DE69317861T2

DE69317861T2 - Schaltkreis und Verfahren zur Kompensation der Nullpunktverschiebung

Info

Publication number: DE69317861T2
Application number: DE69317861T
Authority: DE
Inventors: Emilio Meyer
Original assignee: Panametrics LLC
Current assignee: Panametrics LLC
Priority date: 1992-11-25
Filing date: 1993-11-25
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2013-11-26
Also published as: JP2515247B2; US5269170A; JPH06294824A; EP0599645A3; EP0599645B1; DE69317861D1; EP0599645A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Schaltkreis, wie er sich für Meßsysteme mit einer Whetstone-Brücke eignet, und insbesondere eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Messen beispielsweise der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen mit Hilfe von magnetischen Einrichtungen, ohne daß dabei nennenswerte Fehler aufgrund paramagnetischer oder thermischer Eigenschaften der Hintergrundgase auftreten.
Eine genaue Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch ist in vielen Bereichen der Industrie, im klinischen Bereich als auch für Laborzwecke erforderlich. Um diesem Erfordernis zu entsprechen, sind zur Messung der Sauerstoffkonzentration verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen oder entwickelt worden. Eine charakteristische Eigenschaft des Sauerstoffs, der häufig in diesen Vorrichtungen Verwendung findet, ist, daß der Sauerstoff paramagnetisch ist, daß seine Moleküle den stärksten Bereich eines magnetischen Feldes aufsuchen. Die meisten anderen Gase sind demgegenüber diamagnetisch, so daß ihre Moleküle den schwächsten Bereich des magnetischen Feldes aufsuchen. Diese Eigenschaft des Sauerstoffs hat zu einer Reihe von Verfahren und Vorrichtungen geführt, um die Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen zu messen.
Eine der Vorrichtungen zur Messung der Sauerstoffkonzentration beruht auf dem inversen Verhältnis zwischen Temperatur und magnetischer Suszeptibilität des Sauerstoffs. Aufgrund dieses inversen Verhältnisses führt die Erwärmung eines Teils des sauerstoffhaltigen Gemisches in einem inhomogenen magnetischen Feld zu einem "magnetischen Windeffekt", der aufgrund seines Wärmeeffekts an einem elektrischen Widerstandselement gemessen werden kann. Verschiedene Formen magnetischer Windvorrichtungen werden bei Medlock, et al. in "Oxygen Analysis", Transactions of the Instruments and Methods Conference, Stockholm, 1949, Seite 18, sowie bei Ellis, et al. in "The Measurement of Gaseous Oxygen Tension Utilizing Paramagnetism", 40, "British Journal of Anesthesia, Seite 569 (1968), dargestellt.
Die herkömmlichen mit magnetischen Windeffekten arbeitenden Sauerstoffmeßvorrichtungen weisen jedoch aufgrund der Veränderungen der magnetischen Eigenschaften der sie umgebenden "Hintergrundgase" verhältnismäßig hohe Fehlerquoten auf. Insbesondere bewirkt das Vorhandensein unterschiedlicher Rintergrundgase, daß die herkömmlichen mit magnetischen Windeffekten arbeitenden Sauerstoffmeßvorrichtungen wegen der sehr unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Hintergrundgase falsche Angaben über die Sauerstoffkonzentrationen liefern.
Eine der Meßvorrichtungen, wie sie beispielsweise in dem US-Patent No. 4 893 495 beschrieben ist, verringert diese Effekte dadurch, daß sie für ein Hintergrundgas einen Null abgleich durchführt. Bei dieser Vorrichtung ist der Meßkreis eine Wheatstone-Brücke, die für eine Hintergrundbedingung Null setzt. In Fällen, in denen das Gasgemisch zwei oder mehrere Hintergrundgase aufweist, kann bei diesem Schaltkreis das zusätzliche Hintergrundgas nicht mit Null kompensiert werden.
Ist beispielsweise in einem Gasstrom, der aus Stickstoff und Sauerstoff besteht und sich in einem herkömmlichen Sauerstoffanalysegerät befindet, eine Sauerstoffmessung in einem Bereich von 0 bis 1 % erforderlich, so wird die Meßbrücke so eingestellt, daß die Sauerstoffablesung bei 100 % Stickstoff Null ist. Die herkömmliche mit dem magnetischen Windeffekt arbeitende Sauerstoffmeßvorrichtung liefert dann innerhalb der dem Analysegerät in bezug auf die Genauigkeit gesetzten Grenzen die korrekten Sauerstoffmeßdaten für jede Sauerstoffkonzentration innerhalb eines Meßbereichs von 0 - 1 % Sauerstoff.
Wird anstelle des Stickstoffs jedoch beispielsweise Propan gesetzt, ohne erneut auf Null-Kompensierung einzustellen, so würde dies auf der Skala eine Fehlerquote von etwa 86 % ergeben. Wenngleich die Fehlerquote für andere Gase nicht so hoch sein mag, so kann sie doch häufig einen tolerablen Wert überschreiten. Es wird damit verständlich, daß in dem Fall, in dem in dem Rintergrundgasgemisch zwei oder mehr Gase vorhanden sind und nur eines die Nullkalibrierung erhalten kann, diese Art Fehler entstehen kann.
