DE2729821A1

DE2729821A1 - Vorrichtung zum bestimmen des flusses eines gases

Info

Publication number: DE2729821A1
Application number: DE19772729821
Authority: DE
Inventors: Robert H Bullis; Robert J Mongeon; Jun Walter J Wiegand
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1977-07-01
Publication date: 1978-01-26
Also published as: JPS5312645A; FR2359426A1; IT1080999B; SE7707791L; CA1087689A; US4019383A

Description

patentanwälte Menges & Prahl

Erhardistrasse 12. D-8000 München

Patentanwälte Menges & Prahl. Erhardtstr. 12. D-8000 München 5

Dip! -Ing Roll Menges Dip) -Chem Dr Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München

IhrZeichen/Yourref.

UnserZeichen/Ourret. U

Datum/Date

Γ 1. JuII 1977

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101 V.St.A.

Vorrichtung zum Bestimmen des Fluss-es eines Gases

7098Ö4/0727

Die Erfindung betrifft die Messung von Fluidparametern und insbesondere die Quantisierung der Geschwindigkeit der Fluidbewegung durch einen gegebenen Ouerschnittsbereich.

Viele verschiedene Arten von Messvorrichtungen und Masse, welche mit geladenen Teilchen arbeiten, werden zur Messung der Strömung von Fluiden in der technischen Literatur und entsprechenden Patentbeschreibungen beschrieben. Sehr oft werden geladene j Teilchen angewendet,um eine qualitative Bestimmung von Strömungsfeldeigenschaften, wie etwa Richtuna und/oder Geschwindigkeit, zu erhalten, jedoch befassen sich wenige direkt mit dem Problem der . Messung des Massenflusses. :

j In der US-PS 3477741 ist eine Vorrichtung beschrieben, j welche aus einer Leitung besteht auf deren Strömungsachse eine ! Ionisationsquelle angeordnet ist und auf deren Innenfläche SammeIvorrichtungen vorgesehen sind und desweiteren Mittel vorgesehen sind, welch ein elektrisches Feld quer zur Strömungsrichtung in der Leitung erzeugen. Durch Messung der stromabwärtigen Ablenkung der Ionen durch die Bewegung des Fluids in Axialrichtung werden die Strömungseigenschaften des Fluidums in der Leitung bestimmt. Der Kern der Vorrichtung dieser Patentbeschreibung besteht darin ein elektrisches Feld quer zur Strömungsrichtung des Fluidumflusses aufrechtzuerhalten und die Verschiebung entlang der Strömungsachse zu messen, welche eine Ionengruppe bekannter Verteilung durch die Bewegung des Fluidums durch die Leitung erfährt.

Eine ähnliche und entsprechende Vorrichtung ist in der US-PS 375O469 beschrieben. Diese Vorrichtung ist im wesentlichen eine abgeänderte Vorrichtung von der Art, wie sie in der US-PS 3477741 beschrieben ist. Sie umgeht die Notwendigkeit zur Fest-■ Stellung der genauen Lage in der das mittlere Ion in der Ionenverteilung von der Kollektorelektrode aufgenommen wird zu , bestimmen. Obwohl diese Vorrichtung ähnlich wie die weiter oben beschriebene Vorrichtung ist, umfasst sie einen aufgeteilten Kollektor, wobei die Trennung zwischen den beiden Kollektorteilen quer zur Richtung der Fluidumströmung liegt. In dieser US-PS ist nicht viel zusätzliches in der Beschreibung, welche ein Geschwindigkeitsmessgerät betrifft, ausgesagt; in diesem Geschwindigkeitsmessgerät wird ein elektrisches Feld quer zur Strömungsrichtung erzeugt und es ist ein gespaltener Kollektor vorgesehen, mit einem St>alt, welcher sich in einer bezüglich der

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Strömungsrichtung im wesentlichen schief stehenden Richtunn erstreckt urd der Kollektor ist symmetrisch um eine Projektion der Ionenerzeugungsvorrichtunq angeordnet.

Eine qualitativ bessere Messvorrichtung zur Bestimmung

Richtung
von Windgeschwindigkeit und / ist in der US-PS 3706938 beschrieben. Diese Vorrichtung ist ausgelegt, um die Nachteile entsprechender Anemometer, wie etwa solche die erhitzte Drähte und Luftschrauben aufweisen, zu beseitigen und benutzt eine nukleare Ionisationsquelle, welche zwischen zwei Kollektorelektroden entgegengesetzter Polarität in einem ausgeglichenen elektrischen Feld angeordnet ist. Die Vorrichtung ist dazu bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung zu messen und hat ein elektrisches Feld, welches in seiner Richtung mit der Strömungsrichtung übereinstimmt. Die Ionisation der Luft wird etwa gleichförmig durch das gesamte Volumen zwischen den Gittern erzeugt und die Zuführung einer Strömung verändert die Ionisationswolke zwischen den Gittern, wodurch ein Mittel zur Bestimmung der Windrichtung und Geschwindigkeit bereitgestellt wird.

