DE1548623A1

DE1548623A1 - Einrichtung zum Untersuchen von gasfoermigen Medien

Info

Publication number: DE1548623A1
Application number: DE19661548623
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: POUR APPLICATIONS ELECTRONIQUES Ets
Current assignee: POUR APPLICATIONS ELECTRONIQUES Ets
Priority date: 1965-03-11
Filing date: 1966-03-10
Publication date: 1970-05-21
Also published as: DE1548623B2; SE311092B; US3448261A; GB1088977A; CH453751A; NL6603172A; LU48167A1; LU50399A1; GB1088976A; CH464572A

Description

Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien anhand ihrer Ionisation mit zwei in einer Spannungsteilerschaltung betriebenen Ionisationskammern, welche jeweils zwei Elektroden und eine ionisierende Strahlungsquelle aufweisen und von denen die eine als zum umgebenden Medium hin offene Meßkammer und die andere als Referenzkammer arbeitet.

Bei bekannten Einrichtungen sind die beiden Ionisationskammern in Serie an eine Spannungsquelle angeschlossen. Die an der Meß- oder Referenzkammer abfallende Teilspannung ist einer spannungsempfindlichen Schaltung zugeführt, die bei Abweichungen der Spannung von einem Normalwert anspricht und, z.B. bei Verwendung der Einrichtung als Feuermelder, eine Warnanlage auslöst. Als spannungsempfindliches Element sind in der Schaltung normale Vakuumröhren oder auch gasgefüllte Relaisröhren mit kalter Kathode verwendet worden.

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Die Referenzkammer ist üblicherweise hermetisch abgeschlossen, während die BIeßkammer zum umgebenden, zu untersuchenden Medium hin offen ist und ihre Leitfähigkeit bei Änderungen der Zusammensetzung des Mediums ändert, so daß es zu einer Abweichung der Teilspannung vom NOrmalwert kommt. Die Referenzkammer ist als gesättigte Kammer ausgebildet, d.h. ihr Arbeitspunkt liegt . . _ ~__ _" ~ "_"" ~ im Sättigungsbereich des Stromes, im flachen Abschnitt der 'Strom-Spannungs-Kennlinie.

Jedoch ändert sich die Leitfähigkeit der Meßkammer nicht nur bei Änderungen der Zusammensetzung des untersuchten Mediums, sondern ist auch stark von anderen, jedoch nicht interessierenden Einflüssen, wie z.B. Temperatur- und Feuchtigkeit sänderungen, insbesondere von Druckänderungen abhängig. Die hermetisch abgeschlossene Referenzkammer kann solche Änderungen nicht kompensieren, so daß die spannungsempfindliche Schaltung nicht nur auf die interessierenden Änderungen der Zusammensetzung, sondern auch auf die nichtinterassierenden anderen Einflüsse anspricht.

Es ist bereits eine Einrichtung bekannt geworden, bei der deshalb die Referenzkammer zwar nicht hermetisch, aber doch weitgehend gegenüber dem umgebenden Medium abgeschlossen ist. Sie wirkt dann bei schnellen Änderungen von irgendwelchen Einflüssen.wie eine hermetisch abgeschlossene Kammer, kann jedoch langsam sich ändernden Einflüssen, z.B. den witterungsabhängigen Schwankungen des Luftdrucks, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit, folgen und diese kompensieren. Die Einrichtung kann also.nur dann zufriedenstellend arbeiten, wenn die interessierenden Einflüsse sich im Vergleich zu den nichtinteressierenden Einflüssen relativ schnell ändern. Ändert sich aber die Zusammensetzung eines gasförmigen Mediums langsam, beeinflußt dies die Referenzkammer in gleicher Weise wie die Meßkammer, so daß die Einrichtung nicht anspricht.

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Andererseits führen schnelle Änderungen des Druckes, denen die weitgehend abgeschlossene Referenzkammer nicht folgen kann, in unerwünschter Weise ebenfalls zu einem Ansprechen der Einrichtung.

Der Erfindung legt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die zwischen interessierenden und nichtinteressierenden Einflüssen unabhängig von deren Änderungsgeschwindigkeit richtig unterscheidet und wirklich nur auf die interessierende Änderung in der Zusammensetzung eines gasförmigen Mediums anspricht. Insbesondere sollen Druckänderungen, auch wenn sie schnell vor sich gehen, keinen Einfluß haben.

