Ionisationsrauchmelder

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ionisationsrauchmelder ohne Verwendung radioaktiver Präparate als Strahlungsquelle und ein Verfahren zum Betrieb eines Ionisationsrauchmelders.

[0002] lonisationsmelder sind in der Lage, Aerosole völlig unabhängig von ihren optischen Eigenschaften zu detektieren. Darüber hinaus sind konventionelle Ionisationsmelder - also solche, die radioaktive Präparate zur Ionisierung nutzen - in der Lage, das Vorhandensein auch sehr kleiner Aerosole zu erfassen. Eines der Hauptanwendungsgebiete der Ionisationsmelder ist das Detektieren von Rauch, also ihr Einsatz in der Brandmeldetechnik. Darüber hinaus können solche Detektoren auch zur Aerosolüberwachung von Kammern und Räumen eingesetzt werden. Insbesondere in der Kombination mit Geräten zur optischen Aerosolmessung (z. B. Extinktionsmessung, Streulichtverfahren) gewinnt die Partikeldetektion eine besonders hohe Aussagesicherheit. Dies kann in der speziellen Brandmeldetechnik genutzt werden, um Täuschungen zu eliminieren und darüber hinaus Aussagen über die Gefährdungssituation zu treffen, z. B. in welcher Entwicklungsphase sich ein Brand gerade befindet, aber auch zur Detektion des Vorhandenseins von Aerosolen, beispielsweise in verfahrenstechnischen Prozessen. Ionisationsmelder besitzen ferner besonders gute Eigenschaften in bezug auf Störunempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen und sie sind technisch sehr robust aufbaubar.

[0003] Durch die unterschiedliche Ausprägung vieler Merkmale des Rauchs, die von der gerade existierenden spezifischen Situation abhängen und die durch unterschiedliche Meßverfahren deutlich gemacht werden können, hat Rauch die gleiche Wirkung, als wären mehrere unterschiedliche charakteristische Brandkenngrößen im konventionellen Sinne vorhanden. So läßt bereits die Kombination von lonisations- mit Streulichtkammern hervorragende Aussagemöglichkeiten über Brandentwicklungen zu.
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.

[0004] So ist aus der EP 0 820 045 A2 ein Ionisationsrauchmelder bekannt, welcher zwei voneinander getrennte Kammern, eine Referenz- und eine Meßkammer aufweist, mit jeweils mindestens einer Elektrode, die über eine elektrische Energiequelle mit einer ionisierend wirkenden Einrichtung verbunden ist. Die von der ionisierend wirkenden Einrichtung erzeugten Ionen gelangen anteilig über Öffnungen des Koronaraumes in eine Meß- und eine Referenzkammer. Dabei erfolgt die Ionenerzeugung im Koronaraum mittels einer auf Hochspannung liegenden Ionisierungselektrode, welche die Form einer vergoldeten Nadel aufweist.
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.

[0005] Eine solche, durch hohe Feldstärken und Stoßionisation an einer Elektrodenspitze erzeugte Ionenwolke ist aber im Prinzip sehr inhomogen, da die Zone hoher Feldstärke räumlich sehr begrenzt ist (Nadelspitze).
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.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Anspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

[0007] Erfindungsgemäß erhält man dann homogene und proportional zueinander gleichartige Verhältnisse bezüglich der Ionisierungsvorgänge in der Referenz- und in der Meßkammer, wenn beide Kammern eine gemeinsame oder geteilte und in allen Parametern gleiche symmetrische lonisierungselektrode aufweisen, sowie beide in den Kammern vorhandenen Mess- und Gasvolumina vollständig den gleichen lonisierungsfeldverhältnissen unterliegen, also Mess- und Referenzkammer die jeweiligen Gasvolumina vollständig umschließen und ein einheitlicher homogener Feldaufbau zwischen lonisierungselektrode (n) und die Kammerwände bildenden zylindrischen Gegenelektroden das Gasvolumen durchdringt.

[0008] Bei dem hier bevorzugten Prinzip der ausschließlichen Stoßionisierung werden die natürlichen Hintergrundionisierungen, die durch die ständig vorhandenen terristrischen und extraterristrischen Strahlungen erzeugt werden, als "Keime" genutzt. Durch ausreichend hohe elektrische Feldstärken werden insbesondere die Elektronen soweit beschleunigt, daß sie an den Gasmolekülen bzw. -atomen Stoßionisierungen hervorrufen können.

[0009] Zur Kompensation der Abhängigkeiten der Bildung von Ladungsträgern im Gasraum von Druck, Temperatur und Feuchte ist der erfindungsgemäße Ionisationsrauchmelder als Zwei-Kammersystem aufgebaut, d. h. mit einer Refenzkammer und einer Meßkammer. Beide Kammern sind über Ausgleichsöffnungen so verbunden, daß sich in beiden im wesentlichen durch Diffusionsvorgänge gleiche Gasatmosphären ausbilden können.
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.

