DE1673060A1 - Geraet zur automatischen Auswertung der von einem Massenspektrometer gelieferten Daten - Google Patents

Description

Patentanmeldung

Anmelder: SABA, Schwarzwälder Apparate-rBau-Anstalt August Schwer Söhne G.m.b.H., Villingen

Bezeichnung» Gerät zur automatischen Auswertung der

von einem Massenspektrometer gelieferten Daten

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Auswertung der von einem Massenspektrometer gelieferten Daten.

Bisher sind lediglich Geräte bekannt geworden, die in Verbindung mit einem Massenspektrometer selbsttätig das Massenspektrum des zu untersuchenden Gases mit Hilfe eines Koordinatenschreibes aufzeichnen. Eine automatische Auswertung dieses Massenspektrums, insbesondere die automatische Identifizierung bestimmter Gase anhand ihrer charakteristischen Massenzahlen, ist nicht bekannt.

Die von dem nachfolgend beschriebenen Gerät nach der Erfindung gelöste Aufgabe besteht darin, in Verbindung mit einem Massenspektrometer gewisse charakteristische Massenzahlen zur Identifizierung eines bestimmten Gases automatisch laufend abzusuchen, im Falle des Auftretens dieses Substanz Alarm auszulösen und die Art dieses Gases anzuzeigen.

Pur den Fall, daß ein derartiges Gas vorhanden ist, wählt das Gerät ferner die für dieses Gas besonders typische Massenzahl an und leitet die bei dieser Massenzahl gemessene Massendichte als Meßwert an eine Rechenanlage zur v/eiteren Auswertung laufend, d.h. in regelmäßigen Zeitabständen, weiter.

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Das Gerät nach der Erfindung ermöglicht eistmals den Bau einer vollautomatisch funktionierenden Überwachungsanlage, mit deren Hilfe die Atmosphäre am Ort des Massenspektrometers sowohl qualitativ als auch quantitativ hinsichtlich der Anwesenheit von gefährlichen Gasen kontrolliert werden kann.

Der vollelektronische Aufbau des erfindungsgemäßen Gerätes und die vorgesehenen Maßnahmen zur selbständigen Prüfung seiner Betriebsbereitschaft gewährleisten maximale Sicherheit und ist dadurch gekennzeichnet, bestimmte vorgewählte Gase mit Hilfe von bei charakteristischen Massezahlen auftretenden Massendichte Signalen automatisch zu identifizieren und anzuzeigen durch die gleichzeitige Anwendung der nachfolgend an Hand von 3?igur 1 beschriebenen technischen Maßnahmen»

a) Erzeugen eines Taktimpulses im !Paktimpulsgenerator und Ansteuern des Schaltimpulsgenerators 2,

b) Gewinnung eines Eücklaufimpulses im Sehaltimpulsgenerator 2 zur synchronen Ansteuerung eines Generators 3, zur Erzeugung der Ionenbesehleunigungsepannung für das Massenspektrometer A₁

c) Verstärkung der Massendichtesignale im Verstärker 5,

d) Verteilen der Massendichtesignale aus Verstärker 5 in der Koinzidenzmatrix 6 auf die Eingänge der IdentifikationsstUfen 7_f mit Hilfe von zeitlich nacheinander eintreffenden Schaltimpulsen, die im Sehaltimpulsgenerator 2 im Rhythmus der Taktimpulse des Taktgebers über Binäretufen und Dekodiermatrizen gewonnen werden.

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e) Getrennte Speicherung der für ein bestimmteβ Gas spezifischen zeitlich nacheinander eintreffenden Hassendichtesignale und Zusammenführen dieser Signale in einer Koinzidenzschaltung zur Gewinnung je eines Alarmsignals einer für jedes Gas pro gr animier ten Identif ikationssch altung.

f) Gewinnung eines Schaltimpulses, dessen Dauer mit der Abtastzeit eines vorgewählten Massenzahlenbereich.es zusammenfällt mit Hilfe von Triggerimpulsen aus dem Schaltimpulsgenerator 2 und Zusammenführurig dieses Schaltimpulses mit dem vom Verstärker 5 gelieferten Massendichtesignal in einer Koinzidenzschaltung zu einem bei Zusammentreffen der beiden vorgenannten Signale entstehenden Auslösesignal für eine Warnung.

g) Gewinnung von Sehaltimpulsen, die mit dem Auftreten von Massendiehtesignalen normaler Luft zusammenfallen und den unter f) gebildeten Sehaltimpuls selektiv austasten.

