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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zeitlichen Integration
von variablen, wellenförmigen Spannungs- oder Strommeßwerten durch Umsetzung des
Meßwertes in eine dazu proportionale Impulszahl unter Verwendung eines Meßwert-Frequenz-Umsetzers,
mit dessen Ausgangsimpulsen ein Zähler beaufschlagt wird.
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Es ist bekannt, einen als elektrische Spannung erhaltenen Meßwert
dadurch zeitlich zu integrieren, daß man die Spannung mittels eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers
in eine dazu proportionale Impulszahl umsetzt und die Anzahl der erhaltenen Impulse
zählt.
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Es sind Meßwandler bekannt, die als Ausgangssignal ein wellenförmiges
Strom- oder Spannungssignal liefern, bei dem sowohl die Zeitpunkte des Auftretens
an Amplitudenmaxima sowie auch die Zeitintegrale der Meßwerthalbwellen bestimmte
Informationen darstellen. So fällt insbesondere bei der chromatographischen Analyse
von Substanzen ein wellenförmig sich ändernder Meßwert an, wobei die zeitliche Lage
der Amplitudenmaxima Aufschluß über die qualitative Zusammensetzung und die Zeitintegrale
der Meßwerthalbwellen Aufschluß über die quantitative Zusammensetzung der zu untersuchenden
Substanz geben.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß der Zähler die Zeitintegrale aufeinanderfolgender
Meßwerthalbwellen anzeigt und gegebenenfalls auch der Zeitpunkt des Auftretens der
Amplitudenmaxima angezeigt wird.
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Diese Aufgabe wird nun durch eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen auf die Änderungsgeschwindigkeit
des Meßwertes ansprechenden Detektor, der mit dem Meßwert beaufschlagt ist und über
eine logische Steuerschaltung mit dem Zähler verbunden ist, derart, daß der Zähler
beim Übergang der Meßwertänderungsgeschwindigkeit von Null zu einem positiven Wert
eingeschaltet und beim Übergang vom negativen Wert zu Null wieder ausgeschaltet
wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird also erreicht, daß
der Zähler automatisch eine Anzeige des Integrals jeder Meßwerthalbwelle liefert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erfassung des Auftrittszeitpunktes
der Amplitudenmaxima des Meßwertes ein an einen Zeitgeber angeschlossener Zeitzähler
vorgesehen, dessen Zählinhalt unter Steuerung durch die logische Steuerschaltung
beim Übergang der Meßwertänderungsgeschwindigkeit von Null zu negativen Werten zur
Verfügung steht. Dadurch läßt sich also der Zeitpunkt des Auftretens des Amplitudenmaximums
bei jeder Meßwerthalbwelle zeitlich feststellen.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung stehen Zähler und Zeitzähler mit
einem elektronischen Speicher in Verbindung, in dem der Zählinhalt der Zähler unter
Steuerung durch die logische Steuerschaltung speicherbar ist. Dem Speicher ist vorzugsweise
eine Abtastschaltung zugeordnet, durch welche der Inhalt des Speichers einem Zifferdrucker
zugeführt werden kann. Damit wird ein Ausdrucken sowohl des Zeitintegrals als auch
des Zeitpunktes des Auftretens des Amplitudenmaximums von aufeinanderfolgenden Meßwerthalbwellen
ermöglicht.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung und Fig.
2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des zeitlichen Verlaufes eines Meßwertes,
der der Vorrichtung nach der Erfindung zugeführt wird.
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In Fig. 1 sind die in der Vorrichtung nach der Erfindung verwendeten
verschiedenen elektrischen Komponenten in Blockform dargestellt, da es sich bei
jeder Komponente um eine bekannte elektrische Einheit handelt. Das Ausgangssignal
eines Chromatographen 10 oder eines anderen Meßwandlers als Signalquelle wird vorzugsweise
in einem Vorverstärker 12 verstärkt, damit es der Eingangsempfindlichkeit eines
als Integrator vorgesehenen Meßwert-Frequenz-Umsetzersl4 angepaßt wird. Durch Verwendung
des Vorverstärkersl2 kann der Arbeitsbereich nach niedriger Spannung hin ausgedehnt
werden, beispielsweise auf einen Spannungsbereich von 5 Millivolt, 1 Millivolt oder
sogar einem Bruchteil eines Millivolts. Der Vorverstärker 12 kann weggelassen werden,
falls der Umsetzer 14 nur innerhalb des normalen 50 Millivolt umfassenden Bereiches
betrieben werden soll.
