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Die Erfindung betrifft einen Ionisations-Feuermelder mit mindestens einer ein radioaktives Präparat enthaltenden und der Aussenatmosphäre zugänglichen Ionisationskammer in Serie mit einem Kondensator, der ein Impedanzwandler und ein Schwellwertschalter mit einem vorgebbaren Schwellwert zugeschaltet sind, wobei der analoge Kammerstrom der Ionisationskammer in eine digitale Impulsfolge umgewandelt und mit einer festen
Bezugsimpulsfrequenz verglichen wird.
Ein solcher bekannter Gasanalysator (USA-Patentschrift Nr. 3, 009, 098) enthält eine Messkammer, eine
Bezugsmesskammer, jeweils einen Kondensator, einen Impedanzwandler und einen Schwellwertschalter mit einem vorgebbaren Schwellwert und einen Analog-Digital-Wandler. Die Kondensatoren werden jeweils unter Betätigung von Relais aufgeladen. Die Entladung erfolgt über den Ionisationsstrom. Wenn die Kondensatorspannung unter einen vorbestimmten Wert sinkt, öffnet ein Schaltverstärker. Die jeweils entstehende digitale Impulsfolge wird einem Differenzverstärker zugeführt. Dabei repräsentiert die Ist-Impulsfolge das Trägergas plus einer
Gaskomponente und die Bezugsimpulsfolge das Trägergas. Die Differenz ergibt zwar Aufschluss über die vorhandene Komponente, aber jeweils bezogen auf die Reinheit des Trägergases und eine definierte Messzeit.
Bedingt durch den Einsatz von Relais ist ausserhalb des im bekannten Fall beabsichtigten Laborbetriebs bzw. bei
Umstellung auf einen Feuermelder eine erhöhte Störanfälligkeit zu erwarten.
Weiterhin ist aus der USA-Patentschrift Nr. 3, 537, 087 ein Detektor-System bekannt, bei dem unter dem
Einfluss von Rauch der mittelbar durch eine Alpha-Strahlung erzeugte Ionisationsstrom verringert wird und damit die entsprechende Aufladung eines Kondensators. An eine Elektrode des Kondensators ist über ein Reed-Relais ein bistabiler Multivibrator angeschlossen, der von einem Oszillator angesteuert wird. Solange das Potential am
Kondensator genügt, um den bistabilen Multivibrator zu triggern, entsteht kein Alarm. Falls jedoch-wegen eines verringerten lonisationsstromes-die Ladezyklen länger werden, erreicht das Potential am Kondensator jeweils erst nach längeren Perioden die erforderliche kritische Spannung, um den bistabilen Multivibrator zu triggern. Der Reed-Kontakt bleibt längere Zeit geschlossen.
Diese Zeit genügt, um das Alarmelement zum
Ansprechen zu bringen (während es unter Normalbedingungen nicht reagiert). Die bekannte Schaltung enthält ein Reed-Relais und ist somit wie andere kontaktbehaftete Schaltungen störanfällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ionisations-Feuermelder der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der ohne zusätzliche Messinstrumente direkt eine Aussage über die Rauchkonzentration gibt und exakt eichbar ist. Des weiteren soll die Funktionstüchtigkeit und die Betriebssicherheit gegenüber herkömmlichen
Ionisations-Feuermeldern verbessert werden, insbesondere der Ionisations-Feuermelder von einer Signalwarte aus geprüft werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass erfindungsgemäss als Impedanzwandler ein in
Quellenfolgeschaltung betriebener Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor dient, dessen Steuerelektroden-Quellen- - Strecke als Entladestromkreis des Kondensators dient, dass an die Quelle des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors ein einen Schalttransistor und einen programmierbaren ersten Unijunction-Transistor enthaltender
Schwellwertschalter angeschlossen ist, dass zum Vergleich der Impulsfolgefrequenzen ein einen Thyristor, ein
RC-Glied und einen zweiten Unijunction-Transistor enthaltender Vergleichsimpulsgenerator vorgesehen ist, der von den Entladeimpulsen des Kondensators synchronisiert ist, wobei der Vergleichsimpulsgenerator ausgangsseitig sowohl mit einem Alarmkreis als auch mit einem optischen Indikator verbunden ist,
wobei die Entladungen des Kondensators mittelbar dem optischen Indikator zuführbar sind.