Zur Erläuterung des Gerätes nach der Erfindung wird dieses mit Hilfe der Figuren 1 bis 7 näher beschrieben. Anhand des Blockschaltbildes nach Figur 1 wird zunächst eine Übersicht über das Gerät gegeben, während in den Figuren 2 bis 7 die erfinderischen Maßnahmen, in Verbindung mit der Beschreibung im Detail erklärt werden.

Der Taktgeber 1 in Figur 1 erzeugt den für die zuverlässige Auswertung erforderlichen streng synchronen Zusammenhang zwischen der Abtastung im Massenspektrometer 4 einerseits und dem Aussortieren der gewonnenen Daten in der Koinzidenzmatrix 6 andererseits.

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Der Generator 3 für die Ionenbeschleunigungsspannung wird vom Taktgeber 1 über den Schaltimpulsgenerator 2 mit Hilfe eines in einem noch näher beschriebenen Rücklaufimpulsgenerator erzeugten Rücklaufimpulses synchronisiert, so daß zwischen dem zeitlichen Verlauf der Ionenbeeehleunigungsspannung und dem im Schaltimpulsgenerator 2 gewonnenen Schaltimpulsen eine eindeutige Zuordnung hergestellt wird. Hierdurch ist jeder Massenzahl beim Abtasten des Massenspektrums ein bestimmter Schaltimpuls zugeordnet. Ist z.B. eine bestimmte Massenzahl "besetzt", "dann fällt die gemessene Massendichte bei dieser Massenzahl mit dem zugeordneten Schaltimpuls zeitlich zusammen und wird in der Koinzidenzmatrix 6 zu den Identifikationsstufen durchgeschaltet, sofern diese Massenzahl für die Identifizierung eines bestimmten Gases interessant und damit angewählt ist. Durch diese eindeutige Zuordnung können in der Koinzidenzmatrix 6 alle interessierenden Massenzahlen angewählt und ihre zugehörigen Massendichtesignale beim Auftreten des gesuchten Gases zu den Identifikatiohsstufen weitergeleitet werden. Dort werden diese zeitlich nacheinander eiltreffenden Massendichtesignale getrennt demoduliert, gespeichert und in einer Koinzidenzschaltung zusammengefaßt, wenn sämtliche vorgewählten Massenzahlen mit ausreichender Massendichte "■besetzt" sind. Ein von dieser Koinzidenzschaltung der Identifikationsstufen 7 erzeugtes Signal löst dann automatisch Alarm aus und zeigt die Art dieses identifizierten Gases an.

Als weitere erfinderische Maßnahme ermöglicht das Gerät eine automatische Überwachung eines vorgewählten Massenzahlenbereiches, innerhalb dessen mit dem Auftreten von gefährlichen Gasen zu rechnen ist, die 'eventuell unbekannt sind und deren Analyse schnellstens durchgeführt werden sollte. 109885/0373*

Me eingehende Beschreibung dieser vom Schalt impulsgenerator gesteuerten Bereichsüberwachung 8 erfolgt anhand von Figur 7.

Figur 2 zeigt das Schaltechema des Ionenbeschleunigungsspannungsgenerators 3 in. ^igur 1.

Der Rücklaufimpuls gelangt über eine Schwellwert-Diode 9 an die Basis des Auflade-Transistors 10 und von dessen Emitter über die Diode 11 zu dem Ladekondensator 12 und lädt diesen auf seine volle Spannung auf. Im Hinlauf» d.h. wenn der Rücklaufimpuls die Spannung Null besitzt, sind der £ransistor 10 und damit die hochsperrende Silizium-Diode 11 gesperrt. Die im Ladekondensator 12 gespeicherte elektrische Ladung fließt über die Widerstände 13a, 13b,-13c, 13d allmählich ab. Die Spannung am Ladekondesator 12 fällt exponentiell ab.

Über die als Impedanzwandler arbeitenden Transistoren 14a, 14b gelangt diese im Hinlauf exponentiell abfallende Spannung als Steuerspannung zu einem Gleichspannungsverstärker, auf dessen. Darstellung in figur verziehtet wurde, und wird dort auf den zur Ionenbesdieunigung erforderlichen Wert verstärkt. Stabilisierte Speisespannungen und hochwertige Einzelteile gewährleisten eine ausreichende Stabilität dieser Steuerspannung. Der exponentiell abfallende Spannungsverlauf verursacht einen exponentiell ansteigenden Verlauf aer Massenzahlen-: SJcala, da sich die Massenzahl zur lonenbeschleunigungsspannung reziprok proportional verhält. Infolge der zeitlich linearen Folge

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der Schaltimpulse werden die hohen Massenzahlen gerafft wiedergegeben, d.h. zwischen der Masaenzahlenakala und der Zeitskala der Sehaltimpulse besteht dann ein durchaus erwünschter logarithmischer Zusammenhang.

