DE1046372B

DE1046372B - Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Feststellung von Aerosolen in Gasen

Info

Publication number: DE1046372B
Application number: DEC16089A
Authority: DE
Inventors: Dr Phys Heinrich Derfler
Original assignee: CERBERUS GmbH
Current assignee: CERBERUS GmbH
Priority date: 1957-01-25
Filing date: 1958-01-11
Publication date: 1958-12-11
Also published as: NL99411C; FR1198450A; US2994768A; GB854594A; CH346795A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle von Gasen auf deren Gehalt an Aerosolen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Im folgenden sollen unter Aerosolen Teilchen von submikroskopischer bis mikroskopischer Größe verstanden werden, die in Gasen, z. B. der Luft, schweben. Aerosole entstehen unter anderem bei vielen chemischen Reaktionen, so bei den meisten Verbrennungsvorgängen. Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung sind daher zur Feststellung von Rauch- und Verbrennungsgasen und insbesondere zur automatischen Feuermeldung geeignet.

Die Verwendung von Ionisationskammern zur elektrischen Kontrolle der Zusammensetzung von Gasen ist schon lange bekannt. Obwohl bei einem Ausführungsbeispiel der \Orliegenden Erfindung eine Ionisationskammer verwendet wird, unterscheidet sich die Erfindung insofern von den bekannten Anordnungen, als ein grundsätzlich anderer physikalischer Vorgang ausgenutzt wird. Als Folge der unterschiedlichen Arbeitsweise ist auch die Anordnung und die Ausgestaltung der verwendeten Ionisationskammer gegenüber den bisherigen Kammern verschieden.

Zur Erklärung des Unterschiedes muß näher auf die Vorgänge innerhalb einer Ionisationskammer eingetreten werden.

Das bisherige Verfahren wird an Hand von Fig. 1 erklärt. An den Platten 1 und 2 einer Ionisationskammer liegt eine elektrische Spannung, welche kleiner als die Sättigungsspannung ist. Der gesamte Raum zwischen den Platten wird durch die radioaktive Strahlungsquelle 3 ionisiert. Die schematisch eingezeichneten geladenen Teilchen bzw. Ionen wandern in der angedeuteten Richtung, so daß ein elektrischer Strom durch die Kammer fließt, dessen Größe von der Intensität der Strahlungsquelle, der Geometrie der Anordnung und der Größe der angelegten Spannung abhängt. Die Spannungsabhängigkeit des Stromes hat ihre Ursache darin, daß bei mäßigen Spannungen nicht alle erzeugten Ionen die Elektroden erreichen, sondern zufolge Rekombination mit gegenpolig geladenen Teilchen verschwinden. In Fig. 2 zeigt die Kurve S schematisch den Verlauf des Stromes/ in Funktion der SpannungV für reine Luft. Gelangen nun Aerosole, d. h. Teilchen, welche viel größer sind als die Gasmoleküle, zwischen die Platten 1 und 2, so ändern sich die Rekombinationsverhältnisse. Ein Teil der Ionen lagert sich an Aerosolpartikeln an, wodurch sich die Wanderungsgeschwindigkeit der betreffenden Ionen stark vermindert. Diese »schweren« Ionen verbleiben viel länger im Zwischenraum, so daß die Wahrscheinlichkeit für einen Rekombinationsprozeß infolge der längeren Verweilzeit entsprechend zunimmt. Die vermehrte Rekombination Verfahren und Vorrichtung

zur elektrischen Feststellung

von Aerosolen in Gasen

Anmelder:
Cerberus G.m.b.H., Bad Ragaz (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Hoffmann, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 34

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 25. Januar 1957

Dr. phys. Heinrich Derfler, Bad Ragaz (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

