DE2743761A1 - Rauchdetektor - Google Patents

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York, N.Y. 12305 / USA

Rauchdetektor

Die Erfindung betrifft einen Rauchdetektor mit einer auf Rauch ansprechenden Detektorzelie, die an eine Vorrichtung zur Auslösung eines Alarmes angeschlossen ist.

Bei der überwachung von Gasen werden an die Zuverlässigkeit der Anzeige eines Rauchdetektors hohe Anforderungen gestellt, weil er einerseits schon auf geringe Rauchkonzentrationen ansprechen soll, andererseits aber auf äußere Störeinflüsse nicht ansprechen darf, um die Auslösung eines Fehlalarmes zu vermeiden. Bei der Verwendung von Gleichspannungen zum Betrieb bekannter Detektorzellen ergeben sich insbesondere Stabilitätsprobleme, wenn die durch Rauch hervorgerufenen Stromänderungen sehr gering sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rauchdetektor zu schaffen, der bei hoher Rauchempfindlichkeit gegenüber SpannungsSchwankungen und elektrostatischen Aufladungen unempfindlich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektorzelle eine von der Umgebungsluft und den in ihr enthaltenen Verbrennungsprodukten durchströmte und eine radioaktive Strahlungsquelle enthalten de Meßkammer aus zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden aufweist, die so an eine Wechselstromquelle ange schlossen sind, daß der elektrische Widerstand der Meßkammer meßbar ist und durch eire bei Einströmen von Rauch in die Meßkammer bewirkte Widerstanderhöhung des ionisierten

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Gases zwischen den Elektroden ein Alarm auslösbar ist.

Dadurch, daß die Strahlungsquelle Ionen erzeugt, durch die unter der Wirkung des sich zwischen den Elektroden der Detektorzelle beim Anlegen einer Wechselspannung aufbauenden elektrischen Feldes ein meßbarer Ionenstrom ausgelöst wird, dessen Stärke wesentlich durch die Anzahl der als Rekombinationskeime wirkenden Rauchpartikel beeinflußbar ist, verfügt der neue Rauchdetektor über eine hohe Empfindlichkeit. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Frequenz der Wechselstromquelle in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand der Detektorzelle selbsttätig einstellbar und die Wechselstromquelle an einen Frequenz diskriminator angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal sich in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselstromquelle ändert. Bei einer solchen Schaltung werden die bei Messungen an hochohmigen Stromkreisen auftretenden Stabilität sprobleme vermieden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält die Wechselstromquelle einen ersten Phasenumkehr-Verstarker und einen mit seinem Eingang an dessen Ausgang angeschlossenen zweiten Phasenumkehr-Verstärker, dessen Ausgang über einen einen Kondensator enthaltenden, positiven Rückkopplungsweg mit dem Eingang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers verbunden ist. Die erste Elektrode der Detektorzelie ist mit dem Eingang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers und die zweite Elektrode mit dem Ausgang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers verbunden. In dieser Schaltungsanordnung stellt die Detektorzelle eine Strombrücke zum Laden und Entladen des Kondensators dar, wobei deren Widerstand die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Kondensators und damit die Frequenz der Wechselspannung bestimmt.

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Die Wechselspannung hat vorzugsweise den Verlauf einer Rechteckspannung. Der erste und der zweite Phasenumkehr-Verstärker können je einen einzigen Schwellenwert aufweisen. Im übrigen ist es vorteilhaft, wenn die Phasenumkehr-Verstärker C-MOS-FET- Schaltkreise enthalten und jeder Verstärker einen P-Kanal-Peldeffekttransistor und einen N-Kanal-Feldeffekttransistor enthält.

Die Wechse!stromquelle kann auch in Gestalt eines Schmitt-Triggers ausgebildet sein, der einen Rückkopplungspfad aus der mit dem Verstärkerausgang und dem Verstärkereingang verbundenen Detektorzelle und einem zwischen dem Verstärkereingang und Masse Hegenden Kondensator enthält. Die Detektorzelle bildet einen Stromweg zum Laden und Entladen des Kondensators, wobei die Lade- und Entladegeschwindigkeit und damit die Periodendauer der Wechselstromausgangsspannung vom Widerstand der Detektorzelle abhängen.

Die Anordnung kann derart getroffen werden, daß der Diskriminator als Zeitgeber einen Widerstand und einen mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit über den Widerstand ladbaren Kondensator aufweist. Eine Klemmdiode ist mit dem Ausgang des Rechteck-Generators verbunden, so daß der Kondensator während der Halbperioden mit der einen Polarität entladen und während der Halbperioden mit der anderen Polarität geladen werden kann. Ein auf die in dem Kondensator gesammelte Ladung ansprechender Schwellenwertverstärker ist vorgesehen, um einen Alarm auszulösen, wenn die Kondensatorspannung den Schwellenwert des Schwellenwertverstärkers überschreitet. Eine hohe Spannung zeigt an, daß die Periode der Wechselspannung über ihren normalen Wert hinaus verlängert wurde und daß Rauch anwesend ist. Der Schwellenwertverstärker ist ein Schmitt-Trigger mit C-MOS-Feldeffekttransistoren. Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein Bauelement vorgesehen, das eine

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Impedanz aufweist, die bei der Betriebsfrequenz der Detektorzelle einen dem Widerstand der Detektorzelle vergleichbaren Wert aufweist. Die Abfühlvorrichtung besteht aus einem an eine Halbbrücke angeschlossenen elektrischen Komparator, der auf das Verhältnis des Widerstandes der DetektorzeHe zu der Vergleichbaren Impedanz anspricht, um einen Alarm auszulösen, sobald dieses Verhältnis unter einen vorherbestimmten Wert abfällt. Dabei kann sowohl ein Spannungsverhältnis als auch ein Stromverhältnis oder eine Phasendifferenz gemessen werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Rauchdetektors gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform mit einem Oszillator, dessen Frequenz in Abhängigkeit von dem durch Rauch beeinflußbaren Widerstand der Detektorzelle veränderbar ist,