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Das Ausgangssignal der Signalquelle 10 wird über den Vorverstärker
12 oder unmittelbar über eine Leitung 17 dem Umsetzerl4 sowie über eine Leitung
18 einem auf die Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals ansprechenden Detektor
16 zugeführt.
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Der Umsetzer 14 ist vorzugsweise ein mit Festkörperbauelementen bestückter
Spannungs-Frequenz-Umsetzer. Es können jedoch auch andere Einrichtungen zur Umsetzung
der Eingangsspannung in eine Impulsfolge verwendet werden, deren Frequenz genau
proportional zur Amplitude derEingangsspannung ist. Dies wird vorzugsweise mit Festkörperbauelementen
oder Transistoren in der üblichen Weise erreicht. Jeder vom Umsetzer 14 kommende
und durch eine geeignete elektrische Leitung 19 fließende Impuls entspricht also
einer bestimmten Anzahl von Mikrovoltsekunden am Ausgang der Signalquelle 10.
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Die Impulse werden vom Umsetzer 14 über die Leitung 19 einem elektronischen
Zähler 20 zugeführt, dessen Arbeitsweise durch den Detektor 16 und eine logische
Steuerschaltung 22 bestimmt wird. Beim Zähler 20 handelt es sich vorzugsweise um
einen sechsziffrigen elektronischen Summenzähler konventioneller Bauart. Die während
eines gegebenen Zeitintervalls im Zähler 20 angesammelte Impulsmenge ist proportional
zum Zeitintegral des von der Signalquelle, z. B. einem Chromatographen 10 kommenden
Signals. Beim Zähler 20 kann es sich um einen Zähler mit neun Dekaden handeln, wobei
sechs Ziffern zum Zählen der vom Umsetzer 14 kommenden Impulse und drei Ziffern
zur Anzeige des Zeitpunktes verwendet werden, zu dem die Amplitude jeder Welle in
einem bestimmten Wellenzug den Höchstwert aufweist.
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Beim Detektor 16 handelt es sich um ein differenzierendes Netzwerk,
durch welches die Änderungsgeschwindigkeit einer bestimmten Kurve oder Wellenform
festgestellt werden kann. Ein differenzierendes Netzwerk kann aus einem einzigen
Kondensator und einem einzigen Widerstand hergestellt werden. Das differenzierende
Netzwerk kann auch Schalter enthalten, mit deren Hilfe die Werte der elektrischen
Bauelemente und dadurch der Arbeitsbereich des differenzierenden Netzwerkes geändert
werden können. Weiterhin können ein Nachverstärker und ein Vorverstärker oder irgendeine
Impedanzanpassungseinrichtung
vorhanden sein. Derartige differenzierende
Netzwerke enthalten zwei Magnetverstärker, die in bekannter Weise geschaltet sind
und die inderungsgeschwindigkeiten im Wellenzug anzeigen.
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Durch den Detektor 16 wird also festgestellt, ob die Änderungsgeschwindigkeit
des zugeführten Signals Null ist, zunimmt oder abnimmt. Diese Information wird der
logischen Steuerschaltung 22 zugeführt, die in herkömmlicher Weise aus Relais üblicher
Bauart aufgebaut ist. Der Detektor 16 und die logische Steuerschaltung 22 sind durch
elektrische Leitungen 25 miteinander verbunden.
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Die Vorrichtung enthält einen Zeitgeber26, bei dem es sich vorzugsweise
um einen Synchronmotor handelt, der pro Sekunde einen Impuls liefert. Der Zeitgeber
26 steht über eine geeignete Leitung 29 mit einem Zeitzähler 28 in Verbindung, bei
dem es sich um einen Teil des Zählers 20 handelt, der die obenerwähnten drei Ziffern
aufweist. Der Zeitzähler 28 ist als eigene Einheit dargestellt, da er vom Zähler
20 getrennt ist. Beim Zeitzähler 28 handelt es sich also um einen dreiziffrigen
elektronischen Summenzähler, der die Impulse vom Zeitgeber 26 summiert und periodisch
über Verbindungsleitungen 31 einem Speicher 30 zuführt. Die Zeitpunkte, zu denen
der Zähler 28 seinen Inhalt an die Speicher 30 abgibt, werden durch die logische
Steuerschaltung 22 festgelegt, die über Leitungen 27 mit dem Zähler 28 verbunden
ist. Wie bereits erwähnt wurde, besteht die logische Steuerschaltung 22 vorzugsweise
aus Relais, es kann jedoch auch eine Steuerschaltung Verwendung finden, in der Transistoren
oder andere geeignete Schaltkreise zur logischen Steuerung verwendet werden.
