DE2903017C2

DE2903017C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einem Gasstrom

Info

Publication number: DE2903017C2
Application number: DE2903017A
Authority: DE
Inventors: Frank Montreal Quebec Kitzinger
Original assignee: Noranda Inc
Current assignee: Noranda Inc
Priority date: 1978-03-07
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1983-12-08
Also published as: CA1085647A; BE874449A; FI69930C; DE2903017A1; FR2419517B1; JPS54157689A; FI69930B; FR2419517A1; JPS5912132B2; GB2016142A; GB2016142B; FI790325A7

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

— einen Lichtverteiler (34), der den Lichtstrahl der Lichtquelle (24) in zwei getrennte Strahlen unterteilt, von denen der eine Strahl auf das in der Meßkammer (12, 14) befindliche Reagenzpapier (16) gerichtet ist und der andere Strahl auf ein einstellbares optisches Filter (36) gerichtet ist,

— eine zweite an den Verstärker (48) angeschlossene lichtempfindliche Einrichtung (46), welche in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit des einstellbaren optischen Filters (36) arbeitet, und

— eine automatische Nullstelleinrichtung (50), die einen an den Ausgang des Verstärkers (48) angeschlossenen Funktionsverstärker (OP 3) sowie einen auf den Funktionsverstärker (OP 3) ansprechenden Servomotor (54) aufweist, der mit dem einstellbaren optischen Filter (36) verbunden ist, zur Nullstellung des Ausgangs des Verstärkers (48) vor jedem Meßbeginn.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

— für den intermittierenden Vorschub des bandförmigen Reagenzpapieres (16) um eine bestimmte Strecke durch die Reaktionskammer (12,14) ein Motor (18) vorgesehen ist, der von einer Programmeinrichtung (52) zuerst für einen bestimmten Zeitraum eingeschaltet wird,

— die Programmeinrichtuiig (52) dann die automatische Nullstelleinrichtung (50) für einen bestimmten Zeitraum einschaltet, während welchem der Verstärkerausgang auf Null gestellt wird und

— schließlich die Programmeinrichtung (52) den Meßvorgang einschaltet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungseinrichtung (60) mit dem Eingang des Verstärkers (48) verbunden ist und eine Rückkopplungsschleife vom Ausgang des Verstärkers bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verstärker (48) und den Differentiator (56) ein Zersetzungskompensator (64) zur Kompensierung der Zersetzung des Reaktionsprodukts aus der zu messenden Substanz und dem Reagenzpapier geschaltet wird.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer derartigen aus den US-PSen 40 23 930 und 40 32 297 bekannten Vorrichtung wird das Reagenzpapier während des Meßvorgangs stationär in der Meßkammer gehalten. Das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung ändert sich proportional zu der sich ansammelnden Menge der zu messenden Substanz, die mit dem Reagenzpapier reagiert. Dabei ändert sich die Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapiers nicht linear mit der Substanzmenge, welche mit dem Papier schon reagiert hat. Diese Nichtlinearität erschwert die ständige Anzeige der augenblicklichen Konzentration der zu messenden Substanz.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ständig der jeweilige Augenblicliswert der Konzentration der sich in der Meßkammer ansammelnden Substanz angezeigt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

In der DE-OS 22 19 552 und der CH-PS 5 37 583 ist zwar die Linearisierung einer Exponentialfunktion bei Photometern beschrieben, jedoch ist es bei diesen Photometern nicht bekannt, zur Erzielung der jeweiligen Augenblickswerte der Konzentration der zu messenden Substanz anschließend an die Linearisierung eine Differenzierung des linearisierten Signals durchzuführen.

In bevorzugter Weise ist die Vorrichtung mit einem Lichtverteiler ausgestattet, der den Lichtstrahl in zwei getrennte Lichtstrahlen aufteilt, von denen der eine Lichtstrahl auf das Reagenzpapier in der Meßkammer gerichtet ist und Hc andere Lichtstrahl auf ein verstellbares optisches Filter sowie eine zweite lichtempfindliche Einrichtung, die auf die Durchlässigkeit des einstellbaren optischen Filters anspricht. Die Verstärker, welche in vorliegender Anmeldung angespro-

chen werden, sind als Fotozeilenverstärker bevorzugt ausgebildet und sprechen auf die beiden lichtempfindlichen Einrichtungen an in der Weise, daß sie ein Ausgangssignal bilden, welches eine Funktion des Verhältnisses des Lichtes ist, das durch die beiden lichtempfindlichen Einrichtungen ermitult wird, unabhängig von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle.

