DE2739091A1 - Ionisationsdetektor - Google Patents

Description

PAT E N TAN WALTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1»30-1»7ί) . DIPt.-ING. W.EITIE - D». RER. NAT. K. HOFFMANN · DI Pl.-ING. W. LEH N

QIPL.-ING. K. FOCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEUASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-βΟΟΟ MÖNCHEN 81 · TELEFON (08») 911087 . TELEX 05 »41» (PATH E)

29 618

GULF & WESTERN MANUFACTURING COMPANY (SYSTEMS)

NEW YORK,N.Y./USA

lonisaticnsdetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionisationsdetektor und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Feststellen von Feuer, die vorzugsweise eine ß-Strahlenquelle verwendet, obwohl die Lehre der Erfindung ebenso im Zusammenhang mit anderen Strahlenquellen verwendbar ist.

Verschiedene Arten von Ionisations-Feuer-Warnvorrichtungen sind bekannt-, niese Detektoren weisen typischerweise eine oder zwei Kammern und eine oder zwei radioaktive Strahlenquellen auf. Diese Vorrichtungen funktionieren auf der Basis des Prinzips des Wechsels des Ionisationsstromes innerhalb der Kammer nach dem Feststellen von Staubprodukten oder Aerosolen

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in der Atmosphäre, in welcher der Detektor sich befindet.

Die meisten dieser Detektoren verwenden einschliesslich aller kommerziell verwendeten Detektoren eine oL-Strahlenquelle mit Americum 241. Während diese Sensoren Anwendung gefunden haben und weit verbreitet in Feueranzeigesystemen Verwendung gefunden haben, ist es ebenso bekannt, dass CL-Strahlenpartikel sehr viel mehr gefährlich sind als ß-Strahlenpartikel. Es wurde dahingehend argumentiert, dass normalerweise die Strahlung innerhalb der Ionisationskammer eingeschlossen ist, so dass sich infolgedessen keine Probleme ergeben. Jedoch gibt es Umstände, unter denen ein mit (!,-Partikeln verwendeter Detektor gefährlich geworden ist. Beispielsweise haben sich nach dem Ausbrechen von Feuer Situationen ergeben, in denen die Detektoren in den Trümmern verloren gingen, wodurch die Beseitigung der Trümmer ein Problem darstellte.

Dementsprechend wäre es zur Herstellung einer sicheren Vorrichtung wünschenswert,einen Detektor zu konstruieren, der eine niedrigaktive ß-Strahlenquelle verwendet. Sogar einige der früheren Patente, wie die US-PS 3 573 777, 3 271 756, 3 295 121 und 3 560 737, haben eine ß-Strahlenquelle als mögliche Strahlenquelle für Ionisationsdetektoren erwähnt. Jedoch ist kein Detektor verfügbar, der eine ß-Strahlenquelle verwendet. Hierfür sind verschiedene Faktoren verantwortlich. Hauptsächlich waren die in Betracht gezogenen ß-Strahlenquellen von hoher Aktivität und insofern nicht geeignet für die Konstruktion von sogenannten Kompaktdetektoren. Andere ß-Strahlenquellen, wie Tritium, haben eine kurze Halbwertzeit und bestimmte mechanische Probleme, wie beispielsweise die Migration. Daher waren diese Detektoren nicht für die Verwendung im Rahmen der Ionisationsdetektion geeignet. Entsprechend der vorliegenden

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Erfindung wird vorzugsweise eine niedrigaktive ß-Strahlenquelle, wie beispielsweise Nickel 63/ verwendet.

Ein weiteres Problem beim Stand der Technik mit der Verwendung von ß-Strahlenquellen besteht in dem extrem niedrigen Ionisationsstrom, welcher mit diesen Detektoren verfügbar ist. Dies resultiert gewöhnlich in Schwierigkeiten mit der zusammenwirkenden elektronischen Schaltung. Weiterhin ergeben sich daraus Herstellungsprobleme hinsichtlich des Feststellens von aussen kommender Geräuschsignale. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung reduziert der Kammeraufbau und die Wahl der Schaltung grössten Teils des Problem des niedrigen Ionisationsstromes.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit den bekannten Ionisationsdetektoren besteht darin, dass die Detektoren in verschiedenen Umgebungen verwendet werden können müssen, so dass es schwierig ist, einen Detektor zu produzieren, der geeignet in all diesen Umgebungen ohne das Erfordernis der Einstellung für die entsprechende Umgebung verwendet werden kann. In der Vergangenheit waren viele dieser Detektoren einem Wechsel der Feuchtigkeit und der Luftdichte unterworfen, welche die Empfindlichkeit des Detektors beeinflussten. Ein weiteres Problem mit den bekannten Detektoren unter Verwendung radioaktiver Strahlungsquellen, besteht in der Toleranz der Strahlenquelle selbst. Während Dimensionen innerhalb der Kammer innerhalb eines sehr engen Toleranzbereiches gehalten werden können, unterscheidet sich die radioaktive Aktivität von Quelle zu Quelle sehr erheblich.