Der erfindungsgemässe Feuermelder zeichnet sich gegenüber dem Gegenstand der USA-Patentschrift Nr. 3, 009, 098 durch einen vollelektronischen Aufbau aus. Funktionstüchtigkeit und Betriebssicherheit sind gewährleistet, weil die Entladung des Kondensators sowohl direkt zur Synchronisation eines Vergleichsimpulsgenerators dient (mit Anschluss an einen Alarmkreis) als auch mittelbar einem intermittierend anzeigenden Indikator zugeführt wird.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die direkte Entladung des Kondensators mittels des Indikators, z. B. einer Lampe, anzeigbar ist. Bei jeder Kondensatorentladung blitzt die Lampe auf, wobei der zeitliche Abstand der Lichtblitze ein Mass für die Rauchkonzentration ist. Dadurch kann der Ionisations-Feuermelder gemäss der Erfindung an Ort und Stelle direkt zur Individualanzeige benutzt werden, wodurch diese Geräte auch durch Laien überprüfbar sind. Bei ordnungsgemäss funktionierendem Melder gibt die Lampe ungefähr alle vier sec einen kurzen Lichtblitz ab. Man kann also z. B. durch eine Zeitmessung von zehn aufeinanderfolgenden Blitzen mittels einer Stoppuhr die einwandfreie Funktion des Melders kontrollieren.
Der zeitliche Abstand zwischen zwei Blitzen ist eine dem durch die Ionisationskammer fliessenden Strom direkt proportionale Grösse. Dadurch ist es möglich, durch einfache Ausmessungen der Blitzzeit den Melder den herrschenden Umweltbedingungen optimal anzupassen. Bei ansteigendem Rauchpegel wird auch die Blitzzeit grösser und man kann durch Umschalten des Melders mit einem auf der Rückseite befindlichen Empfindlichkeitsschalter die Blitzzeit entsprechend reduzieren.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2107862 ist ein von einem Widerstand zeitlich gesteuerter Impulsgenerator bekannt, der Impulse erzeugt, deren Impulsbreite ein Mass für die Änderung des Widerstandwertes ist. Dieser Impulsgenerator ist als Feuermelder einsetzbar. Dabei ist als solches weiterhin bekannt, einerseits bei Überschreiten einer bestimmten Rauchkonzentration Alarm auszulösen und anderseits das Funktionieren des Schaltkreises durch einen Indikator ständig anzuzeigen.
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Der elektronische Schaltkreis des bekannten Impulsgenerators enthält eingangsseitig einen
Feldeffekt-Transistor mit einer isolierten Steuerelektrode und ausgangsseitig einen integrierenden Verstärker mit
RC-Netzwerk. Der Feldeffekt-Transistor besitzt eine definierte Steuerelektroden-Kapazität. Etwa vorhandener
Rauch in einer Ionisationskammer vermindert die Leitfähigkeit der Kammer und vergrössert dadurch die Zeit zur
Ladung der Steuerelektroden-Kapazität. über einen Schaltverstärker wird eine geregelte Spannung an die
Senken-Quellen-Strecke des Feldeffekt-Transistors gelegt, wodurch im Prinzip ein Auswertezyklus eingeleitet wird.
Als Reaktion auf eine verlängerte Zeitperiode für die Aufladung der Steuerelektroden-Kapazität bei
Vorhandensein von Rauch wird ein Alarm-Relais durch den Ausgang eines integrierenden Verstärkers erregt, der durch eine Transistor-Kaskade und ein RC-Netzwerk gebildet ist. Die Zeitkonstante des RC-Netzwerkes bestimmt die Zeit, die eine Spannung anstehen muss, damit der Verstärker durchschaltet.
Bei der Schaltung gemäss der deutschen Offenlegungsschrift 2107862 ist unklar bzw. nicht genau vorherbestimmbar, welche Grösse die Steuerelektroden-Kapazität hat, so dass bereits die Ladezeit abhängig vom
Bauelement verschieden sein kann. Die Entladezeitkonstante ist relativ gross ; denn der entsprechende Widerstand muss hoch sein, wenn statt des veränderbaren Widerstandes eine Ionisationskammer eingesetzt wird.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Schaltung arbeitet der erfindungsgemässe Ionisations-Feuermelder mit einem Vergleich der den Kammerstrom repräsentierenden digitalen Impulsfolgefrequenz mit einer fest vorgegebenen Impulsfolgefrequenz eines Vergleichsimpulsgenerators, der von den Entladeimpulsen eines in der
Steuerelektroden-Quellen-Strecke eines Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors liegenden Kondensator synchronisiert ist. Die Entladung des Kondensators erfolgt also über eine Diodenstrecke mit minimalem Widerstand. Dadurch ist eine schnelle Entladung gewährleistet. Die extrem geringen Ströme der Ionisationskammer sind mit grösster
Genauigkeit auswertbar.
