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Ionisationsmelder, dessen Ionisationskammer für die Atmosphäre zugänglich
ist Bekannte Ionisationsmelder verwenden zur Ermittlung der an den Anschlüssen der
Ionisationskammer bei Änderung des die Ionisationskammer durchsetzenden Mediums
auftretenden Spannungsänderungen hochempfindliche Verstärkerröhren, deren Lebensdauer
begrenzt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ionisationsmelder
zu schaffen, der lediglich Festkörpertechnik verwendet und praktisch unbegrenzte
Lebensdauer besitzt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Ionisationsmelder, dessen Ionisationskammer
für Atmosphäre zugänglich ist, mit einem auf Kapazitätsänderungen ansprechenden
Anzeigegerät dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß eine bekannte Kapazitätsdiode mit
der Ionisationskammer über deren Anschlüsse verbunden ist und somit veränderliche
Spannung erhält, die ihrerseits zur Modulation einer Frequenz verwendet ist.
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Die Eigenschaften sogenannter Kapazitätsdioden sind z. B. durch die
Veröffentlichung » Diffundierte Silicium-Kapazitätsdioden« in der Zeitschrift »Radio
Mentor«, 1962, H. 8, S. 661 bis 667, bekannt. Durch den Einsatz einer bekannten
Kapazitätsdiode in einem Ionisationsmelder und die Ausnutzung ihrer Kapazitätsänderung
zu einer Modulation einer konstant erzeugten Frequenz ermöglicht die Erfindung den
Bau eines Ionisationsmelders unter ausschließlicher Verwendung von Festkörper-Halbleitertechnik
mit dem Vorteil unbegrenzter Lebensdauer.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 die Schaltungsanordnung eines bekannten Ionisationsmelders, F
i g. 2 die Schaltungsanordnung eines Ionisationsmelders nach der Erfindung, F i
g. 3 Spannungsverlauf bei einer Schaltungsanordnung nach F i g. 2, F i g. 4 Schaltungsanordnung
eines weiteren Ionisationsmelders nach der Erfindung, F i g. 5 eine weitere Schaltungsanordnung
für die Ionisationskammer eines Ionisationsmelders, F i g. 6 die Schaltungsanordnung
eines weiteren Ionisationsmelders nach der Erfindung.
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Bei einem bekannten Ionisationsmelder, dessen Schaltprinzip in F
i g. 1 wiedergegeben ist, ist an einer Stromquelle S ein Widerstand R angeschlossen,
dessen Widerstandswert zwischen 1010 und 1014 Ohm liegt. Dieser Widerstand ist mit
der mittleren Elektrode EC einer offenen Ionisationskammer E in Reihe geschaltet,
die in ihrem unteren Teil ein radioaktives Präparat A enthält, das Alphateilchen
von
Radium, Polonium Americium od. dgl. ausstrahlt.
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Die Außenwandung Es der Ionisationskammer E ist an die Stromquelle
S angeschlossen. Es entsteht ein Stromfluß durch Widerstand R, Elektrode EC und
Kammer E. Wird an die Klemmen D, C ein elektrisches Anzeigegerät mit sehr hohem
innerem Widerstand, beispielsweise ein Elektrometer mit 1012 bis 1015 Ohm angeschaltet,
dann kann festgestellt werden, daß der Spannungsunterschied zwischen diesen beiden
Punkten zunimmt, wenn in dieKammerE ein Gas, das schwerer ist als Luft, eingeführt
wird, und abnimmt, wenn in dieselbe Kammer ein leichteres Gas als Luft eingeführt
wird.
