Rauchmelder

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Hintergrund

Ein Rauchmelder ist ein Gerät, das Rauch in einem Gebäude erkennt und die Bewohner warnt, damit sie einem Feuer entkommen können, bevor sie einer Rauchvergiftung oder Verbrennungen erliegen. Die Ausstattung eines Hauses mit mindestens einem Rauchmelder reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass die Bewohner bei einem Brand sterben, um die Hälfte. 1992 haben die Leser des R&D Magazine wählte Heimrauchmelder als eines der „30 Produkte, die unser Leben veränderten“. Rauchmelder wurden in den frühen 1970er Jahren weit verbreitet und erschwinglich. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden durchschnittlich 10.000 Todesfälle durch Brände pro Jahr verzeichnet, aber Anfang der 1990er Jahre sank die Zahl auf weniger als 6.000 pro Jahr.

Derzeit werden zwei Grundtypen von Rauchmeldern für den Wohnbereich hergestellt. Der photoelektrische Rauchmelder sucht mit einem optischen Strahl nach Rauch. Wenn Rauchpartikel den Strahl trüben, erkennt eine Fotozelle die Abnahme der Lichtintensität und löst einen Alarm aus. Dieser Meldertyp reagiert am schnellsten auf Schwelbrände, die relativ viel Rauch freisetzen.

Der zweite Rauchmeldertyp, bekannt als Ionisationskammer-Rauchmelder (ICSD), erkennt flammende Brände, die wenig Rauch produzieren, schneller. Es verwendet ein radioaktives Material, um die Luft in einer Messkammer zu ionisieren; das Vorhandensein von Rauch beeinflusst den Fluss der Ionen zwischen einem Elektrodenpaar, was den Alarm auslöst. Zwischen 80 und 90 % der Rauchmelder in amerikanischen Haushalten sind von diesem Typ. Obwohl die meisten Wohnmodelle in sich geschlossene Einheiten sind, die mit einer 9-Volt-Batterie betrieben werden, verlangen die Bauvorschriften in einigen Teilen des Landes jetzt, dass Installationen in neuen Häusern an die Hausverkabelung angeschlossen werden, mit einem Batterie-Backup im Falle eines Stromausfalls .

Die typische ICSD-Strahlungsquelle emittiert Alpha-Partikel, die Elektronen aus den Luftmolekülen entfernen, wodurch positive Sauerstoff- und Stickstoffionen entstehen. Dabei heften sich die Elektronen an andere Luftmoleküle und bilden negative Sauerstoff- und Stickstoffionen. Zwei entgegengesetzt geladene Elektroden innerhalb der Messkammer ziehen die positiven und negativen Ionen an, wodurch ein kleiner Stromfluss im Luftraum zwischen den Elektroden entsteht. Wenn Rauchpartikel in die Kammer eindringen, ziehen sie einige der Ionen an und unterbrechen den Stromfluss. Eine ähnliche Referenzkammer ist so konstruiert, dass keine Rauchpartikel eindringen können. Der Rauchmelder vergleicht ständig den aktuellen Durchfluss in der Sensorkammer mit dem Durchfluss in der Referenzkammer; stellt sich ein signifikanter Unterschied ein, wird ein Alarm ausgelöst.

Verlauf

Die Entwicklung dieser lebensrettenden Geräte begann 1939, als der Schweizer Physiker Ermst Meili ein Ionisationskammergerät entwickelte, das brennbare Gase in Bergwerken erkennen kann. Der wirkliche Durchbruch war Meilis Erfindung einer Kaltkathodenröhre, die das vom Detektionsmechanismus erzeugte kleine elektronische Signal auf eine Stärke verstärken konnte, die ausreichte, um einen Alarm auszulösen.

Obwohl Ionisationskammer-Rauchmelder in den Vereinigten Staaten seit 1951 erhältlich sind, wurden sie zunächst nur in Fabriken, Lagerhäusern und öffentlichen Gebäuden verwendet, weil sie teuer waren. Bis 1971 waren ICSDs für Wohngebäude im Handel erhältlich; sie kosten etwa 125 US-Dollar pro Detektor und werden zu einer Rate von einigen Hunderttausend pro Jahr verkauft.

