Détecteur d'incendie comprenant au moins un tube à cathode froide
et au moins une chambre d'ionisation
La détection ou la prédétection d'incendie prenant, de nos jours, une importance de plus en plus marquée et, observant les insuffisances graves de certains types de détecteurs connaissant une certaine faveur sur le marché international, tenant compte de la nécessité de produire des appareils répondant, presque dans chaque cas d'utilisation, à des conditions bien spécifiques, il a été jugé opportun d'apporter aux systèmes existants des améliorations et des adjonctions complétant leurs caractéristiques de sécurité opérationnelle, leur sensibilité, et d'étendre, dans certains cas, le nombre de critères sur la base desquels la détection ou la prédétection d'incendie est obtenue.
D'autre part, dans l'ensemble des pays appartenant à la Communauté Européenne de 1'EURATOM, il existe une réglementation très stricte limitant sévèrement les rayonnements radioactifs issus de détecteurs ou prédétecteurs du type ionique, ce qui implique la mise en ceuvre de techniques spéciales visant à réduire l'importance ou l'influence des radiations émises par les sources ionisantes inclues dans certains de ces dispositifs.
La présente invention a pour but la réalisation d'un détecteur d'incendie permettant d'utiliser une charge radioactive, conforme aux normes européennes réglementant l'émission ou la dispersion des radiations, et d'un fonctionnement sûr.
Selon l'invention, le détecteur qui comprend au moins un tube à cathode froide et au moins une chambre d'ionisation, est caractérisée en ce que la chambre d'ionisation est à géométrie variable et est montée en série avec une résistance, leur borne commune étant reliée au starter du tube à cathode froide, l'autre borne de ladite chambre d'ionisation étant reliée à la cathode et l'autre borne de ladite résistance à l'anode dudit tube, le tout étant agencé de telle sorte que le déplacement relatif d'une charge radioactive contenue dans ladite chambre et d'une électrode fixe assure la charge électrique optimale de la chambre d'ionisation et que le montage en série de ladite chambre et de la résistance assure le réglage précis du seuil d'allumage dudit tube, qui, lorsqu'il est allumé, est traversé par un courant continu.
La fig. 1 du dessin représente un détecteur connu, tandis que les fig. 2 à 12 représentent, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention.
Le procédé de détection connu sous le vocable de détection ou prédétection d'incendie et qui repose sur l'ionisation des gaz, vapeurs, fumées, aérosols ou produits généralement quelconques de distillation résultant d'une combustion sporadique ou spontanée, a été amplement décrit dans ses moindres détails, y compris les éléments de signalisation tels que relais, appareils de mesure, témoins au néon. etc.
Une méthode de détection connue est schématisée en fig. 1.
Une enceinte E, appelée chambre d'ionisation, ouverte contient une préparation radioactive Ra et une électrode de collectrice K fortement isolée.
Dans ces conditions, si un champ électrique fourni par la batterie Bt existe entre les parois de E de la chambre d'ionisation et l'électrode K, une résistance R de forte valeur (de 1010 à 1014 ohms par exemple) sera parcourue par un courant qui, partant de + Bt, traversera la chambre, la résistance R une partie de P, dont nous verrons la fonction plus loin et, finalement, retournera à - B1.
T est un tube électronique à vide poussé dont l'élément de commande. en l'occurrence la grille G fortement isolée également, est connectée à la jonction de K et de R.
Le filament du tube T est chauffé par la batterie B2 shuntée par le potentiomètre P dont le curseur est connecté électriquement à R de façon telle que, par déplacement de ce curseur, le potentiel appliqué à G, via R, soit modifié, altérant ainsi le courant anodique de T ali menté par B3 via un galvanomètre à zéro médian choisi ici pour les nécessités de l'exposé.
Ga pourrait naturellement t tre une charge électrique quelconque adaptable à T.
L'expérience montre que la déflexion de l'index de Ga est à la fois fonction de la nature du gaz introduit dans l'enceinte de la chambre et que celle-ci peut tre positive ou négative selon que le gaz ou mélange gazeux introduit est de densité plus petite ou plus grande que l'air et que, pour un mme gaz, cette mme déflexion est proportionnelle à la pression qui lui est impartie. Il est alors normal que le courant lu en 0a prend des valeurs plus petites ou plus grandes que celles qui lui sont imparties par réglage initial.
De ce qui précède, on peut donc conclure que le dispositif schématisé en fig. 1 est celui d'un analyseur de gaz sensible aux variations de la pression et de la nature du gaz ou mélange gazeux introduit dans un élément détecteur qui est une chambre d'ionisation, excitée par une préparation radioactive fournissant à l'électrode de commande d'un amplificateur électronique, une tension apparaissant amplifiée dans le circuit anodique de ce mme amplificateur ou pouvant tre prélevée à basse impédance, elle peut servir éventuellement à toutes fins de contrôle ou de commande électrique souhaitables.
Dans certaines réalisations industrielles, le tube élec- tronique chauffé T, a été remplacé par un tube à déchar ge gazeuse appelé tube à cathode froide .
Ces tubes possèdent sur leur équivalent thermo-ionique, l'avantage de ne pas posséder d'éléments chauffants.
Le fonctionnement de ceux-ci est basé sur une décharge électrique au travers d'une atmosphère gazeuse entre deux électrodes. cathode et anode, initiée par une électrode intenmédiaire généralement appelée d starter 2.
L'avantage de ne pas posséder d'élément chauffant que présente cette catégorie de tube. est contrebalancé par l'inconvénient de signaux à tension élevée, nécessaires à déclencher le passage du courant et qui doivent tre appliqués au starter, par des phénomènes de vieillissement et, lorsque travaillant à toute impédance d'entrée, par des phénomèmes d'allumages intempestifs.
