DE2363284A1 - Ionisationsvorrichtung - Google Patents

Description

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:itsx-E3ektronik, K. Qrünenfelder, El.In/-._t Basel (Schi/eis)

Ionlsationsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Ionisationsvorrichtung mit einer Spannungsquelle und einer mehrere Entladuncsstrecken aufweisenden, zur Erzeugung von freien Ladungsträgern mittels Koronaeritladungen dienenden Entladun^s-Plasrnaquelle.

Derartige lonisaticnsvorrichtungen dienen insbesondere zur börührungsfreien Neutralisation elektrostatischer Aufladungen von Isolieraaterialien. Solche Aufladungen entstehen etwa bei der Verarbeitung von Kunststoff-Folien, synthetischen Geweben und Papieren. Ferner werden lonisationsvorrichtungen reit Entladungs-Plaa ma quellen zur Entstaubung isolierender Materialien verwendet". Bei den meisten Anwendungen handelt es sich darun, ein durch irgend eine Transportvorrichtung bewegtes Isoliermaterial zu

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5 0 9 B 7 /v / 0 5 Z 9 BAD ORiGlNAi:

entladen-. Zu diesen Zv^ck uird in der !Jähe dor Ob ο rf lilche des letzteren eine Entlaauncs-Plasr:;aquolle montiert, die eir:o sich über ä°ic ganze Breite des nelstenn bandförmigeη Isoliermaterials erstreckende Ladungsv/olke erzeugen sollte.

Es sind nun bereits verschiedene Ionisationsvorrichtungen mit Entladungs-Plasnaquellen bekannt. Diese weisen alle zwei an verschiedene Pole einer Hochspannunp;scuelle angeschlossene Elektroden oder Elektrodengruppen auf. In den meisten Fällen wird als Hochspannunpsquelle ein Transformator verwendet und einer der Pole geerdet und leitend mit dem Gestell der für den betreffenden Arbeitsprozess benötigten Maschine verbunden. Die nicht geerdete Elektrode oder Elektrodengruppe und dair.it auch die durch PCoronaentladungen zwischen den Elektroden erzeugte Ladungswolke weist daher alternierend ein gegen Erde positives, beziehungsweise negatives Potential auf. Der Abbau der Aufladung des Isolier.iiaterlals erfolgt nun vorwiegend dann, wenn zwischen der Rairaladungswolke und der aufgeladenen Fläch:-¹ ein grosser Potentialuntersehied besteht«, das heisst während denjenigen Halbwollen, während denen die Potentiale der Ladungswolke und der Aufladung verschiedene Vorzeichen haben. Es fLndet also praktisch nur während jeder zweiten Halbwelle ein Abbau der Aufladung statt. Dies ist insbesondere dann sehr nachteilig, wenn das Isoliermateris.1 mit relativ grosser Geschwindigkeit an der Plasnaquelle vorbeigeführf wird, das heisst» wenn die vom-Isoliermaterial während einar Halbwslle zurückgelegte Strecke grosser ist als die Ausdehnung der Ladungswolka in der Bev/egungsrichtung. In diesem Fall wird nämlich die Ladung nur streifenweise abgebaut, do dass eine rasterartig verteilte Aufladung zurückbleibt.

Dieser Nachteil könnte an sich dadurch behoben werden, dass die zweipolige Entladungs-Plasmaquelle statt mit Wechselstrom mit Gleichstrom betrieben wird» Dies ist Jedoch deshalb praktisch nicht durchführbar, well die Stärke und das Vorzeichen der Auf-

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ladung von verschiedenen Parametern, wie der Art und der Transportgeschwindigkeit des Isoliermaterials sov/io der Luftfeuchtigkeit, abhängen und daher nicht zum vornherein bekannt sind.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Ionicationsvorrichtung zu schaffen, die auch dann, wenn das Isoliermaterial stark aufgeladen ist und mit hoher Geschwindigkeit an der Entladungs-Plasmaquelle vorbei transportiert wird,' einen vollständicen Abbau der Ladung ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Ionisationsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spannungsquelle dreipolig ist und dass die Entladungs-Plasriaquelle drei ,Je ^rcit einem der drei Pole der Spannungsquelle verbundene Elektroden oder Elektrodengruppen aufweist.

