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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasanalysiervorrichtung, wie sie
zum Bestimmen der Konzentration zu bestimmender Komponenten (wie NO und
CO) verwendet wird, die in einem Probengas enthalten sind.
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Fig. 7 veranschaulicht eine Gasanalysiervorrichtung aus dem Stand der
Technik, wie sie in US-A-4,256,964 (bereits dort als Stand der Technik)
offenbart ist. Sie weist folgendes auf:
- eine Lichtquelleneinrichtung 1;
- eine Gasdurchlaufzelleneinrichtung 2, die durch die
Lichtquelleneinrichtung beleuchtet wird;
- eine Lichtmengendetektoreinrichtung 3 zum Messen der Menge an Licht,
das durch die Gasdurchlaufzelleneinrichtung durchläuft, und zum Ausgeben
von Detektorsignalen;
- eine Gasverteilereinrichtung 4 zum abwechselnden Einleiten eines
Probengases und eines Bezugsgases in die Gasdurchlaufzelleneinrichtung; und
- eine Signalverarbeitungsschaltung X, die die Detektorsignale empfängt
und ein Meßsignal ausgibt, das die Menge einer im Probengas zu
erfassenden Gaskomponente anzeigt, welche Schaltung eine
Wechselstromerfassungseinrichtung 6 zum Ausgeben nur der Wechselstromsignalkomponente der
Detektorsignale, und eine Gleichrichtereinrichtung 7 zum Ausgeben des
Ausgangssignals der Wechselstromerfassungseinrichtung aufweist.
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In Gasanalysiervorrichtungen, z. B. in Gasanalysiervorrichtung des oben
beschriebenen Typs, besteht die Schwierigkeit, daß eine Bereichsdrift
wegen einer Änderung der Lichtmenge auftreten kann, die aus Änderungen
der an die Lichtquelle angelegten Spannung oder der Umgebungstemperatur,
einer Verschlechterung der Lichtquelle selbst und dergleichen, einer
Verfärbung des Durchstrahlungsfensters einer Gasdurchlaßzelle, einer
Änderung der Empfindlichkeit der Detektoreinrichtung selbst, u. dgl.
herrührt.
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US-A-3,932,040 und US-A-4,067,320 beschreiben Gegenmaßnahmen zum
Kompensieren derartiger Driftvorgänge.
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Bei der Gasanalysiervorrichtung gemäß US-A-3,932,040 wird das Bezugsgas
nur in Zeitintervallen von z. B. 30 Minuten für eine Zeitspanne von 1 bis
2 Minuten in die Zelle eingeleitet. Die Detektorspannung wird gemessen
und eine hochkonstante Gegenspannung wird automatisch ausgewählt, um die
Differenz gegenüber der Detektorspannung auf null auszugleichen. Nach
dem Ausgleich wird die Bezugssubstanz wieder durch Probengas ersetzt.
Die dann gemessene Spannungsdifferenz ist ein Maß für die Konzentration
der zu bestimmenden Gaskomponenten. In dieser Gasanalysiervorrichtung
wirkt die konstante Gegenspannung als eine Art Speichereinrichtung zum
Speichern des Ergebnisses der Bezugsmessung.
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Die in US-A-4,067,320 beschriebene Gasanalysiervorrichtung dient dazu,
den CO&sub2;-Gehalt ausgeatmeter Luft zu messen. Die ausgeatmete und die
eingeatmete Luft geht abwechselnd durch die Detektorzelle. Die eingeatmete
Luft wird als Bezugsgas verwendet, da sie fast kein CO&sub2; im Verhältnis
zur ausgeatmeten Luft enthält. Wie es aus der Verwendung dieser
Gasanalysiervorrichtung offensichtlich ist, hat die Ausgangsspannung des
Detektors die Eigenschaft einer Gleichspannung, die zwischen einem höheren
Pegel, wenn die eingeatmete Luft gemessen wird, und einem niedrigeren
Pegel, wenn die ausgeatmete Luft gemessen wird, hin- und herwechselt. Um
ziemlich genaue Ergebnisse zu erzielen, wird jedoch die Lichtquelle
einem Zerhackungsvorgang mit z. B. 200 Hz durch einen
Strahlungsunterbrecher unterzogen. Daher kann die Detektorausgangsspannung mit hoher
Genauigkeit wechselspannungsverstärkt werden. Die Signale werden zum
Erzielen eines Mittelwerts gleichgerichtet und der Mittelwert, wie er in
der Zeitspanne gemessen wurde, in der eingeatmete Luft durch die
Detektorzelle strömte, wird gespeichert. Der gleichgerichtete Wert, wie er in
der folgenden Zeitspanne gemessen wird, in der ausgeatmete Luft durch
die Zelle strömt, wird durch den gespeicherten Wert geteilt, wodurch
fast alle Drifteffekte kompensiert werden.