D'autre part, le système est monodirectionnel. c'està-dire. que la décharge peut tre amorcée, ou bien par accroissement du potentiel entre starter et cathode, ou par un décroissement de celui-ci sans situation intermé diaire.
Le système est donc un interrupteur du type tout ou rien réagissant comme les tubes du type thyratron à cathode chauffée.
L'inconvénient des tensions élevées à appliquer aux starters de ce genre d'organe, est partiellement contrebalancé par le fait que les courants nécessaires à leur opération sont extrmement petits et peuvent tre encore réduits par l'insertion d'un condensateur entre starter et cathode comme C1 en fig. 2.
Dans ce schéma, on retrouve la mme chambre d'ionisation qu'en fig. 1 ainsi que la mme résistance de charge R, tandis que le circuit anodique est chargé par un relais Rel dont les contacts sont figurés en Ki, K2 et K3.
On s'arrange de façon telle que le diviseur potentiométrique représenté par la chambre d'ionisation E et la résistance R, fasse apparaître sur le starter S de la triode à cathode froide TF, une différence de potentiel telle que le tube soit à la limite d'allumage.
Si maintenant. on introduit en E un gaz plus lourd que l'air, la tension aux bornes de cette chambre tend à croître par suite de la diminution de courant dans le circuit R-E.
Dès lors, la tension du starter croît, le tube TF s'allume et un courant circule dans le circuit de charge actionnant le relais Rel.
Si maintenant. on introduit en E un gaz plus léger que l'air, le phénomène inverse se produit. c'est-à-dire que la tension entre le starter et la cathode décroît et le tube ne s'allume pas. C'est ce qui explique le non-fonctionnement des soi-disant prédétecteurs d'incendie en présence de feux sans fumée tels que ceux observés en présence de la combustion d'alcool, d'éther. de glycol ou autres produits hautement volatils ou inflammables qui brûlent en ne dégageant que de l'air chaud qui. étant plus léger que l'air à température normale et pénétrant dans la chambre d'ionisation, empche le fonctionnement de ces prédétecteurs.
D'autre part, nous avons expliqué ci-dessus que le déclenchement de la décharge entre cathode et anode d'un tube à cathode froide. ne pouvait tre obtenu que par une variation importante de tension sur le starter.
Ceci implique que la charge radioactive excitant la chambre d'ionisation doit tre importante et que la tension aux bornes de celle-ci doit tre assez élevée.
Toutefois, comme les règlements issus de l'EURA-
TOM obligent à utiliser des sources très faibles d'isotopes à faible rayonnement parasite. on est amené à devoir réaliser des chambres d'ionisation d'un montage très particulier. lesquelles sont un compromis entre une dispersion parasite de rayonnement minimum. une tension optimum sur le starter avec une adaptation électrique aussi proche que possible de l'idéal.
Une telle chambre représentée en fig. 3 permet de se rapprocher des conditions optima reprises ci-dessus. Elle est essentiellement constituée par un cylindre Cy coulissant dans un anneau métallique A via des tiges telles que
H1 et H2.
Au centre de cet anneau est monté un suprior en matériel à haut pouvoir diélectrique. tel que le Téflon ou le polystyrène. dans l'axe duquel est percé un trou pour y recevoir une électrode sphérique B.
Le cylindre Cy porte en outre un pont P pouvant coulisser en hauteur selon deux de ses génératrices diamétralement opposées. Ce pont. à sont tour. porte un cylindre S dans lequel est sertie la charge radioactive Ra. Il est donc possible de déplacer Cy ainsi que la source Ra, par rapport à B, en faisant coulisser Cy en A et P le long de Cy.
Cy et le porte-source S sont connectés au négatif de la batterie B5 de la fig. 2. tandis que l'électrode sphérique est connectée au positif de la mme batterie via la résistance R dont le point Q est connecté au starter de TF.
Dans ces conditions, en agissant sur la géométrie doublement variable de la chambre d'ionisation et observant que Cy est à un potentiel négatif par rapport à B, on peut influencer le parcours, en distance dans l'air, des particules alpha issues de Ra et concentrer ces particules en B en augmentant la différence de potentiel aux bornes de B5 puisque B est positif par rapport à Cy.
Dans ces conditions, il existe un réglage pour lequel le champ électrique en Cy est maximum et la densité de particules reçues en B également.
Il en résulte que par rapport aux chambres d'ionisation à tiges centrales, on obtient pour une mme charge
Ra une sensibilité beaucoup plus grande ou avec une charge réduite, une sensibilité égale à celle des chambres ordinaires.
Toutefois, s'il est possible d'obtenir un maximum très poussé de rendement d'une telle chambre, il n'en reste pas moins vrai que le starter de S doit tre préalablement porté à un potentiel bien déterminé, par construction, au travers d'une résistance R de valeur très élevée.
L'emploi de valeurs fixes de telles résistances se heurte à deux objections fondamentales. en premier lieu. leur coût et. en second lieu. le fait que la valeur ohmique fixe ne peut tre idéalement adaptée aux conditions d'opération de TF.
On sait, en effet, que si l'on considère la chambre d'ionisation comme un générateur, l'adaptation idéale veut que la résistance de charge en série avec ce générateur soit égale à la résistance interne de celui-ci.
Des lors. si l'on veut adapter une chambre d'ionisation à paramètre variable à TF, il faut rendre R variable également.
Ceci est fait en réalisant R sous la forme d'une seconde charge radioactive de très faible valeur disposée en face d'un plateau fixe tandis que le support de la seconde charge Ra2, peut tre déplacé par rapport à ce mme tableau.
L'ensemble est schématisé en fig. 4.
Le diviseur potentiométrique formé par R sous la forme d'un élément variable et la chambre d'ionisation, est relié via une résistance Ro à un ensemble diviseur de tension R1 - P1, de façon telle que si les valeurs ohmiques de R et de la chambre d'ionisation sont égales, on puisse faire varier le potentiel appliqué en S en agissant sur le curseur de P1.