bei Anwesenheit von Aerosolen bewirkt daher eine Abnahme des Ionisationsstromes bei gleicher Spannung. Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei Anwesenheit \^ron Aerosolen ist beispielsweise in Fig. 2 als Kurve 9 eingetragen. Die wesentlichen Merkmale des bis dahin bekannten Verfahrens sind somit in der Anwesenheit von Ionen beider Vorzeichen im Meßraum (bipolarer Ionenstrom) sowie in einer erhöhten Rekombinationswahrscheinlichkeit durch Anlagerung von Ionen an Aerosolteilchen zu erblicken. Demgegenüber ist bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine erheblich stärkere Veränderung des Stromes bei Auftauchen von Aerosolen erzielbar. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einem Teil des durch die Elektroden begrenzten Raumes nur Ladungsträger einer Polarität eingeschickt werden, so daß ein unipolarer Strom fließt. Die Einrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch Mittel aus, welche in mindestens einem Teil dieses Raumes Ladungsträger einer Polarität erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Hand des in Fig. 3 gezeichneten Beispiels erläutert. Mit 1 und 2 sind wiederum zwei Elektroden bezeichnet, an denen eine Spannung mit dem negativen Pol an der Elektrode 1 liegt; bei 3 ist eine radioaktive Strahlungsquelle dargestellt, die sich in einem abschirmenden, einseitig geöffneten Gefäß befindet, so daß die Strahlung lediglich in den Raum 4 vor der Elektrode 1 gelangen kann. In diesem Raum entstehen Ionen beider Vorzeichen, die in der angedeuteten Richtung wandern. Ein Teil der negativen Ionen ver-

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läßt sehr bald die Ionisationszone 4 und bewegt sich durch den von der Strahlung nicht beeinflußten Raum 5 gegen die Anode 2. Während also im Raum 4 Ionen beider Vorzeichen wandern (bipolarer Strom), sind im Raum 5 nur negative Ionen vorhanden (unipolarer Strom), wodurch eine negative Raumladung erzeugt wird. Diese Raumladung verändert das statische Feld zwischen den Elektroden 1 und 2 und insbesondere auch die elektrische Feldstärke im Grenzgebiet zwischen den Räumen 4 und 5., welche bestimmend ist für den fließenden Strom. Die resultierende Feldstärke im Grenzgebiet hängt selbstverständlich von der Gesamtspannung V ab, die an die Elektronen 1 und 2 gelegt wird, d. h., je höher diese Spannung, desto mehr Ionen werden aus der Zone 4 in den Raum 5 gezogen. Der Zusammenhang zwischen Strom / und Spannung V für reine Luft ist in Fig. 4 als Kurve 11 dargestellt. Treten nun Aerosole in den Raum zwischen den Elektroden 1 und 2 ein, so lagert sich wiederum ein Teil der Ionen an die Aerosolpartikeln an. Im Raum 4 des bipolaren Ionenstromes tritt die eingangs beschriebene vermehrte Rekombination ein. Die Bedeutung dieses Prozesses ist jedoch gering, da der fließende Gesamtstrom in gewissen Grenzen wenig von der Ionendichte im Raum 4 abhängt. Im Raum 5 ist zufolge der Anwesenheit von Ionen nur eines Vorzeichens keine Rekombination möglich. Der fließende unipolare Strom besteht bei hinreichender Aerosolkonzentration somit größtenteils aus schweren Ionen eines Vorzeichens. Zufolge der geringen Beweglichkeit sowie der Unmöglichkeit einer Rekombination verweilen diese Teilchen relativ lange Zeit in dem Feld, so daß der dem Gleichgewicht entsprechende Feldzustand durch Raumladung schon bei einem viel geringeren Ionenstrom erreicht wird, d. h., bei gleicher äußerer Spannung fließt bei Anwesenheit von Aerosolen ein viel kleinerer Strom als bei deren Abwesenheit. Diese Verhältnisse sind in Fig. 4 als Kurve 12 dargestellt. Man kann die Erscheinung auch anders ausdrücken: Um den gleichen Strom I₁ zu ziehen wie bei Abwesenheit von Aerosolen, muß die Spannung V₁ um den Betrag Δ V auf den Wert F₂ erhöht werden. Die Erfahrung zeigt, daß die genannte Spannungserhöhung Δ V der Anzahl der pro Volumeneinheit im Gas erhaltenen Aerosolteilchen näherungsweise proportional ist.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In einem mit Perforationen versehenen Gefäß 23 ist eine Elektronen emittierende Elektrode, z. B. eine Glühkathode 21, angeordnet, welche von einer Stromquelle 24 geheizt wird. Gegenüber der Kathode ist eine Anode 22 vorgesehen, welche über eine Spannungsquelle 25 und ein Strommeßgerät 26 mit der Kathode verbunden ist. Die Spannungsquelle 25 ist dabei so bemessen, daß auch bei Abwesenheit von Aerosolen der fließende Ionenstrom nicht gesättigt ist. Gelangen durch die Perforationen Aerosole in das Gefäß 23, lagern sich die aus der Glühkathode 21 austretenden Elektronen an die Aerosole an und bilden somit »schwere« Ionen, welche sich wesentlich langsamer auf die Anode zu bewegen und somit bei geringeren Strömen einen Gleichgewichtszustand anstreben. An dem Stromanzeigegerät 26 ist somit als Folge des Eintretens von Aerosolen eine Stromabnahme feststellbar.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Bekannten sind folgende: Es lassen sich bei gleicher Aerosolkonzentration wesentlich größere Stromänderungen erzielen. In praktisch ausgeführten Anordnungen wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine relative Stromänderung erreicht, welche um den Faktor 3 bis 10 größer ist als die bei den erwähnten bekannten Anordnungen erzielbare Stromänderung. Dank der erhöhten Empfindlichkeit gehen die Stromänderungen, bedingt durch klimatische Schwankungen von Druck, Temperatur und Feuchtigkeit, relativ weniger ein. Ferner hat sich gezeigt, daß die Einwirkung von Zugluft auf den Strom beim neuen Verfahren an und für sich viel geringer ist und