Ein AusführungDbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

die Fig. 1 ein Schaltschema einer Ionisationsvorrichtunc, die Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Entladungs-Plasrnaquelle, die Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-1II der Figur 2,

die Fig. ¹I einen Schnitt nach der Linie IV-IV dar Fie-ur 2 und

die Fig. 5 eine Ansicht des Körpers 30 der Entladungs-Plasr.aquelle von unten.

Die Figur 1 zeigt ein Schaltscher.a einer Ior.isat Ions vorrichtung mit einer Spannungsquelle 1 und einer mehrere Entladungsstreckcn au fr/eisenden, zur Erzeugung von freien Ladungsträgern mittels

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Koronaentladungen dienenden Entladungs-Plasmaquelle 20. Die Spannungsquelle 1 ist über ein Kabel an das Wechselstromnetz angeschlossen und geerdet. Sie weist einen zweipoligen Netzschalter 2 und zwei Hochspannung trans format oren 5 und 6 mit vergossenen Wicklungen auf. Jedem der Hochspannungstransformatoren 5 und 6 ist primärseitig ein schematiseh dargestelltes Steuerelement 3, beziehungsweise.k vorgeschaltet, das beispielsweise einen Triac enthalten kann. Die Sekundärviickluneen der beiden Transformatoren 5, 6 sind je mit einem Gleichrichter 7» beziehungsweise 8 verbunden. Der positive Ausgang des Gleichrichters 7 ist mit dem Anschluss 11 und der negative Ausgang .des Gleichrichters 8 mit den Anschluss 12 verbunden. Die beiden verbleibenden Ausgänge der Gleichrichter 7» 8 sind mit dem Anschluss 13 und mit der Gehäusemasse sowie der Netzer-de verbunden. Zwischen den beiden Hochspannungsanschlüssen 11, beziehungsweise 12 und dem an Masse liegenden Anschluss 13 ist je ein zur Glättung der Spannung dienender Kondensator 9, beziehungsweise 10 angeordnet. Die Entladungs-Plasmaquelle 20 weistdrei Anschlüsse 21, 22 und 23 auf, die über ein Hochspannungskabel 15 mit je einem der den dreipoligen Ausgang der Spanrmngsquelle 1 bildenden Anschlüsse 11, 12, beziehungsweise 13 verbunden sind. Die Entladungs-Plasnaquelle 20 v/eist zwei Ifehr-fach-Elektroden 24 auf, die direkt leitend mit dem Anschluss 23 und also auch mit dem geerdeten Pol 13 der Spannungsquolle 1 verbunden sind. Sie weist ferner zwei Gruppen von Einzel-Elektroden 25, beziehungsweise 26 auf, wobüi jeäo dor letzteren über einen ihr vorgeschalteten, zur Strombegrenzung dienenden Widerstand 27, beziehungsweise 28 mit einen der Anschlüsse 21, beziehungsweise 22 und damit auch mit einen der Polo 11, beziehungsweise 12 der Spannungsquelle 1 verbunden ist.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen eine besonders zwecknüssiga Ausführung der Entladungs-Plasnaquelle 20. Sie weist einen a.us glasfaserverstärkten Epoxydharz bestehender, stabförmige IIGrpor

