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Die Erfindung betrifft eine Oberflächenmessvorrichtung
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Wie aus Figur 4 ersichtlich, weist eine herkömmliche
Oberflächenmessvorichtung auf eine Probenzelle 2, die lösbar in
einer Gasleitung 1 angeordnet und mit einer Einrichtung A
zur Ermittlung des der Probenzelle 2 zur Messung der
Zugeführten Gasmenge zugeführten Gasdurchsatzes, sowie einer
Einrichtung B zur Ermittlung des von der Probenzelle 2 zur
Messung der jeweils abgegebenen Gasmenge abgeführten
Gasdurchsatzes versehen ist.
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In einen Verstärker 3 werden ein zur Ermittlung des
Gasdurchsatzes der zugeführten Gase zur Messung der
zugeführten Gasmenge durch die Einrichtung A erzeugtes Signal G1
sowie ein zur Ermittlung des Gasdurchsatzes der abgeführten
Gase zur Messung der abgegebenen Gasmenge durch die
Einrichtung B erzeugtes Signal G2 ausgegeben, wobei der
Verstärker 3 das Signal G1 zur Messung der zugeführten und das
Signal G2 zur Messung der abgeführten Gasmenge voneinander
in Abzug bringt und ein verstärktes Differenzsignal G3
erzeugt.
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In herkömmlichen Oberflächenmessvorrichtungen der
vorbeschriebenen Art wird das Signal G2 zur Ermittlung der
abgegebenen Gase kleiner als das Signal G1 zur Ermittlung der
zugeführten Gasmenge, wenn die Messgase im Kaltzustand von
der Probe in der Probenzelle 2 adsorbiert werden, so dass
wie aus Figur 5 ersichtlich das vom Verstärker zu
erzeugende Differenzsignal G3 als negatives Signal ausgegeben wird.
Die Grösse dieses negativen Differenzsignals G3 ist
proportional der Grösse der von der Probe zu adsorbierenden
Gasmenge. Erreicht die Adsorption der Gase durch die Probe
den Sättigungszustand, so geht das negative Differenzsignal
G3 wieder auf Null. Anschliessend wird die Abkühlung der
Probenzelle 2 ausgesetzt, damit diese auf
Umgebungstemperatur zurückkehren kann mit dem Ergebnis, dass die von der
Probe adsorbierten Gase zu desorbieren beginnen.
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Werden wie aus Figur 5 ersichtlich die Gase desorbiert und
das Signal G2 zur Ermittlung der abgegebenen Gasmenge
grösser als das Signal G1 zur Ermittlung der zugeführten
Gasmenge, so wird das Differenzsignal G3 zu einem grösser
werdenden positiven Signal und nimmt die Grösse des
Differenzsignals G3 zum Ende der Desorption hin ab, um schliesslich bei
beendetem Desorptionsablauf wieder den Nullwert zu
erreichen.
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Beim Messen der Oberfläche erfolgt die Oberflächenberechnung
durch Ingtegration der positiven Differenzsignale G3 durch
einen Rechner 4 innerhalb der für die Desorption der Gase in
Anspruch genommenen Zeitdauer und wird das Rechenergebnis
gebildet sowie auf der Anzeigevorrichtung 5 dargestellt.
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Herkömmliche Oberflächenmessvorrichtungen dieser Art sind
jedoch mit einem Schalter 6 zum Verschieben der
Vertärkungsfaktoren ausgestattet, wobei die Umstellung der
Verstärkungsfaktoren des Verstärkers 3 manuell erfolgt. Erreicht
anders ausgedrückt das negative Differenzsignal G3 innerhalb
der Adsorptionszeit den festgesetzten Verstärkungsfaktor des
Verstärkers 3, so wird der Verstärkungsfaktor manuell nach
unten verschoben und damit verhindert, dass das positive
Differenzsignal G3 innerhalb der Desorptionszeit den
festgesetzten Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3 erreicht. Bei
Nichtverschieben des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 3
würde wie aus Figur 6 ersichtlich das positive
Differenzsignal G3 den festgesetzten Verstärkungsfaktor des Verstärkers
3 auch innerhalb der Desorptionszeit erreichen und wäre die
Menge der desorbierten Gase durch Integration der positiven
Differenzsignale G3 nicht genau berechenbar. Ist die Grösse
des negativen Differenzsignals G3' während der
Adsorptionsperiode zu klein, so ist der Verstärkungsfaktor des
Verstärkers 3 auf ein hohes Niveau umzustellen, weil sonst
durch Integration selbst kleinster Differenzsignale G3" die
Oberfläche nicht exakt berechnet werden könnte.
