DE2322882A1 - Messgeraet fuer die stroemungsgeschwindigkeit eines stroemenden mediums - Google Patents

Messgeraet fuer die stroemungsgeschwindigkeit eines stroemenden mediums

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Description

DR. INCi. DIPL. PHYS. H. STURIES-PATENTANWÄLTE
DIPL. ING. P. EICHLER
56 WUPPERTAL 2, BRAH MSSTRASSE 29 frV44OO4
4.5.1973 Ei/E
Enoch Job Durbin, Princeton, New Jersey/USA., 246 Vie st er ή Way
"Meßgerät für die Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät für die S tröraungs geschwindigkeit eines strömenden Mediums.
In der US-PS 3 470 741 ist ein Meßgerät beschrieben, welches einen Ionisierer und einen rait Abstand davon angeordneten Ionensammler enthält. Wenn an Ionisierer und Ionensammler in Gegenwart eines Fluids bzw. Mediums eine Spannung gelegt wird, dann werden durch den Ionisierer Ionen gebildet und wandern zum Ionensammler. Ein Medienstrom quer zum Pfad der wandernden Ionen versetzt die Auftreffstelle am Ionensammler von der Auftreffstelle bei Strömungsgeschwindigkeit null. Diese Versetzung ist für jedes Medium proportional zu dessen Massenfluß durch das Gerät.
Es ist offensichtlich, daß die Versetzung abhängig von der Geschwindigkeit der Ionen ist. über einen Infinitesiralabschnitt des Ionenpfades ist dia Infinitesircalversetzunc: der Laufzeit des Ions über diesen Abschnitt des Pfades umgekehrt proportional. Soweit die Veränderungen bei der Laufzeit von den
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Zusammensetzungen des Mediums abhängen, sind sie auf Änderungen der lonenbeweglichkeit zurückzuführen.
In vielen Fällen ist es wünschenswert, die Eichung des Gerätes unabhängig von der lonenbeweglichkeit zu machen, wenn z.B. das Gerät eher die Strömungsgeschwindigkeit als den Massenfluß messen soll, muß die Eichung unabhängig von der Mediendichte und damit von der lonenbeweglichkeit sein. Wenn das Gerät.die Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von der Zusammensetzung des Mediums messen soll, muß die Eichung unabhängig von der Zusammensetzung des Mediums und damit von der lonenbeweglichkeit sein. Falls ferner das Meßgerät die Strömungsgeschwindigkeit in einer Umgebung mit wechselnder Feuchtigkeit oder in einer durch Rauch oder durch Fremdteilchen verunreinigten Umgebung messen soll, muß die Eichung unabhängig von diesen Faktoren und damit von der lonenbeweglichkeit sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein relativ einfaches und unaufwendiges lonenabtrift-Meßgerät für Strömungsgeschwindigkeiten strömender Medien zu schaffen, in dem das gemessene Verhältnis der Versetzung der Auftreffstelle der wandernden Ionen zur Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von der Beweglichkeit der Ionen im Medium ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Strömungsbereich mindestens ein Ionisierer und mindestens eine Ionensammelelektrode angeordnet sowie mit „einer Spannungsquelle.zusammengeschaltet sind, und daß die Versetzung der Auftreffstellen der Ionen auf der Ionensammelelektrode infolge des strömenden Mediums messende Mittel vorhanden sind, und daß ferner die
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Ionengeschwindigkeit von der Zusammensetzung des strömenden Mediums unabhängig machende; Steuermittel eingebaut sind.
Die Erfindung erlaubt also die Elimination von Eichungsänderungen eines Ionenabtrift-Meßgerätes der beschriebenen Art bei Änderungen der lonenbeweglichkeit. Da die Eichung des Meßgerätes umgekehrt proportional der lonengeschwindigkeit quer zur Strömungsrichtung des strömenden Mediums ist und da die Ionengeschwindigkeit durch das Produkt der elektrischen Feldstärke und der lonenbeweglichkeit bestimmt wird, kann die Ionengeschwindigkeit von der lonenbeweglichkeit dadurch unabhängig gemacht werden, daß die elektrische Feldstärke im Bereich der wandernden Ionen der lonenbeweglichkeit umgekehrt proportional ist.
Das kann am einfachsten dadurch erreicht werden, daß das Meßgerät drei Konstruktionsprinzipien gleichzeitig erfüllt. Zuerst sollte die elektrische Feldstärke im Bereich der wandernden Ionen mehr durch die Raumladungen dieser Ionen bestimmt sein, als die Oberflächenladungen der Elektroden des Gerätes. Dann sollte der Strom des Ionensammlers konstant gehalten werden oder bekannt sein. Des weiteren sollte das Meßgerät die Änderung der' Raumladungsdichte bei Änderungen der lonenbeweglichkeit gestatten. Wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind, kann die Eichkonstante unabhängig von der lonenbeweglichkeit gemacht werden.