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30 niit im v?esentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Er ist auf seiner oberen Schmalseite mit einer Mittel-Nut 31 und zwei symmetrisch dazu angeordneten Nuten 32, die je in eine Kehle 33 münden, und auf der unteren Schmalseite mit einer Iiut-34 versehen. Die letztere weist bei beiden Seitonrändern je einen tiefer in den Körper 30 eindringenden Abschnitt 3¹Ia, baziehungswelse 3**b auf. Die Kehlen 33 und die Nuten 31, 32, 3 ^ verlaufen alle parallel zur Längsachse des Körpers 30 und erstrecken sich über dessen ganze Länge. Der Körper 30 ist ferner mit einer Reihe von vertikalen, entlang der Längsachse in äquidistanten Abständen angeordneten Bohrungen 35 mit zvrei Abschnitten 35a und 35b versehen, von denen dar untere den grösseren Durchmesser aufweisende Abschnitt 35a in die Hut 34 und der obere in die Nut 31 mündet. Die unteren Abschnitte 35a enthalten abwechselnd je einen Widerstand 27, beziehungsweise 28. Deren obere, die Bohrungsabschnitte 35b durchdringenden und etwa beim oberen Hand der Nut 31 endenden Anschlüsse weisen spitze Enden auf und bilden die Einzel-Elektroden 25, beziehungsweise 26. Die spitzen Enden können bei der Herstellung der Plasrcaquelle 20 in einfachster Vieise durch schräges Abschneiden mit einer Schneidzange gebildet v/erden. Selbstverständlich können auch separate, aus irgendwelchen metallischen Materialien bestehende Spitzen angelötet werden.

Die Bohrungsabschnitte 35a sind, 'wie es in dor Figur 5 ersichtlich ist, am unteren Ende, also dort wo sie in dio Nut 3^ r-ünden, abwechselnd durch je einen Durchbruch 39 ₃ beziehungsweise *!0 mit den iiutabschnitten 3^a, beziohungowoiss 3'Ib verbunden. Jn den. letzteren ist je ein Leiter kl, bcziohungswfise ^}i2 untergobracht. Durch den Leiter kl sind die Widerstände 27 mit -den Plasmaqueilen-Anschluss 21 und durch den Loiter k? die Widerstände 23 mit dem Plasriaquellen-Arisenluss 22 verbunden.

Die Hut 34 ist gegen ausson entvr^der durch eine Verfussmasse · oder, wie es in den Figuren 3 Ur₁ d k dargestellt ist, durch ei-

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nen Stab 43 aus Isoliermaterial abgeschlossen, so dass die Lei ter 41 und 42 und die daran angelöteten, unteren Anschlussdrähte der Widerstände 27 und 28 gegen aussen isoliert sind. Der Stab 43 wird durch einen Profilstab 44 gehalten, dessen Schenkelenden in zwei seitliche Längsnuten 37 des Körpers 30 eingreifen.

In den beiden Nuten 32 1st je eine der beiden Elektroden 24 angeordnet, die sich über die ganze Länge des Körpers 15 erstrecken. Diese zwei elektrisch leitend mit den geneinsamen Anschluss 23 verbundenen Elektroden 24 sind sägeblattartig ausgestaltet und so tief in die Mut 32 eingelassen, dass ihre zahnförmigen Spitzen 24a etwa bündig mit der oberen Fläche 30a des Körpers 30 sind. Beim Betrieb der Ionisationsvorrichtung wird die Plasmaquelle 20 selbstverständlich so montiert, dass die Fläche 30a der zu entladenden Oberfläche dos Isoliermaterials zugewandt ist.

Die an einer positiven, beziehungsweise negativen Hochspannung liegenden Einzel-Elektroden 25, beziehungsweise 26 und die Spitzen 24a der elektrisch an Masse liegenden Elektroden 24 bilden also zusarransm Entladumjsstrecken, zwischen denen .bei richtig eingestellten Hochspannungen Koronaentladungen stattfinden. Die abwechselnd aufeinanderfolgenden. Einzel-Elektroden 25 und 26 bilden eine zu den beiden Elektroden 24 parallel verlaufende Reihe, wobsi jedoch sowohl der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen 24a als auch der Abstand von den Einzel-Elektroden 25, .besiehungoweisi:· 26 zu den ihnen nächsten Spitzen 24a wesentlich kleiner ist, als der derjenige zwischen zwei benachbarten Einzel-Elektroden. Dies hat ζην Folya, dass von jeder der Einzel-Elektroden 25, 26 beidseitig mehrere Entladungsstrecken zu den Elektroden 24 führen. Auf dies 3 V/eis ο wird erreicht, dass über der ganzen Fläche 30a eine verhältnismäsGig gl-äichr-iässige Ionisierung stattfindet. Da sowohl die an

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Hochspannung als auch die an Erdpotential liegenden Elektroden Spitzen aufweisen, kann schon mit verhältnismässig kleinen Hochspannungen eine grosse Entladungsstromdichte und damit eine hohe Ionisationsrate erreicht we-rden.

