DE2122304C3 - Ionisationsmeßgerät zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases - Google Patents

Description

über.

Um das Verständnis der theoretischen Zusammenhänge zu erleichtern, ist dieses bekannte Meßgerät in der F i g. 1 dargestellt, wobei die darin eingetragenen Bezeichnungen im folgenden verwendet sind.

Durch das in y-Richtung strömende Gas wird der Ionenstrahl seitlich abgelenkt Die Verschiebung des Auftreffmittelpunkts des Ionenstromes ist dabei proportional zur Gasströmungsgeichwindigkeit v. Es kommt also darauf an, die y-Koordinate des versetzten Auftreffmittelpunktes zu bestimmen. Dies ist der Punkt, in dem man sich den gesamten Ionenstrom als punktförmig auftreffend vorstellen kann. Für die y-Koordinate dieses Strommittelpunktes y_c gilt folgende Gleichung:

+ L

J y ■

y)

wobei

= Ji(y)dy

der Gesamtstrom und i(y) der zwischen y und y+ dy auf den Kollektor auftreffende Stromanteil ist.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend niedrig ist, so daß die Verschiebung des lonenstromes im Bereich der Kollektorplatten sehr gering ist, so ist der Potentialunterschied praktisch proportional der Verschiebung und bildet daher ein Maß für die Geschwindigkeit.

Leider ist die Beziehung zwischen der Verschiebung und der Potentialdifferenz nicht mehr linear, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases nicht mehr klein ist, insbesondere dann, wenn sie so hoch ist, daß fast alle Ionen des lonenstromes auf nur eine der beiden Kollektorplatten auftreffen.

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, kann die Versetzung des lonenstromes gegenüber dem Kollektor kompensiert werden, wie aus US-PS 34 70 741, Fig. 1 und 5, bekannt.

Dabei wird die von dem Gasstrom verursachte Versetzung des lonenstromes gegenüber dem Kollektor mechanisch oder elektromagnetisch so kompensiert, daß die auf den beiden Platten aufgefangenen Ströme wieder gleich groß sind und damit der von dem Voltmeter angezeigte Potentialunterschied zwischen den beiden Platten verschwunden ist. Die der Ionenquelle zu erteilende Verschiebung zur Wiederherstellung der Gleichheit der aufgefangenen Ströme ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Gases.

Durch diese Kompensation der Verschiebung des lonenstroms gewinnt man zwar einen um einen Faktor 10 größeren Geschwindigkeitsbereich, in dem der besagte Zusammenhang linear ist, derartige Meßgeräte sind aber sehr kompliziert, daher auch kostspielig und wenig zuverlässig. Andererseits besteht die Gefahr, daß die elektromechanischen oder elektromagnetischen Zusatzeinrichtungen, die zur Beseitigung der Versetzung dienen, die Gasströmung stören. Schließlich können bei Vervendffng von elektromechanischen Hilfseinrichtungen wegen der ihnen eigenen Trägheit mit dem Meßgerät ve r.nderliche Geschwindigkeiten nur gemessen werden, wenn diese Änderungen relativ langsam verlaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das

beschriebene bekannte lonisationsmeßgerät unter Bei-

-. behaltung seines einfachen Aufbaues so zu verbessern, daß eine lineare Anzeige auch bei größerweidenden Gasgeschwindigkeiten erreicht wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Trennspalt zwischen beiden Kollektorteilen die durch eine senkrechte Projektion der Ionenquelle auf den Kollektorflächen definierte Kurve mindestens einmal schneidet und so verläuft, daß die jeweils in x— z-Ebenen gemessene Gesamtlänge aller Flächenanteile des einen Kollektorteils in y-Richtung fortschreitend zunimmt, während die Gesamtlänge aller Flächenanteile des anderen Kollektorteils in gleichem Maße abnimmt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, die folgendes darstellen:

F i g. 1 ein lonisationsmeßgerät nach dem Stand der Technik;

