DE1259227B - Ionisationsfeuermelder mit erhoehter Rauchempfindlichkeit - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #f# PATENTAMT Int. Cl.:

G08b

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 74 a - 33

Nummer: 1259 227

Aktenzeichen: C 41323IX d/74 a

Anmeldetag: 25. Januar 1967

Auslegetag: 18. Januar 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionisationsfeuermelder mit erhöhter Rauchempfindlichkeit, bestehend aus mindestens einer Ionisationskammer, auch Meßkammer genannt, zu welcher die umgebende Luft nahezu freien Zutritt hat, sowie aus einer oder mehreren radioaktiven Quellen zur Erzeugung von Ionen, und einer elektrischen Schaltung zur Alarmgabe.

Es ist bekannt, daß der in einer Ionisationskammer fließende Strom beim Eindringen von Brandgasen zurückgeht. Dieser Effekt, der auf die Anlagerung von Gasionen an Aerosolteilchen und damit verbundener Erniedrigung der Ionenbeweglichkeit zurückzuführen ist, wird seit langem zur Registrierung von Brandgasen und somit zur Feuermeldung ausgenutzt. Die Erzeugung einer bestimmten lonenkonzentration erfolgt durch radioaktive Isotope, meist Alphastrahler, welche direkt in der Kammer untergebracht sind. Es sind zahlreiche Verfahren bekannt (deutsche Patente 844 220, 1046 472; schweizerisches Patent 391331 u.a.), welche im Prinzip zwei in Serie geschaltete Ionisationskammern verwenden, von denen eine der Außenluft zugänglich ist, die andere nicht. Die Spannung über einer der Kammern dient als Meßgröße, welche beim Überschreiten eines bestimmten Wertes eine Alarmvorrichtung auslöst.

Bei den zur Zeit bekannten Ionisationsfeuermeldern dieser Art beträgt die Spannung über der Meßkammer, d. h. über der der Außenluft zugänglichen Ionisationskammer etwa 100 V. Da die Elektrodenabstände im allgemeinen nur einige Zentimeter betragen, treten in bestimmten Raumbereichen der Kammer elektrische Feldstärken bis zu mehreren 100 V pro Zentimeter auf. Dies gilt insbesondere dann, wenn als geometrische Form eine zylindrische Kammer verwendet wird. Die folgenden Überlegungen sollen nun zeigen, welchen Einfluß die elektrische Feldstärke auf die Rauchempfindlichkeit eines derartigen Ionisationsfeuermelders hat.

Dringen Aerosole, d. h. Brandgase, in die Meßkammer ein, so kommt es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zu einer Anlagerung an die dort unter dem Einfluß des elektrischen Feldes E sich bewegenden Ionen. Da die Masse der Aerosolteilchen ungefähr zehntausendmal größer ist als diejenige der Ionen, ist die Geschwindigkeit eines Ions nach erfolgter Anlagerung so klein, daß man es im Vergleich zu den Gasionen als ruhend betrachten kann, weshalb es für den Ladungstransport praktisch ausscheidet. Die Stromerniedrigung wird also direkt durch die Zahl der in der Zeiteinheit erfolgten Anlagerungen bestimmt. Dabei setzt sich der gesamte Meßeffekt additiv aus den Beiträgen der einzelnen Volumenelemente in der Meß-Ionisationsfeuermelder mit erhöhter
Rauchempfindlichkeit

Anmelder:

Cerberus A. G., Männedorf (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dipl. oec. publ. D. Lewinsky,

Patentanwalt,

8000 München 42, Gotthardstr. 81

Als Erfinder benannt:

Thomas Lampart, Männedorf,

Dr. Andreas Scheidweiler, Stäfa (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 22. Februar 1966 (2549)

kammer zusammen. Nach dem von Schweitler entdeckten Anlagerungsgesetz läßt sich die Änderung der Ionenkonzentration infolge Anlagerung an Aerosole folgendermaßen beschreiben:

an
dt

An

-ß-n.

Hierin bedeutet -^- die zeitliche Änderung der Ionenkonzentration η und β einen Proportionalitätsfaktor. Hieraus folgt durch einfache Umformung, daß die relative Änderung der Ionenkonzentration der Verweilzeit Ti der Ionen in dem betrachteten Volumenelement proportional ist.

Nun hängt aber die Ionenverweilzeit in einfacher Weise mit der elektrischen Feldstärke E zusammen.

Es gilt nämlich Ti = , wobei ar die Lange des ο ■ η

Volumenelementes in Feldrichtung und b die Ionenbeweglichkeit bedeutet. Man sieht also, daß die einzelnen Volumenelemente je nach Größe der dort herrschenden Feldstärke unterschiedliche Beiträge zum Meßeffekt liefern, ausgenommen der Sonderfall des konstanten Feldes in der gesamten Meßkammer, der jedoch praktisch nur schwer zu realisieren ist.