Falsche Ablesungen dieser Art sind nicht nur inakzeptabel; sie können auch gefährlich werden. Ein Meßgerät, das fälschlicherweise einen niedrigen Sauerstoffgehalt anzeigt, warnt unter Umständen nicht vor einer Explosionsgefahr.
Insofern besteht Bedarf nach einem Schaltkreis, der eine genaue und zuverlässige Messung einer variablen Komponente in einem Medium unabhängig von der Konzentration der Hintergrundkomponenten des Mediums ermöglicht. Insbesondere besteht Bedarf nach Sauerstoffmeßverfahren und -vorrichtungen, die eine genaue Messung der Sauerstoffkonzentration unabhängig von der Zusammensetzung des Hintergrundgases und der thermischen Eigenschaften ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung wird gemäß den Ansprüchen beansprucht.
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Komponente eines Mediums zur Verfügung, das zusätzliche Hintergrundkomponenten aufweist. Dies geschieht durch den Einbau einer zweiten Brükkenschaltung in eine Wheat stone-Brückenschal tung, die zunächst so eingestellt werden kann, daß sie eine Null-Kalibrierung für eine Hintergrundkomponente ermöglicht, wobei nur diese Komponente das Medium darstellt, und anschließend getrennt eingestellt werden kann, um eine Null-Kalibrierung zu ermöglichen, für die lediglich die zweite Hintergrundkomponente das Medium bildet. Nachdem die variable Komponente und die Hintergrundkomponenten von dem zu messenden Medium erfaßt sind, wird die Brücke dadurch im Gleichgewicht gehalten, daß an die Primärarme der Brückenschaltung ein Spannungssignal angelegt wird, wobei dieser Spannungswert dann als Anzeige für die Konzentration der variablen Komponente in dem Medium dient. Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung magnetische Feldelemente für die Erzeugung eines inhomogenen magnetischen Feldes sowie mindestens einen elektrisch erwärmten Thermistor zur Erzeugung eines magnetischen Windes, wobei dieser Thermistor einen elektrischen Parameter aufweist, der proportional der Konzentration eines paramagnetischen Gases in dem Gasgemisch ist.
Eine solche Vorrichtung kann darüber hinaus mindestens einen Wärmeerfassungsthermistor mit einem elektrischen Parameter aufweisen, der der Temperatur proportional ist und sich im wesentlichen außerhalb des inhomogenen magnetischen Feldes befindet. Der Erfassungsthermistor erfaßt dadurch den magnetischen Wind, der von dem magnetischen Winderzeugungsthermistor in Gegenwart eines paramagnetischen Gases erzeugt wird, daß er die aus dem magnetischen Wind resultierende Wärmeübertragung erfaßt.
Die Vorrichtung kann ferner Signalerzeugungselemente in dem elektrischen Schaltkreis enthalten, mit den magnetischen Wind erzeugenden und magnetischen Wind erfassenden Thermistorelementen. Die Signalerzeugungselemente messen einen elektrischen Parameter des Winderfassungsthermistors und erzeugen ein Meßsignal mit einer Amplitude, die für die Konzentration des paramagnetischen Gases in dem Gasgemisch repräsentativ ist, da diese proportional der Stärke des magnetischen Windes in Gegenwart des paramagnetischen Gases ist.
Im besonderen weisen die Signalerzeugungselemente eine elektrische Brücke konstant er Temperatur sowie eine elektrische Meßbrücke auf, die ihrerseits eine Wheatstone-Brücke umfaßt Die Temperaturregelelemente umfassen Regelelemente, die auf ein elektrisches Ungleichgewicht zwischen der elektrischen Brücke konstanter Temperatur und der Meßbrücke ansprechen. Die elektrische Brücke konstant er Temperatur dient der Stromregelung für die Wheatstone-Brücke, um den ersten und den zweiten Thermistor für die Erfassung des magnetischen Windes auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten.
Die Meßbrücke umfaßt den Winderzeugungs und den Winderfassungsthermistor auf der einen Seite sowie eine weitere innere Brücke auf der anderen Seite. Diese innere Brücke dient der Negierung jeglicher Beteiligung an der Sauerstoffmessung aufgrund der thermischen Eigenschaften eines Hintergrundgases.
Diese innere Brücke kann, in Reihe geschaltet, eine Zenerdiode, ein Potentiometer und einen festen Widerstand an einer Seite und die gleichen Elemente, jedoch in umgekehrter Reihenfolge, auf der anderen Seite aufweisen. Die Arme der beiden Potentiometer sind durch ein drittes Potentiometer elektrisch miteinander verbunden.
Ferner ist das Meßsignal nach Maßgabe von Veränderungen der Hintergrundgase in dem Gasgemisch dadurch korrigierbar, daß Korrektursignale erzeugt werden, die repräsentativ für das elektrische Ungleichgewicht zwischen der elektrischen Brücke konstant er Temperatur und der elektrischen Meßbrücke sind. Diese Korrektursignale werden mit dem Meßsignal verbunden, um Veränderungen der thermischen Eigenschaften von Hintergrundgasen in dem Gasgemisch zu kompensieren.
