DE2458719A1

DE2458719A1 - Ionisations-durchflussmesser

Info

Publication number: DE2458719A1
Application number: DE19742458719
Authority: DE
Inventors: Alfred Servassier
Original assignee: ERAP
Current assignee: ERAP
Priority date: 1973-12-11
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1491689A; NL7416046A; US3996795A; FR2254013A1; FR2254013B1; DE2458719B2; IT1027610B; DK623574A; CA1028393A; BE822890A; LU71439A1; DE2458719C3; JPS50114256A

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. R. B E E T Z sen. Dipl.-lng. K. LAMPRECHT Dr.-lng. R-BEETZJr.

8 München 22, Stelnsdorfstr. 1O Tel. (089) 227201/227244/29591O

Telegr. Allpatent München Telex B22O48

410-23.521P

11. 12. 1974

ENTREPRISE DE RECHERCHES ET D'ACTIVITES PETROLIERES -ERAP-Paris (Frankreich)

Ionisations-Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen Ionisations-Durchflußmesser, der die Messung der Strömungsgeschwl ndigkeit eines Gasstromes sowie der Durchflußmenge des gleichen Gasstroms ermöglicht. Je nachdem, ob die Messung besonders abgestellt ist auf den Massen- oder Mengendurchfluß oder auf die Gasgeschwindigkeit haben derartige Vorrichtungen verschiedene Bezeichnungen wie Fluxmeter, Anemometer oder Durchflußmesser.

410-(B5177)-Me-r (8)

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Herkömmliche Durchflußmesser waren zunächst von einem beweglichen Glied gebildet, das sich unter dem Einfluß des Gasstroms dreht. Die Drehzahl dieses Glieds gibt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, jedoch sind die Trägheit derartiger Vorrichtungen und die beträchtlichen Änderungen der Strömung, die sie durch ihre Anwesenheit verursachen, oft derartig nachteilig, daß sie deren Verwendung verbieten. Andererseits nutzen sich derartige mechanische Vorrichtungen mit der Zeit ab und können nur in beschränkten Temperatur- und Druckbereichen verwendet werden, sowie auch nur für nichtkorrosive Gase.

Ionisations-Durchflußmesser sind Durchflußmesser, bei denen die Ionenquelle durch eine im Gasstrom angeordnete Elektrode gebildet ist (vgl. DT-OS 2 122 304 oder die FR-OS entsprechend der FR-Anmeldung EN 71 18280). Diese Ionen werden aufgrund einer der Elektrode zur Bildung der Ionen gegenüberliegenden anderen Elektrode beschleunigt . Die Ionenbahn zwischen den beiden Elektroden ist ungefähr senkrecht zur Richtung des Gasstroms. Diese Anordnung der Elektroden hat zur Folge, daß, während das Gas zwischen den Elektroden strömt, die Ionen vom Gasstrom mitgenommen werden und ihre Ansammlung an einer Stelle auf der oder den Sammelelektroden erfolgt, die nicht mehr gegenüber der Bildungs- oder Quellenelektrode angeordnet sind. Verschiedene Anordnungen wurden zur Messung dieser Verschiebung angegeben.

Diese Anordnungen, bei denen die Verschiebung der Ionen senkrecht zur Richtung des Gasstroms erfolgt, haben mehrere Nachteile: In erster Linie ist ihre Empfindlichkeit ziemlich gering, da eine Ge-

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schwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptgeschwindigkeit der Ionen gemessen wird- Andererseits sind die erzeugten Ionen von verschiedener Art: Die schweren Ionen aufgrund der Anwesenheit von Wasser ^- dampf, der an den Seitenwänden des Durchflußmessers kondensiert, an denen die Elektroden angeordnet sind, haben eine kleinere Ionengeschwindigkeit als die Ionen des Gasstroms, was bei konstanter Geschwindigkeit des Gasstroms eine bedeutendere Abweichung des Ionenstrahls hervorruft. Derartige Durchflußmesser geben, wenn schwere Ionen vorhanden sind, eine Anzeige, die höher als der tatsächliche Wert der Geschwindigkeit des Gasstroms ist, und sind nicht zuverlässig . Darüber hinaus sind die Anzeigen derartiger Durchflußmesser äußerst empfindlich gegenüber Druckänderungen des Gases, das zwischen den beiden Elektroden strömt, ebenso gegenüber Temperaturänderungen; die Gesetze, die die Strömungsgeschwindigkeit abhängig von der Verschiebung, der Temperatur und dem Druck wiedergeben, sind sehr komplexe Gesetze, die unsichere und schwierige Korrekturen ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ionisations-Durchflußmesser zu schaffen, bei dem die Ionen zwischen den Elektroden parallel zum Gasstrom beschleunigt werden, um einen empfindlicheren Durchflußmesser zu erhalten, wobei der Durchflußmesser abhängig von einem Gasgemisch, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, eich- oder kalibrierbar ist, um eine Absolutgeschwindigkeitsmessung zu erhalten, und wobei Korrekturen aufgrund von Änderungen der Zusammensetzung des Gasgemisches und von Schwankungen der elektrischen Stromversorgung automatisch berücksichtigt werden.

