WO2014016473A1 - Détecteur de fumée - Google Patents
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- WO2014016473A1 WO2014016473A1 PCT/FR2012/000304 FR2012000304W WO2014016473A1 WO 2014016473 A1 WO2014016473 A1 WO 2014016473A1 FR 2012000304 W FR2012000304 W FR 2012000304W WO 2014016473 A1 WO2014016473 A1 WO 2014016473A1
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- G08B—SIGNALLING SYSTEMS, e.g. PERSONAL CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
- G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
- G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas
Definitions
- the present invention relates to a smoke detector, a smoke detection device and a smoke detection method. It applies, in particular to the detection of a fire by the presence of fine particles or aerosols contained in the fumes, which reduces the risk of fire premises where such devices are placed or where are placed implement such methods.
- An ionic smoke detector comprises a chamber in which two measurement electrodes are disposed between which charge ions qi are created or brought.
- Means for measuring this current are further provided, which provide a signal exploitable by operating means.
- the nominal electric current is also low, typically between 10 pA and 100 micro-amperes, and the slowing of the ions resulting from the presence of the particles is nature to significantly reduce the amplitude of this current.
- the operating means are arranged so as to allow the triggering or the transmission of an alarm when the measured current exceeds a predetermined threshold.
- the first approach is simple to implement and inexpensive. For example, a source of Am241 particles having an activity of between 0.1 and 1 microcurie is used, these particles being able to cross in the air a distance of the order of one centimeter and thus ionize the volume traversed.
- Vs depends on several parameters such as the nature of the gas between the electrodes, the pressure of the gas which separates them, the distance between the electrodes and their shape, the presence of dust or humidity, etc.
- this threshold is located at about 330V for distances between electrodes of the order of a micrometer, distances too small to be directly used in a smoke detector, which forces to create this ionization to use voltages of the order of a few kilovolts.
- a first approach has been to use a low-voltage polarized measuring chamber in which ions produced in a high-voltage polarized ionisation chamber are transferred by means of a low airflow, and thus have a rated current low.
- the response of these detectors is also influenced by parameters such as variations in the pressure of the ambient gas or the temperature, which requires the joint use of compensation devices, such as for example described in patent EP 236223.
- the present invention aims to remedy disadvantages.
- the present invention aims at a smoke detector comprising: an ionization chamber, formed by a first electrode and a second electrode, in which electric charges may be generated by ionization of the air; a drift chamber separate from the ionization chamber and separated from the ionization chamber by the second electrode, the drift chamber being formed by the second electrode and a third electrode and being adapted to allow the particles of the smoke to penetrate the detector's environment inside the drift chamber; the first electrode being adapted to be brought to an electric potential, with respect to the second electrode, exceeding a critical electrical potential value capable of generating, in the vicinity of the first electrode, a corona effect in which discharges ionizing the air in the chamber ionization are generated; the second electrode being provided with openings allowing the passage of electric charges generated in the ionization chamber from the ionization chamber to the drift chamber; the second electrode being adapted to be brought to an electric potential with respect to the third electrode allowing the electrical charges entering the drift chamber to move from
- a second aspect of the present invention is directed to a smoke detection method comprising: applying between a first electrode and a second electrode an electrical potential, exceeding a critical electrical potential value capable of generating in the vicinity of the first electrode a a corona effect in which ionizing discharges in an ionization chamber formed between the first electrode and the second electrode are generated; the application between the second electrode and a third electrode of an electrical potential allowing the electric charges generated by the ionization of the air in the ionization chamber, input into the drift chamber through the second electrode, moving from the second electrode to the third electrode, the electric field created between the second electrode and the third electrode being at least 100 times weaker than the electric field created between the first electrode and the second electrode; the measurement of an electrical quantity representative of the speed of movement electrical charges between the second electrode and the third electrode to trigger an alarm when the electrical magnitude undergoes abnormal variation.
- a third aspect of the present invention is a smoke detection device comprising a first smoke detector according to the first aspect of the invention and a second detector according to the first aspect of the invention, and wherein the ionization chamber and the drift chamber of the second detector are closed at the entry of smoke particles and are adapted to allow the entry of air from the environment of the first detector, the electrical quantity of the second detector being usable as a reference signal to correct the physical magnitude of the first detector to trigger the alarm.
- the first electrode is capable of being brought to a negative electric potential with respect to the second electrode, the second electrode allowing the passage of the electrons generated in the ionization chamber and being able to be brought to a negative potential with respect to the second electrode; third electrode.
- the measuring device is configured to measure the electric current generated between the second electrode and the third electrode.
- the first electrode, the second electrode and the third electrode are arranged substantially parallel to one another.
- the third electrode is arranged to surround the second electrode, the second electrode being arranged to surround the first electrode.
- the second electrode and the third electrode each have cylindrical shapes, and the first electrode is arranged parallel to the axis of the cylinders,
- the first electrode comprises a conductive wire
- the first electrode has a diameter of the order of 5 ⁇ at 30pm.
- the first electrode is adapted to be brought to a voltage of the order of -lkV -4kV.
- the second electrode is adapted to be brought to a voltage of the order of -2V to -20V.
- the distance between the first electrode and the second electrode is of the order of 1 to 8 mm and the distance between the second electrode and the third electrode is of the order of 5 to 30 mm.
- the ionization chamber is closed by a metal cover.
- Figure 1A schematically shows elements of a smoke detector according to a first embodiment of the invention.
- Figure 1B schematically shows a smoke detector according to a first embodiment of the invention.
- FIG. 2 graphically represents an example of a comparison between the response as a function of time t of a smoke detector according to one embodiment of the invention and of a commercial smoke detector implementing the scattering of light by the smoke.
- FIG. 3 graphically represents an example of the response of the smoke detector as a function of time t, in the presence and absence of smoke, according to one embodiment of the invention for different diameters of the wire constituting the first electrode.