Wenngleich die Erfindung nach einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit der Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch beschrieben wird, im wesentlichen zurückzuführen auf Veränderungen der thermischen Leitfähigkeit des Gases aufgrund der Erzeugung magnetisch bedingter Winde in Antwort auf die durch die Wärme erzeugenden Thermistoren erzeugten magnetischen Winde, so eignet sich diese auch für andere Messungen. Beispielsweise kann sie zur Messung einer variablen Wärmeleitfähigkeit in einem Flüssigkeitsgemisch aufgrund der Konzentration einer speziellen Flüssigkeitskomponente in Gegenwart zweier flüssiger Hintergrundkomponenten Verwendung finden, vorausgesetzt, die Wirkung der Rintergrundkomponenten ist von Natur aus additiv. Ähnlich könnte diese Meßschaltung zur Messung von Schwankungen der Lichtreflexion oder der Übertragungseigenschaften eines Mediums bis hin zu Schwankungen einer speziellen Komponente des Mediums unter Anwendung von auf elektrischen Strom ansprechenden Lichterzeugungs- und Lichterfassungskomponenten verwendet werden.
Für ein besseres Verständnis der Art und Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende eingehende Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sowie auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen.
In diesen ist
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Sauerst offerfassungszelle, wie sie in Kombination mit dem Schaltkreis der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann,
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Erfassungsbrückenschaltung nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Erfassungsbrückenschaltung nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der Ausführungsform einer Sauerstofferfassungszelle des Standes der Technik, wie sie in dem hier zitierten US-Patent Nr. 4 893 495 beschrieben ist. Die Sauerstofferfassungseinrichtung macht sich das Phänomen des "magnetischen Windes" zunutze und weist hierzu eine Erfassungzelle 100 mit zwei Paaren von Thermistoren R1, W1 und R2, W2 auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Thermistoren 2000-Ohm-Standard-Bead-Thermistoren, wie sie von Fenwal Electronics vertrieben werden.
Ein Thermistor eines jeden Thermistorpaares, d.h. der Thermistoren W1 und W2, wird elektrisch erwärmt. Die Thermistoren sind in einer magnet i schen Zone hoher Feldstärke mit steilem Magnetfeldgradienten angeordnet. Wie beispielsweise aus Fig. 1 ersichtlich, befinden sich die Thermistoren W1 und W2 jeweils zwischen den Polstücken 104A und 104B von Magneten 102A bzw. 102B, wo ein uneinheitliches magnetisches Feld hoher Intensität erzeugt wird. Der zweite Thermistor eines jeden Thermistorpaares, d.h. der Thermistoren R1 und R2, ist jeweils zwischen W1 und W2, jedoch im wesentlichen außerhalb des Bereichs hoher magnetischer Feldintensität, angeordnet.
Befindet sich in der Sauerstotferfassungszelle 100 ein Gas, und werden die Thermistoren W1 und W2 elektrisch erwärmt, so erwärmen als Wärmeerzeugungsthermistoren bezeichnete Thermistoren W1 und W2 das umgebende Gas. Ist dies Sauerstoff, so reduzieren sich die paramagnetischen Eigenschaften in dem Maße, in dem die Wärme einen Gasstrom erzeugt, der sich von der das Magnetfeld hoher Instensität umgebenden Gaskonzentration fort bewegt. Dadurch wird ein Gasstrom in Richtung der nebeneinander liegenden Thermistoren jedes außerhalb des Magnetfelds gelegenen Paares, d. h. der Wärmeerfassungsthermistoren R1 und R2, erzeugt. Aut diese Weise geben die Wärme erzeugenden Tnermistoren W1 und W2 an die nebeneinander liegenden Thermistoren R1 und R2 eines jeden Paares Wärme ab. Als Folge hiervon tendiert der in der Sauerstofferfassungs zelle 100 befindliche Sauerstoff dazu, die Temperatur der Wärme erzeugenden Thermistoren W1 und W2 aufgrund eines kühleffekts des "Windes" proportional zu verringern und die Temperatur der danebenliegenden Thermistoren R1 und R2 zu erhöhen.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie in Fig. 2 gezeigt, das Thermistorpaar W1 und W2 zwischen Anschlüssen T1 und T2 in Reihe geschaltet, und die Thermistoren R1 und R2 sind mit Anschlüssen T2 und T3 verbunden. Die Meisbrückenschaltung 200 ist aufgrund der Widerstandsveränderung durch das Temperaturungleichgewicht des Thermistors nicht ausgeglichen. Dieses Temperaturungleichgewicht des Thermistors ist wiederum proportional der Sauerstoffkonzentration.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung eliminiert die unerwünschten Wirkungen der Umgebungstemperaturschwankungen durch eine Temperaturregelung der Wärme erzeugenden Elemente W1 und W2. Die Temperatur der Erfassungselemente R1 und R2 wird durch eine rückgekoppelte, mit hoher Genauigkeit arbeitende Temperaturregel schleife auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten, was den dargestellten, in Reihe geschalteten Transistor ST und ein Brücktemperatur-Einstellelement RT einschließt. Im besonderen umfaßt die dargestellte Schaltung 200 eine konstante, durch die Widerstände RC, RD, RS gebildete Temperaturbrücke, eine aus den Thermi st oren W1, W2, R1, R2, den Widerständen RA, RB, RZ, RZ1, RZ2 gebildete Meßbrücke sowie Zenerdioden ZR1 und ZR2. Diese Zenerdioden sind nicht-lineare Elemente mit einer im wesentlichen nicht- linearen Spannungs/Stromkurve über einen verhältnismäßig großen Stromwertebereich.
