DE3005497C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Massendurchflusses eines ionisierbaren Mediums mit einer hohlen, vom Medium durchflossenen Kollektorelektroden­ einrichtung, mit einer Ionisierungselektrode in Form eines in Richtung des Mediumflusses angeordneten Drahtes, der gegen zwei langgestreckte, die Kollektorelektroden­ einrichtung bildende Kollektorelektroden elektrisch isoliert ist, wobei die Kollektorelektroden in Richtung des Mediumdurchflusses im Abstand voneinander angeordnet sind, mit Mitteln zum Anlegen einer zum Ionisieren des Mediums ausreichenden Spannung zwischen der Ionisierungselektrode und der Kollektorelektrodenanordnung und mit einem Detektor, der auf die Differenz der in die Kollektorelektroden fließenden Ionenströme anspricht, um ein den Massendurchfluß des Mediums darstellendes Signal zu liefern.

Bei einer Methode zum Messen des Massendurchflusses eines Mediums ist es bekanntermaßen vorgesehen, daß das Medium durch einen Raum fließt, der zwischen einer Ionisierungselektrode und einer Kollektorelektrode gebildet wird, welche quer im Abstand zur Ionisierungselektrode angeordnet und normalerweise aus zwei Teilen gebildet ist, die durch einen schmalen Spalt getrennt sind. Zwischen der Ionisierungselektrode und der Kollektorelektrode wird eine hohe Spannung erzeugt, damit eine Koronaentladung an der Ionisierungselektrode entsteht. Die durch die Koronaentladung erzeugten Ionen wandern zur Kollektorelektrode hin, werden aber während des Wanderns in Richtung des Mediumflusses abgelenkt. Die Ablenkung ist ein Maß für den Massendurchfluß des Mediums und wird durch die Differenz der Ströme gemessen, die von beiden Teilen der Kollektorelektrode aufgenommen werden.

Eine dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung zum Messen des Massendurchflusses eines Mediums ist aus der DE-OS 22 24 578 bekannt. Die dort beschriebene Anordnung einer Meßsonde besteht aus einer von einem Hohlzylinder getragenen Kollektorelektrodeneinrichtung, die vom Medium durchflossen wird. An der Innenwand des Hohlzylinders sind zwei langgestreckte Kollektorelektroden 22, 23 eingesetzt. In der Achse des Zylinders sind zwei leitende zylindrische Stäbe 26, 27 angeordnet, die über einen zwischen ihnen ausgespannten Draht 28 verbunden sind, der die Ionisierungselektrode bildet. Über die Stäbe 26, 27 und die Mittel 29-32 wird die zum Ionisieren des Mediums ausreichende Spannung zwischen die Ionisierungselektrode und die Kollektorelekrodeneinrichtung angelegt. Jede der Kollektorelektroden 22, 23 ist über Widerstände mit dem Erdpotential verbunden und bildet die Eingänge eines Detektors 51, der als Differenzverstärker ausgebildet ist. Der Detektor liefert eine Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen den in den Kollektorelektroden 22, 23 fließenden Strömen entspricht, und ein Maß für den Massendurchfluß ist.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Vorrichtung liegt in der Notwendigkeit, daß bei einem kleinen oder nicht vorhandenen Massendurchfluß relativ große Ströme vom Differenzverstärker verarbeitet werden müssen. Eine genügend große Empfindlichkeit in einem Bereich kleiner Massendurchflüsse ist daher nur mit einem größeren elektronischen Aufwand zu erreichen.

Auch die aus der DE-OS 27 00 543 bekannte Anordnung weist neben einer Ionisierungselektrode in einer nicht näher offenbarten Form wiederum eine Kollektorelektrodeneinrichtung, die durch zwei Kollektorelektroden gebildet wird, auf. Die oben beschriebenen Nachteile beim Messen kleiner Durchflüsse treten also hier ebenso auf.

Die in der US-PS 40 03 254 beschriebene Vorrichtung weist eine als Scheibe ausgebildete Ionisierungselektrode 16 auf, und eine Anzahl von Kollektorelektroden, die miteinander über Widerstände verbunden sind. Hierbei fließt jedoch der gesamte von den Ionen hervorgerufene Strom in den Detektor 32, so daß auch bei dieser Vorrichtung die Empfindlichkeit für die Messung kleiner Massendurchflüsse gering ist.

