EP1005005A2 - Ionisationsrauchmelder - Google Patents

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EP1005005A2
EP1005005A2 EP99122883A EP99122883A EP1005005A2 EP 1005005 A2 EP1005005 A2 EP 1005005A2 EP 99122883 A EP99122883 A EP 99122883A EP 99122883 A EP99122883 A EP 99122883A EP 1005005 A2 EP1005005 A2 EP 1005005A2
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EP
European Patent Office
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ionization
chamber
current
electrode
smoke detector
Prior art date
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EP99122883A
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English (en)
French (fr)
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EP1005005B1 (de
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Klaus Schierau
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Original Assignee
Minimax GmbH and Co KG
Preussag AG Minimax
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Publication date
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Publication of EP1005005A3 publication Critical patent/EP1005005A3/de
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    • 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
    • G—PHYSICS
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    • 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
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/02—Monitoring continuously signalling or alarm systems
    • G08B29/04—Monitoring of the detection circuits
    • G08B29/043—Monitoring of the detection circuits of fire detection circuits

Definitions

  • the invention relates to an ionization smoke detector without use radioactive preparations as a radiation source and a method of operation an ionization smoke detector.
  • Ionization detectors are able to completely independent of their aerosols to detect optical properties. They are also conventional Ionization detectors - i.e. those that contain radioactive preparations for ionization use - able to detect even the presence of very small aerosols to capture.
  • One of the main areas of application for ionization detectors is that Detecting smoke, i.e. its use in fire detection technology. About that In addition, such detectors can also be used for aerosol monitoring of Chambers and rooms are used.
  • devices for optical aerosol measurement e.g. absorbance measurement, Scattered light method
  • particle detection gains a particularly high level Reliability.
  • Ionization detectors also have particularly good properties in relation insensitivity to environmental influences and they are technically very robust.
  • An ionization smoke detector is known from EP 0 820 045 A2, which has two separate chambers, a reference and a measuring chamber, each with at least one electrode, which is connected to an ionizing device via an electrical energy source.
  • the ions generated by the ionizing device pass partially through openings in the corona space into a measuring and a reference chamber.
  • the ions are generated in the corona space by means of an ionizing electrode which is at high voltage and has the shape of a gold-plated needle.
  • the ionization electrode generates an inhomogeneous, spatially coherent ion density, the ions of which reach the two counter electrodes arranged in the measuring and reference chamber via the openings mentioned in the corona space.
  • the object of the invention is therefore to eliminate the known shortcomings and an ionization smoke detector and a method for its operation create which, using the principle of shock ionization, a homogeneous, time-independent ionization of the in the measurement and Reference chamber located gas volume allows.
  • the essentially homogeneous charge distributions in the measuring and Reference chamber to be proportional to each other.
  • the ionization electrode is designed as a central wire electrode with a very small diameter which is guided through both chambers. This wire electrode is then surrounded by a two-part, cylindrical electrode system (counter electrodes) that is insulated from one another. The respective counter electrodes are an essential part of the measuring and the reference chamber.
  • the natural background ionizations which are produced by the terrestrial and extraterristrial radiation which is constantly present are considered as Germs ".
  • Sufficiently high electrical field strengths accelerate the electrons in particular to such an extent that they can cause impact ionizations on the gas molecules or atoms.
  • the ionization smoke detector according to the invention is constructed as a two-chamber system, that is to say with a reference chamber and a measuring chamber. Both chambers are connected via compensating openings in such a way that diffusion processes are essentially the same in both Can form gas atmospheres.
  • the present invention ensures that a reference current is formed in both chambers at the same time, which only reflects the state of the gas atmosphere without the presence of aerosols in the measuring chamber.
  • gases or gas mixtures such as B. air
  • the number of ions per unit volume can be increased so far by shock ionization that an aerosol measurement analogous to ionization chambers that use radioactive emitters for ionization is possible.
  • the impact ionization is predominantly carried out by electrons that have been accelerated by high electric fields. Natural ionization (radiation) is not a continuous and completely even process. Natural ionizations, which fluctuate greatly over time, take place in the individual volume units of a chamber system. The consequences of these temporally and spatially strongly fluctuating ionization processes with regard to the intended impact ionizations and thus the current flow can only be compensated for with regard to the temperature fluctuations and the fluctuations in the gas atmosphere by generating as uniform and extensive a field structure as possible in the entire chamber system. Therefore, the chamber system according to the invention consists of a reference and a measuring chamber, both of which have a common electrode with a strong surface curvature, e.g. B.
  • a reference and a measuring chamber both of which have a common electrode with a strong surface curvature, e.g. B.
  • the reference chamber and the measuring chamber are interconnected by equalization openings (diffusion openings) so that the gas atmospheres can be equalized between the two chambers and the gas conditions are the same. Due to the installation position and the special design of the diffusion openings, it can be achieved that aerosols of fire can practically only get into the measuring chamber, which is connected to the external environment through inlet openings.