Beispielsweise offenbaren die US-Patentschriften 3 295 121 und 3 271 756 eine Einrichtung zur Einstellung der Spannung des Ionisationskammerausgangs. Jedoch bezieht sich diese Einrichtung auf die Veränderung der Kammergeometrie oder die

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Einstellung des Abstandes der Elektroden. Dies stellt jedoch eine komplexe mechanische Einstellung dar, die keinen derart guten Steuergrad ergeben, wie die Einstellungseinrichtung gemäss der Erfindung. Mit der einstellbaren Elektrode gemäss der Erfindung können Detektoren gebaut werden, die sich an weite Bereiche der einzelnen Quellen anpassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Ionisationsdetektor zu schaffen, der bei einfacher Herstellung und einfacher Einstellung auf betriebssichere Weise Staub und Aerosole in einem Gas oder der Atmosphäre, beispielsweise auch Rauch, einwandfrei feststellt, ohne dabei durch andere Störfaktoren beeinflusst zu werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ionisationsdetektor vorgeschlagen, welcher hauptsächlich einen Kammeraufbau mit einer ersten und zweiten Kammer aufweist, die eine erste bzw. zweite vorzugsweise plattenförmige Elektrode und eine gemeinsame Elektrode aufweist, die die erste von der zweiten Kammer abtrennt. Zwischen diesen Kammern ist vorzugsweise durch mindestens eine öffnung eine Verbindung hergestellt. Jede der Kammer weist ausserdem vorzugsweise eine weitere Anordnung von öffnungen auf, durch die diese Kammer mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Eine oder beide Kammern können eine Strahlenquelle, vorzugsweise eine ß-Strahlenquelle enthalten. Der Detektor weist ebenso eine einstellbare Elektrode auf, die in einer der Kammern angeordnet ist, um die Spannung zwischen der festen Elektrode der Kammer und der gemeinsamen Elektrode zwischen den Kammern einzustellen. Die Elektrode kann eine herkömmliche leitende Elektrode oder aber auch ein Isolator sein. Die Elektroden des Kammeraufbaus sind mit einer Detektionsschaltung verbunden, um einen Wechsel im Ionisationsstrom festzustellen, wenn ein Feueralarmzustand besteht.

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Hinsichtlich eines andere Apsektes der Erfindung ist ein einziger Detektionsstromkreis vorgesehen, welcher einen Kippgeneratorschaltkreis mit einem programmierbaren Unijunktionstransistor und einer Lichtemissionsdiode enthält. Der Schaltkreis weist ebenso einen zweiten programmierbaren Unijunktionstransistorkreis mit einer mit diesem zusammenwirkenden Verzögerungseinrichtung auf, um die Basiswarndetektion vorzusehen. Der erste Kippgeneratorkreis (oscillator circuit) mit der Lichtemissionsdiode dient in erster Linie der Feststellung der geeigneten Wirkungsweise des Kammeraufbaus.

Entsprechend einerbevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ionisationsdetektor vorgesehen, welcher einen Dreikammeraufbau aufweist, welcher vorzugsweise mit Maschengittereinrichtungen versehen ist, die zumindest zwei der beiden Kammern mit einer dritten, teilweise offenen Kammer, bilden, die innerhalb einer der beiden ersten Kammern ausgebildet ist. Die Maschengittereinrichtung bildet zuzüglich zur Bildung der jeweiligen Kammer die gegenüberliegende Hauptelektrode des Detektors. In der bevorzugten Ausführungsform kann eine von einer der Maschengittereinrichtungen getragene einstellbare Elektrode oder ein Partikeleinfangglied in den Kammeraufbau gedreht werden, um schliesslich den Ionisationsstrom auf einen bestimmten optimalen Wert einzustellen. Der Aufbau bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist ebenso dadurch verbessert, dass die Hauptelektrode zueinander gerichtet sind, um näher der Ionenverteilung innerhalb der Kammer zu folgen, obwohl sie voneinander isoliert sind. Es wurde herausgefunden, dass mit der Dreifachkammer ein optimaler Betriebspunkt vorgesehen werden kann, während Nicht-Feuer-Zustände noch kompensiert werden.

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Durch die Erfindung wird ein verbesserter Ionisationsdetektor mit einem Doppelkanuneraufbau geschaffen, wobei eine der Kammern die Basisfühlkammer ist. Zwischen den Kammern besteht eine Verbindung, um einen geringen Umgebungswechsel zu kompensieren. Die Sensorkammer ist vorzugsweise sowohl zur zweiten Kammer als auch zur Atmosphäre ausserhalb des Kammeraufbaus geöffnet. Durch die Anordnung von Ablenkblechen kann die abzutastende Luft ausgerichtet werden. Ein Abschirmgitter verhindert die Beeinflussung durch äussere Störungen. Weiterhin wird durch die Erfindung eine Einrichtung zum Einstellen des Entscheidungsniveaus des Warnkreislaufes geschaffen, damit jede gewünschte Empfindlichkeit eingestellt werden kann. Der erfindungsgemässe Schaltkreis schafft eine visuelle Anzeige über den Zustand des Ionisationskammeraufbaus. Weiterhin wird durch den Dreikammeraufbau ein eingebauter Rückkopplungsweg geschaffen, welches regenerativ den Betriebspunkt der Vorrichtung stabilisiert. Schliesslich schafft die Erfindung eine speziell ausgeführte Kammerkonstruktion mit derartig ausgebildeten Elektroden, dass die Wirkung der Kammer und die Reduzierung der Ionenwiederzusammenführung verbessert wird.

Ganz allgemein zum Ausdruck gebracht, schafft die Erfindung eine Ionisationsdetektor-Feueralarm-Vorrichtung mit einem Doppelkammeraufbau, einer zumindest in einer der Kammern angeordneten Strahlungsquelle und einer Feineinstellungsschraubelektrode, welche in eine der Kammern ragt. Die die einstellbare Elektrode enthaltende Kammer ist mehr zur Atmosphäre offen als die andere Kammer. Zwischen den Kammern bestehen Durchgangsöffnungen und eine Detektion tritt auf, indem der Betrag des Wechsels des Ionisationsstromes im Kammeraufbau festgestellt wird. Die jeweils in den Kammern verwendeten ß-Strahlenquellen

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sind eine sogenannte Nickel 63 Strahlenquelle. Ein Wechsel des Ionisationsstromes wird durch einen einzigen Kreislauf gemäss der Erfindung festgestellt, welcher einen Programmierungs-Unijunktionstransistor-Kippgenerator-Schwingkreis enthält.

