EP1005005B1 - Ionisationsrauchmelder - Google Patents
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- EP1005005B1 EP1005005B1 EP99122883A EP99122883A EP1005005B1 EP 1005005 B1 EP1005005 B1 EP 1005005B1 EP 99122883 A EP99122883 A EP 99122883A EP 99122883 A EP99122883 A EP 99122883A EP 1005005 B1 EP1005005 B1 EP 1005005B1
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- 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
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- G08B17/113—Constructional details
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- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
- G08B29/02—Monitoring continuously signalling or alarm systems
- G08B29/04—Monitoring of the detection circuits
- G08B29/043—Monitoring of the detection circuits of fire detection circuits
Definitions
- the invention relates to an ionization smoke detector without use radioactive preparations as a radiation source and a method of operation an ionization smoke detector.
- Ionization detectors are able to handle aerosols completely independently of theirs to detect optical properties.
- conventional Ionization detectors - ie the radioactive preparations for ionization use - able to detect the presence of even very small aerosols to capture.
- One of the main applications of ionization detectors is the Detecting smoke, so their use in fire detection technology.
- such detectors can also aerosol monitoring of Chambers and rooms are used.
- optical aerosol measurement devices eg absorbance measurement, Scattered light method
- the particle detection gains a particularly high Certainty. This can be used in the special fire detection technology to eliminate deceptions and in addition statements about to take the risk situation, z. B. in which development phase itself a fire is currently in progress, but also to detect the presence of Aerosols, for example in process engineering processes.
- Ionization detectors also have particularly good properties in relation on immunity to environmental influences and they are technically very robust buildable.
- EP 0 820 045 A2 discloses an ionization smoke detector which has two separate chambers, a reference chamber and a measuring chamber, each having at least one electrode which is connected to an ionizing device via an electrical energy source.
- the ions generated by the ionizing device arrive proportionally via openings of the coronary space in a measuring and a reference chamber.
- the ion generation in the coronary space by means of a lying at high voltage ionizing electrode, which has the shape of a gold-plated needle.
- the ionization electrode generates an inhomogeneous, spatially contiguous ion density, the ions of which reach the two counterelectrodes arranged in the measuring and reference chamber via said openings of the corona chamber.
- a strong delimitation of zones of high field strength means that all statistical variations of the ionization effects, which are caused by the volume and time-dependent fluctuations of natural radiation by a statistical mean, find no sufficient compensation, which interferes with inhomogeneities of the ion distribution in the two chambers is to be expected, which in turn can be expected negative impact on the accuracy of the ionization smoke detector.
- an ionization smoke detector is proposed in FR 2386873, which has a sensor element 1, each with a separately arranged measuring and reference chamber.
- the reference gas and the sample gas volume are enclosed by a tubular casing and separated by a partition wall. While the sheath of the measuring chamber has large gas-permeable openings, which is also suitable for the entry of smoke aerosols, the openings of the reference chamber are designed to be low gas permeable and allow only a small gas exchange with the environment to be detected.
- a tube electrode are arranged in the chambers, which are crossed in their axes by a similar in the respective chambers, wire-shaped corona discharge electrode. In this case, the tube electrodes are coated on their inner side with an insulating layer beyond their edge, which serves in particular to avoid uncontrolled arc flash-overs and blocks the direct propagation path of the charge carriers produced.
- the tube electrodes are held in place in the chambers by the chamber walls running supports.
- the thin wire-shaped corona discharge electrode is subjected to AC voltage by means of a high-voltage transformer.
- the difference measurement of the two chamber currents is effected by a diode ring circuit.
- a regulation of the ionization currents or voltages of the two electrodes is not provided.
- Disadvantages of this known ionization smoke detector are, in particular, the non-uniform ionization conditions due to the arrangement of an internally insulated tube electrode within the measuring or reference chamber volume. Only between the wire electrode directly opposite part of the pipe electrode is expected to be the expression of a uniform electrical Ionisierunasfeldes.
- the object of the invention is therefore to eliminate the known deficiencies and to provide a Ionisationsrauchmelder and a method for its operation, which allows using the principle of Stoßionisation, a homogeneous, time-independent ionization of the gas volume located in the measuring and reference chamber. In this case, substantially homogeneous charge distributions in the measuring and the reference chamber must be achieved and be mutually proportional to each other.
