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Elektronisches Strömungsmeßgerät für Gas
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Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zum essen der Menge oder Geschwindigkeit
eines str;5menden Gases, das Ionen mitführt, die von einer in der 3ahn des Gasstromes
angeordneten Elektrode erzeugt werden, wobei die Elektrode auf ein bestimmtes Potential
auf mindestens eine weitere in der Bahn befindliche Elektrode gebracht ist.
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Es ist bekannt, die Menge eines strömenden Gases mittels eines Ionenstrahles
zu messen, der rechtwinklig zur Gasbahn verlauft und dessen Abweichung im Raum man
mißt, wobei der Ic>iienstrahl durch Koronaentladung erzeugt wird.
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@ei den bekannten Strömungsmessern dieser Art werden die Ionen um
eine Quelle, die z.B. eine Scheibe, eine Spitze oder ein Draht sein kann, herum
erzeugt und von ebenen oder zylindrischen Metallelektroden aufgefangen, wobei das
,Strahlenbialdel im wesentlichen rechtwinklig zur Gasbahn verlauft. Alle diese Strömungsmesser
haben den Nachteil, daß sie außerordentlich empfindlich gegenüber der Art der Trager
der elektrischen Ladung (Ionen), die in unmittelbarer Nähe ihrer quelle erzeugt
werden, sowie gegenüber echwankungen ihrer Übertragungsgeschwindigkeit zwischen
der quelle und den Fangelektroden sind. SulRerdem haben die benannten Strömungsmesser
dieser art eine., auf wenige zentimeter beschränkten Gasdurchgangsquerschnitt, um
eine viel zu hohe Ionisationsspannung zu vermeiden und gleichzeitig eine ausreichende
Meßgenauigkeit zu gewährleisten.
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Bei den bekannten Vorrichtungen der beschriebenen Art wird die Meßgenauigkeit
durch- Verunreinigungen jeder Art beeinträchtigt: wenn beispielsweise das Was feucht
ist, können sich die Ionen auf ihrem Weg mit den Wassermolekülen wiedervereinigen,
und wenn das Gas, dessen Weschwindigkeit man mißt, verschiedene ionisierbare Bestandteile
hat, so erfahren diese nicht dieselbe Ablenkung wie die Ionen des Hauptgases.
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Aulgabe der vorliegenderl Erfindung ist daher ein Strömungsmeßgerät
zum Messen der enge eines strömenden Gases, bei welchem die Ionenquelle nicht in
die Messung einbezogen wird, so daß ihre Schwankungen die Messung nicht beeinträchtigen.
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Aufgabe der Erfindung st ferner ein Gerät zum Messen der Menge oder
Geschwindigk t eines strömenden Gases ohne Beeinträchtigung der Messung durch eventuelle
Verunreinigungen des Gases, wie beispielsweise durch Wasserpartikel, die sich mit
den erzeugten Ionen verbin. n können, oder durch im Gas enthaltene Schmutzpartikel.
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Aufgabe der Erfindung ist schließlich ein Gerät, mit welchem sich
die Menge eines strömenden Gases unabhängig von den Querschnittsabmessungen des
Gasdurchgangs in der Meßvorrichtung messen läßt.
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Die genannten Zwecke werden erfindungsgemäß durch ein Meßgerät erreicht,
in welchem die Ionen sich iai wesentlichen parallel zum gemessenen Medium bewegen
und sowohl die Fangelektrode als auch die Ionenquelle eine ebene Form haben lAnd
im
wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung des gases angeordnet sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens durchströmt
das Gas, dessen Strömungswerte gemessen werden sollen, eine durchlässige Elektrode,
nachdem in Strömungsrichtung vor dieser Elektrode Ionen im Gas erzeugt worden sind.
Beim Meßvorgang wird der Ionenfluß bestimmt, der vom Gas, dessen Strömungsmenge
man messen will, durch die Elektrode hindurch mitgenommen worden ist. Diese Elektrode
wird im folgenden auch durchlässiges Gitter" genannt.
