DE10144094C1

DE10144094C1 - Amperometrische Sonde zur Messung des elektrischen Raumpotentials und von Ionendichten in einem Gas

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Publication number: DE10144094C1
Application number: DE10144094A
Authority: DE
Inventors: Alexander Friedenberger; Tjalf Pirk; Hans-Henrich Stiehl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: JP2003202323A; US20030066762A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung einer amperometrischen Sonde zur Charakterisierung des elektrostatischen Zustandes in Ionen enthaltenden Gasen durch das elektrische Raumpotential und/oder der Dichte positiver und negativer Ionen, insbesondere in strömenden Gasen, wobei das Gas einen Sensor (1) mit aufgeprägtem elektrischen Potential (5, 6) umströmt und die Ionen an den Sensor abgibt, sowie mit einem bekannten elektrischen Schaltkreis (2) zur Erfassung der gemessenen Sensorströme versehen, dadurch gekennzeichnet, dass durch die der Stromerfassung nachfolgende Stromvergleichseinheit (3) der zulässige Wertebereich der Sensorströme über ihr Vorzeichen und ihren Betrag überwacht wird, ein erstes Sensorpotential angelegt und der zugehörige Sensorstrom erfasst wird, sowie anschließend ein zweites Sensorpotential angelegt und in der Art angepasst wird, dass der erfasste zweite Sensorstrom das gleiche Vorzeichen wie der erste Sensorstrom aufweist, in einer Berechnungseinheit (4) das Raumpotential sowie die Dichte von Ionen einer Polarität bestimmt wird und dann bei einem entsprechend gewählten dritten Sensorpotential ein dritter Sensorstrom mit einem den ersten beiden Sensorströmen entgegengesetzten Vorzeichen erfasst wird und dass dann auch die Dichte der Ionen der anderen Polarität bestimmt wird. Verfahren und Vorrichtung sehen vor, dass zusätzlich zur Bewertung der räumlichen Auflösung der Messwerte der Wirkungsquerschnitt der Sonde ausgewertet wird und dass die Messung bei hoher ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Raumpotentials und von Ionendichten in einem Gas mit Hilfe einer Sonde. Die Messung von Raumpotentialen und Ionendichten ist in einem weiten Anwendungsbe reich von Interesse. Mit dem Auftreten von Ionen ist gewöhnlich das Auftreten von Raumpotentialen verbunden, die ihrerseits das Messver fahren beeinflussen können. Deshalb kann es von großem Nutzen sein, mit einem einzigen Verfahren eine weitgehende Beschreibung des elektrostatischen Zustandes des Gases durch physikalische Größen zu erreichen. Dazu gibt es Anwendungen in Wissenschaft, Forschung und Entwicklung, aber auch zahlreiche, breit gestreute praktische techni sche Anwendungen. Dazu zählen:

- Die Charakterisierung des elektrostatischen Zustands von Gasplasmen und die Bestimmung von Ionenbeweglichkeiten,
- die Überprüfung von Elektretfiltern,
- die Kontrolle des Luftionengehaltes in Räumen mit ionisierender. Strahlung,
- die Messung und Steuerung bei Verbrennungsprozessen und Emissionen von Motoren,
- die gezielte Beeinflussung von Pflanzen- und Bakterienwachs tum durch den Gehalt an Luftionen,
- die Überwachung von Desinfektions- und Sterilisationsprozessen mit Ionen an Lebensmitteln und Geräten,
- die Überwachung der Wirkung des durch den Ionengehalt der Luft und das Raumpotential beeinflussten Elektroklimas auf das menschliche Wohlbefinden in geschlossenen Räumen,
- die Überwachung der Wirkung des Einflusses des Ionengehaltes der Luft und des Raumpotentials auf die Tierhaltung,
- die meteorologische Charakterisierung des elektrischen Luftzu standes und
- die Überwachung der Neutralisation von Schaden verursachen den elektrostatischen Aufladungen durch Luftionisation bei der Fertigung z. B. elektrischer Bauelementen in Reinräumen.

Dabei soll die Erfindung sowohl zur Messung vorgefundener objektiver physikalischer Größen als auch zur Steuerung von Ionenquellen zur Erzeugung vorgegebener Ionendichten in einem Gas eingesetzt wer den.

Stand der Technik

Eine Sonde zur Messung von Elektronen in einem thermischen Plasma wie bei spielsweise im Inneren eines Lichtbogens oder eines Raketenmotors ist in DE-15 89 836 A angegeben. An diese Sonde wird eine Spannung angelegt und aus dem über das Plasma und die Sonde fließenden Strom auf die Elektronendichte und die Elek tronentemperatur geschlossen.

JP-2000124204 A betrifft eine Sonde zur Messung von Ionen in einem in einer Entladung erzeugten Plasma. Die Sonde wird nacheinander auf ein positives und ein negatives Potential gegenüber dem Erdpotential gebracht und dabei werden Sätti gungsströme gemessen.

DE 41 12 302 A1 betrifft eine galvanische Zelle mit einem Festelektrolyten zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases.

Diese drei Beispiele aus dem Stand der Technik sind nicht einfach in den ein gangs angegebenen Anwendungsfällen einsetzbar. Denn sie betreffen Messungen spe ziell in thermischen Plasmen und selbständigen Entladungen, wo Sensorströme nicht nur von Ionen sondern auch von Elektronen verursacht werden und wo sich der Wir kungsquerschnitt des Sensors aufgrund anderer Bedingungen für Gasströmung, Raumpotential und Ionendichten von den eingangs angegebenen Anwendungen unter scheidet.

Für eine der eingangs genannten Anwedungen, nämlich zur Beschreibung der Wirkung von Luftionisatoren bei der Abnahme, Überprüfung und Wartung von Anla gen, z. B. zur ultrareinen Fertigung von Mikrostrukturen elektronischer Bauteile in Reinräumen, wird der handelsübliche "Charge Plate Monitor" (CPM) international als Standardmeßgerät verwendet. Wie in der amerikanischen Norm ANSI/EOS/ESD- S3.1 - 1991, erarbeitet von der EOS/ESD Association (Electrical Over stress/Electrostatic Discharge Association Inc., Rome, NY, USA), angegeben, erlaubt dieses Gerät die Bestimmung von Abklingzeiten einer offenen, elektrisch aufgelade nen, quadratischen Kondensatorplatte als Maß für die Ionendichte in einem strömen den Gas.

Die Kondensatorplatte hat eine Kantenlänge von 150 mm und eine Ka pazität von 20 pF, ihr Potential wird durch eine Feldmühle berührungs los abgetastet. Die Abklingzeit ist definiert durch die Entladungsdauer der Kondensatorplatte von der Spannung 1000 V auf den Wert 100 V. Darüber hinaus soll der CPM eine Bestimmung des Raumpotentials dadurch ermöglichen, dass die Platte nunmehr potentialfrei gesetzt wird und so das Raumpotential des sie umströmenden Gases annehmen soll, wobei auch hier das Potential der Platte von einer Feldmühle etwa mit der Auflösung von 1 Volt abgetastet wird. Somit ermöglicht der CPM die Messung von Raumpotentialen, nicht aber die Angabe von Ionen dichten, da eine die physikalischen Zusammenhänge beschreibende Abhängigkeit der Ionendichten von der gemessenen Abklingzeit nicht bekannt ist. Gleichwohl wird die Abklingzeit als ein durch eine Normen konvention beschriebener Erfahrungswert für Ionendichten angesehen.

Weiterhin wird in DE 42 31 905 C2 bereits eine Vorrichtung zur Mes sung von Ionen in einem Gas (MONION) mit einem kugelförmigen Sen sor beschrieben, der sich in der ebenen Strömung eines Ionen enthal tenden Gases befindet und an den drei feste Potentiale unterschiedli chen Vorzeichens gelegt werden, von denen eins den Wert Null hat. Die angegebene Patentschrift bezieht sich auf theoretische Überlegun gen von Riecke (Riecke, Eduard, Beiträge zu der Lehre von der Lufte lektrizität; Annalen der Physik (4) 12, 52-84, 1903).

Einer aus der Theorie von Riecke hergeleiteten Gleichung, der einfa chen Riecke-Formel,

-i(+) = 4πerk⁺n⁺U^- -i(-) = 4πerk^-n^-U⁺ (1a, b)

zufolge sollen die Sensorströme proportional der Ionendichte und dem Sensorpotential sein (Gleichung 1) und damit die direkte Berechnung der Ionendichten erlauben, wobei die folgenden Größen verwendet werden:
n⁺, n^- nach der einfachen Riecke-Formel berechnete Io nendichten
i(+), i(-) Sensorströme mit positivem bzw. negativem Vor zeichen
i(0) Ströme bei Sensorpotential 0 V
e Elementarladung
U⁺, U^- positives bzw. größeres Hauptsensorpotential, ne gatives bzw. kleineres Hauptsensorpotential
k⁺, k^- Beweglichkeit positiver und negativer Ionen
r Radius der Rieckeschen Kugel

Das negativ angegebene Vorzeichen vor den Sensorströmen i(+) und i(-) berücksichtigt hier ergänzend, dass das Sensorpotential jeweils das entgegengesetzte Vorzeichen des Sensorstromes hat.

Der Erfindung zugrunde liegendes Problem

Es wurden neue Untersuchungen zur Bestimmung von Ionendichten in Gasen vorgenommen. Dabei stellte sich heraus, dass die in der deut schen Druckschrift enthaltene Lehre zum Handeln unvollständig ist. Die dort angegebene einfache Riecke-Formel für den Sensorstrom nach Gleichung (1) berücksichtigt einerseits nicht den erheblichen Einfluss von Raumpotentialen auf die Erfassung von Sensorströmen und führt damit zu falschen Ergebnissen bei der Auswertung von Ionendichten aus den Sensorströmen. Es ist nicht erkannt, dass die vorherrschenden Raumpotentiale auch bei der Wahl der Sensorpotentiale berücksichtigt werden müssen, was bei einer Messvorrichtung mit festen Sensorpo tentialen nicht möglich ist. Die Druckschrift beansprucht, dass eine ho he räumliche Auflösung der Messwerte erreicht wird, ohne eine ent sprechende Lehre zum Handeln anzugeben. Darüber hinaus bewertet der CPM mit seinem potentiostatischen Verfahren Raumpotentiale an ders als die erfindungsgemäße amperometrische Sonde. Die Ursache für die bestehenden Mängel liegt vor allem darin, dass die be kannten Lehren zum Handeln nicht aus einer geschlossenen Beschrei bung des Zusammenhanges der bei der Messung ausgewerteten phy sikalischen Größen hergeleitet sind.