Dans ces conditions. on réalise une adaptation idéale de la chambre d'ionisation par rapport à sa charge et on amène à volonté le potentiel de S aussi près que possible de l'allumage au moyen de P.
Toutefois. on observe que, si le réglage de P1 est poussé à la limite d'amorçage de TF, celui-ci s'allume à la moindre variation de la valeur nominale de la source de tension BF ; et que. mme cette source demeurant sta- ble, des variations thermiques ambiantes sont susceptibles de déclencher intempestivement le tube TF.
C'est la raison pour laquelle il y a intért à s'écarter, dans une certaine mesure. des tensions trop proches à l'amorçage de TF et c'est ce qui justifie l'intért. tant d'obtenir une chambre d'ionisation à haute sensibilité, convenablement adaptée à sa résistance de charge. car dans ce cas, les variations de tension présentes en S atteignent une très grande valeur pour de très faibles variations des concentrations gazeuses ou de fumées dans la chambre d'ionisation et, dès lors, le système présente une très grande marge de sécurité alliée à une sensibilité très élevée.
Lorsqu'un montage comme celui indiqué en fig. 4 est utilisé, il peut y avoir intért à ce que sa réponse puisse tre retardée de façon à éliminer les alarmes intempestives. qui pourraient tre provoquées soit par des bouffées de fumée, soit par l'acheminement vers le détecteur de gaz extérieurs sollicitant l'appareillage par à-coups.
Pour ce faire, il suffit d'introduire entre S et la cathode de TF, un condensateur ajustable par exemple qui permette de délayer l'action de S.
Toutefois, si l'on veut introduire un tel condensateur dans le montage, on se heurte à une très grosse difficulté qui réside dans l'isolement électrique d'un tel condensateur.
La difficulté peut tre tournée en associant en série au condensateur variable, un condensateur fixe très soigneusement isolé, au polystyrène par exemple, en série avec le condensateur variable.
Une telle association de condensateurs est indiquée en fig. 4 où q est le condensateur fixe et CI le condensateur variable.
Un raffinement très intéressant à la chambre d'ionisation de la fig. 4, consiste à introduire entre la source ionisante Ra et l'électrode collectrice B, une ou plusieurs électrodes de contrôle (grilles) permettant un réglage électrique du champ à l'intérieur de la chambre et de l'intensité du bombardement de particules atteignant B.
Ces éléments de contrôle ou grilles peuvent prendre la forme d'anneaux, de plaques de déflexion ou de lentilles électroniques convenablement polarisées et placées sur le chemin des particules issues de la source radioactive Ra.
Une telle disposition est utilisée dans le schéma de la fig. 5 dont il sera question dans la suite du présent exposé.
En effet, ainsi qu'il a été expliqué plus haut, par suite du fonctionnement unilatéral des tubes à cathode froide, il est impossible de réaliser, avec un montage à tube unique. un détecteur ou un prédétecteur d'incendie intégral.
Par le qualificatif intégral, nous entendons un détecteur opérant aussi bien sous l'influence de produits de combustion plus légers ou plus lourds que l'air.
Un circuit réalisant la condition de détection intégrale, est schématisé en fig. 5 avec l'utilisation de chambres d'ionisation à grilles.
Dans ce schéma, deux triodes à cathode froide, TFj et TF2, sont montées de façon telle qu'elles débitent, dans leur circuit de cathode, dans un relais commun Rel. shunté par une diode D amortissant les extratensions de rupture comme dans les schémas précédents.
Dans les circuits de starter de chacun des tubes considérés, on retrouve les condensateurs fixe et variable C1 et C2, comme précédemment décrits.
Toutefois, I'attaque des starters par les chambres d'ionisation est faite d'une façon inversée pour chacun des tubes.
Ainsi, alors que TFr est monté comme dans les précédents circuits, c'est-à-dire, que ce tube s'allumera lorsque la chambre d'ionisation E sera influencée par un gaz plus lourd que l'air, la chambre D', identique à E, est montée dans le bras opposé du potentiomètre formé par E' et R', de façon telle que, si un gaz plus léger que l'air pénètre en E', la résistance apparente de cette chambre diminue, dès lors, la tension sur le starter S' augmente et le relais Rel. opère.
Le montage de ce relais dans les circuits cathodiques des tubes à cathode froide, en général, est préférable à celui indiqué dans les schémas précédents parce qu'il évite la présence permanente de la tension d'alimentation sur l'excitation du relais.
Les tubes TFa et TF2 pourraient tre remplacés uti lement par un tube à deux starters tels que TF3 de la fig. 6. Dans ce cas, le starter Si placé au voisinage immé- diat de l'anode A de TF3, déclenche l'allumage du tube pour un signal de polarité négative par rapport à sa cathode K, tandis que le starter S; déclenche l'allumage du mme tube pour un signal de polarité positive par rapport à la cathode.
Une ou plusieurs anodes auxiliaires telles que A de la fig. 6 peuvent tre prévues pour en faciliter l'allumage et réduire le temps de désionisation.
Il est évident que toute charge électrique convenablement adaptée, soit au circuit anodique, soit au circuit cathodique, comme montré en fig. 5, peut tre utilisée en lieu et place du relais Rel.
La fig. 7 montre un cas particulier d'utilisation d'une résistance Rk commune à TFt et TFo. Dans ce circuit, lorsque l'un des tubes s'allume, une tension apparaît aux bornes de la résistance Rk, et une impulsion traverse le condensateur C5 relié à un troisième tube à cathode froide TF.
