DE2412557B2 - Feuermeldeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuermeldeeinrichtung mit einer luftzugänglichen Ionisationskammer mit mindestens einer radioaktiven Quelle zur Erzeugung von Ionen und zwei spannungsführenden Elektroden, zwischen denen ein Ionenstrom fließt, dessen Stärke bei Anwesenheit von Rauch und Brandaerosol in der Ionisationskammer abnimmt, wodurch ein Feueralarmsignal ausgelöst wird, wobei die radioaktive Quelle so ausgebildet und angeordnet ist, daß ihr lonisierungsbereich in Richtung einer möglichen Luftbewegung nur einen Teil des Zwischenraumes zwischen den Elektroden umfaßt, so daß bei unbewegter Luft nur zwischen einem Teil der Elektrodenoberflächen ein lonenstrom fließt. Eine derartige Feuermeldeeinrichtung ist z. B. aus der DE-AS 21 65 619 bekannt.

Derartige als Ionisationsfeuermelder bekannte Einrichtungen benützen die Tatsache, daß die in einer Ionisationskammer erzeugten Ionen sich an Rauchpartikel oder Brandaerosol anlagern und dadurch die Beweglichkeit der geladenen Teilchen abnimmt. Der Rückgang des lonenstromes zwischen den Elektroden der Ionisationskammer dient hierbei als Anzeichen für das Vorhandensein von Folgeprodukten eines Brandes und zur Auslösung eines Feueralarm-Signals.

Vorbekannte Ionisationsfeuermelder haben jedoch den Nachteil, daß der Ionenstrom nicht nur durch Fremdpartikel beeinflußt wird, sondern ebenfalls durch eine Luftbewegung in der Ionisationskammer. Besonders störend wirkt dies, wenn die Luftgeschwindigkeit in der gleichen Größenordnung liegt oder größer ist als die Wanderungsgeschwindigkeit der Luftionen. Die Beweglichkeit von Luftionen bei normalem Atmosphärendruck im elektrischen Feld hängt etwas von der lonenart und -ladung ab. Angenähert kann man für das Verhältnis der Wanderungsgeschwindigkeit ν zur elektrischen Feldstärke fetwa annehmen:

v/E a 2 cmWs.

Während bei älteren, mit Hochspannung arbeitenden lonisationsfeuermeldern die elektrische Feldstärke in der Größenordnung von über 50 V/cm und die lonengeschwindigkeit dahor im Bereich um über I m/s lag und die Feuermelder daher bei Luftgeschwindigkeiten unter 1 m/s kaum Störungen zeigten, liegen beim

modernen, mit Niederspannung betriebenen lonisationsfeuermeldern mit erhöhter Empfindlichkeit die Feldstärken im Bereich von etwas weniger als 5 V/cm. Die Geschwindigkeit der Luftionen beträgt dann nur noch etwa 10cm/s. Wie in Fig. 1 zur Erläuterung schematisch dargestellt, genügt daher Dei solchen modernen Isonisationsfeuermeldern bereits eine Luftgeschwindigkeit von 50 cm/s, um ein im Zwischenraum zwischen den Elektroden 1 und 2 durch die radioaktive Quelle 3 gebildeten lon um den fünffachen Betrag seines Weges nach der Seite zu transportieren. Es ist leicht zu erkennen, daß auf diese Weise der größte Teil der gebildeten Ionen aus der Ionisationskammer schon bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten hinausgeblasen wird und die Elektrode nicht mehr erreicht. Dies führt in gleicher Weise, wie beim Eindringen von Rauch in die Ionisationskammer, zu einer Abnahme des lonenstromes und zur Auslösung eines fehlerhaften Feueralarms.

Da in der Praxis stets gewisse Luftströmungen vorhanden sind, z. B. durch Ventilations- odT Klimaanlagen oder durch Luftzug infolge öffnens von Fenstern oder Türen, können solche vorbekannten Niederspannungs-Ionisationsfeuermelder daher mit offener Ionisationskammer nur begrenzt verwendet werden, an einen Einsatz zur Überwachung von Ventilationskanälen oder im Zusammenhang mit Absaugeinrichtungen ist überhaupt nicht zu denken.

