DE2727976A1 - Verfahren zum bestimmen des partialdruckes und der konzentration eines gases und schaltungsanordnung zum durchfuehren des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum bestimmen des partialdruckes und der konzentration eines gases und schaltungsanordnung zum durchfuehren des verfahrens

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Description

GESELLSQiAFT FÜR - C - Karlsruhe, den 6.6.1977 KERNFORSCHUNG MBH PLÄ.7729 Hä/ko
Verfahren zum Bestimmen des Partialdruckes und der Konzentration eines Gases und Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens
809881/0297
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens.
Bei der Optimierung von Trenndüsensystemen gewinnen Trennversuche bei niedrigen Einlaßdrücken, niedrigen Abschälverhältnissen und niedrigen UFg-Konzentrationen d.h, sehr niedrigen UFg-Partialdrücken, zunehmend an Bedeutung. Außerdem hat sich herausgestellt, daß aus Sicherheitsgründen eine kontinuierliche Kontrolle der Effektivität der UF^-Tieftemperaturabscheidung an den Trenn-
-4 apparatüren,bei UF -Partialdrücken unterhalb 10 Torr, unumgänglich ist. Ferner ist für eine exakte Bestimmung der Aufwandsgrößen von Trennsystemen eine kontinuierliche Messung des HF-Gehaltes des Verfahrensgases wünschenswert.
Mit den bekannten nicht-selektiven Meßmethoden ist jedoch eine präzise UF-.-Konzentrationsbestimmung bei extrem niedrigen UFß-Partialdrücken nicht möglich, da das jeweilige Meßsignal fast vollständig durch das im Überschuß vorhandene Zusatzgas, Wasserstoff bzw. Helium bestimmt wird. Außerdem wird der jeweilige Meßwert durch gasförmige Störkomponenten, z.B. durch Fluorwasserstoff und andere in kommerziellen UF- enthaltene Verbindungen, verfälscht, was sich insbesondere bei niedrigen Partialdrücken stark bemerkbar macht. Aus diesen Gründen ist der Einsatz von selektiven Meßsystemen, welche eine getrennte Messung des UF,-Partialdruckes und der Partialdrücke von Störkomponenten erlauben, erforderlich.
Bei einem bekannten selektiven Verfahren, dem Photometerverfahren nach dem Bifrequenzprinzip, wird die Probe mit Licht zweier verschiedener Wellenlängenbereiche durchstrahlt, wobei der eine Wellenlängenbereich mit einer Absorptionsbande der zu untersuchenden Gaskoniponente zusammenfällt, während der andere, eng benachbarte Wellenlängenbereich, außerhalb des Absorptionsbereiches liegt und daher vcm Gas nicht geschwächt wird. Die beiden Weller.längenbereiche werden durch Gitter oder durch Festkörper-Interferenzfilter aus dem Spektrum der Strahlungsquelle ausgeblendet. Die Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge durchlaufen alternierend das Küvettensystem und werden am Detektor
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nachgewiesen. Durch Vergleich jeweils zweier aufeinanderfolgender Signale unterschiedlicher Wellenlänge werden Intesitätsschwan- kungen der Lichtquelle oder Variationen der optischen Transmis sion und des Reflexionsvermögens des Strahlenganges sowie Schwankungen der Empfindlichkeit und des Nullpunktes des Detektors sowie Varationen der Hintergrundstrahlung weitgehend eliminiert, da sie sich in nahezu derselben Welse auf die beiden Strahlungsimpulse auswirken.
Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß bei einigen Meßproblenen, z.B. bei der UF -Analyse eine aufwendige Trockenluftspülung des Analysatorraumes zur Beseitigung der H-O-Banden erforderlich ist, weil einerseits das H-O-Spektrum im Bereich der ν .,-Bande des UF,. nicht die erforderliche Lücke aufweist und andererseits die in Luft zui'ückgelegten Lichtwege eines Bifrequenz-Gitter-Analysators vom Prinzip her relativ groß sind.