Fig. 2 eine Kennlinie zur Darstellung des Stromverlaufes in der Detektorzelle bei verschiedenen Feldstärken,

Fig. 3 den Rauchdetektor nach Fig. 1 in einem ausführlicherem Schaltschema,

Fig. 4 das ausführliche Schaltbild des Rauchdetektors nach Fig. 1, in dem die einzelnen Feldeffekttransistoren der Oszillatorstufe des Rauchdetektors dargestellt sind,

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Rauchdetektors gemäß der Erfindung, bei dem Schmitt-Trigger mit Feldeffekt-

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transistor-Stufen in der Oszillatorstufe und dem Frequenzdiskriminator des Rauchdetektors Verwendung finden,

Fig. 6Λ eine Zusammenstellung von Spannungsverläufen zur Funktionsbeschreibung des zweiten Ausführungsbeispieles bei Abwesenheit von Rauch,

Fig. 6B eine Zusammenstellung von Spannungsverläufen entsprechend der Fig. 6A bei Anwesenheit von Rauch und

Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines dritten
Ausführungsbeispiels, bei dem die Impedanz der
Detektorzelle mit einer Bezugsimpedanz durch Anlegen einer Wechselspannung verglichen wird.

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Die wesentlichen Bestandteile eines Rauchdetektors sind in einem vereinfachten Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt. Der Rauchdetektor besteht aus einem elektrischen Netzwerk, in das eine Ionisations-Rauch" detektorzelle 9 eingefügt ist. Bei der Anwesenheit von Rauch stellt sich in der in geeigneter Weise an eine elektrische Spannung angeschlossenen Detektorzelle 9 eine Stromverringerung oder eine Impedanzerhöhung ein. Das elektrische Netzwerk umfaßt einen Oszillator 10 variabler Frequenz, dessen Frequenz sich ändert, wenn sich die Impedanz der Detektorzelle 9 bei der Anwesenheit von Rauch verändert. Ein Frequenzdiskriminator 11 tastet die Oszillatorfrequenz ab und erzeugt ein Signal, wenn sich eine vorbestimmte, einer bestimmten Rauchkonzentration zugeordnete Frequenzänderung ereignet hat. Ein Alarmgerät 12 spricht in Abhängigkeit von dem Diskriminator-Ausgangssignal an, um einen Alarm auszulösen.

Die Detektorzelle 9 ist in bekannter Weise aufgebaut und arbeitet nach dem Prinzip der Ionisation. Sie enthält eine oL -Teilchen-Strahlungsquelle mit einer radioaktiven Aktivität von 1 bis 3 Mikrocurie aus Americium 241, die in einer Meßkammer untergebracht ist. Die Meßkammer wird von zwei gegeneinander isolierten Metallteilen 18 und 19 begrenzt, mit deren Hilfe in dem derc^-Strahlung ausgesetzten Bereich der Meßkammer ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird. Das obere Teil 18 ist ein Teilzylinder mit einer flachen Oberseite und einer zylindrischen Seitenwand. Die Oberseite ist entlang ihrem Umfang durchlöchert, um eine ungehinderte Luftdurchströmung mit in der Luft schwebenden Verbrennungsprodukten durch die Oberseite in das Innere der Meßkammer zu ermöglichen. Die Öffnung an der Unterseite des oberen Teils 18 ist durch das

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untere Teil 19 verschlossen. Das untere Teil 19 ist eine kreisförmige Scheibe, die innerhalb des oberen Teils 18 angebracht ist, um so die im allgemeinen 9^e~ schlossene zylindrische Meßkammer zu vervollständigen. Das untere Teil 19 hat einen kleineren Durchmesser als die zylindrischen Wände des oberen Teils 18, so daß eine elektrische Isolierung zustandekommt und eine ringförmige öffnung um den Boden der Meßkammer zurückbleibt, um die Einströmung von Luft in die Meßkammer zu erleichtern. Die beiden öffnungen sind so ausgelegt, daß ein freier Austausch der Umgebungsluft mit der innerhalb der Meßkammer ermöglicht wird. Die durch die Teile 18 und 19 begrenzte Kammer hat einen typischen Durchmesser von 4 cm und eine Höhe von 0,75 cm. Die Americium-Strahlungsquelle 17 befindet sich in einem Scheibchen mit einem Durchmesser von 4 mm, das auf einem etwas erhabenen Sockel in der Mitte des unteren Teils 19 angeordnet ist. Jedes der Teile 18 und 19 verfügt über eine zum Anschluß an eine Spannungsquelle bestimmte Klemme.Bei dieser Anordnung bilden der nichtdurchlöcherte Mittelabschnitt des oberen Teils 18 und der untere Teil 19 zwei parallele Platten, zwischen denen sich ein im wesentlichen homogenes elektrisches Feld parallel zur Achse des Zylinders in der die Americium-Strahlungsquelle umgebenden Luft ausbildet.

Der Rauchnachweis vollzieht sich unter Verwendung der radioaktiven, normalerweise o£-Teilchen aussendenden Strahlungsquelle,des elektrischen Feldes im Bereich um die Strahlungsquelle und einer Schaltungsanordnung zum Abtasten der elektrischen Veränderung, die in der Detektorzelle 9 stattfindet, wenn Rauch oder andere Verbrennungsprodukte in dessen Meßkammer vorhanden sind. Die beobachtete elektrische Veränderung ist eine Stromänderung oder eine elektrische Impedanzänderung in der Detektorzelle 9. Der

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absolute Strom in der Detektorzelle 9 liegt normalerweise im Bereich von 10 bis 500 Pico-Ampere bei Spannungen unterhalb von 50 Volt. Die Anforderung an die Empfindlichkeit des elektrischen Abtastnetzwerkes ist dementsprechend hoch, und statische Instabilitäten können leicht zu einer falschen Anzeige führen. Die statische Instabilität wird durch einen Wechselstrombetrieb der Detektorzelle 9 und durch Anwendung eines Wechselstromabtastverfahrens vermieden. Die Betriebseigenschaften der Detektorzelle 9 werden im folgenden unter einer genaueren Beschreibung der Anforderungen an das zugeordnete Netzwerk erläutert.

