DE4402518A1 - Ionisationsrauchmelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsrauchmelder. Derartige Melder sind in der Lage, besonders kleine Aerosole zu detektieren. Derartige Aerosole entstehen gewöhnlich in offenen Bränden. Sie sind daher ein guter Indikator, Löschanlagen anzusteuern, wenn sich aus der Schwelphase ein offener Brand zu entwickeln beginnt.

Gewöhnlich besitzen Ionisationsrauchmelder als Ionisierungsquelle radioaktive Strahler, bevorzugt Alpha- Strahler wie zum Beispiel Am²⁴¹. Derartige Ionisationsrauchmelder sind in der Lage, Aerosole von sehr kleinem Durchmesser zu detektieren (unterhalb 0,4 Mikrometer). Sie können sehr einfach aufgebaut werden und sind damit robust. Sie weisen bei guter Konstruktion eine weitgehende Unabhängigkeit von Umwelteinflüssen wie Luftfeuchteänderungen, Luftdruckschwankungen und Verschmutzungen auf. Ein Beispiel für einen bekannten, gut konstruierten Ionisationsrauchmelder ist in Fig. 1 dargestellt. Auf einer Grundplatine 1 ist ein isolierender Abstandshalter 10 befestigt. Dieser trägt auf einer Trägerplatte das radioaktive Präparat 4 sowie eine Elektrode 6. Die Trägerplatte ist elektrisch mit einem festen Potential verbunden, im weiteren GND genannt. Die Elektrode 6 ist mit einer Meßeinrichtung 13 (zum Beispiel mit dem Gate eines Mosfets) verbunden. Auf der Grundplatte 1 ist ferner ein Gehäuse 15 befestigt, welches ebenfalls auf einem festen Potential, unterschiedlich zu GND, gehalten wird. Es kommt darauf an, daß zwischen Trägerplatte für das Präparat 4 und Elektrode 6 eine Kammer, im folgenden Referenzkammer 17 genannt, gebildet wird und zwischen Gehäuse 15 und Elektrode 6 eine zweite Kammer (Meßkammer) 18. Mit der elektrischen Meßeinrichtung 13 und weiteren geeigneten Bausteinen kann das Spannungsteilerverhältnis zwischen Trägerplatte, Elektrode und Gehäuse bestimmt werden. Sobald Aerosole durch Öffnungen 16 des Gehäuses 15 in die Meßkammer eintreten, wird der durch die radioaktive Quelle in Meßvolumen erzeugte Ionenstrom verändert. Das Spannungsteilerverhältnis ändert sich. Wenn diese Änderung einen je nach Anwendungsfall zu definierenden Erfahrungswert überschreitet, werden die nach Einzelfall erforderlichen Maßnahmen zur Brandbekämpfung eingeleitet.

Als nachteilig an derartigen Rauchmeldern wird unter Berücksichtigung einer zunehmenden Sensibilisierung der Öffentlichkeit, die Verwendung radioaktiver Strahler empfunden. Aus technischer Sicht ist es ferner nachteilig, daß die Menge der erzeugten Ionen pro Zeiteinheit nicht geregelt werden kann, da dies von der Zerfallsrate des radioaktiven Strahlers abhängt. Da die Radioaktivität der Quelle möglichst klein sein soll, ist der durch die Ionisierung über die Elektroden fließende Strom sehr klein (pA), so daß ein hoher isolatorischer Aufwand bei der Meßeinrichtung notwendig ist, um parasitäre Ströme deutlich kleiner als die Kammerströme zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile abzustellen. Insbesondere soll die Verwendung einer radioaktiven Quelle vermieden werden. Es soll der Ionenstrom regelbar sein. Außerdem soll der Kammerstrom um wenigstens eine Größenordnung gesteigert werden. Schließlich sollen für besondere Anwendungsfälle die Geschwindigkeit und die Bahn der Ladungsträger mindestens in der Meßkammer einstellbar sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches. Die übrigen Ansprüche geben weitere Ausgestaltungen der Erfindung an.

