DE2636153A1

DE2636153A1 - Ionengenerator

Info

Publication number: DE2636153A1
Application number: DE19762636153
Authority: DE
Inventors: Robert Howard Bullis; Jun Walter Jacob Wiegand
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-08-18
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1977-03-03
Also published as: FR2321792A1; IT1066065B; CA1067134A; JPS5223966A; US4049989A; GB1510244A

Description

United Technologies Corporation

United Technologies Building

Patent Section PATENTANWÄLTE

• ^ _Λ ™ ^-,^ MENGES& Prahl

Hartford, CT 06101 Ertmttotr. 12 D-ΘΟΟΟ WOucfaen 5

U.S.A.

Anwaltsakte U 336

10.August 1976

IONENGENERATOR

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Ionen in einein Fluidum und insbesondere Mittel zum Erzeugen einer im wesentlichen gleichförmigen Quelle von Ionen mit einer elektrischen Ladung gleichen Vorzeichens.

Es hat sich herausgestellt, dass Ionen sehr nützlich sind beim Messen verschiedener Parameter, wie etwa den Fluss, die Geschwindigkeit oder den Massenfluss eines Fluidums. Ein typisches Beispiel einer solchen Anwendung ist in der US-PS 2 637 208 beschrieben. Dort wird gelehrt eine Ionenwolke an einem bekannten Ort zu erzeugen und die Ankunft dieser Ionen an einem zweiten Ort festzustellen. Mittel wie etwa eine Funkenstrecke oder eine ionisierende Strahlung erzeugen die für die Messung erforderliche lonenwolke.

Eine im allgemeinen ähnliche Lehre wird in der US-PS 2 827 786 erteilt. Dort wird der Durchgang einer Ionenwolke zwischen zwei bekannten Orten gemessen und verschiedene mögliche Verfahren zum Erzeugen der gewünschten Ionisation, wie etwa Alphateilchen, Elektronen hoher Geschwindigkeit, ultraviolette Strahlen, Röntgenstrahlen und das Spektrum der zugänglichen

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elektrischen Entladungen angegeben, obwohl nichts über die relativen Werte jeder dieser Quellen gesagt wird. In der US-PS 3 470 741 ist ein Massenflussgerät beschrieben mit einer strichförmigen Ionenquelle, welche entweder linear oder von kreisscheibenförmiger Form sein kann. Dort wird eine Koronaentladung als Mittel zum Erzeugen der Ionen beschrieben, obwohl andere Ionenquellen angedeutet werden und gleichwohl anwendbar sind. Ein Hauptnachteil der dargestellten lonenerzeugungsvorrichtungen ist deren Empfindlichkeit gegenüber teilchenförmiger Substanz, welche durch die Vorrichtung hindurch geht. Teilchenförmiges Fremdmaterial, wie etwa Staub oder Schmutz, welches von dem in das System eintretenden Fluidum mitgenommen wird, kann sich auf der emittierenden Elektrode absetzen, wodurch eine ungleichförmige Verteilung der Emission der Elektrode bewirkt wird. In ähnlicher Weise kann in dem Fluidstrom, insbesondere in den Bereichen direkt neben der emittierenden Elektrode, suspendiertes Fremdmaterial wegen der in diesem Bereich auftretenden Störungen der Ladungsverteilung zu einem ungleichmässigen Verhalten des Ionenstromes führen.

In der US-PS 3 64 8 517 wird eine Spannungsquelle

beschrieben, welche Mittel zum Konstanthalten des Spannungsstromverhältnisses zwischen den Emissions- und Kollektorelektroden von Ionen Ablenkgeräten beschrieben. Obschon die beschriebene Steuerung der Spannungsquelle bestimmte Vorteile hat, ist das dargestellte Massenflussmessgerät im wesentlichen das Gleiche wie de bekannten Vorrichtungen. Eine einfache und sichere Ionenquelle , welche unempfindlich gegenüber Fremdmaterial ist, würde die praktische Anwendbarkeit vieler Geräte, wie etwa der obenbesprochenen Instrumente, verbessern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Ionenquelle bereitzustellen mit einer im wesentlichen gleichförmigen Ionendichteverteilung.