Aufgabenstellung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dargestell ten Nachteile im Stande der Technik zu vermeiden. Eine physikalische Beschreibung der Abhängigkeiten der Sensorströme der amperometri schen Sonde von den zu messenden Größen und den Betriebspara metern soll es erlauben, geeignete Verfahrensschritte zur Bestimmung der Messgrößen abzuleiten und entsprechende Funktionsgruppen der Messvorrichtung zu beschreiben. Dabei sollen die elektrostatischen Zustandsgrößen Raumpotential und Ionendichten unter Beachtung ihrer Wechselwirkung untereinander bestimmt werden. Der entsprechende Lösungsweg wird zunächst durch theoretische Überlegungen hergelei tet und anschließend durch Messungen bestätigt.

Lösungsweg für das dargestellte Problem

Die theoretischen Überlegungen der zitierten Originalarbeit von Riecke werden durch die Darstellung der Bewegungslinien von Ionen um eine auf das Potential U gelegte Kugel in Abb. 1 verdeutlicht. Die Bewe gungslinien sind für den Fall einer ebenen und parallelen Gasströmung mit einer Geschwindigkeit v < 0,1 m/s berechnet. Alle Ionen gleicher Polarität wie das Kugelpotential werden entsprechend der gestrichelt dargestellten Bewegungslinien im Zusammenwirken von elektrischem Feld und von der Gasströmung an der Kugel vorbeigetragen; auch die auf der Bewegungslinie D sich bewegenden Ionen berühren die Senso roberfläche nicht. Durch diesen Effekt einer Ionenstreuung werden Dif fusionspotentiale vermieden und der Sensor kann von positiven und negativen Ionen ausgelöste Sensorströme jeweils unabhängig von der Dichte der Ionen entgegengesetzter Polarität messen. Sensorströme mit positivem Vorzeichen repräsentieren also die Dichte positiver Ionen und negative Sensorströme die Dichte negativer Ionen. Alle Ionen mit einer zum Kugelpotential entgegengesetzten Polarität, die sich in einem kreisförmigen Querschnitt mit dem Durchmesser AD im Bereich des von der Form und vom Potential des Sensors ungestörten Querschnit tes bewegen, werden von dem Sensor aufgenommen. Die dabei auf tretenden, der Dichte positiver und negativer Ionen zuzuordnenden Sensorströme sind in Gleichung (1) angegeben. Die entsprechenden kreisförmigen Wirkungsquerschnitte lassen sich nach Riecke als

mit
f⁺, f^- Wirkungsquerschnitt des Kugelsensors für positive bzw. negative Ionen,
v Geschwindigkeit des Gases im ungestörten ebenen Strö mungsfeld,
angeben. Die in Abb. 1 dargestellten Zusammenhänge legen die fol gende Erweiterung der Darstellung von Riecke in den Gleichungen (1) und (2) nahe:

- Für die Ausbildung des Wirkungsquerschnittes ist nicht das an der Kugel anliegende, sondern das im Raum zwischen Kugel und ungestörter Strömung wirksame Potential prägend. Vorhan dene Raumpotentiale - verursacht z. B. durch die Ionen selbst - müssen berücksichtigt werden.
- Für die Ausbildung des Wirkungsquerschnittes AC ist weniger eine scharfe Kontur der Kugelform am Ort des Sensors als viel mehr die Auswirkung einer dreidimensionalen Ausformung der Sensoroberfläche im Raum zwischen Sensor und ungestörter Strömung wirksam.

Die Überlegungen zum Sensorpotential führen dadurch zur erweiterten Riecke-Formel, welche anstelle der Sensorpotentiale U⁺ und U^- effekti ve Sensorpotentiale mit der Berücksichtigung von Raumpotentialen U_r, also (U⁺ - U_r) und (U^- - U_r), in die Gleichungen (1) und (2) einführt.

Die erweiterten Riecke-Formeln berücksichtigen die Überlegung zur Ausgestaltung eines dreidimensionalen Sensorkopfes durch Einführung des effektiven Sensorradius' R anstelle des Radius r, der die Kugelform des Sensors nach Riecke charakterisiert. Der Einführung von R liegt die Überlegung zugrunde, dass für die Ausbildung des elektrischen Feldes zwischen Kugel und ungestörter Strömung in erster Linie die Dimension der Sensoroberfläche und erst in zweiter Linie ihre Feinstruktur ent scheidend ist. Denn bei zweidimensionalen Sensoren wie z. B. den Kondensatorplatten des CPM nimmt das elektrische Feld mit 1/d, also proportional dem reziproken Abstand d in den offenen Raum ab. Für dreidimensionale Sensoren dagegen nimmt es mit 1/d², also proportio nal dem Quadrat des reziproken Abstandes von ihrem geometrischen Mittelpunkt ab. Deshalb gilt die erweiterte Theorie von Riecke auch für dreidimensionale Sensorkörper ähnlich hoher Symmetrie wie die der Kugel, z. B. für dreidimensionale Sensorkörper, deren Oberfläche Ab stände von einem Mittelpunkt in einem Toleranzbereich von +/-15% ohne scharfe Sprünge der Abstände aufweist und die Verwendung ei ner Kugel einschließt. Der effektive Radius R eines derartigen dreidi mensionalen offenen Sensors lässt sich zweckmäßigerweise mit Hilfe einer kapazitiven Messbrücke die Formel für die Kapazität einer Kugel durch die Gleichung

R = C/4πε₀ (3)

bestimmen, wobei die folgenden Größen verwendet werden:
R effektiver Radius des dreidimensionalen Sensorkopfes
C Kapazität des dreidimensionalen Sensors im freien Raum
ε₀ Dielektrizitätskonstante

Zur Vereinfachung der Darstellung des Einflusses der Raumpotentiale wird also der effektive Radius R, nicht aber dessen kapazitive Messung nach Gleichung (3) in den nachfolgenden Rechengang übernommen.

Die so ergänzten theoretischen Überlegungen von Riecke führen zu den erweiterten Riecke-Formeln für Wirkungsquerschnitt und Sensor strom,

wobei gilt:
N⁺, N^- mit der erweiterten Riecke-Formel unter Beachtung des Einflusses von Raumpotentialen bestimmte Dichten positiver und negativer Ionen,
U_r zunächst unbekanntes Potential im Raum,
F⁺, F^- mit der erweiterten Riecke-Formel bestimmte Wir kungsquerschnitte.

Die Gleichung (4) beschreibt den Einfluss des Raumpotentials auf den Wirkungsquerschnitt und Gleichung (5) die Wirkung des Raumpotenti als und der Ionendichten auf den Sensorstrom. Gleichung (a) gilt für einen auftretenden positiven Sensorstrom durch Aufnahme positiver Ionen bei einem negativen effektiven Sensorpotential und Gleichung (b) für einen auftretenden negativen Sensorstrom durch Aufnahme negati ver Ionen bei einem positiven effektiven Sensorpotential. Das jeweils negative Vorzeichen berücksichtigt die gegenüber den Sensorpotentia len entgegengesetzte Polarität der Sensorströme.

Ein erstes wesentliches Merkmal der Anwendung der erweiterten Riec ke-Formel ist, dass die Begrenzung des Gültigkeitsbereiches der Ba sisgleichung (5) zu beachten ist. So muss das Vorzeichen des entspre chend Gleichung (a) gemessenen und bei Anliegen eines negativen effektiven Sensorpotentials durch positive Ionen ausgelösten Sensor stromes stets positiv sein, damit auch die spezifische Ionenbeweglich keit k⁺ richtig zugeordnet wird. Überschreitet der Betrag des Raumpo tentials U_r jedoch den des Sensorpotentials, ändert das oben einge führte im Raum wirksame, effektive Sensorpotential sein Vorzeichen und die Sonde erfasst in unzulässiger Weise den Strom von Ionen ent gegengesetzten Vorzeichens. In Gleichung (5) haben also die den im Raum wirksamen effektiven Sensorpotentialen U⁺ - U_r und U^- - U_r zuge ordneten Sensorströme einen begrenzten zulässigen Wertebereich:

i(+) < 0 für U^- - U_r < 0; i(-) < 0 für U⁺ - U_r < 0 (6a, b)

Daraus folgt, dass für das Raumpotential gelten muss:

U- < Ur für positive Ionen; Ur < U+ für negative Ionen (7a, b)

Für Raumpotentiale ergibt sich danach jeweils eine einseitige Be schränkung ihres Definitionsbereichs. Um Ionendichten zu bestimmen, müssen nach Riecke für positive Ionen negative Sensorpotentiale und für negative Ionen positive Sensorpotentiale angewendet werden. Für die Messung der Dichte von Ionen beider Vorzeichen gibt der zulässige Wertebereich für die Sensorströme so einen begrenzten Definitionsbe reich des Raumpotentials von U- < Ur < U+ vor.