Eine weitere in der US-PS 41 36 564 beschriebene Vorrichtung zeigt eine als Gitter ausgebildete Kollektorelektrode 20, die sich über den Rohrquerschnitt quer zur Strömungsrichtung des Mediums erstreckt. Diese Anordnung der Kollektorelektrode hat jedoch den Nachteil, dem Massenfluß Widerstand entgegenzusetzen. Außerdem wirkt diese Kollektorelektrode als ein Filter, der im Gebrauch mit Schmutzteilchen verstopft.

Daher liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Massendurchflusses eines Mediums der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der durch eine verbesserte Anordnung der Kollektorelektrodeneinrichtung eine hohe Empfindlichkeit bei kleinen Massendurchflüssen erreicht wird, ohne daß der Aufwand bei der der Vorrichtung zugeordneten Elektronik erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen den zwei Kollektorelektroden eine dritte Kollektorelektrode befindet, die von den zwei Elektroden sowie dem Detektor elektrisch isoliert ist, so daß der Ionenstrom ohne Massendurchfluß in die dritte Elektrode und nicht in den Detektor fließt, und daß die Ionisierungselektrode eine Länge mindestens gleich der Länge der dritten Kollektorelektrode hat, und daß der mittlere Punkt der Ionisierungselektrode im wesentlichen in der Mitte zwischen den Enden der dritten Elektrode liegt.

Besondere Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der besondere Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß, wenn der Massendurchfluß klein oder Null ist, der von den Ionen erzeute Strom hauptsächlich in die dritte Kollektorelektrode fließt. Wie im weiteren erläutert wird, fließt nur ein geringer Strom in jede der beiden äußeren Kollektorelektroden. Hierdurch sind die dem Differenzverstärker zugeführten Ströme ebenfalls klein, so daß der Differenzverstärker in der Lage ist, auch kleine Änderungen des Massendurchflusses zu erfassen, und die Meßvorrichtung daher bei kleinen Massendurchflüssen sehr empfindlich ist. Aufgrund der niedrigen zu verarbeitenden Ströme kann die Elektronik dieser Vorrichtung mit einfachen Mitteln aufgebaut sein.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der bekannten Vorrichtung liegt darin, daß die Länge der Ionisierungselektrode mindestens gleich der Länge der dritten Kollektorelektrode ist und daß der mittlere Draht der Ionisierungselektrode im wesentlichen in der Mitte zwischen den Enden der dritten Elektrode liegt. Dadurch wird, sobald ein von Null verschiedener Massendurchfluß auftritt, der elektrische Strom in der in Flußrichtung gelegenen Außenelektrode anwachsen und in der gegenüberliegenden Außenelektrode abnehmen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Ionisierungselektrode an ihren Enden um kleine, gleiche Längen über die Enden der dritten Elektrode hinausragt. Hierdurch zeigt das Profil des vom Draht erzeugten Ionenstrahls keinen scharfen Übergang an beiden Enden des Drahtes, sondern klingt an den Drahtenden allmählich ab. Dadurch ist sichergestellt, daß bei verschwindendem Massendurchfluß kleine, aber gleiche Ströme in den Außenelektroden fließen. Durch diese Maßnahmen läßt sich die Vorrichtung hinsichtlich der Linearität zwischen der Meßgröße und dem Ausgangssignal bei geringen Massendurchflüssen verbessern.

Vorteilhafterweise wird die als leitfähiger Draht ausgebildete Ionisierungselektrode zwischen zwei leitfähigen Elementen unter Zug gehalten, wobei die leitfähigen Elemente Kegelstumpfform an ihren Enden haben, die dem Draht zugewandt sind. Die Verwendung dieser Form für die Drahthalteelemente läßt einen schärferen Übergang im Profil des Ionenstrahls an den Enden des leitenden Drahtes entstehen im Vergleich zu Elementen mit geraden oder gekrümmten Enden. Durch diese Form läßt sich die Linearität der Vorrichtung weiterhin verbessern.

