EP0820045A2 - Isonisationsrauchmelder - Google Patents

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EP0820045A2
EP0820045A2 EP97111780A EP97111780A EP0820045A2 EP 0820045 A2 EP0820045 A2 EP 0820045A2 EP 97111780 A EP97111780 A EP 97111780A EP 97111780 A EP97111780 A EP 97111780A EP 0820045 A2 EP0820045 A2 EP 0820045A2
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EP
European Patent Office
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ionization
smoke detector
electrode
chamber
ion
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EP97111780A
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EP0820045A3 (de
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Uwe Sievert
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR 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
    • G08B17/113—Constructional details

Definitions

  • the invention relates to an ionization smoke detector according to the preamble of claim 1.
  • Fire detectors or smoke detectors are for automatic detection of fires have been in use for a long time.
  • the ionization smoke detector has proven itself most.
  • the air ionized by a radioactive preparation in a chamber and generates an ion current by applying a voltage. This Ion current changes when in the air for example Smoke particles enter the chamber.
  • a chamber is generally very reliable and free is disposal of the radioactive preparation viewed as increasingly problematic.
  • an ionization smoke detector which has at least three electrodes insulated from one another, wherein an outer electrode - in particular cap-like in connection with a carrier plate - a first volume (Measuring chamber) encloses and a middle electrode - in particular also cap-like - a second inner volume (Reference chamber) and the third one underneath Electrode covered.
  • an outer electrode in particular cap-like in connection with a carrier plate - a first volume (Measuring chamber) encloses and a middle electrode - in particular also cap-like - a second inner volume (Reference chamber) and the third one underneath Electrode covered.
  • facilities are provided that have high field strength concentrations generate parts of the chambers that differ from the prior art with a controllable high voltage are connected, with a regulating effect that in the Chambers dark discharges occur.
  • the object of the invention is an ionization smoke detector, that does not contain a radioactive preparation for air ionization, to further educate and develop such that a reliable Differentiation between characteristic fire sizes, disturbance sizes and a technical defect is possible.
  • the ionization smoke detector according to the invention it is advantageous that the commonly encountered arrangement with two spatially separate ion sources are no longer necessary is. Because with this known arrangement, the front Protected built-in ion source in the environment Reference chamber probably still ionize air perfectly while the ion source openly exposed to environmental influences in the Ionization chamber for reliable operation Pollution has already stopped.
  • the ionization smoke detector designed according to the invention contains an ionizing one powered by electrical energy acting device, in particular the principle of Corona discharge on an ionization electrode, e.g. at a metallic discharge tip, used as an ion source.
  • this device produces an inhomogeneous, spatially related ion density. Proportionately achieved ion current emitted by this ionization electrode two more electrodes. These other electrodes are in two from separate chambers so that one further electrode as measuring electrode by convection, Diffusion and other processes of smoke particles laden Indoor air can be reached while the other is more Electrode as reference electrode only of almost particle-free Air is surrounded.
  • the chamber with the measuring electrode for example has an annular-cylindrical shape and only towards the outside through a coarse-meshed metal grid from the ambient air is separated.
  • this measuring chamber is made of a very close-meshed wire mesh separated from another chamber, in which the reference electrode is located.
  • This chamber when Designated reference chamber has no direct connection to Ambient air.
  • Both electrodes are with one highly sensitive, for example, transimpedance amplifier connected, the ion currents in the pA range in voltages converted from about a volt.
  • the further signal processing is done with inexpensive commercially available analog circuits.
  • the division of the ion current from a single one Ionization electrode proportionate to the reference and the Measuring electrode advantageously has the result that a Disruption of ion generation, e.g. through a technical Defective or due to contamination of the ionization electrode also proportionately on the reference and measuring electrodes noticeable.
  • the Current on the reference electrode is therefore a measure of that Functionality of ion generation while the current is on the measuring electrode by the influence of the surrounding Smoke particles a measure of the smoke density of the ambient air is.
  • This constructive solution according to the invention makes it possible the function of the ion generator check and measure the smoke density. This will influences on the ionization rate in an advantageous manner detects how they e.g. by changing the climate, by causes a defect or aging of the ion source will. The influences can then be controlled by a electrical energy source of the ionization electrode be balanced.