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Wie es aus den Funktionen der Analysatoren gemäß US-A-3,932,040 und
US-A-4,067,320 ersichtlich ist, messen diese Analysatoren einen
Bezugswert während einer festen Zeitspanne, in der Bezugsgas in die Zelle
gefüllt ist. Das Gleichspannungs-Probensignal wird dann durch diesen
Bezugswert (gemäß US-A-4,067,320) geteilt, oder eine Vorspannung wird auf
solche Weise eingestellt, daß der gemessene Bezugswert mit einem
vorbestimmten Wert übereinstimmt (gemäß US-A-3,932,040).
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Auch im Fall der in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen
Analysiervorrichtung
aus dem Stand der Technik ist es im Prinzip möglich, einen
solchen Bezugswert während Zeit spannen zu messen, in denen Bezugsgas durch
die Zelle strömt, und einen solchen Bezugswert entweder zum Teilen eines
Meßwerts oder zum Einstellen der Verstärkung beim Verstärken des
gemessenen Signals zu verwenden. Jedoch ist es ziemlich schwierig, dieses
Prinzip dadurch zu realisieren, daß der Bezugswert während solcher
festgelegter Zeitspannen beim Verfahren aus dem Stand der Technik gemäß Fig.
7 gemessen wird, da die Abwechslungszeitspanne betreffend den Fluß von
Probengas bzw. Bezugsgas ziemlich kurz ist und da der Zeitverzug
zwischen den Zeitpunkten des Änderns der Stellung eines Ventils zum
abwechselnden Einleiten von Gas in die Zelle und dem Zeitpunkt, zu dem
Bezugsgas in der Zelle gemessen wird, vom Ausmaß des Flusses durch die
Zelle abhängt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Gasanalysiervorrichtung des am Anfang dieser Beschreibung beschriebenen Typs anzugeben,
die eine einfach aufgebaute Signalverarbeitungsschaltung aufweist, um
das Signal der Messung zu normieren.
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Die erfindungsgemäße Gasanalysiervorrichtung weist die am Anfang dieser
Beschreibung aufgelisteten Merkmale auf, und sie ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung ferner eine
Spitzenwertdetektoreinrichtung zum Ausgeben eines Spitzenwertsignals aufweist, das
im wesentlichen den Spitzenwert der Detektorsignale repräsentiert.
Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Gasanalysiervorrichtung entweder
eine Dividiereinrichtung oder eine automatische Verstärkungsregelung
auf. Die Dividiereinrichtung dient dazu, die gleichgerichteten Signale
durch das Spitzenwertsignal zu teilen. Die automatische
Verstärkungsregelung dient zum Einstellen der Verstärkung, wenn die Detektorsignale
verstärkt werden, in solcher Weise, daß das Spitzenwertsignal konstant
gehalten wird.
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Die erfindungsgemäße Gasanalysiervorrichtung mißt nicht den Bezugswert
während festgelegter Zeitspannen, wie er im Stand der Technik zum
Normieren des Meßsignals verwendet wird, sondern er weist eine
Spitzenwertdetektoreinrichtung auf, die entweder eine Spitzenwerthalteschaltung
oder ein Tiefpaßfilter aufweist. Wegen dieser
Spitzenwertdetektoreinrichtung ist es nicht erforderlich, wenn der Bezugswert gemessen wird,
fließgeschwindigkeitsabhängige Zeitspannen so genau wie möglich zu
messen,
während derer Bezugsgas von der Detektoreinrichtung gemessen wird.
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Verschiedene Arten bevorzugter Ausführungsbeispiele einer
erfindungsgemäßen Gasanalysiervorrichtung werden im folgenden unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen der Fig. 1 bis 6 beschrieben, für die gilt:
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Fig. 1 ist ein allgemeines, grobes Blockdiagramm, das ein erstes
Ausführungsbeispiel mit einer einzigen Zelle und einer Dividierschaltung als
Dividiereinrichtung zeigt;
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Fig. 2(A) bis (G) sind Signaldiagramme zum Erklären der Arbeitsweise des
Ausführungsbeispiels von Fig. l;
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Fig. 3 ist ein Signaldiagramm, das die Arbeitsweise einer Abänderung des
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht, die ein
Tiefpaßfilter statt einer Spitzenwerthalteschaltung verwendet;
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Fig. 4 ist ein grobes Blockschaltdiagramm, das prinzipielle Teile eines
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels mit einem automatischen
Verstärkungsregler als Dividiereinrichtung statt einer Dividierschaltung,
wie in Fig. 1, zeigt;
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Fig. 5 ist ein allgemeines, grobes Blockschaltdiagramm, das ein drittes
bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, das dem ersten
Ausführungsbeispiel ähnlich ist, jedoch ein Zellenpaar aufweist; und
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Fig. 6(A) bis (I) sind Signaldiagramme zum Erklären der Arbeitsweise des
Ausführungsbeispiels von Fig. 5.
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Darüber hinaus ist Fig. 7 ein bereits diskutiertes, allgemeines, grobes
Blockschaltdiagramm, das eine Gasanalysiervorrichtung aus dem Stand der
Technik zeigt.
