DE4237167C2 - Vorrichtung zum geregelten Beheizen einer Ionenquelle eines thermionischen Detektors - Google Patents
Vorrichtung zum geregelten Beheizen einer Ionenquelle eines thermionischen DetektorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum geregelten Beheizen einer Ionenquelle eines
thermionischen Detektors, bei welcher die Ionenquelle von einer dotierten Perle (10) auf
einem Draht (12) gebildet ist, welche durch Hindurchleiten von elektrischem Strom
beheizbar ist.
Zur Erfassung von Stickstoff und Phosphor in der Gaschromatographie werden
thermionische Detektoren benutzt. Ein solcher thermionischer Detektor enthält eine
beheizte Ionenquelle mit einer Glasperle, die ein Alkalimetall wie Rubidium oder Cäsium
enthält. Die Glasperle ist auf einem Platindraht gebildet und am Ausgang einer
gaschromatischen Trennsäule angeordnet. Die Glasperle ist beheizt und bildet dadurch
eine Quelle von Alkalimetallionen. Bei Verwendung als Stickstoffdetektor in der
Gaschromatographie muß die Spannung an der Glasperle auf eins zu
fünfundzwanzigtausend (1 : 25 000) oder besser stabil sein bei einer Systemzeitkonstante
von 50 msec, um die gewünschte Nachweisgrenze zu erhalten.
Ein bekanntes Verfahren zum Heizen der Detektor-Glasperle benutzt eine Gleichstrom-
Regelung. Ein gewünschter Strom von ungefähr 5 Ampere durch die Glasperle
kombiniert mit einer an der Glasperle abfallenden Spannung von 0,7 Volt führt zu einem
Leistungsbedarf der Glasperle von 3 bis 3,5 Watt. Um das zu erreichen, ist es notwendig,
von einer 5 Volt-Stromversorgung auszugehen. Das ist sehr ineffizient, da der
Stromversorgungs-Transformator ungefähr 50 Watt an der Primärseite erfordert, um die
benötigten 3,5 Watt an der Glasperle zu erzielen. Es ist nicht nur die Schaltung
ineffizient, sondern es sind auch sperrige Bauteile erforderlich, um die Wärme abzuleiten.
Eine andere bekannte Lösung benutzt einen Transformator, der mit der Glasperle und
dem Draht in einer Steuerung wechselstromgekoppelt ist. Der Spannungsabfall an dem
Draht und der Glasperle wird nicht gemessen. Statt dessen werden die dem
Transformator zugeführten elektrischen Impulse gemessen. Es ist jedoch keine
Rückführung vorgesehen. Dementsprechend ist diese Anordnung sehr empfindlich gegen
jede Induktanz in der Schaltung. Das macht die mechanische Konstruktion schwierig.
Weiterhin ist die Wechselstromkopplung ineffizient. Die Konstruktion gestattet keine
Kompensation von Änderungen der Umgebungstemperatur in dem Transformator oder
der Last.
Die US 4,928,033 beschreibt eine Ionenquelle für einen thermionischen Detektor, bei
welchem ein Gemisch von Na2O 5 Al2O3 und einem inerten Material wie Holzkohle auf
einer Heizwendel zum Beheizen des Gemisches angeordnet ist. Die Heizwendel wird von
einer Batterie gespeist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizschaltung für die
Ionenquelle eines thermionischen Detektors zu schaffen, welche einen verbesserten
Wirkungsgrad und weniger mechanische, konstruktive Beschränkungen zeigt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
- a) einen Transformator, der eine Primärwicklung mit Mittenanzapfung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Perle mit dem Draht an der Sekundärwicklung des Transformators anliegt,
- b) Mittel zur Erzeugung einer vorgegebenen Referenz-Gleichspannung,
- c) Mittel zur Erzeugung einer Meß-Gleichspannung, die von dem Spannungsabfall an der Ionenquelle (10, 12) abgeleitet ist,
- d) einen Pulsbreitenregler, über welchen elektrische Impulse alternierend auf die eine und die andere der beiden Hälften der Primärwicklung mit Mittenanzapfung aufschaltbar sind und dessen Impulsformen von der Differenz von Meß- und Referenz-Gleichspannung als Regelabweichungssignal gesteuert sind.