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Als einfaches Beispiel sei der Fall der zylindrischen Ionisationskammer betrachtet, bei der die Feldstärke

mit — zur Innenelektrode anwächst. Hierfür folgt

durch Integration von Gleichung (1), daß die Zahl der Anlagerungsprozesse im Volumenelement näherungsweise quadratisch mit dem Abstand von der Kammerachse zunimmt.

Dies ist in F i g. 1 dargestellt. Die Innenelektrode 2 und das Kammergehäuse 1 sind nur symbolisch gezeichnet. Auf der Ordinate sind die Feldstärke E und die Zahl der Anlagerungsprozesse A in der Volumeinheit, auf der Abzisse ist der Abstand r von der Innenelektrode aufgetragen. Die durchgezogene Kurve

E=- zeigt den Verlauf der Feldstärke in der Ionisationskammer ohne den Einfluß der Randgebiete. Die gestrichelt gezeichnete Kurve A = k · r² zeigt den Verlauf der Anlagerungsprozesse (a und k sind hierbei Proportionalitätsfaktoren).

Wie ersichtlich, findet der weitaus größte Teil der Anlagerungen in der Nähe des Kammergehäuses statt, während der Bereich um die Mittelelektrode herum praktisch keinen Beitrag zum Meßeffekt liefert. Hinzu kommt noch, daß die Kammergeometrie durch konstruktive Maßnahmen meist stark von der idealen Zylinderform abweicht, wodurch noch zusätzliche Bereiche hoher Feldstärke entstehen.

In F i g. 2 ist die konstruktive Ausführung der Meßkammer eines bekannten Ionisationsfeuermelders dargestellt. Sie besteht aus einem mit zahlreichen Löchern versehenen zylindrischen Gehäuse 1 (Außenelektrode), in das die Rauchgase nahezu ungehindert eindringen können, sowie aus einer von unten in den Meßraum ragenden Innenelektrode 2. Die radioaktiven Präparate 3 und 4 sind auf dem Boden des Gehäuses 1 in der Nähe der Innenelektrode 2 angebracht. Am Kammergehäuse 1 ist z. B. der negative und an der Innenelektrode 2 der positive Pol einer nicht gezeigten Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der schraffiert eingezeichnete Teil 7 soll denjenigen Bereich der Meßkammer kennzeichnen, in dem zufolge hoher Feldstärken keine wesentliche Anlagerung stattfindet. Die gestricheltenLinien 8 zeigen den Verlauf der elektrischen Feldlinien. Wie ersichtlich, müssen die negativen Ionen 5 auf ihrem Weg zur Innenelektrode 2 den Bereich 7 hoher Feldstärke durchlaufen.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Meßkammer eines bekannten Ionisationsfeuermelders, bei dem ebenfalls ein großer Teil des Ladungstransportes in Bereichen hoher Feldstärken stattfindet. Die radioaktive Quelle 3 ist auf der Innenelektrode 2 angebracht. Eine Anlagerung erfolgt auch hier im wesentüchen nur außerhalb des schraffierten Bereiches 7.1 bedeutet wiederum die Außenelektrode. Der Strom der negativen bzw. positiven Ionen ist mit 4 und 5 bezeichnet. Genau wie in der vorhergehenden F i g. 2 liegen die beiden Elektroden 1 und 2 an einer nicht gezeichneten Gleichspannungsquelle.

Wie diese Beispiele zeigen, wird das vorhandene Kammervolumen der zur Zeit bekannten Ionisationsfeuermelder nur schlecht ausgenutzt. Es wurden daher Untersuchungen angestellt, in denen die . Rauchempfindlichkeit von Ionisationsfeuermeldern in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke gemessen wurde. Die Auswertung der Meßergebnisse bestätigte die im vorangegangenen beschriebenen theoretischen Überlegungen und zeigte insbesondere, daß stromdurchflossene Volumbereiche, in denen die elektrische Feldstärke den Wert von 5 V/cm wesentlich übersteigt, nur noch einen relativ kleinen Beitrag zum Meßeffekt liefern. Der Grund hierfür ist die infolge höherer Ionengeschwindigkeit stark reduzierte Anlagerungswahrscheinlichlceit.

Hieraus folgt, daß eine bessere Ausnutzung des Meßkammervolumens und damit eine Steigerung der Rauchempfindlichkeit erzielt werden kann, wenn der

ίο Ladungstransport in der Meßkammer in Raumbereichen mit kleineren elektrischen Feldstärken erfolgt, weshalb die vorliegende Erfindung gekennzeichnet ist durch das Vorhandensein einer elektrischen Feldstärke von weniger als 5 V/cm in denjenigen Raumbereichen der Meßkammer, in welchen mindestens 85% des Ionisationsstromes fließt.