Außerdem ist die Meßzeit des Gitter-Analysators durch die zur Umschaltung zwischen den beiden Wellenlängenbereichen des Bifrequenzprinzips benötigte Zeit bestimmt. Bedingt durch die hohen Genauigkeitsanforderungen bei der Wellenlängenselektion, liegt die Umschalt frequenz bei etv/a 10 Hz, so daß Meßzeiten von etwa 100 Sekunden erforderlich sind.
Ini Unterschied zu den Gitter-Analysucoren sind quasikontinuierliche Messungen bei Meßzeiten unterhalb 1 Sekunde und bei kleinen in Luft zurückgelegten Lichtwegen prinzipiell möglich, wenn die Wellenlängenselektion mit Festkörperfiltern durchgeführt wird, die auf einem mit höherer Frequenz rotierenden Filterrad (oder einer Pendelscheibe) angeordnet sind.
Solche Meßprobleme sind auch durch den Einsatz bekannter Spektralanalysatoren mit negativer Gas-Filterung zu lösen, wobei auf einer rotierenden Kreisscheibe angeordnete Gasfilter und Referenz — filterzellen alternierend durch den Strahlengang bewegt werden.
Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, daß bei den erforderlichen hohen Chopperfrequenzen eine zeitliche Überlappung aufeinanderfolgender Signale auftritt, welche Meßfehler verusacht oder die Messung unmöglich macht.
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Bei bekannten Infrarot analysator en wird versucht, dieses Problem mit einem Doppel-Chopper-System zu umgehen. Dabei wird mit einer sehr niedrigen Frequenz des Filter-Choppers, die unterhalb der inversen Relaxationszeit des thermischen Detektors liegt, zwischen den beiden Wellenlängen umgeschaltet, während zusätzlich eine hochfrequente Unterbrechung der Strahlung durch den zweiten Chopper erfolgt. Diese Anordnung erfordert jedoch einen hohen mechanischen Aufwand zur Synchronisation der beiden Chopper. Außerdem treten wegen des Verschleißes der mechanischen Bauteile zeitliche Änderungen der Synchronisation auf» so daß die für viele praktische Probleme erforderliche Langzeitstabilität nicht erreicht wird. Ferner können die während der Schaltzeit des niederfrequenten Choppers erzeugten Signale nicht zur Auswertung herangezogen werden, d.h. die vom optischen Teil des Gerätes gelieferte Information wird nur teilweise ausgenutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verzicht auf einen zweiten Chopper ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens mit hohen Chopperfrequenzen zu entwickeln, mit dem eine kontinuierliche Messung des UF6 -Partialdruckes und der UF--Konzentration bei Ansprechzeiten unter-
halb einer Sekunde bei gleichzeitig hohem Signal/Rausch-Verhältnis möglich ist, eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere auch bei niedrigen UF^-Partialdrücken, d.h. für Messungen im fernen
Infrarotbereich bei Wellenlängen oberhalb4 pm erreichbar ist, um bei 1 6
frarotber
bei 1 6 /im
die/ stark absorbierenden UF,.-Banden ausnützen zu können und eine
hohe Nullpunktstabilität und hohe Reproduzierbarkeit gesichert ist.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und des Anspruches 2 angegebenen Verfahrensschritte und die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 5 beschriebene Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit relativ einfachen Mitteln eine hohe Meßgenauigkeit bei hoher Selektivität und sehr kleinen Meßzeiten erreicht wird
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und bei kleinem Bauvolumen und reduzierter Anzahl von Komponenten eine Verminderung der Herstellungskosten erzielt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 Schematische Darstellung des Infrarot-Analysators mit rotierenden Gas- oder Festkörperfiltern,
Fig. 2a Prinzip der Entfaltung einander überlappender Ausgangssignale eines Strahlendetektors bei Auswertung einer Halbwelle,
Fig. 2b Prinzip der Entfaltung einander überlappender Ausgangssignale eines Strahlendetektors bei Auswertung des gesamten Signals,
Fig. 3 Blockschaltbild einer analogen Meßwertverarbeitung, Fig. 4 Blockschaltbild einer digitaler. Heßvertverarbeitung.