Erfindungsgemäss umfasst eine sichere Ionenquelle, welche insbesondere zur Anwendung im Messen von Parametern eines durch eine Leitung strömenden Fluidums geeignet ist, ein Gehäuse mit einer sich in Richtung der Fluidströmung erstreckenden Achse,

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Mittel zum Erzeugen von Ionen in einem begrenzten Volumen, welches axial durch das Gehäuse und in Richtung senkrecht zur Achse durch einen ionendurchlässigen Schirm und ein ionendurchlässiges Gitter neben dem Schirm begrenzt ist und Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen dem Schirm und dem Gitter.

Ionen werden oft mittels eines elektrischen Entladung, wie etwa eine Glimm- oder Koronaentladung erzeugt und dadurch wird entweder eine geradlinige oder eine kreisförmige Linienionenquelle bereitgestellt. Das Gerät umfasst eine ionendurchlässige Elektrode und ein ionendurchlässiges Beschleunigungsgitter, welches die gewünschten Ionen in den Arbeitsbereich injiziert. In vielen Fluidmeteranwendungen in denen der elektrische Strom, welcher

erzeugt wird durch die Ionenwanderung durch das Fluidum/gemessen wird,

ein '

wird/das Wandern der Ionen bewirkendes elektrisches Feld an die Ionen gelegt. Die Gesamtlänge in axialer Richtung der Ionenerzeugsvorrichtung ist normalerweise klein im Vergleich zu vielen der umgebenden Komponenten.

Eine Ionenquelle nach der vorliegenden Erfindung ist sowohl

können kräftig/wie sicher. Die» Vorrichtungen/mit irgendwelchen Mitteln zum anfänglichen Erzeugen von Ionen benutzt werden und ihr Betrieb ist relativ unempfindlich gegenüber Schmutz und Fremdkörpern und dem umgebenden Fluidum. Bei jenen Ausführungsformen, mit elektrischer Entladung zum anfänglichen Erzeugen von Ionen , kann dieses Feld optimiert werden/unabhängig von dem elektrischen Feld, das dazu benutzt wird,yaie Ionen aus dem Erzeugungsbereich herauszuziehen. In einigen Anwendungen kann noch ein anderes elektrisches Feld benutzt werden, um eine Wanderung der Ionen im strömendem Medium zu bewirken.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung , welche eine bevorzugte Ausführungsform derselben darstellt, beispielsweise beschrieben.

Die Zeichnung stellt einen schematischen Querschnitt einer Ionenquelle in Uebereinstimmung mit der Erfindung dar.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen in Uebereinstimmung mit der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein Hauptteil

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10 mit kreisförmigem Querschnitt, besteht aus einem stromaufwärtigen Abschnitt 12 und einem strornabwärtigen Abschnitt 14, die voneinander durch einen Mittenbereich 16 getrennt sind. Im Mittenbereich bilden eine auf der Mittellinie des Hauptteiles 10 montierte Mittenelektrode 18 und eine symetrisch um die Mittellinie angeordnete durchlässige Elektrode 20 einen ringförmigen Entladungsbareich 22 zwischen der Elektrode 18 und der Elektrode 20.

Ein Gitter 24, das symetrisch um die durchlässige Elektrode 20 angeordnet ist, bildet einen Ionenbeschleunigungsbereich 26 zwischen der Elektrode 20 und dem Gitter 24. Eine Spannungsquelle 28 liefert eine elektrische Spannung zwischen der Mittenelektrode 18 und der durchlässigen Elektrode 20 und eine Beschleunigungsspannungsquelle 30 liefert eine Spannung zwischen der durchlässigen Elektrode 20 und dem Gitter 24.