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Mit der erfindungsgemäeen Vorrichtung erhält man ein sehr stabiles
Meßergebnis, das nicht mehr durch Schwankungen der Quelle gestört wirdq da die Bestimmung
jenes Anteils der Ionen, welcher die Elektrode durchquert, unabhängig vom einfallenden
Ionenfluß ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät kann die Ionenquelle sehr nahe
am durchlässigen Gitter angeordnet sein (der Abstand wird praktisch nur durch die
dielektrische Konstante zwisehen der Ionenquelle und dem durchlässigen Gitter beschränkt),
und somit haben die Ionen des zu messenden Gases praktisch keine Möglichkeit mehr,
sich mit den Verunreinigungen zu verbinden. Außerdem ist die anzuwendende Spannung
zwischen der Quelle und dem durchlässigen Gitter unabhängig vom Querschnitt des
Strömungskanals, wodurch in jedem Fall mit einer niedrigen Betriebsspannung gearbeitet
werden kann.
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Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung mißt man den
Ionenfluß durch das d ;hlässige Gitter hindurch
mittels einer Fangelektrode,
die ebenfalls die Form eines Gitters hat und in Strömungsrichtung hinter dem durchlässigen
Gitter angeordnet ist. Man erreicht dabei eine Durchschnittsmessung der auf diese
Fangelektiode treffenden Ionen, und die verschiedenen Schwankungen der Quelle (Emissionsruschen
infolge der Kondensation schwerer Partikel, wie Staub und Rauch, die auf der Quelle
kondensieren und eine Dispersion der Entladung verursachen) können die Messung nicht
mehr stören.
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Bei einer anderen Ausführungsfor..* des Erfindungsgedankens ist der
Abstand zwischen den Elektroden unveränderlich vorgegeben ohne Rücksicht auf die
Querschriittsabmessungen der Gaskanals im Meßgerät. Bei dieser Anordnung wird das
elektrische Feld zwischen den Elektroden zu einem konstanten Parameter, nachdem
der Wert der Potentialdifferenz an der Ionenquelle bestimmt worden ist. Somit funktioniert
das erfindungsgemäße Meßgerät unabhängig von den Querschnittsabmessungen des Gaskanals.
Man kommt auf diese Weise mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung und dadurch
mit einer kostengünstigen Spannungsquelle aus, und die Meßgenauigkeit ist bei einer
gegebenen Spannungsquelle ohne Rücksicht auf den jeweiligen Quer.chnitt des Gaskanals
praktisch stets konstant. Ein weiterer Vorteil, der sich besonders bei Gaskanälen
von großem Querschnitt bemerkbar macht, besteht darin, daß wegen der niedrigen Spannung
sich die elektrische Isolierung der Elektroden des Geräts leicht vorne? en läßt.
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Schließlich bietet diese Ausführungsform den Vorteil, daß
man
mit einer Ionenquelle mit einer sehr geringen Dichte von Ionenträgern in der unmittelbaren
Umgebung arbeitet.
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Bei den bisher bekannten Meßgeräten ist die Dichte der erzeugten Ionen
sehr groß, was zur unmittelbaren Folge hat, daß das elektrische Feld zwische. den
Elektroden gestört wird, sobald eine kleine Veräxiderung dieser Ionendichte auftritt.
Derartige Schwankungen ergeben sich zkangsläufig, wen das durch das Meßgerät strömende
Gas einige Verunreinigungen enthält. So sind beispielsweise in der atmosphärischen
Luft Wasserdampf oder Rauch suspendiert, und bei Mengen- oder Ueschwindigkeitsmessungen
dieses Gases mit den bisher bekannten Meßgeräten ergibt sich daraus eine äußerst
kritische Abhängigkelt.
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Gemäß der vorlienden Ereindung ist die Dichte der Ionenträger sehr
gering. Verglrichen mit den bisher bekannten Meßgeräten ist das Verhältnis 10 bis
100 mal kleiner. Es liegt auf der Hand, daß bei einem erfindungsgemäßen Meßgerät
die Schwankungen dieser Dichte absolut im selben Verhältnis geringer sind, so daß
ihre Wirkungen auf die Meßergebnisses praktisch fernachlässigbar sind und jedenfalls
innerhalb der erforderlichen Genauigkeitstoleranzen liegen.