Der prinzipielle Aufbau eines Infrarot-Analysators ergibt sich aus Fig. 1. Die von einem Infrarot-Strahler 1 emittierte Strahlung wird durch ein erstes Linsensystem 2, ein optisches Breitbandfilter 3, das den größten Teil der für die Absorptionsmessungen nicht benötigten Lichtfrequenzen ausblendet, eine Meßküvette 4 die, vom Meßgas durchströmt und deren Gasdruck mit einem Druckmesser 5 gemessen wird, und ein zweites Linsensystem 6 auf einen thermischen Detektor 7 geleitet, dem eine elektronische Meßwertverarbeitung 8 nachgeschaltet ist. Zwischen dem ersten Linsensystem 2 und dem Breitbandfilter 3 ist als Chopper ein Filterrad 9 im Strahlengang angeordnet, das von einem Schrittmotor 10 angetrieben wird und mit Gasfiltern und/ oder Festkörperinterferenzfiltem bestückt ist. Im Falle der Verwendung von Gasfiltern ist das Referenzfilter 11 mit mindestens einer unter hohem Partialdruck stehenden Komponente eines zu untersuchenden Gasgemisches und das Referenzfilter 12 evakuiert oder mit einem nichtabsorbierenden Gas, wie z.B. Helium gefüllt.
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In der gezeichneten Stellung des Filterrades 9 durchdringt der IR-Strahl 13 ein mit den zu messenden Gasen gefülltes Referenzfilter 11, so daß das auf den Detektor 7 auftreffende Licht um den im Referenzfilter 11 absorbierten Anteil geschwächt ist. Dabei ist das Breitbandfilter 3 so ausgewählt, daß dessen Durchlaßwellenlängenbereich mindestens eine Absorptionsbande des Meßgases umfaßt. Wenn das Meßfilter 12 in den Strahlengang des IR-Strahles 13 tritt, wird das den Detektor 7 treffende Licht um den Anteil geschv/ächt, der von dem Meßgas in der Küvette 4 absorbiert wurde, da das Meßfilter 12 den Strahl ungeschwächt durchläßt. Aus der Differenz der beiden den Detektor 7 treffenden Lichtsignale kann die Konzentration und der Partialdruck des die Meßküvette 4 durchströmenden Gases ermittelt werden. Bei Verwendung von Festkörperinterferenzfiltern, wobei die Transmissionskurve des ersten Filters mit der Absorptionsbande des zu untersuchenden Gases zusammenfällt und die Transmissionskurve des zweiten Filters möglichst dicht bei der des ersten Filters liegt, kann das Breitbandfilter 3 entfallen.
Für präzise Messungen der Partialdrücke und der Konzentrationen von Gasgemischen muß unabhängig vom Meßprinzip das Signal/Rausch-Verhältnis des Detektors möglichst groß sein. Das ist dann der Fall, wenn der Rückkopplungswiderstand R- bzw. der Quellwiderstand R des Vorverstärkers sehr groß ist, da das Signal/Rausch-Verhältnis S/R gemäß
S/R~(R, J 1/2 (D
ι, s
ansteigt. Einer Erhöhung von R,. bzw. von R sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Grenzfrequenz des Verstärkersystems bei der Kapazität C des Systems entsprechend der Beziehung
Λ,~1/ (Rf,s· C) (2)
mit wachsendem Rf abnimmt, so daß eine unerwünschte Überlappung zeitlich aufeinanderfolgender Signale auftritt.
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Bei der Erfindung wird dieses Problem gelöst, indem ein sehr hohes Signal/Rausch-Verhältnis durch einen sehr hohen Rückkopplungswiderstand R_ und einen sehr hohen Quellwiderstand R ent-
X 5
sprechend Beziehung (1) eingestellt wird,und die wegen Beziehung (2) auftretende Überlappung aufeinanderfolgender Signale elektronisch entfaltet wird. Dadurch können bis um den Faktor 1OO höhere Signal/Rausch-Verhältnisse erzielt werden.
