Ionisationsrauchmelder mit erhöhter Betriebssicherheit

Abstract

 lonisationsrauchmelder mit mindestens einer mit Kleinspannung betriebenden lonisationskammer mit einer Mess-und einer Gegenelektrode, zu welcher Kammer die umgebende Luft praktisch freien Zutritt hat und einer oder mehreren radioaktiven Quellen zur Erzeugung von lonen, einer Speisespannungsquelle und einer elektrischen Schaltung zur Alarmauslösung. Der Melder weist eine erhöhte Betriebssicherheit auf, da durch Schaltungselemente die Signalmeldung an die Zentrale mittels Niederspannung von ca. 200 V erfolgt, der Sensor jedoch mit Kleinspannung betrieben wird.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionisationsrauchmelder mit einem mindestens eine mit Kleinspannung betriebene Ionisationskammer mit einer Mess- und einer Gegenelektrode aufweisenden Sensor, zu welcher"Kammer die umgebende Luft praktisch freien Zutritt hat und die wenigstens eine radioaktive Quelle zur Erzeugung von Ionen aufweist, und einer elektrischen Schaltung zur Alarmauslösung, welcher Melder über Leitungen an eine eine Melderbetriebsspannung an die Leitungen abgebende:.Signalzentrale angeschlossen ist.

[0002] Unter den heute verwendeten Brandmeldern sind die Ionisationsrauchmelder die am weitestverbreiteten Frühwarndetektoren. Zu den Hauptvorzügen, dieses Detektortyps gehören die universelle Verwendbarkeit und die einfache und robuste mechanische Konstruktion. Da die Melder im Brandfall schnell und sicher ansprechen müssen, sie aber andererseits keine Fehlalarme auslösen dürfen, werden an ihre Zuverlässigkeit hohe Anforderungen gestellt.

[0003] Die Wirkungsweise der bekannten Ionisationsrauchmelder beruht darauf, dass sich der Ionenstrom zwischen den beiden Elektroden der Messkammer stark verringert, wenn Rauch in die Messkammer eindringt. Es kommen heute hauptsächlich zwei Typen von Ionisationsrauchmeldern zur Anwendung, nämlich:

1. Niederspannungsrauchmelder, die mit einer Betriebsspannung von ca. 220 V arbeiten, beispielsweise die in der CH-PS Nr. 391 331 beschriebene Vorrichtung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen und

2. Kleinspannungsrauchmelder, die mit einer Betriebsspannung von weniger als 50 V arbeiten, beispielsweise die in der CH-PS 446 131 beschriebene Ionisationsfeuermeldeanlage.

[0004] Die Niederspannungsrauchmelder verwenden als elektrisches Verstärkerelement eine Kaltkathodenröhre, sie weisen gegenüber den Kleinspannungsrauchmeldern ein wesentlich höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf. Figur 1 zeigt die Schaltung eines typischen Niederspannungsrauchmelders, bei dem die Messionisationskammer in Serie mit einem Arbeitswiderstand, vorzugsweise einer gesättigten Referenzkammer, betrieben wird. Der Verbindungspunkt der beiden Kammern ist mit der Steuerelektrode einer Kaltkathodenröhre verbunden. Der Spannungsabfall über der Messkammer beträgt im Ruhezustand ca. 80 V Bei Eindringen von Rauch in die Messkammer erhöht sich diese Spannung um ca. 50 V und erreicht damit die Zündspannung der Kaltkathodenröhre. Dies führt zur Auslösung eines Stromflusses zwischen Anode und Kathode,was über ein Relais zur Alarmauslösung ausgewertet werden kann.

[0005] Betriebsstörungen bei Ionisationsrauchmeldern treten einerseits dadurch auf, dass die Detektoren Fehlalarme auslösen oder dass andererseits die Empfindlichkeit der Detektoren während des Betriebes nachlässt, was bis zum völligen Ausfall des Melders führen kann. Die Niederspannungsmelder des vorbeschriebenen Typs sind relativ unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen, die durch das als Antenne wirkende Leitungsnetz aufgefangen werden, da diese Störungen eine beträchtliche Grösse besitzen müssen, d.h. mindestens 50 V betragen müssen, um die Kaltkathodenröhre zur Zündung zu bringen. Bei diesem _Detektortyp sind daher Fehlalarme durch elektromagnetische Störungen verhältnismässig selten.