Diese Aufgabe löst eine Einrichtung der eingangs genannten Art, bei der erfindungsgemäß die Referenzkammer eine ungesättigte Ionisationskammer ist, deren Inneres in direkter Verbindung mit dem umgebenden Medium steht und deren Elektrodenabstand größer als derjenige der Meßkammer derart ist, daß die Referenzkammer in einem Kennlinienbereich mit erhöhter Rekombination der Ionen arbeitet.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung stehen beide Ionisationskammern mit dem umgebenden, untersuchten Medium in direkter Verbindung, so daß das Medium in beiden Kammern immer den gleichen Druck und die gleiche Zusammensetzung hat. Beide Kammern arbeiten als ungesättigte Ionisationskammern. Da die*Referenzkammer jedoch mit erhöhter Rekombination der Ionen arbeitet, bewirken Änderungen der Zusammensetzung des Mediums praktisch keine Änderung der Leitfähigkeit der Referenzkammer. Deren Leitfähigkeit hängt nur von den nichtinteressierenden Einflüssen, hauptsächlich vom Druck des untersuchten Mediums ab. Da die Meßkammer wie bei den bekannten Einrichtungen sowohl auf den Druck als auch auf die Zusammensetzung des Mediums anspricht," beseitigt sich der

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Einfluß des Druckes durch Differenzbildung, so daß die Einrichtung nur noch auf Änderungen der Zusammensetzung anspricht, und zwar unabhängig davon, ob diese langsam oder schnell vor sich gehen. - .

Bei der bevorzugten Ausbildungsform der Referenzkammer weist diese als Elektroden zwei zueinander parallele Tellerscheiben mit relativ kleinen Abmessungen auf, deren gegenseitiger Abstand durch koaxiale Verschiebung einer der beiden Seheiben einstellbar ist, wobei eine der Scheiben eine geringe Menge einer radioaktiven Substanz trägt, deren Aktivität geringer als die Aktivität der Strahlungsquelle in der Meßkammer ist.Durch entsprechende Einstellung des Abstandes zwischen den beiden Tellerscheiben läßt sich die Empfindlichkeit der Referenzkammer einstellen, so daß eine genaue Kompensation der nichtinteressierenden Einflüsse bewirkt werden kann. Für besondere Fälle läßt sich aber durch entsprechende Abstandseinstellung auch eine Über- oder Unterkompensation z.B. der Druckeinflüsse erreichen.

Die Erfindung ist mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien, Bei der jedoch eine hermetisch abgeschlossene Referenzkammer verwendet ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 3 eine mit der Anordnung von Fig. 2 erhaltene Meßkurve,

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Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 5 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind zwei Ionisationskammern, eine Referenzkammer 1 und eine Meßkammer 2> in Serie an eine stabilisierte Spannungsquelle 3 angeschlossen. Der Vsrbindungspunkt 4 zwischen den beiden Ionisationskammern ist mit der Steuerelektrode 8 eines Feldeffekttransistors 9 verbunden, dessen Saugelektrode D über einen' Lastwiderstand 10 und einen weiteren Widerstand 14 mit dem einen Pol der Spannungsquelle 3 und dessen Quellelektrode S über ein Meßinstrument 11 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 3 ver-. bunden ist. Ein Widerstand 12 und ein Widerstand 13 mit negativem Temperaturkoe'ffizient dienen zur Temperaturkompensation der Schaltung.

Die Referenzkammer ist hier noch wie bei den bekannten Einrichtungen als hermetisch abgeschlossene Kammer ausgebildet und weist zwei Elektroden 5 und 6 auf, deren Abstand d mittels einer Stellschraube 7 veränderbar ist und zwischen denen eine radioaktive Substanz angeordnet.ist„

Die Meßkammer 2 ist in der üblichen Weise in zylindrischer Form mit einer Mittelelektrode ausgebildet und ist von einer perforierten Wandung umgeben, so daß das Innere der Kammer mit dem umgebenden Medium in Verbindung steht.

