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Gerät zur Messung der Gasionenkonzentration Die Erfindung betrifft
ein Gerät zur Messung der Ionenkonzentration in einem Gas, umfassend ein Kondensatorsystem,
eine Ventilationseinrichtung mit der das Gas an dem Kondensatorsystem vorbei bewegbar
ist, eine Ladeschaltung zum Aufladen des Kondensatorsystems, eine Entladeschaltung,
einen hochohmigen mit dem Kondensatorsystem verbundenen Entladewiderstand und einen
an dem Entladewiderstand angeschlossenen Meßverstärker für ein Anzeigeinstrument,
Die Messung.der Konzentration von Ionen in einem Gas, insbesondere
Buft,ist beispielsweise iu der Klimatechnik, der Medizin, der Biologie, der Meteorologie
und auch in der Kernphysik wichtig. Zur Messung der Gasionenkonzentration sind verschiedene
Methoden bekannt. Die einfachste
Methode ist die Bestimmung der
Entladedauer eines geladenen Elektrometers. Diese Methode ist jedoch sehr ungenau
und umständlich, außerdem erfordert die Messung sehr viel Zeit.
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Wesentlich genauer sind demgegenüber Messungen nach der sog. Aspirationsmethode.
Bei dieser Methode wird ein Gas-oder Luftstrom mit konstanter Geschwindigkeit an
den Elektroden eines geladenen Kondensators vorbeigeführt. Die Elektroden sind an
einer hochohmigen Entladungsachaltung angeschlossen. Die in dem Gas- oder Luftstrom
enthaltenen Ionen werden nun von den Platten mit entgegengesetzter Polarität angezogen
und bewirken dadurch einen Entladungsstrom in der Entladungaschaltung. Die Stärke
dieses Stromes ist ein Maß für die Ionenkonzentration in dem Gas.
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Im allgemeinen enthält die Entladungsechaltung einen hochohmigen Entladungawiderstand,
an dem eine durch den Entladungsstrom hervorgerufene Spannung abfällt. infolge der
außerordentlich geringen Entladungsatromstärke ist diese Spannung ebenfalls sehr
gering. Sie muß deshalb mit Hilfe eines Meßverstärkers verstärkt werden. Bisher
bekannte Meßverstärker weisen als Eingangsstufe eine Elektrometerröhre auf. Die
hat zwar den für diesen Zweck erforderderlichen hohen Eingangswiderstand, sie weist
aber einige bedeutende Nachteile auf, die für ein universell zu verwendendes, unter
Umständen tragbares Gerät sehr ungünstig sind. Eine -Elektrometerröhre benötigt,
wie jede andere Röhre, sowohl eine Heiz- als auch eine Anodenspannung.
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Bei einem tragbaren Gerät müssen deshalb eine gesonderte Heiz- und
Anodenbatterje vorgesehen werden. Außerdem ist eine Elektrometerröhre anfällig gegen
mechanische Erschütterungen. Ferner wirken sich Lichtetrahlungen auf den Gitterstrom
der Elektrometerröhre aus. Bei Inbetriebnahme
muß erst die Heizung
der Elektrometerröhre und dann erst die Anodenspannung eingeschaltet werden. Davon
abgesehen, ist ein mit einer Elektrometerröhre ausgestattetes Gerät auch wegen der
nicht unerheblichen Anheizzeit nicht sofort betriebsbereit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Messung der
Ionenkonzentration in einem Gas so auszubilden, daß es besonders anzeigeempfindlich
ist, eine hohe Meßgenauigkeit aufweist, eine geringe Leistungsaufnahme hat und möglichst
betriebssicher arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird deshalb die ingangsstufe des Meßverstärkers von
einem Feldeffekt- Transistor insbesondere von einem MOS-FET gebildet.
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Ein Feldeffekt-Transistor hat einen außerordentlich hohen Eingangswiderstand,
kleine Abmessungen, ist unempf ndl1ch gegen Lichte. nwirkungen und mechanische Erschütterungen
und hat einen geringen Leistungsbedarf. Der weldeffekt-Transistor läßt sich ferner
direkt an den Kendensstorerektroden anbringen. Das bringt große Vereinfachungen
hinsnchtlich der isolation. Durcii die geringen Abmessungen des Feldeffekt-Transistors
und de e unproblematische Stromversorgung ergibt sich eine erhebliciie Gewichts-
und Raumersparnis.