Weitere Einzelheiten, Merkamle und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Detektors entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform des Detektors,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 einen weiteren Querschnitt einer leicht unterschiedlichen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein schematisches Schnittdiagramm einer anderen Ausführungsform unter Verwendung einerunterschiedlich einstellbaren Elektrode,

Fig. 6 einen mit einem Detektor gemäss der Erfindung versehenen Stromkreis,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform gemäss der Erfindung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem Dreikammeraufbau ist,

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Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 des Detektors in Fig. 7, und

Fig. 9 eine Kurve, welche die typische Verteilung für die ß-Strahlung bei dem Detektor gemäss der Erfindung zeigt.

Bei einer Ausführungsform besteht die Kammer gemäss der vorliegenden Erfindung aus zwei getrennten Bereichen und ist vorzugsweise mit drei getrennten festen Elektroden oder Platten versehen. Zuzüglich zu den festen Elektroden weist eine der Kammern ebenso eine in diese hineinragende einstellbare Elektrode oder ein Partikelfangelement auf, welches die Form einer Feineinstellschraube oder einer Einstellplatte haben kann.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer Kammer, welche einen isolierten Zylinder 1O, eine leitende Kopfplatte 12, eine leitende Bodenplatte 14 und eine leitende Zwischenplatte 16 aufweist. Der Zylinder 10 wird auf geeignete Weise von einer gedruckten Schaltungsplatte 18 abgestützt, die eine Durchgangsöffnung geeigneter Grosse aufweist, welche den Zylinder 10 aufnimmt. Die gedruckte Schaltungsplatte 18 ist mit Terminals zur Aufnahme von Verbindungen der Kammer versehen. Die Platten und Zylinder bilden eine Bodenkammer 20 und eine Oberkammer 22. Der Zylinder weist an seinem Bodenende eine Vielzahl von Schlitzen 24 auf, so dass die Kammer 20 virtuell zur äusseren Umgebung offen ist, so dass die Luft sich frei durch die Kammer 20 bewegen kann. Die Kammer 22 enthält andererseits eine oder mehrere öffnungen 26, die einen geringen Austausch mit der äusseren Umgebung mit der Kammer 22 erlauben. Ebenso bestehen in der Platte 16 Kanäle, so dass jeder Austausch der Kammer 20 mit der Umgebung auf die Kammer 22 kommutiert.

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Auf diese Weise werden geringe Veränderungen nicht durch die Kammer gemäss der Erfindung festgestellt.

Vorzugsweise befindet sich eine Quelle 28 in der Kammer 20 und eine Quelle 30 in der Kammer 22. Wenn alternativ eine Quelle verwendet wird, so verwendet man vorzugsweise die in der Kammer 20 angeordnete Quelle 28. Vorzugsweise wird die Quelle in der Kammer verwendet, die ebenfalls die einstellbare Elektrode enthält.

Die Kammer kann durch eine isolierte Basis 32 abgestützt sein, welche ein von der Basis abgestützte Maschengitterabschirmung oder Maschengitterschild 34 aufweist. Diese Abschirmung ist um den Zylinder 10 angeordnet. Diese Abschirmung verhindert hochfrequente (r.f.) und statische Störungen. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ist die Platte oder Elektrode 14 leitend mit der Abschirmung 34 verbunden.

Fig. 1 zeigt ebenso ein Ablenkblech 36, welches auf geeignete Weise auf der Stützbasis 32 befestigt ist. Dieses Ablenkblech 36 richtet den Luftstrom aus und begrenzt den zum Detektor gelangenden Luftstrom. Der Detektor wird mittels Stützen 38 und 40 abgestützt, die beide hohl ausgebildet sind. Diese Stützen tragen die gedruckte Schaltungsplatte 18 an gegenüberliegenden Enden eines Hauptstützrahmens 42. Die Stützen 38 und 40 können durch diese verlaufende Drähte aufweisen, so dass entsprechend der späteren Beschreibung im Zusammenhang mit Fig. 6 eine Verbindung zwischen dem Kammeraufbau und dem Stromkreis hergestellt werden kann.

Wie bereits zuvor erwähnt wurde, besteht ein Problem der

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radioaktive Quellen verwendenden Detektoren in der Toleranz der verwendeten Quelle. Während die Dimensionen innerhalb der Kammer innerhalb sehr geringer Toleranzen gehalten werden können, unterscheidet sich die Radioaktivität charakteristisch von Quelle zu Quelle. In Übereinstimmung mit der Erfindung sind Einstellmittel vorgesehen, mittels derer sich diese Sektoren hinsichtlich ihrer Konstruktion für einen weiten Bereich der verwendeten Quellen eignen..Hierzu wird eine besonders einstellbare Elektrode 44 verwendet. Diese Elektrode hat ein Schraubengewinde, welches von einer Gewindemutter aufgenommen wird, die sich auf geeignete Weise in der den Zylinder 10 bildenden Wandung befindet. Die Elektrode kann mit jeden der Kollektorplatten 12, 14 oder 16 elektrisch verbunden oder sogar an eine getrennte Bezugsspannung angeschlossen sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrode entweder an der Platte 12 oder an der Platte 14 angeschlossen. Aus Fig. 1 ergibt sich, dass die Elektrode mit der Platte verbunden ist und ebenso,entsprechend der Darstellung, an einem Punkt der gedruckten Schaltungsplatte 18 angeschlossen ist.