Gewöhnliche Luft ist insbesondere bei niedrigen Feldstärken ein verhältnismäßig guter Isolator. Unter der Voraussetzung, daß ein kleines elektrisches Feld innerhalb der Detektorzelle 9, in der sich keine radioaktive Quelle befindet, vorhanden ist, können nur sehr geringe Ströme festgestellt werden, die normalerweise kleiner als 1 Pico-Ampere (10 Amp. ) sind. Gewöhnliche Luft ist kein vollkommener Isolator, da eine kleine Anzahl von ionisierten Teilchen häufig vorhanden ist und diese unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes zu der einen oder der anderen Elektrode getrieben werden und so einen kleinen Strom unterhalten. Der Strom ist deswegen klein, weil die Ionenbewegung stochastisch ist und durch Rekombination viele Ionen neutralisiert werden, bevor sie auf eine der beiden Elektroden auftreffen. Höhere als die hier betrachteten elektrischen Feldstärken führen zu einem Durchschlag in der Luft und einem hohen Entladungsstrom.

Bei der Anwesentheit von oi-Teilchen wird die Detektorzelle bei geringen Feldstärken deutlich leitend. Der Ionisations-Rauchdetektor wird bei elektrischen Feldern im linearen Bereich unterhalb der Feldstärke betrieben, die für eine Sättigung oder Elektronenvervielfachung notwendig ist

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Die Kennlinie des Leitungs^verhaltens einer repräsentativen Detektorzelle ist in Fig. 2 dargestellt. Sie weist drei Bereiche auf, die sich durch drei elektrische Feldstärkenbereiche voneinander unterscheiden. In dem ersten Bereich mit geringer Feldstärke ist der Strom klein aber meßbar und vergrößert sich näherungsweise linear mit ansteigender Feldstärke. Der Strom rührt von den durch die oC-Teilchen erzeugten Ionen her. Die von der Americium-Strahlungsquelle 17 ausgesandten oC-Teilchen besitzen eine hohe Energie (5,5 MeV). ^ßei normalem Luftdruck stößt jedes cC-Teilchen mit einer großen Zahl von Molekülen des umgebenden Gases zusammen und erzeugt auf diese Weise Ionen. Ein einzelnes oC-Teilchen hat bei einem mittleren Energieverlust von 35 εν pro Zusammenstoß genügend Energie, um 10 Ionen zu erzeugen,und verliert einen großen Teil seiner Energie auf diese Weise in der Meßkammer. Der im allgemeinen nicht elastische Zusammenstoß schlägt ein einzelnes Elektron heraus und läßt ein positiv geladenes, einfach ionisiertes Gasmolekül zurück. In der Luft sind die positiv ionisierten Moleküle gewöhnlich Stickstoff. Das freie Elektron hat in der Luft eine kurze Lebensdauer und lagert sich schnell (im allgemeinen) an ein Sauerstoffmolekül an, wobei ein negativ geladenes Gasmolekül gebildet wird. Alle Ionen verfügen über mittlere thermische Geschwindigkeiten (unge-

fähr 10 cm pro Sekunde), die sehr viel größer als die Geschwindigkeiten von 1,8 cm/Sekunde pro Volt/cm sind, die kleine elektrische Felder verursachen. Wenn das elektrische Feld zwischen den Elektroden klein ist, ist die einem geladenen Gasmolekül in Richtung auf die SammeIelektrode verliehene Geschwindigkeit klein und die für eine Rekombination vor Auftreffen auf einer Elektrode zur Verfügung stehende Zeit maximal, die im wesentlichen durch die thermische Energie bestimmt ist. Wenn die Stärke des elektrischen Feldes ansteigt, werden die durch das Feld in Rich-

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tung auf die Elektroden verursachten Geschwindigkeiten bedeutender im Verhältnis zu den thermischen Geschwindigkeiten, wobei allmählich die mittlere Zeit vor dem Auftreffen eines Ions auf eine Elektrode reduziert wird und allmählich eine wesentliche Verringerung der für eine Ionenrekombination zur Verfügung stehenden Zeit verursacht wird. Im Bereich kleiner Feldstärken steigt der Ionenstrom näherungsweise proportional mit der Feldstärke an.

Der zweite und dritte Leitungsbereich in Fig. 2 werden Sättigungsbereich und Elektronenvervielfältigungsbereich genannt. Diese Bereiche werden im Betrieb der Detektorzelle 9 vermieden. Bei höheren Feldstärken erteilen die Felder den Ionen in Richtung auf die Samme1elektroden hohe Geschwindigkeiten. Das bedeutet, daß die meisten in die Meßkammer eingebrachten Ionen innerhalb einer sehr kurzen Zeit aufgefangen werden, wobei die negativen Ionen zu den positiven Elektroden und die positiven Ionen zu den negativen Elektroden gelangen. Bei diesen Feldstärkebedingungen werden Ionenrekombinationen vernachlässigbar und im wesentlichen werden alle Ionen getrennt gesammelt und tragen so zu dem Stromfluß bei. Geschieht dies, erreicht der Strom einen Plateaubereich, in dem ein weiteres Ansteigen der Feldstärke nur eine geringe Stromvergrößerung hervorruft. Die untere Begrenzung des Sättigungsbereiches liegt bei etwa 100 Volt pro cm. Die obere Grenze des Sättigungsbereichs liegt an einer Stelle, bei der das Feld stark genug ist, um freie Elektronen auf eine für die Erzeugung zusätzlicher Ionen ausreichende Geschwindigkeit zu beschleunigen. Elektronenvervielfachung ist das Kennzeichen des dritten Leitungsbereiches.