Vorteilhafterweise vermögen die Steuermittel die elektrische Feldstärke im Bereich der Ionenwanderung umgekehrt proportional zur lonenbeweglichkeit zu halten. Die Steuermittel vermögen die Speisespannung in Abhängigkeit vom Ioneneinfang durch die Ionen-
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sammelelektrode zu steuern. Die Speisespannung ist in Abhängigkeit von einer aus einer Stromableitung der lonensammelelektrode gewonnenen Steuerspannung zu steuern. Vorzugsweise vermögen die Steuermittel den Ioneneinfang durch die lonensammelelektrode konstant zu halten.
Die lonensammelelektrode besitzt bezüglich des strömenden Mediums einen zufluß- und einen abflußseitigen Abschnitt, von denen bei Ionisierung jeweils ein Teilstrom ableitbar ist. Es sind Mittel zum Vergleichen und Ausgleichen der Teilströme vorhanden. Die Mittel zum Ausgleichen der Teilströme vermögen die Lage des lonisierers in Bezug auf die Abschnitte der IonensammeIeiektrode zu ändern. Die zufluß- bzw.abflußseitigen Abschnitte.der lonensammelelektrode sind deren Bereiche zwischen der Auftreffstelle eines mittleren Ions und jeweils einer Endklemme.
Die Abmessungen der zufluß- und abflußseitigen Abschnitte der I onens amme lektrode quer zur Strvmuncrsrichtuna nehmen mit der abflußseiti<*en Entfernung von einer lonenauftreffsteile bei Strömungsgeschwindigkeit null ab bzw. wachsen an und wachsen bei zuflußseitiger Entfernung von dieser lonenauftreffstelle an bzw. nehmen ah,.
Die lonensammelelektrode weist einen Träger mit vorzugsweise im wesentlichen ebener, von Widerstandsmaterial belegter Oberfläche auf und der Ionisierer besteht aus einer oder mehreren Nadeln, die parallel zur Oberfläche und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Das Widerstandsmaterial ist vorteilhafterweise ein gewickelter und auf den Träger aufgebrachter Widerstandsdraht oder eine auf den Träger auf-
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gebrachte Werkstoffschicht.
Die Ionensammelelektrode ist als Zylinderrohr ausgebildet und ein aus einem oder mehreren Nadeln bestehender Ionisierer ist innerhalb des Zylinderrohres in der Rohrachse angeordnet.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schriittdarstellung eines Gerätes mit
Ionisierer und lonensammler sowie den damit verbundenen elektrischen Schaltkreis, Fig. 2 ein Gerät gemäß Fig. 1 mit abgeändertem
Schaltkreis, .
Fig. 3 eine weitere Ausfuhrungsform des Gerätes zum Einsatz mit einem Schaltkreis nach Fig. 1 oder 2, ·
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Gerätes zum Einsatz mit einem Schaltkreis nach Fig. 1 oder 2 und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines lonensammlers.
Das Gerät nach Fig. 1 besteht aus einer Vorrichtung mit Ionisierern, die von zwei Elektroden 1,2 gebildet . werden. Diese sind Nadeln oder Stangen, welche jeweils Stellen oder Bereiche 3,4 reduzierter Radien oder Krümmungen aufweisen. Die Elektroden 1,2 sind mit ihren Achsen in der Achse einer rohrförmigen Ionensammelelektrode 5 angeordnet und durch Halterungen 7,8 an den
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einander entgegengesetzten Enden eines rohrförmigen . Gehäuses 6 gehalten. Die Ionensammelelektrode 5 wird von der Innenwand des Gehäuses 6 getragen un& ist hiergegen elektrisch isoliert. Die Ionensammelelektrode 5 ist ein elektrisches Widerstandsglied gewickelter Ausbildung oder auf die Gehäusewand aufgebracht. Die Vorrichtung IO ist an den Schaltkreis über Klemmen 11, 12 angeschlossen, die mit den Elektroden 1 bzw. 2 verbunden sind, und über Klemmen 15,16 jeweils an die Enden der Ionensammelelektrode
, Die Klemmen 15,16 sind jeweils mit einem Eingang eines Differentialverstärkers 20 verbunden. Die Klemmen 11,12 sind mit den Ausgängen jeweils einer vorzugsweise als Hochspannungsquelle 21,22 ausgebildeten Spannungsquelle verbunden, die Erdklemmen 23,24 besitzen, welche über Widerstände 25,26 mit Erde verbunden sind; Die Hochspannungsquellen haben außerdem Regelklemmen 27,28, welche direkt mit Erde verbunden sind. Die Hochspannungsquellen 21,22 können jeder geeigneten Bauart sein, die eine von der Spannungsdifferenz zwischen den Regierund Erdklemmen zu steuernde Ausgangsspannung erzeugt und die starke elektrische Felder in der Nachbarschaft der Bereiche 3,4 der Elektroden 1,2 verursachen, um in der Nähe dieser Bereiche Ionen zu bilden.