Die Aufgabe wird bei einem Ionisations-Durchflußmesser für Gase,

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mit einer in einem Gasstrom angeordneten Quellenelektrode als Ionenquelle, die durch Koranaentladung Ionen abgibt, die von zwei Sammelelektroden aufgesammelt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Sammelelektroden Gitter senkrecht zum Gasstrom sind, die beiderseits der Quellenelektrode annähernd gleich beabstandet sind, daß das Potential der Quellenelektrode groß genug zur Koranaentladung ist, und daß eine Elektronik die an den beiden Sammelelektroden gesammelten Ströme verstärkt und die Differenz und die Summe der Ströme nach deren Verstärkung bildet.

Die Quellenelektrode liegt gegenüber den Sammelelektroden auf positivem Potential, wodurch die positiven Ionen von den Sammelelektroden angezogen werden. Wenn kein Gasstrom vorhanden ist, werden die Ionen zwischen zwei Elektroden auf eine Geschwindigkeit V. angeregt oder beschleunigt. Die Strömung nimmt die nahe der Quellenelektrode erzeugten Ionen mit einer Geschwindigkeit V mit. Diese Gesamtgeschwindigkeit V_Q fügt sich algebraisch ihrer Eigengeschwindigkeit V. hinzu. Die Geschwindigkeit V ist gleich der und in gleicher Richtung wie die des Gasstroms. Wenn der Gasstrom in Richtung von der ersten Sammelelektrode zur zweiten Sammelelektrode erfolgt, richten sich die von der Quellenelektrode erzeugten Ionen auf die zweite Sammelelektrode mit einer Geschwindigkeit V. + V und auf die erste Sammelelektrode mit einer Geschwindigkeit V. - V , woraus folgt, daß die zweite Sammelelektrode pro Zeiteinheit mehr Ionen erhält als die erste Sammelelektrode. Die von jeder Elektrode erhaltenen elektrischen Ströme werden so verstärkt, daß, wie das weiter unten erläutert wird, die Messung der Differenz der elektrischen Ströme eine Messung der Geschwindigkeit V des Gasstroms erlaubt.

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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Quellenelektrode des Ionisations-Durchflußmessers aus einem dünnen Draht, der quer zum Gasstrom gespannt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das Potential der Quellenelektrode und ihr Krümmungsradius so, daß das elektrische Feld nahe der Quellenelektrode größer ist als das Durchbruchs- oder Durchschlagsfeld des betrachteten Gases. Das Durchschlagsfeld hängt von der Art des verwendeten Gases ab, liegt jedoch bei über 10 kV/cm. Um den die Quellenelektrode bildenden Draht ändert sich «das radiale elektrische Feld gesetzmäßig umgekehrt proportional zum Radius. In einem kleinen Zylindervolumen um die Quellenelektrode, wobei die Achse des Zylinders vom Draht gebildet ist, ist das elektrische Feld höher als das Durchschlagsfeld und werden Elektronen-Ionen-Paare gebildet . Die "Ionen werden nun gegen die gegenüber der Quellenelektrode negativen Elektroden, nämlich die Sammelelektroden, beschleunigt. Der Gesamtstrom S ist bei sonst gleichen Umständen proportional zum Volumen des Zylinders, in dem das Feld E den Wert des Durchschlagsfeldes überschreitet (in Luft 30 kV/cm). Das Volumen des Zylinders ist proportional zum Quadrat des Radius des Grundkreises, dessen Umfang der geometrische Ort aller Punkte ist, für die der Wert des elektrischen Feldes genau gleich dem Durchschlagsfeld ist. Der Wert dieses Radius ist proportional dem elektrischen Potential U der Quellenelektrode, wobei der Gesamt-Ionenstrom proportional dem Quadrat des Potentials U ist:

S = k (U -

k = Proportionalkoeffizient,

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U = Potential der Quellenelektrode, für das das elektrische Feld unmittelbar neben dem Draht gleich dem Durchschlagsfeld im betrachteten Gas ist.

Die durch einen quer zum Gasstrom gespannten Draht gebildete Quellenelektrode ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Je nach Anwendung kann es notwendig sein, andere Elektrodenformen zu verwenden, wie - gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung - eine Spitze, deren äußeres Ende nahe der Achse der Sammelelektroden angeordnet ist, wobei die Achse der Sammelelektroden zur Richtung des Gasstroms parallel ist.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Quellenelektrode eine flache Scheibe kleinen Durchmessers, die im Gasstrom angeordnet ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Quellenelektrode ein Gitter aus parallelen oder gekreuzten Drähten, wobei die Ebene des Gitters senkrecht zum Gasstrom und parallel zu den Sammelelektroden ist.