Nach der Erfindung wird somit eine Pulsbreitenmodulation benutzt, um einen im
Gegentakt arbeitenden Transformator anzusteuern. Der Transformator heizt die dotierte
Perle. Eine aus dem Spannungsabfall an der Perle abgeleitete Meß-Gleichspannung wird
als Rückführung benutzt, welche den Pulsbreitenregler steuert.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Heizschaltung für eine Ionenquelle eines
Detektors für die Gaschromatographie.
Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild und zeigt die Schaltung von Fig. 1 im
einzelnen.
In Fig. 1 ist eine Glasperle 10 eines NPD (Stickstoff-Phosphor-Detektors) dargestellt, die
auf einem kurzen Stück von Platindraht 12 sitzt und als Ionenquelle in einem
thermionischen gaschromatographischen Detektor dient. Bei einem solchen Detektor
kann der Platindraht einen Durchmesser von 0,178 mm und eine Länge von 5 mm haben.
Die Glasperle wird beheizt, indem der Spannungsabfall an dem Platindraht 12 geregelt
wird. Die Glasperlenspannung wird erzeugt durch eine von zwei Windungen gebildete
Sekundärwicklung 14 eines Glasperlen-Transformators 16. Der Glasperlen-
Transformator 16 hat einen torischen Kern, auf den auch eine mit einer Mittenanzapfung
versehene Primärwicklung 18 von 60 Windungen gewickelt ist. Die Primärwicklung wird
von einem pulsbreitenmodulierenden Regler von 40 kHz gespeist. Die Glasperle ist
vorgespannt, indem die potentialfreie Sekundärwicklung 14 des Transformators an eine -
36 Volt-Gleichspannungsquelle 22 geklemmt ist. Die andere Seite der Sekundärwicklung
14 ist über einen Kondensator 24 wechselstrommäßig mit einem Effektivspannung zu-
Gleichspannung Wandler 26 gekoppelt.
Das nominal 1 Volt-Signal Effektivspannung von der Glasperle 10 wird durch den
Effektivspannung-zu-Gleichspannung Wandler 26 in ein 5 Volt Gleichspannungs-Signal
gewandelt. Ein Potentiometer 28 wird so eingestellt, daß sein Schleifer 30 den
gewünschten Sollwert für die Glasperlenspannung liefert. Dieser Sollwert wird mit der
tatsächlichen Glasperlenspannung verglichen, die von dem Wandler 26 angelegt wird.
Die Differenz wird von einem integrierenden Regelabweichungs-Verstärker 32 integriert.
Der Ausgang des integrierenden Regelabweichungs-Verstärkers 32 steuert die
pulsbreitenmodulierende Regelschaltung 20, welche die mit einer Mittenanzapfung
versehene Primärwicklung 18 des im Gegentakt arbeitenden Transformators 16 speist.
Eine genauere Beschreibung der Vorrichtung ist nachstehend unter Bezugnahme auf das
schematische Schaltbild von Fig. 2 gegeben. Der Effektivspannung-zu-Gleichspannung
Wandler 26 ist ein Analog Devices Model AD536A. Der pulsbreitenmodulierende Regler
20, der den integrierenden Regelabweichungs-Verstärker 32 einschließt, ist Teil Nr.
UC3825 von Unitrode.
Das nominell 1 Volt-Signal Effektivspannung von dem Kondensator 24 wird von dem
Effektivspannung-zu-Gleichspannung Wandler 26 in ein 5 Volt Gleichspannungs-Signal
umgesetzt. Der Kondensator 37 legt dabei die Zeitkonstante für die Mittelwertbildung
fest. Widerstand 34 und Trimmpotentiometer 36 legt einen Verstärkungsgrad von 5 fest.