Es wirkt sich ebenso vorteilhaft aus, wenn die Halteteile, die die leitfähigen Elemente tragen, aus einem Material bestehen, dessen isolierende Eigenschaften zur Aufrechterhaltung der Spannung ausreichen, aber nicht ausreichen, um den Aufbau einer statischen Ladung auf den Halteteilen zu ermöglichen. Bei herkömmlichen Vorrichtungen bestehen diese Halteteile aus einem hochgradig isolierenden Material, beispielsweise Polyester, das typischerweise einen spezifischen Widerstand von mehr als 10¹⁵ Ohmcm hat. Die Verwendung eines Materials mit einem so hohen spezifischen Widerstand führt jedoch zum Aufbau einer statischen Ladung an den Halteteilen, die die Ablenkung des Ionenstromes beeinflußt, besonders bei geringen Durchflüssen. Die hohe Empfindlichkeit der Vorrichtung bei geringen Massendurchflüssen wird durch Verwendung eines Werkstoffes erreicht, dessen spezifischer Widerstand zwischen 10⁹ und 10¹⁰ Ohmcm liegt. Geeignete Werkstoffe für diesen Zweck sind Phenolharze (mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10¹⁰ Ohmcm) und Melaminharze (mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10⁹ Ohmcm).

Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber der bekannten Vorrichtung liegt in der Möglichkeit, Massendurchflüsse in beiden Strömungsrichtungen zu messen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen ist

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Meßvorrichtung zum Messen des Massendurchflusses eines Mediums nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Abwandlung dieses einen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Vorrichtung nach dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist einen äußeren zylindrischen Mantel 11 auf, der zweckmäßigerweise aus Kunstharz gebildet ist und beispielsweise einen Innendurchmesser von 3 cm und eine Länge von 20 cm hat. Längs der Innenfläche des Mantels 11 erstreckt sich eine Kollektorelektrodeneinrichtung 12 mit zwei äußeren Kollektorelektroden 13 und einer dritten Kollektorelektrode 14, die sich zwischen den Elektroden 13 befindet. Jede Elektrode 13, 14 hat die Form eines einzelnen, hohlen Zylinders aus Edelstahl, der sich koaxial zum Mantel 11 erstreckt und beispielsweise eine Länge von 6 cm hat. Aufeinanderfolgende Elektroden 13, 14 sind durch einen kleinen Spalt voneinander getrennt, der mit einem Isoliermaterial wie Polypropylen gefüllt ist, und die Außenelektroden 13 sind mit den betreffenden Zuleitungen eines Differenzverstärkers 15 verbunden.

Die Enden der Innenfläche des Mantels außerhalb des Bereichs, der von der Elektrodeneinrichtung 12 eingenommen wird, sind von geerdeten Metallschutzringen (nicht dargestellt) abgedeckt, und in jedem Ende des Gehäuses sitzt ein Halteteil 16. Das Halteteil 16 hat die Form eines Stabes, der sich quer durch das Gehäuse erstreckt und eine mittig angeordnete, gelochte Nabenpartie 16 a aufweist, die ein Ende eines leitfähigen Elementes 17 aufnimmt. Das Halteteil 16 besteht aus einem Material, das zwar nichtleitend ist, aber doch nur geringe Isolierungseigenschaften hat, wobei ein bevorzugtes Material einen spezifischen Widerstand von 10⁹ bis 10¹⁰ Ohmcm hat. Beispielsweise kann das Halteteil 16 aus einem Phenolharz (mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10¹⁰ Ohmcm) gefertigt sein, obgleich dieses Material bei hoher Luftfeuchtigkeit elektrisches Tracking zeigt. Ein Alternativmaterial, das gegen elektrisches Tracking resistenter ist, ist ein Melaminharz, wobei ein Beispiel für ein geeignetes Material das mazerierte gewebegefüllte Melaminharz ist, das von der Firma Fiberite Corporation of Minnesota, USA, geliefert wird und einen spezifischen Widerstand von 3 × 10⁹ Ohmcm hat.