Dadurch dass die Spitzen der Elektroden 24, 25 und 26 mit der oberen Aussenfläche 30a des Körpers 30*etwa bündig sind, wird gewähr leistet, dass sich die durch die Kor oriae nt ladungen zwischen den Elektroden erzeugten freien Ladungsträger, das heisst die positiven und negativen Ionen und die Elektronen, ungehindert verteilen können, so dass eine grossräumige, homogene Ladungswolke entsteht. Da die Einzel-Elektroden 25 an einem gegen Masse positiven und die Einzel-Elektroden 26 an einem gegen Masse negativen Potential liegen, weist die Ladungswolke aufeinanderfolgende Bereiche, die gegen Erde ein positives, beziehungsweise negatives Potential haben, und dazwischen und darum herum Bereiche auf, die ungefähr Erdpotential aufweisen. Die zu entladenden Isoliermaterialien ziehen dann entsprechend dem Vorzeichen ihrer Aufladung hauptsächlich aus den einen oder den andern Bereichen der Ladungswolke die zum Abbau der Aufladung notwendigen Ladungsträger heraus. Da bei der erfindungst/emässen, dreipoligen Plasmaquelle im Gegensatz zu den vorbekannten, zweipoligen fortwährend sowohl ein positives als auch ein negatives Potential aufweisende Ladungswclkenbereiche vorhanden sind, gewährleistet die erstere, dass auch hoch aufgeladene Isoliermaterialien, die mit grosser Geschwindigkeit an ihr vorbei transportiert worden, auf ihrer ganzen Oberfläche vollständig entladen werden können. Bei hohen Aufladungen finden zusätzlich auch zwischen den Spitzen 2.4a der geerdeten Elektroden 24 und dem aufgeladenen Isoliermaterial Entladungen statt. Diese letzteren Entladungen sind passiv, das heisst sie erfolgen ohne das Anlegen einer Speisespannung, und sie erraöglichen, den zu entladenden

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Isoliermaterial mehr Ladungsträger zuzuführen, als durch die Koronaentladungen zwischen den Elektroden 2k, 25 und 26 erzeugt werden. Dadurch v;ird die Leistungsfähigkeit dor Ionisiorungs-\ vorrichtung wesentlich gesteigert. Dies ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn die Plasmaquelle 20 in der Uähe geerdeter Metallteile angeordnet wsrden muss. Bei den vorbe-kannten Plasraaquellen, bei denen die an Masse .liegenden Elektroden keine Spitzen aufweisen, wurden durch solche Metallteile soviele Ladungsträger aus der Ladungswolke abgesogen, dass ein vollständiger Abbau der Aufladungen nicht mehr möglich war.

Da die Kehlen 33 die Elektroden ?Λ auch seitlich teilweise freigebem, können sich die zwischen den Elektroden 2k und dem Isoliermaterial stattfindenden Entladungen seitlich relativ v/eit nach aus sen erstrecken, was besonders bei einer grossen Transportgeschwindigkeit des Isoliermaterial sehr vorteilhaft ist. .

Die Anschlüsse 21, 22 und 23 sind bei den in den Figuren 2 und' 3 nicht dargestellten Enden der Plasmaquelle 20 angeordnet. Es ist auch möglich, die Plasnaquellen bei einem odor bei beiden Enden mit Kupplungen zu versehen, so dass niohrere Plasms quellen zusammengesteckt werden können.