  • Ionization rate of the ionization electrode is regulated so that they still breathe the air with minimized energy consumption ionized.
  • This regulation opens up two other methods, without reducing the reliability of the smoke detector, reduce its energy consumption.
  • the Ion current by modulating the energy supply to the Ionization electrode periodically varies in strength in the simplest case by switching it on and off periodically.
  • the geometry of the corona space be designed so that the ionization electrode only ionized a half space. This spatial ionization literally focuses the ion cloud on the measuring or Reference electrode so that relative to the total number generated Air ions more ions are available for measurement. The ion loss near the ionization electrode are therefore reduced by this measure, so that the The effectiveness of the overall system increases.
  • the invention is based on the single figure explained in more detail.
  • the drawing shows an embodiment of the invention Ionization smoke detector.
  • the chamber is cylindrical symmetrical.
  • the Ion generation occurs through the corona discharge on one High voltage 17 lying ionization electrode in the form of a gold-plated needle 1 against the ground potential at least slightly conductive housing 2.
  • This space is called the corona space 3.
  • the discharge system is a basic element of high voltage technology and is called a tip-plate system designated.
  • the corona space 3 is through openings 4 with two further chambers, the reference chamber 5 and the measuring chamber 6 connected. The connection is designed so that small ions from the corona room 3 into the reference chamber 5 and into the measuring chamber 6 can diffuse.
  • the reference chamber 5 has a close-meshed wire mesh 7 surrounded and therefore not decoupled from the ambient air. Thereby the small ion current in the reference chamber 5 is dependent of various disturbances such as the air pressure, the temperature, gas composition and more.
  • a reference electrode 8 is mounted insulated.
  • the ion current on this reference electrode 8 is one Measure of the ion generation rate of the ionization electrode 1 im Corona room 3. This measure advantageously serves to regulate the Ionization electrode 1 and thus ensures reliable a constant and from the mentioned disturbance variables independent ion current of the ionization electrode 1.
  • this reference current 10 with a setpoint 11 by means a comparator 12 compared.
  • a control process provides the Voltage 17 of the downstream high voltage generator 13 so that the desired ionization current flows.
  • the measuring chamber 6 surrounds the reference chamber 6 in an annular manner.
  • the outer cylinder is made permeable to air by a coarse-mesh wire mesh 9 such that an air exchange between the interior of the chamber and the air surrounding the smoke detector is possible.
  • the smoke particles enter the measuring chamber 6 with the air and are electrically charged in the measuring chamber 6 by the known ion accumulation effects.
  • An annular measuring electrode 14 is mounted insulated in the measuring chamber 6.
  • the current 16 measurable there in the absence of particles ( Quiescent current ") is reduced by the entry of smoke into the measuring chamber 6.
  • This current flow 16 which deviates from the quiescent current, on the measuring electrode 14 is therefore a measure of the particle concentration of the flue gas and becomes a fire alarm signal by the signal processing 15 (eg threshold value comparison) processed.

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Abstract

Mindestens zwei voneinander getrennte Kammern als Referenz- und Meßkammer (5,6) weisen jeweils mindestens eine Elektrode (8, 14) auf, die über eine elektrische Energiequelle mit einer ionisierend wirkenden Einrichtung (1,3) verbunden sind. Die von der ionisierend wirkende Einrichtung erzeugten Ionen gelangen anteilig in der Meßkammer (6) zur Bestimmung der Rauchdichte und in die Referenzkammer (5). Durch die Regelung der elektrischen Energiequelle (13) ist die zur Ionisation notwendige elektrische Energie (17) der Ionisierungselektrode (1) minimierbar und die Anzahl der Ionen mit der Zeit variierbar. Die ionisierend wirkende Einrichtung ist von einem eigenen Koronaraum (3) mit einer Ionenquelle in Form einer mit einer Hochspannung (17) versorgten Ionisierungselektrode (1) gebildet, wobei die Referenz- und die Meßkammer (5, 6) über dem Koronaraum (3) angeordnet sind und mit dem Koronaraum (3) durch Öffnungen (4) in Verbindung stehen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionisationsrauchmelder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Brandmelder bzw. Rauchmelder sind zur automatischen Erkennung von Bränden seit langem im Einsatz. Neben optischen Rauchmeldern hat sich der Ionisationsrauchmelder am meisten bewährt. Bei den kommerziell eingesetzten Bauformen wird die Luft durch ein radioaktives Präparat in einer Kammer ionisiert und durch Anlegen einer Spannung ein Ionenstrom erzeugt. Dieser Ionenstrom ändert sich, wenn mit der Luft beispielsweise Rauchpartikel in die Kammer eintreten. Während der Betrieb einer solchen Kammer im allgemeinen sehr zuverlässig und frei von Gefahren ist, wird die Entsorgung des radioaktiven Präparates als zunehmend problematischer angesehen.
Um das Problem des radioaktiven Präparats, insbesondere dessen Entsorgung, zu vermeiden, wurde bereits ein Ionisationsrauchmelder ohne radioaktives Präparat vorgeschlagen. In der DE 44 02 518 A1 ist ein Ionisationsrauchmelder beschrieben, der wenigstens drei gegeneinander isolierte Elektroden aufweist, wobei eine äußere Elektrode - insbesondere kappenartig in Verbindung mit einer Trägerplatte - ein erstes Volumen (Meßkammer) umschließt und eine mittlere Elektrode - insbesondere ebenfalls kappenartig - ein zweites inneres Volumen (Referenzkammer) umschließt und die darunterliegende dritte Elektrode überdeckt. Um Ionisierungen in den Kammern hervorzurufen, sind Einrichtungen vorgesehen, die hohe Feldstärkenkonzentrationen in Teilen der Kammern erzeugen, die abweichend vom Stand der Technik mit einer regelbaren Hochspannung verbunden werden, wobei eine Regelwirkung bewirkt, daß in den Kammern Dunkelentladungen entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ionisationsrauchmelder, der kein radioaktives Präparat zur Luftionisation enthält, weiterzubilden und so auszugestalten, daß eine zuverlässige Unterscheidung zwischen charakteristischen Brandgrößen, Störgroßen und einem technischen Defekt möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Ionisationsrauchmelder ist es vorteilhaft, daß die üblicherweise anzutreffende Anordnung mit zwei räumlich getrennten Ionenquellen nicht mehr notwendig ist. Denn bei dieser bekannten Anordnung kann die vor Umwelteinflüssen geschützt eingebaute Ionenquelle in der Referenzkammer wohl noch einwandfrei Luft ionisieren, während die offen den Umwelteinflüssen ausgesetzte Ionenquelle in der Ionisationskammer den zuverlässigen Betrieb wegen Verschmutzung bereits eingestellt hat.
Der erfindungsgemäß ausgestaltete Ionisationsrauchmelder enthält eine mit elektrischer Energie gespeiste ionisierend wirkende Einrichtung, die insbesondere das Prinzip der Koronaentladung an einer Ionisierungselektrode, z.B. an einer metallischen Entladungsspitze, als Ionenquelle nutzt. Erfindungsgemäß erzeugt diese Einrichtung eine inhomogene, räumlich zusammenhängende Ionendichte. Anteilig erreicht der von dieser Ionisierungselektrode emittierte Ionenstrom zwei weitere Elektroden. Diese weiteren Elektroden liegen in zwei voneinandergetrennten Kammern dergestalt, daß die eine weitere Elektrode als Meßelektrode durch Konvektion, Diffusion und andere Prozesse von Rauchpartikel beladener Raumluft erreicht werden kann, während die andere weitere Elektrode als Referenzelektrode nur von nahezu partikelfreier Luft umgeben ist. Konstruktiv wird dieser Aufbau dadurch erreicht, daß die Kammer mit der Meßelektrode beispielsweise eine ringförmig-zylindrische Form hat und nach außen hin nur durch ein grobmaschiges Metallgitter von der Umgebungsluft getrennt ist. Nach innen wird diese Meßkammer von einem sehr engmaschigen Drahtgitter von einer weiteren Kammer getrennt, in dem sich die Referenzelektrode befindet. Diese Kammer, als Referenzkammer bezeichnet, weist keine direkte Verbindung zur Umgebungsluft auf. Beide Elektroden sind mit einem hochempfindlichen beispielsweise Transimpedanz-Verstärker verbunden, der die Ionenströme im pA-Bereich in Spannungen von etwa einem Volt umwandelt. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt mit preiswerten handelsüblichen analogen Schaltungen.
