DE2014747B2

DE2014747B2 - Verfahren und Einrichtung zur Massendurchflußmessung eines durch eine Leitung strömenden Gases

Info

Publication number: DE2014747B2
Application number: DE2014747A
Authority: DE
Inventors: Thomas John Stirrat Hamilton Lanarkshire Brain (Grossbritannien)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1970-03-26
Publication date: 1979-05-17
Also published as: US3688106A; DE2014747A1; DE2014747C3; GB1300555A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Massendurchflußmessung eines durch eine Leitung strömenden Gases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Massendurchfluß eines durch eine Leitung strömenden Gases errechnet sich bekanntermaßen als Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Dichte des strömenden Gases.

Die Messung dieser beiden, den Massendurchfluß ergebenden Faktoren, nämlich Gasströmungsgeschwindigkeit und Gasdichte, jeweils für sich allein mit Hilfe einer Ionisation des Gases ist bereits bekannt.

In der US- PS 26 32 326 ist ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines freien Luftstroms bekannt gemäß welchem das loneneinfangverhalten einer stromab einer im Luftstrom befindlichen lonisationsstelle gelegenen ersten loneneinfangstelle periodisch verändert und, beispielsweise durch Messung der Phasenverschiebung, die Zeitverzögerung zwischen diesen Veränderungen und dadurch bedingten entsprechenden Änderungen der Menge der an einer stromab der ersten loneneinfa/igstelle gelegenen zweiten loneneinfangstelle eingefangenen Ionen als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.

Aus der DE-AS 12 45 173 ist es bekannt, die Dichte eines in einer Ionisationskammer ionisierten Gases zu messen, indem die Entladezeit einer negativ aufgeladenen Elektrode durch eingefangene positive Ionen als Maß für die pro Zeiteinheit eingefangenen Ionen und folglich für die Gasdichte gemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Massendurchflußmessung einer Gasstramung in einer Leitung mit Hilfe einer Gasionisation zu finden, das bei Verwendung von nur zwei in der Gasleitung angeordneten loneneinfangstellen eine gleichzeitige Messung beider für den Massendurchfluß bestimmter Faktoren, nämlich Gasströmungsgeschwindigkeit und Gasdichte, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensmaßnahmen in Kombination mit den im

Oberbegriff enthaltenen Maßnahmen gelöst

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Ausnützung der zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung dienenden loneneinfangstellen auch zur Gasdichtemessung und somit eine Ermittlung des Massendurchflusses als Produkt der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit und der gemessenen Dichte mit verhältnismäßig geringem apparativem Aufwand.

Eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Einrichtung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mil Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in Form eines Blockschaltbilds eine Einrichtung zur Massendurchflußmessung nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine abgewandelte Elektrodenanordnung einer solchen Einrichtung.

Fig. I zeigt eine in Richtung eines Pfeiles 10 von einem Gas durchströmte Leitung 11. In der Leitung befindet sich eine das hindurchströmende Gas ionisierende lonisationsstelle, die durch ein ringförmig an der Leitungsinnenwand angeordnetes, von einer Metallfolie

13 ummanteltes radioaktives Pulver 12 gebildet ist, bei welchem es sich um das radioaktive Isotop Americium-241 (Alphastrahler) oder das Isotopengemisch Strontium-90/Yttrium-90 (Betastrahler) handeln kann. Stromab der Ionisationsstelle befindet sich eine erste loneneinfangstelle 14, die eine koaxial in der Leitung angeordnete Stabelektrode 15 und eine durch einen Leitungswandteil, der durch Isolationen 17 und 18 von der übrigen Leitungswand isoliert ist, gebildete Elektrode 16 aufweist.

Stromab dieser ersten loneneinfangstelle 14 ist eine zweite, ähnlich ausgebildete loneneinfangstelle 19 mit einer Stabelektrode 20 und einer durch einen isolierten Leitungswandteil gebildeten Elektrode 21 angeordnet.

An die Elektroden 15 und 16 der ersten loneneinfangstelle ist ein Impulsoszillator 22 angeschlossen, der eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von etwa 100 Hz erzeugt. Jeweils während des Anliegens eines Spannungsimpulses werden Ionen an der loneneinfangstelle

14 eingefangen, während in den Impulszwischenräumen, während welcher keine Spannung zv, ischen den beiden Elektroden 15 und 16 anliegt, keine Ionen an der loneneinfangstelle 14 eingefangen werden.

