Die Erfindung betrifft einen Brandmelder mit wenigstens zwei Elektroden, zwischen denen durch eine Gleichspan¬ nungsquelle ein elektrisches Feld erzeugt wird, wobei die einander gegenüberliegenden Elektroden-Oberflächen einen Messraum begrenzen, durch welchen die durch Konvektion bewegte Luft eines zu überwachenden Raumes streichen kann, und wobei eine der Elektroden als Messelektrode und die andere als Gegenelektrode ausgebildet ist, und eine Strom-Messanordήung und Auswertungsschaltung vorgesehen ist.

Brandmelder vergleichbarer Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und gebräuchlich. So zeigt z.B. die US-PS 2,408,051 (Donelian) einen Brandmelder mit zwei Messräumen, wobei im ersten Messraum Kleinteilchen und Klein-Ionen elektrisch "herausgef ltert" werden und im zweiten Messraum die Luft mit Hilfe eines radioaktiven Präparats ionisiert wird. Die so entstehende Leitfähig¬ keit wird beim Vorhandensein von Rauch reduziert, weil sich Ionen an die schwer beweglichen Rauchteilchen anla¬ gern. Erreicht die Reduktion der Leitfähigkeit in der Ionisationskammer eine Schwelle, so wird der Alarm ausge¬ lbst. Bei der genannten US-PS 2,408,051 sind dabei die Elektroden, welche die Messräume begrenzen, nach Art eines kapazitiven Spannungsteilers in Serie zwischen den Plus- bzw. den Minuspol einer Gleichspannungsquelle ange¬ schlossen. Ausserdem sind relativ niedrige Feldstärken von etwa 40 oder 0 Volt/cm im ersten Messraum vorgesehen. Der Brandmelder gemäss dieser US-PS benötigt zwingend die

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beiden Messkammern, wobei der Kachteil der mit radioakti¬ vem Stoff versehenen zweiten Messkammer schon im Hinblick auf Umwelteinflüsse bekannt ist. Die Anordnung ist ausser- dem aufwendig in der Konstruktion.

Aus der US-PS 3,754,219 (Klein) ist ein Gerät zur Er¬ mittlung von Luftverschmutzung oder Rauch ersichtlich, bei welchem die Überschussladung ("net Charge") gemessen wird. Die Überschussladung schwankt aber bei Br nden derart stark, dass ein auf diesem Prinzip arbeitender

Brandmelder praktisch nicht einsetzbar ist. Gleiches gilt für den Feuer- und Rauchdetektor gemäss US-PS 3,470,551 (Jaffe et al) .

Zwar sind Ionenmessgeräte oder Messanordnungen zur Ermitt¬ lung der Beweglichkeit von Partikeln bekannt, wie dies z.B. aus der US-PS 4,114,088 hervorgeht, doch ist bislang weder der Einsatz derartiger Messgeräte als Brandmelder vorgeschlagen worden, noch eignen sie sich aufgrund der konstruktiven Ausbildung für einen solchen Einsatz. Viel¬ mehr dominieren Feuermelder mit Ionisationskammern, ins¬ besondere unter Verwendung radioaktiver Präparate, obwohl der Bedarf nach vereinfachten, die Umwelt weniger bela¬ stenden und vor allem ohne radioaktive Stoffe arbeitenden Brandmeldern konstant und seit langem besteht. Dies geht auch aus dem Aufsatz von Scheidweiler in "Staub-Reinhalt.- Luft, Vol. 32 No.11 November, 1972" hervor.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, hoch sensitiven und wesentlich verein¬ fachten Brandmelder sowie eine dafür bestimmte Elektroden¬ anordnung zu schaffen, die ohne radioaktive Präparate zur Ionisation einsetzbar ist.