Ferner kann eine automatische Nulleinstellung vorgesehen sein, welche den Ausgang des Fotozellenverstärkers auf Null zurücksetzt, bevor eine Messung vorgenommen wird.

Die Signalaufbereitungsschaltung kann als Operationsverstärker ausgebildet sein, dessen Ausgang mit dem Eingang des Fotozellenverstärkers verbunden ist und der vom Ausgang des Fotozellenverstärkers eine Mitkopplung aufweist, so daß der Eingangswert des Fctozeilenverstärkers in einer solchen Richtung geändert wird, daß sein Ausgang linear wird. Durch die Differentiation des linearen Ausgangs des Fotozellenverstärkers ergibt sich die jeweils augenblickliche Konzentration der festzustellenden Substanz.

Außerdem kann ein Zersetzungskompensator vorgesehen sein, der den Fotozellenverstärker mit dem Differentiator verbindet, um die Zersetzung des Reaktionsprodukts aus der zu messenden Substanz mit dem Reagenzpapier zu kompensieren.

Um eine Beeinträchtigung des Reagenzpapiers durch die von der als Lichtquelle wirkenden Lampe erzeugten Wärme zu verhindern, kann ein Wärmefilter im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet sein, bevorzugt zwischen der Lampe und dem Lichtverteiler.

Außerdem kann im Lichtstrahl vor dem Lichtverteiler ein Filter vorgesehen sein, welches Licht mit einer bestimmten Wellenlänge hindurchläßt. Dieses Filter kann ein Interferenzfilter oder ein optisches Glasfilter sein. Dit Verwendung eines selektiven Filters erhöht die Empfindlichkeit bei der Ermittlung bestimmter Verfärbungen.

Das Reagenzpapier besteht normalerweise aus einem Streifen mit bestimmter Länge, mit dem verschiedene Ablesungen durchgeführt werden können. Dieser Streifen kann daher so angeordnet werden, daß er schrittweise durch die Meßkammer hindurchgeführt wird, wobei eine Reihe von Messungen erfolgt. Zum Antrieb des Reagenzpapiers kann daher ein Motor in der Vorrichtung vorhanden sein. Um ein Vorrücken des Papiers zu ermöglichen, kann die Meßkammer in zwei Abschnitte aufgeteilt sein, von denen der eine Abschnitt durch einen geeigneten Mechanismus, welcher in bevorzugter Weise mit dem Motor für den Antrieb des Papiers verbunden ist, bewegt werden kann. Außerdem ist die Vorrichtung mit einer Programmeinrichtung versehen, welche aufeinanderfolgend den Motor kurzzeitig zum Vorschub des Bandes speist sowie die automatische Nulleinstellung kurzzeitig speist, um die Vorrichtung auf Null zurückzusetzen und schließlich eine Pumpe betätigt, welche den Gasstrom in die Meßkammer einbringt.

Das einstellbare optische Schwärzungsfilter kann eine Scheibe sein, deren Durchlässigkeit innerhalb eines Bereiches geändert werden kann, der dem Bereich eines bestimmten Reagenzpapiers entspricht. Eine derartige Scheibe kann auf der Welle eines Servomotors angeordnet sein, dei durch die vorstehend erwähnte automatische Nulleinstelleinrichtung betrieben wird. Andererseits kann das einstellbare Schwärzungsfilter auch als Streifen mit bestimmter Länge ausgebildet sein, welcher durch einen Linearmotor mit Servobetrieb verschoben wird. Die automansche Nulleinstelleinrichtung kaim einen Operationsverstärker aufweisen, der mit dem Ausgang des Fotozellenverstärkers verbunden ist. Außerdem können Schalter vorgesehen sein, welche in Abhängigkeit von der Programmeinrichtung betätigt werden und

ίο welche den Operations- bzw. Funktionsverstärker und den Servomotor miteinander verbinden. Demzufolge wird während der automatischen Nulleinstellzeit der Servomotor in der Weise betätigt, daß er den Ausgang des Fotozellenverstärkers auf Null setzt.