Das Potential an der Steuerelektrode 8 des Feldeffekttransistors 9 ist durch das Verhältnis der inneren Wider-

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stände der beiden Ionisationskammern 1 und 2 bestimmt. Der Abstand d zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 der Referenzkammer wird auf einen solchen Wert eingestellt, daß das Potential an der Steuerelektrode z.B. in der freien und ruhenden Luft in der Mitte des linearen Bereiches der Feldeffekttransistor-Kennlinie liegt. Veränderungen des umgebenden Mediums, z.B. der luft, führen zu Veränderungen des Potentials am Punkt 4 bzw. an der Steuerelektrode 8 und damit zu Veränderungen des mit dem Instrument 11 angezeigten Stromes. Das Potential am Punkt 4 erhöht sich, wenn der Druck oder die Dichte des umgebenden Mediums ansteigen, und es fällt, wenn der Druck oder die Dichte des umgebenden Mediums kleiner werden.

Um zum Beispiel die nichtinteressierenden Druckschwankungen kompensieren zu können, steht gemäß der Erfindung auch die Referenzkammer mit dem umgebenden Medium in direkter Verbindung, arbeitet jedoch, um die interessierenden Änderungen in der Zusammensetzung des umgebenden Mediums wirksam werden zu lassen, mit hoher Ionen-Rekombination. Diese Wirkungsweise ist anhand der Schaltung der Fig. 2 erläutert.

Bei dieser Schaltung weist eine Ionisationskammer 40 Elektroden in Form einander paralleler Tellerscheiben 41 und 4έ auf. Die eine metallische, kreisförmige Tellerscheibe 41 trägt in ihrer Mitte eine ionisierende Substanz 44, die oC-Teilchen mit einer Aktivität von einigen Mikrocuries aussendet. Sie ist koaxial zur zweiten, ähnlichen Tellerscheibe 42 angeordnet, welche von einem metallischen Schutzring 43 umgeben ist, der an Masse gelegt ist und da3 wirksame Volumen der Kammer 40 abgrenzt.

Die Tellerscheibe 42 ist ortsfest und sorgfältig von dem Ring 43 und von Masse isoliert. Der Abstand d zwischen

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den beiden Tellerscheiben 41 und 42 ist durch eine Koaxialverschiebung der Scheibe 41 relativ zur Scheibe 42 veränderbar.

Ein fester und stabiler lastwiderstand 45 von sehr hohem Wert, beispielsweise 10 -^h ist inzwischen die Scheibe 42 und Masse eingeschaltet, während die gesamte Anordnung an eine stabilisierte Spannungsquelle 3 mit der Spannung V angeschlossen ist.

Der positive Anschluß der Quelle 3.ist mit der Scheibe 41 verbunden, während der negative Anschluß an die gemeinsame Masse der Schaltung geführt ist.

Aufgrund der ionisierenden Wirkung der Substanz 44 wird der Widerstand 45 von dem folgenden Strom durchflossen:

T —

^R40 ^{+ R}45

Dabei ist R,_Q der innere Widerstand der Kammer 40 unter den gegebenen physikalischen Bedingungen, während R^c der Wert des Widerstandes 45 ist.

Demgemäß fällt über dem Widerstand 45 folgende Spannung ab;

^R45

U = IR₄₅ = V-

^R40 ^{+ R}

40 ^{+ R}45

Dieser Spannungsabfall wird im wesentlichen durch die Änderungen des inneren Widerstandes R₄₀ der Kammer 40 bestimmt.

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Falls man, ausgehend von einem sehr kleinen Abstand d . zwischen den beiden Tellerscheiben 41 und 42 von beispielsweise einem Zehntel Millimeter, bei konstanten Werten für Temperatur, barometrischen Druck und Feuchtigkeit den Abstand d allmählich vergrößert und nacheinander die bei jedem Wert von d auftretenden Werte von TJ mißt, erhält man die Kurve von Figo 3, in der auf der Abszisse der Abstsnd d in Millimetern und auf der Ordinante die Spannung U in Volt, die am Widerstand 45 abfällt, aufgetragen ist.

Aus dem Verlauf der dargestellten Kurve ist ersichtlich, daß der innere Widerstand R,_Q zwischen den Punkten P und Q proportianal zu d abnimmt und bei Q ein Minimum erreicht. Vom Punkt Q ab neigt sich die Kurve und strebt gegen Null, was im wesentlichen auf die mit wachsendem Abstand d zunehmende Rekombination der Ionen zurückzuführen ist. Diese wird durch folgende Vorgänge stark begünstigt:

a) durch die aufgrund von Anlagerung von -Elektronen bewirkte Bildung von negativen Ionen, da unter den obigen Bedingungen (d ist sehr groß) der Energieüberschuß des elektronenpositiven Ionensystems sehr gering ist,

b) durch den Einfluß der neutralen Gasmoleküle, die an der sogenannten Dreikörper-Reaktion teilnehmen, welche gemäß der folgenden Gleichung abläuft:

X⁺ + Y" + Z > XY + Z

wobei Z das jeweils betrachtete neutrale Molekül ist.

