DE2529829A1

DE2529829A1 - Schaltungsanordnung fuer einen mikrowellen-gasanalysator mit einem hohlraumresonator

Info

Publication number: DE2529829A1
Application number: DE19752529829
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Dipl Ing Zoellner
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1975-07-04
Filing date: 1975-07-04
Publication date: 1977-01-27
Also published as: US4050015A; NL7607409A

Description

Schaltungsanordnung für einen Mikroweüen-Gasanal.ysator mit einem Hohlraumresonator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Mikrowellen-Gasanalysator mit einem Hohlraumresonator, wobei der an den Generator angeschaltete Resonator mit dem Probengas beschickt und auf die Absorptionsfrequenz der zu messenden Gaskomponente abgestimmt ist und die Dämpfung der Schwingung im Resonator ein Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Probengac ist. Ein derartiger Mikrowellen-Gasanalysator ist beispielsweise in der US-Patentschrift 2-792548 beschrieben.

Wird der Resonator nicht exakt mit seiner Resonanzfrequenz betrieben, die zum Beispiel durch Temperaturdrift und Erschütterungen einer Änderung unterliegt, so ändert sich auch die Mikrowellenleistung im Resonator, und die Messung wird fehlerhaft, wenn die Generatorfrequenz nicht der Resonanzfrequenz nachgeführt wird. Bei Resonatoren mit hoher Güte, die für große Meßempfindlichkeiten notwendig sind, wirken sich aber schon Frequenzabweichungen zwischen der Generatorfrequenz und der Resonanzfrequenz nachteilig aus, die

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wesentlich kleiner als die Breite der Absorptionslinie der Gaskomponente sind. Um eine ausreichende Meßgenauigkeit sicherzustellen, darf allerdings die Änderung der Resonanzfrequenz gegenüber der Breite der Absorptionslinie der Gaskomponente nur gering sein, was bei einer Thermostatisierung des Resonators grundsätzlich gewährleistet ist.

Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, eine besonders wirksame und einfache Frequenznachregelung für einen Mikrowellen-Generator unter Zuhilfenahme des vorhandenen mit dem Meßgas beschickten Hohlraumresonators zu schaffen.

Die gewöhnlich angewandten Schaltungsanordnungen zur Frequenzregelung von Mikrowellen-Generatoren mit Hohlraumresonatoren weisen einen besonderen Mikrowellenkreis auf, der eine Spannung abgibt, die ein Maß für die Frequenzdifferenz zwischen der Oszillatorfrequenz und der Resonanzfrequenz des angeschalteten Resonators ist (siehe zum Beispiel Frequency Stabilisation of Microwave Oscillators R. V. Pound PROG. I.R.E, vol. 35 pp. 1405 - 14-15 Dec. 194-7). Diese Spannung wird verstärkt und im richtigen Sinne auf ein frequenzbestimmendes Element des Generators als Regelsignal gegeben.

Die Erfindung beschreitet demgegenüber einen anderen Weg zur Frequenznachführung mit gleichzeitiger Konzentrationsmessung des Gases im Hohlraumresonator. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator ein Hohlraum-Reflexionsresonator ist und zwischen diesem

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und dem Mikrowellen-Generator ein von einem Rechteck-Generator gesteuerter Phasenmodulator eingeschaltet ist und daß die aus dem Reflexionsresonator durch einen Richtkoppler ausgekoppelte Schwingung einem Gleichrichter zugeführt ist, auf den ein von dem Rechteck-Generator gesteuerter Umschalter mit nachgeschaltetem Tiefpaß folgt, dessen Ausgangssignal als Regelspannung dem Mikrowellen-Generator zugeführt ist. Dabei "besteht der in der Schaltungsanordnung vorgesehene Phasenmodulator aus zwei parallelen Leitungszweigen, denen das Ausgangssignal des Generators zugeführt wird, wobei e:in Zweig aus einer Hintereinanderschaltung eines Bämpfungsgliedes, eines Phasenschiebers und eines vom Rechteck-Generator gesteuerten Diodenschalters gebildet ist und im anderen Zweig das Siganl unbeeinflußt zur Vereinigung mit dem gesteuerten Signal übertragen wird.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, anstelle einer monochromatischen Schwingung ein Spektrum von Schwingungen in den Hohlraumresonator einzuspeisen mit der Folgerung, daß sich dann allein aus der Einhüllenden der reflektierten und aus dem Resonator ausgekoppelten Schwingung, die die Form einer Schwebung hat, ohne hochfrequenten Phasenvergleich eine Aussage über die Lage der Mittenfrequenz bezüglich der Resonanzfrequenz machen läßt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

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Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungranordnung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des in der Schaltungsanordnung benutzten Phasenmodulators,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zum Phasenmodulator und

Fig. 4 schematische Darstellungen der an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung auftretenden Signalformen.

