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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende erfindung bezieht sien auf die Meßtechnik, auf die
Kontrolle der Dicrltigkeit von abgeschlosseneil Hüllen und Systemen, genauer auf
ein Verfahren zur Analyse von Gas-Luft-Gemischen und eine Einrichtung zur Durchführung
desselben.
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Die Erfindung kann in der Flugzeug-, Kraftfahrzeugindustrie, im Traktorenbau
sowie in der chemischen, Brdöl-- und Gasindustrie und in vielen anderen Volkswirtschaftszweigen,
darunter im Wohnungs- und Industriebau, vorwiegend zur Kontrolle der Dientigkeit
verschiedener Objekte angewendet werden.
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Gegenwartig sind massenspektrometrische, thermokatalytische, Halogen-,
Ultraschallecksucher sowie andere Arten derselben bekannt. Alle diese Lecksucher
haben besondere Zweckbestimmung. Der massenspektrometrische Lecksucher ist zum einsatz
in der Vakuwlindustrie, der Halogenlecksucher zum Einsatz in der Kältetechnik bestimmt,
und die übrigen Lecksuchertypen werden in verschiedenen Volkswirtschaftszweigen
zum Auffinden von groben Fehlern durchgängiger Art angewendet.
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Zu den ilauptf orderungen, die an die erwähnten Lecksucher gestellt
werden, gehört die Gewährleistung der Dichtneit uer Objekte mit der erforderlichen
Genauidkeit in kontinuierlichen l)auerbetrieb sowie die Benutzung eines solchen
Prüfgases, das ein gleichmäßiges Füllen des gesamten volumens des zu kontrollierenden
Objektes mit dem das Prüfgas enthaltenden Gas-Luft-Gemisch gewährleistet.
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Jedoch genügen diese Lecksucher den genannten Anforderungen nicht
in vollem Maße. So kann der Halogenlecksucher im kontinuierlichen Betriebszustand
wegen der Ansammlung des Kältemittels im Fühleletient nicht arbeiten, die das Durchblasen
des letzteren notwendig macht. AuIerdem gestattet die Verwendung eines solchen Kältemittels
es nicht, das Volumen jes zu prüfenden Objektes gleichmäßig zu füllen, was die Kontrollgenauigkeit,
insbesondere bei der Prüfung großer Volumina, stark herabsetzt.
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Der letztere Nachteil ist auch den massenspektro-
metrischen
Lecksuchern eigen.
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Teilweise ist die Aufgabe der gleichmaßigen Füllung des Volumens
des zu kontrollierenden Objektes mit dem Gas-Luft-Arbeitsgemisch durch die Schaffung
eines Verfahrens zur Analyse von Gas-Luft-Gemischen (siehe z.B. den SU-Urheberschein
Nr. 298876, Kl. G 01 n 21/34, veröff. am 16.03.71) gelöst, das als Prüfgas Distickstoffoxid
verwendet. lin erwähnten Verfahren wird das zu analysierende Gas-Luft-Gemisch der
Arbeitskammer zugeleitet, auf dieses Gemisch wirkt dann die Infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlung
ein, die nacn den Absorptionsbanden des Probengases moduliert worden ist, worauf
inan nach der Änderung der Strahlungsintensität über Enthaltensein des Prüfgases
im Gas-Luft-Gemisch urteilt. Das beschriebene Verfahren kann sowonl - zur Analyse
von Gas-buit-Gemische wie zur Ortung von Leckstellen an geschlossenen Gefäßen angewendet
werden.
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Bekannt ist eine Einrichtung zur Analyse von Was--Luft-Gemischen
(siche z.B. den SU-Urheberschein Nr.
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428242, Kl. G OI m 3/04, veröff. am 15.05.74), die eine Arbeitskammer
enthält, die über ihren Eingang mit dem Probenehmer des Gas-Luft-Gemisches, über
ihren Ausgang aber mit der Vakuumpumpe verbunden ist, wobei relativ zur Eintrittsöffnung
dieser Arbeitskammer eine Infrarot- bzw.
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Ultraviolettstrahlungsquelle angeordnet ist, im Strahlungsweg zwischen
der Quelle und der Eintrittsöffnung nacheinander in der Strahlungsrichtung ein Strahlungsschalter
und ein modulator angebracht sind, die einen optischen Bezugskanal und einen optischen
Ärbeitskanal erzeugen, während im Wege der durch die Kammer mit dem Gas-Luft-Gemisch
hindurchgegangenen Strahlung ein Infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlungsempfänger
angeordnet ist, der mit den jeweiligen Eingängen einer Vergleichsschaltung elektrisch
verbunden ist, deren Ausgang an eine Anzeigeeinheit angeschlossen ist.