Die erweiterte Riecke-Formel (5) liefert zwei Gleichungen mit zwei ge messenen Sensorströmen und mit drei unbekannten Größen N⁺, N^- und U_r. Durch die Messung eines weiteren Sensorstroms bei einem dritten Sensorpotential lassen sich alle drei Größen bestimmen. Ein Sensor potential wird zur Unterscheidung von den Hauptsensorpotentialen U⁺ und U^- Hilfspotential U(h) genannt. Hilfspotentiale werden je nach dem Vorzeichen des ihnen zugeordneten Sensorstroms den Hauptsensor potentialen zugeordnet. Tritt ein positiver Sensorstrom i(h+) auf, ordnet man das Potential als U(h-) dem niedrigeren Hauptsensorpotential U^- zu, tritt ein negativer Sensorstrom i(h-) auf, ordnet man das Potential als U(h+) dem größeren Hauptsensorpotential U⁺ zu. Die Hilfspotentiale U(h-) bzw. U(h+) unterscheiden sich von U^- bzw. U⁺ dadurch, dass ent sprechend einer hier willkürlich getroffenen Ordnungskonvention i(h+) bzw. i(h-) dem Betrage nach kleiner als i(+) bzw. i(-) sein sollen. Der zulässige Wertebereich für die zugeordneten Sensorströme ist in glei cher Weise wie die den Hauptsensorpotentialen zugeordneten Sensor ströme begrenzt. Die bei der Erfassung positiver Ionen bei einem Hilfspotential U(h-) ausgelösten Sensorströme i(h+) sind positiv. Analo ges gilt für die Erfassung negativer Ionen. Die entsprechenden Bedin gungen für den zulässigen Wertebereich der Sensorströme und den entsprechenden durch Hilfspotentiale begrenzten Definitionsbereich der Raumpotentiale lauten:

i(h+) < 0 für U(h-) - U_r < 0; i(h-) < 0 für U(h+) - U_r < 0 (8a, b)

U_r < U(h-) und U^- < U(h-) < U⁺; U_r < U(h+) und U^- < U(h+) < U⁺ (9a, b)

Bei Beachtung dieser Einschränkung können die Hauptsensorpotentiale U⁺, U^- und die Hilfspotentiale U(h-), U(h+) vom Grundsatz her in einem sehr weiten Bereich beliebige Werte annehmen. Hohe Werte der effek tiven Sensorpotentiale (U^- - U_r) bzw. (U⁺ - U_r) und (U(h-) - U_r) bzw. U(h+) - U_r < 0 führen zu hohen Sensorströmen und erhöhen so ent sprechend Gleichung (5) die Empfindlichkeit des Messverfahrens für Ionendichten. Dagegen ist die Auflösung kleiner Raumpotentiale nur dann möglich, wenn die Sensorpotentiale in der Größenordnung von U_r liegen und damit in Gleichung (5) einen messbaren Beitrag zum Ionen strom liefern. Die obere Grenze ist auch durch das in Gleichung (4) be schriebene Anwachsen des Wirkungsquerschnitts begrenzt, mit der eine Verminderung der räumlichen Auflösung und eine Erhöhung der elektrostatischen Belastung der Umgebung verbunden ist. Die durch Auflösung von kleinen Raumpotentialen und die räumliche Auflösung der Sonde begründete obere Grenze für die Sensorpotentiale ist im Rahmen der zweckmäßigen Lösung einer messtechnischen Aufgabe frei wählbar.

Die Sonde zur Charakterisierung des elektrostatischen Zustandes in Gasen kann in den folgendenden fünf Aufgabenstellungen angewendet werden:

1. Bestimmung des Raumpotentials bei unbekannten Ionendichten aus zwei Sensorströmen mit gleichem Vorzeichen bei einem Hauptsensor- und einem Hilfspotential,
2. Bestimmung des Raumpotentials und der Dichte von Ionen einer Polarität aus zwei Sensorströmen mit gleichem Vorzeichen bei einem Hauptsensor- und einem Hilfspotential,
3. Bestimmung der Ionendichten bei bekanntem Raumpotential aus den zwei Sensorströmen mit entgegengesetztem Vorzeichen bei zwei Hauptsensorpotentialen,
4. Bestimmung von Raumpotential und Ionendichten in einem inte grierten Verfahren aus drei Sensorströmen bei zwei Hauptsen sorpotentialen mit Strömen entgegengesetzten Vorzeichens und einem Hilfspotential,
5. Bestimmung des Wirkungsquerschnittes der Sonde in Abhängig keit von den Messparametern.

Zur Bestimmung des Raumpotentials wird nun zunächst ein beliebiges Hilfspotential U(h) angelegt, dessen Sensorstrom einen deutlich über der Systemungenauigkeit messbaren Wert hat. Für ihn gilt mit Glei chung (5) je nach Vorzeichen des auftretenden Sensorstroms:

-i(h+) = 4πeRk⁺N⁺(U(h-) - U_r); -i(h-) = 4πeRk^-N^-(U(h+) - U_r) (10a, b)

Danach misst man einen Sensorstrom bei einem Hauptsensorpotential, dessen Sensorstrom das gleiche Vorzeichen hat und deutlich größer ist, als der bei dem zuvor angelegten Hilfspotential gemessene. Jetzt lassen sich die noch unbekannten Ionendichten aus den Gleichungen (5) und (10) eliminieren und das Raumpotential berechnen:

Gleichung (a) gilt im Falle des Auftretens von positiven Sensorströmen. Entsprechend gilt Gleichung (b) für negative Sensorströme.

Die Bestimmung der Ionendichten bei bekanntem Raumpotential kann nun mit Gleichung (5) aus zwei zulässigen Sensorströmen mit entge gengesetztem Vorzeichen bei zwei entsprechend angepassten Haupt sensorpotentialen erfolgen. Die Auflösung nach den Ionendichten er gibt:

Bei der Bestimmung von Raumpotential und Ionendichten in einem integrierten Verfahren können die Ionendichten aus den drei Sensor strömen bei zwei Hauptsensorpotentialen und einem Hilfspotential di rekt berechnet werden durch Einsetzen von Gleichung (11) in (12). Es folgt im Falle des Auftretens eines positiven Sensorstromes i(h+):

und im Falle des Auftretens eines negativen Sensorstromes i(h-):

Die Klammerterme beschreiben den Einfluss der Räumpotentiale auf die Messung der Ionendichten, wobei die Raumpotentiale durch die den Hilfspotentialen zugeordneten Sensorströme charakterisiert werden. Sie werden in dem Fall den Wert eins annehmen, wenn bei der Verwen dung des Hilfspotentials mit dem Wert null kein Sensorstrom auftritt, also mit i(h-) = 0 oder i(h+) = 0 Potentialgleichgewicht zwischen Raum und Sensor vorliegt, und das Raumpotential den Wert U_r = 0 hat. Die Glei chungen (13) und (14) gehen dann in die Form der einfachen Riecke- Formel der Gleichung (1) über.

Die elektrostatischen Größen in Gasen müssen nicht räumlich konstant sein. Raumpotential und Ionendichten können in der Nähe von Quellen örtlich großen Änderungen unterliegen. Will man die lokalen Wirkungen an einem Aufpunkt genauer auflösen, so ist die räumliche Auflösung der Messung durch den Wirkungsquerschnitt der Sonde begrenzt. Nach Gleichung (4) hängt der Wirkungsquerschnitt bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit des Gases und gegebener Sensorabmes sung vom Hauptsensorpotential und Raumpotential ab. In dem erfin dungsgemäßen Verfahren kann der Wirkungsquerschnitt für jeden Messpunkt zusätzlich berechnet werden. Es lässt sich aber auch ein gewünschter oberer Grenzwert für den Wirkungsquerschnitt vorgeben und durch Einsetzen der Gleichung (4) in (5) ein oberer Grenzwert für die Sensorströme angeben, der durch die Sonde überwacht werden kann. So lässt sich der elektrostatische Zustand im Gas mit den Mess werten für Raumpotential, Ionendichten und deren räumlicher Gradient in einem einheitlichen Verfahren charakterisieren.

Der beschriebene Lösungsweg zur Charakterisierung des elektrostati schen Zustandes in Gasen mit der Bestimmung des Raumpotentials und der Ionendichten und des Wirkungsquerschnitts mit der erfin dungsgemäßen Sonde hat die folgenden Merkmale:

1. Die Messgrößen werden aus Sensorströmen bei unter schiedlichen aufgeprägten Sensorpotentialen bestimmt.
2. Die Sensorströme unterliegen Einschränkungen ihres zu lässigen Wertebereiches. Deshalb werden sie auf Einhaltung ihres gültigen Vorzeichens überwacht.
3. Beim Auftreten von Sensorströmen mit unzulässigem Vor zeichen werden die ihnen zugeordneten Sensorpotentiale soweit verändert, bis jeder zugeordnete Sensorstrom das zulässige Vorzeichen annimmt.
4. Raumpotentiale werden aus zwei Sensorströmen mit glei chem Vorzeichen unter Aufprägung je eines Hauptsensorpo tentials und eines Hilfspotentials bestimmt.
5. Aus den bei der Bestimmung des Raumpotentials gewonne nen Sensorströmen kann die Dichte von Ionen mit gleicher Polarität wie das Vorzeichen der Sensorströme zusätzlich ausgewertet werden.
6. Die Dichten positiver und negativer Ionen werden bei be kanntem Raumpotential aus zwei Sensorströmen entgegen gesetzten Vorzeichens unter Aufprägung zweier Hauptsen sorpotentiale bestimmt
7. Ionendichten werden bei unbekanntem Raumpotential aus drei Sensorströmen mit mindestens einem unterschiedli chen Vorzeichen unter Aufprägung zweier Hauptsensorpo tentiale und eines Hilfspotentials bestimmt.
8. Aus den zuvor gemessenen Werten wird bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit des Gases der Wirkungsquer schnitt bestimmt.
9. Zur Einhaltung einer Mindestempfindlichkeit bei der Auflö sung von Raumpotentialen und der räumlichen Auflösung der Messung können in Anpassung an die gestellte Mess aufgabe obere Grenzwerte für die Sensorströme angegeben werden.