Der erfindungsgemäße Ionisationsrauchmelder weist wenigstens drei gegeneinander isolierte Elektroden auf, wobei eine äußere Elektrode - insbesondere kappenartig in Verbindung mit einer Trägerplatte - ein erstes Volumen (Meßkammer) umschließt und eine mittlere Elektrode - insbesondere ebenfalls kappenartig - ein zweites inneres Volumen (Referenzkammer) umschließt und die darunterliegende dritte Elektrode überdeckt. Um Ionisierungen in den Kammern hervorzurufen, sind Einrichtungen vorgesehen, die hohe Feldstärkenkonzentrationen in Teilen der Kammern erzeugen, die abweichend vom Stand der Technik mit einer regelbaren Hochspannung verbunden werden, wobei eine Regelung bewirkt, daß in den Kammern Dunkelentladungen entstehen. "Die sogenannte stille Entladung (Dunkelentladung) ist ein Beispiel einer selbständigen Gasentladung und nahe mit der Spitzen- und der Büschelentladung verwandt. Es handelt sich hierbei um eine Gasentladung mit geringer Stromstärke zwischen Flächen, die daher fast geräuschlos und nahezu dunkel erfolgt" (DTV-Lexikon der Physik 1970). Im Normalbetrieb werden so das Auftreten von Funken vermieden und somit auch durch Funken erzeugte Störungen in elektrischen Einrichtungen sowie der Einsatz der Rauchmelder in explosionsgefährdeten Umgebungsbedingungen ermöglicht. Die Elektroden sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden, so daß die Meßkammerströme oder das Spannungsteilerverhältnis zwischen Referenzkammer und Meßkammer bestimmt und dadurch das Auftreten von Aerosolen detektiert werden können. Zur Erzeugung der Hochspannung ist ein geeigneter Hochspannungsgenerator an die Ionisierungselektrode angeschlossen und mit der elektronischen Schaltung verbunden. Alle Meßwerte werden bevorzugt an eine Auswerteeinheit übergeben, die die Auswertung und Steuerung des Rauchmelders durchführt. Bevorzugt enthält die Auswerteeinheit einen µ-Controller oder einen Mikroprozessor als zentrale Steuer- und Recheneinheit.

Der mit der Hochspannung verbundene elektrische Leiter ist bevorzugt an der die Referenz- und Meßkammer trennende Elektrode angeordnet, wie in Fig. 2 als Beispiel dargestellt (Elektroden 3, 4 und 5).

Insbesondere besitzt der mit der Hochspannung verbundene Leiter wenigstens eine Spitze, bevorzugt ein Büschel von mehreren Spitzen, insbesondere Drahtspitzen. Hierdurch wird in dem Bereich der Spitzen eine gleichmäßige Dunkelentladung erreicht. Nach einer bevorzugten Ausführung weist der mit der Hochspannung versehene Leiter, zum Beispiel ein längliches Drahtstück, mit einem Ende in die Meßkammer und mit dem anderen Ende in die Referenzkammer. Entsprechendes gilt für ein Drahtbüschel. Dabei kann der Draht beziehungsweise das Drahtbüschel vorteilhaft an der mittleren Elektrode angeordnet sein. Die Anordnung an äußerer Elektrode und innerer Elektrode kommt aber ebenfalls in Frage. Insbesondere können auch mehrere Drahtspitzen oder Drahtbüschel räumlich verteilt an den einzelnen Elektroden vorgesehen sein.

Nach weiter bevorzugten Ausführung ist die äußere Elektrode als ein die Meßkammer umgebendes Gehäuse mit Öffnungen für den Durchtritt von Aerosolen versehen und die die Referenz- und Meßkammer trennende Elektrode weist Durchtrittsöffnungen für den Gasaustausch auf, so daß in die Meßkammer eintretende Aerosole im wesentlichen in dieser verbleiben, hinsichtlich der übrigen, die Messung beeinflussenden Eigenschaften der Luft aber eine Selbstkompensation zwischen Meß- und Referenzkammer erfolgt.

In Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel des Ionisationsrauchmelders schematisch dargestellt. Eine äußere Elektrode 1 ist auf der Leiterplatte 7 (Grundplatte) befestigt. Die Elektrode 1 weist Öffnungen 6 für den Eintritt von Aerosolen auf. In einer mittleren Elektrode 3 sind kammartig vorwiegend rotationssymmetrische Drahtbüschel 4 und 5 angeordnet. Auf der Leiterplatte 7 ist etwa mittig unter den Drahtbüscheln eine Elektrode 8 aufgebracht. Der Raum zwischen Elektrode 3 und Leiterplatte 7 ist die Referenzkammer. Der Raum zwischen Elektrode 3 und Elektrode 1 ist die Meßkammer. In der Meßkammer oberhalb der Büschel 4 und in der Referenzkammer unterhalb der Büschel 5 wird eine Dunkelentladung erzeugt und aufrechterhalten. Die Elektrode 3 weist Öffnungen für den Luftaustausch (diffusiver Austausch) zwischen Meßkammer und Referenzkammer auf. Hierdurch wirken sich Änderungen der Gaszusammensetzung auf Meß- und Referenzkammer gleich aus. Dieses offene Kammersystem läßt aber nur eine begrenzte Luftströmung zu, so daß Aerosole im wesentlichen nicht in die Referenzkammer hineingelangen können.

Weitere erfinderischen Ausführungen sind in Fig. 3a bis 3e dargestellt. Nach Fig. 3a sind die mit der Hochspannung verbundenen Leiter (Ionisationselektroden) etwa mittig an der Innenseite der äußeren Elektrode 1 einerseits und andererseits an der Innenseite der inneren Elektrode 8 angeordnet. Die beiden in Fig. 3a dargestellten Ionisationselektroden können auch zusätzlich zu einer Ionisationselektrode gemäß Fig. 2 (dort an Elektrode 3) vorgesehen sein.

Bei der Ausführung nach Fig. 3b sind zusätzlich zu der Anordnung nach Fig. 2 an der Innenseite der Elektrode 1 mehrere draht- oder büschelförmige Elektroden in ringförmiger Anordnung angebracht (4, 4′).

Bei der Ausführung nach Fig. 3c ist die Mittelelektrode 3 mit einem ringförmigen Ansatz 3′ versehen. Zu diesem ringförmigen Ansatz 3′ etwa fluchtend ist ein ringförmiger Ansatz 1′ auf einer Innenseite der äußeren Elektrode angebracht. Hierdurch werden die elektrischen Feldlinien im Bereich zwischen den ringförmigen Ansätzen 1′, 3′ konzentriert. Dadurch wird ein Abdriften von Ionen infolge erhöhter seitlicher Anströmung der Umgebungsluft weitestgehend kompensiert.

In Fig. 3d ist eine Ausführung mit zwei elektrisch völlig getrennten Kammern dargestellt. Die Meßkammer wird von einer äußeren Elektrode 11 und einer unteren Elektrode 12, die Referenzkammer von einer unteren Elektrode 12′ und einer äußeren Elektrode 11′ gebildet. Hierdurch können der Meßkammerstrom und der Referenzkammerstrom unabhängig voneinander gemessen und geregelt/gesteuert werden.

In der Ausführung entsprechend Fig. 3e sind insgesamt vier Büschelelektroden (4, 5, 6, 7) angeordnet. Sonst entspricht der Aufbau im wesentlichen dem entsprechend Fig. 3a.

In einer Ausführung nach Fig. 4 ist ein Ionisationsrauchmelder wie nach Fig. 2 vorgesehen. Zusätzlich sind jedoch Steuerelektroden 14 angeordnet, die etwa auf einem zum Gehäuse konzentrischen Kreis liegen. Die Elektroden 14 können zur Erzeugung von spiralförmigen Umlaufbahnen der Ladungsträger zeitlich nacheinander mit einer Spannung beaufschlagt werden (Drehfeld). Hierdurch erhöht sich die Verweildauer der Ionen in der Meßkammer, wodurch die Meßempfindlichkeit weiter gesteigert wird.