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Dieses Merkmal hat im übrigen auch einen vorteilhaften Einfluß auf
die Alterung und somit die Lebensdauer der Ionenquelle. So werden bei den bisher
bekannten Me,aräten die Ionenquellen von den Ionentragern als Folge deren großer
Dichte stark bombardiert, was zu einer schnellen Zerstörung des verwendeten materials
führt. Dagegen werden die Ionenquellen des erfindungsgemäßen Meßgeräts kaum bombardiert.
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Bei gleichem Material hält sich hier die Alterung oder der Verschleiß
in so kleinem Rahmen, daß ein intensiver oder sehr langfristiger Gebrauch gewährleistet
ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung seien nun einige Ausführungsbeispiele
an dand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen in schematischer
Darstellung Fig.1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit einer radioaktiven Ionenquelle;
Fig.2 eine erfindungsgemne Meßvorrichtung mit einer Ionenquelle mit Koronaentladung;
Fig.3 eine Meßvorrichtung gemäß Fig.2 mit einer Spannungs-und Stärkenregelung der
Ionenquelle; Fig.4 eine erfindungsgemäße MeßvorrichDung mit einer Ionenquelle mit
Koronaentladung sowie mit einer Anzeige des vo der Fangelektrode abgegebenen Stromes;
und Fig.5 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.
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Das Meßgerät mi. radioaktiver Ionenquelle gemäß Fig.1 besteht im wesentlichen
aus drei meb-allischen Meligittern 1, 2 und 3, die im wesentlichen rechtwinklig
zum Gasstrom in einem Kanal 4 angeordnet und elektrisch gegeneinander isoliert sind,
wobei die Elektroden praktisch den gesamten Querschnitt des Kanals 4 bedecken. Die
Elektrode 1 ist mit einem nicht dargestellten radioaktiven ueberzug versehen.
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Zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 befindet sich eine Spannungsquelle
5 zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden derart,
daß die erzeugten
Ionen von der Elektrode 1 zur Elektrode 2 wandern.
Ferner ist ein Strommeßgerät 6 zwischen der Spannungsquelle 5 und der Elektrode
2 sowie ein weiteres Strommeßgerät 7 zwischen der Elektrode 3 und dem Anschlußpunkt
von Quelle 5 und Meßgerät 6 vorgesehen. Das Gas strömt in Richtung des Pfeiles 8.
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Die Spannungsquelle 5 wird so eingestellt, daß ihr Wert ausreicht,
Ionen einzufangen, sobald die Gesgeschwindigkeit # nicht mehr Null ist. Angenommen
E sei der Wert des elektrischen Feldes nahe den Drähten der Elektrode 2 und » sei
die Mobilität der Ionen in dem zu messenden Gas (gewöhnlich ausgedrückt in cm2/V.s).
Wenn die Gasgeschwindigkeit
| Null ist, so ist die Geschwinligkeite der Ionen überall im |
| E |
| Zwischerlraum # = µ , und fast alle Ionen werden von der |
Elektrode 2 aufgefangen, weil fast alle Kraftlinien an diese Elektrode 2 reichen.
| Wenn das Gas eine Geschwindigkeit von nicht Null t hat, |
| so beträgt die Geschwindigkeit der Ionen: |
| ( |
| An allen Punkten des Raumes, an denen |#0| > |E/µ| ist, |
verlassen die Ionen die Kraftlinien, so daß sie über die Elektrode 2 hinaus mitgerissen
und von der Elektrode 3 aufgefangen werden. Der vom Meßgerät 7 angezeigte Elektronenstrom
der Elektrode 3 ist somit eine genau definierte Funktion der Mitreißgeschwindigkeit
#0 des in Bewegung befindlichen Gases. Das Strommeßgerät 6 zeigt den von der Elektrode
2 aufgefangenen Ionenstrom an. Das Verhältnis der Ströme I3 und I2 entspricht dein
Verhältnis der Ionen,
die von den Elektroden 3 und 2 aufgefangen
werden,und ist damit nur eine Funktion der Chalakteristiken des Gasstromes.