Ausgestaltung der Erfindung

Weiterungen der Erfindung betreffen

- die Vereinfachung der Auswertung der Messgrößen durch Ein schränkungen bei der Auswahl von Sensorpotentialen,
- die Erhöhung der Messempfindlichkeit durch Ergänzung der Gültigkeitskriterien der Sensorströmen und der Definitionsberei che des Raumpotentials durch günstige Messbereiche,
- die Überwachung der ungestörten Funktion des offenen Sen sors.

Unter beliebig vielen Kombinationen von Hauptsensorpotentialen und Hilfspotentialen zur Bestimmung von Raumpotentialen werden prakti sche Beispiele für die Einschränkung von verwendeten Sensorpo tentialen angegeben, die die Auswertung der Messgrößen nach den Gleichungen (11) bis (14) wesentlich vereinfachen. Ihre Anwendung ist nach den Gegebenheiten der gestellten Messaufgabe zu entscheiden. Die erste Einschränkung betrifft die Werte der Hauptsensorpotentiale. Wenn diese z. B. auf das Erdpotential bezogen stets mit gleichgroßem Betrage gewählt werden und die Konvention

U^- = - U⁺ (15)

eingeführt wird, reduziert sich ein Klammerterm in den Gleichungen (13) und (14) zu einem Faktor von -2.

Weiterhin vereinfacht sich das Berechnungsverfahren durch drei bei spielhafte Konventionen über das anzuwendende Hilfspotential.

1. Bei der Nullpotentialmethode wird als Wert des Hilfspotential U(h0) = 0 V gewählt. Sowohl bei der Berechnung des Raumpo tentials mit Gleichung (11) als auch bei der Berechnung der Io nendichten mit Gleichung (13) oder (14) ergeben sich weitere Vereinfachungen. Zu beachten ist nun, dass Gleichung (11a) und die Gleichungen (13a, b) bei Auftreten eines positiven Sen sorstroms i(h0), sowie die Gleichung (11b) und die Gleichungen (14a, b) bei Auftreten eines negativen i(h0) anzuwenden sind.
2. Ein weiteres vereinfachendes Verfahrensbeispiel ist die Halbpo tentialmethode. Bei ihr wird mit der Konvention
U(h+) = ½U⁺ oder U(h-) = ½U^- (16a, b)
der halbe Wert eines der Hauptsensorpotentiale als Hilfspotential verwendet. Auch dadurch treten in den Berechnungsgleichungen (11), (13) und (14) Vereinfachungen ein.
3. Ein drittes Beispiel für eine vereinfachende Anwendung des Hilfspotentials ist die Vergleichsmethode. Dabei wird unter An wendung der Gleichung (10) ein Hilfspotential mit dem Wert null angelegt. Bei Vorliegen eines Raumpotentials tritt ein Sensor strom mit dem Vorzeichen des Raumpotentials auf. Erhöht man nun das Hilfspotential gleichen Vorzeichens, so muss bei Vorlie gen eines Raumpotentials mit gleichem Vorzeichen wie das Hilfspotential der Sensorstrom abnehmen und den Wert null an nehmen. In diesem Fall gilt die Konvention
-i(h+) = 0 für U(h-) = U_r; -i(h-) = 0 für U⁺ = U_r. (17a, b)
Vorzeichen und Betrag des Raumpotentials sind damit durch Vergleich des Raumpotentials mit einem Hilfspotential direkt be stimmt. Die Berechnung der Ionendichten erfolgt nun durch die einfachen Berechnungsgleichungen (12) mit Hilfe des bekannten Raumpotentials aus zwei Sensorströmen bei zwei gleich großen Hauptsensorpotentialen mit entgegengesetztem Vorzeichen, die z. B. wie bei der Halbpotentialmethode den doppelten Wert des Hilfspotentials nach Gl. 17 haben.

Die Erfindung wird weiterhin dadurch ausgestaltet, dass Mindestgrößen in den Differenzen zwischen Sensorpotentialen und Raumpotentialen eingehalten und damit Mindestgrößen von Sensorströmen zur Erhö hung der Messempfindlichkeit erreicht werden. Denn einerseits dürfen in den Gleichungen (5) und (10) die Sensorpotentiale nicht sehr groß gegenüber den Raumpotentialen werden, da dann der Einfluss der Raumpotentiale auf die Sensorpotentiale verschwindet und Raumpo tentiale nicht aufgelöst werden können. Andererseits werden die Sen sorströme sehr klein, wenn die Differenz zwischen Raumpotential und Sensorpotential sehr klein wird. Bei kleinen Sensorströmen nimmt de ren relative Genauigkeit ab, und der Einfluss der Systemungenauigkeit nimmt zu.

So ist es zweckmäßig, neben dem zulässigen Wertebereich der Sen sorströme und dem Definitionsbereich der Raumpotentiale nach den Gleichungen (6) bis (9) auch einen Messbereich zu definieren. Dabei wird der Messbereich deutlich kleiner gewählt als der zulässige Definiti onsbereich für das Raumpotential. Zum Beispiel kann mit den oben an gegebenen Vereinfachungen der Mindestabstand des Raumpotentials zu den Sensorpotentialen auf 25% des Betrages der Hauptsensorpo tentiale gewählt werden, um den Messbereich festzulegen:

U^- < [U(h-) - 0,25 U^-] < U_r < 0,75 U⁺; 0,75 U^- < U_r < [U(h+) - 0,25 U⁺] < U⁺ (18a, b)

Dabei gilt Gleichung (18a) für ein negatives und Gleichung (18b) für ein positives Hilfspotential.

Das in Gleichung (18) gewählte Kriterium für den Messbereich lässt sich auf die Nullpotentialmethode nur eingeschränkt anwenden. Es ent steht mit U(h0) = 0 V im Wertebereich um U_r = 0 V ein nicht abgedeckter Bereich für U_r (-,25 U⁺ < U_r < -0,25 U^-), in dem die vorgegebene Mes sempfindlichkeit nicht erreicht wird. Dieser Nachteil der Nullpotential methode ist bei Anwendung der Halbpotentialmethode nicht gegeben. Gleichung (18) nimmt dann die folgende Form an:

0,75 U^- < U_r < 0,25 U⁺ für U(h+); 0,25 U^- < U_r < 0,75 U⁺ für U(h-) (19a, b).

Bei der Halbpotentialmethode ist also im Bereich kleiner Raumpoten tiale um U_r = 0 V im Gegensatz zur Nullpotentialmethode eine hohe Messempfindlichkeit immer gegeben. Die Differenz zwischen Sensor potential und Raumpotential und somit die Empfindlichkeit kann bei Anwendung der Halbpotentialmethode zusätzlich dadurch verbessert werden, dass bei einem Vorzeichenwechsel des Raumpotentials auch das Vorzeichen des Hilfspotentials geändert wird. Die Vergleichsme thode hat prinzipiell keinen Abstand des Hilfspotentials vom Raumpo tential und lässt daher die Anwendung von Messbereichsgrenzen für die Bestimmung des Raumpotentials nicht zu. Damit kann eine ver gleichbare Messempfindlichkeit wie bei der Halbpotentialmethode für die Raumpotentiale nicht erreicht werden.

Die Einschränkung des Definitionsbereiches für U_r auf einen zur Erhö hung der Messempfindlichkeit geeigneten Messbereich kann gegen über dem hier dargestellten Beispiel noch weitergeführt werden. Eine Einschränkung des Messbereiches auf 50% anstelle von den darge stellten 25% würde den Abstand von der Systemungenauigkeit der Messvorrichtung z. B. bei der Halbpotentialmethode mit gleich großen Hauptsensorpotentialbeträgen um einen weiteren Faktor zwei verbes sern. Die Spanne für zulässige Werte des Raumpotentials ohne Anpas sung der Sensorpotentiale vermindert sich dann allerdings von einem vollen Betrag eines Sensorpotentials auf den halben. Im Grenzfall kann für jedes auftretende Raumpotential die Anpassung der Sensorpoten tiale optimiert werden.

Das dritte Beispiel für eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Überwachung der ungestörten Funktion des offenen Sensors. Die physikalische Beschreibung seiner Funktion geht davon aus, dass sich die durch das aufgeprägte Potential auf die Ionen wirksame Feldstärke gegenüber einem freien Raum mit 1/r² abbaut. Wird dieses Feld durch in einem Umkreis mit etwa dem zehnfachen Durchmesser der Sen sorabmessung befindliche Störungen etwa durch dielektrische Materia lien, Störpotentiale oder geerdete Objekte geändert, können die durch die Sonde zu erfassenden Messgrößen nicht fehlerfrei ausgewertet werden. Eine Messgröße für das störungsfreie Feld stellt mit Gleichung (3) die Kapazität des Sensors gegenüber dem freien, ungestörten Raum dar. Der Vergleich dieser Kapazität mit der im laufenden Betrieb über eine kapazitive Messbrücke nachgemessenen Kapazität erlaubt die Überwachung der ungestörten Funktion.

Die erfindungsgemäße Sonde kann zur Anpassung der Messempfind lichkeit an gestellte Messaufgaben mit Sensorköpfen unterschiedlicher Abmessungen ausgestattet werden. Die beschriebene Messbrücke kann auch die Funktion der Identifikation der unterschiedlichen Sensorköpfe über ihre Kapazität zu übernehmen und der Auswerte einheit die entsprechende Rechengröße, z. B. den effektiven Sensorra dius R, übermitteln.

Überprüfung des Lösungsweges durch Messungen

Das in den Gleichungen (4) bis (17) aus theoretischen Überlegungen hergeleitete Verfahren wurde in drei Experimenten überprüft. Die Mes sungen wurden in einem Reinraum mit Luftionisationsanlage durchge führt. Als Ionenquelle diente eine Luftionisationsanlage mit an Hoch spannung liegenden Spitzenelektroden. Eine erfindungsgemäße Mess vorrichtung misst die Sensorströme bei Hauptsensorspannungen mit positivem und mit negativem Vorzeichen sowie bei dem Hilfspotential mit dem Wert null.