ίο durch geeignete Ausbildung der Elektroden noch weiter vermindert werden kann.

Fig. 6 zeigt beispielsweise eine Anordnung zur praktischen Durchführung des Verfahrens. Mit 31 ist eine mantelförmige, aerosoldurchlässige Elektrode bezeichnet. Sie hat z. B. die Form eines feinmaschigen Gitters. Die Gegenelektrode ist als zentral angeordneter Stab 32 ausgebildet. An der Elektrode 31 ist ein Ring 33 befestigt, der mit einem radioaktiven Präparat einseitig bedeckt ist, so daß der für die Gasionisierung wirkungsvolle Anteil α-Strahlung sich nur in der Nähe der Elektrode 31 auswirken kann.

In allen erwähnten Fällen kann die Polarität der Spannung und der Ladungsträger umgekehrt gewählt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur einmaligen oder fortlaufenden Messung oder Registrierung von Aerosolkonzentrationen verwendet werden. Die beschriebene Kammer kann beispielsweise in Serie mit einem Widerstand an eine Spannungsquelle angeschlossen sein, wobei die Potentionaländerung an den beiden Kammerelektroden ein Maß für die Aerosolkonzentration ist und zur Betätigung eines Anzeigeorgans dienen kann. Es ist leicht einzusehen, daß die Potentionaländerung optimal wird, wenn der Widerstand Sättigungscharakteristik aufweist, d. h. unendlichen Widerstand im Arbeitsbereich besitzt. Als Widerstand kann z. B. eine zweite Ionisationskammer dienen, in der ebenfalls eine radioaktive Strahlung wirksam ist.

Als Anzeigeorgan wird zweckmäßig eine KaItkathodentriode verwendet, wobei die Steuerstrecke parallel zur Meßkammer geschaltet ist.

Eine vollständige Schaltung eines Feuermeldegerätes zeigt Fig. 7. Die Meßkammer 34 besteht aus der Kathode 31, der Anode 32 und der Strahlungsquelle 33, wie dies z. B. auch in Fig. 6 dargestellt ist. Die Kammer 34 liegt in Serie mit der in Sättigung arbeitenden Vergleichskammer 35, welche aus der Kathode 36, der Anode 37 und der Strahlungsquelle 38 besteht. Parallel zu diesen beiden Ionisationskammern liegt das Glimmrelais bzw. die Kaltkathodenröhre 39 mit einer Kathode 40, einer Steuerelektrode 41 und einer Anode 42. Diese Anordnung liegt über der Wicklung des Relais 43 an der Spannungsquelle 44. Der Kontakt 45 des Relais 43 liegt in dem Stromkreis einer Alarmanlage, welcher aus einer Batterie 46 und einem Horn 47 besteht. Wenn Verbrennungsgase in die Ionisationskammer 34 gelangen, steigt die Spannung an der Steuerelektrode 41 und zündet dadurch die Kaltkathodenröhre 39. Es fließt dann ein starker Strom durch die Wicklung des Relais 43, so daß mittels Kontakt 45 der Alarmkreis geschlossen wird.

