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Steuerbare Ionisationskammer
Die Erfindung betrifft eine steuerbare Ioni- sationskammer, insbesondere für berührungs- freie Dicken- und Flächengewichts-Messung an flächenförmigem Walzgut, mit einer Sammel-, einer Steuer- sowie einer Gegenelektrode.
Für berührungslose Dicken- und Flächen- gewichts-Messung von flächenförmigem Walz- gut dient die Absorption der ss-Strahlung radio- aktiver Isotope, wobei sich auf der einen Seite des Walzgutes eine Strahlungsquelle und auf der anderen ein Strahlungsdetektor-vorzugs- weise eine Ionisationskammer-befindet und der lonisationsstrom in Abhängigkeit von der
Absorption ein Mass für die Dicke bzw. das Flächengewicht des Messgutes darstellt. Für solche Messungen wird in der Praxis eine zeitlich konstante Genauigkeit von l"/o gefordert, die somit eine Messgenauigkeit der Strahlungsintensität in der Grössenordnung 1"/qu bedingt.
Bei Anlagen für diesen Zweck wird die Messgenauigkeit durch Apparate-Eigenschaften, z. B. den Temperaturkoeffizienten des Strahlungsdetektors, sowie durch den starken Einfluss der Umgebung, z. B. durch Raumtemperatur-und Luftdruckschwankungeniwesentlich eingeschränkt.
Zudem bedingt die in Frage kommende Strahlungsintensität zufolge der begrenzten Quantenzahl statistische Schwankungen der Anzeige, und der natürliche Präparatzerfall macht eine Nacheichung in periodischen Abständen notwendig.
Eine grundsätzliche Verbesserung brachte die Anwendung eines Vergleichs-Messverfahrens mit zwei Strahlungsquellen und zwei Ionisationskammern, wobei die eine Kammer die Absorption des Messgutes und die zweite die Absorption eines Sollwert-Absorbers feststellt und die Ionisationsströme beider Kammern miteinander verglichen werden ; dabei heben sich gleichartige Fehlereinflüsse, die in gleicher Weise auf beide symmetrische Messzweige einwirken, gegenseitig auf. Der Ionisationsstrom der Kompensationskammer entspricht einem bestimmten Sollwert, z. B. des Flächengewichtes, mit dem das Messgut verglichen wird. Zur Sollwert-Verstellung muss die Vergleichsstrecke entsprechend verändert werden, was durch Änderung der Präparatstärke erfolgen kann, z.
B. mit einer Blende, oder durch Änderung der Ab- sorption etwa durch auswechselbare Normal-
Absorber oder Verschieben eines Absorber- keiles, oder auch durch Änderung der Kammer- empfindlichkeit, beispielsweise mittels einer
Blende, oder durch Änderung des Kammer- volumens. Alle diese Änderungen können zur
Fernbildung der für viele Anlagen erwünschten
Sollwert-Einstellung durch mechanische Stell- verfahren mittel eines Servosystems bewirkt werden. Die einfachste und eleganteste Ände- rung der Sollwert-Einstellung besteht in der Änderung des Ionisationsverhaltens der Kammer durch elektrische Steuerung der Felderhältnisse und demzufolge des Ionisations- stromes.
Es sind steuerbare Ionisationskammern bekannt, bei denen zwischen Gegenelektrode und Sammelelektrode in geringem Abstand vor dieser ein Gitter angeordnet ist, das an einer Steuerspannung liegt. Je nach dem Potential dieses Gitters gelangt ein mehr oder weniger grosser Anteil der in der Kammer erzeugten Ionen durch das Gitter hindurch zur Sammelelektrode. Hiebei ist jedoch die ungünstige Feldverteilung in gewissen Abschnitten des Steuerbereiches nachteilig ; zwischen Gitter und Sammelelektrode sinkt dabei die Feldstärke zwangsläufig unter die Sättigungsgrenze, so dass Rekombination einsetzt, welcher Effekt zwar durch Verringerung des Abstandes zwischen Gitter und Sammelelektrode klein gehalten werden kann, wobei sich dann aber sehr hohe Anforderungen an die konstruktive Ausbildung der Kammer ergeben.
Nach der Erfindung werden bei steuerbaren Ionisationskammern der eingangs beschriebenen Art diese Nachteile dadurch vermieden, dass Gegenelektrode und Steuerelektrode der Sammelelektrode als homogene Flächen gegenüberstehen.
Dieses Grundprinzip der Erfindung kann durch verschiedene Varianten der konstruktiven Ausbildung der Elektroden verwirklicht werden. Im einfachsten Fall können alle drei Elektroden gleich gross sein und paarweise einen ! Winkel von 600 einschliessen.
Bei einer anderen Ausführungsform sind nur Gegenelektrode und Steuerelektrode einander gleich gross und in konstantem Abstand zur Sammelelektrode angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Er- findung bestehen Gegenelektrode und Steuer- elektrode je aus gleich grossen, abwechselnd nebeneinander angeordneten Teilelektroden, wo- bei vorzugsweise die Sammelelektrode zweck- mässig zylindrisch ausgebildet ist und von den entweder segmentförmigen oder aber von den als Flächen eines regulären Prismas angeordne- ten Teilelektroden von Gegen- sowie Steuer- elektrode konzentrisch bzw. koaxial umgeben ist.
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbei- spiele der Elektroden-Anordnung und-Schal- tung dargestellt. Es zeigen : Fig. l eine Schal- tung um drei gleiche Elektroden ; Fig. 2 ein
Diagramm des Ionisationsstromes in Abhängig- keit von der Steuerspannung ; Fig. 3,4 und 5 drei Anordnungen mit parallel bzw. konzen- trisch bzw. koaxial angeordneten Elektroden bzw. Elektrodengruppen.
Grundsätzlich stehen in der steuerbaren
Ionisationskammer zwei Flächenelektroden einer dritten Eelektrode, welche als Sammelelektrode dient, gegenüber. Sie haben zweckmässigerweise gleiche Grösse und bezüglich dieser Sammel- elektrode gleiche Lage. In einem praktischen
Beispiel hat auch die Sammelelektrode die gleiche Fläche wie die beiden andern Elektroden und alle drei Elektroden haben etwa quadrati- sche Form, so dass sie die Seiten eines dreiseitigen regulären Prismas bilden, ohne sich jedoch in den Kanten zu berühren. Fig. 1 zeigt eine derartige Anordnung der Elektroden in der Strahlungsrichtung gesehen. Das die Ionisationskammer bildende Gehäuse ist nicht dargestellt.
Der Sammelelektrode 10 mit der An- schlussklemme. 20 steht eine Gegenelektrode 1 mit der Anschlussklemme 21 und eine Steuerelektrode 2 mit der Anschlussklemme 22 gegen- über. Alle drei Elektroden schliessen paarweise einen Winkel von 600 ein. Die Gegenelektrode 1 liegt an einem Potential + Uk einer nicht dargestellten Spannungsquelle. Zwischen den Potentialen + Uk und-Uk liegt ein Potentiometer 23 mit einer festen Mittelanzapfung 24 mit dem Potential Null. Die Steuerelektrode 2 ist mit dem Abgriff 25 des Potentiometers verbunden, so dass das Potential Us der Steuerelektrode 2 von + Uk bis-Uk geändert werden kann. Bei Bestrahlung der Kammer fliesst ein einstellbarer Ionisationsstrom If von der Sammelelektrode 10 über einen Arbeitswiderstand 26 zum Nullpotential.
Die Charakteristik des Ionisationsstromes Il in Abhängigkeit von der Steuerspannung Us ist in Fig. 2 dargestellt. Haben Gegenelektrode 1 und Steuerelektrode 2 gleiches Potential + Uk und ist dieses Potential hinreichend hoch, so tritt Sättigung des Stromes Ii ein (Punkt A). Wird nun die Steuerspannung Us vermindert, so nimmt der Ionisationsstrom I ab und beim Potential-Uk wird der Ionisationsstrom li = 0. Würde die Steuerspannung noch nega- tiver, so würde auch der Ionisationsstrom I negativ.
Der Effekt wird dadurch erreicht, dass im
Punkt A des Diagrammes die Sammelelektrode
10 alle positiven Ladungsträger sammelt. Bei negativer Steuerspannung U sammelt die Sam- melelektrode 10 im einen Kammerteil positive und im andern Kammerteil negative Ladungs- träger. Ein Teil der erzeugten Ionenpaare teilt sich ausserdem direkt zwischen Steuer- und
Gegenelektrode auf. Treffen infolge des symmetrischen Aufbaues genau gleichviel positive und negative Ladungsträger auf die Sammel- elektrode, so wird der Ionisationsstrom Li= 0.
Der eingestellte Wert des lonisationsstromes hängt nur von dem Potentialverhältnis der drei Kammerelektroden ab. Dazu ist allerdings Vor- aussetzung, dass im ganzen Kammervolumen die Feldstärke über der Sättigungsgrenze bleibt, was durch eine genügend hohe Spannung + Uk garantiert wird. Werden Kammerspannung Uk und Steuerspannung Us der selben Quelle entnommen, wie gezeigt, so ist eine Änderung der Quellenspannung innerhalb bestimmter Toleranzen ohne Einfluss auf den eingestellten Ionisationsstrom.
Es ist für die Steuerbarkeit der Kammer nicht erforderlich, dass die drei Elektroden die in Fig. l gezeigte Lage einnehmen müssen, sondern es können beispielsweise zwei gleichgrosse Elektroden 1 und 2 auch nebeneinander in einer Ebene parallel zur Sammelelektrode 10 liegen, wie in Fig. 3 gezeigt, nur ist dabei die Feldverteilung ungünstig. Sie kann dadurch verbessert werden, dass jede der Elektroden 1 und 2 in eine gleiche Anzahl, z. B. drei gleichgrosse Teilelektroden aufgeteilt wird und diese Teilelektroden abwechselnd nebeneinander angeordnet werden. Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass diese Teilelektroden Segmente eines Kreiszylinders bilden, der eine ebenfalls kreiszylindrische Sammelelektrode koaxial umgibt. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt.
Um die zylindrische Sammelelektrode 10 sind koaxial sechs gleichgrosse Zylindersegmente 1-6 angeordnet. Die Segmente I, 3, 5 sind elektrisch zusammengeschaltet und mit der Klemme 21 verbunden und bilden die Gegenelektrode, während die ebenfalls zusammengeschalteten Segmente 2,4, 6 mit der Klemme 22 verbunden, die Steuerelektrode darstellen. Eine rein bauliche Vereinfachung gegenüber dieser Anordnung kann, wie in Fig. 5 dargestellt, dadurch erreicht werden, dass um eine zylindrische Sammelelektrode 10 ebene Platten 1-6 angeordnet sind, die Flächen eines regulären und zur Sammelelektrode koaxialen Prismas bilden. Die zusammengeschalteten Platten I, 3, 5 bilden wieder die Gegenelektrode und die zusammengeschalteten Platten 2,4, 6 die Steuerelektrode.
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Steuerbare Ionisationskammern mit gleich- artigen Steuer- und Gegenelektroden, wie ge- zeigt, haben den Vorteil, dass nur die Sammel- elektrode hochwertig isoliert sein muss und dass sie eine massive, mechanische Konstruktion ge- statten. Sie haben ferner den Vorteil, dass mittels einer Steuerspannung der Ionisations- strom praktisch leistungslos gesteuert werden kann. In Messanlagen mit einer Mess- und einer Kompensationskammer ist damit die Voraus- setzung für eine Kompensation der Störein- flüsse, insbesondere der Luftabsorption, der
Temperaturabhängigkeit und des Präparatzer- falls in einfacher Weise gegeben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Steuerbare Ionisationskammer, insbeson- dere für berührungsfreie Dicken- und Flächen- gewichts-Messung an flächenförmigem Walzgut, mit einer Sammel-, einer Steuer- sowie einer
Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass
Gegenelektrode (1) und Steuerelektrode (2) der
Sammelelektrode (10) als homogene Flächen gegenüberstehen.