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Eine besonders große Empfindlichke@t des Meßverstärkers mit einem
Feldeffekt-Iransistor wird dadurch erzielt, da der Feldeffekt-Transistor mi@ seinem
Gate-Anschluß mit dem Entladewiderstand verbunden ist und mit seinem Drain-Anschluß
in einem Zweig einer Brücke liegt, deren andere Brückenzweige von Brückenwqiderständen
gebildet sind, daß über der einen Diagonalen eine Brückenspeisespannungsquelle
liegt
und daß in der anderen Brückendiagonalen das Anzeigeinstrument liegt.
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Gegebenenfalls ist zur Verbesserung des Temperaturverhaltens der Brücke
zweckmäßig, einen der mit dem Feldeffekt-Transistor direkt verbundenen Brückenwiderstände
durch einen weiteren Feldeffekt-Transistor zu ersetzen.
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Zweckmäßigerweise ist die Gate-Vorspannung des Peldeffekt-Transistors
bzw. der Feldeffekt-Transistoren regelbar, um den Arbeitspunk+ einstellen zu können.
Die größte Arbeitsempfindlichkeit der Brückenschaltung liegt dann vor, wenn der
Arbeitspunkt so gewählt ist, daß die Drain-Source-Spannung über dem Feldeffekt-Transistor
bzw. den Feldeffekt-Transistoren gleich der halben Brückenspannung ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des MeßverstErkers besteht
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung darin, daß in der anderen Brückendiagonalen
ferner ein Operationsverstärker liegt, dessen einer Lingangsanschluß über einen
4iderstand an den entsprechenden einen Diagonalpunkt der Brücke führt, daß dieser
eine Eingangsanschluß des Operationsverstärkers über e@nen Widerstand zur Rückkopplung
mit dem Ausgangsansouluß des Operationsverstärkers verbunden ist, daß der Ausgangsanschluß
des Operationsverstärkers ferner mit einem Arbeitswiderstand und dem Anzeigeinstrument
in See liegt, wobei das Anzeigeinstrument mit seinem einen Anschluß an dem entsprechenden
anderen Diagonalpunkt der Brücke liegt und daß, der andere Eingangsanschluß as Operationsverstärkers
ebenfalls an den entsprechenden anderen Diagonalpunkt der Brücke Geschalset ist.
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Zur Meßbereicherneiterung des Gerätes Können in den Erückendiagonalen
noch veränderbare ohm'sche Widerstände vorgesehen
sein Eine weitere
Maßnahme zur meßbereichumschaltung bei dem gerät kann gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung darin bestehen, daß der Entladewiderstand von mehreren wahlweise parallel
schaltbaren Widerständen gebildet ist. Die Werte der prallel zu schaltenden Widerstände
, aus dem der Entladewiderstand gebildet ist, werden zweckmäßigerweise so gewählt,
daß der Gesamtwiderstand jeweils ein geradsahliges Vielfaches des nächst niedrigen
wertes ergibt.
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Zur Vermeidung von griechströmen, die bei normalen Umschaltern infolge
des Schalterabriebs auftreten können und zu Fehlmessungen führen, können die den
Entladewiderstand bildenden Widerstände an einem Ende miteinander verbunden werden,
während die anderen Enden dieser Widerstände jeweils an Federkontakten liegen, welche
voneinander isoliert durch eine Halterung gefuhrt und durch einen Nockenschalter
miteinander kontaktierbar sind. Die Halterung ist zweckmäßigerweise aus einem hochwertigen
Isoliermaterial hergestellt, das vorzugsweise aus Keramik, Teflon oder Saphir besteht.
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Eine vorteilhafte Maßnahme zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann weiterhin
erfindungsgemäß darin bestehen, daß die Gasansaugeinrichtung - wie an sich bekannt
- von einem Ventilator gebildet ist, dessen Drehzahl so geregelt ist, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit
konstant bleibt.
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Ferner können die Flügel des Ventilators zur Einstellung des çasstromes
verstellbar ausgebildet sein.
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Es ist bekannt, das Kondensatorsystem als röhrenförmige Außenelektrode
mit einer konzentrisch in dieser angeordneten kleineren rohrförmigen Innenelektrode
auszubilden.