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In der erwähnten Einrichtung, die einen Lecksuchgasanalysator darstellt
und das Verfahren nach dem SU-Urheberschein iQr. 298876 realisiert,. erfolgt die
Analyse des
Gas-Luft-Gemisches in der Dynamik des Dynamik des Gemischstroms,
d.h.
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das Gas-Luft-Gemisch wird der Arbeitskammer kontinuierlich zugeleitet.
Hierbei findet die Änderung des Druckes, der Geschwindigkeit und der Temperatur
des Gas-Luft-Gemisches während der Analyse desselben statt. Außerdem beeinflussen
auch die Schwankungen des atmosphärischen Druckes das Analysenergebnis.
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Die Unstabilität der Hauptparameter des zu analysierenden Gemisches
verringert die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Kontrolle sowie beschränkt die
Grenzempfindlichkeit der Einrichtung, was wiederum zur Einengung des Einsatzgebietes
der Einrichtung führt.
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Die erwähnten Nachteile erklären sich dadurch, dalS die Grenzempfindlichkeit
der beschriebenen Einrichtung in bezu. auf uie Konzentration des Prüfgases, beispielsweise
dem Distickstoffoxid, im zu analysierendenGas-buft-Ge misch nacn einer vereinfachten
Formel bestimmt wird:
wo es bedeutet: Qmin - minimaler zuverlässig registrierbarer Strom des zu analysierenden
Gas-Luft-Gemisches l#s-1, der durch eine Fehlstelle durchgängiger Art fließt; c
" - minimale Konzentration des Prüfgases, die von der Einrichtung registriert wird,
Vol.%; # -Volumendurchfluß des zu analysierenden Gas-Luft-Gemisches durch die Arbeitskammer
der Einrichtung l#s-1; p - Atmosphärischer Druck, Pa.
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Aus der ungeführten Formel folgt, daß je größer der Volwnendurchfluß
des zu analysierenden Gas-Luft-Gemisches durch die Arbeitskammer der Einrichtung.
ist, Umso niedriger ist ihre Empfindlichkeit in bezug auf den kleinstmöglichen Strom
des Gas-Luft-Gemisches Der Volumendurchfluß ist in erster Linie von druck und Geschwindigkeit
des zu analysierenden Gas-Luft-Gemisches in der Arbeitskammer abhängig.
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Bei aLlen bekannten Gaslecksuchern stellt der Volumen-
durchfluß
des zu analysierenden Gas-Luft-Gemisches, das durch die Arbeitskammer hindurchströmt,
infolge der Druckänderung und der Änderung der Passiergeschwindigkeit des zu analysierenden
Gas-Luft-Gemisches eine variable Größe dar, was eben die Hauptursache ist, die die
Empfindlichkeit und die Meßgenauigkeit des Prüfgases im zu analysierenden Gas-Luft-Gemisch
beschränkt.
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Bekannt sind ferner ein Gerät zur Bestimmung von erhöhten Konzentrationen
von entzündbaren Dämpfen und Gasen, die durch Leck bedingt sind ("Plant Engineering",
1970, Vol. 33, Nr. 19, p. 129-131), ein infrarotanalysator zur Bestimmung des Lecks
schweren Wassers in den Kernreaktoren ("Canadian chemical processing", 1978, Vol.
62, Nr. 5, p. 26 - 28), ein Infrarotgasanalysator, der als Lecksucher eingesetzt
wird (im US-Handbuch "Zerstörungsfreie Methoden der Gütekontrolle" - "Metall Handbook",
1976, Kapitel "Kontrolle der Dichtheit", SS. 260 - 270), ein Infrarotlecksucher
(siehe z.B. die GB-PS Nr. 1442195, Kl. G OIA, US-PS Nr. 3771350, Kl. 73-405 R),
eine Technologie zur Bestimmung des Lecks in den unterirdisen verlegten Rohrleitungen
und Systemen, beschrieben in "Yournal op Opties", 1980, Vol. II, Nov.-Dec. American
Water Works Association, 1979, Vol. 71, Nr. 2, p. 61-75), die Anwendung von Infrarotdetektoren
zur Dichtheitskontrolle (siehe z.B. "Vakuum-Technik", 1980. Vol. 29, Nr. 4, p. 100
- 115).