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Bei bekannten Ionisationsmeldern werden die zwischen den Klemmen
C, D auftretenden Spannungsschwankungen an den Eingang eines Verstärkersystems angelegt,
welches Relais oder andere Warnvorrichtungen zu betätigen vermag. In Abweichung
hiervon verwendet die Erfindung zur Feststellung der Spannungsschwankungen eine
an sich bekannte Kapazitätsdiode, bei welcher die Stärke des die Ladungsträger trennenden
Sperrbereiches ebenso schwankt wie die Spannung, die in der der Leitungsrichtung
der Diode entgegengesetzten Richtung angelegt wird. Auf diese Weise verfügt man
über einen Kondensator, dessen Kapazität von der Spannung abhängig ist, die an ihn
angelegt wird. Da das Dielektrikum dieses Kondensators aus einem entgegengesetzt
zu dessen Leitungsrichtung polarisierten Einkristall
besteht, kann
der Ohmsche Widerstand einer derartigen Kapazitätsdiode sehr hoch sein, beispielsweise
etwa 1010 bis 1014 Ohm betragen, wenn sehr große Sorgfalt angewendet und bestimmte
technologische Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.
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Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung nach der Erfindung
gleicht hinsichtlich des Aufbaus der Ionisationskammer E und deren Speisung der
in F i g. 1 dargestellten Schaltung. Dementsprechend sind die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Über einen als Hochfrequenzsperre dienenden Widerstand R1 von einigen
MegOhm ist eine Kapazitätsdiode Cp veränderlicher Kapazität an die Klemme D angeschlossen.
In Reihe mit dieser Kapazitätsdiode Cj, liegen ein Kondensator Ci großer Kapazität
und eine Induktivität L1. Resonanz des so gebildeten Schwingungskreises kann auf
der Basis der Tomsonschen Formel durch das folgende Verhältnis wiedergegeben werden:
Wenn sich die Kapazität Cp verändert, so ändert sich auch die Frequenz in der gleichen
Weise, und wenn die Veränderungen der Frequenz f ständig mit einem Quarz oder Frequenzdiskriminator
verglichen werden, so ergibt sich dabei ein Strom, dessen Richtung und Amplitude
von der Richtung und der Amplitude der Veränderung der Kapazitätsdiode Cp abhängig
ist, die, da sie selbst von der Polarität und Amplitude der an sie angelegten Spannung
abhängig ist, die Spannungsschwankungen an den Eingangsklemmen A und D wiedergibt.
Die Eingangsklemmen A und D sind mit der Ionisationskammer E verbunden, an deren
Klemmen oder an den Klemmen des Widerstands R, wie weiter oben beschrieben wurde,
ein Spannungsunterschied vorhanden ist, der im wesentlichen von der zwischen der
mittleren Elektrode EC und der Außenwandung Ex der Ionisationskammer E befindlichen
Gasatmosphäre abhängig ist.
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Um die Funktionsweise der in F i g. 2 dargestellten Schaltung zu
erläutern, wird das elektrische Verhalten des aus den Kapazitäten Cp, Ci und der
Induktivität L1 bestehenden Schwingkreises bei verschiedenen Frequenzen in der Nähe
der Resonanz ermittelt, während ein Generator mit fortschreitend regelbarer Frequenz
eine Spule L2 speist, die mit der Induktivität L1 induktiv gekoppelt ist.
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Wenn die zwischen den Anschlüssen H und F auftretende Spannung mittels
eines Gerätes mit sehr schwacher Dämpfung, beispielsweise mittels eines elektronischen
Voltmeters, ermittelt wird, so erhält man eine Kurve, die den in F i g. 3 dargestellten
Verlauf hat und die Resonanzkurve dieser Schaltung darstellt.
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Wenn die kapazitive Impedanz der Schaltung gleich der induktiven
Impedanz derselben ist, so wird ein Maximum der zwischen den Anschlüssen H und G
induzierten Spannung erzielt, wobei dieses Maximum um so höher ist, je höher das
Verhältnis Q = WL ist, d. h. je kleiner der Nenner dieser Formel, die die Gesamtheit
der Resonanzfrequenzverluste darstellt, für eine gegebene Schwingung i'L ist.
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Wenn nun, vorausgesetzt, daß alle übrigen physikalischen Bedingungen
konstant bleiben, die Kapazität Cp eine positive oder negative Veränderung zu bp
erfährt, so ergibt sich um die Resonanzfrequenz eine Verstimmung Ag, die negativ
oder positiv ist, je nachdem, ob dCp positiv oder negativ ist.