Gemäß der Erfindung sind die Sammelelektroden Gitter, um den Gasstrom so wenig wie möglich zu beeinflussen, der durch diese Gitter strömt, wobei die Maschen des Gitters ausreichend locker oder weit sind, um nicht den Gasstrom merkbar zu stören. Im allgemeinen wird der Gasstrom stark verändert auf einem entlang der Gitterachse gemessenen Abstand, der gleich einem Mehrfachen der Maschen-

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weite ist. Die Quellenelektrode wird in einem Abstand zu den Sammelelektroden angeordnet, der wesentlich größer ist als ein Mehrfaches der Maschenweite.

Bei einem Ausführungsbeispi el der Erfindung werden Ring- oder Schutzelektroden um die Sammelelektroden angeordnet, um dadurch Oberflächenströme zwischen der Quellenelektrode und den. beiden Sammelelektroden zu beseitigen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und der sich daraus ergebenden verschiedenen Vorteile seien verschiedene Größen definiert, die ihren Ausgang in der Physik dieser Erscheinung haben.

Venn kein Gasstrom vorhanden ist, werden die von der Quellenelektrode abgegebenen Ionen durch die Potentialdifferenz zu den Sammelelektroden beschleunigt und unterliegen zahlreichen Zusammenstößen mit dem nichtionisierten Gas. Wenn kein Gasstrom vorhanden ist, wird die Ionengeschwindigkeit mit V. bezeichnet. Die Ionengeschwindigkeit ist:

V. = feE/m,

e = Ionenladung,

E = elektrisches Beschleunigungsfeld zwischen der Quellenelektrode und den Sammelelektroden,

m = Ionenmasse,

Z = mittlere freie Laufzeit, d. h. das Zeitintervall zwischen zwei Zusammenstößen eines Ions mit den Gasmolekülen der Umgebung,

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Das Zeitintervall L ist gegeben durch die Gleichung:

T = l/n C V_o,

η = Molekülzahl pro Volumeneinheit des neutralen Umgebungsgases, C = Ionenstoß-Wirkungsquerschnitt,

V = mittlere Geschwindigkeit der thermischen Bewegung der Gasmoleküle.

Bei Luft, die als Beispiel angeführt wird, ist der Wirkungsquer-

-16 2
schnitt β* etwa 12 · 10 cm . Unter Normalbedingungen für Druck- und Temperatur beträgt die Molekülzahl pro Volumeneinheit etwa

25 3

2,7 · 10 Moleküle/m . Die Geschwindigkeit V bei Umgebungstemperatur beträgt etwa 400 m/s. Daraus ergibt sich T = 7 ' 10 s. Aufgrund dieser Werte ist die Geschwindigkeit einmal ionisierter Ionen für ein elektrisches Feld von 10 kV/cm zwischen den Elektroden etwa 60 m/s. Daraus ist erkennbar, daß, wenn Strom änderungen der

-2
Größenordnung 10 infolge des Gasdurchflusses zum Mitreißen oder Mitnehmen von Ionen erfaßbar sind, Gasgeschwindigkeiten in der Größenordnung mehrerer m/s erfaßt werden können. Daraus ergibt sich, daß zur Erfassung sehr geringer Durchflüsse die beiden Sammelelektroden durch größere Abstände bei konstanter Potentialdifferenz zwischen den Elektroden derart getrennt sein müssen, daß das elektrische Feld abnimmt, das Ionen zwischen zwei Zusammenstößen beschleunigt. Eine andere Alternative ist die Verringerung des zwischen Quellenelektrode und einer der Sammelelektroden angelegten Potentials '-■ und gleichzeitig die Verringerung des Krümmungsradius des die Quel-

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lenelektrode bildenden Drahtes, damit das elektrische Feld nahe dem Draht über dem Durchschlags feld in dem betrachteten Gas ist. Aus den Gleichungen ergibt sich klar, daß die Ionengeschwindigkeit zwischen zwei Elektroden von der Art des Gases über die Parameter e, m, 6" und V abhängt, und daß die Geschwindigkeit V. auch vom Gasdruck über den Parameter η (Molekülzahl pro Volumeneinheit) und von der
abhängt.

von der Temperatur über die mittlere Geschwindigkeit V des Gases

Der Ionisations-Durchflußmesser wird vorteilhaft ausgestaltet durch mit Masse verbundene und den Fußteil der Sammelelektroden umgebende Schutzringe, eine zwischen der Quellenelektrode und jeder Sammelelektrode angeschlossene Hochspannungsversorgung, einen ersten und einen zweiten regelbaren Verstärker, die mit jeweils einer Sammelelektrode verbunden sind, und einen Vergleicher, dessen Eingänge mit den Ausgängen der ersten und zweiten Verstärker verbunden sind und dessen Ausgangsstrom proportional zur Differenz der beiden Eingangs ströme ist.

