DE1548623B2

DE1548623B2 - Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien

Info

Publication number: DE1548623B2
Application number: DE1548623A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: APPLIC ELECTRONIQUES ETS
Current assignee: APPLIC ELECTRONIQUES ETS
Priority date: 1965-03-11
Filing date: 1966-03-10
Publication date: 1973-11-29
Also published as: NL6603172A; DE1548623A1; LU50399A1; CH453751A; GB1088976A; CH464572A; LU48167A1; SE311092B; US3448261A; GB1088977A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien an Hand 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 mit dem umgebenden Medium in Verbindung stehende 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.

Die Referenzkammer ist üblicherweise hermetisch abgeschlossen, während die Meßkammer 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 Feuchtigkeitsänderungen, insbesondere von Druckänderungen ab- hängig. Die hermetisch abgeschlossene Referenzkammer kann solche Änderungen nicht kompensieren, so daß die spannungsempfindliche Schaltung nicht nur auf die interessierende Änderungen der Zusammensetzung, sondern auch auf die nicht interessierenden anderen Einflüsse anspricht.

Es ist bereits eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der deshalb die Referenzkammer nicht hermetisch abgeschlossen ist, sondern durch enge Diffusionsspalten mit dem umgebenden Medium in Verbindung steht. 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 nicht interessierenden 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. 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 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die zwischen interessierenden und nicht interessierenden 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 in gleicher Weise wie die Meßkammer zum umgebenden Medium hin offen ist und der Abstand ihrer Elektroden derart gewählt ist, daß die Referenzkammer in einem Kennlinienbereich mit erhöhter Rekombination der Ionen und somit im ungesättigten Zustand 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. 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 nicht interessierenden 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 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.

3 4

Bei der bevorzugten Ausbildungsform der Referenz- effekttransistor-Kennlinie liegt. Veränderungen des kammer weist diese als Elektroden zwei zueinander umgebenden Mediums, z. B. der Luft, führen zu Verparallele Tellerscheiben mit relativ kleinen Abmes- änderungen des Potentials am Punkt 4 bzw. an der sungen auf, deren gegenseitiger Abstand durch ko- Steuerelektrode 8 und damit zu Veränderungen des axiale Verschiebung einer der beiden Tellerscheiben 5 mit dem Instrument 11 angezeigten Stromes. Das einstellbar ist; eine der beiden Tellerscheiben trägt Potential am Punkt 4 erhöht sich, wenn der Druck eine geringe Menge einer radioaktiven Substanz, oder die Dichte des umgebenden Mediums ansteigen, deren Aktivität geringer als die Aktivität der Strah- und es fällt, wenn der Druck oder die Dichte des lungsquelle in der Meßkammer ist. Durch entspre- umgebenden Mediums kleiner wird,
chende Einstellung des Abstandes zwischen den bei- io Um z. B. die nicht interessierenden Druckschwanden Tellerscheiben läßt sich die Empfindlichkeit der kungen kompensieren zu können, steht auch die Re-Referenzkammer einstellen, so daß eine genaue ferenzkammer mit dem umgebenden Medium in di-Kompensation der nicht interessierenden Einflüsse rekter Verbindung, arbeitet jedoch, um die interbewirkt werden kann. Für besondere Fälle läßt sich essierenden Änderungen in der Zusammensetzung aber durch entsprechende Abstandseinstellung auch 15 des umgebenden Mediums wirksam werden zu laseine Über- oder Unterkompensation z. B. der Druck- sen, mit hoher Ionen-Rekombination. Diese Wireinflüsse erreichen. kungsweise ist an Hand der Schaltung der F i g. 2 er-

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schema- läutert.

tischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher Bei dieser Schaltung weist eine Ionisationskammer

erläutert. Es zeigt 20 40 Elektroden in Form einander paralleler Teller-

F i g. 1 das Prinzipschaltbild einer Einrichtung zum scheiben 41 und 42 auf. Die eine metallische, kreis-

