DE2224578A1

DE2224578A1 - Verfahren und Meßsonde zur Messung der Durchflußmenge eines Gases

Info

Publication number: DE2224578A1
Application number: DE19722224578
Authority: DE
Inventors: Pavillon-Sous-Bois Hadjidjanian geb. Nadot Huguette Micheline Mary (Frankreich)
Original assignee: LE BRIN SOC CIV
Current assignee: LE BRIN SOC CIV
Priority date: 1971-05-19
Filing date: 1972-05-19
Publication date: 1972-12-07
Also published as: GB1396995A; FR2138240B1; CA961550A; FR2138240A1; IT955518B; US3835705A

Description

Patentanwälte

DIpI.Ina.C.Wallach ο 00/ c

Dipl. Ina. G. Koch 222 A 5/8

Dr. T. Iteibach
8 München 2
Kaufingerstr. 8, Tel. 240276

19. Mal 1972 13 746 - Fk/Hi

SOCIEOE CIVILB LB BRIN, Paris / Frankreich Verfahren und Meßsonde zur Nessung der Durohflußraenge

eines Oases

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Meßsonden zur Messung des Massendurcheatzee. - der Strömung eines beliebigen Oases und damit zur Messung der Strömung des beliebigen Oases. Diese Meßsonden bilden Vorrichtungen, die in gleicher Welse als Flußraesser, Durohflußmesser oder Anemometer entsprechend ihrer Verwendung bezeichnet werden.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen dieser Art, bei denen das direkte Maß des Maasenduroheatz·» oder der Geschwindigkeit eines Oases unter Berücksichtigung der Änderungen der Laufzeit und der Bahn der Ionen eines Ionenstrahle gewonnen wird» wobei dieser Ionenstrahl In Intermittierender Welse im Inneren der Vorrichtungen erzeugt wird. In denen sich das Oas im ruhenden oder strömenden Zustand befindet. Bs 1st bekannt, zur Messung des Massendurohsats·» oder der Geschwindigkeit eines Oaees die Änderung der Bahn eines

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Ionenstrahls zu verwenden, der senkrecht zur Richtung der Gasströmung gerichtet ist. Die Abweichung des Ionenstrahls erfolgt derart« daß sie meßbar und proportional zum Massendurohfluß oder zur Geschwindigkeit des Gases ist. Bei einer bekannten Technik (PAUTHENIER -NYGAARD-OBERMAIER) wird zur Erzeugung des Ionenstrahls das. Gas selbst ionisiert,und zwar mit Hilfe einer radioaktiven Quelle oder eines leitenden Körpers, der auf ein hohes elektrisches Potential gebracht ist, das ausreicht, um das Gas entsprechend einem an sich unter dem Namen TOWNSEND-Entladung bekannten Verfahren zu ionisieren·

Leider ist es zu erkennen und verständlich, daß eine geometrische Messung der Auslenkung eines Ionenstrahls unter dem Einfluß einer Gasströmung kein direktes Maß des Massendurchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases ergibt, weil die physikalischen Eigenschaften des kontinuierlich erzeugten Ionenstrahls und insbesondere die mittlere Geschwindigkeit der den Strahl bildenden Ionen sowie die räumliche Stelle, an der das Ion erzeugt wird, einerseits von der Geometrie der Vorrichtungen der bekannten Art und anderer» seite von der Art des Gases selbst abhängt.

Zur Beseitigung dieser grundlegenden Schwierigkeit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit Ionisation arbeitende Meßsonde zu schaffen, deren Meßeigenschaften für den Massendurchfluß oder die Geschwindigkeit eines Gases einerseits unabhängig von der Geometrie der Meßsonde und andererseits und insbesondere von der Art der in dem Gas erzeugten elektrischen Ladungen und von Verunreinigungen sind, die in dem Oas enthalten sein können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Ionen des zur Messung dienenden Ionenstrahle