Es sind zwar schon verschiedene Konstruktionen bekannt geworden, welche die Luft beim Eintrit; in die Ionisationskammer eines Ionisationsfeuermelders auf eine solche Geschwindigkeit abbremsen, daß die beschriebenen Störungen und Fehlalarmauslösung vermieden werden. Dies muß jedoch damit erkauft werden, daß auch das Eindringen von Rauch in die Ionisationskammer behindert und verzögert wird. Ionisationsfeuermelder mit einem solchen sogenannten Windschirm sprechen daher in der Regel erst mit einer gewissen Zeitverzögerung auf einen Brandausbruch an, was in der Praxis außerordentlich unerwünscht ist.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines Ionisationsfeuermelders, dessen lonenstrom sich auch bei größeren Windgeschwindigkeiten nur wenig ändert, und in dessen Ionisationskammer rauch- und brandaerosolhaltige Luft ohne Zeitverzögerung eindringen kann. Ein solcher Ionisationsfeuermelder soll eine verminderte Fehlalarm-Anfälligkeit und eine verkürzte Ansprechzeit auf einen Brandausbruch aufweisen.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß die Elektroden so ausgebildet und angeordnet sind, daß bei einer Luftbewegung die Luftgeschwindigkeit in der Ionisationskammer nur wenig herabgesetzt wird und daß sich die Elektroden in Richtung der möglichen Luftbewegung um ein Vielfaches ihres Abstandes über den lonisierungsbereich hinaus erstrecken, so daß die durch Luftbewegung ?.us dem lonisierungsbereich hinausgetragenen Ionen von den außerhalb des normalen lonenstrombereiches liegenden Elektrodenbereichen aufgefangen werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die

F i g. 2A —2D zeigen einer' »linearen« Ionisationsfeuermelder zur Verwendung in Absaugsystemen.

Fig. 3A —3D zeigen ein<:n »radialsymmetrischen« Ionisationsfeuermelder mit freiem Luftzutritt zur Ionisationskammer durch Konvektion.

Bei der in den Fig. IK-2D wiedergegebenen Feuermeldeeinrichtung wird die zu untersuchende Luft in einem Luftkanal oder Ventilationsschacht 4 mittels einer Ventilations- oder Absaugvorrichtung 5 aus den zu überwachenden Räumen abgesaugt An einer geeigneten Stelle des Luftkanals 4 ist die der Rauch- und Brandaerosoldetektion dienende Ionisationskammer 6 angeordnet. Sie enthält zwei langgestreckte, vorzugsweise für Luftionen undurchlässige Elektroden 7 und 8, weiche an eine verschiedene Spannung angeschlossen sind. Am Eingang der Ionisationskammer 6 ist an jeder Elektrode ein radioaktives Präparat 9, 10 angeordnet. Besonders geeignet sind für den vorliegenden Zweck radioaktive öl- oder ^-Strahler mit kurzer Reichweite (52 cm) in der Größenordnung von 1 cm, z. B. Tritiumhaltige Folie; jedoch können auch andere in Ionisationskammern übliche radioaktive Strahlenquellen benutzt werden, (z. B. Ni 63, Kr 35, Am 241), wobei zweckmäßigerweise die Reichweite durch eine strahlungsabsorbierende Abdeckschicht auf das gewünschte Maß herabgesetzt wird. Da der Elektrodenabstand im beschriebenen Beispiel etwa 2 cm beträgt, wird auf diese Weise erreicht, daß die Luft nur in einer Eingangszone R der Ionisationskammer ionisiert wird. Eine Ausdehnung des Ionisationsbereiches in Strömungsrichtung nach hinten, wird einerseits durch die kurze Reichweite der radioaktiven Strahlung verhindert, andererseits kann der Bereich durch zusätzliche Maßnahmen, z. B. eine Wulst 1!, auf den Elektroden begrenzt werden.

Da die angesaugte Luft den Luftkanal und damit auch die Ionisationskammer 6 mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit durchströmt, welche in der Größenordnung bis zu einigen m/s liegen kann, wird nun ein beträchtlicher Teil der im lonisierungsbereich am Eingang der Ionisationskammer erzeugten Luftionen außer der durch das elektrische Feld gegebenen Geschwindigkeitskomponente eine Geschwindigkeit in axialer Richtung erhalten, die um ein Vielfaches größer sein kann als die natürliche Wanderungsgeschwindigkeit im elektrischen Feld. Die Elektroden 7 und 8 erstrecken sich jedoch soweit nach hinten in Richtung der Luftströmung, daß auch in diesem FaIi die gebildeten Luftionen die Elektroden noch erreichen, und zwar nicht nur bei einer relativ langsamen laminaren Strömung, sondern auch bei turbulenten Strömungen, bei denen die Luftionen weitere, schnell wechselnde Geschwindigkeitskomponenten in radialer und peripherer Richtung erhalten. Voraussetzung ist, daß die beiden Elektroden sich weit genug in Richtung der Luftströmung erstrecken. Im allgemeinen genügt es, wenn die Länge der Elektroden mindestens das 5fache, oder etwa 10—20fache ihres Abstandes beträgt, um den größten Teil der weggeblasenen Ionen aufzufangen. Damit wird erreicht, daß der lonenstrom trotz erheblicher Luftgeschwindigkeiten in der Ionisationskammer nur wenig vom Normalwert abweicht. Die beschriebene Wirkung kann zusätzlich dadurch verstärkt werden, daß die Enden der Elektroden mit einer scharfen Kante nach Innen umgebogen werden, wodurch an diesen Stellen 12 eine erhöhte Feldstärke erzeugt wird, so daß dorthin gelangende Ionen noch besser eingefangen werden können.

