DE2321405A1 - Vorrichtung zur ueberwachung eines fliessfaehigen mediums - Google Patents

Description

TEXAS INSTRURENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.

Vorrichtung zur Überwachung eines fließfähigen

Mediums

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung eines fließfähigen Mediums und insbesondere auf
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration -verschiedener Bestandteile einer Luft-oder Flüssigksitsprobe.

Die Konsentration verschiedener gasförmiger Bestandteile, aus denen eich die Atmosphäre an verschiedenen Orten
zusammensetzt, ist ein bedeutender Faktor für die Gesundheit, die Sicherheit und das Wohlbefinden der Allgemeinheit geworden. Die zu überwachenden Werte reichen von Prozentwerten bei Bestandteilen wie Sauerstoff bis zu Bruchteilswerten pro Milliarde bei Gasen wie Schwefeldioxid. Die
verfügbaren Analyseverfahren umfassen eine große Vielfalt von Charakteristiken, und wenn überhaupt, kann nur von
wenigen gesagt werden? daß sie universell anwendbar sind· Üblicherweise angewendete Analyseverfahren sind chemische Naßverfahren, thermochemische Verfahren, Gaschromatographie, Massenspektroskopie, optische Spektroskopie mit hohem

Schw/Ba

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Auflösungsvermögen, FouriertransformationsSpektroskopie, Hadamardtransformationsspektroskopie, nichtstreuende Spektroskopie, mit Mikrowellen- und magnetischer Spinresonanz arbeitende Verfahren und elektrochemische Verfahren.Jedes dieser zur Zeit ausgeführten Verfahren weist Nachteile auf; das chemische Naßverfahren erfordert lange Zeitperioden zum Probensammeln für die Verwendung in einer Einrichtung, die nicht automatisiert v/erden kannj thermochemische Verfahren erfordern zeitraubende Verfahren zum Trennen der Bestandteile; die Gaschromatographie erfordert die Verfügbarkeit eines Trägergases; die Massenspektroskopie mit niedrigem Auflesungsvermögen erfordert geschickte Bedienungspersonen_s und es ist ihr nicht möglich, Kohlenmonoxid (CO) von Stickstoff (N₂) zu unterscheiden.Die optische . Spektroskopie mit hohem Auflösungsvermögen erfordert ebenso wie die Fouriertransformationsspektroskopie und die Hadamardtransformationsspektroskopie die Verstärkung umfangreicher Laboreinrichtungen; die meisten verfügbaren nichtstreuenden Spektroskopieeinrichtungen erfordern für jeden zu messenden Bestandteil ein eigenes optisches System,und sie erfordern es, die optische Hardware stapelartig anzuordnen, so daß die Einrichtungen übermäßig unhandlich und teuer werden»

Mit Hilfe der Erfindung soll eine nichtstreuende Vorrichtung zur Überwachung fließfähiger Medien geschaffen werden, die einfach und ,wirtschaftlich zu betreiben ist. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Vorrichtung zur Überwachung fließfähiger Medien soll über große Zeitperioden zuverlässig sein. Ferner soll mit Hilfe der Erfindung eine mit Mehrfachausnutzung arbeitende, nichtstreuende Vorrichtung zur Überwachung fließfähiger Medien geschaffen werden, die einfach geeicht und gewartet werden kann, wobei die Konzentrationen ausgewählter Bestandteile

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einer Probe des fließfähigen Mediums nahezu in Echtzeit angezeigt werden können.

In Weiterbildung der Erfindung wird eine Luftüberwachungsvorrichtung geschaffen, die insbesondere für die Verwendung in explosionsgefährdeten Gebieten wie Minen, Tunnels, Mühlen und dergleichen geeignet ist. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Vorrichtung soll eine kompakte Größe und einen robusten Aufbau aufweisen.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform ist für die Verwendung zum Feststellen und Messen gewünschter gasförmiger Bestandteile einer Luftprobe gedacht. Das zur Feststellung der Bestandteile und zu ihrer Messung angewendete Prinzip ist die Resonanzabsorption und die Anwendung des Beer¹sehen Gesetzes, wo es anwendbar ist. Das Beer*sehe Gesetz drückt die Beziehung zwischen der Intensität (I) bei der Resonanzfrequenz und der Intensität (I₀) in Abwesenheit eines Absorbers folgendermaßen aus:

ι - i_o6 -^ECL (D

Dabei sind E der effektive Extinktionskoeffisient des verwendeten Systems, L die Weglänge und C die Absorberkonzentration. Für so niedrige Werte der Konzentration, des Extinktionskoeffizienten oder der Weglänge, daß ECL < 0,1 ist, kann der Exponentialausdruck in eine unendliche Reihe erweitert und nach dem Glied erster Ordnung abgebrochen werden;dies ergibt

_e-ECL _s ^{2 3}

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Ih diesem Fall ergibt sich durch Einsetzen dieses Ergebnisses in die Gleichung 1

I₀ - I » ECL (3)

Wenn die Bedingung ECL •>/> 0,1 gilt, dann kann der Exponentialausdruck nicht so einfach eliminiert werden, jedoch gilt dann

ln(l_o/l) = InI₀ - InI = ECL (4)

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Gleichungen 3 und 4 auf elektronischem Wege verwirklicht werden. Die erfindungsgemäße Ausführungsform ist zwar für die Feststellung gasförmiger Bestandteile und die Messung der Konzentration von Gasen, die Resonanzabsorption aufweisen, anwendbar, doch ist eine bevorzugte Ausführungsförm für die Verwendung als Überwachungssystem zur Überwachung der Luft in einem Bergwerk gedacht. Somit sind die für die Gesundheit und die Sicherheit der Personals interessierenden Bestandteile, die festgestellt land hinsichtlich ihrer Konzentration gemessen werden sollen, das Element Sauerstoff (Cv,) und die Verbindungen Kohlenmonoxid(CQ), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoffdioxid (NO₂) und Methan (CH^), Mit Ausnahme von Sauerstoff werden diese Gase dadurch festgestellt, daß bestimmt wird, ob in ihren entsprechenden Resonanzabsorptionsbändern eine Aktivität vorhanden ist; die Konzentration dieser zu messenden Gase müssen ihre typischen Konzentrationen enthalten, d„h. Konzentrationen, die zu Explosionen führen oder schädlich für das Personal sind. Die folgende Tabelle I zeigt die Wellenlängen ( λ-Werte),die kritischen Konzentrationswerte und das bei der erfindungsgemäßen Ausführung für die interessierenden Gase angewendete Feststellungsverfahren.

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Das Bezugssignal ( λ-Bezugswellenlänge) Ist für einen später noch zu beschreibenden Zweck eingefügt; es liegt in einer Bandbreite dicht bei den Probenbereichen der Gase, wo jedoch keine Probenabsorption und keine störende Absorption von irgendwelchen anderen Arten auftritt.

Tabelle I
Kritische Konzentrationswerte von Grubengasen

Gas	Proben-λ	Bezugs—λ	Konz.	Verfahren
CH4	3,4 um	4,0	<5.3a	IR
CO	4,6 um	4,0	- <50ppm'b	IR
CO2 NO2	4,3 yum 488θ2	4,0 6328A1	< 5000ppm <5ppm	IR VIS
°2	435δ£		C	Elek.

Kurz gesagt enthält die Ausführungsform nach der Erfindung, die das oben erwähnte Resonanzabsorptionsprinzip verwirklicht einen kompakten, stabilen, tragbaren, einkanaligen, mit Mehrfachausnutzung und Nichtstreuung arbeitenden Gasmonitor mit einem elektrooptischen System. Der optische Teil des Systems enthält eine Lichtquelle, die eine elektromagnetische Strahlung erzeugt,

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die von einem"weißen» optischen System einer bekannten Weglänge durch eine Probenkammer und durch jedes von mehreren Schmalbandfiltern in einem drehbaren Filter-Zerhacker zu einem Strahlaufspalter gelenkt wird, der die im sichtbaren Bereich liegende Energie (für NO₂- Filter und Bezugsfilter für sichtbares Licht) zu einem Detektor und die im Infrarotbereich (für CH^-, CO-, CO₂- und Infrarotbezugsfilter ) zu einem weiteren Detektor sendet. Die Detektoren erzeugen elektrische Probensignale und Bezugssignale einschließlich von Grundlinienbezugssignalen und Filterbezugssignalen für den elektrischen Teil des Systems. Die Probensignale werden automatisch von den Grundlinienbezugssignalen für eine Grundlinienverschiebung eingestellt, und die eingestellten Signale werden mit dem jeweiligen Filterbezugssignal verglichen, damit ein Differenzsignal erhalten wird, das der Konzentration der abgetasteten Bestandteile der Gasprobe entspricht. Die Konzentrationssignale werden iaultiplexiert und elektrisch an eine Alarm- und Anzeigevorrichtung angelegt, die eine Anzeige nahezu in Echtzeit bewirkt. In der Tabelle II sind Näherungswerte feststellbarer Minimalkonzentrationen C_m.„ für Gase in Zellen

min

verschiedenerWeglänge angegeben, wobei zur Trennung der Resonanzabsorptionslinien Schmalbandfilter verwendet werden.

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Tabelle II

Gase	in Zellen mit	cmin	(ppm)	1000
	; verschiedenen	100
	Weglängen		0,033
1 (cm) =		0,33	0,010
Gase	10	0,10	0,033
CO		0,33	0,001
CO2	3,3	0,01
CH4	1,0
NO2	3,3
0,1

Zusätzlich zu dem oben erwähnten Lichtmonitor sind zwei Hilfsmonitore vorgesehen. Erstens wird der Wert von Sauerstoff (O2) mit einer elektrochemischen Zelle gemessen und elektrisch in einen Konzentratiensmaßstab umgesetzt. Zweitens kann der Feuchtigkeitswert entweder in einem gewöhnlichen Feuchtigkeitsmesser zur Erzielung einer Wasserkorrekturkonstante (H₂O) oder mit Hilfe der von der Feuchtigkeit hervorgerufenen Infrarotabsorption bei 1,4, 1,5 oder 2,7 yarn gemessen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 eine Ansicht eines Grubengasüberwachungsgeräts, . wobei zur Verdeutlichung der Darstellung ein Teil des Gehäuses weggebrochen ist,

Fig.2 eine Frontansicht der Anordnung des Filter/Zerhacker-Rades,

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■ ■ . ■- 8 -

Fig.3 ein Blockschaltbild der Elektronik einschließlich der Zusatzsysteme für Sauerstoff und Feuchtigkeit,

Fig.4 ein Schaltbild eines "bei dem erfindungsgemäßen Gerät verwendeten rauscharmen Vorverstärkers,

Fig.5 ein Schaltbild der Abtast- und Speicherschaltungen, die bei dem erfindungsgemäßen Gerät verwendet werden,

Fig.6 ein Schaltbild der bei dem erfindungsgemäßen Gerät verwendeten Differenzverstärker,

Fig.7 ein Schaltbild der bei dem erfindungsgemäßen Gerät . verwendeten Log/Differenzverstärker,

Fig.8 eine TeilSchnittansicht des Filter/Zerhacker-Rades und des Jochs sowie ein Blockschaltbild der synchron arbeitenden Abtast- und Steuereinheit,

Fig.9 ein Schaltbild der synchron arbeitenden Abtast- und Steuereinheit

Fig. 10 ein Diagramm mit den von der synchronen Abtast- und Steuereinheit erzeugten Signalen,

Fig.11 ein Blockschaltbild der Filter-Schwellwertdetektor- und Anzeigeschaltungen,

Fig.12 ein Schaltbild der Filter- und Schwellwertdetektorschaltungen,

Fig.13 ein Schaltbild der Treiberschaltungen für die Alarmanzeigeeinrichtungen,

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Fig. 14 ein Schaltbild der Meßgeräteansteuermchaltung und des Meßgeräteeingabeschalters,

Fig.15 ein Schaltbild des Transimpedanzverstärkers für die SauerstoffÜberwachungszelle,

Fig.16 ein Schaltbild des bei dem erfindungsgemäßen Gerät verwendeten Gehäusetemperaturreglers und

Fig.17 ein Schaltbild des beim erfindungsgemäßen Gerät verwendeten Detektortemperaturreglers.