Erfindungsgemäss wird dies in erster Linie dadurch er¬ reicht, dass wenigstens eine der Elektroden mit Zirkula-

tions-Öffnungen für die zu überwachende Umgebungslu t versehen ist und/oder aus einer Mehrzahl von derart mit Zwischenräumen angeordneten Teilelektroden besteht, dass durch diese Zwischenräume Umgebungsluft in den Messraum strömen kann, dass die Gleichspannungsquelle einerseits direkt oder indirekt mit der Gegenelektrode und anderer¬ seits mit der Strom-Messanordnung verbunden ist, und dass die Messelektrode ohne direkte Verbindung mit der Gleich¬ spannungsquelle an den Eingang der Strom-Messanordnung angeschlossen ist.

Die Erfindung geht dabei erstmals in optimal einfacher Weise von dem Prinzip aus, dass Rauchteilchen aus Ver¬ brennungen prinzipiell stark elektrisch geladen sind. Dies rührt daher, dass sich positive und negative Kleinionen an die Teilchen anlagern. Diese werden schon in normaler Umgebung ständig in der Luft gebildet, insbesondere durch kosmische Strahlung und natürliche Radioaktivität. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Teilchen vom Radius R im thermodynamischen Gleichgewicht die Ladung q = p • e besitzt, ist mit der Coulombenenergie p2e2/2R durch das Boltzmanngesetz gegeben. Die Konzentration der Teilchen vom Radius R mit p Elementarladungen ist demnach

2 2 _ ^' E___1 n = n _R . _t e_ 2RkT (( *i )

wobei n-ß die Gesamtkonzentration der neutralen Teilchen mit Radius R ist, k die Boltzmannkonstante und T die absolute Temperatur. Daraus folgt für den quadratischen Mittelwert

2 q :

- 3 = RkT ( ² -* ^*

(2) berücksichtigt allerdings nicht die diskrete Natur der Ladung und ist für Teilchen mit R-<0,1 im, die nur wenige

Elementarladungen tragen, ungenau. Bei gleicher Konzen¬ tration von gleich beweglichen positiven und negativen ^• Ionen stellt sich eine stationäre Teilchenladungsvertei- lung ein, die der Boltzmannverteilung entspricht. Die . mittlere Partikelladung ist bei Boltzmannverteilung exakt null und in der Luft im stationären Fall wenig verschieden von null, da negative Kleinionen einen ca. 20$ höheren Anlagerungskoeffizienten haben als positive.

Es ist an sich schon bekannt, dass aus einer Verbrennung stammende Rauchteilchen besonders stark elektrisch gela¬ den sind. Das ist schon dadurch verständlich, dass in einer Flamme infolge verschiedener Prozesse eine grosse Kleinionenkonzentration herrscht und laut Boltzmanngesetz eine hohe Temperatur zu hoher Teilchenladung führt. Ist der Rauch dicht (typ. bei Feuer: 10^ Teilchen/cm-^), s° bleibt eine erhöhte Aufladung noch lang erhalten, bevor sich das Boltzmanngleichgewicht bei Zimmertemperatur einstellt, da die Kleinionennachlieferung zur Neutrali- sierung der Teilchen klein ist. Obwohl gerade bei Flam¬ menaerosolen noch andere Aufladungsmechanismen in Frage kommen, kann allgemein gesagt werden:

(1 ) Jedes in der Umwelt vorkommende Aerosol besitzt nacri langer Zeit mindestens die Aufladung der

Boltzmannverteilung bei Umgebungstemperatur, und

(2) dichter Rauch, der aus einer heissen Zone mit grosser Ionenkonzentration (Flamme) stammt, besitzt eine Aufladung, die grosser ist als die unter (1 ) genannte und behält diese während langer Zeit.