- the ionization smoke detector according to the invention is constructed as a two-chamber system, ie with a reference chamber and a measuring chamber. Both chambers are connected via equalizing openings so that can form the same gas atmospheres in both essentially by diffusion processes. Furthermore, it is ensured by the present invention that in both chambers at the same time a reference current is expressed, which reflects only the presence of aerosols in the measuring chamber, the state of the gas atmosphere. Starting from the natural ionization of gases or gas mixtures, such.
- the number of ions per unit volume can be increased by impact ionization so far that an aerosol measurement analogous to ionization chambers that use radioactive sources for ionization, is possible.
- Impact ionization occurs predominantly by electrons that have been accelerated by high electric fields.
- Natural ionization (radiation) is not a continuous and completely uniform process. In the individual volume units of a chamber system time-varying natural ionization takes place. The consequences of these temporally and spatially strongly fluctuating ionization processes with respect to the intended impact ionization and thus of the current flow can only be compensated for in terms of temperature fluctuations and gas atmosphere fluctuations by generating the most uniform, extensive field structure in the entire chamber system.
- Reference chamber and measuring chamber are interconnected by equalization openings (diffusion openings), so that a balance of the gas atmospheres between the two chambers can take place and the same gas ratios are present. Due to the installation position and the special structural design of the diffusion openings can be achieved that aerosols of fire development can reach practically only in the measuring chamber, which is connected by inlet openings with the external environment.
- the current intensity of the ion current flowing between the ionization electrode and the counterelectrode in the reference chamber depends only on the state of its gas atmosphere, whereas the measuring chamber also depends on the presence of aerosols.
- the ionization electrode is divided respectively for the measuring and the reference chamber, or that the ionization electrodes are arranged separately for both chambers (for example, two wires).
- the prerequisite for a uniform field structure in both chambers is in this case the use of identical ionization electrodes in all parameters and their common high-voltage regulation.
- the ionization smoke detector contains, in addition to the chamber system, a complete signal evaluation and conversion unit as well as a unit for generating high voltage.
- the Signalaustician- and forming the chamber currents are measured, compared with each other and evaluated the deviations from the normal state obtained thereby.
- the evaluation results are sent to the higher-level units, eg. As fire alarm centers, provided for further processing.
- this unit takes over the control of the reference chamber flow.
- the regulation of the reference chamber flow causes it to always be in the optimum range for the measuring task, to compensate for fluctuations in the natural ionization rate and to prevent unwanted flashovers. Due to the uniform for both chambers central ionization electrode, both chambers receive the same potentials, so that the control of the reference current corresponds to a setpoint specification of the base flow in the measuring chamber, ie the current that would set without aerosols. Deviations from the normal state are then only due to aerosols, which are located in the measuring chamber.
- the power supply for the ionization smoke detector according to the invention is carried out either via a two-line system, which also serves for the data exchange between the detectors and the central units, or independently, if it is self-sufficient detector systems.
- Active-aspirating ionization smoke detector systems which are connected to central units and possibly coupled to one another, preferably receive their energy supply via power supply lines led to the data supply lines from the central units.
- the ionization electrode 4 runs centrally symmetrically through the measuring chamber 17 and the reference chamber 18.
- the counter electrodes 1 and 3 are each arranged in a hollow cylinder around the ionization electrode 4 and separated by an insulator 2 with a passage and compensation opening 8 electrically isolated from each other.
- the insulator 2 and the base of the cylindrical counter electrode 1 forming insulator 7 close together with the cylindrical surfaces of the two counter electrodes 1 and 3, the gas volumes of the measuring chamber 17 and the reference chamber 18 a.
- the openings 9 in the cylindrical counter electrode the gas atmosphere from the environment of the ionization smoke detector enters the measuring chamber 17.
- both chambers 17 and 18 are thus by gas exchange similar gas ratios.
- the wire-shaped ionization electrode 4 which has a very small diameter for generating high field strengths, passes through both chambers 17 and 18, in this example preferably exactly through its central axis.
- the counter electrodes 1 and 3 are each connected via the terminals 5 and 6 with a supply and evaluation circuit separated from each other. This arrangement makes it possible to measure the currents for the measuring and reference chamber separately.
