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Verfahren zur Erfassung und Vorverarbeitung elektrischer Signalfolgen
für die On-line Übermittlung an einen DiitalrechnerW Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Erfassung, Vorverarbeitung und Übermittlung von Daten aus zeitlich
beliebig aufeinanderfolgenden elektrischen Signalen wechselnder Porm und Intensität,
die zur Auswertung im On-line Betrieb an einen Digitalrechner übertragen werden.
Das im folgenden beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Übertragung
schnellregistrierter hochaufgelöster Massenspektren, deren Informationsinhalt zu
physikalischen und chemischen Analysen herangezogen werden soll.
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Die Auswertung elektrischer Signalfolgen mit Hilfe der elektronischen
Datenverarbeitung ist dann notwendig, wenn die folaenden Anforderungen vorliegen.
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1-. Bei hoherRegistriergeschwindigkeit ist die Signalfolgedichte so
groß (kleine Signaldauer), daß eine direkte Registrierung mit mechanischen Schreibern
ausgeschlossen.ist.
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2. FUr die Signalposition auf der Zeitachse werden hohe Genauigkeitsanforderungen
gestellt.
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3. Die Signalfolge besteht aus Signalen unregelmäßiger und wechselnder
Form.
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4. Es wird eine hohe Auswertgeschwindigkeit verlangt.
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Da das einzelne Signal eines Massenspektrums eine Anzahl im allgemeinen
gleichartiger Ionen repräsentiert, sind dafür zwei Größen zu bestimmen: a) Die Signalfläche
als relatives Maß für die Ionenzahl, gegeben als Integral zwischen bestimmten Grenzen
über die Spannungs-Zeit-Funktion am Ausgang des Registriersystems. Die Integrationsgrenzen
werden dabei an die Stellen gesetzt, wo die Signalspannungsamplitude (bzw. ihr Differentialquotient)
einen bestimmten Wert über- bzw.
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unterschreitet.
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b) Die Signalposition auf der Zeitachse, die durch anschliessende
Rechenoperationen in einen entsprechenden Massenwert umgewandelt wird. Für die Datenerfassung
von Massenspektren und ihrer Ubermittlung an den Rechner sind bisher eine analoge
und eine inkremental-digitale Methode bekannt geworden.
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Bei dem analogen Verfahren wird die Signalposition bzw. der zugehörige
Zeitwert durch Differentiation der Signalspannung bestimmt (1). Für hinreichend
intensive Signale liefert dieses Verfahren eindeutige Werte. Sind die Signale jedoch
schwach, d.h. bestehen sie aus nur wenigen Ionen, so treten in zunehmendem Maße,
entsprechend der statistischen Streuung der Ionen um einen Mittelwert, relative
Amplitudenmaxima auf. Die rechnerische Behandlung solcher Fälle, die insbesondere
bei schnellen Registrierungen hochaufgelöster Spektren oder bei dem Nachweis sehr
geringer Probenmengen auftreten, ist umständlich und ungenau. t)ie 'iignalfliche,
die durch analoge Integration gewonnen wird, oder auch der maximale Amplitudenwert
dient zur Charakterisierung
der relativen Signalintensität. Signalzeitwert
und Signalfläche werden dann digitalisiert und an. einen Speicher übertragen Bei
der inkremental-digitalen Methode wird das massenspektrometrische, analog-elektrische
Signal mit einer vorgegebenen Taktfrequenz abgetastet und dabei die momentanen Amplitudenwerte
abgefragt (2). Die Abfrage geht solange vor sich, wie die Signalamplitude einen
vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Beim erstmaligen Überschreiten wird ein Zeitwert für den Signalanfang
festgelegt. Die Taktfrequenz wird so gewählt, daß huber die Signalbreite, die durch
die eingestellte spektrometrische Auflösung definiert ist, etwa 20 bis 40 Amplitudenwerte
übertragen werden. Aus den digitalen bzw. digitalisierten Werten Signalanfangszeit,
Amplituden und Zahl der Signale werden nach einer digitalen Glättung die Signalfläche,
das Signalmomentenintegral und daraus schließlich der Signalschwerpunkt als Zeitwert
für die Signalposition berechnet.
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Das zweite beschriebene Verfahren hat den Nachteil,daß sehr hohe Datenflußspitzen
auftreten (600 OO0bits/sec (3)), wenn das System im On-line Betrieb mit dem Rechner
arbeiten soll.
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Zur Vermeidung so hoher Datenfldsse werden verschiedene Wege eingeschlagen.
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Der Datenfluß kann z.B. durch Zwischenspeicherung des gesamten Massenspektrums
auf Analogband und nachfolgendes zeitgedehntes Rückspiel (4) reduziert werden. Infolge
der begrenzten Dynamik eines Analogbandgerätes ist dabei eine Aufzeichnung des hohen
Intensitätsumfanges der massenspektrometrischen Signale auf einem Mehrkanalbandgerät
mit stufenweise abgeschwächten Kanälen erforderlich. Weiter muß dem Band eine Taktfrequenz
aufgeprägt werden, um ein von Bandlaufschwankungen unabhängiges Zeitmaß mit der
benötigten Genauigkeit uebertragen zu können.