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Die logische Steuerschaltung 22 steht über Leitungen 33 mit dem Speicher
30 in Verbindung. Bei dem Speicher30 handelt es sich um eine übliche elektronische
Baueinheit, die aus einem Thyratron-Pufferspeicher besteht, in dem neun Dekaden
von binär verschlüsselten Dezimalziffern gespeichert werden können. Bei der Vorrichtung
nach der Erfindung erfolgt das Ausdrucken oder die Registrierung der Aufzeichnungen
nicht unmittelbar vom Zähler 20 und Zeitzähler 28, sondern über den Speicher 30,
da die Zähler 20 und 28 mit viel höherer Geschwindigkeit arbeiten als die üblichen
Ausdrucker. Jede Dekade des Speichers 30 kann aus vier Ein-Aus-Schalteinrichtungen
bestehen, beispielsweise Thyratrone oder Flip-Flops, welche durch die vom Zähler
20 angezeigten binär verschlüsselten Dezimalsymbole betätigt werden, um den Wert
der ganzen Zahl durch den Leitungszustand der Thyratrone so lange zu speichern,
bis der Ausdrucker die Zahl aufnehmen und auf einen Streifen oder sonstwie ausdrucken
kann. An den Zähler 20 können zusätzliche Dekaden mit vier ähnlichen Spaltungselementen
angeschlossen werden, so daß dann neun Dekaden für die Speicherung numerischer Daten
des Zählers 20 und des Zeitzählers 28 zur Verfügung stehen. Die Art, wie eine derartige
Schaltung aufgebaut wird, liegt im Rahmen des Fachkönnens des Durchschnittsfachmanns.
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Der Speicher 30 steht über Leitungen 37 mit einer Abtasteinheit 36
in Verbindung. Die Abtasteinheit besteht aus einem Vielfachschrittschalter herkömmlicher
Konstruktion, der die Thyratronröhren des Speichers 30 Ziffer für Ziffer abtastet.
Ein solcher Schrittschalter kann neun Kontaktebenen mit jeweils vier Kontakten aufweisen,
wobei die Kontakte elek-
trisch mit den Ausgangsklemmen der Thyratrone des Speichers
30 in Verbindung stehen und zur Feststellung des Leitungszustandes der Thyratrone
dienen. Der Schrittschalter liefert binär verschlüsselte Dezimalausgangssignale,
die unmittelbar in einer Registrier- oder Anzeigeeinrichtung verwendet werden können.
Die Signale können dabei unmittelbar an den Abgreifarmen des Schrittschalters abgenommen
werden. Bei anderen Dezimalanzeigen liefernden numerischen Anzeigeeinrichtungen
kann die Abtasteinheit36 geeignete Relais oder andere elektrische Schaltungen enthalten,
um das binär verschlüsselte Dezimalausgangssignal in ein numerisches Ausgangssignal
in Form von Dezimalzahlen zu liefern. Beispielsweise könnten vier Relais mit jeweils
zehn Kontaktsätzen an die jeweils einer Dekade zugeordneten und von den Abgreiferarmen
des Schrittschalters gebildeten vier Ausgängen derart angeschlossen werden, daß
zehn Ausgangssignale entstehen, die durch entsprechende Schaltung durch binäre Addition
nach Betätigung der Relais dekodiert werden. Die Schrittschalter liefern also ein
binär verschlüsseltes Dezimalausgangssignal, das unmittelbar verwendet werden kann,
falls der Inhalt des Datenzählers und des Zeitzählers auf Lochstreifen oder Lochkarten
registriert werden soll. Soll jedoch der Inhalt auf ein Rechenmaschinenband gedruckt
werden, dann enthält die Abtasteinheit 36 die obenerwähnten Relais oder eine sonstige
Einrichtung zum Umsetzen des binär verschlüsselten Dezimalausgangssignals in ein
numerisches Ausgangssignal, der über die Leitungen 39 einem Zifferdrucker 40 zugeführt
wird. Der Drucker40 ist eine normale Rechen- oder Addiermaschine mit den üblichen
zehn Tasten, von denen jede durch eine Magnetspule betätigt wird. Die logische Steuerschaltung
22 steht über die Leitungen 41 mit der Abtasteinheit 36 und über die Leitungen 43
mit dem Zifferdrucker 40 in Verbindung.
