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Ionisations-Rauchmelder
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionisations-Rauchmelder mit einer
Ionisationskammer, zwei in der Ionisationskammer angeordneten, verschieden großen
Hauptelektroden, einer zwischen den Hauptelektroden in größerer Nähe zu der kleineren
Hauptelektrode angeordneten, eine mittige Öffnung aufweisenden, im Ubrigen strahlungs-
und luftundurchlässigen Meßelektrode und einer an die Meßelektrode angeschlossenen,
bei mindestens einem Schwellenwert der Spannung zwischen der Meßelektrode und einer
Hauptelektrode ein Meldesignal erzeugenden Schaltungsanordnung, wobei die Meßelektrode
die Ionisationskammer in eine Meßkammer und eine dieser gegenüber wesentlich kleinere
Referenzkammer
unterteilt, eine die Referenzkammer und durch die
öffnung der Meßelektrode hindurch die Meßkammer ionisierende radioaktive Strahlungsquelle
auf der kleineren Hauptelektrode in Abstand von der Meßelektrode angeordnet ist,
die Meßkammer der Umgebungsluft zugänglich ist und die Referenzkammer zur Meßkammer
hin zum Eintritt von Umgebungsluft offen ist.
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Ein derartiger Rauchmelder ist bekannt (CH-PS 506 149). Hierbei ist
die Meßelektrode über isolierende Abstandhalter auf einer Schaltungsplatine getragen,
an der auch die kleinere Hauptelektrode befestigt ist. Ein Luftzug, der durch die
aus einem Sieb bestehende, haubenförmige größere Hauptelektrode hindurch in die
Ionisationskammer eintritt, kann daher unmittelbar auch die Referenzkammer durchströmen,
wodurch die in der Referenzkammer auf der kleineren Hauptelektrode angeordnete Strahlungsquelle
bei längerem Betrieb einer starken Verschmutzung ausgesetzt ist. Wegen der unterschiedlichen
Größen von Meß- und Referenzkammer1 des hieraus bedingten unterschiedlichen elektrischen
Verhaltens beider Kammern und der hieraus folgenden unterschiedlichen Auswirkungen
einer Abnahme der radioaktiven Strahlung bei Verstaubung der Strahlungsquelle kann
die Verstaubung zu einer Verschiebung des Ruhepotentials der Meßelektrode führen,
wodurch fälschlich ein Meldesignal erzeugt werden kann. Weiter ist die Öffnung in
der Meßelektrode ein kleines Loch, durch das ein geringer Anteil der Strahlung der
Strahlungsquelle in die Meßkammer gelangt, wodurch bereits eine geringe, den wirksamen
Durchtrittsquerschnitt dieses Loches verringernde Verstaubung zu einer relativ großen
Abnahme der in die Meßkammer gelangenden Strahlung führt, wodurch deren elektrisches
Verhalten geändert wird.Dis kann wiederum dazu führen, daß fälschlich ein Meldesignal
erzeugt wird,oder die Empfindlichkeit des Rauchmelders kann im Brandfalle
in
unerwünschter Weise herabgesetzt sein. Eine Vergrößerung der oeffnung der Meßelektrode
bei dem bekannten Rauchmelder muß dem Fachmann unzweckmäßig erscheinen, da dann
die Strahlungsquelle noch stärker einer Verstaubung zugänglich ist.
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Aus dem gleichen Zusammenhang ist auch ein Rauchmelder bekannt, bei
dem die Referenzkammer mit der Meßkammer ausschließlich über die Öffnung der Meßelektrode
in Verbindung steht, da die Meßelektrode als zylindrischer, topf- oder trommelförmiger
Hohlkörper ausgebildet ist, der die Referenzkammer umgibt. Hierbei ist die in der
Referenzkammer liegende Hauptelektrode als ein sich axial erstreckender Stab ausgebildet,
dessen freies Ende in der Bbene der Meßelektrode innerhalb von deren Öffnung liegt,
und die Strahlungsquelle ist auf diesem Stabende innerhalb der Öffnung getragen,
so daß der größere Anteil ihrer Strahlung in die Meßkammer, der kleinere in die
Referenzkammer hineinfällt.