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Der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2 ist genügend klein ge't'hlt,
um die Rekombination der erzeugten Ionen beispielsweise mit Wasserdampfmolekülen
zu reduzieren.
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Die unterste Grenze dieses Abstands ergibt sich praktisch aus der
Durchschlagspannung zwischen den Elektroden 1 und 2.
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Der Abstand beträgt vorteilhaft rund 5 mm Der Abstand zwischen den
Elektroden 2 und 3 entspricht etwa der Maschenweite des die Elektrode 1 bildenden
Gitters Der geringste Abstand ist dann gegeben, wenn die Feldlinien bei ruhendem
Gas gerade so weit durch die Elektrode 2 hindurchgehen, daß sie das Gitter 3 nicht
ganz erreichen (geschähe dies, so würde das Meßgerät 7 auch bei ruhendem Gas einen
Strom anzeigen).
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Man wählt die Maschenweite des ( tters der Elektrode 2 etwa genau
so groß wie dtn Abstand zwischen den Elektroden 2 und 3, der vorzugsweise 1 mm betragen
sollte.
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Fig.2 veranschaulicht ein w>teres Ausführungsbeispiel, bei welchem
die Ionenquelle eine Koronaentladung ist. Auch hier befinden sich im Meßkanal 4
die drei Elektroden 1, 2 und 3, jedoch hat die Elektrode1keinen radioaNtiven Überzug.
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Anstelle des Strommeßgeräts 7 ist ein Voltmeter 10 von großer Eingangsimpedanz
vorgesehen, die so gewählt ist, daß der durch das Voltmeter fließende Strom im Vergleich
zum Arbeitsstrom der Quelle sehr schwach ist, und die Spannungsquelle
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ist so eingestellt, daß sie eine Koronaentladung auf der Elektrode 1 bewirkt. Das
Strommeßgerät 6 ist durch einen Widerstand 11 ersetzt.
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Die an der Elektrode 1 durch Koronaentladung erzeugten Ionen fließen
unter der Einwirkung des durch die Spannungsquelle 5 erzeugten elektrischen Feldes
zur Elektrode 2.
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Wenn das zu messende Gas ruht, werden praktisch alle Ionen von der
Elektrode 2 aufgefangen.
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Strömt das zu messende Gas in Richtung des Pfeiles 8, so werden die
Ionen durch die Elektrode 2 hindurch zur Elektrode 3 mitgeführt. Da das Voltmeter
10 eine große Eingangsimpedanz hat, baut sich an der Elektrode 3 eine Spannung auf,
die ein elektrisches Beld erzeugt, das dem Fluß der Ionen zur Elektrode 3 entgegenwirkt.
Es sei E1 das elektrische keld zwischei den Elektroden 2 und 3, die Mobilität der
Ionen und 7r die Geschwindigkeit des E1 zu messenden Gases. Wenn µ = #0, dann erreichen
die Ionen nicht mehr die Elektrode 3.
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Die elektrische Spannung, die sich an der Elektrode 3 aufbaut, ist
somit ausschließlich die Funktion der Charakteristiken des Gasstroms. Es läßt sich
daher die Strömungsgeschwinuigkeit oder die Menge des Gases leicht durch eine Zeromethode
messen. das elektrische Feld bewirkt praktisch, daß-alle Ionen vom durchlässigen
Gitter2gefangen werden und daß somit der Strom an der Elektrode 3 praktisch Null
ist, was durch den sehr hohen Widerstand des Voltmeter 10 bewirkt wird, wodurch
trotz der sehr geringen Zahl von Ionen, die an der Elektrode 3 eintrefftn, die Spannung
zwischen
dieser Elektrode und der Elektrode 2 ausreicht, um die Ionen zurückzustoßen.
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Zurückkommend auf die Schaltung gemäß Fig.1 erhalten wir
Hierbei ist I3 der Strom an der Fangelektrode 3, K eine von der räumlichen Gestaltung
der Vorrichtung abhängige Konstante, I2 der in der Elektrode 2 fließende Strom,
die die Di.chte des gasförmigen Mediums, # seine Geschwindigkeit und V das Differentialpotential
zwischen der Quelle 1 und dem durchlässigen Gitter 2.