Man beachte, dass hier unter "Aufladung des Rauchs" der Mittelwert des Betrags der Teilchenladung gemeint ist. Der er indungsgemässe Brandmelder isst den Betrag der

Teilchenladung eines bestimmten Vorzeichens, funktioniert also auch, wenn die Nettoladung des Rauchs null ist. Bei einer solchen Ladungsverteilung sitzen gleich viele posi-

tive wie negative Ionen auf den Rauchteilchen. Erfin- , dungsgemäss wird nun eine sichere Detektion des Rauchs im ' Feld zwischen Messelektrode und Gegenelektrode durch elektrostatische Trennung positiver und negativer Teil- chen und Messung der Ladung eines Vorzeichens oder durch Messung der durch den Rauch hervorgerufenen Änderung der Leitfähigkeit ^• ewährleiste . Der so entstehende elektri¬ sche Strom ist bei Feldstärken, die noch nicht zu Glim¬ mendladungen führen, wenigstens jedoch 100 Volt/cm betra- gen, zwar relativ klein, jedoch ohne weiteres mit elektro¬ nischen Verstärkern oder kleinen Elektroskopen messbar.

Vorteilhafterweise beträgt der Elektrodenabstand weniger als 10 mm, jedoch mehr als 1 mm- Es hat sich nämlich gezeigt,, dass durch diese besondere Dimensionierung eine Mehrz-ahl von vorteilhaften Eigenschaften erreichbar ist: Der relativ kleine Messraum bewirkt eine gute Abschirmung der Messelektrode gegen Influenz durch Nettoladung; ande¬ rerseits ist der Abstand genügend gross, um Fehlmeldungen durch eventuell abgelagerte Staub- oder Russpartikel zu vermeiden. Zudem hat sich gezeigt, dass bei einem derarti¬ gen Elektrodenabstand auch mit Spannungen in einem opti¬ malen Bereich gearbeitet werden kann, die einerseits zuverlässige Trennung und Abscheidung geladener Teilchen gewährleisten und andererseits Verschmutzung durch kon¬ stante Anziehung und Ablagerung von Staubpartikeln vermei¬ den.

Die Erfindung beruht vorteilhafterweise nicht auf der bei bekannten Geräten praktizierten Messung der Überschuss- oder Nettoladung, sondern auf der Ladungsmessung nach elektrostatischer Trennung positiver und negativer Teil¬ chen.

Vorteilhafterweise kann eine Hilfs-Elektrodenanordnung vorgesehen werden, welche kleine und/oder durch langsame Strömung getragene geladene Teilchen vorabscheidet, bevor sie in den Messraum gelangen können. Auf diese Weise kann

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die Emp indlichkeit auf kleine Rauchquellen, die kleine Teilchen und/oder nur langsame konvektive Strömung hervor¬ rufen (Zigaretten), reduziert werden.

Die Nettoladungsunterdrückung lässt sich auch dadurch erreichen oder noch weiter verbessern, dass ein Kompensa¬ tionsraum vorgesehen ist, der einerseits durch die Mess¬ elektrode und andererseits durch eine Kompensationselek¬ trode begrenzt wird. Dadurch wird die Messelektrode von der Influenz durch Nettoladung z.B. in grossen Rauchwolken auf beiden Seiten abgeschirmt und es wird nur diejenige in einem relativ kleinen, durch den Messraum und/oder den Kompensationsraum beschränkten Volumen gemessen. Vorteil¬ hafterweise kann dabei die Kompensationselektrode gleich- zeitig als Abschirmung der Elektrodenanordnung ausgebil¬ det sein.

Die vorstehend beschriebenen Einflüsse durch die Netto¬ ladung bzw. durch Influenz lassen sich sogar vollständig kompensieren, wenn der Kompensationsraum mit etwa gleichem Abstand zur Messelektrode angeordnet ist wie der Messraum und auch etwa das gleiche Volumen durchströmender Umge¬ bungsluft aufzunehmen imstande ist. Dadurch wird nämlich erreicht, dass die Influenz durch im Messraum zuströmende Gase mit hoher Nettoladung ausgeglichen wird durch die -Influenz mit umgekehrter Polarität durch im Kompensa¬ tionsraum wegströmende Gase.

