EP0099776B1 - Détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux contrôlé par arc électrique - Google Patents

Détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux contrôlé par arc électrique Download PDF

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EP0099776B1
EP0099776B1 EP83401258A EP83401258A EP0099776B1 EP 0099776 B1 EP0099776 B1 EP 0099776B1 EP 83401258 A EP83401258 A EP 83401258A EP 83401258 A EP83401258 A EP 83401258A EP 0099776 B1 EP0099776 B1 EP 0099776B1
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conductivity
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gaseous medium
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Jean-Claude Nudelmont
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Pgep Professional General Electronic Products SA
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Pgep Professional General Electronic Products SA
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas

Definitions

  • the invention relates to an ionization level detector controlled by an electric arc.
  • ionic fire detectors are already widespread due to the very rapid response of these devices and their low sensitivity to the harmful action of gases.
  • the detector shown diagrammatically in FIG. 1 essentially comprises a single chamber 4 of which the opening is covered by a fine protective grid 5 grounded.
  • the grid allows in particular the suppression of parasitic radioelectric emissions.
  • the electrodes E 1 and E 2 used for the production of intermittent arcs as well as the electrodes E 3 and E4 for measuring the conductivity of the medium are supplied with voltage by the windings 7 of a transformer whose primary winding 8 is controlled through gate 9 of transistor Z 1 .
  • This door is connected by the circuit 10 to the circuit for measuring the conductivity of the space between the electrodes E 3 and E4.
  • the primary winding 8 is supplied by means of terminals 1 and 2 connected to the terminals of any supply device supplying respectively a positive voltage to the terminal 1 for example of + 6V and a negative voltage to the terminal 2 of - 6V.
  • the reference voltage at terminal 3 can be + 6V.
  • the capacitor Ci connected to terminal 2 and to terminal 1 by the resistor R 1 is charged.
  • the capacitor C 1 discharges through Z 1 through the primary winding 8 of the transformer. Since the discharge takes place in an extremely short time, a significant difference in potential occurs at the terminals of the secondary winding 7 connected to the electrodes E 1 and E 2 thus causing an electric arc between these electrodes.
  • the increase in the ionization of the medium contained in the chamber 4 increases the conductivity between the electrodes E 3 and E4 resulting in the increase in the voltage of the gate 9.
  • the capacitor Ci having just discharged, it can be seen that the overshoot of the voltage of the anode 11 by the voltage of the door 9 occurs in a very short time, the discharge of the capacitor causing the immediate interruption by Z 1 of the supply of the winding 8.
  • the capacitor C 2 charges to a certain value and that the moment when the voltage of the gate 9 exceeds that of the anode is a function of the conductivity of the space located between the electrodes E 3 and E4 as well as values of resistors R 2 and R 3 . It follows that, if over time, the conductivity varies between E 3 and E4 due to a rapid disappearance of the ions due to the arrival in the chamber 4 of particles emitted for example during a fire, the frequency the arc between E 1 and E 2 increases. This provides a convenient means of detecting pollution of the environment surrounding the chamber 4.
  • FIG. 2 shows in Vg the decrease curve of the voltage of the gate 9 causing the abrupt conduction of Z 1 , when the anode voltage represented in V 11 exceeds the value V L of the voltage Vg of the gate 9.
  • the voltage V 12 of cathode 12 then increases suddenly at time t, then decreases until time t 2 .
  • the capacitor Ci charges again and the cycle begins again.
  • FIG. 3 shows a succession of pulses for controlling the electric arc causing the ionization of the chamber 4 as well as the resistivity curve 13 as a function of time during the detection of a certain pollution that the the frequency of the pulses V 12 for controlling the arc between the electrodes E 1 and E 2 is also detected.
  • An alarm signal of any type can be triggered by the device 30 shown in FIG. 4. This can for example include a missing pulse detection circuit of known type sold for example under the reference "Philips 555" and that just connect to the elements shown in the diagram in Figure 1 by connecting the input 25 of the detection circuit to the terminal 3 of the circuit of Figure 1.
