DE1245173B - Einrichtung zur Messung der Dichte eines Gases - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 421-2/03

Nummer: 1 245 173

Aktenzeichen: N 15650 IX b/421

^ 24 3173 Anmeldetag: 30. September 1958

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Dichte eines Gases in einem weiten Temperaturbereich unter Verwendung einer mit dem Gas in Verbindung stehenden Ionisationskammer, die zwei an eine Spannungsquelle anschaltbare Elektroden und eine radioaktive Strahlungsquelle zur Ionisation des Gases im Bereich der Elektroden enthält.

Bei einem bekannten Vakuummeter der oben angegebenen Art wird der Ionisationsstrom durch eine Röhre verstärkt, und das verstärkte Signal wird dem Eingang eines Sperrschwinger-Oszillators zugeführt, dessen Frequenz von der Höhe der an seinem Eingang liegenden Gleichspannung abhängt. Bei sehr niedrigen Drücken können dabei jedoch Schwierigkeiten auftreten, da die Absolutwerte der Spannungsänderungen am Eingang des Sperrschwingers dann so klein werden, daß die Reproduzierbarkeit der Anzeige infolge der unvermeidlichen Unbestimmtheiten des Ansprechpegels leidet. zo

Es ist ferner ein Verfahren zum Messen des Vakuums in abgeschmolzenen Elektronenröhren bekannt, bei dem ein zwischen Gitter und Kathode geschalteter Kondensator mittels des durch den Anodenstrom erzeugten Ionenstroms entladen wird. Der Anstieg des Anodenstroms entsprechend der sich ändernden Gittervorspannung dient dabei als Maß für das Vakuum. Dieses bekannte Meßverfahren liefert kein periodisches Signal, es eignet sich also schlecht für Fernübertragung usw. Außerdem hat dieses Verfahren den großen Nachteil, daß die Ionisation zeitlich nicht konstant ist und die Entladezeit dementsprechend eine verhältnismäßig komplexe Funktion der Gasdichte ist.

Es ist ferner in der physikalischen Meßtechnik bekannt, Ionisationsströme aus der Entladegeschwindigkeit eines Elektrometers zu bestimmen.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Einrichtung zur Messung der Dichte eines Gases in einem weiten Temperatur- und Druckbereich angegeben werden, die ein Ausgangssignal liefert, das sich gut für Fernübertragungen u. dgl. eignet.

Eine Einrichtung zur Messung der Dichte eines Gases in einem weiten Temperaturbereich unter Verwendung einer mit dem Gas in Verbindung stehenden Ionisationskammer, die zwei an eine Spannungsquelle anschaltbare Elektroden und eine radioaktive Strahlungsquelle zur Ionisation des Gases im Bereich der Elektroden enthält, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die Elektroden nach deren Aufladung durch die Spannungsquelle so lange von dieser trennt, bis die

Einrichtung zur Messung der Dichte eines Gases Anmelder:

National Research Corporation, Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Ε. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
George F. Vanderschmidt,
Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. November 1957 (699 860)

Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf einen vorbestimmten niedrigen Wert gesunken ist, und durch eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Frequenz des Ladungs- und Entladungsvorganges.

Solange die Spannung an der Ionisationskammer hoch genug ist, um praktisch alle gebildeten Ionen zu sammeln, beträgt die Spannung V an der isolierten Kammer

V= V₀-I-t/C,

dabei ist V₀ die Anfangsspannung zur Zeit t = 0, / der Ionisationsstrom und C die Kapazität der Kammer. Da I linear von der Gasdichte abhängen kann, liefert die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Aufladungen eine umgekehrt proportionale Anzeige des Druckes und die Frequenz der Ladungen hängt direkt proportional von der Dichte ab.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es enthält zwei Elektroden 10 und 12. Die Elektrode 10 hat dabei die Form eines Behälters, der eine Ionisationskammer 14 definiert. Die Elektrode 10 trägt vorzugsweise eine Platte 15, welche ein radioaktives Material, wie Radium und Tritium enthält. Die Platte 15 emittiert Teilchen, beispielsweise oc- oder /?-Strahlen, in die Kammer 14, die das in eine Kammer durch eine Öffnung 20 eintretende Gas ionisieren. Zwischen der Platte 15 und der Elektrode 12 ist vorzugs-