Der Fotozellenverstärker kann einen Funktionsverstärk<?r aufweisen, mit dessen invertierendem Eingang die erste lichtempfindliche Einrichtung in Reihe geschaltet ist und parallel zu dessen invertierendem Eingang und Ausgang die zweite lichtempfindliche Einrichtung geschaltet ist für die automatische Einstellung der Verstärkung des FotozeHenverstärkers als Funktion des Verhältnisses des Lichtes, welches durch die beiden lichtempfindlichen Einrichtungen, unabhängig von Intensitätsschwankungen der Lichtquellen, ermittelt wird. Außerdem ist eine Bezugsspannungsquelle vorgesehen sowie eine Summierschaltung, welche den Ausgang des Funktionsverstärkers mit der Referenzspannung vergleicht. Mit dem Ausgang der Summierschaltung ist ein Inverter verbunden, der das Ausgangssignal des Fotozellenverstärkers vorsieht.

In den beiliegenden Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;

F i g. 2 ein Folgediagramm, welches durch die Programmeinrichtung bestimmt wird;

F i g. 3 die Durchlässigkeit eines Reagenzpapiers in Abhängigkeit von der Menge einer Substanz, mit der das Papier reagiert;

Fig. 4 eim elektrische Schaltung der elektrisehen Komponenten, welche in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendet werden, und

F i g. 5 die Ausgangsspannung des Fotozellenverstärkers als Funktion der Menge der Substanz, welche mit dem Reagenzpapier reagiert bei verschiedenen Graden nichtlinearer Konditionierung.

In der Fig. 1 ist eine aus zwei Abschnitten 12 und 14 bestehende Meßkammer dargestellt. Der Abschnitt 12 der Meßkammer-ist beweglich in Richtung eines Doppelpfeils A, so daß ein Reagenzpapier 16 mit Hilfe eines Motors 18 durch die Meßkammer hindurchbewegt werden kann. Die Bewegung des Abschnittes 12 der Meßkammer wird durch, den Motor 18 gesteuert, wobei ein nicht näher dargestellter herkömmlicher Kupplungsmechanismus zur Anwendung kommt. Der Gasstrom, welcher die festzustellende Substanz enthält, wird durch eine Einlaßleitung 20 in den Abschnitt 12 der Meßkammer mit Hilfe einer nicht näher dargestellten geeigneten Pumpe eingebracht. Der Gasstrom verläßt durch

^Μ einen Auslaß 22 im Abschnitt 14 der Kammer die Meßkammer. Ein O-Ring oder andere geeignete, nicht näher dargestellte Mittel sind zwischen den beiden Abschnitten der Meßkammer angeordnet, so

daß eine Abdichtung der Meßkammer während der Messung erzielt wird.

Der Teil des Reagenzpapiers, der sich in der Meßkammer befindet, wird durch einen Lichtstrahl, der von einer Lampe 24 erzeugt wird, bestrahlt. Die Lampe 24 wirkt dabei als Lichtquelle. Der Lichtstrahl wird geformt durch plan-konvexe Linsen 26 und 28, welche unmittelbar vor einer Blende 30 angeordnet sind. Ein Bild der Blende 30, durch die der Lichtstrahl hindurchtritt, wird durch eine achromatische ι ο Linse 32 sowie durch einen Lichtverteiler 34 sowohl auf dem Reagenzpapier 16 als auch auf einem einstellbaren optischen Filter 36 gebildet. Verschiedene optische Anordnungen können zur Formung der vorstehend erwähnten Bilder verwendet werden. Beispielsweise kann der Abstand zwischen der Blende und der achromatischen Linse so ausgewählt sein, daß dieser der doppelten Brennweite / der Linse entspricht. In gleicher Weise kann der Abstand zwischen der achromatischen Linse und dem Lichtverteiler plus dem Abstand zwischen dem Lichtverteiler und dem Reagenzpapier oder zwischen dem Lichtverteiler und dem einstellbaren optischen Filter auf 2/ eingestellt sein. Eine achromatische Linse wird bevorzugt verwendet, um chromatische Aberration zu verhindern. Das Ende des Kammerabschnitts 14 ist durch eine lichtdurchlässige Fiaue 37 abgeschlossen, so daß der Lichtstrahl durch diese hindurchgehen kann

Ein Wärmefilter 38 ist zwischen der als Lichtquelle wirkenden Lampe 24 und den Linsen 26 und 28 angeordnet, um zu verhindern, daß die von der Lampe ausgesendete Wärme den Feuchtigkeitsgehalt des Reagenzpapiers beeinflußt. Dies hat einen großen Einfluß auf die Genauigkeit der Ablesung, insbesondere gegen Ende der Meßzeit, da das Papier allmählich durch die von der Lampe erzeugte Hitze getrocknet wird. Natürlich kann das Hitzefilter irgendwo zwischen der Lichtquelle und dem Lichtverteiler angeordnet sein.