- the two chambers 17 and 18 passing through common ionizing electrode 4 is embedded with one end in the insulator 7 of the measuring chamber and fixed.
- the intermediate electrodes 10, 14 may be formed, for example, as a wire mesh or wire mesh.
- the entire system can also be enveloped by an outer, shielding electrode 13, which must be sufficiently perforated for the passage of gas molecules or may also consist of a wire mesh (Fig. 2).
- the necessary voltages which may be between a few hundred and a few thousand volts, depending on the electrode shape and chamber assemblies are either inductive, z. B. by means of blocking oscillators, or by piezotransformers.
- the necessary consumer power is very low, since the chamber currents are in the range from pA to nA.
- the voltages are supplied to the electrodes via a rectifier unit or via a modulator circuit. The regulation of the height of the reference chamber flow 24 and the evaluation and correction of its deviations from the normal state are described in principle in FIG. A predetermined desired value 19 of the reference chamber flow in FIG.
- the dynamics of the control can be further improved by the current control, for example, a voltage control 25 underlies.
- a deviation of the reference chamber flow 24 is fed to a regulator 21.
- the output of this controller 21 now forms the desired value for a subordinate voltage control circuit 25.
- the high voltage mapping is then compared with this setpoint and the control deviation fed to a voltage control amplifier 22 whose output causes the high voltage generator 16 to generate a corresponding voltage.
- the images of the two chamber streams 23, 24 are compared again with each other and analyzed the deviation from the normal state.
- a further advantage of the invention is the regulation of the reference chamber flow 24 by a signal evaluation and conversion unit (15 and 20 in FIGS. 3 and 4).
- the reference chamber flow 24 is always in the optimum range for the measurement task to prevent fluctuations in the natural ionization or unwanted flashovers.
- an additional intermediate electrode 10, 14 the running speed of the charge carriers can be reduced and achieve even better attachment of the aerosols, which in turn contributes to increasing the sensitivity and measurement accuracy of ionisationsrauchmelders.
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Description
Die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten und die Zuverlässigkeit von Ionisationsrauchmeldern zur Branderkennung sichern ihnen auch in Zukunft einen breiten Anwendungsbereich.
Einige Probleme ergeben sich allerdings durch die Verwendung von radioaktiven Präparaten als Strahlungsquelle zur Erzeugung von Ionen bei herkömmlichen Ionisationsrauchmeldern.
Neben den allgemeinen Vorbehalten der Öffentlichkeit gegen den technischen Einsatz von Radioaktivität ergeben sich auch Probleme bei der Entsorgung von radioaktiven Stoffen.
Obwohl diese Präparate bei modernen Ionisationsrauchmeldern eine sehr geringe Strahlungsintesität aufweisen, erscheint es geboten, zukünftig auf den Einsatz radioaktiven Materials als Ionisierungsquelle gänzlich zu verzichten.
Im Vordergrund der weiteren Entwicklung steht dabei die Konstruktion von Kammersystemen, die ohne Verwendung radioaktiver Präparate funktionstüchtig sind und die notwendigen Ladungsträger zur Anlagerung der Aerosle nach anderen Prinzipien erzeugen.
Dabei haben sich ionisierend wirkende Einrichtungen, welche nach dem Prinzip der Koronaentladung arbeiten, als besonders geeignet und vorteilhaft erwiesen.
Die Ionisierungselektrode erzeugt eine inhomogene, räumlich zusammenhängende Ionendichte, deren Ionen über die genannten Öffnungen des Koronaraums die beiden in der Meß- und Referenzkammer angeordneten Gegenelektroden erreichen.
Eine starke Begrenzung von Zonen hoher Feldstärke bedeutet aber, daß alle statistischen Schwankungen der Ionisierungseffekte, die durch die volumen- und zeitabhängigen Schwankungen der natürlichen Strahlung um einen statistischen Mittelwert hervorgerufen werden, keinen genügenden Ausgleich finden, wodurch mit störenden Inhomogenitäten der Ionenverteilung in den beiden Kammern zu rechnen ist, was wiederum negative Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit des Ionisationsrauchmelders erwarten läßt.