Die beiden Verstärker verstärken den von den Sammelelektroden erhaltenen elektrischen Strom. Der Vergleicher bildet die Differenz zwischen den beiden von den beiden Sammelelektroden erhaltenen elektrischen Strömen I und I .

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Anordnung aus Vergleicher und Verstärker ersetzt durch einen als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärker. In diesem Fall sind die Ring- oder Schutzelektroden entweder neutralisiert oder beseitigt oder miteinander verbunden.

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Der Verstärkungsfaktor der Verstärker wird derart gesteuert oder geregelt, daß ohne Gasstrom (V = O) der Vergleicher ein End-

signal Null abgibt. Der Strom I entspricht der Zahl der transportierten Ladungsträger, multipliziert mit ihren Geschwindigkeiten. Bei einem Gasstrom ergibt sich also:

I= η e (V. - V )S , sowie Io ι g ο

I =n e (V. +V )S ,
2 ο ι g ο

mit S = Oberfläche der Sammelelektroden, ο

Wie bereits angedeutet, werden die Verstärkungsfaktoren K und K der Verstärker so gesteuert, daß sich am Ausgang der Verstärker ohne Gasstrom ergibt I' = I' " KI = KI (bei V =0. Bei einem Gasstrom ergibt sich dann 1' = K e η (V. - V )S bzw. I' = K_ e η

1 loigo 22o

(V. + V )S . Die am Ausgang des Vergleichers erhaltene Differenz Ai ergibt sich demnach zu:

= U-IJ =S (K₁ +Kj en V . Δ 1 o 1 2 ο g

Auf diese Weise ist die Stromdifferenz Ai proportional der Ionenzahl η pro Volumeneinheit und der Geschwindigkeit V des Gasstroms. Die Ionenzahl η pro Volumeneinheit ist proportional zur Molekülzahl pro Volumeneinheit, d. h. proportional zum Gasdruck und umgekehrt proportional zur Temperatur. Die Ionen werden im die Quellenelektrode umgebenden Zylindervolumen erzeugt. Die Anzahl η hängt von der

Anzahl η der Moleküle pro Volumeneinheit nach einem nicht näher erläuterten Gesetz ab, gemäß dem jedem Wert der Molekülzahl η des

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Gases pro Volumeneinheit eindeutig eine Zahl η zugeordnet ist- Auf diese Weise ist die Stromdifferenz Ai bei einem Gasstrom proportional zur Molekülzahl des Gases und zur Geschwindigkeit dieses Gases. Wenn die Masse der Gasmoleküle bekannt ist, zeigt die Stromdifferenz Ai den Massen- oder Mengendurchfluß des Durchflußmessers an..Um dies durchzuführen, ist es aber notwendig, die verschiedenen Proportionalitätskonstanten zu kennen, was eine sehr empfindliche oder heikle Eichung bzw. Kalibrierung des Durchflußmessers nach sich zieht. Um derartige schwierige Messungen zu vermeiden, wird der an den beiden Samm el elektroden gesammelte Gesamtstrom gemessen, nämlich :

S" = I' +1· = S (K +K) e η V.. 1 Δ ο 1 2 οι

Das Verhältnis Ai/s ergibt sich folglich zu V /V.. Diese Formel gilt genau, wie auch immer die Temperatur- und Druckbedingungen sind:

Ai

S " V. *

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Ionisationsdurchflußmesser, um mögliche Geschwindigkeitsänderungen der Ionen zwischen den Elektroden infolge von möglichen Schwankungen der Gasart und der zwischen den beiden Elektroden angelegten elektrischen Spannung zu berücksichtigen, einen Stromaddierer, dessen Eingänge mit den Sammelelektroden verbunden sind und dessen Ausgangsstrom proportional zur Summe der Eingangsströme ist, und einen dritten Verstärker in Reihe mit dem Vergleicher, des-

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sen Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional zum Ausgangsstrom des Stromaddierers ist. Auf diese Weise wird am Ausgang des dritten Verstärkers ein Signal erhalten, das proportional zur Geschwindigkeit V des Gasstroms und unabhängig von den Änderungen der Ionengeschwindigkeit V. zwischen Anode und Kathode ist-

Mit der beschriebenen Anordnung wird der Relativwert der Schwankungen der Geschwindigkeit V und des Massendurchflusses genau erhalten, wenn die Masse der Mischungsbestandteile des Gasstroms bekannt sind. Um die Geschwindigkeit V als Absolutwert zu erhalten, ist es notwendig, die Ionengeschwindigkeit V. zu kennen.

