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Einrichtung zur Ermittlung von Strahlung Das Hauptpatent ..................(E
25 270 IXb/42i vom 2. August 1963) bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung
von Strahlung, die ein zwei Elektroden aufweisendes, strahlungsempfindliches Aufnahme-
oder Fühlorgan und einen Aufwärtstransformator mit Primärwicklung und mindestens
einer davon getrennten Sekundärwickloung, an welche das Aufnahmeorgan zwecks Zuführung
einer hohen Wechselspannung angeschlossen ist, enthält, dadurch gekennzeichnet,
da im Kreise der Primärwicklung auf Aenderung des Stromes in derselben ansprechende
Mittel vorgesehen sind, durch die eine beim Auftreffen von Strahlung auf eine der
Elektroden veranlasste Entladung zwischen den Elektroden feststellbar ist.
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Für die Feststellung und insbesondere für die Ueberwachung von
Flammen
oder Verbrennungsvorgängen wird ein @ufnahme- oder Fühlorgan benötigt, welches eine
aktive Anzeige der Gegenwart oder der Abwesenheit der Tlamme ergibt. Bei dem bekannten
Geiger-Müller-Zählrohr tritt eine Entladung zwischen den Elektroden auf, wenn auf
eine derselben eine Photoelektronen erzeugende Strahlung auffällt. Solche Zählrohre
arbeiten mit relativ hohen Spannungen, die genau eiigestellt werden müssen, da bei
zu niedriger Spannung überhaupt keine Entladung auftreten kann und bei zu hoher
Spannung eine Dauerentladung entsteht Efrper muss bei Auftreten der Entladung geuügend
Energie zur Erzeugung eines ausreichend grossn Ausgangssignals zur Werfägung stehen.
Weiter ist es inebesondere für den vorliegenden Zweck erforderlich, dafür zu sorgen,
dass die bs Auftrete einer Strahlung erzeugten Signale in zuver lässiger Weise einen
Anzeigkereis und bzw. oder einen Steuerkreis zugeführt werden.
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Die Einrichtung gemäss vorliegender Erfindung ist dauurch gekennzeichnet,
dass eine Kapazität in Reihe zwischen die Wechselstrom-Speisequelle und die Primärwicklung
des Transformators geschaltet ist.
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Bei dieser Eindrichtung kann beispielsweise in einem System zur Ueberwachung
einer Verbrennung, als Flammendetektor ein ultraviolettempfindlicher Detektor vorgesehen
sein. Dies kann ein Geiger-@üller-Zähler sein, der über einen Transformator gespeist
wird. In der bevorsugten
Ausführungsform ist dieser Transformator
ein Spartransformator mit einem Eisenkern; es kann jedoch auoh ein normaler franeforaator
mit zwei getrennten iIiclungen verwendet werden.
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Man erhält dabei eine geregelt Sekundärspannung, wenn man einen Primärkreis
verwendet, der im Ersatzschaltbild einen Relhenresonanzkreis aufweist, der duroh
eine in Riehe mit der Primärwicklung geschaltete kapazität dargestellt wird. Durch
einen solchen Kreis ergibt sich ein Regelungseffekt derart, dass die an den Detektor
angelegte Ausgangsspannung in dessen Zustand hoher Impedanz in einem relativ grossen
Bereich der Eingangsspannung konstant bleibt.
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Beim Zustand hoher Impedenz im Sekundärkreis des transformator ist
der Primärkereis auf Netzfrequenz, bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
60 Hs, abgestimmt, wobei die Eingangsimpedann etwa 700 Ohm beträgt und für Eingangsspannungen
zwischen 99 und 130 Volt eine feste Ausgangsspannung geliefert wird. Beim Reihen
-resonanz-Ersatzschaltbild ist der Kern des Transformators gesättigt, und eine Aenderung
der Spannung in dem genannten Bereich genügt nicht zur Aufhebung der Sättigung.
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Wenn die letektorröhre zündet, fliesst ein starker Strom in der Sekundärwicklung
des Transformators, wodurch du Feld im Kern zusammenbricht und in den Primärkreis
eine niedrig Impedanz reflektiert wird, so das. der abgestimmte Kreis unter scharfen
Rückgang
der an der Sekundärwicklung bestehenden Spannung verstimmt X Durch diesen Rückgang
der Spannung tritt Löschung der Röhre ein, wodurch der Sekundärkreim wieder eine
hohe Impedens annimmt und die Resonenz im Primärkreis wiederhergestellt wird, so
dass wieder Spannungsregelung erfolgt.