Die Elektrode 44 ragt um einen vorbestimmten Abstand in die Ionisationskammer 20. Auf diese Weise werden die Elektronen durch diese einstellbare Elektrode eingefangen und die Spannung zwischen den Platten 14 und 16 wird konsequenterweise erhöht. Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Elektrode einfach eine Einstellschraube sein, welche so eingestellt werden kann, dass die Elektrode verschieden tief in die Kammer ragt. Je weiter die Elektrode in die Kammer ragt, umso mehr Elektronen werden eingefangen und umso mehr nimmt die Spannung zwischen den Platten 14 und 16 zu. Mit dieser einstellbaren Elektrode ist es möglich, das Spannungsniveau zwischen den Platten 14 und 16 auf ein optimales Niveau feineinzustellen, welches vorzugsweise

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ungefähr der Hälfte der Versorgungsspannung entspricht.

In Fig.2 bis 6 werden für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. So zeigt beispielsweise Fig. die gedruckte Schaltungsplatte 18, den isolierenden Zylinder, die Platten 12, 14 und 16 und die Kanunern 20 und 22. Die Kammer 20 weist eine Reihe von Längsschlitzen 24 auf. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Quellen 28 und 30 in der Kammer 20 bzw 22 angeordnet. Die Einstellelektrode 44 entspricht der in Fig. 1 und der Basiskanuneraufbau ist ebenso entsprechend dem Kammeraufbau in Fig. 1. Jedoch endet in Fig. 4 die Bodenplatte 14 in Deflektorenden 46 und 48, die jeweils mit Perforationen versehen sind. Dear Auf bau, ent sprechend der Darstellung in Fig. 4 und in den anderen Zeichnungen, ist grundsätzlich zylindrischer Ausgestaltung, wie beispielsweise die Aussenschale 50. Die Schale 50 ist ebenfalls mit einer oder mehreren öffnungen 52, um einen Ausgleich hinsichtlich des geringen Wechsels zwischen der äusseren Umgebung und der Umgebung innerhalb der Schale 50 zu bewirken. Die Deflektorenden sind im wesentlichen konzentrisch um die Kammer angeordnet. Die, eine nach unten vorstehende Wand 51 der Schale 50 umfassende Anordnung verhindert eine direkte horizontale oder vertikale Luftbewegung in die Kammer 20.

Fig. 2 und 3 zeigen eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform wird durch die gedruckte Schaltungsplatte 18 abgestützt und weist eine Basisplatte 14 mit einer zugeordneten Quelle 28, eine Zwischenplatte 16 mit einer zugeordneten Quelle 30 und Abdeckkappen 55 und 56 auf· Die Platte 16 hat zumindest eine diese durchlaufende öffnung zur Verbindung der Kammern 20 und 22. Ein isolierender Ring 58 trennt die Platte 16 von dem Bereich 59 der gedruckten Schaltungsplatte. Unterhalb der gedruckten Schaltungsplatte

* versehen

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ragt ein Ring 62 vor, welcher ein zwischen dem Ring 62 und der Stützbasis 14 angeordnetes Drahtgitter 64 trägt. In der Basis 14 ist ein ringförmiger Gleitring 66 eingesetzt, welcher mit einer Öffnung 67 versehen ist, die mit einer öffnung 69 (Fig. 3) ausgerichtet sein kann, um einen Zutritt in das Innere der Kammer 20 zum Reinigen oder Ersetzen der Quelle 28 zu gestatten.

Die Abdeckkappe 55 kann aus solidem Metall oder einem Metallgitter bestehen. Die Kappe ist auf dem Bereich 59, beispielsweise mittels Löten oder Schweissen, auf der gedruckten Schaltungsplatte 18 befestigt. Die Kappe 56 besteht vorzugsweise aus einem Metallgitter mit drei Bodenstäben 60, welche in in der gedruckten Schaltungsplatte 18 befindliche Löcher eingefügt ist. Der Ring 62 berührt, entsprechend der Darstellung in Fig. 2, die Stäbe 60, um die Körper 56 und den Ring 62 sowie das Gitter 64 elektrisch miteinander zu verbinden. Der obere Rand des Ringes 62 erstreckt sich über die Platte 18 und ist auf diese gelötet oder geschweisst.

Im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 ist keine einstellbare Elektrode beschrieben. Jedoch kann diese Elektrode auf einfache Weise vorgesehen werden, indem diese durch das Gitter 64 in die Kammer 20 ragt.

In Fig. 5 ist ein Teilquerschnitt und ein schematisches Diagramm dargestellt, die übereinstimmend den Aufbau entsprechend Fig. 2 und 3 repräsentieren. In dieser Anordnung ist ein unteres Gitter 64 vorgesehen, welches offen ist und einen freien Eingriff in die Kammer 20 erlaubt. Das Gitter 64 ist an seinem oberen Rand und an einer Vielzahl von Punkten, entsprechend

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der Darstellung in Fig. 5, mit der Kappe 56 verbunden. Die Schaltungsplatte 18 hat eine ähnliche Zahl von Kanälen zur Aufnahme der Stäbe der Kappe 56 und der oberen Enden des Gitters 64. Die Kappen 55 und 56 bestehen aus einem Gitter, welches mit eng aneinanderliegenden sehr kleinen Öffnungen, entsprechend der schematisehen Darstellung in Fig. 5, versehen ist. Oberhalb der Platte 14 ist derart eine öffnung vorgesehen, dass ein Zugang zur Quelle 28 für die Reinigung derselben vorhanden ist. Die Quelle 30 kann durch Beseitigung der Kappen 55 und 56 gereinigt werden.

Die Ausführungsform gemäss Fig. 5 unterscheidet sich von der in Fig. 2 und 3 in erster Linie durch die Einstellschraube 44, welche mit einem längsseits angebrachten Flügel 45 versehen ist. Wenn die Schraube gedreht wird, ändert sich der auf den Ionisationspfad gerichtete Oberflächenbereich, so dass der Stromverlauf innerhalb der Kammer verändert wird. Mit diese Konstruktion kann die Einstellschraube durch eine Drehung der Schraube oder weniger, einen angemessenen Einstellbetrag vorsehen.

