DE4231905A1 - Vorrichtung zur Messung von Ionen in einem Gas - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von Ionen in einem GasInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung
von Ionen in einem Gas nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs.
Nach dem Stand der Technik ist eine Vorrichtung zur
Messung von Ionen in einem Gas als Ionenzähler be
kannt, bei der als Sensor ein großer, meist zylinder
förmiger Kondensator mit gasförmigem Dielektrikum
verwendet wird. Das Gas, in dem die Ionenzahl be
stimmt werden soll, wird durch den Kondensator hin
durchgeführt. Eine hohe Spannung wird an die Konden
satorplatten angelegt und die positiven Ionen werden
zur negativ geladenen Platte und die negativen Ionen
zur positiven Platte abgelenkt. Dort geben sie ihre
Ladung ab. Der sich dadurch ergebende Strom kann ge
messen werden und ist ein Maß für die Ionenzahl.
Darüber hinaus ist eine Vorrichtung bekannt, die es
ermöglicht, die Ionenbalance zu messen, indem das Gas
an einer Elektrode vorbeiströmt und der Ladungsüber
schuß einer Polarität auf der Elektrode einen ent
sprechend gerichteten meßbaren Strom hervorruft. Da
die Ionenbeweglichkeit polaritätsabhängig ist,
herrscht Ladungsgleichgewicht (Ionenbalance) auf der
Elektrode bei etwas unterschiedlichen Ionendichten in
dem Gas.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er
findung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Messung von Ionen in einem Gas zu schaffen, die räum
lich klein und möglichst wenig Störung der Gasströ
mung hervorruft und unabhängig von der Richtung und
der Geschwindigkeit der Strömung ist, wobei der Sen
sor auch über ein langes Kabel an die Verarbeitungs
elektronik anschließbar sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, daß als Sensor eine Elektrode gewählt wird,
die strömungstechnisch günstig und vorzugsweise ku
gelförmig und sehr klein ist, beispielsweise < 20 mm,
wird die Gasströmung kaum gestört und die Ladung der
Ionen wird nahezu richtungsunabhängig aufgenommen.
Die Spannung dieser Elektrode gegenüber Erdpotential
bzw. Bezugspotential wird von dem elektrischen
Schaltkreis aufgeprägt. Dadurch kann der Sensor auch
über ein längeres Kabel angeschlossen werden, da die
Kabelkapazität nicht vom Meßsignal umgeladen werden
muß. Die aufgeprägten Spannungen sind sehr klein,
beispielsweise < 30 V, so daß zusammen mit der sehr
kleinen Kapazität des Sensors zur Umgebung die influ
enzierte Spannung durch den Sensor sehr klein ist.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah
men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse
rungen möglich. Dadurch, daß zyklisch unterschiedli
che Spannungen aufgeprägt werden, kann die Zahl posi
tiver Ionen (negative Spannung), die Zahl negativer
Ionen (positive Spannung) und die Ionenbalance (Null
spannung) gemessen, wobei in allen drei Fällen der
Strom erfaßt wird, der durch Abgabe der Ionenladung
an die Kugel fließt.
Vorzugsweise kann die Messung des Stromes mit einem
einen rückgekoppelten operationsverstärker aufweisen
den I/U-Wandler durchgeführt werden, der gleichzeitig
dafür sorgt, daß das Kugelpotential konstant bleibt.
Durch Filterung des Stroms mit einem Filter niedriger
Grenzfrequenz, beispielsweise von 30 mHz, werden Stö
rungen, wie sie durch periodische Wechselfelder oder
durch kurzzeitig influenzierte Verschiebeströme her
vorgerufen werden, unterdrückt.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wer
den die Wechselanteile weitgehend durch Aufintegrie
ren des Stromes über einen vorgegebenen Zeitraum
weitgehend ausgeschaltet.
Die Meßwerte können mit vorgegebenen Grenzwerten ver
glichen werden, so daß bei Unter- bzw. Überschreiten
dieser Werte ein Signal abgegeben werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise
die Ionendichte in einem Reinraum zur Herstellung von
integrierten Schaltungen oder dergleichen überwacht
werden, durch den ein Luftstrom geleitet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt die schaltungsgemäße Ausge
staltung der Vorrichtung zur Messung von Ionen nach
der vorliegenden Erfindung.
In der Figur ist mit 1 ein Sensor bezeichnet, der als
kugelförmige Elektrode ausgebildet ist und einen
Durchmesser von vorzugsweise < 20 mm aufweist. Über
einen Schalter 2, der von einer Steuereinheit 2 ge
steuert wird, ist die Elektrode 1 mit dem invertie
renden Eingang eines Operationsverstärkers 3 verbun
den. Diese Verbindung kann ein mehrere Meter langes
Kabel sein. Der operationsverstärker 3 ist von seinem
Ausgang über einen Widerstand 4 zum invertierenden
Eingang gegengekoppelt, so daß der Operationsverstär
ker 3 als Strom/Spannungswandler arbeitet. Durch den
Kondensator 5, der parallel zum Widerstand 4 liegt,
ist der Operationsverstärker 3 wechselspannungsmäßig
gegengekoppelt.
Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstär
kers 3 ist über einen Schalter 8, der gleichfalls von
der Steuereinheit gesteuert wird, mit Bezugspotential
14, mit einer negativen Spannungsquelle 6 oder einer
positiven Spannungsquelle 7 verbunden. Der Opera
tionsverstärker 3 ist an seinem Ausgang an einen Aus
wertekreis 10 angeschlossen, die ihrerseits mit einer
Anzeige 11, einer Vergleichseinrichtung 12 und einer
Alarmeinheit 13 in Verbindung steht. Auswerteeinrich
tung 10 und Vergleichseinrichtung 12 werden ebenfalls
von der Steuereinheit 9 gesteuert.
In Reinräumen werden die sich in der Luft befindenden
elektrischen Ladungen durch Luftionisation neutrali
siert. Dazu ist eine kontinuierliche Überwachung bei
spielsweise der Ionendichte notwendig, die mit einer
Vorrichtung nach der einzigen Figur durchgeführt
wird. Zur Messung der Ionenzahl in dem an der Elek
trode 1 vorbeiströmenden Gas, zum Beispiel Luft,
steuert die Steuereinheit 9 den Schalter 8 auf die
positive bzw. die negative Spannungsquelle 6, 7. Die
positive bzw. negative Spannung liegt an dem nichtin
vertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 und
die Spannung an der Elektrode 1 stellt sich auf diese
positive bzw. negative Spannung ein. Die an der ku
gelförmigen Elektrode 1 vorbeiströmenden Ionen geben
ihre Ladung nahezu richtungsunabhängig an die Elek
trode ab, so daß ein Strom fließt, der ausgewertet
werden kann. Wenn die Elektrode 1 eine Kugel ist,
kann nach RIECK der Strom, den die Kugel aufnimmt,
bestimmt werden zu:
I⁺ = 4 π R e n⁺ k⁺ C U⁻,
wobei der R der Kugelradius, e die Elementarladung, n
die Anzahl der Ionen, k die Ionenbeweglichkeit, C die
Kapazität der Kugel zur Umgebung und U die Spannung
der Kugel bezogen auf Erdpotential ist. Für den
Strom, der von negativen Ionen erzeugt wird, sind die
Vorzeichen zu vertauschen. Wie aus dieser Formel zu
erkennen ist, ist der Strom unabhängig von der Gasge
schwindigkeit. Der über den geschlossenen Schalter 2
fließende Strom vom Sensor bzw. von der Elektrode 1
wird von dem als Strom/Spannungswandler arbeitenden
Operationsverstärker 3 über den Widerstand 4 kompen
siert, wodurch sich die Ausgangsspannung als Produkt
von Widerstand 4 und Sensorstrom ergibt. Die Spannung
an der Elektrode 1 wird unabhängig vom Eingangsstrom
immer auf den Wert am nichtinvertierenden Eingang vom
Operationsverstärker 3 geregelt. Durch die Gegenkopp
lung des Kondensators 5 erhält der Strom/Spannungs
wandler eine Tiefpaßcharakteristik, so daß auf die
Elektrode 1 induzierte Störungen, wie sie zum Bei
spiel durch einen Ionenerzeuger verursacht werden
könnten, unterdrückt werden. Solche elektrischen
Störsignale werden über die kleine Kapazität des Sen
sors zur Störquelle als Störstrom eingekoppelt. Stör
wechselspannungen erscheinen um das Verhältnis Sen
sorkapazität zur Störquelle/Gegenkopplungskapazität 5
geschwächt am Ausgang vom Operationsverstärker 3.
In dem Auswertekreis 10 wird die von dem Operations
verstärker 3 gelieferte Spannung gegebenenfalls ge
speichert und entsprechend der RIECK′schen Formel
ausgewertet, so daß die Anzahl der vorhandenen Ionen
bestimmt werden kann. Diese Anzahl wird auf der An
zeige 11 angezeigt.
Für die Ionenbalancemessung steuert die Steuereinheit
9 den Schalter 8 in der Weise, daß an dem nichtinver
tierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 Erdpo
tential 14 liegt, so daß die Spannung Null ist. Vor
zugsweise wird der Schalter 8 so gesteuert, daß zy
klisch nacheinander die unterschiedlichen Spannungen,
nämlich die positive, die negative und die Spannung
Null aufgeprägt werden, so daß hintereinander die
Messung der positiven Ionenzahl, der negativen Ionen
zahl und der Ionenbalance durchgeführt wird.
