DE112005000255T5

DE112005000255T5 - Verstärkerschaltung eines integrierenden Elektrometers

Info

Publication number: DE112005000255T5
Application number: DE112005000255T
Authority: DE
Inventors: Aadu Mirme
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: GB2429302A; WO2005076699A3; GB0616904D0; US20050162173A1; GB2429302B; WO2005076699A2; US7230431B2; DE112005000255B4

Abstract

Rücksetzschaltung für einen integrierenden Verstärker, mit:
einer ersten Komparator-Schaltungsanordnung, die einen ersten Eingangsanschluß, einen zweiten Eingangsanschluß und einen ersten Ausgangsanschluß aufweist;
einem ersten Strompfad, der dazu eingerichtet ist, den ersten Eingangsanschluß mit einer Rückkopplungsschleife eines integrierenden Verstärkers zwischen einem Integratorausgang des integrierenden Verstärkers und einem integrierenden Kondensator entlang des Rückkopplungsausgangs zu koppeln, wobei eine Komparatoreingangsspannung am ersten Eingangsanschluß in einer vorbestimmten ersten Richtung und proportional zu einer Amplitude eines Eingangsstroms während der Integration des Eingangsstroms verändert wird;
einer im wesentlichen stabilen Spannungsquelle zum Vorspannen des zweiten Eingangsanschlusses mit einem ersten Schwellwertspannungspegel, der so gewählt ist, daß eine Grenze eines Betriebsbereichs für die Integration festgelegt ist, wobei die erste Komparator-Eingangsspannung sich dem ersten Schwellwertspannungspegel annähert, wenn sie während der Integration in diesem Bereich liegt und so verändert wird, und
einen zweiten Strompfad, der den ersten Ausgangsanschluß mit der Rückkopplungsschleife koppelt;
wobei die erste Komparatorschaltungsanordnung dazu eingerichtet...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Messen elektrischer Ströme und insbesondere auf integrierende Elektrometer zum Messen schwankender Ströme. Die Erfindung bezieht sich weiter auf Instrumente, die integrierende Elektrometer zum Messen elektrischer Ströme und zum Erzeugen von Teilchenkonzentrationsverteilung auf Grundlage der elektrischen Beweglichkeit verwenden.

Seit den späten sechziger Jahren nutzen Fachleute die elektrische Beweglichkeit in einer Vielzahl von Instrumenten, um Anzahl und Größe von Partikeln in Aerosolen, d.h. Partikelsuspensionen in gasförmigen Medien, zu bestimmen. Ein solches Instrument ist beispielshalber in 1 gezeigt. Ein Aerosol, das eine polydispersierte Teilchensuspension enthält, wird in ein zylindrisches Gehäuse 1 an einem Eingang 2 eingebracht, an dem eine elektrische Ladung auf die Teilchen ausgeübt wird. Ein laminarer Fluß gefilterter Luft wird über eine Leitung 3 in das Gehäuse eingebracht. Eine zylindrische Mittelelektrode 4 wird auf Hochspannung gehalten, um die geladenen Teilchen anzuziehen. Eine Außenwand 5 des Gehäuses ist auf Erdpotential gelegt. Wenn sich das Aerosol und der Mantelstrom vermischen und nach unten laufen, bewegen sich die geladenen Teilchen auf die Elektrode 4 hin nach innen mit unterschiedlichen Raten, wobei die Raten von der elektrischen Beweglichkeit abhängen. Teilchen mit einer hohen Beweglichkeit, üblicherweise kleinere Teilchen, treffen oberhalb eines Schlitzes 6 auf die Elektrode 4. Teilchen mit einer niedrigeren Beweglichkeit treffen unterhalb des Schlitzes auf die Elektrode. Teilchen in einem gewünschten elektrischen Bereich treten in den Schlitz ein und laufen als monodispersiertes Aerosol durch eine Leitung 7. Der Rest des ursprünglichen Aerosols und der Mantelstrom treten an einer Auslaßleitung 8 aus dem Instrument aus.

Mittels Durchschalten der an die Elektrode 4 angelegten Spannung durch eine Reihe verschiedener Spannungspegel und durch eigenständiges Zählen der Teilchen, die bei jedem Pegel die bestimmte elektrische Mobilität zeigen, kann man dieses Instrument verwenden, um eine Größenverteilung oder ein Größenspektrum der Teilchen zu erzeugen. Dieser Ansatz ist dann zufriedenstellend, wenn man davon ausgehen kann, daß die Teilchenverteilung im Aerosol weitgehend stabil bleibt, wie es z.B. bei Umweltüberwachungen der Fall ist. Bei Anwendungen, bei denen für die das Aerosol bildenden Teilchen schnelle Schwankungen zu erwarten sind, wie es beispielsweise bei Untersuchung von Motorenabgaspartikeln der Fall ist, kann sich die Zeit, die zum Durchschalten der Elektrodenspannung durch die gewünschte Abfolge von Spannungspegeln benötigt wird, störend auf das Erfordernis schnelle Zustandsänderungen zu verfolgen auswirken. Darüber hinaus kann man diesen Ansatz nicht verwenden, um diskret Messungen zu erzeugen, die verschiedene Teilchengrößen in derselben Ansammlung oder im selben Volumen des Aerosols wiedergeben, wenn es durch das Instrument wandert.

Diesen Gesichtspunkten gewidmet wurden Teilchenmeßinstrumente mit modifizierten Elektrodenausbildungen entwickelt, um die gleichzeitige Erzeugung mehrerer Ströme zur Teilchenklassierung zu ermöglichen. Ein jüngst entwickeltes Instrument hat beispielsweise eine einzelne Mittelsäulenelektrode, die auf einem oder mehrere positive Spannungspegel vorgespannt und von einer Reihe axial verlaufender ringförmiger Kollektorelektroden umgeben ist, welche auf Erdpotential gehalten werden. Kleinere, hochbewegliche Partikel werden an den stromaufwärts gelegenen Elektroden aufgesammelt, und größere, niedrigbewegliche Teilchen an den stromabwärts gelegenen Elektroden. Jede Elektrode erzeugt ihren eigenen Meßstrom aufgrund der aufgesammelten Partikel im entsprechenden elektrischen Beweglichkeitsbereich, der wiederum dazu dient, den Partikelgrößenbereich wiederzugeben. Dementsprechend werden mehrere Größenmessungen gleichzeitig aufgenommen, ohne daß man verschiedene Spannungspegel durchlaufen müßte. Darüber hinaus können Einzelvolumen oder -ansammlungen des Aerosols in verschiedenen Kanälen oder Stufen gemessen werden, die jeweils einer der Kollektorelektroden entsprechen, wenn das Aerosolvolumen durch das Instrument läuft.

Die durch das Partikelaufsammeln an den ringförmigen Elektroden erzeugten Ströme werden mit Elektrometerverstärkern gemessen, die jeweils eine Ausgangsspannung erzeugen, welche dem zufließenden Strom entspricht. Üblicherweise haben Elektrometerverstärkerschaltungen Kooperationsverstärker mit niedrigen Eingangsgrundströmen und großen Widerstandswerten in den Rückkopplungsschleifen. Die zu messenden Ströme werden an den negativen Eingängen der Operationsverstärker zugeführt. Im Ergebnis wird eine Ausgangsspannung U gemäß der Formel U = –I × R erzeugt, wobei I der zugeführte Strom und R der Widerstand ist.

Obwohl diese Anordnung besser geeignet ist, um wechselnde Partikelpegel in überwachten Aerosolen nach zu verfolgen, erfordert das thermische Rauschen, das durch den großen Widerstand bedingt ist, ein Tiefpaßfilter zur Rauschunterdrückung. Das begrenzt die Gesamtbreite der Meßschaltung, wodurch die Fähigkeit, Schwankungen in der Partikelgröße und -konzentration genau zu verfolgen, vermindert ist. Dadurch ist dieser Ansatz nicht vollständig zufriedenstellend, um Transienten im Abgas von Motoren zu verfolgen.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Instrument zum Charakterisieren von Aerosolpartikeln gemäß deren elektrischer Beweglichkeit bereitzustellen, das die Fähigkeit hat, die Partikel anhand der in der Amplitude niedrigen Partikelsammelströme, welche schnellen Schwankungen unterworfen sind, zu klassieren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Aerosolpartikelspektrometer zu schaffen, das gleichzeitig mehrere Ströme erzeugen kann, die Partikel in verschiedenen elektrischen Beweglichkeitsbereichen wiedergeben und mit einer hohen Abtastrate gewonnen werden, um Schwankungen der mehreren Ströme verbessert verfolgen zu können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine integrierende Elektrometerschaltung zu schaffen, die derart ausgebildet ist, daß Sie ein Ausgangssignal erzeugt, das zeitschnell und exakt Eingangsströme charakterisiert, um eine genauere Nachverfolgung schnell schwankender Eingangsströme zu ermöglichen.

Ein weiter zusätzliches Ziel ist es, ein Verfahren zum Messen elektrischer Ströme durch Stromintegration über einen von mindestens einem Schwellwertsignalpegel vorbestimmten Bereich zu schaffen, wobei der Schwellwertpegel verwendet wird zum schnellen Rücksetzen eines Ausgangssignals auf Grundlage des eingehenden Stroms durch Zwangsrücksetzung des Ausgangssignals in den Betriebsbereich zur weiteren Integration.

Zusammenfassung der Erfindung

Um dieses und weitere Ziele zu erreichen wird ein integrierendes Elektrometer und eine Schnellrücksetzschaltung bereitgestellt. Die Schaltung umfaßt einen Operationsverstärker mit einem Integratoreingang zum Zuführen eines elektrischen Eingangsstromes, einen Integratorausgang zum Erzeugen von Integratorausgangsspannungsänderungen in einer vorbestimmten ersten Richtung und mit einer Rate, die vom Niveau des Eingangsstromes abhängt, und einer Rückkopplungsschleife mit einem integrierenden Kondensator. Zur Detektion einer Spannung entlang der Rückkopplungsschleife ist eine erste Schaltung vorgesehen, um eine Zustandsüberwachungsspannung bereitzustellen, die abhängig vom Eingangsstrom Änderungen gemäß den Änderungen der Integratorausgangsspannung unterworfen ist. Eine Spannungsquelle stellt eine im wesentlichen stabile erste Schwellwertspannung ein, die eine erste Grenze des Betriebsbereiches festlegt, über den der Eingangsstrom integriert wird. Zum Empfang der Zustandsüberwachungsspannung und der ersten Schwellwertspannung ist eine zweite Schaltung vorgesehen. Die zweite Schaltung detektiert eine Veränderung der Zustandsüberwachungsspannung in die erste Richtung über die erste Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus. Wurde diese Veränderung detektiert, wendet die zweite Schaltung ein erstes Rücksetzsignal auf die Rückkopplungsschleife an, um die Zustandsüberwachungsspannung in eine zweite entgegengesetzte Richtung zu einem Punkt im Betriebsbereich einzustellen, um den Eingangsstrom weiter zu integrieren.

Vorzugsweise umfaßt die Schaltung weiter eine Spannungsquelle, um eine im wesentlichen stabile zweite Schwellwertspannung einzustellen, die eine zweite, gegenüberliegende Grenze des Betriebsbereiches festlegt. Eine dritte Schaltung empfängt die Zustandsüberwachungsspannung und die zweite Schwellwertspannung und detektiert eine Bewegung der Zustandsüberwachungsspannung in die zweite Richtung über die zweite Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus. Wurde diese Veränderung in die zweite Richtung detektiert, wendet die zweite Schaltung ein zweites Rücksetzsignal auf die Rückkopplungsschleife an, um die Zustandsüberwachungsspannung in die erste Richtung zu einem Punkt im Betriebsbereich zurückzustellen, um den Eingangsstrom weiter zu integrieren.