  • the output 24 of the detection device 30 is connected to any desired alarm device 31, so that, when the pulses are spaced as in FIG.
  • the circuit 30 before increasing the resistivity, the circuit 30 gives a normal response between A and B.
  • the increase in the frequency of pulses V 12 causes an output signal at 24 from the detection device 30.
  • the connection 32 to the alarm device 31 thus triggers any device.
  • the trigger signal at 24 does not disappear until the return of the pitch frequency at C.
  • FIG. 5 A variant of the signaling control circuit has been shown in FIG. 5.
  • the junction point 14 of the resistors R 2 and R 3 is connected on the one hand directly to the negative input of an operational amplifier 15, on the other hand to the positive input of the amplifier 15 via the circuit consisting of the diode D 2 and the delay line composed of the resistor R 4 and the capacitor C 3 .
  • FIG. 6 shows the curve 16 of the decrease in conductivity in the normal medium that the ion detector monitors and at 17 the curve of the voltage drop at the input of the circuit R 4 , C 3 as a function of time ce circuit being previously adjusted so that at all times the value of the voltage represented by curve 17 is lower than that represented by curve 16.
  • the voltage represented by curve 17 serves as a reference threshold and allows that as soon as particles penetrate in chamber 4 and cause the number of ions in space E 3 , E4 to decrease, to control the operational amplifier 15, the curve of voltage V 10 at junction point 14 decreasing faster than that of circuit R 4 - C 3 .
  • the output voltage V o of the amplifier 15 can be used to control any alarm circuit, such as 31 for example.
  • This very simple signaling control circuit has the advantage of being very sensitive and is particularly suitable for monitoring environments where humidity and temperature are relatively constant.
  • the signaling control device can be replaced by the device shown in FIG. 7 allowing the voltage to be compared V lo taken at junction point 14 after a predetermined period T 1 following the control of the arc causing the ionization, with the previous value of this voltage V 10 previously recorded.
  • the voltage V io representative of the conduction between the electrodes E 3 and E4, is injected into the operational amplifier 18 serving as an impedance transformer, so that the same voltage source V 10 is applied to the terminal 27 of transistor 26 of the MOS type, the drain of which is connected at 28 to the negative input of amplifier 20 and to resistor R s .
  • the gate 29 controlling the conduction of the MOS transistor 26 serving as a switch is connected by 32 of the timing circuit 23.
  • This circuit causes a transmission delay T z , FIG. 8, of the signal transmitted by the differential circuit C 7 , R 7 .
  • This signal comes from the amplifier 19 via the circuit C 6 , R 6 and the timing circuit 22 which introduces the delay T 1, shown in FIG. 8.

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Description

  • L'invention se rapporte à un détecteur de niveau d'ionisation contrôlé par arc électrique.
  • L'utilisation de détecteurs ioniques d'incendie est déjà très répandue en raison de la très grande rapidité de réponse de ces appareils et de leur faible sensibiiité à l'action nocive des gaz.
  • Il est connu, par le document US-A-3 978 397 de créer dans une chambre unique une ionisation de l'air entre une première paire d'électrodes pendant une première période, puis de laisser décroître l'ionisation de l'air pendant une deuxième période, enfin de mesurer l'ionisation résiduelle de l'air entre une seconde paire d'électrodes pendant une troisième période. Les trois périodes sont déterminées par un dispositif cyclique de commande et elles ont chacune une durée constante. Pendant la troisième période, on mesure un courant qui est différent suivant que la chambre est ou non polluée par des fumées. L'inconvénient de ce dispositif est qu'il faut faire une mesure périodique directe de l'amplitude, variable, du courant.
