DE2510801C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen bei einem Massenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die aus der DE-OS 20 37 698 bekannte Schaltungsanordnung dieser Art löst im Prinzip das Problem, den unerwünschten Einfluß einer durch das Massenspektrometer quantitativ nicht einwandfrei erfaßbaren oder nur mühsam nach der Messung durch Berechnung ausschaltbaren Gaskomponente, wie namentlich des Wasserdampfgehaltes, auf massenspektrometrische Messungen, insbesondere in der Atmungsphysiologie oder für andere medizinische, biologische oder sonstige Zwecke, auszuschalten und das Meßergebnis unabhängig vom Gesamtgasdruck zu machen. Der Einfluß des Wasserdampfes auf die Messung von Gaskonzentrationen besteht darin, daß die Ausgangssignale des Massenspektrometer für jede in wesentlicher Konzentration in einem Gasgemisch vorhandene Komponente mit Ausnahme des Wasserdampfes selbst absinkt, und zwar für alle um den gleichen Faktor. Daher wird jedes der der Schaltungsanordnung zugeführten Partialdrucksignale mit einem gleichen Faktor multipliziert, der so gewählt ist, daß die Summe der resultierenden Produkte gleich 1 ist. Die zu diesem Zweck gleichlaufend geregelten Versiärker sind mii der Vergleichsschaltung entweder direkt verbunden, oder in einer hinsichtlich der Entkopplung verbesserten Ausführungsforrn über Fotowiderstände, die aber sorgfältig auf übereinstimmende Kennlinien abgeglichen werden müssen und außerdem relativ langsam ansprechen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelgenauigkeit zur Stabilisierung der Ausgangssignale des Massenspektrometers zu erhöhen, d. h. Änderungen auf Grund von die Eingangssignale

ίο ändernden Störkomponenten auf ein Minimum herabzusetzen.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 aufgeführt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Sie zeigt die an ein übliches Massenspektrometer angeschlossene Schaltungsanordnung, der an ihren Eingängen die n— 1 Partialdrucksignale Pa ... Px zugeführt sind, die den Partialdrücken der n-Komponenten des zu messenden Gasgemisches mit Ausnahme der Störkomponente entsprechen. Bei den Komponenten kann es sich beispielsweise um N₂, O₂, CO₂, Ar einerseits und H₂O andererseits handeln (n = 5). Die Partialdmcksignale werden von entsprechenden Regelverstärkern la... Ia verstärkt und über nachgeschaltete Ausgangsverstärkerstufen 2a... 2a· als Ausgangssignale Fa... Fx abgegeben. Die Stabilisierung dieser Ausgangssignale ist der Zweck der vorliegenden Schaltungsanordnung.

Zu diesem Zweck werden die von den Regelverstärkern la... Ia- erzeugten Signale den entsprechenden Eingängen einer verstärkenden Summier- und Vergleichsschaltung 3 zugeschaltet, die durch Vergleich mit einem am Potentiometer R abgegriffenen Sollwertsignal ein Vergleichsssignal erzeugt, wie dies auch im Hauptpatent beschrieben ist

Das Vergleichssignal wird jedoch nicht unmittelbar den Stelleingängen der regelbaren Verstärker übermittelt, sondern über Koppelwiderstände 13, 14 mit einer von einem Sägezahngenerator 5 erzeugten Sägezahnspannung addiert. Eine an den Verbindungspunkt der Koppelwiderstände 13,14 angeschlossene verstärkende Vergleichsschaltung 4 erzeugt hieraus ein Rechtecksignal, dessen Impuls/Pause-Verhältnis bzw relative Impulsbreite sich mit dem Vergleichssignal ändert. Parallel zu der Vergleichsschaltung 4 ist eine die Impulsform des Rechtecksignals bestimmende Z-Diode Z 5 geschaltet.

Das Rechtecksignal wird den Steuerelektroden G einer der Anzahl n—\ der Partialdrucksignale entsprechenden Anzahl von Feldeffekttransistoren Ta... Tx zugeführt, deren Elektrode D an Masse liegt, während die Elektrode 5 in den zwei Widerstände 10,11 und ein Potentiometer 15 in Reihe enthaltenden Gegenkopplungszweig je eines der Regelverstärker la...Ix geschaltet ist, und zwar an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 10, 11. Parallel zu den Widerständen 10 und U ist ein Kondensator 12 geschaltet. Wenn die Feldeffekttransistoren, die unter Steuerung durch das Rechtecksignal als Schalter arbeiten, ihren Leitzustand annehmen, also z. B. den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 10, 11 an Masse legen, ist die Verstärkung der Regelverstärker praktisch unendlich. Bei hohem Widerstand des Feldeffekttransistors zwischen den Elektroden D und 5 bestimmen dagegen die Widerstände 10, 11 des Gegenkopplungszweiges den Verstärkungsgrad.

Die effektive Verstärkung der Regelverstärker la... I λ· bestimmt sich nach dem Verhältnis der Ein- und Ausschaltzeiten der Feldeffekttransistoren 7a... Tx, also nach der relativen Impulsbreite, die ihrerseits von der Vergieichsspannung abhängt, wie schon erläutert wurde.