- FIG. 4 shows graphically an example of the response of the smoke detector as a function of time t, in the presence and absence of smoke according to one embodiment of the invention for different distances between the second electrode and the third electrode.
- FIGS. 5A to 5C schematically represent elements of a smoke detector according to a second embodiment of the invention, respectively in perspective, in axial section and in longitudinal section.
- Figure 6 schematically shows elements of a smoke detection device according to a third embodiment of the invention.
- FIGS. 1A and 1B A smoke detector according to a first embodiment of the invention is shown diagrammatically in FIGS. 1A and 1B.
- This smoke detector comprises a chamber 1, provided, in a manner known per se, with openings 3 to allow the passage of air and smoke particles to be controlled through a detection zone D1 to the Inside the chamber 1.
- An ionization chamber 20 in which electric charges are likely to be generated is delimited between the first electrode 11 and the second electrode 12.
- a drift chamber 30 constituting a detection zone in which the smoke particles can be detected is delimited between the second electrode 12 and the third electrode 13.
- the second electrode 12 separates the ionization chamber 20 from the drift chamber 30.
- the first electrode 11 is made of a conductive wire such as a gold-coated tungsten wire 5 ⁇ m to 25 ⁇ m in diameter.
- the wire 11 of the first electrode is insulated by insulating spacers with respect to the rest of the detector.
- the ionization chamber 20 is closed by a metal cover 22 to be protected from electromagnetic noise.
- the drift chamber 30 is open to receive smoke particles from outside the detector through the openings 3.
- the second electrode 12 consists of a wire grid.
- the gate has a pitch of 0.28mm between the wires, and the wires have a diameter of approximately ⁇ .
- the second electrode may consist of a conductive plane provided with holes.
- the third electrode 13 is for example made of a 50mm copper disc radius.
- the distance between the first electrode 11 and the second electrode 12 may be of the order of 1 to 8 mm and the distance between the second electrode 12 and the third electrode 13 may be of the order of 5 to 30 mm. In this embodiment the distance between the first electrode 11 and the second electrode 12 is about 5 mm and the distance between the second electrode 12 and the third electrode 13 is about 20mm.
- the first electrode 11 is connected to a high voltage supply 50 capable of supplying a high voltage of the order of -lkV at -4kV to the first electrode 11.
- the second electrode 12 is connected to a low voltage supply 52 able to provide a stable low voltage of the order of -2V to -20V at the second electrode 12.
- the second electrode 12 is connected to a 9V battery in order to have a stable voltage on the grid 12.
- the third electrode 13 is connected to ground via an electrometer 55 capable of measuring the current in a manner known per se between the second electrode 12 and the third electrode 13.
- the third electrode 13 constitutes a measurement electrode.
- a high electric field is generated in the ionization chamber 20 between the first electrode 11 and the second electrode 12, and more particularly in the vicinity of the electrode 11, and a weak electric field - about 200-300 times less than the electric field generated in the ionization chamber 20 - is generated in the drift chamber 30 between the second electrode 12 and the third electrode 13.
- the negative high voltage applied to the wire of the first electrode 11 exceeds a critical value capable of generating, in the vicinity of the wire 11, a corona effect around the wire 11 in which discharges ionize the air in the chamber, creating electric charges composed of ions and electrons.
- the electrons generated thus follow the electric field towards the gate 12. Part of these electrons is absorbed by the gate, 12 and another part passes through the gate 12 to access the drift chamber 30.
- the electrons thus transferred into the drift chamber 30 are subjected to the electrostatic field prevailing in the drift chamber 30 between the gate 12 and the measuring electrode 13. This field attracts the electrons contained in the drift chamber 30 towards the measuring electrode 13 so that an electric current is generated between the gate 12 and the measuring electrode 13.
- This electric field in the drift chamber 30 is controlled by the voltage applied to the grid 12 with respect to the measuring electrode 13. This voltage is quite low, the speed of the electrons entering the drift chamber 30 is low, which allows for a time of interaction between the charged particles moving in the chamber of drift and smoke particles larger than that obtained in smoke detectors without a radioactive source and without a drift chamber. It can be noted that this time is comparable to that observed in ionization smoke detectors using radioactive sources to generate these charged particles.
- the intensity of the electric current measured by the electrometer 55 will be of a value indicative of a normal situation.
- the electrometer 55 drops below a certain threshold, an alarm reaction is triggered on an output connected for example to a central alarm or a local alarm.
- the wire diameter of the first electrode 11 the more decreases the diameter of the wire, the lower the voltage applied to the first electrode It must be high in order to trigger the corona effect.
- the decrease in the radius of the wire results in an increase in the absolute value of the current as can be seen in FIG. 3.
- a wire of 10 ⁇ m (Curve C31) generates a current substantially 10 times larger than a wire of 25pm (curve C32).
- the signal is similar (amplitude approximately 0.lOnA) in both cases.
- another parameter that can be optimized is the distance between the gate 12 and the measuring electrode 13 which can typically be understood between 5mm and 30mm.
- the influence of this distance is shown in Figure 4.
- the absolute value of the smokeless current is greater when the distance between the gate 12 and the measuring electrode 13 is lower, because the drift field is stronger.
- the smoke detector according to a second embodiment of the invention comprises a chamber 1, provided, in a manner known per se, with openings 3 to allow the passage of air and smoke particles to be controlled through a detection zone D2 inside the chamber.
- the general structure of the detector has a geometry of revolution.
- a wire 211 constituting a first electrode is stretched inside an ionization chamber which is itself delimited by a grid 212 in the form of a cylinder which constitutes the second electrode.
- the wire 211 extends parallel to the axis of the cylinder defined by the second electrode 212.
- electrode 213 which constitutes a measuring electrode 213 is in cylindrical shape and surrounds the second electrode 212 and the first electrode 211.
- a drift chamber 230 comprising the detection zone D2 is between the second electrode 212 and the third electrode 213.
- the distances between the first electrode and the second electrode, and between the second electrode and the third electrode presented above for the first embodiment can be applied to this second embodiment.