  • the current intensity of the ion current flowing between the ionization electrode and the counter electrode in the reference chamber depends only on the state of its gas atmosphere, that of the measuring chamber also on the presence of aerosols.
  • the ionization electrode is divided in each case for the measuring and the reference chamber, or that the ionization electrodes are arranged separately for both chambers (for example two wires).
  • the prerequisite for a uniform field structure in both chambers is the use of ionization electrodes that are the same in all parameters and their common high-voltage regulation.
  • the ionization smoke detector contains, in addition to the chamber system, a complete signal evaluation and conversion unit as well as a unit for generating high voltage.
  • the chamber currents are measured in the signal evaluation and forming unit, compared with one another and the deviations from the normal state obtained in this way are evaluated.
  • the evaluation results are the parent units, z. B. fire control panels, provided for further processing.
  • this unit takes over the regulation of the reference chamber current.
  • the regulation of the reference chamber current ensures that it is always in the optimum range for the measuring task, fluctuations in the natural ionization rate are compensated for and unwanted flashovers are prevented.
  • the central ionization electrode which is uniform for both chambers, gives both chambers the same potentials, so that the regulation of the reference current corresponds to a setpoint specification of the basic current in the measuring chamber, ie the current intensity that would occur without aerosols. Deviations from the normal state can then only be traced back to aerosols in the measuring chamber.
  • the power supply for the ionization smoke detector according to the invention takes place either via a two-line system which simultaneously serves for the data exchange between the detectors and the central units, or independently, if it is a self-sufficient detector system.
  • Active suction ionization smoke alarm systems which are connected to central units and, under certain circumstances, are coupled to one another, preferably receive their energy supply from the central units via power supply lines which are routed separately to the data supply lines.
  • the intermediate electrodes 10, 14 can also be designed, for example, as a wire mesh or wire mesh.
  • the entire system can also be covered by an outer, shielding electrode 13, which must be sufficiently perforated for the passage of gas molecules or can also consist of a wire mesh (Fig. 2).
  • the voltages required for this which can be between a few hundred and a few thousand volts depending on the shape of the electrode and the chamber structure, are either inductive, e.g. B. generated by means of blocking oscillators, or by means of piezotransformers.
  • the required consumer power is very low because the chamber currents are in the range from pA to nA.
  • the voltages are supplied to the electrodes via a rectifier unit or a modulator circuit. The regulation of the level of the reference chamber current 24 and the evaluation and correction of its deviations from the normal state are described in principle in FIG. 3.
  • a predetermined target value 19 of the reference chamber current in FIG. 3 is compared with the actual current of the reference chamber current 24.
  • the difference between the two measured variables is fed to a controller 21, the output signal of which controls the high-voltage generator 16.
  • the high voltage of the ionization electrode 4 is set in such a way that the actual current of the reference chamber current 24 adapts to the predetermined value.
  • the same high voltage also acts on the measuring chamber 17, so that the adjusted actual current of the measuring chamber current 23 is also set there. Deviations from the set actual current in the measuring chamber 17 can then essentially only be attributed to the influence of smoke aerosols.
  • the dynamics of the regulation can be further improved by, for example, subordinating the current regulation to a voltage regulation 25.
  • a deviation of the reference chamber current 24 is fed to a controller 21.
  • the output signal of this regulator 21 now forms the setpoint for a subordinate voltage control circuit 25.
  • the image of the high voltage is now compared with this setpoint and the control deviation is fed to a voltage control amplifier 22, the output signal of which causes the high voltage generator 16 to generate a corresponding voltage.
  • the images of the two chamber flows 23, 24 are compared again and the deviation from the normal state is analyzed.
  • This principle of regulating the reference chamber current 24 can compensate for temporal fluctuations in the background ionization by changes in the impact ionization capacity.
  • the arrangement according to the invention of the electrode passing through both chambers allows the ion-generating electric field of both chambers to be formed uniformly. As a result, the natural ionizations which fluctuate strongly in the individual volume units of the chamber systems are better compensated, which leads to a considerable improvement in the measurement accuracy of aerosol particles in the ambient atmosphere to be monitored.
  • Another advantage of the invention is the regulation of the reference chamber flow 24 by means of a signal evaluation and conversion unit (15 and 20 in FIGS. 3 and 4).
  • the reference chamber current 24 is always in the optimum range for the measurement task in order to prevent fluctuations in natural ionization or unwanted flashovers.
  • an additional intermediate electrode 10, 14 the running speed of the charge carriers can be reduced and an even better attachment of the aerosols can be achieved, which in turn contributes to increasing the sensitivity and measuring accuracy of the ionization smoke detector.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsrauchmelder zur Erfassung von Rauchearosolen bei der Entstehung von Bränden mit wenigsten drei gegeneinander isolierten Elektroden (1, 2, 4), wobei mindestens eine Elektrode als Ionisierungselektrode (4) und mindestens 2 Elektroden als hohlzylindrische Gegenelektroden (1, 3) ausgebildet sind. Die Gegenelektroden bilden gemeinsam mit den an ihren Grundflächen angeordneten Isolatoren (2, 7) die ein Gasvolumen einschließende Meßkammer (17) und Referenzkammer (18).