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Ein Vorschlag zur Verbesserung dieser AußfWhrungsform besteht erfindungsgemäß
darin, daß der gegen die Strömung gerichtete Endteil der Außenelektrode abnehmbar
ist.
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Durch das Abnehmen dieses Teiles wird das Gerät handlicher und kleiner;
das ist insbesondere bei tragbaren Geräten vorteilhaft. Im Betrieb verlängert der
aufgesetzte Endteil die rohrförmige Außenelektrode und fördert dadurch das laminare
Strömungsverhalten des durch die Außenelektrode gefuhrten Gases und schirmt das
Meßsystem gegen äußere Felder ab. Dem gleichen Zweck dient eine bei dem erfindungsgemäßen
Gerät vorgesehef weiterbildende Maßnahme, die darin besteht, daß die gegen die Strömung
gerichtete Stirnkante der Innenelektrode als Schneide ausgebildet ist.
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Damit die Halterung der Innenelektrode in der Außenalektrode nicht
zu Turbulenzen in der Gasströmung führt, kann die Halterung der Innenelektrode von
einem Bügel gebildet sein, welcher - in Strömungsrichtung gesehen - am hinteren
Ende der Innenelektrode angreift, durch die Außenelektrode geführt ist und außerhalb
der Außenelektrode gehalten ist.
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An diesen Bügel werden zweckmäßigerweise das'Gate des Feldeffekt-Transistors
und der Entladungswiderstand unmittelbar angeschlossen.
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Da die Gefahr besteht, daß der Feldeffekt-Transistor bei einer Umpolung
der Polarität des Kondensatorsystems infolge der hohen Umschaltespannungsspitzen
zerstört wird, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Schutzschaltung
für den Feldeffekt-Transistor vorgesehen sein, die diesen während der Umschaltphase
kurzschließt.
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Nachfolgend wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Aufbau der Meßanordnung; Fig.
2 den prinzipiellen Aufbau des als Brücke aufgebsuten Meßverstärkers; Fig. 3 die
Brückenschaltung von Fig. 2, ergänzt durch drei Widerstände zur Bereicherweiterung;
Fig. s die den Entladewiderstand bildenden, parallel zu schaltenden Widerstände
zur Meßbereicherweiterung; Fig. 5 den mechanischen Aufbau des Aspirationssystems;
Fig. 6 die spezielle Schaltung des Operationsverstärkers in der Brücke Fig. 7 eine
andere Ausführungsform der 3@@ @e @ack @@@ Der in Fig. 1 gezeigts prinzipielle Aufbau
der Meßanordnung umfeft ein Aspirationssystems das von einem rohrfö.rmagen Kondensator
gebildet ist. Der Kondensator weist e~-ne rohrformige Außenelektrode 2 und eine
konzentrisch ir; dieser angeogrdnete kleinere rchrförmige Innenelektrode auf. Der
Kondensator erhält durch eine Spannungsquelle -über einen Sntladungswiderstand eine
zorspannung. Das zu untercuchende Gas wird durch den Zwischenenlektrodenraum zwischen
den beiden Elektroden 2 und 7 gesaugt. Dabei werden die Ionen durch die Kondensatorvcrspannung
von den
entsprechenden Kondensatorelektroden angezogen und die Ladung
fließt Uber den Entladewiderstand 5 ab. Jenachdem, ob positive oder negative Ionen
untersucht werden sollen, kann die Spannungsquelle 4 auch umgepolt werden.
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Der über den~Entladewiderstand 5 abfließende Ionenstrom erzeugt einen
Spannungsabfall, der von einem Meßverst&rker 6 verstärkt und am Anzeigeinstrument
7 zur Anzeige gebracht wird. Die Außenelektrode 2 ist geerdet. Dadurch werden Störeinflüsse
infolge äußerer elektrischer Felder weitgehend vermieden.
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In Fig. 2 ist die Ausbildung des Meßverstärkers 6 genauer dargestellt.
Er besteht aus einer Brückenschaltung mit Brückenwiderständen 91/10, 11. In sinem
der Brückanzweige ist statt eines Widerstandes ein Feldeffekt-Transistor 8 vorgesehen,
dessen Gate mit der Innenelektrode 3 und dem Entladewiderstand 5 verbunden ist.