Le starter de ce tube est polarisé par un diviseur potentiométrique constitué par les résistances R5, R7 et R". de façon à ce qu'une tension permanente existe sur le starter par rapport à la terre. Sous l'influence de l'impulsion de Rk et traversant C5, le tube TF4 alimenté par la ligne PQ s'allume et transmet au condensateur C4 une impulsion transmise à son tour à la résistance Rq et la diode D. qui, à son tour, transmet cette impulsion à la ligne MN.
Si l'on considère maintenant que le starter de TFN, polarisé identiquement à celui de TF, TF5 étant contenu en fig. 8, est raccordé à la résistance Rkt de TF4, du fait que ce dernier tube s'allume il déclenche l'allumage de TF; qui, à son tour. fournit une impulsion à la ligne
MN et ainsi de suite. le phénomène se reproduira en chaîne et la ligne MN recevra autant d'impulsions qu'il y a de tubes TF s'allumant successivement par suite de l'excitation initiale d'un de ceux-ci.
Un tel système permet donc d'obtenir autant d'impulsions qu'il y a de détecteurs à la suite d'un appareil excité et de localiser, par comptage du nombre d'impulsions; I'appareil ayant initialement opéré.
Revenant au montage de la fig. 5, mme utilisant un tube comme celui schématisé en fig. 6. celui-ci présente l'inconvénient d'tre très onéreux au point de vue industriel et l'obligation d'utiliser deux chambres d'ionisation et deux résistances R et R' qui font que l'on fait croître indûment le rayonnement parasite émis par le détecteur.
Si l'on considère que. dans le cas de combustion sans fumée. il y a touiours présence d'air chaud. on peut penser à remplacer TF. et ses éléments connexes par un montage thermostatique-thermovélocimétrique moins onéreux et plus simple.
Un tel montage est schématisé en fig. 8.
Dans ce circuit. le potentiomètre Po et la résistance RX alimentant la chambre d'ionisation via la résistance de protection Re. est remplacé par la chaîne potentiométrique de la fig. 8, R1, P1 et R2 appartenant au cir- cuit de la fig. 4.
La chaîne potentiométrique de la fig. 8 est essentiellement composée de deux résistances fixes R12 et R14 et de deux potentiomètres Rto et R13.
Trois résistances à constante thermique négative, R11, R13 et R, sont également utilisées dans ce circuit, dont l'opération est essentiellement la suivante:
Supposant momentanément R11 inexistante. le potentiel appliqué à la chambre d'ionisation E est défini par la tension existant entre la jonction de R16 et R12 et la position du curseur de R13.
Ces deux points sont shuntés par les thermistances R11 et R16. Si R16est soustrait à l'action des variations thermiques extérieures, et qu'au contraire, R15 soit exposé à ces variations, la valeur absolue de R15 diminuera et, en conséquence, la tension au point 0 de jonction de R15 et Rîb croîtra par rapport à la terre et, étant transmise au starter S de TF via la chambre d'ionisation
E, provoquera l'allumage du tube.
Si R1 et R16 sont choisis rigoureusement égales en valeur ohmique à une température déterminée et qu'il soit admis que le rapport des valeurs absolues de ces résistances reste égal à l'unité pour des variations très lentes de température les affectant, les variations de R16 représenteront les valeurs de la différentielle thermique de l'endroit où elles se situent. Cette mesure est donc une mesure différentielle thermique ou encore la mesure vélocimétrique de température.
Revenons maintenant à la résistance R11 réintroduite dans le circuit. Cette résistance, diminuant en valeur absolue avec la température du lieu, en choisissant convenablement la position du curseur de R10, le courant dans la chaîne potentiométrique, pour une valeur bien déterminée de R1j, peut tre ajusté de façon telle que la tension au point 0 atteigne la valeur critique d'allumage de TF et on obtient ainsi la mesure thermométrique de l'endroit considéré.
Le circuit de la fig. 8 réalise donc dans le seul tube à cathode froide TF, la détection ionique des gaz, vapeurs ou mélanges gazeux plus lourds que l'air, simultanément à la détection thermovélocimétrique et thermostatique des conditions ambiantes.
On notera que ce dispositif peut tre complété par le système d'impulsions d'identification réalisé ici par l'adjonction d'une tétrode à cathode froide TF5 comme précédemment exposé.
Dans certains cas de détection, il y a intért à ce que, dans le cas de feux sans fumée, le système détecteur soit rendu très sensible. Dans ce cas, on adjoint entre les éléments de détection thermovélocimétrique tels que R15 et R16, un transistor Tr comme montré en fig. 9.
L'utilisation d'un transistor dans un tel circuit est extrmement intéressante. En effet, disposant d'une tension élevée pour l'alimentation de l'ensemble, ce transistor peut tre chargé par une résistance telle que R19 (fig. 9) de valeur très élevée. et l'on obtient ainsi une amplification en tension de plusieurs centaines de fois.
C'est précisément ce qu'il faut pour attaquer le starter S de TF via R2 et la chambre d'ionisation.
On obtient ainsi un ensemble extrmement sensible qui, dans la fig. 9, a sa sortie d'utilisation entre le point
U et la terre, c'est-à-dire, aux bornes de la résistance Rk qui représente le système d'utilisation pouvant tre généralement quelconque dans ce cas.
Cependant, un tel circuit n'a qu'une sortie en U et il y a parfois intért à savoir si c'est le détecteur ionique ou le circuit thermostatique-thermovélocimétrique qui a opéré.
Pour obtenir ce résultat, on introduit dans le montage (voir fig. 10) une petite tétrode à cathode froide TF6 qui est attaquée par le transistor thermostatique, thermovélocimétrique et l'on obtient ainsi entre U1 et la terre une sortie qui sera sous tension lorsque le détecteur thermique aura fonctionné, tandis que sur la triode à cathode froide TF7 chargée dans sa cathode par Rk6, on trouve lors de l'opération de TF7 une seconde tension entre U2 et la terre.