In Fig. 2a ist das Prinzip der Entfaltung einander überlappender Ausgangssignale eines Strahlungsdetektors 7 bei Auswertung einer Halbwelle dargestellt. Die Diskussion wird am Beispiel eines thermischen Detektors für IR-Strahlung geführt. Sie hat jedoch Gültigkeit für jeden Detektortyp, wenn Signalüberlappung auftritt. Infolge der Drehung des Filterrades 9 (Fig.1) werden alternierend Referenzsignale 20 und Meßsignale 21 erzeugt, die ir. Bezug auf eine Nullinie 22 als positive oder negative Signale auftreten. Dan Ausgangssignal ist proportional zur zeitlichen Teruperaturänderung dT/dt des aktiven Detektorelements, d.h. hohe positive Signalwerte bedeuten starke Erwärmung.negative Signale entsprechen einer Abkühlung des Detektors. Die strichlierten Kurvenabschnitte 23,24 sind die Abkühlkurven des Detektors, die sich ergeben würden, falls der jeweils nächstfolgende Strahlungsinipuls erst nach beliebig langer Zeit auf den Detektor treffen würde. Wegen Beziehung (2) ist den Kurvenabschnitten 23,24 jedoch die Temperaturanstiegkurve ~s nächsten Strahlungsimpulses überlagert. Das wirkliche Meßsignal ist daher gleich der Differenz zwischen Temperaturanstiegskurve 21 und Abkühlkurve 24. Für quantitative Absorptionsmessungen wird das zur Strahlungsintorsität proportionale Integral dieser Differenzfunktion, d.h. die zwischen den Kurven 21 und 24 liegende Fläche F, bestimmt.
Die Fläche F kann in guter Näherung dadurch ermittelt v/erden, daß eine Parallele zur Nullinie 22 als Integrationsbasis 25 gewählt und das Integral bezüglich dieser Basis bestimmt wird. Der Abstand 26 der Integrationsbasis 25 von der Hullinie 22 ergibt sich daraus, daß die im wesentlichen von der Integrationsbasis 25 und dem Kurvenabschnitt 24 gebildeten Dreiecksflächen F. und F_ gleichen Flächeninhalt haben müssen. Der Abstand 26 kann z. B. durch eine dem Eingang eines Integrationsgliedes der Meßwertver-
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arbeitung aufgeprägte Gleichspannung eingestellt v/erden. Dabei wird zweckmäßigerweise der Absolutwert der Spannung so eingestellt, daß bei sehr hohem Druck in der Meßküvette 4, das Integral der Fläche F in dem Integrationsintervall 27 zu Null wird.
Diese einfache Maßnahme ermöglicht neben der Entkopplung der den Referenzsignalen 20 überlagerten Meßsignale 21 eine Eliminierung von unerwünschtem Falschlicht, das z.B. von dem Emissionsvermögen der Filter 11,12 in einem von dem zu untersuchenden Gas nicht absorbierten Spektralbereich herrührt. Dieser Falschlichtanteil wird bei der einmaligen Einstellung der Gleichspannung automatisch kompensiert, so daß Nichtlinearitäten der Anzeige des Analysators vermieden werden.
In Fig. 2b ist das Prinzip der Entfaltung einander überlappender Ausgangssignale eines Strahlungsdetektors bei Auswertung des gesamten Signals dargestellt. Dadurch wird gegenüber dem in Fig. 2a erläuterten Verfahren eine weitere Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erzielt.
Die Integrationsbasis 28 liegt unterhalb des Ausgangssignals 20,
21 des Detektors 4, die Integrationsgrenzen sind festgelegt durch die Schnittstellen 30,31,32,33 des Ausgangssignales 20,21 mit der Nullinie 22. Zur Auswertung werden jeweils die Differenzen (F ι _ F_') der Integrale F1 1, F ' des Referenzsignales und (F3 1 - F4 1) der Integrale F3 1, F' des Heßsignales gebildet. Von
jeder der beiden Differenzen v/ird der bei sehr hohem Druck in der Meßküvette 4 vorliegende Wert (F,1 - F ' ) subtrahiert, um
3p*o 4poo
Falschlicht zu eliminieren und um den durch die Signalüberlappung hervorgerufenen Effekt zu kompensieren.
Es ist auch möglich, die Nullinie 22 als Integrationsbasis zu verwenden. Dabei sind für das Referenzsignal 20 und für das Meßsignal 21 jeweils die Summen der oberhalb und unterhalb der Nullinie
22 liegenden Flächen zu bilden.
Ein Blockschaltbild der Meßwertverarbeitung zum Durchführen des Verfahrens,also zum Bestimmen des jeweiligen Partialdruckes und der Konzentration des Meßgases ist in Fig. 3 dargestellt.
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Die Meßwertverarbeitung 8 (siehe Fig. 1) besteht im wesentlichen aus einer analogen Rechenstufe 40 und einer deren Funktionen steuernden digitalen Steuereinheit 41, die mit einem Netzteil und einer ersten Anzeigeeinheit 4 2 für den Partialdruck und einer zweiten Anzeigeeinheit 43 für die Konzentration in einem 19-Zoll-Gehäuse angeordnet sind. Dem Ausgang des thermischen Detektors 7 3ind ein schmalbandiges Frequenzfilter 44 und ein Verstärker 45 nachgeschaltet. Die am Ausgang 46 des Verstärkers 45 alternierend auftretenden Referenzsignale 20 und Meßsignale 21 werden zeitlich nacheinander mit einem Integrationsglied 47 getrennt integriert und in einer Logarithniereinheit 48 logarithmiert. Zum vorbestimmten Einstellen des Abstandes 26,29 der Integrationsbasis 25,28 von der Nullinie 22 wird dem am Ausgang 46 des Verstärkers 45 auftretenden Signal 20,21 eine vorbestiininte Gleichspannung aufgeprägt.
Die Steuereinheit 41 besteht im wesentlichen aus einem Oszillator einstellbarer Frequenz;der über einen zweiten Ausgang 50 und einen ersten Frequenzteiler 51 die Stromversorgung des Schrittmotors 10 und über einen dritten Ausgang 52 und einen zweiten Frequenzteiler 53 mit einem nachgeschalteten Zähler 54 das Integrationsglied 47 ansteuert und das Integrationsintervall auf vorbestimmte Werte einstellt.
Das von dem Schrittmotor 10 gedrehte Filterrad 9 wird mit einer Lichtschranke 55 überwacht, die nach jeder vollen Drehung des Filterrades 9 den Zähler 54 auf Null zurücksetzt.
Der Logarithmiereinheit 48 ist ein elektronischer Umschalter 56 nachgeschaltet, der über einen vierten Ausgang 57 der Steuereinheit 41 gesteuert wird und die dem Referenzsignal 20 zugeordnete Ausgangsgleichspannung der Logarithmiereinheit 48 auf eine erste Sample/Hold-Einheit 58 und die dem Meßsignal 21 zugeordnete Ausgangsgleichspannung auf eine zweite Sample/Hold-Einheit 59 überträgt. Der Ausgang der ersten Sample/Hold-Einheit 58 ist direkt, der Ausgang der zweiten Sample/Hold-Einheit 59 über einen
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Inverter 60 auf eine Addierstufe 61 geschaltet, welche die Differenz beider Gleichspannungen bildet. Mit einem Eichglied 62 wird die Rechenstufe auf das jeweilige zu untersuchende Gas angepaßt.
Der Ausgang der Addierstufe 61 ist auf den ersten Eingang einer Dividierstufe 6 3 gescnaltet, an deren zweitem Eingang ein den Gasdruck in der Meßküvette 4 messender Druckmesser 5 angeschlossen ist. In der Dividierstufe 63 wird der Quotient aus dem Partialdruck der zu messenden Gaskomponente und dem Gesamtdruck des Gesamtgemisches in der Meßküvette gebildet und mit der an den Ausgang der Dividierstufe 63 angeschlossenen Anzeigeeinheit 43 angezeigt.
Die elektronische Signalverarbejtung wirkt als Lock-in-Verstärker, da eine phasenstarre Summation über viele zeitlich aufeinanderfolgende Integrale an den RC-Gliedern der Sample/üold-Einheiten 58,59 erfolgt und die Chopperfrequenz mit der Mittelfrequenz des Schmalbandverstärkers 4 4,45 übereinstimmt. Eino zusätzliche Vergrößerung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird durch die Integration über die Signalimpulse des thermischen Detektors 7 erzielt.
Das Blockschaltbild Giner digitalen Heßwertverarbeitunrj zum Durchführen des Verfahrens also zum Bestimmen des jeweiligen Partialdrucks und der Konzentration des ließgases ist in Fig. 4 dargestellt.
Die am Ausgang 69 des Detektors 7 anliegenden analogen Signale werden einer digitalen Rechenstufe 70 zugeführt und über einen Eingangsverstärker 71 auf einen integrierenden Analog/Digital-Wandler 72 gegeben. Die digitalen Integrale v/erden über einen Multiplexer 73 einein digitalen Vielkanalspeicher (74) zugeführt. Jeder Speicher 74 enthält jev/eils die Ergebnisse von Integrationen des Referenzsignals 20 bzw. dwG Meßsignales 21 einer zu messenden Gaskomponente des zu analysierenden Gasgemisches. Vorzugsweise wird nach jeder Berechnung eines Integrals der älteste Wert im
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Speicher 74 durch einen neuen ersetzt. Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses werden die in einem Speicher 74 stehenden Werte von einer digitalen Recheneinheit 75 addiert und digital weiterverarbeitet. Anstelle der in Fig. 3 beschriebenen analogen Addition einer am Ausgang des Vorverstärkers der Rechenstufe 70 anliegenden Gleichspannung kann von der Recheneinheit 75 eine digitale Konstante addiert werden, die bei sehr hohem Druck in der Meßküvette 4 von der Recheneinheit 75, entsprechend den oben genannten Vorschriften, automatisch einmalig ermittelt wird. Die gesamte Schaltung wird von einer Steuereinheit 76 überwacht. Zur weiteren Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird die Verstärkung des Eingangsverstärkers 71 automatisch durch einen veränderten Widerstand 77 kontinuierlich so eingestellt, daß die digitalen Integrale der Referenzsignale 20 zeitlich konstant bleiben. Die Regelung erfolgt mit einer Referenzspannungseinheit 78 und einem Komparator 79. Diese Regelung kann auch für die analoge Version eingesetzt werden. Außerdem können die Vielkanalspeicher 74 bei der analogen Schaltung nach Fig. 3 in Form von analogen CCD-Speichern (Charge Compled Decices) realisiert werden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche;
    1. Verfahren zum Bestimmen des Partialdruckes und der Konzentration eines Gases (Meßgas), das mit mindestens einem anderen Gas (Zusatzgas) gemischt ist und bei dem auf der Grundlage der optischen Absorptionsmethode aus einem Lichtstrahl vorbestimmter Intensität mit Filtern definierte Wellenlängenbereiche alternierend ausgeblendet v/erden und beim Durchdringen des Meßgases ein erster Wellenlängenbereich in seiner Intensität geschwächt und ein zweiter Wellenlängenbereich nicht geschwächt und die Intensität der Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Detektor gemessen wird und durch Vergleich zweier aufeinanderfolgender Signale unterschiedlicher spektraler Verteilung, Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, Variationen der optischen Transmission und des Reflexionsvermögens des Strahlenganges und andere Störgrößen weitgehend eliminiert werden, dadurch gekennzeichnet,
    daß zum Erzielen einer hohen Meßgenauigkeit das Signal/Rausch-Verhältnis des Detektors (7) möglichst groß gemacht wird durch einen sehr großen Rückkopplungswiderstand und/oder einen sehr großen Quellwiderstand des Vorverstärkers, und daß die Überlappung zweier zeitlich aufeinanderfolgender Ausgangssignale des Detektors (7), also des Referenzsignales (20) mit dem nachfolgenden Meßsignal (21), bei der sich der positive Teil des Meßsignales (21) über einer nach Abschalten der Strahlenquelle (1) meßbaren Abkühlkurve (24) als Quasi-Nullinie aufbaut, dadurch kompensiert wird, daß als Integrationsbasis (25) eine die Abkühlkurve (24) ersetzende Parallele zur Nullinie (22) des Detektorausgangssignales (20,21) verwendet wird, deren Abstand (26) von der Nullinie (22) einer dem Eingang eines Integrationsgliedes (47) der Meßwertverarbeitung (8) zusätzlich aufgeprägten Gleichspannung entspricht, deren Höhe bei vollständiger Absorption des Meßsignales (21) in der Meßküvette (4) so eingestellt wird, daß das Integral der vom Meßsignal (21) und der Parallelen (25) zur Nullinie (22) umschriebenen Fläche (F) gleich Null ist.