In den nächsten fünf Jahren kam es zu einer Flut neuer technologischer Entwicklungen, die die Kosten der Detektoren um 80 % senkten und den Verkauf auf 8 Millionen im Jahr 1976 und 12 Millionen im Jahr 1977 steigerten. Zu diesem Zeitpunkt hatten Halbleiterschaltkreise die früheren Kalt- Kathodenröhre, wodurch die Größe der Detektoren sowie deren Kosten erheblich reduziert werden. Designverbesserungen, einschließlich energieeffizienterer Alarmhörner, ermöglichten die Verwendung allgemein verfügbarer Batteriegrößen anstelle der schwer zu findenden Spezialbatterien, die zuvor erforderlich waren. Verbesserungen in der Schaltung ermöglichten es, sowohl den Spannungsabfall als auch den Aufbau des Innenwiderstands in der Batterie zu überwachen, die beide ein Signal zum Ersetzen der Stromquelle auslösen würden. Die neue Generation von Detektoren könnte auch mit kleineren Mengen radioaktiver Quellen funktionieren, und die Messkammer und das Rauchmeldergehäuse wurden für einen effektiveren Betrieb neu gestaltet.

Rohstoffe

Ein ICSD-Rauchmelder besteht aus einem Gehäuse aus Polyvinylchlorid oder Polystyrol-Kunststoff, einem kleinen elektronischen Alarmhorn, einer Leiterplatte mit einer Auswahl an elektronischen Komponenten und einer Messkammer und einer Referenzkammer, die jeweils ein Paar Elektroden und das radioaktive Quellenmaterial enthalten.

Americium 241 (Am-241), ein radioaktives Isotop, ist seit Ende der 1970er Jahre das bevorzugte Ausgangsmaterial für ICSDs. Es ist sehr stabil und hat eine Halbwertszeit von 458 Jahren. Es wird normalerweise mit Gold verarbeitet und in Gold- und Silberfolien versiegelt.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Herstellung eines Rauchmelders besteht aus zwei wesentlichen Schritten. Eine davon ist die Herstellung des Am-241 in einer Form (typischerweise eine Folie), die in die Sensor- und Referenzkammern eingebaut werden kann. Die andere ist der Zusammenbau der gesamten ICSD, beginnend entweder mit allen Einzelkomponenten oder mit vorgefertigten Mess- und Referenzkammern, die vom Hersteller des radioaktiven Ausgangsmaterials bezogen werden. Die folgende Beschreibung deckt alle Schritte ab, auch wenn einige von verschiedenen Herstellern durchgeführt werden können. Tests und Inspektionen in mehreren Phasen des Montageprozesses gewährleisten ein zuverlässiges Produkt.

Radioaktive Quelle

• 1 Der Prozess beginnt mit der Verbindung AmO ₂ , ein Oxid von Am-241. Diese Substanz wird gründlich mit Gold vermischt, zu einem Brikett geformt und durch Druck und Hitze bei über 1470 ° F (800 ° C) verschmolzen. Auf das Brikett wird eine Unterlage aus Silber und eine Frontabdeckung aus Gold oder einer Goldlegierung aufgebracht und durch Warmschmieden versiegelt. Das Brikett wird dann durch mehrere Stufen des Kaltwalzens verarbeitet, um die gewünschte Dicke und das gewünschte Strahlungsemissionsniveau zu erreichen. Die endgültige Dicke beträgt etwa 0,008 Zoll (0,2 mm), wobei die Goldabdeckung etwa ein Prozent der Dicke ausmacht. Der resultierende Folienstreifen, der etwa 0,8 Zoll (20 mm) breit ist, wird in 39 Zoll (1 Meter) lange Abschnitte geschnitten.
• 2 Kreisförmige ICSD-Quellenelemente werden aus dem Folienstreifen ausgestanzt. Jede Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 0,2 Zoll (5 mm) ist in einem Metallhalter montiert. Ein dünner Metallrand am Halter wird überrollt, um die Schnittkante um die Scheibe herum vollständig abzudichten.

Die Sensor- und Referenzkammer

• 3 Eine Scheibe mit Quellenmaterial wird in der Messkammer montiert und eine andere wird in der angrenzenden Referenzkammer montiert. Die Elektroden sind in beiden Kammern installiert und mit externen Leitungen verbunden, die aus dem Boden der Kammern herausragen.

Die Platine

• 4 Leiterplatten werden nach Konstruktionsschemata durch Stanzen von Löchern für die Komponentenanschlüsse und durch Auflegen einer Kupferbahn auf der Rückseite hergestellt, um die Pfade für elektrische Ströme zu bilden. Am Fließband werden die verschiedenen elektronischen Bauteile (Dioden, Kondensatoren, Widerstände etc.) in die entsprechenden Löcher auf der Platine eingesetzt. Leitungen, die aus der Rückseite des Boards herausragen, werden gekürzt.

• 5 Die Messkammer, Referenzkammer und ein Alarmhorn sind auf der Leiterplatte installiert.
• 6 Anschließend läuft die Platine über eine Wellenlötmaschine, die die elektronischen Bauteile festlötet.

Gehäuse

• 7 Das Kunststoffgehäuse besteht aus einem Montagesockel und einem Deckel. Beide werden im Spritzgussverfahren hergestellt, bei dem pulverförmiger Kunststoff und Formpigmente gemischt, erhitzt, unter Druck in eine Form gepresst und dann abgekühlt werden, um die endgültigen Teile zu bilden.

Endmontage

• 8 Die Platine sitzt auf dem Montagesockel aus Kunststoff. Ein Testknopf ist installiert, damit das Gerät nach der Installation im Haus regelmäßig getestet werden kann. Der Basis wird eine Montagehalterung hinzugefügt, und die Abdeckung wird hinzugefügt, um die Montage abzuschließen.
• 9 Der Rauchmelder ist in einem Karton verpackt, zusammen mit einer Batterie und einer Bedienungsanleitung.

Neue Entwicklungen

Einige neuere Entwicklungen können Rauchmelder noch effektiver machen. Ein Modell nutzt zum Beispiel einen Blitzlichtalarm, um hörgeschädigte Menschen vor Gefahren zu warnen. Die Stroboskop-Fernbedienung kann in einem Schlafzimmer montiert werden, auch wenn sich der Melder in einem anderen Raum oder Flur befinden kann, was den gleichen Vorteil der Frühwarnung bietet, die hörenden Personen zur Verfügung steht, wenn ein Alarm von außerhalb des Schlafzimmers ertönt.

1993 hat Newtron Products einen traditionellen Rauchmelder neu entwickelt, der in die Standardluftfilter einer Zentralheizung oder Klimaanlage passt, um die Luft zu untersuchen, die durch ein ganzes Gebäude zirkuliert. Wenn es Rauch erkennt, schaltet das Gerät das Gebläse des Systems ab, um zu verhindern, dass der Luftstrom zur Verbreitung von Rauch und Feuer beiträgt. Darüber hinaus löst es einen Alarm aus, der durch das Kanalsystem schwingt und überall im Gebäude hörbar ist.

Eine andere Art von Brandmelder kann Ton verwenden. Ermittler des Building and Fire Research Laboratory des National Institute of Standards and Technology haben festgestellt, dass verschiedene Arten von Gehäusematerialien wie Holz, Kunststoff und Trockenbauwände machen identifizierbare Geräusche, wenn sie sich durch schnelles Erhitzen ausdehnen. Piezoelektrische Wandler können diese Geräusche erkennen, noch bevor die Materialien tatsächlich zu brennen beginnen. Dies wäre besonders hilfreich bei der Erkennung von Entstehungsbränden, die durch überhitzte elektrische Leitungen in den Wänden eines Gebäudes verursacht werden.