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RECHNERGESTEUERTES NACHWEI SGERÄT FÜR GASSPUREN IN DER LUFTATMOSPHÄRE
Die Erfindung bezieht sich auf ein rechnergesteuertes Nachweisgerät für Gas spuren
in der Luftatmosphäre und zur Anwesenheit und Konzentration von Gasen bei der Prozeßkontrolle,
bei dem die von einem Mikrowellenspektrometer gemessenen Werte unter Berücksichtigung
vorgegebener Festwerte verglichen und angezeigt werden.
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Kontinuierlich arbeitende Gasspuren-Nachweisgeräte mit einem Mikrowellenspektrographen,
bei denen die amplitudenmodulierte Mikrowellenenergie in Abhängigkeit vom Absorptionsspektrum
des Gases detektiert wird, und bei denen der Mikrowellengenerator auf wählbaren
charakteristischen Absorptionsspektrallinien des aufzuspürenden Gases entsprechende
Frequenzen eingestellt ist und eine qualitative Anzeige erfolgt, ob die Gasspuren
vorhanden sind oder eine bestimmte Konzentration übersteigen, sind aus der DOS 2
155 969 bekannt.
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Um ein solches Gerät den gegebenen Umständen, z.B. der schnellen
Feststellung des schädlichen Auftretens mehrerer Gase anzupassen, ist es erforderlich,
den Meßablauf zu automatisieren. Obwohl im Prinzip die Messung bei einer Absorptionsfrequenz
ausreicht, werden zur Vermeidung möglicher Fehlmessungen Absorptionsmessungen bei
drei voneinander unabhängigen Frequenzen vorgenommen. Aufgabe der Erfindung ist
es, ein voll elektronisch arbeitendes Nachweisgerät zu schaffen, welches ohne zusätzliche
chemische Hilfsmittel einen schnellen prinzipiellen molekülspezifischen Gasspurennachweis
gestattet.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß für die einzelnen in einer
Meßzelle aufgenommenen, aufzuspürenden Gase Lichtanzeigen enthaltende Kassetten
mit programmierten Speichern für die Werte der charakteristischen Spektrallinien
vorgesehen sind, und alle Speicherwerte mit den analog digital gewandelten Meßwerten
des Mikrowellenspektrometers in einem den Meßablauf und die Anzeige steuernden Digitalrechner
verknüpft werden.
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Das Nachweisgerät nach der Erfindung eignet sich besonders für die
Emissionsanalyse als kontinuierlich und voll automatisch messende Kontrolleinrichtung,
da gerade für diese Anwendung ein Minimum an Wartung gefordert wird.
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Weiterhin kann dieses Gerät in der chemischen Industrie zur Prozeßsteuerung
eingesetzt werden, da sowohl eine Komponente als auch mehrere Komponenten ohne gegenseitige
Beeinflussung Regelgrößen abgeben können. Ein großer Teil der üblichen Analysenprobleme
in der organischen Chemie und in der Medizin kann#damit wartungsmäßig bewältigt
werden. Das neue Nchweisgerät kann aber auch als Überwachungsgerät bei der Immissionsanalyse
dienen, die besonders bei der Messung der Umweltverschmutzung durch Gase von Bedeutung
ist.
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Die Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel dar.
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Es zeigen Fig. 1 eine schematische Ansicht des Gesamtgerätes, Fig.
2 ein Blockschaltbild des Vakuumsystems, Fig. 3 ein Blockschaltbild des Mikrowellengenerators#
für die Meßzelle, Fig. -4 ein Blockschaltbild der Analog-Elektronik als Beispiel
Fig. 5 ein Block#chaltbild der Digital-Elektronik als Beispiel Fig. 6 Querschnitt
der Meßzelle
Das Nachweisgerät bildet eine in sich abgeschlossene
Einheit, in der Vakuumteil einschließlich Pumpe, Mikrowellenteil, Steuer- und Auswerte-Elektronik
zusammengefaßt sind, wovon Fig. 1 eine schematische Ansicht zeigt.