Ein erfindungsgemäßer Rauchmelder mit Auswerteelektronik besteht zum Beispiel aus einem Ionisationsrauchmelder nach Fig. 5. Die drei Elektroden sind mit jeweils festen Potentialquellen verbunden. Die äußere Elektrode 1 liegt über einer Spannungsteilerkette mit einem einstellbaren Widerstand auf Potential GND. Auch die innere Elektrode 8 liegt über einem Widerstand auf Potential GND. Die mittlere Elektrode 3 liegt an einer einstellbaren beziehungsweise regelbaren Hochspannung. Die Spannungen an den Anschlüssen der äußeren und der inneren Elektrode zu den Widerständen R1 beziehungsweise R2 werden einem Differenzverstärker zugeführt. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ist bei Abwesenheit von Aerosolen (eingestellt durch den regelbaren Widerstand R3) normalerweise null. Sobald Aerosole in die Meßkammer eintreten, wird der Ladungsträgerfluß verändert und am Differenzverstärker eine von null abweichende Spannung angezeigt.

Bevorzugt wird der Referenzkammerstrom durch eine Regelung auf einen durch die Auswerteeinheit vorgegebenen Wert eingestellt. Dies geschieht durch Veränderungen des Elektrodenpotentials U_H. Diese Spannung U_H wird von einem Wandlersystem 9 erzeugt. Die Höhe dieser Spannung U_H hängt von der Höhe der eingeleiteten Spannung U_B ab, die durch die Aussteuerung des Transistors T1 festgelegt wird. (Es ist aber auch möglich, nach einer Anordnung entsprechend Fig. 3d beide Kammerströme getrennt zu steuern beziehungsweise zu regeln.)
Die Elektrode 3 trägt auf ihrer Stirnseite zwei Büschel metallischer "Fäden" (Ionisierungselektroden) 4 und 5, die in Referenzkammer und Meßkammer hineinragen, bei einer entsprechenden Höhe der Spannung U_H kommt es über diese Büschel 4 und 5 zu Dunkelentladungen in Referenzkammer und Meßkammer. Die Elektrode 8 liegt über einem Widerstand R1 am Bezugspotential GND. Der sich im Bereich der Elektroden 5 und 8 ausbildende Strom wird über R1 in eine Spannung umgewandelt und einem Differenzverstärker V1 zugeführt und dort mit einer Sollwertspannung U_S verglichen. Die Abweichung zwischen U_S und der Stromabbildung über R1 wird durch den Verstärker V1 dem Stelltransistor T1 zugeführt und verstellt die Spannung U_H so weit, daß entsprechend der Verstärkung eine Ausregelung des Kammerstromes der Referenzkammer gewährleistet ist. In gleichem Maße würde sich auch der Strom in der Meßkammer ändern, wenn Aerosolfreiheit gegeben ist. Durch Löcher in der Stirnseite der Elektrode 3 sind Referenz- und Meßkammer so miteinander verbunden, daß Diffusionen von Gasen und Dämpfen erfolgen können, Aerosoleintritte in die Referenzkammer aber weitestgehend vermieden werden.

Die äußere Elektrode 1 liegt über die Widerstände R2 und R3 ebenfalls an GND. Über R3 erfolgt ein Abgleich derart, daß bei Fehlen von Aerosolen in der Meßkammer (Normalzustand) die Potentialdifferenz zwischen 1 und 3 praktisch zu null gestellt werden kann. Da sich Umgebungsbedingungen wie Feuchte, Luftdruck, Temperatur und so weiter gleichfalls auf beide Kammern (Referenzkammer, Meßkammer) auswirken, findet auch hier, wie in den bekannten "herkömmlichen" Meldern, eine selbsttätige Kompensation statt. Ein wesentlicher Unterschied zu den bekannten Ausführungen besteht jedoch darin, daß über die geschilderte Regelung des Referenzkammerstromes stets ein für die gerade geforderte Meßsituation optimaler Kammerstrom eingehalten werden kann. Treten Aerosole in die Meßkammer, dann kann es dort zu einer Anlagerung von Ladungsträgern, damit zu einer Ladungsträgerkompensation und/oder zu einer starken Herabsetzung der Beweglichkeit der Ladungsträger, wie in den herkömmlichen Ionisationsmeldern, kommen.

