DE2626779A1

DE2626779A1 - Ionisationsrauchmelder

Info

Publication number: DE2626779A1
Application number: DE19762626779
Authority: DE
Inventors: Otto Meier; Andreas Dr Scheidweiler
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1976-06-15
Publication date: 1977-02-10
Also published as: AU501708B2; CH586941A5; GB1513219A; US4037106A; IT1067375B; ZA764066B; NZ181443A; DE2626779C2; AU1583076A; SE408349B; ATA447276A; CA1041678A; CS192562B2; NO762588L; FR2319168A1; DK143922B; JPS5216294A; NO141578C; SE7607932L; AT355957B

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsrauchmelder mit einem Fühlerelement,bestehend aus einer Mess-Ionisationskammer in Serie mit einem Widerstandselement, und einem an das Fühlerelement angeschlossenen Feldeffekttransistor, dessen Sperrspannung so gewählt ist, dass er leitend wird, wenn die Fühler-Ausgangsspannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

Der Aufbau derartiger Melder ist beispielsweise in den schweizerischen Patenten 486 082, 508 251 oder 551 057 beschrieben.

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An solche Ionisationsrauchmelder werden höchste Anforderungen gestellt. Als Rauchdetektoren sollen sie zu einem möglichst frühen Zeitpunkt die Entstehung eines Brandes melden. Andererseits müssen sie jedoch auch sehr schweren Umgebungsbedingungen standhalten können, d.h. klimatischen Einflüssen, z.B. Temperatur, Wind, Feuchtigkeit, Korrosion usw., sowie elektrischen Einflüssen, z.B. Störungen der Versorgungsspannung.

Ferner werden Anforderungen bezüglich der Oekonomie gestellt, d. h. solche Melder müssen stromsparend arbeiten, damit möglichst viele in den zu schützenden Objekten untergebracht werden können. Schliesslich besteht noch der verständliche Wunsch, dass man auf einfache Weise eine elektrische Kontrolle der Funktionstüchtigkeit durchführen kann.

Eine zufriedenstellende Lösung mit vertretbarem Aufwand ist jedoch ausserordentlich schwierig und konnte bei vorbekannten Ionisationsbrandmeldern nicht im notwendigen Masse erreicht werden.

Es ist zwar bekannt, einen Ionisationsrauchmelder von der Betriebsspannung einigermassen unabhängig zu machen, dadurch, dass man als Widerstandselement eine gesättigte Referenz-Ionisationskammer verwendet. Bei Aenderungen der Betriebsspannung bleibt dann die Mess-Ionisationskammer-Spannung konstant; allerdings besitzen diese Brandmelder den Nachteil* eine starke Temperaturabhängigkeit der

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Mess-Ionisationskammer-Spannung aufzuweisen, und zwar ergibt sich eine annähernd lineare Verschiebung der Alarmschwelle mit der Temperatur.

Dieses Problem wurde dadurch gelöst, dass man symmetrische Ionisationskammern verwendet, bei denen sich die Einflüsse der Umgebungstemperatur gegenseitig ausgleichen, wobei der Brandmelder und seine Alarin schwelle jedoch von· der Betriebsspannung abhängig werden.

Eine weitere Forderung ist es, die Brandmelder stromsparend zu gestalten. Dazu verwendet man in der Regel als erstes elektronisches Element der Auswerte schaltung einen Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode mit dem Verbindungspunkt von Mess-Ionisationskammer und Referenz-Ionisationskammer verbunden ist, und welcher im Normalfall in der gesperrten Stellung betrieben wird. Zu diesem Zweck wird das Source-Potential so gelegt, dass es über der Sperrspannung liegt. Vorbekannte Ionisationsrauchmelder dieser Art hatten jedoch den Nachteil, dass ihre Alarmschwelle sich mit einer Umgebungs· bedingung änderte. Eine gleichzeitige Kompensation aller Umwelteinflüsse scheiterte daran, dass sich die zu diesem Zweck verwendeten Massnahmen zum Teil gegenseitig auschliessen.

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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Ionisationsrauchmelders, welcher gleichzeitig folgende Eigenschaften in sich vereinigt:

1. Wirtschaftlichkeit

2. Unabhängigkeit der Alarmschwelle von der Betriebsspannung

3. Unabhängigkeit der Alarmschwelle von der Umgebungstemperatur in gewissen Grenzen

4. Möglichst geringer Ruhestrom ( "^ 10 μ. A)

5. Einfache elektrische Kontrollmöglichkeiten

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöstj dass eine Einrichtung zur automatischen Regelung des Schwellenwertes vorgesehen ist, welche im Bereich der vorgesehenen Anwendungsgrenzen, den gleichen Temperatur gang aufweist wie das Fühlerelement, und welche somit eingerichtet ist, den Schwellenwert in einem vorgegebenen Temperaturbereich unabhängig von Umgebungstemperatur zu halten,

InderFi'gur ist das Schaltschema eines Ausführungsbeispieles der Erfindung wiedergegeben.