Die konstruktive Ausführung einer derartigen Anordnung ist in Fig. 8 gezeigt. Die Bezugszeichen 30 bis 42 bezeichnen in Fig. 8 die gleichen Teile wie in Fig. 7. Auf einem Sockel 48 ist ein Gehäuse 51 befestigt, welches die Ionisationskammer 35 umgibt. In dem Socke! ist ferner die Kaltkathodenröhre 39 be-

festigt, welche mit dem von dem Sockel 48 abragenden Teil die Ionisationskammer 35 trägt. An der der Kaltkathodenröhre 39 zugekehrten Wand der Ionisationskammer 35 ist die Steuerelektrode 41 befestigt und ragt, wie dargestellt, in den Innenraum der Kaltkathodenröhre 39. Ein Kontaktstift 49 ist mit der Kathode 40 und dem Gehäuse 51 verbunden und ein Kontaktstift 50 mit der Anode 42 und der Elektrode 37 der Ionisationskammer 35. Die Elektrode 37 befindet sich dabei im Inneren dieser Kammer 35.

Die Ionisationskammer 34 besitzt als äußere Elektrode 31 eine perforierte Haube, welche auf dem Gehäuse 51 befestigt sein kann. Von der Außenwand der Kammer 35 ragt die Elektrode 32 der Kammer 34 ab. Das radioaktive Präparat 33 ist in gleicher Weise angeordnet, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert wurde.

Neben den dargestellten Ausführungsbeispielen sind jedoch auch noch andere Ausführungsformen möglich. Es ist z. B. ohne weiteres möglich, für beide Ionisationskammern eine gemeinsame Strahlungsquelle zu verwenden, wobei die Trennung der beiden Räume durch eine strahlendurchlässige Folie erfolgt. Es sei noch darauf hingewiesen, daß es unter Umständen nicht erforderlich ist, die beiden Kammern voneinander hermetisch zu trennen; z.B. kann eine einzige Kammer durch ein Zwischengitter derart in zwei Räume aufgetrennt werden, daß die eine im wesentlichen einen bipolaren Sättigungsstrom aufweist, während in der anderen Kammer ein unipolarer Strom fließt. Die Einwirkung von Aerosolen auf eine in Sättigung arbeitende Kammer ist nämlich so klein, daß sie gegenüber der Änderung in der unipolaren Kammer beinahe vernachlässigt werden kann.

Ferner können auch Mittel zur Verstellung des Meßbereiches vorgesehen sein. Diese Mittel können in Vorrichtungen zur geometrischen Veränderung der Kammer bestehen oder in Vorrichtungen zur Veränderung der Lage der radioaktiven Strahlungsquelle oder in einer verstellbaren oder auswechselbaren Blende an der Strahlungsquelle.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Feststellung von Aerosolen in Gasen, bei welchem in einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden Ladungsträger erzeugt werden und die durch Aerosole verursachte Stromänderung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einem Teil des durch die Elektroden begrenzten Raumes nur Ladungsträger einer Polarität eingeschickt werden, so daß ein unipolarer Strom fließt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit zwei in einem für Aerosole zugänglichen Raum vorgesehenen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, welche in mindestens einem Teil dieses Raumes Ladungsträger nur einer Polarität erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer Ionisationskammer, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der freien Ladungsträger eine Quelle ionisierender Strahlen vorhanden ist und daß mindestens eine der genannten Elektroden im wesentlichen außerhalb des Ionisierungsbereiches der Strahlungsquelle liegt, so daß in diesem Bereich Ladungsträger nur einer Polarität auftreten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode der genannten Ionisationskammer mantelförmig ausgebildet ist und mindestens teilweise aus einem feinmaschigen Gitter besteht, daß die genannte radioaktive Strahlungsquelle so angeordnet ist, daß nur ein Teil des Innenraumes dieser mantelförmigen Elektrode im Bereich der ionisierenden Strahlen der genannten Quelle liegt, und daß ferner eine zweite Elektrode im Innern der genannten Mantelelektrode derart angeordnet ist, daß sie sich im Schatten der ionisierenden Strahlung befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Ionisationskammer in Serie mit einem Widerstandselement an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei die Potential änderung zwischen den beiden Elektroden der Ionisationskammer zur Steuerung eines Anzeigegerätes dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandselement eine zweite Ionisationskammer verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Ionisationskammer in Sättigung arbeitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Ionisationskammern eine gemeinsame Strahlungsquelle verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um bei gegebener Spannung den fließenden Ionisationsstrom zu verändern.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um die über der Ionisationskammer liegende Spannung zu verändern.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigeorgan eine Gasentladungsröhre verwendet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung von Ladungsträgern in einer Glühkathode bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen