Détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux contrôlé par arc électrique

Abstract

 L'ionisation est créée par un arc électrique au sein de la chambre (4) qui est en communication avec le mileu ambiant à travers la grille de protection (5). Les électrodes (E₃, E4) de mesure de la conductivité fonction du niveau d'ionisation permettent de réamorcer une décharge électrique entre (E₁) et (E₂) à partir d'un certain seuil par le circuit de réaction (10) commandant la porte (9) et déclenchant la décharge du condensateur (Ci) dans l'enroulement (8). Le contrôle de la fréquence des décharges permet de connaître les variations du niveau d'ionisation.

Description

[0001] L'invention se rapporte à un détecteur de niveau d'ionisation contrôlé par arc électrique.

[0002] L'utilisation de détecteurs ioniques d'incendie est déjà très répandue en raison de la très grande rapidité de réponse de ces appareils et de leur faible sensibilité à l'action nocive des gaz.

[0003] Cependant les détecteurs ioniques déjà connus étant constitués essentiellement par deux chambres, l'une ouverte afin d'être en contact avec le milieu que l'on surveille l'autre pratiquement close, comportant une très légère fuite, et recevant toutes deux le rayonnement d'un échantillon radioactif il est clair que leur emploi est dans certains cas peu recommandable.

[0004] L'échantillon ionisant l'air ou le milieu contenu dans les deux chambres, on constate normalement que les conductivités entre les électrodes de mesure sont identiques dans les deux chambres. Cependant, dès que le milieu ambiant dans lequel se trouve le détecteur pénétrant dans la chambre ouverte subit des variations d'ionisation ou de conductivité comme par exemple lors de l'apparition d'un.feu, des collisions se produisent entre particules et ions présents dans cette chambre entraînant ainsi une forte diminution de la conductivité alors que la conductivité dans la chambre fermée reste pratiquement inchangée pendant une assez longue période. La détection extrêmement rapide de cette différence de conductivité permet de détecter l'apparition d'autres sources de pollution.

[0005] L'inconvénient de tels appareils dans certaines industries comme l'industrie agricole, est évident puisque leur utilisation permettrait à des particules radioactives de contaminer des produits alimentaires, ce qui entraînerait de graves dangers pour les consommateurs. En outre, quels que soient les domaines d'utilisation de ces appareils, il est indispensable de pouvoir les récupérer après un incendie, ce qui n'est pas toujours possible de sorte que la matière radioactive ri.sque de contaminer le système de distribution de l'eau d'alimentation par les eaux de ruissellement ayant été en contact avec les appareils non récupérés.

[0006] L'objet de l'invention est un détecteur de niveau d'ionisation caractérisé en ce que l'ionisation du milieu que l'on surveille est provoquée par un arc électrique entre une première paire d'électrodes, la conductivité du milieu entre deux électrodes de mesure contrôlant au moins un circuit de réaction indicateur du taux de décroissance des ions, fonction des variations du nombre de particules du milieu ambiant et de leur mobilité.

[0007] On évite de la sorte l'utilisation de matières radioactives, les deux chambres distinctes destinées à comparer les conductivités de deux milieux momentanément:distincts étant remplacés par une simple chambre.

[0008] Une autre caractéristique de l'invention est de compenser la disparition rapide des ions résultant de leur impact sur les particules du milieu pénétrant dans la chambre de mesure de la conductivité au moyen d'un circuit de réaction contrôlant le déclenchement d'un arc électrique de très courte durée.

[0009] L'avantage de cette méthode est non seulement la répétition des mesures par formation d'ions, mais encore la comparaison des résultats entre deux réamorçages de l'arc en vue de discriminer éventuellement les types d'ions formés en fonction de leur mobilité. On peut ainsi suivre l'évolution d'un certain phénomène, par exemple phase d'émission de particules.lourdes ou légères au cours d'un incendie. En outre, la création discontinue d'arc provoquant l'ionisation a pour conséquence de réduire de façon considérable la consommation d'énergie nécessaire au fonctionnement de l'appareil.

[0010] Une autre caractéristique du détecteur est l'inclusion d'un circuit de comparaison des résultats de deux mesures successives de la conductivité. Ce circuit pouvant comporter de simples éléments analogiques et le dispositif de commande de l'atc pouvant fournir des tensions de l'ordre de 6 à 12.000 V très courte durée de l'ordre de 100 à 500 nanosec., le courant étant de l'ordre de 1 microampère, on parvient ainsi à utiliser des puissances extrêmement faibles de l'ordre de 16 picowatt pour assurer l'ionisation de la chambre de mesure, la consommation totale des composants des autres circuits étant limitée à 20 microwatt par exemple.