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Das Gas wird über einen an der Vorderseite 1 des Gerätes 2 befindlichen
Stutzen 3 eingelassen. Ferner befindet sich im Innern des Gerätes die Pumpe 4, die
Meßzelle 5 und ein Starkmodulator 6 . Die noch im einzelnen beschriebenen Kassetten
K mit den eingespeicherten gasspezifischen Werten werden durch eine einfache Verriegelungsmechanik
in das Gerät eingesetzt.Außerdem sind noch Steckkarten 8 sowohl für die Analog-
als auch für die Digital-Elektronik im Gerät untergebracht.
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Gemessen wird bei dem vorprogrammierten gas spezifischen Frequenzraster
die Intensität der molekülspezifischen Rotationsspektren in Absorption Die Meßparameter,
wie relative Linienintensität und Frequenz für jeweils ein Gas werden in je eine
Kassette in einem Festwertspeicher vorgegeben. Mit Hilfe dieser vorgegebenen und
von einem Rechner abgerufenen Werte wird der Meßvorgang automatisch durchgeführt.
Das Ergebnis wird zweiziffrig angezeigt und bis zur Ermittlung eines neuen Wertes
gespeichert. Für die Inbetriebnahme sind nur wenige Einstellungen erforderlich und
die Messung läuft vollautomatisch ab. Das Ausführungsbeispiel des Nachweisgerätes
arbeitet mit einer zyklischen Abfrage von vier Gasen, eine Erweiterung bis zu 16
Gasen ist ohne weit#eres möglich. Programmierbar und meßbar sind alle Substanzen,
die ein elektrisches Dpolmoment besitzen und bei ca. 1 Torr einen entsprechenden
Dampfdruck haben.
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Abgesehen von dem Vakuumteil #ist eine Wartung des Gerätes nicht erforderlich,
da durch den Einbau von Diagnostik-Programmen und einer automatischen Kalibrierung
eine Fehlmessung durch das Nachweisgerät ausgeschlossen ist.
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Nach dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 wird in der Meßzelle 5 die Absorption
der Mikrowellenenergie durch das Gas bei einem Druck von ca. 1 Torr gemessen, der
als annähernd optimaler Druck ermittelt wurde.
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Das mit einer Gas sonde 9 entnommene Gas wird über eine flexible Schlauchleitung
10 einen Grobstaubfilter 11 innerhalb des Nachweisgerätes zugeführt, das es von
mechanischen Verunreinigungen befreit. über einen Dreiwege-Hahn 12 (oder ein T-Stück
und zwei Absperrhähne 12 und 12") kann alternativ Luft aus dem Geräteinnern angesaugt
werden bzw, eine Belüftung des Vakuum-Systems erfolgen. Ein Regelventil 13 mit elektromechanischer
Steuerung 13', dem ein Staubfilter 14 vorgeschaltet ist, läßt gerade soviel Gas
in die Meßzelle 5 nachströmen, daß in der Meßzelle der gewünschte Unterdruck entsteht,
wenn dabei eine Pumpe 4 dauernd arbeitet.
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Die Meßzelle stellt für das Mikrowellensignal einen Hohlleiter 37
dar und enthält zum Anlegen der Starkspannung eine Starkelektrode. Durch Anlegen
einer Wechselspannung an die Starkelektrode erfolgt eine periodische Aufspaltung
der Gas-Absorptionslinien und damit eine Modulation des Mikrowellensignals. Zusammen
mit dem metallischen Hohlleiter bildet die Starkelektrode ein Triplate-Leitungssystem
endlicher Länge, auf welchem störende Resonanzen auftreten, die sich nur sehr schwer
unterdrücken lassen. Diese Resonanzen können erfindungsgemäß dadurch unterbunden
werden, daß nach Fig,6 als Starkelektro de eine Anordnung paralleler dünner metallischer
Leiter 35 auf einem dielektrischem Träger 36 verwendet werden. Diese Art Leiter
bildet dann ein Stripline-System (Streifenleiter) auf dem infolge der höheren Dämpfung
und der geringeren Kopplung an die Hohlleiterwelle keine Resonanzen angeregt werden.
Die so gebildete Starkelektrode
kann am Boden der Meßzelle angebracht
werden, so daß ein nichtunterteilter Raum mit niedrigem Strömungswiderstand entsteht.