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geometrisch derart aufgefangen werden» daß für ein vorgegebenes elektrisches Potential der Ionieationsquelle und für eine konstante Anzahl von pro Sekunde erzeugten Ionen sie sich zwischen zwei sogenannten Fang- oder Sammelelektroden aufteilen, derart, daß der Unterschied zwischen der Anzahl der pro Sekunde gleichzeitig auf der einen und der anderen Elektrode auftreffenden Ionen sich linear in Abhängigkeit von der Massendurohflußnenge des Qases oder für eine konstante festgelegte Masse dieses Gases In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Mittel zur Durchführung des Verfahrens die Verwendung einer räumlich ausgedehnten Ionenquelle, d.h. eines ionisierenden Bereiches, dessen Abmessung in der Strömungsrichtung beliebig 1st. Als Beispiel wird eine Vorrichtung beschrieben* die als Ionisationsquelle einen Leiter mit geringem Durchmesser verwendet, der entlang der Achse eines von dem Gas, dessen Geschwindigkeit oder Menge gemessen

-,-,^ x. *. » -,Zylinder« . . . . . werden soll, durchströmten f ausgespannt ist, wobei der Draht eine beliebige Länge aufweist. Bei dieser AusfUhrungsform ergibt sich keine örtliche Ausbildung des Ionenstrahls in einem Bereich mit geringen Abmessungen, sondern wie zu erkennen ist, in einem sehr großen Volumen, so daß eine mittlere Messung der Durchflußmenge oder der Geschwindigkeit In diesem Volumen ermöglicht wird. Dieses Merkmal hat Insbesondere den Zweck, daß sich eine größere zeltlicheKonstanz der Ionenerzeugung ergibt, wobei diese Ionenerzeugung im Fall einer räumlich nicht ausgedehnten Quelle wesentlich stärker Störungen unterworfen ist und hierdurch durch eine zufällige Schwankung der Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Ionen während des Betriebs gekennzeichnet ist.

Die bei der erfindungsgemäßen Meßsonde verwendeten Fang- oder Sammelelektroden können durch einen leitenden Widerstands- .

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draht gebildet sein, der schraubenförmig um den Leiter mit geringem Durohmesser aufgewickelt 1st, der die Ionenquelle bildet.

Diese Fangelektroden können in gleicher Welse durch zwei leitende Zylinder gebildet sein, deren Achse mit dem die Ionenquelle bildenden Draht oder Leiter übereinstimmt· Diese beiden Zylinder weisen voneinander einen sehr kleinen Abstand auf, der vorzugsweise kleiner als die Länge des die Ionenquelle darstellenden Drahtes mit geringem Durohmesser ist.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form der* erfindungsgemäßen Meßsonde sind die Fangelektroden durch zwei leitende Zylinder gebildet, deren Achse mit dem die Ionenquelle bildenden Draht übereinstimmt, wobei die einander gegenüberliegenden Kanten der Zylinder in einem im wesentlichen dreieckigen Zahnprofil enden, bei dem die Zähne des einen Zylinders einer entsprechenden Ausnehmung auf dem anderen Zylinder gegenüberliegen.

Aufgrund dieser Aus führungs form ist die Änderung der Fangoder Sammeloberfläche im wesentlichen linear von der Verformung der Ionenbahn abhängig, wodurch die Linearisierung der Messung der Menge der- aufgefangenen Ionen ermöglicht wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Messung unabhängig von der Art des Gases ist, was daduroh erreicht wird, daß die von jeder Elektrode empfangenen Ionen elektrisch derart aufgefangen werden, daß zur Durchführung der Messung die Zeit berücksichtigt werden kann, die die Ionen zum Durchlaufen des Weges zwischen der räumlioh ausgedehnten Quelle und den Fangelek,-roden benötigen. Ptfr ein gegebenes elektrisches Potential der Ionisationsquelle und für eine konstante Anzahl der pro Sekunde erzeugten Ionen

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htfngt die Laufzeit in der Praxis genau von der Ausbreltungsgesohwindigkeit der Ionen und damit von der Art des Gases ab« Die geometrische Ablenkung des Ionenstrahls ist ftir eine gegebene Massendurohflußmenge oder für eine konstante festgelegt» Masse für eine gegebene Geschwindigkeit proportional zu dieser Laufzeit. Das elektrische Verfahren des Sammelns der Ionen besteht zur Erzielung der endgültigen Messung in Sex» dauernden Multiplikation der Messung der geometrischen Ablenkung mit einem Faktor, der sich umgekehrt mit der Laufzeit ändert.

Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft« wenn die Ion©» kontinuierlich, sondern lediglich während Zeitperioden «r zeugt werden und daß/ausgehend von den bekannten an denen sie beginnen, von der Quell© ausgesandt derart aufgefangen oder gesammelt werden, daß die von ifcnesi in den Fangelektroden hervorgerufenen Ströme elektrisch mit einem Faktor multipliziert werden» der sieh umgekehrt mit der Zeitperiode ändert, die sich mischen dem Beginn der Auesendung der Ionen und dem Zeitpunkt, an dem sie aufgefangen werden, erstreckt. Durch dieses Merkmal in Verbindung mit den vorstehend genannten Merkmalen ergibt sich ein korrigierter Wert der Ablenkung, der Insbesondere von der Art des Gases und im Fall eines vorgegebenen Gases von Verunreinigungen ist, die dieses Gas enthalten kann, unabhängig ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften AusfUhrungsform der Meßsonde zur Messung der Durchflußmenge erstreckt sich der Leiter mit geringem Durohmesser entlang der Strömungsrichtung und fiber die Länge der Meßsonde. Der Leiter ist von einer dritten Elektrode umgeben, die eine elektrostatische Absohiraung bilder und durch zwei leitende und mit geringem Abstand angeordnete Zylinder gebildet ist« die über einen Wideretand

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iind eine hierzu parallel mit Hasse verbundene Kapazität auf dem gleichen Potential gehalten werden. Diese beiden Zylinder sind Im Inneren der Fangelektroden und konzentrisch zu dieser angeordnet.

Aufgrund dieser Ausführungsform ändert sich das Potential der dritten Elektrode in Abhängigkeit von dem Ionisationsstrom derart« daß die Größe des elektrostatischen« zwischen der dritten Elektrode und den Fangelektroden liegenden Feldes modifiziert wird* Auf diese Weise wird eine noch stärker von den Dichteänderungen des Oases oder den IonisatlozB-epannungeja unabhängige Messung erzielt.

Bei einer weiteren AusfUhrungsform der Meßsonde 1st der die Ionenquelle bildende leitende Draht in der Achse der Gasströmung zwischen zwei zylindrischen leitenden Stäben ausgespannt« deren mit dem Draht oder Leiter in Berührung stehende Enden in vorteilhafter Welse ein derartiges Profil aufweisen« daß das elektrische Feld im Bereich der Ionenquelle derart modifiziert wird« daß die Äquipotentialflächen des Feldes in diesem Bereich sich so weit wie möglich an einen Drehzylinder annähern«

Auf diese Weise kann eine Korrektur der Linearität durchgeführt werden·

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten AuefUhrungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen;

Fig. 1 die allgemeine Anordnung einer AusfUhrungsform der Meßsonde;

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Fig· 2 die elektrische Schaltung einer Ausführungsform der Meßsonde;

Fig. 3 eine weitere AusfUhrungsform der Meßsonde;

Fig. 4 eine Darstellung der verschiedenen in der Schaltung nach Fig. 5 auftretenden Signale;

Fig. 5 ein ausführliches AusfUhrungsbeisplel der

elektronischen Schaltung zum Betrieb der AusfUhrungsformen der Meßsonde.

Die in Fig. 1 dargestellte allgemeine Anordnung einer Meßsonde besteht aus einem Zylinder 1 aus Isoliermaterial, der aus zwei HSIften 12 und 13 besteht, die ineinander geschoben sind. In diesen Zylinder sind zwei mit der Innenwand des Zylinders in Berührung stehende Fangelektroden 22 und 23 eingesetzt* wobei die Zahnprofile einen Teil einer Schraubenlinie bilden. In der Achse des Zylinders 1 sind zwei leitende zylindrische Stäbe 26 und 27 von gleichem Durchmesser angeordnet, die miteinander Über einen sehr dünnen zwischen ihnen ausgespannten Draht verbunden sind, dessen Länge kleiner als ein Zahn ist. der das Profil der Elektroden 22 und 23 bildet. Dieser sehr dünne Draht bildet die Ionenquelle. Die Stäbe 26 und 27 werden durch radiale isolierende Arme 29 und 30 gehalten, die an den Enden des Zylinders 1 angeordnet sind. Eine oder beide Arme sind hohl, um einen leitenden Stab 31 durchzuführen, der der Ionenquelle die Hochspannung zuführt. Diese wird an die Klemmen 32 angelegt.