Das in Fig.1 dargestellte Luftüberwachungsgerät enthält ein in Fächer unterteiltes Gehäuse 2, das beispielsweise aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen mit weniger als Of5% Magnesium hergestellt ist. Das Gehäuse 2 enthält ein Elektronikfach 4, eine Probenkammer 6 mit einer Detektor -und Optikeinheit 8 sowie ein Energieversorgungsfach 10. Das Elektronikfach 4 kann gedruckte Schaltungsplatten mit den unten zu beschreibenden Schaltungen und eine Lichtquelle 12 aufnehmen, die beispielsweise eine Quarz-Jod-Lichtquelle sein kann, die im sichtbaren Bereich und im nahen Infrarotband stark strahlt. Zur Aktivierung der Lichtquelle wird Gleichstromenergie verwendet, damit eine Netzfrequenzmodulation verhindert wird, die unten beschriebene Datensignale einführt. Da die Lichtquelle ein Wärmeerzeuger ist, ist sie abgeschirmt, gerippt und mit einem Kühlkörper versehen, wozu dem Fachmann bekannte Anordnungen verwendet werden, die hier nicht näher beschrieben v/erden müssen.Zur Begrenzung der örtlichen Temperaturen und, wenn notwendig, zur thermischen Steuerung kann ein (nicht dargestelltes) örtliches Gebläse enthalten

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sein. Die Lichtquelle 12 ist durch eine in^ einer Öffnung, in einer Trennwand 16 angebrachte Linse .14 gerichtet« Die Trennwand 16. trennt daä Elektronikfach 4 von der Proben- ;-vr kammer 6 ab.--//;-.- k^-,.-^':"- %^<':Φ=.:^'-^'Λ·\- ^-^^^-'.^y^^^ip-.

Die Probenlcaiimier 6 (Fig.iX enthält ein «weißes« Spiegel·-?^ V^ _ system;18.mit Mehrfachdurcialauf ,das,den optisclien Meßlängen- — -_: weg von der Linie 14 durch die Probenkammer. 6 zu einer_ Linie < -.. 20 bildet, die ,auch, einJFenster für. den Lichtdurchlaß, in- d^e;^ ^: • Detektor-und Optikeinneit 8 bildete Das SpiegeXsystem 18..k-;-,_r" enthält; drei^ sphärisch!'gekrümmte konkaye Spiegel 22, -24 und ' ; 26· mit.dem gleichen Krümmungsradius'.' Die Krümmungsmittelpunk- .^ te der Spiegel 22 und 26 liegen, auf der Vorderfläche des λ ; Spiegels 24, und der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels"24 _: liegt auf halbem Weg zwischen den Spiegeln 22 "und 26." Bei dieser Anordnung reflektiert, der Spiegel .22 das Licht von.-_;^- der Lichtquelle 12 zum Spiegel .24, und der Spiegel- 26 re-^,_;-: flektiert das Licht vom Spiegel 24 zur Linse ZO. Dieser Auf- , . bau des Systems. ergibt"· vier Durchlaufe ehe eine Abbildung -■.. auf der Linse 20 erzeugt wird. Vienn. die Spiegel 22 und 26. ι "^: '■. symmetrisch in einem Winkel so eingestellt sind", daß ihre Krümmungsmittelpunkte dichter beisammenliegen, dann er- ;_: ; füllen gewisse Winkelstellungen die; Geometriebedingungen_; . Γ_ . für einen Mehrfachdurclilauf.- Die zweite Bedingung neben.:-- - '--■ aem_: einfachsten Aufbau ist die,, daß drei Reflexionen am _Λ '. · Spiegel 24 und zwei Reflexionen an jedem der.Spiegel .22 -■■' . _ und: 26 für eine Gesamtzahl von 8 Durchlaufen auftreten" _; müssen. Auf diese Weise können optische Wege mit unter- -λ . -schiedlichen Längen erzielt werden. Die Linsen 14 und 20 ,. müssen für Wellenlängen von 4880 S bis 4,6 um durchlässig.- . -^:

■""■"" -.. - ■ ' ' ·· ■■■'.. ■ / - .""" .'■■--■ sein.Obgleich mehrere Materialien diese Eigenschaften auf- · weisen, wird Kai ζ ium fluor id (CaF₉) als am geeignetsten ange-- '' sehen. Außerdem sind die Linsen beschichtet, damit Vorderflächenverluste auf ein Minimum verringert werden und damit, die

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Durchlässigkeit im interessierenden Spektrarbereich optimiertvird; die Spiegelndes Mehrfachdürchlauf-Spiegel- - systemsJ-sind mit Alumimium telegt und mit Aluminiumoxid ^ > beschichtet, damit di« Reflexionen bei den interessie«: " / renden Wellenlängen maximale-"""Werte annehmend Für die Feststellung und Konzentrationsmessung von Sauerstoff ist in der Probenkammer 6 eine elektroecheiaisclie galvanisehe Zelle 28 untergebrächt«"Es stehen;verschiedene "_: iV: kommerzielle Sauerstoff detektorzelleiizur Verfügung j " ^:vv^ beispielsweise das Modell" PO--16Ö-L der¹ Technplbgi© ·—· Inc· ^ doch ist die Sauerstoff zelle 28 eine galvanische \" Grundzelle, die "auf ein niedriges Potential vorgespannt ist^ damit gewährleistet wird,, daß nur' der Zellensauer->-" stoff "reduziert wird* ;^: : ^^;: Λ --·^: \ '-Ή ^ - :' " %:::-:,_:;

Der Vorstrom j der der Sauerstoffkonzentration direkt ;: - y proportional ist, liegt im Bereich von 0,1 bis 10" Auf diese ¥eise zeigt eine einfache' Messung des Zellen- V " Stroms den prozentualen Anteil des Sauerstoffs - in der-- t . ' Probenkammer 6 an. .- ^Λ ■^{: v} -.-"-""- -'-*" ■;.;' :·;^. '":" -.. ■ .. — "■"·■-· V- '

Zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Luftprobe ist · 'r r,-in der Probenkammer ein Feuchtigkeitsmesser 30 be- · ; '■ ' festigt, der ein Konzentrationskörrektursignal für .' - ' ^; die C0-und N₂0-Signale in einer nachfolgend beschriebenen ' Schwellv;ertdetektorschaltung liefert. Der Feuchtigkeitsmesser 30 kann beispielsweise ein von der Firma Phys-Chemical Research Corp. hergestellte Feuchtigkeitsmesser PCRC-55 sein, doch sind auch andere Feuchtigkeitsmesser im Handel erhältlich; da diese Vorrichtung dem Fachmann · bekannt ist, braucht sie hier nicht näher beschrieben .- ■-.-zu v/erdeh. In die^N Probenkaiiimer. 6 wird über einen Lufteinlaß

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/ ■.■■.-"■"■...·

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(Fig.1) und einen Luftauslaß 34 eine kontinuierliche Luftprobe bezogen, wobei der Einlaß und der Auslaß besonders dafür ausgelegt sind, daß eine aus der Kammer entweichende Flamme auf ein Minimum verringert wird. Ein Lufteinlaß 32 ist mit einem mit einem Flansch versehenen Filterbecher 32 und mit einem mit einem Flansch versehenen Flammenhemmbecher 38 ausgestattet; die beiden Becher sind mit Hilfe eines mit einem Flansch versehenen durchlöcherten Trennteils 40 voneinander getrennt. Der Flammenhemmbecher 38 ist in eine dafür vorgesehene Öffnung im Gehäuse 2 eingeschoben, und das Trennteil 40 ist zusanmen mit dem Filterbecher 36 über den Flammenhemmbecher 38 geschoben und durch Schrauben 42, die sich durch die Flansche in Gewindeöffnungen im Gehäuse 2 erstrecken, am Gehäuse 2 befestigt. Der Filterbecher 36 ist mit einer durchlöcherten Grundfläche 44 ausgestattet, und er enthält einen geeigneten Filter 46, der beispielsweise ein Kunststoffschaumfilter sein kann. Der Flammenhemmbecher 38 ist mit einer durchlöcherten Bodenfläche ausgestattet, und er enthält mehrere Abschirmscheiben 50, die jeweils mittels einer durchlöcherten Platte 52 voneinander getrennt sind. Das mit Löchern Versehene Trennteil 40 macht es möglich, daß durch den Filterbecher 36 und den Flammenhemmbecher 38 Luft in die Probenkammer gezogen wird. Der Auslaß 34 ist gegenüber dem Lufteinlaß in der Wand des Gehäuses 2 angebracht. Der Auslaß 34 ist im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Lufteinlaß aufgebaut; er enthält ebenfalls einen Flammenhemmbecher 54, der im Aufbau dem Flammenhemmbecher am Lufteinlaß entspricht. Der Filter 56 ist unterschiedlich, und er kann irgendein Faserfilter sein, der sich für die Verwendung mit einem Abluftgebläse eignet. Am Auslaß ist ein Abluft-

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gebläse 58 befestigt, damit die Luftprobe in die Probenkammer gesaugt und wieder aus ihr entfernt wird. Ein Raum für die Detektor- und Optikeinheit 8 vollendet die L-förmige Probenkammer 6. .

Die Detektor- und Optikeinheit S (FIg.1 und 2) enthält ein Filter/Zerhacker-Rad 60 , das an eineis Ende einer zentrisch angebrachten Welle 62 befestigt ist, die in (nicht dargestellten), am Gehäuse 2 befestigten Lagern gelagert ist· Am anderen Ende der Welle 62 sitzt eine Riemenscheibe 64, die über einen Zahnriemen 72 mit einer Riemenscheibe 66 in Verbindung steht,die auf dem Anker 68 eines Synchronmotors 70 befestigt ist. Der Synchronmotor 70 dreht sich vorzugsweise mit einerDrehzahl von 1800 Umdrehungen pro Minute, und die Riemenscheiben 64 und 66 sind so ausgelegt« daß sie ein Verhältnis von 47:30 erzeugen iaid das Filter/ Zerhacker-Rad 60 mit 2820 Umdrehungen pi© Minute (47Hz) drehen. Diese Drehzahl wird bevorzugt verwendet, da sie 60-Hz-Störungen vermeidet und die Lebensdauer der beim Antriebssystem für das Filter/Zerhacker-Rad verwendeten Lager auf maximale Werte erhöht.

Das Filter/Zerhacker-Rad 60(Fig.2) enthält Filter 73₉ 74, 75, 76,, 77 lind 78, die gleich weit voneinander und von der Nabe 80 der Welle 62 entfernt sind₅ damit zwischen den Filtern ein Raum für eins Grundlinlenabtastung des Filter/Zerhacker-Rads geschaf£en^lraLr&_s deretwa gleich dem für die Signalabtast'oag verfügbaren Rau® ist. Jedes Filter hat einen solchen. JjizrohmBsser ₉ daß. der Querschnitt des ciarauf fallenden EnergieStrahls etwa ein Drittel des Fllterdurchmssssrs "beträgt ₉ damit eine Abtastung beim Impulsdaehbereick ©Ines imo)

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förmigen Steuersignals oder eines Steuersignals aus Spitzenimpuleen mit abgeflachten Oberenden gewährleistet wird, wie unten noch genauer beschrieben wird, damit eine konstant genaue Abtastung erzielt wird. Die im Infrarotfrequenzbereich verwendeten Filter haben eine Intensitätshalbwert sbreite von 0,15 P_f und die im Sichtbaren Frequenzbereich verwendeten Filter haben eine. Intensitätshalbwertsbreite von 30 2._$ die bei den Bestandteilsfiltern um die Wellenlängen mit starker Absorption und bei den Bezugsfiltern um die niehtabsorMerenden Bereiche liegen* Im einzelnen heißt das folgendes ι Das Bezugsfilter 73 für sichtbares Licht liegt.bei Hl· 15 i bei einer Mittelfrequenz von 6328 £ ; das Kohlenmonoxidfilter 74 liegt bei + 0,075 /um bei einer Mittelfrequenz von 4,6 pm; das Kohlendioxidfilter 75 liegt'bei + 0_f075 jsm bei "einer Mittelfrequens von 4,3 Jim | das Stickstoffdioxidfilter 76 liegt bei + 15 S bei einer Mittelfrequenz von 4880 £ oder 4358 £ das. Bezugsfilter 77 für infrarotes Licht liegt bei + 0,075/uro bei einer'Mittelfrequenz von 4„00 am; das Methanfilter liegt.bei + O_?O75 jam bei einer Mittelfrequenz von 3,4/Uin.