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Man erkennt also, daß zum Messen der Geschwindigkeit oder der Menge
des Gases der Strom I2 und das Differentialpotential V berücksichtigt werden müssen.
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Um eine direkte Messung der Geschwindigkeit # des des Gases zu ermöglichen,
kann man mit einer regelbaren Stromversor-T# gung arbeiten, wie z.B. V = konstant.
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In diesem Fall läßt sich die Gleichung (1) so ändern: I3 = 0 .
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wobei C eine andere Konstante ist, nämlich
Eine Schaltung, mit der sich diese Messung vornehmen läßt, ist schematisch in Fig.3
dargestellt. Die Elektrode 1 ist an eine Hochspannungsquelle 12 angeschlossen, beispielsweise
einen Spannungswandler mit Oszillator. Zwischen der Elektrode 1 und Masse sind in
Serie zwei Widerstände 13 und 14 geschaltet, die einen Spannungsteiler darstellen.
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Die Spannung an den Klemmen von Widerstand 14 wird an den Eingang
(+) eines Differentialverstärkers 15 gelegt, dessen anderer Eingang (-) seine Spannung
von den Klemmen des Widerstands 11 erhält, der. zwischen die Elektrode 2 und Masse
geschaltet ist. De. Ausgang des Differentialverstärkers 15 ist mit einem Eingangsregler
der Spannungsquelle 12 verbunden. Die Elektrode 3 ist mit einem Verstärker 16 verbunden,
der in bekannter Weise die Unterdrückung des Reststroms mittels eines Potentiometers
17 bewirkt, das an einer Hilfsspannung X liegt. Ein solcher liest strom körilte
an der Elektrode 3 auftreten, wenn die Gasgeschwindigkeit Null ist und die Elektroden
2 und 3 sehr nahe aneinander liegen. Am Ausgang 18 des Verstärkers 16 erhält man
eine Spannung, die proportional zur Geschwindigkeit des durch das Meßgerät strömenden
Gases oder zu seiner Menge ist.
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Es seien V die Spannung zwischen der Elektrode 1 und Masse und R11,
R13 und R14 die Werte der Widerstände 11, 13 und 14. Ferner sei vorgegeben, daß
die Spannung der Quelle 12 so geregelt ist, daß
also daß die Spannungen an den beiden Eingängen (+) und (-) des Verstärkers 15 gleich
sind. In diesem Zustand haben wir
Dies bedeutet, daß das Verhältnis 12 für vorbestimmte Werte der Widerstände 11,
13 und 14 konstant ist. Die
Genauigkeit dieses Wertes ist direkt
abhängig vom Verstäricungsfaktor des Verstärkers 15, der so hoch wie nötig ausgelegt
werder kann.
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Fig.4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des Erfindungsgedankens
mit einer Korona-Ionenquelle und einer Strosmessung am Fanggitter. blier ist eine
zusätzliche Elektrode 19 symmetrisch zur Elektrode 2 und eine zusätzliche Elektrode
1) symmetrisch zur Elektrode 3, beides auf die Elektrode 1 als Mitte bezogen, vorgesehen.
Die Elektroden 2 und 19 sind miteinander verbunden und über einen Widerstand 11
an die Spannungsquelle 5 angeschlossen.
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Der Anschlußpunkt von Widerstand 11 und Spannungsquelle 5 ist über
die Widerstände 21 bzw. 22 an die Elektroden 3 bzw. 20 angeschlossen. Ein Mikroamperemeter
9 ist zwischen die Elektroden 3 und 20 geschaltet. Es handelt sich hier um eine
Zweiweg-Anordnung. Man stellt die Spannung der Hochspannungsquelle 5 so ein, daß
eine Koronaentladung an der Elektrode 1 stattfindet.
