zone 4 in den Raum 5 gezogen.
Der Zusammenhang zwischen Strom 1 und Spannung V für reine Luft ist in Fig. 4 als Kurve 11 dargestellt. Treten nun Aerosole in den Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 ein, so lagert sich wiederum. ein Teil der Ionen an die Aerosol-Partikel an. Im Raum 4 des bipolaren Ionenstromes tritt die eingangsbeschriebene, vermehrte Rekombination ein. Die Bedeutung dieses Prozesses ist jedoch gering, da der fliessen- Je Gesamtstrom in gewissen Grenzen wenig von der lonendichte im Raum 4 abhängt. Im Raum 5 ist zufolge der Anwesenheit von Ionen nur eines Vorzeichens keine Rekombination möglich. Der fliessende unipolare Strom besteht bei hinreichen-
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schweren Ionen eines Vorzeichens.
Zufolge der geringen Beweglichkeit sowie der Unmöglichkeit einer Rekombination verweilen diese Teilchen relativ lange Zeit in dem Feld, so dass der dem Gleichgewicht entsprechende Feldzustand durch Raumladung schon bei einem viel geringeren Ionen-Strom erreicht wird, d. h. bei gleicher äusserer Spannung fliesst bei Anwesenheit von Aerosolen ein viel kleinerer Strom als bei deren Abwesenheit. Diese Verhältnisse sind in Fig. 4 aLs Kurve 12 dargestellt. Man kann die Erscheinung auch anders ausdrücken : Um den gleichen Strom 11 zu ziehen, wie bei Abwesenheit von Aerosolen, muss die Spannung V1 um den Betrag A V auf den Wert V2 erhöht werden.
Die Erfahrung zeigt, dass die genannte Spannungserhöhung A V der Anzahl der pro Volumeinheit im Gas enthaltenen Aerosolteilchen näherungsweise proportional ist.
Die Vorteile des erfindungsgmässen Verfahrens gegenüber dem Bekannten sind folgende : Es lassen sich'bei gleicher Aerosolen-Konzentration wesentlich grössere Stromänderungen erzielen. In praktisch ausgeführten Anordnungen wurde mit dem erfindungsgemässen Verfahren eine relative Stromänderung erreicht, welche um den Faktor 3-10 grösser ist als die bei den erwähnten bekannten Anordnungen erzielbare Stromänderung. Dank der erhöhten Empfindlichkeit gehen die Stromänderungen, bedingt durch klimatische Schwankungen von Druck, Temperatur und Feuchtigkeit relativ weniger ein. Ferner hat sich gezeigt, dass die Einwirkung von Zugluft auf den Strom bei neuen Verfahren an und für sich viel
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Elektroden noch weiter vermindert werden kann.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfin-
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telförmige aerosoldurchlässige Elektrode bezeichnet.
Sie hat z. B. die Form eines feinmaschigen Gitters. Die Gegenelektrode ist als zentral angeordneter Stab 32 ausgebildet. An der Elektrode 31 ist ein Ring 33 befestigt, der mit einem radioaktiven Präparat einseitig bedeckt ist, so dass der
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wirkungsvolleStrahlung sich nur in der Nähe der Elektrode 31 auswirken kann.
In allen erwähnten Fällen kann die Polarität der Spannung und der Ladungsträger umgekehrt gewählt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann zur
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gistrierung von Aerosol-Konzentrationen verwendet werden. Die. beschriebene Kammer kann beispielsweise in Serie mit einem Widerstand an eine Spannungsquelle angeschlossen sein, wobei die Potentionaländerung an den, beiden Kammerelektroden ein Mass für die Aerosol-Konzentra- tion ist und zur Betätigung eines Anzeigeorganes dienen kann. Es ist leicht einzusehen, dass die Potentionaländerung optimal wird, wenn der Widerstand Sättigungs-Charakteristik aufweist, d. h. unendlichen Widerstand im Arbeitsbereich besitzt. Als Widerstand kann z. B. eine zweite Ionisationskammer dienen, in der ebenfalls eine radioaktive Strahlung wirksam ist.
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Als Anzeigeorgan wird zweckmässig eine Kaltkathodentriode verwendet, wobei die Steuerstrekke parallel zur Messkammer geschaltet ist.