Über der einen Brücke diagonalen zwischen den Diagonalpunkten 12 und 13 liegt eine
Brückenspeisespannungsquelle UO. Der Minuspol liegt dabei an dem Brückendiagonalpunkt
12, an dem auch die Drain-Elektrode angeschlossen ist. Der Pluspol der BrUkkenspeisespannungsquelle
Uo liegt an dem Brückendiagonalpunkt 13. In der anderen Brückendiagonalen zwischen
den Diagonalpunkten 14 und 15 liegen - in Fig. 2 nur prinzipiell angedeutet - ein
Operationsverstärker 16 und ein Anzeigeinstrument 7. Parallel zur 3rückenspeisespannungsquelle
Uo liegt ein opannungsteiler 17, dessen Spannungsteilerabgriff 18 an den Verbindungspunkt
zwiscnen dem Entladewiderstand 5 und der Spannungsquelle 4 liegt. Mit dem Spannungsteiler
17 ist die Gate-Vorspannung und damit der Arbeitspunkt des Feldeffekt-Transistors
8 regelbar. Der Arbeitspunkt ist vorteilhafterweise 50 eingestellt, daß
über
dem Feldeffekt- Transistor die halbe Speisespannung liegt. Dadurch wird erreicht,
daß gleiche positive oder negative Ionenkonzentrationen auch gleich große Zeigerausschläge
an dem Anzeigeinstrument 7 hervorrufen.
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In Fig. Frist gegenüber Fig. 2 der Brückanwiderstand 9 durch einen
weiteren Feldeffekt- Transistor 8a ersetzt, dessen Arbeitspunkt durch die Kombination
der Widerstände 17, 17a, 17b regelbar ist. Auch hier ist es zweckmäßig, wenn der
Spannungsabfall über dem Eeldeffekt- Transistor 8a gleich der halben Speisespannung
ist. Die Brückenschaltung nach Pigy zeigt eine besonders hohe Temperaturkonstanz,
die noch dadurch verbessert werden kann, daß die beiden Feldeffekt-Transistoren
in einem Gehäuse untergebracht sind.
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Damit das Gerät auf verschiedene Meßbereiche umgeschaltet werden kann,
sind zwei Möglichkeiten vorgesehen: Die eine Möglichkeit zeigt Fig. 3. Sie besteht
darin, in der Brücke nach Fig. 2 drei veränderbare ohm'sche Wider--stände 20, 21
und 22 vorzusehen. Diese Widerstände sind gemeinsam umschaltbar.
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Die zweite Möglichkeit zur Meßbereichumschaltung zeigt Fig. 4. Der
Entladewiderstand ist dabei dadurch veränderbar, daß er jeweils aus anderen parallel
zu schaltenden Widerständen 5', 5" oder 5t" gebildet wird. Vorteilhafterweise sind
die Widerstandswerte der Widerstände 5', 5" und 5 " ' so gewählt, daß der Gesamtwiderstand
jeweils ein geradzahliges Vielfaches des nächst niedrigen Wertes ergibt. Eine mechanische
Ausführungsform des Umschaltmechanismus für die Widerstände 5', 5t' und 5"' ist
unter anderem in Fig. 5 gezeigt.
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In Fig. 5 ist insbesondere auch das Aspirationssystem
in
seinen Einzelheiten dargestellt.- Man erkennt hier, im Gegensatz zu Fig. 1, die
rohrförmige Ausbildung der Innenelektrode 3. Zur Erreichung einer möglichst laminaren
Strömung ist die gegen den Gasstrom gerichtete Endkante der Innenelektrode 3 als
Schneide 24 ausgebildet. Aus dem gleichen Grunde ist auch u.a. der gegen die Gasströmung
gerichtete Endteil 25 der Außenelektrode verlängert ausgebildet. Um das Gerät jedoch
möglichst transportabel zu gestalten, kann dieser Endteil 25 abgenommen werden.
Die Ventilationseinrichtung ist von einem - in Gasstromrichtung gesehen - hinter
der Innenelektrode 2 angeordneten Ventilator 23 gebildet, dessen Drehzahl so geregelt
ist, daß die G3sströalungsOeschwsndigkeit konstant bleibt. Die Flügel 27 des Ventilators
23 sind ferner zur Einstellung des Gasstromes verstellbar.