Bei dem in der"Rgur dargestellten Ionisationsrauchmelder ist eine luftzugängliche, ungesättigte Mess-Ionisationskammer MK, deren Ionenstrom also von der Rauchdichte in der Luft abhängig ist, in Serie mit

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einer weitgehend geschlossenen, gesättigten Referenz-Ionisationskammer RK geschaltet. Der Verbindungspunkt beider Ionisationskammern ist mit der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors FET, beispielsweise eines MOS-FET verbunden. In der Source-Strecke dieses Feldeffekttransistors FET ist eine elektrische Schaltung angeordnet, bestehend aus der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors Tl und einem dazu parallel geschalteten,aus den Widerständen Rl und R2 bestehenden Spannungsteiler, wobei die Basis des Transistors Tl mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände Rl und R2 verbunden ist.

Diese elektrische Schaltung, bestehend aus Transistor Tl und den Widerständen Rl und R2, bestimmt die Source-Spannung Ug für den Feldeffekttransistor FET. Diese Spannung Us wird nun so gewählt, dass die Summe von Ug und der Schwellenspannung des Feldeffekttransistors FET etwas grosser ist als der Spannungsabfall Uj^ über der Mess-Ionisationskammer MK im Normalfall, d.h. bei Abwesenheit von Rauch oder Brandaerosol in der Luft. Sobald nun Rauch oder Brandaerosol in die Mess-Ionisationskammer MK eintritt, steigt deren Widerstand an_;und sobald der Spannungsabfall Uj^ die Summe von Source-Spannung und Schwellen-Spannung überschreitet, wird der Feldeffekttransistor FET Leitend, und es fliesst ein Alarmstrom über die Leitungen zu einer nicht dargestellten Zentrale.

Im Drain-Pfad des FET kann auch ein weiterer Widerstand angeordnet sein, durch dessen Spannungsabfall in bekannter Weise eine Schaltein-

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richtung gesteuert wird.

Der Spannungsabfall ϋχ über der Mess-Ionisationskammer_eines solchen Ionisationsrauchmelder ist jedoch_;wie oben erwähnt^von der Umgebungstemperatur abhängig, so dass ein solcher Ionisationsrauchmelder bei der praktischen Verwendung je nach Umgebungstemperatur eine verschiedene Alarmschwelle aufweisen würde. Ein solcher Ionisationsrauchmelder würde also bei einer Temperatur später ansprechen als bei einer anderen Umgebungstemperatur. Um diese in der Praxis äusserst unerwünschte Eigenschaft-zu vermeiden, ist die elektrische Schaltung, welche in Serie zum Feldeffekttransistor FET liegt, nun so ausgebildet, dass sie den gleichen Temperatur-Koeffizienten aufweist wie die Mess-Ionisationskammer MK. Dies wird dadurch erreicht, dass das Verhältnis der Widerstände R2/R1 und somit der Verstärkungsgrad für den Transistor Tl so gewählt wird, dass (Uk - U_s) bei Temperaturänderungen konstant bleibt. Dabei muss natürlich das Widerstandverhältnis genau an den Temperatur-Koeffizienten des Transistors Tl angepasst werden. Gegebenenfalls können zur Unterstützung der Wirkung auch die Widerstände Rl und R2 temperaturabhängig ausgebildet sein, jedoch so, dass die erwähnte Bedingung erfüllt bleibt, d. h. dass (U^ - U_s) unabhängig von der Temperatur bleibt, zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich in der Umgebung der Raumtemperatur oder falls die Ionisationsbrandrnelder zur Verwendung bei extremer Bedingung vorgesehen sind, in der Umgebung der normalen Betriebstemperatur.

Zur Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen kann einer der Widerstände Ri oder R₀ einstellbar sein.

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Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eines Ionisationsrauchmelders mit einem Kammeraufbau gemäss Figur 1 der schweizerischen Patentschrift Nr. 551 057 zeigte sich im Temperaturbereich zwischen -10° und +50° C ein fast linearer Verlauf der Ionisationskammer-Spannung der Art: Upr= Uj<+ßÄT » ^mit einem Temperaturkoeffizienten von ji = — 25 mV/K (mV/Grad). Bei Verwendung eines Silizium-Transistors Tl mit einem Temperatur verlauf der Basis-Emitter-Spannung U_BE= UgE + 00 ^T "mit einem Temperaturkoeffizienten

06 = — 1, 5 mV/K (mV/Grad) wird dann dessen Kollektor-Emitter-Spannung und damit auch die Source-Spannung des FET: 1 ^{+ R}2) (U ' +00 AT).