Eine vollständige Schaltung eines Feuermel- degerätes zeigt Fig. 6. Die Messkammer 34 besteht aus der Kathode 31, der Anode 32 und der Strahlungsquelle 33, wie dies z. B. auch in Fig. 6 dargestellt ist. Die Kammer 34 liegt in Serie mit der in Sättigung arbeitenden Vergleichskammer 35, welche aus der Kathode 36, der Anode 37 und der Strahlungsquelle 38 besteht. Parallel zu
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Glimmrelais bzw. die Kaltkathodenröhre 39 mit einer'Kathode 40, einer Steuerelektrode 41 und einer Anode 42. Diese Anordnung liegt über der Wicklung des Relais 43 an der Spannungsquelle 44. Der Kontakt 45 des Relais 43 liegt in dem Stromkreis einer Alarmanlage, welcher aus einer Batterie 16 und einem Horn 17 besteht.
Wenn Verbrennungsgase in die Ionisationskammer 44 gelangen, steigt die Spannung an der Steuerelek- trode 41 und zündet dadurch die Kaltkathodenröhre 39. Es fliesst dann ein starker Strom durch die Wicklung des Relais 43, so dass mittels Kontakt 45 der Alarmkreis geschlossen wird.
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Anordnung ist in Fig. 7 gezeigt. Die Bezugszeichen 30-42 bezeichnen in Fig. 8 die gleichen Teile wie in Fig. 7. Auf einem Sockel 48 ist ein Gehäuse 51 befestigt, welches die Ionisationskammer 35 umgibt. In dem Sockel ist ferner die Kaltkathodenröhre 39 befestigt, welche mit dem von dem Sockel 48 abtragenden Teil die Ionisationskammer 35 trägt. An der der Kaltkathoden- röhre 39 zugekehrten Wand der Ionisationskammer 35 ist die Steuerelektrode 41 befestigt und ragt, wie dargestellt, in den Innenraum der Kaltkathodenröhre 39.
Ein Kontaktstift 49 ist mit der Kathode 40 und dem Gehäuse 51 verbunden und ein Kontaktstift 50 mit der Anode 42 und der Elektrode 37 der Ionisationskammer 35. Die Elektrode 37 befindet sich dabei im Inneren dieser Kammer 35.
Die Ionisationskammer 34 besitzt als äussere Elektrode 31 eine perforierte Haube, welche auf dem Gehäuse 51 befestigt sein kann. Von der Aussenwand der Kammer 35 ragt die Elektrode 32 der Kammer 34 ab. Das radioaktive Präparat 33 ist in gleicher Weise angeordnet, wie dies im Zusamenhang mit Fig. 6 erläutert wurde.
Neben den dargestellten Ausführungsbeispielen sind jedoch auch noch andere Ausführungsformen möglich. Es ist z. B. ohne weiteres möglich, für beide Ionisationskammern eine gemeinsame Strahlungsquelle zu verwenden, wobei die Trennung der beiden Räume durch eine strahlendurchlässigs Folie erfolgt. Es sei noch darauf hingewiesen, dass es unter Umständen nicht erforderlich ist, die beiden Kammern voneinander hermetisch zu trennen, z. B. kann eine einzige Kammer durch ein Zwischengitter derart in zwei Räume aufgetrennt werden, dass die eine im wesentlichen ei- nen dipolaren Sättigungsstrom aufweist, während in der andern Kammer ein unipolarer Strom fliesst.
Die Einwirkung von Aerosolen auf eine In Sättigung arbeitende Kammer ist nämlich so klein, dass sue gegenüber der Anderung in der uni-
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kann.
Ferner können auch Mittel zur Verstellung des Messbereiches vorgesehen sein. Diese Mittel können in Vorichtungen zur geometrischen Veränderung der Kammer bestehen, oder in Vorrichtungen zur Veränderung der Lage der radioak-
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ren oder auswechselbaren Blende an der Strahlungsquelle.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen, bei welcher in einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden mittels einer ionisierende Strahlen aussendende Quelle Ladungs-
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troden gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode und ein Teil des sich anschliessenden, von dem Feld durchdrunge- nen Raumes sich ausserhalb des Ionisationsbereiches der Strahlungsquelle befindet, so dass in diesem Teil des Raumes nur Ladungsträger eines Vorzeichens auftreten.