Um Fehler durch die Drift von Offsetströmen und Off
setspannungen zu vermeiden, steuert die Steuereinheit
9 den Schalter 2 in regelmäßigen Abständen in den
geöffneten Zustand, wonach eine Messung ohne den von
der Elektrode 1 gelieferten Strom durchgeführt wird.
Dieser Meßwert wird in dem Auswertekreis 10 gespei
chert und bei allen folgenden Messungen abgezogen. In
der Vergleichsschaltung 12 sind Grenzwerte für die
Ionenzahlen gespeichert und die Vergleichsschaltung
vergleicht die von dem Auswertekreis 10 gelieferten
Meßwerte mit diesen Grenzwerten. Überschreiten bzw.
unterschreiten die Meßwerte die Grenzwerte, so gibt
die Vergleichsschaltung 12 ein Signal an die Alarm
schaltung 13 ab und löst einen optischen oder akusti
schen Alarm aus. Der Auswertekreis 10 speichert die
Meßwerte, so daß sie einzeln oder gesammelt auf der
Anzeige 11 angezeigt werden können, wobei die Anzeige
beispielsweise ein über eine Datenleitung verbundenes
Display oder ein Personalcomputer sein kann.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird der Elektrode 1
zyklisch eine feste Spannung bezogen auf Erdpotential
aufgeprägt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann
das Einprägen einer Spannung der Elektrode 1 bezogen
auf Erdpotential auch dadurch erfolgen, daß der
nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
auf Schaltungsmasse gelegt wird und dafür die Schal
tungsmasse der gesamten Anordnung bezogen auf Erdpo
tential verändert wird. Besitzt die Elektrode eine
Spannung gegenüber Erdpotential, so werden aus dem
Gasstrom die Ionen entgegengesetzter Polarität ihre
Ladung an die Elektrode abgeben. Der dann zu messende
Strom ist der Anzahl der entsprechenden Ionen direkt
proportional.
In der beschriebenen Ausführungsform werden Störungen
durch periodische Wechselfelder oder durch kurzzeitig
influenzierte Verschiebeströme durch Filterung des
Stroms mit einem Filter niedriger Grenzfrequenz ver
mieden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird
der Strom in einem Integrator über einen bestimmten
Zeitraum aufintegriert und die Ionenzahl abhängig von
der Integrationszeit über die RIECK′sche Formel be
stimmt, wobei der Integrator gleichzeitig zurückge
setzt wird. Die Höhe des integrierten Signals ist ein
Maß für den zu messenden Gleichanteil, während die
Wechselanteile im Signal weitgehend unterdrückt wer
den.
Als Elektrode 1 wird in der obigen Beschreibung eine
Kugel verwendet. Es sind aber auch andere Formen
denkbar, die strömungstechnisch günstig sind (Trop
fen, Elipsoid usw.).
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Messung von Ionen in einem Gas
mit einem Sensor, dem von dem Gas umströmt wird,
wobei die Ionen ihre Ladung abgeben, und mit
einem elektrischen Schaltkreis zur Auswertung
des durch die Ladungen hervorgerufenen Stroms,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor als Elektrode (1) mit einer strö
mungstechnisch günstigen Form ausgebildet ist,
und daß der Elektrode eine feste Spannung aufge
prägt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Elektrode (1) kugelförmig ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Messung der Zahl der posi
tiven Ionen eine negative Spannung, zur Messung
der Zahl der negativen Ionen eine positive Span
nung und zur Messung der Ionenbalance eine Span
nung Null gegen Bezugspotential aufgeprägt wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung
von Wechselfeldern und Gleichfeldern der Strom
mit einem Filter niedriger Grenzfrequenz gefil
tert wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische
Schaltkreis einen Strom/Spannungswandler (3, 4)
aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer Steu
ereinheit (9) gesteuerter Schalter (8) vorgese
hen ist, über den zyklisch die unterschiedlichen
Spannungen der Elektrode (1) aufgeprägt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Strom/Spannungswandler als
Operationsverstärker (3) mit einem Widerstand
(4) im Gegenkopplungszweig ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die vom elektrischen
Schaltkreis zur Auswertung des durch die Ladun
gen hervorgerufenen Stroms die Ionenzahl be
stimmt, und daß eine Grenzwerte speichernde Ver
gleichsschaltung (12) vorgesehen ist, die die
gemessenen Ionenzahlen mit den Grenzwerten ver
gleicht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6,
8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator
zum Aufintegrieren des von der Elektrode gelie
ferten Stroms vorgesehen ist, der jeweils nach
festen Zeiträumen wieder zurückgesetzt wird.
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