Um den genauen Wert der Ionengeschwindigkeit V. zwischen Anode und Kathode zu erhalten, können die verschiedenen Konstanten K , K , S , η der Vorrichtung gemessen werden, was schwie-

i L* O O

rig ist. Es ist auch möglich, die Vorrichtung zu eichen oder zu kalibrieren mit einem Probegas, dessen Strömungsgeschwindigkeit bekannt ist, was den Wert V. ein für allemal ergibt. Man kann auch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine direkte Messung der Flugzeit T der Ionen zwischen Kathode und Anode durchführen, und aufgrund der Flugzeit T und des Abstands L zwischen den Elektroden ergibt sich V. = L/T ; dazu enthält der erfindungsgemäße Durchflußmesser vorzugsweise Sender zum Zuführen von positiven Spannungsimpulsen einstellbarer Impulslänge an die Quellenelektrode und eine Zeitmeßeinrichtung zur Messung des Zeitintervalls T , die den von zumindest einer der Sammelelektroden empfangenen Stromimpuls von dem der Quellenelektrode zugeführten Spannungsimpuls trennt.

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Die Zeitmeßeinrichtung bestimmt das Zeitintervall T und demzufolge die Ionengeschwindigkeit V. ohne Gasstrom. Vorteilhaft sind auch steller vorsehbar, um umgekehrt proportional zum Zeitintervall T den Verstärkungsfaktor eines zu den beiden ersten Verstärkern reihengeschalteten vierten Verstärkers einzustellen.

Auf diese. Weise werden die möglichen Änderungen der Ionengeschwindigkeit V. zur automatischen Korrektur berücksichtigt. Der Wert des Zeitintervalls T kann auch zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des dritten Verstärkers eingeführt werden, der anschließend um diesen Wert abhängig von der Summe S der Ströme I' und I' eingeführt geändert wird. Es ergibt sich nun eine Absolutmessung der Gasgeschwindigkeit V und, wenn die molare Masse des umgewälzten Gases bekannt ist, eine absolute Messung des Massen- oder Mengendurchflusses dieses Gases.

Gemäß der Erfindung ist die zwischen der Quellenelektrode und den Sammelelektroden angeordnete Strom- bzw. Spannungsversorgung eine stabilisierte Konstantstromquelle bzw. eine stabilisierte Konstantspannungsquelle bzw. ein stabilisiertes Netzgerät mit Konstantbelastungs-Kennlinie.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Stromsumme S verwendet, um den an der Quellenelektrode anliegenden Hochspannungswert so einzustellen, daß die Stromsumme konstant bleibt.

Vorzugsweise ist an den letzten, die Stromdifferenz Ai der Ströme I' - I' verstärkenden Verstärker, nämlich den dritten oder den

X d*

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vierten Verstärker, ein Integrator so angeschaltet, daß ausgangsseitig die Gesamtmenge des Gases erhalten wird, das während der Integrationszeit durch den Durchflußmesser getreten ist, wodurch der kummulierte oder summierte Durchfluß während einer gegebenen Zeit erhalten wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten AlEführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt den er findung s gern äßen Ionisations-Durchflußmesser,

Fig. 2 in Aufsicht das die mittlere Drahtelektrode umgebende elektrische Feld,

Fig. 3 schematisch die an die Elektroden angeschlossene Elektronik,· wenn der Verstärkungsfaktor des dritten Verstärkers mit Hilfe eines die Summe der von den Sammelelektroden erhaltenen Ströme messenden fünften Verstärkers änderbar ist,

Fig. 4 schematisch die Elektronik zur Messung der Ionen-Flugzeit zwischen den Elektroden,

Fig. 5 die Spannungs- und Stromimpulse zur Messung der Flugzeit,

Fig. 6 schematisch eine Quellenelektrode in Gitterform aus parallelen Drähten,

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Fig. 7 schematisch eine Quellenelektrode in Gitterform aus gekreuzten Drähten,

Fig. 8 schematisch eine Weiterbildung der Elektronik zur Differenzbildung der Ströme I und I ,

Fig. 9 a, 9b eine Befestigungseinrichtung des die Quellenelektrode bildenden Drahtes.

In Fig. 1 ist im Schnitt ein erfindungsgemäßer Ionisations-Durchflußmesser dargestellt, mit einem Isolier-Zylinderrohr 2, in dem in Keilrichtung 4 ein Gasstrom umgewälzt wird, der durch die Sammelelektroden E , E tritt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Quellenelektrode 1 eine Drahtelektrode, die durch eine Buchse 6 tritt. Die Versorgung der Sammelelektroden E und E erfolgt über Durchführungen 8 bzw. 10. Die Sammelelektroden E , E können den Querschnitt des Zylinders 2 teilweise oder vollständig erfüllen und oval, eckig oder rund sein, ohne daß dadurch ihre Betriebsweise und der erfindungsgemäße Durchflußmesser wesentlich geändert würde.

Die Sammelelektroden E , E sind von Schutzringen oder Schutzelektroden 7, 9 umgeben.