Außerdem lassen sich mit einer solchen Starkelektrode auch auf einfache Weise die
Krümmungen einer gefalteten Meßzelle belegen, wenn man ein leicht biegsames Dielektrikum
verwendet. Die Starkspannung wird an das Stripline-System angeschlossen, indem die
einzelnen parallelen Leiter 35 untereinander durch dünne Querleiter verbunden sind.
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Darüberhinaus kann durch Anlegen verschiedener Spannungen an die Leiter
ein Spannungsprofil erzeugt werden, durch das eine Homogenisierung des Starkfeldes
bewirkt wird.
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Während üblicherweise nur eine Meßzelle verwendet wird, kann gem.
weiterer Erfindung durch ParallelSchaltung von zwei Meßzellen eine Erhöhung der
Nachweis empfindlichkeit erzielt werden. Dies erfolgt dadurch daß 1) im Falle der
Sättigungslimitierung die doppelte Energie in die Meßzelle eingespeist werden kann,
da sie auf 2 Zellen aufgeteilt wird, und 2) durch geeignete Verarbeitung des Ausgangsignals
das Amplitudenrauschen des Mikrowellenoszillators weitgehend unterdrückt wird. Hierzu
wird durch geeignetes Aus steuern der zweiten Starkelektrode eine gegenphasige Modulation
der Mikrowelle erzeugt. Bei der darauf folgenden phasenrichtigen Addition der Ausgangssignale
der beiden Mikrowellendetektoren summieren sich die Modulationssignale während das
an dieser Stelle gegenphasig auftretende korrelierte Rauschen des Oszillators unterdrückt
wird.
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Ein der Pumpe vorgeschalteter Kondensat-Abscheider 15 soll eine Veränderung
des Pumpenöls durch aggressive Substanzen verhindern. Damit nach Ausschalten der
Pumpe 4 keine Öldämpfe in die Meßzelle gelangen, liegt zwischen Kondensat-Abscheider
15 und Meßzelle 5 noch ein Magnetventil 16, das dann geschlossen wird.
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Wenn für einige Gase andere Drucke optimal sein sollen, ist es prinzipiell
möglich, aus den Speicher einen anderen Referenzwert für den Druck in den Druck-Regelkreis
13' einzugeben.
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Die Wechselwirkung zwischen den Dipolmomenten der Gasmoleküle und
dem Mikrowellenfeld findet in der Meßzelle 5 bei entsprechendem Unterdruck statt.
Die Länge der Meßzelle liegt in der Größenordnung von 3 m. Damit das Gerät handliche
Abmessungen erhält, wird die Meßzelle gefaltet. Die dabei entstehenden Teillängen
werden von der Mikrowelle in Serie durchdrungen, während das Gas die Teillängen
ebenfalls in Serie oder parallel durchströmt.
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Nach dem Blockschaltbild der Fig. 3 ist der eigentliche Mikrowellen-Oszillator
17 ein YIG-abgestimmter Gunn-Oszillator, der im Frequenzbereich von 9 - 13 GHz schwingt.
Ein nachgeschalteter Verdoppler 18 liefert ein Signal für den dem Gerät zugeordneten
Frequenzbereich. Dieses Signal kann auch durch einen im Frequenzbereich 18 - 25
GHz arbeitenden YIG-abgestimmten Gunn-Oszillator erzeugt und von da ausgehend vervielfacht
werden.
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Da die Absorptionslinien sehr scharf sind, ist für eine hohe Empfindlichkeit
eine entsprechende Stabilität der Mikrowellen-Frequenz erforderlich. Aus diesem
Grunde
wird der Mikrowellen-Oszillator 17 über. zwei Phasenregelschleifen
19 und 20 an einen Quarz-Oszillator 21 angebunden. Die Regelschleife 20, die zwischen
eine Mischstufe 22 und einen elektronisch abstimmbaren Oszillator 23 geschaltet
ist, wird von dem Speicher der aufgerufenen Kassette gesteuert, damit die gewünschte
Meßfrequenz erzeugt wird. Vor der Mischstufe 25 der Regelschleife 19 ist noch ein
Kammspektrum-Generator 24 geschaltet.