[0006] Die für den Betrieb der Niederspannungs-Ionisationsrauchmelder erforderliche Kammerspannung von ca. 100 V bewirkt jedoch, dass an der Messelektrode hohe elektrische Feldstärken von einigen 100 V/cm auftreten. Die stets in der Luft vorhandenen Staubpartikeln scheiden sich daher elektrostatisch an den Elektroden ab, was dazu führt, dass die Elektroden mit einer allmählich dicker werdenden Staubschicht überzogen werden. Wenn es sich bei diesen Stäuben um elektrisch nicht leitendes Material handelt, was vor allem in den trockenen Winterperioden häufig der Fall ist, so wird der Ionenstrom in der Messkammer blockiert, und es kann zur Auslösung eines Fehlalarms kommen. Dies macht es erforderlich, dass die .Melder häufig gereinigt werden, was sehr kostenintensiv ist.

[0007] Mit der Verfügbarkeit der Feldeffekttransistoren war es möglich, Ionisationsrauchmelder zu entwickeln, die mit einer Betriebsspannung von < 50 V betrieben werden. Ein solcher Ionisationsbrandmelder vom Kleinspannungstyp ist beispielsweise in der CH-PS 446 131 beschrieben. Figur 2 zeigt die Schaltung eines typischen Kleinspannungs-Ionisationsrauchmelders. Die über der Messkammer liegende Spannung ist gleichzeitig die Gatespannung für einen Feldeffekttransistor. Sie ist so gewählt, dass der Transistor im Ruhezustand stromlos ist. Der gesteuerte Gleichrichter (SCR) ist somit ebenfalls gesperrt und das Relais nicht erregt. Dringen Rauchgase in die Messkammer ein, so steigt die Kammerspannung und bewirkt beim Ueberschreiten eines bestimmten Schwellenwertes das Zünden des SCR, wodurch das Relais Alarm auslöst.

[0008] Bei diesen Kleinspannungs-Ionisationsrauchmeldern beträgt der für eine Alarmauslösung erforderliche Hub der Spannung an der Messionisationskammer nur einige Volt. Da im Leitungsnetz Störimpulse dieser Grössenordnung auftreten können, besteht bei diesem Meldertyp immer die Gefahr von Fehlalarmen. Zur Kompensation dieses Nachteils ist ein erheblicher elektronischer Schaltungsaufwand erforderlich. Auf der anderen Seite wirkt sich die Tatsache äusserst positiv aus, dass infolge der wesentlich geringeren Feldstärke die Verschmutzungsgefahr erheblich kleiner ist.

[0009] An Brandmeldeanlagen sind sehr hohe Sicherheitsanforderungen zu stellen. Es war bisher nicht gelungen, bei den Ionisationsrauchmeldern vom Niederspannungstyp die Verstaubungsgefahr zu beheben oder bei den Kleinspannungsmeldern mit einfachen Mitteln die Anfälligkeit gegen elektrische Störungen zu beseitigen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die bben genannten Nachteile der bekannten Ionisationsrauchmelder zu beheben.und insbesondere einen Ionisationsrauchmelder mit erhöhter Betriebssicherheit zu schaffen, der durch eine geringe Feldstärke in der Ionisationskammer die Verschmutzungstendenz der Melder verringert, so dass die Serviceintervalle lang gewählt werden können, der gegenüber den Hochspannungsmeldern eine geringere Menge an radioaktivem Material benötigt und der gegenüber elektromagnetischen Störungen unempfindlich ist.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Melder einen Wandler aufweist, der die Melderbetriebsspannung auf die Sensorbetriebsspannung derart herabsetzt, dass diese mindestens fünfmal kleiner ist als die Melderbetriebsspannung, dass er ein an die Sensorbetriebsspannung liegendes, vom Spannungsabfall über der Ionisationskammer gesteuertes erstes Schaltelement aufweist, das bei Ueberschreiten einer bestimmten Rauchdichte leitend wird und die Sensorbetriebsspannung herabsetzt, und dass er ein an der Melderbetriebsspannung liegendes, von der Sensorbetriebsspannung gesteuertes zweites Schaltelement aufweist, das bei Unterschreiten der Sensorbetriebsspannung unter einen vorbestimmten Wert leitend wird und ein Alarmsignal auslöst.