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In dieser Schaltung wird ein Signalaufnahmekreis verwendet, der mit
einer Drosselspule versehen ist, die gegenüber Signalen mit Netzfrequenz eine niedrigs
Impedanz aufweist und somit praktisch kein Signal solcher Frequenz auf den Ausgangskreis
überträgt, die Jedoch eins relativ hohe Impedanz gegennber Signalimpulsen mit Anstiegezeiten
hat, die eine höhere Frequenz von beispielsweise etwa drei Kllcherz aufwiesen. Das
Ausgangssignal der Dresselspule wird zwecks Eteuerung eines unsymmetrisch leitenden
Schaltorgans einen Filter-Speichernetzwerk zugeführt. In der bevgorzugten Ausführungsform
enthält der Steuerkreis eine Diode, die in Reihe mit der Steuerelektrode des Schaltorgans
geschaltet ist und eine genauers und zuverlässigere Betätigung des Schaltorgans
durch da Spelchernetzwerk gewährleistet.
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Eine solche Schaltung ist besonders brauchbar £Ur eine zuverläszige
Ueberwachung einer Flame in einem System zur Ueberwachung einer Verbrennung.
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In folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen
Einrichtung anhand der Zeichnung erläutert in welcher ein
Eystem
der genanntenArt im schematischen Schaltbild dargestellt ist.
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In der Figur ist eine Schaltung dargestellt, deren Eingangsklemmen
10 na 12 n eine Bpeisespannungsquelle von 120 Volt anschliessbar sind. in den Kreis
zwischen den Klemmen 10 und 12 sind ein Kondensater 14 und ein Spartransformator
16 eingeschaltet. Der Spartranstoriator hat einen Korn 17 sit einer Wicklung 18,
deren Primärteil 19 gegenüber der gansen Wicklung ein Mindungsverhältnis 1:6 aufweist.
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Ueber die ganze Wicklung 18 ist ein Strahlungsdetektor 22 Mit zwei
symmetrischen Klektroden 22 und 24 geschaltet, welche für die interessierenden Wellenlängen
eine lichtelektrische Emission mufweisen.
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Im Falle ultravioletter Strahlung wird als bevorzugtes Material für
die Elektroden Wolfram verwendet. Der Strahlungsdetektor ist itt einem ionimierbaren
Gas, wie Wasserstoff, gefüllt. In Reihe itt der Sekundärwicklung des Transformatorm
und dem Strahlungsdetektor 20 ist ein Strombegrenzungswiderstand 26 geschaltet,
Die Impedans der Primärwicklung 19 des Transformators ist der kapazitiven Reaktanz
des Kendensators 14 so angepasst, dass ein auf 60Herz abgestimmter Schwingungskreis
entsteht, dessen impedanz etwa 700 Ohm beträgt In der bevorzugten Ausführungsform
hat der Kondensater 14 eine Kapasität von 1,5 Mikrofarad. Durch den Resenanzkreis
des Transfermaters wird die Eingangsspannung von 120 Volt auf eine Ausgangespannung
von 800 Velt an den Elektroden des Detekters
hinauftransformaiert,
das ist ein Wert, der oberhalb des sich aus des Windungsverhältnis ergebenden Wertes
der Ausgangsspannung liegt.
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Der Widerstand 26, der einen Widerstandswert von 470 Ohm hat, dient
dazu, den bei Entladung zwischen don Elektroden der Röhre auftretenden Strom in
der Wicklung des Transformators In begrenzen. Bei einer hohen Belastungsimpedanz
und bei der EO Hertz-netzfrequenz ist der Kern 17 des Transformators für Eingangspannungen
zwischen 94 und 130 Volt praktisoh vollständig gesättigt; wegen dieser Sättigung
bleibt die Ausgangsspannung konstant.
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Wie bereits erwähnt, kann anstelle des Spartransformators auch ein
Transformator mit zwei getrennten Wicklungen verwendet werden; da jedoch nach Zündung
der Detektorröhre in der Sekundärwicklung relativ grosse Ströme auftreten, die eine
entsprechend grosse Belastbarkeit der Wicklung bedingen, ergibt sich durch Verwendung
eines Spartransformators eine gewisse Platzersparnis.
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Die beschriebens Schaltung hält die Spannung an den Elektroden der
Detektorröhre prektisch konstant, solange die Rohre nicht g+rPfndot hat, wobei die
Spannung oberhalb ein.. Minimalwertes liegt, der zur Erzeugung einer Photoemission
notwendig ist, und unterhalb eines Maximalwertes, bei des bereits ohne Bestrahlung
eine Kntladung eintritt. Man erhält Co die gewünschte Strahlungsempfindlichkeit
ohne Auftreten spontaner Entladungen.
