JPH04268414A - イオン牽引空気流計器 - Google Patents

イオン牽引空気流計器

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JPH04268414A
JPH04268414A JP3297196A JP29719691A JPH04268414A JP H04268414 A JPH04268414 A JP H04268414A JP 3297196 A JP3297196 A JP 3297196A JP 29719691 A JP29719691 A JP 29719691A JP H04268414 A JPH04268414 A JP H04268414A
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JP
Japan
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terminal
radiation source
voltage source
ionization chamber
cylinder
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JP3297196A
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English (en)
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Jackie R Webster
ジャッキー・アール・ウエブスター
David B Chang
デイビッド・ビー・チャング
Keith V Pearson
キース・ブイ・ピアソン
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/14—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measurement of pressure
    • G01F23/18—Indicating, recording or alarm devices actuated electrically
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/7042—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter using radioactive tracers
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気流計器に関する。 特に、本発明はイオン牽引空気流計器あるいはイオン牽
引風力計に関する。
【０００２】本発明はここで特定の適用のための実施例
に関して記載されているが、本発明がそれに限定されな
いことを理解すべきである。当業者は、本発明の技術的
範囲内の付加的な分野内の付加的な変更、応用、および
実施例を認めることができるであろう。
【０００３】
【従来の技術】高性能エンジンは最適な性能動作を達成
し、電流放射の標準に応じる空気と燃料の比率の正確な
測定を必要とする。この機能は、空気流計器によって実
行される。自動車エンジンのこの厳しい環境は、通常の
空気流計の設計に十分な制限をおく。例えば、計器のセ
ンサは通常の内燃エンジンで適当に実行するための最高
の温度、湿度および圧力に耐えられなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】多くの電流の空気流計
は、空気流内にあるいはそれに近接して位置される加熱
されたワイヤあるいはフィルムの原理に基づく。これら
の装置は、空気がワイヤあるいはフィルムを通るときの
熱除去を検知する。当業者は、これらのセンサの制限に
は頑丈さの欠乏、汚染の受けやすさおよび流れの方向の
検知する能力がないことが含まれることを理解するであ
ろう。さらに、これらのセンサの特性は質量および構造
によって限定される。
【０００５】さらに、幾つかの従来のセンサは空気流量
を実際に測定することができる。この測定は、エンジン
によって燃焼され、最適なエンジン動作を達成するため
にかなり利用性がある空気量についての情報を提供する
。したがって、空気流量を測定することが可能な頑丈で
高性能の空気流計が当業者に必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この必要性は、ガスイオ
ン化装置、イオン収集器およびガス流を示す信号に集め
られたイオンを変換する装置を含む本発明のイオン牽引
空気流計器によって解決される。
【０００７】特定の実施例において、本発明は電離室を
通る空気流量をイオン化する放射性同位元素を利用する
。電離室は、それぞれ内部導体を有する２つの円筒から
形成される。電圧は円筒と内部導体の間に供給される。 イオンは内部導体によって集められる。内部導体によっ