In Fig. 2 sind in Aufsicht die Draht-Quellenelektrode E sowie die Äquipotentiallinien dargestellt, die die Draht-Quellenelektrode E umgeben. Unmittelbar neben der Quellenelektrode E sind die Äquipotentialflächen zylindrisch, was einen Kreisquer schnitt 12 ergibt. Im Inneren des durch den Kreis 12 dargestellten Zylinders erfolgt

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die Erzeugung von Elektronen-Ionen-Paaren durch Koronaentladung. In größerer Entfernung vom die Quellenelektrode E bildenden Draht werden die Äquipotentialflächen oval. Zwei elektrische Feldlinien 14, 16 sind zu den Äquipotentiallinien senkrecht.

In Fig. 3 ist schematisch eine Elektronik gemäß der Erfindung dargestellt zum Verstärken, zum Bilden der Differenz und zum Korrigieren des der Geschwindigkeit des Gasstroms entsprechenden Signals. Ein erster Verstärker A ist mit der (ersten) Sammelelektrode E verbunden und besteht aus einem Operationsverstärker 21, der mit einer Rückkopplungsschleife versehen ist, deren veränderlicher Widerstand 20 mehrere MO beträgt, während der zwischen der Quellenelektrode E und der Sammelelektrode E bestehende Wider-

J. O

stand etwa 1000 MO beträgt, was einem Strom von 10/^uA bei einer Potentialdifferenz von 10 kV entspricht. Ein Kondensator 23 beseitigt parasitäre Hochfrequenzsignale über 2 kHz, die von dem Verstärker 21 nicht verstärkt werden. Der am Ausgang der zweiten Sammelelektrode E angeordnete zweite Verstärker A besitzt ähnlichen Aufbau wie der erste Verstärker A . Der Widerstand 22 hat dabei etwa den gleichen Wert wie der Widerstand 20. Am Ausgang der Verstärker A , A ist ein Vergleicher C angeordnet, der an seinem Ausgang 24 eine Differenz von verstärkten und von den Sammelelektroden E , E abgegebenen Strömen abgibt. Das Ausgangssignal am Ausgang 24 ist gleich der Stromdifferenz Δ i und wird durch einen dritten Verstärker A verstärkt, dessen Verstärkungsfaktor gesteuert wird, was durch den Pfeil 26 angedeutet ist, durch das Ergebnis oder Ausgangssignal der in einem fünften Verstärker oder einem Addierer A erhaltenen Summe der Ströme I und I nach Verstärkung durch den ersten und

J. (Li

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zweiten Verstärker A , A . Am Ausgang 28 des dritten Verstärkers A wird ein Signal erhalten, das proportional zur Gasgeschwindigkeit

V im Durchflußmesser ist. Eine Hochspannungsversorgung 31 gibt ein positives Gleichpotential an die Quellenelektrode E ab.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgem äßen Durchflußmessers wird die Hochspannungsversorgung 31 durch das Stromsummen-Signal über die Leitung 33 beeinflußt.

In der Fig. 4 ist der gleiche mit den ersten und zweiten Verstärkern A , A verbundene Durchflußmesser dargestellt. In der Fig. 3 ist die an einer Stelle 30 an die Quellenelektrode E abgegebene Spannung eine positive Gleichspannung, während in Fig. 4 die an der Stelle 32 von einem Block 36 an die gleiche Quellenelektrode E abgegebene Spannung ein positiver Rechteckimpuls 34 ist. Die Zeitdifferenz oder das Zeitintervall T , das das Eintreffen des Stroms, der an der Sammelelektrode E auftritt, und das Signal 34, das die

dt

Quellenelektrode E unter Spannung setzt, trennt, wird durch eine Zeitmeßeinrichtung H gezählt oder erfaßt, die ein zum Zeitintervall proportionales Signal abgibt, das zum Steuern des Verstärkungsfaktors eines vierten Verstärkers A¹ gemäß dem Pfeil 36 vorgesehen

ist, und zwar umgekehrt proportional zu diesem Zeitintervall T₁. Der Vergleicher C mißt die Differenz der nach Durchtritt des Stromes an den ersten und zweiten Verstärkern A und A erhaltenen Signale. Am Ausgang 38 wird ein Signal erhalten, das gleich der Gasstrom-Geschwindigkeit im Durchflußmesser ist. Die Messung der Flugzeit, d. h. der Laufzeit der Ionen zwischen der Quellenelektrode E und der Sammelelektrode E wird für eine Messung der Absolut-Gas-

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strom-Geschwindigkeit V im Durchflußmesser verwendet. Selbstver-

ständlich kann die Anordnung gemäß Fig. 4, d. h. im wesentlichen die Zeitmeßeinrichtung H, auch an die in Fig. 3 dargestellte Anordnung angeschlossen werden.

In Fig. 5 sind ein Hochspannungssignal 40 an die Quellenelektrode E sowie das vom ersten Verstärker A abgegebene Stromantwortsignal 42 dargestellt. Selbstverständlich ist für diese Messung der erste Verstärker so ausgewählt, daß er eine sehr kurze Antwort- oder Ansprechzeit besitzt. Das Zeitintervall T ist die Flugzeit der Ionen zwischen der Quellenelektrode E und der Sammelelektrode E . Die Ionen-

X ώ

geschwindigkeit V. zwischen den beiden Elektroden ist gleich dem Zeitintervall T , dividiert durch den Abstand L zwischen der Quellenelektrode E und der Sammelelektrode E .