Die leitfähigen Elemente 17 erstrecken sich längs der Achse des Mantels aufeinander zu und enden so, daß das freie Ende jedes Elementes im wesentlichen in einer Flucht mit dem Übergang zwischen der dritten Elektrode 14 und einer betreffenden Außenelektrode 13 ist. An seinem freien Ende hat jedes Element 17 eine im wesentlichen konische Form, und sie bildet dort beispielsweise einen eingeschlossenen Winkel von 11° mit der Längsachse und läuft auf eine Endfläche mit einem Radius von 2 mm aus. Zwischen den Enden der Elemente 17 ist eine Ionisierungselektrode 18 in Form eines leitfähigen Drahtes unter Zug gehalten, und zwar so, daß er längs der Achse der dritten Elektrode 14 liegt. Dieser Draht besteht aus einem mechanisch festen und chemisch inerten Material, wie z. B. aus einer Platin/Rhodium-Legierung, einer Palladium/Ruthenium- Legierung oder Stahl mit Platinbeschichtung. Aufgrund der Anordnung und des Abstandes zwischen den Elementen 17 liegt die Mitte der Ionisierungselektrode 18 in einer Flucht mit der Mitte der Elektrode 14, wobei die Ionisierungselektrode 18 im wesentlichen auf den Bereich des Mantels beschränkt ist, der von der Elektrode 14 eingenommen wird. Um die Linearität des Ausgangs bei geringem Massendurchfluß des Mediums zu verbessern, ist sicherzustellen, daß die Enden der Ionisierungselektrode 18 um gleiche, kleine Strecken über die Enden der Elektrode 14 vorstehen. Der Draht hat zweckmäßigerweise einen Durchmesser von 0,05 mm. Er wird durch Elemente 17 und Halteteile 16 und den Mantel 11 gehalten und an eine elektriche Zuleitung angeschlossen.

Wenn im Betrieb der Massendurchfluß eines Mediums, z. B. Luft, gemessen werden soll, läßt man das Medium durch den Mantel in Richtung des Pfeils A fließen, und der Draht 18 wird an eine Hochspannungszuleitung (2-18 kV) angeschlossen, während die Kollektorelektroden 13, 14 geerdet sind. Dadurch entsteht eine Koronaentladung an der Ionisierungselektrode 18 und damit ein Ionenstrahl. Der Strahl hat ein im wesentlichen rechtwinkliges Profil, wobei er an beiden Enden der Ionisierungselektrode 18 allmählich abklingt. Der Ionenstrahl ist zur dritten Kollektorelektrode 14 hin gerichtet, und wenn der Massendurchfluß des Mediums Null beträgt, werden im wesentlichen alle Ionen von der Elektrode 14 aufgefangen. In diesem Fall erhält der Differenzverstärker 15 keine Eingangssignale. In dem Falle, daß die Ionisierungselektrode 18 um kleine, gleiche Strecken über die Enden der Elektrode 14 hinaus vorsteht, empfängt der Verstärker 15 kleine, aber gleiche Eingangssignale. Wenn der Massendurchfluß Null beträgt, ist der Ausgang des Verstärkers also Null. Wenn das Medium jedoch durch den Mantel 11 fließt, wird der Ionenstrahl in Richtung des Mediumflusses abgelenkt, so daß je nach Größe des Massendurchflusses einige der Ionen von der Elektrode 13 aufgefangen werden, die sich in Strömungsrichtung hinter der Elektrode 14 befindet.

Es tritt nun eine Differenz in den Eingangssignalen vom Verstärker 15 auf. Daher ist das Ausgangssignal des Verstärkers 15 von der Ablenkung der Ionen durch das Medium, d. h. vom Massendurchfluß des Mediums abhängig. Es ist ersichtlich, daß der maximale Massendurchfluß, der durch die Vorrichtung gemessen werden kann, dem Massendurchfluß entspricht, der erforderlich ist, um den Ionenstrahl um die Gesamtlänge der Ionisierungselektrode 18 abzulenken.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird durch die konische Form der leitfähigen Elemente 17 das Stromdichte­ profil des Ionenstrahles, der an der Elektrode 18 erzeugt wird, so beeinflußt, daß die Linearität zwischen Meßgröße und Ausgangssignal bei geringen Durchflüssen verbessert wird. Darüber hinaus verhindert die Verwendung eines schlechten Isolators für die Halteteile 16 im wesentlichen den Aufbau einer statischen Ladung an den Teilen 16, und damit wird die Genauigkeit der Vorrichtung verbessert, besonders bei geringen Durchflüssen. Aufgrund der Werkstoffe, die zur Herstellung der Halteteile 16 und der anderen Teile der Vorrichtung benutzt werden, ist die Vorrichtung zudem relativ preiswert in der Herstellung.

Es versteht sich, daß zwar die Abmessungen der Kollektor- und Ionisierungselektroden in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung von den angegebenen Werten abweichen können, es aber erstrebenswert ist, sicherzustellen, daß die Drahtionisierungselektrode 18 mindestens eine Länge von 2 cm hat, weil das für einen Ionenstrahl mit im wesentlichen gleichmäßiger Dichte entlang der Länge des Drahtes sorgt.