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weise eine Abschirmung 16 vorgesehen, um ein direktes Auftreffen der emittierten Teilchen auf die Elektrode 12 zu verhindern. Die Elektrode 12 dient in diesem Ausführungsbeispiel als Kollektor für die positiven Ionen. Die Elektrode 12 wird daher auf einem Potential gehalten, das in bezug auf das der anderen Elektfode 10 negativ ist. Die Kollektorelektrode 12 wird durch einen Isolator 18 getragen und ist direkt mit einer Elektrometerröhre 2% verbunden, die als einfache Triode gezeichnet ist. Die Triode 22 ist als Kathodenverstärker über einen Kathodenwiderstand 24 mit einer Vorrichtung nach Art einer Auslöseschaltung 26 verbunden. Die Auslöseschaltung 26 ist so aufgebaut, daß sie immer dann einen Ausgangsimpuls liefert, wenn der Spannungsabfall am Widerstand 24 infolge des Stroms durch die Elektrometerröhre 22 auf einen bestimmten Betrag angestiegen ist. Der durch die Auslöseschaltung 26 erzeugte Impuls wird einer Relaisspule 27 zugeführt, die kurzzeitig einen Schalter 28 betätigt, durch den der negative Pol einer Batterie direkt mit der Kollektorelektrode 12 verbunden wird, so daß auf die Kollektorelektrode 12 eine bestimmte negative Ladung aufgebracht wird. Das Anlegen der Spannung 30 macht ferner das Gitter der Röhre 22 negativ, so daß ein weiterer Stromfluß durch den Kathodenwiderstand 24 unterbunden wird. Die Auslöseschaltung 26 wird dadurch in ihren Ruhezustand zurückgeführt. Zur Anzeige der Arbeitsfrequenz der Auslöseschaltung 26 ist vorzugsweise ein Zählfrequenzmesser 32 vorgesehen. Der positive Pol der Batterie 30, das untere Ende des Kathodenwiderstandes 24 und die Elektrode 10 sind, wie in der Zeichnung dargestellt, sämtlich geerdet.

Beim Betrieb der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird eine bestimmte Spannungsdifferenz zwischen der Kollektorelektrode 12 und der Elektrode 10 erzeugt, indem der Schalter 28 kurzzeitig geschlossen wird, so daß die Spannung der Batterie 30 direkt an diesen beiden Elektroden liegt. Der Schalter 28 wird dann geöffnet, die Elektroden 10 und 12 sind damit aufgeladen. Wie bereits erwähnt wurde, ist die Schaltungsanordnung so getroffen, daß die Kollektorelektrode 12 vorzugsweise auf einer bestimmten negativen Spannung in bezug auf die Elektrode 10 gehalten wird. Wenn der Schalter 28 geöffnet ist, ist kein äußerer Stromkreis zur Entladung der an den Elektroden 10 und 12 liegenden Spannung mehr vorhanden. Die von der radioaktiven Quelle 15 emittierten Teilchen ionisieren jedoch das Gas innerhalb der Ionisationskammer 14* und die positiven Ionen werden durch die Kollektorelektrode 12 gesammelt, wodurch die Spannungsdifferenz zwischen deri Elektroden verringert wird. Die an der Kollektorelektrode 12 vorhandene negative Spannung dient als negative Vorspannung für die Elektrometerröhre 22. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 12 genügerid abgefallen ist, so daß die Röhre 22 zu leiten beginnt, tritt am Kathodenwiderständ 24 eine Spannung auf. Dementspfechend wird die Auslösesehaltung 26 erregt und erzeugt einen Impuls (wie bei 26« dargestellt), so daß die Spule 27 erregt und der Schalter 28 geschlossen wird, wodurch die ursprüngliche, negative statische Spannung an der Kollektorelektrode 12 wiederhergestellt wird. Dadurch wird das Gitter der Röhre 22 wieder negativ und die Auslöseschaltung wieder in den Ruhezustand zurückgeführt.

Die Frequenz, mit der der öben beschriebene Zyklus wiederholt wird, ist bei festliegenden Schaltungsparametern eine direkte Funktion der Dichte des Gases in der Ionisationskammer 14. Wenn das Gas eine hohe Dichte besitzt, werden durch den Beschuß des Gases mit den emittierten Teilchen zahlreiche Ionen erzeugt. Die Spannung an der Kammer wird dementsprechend sehr schnell entladen. Wenn die Dichte des Gases dagegen sehr niedrig ist, ist die

ίο Menge der erzeugten Ionen entsprechend gering, und die Ladung verschwindet dementsprechend langsamer. Die Entladungszeit der Spannung bis zu dem Punkt, bei welchem die zugehörige Schaltung die ursprüngliche Spannung wiederherstellt, hängt bei einer gegebenen Gasdichte und Kammergröße von einer Reihe von Schaltungsparametern ab. Die besonders eingehenden Parameter der Schaltung siiid ä) die Stärke der radioaktiven Quelle 15, b) die Spahriufig_j bei welcher die Auslöseschaltung 26 anspricht, c) dit Kapazität zwischen den Elektroden 10 und 12 und d) der anfängliche Wert der Spannung (d. h. also def Batterie 30). Diese Schaltungsparameter könhen veränderlich gemacht werden, um für eine gegeben^ Gasdichte eine beliebige gewünschte Entladungszelf (oder eine gewünschte ZäHlfrequenz) zu ergeben. Dies erlaubt eine einfache Einstellufig des Instrumente* für den speziell ins Auge gefaßten Verwendungszweck. Wenn das Instrument beispielsweise als" Väkuummeter Verwendurig finden soll und das MeSⁱ·· gerät für die Zählerfrequenz in Millimeterquecksilbersäule absolut geeicht ist, kann das Instrument leicht durch entsprechende Einjustierung des WefteS der Spannung 30 so geeicht werden, daß es elfli Druckanzeige liefert, die rhit den Werten eines ΑΆ dasselbe Vakuum angeschlossenen McLeod-Väkutifflmeters übereinstimmt.