Zur Kalibrierung wird der Regelkreis zwischen der Summier- und Vergleichsschaltung 3 und der Vergleichsschaltung 4 aufgetrennt. In das Massenspektrometer wird ein Eichgasgemisch eingeführt, das alle (vier) Gase, deren mit dem Massenspektrometer gemessene Ausgangssignale stabilisiert werden sollen, in bekannten Konzentrationen enthält. Die Verstärkung der Regelverstärker la... Ix wird an den Potentiometern 15 der Gegenkopplungszweige so eingestellt, daß die Spannungen an den Verstärkerausgängen in einem für alle (vier) Gase gleichen Verhältnis zu den Konzentrationen des Eichgemisches stehen. Die Summe dieser \usgangsspannungen der Regelverslärker ist dabei so gewählt, daß die Ausgangsspannung der Schaltung 3, auf deren Summenpunkt die feste Spannung von Potentiometer R addiert wird, 0 Voll beträgt. Sinken nun die Ausgangsspannungen des Massenspektrometers alle proportional ab (z. B. bedingt durch Wasserdampfbeimengung zum gemessenen Gas), so λ erden auch die Ausgangsspannungen der Regelverstärker la... Ia absinker und damit die Ausgangsspannung der Schaltung 3 von υ Volt abweichen. Bei geschlossenem Regelkreis werden dadurch in der erläuterten Weise die Impulsbreite der Rechteckimpulse und damit die Verstärkung der Regelverstärker la... ix geändert. Die Wahl der Polaritäten ist derart, daß bei Absinken der Eingangssignale die Verstärkung der Regelverstärker la... Ia zunimmt und somit deren Ausgangsspannungen wenigstens annähernd konstant gehalten werden.

Die Kondensatoren im Gegenkopplungszweig der Kegeh erstärker la... Ix und weitere Kondensatoren, die parallel zu je einem Widerstand im Gegenkopplungszweig der Ausgangsverstärkerstufen 2a... 2x liegen, sind Bestandteil eines Tießpaßfilter^ welches die Impulsfrequenz aus den geregelten Spannungen aussiebt. Ein weiterer Kondensator 16 ist parallel zu der

ic Schaltung 3 geschaltet.

Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform betrug die Schallfrequenz des Rechtecksignals 4 kHz. Bei Prüfung des Frequenzganges der Schaltungsanordnung durch sinusförmige Änderung aller Eingangssigna-Ie zur Simulierung von Änderungen der Zusammensetzung des analysierten Gasgemisches sanken die Ausgangssignale bei 45 Hz auf 90% und bei 250 Hz auf 10% ab. Die Grenzfrequenz ist also für praktische Fälle ausreichend hoch. Zur Prüfung des Stabilisierungsvermögens der Schaltungsanordnung wurden alle Eingangssignale sinusförmig mit einer Amplitude von ± 20% des Eingangssignals moduliert, was z. B. einer 20%igen Änderung des Wasserdampfdrucks und infolgedessen des Gesamtgasdrucks entspricht. Über den gesamten Frequenzbereich ergab sich bei den Ausgangssignalen eine Stabilisierung der Änderung auf weniger als 1%, bezogen auf die Amplitude der modulierten Störung. Bei den bei der Atmungsanalyse auftretenden Frequenzen bis 3 Hz war der Stabilisierungsgrad ~.ogar besser als 0,2%. Eine so gute Stabilisierung kann mit den im Hauptpatent beschriebenen Schaltungsanordnungen in der Regel nicht erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignajen bei einem Massenspektrometer, an dessen Eingang ein aus η Komponenten bestehendes Gasgemisch eintritt und von dessen n— 1 Nachweisvorrichtungen jeweils ein dem Partialdruck von einer der n— 1 Gaskomponenten proportionales Eingangssignal auf einen Verstärker gelangt, wobei die Ausgangssignale der Verstärker in eine Summierschaltung gelangen und eine Vergleichsschaltung das Summensignal mit einem Sollwertsignal vergleicht und ferner das Vergleichssignai die Verstärkungsfaktoren der Verstärker gleichlaufend regelt, nach Patent 20 37 698, d a durch gekennzeichnet, daß das Vergleichssignal in einen Impulserzeuger (5, 4, Ta. Tx) gelangt, daß die von dem Impulserzeuger abgegebenen Rechteckimpulse eine dem Vergleichssignal proportionale Breite aufweisen und daß der Impulserzeuger während der Breite der Rechteckimpulse die Verstärkungsfaktoren der Verstärker (la, lA^umschaltet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Verstärker gegengekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig zwei in Reihe geschaltete Widerstände (10, 11) enthält, und daß der Impulserzeuger den Punkt zwischen den beiden Widerständen während der Breite des Rechteckimpulses auf Massepotential legt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Reihenschaltung der Widerstände (10,11) ein Kondensator (12) liegt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulserzeuger mit je einem der Verstärker (la, ix) gekoppelte Feldeffekttransistoren (Ta. Tx) enthält und daß den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren ein Rechteckimpuls zugeführt wird.