Vorteilhaft lässt sich auch Kompensation erreichen, wenn die Messelektrode in bezug auf den Luftstrom derart ange¬ ordnet ist, dass der Luftstrom die Messelektrode zweimal bestreicht, dabei jedoch von jeweils gegenüberliegenden Seiten auftrifft, bzw. die Elektrode durchströmt, so dass Influenzströme, die durch Nettoladung der durchtretenden Umgebungsluft bzw. von Rauchwolken in der Messelektrode auftreten, kompensiert werden. Durch das Auftreffen des geladenen Rauches von unterschiedlichen Seiten her auf die Elektrode werden ersichtlicherweise Influenzströme entge-

gengesetzter Polarität erzeugt, die sich auf einfachste

Weise in der Elektrode selbst aufheben. Diese.s Prinzip i lässt sich erfindungsgemäss vervollkommnen, wenn die Elektrode als quer zur Strömungsrichtung elektrisch ge- schlossener Kreis ausgebildet ist.

Als Elektrodenanordnung für den er indungsgemässen Brand¬ melder eignet sich besonders eine als Gitter ausgebildete Messelektrode und/oder Kompensationselektrode; dies er- leichtert die Konvektion' und verhindert, dass die im

Messraum befindliche Luft bzw. das Gas an Ladungen ver¬ armt. Ausserdem wird sichergestellt, dass vor allem im Zusammenhang mit dem vorstehend beschriebenen Prinzip der Kompensation durch einen Kompensationsraum und/oder zwei- faches Durchströmen der Messelektrode einfache Kompensa¬ tion von Nettoladungs-Einflüssen ermöglicht wird. Dabei lässt sich die Messelektrode auch aus mehreren elektrisch verbundenen Teilelektroden aufbauen, die durch Luft. bzw. Gaswolken derart durchströmt werden, dass sich die Influenz-Einflüsse durch Nettoladung in den Teilelektro¬ den aufheben.

Besonders hervorragende Messergebnisse lassen sich erfin- dungsgemäss erreichen, wenn die Messelektrode zwischen zwei Gegenelektroden angeordnet ist, wobei die beiden

Gegenelektroden an die Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und die Messelektrode zwischen den Gegenelektroden vorgesehen und mit dem Eingang der Messanordnung verbunden ist. Dadurch wird erreicht, dass die Felder in den beiden Messräumen zwischen den beiden Gegenelektroden und der

Messelektrode symmetrisch zu dieser verlaufen, d.h. also dass auf die Messelektrode von beiden Messräumen her geladene Teilchen gleicher Polarität auftreffen. Dies garantiert insbesondere hohe Empfindlichkeit.

Die Messelektrode wird an den Eingang der Messanordnung angeschlossen und ist damit virtuell auf dem Potential der anderen Seite der Messanordnung. Sie lässt sich vor-

teilhaft mittels Isolationselementen mit einem Elektro¬ dengehäuse und/oder den Gegenelektroden mechanisch starr verbinden, wobei die Isolationselemente durch elektrisch leitende Teile unterbrochen sind, die mit der anderen Seite der Messelektrode verbunden sind. Damit wird vermie¬ den, dass Kriechströme an den Isolationselementen mitge¬ messen werden.

Der technische Fortschritt und der erfinderische Inhalt des Anmeldungsgegenstands werden ersichtlicherweise sowohl durch die neuen Einzelmerkmale als auch insbesondere durch die Kombination und Unterkombination der verwende¬ ten Merkmale gewährleistet.

Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die Prinzipdarstellung eines Brandmelders mit den Merkmalen der Erfindung, Figur 2 einen Brandmelder mit einer abgewandelten

Elektrode, Figur 3 einen Brandmelder mit einer weiter abgewandelten

Elektrode, Figur 4 einen erfindungsgemässen Brandmelder mit zwei Messräumen und Aussenabschirmung,

Figur 5 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Messelektrode.