Der Zeitabstand der Entladeimpulse ist ein direktes Mass für den Ionenstrom. Durch die Verwendung eines programmierbaren Unijunction-Transistors lässt sich in einfacher Weise der Schwellwert für die
Kondensatorspannung, der gleichzeitig der Wert ist, bei dem der Impulsgenerator angestossen wird, festlegen. Der synchronisierte Impulsgenerator enthält einen Thyristor und einen Unijunction-Transistor. Die
Vergleichsimpulszeit wird durch einen einstellbaren Widerstand und einen Kondensator vorgegeben. Kommt der folgende Kammerimpuls rechtzeitig, d. h. innerhalb der Vergleichsimpulszeit, so wird der Kondensator des vorgenannten RC-Gliedes entladen. Die Entladung wird durch eine Indikatorlampe angezeigt.
Kommt der nächste
Kammerimpuls nicht in der Vergleichsimpulszeit bzw. innerhalb der Anstiegszeit der Spannung am Emitter des
Unijunctions-Transistors, so schaltet dieser durch. Dabei wird das Alarmrelais geschaltet und die Indikatorlampe leuchtet ständig.
Die Verwendung eines Feldeffekt-Transistors im Ionisations-Feuermelder als solche ist bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 1281321, deutsche Offenlegungsschrift 2036447). Aus der genannten Literatur ist jedoch jeweils lediglich die Verwendung eines MOS-Feldeffekt-Transistors bzw. eines Feldeffekt-Tranistors mit isolierter Steuer-Elektrode bekannt. Der Einsatz eines Feldeffekt-Transistors hat in diesen Fällen den Sinn, dass er selbst durch vorübergehende überspannungen, die z. B. durch ein Relais oder ein Läutwerk am Ort der Spannungsquelle erzeugt werden, nicht beschädigt wird. Neben diesen Funktionen bewirkt die erfindungsgemässe Beschaltung mit einem Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor in überraschend vorteilhafter Weise, dass der gesamte Kammerstrom zur Aufladung des Kondensators dient und für eine rasche Entladung des Kondensators gesorgt ist.
Die erfindungsgemässe Beschaltung mit dem Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor bringt eine hohe Isolation der Schaltstrecke gegenüber der Ionisationskammer und einen exakten Impulseinsatz für den Vergleichsimpulsgenerator. Der Zeitabstand des Aufladens des Kondensators bzw. der Abstand der Entladeimpulse ist ein direktes und genaues Mass für den Ionenstrom. In der Strecke des Impulsgenerators, gleichsam des Schalters der Ionisationskammer, liegt die Steuerelektroden-Quellen-Strecke des Feldeffekt-Transistors, dessen Sperrwiderstand in Sperrichtung ungefähr 1014 Ohm beträgt. Damit liegt der Isolationswiderstand der Schaltstrecke um mindestens zwei Zehnerpotenzen höher als der Isolationswiderstand der Ionisationskammer.
In weiterer erfindungsgemässer Ausgestaltung ist zur Prüfung der Funktionskontrolle eine höhere Spannung als die Ansprechspannung aufschaltbar, was von einer fernen Stelle, z. B. einer Meldezentrale aus durchgeführt werden kann. Dadurch ist es möglich, alle Melder einer Meldeschleife von der Zentrale aus zum Ansprechen zu bringen und somit eine Funktionskontrolle durchzuführen. Eine übergeordnete Funktionskontrolle als solche ist bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 1281321).
Zwei Beispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und anschliessend beschrieben. Dabei zeigt : Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Erfindung, Fig. 2 die an der Ionisationskammer oszillographierte Spannung bei Änderung des Ionisationskammerstromes (c und d) und die Vergleichsspannung des Vergleichsimpulsgenerators und Fig. 3 ein Beispiel eines erfindungsgemässen Ionisations-Feuermelders mit kompletter Schaltung.
Die Fig. 1 und 2 dienen zur Verdeutlichung der Analog-Digital-Umwandlung des Ionisationskammerstromes in eine Impulsfolge variabler Frequenz.
Gemäss Fig. 1 sind eine Ionisationskammer --1--, die ein radioaktives Präparat enthält, und ein Kondensator --2-- in Reihe geschaltet. An den Kondensator --2-- ist als Impedanzwandler die
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EMI3.1
Bei staub-oder rauchfreier Ionisationskammer ergibt sich eine Impulsfolge gemäss Fig. 2c. Befindet sich nun Rauch in der Ionisationskammer --1--, so nimmt der Kammerstrom entsprechend ab, der Widerstand der Ionisationskammer--l--wird grösser und der Kondensator --2-- entsprechend langsamer aufgeladen. Es dauert also entsprechend länger, bis die Kondensatorspannung wieder auf ihren Schwellwert gestiegen ist, bei welchem sie den Impulsgenerator erneut anstösst. Dementsprechend wird nun die Impulsfolgefrequenz gemäss Fig. 2d kleiner. In Fig. 2a und 2b ist die entsprechende Vergleichsspannung, herrührend aus dem Vergleichsimpulsgenerator, gezeigt. Jedesmal mit Erreichen der maximalen Kondensatorspannung erreicht auch die Vergleichsspannung einen festen Wert.