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Hierbei ist die Strahlungsquelle unmittelbar der in der Meßkammer
strömenden Umgebungsluft und damit einer starken Verstaubung ausgesetzt, wodurch
wieder wegen der ungleichmäßigen Auswirkungen auf Referenz- und Meßkammer eine unbeabsichtigte
Meldung oder eine Verringerung der Empfindlichkeit die Folge sein kann.
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Es sind auch Rauchmelder mit miteinander in Verbindung stehender Meß-
und Referenzkammer bekannt (DT-PS 720 180, DT-OS 1 964 669, DT-OS 2 054 717), wobei
die Meßelektrode als ein für Strahlung und Umgebungsluft durchlässiges Sieb ausgebildet
ist. Bei derartigen Rauchmeldern führen Fabrikationstoleranzen des Materials der
Meßelektrode dazu, daß zum Ausgleich unterschiedlich starker lonisierung von Meß-
und Referenzkammer bei jedem einzelnen hergestellten Melder eine genaue Justierung
erforderlich ist. Weiter neigt die luftdurchlässige Meßelektrode im Laufe des Betriebs
dazu,
Staubablagerungen aufzunehmen, wodurch der ggf. erforderliche
Durchtritt weiterer Luft behindert wird und ebenfalls beim Auftreten von Rauchpartikeln
ein unterschiedliches elektrisches Verhalten gegenüber dem ursprünglich vorausgesetzten
Verhalten auftritt. Vor allem aber ist nachteilig, daß auf der Meßelektrode abgesetzte
Staubpartikel die durch die Meßelektrode hindurchfällende Strahlung schwächen, wodurch
wieder die Ionisation in Meß- und Referenzkammer unterschiedlich wird, was ein fälschliches
Meldesignal zur Folge haben kann oder die Empfindlichkeit des Melders verschichtert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rauchmelder der eingangs
genannten Art in konstruktiv einfacher Weise so weiterzubilden, daß er gegen Staubablagerungen
unempfindlicher ist.
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Die Aufgabe wird gemäß Erfindung bei einem Rauchmelder der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß die Referenzkammer mit der Meßkammer ausschließlich
über die Öffnung der Meßelektrode in Verbindung steht und daß diese Öffnung so groß
bemessen ist, daß 80 % bis 95 %, vorzugsweise 90 % der Strahlung der Strahlungsquelle
in die Meßkammer gelangt.
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Bei dem Rauchmelder gemäß der Erfindung ist die Meßkammer außer über
die öffnung in der Meßelektrode keinen Luftströmungen zugänglich, so daß die im
Abstand hinter der Öffnung der Meßelektrode in der Referenzkammer liegende Strahlungsquelle
weitgehend gegen eine Verstaubung geschützt ist, obwohl die Öffnung, um einen großen
Anteil der Strahlung der Strahlungsquelle in die Meßkammer durchzulassen, relativ
groß ist. Obwohl man aber meinen könnte, daß die relativ großen Abmessungen der
Öffnung eine Verstaubung der Strahlungsquelle und damit eine fälschliche Meldung
oder eine Herabsetzung der Empfindlichkeit des Melders
begünstigen
könnte, ist das Gegenteil der Fall; durch die relativ großen Abmessungen der Öffnung
hat eine Verstaubung des Innenrandes der Öffnung praktisch keinen Einfluß auf die
Verteilung der Strahlung zwischen Referenz- und Meßkammer, so daß eine noch in geringem
Maße auftretende Verstaubung der Strahlungsquelle ohne merkliche Änderung des Ansprechschwellenwertes
und der Empfindlichkeit des Melders hingenommen werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert,
in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Rauchmelder gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung, teilweise im Querschnitt; Fig. 2 ein Schaubild zur Erläuterung der
Wirkungsweise des Melders gemäß Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt einen Rauchmelder gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung. Er weist einen radialsymmetrischen Aufbau auf, um bei beliebiger radialer
Anströmrichtung der Umgebungsluft stets gleiche Empfindlichkeit zu gewährleisten.