- the high electrical voltage applied to the first electrode and the electrical voltages applied to the second electrode and to the third electrode as presented above for the first embodiment can be applied to the electrodes 211, 212, 213 of this electrode.
- second embodiment so that a high electric field is generated in the ionization chamber 220 between the first electrode 211 and the second electrode 212 and more particularly in the vicinity of the electrode 211, and a weak electric field - about 200 300 times less than the electric field generated in the ionization chamber 220 is generated in the drift chamber 230 between the second electrode 212 and the third electrode 213.
- the negative high voltage applied to the constituent wire of the first electrode 211 exceeds a critical value capable of generating, in the vicinity of this wire 211, a corona effect in which discharges ionize the air, creating electric charges composed of ions and electrons. .
- the electrons thus generated follow the electric field towards the gate 212. Part of these electrons is absorbed by the gate 212 and another part passes through this gate 212 to access the drift chamber 230.
- the electrons thus transferred in the drift chamber 230 are then subjected to the electrostatic field prevailing in the drift chamber 230 between the gate 212 and the 213. This field drives the electrons contained in the drift chamber 230 to the measuring electrode 213 so that an electric current is generated between the gate 212 and the measuring electrode 213.
- This electric field in the drift chamber 230 is controlled by the voltage applied to the gate 212 relative to the measuring electrode 213.
- the intensity of the electric current measured by an electrometer will be of a value indicative of a normal situation.
- a detection device comprises two identical detectors according to the second embodiment as described in FIG. 5, arranged in such a way that the smoke particles can only penetrate into the one of the two detectors, this detector 61 being hereinafter designated measurement chamber, but that the smoke particles can not penetrate into the other detector 62, this second detector being hereinafter referred to as a reference chamber, and comprising an enclosure 64 to prevent the particles of smoke from penetrating but suitable to allow the equalization of the pressures inside and outside this enclosure.
- both chambers are subject to the same environmental conditions: nature of the gas, pressure, humidity, etc. but only the measuring chamber can receive the smoke particles.
- two identical detectors according to the first embodiment as described in FIG. 1 may be used.
- the electrodes 11M and 11R or the electrodes 211M and 211R, the first electrodes of the ionization chambers respectively 20M and 20R, and 220M and 220R of the measurement chambers and the reference chambers can be merged into an electrode so that the electrical charges generated by this electrode are driven to the measuring chamber and to the reference chamber.
- Operating means 60 are provided for generating, from the current coming from the reference chamber and determined by the electrometer 55R, a signal representative of the environmental conditions and to correct accordingly the current coming from the measuring chamber and determined by the 55M electrometer.
- the operating means 60 may comprise a subtraction-capable unit 60C for performing a simple subtraction of the reference current measured by the electrometer 55R from the measurement current measured by the electrometer 55M. In the absence of smoke, these two currents are substantially equal and the difference is substantially zero.
- the measuring current decreases and the difference between the two currents increases.
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Description
DETECTEUR DE FUMEE
La présente invention est relative à un détecteur de fumée, à un dispositif de détection de fumée et à un procédé de détection de fumée. Elle s'applique, en particulier à la détection d'un incendie grâce à la présence de fines particules ou aérosols contenus dans les fumées, ce qui permet de réduire les risques d' incendie des locaux où sont placés de tels dispositifs ou où sont mis en œuvre de tels procédés.
Afin de détecter la présence de fumée, on utilise principalement deux effets physiques, à savoir la diffusion de lumière par la fumée, les poussières ou les aérosols qui lui sont associés ; et la modification, sous l'effet de ces fumées, poussières ou aérosols, de la vitesse de déplacement d'ions entraînés par un champ électrique.
Les dispositifs qui exploitent le deuxième effet en utilisant l'ionisation de l'air sont eux plus sensibles aux produits de combustion, émis lors des premiers développements de l'incendie ou lors de feux vifs, dont les dimensions peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de quelques dizaines de nm, voire moins et permettent ainsi de déclencher des alertes de façon plus précoce que les dispositifs optiques. Par conséquent ces détecteurs permettent de limiter les conséquences de ces incendies.
Un détecteur ionique de fumée comprend une chambre dans laquelle sont disposées deux électrodes de mesure entre lesquelles on crée, ou on amène, des ions de charges qi.
L'application d'une différence de potentiel entre ces électrodes produit un champ électrique E qui exerce une force F = qi x E sur ces ions, ce qui fait apparaître un courant
électrique nominal entre les électrodes et dans le circuit extérieur qui les relie. Ce courant électrique dépend en particulier de la quantité d'ions présents dans la chambre, de la différence de potentiel appliquée entre les électrodes de mesure et de la mobilité des ions.
Des moyens de mesure de ce courant sont en outre prévus, qui fournissent un signal exploitable par des moyens d'exploitation.
Lorsque des particules associées à de la fumée entrent dans la chambre, un certain nombre de ces particules s'attachent à des ions de la chambre sous l'effet des forces électrostatiques créées par ces ions, ce qui réduit leur mobilité et a pour effet de diminuer le courant électrique.
Si la tension appliquée aux électrodes est assez faible, typiquement comprise entre 5 et 30 volts, le courant électrique nominal est également faible, typiquement compris entre 10 pA et 100 micro-ampères, et le ralentissement des ions résultant de la présence des particules est de nature à réduire très sensiblement l'amplitude de ce courant.
Les moyens d'exploitation sont agencés de façon à permettre le déclenchement ou la transmission d'une alarme lors du dépassement vers le bas par le courant mesuré d'un seuil prédéterminé .
Deux approches ont été utilisées pour créer des ions dans la chambre de mesure, soit en ionisant l'air à l'aide d'une petite source radioactive, tel que décrit par exemple dans le brevet FR 86 02567, soit par création d'un champ électrique supérieur au champ électrique de claquage de l'air, tel que décrit par exemple dans le brevet US 3823372.