Nicht dargestellte Klemmen ermöglichen die Abnahme der Entladeströme an den zylindrischen Elektroden.

In Fig. 2 sind die elektrische Speisung der Meßsonde und die

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elektrischen Einrichtungen dargestellt, die zum Auffangen der Ionen derart verwendet werden, daß die Messung der Ablenkung unabhängig von der Beweglichkeit der Ionen ist.

Der Leiter 28 wird Intermittierend auf ein hohes Potential U beispielsweise mit Hilfe einer Induktionsspule 4}a gebracht. Durch die Primärwicklung dieser Induktionsspule wird ein Strom geleitet, der hier eine Rechteckepannung erzeugt. Am Bnde dieses Stroms zum Zeitpunkt t»0 tritt eine veränderliche Induktions EMK auf, die während einer sehr kurzen Jedoch wesentlich größeren Zeit aufrecht erhalten wird, als die Laufzeit der Ionen zwischen der Anode und der Kathode.

Während der Dauer dieses Impulses und solange wie das Potential U größer als das Ionisationspotential Uq für den Koronaeffekt ist, werden in der unmittelbaren Nähe des Leiters entsprechend einem üblichen Vorgang Ionen erzeugt. Diese Ionen werden durch das elektrische Feld auf Orund des Potentialuntersohiedes zwischen den Teilen 26, 27, 28 und den Elektroden 22 und 23 gegenüber der Masse mit dem Potential 0 über die Widerstände 4l und 42 mit kleinem Wert angezogen. Sine Diode 4-3 ist zwischen dem Bnde der Induktionsspule und den Stäben 26, 27 sowie dem Leiter 28 eingefügt, wobei die Aufgabe dieser Diode darin besteht, es dem Leiter 28 zu ermöglichen, zwischen zwei Impulsen der Spule auijbinem bestimmten Potential zu bleiben. Daraus ergibt sich, daß unter der Wirkung der veränderlichen Spannung U die Ionisation der Luft das System 26, 27» 28 entlädt, dessen Potential sioh somit bis ruf den Wert U₀ verringert, bei dem die Ionisationswirkung durch die Koronaentladung 0 1st. Die Diode ermöglicht es somit dem Systen 26, 27· 28 zwischen den Hoohspannungeirapulsen ein Potential bei» zubehalten, das zwischen dem maximalen Wert U und um tltVt U₀ liegt.

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In Pig. 3 1st «ine weitere Ausführungsforin dargestellt, die Verwendung einer dritten Slektrode 44 zeigt, die über einen Widerstand 45 und eine Kapazität 46 mit dem gemeinsamen Anschluß (Erde der Schaltung) verbunden ist, wobei die Kapazität 46 eine automatische Vorspannung ergibt und es der Slektrode 44 ermöglicht, ein Potential beizubehalten, das zwischen U und U₀ liegt. Biese Elektrode ergibt sotait . eine elektrostatische Abscl&mtng.

Wenn U größer als Uq ist, weist die erzeugte Xo&mwGlk® ©In© Drehsyrainetrie um den Leiter 28 ©2if · Die Bewegung ©ines eis« zelnen Ions unter der Wirkung des zwischen dem Leiter 28 und den Fangelektroden 22 und 22 herrschenden elektrischen Feldes wird entlang der Lunge des Leiters 28 durch die Bewegung dies Gases im Inneren der Pangelektroden 22 und 23 beeinflußte Is ist verständlich, daß die sieh daraus ergebende OeseliwiiaaSg· kelt für dieses Ion die Summe von:

a) einer Radialgesohwlndigkeit von der Forms ¥=ä sa&L· - (j)

wobei K die Ionenbeweglichkeit, 1 iias radiale elektrische Feld auf Orund des Potentials U, ρ die spezifische Masse des im Inneren der Elektroden 22 und 23 zirkulierenden Oases ist, und

b) einer längsgerichteten Geschwindigkeit V der Oasstrtaung 1st.