An einem zweiteiligen isolierenden, einen Innenraum 10 aufweisenden Sockel 12 ist
zentrisch und vorzugsweise axial verstellbar eine im folgenden als Innenelektrode
bezeichnete, relativ kleine Hauptelektrode 14 gehalten. Koaxial und in Abstand zu
dieser ist eine weitere Hauptelektrode, die Außenelektrode 16, angebracht. Die Außenelektrode
16 weist einen senkrecht zur Achsrichtung des Melders und parallel zur Innenelektrode
14 liegenden, kreisscheibenförmigen Boden 18 und eine zylindrische, sich vom Boden
18 annähernd bis zur Ebene der Innenelektrode 14 erstreckende Außenwand 20 auf,
deren Innenseiten den aktiven Bereich der Außenelektrode 16 bilden. An den dem Sockel
12 zugewandten Rand der Außenwand 20 schließt sich radial nach außen ein kreisringförmiger
Flansch 22 an, in dem eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen 24 für die Umgebungsluft
gebildet sind, und an den Außenrand des Flansches 22 schließt weiter ein zylindrischer,
sich zum Sockel 12 erstreckender Wandteil 26 an. Die Eintrittsöffnungen 24 sind
auf der Innenseite der Außenelektrode 16 mit einem luftdurchlässigen Meta gitter
28 abgedeckt.
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Sockel 12 und Außenelektrode 16 umschließen eine Ionisationskammer,
deren aktiver Bereich vom Boden 18 und der Außenwand 20 der Außenelektrode 16 umschlossen
ist und von einem radioaktiven Strahler 30 ionisiert wird.
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Der Strahler 30 ist auf der der Außenelektrode 16 zugewandten
Seite
der Innenelektrode 14 in deren Mitte angebracht und hat beispielsweise die Form
eines langgestreckten Bändchen mit einer Länge von 12 mm, das an seinen beiden Enden
von radioaktivem Material freie Befestigungsstellen aufweist, so daß die effektive
Länge 9 mm beträgt. Es hat sich gezeigt, daß eine relativ geringe Aktivität des
Strahlers 30 ausreichend ist; die Aktivität liegt zweckmäßig unter 0,1 Mikrocurie
und vorzugsweise bei zumindest annähernd 0,02 Mikrocurie.
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Zwischen Innenelektrode 14 und Außenelektrode 16 ist eine Meßelektrode
32 angeordnet. Sie hat eine annähernd zylindrisch-becherförmige Gestalt, umgibt
die Innenelektrode 14 in einem Abstand und sitzt mit ihrer offenen Stirnseite auf
dem Isolator 12 auf. Die Meßelektrode 32 besteht aus einem becherförmigen Innenteil
34 mit kugelkalottenförmig-konkaver Stirnseite 36 sowie aus einem zylindrischen
Außenteil 38, dessen eines Ende über die Stirnseite 36 hinaus als ein Rand 40 auf
den Boden 18 der Außenelektrode 16 hin vorsteht. Die hierdurch in der Meßelektrode
32 gebildete Vertiefung 42 vermindert den unerwünschten Einfluß höherer Geschwindigkeiten
der Umgebungsluft auf die Empfindlichkeit des Melders.
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Die Meßelektrode 32 unterteilt die Ionisationskammer in eine zwischen
Meßelektrode 32 und aktivem Bereich der Außenelektrode 16 liegende Meßkammer 44
und eine zwischen Meßelektrode 32 und Innenelektrode 14 liegende Referenzkammer
46. Während die Referenzkammer 46 unmittelbar durch den Strahler 30 ionisiert wird,
gelangt radioaktive Strahlung des Strahlers 30 durch eine kreisrunde Öffnung 48
in der Stirnseite 36 der
Meßelektrode 32 hindurch in die Meßkammer
44. Der Strahlungskegel 50 des Strahlers 30 in der Referenzkammer sowie der durch
die als Strahlungsblende wirkende Öffnung 48 begrenzte, in die Meßkammer 44 fallende
Strahlungskegel 52 sind in der Zeichnung angedeutet. Die Öffnung 48 ist so groß
bemessen, daß 80 ffi bis 95 %, vorzugsweise 90 %, der Strahlung des Strahlers 30
in die MeB-kammer 44 gelangt. Bei der erwähnten bandförmigen Ausbildung des Strahlers
30 wird dies erreicht, indem bei kreisrunder Ausführung der Öffnung 48 deren Durchmesser
um annähernd 20 % größer als die effektive Länge des Bandes gewählt wird. Es hat
sich als zweckmäßig erwiesen, unter Berücksichtigung der Größe der Öffnung 48 die
Fläche der Innenelektrode 14 so klein zu wählen, daß annähernd 70 % der zwischen
Innenelektrode 14 und Außenelektrode 16 verlaufenden elektrischen Feldlinien von
der als Xquipotentialflache wirkenden Meßelektrode 32 geschnitten werden. Auch aus
im folgenden noch zu erläuternden Gründen sollte die der Außenelektrode 16 zugekehrte
Fläche der Innenelektrode 14 höchstens 1/5 der aktiven Fläche der Außenelektrode,
also der Innenflächen von Boden 18 und Außenwand 20, betragen.