In Luftkanälen mit kreisförmigem Querschnitt kann es sich zur besseren Ausnützung der angesaugten Luft empfehlen, die beiden Elektroden, wie in Fig. 2B dargestellt, als zylinderförmige Teilschalen auszubilden.

Ebenfalls zur Verwendung in zylindrischen Absaugrohren geeignet ist die in F i g. 2C dargestellte Ionisationskammer mit einer zylindermantelförmigen Außenelektrode 13 und einem zentrisch angeordneten

Draht oder Stift 14 als Gegenelektrode. Diese Anordnung kommt mit einem einzigen radioaktiven Präparat 15 aus. welches linsenförmig auf die Mittelclektrodc 14 am Eingang der Ionisationskammer aufgesetzt ist, und dessen Strahlungs' eichweite bis etwa zur Außenelektrode 13 reicht.

Anstatt übrigbleibende Luftionen am Ausgang der Ionisationskammer mittels erhöhter Feldstärke, wie in Fig. 2A beschrieben, aufzufangen, können wie in F i g. 2D anhand einer zylindrischen Ionisationskammer mit Miltelelektrode dargestellt auch elektrostatische Auffangvorrichtungen in Form von geladenen, luftdurchlässigen Gittern 16, 17 zum Auffangen der restlichen von der Strömung mitgetragenen Luftionen dienen.

Die Neuerung läßt sich jedoch nicht nur in Luftkanäien, wo naturgemäß relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten herrschen, anwenden, sondern mit Vorteil auch in lonisationsfeuermeldern, zu deren Ionisationskammer die Luft mittels Konvektion Zutritt hat. Es liegt durchaus im Bereich der Möglichkeit, daß in dem mit solchen lonisationsfeuermeldern überwachten Räumen gelegentlich Luftströmungen mit Geschwindigkeiten bis etwa 1 m/s auftreten, welche bei Niederspannungs-Ionisationsfeuermeldern mit offener Ionisationskammer einen Fehlalarm auslösen würden.

Da die Strömungsrichtung jedoch nicht, wie in Absaugsystemen, vorgegeben ist. empfiehlt sich in diesem Fall ein radialsymmetrischer Aufbau des lonisationsfeuermelders mit zwei ausgedehnten scheibenförmigen Elektroden, die in geringem Abstand voneinander angeordnet sind und einer zentrisch angeordneten radioaktiven Quelle, welche nur einen eng begrenzten zentralen Bereich zwischen den Elektroden ionisiert, wie an einem Ausführungsbeispiei anhand der F i g. 3A-3B dargestellt.

An einem Sockel 20 mit einer Alarmanzeige-Einrichtung 21. z. B. einer Leuchtdiode, ist der die eigentliche Ionisationskammer enthaltende Meldereinsatz 22 mittels elektrischer Kontakte 23 lösbar befestigt.