Die in der Spannungsquelle 1 vorhandenen Steuerelemente 3* ^ ermöglichen, die positive und die negative Hochspannung unabhängig voneinander einzustellen und die loni^i^runfcsrate sowie das Potential der Ladungswolke an die Stärke v.nö das Vorzeichen der Aufladung anzupassen und dadurch einen optimalen Laöungsabbau zu erzielen. Dies gibt aber umgekehrt auch die Möglichkeit, eine bestimmte Ladung auf das Isoliermaterial aufzubringen, was bei gewissen Arbeitsprozessen vorteilhaft ist. Bei siner weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist- es zuclehi nöglich, ei-=» Steusrelemente 3,^ durch Re^eIolernento zu ersetzen und die IonisationG-vorrichtunr mit einen die Auflaöur.f-'Sf&lder dor, Isoliermaterial.^ messenden FeldctilrkonosD^-jriLt zu stuuor-n.

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Bei dem in·den Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausfübrungsbelspiel weist der Stab 43 eine einen durch«·ohenden Kanal 43a bildende Nut auf und im Körper 30 ist zwischen den die Widerstände ■ 27, beziehungsweise 23 enthaltenden Bohrungen 35 j- ein= weitere durchgehende, vertikale Bohrung 3d mit zvrzl Abschnitten 36a und 36b angeordnet. Der untere, den besseren Durchr^sosr aufvrs3sende Bohrungsabschnitt 36a mündet in den Kanal 43a, der euren aussen durch nicht dargestellte Dichtungselement«:· abgedichtet und an einem Ende der Plasnaquelle 20 mit einer Vorrichtung zuri Anschliessen einer Schuts-Gasleitun^ verbunden ist. Wird nun an diese eine Schutz-Gas- oder Druckluftqueilo angeschlossen, so strönt das Gas, beziehungsweise die Luft durch den als Druckleitung diensnden Kanal 43a su den Bohrungen 36, wobei die im Bereich der Elektroden 24, 25, 26, nämlich in der Fläche 30p, nach aussen rr.ündenden Bon run^s ab schnitte 3 ^b aln Aur>tritts-Düsen wirken. Da die Widerstands- 27, 2C die Iiohrun<;-;on 35 nicht dicht. absehJ^iessen, strömt auch durch diase Gas, bijziehun£;s\<oise Druckluft nach auoae-n, so dass eine starke, senkrecht von der Fläche 30a wepgerlchtete Ströc.unc entsteht. Diese Blasvorrichtung ermöglicht, gleichzeitig mit der Entladung der Isoliermaterialien eine wirksame Entstaubunc vorzunohr.en.

Die Plasmaquelle kann selbstverständlich εον/chl nit als auch ohne Blasvorrichtung hergestellt und betrifbv.-n v/orcien. In letzteren Fall wird die Bewecun^ der Laduncstrel-e." nur durch Diffusionseffekte und durch die von elektrischen Feld bewirkte Drift bestimmt, während ira er st er ^n Fall noch ein zusätzlicher Transport durch Konvektion stattfindet. Durch die Blas vorrichtung wird es also möglich, der. Ladungsträgern eine von der Plasmaquelle vorgerichtete Vorzu£Sf-;eschv;indi£keit z\x erteilen.

Durch die jeder Einzel-Elektrodo 25, 26 vorgeschalteten l/icli-rstände 27, 2G wird dor maximal übur die die Elektrode flia:;.~- rui^ Strön bop:rc^v;izt. Bsispiolsv.-siy-'. v; ird^n Botri^bsspar nui:fen von

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2000 - 5000 V und Widerstände von etwa 50 MJL verwendet, so dass der Strom pro Elektrode auf 0,1 mA begrenzt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass Berührungen der Elektroden zu Unfällen führen. Ein v/eiterer Vorteil der Widerstände besteht darin, dass sie Punkenentladuncen weitgehend verhindern und dass im Falle eines Kurzschlusses zwischen einer der Einzel-Elektroden und Masse oder zv/ischen zwei Einzel-Elektroden mit verschiedenen Potentialen nur die vom Kurzschluss direkt betroffene Elektrode, beziehungsweise die Elektroden, spannungslos v/erden, während die übrigen Elektroden ungestört weiter arbeiten.