Die Forderung nach derart niedriger Feldstärke läßt sich grundsätzlich auf zwei Arten erfüllen:

a) Vergrößerung des Elektrodenabstandes um etwa das Zehnfache, unter Beibehaltung der bisher üblichen Kammerspannung von etwa 100 Volt;

b) entsprechende Verringerung der Kammerspannung, unter Beibehaltung des bisher üblichen Elektrodenabstandes von einigen Zentimetern.

Die unter a) genannte Lösung ist technisch nicht brauchbar wegen zu großer räumlicher Dimensionen der Ionisationsfeuermelder.
Da man bisher den Einfluß der elektrischen FeIdstärke auf die Rauchempfindlichkeit eines Ionisationsfeuermelders nicht beachtet hatte, nahm man irrtümlich an, daß es zweckmäßiger sei, im Bereich höherer Kammerspannungen, d. h. über 100 V, zu arbeiten. Einer der Gründe war das Bestreben, ein einfaches.

Anzeigeinstrument für den Alarmfall zu verwenden. Hier bot sich als bestehende Möglichkeit eine Kaltkathodenröhre an, welche beim Überschreiten der Alarmschwelle zündet. Die Zündspannungen dieser Röhren verlangen jedoch Kammerspannungen von mindestens 80 V. Ein anderes Argument, bei höheren Spannungen zu arbeiten, ergab sich aus dem Wunsch, als zweite in Serie geschaltete Ionisationskammer zur Erzielung eines maximalen Spannungshubs eine gesättigte Kammer zu verwenden.

Außer dem Vorteil der höheren Rauchempfindlichkeit besitzt der Ionisationsfeuermelder gemäß vorliegender Erfindung noch weitere Vorzüge:

1. ist durch die viel Heinere Feldstärke die äußerst störende Staubabscheidung an den Elektroden, welche den Melder unwirksam machen kann, bedeutend geringer als bei den zur Zeit bekannten Verfahren;

2. ergeben sich aus der Tatsache, daß die Betriebsspannung des Feuermelders unterhalb 60 V liegt,

erhebliche Vorteile bei der Installation;

3. machen sich klimatische Veränderungen (Druck und Temperatur) bedeutend weniger störend bemerkbar;

4. bestehen einfache Möglichkeiten der Transistorisierung.

Die Wirkungsweise sowie verschiedene Ausführungsbeispiele des Feuermelders gemäß vorliegender Erfindung werden im folgenden beschrieben.

An Hand der den Stand der Technik darstellenden F i g. 1 bis 3 wurden bereits die grundsätzlichen Überlegungen angestellt;

F i g. 4 und 5 zeigen den konstruktiven Aufbau einer erfindungsgemäßen Ionisationskammer;

F i g. 6 und 7 zeigen das Zusammenwirken der Ionisationskammern mit der für die Feueralarmgabe notwendigen elektrischen Schaltung.

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform der Meßkammer, bestehend aus einem perforierten zylindrischen Gehäuse 1 (Außenelektrode) sowie der Innenelektrode 2, auf der die radioaktive Quelle 3 angebracht ist. Die eingezeichneten Pfeile 9 kennzeichnen den durch die Reichweite der Strahlung gegebenen ionisierten Raumbereich. Die radioaktive Strahlungsrichtung hegt in etwa parallel zur Richtung der Feldlinien 8. Selbstverständlich kann die Reichweite auch so gewählt werden, daß nahezu in der gesamten Meßkammer Ionen erzeugt werden. Wie aus dem eingezeichneten Feldlinienverlauf 8 ersichtlich, erfolgt der Ladungstransport im wesentlichen in Raumbereichen mit kleinen Feldstärken. Diejenigen Stellen 7 der Meßkammer, in denen höhere Feldstärken auftreten, liefern, da sie im wesentlichen außerhalb der Ionisierungszone liegen, nur einen sehr kleinen Beitrag zum Gesamtstrom.

Eine andere Ausführung der Meßkammer zeigt F i g. 5. Hierbei ist im Vergleich zu F i g. 4 eine andere Methode der Ionisierung angewandt. Die radioaktiven Quellen 3, 4 senden ihre Strahlung, nicht wie in dem vorhergehenden Beispiel dargestellt, in Richtung der elektrischen Feldlinien 8 aus, sondern quer zum Feld. Durch entsprechende Ausblendung entsteht etwa eine ionisierte Zone, wie sie durch die eingezeichneten Pfeile 9 gekennzeichnet ist. Auch hier fließt der Ionenstrom 5 im wesentlichen in Bereichen mit niedrigen ■ Feldstärken.