In der DT-ΡΛ P 26 33 726.8 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Flusses eines strömenden Fluidums beschrieben und stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber den eben besprochenen Patentschriften dar. Der Begriff Fluss wird als Parameter benutzt, welcher die Anzahl der Teilchen bestimmt, welche pro Sekunde durch eine Ebene hindurchgehen und ist gegeben durch die Formel:

Fluss = Nv A wobei

N die Teilchendichte des Fluidums (Anzahl der Teilchen pro cm ),

V die mittlere Geschwindigkeit des Fluidums durch die Leitung (cm pro Sekunde), und

2 A die Querschnittsgrösse der Leitung (in cm ) ist.

Die Multiplikation des Flusswertes, welcher die Teilchen pro Sekunde angibt, mit der mittleren Masse (Gramm pro Teilchen) wandelt die Grosse Fluss in Massenströmung um, welche in Gramm pro Sekunde gemessen wird. Der Flussmesser ermöglicht es den Fluss oder den Massenfluss eines Fluidums durch eine Leitung direkt zu bestimmen. Dieses System benutzt eine zentrale Ionenquelle, elektrische Felder, welche koaxial mit der Strömungsrichtung des Fl'iv^up»s sind, stromaufwärts und stromabwär *·

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ORIGINAL INSPECTED

- sir-

angeordnete Kollektoren für die geladenen Teilchen, um durch Symmetrie grobe Aenderungen der Emissionseigenschaften der Ionenquelle auszugleichen, ebenso wie andere normalerweise auftretende Störungen, welche die Eichung des Messgerätes nachträglich beeinflussen. Die Erzeugung von Ionen ist auf die Quelle geladener Teilchen begrenzt, welche einen sehr kleinen Bereich entlang der Leitung bildet und bezüglich der beiden Kollektoren symmetrisch angeordnet ist. Es wird nur eine Art geladener Teilchen mit bekannter Polarität zur Bestimmung der Strömungsfeldeigenschaften im Gegensatz zu der Vorrichtung der US-PS 3706938 benutzt, wodurch die Schwierigkeiten, die beim Benutzen von geladenen Teilchen verschiedener Art und Ladung, welche sehr unterschiedliche^^^ haben können, auftreten können, vermieden ; werden. Ausserdem ermöglicht die Leitung einen klar abbegrenzten Bereich durch den die Strömung hindurchgeht, durch quantitative Messungen der Strömungseigenschaften möglich werden. Die Anwendung eines koaxialen Feldes zwischen der Quelle geladener Teilchen und der symmetrisch stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Kollektoren erzeugt einen Fluss geladener Teilchen, welche elektrischen Strömen entsprechen, welche einfach mit dem Fluss oder dem Massenfluss des Fluidums durch die Leitung in Beziehung gesetzt werden können.

Während verschiedene ähnlich erscheinende Vorrichtungen des Standes der Technik als Massenflussonden angepriesen worden sind, waren viele nur einfache Geschwindigkeitsmessgeräte. Die oben beschriebene Flussonde ist die erste wahre Flussonde mit einem sich axial erstreckenden elektrischen Feld, welche die Messung von stromaufwärtigen und stromabwärtigen elektrischen

wie
Strömen ermöglicht, ebenso/die Bestimmung von Fluss oder Massenfluss.

Die in geeigneter Weise verarbeiteten Ströme der Kollektoren liefern ein Ausgangssignal, welches linear proportional zum Fluss ist und sowohl von der Temperatur als vom Druck des Fluidums unabhängig ist. Diese Vorrichtung vermeidet den Einfluss solcher Faktoren als grobe Störungen der Strömungsfeldeigenschaften und der Eigenschaften der Puelle geladener Teilchen durch die symmetrische stromaufwärtige und stromabwärtige Anordnung von Kollektoren. Nicht symmetrische Wirkungen, wie etwa die Aenderuna der Emissionseigenschaften der Quelle geladener Teilchen in stromaufwärtiger und stromabwärtiger Richtung durch, z.B., bevorzugte Oxydation der stromaufwärtigen Seite einer Korona-

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entladunqsquelle^können auftreten und zu Eichverschiebungen führen. Solche Vorkommnisse führen zu Aenderungen der Dichte der geladenen Teilchen im Nahbereich der Quelle elektrisch geladener Teilchen und somit ändert sich die Nulleinstellung des Messgerätes, obwohl keine stufenweise Veränderung des Ausgangssignals des Messgerätes als Funktion der Flussgeschwindigkeit des Fluidums vorliegt. Solche Verschiebungen der Eichung sind sehr unerwünscht in vielen Anwendungen, wie etwa solche bei denen sehr genauer und langlebiger Fernbetrieb möglich sein soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Messung der Geschwindigkeit des Fluidumflusses unter Mithilfe der Ionenverschiebungstechnik, wobei die Aenderungen der ionenerzeugenden Quelle festgestellt und kompensiert werden sollen.