La première approche est simple à mettre en œuvre et peu coûteuse . On utilise par exemple une source de particules a en Am241 d'activité comprise entre 0,1 et 1 microcurie, ces particules pouvant franchir dans l'air une distance de l'ordre du centimètre et ainsi ioniser le volume traversé. Toutefois, cette solution, qui permet pourtant une détection précoce des incendies et donc une limitation de leurs conséquences est de plus en plus contestée soit par les utilisateurs eux-mêmes qui sont réticents à la multiplication de sources radioactives dans leurs locaux, soit par les services commerciaux des fabricants qui doivent faire face aux réactions négatives de leurs clients, soit encore au niveau des réglementations.
En ce qui concerne la seconde approche, diverses solutions ont été proposées pour ioniser l'air.
Elles utilisent le fait qu'en appliquant une différence de potentiel supérieure à un certain seuil Vs entre deux électrodes, on peut amorcer un processus de décharge électrique et ainsi créer des ions.
La valeur Vs dépend de plusieurs paramètres tels que la nature du gaz entre les électrodes, la pression du gaz qui les sépare, la distance entre les électrodes et leur forme, la présence de poussières ou d'humidité, etc.
Dans l'air, on considère que ce seuil est situé à environ 330V pour des distances entre électrodes de l'ordre du micromètre, distances trop petites pour être directement utilisées dans un
détecteur de fumée, ce qui oblige pour créer cette ionisation à utiliser des tensions de l'ordre de quelques kilovolts.
De telles valeurs ne peuvent toutefois être celles utilisées pour polariser les électrodes de mesure car la vitesse élevée des ions qui en résulterait conduirait à un courant électrique nominal très élevé et à un temps de traversée par ces ions de la chambre de mesure très court. En conséquence, les modifications de ce courant par la présence des particules associées à la fumée seraient tellement faibles qu'elles seraient difficilement détectables.
Pour contourner cet obstacle, diverses propositions ont été faites pour utiliser une chambre de mesure polarisée par une tension faible, et ainsi avoir un courant nominal faible.
Une première approche a été d'utiliser une chambre de mesure polarisée par une tension faible dans laquelle sont transférés au moyen d'un faible courant d'air des ions produits dans une chambre d'ionisation polarisée par une haute tension, et ainsi avoir un courant nominal faible.
Un exemple d'une telle solution est décrit dans le brevet FR 96 03296.
Dans une seconde approche, on a introduit des éléments réfléchissants entre les électrodes d'une chambre d'ionisation polarisée par une haute tension, de façon à augmenter le temps d'interaction.
Un exemple d'une telle solution est décrit dans le brevet US 3932851.
Ces solutions alternatives conduisent toutefois à des détecteurs ayant soit des sensibilités de détection relativement faibles du fait même de l'utilisation de hautes tensions, ce qui en réduit fortement l'intérêt, soit à des dispositifs mécaniquement complexes, fragiles et coûteux.
De plus, la réponse de ces détecteurs est influencée également par des paramètres tels que des variations de pression du gaz ambiant ou de la température, ce qui impose l'utilisation conjointe de dispositifs de compensation, tels que par exemple décrits dans le brevet EP-236223.
Pour ces raisons, ces solutions alternatives n'ont pas connu de grands développements industriels.
La présente invention vise à remédier à des inconvénients.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un détecteur de fumée comprenant : une chambre d'ionisation, formée par une première électrode et une deuxième électrode, dans laquelle des charges électriques sont susceptibles d'être générées par ionisation de l'air ; une chambre de dérive distincte de la chambre d'ionisation et séparée de la chambre d'ionisation par la deuxième électrode, la chambre de dérive étant formée par la deuxième électrode et une troisième électrode et étant propre à permettre la pénétration des particules de la fumée de l'environnement du détecteur à l'intérieur de la chambre de dérive ; la première électrode étant apte à être portée à un potentiel électrique, par rapport à la deuxième électrode, dépassant une valeur de potentiel électrique critique propre à générer au voisinage de la première électrode un effet corona dans lequel des décharges ionisant l'air dans la chambre d'ionisation sont générées ; la deuxième électrode étant pourvue d'ouvertures
permettant le passage des charges électriques générées dans la chambre d'ionisation, de la chambre d'ionisation vers la chambre de dérive ; la deuxième électrode étant apte à être portée à un potentiel électrique par rapport à la troisième électrode permettant aux charges électriques entrées dans la chambre de dérive de se déplacer de la deuxième électrode vers la troisième électrode, le champ électrique créé entre la deuxième électrode et la troisième électrode étant au moins 100 fois plus faible que le champ électrique créé entre la première électrode et la deuxième électrode ; le détecteur comportant en outre un dispositif de mesure pour mesurer une grandeur électrique représentative de la vitesse de mouvement des charges électriques entre la deuxième électrode et la troisième électrode pour déclencher une alarme lorsque cette grandeur électrique subit une variation anormale.
Un deuxième aspect de la présente invention vise un procédé de détection de fumée comprenant : l'application entre une première électrode et une deuxième électrode d'un potentiel électrique, dépassant une valeur de potentiel électrique critique propre à générer au voisinage de la première électrode un effet corona dans lequel des décharges ionisant l'air, dans une chambre d'ionisation formée entre la première électrode et la deuxième électrode, sont générées ; l'application entre la deuxième électrode et une troisième électrode d'un potentiel électrique permettant aux charges électriques générées par l'ionisation de l'air dans la chambre d'ionisation, entrées dans la chambre de dérive au travers de la deuxième électrode, de se déplacer de la deuxième électrode vers la troisième électrode, le champ électrique créé entre la deuxième électrode et la troisième électrode étant au moins 100 fois plus faible que le champ électrique créé entre la première électrode et la deuxième électrode ; la mesure d'une grandeur électrique représentative de la vitesse de mouvement
des charges électriques entre la deuxième électrode et la troisième électrode pour déclencher une alarme lorsque la grandeur électrique subit une variation anormale.