Diese Anlagerung führt damit zu einer Abnahme des Stromes in der Meßkammer, und es wird sich eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 1 und 8 ausprägen, die über V2 verstärkt in ein analoges Signal U_A umgesetzt und einer übergeordneten Auswerteeinheit zugeführt wird. Der übergeordneten Auswerteeinheit (beispielsweise einem Controllersystem) wird ferner über den Spannungsteiler R4, R5 eine Spannung zugeführt, die der Elektrodenspannung U_H proportional ist

sowie mindestens die Abbildung des Referenzkammerstromes U_B.

Aus den Werten des Referenzkammerstromes, der Verstimmungsspannung U_A und der Spannung U_H kann das übergeordnete Auswertesystem Rückschlüsse

• - auf den Gefährdungszustand (Aerosole),
• - auf den Zustand der Kammern schließen (Verschmutzung, Umgebungsbedingungen) und
• - Angleichungs- beziehungsweise Optimierungsmaßnahmen durch Vorgabe von U_S einleiten.

Die Steuerung der Hochspannung U_H kann des weiteren genutzt werden um bei bestimmten Situationen in den Kammern kontrolliert Funkenüberschläge zu erreichen (außerhalb von Ex-Bereichen).

Claims (16)

1. Ionisationsrauchmelder mit wenigstens drei gegeneinander isolierten, auf definierten Potentialen gehaltenen Elektroden, wobei eine äußere Elektrode, insbesondere kappenartig, in Verbindung mit einer Trägerplatte, ein erstes Volumen (Meßvolumen) umschließt, eine mittlere Elektrode, insbesondere ebenfalls kappenartig, ein zweites inneres Volumen (Referenzvolumen) umschließt und die darunterliegende dritte Elektrode überdeckt und mit einer ionisierend wirkenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierend wirkende Einrichtung als mit einer Hochspannung verbundene Leiter ausgebildet ist.

2. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationselektrode als wenigstens eine Spitze insbesondere als Büschel von Drahtspitzen ausgebildet ist.

3. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in die Meßkammer als auch die Referenzkammer wenigstens eine Drahtspitze der Ionisierungselektrode hineinreicht.

4. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, die Meßkammer begrenzende Elektrode Öffnungen für den Durchtritt der Aerosole aufweist und in die mittlere Elektrode Öffnungen für den Gasaustausch zwischen den Kammern angeordnet sind.

5. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Hochspannung verbundene Leiter (Ionisationselektrode) an der mittleren Elektrode angeordnet ist.

6. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ionisationselektroden an den Innenseiten der inneren und der äußeren Elektrode angeordnet sind.

7. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenseite der Elektrode mehrere Ionisationselektroden, insbesondere in einer zur Mittelachse des Rauchmelders konzentrischen kreisförmigen Anordnung, angebracht sind.

8. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der mittleren Elektrode ein ringförmiger Ansatz und fluchtend zu diesem an der Innenseite der äußeren Elektrode ein zweiter ringförmiger Ansatz angeordnet ist.

9. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Elektrode als Doppelelektrode ausgebildet ist.

10. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in der Meßkammer bevorzugt vier Steuerelektroden, insbesondere auf einem konzentrischen Kreis zur Meßachse, angeordnet sind und daß die Steuerelektroden nacheinander zeitlich so mit einer Spannung beaufschlagt werden, daß für die Ladungsträger in der Kammer ein Drehfeld entsteht.

11. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß äußere, mittlere und innere Elektroden jeweils mit feste Potentiale abgebenden Potentialquellen verbunden sind.

12. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode oder die Mittelelektroden an ein einstellbares Potential U_H gekoppelt ist/sind und die anderen Elektroden jeweils über Widerstände mit dem Bezugspotential GND verbunden sind, wobei insbesondere wenigstens einer der Widerstände einstellbar ausgeführt ist.

13. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerspannung, insbesondere in Abhängigkeit von dem Kammerstrom, regelbar ausgebildet ist.

14. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Kammerströme begrenzbar ist.

15. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bewußt Funkenüberschläge in den Kammern (bei Anwendungen außerhalb Exbereichen) erzeugt werden können.

16. Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in der Meßkammer mehrere, bevorzugt vier, Dauermagneten auf einem konzentrischen Kreis zur Meßachse so angeordnet sind, daß die Ladungsträger in Kreisbahnen gezwungen werden.