  • L'objet de l'invention est un détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux, du type comportant une chambre unique dans laquelle sont disposées une première paire d'électrodes, entre lesquelles un arc électrique provoque une ionisation du milieu gazeux, et une deuxième paire d'électrodes, entre lesquelles on mesure la conductivité du milieu gazeux après l'ionisation provoquée par l'arc électrique, caractérisé en ce qu'il comporte :
    • - un circuit de déclenchement de l'arc électrique à résistance et condensateur en série soumis à une polarisation constante, le point milieu du circuit étant relié au primaire d'un transformateur par l'intermédiaire d'un transistor, le secondaire du transformateur étant monté entre les deux électrodes de la première paires d'électrodes,
    • - un circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux comportant une capacité et deux résistances montées en série entre les électrodes de la deuxième paire,
    • - et un circuit monté entre le point commun aux deux résistances du circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux, et la porte du transistor du circuit de déclenchement de l'arc électrique, de façon à déclencher l'arc électrique lorsque le potentiel de l'anode du transistor, résultant de la charge dudit condensateur, dépasse le potentiel de la porte du transistor, résultant de la mesure de la conductivité du milieu gazeux et représentatif du taux de décroissance des ions dans la chambre,
    • - les électrodes de mesure de la conductivité du milieu gazeux sont alimentées en tension à partir du secondaire du transformateur qui est monté en parallèle sur ladite capacité par l'intermédiaire d'une diode,
    • - il comporte en outre un dispositif de signalisation de la chute de conductivité, contrôlé par un détecteur de la variation de fréquence de charge dudit condensateur,
    • - la cathode dudit transistor est reliée à une entrée dudit détecteur de la variation de fréquence de charge dudit condensateur,
    • - le point commun aux deux résistances du circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux est relié d'une part directement à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel, d'autre part à l'entrée positive dudit amplificateur opérationnel par l'intermédiaire d'un circuit à résistance et capacité en parallèle, engendrant une tension variable décroissante inférieure à la tension variable décroissante théorique correspondant à la décroissance de l'ionisation dans la chambre,
    • - le point commun aux deux résistances du circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux est relié d'une part à un dispositif mémoire de la tension représentative de la conductivité entre les électrodes de mesure, d'autre part à un dispositif de commande dont la sortie est pourvue de deux dispositifs de temporisation commandant l'accès de ladite tension à la fois à ladite mémoire et à un amplificateur opérationnel contrôlant un dispositif de signalisation,
    • - l'accès de ladite tension à la mémoire est contrôlé par un transistor MOS utilisé en interrupteur et commandé par ledit dispositif de commande, ce dispositif de commande étant constitué par un amplificateur opérationnel recevant d'une part une tension de référence, d'autre part ladite tension représentative de la conductivité entre les électrodes de mesure.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante faite en référence aux dessins et qui représentent à titre d'exemples non limitatifs, un mode de réalisation de la présente invention et des variantes de la commande de signalisation des mesures.
    • La figure 1 est une représentation schématique de l'appareil et de ses circuits.
    • La figure 2 le diagramme représentant les tensions de contrôle du transistor commandant le déclenchement de l'arc électrique.
    • La figure 3 un exemple de succession des tensions de commande de l'arc et de la variation de la résistivité entre électrodes de mesure.
    • La figure 4 le schéma d'un circuit de signalisation de la détection d'une chute de conductivité.
    • La figure 5 une variante du dispositif de la figure 4,
    • La figure 6 le schéma des tensions du dispositif de commande de déclenchement de l'arc électrique,
    • La figure 7 une variante du dispositif de la figure 5, et
    • La figure 8 un exemple des tensions des commandes du dispositif de signalisation représenté à la figure 7.
  • Le détecteur schématisé figure 1 comprend essentiellement une chambre unique 4 dont l'ouverture est recouverte par une fine grille de protection 5 mise à la masse. La grille permet notamment la suppression d'émissions radioélectriques parasites. Les électrodes E1 et E2 servant à la production d'arcs intermittents ainsi que les électrodes E3 et E4 de mesure de la conductivité du milieu sont alimentés en tension par les enroulements 7 d'un transformateur dont l'enroulement primaire 8 est contrôlé par la porte 9 du transistor Z1. Cette porte est connectée par le circuit 10 au circuit de mesure de conductivité de l'espace compris entre les électrodes E3 et E4.
  • L'alimentation de l'enroulement primaire 8 s'effectue au moyen de terminaux 1 et 2 connectés aux bornes de tout dispositif d'alimentation fournissant respectivement une tension positive au terminal 1 par exemple de + 6V et une tension négative au terminal 2 de -6V. La tension de référence au terminal 3 peut être de + 6V. En absence de conduction de Z1, le condensateur Ci connecté au terminal 2 et au terminal 1 par la résistance R1 se charge. Lorsque la tension de l'anode 11 croît et dépasse celle de la porte 9, le condensateur C1 se décharge par Z1 à travers l'enroulement primaire 8 du transformateur. La décharge se produisant en un temps extrêmement court, une différence importante de potentiel se produit aux bornes de l'enroulement secondaire 7 connectées aux électrodes E1 et E2 provoquant ainsi un arc électrique entre ces électrodes. L'accroissement de l'ionisation du milieu contenu dans la chambre 4 accroît la conductivité entre les électrodes E3 et E4 entraînant l'accroissement de la tension de la porte 9. Le condensateur Ci venant de se décharger, on voit que le dépassement de la tension de l'anode 11 par la tension de la porte 9 se produit en un temps très court, la décharge du condensateur entraînant la coupure immédiate par Z1 de l'alimentation de l'enroulement 8.
  • On voit que dès que la chambre 4 est ionisée, le condensateur C2 se charge à une certaine valeur et que le moment où la tension de la porte 9 dépasse celle de l'anode est fonction de la conductivité de l'espace situé entre les électrodes E3 et E4 ainsi que des valeurs des résistances R2 et R3. Il en résulte que, si au cours du temps, la conductivité varie entre E3 et E4 en raison d'une disparition rapide des ions due à la venue dans la chambre 4 de particules émises par exemple au cours d'un incendie, la fréquence d'amorçage de l'arc entre E1 et E2 croît. On obtient ainsi un moyen commode de détecter la pollution du milieu environnant la chambre 4.
  • La figure 2 montre en Vg la courbe de décroissance de la tension de la porte 9 entraînant la conduction brusque de Z1, lorsque la tension d'anode représentée en V11 dépasse la valeur VL de la tension Vg de la porte 9. La tension V12 de la cathode 12, croît alors brusquement à l'instant t, puis décroît jusqu'à l'instant t2. Le condensateur Ci se charge à nouveau et le cycle recommence.
  • On a représenté à la figure 3 une succession d'impulsions de commande de l'arc électrique provoquant l'ionisation de la chambre 4 ainsi que la courbe de résistivité 13 en fonction du temps au cours de la détection d'une certaine pollution que l'on détecte encore par la fréquence des impulsions V12 de commande de l'arc entre les électrodes E1 et E2. Un signal d'alarme de tout type peut être déclenché par le dispositif 30 représenté figure 4. Celui-ci peut comporter par exemple un circuit de détection d'impulsion manquante de type connu commercialisé par exemple sous la référence « Philips 555 » et qu'il suffit de raccorder aux éléments représentés au schéma de la figure 1 en connectant l'entrée 25 du circuit de détection au terminal 3 du circuit de la figure 1. La sortie 24 du dispositif de détection 30 est connectée à tout dispositif d'alarme désiré 31, de sorte que, lorsque les impulsions sont espacées comme sur la figure 3, avant accroissement de la résistivité, le circuit 30 donne une réponse normale entre A et B. Par contre, entre les points B et C l'accroissement de la fréquence des impulsions V12 entraîne un signal de sortie en 24 du dispositif de détection 30. La connexion 32 au dispositif d'alarme 31 déclenche ainsi tout dispositif. Le signal de déclenchement en 24 ne disparaît qu'au retour de la fréquence primitive en C.