Beide Kammern(17, 18) sind über eine Ausgleichsöffnung (8) miteinander verbunden, welche insbesondere zum Gasaustausch (Diffusion) und damit zur Herstellung gleicher Gasverhältnisse dient.
Erfindungsgemäß ist die Ionisationselektrode (4) einstückig ausgebildet und läuft durch die Meßkammer (17) und durch die Referenzkammer (18).
Dadurch ist es möglich, in beiden Kammern homogene proportionale elektrische Feldverhältnisse für die Ionenerzeugung herzustellen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung (15) zur Stromversorgung verbessert besonders die Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit der Meßergebnisse.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsrauchmelder ohne Verwendung radioaktiver Präparate als Strahlungsquelle und ein Verfahren zum Betrieb eines Ionisationsrauchmelders.
Ionisationsmelder sind in der Lage, Aerosole völlig unabhängig von ihren optischen Eigenschaften zu detektieren. Darüber hinaus sind konventionelle Ionisationsmelder - also solche, die radioaktive Präparate zur Ionisierung nutzen - in der Lage, das Vorhandensein auch sehr kleiner Aerosole zu erfassen. Eines der Hauptanwendungagebiete der Ionisationsmelder ist das Detektieren von Rauch, also ihr Einsatz in der Brandmeldetechnik. Darüber hinaus können solche Detektoren auch zur Aerosolüberwachung von Kammern und Räumen eingesetzt werden. Insbesondere in der Kombination mit Geräten zur optischen Aerosolmessung (z. B. Extinktionsmessung, Streulichtverfahren) gewinnt die Partikeldetektion eine besonders hohe Aussagesicherheit. Dies kann in der speziellen Brandmeldetechnik genutzt werden, um Täuschungen zu eliminieren und darüber hinaus Aussagen über die Gefährdungssituation zu treffen, z. B. in welcher Entwicklungsphase sich ein Brand gerade befindet, aber auch zur Detektion des Vorhandenseins von Aerosolen, beispielsweise in verfahrenstechnischen Prozessen. Ionisationsmelder besitzen ferner besonders gute Eigenschaften in bezug auf Störunempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen und sie sind technisch sehr robust aufbaubar.
Durch die unterschiedliche Ausprägung vieler Merkmale des Rauchs, die von der gerade existierenden spezifischen Situation abhängen und die durch unterschiedliche Meßverfahren deutlich gemacht werden können, hat Rauch die gleiche Wirkung, als wären mehrere unterschiedliche charakteristische Brandkenngrößen im konventionellen Sinne vorhanden. So läßt bereits die Kombination von Ionisations- mit Streulichtkammern hervorragende Aussagemöglichkeiten über Brandentwicklungen zu.
Die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten und die Zuverlässigkeit von Ionisationsrauchmeldern zur Branderkennung sichern ihnen auch in Zukunft einen breiten Anwendungsbereich.
Einige Probleme ergeben sich allerdings durch die Verwendung von radioaktiven Präparaten als Strahlungsquelle zur Erzeugung von Ionen bei herkömmlichen Ionisationsrauchmeldern.
Neben den allgemeinen Vorbehalten der Öffentlichkeit gegen den technischen Einsatz von Radioaktivität ergeben sich auch Probleme bei der Entsorgung von radioaktiven Stoffen.
Obwohl diese Präparate bei modernen Ionisationsrauchmeldern eine sehr geringe Strahlungsintesität aufweisen, erscheint es geboten, zukünftig auf den Einsatz radioaktiven Materials als Ionisierungsquelle gänzlich zu verzichten.
Im Vordergrund der weiteren Entwicklung steht dabei die Konstruktion von Kammersystemen, die ohne Verwendung radioaktiver Präparate funktionstüchtig sind und die notwendigen Ladungsträger zur Anlagerung der Aerosle nach anderen Prinzipien erzeugen.
Dabei haben sich ionisierend wirkende Einrichtungen, welche nach dem Prinzip der Koronaentladung arbeiten, als besonders geeignet und vorteilhaft erwiesen.
So ist aus der EP 0 820 045 A2 ein Ionisationsrauchmelder bekannt, welcher zwei voneinander getrennte Kammern, eine Referenz- und eine Meßkammer aufweist, mit jeweils mindestens einer Elektrode, die über eine elektrische Energiequelle mit einer ionisierend wirkenden Einrichtung verbunden ist. Die von der ionisierend wirkenden Einrichtung erzeugten Ionen gelangen anteilig über Öffnungen des Koronaraumes in eine Meß- und eine Referenzkammer. Dabei erfolgt die Ionenerzeugung im Koronaraum mittels einer auf Hochspannung liegenden Ionisierungselektrode, welche die Form einer vergoldeten Nadel aufweist.
Die Ionisierungselektrode erzeugt eine inhomogene, räumlich zusammenhängende Ionendichte, deren Ionen über die genannten Öffnungen des Koronaraums die beiden in der Meß- und Referenzkammer angeordneten Gegenelektroden erreichen.
Eine solche, durch hohe Feldstärken und Stoßionisation an einer Elektrodenspitze erzeugte Ionenwolke ist aber im Prinzip sehr inhomogen, da die Zone hoher Feldstärke räumlich sehr begrenzt ist (Nadelspitze).
Eine starke Begrenzung von Zonen hoher Feldstärke bedeutet aber, daß alle statistischen Schwankungen der Ionisierungseffekte, die durch die volumen- und zeitabhängigen Schwankungen der natürlichen Strahlung um einen statistischen Mittelwert hervorgerufen werden, keinen genügenden Ausgleich finden, wodurch mit störenden Inhomogenitäten der Ionenverteilung in den beiden Kammern zu rechnen ist, was wiederum negative Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit des Ionisationsrauchmelders erwarten läßt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Mängel zu beseitigen und einen Ionisationsrauchmelder sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, welcher unter Anwendung des Prinzips der Stoßionisation, eine homogene, zeitunabhängige Ionisierung des in der Meß- und Referenzkammer befindlichen Gasvolumens ermöglicht. Dabei müssen die im wesentlichen homogenen Ladungsverteilungen in der Meß- und der Referenzkammer zueinander von proportionaler Größe sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Anspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Erfindungsgemäß erhält man dann homogene und proportional zueinander gleichartige Verhältnisse bezüglich der Ionisierungsvorgänge in der Referenz- und in der Meßkammer, wenn beide Kammern eine gemeinsame symmetrische Ionisierungselektrode aufweisen. Diese Anordnung erlaubt die Herstellung gleichartiger homogener Feldverhältnisse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ionisierungselektrode als eine, durch beide Kammern geführte zentrale Drahtelektrode mit einem sehr kleinen Durchmesser ausgebildet. Diese Drahtelektrode ist dann von einem zweiteiligen, gegeneinander isoliertem zylinderförmigen Elektrodensystem (Gegenelektroden) umgeben. Dabei sind die jeweiligen Gegenelektroden wesentlicher Bestandteil der Meß- und der Referenzkammer.
Bei dem hier bevorzugten Prinzip der ausschließlichen Stoßionisierung werden die natürlichen Hintergrundionisierungen, die durch die ständig vorhandenen terristrischen und extraterristrischen Strahlungen erzeugt werden, als
Figure 00040001
Keime" genutzt. Durch ausreichend hohe elektrische Feldstärken werden insbesondere die Elektronen soweit beschleunigt, daß sie an den Gasmolekülen bzw. -atomen Stoßionisierungen hervorrufen können.
Zur Kompensation der Abhängigkeiten der Bildung von Ladungsträgern im Gasraum von Druck, Temperatur und Feuchte ist der erfindungsgemäße Ionisationsrauchmelder als Zwei-Kammersystem aufgebaut, d. h. mit einer Refenzkammer und einer Meßkammer Beide Kammern sind über Ausgleichsöffnungen so verbunden, daß sich in beiden im wesentlichen durch Diffusionsvorgänge gleiche Gasatmosphären ausbilden können.
Ferner wird durch die vorliegende Erfindung gewährleistet, daß in beiden Kammern zur gleichen Zeit ein Referenzstrom ausgeprägt wird, der ohne das Vorhandensein von Aerosolen in der Meßkammer ausschließlich den Zustand der Gasatmosphäre widerspiegelt.
Ausgehend von der natürlichen Ionisierung von Gasen bzw. Gasgemischen, wie z. B. Luft, kann die Anzahl der Ionen je Volumeneinheit durch Stoßionisierungen so weit erhöht werden, daß eine Aerosolmessung analog zu Ionisationskammern, die radioaktive Strahler zur Ionisierung nutzen, möglich ist.
Die Stoßionisierung erfolgt dabei vorwiegend durch Elektronen, die durch hohe elektrische Felder beschleunigt wurden.
