DE970203C - Geraet zur Gasanalyse durch Strahlungsabsorption - Google Patents

Description

(WiGBI. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 28. AUGUST 1958

p 30308IXj 421D

Paris

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Gasanalyse, bei dem von einer Strahlungsquelle aus, insbesondere von einer ultraroten Strahlungsquelle aus, ein Strahlenbündel durch das zu untersuchende Gasgemisch hindurchgeschickt wird, während ein zweites, in gleicher Weise zusammengesetztes Strahlenbündel durch ein Vergleichsgas hindurchgeschickt wird. Die beiden Strahlenbündel gelangen dann in Aufnahmekammern, welche mit dem in dem zu untersuchenden Gasgemisch festzustellenden Gas gefüllt sind und zwischen denen ein Membrankondensator angeordnet ist. Beide Strahlungen werden periodisch und gleichzeitig unterbrochen, so daß in den Aufnahmekammern periodisch Druckänderungen auftreten, deren Amplitude von der Strahlenabsorption in dem zu untersuchenden Gas einerseits und dem Vergleichsgas andererseits abhängt. Bei ungleicher Absorption wird die Membran des Membrankondensators in Schwingungen versetzt, deren Frequenz gleich der Frequenz der Strahlenunterbrechung ist. Die Amplitude dieser Schwingungen gibt dann ein Maß für die Menge des festzustellenden Gases in dem zu untersuchenden Gasgemisch.

Will man zu brauchbaren Meßergebnissen kornmen, so müssen naturgemäß die Schwingungen der Membran des Membrankondensators mittels einer Verstärkereinrichtung in meßbare Spannungs- oder

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Stromschwankungen umgewandelt werden. Bisher hat man hierzu teure und umfangreiche Verstärkungseinrichtungen benutzen müssen, wobei trotzdem die Stabilität und Empfindlichkeit der Meßangaben nicht immer zufriedenstellend waren. Insbesondere hat man bisher Verstärker mit Elektrometerröhre benutzen müssen, was nicht nur eine teure Anlage mit verhältnismäßig kurzer Lebensdauer erforderte, sondern auch eine Reihe von Störquellen mit sich brachte, die aus der Erschütterungsempfindlichkeit und der direkten Heizung der Elektrometerröhre miteis eines besonderen Heizgleichrichters herrührten. Es ist hierbei darauf hinzuweisen, daß die Verstärkung der vom Membrankondensator des Gerätes zur Gasanalyse erzeugten Impulse ein besonderes, in der sonstigen Verstärkertechnik kaum vorhandenes Problem darstellt. Einerseits ist die Frequenz der Pulsationen der Membran sehr gering (in der Größenordnung von 5 bis 10 Hz), da wegen der verhältnismäßig großen Trägheit, mit der die auf der Strahlenabsorption beruhenden Druckzu- und -abnahmen vor sich gehen, keine größere Frequenz der Strahlenunterbrechung möglich ist. Dies hat bisher dazu geführt, den Eingangswiderstand der ersten Verstärkerröhre sehr hoch zu wählen (z. B. = 2000 Megohm bei einer Kapazität des Kondensators von 40 pF). Gleichzeitig mußte man die erwähnte Elektrometerröhre verwenden, um zu einigermaßen sicheren Meßergebnissen zu gelangen. Andererseits haben eine Reihe von zu untersuchenden und daher die Aufnahmekammern anfüllenden und so mit den Kondensatorelektroden in Berührung stehenden Gasen die Eigenschaft, die Isolierung des Kondensators durch Adsorptionswirkung zu verschlechtern und somit eine erhebliche Verminderung des Ohmschen Widerstandes des Kondensators herbeizuführen.

Diese Verminderung ist dann besonders störend, wenn der Eingangswiderstand der ersten Röhre des Verstärkers sehr hoch ist, da durch den Spannungsteiler, der aus dem Ohmschen Widerstand des Kondensators und dem Gitterwiderstand (Eingangswiderstand) dieser Röhre gebildet wird, ein Teil der verhältnismäßig hohen Membrankondensatorgleichspannung (Größenordnung 100 V) auf das Röhrengitter übertragen wird, was das ordnungsgemäße Arbeiten der Röhre stark beeinträchtigen kann.