F ä g. 2 ein erstes Ausführungsbeispis! des erfindungsgemäßen Ionisationsmeßgeräts;

F i g. 3 u. 4 andere Ausbildungen von Doppelkollektoren, die den Kollektor nach F i g. 2 ersetzen können;

Fig.5 ein abweichend von der Ausführung nach F i g. 2 ausgebildetes Ionisationsmeßgerät;

F i g. 6 eine weitere Ausgestaltung des Doppelkollektors;

jo F i g. 7 eine perspektivische Darsteilung eines koaxial aufgebauten Ionisationsmeßgerätes mit einem Doppelkollektor nach F i g. 3, jedoch als Zylinder ausgeführt, und

F i g. 8 eine weitere Ausbildung eines Meßgerätes mit

koaxialem Aufbau, mit Doppelkillektor nach F i g. 6, jedoch in zylindrischer Ausführung.

Bei dem Doppelkollektor des bekannten Meßgerätes, das in F i g. 1 gezeichnet ist, ist die Ionenquelle als Draht I ausgeführt, der aus einer Stromversorgung 2 gespeist wird und der Kollektor besteht aus zwei Platten 3 und 4, die durch einen Spalt 5 voneinander getrennt sind. Die zu messende Gasgeschwindigkeit verläuft gemäß Oy und der Spalt in Richtung Ox. Die beiden Platten 3 und 4 sind über Widerstände 6 und 7 an Masse gelegt, und ein Voltmeter 8 ist an die beiden Platten angeschlossen. Die Platte 3 hat die Form eines Rechtecks und deckt einen anderen Bereich der Koordinate y ab, als die andere, ebenfalls rechteckige Platte 4. Der Spalt 5 sei z. B. bei der Geraden y — 0 angeordnet. Demgegenüber sind beim Gerät nach F i g. 2 beide Platten 9 und 10 gegeneinander verschränkt, wobei jede der Platten beiderseits der Geraden y = 0 liegt, die mit der Projektion der linearen Ionenquelle auf die Ebene x—y zusammenfällt Bei einer besonders einfachen Ausführungsl'orm der Erfindung besitzen die beiden Platten 9 und 10 die Gestalt eines Dreiecks. Der die beiden Platten voneinander trennende Spalt U liegt zentrisch auf der Geraden mit der Gleichung x=(X/L)y, die Längf des Kollektors in der Richtung Ox ist 2X und

bo seine Breite in d-τ Richtung Oy ist 2L, wie bei der Ausführung nach Fig. 1.

Um die Arbeitsweise eines Meßgerätes mit einem derartigen Kollektor verstehen zu können, wird zunächst angenommen, daß der von dem Draht der

M Ionenquelle ausgesandte lonenstrom gleichmäßig über die Länge der Quelle verteilt ist, das heißt, gleichmäßig bezüglich χ im Bereich - X< x< + X. /, sei der von der einen Platte und /> der von der anderen Platte

aufgefangene Strom, und zwar seien das die vordere bzw. die hintere Platte aus F i g. 2. i\(y) · Ay bzw. ii(y) ■ Ay seien die Anteile von I₁ bzw. />, die zwischen den Grenzen >..nd y+dy aufgefangen werden.

Da die Anteile proportional der Länge jeder Platte in der Richtung 0*bei diesem speziellen Wert ysind, ergibt sich

(31

- ν L

Hy)

Durch Integration über y zwischen den Grenzen - L 1 -, und + L ergibt sich:

(4)

wo \\. durch die Gleichung (1) gegeben ist. Daraus folgt:

. U-h = I Yr L .

Man sieht, daß für einen gegebenen Gesamtstrom die Differenz zwischen den auf den beiden Platten aufgefangenen Strömen proportional der Größe y_c ist. Daraus ist zu folgern, daß bei Anordnung nach Fig. 2 die Größe y_c und daraus die Größe der Strömungsgeschwindigkeit des Gases gut gemessen werden kann.