Un troisième aspect de la présente invention vise un dispositif de détection de fumée comprenant un premier détecteur de fumée selon le premier aspect de l'invention et un deuxième détecteur selon le premier aspect de l'invention, et dans lequel la chambre d'ionisation et la chambre de dérive du deuxième détecteur sont fermées à l'entrée de particules de fumée et sont propres à permettre l'entrée de l'air de l'environnement du premier détecteur, la grandeur électrique du deuxième détecteur étant utilisable comme un signal de référence pour corriger la grandeur physique du premier détecteur pour déclencher l'alarme.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes ':
• la première électrode est apte à être portée à un potentiel électrique négatif par rapport à la deuxième électrode, la deuxième électrode permettant le passage des électrons générés dans la chambre d'ionisation et étant apte à être portée à un potentiel négatif par rapport à la troisième électrode.
• le dispositif de mesure est configuré pour mesurer le courant électrique généré entre la deuxième électrode et la troisième électrode.
• la première électrode, la deuxième électrode et la troisième électrode sont disposées sensiblement parallèles les unes par rapport aux autres.
• la troisième électrode est agencée de manière à entourer la deuxième électrode, la deuxième électrode étant agencée de manière à entourer la première électrode.
la deuxième électrode et la troisième électrode ont chacune des formes cylindriques, et la première électrode est disposée parallèlement à l'axe des cylindres,
la première électrode comprend un fil conducteur,
la première électrode a un diamètre de l'ordre de 5μπι à 30pm.
la première électrode est apte à être portée à une tension électrique de l'ordre de -lkV à -4kV.
la deuxième électrode est apte à être portée à une tension électrique de l'ordre de -2V à -20V.
la distance entre la première électrode et la deuxième électrode est de l'ordre de 1 à 8mm et la distance entre la deuxième électrode et la troisième électrode est de l'ordre de 5 à 30mm.
la chambre d'ionisation est fermée par un couvercle métallique .
Dans ce qui suit, on va décrire quelques modes de réalisations préférés de l'invention en se référant aux figures ci-annexées d'une manière bien entendu non limitative.
La figure 1A représente schématiquement des éléments d'un détecteur de fumée selon un premier mode de réalisation de 1' invention.
La figure 1B représente schématiquement un détecteur de fumée selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 représente graphiquement un exemple de comparaison entre la réponse en fonction du temps t d'un détecteur de fumée selon un mode de réalisation de l'invention et d'un détecteur de fumée commercial mettant en œuvre la diffusion de la lumière par la fumée.
La figure 3 représente graphiquement un exemple de la réponse du détecteur de fumée en fonction du temps t, en présence et en absence de fumée, selon un mode de réalisation de l'invention pour des diamètres différents du fil constituant la première électrode.
La figure 4 représente graphiquement un exemple de la réponse du détecteur de fumée en fonction du temps t, en présence et en absence de fumée selon un mode de réalisation de l'invention pour des distances différentes entre la deuxième électrode et la troisième électrode.
Les figures 5A à 5C représentent schématiquement des éléments d'un détecteur de fumée selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, respectivement en perspective, en coupe axiale et en coupe longitudinale.
La figure 6 représente schématiquement des éléments d'un dispositif de détection de fumée selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Un détecteur de fumée selon un premier mode de l'invention est représenté schématiquement sur les figures 1A et 1B. Ce détecteur de fumée comprend une chambre 1, munie, d'une façon connue en soi, d'ouvertures 3 pour permettre le passage de l'air et des particules de fumée à contrôler au travers d'une zone de détection Dl à l'intérieur de la chambre 1. Dans la chambre sont disposées une première électrode 11, une deuxième électrode 12 et une troisième électrode 13, placées sensiblement parallèles les unes par rapport aux autres. Une chambre d'ionisation 20 dans laquelle des charges électriques sont susceptibles d'être générées est délimitée entre la première électrode 11 et la deuxième électrode 12. Une chambre de dérive 30 constituant une zone de détection dans laquelle
les particules de fumée peuvent être détectées est délimitée entre la deuxième électrode 12 et la troisième électrode 13. Ainsi, la deuxième électrode 12 sépare la chambre d'ionisation 20 de la chambre de dérive 30.
La première électrode 11 est constituée d'un fil conducteur tel qu'un fil de tungstène recouvert d'or de 5pm à 25um de diamètre . Le fil 11 de la première électrode est isolé par des entretoises isolantes par rapport au reste du détecteur.
La chambre d'ionisation 20 est fermée par un couvercle métallique 22 afin d'être protégée des bruits électromagnétiques. La chambre de dérive 30 est ouverte pour recevoir des particules de fumée de l'extérieur du détecteur par l'intermédiaire des ouvertures 3.
La deuxième électrode 12 est constituée d'une grille de fils. Dans ce mode de réalisation, la grille a un pas de 0.28mm entre les fils, et les fils ont un diamètre d'environ ΙΟΟμπι.
Dans une variante la deuxième électrode peut être constituée d'un plan conducteur pourvu de trous.
La troisième électrode 13 est par exemple constituée d'un disque de cuivre de 50mm de rayon.
La distance entre la première électrode 11 et la deuxième électrode 12 peut être de l'ordre de 1 à 8mm et la distance entre la deuxième électrode 12 et la troisième électrode 13 peut être de l'ordre de 5 à 30mm. Dans ce mode de réalisation la distance entre la première électrode 11 et la deuxième électrode 12 est d'environ 5mm et la distance entre la
deuxième électrode 12 et la troisième électrode 13 est d'environ 20mm.
La première électrode 11 est reliée à une alimentation de haute tension 50 propre à fournir une haute tension de l'ordre de -lkV à -4kV à la première électrode 11.
La deuxième électrode 12 est reliée à une alimentation de basse tension 52 propre à fournir une basse tension stable de l'ordre de -2V à -20V à la deuxième électrode 12. Dans ce mode de réalisation, la deuxième électrode 12 est reliée à une pile de 9V afin d'avoir une tension stable sur la grille 12.