Fig. 6 zeigt einen bevorzugten Stromkreis für die Verbindung mit der Ionisationskammer zur Erzeugung eines Warnzustandes, nachdem Rauch festgestellt wurde. Die Detektorkammer entsprechend Fig. 6, kann mit der, im Zusammenhang mit Fig. 1 zuvor beschriebenen und diskutierten Art übereinstimmen. Bei dieser Konstruktion sind zwei Kammern 20 und 22 vorgesehen, die jede jeweils eine ß-Quelle 28 und 30 aufnimmt. Die Platte 12 ist übe* einen Schutzkreis 7O mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung und die Platte 14 zusammen mit der Einstellschraube 44 mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbunden. Die

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Einstellschraube 44 wird vorzugsweise so eingestellt, dass die Spannung an der Platte 16 das gewünschte optimale Niveau einnimmt, welches typischerweise der Hälfte der positiven Versorgungsspannung entspricht.

Der Schutzkreis 70 weist eine Diode D1, Widerstände R1 und R11 und einen Kondensator C6 auf. Dieser Stromkreis schafft einen liniengeführten Hochfrequenz-(r.f.)-Interferrenzschutz. Die über die Detektionskammer aufrechterhaltene Grundspannung wird durch eine Zener-Diode Z1 angelegt. Diese Diode oder ein ähnlicher Spannungsregler kann für die Sicherstellung einer stabilen Spannungsbeaufschlagung der Ionisationskammer und des entsprechenden Stromkreises verwendet werden. Der Kondensator C1 hat vorzugsweise einen relativ niedrigen Wert, wie beispielsweise 0,01 Mikrofarad. Diese zwei parallel angeordneten Kondensatoren schaffen einen Schwingungs- und Hochfrequenz- (r.f.)-Schutz für die Kammer und den mit diesen zusammenwirkenden Stromkreis.

Ein Feldeffekttransistor T1 hat eine Gitterelektrode, welche mit der Platte 16 der Detektionskammer verbunden ist. Die Abflusselektrode des Transistors ist mit der an den positiven Pol der Versorgungsspannung angeschlossenen Leitung und die Einlaufelektrode des Transistors über die Widerstände R2 und R3 mit der an den Minuspol der Versorgungsspannung angeschlossenen Leitung 72 verbunden. Der Transistor T1 ist vorzugsweise entsprechend der Darstellung in Fig. 1 innerhalb der Abschirmung angeordnet. Der Transistor T1 wandelt die extrem hohe Impedanz an seiner Eingangsgitterelektrode in einen besser zu handhabenden Wert an der Einlaufelektrode des Transistors. Die Widerstände R2 und R3 bilden die Belastung des Feldeffekttransistors. Der Kondensator Cf ist ein Bootstrap-Kondensator

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von relativ geringem Wert, welcher zwischen den Knoten der Widerstände R2 und P3 und der Gitterelektrode des Transistors angeordnet ist. Dieser Kondensator dient der Minimierung des Einflusses der radiofrequenten bzw. hochfrequenten Strahlung und der Schwingungssignale, die am Knoten der Widerstände R2 und R3 auftreten können. Die Spannung am Knotenpunkt 74 liegt an zwei getrennten,aber gleichen Stromkreisen an, von denen einer ein Kippgenerator 75 ist. Dieser Kippgenerator besteht aus den Widerständen R4, R9, R1O und R11, einem Kondensator C3, einer Lichtemissionsdiode (LED) 76 und einem programmierbaren ünijunktionstransistor 78. Die Bezugsspannung des Kippgenerators 75 wird durch die Widerstände R1O und R11 eingestellt. Der Knotenpunkt zwischen diesen Widerständen ist mit der Gitterelektrode des Transistors 78 verbunden. Die Werte der Widerstände R4 und des Kondensators C3 sind so gewählt, dass ein relativ langer Impulsbetreg, beispielsweise 1 Impuls alle 5 Sekunden zum Zünden des LED 76, auftritt. Der Zweck des Kippgenerators 75 dient der überwachung des Zustandes der Ionisationskammer. Die Widerstände R1O und R11 sind so gewählt, dass die Spannung am Knotenpunkt zwischen den Widerständen geringer ist als die Einlasspannung des Transistors T1, wenn die Kammer auf geeignete Weise funktioniert. Unter diesen Bedingungen wird der Kippgenerator betrieben und der LED 76 produziert einen periodischen Lichtimpuls, um den Betriebszustand der Kammer anzuzeigen. Die Widerstände R1O und R11 können so eingestellt werden, dass die Spannung am Knotenpunkt zwischen diesen Widerständen, z.B. +5V beträgt.Diese Spannung könnte einer Einlasspannung des Transistors T1 von beispielsweise +8V entsprechen.

Der Knotenpunkt 74 ist über den Widerstand R5 ebenso mit einem

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ähnlichen Typ eines Kippgeneratorschwingkreises 80 verbunden. Dieser Kreis 80 weist Widerstände R5, R6, R7 und R8, einen veränderlichen Widerstand VR1, einen Kondensator C5 und einen programmierbaren Unijunktionstransistor 82 auf. Die Bezugsspannung am Gitter des Transistors 82 wird mittels des veränderbaren Widerstandes eingestellt. Diese Spannung ist höher als die Spannung am Gitter des Transistors 78. Diese durch den veränderbaren Widerstand VR1 eingestellte Spannung ist um einen von der erforderlichen Empfindlichkeit abhängigen Betrag oberhalb der Ruhespannung (keine Warnung) am Knotenpunkt 74 eingestellt. So muss die Spannung am Knotenpunkt um einen vorbestimmten Betrag zunehmen, bevor eine Ausgangsinformation von der Kathode des Transistors 82 auftritt. Die Ausgangsinformation vom Transistor 82 kann unmittelbar an ein Warnsystem oder an einen Gitterkreis angeschlossen werden, um eine Isolierung von anderen Sensoren vorzusehen. Alternativ kann diese Ausgangsinformation zu einer geeigneten Vorrichtung, wie ein SCR oder ein Relais geleitet werden.