Dieser Ausgang ist somit äquivalent zu der Spannung an der Glasperle 10, ist aber
skaliert. Der Regelabweichungs-Verstärker 32 vergleicht das skalierte
Glasperlenspannungs-Signal auf Leitung 38 mit dem von dem Schleifer 30 des
Potentiometers 28 gelieferten Sollwert und integriert die Differenz. Der
Verstärkungsgrad des Integrators und die Zeitkonstante werden durch die Widerstände
39, 41 und den Kondensator 43 festgelegt. Der Schwellwert-Widerstand 40 verhindert,
daß Steuerpulse erzeugt werden, bevor der Sollwert 0,75 Volt überscheitet. Ein
Weichstart-Kondensator 42 hält den pulsbreitenmodulierenden Regler 20 nach einer
Rücksetzung abgeschaltet, bis der Weichstart-Kondensator 42 auf ungefähr 1 Volt oder
höher aufgeladen worden ist. Ein Kondensator 44 gewährleistet eine Entkopplung für die
interne Logikversorgung. Eine Filterschaltung mit einem Widerstand 46 und einem
Kondensator 48 entkoppeln die Stromversorgung für den Gate-Strom (Vc). Ein
Widerstand 50 und Kondensator 52 stellen den internen Oszillator auf etwa 80 kHz ein.
Eine Filterschaltung mit einem Widerstand 54 und einem Kondensator 56 verhindert, daß
die Einschalt-Stromspitze der HEXFETs 58, 60 die Strombegrenzer- oder Stromabschalt-
Schutzmaßnahmen des Reglers zum Ansprechen bringt.
Wenn man annimmt, daß die NPD Glasperle 10 einen 50% Ein-Aus-Arbeitszyklus
erfordert, schaltet der Ausgang A des pulsbreitenmodulierenden Reglers 20 eine
Spannung von 15 Volt für 6,25 Mikrosekunden ein und dann für 18,75 Mikrosekunden
aus. Der Ausgang B tut das gleiche, ist aber um 12,5 Mikrosekunden (eine Periode)
verzögert. Der Puls von Ausgang A zum Gate des HEXFET 58 macht dieses leitend.
Infolgedessen werden die +24 Volt Gleichspannung von der Spannungsquelle 72 über
eine Hälfte der Primärwicklung 18 mit Erde verbunden. Das führt zu einem +1,5 Volt-
Peak von der die Glasperle 10 treibenden Sekundärwicklung 14. Ein ähnliches Resultat
ergibt sich, wenn die andere Hälfte der Primärwicklung 18 in der klassischen Gegentakt-
Konfiguration über HEXFET 60 geerdet wird. Die sich resultierende Sekundärspannung
wird der die Glasperle vorspannenden -36 Volt Gleichspannung von der Spannungsquelle
22 überlagert, welche das Potential der Sekundärwicklung bestimmt.
Im leitenden Zustand wird der Strom in der Primärwicklung 18 auf ungefähr 2 Ampere
begrenzt, indem die an der parallelen Summe der Widerstände 62, 64 auftretende
Spannung abgegriffen wird. Ungefähr 25% der an den Widerständen 62, 64 auftretenden
Spannung wird über Widerstände 66, 68 und einen Kondensator 70 zurückgeführt, um
die Symmetrie benachbarter Pulse zu regeln. Diese Bauteile liefern auch eine
Rampenspannung für den Regler 20, indem die an dem Kondensator 52 auftretende
Spannung abgegriffen wird. Die Rampenspannung baut sich auf bis sie einen Wert von
1,25 Volt unter dem Wert der Spannung am Ausgang des Regelabweichungs-Verstärkers
32 erreicht. In diesem Punkt wird der Puls abgebrochen. Dementsprechend wird die
Zeitspanne, während welcher jede Hälfte der Primärwicklung 18 des Transformators 16
gegen Erde kurzgeschlossen ist, durch die Zeitspanne bestimmt, welche die
Rampenspannung benötigt, um die Regelabweichungs-Spannung zu erreichen. Somit
wird die Länge der Pulse durch den integrierenden Regelabweichungs-Verstärker
bestimmt, aber die Symmetrie der Pulse wird durch den pulsbreitenmodulierenden Regler
selbst hergestellt.
Die beschriebene Anordnung kann in verschiedener Weise abgewandelt werden.