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Die Fig. 1, 2 zeigen das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel, bei dem
ein Detektorabschnitt mit Elementen, die in Fig. 1 mit Bezugsziffern 1,
2, 3, 4 versehen sind, herkömmlichen Aufbau aufweist, wie in Fig. 7
dargestellt, so daß die Beschreibung hierzu weggelassen wird.
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Der Aufbau einer Signalbehandlungsschaltung X zum Behandeln eines
Ausgangssignals
vom Lichtmengendetektor 3 wird im einzelnen beschrieben.
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Diese Signalbehandlungsschaltung X weist einen Vorverstärker 5 zum
Verstärken eines erfaßten Signals vom Lichtmengendetektor 3, eine
Wechselstromverstärkungsschaltung 6 zum Entnehmen einer Wechselstromkomponente
V&sub2;, die der Differenz zwischen der optischen Energie nach dem
Durchlaufen durch ein Bezugsgas (Nullgas) und derjenigen nach dem Durchlaufen
durch ein Probengas entspricht, aus einem Ausgangssignal V&sub1; vom
Vorverstärker 5, eine Gleichrichterschaltung 7 zum Entnehmen eines Signals V&sub3;,
das einer Änderung V&sub2; der Wechselstromkomponente V&sub2; entspricht dazu
proportional ist), eine Gleichstromverstärkerschaltung 8 zum
Gleichstromverstärken des Ausgangssignals V&sub1; vom Vorverstärker 5, um eine
Gleichstromkomponente V&sub5; zu entnehmen, die nichts mit der Konzentration
des Probengases zu tun hat, zusätzlich zur Wechselstromkomponente V&sub2;,
eine Spitzenwerthalteschaltung 9 zum Ausgeben des Signals V&sub5; (die
Gleichstromkomponente hat nichts mit der Konzentration des Probengases
zu tun), das den Maximalwert eines Ausgangssignals V&sub4; von der
Gleichstromverstärkerschaltung 8 entspricht, in paralleler Anordnung zur
Wechselstromverstärkerschaltung 6 und der Gleichrichterschaltung 7, und eine
Dividierschaltung 10 auf, zum Teilen des Signals V&sub3; entsprechend der
(proportional zur) Änderung V&sub2; der Wechselstromkomponente V&sub2;, wie sie
von der Gleichrichterschaltung 7 ausgegeben wird, durch das
Ausgangssignal V&sub5; (die Gleichstromkomponente hat nichts mit der Konzentration des
Probengases zu tun) von der Spitzenwerthalteschaltung 9, um ein
Ausgangssignal V&sub0; von der Dividierschaltung 10 an eine Anzeige 11
auszugeben. Hierbei werden die Gleichstromverstärkerschaltung 8, die
Spitzenwerthalteschaltung 9 und die Dividierschaltung 10 gemeinsam als
Kompensiereinrichtung Y bezeichnet.
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Wenn nun bei der in der oben beschriebenen Weise aufgebauten
Gasanalysiervorrichtung angenommen wird, daß nur Nullgas, das dasselbe wie
Bezugsgas ist (Konzentration C = 0), kurz gesagt das Bezugsgas (Nullgas),
dauernd in die Gasdurchlaufzelle 2 statt des Probengases eingeleitet
wird, nehmen die Signale V&sub1; bis V&sub5; jedes Teils der Schaltung den
Verlauf ein, wie in Fig. 2 (A), (B), (C) dargestellt. D.h., daß das
Ausgangssignal V&sub1; des Vorverstärkers 5 auf einen Maximalwert Vm (ein
Signal, das nur die Gleichstromkomponente aufweist, die nichts mit der
Gaskonzentration C zu tun hat) festgelegt, wie dies in Fig. 2(A)
dargestellt ist, da Absorption in der Gasdurchlaufzelle 2 fehlt. Demgemäß
sind die Ausgangssignale V&sub2;, V&sub3; (= V&sub2; ) der
Wechselstromverstärkerschaltung 6 und der Gleichrichterschaltung 7 beide auf 0 festgelegt, wie
in Fig. 2(B) dargestellt. Zusätzlich sind das Ausgangssignal V&sub4; der
Gleichstromverstärkerschaltung 8 und das Ausgangssignal V&sub5; der
Spitzenwerthalteschaltung 9 beide auf einen Maximalwert VM (einen Wert, der dem
Maximalwert Vm von V&sub1; entspricht, und ein Signal, das nur die
Gleichstromkomponente aufweist, die in ähnlicher Weise nichts mit der
Gaskonzentration zu tun hat) festgelegt. Demgemäß wird das von der
Dividierschaltung 10 an die Anzeige 11 ausgegebene Signal V&sub0; 0, in
Übereinstimmung mit der Konzentration des eingeführten Gases C (= 0).
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Andererseits ändern sich bei der gewöhnlichen Messung, wenn das
Bezugsgas (Nullgas) und das Probengas (Konzentration C > 0) abwechselnd in die
Gasdurchlaufzelle 2 eingeleitet werden, die Signale V&sub1; bis V&sub5;, wie in
Fig. 2(D) bis (G) dargestellt. D.h., daß das Ausgangssignal V&sub1; ein
Signal einer Form wird, bei der eine negative Wechselstromkomponente, die
mit der Gaskonzentration C (> 0) zu tun hat, dem Maximalwert Vm, wenn
die Konzentration C = 0 ist, überlappt ist, wie in Fig. 2(D)
dargestellt, da Licht durch das Probengas absorbiert wird, wenn es in die
Gasdurchlaufzelle 2 eingeführt wird. Demgemäß wird das Ausgangssignal V&sub2;
der Wechselstromverstärkerschaltung 6 ein Wechselstromsignal wie es in
Fig. 2 (E) dargestellt ist, und das Ausgangssignal V&sub3; (= V&sub2; ) der
Gleichrichterschaltung 7 wird beinahe ein Gleichstromsignal, wie in Fig.
2(F) dargestellt, und das Ausgangssignal V&sub4; der
Gleichstromverstärkerschaltung 8 wird ein Signal (Maximalwert von VM), das erhalten wird,
wenn das Signal V&sub1;, wie es in Fig. 2(D) dargestellt ist, unverändert
verstärkt wird, und das durch eine gestrichelte Linie in Fig. 2(G)
dargestellt ist, und das Ausgangssignal V&sub5; von der
Spitzenwerthalteschaltung 9 wird auf dem Maximalwert VM festgehalten, ähnlich zum Fall der
Konzentration C = 0, wie mit einer ausgezogenen Linie in Fig. 2(G)
dargestellt.
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Selbstverständlich ist jedoch das Ausgangssignal V&sub3; der
Gleichrichterschaltung 7, das proportional zur Änderung V&sub2; des Ausgangssignals V&sub2;
der Wechselstromverstärkerschaltung 6 ist, im wesentlichen proportional
zur Absorption f (C) durch das Probengas (Konzentration C > 0), ist aber
auch proportional zur Lichtmenge I der Lichtquelle 1, zum
Transmissionsvermögen T des Durchlaßfensters der Gasdurchlaufzelle 2, der
Empfindlichkeit K des Lichtmengendetektors 3, u. dgl. (Parameter haben die
Möglichkeit
der Änderung mit fortschreitender Zeit). Demgemäß wird,
vorausgesetzt, daß die Verstärkung der Wechselstromverstärkerschaltung 6 GA
ist, das Ausgangssignal V&sub3; der Gleichrichterschaltung 7 durch die
folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
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Andererseits ist das Ausgangssignal V&sub5; der Spitzenwerthalteschaltung 9
auf den Maximalwert VM auf dieselbe Weise festgelegt wie im Fall, daß
das Nullgas (Konzentration C = 0) eingeführt wird, selbst im Fall, daß
das Probengas (Konzentration C > 0) in die Gasdurchlaufzelle 2
eingeführt wird, so daß es offensichtlich ist, daß das Ausgangssignal V&sub5;
nichts mit der Absorption f (C) durch das Probengas (Konzentration C >
0) zu tun hat, sondern daß sein Maximalwert VM proportional zur
Lichtmenge I der Lichtquelle 1, dem Transmissionsvermögen T des
Durchstrahlfensters der Gasdurchlaßzelle 2, der Empfindlichkeit K des
Lichtmengendetektors 3, u. dgl. ist. Demgemäß wird, wenn angenommen wird, daß die
Verstärkung der Gleichstromverstärkerschaltung 8 Gc ist, das
Ausgangssignal V&sub5; der Spitzenwerthalteschaltung 9 durch die folgende Gleichung (2)
wiedergegeben:
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Demgemäß wird das als Ergebnis der von der Dividierschaltung 10
ausgeführten Division V&sub3;/V&sub5; ausgegebene Signal V&sub0; durch die folgende
Gleichung (3) berechnet:
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Dies erfolgt unter Verwendung von Gleichung (1) und Gleichung (2), so
daß sich herausstellt, daß das Signal V&sub0; nicht von der Lichtmenge I der
Lichtquelle 1, dem Transmissionsvermögen T des Durchlaßfensters der
Gasdurchlaufzelle 2, der Empfindlichkeit des Lichtmengendetektors 3, u. dgl.
beeinflußt wird, sondern ein Wert wird, der nur proportional zur
Absorption f (C) des Probengases (Konzentration C > 0) ist.
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Demgemäß sind, selbst wenn verschiedene Arten von Änderungen im Verlauf
der Zeit auftreten, d. h. Änderungen der Lichtmenge, die aus Änderungen
der an die Lichtquelle 1 gelegten Spannung und aus der
Umgebungstemperatur resultieren, die Verschlechterung der Lichtquelle selbst u. dgl.,
die Änderung des Transmissionsvermögens T aufgrund von Verfärbung des
Durchlaßfensters der Gasdurchlaufzelle 2, die Änderung der
Empfindlichkeit K des Lichtmengendetektors 3 selbst, u. dgl., ihre Einflüsse
(Änderungen der Drift des Meßbereichs) nicht im Ausgangssignal V&sub0; der
Dividierschaltung 10 an die Anzeige 11 enthalten, wodurch die Anzeige 11
einen Wert anzeigt, der mit hoher Genauigkeit der Konzentration (C > 0)
des Probengases entspricht.
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Darüber hinaus kann bei einer Abänderung, bei der insbesondere die
Absorption f (C) durch das Probengas (Konzentration C > 0) klein ist und
die Änderung des Ausgangssignals V&sub4; der Gleichstromverstärkerschaltung 8
verhältnismäßig klein ist, ein (nicht dargestelltes) Tiefpaßfilter statt
der Spitzenwerthalteschaltung 9 verwendet werden, obwohl beim oben
beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel die
Spitzenwerthalteschaltung 9, die das Signal V&sub5; bildet, das den Maximalwert VM des
Ausgangssignals V&sub4; der Gleichstromverstärkerschaltung 8 entspricht, hinter
der Gleichstromverstärkerschaltung 8 angeordnet ist, um das
Ausgangssignal V&sub3; der Gleichrichterschaltung 7 durch das Ausgangssignal V&sub5; (= VM)
zu teilen. In diesem Fall wird, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, das
Ausgangssignal V&sub5; vom Tiefpaßfilter beinahe der Mittelwert (< VM) des
Ausgangssignals V&sub4; der Gleichstromverstärkerschaltung 8, jedoch besteht
nur eine kleine Differenz zwischen dem Mittelwert und dem Maximalwert
V&sub4;, so daß eine Betriebsweise und eine Wirkung erzielt werden können,
die nahezu gleich sind wie die beim ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel.
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Fig. 4 zeigt einen Schaltungsaufbau einer Signalbehandlungsschaltung X
bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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D.h., daß bei diesem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel die
Dividierschaltung 10 zum direkten Teilen des Ausgangssignals V&sub3; der
Gleichrichterschaltung 7, entsprechend der (proportional zur) Änderung V&sub2;
der von der Wechselstromverstärkerschaltung 6 ausgegebenen
Wechselstromkomponente V&sub2; durch das Ausgangssignal V&sub5; (= VM) der
Spitzenwerthalteschaltung 9, das dem Maximalwert des Ausgangssignals V&sub4; der
Gleichstromverstärkerschaltung 8 entspricht, nicht wie beim ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel vorhanden ist, sondern ein automatischer
Verstärkungsregler (nachfolgend als AGC bezeichnet) 12 zwischen dem Vorverstärker 5
und der Wechselstromverstärkerschaltung 6 und der
Gleichstromverstärkerschaltung
8 vorhanden ist, und ein Vergleicher 13 mit einer
Bezugsspannung V&sub5; zwischen der AGC 12 und der Spitzenwerthalteschaltung 9
vorhanden ist, wodurch eine Kompensiereinrichtung Y zum Ausführen der
Rückkopplungsregelung der AGC 12 aufgebaut ist, so daß das Ausgangssignal V&sub5;
der Spitzenwerthalteschaltung 9 immer auf einem vorgegebenen Wert V&sub5;
gehalten werden kann; im Ergebnis kann ein Ablauf (indirekte Division)
ausgeführt werden, die derjenigen beim ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel entspricht.
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Kurz gesagt, werden in der Signalbehandlungsschaltung X mit dem oben
beschriebenen Aufbau das Ausgangssignal V&sub3; der Gleichrichterschaltung 7
und das Ausgangssignal V&sub5; der Spitzenwerthalteschaltung 9 durch die
folgenden Gleichungen (4) bzw. (5) wiedergegeben:
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Da die Verstärkung GK der AGC 12 so verändert wird, daß die folgende
Gleichung (6) immer gilt, läßt sich die folgende Gleichung (7) aus
Gleichung (5) und Gleichung (6) gewinnen:
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Wenn Gleichung (7) in Gleichung (4) eingesetzt wird, wird die folgende
Gleichung (8) erhalten:
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Demgemäß hat das an die Anzeige 11 gegebene Signal V&sub0; nichts mit der
Lichtmenge I der Lichtquelle 1, dem Transmissionsvermögen T des
Durchlaßfensters der Gasdurchlaufzelle 2, der Empfindlichkeit K des
Lichtmengendetektors 3 und dgl. zu tun, sondern ist nur zur Absorption f (C)
durch das Probengas (Konzentration C > 0) proportional, ähnlich wie beim
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Die Fig. 5, 6 zeigen ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei
dem die vorliegende Erfindung auf eine Gasanalysiereinrichtung vom
Doppelzellen-Überkreuzfluß-Typ angewendet wird. Wie in Fig. 5 dargestellt,
ist ein Detektorabschnitt vorhanden, der folgendes aufweist: ein erstes
Meßsystem mit einer ersten Lichtquelle 1I, einer ersten
Gasdurchlaufzelle
2I und einem ersten Lichtmengendetektor (z. B. Thermosäule) 3I zum
Erfassen des Absolutwertes der Menge (Energie) von Licht, das durch die
erste Gasdurchlaufzelle 2I läuft, welche Teile in dieser Reihenfolge so
angeordnet sind, daß eine optisch lineare Beziehung geschaffen ist, ein
zweites Meßsystem mit einer zweiten Lichtquelle 1II, einer zweiten
Gasdurchlaufzelle 2II und einem zweiten Lichtmengendetektor 3III zum Messen
des Absolutwertes der Energie von Licht, das durch die zweite
Gasdurchlaufzelle 2II geht, welche Teile in dieser Reihenfolge so angeordnet
sind, daß eine optisch lineare Beziehung geschaffen ist, und einen
Gasverteiler 4 zum abwechselnden Versorgen der beiden Gasdurchlaufzellen
2I, 2II in den beiden Meßsystemen mit einem Probengas und einem
Bezugsgas (normalerweise einem Nullgas). Eine Signalbehandlungsschaltung X,
die dazu in der Lage ist, ein Meßsignal zu erhalten, das eine Größe
aufweist, die etwa das Doppelte derjenigen ist, wie sie in einer
Gasanalysiervorrichtung vom Einzelzellentyp gemäß dem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel dadurch erhalten wird, daß die Differenz zwischen dem
Ausgangssignal des Lichtmengendetektors 3I und des Lichtmengendetektors 3II
in den beiden Meßsystemen verwendet wird, weist den folgenden Aufbau
auf.