Ein Flussmessgerät nach der Erfindung umfasst einen Bereich in dem je zwei Ionenkollektoren beidseitig einer zentral < angeordneten Ionenquelle angeordnet sind, mit Mittel ausserhalb dieses Bereiches zum Zuführen geeigneter Spannungen an die Kollektoren und Mittel zum Messen des elektrischen Stromes in jedem Kollektor; die vier Kollektoren und die Ionenquelle stehen im wesentlichen senkrecht zur Zentralachse durch diesen Bereich. Wenn ein Fluidum, wie etwa Luft, axial durch diesen Bereich hindurchströmt, in dem Ionen erzeugt werden und geeignete elektrische Felder zwischen den Kollektoren aufrechterhalten werden, fliesst zu jedem Kollektor ein durch die Bewegung der Ionen in der sich bewegenden Luft hervorgerufener Strom, wobei die Ionen in ihrer Bewegung von der Geschwindigkeit des Fluidums unterstützt oder gestört werden. Die elektrischen Ströme und Spannungen und die verschiedenen Parameter, welche das Fluidum und den Strömungsbereich kennzeichnen, werden in einem geeigneten elektrischen Stromkreis in einer Weise verknüpft, welche es ermöglicht den Fluss des Fluidums zu bestimmen.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist die Ionenquelle, welche im wesentlichen eben ist und senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluidums in der Vorrichtung liegt und auf einem positiven Potential gehalten wird. Insgesamt vier Ionenkollektoren, von denen jeweils zwei beidseitig der Ionenquelle angeordnet sind, werden benutzt, wobei die zwei Kollektoren, welche direkt neben der Ionenquelle angeordnet sind, an eine positive Spannung angeschlossen sind und die beiden anderen Kollektoren an ein Potential angeschlossen sind, welches iip

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- sr-

wesentlich gleich dem Massepotential ist. Die Anordnung der elektrischen Verbindung der Ionenkollektoren kann verändert werden. Der Ausgangsstrom eines jeden Kollektors hängt von der Ionendichte in den verschiedenen Bereichen und vom Fluss des Fluidums durch die Vorrichtung ab und durch geeignete Verarbeitung der Kollektorströme in kritischer Weise können Probleme, welche mit der Verschiebung der Messgeräteneichung zusammenhängen, im wesentlichen beseitigt werden. Die Anwendung von vier Kollektorströmen umgeht ! die Schwierigkeit bei der in Beziehungsetzung der Fluidumflussgeschwindigkeit und der gemessenen Stromwerte, wenn eine Kompen- I j sation nicht symmetrischer Wirkungen, wie etwa die Wirkung der I Oxydation und Alterung des Aufbaus, insbesondere bei einer Korona-

j ionenquelle, erforderlich ist und ermöglicht eine grössere _; Genauigkeit, insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten des Fluidumflusses.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen,¹ welche bevorzugte Ausführungsformen derselben darstellen, beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung,im Schnitt, einer Vorrichtung in üebereinstimmung mit der Erfindung; Fio. 2 eine andere Ausführunasform der Vorrichtung der

einem
Erfindung mit/im wesentlichen gleichen Aufbau, jedoch einer

anderen Anschlussart der Ionenkollektoren; Fig. 3 eine Darstellung des Ionenstromes in jedem der Kollektoren als Funktion der Massenflussgeschwindigkeit von Luft durch die Ausführungsform der Fin. I; und

des
Fig. 4 eine Darstelluncr/berechneten Flusses als Funktion

■ der Massenflussgeschwindigkeit zur Darstellung der Eicheigenschäften der Vorrichtung nach der Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung lehrt die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases unter Anwendung einer zentral zwischen vier Ionenstromkollektoren gelegenen Ionenquelle. Mit solch einer Anordnung kann die Erfindung zeitveränderliche Wirkungen auf die Ionenquelle, einschliesslich der Oxydation, Alterung und dem Vorhandensein von Fremdmaterial, berücksichtigen indem die betreffenden Ionendichten in den Bereichen zwischen den Kollektoren explizit durch die Kollektorströme in Betracht gezogen werden und diese Ströme dazu benutzt werden um irgendwelche explizite Ionendichteglieder in den analytischen Gleichungen zu beseitig·;!!, welche die Gasströmung beschreiben.

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Ein Flussfühler IO mit einer Ionenquelle und vier Ionenkollektoren ist schematisch im Schnitt in der Fig. 1 dargestellt. Der Fühler umfasst eine kreisförmige Leitung 12 mit einem Ouerschnittsbereich A und einer Mittelachse 14. Eine Drahtanordnung 16 von feinen parallelen Drähten, welche Ionen an das umgebende Medium im direkten Nahbereich des Drahtes durch Koronaentladung abgeben können, streckt sich über den ganzen Querschnitt der Leitung und steht im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse. Die Anordnung ist zwischen einem ersten Kollektor 18 und einem zweiten Kollektor 20 angeordnet, welche um die Abständer L, und L_ von den Drähten 16 entfernt angeordnet sind, und sich im wesentlichen senkrecht zur Achse über den gesamten Querschnitt erstrecken. In ähnlicher Weise erstrecken sich quer zur Leitung ein dritter Kollektor 22, welcher vom ersten Kollektor um den Abstand L₃ entfernt ist und ein vierter Kollektor 24, welcher von dem zweiten Kollektor um den Abstand L₄ entfernt ist. Eine erste Leistungsquelle 26 ist an die Drahtanordnung angeschlossen und Ampermeter sind mit den vier Kollektoren in Reihe geschaltet.