Die zu den Hochspannungsquellen 21,22 von der Ionensammelelektrode 5 zurückfließenden Ströme fließen durch die Widerstände 25,26. Die Spannungsabfälle bzw. -differenzen an diesen Widerständen sind Maße für die von der Ionensammel-
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—· "7 —
elektrode 5 eingefangenen Ionen, die jeweils von den Elektroden 1,2 erzeugt wurden. Diese Spannungen werden an die Klemmen 23,27 und 24,28 der Hochspannungsquelle angelegt und bewirken die Anpassung der Ausgangsspannungen der Hochspannungsquellen 21,22, um den Ioneneinfang durch die Ionensammelelektrode 5 konstant zu halten. Der Ausgangswert des Differentialverstärkers 20 entspricht der Differenz zwischen den Strömen I, und I2, die durch jedes Ende der Ionensammelelektrode 5 den Klemmen 15,16 zufließen. Der Ausgangswert des Differentialverstärkers 20 und auch die Spannungen der Widerstände 25,26 werden einer Eicheinrichtung 29 zugeführt. In dem Gerät der Fig. 1 ist die Eicheinrichtung 29 ein"Teiler, der die vom Differenzverstärker 20 gebildete Differenzstrommessung durch die Summe der Ionenströme teilt, die durch die Spannungsabfälle bzw. -differenzen an den Widerständen 25,26 gemessen werden. Der so berechnete Quotient wird durch ein Signal an einer Ausgangsklemme 30 dargestellt und ist ein Maß für die Versetzung der Auftreffstelle der Ionen, wenn sie durch ein das Gehäuse 6 durchströmendes Medium wandern, im Vergleich zur Lage der Auftragstelle bei ruhendem Medium.
Das Gerät nach Fig. 1 kann die drei oben genannten notwendigen Bedingungen für ein Ionenabtrift-Meßgerät für Strömungsgeschwindigkeiten strömender Medien erfüllen und erfordert keine Eichungsänderungen infolge des Wechsels der Ionenbeweglichkeit, wenn der Ionenstrom für die im Bereich zwischen den Elektroden 1, 2 und der Ionensammelelektrode
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vorhandene elektrische Feldstärke genügend hoch ist, um grundsätzlich durch die Raumladungen zwischen den Elektroden bestimmt zu werden. Diese Bedingung ist bereits erfüllt, wenn der Ionenstrom von jeder der Elektroden 1, 2 die Größenordnung von Io oder mehr Mikroampere erfüllt.
Im Gerät gemäß Eig. 2 ist die Vorrichtung 10 unverändert, jedoch sind die Klemmen 11,12 und damit die Elektroden 1,2 miteinander verbunden und an die Hochspannungsquelle 21 angeschlossen, während die Hochspannungsquelle und der Widerstand 26 entfallen. Der Spannungsabfall bzw. -unterschied des Widerstandes 25 ist ein Maß für den Ioneneinfang durch die Ionensanunelelektrode 5 von den Ionen, die durch die beiden Elektroden 1,2 erzeugt wurden.
Das Gerät nach Fig. 1 kann weiterhin durch das Weglassen der Elektrode 2 abgeändert werden, zugleich mit dem Weglassen der Hochspannungsquelle 22 und des Widerstandes 26. Der Spannungsabfall bzw. -unterschied des Widerstandes 25 ist dann ein Maß für den Ioneneinfang durch die Ionensammelelektrode 5 von den Ionen, die von einer einzigen Elektrode erzeugt wurden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Schaltkreis derselbe wie in Fig. 2, jedoch ist die Vorrichtung 10 durch eine abgeänderte, in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung 40 ersetzt, die eine Ausbildung mit offener Oberfläche besitzt. Die Vorrichtung 40 hat eine Ionensammelelektrode 41 in Gestalt eines elektrischen Widerstandsgliedes, welches in geeigneter
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Weise gewickelt oder auf einen im wesentlichen ebenen Träger 42 aufgebracht ist. Die Enden der Elektrode 41 sind an die Klemmen 11,12.angeschlossen. Die Ionisierelektrode oder, wie dargestellt, die mit den Klemmen 11,12 verbundenen Elektroden 1,2 sind fluchtend quer über der Unterlage und zur Strömungsrichtung angeordnet, die durch den Pfeil 44 gekennzeichnet wird. Bei dieser Ausführungsform, ist der Ausganswert der Eicheinrichtung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils 44.