Elektrische Signale zur Mehrfachausnutzung des optischelektronischen Systems zur Abtastung des Filter/Zerhacker- Rades 60 und seiner Filter v/erden laitHilfe einer Blendenanordnung in dem Filter/Zerhacker-Rad 60 erzielt, die mit einem Joch zusammenwirkt _s das nachfolgend erläuterte Lichtquellen und- Wandler trägt« Am Umfang des Filter/ Zerhacker-Rades 60 sind mehrere Start- und Stop-Löcher 82 angebrachte Diese Löcher 82' sind paarweise zwischen den Filtern angebracht, damit Zeitsteuersignale für ein Abtasten des FiIter/Zerhacker-Rades 60 unmittelbar vor der Abtastung des folgenden Filters zur Erzeugung des Grundliniensignals gelMert vrerden_o Eine entsprechende

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Anzahl von Start-und Stop-Löchern 84 befindet sich dicht bei der Nabe 80; diese Löcher 84 sind bezüglich ihres Filters paarweise angebracht, damit Start- und Stop-Signale für ein Abtasten jedes Filters des Filter/Zerhacker-Rades 60 erzeugt werden. Zwischen den Start- und Stop-Löchern 82 und 84 und nach dem Filter 73 ist in dem Filter/ Zerhacker-Rad 60 ein Synchronisierungsloch 86 angebracht, damit ein Synchronisierungssignal zum Rücksetzen der zugehörigen Steuerelektronik nach jeder Umdrehung des Rades erzeugt wird.Das Synchronisierungsloch 86 ist in einer solchen Lage angebracht, daß das Rücksetzsignal im richtigen Zeitpunkt für einen erneuten Ablauf des Abtastvorgangs erzeugt wird. Diese Öffnungen 82, 84 und 86 arbeiten mit Lichtquellen und Lichtdetektoren in einem Joch 88 für das Filter'Zerhacker-Rad 60 zusammen, damit Multiplexsignale erzeugt werden, wie später noch beschrieben wird. Das Joch 88 (Fig.1 und Fig.8) ist am Gehäuse des Überwachungsgeräts so befestigt, daß der die Start- und Stop-Löcher 82 und 84 und das Synchronisierungsloch enthaltende Abschnitt des Filter/Zerhacker-Rades 60 zwischen den Schenkeln 90 und 92 des Jochs verläuft. Die Schenkel 90 und 92 (Fig. 8) sind mit Durchführungen 118, 120 und 122 sowie 118· , 120* und 122» versehen, die in einer Linie mit den Start- und Stop-Löchern 82 und 84 und mit dem Synchronisierungsloch 86 liegen, wenn diese Löcher durch die Schenkel 90 und 92 des Jochs 88 bewegt werden. Zur Vereinfachung des Jochaufbaus ist das Joch außerhalb der von der Signalöffnung 20 ausgehenden optischen Bahn angebracht. Somit liegen die einem gegebenen Filter zugeordneten Zerhackerlöcher von dem Filter entfernt; sie müssen jedoch nicht notwendigerweise um 180° versetzt sein.

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Der Schenkel 90 enthält Lichtquellen 94, die in den Durchführungen 118, 120 und 122 befestigt sind. Der Schenkel 92 enthält als Wandler Phototransistoren 96, die in den Durchführungen 118«, 120* und 122» befestigt sind. Dieses Lihtsystem liefert die BetriebsSteuer- oder Multiplexsignale, wie unten im Zusammenhang mit der Steuereinheit des Systems noch beschrieben wird.

Der optische Weg (Flg.1) der elektromagnetischen Welle verläuft vom Filter/Zerhacker-Rad 60 zu einem Strahlspalter 98, der einen hohen Anteil des sichtbaren Lichts zu einem Detektor 102 reflektiert, während er einen hohen Anteil des einfallenden Infrarotlichts zu einem Detektor 100 überträgt. Der normalerweise verwendete Winkel des Strahlspalters von 45° kann geändert werden, damit die Trennung des sichtbaren Lichts vom Infrarotlicht optimiert wird. Der Detektor 100 (Fig.1) für infrarotes Licht kann aus einem geeigneten Material hergestellt sein, das im gewünschten Frequenzbereich wirksam ist. Zur Grubengasüberwachung wird ein Bleiselinid-Photowiderstandsdetektor (PbSe) verwendet, da sich sein Frequenzbereich über das 4,6 um-Band hinaus erstreckt, das die Infrarotabsorptionsbereiche von Kohlenmonoxid (4,6 um) , Kohlendioxid (4,3yum) , Methan (3,4 ium) und der Fensterbezugsgröße von 4,0um deckt. Der Infrarotdetektor 100 wird zur Erzielung der erforderlichen Empfindlichkeit mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Kühlsystems gekühlt. Ein geeigneter Detektor ist das Modell OTC-12 von Opto-Electronics,. das. einen eingebauten thermischen elektronischen Kühler besitzt, der den Kühlanforderungen des Detektors genügt. Der Detektor 102 für sichtbares Licht

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kann beispielsweise ein Silizium-Sperrschicht-Photodetektor sein, der die Absorption von Stickstoffdioxid (NO₂) bei 4880 Ül und den kurzwelligen Bezugswert im 6328 £ -Fenster mißt. Das Energieversorgungsfach 10 mit einer (nicht dargestellten) Energiezuführung vervollständigt den Innenaufbau des Gehäuses 2.

In der an das Elektronikfach 4 angrenzenden Außen-i wand des Gehäuses ist ein Anzeige- und Bedienungsfeld vertieft angebracht. Das Anzeige- und Bedienungsfeld 104 (Fig.1) enthält den Meßgerätwählschalter 106, das Meßgerät 108, grüne Lampen 110,rote Lampen 112 , einen Prüfsteuerknopx· 114 und einen Lautsprecher 116 für ein hörbares Alarmsignal; die Anzeigeeinrichtungen sprechen dabei auf die unten beschriebenen elektronischen Schaltungen an.

Die im Elektronikfach 4 enthaltenen Schaltungsplatten enthalten die nun zu beschreibenden elektronischen Schaltungen.Die Ausgangssignale des Detektors 102 ('Fig.3) für sichtbares Licht sind an einen Vorverstärker 118 angekoppelt, dessen Grundlinienausgangssignal an eine Abtast- und Speicherschaltung 120, dessen Bezugsausgangssignale an eine Abtast- und Speicherschaltung 122 und dessen NO₂-Abtastsignale an eine Abtast- und Speicherschaltung 124 angelegt sind. In gleicher Weise sind die Ausgangssignale des Infrarotdetektois 100 an einen Vorverstärker 126 angekoppelt, dessen Grundlinienaußgangssignale an eine Abtast- und Speicherschaltung 128 und dessen Bezugs-, CO-, CO₂- und CH/j-Aus gangs signale jeweils an Abtast- und Speicherschaltungen 130, 131, 132 und 133 angelegt sind. Die Abtast- und Speicherschaltungen 120 und 128 liefern nach Empfang von Steuerimpulsen von einer Steuer-

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einheit Eingangssignale für die Abtast- und Speicherschartungen 122 und 124 bzw. für die Abtast- und Speicherschaltungen 130 bis 133.

Es ist festgestellt worden, daß für CO und NO₂ der Exponent (-ECL) der Gleichung (1) durch die erstan zwei Glieder der Taylor-Reihenentwicklung linear angenähert werden kann. Wenn also die Differenz zwischen dem Bezugssignal und dem Abtastsignal gebildet wlrdj entsteht ein Signal, das der Konzentration propori±>nal ist. Daher wird zur Bestimmung der Konzentration der Gase CO und NO₂ ein Differenzverstärker verwendet. Bei den Gasen CO₀ und CH/, sind weder die lineare Näherung noch der logarithmische Ausdruck der Gleichung (4) gültig. Somit können entweder ein Differenzverstärker oder der beschriebene logarithmische Differenzverstärker verwendet werden, deren Ausgangssignale nur bezogen auf die Meßgeräteskala zur Anzeige der Konzentrationen von CO₂ und CH^ den Konzentrationen proportional sind. Daher empfangen der Differenzverstärker 134 und die logarithmischen Differenzverstärker 136 und 138 als eine Eingangsgröße Bezugssignale von der Abtast- und Speicherschaltung 130, wenn diese durch ein Signal von der Steuereinheit getriggert wirdj der Differenzverstärker 140 empfängt als eine Eingangsgröße ein Bezugssignal von der Abtast-und Speicherschaltung 122. Die Abtast- und Speicherschaltungen 131» 132, 133 und 124 werden dann nacheinander von der Steuereinheit getriggert, damit sie für die Differenzverstärker und die logarithmischen Differenzverstärker Eingangssignale folgendermaßen liefern: Die Abtast- und Speicherschaltung 131 liefert an den Differenzverstärker 134 ein Signal, das Kohlenmonoxid anzeigt:

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die Abtast- und Speicherschaltung 132 liefert an den logarithmischen' Differenzverstärker 136 ein Signal, das Kohlendioxid anzeigt; die Abtast- und Speicherschaltung 148 liefert an den logarithiaisehen Differenzverstärker 138 ein Signal, das Methan anzeigt; die Abtast- und Speicherschaltung 136 liefert an den Differenzverstärker 140 ein Signal, das Stickstoffdioxid anzeigt. Die Ausgangssignale derDifferenzverstärker 134 und und der logarithmischen Differenzverstärker 136 und sind Signale, die die Konzentrationen von Kohlenmonoxid (hinsichtlich H₂0-Binflüssen nicht korrigiert) , Stickstoffdioxid, Kohlenstoffdioxid bzw. Methan repräsentieren. Das Kohlenmonoxidsignal aus dem Verstärker 134 wird einem Wasserdampfkorrekturverstärker 141 zugeführt, und die Ausgangssignale der Verstärker 141, 136, 138 und 140 werden als Eingangssignal an Schwellwertfetektor- und Anzeigeschaltungen 142 und an die Klemmen eines Sechsfach-Umschalters 144 gelegt. Da das Filter/ Zerhacker-Rad 60 pro Sekunde 47 Umdrehungen ausführt, wird jeder Bestandteil der Probe in einer Sekunde siebenundvierzigmal abgetastet.

Die zur Messung der Sauerstoffkonzentration der Luftprobe verwendete zusätzliche Sauerstoffüberwachungsschaltung (Fig.3) enthält die Sauerstoffzelle 28. Die Zelle 28 kann eine von vielen im Handel erhältlichen Zellen sein, beispielsweise das Modell PO-I6O L von Technology Inc. Die Zelle 28 ist an eine Vorstromquelle 126 angeschlossen. Das Ausgangssignal der elektrochemischen Zelle 28 hat einen hohen Wert, so daß der Rechenverstärker 148, der in einem Transimpodanz- oder Strombetrieb arbeitet,

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direkt den Strom überwacht. Der Sauerstoffreduktionsstrom durch die Zelle 28 wird durch die Rückkopplungsschaltung des Verstärkers ausgeglichen. Der Verstärker 148 ist mit einer Pegelverschiebungsanordnung 150 ausgestattet, damit ein Spannungswert von 10 Volt für einen vollen Skalenausschlag entsprechend einem Zellenstrom von 1 nA erzeugt wird. Das Ausgangssignal der Pegelverschiebungsanordnung 150 gelangt an die Schwellwertdetektor-und Anzeigeschaltung 142 und an den Schalter 144. Einzelheiten der Schaltung werden später noch genauer beschrieben.