Wenn Rauch bei einer geeigneten Strahlungsstärke und einar geeigneten Feldstärke (unterhalb des Sättigungsbereiches und unterhalb des Elektronenvervielfachungs-

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bereiches) in eine Meßkammer eingeleitet wird, verringert sich der Ionisationsstrom. Dies wird normalerweise durch die vom Rauch herbeigeführte Ionenrekombination erklärt. Bei der Rekombination wird ein Ion vor dem Auftreffen auf die Sammelelektrode neutralisiert und ein Absetzen von Ladung auf die Elektrode verhindert. Es wird vermutet, daß die Rauchpartikel Kerne für die Rekombination von Gasionen liefern, und deswegen wird der beobachtete Stromrückgang bei der Anwesenheit von Rauch auf dieses Phänomen zurückgeführt.

Die Erklärung auf der Grundlage der rauchinduzierten Rekombination beruht auf den folgenden Annahmen und wird allgemein als richtig angesehen. Die Rauchpartikel haben im Vergleich zu den Gasmolekülen eine große Masse. Wegen ihrer Größe bewegen sie sich bei thermischen Effekten langsam. Ihre Bewegung wird im wesentlichen von der geringen Feldstärke in der Detektorzelle wegen ihrer Größe und geringen Ladung nicht beeinflußt. Wenn ein Gasion mit einem Rauchpartikel zusammenstößt, ist die Wahrscheinlichkeit für die Neutralisation des Gasiones und eine übertragung seiner Ladung auf das Rauchpartikel groß. Es darf angenommen werden, daß ein Rauchpartikel von 1 Mikron etwa 10 mal pro Sekunde von einem Gasmolekül getroffen wird. Unter der Annahme einer gleichen Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße mit positiven und negativen Ionen und einer großen Anzahl von Zusammenstößen darf erwartet werden, daß die Gesamt ladung auf einem bestimmten ^Rauchpartikel in der Nähe von Null bleibt.

Der Rekombinationseffekt kann beträchtlich sein. In einer Meßkammer mit einem Volumen von wenigen Kubikzentimetern beträgt die Gesamtzahl der Gasmoleküle etwa 10 . Bei einer sinnvollen Anzahl von Rauchteilchen, beispielsweise 10 oder mehr, kann man erwarten, daß die meisten Gasmoleküle einmal pro Sekunde auf ein Rauchpartikel auftreffen und

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daß die meisten ihre Ladung bei dem Zusammenstoß verlieren. Zusammengefaßt bedeutet dies, daß genügend Ionenzusammenstöße mit den Rauchpartikeln auftreten, um einen wesentlichen Prozentsatz von Ionen zu neutralisieren und dadurch die Leitfähigkeit der Detektorzelle erheblich zu beeinträchtigen. In der Praxis sprechen die meisten Rauchdetektoren auf 1 bis 4% Rauch an (d.h. Rauch, der die Lichttransmission über eine Entfernung von etwa einem drittel Meter um 1 bis 4% verkleinert). Die Leitfähigkeitsveränderung, bei der der Alarm ausgelöst wird, liegt im allgemeinen zwischen 5% und 30%.

Der Ionisationsrauchdetektor wird in dem Bereich geringer Feldstärke in ausreichendem Abstand vom Sättigungsbereich betrieben. Vorzugsweise liegt das Feld zwischen 5 und 15 Volt, und mit typischen radioaktiven Quellen liegt die normale Stromstärke zwischen 30 und 80 Pico-Ampere. Noch kleinere Feldstärken führen zu einer größeren Rauchempfindlichkeit aber ebenfalls zu einer größeren Wahrscheinlichkeit für eine fehlerhafte Alarmauslösung. Die angegebene Wahl stellt einen Kompromiß zwischen maximaler Rauchempfindlichkeit und einer erwünschten Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Veränderungen der Luftgeschwindigkeit sowie bestimmter anderer Effekte dar, die zu Fehlalarmen führen könnten.

Weitere Einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispial wird die Detektorzelle 9 in einem Oszillatorschaltkreis 10 elektrisch versorgt, dessen Frequenz durch den Leitfähigkeitszustand der Detektorzelle 9 beeinflußt wird. Die Oszillatorfrequenz wird dann abgetastet, um die Anwesenheit von Rauch festzustellen. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, verfügt der Oszillatorschaltkreis über einen ersten

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Phasenumkehr-Verstarker 21 und einen zweiten Phasenumkehr-Verstärkei 22. Beide Verstärker 21 und 22 sind an eine positive Spannung B+ über eine Leitung 23 und an Masse zur Gleichstromversorgung angeschlossen. Der Ausgang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers 21 ist galvanisch mit dem Eingang des zweiten Phasenumkehr-Verstärkers 22 gekoppelt. Die Ausgangsklemme des zweiten Phasenumkehr-Verstärkers 22 ist über einen Kondensator 2 4 in Reihe mit einem Widerstand 2 5 mit dem Eingang des ersten Verstärkers 21 verbunden. Diese Rückkopplung über die Bauelemente 24 und 25 ist positiv, da jeder Verstärker 21, 22 eine einzige Phasenumkehr hervorruft. Durch die positive Rückkopplung werden die Verstärker in einem von zwei Ausgangszuständen festgehalten. Der Kondensator 24 und jeder Widerstand_/ der dessen Ladungsgeschwindigkeit oder Entladungsgeschwindigkeit beeinflussen kann ^ bestimmt die Länge jeden Ausgangszustandes und der Periode des Oszillators.