In einem besonders bevorzugten Ansatz ist die Zustandsüberwachungsspannung im Betriebsbereich höher als die erste Schwellwertspannung, niedriger als die zweite Schwellwertspannung und wird während der Integration des Eingangsstromes verringert. Dann ist die zweite Schaltung so ausgebildet, daß sie der Rückkopplungsschleife während der Integration eine stabile, niedrige Spannung bereitstellt. Zeigt sich, daß die Zustandsüberwachungsspannung auf einem Pegel unterhalb der ersten Schwellwertspannung verringert wurde, schaltet die Schaltung um, und führt der Rückkopplungsschleife eine stabile Hochspannung zu, um den Integrationskondensator schnell aufzuladen, wodurch die Zustandsüberwachungsspannung nach oben gestellt wird.

In diesem Ansatz erzeugt die dritte Schaltung weiter während der normalen Integration eine stabile Hochspannung. Zeigt sich, daß die Zustandsüberwachungsspannung auf ein Niveau über der zweiten Schwellwertspannung erhöht wurde, was üblicherweise ein Ergebnis der schnellen Aufladung des Integrationskondensators ist, stellt die dritte Schaltung das zweite Rücksetzsignal bereit, in dem von der Hochspannung auf die stabile niedrige Spannung umgeschaltet wird, wodurch der Kondensator schnell entladen wird.

Als weiter bevorzugtes Merkmal ist eine Versorgungssteuerschaltung so angeschlossen, daß sie das erste Rücksetzsignal von der zweiten Schaltung empfängt und den Operationsverstärker mit Energie versorgt. Während der Integration gewährleistet die Versorgungssteuerschaltung eine stabile Hochpegelspannung für den OPA. Empfängt sie das erste Rücksetzsignal von der zweiten Schaltung, schaltet die Versorgungssteuerschaltung ihren Ausgang vom Hochspannungspegel auf einen gleichmäßigen Niedrigspannungspegel, wodurch die Versorgung für den Verstärker abgeschaltet wird. Beendet die zweite Schaltung das erste Rücksetzsignal reagiert die Versorgungssteuerschaltung dadurch, daß sie die Versorgung für den OPA wieder herstellt.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal ist eine Ladungsbegrenzungsschaltung, die zwischen die zweite Schaltung und die Rückkopplungsschleife gekoppelt ist, um ein Überladen des Integrationskondensators zu vermeiden.

Ein bevorzugter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Verstärker oder die Schaltungsverstärkung durch den Integrationskondensator festgelegt wird und nicht durch einen Rückkopplungswiderstand mit hohem Widerstandswert. Dies vermeidet eine Hauptquelle für Rauschen in der Schaltung und begrenzt das Schaltungsrauschen im wesentlichen auf das des Operationsverstärkers. Da die Bandbreite des Integrationsschaltungssignals nicht begrenzt werden muß, hat das Ausgangssignal eine größere Bandbreite zur verbesserten Nachverfolgung von Schwankungen in Aerosolteilchensuspensionen.

Die Schaltkreise des integrierenden Elektrometers sind etwas komplexer als die Schaltkreise üblicher Differentialverstärker, da der integrierende Kondensator wiederholt geladen und entladen werden muß, abhängig davon, ob die Stromintegration das Integratorschaltungssignal erhöht oder vermindert. Darüber hinaus stellt das Rücksetzen des Kondensators eine „Ausschaltzeit" dar, in der das Signal der Integratorschaltung den Eingangsstrom nicht verläßlich wiedergibt, wodurch Veranlassung dazu besteht, Daten, die während der Rückschaltstufe erzeugt werden, wahlweise zu unterdrücken.

Erfindungsgemäß werden diese Bedenken zuerst durch eine Begrenzung der Rückschaltzykluszeit angegangen. In dieser Hinsicht werden die obere und untere Schwellwertspannung zum Auslösen des Ladens bzw. Entladens des integrierenden Kondensators verwendet. Je nachdem welchen Schwellwert die Zustandsüberwachungsspannung beim Verlassen des vorbestimmten Betriebsbereiches durchläuft, wendet die Rücksetzschaltung entweder eine Hochspannung zum schnellen Laden des Kondensators oder eine niedrige (im wesentlichen Null-)Spannung zum schnellen Entladen des Kondensators an.

Wenn die Integration das Integrationsschaltungssignal vermindert, wie in der oben angesprochenen bevorzugten Bauweise, umfaßt jeder Kondensatorrückschaltzyklus vorzugsweise ein schnelles Laden unmittelbar gefolgt von einem schnellen Entladen. Das Entladen, das vom Wiedereintreten der fallenden Zustandsüberwachungsspannung in den Betriebsbereich beendet wird, bringt die Spannung nahe die obere Grenze des Bereiches für einen weiteren Integratorzyklus, in dem die Zustandsüberwachungsspannung schrittweise vermindert wird.

Als Ergebnis des erzwungenen oder „harten" Ladens und Entladens des integrierenden Kondensators ist der Rücksetzzyklus extrem kurz verglichen mit übrigen Meß(Integrations)zyklen. Beispielsweise dauert in einer Bauweise der Schaltung jeder Integrationszyklus mindestens eine Sekunde, wohingegen der Rücksetzzyklus etwa eine Millisekunde dauert. Dadurch ist auch bei hoher Abtastung des Integrationsschaltungssignals, z.B. bei 10 mal pro Sekunde, die Wahrscheinlichkeit, daß Daten aufgenommen werden, die während Rücksetzzyklen erzeugt werden, äußerst gering.

Um dennoch sicherzustellen, daß solche Daten unterdrückt werden, beinhaltet die Integrationsschaltung vorzugsweise eine Logik zum Vergleichen jedes Meßwertes mit dem unmittelbar vorangehenden Meßwert und dem unmittelbar folgenden Meßwert und zur Berechnung des Unterschiedes zwischen den Meßwerten. Die Unterschiede werden mit einem Schwellwert verglichen, der so ausgewählt wurde, daß Unterschiede, die wesentliche Schwankungen der Aerosolzusammensetzungen wiedergeben, zugelassen werden, jedoch sehr viel größere Unterschiede, die aufgrund des schnellen Ladens oder Entladens des Integrationskondensators entstanden, ausgeschlossen werden. Dann wird jeder Datenpunkt, der im Vergleich mit benachbarten Datenpunkten den Unterschiedsschwellwert überschreitet, durch das Interpolationsergebnis zwischen benachbarten, gültigen Datenpunkten ersetzt.

Dadurch mißt die integrierende Elektrometerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung Stromschwankungen in einem großen Dynamikbereich zuverlässiger.

Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt in einem Instrument zur Charakterisierung von Aerosolen, die Schwankungen hinsichtlich der Teilchenkonzentration unterworfen sind. Das Instrument hat eine Leitung zum Führen eines Aerosols in einem im wesentlichen nicht turbulenten Fluß mit einer im wesentlichen konstanten Volumenflußrate zu einem und entlang eines Teilchenmeßbereich(es). Das Aerosol besteht im wesentlichen aus einer Suspension von Teilchen in einem gasförmigen Medium. Eine erste Elektrodenausbildung liegt längs des Meßbereiches. Eine zweite Elektrodenausbildung, die mindestens eine Kollektorelektrode umfaßt, ist elektrisch von der ersten Elektrodenausbildung isoliert und von dieser beabstandet, so daß das Aerosol zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenausbildung bei seinem Weg durch den Meßbereich strömen kann. Eine Spannungsquelle spannt wahlweise die erste Elektrodenausbildung gegenüber der zweiten Elektrodenausbildung vor, um ein elektrisches Feld längs des Meßbereiches zu erzeugen. Aerosolteilchen, die eine Ladung gewählter Polarität tragen werden, wenn sie durch den Meßbereich transportiert werden, auf die zweite Elektrodenausbildung hin gezogen, wodurch ein Teil der ladungstragenden Teilchen an der Sammelelektrode aufgesammelt werden. Eine Strommeßeinrichtung ist an die Kollektorelektrode angeschlossen, um einen elektrischen Eingangsstrom an der Kollektorelektrode, der durch das Aufsammeln der ladungstragenden Teilchen erzeugt wurde, aufzunehmen. Die Strommeßeinrichtung umfaßt ein integrierendes Bauteil zur Integration des elektrischen Eingangsstroms, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die dem Strom entspricht. Die Strommeßeinrichtung umfaßt auch ein Rücksetzbauteil, um einen Bereich der Ausgangsspannung auszuwählen, über den der Strom integriert wird, und um das integrierende Bauteil zurückzusetzen, wenn die Ausgangsspannung aus dem gewählten Bereich herausläuft, und um die Ausgangsspannung in den Betriebsbereich zurückzusetzen oder den Eingangsstrom weiter zu integrieren.

In einer bevorzugten Bauweise des Instrumentes umfaßt die zweite Elektrodenausbildung eine axial verlaufende Reihe ringförmiger Kollektorelektroden, die konzentrisch zu einer länglichen axial verlaufenden Elektrode liegen, die die erste Elektrodenausbildung darstellt. Teilchen mit höherer elektrischer Beweglichkeit sammeln sich längs der stromaufwärts gelegenen Elektroden, und Teilchen mit niedrigerer Beweglichkeit längs der stromabwärts gelegenen Elektroden. Jede Kollektorelektrode gibt einen Strom an die ihr zugeordnete Strommeßeinrichtung, wodurch man mehrere Sätze von stromcharakterisierenden Daten erhält, um eine Größenverteilung der Aerosolpartikel zu erhalten. Vorzugsweise werden die Ablesungen der stromaufwärts gelegenen Kollektoren wahlweise verzögert, um die Meßeinrichtungssignale entsprechend einem Volumen oder einer Ansammlung von Aerosolen zu synchronisieren, wenn das Volumen sich durch den Meßbereich bewegt.

Somit kann das erfindungsgemäß aufgebaute Aerosolteilchenmeßinstrument nicht nur eine fein unterteilte Aerosolteilchengrößenverteilung erzeugen, sondern auch Schwankungen der Teilchenkonzentration exakt nachverfolgen, beides insgesamt und innerhalb eines Größenbereiches oder -kanals, der jeder Kollektorelektrode zugeordnet ist. Dadurch ist eine umfassendere Untersuchung von Motorabgasaerosolen und anderer schnell schwankender Aerosole möglich.

Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis obiger und weiterer Merkmale und Vorteile wird auf die folgende detaillierte Beschreibung und auf die Zeichnungen verwiesen, in welchen:
1 schematisch ein bekanntes Instrument zum Unterscheiden von Aerosolteilchen anhand deren elektrischen Beweglichkeit zeigt,
2 schematisch ein erfindungsgemäßes Aerosolteilchenspektrometer zeigt,
3 eine vergrößerte Teilansicht des Spektrometers der 2 zeigt,
4 eine schematische Darstellung einer im Spektrometer der 2 verwendeten Strommeßschaltung zeigt,
5 graphisch Spannungsänderungen über mehrere Betriebszyklen der Schaltung der 4 darstellt,
6 einen Rücksetzabschnitt eines der Betriebszyklen graphisch darstellt,
7 eine bevorzugte Bauweise zeigt, die mehrere Schaltungsausgänge einem einzigen A/D-Wandler zuordnet,
8 und 9 in Diagrammform eine Synchronisation und Fehlerkorrektorlogik zum Verarbeiten mehrerer Integratorschaltungsausgangssignale zeigen,
10 schematisch eine Logik zum Vermeiden der Verwendung von Daten, die Rücksetzzyklen zugeordnet sind, zeigt,
11–14 alternative Stromintegrationsschaltungen zeigen und
15 ein alternatives erfindungsgemäßes Aerosolteilchencharakterisierungsinstrument zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In den Zeichnungen zeigt 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Aerosolteilchenspektrometers 16. Die wesentlichen Strukturbauteile umfassen ein Gehäuse 18 und zwei Elektrodenanordnungen oder -gruppen im Gehäuse: eine Mittelelektrodenanordnung 20 und eine Anordnung mehrerer ringförmiger Kollektorelektroden 22a bis 22n, die in einer axial verlaufenden Reihe voneinander beabstandet und elektrisch voneinander isoliert angeordnet sind. Die Kollektorelektroden 22 liegen konzentrisch zur Mittelelektrodenanordnung und umgeben diese.
Dem Gehäuse 18 zugeordnete Leitungen führen eine Kombination aus Aerosol und anderen Gasen in das Gehäuse und aus dem Gehäuse heraus. Einer Aerosoleintrittsleitung 24 ist ein ankommendes Aerosol mit einem Fluß von etwa 10 Litern pro Minute, im wesentlichen bei atmosphärischem Druck, zugeführt. Ein Entstauber 26 nahe der Eingangsleitung entfernt aus dem Aerosol größere Teilchen, beispielsweise Teilchen mit einem Durchmesser über 1 Mikron. Stromabwärts des Entstaubers ist ein Korona-Entladungselement 28 unter Spannung vorgesehen, um negative Ionen zu erzeugen, die sich mit dem anströmenden Aerosol mischen und den gelösten Teilchen negative Ladungen zuführen. Das Element 28 arbeitet als Vorladungselement, das die Zahl an stark positiv geladenen Teilchen reduzieren soll und eine Überladung im stromabwärts gelegenen Hauptlader verhindern soll.
Der Hauptlader ist ein Korona-Entladungselement 30, das zum Erzeugen positiver Ionen unter Spannung steht, die sich mit dem Aerosol mischen und den Teilchen positive Ladungen verleihen. Aufgrund der Vorladung erreicht die Hauptladung eine voraussagbare positive Gesamtladung der Teilchen. Eine Leitung 23 liefert einen das Laden erleichternden gefilterten Luftfluß, mit einem Fluß von etwa 0,6 Litern pro Minute (lpm). Dieser Fluß transportiert vermehrt positive Ladungen von der Spitze des Entladungselementes 30 weg und zum Aerosol hin und verbessert ein schnelles und gleichmäßigeres Laden der Teilchen.
Stromab des Hauptladers wird ein zentraler Bereich des Flusses mit 2 lpm abgezogen, da die Ladung im zentralen Bereich eher ungleichmäßig ist. Der Rest des Flusses wird mit einem Mantelluftstrom vermischt, der durch eine Leitung 34 mit einem Fluß von etwa 39,4 lpm zugeführt wird, um eine Mischung aus Aerosol und Mantelluftstrom zu erreichen, der durch das Gehäuse mit 48 lpm strömt.
Die Mittelelektrodenanordnung und die Kollektorelektrodenanordnung sind wahlweise gegeneinander geladen, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das auf die geladenen Teilchen wirkt. Insbesondere umfaßt die Elektrodenanordnung 20 mehrere Elektrodenabschnitte, die längs der Teilchentransportrichtung mit ansteigenden positiven Hochspannungen unter Spannung stehen. Ein Anfangselektrodenabschnitt wird auf einer sehr niedrigen Spannung gehalten, im wesentlichen Null. Stromabwärts gelegene Elektrodenabschnitte 38, 40 und 42 sind auf 42 Volt, 420 Volt, bzw. 1200 Volt geladen. Die Kollektorelektroden 22 sind dagegen auf Erdpotential gehalten. Dadurch wächst das elektrische Feld in Stromrichtung merklich an. Das Anwachsen des Feldes verkürzt die Länge der Mittelelektrodenanordnung und die entsprechende Ausdehnung der Kollektorelektroden merklich gegenüber einem Instrument ohne solche Feldverstärkung, um einen Teilchenbereich (elektrische Beweglichkeiten) über einen gewünschten Bereich zu messen, in diesem Fall über zwei Größenordnungen.
Der Elektrodenabschnitt 40 zeigt ein anderes Verfahren zum Verkürzen der erforderlichen Elektrodenlänge: Vergrößern des Mittelelektrodendurchmessers in stromabwärtiger Richtung, Verkürzen der Strecke des Teilchentransfers von einer Mittelstellung zwischen Elektrodenanordnungen zu einer der Kollektorelektroden.
Während die geladenen Teilchen axial entlang dem Meßbereich getragen werden, d.h. zwischen den Elektrodenanordnungen, stoßen die positiv geladenen Mittelektrodenabschnitte die Teilchen nach außen zu den auf Masse gelegten Kollektorelektroden hin ab. Die Primär- und Sekundärlader sind, soweit praktikabel, so ausgelegt, daß sie auf jedem Teilchen eine einzelne Ladung übertragen. Geht man davon aus, daß die Teilchen identisch geladen sind, so werden die kleineren Teilchen, die einer geringeren Zugkraft unterliegen, leichter von der Axialbahn abgelenkt und zur Kollektorelektrodenanordnung hin getrieben. Folglich neigen die kleineren Teilchen dazu, sich entlang den stromaufwärtigen Kollektorelektroden zu sammeln, und die größeren Teilchen neigen dazu, sich entlang den stromabwärtigen Kollektorelektroden zu sammeln.
Wenngleich dies nicht in 2 dargestellt ist, erzeugt jede Kollektorelektrode 22 einen elektrischen Strom proportional zur Ladung der Teilchen, die sie sammelt. Dies führt dazu, daß der Strom einen Hinweis auf die Anzahl gesammelter Teilchen gibt. Insbesondere zeigen die Ströme aller Kollektorelektroden 22 zusammen für jede Kollektorelektrode ein Grad der gesammelten Teilchen im Vergleich zu den anderen Kollektorelektroden und den Bruchteil der über das gesamte Spektrum gesammelten Teilchen an.
Stromabwärts der Elektrodenanordnungen bildet eine Leitung 44 einen Auslaß für den Aerosol/Mantelluft-Strom mit 48 lpm. Nach dem Filtrieren bei 46 wird ein Teil des Stroms (8 lpm) von einer Ausstoßpumpe 48 zu einem Ausstoßauslaß 50 gefördert. Die verbleibenden 40 lpm werden mittels eines Mantelluft-Gebläses 52 durch einen Wärmetauscher 54 und einen Filter 56 zurück zur Leitung 34 geleitet, um die Mantelluft wieder aufzufüllen.
Eine Leitung 58 bildet einen Auslaß für den oben erwähnten abgezogenen Mittelstrom von 2 lpm, filtert den Strom bei 60 und führt den Strom über eine Abziehpumpe 62 dem Austoßauslaß zu. Die verschiedenen Ströme werden von einem Drucksensor 64, Durchflußwächtern 66, 68, 70 und 72, einem Gebläse 52, Pumpen 48 und 62 und einem Ventil 74 zwischen den Leitungen 32 und 34 erfaßt und gesteuert.
3 ist eine Schnittdarstellung, welche die Kollektorelektroden 22a und 22b detaillierter zeigt. Der wirksame Abschnitt jeder Elektrode ist ein Metallring 76. Der Ring ist zu einem ringförmigen Gehäuse 78 geformt, das aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, welches wegen seiner geringen piezoelektrischen Eigenschaften zusätzlich zu seinem hohen elektrischen Widerstand ausgewählt wurde. Diese Struktur ergibt eine große Oberfläche für einen hohen elektrischen Oberflächenwiderstand zwischen benachbarten Metallringen 76, während ein relativ schmaler Abstand zwischen den Ringen erhalten wird. Schließlich sind O-Ringdichtungen 80 zwischen benachbarten Ringen 76 montiert, um eine leckagedichte Säule zu bilden. Jede Elektrode 22 umfaßt ferner einen Leiter 82, der mit dem Ring 76 gekoppelt ist, um einen elektrischen Strom vom Ring wegzuleiten, wenn dieser geladene Teilchen sammelt.
Jede der Kollektorelektroden erzeugt aus den von ihr gesammelten geladenen Teilchen einen elektrischen Strom und führt diesen Strom einer Strommeßvorrichtung zu, die der Elektrode einzeln zugeordnet ist. Im Spektrometer 16 (2) ist jede der Meßvorrichtungen in Form einer integrierenden Elektrometerschaltung 84 vorgesehen, wie dies in 4 gezeigt ist. Die Schaltung 84 enthält eine integrierende Komponente und ein den Integrator zurücksetzendes Bauteil, um die Integration des Eingangsstroms auf einen Betriebsbereich von Ausgangsspannungen zu begrenzen, der mittels oberer Spannungsschwellwerte präzise vorgegeben sind. Die integrierende Komponente umfaßt einen Operationsverstärker 86 mit einem Minus-Eingang (invertierender Eingang), der den Kollektorstrom über einen Widerstand 88 empfängt. Der Plus-Eingang (nichtinvertierender Eingang) ist entlang einer Bahn, in der ein Widerstand 90 aufgenommen ist, auf Masse gelegt. Die Operationsverstärker-Verstärkung wird durch eine Rückkopplungsschleife 92 bestimmt, die an einem Verstärkerausgangsanschluß 94 beginnt und einen Widerstand 96, einen Widerstand 98 und einen integrierenden Kondensator 100 umfaßt. Dioden 97 und 99 weisen einen geringen Leckagestrom und entsprechende Wärmeeigenschaften auf, und schützen den OPA vor Beschädigungen durch Eingangsspannungen (an den Versorgungsanschlüssen), die größer als die OPA-Versorgungsspannung sind. Diese Dioden unterstützen auch eine schnelle Ladung und Entladung des integrierenden Kondensators 100, wie weiter unten erläutert wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 86 wird an einen Pufferverstärker 102 mit einem Verstärkungsfaktor von 1 angelegt. In einer besonders bevorzugten Ausführung der integrierenden Elektrometerschaltung sind die vorgenannten Komponenten auf einem einzigen Chip mit integrierten Schaltungen (IC) ausgebildet, wobei dieses Ergebnis mit herkömmlichen Siliziumchip-Fertigungstechniken erzielt werden kann. Das Ausgangssignal des Verstärkers 102, d.h. das Ausgangssignal des Analog-Integrators, wird an einen A/D-Wandler 104 angelegt. Das Digitalsignal vom A/D-Wandler 104 wird an einen Digitalprozessor 106, vorzugsweise einen IC-Chip angelegt. Der Chip 106 ist mit einem Mikroprozessor 108 verbunden, der Daten vom Chip empfängt sowie Programme zur Verwendung durch den Prozessor bei der Verarbeitung digitaler Daten vom AD-Wandler 104 im Prozessor 106 speichert und lädt. Der Mikroprozessor 108 ist in gleicher Weise mit den Digitalprozessoren gekoppelt, die den anderen Kollektorelektroden zugewiesen sind, und ist daher so ausgelegt, daß er Daten verarbeitet, die das gesamte Spektrum wiedergeben.
Die Rücksetz-Komponente der Schaltung 84 umfaßt einen Komparator 110, der das Laden des integrierenden Kondensators steuert, einen Komparator 112, der das Entladen des Kondensators 100 steuert, und eine Versorgungssteuerkomponente 114.
Der Komparator 110 umfaßt einen Komparatorverstärker 116, der mit einer positiven Spannung V₁ vorgespannt ist und eine Rückkopplungsschleife aufweist, die einen Widerstand 118 enthält. Der Plus-Eingang des Verstärkers 116 ist auf eine konstante, niedrige Schwellwertspannung V₂ vorgespannt, die das untere Ende eines Betriebsbereiches festlegt, über den die integrierende Komponente den Eingangsstrom integriert.
Der Minus-Eingang des Komparator-Verstärkers 116 ist zu einer Rückkopplungsschleife 92 zwischen den Widerständen 96 und 98 gekoppelt, um über einen Widerstand 117 eine Komparator-Eingangsspannung zu empfangen. Die Komparator-Eingangsspannung ändert sich abhängig vom Eingangsstrom in einer Weise, die der Varianz des Integratorausgangssignals entspricht. Insbesondere reagieren das Integratorausgangssignal und die an den Minus-Eingang des Verstärkers 116 angelegte Spannung auf Eingangsstrom, indem sie sich in einer gewählten ersten Richtung verändern (d.h. beide werden verringert). Ferner werden diese Spannungen mit einer Rate verändert, die sich proportional zum Pegel des Eingangsstroms erhöht. Zweckmäßigerweise kann man sich die Eingangsspannung am Verstärker 116 als Zustandsüberwachungsspannung V₃ vorstellen, da sie einen Zustand der integrierenden Komponente der Schaltung 84, nämlich eine Spannung entlang der Rückkopplungsschleife 92, wiedergibt. Ein Unterschied zwischen diesen Signalen besteht darin, daß Änderungen der Zustandsüberwachungsspannung verzögert zu Änderungen des Integratorausgangssignals mit einem Zeitversatz sind, der durch die Zeitkonstante eines RC-Netzes bestimmt wird, das durch einen Widerstand 120 und einen Kondensator 122 zwischen dem Verstärker 116 und der Rückkopplungsschleife 92 gebildet ist.