Weiterhin wird in der FR 2386873 ein Ionisationsrauchmelder vorgeschlagen, welcher ein Sensorelement 1 mit jeweils einer getrennt angeordneten Mess- und Referenkammer aufweist.
Dabei sind das Referenzgas- und das Messgasvolumen durch eine röhrenförmige Ummantelung eingeschlossen und durch Trennwand getrennt. Während die Ummantelung der Messkammer große stark gasdurchlässige Öffnungen aufweist, die auch zum Eintritt von Rauchaerosolen geeignet ist, sind die Öffnungen der Referenzkammer nur gering gasdurchlässig ausgelegt und erlauben einen lediglich geringen Gasaustausch mit der zu detektierenden Umgebung. In den Kammern sind jeweils eine Rohrelekrode angeordnet, die in deren Achsen von einer in den jeweiligen Kammern ähnlichen, drahtförmigen Koronaentladungs-Elektrode durchzogen sind. Dabei sind die Rohrelektroden auf ihrer Inneseite mit einer über deren Rand hinausgehenden Isolationsschicht beschichtet, welche insbesondere zur Vermeidung von unkontrollierten Lichtbogendurchschlägen dient und den direkten Ausbreitungsweg der erzeugten Ladungsträger blockiert. Die Rohrelektroden werden in den Kammern durch den Kammerwände laufende Stützen in Position gehalten.
Zur Erzeugung der der Ionen wird die dünne drahtförmige Koronaentladungs-Elektrode mittels eines Hochspannungstranformators mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Differenzmessung der beiden Kammerströme erfolgt durch eine Diodenringschaltung. Eine Regelung der der Ionisierungsströme oder Spannungen der beiden Elektroden ist nicht vorgesehen.
Nachteilig bei diesem bekannten Ionisationsrauchmelder sind insbesondere die ungleichmäßigen Ionisierungsbedingeungen durch die Anordnung einer innen isolierten Rohrelektrode innerhalb des Mess- oder Referenzkammervolumens. Nur zwischer der Drahtelektrode unmittelbar gegeüberliegenden Teil der Rohrelektrode ist mit der Ausprägung eines einheitlichen elektrischen Ionisierunasfeldes zu rechnen. An den Kanten der Rohrelektrode führen starke Feldkrümmungen zu unkontrollierbaren Ionisierungsverhältnissen. Auch die großen feldfreien Räume in der Umgebung der Rohrelektrode können in Verbindung mit den Öffnungen in den Kammerwänden zu Fluktuationen des Ionisierungsverhaltens der Gasmoleküle führen. Die Anlagerung der ionisierten Moleküle und Aerosole kann nur auf der äußeren Oberfläche der Rohrelektrode erfolgen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Mängel zu beseitigen und einen Ionisationsrauchmelder sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, welcher unter Anwendung des Prinzips der Stoßionisation, eine homogene, zeitunabhängige Ionisierung des in der Meß- und Referenzkammer befindlichen Gasvolumens ermöglicht. Dabei müssen im wesentlichen homogenen Ladungsverteilungen in der Meß- und der Referenzkammer erreicht werden und zueinander von proportionaler Größe sein.
Ferner wird durch die vorliegende Erfindung gewährleistet, daß in beiden Kammern zur gleichen Zeit ein Referenzstrom ausgeprägt wird, der ohne das Vorhandensein von Aerosolen in der Meßkammer ausschließlich den Zustand der Gasatmosphäre widerspiegelt.
Ausgehend von der natürlichen Ionisierung von Gasen bzw. Gasgemischen, wie z. B. Luft, kann die Anzahl der Ionen je Volumeneinheit durch Stoßionisierungen so weit erhöht werden, daß eine Aerosolmessung analog zu Ionisationskammern, die radioaktive Strahler zur Ionisierung nutzen, möglich ist.
Die Stoßionisierung erfolgt dabei vorwiegend durch Elektronen, die durch hohe elektrische Felder beschleunigt wurden.