Die Ionisations-Rauchdetektorzelle 9 stellt einen Widerstand in dem Stromweg zu dem Kondensator 24 dar, der die Oszillatorperiode bestimmt. Die Detektorzelle 9 ist mit einer Klemme 18 an die Verbindung des Ausgangs des Verstärkers 21 mit dem Eingang des Verstärkers 22 angeschlossen. Die andere Klemme 19 ist mit dem Rückkopplungsweg in Verbindung und an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 2 4 und dem Widerstand 25 angeschlossen. Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Detektorzelle 9 abwechselnd eine hochohmige Strombrücke zu der positiven Spannungsleitung, um den Kondensator 24 in Richtung auf das Potential B+ aufzuladen, oder eine hochohmige Strombrükke nach Masse, um den Kondensator 24 auf das Massepotential zu entladen. Da der Kondensator 2 4 an das Eingangs-Tor des Verstärkers 21 angekoppelt ist, verursacht dessen Spannung

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(in Abhängigkeit von seinem Ladezustand) nach Überschreiten einer Spannung in der Nähe von B+/2 unmittelbar eine Umkehrung der Zustände der beiden Verstärker 21 und 22 und setzt den Oszillator in den entgegengesetzten Ausgangs-Zustand. Da die Oszillatorperiode gleich der Summe der Zeiten der beiden Ausgangs-Zustände ist und durch den Vorgang des Ladens und Entladens gesteuert wird, wird sie durch die RC-Zeitkonstante bestimmt, die durch den Widerstand der Detektorzelle 9 und der Kapazität des Kondensators 24 festgelegt ist.

Da die Oszillatorfrequenz durch den augenblicklichen Widerstand der Ionisationskammer der Detektorzelle 9 und die Kapazität des Kondensators 2 4 bestimmt wird, verursachen durch Rauch hervorgerufene Änderungen des Widerstandes der Detektorzelle 9 eine entsprechende Änderung der Oszillatorfrequenz. Die normalen Parameterwerte führen zu einer niedrigen Frequenz im Bereich von einem Hertz. Bei der Anwesenheit von Rauch steigt der Widerstand der Detektorzelle 9. Dadurch werden die Zeitkonstante des RC-Netzwerkes erhöht und die Oszillatorfrequenz erniedrigt.

Die Anordnung der Detektorzelle 9 ermöglicht auch deren Versorgung mit der erforderlichen Spannung für eine empfindliche Arbeitsweise. Wie mit Hilfe von Spannungen, deren zeitlicher Verlauf den in Fig. 6 dargestellten ähnlich ist, gezeigt werden kann, wird ein niedriges Wechselspannungspotential an die Anschlüsse der Detektorzelle 9 gelegt, sobald der Oszillator zu schwingen beginnt. Das Potential der Klemme 18 wechselt zwischen einem in der Nähe des Massepotentials liegenden Potential und dem Potential B+. Das Potential der an das Eingangs-Tor des Verstärkers 21 angeschlossenen Klemme 19 variiert um eine Spannung, die in der Mitte zwischen B+ und Masse liegt. Daher ist die der Detektorzelle 9 zugeführte Spannung gleich der Hälfte der

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Spannung B+ und hat eine abwechselnde Polarität. Die Spannung B+ und die Abmessungen der Detektorzelle 9 sind so gewählt, daß die Ionisations-Meßkammer in dem gewünschten Feldstärkebereich betrieben wird.

Die Reduzierung der Oszillatorfrequenz wird abgetastet, und der Rauch-Nachweis wird mit Hilfe der übrigen Teile des Netzwerkes der Fig. 3 erreicht, das die Bauelemente 27, 28, 29, 30, 31 und 32 aufweist. Die Bauelemente 27, 2 8, 2 9 und 30 der Fig. 3 entsprechen dem Frequenz-Diskriminator 11 der Fig. 1, und die Bauelemente 31 und 32 entsprechen dem Alarmgerät 12 der Fig. 1. Der Ausgang des Verstärkers 22 mit der Oszillatorausgangsspannung ist an die Kathode einer Diode 27 angekoppelt, deren Anode mit dem ersten Anschluß eines Kondensators 29 verbunden ist. Der gleiche Kondensatoranschluß steht mit dem Eingang eines Schwellenwert-Verstärkers 30 und über einen Widerstand 2 8 mit der positiven Spannung B+ auf der Leitung 2 3 in Verbindung. Der andere Anschluß des Kondensators 29 ist mit der Masse verbunden. Der Schwellenwert-Verstärker 30, der ein Schmitt-Trigger sein kann, bezieht seine Betriebsspannung über die Leitung 23 und Masse. Der Ausgang des Schwellenwert-Verstärkers 30 ist an eine Leuchtdiode 31 angeschlossen, die über einen Widerstand 32 mit der Leitung 2 3 in Verbindung steht.

Der Frequenz-Diskriminator und die Alarmstufe des elektrischen Netzwerkes arbeiten in der folgenden Weise, um einen Rückgang der Oszillatorfrequenz abzutasten und die Anwesenheit von Rauch anzuzeigen. Der Kondensator 2 9 wird periodisch in Richtung auf das Potential B+ über den Widerstand 2 8 aufgeladen, wobei die Geschwindigkeit des AufIadens von den Werten des Widerstandes 2 8 und des Kondensators 2 9 abhängt, und periodisch einmal während jeden

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Oszillator-Zyklus durch die Diode 27 entladen. Wenn der Ausgang des Oszillator-Netzwerkes sich auf einem Null-Potential befindet, ist die Diode 27 in Vorwärtsrichtung geschaltet und entlädt dan Kondensator 29. Sobald der Oszillatorausgang auf einen positiven Wert umschaltet, wird der Stromfluß durch die Diode 27 blockiert und es dem Kondensator 29 ermöglicht anzufangen, sich über den Widerstand 28 in Richtung auf das Potential B+ aufzuladen. Das Laden des Kondensators 29 setzt sich während des positiven Halbzyklus des Oszillatorausgangs fort, bis der Oszillatorausgang auf Null umschaltet. Falls die Spannung an dem Kondensator 29 während dieses Halbzyklus über den Schwellenwertansteigt, wird der Verstärker 30 eingeschaltet, so daß die Leuchtdiode mit Strom versorgt wird und ein nicht besonders dargestellter, geeigneter Alarmschaltkreis betätigt wird. Die Ladegeschwindigkeit wird durch die Schaltkreiskonstanten R₂Of C₂Q bestimmt, während die Ladedauer von der Oszillatorperiode und dem Schwellenwert des Verstärkers 30 abhängt.