Es ist somit zu erkennen, daß entlang der Achse des Zylinder die Verschiebung eines einseinen Ions proportional zu V^ und umgekehrt proportional zu V 1st»

Bei Betrachtung der gesamten durch den Leiter

rufenen Ionenwolke, die in besug auf die Fangelcktrmies 22 und 23 zentriert ist und bei Hlehtvorhand©ns®in d<si° jut r'^it VL wird die gleiche Anzahl von loneii die t:t'«Mtn 22 und 23 ervalth»m, Bei

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dlgkeit V ergibt sich im Gegensatz hierzu eine Unsymmetrie zwischen den Elektroden 22 und 23 und wenn N die Gesamtzahl der erzeugten Ionen ist, ist die Differenz £ N der empfangenen Ionen zwischen den Elektroden 22 und 23 mit sehr guter Konstanz gleicht

T! - -fe— <²>

Wenn N₁ und N₂ die Anzahl der Ionen ist« die pro Zeiteinheit

die Elektroden 22 bzw· 23 erreichen« so rufen diese proportionale

Ströme I. midi I₂ in den Widerständen 4l und 42 hervor.

Es ist somit zu erkennen, daß man dauernd mit hoher Konstanz di e Proportionalitltsbezi ehungχ

erzielt, die es auf Grund der gleichen Beweglichkeit aller Ionen ermöglicht j die Durohsatzmenge des Gases zu messen, das durch das Innere der MeSsonde hindurchläuft. Es kann jedoch in der Praxis auftraten, daß das Gas, dessen Durchsatzmehge gemessen werden soll, Änderungen der Zusammensetzung unterworfen ist oder daß Verunreinigungen selbst im Zustand von Spuren (Rauch, Dampf, Wasser...) vorhanden sind.

Unter diesen Bedingungen kann sich die lonenbewegllchkelt unter der Wirkung des elektrischen Feldes in mittlerer Weise ändern, worauf sich folgendes ergibtt

1) Eine im Dauerbetrieb arbeitend« M©Ssonde ermöglicht keine absolute Nessung der Dursheat&masig® well diese Messung von der Beweglichkeit K der.Ionra imd damit von der Art des Gases abhängt.

2Q93SO/03OS

- Il -

2) FUr ein gegebenes Gas kann die Durchsatzmessung auf Grund des Vorhandenseins von Verunreinigungen in dem Gas vollständig fälsch sein.

Bine wesentliche Eigenschaft der beschriebenen Ausführungsform besteht darin» wie es bereits eingangs ausgeführt wurde, daß sich eine elektrische Vorrichtung zum Auffangen von Ionen ergibt« derart, daß die Messung vollständig unabhängig von der Beweglichkeit ist, wodurch Durchsatzmessungen ermöglicht werden, die unabhängig von Störungen und von der Art des zu messenden Gases sind, das jedoch immer daran gebunden ist, dafi es durch Koronaentladung ionisiert wird«

Entsprechend der Gesetze, die die Bewegung der Ionen mit der Beweglichkeit K bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes bestimmen, ergibt sich für ein gegebenes Potential U, ein® gegebene spezifische Nasse ρ und eine gegebene Geschwindigkeit V , daß das Verhältnis ^-j| umgekehrt proportional zur Beweglichkeit und damit zu l/K ist. Für eine gegebene Beweglichkeit K und ein festes Potential U ist das gleiche Verhältnis *jf proportional zum Massendurchsatz pV„.

Unter diesen Bedingungen erreichen ausgehend von dem Zeitpunkt, an dem unter der Wirkung der Hochspannung U Ionen erzeugt werden, diese Ionen die Elektroden 22 und 22 in einer Zeit t, die für eine konstante Spannung U unter anderem von ihrer Beweglichkeit K abhingt, wobei die Zeit t sich somit mit l/K ändert.