Ein Filter 40, welches als Interferenzfilter oder optisches Glasfilter ausgebildet sein kann, ist vor dem Lichtverteiler angeordnet und läßt eine Farbe bestimmter Wellenlänge hindurch. Wenn beispielsweise die auf dem Reagenzpapier zu beobachtende Verfärbung gelb ist, wird bevorzugt ein blaues Filter verwendet. Es ist von Bedeutung, daß das Filter vor dem Lichtverteiler angeordnet ist, so daß beide Fotozellen gleich beeinflußt werden. Durch die Verwendung eines selektiven Filters wird die Empfindlichkeit bei der Messung einer bestimmten Verfärbung erhöht.

Das Licht, welches durch das Reagenzpapier 16 hindurchtritt, wird von einer Fotozelle 42 ermittelt, welche hinter einer lichtdurchlässigen Platte 44 im Meßraumabschnitt 12 untergebracht ist Das Licht, welches durch das einstellbare optische Schwärzungsfilter 36 hindurchtritt, wird durch eine Fotozelle 46 empfangen, welche hinter dem einstellbaren Filter 36 angeordnet ist. Es können auch andere lichtempfindliehe Einrichtungen, welche auf das Licht, das durch das Reagenzpapier bzw. das einstellbare Filter hindurchtritt bzw. von diesem reflektiert wird, ansprechen. Die Fotozellen 42 und 46 sind variable Impedanzeinrichtungen, welche an einem geeigneten Fotczellenverstärker 48 angeschlossen sind. Dieser sieht ein Ausgangssignal vor, das proportional zur Verfärbung des Reagenzpapieres ist und welches ein direktes Verhältnis des Lichtes angibt, das durch die beiden Fotozellen, unabhängig von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, ermittelt wird. Diese Intensitätsschwankungen können beispielsweise durch Alterung der Lampe oder durch Lampenspannungsschwankungen auftreten. Ein Alisführungsbeispiel eines derartigen Verstärkers ist in F i g. 4 dargestellt und wird im einzelnen noch weiter unten erläutert. Wenn die Lichtdurchlässigkeit des einstellbaren Filters 36 auf das Reagenzpapier abgestimmt wird, wobei noch kein Gasdurchfluß durch die Meßkammer erfolgt, ist die Impedanz der beiden Fotozellen 42 und 46 gleich. Das Ausgangssignal des Fotozellenverstärkers ist Null. Null Volt am Ausgang bedeuten einen Zustand, der im folgenden als Durchlässigkeitswert 1 bezeichnet wird. Dieser Betriebszustand herrscht vor dem Einbringen des Gases, das in der Meßkammer untersucht werden soll. Wenn die Lichtdurchlässigkeit des einstellbaren optischen Filters 36 nicht exakt mit der Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapiers übereinstimmt, wie dies vor dem Einbringen des zu untersuchenden Gases in die Kammer sein soll, besitzt die Fotozelle 46 eine gegenüber der Fotozelle 42 unterschiedliche Impedanz. Der Ausgang des Fotozellenverstärkers 48 wird daher von Null verschieden sein. Dieser Ausgang wird an einen Scrvovci starker SC für die automatische Rückstellung geliefert, der als automatische Nulleinstelleinrichtung wirkt. Der Ausgang des Servoverstärkers wird, gesteuert durch eine Programmeinrichtung 52, an einen Servomotor 54 gelegt, welcher das einstellbare optische Filter 36 antreibt. Wenn daher der Ausgangswert des Fotozellenvcrstärkers vor dem Einbringen des Gases in die Meßkammer von Null abweicht, verdreht der Servomotor 54 automatisch das einstellbare optische Filter 36, so daß die Lichtdurchlässigkeit des einstellbaren optischen Filters mit der Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapieres übereinstimmt. Auf diese Weise wird der Ausgang des Fotozellenverstärkers automatisch auf Null zurückgebracht.