Zwischen die beiden Elektroden 20 und 21 der zweiten Ioneneinfangsteüe 19 sind in Reihe miteinander ein Detektor 24, ein Gleichstrommeßgerät 27 und eine Batterie 28 geschaltet, welch letztere eine Spannung von etwa 120 V an die Elektroden anlegt.

Der Detektor 24 enthält einen mit der Batterie 28 in Reihe geschalteter· Widerstand und einen Triggerschaltkreis, der auf Änderungen des Spannungsabfalls an dem Widerstand anspricht.

Durch die Anstiegsflanke jedes vom Impulsoszillator 22 an die Elektroden 15 und 16 der ersten loneneinfangstelle 14 angelegten Impulses wird ein Flipflop 23 gesetzt. Dieses Flipflop 23 wird jedesmal, wenn sich infolge eines Abfalls der Menge der an der zweiten loneneinfangstelle 19 eingefangenen Ionen der Spannungsabfall an dem im Detektor 24 enthaltenen Widerstand ändert, durch den Detektor 24 rückgestellL Der die Rückstellung des Flipflops 23 auslösende Abfall der an der zweiten loneneinfangstelle 19 eingefangenen lonenmenge ergibt sich jeweils als Folge des mit der Ansiiegsflanke jedes vom Impulsoszillator 22 an die Elektroden 15 und 16 angelegten Spannungsimpulses einsetzenden Ioneneinfangs an der ersten loneneinfang-

H) stelle 14. Die jeweilige Zeitspanne zwischen dem Setzen und dem Rückstellen des Flipflops 23 ist demzufolge ein Maß für die Gasströmungsgeschwindigkeit Die Ausgangsimpulse des Flipflops 23 werden über einen Glättungsschaltkreis 25 einem Gleichspannungsmesser

ii 26 zugeführt, der die Strömungsgeschwindigkeit anzeigt

Die Anzahl der jeweils von der Elektrode 20 der zweiten loneneinfangstelle 19 aufgefangenen Ionen läßt sich aus einer Messung des Batteriestromes mittels des

»o Gleichstrornmeßgeräts 27 ermitteln und hängt von der Strahlungsstärke der lonisationsstel.'c. und dem lonisationsquerschnitt des Gases ab, die bei einer gegebenen Meßanordnung und einem gegebenen Gas Konstanten sind. Weiter hängt die Anzahl der aufgefangenen fönen

2S von der jeweiligen Gasdichte ab und ist innerhalb eines bestimmen Strömungsgeschwindigkeitsbereiches von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig. Der vom Gleichstrommeßgerät 27 angezeigte Strom stellt damit ein Maß für die jeweilige Gasdichte in der Leitung dar.

ίο Das vom Glättungsschaltkreis 25 kommende, die Gasströmungsgeschwindigkeit darstellende Signal und das die Gasdichte darstellende Signal werden in einer Multiplikationsschaltung 29 multipliziert, wobei man als Produkt ein den jeweiligen Massendurchfluß darstellendes Signal erhält, das beispielsweise mittels eines Wattmeters angezeigt werden kann.

Der durch das Gleichstrommeßgerät 27 fließende Strom ist zwar ein pulsierender Strom, jedoch erhält man unter der Voraussetzung, daß die Ansprechzeit

ίο dieses Meßgeräts und die Ansprechzeit der Multiplikationsschaltung 29 klein im Vergleich zur Impulsfrequenz des fmpulsoszillators 22 ist, durch Mittelwertbildung eine stetige Anzeige der Gasdichte und des Massendurchflusses.

4-5 Die in F i g. 1 gezeigte Elektrodenanordnung kann auch durch eine Elektrodenanordnung der in Fig.2 gezeigten Art ersetzt werden, die den Vorteil hat, daß die Gasströmung nicht durch die Elektroden gestört wird.