La troisième électrode 13 est reliée à la masse via un électromètre 55 propre à mesurer le courant d'une façon connue en soi entre la deuxième électrode 12 et la troisième électrode 13. Ainsi, la troisième électrode 13 constitue une électrode de mesure. Dans un tel arrangement, un champ électrique élevé est généré dans la chambre d'ionisation 20 entre la première électrode 11 et la deuxième électrode 12, et plus particulièrement au voisinage de l'électrode 11, et un champ électrique faible - environ 200-300 fois moins fort que le champ électrique généré dans la chambre d'ionisation 20 - est généré dans la chambre de dérive 30 entre la deuxième électrode 12 et la troisième électrode 13.
La haute tension négative appliquée au fil de la première électrode 11 dépasse une valeur critique propre à générer au voisinage du fil 11 un effet corona autour du fil 11 dans lequel des décharges ionisent l'air dans la chambre, créant des charges électriques composées d'ions et d'électrons.
Les électrons générés ainsi suivent le champ électrique vers la grille 12. Une partie de ces électrons est absorbée par la grille, 12 et une autre partie passe à travers la grille 12 pour accéder à la chambre de dérive 30. Les électrons ainsi transférés dans la chambre de dérive 30 sont soumis au champ électrostatique régnant dans la chambre de dérive 30 entre la grille 12 et l'électrode de mesure 13. Ce champ attire les électrons contenus dans la chambre de dérive 30 vers l'électrode de mesure 13 de sorte qu'un courant électrique est généré entre la grille 12 et l'électrode de mesure 13. Ce champ électrique dans la chambre de dérive 30 est contrôlé par la tension appliquée à la grill'e 12 par rapport à l'électrode de mesure 13. Comme cette tension est assez faible, la vitesse des électrons qui entrent dans la chambre de dérive 30 est faible, ce qui permet d'avoir un temps d'interaction entre les particules chargées en mouvement dans la chambre de dérive et les particules de fumée plus grand que celui obtenu dans des détecteurs de fumée sans source radioactive et sans chambre de dérive. On peut noter que ce temps est comparable à celui observé dans les détecteurs de fumée à ionisation utilisant des sources radioactives pour générer ces particules chargées.
Si aucune fumée n'est présente dans la chambre de dérive, l'intensité du courant électrique mesurée par l' électromètre 55 sera d'une valeur indicative d'une situation normale.
Lorsque des particules associées à de la fumée entrent dans la chambre de dérive 30, un certain nombre de ces particules s'attachent à des électrons de la chambre de dérive 30 sous l'effet des forces électrostatiques créées par ces électrons, ce qui réduit leur mobilité et a pour effet de diminuer le courant électrique mesuré par l' électromètre 55. La baisse du courant électrique représente ainsi une variation anormale indicative de la présence de fumée.
Lorsque la valeur absolue du courant électrique mesuré par
1' électromètre 55 baisse en deçà d'un certain seuil, une réaction d'alarme est déclenchée sur une sortie reliée par exemple à une centrale d'alarme ou à une alarme locale.
Pour avoir une idée de la variation du courant due à la fumée, on peut se référer aux figures 2 et 3 pour comparer le courant avant et après l'envoi de la fumée dans le détecteur dans un exemple de test du détecteur. Dans la figure 2 la fumée
de 2,5 nA sans fumée se réduit à ΙΟΟρΑ en présence de fumée. Dans cet exemple, l'amplitude du courant diminue d'un facteur dix.
Afin d'optimiser la performance du détecteur, ' certains paramètres du détecteur peuvent être ajustés, par exemple le diamètre du fil de la première électrode 11. En effet, plus on diminue le diamètre de ce fil, moins la tension appliquée à la première électrode 11 doit être élevée pour pouvoir déclencher l'effet corona. Pour cette tension donnée, appliquée à la première électrode 11, la diminution du rayon du fil se traduit par une augmentation de la valeur absolue du courant comme on le constate dans la figure 3. Sous une tension de - 2.2kV, un fil de 10pm (courbe C31) génère un courant sensiblement 10 fois plus grand qu'un fil de 25pm (courbe C32) . En présence de fumée, le signal est similaire (d'amplitude d'environ O.lOnA) dans les deux cas.
Selon les objectifs recherchés, un autre paramètre qui peut être optimisé est la distance entre la grille 12 et l'électrode de mesure 13 qui peut typiquement être comprise
entre 5mm e 30mm. L'influence de cette distance est montrée sur la Figure 4. Sur cette figure on peut observer les résultats de deux expériences faites de la même manière en changeant seulement la distance entre la grille 12 et l'électrode de mesure qui est dans un cas de 8mm (courbe C41) et dans un autre cas de 10mm (courbe C42) . Comme on peut s'y attendre la valeur absolue du courant sans fumée est plus important lorsque la distance entre la grille 12 et l'électrode de mesure 13 est plus faible, car le champ de dérive est plus fort.
Grâce à ces dispositions, d'une part, il n'est plus nécessaire d'utiliser une source radioactive pour ioniser l'air, et d'autre part, la probabilité de détection des particules de fumée est augmentée comme conséquence de la vitesse réduite des électrons dans la chambre de dérive 30 qui a pour effet d'augmenter ainsi le temps pour la fumée qui entre dans la chambre de dérive 30 de réagir avec ces électrons. Des éléments d'un détecteur de fumée selon un deuxième mode de l'invention sont représentés schématiquement sur les figures 5A à 5C. Comme pour le détecteur de fumée selon la première mode de réalisation le détecteur de fumée selon la deuxième mode de réalisation comprend une chambre 1, munie, d'une façon connue en soit, d'ouvertures 3 pour permettre le passage de l'air et des particules de fumée à contrôler au travers d'une zone de détection D2 à l'intérieur de la chambre. Dans ce deuxième mode de réalisation la structure générale du détecteur a une géométrie de révolution. Un fil 211 constituant une première électrode est tendue à l'intérieur d'une chambre d'ionisation qui est elle-même délimitée par une grille 212 en forme de cylindre qui constitue la deuxième électrode. Le fil 211 s'étend parallèlement à l'axe du cylindre défini par la deuxième électrode 212. Une troisième
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électrode 213 qui constitue une électrode de mesure 213 est en forme cylindrique et entoure la deuxième électrode 212 et la première électrode 211. Une chambre de dérive 230 comprenant la zone de détection D2 est comprise entre la deuxième électrode 212 et la troisième électrode 213.