[0011] _Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Ionisationsrauchmelders ist der Wandler so ausgelegt, dass die Sensorbetriebsspannung mindestens zehnmal kleiner ist als die Melderbetriebsspannung. Dabei weist das erste Schaltelement einen im Ruhezustand gesperrten Feldeffekttransistor auf, dessen Gate-Elektrode mit der Messelektrode der Ionisationskammer verbunden ist, so, dass bei Ueberschreiten einer bestimmten Rauchdichte der Feldeffekttransistor leitend wird; ferner weist das zweite Schaltelement eine Kaltkathodenröhre als bistabiles Schaltelement auf, deren Steuerspannung durch einen Schalter im Ruhezustand unterhalb der Zündspannung der Steuerelektrode der Kaltkathodenröhre gehalten wird; schliesslich weist der Ionisationsrauchmelder gemäss bevorzugter Ausführungsform Mittel auf, die den Schalter beim Oeffnen des Feldeffekttransistors derart betätigen, dass die Steuerspannung der Kaltkathodenröhre langsam ansteigt, bis die Zündspannung erreicht ist und die Kaltkathodenröhre zündet.

[0012] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Ionisationsrauchmelders besteht der Schalter aus einem Transistor, der im Ruhezustand leitet und gesättigt ist, wobei zwischen Kollektor und Emitter des Transistors ein Kondensator geschaltet ist und wobei zwischen den Kollektor des Transistors und'die Anode der Kaltkathodenröhre ein Widerstand geschältet ist, wobei die Zeitkonstante R x C > 2s, vorzugsweise > 5s und insbesondere > 10s, ist.

[0013] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Wandler aus einem Widerstand, einer Zener-Diode und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors.

[0014] Im folgenden werden anhand von Schaltungsbeispielen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

[0015] Es stellen dar:

- Figur 1, die Schaltung eines bekannten Niederspannungs-Ionisationsrauchmelders.

- Figur 2, die Schaltung eines bekannten Kleinspannungs-Ionisatiönsrauchmelders.

- Figur 3, die Schaltung eines erfindungsgemässen Ionisationsrauchmelders mit erhöhter Betriebs-sicherheit.

- Figur 4, die Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Ionisationsrauchmelders.

[0016] Figur 3 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemässen Ionisationsrauchmelders. Eine der Aussenatmosphäre zugängliche Messionisationskammer MK liegt in Reihe mit einem Arbeitswiderstand R₆. Der Verbindungspunkt von Messionisationskammer MK und Arbeitswiderstand R₆ ist mit der Gateelektrode G eines Feldeffekttransistors T_l verbunden, die Drain-Source-Strecke des FET T₁ ist mit einer Z-Diode ZD₁ parallel zur Messkammer-Arbeitswiderstand-Strecke geschaltet.

[0017] Die von der Zentrale her über die Leitungen L₁ und L₂ an den Melder angelegte Melderbetriebsspannung U₁ von beispielsweise ca.200 _V wird einem Wandler T zugeführt, der die Melderbetriebsspannung U₁ auf die Sensorbetriebsspannung U₂ herabsetzt. Der Kleinspannungsausgang des Wandlers T ist sowohl mit der einen Elektrode der Messkammer MK als auch mit einem Diskriminator D verbunden, der zur Steuerung eines Schalters S dient, der auf die Steuerelektrode St der Kaltkathodenröhre KR, die zwischen die Leitungen L₁ und L₂ geschaltet ist, einwirkt. Die Steuerelektrode St der Kaltkathodenröhre KR ist ausser mit dem Ausgang des Schalters S über den Widerstand R₂ mit der Leitung L₁ und über den Kondensator C mit der Leitung L₂ verbunden.

[0018] Beim Eindringen von Rauch in die Messkammer MK wird deren Leitfähigkeit reduziert, die Spannung U_K über der Messkammer steigt an und der Transistor T₁ wird leitend, wodurch die Sensorbetriebsspannung U₂ verringert wird. Der Diskriminator D ist so ausgelegt, dass er bei Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Sensorbetriebsspannung U₂ den Schalter S, dessen Ausgang im Ruhezustand die Steuerelektrodenspannung U_St der Kaltkathodenröhre KR unterhalb der Zündspannung (vorzugsweise mehr als 50 V darunter) hält, so betätigt, dass sich der Kondensator C über den Widerstand R₂ aufladen kann, bis die Zündspannung erreicht ist und die Kaltkathodenröhre KR gezündet wird. Der dadurch in den Leitungen L₁ und L₂ auftretende Stromanstieg kann in der Signalzentrale als Alarmsignal ausgewertet werden.