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Diese Signalbehandlungsschaltung X verfügt über einen ersten
Vorverstärker 5I zum Verstärken des Meßsignals des ersten Lichtmengendetektors 3I,
einen zweiten Vorverstärker 5II zum Verstärken des Meßsignals vom
zweiten Lichtmengendetektor 3II, eine Subtrahierschaltung 14 zum Bilden der
Differenz zwischen dem Ausgangssignal V1I des ersten Verstärkers 5I und
des Ausgangssignals V1II des zweiten Verstärkers 5II, eine
Wechselstromverstärkerschaltung 6 zum Entnehmen einer Wechselstromkomponente V&sub2;, die
der Differenz zwischen der optischen Energie nach dem Durchlaufen durch
das Bezugsgas (Nullgas) und derjenigen nach dem Durchlaufen durch das
Probengas entspricht, aus den Ausgangssignalen (V1I-V1II) der
Subtrahierschaltung 14, eine Gleichrichterschaltung 7 zum Entnehmen eines
Signals V&sub3;, das einer Änderung V&sub2; der Wechselstromkomponente V&sub2;
entspricht (dazu proportional ist), eine erste
Gleichstromverstärkerschaltung 8I zur Gleichstromverstärkung des Ausgangssignals V1I des ersten
Vorverstärkers 5I, und eine erste Spitzenwerthalteschaltung 9I zum
Ausgeben eines Signals V5I, das dem Maximalwert des Ausgangssignals V4I der
ersten Gleichstromverstärkerschaltung 8I entspricht, wie auch über eine
zweite Gleichstromverstärkerschaltung 8II zur Gleichstromverstärkung des
Ausgangssignals V1II des zweiten Vorverstärkers 5II, und eine zweite
Spitzenwerthalteschaltung 9II zum Ausgeben eines Signals V5II, das dem
Maximalwert des Ausgangssignals V4II der zweiten
Gleichstromverstärkerschaltung 8II, die parallel zur Wechselstromverstärkerschaltung 6 bzw.
zur Gleichrichterschaltung 7 angeordnet sind, eine Addierschaltung 15
zum Entnehmen der Summe aus dem Ausgangssignal V5I der
Spitzenwerthalteschaltung 9I und dem Ausgangssignal V5II der Spitzenwerthalteschaltung
9II, und eine Teilerschaltung 10 zum Teilen des Signals V&sub3;, das der
Änderung V&sub2; der Wechselstromkomponente V&sub2; entspricht (zu dieser
proportional ist), die von der Gleichrichterschaltung 7 ausgegeben wird, durch
das Signal V&sub5; (= V5I + V5II: die Gleichstromkomponenten haben nichts mit
der Konzentration des Probengases zu tun), wie es von der
Addierschaltung 15 ausgegeben wird, um von der Dividierschaltung 10 ein
Ausgangssignal V&sub0; an die Anzeige 11 auszugeben, um zusätzlich zur
Wechselstromkomponente V&sub2; eine Gleichstromkomponente V&sub5; zu entnehmen, die nichts mit
der Konzentration des Probengases zu tun hat. Hierbei werden die erste
Gleichstromverstärkerschaltung 8I, die zweite
Gleichstromverstärkerschaltung 8II, die erste Spitzenwerthalteschaltung 9I, die zweite
Spitzenwerthalteschaltung 9II, die Addierschaltung 15 und die
Dividierschaltung 10 gemeinsam als Kompensiereinrichtung Y bezeichnet.