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Die Halterung der Innenelektrode 3 in der Außenelektrode 2 besteht
aus einem Bügel 26, der am - in Gasstromrichtung gesehen - hinteren Ende der Innenelektrode
3 angreift und durch eine Bohrung in der Außenelektrode 2 geführt ist.
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Der Bügel ist außerhalb der Außenelektrode 2 an einem Isolierteil
28 befestigt, das einen sehr hohen Isolationswiderstand aufweist und vorzugsweise
aus keramik, Teflon oder Saphir hergestellt ist.
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Der Feldeffekt-Transistor 8 ist unmittelbar an dem Bügel 26 angeschlossen.
Am gleichen Punkt 29 ist auch das eine Ende der Meßwiderstände 5t, 5" und 5"' angeschlossen.
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Das andere Ende 30, 31 und 32 der Meßwiderstände 5' 5" und "' ist
jeweils mit einer Kontaktfeder 33 verbunden.
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Die einzelnen Kontaktfedern -33 sind voneinander isoliert durch eine
Halterung 34 gefuhrt und durch einen Nocken 35 miteinander kontaktierbar. Die Nockenscheibe
35 und die Halterung 34 sind wiederum aus einem hochwertigen Isoliermaterial,
wie
beispielsweise Keramik, Teflon oder Saphir hergestellt, Der durch die Kontaktfedern
33 und den Nocken 35 gebildete Umschaltmechanismus ist frei von Kriechströmen infolge
Schalterabriebs und arbeitet über sehr lange Zeiten zufriedenstellend. Die Spannungsquelle
4 ist an dem Punkt 32 mit dem Widerstand 5"' verbunden, welcher von den drei Widerständen
5', 5" und 5''' immer eingeschaltet ist.
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In Fig. 6 ist der Diagonalzweig zwischen den Brückenpunkten 14 und
15 mit der Operationsverstärkerschaltung 16 und dem Anzeigeinstrument 7 genauer
dargestellt. Ein Operationaverstärker - in Fig. 6 durch das Dreieck 40 dergestellt
- ist ein Gleiohspannungsverßtärker mit einer sehr hohen Verstärkung. Er weist zwei
symmetrische Eingangsansohlüsse und einen Ausgangsanschluß auf.
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Zur Gewinnung eines Auegengseignales wird das an dem Ausgangsanschluß
vorhandene Potential im allgZmeinen auf ein mittleres Potential bezogen. In dem
in Fig. 6 gezeigten Fall wird das mittlere Potential durch die beiden Brückenwiderstände
9 und 10 aus der BrWckenspeisespannung Uo gebildet, Der von dem Ausgangsanschluß
des Operationsverstärkers 14 abgegebene lusgangestrom erzeugt dann an dem Arbeitswiderstand
41 einen Spannungsabfall und bringt das Anzeigeinstrument 7 zum Anschlag. Zur Ansteuerung
des Operationsverstärkers 40 ist der eine Eingangsanschluß über einen Widerstand
43 an den Brückendiagonalpuokt 14 geführt.
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Des Potential des 3rückendiagonalpunktes 14 ändert sich infolge Aussteuerung
des, in Fig. 6 nicht dargestellten, Peldaffekt-Transistors 8 (siehe Fig.2). Zur
Ersielung einer hohen Meßgenauigteit und Meßkonstanz ist der Operationeverstärker
40 mit einem Widerstand 42 stark gegengekoppelt. Der andere Eingangsanschluß des
Operationeverstärkera
40 ist nun nicht - wie normalerweise üblich
- an ein gesondert gebildetes Bezugspotential gelegt, sondern direkt an den Brückendiagonalpunkt
15 geführt. Die Widerstände 9 und 10 zur Bildung des Bezugspotentials für den Ausgang
des Operationsverstärkers 40 sind nicht sehr niedrig gewählt, um den Stromverbrauch
des Gerätes möglichst gering zu halten. Infolgedessen ändert sich das Bezugspotential
des Diagonalpunktes 15, wenn durch den Widerstand 41 und das Anzeigeinstrument 7
ein Strom fließt. Die Polarität dieser änderung ist 80, daß an dem mit + beæeichneten
Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 praktisch ein Mitkopplungssignal liegt,
das die an dem mit -bezeichneten Eingangsanschluß auftretende Aussteuerung unterstützt.
Auf diese Weise wird eine sehr hohe Meßverstärkung erzielt.
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Patentanscprüche