Die natürliche Ionisierung (Strahlung) ist kein stetig und vollständig gleichmäßig ablaufender Prozeß. In den einzelnen Volumeneinheiten eines Kammersystems finden zeitlich stark schwankende natürliche Ionisierungen statt. Die Folgen dieser zeitlich und räumlich stark schwankenden Ionisierungsvorgänge bezüglich der beabsichtigten Stoßionisierungen und damit des Stromflusses können bezüglich der Temperaturschwankungen und der Schwankungen der Gasatmosphäre nur dadurch ausgeglichen werden, daß ein möglichst gleichmäßiger, weitläufiger Feldaufbau im gesamten Kammersystem erzeugt wird. Die Isolierung der Gegenelektroden voneinander ermöglicht die Messung jedes Kammerstroms einzeln. Referenzkammer und Meßkammer sind untereinander durch Ausgleichsöffnungen (Diffusionsöffnungen) miteinander verbunden, so daß ein Ausgleich der Gasatmosphären zwischen beiden Kammern erfolgen kann und gleiche Gasverhältnisse vorliegen. Durch die Einbaulage und die besondere konstruktive Ausbildungen der Diffusionsöffnungen kann erreicht werden, daß Aerosole einer Brandentwicklung praktisch nur in die Meßkammer gelangen können, welche durch Einlaßöffnungen mit der äußeren Umgebung verbunden ist.
Die Stromstärke des zwischen der Ionisierungselektrode und der Gegenelektrode fließenden Ionenstroms in der Referenzkammer hängt nur vom Zustand ihrer Gasatmosphäre ab, die der Meßkammer dagegen auch vom Vorhandensein von Aerosolen. Ein Vergleich beider Stromstärken läßt eine Beurteilung der Aerosolkonzentration in der Meßkammer und damit auch in der äußeren Umgebung des Kammersystems zu.
Es ist aber auch denkbar, daß die Ionisierungselektrode jeweils für die Meß- und die Referenzkammer geteilt ist, oder daß die Ionisierungselektroden für beide Kammern separat angeordnet sind (beispielsweise zwei Drähte).
Voraussetzung für einen in beiden Kammern gleichmäßigen Feldaufbau ist in diesem Fall die Verwendung von in allen Parametern gleichen Ionisierungselektroden und deren gemeinsame Hochspannungsregelung.
In einer weiteren Ausführuhgsform enthält der lonisationsrauchmelder neben dem Kammersystem eine komplette Signalauswerte- und Umformeinheit sowie eine Einheit zur Hochspannungserzeugung. In der Signalauswerte- und Umformeinheit werden die Kammerströme gemessen, miteinander verglichen und die dadurch erhaltenen Abweichungen vom Normalzustand ausgewertet.
Die Auswertungsergebnisse werden den übergeordneten Einheiten, z. B. Feuermeldezentralen, zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung übernimmt diese Einheit die Regelung des Referenzkammerstromes. Durch die Regelung des Referenzkammerstromes wird bewirkt, daß er sich immer in dem für die Meßaufgabe optimalen Bereich befindet, Schwankungen der natürlichen Ionisierungsrate ausgeglichen und ungewollte Überschläge verhindert werden. Durch die für beide Kammern einheitliche zentrale Ionisierungselektrode, erhalten beide Kammern die gleichen Potentiale, so daß die Regelung des Referenzstromes einer Sollwertvorgabe des Grundstromes in der Meßkammer entspricht, d. h. der Stromstärke, die sich ohne Aerosole einstellen würde.
Abweichungen vom Normalzustand sind dann nur auf Aerosole zurückzuführen, die sich in der Meßkammer befinden.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren 1 bis 4 näher erläutert werden.
- Fig. 1
- den einfachen Aufbau eines erfindungsgemäßen zylindrischen Kammersystems mit einer gemeinsamen Ionisierungselektrode in Form eines Drahtes,
- Fig. 2
- das Kammersystem mit Zwischenelektroden und Schirmelektrode,
- Fig. 3
- ein Blockschaltbild zur Regelung des Referenzkammerstroms,
- Fig. 4
- ein Blockschaltbild zur Regelung des Referenzkammerstroms mit unterlagerter Spannungsregelung.
Die Gegenelektroden 1 und 3 sind jeweils hohlzylindrisch um die Ionisierungselektrode 4 angeordnet und durch einen Isolator 2 mit einer Durchgangs- und Ausgleichsöffnung 8 elektrisch isoliert voneinander getrennt.