Wenn die Oszillatorperiode über die Standardperiode hinaus verlängert ist, wird eine Frequenz-Diskrimination herbeigeführt. Falls die Oszillatorstufe mit ihrer normalen Periodendauer oder schneller arbeitet, verursacht die negative Halbperiode des Oszillators ein Einschalten der Klemm-Diode und Entladen des Kondensators 29, bevor die Kondensatorspannung den Schwellenwert des Verstärkers 30 überschritten hat. Wenn die Oszillatorperiode wegen der Anwesenheit von Rauch in der Detektorzelle 9 verlängert ist, wird das Einschalten der nächsten negativen Oszillator-Halbperiode verzögert, und der Kondensator 29 kann sich über den Widerstand 28 auf einen Wert aufladen, der den Schwellenwert des Verstärkers 30 übersteigt. Sobald der Schwellenwert überschritten ist, wird der Alarm ausgelöst. In einem praktischen Beispiel mit einer Oszillatorperiode von ungefähr 1 Sekunde

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(d.h. einer Frequenz von 1 Hertz) verursachte die Anwesenheit von 4% Rauch ein Ansteigen der Periode auf 1,6 Sekunden (d.h. eine Frequenz von 0,63 Hertz), was einem Anwachsen der Periodendauer um 60% (d.h. 37% Frequenzverringerung) entspricht.

Fig. 4 veranschaulicht die Oszillatorschaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, bei dem konventionelle C-MOS-Feldeffekttransistoren verwendet wurden. Sie ermöglichen die für eine empfindliche Arbeitsweise notwendige Gleichstromisolierung der Ionisations-Detektorzelle 9. Jeder der beiden Verstärker 21 und 22 besteht aus einem im Gegentakt zusammengeschalteten P-MOS-FET und einem N-MOS-FET, wobei ein Ruhestrom durch die in Reihe liegenden FET-Schaltelemente zwischen B+ und Masse fließt. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 21 ist die Verbindung der Quelle des P-MOS-FET mit der Senke des N-MOS-FET und an dieser Stelle erscheint das Gegentakt-Ausgangssignal. Die Klemme 18 der Detektorzelle 9 ist mit dem Gegentaktausgang des Verstärkers 21 wie mit dem Eingangstor des zweiten Verstärkers 22 in Verbindung. Der Anschluß an dem Ausgang des Verstärkers 21 ermöglicht eine Verbindung geringer Impedanz mit der Klemme 18 der Detektorzelle 9. Der P-MOS-FET verbindet, wenn er leitend ist, die Verstärkerausgangsklemme mit B+, und der N-MOS-FET verbindet, wenn er leitend ist, die Verstärkerausgangsklemme mit der Masse. Da die Schaltelemente des Verstärkers 21 abwechselnd leiten, ist immer die eine oder die andere Verbindung geringer Impedanz mit der Klemme 18 vorhanden. Die Klemme 19 der Detektorzelle 9, die noch mit dem Kondensator 2 4 verbunden ist, ist auch mit einer maximalen Gleichstromisolierung ausgestattet. Die Klemme 19 ist über einen Widerstand 25 von 1 Megohm an das Eingangstor des Eingangsverstärkers 21 angeschlossen. Der Widerstand 25 ist im Verhältnis zu anderen Parametern klein und soll eine

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Beschädigung der Verstärker-Eingangsschaltkreise verhindern. Die Eingangstore der Eingangsverstärker weisen zu allen Zeiten eine hohe Impedanz auf und führen so zu einem vernachlässigbaren Kriechverlust an der Klemme 19 der Detektorzelle 9. Bei konventionellen FETs ist die Torimpedanz wesentlich höher als die Betriebsimpedanz der Detektorzelle 9 und hat keinen nachteiligen Einfluß auf die Empfindlichkeit. Die dargestellte Polung der Detektorzelle im Schaltkreis, bei der die Außenseite an der Verbindung mit geringer Impedanz liegt, erlaubt es, auf eine Abschirmung des Gehäuses der Detektorzelle 9 zu verzichten,

Die Größe des Kondensators 24 wird durch die gewünschte Betriebsfrequenz und gewisse andere Erwägungen bestimmt. Die Schwingfrequenz des ersten Ausführungsbeispiels wird durch die RC-Zeitkonstante des Widerstandes der Detektorzelle 9 und der Größe des integrierenden Kondensators 24 sowie etwaiger Parallelkapazitäten bestimmt. Da die Wechselstromimpedanz des Kondensators 24 bei der Betriebsfrequenz deswegen wesentlich kleiner als der Realteil der Impedanz (Widerstandswert) der Detektorzelle 9 ist, kann dieser als ein Integrator des mit der Detektorzelle 9 ausgetauschten Stromes angesehen werden.

Darüberhinaus muß der Kondensator so aufgebaut sein, daß geringe Kriechverluste auftreten. Die kleinste Kondensatorgröße ist durch die mit der Verdrahtung des Schaltkreises verbundene Streukapazität und die zugeordnete Kapazität des Komparator-Netzwerkes bestimmt. Sie beträgt typisch etwa 20 pf. Die maximale Größe wird durch die Größe des von der Detektorzelle 9 erhaltbaren Stromes und das kleinste gewünschte Intervall zwischen zwei möglichen Alarmausgangssignalen begrenzt.