[0011] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante faite en référence aux dessins et qui représentent à titre d'exemples non limitatifs, un mode de réalisation de la présente invention et des variantes de la commande de signalisation des mesures.

La figure 1 est une représentation schématique de l'appareil et doses circuits.

La figure 2 le diagramme représentant les tensions de contrôle du transistor commandant le déclenchement de l'arc électrique.

La figure 3 un exemple de succession des tensions de commande de l'arc et de la variation de la conductivité entre électrodes de mesure.

La figure 4 le schéma d'un circuit de signalisation de la détection d'une chute de conductivité.

La figure 5 une variante du dispositif de la figure 4,

La figure 6 le schéma des tensions du dispositif de commande de déclenchement de l'arc électrique,

La figure 7 une variante du dispositif de la figure 5, et

La figure 8 un exemple des tensions des commandes du dispositif de signalisation représenté à la figure 7.

[0012] Le détecteur schématisé figure 1 comprend essentiellement une chambre unique 4 dont l'ouverture est recouverte par une fine grille de protection 5 mise à la masse. La grille permet notamment la suppression d'émissions radioélectriques parasites. Les électrodes E_l et E₂ servant à la production d'arcs intermittents ainsi que les électrodes E₃ et E4 de mesure de la conductivité du milieu sont alimentés en tension par les enroulements 7 d'un transformateur dont l'enroulement primaire 8 est contrôlé par la porte 9 du transistor Z₁. Cette porte est connectée par le circuit 10 au circuit de mesure de conductivité de l'espace compris entre les électrodes E₃ et E4.

[0013] L'alimentation de l'enroulement primaire 8 s'effectue au moyen de terminaux 1 et 2 connectés aux bornes de tout dispositif d'alimentation fournissant respectivement une tension positive au terminal 1 par exemple de + 6V et une tension négative au terminal 2 de -6V. La tension de référence au terminal 3 peut être de + 6V. En absence de conduction de Z₁, le condensateur C₁ connecté à la masse et au terminal 1 par la résistance R₁ se charge. Lorsque la tension de l'anode 11 croît et dépasse celle de la porte 9, le condensateur C_l se décharge par Z₁ à travers l'enroulement primaire 8 du transformateur. La décharge se produisant en un temps extrêmement court,une différence importante de potentiel se produit aux bornes de l'enroulement secondaire 7 connectées aux électrodes E₁ et E₂ provoquant ainsi un arc électrique entre ces électrodes. L'accroissement de l'ionisation du milieu contenu dans la chambre 4 accroît la conductivité entre les électrodes E₃ et E4 entraînant l'accroissement de la tension de la porte 9. Le condensateur C₁ venant de se décharger, on voit que le dépassement de la tension de l'anode 11 par la tension de la porte 9 se produit en un temps très court, la décharge du condensateur entraînant la coupure immédiate par Z₁ de l'alimentation de l'enroulement 8.

[0014] On voit que dès que la chambre 4 est ionisée, le condensateur C₂ se charge à une certaine valeur et que le moment où la tension de la porte 9 dépasse celle de l'anode est fonction de la conductivité de l'espace situé entre les électrodes E₃ et E4 ainsi que des valeurs des résistances R₂ et R₃. II en résulte que, si au cours du temps, la conductivité varie entre E₃ et E4 en raison d'une disparition rapide des ions due à la venue dans la chambre 4 de particules émises par exemple au cours d'un incendie, la fréquence d'amorçage de l'arc entre E₁ et E₂ croît. On obtient ainsi un moyen commode de détecter la pollution du milieu environnant la chambre 4.

[0015] La figure 2 montre en V₉ la courbe de décroissance de la tension de la porte 9 entraînant la conduction brusque de Z₁, lorsque la tension d'anode représentée en V₁₁ dépasse la valeur V_L de la tension V₉ de la porte 9. La tension V₁₂ de la cathode 12, croît alors brusquement à l'instant t, puis décroît jusqu'à l'instant t₂. Le condensateur C₁ se charge à nouveau et le cycle recommence.