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Die der Resonanzfrequenz entsprechende Anfangsspannung zwischen den
Anschlüssen H und F wird also durch eine Veränderung in der Weise beeinflußt, daß,
wenn dCp positiv ist, df negativ ist und wenn umgekehrt dCp negativ ist, df positiv
ist. Wenn nun die Resonanzfrequenz fo einem bestimmten atmosphärischen Druck, beispielsweise
einem zwischen den Elektroden EC und Ex eingeschlossenen gasförmigen Luftgemisch,
entspricht und in die Ionisationskammer E ein Gasgemisch der gleichen chemischen
Zusammensetzung wie Luft oder irgendein anderes Gasgemisch, das leichter ist als
die Luft, eingeführt wird, so wird die Resonanzfrequenz des Schwingungskreises Cp,
Ci und L1 derart verändert, daß sich die Spannung an seinen Klemmen verringert.
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Das gleiche ist der Fall, wenn in die Ionisationskammer E ein Gasgemisch
eingeführt wird, das schwerer ist als Luft. In diesem Fall erfolgt die Frequenzveränderung
zwar in entgegengesetzter Richtung zu der Frequenzveränderung bei der Einführung
eines Gasgemisches, das leichter ist als Luft, aber die zwischen den Anschlüssen
E und G eintretende Stromveränderung hat stets eine Spannungsverringerung zwischen
den Anschlüssen H und F, d. h. an den Klemmen des Schwingkreises Cp, Cs und L1 zur
Folge.
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Wenn nun eine derartige Anordnung getroffen wird, daß bei einer Spannungsveränderung,
die die miteinander übereinstimmenden Höhen V und W der in F 1 g. 3 dargestellten
Kurve erreicht, nach vorheriger Verstärkung ein Relais betätigt wird, wobei der
Schwingkreis Cp, Ci und L1 anfangs auf Resonanz unter den oben angegebenen Bedingungen
eingeregelt wird, so tritt das Relais unabhängig von der Richtung oder Polarität
der Spannung in Tätigkeit, die an den eine in Abhängigkeit von der Spannung veränderliche
Kapazität aufweisenden Kondensator angelegt worden ist, wenn die der Diode Cl>
zugeführten Spannungsveränderungen eine derartige Amplitude aufweisen, daß die außerhalb
der Resonanz liegenden Spannungsveränderungen wenigstens die Werte V und W erreichen.
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Das vorstehend in Betracht gezogene Beispiel der Resonanz wurde gewählt,
um die bestmögliche Funktionsweise der Schaltung zu erläutern; es ist jedoch nicht
unbedingt erforderlich, daß die Schaltung anfangs auf f0 eingeregelt wird, wenn
eine andere Funktionsweise bevorzugt wird.
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Wenn beispielsweise der Schwingungskreis Co, Cc und L1 anfangs auf
den Punkt M der in Fig. 3 dargestellten Kurve eingeregelt und ein leichteres Gas
als Luft in die Ionisationskammer E eingeführt wird, so ist die die Betätigung des
Relais bewirkende Spannungsveränderung von Wert M bis Wert V bedeutend geringer
als die von Wert Z bis Wert v, wodurch die Empfindlichkeit des Systems erhöht wird,
um leuchtere Gase als Luft anzuzeigen und schwerere außer acht zu lassen.
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Für die Einregulierung des Schwingungskreises Cp, Ci und L1 gibt
es unzähliche Möglichkeiten, so daß alle bei der Verwendung auftretenden besonderen
Bedingungen berücksichtigt werden können. Der Punkt, an dem die Schaltung in Tätigkeit
tritt, kann
auch dadurch festgelegt werden, daß die Induktivität
L und der Kondensator Cz verstellbar ausgebildet werden, wie in F i g. 4 dargestellt
ist, wo der Kondensator Ci der F i g. 2 mit Cl bezeichnet ist.