Der Isolator 2 und der die Grundfläche der zylindrischen Gegenelektrode 1 bildende Isolator 7 schließen gemeinsam mit den zylindrischen Mantelflächen der beiden Gegenelektroden 1 und 3 die Gasvolumina der Meßkammer 17 und der Referenzkammer 18 ein.
Durch die Öffnungen 9 in der zylindrischen Gegenelektrode gelangt die Gasatmosphäre aus der Umgebung des Ionisationsrauchmelders in die Meßkammer 17. Über die Ausgleichsöffnung 8 (Diffusionsöffnung) des Isolators 2, die beide Kammern miteinander verbindet, gelangen die Gasmoleküle der Umgebung über die Meßkammer 17 auch in die Referenzkammer 18.
In beiden Kammern 17 und 18 liegen also durch Gasaustausch gleichartige Gasverhältnisse vor.
Die drahtförmige Ionisierungselektrode 4, welche zur Erzeugung hoher Feldstärken einen sehr geringen Durchmesser aufweist, durchläuft beide Kammern 17 und 18, in diesem Beispiel vorzugsweise genau durch deren Mittelachse. Die Gegenelektroden 1 und 3 sind jeweils über die Anschlüsse 5 und 6 mit einer Versorgungs- und Auswerteschaltung getrennt voneinander verbunden.
Diese Anordnung ermöglicht es, die Ströme für die Meß- und Referenzkammer getrennt zu messen.
Die beide Kammern 17 und 18 gemeinsam durchlaufende Ionisierungselektrode 4 ist mit einem Ende in den Isolator 7 der Meßkammer eingebettet und fixiert. Das andere Ende ist im Grundflächenbereich der zylindrischen Referenzkammer 18 mit der erwähnten Versorgungs- und Auswerteschaltung (Fig. 3 und Fig. 4) kontaktiert. Wenn eine solche Anordnung als punktförmiger Ionisationsrauchmelder zur Raumüberwachung eingesetzt werden soll, wird das Kammersystem um 180 ° gegenüber der in Fig. 1 angegebenen Darstellung gedreht montiert, so daß die Meßkammer 17 nach unten weist. Durch diese Lage und durch weitere konstruktive Maßnahmen, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll, gelingt es, die Aerosole praktisch von der Referenzkammer 18 fernzuhalten, aber gleichzeitig die Gasatmosphären der Meß- und der Referenzkammer einander und der Umgebung dynamisch ausreichend anzugleichen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf die Möglichkeit, zusätzliche Steuervorgänge durchführen zu können.
Wie in Fig. 2 dargestellt, erlaubt die Anordnung von Zwischenelektroden 10, 14 im Gasvolumen der Meßkammer 17 und der Referenzkammer 18 sowie deren Potentialeinstellung die Beeinflussung der Laufgeschwindigkeit der Ladungsträger (Ionen) zwischen lonisierungs-4 und Gegenelektrode 1, 3.
Dadurch kann z. B. erreicht werden, daß nur ein Teil der Ionen, die im Bereich hoher Feldstärken in der Nähe der mit Hochspannung beaufschlagten Ionisierungselektrode 4 gebildet werden, zu den äußeren als Gegenelektroden 1, 3 ausgebildeten Kammerwänden 17 und 18 gelangen.
Die dadurch verminderte Laufgeschwindigkeit führt zu einem noch besseren Anlagerungsvermögen der Ionen an vorhandene Rauch-Aerosole.
Die Zwischenelektroden 10, 14 können beispielsweise auch als Drahtgitter oder Drahtnetz ausgebildet sein.
Das gesamte System kann zudem noch durch eine äußere, schirmende Elektrode 13 umhüllt werden, die zum Durchlaß von Gasmolekülen ausreichend perforiert sein muß oder ebenfalls aus einem Drahtgitter bestehen kann (Fig. 2).
Die dafür notwendigen Spannungen, die je nach Elektrodenform und Kammeraufbauten zwischen einigen Hundert und einigen Tausend Volt betragen können, werden entweder induktiv, z. B. mittels Sperrschwingern, oder mittels Piezzotransformatoren erzeugt. Die notwendige Verbraucherleistung ist sehr gering, da die Kammerströme im Bereich von pA bis nA liegen. Über eine Gleichrichtereinheit oder über eine Modulatorschaltung werden die Spannungen den Elektroden zugeführt.