Der Ausgang des Komparator-Verstärkers 116 an einem Ausgangsanschluß 124 wird zwischen zwei stetigen Spannungspegeln geschaltet: einem hohen Spannungspegel V₄, wenn die Zustandsüberwachungsspannung V₃ größer als Schwellwertspannung V₂ ist, und einem niedrigen Spannungspegel V₅, wenn die Eingangsspannung V₃ höher als die Schwellwertspannung V₂ ist. Die Widerstände 117 und 118 sorgen zusammen für eine Hysterese für stabile Übergänge zwischen den hohen und niedrigen Spannungspegeln.
Der Komparator 112 umfaßt einen Verstärker 126, der Strom auf dem Spannungspegel V₁ empfängt, und weist einen Widerstand 128 entlang seiner Rückkopplungsschleife auf. Der Minus-Eingang des Verstärkers 126 empfängt die Zustandsüberwachungsspannung über einen Widerstand 129, während der Plus-Eingang auf eine konstante obere Schwellwertspannung V₆ vorgespannt ist, die ein oberes Ende des Betriebsbereiches festlegt. Der Komparator-Verstärker 126 ist dazu eingerichtet, an seinem Ausgangsanschluß 130 alternativ zwei Ausgangssignale zu erzeugen: den hohen Spannungspegel V₄, wenn die Zustandsüberwachungsspannung niedriger als die Schwellwertspannung V₆ ist, und den niedrigen Spannungspegel V₅, wenn die Zustandsüberwachungsspannung über der Schwellwertspannung V₆ liegt. Die Widerstände 128 und 129 bewirken in gleicher Weise wie die Widerstände 117 und 118 eine Stabilisierung der Übergänge des Ausgangssignals des Verstärkers 126 zwischen den hohen und niedrigen Spannungspegeln.
Die Versorgungssteuerkomponente 114 umfaßt einen Verstärker 132, der mit einer Spannung V₁ versorgt wird und mit einem Ausgangsanschluß 124 gekoppelt ist, um die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 über einen Widerstand 134 an seinem Minus-Eingang zu empfangen. Der Plus-Eingang des Verstärkers 132 ist auf einen konstanten, positiven Zwischenspannungspegel V₇ vorgespannt, der niedriger als der hohe Spannungspegel V₄ und höher als der niedrige Spannungspegel V₅ ist. Der Verstärker 132 ist so eingerichtet, daß er durch das Eingangssignal vom Verstärker 116 gesteuert zwei alternative Ausgangssignale erzeugt: einen hohen Spannungspegel V₄, wenn er vom Verstärker 116 den niedrigen Spannungspegel V₅ empfängt, und einen niedrigen Spannungspegel V₅, wenn er vom Verstärker 116 den hohen Spannungspegel V₄ empfängt. Der Verstärker 132 legt das Leistungseingangssignal an den OPA 86 an. Der hohe Spannungspegel des Verstärkers 132 speist den Verstärker 86, während die Spannung mit dem niedrigen Pegel vom Verstärker 132 die Stromversorgung des Verstärkers 86 unterbricht.
Der Ausgangsanschluß 124 des Komparator-Verstärkers 116 ist mit der Rückkopplungsschleife 92 gekoppelt, um einen Strompfad 136 zum Laden des integrierenden Kondensators 100 zu bilden. Zu den Komponenten entlang des Strompfades gehören ein Widerstand 138 und eine Diode 140, deren positive Richtung zum Ladestromfluß hin ausgerichtet ist. Ebenfalls mit dem Pfad gekoppelt sind ein Begrenzungskondensator 142 und eine Diode 144, wobei ein der Diode 144 vorgeschalteter Anschluß 146 auf den Zwischenspannungspegel V₇ vorgespannt ist.
Der Betrieb der Elektrometerschaltung 84 ist im Zusammenhang mit den 5 und 6 ersichtlich, die zeigen, wie sich die Zustandsüberwachungsspannung V₃ mit der Zeit verändert. 5 zeigt mehrere Zyklen, die jeweils ein Normalstrom-Integrationssegment 148 und ein Kondensator-Rücksetzsegment 150 umfassen, in dem die Spannung V₃ zurückgestellt wird, um ein weiteres integrierendes Segment einzuleiten. Das integrierende Segment 148 ist mit einer flachen Steigung gezeigt im Vergleich zu einem deutlich steileren, nahezu vertikalen Abfall des Rücksetz-Segmentes 150, um darzustellen, daß das integrierende Segment den Großteil der Zykluszeit belegt. Die Dauer dieses Segmentes kann beträchtlich variieren, da die Rate, mit der die Zustandsüberwachungsspannung verringert wird, d.h. die Flanke (oder Flanken) jedes Segmentes 148, vom Pegel (oder von den Pegeln) des Eingangsstroms abhängt.
Im Gegensatz dazu dauert jedes Rücksetz-Segment 150 nur etwa eine Millisekunde. Die Dauer der Rücksetz-Zyklen ist im wesentlichen gleich, da jedes Rücksetz-Segment die gleichen Rücksetzschritte umfaßt.
Wenngleich 5 jedes Kondensator-Integrationssegment 148 mit der gleichen negativen Flanke zeigt, um die Darstellung zu erleichtern, versteht sich, daß in der tatsächlichen Praxis die Flanke während der Integration von der Amplitude des Eingangsstroms abhängt. Somit kann die Flanke während eines beliebigen integrierenden Segmentes von Null (horizontal), wenn kein Eingangsstrom vorliegt, bis zu einer steilsten Flanke variieren, die einem maximalen zu erwartenden Strompegel entspricht. Alle Nicht-Null-Flanken sind negativ, was die Tatsache widerspiegelt, daß sich die Zustandsüberwachungsspannung als Reaktion auf den Eingangsstrom in der gleichen Richtung bewegt.
Für den Betriebszyklus der Schaltung 84 wird zweckmäßigerweise davon ausgegangen, daß er mit einer normalen Integration des Eingangsstroms beginnt, die mit der Zustandsüberwachungsspannung V₃ unmittelbar unterhalb des oberen Schwellwertspannungspegels V₆ einsetzt. Nachdem der positive Strom I an den Minuspol des OPA 86 angelegt ist, verschiebt die Integration das Integratorausgangssignal allmählich nach unten, was auch die Zustandsüberwachungsspannung V₃ entsprechend dem zuvor erwähnten Zeitversatz verringert.
Wenn die Zustandsüberwachungsspannung unterhalb des unteren Schwellwertspannungspegels V₂ verringert wird (4), wird das Ausgangssignal des Komparator-Verstärkers 116 vom niedrigen Spannungspegel zum hohen Spannungspegel geschaltet. In 6, die eines der Rücksetz-Segmente zeigt, beginnt das Rücksetz-Segment bei 152, wo die Zustandsüberwachungsspannung V₃ unter die untere Schwellwertspannung V₂ fällt, wodurch das Ausgangssignal des Verstärkers 116 vom niedrigen Spannungspegel V₅ zum hohen Spannungspegel V₄ geschaltet wird. Der hohe Spannungspegel am Ausgangsanschluß 124 bewirkt ein rasches Laden des integrierenden Kondensators 100 und auch des Begrenzungskondensators 142 durch den Widerstand 138. Der Kondensator 100 wird rasch geladen, was nur durch die Zeitkonstante des Widerstandes 138 und die Kombination des Kondensators 100 mit dem Kondensator 142 begrenzt ist.
Nahezu gleichzeitig mit dem Ladebeginn schaltet der Verstärker 132 als Reaktion auf den Empfang der hohen Spannung vom Verstärker 116 vom Hochspannungs- zum Niederspannungsausgangssignal um, um die Stromversorgung des Operationsverstärkers 86 zu unterbrechen. Trotz des Fehlens von Strom steigt die Integratorausgangsspannung rasch an.
Der Kondensator 142 und die Diode 144 verhindern ein übermäßiges Laden des integrierenden Kondensators 100, vorwiegend zum Schutz des Eingangs des A/D-Wandlers 104. Der Kondensator 142 trägt zur Zeitkonstante bei, so daß der Kondensator 100 mit einer geringeren Rate geladen wird, als wenn er alleine geladen würde. Zudem wird, wenn die Spannung zwischen dem Kondensator 142 und der Diode 144 beim Laden die Zwischenspannung V₇ übersteigt, Strom durch die Diode 144 abfließen, um die maximale an den Kondensator 100 angelegte Spannung zu begrenzen und den A/D-Wandler 104 zu schützen.
Die Zustandsüberwachungsspannung V₃ steigt während des Ladens des Kondensators mit dem zuvor erwähnten Zeitversatz an. Wenn die Spannung V₃ auf den unteren Schwellwertspannungspegel steigt, wie dies in 6 bei 154 angegeben ist, wird die Spannung am Ausgangsanschluß 124 auf den niedrigen Pegel zurückgeschaltet, wodurch das Laden des Kondensators 100 beendet und durch den Verstärker 132 ein erneutes Anlegen von Strom an den OPA 86 bewirkt wird.
Die Zustandsüberwachungsspannung steigt weiter an, bis sie die obere Schwellwertspannung V₆ überschreitet, wie dies bei 156 gezeigt ist, wobei das Ausgangssignal des Komparator-Verstärkers 126 vom hohen Spannungswert zum niedrigen Spannungswert V₅ geschaltet wird. Die niedrige Spannung wird an die Rückkopplungsschleife 92 angelegt, die eine rasche Entladung des integrierenden Kondensators einleitet. Dies verringert das Integrator-Ausgangssignal und auch die Zustandsüberwachungsspannung entsprechend dem RC-Versatz. Wenn die Spannung V₃ unter den oberen Schwellwertspannungspegel V₄ (bei 158) fällt, schaltet der Verstärker 126 seinen Ausgang auf den hohen Spannungspegel zurück. Der hohe Spannungspegel beendet ein Entladen, um somit den nächsten normalen Integrationszyklus zu initiieren, wobei die Spannung V₃ unmittelbar unterhalb des oberen Schwellwertspannungspegels V₄ liegt.
Ein auffallendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von On-Chip-Schutzdioden 97 und 99, die einen Strompfad bereitstellen, um das Laden und Entladen des Kondensators 100 zu unterstützen. Insbesondere stellt die Diode 97 einen Strompfad zwischen dem Kondensator 100 und dem Verstärker 86 beim Laden des Kondensators 100 und wenn die Stromversorgung zum Verstärker 86 unterbrochen wird, da der Verstärker 132 auf seinen Ausgang mit niedrigem Spannungspegel geschaltet hat, bereit. Durch die Diode 97 fließt Strom, der den hochohmigen Versorgungseingang des Verstärkers 86 passiert. Falls notwendig oder gewünscht, kann die Diode 99 dazu verwendet werden, einen ähnlichen Strompfad bereitzustellen, um den Versorgungseingang zu umgehen, wenn der Kondensator 100 entladen wird.
Die Elektrometerschaltung 84 ist in der Lage, rasch Messungen von äußerst niedrigen Eingangsströmen, z.B. im Femto-Ampere-Bereich, durchzuführen. Die Schaltung ermöglicht eine Verstärkung und Digitalisierung des Eingangsstroms mit schneller Geschwindigkeit (zehn Abtastungen pro Sekunde oder mehr), mit einer A/D-Wandlerauflösung von mehr als 20 Bit RMS, was einem dynamischen Bereich von 10⁶ entspricht, mit äußerst niedrigem Hintergrundrauschen.
Verglichen mit den zuvor verwendeten Elektrometerschaltungen, die auf Rückkopplungswiderständen beruhen, ist die integrierende Elektrometerschaltung 84 komplexer, erfordert ein wiederholtes Zurücksetzen des integrierenden Kondensators und eine Differenzierung des Elektrometerschaltungs-Ausgangssignals. Allerdings überwiegen die oben erwähnten Vorteile diese Faktoren beträchtlich.
Bei einer stark bevorzugten Ausführung der Schaltung 84 werden Versorgungsspannungen der Schaltung (V₁) bei 7,5 V gehalten. Die Zwischenspannung V₇ beträgt 5 V, und die obere und untere Schwellwertspannung liegen bei 4,7 V bzw. 0,3 V. Die Hochspannungs-Verstärkerausgänge liegen bei 7,4 V, und die Niederspannungs-Verstärkerausgänge betragen 0 V. Die Widerstandswerte betragen 3 M Ohm für die Widerstände 118 und 128, 1 M Ohm für die Widerstände 88 und 120, 100.000 Ohm für die Widerstände 117, 129 und 134, 10.000 Ohm für den Widerstand 90, 5.110 Ohm für den Widerstand 98 und 2.740 Ohm für die Widerstände 96 und 138. Der Integrator-Kondensator 100 hat eine Kapazität von 100 pF, mit Ausnahme der ersten mehreren stromaufwärtigen Kanäle, in denen die Elektrometerschaltungs-Integrationskondensatoren eine Kapazität von 33 pF aufweisen. Die Kondensatoren 122 und 142 haben jeweils eine Kapazität von 0,1 μF. Abgesehen von dem gerade erwähnten Kapazitätsunterschied sind die Elektrometerschaltungen im wesentlichen identisch.
Ferner ist es vorteilhaft, einen integrierenden Kondensator 100 aus einem Material zu bilden, das einen hohen Widerstand gegen dielektrische Absorption aufweist.
7 zeigt einen alternativen, bevorzugten Ansatz, bei dem ein einzelner A/D-Wandler 160 die Integrator-Ausgangssignale von vier Elektrometerschaltungen empfängt, die mit aufeinanderfolgenden Kanälen oder Kollektorelektroden 22 verbunden sind. Ein Eingangstaktsignal 162 steuert den A/D-Wandler dahingehend, daß eine Abtastfrequenz von vierzig Abtastungen pro Sekunde erhalten wird, wodurch der A/D-Wandler jedes der Integratorausgangssignale mit einer Frequenz von zehn Abtastungen pro Sekunde abtasten kann. Der A/D-Wandler legt ein entsprechendes digitales Ausgangssignal an einen Digitalprozessor 164, vorzugsweise in Form eines IC-Chips, an.
Die Integratorausgangssignale der verschiedenen Kanäle und ihre entsprechenden A/D-Wandlerausgangssignale stellen unverarbeitete Werte dar, die einer Differenzierung bedürfen. Im Zusammenhang mit der Elektrometerschaltung 84 differenziert der Prozessor 106 das Integratorausgangssignal digital, indem er die Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen (digitale Werte) des Elektrometerschaltungs-Ausgangssignals berechnet. Die berechneten Werte sind proportional zum Eingangsstrom.
Zudem unterliegen die A/D-Wandler-Ausgangssignale Fehlern, die solchen Instrumenten wie dem Spektrometer 16 inhärent sind. Daher enthält der Digitalprozessor 106 oder alternativ der Prozessor 164 eine Digitallogik, um Systemfehler auszugleichen und die Kanäle wahlweise zu synchronisieren.
Die Synchronisierung ist in 8 dargestellt, die vier Spektrometerkanäle 166, 168, 170 und 172 darstellt, welche einer Reihe von Elektroden entsprechen, die stromabwärts hintereinander geschaltet sind. Der horizontale Abstand zwischen den Kanälen stellt die Zeit dar, die ein bestimmtes Volumen oder eine bestimmte Ansammlung des Aerosols benötigt, um von einer Elektrode zur nächsten zu gelangen. Insbesondere ist D1 die Zeit, die das Aerosol benötigt, um von der stromaufwärtigen Elektrode des Kanals 166 zur nächsten, zweiten Elektrode zu gelangen. Ferner stellt die Verzögerung D2 die Fortbewegungsdauer von der zweiten zur dritten Elektrode und D3 die Fortbewegungsdauer von der dritten Elektrode zur letzten, stromabwärtigen Elektrode dar. Wie gezeigt ist, wird die Fortbewegungsdauer zwischen einer stromaufwärtigen Elektrode und jeder stromabwärtigen Elektrode im auf diese Elektrode bezogenen Kanal zwischengeschaltet, was zu einem synchronisierten Feld 173 führt, das die Werte in allen mit dem gleichen Volumen oder Paket des Aerosols verbundenen Kanälen enthält. Bei einer stark bevorzugten Ausführung der Vorrichtung beträgt die tatsächliche Anzahl Kanäle 22 und die Fortbewegungsdauer von der stromaufwärtigen Elektrode zur letzten, stromabwärtigen Elektrode etwa zwei Sekunden.
9 zeigt schematisch eine Korrektur eines „Spiegelladungs"-Effektes. Teilchen, die an einer bestimmten Kollektorelektrode vorbeiströmen, obwohl sie an einer anderen Elektrode stromabwärts gesammelt werden, beeinflussen die Ladung an der stromaufwärtigen Elektrode dahingehend, daß sie einen Effekt erzeugen, der als Spiegelladung bekannt ist. Wie aus 9 ersichtlich ist, werden digitalisierte Integratorausgangssignale aus aufeinanderfolgenden Kanälen 166, 168, 170 und 172 abgetastet, wobei ein stromabwärtigster Kanal 172 durch die kumulativen Kanalwerte geteilt wird, um den Ladungsbruchteil für den letzten Kanal zu ergeben. Anhand eines durch ein mathematisches Modell bestimmten Faktors wird der letzte Kanal-Ladungsbruchteil 172E verwendet, um den Ladungsbruchteil 170E des vorhergehenden Kanals zu korrigieren (d.h. zu verringern). Der korrigierte Bruchteil 170E und der stromabwärtigste Bruchteil 172E werden verwendet, um den nächsten stromaufwärtigen Bruchteil 168E zu korrigieren, wobei ähnliche Korrekturen angewandt werden, bis der ursprüngliche, stromaufwärtige Antel korrigiert ist.
Wenngleich dies nicht dargestellt ist, werden auch die Integratorausgangssignale hinsichtlich mehrfach geladener Teilchen korrigiert. Wie zuvor erwähnt, sind die Vor- und Hauptlader dazu eingerichtet, möglichst nur eine einzige positive Ladung auf jedes Teilchen zu übertragen. Dessen ungeachtet treten aus dem Hauptlader größere Teilchen aus, die zwei oder mehr Ladungen tragen. Die mehrfach geladenen Teilchen, die stärker durch das elektrische Feld beeinflußt werden, werden an Elektroden stromaufwärts der Elektroden gesammelt, die ihrer Größe entsprechend zugeordnet sind, was eine Fehlanzeige höherer Konzentrationen kleinerer Teilchen erzeugt. Dieser Fehler wird durch Korrekturfaktoren, die auf der Instrumentenkalibrierung und auf mathematischen Modellen beruhen, ausgeglichen.
Schließlich differenzieren Prozessoren 106 (oder 164) die fehlerkompensierten Daten aller Kanäle, um Datenströme bereitzustellen, die entsprechend Erhöhungen und Abnahmen der gemessenen Ströme steigen und fallen.
10 stellt die Logik zum wahlweisen Ignorieren von Daten dar, die während der Rücksetz-Segmente der Betriebszyklen erzeugt werden. Aufeinanderfolgende Abtastwerte 174, 176 und 178 (d.h. digitale Werte, die Integratorausgangssignale wiedergeben) sind dargestellt, wobei der Wert 176 von vorrangigem Interesse ist. Der Abtastwert 176 wird mit dem vorhergehenden Wert 174 verglichen, um eine erste Differenz 180 zu ergeben, und mit seinem nächsten nachfolgenden Abtastwert 178 verglichen, um eine zweite Differenz 182 zu ergeben. Beide Differenzen werden mit einem Schwellwert T verglichen, der ausreichend hoch ist, um zu erwartende Schwankungen der Aerosolteilchenkonzentrationen zu berücksichtigen, und ist deutlich geringer als die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Abtastwerten der Ausgangsspannung oder alternativ der Zustandsüberwachungsspannung V₃ während des raschen Ladens oder Entladens des integrierenden Kondensators. Wenn nur eine der Differenzen den Schwellwert überschreitet, wird der Ursprungswert akzeptiert. Wenn beide Differenzen den Schwellwert überschreiten, wird der Ursprungswert zurückgewiesen und durch einen interpolierten Wert ersetzt.
11 zeigt eine Elektrometerschaltung 184, die der Schaltung 84 entspricht, wobei jedoch die Schaltung 184 dazu eingerichtet ist, einen negativen Strom von ihrer zugewiesenen Elektrode in einem System zu empfangen, in dem die Mittelelektrodenanordnung auf eine negative Spannung vorgespannt ist, während die Kollektorelektroden auf Masse gehalten werden. Die Integratorausgangsspannung erhöht sich daher während der normalen Integration. Wenn die Zustandsüberwachungsspannung über den oberen Schwellwert-Spannungspegel hinaus steigt, wird ein Komparator-Verstärker 186 von einem hohen Spannungsausgangssignal auf ein niedriges Spannungsausgangssignal geschaltet, um eine rasche Entladung eines integrierenden Kondensators 188 einzuleiten. Die Entladung bringt das Integratorausgangssignal rasch nach unten und verringert auch, mit einer RC-Verzögerung, die Zustandsüberwachungsspannung, wie in der Schaltung 84. Wenn die Zustandsüberwachungsspannung unter die obere Schwellwertspannung fällt, wird das Entladen beendet. Aufgrund der Verzögerung fällt die Zustandsüberwachungsspannung weiter.
Wenn die Zustandsüberwachungsspannung unter den unteren Schwellwertspannungspegel fällt, schaltet ein Komparator-Verstärker 190 sein Ausgangssignal von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung, leitet damit das Laden des integrierenden Kondensators ein und bewirkt durch einen Verstärker 192, daß die Spannungsversorgung eines Operationsverstärkers 194 unterbrochen wird. Wenn sich durch das Laden des Kondensators die Zustandsüberwachungsspannung auf mehr als die untere Schwellwertspannung erhöht, wird das Laden des Kondensators beendet, der OAP 194 wieder mit Spannung versorgt und die Integration des Eingangsstroms fortgesetzt.
12 zeigt einen Teil eines Instrumentes ähnlich dem Spektrometer 16, bei dem jedoch die Mittelelektrodenanordnung auf Masse gehalten ist, und die Kollektorelektroden negativ vorgespannt sind, gegebenenfalls in stromabwärtiger Richtung zunehmend, um positiv geladene Teilchen anzuziehen. Eine Kollektorelektrode 196 legt den Eingangsstrom an den Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 198 einer integrierenden Schaltung an. Der Plus-Eingang des Verstärkers 198 ist mit einer negativen Spannung V vorgespannt, die dem Wert entspricht, mit dem die zugewiesene Kollektorelektrode 196 vorgespannt ist. In anderen Belangen entspricht die Elektrometerschaltung der Schaltung 84, wenngleich zusätzlich das Integratorausgangssignal an die digitalen Verarbeitungsschaltungen angelegt werden muß.
13 zeigt einen Teil einer Elektrometerschaltung 200, die der Schaltung 84 entspricht, wobei sie jedoch dazu eingerichtet ist, ein Signal beider Polaritäten bereitzustellen. In die Schaltung 200 ist ein zweiter Versorgungssteuer-Verstärker 202 eingekoppelt, um das Ausgangssignal eines Komparator-Verstärkers 204 zu empfangen, das der hohen Schwellwertspannung zugewiesen ist. Wenn das Ausgangssignal des Komparator-Verstärkers 204 von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung schaltet, bewirkt es, daß der Verstärker 202 sein Ausgangssignal von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung schaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 202 wird als Eingangsstrom an einen Operationsverstärker 206 zugeführt, entgegengesetzt zum Eingangssignal eines Versorgungssteuerungs-Verstärkers 208. Der Verstärker 202 ersetzt die Ladungsbegrenzungsschaltungen der Schaltung 84.
14 zeigt einen Teil einer Schaltung, die im wesentlichen mit der integrierenden Elektrometerschaltung 84 identisch ist, wobei jedoch eine Operationsverstärkerschaltung zum Differenzieren des Ausgangssignals des Pufferverstärkers 102 hinzugefügt ist. Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers wird an den Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 205 über einen Kondensator 207 angelegt. Die Schaltung umfaßt eine Verstärker-Rückkopplungsschleife, die einen Widerstand 209 enthält.
Die Ausgangsspannung des Verstärkers 205 spiegelt die Veränderungsrate des Eingangssignals wieder. Entsprechend bietet die veränderte Schaltung ein allein arbeitendes Elektrometer mit einem Ausgangssignal, das steigt und fällt, um den Eingangsstrom zu verfolgen. Es ist nicht erforderlich, daß analoge Ausgangssignal digital zu differenzieren. Wie die Schaltung 84, sollte auch diese Schaltung mit Komponenten zum wahlweisen Ignorieren von Daten, die im Zusammenhang mit dem Zurücksetzen des integrierenden Kondensators stehen, erweitert werden.
15 zeigt schematisch ein alternatives Teilchencharakterisierungsinstrument 210, das eine Mittelelektrode 212 und einen einzelnen Kollektor 214 enthält. Die Mittelelektrode 212 ist mit einer hohen positiven Spannung vorgespannt, um positiv geladene Teile abzustoßen, während die Kollektorelektrode 214 auf Masse gehalten wird. Um mit dem Instrument 210 ein Spektrum zu erzeugen, ist die Vorspannung an der Elektrode 212 über eine Reihe unterschiedlicher Pegel abgestuft, wobei jeder Pegel einem anderen Bereich elektrischer Beweglichkeit zugewiesen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können somit Motorabgase und andere Aerosole, die raschen und extremen Schwankungen unterliegen, mit verbesserter Genauigkeit und über einen größeren Bereich von Teilchengrößen charakterisiert werden. Mit Mehrfach-Kollektorelektroden, die gleichzeitig elektrische Ströme erzeugen, einer hohen Datenabtastfrequenz und einer integrierenden Schaltung, die Funktionen zum raschen Laden und Entladen eines Kondensators aufweist, ist ein Teilchenspektrometer in der Lage, nahezu in Echtzeit detaillierte, genaue Informationen über die Teilchenverteilung zu erzeugen. Ferner ist der integrierende Elektrometer mit raschen Rücksetzungszyklen gut für eine breite Vielfalt von Strommeßanwendungen geeignet.
Zusammenfassung
Ein Aerosolteilchenspektrometer verwendet eine Hochspannungs-Mittelelektrode und eine Reihe ringförmiger, axial angeordneter Kollektorelektroden, die auf Masse gelegt sind, um positiv geladene Teilchen in einem Aerosol, das zwischen den Elektroden strömt, aufzusammeln. Jede Kollektorelektrode liefert einen Strom an ein integrierendes Elektrometer, das eine Schaltung umfaßt, welche den integrierenden Kondensator während eines Rücksetzzyklus schnell lädt und entlädt, um genaue Partikel-charakterisierende Informationen auf Grundlage der geringen Ströme mit hoher Bandbreite und einem hohen Dynamikbereich, im wesentlichen in Echtzeit, zu erzeugen.