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Nach dem Blockschaltbild der Analog-Elektronik der Fig. 4 wird die
in der Meßzelle 5 der HF-Welle durch den Stark-Effekt eingeprägte Amplitudenmodulation
durch den HF-Detektor 26 demoduliert und in einem rauscharmen Vorverstärker 26'
verstärkt. Diese Ausgangsspannung ist der Modulationstiefe bzw. der Stärke der Gasabsorption
nahezu proportional. Vor Beginn der Messung wird ein digital kontrollierter Abschwächer
27 über das Programm so eingestellt, daß die Ausgangsspannung möglichst nahe an
einem von der Gasart und Gaskonzentration unabhängigen Spannungswert liegt. Das
so normierte Signal wird über ein Quarzfilter 28 zur Begrenzung der Bandbreite dem
Hauptverstärker 29 zugeführt.
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Zur Vergrößerung der Empfindlichkeit wird das Ausgangssignal in einem
phasenempfindlichen Detektor 30 gleichgerichtet und auf eine Integrationsschaltung
31 gegeben, die aus dem Programm gesteuert werden kann. Für die weitere Verarbeitung
in Digital-Elektronik-Stufen wird das am Ausgang der Integrationsschaltung 31 anstehende
analoge Signal über einen Wandler ADW'in eine Dual-Zahl umgewandelt (Fig. 5).
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Die Stark-Spannung für die Meßzelle 5 wird einem quarzgesteuerten
Oszillator 32 mit separatem Leistungsverstärker 33 entnommen. Dem Oszillator 32
wird ebenfalls die Referenzspannung für den phasenempfindlichen Detektor 30 entnommen,
die allerdings noch ein justierbares phasendrehendes Netzwerk 34 passieren muß,
um den Phasendetektor 30 optimal zu betreiben.
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Die Digitalelektronik läßt sich gemäß Fig. 5 aufteilen in Auswerte-Kassetten
K, Rechnerstufe RR, Prüfstufe PE und Ablaufsteuerstufe AS.
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Dabei sind RR, PR und AS auf Steckkarten untergebracht.
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Die Kassetten K1 3 enthalten: Meßwertanzeige mit Speicher M##S, Meßbereichsanzeige
mit Speicher MAS, Fehleranzeige FJ, Festwsrtspeicher FWS und die zugehörigen Steuerschaltungen.
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Die Rechnerstufe RR umfaßt: 1.) alle Schaltungen zur Ermittlung eines
von den Kassetten verwertbaren Meßergebnissesaus den über Leitung 110 eingegebenen
analogen Meßspannuhgen des Mikr owell ensp ektromet er s für maximal 4 Einzelmessungen
und 2.) eine Rechenschaltung zur Ermittlung der notwendigen Verstärkung des analogen
Meßverstärkerzuges des Spektrometers unter Berücksichtigung des gewählten Meßbereiches
und einer für Gas und Meßfrequenz typischen Konstanten (über Leitung 111).Außerdem
ist im RR noch ein Teil der Schaltungen für die automatische Funktionsprüfung der
Digitalelektronik untergebracht.
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Die Prüfstufe PE umfaßt den quarzgesteuerten Taktgenerator TG für
die Digitalelektronik sowie alle übrigen Schaltungen zur automatischen Funktionsprüfung
der Digitalelektronik.
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Die Ablaufsteuerung AS enthält alle Schaltungen zum AbSragen-der Kassettenplätze
sowie zur Steuerung der Datenausgabe aus den Festwertspeichern. Sie bestimmt den
Ablauf der Prüf- und Rechenvorgänge und den Zeitpunkt der Ergebnis- und Meßbereichseinspeicherung
in den Kassetten.
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Zur erstmaligen Ermittlung der in die Festwertspeicher einzuschreibenden
Daten, zum Programmieren der Festwert speicher sowie allgemein zur Gasanalyse unter
der Voraussetzung, daß ein elektrisches Dipolmoment vorhan-~den ist kann als Zusatzgerät
die Hand-Ablaufsteuerung ASH angeschlossen werden.
