WO2021168494A1 - Apparatus and method for measuring properties of a fluid - Google Patents

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WO2021168494A1
WO2021168494A1 PCT/AT2021/060060 AT2021060060W WO2021168494A1 WO 2021168494 A1 WO2021168494 A1 WO 2021168494A1 AT 2021060060 W AT2021060060 W AT 2021060060W WO 2021168494 A1 WO2021168494 A1 WO 2021168494A1
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Alexander Bergmann
Mario SCHRIEFL
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Avl Ditest Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring properties of a fluid which flows through a flow channel as a fluid flow, charge carriers of the fluid being charged in a pulsating manner in a charging unit, and the charge entrained in the fluid flow being measured in an electrometer arranged on the flow channel downstream of the charging unit.
  • the present invention further relates to a device for measuring properties of a fluid, the device having a flow channel through which the fluid can flow as a fluid stream, a charging unit in which charge carriers of the fluid are charged in a pulsating manner during a measurement, and an electrometer, the Electrometer for measuring the charge entrained in the fluid flow is arranged downstream of the charging unit on the flow channel.
  • W01 4033040 A1 discloses devices and methods for measuring particles carried along in a fluid flow.
  • the particles carried along in the fluid flow are charged in a charging unit in a pulsed manner.
  • the charge carried in the fluid flow is measured in a ring electrode located downstream of the charging unit, and the number of particles, particle size and particle distribution are determined from the measurement signal.
  • EP 0386665 A2 discloses devices and methods for measuring particles and particle concentrations of aerosols.
  • the device has a charging unit and several ring sensors arranged behind it. If the sensor distance is known, the mean flow velocity can be determined by measuring the time shift from several individual signals.
  • the object of the present invention is to provide methods and devices with which the susceptibility to errors of known systems can be reduced and the measurement accuracy can be increased.
  • a method of the type mentioned at the outset in which, using a known value for the length of a measuring transducer of the electrometer, the ratio of length (LFC) to diameter of the measuring transducer being selected to be greater than 1, preferably more at least one fluid dynamic property of the fluid and / or a particle property of charge carriers entrained in the fluid flow is determined as a multiple of 1 and a measurement profile measured by the electrometer.
  • “Properties of a fluid” are generally any fluid-technical, chemical and / or physical properties of the fluid and / or the charge carriers entrained in the fluid.
  • pulsesatingly charged refers to time-dependent charging in which the power of the charging unit is changed in a pulsating manner.
  • the power can alternate, for example, in the manner of a square-wave signal, alternating between a first power level and a second power level (which can have the same polarity as the first power level or a different polarity than the first power level or it can also be zero), or it can alternate continuously , can be varied in the form of a sine curve. If necessary, the power can also be varied in the form of a triangular signal or a sawtooth signal. With a square wave signal it is possible to create a very clearly defined boundary between charged flow sections and uncharged flow sections.
  • a plug flow condition can be generated to a good approximation.
  • a “plug flow” is a flow behavior (which does not occur in reality) in which the fluid moves over the entire cross-section of the flow channel in the same direction and at the same speed.
  • At least one determined fluid dynamic property can advantageously be selected from an average flow velocity, a maximum flow velocity and a flow shape.
  • the “flow form” is the deviation of the flow path from the idealized “plug flow” form, in particular whether it is a turbulent or laminar flow.
  • At least one determined particle property can advantageously be an average particle size.
  • the particle size can be determined, for example, on the basis of the signal shape of value peaks. The inventors have found that there is a connection between the width of the value peaks in the measurement process and the size of the particles. This correlation can be used to determine an average particle size.
  • the fluid flow can be conditioned in a flow straightener which is arranged at an inlet of the measuring transducer.
  • the flow conditions can be approximated to the idealized assumed plug flow conditions, which simplifies the calculation and increases the measurement accuracy.
  • the flow straightener can be formed by a lattice structure, which is preferably arranged essentially normal to an axis of the flow channel.
  • the flow straightener consists at least partially of a conductive material, in particular metal. A complete design made of a conductive material is also possible.
  • the flow straightener can be used at the same time as part of the measuring transducer, which can be designed as a Faraday cage and delimits the measuring transducer at the inlet of the measuring transducer, at the outlet of the measuring transducer and on the circumference of the flow channel.
  • At least one value peaks distance between two successive value peaks of the measurement curve can be determined. If the first value peak corresponds to the entry of a charged area of the fluid flow into the inlet of the measuring transducer and the second value peak corresponds to the exit of the same charged area of the fluid flow at the outlet of the measuring transducer, the value peak distance can be used with knowledge of the length between inlet and outlet (ie about the length of the Faraday Cup tube) and the length of the charged flow section directly determine the mean flow velocity of the fluid flow.
  • a “peak value” refers to an area of the (possibly smoothed) measurement curve that is completely above or below a selectable limit value and has a pronounced and unambiguous maximum value or minimum value.
  • the measurement curve intersects the limit value at the beginning and at the end of the peak value. This definition therefore includes both positive and negative value peaks.
  • the measurement progression can in particular be the progression, measured by an electrometer, of a displacement current caused by the charge in the fluid.
  • At least one signal form of the measurement curve in particular in the area of a value peak, can advantageously be evaluated.
  • the average particle size can be inferred from the width of a value peak.
  • Knowledge of the manner in which the signal shape is evaluated can be generated by the person skilled in the art with knowledge of the teachings disclosed herein on the basis of conventional experiments and tests. If necessary, a unit of artificial intelligence, for example a neural network, can be trained accordingly to evaluate the measurement process.
  • At least one correction factor for the determined fluid dynamic property and / or Particle property can be determined.
  • very small charge carriers for example small particles or ions in the molecular range
  • a "slip correction” can be used, since the speed of these particles does not exactly match that of the carrier fluid.
  • the exact determination of the correction factor can be worked out, for example, by means of theoretical calculations or on the basis of tests and experiments.
  • the present invention relates to a device of the type mentioned at the beginning, which has an evaluation unit with which at least one fluid dynamic property of the fluid and / or a Particle property of entrained in the fluid flow charge carriers can be determined.
  • a device has a very simple structure with only a few elements, which reduces the susceptibility of the device to errors compared with the complex devices known in the prior art.
  • a flow straightener can advantageously be arranged at an input of the measuring sensor in order to standardize the flow profile in the area of the measuring sensor. This makes the evaluation easier and increases the accuracy of the measurement.
  • the flow straightener can be formed by a lattice structure.
  • the flow straightener advantageously consists at least partially of a conductive material, in particular metal.
  • a complete design made of a conductive material is also possible.
  • the flow straightener can be used, for example, as part of a Faraday cage that is used as a measuring sensor.
  • the flow straightener arranged directly in front of the measuring area of the electrometer ensures that the flow profile within the measuring transducer is as normal as possible to the flow direction (or the axis of the flow channel) essentially over the entire cross section. In the ideal case, this results in a compact “charge package” (in the form of an idealized plug-flow form) in order to generate a displacement current in the electrometer that essentially corresponds to a square-wave signal.
  • the measuring sensor of the electrometer can advantageously be a Faraday cup tube.
  • the tubular course allows a simple determination or definition of the length of the measuring sensor and is structurally simple to manufacture.
  • FIGS. 1 to 8 show exemplary, schematic and non-limiting advantageous embodiments of the invention. It shows 1 shows a schematic representation of a device for measuring properties of a fluid,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a device for measuring properties of a fluid with a flow straightener
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flow channel with a flow straightener arranged therein
  • FIG. 8 shows a diagram with a comparison of the courses of measurement currents as they are recorded by the electrometer in the charge courses shown in FIG. 7.
  • the fluid can, for example, be a gas carrying particles or aerosols, for example an exhaust gas from an internal combustion engine (without being restricted thereto).
  • the fluid flow 1 On the way through the flow channel 2, the fluid flow 1 first flows through a charging unit 3 and then reaches a measuring transducer 6 of an electrometer 5, the measuring transducer 6 between an inlet 7 (at which the fluid flow 1 flows into the measuring range of the measuring transducer 6) and a Output 8 (in which the fluid flow 1 leaves the measuring range of the measuring transducer 6) has a defined length LFC.
  • the ratio of length to diameter of the measuring sensor 6 should have a sufficiently high ratio for efficient charge detection and should in any case be greater than 1, preferably more than a multiple of 1.
  • a sufficiently high ratio is given when the pulse length of the value injection is short enough to be able to resolve the value peaks.
  • An advantageous prerequisite for this is that the value of the difference in the duration t R s shown in FIG.
  • the charging unit 3 can function according to any desired charging principle, it being possible for charge carriers (in particular particles, aerosols or molecules) carried along in the fluid stream 1 to be provided with a positive or negative electrical charge.
  • the charging unit 3 can work according to the principle of corona charging.