Die natürliche Ionisierung (Strahlung) ist kein stetig und vollständig gleichmäßig ablaufender Prozeß. In den einzelnen Volumeneinheiten eines Kammersystems finden zeitlich stark schwankende natürliche Ionisierungen statt. Die Folgen dieser zeitlich und räumlich stark schwankenden Ionisierungsvorgänge bezüglich der beabsichtigten Stoßionisierungen und damit des Stromflusses können bezüglich der Temperaturschwankungen und der Schwankungen der Gasatmosphäre nur dadurch ausgeglichen werden, daß ein möglichst gleichmäßiger, weitläufiger Feldaufbau im gesamten Kammersystem erzeugt wird. Daher besteht das erfindungsgemäße Kammersystem aus einer Referenz- und einer Meßkammer, welche beide eine gemeinsame Elektrode mit starker Oberflächenkrümmung, z. B. den erwähnten Draht mit sehr kleinem Durchmesser enthalten. Die Isolierung der Gegenelektroden voneinander ermöglicht die Messung jedes Kammerstroms einzeln. Referenzkammer und Meßkammer sind untereinander durch Ausgleichsöffnungen (Diffusionsöffnungen) miteinander verbunden, so daß ein Ausgleich der Gasatmosphären zwischen beiden Kammern erfolgen kann und gleiche Gasverhältnisse vorliegen. Durch die Einbaulage und die besondere konstruktive Ausbildungen der Diffusionsöffnungen kann erreicht werden, daß Aerosole einer Brandentwicklung praktisch nur in die Meßkammer gelangen können, welche durch Einlaßöffnungen mit der äußeren Umgebung verbunden ist.
Die Stromstärke des zwischen der Ionisierungselektrode und der Gegenelektrode fließenden Ionenstroms in der Referenzkammer hängt nur vom Zustand ihrer Gasatmosphäre ab, die der Meßkammer dagegen auch vom Vorhandensein von Aerosolen. Ein Vergleich beider Stromstärken läßt eine Beurteilung der Aerosolkonzentration in der Meßkammer und damit auch in der äußeren Umgebung des Kammersystems zu.
Es ist aber auch denkbar, daß die Ionisierungselektrode jeweils für die Meß- und die Referenzkammer geteilt ist, oder daß die Ionisierungselektroden für beide Kammern separat angeordnet sind (beispielsweise zwei Drähte).
Voraussetzung für einen in beiden Kammern gleichmäßigen Feldaufbau ist in diesem Fall die Verwendung von in allen Parametern gleichen Ionisierungselektroden und deren gemeinsame Hochspannungsregelung.
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Ionisationsrauchmelder neben dem Kammersystem eine komplette Signalauswerte- und Umformeinheit sowie eine Einheit zur Hochspannungserzeugung. In der Signalauswerte- und Umformeinheit werden die Kammerströme gemessen, miteinander verglichen und die dadurch erhaltenen Abweichungen vom Normalzustand ausgewertet.
Die Auswertungsergebnisse werden den übergeordneten Einheiten, z. B. Feuermeldezentralen, zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung übernimmt diese Einheit die Regelung des Referenzkammerstromes. Durch die Regelung des Referenzkammerstromes wird bewirkt, daß er sich immer in dem für die Meßaufgabe optimalen Bereich befindet, Schwankungen der natürlichen Ionisierungsrate ausgeglichen und ungewollte Überschläge verhindert werden. Durch die für beide Kammern einheitliche zentrale Ionisierungselektrode, erhalten beide Kammern die gleichen Potentiale, so daß die Regelung des Referenzstromes einer Sollwertvorgabe des Grundstromes in der Meßkammer entspricht, d. h. der Stromstärke, die sich ohne Aerosole einstellen würde.
Abweichungen vom Normalzustand sind dann nur auf Aerosole zurückzuführen, die sich in der Meßkammer befinden.
Die Stromversorgung für den erfindungsgemäßen Ionisationsrauchmelder erfolgt entweder über ein Zweileitungssystem, das gleichzeitig für den Datenaustausch zwischen den Meldern und den Zentraleinheiten dient, oder eigenständig, wenn es sich um autark arbeitende Detektorsysteme handelt. Aktiv ansaugende Ionisationsrauchmeldersysteme, die mit zentralen Einheiten verbunden und unter Umständen untereinander verkoppelt sind, erhalten ihre Energieversorgung bevorzugt über getrennt zu den Datenversorgungsleitungen geführte Stromversorgungsleitungen von den zentralen Einheiten.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren 1 bis 4 näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1
den einfachen Aufbau eines erfindungsgemäßen zylindrischen Kammersystems mit einer gemeinsamen Ionisierungselektrode in Form eines Drahtes,
Fig. 2
das Kammersystem mit Zwischenelektroden und Schirmelektrode,
Fig. 3
ein Blockschaltbild zur Regelung des Referenzkammerstroms,
Fig. 4
ein Blockschaltbild zur Regelung des Referenzkammerstroms mit unterlagerter Spannungsregelung.
In der in Fig. 1 dargestellten einfachen Ausführungsform läuft die Ionisierungselektrode 4 zentralsymmetrisch durch die Meßkammer 17 und die Referenzkammer 18.
Die Gegenelektroden 1 und 3 sind jeweils hohlzylindrisch um die Ionisierungselektrode 4 angeordnet und durch einen Isolator 2 mit einer Durchgangs- und Ausgleichsöffnung 8 elektrisch isoliert voneinander getrennt.
Der Isolator 2 und der die Grundfläche der zylindrischen Gegenelektrode 1 bildende Isolator 7 schließen gemeinsam mit den zylindrischen Mantelflächen der beiden Gegenelektroden 1 und 3 die Gasvolumina der Meßkammer 17 und der Referenzkammer 18 ein.
Durch die Öffnungen 9 in der zylindrischen Gegenelektrode gelangt die Gasatmosphäre aus der Umgebung des Ionisationsrauchmelders in die Meßkammer 17. Über die Ausgleichsöffnung 8 (Diffusionsöffnung) des Isolators 2, die beide Kammern miteinander verbindet, gelangen die Gasmoleküle der Umgebung über die Meßkammer 17 auch in die Referenzkammer 18.
In beiden Kammern 17 und 18 liegen also durch Gasaustausch gleichartige Gasverhältnisse vor.
Die drahtförmige Ionisierungselektrode 4, welche zur Erzeugung hoher Feldstärken einen sehr geringen Durchmesser aufweist, durchläuft beide Kammern 17 und 18, in diesem Beispiel vorzugsweise genau durch deren Mittelachse. Die Gegenelektroden 1 und 3 sind jeweils über die Anschlüsse 5 und 6 mit einer Versorgungs- und Auswerteschaltung getrennt voneinander verbunden.
Diese Anordnung ermöglicht es, die Ströme für die Meß- und Referenzkammer getrennt zu messen.
Die beide Kammern 17 und 18 gemeinsam durchlaufende Ionisierungselektrode 4 ist mit einem Ende in den Isolator 7 der Meßkammer eingebettet und fixiert. Das andere Ende ist im Grundflächenbereich der zylindrischen Referenzkammer 18 mit der erwähnten Versorgungs- und Auswerteschaltung (Fig. 3 und Fig. 4) kontaktiert. Wenn eine solche Anordnung als punktförmiger Ionisationsrauchmelder zur Raumüberwachung eingesetzt werden soll, wird das Kammersystem um 180° gegenüber der in Fig. 1 angegebenen Darstellung gedreht montiert, so daß die Meßkammer 17 nach unten weist. Durch diese Lage und durch weitere konstruktive Maßnahmen, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll, gelingt es, die Aerosole praktisch von der Referenzkammer 18 fernzuhalten, aber gleichzeitig die Gasatmosphären der Meß- und der Referenzkammer einander und der Umgebung dynamisch ausreichend anzugleichen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf die Möglichkeit, zusätzliche Steuervorgänge durchführen zu können.
Wie in Fig. 2 dargestellt, erlaubt die Anordnung von Zwischenelektroden 10, 14 im Gasvolumen der Meßkammer 17 und der Referenzkammer 18 sowie deren Potentialeinstellung die Beeinflussung der Laufgeschwindigkeit der Ladungsträger (Ionen) zwischen Ionisierungs- 4 und Gegenelektrode 1, 3.
Dadurch kann z. B. erreicht werden, daß nur ein Teil der Ionen, die im Bereich hoher Feldstärken in der Nähe der mit Hochspannung beaufschlagten Ionisierungselektrode 4 gebildet werden, zu den äußeren als Gegenelektroden 1, 3 ausgebildeten Kammerwänden 17 und 18 gelangen.
Die dadurch verminderte Laufgeschwindigkeit führt zu einem noch besseren Anlagerungsvermögen der Ionen an vorhandene Rauch-Aerosole.
Die Zwischenelektroden 10, 14 können beispielsweise auch als Drahtgitter oder Drahtnetz ausgebildet sein.
Das gesamte System kann zudem noch durch eine äußere, schirmende Elektrode 13 umhüllt werden, die zum Durchlaß von Gasmolekülen ausreichend perforiert sein muß oder ebenfalls aus einem Drahtgitter bestehen kann (Fig. 2).
Trotz des geringen Querschnitts der Ionisierungselektrode 4, reichen Niederspannungen nicht aus, um die zu einer ausreichenden Beschleunigung der Ladungsträger notwendigen Feldstärken zu erzeugen.
Die dafür notwendigen Spannungen, die je nach Elektrodenform und Kammeraufbauten zwischen einigen Hundert und einigen Tausend Volt betragen können, werden entweder induktiv, z. B. mittels Sperrschwingern, oder mittels Piezzotransformatoren erzeugt. Die notwendige Verbraucherleistung ist sehr gering, da die Kammerströme im Bereich von pA bis nA liegen. Über eine Gleichrichtereinheit oder über eine Modulatorschaltung werden die Spannungen den Elektroden zugeführt.
Die Regelung der Höhe des Referenzkammerstromes 24 sowie die Auswertung und Korrektur seiner Abweichungen vom Normalzustand werden vom Prinzip her in Fig. 3 beschrieben.
Ein vorgegebener Sollwert 19 des Referenzkammerstromes in Fig. 3 wird mit der Ist-Stromstärke des Referenzkammerstroms 24 verglichen. Der Differenzwert beider Meßgrößen wird einem Regler 21 zugeführt, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator 16 steuert.
Die Hochspannung der Ionisierungselektrode 4 wird dadurch so eingestellt, daß sich die Ist-Stromstärke des Referenzkammerstromes 24 dem vorgegebenem Wert angleicht. Die gleiche Hochspannung wirkt auch auf die Meßkammer 17, so daß sich dort ebenfalls die angepaßte Ist-Stromstärke des Meßkammerstromes 23 einstellt.
Abweichungen von der eingestellten Ist-Stromstärke in der Meßkammer 17 sind dann im wesentlichen nur auf den Einfluß von Rauch-Aerosolen zurückzuführen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läßt sich die Dynamik der Regelung weiter verbessern, indem man der Stromregelung beispielsweise eine Spannungsregelung 25 unterlagert. Das Funktionsprinzip einer solchen Ausführung wird in Fig. 4 näher beschrieben. Auch hier wird eine Abweichung des Referenzkammerstromes 24 einem Regler 21 zugeführt.
Das Ausgangssignal dieses Reglers 21 bildet nun den Sollwert für einen unterlagerten Spannungsregelkreis 25. Die Abbildung der Hochspannung wird nun mit diesem Sollwert verglichen und die Regelabweichung einem Spannungsregelverstärker 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator 16 veranlaßt, eine entsprechende Spannung zu erzeugen. Danach werden wieder die Abbildungen der beiden Kammerströme 23, 24 miteinander verglichen und die Abweichung vom Normalzustand analysiert. Durch dieses Prinzip der Regelung des Referenzkammerstromes 24 können zeitliche Schwankungen der Hintergrundionisierungen durch Änderungen des Stoßionisierungsvermögens ausgeglichen werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung der durch beide Kammern durchgehenden Elektrode erlaubt eine gleichmäßige Ausbildung des ionenerzeugenden elektrischen Feldes beider Kammern. Dadurch werden die in den einzelnen Volumeneinheiten der Kammersysteme stark schwankenden natürlichen Ionisierungen besser ausgeglichen, was zu einer erheblichen Verbesserung der Meßgenauigkeit von Aerosolpartikeln in der zu überwachenden Umgebungsatmosphäre führt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Regelung des Referenzkammerstromes 24 durch eine Signalauswerte- und Umformeinheit (15 und 20 in Fig. 3 und Fig. 4). Dadurch befindet sich der Referenzkammerstrom 24 immer in dem für die Meßaufgabe optimalen Bereich, um Schwankungen in der natürlichen Ionisierung oder ungewollte Überschläge zu verhindern.
Durch die Anordnung einer zusätzlichen Zwischenelektrode 10, 14 läßt sich die Laufgeschwindigkeit der Ladungsträger vermindern und eine noch bessere Anlagerung der Aerosole erreichen, was wiederum zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit des Ionisationsrauchmelders beiträgt.
Durch Anordnung einer entsprechend perforierten äußeren Schirmelektrode kann das Eindringen ionisierender Strahlung in das Gasvolumen der beiden Kammern in bestimmten Grenzen gesteuert werden.
Bezugszeichenliste
1.
Gegenelektrode der Meßkammer
2.
Isolator mit Durchgangs- und Ausgleichsöffnung
3.
Gegenelektrode der Referenzkammer
4.
Ionisierungselektrode
5.
Anschluß für Versorgungs- und Auswerteschaltung
6.
Anschluß für Versorgungs- und Auswerteschaltung
7.
Isolator-Grundfläche der Meßkammer
8.
Ausgleichsöffnung (Diffusionsöffnung)
9.
Öffnungen für den Gaseintritt (Aerosole)
10.
Zwischenelektrode
11.
Versorgungsschaltung Zwischenelektrode
12.
Versorgungsschaltung Zwischenelektrode
13.
äußere Schirmelektrode (perforiert)
14.
Zwischenelektrode
15.
Stromversorgungsschaltung
16.
Hochspannungsgenerator
17.
Meßkammer
18.
Referenzkammer
19.
Sollstromstärke des Referenzkammerstromes
20.
Spannungsregelschaltung
21.
Stromregelverstärker
22.
Spannungsregelverstärker
23.
Ist-Stromstärke der Meßkammer
24.
Ist-Stromstärke der Referenzkammer
25.
Hochspannungsregelung

Claims (17)

  1. Ionisationsrauchmelder zur Aerosolerfassung mit mindestens einer Ionisierungselektrode (4) und mindestens zwei voneinander isolierten Gegenelektroden (1, 3), welche Bestandteile der Meßkammer (17) und der Referenzkammer (18) sind und jeweils ein Gasvolumen einschließen, wobei mindestens eine Stromversorgung vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Ionisierungselektrode (4) einstückig ausgebildet ist und durch die Referenzkammer (18) und die Meßkammer (17) läuft.
  2. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Ionisierungselektrode (4) drahtförmig ausgebildet ist und eine stark gekrümmte Oberfläche zur Erzeugung hoher elektrischer Feldstärken aufweist.
  3. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Meßkammer (17) und die Referenzkammer (18) hohlzylinderförmig ausgebildet sind, wobei der Zylindermantel beider Kammern (17, 18) durch die Gegenelektroden (1, 3) gebildet wird, welche mittels eines Isolators (2) voneinander elektrisch isoliert sind.
  4. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Isolator (2) mit einer Ausgleichsöffnung (8) versehen ist, welche zum Gasaustausch zwischen der Refenzkammer (18) und der Meßkammer (17) und als Durchgang für die beide Kammern (17, 18) durchlaufende Ionisierungselektrode (4) dient.
  5. Ionisationsrauchmelder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    zwischen der beide Kammern (17, 18) durchlaufenden Ionisierungselektrode (4) und den Gegenelektroden (1, 3) jeweils mindestens eine Zwischenelektrode (10,14) angeordnet ist, welche gegenüber den anderen Elektroden (1,3) mit unterschiedlichem Potential beaufschlagbar ist.
  6. Ionisationsrauchmelder, nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine äußere, perforierte Schirmelektrode (13) die gesamte Anordnung (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 14) umschließt und mit einem gegenüber den anderen Elektroden (1, 3, 10, 14) unterschiedlichem Potential beaufschlagbar ist.
  7. Ionisationsrauchmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Stromversorgungsschaltung (15) zur Steuerung der Kammerströme (23, 24) vorgesehen ist, welche einen Stromregelverstärker (21) und einen Hochspannungsgenerator (16) umfaßt.
  8. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Stromversorgungsschaltung (15) eine Spannungsregelschaltung (20) unterlagert ist, welche eine Hochspannungsregelung (25) mit einem Spannungsregelverstärker (22) umfaßt.
  9. Ionisationsmelder nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Hochspannungsgenerator (16) zur Erzeugung der Hochspannung für die Elektroden (1, 3, 4) als Sperrschwinger ausgebildet ist.
  10. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Hochspannungsgenerator (16) zur Erzeugung der Hochspannung für die Elektroden (1, 3, 4) als Piezzotransformator ausgebildet ist.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Ionisationsrauchmelders nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zur Ausbildung eines Ionenstromes in der Meßkammer (17) und der Referenzkammer (18) notwendigen Ionen durch eine beide Kammern (17, 18) durchlaufende Ionisierungselektrode (4) erzeugt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Stromversorgung (15) der Referenzkammer (18) derart geregelt ist, daß eine vorgegebene Sollstromstärke (19) mit der Ist-Stromstärke des Referenzkammerstromes (24) verglichen und der Differenzwert beider Meßgrößen einem Stromregelverstärker (21) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator (16) steuert, welcher die Hochspannung der Ionisierungselektrode (4) so eingestellt, daß sich die Stromstärke des Referenzkammerstromes (24) der vorgegebenen Sollstromstärke (19) angleicht, wobei die gleiche Hochspannung auch auf den Meßkammerstrom (23) wirkt, so daß sich dort ebenfalls die an die Sollstromstärke angepaßte Stromstärke des Meßkammerstromes (23) einstellt, also die Stellgröße Hochspannung für beide Kammern (17,18) in gleicher Weise über die gemeinsame Ionisierungselektrode (4) aufgeschaltet wird.
  13. Verfahren zum Betrieb eines Ionisationsrauchmelders nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Stromversorgungsschaltung (15) mit einer zusätzlichen Spannungsregelschaltung (20) derart verschachtelt wird,
    daß das Ausgangssignal des Stromregelverstärkers (21) den Sollwert für einen unterlagerten Spannungsregelkreis (25) bildet, wobei die Abbildung der Hochspannung der Ionisierungselektrode (4) mit diesem Sollwert verglichen und die Regelabweichung einem Spannungsreglerverstärker (22) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator (16) veranlaßt, eine entsprechend korrigierte Spannung zu erzeugen, wobei anschließend die beiden Kammerströme (23, 24) miteinander verglichen und die Abweichung vom Normalzustand analysiert werden, womit sich zeitliche Schwankungen der Hintergrundionisation ausgleichen lassen.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Polarität der an den Elektroden (1, 3 ,4) anliegenden Hochspannung, und damit der Kammerströme, gewechselt werden kann; wobei auch die Polarität der Zwischenelektroden (10, 14) und der Schirmelektrode (13) wechselbar ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Höhe der mittels Stromversorgung (15, 20) geregelten Stromstärke auf die jeweiligen Einsatzbedingungen des Melders abgestimmt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Stromstärke (23) in der Meßkammer (1) getrennt von der Stromstärke (24) in der Referenzkammer (3) gemessen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Auswertung der Meßergebnisse beider Stromstärken zur Aerosoldichtemessung genutzt wird.
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