Untersuchen von gasförmigen Medien, bei der jedoch förmige Tellerscheibe 41 trägt in ihrer Mitte eine

eine hermetisch abgeschlossene Referenzkammer ver- ionisierende Substanz 44, die α-Teilchen mit einer

wendet ist, Aktivität von einigen Mikrocurie aussendet. Sie ist

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläute- 25 koaxial zur zweiten, ähnlichen Tellerscheibe 42 an-

rung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ein- geordnet, welche von einem metallischen Schutzring

richtung, 43 umgeben ist, der an Masse gelegt ist und das wirk-

F i g. 3 eine mit der Anordnung von F i g. 2 erhal- same Volumen der Kammer 40 abgrenzt,

tene Meßkurve, Die Tellerscheibe 42 ist ortsfest und sorgfältig

F i g. 4 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungs- 30 von dem Ring 43 und von Masse isoliert. Der Ab-

beispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung, stand d zwischen den beiden Tellerscheiben 41 und

Fig. 5 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels 42 ist durch eine Koaxialverschiebung der Teller-

der erfindungsgemäßen Einrichtung, scheibe 41 relativ zur Tellerscheibe 42 veränderbar.

F i g. 6 einen Schnitt durch ein Ausführungsbei- Ein fester und stabiler Lastwiderstand 45 von sehr

spiel der erfindungsgemäßen Einrichtung. 35 hohem Wert, beispielsweise ΙΟ¹⁰ Ω, ist zwischen die

Bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung sind zwei Tellerscheibe 42 und Masse eingeschaltet, während Ionisationskammern, eine Referenzkammer 1 und die gesamte Anordnung an die stabilisierte Spaneine Meßkammer 2 in Serie an eine stabilisierte Span- nungsquelle 3 mit der Spannung V angeschlossen ist. nungsquelle 3 angeschlossen. Der Verbindungspunkt 4 Der positive Anschluß der Spannungsquelle 3 ist zwischen den beiden Ionisationskammern ist mit der 40 mit der Tellerscheibe 41 verbunden, während der Steuerelektrode 8 eines Feldeffekttransistors 9 ver- negative Anschluß an die gemeinsame Masse der bunden, dessen Saugelektrode D über einen Last- Schaltung geführt ist.

widerstand 10 und einen weiteren Widerstand 14 mit Auf Grund der ionisierenden Wirkung der Sub-

dem einen Pol der Spannungsquelle 3 und dessen stanz 44 wird der Widerstand 45 von dem folgenden

Quellelektrode 5 über ein Meßinstrument 11 mit dem 45 Strom durchflossen:
anderen Pol der Spannungsquelle 3 verbunden ist.

Ein Widerstand 12 und ein Widerstand 13 mit nega- , __ V

tivem Temperaturkoeffizient dienen zur Temperatur- ~ R +R
kompensation der Schaltung.

Die Referenzkammer ist hier wie bei den bekann- 50 Dabei ist R₁₀ der innere Widerstand der Kammer

ten Einrichtungen als hermetisch abgeschlossene 40 unter den gegebenen physikalischen Bedingungen,

Kammer ausgebildet und weist zwei Elektroden 5 während i?₄₅ der Wert des Widerstandes 45 ist.

und 6 auf, deren Abstand d mittels einer Stell- Demgemäß fällt über dem Widerstand 45 folgende

schraube 7 veränderbar ist, und zwischen denen eine Spannung ab:
radioaktive Substanz angeordnet ist. 55

Die Meßkammer 2 ist in der üblichen Weise in U=IR — V "^⁴⁵
zylindrischer Form mit einer Mittelelektrode ausge- ⁴⁵ i?₄ + .R₄₅
bildet und ist von einer perforierten Wandung umgeben, so daß das Innere der Kammer mit dem um- Dieser Spannungsabfall wird im wesentlichen gebenden Medium in Verbindung steht. 60 durch die Änderungen des inneren Widerstandes R_i0

Das Potential an der Steuerelektrode 8 des Feld- der Kammer 40 bestimmt.

effekttransistors 9 ist durch das Verhältnis der inne- Falls man, ausgehend von einem sehr kleinen Ab-

ren Widerstände der beiden Ionisationskammern 1 stand d zwischen den beiden Tellerscheiben 41 und

und 2 bestimmt. Der Abstand d zwischen den beiden 42 von beispielsweise einem zehntel Millimeter, bei Elektroden 5 und 6 der Referenzkammer wird auf 65 konstanten Werten für Temperatur, barometrischem

einen solchen Wert eingestellt, daß das Potential an Druck und Feuchtigkeit den Abstand d allmählich

der Steuerelektrode z. B. in der freien und ruhenden vergrößert und nacheinander die bei jedem Wert

