DE4231905C2 - Vorrichtung zur Messung von Ionen in einem Gas - Google Patents

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 entspre­ chend gerichteten meßbaren Strom hervorruft. Da die Ionenbeweglichkeit polaritätsabhängig ist, herrscht Ladungsgleichgewicht (Ionenbalance) auf der Elektrode bei etwas unterschiedlichen Ionendichten in dem Gas.

In der US 4 309 661 wird ein Stand der Technik be­ schrieben, bei dem eine elektrische Ladungsmenge einer in einem Rohr strömenden Flüssigkeit gemessen wird. Dazu wird eine kugelförmige Elektrode in die Flüssig­ keit gehängt, an der sich elektrische Ladungen abset­ zen, und mit einem elektrostatischen Voltmeter verbun­ den, wobei die angezeigte Spannung ein Maß für die La­ dungsdichte sein soll. Diese Anordnung wird in der Druckschrift als nachteilig beschrieben, da Verfäl­ schungen durch eine nicht zuverlässige elektrische Iso­ lierung und durch Stoßionisation auftreten. Darüber hinaus kann diese bekannte Anordnung nicht die Ionen­ dichte unterschiedlicher Polarität messen, sondern der Stromfluß wird durch die Differenz der Ionen unter­ schiedlicher Polarität bestimmt.

Die US 4 853 637 beschreibt eine Anordnung, die bei Überschreiten einer vorgegebenen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit eine mechanische Auslösevorrichtung durch elektrische Zündung einer explosionsfähigen Ladung ak­ tiviert. Die Leitfähigkeitsmessung wird mit einer Gleichspannungsquelle einer Polarität durchgeführt. Die Spannung über den beiden erdfreien Elektroden ist va­ riabel, sie hängt von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Messung von Ionen in einem Gas zu schaffen, die räumlich klein und möglichst wenig Störung der Gasströmung hervorruft und im wesentlichen unabhängig von der Richtung und der Geschwindigkeit der Strömung ist, wobei der Sensor auch über ein langes Kabel an die Verarbeitungselektronik anschließbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß als Sensor eine Elektrode gewählt wird, die strömungstechnisch günstig und vorzugsweise kugel­ förmig und sehr klein ist, beispielsweise < 20 mm, wird die Gasströmung kaum gestört und die Ladung der Ionen wird nahezu richtungsunabhängig aufgenommen. Die Span­ nung dieser Elektrode gegenüber Erdpotential bzw. Be­ zugspotential wird von dem elektrischen Schaltkreis aufgeprägt. Dadurch kann der Sensor auch über ein län­ geres Kabel angeschlossen werden, da die Kabelkapazität nicht vom Meßsignal umgeladen werden muß. Die aufge­ prägten Spannungen sind sehr klein, beispielsweise < 30 V, so daß zusammen mit der sehr kleinen Kapazität des Sensors zur Umgebung die influenzierte Spannung durch den Sensor sehr klein ist.

Dadurch, daß zyklisch unterschiedliche Spannungen auf­ geprägt werden, kann die Zahl positiver Ionen (negative Spannung), die Zahl negativer Ionen (positive Spannung) und die Ionenbalance (Nullspannung) gemessen werden, wobei in allen drei Fällen der Strom erfaßt wird, der durch Abgabe der Ionenladung an die Kugel fließt.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Vorzugsweise kann die Messung des Stromes mit einem einen rückgekoppelten Operationsverstärker aufweisenden I/U-Wandler durchgeführt werden, der gleichzeitig dafür sorgt, daß das Kugelpotential konstant bleibt. Durch Filterung des Stroms mit einem Filter niedriger Grenz­ frequenz, beispielsweise von 30 mHz, werden Störungen, wie sie durch periodische Wechselfelder oder durch kurzzeitig influenzierte Verschiebeströme hervorgerufen werden, unterdrückt.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Wechselanteile weitgehend durch Aufintegrieren 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 9 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 9 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 e n⁺ k⁺ C U^-,

wobei 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 duch 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 RIECR'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.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung von Ionen in einem Gas, insbeson­ dere in Reinräumen, mit einem Sensor, der von dem Gas um­ strömt wird, wobei die Ionen ihre Ladung abgeben, und mit einem elektrischen Schaltkreis zur Auswertung des durch die Ladungen hervorgerufenen Stroms, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensor als kugelförmige Elektrode (1) ausge­ bildet ist und daß der Elektrode (1) eine feste Spannung gegen ein Bezugspotential aufgeprägt wird, die zur Mes­ sung der Zahl der positiven Ionen negativ, zur Messung der Zahl der negativen Ionen positiv und zur Messung der Ionenbalance Null ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Wechselfeldern und Gleichfeldern der Strom mit einem Filter niedriger Grenzfrequenz gefil­ tert wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektrische Schaltkreis einen Strom/Spannungswandler (3, 4) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein von einer Steuereinheit (9) gesteu­ erter Schalter (8) vorgesehen ist, über den zyklisch die unterschiedlichen Spannungen der Elektrode (1) aufgeprägt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom/Spannungswandler als Operationsverstärker (3) mit einem Widerstand (4) im Gegenkopplungszweig ausgebil­ det ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vom elektrischen Schaltkreis zur Auswertung des durch die Ladungen hervorgerufenen Stroms die Ionenzahl bestimmt, und daß eine Grenzwerte spei­ chernde Vergleichsschaltung (12) vorgesehen ist, die die gemessenen Ionenzahlen mit den Grenzwerten vergleicht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Integrator zum Aufintegrie­ ren des von der Elektrode (1) gelieferten Stroms vorgese­ hen ist, der jeweils nach festen Zeiträumen wieder zu­ rückgesetzt wird.