Es soll betont werden, daß eine Anzahl vön Möglichkeiten vorhanden ist, die Kammer wieder flufzli* laden, wenn die Spanriung auf eineSh bestiöimlifl Wert abgesunken ist und die im Rahriieri def Effhldurig geeignet sind.

Im allgemeinen ist es vorzuziehen, daß die Span-* nung an den Elektroden 10 und 12 auch bei Ihfetf niedrigsten Wert noch genügend groß ist, urn einörf linearen Spannungsabfall bei einer gegeberien Gasdichte zu gewährleisten. Dies kann einfach dadüfch" erreicht werden, daß die Minifflalspänflüng so gewählt wird, daß sie immer noch genügend hocih ist, um alle in der Kammer 14 erzeugten Iorieft iü säin mein.

Irti vorstehenden wurde ein spezielles Aüsfühniagsbeispiel der Erfindung beschfiebeft, es körinen je*tf§«üi zahlreiche Änderungen vörgenöfnmeri weiden, otffM den Rahmefi der Erfindung zu überschfeitefi. Der Schalter 28 kann beispielsweise durch eine höeltohmige Diode ersetzt werden, durch die ein negative* Impuls der Elektrode 12 zugeführt werdeö Kaflfi_i Weiterhin können zahlreiche Auslöse'schalturiggfi,- ßM dem Fachmann gut bekannt sind, verwendet wenden, und es sind verschiedene Mittel geeignet, an Steife der Verwendung einer Batterie eifie'fi negativeü IiSpuls zu erzeugen. Parallel züf Kapazität der z#el Elektroden 10 und 12 kann gewürischtefifalls eiö Zusätzlicher Kondensator vorgesehen wefefeii, üifi ditf Abfällszeit der Spannung zu äride'fn. Es gibt fferrW zahlreiche Möglichkeiten, die AbfaIlsze¹It z"ü fitössäfi,-beispielsWeise mittels Frequenzmesser,- scHfeibSö^Öfi Registriergeräten, integrierenden Voltmeterh ti. SgjL

Claims (7)

Die Abmessungen der Kammer können veränderlich sein, und die Intensität der Strahlungsquelle kann gewünschtenfalls durch Verwendung geeigneter, beweglicher Abschirmungen einstellbar sein. Die Einrichtung eignet sich besonders für eine Miniaturisierung, da die Einzelteile außergewöhnlich einfach und temperaturunempfindlich ausgebildet werden können. Der Ausgang ist gut geeignet für die üblichen Verfahren und Einrichtungen zur Fernübertragung. Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Dichte eines Gases in einem weiten Temperaturbereich unter Verwendung einer mit dem Gas in Verbindung stehenden Ionisationskammer, die zwei an eine Spannungsquelle anschaltbare Elektroden und eine radioaktive Strahlungsquelle zur Ionisation des Gases im Bereich der Elektroden enthält, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (26, 27, 28), die die Elektroden (10, 12) nach deren Aufladung durch die Spannungsquelle (30) so lange von dieser trennt, bis die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf einen vorbestimmten niedrigen Wert gesunken ist, und durch eine Meßeinrichtung (32) zur Bestimmung der Frequenz des Ladungs- und Entladungsvorganges.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode durch die Wand der Ionisationskammer gebildet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode auf Erdpotential und die andere Elektrode auf einem gegenüber Erde negativen Potential gehalten wird.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der VOI bestimmte niedrige Wert der Potentialdifferenz bei Beendigung der Entladeperiode noch ausreicht, um praktisch alle in der Ionisationskammer gebildeten Ionen zu sammeln.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle zur Eichung einstellbar ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden der Ionisationskammer eine als Kathodenverstärker geschaltete Elektronenröhre angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen den Elektroden der Ionisationskammer parallel geschalteten Kondensator.

In Betracht gezogene Druckschriften:
F. Kohlrausch, »Praktische Physik«, Bd. 2, I.Auflage, 1951, S. 143;
»Electronics«, April 1931, S. 594, 595;
»Industrial and Engineering chemitry, Bd. 40,
r. 5, Jahrg. 1948, S. 787 bis 791.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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