Die Regelung der Höhe des Referenzkammerstromes 24 sowie die Auswertung und Korrektur seiner Abweichungen vom Normalzustand werden vom Prinzip her in Fig. 3 beschrieben.
Ein vorgegebener Sollwert 19 des Referenzkammerstromes in Fig. 3 wird mit der Ist-Stromstärke des Referenzkammerstroms 24 verglichen. Der Differenzwert beider Meßgrößen wird einem Regler 21 zugeführt, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator 16 steuert.
Die Hochspannung der Ionisierungselektrode 4 wird dadurch so eingestellt, daß sich die Ist-Stromstärke des Referenzkammerstromes 24 dem vorgegebenem Wert angleicht. Die gleiche Hochspannung wirkt auch auf die Meßkammer 17, so daß sich dort ebenfalls die angepaßte Ist-Stromstärke des Meßkammerstromes 23 einstellt.
Abweichungen von der eingestellten Ist-Stromstärke in der Meßkammer 17 sind dann im wesentlichen nur auf den Einfluß von Rauch-Aerosolen zurückzuführen.
Das Ausgangssignal dieses Reglers 21 bildet nun den Sollwert für einen unterlagerten Spannungsregelkreis 25. Die Abbildung der Hochspannung wird nun mit diesem Sollwert verglichen und die Regelabweichung einem Spannungsregelverstärker 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator 16 veranlaßt, eine entsprechende Spannung zu erzeugen. Danach werden wieder die Abbildungen der beiden Kammerströme 23, 24 miteinander verglichen und die Abweichung vom Normalzustand analysiert. Durch dieses Prinzip der Regelung des Referenzkammerstromes 24 können zeitliche Schwankungen der Hintergrundionisierungen durch Änderungen des Stoßionisierungsvermögens ausgeglichen werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung der durch beide Kammern durchgehenden Elektrode und der das gesamte Mess- und Referenzkammervolumen umfassenden zylindrischen Gegenelektroden, welche mittels Diffusionsöffnungen miteinander verbunden sind, erlaubt eine gleichmäßige Ausbildung des ionenerzeugenden elektrischen Feldes beider Kammern. Dadurch werden die in den einzelnen Volumeneinheiten der Kammersysteme stark schwankenden natürlichen Ionisierungen besser ausgeglichen, was zu einer erheblichen Verbesserung der Meßgenauigkeit von Aerosolpartikeln in der zu überwachenden Umgebungsatmosphäre führt.
Durch die Anordnung einer zusätzlichen Zwischenelektrode 10, 14 läßt sich die Laufgeschwindigkeit der Ladungsträger vermindern und eine noch bessere Anlagerung der Aerosole erreichen, was wiederum zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit des ionisationsrauchmelders beiträgt.
Claims (17)
- Ionisationsrauchmelder zur Aerosolerfassung mit mindestens einer Ionisierungselektrode (4) und mindestens zwei voneinander isolierten Gegenelektroden (1, 3), wobei mindestens eine Stromversorgung vorgesehen ist,
die Ionisierungselektrode (4) einstückig ausgebildet ist und durch die Referenzkammer (18) und die Messkammer (17) läuft die Ionisierungselektrode (4) drahtförmig ausgebildet ist und eine stark gekrümmte Oberfläche zur Erzeugung hoher elektrischer Feldstärken aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßkammer (17) und die Referenzkammer (18) hohlzylinderförmig ausgebildet sind und der Zylindermantel beider Kammern (17, 18) durch die Gegenelektroden (1, 3) gebildet wird, welche mittels eines Isolators (2) voneinander elektrisch isoliert sind und
der Isolator (2) mit einer Ausgleichsöffnung (8) versehen ist, welche zum Gasaustausch zwischen der Referenzkammer (18) und der Messkammer (17) und als Durchgang für die beide Kammern (17, 18) durchlaufende Ionisierungselektrode (4) dient, wobei die Ausgleichsöffnung (8) konstruktiv derart ausgebildet ist, dass Aerosole einer Brandentwicklung praktisch nur in die Messkammer gelangen können. - Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die lonisierungselektrode (4) jeweils für die Meß- und die Referenzkammer (17,18) geteilt ist oder daß die lonisierungselektroden (4) für beide Kammern (17, 18) separat angeordnet sind, wobei die lonisierungselektroden zur Sicherung eines gleichmäßigen Feldaufbaus in allen Parametem gleich sein müssen und eine gemeinsame Hochspannungsregelung verwendet werden muß. - lonisationsrauchmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der beide Kammern (17, 18) durchlaufenden Ionisierungselektrode (4) und den Gegenelektroden (1, 3) jeweils mindestens eine Zwischenelektrode (10,14) angeordnet ist, welche gegenüber den anderen Elektroden (1,3) mit unterschiedlichem Potential beaufschlagbar ist.