  • the electrical charging takes place via a corona wire arranged in the flow channel 2.
  • Corresponding charging units 3 e.g. photoelectric, plasma charging, etc. are known per se in the technical field and a detailed description of the charging principles is therefore dispensed with here, unless they are particularly relevant to the present disclosure.
  • charge carriers are any particles entrained in the fluid stream 1 that may have a positive or negative electrical charge.
  • solid particles and aerosols e.g. soot, fine dust, droplets, etc.
  • molecules and ions count as charge carriers.
  • the charging unit 3 has a charge area with a defined length Lc, within which, when the charging unit 3 is activated, essentially all charge carriers in the charge area are electrically charged.
  • the charging unit 3 is operated in a pulsed manner, that is to say, for example, switched on and off at intervals, with charge carriers that are in the area of the charging unit 3 during the switched-on phases being charged. Since the fluid flow 1 moves in the flow direction during the switch-on phases, a charged flow section 15 is generated in each switch-on phase, which then moves along with the fluid flow 1 along the flow channel 2. In Fig. 1, three charged flow sections 15, 15 ‘and 15 ′′ are shown. The length of the charged flow sections 15 depends on the length Lc of the charge area of the charging unit 3, on the flow rate and on the length of the switch-on phase.
  • the charged charge carriers in the fluid stream 1 are shown schematically as full dots and the uncharged charge carriers as empty dots.
  • plug flow condition Since the charged flow sections 15 thus move like a “plug” along the flow channel 2, this assumption is referred to as a “plug flow condition”.
  • the assumption of plug-flow conditions serves to simplify the description, the representation and the theoretical consideration, but it is clear that real flow conditions do not realize this assumption or only to an approximation. In fact, if there is a laminar flow, for example, the “fronts” of the charged flow sections 15 will “smear”, since the charge carriers in the center of the pipe flow faster than the charge carriers near the wall.
  • a charged flow section 15 now reaches the area of the measuring sensor 6, the charged charge carriers generate a displacement current in the measuring sensor 6, which is converted into a voltage signal with the aid of a measuring circuit of the electrometer 5, transmitted to an evaluation unit and evaluated by this evaluation unit 12.
  • the charge in the measuring sensor 6 initially rises steadily.
  • the slope begins at the moment at which the front front of the charged flow section 15 meets the inlet 7 of the measuring sensor 6 and continues until the moment when either the entire charged flow section 15 is within the measuring range defined by the measuring sensor 6 ( if the length LFC of the measuring sensor 6 is longer than the length of the charged flow section 15) or this measuring area is completely occupied by the charged flow section 15 (ie if the length LFC of the measuring sensor 6 is shorter than the length of the charged flow section 15).
  • the initial increase is followed by a period in which the charge does not change (either because the flow section 15 is completely within the measuring range or because the measuring range is completely is encompassed by the flow section 15).
  • the flow section 15 then leaves the measuring range again, there follows a period in which the charge steadily falls.
  • Such an exemplary charge profile is shown in FIG. 2.
  • the duration t R of the charge increase corresponds to the time that the front of the charged flow section 15 needs to move from the inlet 7 to the outlet 8 of the sensor.
  • the duration t R s from the beginning of the initial increase in the charge to the beginning of the decrease in the charge corresponds to the time between the entry of the charged flow section 15 into the inlet 7 of the measuring sensor 6 and the point in time at which the rear end of the charged flow section 15 the input 7 of the sensor 6 happened.
  • Fig. 3 shows the course of a displacement current that depends on the charge course as shown in Fig.
  • the circuit shown in FIG. 1 generates, for example, a voltage signal from the displacement current which can be evaluated in the evaluation unit 12.
  • any other circuit known to those skilled in the art and which is suitable for the purpose can also be used for this purpose.
  • the transitions from the ramp sections to the unchanged sections of the charge course can be seen as jumps.
  • FIG. 4 shows two measurement curves of the displacement flow that can result in a more realistic situation in which, for example, a laminar flow prevails in the flow channel 2.
  • the fronts of the charged flow sections are “smeared” because the charge carriers in the center of the pipe flow faster than the charge carriers near the wall.
  • the measurement curve deviates more or less strongly from the rectangular shape described above and value peaks are formed, the value peaks being higher the more smeared the signal is.
  • the integral which corresponds to the course of the charge
  • the height of the value peaks correlates with the flow velocity in the center of the flow channel 2, while the average flow velocity can be calculated from the value peaks distance 16 between two successive value peaks.
  • a first measurement curve 9 ′ is shown as a dashed line, which has relatively strongly pronounced, slender value peaks 11.
  • a turbulent flow profile approximates the plug-flow conditions better than a laminar flow, since in turbulent flow the speed only increases within the laminar boundary layer and then remains almost constant over the cross-section.
  • the first measurement profile 9 ′ with the pronounced value peaks could correspond to a laminar flow, and the second measurement profile 9 ′ to a turbulent flow.
  • the signal shape ie the measurement profile
  • a statement can thus be made as to whether a laminar or a turbulent flow profile is present. This can be done in practice can be used, for example, to detect whether a flow straightener is present or not.
  • FIG. 5 shows the arrangement of a flow straightener 10 in the flow channel 2 shown schematically, the flow straightener 10 preferably being arranged directly in front of the measuring sensor 6.
  • FIG. 6 schematically shows what effect the flow straightener 10 has on a flow profile 14.
  • the flow front of the charged flow section 15 runs essentially normal to the direction of flow. The further away the charged flow section 15 is from the loading unit 3, the more parabolic the flow profile 14 becomes.
  • a flow with a smoothed flow profile 14 ' is formed.
  • FIG. 7 shows a comparison of three charge profiles that were obtained with charge carriers of different sizes.
  • Fig. 8 the corresponding measurement curves of the displacement current are shown.
  • the measurement profiles were determined by a simulation of the device shown schematically in FIG. 1, the same device being used for all measurement profiles and only the size of the charge carriers being changed in each case.
  • the charge profile 13 shown as a continuous line (and the corresponding measurement profile 9) was obtained with particles of 23 nm.
  • the charge curve 13 ‘shown as a dashed line (and the corresponding measurement curve 9) was obtained with particles of 100 nm.
  • the charge curve 13 "shown as a dash-dot line (and the corresponding measurement curve 9") was obtained with particles of 200 nm.
  • the measurement profile 9 of the small particles has significantly less pronounced value peaks than the measurement profiles 9 and 9 ′′ of the larger particles (100 and 200 nm). It was surprisingly found by the inventor that the measurement curve is therefore also dependent on the particle size. It is assumed, without being bound by this theory, that larger particles follow the fluid flow better than small particles. Small particles show a certain amount of slip. Depending on the particle properties, for example, step-like signal forms also occur in the value peaks, from whose size and position certain particle properties can be inferred.
  • the correction factor depends on the mobility diameter (d) of the particles and the mean free path l. Further parameters are determined empirically.

Abstract

The invention relates to a method and to an apparatus for measuring the properties of a fluid which flows through a flow channel (2) as a fluid flow. Charge carriers (4) of the fluid are charged in a pulsing manner in a charging unit (3) and the charge carried in the fluid flow (1) is measured on an electrometer (5) arranged on the flow channel (2) downstream of the charging unit (3). At least one fluid-dynamic property of the fluid and/or a particle property of charge carriers (4) carried in the fluid flow (1) is determined using a known value for the length (LFC) of a measuring sensor (6) of the electrometer (5) and a measurement history (9) measured by the electrometer (5).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids Device and method for measuring properties of a fluid
Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches als Fluidstrom einen Strömungskanal durchströmt, wobei in einer Ladeeinheit Ladungsträger des Fluids pulsierend geladen werden, und wobei die im Fluidstrom mitgeführte Ladung in einem stromabwärts der Ladeeinheit am Strömungskanal angeordneten Elektrometer gemessen wird. Die gegenständliche Erfindung betrifft weiters Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, wobei die Vorrichtung einen Strömungskanal, der von dem Fluid als Fluidstrom durchströmbar ist, eine Ladeeinheit, in welcher Ladungsträger des Fluids während einer Messung pulsierend geladen werden, und ein Elektrometer aufweist, wobei das Elektrometer zur Messung der im Fluidstrom mitgeführte Ladung stromabwärts der Ladeeinheit am Strömungskanal angeordnet ist. The present invention relates to a method for measuring properties of a fluid which flows through a flow channel as a fluid flow, charge carriers of the fluid being charged in a pulsating manner in a charging unit, and the charge entrained in the fluid flow being measured in an electrometer arranged on the flow channel downstream of the charging unit. The present invention further relates to a device for measuring properties of a fluid, the device having a flow channel through which the fluid can flow as a fluid stream, a charging unit in which charge carriers of the fluid are charged in a pulsating manner during a measurement, and an electrometer, the Electrometer for measuring the charge entrained in the fluid flow is arranged downstream of the charging unit on the flow channel.