Hieraus ergibt sich, daß wenn entweder Ionen mit Hohen Beweglichkeiten erzeugt werden oder ihre

sich während des Anoden-Kathoden-Weges ändert» we&ureh sich eine mittlere Beweglichkeit K ergibt, der Wert ö©@ Veiftiltnisses AN/N sich für den Durchsatz eines gegebenen Gases pro*

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portional zur Zeit t erhöht, die nach dem Beginn des Hoohspannungeimpulses abläuft. Bs sei TdIe minimal erforderllohe Zelt, damit die Ionen von der Anode zur Kathode gelangen. Die elektrische Fangvorrichtung für die Ionen ist derart auegeb lldet, daß sioh in einem ersten Abschnitt das Produkt U A^ unter den später beschriebenen Bedingungen ergibt. In einem zweiten Abschnitt wird das Produkt U Άγ mit einem Faktor g (t) multipliziert, der von der Zelt wie folgt abhängt:

g (t) - 0 für t <T
g (t) » 0 für t>7"

T 1st die maximale Zelt die Ionen benötigen, um den Anoden-Kathodenweg zurückzulegen, was einer minimalen Beweglichkeit

g (t) « £ entspricht, wobei A für f< t<r'fct.

Unter diesen Bedingungen ist zu erkennen, daß während der effektiven Meßdauer das Produkt M, das das Ergebnis der Messung darstellt, nach O) wie folgt ist:

μ - g (t) 4^-2 -«

Bs 1st somit zu erkennen, daß M von der Beweglichkeit K unabhängig 1st, da g (t) «AK konstant ist, wobei diese Konstante einen Ausdruck einschließen kann, der umgekehrt proportional zu einer beliebigen spezifischen Masse ρ ist, wenn man direkt V messen will.

Bs sei bemerkt, daß wenn die Zelt T ausreichend kurz ist, die Multiplikation mit g (t) nicht mehr erforderlich 1st. Eine sehr nahe an den Fangvorrichtungen angeordnete elektrostatische Abschirmung kann in vorteilhafter Welse zur Bestimmung der Zeit T durch Anlegen eines Impulses mit niedriger Spannung dienen, die gegenüber den Fangelektroden leloht negativ ist, wobei dieser Impuls genau die Dauer T aufweist.

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Bs ist verständlich« daß das System kontinuierlich arbeitet und dafl bei Jedem Hochspannungsimpuls eine Messung durchgeführt wird. Daraus ergibt sich, daß diese elektrischen Fang* einrichtungen in allgemeiner Weise bei allen Vorrichtungen anwendbar ist» die zur Messung von Geschwindigkeiten oder Durchsatzmengen die Ablenkung eines Ionenstrahls verwenden.

Aus Fig. 2 ist schematisch zu erkennen« daß die an den Anschlüssen der Widerstände 41 und 42 auftretenden Ströme in eine Verstärkeranordnung 51 eingeführt werden« die A I * I₁-Ig und I « ^Ii^+I2 ergibt. Der Multlplikations-Zbivisions-Vorrlohtung 52 wird einerseits ein Ausgang der Verstärkeranordnung 51 und andererseits ein Teil der Hochspannung zugeführt, die an den Klemmen des Widerstandes 17a auftritt« der in den Hoohspannungskreis nach der Diode 4} eingeschaltet ist und schließlich eine Synchronisation 2a für den Generator mit zur Zelt umgekehrt proportionaler Funktion. Die Multiplikations-ZDivieionsvorrichtung 52 führt die Rechnung -γ g(t) durch. Die Verstärker-ZMultiplikations-Anordnung 52 ist mit dem Auegang der Vorrichtungen 51/52 sowie andererseits mit der Primärwicklung der Induktionsspule 43a derart ver-

ir»

bunden« daß die abschließende Rechnung AI γ g(t) durchgeführt wird, wie es welter unten ausführlicher erläutert wird, so daß somit ein elektrisches Signal gewonnen wird, das genau proportional zum gewünschten Massendurchsatz und unabhSngig von der Beweglichkeit der Ionen nach der Olelchung (4) 1st.

Aue Flg. 2 ist zu erkennen, daß die Multlplikatipnsvorrichtung 52 vorteilhafterweise mit einem Anzapfpunkt des Vorspannungen ■ Widerstandes 45 der Elektrode 44 verbunden 1st. Auf diese Welse wird die Messung von Dichteänderungen des Gases und von der Ionisationsspannung unabhängiger gemacht.

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In Fig. 5 ist ein in keiner Weise beschränkendes AusfUhrungsbeispiel der verschiedenen elektronischen Einrichtungen ausführlicher dargestellt, die dazu verwendet werden, das Auffangen der Ionen unter den vorstehend beschriebenen Betriebsbedingungen auf elektrische Welse sicherzustellen.