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Wenn nun bei einer Gasanalysiervorrichtung, die in der oben
beschriebenen Weise aufgebaut ist, angenommen wird, daß nur Bezugsgas (Nullgas)
dauernd in die beiden Gasdurchlaufzellen 2I, 2II eingeleitet wird,
ergibt sich für jeden Schaltungsabschnitt ein Signal, wie es in den Fig.
6(A) bis (D) dargestellt ist. D.h., daß beide Eingangssignale V1I, V1II
der beiden Vorverstärker 5I, 5II auf einen Maximalwert Vm (ein Signal,
das nur die Gleichstromkomponente enthält, die nicht mit der
Gaskonzentration C zu tun hat) festgelegt sind (die Verstärkung ist in solcher
Weise eingestellt), wie in Fig. 6(A) dargestellt, da keine
Lichtabsorption innerhalb der Gasdurchlaufzellen 2I, 2II vorliegt. Demgemäß sind
beide Ausgangssignale V&sub2;, V&sub3; (= V&sub2; ) der Gleichstromverstärkerschaltung
6 und der Gleichrichterschaltung 7 auf 0 festgelegt, wie in Fig. 6(B)
dargestellt. Zusätzlich sind die Ausgangssignale V4I, V5I der ersten
Gleichstromverstärkerschaltung 8I und der ersten
Spitzenwerthalteschaltung 9I auf einen Maximalwert VMI festgelegt (ein Wert, der dem
Maximalwert Vm von V1I entspricht, und ein Signal, das ebenfalls lediglich die
Gleichstromkomponente enthält, die nichts mit der Gaskonzentration C zu
tun hat), und die Ausgangssignale V4II, V5II der zweiten
Gleichstromverstärkerschaltung 8II und der zweiten Spitzenwerthalteschaltung 9II sind
beide auf einen Maximalwert VMII festgelegt (ein Wert, der dem
Maximalwert Vm von V1II entspricht, und ein Signal, das ebenfalls nur die
Gleichstromkomponente enthält, die nichts mit der Gaskonzentration C zu
tun hat), wie in Fig. 6(C) bzw. Fig. 6(D) dargestellt. Demgemäß wird das
von der Dividierschaltung 10 an die Anzeige 11 ausgegebene Signal V&sub0; 0,
in Übereinstimmung mit der Konzentration C (= 0) des eingeleiteten
Gases.
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Andererseits werden bei der normalen Messung, im Fall, daß Bezugsgas
(Nullgas) und das Probengas (Konzentration C > 0) abwechselnd und sich
ergänzend mit vorgegebenem Zyklus in die beiden Gasdurchlaufzellen 2I,
2II eingeleitet werden, ändert sich das Signal in jedem Abschnitt der
Schaltung auf eine Weise, wie es in den Fig. 6(E) bis (I) dargestellt
ist. D.h., daß das Ausgangssignal V1I des ersten Vorverstärkers 5I ein
Signal wird, bei dessen Form eine auf die Gaskonzentration C ( > 0)
bezogene negative Wechselstromkomponente dem Maximalwert Vm für den Fall
der Konzentration C = 0 überlagert ist, wie in Fig. 6(E) dargestellt, da
dann, wenn Probengas in die Gasdurchlaufzellen 2I, 2II eingeleitet wird,
Lichtabsorption durch das Probengas auftritt. Andererseits wird das
Ausgangssignal V1II des zweiten Vorverstärkers 5II ein Wechselstromsignal
mit einer Phase, die um einen halben Zyklus gegenüber der des
Ausgangssignals V1I des ersten Vorverstärkers 5I versetzt ist, wie in Fig. 6(F)
dargestellt. Demgemäß wird das Ausgangssignal V1I-V1II der
Subtrahierschaltung 14 ein Wechselstromsignal, wie es mit einer gestrichelten
Linie in Fig. 6(G) dargestellt ist. Zusätzlich wird das Ausgangssignal V&sub2;
der Wechselstromverstärkerschaltung 6 ein Wechselstromsignal, wie es mit
einer ausgezogenen Linie in Fig. 6(G) dargestellt ist, und das
Ausgangssignal V&sub3; (= V&sub2; ) der Gleichrichterschaltung 7 wird ein Signal, das
beinahe ein Gleichstrom ist, wie in Fig. 6(H) dargestellt.
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Weiterhin weisen die Ausgangssignale V4I, V4II der beiden
Gleichstromverstärkerschaltungen 8I, 8II Formen auf, die durch Verstärken der in
Fig. 6(E) und Fig. 6(F) dargestellten Signale V1I bzw. V1II in
unveränderter Weise erhalten werden, wie durch eine gestrichelte Linie und eine
strichpunktierte Linie in Fig. 6(I) dargestellt (Maximalwerte VMI,
VMII). Zusätzlich sind die Ausgangssignale V5I, V5II der beiden
Spitzenwerthalteschaltungen 9I, 9II auf dieselben Maximalwerte VMI bzw. VMII
fixiert, wie im Fall der Konzentration C = 0, wie in Fig. 6(I) mit einer
gestrichelten geraden Linie und einer strichpunktierten geraden Linie
dargestellt. Demgemäß wird das Ausgangssignal V&sub5; (= V5I + V5II = VMI +
VMII) der Addierschaltung 15, wie es durch eine ausgezogene, gerade
Linie in Fig. 6(I) dargestellt ist, der Mittelwert von V4I + V4II
(Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Gleichstromverstärkerschaltung 8I
und dem Ausgangssignal der Gleichstromverstärkerschaltung 8II), wie mit
einer Strich-Doppelpunkt-Kurve in Fig. 6(I) dargestellt.