Die Verwendung von pulsierend betriebenen Ladungseinheiten und nachgelagerten Elektrometern ist im Stand der Technik beispielsweise aus den folgenden Dokumenten bekannt. The use of charge units operated in a pulsating manner and downstream electrometers is known in the prior art, for example from the following documents.
W01 4033040 A1 offenbart Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von in einem Fluidstrom mitgeführten Partikeln. Die im Fluidstrom mitgeführten Partikel werden in einer Ladeeinheit gepulst aufgeladen. In einer der Ladeeinheit nachgelagerten Ringelektrode wird die im Fluidstrom mitgeführte Ladung gemessen und aus dem Messsignal werden Partikelanzahl, Partikelgröße und Partikelverteilung ermittelt. W01 4033040 A1 discloses devices and methods for measuring particles carried along in a fluid flow. The particles carried along in the fluid flow are charged in a charging unit in a pulsed manner. The charge carried in the fluid flow is measured in a ring electrode located downstream of the charging unit, and the number of particles, particle size and particle distribution are determined from the measurement signal.
EP 0386665 A2 offenbart Vorrichtungen und Verfahren zur Messung von Partikeln und Partikelkonzentrationen von Aerosolen. Die Vorrichtung weist eine Ladeeinheit und mehrere dahinter angeordnete Ringsensoren auf. Bei Kenntnis des Sensorabstandes kann durch Messung der Zeitverschiebung aus mehreren Einzelsignalen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. EP 0386665 A2 discloses devices and methods for measuring particles and particle concentrations of aerosols. The device has a charging unit and several ring sensors arranged behind it. If the sensor distance is known, the mean flow velocity can be determined by measuring the time shift from several individual signals.
Die gegenständliche Erfindung hat die Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Fehleranfälligkeit bekannter Systeme verringert und die Messgenauigkeit erhöht werden können. The object of the present invention is to provide methods and devices with which the susceptibility to errors of known systems can be reduced and the measurement accuracy can be increased.
Erfindungsgemäß werden diese und weitere Aufgaben durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem unter Verwendung eines bekannten Werts für die Länge eines Messaufnehmers des Elektrometers, wobei das Verhältnis von Länge (LFC) ZU Durchmesser des Messaufnehmers größer als 1 gewählt wird, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1, und eines vom Elektrometer gemessenen Messverlaufs zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom mitgeführten Ladungsträgern ermittelt wird. Dadurch lassen sich aus nur einem einzigen Messsignal mit hoher Genauigkeit zahlreiche Messwerte gewinnen. Als „Fluid“ werden im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung beliebige Fließfähige Stoffe bezeichnet, insbesondere Flüssigkeiten, Gase und Suspensionen, gegebenenfalls mit darin mitgeführten Feststoffen, wie etwa Partikeln oder Aerosolen. According to the invention, these and other objects are achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which, using a known value for the length of a measuring transducer of the electrometer, the ratio of length (LFC) to diameter of the measuring transducer being selected to be greater than 1, preferably more at least one fluid dynamic property of the fluid and / or a particle property of charge carriers entrained in the fluid flow is determined as a multiple of 1 and a measurement profile measured by the electrometer. As a result, numerous measured values can be obtained from just a single measurement signal with high accuracy. In connection with the present disclosure, “fluid” refers to any flowable substances, in particular liquids, gases and suspensions, possibly with solids entrained therein, such as particles or aerosols.
Als „Eigenschaften eines Fluids“ werden allgemein beliebige fluidtechnische, chemische und/oder physikalische Eigenschaften des Fluids und/oder der im Fluid mitgeführten Ladungsträger bezeichnet. “Properties of a fluid” are generally any fluid-technical, chemical and / or physical properties of the fluid and / or the charge carriers entrained in the fluid.
Als „pulsierend geladen“ wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung ein zeitabhängiges Laden bezeichnet, bei dem die Leistung der Ladeeinheit pulsierend verändert wird. Die Leistung kann beispielsweise in der Art eines Rechtecksignals abwechselnd getaktet zwischen einem ersten Leistungsniveau und einem zweiten Leistungsniveau (das die gleiche Polarität wie das erste Leistungsniveau aufweisen oder eine andere Polarität als das erste Leistungsniveau aufweisen oder auch Null sein kann) wechseln, oder sie kann kontinuierlich, etwa in Form eines Sinusverlaufs variiert werden. Gegebenenfalls kann die Leistung auch in Form eines Dreiecksignals oder Sägezahnsignals variiert werden. Mit einem Rechtecksignal ist es möglich, eine sehr klar definierte Grenze zwischen geladenen Strömungsabschnitten und ungeladenen Strömungsabschnitten zu erzeugen. Dadurch kann in guter Näherung eine Plugflow-Bedingung erzeugt werden. Als „Plugflow“ wird ein (in der Realität nicht vorkommendes) Strömungsverhalten bezeichnet, bei dem sich das Fluid über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals in gleicher Richtung und mit identischer Geschwindigkeit fortbewegt. In connection with the present disclosure, “pulsatingly charged” refers to time-dependent charging in which the power of the charging unit is changed in a pulsating manner. The power can alternate, for example, in the manner of a square-wave signal, alternating between a first power level and a second power level (which can have the same polarity as the first power level or a different polarity than the first power level or it can also be zero), or it can alternate continuously , can be varied in the form of a sine curve. If necessary, the power can also be varied in the form of a triangular signal or a sawtooth signal. With a square wave signal it is possible to create a very clearly defined boundary between charged flow sections and uncharged flow sections. As a result, a plug flow condition can be generated to a good approximation. A “plug flow” is a flow behavior (which does not occur in reality) in which the fluid moves over the entire cross-section of the flow channel in the same direction and at the same speed.
In vorteilhafter Weise kann zumindest eine ermittelte fluiddynamische Eigenschaft ausgewählt sein aus einer mittleren Fließgeschwindigkeit, einer maximalen Fließgeschwindigkeit und einer Strömungsform. Als „Strömungsform“ wird in diesem Zusammenhang die Abweichung des Strömungsverlaufs von der idealisierten „Plugflow“- Form bezeichnet, insbesondere ob es sich um eine turbulente oder laminare Strömung handelt. At least one determined fluid dynamic property can advantageously be selected from an average flow velocity, a maximum flow velocity and a flow shape. In this context, the “flow form” is the deviation of the flow path from the idealized “plug flow” form, in particular whether it is a turbulent or laminar flow.
In vorteilhafter Weise kann zumindest eine ermittelte Partikeleigenschaft eine mittlere Partikelgröße sein. Die Partikelgröße kann beispielsweise anhand der Signalform von Wertspitzen ermittelt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein Zusammenhang zwischen der Breite der Wertspitzen im Messverlauf und der Größe der Partikel besteht. Diese Korrelation kann zur Ermittlung einer mittleren Partikelgröße verwendet werden. At least one determined particle property can advantageously be an average particle size. The particle size can be determined, for example, on the basis of the signal shape of value peaks. The inventors have found that there is a connection between the width of the value peaks in the measurement process and the size of the particles. This correlation can be used to determine an average particle size.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Fluidstrom in einem Strömungsgleichrichter konditioniert werden, welcher bei einem Eingang des Messaufnehmers angeordnet ist. Dadurch lassen sich die Strömungsverhältnisse an die idealisiert angenommenen Plugflow- Bedingungen annähern, was die Berechnung erleichtert und die Messgenauigkeit erhöht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Strömungsgleichrichter durch eine Gitterstruktur gebildet sein, welche vorzugsweise im Wesentlichen normal auf eine Achse des Strömungskanals angeordnet ist. In einer Variante besteht dabei der Strömungsgleichrichter zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall. Auch eine vollständige Ausführung aus einem leitenden Material ist möglich. Dadurch lässt sich der Strömungsgleichrichter gleichzeitig als Teil des Messaufnehmers verwenden, der als ein Faraday-Käfig ausgebildet sein kann und den Messaufnehmer am Eingang des Messaufnehmers, am Ausgang des Messaufnehmers und am Umfang des Strömungskanals begrenzt. In an advantageous embodiment, the fluid flow can be conditioned in a flow straightener which is arranged at an inlet of the measuring transducer. As a result, the flow conditions can be approximated to the idealized assumed plug flow conditions, which simplifies the calculation and increases the measurement accuracy. In an advantageous embodiment, the flow straightener can be formed by a lattice structure, which is preferably arranged essentially normal to an axis of the flow channel. In one variant, the flow straightener consists at least partially of a conductive material, in particular metal. A complete design made of a conductive material is also possible. As a result, the flow straightener can be used at the same time as part of the measuring transducer, which can be designed as a Faraday cage and delimits the measuring transducer at the inlet of the measuring transducer, at the outlet of the measuring transducer and on the circumference of the flow channel.