Um auch den Einfluß einer gewissen Ungleichförmigkeit der Verteilung des Ionenstromes längs der Quelle zu kompensieren, kann der Kollektor 9, 10 nach F i g. 2 durch den Kollektor 13,14 nach F i g. 3 ersetzt werden. Bei diesem ist dem Spalt 15 zwischen den beiden Platten die Gestalt einer Folge von Sägezähnen gegeben. Offensichtlich arbeitet ein Meßgerät mit einem derartigen Kollektor in genau derselben Weise wie das Gerät nach Fig.2, ist aber weniger empfindlich gegenüber solchen Ungleichförmigkeiten in der Verteilung des Stromes in der Richtung 0*. sofern das Raster der Ungleichförmigkeiten größer ist als das der Zähne.

Man kann den Zähnen eine andere Form geben als die in Fig.3 gezeichnete Form gleichschenkliger Dreiecke. Man kann beispielsweise Kollektoren 16, 17 verwenden, die durch rechtwinklige Dreiecke begrenzt sind, wie Fig.4 zeigt. Wesentlich ist, daß die Gesamtlänge des Flächenanteils jeder Kollektorplatte 16, 17 in Richtung Or bei einem gegebenen Wert der Koordinate y sich linear in Abhängigkeit von y in dem Bereich —L<y<L ändert. Das ist die Voraussetzung dafür, daß das Meßgerät die Größe y_c richtig bestimmt Der Vorteil der Bestimmung von y_c beruht auf der Voraussetzung, daß diese Größe linear proportional der Fließgeschwindigkeit ist. Nach der der Arbeitsweise des Meßgerätes zugrundeliegenden Theorie trifft das in dem Maße zu, wie das elektrische Feld an der Oberfläche des Kollektors in der Umgebung von y=y_c dasselbe ist wie in den Punkten, in denen y=0. Somit würde jedes Mittel, das zur Folge hätte, das Feld an der Koüektorfläche unabhängig von der Koordinate y zu machen, die Linearität des Meßgerätes verbessern.

Ein derartiges Mittel ist in F i g. 5 angegeben. Dort ist in perspektivischer Darstellung ein Meßgerät gemäß Fig. 2 gezeichnet, jedoch mit einem Kollektor 13, 14 versehen, dessen beide Kollektorplatten wie in Fig. J verschränkt sind. Bei diesem Meßgerät ist oberhalb der lutienquelle ! eine einfache Platte 18 aus Metall (oder einem anderen Leitermaterial) angeordnet, deren Gestalt und Abmessungen vergleichbar, jedoch nicht notwendigerweise genau übereinstimmend mit denen des Kollektoren, 14 sind.

In der Ebene xy bedecken diese Platten 18 und der Kollektor 13, 14 ungefähr den gleichen Bereich. Die Platte 18 wird mit Hilfe der Hochspannungsquelle 2 auf ein Potential gebracht, das nahe gleich oder gleich dem Potential der Ionenquelle 1 ist. Offensichtlich ist nun das Feld an der Fläche des Kollektors 13, 14 viel gleichmäßiger als es beim Fehlen der Platte 18 wäre. Andererseits kann man die Linearität des Meßgerätes verbessern, allerdings um den Preis der Vergrößerung

.'ο 18 und den Kollektor 13, 14 in Richtung der Achse Oy wachsen iSßt.

Eine weitere Möglichkeit, die Nichtlinerarität auszugleichen, liegt darin, das Profil der miteinander verschränkten Teile der Kollektorplatten /u verändern.

_>-> In Fig.6 sind zwei Kollektorplatten 19, 20 gezeichnet, deren Grenzlinie 21 nicht die Gerade nach Fig. 2 sondern eine Kurve ist, die beiderseits dieser Geraden verläuft ■■ id so gewählt ist, daß die Beziehung, die zwischen der Differenz (/i - h) der auf den beiden

in Platten aufgefangenen Ströme und der Fließgeschwindigkeit des Gases besteht, so weit wie möglich linearisiert wird. Die geeignete Form kann sowohl theoretisch wie auch durch passend angesetzte Versuche bestimmt werden. Natürlich kann dieses Prinzip des

j-, Ausgleichs der Nichtlinearität ebenso gut auch bei den komplizierter geformten Kollektoren, etwa bei den Kollektoren nach den F i g. 3 und 4, angewendet werden.