て生成された電流は、空気流量の電圧表示に変換される
。
【０００８】
【実施例】本発明の有効な技術を開示するために実施例
および例示的な応用を添付図面を参照にここに記載する
。
【０００９】図面は、本発明の技術に従って構成された
イオン牽引センサの１実施例の概略図である。センサ１
０は、陰極として動作する第１の円筒１２および陽極と
して動作する第１の内部導体１４を含む。第１の円筒１
２および第１の内部導体１４は、第１の電離室を提供す
る。第１の環状の放射源１６は第１の円筒１２の上部に
設けられる。第１の環状の放射源１６は、ベータ粒子を
放出する放射線アイソトープ、すなわちカーボン１４で
ある。第１の環状の放射源は、第１の電離室を通る空気
流をイオン化する。 電離室中へ流れる空気流のイオン化は、１あるいはそれ
以上の気体の原子あるいは分子の軌道電子とベータ粒子
の衝突によって生じ、したがって正のイオンおよび負の
イオン（すなわちイオン対）が形成される。
【００１０】第２の円筒１８および第２の内部導体２０
は、第２の電離室を形成する。第１の放射源と同一の第
２の環状の放射源２２は、第２の円筒１８の底部に設け
られる。 好ましい実施例において、環状の放射源２２もまたベー
タ粒子を放射する放射線アイソトープ、すなわちカーボ
ン１４である。
【００１１】電界は各円筒１２および１８とそれぞれの
内部導体１４および２０の間に供給される電圧２４によ
って設定される。好ましい実施例において、負の端子は
それぞれ円筒１２および１８に接続される。正の端子は
第１の抵抗器２６を通り第１の内部導体１４に、および
第２の抵抗器２８を通り第２の内部導体２０に接続され
る。負のイオンは、内部導体１４および２０に集められ
る。第１の内部導体１４はさらに演算増幅器３０の負の
端子に接続され、第２の内部導体２０は演算増幅器３０
の正の端子に接続される。
【００１２】電離室の数およびそれぞれの寸法、形状お
よび配置は、与えられる応用に必要なようにここに提供
される技術が行える当業者によって決定されることがで
きる。
【００１３】第１の円筒１２中に流入し、第２の円筒１
８の外に流れ出る空気あるいは他の気体４０は、第２の
導体２０よりも第１の内部導体１４にイオンを集める。 演算増幅器の結果的な出力の振幅は空気流量を示し、そ
の極性は空気流の方向を示す。正のイオン放射源が使用
される場合（すなわちアルファ線放射器）、電極の極性
は逆にされる。出力は、次のような伝達関数である。 　　　　　　ｅ（ｔ）＝Ａ＋Ｂ＊Ｆｒ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［１］ここ
で、ｅ（ｔ）は出力信号電圧であり、Ｆｒは質量流量率
であり、定数ＡおよびＢは較正パラメータとして設定さ
れる。面積Ａｃｍ２　および源の強度Ｓキュリーの放射
源に関して、イオン粒子の電流密度は次の通りである。 　　　　　　Ｊ＝（Ｓ／Ａ）＊３．７×１０１０　　粒
子／ｃｍ２　秒　　　　［２］イオン粒子がベータ粒子
あるいは電子である場合、空気中の範囲Ｌは次の通りで
ある。 　　　　　　Ｌ＝１．４×１０−７ＴＵ２　／ｐＭ　　
ｃｍ　　　　　　　　　　　　　　［３］
【００１４】
ここで、Ｔは絶対温度であり、Ｕは電子ボルトで表わし
たエネルギであり、ｐはｍｍ　　Ｈｇの圧力であり、Ｍ
は空気の（平均）分子量である。一方、イオン粒子がア
ルファ粒子である場合、空気の範囲は次の通りである。 　　　　　　Ｌ＝ｂＵ３／２　ｃｍ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
［４］　　　　　　ｂ＝２．３８×１０−７／７６０　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［５］
【
００１５】空気中のイオン対を形成するための所望のエ
ネルギは近似的に式６で表わされる。したがって１立方
センチメートル当り１秒当りの衝突のイオン化によって
形成される電子の数は近似的な式７の通りである。これ
は放射源のイオン粒子の範囲内である。標準の温度およ
び圧力で空気中に形成されたイオン対の再結合率は近似
的に式８の通りである。
【００１６】
【数１】 ここでｎは密度（１立方センチメートルにおける電子の
数）であり、α＝１．７１×１０−６である。したがっ
て、平衡状態においては、 　　　　　　αｎ２　＝ＪＵ／εＬ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［９
］放射源の位置および放射源からＬがほぼ等しい距離ｄ
にある捕集電極の間に供給される電圧Ｖに関して、電子
のドリフト速度は次の通りである。 　　　　　　ｖ＝μＶ／ｄ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
［１０］　　　　　　μ＝ｅ／ｍν　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　［１１］　　　　　　ν＝Ｎδｖθ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　［１２］