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Alle genannten Einrichtungen, die im wesentlichen ähnlich der Einrichtung
nach dem SU-Urheberschein Nr. 428242 ausgeführt sind, besitzen wie auch diese Einrichtung
eine niedrige Empfindlichkeit und Kontrollgenauigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analyse
von Gas-Luft-Gemischen und eine Einrichtung zur Durchführung desselben zu schaffen,
in denen die Gewährleistung der Bedingungen, bei die Pararneter des zu kontrollierenden
Gas-Luft-Gemisches während der Zuleitung desselben zur Arbeitskammer sowie in der
Arbeitskammer selber stabilisieren lassen, eine Erhöhung der Empfindlichkeit gegen
Prüfgas sowie der Genauigkeit
der Dichtheitskontrolle der zu untersuchenden
Objekte ermöglichen würde.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daiS im Verfahren zui
Analyse von Gas-läuft-Gemischen, das darin besteht, daß man das zu analysierende
Gas-Luft-Gemisch der Arbeitskammer zuleitet, auf dieses Gemisch die Infrarot- bzw.
Ultraviolettstrahlung einwirken läßt, die nach den Absorptionsbanden des Prüfgases
moduliert worden ist, und nacü der Änderung der Strahlungsintensität über das Enthaltensein
des Prüfgases im Gas-Luft-Gemisch urteilt, erfindungsgemäß die Zuleitung des Gas-Luft-Gemisches
zur Arbeitskammer so lange erfolgt, bis der Druck desselben oen atmosphärischen
Druck überstiegen hat, und dieser Druck zumindest während drei Modulationszyklen
konstant gehalten wird, wahrend die einwirkung der Infrarot- bzw. ultraviolett strahlung
von dem Augenblick an einsetzt, da der Druck des Gas-Luft-Gemisches den atmosphärischen
Druck überstiegen hat.
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Zweckmäßigerweise wird im Verfahren zur Analyse von Gas-Luft-Gemischen
vor der Zuleitung des Gas-läuft-Gemisches zur Arbeitskammer diese zunächst mit einem
Gas durciiblasen, das die Infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlung nicnt absorbiert,
wobei sie ur Erhöhung des Konzentration des Prüfgases im Gas-Luft-Gemisch in der
Arbeitskammer bis auf einen Druck evakuiert wird, der niedriger als der atmosphärische
Druck ist.
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Die gestellte Aufgabe ist ferner auch dadurch gelöst, daß die Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Analyse des Gas-Luft-Gemisches, die eine Arbeitskammer
enthält, die über ihren Eingang mit dem Probenehmer des Gas--Luft-Gemisches, über
ihren Ausgang aber mit der Vakuumpumpe verbunden ist, wobei relativ zur Austrittsöffnung
derselben eine infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlungsquelle angeordnet ist, im Strahlungsweg
nacheinander in der Strahlungsrichtung ein Strahlungsschalter und ein Modulator
angebracht sind, die einen optischen Bezugskanal und einen optischen Ärbeitskanal
erzeugen, und im Wege der durch die Arbeitskammer mit dem Gas-Luft-Gemisch hindurchgegangenen
Strahlung ein In-
frarot- bzw. Ultraviolettstrahlungsempfänger
angebracnt ist, der mit den entsprechenden Eingängen einer Vergleichsschaltung elektrisch
verbunden ist, deren Ausgang an eine Anzeigeeinheit angeschlossen ist, erfindungsgemäß
eine Druckpumpe, die am Eingang der Arbeitskammer angeordnet ist, zwei elektriscne
Ventile, die jeweils unmittelbar am Eingang und au Ausgang ser Arbeitskammer angebracht
sind, einen Druckgeber, der i:iit der Arbeitskammer verbunden ist, eine Steuereinheit,
die über ihren einen Informationseingang an den Druckgeber, über ihren anderen Informationseingang
aber an den anderen Ausgang der Vergleichsschaltung, über einen Steuerausgang an
den entsprechenden eingang der Vergleichsschaltung und über ihre anderen Steuerausgänge
an die Eingänge eines jeden elektrischen Ventils angeschlossen ist, sowie eine Zeitintervalleinheit
umfaßt, deren Ausgang an den entsprechenden Informationseingang der Steuerinheit
angeschlossen ist.
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Im Verfahren zur Analyse des Gas-Luft-Gemisches und der Einrichtung
zur Durchführung desselben erfolgt die Analyse bei konstantem Druck in der Arbeitskammer
und einer Zuleitungsgeschwindigkeit des zu analysierenden Gemisches zur Arbeitskammer,
die gleich Null rist. jiicrbei wird der Absolutwert dieser zwei Parameter solcher
weise gewählt, daß die Einrichtung während der Analyse nac;£ dem erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfatiren eine höchstmögliche Empfindlichkeit Qmin in bezug auf
die Konzentration des Prüfgases hätte. Während der Analyse in der Einrichtung werden
diese Parameter automatisch konstant gehalten.
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Dies gestattet es, die Empfindlichkeit des Verfahrens und der Einrichtung
sowie die Kontrollgenauigkeit bei der Feststellung von Fehlern durchgängiger Art
zu erhöhe ii.