Die Aufteilung des Ionenstroms von einer einzigen Ionisierungselektrode anteilig auf die Referenz- und die Meßelektrode hat in vorteilhafter Weise zur Folge, daß eine Störung der Ionenerzeugung, z.B. durch einen technischen Defekt oder durch Verschmutzung der Ionisierungselektrode sich auch anteilig auf der Referenz- und der Meßelektrode bemerkbar macht. Durch diese Ionenstrom-Aufteilung ist der Strom auf die Referenzelektrode also ein Maß für die Funktionsfähigkeit der Ionenerzeugung, während der Strom auf die Meßelektrode durch den Einfluß der sie umgebenden Rauchpartikel ein Maß für die Rauchdichte der Umgebungsluft ist. Diese erfindungsgemäße konstruktive Lösung ermöglicht es also gleichzeitig die Funktion des Ionenerzeugers zu kontrollieren und die Rauchdichte zu messen. Dadurch werden in vorteilhafter Weise Einflüsse auf die Ionisationsrate erfaßt, wie sie z.B. durch Veränderung des Klimas, durch einen Defekt oder die Alterung der Ionenquelle verursacht werden. Die Einflüsse können dann durch eine Regelung einer elektrischen Energiequelle der Ionisierungselektrode ausgeglichen werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß gleichzeitig mit Hilfe des Stromes auf die Referenzelektrode auch die Ionisationsrate der Ionisierungselektrode so geregelt wird, daß sie mit minimiertem Energieaufwand die Luft noch ionisiert. Diese Regelung eröffnet zwei weitere Methoden, ohne Einschränkung der Zuverlässigkeit des Rauchmelders, seinen Energieverbrauch zu vermindern. Zum einen kann der Ionenstrom durch Modulation der Energieversorgung der Ionisierungselektrode periodisch in seiner Stärke variiert werden, im einfachsten Fall durch periodisches Ein-Ausschalten. Zum anderen kann die Geometrie des Koronaraumes derart gestaltet werden, daß die Ionisierungselektrode nur einen Halbraum ionisiert. Diese räumlich begrenzte Ionisation fokussiert förmlich die Ionenwolke auf die Meß- bzw. Referenzelektrode, so daß relativ zur Gesamtzahl erzeugter Luftionen mehr Ionen für die Messung zur Verfügung stehen. Die Ionenverluste in der Nähe der Ionisierungselektrode werden durch diese Maßnahme also geringer, so daß die Effektivität des Gesamtsystems steigt.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ionisationsrauchmelders. Um eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber der Richtung des anströmenden Rauches zu gewährleisten, ist die Kammer zylindersymmetrisch gestaltet. Die Ionenerzeugung geschieht durch die Koronaentladung einer auf Hochspannung 17 liegenden Ionisierungselektrode in Form einer vergoldeten Nadel 1 gegen das auf Massepotential liegende, wenigstens gering leitfähige Gehäuse 2. Dieser Raum heißt Koronaraum 3. Das Entladungssystem ist ein grundlegendes Element der Hochspannungstechnik und wird als Spitze-Platte-System bezeichnet. Der Koronaraum 3 ist durch Öffnungen 4 mit zwei weiteren Kammern, der Referenzkammer 5 und der Meßkammer 6 verbunden. Die Verbindung ist so gestaltet, daß Kleinionen aus dem Koronaraum 3 in die Referenzkammer 5 und in die Meßkammer 6 diffundieren können.
Die Referenzkammer 5 ist mit einem engmaschigen Drahtgitter 7 umgeben und von der Umgebungsluft somit nicht entkoppelt. Dadurch ist der Kleinionenstrom in der Referenzkammer 5 abhängig von diversen Störgrößen wie z.B. dem Luftdruck, der Temperatur, der Gaszusammensetzung und anderem mehr. In der Referenzkammer 5 ist eine Referenzelektrode 8 isoliert montiert. Der Ionenstrom auf diese Referenzelektrode 8 ist ein Maß für die Ionenerzeugungsrate der Ionierungselektrode 1 im Koronaraum 3. Vorteilhaft dient dieses Maß der Regelung der Ionisierungselektrode 1 und gewährleistet dadurch zuverlässig einen konstanten und von den genannten Störgrößen unabhängigen Ionenstrom der Ionisierungselektrode 1. Dazu wird dieser Referenzstrom 10 mit einem Sollwert 11 mittels eines Komparators 12 verglichen. Ein Regelvorgang stellt die Spannung 17 des nachgeschalteten Hochspannungsgenerators 13 so ein, daß der gewünschte Ionisationsstrom fließt.
Die Meßkammer 6 umschließt die Referenzkammer 6 ringförmig. Der Außenzylinder ist durch ein grobmaschiges Drahtgitter 9 derart luftdurchlässig gefertigt, daß ein Luftaustausch zwischen dem Kammerinneren und der den Rauchdetektor umgebenden Luft möglich ist. Die Rauchpartikel dringen mit der Luft in die Meßkammer 6 ein und werden in der Meßkammer 6 durch die bekannten Ionenanlagerungseffekte elektrisch geladen. In der Meßkammer 6 ist eine ringförmige Meßelektrode 14 isoliert montiert. Der dort in Abwesenheit von Partikeln meßbare Strom 16 (
Figure 00050001
Ruhestrom") reduziert sich durch den Eintritt von Rauch in die Meßkammer 6. Dieser vom Ruhestrom abweichende Stromfluß 16 auf die Meßelektrode 14 ist also ein Maß für die Partikelkonzentration des Rauchgases und wird durch die Signalverarbeitung 15 (z.B. Schwellwert-Vergleich) zu einem Brandmeldesignal weiter verarbeitet.

Claims (7)

  1. Ionisationsrauchmelder mit mindestens zwei voneinander getrennten Kammern (5, 6), von denen mindestens eine als Meßkammer (6) zur Bestimmung der Rauchdichte und mindestens eine weitere als Referenzkammer (5) dient, wobei in jeder Kammer (5, 6) mindestens eine Elektrode (8, 14) ausgebildet ist, welche über eine Energiequelle (13) mit einer ionisierend wirkenden Einrichtung (1,3) verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die ionisierend wirkende Einrichtung (1,3) derart angeordnet ist, daß die von ihr erzeugten Ionen anteilig in die Meßkammer (6) und in die Referenzkammer (5) gelangen.
  2. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    eine geregelte Energiequelle (13) zur Minimierung eines von der ionisierend wirkenden Einrichtung (1,3) abgegebenen Ionenstroms zu den Elektroden (5,6).
  3. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet durch
    eine geregelte Energiequelle (13) zur zeitlichen Variation der Anzahl der erzeugten Ionen.
  4. Ionisationsrauchmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die ionisierend wirkende Einrichtung derart ausgebildet ist, daß nur ein im wesentlichen halbkugelförmiger Halbraum ionisiert wird.
  5. Ionisationsrauchmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die ionisierend wirkende Einrichtung einen Koronaraum (3) mit einer durch eine Hochspannung (13) versorgte Ionisierungselektrode (1) umfaßt, wobei die Referenz- und die Meßkammer (5, 6) mit dem Koronaraum (3) durch Öffnungen (4) in Verbindung stehen.
  6. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ionisierungselektrode (1) als vergoldete Nadel ausgebildet ist.
  7. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Energiequelle zur Aufrechterhaltung des Ionenstroms in der Referenzkammer (5) als abhängig von diesem Ionenstrom geregelter Hochspannungsgenerator (13) ausgebildet ist.
EP97111780A 1996-07-18 1997-07-10 Isonisationsrauchmelder Ceased EP0820045A3 (de)

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