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Eine Veränderung der Empfindlichkeit des Systems kann bei einem derartigen
Feuermelder auch dadurch erzielt werden, daß die Speisespannung des Widerstands
R und der Ionisationskammer E verändert wird, oder dadurch, daß in der Ionisationskammer
E eine dritte oder eventuell weitere Elektroden angeordnet werden, die dazu dienen,
die Verteilung des Feldes im Innern der Ionisationskammer E zu verändern.
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Diese in der Ionisationskammer E angeordneten zusätzlichen Elektroden
können gleichzeitig als elektronische Linsen, als Ablenkplatten wie bei Kathodenstrahlröhren
oder als Steuer-, Beschleunigungs- oder Mischgitter wie bei Trioden oder elektronischen
Mehrgitterröhren verwendet werden.
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Die Verwendung von zusätzlichen Elektroden ist besonders bei Kammern
geringer Größe angebracht, und in diesem Fall können diese Elektroden auf höhere,
gleiche oder niedrigere positive oder negative Spannungen gebracht werden als die
in F i g. 1, 2 und 4 mit EC bezeichnete Sammelelektrode.
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Die gesamte Funktionsweise eines Gas-, Dampf-oder Rauchanzeigers,
der auch als Feuervorwarnvorrichtung verwendet werden kann, läßt sich an Hand der
F i g. 4 erläutern. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, wird der Schwingkreis C, C1
und L durch einen von einem Quarz Q gesteuerten, von einer Stromquelle S1 gespeisten
und durch einen Kondensator C3 gekoppelten Transistoroszillator T mit einem Strom
gespeist, dessen Frequenz im wesentlichen von dem Quarz Q bestimmt wird. Die Schwingungsamplitude
wird durch eine sehr hohe Stabilisation der Stromquelle S1, die Wahl des Funktionspunktes
für Transistor T und eine thermische Stabilisation, die durch einen mit einem Widerstand
R4 in Reihe geschalteten Thermowiderstand R5 bestimmt wird, konstant gehalten.
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Es versteht sich, daß auch jeder andere Oszillator, ganz gleich,
ob er mit Transistoren, Elektronenröhren oder nach einem anderen System arbeitet,
anstatt des Transistoroszillators T verwendet werden kann, der hier lediglich als
Beispiel gezeigt wird.
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Ein AbgriffP an der Induktivität L1 gestattet die genaue elektrische
Anpassung der Ausgangsimpedanz des Transistors T an den Schwingungskreis L1, C1
und C. Die hier mit drei Elektroden dargestellte Ionisationskammer E beeinflußt
dieKapazitätsdiode Cl> über einen Widerstand Rl. Die an den Klemmen der Ionisationskammer
E auftretenden Spannungsschwankungen, die über Widerstand Rl an die Anschlüsse der
Kapazitätsdiode Cl> angelegt werden, verursachen die Kapazitätsschwankungen dieses
Kondensators.
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Hieraus ergibt sich, daß die Abstimmfrequenz des Schwingkreises Cp,
C1 und L1 gegenüber der feststehenden Frequenz des Oszillators schwankt, und daher
entstehen an den Klemmen dieses Stromkreises Spannungsschwankungen, die an den Klemmen
der Induktivität L1 verstärkt und auf die Wicklung, übertragen werden, da die Wicklungen
L1 und L2 induktiv gekoppelt sind.
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Diese Spannungsschwankungen werden durch einen Verstärker verstärkt
und eventuell durch einen Demodulator demoduliert, der ein Gerät V speist, das ein
elektromagnetisches Relais, ein Festkörper-
relais, ein Thyratron, ein elektrisches,
optisches oder akustisches Aufzeichnungsgerät oder irgendein anderes Anzeige- oder
Warngerät sein kann. Als derartige Geräte können unter anderem auch Drahtverbindungen
oder drahtlose Verbindungen, beispielsweise Radiosender, und Generytoren von Infrarotimpulsen
genannt werden.
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Es muß noch darauf hingewiesen werden, daß der in den Schaltschemata
der F i g. 1, 2 und 4 dargestellte Widerstand R nicht unbedingt ein gewickelter
Widerstand oder ein Kohlenstoffschichtwiderstand zu sein braucht, er kann vielmehr
auch eine zweite Ionisationskammer, der verstellbare Raum zwischen zwei der Strahlung
einer zweiten radioaktiven Quelle ausgesetzten Elektroden, ein Stab aus dielektrischem
Material od. dgl. sein.