X - jü

Bei einem Ausführungsbeispiel sind Gitter aus Kupfer mit 34 mm Durchmesser vorgesehen und in der Mitte eines Rohrs mit 80 mm Durchmesser aus Polyvinylchlorid angeordnet. Die Gitter bestehen aus 0,1-mm-Messingdraht und sind um 0,2 mm beabstandet, weshalb die Maschenweite 0,3 mm beträgt. Die beiden Gitter sind jeweils 25 mm beiderseits eines 0,1-mm-Platindrahts angeordnet.

Bei Anlegen einer Hochspannung von 10 kV an den Platindraht wird ein Gesamtstrom von 10 uA erhalten. Der Vorwärtsstrom oder der elektrische Strom in Strömungsrichtung beträgt 4,95 uA, und der Rückwärts strom oder der elektrische Strom gegen die Strömungsrichtung beträgt 5,05 uA. Die beiden Verstärker A , A , die die beiden

* X υ*

Ströme verstärken, werden so eingestellt, daß die Ausgangsspannung

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an jedem der Gitter 5 V beträgt.

Es wird nun eine Potentialdifferenz Null festgest eilt.

Die Anordnung wird nun in einem kontinuierlichen Kreislauf angeordnet, der einen Luftdurchfluß bei 18 C und 1013 mbar ermöglicht. Mit Hilfe eines Ventilators oder Gebläses wird die Luft in dem Kreislauf mit verschiedenen durch ein Hilfsgerät gemessenen Durchflußmengen umgewälzt.

Es werden folgende Anzeigen erhalten:

2,42 V 22,6 g/s

3,06 V 28 g/s

3,67 V 34 g/s

4,04 V 37 g/s

5,6 V 51 g/s.

In Fig. 6 ist eine Quellenelektrode E in Form eines aus in einem Rahmen 46 befestigten parallelen Drähten 44 gebildeten Gitters dargestellt.

In Fig. 7 besteht die Quellenelektrode E aus einem Gitter 48 aus einem Netzwerk aus gekreuzten Drähten.

In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Teils der Elektronik der Erfindung dargestellt, bei der die Sammelelektroden E , E an den beiden Eingangsanschlüssen 50, 52 eines Differenzverstärkers 54 angeschlossen sind.

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In der Fig. 9 a ist eine Befestigungsweise des Drahtes wiedergegeben mit einem Dorn 62, einer Aussparung 64 und einer Gewindeschraube 66. Eine weitere Gewindeschraube 68 hält einen Zapfen 70 gegen eine Feder 72. Der die Quellenelektrode E bildende Draht 74 ist am Zapfen 70 angeschweißt. Das andere Ende des Drahts 74 ist an einem weiteren Zapfen 76 angeschweißt oder angeklebt, der in einer Aussparung 78 des Gewindekopfs bzw. der -schraube 66 ruht. Um den Draht 78 in dem Dorn 62 unter Spannung zu setzen, sind die Feder 72, der Zapfen 70 und der Draht 74 angeordnet, der am Ende des weiteren Zapfens 76 nach außen tritt. Der Draht 74 wird am weiteren Zapfen 76 befestigt. Die Schraube ,68 wird nun herausgeschraubt, und unter Wirkung der Feder 64 spannt sich der Draht 74.

In Fig. 9b ist der Dorn 62 in seiner Lage im Rohr 2 dargestellt. Die Dichtung 80 ermöglicht die Abdichtung des Durchflußmesser-Inneren. Es ist, um beträchtliche Schwankungen bei den Messungen zu vermeiden, oft unerläßlich, den die Quellenelektrode E bildenden Draht 74 durch diese Einrichtung einer konstanten (mechanischen) Spannung zu unterwerfen.

Eine besonders wichtige Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Messung der in einen Motor eingeführten Gasmenge. Diese Messung erlaubt die Festlegung der eingeführten Gasmenge gemäß dem Druck (z. B. Höhe der Benutzung eines Kraftfahrzeugs), der Temperatur des Gases am Eintritt und der Menge der zugeführten Luft. Diese Messung und die sich daraus ergebende Regelung kann eine Kraftstoffeinsparung von 10 bis 15 % bewirken.

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Bei dieser Anwendung wird der Massen- oder Mengendurchfluß von Luft mit Hilfe eines Durchflußmessers in Form des elektrischen Stroms Ai gemessen, der vom Vergleicher und den Verstärkern verarbeitet oder umgeformt und über die Zeit integriert wird.