Die Programmeinrichtung 52 kann als Zeitgebereinrichtung ausgebildet sein, welche zum Einschalten des Motors 18, des Servomotors 54 und der nicht näher dargestellten Gaspumpe dient. Die Schaltfolge ist in der Fig. 2 dargestellt. Während eines vorbestimmten Zeitintervalles, beispielsweise 20 Sekunden, wird der Motor 18 in Betrieb gesetzt, so daß die Kammer 10 geöffnet wird und der Vorschub des Reagenzpapierstreifens erfolgen kann. Der Motor wird dann angehalten und die Kammer geschlossen. Der Servoverstärker 50 wird anschließend an den Servomotor 54 angeschlossen und bewirkt die automatische Nulleinstellung des Ausgangswertes des Fotozellenverstärkers 48. Eine Zeitdauer von 1—10 Sekunden dürfte ausreichend sein, um diese Einstellung vorzunehmen. Der Servomotor 54 wird dann abgeschaltet und die Pumpe steuert das Einführen des Gases in die Meßkammer. Damit beginnt der Meßvorgang, der innerhalb einer bestimmten Zeitdauer durchgeführt wird. Diese Zeitdauer ist dahingehend bemessen, daß das Reagenzpapier 0,5 der Lichtdurchlässigkeit erreicht Es ist auch möglich, eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielswe'!:^ I bis 8 Stunden, für die Messung vorzusehen, wenn die Gasprobe keine ausreichenden Mengen an festzustellender Substanz aufweist.

Während der Meßzeit wird beim Vorhandensein

einer festzustellenden Substanz, beispielsweise Arsengas in Luft, die Farbe des Reagenzpapieres allmählich geändert. Als Reagenzpapier kann ein solches verwendet werden, welches beispielsweise mit Quecksilber-II-Bromid imprägniert ist. Die Farbe wechselt dann von weiß nach gelb. Wenn unter Verwendung eines Blaufilters das Reagenzpapier mit einem blauen Lichtstrahl bestrahlt wird, verringert die Farbänderung die Lichtdurchlässigkeit des Papiers und die Impedanz der Fotozelle 42 erhöht sich, während die Impedanz der Fotozelle 46 gleich bleibt. Dabei wird ein Ausgangssignal durch den Fotozellenverstärker erzeugt, das in Abhängigkeit von der sich ansammelnden Menge von Arsen, welches mit dem Reagenzpapier reagiert, ansteigt. Die Kurvendarstellung in F i g. 3 zeigt die Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapiers als Funktion der Menge an Arsen in /<g, welche mit dem Reagenzpapier reagiert hat. Diese Kurve verläuft nichtlinear aufgrund des Exponentialgesetzes der Lichtabsorption nach Bouguer und Lambert. Das Ausgangssignal des Fotozellenverstärkers ist daher, falls entsprechende Kompensationsmittel fehlen, nichtlinear. Wie im einzelnen noch erläutert wird, kann bei der Erfindung das Ausgangssignal des Fotozellenverstärkers mit Hilfe eines geeigneten Differentiators 56 differenziert werden, so da" eine ständige Anzeige der Konzentration der Substanz, welche mit dem Reagenzpapier reagiert, angezeigt werden kann. Diese Konzentration kann durch eine Wiedergabeeinrichtung 58 (Fig. 1) wiedergegeben werden. Da jedoch der Ausgang des Fotozellenverstärkers nichtlinear ist, gibt die Differentiation des Ausgangssignals keine getreue Anzeige der Konzentration der Substanz, welche mit dem Reagenzpapier reagiert. Damit der Fotozellenverstärker 48 ein lineares Ausgangssignal erzeugt, kann eine Signalaufbereitungsschaltung 60 vorgesehen sein, welche an den Ausgang des Fotozellenverstärkers 48 angeschlossen ist. Dieser kompensiert die Nichtlinearität der Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapiers, welche sich aus dem Exponentialgesetz der Lichtabsorption ergibt. Ein Ausführungssbeispiel für eine Signalaufbereitungsschaltung wird im einzelnen noch im Zusammenhang mi t F i g. 4 erläutert.

Die F i g. 4 zeigt eine Schaltung, welche den Fotozellenverstärker 48, den Servoverstärker SO für die automatische Nulleinstellung, den Differentiator 56, die Signalaufbereitungsschaltung 60 und außerdem ein Tiefpaßfilter 62 sowie einen Zersetzungskompensator 64 aufweist.