Luft in der Mitte des linearen Bereiches der Feld- von d auftretenden Werte von Ό mißt, erhält man

die Kurve von F i g. 3, in der auf der Abszisse der Abstand 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_i0 zwischen den Punkten F und Q proportional 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 zu nehmende Rekombination der Ionen zurückzuführen ist. Diese wird durch folgende Vorgänge stark begünstigt:

a) durch die auf Grund der Anlagerung von Elektronen bewirkte Bildung von negativen Ionen,

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

X⁺ -f 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 um so ausgeprägter sind, je höher der Druck ist.

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 Wertes der Dielektrizitätskonstanten zwischen den Platten des von den Tellerscheiben 41 und 42 gebildeten Kondensators, woraus resultiert, daß die Spannung an den Klemmen dieser Kondensatorplätten 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 auf Grund 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 F i g. 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. Beide Kammern sind zur Umgebung hin offen und in einer gemeinsamen Umfassung 46 untergebracht, welche mit zwei Fenstern 47 und 48 versehen ist, deren mittlere horizontale Ebene jeweils mit der mittleren Ebene der Kammern 1 und 2 zusammenfällt. Im übrigen entspricht die Schaltung der in F i g. 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.

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

ίο 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 oder der Turbulenz gleich den Änderungen des inneren Widerstandes 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 9 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 Punkt4, 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, Dämpfe und Rauch geeignet, die genau auskompensiert bzw. sogar überkompensiert werden kann, was die unerwünschte Wirkung der äußeren physikalischen Einflüsse anbelangt.

Die F i g. 5 und 6 zeigen in tatsächlicher Größe die äußere und die innere Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der beiden zu dem sie umgebenden Medium hin offenen Ionisationskammern. 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 Eintritt eines Gases offen. Das andere Ende des Gehäuses ist als Sockel 51 ausgebildet, welcher die Anschlußstifte trägt.

Die Kammer 2 ist zylindrisch und besitzt eine Mittelelektrode 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 einem 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 53 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 F i g. 4 entspricht. Die radioaktive Substanz ist in der Mitte einer der beiden Tellerscheiben, im vorliegenden Fall in der Mitte der Tellerscheibe 5, angeordnet. Die Tellerscheibe 5

wird durch koaxiale Verschiebung auf einen solchen Abstand zur Tellerscheibe 6 eingestellt, daß eine Kammer mit erhöhtem Rekombinationsgrad gebildet ist, wie es weiter oben erläutert 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 Waldbränden, wobei Kabel durch irgendein Ereignis zerstört werden könnten oder wo das Installieren von Leitungen zu kostspielig oder unmöglich sein würde. In einem solchen Fall wird man das beschriebene Gerät mit einem Sender koppeln, der verschlüsselte Radiowellen aussendet, wobei aus der Verschlüsselung der Ursprung der Meldung erkennbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 548/289

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Untersuchen von gasförmigen Medien an Hand 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 mit dem umgebenden Medium in Verbindung stehende Referenzkammer arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzkammer (1) in gleicher Weise wie die Meßkammer (2) zum umgebenden Medium hin offen ist und der Abstand ihrer Elektroden (5, 6) derart gewählt ist, daß die Referenzkammer (1) in einem Kennlinienbereich mit erhöhter Rekombination der Ionen und somit im ungesättigten Zustand arbeitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Referenzkammer (1) als zwei zueinander parallele Tellerscheiben (5, 6) mit relativ kleinen Abmessungen ausgebildet sind, deren gegenseitiger Abstand durch koaxiale Verschiebungen einer der beiden Tellerscheiben (5) einstellbar ist, und daß eine der beiden Tellerscheiben (5) eine geringe Menge einer radioaktiven Substanz trägt, deren Aktivität geringer als die Aktivität der Strahlungsquelle in der Meßkammer (2) ist.