Die Anwesenheit von Z bedeutet, daß die auf obiger Reaktion beruhenden Rekombinationseffekte von dem Druck abhängigen«und. . ' umso /~ ..Jausgeprägter sind, je höher der Druck ist.

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Diese Druckerhöhung, falls sie bei Werten von d stattfindet, die zwischen den Punkten B und C auf der Abszissenachse liegen, entspricht außerdem einer Erhöhung des V/ertes der Dielektrizitätskonstanten zwischen den Platten des von den Tellerscheiben 41 und 42 gebildeten Kondensators, woraus resultiert, daß die Spannung an den Klemmen dieser Kondensatorplatten absinkt.

Die beiden letztgenannten Einflüsse, nämlich der Dreikörper-Effekt und die Zunahme der Dielektrizitätskonstanten des Mediums sind kumulativ. Dies hat zur Folge, daß Änderungen des inneren Widerstandes aufgrund von Druckänderungen viel stärker als die von Änderungen der Konzentration oder der chemischen Natur der Gase des Umgebungsmediums herrührenden Widerstandsänderungen sind.

Man kann die beiden Ionisationskammern daher wie in Pig. 4 gezeigt ausbilden und anordnen. Die Kammer 1 ist auf einen erhöhten Rekombinationsgrad eingestellt, wie es oben dargelegt worden ist. Die Kammer 2 ist wie zuvor eine übliche Ionisationskammer von zylindrischer Ausbildung mit Mittelelektrode, die durch eine ionisierende Quelle angeregt wird, welche aktiver als diejenige der Kammer 1 ist. Beiden Kammern sind zur Umgebung hin offen und in einer gemeinsamen Umfassung 46 untergebracht, welche mit zwei Penstern 47 und versehen ist, deren mittlere horizontale Ebene jeweils mit der mittleren Ebene der Kammern 1 und 2 zusammenfällt.. Im übrigen entspricht die Schaltung der in Pig. 1 gezeigten Schaltung.

Die beiden Kammern sind beide in gleicher Weise dem Einfluß des umgebenden Mediums ausgesetzt. Sie sind gemeinsam abgeschirmt, falls die Umfassung 46 metallisch ist und wie dargestellt an Masse gelegt ist.

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Demzufolge wird die Kammer 2, bei der die Rekombinationsverluste auf ein minimales Maß beschränkt sind,viel empfindlicher auf Änderungen der Konzentration in den Gasgemischen oder der chemischen Natur derselben reagieren als die Kammer 1

Es ist somit ein System mit zwei Ionisationskammern geschaffen, bei dem eine der Kammern äußerst empfindlich auf die Änderungen des durch die Gase auf die Wände ausgeübten Druckes und auf andere Störeinflüsse reagiert, während die andere Kammer zugleich sehr empfindlich auf die Änderungen, die in der chemischen Natur des Umgebungsmediums oder in dem Konzentrationsgrad desselben liegen, und auf die äußeren physikalischen Einflüsse anspricht.

Wenn der Abstand der Tellerscheiben der Kammer 1 derart eingestellt wird, daß die Änderungen des inneren Widerstandes der Kammer unter dem Einfluß des Druckes, der Temperatur öder der Turbulenz gleich den Änderungen des inneren ?/iderstandes der Kammer 2 für die gleichen Faktoren sind, werden sich die Wirkungen gegenseitig aufheben, so daß diese Änderungen also nicht das Potential des Punktes 4- beeinflussen und somit auch nicht die Polarisation des Feldeffekttransistors verändern.

Demgegenüber beeinflussen die geringen Änderungen des inneren Widerstandes der Kammer 1 in Abhängigkeit von der chemischen Natur oder der Konzentration des Umgebungsmediums nur sehr wenig die an den Ausgangsklemmen der Kammer 2 auftretende Spannung.