Das Ausgangssignal des Feuchtigkeitsmessers 30 kann zum Korrigieren der Wasserdampfabsorption verwendet werden, die die CO-Messung stören könnte. Der Ablesewert des Feuchtigkeitsmessers kann zusammen mit der Temperatur der Probe zur Feststellung der Konzentration des Wasserdampfs in der Probe verwendet werden. Die Absorption bei 4,6 yum erfolgt wegen der Anwesenheit von CO und H₂O. Die Extinktionskoeffizienten dieser Gase bei 4,6 um unter Verwendung ßines Bandpaßfilters sind mit etwa 3x10 ' (ppm"¹ cm"¹) für CO und 3x10~⁹(ppm"¹cm"¹) für H₂O gemessen worden. Wasserdampfgesättigte Luft bei einer Temperatur von 24⁰C (75°F) enthält etwa 32 000 ppm H₂O. Wenn zwei Gase zur Absorption bei der gleichen Wellenlänge beitragen, dann nimmt die Gleichung, die die übertragene Intensität in Beziehung setzt, die folgende Form an:

1/I₀= exp r-(E_C0C_C0L + E_H20C_H20L )J

In dieser Gleichung sind E die Extinktionskoeffizienten

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C die Konzentrationen und L die Bahnlängen der Probe. I_Q ist die ohne Absorption übertragene Intensität, und I ist die Intensität, wenn Absorption auftritt. Bei einer CO-Konzentration von 50 ppm und einer Bahnlänge von 100 cm, ergibt sich ein Verhältnis von I/l = 0,989. Wenn der der Intensität I_Q entsprechende Sjgnalwert auf 10,000 Volt eingestellt wäre, würde das der übertragenen Intensität entsprechende Signal den Wert 0,890 Volt haben oder die Absorption würde ein Signal von 110 mV zur Folge haben. Von diesem Wert von 110 mV ergeben sich 95 mV infolge der Anwesenheit von HpO und 15 mV infolge der Anwesenheit von CO. Die Kenntnis der H₂0-Konzentration und des Extinktionskoeffizienten von HpO bei 4,6 um erlaubt die Eliminierung des Einflusses von H₂O, und es kann ein Ablesewert erzielt werden, der nur vom CO-Gehalt abhängt. Die im Wasserdampf-Korrekturverstärker 141 von Fig.3 enthaltene Schaltung führt diese Korrektur aus.

Die Ausgangssignale der Schweliwertdetektor- und Anzeigeschaltung 142 werden den roten und grünen Anzeigelampen bzw. 112 und dem Signalhorn 152 zur Abgabe dnes hörbaren Warnsignals zugeführt. Die Ausgänge des Schalters 144 sind an ein Meßgerät 108 angeschlossen, an dem eine Bedienungsperson wahlweise die Konzentrationen der mit Hilfe des Luftüberwachungsgeräts festgestellten Bestandteile ablesen kann. Es ist erwünscht, eine thermische Steuerung des Grubengasüberwachungsgeräts vorzusehen, damit eine Kondensation verhindert wird, wenn das Gerät am unteren Ende ihres Betriebsbereichs (bei etwa -23⁰C (-10⁰F)) betrieben wird und damit der Temperatureinfluß auf den Absorptionskoeffizienten der zu überwachenden Gase begrenzt wird. Es ist daher eine Wärmesteuere£nheit 154

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(Fig.3) vorgesehen, die später noch genauer beschrieben wird. Die Einheit 154 wird geheizt und thermostatisch so gesteuert, daß sie bei 32°C (90⁰F ) oder darüber arbeitet.

Die Energieversorgungsquelle 156 (Fig.3) kann entweder eine Wechselstromquelle oder eine Gleichstromquelle sein» Bei Verwendung einer Wechselstromquelle enthält das Energieversorgungssystem einen Transformator, damit der notwendige Energie wert geliefert wird; bei Verwendung einerGleichstromquelle wird ein Wechselstromwandler als Kopplungseinrichtung mit dem Überwachungsgerät verwendet. Da die Energieversorgung auf irgendeine Art und Weise aufgebaut sein kann, die dem Fachmann bekannt ist, wird sie hier nicht näher beschrieben.

Schließlich ist das Grubengasüberwachungsgerät mit einem Eigenprüfsystem 158 ausgestattet, das eine von O bis zum vollen Skalenausschlag reichende Prüfung für jeden Kanal ermöglicht. Das Eigenprüfsystem kann durch Einstellen des Prüf knopf s 114 am Bedienungsfeld 104 auf "CAL^l! betätigt werden.

Zur Vervollständigung der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die elektronischen Schaltungen einschließlich der Steuereinheit nun im einzelnen genauer erläutert.

Elektronische Schaltungen

Die Vorverstärker 118 jjj

Die Vorverstärker 118 und 126 (Fig.4), die die elektrischen Signale der Wandler 126 verstärken, müssen niedrige "Rauschwerte und eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen. Da sie

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gleich aufgebaut sind, braucht nur einer der Verstärker beschrieben werden. Jeder der Vorverstärker 118 und enthält eine rauscharme Feldeffekttransistor-Eingangsstufe, die mit Hilfe einer Transistorstromquelle optimal vorgespannt ist, damit eine ausreichende Verstärkung zur Ansteuerung eines Rechenverstärkers erzielt wird. Eine Rückkopplung erfolgt dann über einen Widerstandsteiler vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Feldeffekttransistors. Der Stromkreis führt dabei von der Eingangsklemme 16O , die an einen Ausgang eines der Detektoren oder 102 (Fig.1) angekoppelt ist, zu einem Kopplungskondensator 162, dessen eine Seite mit dem Verbindungspunkt 164 der Gate-Elektrode 166 des Feldeffekttransistors 168 und des an Masse liegenden Widerstands 170 angeschlossen ist.Die Drain-Elektrode 172 ist; an den Verbindungspunkt der Drain-Elektrode 176 des Feldeffekttransistors 178 mit dem Kollektor 180 des Leistungstransistors 182 angeschlossen. Die Basis 184 des Leistungstransistors 182 ist mit dem Verbindungspunkt 188 zwischen den an Masse liegenden Widerstand 190 und der Anode einer Diode 192 verbunden. Die Katode der Diode 192 ist über einen Widerstand 194 nit der negativen Seite einer an einer Klemme 196 liegenden Energiequelle verbunden. Der Emitter 198 des Leistungstransistors 182 ist über einen Widerstand 200 an die negative Seite der an der Klemme 196 anliegenden Energiequelle angeschlossen. Die Source-Elektrode 202 des Feldeffekttransistors 168 ist mit einem Verbindungspunkt 204 zwischen der positiven Klemme eines Serienverstärkers 6 und eines Lastwiderstands 208 verbunden, der an der an einer Klemme 210 anliegenden positiven Seite der Energiequelle angeschlossen ist. Die Source-Elektrode 212 des Feldeffekttransistors 218 ist mit einem

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Verbindungspunkt 214 zwischen der negativen Klemme des Rechenverstärkers 206 und eines Lastwiderstandes verbunden, der an die an der Klemme 210 anliegende positive Seite der Energiequelle angeschlossen ist. Die Gate-Elektrode 218 des Feldeffekttransistors 178 ist mit einem Verbindungspunkt 220 zwischen einem an Masse liegenden Widerstand 222 und einem am Ausgang des Rechenverstärkers 206 angeschlossenen Rückkopplungswiderstand 224 verbunden· Dem Rechenverstärker 206 wird Energie von an die Klemmen 196 und 210 anliegenden negativen und positiven Energiequellen geliefert. DerRechenverstärker 206 ist mit einer RC-Rückkopplungsschaltung 226 ausgestattet, die eine Dämpfung (roll-off) zwischen (nicht dargestellten) ersten und zweiten Stufen des Rechenverstärkers 206 bewirkt. Eine zusätzlicheDämpfung des Rechenverstärkers wird mit Hilfe einer Kondensatorrückkopplungsschaltung 228 bewirkt, die vom Ausgang des Rechenverstärkers 206 über die zweite Stufe zurückführt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird am Verbindungspunkt 230 zwischen dein Rückkopplungswiderstand 224 und der Ausgangsklemme 232 abgegeben. Die Bezugszeichen 232 und 232* sollen für die Ausgänge von Verstärkern verwendet werden, die selektive Eingänge für die acht Abtast- und Speicherschaltungen darstellen.

Synchronisierun^sabnehmer-und Steuereinheit

Für die acht Abtast- und Speicherschaltungen von Fig.3 werden sieben Steuersignale zum Öffnen und Schließen ihrer Feldeffekttransistorschalter (Fig.5) verwendet, damit die Abtastsignale vom Abtastteil zum Speicherteil der Schaltung geleitet werden. Zunächst zeigt Fig.8, daß die Lochmuster 82, 84 und 86 des Filter/Zerhacker-Rades 60 von

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den Lichtquellen 94 atigetastet werden, wenn sich das Rad dreht, wodurch Lichtimpulse an die Wandler 96 gelangen, die diese LichtimpulsB in elektrische Signale umwandeln. Diese elektrischen Signale werden in Verstärkern 234, 236 und 238 verstärkt, so daß sie die Impulsverläufe 244, 242 und 240 (Fig.10) "bilden, die zur Bildung der sieben Steuersignale verwendet werden.Das verstärkte Ausgangssignal 244 des Verstärkers 234 (Fig.8) ist an einenBinärzähler 146 mit dem Teilfaktor 12 angelegt; das verstärkte Ausgangssignal 240 des Verstärkers 238 ist an einen Binärzähler 248 mit dem Teilfaktor 2 angelegt; das verstärkte Ausgangssignal 242 des Verstärkers 236 wird zur Bildung eines Synchronisierungselngangssignals für die Binärzähler 246 und 248 einmal pro Umdrehung verwendet. Das Ausgangssignal des Zählers 246 gelangt an einen Decodierer 250, dessen Ausgangssignale 254, 256, 258, 260, 262 und 264 (Fig.10) an die Eingangsklemmen 268 der Abtast- und Speicherschaltungen 131 bis 133, 122, 124 bzw. 130 angelegt sind,, Das Ausgangssignal 270 des durch zwei teilenden Zählers, dessen Verlauf in Fig.10 dargestellt ist, ist an die Abtast- und Speicherschaltungen 120 und 128 angelegt, die die Detektorausgangssignale zwischen den Filterfensterdurchlaß- oder Filterfenstergrundlinienpositionen abtasten. Die synchronen Eingangssignale 242 der Zähler 246 und 248 werden zur Zählerrückstellung einmal bei jeder vollständigen Umdrehung des Filter/ Zerhacker-Rades 60 verwendet. Das Signal 272 gibt die relative abgetastete Signalgröße wieder, wie sie an den Detektoren 100 und 102 erkennbar ist. Das Filterfensterdurchlaßsignal für jedes der Filter 73 bis 78 wird von dein hohen Abschnitt 274 wiedergegeben, während der entsprechende Grundwert vom niedrigen Abschnitt 276 wiedergegeben wird.