Der Fühler arbeitet unabhängig davon ob Gas innerhalb des

Rohres in Bewegung ist, obschon bei der Beschreibung der Wirkungsist weise angenommen wird, dass das Gas Luft ,welche parallel zur Mittelachse mit einer Geschwindigkeit ν von dem stromaufwärtigen Ort 28 zum stromabwärtigen Ort 30 strömt. Das Zuführen einer geeigneten Spannung von mehreren Kilovolt an die Drahtanordnung erzeugt durch Koronaentladung Ionen in der Luft in Teilen eines stromaufwärtigen Bereiches 3 2 und eines stromabwärtigen Bereiches 34, welche direkt neben den Drähten 16 liegen. Desweiteren wird ein elektrisches Potential gleicher Polarität und mit einem Wert zwischen dem Potential an der Drahtanordnung und Masse an den j ersten und den zweiten Kollektor mit Hilfe einer zweiten Leistungsquelle 33 und einer dritten Leistungsquelle 35 angeschlossen.

Diese Potentiale erzeugen elektrische Felder zwischen der Draht-

dem
anordnuno und dem ersten und/zweiten Kollektor , wodurch die Ionen stromaufwärts zum ersten Kollektor, zum Hilden eines stromaufwärtigen Tonenstromes I. und stromabwärts zu dem zweiten Kollektor,zum Bilden eines stromabwärtigen Ionenstromes I_, wandern. Ein Bruchteil der Ionen aus den Bereichen 32 und 34

den
Hiesst durch den ersten und/zweiten durchlassigen Kollektor und tritt unter die Wirkung der elektrischen Felder, welche zwischen den dritten und vierten, an Masse liegenden Kollektoren und den

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ersten und zweiten, an einem Zwischenpotential angeschlossenen ersten und zweiten Kollektoren aufrechterhalten werden, wodurch je

weiter

ein kleinerer stromaufwärtiger Ionenstrom I, in dem / stromaufwärts liegenden Bereich 36 und ein kleinerer stromabwärtiger

wei ter
Ionenstrom I₄ in dem / stromabwärtsliegenden Bereich 38 erzeugt werden. Die Bewegung der Ionen durch die stromabwärtigen Bereiche 32 und 36 bewirkt einen ersten Kollektor strom I₅, welcher durch ein erstes Ampermeter 40 fliesst. In ähnlicher Weise bewirkt die Wanderung der Ionen durch die stromabwärtigen Bereiche 34 und 38 einen zweiten Kollektorionenstrom I,, welcher durch ein

zweites Ampermeter 42 fliesst.In ähnlicher Weise bilden die von

dem
dem dritten und/vierten Kollektor aufgenommenen Ionen einen

^: dritten Kollektorionenstrom I_ und einen vierten Kollektorstrom Ig, welche jeweils durch ein drittes Ampermeter 44 und ein viertes Ampermeter 46 fHessen.

Die Bestimmung des Flusses eines Fluidums, welches durch den in der Fig. 1 dargestellten Fühler strömen, beinhaltet im wesentlichen kritische Verarbeitung des ersten, zweiten, dritten und vierten Kollektorstromffi I₅, I,, I₇, I_ft und der Spannungen V₁, V₂ und V₃, welche mit Hilfe von Voltmetern 48, 50 und 52 gemessen werden. Wenn die Drahtanordnung 16 an ein geeignetes positives elektrisches Potential angeschlossen ist, bildet sich direkt neben jedem Draht der Anordnung eine Koronaentladung aus, \ welche Ionen in dem stromaufwärtigen Bereich 32 und dem stromabwärtigen Bereich 34 erzeugt. Die zweite und dritte Spannungsquelle gebendem ersten und zweiten Kollektor je ein elektrisches positives Zwischenpotential , welche ausreichen um ein geeignetes, elektrisches Feld zwischen diesen Kollektoren und der DrahtaniOrdnung zu erzeugen. Diese elektrischen Felder bewirken, dass die ^: positiven Ionen in den Bereichen 32, 34 in Richtung der Kollektoren als stromaufwärtigerIonenstrom I, und stromabwärtiger j Ionenstrom I~ wandern. Einige dieser Ionen treten durch den ersten oder zweiten Kollektor hindurch und bilden den kleineren ' stromaufwärtigen Ionenstrom I, und den kleineren stromabwärtigen ι Ionenstrom I₄ und wandern jeweils durch den weiter abliegenden ■ stromaufwärtigen Bereirn 36 und den weiter abliegenden stromab- : wärtigen Bereich 38. \.r, , 'onen, welche durch die weiter abliegenden Bereiche 36 und it andern, werden jeweils von dem dritten und vierten Kollektor ■ ·υ·benommen und'bilden so den dritten Kollektorstrom I7 und den vierten Kollektorstrom 18. Typisch ist