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V = Schwellenwertspannung

I = Strom durch die Ionisationskammer der Detektorzelle C = Kapazität

= Intervall zwischen Alarmtests AV

I =
C =

i · Λ t 60 · 10 · 1 sec

Δ V 3V

C μ 20 pf

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. dargestellt. Die während des Betriebs auftretenden Spannungsverläufe in der Schaltung nach Fig. 5 sind in Fig. 6 aufgezeichnet. Die Phasenumkehr-Verstärker 21 und 22 sind bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schmitt-Trigger 40 mit Feldeffekttransistoren ersetzt. Ein zweiter Schmitt-Trigger ist als Puffer zwischen dem Oszillator und dem Frequenzdetektor eingeschaltet, jedoch nicht wesentlich für die Funktion des Schaltkreises. Die Diskriminator- und Alarmstufen des Netzwerkes sind wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Die Spannung am Eingang des Schmitt-Triggers 40 ist in Fig. 6A bei 42 dargestellt. Die Eingangsspannung steigt linear an, bis sie einen oberen Schwellenwert V_n,_ui

In I

überschreitet, und fällt dann linear ab, bis sie einen unteren Schwellenwert V_TH2 überschreitet. Diese Schwellenwerte befinden sich in gleichem Abstand oberhalb und unterhalb eines Mittelwertes, der ungefähr in der Mitte zwischen der Quellenspannung V und der Senkenspannung V,, liegt. Die Ausgangsspannung des ersten Schmitt-Triggeis 40 ist bei 43 dargestellt. Sie ist eine Rechteckspannung, die zwischen der Quellenspannung V und der Senkenspannung V,, (z.B. B+ und Masse) wechselt. Die Ausgangsspannung des zweiten Schmitt-Triggers41 ist bei 44 dargestellt. Sie hat einen Verlauf wie die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers 40, jedoch ist ihre Phase umgekehrt. Die Ausgangsspannung 44 des Schmitt-Triggers 41 dient zur periodischen Klemmung des Kondensator-Ladekreises 28, 29 über die Diode 27. Wenn kein

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Rauch vorhanden ist, hat die Rechteckspannung 44 eine Halbperiode von etwa 1 Sekunde. Die Spannung an dem mit dem Eingang des Schwellenwertverstärkers 30 verbundenen Kondensator 29 ist eine Sägezahnspannung 45. Sie ist in Fig. 6A bei nicht vorhandenem Rauch dargestellt. Die Sägezahnspannung am Kondensator besteht aus V -Abschnitten mit Null Volt, die dann auftreten, wenn die Ausgangsspannung 44 V beträgt. Solange die

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Ausgangsspannung auf V,, umgeschaltet ist, hat die Sägezahnspannung 45 eine positive Steigung und nähert sich der Schwellenwertspannung V_τ,,τ_Ω des Verstärkers 30. Während des restlichen Halbzyklus mit einer Spannung V,_d der Ausgangsspannung 44 steigt die Sägezahnspannung am Kondensator 2 9 linear an und wird bei Beginn des nächsten Halbzyklus der Ausgangsspannung 44 wieder auf V ,d.h. Massepotential

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geklemmt. Wenn kein Rauch vorhanden ist, ist die Ladezeit des Kondensators 29 zu kurz für ein Erreichen der Schwellenwertspannung des Schwellenwertverstärkers 30. Die Spannung 46 beschreibt den Spannungsverlauf am Ausgang des Schwellenwertverstärkers 30. Solange kein Rauch vorhanden ist, bleibt die Spannung 46 konstant V,, und löst keinen Alarm aus.

DiG Spannungsverläufe 52, 53, 54, 55 und 56 in Fig. 6B treten in der Schaltung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel auf, wenn Rauch anwesend ist und nachgewiesen wird. Bei Rauch haben die Spannungsverläufe 52, 53 und 54 (entsprechend den vorherigen Spannungsverläufen 42, 43 und 44) eine längere Periode und zeigen so die Verlängerung der Oszillatorperiode bei anwesendem Rauch. In Fig. 6B beträgt die Oszillatorhalbperiode ungefähr 1,6 Sekunden. Der Spannungsverlauf 55 verdeutlicht die an dem Kondensator 29 auftretende Spannung, der mit der gleichen Geschwindigkeit wie vorher geladen wird. Bei Anwesenheit von Rauch steht

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jedoch für das Laden des Kondensators 29 eine längere Zeit zur Verfugung. Dementsprechend lädt sich der Kondensator 2 9 bis auf eine die Schwellenwertspannung V ,

Tn 30 des Verstärkers 30 übersteigende Spannung auf. Sobald

die Kondensatorspannung 55 den Schwellenwert V , des

TH 30 Verstärkers 30 überschreitet, erzeugt der Verstärker 30 einen Ausgangsimpuls, der mit 56 bezeichnet ist. Der Impulsteil des Spannungsverlaufes 56 dauert bis zum Ende des Ladezyklus _der sägezahnspannung 55 und wird für jede Schwingung einmal wiederholt. Der Ausgangsimpuls versorgt den Alarmschaltkreis sowie die Leuchtdiode 31.

In beiden bisher erwähnten Ausführungsbeispielen ist die Detektorzelle 9 in einem Oszillatorschaltkreis untergebracht, in dem die Detektorzelle mit Spannung versorgt wird und deren Leitfähigkeit durch die Anwesenheit von Rauch geändert wird, um so die Oszillatorfrequenz zu verändern. Die Änderung der Oszillatorfrequenz wird dann abgetastet, um die Anwesenheit von Rauch festzustellen. Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die Detektorzelle über eine Wechselstromquelle 71 mit fester Frequenz gespeist wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Detektorzelle 9 in Reihe mit einem zweiten Impedanzglied 72, um eine "Halb"-Brücke für Wechselstrom zu bilden. Für eine größere Genauigkeit kann eine "volle" Brücke verwendet werden. Die Wechselstromimpedanz des Bauelementes 72 sollte der Impedanz der Detektorzelle 9 vergleichbar sein und kann in Gestalt eines hochohmigen Widerstandes oder eines kleinen Kondensators ausgebildet sein. Der Vorteil eines Betriebes mit niedrigfrequenter Wechselspannung liegt darin, daß preiswerte Kondensatoren verwendet werden können, um eine genaue und stabile zweite Impedanz zu erhalten. Die Impedanz der Detektorzelle 9 wird dann in einem Wechselstromkomparator 73 mit der zweiten Impedanz 72 verglichen. Der Komparator 73 kann einen