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Diese Anordnung arbeitet im wesentlichen genau so wie die als erste
beschriebene Anordnung. Der vom Strom I2 durchflossene Widerstand 11 baut ein spannung
zwischen den Elektroden 2 und 3 auf, um die Linearitätseigenschaften des Meßgeräts
zu verbessern. Das Mikroamperemeter 9 zeigt die Differenz der an den Elektroden
3 und 20 auftretenden Ströme an. Diese Differenz ist charakteristisch für die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases. Genau wie beim vorangegangenen A ;+führungsbeispiel ist die Spannungsqtielle
5 zweckmäßig derart au..gelegt, daß die &, ;nnung an ihren
Klemmen
und der von ihr elieferte Strom in einem konstanten Verhältnis stehen, um eili?
direkte Ablesung als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu ermöglichen.
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Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen läßt sich das
Meßgerät auf die Gasgeschwindi eit Null einstellen, indem man entweder den Abstand
zwischen den Elektroden 2 und 3 mittels einer mechanischen Vorrichtung verandert
oder das elektrische Feld um die Elektrode 2 mittels einer rein elektrischen ltegelvorrich':ng
beeinflußt, was vorzuziehen ist.
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Ferner können alle anderen beschriebenen Ausführungsformen umkehrbar
gemacht werden, indem mrin zwei zusätzliche Elektroden symmetrisch zu d 1 Elektroden
2 und 3, i>eidesmal/auf die Quelle 1 als Mitte bezogen, einbaut und die geeigne-ten
elektrischen Anschlüsse vorsieht.
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Auch kann man durch geeignete Maßnahmen den Gasstrom in Höhe des Quelle
derart beeinflussen, daß das Gas nur den aktiven Abschnitt der Elektrode durchströmt.
Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß man die Innenwand des Gaskanals
leicht einschnürt und ihr eine Neigung in Richtung auf die Achse des Kanals gibt.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind vorzugsweise
ebene Elektroden in einem Meßkanal angeordnet, jedoch können vergleichbare Ergebnisse
auch mit andersförmigen Elektroden erziel- werden, wenn man das Hauptmerkmal der
vorliegenden Erfindung unverandert läßt, nämlich die Anordnung einer "durchlässigen"
Elektrode zwisch n einer
Ionenquelle und einer Fangelektrode. So
kann man beispielsweise um die Ionenquelle zylindrische oder kugelige Elektroden
anordnen und die Messung in freier Luft vornehmen.
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Fig05 zeigt in schematischer Darstellung eine andere Ausführungsform
des Erfindungsgedankens.
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Hier sind zwei ebene Elek-troden 23 und 24 in Form von Gittern aus
Metalldraht symmetrisch beiderseits einer anderen ebenen Elektrode 25 geordnet,
die als Ionenquelle dient und ebenfalls gitterförmig ausgebildet ist. Alle drei
Elektroden sind in einem Meßkanal 26 untergebracht. Die Elektroden 23 und 24 sind
güter eine Anorulaung, die aus den beiden Widerständen 27 und 28 besteht, miteinander
verbunden. Die Spannungsquelle 29 ist zwischen die Elektrode 25 und den Anschlußpuiikt
der Widerstände 27 und 28 geschaltet. Ferner ist ein Strommeßgerät 30 zwischen den
Elektroden 23 und 24 angeordnet. Die Strömungsrichtung des zu messenden Mediums
ist durch den Pfeil 31 gekennzeichnet.
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Die drei Elektroden 23, 24 und 25 verlaufen im wesentlichen rechtwinklig
zum Gasstrom. Die Elektron 25(!) besteht aus dünnem Metalldraht, um unter Einwirkung
der Spannungsquelle 29 als Ionenquelle durch Koronaentladung zu dienen. Das Meßgerät
30, hier ein Mikroamperemeter, mißt die Differenz der Ionenströme 11 und I2, die
von den Elektroden 23 bzw.
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24 aufgefangen werden. Die Widers1;ände 27 und 28 dienen zur festlegung
des Potentials der Elektroden 23 und 24.