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das elektrische Feld in den weiter abliegenden Bereichen 36 und weniger stark als das elektrische Feld in den Bereichen 32 und direkt an der Drahtordnung, wodurch die kleinen Ionenströme · I, und I₄ einer grösseren Auswirkung durch die Geschwindigkeit der Luft vg ausgesetzt werden, welche entlang der Mittellinie fliesst, als die Ströme I, und I_. Die Ionenströme sind durch folgende Gleichungen gegeben: ι

(1) I₁ = q n₁₀ A (v,~ - ν ),

(2) I₂ = q n₃₄ A (V₃₄ + v_g) ,

(3) I₃ = q n₃₆ A (V₃₆ - ν ), und

(4) I₄ = q n₃₈ A (V₃₈ + v_g)

worin unter Bezugnahme auf Fig. 1 q die elektronische Ladung der Ionen (Coulombs), η die Ionendichte in dem angegebenen Bereich (Teilchen

3CX -j

pro cm ),

A die Querschnittsfläche der Leitung (in cm ), und ν die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen (cm/Sekunde)ist.

XX

Die Wanderungsgeschwindigkeit ν ist mit der elektrischen

XX

Feldstärke in dem angegebenen Bereich über den Proportionalitätsfaktor /O- , ionenbeweqlichkeit genannt ,verknüpf t. Somit gilt

(5) v,₉ = /^-E-,- = /^o ■ No .V₁-V₉ ,

^ / ⁱ-ⁱ / ij — γ-^

^Ll

(6) V₃₄ = yfc-E,, = Mo -No V_n-V

^J4 Hi · — -

L₂

^V36 ~ /^ 36 ~ —— , ^ und

^L3 ' (8) v,_ft = U'^-χο = Mo · No ν,

wobei unter Bezuqnahme auf Fig. 1 _dieBeweglichkeit_{der Ionen} (_cm ²/volt-Sekunde) ,

E die elektrische Feldstärke in dem angegebenen

XX

U₀ die reduziei te^{Beweglichkeit}der Ionen (cm²/Volt-Sekunde) ,

N die Gasdichte unter Normalbedinaunaen (Teilchen/cm

⁰ 3

N die Umgebuncsgasdichte (Teilchen/cm ),

V die angegebene Spannung (Volt), und

L die anoeijebene Länge (cm) ist.

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Für die vielen praktischen Gasströmungsbedingungen, bei denen die vorliegende Erfinduna zur Messung des Flusses geeignet ist, kann die reduzierte^{ßeweglichkeit}der Ionen yU_o als konstant angenommen werden. Die gemessenen elektrischen Ströme I₅ _f Ig, I₇ und I₀ und die inneren Ionenströme I₁ I₀, folgende Gleichungen miteinander verknüpft:

(9) I₅ = I₁ - I.

(10)l_c - I, - i"

4'
, (H)I₇ = I₃, und

(12)I_a = I..

ι Ein Ausdruck für die Geschwindigkeit der Fluidströmung, ^;welcher eine sehr grosse Genauigkeit hat, wird als Funktion der messbaren Ströme und Spannungen durch geeignete Umsetzung der in den Gleichungen (1) - (12) angegebenen Beziehungen erhalten. ' Diese Beziehung für den Fluss wird ausgedrückt durch die Gleichung :

(13) Nv_gA = K₁(V₂₊V₃) ( I₇ - I₈ _a I₅ - ¹S

• - I_{7 +} i_e

K ^V2 " ^V3
2 * V +V

worin der Faktor K, gegeben ist durch:
(14) K₁ = /ίο . NoA . (I₅+I₆)

Das Verhältnis der Summe der Kollektorströme ist eine Konstante und der Faktor K₁ kann in praktischen Ausführungsformen virtuell konstant gemacht werden durch eine geeignete Rückkopplungs- ; steuerung der Leistungsquellen 3 3 und 35, sodass die Potentiale ^: V2 und V3 proportional zu V₁ bleiben.

In ähnlicher Weise kann der zweite Faktor K- als Konstante ■ ausgedrückt werden, mit sehr guter Genauigkeit, durch: (15)

2V,

^2V1 \ ^1-^V2-^V3 /

Der dritte Faktor K^ ist ein Mass für die mechanischen Ungenauigkeiten der Vorrichtung und ist eine relativ kleine Konstante, welche durch die lachfolgende Formel beschrieben werden kann:

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/ft/

(16) K₃ = /L₁-L₂ L₃ - L₄ / I₅₊I₆₊I₇₊I₈

- ^L2 ^L3 - ^L4 \ / VVV

+ L₂ L_{3 +} L₄ J [ I₅₊I₆

Die Strömung kann leicht aus den Strömen und Spannungen, wie es in Gleichung(13) dargestellt ist, berechnet werden mit Hilfe eines integralen elektronischen Rechners, welcher ein Teil der elektronischen Einheit 58 bildet, die dazu benutzt wird um die Spannungen zu liefern und verschiedene Betriebsabläufe können benutzt werden_/um die Komplexität der notwendigen Berechnungen zu verringern. Ein solcher Betriebsablauf erfordert,

' dass der erste Köllektorstroml_c gleich dem zweiten Kollektorstrom I, ist,um so eine Berechnung im Ausdruck des durch die Gleichung

; (13) gegebenen Flusses zu eliminieren. Diese Betriebsweise wird als Konstant Strommodus bezeichnet.