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Die vom Chromatographen oder einem Meßwandler 10 gelieferten und
dem Eingang der Vorrichtung nach der Erfindung zugeführten Signale können die in
Fig.2 dargestellte Form aufweisen.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, besteht das Ausgangssignal aus Wellen
W-1 und W-2, deren Amplitude und Form sich ändern kann. Zwischen den Wellen können
Nullstellen Z-1, Z-2 und Z-3 liegen. Jede Welle besitzt ein Amplitudenmaximum. In
F i g. 2 ist das Amplitudenmaximum für die Welle W-1 mit PW-1 und das Amplitudenmaximum
für die Welle W-2 mit PW-2 bezeichnet.
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Wenn das Signal gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Vorverstärkers
12 dem Umsetzer 14 und dem Detektor 16 zugeführt wird, werden die Amplitudenänderungen
des Signals im Umsetzer 14 in Impulse umgesetzt. Wie bereits erläutert wurde, nimmt
die Impulsfrequenz bei Zunahme der Amplitude zu und bei Abnahme der Amplitude ab.
Die mit veränderlicher Frequenz auftretenden Impulse werden über die Leitung 19
dem Zähler 20 zugeführt und so lange gezählt, wie der Zähler 20 von der logischen
Steuerschaltung 22 in Tätigkeit gehalten wird. Der Zähler 20 wird von der logischen
Steuerschaltung 22 eingeschaltet, wenn der Detektor 16 feststellt, daß die Neigung
des Signals über Null ansteigt. Am PunktS-1 der Welle W-1 zeigt also der Detektor
16 eine zunehmende Steigung an, so daß daraufhin die logische Schaltung 22 über
die Leitung 21 den Zähler 20 in Tätigkeit setzt. Die über die
Leitung
19 vom Umsetzer 14 kommenden Impulse werden daher beginnend vom Punkt S-1 in Fig.
2 gezählt.
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Wenn sich die Änderungsgeschwindigkeit des Signals 10 von Null nach
einem negativen Wert hin ändert, wird dies vom Detektor 16 der logischen Steuerschaltung
22 signalisiert, wodurch der Inhalt des Zeitzählers 28, der die seit Beginn einer
Messung oder eines Signals verstrichene Zeit in Sekunden angibt, in einen Abschnitt
des Speichers 30 übergeführt wird.
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Wenn die Amplitude des Eingangssignals gegen Null abnimmt, was bei
der Welle W-1 bei A-1 und bei der Welle W-2 bei A-2 der Fall ist, liefert der Detektor
16 ein Signal an die logische Steuerschaltung 22, welche dann bewirkt, daß der Zähler
20 stillgesetzt und der Inhalt des Zählers 20 sofort in den Speicher 30 übergeführt
wird. Der Zähler 20 wird dann zurückgestellt, so daß der Umsetzerl4 dann, beginnend
mit dem PunktS-;, mit der Integration der nächsten Welle W-2 beginnen kann.
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Dieses Arbeitsspiel wird bei jeder Welle des der Vorrichtung nach
der Erfindung zugeführten Signals durchgeführt.
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Die Abtasteinheit 36 tastet den Speicher 30 ab und gibt an den Zifferdrucker
40 mit einer der Arbeitsgeschwindigkeit des Zifferdruckers 40 entsprechenden Geschwindigkeit
die Daten und Zeitwerte für jede Welle ab. Auf diese Weise wird der Zeitpunkt T-1
und die bis zum ZeitpunktA-1 für die erste Welle W-1 gezählte Integrationsfläche
vom Zifferdrucker4Q auf eine Zeile des Druckstreifens ausgedruckt. Dic ersten sechs
Ziffern der Zeile geben die Fläche unter der Welle W-1 an, während die letzten drei
Ziffern den Zeitpunkt des Auftretens des Amplitudenmaximums PW-i angeben. Diese
Information wird für jede Welle auf eine eigene Zeile gedruckt.
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Nachdem die Abtasteinheit 36 die Information an den Zifferdrucker
40 abgegeben hat, wird der Speicher 30 zurückgestellt.
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Vorzugsweise wird das Ausdrucken auf einen Druckstreifen unter Verwendung
einer Rechenmaschine durchgeführt, die eine Taste zur Summierung aller eingegebenen
Werte besitzt, welche nach Beendigung z. B. einer chromatographischen Messung gedruckt
wird, so daß dann die gesamte integrierte Fläche festgestellt werden kann.
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Wie bereits dargelegt worden ist, kann der Zifferdrucker weggelassen
werden und die sich auf die Fläche unter jeder Welle und den Zeitpunkt des Auftretens
einer Amplitudenspitze beziehende Information auf Lochkarten, Lochstreifen oder
auf Magnettonband aufgezeichnet werden. Derartige Aufzeichnungseinrichtungen sind
bekannt.