Jede der vier Ausführungsformen der soweit beschriebenen Erfindung mißt die Versetzung der im strömenden Medium wandernden Ionen von ihrem Pfad bei Strömungsgeschwindigkeit null durch Messung der aus den Teilströmen von den zwei Enden einer Widerstands-Ionensammelelektrode 5 oder 41 gebildeten Differenzströme und anschließende Teilung dieser Differenzströme durch die Gesamtströme. Diese Versetzung kann jedoch direkt gemessen werden.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform hat zwei Ionensammelglieder 51,52, die voneinander und von einem Gehäuse bzw. einem Träger 53 elektrisch isoliert sind. Die Ausgangswerte der Ionensammelglieder 51,52 werden einem Differentialverstärker 54 zugeführt, der die zwei Ströme vergleicht und das daraus resultierende Differenzsignal einem umsteuerbaren Motor 55 zuführt, der das Gewinde 56 zu drehen vermag, um eine darauf geschraubte gegen Verdrehung gesicherte Mutter 57 zu verstellen. Diese Mutter
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57 trägt einen Ionisierer 58 in eine Richtung, bei dem die Ströme I. und I„ der Ionensammelglieder so ausgeglichen werden, daß der Ausgangswert des Differentialverstärkers 54 zu Null wird. Die Mutter 57 trägt einen Zeiger 59/ der die Strömungsgeschwindigkeit auf einer Skala 60 anzeigt.
Wenn der Ionisierer 58 bei strömendem Medium so versetzt angeordnet ist, daß die Ströme der Ionensammelglieder gleich denen bei Strömungsgeschwindigkeit null sind, dann ist die Versetzung des Ionisierers, bezogen auf die Ionensammelglieder ein Maß des Medienstroms. Der Ionisierer kann auch so ausgebildet sein, daß er sich für Verstellung durch Hand anstatt durch den Motor 55 eignet, falls das gewünscht, wird.
Die an den Ionisierer 58 gelegte Spannung ist so gewählt, daß der Ioneneinfang durch die Ionensammelglieder 23,24 wie oben beschrieben von der Hochspannungsquelle 21 und dem Widerstand 25 konstant gehalten wird. Die Lageveränderung des Zeigers 59 von seiner Ausgangslage bei stillstehendem Medium ist dann ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 44.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung benutzt eine in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung 70 anstelle der Vorrichtung 10 in dem in Fig. 2 dargestellten Schaltkreis. Die Vorrichtung 70 vermeidet das bei der vorbeschriebenen Ausführungsform vorhandene Erfordernis zur Veränderung der Lage des Ionisierers, um die Teilströme I und I» bei Änderungen
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der Strömungsgeschwindigkeit auszugleichen. Außerdem entfällt die Notwendigkeit zur Verwendung von Widerstandsmaterial bei der Ionensammelelektrode. Die Ionensammelelektrode der Vorrichtung 70 besteht aus einem Paar Platten 71, 72, die an die Klemmen 16, 15 angeschlossen und voneinander sowie von einem Träger elektrisch isoliert sind. Jede Platte sammelt einen Bruchteil des gesamten Ionenstromes eines Elektrodenpaares 74,75, welches an die Klemmen 11, 12 angeschlossen und quer über den Platten und zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Die Anordnung der Trennungslinie 8o zwischen den Platten ist so gewählt, daß die Differenz zwischen den von der zuflußseitigen Platte 71 und der abflußseitigen Platte 72 gesammelten Teilströmen proportional der Versetzung der wandernden Ionen ist, so daß die Differenz der beiden eingefangenen Teilströme, dividiert durch den Gesamtstrom, ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Da die Versetzung der wandernden Ionen sich linear mit der Strömungsgeschwindigkeit ändert, steigt die Breite der abfluß— seitigen Platte 71 an, während die Breite der zuflußseitigen Platte 72 linear mit der zuflußseitigen Entfernung von einer lonenauffangstelle bei Strömungsgeschwindigkeit Null abnimmt, während andererseits die Breite der abflußseitigen Platte wächst und die Breite der zuflußseitigen Platte linear mit der abflußseitigen Entfernung von dieser lonenauffangstelle abnimmt. Die Klemmen 11, 12 der Vorrichtung 70 werden an dLe Hochspannungsquelle 21 und die Klemmen 15, 16 werden an den Differentialverstärker 20 angeschlossen, so daß der Ausgangswert an der
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Klemme 30 ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 44 ist.