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Nach dem Einschalten des Gerätes steuert der Taktgenerator TG (Bestandteil
der PE) den Zähler für die Kassettenfreigabe (KZS, enthalten im AS), der nacheinander
die Kassettenplätze über Leitung 16 aufruft.Ist ein aufgerufener Kassettenplatz
mit dieser Kassette bestückt, gibt die Steuerlogik STL dieser Kassette ein Rückmeldesignal
über die Leitung 18 an die AS und hält dadurch den KZS über die Takt- und Resetlogik
TRL an. Entsprechend der Stellung eines internen Schalters pi (priorität) der Kassette
kann der normale oder ein besonders häufiger Abfrage zyklus gewählt werden.
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Das herausgegebene Rückmeldesignal wird in der Kassette KI angezeigt
(Anzeige AS "Messung").und sperrt eine Rückmeldung der übrigen Kassetten. Die Ein-/Ausgabelogik
EAL der AS gibt mit dem Rückmeldesignal den Ablaufcodezähler AZS frei und schaltet
den Ablaufcode über 17 zu den Kassetten durch.
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STL Die Steuerlogik/der freigegebenen Kassette bewirkt jetzt die
Ausgabe der Daten aus dem Festwertspeicher FWS. Als erstes Datenwert steht auf der
Datenleitung 13 der
optimale Meßdruck an, der mit einem in der
Ablaufsteuerung erzeugten Übernahme takt 1 über Leitung 112 in den Druckregelkreis
eingespeichert werden kann.
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Als nächstes Wort steht auf der Datenleitung die Angabe des zur Meßfrequenz
gehörigen Stromwertes des YIG-Oszillators an, die mit dem Übernahme takt 2 (Ltg.
113) aus der AS in die YIG-Steuerung übernommen, sowie der Proportionalitäsfaktor,
der gleichzeitig im Rechner RR gespeichert wird.
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Die nachfolgende-Angabe der exakten Meßfrequenz wird mit dem Übernahmetakt
3 in die Regelschleife 20 des Mikrowellengenerators übernommen(Ltg. 114).
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Danach leitet die Ablaufsteuerung den Prüfvorgang für Analog- und
Digitalelektronik ein. Dazu schaltet die AS über die Steuerlogik SRL des RR den
Multiplexer MUX um, sperrt die Datenausgabe aus dem Festwertspeicher FWS in der
Kassette und gibt die vom Prüfzahlengenerator PZG mit Logikstufe LOS (auf der PE)
abgegebene Zufallszahl auf die Datenleitung Mit Hilfe dieser Prüf- und Übernahme
takte aus der AS wird die Prüfzahl in die vier Zwischenspeicher ZS I...IV des RR
übernommen. Das Rechenergebnis steht jetzt in der PE auch am Vergleicher VGP an
und wird hier mit der Prüfzahl aus dem PZG verglichen. Bei Abweichungen von dem
richtigen Ergebnis wird ein Fehlersignal in der Stufe FAL erzeugt.
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Gleichzeitig wird eine definierte HF-Spannung, z.B. um die Meßzelle
herum, an den HF-Detektor 28 geführt. Die sich am ADV-Ausgang einstellende Zahl
wird durch einen Vergleicher VGL mit einem in Stufe STETS digital eingestellten
Sollwertverglichen. Bei Abweichungen davon wird ein Zähler VRZ im RR so lange verändert,
bis sich die gewünschte Spannung einstellt. Ist dies innerhalb der Zählerkapazität
nicht möglich, entsteht auch hierbei ein Fehlersignal in der Stufe FAZ. Der am VRZ
anstehende Proportionalitätsfaktor beeinflußt während dieses Prüfvorganges die Verstärkung
noch nicht.
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Nach Beendigung der Prüfung der Analog- und des Digitalteils schaltet
die AS auf Messung um und bewirkt dabei auch die Übernahme eines auf der gemeinsamen
Fehlerleitung 19 anstehenden Fehlersignals in die Fehleranzeige FJ der.Kassette
Kl. Der Multiplexer MUX schaltet den ADW wieder an die Zwischenspeicher an, und
es wird die erste Messung vorgenommen nachdem sichergestellt ist, daß in der Meßzelle
der optimale Druck herrscht. Dies wird der AS über die Leitung 1 15 vom Druckregelkreis
mitgeteilt.