Der Durchflußmesser ist auch zum Steuern oder Regeln von Zugbremsen verwendbar. Um Stöße oder Brüche der Fahrzeugkupplungen zu vermeiden, kann nämlich der Lufteintritt in die Bremsleitungen abhängig von der Geschwindigkeit gesteuert werden. Mit Hilfe der Vorrichtung wird die Stellung des Lufteintrittsventils so gesteuert, daß ein konstanter Durchfluß erhalten wird.

Der erfindungsgemäße hochempfindliche Durchflußmesser kann zum Erfassen von Gaslecks bei Rohrleitungen oder Gasbehältern verwendet werden.

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Claims

-U-

Patentans prüche

" 1. Jlonisations-Durchflußmesser für Gase, mit einer in einem Gasstrom angeordneten Quellenelektrode als Ionenquelle, die durch Koronaentladung Ionen abgibt, die von zwei Sammelelektroden aufgesammelt werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Sammelelektroden (E , E) Gitter senkrecht zum Gas-

2- 3

strom sind, die beiderseits der Quellenelektrode (E ) annähernd gleich beabstandet sind,

daß das Potential der Quellenelektrode (E ) groß genug zur Koronaentladung ist, und

daß eine Elektronik die an den beiden Sammelelektroden (E„, E) gesammelten Ströme verstärkt und die Differenz und die Summe der Ströme nach 'deren Verstärkung bildet.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ie Quellenelektrode (E
zum Gasstrom gespannt ist.

daß die Quellenelektrode (E ) ein dünner Draht (74) ist, der quer

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektrode (E ) ein Gitter (44, 48) aus Drähten ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Quellenelektrode (E ) eine Spitze ist, deren Ende nahe der zur Richtung (4) des Gasstroms parallelen Achse der Sammelelektroden (E , E) ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektrode (E ) eine flache Scheibe kleinen Durchmessers im Gasstrom ist.

6. Durchfluß mess er nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

mit Masse verbundene und den Fußteil der Sammelelektroden (E , E) umgebende Schutzringe (7, 9),

eine zwischen der Quellenelektrode (E ) und jeder Sam m el elektrode (E , E) angeschlossene Hochspannungsversorgung (B, 3l),

einen ersten-und einen zweiten regelbaren Verstärker (A₁, A ), die mit jeweils einer Sammelelektrode (E„, E) verbunden sind, und

Ci O

einen Vergleicher (C), dessen Eingänge mit den Ausgängen der ersten und zweiten Verstärker (A , A) verbunden sind und dessen Ausgangsstrom proportional zur Differenz der beiden Eingangsströme ist.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch

eine zwischen der Quellenelektrode (E ) und jeder Sammelelektrode (E , E) angeschlossenen Hochspannungsversorgung (B, 31, 36), und

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einen Operationsverstärker(54)-Vergleicher, dessen beide Eingänge mit je einer Sammelelektrode (E , E) verbunden sind und dessen Ausgangsstrom proportional zur Differenz der beiden Eingangs ströme ist.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

einen Stromaddierer (A), dessen Eingänge mit den Sammelelektroden (E , E) verbunden sind und dessen Ausgangsstrom proportional zur

& O

Summe der Eingangsströme ist,, und

einen dritten Verstärker (A ) in Reihe mit dem Vergleicher (C), dessen Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional zum Ausgangsstrom des Stromaddierers (A) ist.!

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1· bis 8, gekennzeichnet durch

einen Impulssender (36), der Spannungsimpulse (34) einstellbarer Dauer der Quellenelektrode (E ) zuführt,

eine Zeitmeßeinrichtung (H) zum Messen des Zeitintervalls (T ) zwischen dem von mindestens einer Sammelelektrode (E , E) empfangenen Stromimpuls (42) und dem von der Quellenelektrode (E ) abgegebenen Spannungsimpuls (40), und

einen Steller, der umgekehrt proportional zum Zeitintervall (T ) den Verstärkungsfaktor eines vierten Verstärkers (A ersten und zweiten Verstärker (A , A) einstellt.

J- dt

Verstärkungsfaktor eines vierten Verstärkers (A ') in Reihe mit dem

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10. Durchflußmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Quellenelektrode (E ) und.den Sammelelektroden (E , E) angeordnete Hochspannungsversorgung (B, 31, 36) eine stabilisierte Konstantstromquelle ist.

11. Durchflußmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom stabilisierung durch die Messung der Summe der Ströme an den Sammelelektroden (E , E beeinflußbar ist.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsversorgung (B, 31, 36) eine stabilisierte Konstantspannungsquelle ist.

13. Durchflußmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsversorgung (B, 31, 36) ein stabilisiertes Netzgerät mit Konstantbelastungs-Kennlinie ist.

14 ^ Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen dem letzten die Differenz der Ströme (Ι , I)

verstärkenden Verstärker (A , A' , C, 54) nachgeschalteten Integrator zum Messen der Gesamtmenge des den Durchflußmesser während einer einstellbaren Zeit durchströmenden Gases am Ausgang.

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