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Im folgenden wird die Erfindung in der Beschreibung einer konkreten
Ausführungsform derselben sowie durch bei liegende Zeichnungen erläutert; in den
Zeichnungen zeigt.
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Fig. 1 Funktionsschaltbild der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
zur Analyse vun Gas-Luft-Gemischen gemäß der Erfindung;
Fig. 2
Zeitdiagramm der Änderung des Drucks des Gas--Luft-Gemisches in der Arbeitskammer
bei der Gemischanalyse nach dem vorgeschlagenen Verfahren, gemäß der brf indung.
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Das Verfahren zur Analyse.von Gas-Luft-Gemischen besteht in folgendem.
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Das zu analysierende Gas-Luft-Gemisch, das an der zu kontrollierenden
Oberfläche eines zu prüfenden Objektes bei der Feststellung eines durchgängigen
Fenlers entnommen wird, wird der Arbeitskammer zugeleitet. Hierbei geschieht die
Zuleitung des Gas-Luft-Gemisches so lange, bis sein Druck den atmosphärischen Druck
überstiegen hat.
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Angefangen von diesem Augenblick an läßt man eine Infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlung,
die nach den Absorptionsbanden des Prüfgases moduliert worden ist, auf das Gas--Luft-Gemisch
in der Arbeitskammer einwirken, wobei während der Einwirkung dieser Strahlung der
Druck des Gas--Luft-Gemisches in der Kammer zumindest während drei Moduiationszyklen
in der erreichten Höhe konstant genalten wird.
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Infolge der erwähnten Strahlungseinwirkung auf das zu analysierende
Gas-Luft-Gemisch findet eine Änderung der Intensität dieser Strahlung; statt, nach
welcher man über das Enthaltensein des Probengases im Gas-Luft-Gemisch urteilt.
Nach den erwähnten Verfahren list sich sowohl das Vorhandensein eines Fehlers durchgängiger
Art im zu prüfenden Objekt feststellen wie auch die quantitative Schätzung der Volumenkonzentration
des Prüfgases im zu analysierenden Gas-Luft-Gemisch erzielen.
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Der Prozeß der Analyse des Gas-Luft-Gemisches kann sowohl. in der
Statik, wenn das Gemisch das gesamte Kammervolumen gefüllt nat und nicht mehr zugeleitet
wird, wie auch in der Dynamik geschehen, wenn das Gemisch durch die Kammer kontinuierlich
hindurchstromt. Hierbei wird der über dem Luftdruckwert liegende Druck des Gas-Luft--Gemisches
in der Kwnuier durch Regelung dessen Durchflusses erreicht.
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Die Einrichtung zur Durcüführung des Verfanrens zur
Analyse
von Gas-Luft-Gemischen enthält einen Probenehmer 1 (Fig.l), der mit dem Eingang
einer Arbeitskammer 2 über ein Luftfilter 3 verbunden ist, eine Druckpumpe 4 sowie
ein elektrisches Ventil 5, das uninittelbar am Eingang der Kammer 2 angebracht ist.
Am Ausgang der Kammer 2 ist ein elektrisches Ventil 6 angebracht, über das die Kammer
2 mit einer Vakuumpumpe 7 verbunden ist.
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Relativ zur Eintrittsöffnung d der Kammer 2 ist eine Infrarot- bzw.
Ultraviolettstrahlungsquelle, in der beschriebenen Ausführungsform eine Infrarotstrahlungsquelle
9 angeordnet. Im Wege des Infrarotstrahlungsflusses sind zwischen der Quelle 9 und
der Eintrittsöffnung 8 ein Strahlungsschalter 10 und ein idodulator 11 nacheinander
in der Strahlungsrichtung angeordnet, die einen optischen Bezugskanal und einen
optischen Arbeitskanal erzeugen.
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Im Wege der durch die Kammer 2 mit dem Gas-Luft-Gemisch hindurchgegangenen
Strahlung ist ein für die optisciien Kanäle gemeinsamer Infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlungsempfänger,
in der beschriebenen Ausführungsform ein Inirarotstrahlungsempfanger 12 angeordnet.
Ein Fühlelement 13 des Empfängers 12 ist mit Eingängen 14, 15 einer Vergleichsschaltung
16 elektrisch verbunden, an denen die Information aus uem jeweiligen optischen Bezugs-
bzw.
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Arbeitskanal eintrifft. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 16 ist
an eine Anzeigeeinheit 17 angeschlossen.
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Die Einrichtung enthält ferner einen Druckgeber 18, der mit der Arbeitskammer
2 verbunden und an einen Infor:aationseingang 19 einer Steuereinheit 20 angeschlossen
ist. Ein Steuerausgang 21 der Steuereinheit 20 ist an die elektrischen Ventile 5,
6 zur Auslösung des ßefe'-£1s zum Öffnen derselben angeschlossen, und die Steuerausgänge
22, 23 sind jeweils an dieselben elektrischen Ventile 5, 6 zur Auslösung des Befehls
zum Schließen derselben angeschlossen. Ein Steuerausgang 24 der Steuereinheit 20
ist an den Strahlungsschalter 10 angeschlossen, der in der beschriebenen Ausführungsform
als Jalousie 25 ausgebildet ist, die eine hin- und hergehende J3ewegu; unter der
Einwirkung eines Schrittmotors 26 ausführt. Vorn Ausgang 24 kommt
der
Befehl zum Einschalten des 5chrittmotors 26, der Befehl zum Abschalten desselben
kommt von einem Steuerausgang 27 der Steuereinheit 20.
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Die Einrichtung enthalt ferner eine Zeitintervalleinheit 2d, deren
Ausgang an einen Informationseingang 29 der Steuereinheit 20 angeschlossen ist,
deren Steuerausgang 30 an den entsprechenden Eingang der Vergleichs-.
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schaltung 16 angeschlossen ist. Der entsprechende Ausgang der Vergleichsschaltung
16 ist an einen Informationseingang 31 der Steucreinheit 20 angeschlossen.
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In der Einrichtung ist ferner ein Synchronisierteil vorgesehen, der
in der beschriebenen Ausführungsform eine Lichtquelle 92 und eine Photodiode 33
enthält, vJelche zu beiden Seiten der Jalousie 25 des Schalters 10 angebracht sind,
die silit einer Öffnung 34 versehen ist. Der Synciironisierteil - der Ausgang der
Photodiode 33 - ist an einen Informationseingang 35 der Steuereinheit 20 angeschlossen.
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In der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung ist die Infrarotstrahlungsquelle
9 als eine Nichromspirale 36 ausgebildet, die in einem Reflektor 37 angeordnet ist.
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Der Modulator 11 setzt sich in der beschriebenen Ausführungsform
der Einricatund aus drei Gasfiltern 3o, 39 40 zusammen. Das Filter 38 ist mit Distickstoffoxid,
das Filter 39 mit Stickstoff, das Filter 40 aber mit Komponenten gefüllt, deren
Spektralcharakteristik in der Nähe der Spektralcharakteristik des Distickstoffoxids
liegt, das als Probengas benutzt wird.
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Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Feststellung eines
Fenlers durchgängigen Charakters stellt die Anzeigeeinheit 17 einen Ton- bzw. Lichtsignalgeber
dar, der einen Ausgang zur Registriereinheit besitzen kann.
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Zur Gewinnung gleichzeitig mit der erwähnten Information auch der
Information über die Volumenkonzentration der Probenkomponente im zu analysierenden
Gas-Luft-Gemisch kann die Anzeigeeinheit 17 ein Registriergerät einschließen, des
in Vol.% des Prüfgases graduiert ist.
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Die Arbeit der Einrichtung zur Duichführung des
Verfahrens
zur Analyse von Gas-Luft-Gemischen besteht in folgendem. Auf befehl von der Steuereinheit
20 (L"ig.l), der vom Steuerausgang 21 an den elektrischen Ventilen 5, 6 eintrifft,
werden die letzteren geöffnet, und die Arbeitskammer 2 wird mit Hilfe der Vakuumpwnpe
7 ;nit einem Gas durchblasen, das die Infrarotstrahlung nicht absorbiert, beispielsweise
mit reiner Luft. Der Prozeß des Durchlasens erfolgt gemäß einem Durchblasezyklus
t1, der in Fig. 2 dargestellt und durch ein Diagramm der zeitlichen Änderung des
Drucks p in der Arbeitskammer während oer Arbe mit -der Einrichtung veranschaulicht
ist.
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Nach Abschluß des Durohblasezyklus t wird auf ein Signal der Zeit
intervalle inheit 28, das arn Eingang 29 der Steuereinheit 20 eintrifft, von der
letzteren über ihren Steuerausgang 23 der Befehl zum Schließen des elektriqcoen
Ventils 5 ausgelöst. Das elektrische Ventil 5 wird geschlossen, wonach mit liilfe
der Vakuumpumpe 7 die Arbeitskammer 2 bis auf einen Druck evakuiert wird, der niedriger
als der atmosphärische Druck ist, d.h. in der Kammer 2 einsteht ein Unterdruck P
min, er vom Druck geber 18 kontrolliert wird. Die Evakuierung der Arbeitskammer
2 entspricht dem Zyklus t2 der Unterdruckerzeugung, der in Fig. 2 dargestellt ist.
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Die Zyklen t1 und t2 sind Vorbereitungszyklen und ermöglichen eine
zusätzliche Erhöhung der Empfindlichkeit und Genauigkeit dank Erhöhung der Konzentration
des Probengases im Gas-Luft-Gemisch in der Arbeitskammer, d.h.
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dank Erzeugung in ein und demselben Volumen der lErbeitskaramer 2
eines höheren Wertes der äquivalenten Dicke der Prüfgasschicht im Gas-Luft-Gemisch,
das die Infrarot- bzw.
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Ultraviolettstrahlung absorbiert, als der der Konzentration des Prüfgases
in der Kammer 2, wenn die erwähnten Vorbereitungsoperationen nicht vorgesehen sind.
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Nach Abschluß des Zyklus t2 der Unterdruckerzeugung löst die Steuereinheit
20 über ihren Steuerausgang 22 den Befenl zum Schließen des elektrischen Ventils
6 und gleichzeitig über ihren Steuerausgang 21 den i3efehl zum Öffnen des elektrischen
Ventils 5 aus. Das Ventil 6 wird
geschlossen, das Ventil 5 geöffnet,
und angefangen von diesem Augenblick an gelangt das zu analysierende Gas--Luft-Gemisch
in die Arbeitskammer 2 über den Probenehmer 1 und das Luftfilter 3 mit Hilfe der
Druckpumpe 4.
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Die Zuleitung des Gas-Luft-Gemisches geht so lange vor sich, bis sein
Druck den atmosphärischen Druck überstiegen hat. Der Prozeß der Zuleitung des Gas-buft-Gemisches
zur Arbeitskammer 2 entspricht dem Zyklus t3 der Überdruckerzeugung in der Ärbeitskammer
2, der in Fig. 2 dargestellt ist.
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Grundsätzlich läßt sich im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren
die Zuleitung des Gas-liuft-Gemisches zur Arbeitskammer 2 ohne Durchführung der
Zyklen tl und t2 ausführen, die die Vorbereitungszyklen sind. Also kann die Druckerhöhung
des Gas-Luft-Gemisches in der Arbeitskammer 2 vom atmospherischen Druck an in der
eigentlichen Arbe itskammer 2 erfolgen, was dem Überdruckerzeugungszyklus I in der
Arbeitskammer 2 entspricht, der in Fig. 2 durch gestrichelte Linie angedeutet ist.
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Entsprechend deni Zyklus t3 wird der Druck p max des Gas-Luft-Gemisches
in der Arbeitskammer 2 beispielsweise bis auf 1,6#105 Pa gebracht und mit Hilfe
des Druckgebers 18 kontrolliert.
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Nach Abschluß des Zyklus t3 der Zuleitung des Gas--Luft-Gemisches
zur Arbeitskammer 2 wird von der Liteuereinheit 20 ein befehl über den Steuerausgang
23 zum Schließen des elektrischen Ventils 5 ausgelöst, und das Ventil vor d geschlossen.
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Während der Perioden der Durcablasung der Arbeitskammer 2, der Erzeugung
des vorgebenen Unterdrucks in derselben und der Füllung mit dem zu analysierenden
Gas-Luft--Gemisch, die den Zyklen t1, t2, t3 entsprechen, ist die Infrarotstrahlung
von der Strahlungsquelle 9 vom Strahlungsschalter 10 abgesperrt, so daß die Infrarotstrahlung
in die Kammern 30, 39, 40 des Modulators 11, in die Arbeitskammer 2 und das Meßvolumen
des Infrarotstrahlungsempfängers 12 nicllt gelangt. Das Meßvolumen des Empfängers
12 kühlt sich während der erwähnten Zyklen tl,t2, t3 ab
und kehrt
temperaturverlaufsmäßig in den ursprünglichen Ausgangszustand zurück (hier ist die
Vorbereitung des Empfängers 12 auf die Analyse des Gas-Luft-Gemisches nach Abschluß
einer vorangegangenen Messung gemeint).
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Nach Schließen des Ventile 5 löst die kiteuereinneit 20 über ihren
Steuerausgang 24 den Jefejil zum Einschalten des Schrittmotors 26 des Strahlungsschalters
10 aus. Hierbei verschiebt der Schrittmotor 26 die Jalousie 25, die die Infrarotstrahlung
der Reiche nach durch die Kammern 3d, 3y des Modulators 11 durchläßt, wodurch die
Strahlung nach den maximalen Absorptionsbanden des Prüfgases, dem Distickstoffoxid,
mit konstanter Frequenz moduliert wird.
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Entsprechend dem Zyklus t4'der Einwirkung auf das zu analysierende
Gas-Luft-Gemisch mit der Infrarotstrahlung wird vom Augenblick der Erreichung des
Drucks Pmax durch max das Gas-Luft-Gemisch die Einwirkung der Infrarotstrahlung
zumindest während drei Modulationszyklen durchgeführt, wobei Pmax konstant gehalten
wird.
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Nach Abschluß des Zyklus t4 wird auf ein Signal von der Zeitintervalleinheit
28, das am Eingang 29 der Steuereinheit 20 eintrifft, von der letzteren über ihren
kiteuerausgang 30. ein Befehl für die Vergleichsschaltung 16 ausgelöst, dank welchem
der Empfang der elektrischen Sigduale über die Eingänge 14, 15 vom Infrarotstrahlungsempfänger
12 mit nachfolgender Zuführung des Vergleichsergebnisses zur Anzeigeeinheit 17 entsprechend
dem in Fig. 2 dargestellten Zyklus t5 der Fixierung des Vorhandenseins des Prüfgases
in der Arbeitskammer 2 bei konstantem Druck Pmax des Gas-Luft-Gemisches erlaubt
wird.
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Nach der Abnahme des Vergleichsergebnisses von einem Ausgang der
Vergleichsschaltung 16 trifft vom anderen Ausgang derselben das Signal am Informationseingang
31 der Steuereinheit 20 ein, auf das die Steuereinheit 20 über ihren Steuerausgang
21 einen befehl zum Öffnen der elektrischen Ventile 5, 6 auslöst. Die Ventile 5,
6 werden geöffnet, und das Gas-Luft-Gemisch wird mit Hilfe der Vakuumpumpe 7 entsprechend
dem in Fig. 2 dargestellten
Zyklus t,- des Druckausgleichs in der
Arbeitskammer 2 mit dem atmosphärischen Druck ausgepumpt.
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Gleichzeitig mit dem Öffnen der elektrischen Ventile 5, 6 trifft
vom Steuerausgang 27 der Steuereinheit 20 ein Befehl zu;I Stillsetzen des Schrittmotors
26 ein, und der letztere kommt zum Stillstand, wobei die Jalousie 25 in eine Lage
gebracnt wird, bei der der Zutritt der Infrarotstrahlung zui Arbeitskammer 2 unterbunden
wird. Der Befehl zum Stillsetzen des Schrittmotors 26 wird nach Ankunft des Signals
am Informationseingang 31 der Steuereinheit 20 vom Ausgang der Vergleichschaltung
16 erzeugt.
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Die Lage, in. der die Infrarotstrahlung durch die Jalousie 25 des
Strahlungsschalters 10 abgesperrt ist, wird vom der Synchronisierteil kontrolliert,
dessen Photodiode 33 ein Signal erzeugt, das am Informationseingang 35 der Steuereinheit
20 eintrifft.
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Zum besseren Verständnis des vorstehend Ausgeführten ist die Abhängigkeit
der Amplitude P der Druckschwankungen im Meßvolumen des Empfängers (bei unendlich
grobem akustischem Widerstand der Wände des Meßvolumens) dargestellt, die angenähert
durch die folgende Formel wiedergegeben ist:
wo es bedeutet: PO - statischer Druck des Gas-Luft-Gemisches im Meßvovolumen des
Infrarotstrahlungsempfängers (Ultraviolettstrahlungsempfängers); T - absolute Temperatur;
G - Wärmeleintung des Systems Gas - Meßvolumen; CV - Wärmekapazität des Gas-Luft-Gemisches;
# - Modulationskreisfrequenz; # - Amplitude des Wärmestroms, der im Meßvolumen vom
Infrarotstrahlungsfluß entwickelt wird, der im das Meßvolumen füllenden Gas absorbiert
ist.
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Bei allmählicher Erwärmung des im Meßvolumen enthältenen Gases wächst
in den bekannten Meßschaltungen die
absolute Temperatur T, die
Wärmeleitung G, die Wurmekapazität Cv und wird die Amplitude # des Wärmestroms geringer,
der im Meßvolumen als Ergebins der Absorbierung der Strahlung durcii das Prüfgas
entwickelt wird, was, wie es aus der angeführten Formel 2 folgt, eine entsprechende
Abnahme der Amplitude P der Druckschwankungen im Meßvolumen des E;mpfangere und
somit eine Abnahme der Empfindlichkeit Q min beim Messen des Probengases im zu prüfenden
Gemisch bewirkt, was auch in ausnahmslos allen Meßschaltungen der Gasanalysatoren
der Fall l ist.
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Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann, dank der vorgesehenen
Bestrahlung des zu analysierenden Gas-Luft-Gemisches in der Arbeitskammer mit der
Infrarot-- bzw. Ultraviolettstrahlung nur während des Zyklus t4, die absolute mittlere
Temperatur T des Gases im Meßvolumen des Empfängers während des Ablaufs der Zyklen
tl, t2, t3, t5 heruntergehen und zum Zeitpunkt des Jegirins des Zyklus t4 ihren
ursprünglichen Ausgangswert annehmen. Als Folge davon wird die Amplitude P der Druckschwankungen
im Meßvolumen die maximale, rechnerische Größe haben, wodurch die Empfindlichkeit
beim Messen des Prüfgases hinunter unter den rechnerischen Wert nicht abweichen
wird und während der gesamten Arbeitsperiode der Einrichtung gleichbleibende Größe
beibehält.
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In der vorliegenden Erfindung ermöglichen es die Einführung des Durchblasens
der Arbeitskammer mit einem neutralen Gas, das die Infrarot- bzw. Ultraviolettstrahlung
nicht absorbiert, beispielsweise mit reiner atmosphärischer Luft, die Erzeugung
eines Unterdrucks in derselben, der niedriger als der atmosphärische Druck ist und
beispielsweise bis auf 3,2 # 104 Pa heruntergebracht wird, sowie das Füllen des
konstanten Volumens der Arbeitskammer mit dem zu analysierenden Gas-Luft-Gemisch
bis zur Erzeugung eines konstanten Drucks, der den atmosphärischen Druck übersteigt
und beispielsweise 1,6#105 Pa erreicnen kann, in ein und demselben Volumen einer
höheren Wert der äquivalenten schicht des Prüfgases zu erzielen, das die Infrarot-
bzw. Ultraviolettstrahlung absorbiert, d.h.:
wo es bedeutet: u - äquivalente Dicke der Schicht des Prüfgases, das den FlulS der
beispielsweise Infrarotstrahlung absorbiert; c - Volumenkonzentration des Prüfgases
im Gas-Luft-Gemisch; 1 - Dicke der Prüfgasschicht im Gas-Luft-Gemisch in der Arbeitskammer,
d.h. die Länge der Arbeitskammer (siche Fig. I).
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Der parallele Strom ## der Infrarot strahlung,' der in der Probengasschicht
absorbiert ist, ist wie folgt bestimmt;
wo es bedeutet: #0# - Infrarotstrahlungsstrom, der auf die zu untersuchende Prüfgasschicht
im Mittelpunkt der Absoptionsbande des Probengases senkrecht fällt; # - Infraotstrahlungsfrequenz;
k# -Konstante, die die Schichtabsorption charakterisiert, die je Dickeneinheit bei
der Konstante # berechnet ist, Absorptionsfaktor genannt.
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Bei geringen "u" innerhalb einer Absorptionsbande (angenommen, daß
Mittelpunkt der Absorptionsbande bedeutet) ergibt sich:
wo α die integrale intensität der Absorptionsbande bedeutet.
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Aus der angeführten Beziehung (5) folgt, daß je größer die äquivalente
Dicke "u" der Gasschicht ist, um so größer ist die Absorption des Infrarot- bzw.
Jltraviolettstrahlungsflusses #0, was wiederum im Meßvolumen des Empfängers bei
übrigen gleichen Bedingungen die Amplitude P der Druckschwankungen aufgrund der
Vergrößerung der Wärmestromamplitude # (siche Formel (2)) größer macht.
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Dank der größer werdenden Amplitude P der Druckschwankungen
nehmen
akustische Schwingungen der Membran des Fühlelementes des Empfängers zu, was wiederum
die Verstärkung des elektrischen Ausgangsnutzsignals gewährleistet.
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Unabhängig vom Typ des Strahlungsempfängers wird die maximale Empfindlichkeit
der binrichtung durch die minimal mögliche Größe der Grenzempfindlichkeit bei der
Umsetzung des Strahlungsflusses #0, der in der äquivalenten Prüfgasschicht absorbiert
wird, in das, elektrische Signal U am Ausgang des Strahlungsempfängers bedingt.
Für den Ball der linearen Umsetzung läßt sich die Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers
in vereinfachter Form folgenderweise schreiben:
Im erfindungsgemäß vorgeschlabenen Verfaliren zur Analyse von Gas-Luft-Gemischen
nimmt dank der Vergrößerung der äquivalenten Dicke der Schicht des Prüfgases, beispielsweise
dep Distickstoffoxid, (Beziehung (3) ), der Infrarotstrahlungsfluß #0 zu, der in
dieser Schicht absorbiert ist (Beziehung (5) ), und dies erhöht die Empfindlichkeit
des Strahlungsempfängers der erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. verstärkt das elektrische
Ausgangssignal U, was gleichbedeutend ist.