Das Potentiometer RT wird als Brückeneinstellelement verwendet. Der Komparatorverstärker A1, der von konventioneller Ausführung und Bauweise sein kann, erfaßt jedes elektrisches Ungleichgewicht zwischen dem Knoten "X" und dem Anschluß T3 und steuert den in Reihe geschalteten Transistor ST zur Veränderung der Spannung zwischen den Anschlüssen T1 und T3 so, daß die Brücke wieder im Gleichgewicht ist. Eine Temperaturregelschaltung dieser Art ist in dem US-Patent Nr. 4 893 495 offenbart.
Durch diese Erfassungs- und Regelschleife werden die Elemente der Meßbrücke auf einer konstanten Temperatur gehalten, unabhängig von jeder Veränderung der Hintergrundgaszusammen setzung, die sonst aufgrund von Veränderungen in der thermischen Leitfähigkeit und des Paramagnetismus die Wärmedissipation und Temperatur des Thermistors beeinträchtigen würde. Als optimale Temperatur der Thermistoren bei nicht vorhandenem Sauerstoff wurden 200 ºC ermittelt.
Ein weiteres Merkmal der gezeigten Bauform ist die Möglichkeit, am Ausgang des Verstärkers A2 ein Signal zu erhalten, das als Korrektursignal oder Multiplikator verwendet werden kann, um die von der Meßbrücke erhaltene Sauerstoffablesung genau zu korrigieren. Dieses Signal wird dadurch erhalten, daß man durch RS die Stromveränderung erfaßt, die erforderlich ist, um das Brückengleichgewicht wiederherzustellen. Dies ist auch in dem vorgenannten Patent erwähnt.
Gemäß Fig. 3 stellt eine Veränderung an dieser Erfassungs und Regelschleife mehr die Aufrechterhaltung eines konstanten Stroms durch die Meßbrückenelemente sicher, anstatt diese Elemente auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Die Sauerstoffmeßbrücke ist auch eine Brücke innerhalb einer Brücke. Die erste Seite einer äußeren Brücke ist durch die Thermistoren W1, W2, R1, R2 gebildet. Die zweite Seite der Brücke ist eine innere Brücke. Die erste Seite der inneren Brücke stellt eine Reihenkombination der Elemente ZR1, RZ2 und RB dar. Die zweite Seite der inneren Brücke ist eine Reihenkombination aus RA, RZ1 und ZR2. Die Diode ZR1 ist mit dem Anschluß T1 und einem Ende des Potentiometers RZ2 verbunden, während die Diode ZR2 mit dem Anschluß T3 und einem Ende des Potentiometers RZ1 verbunden ist. Die beiden Seiten sind durch den Potentiometer RZ mit den Anschlüssen T4 und T5 verbunden, dessen einstellbares Abgreifelement mit dem Anschluß T6 verbunden ist. Das die Sauerstoffkonzentration in dem Gasgemisch anzeigende Ausgangssignal wird zwischen den Anschlüssen T2 und T6 abgelesen.
Diese Brücke in dieser Brückenanordnung ermöglicht es dem Benutzer, jede thermische oder paramagnetische Eigenschaft von zwei oder mehreren Hintergrundgasen zu negieren. Bei zwei Hintergrundgasen werden die Gase jeweils nacheinander in die Kammer verbracht, und der Schaltkreis wird so eingestellt, daß der Anteil der jeweiligen Hintergrundgase von der Sauerstoffmessung ausgeschlossen ist. Liegen mehr als zwei Hintergrundgase vor, so ermzglicht die Auswahl von zwei entgegengesetzte Extreme bildenden Gasen, was die thermi schen und paramagneti schen Eigenschaften anbetrifft, eine Messung mit einem hohen Genauigkeitsgrad, ohne daß der Schaltkreis für jedes einzelne Gas ausgeglichen werden muß.
Das dynamische Prinzip, nach dem die Schaltung diese Aufgaben erfüllt, ist in dem nachstehenden Beispiel erläutert. In diesem werden Werte für Schaltungselemente spezifiziert. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß diese Werte illustrativer Natur sind, in der Praxis jedoch variieren können.
In diesem Beispiel ist der prozentuale Sauerstoffanteil in einem Gasgemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zu messen. Die die Sauerstofferfassungseinrichtung enthal tende Kammer wird zunächst mit 100 % Stickstoff gefüllt. Die Wärmeübertragungseigenschaften des Gases führen zu einer Veränderung der an den Erfassungsthermistoren R1 und R2 er faßten Temperatur. Diese Veränderung führt zu einer Justie rung der Spannung zwischen den Anschlüssen T1 und T3. Diese Spannung ist das Ergebnis der Auswirkungen der Spannungsregelschaltung RT, RC, RD und A1, die die von ST erzeugte Spannung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur an den Thermistoren R1 und R2 einstellt. Die von ST erzeugte Spannung kann 0 bis 24 Volt betragen. Bei Stickstoff beträgt die Eingangsspannung gegen Masse üblicherweise 8,2 Volt.