Ein anderer Betriebsmodus erfordert, dass die Potentiale V₂ und V₃ der zweiten und dritten Leistungsquelle einander gleich sind. Diese Bedingungen führen zu einem Zustand eines konstanten Beschleunigungsfeldes, welches in der Strömungsgleichung (13) bewirkt, dass ein anderes Glied gleich Null wird.

Ein weiterer Betriebsmodus bedingt einen leicht veränderten Stromkreis, sowie er in der Fig. 2 dargestellt ist, in dem die Leistungsquellen 33, 35 durch Widerstände 54 bzw. 56 ersetzt sind. Der Betrieb dieses mit Widerständen vorgespannten Gerätes führt dazu, dass der erste Kollektor an der Spannunq V₂ liegt, welche durch den im Widerstand 54 fliessenden Strom I₅ bewirkt wird und, dass der zweite Kollektor an der Spannung V-^ liegt, welche durch den im Widerstand 56 fliessenden Strom Ig bewirkt wird. Der Ersatz der ersten und zweiten Spannungsquelle durch Widerstände verringert die Komplexität und Kosten für die Erzeugung der Vorspannpotentiale V₉ und V₁, welche gegeben sind durch die Formel:
(17) V₂ = I₅-R₅₄ . und

^V3 = V^R56

Nimmt man diese Beziehungen in die Gleichung (13) für die Strömung auf so erhält man:
(18)Nvg A = K₄J" (I₇-Ig)-(I_{5 +} Ig)₊K₅' (I₅-I₆)

L *7 ^{+ 1}R

Der dritte Faktor K., welcher durch die Gleichung

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(19) K₄ = >0>θ'Νθ·Α

₅₄₅₆

r (V₂₊V₃) . P" (2V₁-V₂-V₃)^

2(L₃₊L₄)r (V₂₊V₃) . (L₁₊ L₂)

gegeben ist, ist bei den meisten praktischen Bedingungen im wesentlichen konstant, so auch bei geeigneter Rückkopplungssteuerung von I- und I, um V- und V, proportional zu V, zu halten. In einem praktischen Gerät kann man den fünften Faktor K₅

\ im wesentlichen konstant machen und dieser ist mit dem Faktor

j K₂ der Gleichung 15 durch die Gleichung (20) K₅ = 1 + K₂, und

! der sechste Faktor K is gegeben durch den Ausdruck:

(21) K₆ = L₁ - L₂ L₃ - L₄ R₅₄

+ L₂ L₃₊ L₄ R₅₄₊R₅₆

/ ül \

\ ^2vr^v2-^v3;.

, In einer realen Ausführungsform der Erfindung, welche nur eine ' Leistungsquelle und zwei Widerstände benutzt, sowie es in der Fig. 2 dargestellt ist, wird der Drahtanordnunq 16 das Potential V, zugeführt und mit einer bekannten, leicht erhältlichen elektronischen Rückkopplungssteuerung der Leistungsquelle werden die elektrischen Potentiale der ersten und zweiten Kollektoren, V₂, bzw. V₃ zu V·, proportional gehalten. In ähnlicher Weise wird die Summe des dritten und vierten Kollektorstrones(I_ und I_Q)

/ O

ι proportional zur Summe des ersten und zweiten Kollektorstromes (I₅ und Ig), wegen der Symmetrie und dem Aufbau der Flussonde, proportional gehalten. Auch sichert in geeigneten Anwendungen das Vorhandensein einer dominanten Ionenart, wie etwa ein hydriertes

: Proton in der Umebunasluft im ganzen Bereich der Sonde, dass die

Bcwccilichkci t
reduzierte ^^^ der Ionen, M- ° konstant bleibt. Unter diesen Bedingungen ist der vierte Faktor eine Konstante und kann als einstellbares Eichverhältnis, welches die Beziehung zwischen dem elektronisch berechneten Fluss und einer kalibrierten Flussgeschwindigkeit des Gases herstellt, betrachtet werden.

Das erste Glied innerhalb der Klammern der Gleichung (18) ^: ist die Hauptveränderliche, wenn die Vorrichtung als Flussmess- ! gerät benutzt wird und dieses Glied dann sich innerhalb eines • dynamischen Bereiches von iOO und mehr verändern. Das zweite Glied enthält den fünften faktor und ist eine Korrektur, welche typisch klein und oft v·..· f-st gleicher Grosse bei vielen praktischen Bedingunaen ',.>■*.. Der Wert des fünften Faktors wird von den gemessenen Wert ·. - /on mehreren Strömen und Spannungen

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in Uebereinstimmung mit Gleichung (20) bestimmt und ist für ein gegebenes Gerät eine Konstante bei den ausgewählten Betriebsbedingungen. Das dritte Glied ist auch eine Korrektur, welche den kleinen, jedoch wichtigen sechsten Faktor enthält und enthält ausserdem Glieder, welche nicht leicht messbar sind. In einem praktischen Gerät wird der Wert des sechsten Faktors eingestellt, um den berechneten Fluss gleich/zuzusetzen, wenn die Strömung in der Leitung stationär ist.