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Nun ist es, wie es sich leicht aus der Analogie der Beschreibung zum
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel schließen läßt, offensichtlich,
daß das Ausgangssignal V&sub3; der Gleichrichterschaltung 7, das proportional
zur Änderung V&sub2; des Ausgangssignals V&sub2; der
Wechselstromverstärkerschaltung 6 ist, proportional zur Absorption f (C) durch das Probengas
(Konzentration C > 0), der Lichtmenge der Lichtquellen 1I, 1II, dem
Durchlaßvermögen der Durchlaßfenster der Gasdurchlaufzellen 2I, 2II, der
Empfindlichkeit der Lichtmengendetektoren 3I, 3II, u. dgl. ist, und daß
das Ausgangssignal V&sub5; der Addierschaltung 7 nichts mit der Absorption f
(C) durch das Probengas zu tun hat und proportional zur Lichtmenge der
Lichtquellen 1I, 1II, dem Transmissionsvermögen des Durchlaßfensters der
Gasdurchlaufzellen 2I, 2II, der Empfindlichkeit der
Lichtmengendetektoren 3I, 3II, u. dgl. ist, so daß das Signal V&sub0;, wie es als Ergebnis der
Division V&sub3;/V&sub5; ausgegeben wird, die von der Dividierschaltung 10
ausgeführt wird, unabhängig von der Lichtmenge der Lichtquellen 1I, 1II, dem
Transmissionsvermögen der Durchlaßfenster der Gasdurchlaufzellen 2I,
2II, der Empfindlichkeit der Lichtmengendetektoren 3I, 3II, u. dgl. ist,
und proportional nur zur Absorption f (C) durch das Probengas
(Konzentration C > 0) ist, wodurch die Anzeige 11 immer einen der Konzentration
> 0) des Probengases entsprechenden Wert mit hoher Genauigkeit
anzeigt.
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Wie es aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, wird bei der
erfindungsgemäßen Gasanalysiervorrichtung ein Lichtmengendetektor eines Typs
verwendet, der den Absolutwert der optischen Energie mißt, die durch die
Gasdurchlaufzelle tritt, und zwar als Detektor, der an der
stromabwärtigen Seite der Gasdurchlaufzelle anzuordnen ist, in das ein Probengas
und ein Bezugsgas abwechselnd mit vorgegebenem Zyklus eingeleitet
werden, und es ist auch eine Kompensiereinrichtung vorgesehen, die zum
Erfassen einer Gleichstromkomponente des Ausgangssignals des
Lichtmengendetektors getrennt von der Wechselstromkomponente und zum Teilen der
Änderung der Wechselstromkomponente durch die Gleichstromkomponente
dient, oder eine Kompensiereinrichtung, die dieser Kompensiereinrichtung
äquivalent ist, so daß der Einfluß der Lichtmenge der Lichtquelle, des
Transmissionsvermögens des Durchlaßfensters der Gasdurchlaufzelle, der
Empfindlichkeit des Lichtempfangsdetektors u. dgl. auf die
Wechselstromkomponente durch lediglich eine einfache Einrichtung kompensiert und
ausgeschlossen werden kann, die lediglich eine interne Signalbehandlung
ausführt, und dadurch können überlegene Effekte dahingehend erzielt
werden, daß alle Meßbereichsdriftvorgänge, die von Faktoren verschiedener
Art herrühren, wie einer Änderung der Lichtmenge aufgrund von Änderungen
der an die Lichtquelle gelegten Spannung und der Umgebungstemperatur,
einer Verschlechterung der Lichtquelle selbst und dergleichen,
Verfärbungen des Durchlaßfensters und einer Änderung der Empfindlichkeit des
Detektors selbst herrühren, immer sicher und mit hoher Genauigkeit
kompensiert werden können, obwohl ein bemerkenswert einfacher, kompakter
und billiger Aufbau vorliegt, der nicht das Vorsehen einer herkömmlichen
großen Einrichtung zum Stabilisieren der an die Lichtquelle gelegten
Spannung und zum dauernden Beibehalten konstanter Umgebungstemperatur
benötigt wird, oder andere besondere Detektoren zur Verwendung bei der
Kompensation, und ohne daß das Erfordernis einer so häufigen
Wiederholung teurer und mühseliger Kalibrierabläufe erforderlich ist, die ein
Standardbetriebsbereichgas verwenden, wie bei der herkömmlichen
Gasanalysiervorrichtung.