[0010] Die Stromversorgung für den erfindungsgemäßen Ionisationsrauchmelder erfolgt entweder über ein Zweileitungssystem, das gleichzeitig für den Datenaustausch zwischen den Meldern und den Zentraleinheiten dient, oder eigenständig, wenn es sich um autark arbeitende Detektorsysteme handelt. Aktiv ansaugende Ionisationsrauchmeldersysteme, die mit zentralen Einheiten verbunden und unter Umständen untereinander verkoppelt sind, erhalten ihre Energieversorgung bevorzugt über getrennt zu den Datenversorgungsleitungen geführte Stromversorgungsleitungen von den zentralen Einheiten.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren 1 bis 4 näher erläutert werden.

[0011] Es zeigen:

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.

[0012] In der in Fig. 1 dargestellten einfachen Ausführungsform läuft die Ionisierungselektrode 4 zentralsymmetrisch durch die Meßkammer 17 und die Referenzkammer 18.
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).

[0013] Trotz des geringen Querschnitts der Ionisierungselektrode 4, reichen Niederspannungen nicht aus, um die zu einer ausreichenden Beschleunigung der Ladungsträger notwendigen Feldstärken zu erzeugen.
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.

[0014] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform läßt sich die Dynamik der Regelung weiter verbessern, indem man der Stromregelung beispielsweise eine Spannungsregelung 25 unterlagert. Das Funktionsprinzip einer solchen Ausführung wird in Fig. 4 näher beschrieben. Auch hier wird eine Abweichung des Referenzkammerstromes 24 einem Regler 21 zugeführt.
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.

[0015] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Regelung des Referenzkammerstromes 24 durch eine Signalauswerte- und Umformeinheit (15 und 20 in Fig. 3 und Fig. 4). Dadurch befindet sich der Referenzkammerstrom 24 immer in dem für die Meßaufgabe optimalen Bereich, um Schwankungen in der natürlichen Ionisierung oder ungewollte Überschläge zu verhindern.
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.

[0016] Durch Anordnung einer entsprechend perforierten äußeren Schirmelektrode kann das Eindringen ionisierender Strahlung in das Gasvolumen der beiden Kammern in bestimmten Grenzen gesteuert werden.

Bezugszeichenliste

[0017] 

1. Gegenelektrode der Meßkammer

2. Isolator mit Durchgangs- und Ausgleichsöffnung

3. Gegenelektrode der Referenzkammer

4. Ionisierungselektrode

5. Anschluß für Versorgungs- und Auswerteschaltung

6. Anschluß für Versorgungs- und Auswerteschaltung

7. Isolator-Grundfläche der Meßkammer

8. Ausgleichsöffnung (Diffusionsöffnung)

9. Öffnungen für den Gaseintritt (Aerosole)

10. Zwischenelektrode

11. Versorgungsschaltung Zwischenelektrode

12. Versorgungsschaltung Zwischenelektrode

13. äußere Schirmelektrode (perforiert)

14. Zwischenelektrode

15. Stromversorgungsschaltung

16. Hochspannungsgenerator

17. Meßkammer

18. Referenzkammer

19. Sollstromstärke des Referenzkammerstromes

20. Spannungsregelschaltung

21. Stromregelverstärker

22. Spannungsregelverstärker

23. Ist-Stromstärke der Meßkammer

24. Ist-Stromstärke der Referenzkammer

25. Hochspannungsregelung

Ansprüche

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Ionisationsrauchmelder nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromversorgungsschaltung (15) eine Spannungsregelschaltung (20) unterlagert ist, welche eine Hochspannungsregelung (25) mit einem Spannungsregelverstärker (22) umfaßt.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Polarität der Zwischenelektroden (10, 14) und der Schirmelektrode (13) wechselbar ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe der mittels Stromversorgung (15, 20) geregelten Stromstärke auf die jeweiligen Einsatzbedingungen des Melders abgestimmt wird.

13. 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.

Claims

1. Ionisation smoke detector for aerosol detection, having at least one ionisation electrode (4) and at least two mutually insulated counter-electrodes (1, 3), at least one current supply being provided,
the ionisation electrode (4) having a one-piece configuration and extending through the reference chamber (18) and the measurement chamber (17), the ionisation electrode (4) having a wire-shaped configuration and having a highly curved surface for generating high electrical field strengths,
characterised in that
the measurement chamber (17) and the reference chamber (18) have a hollow cylinder-shaped configuration and the cylinder casing of both chambers (17, 18) is formed by the counter-electrodes (1, 3) which are mutually electrically insulated by means of an insulator (2) and
the insulator (2) is provided with an equalisation opening (8) which serves for gas exchange between the reference chamber (18) and the measurement chamber (17) and as a passage for the ionisation electrode (4) which passes through both chambers (17, 18), the equalisation opening (8) having a constructional configuration of such a type that aerosols of a fire development can reach in practice only into the measurement chamber.