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Das manuelle Umstellen der Verstärkungsfaktoren des
Verstärkers 3 ist äusserst mühselig, wobei während der
Oberflächenmessung stets eine Ausgangsüberwachung erfolgen muss.
Darüberhinaus kann das Messergebnis in gewissen Fällen ungenau
sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegen die vorbeschriebenen
Umstände zugrunde.
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Im einzelnen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
in der Schaffung einer Vorrichtung zur Umstellung des
Messbereichs einer Oberflächenmessvorrichtung, die so beschaffen
ist, dass der Verstärkungsfaktor des Verstärkers automatisch
verschoben wird in der Weise, dass das Differenzsignal
während der Gas-Desorptionszeit keinen der festgesetzten
Verstärkungsfaktoren des Verstärkers erreichen kann, so dass
eine genaue Oberflächenberechnung möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemässe
Oberflächenmessvorrichtung die im Kennzeichen des Anspruchs 1
offenbarten Merkmale auf.
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Aus der Druckschrift mit dem Titel "Analytische Messgeräte"
(Analytical Instrumentation), Band 15, Nr. 3, 1986, New
York, US, S.241-257, ist ein automatisch
bereichsumschaltender Verstärker an sich bekannt. Die Druckschrift erwähnt
dessen Einsatz in elektrochemischen Instrumenten.
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Die US-A 3 211 006 offenbart ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Absorptionsisothermen von
Feststoffen im lückenfreien Betrieb.
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Erfindungsgemäss wird das vom Verstärker ausgegebene
Differenzsignal während der Gasadsorptionszeit an eine Schaltung
zur Ausgangswertbestimmung ausgegeben. Diese Schaltung zur
Ausgangswertbestimmung erzeugt ein Signal zur Absenkung des
Verstärkungsfaktors des Verstärkers zwecks Umstellung
desselben auf eine untere Ebene durch Vergleich des
festgesetzten Verstärkungsfaktors bzw. Abschaltwerts des Verstärkers
mit dem eingegebenen Differenzsignal unter Erzeugung des an
den Verschiebeschalter für das Umstellen des
Verstärkungsfaktors
zu gebenden Signals zur Absenkung des
Verstärkungsfaktors, wenn festgestellt wird, dass von einem negativen
Wert ausgehend das Differenzsignal auf Null übergeht. Weiter
obliegt der Schaltung zur Ausgangswertbestimmung eine
Überwachungsfunktion dahingehend, dass sie bestimmt, ob das
Differenzsignal während einer vorgegebenen Zeitdauer einen
konstanten Ausgangswert aufweist. Stellt sie beispielsweise
fest, dass das Differenzsignal 50 % des Verstärkungsfaktors
überschreitet, so erzeugt sie ein Signal für die Erhöhung
des Verstärkungsfaktors, wenn das Differenzsignal 50 % des
Verstärkungsfaktors nicht überschreitet, während es das
Signal zur Erhöhung der Verstärkungsgrösse an einen Schalter
zur Umstellung der Verstärkungsfaktorebene gibt.
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Das Differenzsignal überschreitet nicht in allen Fällen den
Verstärkungsfaktor des Verstärkers während der
Gas-Desorptionszeit und es wird das Differenzsignal in bezug auf den
Verstärkungsfaktor des Verstärkers nicht zu klein, so dass
eine genaue Berechnung der Oberfläche durch Integration der
Differenzsignale möglich ist.