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Für eine genauere Beschreibung der Synchronisierungsämehmer- und Steuereinheit wird nun auf Fig.9 Bezug genommen» Die drei Wandler 96 können beispielsweise Phototransistoren sein, deren Emitter 278 an Masse liegen, deren Basis-Elektroden Licht von nicht dargestellten Quellen empfangen und deren Kollektoren 280 an Verbindungspunkte 282 zwischen Lastwiderständen 284, die über Klemmen 286 mit den positiven Seiten von Energiequellen verbunden sind, und Invertiergliedern, die als Verstärker 234, 236 und 238 wirken, angeschlossen sind.Wenn im Normalfall kein Licht auf die Phototransistoren fällt, wird das Eingangssignal der Invertierglieder 234, 236 und 238 auf einer Gleichspannung von +5V gehalten, so daß ein Ausgangssignal mit dem logischen Signalwert 0 erzeugt wird. Wenn auf die Phototransistoren Licht fällt, werden die Eingangssignale der Invertierglieder über die Phototransistoren 96 nach Masse gezogen, so daß die Ausgangssignale den logischen Signalwert 1 annehmen. Wenn das Licht entfernt wird, werden die Phototransistoren gesperrt, so daß die Eingangssignale der Invertierglieder wieder den Wert +5V annehmen, wobei die Ausgangssignale wieder den Signalwert 0 annehmen. Der durch zwölf teilende Binärzähler 246 kann beispielsweise eine integrierte Schaltung der Firma Texas Instruments vom Typ 7493N sein.Die vier JK-Flip-Flops 288, 290, 292 und 294 enthält, die folgendermaßen hintereinander geschaltet sind: Die Taktimpulsklemme des Flip-Flops 288 ist an den Ausgang des Invertierglieds 234 angeschlossen; der Ausgang des Flip-Flops 288 ist mit einem Verbindungspunkt 296 zwischen der Eingangsklemme des Flip-Flopi 290 und der Ausgangsklemme Q1 verbunden;

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der Ausgang des Flip-Flops 290 ist mit einem Verbindungspunkt 298 zwischen dem Eingang des Flip-Flops 292 und dem Verbindungspunkt 300 zwischen der Klemme Q2 und dem air Klemme ϋΠΓ führenden Invertierglied 302 verbunden; der Ausgang des Flip-Flops 292 ist mit einem Verbindungspunkt 304 zwischen dem Eingang des Flip-Flops 294 und einem Verbindungspunkt 306 zwischen der Klemme Q3 und dem zur Klemme 53" führenden Invertierglied 308 verbunden; der Ausgang des Flip-Flops 294 ist mit einem Verbindungspunkt 310 zwischen dar Klemme Q4 und dem zur Klemme OTT führenden Invertierglied 312 verbunden. Die Invertierglieder 302, 308 und 312 können die Invertierglieder eines Sechsfachinvertierers vom Typ 7004 N der Firma Texas Instruments sein. Die Flip-Flops werden bei jeder Drehung des Filter/Zerhacker-Rades 60 (Fig.1) mit Hilfe eines Synchronisierungsimpulses 242 zurückgesetzt, der von dem als Verstärker wirkenden Invertierglied 236 (Fig.9) erzeugt wird, und an eine NAMD-Schaltung 314 angelegt ist, deren Ausgang an die Löschklemmen der vier JK-Flip-Flops angeschlossen ist. lter Decodierer 316 enthält sechs, mit jeweils vier Eingängen ausgestattete NAND-Schaltungen 318,319, 320, 321, 322 und 323, die jeweils sechs Invertierglieder 326, 327,328, 329, 330 bzw. 331 speisen. An den NAND-Schaltungen liegen folgende Eingangsgrößen an; An der NAND-Schaltung 31p die Größen Q1, S2, q5 und Wi ; an der NAND-Schaltung 319 die Größen Q1, Q2, q5 und 0% , an der NAND-Schaltung 320 die Größen Q1, £Ϊ2, Q3 und 0^+ , an der NAND-Schaltung 321 die Größen Q1, Q2, Q3 und OTT ; an der NAND-Schaltung 322 die Größen 0.1, 02", Ö3 und Q4; an der NAND-Schaltung 323 die Größen 0.1, Q2, QlS und Q4. Die Ausgangssignale der Invertierglieder 326 bis 331 sind die in Fig.10 dargestellten

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Rechtecksignale 354, 356, 358, 360, 362 bzw. 364.

Der durch zwei teilende Zähler 248 (pig.9) ist ein einfaches JK-Flip-Flop, beispielsweise ein im Kippbetrieb arbeitendes JK-Flip-Flop 7473 N der Firma Texas Instruments. Das JK-Flip-Flop 248 empfängt als . Eingangssignal die Ausgangsimpulse des verstärkenden Invertierglieds 238,und es empfängt ah seiner Löschklemme das Synchronisierungsimpulssignal des verstärkenden Invertierglieds 236 über das Invertierglied 308, Der Ausgang Q des Flip-Flops erzeugt das Abtast- und Speichersteuersignal 270 (Fig.10) für die Grundlinien, das an die Abtast- und Speicherschaltungen 120 und 128 (Fig.5 ) angelegt ist. _v

Abtast- und Speicherschaltungen

Das nachfolgend beschriebene Signalsystem ist so ausgelegt, daß jedes Signal während jeder Umdrehung des Filter/Zerhacker-Rades 60 nur kurzzeitig vorhanden ist. Damit dieses Signal benützt werden kann, muß es für einen späteren Vergleich mit einem weiteren Meßwert aufgespeichert werden. Daher wird die in Fig.5 dargestellte analoge Speicherschaltung verwendet, die mit "Abtast- und Speicherschaltung" bezeichnet ist. Das in Fig.3 dargestellte Überwachungsgerät enthält acht Abtast- und Speicherschaltungen; da diese Schaltungen jedoch gleichartig aufgebaut sind, wird nur eine beschrieben. Grundsätzlich enthält die Schaltung (Fig.5) einen Verstärker mit geschlossener Rückkopplungsschleife, der bei Empfang eines Eingangssignals auf eine Ausgangsspannung stabilisiert wird, die

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in einem Kondensator gespeichert und somit am Ausgang bereitgehalten wird. Jede der Abtast- und Speicherschaltungen 120 uni128 (Fig.3) besitzt zwei Eingangskleramen , nämlich eine für den Vorverstärkerausgang 232 (Fig.4) und eine zweite Eingangsklemme für den Ausgang 270 der Steuereinheit. Die Abtast- und Speicherschaltungen bis 133, 122 und 124 besitzen einen zusätzlichen Eingang 400^f für Ausgangssignale der Abtast- und Speicherschaltungen 120 und 128. Die für diese Schaltungen zusätzlich erforderlichen Schaltungseinrichtungen sind in Fig.5 mit gestrichenen Bezugszeichen angegeben. Die Eingänge 232 und 400' (Fig.5) führen zu Widerständen 278 bzw. 278·, die Jeweils mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Schleifer und dem Ende des Widerstandes von Potentiometern 280 und 280' verbunden sind; die anderen Enden der Potentiometerwiderstände sind am Verbindungspunkt 284 zusammengeführt. Vom Verbindungspunkt 284 führt die Schaltung zu einem Verbindungspunkt 186 , der zur Verdeutlichung der Darstellung getrennt dargestellt ist und der die negative Klemme eines Verstärkers 288 mit einem Rückkopplungswiderstand 290 der geschlossenen Rückkopplungsschleife der Abtaste und Speicherschaltung verbindet. Die positive Klemme des Verstärkers 288 ist über einen Widerstand 292 mit Masse verbunden. Die Energiezufuhr zum Verstärker erfolgt von einer positiven Energiequelle über eine Klemme 294 und von einer negativen Energiequelle über eine Klemme 296. Ein Abgleich des Flächenverstärkers erfolgt über eine Potentiometerrückkopplungsschaltung mit einem Potentiometer 298, dessen Schleifkontakt 300 an die negative Energieversorgungsklemme 296 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 288 ist mit einem Verbindungspunkt 202 verbunden, der die Drain-Elektrode

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eines Feldeffektschalttransistors 306 mit einem Vorspannungswiderstand 308 verbindet, der seinerseits an einen Verbindungspunkt 310 zwischen der Gate-Elektrode 312 des Feldeffekttransistors 306 und der Anode einer Diode 314 angeschlossen ist. Die Katode der Diode 314 ist mit einem Verbindungspunkt 316 zwischen einem an eine positive Spannungsversorgungsklemme 320 angeschlossenen Lastwiderstand 318 und dem Kollektor 322 eines polaren Transistors. 324 verbunden. Der Emitter 326 des Transistors 324 ist an eine negative Spannungsversorgungsklemme. 328 angeschlossen. Die Basis 330 des Transistors 324 ist an einen Verbindungspunkt 332 angeschlossen, der einen mit der negativen Spannungsversorgungsklemme 328 verbundenen Widerstand 334 mit dem Kollektor 336 eines polaren Transistors 338 verbindet. Der Emitter 340 des Transistors 338 ist am Verbindungspunkt 342 mit einem Ende eines Emitterwider stands 344 und mit einem Verbindungspunkt 346 zwischen einem nach Masse führenden Widerstand 348 und einer Seite eines Kondensators 350 verbunden» Das andere Ende des Widerstandes 344 und die andere Seite des Kondensators 350 sind über einen Verbindungspunkt 352 mit einer positiven Spannungsversorgungsklemme 354 verbunden. Die Basis 356 des Transistors 338 ist an einen Verbindungspunkt 358 angeschlossen, der einen an die positive Spannungsversorgungsklemme 354 angeschlossenen Basislastwiderstand 360 mit einem Widerstand 362 verbindet, der an die Ausgangsklemme 270 der Steuereinheit angeschlossen ist. Die SOurce-Elektrode des Feldeffektschalttransistors 306 ist an einen Verbindungspunkt 366 zwischen einem an Masse liegenden Speicherkondensator 36S und einem mit der Gate-Elektrode 372 eines Feldeffekttransistors 374 verbundenen Widerstand 370 ange-

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schlossen. Die Source-Elektrode 376 des Feldeffekttransistors 374 liegt an der positiven Spannungsversorgungsklemme 294, während seine Drain-Elektrode 378 mit einer negativen Versorgungsspannung an der Klemme 384 und mit der Easis 386 eines Transistors 388 in Verbindung steht. Der Kollektor 390 des Transistors 388 ist an die positive Spannungsversorgungsklemme 294 angeschlossen, und sein Emitter 392 liegt an einem Verbindungspunkt 394, der einen an die positive Spannungsversorgungsklemme 384 angeschlossenen Widerstand 396 mit einem Ausgangsverbindungspunkt 398 zwischen dem Rückkopplungswiderstand 290 und der Ausgangsklemme 400 verbindet.

Differenzverstärker

Die Ausgänge 400 für das Bezugssignal und das N0₂-Signal der Abtast- und Speicherschaltungen 122 und 124 (Fig.3) sind mit dem Differenzverstärker 140 verbunden, und die Ausgänge 400 für das Bezugssignal und das CO-Signal der Abtast- und Speicherschaltungen 130 und 131 sind mit dem Differenzverstärker 134 verbunden.Die zur Bestimmung der (hinsichtlich Wasserdampfstörungen nicht korrigierten) Kohlenmonoxidkonzentration und der Stickstoffdioxidkonzentration verwendeten Differenzverstärker 134 und 140 (Fig.6) sind gleichartig aufgebaut, so daß nur einer dieser Verstärker beschrieben werden muß. Beispielsweise wird ein Bezugssignal (Fig.6) von der Abtast- und Speicherschaltung 122 an einen mit der Eingangsklemme 400 verbundenen Widerstand 402 angelegt, der an einen Verbindungspunkt 4o4 zwischen der negativen Klemme eines Differenzverstärkers 4o6 und einem Rücltkopplungswiderstand 408 angeschlossen ist. In diesem Beispiel wird das Abtast-

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signal der Abtast- und Speicherschaltung 124 an die Eingangsklemme 400* angelegt, an der ein Widerstand 410 angeschlossen ist, der mit einem Verbindungspunkt 412 zwischen einem nach Masse führenden Widerstand 414 und der positiven Klemme des Differenzverstärkers 406 verbunden ist. Die Energiezufuhr zum Differenzverstärker 406 erfolgt von einer positiven Energiequelle über eine Klemme 416 und von einer negativen Energiequelle über eine Klemme 418.Die Hauptanforderung an diesen Differenzverstärker ist eine niedrige Abweichung, weshalb ein Rückkopplungskreis vorgesehen ist, der ein Einstellpotentiometer 420 enthält, dessen Schleifkontakt 422 an die negative Versorgungsspannungsklemme 418 angelegt ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 406 ist mit einem Verbindungspunkt 424 zwischen dem Rückkopplungswidsrstand 408 und einer Ausgangsklemme 426 verbunden.

iQgai-ithmischs Differenzverstärker

Die Ausgänge 400 für das Bezugssignal und das COp-Signal der Abtast- und Speicherschaltungen 130 und 132 sind an den logarithmischen Differenzverstärker 136 angelegt. Die Ausgänge 400 für das Bezugssignal und das CEL-Signal der Abtast- und Spe icher schaltungen 130 und 133 sind mit dem logarithmischen Differenzverstärker 138 (Fig.3) verbunden. Die Ausgangssignale der logarithmischen Differenzverstärker 136 und 138 sind Signale, die den Konzentrationen von CO₂ und CH^ proportional sind«, Da die logarithmischen Differenzverstärker 136 und 138 gleichartig aufgebaut sind, muß hier nur einer beschrieben

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werden. In der bevorzugten Ausführung (Fig.7) enthält Jeder logarithmische Differenzverstärker zwei logarithmische Verstärker 428 und 430; einer dieser Verstärker empfäigt dabei das Bezugssignal, während der andere das Komponentenabtastsignal empfängt. Die Rückkopplungsschaltungen der logarithmischen Verstärker 428 und 430 enthalten aus Siliziumtransistoren bestehende Rückkopplungselemente 432 und 434, die die logarithmischen Kennlinien ergeben. Diese Rückkopplungselemente sind in voraussagbarer ¥eise temperaturabhängig, und sie sind für die hier beschriebene Ausführung geeignet, wenn der Transistor unterhalb des Bereichs gehalten wird, in dem der Bahnwiderstand bedeutsam wird. Die zwei Rückkopplungselemente 432 und 434 sind sorgfältig auf einem Kühlkörper 436 befestigt, so daß ihre Temperaturen gleich sind, damit gewährleistet wird, daß ihre Kennlinien in Abhängigkeit von der Temperatur im Gleichlauf bleiben.Auf diese Weise ändern sich die an die logarithmischen Verstärker 428 und 434 angelegten Rückkopplimgssignale in der gleichen Richtung um einen gleichen Betrag, und sie werden durch einen Differenzverstärker 438 subtrahiert. Das Endergebnis ist eine wirksame Kompensation thermischer Änderungen.