2. Ionisation smoke detector according to claim 1,
characterised in that
the ionisation electrode (4) is divided respectively for the measurement and the reference chamber (17, 18) or in that the ionisation electrodes (4) for both chambers (17, 18) are disposed separately, the ionisation electrodes for ensuring a uniform field build-up requiring to be the same in all parameters and a common high voltage regulation requiring to be used.

3. Ionisation smoke detector according to claim 1 or 2,
characterised in that,
between the ionisation electrode (4), which passes through both chambers (17, 18), and the counter-electrodes (1, 3), respectively at least one intermediate electrode (10, 14) is disposed, which can be supplied with different potential relative to the other electrodes (1, 3).

4. Ionisation smoke detector according to claim 3,
characterised in that
an external, perforated shield grid electrode (13) surrounds the entire arrangement (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 14) and can be supplied with a different potential relative to the other electrodes (1, 3, 10, 14).

5. Ionisation smoke detector according to one of the preceding claims,
characterised in that
a current supply circuit (15) for controlling the chamber currents (23, 24) is provided, which comprises a current regulation amplifier (21) and a high voltage generator (16).

6. Ionisation smoke detector according to claim 5,
characterised in that
a voltage regulation circuit (20) underlies the current supply circuit (15), said voltage regulation circuit comprising a high voltage regulation (25) with a voltage regulation amplifier (22).

7. Ionisation detector according to one of the claims 3 to 6,
characterised in that
the high voltage generator (16) for generating the high voltage for the electrodes (1, 3, 4) is configured as a blocking oscillator.

8. Ionisation smoke detector according to one of the claims 3 to 6,
characterised in that
the high voltage generator (16) for generating the high voltage for the electrodes (1, 3, 4) is configured as a piezo transformer.

9. Method for operating an ionisation smoke detector according to one or more of the preceding claims,
characterised in that
the ions required for forming an ion flow in the measurement chamber (17) and the reference chamber (18) are generated by a divided ionisation electrode (4) or by one which passes through both chambers (17, 18) and
the current supply (15) of the reference chamber (18) is regulated in such a manner that a prescribed reference current strength (19) is compared with the actual current strength of the reference chamber current (24) and the difference value of both measurement dimensions is supplied to a current regulation amplifier (21), the output signal of which controls the high voltage generator (16) which adjusts the high voltage of the ionisation electrode (4) such that the current strength of the reference chamber current (24) is adjusted to the prescribed reference current strength (19), the same high voltage acting also on the measurement chamber current (23) so that the current strength of the measurement chamber current (23) which is adapted to the reference current strength is likewise adjusted there, i.e. the high voltage correcting variable for both chambers (17, 18) is superimposed in the same manner across the divided or common ionisation electrode (4).

10. Method for operating an ionisation smoke detector according to claim 9,
characterised in that
the current supply circuit (15) is interlaced with an additional voltage regulation circuit (20) in such a manner that the output signal of the current regulation amplifier (21) forms the reference value for an underlying voltage regulation circuit (25), the reproduction of the high voltage of the ionisation electrode (4) being compared with this reference value and the regulation deviation being supplied to a voltage regulation amplifier (22), the output signal of which causes the high voltage generator (16) to generate a correspondingly corrected voltage, both chamber currents (23, 24) being compared subsequently with each other and the deviation from the normal state being analysed, by means of which temporal variations in the background ionisation can be compensated for.

11. Method according to one of the preceding claims,
characterised in that
the polarity of the intermediate electrodes (10, 14) and of the shield grid electrode (13) is changeable.

12. Method according to claim 11,
characterised in that
the level of the current strength regulated by means of the current supply (15, 20) is coordinated with the respective conditions of use of the detector.

13. Method according to claim 12,
characterised in that
the current strength (23) in the measurement chamber (1) is measured separately from the current strength (24) in the reference chamber (3).

Revendications

1. Détecteur de fumée à ionisation pour la détection d'aérosols, comprenant au moins une électrode d'ionisation (4) et au moins deux contre-électrodes (1, 3) isolées l'une de l'autre, qui font partie intégrante du compartiment de mesure (17) et du compartiment de référence (18) et renferment chacune un volume de gaz, au moins une alimentation en courant étant prévue, caractérisé en ce que l'électrode d'ionisation (4) a une configuration monobloc et passe au travers du compartiment de référence (18) et du compartiment de mesure (17).

2. Détecteur de fumée à ionisation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode d'ionisation (4) est configurée en forme de fil et présente une surface fortement cintrée pour générer des intensités de champ électrique élevées.