Figur 1 zeigt die Prinzipdarstellung eines erfindungs- gemässen Brandmelders mit einer Messelektrode 1 , einer Gegenelektrode 2, einer schematisch dargestellten Mess¬ anordnung 3, die gleichzeitig der Alarmauslösung in be¬ kannter Weise dient, sowie einer Gleichspannungsquelle 4. Messelektrode 1 und Gegenelektrode 2 sind mittels Isola¬ tionselementen 6 an einem Halter 7 befestigt, der seiner¬ seits mit einer Grundplatte 8 verbunden ist. Der Halter 7 ist elektrisch leitfähig und liegt auf Masse, so dass über

die Isolationselemente 6 keine Kriechströme zwischen der Messelektrode 1 und der Gegenelektrode 2 fliessen können, da die Messelektrode über die Messanordnung 3 - jedoch nur virtuell - auf Massepotential liegt. Dies ist im Hinblick auf die äusserst geringen fliessenden Ströme von Vorteil. Der Abstand von Messelektrode 1 und Gegenelektro- de 2 beträgt 5 mm, die Spannung der Gleichspannungsquelle 4 beträgt 500 Volt, so dass zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 eine Feldstärke von 1000 Volt/cm besteht. Gelangen nun geladene Rauchteilchen in den Messraum 9 zwischen

Messelektrode 1 und Gegenelektrode 2, so bewirkt das elek¬ trische Feld eine Bewegung der positiven und negativen Teilchen zu den beiden Elektroden. Diese Ladungsbewegung (Ladungs-Drift) influenziert einen Strom in die Mess- elektrode 1, der in der Messanordnung 3 gemessen wird.

Beim Ausführungsbeispiel sind die Messelektroden 1 und die Gegenelektrode 2 als etwa quadratische Platten mit einer Fläche von je 40 cm ² ausgebildet. Selbstverständlich lässt sich die Fläche der Elektroden je nach Anforderung und gewünschter Empfindlichkeit der Messanordnung ändern, wie dies z.B. auch aus dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 hervorgeht. Die Gesamtanordnung ist von einer Abschirmung 5 umgeben, die ebenfalls auf Masse liegt. Dadurch wird nicht nur ein mechanischer Schutz der Anord- nung gewährleistet, sondern es werden auch Fehlerein¬ flüsse durch Nettoaufladung einer schematisch angedeute¬ ten Rauchwolke 30 insoweit kompensiert, als Einflüsse aus der Ladungswolke ausserhalb der Abschirmung 5 von der Messelektrode 1 ferngehalten werden und dadurch keine - Influenzströme entstehen können

Wie schematisch dargestellt, ist sowohl die Messelektrode 1 als auch die Gegenelektrode 2 mit einer Vielzahl von Löchern 11 versehen, welche den Rauch allein aufgrund der Konvektion sowohl aus horizontaler Richtung als auch aus vertikaler Richtung kommend durch den Messraum 9 strömen lassen.

Figur 2 zeigt eine Anordnung, bei der die Grundplatte 8 als Kompensationselektrode parallel und im gleichen Ab¬ stand wie die Gegenelektrode 2 zur Messelektrode 1 ange¬ ordnet ist. Grundplatte 8, Messelektrode 1 und Gegenelek- trode 2 sind (teilweise nicht dargestellt) jeweils als Lochblech ausgebildet. Durch die Anordnung strömende Gaswolken mit Nettoladung werden zunächst nach aussen durch die Abschirmung 5 abgeschirmt. Ausserdem befindet sich im Messraum 9 und im Kompensationsraum 10 jeweils etwa die gleiche Menge durchströmenden Gases, wodurch die Influenz durch Nettoladung betragsmässig etwa gleich ist. Da sich jedoch in Pfeilrichtung durchströmendes Gas im Messraum 9 au die Messelektrode 1 zubewegt, im Kompensa¬ tionsraum 10 jedoch von der Messelektrode 1 wegbewegt, weisen die daraus resultierenden Influenzströme jeweils _ entgegengesetzte Polarität auf, so dass die Einflüsse durch Nettoladung kompensiert werden.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem zwei Gegenelektroden 2 eine Messelektrode 1 zwischen sich einschliessen und dadurch zwei Messräume 9 und 9' be¬ grenzen. Die Gegenelektroden 2 sind als Lochblech aus¬ gebildet, liegen auf Masse und dienen gleichzeitig der Abschirmung der Anordnung nach aussen. Die Befestigung der Messelektrode 1 an der Grundplatte 8 erfolgt durch eine nicht dargestellte Isolator-Anordnung. Da beide Gegenelek¬ troden 2 in bezug auf die Messelektrode 1 auf gleichem Potential liegen, ist die Feldverteilung symmetrisch, d.h., dass sowohl im Messraum 9 a.ls auch im Messraum 9' Ionen negativer Polarität auf die Messelektrode 1 zudrif- ten und der daraus resultierende Influenzstrom in der Messanordnung 3 ermittelt werden kann. Die Empfindlichkeit der Anordnung ist aufgrund der beiden Messräume 9 und 9" erhöht. Ausserdem ist Kompensation von Nettoladungs-Ein- flüssen durch die Symmetrie der Anordnung gewährleistet.