Disposant dès lors de deux lignes d'information, on peut désirer, pour des raisons d'identification, une troisième sortie en régime d'impulsions ou en régime direct, comme indiqué en fig. 8 pour le tube TF5.
A cet effet, le starter d'un troisième tube à cathode froide TF8 (voir fig. 11) est connecté capacitivement via un condensateur C4, à TF7 galvaniquement via la résistance R2r, à ce mme starter prépolarisée par le diviseur potentiométrique constitué par les résistances
R22 et R28.
Lorsque l'un ou l'autre des détecteurs opérant TF6 déclenche, on retrouve en U3 une impulsion indépendante du type de détecteur ayant fonctionné tandis qu'entre la diode D et la terre, on retrouve une impulsion qui peut tre utilisée à des fins d'identification comme décrit plus haut.
Pour la détection immédiate des arcs électriques de court-circuit par exemple, qui sont des phénomènes transitoires pouvant tre à l'origine d'incendies, l'ensemble de détection ionique et thermovélocimétrique précédemment décrit est inefficace. On peut lui adjoindre un détecteur de rayonnement infrarouge, constitué par exemple (fig. 12) d'une cellule photo-électrique IR, choisie pour sa sensibilité dans l'infrarouge, qui attaque la base d'un transistor TR3 dont le collecteur est relié au starter d'une triode à cathode froide TF1.
Lorsque la cellule IR est excitée, le transistor TR3 devient conducteur, la chute de tension qui apparaît dans la résistance R5 provoque l'allumage de la triode à cathode froide TF1.
Le schéma de la fig. 12 est celui d'un détecteur tétravalent avec circuit d'identification comme expliqué précédemment.
On y reconnaît le détecteur ionique dont l'organe essentiel est le tube à cathode froide TF, le détecteur d'infrarouge et son amplificateur TRS et enfin. le détecteur thermostatique-thermovélocimétrique dont l'élément amplificateur est le transistor TR4.
La liaison entre les éléments est réalisée au moyen de trois triodes à cathode froide TFt, TF2 et TF8, de la façon suivante:
La résistance de charge Rkt de TF est couplée capacitivement via le condensateur C1 au starter de TFj, tandis que la sortie, côté collecteur de TF3 est couplée galvaniquement via Rlss au mme starter.
I1 résulte de ce couplage que si le détecteur ionique ou le détecteur infrarouge est sollicité, la résistance Rk de TF1 est mise sous tension. Ceci se traduit par une impulsion traversant le condensateur C2 et excitant, à son tour, le starter de TF2, lequel est couplé galvaniquement via R17 au collecteur du transistor Tr4.
En conséquence, si l'un des trois détecteurs est sollicité, on retrouve en Rk3 une impulsion résultant de cette sollicitation, quel que soit le détecteur ayant opéré.
L'impulsion apparaissant en Rkg est transmise à son tour au tube à cathode froide TF5 qui est le tube d'identification alimenté séparément, comme indiqué sur le schéma par la source Bi. Le collecteur de TF3 est, en outre, retourné à un diviseur potentiométrique constit
Fire detector comprising at least one cold cathode tube
and at least one ionization chamber
The detection or the predetection of fire taking, nowadays, an increasingly marked importance and, observing the serious insufficiencies of certain types of detectors enjoying a certain favor on the international market, taking into account the need to produce devices responding, almost in each case of use, to very specific conditions, it was considered advisable to bring to the existing systems improvements and additions supplementing their operational safety characteristics, their sensitivity, and to extend, in certain cases , the number of criteria on the basis of which the fire detection or predetection is obtained.
On the other hand, in all the countries belonging to the European Community of EURATOM, there are very strict regulations severely limiting radioactive radiation from detectors or predetectors of the ionic type, which implies the implementation of techniques. special measures aimed at reducing the importance or the influence of the radiations emitted by the ionizing sources included in some of these devices.
The object of the present invention is the production of a fire detector making it possible to use a radioactive charge, in accordance with European standards regulating the emission or dispersion of radiation, and of safe operation.
According to the invention, the detector which comprises at least one cold cathode tube and at least one ionization chamber, is characterized in that the ionization chamber is of variable geometry and is mounted in series with a resistor, their terminal common being connected to the starter of the cold cathode tube, the other terminal of said ionization chamber being connected to the cathode and the other terminal of said resistor to the anode of said tube, the whole being arranged so that the relative displacement of a radioactive charge contained in said chamber and of a fixed electrode ensures the optimum electrical charge of the ionization chamber and that the series connection of said chamber and of the resistance ensures precise adjustment of the ignition threshold said tube, which, when lit, is traversed by a direct current.
Fig. 1 of the drawing shows a known detector, while FIGS. 2 to 12 represent, by way of example, several embodiments of the object of the invention.
The detection process known by the term fire detection or predetection and which is based on the ionization of gases, vapors, fumes, aerosols or generally any distillation products resulting from sporadic or spontaneous combustion, has been fully described in its smallest details, including signaling elements such as relays, measuring devices, neon lights. etc.
A known detection method is shown schematically in FIG. 1.
An open enclosure E, called an ionization chamber, contains a radioactive preparation Ra and a highly insulated collector electrode K.
Under these conditions, if an electric field supplied by the battery Bt exists between the walls of E of the ionization chamber and the electrode K, a resistance R of high value (from 1010 to 1014 ohms for example) will be traversed by a current which, starting from + Bt, will cross the chamber, the resistance R a part of P, the function of which we will see later and, finally, will return to - B1.
T is a high vacuum electron tube including the control element. in this case the highly insulated gate G also, is connected to the junction of K and R.