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Wenn kein Gasstrom stattfindet, ist die Koronaentladung beiderseits
der als Ionenquelle dienenden Elektrode 25
symmetrisch. Die aufgefangenen
Ströme I1 und I2 sind bleich, und das Meßgerät 30 schlägt nicht aus. Bei einem Gasstrom
in Richtung des Pfeiles 31 werden die erzeugten Ionen zur Elektrode 24 mitgenommen,
wobei diese Mitnahme proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Gases erfolgt.
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Die Differenz zwischen den Strömen I2 und 11 wird nun am Meßgerät
30 angezeigt und läßt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases erkennen. Diese Differenz
12 - I1 ist einerseits proportional zur Stärke der Ströme 11 und 12, also zur Summe
I1 + I2,und andererseits proportional zum Produkt aus der Gasgeschwindigkeit und
der Gas:dichte g. Sie ist gleichzei@ig umgekehrt proportional zur Betriebsspannung
V der Ionenquelle:
wobei K eine Konstante ohne Maßeinheit ist.
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Die Meßgröße . v vereinfacht sich, wenn die Spannungsquelle 29 so
ausgelegt ist, daß der Quotient I1 + I2 konstant ge-V halten wird. In diesem Fall
erhalt man: 3 K' (12-11).
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K' ist hier eine abhängige Konstante, nämlich abhängig vom zu messenden
Gas, vom Quotienten I1 + I2 una von der Gestalt V des Meßkanals.
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Bei einem Meßgerät dieser Art entstehen Raumladungen an jeder der
beiden ezektroden 23 und 24, wobei die Raumladung in der Umgebung von Elektrode
24 geringer ist als die in der Umgebung von Elektrode 23, weil die Ionen vor allem
zur Elektrode 24 mitgenommen werden. Diese Raumladungen sind
abhängig
von der Spannung der Quelle 29. Sie muß oberhalb eines bestimmten Wertes liegen,
denn sonst ist die Raumladung zu gering, und die Ior n werden über die Elektrode
24 hinaus mitgenommen.
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Die Messung wird hauptsächlich durch jene Ionen crmöglichts die quer
zum Gasstrom verlaufen, denn die parallel zum Gasstrom verlaufenden Ionen werden,
zumal bei einer schwachen Raumladung infolge eines starken elektrischen Feldes,
kaum vom Gasstrom beeinflußt, während die quer zum Gasstrom verlaufenden Ionen leicht
mitgenommen werden.
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Als Abstand zwischen dei Elektroue 25 und den Elektroden 23 und 24
wahlt man vorzugsweise die Maschenweite des Gitters der Elektrode 25. Die Abstande
betragen vorzugsweise etwa 5 mm.
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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die bisher bekannten Meßgeräte
empfindlich auf Verunreiniwngen des zu messenden Gases reagieren, insbesondere auf
im Gas enthaltenen Wasserdampf, dessen Mol«süle sich mit den von der Quelle erzeugten
Ionen rekombinieren können. Bei diesen Meßgeräten ist der Weg der Ionen zwischen
ihrer Quelle und den Fangelektroden verhältni mäßig lang, so daß die Möglichkeit
eine Rekombination groß ist (generell besteht die Gefahr einer Rekombination, wenn
der onenfli;ß länger als etwa 10 4 Sekunden dauert). Dagegen ist bei einer erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung der Ionenweg zwischen der Ionenquelle 25 und den Fangelektroden 23
und 24 sehr k-urz, so daß praktisch keine Gefahr einer Rekombination besteht.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
daß wegen des geringen Abstands zwischen den Fangelektroden 23 und 24 und der Ion
quelle 25 die Spannung der Spannungsquelle 29 ohne Rücksicht auf den Querschnitt
des Gaskanals sehr gering sein kann.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei Kanälen mit großem Strömungsquerschnitt
angesichts dieser niedrigen Spannung keine Probleme bei der elektrischen Isolierung
der Elektroden auftreten, Es liegt auf der nand, daß bei einer Umkehrung der Strömungsrichtung
des zu messenden Gases die Anzeige des Meßgeräts 30 in umgekehrter Richtung erfolgt.
(Man verwendet zweckmäßig ein Gerät mit Nullpunkt in der Mitte oder mit Polumschaltung)
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Patt ansprüche
L e e r s e i t e