Beispielsweise wäre es möglich, zusätzlich zur Messung des Spannung an der Glasperle
den Strom in der Primärwicklung des Transformators zu messen. Auf diese Weise könnte
das beschriebene Verfahren benutzt werden, um die Verlustleistung der Glasperle zu
regeln. Die Verlustleistung von Draht und Glasperle könnte (statt der Wechselspannung
an der Glasperle) mit der Referenzspannung zur Erzeugung des Regelabweichungs-
Signals verglichen werden. Tatsächlich könnten viele andere elektrische Eigenschaften
mit der Referenzspannung zur Erzeugung des Regelabweichungs-Signals verglichen
werden. Diese könnten beispielsweise einschließen: Sekundärstrom, Primärstrom,
Leistung (Sekundärstrom mal Sekundärspannung) oder Widerstand (Sekundärspannung
geteilt durch Sekundärstrom). Diese Größen sind im Sinne der Erfindung von der an der
Ionenquelle abfallenden Spannung abgeleitet.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum geregelten Beheizen einer Ionenquelle eines thermionischen
Detektors, bei welcher die Ionenquelle von einer dotierten Perle (10) auf einem
Draht (12) gebildet ist, welche durch Hindurchleiten von elektrischem Strom
beheizbar ist, gekennzeichnet durch
- a) einen Transformator (16) der eine Primärwicklung (18) mit Mittenanzapfung und eine Sekundärwicklung (14) aufweist, wobei die Perle (10) mit dem Draht (12) an der Sekundärwicklung (14) des Transformators (16) anliegt,
- b) Mittel (28, 30) zur Erzeugung einer vorgegebenen Referenz-Gleichspannung,
- c) Mittel (24, 26) zur Erzeugung einer Meß-Gleichspannung, die von dem Spannungsabfall an der Ionenquelle (10,12) abgeleitet ist,
- d) einen Pulsbreitenregler (20), über welchen elektrische Impulse alternierend auf die eine und die andere der beiden Hälften der Primärwicklung (18) mit Mittenanzapfung aufschaltbar sind und dessen Impulsformen von der Differenz von Meß- und Referenz-Gleichspannung als Regelabweichungssignal gesteuert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Erzeugung der Meß-Gleichspannung einen Wandler (26) zur Umwandlung des
Effektivwertes (RMS) der Wechselspannungskomponente dieser Spannung in eine
die Meß-Gleichspannung bildende Gleichspannung aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (26)
einen Effektivwert der an der Ionenquelle (10, 12) abfallenden Wechselspannung
von 1 Volt in eine Meß-Gleichspannung von 5 Volt umsetzt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Erzeugung der Meß-Gleichspannung Mittel (24) zur Unterdrückung der
Gleichspannungskomponente der an der Ionenquelle abfallenden Spannung am
Eingang des Wandlers (26) aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Unterdrückung der Gleichspannungskomponente von einem Kondensator (24)
gebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zur Erzeugung der Referenz-Gleichspannung ein Potentiometer (28) mit
einem Schleifer (30) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meß-Gleichspannung und die Referenz-Gleichspannung auf einen integrierenden
Regelabweichungsverstärker (32) aufgeschaltet sind, welcher das
Regelabweichungssignal als Differenz von Meß- und Referenzgleichspannung
bildet und integriert und dessen Ausgangssignal auf den Pulsbreitenregler (20)
aufgeschaltet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Draht (12) ein Platindraht ist, welcher einen Durchmesser von 0,178 mm und eine
Länge von 5 mm besitzt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Pulsbreitenregler (20) mit einer Frequenz von 40 kHz arbeitet.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Transformator (16) ein Transformator mit Toroidkern ist, der eine Primärwicklung
(18) mit Mittenanzapfung von 60 Windungen und eine galvanisch entkoppelte
Sekundärwicklung (14) von zwei Windungen aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) eine Seite der Sekundärwicklung (14) mit einer Spannung von -36 Volt zur Polarisierung der Perle (10) verbunden ist und
- b) die an der Perle (10) und dem Platindraht (12) abfallende Spannung über einen Kondensator (24) ausgekoppelt ist.
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| US5475202A (en) | 1995-12-12 |
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