Weil in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zwei Kollektorelektroden 13 auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der dritten Kollektorelektrode 14 liegen, kann die Vorrichtung einen Massendurchfluß nicht nur in Richtung des Pfeils A messen, sondern auch in entgegengesetzter Richtung. In bestimmten Fällen kann es jedoch ausreichen, den Massendurchfluß in einer einzigen Richtung zu messen. In einem solchen Fall kann mit der in Fig. 2 gezeigten vereinfachten Vorrichtung gearbeitet werden. Fig. 2, in der die Bezugsziffern aus Fig. 1 entsprechend benutzt werden, weist die abgewandelte Vorrichtung eines hohlzylindrischen Mantels 11 mit einer Kollektorelektrodeneinrichtung 12 auf, die sich koaxial zur und längs der Innenfläche des Mantels 11 erstreckt. Die Kollektorelektrodeneinrichtung 12 weist eine langgestreckte Elektrode 14 auf, die gegen eine langgestreckte Elektrode 13 isoliert ist und im Abstand zur Elektrode 14 in der Richtung angeordnet ist und im Abstand zur Elektrode 14 in der Richtung angeordnet ist, in der im Betrieb Medium durch den Mantel fließt. Zwischen zwei im Abstand zueinander angeordneten leitfähigen Elementen 17 ist eine Ionisierungselektrode 18 unter Zug gehalten, die sich längs der Achse der Elektrode 14 erstreckt, so daß deren hinteres Ende in Strömungsrichtung im wesentlichen in einer Flucht mit dem in Strömungsrichtung hinteren Ende der Elektrode 14 liegt. Wie zuvor, steht jedoch zur Verbesserung der Linearität der Vorrichtung bei geringen Durchflüssen das in Strömungsrichtung hintere Ende der Ionisierungselektrode 18 um eine kleine Strecke in den Bereich des Mantels 11 vor, der von der Elektrode 13 eingenommen wird. Die Vorrichtung nach dieser Abwandlung arbeitet in der gleichen Weise, wie vorstehend für die Vorrichtung nach Fig. 1 beschrieben wurde.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Messen des Massendurchflusses eines ionisierbaren Mediums mit einer hohlen, vom Medium durchflossenen Kollektorelektrodeneinrichtung, mit einer Ionisierungselektrode in Form eines in Richtung des Mediumflusses angeordneten Drahtes, der gegen zwei langgestreckte, die Kollektorelektrodeneinrichtung bildende Kollektorelektroden elektrisch isoliert ist, wobei die Kollektorelektroden in Richtung des Mediumdurchflusses im Abstand voneinander angeordnet sind, mit Mitteln zum Anlegen einer zum Ionisieren des Mediums ausreichenden Spannung zwischen der Ionisierungselektrode und der Kollektorelektrodenanordnung und mit einem Detektor, der auf die Differenz der in die Kollektorelektroden fließenden Ionenströme anspricht, um ein den Massendurchfluß des Mediums darstellendes Signal zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den zwei Kollektorelektroden eine dritte Kollektorelektrode (14) befindet, die von den zwei Elektroden (13) sowie dem Detektor (15) elektrisch isoliert ist, so daß der Ionenstrom ohne Massendurchfluß in die dritte Elektrode (14) und nicht in den Detektor (15) fließt, und daß die Ionisierungselektrode (18) eine Länge mindestens gleich der Länge der dritten Kollektorelektrode (14) hat, und daß der mittlere Punkt der Ionisierungselektrode (18) im wesentlichen in der Mitte zwischen den Enden der dritten Elektrode (14) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die als leitfähiger Draht ausgebildete Ionisierungselektrode zwischen zwei leitfähigen Elementen unter Zug gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Elemente (17) Kegelstumpfform an ihren dem Draht zugewandten Enden haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die leitfähigen Elemente durch Halteteile getragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (16) aus einem Material bestehen, dessen isolierende Eigenschaften zur Aufrechterhaltung der Spannung ausreichen, aber nicht ausreichen, um den Aufbau einer statischen Ladung auf den Halteteilen (16) zu ermöglichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Halteteile (16) einen spezifischen Widerstand zwischen 10⁹ und 10¹⁰ Ohmcm hat.