Der Fotozeüenverstärker 48 enthält einen Funktionsverstärker OPl, dessen invertierender Eingang über einen lichtempfindlichen Widerstand R 1 (entspricht der Fotozelle 42 in der Fig. 1) an eine positive Spannungsquelle angeschlossen ist. Die positive Spannung wird, wie noch erläutert wird, durch die Signalaufbereitungsschaltung 60 vorgesehen. Der nicht invertierende Eingang des Funktionsverstärkers liegt an Masse. Ein lichtempfindlicher Widerstand/? 2 (entspricht der Fotozelle 46 in der Fig. 1) ist in einer Rückkopplungsschleife des Funktionsverstärkers zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang vorgesehen. Wenn die Lichtdurchlässigkeit des einstellbaren optischen Filters 36 mit der LichtdurchlEssigkeit des Reagenzpapiers (bei noch nicht vorhandenem Gasfluß durch die Meßkammer) in Übereinstimmung gebracht ist, ist Rl = RZ. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist dann umgekehrt zur Spannung, welche am Widerstand R 1 liegt. Der Ausgang des Funktionsverstärkers OP1 ist an den invertierenden Eingang eines Funktionsverstärkers OP 2 angeschlossen, der als Inverter über einen ersten Widerstand R 3 eines Summierungsnetzwerkes, welches einen zweiten Widerstand R 4 aufweist, wirkt. Der Widerstand R 4 ist an eine Bezugsspannungsquelle V⁺REF und an den invertierenden Eingang des Invertierers OP 2 angeschlossen. Beim Betriebszustand, bei welchem die Lichtdurchlässigkeit 1,0 hat, ist die Bezugsspannung der Quelle V⁺REF so gewählt, daß OVoIt am invertierenden Eingang des Invertierers OP2 anliegen. Die Ausgangsspannung V₀ = 0 liegt dann am Ausgang des Inverters. Ein Widerstand R 5 ist zwischen den Ausgang des Inverters OP 2 und seinen invertierenden Eingang geschaltet, so daß die Verstärkung des Inverters festgelegt werden kann. Der nichtinvertierende Eingang des Funktionsverstärkers liegt an Masse.

Wenn die Lichtdurchlässigkeit des einstellbaren Filters 36 mit der Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapieres vor dem Einleiten des Gases in die Kammer nicht übereinstimmt, besitzt die Impedanz R 2 (Fotozelle 46) einen Wert, der von der Impedanz R 1 (Fotozelle 42) abweicht. Das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers OPl und damit des Inverters OP 2 weicht von Null ab. Dieser Ausgangswert wird an den invertierenden Eingang eines Funktionsverstärkers OP 3 über einen Widerstand R 6 weitergegeben, der als Komparator wirkt. Der nichtinvertierende Eingang des Funktionsverstärkers OP 3 liegt an Masse. Ein Widerstand R 7 ist zwischen den invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers und den Ausgang des Funktionsverstärkers geschaltet, um die Verstärkung des Funktionsverstärkers festzulegen. Der nichtinvertierende Eingang des Funktionsverstärkers OP 3 liegt an Masse. Der Ausgang des Funktionsverstärkers OP 3 ist mit dem Servomotor 54 (Fig. 1) über Kontakte RL-I eines Relais RL, das durch die Programmeinrichtung 52 (Fi g. 1) gespeist wird, verbunden. Der Funktionsverstärker OP 3 übernimmt die Funktion des Servoverstärkers 50 in der Fig. 1, welcher die automatische Nulleinstellung durchführt. Dieser Verstärker betätigt den Motor 54, der das einstellbare optische Filter 36 in Abhängigkeit von der Polarität der Fehlerspannung, welche am Ausgang des Funktionsverstärkers OP 2 erscheint, in die eine oder andere Richtung verdreht. Dies erfolgt bei Beginn eines jeden Meßvorgangs, der von der Programmeinrichtung 52 gesteuert wird.

Die Ausgangsspannung V_n des Funktionsverstärkers OP 2 des Fotozellenverstärkers kann direkt an den Differentiator 56 gelegt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Ausgansspannung einen erheblichen Anteil an nicht erwünschten Rauschanteilen enthält, welche bevorzugt durch ein Tiefpaßfilter beseitigt werden. Dieses Tiefpaßfilter enthält einen Funktionsverstärker OP 4 und ein Filternetzwerk zweiter Ordnung mit Widerständen R 8 und R 9 sowie Kondensatoren C1 und C 2. Die Widerstände R 8 und R 9 sind in Reihe geschaltet und liegen zwischen dem Ausgang des Funktionsverstärkers OP 2 und dem nich*invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers OP 4. Der Kondensator Cl ist zwischen den nichtnivertierenden Eingang des Funktionsverstärkers OP 4 und Masse geschaltet, während der Kondensator C 2 zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R 8 und R 9 sowie dem Aus-

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gang des Funktionsverstärkers OP 4 geschaltet ist. Der invertierende Eingang des Funktionsverstärkers ist mit seinem Ausgang verbunden. Die Werte der Widerstände R 8 und R 9 sowie der Kondensatoren C1 und C 2 hängen von der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters ab. Eine ausreichende Beseitigung der Rauschanteile läßt sich erzielen, wenn die Grenzfrequenz im Bereich von 0,1—2 Hz liegt.

Der Ausgangswert des Funktionsverstärkers OP1 wird außerdem an die Signalaufbereitungsschaltung 60 (F i g. 1) gelegt. Diese Schaltung enthält den Funktionsverstärker OP 5 und Widerstände R 10, R 11 und R 12. Der Widerstand R 10 ist mit einer Bezugsspannungsquelle V-REF sowie mit dem invertierenden F.ingang des Funktionsverstärkers OP 5 verbunden. Der Widerstand RW ist ein einstellbarer Widerstand, der zwischen den invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers OPS und den Ausgang des Funktionsverstärkers OP 2 geschaltet ist. Der Widerstand R 12 ist ein Rückkopplungswiderstand, der zwischen den Ausgang des Funktionsverstärkers OPS und den invertierenden Eingang dieses Verstärkers geschaltet ist. Die Signalaufbereitungsschaltung kompensiert Nichtlinearitäten, welche aus der Lichtdurchlässigkeit des Reagenzpapiers resultieren und welche in der F i g. 3 dargestellt sind. Wenn diese Nichtiinearitäten nicht kompensiert werden, kann der Differentiator 56 keine fortlaufende genaue Angabe der Konzentration der zu überwachenden Substanz, welche mit dem Reagenzpapier reagiert, wiedergeben.

Die Verwendung der Signalaufbereitungsschaltung 60, wie sie beispielsweise in der Fig. 4 dargestellt ist, und welche in der Rückkopplungsschleife des Fotozellenverstärkers zur Anwendung kommt, bewirkt, daß der Fotozellenverstärker eine Ausgangsspannung K₀ erzeugt, die folgende Charakteristik hat:

I ■ ---

\-REF{T-\) \+kT

In dieser Formel bedeuten:

I' REF- Spannung ;in der Signalaufbcreiiungsschaltung 1 „ = Ausgangsspannung des Fonv.cllenversiärkers T = Durchlässigkeit bzw. Verhältnis des Lichtes.

welches auf die Fonvollen 42 und 46 fällt , RIO

Aus der Fig. 5 ergeben sich eine Anzahl von Kurven, welche für verschiedene Werte von k unter Verwendung vonQuecksilber-lI-Bromid für das Reagenzpapier bei der Ermittlung von Arsen abgeleitet worden sind. Der Kurvenverlauf, der am meisten linear ist, entspricht einem Wert von k = 0,5. Diese Kurve ist bis zum Punkt B linear und entspricht einer Lichtdurchlässigkeit von T = 0,5.

Um die Ausgangsspannung linear zu machen, wird eine bekannte Konzentration der Substanz, die untersucht werden soll, in fortlaufende Reaktion mit dem Reagenzpapier gebracht. Die Verstärkung des Funktionsverstärkers wird durch den einstellbaren Widerstand Λ 11 so lange verändert, bis ein linearer Spannungsanstieg bei der Ausgansspannung erzielt wird.