Der Meldereinsatz 22 ist auf einer Isolierstoffplatte 24 aufgebaut, welches ein Gehäuse 25 trägt, dessen Seitenflächen ais Gitter 26 zum Eintritt der umgebenden Luft in die Ionisationskammer ausgebildet ist. Im Innern des Gehäuses 25 sind zwei als kreisförmige Scheiben ausgebildete Elektroden 28 und 29 angebracht. Sie werden von einem zentralen, an der Isolierstoffplatte 24 angebrachten Stempel 27 oder Haiter aus isolierendem Material sowie durch Stifte oder Stege 32 in ihrer Lage gehalten. Der Abstand beider Elektroden voneinander liegt in der Größenordnung von 1 cm oder darunter. Ihr Durchmesser beträgt ein Vielfaches dieses Abstandes, vorzugsweise mehr als 10 cm. Am zentralen Stempel ist ein radioaktiver Strahler 31 in einer Nut als ringförmige Folie angeordnet. Zweckmäßigerweise wird ein Strahler mit einer Reichweite in der Größenordnung von 1 cm verwendet, z. B. eine Tritium-Verbindung. Dadurch wird erreicht, daß nur eine engbegrenzte zentrale Zone Ader Ionisationskammer 30 mit einem Durchmesser von etwa 2 cm ionisiert wird. Während im restlichen Teil der Ionisationskammer 30 normalerweise, d h. bei geringer Luftbewegung, nahezu kein lonenstrom fließt. Die Spannung zwischen den Elektroden beträgt vorzugsweise 5 V oder weniger, um eine möglichst günstige Feldstärke zu erhalten.

Unter normalen Bedingungen wirkt der beschriebene Ionisationsfeuermelder ebenso wie vorbekannte Einrichtungen, d. h. bei langsamem Eindringen rauchhalti-

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65 ger Luft wird der lonenstrom vermindert und über eine größtenteils an der Isolierstoffplattc 24 angebrachte elektrische Schaltung ein Alarmsignal ausgelöst. Während bei vorbekannten lonisationsfeuermeldern sich der lonenstrom jedoch stark änderte, sobald auch nur eine geringe Luftbewegung auftrat, so ist dies bei der beschriebenen Konstruktion nicht der Fall. Die im zentralen lonisationsbercich R erzeugten Luflionen werden durch Luftströmung höchstens eine gewisse Strecke radial nach Außen transportiert, erreichen bei genügender Ausdehnung der Elektroden z. B. bei mindestens dem 5fachen ihres Abstandes diese jedoch trotzdem noch, so daß der lonenstrom nur wenig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Luft abhängig ist. Im Gegensatz zu vorbekannten Konstruktionen sind also keine windabschirmenden Mittel nötig und die ionisationskammer 30 kann weitgehend gegen die Außenatmosphäre offen sein.

Auch hier können zur Verstärkung der Wirkung am Rande der Elektroden 28 und 29 feldstärkeerhöhende Mittel, z. B. umgebogene Kanten, aufgesetzte Stifte oder ringförmige Stege 33, vorgesehen sein oder das Gitter 26 elektrostatisch geladen sein.

Besonders wichtig ist bei dem geringen Elektrodenabstand und dem hohen Innenwiderstand der Ionisationskammer 30 eine möglichst gute Isolation zwischen den Elektroden. Dies kann durch Kriechweg-erhöhende Rippen 34 auf dem zentralen Stempel 27 erreicht werden, wie in Fig.3C und 3D dargestellt. Anstatt beide Elektroden am zentralen Stempel 27 zu befestigen, kann gemäß Fig. 3D auch eine der Elektroden an einem Steg 32 der Isolierstoffplatten 24 befestigt sein, was die Isolation noch weiter verbessert.

Das radioaktive Präparat 3t kann anstatt am zentralen Stempel 27 auch als Drahtring auf einer der beiden Elektroden, z. B. in einer Nut versenkt, angebracht werden.