Selbstverständlich kann die lonisationsvorrichtung auch anders ausgebildet werden. Beispielsweise können dio direkt mit einem Pol der Spannungsquelle verbundenen Mehrfach-Elektroderi statt mit einer Reihe von Spitzen mit einer sich über ihre ganze Länge erstreckenden Schneide vorgehen v/erden. Des weitern ist es natürlich auch möglich, die Elektroden -oder Elektrodengruppen statt an eine Gleich- an eine Wechselspannungsquelle anzuschiiessen. -In diesem· Falle können als Strorr*-;r,rensungst"ilenen-' te anstelle von Widerständen natürlich auch* Kondensatoren ver-

wendet werden. Zur Vermeidung von Unfällen, sollte in allen Fällen jedoch die direkt, angeschlossene Elektrode mit dom an Masse liegenden Pol der Spannungsquelle, oder falls keiner direkt an Masse liegt, mit demjenigen, dessen Spannung gegen Masse den kleinsten Effektiv-, beziehungsweise Absolutwert hat, verbunden sein.

An sich können natürlich auch Plasrnaquellan ohne Strombegrenzungselemente verwendet v/erden. Die Hoehopannungsulektrodcm sollten in diesem Fall dann jedoch so angeordnet sein, dass sie nicht oder zumindest nicht ohne weiteres berührt v/erden können.

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Claims (1)

1. PATEKTANS PRUCKE

   lJIonisationsvorrichtung mit einer Spannungsquelle und einsr mehrere Entladungsstrecken aufweisenden, zur Erzeugung von freien Ladungsträgern mittels Koronaentladungen dienenden Entladungs-Plasrnaquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (1) dreipolig ist und dass die Plasmaquelle (20) drei je mit einem der drei Pole (11, 12, 13) der Spannungsquelle (1) verbundene Elektroden oder Elektrodengruppen (2¹I, 25, 26) aufweist.

   2.Ionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungs-Plasmaquslle (20), mindestens eine Gruppe von Einzel-Elektroden (25, 26) aufweist, die je über ein vorgeschaltetes Strorabegrenzungselenent (27, 28) mit einem der Pole (11, 12) der Spannungsqueile (1) verbunden sirid. ._ _

   3.Ionisationsvorrichtung nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungs-Plasnaquelle (20) mindestens eine Elektrode (2¹I) aufweist, die direkt leitend mit demjenigen Pol (13) der Spannungscuolle (1) verbunden ist, dessen Spannung gegen Kasse den kleinsten Effektiv-, beziehungsweise Absolutwert hat.

   M.Ionisationsvorrichtung nach einen der Ansprüche 1 odor 2, bei der einer der drei Pole (13) an Hasse liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungs-Plasnaquelle (20) zwei direkt mit dem an Masse liegenden Pol (13) der Spannungsquölle (1) verbundene, zueinander parallele Elektroden (2¹Oj dia mit einer sich in wesentlichen übor ihre ganze Länge erstreckenden Schneide oder einer Reihe von Spitzen (2-ia) vorsehen sind,

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   und dazwischen eine dazu parallel verlaufende Reihe von spitzen Einzel-Elektroden (25, 26) aufweist, die abwechselnd mit einem der zwei andern Pole (11, 12) der Sρannungsquelle (1) verbunden sind.

   5.lonisationsvor-richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der einer der Pole (13) der Sparinungsquelle (1) an Masse liegt, dadurch gekennzeichnet, dass einer (11) der andern Pole der Spannungsquelle (1) gegen Masse eine positive und einer (12) eine negative Spannung aufweist. ·

   6.Ionisationsvorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet., dass sie einen als Druckleitung dienenden Kanal (43a) aufweist, mit dem Öffnungen (35) verbunden sind, die im Dereich der Elektroden (24, 25, 26) nach aussen münden.

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