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Wenn sich die Dekterröhre in nichtionisierten Zustand befindet, hat
sie eine hohe Impedanz, die in den Primärkreis des Transfortor reflektiert wird,
wodurch dieser abgestimmt bleibt; demgemäss wird die au der Speisequelle zugeführte
Energie hauptsächlich zuf Aufrechterhaltung einer hohen Feldstärke in Kern 17 verbraucht.
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Diese Feldstärke dient zur Erzeugung eines Stroms, wenn der Bekundärkreis
eine niedrige Impedanz aufwist. Wenn das Gas zwischen den Elektroden 22 und 24 ionisiert
wird, ergibt Sie Detektorröhre 20. eine zehe niedrige Impedanz des Sekundärkreises,
so dass ein starker elektrischer Strom fließt und dadurch das Feld in Kern 17 des
Transformators zusemmenbricht.
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Der Strom im Sekundärkreis wird praktisch allein durch den Widerstand
der Sekundärwicoklung und den gegebenenfalls vorhandenen Begrenzungswiderstand 26,
die Kopplung zwischen der Sakundärwicklung und des Korn 17 des Transformators und
die maximale theoretische Aenderung do/dt des magnetischen Flusses begrenzt.
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Die bein Zünden der Detektorröhre 20 auftretende niedrige Impedanz
erzeugt durch Reflexion in den Primärkreis einen entsprechend starken Rückgang der
Impedanz, so dass die Rezonanz in Primärkreis zerstört wird und die Energie aus
der Speisequelle, anstatt das Feld im Kern wieder aufzufüllen, den Reihenkondensator
14 praktisch mit der vollen Spitzenspannung des Netzes belastet, wobei ein entsprechender
Rückgang der an der Primärwicklung liegenden Spannung
erfolgt, und
zwar auf etwa 10 Prozent der im Falle der Rezonanz auftretenden Spannung. Infolgedessen
fällt die Sekundärspannung schnell soweit ab, dass sie nicht mehr zur Aufrechterhaltung
der Entladung der Detektorröhre ausreicht und deren Löschung erfolgt, und zwar unabhängig
vom Null durchgang der Speisespannung und im allgemeinen ver Erreichne den Wertes
Null. Nach dem Löschen tritt wieder die hohe Impedanz der Detektorröhre und im Primärkreis
Resonanz auf, so dass das magmetische Feld im Kern und die Ultraviolettempfindlichkeit
der Röhre während des nächsten Halbzyklus der Speisespannung wiederhergestellt werden.
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Während des nächsten Halbzyklus, in welchem die 8pannung entgegengesetzte
Polarität hat, wird der Kondensator 14 entladen, und die beiden Spannungen addieren
sich vektoriell, so dus eine hohe Stromspitse in Primärkreis entsteht. Dadurch wird
die Wiederherstellung des als Energiespeicher im Kern 17 dienenden Feldes unterstützt.
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Wetter sind zwei osselspulen 30 und 32 in Serie in den Primärkreis
geschaltet. In der bevorzugten ausführungsform sind diese Drosselspulen auf einen
tblichen Ferritkern 34 gewickelt; jede Wicklung hat einen Gleichstromwiderstand
von weniger als einem Ohm und eine Induktanz von ungefähr 0,75 Millihenry. Jede
der Spulen hat eine Güte Q, die bei 3 Kiloherz etwa 20 beträgt.
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Wenn eine Entladung eintritt, wird der entstehende Stromimpuls
in
den Primärkreis reflektiert, und es fliesstein Stromimpuls durch die Spulen 30 und
32, der eine steile Vorderflanke hat, no dass die Spulen darauf ansprechen und ein
starker Spannungsabfall an ihnen aftritt. Dlw ii nächsten Halbzyklus infolge der
Entladung des Kondensators auftretende Impuls enthält ebenfalls Komponenten, welche
über der Netsfrequens liegende Frequenzen aufwisen und auf welche die Syulen ebenfalls
ansprechen. De diese Stromimpulse verschiedene Polarität haben können, werden die
Ausgangssignale aus den Spulen deren Verbindungsstelle 40 ist, vermittles der Dioden
36 und 38 ausgekoppelt. ate beiden Dioden sind itt der Klemme 42 eines Filter- und
Integriernetzwerkes verbunden, während die Mittelanzapfung 40 der Spulen itt der
Klemms @e 44 dieses Netzwerkes verbunden ist. Das Filter ent-Mit zwei Kondensatoren
46 und 48, einen Widerstand 0 und einen Regelwiderstand 52 zum Einstellen der Empfindlichkeit,
Diese Schaltung wirkt als Entkopplungsfilter; der Kondenszaor 48 dient zur Speicherung
der Flammen-Anseigesignale. Die Ladung des Kondensators wird dei Entladungskreis
zugeführt, der eine Diode 54, einen variablen Widerstand 56 und einen festen Widerstand
58 aufweist. Die Ansapfung SO des variablen Widerstandes 56 ist mit der Kathode
62 des steuerbaren Gleichrichters 64 (Type 3@58) verbunden.