Wird nun die Impulsfolgefrequenz des Schwellwertschalters-4kleiner, so wächst die Vergleichsspannung weiter an und erreicht einen Triggerpunkt, die sogenannte Triggerspannung. In diesem Fall wird ein nachgeschaltetes Signal ausgelöst.
Ein weiteres Beispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Ionisations-Feuermelder arbeitet mit einer einzelnen Ionisationskammer--IC--. Die Transistoren--T2 und PUT--dienen in Verbindung mit der Ionisationskammer als Analog-Digital-Wandler. Der Kondensator--Cl--wird vom durch die Ionisationskammer--IC--fliessenden Strom aufgeladen.--Tl--bildet einen Impedanzwandler, während - -T2 mit PUT-- einen durch --P1-- einstellbaren Schwellwertschalter darstellt. Wenn die Spannung an --Cl-- einen bestimmten, durch--Pl--vorgegebenen Wert erreicht hat, so schaltet--PUT--kurzzeitig durch,--T2--schaltet durch und entlädt über die Steuerelektroden-Quellen-Strecke von --T1-- den Kondensator--Cl--. Damit beginnt eine neue Periode.
Da der Strom durch die Ionisationskammer--IC--proportional der Rauchkonzentration in der Ionisationskammer ist, ist also der Abstand zwischen zwei Entladeimpulsen im Emitter von--T2--ebenfalls direkt proportional der Rauchkonzentration, d. h. der analoge Strom durch die Ionisationskammer wird in eine digitale Grösse, die Impulsfolgefrequenz, umgesetzt.
Der Abstand zwischen den Einzelimpulsen muss nun mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden. Dies erfolgt durch einen synchronisierten Impulsgenerator, dargestellt durch --Th1 und UJT--. Die Vergleichsimpulszeit wird durch--P2, R17 und C6-- vorgegeben. Die Synchronisierung erfolgt über die Diode --D6 und Th1-- derart, dass solange die von T2--kommende Impulsfolgefrequenz höher ist als die von --UJT-- erzeugte Frequenz, vor Erreichen des Durchschaltpunktes von--UJT--die Ladung vom
EMI3.2
d. h.,Impulsfolgefrequenz rhythmisch etwa alle vier sec aufleuchtet.
Ein Ansteigen der Rauchkonzentration ergibt also eine Vergrösserung des Impulsabstandes bis zu dem Augenblick, in dem der Impulsabstand grösser als die vom Vergleichsimpulsgeber --UJT-- erzeugte Impulszeit ist. In diesem Augenblick schaltet-UJT--durch, die Entladung von-C6--erfolgt über-UJT und R20--. Der entstehende Impuls wird über --C7 und
EMI3.3
--Th2-- zugeführt- -Re1. A-- fliessende Strom teilt sich auf über --R25 bzw. D4 und LED--. Dadurch ist die Indikatorlampe --LED-- zum Ansprechen gebracht. Zur Rückstellung des Melders muss die an Punkt --7-- anliegende Betriebsspannung kurzzeitig unterbrochen werden.
Der Transistor-T3-dient zur Betriebsspannungsstabilisierung. An die stabilisierte Spannung angeschlossen ist das Störmelderrelais--Rel. S--. Bei ansteigender Spannung schaltet der Wechselkontakt --s-- um und verbindet die Anschlussstecker--6 und 9--. Diese Anschlüsse können für eine Störsignalisierung benutzt werden. Wenn diese Störsignalisierung so geschaltet wird, dass auf dem Anschlusspunkt --9-- positive Spannung liegt, so wird bei Ausfall der an Punkt --7/8/10-- anliegenden Vorsorgespannung
EMI3.4
gestörten Melder.
Mit dem Schalter-SW-wird durch Verändern der Ansprechschwelle von-PUT--in drei Stufen die Impulszeit des Analog-Digital-Wandlers geändert. Dadurch ist eine stufenweise Empfindlichkeitseinstellung des Melders möglich. über den Anschlusspunkt-5-kann z. B. von der Zentrale her eine positive Spannung (24 V) zugeführt werden. Damit wird über die Diode-D2--die Ansprechschwelle des Analog-Digital-Wandlers so hoch gelegt, dass die Impulszeit auf jeden Fall höher als die Vergleichsimpulszeit ist und somit der Melder zum Ansprechen kommt. Dadurch ist es möglich, die Alarmfunktion des Melders auf elektrischem Wege von der Zentrale aus auszulösen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann auch bei einer Dosismesskammer eingesetzt werden.