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Aus der Bedingung ( Uj^; - U^ ) = constans für die Temperaturunabhängigkeit der Alarmschwelle folgt dann für das Wider stands verhältnis: R2/R1 = ((i/oC) — 1. Mit den genannten Zahlenwerten ergibt sich also ein Widerstands verhältnis R2/R1 ⁼ 15» 6 > bei welchem die Schaltung temperaturunabhängig wird. In einem praktischen Beispiel wurde daher bei Verwendung eines handelsüblichen Transistors T₁ vom Typ BC 320 ein Widerstand R₁ = 10 kSl und R₂ = 150 kO. benützt. Mit einem FET des Typs MEM 520 (General Instruments) mit einer Schwellenspannung von etwa 3, 5 V liess sich damit ein mit einer Anschluss spannung von 20 V an den Leitungen U₁ und U₉ und einer Kammer spannung U^r von etwa 8 V betriebener Ionisationsrauchmelder herstellen, der in einem weiten Temperaturbereich mit ver-

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besserter und gleichbleibender Empfindlichkeit arbeitete und zudem weitgehend unabhängig von der Betriebsspannung ist. Weiterhin weist er bereits die anderen Vorteile auf, dass er einen sehr geringen Ruhestrom besitzt und ökonomisch herstellbar ist. Die letzte Forderung nach einer einfachen Kontrollmöglichkeit kann nun dadurch erreicht werden, dass die Mess-Ionisationskammer MK in Serie mit einem, v/eiteren Widerstand R„ geschaltet ist., wobei vorn Verbindungspunkt von Messkammer MK und Widerstand R_ eine weitere Leitung zu

einem Prüf anschluss U„ geführt ist. R„ kann etwa bei 20 kSI gewählt werden.

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Claims

PA ΤΕΝΤΑ NSPRUECHE

1. J Ionisationsrauchmelder mit einem Fühler element, bestehend aus

einer Mess-Ionisationskammer (MK) in Serie mit einem Widerstandselement (RK) und einem an das Fühlerelement angeschlossenen Feldeffekttransistor, dessen Sperrspannung so gewählt ist, dass er leitend wird, wenn die Fühlerausgangsspannung (Uj^) einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (T₁, R₁, -R₀) zur automatischen Regelung

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des Schwellenwertes vorgesehen ist, welche im Bereich der vorgesehenen Anwendungsgrenzen den gleichen Temperaturgang aufweist wie das Fühlerelement (MK) und welche somit-eingerichtet ist, den Schwellenwert in einem bestimmten Temperaturbereich unabhängig von der Umgebungstemperatur zu halten.

2. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Regelung des Schwellenwertes aus einem in der Source-Strecke des Feldeffekttransistors (FET) liegenden Transistor (TJ und einem dazu parallel geschalteten Spannungsteiler (R₁, R) besteht, wobei der Mittelabgriff des Spannungstellers mit der Basis des Transistors verbunden ist.

3. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (T₁) und der Spannungsteiler (R₁, R) so gewählt werden, dass der Spannungsabfall an der durch den Transistor (T-) und den Spannungsteiler (R₁, R) gebildeten

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Schaltung und somit die Source-Spannung (U_s) des Feldeffekttransistors (FET) den gleichen Temperatur-Koeffizienten aufweist ~* wie der Spannungsabfall an der Mess-Ionisationskammer (MK).

4. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsteiler-Verhältnis (R^/R^) mit den Temperaturkoeffizienten (OC) Bas is-Emitterspannung des Transistors (T-^) und

) der Mess-Ionisationskammer (MK) wenigstens angenähert in der Beziehung R₂ZR₁ = ( [i /oC ) _ l steht.

5. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Widerstände R₁ und R„ verstellbar und/oder temperaturabhängig ausgebildet ist.

6. -Ionisationsrauchmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zur Mess-Ionisationskammer (MK. ein weiterer Widerstand (R3) angeordnet ist und dass der Verbindungspunkt von Mess-Ionisationskammer (MK) und weiterem Widerstand (Rg) als Prüfspannungsabgi-iff (U3) dient.

7. Ionisationsrauchmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstands element als gesättigte Referenz-Ionisationskammer (RK) ausgebildet ist.

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