3. Détecteur de fumée à ionisation suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le compartiment de mesure (17) et le compartiment de référence (18) sont configurés en forme de cylindre creux, l'enveloppe de cylindre des deux compartiments (17, 18) étant formée par les contre-électrodes (1, 3), qui sont isolées électriquement l'une de l'autre au moyen d'un isolateur (2).

4. Détecteur de fumée à ionisation suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'isolateur (2) est muni d'une ouverture d'équilibrage (8) qui sert à l'échange de gaz entre le compartiment de référence (18) et le compar-timent de mesure (17) et de passage pour l'électrode d'ionisation (4) traversant les deux compartiments (17, 18).

5. Détecteur de fumée à ionisation suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'entre l'électrode d'ionisation (4) traversant les deux compartiments (17, 18) et chacune des contre-électrodes (1, 3) est disposée au moins une électrode intermédiaire (10, 14), laquelle peut être soumise à un potentiel différent par rapport aux autres électrodes (1, 3).

6. Détecteur de fumée à ionisation suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'une électrode écran perforée (13) extérieure entoure l'ensemble de l'agencement (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 14) et peut être soumise à un potentiel différent par rapport aux autres électrodes (1, 3, 10, 14).

7. Détecteur de fumée à ionisation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un circuit d'alimentation en courant (15) qui comprend un amplificateur de régulation de courant (21) et une génératrice de haute tension (16) est prévu pour régler les courants de compartiments (23, 24).

8. Détecteur de fumée à ionisation suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'un circuit de régulation de tension (20) qui comprend une régulation de haute tension (25) avec un amplificateur de régulation de tension (22) est monté en cascade avec le circuit d'alimentation en courant (15).

9. Détecteur de fumée à ionisation suivant l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la génératrice de haute tension (16) pour générer la haute tension pour les électrodes (1, 3, 4) est réalisée en tant qu'oscillateur de blocage.

10. Détecteur de fumée à ionisation suivant l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la génératrice de haute tension (16) pour générer la haute tension pour les électrodes (1, 3, 4) est réalisée en tant que transformateur piézzo.

11. Procédé pour le fonctionnement d'un détecteur de fumée à ionisation suivant l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ions nécessaires à la formation d'un courant d'ions dans le compartiment de mesure (17) et le compartiment de référence (18) sont générés par une électrode d'ionisation (4) traversant les deux compartiments (17, 18).

12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'alimentation en courant (15) du compartiment de référence (18) est réglée de telle sorte qu'une intensité de courant de consigne (19) prédéfinie est comparée à l'intensité effective du courant (24) du compartiment de référence et la valeur de la différence des deux grandeurs de mesure est transmise à un amplificateur de réglage de courant (21) dont le signal de sortie commande la génératrice de haute tension (16) qui règle la haute tension de l'électrode d'ionisation (4) de sorte que l'intensité du courant (24) du compartiment de référence s'ajuste sur l'intensité de courant de consigne (19) prédéfinie, la même haute tension agissant également sur le courant (23) du compartiment de mesure, si bien qu'il s'y établit également l'intensité du courant (23) du compartiment de mesure adaptée à l'intensité de courant de consigne, donc la grandeur de réglage haute tension est appliquée de la même manière pour les deux compartiments (17, 18) par l'intermédiaire de l'électrode d'ionisation commune (4).

13. Procédé pour le fonctionnement d'un détecteur de fumée à ionisation suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation en courant (15) est câblé avec un circuit de régulation de tension (20) supplémentaire de telle sorte que le signal de sortie de l'amplificateur de réglage de courant (21) forme la valeur de consigne pour un circuit de régulation de tension (25) monté en cascade, la reproduction de la haute tension de l'électrode d'ionisation (4) étant comparée à cette valeur de consigne et l'écart de réglage étant transmis à un amplificateur de réglage de tension (22) dont le signal de sortie fait générer par la génératrice de haute tension (16) une tension corrigée en conséquence, les deux courants de compartiments (23, 24) étant ensuite comparés entre eux et l'écart par rapport à l'état normal étant analysé, des fluctuations dans le temps de l'ionisation de fond pouvant être ainsi compensées.

14. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la polarité de la haute tension appliquée aux bornes des électrodes (1, 3, 4), et ainsi des courants de compartiments, peut être changée ; la polarité des électrodes intermédiaires (10, 14) et de l'électrode écran (13) étant également changeable.

15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le niveau de l'intensité de courant réglée au moyen de l'alimentation en courant (15, 20) est adapté à chacune des conditions d'utilisation du détecteur.

16. Procédé suivant l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que l'intensité de courant (23) dans le compartiment de mesure (1) est mesurée séparément de l'intensité de courant (24) dans le compartiment de référence (3).

17. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que l'analyse des résultats de mesure des deux intensités de courant est utilisée pour la mesure de la densité d'aérosol.

Zeichnung