Die vorstehend beschriebenen Anordnungen dienen

in erster Linie zur Überwachung von freien Luftströ-

4(i mungen, d. h. sie stellen Anemometer dar. Nun sollen Durchsatzmesser beschrieben werden, die der Überwachung eines in einer Leitung strömenden Gases dienen.

Nach Fig.7 weist ein solches lonisationsmeUgerät einen Zylinder 22 auf aus Isoliermaterial, der aus zwei Teilen 221 und 222 besteht die ineinandergreifen. In diesen Zylinder sind zwei Kollektorelektroden 23 und 24, die die Innenwand des Zylinders berühren, eingepaßt; die Elektroden stellen eine zylindersymmetrische Abwandlung der ebenen Kollektoren nach den Fig. 2,3,4 oder 6 dar (die Elektroden 23,24 nach F i g. 7 sind von dem ebenen Kollektor nach F i g. 3 abgele'.et). Diese Kollektorelektroden sind voneinander durch einen gezahnten Zwischenraum 25 getrennt, wobei die Zahnprofile Teile einer Schraubenlinie sind. In der Achse des Zylinders 22 verläuft ein Leiterstab 26, in dessen Mitte eine Ionenquelle 27 in Form einer dünnen Kreisscheibe 27 angebracht ist Der Stab 26 wird von radial verlaufenden Armen 28 und 29 aus Isolierstoff an den Enden des Zyiinders gehalten. Ein Arm oder beide

go Arme sind hohl, so daß ein leitender Stab 30 hindurchtreten kann, der Hochspannung an die Ionenquelle führt Die Hochspannung ist an die Anschlüsse 31 gelegt Die radial verlaufenden Arme 28 und 29 sind strömungsgünstig ausgebildet damit sie die Gasströmung nicht stören. An den zylindrischen Elektroden sind in F i g. 7 nicht erkennbare Anschlüsse angebracht die die Entladungsströme ableiten können.
In F i g. 8 sind die beiden Elektroden 32 und 33 eines

Kollektors dargestellt, die z\ !indersymmetrisch aus dem ebenen Kollektor nach F i l'. b abgeleitet sind, wobei vorausgesetzt wurde, daß der ebene Kollektor »zahnförmig« ausgebildet ist. Die Ränder 34 der Zähne sind nicht I "ilc einer Schraubenlinie, sondern sind Kurventeile, die auf den Zylinder gezogen waren und die wie gespielte Kurven verlaufen; die genaue Form wurde durili Versuche festgelegt. Die Zähne des Kollektors brauchen nicht Dreiecksform zu haben, sondern können auch zinnenförmig verlaufen, d. h. ihre Spitzen wären abgeschnitten.

In der vorstehenden Beschreibung ist erörtert worden, wie die verschiedenen Meßgeräte die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases messen, dessen Dichte als konstant angenommen worden war. Nun ist die Bedeutung der Messung für den Fall zu untersuchen, daß die Gasdichte sich ändert. Unter den Arbeitsbedingungen der betrachteten Meßgeräte ist das elektrische Signai, das von dem Kollektor abgegeben wird und das die Bestimmung der Geschwindigkeit erlaubt (Differenzstrom /; - /:), proportional dem Verhältnis der Gasgeschwindigkeit zu den lonengeschwindigkeiten in dem lonenstrom. In einem gegebenen Punkt des Stromes ist die lonengeschwindigkeit proportional dem Produkt aus der Stärke des elektrischen Feldes, das von der an Hochspannung liegenden Ionenquelle erzeugt wird, und der elektrischen Beweglichkeit der Ionen. Bei sonst gleichen Bedingungen ist unter den in diesen Meßgeräten herrschenden Betriebsvcrhaltnissrn die lonenbeweglichkeit umgekehrt proportional der Dichte ρ des Gases; bei einer gegebenen Dichte y ist die Beweglichkeit von der Temperatur unabhängig. Bei sich ändernder Dichte ρ ist infolgedessen das vom Kollektor abgegebene Signal proportional dem Produkt aus der Dichte und der Geschwindigkeit, was nichts anderes bedeutet als der Massendurchsatz des Gases. Daraus ist zu folgern, daß derartige Meßgeräte Massendurchsatzmesser darstellen.