Der Widerstand R5 und der Kondensator C5 sind so gewählt, dass sie eine geeignete Verzögerung veranlassen, die 5 Sekunden betragen kann. Diese Verzögerung sichert eine Unempfindlichkeit gegen Schwingungsverhältnisse, die im Stromkreis auftreten oder die von aussen induziert werden.

Viele bestehende Stromkreise verwenden Komparatoren für den Detektionsvorgang oder für Spannungsveränderungen in der Ionisationskammer. Jedoch in Übereinstimmung mit der Erfindung wurde herausgefunden, dass die Verwendung von programmierbaren Unijunktionstransistoren zur überwachung des Spannungsniveaus ganz bestimmte Vorteile gegenüber der Verwendung von Komparatoren aufweist. Einerseits sind diese Komparatorkreise im wesentlichen

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ausgedehnt und die SchaLtuntj ist insbesondere hin.s ichtL ich der Zeitverzögerung komplizierter. Ausserdem nrnau t;i.n Triggerstromkreis mit dem Komparator kombiniert werden. Andererseits schafft ein programmierbarer Unijunktionstransistorstromkreis, entsprechend der vorliegenden Erfindung, eine Verzögerung, eine Spannungsabtastung und ein einstellbares Triggerniveau, wahrend ebenso eine ausgezeichnete Geräuschimunität geschaffen wird. Hinzu kommt, dass der Kondensator des Stromkreises am Ende eines jeden Zyklus vollständig entladen v/ird, wodurch ein bekannter Zeitpunkt vorgesehen wird, von dem aus ein bestimmter Ladezyklus bestimmt werden kann. Dies ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn tue Ausgangs information mit einem Impulszählstromkreis für Warnzwekce verbunden ist. Ein anderer wesentlicher Vorteil lies Stromkreises gemäss der Erfindung besteht darin, dass die im Kondensator Ci gespeicherte Ladung dazu verwendet v/ird, die Lichemiüsionsdiode zu zünden, wodurch dieNotwendigkeit einer relativ grossen intermittierendem Beleistung durch die Energiezufuhr beseitigt wird.

Wenn die Ionisationskammer die Anwesenheit von Rauch feststellt, nimmt die Impedanz zwischen den Platteti 11 und 16 zu, so dass ebenso die Eingabespannung des Transistors TI zunimmt. Diese Spannungszunahme ist über den Widerstand R5 vom Knotenpunkt 74 gekoppelt. Nach einer durch den Widerstand R5 und den Kondensator C5 bestimmten Verzögerungsperiode leitet der Transistor 82. Wenn dies auftritt, so wird durch ein an der Kathode des Transistors 82 auftretendes Signal ein Warnzustand erzeugt. Mit dem Kammeraufbau entsprechend der Erfindung werden atmosphärische Änderungen über einen relativ langen Zeitraum nicht festgestellt, da der Kammeraufbau einen Ausgleich der Umgebung in diesem Zustand vorsieht. Wenn jedoch

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ein relativ rapider Atmosphärenwechsel auftritt, beispie Isweise wenn Rauch vorhanden ist, üo tritt diej;er Hauch /. i < rn — lieh schnell in die Kammer IO und bedingt einen unmittelbaren Festste; 1 I Vorgang.

Fig. 7 und 8 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindunq mit einem Ureikammeraufbau, welcher einen optimalen Arbeitspunkt für einen Detektor schafft, während Nicht-Fouer-Zustände kompensiert werden. Diese Anordnung verwendet vorzug:;· v/eise ß-Quellen, die einen engeren Elektrodenabstand erlauben. Dies ist wegen der geringen Energie und der damit zusammenhängenden kurzen Reichweite dieser Hickelquellen 63 der Fall. Bei dieser Ausf iihrungsf orm wird für den Betrieb bei einem geeigneten Betriebspunkt eine dritte Kompensationskammer verwendet. Dies "polstert" die Detektionskammer mit einer hohen Impedanz, weicht; aus einem Stromfluss zwischen der Zentralelektrode und dem äusseren Elektrodengitter resultiert.

Bei dor Ausführungsform gemäss Fig. 7 und 8 ist der in der dritten Kammer abgeleitete Strom eine Funktion des Stroms in der Bozugskaiumor, da die Ionisation beider Kanunern durch dieselbe Quelle in folgt; der relativ grossen Öffnung zwischen diesen Kamme;rη erzeugt v/ird. Daher existiert sin Rückkopplung«· zustand dort,wo die Reduktion des Stromes in der Detektiom;-kammer eine Abnahme der Spannung quer über die Bezugskanuner und eine Zunahme der Spannung quer durch die dritte Kammer bewirkt. Die Zunahme tier Spannung bewirkt eine grössere Zahl von durch die Quelle der Bezugskammer erzeugten Ionen, die durch die Elektrode der dritten Kammer eingefangen v/erden und bewirkt eine Reduzierung der effektiven Impedanz der dritten Kammer. Dies stabilisiert den Betriebspunkt des Detektors. Ebenso tritt bei geringem Umgebungswechsel ein Stromwechsel in