•An" Stelle der nach figur 2 erzeugten exponentiell abfallenden kann auch ein anderer Spannungsverlauf der Ionenbeschleunigungsspannung gebildet werden. Z.B. würde tin hyperbolischer Verlauf eine lineare Massenzahlenskala ergeben. Wie mit Hilfe der Gleichungen 2 und 4 später gezeigt wird, ist dem exponentiellen Spannungsverlauf der Vorzug zu geben.

In Figur 3 ist zur Veranschaulichung das etwaige Massenspektrum eines gefährlichen Gases wiedergegeben. Auf der Abszisse sind die Massenzahlen im Bereich m. bis au aufgetragen (z.B. m..=»30| au «■ 130). Die Ordinate wird yon der Maaaendichte belebt. Parallel zur Abszisse ist die zeitliche folge der Schaltimpulse von η » 1 bis η se N gezeichnet (z.B. N =» 224). Die Zuordnung von Maesenzahlen und Schaltimpulsen kommt damit zum Ausdruck. Der erste Schaltimpuls (n * 1) ist in diesem Beispiel der Massenzahl m.., der letzte Schalt impuls (n « H) der Massenzahl Bu zugeordnet.

Dann gilt bei exponentiell fallender Ionenbeschleunigungsspannung die Beziehung zwischen der Massenzahl m und dem Impulsindex n

[n-1

In (1) m» m.. . e

Aus dieser Formel läßt »ich bei vorgegebenem Impulsindex η die eindeutig zugeordnete Massenzahl m berechnen.

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Für die Programmierung der Identifikationsstufen müssen umgekehrt den gegebenen charakteristischen Massenzahlen m.die richtigen Schaltimpulsindices η zugeordnet werden. Dies läßt sich durch .Auflösen der obigen Formel dem Impulsindex η berechnen*

(2) η *= 1 +

Ba η nur ganze Zahlen als Impulsindex annnehmen kann, muß die aus obiger Formel berechnete Zahl η auf die nächstliegende ganze Zahl aufgerundet bzw. abgerundet werden.

In den Figuren 4a und 4b ist die erfindungsgemäSe Anordnung der Dekodiermatrizen zur Gewinnung der Schaltimpulse aus den als Frequenzteiler geschalteten Binärstufen dargestellt. Im Gegensatz zu der bekannten gemeinsamen Matrix, die in diesem Falle von 8 Binärstufen gespeist werden müßte und 8.2= 2048 Matrixelemente (Dioden) bei 256 Schaltimpulsen benötigen würde, sind hier 2 gleichartig aufgebaute Teilmatrizen mit je 4 Binärstufen angewendet. In der in Figur 5 zu besprechenden Koinzidenzmatrix werden dann je ein Ausgang der ersten, als *H"-Matrix bezeichneten Teilmatrix und ein Ausgang der zweiten, als "S"-Matrix bezeichneten i'eilmatrix zur Schaltxmpul Bgewinnung in zeitlicher Folge zusammenge schalt et.

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Durch diese erfinderische Maßnahme reduziert sich der Aufwand an Schaltdioden auf

4 . 2⁴ + 4 . 2* a 128

in den beiden Teilmatrixen und maximal 2 . 256 «512 in der Koinzidenzmatrix für 256 Sehaltimpulse, also insgesamt 640 Dioden. Die Ersparnis an Dioden beträgt in. diesem Beispiel mit '8 Binärstufen und 256 Sehaltzuetänden effektiv 1408 Dioden.

Die Figur 4a stellt den Taktgeber 1 und den Schaltimpulsgenerator 2 aus Figur 1 im Detail dar. Die Taktimpulee werden aus einer frequenzstabilen Sinusschwingung im Taktgeberoszillator 15 (z.B. Quarzoszillator) erzeugt.