Um diese Beeinträchtigung in annehmbaren Grenzen zu halten, muß das Verhältnis zwischen dem Ohmschen Kondensatorwiderstand und dem Gitterwiderstand sehr groß sein. Die Verwirklichung dieser Bedingung wird jedoch bei den bekannten Einrichtungen sehr erschwert, einerseits durch den hohen Gitterwiderstand der Elektrometerröhre (2000 Megohm) und andererseits durch die Verringerung des Kondensatorwiderstandes infolge der Gasadsorption.

Gemäß der vorliegend beschriebenen Erfindung wird der ersten Verstärkerstufe eines mehrstufigen Verstärkers eine Gegenkoppelungsspannung entnommen, die in Serie mit der vom Kondensator gelieferten Wechselspannung (Signal) geschaltet, der letzten aber entgegengesetzt gerichtet ist, und wird in den folgenden Verstärkerstufen eine weitere Gegenkoppelung über ein Filter, das für die Oberschwingungen der Meßfrequenz durchlässig ist, zwecks Verringerung.der entstehenden Störeffekte zur Wirkung gebracht.

Dank dieser Kombination kann man sich mit einem Eingangs widerstand von etwa 50 Megohm und einer gewöhnlichen Triode als Eingangsröhre begnügen. Ferner bleibt bei einem so geringen Eingangswiderstand das Verhältnis zwischen dem Ohmschen Kondensatorwiderstand und diesem Eingangswiderstand auch dann noch genügend hoch, wenn an sich der Kondensatorwiderstand durch Gasadsorption verringert ist.

Schließlich werden die Störungen, die sonst durch eine starke, an der Eingangsröhre angewendete Gegenkoppelung auftreten könnten, durch den hinter der ersten Verstärkerstufe in Gegenkoppelungsschaltung befindlichen Filter in praktisch völlig ausreichendem Maße behoben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Beispielen veranschaulicht; und zwar zeigt

Fig. ι den optischen und pneumatischen Teil eines Apparats zur Analyse von Gasgemischen mittels Strahlenabsorption, während

Fig. 2 in Form einer Schaltskizze den erfindungsgemäß ausgebildeten Verstärker des in Fig. 1 gezeigten Apparats darstellt.

Der in Fig. 1 dargestellte optische und pneumatische Teil des Apparats für die Gasanalyse umfaßt zwei gleichartige Röhren 1 und 2, von denen die Röhre 2, Analysenkammer genannt, die zu untersuchende Gasmischung enthält, von der ein bestimmter Bestandteil festgestellt werden soll. Die Röhre 1, Vergleichskammer genannt, enthält ein Gas bekannter Zusammensetzung, beispielsweise Luft. Unterhalb des Endes jeder Röhre ist eine Aufnahmekammer 3 vorgesehen. Beide Aufnahmekammern enthalten das Gas, dessen Gehalt in der zu untersuchenden Gasmischung bestimmt werden soll; und zwar ist dieses Gas in den Kammern 3 entweder in reinem Zustand enthalten oder aber in Mischung mit einem neutralen, d. h. keine Strahlenabsorbierung hervorrufenden Gas, beispielsweise Stickstoff.

Jede der Kammern 3 steht mit je einem der Räume in Verbindung, die sich beiderseits der als Membran ausgebildeten Elektrode eines Membrankondensators 7 befinden.

Jede der beiden Röhren 1 und 2 wird ihrer Länge nach von einer Strahlung durchsetzt, die von einer Strahlungsquelle 4 ausgeht und entweder eine sichtbare oder, vorzugsweise, eine ultrarote Strahlung sein kann. Diese Strahlung wird periodisch und für beide Röhren gleichzeitig durch eine rotierende Blende 5 unterbrochen, de mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit, z. B. mit etwa fünf Umdrehungen je Sekunde, von einem Motor 6 angetrieben wird.