In einem ersten Null-Kalibrierungsschritt, in dem in der Kammer lediglich Stickstoff vorhanden ist, liegt zwischen den Anschlüssen T1 und T3 eine Spannung an, die für die vorstehend erwähnten Eigenschaften von Stickstoff repräsentativ ist. Diese Spannung wird dann als Referenzspannung für den Schaltungsausgleich verwendet. Die Anschlüsse T4 und T2 sind mit einem Voltmesser verbunden. RZ2 ist ein Potentiometer mit einem Widerstand von 500 Ohm, dessen Arm mit dem Anschluß T4 verbunden ist. Die Position des Potentiometerarms wird solange eingestellt, bis zwischen dem Anschluß T4 und dem Anschluß T2 eine Null-Spannung anliegt.
Dieses Verfahren wird wiederholt, indem die Spannung zwi schen dem Anschluß T5 und dem Anschluß T2 durch Einstellen des Arms des Potentiometers RZ1 auf Null eingeregelt wird. RZ1 ist ebenfalls ein 500-Ohm-Potentiometer, dessen Arm mit dem Anschluß T5 verbunden ist. Dies hat aufgrund des ver hältnismäßig hohen Impedanzwertes zwischen den Anschlüssen T4 und T5 einen minimalen Effekt auf den Ausgleich, der be reits zwischen den Anschlüssen T4 und T5 stattgefunden hat. Dieser Wert ist in dem Potentiometer RZ enthalten, der etwa 20 Kiloohm aufweist. Wird dieser Ausgleich zwischen T4 und T5, wenn auch nur minimal, beeinträchtigt, so kann dies dadurch korrigiert werden, daß man den Schritt der Null Spannungsreduzierung zwischen den Anschlüssen T4 und T5 wiederholt.
Sind die beiden Anschlußsätze auf diese Weise ausgeglichen, so ist ein Ausgleich zwischen dem Anschluß T6 des Arms des Potentiometers RZ und dem Anschluß T2 gegeben.
Anschließend wird der Stickstoff von der Kammer abgezogen, die dann mit dem zweiten Hintergrundgas, das Wasserstoff ist, für einen zweiten Kalibrierungsschritt gefüllt wird.
Die vorstehend beschriebene Temperaturregelungsdynamik spiegelt die Wärmeübertragungseigenschaften von Wasserstoff wieder, die die Ausgangsspannung des Transistors ST auf etwa 16,4 Volt ändern.
Die Spannung an dem Anschluß T2 reagiert hierauf mit einem entsprechenden Anstieg, was wiederum zu einem Ungleichgewicht zwischen den beiden Brücken führt.
Eine typische Wheatstone-Brücke reagiert, wenn sie sich einmal im ausgeglichenen Zustand befindet, auf Veränderungen in der Eingangsspannung so, daß sie die Spannungsabfälle unter ihren Widerstandselementen proportional verteilt. Diese Eigenschaft stellt sicher, daß die Brücke im ausgeglichenen Zustand verbleibt.
Die innere Brücke dagegen, die keine linearen Spannungselemente ZR1 und ZR2 aufweist, reagiert nicht auf dieselbe Art und Weise. Steigt die Spannung an den Anschlüssen T1 und T3 an, so bleibt der Spannungsabfall an der Diode ZR1 im wesentlichen unverändert. Dieser Spannungsabfall ist aufgrund der Eigenschaften von ZR1, einer Zenerdiode, begrenzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt ZR1 sicher, daß der Spannungsabfall nicht 1,2 Volt überschreitet. Darüber hinaus ist eine weitere Zenerdiode ZR2 unterhalb von RZ1 angeordnet, der den Spannungsabfall an der Diode auf einen vorbestimmten Betrag einschränkt. Auch dieser Betrag würde normalerweise nicht 1,2 Volt überschreiten.
Hieraus wird ohne weiteres ersichtlich, daß nach dem Kirchhoff'schen Spannungsgesetz nun ein Ungleichgewicht zwischen dem Anschluß T2 und dem Anschluß T6 entsteht. Eine Einstellung der Position des Abgriffs an dem Potentiometer RZ verändert die Spannung an dem Anschluß T6 so, daß die Brücke für das zweite Hintergrundgas, nämlich Wasserstoff, ausgeglichen wird.
Die Potentiometer RZ1 und RZ2 wurden dabei nicht für Wasserstoff eingestellt. Würden Wasserstoff und/oder Stickstoff in die Kammer eingeführt, so wäre die Spannung zwischen den Anschlüssen T2 und T6 daher Null. Die Brücke würde somit in jedem Fall ausgeglichen.
Das zu untersuchende Gasgemisch wird nunmehr in die Kammer verbracht. Die Charakteristika der Hintergrundgase sind im wesentlichen durch die innere Brücke kompensiert worden. Der Spannungsunterschied zwischen den Anschlüssen T2 und T6 ist dann proportional dem Sauerstoffgehalt im Innern der Kammer.
Selbstverständlich können an der vorstehenden Konstruktion und den Verfahrensabläufen Änderungen vorgenommen werden, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu sprengen. Daher sind alle in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen und in den Zeichnungen dargestellten Fakten als illustrativ und nicht als einschränkend zu betrachten.
Auch die nachstehenden Ansprüche sollen die gattungsgemäßen und spezifischen Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie alle den Erfindungsumfang betreffenden Angaben abdecken, die auch aufgrund der sprachlichen Formulierung gegeben sind.