Die Ausgangsspannung des Funktionsverstärkers OP 4 wird an den Differentiator gelegt, der einen Funktionsverstärker OP 6, einen Widerstand R 13 und einen Kondensator C 3 aufweist. Der Widerstand R 13 ist zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Funktionsverstärkers OP 6 geschaltet. Der Kondensator C 3 ist in Reihe mit dem Ausgang des Funktionsverstärkers OP 4 und dem invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers OP 6 geschaltet. Der nichtinvertierende Eingang des Funktionsverstärkers OP 6 liegt an Masse. Der Differentiator 56 enthält außerdem einen Widerstand R 14, der in Reihe mit dem Kondensator C 3 geschaltet ist. Ein Kondensator C 4 ist parallel zum Widerstand Λ 13 geschaltet. Der Widerstand R 14 und der Kondensator C 4 wirken als Tiefpaßfilter zur Unterdrükkung von Rauschanteilen. Das Verhältnis von R 13 zu R 14 beträgt bevorzugt 100 oder mehr. In bevorzugter Weise hat der Kondensator C 3 etwa die hun-

dertfache Kapazität vom Kondensator C 4.

Die Farbflecken auf dem Reagenzpapier zersetzen sich bzw. verblassen im Laufe der Zeit um einen bestimmten Betrag. In bevorzugter Weise kommt daher eine Kompensation dieser Zersetzung zur Anwendung. Die entsprechende Kompensationsschaltung enthält Widerstände R 15 und R 16 sowie einen einsieiibäiefi Widerstand R J7. Die Widerstände R !5 und R 17 wirken als Spannungsteiler, wobei ein Teil der Spannung V_n über den Widerstand R 16 an den nichtinvertierenden Eingang des Funktionsverstärkers OP 6 gelegt wird. Der Wert des Widerstandes R 16 ist bevorzugt der gleiche wie der des Widerstandes R 13, so daß die Teilspannung aus V₀, welche durch das Verhältnis von R 15 zu R Π bestimmt

J5 wird, am Ausgang des Funktionsverstärkers mit umgekehrter Polarität vorhanden ist. Die Kompensationsschaltung kann durch Stoppen der Gaszirkulation nach einer merklichen Verfärbung des Reagenzpapieres eingestellt werden. Ohne Kompensation be-

steht die Gefahr, daß die Ausgangsspannung des Differentiators unter 0 fällt aufgrund des Verblassens der Farbe auf dem Reagenzpapier, welche auf Zersetzung zurückzuführen ist. Der einstellbare Widerstand R 17 wird so eingestellt, daß die Ausgangsspannung des Differentiators auf Null zurückgeht.

Im vorstehenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert worden. Gegenüber diesem Ausführungsbeispiel abgeänderte Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann die

so Signalaufbereitungsschaltung eine andere Ausbildung besitzen als die im vorstehenden beschriebene Ausführungsform. Zwischen dem Differentiator und den Fotozellenverstärker können Operationsverstärker mit exponentieller Funktion geschaltet werden, welche für einen geradlinigen Kurvenverlauf, wie in F i g. 3 gezeigt, sorgen. Die erzeugte lineare Funktion kann dann mit Hilfe eines einfachen Differentiators differenziert werden. Dieser Differentiator gibt dann eine ständige Anzeige der Konzentration des Gases, welches mit dem Reagenzpapier reagiert, an. Es können auch andere Arten von Einstellschaltungen für die automatische Nulleinstellung verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einem Gasstrom mit

— einer Meßkammer zur Aufnahme eines Reagenzpapiers, das während eines Meßvorgangs in Ruhestellung gehalten ist und sich verfärbt, wenn es mit einer bestimmten Substanz eines durch die Meßkammer zirkulierenden Gases in Berührung kommt,

— einer Lichtquelle,

— Ablenkmitteln, welche den von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahl auf das in der Meßkammer befindliche Reagenzpapier richten,

— einer lichtempfindlichen Einrichtung,, welche auf den Verfärbungsgrad des Reagenzpapiers anspricht und

— einem Verstärker, der mit der lichtempfindliehen Einrichtung verbunden ist und ein Ausgangssignal vorsieht, das sich mit der Verfärbung des Reagenzpapiers ändert,

dadurch gekennzeichnet, daß

— an den Verstärker (48) eine Signalaufbereitungsschaltung (60) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine lineare Funktion der sich ansammelnden zu überwachenden Substanzmenge ist, die mit dem Reagenzpapier in Berührung kommt, angeschlossen ist und

— ein Differentiator (56) in Abhängigkeit von diesem Ausgangssigna' ein dem augenblicklichen Konzentrationswert der zu überwachenden Substanz entsprechendes Ausgangs- « signal bildet.