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In den Zeichnungen bedeutet:
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Figur 1 ein Schaltschema einer erfindungsgemässen
Ausführungsform;
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Figur 2 ein Diagramm mit einer die Wirkung der vorliegenden
Erfindung ausweisenden Wellenform;
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Figur 3 ein Schaltschema, das in beispielhafter Form den
Aufbau der Schaltung zur Ausgangswertbestimmung in der
vorerwähnten erfindungsgemässen Ausführungsform aufzeigt;
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Figur 4 ein Schaltschema einer Vorrichtung nach dem Stand
der Technik;
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Figur 5 ein Diagramm mit einem Wellenprofil, das den
Zustand von bei der Adsorption von Messgasen durch die Probe
in der Probenzelle sowie bei der Desorption der
adsorbierten Messgase vom Verstärker gebildeten Signalen aufzeigt;
und
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Figur 6 ein Diagramm mit einem Wellenprofil, welches das vom
Verstärker einer konventionellen Vorrichtung ausgegebene
Signal wiedergibt.
EINZELBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es folgt eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden
Erfindung anhand eines Beispiels. In diesem Zusammenhang sei
darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die
nachfolgend erläuterte Ausführungsform beschränkt ist und dass
entsprechende Abwandlungen möglich sind, ohne dass ihr
Rahmen verlassen würde.
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Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist die
Oberflächenmessvorrichtung auf eine Probenzelle 11, die lösbar in der
Gasleitung 10 für Messgase angeordnet ist, eine Messvorrichtung
zur Messung der zugeführten Gasmenge, d.h. eine erste
Gasmesseinrichtung A in Wärmeleitfähigkeitsausführung zur
Erzeugung des Signals G1 zur Ermittlung des der Probenzelle 11
zugeführten Gasdurchsatzes durch Messung der zugeführten
Gasmenge in der Messgasleitung 10, sowie eine
Messvorrichtung zur Messung der abgegebenen Gasmenge, d.h. eine zweite
Gasmesseinrichtung B in Wärmeleitfähigkeitsausführung zur
Erzeugung des Signais G2 zur Ermittlung des von der
Probenzelle 11 abgegebenen Gasdurchsatzes durch Messung der
abgeführten Gasmenge ebenfalls in der Messgasleitung 10.
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Weiterhin umfasst diese Oberflächenmessvorrichtung einen
Verstärker AMP, eine Verschiebeschalteinrichtung SW zur
Umstellung der Verstärkungsfaktoren des Verstärkers, eine
Ausgangswert-Bestimmungsschaltung 12, einen Rechner 13 sowie
eine Anzeigeeinrichtung 14.
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Der Verstärker AMP ist so angeordnet, dass er das von der
ersten Messeinrichtung A in Wärmeleitfähigkeitsausführung
erzeugte Signal G1 für den Gasdurchsatz der zugeführten Gase
sowie das von der zweiten Messeinrichtung B in
Wärmeleitfähigkeitsausführung erzeugte Signal G2 für den Gasdurchsatz
der abgegebenen Gase aufnimmt, das eine Signal von dem
anderen abzieht sowie das Differenzsignal G3 erzeugt und
verstärkt.
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Die Verschiebeschalteinrichtung SW ist in der Weise
angeordnet, dass die Verstärkungsfaktoren des Verstärkers AMP in
Ansprechung auf ein von der
Ausgangswert-Bestimmungsschaltung 12 erzeugtes Verschiebesignal G4 automatisch zwischen
einem hohen Niveau RH und einem niedrigen Niveau RL
umgestellt werden.
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Wie aus Figur 3 ersichtlich, umfasst die Schaltung 12 zur
Ausgangswerbestimmung eine Schalteinrichtung 12a zur
Erzeugung eines Signals zum Absenken des Verstärkungsfaktors,
eine Schalteinrichtung 12b für die Erzeugung eines Nullwert-
Anzeigesignals, eine Schalteinrichtung 12c zur Erzeugung
eines Signals zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors, eine erste
UND-Schaltung 12d, eine zweite UND-Schaltung 12e sowie eine
ODER-Schaltung 12f. Die Schalteinrichtung 12a zur Erzeugung
des Signals zum Absenken des Verstärkungsfaktors ist so
angeordnet,
dass sie das vom Verstärker AMP ausgegebene
Differenzsignal G3 aufnimmt, dieses mit dem festgesetzten Ver
stärkungsfaktor des Verstärkers AMP vergleicht sowie ein
signal GL zur Absenkung des Verstärkungsfaktors erzeugt und
abgibt, wenn das Differenzsignal G3 dem festgesetzten
Verstärkungsfaktor des Verstärkers AMP entspricht. Die
Schalteinrichtung 12b zur Erzeugung des Signals für die
Nullwertbestimmung ist in der Weise angeordnet, dass sie das
Differenzsignal G3 aufnimmt, dass sie diejenige Zeit ermittelt,
bei der das Signal G3 von einem negativen Wert auf Null
übergeht, und dass sie das Nullwert-Anzeigesignal Go abgibt.