Abb. 2 zeigt die Abhängigkeit der Sensorströme i(+), i(-) und i(0) von dem nach Gleichung (11) mit der Nullpotentialmethode bestimmten Raumpotential U_r. Die Darstellung ist durch Erläuterungen ergänzt, die das Verfahren zur Bestimmung von Raumpotentialen verdeutlichen. Wie zu erwarten, wechseln die Sensorströme bei Erreichen der Gren zen ihres zulässigen Wertebereiches ihr Vorzeichen. Das zugehörige Raumpotential hat dort den Wert des entsprechenden Hauptsensorpo tentials. Das im Anströmbereich des Sensors nach Abb. 1 für die Ionen effektive Potential U⁺ - U_r bzw. U^- - U_r nimmt entsprechend Gleichung (5) den Wert null an. Die gemessenen, aber wegen des Verlassens des zulässigen Wertebereiches nicht auswertbaren Sensorströme sind durch Kreise gekennzeichnet. Der dem angelegten Hilfspotential zuge hörige Sensorstrom i(0) wechselt das Vorzeichen, wenn das Raumpo tential den Wert des Hilfspotentials annimmt, nämlich den Wert null. Neben dem Vorzeichen wechselt die Trendlinie i(0) wegen der unter schiedlichen Ionendichten positiver und negativer Ionendichten und der unterschiedlichen Ionenbeweglichkeiten auch die Steigung, wie nach Gleichung (9) zu erwarten ist.

In Abb. 2 sind die Definitionsbereiche für U_r dargestellt, die für die Be stimmung von Raumpotentialen jeweils entsprechend Gleichung (7) einseitig begrenzt sind. Bei der Bestimmung der Dichten positiver und negativer Ionen ergibt sich aufgrund der selben Gleichung eine zwei seitige Begrenzung des Definitionsbereiches. Die Einhaltung des Defi nitionsbereiches ist eine notwendige Bedingung für die Funktion der Sonde. Werden die Grenzen des Definitionsbereichs überschritten, so wechselt der gemessene Sensorstrom dabei sein Vorzeichen. Die Auswertung muss abgebrochen werden und die Hauptsensorpotentiale müssen in ihrem Betrage erhöht werden, bis die Sensorströme wieder in ihrem zulässigen Wertebereich liegen.

Mit dem Erreichen der Begrenzung der ebenfalls dargestellten Messbe reiche ist kein Wechsel im Vorzeichen der Sensorströme verbunden. Eine Überwachung der Bereichsgrenzen muss deswegen über einen Spannungsvergleich erfolgen. Die Einhaltung der Messbereiche ist kei ne notwendige Bedingung für die Gültigkeit der Messwerte. Im Falle des Erreichens der Grenzen des Messbereiches kann die Höhe der Hauptsensorpotentiale kontinuierlich nachgeführt werden.

Werden die Grenzen von Definitions- bzw. Messbereich dagegen dau erhaft unterschritten, sollten die Hauptsensorpotentiale erniedrigt wer den, um dem erfindungsgemäßen Vorteil hoher Auflösung der Raum potentiale und kleiner Wirkungsquerschnitte Rechnung zu tragen.

In einer zweiten Messung wurde die Luftionisationsanlage so einge stellt, dass schrittweise die Dichte positiver und negativer Ionen in der Art erhöht wurden, dass der CPM dabei jeweils ein Raumpotential mit dem Wert null anzeigte. Zum Vergleich mit der erfindungsgemäßen Sonde wurde die reziproke Abklingzeit des CPM als Maß für dessen Sensorstrom herangezogen. Abb. 3a zeigt die Anwendung der Sonde unter Beachtung der Bedingung für den zweckmäßigen Messbereich. Der Sensorstrom i(+) bei negativem Sensorpotential hat wegen der auf genommenen positiven Ionen ein positives Vorzeichen und entspre chend i(-) ein negatives Vorzeichen. Da die gemessenen Sensorströme ihr Vorzeichen nicht ändern, ist der zulässige Messbereich eingehalten. Im Gegensatz zur Trendlinie für den durch positive Ionen ausgelösten Sensorstrom i(+) verläuft die Trendlinie für i(-) nicht durch den Null punkt, wie es aus der einfachen Riecke-Formel in Gleichung (1) zu er warten wäre. Das liegt an den dort nicht berücksichtigten Raumpoten tialen.

Diese sind in Abb. 3b nach der Nullpotentialmethode ausgewertet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist Raumpotentiale nach, obwohl der CPM auf ein Raumpotential null eingestellt war. Offenbar bewertet die amperometrische Sonde das Raumpotential anders als das poten tiostatische Verfahren des CPM. Da für die Sonde im Gegensatz zum CPM eine geschlossene physikalische Beschreibung mit experi menteller Überprüfung vorliegt und ein einheitliches Messverfahren verwendet wurde, wird von einer zutreffenden Bewertung durch die Sonde ausgegangen. Wie aus dem positiven Vorzeichen von i(h0) nach Gleichung (9) zu erwarten, ist das gemessene Raumpotential positiv.

In Abb. 3c sind die Ionendichten n⁺ und n^- nach der einfachen Riecke- Formel (1) und die Ionendichten N⁺ und N^- nach der erweiterten Riecke- Formel (12) bzw. (13) und (14) ausgewertet. Die Messergebnisse be stätigen, dass nur die Anwendung der erweiterten Riecke-Formel die zugrunde liegende Theorie bestätigt, da die Trendlinie für n^- nicht durch den Nullpunkt geht und die Trendlinien für N⁺ und N^- vom amperometri schen Referenzverfahren mit dem CPM bestätigt werden.

Abb. 4 zeigt zu Abb. 3 vergleichbare Messergebnisse mit der Beson derheit, dass die Ionenquellen der Reinraumanlage nunmehr nicht mit dem CPM, sondern nach der Nullpotentialmethode der Sonde auf das Potentialgleichgewicht mit U_r = 0 bzw. i(0) = 0 abgeglichen wurden. Unter diesen speziellen Bedingungen des Potentialgleichgewichtes re duzieren sich die erweiterten Riecke-Formeln (12) bzw. (13) und (14) auf die einfache Riecke-Formel (1), was die Messungen in den Trend kurven der Ionenströme und der Ionendichten bestätigen.

Anwendung der Erfindung

Aus dem beschriebenen Lösungsweg der gestellten Aufgabe lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor richtung beschreiben. Zur Messung von Ionendichten und des Raum potentials, sowie zur Angabe des Wirkungsquerschnittes sind die fol genden Verfahrensschritte zu durchlaufen:

1. Auswahl eines Sensors (1), dessen Dimension den Anforderun gen an die Systemempfindlichkeit entspricht
2. Bestimmen des effektiven Radius R des dreidimensionalen Sen sors nach Gleichung (1) mittels einer Messbrücke (10) und Spei chern des Messwertes in der Berechnungseinheit (4)
3. Anlegen eines ersten Sensorpotentials (Hilfspotential) an den Sensor (1) durch die Potentialquelle (5), gesteuert durch die Steuereinheit Messen (7) über die Potentialstelleinheit (6)
4. Erfassung des zugeordneten ersten Sensorstroms in der be kannten Stromerfassungseinheit (2)
5. Speichern des ersten Sensorstroms und des ersten Sensorpo tentials (Hilfspotential) in der Berechnungseinheit (4)
6. Anlegen eines zweiten Sensorpotentials mittels der Potential stelleinheit (6) gesteuert über die Steuereinheit Messen (7)
7. Erfassung des zweiten Sensorstromes in der Stromerfassungs einheit (2)
8. Bewertung der Zulässigkeit des zweiten Sensorstroms nach Vor zeichen und Betrag in einer erfindungsgemäßen Strombewer tungseinheit (3)
9. Im Falle eines unzulässigen Vorzeichens des Sensorstroms An passen des zweiten Sensorpotentials bis zum Eintritt eines zu lässigen zweiten Sensorstroms mit im Vergleich zum ersten Sensorstrom gleichem Vorzeichen und höherem Betrage und damit verbundenem Erreichen des zum Hilfspotential zugehö renden Hauptsensorpotentials mittels der Strombewertungsein heit (3) und der Potentialstelleinheit (6)
10. Erfassen und Speichern des zweiten zulässigen Sensorstroms und des zugeordneten Hauptsensorpotentials in der Berech nungseinheit (4)
11. Berechnen des Raumpotentials aus den zwei Sensorströmen und den zwei Sensorpotentialen in der erfindungsgemäßen Be rechnungseinheit (4)
12. Speichern des Raumpotentials in der Berechnungseinheit (4)
13. Anlegen eines dritten Sensorpotentials mittels der Potentialstel leinheit (6) gesteuert über die Steuereinheit Messen (7)
14. Erfassung des dritten Sensorstromes in der Stromerfassungs einheit (2)
15. Bewertung der Zulässigkeit des dritten Sensorstroms in einer er findungsgemäßen Strombewertungseinheit
16. Im Falle eines unzulässigen Vorzeichens des dritten Sensor stroms Anpassen des dritten Sensorpotentials bis zum Eintritt ei nes zulässigen dritten Sensorstroms mit im Vergleich zum ersten Sensorstrom entgegengesetztem Vorzeichen und damit verbun denem Erreichen des entsprechenden Hauptsensorpotentials mittels der Strombewertungseinheit (3) und der Potentialsfellein heit (6)
17. Speichern des dritten zulässigen Sensorstroms und des zuge ordneten Hauptsensorpotentials in der Berechnungseinheit (4)
18. Bestimmung der Ionendichten aus den Sensorströmen und den Sensorpotentialen und Speichern der Ergebnisse in der Berech nungseinheit (4)
19. Eingabe der Strömungsgeschwindigkeit des Gases über eine Eingabeeinheit (13)
20. Berechnung des Wirkungsquerschnittes der Sonde in der Be rechnungseinheit (4)
21. Anzeige und/oder Ausgabe der Messergebnisse in einer Über gabeeinheit (11)

Das Verfahren lässt sich ergänzen durch die folgenden Ausgestaltun gen der Erfindung:

1. Bestimmen der Dichte von Ionen einer Polarität aus dem gespei cherten Raumpotential und dem dem Hilfspotential zugeordneten Hauptsensorpotential und dem zugeordneten Sensorstrom in der Berechnungseinheit (4)
2. Vereinfachung der Auswertung in der Berechnungseinheit (4)
- a) durch Wahl dem Betrage nach gleich großer Hauptsen sorpotentiale aus der Potentialquelle (5)
- b) durch Wahl des Hilfspotentials mit dem halben Betrag des Hauptsensorpotentials gleichen Vorzeichens mittels der Potentialstelleinheit (6) und Potentialquelle (7)
- c) durch Wahl des Hilfspotentials mit dem Wert null
- d) durch Bestimmung des Raumpotential als dem Wert des durch die Potentialstelleinheit (6) veränderten Hilfspoten tials, bei dem der zugeordnete Sensorstrom, bewertet durch die Strombewertungseinheit (3), den Wert null an nimmt
- e) durch Bestimmung der Ionendichten unter Verwendung des gespeicherten Raumpotentials und den beiden Hauptsensorpotentialen sowie den ihnen zugeordneten Sensorströmen
3. Erhöhung der Messempfindlichkeit
- a) durch Anpassung der Hauptsensorpotentiale an die Grö ßenordnung der auftretenden Raumpotentiale durch Spannungsvergleich in der Potentialstelleinheit (6)
- b) durch Anwendung der über die Steuereinheit Messen (7) und Potentialstelleinheit (6) gesteuerte Halbpotentialme thode
- c) durch Steuerung des Vorzeichens von Hilfspotentialen durch Spannungsvergleich in der Potentialstelleinheit (6) auf im Vergleich zum Raumpotential entgegengesetzte Vorzeichen
- d) durch Einführung von Messbereichen durch Spannungs vergleich der Raumpotentiale mit den Sensorpotentialen und Anhebung der Sensorpotentiale im Falle der Unter schreitung von Mindestabständen zwischen Raumpotenti al und Sensorpotential in der Potentialstelleinheit (6)
4. Einhaltung von Mindestwerten des Wirkungsquerschnitts durch Spannungsvergleich der Sensorpotentiale mit einem oberen Grenzwert und möglicher Absenkung der Sensorpotentiale durch Spannungsvergleich in der Potentialstelleinheit (6)
5. Überwachung der ungestörten Funktion des offenen Sensors mittels einer kapazitiven Messbrücke (10) mit Grenzwertüberwa chung durch Kapazitätsvergleich
6. Identifikation von unterschiedlichen, auswechselbaren Sensor köpfen durch Kapazitätsvergleich mittels einer kapazitiven Messbrücke (10) und Weiterleitung des gültigen Dimensions wertes, z. B. des effektiven Radius' R, an die Berechnungseinheit (4)
7. Erfindungsgemäße Vorwahl möglicher Messprogramme wie z. B. Raumpotential oder Raumpotential und Ionendichten oder Io nendichten in einer Steuereinheit Messen (7)
8. Einschalten und Durchlaufen einer Aufwärmphase unter Mess bedingungen gesteuert von einer Steuereinheit Überwachen (8), wobei in bekannter Weise die Kompensation der Stromdrift sta bilisiert wird und die Sensorströme in einer Stromerfassungsein heit (2) erfasst werden, dann erfindungsgemäß die Sensorströ me in der Strombewertungseinheit (3) bewertet und die Sensor potentiale durch die Potentialstelleinheit an die Messaufgabe an gepasst werden
9. Umschalten in den Messbetrieb durch die Steuereinheit Überwa chen (8) und Übergabe der Steuerung an die Steuereinheit Mes sen (7), Taktung der Stromerfassungseinheit (2), der Stromver gleichseinheit, der Berechnungseinheit (4) und der Potentialstel leinheit (6) entsprechend den vorgewählten Messprogrammen
10. Bestimmen des aktuellen Wirkungsquerschnitts der Sonde nach vorheriger Eingabe der wirksamen Strömungsgeschwindigkeit des Gases über die Eingabeeinheit (13) und Speichern des Wertes in der Berechnungseinheit (4)
11. Anzeige der Werte für die aktuellen Potentiale z. B. in der Poten tialstelleinheit (6) und zwar für
- a) Hauptsensor- und Hilfspotentiale
- b) Raumpotential
12. Manuelle Vorwahl der Messbereiche z. B. an der Potentialstel leinheit (6) zur entsprechenden Anpassung der Sensorpotentiale
13. Grenzwertmeldung (12) für das Raumpotential, für die Dichte negativer und positiver Ionen und für den Wirkungsquerschnitt des Sensors durch Vergleich mit vorgewählten und eingegebe nen Bereichsgrenzen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Abb. 5 schematisch darge stellt: Sie setzt sich aus den folgenden wesentlichen Bestandteilen zu sammen:

1. Bekannter beliebiger offener Sensor (1) ausgestattet mit einem Sensorkopf zur Aufprägung beliebiger veränderlicher Sensorpo tentiale gegenüber Erdpotential mit zur Anpassung der Mes sempfindlichkeit geeigneter Abmessung,
- a) in beliebiger Ausführung,
- b) Sensor in Form einer Platte,
- c) dreidimensionaler Sensor mit einem kapazitiv bestimmten effektiven Radius R,
- d) kugelförmiger Sensor,
- e) punktförmiger Sensor, z. B. ein Drahtende,
- f) ein Satz unterschiedlicher, zur Anpassung an die Mess aufgabe auswechselbarer und durch eine kapazitive Messbrücke identifizierbare Sensorköpfe,
2. dem Sensor nachgeschaltete bekannte Stromerfassungseinheit (2) zur Erfassung der Sensorströme,
3. der Stromerfassungseinheit nachgeschaltete erfindungsgemäße Strombewertungseinheit (3) zur Erfassung des Vorzeichen der Sensorströme und zur Durchführung von Stromvergleichen zur Analyse der Einhaltung zulässiger Werte für den Sensorstrom mit Ausgängen zur Weiterleitung des Wertes des Sensorstroms an die nachgeschaltete Berechnungseinheit (4), zur Weiterlei tung der Information über das Vorzeichen des Sensorstroms an die Potentialstelleinheit (6), um über die Potentialquelle (5) eine Anpassung der Sensorpotentiale auf zulässige Sensorströme zu erreichen, und zur Weiterleitung der Information über die Nicht einhaltung des zulässigen Wertebereiches an die Steuereinheit Überwachen (8),
4. erfindungsgemäße Berechnungseinheit (4) zur Berechnung von Raumpotential, Ionendichten und Wirkungsquerschnitt, in der der Einfluss des Raumpotentials auf die Messergebnisse rechne risch berücksichtigt wird, der Informationen über die Sensorströ me, über die aktuellen Sensorpotentiale, über die vorherrschen de Strömungsgeschwindigkeit des Gases und den effektiv wirk samen Radius der Sonde zugeleitet werden und die der Potenti alstelleinheit (6) zur Durchführung eines Spannungsvergleichs das Raumpotential sowie der Ausgabeeinheit (11) die ausge werteten Messgrößen übergibt,
5. erfindungsgemäße Potentialquelle (5) für beliebig anpassbare aufgeprägte Sensorpotentiale, vorzugsweise in einem Größen bereich von 0 bis +/-100 Volt, die geführt durch Information der Potentialstelleinheit (6) und mit dieser getaktet über die Steuer einheit Messen (7) sequentiell
- a) ein Hilfspotential und ein Hauptsensorpotential gleichen Vorzeichens zur Messung von Raumpotentialen und der Dichte von Ionen einer Polarität abgibt,
- b) ein Hilfspotential und zwei Hauptsensorpotentiale entge gengesetzten Vorzeichens zur Bestimmung von Raum potential und Ionendichten abgibt,
- c) zwei Hauptsensorpotentiale mit entgegengesetztem Vor zeichen zur Bestimmung von Ionendichten bei bekanntem Raumpotential abgibt,
- d) die als Hilfspotential den halben Wert des Hauptpotentials abgibt,
- e) die Hilfspotentiale mit dem entgegengesetzten Vorzeichen des Raumpotentials abgibt
- f) die ein Hilfspotential mit dem Wert null abgibt,
- g) die gleich große Hauptsensorpotentiale abgibt,
6. erfindungsgemäße Potentialstelleinheit (6) zur Steuerung der Anpassung der Sensorpotentiale und zur Weiterleitung der aktu ellen Spannungswerte an die Berechnungseinheit (4), bedarfs weise versehen mit einer Anzeige der aktuellen Sensorpotentiale und des Raumpotentials und mit einer Vorwahlmöglichkeit der Sensorpotentiale zur Festlegung von Messbereichen sowie einer Spannungsvergleichseinheit, selbst angesteuert
- a) durch die Steuereinheit Messen (7) zur Taktung der Messsequenzen,
- b) durch die Stromvergleichseinheit (3) bei Auftreten unzu lässiger Sensorströme,
- c) durch die eigene Spannungsvergleichseinheit beim Ver gleich des in der Berechnungseinheit (4) ermittelten Raumpotentials mit dem aktuellen Sensorpotential zur Überprüfung der Einhaltung des vorgewählten Messberei ches,
- d) durch die eigene Spannungsvergleichseinheit beim Ver gleich des Vorzeichens des Raumpotentials mit dem Vor zeichen des Hilfspotentials und zur Umschaltung auf das entgegengesetzte Vorzeichen des Raumpotentials,
7. erfindungsgemäße "Steuereinheit Messen", programmiert mit vorgegebenen Messabfolgen, zur Steuerung des jeweils ausge wählten Messprogramms durch direkte Taktung
- a) der Sensorströme in der Stromerfassungseinheit (2),
- b) der Stromvergleichseinheit (3),
- c) der Berechnungseinheit (4),
- d) der Sensorpotentiale über die Potentialstelleinheit (6) und Potentialquelle (5),
- e) der Auswerteeinheit (11), und durch indirekte Taktung über die Steuereinheit Überwachen (8)
- f) des Überwachungsschalters (9) und
- g) der kapazitiven Messbrücke (10),
8. Steuereinheit Überwachen mit bekannten Funktionen wie z. B. Kontrolle der Stromdrift in der Aufwärmphase sowie im Betrieb und mit zusätzlichen erfindungsgemäßen Funktionen wie
- a) die Überwachung der Einhaltung der zulässigen Wertebe reiche am Ausgang der Strombewertungseinheit (3) für die Dauer der Anpassung der Sensorpotentiale bei unzu lässigen Sensorströmen,
- b) die Identifikation unterschiedlicher Sensorköpfe über die kapazitive Messbrücke (10),
- c) die Überwachung der ungestörten Funktion des offenen Sensors (1) über die kapazitive Messbrücke (10) im Messbetrieb,
wobei im Betriebsmodus Überwachen die Auswertung von Messgrößen in der Berechnungseinheit (8) unterbrochen ist und kritische Messwerte als Fehlerprotokoll anstelle der Messgrößen an die Übergabeeinheit (11) weitergeleitet werden,
9. Schalter Überwachen (9), zugeordnet der Steuereinheit Überwa chen (8), hier dargestellt mit den Funktionen
- a) Überwachen der störungsfreien Funktion des Sensors (1) oder dessen Identifikation,
- b) Erfassen des Driftanteils zur entsprechenden Kompensa tion der Sensorströme,
- c) Messung der Sensorströme zur Anpassung an den zuläs sigen Wertebereich,
wobei in der Grundstellung (c) auch die Messung der Sensor ströme im über die Steuereinheit Messen (7) gesteuerten Mess betrieb erfolgt,
10. kapazitive Messbrücke (10), versehen mit einer Vergleichseinheit von Kapazitäten und mit einem Speicher für aktuelle sowie vor gegebene feste Kapazitäts-Werte der unterschiedlichen Sensor köpfe zur
- a) erfindungsgemäßen Überwachung der Funktion des offe nen "Sensors" (1) in ständiger Funktion mit Grenzwert meldung indirekt gesteuert von der Steuereinheit Messen (7) oder innerhalb des Überwachungszyklus direkt durch die Steuereinheit Überwachen (8) mit Umschaltung im Falle von Störungen auf die Betriebsfunktion der Steuer einheit Überwachen (8),
- b) erfindungsgemäßen Identifizierung der Sensorköpfe (1) und Weiterleitung der für die Auswertung gültigen Mess größen wie Kapazität C oder effektiver Radius R an den Speicher der Berechnungseinheit (8),
11. Ausgabeeinheit (11) zur Anzeige und/oder zur Weiterleitung der Messergebnisse über eine Schnittstelle z. B. an einen Zentral rechner,
12. Grenzwertmelder (12) für die Messgrößen,
13. Eingabeeinheit z. B. für die Geschwindigkeit des Gases in der Umgebung des Sensors (1) zur Weiterleitung an den Speicher der Berechnungseinheit (8).