In vorteilhafter Weise kann zumindest ein Wertspitzenabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wertspitzen des Messverlaufs ermittelt werden. Wenn die erste Wertspitze dem Eintreten eines geladenen Bereichs des Fluidstroms in den Eingang des Messaufnehmers entspricht, und die zweite Wertspitze dem Austreten desselben geladenen Bereichs des Fluidstroms beim Ausgang des Messaufnehmers entspricht, lässt sich anhand des Wertspitzenabstands bei Kenntnis der Länge zwischen Eingang und Ausgang (d.h. etwa der Länge des Faraday-Cup-Rohrs) und der Länge des geladenen Strömungsabschnitts unmittelbar die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms ermitteln. In an advantageous manner, at least one value peaks distance between two successive value peaks of the measurement curve can be determined. If the first value peak corresponds to the entry of a charged area of the fluid flow into the inlet of the measuring transducer and the second value peak corresponds to the exit of the same charged area of the fluid flow at the outlet of the measuring transducer, the value peak distance can be used with knowledge of the length between inlet and outlet (ie about the length of the Faraday Cup tube) and the length of the charged flow section directly determine the mean flow velocity of the fluid flow.
Als „Wertspitze“ werden im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung ein Bereich des (gegebenenfalls geglätteten) Messverlaufs bezeichnet, der sich komplett oberhalb oder unterhalb eines wählbaren Grenzwerts befindet und einen ausgeprägten und eindeutigen Maximalwert bzw. Minimalwert aufweist. Der Messverlauf schneidet dabei den Grenzwert am Anfang und am Ende der Wertspitze. Diese Definition umfasst somit sowohl positive als auch negative Wertspitzen. Der Messverlauf kann insbesondere der von einem Elektrometer gemessene Verlauf eines von der Ladung des Fluids bewirkten Verschiebstroms sein. In connection with the present disclosure, a “peak value” refers to an area of the (possibly smoothed) measurement curve that is completely above or below a selectable limit value and has a pronounced and unambiguous maximum value or minimum value. The measurement curve intersects the limit value at the beginning and at the end of the peak value. This definition therefore includes both positive and negative value peaks. The measurement progression can in particular be the progression, measured by an electrometer, of a displacement current caused by the charge in the fluid.
In vorteilhafter Weise kann zumindest eine Signalform des Messverlaufs, insbesondere im Bereich einer Wertspitze, bewertet werden. Beispielsweise kann, wie oben bereits erwähnt, anhand der Breite einer Wertspitze auf die mittlere Partikelgröße geschlossen werden. Kenntnisse über die Art und Weise der Auswertung der Signalform kann der Fachmann bei Kenntnis der hierin offenbarten Lehren anhand herkömmlicher Versuche und Tests generieren. Gegebenenfalls kann zur Auswertung des Messverlaufs auch eine Einheit künstlicher Intelligenz, beispielsweise ein neuronales Netzwerk, entsprechend trainiert werden. At least one signal form of the measurement curve, in particular in the area of a value peak, can advantageously be evaluated. For example, as already mentioned above, the average particle size can be inferred from the width of a value peak. Knowledge of the manner in which the signal shape is evaluated can be generated by the person skilled in the art with knowledge of the teachings disclosed herein on the basis of conventional experiments and tests. If necessary, a unit of artificial intelligence, for example a neural network, can be trained accordingly to evaluate the measurement process.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann auf Basis einer Abweichung der Geschwindigkeit der Ladungsträger von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms zumindest ein Korrekturfaktor für die ermittelte fluiddynamische Eigenschaft und/oder Partikeleigenschaft ermittelt werden. Beispielsweise kann damit bei sehr kleinen Ladungsträgern (z.B. kleinen Partikeln oder Ionen im molekularen Bereich) eine "Slip Correction" angewandt werden, da die Geschwindigkeit dieser Partikel nicht exakt mit jener des Trägerfluids übereinstimmt. Die exakte Ermittlung des Korrekturfaktors kann beispielsweise durch theoretische Berechnungen oder anhand von Tests und Versuchen erarbeitet werden. In an advantageous embodiment, on the basis of a deviation of the speed of the charge carriers from the flow speed of the fluid stream, at least one correction factor for the determined fluid dynamic property and / or Particle property can be determined. For example, with very small charge carriers (for example small particles or ions in the molecular range) a "slip correction" can be used, since the speed of these particles does not exactly match that of the carrier fluid. The exact determination of the correction factor can be worked out, for example, by means of theoretical calculations or on the basis of tests and experiments.
In einem weiteren Aspekt betrifft die gegenständliche Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die eine Auswerteeinheit aufweist, mit welcher unter Verwendung einer bekannten Werts für die Länge eines Messaufnehmers des Elektrometers und eines vom Elektrometer gemessenen Messverlaufs zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom mitgeführten Ladungsträgern ermittelbar ist. Eine derartige Vorrichtung weist einen sehr einfachen Aufbau mit nur wenigen Elementen auf, was die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung gegenüber den im Stand der Technik bekannten komplexen Vorrichtungen verringert. In a further aspect, the present invention relates to a device of the type mentioned at the beginning, which has an evaluation unit with which at least one fluid dynamic property of the fluid and / or a Particle property of entrained in the fluid flow charge carriers can be determined. Such a device has a very simple structure with only a few elements, which reduces the susceptibility of the device to errors compared with the complex devices known in the prior art.
In vorteilhafter Weise kann an einem Eingang des Messaufnehmers ein Strömungsgleichrichter angeordnet sein, um das Strömungsprofil im Bereich des Messaufnehmers zu vereinheitlichen. Dies erleichtert die Auswertung und erhöht die Genauigkeit der Messung. A flow straightener can advantageously be arranged at an input of the measuring sensor in order to standardize the flow profile in the area of the measuring sensor. This makes the evaluation easier and increases the accuracy of the measurement.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Strömungsgleichrichter durch eine Gitterstruktur gebildet sein. Günstigerweise besteht dabei der Strömungsgleichrichter zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall. Auch eine vollständige Ausführung aus einem leitenden Material ist möglich. Dadurch lässt sich der Strömungsgleichrichter beispielsweise als Teil eines Faraday-Käfigs verwenden, der als Messaufnehmer genutzt wird. Der unmittelbar vor dem Messbereich des Elektrometers angeordnete Strömungsgleichrichter sorgt dafür, dass das Strömungsprofil innerhalb des Messaufnehmers im Wesentlichen überden gesamten Querschnitt bestmöglich normal auf die Strömungsrichtung (bzw. die Achse des Strömungskanals) steht. Im Idealfall bewirkt dies ein kompaktes „Ladungspaket“ (in der Art einer idealisierten Plugflow-Form) um im Elektrometer einen Verschiebestrom zu erzeugen, der im Wesentlichen einem Rechtecksignal entspricht. In an advantageous embodiment, the flow straightener can be formed by a lattice structure. The flow straightener advantageously consists at least partially of a conductive material, in particular metal. A complete design made of a conductive material is also possible. As a result, the flow straightener can be used, for example, as part of a Faraday cage that is used as a measuring sensor. The flow straightener arranged directly in front of the measuring area of the electrometer ensures that the flow profile within the measuring transducer is as normal as possible to the flow direction (or the axis of the flow channel) essentially over the entire cross section. In the ideal case, this results in a compact “charge package” (in the form of an idealized plug-flow form) in order to generate a displacement current in the electrometer that essentially corresponds to a square-wave signal.