F i g. 6 zeigt schematisch ein einfaches Ausführungsbeispiel des Ionisationsfeuermelders gemäß der Erfindung. Die Meßkammer 10 ist an ihrer Innenelektrode 2 über einen Widerstand 11 und an ihrem Kammergehäuse 1 mit der Betriebsspannung — Ub verbunden. Auf der Innenelektrode 2 ist als Beispiel eine radioaktive Quelle 3 gemäß F i g. 4 gezeichnet. Es kann sich auch um eine Mehrzahl von radioaktiven Quellen handeln, wie es z. B. in F i g. 5 gezeigt ist. Die über der Meßkammer liegende Spannung Uu ist gleichzeitig die Gitterspannung für einen Feldeffekttransistor 12. Sie ist so gewählt, daß der Transistor 12 im Ruhezustand stromlos ist, d. h. an dem Arbeitswiderstand 13 fällt keine Spannung ab. Der gittergesteuerte Gleichrichter 14 ist somit ebenfalls gesperrt und das Relais 15 nicht erregt. Dringen Rauchgase in die Meßkammer 10 ein, so steigt die Kammerspannung Ujc und bewirkt beim Überschreiten einer bestimmten Schwelle das Zünden von Gleichrichter 14, wodurch Relais 15 Alarm auslöst. Der Feldeffekttransistor 12 arbeitet in diesem Fall sowohl als schwellwertbildendes Organ als auch als Verstärkerelement.

F i g. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Melders gemäß der Erfindung, bei dem zwei symmetrische, in Serie geschaltete Ionisationskammern 10 und 16 verwendet werden. Die Kammer 10 ist die Meßkammer, während die Kammer 16 als Referenzkammer dient. Die beiden Kammern sind ähnlich aufgebaut, wie es bereits beschrieben worden ist.

In diesem Fall wirkt der Feldeffekttransistor 12 als Impedanzwandler, der den hochohmigen Kammerinnenwiderstand von etwa 10¹¹ Ohm in den Bereich einiger Kiloohm transformiert. Die Spannung U_s dient zur Einstellung der Alarmschwelle. Beim Eindringen von Rauchgasen in die Meßkammer 10 steigt auch hier die Spannung am Gitter des Feldeffekttransistors 12 und damit an dessen Kathode. Überschreitet dieser Wert die eingestellte Schwelle U₈, so zündet der gesteuerte Gleichrichter 14, und das Relais 15 spricht an. Umgekehrt kann auf bequeme

to Art der gesteuerte Gleichrichter 14 durch Absenken von Us zur Zündung gebracht werden, um den Melder auf seine Funktionstüchtigkeit zu überprüfen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Ionisationsfeuermelder mit erhöhter Rauchempfindlichkeit, bestehend aus mindestens einer Ionisationskammer, auch Meßkammer genannt, zu welcher die umgebende Luft nahezu freien Zutritt hat, sowie aus einer oder mehreren radioaktiven Quellen zur Erzeugung von Ionen und einer elektrischen Schaltung zur Alarmgabe, gekennzeichnet durch das Vorhandensein einer elektrischen Feldstärke von weniger als 5 V/cm in denjenigen Raumbereichen der Meßkammer (1), in welchen mindestens 85% des Ionisationsstromes fließt (F i g. 4, 5.)

2. Ionisationsfeuermelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Meßkammer (10) liegende Spannung kleiner als 20 V ist bei Abwesenheit von Brandaerosolen (F i g. 6, 7).

3. Ionisationsfeuermelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Melderbetriebsspannung (Ub) weniger als 60 V beträgt (F i g. 6, 7).

4. Ionisationsfeuermelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Großteil der Meßkammer (1) Ionen beiderlei Vorzeichens vorhanden sind.

5. Ionisationsfeuermelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Ionen auf einen relativ kleinen Teil des Meßkammervolumens (9) beschränkt ist.

6. Ionisationsfeuermelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßkammer (10) in Serie ein Widerstand (11) liegt, wobei die Spannungsänderung zwischen den Elektroden der Meßkammer (1) zur Steuerung eines Anzeigegerätes (Relais 15) dient.

7. Ionisationsfeuermelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstand eine zweite Ionisationskammer (16) vorgesehen ist.

8. Ionisationsfeuermelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ionisationskammer (16) annähernd die gleiche Stromspannungscharakteristik wie die Meßkammer (10) besitzt.

9. Ionisationsfeuermelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigeorgan ein Feldeffekttransistor (12) vorhanden ist.

10. Ionisationsfeuermelder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der als Anzeigeorgan dienende Feldeffekttransistor (12) zur Zündung eines gesteuerten Gleichrichters (14) vorgesehen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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