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Es ist sogar möglich, den Widerstand R fortzulassen, wie in F i g.
5 dargestellt ist. In diesem Falle ist die die Ionisationskammer E speisende Stromquelle
S mit der Ionisationskammer E in Reihe geschaltet, und die beim Stromdurchgang von
der Ionisationskammer E durch die Diode Cl> entstehende Spannung entwickelt sich
hierbei an den Klemmen der Diode, die einen sehr hohen Eigenwiderstand aufweist
und dann gleichzeitig als Ladewiderstand für die Ionisationskammer E und als Element
mit veränderlicher Kapazität in dem Schwingkreis C, C, und L1 wirkt.
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Wie bereits dargelegt wurde, sind alle Einregelungen der Funktionsweise
sowohl auf Resonanz als auch darüber und darunter möglich, und die Stromquelle S
kann auch gleichzeitig zur Stromversorgung anderer Bestandteile des Anzeigers verwendet
werden.
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Ein derartiger Anzeiger ist jedoch infolge seiner Beschaffenheit
noch unvollständig und kann zu unangebrachten Zeitpunkten Warnmeldungen geben.
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Wenn er beispielsweise zur Meldung von Feuer verwendet wird, so ist
zu beachten, daß er nur unter der Einwirkung eines einzigen besonderen Merkmals
dieser Erscheinung in Tätigkeit tritt, nämlich beim Vorhandensein von Kombustions-
oder Destillationsgasen, Dämpfen oder Aerosolen.
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Derartige Gase können jedoch auch in der Atmosphäre vorhanden sein,
ohne daß ein Brandherd besteht, beispielsweise bei gasförmige Ausdünstungen erzeugenden
Fabriken, bestimmten Laboratorien, Abgase erzeugenden Verbrennungsmotoren usw.
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Um zu gewährleisten, daß eine Feuermeldung sicher ist, muß der Ionisationsmelder
also durch andere Meldestromkreise ergänzt werden, die auf der Grundlage anderer
besonderer Merkmale eines plötzlich ausgebrochenen Brandherdes arbeiten. Die Hauptmerkmale,
die hierfür in Frage kommen, sind das Vorhandensein einer infraroten Strahlung,
der plötzliche Temperaturanstieg und schließlich die erreichte Temperatur.
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Die Kombination eines Ionisationsmelders mit einem System, das das
plötzliche Auftreten eines der oben aufgeführten Merkmale feststellen kann, gestattet
es, das Vorhandensein eines Brandherdes mit Sicherheit zu bestimmen. Obwohl es möglich
ist, anomale Temperaturänderungen, gefährliche Temperaturerhöhungen oder das plötzliche
Auftreten einer infraroten Strahlung durch sehr unterschiedliche Verfahren festzustellen,
ist in F i g. 6 das Schema einer Schaltung wiedergegeben, die leicht mit einem Ionisationsmelder
derart verbunden werden kann, daß durch die Kombination von wenigstens zwei
gleichzeitigen
Ermittlungen spezifischer Parameter eines Brandausbruchs mit Sicherheit das Vorhandensein
eines unerwünschten Brandherdes festgestellt werden kann, wobei die Gefahr von unbegründeten
Warnmeldungen auf ein Minimum reduziert wird.
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In dem Schema der F i g. 6 sind T1 und T2 zwei hintereinandergeschaltete
Transistoren, die einen direkt gekoppelten Zweifachverstärker bilden. T2 ist der
Ausgangstransistor, dessen Kollektor durch ein elektromagnetisches Relais L3 belastet
ist und der durch einen mit einem Thermowiderstand Th4 in Reihe geschalteten Widerstand
R2 hinsichtlich der Temperatur stabilisiert ist. Der Transistor T2 ist direkt mit
dem Transistor T1 verbunden, der durch den Widerstand R1 belastet ist, dessen Wert
derart gewählt wird, daß der Kollektorstrom des Transistors T2 praktisch gleich
Null ist oder höchstens einige Mikroampere beträgt, wenn an der Basis des Transistors
T kein Signal vorliegt.