Die Schaltung ist folgendermaßen aufgebaut: Das Bezugssignal wird an die mit einem Widerstand 440 verbundene Eingangsklemme 400 angelegt. Der Widerstand 440 steht mit einem Verbindungspunkt 442 zwisehen der negativen Eingangsklemme des lcgarithtaischen Verstärkers 428 und dem Kollektor 444 des Rückkopplungstransistors 432 in Verbindung. Die positive Klemme des logarithmischen

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Verstärkers 428 liegt an Masse, Das CO₂- oder CH^-Abtastsignal liegt an der Eingangsklemme 40O¹, die mit einem Widerstand 446 verbunden ist. Der Widerstand 446 ist an einen Verbindungspunkt 448 angeschlossen, der die negative Eingangsklemine deiy logarithmischen Verstärkers 430 mit dem Kollektor 450 des Rückkopplungstransistors 434 verbindet«, Die positive Klemme des logarithmischen Verstärkers 430 liegt an Masse. Der Emitter 452 des Rückkopplungstransistors 432 ist mit einem "Verbindungspunkt 454 zwischen einem am Ausgang des logarithmischen Verstärkers 428 angeschlossenen Widerstand 456 und einem Widerstand 458 verbunden. Der Widerstand 458 ist an einen Verbindungspunkt 460 angeschlossen _t der einen Rückkopplungswiderstand 462 mit der negativen Klemme des Differenzverstärkers 438 verbindet. Der Emitter 464 des Rückkopplungstransistors 434 ist an einen Verbindungspunkt 466 angeschlossen, der einen am Ausgang des logarithmischen Verstärkers 430 angeschlossenen Widerstand 468 mit einem Widerstand 470 verbindet. Der Widerstand 470 ist mit einem Verbindungspunkt 472 zwischen einem an Masse liegenden Widerstand 474 und der positiven Klemme des Differenzverstärkers 438 verbunden. Die Basis 476 des Rückkopplungstransistors 432 und die Basis 478 des Rückkopplungstransistors 434 sind gemeinsam an Masse gelegt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 438 ist mit einem Verbindungspunkt 480 zwischen dem Rückkopplungswider stand 462 und einerAusgangsklemme 482 verbunden.

Schwellwertdetektor- und Anzei^eschaltungen

Die Schwellwertdetektor - und Anzeigeschaltung (Fig.3 und Fig.11) enthält Kanäle 1 bis 5 zur Überwachung der Konzentration von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Stickstoff-

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dioxid und Sauerstoff; die entsprechenden Konzentrationssignale werden dabei vom Differenzverstärker 134 und vom Viasserdampfkorrekturverstärker 141, vom logarithmischen Differenzverstärker 136, vom logarithmischen Differenzverstärker 138 , vom Differenzverstärker 140 und von der Pegelverschiebungseinheit 150 der Sauerstoffüberwachungsschaltung hergeleitet. Da alle diese Schaltungen gleichartig aufgebaut sind, braucht hier nur eine mit ihrer Beziehung zu den restlichen Kanälen beschrieben werden. Fig.11 zeigt ein Blockschaltbild einer typischen Schwellwertdetektor- und Anzeigeschaltung, aus dem auch die Beziehung zu den übrigen Kanälen hervorgeht. Ein Konzentrationssignal wird an einen Verbindungspunkt 484 angelegt, der ein Filter 486 für eine Schwellwertdetektor-Alarmschaltung 490, ein Filter 488 für eine Schwellwertfetektorsignalschaltung 498 und einen Pol eines Sechsfachmeßgerätumschalters 144 miteinander verbindet. Die Filter 486 und 488 sollen störendes Rauschen aus dem Signal ausfiltern, damit ein vorzeitiges Ertönen des Alarms oder ein Aufleuchten einer roten Lampe verhindert werden. Das Ausgangssignal des Filters 86 gelangt über die Schwelldetektor alarms chaltung 490 zum Eingang einer mit fünf Eingängen ausgestatteten Oder-Schaltung 492. Die Oder-Schaltung empfängt auch die Alarmsignale von den übrigen vier Kanälen.als Eingangssignale. Ein Signal von einem der fünf Alanndetektoren wird von der Oder-Schätfcung an eine Tonalarmansteuerschaltung 494 angelegt, die eine hörbare Alarmquelle 496 ansteuert. Das Ausgangssignal dos Filters 488 gelangt zu einer Schwellwertdetektorsignalschaltung 498. Ein Alarmsignal wird zu einem Verbindungspunkt 500 geleitet, der eine RotlichtanGteuerschaltung 502 für eine rote Lampe 112 und

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ein Invertierglied 504 verbindet, dessen Ausgang mit einer Grünlichtansteuerschaltung 506 für eine grüne Lampe 110 verbunden ist. Es sei bemerkt, daß fünf rote und fünf grüne Lampen vorhanden sind, Jeweils eine für jeden der fünf Kanäle. Der Meßgerätumschalter 144 empfängt als Eingangssignale die Konzentrationssignale der fünf Kanäle, und eine Bedienungsperson kann den Schalter in die Abschaltstellung drehen (Fig.1), oder sie kann wahlweise eines dieser Konzentrationssignale an eine Meßgeratansteuer« schaltung 508 anlegen, deren Ausgangssignal am Meßgerät 108 (Fig.1) abgelesen werden kann.

Fig.12 zeigt für die Kanäle im einzelnen eines der zwei Filter und eine der Schwellwertdetektorschaltungen 490 und 498 von Fig.11; es sei daran erinnert, daß in dem System fünf Kanäle verwendet v/erden. Die Filter 486 und 488 sind RC-Filter, von denen jedes eine Eingangsklemme 510 aufweist, die mit einem Widerstand 512 verbunden ist, der an einen Verbindungspunkt 514 zwischen einem an Masse liegenden Kondensator 516 und einem mit der positiven Klemme eines Verstärkers 520 verbundenen Widerstand 518 angeschlossen ist. Die negative Klemme des Verstärkers ist an einen Verbindungspunkt 522 angeschlossen, der einen Rückkopplungswiderstand 524 mit einem am Schleifkontakt eines Potentiometers 528 angeschlossenen Widerstand 526 verbindet. Ein Ende des Widerstandes des Potentiometers ist an einem mit einer positiven Bezugsspannung an einer Klemme 532 verbundenen Widerstand 530 angeschlossen, während das andere Ende mit einem Widerstand 534 verbunden ist, der an einer negativen Bezugsspannung an einer Klemme 536 liegt. Der Schwellwert des Verstärkers 520 wird durch Eizellen des Potentiometers 528 eingestellt, das an die stabilen Bezugsspannungen angeschlossen ist. Die Energiezufuhr für den Verstärker erfolgt aus einer

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Quelle für positive und negative Versorgungsspannungen, die an Klemmen 538 bzw. 540 angelegt sind. Der Ausgang des Verstärkers 25 liegt an einem Verbindungspunkt 542 zwischen dem Rückkopplungswiderstand 524 und einem Kopplungswiderstand 544; dieser Kopplungswiderstand 544 ist dabei an einen Verbindungspunkt 546 angeschlossen, der die Basis 548 eines Transistors 550 mit der Katode einer Diode 552 verbindet, deren Anode an Masse liegt. Der Emitter 554 des Transistors 550 ist ebenfalls an Masse angeschlossen, während sein Kollektor 556 mit dem Verbindungspunkt zwischen einem an einer positiven Versorgungsspannung an einer Klemme 562 liegenden Lastwiderstand und einer Ausgangsklemme 564 verbunden ist.

Die Ansteuerschaltungen für. den Tonalarm 596 und die roten und grünen Lampen 110 und 112 von Fig.11 sind gleichartig aufgebaut; daher braucht hier nur eine im einzelnen beschrieben zu werden. Wie aus Fig.11 hervorgeht, sind die Eingangssignale der Ansteuerschaltungen entweder das Ausgangssignal der Oder-Schaltung 492 des Alarmsystems oder die Rotlicht- und Grünlichtsignale der Schwellwertdetektor Signalschaltung 498. Die Eingangsklemme 564^f (Fig.13) ist mit einem Widerstand 566 verbunden, der an einem Verbindungspunkt 568 angeschlossen ist, der einen an Masse liegenden Widerstand 570 mit der Basis eines Transistors 574 verbindet. Der Kollektor 576 des Transistors 574 ist an einen Widerstand 578 angeschlossen, der an einer positiven Versorgungsspannung an einer Klemme 580 liegt. Der Emitter 582 des Transistors 574 ist mit der Basis 584 des Transistors 586 und mit Masse verbunden. Der Emitter 588 des Transistors 586 ist über eine Last 592,

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die entweder vom Tonalarm 496 oder von den roten (112) oder grünen (110) Lampen von Fig,11 gebildet wird, mit der positiven Versorgungsspannungsklemme 580 verbunden.

Der Meßgerätumschalter und die Ansteuerschaltung für die fünf Kanäle von Fig. 11 sind in Fig.14 dargestellt. Die Kanäle 1 bis 5 sind an die Pole des Umschalters 490 angerschloeeen. Der sechste Pol für die Meßgeräteausschaltstellung liegt an Masse. Die Kanalpole des Meßgerätumschalters'490 sind über einen Widerstand 594 mit einem Potentiometer 596 verbunden. Der Schleifkontakt 598 des Potentiometers 596 ist mit einem Verbindungspunkt verbunden, der den Potentiometerwiderstand 602, einen an Masse liegenden Widerstand 6o4 und einen ( der Deutlichkeit halber vom Verbindungspunkt 600 getrennt dargestellten) Verbindungspunkt 6o6 zwischen dem Meßgerät 108 und der Gate-Elektrode 608 eines Feldeffekttransistors 610 miteinander verbindet. Die Drain-Elektrode 612 des Feldeffekttransistors 610 ist mit der negativen Versorgungsspannung an einer Klemme 614 verbunden, und seine Source-Elektrode 616 ist an einen Verbindungspunkt 618 angeschlossen, der die negative Klemme eines Verstärkers 620 mit einem an der positiven Versorgungsspannung an der Klemme 624 liegenden Widerstand 622 miteinander verbindet. Die positive Klemme des Verstärkers 620 liegt an einem Verbindungspunkt 626 zwischen einem mit der positiven Versorgungsspannung an der Klemme 624 verbundenen Widerstand und der Source-Elektrode 630 eines Feldeffekttransistors 632. Die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 232 ist an die negative Versorgungsspannung an einer Klemme 636 angeschlossen, und seine Gate-Elektrode 638 steht über einen Widerstand

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mit dem Schleifkontakt eines Potentiometers 642 in Verbindung. Der Potentiometerwiderstand 644 des Potentiometers 642 ist mit einem Ende Über einen Widerstand 646 mit dner positiven Bezugsspannung an einer Klemme 648 und mit seinem anderen Ende über einen Widerstand 650 an eine negative Bezugsspannung an einer Klemme 652 angeschlossen.

Der Verstärker 620 wird mit Hilfe von positiven und negativen Versorgungsspannungen mit Energie versorgt, die an Klemmen 654 bzw.656 angelegt sind. Der Ausgang des Verstärkers 620 ist mit einem am Meßgerät 108 angeschlossenen Widerstand 658 verbunden. Das Potentiometer 642 wird am Anfang zur Nullstellung des Meßgeräts (oder zur Einstellung der Verstärkerabweichung) verwendet, und das Potentiometer 596 ist am Anfang so eingestellt, daß für ein maximales Eingangssignal ein über die gesamte Meßgeräteskala reichender Ablesewert erzielt wird, der beim beschriebenen System 10V beträgt.

Transimpedanzverstärkerschema für die Sauerstoffdetektorzelle.

Die elektrochemische galvanische Zelle 28 (Fig.15) wird von einer positiven Gleichstromenergiequelle , beispielsweise einer Batterie 146, deren ne^ive Klemme an Masse liegt, mit Vorstrom versorgt. Der Ausgang der elektrochemischen galvanischen Zelle 28 ist an einen Verbindungspunkt 660 angeschlossen, der einen Rückkopplungswiderstand mit der negativen Klemme des Verstärkers 148 verbindet. Die positive Klemme des Verstärkers 148 liegt an Masse; zur Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers auf

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Null wird ein Potentiometer 664 verwendet, dessen Schleifkontakt mit einer negativen Versorgungsspannung an der Klemme 666 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 148 liegt an einem Verbindungspunkt 668, der den Rückkopplungswiderstand 662 mit einem Ende eines Widerstandes 669 verbindet, dessen anderes Ende an einen Verbindungspunkt 670 zwischen einem Rückkopplungswiderstand 684 und der negativen Klemme efaes Verstärkers 674 der Pegelverschiebungseinheit 150 (Fig.3) angeschlossen ist. Die positive Klemme des Verstärkers 674 ist mit einem an Masse liegenden Widerstand 676 verbunden. Der Verstärker 674 ist mit einem Einstellpotentiometer 678 versehen, dessen Schleifkontakt mit einer negativen Versorgungsspannung an einer Klemme 680 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 674 liegt an einem Verbindungspunkt 682 zwischen einem Rückkopplungswiderstand 684 und einer Ausgangsklemme 686.Die Abgabe des. Ausgangssignals der Pegelverschiebungseinheit 150 erfolgt über die Ausgangsklemme 686 zur Schwell- wertdetektor- und Anzeigeschaltung 142.

Chassistemperaturregelung

Zum Herabsetzen der Einflüsse von Temperaturänderungen auf das Grubengasüberwachungsgerät ist das System für einen optimalen Betrieb bei einer minimalen Tempratur von 32⁰C (90⁰F) ausgelegt worden. Daher wird das Gehäuse 2(Fig.1) von mehreren Streifenheizelementen auf einer Minimaltemperatur von 32⁰C gehalten, die von der in Fig.16 dargestellten Schaltung angesteuert und geregelt v/erden. In dieser Schaltung ist ein Thermistor 688 enthalten, der mit einem Ende über einen Widerstand 720 an die positive Klemme einer Versorgungespannungsquelle 706 und mit seinem anderen Ende an einem Verbindungspunkt 690 angeschlossen ist, der den Kollektor

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eines Konstantstromtransistors 694 mit einem Verbindungspunkt 696 zwischen einem Rückkopplungswiderstand 698 und der negativen Klemme eines Verstärkers 700 verbindet. Der Emitter 702 des Transistors 694 liegt an einem Widerstand 704, der an die negative Klemme der eine Wechselspannung von + 15V abgebenden Versorgungsspannungsquelle 706 angeschlossen ist. Die Basis 708 des Transistors 694 ist an einen Verbindungspunkt 710 angeschlossen,der einen über einen veränderlichen Widerstand 714 mit Masse verbundenen Widerstand 712 mit der Katode einer Diode 716 verbindet, deren Anode über einen Widerstand 718 mit der negativen Klemme der Versorgungsspannungsquelle 706 verbunden ist.

Die positive Klemme des Rechenverstärkers 700 liegt über einem Widerstand 726 an Masse. Zur Verstärkungseinstellung des Rechenverstärkers 700 ist ein Potentiometer 724, dessen Schleifkontakt an die positive Klemme der Versorgungsspannungsquelle 706 angeschlossen ist, parallel zur ersten und zur zweiten Stufe des Rechenverstärkers geschaltet. Der Ausgang des Rechenvergtärkers 700 ist mit einem Verbindungspunkt 728 zwischen dem Rückkopplungswiderstand 698 und einem Ende eines Widerstandes 730 verbunden. Das andere Ende eines Widerstands 730 ist an einen Verbindungspunkt 732 angeschlossen, der die Katode einer Zero?diode 734, deren Anode an Masse liegt, und die negative Klemme einer NAND-Schaltung 736 verbindet.Die positive Klemme der NAND-Schaltung 736 empfängt eine Reihe von positiven Impulsen, die als differenziertes und abgeschnitten Ausgangs signal eines

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Vergleichsverstärkers 738 erzeugt wird, der eine Versorgungsenergie und seine Eingangssignale von der Versorgungsspannungsquelle 706 empfängt.

Die Schaltung ist folgendermaßen aufgebaut: Eine mit einer an Masse liegenden Mittelanzapfung versehene Spule 740 ist ätt die Versorgungsspannungsquelle 706 angeschlossen, damit einem Wider stand 742 positive Halbwellen zugeführt werden, der an einen Verbindungspunkt 744 zwischen einem an Masse liegenden Widerstand 746 und der negativen Klemme des Verstärkers 738 angeschlossen ist.Die positive Klemme des Verstärkers 738 steht über einen Widerstand 741 mit Masse in Verbindung. Eine negative Energiequelle wird an den Verstärker 738 von der negativen Klemme der Verjsorgungsspannungsquelle 706 angelegt. Eine positive Versorgungsenergie erhält der Verstärker über einen Verbindungspunkt 748, der einen an der positiven Klemme der Spannungsversorgungsquelle 706 liegenden Widerstand 750 mit einem Klemmverbindungspunkt 752 zwischen der Katode einer Zenerdiode 754, deren Anode an Masse liegt, und einem ebenfalls an Masse liegenden Kondensator 756 verbindet. Der Ausgang des Vergleichsverstärkers 738 ist mit einer Differenzier- und Begrenzungsschaltung verbunden, die einen Kondensator 758 enthält, der an einen Verbindungspunkt 760 angeschlossen ist. Dieser Verbindungspunkt 760 verbindet die positive Klemme der NAND-Schaltung 736 mit einem Verbindungspunkt 762 zwischen einem an Masse liegenden Widerstand 764 und der Katode einer Diode 766, deren Anode ebenfalls an Masse liegt. Die NAND-Schaltung liefert einen Triggerimpuls an die Basis 768 eines Transistors 770. Der Emitter 772 des Transistors 770 ist an einen Widerstand 774 angeschlossen, der mit einer positiven Versorgungsspannungsquelle an einer Klemme 776

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in Verbindung steht· Der Kollektor 778 des Transistors 770 ist mit der positiven Seite einer Primärwicklung 780 eines Impulstransformators 782 verbunden. Die negative Seite der Primärwicklung 780 ist über einen Widerstand 784 an Masse gelegt. Das negative Ende der Sekundärwicklung 786 des Impulstransformators 782 ist mit einem Element eines Triac 788 verbunden, während ihr positives Ende mit einem Verbindungspunkt 790 zwischen einer Klemme 792 einer 115V-Wechselspannungsquelle und einem weiteren Element des Triac 788 verbunden ist. Der Triac 788 gibt sein Ausgangssignal über einen Heizwiderstand 794 an die Klemme 796 der 115V-Wechselspannungsquelle ab. In dieser Anordnung wird die Wechselstromenergie dem Heizwiderstand 794 nur beim Nulldurchgang des Weehselstromnetzes zugeführt, so daß Stromeinschwingvorgänge und HF-Störungen in der Energieversorgung eliminiert werden.

Temperaturregelung des Bleiselenid-Photowiderstandsdetektors

Der Detektor 100 (Fig.1) kann beispielsweise ein Bleiselenid-Päotowiderstandsdetektor sein, und er enthält eine Photowiderstandszelle, eine thermisch-elektrische Kühlvorrichtung und einen Thermistor. Diese Zelle kann Lichtintensität feststellen; für einen richtigen Betrieb muß sie gekühlt und auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Die thermisch-elektrische Kühlvorrichtung bewirkt die Kühlung des Detektors, und sie wird mit einem Thermistor (Fig.17) geregelt, der zum Überwachen der Detektortemperatur für dessen Temperaturregelung dicht beim Detektor befestigt ist.Die Schaltung für die Detektortemperaturregelung ist in Fig.17 dargestellt. Eine Gleichspannung wird in der üblichen Weise aus einer Viechseistromquelle gewonnen;

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das bedeutet, daß die Wechselstromquelle an einen Transformator 798 eines Vollweggleichrichters über Klemmen 800 und 802 angelegt ist· Die Sekundärwicklung 804 liegt mit einer Mittelanzapfung an Masse. Die positive Klemme der oberen Hälfte der Sekundärwicklung ist an einem Verbindungspunkt 806 zwischen den Emitter eines Transistors 810 und einem Ende eines Widerstandes angeschlossen. Das andere Ende des Widerstandes 816 liegt an der Basis 824 eines Transistors 822. Die negative Klemme der unteren Hälfte der Sekundärwicklung 804 ist an einen Verbindungspunkt 818 angeschlossen, der den Emitter 820 des Transistors 822 mit einem Ende eines Widerstandes verbindet. Das andere Ende des Widerstandes 814 ist an die Basis 826 des Transistors 810 angeschlossen» Der Kollektor 828 des Transistors 810 ist an einen Verbindungspunkt angeschlossen, der den Kollektor 832 des Transistors und einen Filteranschlußpunkt 834 zwischen einem an Masse liegenden Kondensator 836 und einem Ende einer Spule verbindet. Das andere Ende der Spule 838 ist mit einem Verbindungspunkt 840 zwischen einem an Masse liegenden Kondensator 842 und einem weiteren Verbindungspunkt 844 verbunden, der eine Kühlvorrichtung 846 mit dem Kollektor 848 eines Impedanzanpassungstransistors 850 verbindet. Die Basis 852 des Transistors 850 ist an eine thermistorgesteuerte Vorspannungsschaltung angesbhlossen, die eine Brücke 854 mit einem Thermistor.856 enthält. Ein Ende des Thermistors 856 ist mit einem Verbindungspunkt 858 zwischen einem Widerstand 860, der mit einer positiven Versorgungsspannung an einer Klemme 862 liegt, und einem Ende eines Brückenwiderstandes 864 verbunden. Das andere Ende des Brückenwiderstandes 864 ist an einen Verbindungspunkt 866 angeschlossen, der den negativen Rückkopplungskreis

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eines Verstärkers 868 mit einem Ende eines Brückenwiderstandes 870 verbindet. Das andere Ende des Brückenwiderstandes 870 ist an einen Verbindungspunkt 872 angeschlossen, der einen Widerstand 874, der an eine an einer Klemme 876 anliegende negative Versorgungsspannung angeschlossen ist, und ein Ende eines Brückenwiderstandes 878 miteinander verbindet. Das andere Ende dieses Brückenwiderstandes 878 ist mit einem Verbindungspunkt 880 zwischen dem Thermistor 856 und der positiven Klemme des Verstärkers 868 verbunden. Der Thermistor 856 ist in die Widerstandsbrücke so eingeschaltet, daß die Brücke seine temperaturabhängigen Widerstandsänderungen feststellt; die Änderung wird dann vom Verstärker 868 verstärkt. Der Verstärker 868 v/ird von positiven und negativen Versorgungsspannungen gespeist, die an die Klemmen 862 und 876 angelegt sind.Eine Einstellung des Verstärkers kann mit Hilfe eines Potentiometers 882 durchgeführt werden, dessen Schleifkontakt mit der an der Klemme 876 anliegenden negativen Versorgungsspannung verbunden 1st. Der Ausgang des Verstärkers 868 liegt an einem Verbindungspunkt 884, der einen Widerstand 868 mit einem RückkopplungsanschluS 888 an einem Ende eines Widerstandes 896 und einer Seite eines Kondensators 892 verbindet. Das andere Ende des Widerstandes 896 und die andere Seite des Kondensators 892 sind an einem Verbindungspunkt 894 zwischen den Brückenanschluß 866 und der negativen Klemme des Verstärkers 898 angeschlossen. Das andere Ende des Widerstandes 886 ist mit einem Verbindungpunkt 896 verbunden, der die Anode einer Diode 898, deren Katode an Masse liegt, mit einem an die Basis 852 des Transistors 850 angeschlossenen Basiswiderstand 900 verbindet. Der Emitter 902 des Transistors 850 liegt am Verbindungspunkt 904 eines an Masse liegenden Widerstandes

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906 und der Basis 908 eines Transistors 910. Der Emitter 912 des Transistors 910 liegt an Masse, und der Kollektor 914 ist an einen Verbindungspunkt 916 zwischen einem an Masse liegenden Widerstand 918 und der thermischelektrischen Kühlvorrichtung 846 angeschlossen.