Der Schmitt-Trigger 16 formt aus dieser Sinusschwingung Rechteckimpulse mit hinreichend großer Flankensteilheit, die den als Frequenzteiler wirkenden Flip-Flop 17 ansteuern. Der Flip-Flop 17 liefert dann die Taktimpulee als symmetrische Rechteckimpulse hoher Flankensteilheit an die hintereinander geschalteten Frequenzteilerschaltungen (Binärstufen) 18a, 18b, 18c, 18d in Figur 4a und 19a, 19b, 19c, 19d in Figur 4b. Von den ersten 4 Binärstufen 18a, 18b, 18c, 18d gewinnt die ^WR"-Dekodiermatrix 20 eine gleichmäßige Folge τοη 16 "R^M-Schaltimpulsen r,. bis r..g. In gleicher Weise erzeugt die in Figur 4b dargestellte "S"-Dekodiermatrix von den anschließenden 4 Binärstufen 19a, 19b, 19c, 19d eine gleichmäßige Folge von 16 ^"-Schalt impulsen S₁ bis s-g, deren Impulsdauer das I6fache der Dauer der ⁿR^w-Schaltimpulse beträgt. Durch Kombination von je einem

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"R"-Sehaltimpuls und je einem ¹¹S "-Sc halt impuls können • 16 . 16 = 256 Koinzidenz-Schaltimpulse in gleichmäßiger zeitlicher, sich zyklisch wiederholender Folge gebildet •werden. Die Dauer der Koinzidenz-%Schalt impulse entspricht der Dauer der ^WR^W-Schaltimpulse.

Im Flip-Flop 22 in Figur 4b wird über die Gatter 23a, 23b z.B. mit den Triggerimpulsen (r.j s*,-) entsprechend dem 225. Koinzidenz-Schaltimpuls und (r-jgj ^sig) entsprechend dem 256· Koinzidenz-Schaltimpuls, der Rücklaufimpuls erzeugt, dessen Dauer sich in diesem Beispiel vom 225. bis zum 256. Koinzidenz-Schaltimpuls erstreckt. Mit dem 256. .Schaltimpuls werden über den Anschluß 23c die Binärstufen 18, 19 wieder auf ihre Ausgangsstellungen zurückgestellt.

In Figur 5 ist die Koinzidenzmatrix 6 in Figur 1 ausschnittsweise dargestellt. Diese Matrix löst die Aufgabe, die vom Massenspektrometer 4 über den Signalverstärker angelieferten Massendichtesignale mit Hilfe der aus den ^WR^M- und ⁿSⁿ-Hatrizen gewonnenen. Schalt impuls« zu sortieren und damit getrennt auszuwählen.

Wie bei der Beuchreibung von Figur 3 ausführlich erläutert, bestsht erfindungs^emäß eine eindeutige zeitliche Zuordnung zwischen αβη Massenzahlen, und aen Schaltimpulsen. Eine "besetzte" Massenzahl ist dann durch das Auftreten eines von Null verschiedenen Massendiehtesignals gekennzeichnet. Der Zeitbereich des Auftretens dieses Lassendichtesignals fällt dann mit dem Zeitbereich des au dieser Mascenzahl zugeordneten Schaltimpuls©3 zusammen, so daß in der Koinzidenzniatrix in diesem Zeitbereich

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dieses Massendichtesignal zum zugehörigen Anschluß am Ausgang der Koinzidenzinatrix durchgesehaltet wird.

Im Punkt 24 in der Figur 5 wird das vom Signalverstärker 5 in ^igur 1 angelieferte Massendiohtesignal, dessen Efullpegel konstant gehalten sein muß, in die Koinzidenzmatrix eingespeist. Gehört z.B. das Massendichtesignal sur kleinsten Massenzahl des automatisch abgesuchten Massenzahlenberei ches, so fällt es zeitlich mit dem aus (r.jj s-i) in der Koinzidenzmatrix gebildeten ersten Schaltimpuls I. zusammen und wird zum J₁-Ausgang durchgeschaltet. Die Spannung des Massendiehtesignals am Punkt 24 sollte stets kleiner als die Spannung der Schaltimpulse sein, um ein "Abschneiden¹¹ der Signale au vermeiden. Damit ist gewährleistetj daß die Schalt- < impulse I_n (n = 1...224) in ihrer Amplitude der Massendichte proportional sind. " ·

Die Koinzidenzschaltung dieser Matrix gewährleistet, da& nur dann an den Ausgängen I₁ bis I004 ^e*ⁿ Signal auftritt ι wenn ein von Hull verschiedenes Massendichtesignal zeitlieh mit dem zugehörigen. Schaltimpuls, der aeinaysei-tfs aus einem "R"- und einem "S^M-Schaltimpuls gebildet wird, zusammenfällt, für den Fall, daß z.B. das obengenannte, zur Kleinsteii Massenzahl gehörende Massendichtesignal nicht auftritt, entsteht trotz Anwesenheit des aus Cr₁? S₁) gebildeten Schaltimpulses am Ausgang I₁ kein Signal, da die "Signale-Diode über den Punkt 24 in diesem Fall auf Massepotential liegt und das Potential von I₁ auf Null klammert.