Fig. 4 zeigt dabei den Verlauf der verschiedenen Signale, die in der Schaltunejnach Fig. 5 auftreten.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt die Schaltung einen Multivibrator 2a, der das Signal 2 liefert, das die allgemeine Betriebsweise der Vorrichtung zeitlich steuert und dessen Verlauf aus Fig. 4 zu ersehen ist. Das Ausgangssignal 2 des Multivibrators 2a steuert die Hochspannungsversorgungen und die Verzögerungsschaltungen 3 und 4.

Die Verzögerungsschaltung 2, die eine mit einer ODER-Schaltung verbundene monostabile Schaltung sein kann, verzögert die Abfallflanke des Signals 2 um einen Wert t^ und liefert das Signal 5* das aus Fig. 4 zu erkennen ist. Dieses Signal 5 et euer t über die Trennschaltung 6 das Analoggatter 7« Wenn das Oatter 7 gesperrt ist, 1st der Operationsverstärker 8 als Verstärker über die Widerstände 8a und 8b geschaltet. Wenn das Gatter 7 durohgeschaltet 1st, ist der Verstärker über den Kondensator 8c und den Widerstand 8a als Integrator geschaltet. Das gewonnene Signal 9 weist die in Flg. 4 dargestellt Form auf. Dieses Signal sinkt nicht auf 0 ab, um zu vermeiden, wie es weiter unten zu erkennen 1st, daß durch 0 dividiert wird.

Die von den Fangelektroden 22 und 2} herrührenden Strome und I₂ erzeugen an den Anschlüssen der Widerstände 41 und proportionale Spannungen. Das Potentiometer 10a ermöglicht eine Feineinstellung des Gleichgewichtszustandes der Meßsonde.

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Die Operationsverstärker IO und 11 ergeben eine Verbindung mit den folgenden Schaltungen:

Der Operationsverstärker I^ ist über das Widerstandsnetzwerk 102« 103, 104 und 105 als Subtraktionsschaltung geschaltet. Die Multiplikationsschaltung 14 ergibt das Produkt von (I₁+ Ig) mit dem Sägezahnsignal 9» wobei (I₁+ I₂) von dem als Additionsschaltung geschalteten Operationsverstärker 12 nach den Summlerwiderständen 100 und 101 geliefert wird. Die mit dem Operationsverstärker 16 verbundene Multiplikationsschaltung 15 bildet mit Hilfe des Widerstandsnetzwerkes 106 und 107 eine Divisionsschaltung. Dieser Divisionsschaltung wird der Divident zugeführt, der ein Teil der Speisehochspannung der Meßsonde 1st, die an den Anschlüssen des Widerstandes 17a erscheint und die über den Operationsverstärker 17 und über den Widerstand 107 übertragen wird. Der Divisionsschaltung wird weiterhin der Divisor zugeführt, der von der Multiplikationschaltung 14 kommt. Der Quotient ist der Korrekturfaktor, der mit der Messung (I₁ - I₂) in der Multiplikationsschaltung 18 multipliziert wird. Die als Serien-Parallel-Begrenzersehaltung geschalteten Analoggatter 19 und 20 übertragen nur einen Teil des von der Schaltung 18 ausgesandten Signals. Dieser Bruchteil 1st der, währenddessen das Gatter. 19 geschlossen ist und das Gatter 20 geöffnet 1st. Die Dauer des Schließens des Oatters 19 (oder des öffnens des Gatters 20) ist durch die monoetabile Schaltung 21 festgelegt, die durch das Signal 2 über die Verzögerungsschaltung 4 ausgelöst wird. Die erzielte Verzögerung ist mit Hilfe eines Potentiometers 4a einstellbar, was die Einstellung der Lage der Messung in dem BetriebszyJdus ermöglicht. Die von der Verzögerungssohaltung 4 und der monostabilen Schaltung 21 gelieferten Signale sind in Flg. 4 durch 26 bwz« 27 dargestellt.

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Die Trennschaltungen 24 und 25 übertragen unter Anpassung das Meßintervall an die Steuerung der Analoggatter 19 und 20.

Das endgültige Signal wird durch eine Schaltung Integriert, die beispielsweise durch den Widerstand 50 und den Kondensator 29 gebildet sein kann.