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Spannungs-, einen Strom- oder Phasenvergleich durchführen. Der Komparator 7 3 sollte eine hohe Eingangsimpedanz am mittleren Zweig der Brücke haben, damit eine einwandfreie Funktion gewährleistet ist. Die Impedanz sollte in der

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Größenordnung von 10 Ohm liegen, um mangelnde Empfindlichkeit zu vermeiden. Dies kann mit konventionellen FET-Schaltkreisen einfach erreicht werden, die hohe charakteristische Impedanzen aufweisen. Ein wesentlicher Vorteil des Wechselstrombetriebs des Rauchdetektors besteht darin, daß dadurch viele Probleme vermieden werden, die auf eine statische Aufladung oder auf bei Gleichstromschaltungen mit dieser hohen Impedanz auftretenden Nullpunktverschiebungen zurückzuführen sind. Der Komparatorausgang wird dann mit einem Schwellenwert verglichen, um in einem Schaltkreis, der dem in den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen ähnlich ist, einen Alarm auszulösen, wenn die Impedanz der Detektorzelle ein vorherbestimmtes Verhältnis zu dem Normalwert übersteigt.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   Rauchdetektor mit einer auf Rauch ansprechenden Detektorzelle, die an eine Vorrichtung zur Auslösung eines Alarmes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzelle (9) eine von der Umgebungsluft und den in ihr enthaltenen Verbrennungsprodukten durchströmte und eine radioaktive Strahlungsquelle (17) enthaltende Meßkammer aus zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden (18, 19) aufweist, die so an eine Wechselstromquelle (10, 71) angeschlossen sind, daß der elektrische Widerstand der Meßkammer meßbar ist und durch eine bei Einströmen von Rauch in die Meßkammer bewirkte Widerstandserhöhung des ionisierten Gases zwischen den Elektroden (18, 19) ein Alarm auslösbar ist.
2. 2. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle (10) in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand der Detektorzelle (9) selbsttätig veränderbar und die Wechselstromquelle (10) an einen Frequenz-Diskriminator (11) angeschlossen ist, an dessen Ausgang in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselstromquelle (10) ein Alarmsignal entnehmbar ist.
3. 3. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (10) ein Rechteckspannungs-Generator ist, der einen ersten Phasenumkehr-Verstärker (21) und einen mit seinem Eingang an dessen Ausgang angeschlossenen zweiten Phasenumkehr-Verstärker (22)

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   aufweist, dessen Ausgang über einen positiven, einen Kondensator (24) enthaltenden Rückkopplungsweg mit dem Eingang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers (21) verbunden ist, und daß die erste Elektrode (19) der Detektorzelle (9) mit dem Eingang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers (21) und die zweite Elektrode (18) mit dem Ausgang des ersten Phasenumkehr-Verstärkers (21) verbunden ist, so daß die Detektorzelle (9) eine Strombrücke zum Laden und Entladen des Kondensators (2 4) darstellt, von deren Widerstand die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Kondensators (2 4) und damit die Frequenz der Rechteckspannung (44) abhängig sind.
4. 4. Rauchdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumkehr-Verstärker (21, 22) je einen einzigen Schwellenwert haben.
5. 5. Rauchdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Phasenumkehr-Verstärker (21, 22) C-MOS-FET-Schaltkreise sind, die jeweils einen P-Kanal- und einen N-Kanal-Feldeffekttransistor enthalten, die zur Bildung eines Phasenumkehr-Verstärkers im Gegentakt zusammengeschaltet sind.
6. 6. Rauchdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (10) einen Rechteck-Generator aus einem Verstärker (40) mit einem zweifachen Schwellenwert enthält, dessen Ausgangsspannung in Bezug auf die Eingangsspannung eine Hysterese aufweist, und der

   Verstärker (40) . mittels der zwischen seinem Ausgang und seinem über einen Kondensator mit Masse verbundenen Eingang geschalteten Detektorzelle (9) positiv rückgekoppelt ist, so daß die Detektorzelle (9) eine Strombrücke zum Laden und Entladen des Kondensators darstellt, von deren Widerstand die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Kondensators und damit die Frequenz der Rechteckspannung (44) abhängig ist.

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7. 7. Rauchdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenz-Diskriminator (11) aus einem während der ersten Periodenhälften des Ausgangssignales des Rechteck-Generators (40, 41) über einen Widerstand (2 8) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ladbaren Kondensator (2 9) besteht, der mit dem Eingang eines Schwellenwertverstärkers (30) und über eine Klemmdiode (27) mit dem Ausgang des Rechteck-Generators (40, 41) verbunden ist, so daß der Kondensator (29) während der zweiten Periodenhälften entladbar ist und mit Hilfe des auf die im Kondensator (2 9) gespeicherte Ladung ansprechenden Schwellenwertverstärkers (30) ein Alarm auslösbar ist,wenn die Kondensatorspannung bei einer durch Rauch hervorgerufenen Verlängerung der Periode die Schwellenwertspannung (^v-th3o^ überschreitet.
8. 8. Rauchdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwertverstärker (30) Feldeffekttransistoren enthält.
9. 9. Rauchdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwertverstärker (3o) ein Schmitt-Trigger mit C-MOS-FETs ist.
10. 10. Rauchdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Bauelement (72) mit einer Impedanz enthält , die bei der Betriebsfrequenz der Detektorzelle (9) einen dem Widerstand der Detektorzelle (9) vergleichbaren Wert aufweist, und daß mit Hilfe eines elektrischen Komparators (73) ein Alarm auslösbar ist, wenn das Verhältnis des Widerstandes der Detektorzelle (9 zu der Impedanz des Bauelementes (72) unter einen vorbestimmten Wert fällt.

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