^r>o Gemäß F i g. 2 sind die in F i g. I gezeigten Elektroden 15 und 16 durch Metallblechelektroden 31 und 32 ersetzt, und die in F i g. 1 gezeigten Elektroden 20 und 21 sind durch gleichartige, jedoch etwas größere Mjtaliulechelektroden 33 und 34 ersetzt. Die Elektre-

■ ι denanordnung befindet sich in einer isolierenden Auskleidung 35 der Leitung II. Die Elektrode 31 ist mit dem Signalausgang und die Elektrode 32 mit dem Massenanschluß des Impulsoszillators 22 verbunden, und die Elektrode 31 ist an den Pluspol der Batterie 28

μ) und die Elektrode 34 an das Gleichstrommeßgerät 27 angeschlossen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Massendurchflußmessung eines durch eine Leitung strömenden Gases, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des an einer Stelle der Leitung ionisierten Gases gemessen wird, indem das loneneinfangverhalten einer stromab der lonisationsstelle gelegenen ersten loneneinfangstelle in Intervallen verändert und die Zeitverzögerung zwischen diesen Veränderungen und dadurch bedingten entsprechenden Änderungen der Menge der an einer stromab der ersten loneneinfangstelle gelegenen zweiten loneneinfangstelle eingefangenen Ionen ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig an einer der beiden loiieneinfangstellen durch Anlegen einer elektrischen Vorspannung und Ermittlung des sich ergebenden Ionenstroms die Dichte des strömenden Gases als zweiter Faktor des Massendurchflusses gemessen wiH.

2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer in der das Gas führenden Leitung angeordneten Ionisationseinrichtung und zwei stromab davon mit gegenseitigem Abstand angeordneten Ionenauffangelektroden, weiter mit einer Schaltung zur Erzeugung von in Intervallen erfolgenden Änderungen des ionenauffangverhaltens der stromaufwärtigen Elektrode und mit einer MeBschaltung zur Messung der Zeitverzögerung zwischen den Änderungen des lonenauffangverhaltens der stromaufwärtigen Elektrode und den dadurch bedingten Änderungen der Menge der von der stromabwärtigen Elektrode jeweils aufgefangenen Ionen, gekennzeichnet durch eine Vorspannungsquelle (28) zum Anlegen *> ner elektrischen Vorspannung an eine der beiden Elektroden (15,20), weiter durch eine MeBschaltung (27) zur Messung des von dieser Elektrode (20) aufgenommenen lonenstromes, und durch eine Multiplikationsschaltung (29), welche das Ausgangssignal der die Zeitverzögerung ermittelnden MeBschaltung (23,24, 2S) und das Ausgangssignal der den lonenstrom ermittelnden MeBschaltung (27) zwecks Bildung eines den jeweiligen MassendurchfluB des Gases darstellenden Signals miteinander multipliziert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lonisationsquelle (12) eine das Isotop Americium-241 oder das Isotopengemisch Strontium-90/Yttrium-90 enthaltende radioaktive Strahlungsquelle ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenauffangelektroden jeweils als in der Mitte der das Gas führenden Leitung (11) angeordnete Stabelektroden (15, 20) ausgebildet und von einer Gegenelektrode (16, 21) umschlossen sind, die einen von der übrigen Leitungswand elektrisch isolierten Leitungswandabschnitt bildet.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenauffangelektroden jeweils als sich an die Leitungswand (II) anschmiegendes und von dieser elektrisch isoliertes ßlech (31, 33), ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der blechförmigen Ionenauffangelektroden (31,33) innerhalb einer Aussparung einer ebenfalls in Form eines sich an die Leitungswand anschmiegenden und von dieser elektrisch isolierten Bleches ausgebildeten Gegenelektrode (32, 34) angeordnet ist

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schal-

ί tung (22) zur periodischen Änderung des Ionenauffangverhaltens der stromaufwärtigen Elektrode (15) eine Impulsquelle ist, die eine Rechteckspannung an diese Elektrode anlegt

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 7, id dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (23, 24, 25) zur Ermittlung der genannten Zeitverzögerung einen Detektor (24) enthält, der das Auftreten von Änderungen der von der stromabwärtigen Elektrode (20) eingefangenen Ionen feststellt und in

ι > Abhängigkeit davon einen bistabilen Schaltkreis (23) triggert welch letzterer außerdem von der Schaltung (22) zur periodischen Änderung des loneneinfangverhaltens der stromaufwärtigen Elektrode (15) angesteuert wird.

2Ii

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (23, 24. 25) zur Ermittlung der genannten Zeitverzögerung einen dem Ausgang des bistabilen Schaltkreises (23) nachgeschalteten Glättungsschaltkreis (25) aufweist