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Die Meßdauer wird durch den ADW bestimmt, da es sich dabei um einen
langsamen Wandler nach dem Dual-Sloper Prinzip handelt. Hat der Wandler die Meßspannung
in eine entsprechende Dualzahl umgewandelt, teilt er dies oder AS mit, die ihrerseits
die Übernahme des Ergebnisses in dem Zwischenspeicher bewirkt.
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Anschließend gibt die AS den Zähler AZS für den Ablaufcode wieder
frei, der damit über die Ein-/Ausgabe die Ausgabe des Inhalts der nächsten beiden
Plätze des Festwertspeichers in der Kassette bewirkt. Diese Speicherplätze geben
die YIG-Oszillator-Stromstufe sowie den Proportionalitätsfaktor bzw. die exakte
Meßfrequenz an, die durch die Übernahme takte der AS in den entsprechenden Schaltungen
des Gerätes gespeichert werden.
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Vor der 2. Messung läuft wieder der oben beschriebene Prüfvorgang
ab.
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Das 2. Ergebnis wird in Zwischenspeicher ZS II gespeichert.
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Zur Durchführung der 3. Messung speichert die AS zunächst wieder die
Frequenzdaten sowie den Proportionalitätsfaktor aus der Kassette an . Dann läuft
der Prüfvorgang in gleicher Weise ab. Das 3. Ergebnis wird im Zwischenspeicher ZS
III gespeichert.
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An der Meßwertanzeige M## in der Kassette steht nun das gemittelte
Meßergebnis aus einer Addierstufe AD über Leitung 11 an. Es wird durch einen in
der Ablaufsteuerung
AS erzeugten Übernahme takt in den Ane zeigespeicher
übernommen und angezeigt.
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Gleichzeitig mit der Übernahme wird PCE geprüft, ob das Ergebnis die
Bit-Paritätsbedingung erfüllt und ob der Anzeigebereich überschritten wurde. Ist
die Paritätsbedingung nicht erfüllt, wird ein Fehler angezeigt sowie die bestehende
Anzeige gelöscht. Ist der Anzeigebereich überschritten, wird dies durch Anzeige
eines Symboles anstelle des Meßwertes gekennzeichnet.
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Um Veränderungen des Inhaltes des Festwertspeichers FTIJS erkennen
zu können, kann zu jedem Datenwort ein Paritätsbit eingespeichert werden, das bei
Kontrolle des ausgespeicherten Datenwortes an die Stelle, an der diese Information
benötigt wird, auf eine Speicherveränderung hinweist.
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Nach Übernahme des Meßwertes in die Kassette wird dasRückmeldesignal
auf Leitung 18 durch diese Kassette gelöscht. Damit läuft wieder der Zähler KZS
in der AS an. Der Zähler AZS wird auf Null zurückgesetzt.
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Die nächste aufgerufene Kassette gibt mit ihrer Steuerlogik wieder
ein Rückmeldesignal und die beschriebenen Vorgänge laufen für diese Kassette in
gleicher Weise ab.
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Nach diesem Ablaufschema werden alle angeschlossenen Kassetten der
Reihe nach zyklisch abgefragt und es wird die Analyse des in der Meßzelle des Spektrometers
befindlichen Gases entsprechend den in der Kassette enthaltenen Parameters durchgeführt.
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Sollte es erforderlich sein, für eine bestimmte Kassette und damit
ein bestimmtes Gas augenblicklich eine neue Messung zu beginnen, kann durch einen
auf der Kassettenfrontplatte angebrachten Taster der augenblicklich laufende Vorgang
unterbrochen und der gesamte Meßablauf für diese Kassette neu gestartet werden.
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Während der Prüfvorgänge ermittelte Fehler werden einmal an der von
außen sichtbaren Kassette und zum zweiten an den betreffenden Schaltungen selbst
angezeigt, um im Falle einer Fehlfunktion diese Schaltung rasch austauschen oder
instandsetzen zu können.
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Patentansprüche: