DE2322882A1 - Messgeraet fuer die stroemungsgeschwindigkeit eines stroemenden mediums - Google Patents
Messgeraet fuer die stroemungsgeschwindigkeit eines stroemenden mediumsInfo
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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.
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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- II -
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)
- 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.3Q98U/08824. 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.309847/08629. 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-30-9847/0862wickelter 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.309847/0862
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