Das Gitter 24 ist typisch ein Drahtgitter mit Oeffnungen, welche mindestens gross genug sind damit die Strömungsmedien hindurchf Hessen können, wobei diese Gase, wie etwa Luft, sein können, die in Richtung der mit dem Pfeil 32 bezeichneten Strömungsrichtung fHessen. In ähnlicher Weise hat die durchlässige Elektrode 20 Oeffnungen oder Poren, die ausreichend gross sind damit solche Medien hindurchströmen können. Wenn also z.B. Luft am Hauptteil 10 in Richtung 3 2 vorbeifliesst, tritt ein Teil dieser Luft in den Beschleunigungsbereich 26 und den Entladungsbereich 22 ein. Die Spannungsquelle 28 hält zwischen der Mittenelektrode 18 und der durchlässigen Elektrode 20 eine Spannung aufrecht, die ausreicht um die Luft im Entladungsbereich 22 zu ionisieren und eine kontinuierliche Ionenzufuhr zu erzeugen. Das Gitter 24 wird mit Hilfe der Beschleunigungsspannungsquelle 30 auf einem geeigneten elektrischen Potential gehalten, um einige dieser Ionen, die im Entladungsbreich 22 erzeugt werden, herauszuziehen und welche dann durch die durchlässige Elektrode 20 hindurchwandern und in radialer Richtung 34 durch das Gitter 24, welches auch ionendurchlässig ist, beschleunigt werden. Diese Ionen werden im Strom des Arbeitsmediums, welches am Hauptteil 10 vorbeifliesst abgesetzt.

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Der Hauptteil 10 ist nach der Zeichnung im Zentrum einer kreisförmigen Leitung 36 angeordnet/ wie dies bei vielen Fluidummessanwendungen, die das Einführen von ionen in das Fluidum bei seinem Durchfluss durch die Leitung erfordern, der Fall ist. Ein Ionenkollektor 38, der als eine Spule ^aus elektrischleitendem Material dargestellt ist, befindet sich auf der Wandfläche der Leitung 36 und eine Ionenwanderspannungsquelle 40 liefert ein elektrisches Feld in der Leitung. Viele andere Ionensammelvorrichtungen, wie etwa leitende Beschichtungen, können anstelle der dargestellten Spule benutzt werden in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung.

Sowohl der stromaufwärtige Teil 12»wie der stromabwärtige Teil 14 des Hauptteiles 10 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, das eine ausreichende dielektrische Durchschlagfestigkeit aufweist/um Kurzschlüsse zwischen den Leitern 42, welche die Spannungsquellen mit den Arbeitselementen im Mittelbereich verbinden, zu verhindern. Eine dünne Schicht 44 eines elektrischleitenden Materials ist an der Oberfläche des Hauptteiles 10 aufgebracht, die dem strömendem Medium ausgesetzt ist, und den sauberen radialen Aufbau des elektrischen Feldes durch Eliminieren von lokalen elektrischen Oberflächenbeladungskonzentrationen, welche die Bev/egung der Ionen durch den Hauptstrom beeinflussen könnten, aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Erfindung wurde eben im Zusammenhang mit einem Gerät mit dem wesentlichen kreisförmigen Querschnitt beschrieben. Ein solches Gerät liefert eine kreisförmige Ionenquelle urd dadurch einen elektrischen Strom, welcher im wesentlichen gleichförmig in das durch ein kreisförmiges Rohr strömende Gas injiziert wird, wenn die Ionenquelle auf der Mittellinie montiert ist. Alternativ kann die Vorrichtung so ausgelegt sein, dass sie eine gerade oder ebene Ionenquelle bereitstellt? hierzu müssen der Mittenelektrode, der durchlässigen Elektrode und dem Gitter eine geeignete Form gegeben werden.

Das dargestellte Gerät arbeitet gut mit entweder einer Glimmentladung oder einer Koronaentladung zwischen der Mittenelektrode 18 und der durchlässigen Elektrode 20. Die elektrische Entladung kann auch mit Gleichstrom, Wechselstrom oder Hoch-

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frequenz erfolgen. Auch kann die Ionisation im Entladungsbereich mit nichtelektrischen Mitteln, wie radioaktive Quellen, erzeugt werden.

Die relative Unempfindlichkeit der vorliegenden Erfindung gegenüber Staubteilchen im Arbeitsmedium lässt sich leicht unter Bezugnahme auf eine Koronaentladung erklären. Das Vorliegen von Staub oder ähnlichen Teilchen auf einer Elektrode, die Ionen erzeugt, hat eine negative Wirkung auf die Gleichförmigkeit der Ionenerzeugung und die Stabilität des resultierenden Stromflusses. Der Staub wird zu einem lokalen Bereich hoher Emission, die um ein bis zwei Grössenordnungen grosser als die mittlere Emission einer vergleichbaren sauberen Fläche sein kann. Auch können diese lokalen Störungen eine pulsierende Koronaentladung