Die Gewinnung der weiteren S ehalt impulse ist in/"Figur an den Beispielen (Ig, I~, I^> ¹IT' ¹Ig' ^I224^ ^ausftüir~ lieh demonstriert. Ton den insgesamt 256 möglichen Schaltzuständen wurden 224 für ä±® eigentliche Abtastung

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des Massenspektrums vorgesehen, während der von den restlichen- 32 Impulsen (225 bis 256). in Anspruch genommene Zeitbereieh für den Rücklauf eingeplant ist. In dieser Rücklaufzeit wird die Ionenbeschleunigungsspannung wieder auf ihren Anfangswert gebracht. Ferner weiden nach dem 256. Impuls alle 8 Binärstufen mit Hilfe" eine8 Rückstellsignals auf den Anfangszustand Burückgestellt; so daß für die folgende Abtastperiode wieder die gleiche exakte Zuordnung von Massenzahl und Sehältimpuls sichergestellt ist»

Die Figur 6 zeigt am Beispiel einer auf 3 eharakteristi-

♦ ♦ ♦ ■

sehe Massenzahlen (m.; !„} m*) programmierten Identifikationsstufe die Wirkungsweise dieser in Figur 1 angegebenen Identifikationsstufen einschließlieh Alarmauelösung, qualitativer Anzeige und Gewinnung der quantitativen Aussage in Form der zur besonderstypischen Massenzahl gehördenden"Massendichte (im Beispiel Hu).

Von den hier dargestellten 3 Ausgängen der Koinzidenzmatrix 6 in Figur 1 gelangen bei Anwesenheit des zu

*■ # -tt dieser .Programmierung (my; m₂j nu) gehördenden Gases

die Massendichtesignale getrennt -zu~den Eingängen {25, 26, 27) der Demodulationsstufen. Dort werden nach erfolgter Stromverstärkung in den Impedanzwandlern (28, 29» 30) diese Massendichtesignale demoduliert und die hierbei gewonnenen Rieht spannungen in denliadekondensatoren (31, 32, 33) dieser Demodulatoren über mehrere Abtastperioden gespeichert. Die Zeitkonstante der Demodulatoren sollte mindestens 4 Abtastperioden (das ist etwa die Dauer von 1000"Koinzidenz-Schaltimpulsen bei 256 Impulsen pro Periode) betragen. Dann sind die infolge der Abtastung ursprünglich zeitlich nacheinander eintreffenden Signale in ihren Riehtspannungen gleichzeitig vorhanden und können miteinander zur Koinzidenz gebracht werden. Zu diesem Zweck werden die positiven

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Richtgleiehspannungen an den Ladekondensatoren (31, 32, 33) über die Dioden (34, 35, 36) zur Koinzidenz der-' art gebracht, daß am gemeinsamen Ausgang dieser Dioden nur dann eine positive Spannung auftritt, wenn alle 3 Massendichtesignale eingetroffen sind. Ist dies der Fall, dann öffnet diese positive Spannung den angeschlossenen.Gleichstromverstärker 37a, 37b,■37c, an dessen Ausgang 38 dann eine positive Spannung auftritt, die sowohl einerseits Alarm auslöst und die qualitative Anzeige einschaltet als auch die Betriebsspannung für den Verstärker 39 erzeugt, welcher das zur besonders typischen Massenzahl (im Beispiel m,) gehörende Massendichte signal über seinen Ausgang 39a an eine Rechenanlage für die quantitative Auswertung weiterleitet. Auf die Darstellung der Alarm- und Anzeige-Schaltung .wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

In der Figur 7 ist die Schaltung/zur Bereichsüberwachung der Figur 1 dargestellt. Hier werden über die Gatter (40, 4T) aus ^MR^M- und ^WS^M-Sehaltimpulsen Triggerimpulse zum Ansteuern eines Flip-Flop 42 gewonnen, der für die Abtastdauer des zu:· überwachenden Masseiizahlenbereiches eine positive,Spannung abgeben soll. Dieser Bere ichsschal timpuls soll über die Dioden 43a, 43b mit dem vom Signalverstärker 5 der Figur 1 gelieferten und bei 44· zugeführten Massendichtesignal nur dann in Koinzidenz treten können, wenn dieses Massendichtesignal von üblicherweise nicht in der Luft vorhandenen Gasen erzeugt wird. Die bei normaler Luft auftretenden Massendichtesignale dürfen keine Koinzidenz auslösen. Realisieert wird diese Forderung erfindungsgemäß durch den als Schalter arbeitenden Transistor 45, der z.B. über die drei Gatter (46, 47, 48) und die drei Dioden (49, 50, 51) immer darm von aen^ Schaltimpulsen

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geöffnet wird und den Bereichsschaltimpuls nach. Masse kurzschließt, wenn "bei der Abtastung dea Massenspektrums Solche Massenzahlen abgefragt werden* bei denen in normaler Üuft mit Massendicht©signalen gerechnet werden muß» -Durch diese Maßnahme werden .'beim Abtasten "harm* loser" Massenzahlen die Koinzidenz in dea Dioden 43s» 43b verhindert und ein Ifehlalarm vermieden.