[0016] On a représenté à la figure 3 une succession d'impulsions de commande de l'arc électrique provoquant l'ionisation de la chambre 4 ainsi que la courbe de conductivité 13 en fonction du temps au cours de la détection d'une certaine pollution que l'on détecte encore par la fréquence des impulsions V₁₂ de commande de l'arc entre les électrodes E_l et E₂. Un signal d'alarme de tout type peut être déclenché par le dispositif 30 représenté figure 4. Celui-ci peut comporter par exemple un circuit de détection d'impulsion manquante de type connu commercialisé par exemple sous la référence "Philips 555" et qu'il suffit de raccorder aux éléments représentés au schéma de la figure 1 en connectant l'entrée 25 du circuit de détection au terminal 3 du circuit de la figure 1. La sortie 24 du dispositif de détection 30 est connectée à tout dispositif d'alarme désiré 31, de sorte que, lorsque les impulsions sont espacées comme sur la figure 3,avant accroissement de la conductivité, le circuit 30 donne une réponse normale entre A et B. Par contre, entre les points B et C l'accroissement de la fréquence des impulsions V₁₂ entraîne un signal de sortie en 24 du dispositif de détection 30. La connexion 32 au dispositif d'alarme 31 déclenche ainsi tout dispositif. Le signal de déclenchement en 24 ne disparaît qu'au retour de la fréquence primitive en C.

[0017] Une variante du circuit de commande de la signalisation a été représentée figure 5. Dans cette variante, le point de jonction 14 des résistances R₂ et R₃ est relié d'une part directement à l'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 15, d'autre part à l'entrée positive de l'amplificateur 15 par l'intermédiaire du circuit constitué de la diode D₂ et de la ligne de retard composée de la résistance R₄ et du condensateur C₃. On a représenté à la figure 6 la courbe 16 de décroissance de la conductivité dans le milieu normal que le détecteur ionique surveille et en 17 la courbe de la chute de tension à l'entrée du circuit R₄, C₃ en fonction du temps ce circuit étant préalablement réglé pour qu'à tout instant la valeur de la tension représentée par la courbe 17 soit inférieure à celle représentée par la courbe 16. La tension représentée par la courbe 17 sert de seuil de référence et permet que dès que des particules pénètrent dans la chambre 4 et entraînent la diminution du nombre des ions dans l'espace E₃, E4 de commander l'amplificateur opérationnel 15, la courbe de la tension V₁₀ du point de jonction 14 décroissant plus vite que celle du circuit R₄-C₃. La tension de sortie V de l'amplificateur 15 peut être utilisée pour commander tout circuit d'alarme, tel que 31 par exemple.

[0018] Ce circuit de commande de signalisation très simple a l'avantage d'être très sensible et convient particulièrement à la surveillance de milieux où l'humidité et la température sont relativement constantes.

[0019] Lorsque le milieu à surveiller est susceptible de présenter des variations d'humidité et de température affectant la mobilité des ions ainsi que la rapidité de leur disparition, le dispositif de commande de signalisation peut être remplacé par le dispositif représenté figure 7 permettant de comparer la tension V₁₀ prise au point de jonction 14 après une période prédéterminée T₁ suivant la commande de l'arc entraînant l'ionisation, avec la valeur précédente de cette tension V₁₀ préalablement enregistrée.

[0020] A cet effet, la tension V₁₀, représentative de la conduction entre les électrodes E₃ et E4, est injectée dans l'amplificateur opérationnel 18 servant de transformateur d'impédance, de sorte que la même source de tension V₁₀ est appliquée à la borne 27 du transistor 26 du type MOS dont le drain est connecté en 28 à l'entrée négative de l'amplificateur 20 et à la résistance R₅.

[0021] La porte 29 commandant la conduction du transistor MOS 26 servant d'interrupteur est reliée par 32 du circuit de temporisation 23. Ce circuit entraîne un retard de transmission T₂, figure 8, du signal transmis par le circuit différentiel C₇, R₇. Ce signal provient de l'amplificateur 19 par l'intermédiaire du circuit C₆, R₆ et du circuit de temporisation 22 qui introduit le retard T₁, représenté figure 8.

[0022] Dès que la tension V₁₀ est supérieure à une valeur de référence appliquée a l'entrée 21 de l'amplificateur 19, celui-ci transmet une impulsion négative au circuit 22 par le circuit différentiel C₆R₆. Cette impulsion est retardée à son tour du temps T₂.