Vorausgesetzt, daß die lonengeschwindigkeit in dem lonenstrom von dem lokalen elektrischen Feld abhängt, und daß dieses seinerseits von der an die Quelle angelegten Spannung abhängt, ergibt sich von selbst, daß die Empfindlichkeit des Meßgerätes in gewissem Umfang durch Ändern der Hochspannung verändert werden kann. Die Grenzen sind durch die folgenden physikalischen Gegebenheiten festgelegt: Bei zu niedriger Spannung wird die Koronaentladung, die den lonenstrom hervorbringen soll, nicht gezündet; bei zu hoher Spannung degeneriert diese Entladung zu einer Bogenentladung.

Indem man derartigen Meßgeräten eine der zahlreichen Arten von elektronischen Integrierschaltungen zuordnet, kann man das von dem Kollektor abgegebene Signal über die Zeit integrieren und auf diese Weise ein Maß für das insgesamt ausgeströmte Gas erhalten.

Hierzu 4 IJIaIl Zoichnungin

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   I. lonisationsmeßgerät zum Messen der Geschwindigkeit und des Durchsatzes eines Gases mit einer höchstens zweidimensional in einer Ebene (x—z) senkrecht zur Strömungsrichtung (y) ausgedehnten Ionenquelle und einem flächigen, der Ionenquelle gegenüberliegenden Kollektor, der eine Fläche senkrecht zu dieser Ebene bildet und aus zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden, elektrisch leitenden Teilen besteht, die durch einen isolierenden Trennspalt voneinander getrennt sind und mit einer Vorrichtung zum Anlegen einer großen Potentialdifferenz zwischen der Ionenquelle und dem Kollektor zur Erzeugung eines Koronaeffektes, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennspalt (11) zwischen beiden Kollektorteilen (9, 10; 13,14; 16,17; 19,20; 23,24;32,33) die durch eine senkrechte Projektion der Ionenquelle (1) aiii den KollektonSächen definierte Kurve mindestens einmal schneidet und so verläuft, daß die jeweils in jr—z-Ebenen gemessene Gesamtlänge aller Flächenanteile des einen Kollektorteils in ^Richtung fortschreitend zunimmt, während die Gesamtlänge aller Flächenanteile des anderen Kollektorteils in gleichem Maße abnimmt
2. 2. lonisationsmeßgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) geradlinig ausgeführt ist und der Kollektor als ebener Kollektor aus zwei dreieckigen, leitenden Platten (9, 10) gebildet ist, die durch einen geradlinigen isolierenden Trennspalt (11) voneinander getrennt sind, der einen bestimmten Winkel mit der Projektion der geradlinigen Quelle (1) in die Ebene des Kollektors (9,10) einschlief...
3. 3. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (1) geradlinig ausgebildet ist und der Kollektor als ebener Kollektor aus zwei gezahnten leitenden Platten (13, 14) ausgeführt ist, die durch einen gezahnten isolierenden Zwischenraum (15) voneinander getrennt sind, dessen Zähne ineinander verschränkt sind.
4. 4. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinander verschränkten Zähne der beiden Kollektorplatten (13,14) Dreieckgestalt haben.
5. 5. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinander verschränkten Zähne der beiden Kollektorplatten (13,14) die Form eines gleichschenkligen Dreiecks haben.
6. 6. lonisationsmeßgerät nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Ränder der Zähne der beiden Kollektorplatten (13, 14) gekrümmte Begrenzungslinien haben.
7. 7. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf der dem Kollektor (13, 14) abgewandten Seite der Ionenquelle (1) angebrachte, parallel zu dem Kollektor (13,14) verlaufende, ebene leitende Platte (18), die in der Nähe der Ionenquelle (I) iiegt und sich auf gleichem oder nahe gleichem Potential wie diese befindet.
8. 8. lonisalionsmeßgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Koronawirkung arbeitende Ionenquelle die Form einer Scheibe (27) hat, und daß der Kollektor die Form eines koaxial zu der Scheibe (27) angeordneten Zylinders hat und aus zwei leitenden zylindrischen Flächen (23,24) besteht, die voneinander durch einen isolierenden Zwischenraum (25) getrennt sind, der im wesentlichen Schraubenlinienform hat
9. 9. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Ränder der beiden zylindrischen Flächen (23,24) gezahnt und die Zähne ineinander verschränkt sind.
10. 10. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch ίο gekennzeichnet, daß die Ränder der Zähne der beiden zylindrischen Flächen (32,33) des Kollektors ein Profil von auf den Zylinder gezeichneten Schraubenlinienabschnitten haben.
11. 11. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch i> gekennzeichnet, daß die Ränder der Zähne der beiden zylindrischen Flächen (32,33) des Kollektors ein Profil von auf den Zylinder gezeichneten Kurvenabschnitten haben und Schraubenlinienabschnitten ähnlich sind.
12. 12. lonisationsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch

    gekennzeichnet, daß die die Ionenquelle mit Koronawirkung darstellende Scheibe (27) ars einem leitenden Stab (26) angebracht ist, der in der Achse der leitenden Zylinderflächen liegt, die den Kollek tor bilden.
13. 13. Ionisationsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es als Massendurchsatz-Meßgerät verwenden und in einer zylindrischen Umhüllung (22) untergebracht ist, die einen Teil einer

    Stömungsleitung für ein Gas bildet.

    Die Erfindung betrifft ein lonisationsmeßgerät zum Messen der Geschwindigkeit und des Durchsatzes eines Gases mit einer höchstens zweidimensional in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung ausgedehnten Ionenquelle und einem flächigen, der Ionenquelle

    gegenüberliegenden Kollektor, der eine Fläche senkrecht zu dieser Ebene bildet und aus zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden, elektrisch leitenden Teilen besteht, die durch einen isolierenden Trennspait voneinander getrennt sind und mit einer Vorrichtung zum Anlegen einer großen Potentialdifferenz zwischen der Ionenquelle und dem Kollektor zur Erzeugung eines Koronaeffektes.

    Solche Meßgeräte werden für die Überwachung eines Gasstromes, insbesondere in Form eines Anemometer typs für die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit freier Luft eingesetzt. Ferner finden solche Meßgeräte nach Art eines Durchsatzmessers Anwendung für die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und des Massendurchsatzes einer Gasströmung in einer Leitung.

    Ein derartiges lonisationsmeßgerät ist aus der US-PS 34 70 741 bekannt.

    Als Ionenquelle findet hier ein linear gespannter Draht Anwendung, der von einer Stromquelle gespeist wird. Ionen gehen von diesem Draht durch Koronaent ladung aus und verlaufen durch eine Gasströmung in Richtung auf einen Kollektor, der aus zwei durch einen isolierenden Spalt voneinander getrennten, parallel zu der linearen Ionenquelle angeordneten Platten besteht. Die beiden jeweils rechteckförmigen Kollektorplatten

    (,5 sind über Widerstände an Masse gelegt. An die beiden Kollektorplatten ist ein Voltmeter angeschlossen. Der Spalt zwischen den Kollektorplatten Iiegt dem als Ionenquelle dienenden linear gespannten Draht gegen-