Hat man den Wert des fünften Faktors festgestellt, dann ; wird der Wert des vierten Faktors ausgewählt und das Gerät wird ; durch Einstellung des sechsten Faktors auf Null eingestellt, wodurch eine elektronische Berechnung des Ausdruckes der Gleichung 18 einer beliebigen Anzahl analoger oder digitaler Schaltkreise \ ; möglich ist. Typisch sind das Gerät und die zugehörigen ^! elektronischen Datenverarbeitungskreise bezüglich einer geeichten Flussgeschwindigkeit des Fluidums, für das eine Anwendung besteht, standardisiert.

Bei einer Vorführung des Flussfühlers der eben beschriebenen Art, welcher in der Betriebsart "konstantes Beschleunigungsfeld" betrieben worden ist, bei der der erste und zweite Kollektor an der gleichen Spannung liegen, hatte die Leistungsquelle eine Spannung von 84OO Volt und die Leistungsquellen 33 und 35 für die Zwischenspannung hatten eine Soannung von 3800 Volt. Der erste und zweite Kollektor waren jeweils von der Drahtanordnung in einem Abstand von 5 mm angeordnet und der dritte und vierte Kollektor waren jeweils von den ersten und zweiten : Kollektoren durch eine Strecke von 9,5 mm getrennt. Beim Betrieb strömte Luft durch die Leitung in dem Bereich von im wesentlichen j Null bis 6,8 kg pro Minute und die in der Fig. 3 dargestellten j Ionenkollektorströme I_c, I₁.,!- und I_Q wurden erhalten. Das Diagramm zeigt, dass der erste und zweite Kollektorstrom I5 und Ig ' eine etwa 1O% Aenderuncr ihrer Amplitude innerhalb des anqeaebenen Luftströmungsbereiches erfahren. Das Diagramm zeigt auch, dass der erste und zweite Kollektorstrom bei fehlendem Luftstrom

waren
; in der Leitung ungleich / v/as eine Ungleichheit entweder der

! Ionendichte in dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Bereich oder des Abstandes zwischen der Drahtanordnung und den ersten und zweiten Kollektor oder eine Unaleichheit dieser beiden Faktoren bedeutet. Das Diagramm zeiqt auch eine Aenderung des dritten und vierten Kollektorstronus ₇ und Ig als Funktion der Luftströmung.

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Diese Stromänderungen bezüglich der Luftflussgeschwindigkeit ist wesentlich grosser als die entsprechende Aenderumi der Ströme durch den ersten und zweiten Kollektor . Dieser Zusammenhang wurde erwartet und hängt von der relativen Amplitude der elektrischen Felder in den Bereichen 30, 32 im direkten Nahbereich des Drahtgitters 16 ab im Vergleich zu den elektrischen Feldstärken in den weiter abliegenden Bereichen 36 und 38.

Durch eine geeignete algebraische Umformung der Fluss- ^! gleichung (13) kann ein Diagramm, welches die Beziehung des aus , den gemessenen Strömen und Spannungen berechneten Flusses und

dargestellten '■ der vorhin beschriebenen unabhängig/geeichten Luftströmunqsgeschwindigkeit für ein spezifisches System entwickelt werden, sowie es in der Pia. 4 geschehen ist. Diese Eichkurve ist charakteristisch /das Flussmessgerät für das sie abgeleitet worden ist und zeigt deutlich die Anwendbarkeit und Genauigkeit der hier gegebenen Leere bezüglich eines Flussfüklers mit vier gitterförmigen Kollektoren.

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Claims

patentanwälte

Menges & Prahl - <*"-

^-ßATENTANSPRUECHE *"