daraus
bewirken mit/resultierenden Ionenströmen, die einen relativ hohen Anteil an unregelmässigem und unkontrollierbarem Rauschen enthalten. In dem in der Zeichnung dargestellten Gerät befindet sich die ionenerzeugende oder Mitte^elektrode 18 ausserhalb des Hauptstromes, wodurch es weniger Fremdkörper, die mit dem Arbeitsmedium, das am Hauptteil 10 vorbeiströmt, aufnimmt. Vielleicht wichtiger ist, dass die Ungleichförmigkeit der Ionenerzeugung, welche mit Staub einhergeht, der lokal auf der Mittenektrode vorliegen kann, wesentlich durch die Natur der Plasmavorgänge verringert wird, die in dem ringförmigen elektrischen Entladungsbereich als Folge der Konstruktion und der resultierenden Betriebsart der Erfindung auftreten. Genauer gesagt, wenn Staub die Stabilität der Ionenerzeugung um die Mittenelektrode 18herum stört, werden die Stromschwankungen oder räumlichen Üngleichformiqkeiten durch das Plasma und die ionendurchlässigaiElektroden 20 ausgeglichen.

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Claims

- 7 PATENTANSPRÜCHE

l.y Vorrichtung zum Bereitstellen von Tonen mit einer spezifischen —' ' in einem

elektrischen Polarität /in einer Leitung entlang einer Strömungsachse fliessenden Fluidums, wobei die Ionen durch das Fluidum in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse wandern, gekennzeichnet durch ein Hauptteil (10) mit einer sich in Richtung der Achse erstreckenden Aussenflache, einem stromaufwärtigen Teil (12), einem stromabwärtigen Teil (14) und einem Mittelteil (16), der den stromaufwärtigen Teil (12) vom stromabwärtigen Teil (14) trennt, Mittel (18,22) zum Erzeugen von Ionen im Mittenbereich (16), ein ionendurchlässiges Gitter (22), das sich in axialer Richtung im Mittenbereich (16) zwischen dem stromaufwärtigen Teil (12J und dem stromabwärtigen Teil (14) erstreckt»wobei das Gitter (24) und die Ionenerzeugungsmittel (18,20) zwischen sich einen Ionenbeschleunigungsbereich (26) begrenzen, welcher in axialer Richtung am stromaufwärtigen Ende durch den stromaufwärtigen Abschnitt (12) und am stromabwärtigen Ende durch den stromabwärtigen Abschnitt (14) begrenzt wird und Mittel (30) zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes im Ionenbeschleunigungsbereich (26) zwischen den Ionenerzeugungsmittel (18,20) und dem ionendurchlässigen Gitter (24).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ionenkollektor (38), der auf Abstand vom ionendurchlässigen Gitter (24) angeordnet ist und sich entlang der Achse der Leitung (36) erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet durch Mittel (40) zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes im Fluidum zwischen dem ionendurchlässigen Gitter (24) und dem Ionenkollektor (38).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärtige und der stromabwärtige Abschnitt aus einem dielektrischen Material hergestellt sind, das mit einer Schicht elektrischleitenden Materials (44) überzogen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass . Hauptteil (J.0) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt

aufweist und die ionenerzeugende Mittel (18,20) und das ionen-

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durchlässige Gitter (22) konzentrisch um die Mittellinie des Hauptteiles (10) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ionenerzeugende Mittel (18,20) eine Anode (ie^eine Kathode (2O) und Mittel (28) zum Erzeugen eines dritten elektrischen Feldes zwischen der Anode (18) und der Kathode (20) umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (20)ein ionendurchlässiger Teil ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (28) zum Erzeugen des dritten elektrischen Feldes zwischen der Anode (18) und der Kathode (20) eine elektrische Feldstärke liefern, die ausreicht,um eine Plasmaentladung in dem Mittenbereich (16) aufrechtzuerhalten.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (28) zum Erzeugen des dritten elektrischen Feldes zwischen der Anode (18) und der Kathode (20) eine elektrische Feldstärke liefern, die ausreicht, um eine Glimmentladung im Mittenbereich (16) aufrechtzuerhalten.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (36) aus dielektrischem Material besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (36) einen kreisförmigen Querschnitt hat.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Mittenbereiches (16) entlang der Achse der Strömung klein im Vergleich zur Länge der Entfernung zwischen dem Hauptteil (10) und der Leitung (36) ist.

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