Die Anordnung der Schalteinrichtung 12c zur Erzeugung des
Signals für die Erhöhung des Verstärkungsfaktors ist so
gewählt, dass sie das Differenzsignal G3 aufnimmt, dieses mit
einem vorgegebenen Wert in bezug auf den festgesetzten
Verstärkungsfaktor, d.h. 50 % des festgesetzten
Verstärkungsfaktors, vergleicht und ermittelt, ob das Differenzsignal G3
nicht den Wert für eine vorgegebene Zeitperiode erreicht und
dadurch ein Signal GH zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors
abgibt. Die erste UND-Schaltung 12d führt eine UND-Rechnung
durch zwischen dem Signal GL zur Absenkung des
Verstärkungsfaktors und dem Nullwert-Anzeigesignal Go, und die zweite
UND-Schaltung 12e eine UND-Rechnung zwischen dem Signal GH
zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors und dem Nullwert-
Anzeigeignal Go. Die ODER-Schaltung 12f dient zur
Durchführung einer ODER-Rechnung zwischen dem von der ersten UND-
Schaltung 12d und dem von der zweiten UND-Schaltung 12e
ausgegebenen Signal.
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Der Rechner 13 ist in der Weise angeordnet, dass er die
Oberfläche einer Probe errechnet durch Integration der
Differenzsignale G3 während der Gas-Desorptionszeit, wobei ein
Differenzsignal vom Verstärker AMP abgegeben wird. Der
Rechner 13 kann aus einer Zentraleinheit bestehen.
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Als Anzeigevorrichtung 14 ist ein Drucker oder ein
Anzeigegerät mit Kathodestrahlröhre zur Ausgabe bzw. Anzeige von
Daten des Rechners 13 vorgesehen.
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Werden die Messgase von der Probe in der Probenzelle 11 der
wie vorbeschrieben aufgebauten Vorrichtung adsorbiert, so
ist wie aus Figur 2 ersichtlich das vom Verstärker AMP
abgegebene Differenzsignal G3 ein negatives Signal.
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Dieses negative Signal wird in die
Ausgangswert-Bestimmungsschaltung 12 eingegeben, die ihrerseits so angeordnet ist,
dass das negative Differenzsignal G3 in die
Schalteinrichtung 12a zur Erzeugung des Signals G3 zur Absenkung des
Verstärkungsfaktors, in die Schalteinrichtung 12b zur Erzeugung
des Nullwert-Anzeigesignals Go und in die Schalteinrichtung
12c zur Erzeugung des Signais GH zur Erhöhung des
Verstärkungsfaktors eingegeben werden kann.
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Man beachte, dass das Signal GL zur Senkung des
Verstärkungsfaktors aus der Schaltung 12a zur Erzeugung des Signals
zum Absenken des Verstärkungsfaktors ausgegeben wird, wenn
das Differenzsignal den Verstärkungsfaktor übersteigt.
Dieses Signal GL geht in die erste UND-Schaltung. Andererseits
erhöht sich in dem Masse, wie sich die Probe bei der
Adsorption der Messgase dem Sättigungszustand nähert, das vom
Verstärker AMP ausgegebene Differenzsignal G3 von seinem
negativen Wert in Richtung Nullwert, und ist bei Erreichen des
Sättigungszustands schliesslich auf Null. Zu diesem
Zeitpunkt ermittelt die Schalteinrichtung 12b zur Erzeugung des
Nullwert-Anzeigesignals in der
Ausgangswert-Bestimmungsschaltung 12 den vom Differenzsignal G3 erreichten Nullwert
und erzeugt das Nullwert-Anzeigesignal Go. Dieses Signal Go
wird an die erste UND-Schaltung 12d gegeben, die ihrerseits
das Signal GL zur Absenkung des Verstärkungsfaktors über die
ODER-Schaltung in die Verschiebeschalteinrichtung SW zur
Umstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers AMP in
Ansprechung auf das Nullwert-Anzeigesignal Go ausgibt, wodurch
die Absenkung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers AMP
bewirkt wird.
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Wie aus Figur 2 ersichtlich hat dies zur Folge, dass die
Ausgabe des vom Verstärker AMP abzugebenden Differenzsignals
G3 erfolgen kann, ohne dass der festgesetzte
Verstärkungsfaktor bzw. Abschaltwert des Verstärkers (gestrichelte
Linien in Figur 2) überschritten wird, während bei
Nichtabsenkung des Verstärkungsfaktors das Differenzsignal G3 den
festgesetzten Verstärkungsfaktor übersteigen würde. Das
Differenzsignal G3 wird anschliessend ausgegeben und im Rechner
13 addiert, um so die von der Probe adsorbierte Gasmenge zu
errechnen, wobei das Rechenergebnis in die
Anzeigeeinrichtung 14 gegeben wird.
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Ist andererseits wie aus Figur 2 ersichtlich das vom
Verstärker AMP auszugebende Differenzsignal G3 in bezug auf den
festgesetzten Verstärkungsfaktor zu klein (gestrichelte
Linien in Figur 2), so wird das Signal GH zur Erhöhung des
Verstärkungsfaktors von der Schalteinrichtung 12c zur
Erzeugung dieses Signals GH gebildet und von der zweiten UND-
Schaltung 12e über die ODER-Schaltung in die
Schalteinrichtung zur Verschiebung des Verstärkungsfaktors gegeben zwecks
Eingabe des Signals GH zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors
und des Nullwert-Anzeigesignals Go zu dem Zeitpunkt, da die
Gas-Adsorptionszeit abgelaufen ist, wodurch der
Verstärkungsfaktor des Verstärkers AMP erhöht wird.
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Wie dies die Figur 2 zeigt, kann hierdurch das vom
Verstärker AMP abzugebende Differenzsignal G3 ohne Überschreitung
des festgesetzten Verstärkungsfaktrors als echter
Ausgangswert abgegeben werden, während ansonsten das Differenzsignal
G3 während der Gas-Desorptionszeit ohne diese Erhöhung des
Verstärkungsfaktors sehr klein wäre. Das Differenzsignal G3
wird anschliessend ausgegeben und im Rechner addiert, um so
die von der Probe adsorbierte Gasmenge zu errechnen, wobei
das Rechenergebnis in die Anzeigeeinrichtung 14 gegeben
wird.
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Wie vorstehend beschrieben wird während der
Gas-Desorptionszeit das Differenzsignal G3 entsprechend angeglichen, indem
der Ausgangszustand des Differenzsignals G3 während der Gas-
Adsorptionszeit bestimmt wird, so dass von der Vorrichtung
nach der erfindungsgemässen Ausführungsform die Gasmenge
stets genau gemessen werden kann.
INDUSTRIELLE VERWENDBARKEIT
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Das erfindungsgemässe System bewirkt die automatische
Einstellung und Angleichung des Verstärkungsfaktors in der
Weise, dass das vom Verstärker während der
Gas-Desorptionszeit ausgegebene Signal den festgesetzten
Verstärkungsfaktor oder Abschaltwert des Verstärkers nicht übersteigt bzw.
in bezug auf den Verstärkungsfaktor nicht zu klein wird,
indem der Zustand des vom Verstärker auszugebenden Signals
während der Gas-Adsorptionszeit bestimmt wird. Damit vermag
die mit der Vorrichtung zur automatischen Umstellung der
Messbereiche ausgestattete Oberflächenmessvorrichtung die
Oberfläche einer Probe mit grösster Genauigkeit zu messen,
obwohl die Vorrichtung von einfacher Konstruktion ist.