In vorteilhafter Weise kann der Messaufnehmer des Elektrometers ein Faraday-Cup-Rohr sein. Der rohrförmige Verlauf erlaubt eine einfache Ermittlung beziehungsweise Definition der Länge des Messaufnehmers und ist konstruktiv einfach herzustellen. The measuring sensor of the electrometer can advantageously be a Faraday cup tube. The tubular course allows a simple determination or definition of the length of the measuring sensor and is structurally simple to manufacture.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt Fig.1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, The present invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 8, which show exemplary, schematic and non-limiting advantageous embodiments of the invention. It shows 1 shows a schematic representation of a device for measuring properties of a fluid,
Fig. 2 ein Diagramm einen theoretischen Verlauf einer elektrischen Ladung in einem Messaufnehmer eines Elektrometers bei Plugflow-Bedingungen, 2 shows a diagram of a theoretical course of an electrical charge in a measuring sensor of an electrometer under plug flow conditions,
Fig. 3 ein Diagramm eines theoretischen Verlaufs eines von einem Elektrometer aufgenommenen Messstroms bei Plugflow-Bedingungen, 3 shows a diagram of a theoretical profile of a measurement current recorded by an electrometer under plug flow conditions,
Fig. 4 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verläufe von Messströmen, die bei zwei laminaren Fluidströmen mit unterschiedlichem Strömungsprofil erhalten werden, 4 shows a diagram with a comparison of the courses of measurement flows that are obtained with two laminar fluid flows with different flow profiles,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids mit einem Strömungsgleichrichter, 5 shows a schematic representation of a device for measuring properties of a fluid with a flow straightener,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Strömungskanals mit einem darin angeordneten Strömungsgleichrichter, 6 shows a schematic representation of a flow channel with a flow straightener arranged therein,
Fig. 7 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verläufe von elektrischen Ladungen in einem Messaufnehmer eines Elektrometers, wobei sich die einzelnen Kurven hinsichtlich der Größe der Ladungsträger unterscheiden, und 7 shows a diagram with a comparison of the courses of electrical charges in a measuring sensor of an electrometer, the individual curves differing with regard to the size of the charge carriers, and
Fig. 8 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verläufe von Messströmen, wie sie bei den in Fig. 7 dargestellten Ladungsverläufen dem Elektrometer aufgenommen werden. FIG. 8 shows a diagram with a comparison of the courses of measurement currents as they are recorded by the electrometer in the charge courses shown in FIG. 7.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches in einem Fluidstrom 1 einen Strömungskanal 2 durchströmt. Das Fluid kann beispielsweise ein Partikel oder Aerosole führendes Gas sein, beispielsweise ein Abgas eines Verbrennungsmotors (ohne darauf eingeschränkt zu sein).1 shows, in a schematic representation, a device for measuring properties of a fluid which flows through a flow channel 2 in a fluid flow 1. The fluid can, for example, be a gas carrying particles or aerosols, for example an exhaust gas from an internal combustion engine (without being restricted thereto).
Der Fluidstrom 1 durchströmt auf dem Weg durch den Strömungskanal 2 zuerst eine Ladeeinheit 3 und gelangt danach in einen Messaufnehmer 6 eines Elektrometers 5, wobei der Messaufnehmer 6 zwischen einem Eingang 7 (bei dem der Fluidstrom 1 in den Messbereich des Messaufnehmers 6 einströmt) und einem Ausgang 8 (bei dem der Fluidstrom 1 den Messbereich des Messaufnehmers 6 verlässt) eine definierte Länge LFC aufweist. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Messaufnehmers 6 sollte für eine effiziente Ladungserfassung ein ausreichend hohes Verhältnis haben und jedenfalls größer als 1 sein, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1 betragen. Ein ausreichend hohes Verhältnis ist dann gegeben, wenn die Pulslänge der Wertspritze kurz genug ist, um die Wertspitzen auflösen zu können. Eine vorteilhafte Voraussetzung dafür ist, dass der Wert der Differenz der in Fig. 2 dargestellten Dauer tRs von dem Beginn des anfänglichen Anstiegs der Ladung bis zum Beginn des Abfalls der Ladung minus der Dauer tR des Ladungsanstiegs der Zeit, die die Front des geladenen Strömungsabschnitts 15 benötigt, um vom Eingang 7 zum Ausgang 8 des Messaufnehmers zu gelangen, größer Null ist (d.h. tRs-tR>0). On the way through the flow channel 2, the fluid flow 1 first flows through a charging unit 3 and then reaches a measuring transducer 6 of an electrometer 5, the measuring transducer 6 between an inlet 7 (at which the fluid flow 1 flows into the measuring range of the measuring transducer 6) and a Output 8 (in which the fluid flow 1 leaves the measuring range of the measuring transducer 6) has a defined length LFC. The ratio of length to diameter of the measuring sensor 6 should have a sufficiently high ratio for efficient charge detection and should in any case be greater than 1, preferably more than a multiple of 1. A sufficiently high ratio is given when the pulse length of the value injection is short enough to be able to resolve the value peaks. An advantageous prerequisite for this is that the value of the difference in the duration t R s shown in FIG. 2 from the beginning of the initial increase in the charge to the beginning of the decrease in the charge minus the duration t R of the charge increase the time which the front of the charged flow section 15 needs to get from the inlet 7 to the outlet 8 of the measuring transducer is greater than zero (ie t R st R > 0).
Die Ladeeinheit 3 kann gemäß einem beliebigen Ladungsprinzip funktionieren, wobei im Fluidstrom 1 mitgeführte Ladungsträger (insbesondere Partikel, Aerosole oder Moleküle) mit einer positiven oder negativen elektrischen Ladung versehen werden können. Beispielsweise kann die Ladeeinheit 3 gemäß dem Prinzip der Korona-Aufladung arbeiten. Die elektrische Aufladung erfolgt dabei über einen im Strömungskanal 2 angeordneten Koronadraht. Es können jedoch auch andere Ionen- oder Aufladungsquellen verwendet werden. Entsprechende Ladeeinheiten 3 (z.B. photoelektrische-, Plasmaaufladung etc.) sind im Fachbereich an sich bekannt und es wird daher hierin auf eine detaillierte Beschreibung der Ladungsprinzipien verzichtet, es sei denn, sie sind für die gegenständliche Offenbarung besonders relevant. The charging unit 3 can function according to any desired charging principle, it being possible for charge carriers (in particular particles, aerosols or molecules) carried along in the fluid stream 1 to be provided with a positive or negative electrical charge. For example, the charging unit 3 can work according to the principle of corona charging. The electrical charging takes place via a corona wire arranged in the flow channel 2. However, other ion or charge sources can also be used. Corresponding charging units 3 (e.g. photoelectric, plasma charging, etc.) are known per se in the technical field and a detailed description of the charging principles is therefore dispensed with here, unless they are particularly relevant to the present disclosure.
Als Ladungsträger werden im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung jegliche im Fluidstrom 1 mitgeführte Teilchen bezeichnet, die mit einer positiven oder negativen elektrischen Ladung behaftet sein können. Als Ladungsträger zählen somit insbesondere Festteilchen und Aerosole (z.B. Ruß, Feinstaub, Tröpfchen etc.), Moleküle und Ionen. In connection with the present disclosure, charge carriers are any particles entrained in the fluid stream 1 that may have a positive or negative electrical charge. In particular, solid particles and aerosols (e.g. soot, fine dust, droplets, etc.), molecules and ions count as charge carriers.
Die Ladeeinheit 3 weist einen Ladungsbereich mit einer definierte Länge Lc auf, innerhalb dessen bei aktivierter Ladeeinheit 3 im Wesentlichen alle Ladungsträger im Ladungsbereich elektrisch geladen werden. Die Ladeeinheit 3 wird gepulst betrieben, also beispielsweise intervallweise ein- und ausgeschalten, wobei Ladungsträger, die sich während der eingeschalteten Phasen im Bereich der Ladeeinheit 3 befinden, geladen werden. Da sich der Fluidstrom 1 während der Einschaltphasen in Strömungsrichtung fortbewegt, wird bei jeder Einschaltphase ein geladener Strömungsabschnitt 15 erzeugt, der sich dann mit dem Fluidstrom 1 entlang des Strömungskanals 2 fortbewegt. In Fig. 1 sind drei geladene Strömungsabschnitte 15, 15‘ und 15“ dargestellt. Die Länge der geladenen Strömungsabschnitte 15 hängt von der Länge Lc des Ladungsbereichs der Ladeeinheit 3, von der Fließgeschwindigkeit und von der Länge der Einschaltphase ab. The charging unit 3 has a charge area with a defined length Lc, within which, when the charging unit 3 is activated, essentially all charge carriers in the charge area are electrically charged. The charging unit 3 is operated in a pulsed manner, that is to say, for example, switched on and off at intervals, with charge carriers that are in the area of the charging unit 3 during the switched-on phases being charged. Since the fluid flow 1 moves in the flow direction during the switch-on phases, a charged flow section 15 is generated in each switch-on phase, which then moves along with the fluid flow 1 along the flow channel 2. In Fig. 1, three charged flow sections 15, 15 ‘and 15 ″ are shown. The length of the charged flow sections 15 depends on the length Lc of the charge area of the charging unit 3, on the flow rate and on the length of the switch-on phase.
In Fig. 1 sind die geladenen Ladungsträger im Fluidstrom 1 schematisch als volle Punkte dargestellt und die ungeladenen Ladungsträger als leere Punkte. Die mit dem Fluidstrom 1 mitbewegten geladenen Strömungsabschnitte 15 weisen in der Darstellung der Fig. 1 jeweils einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei hier vereinfachend angenommen wird, dass sich der gesamte Fluidstrom 1 und alle darin mitgeführten Ladungsträger mit einer identischen Geschwindigkeit und in derselben Richtung mit dem Fluidstrom 1 mitbewegen.In FIG. 1, the charged charge carriers in the fluid stream 1 are shown schematically as full dots and the uncharged charge carriers as empty dots. The charged flow sections 15, which move along with the fluid flow 1, each have an essentially rectangular cross section in the illustration in FIG move with the fluid flow 1.