lJ Vorrichtung zum Bestimmen des Flusses eines Gases, gekennzeichnet durch Mittel (10) zum Bilden eines Bereiches mit einer Achse zu der das Gas parallel strömt mit einer Geschwindigkeit von vq beim Durchfluss durch diesen Bereich, eine Ouelle (16) elektrisch geladener Teilchen,welche sich Im wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse erstreckt, um im Gas elektrisch geladene Teilchen in ihrem Nahbereich zu erzeugen, eine erste Kollektorvorrichtung ( 18), welche von der Teilchenquelle (16) durch einen Abstand L, getrennt ist und sich in dem Bereich im wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse erstreckt, um geladene Teilchen zu sammeln, welche von der Teilchenquelle (16) entlang der Strömungs-' achse in Gegenrichtung zur Strömung des Gases wandern und einen ersten elektrischen Strom bilden, eine zweite Kollektorvorrichtung (2O), welche von der Teilchenquelle (16) durch einen Abstand L2 getrennt ist und sich in dem Bereich im wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse erstreckt, um geladene Teilchen aufzunehmen, welche von der Teilchenquelle (16) entlang der Strömungsachse in der Strömungsrichtung des Gases wandern und einen zweiten elektrischen Strom bilden, eine dritte Kollektorvorrichtung (22) welche von der ersten Kollektorvorrichtung (18) durch einen Abstand (L-j) getrennt ist und sich in dem Bereich im wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse erstreckt,um geladene Teilchen aufzunehmen, welche von der ersten Kollektorvorrichtuno (18) entlang der Strömungsachse in Gegenrichtung zum Fluss des Gases wandern und einen dritten elektrischen Strom bilden, eine vierte Kollektorvorrichtung (24), welche von der zweiten Kollektorvorrichtung (20) durch einen Abstand L. getrennt ist und sich in dem Bereich im wesentlichen senkrecht zur Strömungsachse erstreckt, um geladene Teilchen aufzunehmen, welche von der zweiten Kollektorvorrichtung (20) entlang der Strömungsachse in Richtung des Gasflusses wandern und einen vierten elektrischen Strom bilden, Mittel zum Erzeugen einer elektrischen Spannung zwischen der Quelle geladener Teilchen (16) und den Kollektorvorrichtungen (18,20,22,24), um die geladenen Teilchen zur Wanderung entlang der Strömungsachse in Richtung der Kollektorvorrichtungen anzuregen, eine Messvorrichtung (4O> für den ersten elektrischen Strom, eine Messvorrichtuno (42 für den zweiten elektrischen Strom, eine Messvorrichtung (44^{λ e}ür den dritten elektrischen ^; rom und üine Messvorrichtur ; ^! · für den vierten elektrischer.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (10) das Innere einer Leitung ist, welche einen Querschnitt A hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Messvorrichtung (48) für das Potential der Teilchenquelle (16) , eine Messvorrichtung (50) für das Potential der ersten Kollektorvorrichtung (18) und eine Messvorrichtung (52) für das elektrische Potential der zweiten Kollektorvorrichtung(20).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch geladenen Teilchen positive Ionen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände L^ und L2 gleich gross sind und, dass die Abstände L3 und L4 gleich gross sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Widerstand (54), welcher im Strompfad des ersten elektrischen Stromes zwischen der ersten Kollektorvorrichtung (18) und Masse angeordnet ist und durch einen zweiten Widerstand (56) , welcher in dem Strompfad des zweiten elektrischen Stromes zwischen der zweiten Kollektorvorrichtung (20) und der Masse angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen der elektrischen Spannungen eine erste Leistungsquelle (26) umfassen, die an der Teilchenquelle (16)

kann ein erstes elektrisches Potential V^ aufrechterhalten/, eine zweite LeistunqsquelIe(33), welche an der ersten Kollektorvorrichtung (18) ein zweites elektrisches Potential V2 aufrechterhalten kann, welches zwischen dem Potential V^ und der elektrischen Masse liegt und eine dritte Leistungsquelle (35), welche an der zweiten Kollektorvorrichtung (20) ein drittes elektrisches Potential V3 aufrechterhalten kann, welches zwischen dem Potential Vi und der Masse liegt, umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Signalverarbeitungsvorrichtunq (58)Für die den ersten,zweiten, dritten und vierten elektrischen Ströme und den ersten, zweiten und dritten elektrischen Potentialen entsprechenden Signale, um ein dem Fluss des Gases durch die Leitung proportionales Ausgangssignal zu erzeugen.

Verfahren zum Messen des Flusses eines Gases, gekennzeichnet

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durch folgende Verfahrensschritte:

A. Strömen eines Gases entlang einer Leitung in einem Bereich, welcher sich von einem stromaufwärtigen Ort bis zu einem stromabwärtigen Ort erstreckt,

B. Erzeugen von elektrisch geladenen Teilchen im Gas,

C. Anlegen eines ersten elektrischen Potentials um entlang der Strömungsachse ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches im wesentlichen gleichförmig und von bekannter Stärke ist und sich von der Quelle geladener Teilchen stromaufwärts zu einer ersten Kollektorvorrichtung und stromabwärts zu einer zweiten Kollektorvorrichtung erstreckt,

D. Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials zum ] Erzeugen eines elektrischen Feldes entlanq der Strömungsachse, • welches im wesentlichen gleichförmig und von bekannter Stärke ist und sich stromaufwärts von der ersten Kollektorvorrichtung zu einer dritten Kollektorvorrichtung und stromabwärts von der zweiten Kollektorvorrichtung zu einer vierten Kollektorvorrichtunq erstreckt,

E. Messen des elektrischen Stromes in jederder vier KoIlektorvorrichtungen;

F. Messen der elektrischen Potentiale zum Erzeugen der elektrischen Felder, und

G. Umwandeln der elektrischen Strom- und Spannungssignale in ein Ausgangssignal, welches den Fluidumfluss darstellt.

11. Verfahren nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme in den ersten und zweiten Kollektoren jeder gesteuert werden, damit die elektrischen Potentiale der zweiten Spannungsquelle und der dritten Spannungsquelle direkt propotional zum elektrischen Potential der ersten Spannungsquelle sind.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Potentiale des ersten und zweiten Kollektors immer gleich sind.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

der Strom im ersten Kollektor gleich dem Strom im zweiten Kollektor gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen des ersten elektrischen Potentials darin besteht die erste und zweite Kollektorvorrichtung auf einen Potential zu halten, welches zwischen dem Potential der Teilchenquelle und der Masse liegt.

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