Das Schaltbild nach Pig. 5 zeigt eine mögliche AusfUhrungsform der Schaltung. Es ist jedoch verständlich, daß auf Grund der Unabhängigkeit der Reihenfolge der Faktoren die Schaltung auf verschiedene Weise realisierbar 1st.

Patentansprüche t •A

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Claims

Patentansprüche

1. Meßsonde zur Messung des Massendurchsatzes eines. Oases mit einer Ionenquelle, einer oder mehreren Fangelektroden, die die durch \ Koronaentladung effekt unter der Wirkung von geeigneten intermittierenden Hoohspannungsimpulsen erzeugten Ionen empfangen und mit einer Vorrichtung zur Differenzmessung der Ionenmengen, die auf jede der Fangelektroden auftreffen, gekennzeichnet durch elektronische Einrichtungen zur Unterbrechung der Messung zu einem veränderlichen Zeitpunkt derart, daß die Dauer der Messung kleiner als das Zeitintervall ist, das zwei aufeinanderfolgende Hochspannungsimpulse trennt.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Funktionsgenerator zur Lieferung eines intermittierenden, zur Zeit umgekehrt proportionalen Signals, das einer Multiplikationsschaltung zugeführt 1st, die unter anderem mit der Differenzmeßeinrichtung derart verbunden 1st, daß die Messung unabhängig von der Beweglichkeit der erzeugten Ionen ist.

3. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle über eine Diode mit der Hochspannung verbunden ist.

4. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionenquelle durch einen zur Strömungsrichtung des Oases parallelen Leiter gebildet ist.

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5« Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangelektroden durch Zylinder mit Achsen gebildet sind, die mit dem die Ionenquelle bildenden Leiter übereinstimmen.

6. Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangelektroden durch einen Widerstandsleiter gebildet sind, der schraubenförmig um den die Ionenquelle darstellenden Leitef gewickelt sind.

7· Meßsonde nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Leiter sich über die gesamte Länge oder über einen Teil der Länge der Meßsonde entlang dessen Mittelachse erstreckt und daß die Meßsonde eine zusätzliche polarisierte Elektrode aufweist, die durch zwei gleiche und gleichachsige Zylinder gebildet 1st, die mit geringem Abstand im Inneren der Fangelektroden und gleichachsig zu diesen angeordnet sind, wobei die Zylinder über eine automatische Vorspannung mit dem gleichen Potential verbunden sind.

8. Meßsonde nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch dae elektrostatische in unmittelbarer Nähe der Fangelektroden angeordnete Abschirmung.

9. Meßsonde zur Messung der Durchsatzmenge nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Fangelektroden in an sich bekannter Weise durch Zylinder gebildet sind, deren gegenüberliegende Kanten in einem Im wesentlichen dreieokförmigen Zahnprofil enden, wobei die Zähne eines der Zylinder einer entsprechenden Ausnehmung dee anderen Zylinders gegenüberliegen.

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10, Meßsonde nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,. daß der die Ionenquelle bildende Leiter zwischen zwei zylindrischen Leiterstäben gehaltert 1st, deren mit dem Leiter in Verbindung stehende Enden ein Profil aufweisen« das eine Korrektur der Linearität ermöglicht.

11. Wer fahren zur Messung des Massendurchsatzes oder der Geschwindigkeit eines Gases unabhängig von der Art des Oases oder von Verunreinigungen, die das Gas enthalten kann, insbesondere unter Verwendung einer Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich net durch die Schritte der Erzeugung einer Korona- ' entladung zur Erzielung eines gleichmäßig verteilten Ionenflusses,der sich in einem elektrischen Feld verschiebt, dessen Äquipotentialflächen Im wesentlichen parallel zur Stromungsrichtung des Gases verlaufen, der Messung der Differenz der auf den verschiedenen Fangelektroden durch die Ionen erzeugten Ströme frühestens nach dem Zeitpunkt, an- dem die schnellsten Ionen auf den Fangelektroden auftreten und spätestens zu dem Zeltpunkt, an dem die langsamsten Ionen auf den Fangelektroden auftreffen, und der Korrektur dieser Messung mit einem zur Zeit umgekehrt proportionalen Koeffizienten, derart, daß das endgültige Ergebnis der Messung unabhängig von der Beweglichkeit der Ionen 1st.

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