Claims

1. Meßsystem zur Bestimmung einer variablen Komponente für ein Energie leitendes Medium mit einer ersten und einer zweiten Hintergrundkomponente, mit:

- einem elektrischen, Energie erzeugenden Netzwerk (W1, W2), das mit einem ersten Anschluß (T1) and einem zweiten Anschluß (T2) verbunden ist,

- einem elektrischen, Energie erfassenden Netzwerk (R1, R2), das die Energie in dem Medium an dem Erfassungsnetzwerk erfaßt und mit dem zweiten Anschluß (T2) und einem dritten Anschluß (T3) verbunden ist,

- einem Spannungsgenerator (ST) zur Erzeugung einer Spannung zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß (T1, T3),

- einer rückgekoppelten Spannungsregelung (Al), um entweder die von dem Spannungsgenerator (ST) erzeugte Spannung so zu regeln, daß das Energieniveau an dem Energie erfassenden Netzwerk (R1, R2) im wesentlichen konstant bleibt, oder, um die von dem Spannungsgenerator (ST) erzeugte Spannung so zu regeln, daß der durch das Energie erzeugende und erfassende Netzwerk (R1, R2) fließende Strom im wesentlichen konstant bleibt,

wobei das genannte Medium Energie von dem Energie erzeugenden Netzwerk (W1, W2) zu dem Energie erfassende Netzwerk (R1, R2) koppelt,

gekennzeichnet durch

eine Hintergrundkompensationsschaltung, zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß (T1, T3), wobei diese Hintergrundkompensationsschaltung folgendes umfaßt:

- eine erste Reihenschaltung mit einem ersten nicht-linearen Element (ZR1), das eine nicht-lineare Spannungs/Stromkurve über einen verhältnismäßig großen Stromwertebereich aufweist, und mit einem ersten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ2), der zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß (T1, T3) in Reihe geschaltet ist, wobei das erste nicht-lineare Element (ZR1) zwischen dem ersten Anschluß (T1) und einem Ende des ersten einstellbaren Abgreifwiderstandes (Rz2) gekoppelt ist,

- eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten Abgreifwiderstand (RZ1) und einem zweiten nicht-linearen Element (RZ2), das über einen Stromwertebereich eine nicht-lineare Spannungs/Stromkurve aufweist, die zwischen dem ersten Anschluß und dem dritten Anschluß (T1, T3) in Reihe geschaltet ist, wobei das zweite nicht-lineare Element (ZR2) zwischen dem dritten Anschluß (T3) und einem Ende des zweiten einstellbaren Abgreifwiderstandes (RZ1) gekoppelt

und wobei der positionseinstellbare Abgriff an dem ersten einstellbaren Widerstand (RZ2) mit einem vierten Anschluß (T4) verbunden ist, wobei der positionseinstellbare Abgriff an dem zweiten einstellbaren Resistor (RZ1) mit einem fünften Anschluß (T5) verbunden ist,

- einen dritten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ) zwischen dem vierten Anschluß (T4) und dem fünften Anschluß (T5), wobei der einstellbare Abgriff des dritten einstellbaren Abgreifwiderstandes (RZ) mit einem sechsten Anschluß (T6) verbunden ist,

und wobei die Spannung am vierten Anschluß (T4) in Übereinstimmung mit der Spannung am zweiten Anschluß (T2) einstellbar ist, und die Spannung am fünften Anschluß (T5) in Übereinstimmung mit der Spannung am vierten Anschluß (T4) sowie am zweiten Anschluß (T2) in dem Fall einstellbar ist, in dem in einem ersten Kalibrierungsschritt nur eine Hintergrundkomponente des Energie leitenden Mediums vorhanden ist, und die Spannung am sechsten Anschluß (T6) in Übereinstimmung mit der Spannung am zweiten Anschluß (T2) in dem Fall einstellbar ist, in dem in einem zweiten Kalibrierungsschritt nur die zweite Hintergrundkomponente vorhanden ist, wobei die Spannung zwischen dem zweiten Anschluß (T2) und dem sechsten Anschluß (T6) eine Anzeige für die Konzentration der variablen Komponente ist, wenn das Energie leitende Medium die variable Komponente zusammen mit der ersten und zweiten Hintergrundkomponente aufweist.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, bei welchem das Energie leitende Medium ein wärmeleitendes Medium ist, das elektrische, Energie erzeugende Netzwerk ein eine Widerstandswärme erzeugendes elektrisches Netzwerk (W1, W2) ist, das dem wärmeleitenden Medium Wärme zuführt,