Wenn jedoch außerhalt dieser ^wharmlosen^tt liassehzahlen ein Massendichtesignal auftritt, das auf die Existenz eines ungewöhnlichen und eventuell gefährlichen Q-ases ' · hindeutet, tritt Koinzidenz ein» Dann sehaltet def G-leicli stromverstärker 52a> 52bV 52c ein Warnsignal ein» das eine sofortige Analyse» z»B, durch Übertragen des·Massen«- spektrums von dieser Meßstelle an eine ius«ertezentrale, veranlaßt. Auf die Wiedergabe iiner Schaltung zur Br-Brzeugung eines V/arnsignals wurde verzichtet*·

Die inzahl Έ der Eoinzidenz^Schaltimpulse sollte erfindungsgemäß größer als die durch das AuflösungSfer* mögen a =* X^ ^^eö Massenspektrometer^ und durch den gewählten Massenzahlenbereioh nu ^ m **.&$ begrenäste Anzahl Z der voneinander unterseheidbaren Maasenaahleft sein* Dann treffen auf das Mas sendicht β signal'"«djäuar jeden Massenzahl mehrere Koi-nzidenz-SaJiäi.tintpüiae.1 so daß für das Anwählen einer bestimmte» H^sotngahl aus <iem zugehörigen. MasaendichteiBignal stsit der mit dem Maximum;dieses Signals zeitlieh zmsafflffieatreffea.de Koinztiuenz-Sühaltimpuls. herangezogett werden kann« ist eine optimale Helektibii für die der Identifikationsstufen errei0ht.

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Die Anzahl Z der voneinander unterscheidbaren Massenzahlen läßt sich aus der mit Hilfe der geometrischen Reihe gewonnenen Formel

(3) m₂ ■ » Ia₁ . (-1 + ~

2-1 (z - 1) . In (1 + h

= Di₁ . θ

berechnen«

(4) Z

In (1 + 1

Bin Vergleich der Formel (4) mit der Formel (2) zeigt dieselbe iogarithmisehe Abhängigkeit sowohl des Impulsindex η als auch der Zahl Z von. der Massenzahl. Daraus folgt die Beweisführung, daß die erfindüngsgemäße exponentiell abfallende lonenbeschleunigungsapannung zu einer an jeder Stelle des abgetasteten Massenzahlenbereiohea gleichmäßigen Zuordnung der Eoinzidenz-Schaltimpulse zu den voneinander untersehe!dbaren Mäsöenzähiefe führt. Wenn z.B. am unteren lande des abgetasteten M&Bsenzahlenbereiches auf ein Massendichteaignal insigesamt drei Koinsidenis-Schaltimpulse fallen, dann felleii auch an jeder andereaStelle dieses Bereiches drei Köinäidena-Schaltimpulse auf daß dort entstehende

Die ofeijagenannte erfindungagemäSe Forderung an die Anaahl I der Koinzidenz-Sehalt impulse läßt sich dann mit Hilf e de* Üleiohung (4) in der ITngieiahung (5) präzisitrehi . . ". ■ _: ■ .. ■

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Wenn z.B. der Massenzahlenbereieh von S^ = 30 "bis Mp = 130 abgetastet werden soll und die Auflösung a des Massenspektrometers a = x~ = 100 beträgt, dann folgt aus Gleichung (4) die .Anzahl Z der voneinander in diesem Bereich unteracheidbaren Massenzahlenj

in (1 + ^o ⁾

- ι 4. In 4,34 _ 1 _v ~ ' ⁺ In 1,01 ""

Die obengenannte Anzahl N = 224 der Koinzidenzimpulse erfüllt somit die Ungleichung (5) bei geringstem-Schaltungsaufwand.

Die erfindungsgemäße Selbstkontrolle des Auswertegerät es wird dadurch realisiert* daß in·regelmäßigen Zeitabständen automatisch eine auf charakteristische Massenzahlen der normalen Luft programmierte Identifikationsstufe eingeschaltet wird, die bei richtiger Punktion die Betriebsbereitschaft des in Figur 1 dargelegten Gerätes an eine Zentrale meldet.'