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Die Innenelektrode 14 ist an den negativen Pol, die Außenelektrode
18 an den positiven Pol einer nicht gezeigten Spannungsquelle angeschlossen. Hierdurch
herrscht zwischen Innenelektrode 14 und AuBenelektrode 16 ein elektrisches Feld.
Wegen der stark unterschiedlichen Größen von Innenelektrode 14 und aktivem Bereich
der Außenelektrode 16 herrscht in deren jeweiliger Umgebung eine stark unterschiedliche
elektrische Feldstärke. Die Meßelektrode 32 liegt mit der Stirnseite 36 ihres Innenteils
34 wesentlich
näher an der Innenelektrode 14 als mit dem Rand
40 ihres Außenteils 38 am Boden 18 der Außenelektrode 16 und nimmt daher ein Potential
an, das näher am Potential der Innenelektrode 14 als am Potential der Außenelektrode
16 liegt.
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Fig. 2 zeigt den Potentialverlauf als gegenüber der Innenelektrode
14 gemessene Spannung u zwischen dem Ort x14 der Innenelektrode 14 und dem Ort x16
der Außenelektrode 16 entlang der Achse des Melders bei einer Speisespannung von
12 V. Die Kurve A gibt den Potentialverlauf im Ruhezustand wieder, d.h. bei Abwesenheit
von Brandaerosolen in der Umgebungsluft und damit in Meßkammer 44 und Referenzkammer
46.
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Aufgrund der größeren elektrischen Feldstärke in der Umgebung der
Innenelektrode 14 hat trotz der geringeren Ionendichte in der Referenzkammer 46
die mit der Stirnseite 36 am Ort x32 befindliche Meßelektrode 32 ein Potential,
das stärker von demjenigen der Innenelektrode 14 abweicht, als es bei linearer Potentialverteilung
in der Ionisationskammer zu erwarten wärei die Ruhespannung zwischen Meßelektrode
32 und Innenelektrode 14 beträgt bei dem Ausführungsbeispiel, wie aus Fig. 2 hervorgeht,
4 V.
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Beim Eintritt von Rauch in Meßkammer 44 und Referenzkammer 46 lagern
sich die Rauchaerosolpartikel an die von der radioaktiven Strahlung erzeugten Ionen
an, verringern deren Beweglichkeit und haben daher die Wirkung, daß die Ionisationskammer
hochohmiger wird.
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Diese Wirkung ist jedoch in Meßkammer 44 und Referenzkammer 46 stark
unterschiedlich. Da nur etwa 10 ffi der Strahlung des Strahlers 30 in der Referenzkammer
46 zur Erzeugung von Ionen zur Verfügung steht,
so daß in dieser
eine relativ geringe lonendichte herrscht, und da weiter in der Referenzkammer 46
eine hohe Feldstärke herrscht, finden in dieser relativ wenige Anlagerungsvorgänge
zwischen Ionen und Rauchpartikeln statt, so daß sich der Widerstand der Referenzkammer
46 nur unwesentlich oder praktisch nicht verändert. Dagegen herrscht in der Meßkammer
44 sowohl eine niedrige elektrische Feldstärke als auch eine größere Ionendichte,
wodurch die Anlagerungswahrscheinli chkeit gegenüber der Referenzkammer 46 wesentlich
höher ist und der Eintritt von Rauchpartikeln zu einer starken Widerstandsvergrößerung
führt. Hierdurch ergibt sich der in Fig. 2 durch die Kurve B wiedergegebene Potentialverlauf.