das elektrische, Energie erfassende Netzwerk eine elektrisches, Widerstandswärme erfassendes Erfassungsnetzwerk (R1, R2) ist, das Wärme in dem wärmeleitenden Medium erfaßt, die rückgekoppelte Spannungsregelung (A1) so angeordnet ist, daß sie entweder die Temperatur an dem Wärme erfassenden Netzwerk (R1, R2) im wesentlichen konstant hält oder den durch das Wärme erzeugende (W1, W2) und Wärme erfassende Netzwerk (R1, R2) fließenden Strom im wesentlichen konstant hält, und

das Wärme leitende Medium das Wärme erzeugende Netzwerk (W1, W2) an das Wärme erfassende Netzwerk (R1, R2) koppelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

bei der erste und zweite lineare Elemente (ZR1, ZR2) Zenerdioden sind, die einen Bereich mit im wesentlichen konstanter Ausgangsspannung für einen Stromeingabewertebereich aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Spannungsgenerator (ST) ein in Reihe geschalteter Transistor ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die rückgekoppelte Spannungsregelung (A1) einen Komparatorverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang aufweist, der nach Maßgabe der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingang ein Ausgangssignal abgibt, wobei einer der Eingänge mit dem dritten Ausgang (T3) verbunden ist,

und wobei der andere der Komparatorverstärkereingänge mit einem einstellbaren Punkt (X) einer Potentialreferenz (RT) verbunden ist, der auf einen Referenzwert eingestellt wird, um einen ausgewählten Temperaturwert an dem Wärme erzeugenden Netzwerk (W1, W2) sicherzustellen, wobei der Ausgang des Komparatorverstärkers (A1) mit dem Spannungsgenerator (ST) als Regel signal verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Wärme leitende Medium ein Gasgemisch mit einem speziellen Gas als variable Komponente und mindestens zwei speziellen Gasen als Hintergrundkomponenten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend Widerstandselemente (RA, RB), die mit den Zenerdioden (ZR1, ZR2) parallel geschaltet sind, um den Wirkungsbereich der Zenerdioden (ZR1, ZR2) zu regeln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, die zum Messen der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einem Gasgemisch dient und ferner Einrichtungen (102A, 102B) zur Erzeugung eines nicht einheitlichen magnetischen Feldes hoher Intensisität um das Gasgemisch herum aufweist, wobei das Wärme erzeugende Netzwerk (W1, W2) sich in einer ersten Position innerhalb des nicht einheitlichen magnetischen Feldes hoher Intensität befindet und das Wärme erfassende Netzwerk (R1, R2) sich in einer zweiten Position außerhalb des nicht einheitlichen magnetischen Feldes hoher Intensität befindet, und wobei das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Wärme erzeugenden Netzwerks (W1, W2) und dem Widerstandswert des Wärme erzeugenden Netzwerks (R1, R2) proportional zur Konzentration des paramagnetischen Gases variiert.

9. Verfahren zur Bestimmung einer variablen Komponente eines Wärme leitenden Mediums mit einer ersten und einer zweiten Hintergrundkomponente, das folgende Schritte aufweist:

- Erwärmen eines ersten Widerstandsnet zwerks (W1, W2), das mit einem ersten Anschluß (T1) und einem zweiten Anschluß (T2) verbunden ist, um in dem Medium Wärme zu erzeugen,

- Erfassen von Wärme in dem Medium an einem zweiten Widerstandsnetzwerk (R1, R2), das mit dem zweiten Anschluß (T2) und einem dritten Anschluß (T3) verbunden ist,

- Erzeugen einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß (T1, T3),

- Regeln der von dem Spannungsgenerator erzeugten Spannung, um entweder die Temperatur an dem zweiten Widerstandsnetzwerk (R1, R2) im wesentlichen konstant zu halten, oder, um den durch das erste Widerstandsnetzwerk (W1, W2) und das zweite Widerstandsnetzwerk (R1, R2) fließenden Strom im wesentlichen konstant zu halten,

- thermische Kopplung des Wärme erzeugenden Netzwerks (W1, W2) und des Wärme erfassenden Netzwerks (R1, R2), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Einrichten einer Hintergrundkompensat ionsschaltung zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß (T1, T3), wobei diese Hintergrundkompensationsschaltung folgendes umfaßt:

- eine erste Reihenschaltung mit einem ersten nicht-linearen Element (ZR1), das eine nicht-lineare Spannungs/Stromkurve über einen relativ großen Stromwertebereich aufweist,

- einen ersten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ2), der zwischen dem ersten und dem dritten dritten Anschluß (T1, T3) in Reihe geschaltet ist, wobei das erste nichtlineare Element (ZR1) mit dem ersten Anschluß (T1) und einem Ende des einstellbaren Abgreifwiderstandes (RZ2) verbunden ist,

- eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ1) und einem zweiten nicht- linearen Element (ZR2) mit einer nicht-linearen Spannungs/Stromkurve über einen Stromwertebereich, die zwischen dem ersten Anschluß (T1) und dem dritten Anschluß (T3) in Reihe geschaltet ist,

wobei das zweite lineare Element (ZR2) mit dem dritten Anschluß (T3) und einem Ende des zweiten einstellbaren Abgreifwiderstandes (RZ1) verbunden ist und die einstellbare Abgreifpositionseinrichtung an dem ersten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ2) mit einem vierten Anschluß (T4) verbunden ist, wobei die einstellbare Abgreifposition an dem zweiten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ1) mit einem fünften Anschluß (T5) verbunden ist,

- einen dritten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ) zwischen dem vierten Anschluß (T4) und dem fünften Anschluß (T5), wobei der einstellbare Abgriff dieses dritten einstellbaren Abgreifwiderstandes (RZ) mit einem sechsten Anschluß (T6) verbunden ist,

- Einstellen der Spannung an dem vierten Anschluß (T4) entprechend der Spannung an dem zweiten Anschluß (T2),

- Einstellen der Spannung an dem fünften Anschluß (T5) entsprechend der Spannung an dem vierten Anschluß (T4) und dem zweiten Anschluß (T2) in dem Fall, in dem nur eine Hintergrundkomponente des Wärme leitenden Mediums vorhanden ist, und

- Einstellen der Spannung an dem sechsten Anschluß (T6) entsprechend der Spannung an dem zweiten Anschluß (T2) in dem Fall, in dem nur die zweite Hintergrundkomponente vorhanden ist,

- Messen der Spannung zwischen dem sechsten Anschluß (T6) und dem zweiten Anschluß (T2) als Anzeige der Konzentration der variablen Komponente, wenn das Medium die variable Komponente der ersten und der zweiten Hintergrundkomponente einschließt,

- eine rückgekoppelte Spannungsregelung (Al), um die von dem Spannungsgenerator (ST) erzeugte Spannung so zu regeln, daß der durch das Wärme erzeugende (W1, W2) und das Wärme erfassende Netzwerk (R1, R2) fließende Strom im wesentlichen konstant bleibt,

wobei das Wyrme leitende Medium das Wärme erzeugende Netzwerk (W1, W2) und das Wärme erfassende Netzwerk (R1, R2) thermisch koppelt, gekennzeichnet durch eine Hintergrundkompensati onsschaltung zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß (T1, T3), wobei die Hintergrundkompensationsschaltung folgendes umfaßt:

- eine erste Reihenschaltung mit einem ersten nicht- linearen Element (ZR1), das eine erste nicht-lineare Spannungs/Stromkurve über einen erheblichen Stromwertebereich aufweist,

- einen ersten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ2), der zwischen dem ersten und dem dritten Anschluß (T1, T2) in Reihe geschaltet ist, wobei das erste nicht-lineare Element (ZR1) mit dem ersten Anschluß (T1) und einem Ende des ersten einstellbaren Abgreifwiderstandes (RZ2) verbunden ist,

- eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ1) und einem zweiten nicht-linearen Element (ZR2), das eine nicht-lineare Spannungskurve über einen Stromwertebereich aufweist, die mit dem ersten Anschluß (T1) und dem dritten Anschluß (T3) in Reihe geschaltet ist, wobei das zweite nicht-lineare Element (ZR2) mit dem dritten Anschluß (T3) und einem Ende des zweiten einstellbaren Abgreifwiderstands (RZ1) verbunden ist,

und wobei der positionseinstellbare Abgriff an dem ersten einstellbaren Widerstand (RZ2) mit einem vierten Anschluß (T4) verbunden ist, wobei der positionseinstellbare Abgriff an dem zweiten einstellbaren Widerstand (RZ1) mit einem fünften Anschluß (T5) verbunden ist,

- einen dritten einstellbaren Abgreifwiderstand (RZ) zwischen dem vierten Anschluß (T4) und dem fünften Anschluß (T5), wobei der einstellbare Abgriff des dritten einstellbaren Abgreifwiderstands (RZ) mit einem sechsten Anschluß (T6) verbunden ist, und wobei die Spannung an dem vierten Anschluß (T4) entsprechend der Spannung an dem zweiten Anschluß (T2), und die Spannung an dem fünften Anschluß (T5) entsprechend der Spannung an dem vierten Anschluß (T4) sowie an dem zweiten Anschluß (T2) in dem Fall einstellbar ist, in dem in einem ersten Kalibrierungsschritt nur eine Hintergrundkomponente des Wärme leitenden Mediums vorhanden ist, und die Spannung an dem sechsten Anschluß (T6) entprechend der Spannung an dem zweiten Anschluß (T2) in dem Fall einstellbar ist, in dem in einem zweiten Kalibrierungsschritt nur die zweite Hintergrundkomponente vorhanden ist, wobei die Spannung zwischen dem zweiten Anschluß (T2) und dem sechsten Anschluß (T6) eine Anzeige für die Konzentration der variablen Komponente ist, wenn das Wärme leitende Medium diese variable Komponente zusammen mit der ersten und der zweiten Hintergrundkomponente aufweist.