Im Störungsfall treffen nicht mehr alle charakteristischen Massendichtesignale mit ihren programmierten Sclialtimpulsen zeitlich zusammen, so daß keine Koinzidenz mehr möglich ist. Dann wird selbsttätig eine Störungsmeldung an die Zentrale weitergegeben. .

Die Stromversorgung des Grerätes nach der Erfindung sollte mit einem stabilisierten Netzgerät in Verbindung mit einem im Pufferbetrieb angeschlossenen Akkumulator realisiert wenden, um größtmögliche Betriebssicherheit, auch bei längerem Netzausfall, zu garantieren.

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Eine Variante des nach dem Blockschema in ^'igur 1 arbeitenden Gerätes kann erfindungsgemäß dadurch gewonnen werden, daß man die niederfrequenten Massendichtesignale vom Signalverstärker 5 zunächst auf einen hochfrequenten Hilfsträger, dessen'!Frequenz oberhalb des Schaltimpulsspektrums liegen sollte, in ümplitudenmudulation mit Trägerunterdrückung (D8B) aufmoduliert und anschließend die so gewonnenen hochfrequenten Massendiehtesignale der Koinzidenzmatrix zum Aussortieren zuführt.

Ferner kann über geeignete Gatter ein Flip-Flop vom Schaltimpulsgenerator getriggert werden, der innerhalb der Bücklaufzeit ein Synchronsignal aus den Taktgeberimpulsen austastet, so daß eine synchrone Fernübertragung analog zur F.arbf erase hüb ertragung realisiert werden kann. Hierdurch kann das Massenspektrum von jeder Meßstelle an eine Zentrale übermittelt werden. ■

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Claims (1)

1. •Patentansprüche

   "Gerät in Verbindung mit einem Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte vorgewählte G-ase mit Hilfe von bei charakteristischen Massezahlen auftretenden Massendichtesignalen.automatisch identifiziert und angezeigt werden durch die gleichzeitige Anwendung der nachfolgend an Hand von Figur 1 beschriebenen technischen Maßnahmen: · ^

   a) Erzeugen eines Taktimpulses im Saktimpulsgenerator 1 und Ansteuern des Schaltimpulsgenerators

   b) Gewinnung eines Rücklaufimpulses"im Sehaltimpulsgenerator 2 zur synchronen Ansteuerung eines Generators 3 zur Erzeugung der Ionenbeschleunigungsspannung für das Massenspektrometer 4»

   c) Verstärkung der Massendichtesignale im Verstärker

   d) Verteilen der Massendichtesignale aus Verstärker in der Koinzidenzmatrix 6 auf die Eingänge der-Identifikationsstufen 7 mit Hilfe von zeitlich nacheinander eintreffenden Schaltimpulsen, die ™ im Schaltimpulsgenerator 2 im Rhythmus der Taktimpulse des Taktgebers über Binärstufen und Eekodiermatrizen gewonnen'werden.

   e) Getrennte Speicherung der für ein bestimmtes Gas spezifischen, zeitlich naeheinander eintreffenden Massendichtesignale und Zusammenführen dieser Signale in einer Koinzidenzschaltung zur Gewinnung je eines Alarmsignals einer für jedes Gas programmierten Identifikationssehaltung. \ ' ■

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   BADORiGHNAt.

   f) Gewinnung eines Schaltimpulses, dessen Dauer mit der Abtastzeit eines vorgewählten Massenzahlenbereiches zusammenfällt, mit Hilfe von Triggerimpulsen aus dem Schaltimpulsgenerator 2 und Zusammenführung dieses Schaltimpulses mit dem vom Verstärker 5 gelieferten Massendichtesignal in einer Koinzidenzschaltung zu einem "bei Zusammentreffen der beiden vorgenannten Signale entstehenden Auslösesignal für eine Warnung. ' ,

   g) Gewinnung von Schaltimpulsen, die mit dem Auftreten von Massendichtesignalen normaler Luft zusammenfallen und den unter f) gebildeten Schaltimpuls selektiv austasten.

   2") Gerät in Verbindung mit einem Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Schaitimpulse ein Matrizennetzwerk von hintereinandergeschalteten Binärstufen 18a, 18b, 18c, 18d, 19a, 19b, 19c, t9d angesteuert wird, wobei das Matrizennetzwerk in zwei gleichartig aufgebaute Teilmatrizen 20, 21 aufgeteilt ist und die Binärstufen ebenfalls in zwei Gruppen 18a, 18b, 18c, 18d und 19a, 19b, 19c, 19d die Teilmatrizen ansteuern.