Figur 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher eine zylin¬ drische, symmetrische Ausbildung sämtlicher Teile, d.h.

ERSATZBLATT

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der Abschirmung 5, der Messelektrode 1 und der Gegen¬ elektroden 2 vorgesehen ist. Die äus.sere der beiden Gegen- eelektroden 2 ist mittels Bolzen 12 ^; aus Isolations¬ material an der Abschirmung 5 befestigt. Die Messelek- trode 1 sowie die zweite Gegenelektrode 2 sind mittels ebenfalls bolzenartig ausgebildeten Isolationselementen 13a, 13b mechanisch miteinander verbunden. Zwischen den Isolationselementen 13a und 13b ist jeweils eine Metallscheibe 14 angeordnet, die auf Masse liegt. Damit werden Kriechströme zwischen den Gegenelektroden 2 und der Messelektrode 1 vermieden. Die zylindrische Ausbildung der Gegenelektrode 2 mit einem Bodenblech 2a, - die auch der Ausbildung der anderen Gegenelektrode 2 bzw. der Messelektrode 1 und der Abschirmung 5 entspricht, ist im oberen Abschnitt von Figur 4 schematisch dargestellt.

•*•

Diese Anordnung hat zudem noch den Vorteil, dass die Isolationselemente nicht direkt dem Luftstrom ausgesetzt und dadurch vor Verschmutzung geschützt sind.

Eine in Pfeilrichtung durch die Anordnung strömende Gas¬ wolke mit aufgeladenen Rauchpartikeln trifft einmal von rechts kommend auf die Aussenseite der Messelektrode 1 (bei A) und vor dem Verlassen der Anordnung auf die Innen- seite der Messelektrode 1 (bei B) auf. Da die Messelek¬ trode 1 zylindrisch ausgebildet ist und einen geschlosse¬ nen Stromkreis darstellt, werden dementsprechend Influenz¬ ströme durch Nettoladung entgegengesetzte Polarität auf¬ weisen und automatisch kompensiert.

Ersichtlicherweise besteht auch zwischen der Abschirmung 5, die ebenfalls als Lochblech ausgebildet ist, und der äusseren Gegenelektrode 2 ein elektrisches Feld. Abschir¬ mung 5 und Gegenelektrode 2 begrenzen damit einen kreis- ringförmigen Kompensationsraum 14, der allerdings auf¬ grund des grösseren Abstandes kleinere Feldstärke aufweist als die beiden Messräume 9 bzw. 9'- Im Kompensationsraum 14 werden deshalb kleine, langsam strömende geladene

1. 2

Teilchen bereits abgeschieden, bevor sie in den Messraum 9 bzw. 9' gelangen. Dies bewirkt eine grössenselektive Vorabscheidung, die zur Reduktion von Fehlalarmen von grossem Vorteil sein kann.

^■ Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messelek¬ trode, die aus einer Mehrzahl von ausgestanzten Blech¬ streifen 15 besteht, die mittels einer elektrisch leit¬ fähigen Schiene 16 miteinander verbunden sind.

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