Da sich die geladenen Strömungsabschnitte 15 somit wie ein „Pfropfen“ entlang des Strömungskanals 2 bewegen, wird diese Annahme als „Plug-Flow-Bedingung“ bezeichnet. Die Annahme von Plug-Flow-Bedingungen dient der Vereinfachung der Beschreibung, der Darstellung und der theoretischen Betrachtung, es ist jedoch klar, dass reale Strömungsbedingungen diese Annahme nicht bzw. nur in Näherung verwirklichen. Tatsächlich werden sich etwa bei Vorliegen einer laminaren Strömung die „Fronten“ der geladenen Strömungsabschnitte 15 „verschmieren“, da die Ladungsträger im Rohrzentrum schneller strömen, als die wandnahen Ladungsträger. Since the charged flow sections 15 thus move like a “plug” along the flow channel 2, this assumption is referred to as a “plug flow condition”. The assumption of plug-flow conditions serves to simplify the description, the representation and the theoretical consideration, but it is clear that real flow conditions do not realize this assumption or only to an approximation. In fact, if there is a laminar flow, for example, the “fronts” of the charged flow sections 15 will “smear”, since the charge carriers in the center of the pipe flow faster than the charge carriers near the wall.
Wenn nun ein geladener Strömungsabschnitt 15 in den Bereich des Messaufnehmers 6 gelangt, erzeugen die geladenen Ladungsträger im Messaufnehmer 6 einen Verschiebestrom, der mithilfe einer Messschaltung des Elektrometers 5 in ein Spannungssignal umgewandelt, an eine Auswerteeinheit übermittelt und von dieser Auswerteeinheit 12 ausgewertet wird. If a charged flow section 15 now reaches the area of the measuring sensor 6, the charged charge carriers generate a displacement current in the measuring sensor 6, which is converted into a voltage signal with the aid of a measuring circuit of the electrometer 5, transmitted to an evaluation unit and evaluated by this evaluation unit 12.
Im Falle der veranschaulichend angenommenen Plug-Flow-Bedingung steigt die Ladung im Messaufnehmer 6 zuerst stetig an. Die Steigung beginnt bei dem Moment, an dem die vordere Front des geladenen Strömungsabschnitts 15 an dem Eingang 7 des Messaufnehmers 6 antrifft, und dauert bis zu dem Moment an, wo entweder der gesamte geladene Strömungsabschnitt 15 sich innerhalb des vom Messaufnehmer 6 definierten Messbereichs befindet (wenn die Länge LFC des Messaufnehmers 6 länger ist, als die Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15) oder dieser Messbereich vollständig von dem geladenen Strömungsabschnitt 15 besetzt ist (d.h. wenn die Länge LFC des Messaufnehmers 6 kürzer ist, als die Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15). Da sich die Länge LFC des Messaufnehmers 6 üblicherweise von der Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15 unterscheidet, folgt auf den anfänglichen Anstieg eine Periode, in der sich die Ladung nicht ändert (entweder weil der Strömungsabschnitt 15 sich vollständig innerhalb des Messbereichs befindet oder weil der Messbereich vollständig vom Strömungsabschnitts 15 umfasst ist). Wenn der Strömungsabschnitt 15 danach den Messbereich wieder verlässt, folgt eine Periode in der die Ladung stetig abfällt. In the case of the plug-flow condition assumed by way of illustration, the charge in the measuring sensor 6 initially rises steadily. The slope begins at the moment at which the front front of the charged flow section 15 meets the inlet 7 of the measuring sensor 6 and continues until the moment when either the entire charged flow section 15 is within the measuring range defined by the measuring sensor 6 ( if the length LFC of the measuring sensor 6 is longer than the length of the charged flow section 15) or this measuring area is completely occupied by the charged flow section 15 (ie if the length LFC of the measuring sensor 6 is shorter than the length of the charged flow section 15). Since the length LFC of the measuring transducer 6 usually differs from the length of the charged flow section 15, the initial increase is followed by a period in which the charge does not change (either because the flow section 15 is completely within the measuring range or because the measuring range is completely is encompassed by the flow section 15). When the flow section 15 then leaves the measuring range again, there follows a period in which the charge steadily falls.
Ein solcher beispielhafter Ladungsverlauf ist in Fig. 2 dargestellt. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Länge des geladenen Strömungsabschnitts 15 größer ist als die Länge des Messaufnehmers 6. In dem Fall entspricht die Dauer tR des Ladungsanstiegs der Zeit, die die Front des geladenen Strömungsabschnitts 15 benötigt, um vom Eingang 7 zum Ausgang 8 des Messaufnehmers zu gelangen. Die Dauer tRs von dem Beginn des anfänglichen Anstiegs der Ladung bis zum Beginn des Abfalls der Ladung entspricht der Zeit zwischen dem Eintreten des geladenen Strömungsabschnitts 15 in den Eingang 7 des Messaufnehmers 6 und dem Zeitpunkt, an dem das hintere Ende des geladenen Strömungsabschnitts 15 den Eingang 7 des Messaufnehmers 6 passiert. Durch eine Auswertung des Ladungsverlaufs lässt sich somit bei bekannten Abmessungen der Vorrichtung (insbesondere der Länge LFC des Messaufnehmers 6) und bekannter Länge der Ladungsimpulse die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms ermitteln. Such an exemplary charge profile is shown in FIG. 2. In the following, it is assumed that the length of the charged flow section 15 is greater than the length of the measuring sensor 6. In this case, the duration t R of the charge increase corresponds to the time that the front of the charged flow section 15 needs to move from the inlet 7 to the outlet 8 of the sensor. The duration t R s from the beginning of the initial increase in the charge to the beginning of the decrease in the charge corresponds to the time between the entry of the charged flow section 15 into the inlet 7 of the measuring sensor 6 and the point in time at which the rear end of the charged flow section 15 the input 7 of the sensor 6 happened. By evaluating the course of the charge, given known dimensions, the Device (in particular the length LF C of the measuring transducer 6) and known length of the charge pulses determine the flow velocity of the fluid stream.
Fig. 3 zeigt den Verlauf eines Verschiebestroms, der von dem Ladungsverlauf, wie er in Fig. Fig. 3 shows the course of a displacement current that depends on the charge course as shown in Fig.
2 dargestellt ist, vom Messaufnehmer 6 erzeugt und von dem Elektrometer 5 gemessen wird. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung erzeugt dazu beispielsweise aus dem Verschiebestrom ein Spannungssignal, das in der Auswerteeinheit 12 ausgewertet werden kann. Es kann jedoch auch eine beliebige andere Schaltung zu diesem Zweck benutzt werden, die dem Fachmann bekannt ist und die für den Zweck geeignet ist. In dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf des Verschiebestroms sind die Übergänge von den Rampenabschnitten zu den unveränderten Abschnitten des Ladungsverlaufs als Sprünge zu erkennen. 2, is generated by the sensor 6 and measured by the electrometer 5. For this purpose, the circuit shown in FIG. 1 generates, for example, a voltage signal from the displacement current which can be evaluated in the evaluation unit 12. However, any other circuit known to those skilled in the art and which is suitable for the purpose can also be used for this purpose. In the course of the displacement current shown in FIG. 3, the transitions from the ramp sections to the unchanged sections of the charge course can be seen as jumps.
Während in den Darstellungen der Fig. 2 und 3 eine idealisierte Plug-Flow-Bedingung vorausgesetzt wurde, zeigt Fig. 4 zwei Messverläufe des Verschiebestroms, die sich in einer realistischeren Situation ergeben können, bei der im Strömungskanal 2 beispielsweise eine laminare Strömung vorherrscht. Im laminaren Strömungsfall findet eine „Verschmierung“ der Fronten der geladenen Strömungsabschnitte statt, da die Ladungsträger im Rohrzentrum schneller strömen als die wandnahen Ladungsträger. Aufgrund dieser Verschmierung weicht der Messverlauf von der zuvor beschriebenen Rechteckform mehr oder weniger stark ab und es bilden sich Wertspitzen („Peaks“) heraus, wobei die Wertspitzen umso höher sind, je verschmierter das Signal ist. Das Integral (das dem Verlauf der Ladung entspricht) ist jedoch unabhängig von dem Grad der Verschmierung. Im Falle einer laminaren Strömung korreliert die Höhe der Wertspitzen (beziehungsweise deren Breite) mit der Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des Strömungskanals 2, während aus dem Wertspitzenabstand 16 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wertspitzen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit errechnet werden kann. While an idealized plug-flow condition was assumed in the representations of FIGS. 2 and 3, FIG. 4 shows two measurement curves of the displacement flow that can result in a more realistic situation in which, for example, a laminar flow prevails in the flow channel 2. In the case of laminar flow, the fronts of the charged flow sections are “smeared” because the charge carriers in the center of the pipe flow faster than the charge carriers near the wall. Because of this smearing, the measurement curve deviates more or less strongly from the rectangular shape described above and value peaks are formed, the value peaks being higher the more smeared the signal is. However, the integral (which corresponds to the course of the charge) is independent of the degree of smearing. In the case of a laminar flow, the height of the value peaks (or their width) correlates with the flow velocity in the center of the flow channel 2, while the average flow velocity can be calculated from the value peaks distance 16 between two successive value peaks.
Im Diagramm der Fig. 4 ist als Strichlinie ein erster Messverlauf 9‘ dargestellt, der verhältnismäßig stark ausgeprägte, schlanke Wertspitzen 11 aufweist. Dem ist als Strich- Punkt-Linie ein zweiter Messverlauf 9“ gegenübergestellt, der schwächer ausgeprägte und breitere Wertspitzen aufweist, die eine größere Ähnlichkeit mit dem unter Plug-Flow- Bedingungen zu erwartenden Rechtecksignal haben. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass ein turbulentes Strömungsprofil sich besser an die Plug-Flow- Bedingungen annähert, als eine laminare Strömung, da bei der turbulenten Strömung die Geschwindigkeit nur innerhalb der laminaren Grenzschicht ansteigt, und dann über den Querschnitt annährend konstant bleibt. Im Fall der Fig. 4 könnte somit beispielsweise der erste Messverlauf 9‘ mit den ausgeprägten Wertspitzen einer laminaren Strömung entsprechen, und der zweite Messverlauf 9‘ einer turbulenten Strömung. Mittels der Signalform, d.h. dem Messverlauf, kann somit eine Aussage getroffen werden, ob ein laminares oder ein turbulentes Strömungsprofil vorliegt. Dies kann in der Praxis beispielsweise dazu verwendet werden, um zu erkennen, ob ein Strömungsgleichrichter vorhanden ist oder nicht. In the diagram of FIG. 4, a first measurement curve 9 ′ is shown as a dashed line, which has relatively strongly pronounced, slender value peaks 11. This is contrasted with a second measurement curve 9 ”as a dash-dot line, which has weaker and wider value peaks that are more similar to the square-wave signal to be expected under plug-flow conditions. In this context, it should be pointed out that a turbulent flow profile approximates the plug-flow conditions better than a laminar flow, since in turbulent flow the speed only increases within the laminar boundary layer and then remains almost constant over the cross-section. In the case of FIG. 4, for example, the first measurement profile 9 ′ with the pronounced value peaks could correspond to a laminar flow, and the second measurement profile 9 ′ to a turbulent flow. By means of the signal shape, ie the measurement profile, a statement can thus be made as to whether a laminar or a turbulent flow profile is present. This can be done in practice can be used, for example, to detect whether a flow straightener is present or not.
Fig. 5 zeigt die Anordnung eines Strömungsgleichrichters 10 im schematisiert dargestellten Strömungskanal 2, wobei der Strömungsgleichrichter 10 vorzugsweise unmittelbar vor dem Messaufnehmer 6 angeordnet wird. In Fig. 6 ist schematisch dargestellt, welchen Effekt der Strömungsgleichrichter 10 auf ein Strömungsprofil 14 hat. Im Bereich unmittelbar nach der Ladeeinheit 3 verläuft die Strömungsfront des geladenen Strömungsabschnitts 15 im Wesentlichen normal zur Strömungsrichtung. Je weiter sich der geladene Strömungsabschnitt 15 von der Ladeeinheit 3 entfernt desto stärker parabelförmig wird das Strömungsprofil 14. Unmittelbar nach dem Strömungsgleichrichter 10 bildet sich eine Strömung mit einem geglätteten Strömungsprofil 14‘ aus. 5 shows the arrangement of a flow straightener 10 in the flow channel 2 shown schematically, the flow straightener 10 preferably being arranged directly in front of the measuring sensor 6. FIG. 6 schematically shows what effect the flow straightener 10 has on a flow profile 14. In the area immediately after the loading unit 3, the flow front of the charged flow section 15 runs essentially normal to the direction of flow. The further away the charged flow section 15 is from the loading unit 3, the more parabolic the flow profile 14 becomes. Immediately after the flow straightener 10, a flow with a smoothed flow profile 14 'is formed.
Fig. 7 zeigt eine Gegenüberstellung von drei Ladungsverläufen, die mit unterschiedlich großen Ladungsträgern erhalten wurden. In Fig. 8 sind die entsprechenden Messverläufe des Verschiebestroms dargestellt. Die Messverläufe wurden durch eine Simulation der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung ermittelt, wobei für alle Messverläufe dieselbe Vorrichtung verwendet wurde, und jeweils nur die Größe der Ladungsträger verändert wurde.7 shows a comparison of three charge profiles that were obtained with charge carriers of different sizes. In Fig. 8, the corresponding measurement curves of the displacement current are shown. The measurement profiles were determined by a simulation of the device shown schematically in FIG. 1, the same device being used for all measurement profiles and only the size of the charge carriers being changed in each case.
Der als durchgängige Linie dargestellte Ladungsverlauf 13 (und der entsprechende Messverlauf 9) wurde mit Partikeln von 23 nm erhalten. Der als Strichlinie dargestellte Ladungsverlauf 13‘ (und der entsprechende Messverlauf 9‘) wurde mit Partikeln von 100 nm erhalten. Der als Strich-Punkt-Linie dargestellte Ladungsverlauf 13“ (und der entsprechende Messverlauf 9“) wurde mit Partikeln von 200 nm erhalten. The charge profile 13 shown as a continuous line (and the corresponding measurement profile 9) was obtained with particles of 23 nm. The charge curve 13 ‘shown as a dashed line (and the corresponding measurement curve 9) was obtained with particles of 100 nm. The charge curve 13 "shown as a dash-dot line (and the corresponding measurement curve 9") was obtained with particles of 200 nm.
Es ist klar zu erkennen, dass der Messerverlauf 9 der kleinen Partikel (23 nm) deutlich geringer ausgeprägte Wertspitzen aufweist, als die Messverläufe 9‘ und 9“ der größeren Partikel (100 und 200 nm). Es wurde vom Erfinder überraschend festgestellt, dass der Messverlauf somit auch von der Partikelgröße abhängig ist. Es wird vermutet, ohne an diese Theorie gebunden zu sein, dass größere Partikel dem Fluidstrom besser folgen, als kleine Partikel. Kleine Partikel weisen dabei einen gewissen Schlupf (Slip) auf. In Abhängigkeit von den Partikeleigenschaften treten beispielsweise auch stufenartige Signalformen in den Wertspitzen auf, aus deren Größe und Position auf bestimmte Partikeleigenschaften geschlossen werden kann. It can be clearly seen that the measurement profile 9 of the small particles (23 nm) has significantly less pronounced value peaks than the measurement profiles 9 and 9 ″ of the larger particles (100 and 200 nm). It was surprisingly found by the inventor that the measurement curve is therefore also dependent on the particle size. It is assumed, without being bound by this theory, that larger particles follow the fluid flow better than small particles. Small particles show a certain amount of slip. Depending on the particle properties, for example, step-like signal forms also occur in the value peaks, from whose size and position certain particle properties can be inferred.
Mithilfe dieser Erkenntnis ist es möglich, Partikeleigenschaften aus einem einzigen Messverlauf 9 zu ermitteln. Beispielsweise könnte aus der Signalform auf eine mittlere Partikelgröße geschlossen werden. Die exakte Vorgehensweise für die Auswertung von Partikeleigenschaften auf Basis der Signalform muss auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Anhand standardmäßiger Versuche ist der Fachmann bei Kenntnis der hierin offenbarten Lehren von sich aus in der Lage, Korrelationen zwischen der Signalform und bestimmter Partikeleigenschaften zu ermitteln und diese Kenntnisse für konkrete Anwendungen zu berücksichtigen. Gegebenenfalls ist es auch möglich, eine Einheit einer künstlichen Intelligenz, zum Beispiel ein neuronales Netz, mit Testdaten bekannter Partikeleigenschaften zu trainieren, um Korrelationen zwischen der Signalform und bestimmter Partikeleigenschaften zu ermitteln. With the aid of this knowledge, it is possible to determine particle properties from a single measurement profile 9. For example, a mean particle size could be inferred from the signal shape. The exact procedure for evaluating particle properties on the basis of the signal form must be tailored to the respective application. Using standard experimentation, those skilled in the art, given the teachings disclosed herein, would be able to determine correlations between waveforms and certain particle properties and to take this knowledge into account for specific applications. If necessary, it is also possible to train a unit of an artificial intelligence, for example a neural network, with test data of known particle properties in order to determine correlations between the signal shape and certain particle properties.
Die durch den unterschiedlichen Schlupf von kleinen und großen Partikeln bewirkte Messabweichung kann mithilfe einer sogenannten Slip Correction korrigiert werden. Dazu wird ein Korrekturfaktor C (C=f(A, d)) verwendet, der empirisch ermittelt werden kann (siehe beispielsweise https://en.wikipedia.org/wiki/Cunningham correction factor). Der Korrekturfaktor ist abhängig vom Mobilitätsdurchmesser (d) der Partikel und der mittleren freien Weglänge l. Weitere Parameter werden empirisch ermittelt. Anhand des Korrekturfaktors kann eine Beweglichkeit, beziehungsweise Mobilität des Partikels definiert werden, wobei die Beweglichkeit = Korrekturfaktor / (3ndp) ist (h ist dabei die Viskosität - Siehe auch https://de.wikipedia.org/wiki/Beweglichkeit (Physik)) Dabei gibt es 2 Grenzfälle: d« l: „free molecular regime“: hier tritt ein Slip auf, da Partikel kräftefrei „mitfließen“ d» l: „continuum regime“: kein Slip, ständige Stöße mit Fluid. The measurement deviation caused by the different slippage of small and large particles can be corrected with the help of a so-called slip correction. For this purpose, a correction factor C (C = f (A, d)) is used, which can be determined empirically (see, for example, https://en.wikipedia.org/wiki/Cunningham correction factor). The correction factor depends on the mobility diameter (d) of the particles and the mean free path l. Further parameters are determined empirically. Using the correction factor, a mobility or mobility of the particle can be defined, where the mobility = correction factor / (3ndp) (h is the viscosity - see also https://de.wikipedia.org/wiki/Beweglichkeit (Physik)) There are 2 borderline cases: d «l:“ free molecular regime ”: a slip occurs here because particles“ flow along ”without force d» l: “continuum regime”: no slip, constant impacts with fluid.
Bezugszeichen: Reference number:
Fluidstrom 1 Strömungskanal 2 Ladeeinheit 3 Ladungsträger 4 Elektrometer 5 Messaufnehmer 6 Eingang 7 Ausgang 8 Messverlauf 9 Strömungsgleichrichter 10 Wertspitzen 11 Auswerteeinheit 12 Ladungsverlauf 13 Strömungsprofil 14 geladener Strömungsabschnitt 15 Wertspitzenabstand 16 Fluid flow 1 flow channel 2 charging unit 3 charge carrier 4 electrometer 5 measuring sensor 6 input 7 output 8 measurement curve 9 flow rectifier 10 value peaks 11 evaluation unit 12 charge curve 13 flow profile 14 charged flow section 15 value peaks distance 16

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, welches als Fluidstrom (1) einen Strömungskanal (2) durchströmt, wobei in einer Ladeeinheit (3) Ladungsträger (4) des Fluids pulsierend geladen werden, und wobei die im Fluidstrom (1) mitgeführte Ladung in einem stromabwärts der Ladeeinheit (3) am Strömungskanal (2) angeordneten Elektrometer (5) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung eines bekannten Werts für die Länge (LFC) eines Messaufnehmers (6) des Elektrometers (5), wobei das Verhältnis von Länge (LFC) ZU Durchmesser des Messaufnehmers (6) größer als 1 gewählt wird, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1 , und eines vom Elektrometer (5) gemessenen Messverlaufs (9) zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom (1) mitgeführten Ladungsträgern (4) ermittelt wird. 1. A method for measuring properties of a fluid which flows through a flow channel (2) as a fluid flow (1), with charge carriers (4) of the fluid being charged in a pulsating manner in a charging unit (3), and with the charge carried along in the fluid flow (1) is measured in an electrometer (5) arranged downstream of the charging unit (3) on the flow channel (2), characterized in that using a known value for the length (LF C ) of a measuring transducer (6) of the electrometer (5), the The ratio of length (LF C ) to diameter of the measuring transducer (6) is selected to be greater than 1, preferably more than a multiple of 1, and a measurement curve (9) measured by the electrometer (5) has at least one fluid dynamic property of the fluid and / or one Particle property of charge carriers (4) carried along in the fluid stream (1) is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine ermittelte fluiddynamische Eigenschaft ausgewählt ist aus einer mittleren Fließgeschwindigkeit, einer maximalen Fließgeschwindigkeit und einer Strömungsform. 2. The method according to claim 1, characterized in that at least one determined fluid dynamic property is selected from an average flow velocity, a maximum flow velocity and a flow shape.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine ermittelte Partikeleigenschaft eine mittlere Partikelgröße ist. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at least one determined particle property is an average particle size.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom (1) in einem Strömungsgleichrichter (10) konditioniert wird, welcher bei einem4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the fluid flow (1) is conditioned in a flow straightener (10), which at a
Eingang (7) des Messaufnehmers (6) angeordnet ist. Input (7) of the sensor (6) is arranged.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (10) durch eine Gitterstruktur gebildet ist, welche vorzugsweise im Wesentlichen normal auf eine Achse des Strömungskanals (2) angeordnet ist. 5. The method according to claim 4, characterized in that the flow straightener (10) is formed by a lattice structure which is preferably arranged essentially normal to an axis of the flow channel (2).
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the
Strömungsgleichrichter (10) zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall, besteht. The flow straightener (10) consists at least partially of a conductive material, in particular metal.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wertspitzenabstand (16) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wertspitzen (11) des Messverlaufs (9) ermittelt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that at least one value peaks distance (16) between two successive value peaks (11) of the measurement curve (9) is determined.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Signalform des Messverlaufs (9), insbesondere im Bereich einer Wertspitze, bewertet wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least one signal form of the measurement curve (9), in particular in the region of a value peak, is evaluated.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer Abweichung der Geschwindigkeit der Ladungsträger (4) von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms zumindest ein Korrekturfaktor für die ermittelte fluiddynamische Eigenschaft und/oder Partikeleigenschaft ermittelt wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that at least one correction factor for the determined fluid dynamic property and / or particle property is determined on the basis of a deviation of the speed of the charge carriers (4) from the flow speed of the fluid flow.
10. Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften eines Fluids, wobei die Vorrichtung einen10. Apparatus for measuring properties of a fluid, the apparatus having a
Strömungskanal (2), der von dem Fluid als Fluidstrom (1) durchströmbar ist, eine Ladeeinheit (3), in welcher Ladungsträger (4) des Fluids während einer Messung pulsierend geladen werden, und ein Elektrometer (5) aufweist, wobei das Elektrometer (5) zur Messung der im Fluidstrom (1) mitgeführte Ladung stromabwärts der Ladeeinheit (3) am Strömungskanal (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (12) aufweist, mit welcher unter Verwendung eines bekannten Werts für die Länge (LFC) eines Messaufnehmers (6) des Elektrometers (5), wobei das Verhältnis von Länge (LFC) ZU Durchmesser des Messaufnehmers (6) größer als 1 ist, vorzugsweise mehr als ein Vielfaches von 1, und eines vom Elektrometer (5) gemessenen Messverlaufs (9) zumindest eine fluiddynamische Eigenschaft des Fluids und/oder eine Partikeleigenschaft von in dem Fluidstrom (1) mitgeführten Ladungsträgern (4) ermittelbar ist. The flow channel (2) through which the fluid can flow as a fluid stream (1) has a charging unit (3) in which charge carriers (4) of the fluid are charged in a pulsating manner during a measurement, and an electrometer (5), the electrometer ( 5) for measuring the charge carried along in the fluid flow (1) is arranged downstream of the charging unit (3) on the flow channel (2), characterized in that the device has an evaluation unit (12) with which, using a known value for the length ( LFC) of a measuring transducer (6) of the electrometer (5), the ratio of length (LFC) to diameter of the measuring transducer (6) being greater than 1, preferably more than a multiple of 1, and a measurement curve measured by the electrometer (5) (9) at least one fluid dynamic property of the fluid and / or one particle property of charge carriers (4) carried along in the fluid flow (1) can be determined.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Eingang (7) des Messaufnehmers (6) ein Strömungsgleichrichter (10) angeordnet ist. 11. The device according to claim 10, characterized in that a flow straightener (10) is arranged at an input (7) of the measuring sensor (6).
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (10) durch eine Gitterstruktur gebildet ist. 12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the flow straightener (10) is formed by a lattice structure.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (10) zumindest teilweise aus einem leitenden Material, insbesondere Metall, besteht. 13. The device according to claim 11 or 12, characterized in that the flow straightener (10) consists at least partially of a conductive material, in particular metal.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6) des Elektrometers (5) ein Faraday-Cup-Rohr ist. 14. Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the measuring sensor (6) of the electrometer (5) is a Faraday cup tube.
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