Gemäß Fig. 1 wird die Mkrowellenleistung eines Mikrowellen-Generators 1 einem durch einen Rechteckgenerator 2 gesteuerten Phasenmodulator 3 zugeführt, wobei die Frequenz des Generators auf die Absorptionsfrequenz der zu messenden Gas- > komponente eingestellt ist. Die phasenmodulierte Schwingung gelangt sodann in einen mit dem Probengas beschickten Hohlraum-Reflexionsresonator 4-, der ebenfalls auf die Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente abgestimmt ist. Es erfolgt anschließend eine Gleichrichtung der über einen Riehtkoppler 5 aus dem Resonator ausgekoppelten rücklaufenden Welle mit Hilfe eines Gleichrichters 6 und eine Aufteilung des Gleichrichtersignals auf zwei Kanäle I und II. Im Kanal I gelangt das gleichgerichtete Signal nach einer Verstärkung im Verstärker 7 zu einem vom Rechteckgenerator gesteuerten periodischen Umschalter 8. Ein Tiefpaß 9 bildet den zeitlichen Mittelwert der Ausgangsspannung des Umschalters. Über die Leitung 10 wird diese Ausgangsspannung dem Mikrowellen-Generator als Regelspannung zur Einregelung der Generator-

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frequenz auf die Resonanzfrequenz des Resonators zugeführt. Die Regelspannung beaufschlagt ein spannungsabhängiges frequenzbestimmendes Glied des Mikrowellen-Generators.

Im Kanal II wird das Signal im Verstärker 11 verstärkt und dann direkt über einen Tiefpaß 12 geschickt. Die Ausgangsspannung dieses Tiefpasses ist ein Maß für die Konzentration der zu messenden Gaskomponente im Probengas, die durch ein Meßgerät 13 angezeigt wird.

Im Phasenmodulator (Fig. 2) wird die hochfrequente Schwingung a^ (Fig. 4) des Mikrowellen-Generators auf zwei Kanäle III und IV aufgeteilt und anschließend wieder zusammengeführt, Der eine Teil gelangt direkt zum Ausgang des Modulators, der andere wird durch ein Dämpfungsglied 14 und einen Phasenschieber 15 nach Betrag und Phase geändert. Durch einen vom Rechteckgenerator gesteuerten Diodenschalter 16 wird dieser Teil dann zum Ausgang durchgeschaltet oder gesperrt. Im Ausgang des Phasenmodulators ist demnach eine Mikrowellenleistung in dem zum Resonator führenden Hohlleiter vorhanden, deren Feldstärke sich je nach Schaltzustand entsprechend dem komplexen Zeiger 17 oder der Summe 19 der Zeiger 17 und 18 nach Fig. 3 zusammensetzt. Durch entsprechende Einstellung des Dämpfungsgliedes und des Phasenschiebers läßt sich der Winkel Cu^ in weiten Grenzen ändern. Da die Diode nur als Schalter benutzt wird, ist der Modulator in seiner Wirkungsweise unabhängig von geringen Amplitudenänderungen der Modulatorspannung. Die Wellenform ap der phasenmodulierten Schwingung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Es gilt

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a_o sin(27Tf_ot + ^₁) für nT < t < (Pn + 1 )