Der zentrale Stempel 27 kann in der Mitte eine Bohrung aufweisen, in welcher eine Verbindung zwischen der Elektrode 29 und einem an der Rückseite der Isolierstoff platte 24 vergossen angeordneten Feldeffekttransistors 35 hergestellt ist. Auf die beschriebene Weise läßt sich trotz der geringen Abmessungen ein betriebsicher arbeitender windunabhängiger, jedoch trotzdem hochempfindlicher und schnell ansprechender Ionisationsfeuermelder schaffen.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen empfiehlt es sich im Übrigen, Elektrodenabstand und -Spannung so zu wählen, daß die Ionisationskammer gerade am Anfang des Sättigungsbereiches oder knapp darunter arbeitet, d.h. so daß im Normalfall die gebildeten Ionen fast alle die Elektroden erreichen, ohne daß ein erheblicher Teil durch Rekombination verloren geht. Gegebenenfalls kann der Arbeitspunkt so gewählt werden, daß eine lonenstromverminderung durch Hinausblasen von Ionen aus der Kammer gerade durch die verminderte Rekombinationsrate unter Windeinfluß im nicht ionisierten Bereich kompensiert wird. Außerdem bleibt dabei die Rauchempfindlichkeit voll erhalten, da für Rauchpartikel und Aerosol wegen der geringeren Beweglichkeit und der wesentlich größeren Rekombinationswahrscheinlichkeit im Vergleich zu Luft-Ionen die Ionenstrom-Sä«igung erst bei einer höheren Spannung eintreten würde. Auf diese Weise läßt sich also ein Ionisationsfeuermelder schaffen, der weitgehend windunabhängig ist, dessen Raucherrpfindlichkeit und schnelles Ansprechverhalten trotzdem erhalten bleibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Feuermeldeeinrichtung mit einer luftzugänglichen Ionisationskammer mit mindestens einer radioaktiven Quelle zur Erzeugung von tonen und zwei spannungsführenden Elektroden, zwischen denen ein Ionenstrom fließt, dessen Stärke bei Anwesenheit von Rauch und Brandaerosol in der Ionisationskammer abnimmt, wodurch ein Feueralarmsignal ausgelöst wird, wobei die radioaktive Quelle so ausgebildet und angeordnet ist, daß ihr lonisierungsbereich in Richtung einer möglichen Luftbewegung nur einen Teil des Zwischenraumes zwischen den Elektroden umfaßt, so daß bei unbewegter Luft nur zwischen einem Teil der '5 Elektrodenoberfläche ein lonensirom fließt, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß die Elektroden so ausgebildet und angeordnet sind, daß bei einer Luftbewegung die Luftgeschwindigkeit in der Ionisationskammer nur wenig herabgesetzt wird und daß sich die Elektroden in Richtung der möglichen Luftbewegung um ein Vielfaches ihres Abstandes über den lonisierungsbereich hinaus erstrecken, so daß die durch die Luftbewegung aus dem lonisierungsbereich hinausgetragenen Ionen von den außerhalb des normalen Ionenstrombereiches liegenden Elektrodenbereichen aufgefangen werden.

2. Feuermeldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer JO (6) in einem Luftschacht (4) mit einer Einrichtung (6)

in einem Luftschacht (4) mit einer Einrichtung(5) zur Bewegung der Luft durch die Ionisationskammer hindurch angeordnet ist, daß die radioaktive Quelle (9, 10, 15) am Ort des Lufteintritts in die Ionisationskammer (6) angebracht ist und daß sich die Elektroden (7, 8, 13, 14) in Richtung der Luftbewegung um mindestens das Zehnfache ihres Abstandes über den Ionisationsbereich (R) der radioaktiven Quelle hinaus erstrecken.

3. Feuermeldeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode (7, 8) zumindest teilweise die Form eines Zylindermantels hat.

4. Feuermeldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (28, 29) plattenförmig ausgebildet sind, daß das radioaktive Präparat (31) in der Nähe des Zentrums der beiden plattenförmigen Elektroden angeordnet ist, daß der lonisierungsbereich (R) nur einen kleinen Teil zwischen den Elektroden (28, 29) umfaßt und daß sich beide Elektroden um mindestens das Fünffache ihres Abstandes über diesen lonisationsbereich (R) hinaus nach jeder Richtung erstrecken.

5. Feuermeldeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode (28, 29) von einem zentralen isolierenden Stempel (27) getragen wird, welcher zur Erhöhung der Isolationsstrecke an seiner Oberfläche Rillen bzw. Stege (34) aufweist.

6. Feuermeldeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Stempel (27) an einer Isolierstoffplatte (24) befestigt ist und daß die andere Elektrode (28) mittels Stiften oder Stegen (32) an der gleichen Isolierstoffplatte befestigt ist, den Stempel jedoch nicht berührt.

7. Feuermeldeeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (27) eine zentrale Bohrung aufweist, in welcher die eine Elektrode (29) mit der Steuerelektrode eines an der Isolierplatte (24) befestigten Feldeffekttransistors (35) verbunden ist.

8. Feuermeldeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 —7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort des Luftaustritts aus der Ionisationskammer feldstärkeerhöhend Mittel vorgesehen sind, z. B. scharfe Kanten oder Stifte (12,33).

9. Feuermeldeeinrichiung nach einem der Ansprüche 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort des Luftaustritts aus der Ionisationskammer ein elektrisch geladenes Gitter (16,17,26) angeordnet ist.

10. Feuermeldeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1—9, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktive Quelle (9,10,31) Tritium enthält.

11. Feuermeldeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 —9, gekennzeichnet durch strahlungsabsorbierende Mittel zur Beschränkung des lonisiervngsbereiches der radioaktiven Quelle (31).