Vorteile der Potentialsonde gegenüber dem Stand der Technik

Vor dem Hintergrund der vorliegenden Untersuchungen könnte auch der CPM als Sonde zur Bestimmung von Raumpotentialen und Ionen dichten angesehen werden. Die Bestimmung des Potentials würde im Vergleich zum amperometrischen Verfahren der erfindungsgemäßen Sonde nach einer potentiostatischen Methode erfolgen, die zu abwei chenden Ergebnissen der Bewertung der Raumpotentiale führt. Dage gen verhalten sich, wie in Abb. 3 und 4 gezeigt, bis auf einen unbe kannten Faktor die reziproken Abklingzeiten wie die mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren bestimmten Ionendichten, Hier handelt es sich offenbar um vergleichbare Verfahren zur Bewertung von Ionen dichten. Ein Einfluss des Raumpotentials auf die reziproken Abkling zeiten wie auf die Sensorströme in Abb. 2 und 3 liegt deshalb nicht vor, weil die den Hauptsensorpotentialen entsprechenden Potentiale am CPM etwa 30 mal größer sind als die sehr viel niedrigeren Sondenpo tentiale.

Die Verwendung unterschiedlicher Verfahren zur Bestimmung von Raumpotentialen und Ionendichten im CPM hat den Nachteil, dass durch die unterschiedlichen Sensorpotentiale für die beiden Größen Raumpotential und Ionendichte unterschiedliche Wirkungsquerschnitte zur Bewertung der Ergebnisse herangezogen werden. Dadurch sind keine vergleichbaren Volumina der Messproben für die beiden Größen bei der Messung mit dem CPM vorgegeben. Entsprechend werden um Größenordnungen verschiedene Querschnitte zur Bewertung der Messgrößen herangezogen. Auch können für die Ionendichten durch die Abklingzeiten nur durch eine Normenkonvention beschriebene Kennzahlen angegeben werden, da eine physikalische Beschreibung wie z. B. die erweiterte Riecke-Formel nicht zur Verfügung steht. Die erfindungsgemäße Sonde hat damit die folgenden Vorteile:

- Raumpotential und Ionendichten werden in einem einheitlichen, physikalisch beschriebenen Verfahren mit vergleichbarer räumli cher Auflösung der Messergebnisse bestimmt.
- Ionendichten können als universell definierte physikalische Grö ßen angegeben werden.
- Die Sonde wertet ihren von den Messbedingungen abhängigen Wirkungsquerschnitt unter aktuellen Gegebenheiten aus.
- Die räumliche Auflösung der Messung von Ionendichten, be wertet als Wirkungsquerschnitt der Sonde, beträgt unter den be schriebenen Messbedingungen bei vergleichbarer Empfindlich keit nach einer Abschätzung durch Gleichung (2) etwa 15-30 cm² und ist damit bei Bewertung der Fläche etwa um den Faktor 350 oder bei Bewertung des Durchmessers um etwa den Faktor 20 kleiner als beim CPM.
- Die räumliche Auflösung der Messung von Raumpotentialen, bewertet als Wirkungsquerschnitt der Sonde, ist unter den be schriebenen Messbedingungen bei vergleichbarer Empfindlich keit durch Anwendung gleicher Verfahren identisch der der Io nendichten und nach einer Abschätzung durch Gleichung (2) et wa um den Faktor 7-15 bei Bewertung der Fläche oder etwa um den Faktor 2,5-4 bei Bewertung des Durchmessers kleiner als beim des CPM.
- Im gleichen Verhältnis erniedrigen sich die räumlichen Bereiche, in denen das Potential des offenen Sensors störend auf Pro dukte einwirken kann.
- Dieses geringe Störpotential, die kleinen Abmessungen und die automatische Überwachungsfunktion des offenen Sensors er lauben im Gegensatz zum CPM die Verwendung der Sonde zur automatisierten und computergestützten elektrostatischen Über wachung von Produktionsprozessen ohne Störung der elek trostatischen Gegebenheiten.
- Die gleichen Eigenschaften erlauben die Verwendung der Sonde in "Minienvironments" und in geschlossenen Prozesskammern.
- Die Sonde und der CPM bewerten Ionendichten unter vergleich baren Messbedingungen bis auf einen Kalibrierfaktor gleich. Deshalb kann die Sonde nach entsprechender Kalibrierung dem CPM analoge Abklingzeiten berechnen und ausgeben und so der Anschluss an die bestehende Normenkonvention hergestellt werden.
- Die Messergebnisse sind weitgehend unabhängig von der Ge schwindigkeit der ebenen Gasströmung.

Nach dem Anspruch der deutschen Patentschrift DE 42 31 905 C2 handelt es sich dort um eine Sonde zur Bestimmung von Ionendichten. Wie durch Messungen hier belegt, führt die dargelegte Lehre zum Handeln mit festen Sensorpotentialen und ohne Beachtung der vorherrschenden Raumpotentiale nicht zum Ziel. Zulässige Werte bereiche für die Sensorströme oder Definitionsbereiche werden nicht eingehalten und zudem Sensorströme falsch ausgewertet. Nur in dem Sonderfall des Potentialgleichgewichtes, bei dem das Raumpotential gerade den Wert null annimmt, treten die beiden genannten Nachteile nicht auf. Nur in diesem Fall nehmen die einfache Riecke-Formel und die erweiterte Riecke-Formel die gleiche Gestalt an, wie ein Vergleich von Gleichung (5) mit Gleichung (1) zeigt. Dem hier offenbarten Wissen folgend, kann man sich dieser Einschränkung dadurch entziehen, dass man die Sensorpotentiale mit einem Faktor 30-100 im Verhältnis zu den Raumpotentialen so groß wählt, dass der Einfluss auf die Sondenströ me in Gleichung (5) verschwindet. Unter den Gegebenheiten des in Abb. 2 dargestellten Experimentes mit unzulässigen Sensorströmen bei Raumpotentialen bis zu 40 Volt müssten dazu Sensorspannungen von über 1000 Volt aufgeprägt werden, die den Vorteil kleiner Wir kungsquerschnitte und hoher Auflösung kleiner Raumpotentiale bei ge ringer Störung der Umgebung zunichte machen würden. Im übrigen fordert zwar der Hauptanspruch eine Sensorstrommessung bei festem Sensorpotential null, die Beschreibung bleibt aber die Verarbeitung des gemessenen Sensorstromes zu einem Messergebnis schuldig. Die er findungsgemäße Sonde hat damit gegenüber der deutschen Patent schrift die folgenden Vorteile:

- Das Verfahren erlaubt die Bestimmung von Raumpotentialen.
- Das Verfahren erlaubt durch Anwendungen von Sensorpoten tialen in der Größenordnung der Raumpotentiale die Einhaltung kleiner Wirkungsquerschnitte.
- Das Verfahren der Auswertung von Ionendichten berücksichtigt die Wirkung der Raumpotentiale auf die Ionenströme und ist deshalb ohne Einschränkung auf Sonderfälle anwendbar.
- Die Vorrichtung erlaubt mittels veränderlicher Sensorpotentiale die Einhaltung von Definitionsbereichen und Messbereichen für die Sensorströme, die von dem jeweils vorherrschenden Raum potential abhängig sind.
- Die Empfindlichkeit der Sonde oder ihre räumliche Auflösung können durch
- Anwendung anderer Sensordimensionen,
- anderer Sensorpotentiale und
- der Anwendung der erfindungsgemäßen Halbpotential methode mit begrenztem Messbereich gegenüber den dargestellten Messergebnissen noch um mehr als eine Zehnerpotenz verbessert werden, wobei allein die Halb potentialmethode einen Faktor von mehr als fünf erwarten lässt.
- Die örtliche Auflösung der Sonde, die von veränderlichen Mess bedingungen abhängt, kann aktuell als Wirkungsquerschnitt ausgewertet werden.
- Die ungestörte Funktion der offenen Potentialsonde kann auto matisch überwacht werden.
- Das Verfahren ist nicht auf die Verwendung einer Kugel als Sen sorkopf begrenzt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer elektrostati schen Zustandsgröße in Ionen enthaltenden strömenden Gasen unter Verwendung einer amperometrischen Sonde, bei dem ein Sensor in die Gasströmung eingebracht wird, dem ein erstes Potential aufgeprägt wird und ein durch Aufnahme von Ionen hervorgerufener erster Sensorstrom gemessen wird und dem ein zweites Potential aufgeprägt wird und ein zweiter Sensorstrom gemessen wird, wobei das zweite Potential so eingestellt wird, daß das Vorzeichen des zweiten Sensorstromes gleich dem des ersten Sensorstromes ist, worauf aus den zwei Potentialen und den zwei Sensorströmen das Raumpotential als elektrosta tische Zustandsgröße bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Sensorstrom bei einem dem Sensor aufgeprägten dritten Potential gemessen wird, wobei das dritte Sensorpo tential so eingestellt wird, daß der dritte Sensorstrom im Vergleich zum ersten und zweiten Sensorstrom das entgegenge setzte Vorzeichen hat und daß aus dem Raumpotential oder dem ersten Sensorpotential mit dem zugeordneten Sensorstrom und aus den zweiten und dritten Sensorpotentialen und Sensorströ men die Dichten der positiven und negativen Ionen als weitere elektrostatische Zustandsgrößen berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das zweite Sensorpotential in der Art ange paßt wird, dass der zweite Sensorstrom dem Betrage nach grö ßer ist als der erste Sensorstrom.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Vorzeichen und gegebenenfalls der Be trag des jeweiligen Sensorstroms festgestellt werden und daß das jeweilige Potential geändert wird, bis der jeweils geän derte Sensorstrom die Vorzeichenbedingungen erfüllt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das dem Sensor aufgeprägte dritte Potential so gewählt wird, daß es ein zu dem Vorzeichen des zweiten Po tentials entgegengesetztes Vorzeichen aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Bestimmung der Ionen dichten das zweite und dritte Potential, auf das Erdpotential bezogen, dem Betrage nach gleich gewählt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Bestimmung des Raum potentials und/oder der Ionendichte das erste Potential auf das Erdpotential bezogen zu 0 V gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Bestimmung des Raum potentials und/oder der Ionendichte als zweites Potential der doppelte Wert des auf Erdpotential bezogenen ersten Potenti als gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das erste Potential auf Erdpotential bezo gen zu 0 V eingestellt und der erste Sensorstrom gemessen wird und daß dann das erste Sensorpotential so verändert wird, bis der erste Sensorstrom den Wert null annimmt, wobei der veränderte Wert des Sensorpotentials dem Raumpotential entspricht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Bestimmung der Ionendichten zwei Poten tiale, vorzugsweise gleichen Betrags, mit unterschiedlichen Vorzeichen aufgeprägt werden und die Sensorströme gemessen werden, die zusammen mit dem Raumpotential zur Bestimmung herangezogen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kapazität des freiliegenden Sensors im freien Raum gemessen wird und unter Verwendung der Dielektri zitätskonstante der effektive Radius des Sensors bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wirkungsquerschnitt F⁺ bzw. F^- des Sen sors für positive bzw. negative Ionen bei bekannter Strö mungsgeschwindigkeit v des Gases bestimmt wird zu
wobei U_r das Raumpotential, R der effektive Radius des Sen sors, k⁺, k^- die Beweglichkeit der positiven, negativen Ionen und U^- das relativ gesehen niedrigere bzw. ein auf Erdpoten tial bezogen negatives, U⁺ das relativ gesehen größere bzw. ein auf Erdpotential bezogen positives Sensorpotential ist.

13. Einrichtung zur Bestimmung mindestens einer elektrosta tischen Zustandsgröße in Ionen enthaltenden strömenden Gasen mit einem dreidimensionalen freiliegenden Sensor (1), einer Potentialeinstellvorrichtung (5, 6) zum Aufprägen von Poten tialen auf den Sensor (1), einer Stromerfassungsvorrichtung (2) zum Erfassen von durch Aufnahme von Ionen bei den ange legten Potentialen hervorgerufenen Sensorströmen, einer Strombewertungsvorrichtung (3) zur Erfassung des Betrages und des Vorzeichens der Sensorströme und zur Überwachung von Gül tigkeitsbereichen für die Sensorströme und mit einer Berech nungsvorrichtung (4) zum Bestimmen des Raumpotentials und/oder der Ionendichten aus den aufgeprägten Potentialen und gemessenen Sensorströmen als mindestens einer elektrosta tischen Zustandsgröße.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialeinstellvorrichtung mit einer Steuervorrich tung (7) zum Steuern von Meßsequenzen für die Bestimmung der mindestens einen elektrostatischen Zustandsgröße verbunden ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialeinstellvorrichtung (5, 6) eingerichtet ist, zur Messung des Raumpotentials und/oder der Ionendichte sequentiell ein erstes Potential und dann ein zweites Potential zum Aufprägen auf den Sensor zu liefern, wobei die Strombewertungsvorrichtung eingerichtet ist, die Vorzeichen des ersten und des zweiten Sensorstroms zu er fassen und zu vergleichen und bei Nichtübereinstimmung der Vorzeichen ein Signal zum Ändern des zweiten Potentials an die Potentialeinstellvorrichtung abzugeben, bis das Vorzei chen des zweiten Sensorstroms dem des ersten Sensorstroms entspricht.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsvorrichtung (4) eingerich tet ist, das Raumpotential abhängig von dem ersten und zwei ten Potential und dem ersten und zweiten Sensorstrom zu be stimmen.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombewertungsvorrichtung (3) einge richtet ist, den Betrag der beiden erfaßten Sensorströme zu vergleichen.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialeinstellvorrichtung (5, 6) eingerichtet ist, abhängig vom Ergebnis des Stromvergleichs das zweite Sensor potential in der Art zu verändern, daß der Betrag des zweiten Sensorstroms größer als der des ersten Sensorstroms ist.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialeinstellvorrichtung (5, 6) eingerichtet ist, ein drittes Potential zum Aufprägen auf den Sensor zu liefern, wobei die Strombewertungsvorrichtung (3) eingerichtet ist, den erfaßten dritten Sensorstrom hinsicht lich des Vorzeichens zu überprüfen und gegebenenfalls ein Signal zur Änderung des dritten Potentials an die Potential einstellvorrichtung (5, 6) zu liefern, bis der dritte Sen sorstrom die Vorzeichenbedingung erfüllt, wobei die Berech nungsvorrichtung (4) eingerichtet ist, abhängig von den drei Sensorpotentialen und den drei Sensorströmen die Ionendichten zu bestimmen.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombewertungsvorrichtung (3) eingerichtet ist, die Einhaltung der Vorzeichenbedingung des dritten Sensorstroms in der Art zu überprüfen, daß das Vorzeichen des dritten Sen sorstroms dem Vorzeichen des ersten und zweiten Sensorstroms entgegengesetzt ist.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombewertungsvorrichtung (3) einge richtet ist, derart auf die Potentialeinstellvorrichtung (5, 6) einzuwirken, daß der gemessene Sensorstrom bei gegenüber Erdpotential negativem aufgeprägten Potential positiv und bei gegenüber Erdpotential positivem aufgeprägten Potential negativ ist.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung (10) zur Messung der Kapazität des Sensors vorgesehen ist.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsvorrichtung (4) eingerichtet ist, einen effektiven Radius entsprechend R = C/4πε₀ aus der Kapazität des Sensors zu bestimmen.

24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Sensoren (1) unter schiedlicher Formen zur Auswahl vorgesehen ist, daß die Meß vorrichtung zur Messung der Kapazität eine Speichereinheit zum Speichern der Kapazitäten der Mehrzahl von Sensoren um faßt und zur Erkennung der Art des Sensors die Meßvorrichtung die gemessene Kapazität mit den gespeicherten Kapazitäten vergleicht.

25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messvorrichtung (10) mit einer Kapa zitätsvergleichseinheit vorgesehen ist, die über die Kapazi tät des Sensors die fehlerfreie Funktion des Sensors im lau fenden Betrieb überwacht.

26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor kugelförmig, punktförmig, ellipsoid, polyederförmig oder plattenförmig ausgebildet ist.

27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialeinstellvorrichtung (5, 6) mit einer Spannungsvergleichseinheit ausgerüstet ist, um un abhängig von der Überwachung der Vorzeichenbedingungen von Sensorströmen durch die Strombewertungsvorrichtung (3) die Einhaltung von günstigen Messbereichen zu überwachen und durch Vergleich des durch die Berechnungsvorrichtung (4) be stimmten Raumpotentials mit den jeweils anliegenden Sensorpo tentialen eine entsprechende Anpassung der Sensorpotentiale zu steuern.