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allen drei Kammern auf, wodurch für diese geringen Umgebungswechsel ohne das Erfordernis einer Gaskommunikation zwischen den Kammern eine Kompensation auftritt.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist der Abstand zwischen den Hauptelektroden optimiert. Fig. 9 zeigt für eine besondere Quelle einen Abstand, bei dem eine maximale Ionisation auftritt. Bei der Anbringung der Hauptelektrode in diesem oder ungefähr in diesem Abstand, bestehen optimale Bedingungen für den Feststellvorgang. Wenn die Elektroden zu eng aneinander angeordnet sind und die Gasdichte zunimmt, nimmt ebenso die Zahl der Moleküle innerhalb des Partikelpfades und der Ionisationsstrom zu, wodurch eine Verstimmung auftritt. Wenn die Luftdichte abnimmt, so tritt eine Umkehrung dahin auf, dass eine Verstimmung in der entgegengesetzten Richtung auftritt. Wenn andererseits der Elektrodenabstand zu g^ross wird, so sind die Rekombinationseffekte grosser und neigen zu einer Zunahme mit einer Zunahme des Luftdruckes. Bei einer optimalen Einstellung des Abstandes, tritt die Ionisation bei niedrigen Werten der Luftdichte ein. Wenn die Dichte zunimmt, so resultiert diese nicht in einer Zunahme der Gesamtionisation, wodurch ein stabilerer Betriebspunkt erreicht wird.

Fig. 7 und 8 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Maschengitterkappe 88, eine zweite Maschengitterkappe 90, eine Elektrode 92 und eine gemeinsame Elektrode 94 aufweist. Die Maschengitterkappe 88 weist zu ihrer Abstützung eine kreisförmige Basis 89 auf. Gleichermassen weist uie Kappe SO eine kreisförmige Basis SI auf. Eine der Hauptelektroden 93 ist in Form einer Platte dargestellt, die vom Boden der Kappe 90, entsprechend der Darstellung in Fig. 7, abgestützt wird. Die Platte 93 nimmt eine

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der radioaktiven ß-Quellen 95 auf. Ein Zugang zur radioaktiven Quelle erfolgt über eine in der Kappe 90 befindliche öffnung 99. Dadurch ist eine Reinigung und ein Ersetzen der radioaktiven Quelle möglich.

Beide Kappen 88 und 90 weisen eine Vielzahl von Vorsprüngen 100 auf, welche beide Kappen auf einer gedruckten Schaltungsplatte 1O2 festlegen. Die Vorsprünge 100 können in die gedruckte Sclialtungspl atte verlaufen und zusätzlich zur Befestigung der Kappen an der gedruckten Schaltungspaltte der dielektrischen Verbindung der beiden Kappen miteinander so dienen, dass sie das gleiche Potential halten.

Eine der anderen Hauptelektroden 92 ist ebenso auf der gedruckten Schaltungsplatte 102 befestigt und weist in die Platte 102 ragende Vorsprünge auf, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Die Elektrode 92 ist topfförmig ausgebildet, hat jedoch eine Öffnung 97, welche im Sinne der Erfindung vorgesehen ist.

Fig. 7 und 8 zeigen Teile, wie einen ebenso an der gedruckten Schaltungsplatte 102 befestigten Transistor 103. Eine Stütze 104 aus isolierendem Material hält die gemeinsame Elektrode 94. Fig. 8 zeigt, dass ein Ende des Transistors 1O3 mittels einer Leitung 105 mit der gemeinsamen Elektrode 94 verbunden ist. Von der Elektrodenplatte 94 wird eine zweite radioaktive Quelle 10C abgestützt. Die Vorrichtung mit den Kappen 88 und 90 und der gedruckten Schaltungsplatte 1O2 wird durch geeignete Mittel, wie Stifte 1O8, gegenüber dem Stützgebilde 110 getragen, welches vorzugsweise aus isolierendem Kunststoffmaterial besteht.

Das Kopfende der Kappe 88 weist eine Buchse 111 zum Abstützen

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27'J¹JD¹JI

IS

einstellbaren Elektrode 112 auf. Dei dieser Ausf iihrungsform besteht die Elektrode 112 aus einem dielektrischen isolierenden Material. Die Elektrode 92 umfasst ebenso eine Öffnung, welche zur Aufnahme und Führung der einstellbaren Elektrode 112 mit einem Gewinde versehen ist. Die Elektrode 112 wirkt analog zur Elektrode 44 (Fig. 1). Obwohl jedoch die Elektrode dieser Ausführungsform aus isolierendem Material hergestellt ist, funktioniert sie ebenso als ein Mittel zum Einfangen von Elektronen und eine Veränderung des Ionisationsstromes durch die Kammer.

Mit der Ausführungsform entsprechend Fig. 7 und 8 kann ein Stromkreis entsprechend der Darstellung nach Fig. 6 verwendet werden. In diesem Falle kann die Elektrode 92 am positiven Pol der Versorgungsspannung und die Elektrode 92 geerdet oder am negativen Pol der Versorgungsspannung angelegt werden. Die von der gemeinsamen Elektrode kommenden Signale 94 gelangen in den Transistor 103.

Wie bereits zuvor erwähnt, v/ird es bevorzugt, beide Kappen 88 und 90 hinsichtlich des gleichen Potentials miteinander zu verbinden, welches beispielsweise der Grundspannung oder einer negativen Spannung entsprechen kann. Es ist ebenso bevorzugt, dass mittels der Elektrode 92 ein gewisser Ionisationsstrom zur äusseren Elektrode fliessen kann, welche durch die Maschengitterkappe 88 dargestellt v/ird. Dieser Aufbau modifiziert den Strom, welcher von der Elektrode 94 zur Elektrode 92 fliesst, wobei die äussere Maschengitterelektrode 88 den Ionisationsstrom zum Teil auffängt. Diese Anordnung funktioniert als ein Hochnebenschlusswiderstand zwischen den Elektrodenplatten 94 und 93, wobei die Elektrode 93 und die Maschengitterkappen 88 und 90 dasselbe Potential aufweisen. Wenn Rauch in den Bereich zwischen

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11J U ϋ J I

den Elektroden T) und 94 gelangt, wird der Strom reduziert. Da jedoch der Rauch nicht in die oberen beiden Kanunern gelangt , tritt ein modifizierender Effekt auf, durch den die Detektionskammer in einem gewünschten Teil seiner Charakteristik mit einer regenerativen Stabilisierung arbeitet.