  • Une variante du circuit de commande de la signalisation a été représentée figure 5. Dans cette variante, le point de jonction 14 des résistances R2 et R3 est relié d'une part directement à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 15, d'autre part à l'entrée positive de l'amplificateur 15 par l'intermédiaire du circuit constitué de la diode D2 et de la ligne de retard composée de la résistance R4 et du condensateur C3. On a représenté à la figure 6 la courbe 16 de décroissance de la conductivité dans le milieu normal que le détecteur ionique surveille et en 17 la courbe de la chute de tension à l'entrée du circuit R4, C3 en fonction du temps ce circuit étant préalablement réglé pour qu'à tout instant la valeur de la tension représentée par la courbe 17 soit inférieure à celle représentée par la courbe 16. La tension représentée par la courbe 17 sert de seuil de référence et permet que dès que des particules pénètrent dans la chambre 4 et entraînent la diminution du nombre des ions dans l'espace E3, E4 de commander l'amplificateur opérationnel 15, la courbe de la tension V10 du point de jonction 14 décroissant plus vite que celle du circuit R4-C3. La tension de sortie Vo de l'amplificateur 15 peut être utilisée pour commander tout circuit d'alarme, tel que 31 par exemple.
  • Ce circuit de commande de signalisation très simple a l'avantage d'être très sensible et convient particulièrement à la surveillance de milieux où l'humidité et la température sont relativement constantes.
  • Lorsque le milieu à surveiller est susceptible de présenter des variations d'humidité et de température affectant la mobilité des ions ainsi que la rapidité de leur disparition, le dispositif de commande de signalisation peut être remplacé par le dispositif représenté figure 7 permettant de comparer la tension Vlo prise au point de jonction 14 après une période prédéterminée T1 suivant la commande de l'arc entraînant l'ionisation, avec la valeur précédente de cette tension V10 préalablement enregistrée.
  • A cet effet, la tension Vio, représentative de la conduction entre les électrodes E3 et E4, est injectée dans l'amplificateur opérationnel 18 servant de transformateur d'impédance, de sorte que la même source de tension V10 est appliquée à la borne 27 du transistor 26 du type MOS dont le drain est connecté en 28 à l'entrée négative de l'amplificateur 20 et à la résistance Rs.
  • La porte 29 commandant la conduction du transistor MOS 26 servant d'interrupteur est reliée par 32 du circuit de temporisation 23. Ce circuit entraîne un retard de transmission Tz, figure 8, du signal transmis par le circuit différentiel C7, R7. Ce signal provient de l'amplificateur 19 par l'intermédiaire du circuit C6, R6 et du circuit de temporisation 22 qui introduit le retard T1, représenté figure 8.
  • Dès que la tension V10 est supérieure à une valeur de référence appliquée à l'entrée 21 de l'amplificateur 19, celui-ci transmet une impulsion négative au circuit 22 par le circuit différentiel C6Rs. Cette impulsion est retardée à son tour du temps T2.
  • Il en résulte que, lorsque la tension V10 est appliquée par l'interrupteur MOS 26 à la borne 28 et au circuit R5,C5, que si la tension du condensateur Cs, représentant l'ancienne valeur de V10, cas des valeurs B et C, figure 8, est inférieure à la nouvelle valeur de Vio, la sortie 33 de l'amplificateur 20 reste à la valeur 0.
  • Par contre, lorsque l'ancienne valeur de V10 représentée par celle de C5 est supérieure à la nouvelle, cas de valeurs B et A, figure 8, la nouvelle valeur est enregistrée par C5 et la sortie 33 de l'amplificateur 20 fournit un signal transmis à tout dispositif d'alarme tel que 31.