Les distances entre la première électrode et la deuxième électrode, et entre la deuxième électrode et la troisième électrode présentées ci-dessus pour le premier mode de réalisation peuvent être appliquées à ce deuxième mode de réalisation.
De même la haute tension électrique appliquée à la première électrode et les tensions électriques appliquées à la deuxième électrode, et à la troisième électrode telles que présentées ci-dessus pour le premier mode de réalisation peuvent être appliquées aux électrodes 211, 212, 213 de ce deuxième mode de réalisation de sorte qu'un champ électrique élevé est généré dans la chambre d'ionisation 220 entre la première électrode 211 et la deuxième électrode 212 et plus particulièrement au voisinage de l'électrode 211, et un champ électrique faible - environ 200-300 fois moins fort que le champ électrique généré dans la chambre d'ionisation 220 - est généré dans la chambre de dérive 230 entre la deuxième électrode 212 et la troisième électrode 213.
La haute tension négative appliquée au fil constitutif de la première électrode 211 dépasse une valeur critique propre à générer au voisinage de ce fil 211 un effet corona dans lequel des décharges ionisent l'air, créant des charges électriques composées d'ions et d'électrons.
Les électrons ainsi générés suivent le champ électrique vers la grille 212. Une partie de ces électrons est absorbée par la
grille 212 et une autre partie passe à travers cette grille 212 pour accéder à la chambre de dérive 230. Les électrons ainsi transférés dans la chambre de dérive 230 sont alors soumis au champ électrostatique régnant dans la chambre de dérive 230 entre la grille 212 et l'électrode de mesure 213. Ce champ entraîne les électrons contenus dans la chambre de dérive 230 vers l'électrode de mesure 213 de sorte qu'un courant électrique est généré entre la grille 212 et l'électrode de mesure 213. Ce champ électrique dans la chambre de dérive 230 est contrôlé par la tension appliquée à la grille 212 par rapport à l'électrode de mesure 213. Comme cette tension est assez faible, la vitesse des électrons qui entrent dans la chambre de dérive 230 est faible, ce qui permet là encore d'avoir un temps d'interaction entre les particules chargées en mouvement dans la chambre de dérive et les particules de fumée plus grand que celui obtenu dans des détecteurs de fumée sans source radioactive et sans chambre de dérive. On peut noter également que ce temps est comparable à celui observé dans les détecteurs de fumée à ionisation utilisant des sources radioactives pour générer ces particules chargées .
Si aucune fumée n'est présente dans la chambre de dérive, l'intensité du courant électrique mesurée par un électromètre sera d'une valeur indicative d'une situation normale.
Lorsque des particules associées à de la fumée entrent dans la chambre de dérive 230, un certain nombre de ces particules s'attachent à des électrons de la chambre de dérive 230 sous l'effet des forces électrostatiques créées par ces électrons, ce qui réduit leur mobilité et a pour effet de diminuer le courant électrique mesuré par l' électromètre . La baisse du courant électrique représente ainsi une variation anormale indicative de la présence de fumée.
Lorsque le courant électrique mesuré par l' électromètre baisse en deçà d'un certain seuil, une réaction d'alarme est déclenchée sur une sortie reliée par exemple à une centrale d'alarme ou à une alarme locale.
Dans un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 6, un dispositif de détection comprend deux détecteurs identiques selon le deuxième mode de réalisation tel que décrit sur la figure 5, agencés de telle sorte que les particules de fumée ne puissent pénétrer que dans l'un des deux détecteurs, ce détecteur 61 étant ci-après désigné chambre de mesure, mais que les particules de fumée ne puissent pénétrer dans l'autre détecteur 62, ce second détecteur étant ci-après désigné chambre de référence, et comportant une enceinte 64 propre à empêcher les particules de fumée de pénétrer mais propre à permettre l'égalisation des pressions à l'intérieur et à l'extérieur de cette enceinte.
Ainsi les deux chambres sont soumises aux mêmes conditions d'environnement : nature du gaz, pression, humidité, etc. mais seule la chambre de mesure peut recevoir les particules de fumée .
Dans une variante deux détecteurs identiques selon le premier mode de réalisation tel que décrit sur la figure 1 peuvent être utilisés. Dans les deux variantes de ce troisième mode de réalisation, les électrodes 11M et 11R ou les électrodes 211M et 211R, premières électrodes des chambres d'ionisation respectivement 20M et 20R, et 220M et 220R des chambres de mesure et des chambres de référence peuvent être confondues en une électrode
unique de telle sorte que les charges électriques générées par cette électrode soient entraînées vers la chambre de mesure et vers la chambre de référence. Des moyens d'exploitation 60 sont prévus pour élaborer, à partir du courant issu de la chambre de référence et déterminé par l' électromètre 55R un signal représentatif des conditions d'environnement et pour corriger en conséquence le courant issu de la chambre de mesure et déterminé par l' électromètre 55M. Par exemple, les moyens d'exploitation 60 peuvent comprendre une unité 60C apte à effectuer une soustraction pour effectuer une simple soustraction du courant de référence mesuré par l' électromètre 55R du courant de mesure mesuré par l' électromètre 55M. En l'absence de fumée, ces deux courants sont sensiblement égaux et la différence est sensiblement nulle .
En présence de fumée, le courant de mesure diminue et la différence entre les deux courants augmente.