Die Verteilung der Ionen innerhalb der Kammer neigt zu einer konischen Form, insbesondere wenn die Quelle eine ÖL»-radioaktive Quelle ist. So wurde es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwirklicht, dass die Elektroden durch eine Restrukturierung der Form der Elektroden eine Zunahme der Ansammlung von Ionen bewirkt. Insbesondere ist es wünschenswert, die Pfadlänge zu verringern, weswegen die; Elektroden, wie die Elektrode 92, nach unten, entsprechend der Darstellung in Fig. 7, in Richtung auf die gemeinsame Elektrode 9 4 verläuft. Ebenso enden die Kappen 88 und 90 in der flähe der gedruckten Schaltungsplatte, wodurch ebenso geringere Pfadlängen für die Partikel zwischen diesen Elektroden und der gemeinsamen Elektrode 94 geschaffen werden.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (12)

1. HOFFMANN · EtflaC & PaRTIsEiI 2739091

   r AT K X TAN WILT K

   DR. ING. E. HOFFMANN (193O-l?7<) ■ D I Pl. -I NG. W. E ITlE · D*. RE R. NAT. K. HOF FIAAH H ■ DIH,-ING. W. IcHM

   DIPl.-IMG. K. FCCfISlE · DR. RER. NAT. B. HANSEN A»ABEllASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-800C MO NCH EN 81 · TElE FON 106») »11087 · TElEX 05-2941» (PAf HE»

   29 618

   GULF & ViESTERN MiMlUFACTURING COMPANY (SYSTEMS)

   NEW YORK, N.Y./USA

   Ionisationsdetektor

   PATENTANSPRÜCHE

   ( 1y Ionisationsdetektor, gekennzeichnet durch einen Kammeraufbau mit einer Einrichtung zur Bildung einer ersten Kammer, einer Einrichtung zur Bildung einer zweiten Kammer mit einer Einrichtung für die Aufnahme von Gasen ausserhalb der zweiten Kammer und mit einer zwischen den Kanunern angeordneten, eine gemeinsame Elektrode (94) aufnehmenden Trenneinrichtung, durch eine der zweiten Kammer zugeordnete Elektrode (93), durch eine andere innerhalb der ersten Kammer angeordnete und in der ersten Kammer eine dritte Kammer bildende Elektrode (92)_f welche zum Teil offen ist, um zwischen der ersten und der dritten Kammer einen Ionisationspfad zu schaffen, durch eine zumindest in der zweiton Kammer angeordnete radioaktive Quelle (95, 1O6) für die Einrichtung eines Ionisationsstromes im Kammerauf bau, und durch eine zumindest: mit der gemeinsamen Elektrode (94) verbundene Einrichtung

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   zum Feststellen der Änderung des Ionisationsstromes.
2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine erste Kammer und eine zweite Kammer bildende Einrichtung jeweils eine Kappe (88 bzw. 90) aufweist, die an den offenen Enden zur Bildung der äusseren Grenzlinie des Kammeraufbaus aneinandergrenzen.
3. 3. Detektor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass eine Einrichtung zur leitenden Verbindung der Kappen (88, 90) und eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines gemeinsamen Potentials der beiden Kappen (88, 90) vorgesehen sind.
4. 4. Detektor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Kappen (88, 90) als Maschengitterkappen ausgebildet sind.
5. 5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η zeichnet , dass die gemeinsame Begrenzungseinrichtung eine Schaltkreisplatte (102) zur Aufnahme der Kappen (88, 90) ist.
6. 6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die andere Elektrode (92) als offenes Gebilde mit Vorsprüngen ausgebildet ist, die von der Schaltkreisplatte (102) aufgenommen werden.
7. 7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest teilweise in den Kammeraufbau zur Einstellung des Ionisationsstromes ein einstellbares, partikeleinfangendes Glied (112) ragt.

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8. 8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Stützen des Gliedes (112) und zur Bewegung desselben in die dritte Kammer eine Stützeinrichtung (111) vorgesehen ist.
9. 9'. Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Elektrode (92) eine Öffnung
   zur Aufnahme des länglichen einstellbaren Gliedes (112)
   aufweist.
10. 10. Detektor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zum Abstützen des einstellbaren Gliedes (112) aus einem isolierenden Material besteht.
11. 11. Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Kappen (88, 90) einen hexagonalen Kammeraufbau bilden.
12. 12. Detektor, gekennzeichnet durch eine mit
    Öffnungen zur Aufnahme des Gases von der Aussenseite

    der Kammer versehene Kammer, mit der Kammer zusammenwirkende und zumindest zum Teil diese bildende feste Elektroden, die im Abstand voneinander angeordnet sind, durch eine in der Kammer zur Schaffung eines Ionisationsstromes in der Kammer zwischen den Elektroden angeordnete radioaktive
    Quelle, die zur Veränderung des Ionisationsstromes bewegbar ist, durch eine Stützeinrichtung für das die Partikel einfangende Glied, welches ein in die Kammer sich erstreckendes Ende aufweist, wobei der freiliegende Bereich

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    innerhalb der Kammer zur Veränderung der eingefangenen Zahl von Partikeln veränderbar ist, wodurch schliesslich der Ionisationsstrom eingestellt werden kann und durch eine mit den Elektroden verbundene Einrichtung zum Feststellen des Wechsels des Ionisationsstromes.

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