  • Il est ainsi possible d'analyser avec précision aussi bien les variations globales de diminution de la conductivité du milieu que les variations entraînées par les mobilités différentes des ions.

Claims (7)

1. Détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux, du type comportant une chambre unique (4) dans laquelle sont disposées une première paire d'électrodes (E1, E2), entre lesquelles un arc électrique provoque une ionisation du milieu gazeux, et une deuxième paire d'électrodes (E3, E4), entre lesquelles on mesure la conductivité du milieu gazeux. après l'ionisation provoquée par l'arc électrique, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un circuit de déclenchement de l'arc électrique à résistance (R1) et condensateur (C1) en série soumis à une polarisation constante, le point milieu du circuit (R1, C1) étant relié au primaire (8) d'un transformateur par l'intermédiaire d'un transistor (Z1), le secondaire (7) du transformateur étant monté entre les deux électrodes (E1, E2) de la première paires d'électrodes,
- un circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux comportant une capacité (C2) et deux résistances (R3, R2) montées en série entre les électrodes (E3, E4), de la deuxième paire,
- et un circuit (10) monté entre le point commun (14) aux deux résistances (R3, R2) du circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux, et la porte (9) du transistor (Z1) du circuit de déclenchement de l'arc électrique, de façon à déclencher l'arc électrique lorsque le potentiel de l'anode (11) du transistor (Z1), résultant de la charge dudit condensateur (C1), dépasse le potentiel de la porte (9) du transistor (Z1), résultant de la mesure de la conductivité du milieu gazeux et représentatif du taux de décroissance des ions dans la chambre.
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (E3, E4) de mesure de la conductivité du milieu gazeux sont alimentées en tension à partir du secondaire (7) du transformateur qui est monté en parallèle sur ladite capacité (C2) par l'intermédiaire d'une diode (D1).
3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de signalisation (31) de la chute de conductivité, contrôlé par un détecteur (30) de la variation de fréquence de charge dudit condensateur (C1).
4. Détecteur selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la cathode (12) dudit transistor (Z1) est reliée à une entrée (25) dudit détecteur (30) de la variation de fréquence de charge dudit condensateur (C1).
5. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point (14) commun aux deux résistances (R3, R2) du circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux est relié d'une part directement à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel (15), d'autre part à l'entrée positive dudit amplificateur opérationnel (15) par l'intermédiaire d'un circuit (R4, C3) à résistance et capacité en parallèle, engendrant une tension variable décroissante théorique (16) correspondant à la décroissance de l'ionisation dans la chambre (4).
6. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point (14) commun aux deux résistances (R3, R2) du circuit de mesure de la conductivité du milieu gazeux est relié d'une part à un dispositif mémoire (C5) de la tension (V10) représentative de la conductivité entre les électrodes (E3, E4) de mesure, d'autre part à un dispositif de commande (19) dont la sortie est pourvue de deux dispositifs de temporisation (22, 23) commandant l'accès de ladite tension (V10) à la fois à ladite mémoire (C5.) et à un amplificateur opérationnel (20) contrôlant un dispositif de signalisation (31).
7. Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'accès de ladite tension (V10) à la mémoire (C5) est contrôlé par un transistor MOS (26) utilisé en interrupteur et commandé par ledit dispositif de commande (19), ce dispositif de commande (19) étant constitué par un amplificateur opérationnel recevant d'une part une tension de référence (21), d'autre part ladite tension (V10) représentative de la conductivité entre les électrodes (E3, E4) de mesure.
EP83401258A 1982-06-17 1983-06-17 Détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux contrôlé par arc électrique Expired EP0099776B1 (fr)

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FR8210592A FR2528980A1 (fr) 1982-06-17 1982-06-17 Detecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux controle par arc electrique
FR8210592 1982-06-17

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EP0099776A1 EP0099776A1 (fr) 1984-02-01
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DE (1) DE3379756D1 (fr)
DK (1) DK163152C (fr)
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