[0023] Il en résulte que, lorsque la tension V₁₀ est appliquée par l'interrupteur MOS 26 à la borne 28 et au circuit R₅,C₅, que si la tension du condensateur C₅, représentant l'ancienne valeur de V₁₀, cas des valeurs B et C, figure 8, est inférieure à la nouvelle valeur de V₁₀, la sortie 33 de l'amplificateur 20 reste à la valeur 0.

[0024] Par contre, lorsque l'ancienne valeur de V₁₀ représentée par celle de C₅ est supérieure à la nouvelle, cas de valeurs B et A, figure 8, la nouvelle valeur est enregistrée par C₅ et la sortie 33 de l'amplificateur 20 fournit un signal transmis à tout dispositif d'alarme tel que 31.

[0025] Il est ainsi possible d'analyser avec précision aussi bien les variations globales de diminution de la conductivité du milieu que les variations entraînées par les mobilités différentes des ions.

Revendications

1.- Détecteur de niveau d'ionisation d'un milieu gazeux, caractérisé en ce que l'ionisation du milieu gazeux (4) que l'on surveille est provoquée par un arc électrique entre deux électrodes (E₁ et E₂), la valeur de la conductivité du milieu entre une seconde paire d'électrodes (E₃, E₄), contrôlant au moins un circuit de réaction (10) indicateur du taux de décroissance des ions fonction des variations du nombre 4e particules du milieu ambiant et de leur mobilité.

2. - Détecteur tel que revendiqué en 1 comportant un circuit de commande de l'arc électrique (C₁, 10, 7, 8) fournissant des tensions de l'ordre de 6 à 12.000 V de très courte durée de l'ordre de 100 à 500 nanosecondes.

3. - Détecteur tel que revendiqué en 1 ou 2, dont ledit circuit de réaction (10) est placé sous le contrôle des électrodes de mesure (E₃, E4) de la conductivité du milieu, lesdites électrodes étant alimentées en tension par un enroulement secondaire (7) d'un transformateur dont l'excitation du primaire (8) est placée sous le contrôle de la tension de charge d'un condensateur (C₁) et de la tension fournie par le circuit de réaction (10).

4. - Détecteur tel que revendiqué en 3 dont les électrodes (E₁ et E₂) de commande de l'arc électrique sont raccordées audit enroulement secondaire (7) du transformateur dont le primaire (8) est excité par la d-charge du condensateur (C₁) placé sous le contrôle des électrodes de mesures (E_3' E4).

5. - Détecteur tel que revendiqué en 3 comprenant en outre un dispositif de signalisation (31) de la chute de conductivité, contrôlé par un détecteur (30) de la variation de fréquence de charge dudit condensateur (C₁).

6. - Détecteur tel que revendiqué en 5 dont le circuit de contrôle (Z₁) de la commande de l'arc électrique est relié à l'entrée (25) d'un dispositif de détection d'impulsion

7. - Détecteur tel que revendiqué en 1 dont la tension fournie par les électrodes de mesure de conductivité (E₃, E₄) sont reliées à un circuit (R₄, C₃) engendrant une tension variable décroissante (17) inférieure à la tension variable décroissante théorique (16) de la conductivité correspondant à la décroissance normale de l'ionisation entre lesdites électrodes, le circuit de détection de la décroissance de l'ionisation due aux particules pénétrant dans la chambre d'ionisation comprenant un amplificateur opérationnel (15) dont les entrées sont reliées d'une part audit circuit (R₄, C₃) de génération d'une tension décroissante d'autre part, au circuit de réaction (Z₁) de contrôle de l'arc électrique.

8. - Détecteur tel que revendiqué en 1 dont le circuit de réaction commandé par les électrodes de mesure (E₃, E₄) est aussi connecté d'une part à un dispositif mémoire (C_S) de la valeur (V₁₀) représentative de la conductivité entre électrodes de mesure, d'autre part à un dispositif de commande (19) dont la sortie est pourvue de deux dispositifs de temporisation (22 et 23) commandant l'accès de ladite valeur (V₁₀) à la fois à ladite mémoire (C₅) et à un amplificateur opérationnel (20) contrôlant tout dispositif de signalisation (31).

9. - Détecteur tel que revendiqué en 7 dont ledit accès de la valeur (V₁₀) représentative de la conductivité entre électrodes de mesure (E₃, E₄) comprend un transistor MOS (26) utilisé en interrupteur et commandé par un amplificateur opérationnel (19) recevant d'une part une tension de référence (21) d'autre part ladite tension (V₁₀) du circuit de réaction connecté à la commande (Z_l) de l'arc électrique.

Dessins