Die von der Quelle 4 ausgehenden Strahlungen werden in der Röhre 2 von dem zu analysierenden Gas anders absorbiert als von dem Gas in der Röhre 1. Daher werden die mit gleichem Gas gefüllten Aufnahmekammern 3 periodisch veränder

lichen Strahlungen verschiedener Intensität ausgesetzt. Die Strahlungen erhitzen, entsprechend ihren unterschiedlichen Intensitäten, den Inhalt der Aufnahmekammern 3, in denen somit periodisch veränderliche Druckschwankungen ungleicher Amplitude und gleicher Frequenz auftreten. Die Membran des Membrankondensators 7 wird daher Schwingungen unterworfen, deren Amplitude der Differenz der Strahlungsintensitäten entspricht und somit als Maß für die Größe der Menge des in dem Gasgemisch festzustellenden Gases dienen kann.

Um nun die Größe der Amplitude der Membranschwingungen tatsächlich messen zu können, benutzt man den Membrankondensator zur Erzeugung einer Wechselspannung, welche die gleiche Frequenz hat wie die durch den Verschluß 5 periodisch unterbrochene Strahlung. Diese Wechselspannung wird in einem Verstärker verstärkt und durch ein geeignetes Meßinstrument angezeigt.

Was nun die mit dem Membrankondensator 7 zusammenarbeitende Verstärkerschaltung anbelangt, so ist eine zweckmäßige Ausführungsform derselben in Fig. 2 dargestellt. Diese Verstärkerschaltung hat beispielsweise drei Stufen, die von drei Triodenröhren 9 gebildet werden, welche untereinander mit Hilfe von Kondensatoren 10 und Widerständen 11 kapazitiv gekoppelt sind. Der Eingangskreis der ersten Verstärkerröhre ist mit dem Membrankondensator 7 verbunden, während der Ausgangskreis der letzten Verstärkerröhre an das Millivoltmeter 12 für Gleichstrom über einen Gleichrichter 12 a angeschlossen ist. Die Speisung der Verstärkerröhre und des Membrankondensators selbst geschieht von der Gleichstromquelle 8 aus. Die Polarisation jeder Röhre wird durch Widerstände 13 bewirkt, die mit der Kathode jeder Röhre in Reihe geschaltet sind. Ferner ist für jede Röhre ein Eingangswiderstand 14 vorgesehen. Ein Widerstand 15, der zwischen einem der Beläge des Membrankondensators und dem positiven Pol der Stromquelle 8 vorgesehen ist, bewirkt den Schutz des genannten Kondensators.

Um nun erfindungsgemäß der ersten Verstärkerstufe eine Gegenkoppelungsspannung zu entnehmen, die in Serie mit der von dem Kondensator gelieferten Signalspannung geschaltet, dieser letzten aber entgegengerichtet ist, kann man in verschiedener Weise vorgehen. Gemäß Fig. 2 wird die Gegenkoppelung mittels eines Spannungsteilers bewirkt, der von zwei Widerständen 16 und 17 gebildet wird, deren eines Ende an einen der Beläge des Membrankondensators 7 angeschlossen ist, und die jeder mit einem Kondensator 18 in Reihe geschaltet sind, der die Gleichstromkomponente der Gegenkoppelungsspannung abhält.

Gemäß einer anderen Ausführungform der Erfindung kann man die Gegenkoppelungsspannung auch durch geeignete Ausbildung des Kathodenwiderstands der ersten Verstärkerröhre erzeugen. In allen Fällen hat die Einführung der Gegenkoppelungs-So spannung die Möglichkeit zur Folge, dem Eingangswiderstand 14« der Eingangsröhre einen wesentlich geringeren Wert zu geben, als dies bisher der Fall sein konnte. Beispielsweise kann dieser Eingangswiderstand 50 Megohm betragen. Es läßt sich also der Eingangskreis an den hohen Wechselstromwiderstand des Membrankondensators unter Verwendung eines verhältnismäßig niedrigen Gitterwiderstandes anpassen.

Außer der notwendigerweise starken Gegenkoppelung im Eingangskreis ist hinter der ersten Verstärkerstufe ein Filter in Gegenkoppelungsschaltung vorzusehen, der für die Oberschwingungen der Meßfrequenz durchlässig ist. Es sei bemerkt, daß diese Oberschwingungen durch Unsymmetrie im Strahlengang und im Membrankondensator entstehen können und Schwierigkeiten bei der Nullpunktseinstellung hervorrufen sowie die Empfindlichkeit des Gerätes beeinträchtigen können.