Die erforderliche Gestaltung der Ionensammelelektrode in Zufluß- und Abflußrichtung des strömenden Mediums kann leicht durch die gerade Linie 8o erreicht werden. Es versteht sich jedoch, daß derartige Gestaltungen auch auf andere Weise erreicht werden können. Insbesondere kann Entsprechendes bei einer Ionensammelelektrode anderer Form durchgeführt werden, wie z.B. eine in Fig..1 dargestellt ist.

Claims (1)

  1. Patertansprüche
    /1. gießgerät für die Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsbereich mindestens ein Ionisierer (1, 2, 74,75,58) und mindestens eine lonens amme !.elektrode (5,41, 51,52,71,72) angeordnet sowie mit einer Spannungsquelle (21, 22) zusammengeschaltet sind, und daß die Versetzung der Auftreffstellen der Ionen auf der Ionensammelelektrode infolge des strömenden Mediums messende Mittel vorhanden sind, und daß ferner die Ionengeschwindigkeit von der Zusammensetzung des strömenden Mediums unabhängig machende Steuermittel eingebaut sind.
    · Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuermittel die elektrische Feldstärke im Bereich der Ionenwanderung umgekehrt proportional zur Ionenbeweglichkeit zu halten vermögen.
    3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuermittel die Speisespannung in Abhängigkeit vom Ioneneinfang durch die Ionensammelelektrode (5,41,51,52,71,72) zu steuern vermögen.
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    4. Meßgerät nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß die Speisespannung in Abhängigkeit von einer aus einer Stromableitung der Ionensammelektrode (5,41,51,52,71,72) gewonnenen Steuerspannung zu steuern ist.
    - Meßgerät nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuermittel den Ioneneinfang durch die Ionensammelelektrode (5,41,51,52, 71,72) konstant zu halten vermögen.
    6· Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch geke nnzeichnet, daß die Ionensammelelektrode (5, 41,51,52, 71,72) bezüglich des strömenden Mediums einen zufluß- und einen abflußseitigen Abschnitt besitzt, von denen bei Ionisierung jeweils, ein Teilstrom (I1, I2) ableitbar ist.
    7. Meßgerät nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (2o,54 bzw. 55,57) zum Vergleichen und Ausgleichen der Teilströme (I ,,I-) vorhanden sind.
    g Meßgerät nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel (55, 57) zum Ausgleichen der Teilströme die Lage des Ionisierers (58) in Bezug auf die Abschnitte (51,52) der Ionensammelelektrode zu verändern vermögen.
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    9. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die zufluß- bzw. abflußseitigen Abschnitte der Ionensainmelelektrode (5,41) deren Bereiche zwischen der Auftreffstelle eines mittleren Ions und jeweils einer Endklemme (15, 16) sind.
    Io.Meßgerät nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessungen der zufluß- und abflußseitigen Abschnitte (71,72) der Ionensammelelektrode quer zur Strömungsrichtung mit der abflußseitigen Entfernung von einer Ionenauftreffstelle bei Strömungsgeschwindigkeit null abnehmen bzw. anwachsen und bei zu-^ , flußseitiger Entfernung von dieser Ionenauftreffstelle anwachsen bzw. abnehmen.
    11. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionensammelelektrode (41,51,52,71,72). einen Träger (42, 53) mit vorzugsweise im wesentlichen ebener, von Widerstandsmaterial belegter Oberfläche aufweist, und daß der Ionisierer (1,2,58, 74,75) aus einer oder mehreren Nadeln besteht, die parallel zur Oberfläche und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
    12. Meßgerät nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet , daß das Widerstandsmaterial ein ge-
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    wickelter und auf den Träger (6,42,53) aufgebrachter Widerstandsdraht ist.
    13.Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet., daß das Widerstandsmaterial eine auf den Träger (6,42,53) aufgebrachte Werkstoffschicht ist.
    14,Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis lo,· d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Ionensammelelektrode (5) als Zylinderrohr ausgebildet und ein aus einem oder mehreren Nadeln bestehender Ionisierer (1^2) innerhalb des Zylinderrohres in der Rohrachse angeordnet ist.
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DE2322882A 1972-05-08 1973-05-07 Messgeraet fuer die stroemungsgeschwindigkeit eines stroemenden mediums Withdrawn DE2322882A1 (de)

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