Claims

Rücksetzschaltung für einen integrierenden Verstärker, mit: einer ersten Komparator-Schaltungsanordnung, die einen ersten Eingangsanschluß, einen zweiten Eingangsanschluß und einen ersten Ausgangsanschluß aufweist; einem ersten Strompfad, der dazu eingerichtet ist, den ersten Eingangsanschluß mit einer Rückkopplungsschleife eines integrierenden Verstärkers zwischen einem Integratorausgang des integrierenden Verstärkers und einem integrierenden Kondensator entlang des Rückkopplungsausgangs zu koppeln, wobei eine Komparatoreingangsspannung am ersten Eingangsanschluß in einer vorbestimmten ersten Richtung und proportional zu einer Amplitude eines Eingangsstroms während der Integration des Eingangsstroms verändert wird; einer im wesentlichen stabilen Spannungsquelle zum Vorspannen des zweiten Eingangsanschlusses mit einem ersten Schwellwertspannungspegel, der so gewählt ist, daß eine Grenze eines Betriebsbereichs für die Integration festgelegt ist, wobei die erste Komparator-Eingangsspannung sich dem ersten Schwellwertspannungspegel annähert, wenn sie während der Integration in diesem Bereich liegt und so verändert wird, und einen zweiten Strompfad, der den ersten Ausgangsanschluß mit der Rückkopplungsschleife koppelt; wobei die erste Komparatorschaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, wenn eine Veränderung der Komparatoreingangsspannung aus dem Betriebsbereich heraus und über den ersten Schwellwertspannungspegel hinaus detektiert ist, einen vorbestimmten ersten Komparator-Ausgangsspannungspegel am ersten Ausgangsanschluß zu erzeugen und diesen Komparator-Ausgangsspannungspegel über den zweiten Strompfad an die Rückkopplungsschleife anzulegen, um dadurch die Komparatoreingangsspannung in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, bis zu einem Punkt im Betriebsbereich zu bewegen, um den Eingangsstrom weiter zu integrieren.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei: die erste Komparatorschaltungsanordnung ferner dazu eingerichtet ist, das Anlegen des ersten Komparator-Ausgangsspannungspegels an die Rückkopplungsschleife zu beenden, wenn eine Veränderung der Komparatoreingangsspannung während des Anlegens in der zweiten Richtung über den ersten Schwellwertspannungspegel hinaus und in den Betriebsbereich detektiert ist.
Schaltung nach Anspruch 1, ferner mit: einem RC-Netzwerk entlang dem ersten Strompfad zum Einbringen einer Zeitverzögerung zwischen einer gegebenen Veränderung der Integratorausgangsspannung und einer entsprechenden Änderung der Komparatoreingangsspannung am ersten Eingangsanschluß.
Schaltung nach Anspruch 1, ferner mit: einer zweiten Komparatorschaltungsanordnung mit einem dritten Eingangsanschluß, einem vierten Eingangsanschluß und einem zweiten Ausgangsanschluß, wobei der dritte Eingangsanschluß zum Empfangen der Komparatoreingangsspannung gekoppelt ist; einer im wesentlichen stabilen zweiten Spannungsquelle zum Vorspannen des vierten Eingangsanschlusses mit einem zweiten Schwellwertspannungspegel, der so gewählt ist, daß eine zweite, gegenüberliegende Grenze des Betriebsbereichs festgelegt ist, wobei die Komparatoreingangsspannung, wenn sie sich im Betriebsbereich befindet und in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird, sich zum zweiten Schwellwertspannungspegel hin bewegt, und einem dritten Strompfad, der zum Koppeln des zweiten Ausgangsanschlusses mit der Rückkopplungsschleife eingerichtet ist; wobei die zweite Komparatorschaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, wenn eine Veränderung der Komparatoreingangsspannung in der zweiten Richtung, aus dem Betriebsbereich heraus und über den zweiten Schwellwertspannungspegel hinaus detektiert ist, einen vorbestimmten zweiten Komparator-Ausgangsspannungspegel am zweiten Ausgangsanschluß zu erzeugen und den zweiten Komparator-Ausgangsspannungspegel an die Rückkopplungsschleife über den dritten Strompfad anzulegen, um dadurch die Komparatoreingangsspannung in der ersten Richtung bis zu einem Punkt im Betriebsbereich zu bewegen, um den Eingangsstrom weiter zu integrieren.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei: die Komparatoreingangsspannung, wenn sie sich im Betriebsbereich befindet, höher als der erste Schwellwertspannungspegel ist und während der Integration des Eingangsstroms verringert wird.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei: der im wesentlichen stabile erste Komparator-Ausgangsspannungspegel eine hohe Spannung ist, die zum Schnelladen des integrierenden Kondensators gewählt ist.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei: die erste Komparatorschaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, die hohe Spannung und eine im wesentlichen stabile niedrige Spannung alternativ zu erzeugen, wobei das Anlegen der ersten Komparatorausgangsspannung an die Rückkopplungsschleife im wesentlichen im Schalten von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung, und das Beenden des Anlegens an die Rückkopplungsschleife im wesentlichen im Schalten von der hohen Spannung zur niedrigen Spannung besteht.
Schaltung nach Anspruch 7, ferner mit: einer Versorgungssteuerungs-Schaltungsanordnung mit einem fünften Eingangsanschluß, der mit dem ersten Ausgangsanschluß gekoppelt ist, einem dritten Ausgangsanschluß und einem vierten Strompfad, der zum Koppeln des dritten Ausgangsanschlusses mit einem Eingang des integrierenden Verstärkers eingerichtet ist, um dem integrierenden Verstärker Strom zuzuführen; wobei die Versorgungssteuerungs-Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, während der Integration eine im wesentlichen stabile hohe Spannung zu erzeugen und von der hohen Spannung zu einer im wesentlichen stabilen niedrigen Spannung als Reaktion auf den Empfang der hohen Spannung von der ersten Komparator-Schaltungsanordnung zu schalten, um dadurch die Stromversorgung des integrierenden Verstärkers zu unterbrechen.
Schaltung nach Anspruch 6, ferner mit: einer Diode entlang des zweiten Strompfades, die so ausgerichtet ist, daß ihre Vorwärts-Richtung mit dem Stromfluß vom ersten Ausgangsanschluß zur Rückkopplungsschleife zusammenfällt.
Schaltung nach Anspruch 6, ferner mit: einer Begrenzungs-Schaltungsanordnung, die mit dem zweiten Strompfad gekoppelt ist, um ein Überladen des integrierenden Kondensators zu verhindern.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei: die Begrenzungsschaltung einen Begrenzungsschalter umfaßt, der so gekoppelt ist, daß er gleichzeitig mit dem Laden des integrierenden Kondensators aufgeladen wird, und mit einer Diode, die auf einen im wesentlichen stabilen begrenzenden Spannungspegel vorgespannt ist.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei: die Komparatoreingangsspannung, wenn sie sich im Betriebsbereich befindet, höher als der erste Schwellwertspannungspegel und niedriger als der zweite Schwellwertspannungspegel ist, sowie während der Integration des Eingangsstroms verringert wird.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei: die erste Komparator-Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, alternativ eine im wesentlichen stabile hohe Spannung und eine im wesentlichen stabile niedrige Spannung am ersten Ausgangsanschluß zu erzeugen, und das Erzeugen des ersten Komparator-Ausgangsspannungspegels im wesentlichen im Schalten von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung besteht, um den integrierenden Kondensator rasch aufzuladen.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei: die zweite Komparator-Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, alternativ eine im wesentlichen stabile hohe Spannung und eine im wesentlichen stabile niedrige Spannung am zweiten Ausgangsanschluß zu erzeugen, und das Erzeugen des zweiten Komparator-Ausgangspegels darin besteht, im wesentlichen von der hohen Spannung zur niedrigen Spannung zu schalten, um den integrierenden Kondensator rasch zu entladen.
Schaltung nach Anspruch 14, ferner mit: einer Versorgungssteuerungs-Schaltungsanordnung mit einem fünften Eingangsanschluß, der mit dem ersten Ausgangsanschluß gekoppelt ist, einem dritten Ausgangsanschluß und einem vierten Strompfad, der dazu eingerichtet ist, den dritten Ausgangsanschluß mit einem Eingang des integrierenden Verstärkers zu koppeln, um den integrierenden Verstärker mit Strom zu versorgen; wobei die Versorgungssteuerungs-Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, während der Integration eine im wesentlichen stabile hohe Spannung zu erzeugen, und als Reaktion auf den Empfang der hohen Spannung von der ersten Komparator-Schaltungsanordnung von der hohen Spannung auf eine im wesentlichen stabile niedrige Spannung zu schalten, um dadurch die Stromversorgung des integrierenden Verstärkers zu unterbrechen.
Schaltung nach Anspruch 15, wobei: die Versorgungssteuerungsschaltung einen Operationsverstärker mit einem Plus-Eingang, der mit einer im wesentlichen stabilen Spannung vorgespannt ist, und einem Minus-Eingang, der mit dem ersten Ausgangsanschluß gekoppelt ist, umfaßt, und die erste wie auch die zweite Komparator-Schaltungsanordnung jeweils einen Operationsverstärker mit Widerstandsrückkopplung umfassen, der die erste Komparatoreingangsspannung an einem Minus-Eingang empfängt.
Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms, das umfaßt: das Anlegen eines elektrischen Stroms an einen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers mit einer Rückkopplungsschleife, die einen integrierenden Kondensator umfaßt; das Integrieren des elektrischen Stroms, um am Integratorausgang eine Integratorausgangsspannung zu erzeugen. die sich in einer vorbestimmten ersten Richtung und mit einer durch einen Pegel des elektrischen Stroms bestimmten Rate verändert; das Detektieren einer Spannung entlang der Rückkopplungsschleife zwischen dem Integratorausgang und dem integrierenden Kondensator, um eine Zustandsüberwachungsspannung bereitzustellen, die Veränderungen unterliegt, welche durch den elektrischen Strom vorgegeben sind, und den Veränderungen der Integratorausgangsspannung entsprechen; das Einstellen einer im wesentlichen stabilen ersten Schwellwertspannung zum Festlegen einer ersten Grenze eines Betriebsbereichs für die Zustandsüberwachungsspannung, über den der elektrische Strom integriert wird; das Vergleichen der Zustandsüberwachungsspannung mit der ersten Schwellwertspannung, und als Reaktion auf die Detektion einer Bewegung der Zustandsüberwachungsspannung in die erste Richtung, über die erste Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus, das Anlegen eines ersten Rücksetzsignals an die Rückkopplungsschleife, um die Zustandsüberwachungsspannung in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, bis zu einem Punkt innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Integration des elektrischen Stroms zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfaßt: das weitere Vergleichen der Zustandsüberwachungsspannung mit der ersten Schwellwertspannung nach dem Anlegen des ersten Rücksetzsignals, und als Reaktion auf die Detektion einer Bewegung der Zustandsüberwachungsspannung in der zweiten Richtung über die erste Schwellwertspannung hinaus und in den Betriebsbereich hinein, das Unterbrechen des Anlegens des ersten Rücksetzsignals.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfaßt: das Einbringen einer Zeitverzögerung zwischen die Integratorausgangsspannung und die Zustandsüberwachungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei: die Zustandsüberwachungsspannung, wenn sie sich im Betriebsbereich befindet, größer als die erste Schwellwertspannung ist und während der Integration des elektrischen Stroms verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner umfaßt: das alternative Anlegen einer im wesentlichen stabilen hohen Spannung und einer im wesentlichen stabilen niedrigen Spannung an die Rückkopplungsschleife, wobei das Anlegen des ersten Rücksetzsignals das Schalten von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung umfaßt, um den integrierenden Kondensator rasch aufzuladen.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner umfaßt: die Verwendung der ladungsbegrenzenden Schaltungsanordnung beim Anlegen des ersten Rücksetzsignals, um ein Überladen des integrierenden Kondensators zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfaßt: das Unterbrechen der Stromversorgung des Operationsverstärkers im wesentlichen gleichzeitig mit dem Anlegen des ersten Rücksetzsignals.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfaßt: das Einstellen einer im wesentlichen stabilen zweiten Schwellwertspannung zum Festlegen einer zweiten und gegenüberliegenden Grenze des Betriebsbereichs, wobei die Zustandsüberwachungsspannung, wenn sie sich während der Integration im Betriebsbereich befindet, zur ersten Schwellwertspannung hin und von der zweiten Schwellwertspannung weg verändert wird; das Vergleichen der Zustandsüberwachungsspannung mit der zweiten Schwellwertspannung, und als Reaktion auf die Detektion einer Bewegung der Zustandsüberwachungsspannung über die zweite Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus, das Anlegen eines zweiten Rücksetzsignals an die Rückkopplungsschleife, um die Zustandsüberwachungsspannung in der ersten Richtung bis zu einem Punkt innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Integration des elektrischen Stroms zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei: die Zustandsüberwachungsspannung, wenn sie sich während der Integration im Betriebsbereich befindet, höher als die erste Schwellwertspannung und niedriger als die zweite Schwellwertspannung ist und während der Integration verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, das ferner umfaßt: das alternative Anlegen einer im wesentlichen stabilen hohen Spannung und einer im wesentlichen stabilen niedrigen Spannung an die Rückkopplungsschleife, und wobei das Anlegen des ersten Rücksetzsignals das Schalten von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung umfaßt, um den integrierenden Kondensator rasch zu laden, und das Anlegen des zweiten Rücksetzsignals das Schalten von der hohen Spannung zur niedrigen Spannung umfaßt, um den integrierenden Kondensator rasch zu entladen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei: jedes Anlegen des ersten Rücksetzsignals und jedes Anlegen des zweiten Rücksetzsignals in rascher Folge innerhalb eines Rücksetzzyklus erfolgt, und aufeinanderfolgende Rücksetzzyklen sich mit aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten der Integration des elektrischen Stroms abwechseln.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner umfaßt: das Erzeugen von Daten zur Charakterisierung des elektrischen Stroms aufgrund des Integratorausgangssignals, das Identifizieren gewisser Segmente der Daten, die den Rücksetz-Zyklen entsprechen, und das wahlweise Ignorieren dieser bestimmten Datensegmente bei der Charakterisierung des elektrischen Stroms.
Integrierende Elektrometer- und Schnellrücksetzschaltung, mit: einem Operationsverstärker mit einem Integratoreingang zum Empfangen eines elektrischen Eingangsstroms, einem Integratorausgang zum Erzeugen einer Integratorausgangsspannung, die sich in einer vorbestimmten ersten Richtung und mit einer durch einen Pegel des Eingangsstroms bestimmten Rate verändert, und mit einer Rückkopplungsschleife, die einen integrierenden Kondensator enthält; einer ersten Schaltung zum Detektieren einer Spannung entlang der Rückkopplungsschleife, um eine Zustandsüberwachungsspannung bereitzustellen, die als Reaktion auf den Eingangsstrom Änderungen unterliegt, die den Änderungen der Integetratorausgangsspannung entsprechen; einer Spannungsquelle zum Einstellen einer im wesentlichen stabilen ersten Schwellwertspannung, um dadurch eine erste Grenze eines Betriebsbereiches festzulegen, über den der Eingangsstrom integriert wird; einer zweiten Schaltung zum Empfangen der Zustandsüberwachungsspannung und der ersten Schwellwertspannung, wobei eine Bewegung der Zustandsüberwachungsspannung in der ersten Richtung über die erste Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus detektiert wird, sowie als Reaktion auf die Detektion dieser Bewegung ein erstes Rücksetzsignal an die Rückkopplungsschleife angelegt wird, um die Zustandsüberwachungsspannung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung bis zu einem Punkt innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Integration des Eingangsstroms zu verändern.
Schaltung nach Anspruch 29, wobei: die zweite Schaltung ferner dazu eingerichtet ist, eine Veränderung der Zustandsüberwachungsspannung in der zweiten Richtung über die erste Schwellwertspannung hinaus und in den Betriebsbereich hinein zu detektieren, und das Anlegen des ersten Rücksetzsignals an die Rückkopplungsschleife als Reaktion auf die Detektion der Veränderung in der zweiten Richtung zu unterbrechen.
Schaltung nach Anspruch 29, wobei: die erste Schaltung ein RC-Netzwerk zum Einbringen einer Zeitverzögerung zwischen einer gegebenen Veränderung der Integratorausgangsspannung und der Zustandsüberwachungsspannung, die an der zweiten Schaltung empfangen wird, umfaßt.
Schaltung nach Anspruch 29, ferner mit: einer Spannungsquelle zum Einstellen einer im wesentlichen stabilen zweiten Schwellwertspannung, um dadurch eine zweite, gegenüberliegende Grenze des Betriebsbereiches zu bestimmen, und einer dritten Schaltung zum Empfangen der Zustandsüberwachungsspannung und der zweiten Schwellwertspannung, wobei eine Veränderung der Zustandsüberwachungsspannung in der zweiten Richtung, über die zweite Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus, detektiert wird, und als Reaktion auf das Erfassen dieser Veränderung in der zweiten Richtung ein zweites Rücksetzsignal an die Rückkopplungsschleife angelegt wird, um die Zustandsüberwachungsspannung in der ersten Richtung bis zu einem Punkt innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Integration des Eingangsstroms zu verändern.
Schaltung nach Anspruch 32, wobei: der Operationsverstärker, die erste Schaltung, die zweite Schaltung und die dritte Schaltung auf einem einzigen integrierten Schaltungschip angeordnet sind.
Schaltung nach Anspruch 32, wobei: die Zustandsüberwachungsspannung, wenn sie sich im Betriebsbereich befindet, höher als die erste Schwellwertspannung und niedriger als die zweite Schwellwertspannung ist und während der Integration des Eingangsstroms verringert wird.
Schaltung nach Anspruch 34, wobei: die zweite Schaltung dazu eingerichtet ist, alternativ eine im wesentlichen stabile hohe Spannung und eine im wesentlichen stabile niedrige Spannung zu erzeugen, und das Anlegen des ersten Rücksetzsignals an die Rückkopplungsschleife im wesentlichen im Schalten von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung besteht, um den integrierenden Kondensator rasch aufzuladen.
Schaltung nach Anspruch 35, wobei: die dritte Schaltung dazu eingerichtet ist, alternativ eine im wesentlichen konstante hohe Spannung und eine im wesentlichen konstante niedrige Spannung zu erzeugen, und das Anlegen des zweiten Rücksetzsignals an die Rückkopplungsschleife im wesentlichen im Schalten von der hohen Spannung zur niedrigen Spannung besteht, um den integrierenden Kondensator rasch zu entladen.
Schaltung nach Anspruch 29, wobei: die Zustandsüberwachungsspannung, wenn sie sich im Betriebsbereich befindet, höher als die erste Schwellwertspannung ist und während der Integration des Eingangsstroms verringert wird.
Schaltung nach Anspruch 37, wobei: die zweite Schaltung dazu eingerichtet ist, alternativ eine im wesentlichen stabile hohe Spannung und eine im wesentlichen stabile niedrige Spannung zum Anlegen an die Rückkopplungsschleife zu erzeugen, und das Anlegen des ersten Rücksetzsignals im wesentlichen im Schalten von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung besteht, um den integrierenden Kondensator rasch aufzuladen.
Schaltung nach Anspruch 38, ferner mit: einer Diode, die zwischen dem Operationsverstärker und dem integrierenden Kondensator angeordnet und so ausgerichtet ist, daß sie einen Stromfluß zwischen dem Operationsverstärker und dem integrierendem Kondensator bereitstellt, um einen Versorgungsanschluß des Operationsverstärkers während des Ladens des integrierenden Kondensators zu umgehen.
Schaltung nach Anspruch 38, ferner mit: einer Versorgungssteuerungsschaltung, die zum Empfang des ersten Rücksetzsignals von der zweiten Schaltung gekoppelt ist, und ferner zum Anlegen ihres Ausgangssignals an einen Versorgungsanschluß des Operationsverstärkers gekoppelt ist, um den Operationsverstärker mit Strom zu versorgen; wobei die Versorgungssteuerungsschaltung dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal als eine im wesentlichen stabile hohe Spannung während der Integration zu erzeugen und von der hohen Spannung zur niedrigen Spannung als Reaktion auf den Empfang der hohen Spannung von der zweiten Schaltung zu schalten, um den Stromfluß zum Operationsverstärker im wesentlichen zu unterbrechen.
Schaltung nach Anspruch 40, ferner mit: einer Begrenzungsschaltung, die zwischen die zweite Schaltung und die Rückkopplungsschleife geschaltet ist, um ein Überladen des integrierenden Kondensators zu verhindern.
Schaltung nach Anspruch 29, ferner mit: einem Differenzverstärker, der so geschaltet ist, daß er die Integratorausgangsspannung empfängt, und dazu eingerichtet ist, die Integratorausgangsspannung zu differenzieren, um einen Differenziatorausgangswert bereitzustellen, der sich entsprechend dem elektrischen Eingangsstrom erhöht und verringert.
Instrument zum Charakterisieren von Aerosolen, die einer Fluktuation ihrer Teilchenkonzentration unterliegen, mit: einer Leitung zum Leiten eines Aerosols in einen im wesentlichen nicht-turbulenten Strom mit einer im wesentlichen konstanten volumetrischen Fließgeschwindigkeit zu einem Teilchenmeßbereich hin und an diesem entlang, wobei das Aerosol im wesentlichen aus einer polydispersen Suspension von Teilchen in einem gasförmigen Medium besteht; einer ersten Elektrodenanordnung, die entlang dem Meßbereich angeordnet ist; einer zweiten Elektrodenanordnung, die mindestens eine Kollektorelektrode umfaßt, die gegenüber der ersten Elektrodenanordnung elektrisch isoliert ist, und in einem Abstand von der ersten Elektrodenanordnung angeordnet ist, damit das Aerosol zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung strömen kann, wenn es sich durch den Meßbereich bewegt; einer Spannungsquelle zum wahlweisen Vorspannen der ersten Elektrodenanordnung gegenüber der zweiten Elektrodenanordnung, um ein elektrisches Feld entlang dem Meßbereich zu erzeugen, wodurch Teilchen des Aerosols, wenn sie eine Ladung mit einer gewählten Polarität tragen und wenn sie von dem gasförmigen Medium entlang dem Meßbereich getragen werden, zur zweiten Elektrodenanordnung hin gezogen werden, um zu bewirken, daß ein Teil der Teilchen sich an der mindestens einer Kollektorelektrode sammelt, und einem Strommeßgerät, das mit der mindestens einen Kollektorelektrode gekoppelt ist, um einen elektrischen Eingangsstrom von der mindestens einen Kollektorelektrode zu empfangen, der durch das Sammeln der geladenen Teilchen erzeugt wird, wobei das Meßgerät eine integrierende Komponente zum Integrieren des elektrischen Eingangsstroms umfaßt, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die dem Strom entspricht, und eine Rücksetzkomponente zum Wählen eines Bereichs von Ausgangsspannungen umfaßt, über den der Strom integriert wird, und zum Rücksetzen der integrierenden Komponente als Reaktion auf eine Bewegung der Ausgangsspannung außerhalb des gewählten Bereichs, um die Ausgangsspannung wieder innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Integration des Eingangsstroms zu positionieren.
Instrument nach Anspruch 43, wobei: die erste Elektrodenanordnung um eine Längsachse zentriert ist, und die zweite Elektrodenanordnung ringförmig ausgebildet ist, die erste Elektrodenanordnung umgibt, und konzentrisch um die Längsachse herum angeordnet ist.
Instrument nach Anspruch 44, wobei: die erste Elektrodenanordnung mehrere Elektrodensegmente umfaßt, die in einem Abstand voneinander in Längsrichtung angeordnet sind, gegenseitig elektrisch isoliert und mit unterschiedlichen Spannungspegeln elektrisch vorgespannt sind.
Instrument nach Anspruch 44, wobei: die mindestens eine Kollektorelektrode mehrere ringförmige Kollektorelektroden umfaßt, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet und gegenseitig elektrisch isoliert sind, und das Strommeßgerät mehrere Strommeßgeräte umfaßt, die jeweils mit einer zugewiesenen Kollektorelektrode gekoppelt sind, um Eingangsstrom von ihrer zugeordneten Kollektorelektrode zu empfangen, und dazu eingerichtet sind, ein analoges Signal abhängig vom Eingangsstrom zu erzeugen.
Instrument nach Anspruch 46, ferner mit: einer Verarbeitungsschaltungsanordnung zum Empfangen der analogen Signale von den Meßgeräten und zum Erzeugen einer Teilchenkonzentrationsanzeige, die jedem analogen Signal zugewiesen ist.
Instrument nach Anspruch 47, wobei: die Verarbeitungsschaltungsanordnung eine A/D-Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Digitalwertes aufgrund jedes analogen Signales und Verarbeitungsmittel zum Erzeugen jeder der Teilchenkonzentrationsanzeigen anhand ihres zugewiesenen digitalen Wertes umfaßt.
Instrument nach Anspruch 48, wobei: die Verarbeitungsmittel dazu eingerichtet sind, einen Bruchteil einer Gesamtteilchenkonzentration zu bestimmen, der einer ausgewählten Kollektorelektrode entspricht, und den Bruchteil der Teilchenkonzentrationsanzeige der Kollektorelektrode benachbart und stromaufwärts der gewählten Kollektorelektrode zu verwenden, um die stromaufwärtige Konzentrationsanzeige der stromaufwärtigen Elektrode hinsichtlich Spiegelladungseffekten zu korrigieren.
Instrument nach Anspruch 48, wobei: die Verarbeitungsmittel mehrere unterschiedliche Zeitverzögerungen umfassen, die wahlweise an die Teilchenkonzentrationsanzeigen angelegt werden, welche den stromaufwärtigen Kollektorelektroden zugewiesen sind, um die Teilchenkonzentrationsanzeigen, die einem vorgegebenen Volumen des Aerosols zugewiesen sind, das sich durch den Meßbereich bewegt, zu synchronisieren.
Instrument nach Anspruch 43, wobei: die integrierende Komponente einen Operationsverstärker mit einer Rückkopplungsschleife und einen integrierenden Kondensator in der Rückkopplungsschleife umfaßt.
Instrument nach Anspruch 51, wobei: der integrierende Kondensator so konfiguriert ist, sich stetig zu entladen, während der Eingangsstrom integriert wird, um dadurch die Integratorausgangsspannung stetig zu verringern.
Instrument nach Anspruch 51, wobei: die Rücksetzkomponente Mittel zum Einstellen einer ersten Schwellwertspannung, um eine Grenze eines Betriebsbereichs zum Integrieren des Eingangsstroms festzulegen, und einen ersten Komparator zum Vergleichen einer Zustandsüberwachungsspannung entlang der Rückkopplungsschleife mit der ersten Schwellwertspannung umfaßt, wobei der erste Komparator dazu eingerichtet ist, ein erstes Rücksetzsignal als Reaktion auf die Detektion einer Veränderung der Zustandsüberwachungsspannung in einer ersten Richtung über die erste Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus an die Rückkopplungsschleife anzulegen, um dadurch die Zustandsüberwachungsspannung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung zu einem Punkt innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Anzeige des Eingangsstroms zurück zu verändern.
Instrument nach Anspruch 53, wobei: der erste Komparator ferner dazu eingerichtet ist, eine Veränderung der Zustandsüberwachungsspannung in der zweiten Richtung über die erste Schwellwertspannung hinaus und in den Betriebsbereich zurück nach Anlegen des ersten Rücksetzsignals zu detektieren, und das Anlegen des ersten Rücksetzsignals auf die Detektion der Veränderung in der zweiten Richtung hin zu beenden.
Instrument nach Anspruch 53, wobei: die Rücksetzkomponente ferner Mittel zum Einstellen einer zweiten Schwellwertspannung, um eine zweite, gegenüberliegende Grenze des Betriebsbereiches festzulegen und einen zweiten Komparator umfaßt, der so geschaltet ist, daß er die Zustandsüberwachungsspannung und die zweite Schwellwertspannung empfängt, um ein zweites Rücksetzsignal als Reaktion auf die Detektion einer Veränderung der Zustandsüberwachungsspannung in der zweiten Richtung über die zweite Schwellwertspannung hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus an die Rückkopplungsschleife anzulegen, um dadurch die Zustandsüberwachungsspannung in der ersten Richtung zu einem Punkt innerhalb des Betriebsbereichs zur weiteren Integration des Eingangsstroms zurück zu verändern.
Schaltung nach Anspruch 55, wobei: jeder der ersten und zweiten Komparatoren dazu eingerichtet ist, alternativ eine im wesentlichen stabile hohe Spannung und eine im wesentlichen stabile hohe niedrige Spannung zu erzeugen; der erste Komparator, der das erste Rücksetzsignal an die Rückkopplungsschleife anlegt, indem er von der niedrigen Spannung zur hohen Spannung schaltet, um den integrierenden Kondensator rasch zu laden, und der zweite Komparator das zweite Rücksetzsignal an die Rückkopplungsschleife anlegt, indem er von der hohen Spannung zur niedrigen Spannung schaltet, um den integrierenden Kondensator rasch zu entladen.
Instrument nach Anspruch 43, ferner mit: einem Ladegerät, das in der Leitung stromaufwärts des Meßbereichs angeordnet ist, um eine Ladung mit der gewählten Polarität an die Teilchen anzulegen, wenn sich das Aerosol dem Meßbereich nähert.
Instrument nach Anspruch 57, wobei: das Ladegerät ein Korona-Entladungselement umfaßt.
Instrument nach Anspruch 57, wobei: die erste Elektrodenanordnung mit einer positiven Spannung vorgespannt ist und jede der Kollektorelektroden auf Masse gehalten wird.
Instrument nach Anspruch 45, wobei: die unterschiedlichen Spannungspegel positiv sind und sich in stromabwärtiger Richtung erhöhen.
Verfahren zur Charakterisierung von Aerosolen, die Schwankungen in der Teilchenkonzentrationen unterliegen, das umfaßt: das Führen des Aerosols zu einem Teilchenmeßbereich und an diesem entlang in einem im wesentlichen nicht-turbulenten Strom, in axialer Richtung und mit im wesentlichen stetiger volumetrischer Fließgeschwindigkeit; das Anordnen einer axial verlaufenden Kollektorelektrodenanordnung im Meßbereich; das Erzeugen eines elektrischen Feldes im Meßbereich, um zu bewirken, daß die Teilchen, die eine Ladung mit einer gewählten Polarität tragen, sich zur Kollektorelektrodenanordnung hin bewegen, wenn das Aerosol in axialer Richtung durch den Meßbereich fließt, und das Verwenden mindestens einer Kollektorelektrode der Kollektorelektrodenanordnung, um einen Teil der geladenen Teilchen zu sammeln; das Erfassen eines elektrischen Stromes entlang eines elektrischen Leiters, der mit der mindestens einen Kollektorelektrode gekoppelt ist, das Verwenden einer Schaltung, die einen integrierenden Kondensator umfaßt, zum Erzeugen eines Zustandsüberwachungsausgangssignals, das sich in einer ersten Richtung auf den elektrischen Strom hin und mit einer Rate, die proportional zu einem Pegel des elektrischen Stroms ist, verändert, und das Einstellen einer ersten Schwelle, um eine erste Grenze eines Betriebsbereichs zu bestimmen, über den der elektrische Strom integriert wird, das Vergleichen des Ausgangssignals mit dem ersten Schwellwert, wenn das Ausgangssignal sich in einer ersten Richtung verändert, während es sich bei der Integration im Betriebsbereich befindet, und das Detektieren einer Veränderung des Ausgangssignals in der ersten Richtung über den ersten Schwellwert hinaus und aus dem Betriebsbereich heraus, und als Reaktion auf die Detektion das Anlegen eines ersten Rücksetzsignals an die integrierende Schaltung nahe dem integrierendem Kondensator, um das Ausgangssignal in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung zurück in den Betriebsbereich zur weiteren Integration des elektrischen Stroms zu verändern.