Vorzugsweise ist der Filter 21 zwischen dem an die Anode der Ausgangsröhre 9 angeschlossenen Punkt 19 und dem an die Kathode der vorhergehenden Röhre 9 angeschlossenen Punkt 20 vorgesehen. Der Filter, der die Oberwellen passieren läßt, kann jede geeignete Form haben; beispielsweise kann er die Form eines »Doppel-T-Brückenfilters« haben.

Zum Zwecke eines gedrängten Aufbaus des Geräts ist der in Fig. 1 dargestellte optische und pneumatische Teil des Apparats zusammen mit dem Membrankondensator auf der einen Seite einer Wand 22 montiert, während der genannte Verstärker auf der andern Seite der gleichen Wand angebracht ist. Der Verstärker ist im allgemeinen im Innern eines hohlen Deckels 23 eingeschlossen (siehe Fig. 1), während ein zweiter, in der Zeichnung nicht dargestellter hohler Deckel, der um ein Scharnier 24 drehbar ist, zum Abschluß des optischen und pneumatischen Teils des Geräts dient. Das erfindungsgemäß ausgebildete Gerät besitzt zahlreiche Vorteile, die kurz zusammengefaßt die folgenden sind:

Bei dem Erfindungsgegenstand wird die bisher übliche kostspielige und eine nur geringe Lebensdauer besitzende Elektrometerröhre mit ihrem Spezialgleichrichter durch eine gewöhnliche Elektronenröhre ersetzt.

Schutzpanzer gegen elektrische und magnetische Störungsfelder sind überflüssig.

Das Gerät gemäß der Erfindung besitzt eine große Stabilität, eine hohe Empfindlichkeit und ermöglicht eine einfache Isolierung des Membrankondensators; ferner ermöglicht das Gerät eine leichte Nulleinstellung und ist auch für die Feststellung von Gasen geeignet, die dazu neigen, durch Adsorption leitende Schichten am Kondensator zu bilden.

Schließlich führt die Erfindung zu einer Verrin- "5 gerung der Ausmaße des Geräts, was wiederum eine Erhöhung seiner Handlichkeit bewirkt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Gerät zur Gasanalyse durch Strahlungsabsorption in dem zu untersuchenden Gas und in einem Vergleichsgas, mit gasgefüllten Aufnahmekammern für die beiden Strahlenbündel, die durch die beiden Gase hindurchgegangen sind, und mit einem Membrankondensator zwisehen den beiden Aufnahmekammern sowie mit

   periodischer Unterbrechung der Strahlung, wobei der Kondensator an den Eingang eines mehrstufigen Verstärkers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Verstärkerstufe eineGegenkoppelungsspannungentnommenwird, die in Serie mit dem vom Kondensator gelieferten Signal geschaltet, diesem letzteren aber entgegengesetzt gerichtet ist, und daß in den folgenden Verstärkerstufen zur Verringerung der entstehenden Störeffekte in an sich bekannter Weise eine weitere Gegenkoppelung über ein Filter wirkt, das für die Oberschwingungen der Meßfrequenz durchlässig ist.
2. 2. Gerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkoppelungsspannung einem an die Anode der ersten Röhre angeschlossenen Spannungsteiler entnommen wird, der durch zwei Widerstände (i6, 17) gebildet wird.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkoppelungsspannung mittels des Kathodenwiderstandes der ersten Verstärkerröhre erzeugt wird.
4. 4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anode der letzten Röhre und die Kathode der vorhergehenden Röhre ein Doppel-T-Filter eingeschaltet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   H. Bartels und F. S chi er 1, Telefunkenzeitung, 18, 1937, S. 9 bis 23;

   L. Brück, Telefunken-Röhren, 3, 1937, S. 244 bis 277, und 1938, S. 237 bis 253;

   B. D. H. Tellegen, Philips Techn. Rundschau, ²> 1937» S. 289 bis 294;

   I. M. Sturtevant, Rev. Scient. Instr., 18, 1947, S. 124 bis 127.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 809 602/52 S.5&