【００１７】ここでｅは電子
の電荷であり、ｍは電子の質量であり、衝突の周波数は
空気の分子密度Ｎ、空気分子の断面δおよび熱電子速度
ｖθによって表される。結果的な電流の密度は次の通り
である。 　　　　　　ｊ＝ｎｅｖ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　［１３］
【００１８】高感度の空気流計器に関して、
ｖは流れの速度ＶＦＬと同じ大きさであり、平均自由行
程（Ｎδ）−１はｄよりずっと小さい。速度の広い領域
をカバーするために、収集器に対する流れる方向に沿っ
て異なる位置に位置される１個より多くの放射源を使用
することを必要とする。
【００１９】典型的なβおよびα放射器に関し、これら
の関係式の使用は、適当な電圧（１００ボルト未満）、
放射源の強度（１０乃至１００μキュリー）、寸法（ｃ
ｍ）に対して、それは自動車のエンジンの範囲内の空気
流を測定することが可能であるべきである。アルファ粒
子、ベータ粒子およびガンマ放射は、放射線アイソトー
プの減衰過程中に放射される３つのタイプのイオン化放
射である。
【００２０】ガンマ放射は非常に貫通性がある。空気は
濃くなく、このタイプの放射に対しては低い阻止能（す
なわち、衝突あるいは吸収の確率）を有する。それ故に
それは短距離のイオン発生器として使用される実行可能
な候補ではない。
【００２１】これに反して、アルファ粒子は非常に大き
い粒子（質量が電子より約７２８０倍大きい）であり、
十分なエネルギを有する場合空気中の非常に良好なイオ
ン発生器である。しかしながら、大きい質量を有すると
いう事実のため、通路は高速度のガスによって多少偏向
される。
【００２２】適当なエネルギ範囲（速度の範囲）のベー
タ放射は、ガスの良好なイオン化源である。現在容易に
入手できる材料および形態の半減期を含んでいる適当な
ベータ放射同位元素の選択を考慮に入れなければならな
い。半減期は、放射源材料の元の放射量の半分になる期
間として定められる。時間ｔにおける不安定な原子の数
Ｑは、次の式１４によって与えられる。 　　　　　　Ｑ＝Ｑｏ　ｅｘｐ（−γｔ）　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［１４］
【
００２３】ここでＱｏ　は時間ｔ＝０における不安定な
原子の元の数であり、γは各放射線アイソトープの特有
の減衰定数の値である。放射線アイソトープの半減期の
定義から、長い半減期が適当な材料の選択に望ましいこ
とは明らかである。一定の空気の速度で集められた電流
は生成されたイオンの量に直接比例し、したがって放射
量に直接比例する。これは時間が経つにつれて減少する
ため、放射源は測定装置の予測された寿命よりもずっと
長い半減期を有するべきである。半減期が短すぎる場合
、計器の再較正が必要とされるか、この減少を補正する
ための機構が設けられなければならない。
【００２４】カーボン１４は、非常に長い半減期（５，
５６８年）の中程度のエネルギのベータ放射を有する。 カーボン１４は、ほとんどの化学形態で得られる。カー
ボン１４は、リアクタ中での二酸化炭素を照射し、放散
された二酸化炭素をメタノールに化学変化し、それから
ポリマーが形成されることによって形成される。これは
、いかなるタイプの塑造、鋳造あるいはパッケージのデ
ザインを容易にし使用される機械的処理も許容する。
【００２５】このように、本発明は特定の応用の特定な
実施例に関してここに記載された。当業者は、本発明の
技術的範囲内の付加的に変更、応用および実施例を認識
するであろう。例えば、本発明はベータ放射線アイソト
ープであるカーボン１４の使用を限定されない。また陽
極である内部導体、および陰極である外部円筒の使用も
限定されない。内部導体および外部円筒の役割は逆にさ
れることもできる。放射源は内部導体に接続され外部円
筒がイオンを集め、演算増幅器の入力に電圧差を生成す
るようにすることもできる。さらに、電離室は円筒およ
び内部導体の代りに平行板を使用することによって実行
されることもできる。加えて、本発明はガス以外の流体
の流れを測定するために使用されることができる。それ
故に、このような応用、変更および実施例は添付の特許
請求の範囲に記載され本発明の技術的範囲内に含まれる
べきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術に従って構成されたイオン牽引セ
ンサの実施例の概略図。
【符号の説明】
１０…センサ、１４，２０　…導体、１６，２２　…放
射源、３０…装置、４０…ガス。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　流体をイオン化する第１の手段と、前
    記イオンを集める第２の手段と、前記流体流を示す信号
    に前記集められたイオンを変換する第３の手段とを具備
    していることを特徴とする流体流の測定装置。
  2. 【請求項２】　　前記第１の手段が、ベータ粒子を放射
    する放射線アイソトープを含む請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】　　前記第２の手段が、電離室を含む請求
    項２記載の装置。
  4. 【請求項４】　　前記電離室が、電圧源の第１の端子に
    接続される外部円筒および前記電圧源の第２の端子に接
    続される内部導体を具備している請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】　　前記第２の手段が、さらに前記電圧源
    の前記第１の端子に接続される第２の外部円筒および前
    記電圧源の前記第２の端子に接続される第２の内部導体
    を含む請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】　　前記第３の手段が、前記内部導体に接
    続される第１の端子および前記第２の内部導体に接続さ
    れる第２の端子を有する演算増幅器を含み、各端子がさ
    らにそれぞれの抵抗器を通って前記電圧源の第２の端子
    に接続されている請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】　　前記第１の手段がさらに第２の放射源
    を含み、前記第１の放射源が前記第１の円筒の上部に配
    置され、前記第２の放射源が第２の円筒の底部に配置さ
    れている請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】　　ベータ粒子を放射する放射源を含んで
    いる流体をイオン化する第１の手段と、第１および第２
    の電離室を具備している前記イオンを集めるための第２
    の手段と、前記流体流を示す電気信号に前記集められた
    イオンを変換する第３の手段とを具備し、前記第１の電
    離室は電圧源の第１の端子に接続された第１の外部円筒
    および前記電圧源の第２の端子に接続された第１の内部
    導体を具備し、第２の電離室は前記電圧源の前記第１の
    端子に接続される第２の外部円筒および前記電圧源の前
    記第２の端子に接続される第２の内部導体とを具備して
    いることを特徴とする流体流の測定装置。
  9. 【請求項９】　　前記第３の手段が前記第１および第２
    の内部導体に接続された各入力端子を有している演算増
    幅器を含む請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】　　前記第１の手段がさらに第２の放射
    源を含み、前記第１の放射源が前記第１の円筒の上部に
    配置され、前記第２の放射源が前記第２の円筒の底部に
    配置されている請求項８記載の装置。
  11. 【請求項１１】　　ａ）流体をイオン化し、ｂ）前記イ
    オンを集め、 ｃ）電流に前記集められたイオンを変換し、ｄ）前記流
    体流を示す電圧に前記電流を変換するステップを含んで
    いることを特徴とする流体流の測定方法。
JP3297196A 1990-11-13 1991-11-13 イオン牽引空気流計器 Pending JPH04268414A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US612177 1984-05-21
US07/612,177 US5237281A (en) 1990-11-13 1990-11-13 Ion drag air flow meter

Publications (1)

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JPH04268414A true JPH04268414A (ja) 1992-09-24

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ID=24452056

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JP3297196A Pending JPH04268414A (ja) 1990-11-13 1991-11-13 イオン牽引空気流計器

Country Status (5)

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US (1) US5237281A (ja)
EP (1) EP0487227A1 (ja)
JP (1) JPH04268414A (ja)
KR (1) KR920010268A (ja)
CA (1) CA2053944A1 (ja)

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