   3) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines über mehrere !Pakte des Schaltimpulsgenerators nach Anspruch 2 andauernden Bücklauf impulses eine Binärstufe 22 von den entsprechenden Ausgängen der beiden Teilmatrizen über Koinzidenzgatter 23a und 23b angesteuert wird* . und somit eine feste Süeklaufimpulsdauer festgelegt ist,

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   4) Gerät nacli Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines charakteristischen Ionenbeschleunigungsspannung a Verlaufs., der vom Rücklaufimpulsgenerator nach .Anspruch 3 erzeugte Rücklauf impuls über eine Schwellwertdiode 9 an die Basis eines Transistors -10 geschaltet ist, dessen Emitter über eine weitere Diode 11 mit einem Ladekondensator 12 verbunden ist, an dem parallel Entladewiderstände 13a, 13b»· 13c," 13 d liegen, die über eine Impedanzwandlerstufe 14a, 14b mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung verbunden sind.

   5) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß zur Verteilung der verschiedenen Massendiehtesignale auf ihnen vorbestimmte leitungen die Ausgänge der beiden Teilmatrizen 20, 21,nach Anspruch 2, zusammen mit dem vom Massenspektrometer 4 gelieferten Meßwerten, in einer Matrixsciialtung in Koinzidenz gebracht"werden.

   6} Gerät, nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Identifikation von. bestimmten Gasen, die für diese charakteristischen-Massendichtesignale je auf einen Eingang von gleichartig aufgebauten Demoduiationsstufen 28, 29, 30 geschaltet sind, welche über Speicherglieder 31» 32, 33 und Sehaltdioden 34, 35, 36 an den Eingang eines Gleichstrom Verstärkers 37a, 37b, 37c angeschlossen sind, an dessen Ausgang 38 beim gleichzeitigen Auftreten aller vorgewählten Massendichtesignale ein Alarmsignal abgenommen werden kann, das seinerseits die Kollektorspannung für einen Transistor 39 liefert, an dessen Ausgang 39a das zu identifizierende Gas mit seinem spezifischen Massendichtesignal zur Aus Wertung an eine Hechenanlage scheltet,

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   BAD ORJQIN$> _r ,

   7) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur iTberviachung eines "bestimmten Bereichs der Massendicht e signale, eine von dem Sehaltimpulsgenerator 2, nach Anspruch 2, durch Koinzidenz entsprechender Schaltimpulse gesteuerte Binärstufe 42 derart an. einen Gleichstromverstärker 52a, 52b, 52c angeschaltet ist, daß dieser nur für diesen vorgewählten Bereich ein vom Massenspektrometer 4 geliefertes am Eingang 44 liegendes Massendichtesignal durchschaltet.

   8) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung eines bestimmten Bereiches der Massendichtesignale, der Eingang des Gleichstromver-. stärkers 52a, 52b, 52c, nach Anspruch 7, über einen Transistor 45 nach Masse "geschaltet ist, sobald dieser Transistor über Koinzidenzgatter 46» 47, 48 geöffnet-wird»die vom Schaltimpulsgenerator 2 mit den den Massendichtesignalen von Luft zugeordneten Schaltimpulsen angesteuert werden.

   9) Gerät nach Anspruch 1,.dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die charakteristischen Massendichtezahlen von luft programmierte Identifikationsstufe,nach Anspruch 6, in regelmäßigen Zeitabständen das Gerät selbsttätig überwacht.

   10) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niederfrequenten Massendiehtesignale aus dem Signalverstärker 5 auf einen HP-Träger aufmoduliert sind., dessen Frequenz oberhalb der Sehaltimpuls-"

   , frequenz liegt* .

   10 9.8 SS/.0 37 3

   ■ if

   BAD ORIGINAL

   At

   11) Gerät näoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet»

   • daß bei exponentiell fallender Ionenbeschleunigungs

   • spannung die Massendiehtezahl m und der Impuls-

   • index η nach der Formel - - .

   m = e

   in Beziehung steht.

   12) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Programmierung eier Ident ifikations stuf en die Sehaltimpulsindices η für eine bestimmte Massenzahl m nach der formel

   in S

   zugeordnet sind.

   ^mi

   13) G-erät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung des angewählten Massenzahlenbereiehs, die Anzahl Έ der verwendeten Koinzidenzschaltimpulse größer ist als die Anzahl Z der vom Massenspektrometer 4 auf G-rund seines Auflösungsvermögens a « JL, in diesem Massenzahlenbereich voneinander unterscheidbaren Massenzahlen nach der Formel, >

   Z = 1 +-

   109885/0373