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    ORIGINAL INSPECTED
    2. Verfahren zum Bestimmen des Partialdruckes und der Konzentration eines Gases (Meßgas), das mit mindestens einem anderen Gas (Zusatzgas) gemischt ist und bei dem auf der Grundlage der optischen Absorptionsmethode aus einem Lichtstrahl vorbestimmter Intensität mit Filtern definierte Wellenlängenbereiche alternierend ausgeblendet werden und beim Durchdringen des Meßgases ein erster Wellenlängenbereich in seiner Intensität geschwächt und ein zweiter Wellenlängenbereich nicht geschwächt und die Intensität der Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Detektor gemessen wird und durch Vergleich zweier aufeinanderfolgander Signale unterschiedlicher spektraler Verteilung Intensitätsschwankungen der Licntquelle, Variationen der optischen Transmission und des Reflexionsvermögens des Strahlenganges und andere Störgrößen weitgehend eliminiert werden, dadurch gekennzeichnet,
    daß zum Erzielen einer hohen Heßgenauigkeit das Signal/Rausch-Verhältnis des Detektors (7) möglichst groß gemacht v/ird durch einen sehr großen Kückkopplungswiderstand und/oder einen sehr großen Quellwiderstand des Vorverstärkers, und daß die Überlappung zweier zeitlich aufeinanderfolgender Ausgangssignale des Detektors (7), also des Referenzsignales (20) mit dem nachfolgenden Meßsignal (21) dadurch kompensiert wird, daß als Integrationsbasis eine Parallele (28) zur Nullinie (22) des Ausgangssignales des Detektors (7) verwendet wird, daß die Integrationsgrenzen von den Schnittstellen (30,31,32,33) des Ausgangssignales mit der Nullinie (22)so bestimmt sind, daß ein erstes Integral (F') den positiven Bereich, ein zweites Integral (F-1) den negativen Bereich des Referenzsignales (20), ein drittes Integral (F,1) den positiven Bereich und ein viertes Integral (F4 1) den negativen Bereich des Meßsignales (21) umfaßt, daß für das Referenzsignal (20) und das Meßsignal (21) die Differenz des ersten und des zweiten Integrals (F1 1 - F ') und des dritten und des vierten Integrals ^3'-F4 1) gebildet und von jeder der Differenzen die bei sehr hohem Druck in der Meßküvette (4) gemessene Differenz des dritten und des vierten
    Integrals (F0 1 - F-1 ) subtrahiert wird. 3Po* 4Po*
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    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (29) der als Integrationsbasis (28) verwendeten Parallelen zur Nullinie (22) des Ausgangssignales (20,21) des Detektors (7) durch eine dem Eingang eines Integrationsgliedes (4 7) der Meßwertverarbeitung (8) aufgeprägte Gleichspannung so eingestellt ist, daß die Integrationsbasis(28) unterhalb des Ausgangssignales (20,21) des Detektors (7) liegt.
    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (29) der als Integrationsbasis (28) verwendeten Parallelen zur Nullinie (22) des Ausgangssignales (20,21) des Detektors (7) durch eine dem Eingang eines Integrationsgliedes (47) der Meßwertverarbeitung (8) aufgeprägte Gleichspannung so eingestellt ist, daß Integrationsbasis (28) und Nullinie (22) identisch sind.
    Schaltungsanordnung zuli Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (7) eine Meßv;ertverarbeitung (8) nachgeschaltet ist, die im wesentlichen aus einer analogen Rechenstufe (40), einer deren Funktionen steuernden digitalen Steuereinheit (41), einer ersten Anzeigeeinheit (42) für den Partialdruck und einer zweiten Anzeigeeinheit (43) für die Konzentration besteht.
    Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Detektors (7) ein Frequenzfilter (44) und ein Verstärker (45) nachgeschaltet sind, daß ein Intcgrationsglied (47) zum alternierenden getrennten Integrieren der am Ausgang (46) des Verstärkers (45) auftretenden Referenzsignale (20) und Meßsignale (21) und eine Logarithmiereinheit (48) vorgesehen sind, daß mit einem elektronischen Umschalter (56) die dem Referenzsignal (20) zugeordnete Ausgangsgleichspannung der Logarithmiereinheit (48) auf eine erste Sample/Hold-Einheit (58) und die dem Meßsignal (21) zugeordnete Ausgangsgleichspannung der Logarithmiereinheit (48) auf eine zweite Sample/Hold-Einheit (59) übertragbar sind, daß der Ausgang der ersten Sample/Hold-Einheit (58) direkt und der Ausgang der zweiten Sample/Hold-Einheit (59) über einen Inverter (6O) auf eine Addierstufe (61) geschaltet sind, daß
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    mit einem Eichglied (62) das Ergebnis der Addition auf den Partialdruck (p) einstellbar ist, und daß der Ausgang der Addierstufe (61) auf den ersten Eingang einer Dividierstufe (63) geschaltet ist, an deren zweitem Eingang ein den Gasdruck in der Meßküvette (4) messender Druckmesser (5) angeschlossen ist.
    7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Eingang (46) des Integrators (47) eine Gleichspannungsquelle (64) zum
    gleichzeitigen Abgleichen des Eingangsverstärkers (45) und des Integrators (47) geschaltet ist.
    8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche
    5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, äaß für jede einer Vielzahl von Gaskomponenten eine's zu analysierenden Gasgemisches eine erste Sample/Hold-Einheit (58) und eine zweite Sample/Hold-Einheit (59) und die nachgeschaltete Signalverteilung (60 bis 63) vorgesehen ist.
    9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Steuereinheit (41) im wesentlichen besteht aus einem Oszillator vorbestimmter Frequenz, der über einen ersten Frequenzteiler (51) die Leistungsstufe eines Schrittmotorantriebes (10) und über einen zweiten Frequenzteiler (5-, und einen nachgeschalteten Zähler (54) den Integrator (47) der analogen Rechenstufe (4O) und über einen dritten Ausgang (57) den elektronischen Umschalter (56) zwischen der Logarithmiereinheit (48) und der ersten und der zweiten Sample/Hold-Einheit (58,59) steuert.
    10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer Lichtschranke (55) auf den Zähler (54) der Steuereinheit (41) geschaltet ist und mit seinem Ausgangssignal nach jeder Umdrehung eines von dem Schrittmotorantrieb (10) bewegten Filterrades (9) den Zähler (54) auf Null zurücksetzt.
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    11. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (7) eine Meßwertverarbeitung (8) nachgeschaltet ist, die im wesentlichen aus einer digitalen Rechenstufe (70), einer deren Funktionen steuernden digitalen Steuereinheit (76) , einer ersten Anzeigeeinheit (42) für den Partialdruck und einer zweiten Anzeigeeinheit (43) für die Konzentration besteht.
    12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Rechenstufe (70) im wesentlichen aus einem Eingangsverstärker (71), einem Analog/Digital-Viandler (72), einem Multiplexer (73), einem digitalen Vielkanalspeicher (74) und einer digitalen Recheneinheit (75) besteht.
    13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderbarer Widerstand (77) zum Einstellen des Verstärkungsfaktors des Eingangsverstärkers (71) vorgesehen ist, und daß eine Referenzspannungseinheit (78) und ein Komparator (79) den
    Widerstand (77) so einstellt, daß das Integral des Referenzsignales (20) auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird.
    der
    14. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für jede einer Vielzahl von Gaskomponenten eines zu analysierenden Gasgemisches ein digitaler Speicher (74) vorgesehen ist.
    15. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Recheneinheit (75) zum vorbestimmten Einstellen des Abstandes (26,29) der Integrationsbasis (25,28) von der Nullinie (22) dem Meßsignal (21) und dem Referenzsignal (20) eine digitale Konstante zusetzt.
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