En cas de dépassement d'un seuil prédéterminé pour cette différence, le dispositif de détection peut élaborer un signal d' alarme . Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux des modes d'applications et de réalisations qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes sans autant sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Claims
1. Un détecteur de fumée comprenant :
une chambre d'ionisation (20 ; 220), formée par une première électrode (11 ; 211) et une deuxième électrode (12 ;
212), dans laquelle des charges électriques sont susceptibles d'être générées par ionisation de l'air ;
une chambre de dérive (30 ; 230) distincte de la chambre d'ionisation (20 ; 220) et séparée de la chambre d'ionisation (20 ; 220) par la deuxième électrode (12 ; 212), la chambre de dérive (30 ; 230) étant formée par la deuxième électrode (12 ;
212) et une troisième électrode (13 ; 213) et étant propre à permettre la pénétration des particules de la fumée de l'environnement du détecteur à l'intérieur de la chambre de dérive (30 ; 230) ;
la première électrode (11 ; 211) étant apte à être portée à un potentiel électrique, par rapport à la deuxième électrode
(12 ; 212) , dépassant une valeur de potentiel électrique critique propre à générer au voisinage de la première électrode (11 ; 211) un effet corona dans lequel des décharges ionisant l'air dans la chambre d'ionisation (20 ; 220) sont générées ;
la deuxième électrode (12 ; 212) étant pourvue d'ouvertures permettant le passage des charges électriques générées dans la chambre d'ionisation, de la chambre d'ionisation (20 ; 220) vers la chambre de dérive (30 ; 230) ; la deuxième électrode (12 ; 212) étant apte à être portée à un potentiel électrique par rapport à la troisième électrode (13 ; 213) permettant aux charges électriques entrées dans la chambre de dérive (30 ; 230) de se déplacer de la deuxième électrode (12 ; 212) vers la troisième électrode (13 ; 213), le champ électrique créé entre la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) étant au moins 100 fois plus faible que le champ électrique créé entre la
première électrode (11 ; 211) et la deuxième électrode (12 ;
212) ;
le détecteur comportant en outre un dispositif de mesure (55; 55R, 55M, 60) pour mesurer une grandeur électrique représentative de la vitesse de mouvement des charges électriques entre la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) pour déclencher une alarme lorsque cette grandeur électrique subit une variation anormale .
2. Un détecteur selon la revendication 1 dans lequel la première électrode (11 ; 211) est apte à être portée a un potentiel électrique négatif par rapport à la deuxième électrode (12 ; 212), la deuxième électrode (12 ; 212) permettant le passage des électrons générés dans la chambre d'ionisation (20 ; 220) et étant apte à être portée a un potentiel négatif par rapport à la troisième électrode (13 ;
213) .
3. Un détecteur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le dispositif de mesure (55; 55R, 55M, 60) est configuré pour mesurer le courant électrique généré entre la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) .
4. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications dans lequel la première électrode (11 ; 211) , la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) sont disposées sensiblement parallèles- les unes par rapport aux autres .
5. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la troisième électrode (13 ; 213) est agencée de manière à entourer la deuxième électrode (12 ; 212), la
deuxième électrode (12 ; 212) étant agencée de manière à entourer la première électrode (11 ; 211) .
6. Un détecteur selon la revendication 5 dans lequel la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) ont chacune des formes cylindriques, et la première électrode (11 ; 211) est disposée parallèlement à l'axe des cylindres .
7. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la première électrode (11 ; 211) comprend un fil conducteur.
8. Un détecteur selon la revendication 5 dans lequel la première électrode (11 ; 211) a un diamètre de l'ordre de 5um à 30μπι.
9. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la première électrode (11 ; 211) est apte à être portée à une tension électrique de l'ordre de -lkV à -4kV.
10. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième électrode (12 ; 212) est apte à être portée à une tension électrique de l'ordre de -2V à -20V.
11. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la distance entre la première électrode (11 ; 211) et la deuxième électrode (12 ; 212) est de l'ordre de 1 à 8mm et la distance entre la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) est de l'ordre de 5 à 30mm.
12. Un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la chambre d'ionisation (20 ; 220) est fermée par un couvercle métallique.
13. Un dispositif de détection de fumée comprenant un premier détecteur de fumée (61) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un deuxième détecteur (62) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et dans lequel la chambre d'ionisation (20 ; 220) et la chambre de dérive (30 ; 230) du deuxième détecteur (62) sont fermées à l'entrée de particules de fumée et sont propres à permettre l'entrée de l'air de l'environnement du premier détecteur (61), la grandeur électrique du deuxième détecteur (62) étant utilisable comme un signal de référence pour corriger la grandeur physique du premier détecteur (61) pour déclencher l'alarme.
14. Un procédé de détection de fumée comprenant
l'application entre une première électrode (11 ; 211) et une deuxième électrode (12 ; 212) d'un potentiel électrique, dépassant une valeur de potentiel électrique critique propre à générer au voisinage de la première électrode (11 ; 211) un effet corona dans lequel des décharges ionisant l'air, dans une chambre d'ionisation (20 ; 220) formée entre la première électrode (11 ; 211) et la deuxième électrode (12 ; 212) , sont générées ;
l'application entre la deuxième électrode (12 ; 212) et une troisième électrode (13 ; 213) d'un potentiel électrique permettant aux charges électriques générées par l'ionisation de l'air dans la chambre d'ionisation (20 ; 220), entrées dans la chambre de dérive (30 ; 230) au travers de la deuxième électrode (12 ; 212), de se déplacer de la deuxième électrode (12 ; 212) vers la troisième électrode (13 ; 213) , le champ électrique créé entre la deuxième électrode (12 ; 212) et la
troisième électrode (13 ; 213) étant au moins 100 fois plus faible que le champ électrique créé entre la première électrode (11 ; 211) et la deuxième électrode (12 ; 212) ; la mesure d'une grandeur électrique représentative de la vitesse de mouvement des charges électriques entre la deuxième électrode (12 ; 212) et la troisième électrode (13 ; 213) pour déclencher une alarme lorsque la grandeur électrique subit une variation anormale.
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