[0019] In Figur 4 wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung eines erfindungsgemässen Ionisationsrauchmelders näher erläutert. Hierbei ist der in Reihe mit der Messkammer MK liegende Arbeitswiderstand R₆ als eine der Aussenatmosphäre schwer zugängliche, im Sättigungsbereich arbeitende Referenzionisationskammer RK ausgebildet. Die Melderbetriebsspannung U₁ wird einer Spannungsstabilisatorschaltung, bestehend aus einem Widerstand R₁ einer Z-Diode ZD₂ und der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors T₂, zugeführt. Diese Spannungsstabilisatorschaltung liefert die für den Betrieb des Kleinspannungsensors notwendige Sensorbetriebsspannung U₂. Im Normalfall, d.h. wenn kein Rauch in die Messkammer MK eingedrungen ist, fliesst der die Z-Diode ZD₂ durchfliessende Strom gleichzeitig durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₂, so dass dieser leitend ist, und den Kondensator C kurzschliesst. Die Steuerspannung U_St, die an der Steuerelektrode St der Kaltkathodenröhre KR liegt, ist praktisch gleich 0. Parallel zu den Punkten A und B liegt ein Spannungsteiler R₃,R₄, der eine derartige Vorspannung U₃ erzeugt, dass der Feldeffekttransistor T₁ im Ruhezustand gesperrt ist.

[0020] Ueberschreitet die Spannung U_K, die über der Messkammer MK abfällt, einen durch R₃,R₄ bestimmten Schwellenwert, so schaltet der FET T₁ durch, und es fliesst ein zusätzlicher Strom durch den Widerstand R_l. Hierdurch wird die Sensorbetriebsspannung U₂ so weit herabgesetzt, dass die Zenerspannung der Z-Diode ZD₂ unterschritten wird, wodurch der Basisstrom des Transistors T₂ unterbrochen wird, so dass dieser sperrt. Jetzt wird der Kondensator C über den Widerstand R₂ aufgeladen. Erreicht die Spannung U_St über dem Kondensator C die Zündspannung der Kaltkathodenröhre KR, so zündet diese und es fliesst ein kräftiger Strom über die Leitungen L₁,L₂; dieser Stromfluss kann in der Zentrale Z zur Alarmgebun^g ausgewertet werden.

[0021] Die Zeitkonstante des Gliedes R₂,C ist so gewählt, dass nach Sperren des Transistors T₂ die Zündspannung der Steuerelektrode St erst nach ca. 2 Sekunden erreicht wird. Kurzzeitige elektrische Störungen, die zur Oeffnung des Feldeffekttransistors T₁ führen, bewirken keine Alarmauslösung, da die Zündspannung der Kaltkathodenröhre KR nicht erreicht wird. Während die Aufladung des Kondensators C über den Widerstand R₂ langsam erfolgt, wird beim Schliessen des Feldeffekttransistors T₁ eine sofortige Entladung des Kondensators C vorgenommen, da dieser über den Transistor T₂ kurzgeschlossen wird. Die Zeitkonstante kann durch Veränderung von R₂ und/oder C veränderten Einsatzbedingungen des Rauchmelders angepasst werden, z.B. mehrere Sekunden betragen oder auf ca. zehn Sekunden eingestellt werden. Wiederholte kurze Rauchstösse wie sie beispielsweise bei starkem Tabakrauchen entstehen, können so nicht zu einem Fehlalarm führen, da wegen der sofortigen Entladung des Kondensators C keine Kumulation der Ladungen erfolgen kann.

[0022] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich bei Vertauschung der Elemente der Spannungsstabilisatorschaltung, indem die Z-Diode ZD₂ zwischen den Emitter des Transistors T₂ und die Leitung L₂ gelegt wird und die Basis des Transistors T₂ direkt mit dem Punkt A verbunden wird. Der Widerstand R₅ kann dadurch entfallen. Die Ruhespannung an der Steuerelektrode St der Kaltkathodenröhre KR entspricht ungefähr der Zenerspannungund für die Zündung der Kaltkathodenröhre ist eine um den gleichen Betrag niedrigere Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor ^T₂ nötig.