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Die Basis des Transistors T, ist über ein Potentiometer P, polarisiert,
das unmittelbar mit seinem Kollektor verbunden ist und somit eine Gegenkopplung
schafft, die die thermische Stabilisation des Transistors T, gewährleistet. Die
Basis des Transistors T1 ist außerdem mit zwei einander gleichen Thermowiderständen
Th2 und Th3 verbunden, die gegenüber der Steuerelektrode des Transistors T als Spannungsteiler
geschaltet sind.
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Während jedoch der Thermowiderstand Th2 in dem Gehäuse des Melders
selbst angeordnet ist und daher keinen plötzlichen Temperaturschwankungen der Umgebung
ausgesetzt ist, ist der Thermowiderstand Th3 außerhalb dieses Gehäuses angeordnet
und unterliegt daher allen Temperaturschwankungen der Umgebung. Wenn daher um den
Melder herum eine konstante, sich nur langsam ändernde Temperatur herrscht, so verändert
sich die Basisspannung des Transistors T1 praktisch nicht, weil sich die beiden
Thermowiderstände Th2 und Th3 gleichzeitig in ihrem absoluten Wert ändern.
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Wenn jedoch eine plötzliche Temperaturveränderung auf den Thermowiderstand
Th3 einwirkt, so verringert sich der Widerstandswert dieses Thermowiderstandes,
die Basis des Transistors T wird positiver, der Kollektorstrom in Widerstand R,
verringert sich, während der Kollektorstrom des Transistors T2 zunimmt, und das
Relais L3 spricht an.
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P1 ist ein für Infrarot fotoelektrisch empfindliches Element, z.
B. entweder eine auf Infrarot ansprechende Widerstandsfotozelle oder ein mit einem
optischen Filter versehener Transistor mit offener Basis. Wenn zu einem gewissen
Zeitpunkt eine Strahlung entsprechender Wellenlänge auf das Fotoelement P1 trifft,
so verringert sich der elektrische Widerstand dieses Elementes, die Spannung am
Punkt A nimmt ab, und diese Abnahme überträgt sich auf die Basisspannung von T1,
und das Relais L3 wird wieder erregt. Auf diese Weise wird jede Quelle von infraroten
Strahlen, die in der Umgebung des Melders auftreten kann, mit Sicherheit ermittelt.
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Mit dem FotoelementP, ist schließlich noch ein Thermowiderstand TZll
in Reihe geschaltet, zu dem ein Regelwiderstand Rv1 in Nebenschluß liegt. Dieser
Thermowiderstand Th,, der ebenfalls außerhalb des die Meldestromkreise enthaltenden
Gehäuses angeordnet ist, ist derart gewählt, daß seine Eigenschwankungen der Umgebungstemperatur
entsprechen.
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Der Nebenschlußwiderstand Rv, ist vorher so einreguliert, daß der
absolute Wert des Thermowiderstandes Thl bei einer gegebenen Maximaltemperatur um
einen vorbestimmten Betrag abnimmt, so daß durch die Veränderung dieses Widerstandes
ebenso wie bei dem Fotoelement P1 die Spannung am PunktA ausreichend abnimmt, um
die Betätigung des Relais L3 zu bewirken.
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Auf diese Weise wird ein Melder geschaffen, der in Abhängigkeit von
der Wärmegeschwindigkeit, unter Verwendung von Infrarotgeräten und unter Zuhilfenahme
der Wärmemessung arbeitet. Wenn dieser Melder mit einem Ionisationsmeldestromkreis
der anfangs beschriebenen Art verbunden wird, so wird ihm eine vierte Valenz hinzugefügt,
und man erhält einen vierwertigen Melder, der bei Verwendung als Feuermelder in
Abhängigkeit von Ionisation, Temperatur, infraroter Strahlung sowie der Geschwindigkeit
von Temperaturänderungen arbeitet.