Im Betrieb wird das Gmbengasüberwachungsgerät in einem . Bergwerksschacht angebracht ₉ und das Gebläse 58 wird eingeschaltet, damit die abzutastende Luft durch die Probenkammer 6 gezogen wirdo Die Lichtquelle 12 wird eingeschaltet, damit sie infrarotes und sichtbares Licht über das in der Probenkammer 6 enthaltene weiße Optiksystem 18 durch die Luftprobe zum Filter/Zerhacker-Rad 60 schiebt, das ein Bezugsfilter 73 für sichtbares Licht und ein Bezugsfilter 77 für infrarotes Licht sowie ein Detektorfilter 74 für C0_e ein Detektorfilter 75 für CO₂, ein Detektorfilter für NO₂ «ad ein Detektorfilter 78 für CH₄ enthält. Das Filter/Zerhacker-Rad 60 wird mit einer Drehzahl von 47 Umdrehungen pro Sekunde gedreht, damit für ^edes Filter und für die auf dem Filter/ Zerhaeker-Rad 60 zwischen den Filtern liegenden Bereiche eine Abtastfrequenz von 47 Hz erzeugt wird. Einmal während jeder Umdrehung lassen das Bezugsfilter 73 für sichtbares Licht und das Bezugsfilter 77 für infrarotes Licht das die Luftprobe durchdringende ."sichtbare und -infrarote Licht durch. Die Filter für die einzelnen Bestandteile lassen Licht in den starken Absorptionsbäadern der zu messenden Bestandteile der Luftprobe duroho Die zwischen den Filtern liegenden Bereiche des Filter/Zerhacker-Rades wirken als schwarze Körper, und sie übertragen Energie lediglich in Abhängigkeit γοη der Temperatur. Die vom Filter/Zerhacker-Rad durchgelassene Energi© gelangt zu einem

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Strahlspalter, der das sichtbare Licht in den Detektor 102 für sichtbares Licht und das infrarote Licht in,den Detektor 100 für infrarotes Licht reflektiert. Diese beiden Detektoren erzeugen elektrische Ausgangssignale für Schaltungen, die von Steuersignalen aus der Steuereinheit gesteuert und multiplexiert werden. Die Steuereinheit bewirkt dabei eine Zählung und Decodierung der von den Lichtdetektoren erzeugten elektrischen Impulse, die das durch die im Filter/Zerhacker-Rad 60 angebrachten Öffnungen fallende Licht von Lichtquellen empfangen.

Die Steuereinheit erzeugt die Signale 254, 256, 258, 260, 262, 264 und 270 für eine entsprechende Abtastung der Filter und des Grundlinienbereichs des Zerhackerrades in der folgenden Weise: Während des ersten Rechteckimpulses des Signals 270 wird das Filter/Zerhacker-Rad 60 von der Abtast- und Speicherschaltung 128 abgetastet, und eine Grundlinienspannung wird an einem Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 131 gehalten. Während des Rechteckimpulses des Signals 254 wird dann das CO-Filter 74 an einem weiteren Eingang der Abtast-und Speicherschaltung 131 abgetastet, und eine eingestellte CO-Spannung, d.h. eine Spannung, die gleich der Differenz zwischen der CO-Pilterspannung und der Grundlinienspannung ist, wird an einem Eingang des Differenzverstärkers 134 gehalten. Während des zweiten Rechteckimpulses des Signals 270 wird das Filter-Zerhacker-Rad 60 von der Abtast- und Speicherschaltung abgetastet, und an einem Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 132 wird eine Grundlinienspannung festgehalten; während des Rechteckimpulses des Signals 256 wird dann das 75 an einem weiteren Eingang der Abtast- und

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Speicherschaltung 132 abgetastet, und eine eingestellte C0₂-Spannung wird an einem Eingang des logarithmischen Differenzverstärkers 136 festgehalten. Während des dritten Rechteckimpulses des Signals 270 wird das Filter/Zerhakker-Rad 60 erneut von der Abtast- und Speicherschaltung 128 abgetastet, und an einem Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 133 wird eine Grundlinienspannung festgehalten. Während des Rechteckimpulses des Signals 258 wird das CH^-Filter 76 an einem weiteren Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 133 abgetastet, und eine eingestellte CH^-Spannung wird an einem Eingang des logarithmischen Differenzverstärkers 138 festgehalten. Während des vierten Rechteckimpulses des Signals 270 wird das Filter/Zerhacker-Rad 60 wieder von der Abtast- und Speicherschaltung 120 abgetastet, und an einem Eingang der Ablast- und Speicherschaltung 122 wird eine Grundlinienspannung festgehalten. Während des Rechteckimpulses des Signals 260 wird dann · das Bezugsfilter 77 für sichtbares Licht an einem weiteren Eingang abgetastet, und eine eingestellte Bezugsspannung für sichtbares Licht wird an einem Ausgang des .Differenzverstärkers 14O festgehalten. Während des fünften Rechteckimpulses des Signals 270 wird das Filter/Zerhacker-Rad 60 wieder von der Abtast- und Speicherschaltung 120 abgetastet, und an einem Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 124 wird eine Grundlinienspannung festgehalten. Während des Rechteckimpulses des Signals 262 wird dann das N0₂-FÜter 77 an einem weiteren Eingang der Abtast- und Speichers'chaltung 124 abgetastet, und eine eingestellte NOp-Spannung wird vom Differenzverstärkers 140 mit der Bezugsspannung für sichtbares Licht verglichen, und es wird eine N0₂~Spannung erzeugt, die der Konzentration von NO₂ in der Luftprobe proportional ist. Schließlich

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wird das Filter/Zerhacker-Rad im Verlauf des sechsten Rechteckimpulses des Signals 270 erneut von der Abtast- und Speicherschaltung 128 abgetastet,und eine Grundlinienspannung wird an einem Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 130 festgehalten, worauf während des Rechteckimpulses des Signals 264 das Infrarotbezugsfilter 73 an einem weiteren Eingang der Abtast- und Speicherschaltung 130 abgetastet wird, und es wird ein eingestelltes Infrarotbezugssignal an andere Eingänge des Differenzverstärkers 134 und der logarithmischen Differenzverstärker 136 und 138 angelegt. Dar Differenzverstärker 134 vergleicht die Infrarotbezugsspannung mit der CO-Spannung, und er erzeugt eine der CO-Konzentration der Luftprobe proportionale Spannung, die bezüglich Wasserdampfstörungen nicht korrigiert ist. In gleicher Weise vergleichen die logarithmischen Differenzverstärker 136 und 138 die COg-bzw. CH^-Spannungen mit der Infrarotbezugsspannung, und sie erzeugen Spannungen, die den CO₂- und CH^-Konzentrationen der Luftprobe proportional sind.Die der CO-Konzentration proportionale Spannung kann einem Wasserdampfkorrekturverstärker 141 zugeführt und entsprechend den Feuchtigkeitsbedingungen der Luftprobe in diesem Stadium eingestellt werden.

Die CO-, CO₂-, CHjTj- und N0₂-Signale werden zusammen mit dem Sauerstoffsignal der galvanischen Zelle 28 von den Schwellwertdetektor- und Anzeigeschalungen 142 und dem Meßgerätumschalter 144 festgestellt. Wenn die Spannung einer dieser Komponenten den kritischen Wert des zugehörigen Schwellwertdetektors überschreitet, wird ein hörbarer Alarm abgegeben, und eine rote Lampe wird eingeschaltet, die den Bestandteil oder die Bestandteile bezeichnet;

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zur Anzeige normaler Bedingungen-.werden grüne Lampen verwendet. Die Konzentrationswerte der Bestandteile können wahlweise am Meßgerät angezeigt werden, indem der Meßgerätumschalter betätigt wird.

Patentansprüche

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   ( 1 .J Vorrichtung zur Überwachung eines fließfähigen Mediums mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung, einer Einrichtung zum Lenken der elektromagnetischen Strahlung durch das fließfähige Medium und einen Detektor zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung nach dem Durchtritt durch das' fließfähige Medium, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor derart ausgebildet ist, daß er qualitative Signale erzeugt, die den Bestandteilen des fließfähigen Mediums entsprechen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor derart ausgebildet ist, daß er sowohl qualitative Signale, die den Bestandteilen des fließfähigen Mediums entsprechen als auch quantitative Signale, die den Mengen der Bestandteile des fließfähigen Mediums entsprechen, erzeugen kann.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Lenken der elektromagnetischen Strahlung durch das fließfähige Medium derart ausgebildet ist, daß sie einen einzigen optischen Weg für die elektromagnetische Strahlung durch das fließfähige Medium erzeugt und daß der Detektor zur quantitativen und qualitativen Bestimmung jedes Bestandteils des fließfähigen Mediums wahlweise auf die elektromagnetische Strahlung jedes Spektralbandes anspricht, das von den Bestandteilen des fließfähigen Mediums absorbiert wird.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einrichtung zum Lenken der elektromagnetischen Strahlung durch das fließfähige Medium eine spektralbandselektive Vorrichtung enthalten ist, die auf die von der Quelle für elektromagnetische Strahlung

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   ausgehende Strahlung so anspricht, daß sie die elektromagnetische Strahlung gewünschter Spektralbänder nacheinander durchläßt, daß der Detektor auf die elektromagnetische Strahlung, die das fließfähige Medium durchdrungen hat, zur Erzeugung eines Signals anspricht, das die Strahlungsintensität bei den ausgewählten Spektralbändern anzeigt, und daß eine in Abhängigkeit von den Detektorausgangssignal en arbeitende Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die im wesentlichen simultane Signale erzeugt, die zur Anzeige der Anwesenheit und der Konzentration der Bestandteile des fließfähigen Mediums auf die Konzentration der ausgewählten Spektralbänder bezogen sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieEinrichtung zum Lenken der elektromagnetischen Strahlung durch das fließfähige Medium eine spektralbandselektive Vorrichtung enthält , die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines optischen Systems derart arbeitet, daß sie die elektromagnetische Strahlung gewünschter Spektralbänder nacheinander durchläßt, daß der Detektor in Abhängigkeit von der von der spektralbandselektiven Vorrichtung durchgelassenen elektromagnetischen Strahlung Signale erzeugt, die die Strahlungsintensität bei den ausgewählten Spektralbändern anzeigen, und daß eine in Abhängigkeit von den DetektorausgangsSignalen arbeitende Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die im wesentlichen simultane Signale erzeugt, die zur Anzeige der Anwesenheit und der Konzentration von Bestandteilen in dem fließfähigen Medium auf die Konzentration der ausgewählten Spektralbänder bezogen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Multiplexieranordnung zur kontinuierlichen Überwachung ausgewählter Komponenten der elektrischen Signale enthält.

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