η ganz

a_o siri(2irf_ot - (^₁) für (?n + 1 )£ < t < (n + 1)T

v/obei T die Periodendauer der Impulssignale Ii^, des Rechteckgenerators ist. In Fourier-Darstellung entspricht die Schwingung a_o einem Schwingungsspektrum aus Linien abnehmender Intensität beiderseits der Resonanzlinie, a-^ ist die aus dem Reflektionsresonator ausgekoppelte Schwingung, die unter der Voraussetzung, daß Resonator und Generatorfrequenz nicht übereinstimmen, eine Schwebung mit der Einhüllenden a' darstellt. Nach dem Gleichrichter 6 ergibt sich eine niederfrequente Schwingung a^,, wobei die Größe Sp nach der Theo- · rie ein Maß für die Frequenzabweichung zwischen der Generatorfrequenz und der Resonanzfrequenz und S_x, bei exakter Übereinstimmung beiderFrequenzen ein Maß für die Gaskonzentration ist. S^ kommt nach Verstärkung und Mittelwertbildung von a^ im Kanal II zur An-zeige. Aus a^. entsteht ferner durch den vom Rechteckgenerator gesteuerten Umschalter 8 im Kanal I die Zeitfunktion

für nT<t<(2n + 1 )jy

η ganz für (2n + i)S-<t< (η + 1)T

Ihr durch den (Tiefpaß gebildeter Mittelwert ag ist proportional zu S₂. Über die Leitung 10 wird a_fi als Regelspannung u zur

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Frequenznachregelung dem Generator zugeführt. Je nachdem, ob die Frequenzabweichung zwischen Generator und Resonator positiv oder negativ ist, ändert sich auch die Polarität der Regelspannung.

Der Resonator wird nahezu kritisch angekoppelt. Aus der Theorie folgt, daß die Regelschaltung in diesem Fall weitgehend unempfindlich ist gegen eine zusätzliche Amplitudenmodulation, die entsteht, wenn durch geringfügige Verstimmung des Dämpfungsgliedes und des Phasenschiebers im Phasenmodulator der resultierende Zeiger 19 in Fig. 3 nicht mehr auf dem Kreisbogen liegt. Die Ankopplung bestimmt den Reflexionsgrad des Resonators. Bei fehlender Gaskomponente im Probengas kann dadurch die "Grundreflexion" in relativ weiten Grenzen festgelegt werden. Der Einfluß der Gaskomponente im Probengas führt zu einem weiteren Anstieg der Reflexion, aus der das Meßsignal für die Gaskonzentration folgt.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung reduziert sich der Aufwand an Mikrowellenbauteilen gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung mit direktem Frequenzvergleich, da nur ein aufwendiges Gleichrichterelement an Stelle von zwei Elementen benötigt wird. Der Aufwand für den Modulator ist demgegenüber relativ gering. Neben der Frequenznachregelung wird der Resonator zusätzlich dazu benutzt, die Dämpfung der Mikrowellenleistung durch die zu messende Gaskomponente und damit deren Konzentration im Gasgemisch des Resonators zu messen.

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Claims

Patentansprüche

1.) Schaltungsanordnung für einen Mikrowellen-Gasanalysator mit einem Hohlraumresonator, bei welcher der an den Generator angeschaltete Resonator mit dem Probengas beschickt und auf die Absorptionsfrequenz der zu messenden Gaskomponente abgestimmt ist und die Dämpfung der Schwingung im Resonator ein Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Probengas ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator ein Hohlraum-Reflexionsresonator ist und zwischen diesem und dem Mikrowellen-Generator ein von einem Rechteckgenerator gesteuerter Phasenmodulator eingeschaltet ist und daß die aus dem Reflexionsresonator durch einen Richtkoppler ausgekoppelte Schwingung einem Gleichrichter zugeführt ist, auf den ein von dem Rechteckgenerator gesteuerter Umschalter mit nachgeschaltetem Tiefpaß folgt, dessen Ausgangssignal als Regelspannung dem Mikrowellen-Generators zugeführt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator zwei parallele Leitungszweige aufweist, denen das Ausgangssignal des Mikrowellen-Generators zugeführt wird, wobei ein Zweig aus einer Hintereinanderschaltung eines Dämpfungsgliedes? eines Phasenschiebers und eines vom Rechteckgenerator gesteuerten Diodenschalters besteht und im anderen Zweig

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das Signal unbeeinflußt zur Vereinigung mit dem gesteuerten Signal übertragen wird.

Schaltungsandordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gleichrichter außerdem ein Verstärker, ein Tiefpaß und an diesen ein elektrisches Meßinstrument zur Anzeige der Gackonzentration angeschlossen ist.

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