The filament of tube T is heated by battery B2 shunted by potentiometer P whose cursor is electrically connected to R such that, by moving this cursor, the potential applied to G, via R, is modified, thus altering the anode current of T supplied by B3 via a median zero galvanometer chosen here for the requirements of the presentation.
Ga could naturally be any electric charge adaptable to T.
Experience shows that the deflection of the Ga index is both a function of the nature of the gas introduced into the enclosure of the chamber and that this can be positive or negative depending on whether the gas or gas mixture introduced is of smaller or greater density than air and that, for the same gas, this same deflection is proportional to the pressure imparted to it. It is then normal for the current read at 0a to take smaller or larger values than those assigned to it by the initial setting.
From the above, it can therefore be concluded that the device shown schematically in FIG. 1 is that of a gas analyzer sensitive to variations in pressure and the nature of the gas or gas mixture introduced into a detector element which is an ionization chamber, excited by a radioactive preparation supplying the control electrode with d an electronic amplifier, a voltage appearing to be amplified in the anode circuit of this same amplifier or being able to be taken at low impedance, it can optionally be used for all desirable electrical control or command purposes.
In certain industrial embodiments, the heated electronic tube T has been replaced by a gas discharge tube called a cold cathode tube.
These tubes have over their thermionic equivalent, the advantage of not having heating elements.
The operation of these is based on an electric discharge through a gaseous atmosphere between two electrodes. cathode and anode, initiated by an intermediate electrode generally called d starter 2.
The advantage of not having a heating element that this category of tube presents. is counterbalanced by the disadvantage of high voltage signals, necessary to trigger the flow of current and which must be applied to the starter, by aging phenomena and, when working at any input impedance, by untimely ignition phenomena .
On the other hand, the system is one-way. that is to say. that the discharge can be initiated, either by increasing the potential between starter and cathode, or by decreasing the latter without an intermediate situation.
The system is therefore an all-or-nothing type switch reacting like thyratron type tubes with heated cathode.
The drawback of the high voltages to be applied to the starters of this type of component is partially offset by the fact that the currents required for their operation are extremely small and can be further reduced by the insertion of a capacitor between the starter and the cathode. like C1 in fig. 2.
In this diagram, we find the same ionization chamber as in fig. 1 as well as the same load resistance R, while the anode circuit is loaded by a relay Rel, the contacts of which are shown in Ki, K2 and K3.
It is arranged in such a way that the potentiometric divider represented by the ionization chamber E and the resistor R, shows on the starter S of the cold cathode triode TF, a potential difference such that the tube is at the limit ignition.
So now. a gas heavier than air is introduced into E, the voltage across this chamber tends to increase as a result of the decrease in current in the R-E circuit.
Therefore, the starter voltage increases, the TF tube lights up and a current flows in the load circuit actuating the Rel relay.
So now. a gas lighter than air is introduced into E, the reverse phenomenon occurs. that is, the voltage between the starter and the cathode decreases and the tube does not light. This explains the non-operation of the so-called fire predetectors in the presence of smokeless fires such as those observed in the presence of the combustion of alcohol, ether. glycol or other highly volatile or flammable products which burn, releasing only hot air which. being lighter than air at normal temperature and penetrating into the ionization chamber, prevents the operation of these predetectors.
On the other hand, we have explained above that the triggering of the discharge between cathode and anode of a cold cathode tube. could only be obtained by a significant variation in tension on the starter.
This implies that the radioactive charge exciting the ionization chamber must be high and that the voltage across the latter must be high enough.
However, as the regulations resulting from EURA-
TOMs require the use of very weak sources of isotopes with low spurious radiation. we have to make ionization chambers of a very particular assembly. which are a compromise between a parasitic dispersion of minimum radiation. an optimum voltage on the starter with an electrical adaptation as close as possible to the ideal.
Such a chamber shown in FIG. 3 makes it possible to approach the optimum conditions mentioned above. It is essentially constituted by a cylinder Cy sliding in a metal ring A via rods such as
H1 and H2.
In the center of this ring is mounted a suprior in material with high dielectric power. such as Teflon or polystyrene. in the axis of which a hole is drilled to receive a spherical electrode B.
The cylinder Cy also carries a bridge P which can slide in height along two of its diametrically opposed generators. This bridge. in turn. carries a cylinder S in which the radioactive charge Ra is crimped. It is therefore possible to move Cy as well as the source Ra, with respect to B, by sliding Cy in A and P along Cy.
Cy and the source holder S are connected to the negative of battery B5 in fig. 2. while the spherical electrode is connected to the positive of the same battery via the resistor R, the point of which is connected to the starter of TF.
Under these conditions, by acting on the doubly variable geometry of the ionization chamber and observing that Cy is at a negative potential with respect to B, we can influence the distance path in the air, of the alpha particles from Ra and concentrating these particles in B by increasing the potential difference at the terminals of B5 since B is positive with respect to Cy.
Under these conditions, there is a setting for which the electric field in Cy is maximum and the density of particles received in B also.
As a result, compared to ionization chambers with central rods, one obtains for the same load
Ra much greater sensitivity or with reduced load, a sensitivity equal to that of ordinary chambers.
However, if it is possible to obtain a very high maximum efficiency from such a chamber, it is nonetheless true that the starter of S must first be brought to a well-determined potential, by construction, through a resistance R of very high value.
The use of fixed values of such resistances comes up against two fundamental objections. in the first place. their cost and. Secondly. the fact that the fixed ohmic value cannot be ideally suited to the operating conditions of TF.
We know, in fact, that if we consider the ionization chamber as a generator, the ideal adaptation is that the load resistance in series with this generator is equal to the internal resistance of the latter.
Since then. if we want to adapt an ionization chamber with variable parameter to TF, we must also make R variable.
This is done by producing R in the form of a second radioactive charge of very low value placed in front of a fixed plate, while the support of the second charge Ra2 can be moved relative to this same table.
The whole is shown schematically in fig. 4.
The potentiometric divider formed by R in the form of a variable element and the ionization chamber, is connected via a resistor Ro to a voltage divider assembly R1 - P1, in such a way that if the ohmic values of R and the ionization chamber are equal, we can vary the potential applied in S by acting on the cursor of P1.
In these conditions. an ideal adaptation of the ionization chamber with respect to its charge is achieved and the potential of S is brought as close as possible to ignition by means of P.
However. it is observed that, if the setting of P1 is pushed to the ignition limit of TF, it turns on at the slightest variation of the nominal value of the voltage source LF; and. even this source remaining stable, ambient thermal variations are liable to inadvertently trigger the TF tube.
This is the reason why there is interest in deviating, to some extent. tensions too close to the initiation of TF and this is what justifies the interest. both to obtain a high sensitivity ionization chamber, suitably adapted to its load resistance. because in this case, the voltage variations present in S reach a very large value for very small variations in gas or smoke concentrations in the ionization chamber and, consequently, the system has a very large safety margin combined with very high sensitivity.
When an assembly like that shown in fig. 4 is used, it may be beneficial for its response to be delayed so as to eliminate unwanted alarms. which could be caused either by puffs of smoke, or by the routing to the external gas detector stressing the equipment in spurts.
To do this, it suffices to introduce between S and the cathode of TF, an adjustable capacitor for example which makes it possible to delay the action of S.
However, if one wishes to introduce such a capacitor into the assembly, one comes up against a very great difficulty which lies in the electrical isolation of such a capacitor.
The difficulty can be overcome by associating in series with the variable capacitor, a very carefully insulated fixed capacitor, with polystyrene for example, in series with the variable capacitor.
Such a combination of capacitors is shown in fig. 4 where q is the fixed capacitor and CI the variable capacitor.
A very interesting refinement to the ionization chamber of fig. 4, consists in introducing between the ionizing source Ra and the collecting electrode B, one or more control electrodes (grids) allowing an electrical adjustment of the field inside the chamber and of the intensity of the bombardment of particles reaching B .
These control elements or grids can take the form of rings, deflection plates or electronic lenses suitably polarized and placed in the path of the particles coming from the radioactive source Ra.
Such an arrangement is used in the diagram of FIG. 5 which will be discussed later in this presentation.
In fact, as explained above, due to the unilateral operation of cold cathode tubes, it is impossible to achieve, with a single tube assembly. an integral fire detector or pre-detector.
By the term integral we mean a detector operating both under the influence of combustion products lighter or heavier than air.
A circuit realizing the condition of integral detection is shown schematically in FIG. 5 with the use of grid ionization chambers.
In this diagram, two cold cathode triodes, TFj and TF2, are mounted in such a way that they output, in their cathode circuit, in a common relay Rel. shunted by a diode D damping the breaking extratensions as in the preceding diagrams.
In the starter circuits of each of the tubes considered, we find the fixed and variable capacitors C1 and C2, as previously described.
However, the attack on the starters by the ionization chambers is done in a reverse fashion for each of the tubes.
Thus, while TFr is mounted as in the previous circuits, that is to say, this tube will ignite when the ionization chamber E is influenced by a gas heavier than air, the chamber D ' , identical to E, is mounted in the opposite arm of the potentiometer formed by E 'and R', so that, if a gas lighter than air enters E ', the apparent resistance of this chamber decreases, therefore , the voltage on the starter S 'increases and the relay Rel. operates.
The assembly of this relay in the cathode circuits of cold cathode tubes, in general, is preferable to that indicated in the preceding diagrams because it avoids the permanent presence of the supply voltage on the excitation of the relay.
The TFa and TF2 tubes could usefully be replaced by a tube with two starters such as TF3 in FIG. 6. In this case, the starter Si placed in the immediate vicinity of the anode A of TF3, triggers the ignition of the tube for a signal of negative polarity with respect to its cathode K, while the starter S; triggers the ignition of the same tube for a signal of positive polarity with respect to the cathode.
One or more auxiliary anodes such as A of FIG. 6 can be provided to facilitate ignition and reduce the deionization time.
It is obvious that any electric charge suitably adapted, either to the anode circuit, or to the cathode circuit, as shown in FIG. 5, can be used instead of the Rel relay.
Fig. 7 shows a particular case of using a resistance Rk common to TFt and TFo. In this circuit, when one of the tubes lights up, a voltage appears across resistor Rk, and a pulse passes through capacitor C5 connected to a third cold cathode tube TF.
The starter of this tube is polarized by a potentiometric divider formed by the resistors R5, R7 and R ". So that a permanent voltage exists on the starter with respect to the earth. Under the influence of the pulse of Rk and crossing C5, the tube TF4 supplied by the line PQ ignites and transmits to the capacitor C4 a pulse transmitted in turn to the resistor Rq and the diode D. which, in turn, transmits this pulse to the line MN.
If we now consider that the TFN starter, polarized identically to that of TF, TF5 being contained in fig. 8, is connected to the resistor Rkt of TF4, because this last tube ignites it triggers the ignition of TF; which in turn. provides impetus to the line
MN and so on. the phenomenon will be repeated as a chain and the MN line will receive as many pulses as there are TF tubes successively igniting as a result of the initial excitation of one of these.
Such a system therefore makes it possible to obtain as many pulses as there are detectors following an energized device and to locate, by counting the number of pulses; The device that initially operated.
Returning to the assembly of FIG. 5, even using a tube such as that shown schematically in FIG. 6. this has the drawback of being very expensive from an industrial point of view and the obligation to use two ionization chambers and two resistors R and R 'which cause the parasitic radiation to grow unduly. emitted by the detector.
If we consider that. in the case of smokeless combustion. there is always hot air. we can think of replacing TF. and its related elements by a less expensive and simpler thermostatic-thermovelocimetric assembly.
Such an assembly is shown schematically in FIG. 8.
In this circuit. the potentiometer Po and the resistor RX supplying the ionization chamber via the protection resistor Re. is replaced by the potentiometric chain of fig. 8, R1, P1 and R2 belonging to the circuit of FIG. 4.
The potentiometric chain of fig. 8 is essentially composed of two fixed resistors R12 and R14 and two potentiometers Rto and R13.
Three resistors with negative thermal constant, R11, R13 and R, are also used in this circuit, the operation of which is essentially as follows:
Assuming momentarily that R11 does not exist. the potential applied to the ionization chamber E is defined by the voltage existing between the junction of R16 and R12 and the position of the cursor of R13.
These two points are shunted by thermistors R11 and R16. If R16is withdrawn from the action of external thermal variations, and if, on the contrary, R15 is exposed to these variations, the absolute value of R15 will decrease and, consequently, the voltage at the junction point 0 of R15 and Rîb will increase in relation to to earth and, being transmitted to the starter S of TF via the ionization chamber
E, will cause the tube to ignite.
If R1 and R16 are chosen to be rigorously equal in ohmic value at a determined temperature and it is accepted that the ratio of the absolute values of these resistors remains equal to unity for very slow variations in temperature affecting them, the variations of R16 will represent the values of the thermal differential of where they are located. This measurement is therefore a thermal differential measurement or even a velocimetric temperature measurement.
Let us now return to the resistor R11 reintroduced into the circuit. This resistance, decreasing in absolute value with the temperature of the place, by suitably choosing the position of the cursor of R10, the current in the potentiometric chain, for a well-determined value of R1j, can be adjusted in such a way that the voltage at point 0 reaches the critical ignition value of TF and thus obtains the thermometric measurement of the location considered.
The circuit of FIG. 8 therefore performs in the single cold cathode tube TF, the ionic detection of gases, vapors or gas mixtures heavier than air, simultaneously with the thermovelocimetric and thermostatic detection of the ambient conditions.
It will be noted that this device can be supplemented by the system of identification pulses produced here by the addition of a cold cathode tetrode TF5 as previously explained.
In certain cases of detection, it is advantageous that, in the case of smoke-free fires, the detector system is made very sensitive. In this case, between the thermovelocimetric detection elements such as R15 and R16, a transistor Tr is added as shown in FIG. 9.
The use of a transistor in such a circuit is extremely interesting. In fact, having a high voltage for supplying the assembly, this transistor can be loaded by a resistor such as R19 (FIG. 9) of very high value. and a voltage amplification of several hundred times is thus obtained.
This is precisely what it takes to attack TF's S starter via R2 and the ion chamber.
An extremely sensitive assembly is thus obtained which, in FIG. 9, at its output of use between the point
U and the earth, that is to say, at the terminals of the resistor Rk which represents the system of use which can generally be arbitrary in this case.
However, such a circuit has only one U-shaped output and it is sometimes of interest to know whether it is the ionic detector or the thermostatic-thermovelocimetric circuit which operated.
To obtain this result, one introduces in the assembly (see fig. 10) a small tetrode with cold cathode TF6 which is driven by the thermostatic, thermovelocimetric transistor and one thus obtains between U1 and the ground an output which will be under tension when the thermal detector will have functioned, while on the cold cathode triode TF7 loaded in its cathode by Rk6, one finds during the operation of TF7 a second voltage between U2 and the earth.
Having therefore two information lines, it is possible, for identification reasons, to desire a third output in pulse mode or in direct mode, as indicated in fig. 8 for the TF5 tube.
For this purpose, the starter of a third cold cathode tube TF8 (see fig. 11) is capacitively connected via a capacitor C4, to TF7 galvanically via the resistor R2r, to this same starter prepolarized by the potentiometric divider formed by the resistors
R22 and R28.
When one or other of the detectors operating TF6 triggers, there is at U3 a pulse independent of the type of detector that has operated, while between the diode D and the earth, there is a pulse which can be used for purposes of 'identification as described above.
For the immediate detection of short-circuit electric arcs, for example, which are transient phenomena which can be the source of fires, the ionic and thermovelocimetric detection assembly described above is ineffective. We can add to it an infrared radiation detector, consisting for example (fig. 12) of an IR photoelectric cell, chosen for its sensitivity in the infrared, which attacks the base of a transistor TR3 whose collector is connected. to the starter of a TF1 cold cathode triode.
When the IR cell is excited, the transistor TR3 becomes conductive, the voltage drop which appears in the resistor R5 causes the ignition of the cold cathode triode TF1.
The diagram in fig. 12 is that of a tetravalent detector with an identification circuit as explained previously.
We can recognize the ionic detector whose essential organ is the cold cathode tube TF, the infrared detector and its amplifier TRS and finally. the thermostatic-thermovelocimetric detector, the amplifier element of which is the transistor TR4.
The connection between the elements is achieved by means of three cold cathode triodes TFt, TF2 and TF8, as follows:
TF's load resistor Rkt is capacitively coupled via capacitor C1 to the starter of TFj, while the output, collector side of TF3 is galvanically coupled via Rlss to the same starter.
It results from this coupling that if the ionic detector or the infrared detector is requested, the resistor Rk of TF1 is energized. This results in a pulse passing through capacitor C2 and energizing, in turn, the starter of TF2, which is galvanically coupled via R17 to the collector of transistor Tr4.
Consequently, if one of the three detectors is activated, a pulse resulting from this solicitation is found in Rk3, regardless of which detector has operated.
The pulse appearing in Rkg is transmitted in turn to the cold cathode tube TF5 which is the separately supplied identification tube, as shown in the diagram by the source Bi. The TF3 manifold is further returned to a potentiometric divider constit