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Der steuerbare Gleichrichete 64 dient zur Steuerung der Beaufschlagung
der
Spule des Relais 66 eines anseigekreises; parallel zu dieser Relaisspule sind in
Reihe der Widerstand 68 und der Kondensator 70 geschaltet. Dieser Kreis wird durch
den Transformator 72 Mit Wechselstrom gespeist; die Primärwicklung 74 des Transformators
ist mit den Klemmen 10 und 12 verbunden und wird demgemäss mit der 120 Volt-Speise-Spannung
gespeist, Uebsr die Sekundärwicklung 76 wird das Relais 66 unter Mitwirkung des
steuerbaren Gleichrichtern 64 beaufschlagt. Ueber die Sekundärwicklung 78 und die
Diode 80 wird dem Steuerkreis der Kathode 62 eine Gleichvorspannung von einem Volt
zugeführt. Durch den Kondensator 82 ist der Signalkreis vom Vor. spannungschreis
isoliert.
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Der Kondensator 70 dient zum Halten den Relais 66 während der TEile
des Zyklusy in denen das Schaltorgan 64 infolge der Polaritätsumkehr der von der
Sekundärspuls 76 gelieferten Spannung nicht leitet; der Widerstand 68 eine Beschädigung
des Schaltorgans 64 im Zustand völliger Entladung des Kondensators 70 verhindert.
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Die Komponenten des Filterkreises, des Entladungzskreises und dos
Anseigekreises sind bei der dargestellten Ausführungsform so gewählt, dass das Belais
66 nicht anspricht oder gehalten wird, wenn nicht die Entladungen in der Detektorröhre
mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 pro Sekunde auftreten.
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Die anfängliche Ladung des Kondensastorm 46 entlädt sich über
dtn
Widerstand 50 und lädt dabei den Kondensator 48 mit zeitlicher Verzögerung auf.
Durch die Widerstände 56 und 58 erfolgt eine Spannungsteilung. Wenn dem Kondensator
46 nicht in genügend schnelle Folge Stromimpulse zugeführt werden. erreicht die
Spannung am Konden sator 48 keine solche Grösse, dass über die Steuerelektrode 62
das Schaltorgan 64 betätigt und das Relais 66 ausgelöst wird. Die Diode 54 steuert
den von der Steuerelektrode 62 des Schaltorgans 64 nach dessen Einschaltung ausgehenden
Strom. Der in die Elektrode 62 fliessende Strom schaltet anfangs das Sohaltorgan
ein, jedoch fliesst nach dem Einschalten ein Strom in entgegengesetzter Richtung
falls keine Diode oder anderes unsymmetrisch leitendes Schaltelement vorgesehen
ist, beeinflusst dieser Strom die Ladung auf dem Kondenstator 48 und verfälscht
dadurch die Messung. nein vorstehend beschriebenem Ausfürungsbeispiel wird ein mit
Gasentladung arbeitender Detektor in einem Strahlungsmesskreis verwendet. Den britischen
Spannungswerten für den Betrieb des Detektors ist dabei Rechnung getragen duroh
einen Regeltransformator, welcher ii Netzspannungsbereich von -15 Prozent bis +10
Prozent der Sollspannung wirksam ist. In diesen Bereich ist ein störungsfreier Betrieb
von Temperaturkontrolleinheiten, die mit Entladungsröhren arbeiten, unter Berücksichtigung
der Aenderungen der Schaltungsdaten z.B. infolge Alterung der Komponenten gewährleistet.
Der Messkreis enthält einen Auskopplungskreis mit induktiven Komponenten, einen
Filterkreis und einen Entladungskreis zur Steuerung eines Gleichrichter-Schaltorgans
zur Betätigung eines Rdais, welches den zu messenden Vorgang, z.B. einen Verbrennungsvrogang
oder eine Flamme, anzeigt.