Dieser hat ein starkes Absinken der Spannung der Meßelektrode 32 gegenüber der Innenelektrode
14 zur Folge, was zur Erzeugung eines Meldesignals ausgenutzt wird.
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Die Schaltung zur Erzeugung eines Meldesignals ist im Raum 10 des
Isolators 12 untergebracht und in Fig. 1 zur Verdeutlichung oberhalb der mechanischen
Teile des Melders dargestellt. Die Schaltungsanordnung weist einen Eingangs-Feldeffekttransistor
54 auf, an dessen Steuerelektrode G die Meßelektrode 32 angeschlossen ist. Die Quellenelektrode
S liegt am Verbindungspunkt zweier Widerstände 56, 58, die als Spannungsteiler an
die Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und deren Widerstandswerte so gewählt
sind, daß das Potential der Quellenelektrode S im Ruhezustand gleich demjenigen
der Steuerelektrode G ist. Der Feldeffekttransistor 54 ist vom selbstleitenden Verarmungstyp
und daher im Ruhezustand leitend.
Die Verwendung eines derartigen
MOS-Feldeffekttransistors hat den Vorteil, daß nicht nur der Eingangswiderstand
der Schaltungsanordnung sehr hoch ist, sondern daß auch im Ruhezustand kein Reststrom
von der Meßelektrode 42 zu der Schaltungsanordnung fließt, wodurch ausgeschlossen
wird, daß hierdurch die Potentialverteilung in der Ionisationskammer gestört wird.
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Die Abflußelektrode D des Feldeffekttransistors 54 ist über einen
Lastwiderstand 60 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden, und die am
Lastwiderstand 60 abfallende Spannung steuert einen elektronischen Schalter 62.
Wenn sich beim Eintritt von Rauch in die Ionisationskammer das Potential der Meßelektrode
32 zu demjenigen der Innenelektrode 14 hin verschiebt, wird beim Uberschreiten eines
Schwellenwertes der Rauchdichte der Feldeffekttransistor 54 in einem Maße weniger
stark leitend, daß der nunmehr verringerte Spannungsabfall am Lastwiderstand 60
ausreicht, um das Schließen des Schalters 62 zu bewirken.
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Der sich dann über den Schalter 62 ergebende Stromfluß dient als Meldesignal,
das beispielsweise in einer entfernt angeordneten Zentrale einen Alarm auslösen
kann.
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Allgemein sollte der Spannungsunterschied zwischen Meßelektrode 32
und Innenelektrode 14 im Ruhezustand annähernd 30 ffi der zwischen Innenelektrode
14 und Außenelektrode 16 liegenden Gleichspannung betragen.
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Dieser Wert kann vor allem durch den Abstand zwischen Innenelektrode
14 und Meßelektrode 32 beeinflußt werden, wosu, wie bereits erwähnt, die Innenelektrode
14 in ihrer axialen Stellung einstellbar gemacht werden
kann. Die
Abwesenheit eines Reststromes von der Meßelektrode 32 zum Feldeffekttransistor 54
im Ruhe zu stand hat außer der Vermeidung einer Potentialverzerrung den weiteren
Vorteil, daß der Einfluß von Klimaveränderungen auf den MeLder weitgehend vermieden
wird, da ein solcher Reststrom temperaturabhängig und wegen seiner Abhängigkeit
von dem Isolationswiderstand des Feldeffekttransistors 54 auch durch Feuchtigkeitsniederschläge
und Staub beeinflußbar wäre.
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Als radioaktive Strahl er 30 können auch andere Ausführungsformen
als die erwähnte bändchenförmige 3auart Verwendung finden. Im allgemeinen ist die
Verwendung von Alphastrahlern am günstigsten. Aus Sicherheitsgründen kann die Reichweite
der Strahlung so gewählt werden, daß praktisch keine radioaktive Strahlung den Boden
18 der Außenelektrode 16 nach außen durchdringt.
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L e e r s e i t e