- Ionisationsrauchmelder, nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine äußere, perforierte Schirmelektrode (13) die gesamte Anordnung (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 14) umschließt und mit einem gegenüber den anderen Elektroden (1, 3, 10, 14) unterschiedlichem Potential beaufschlagbar ist. - Ionisationsrauchmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Stromversorgungsschaltung (15) zur Steuerung der Kammerströme (23, 24) vorgesehen ist, welche einen Stromregelverstärker (21) und einen Hochspannungsgenerator (16) umfaßt. - Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromversorgungsschaltung (15) eine Spannungsregelschaltung (20) unterlagert ist, welche eine Hochspannungsregelung (25) mit einem Spannungsregelverstärker (22) umfaßt. - Ionisationsmelder nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hochspannungsgenerator (16) zur Erzeugung der Hochspannung für die Elektroden (1, 3, 4) als Sperrschwinger ausgebildet ist. - Ionisationsrauchmelder nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hochspannungsgenerator (16) zur Erzeugung der Hochspannung für die Elektroden (1, 3, 4) als Piezzotransformator ausgebildet ist. - Verfahren zum Betrieb eines Ionisationsrauchmelders nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zur Ausbildung eines Ionenstromes in der Messkammer (17) und der Referenzkammer (18) notwendigen Ionen durch eine geteilte oder beide Kammern (17, 18) durchlaufende Ionisierungselektrode (4) erzeugt werden und
die Stromversorgung (15) der Referenzkammer (18) derart geregelt ist, daß eine vorgegebene Sollstromstärke (19) mit der Ist-Stromstärke des Referenzkammerstromes (24) verglichen und der Differenzwert beider Messgrößen einem Stromregelverstärker (21) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator (16) steuert, welcher die Hochspannung der Ionisierungselektrode (4) so eingestellt, daß sich die Stromstärke des Referenzkammerstromes (24) der vorgegebenen Sollstromstärke (19) angleicht, wobei die gleiche Hochspannung auch auf den Messkammerstrom (23) wirkt, so dass sich dort ebenfalls die an die Sollstromstärke angepasste Stromstärke des Messkammerstromes (23) einstellt, also die Stellgröße Hochspannung für beide Kammern (17,18) in gleicher Weise über die geteilte oder gemeinsame Ionisierungselektrode (4) aufgeschaltet wird. - Verfahren zum Betrieb eines Ionisationsrauchmelders nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stromversorgungsschaltung (15) mit einer zusätzlichen Spannungsregelschaltung (20) derart verschachtelt wird,
dass das Ausgangssignal des Stromregelverstärkers (21) den Sollwert für einen unterlagerten Spannungsregelkreis (25) bildet, wobei die Abbildung der Hochspannung der Ionisierungselektrode (4) mit diesem Sollwert verglichen und die Regelabweichung einem Spannungsreglerverstärker (22) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Hochspannungsgenerator (16) veranlaßt, eine entsprechend korrigierte Spannung zu erzeugen, wobei anschließend die beiden Kammerströme (23, 24) miteinander verglichen und die Abweichung vom Normalzustand analysiert werden, womit sich zeitliche Schwankungen der Hintergrundionisation ausgleichen lassen. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Polarität der Zwischenelektroden (10, 14) und der Schirmelektrode (13) wechselbar ist. - Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe der mittels Stromversorgung (15, 20) geregelten Stromstärke auf die jeweiligen Einsatzbedingungen des Melders abgestimmt wird. - Verfahren nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke (23) in der Messkammer (1) getrennt von der Stromstärke (24) in der Referenzkammer (3) gemessen wird.
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