Ansprüche

1. Ionisationsrauchmelder mit einem mindstens eine mit Kleinspannung betriebene Ionisationskammer mit einer Mess- und einer Gegenelektrode aufweisenden Sensor, zu welcher Kammer die umgebende Luft praktisch freien Zutritt hat und die wenigstens eine radioaktive Quelle zur Erzeugung von Ionen aufweist, und einer elektrischen Schaltung zur Alarmauslösung, welcher Melder über Leitungen (L₁, L₂) an eine eine Melderbetriebsspannung (U₁) an die Leitungen abgebende Signalzentrale (Z) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Melder einen Wandler (T) aufweist, der die Melderbetriebsspannung (U_l) auf die Sensorbetriebsspannung (U₂) derart herabsetzt, dass diese mindestens fünfmal kleiner ist als die Melderbetriebsspannung (U₁), dass er ein an der Sensorbetriebsspannung (U ) liegendes, vom Spannungsabfall (U_k) über der Ionisationskammer (MK) gesteuertes erstes Schaltelement (ZD₁, T ) aufweist, welches bei Ueberschreiten einer bestimmten Rauchdichte leitend wird und die Sensorbetriebsspannung (U₂) herabsetzt, und dass er ein an der Melderbetriebsspannung (U₁) liegendes, von der Sensorbetriebsspannung (U₂) gesteuertes zweites Schaltelement (KR) aufweist, das bei Unterschreiten der Sensorbetriebsspannung (U₂) unter einen vorbestimmten Wert leitend wird und ein Alarmsignal auslöst.

2. Melder gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (T) die Melderbetriebsspannung (U_l) auf die Sensorbetriebsspannung (U₂) derart herabsetzt, dass diese mindestens zehnmal kleiner ist als die Melderbetriebsspannung (U₁), dass das erste Schaltelement einen im Ruhezustand gesperrten Feldeffekttransistor (T₁) aufweist, dessen Gate-Elektrode (G) mit der Messelektrode der Ionisationskammer (MK) verbunden ist, so dass bei Ueberschreiten einer bestimmten Rauchdichte der Feldeffekttransistor (T₁) leitend wird, dass das zweite Schaltelement eine Kaltkathodenröhre (KR) als bistabiles Schaltelement aufweist, deren Steuerspannung (U_St) ) durch einen Schalter (S) im Ruhezustand unterhalb der Zündspannung der Steuerelektrode (St) der Kaltkathodenröhre (KR) gehalten wird, und dass er Mittel aufweist, die den Schalter (S) beim Oeffnen des Feldeffekttransistors (T₁) derart betätigen, dass die Steuerspannung (U_St) ) der Kaltkathodenröhre (KR) langsam ansteigt, bis die Zündspannung erreicht ist und die Kaltkathodenröhre (KR) zündet.

3. Melder gemäss Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S) aus einem Transistor (T₂) besteht, der im Ruhezustand leitet und gesättigt ist, dass zwischen Kollektor und Emitter des Transistors (T₂) ein Kondensator (C) geschaltet ist und dass zwischen den Kollektor des Transistors (T₂) und die Anode der Kaltkathodenröhre (KR) ein Widerstand R₂ geschaltet ist, dessen Zeitkonstante R₂ x C > 2s, vorzugsweise >5s, ist.

4. Melder gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (T) aus einem Widerstand (R₁), einer Z-Diode (ZD₂) und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors (T₂) besteht.

5. Melder gemäss Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R_l) auf der einen Seite direkt mit der positive Spannung führenden Leitung (L ) verbunden ist, dass die Z-Diode (ZD₂) mit dem anderen Anschluss des Widerstandes (R ) über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors (T₂) mit der negative Spannung führenden Leitung (L₂) verbunden ist, wobei parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors (T₂) ein Widerstand (R₅) liegt

6. Melder gemäss Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R₁) auf der einen Seite direkt mit der positive Spannung führenden Leitung (L₁) verbunden ist, dass die Basis des Transistors (T₂) mit dem anderen Anschluss des Widerstandes (R₁) verbunden ist, und dass die Z-Diode (ZD₂) zwischen dem Emitter-Anschluss des Transistors (T₂) und der negative Spannung führenden Leitung (L₂) liegt.

Zeichnung