Das Potential an dem Punkt 4, d.h. das an die Steuerelektrode 8 des Feldeffekttransistors 9 angelegte Potential, wird somit nur durch die chemische Natur oder die Konzentration des gasförmigen Mediums beeinflußt. Das beschriebene Gerät ist also zum Aufbau einer Nachweisschaltung für Gase,

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Dämpfe und Rauch geeignet, die genau auskompensiert bzw. sogar überkompensiert werden kann, was die unerwünschte Wirkung der äußerem physikalischen Einflüsse anbelangt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen in tatsächlichler Größe die äußere und die innere Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der beiden, zu dem sie umgebenden Medium hin offenen Ionisotionskammern. Die Umfassung 46 mit den Fenstern 47 und ■ 48 ist als Gehäuse für die beiden Kammern ausgebildet, wobei die den beiden Kammern gegenüberliegenden Fenster mit einem metallischen Schutzgitter 49 versehen sind. Außer den Fenstern ist auch das untere Ende 50 des Gehäuses 46 für den Eintritteines Gases offen. Das andere Ende des Gehäuses ist als Sockel 51 ausgebildet, welcher die Anschlußstifte trägt.

Die Kammer 2 ist zylindrisch und besitzt eine Mittelelektro'de 57. Die zylindrische Elektrode 60 ist mit Bohrungen versehen, um den Eintritt von Gas in die Kammer zu ermöglichen. Die Mittelelektrode 57 ist kugelförmig und ist mittels einer Mutter 59 und einer Isolierscheibe 56 an einen Stützring 58 befestigt. '

Die Kammer 1 weist als Elektroden die zwei einander parallelen Tellerscheiben 5 und 6 mit geringen Abmessungen auf, deren gegenseitiger Abstand mittels einer Stellschraube 52 nach dem Lösen einer Sicherungsschraube 55 einstellbar ist·. Die Einstellvorrichtung wird durch Stützen 54 getragen. Die Tellerscheibe 6 ist mit der "Mittelelektrode 57 verbunden und mit einer'Anschlußklemme 55 versehen,die dem Anschluß 4 in Fig. 4 entspricht. Die radioaktive Substanz ist in der Mitte einer der beiden Scheiben, im vorliegenden Falle in der Mitte der Tellerscheibe 5» angeordnet. Die Tellerscheibe 5 wird durch koaxiale Verschiebung auf einen solchen Abstand zur Scheibe 6 eingestellt, daß eine Kammer mit erhöhtem Rekombinationsgrad gebildet ist, wie es weiter oben erläutert

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wurde.

Die durch das Gerät erzeugten Signale können, gegebenenfalls nach Verstärkung und Einschaltung von Relais, dazu dienen, Warnsysteme auszulösen. Insbesondere können mit den Signalen Fernsteuerungssysteme angesteuert werden. Ein besonders interessanter Fall ist die Verwendung zur Frühwarnung vor Y/aldbränden, wobei Kabel durch irgendein Ereignis zerstört werden könnten oder wo das Installieren von leitungen zu kostspielig oder unmöglich sein würde. In einem solchen Falle wird man das erfindungsgemäße Gerät mit einem Sender koppeln, der verschlüsselte Radiowellen aussendet, wobei aus der Verschlüsselung der Ursprung der Meldung erkennbar ist.

Patentansprüche»

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien anhand ihrer Ionisation mit zwei in einer Spannungsteilerschaltung betriebenen Ionisationskammern, welche jeweils zwei Elektroden und eine ionisierende Strahlungsquelle aufweisen und von denen die eine als zum umgebenden Medium hin offene Meßkammer und die andere als Referenzkammer arbeitet, dadurch gekennzeichnet , daß die Referenzkammer (1) eine ungesättigte Ionisationskammer ist, deren Inneres in direkter Verbindung mit dem umgebenden Medium steht (über 47) und deren Elektrodenabstand (5» 6) größer als derjenige der Meßkammer (2) derart ist, daß die Referenzkammer in einem Kennlinienbereich mit erhöhter Rekombination der Ionen arbeitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden der Referenzkammer als zwei zueinander parallele Tellerscheiben mit relativ kleinen Abmessungen ausgebildet sind, deren gegenseitiger Abstand durch koaxiale Verschiebung einer der beiden Scheiben einstellbar ist, wobei eine der Scheiben eine geringe Menge einer radioaktiven Substanz trägt, deren Aktivität geringer als die Aktivität der Strahlungsquelle in der Meßkammer ist.

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Unterlagen (Art 711 Ab·, 2 Nr. 1

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