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Die analoge Zwischenspeicherung der Information schließt außerdem
einen On-line Betrieb aus.
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Bei einem anderen Verfahren erfolgt die Zwischenspeicherung der Information
auf einem Digitalband. Ein On-line Betrieb ist ebenfalls ausgeschlossen. Die Digitalbandspeicherung
setzt außerdem Grenzen für die Aufnahmegeschwindigkeit, da eine für den Rechner
lesbare Datenblockbildung vorausgehen muß. Die Datenflüsse werden hierbei apparativ
auf etwa 120 kbytes/sec oder 800 Characters/inch beschränkt (3). Mit Hilfe dieses
Verfahrens ist immerhin eine abschnittsweise Übergabe der Daten an den Rechner möglich.
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Gemäß einem weiteren Verfahren wird die geeamte Information an einen
Zwischenspeicher oder in d en Kernspeicher des Rechners übergeben. Bei der inkremental-digitalen
Methode der Datenerfassung muß für ein hochaufgelöstes Massenspektrum ein Informationsumfang
von etwa 50 000 bit Ubertragen werden. Um den daraus folgenden hohen Datenfluß abzufangen,
kann ein hinreichend groß er Pufferspeicher oder auch ein Teil des Kernspeichers
mit den Daten einer größeren Anzahl massenspektrometris cher Signale angefüllt werden,
während ein zweiter Teil des Spektrums zur weiteren Verarbeitung der Daten oder
auch zur externen Zwischenspeicherung entleert wird (5,6). Die Verwendung größerer
Pufferspeicher oder die Benutzung des Kernspeichers für diesen Zweck ist aber unwirtschaftlich
und technisch aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde schnelle Folgen kurzzeitiger
Meßsignale so zu erfassen und zu verarbeiten, daß ein digitaler On-line Rechner
pro Signal eine konstante, hinreichende aber möglichst geringe Anzahl Informationsbits
erhält, aus denen der Schwerpunktszeitwert von jedem Signal gebildet wird. Hierbei
soll zugunsten der Reduktion des Datenflusses auf die Übertragung des Signalprofils
verzichtet werden. Dagegen soll durch die Übertragung der Signalbreite und der Signalfläche
die
Beurteilung der Signalform möglich sein. Der im On-line Betrieb arbeitende Rechner
hat die Aufgabe, den Signalschwerpunktzeitwert t eines jeden Signals nach folgender
Beziehung zu bestimmen:
Dabei bedeuten: toi = Anfangszeitwert des i-ten Signals, gegeben durch das Überschreiten
der Signalamplitude A über den Schwellwert S und bezogen auf eine Zeitskala mit
t01 = 0.
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A = Momentanwert der Signalamplitude tbi = Signalbreite, gegeben als
Differenz der Zeitwerte zwischen Über- und Unterschreiten des Schwellwertes.
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a tsi= Schwerpunktszeitwert, bezogen auf t Die Integrationsgrenzen
sind dabei für alle Integrale, wenn nicht anders erwähnt, Null und tbi.
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Die beschriebene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
in einem hybriden Meßwerterfassungssystem Bür jedes Signal der Folge, die Breite
tbi des Signals, die sich aus der Zeitdifferenz zwischen dem Überschreiten und Unterschreiten
eines einstellbaren Schwellwertes S ergibt und der Anfangs zeitwert toi des Signals
im Zeitpunkt des Überschreitens des gleichen Schwellwertes S digital gebildetwerden,
daß aber das Signalflächenintegral FI und das Momentenintegral MI bezogen auf den
Anfangszeitwert toi des Signals, beide in den Grenzen der Signalbreite tbi analog
gebildet werden und nach einer Analog-Digital-Wandlung zusammen mit der digitalen
Signalbreite und dem digitalen Anfangs zeitwert nacheinander einem Digitalrechner
im Online Betrieb zugeführt werden.
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Vorteilhaft werden dabei die umschaltbaren und abgleichbaren Zeitkonstanten
des Flächenintegrators, des Momentenintegrators, des Zeitintegrators und die Proportionalitätskonstante
des Multiplizierers so gewählt, daß die beiden erstgenannten Integratoren von dem
intensivsten Signal möglichst gleichmäßig voll ausgesteuert werden und daß die Konstante
Co auf einen Wert der Größenordnung tK/2 eingestellt wird.
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Entsprechend einer Weiterentwicklung der Erfindung werden Testsignalfolgen
gebildet, aus denen der Rechner selbstständig entsprechende Korrekturfaktoren ermittelt
und berücksichtigt.
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Zweckmäßig werden diese Korrekturfaktoren dann zum Feinabgleich der
Konstanten Co verwendet.
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Bei der Analyse von Massenspektrogrammen mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden vorteilhaft zusätzliche Daten, wie der Gesamtionenstrom, Übersteuerungssignale
und feste Parameter für die Registriergeschwindigkeit, den Meßbereich und die Auflösung
an den Rechner übertragen.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist dabei, daß die unzahl der
an den Digitalrechner übertragenen Informationsbits/Signal konstant bleibt.
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EntsrIe"end einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
führt der im On-line Betrieb angeschlossene Digitalrechner eine Auswertung durch,
die aus dem Signalanfangszeitwert toi, dem Signalmomentenintegral MI, dem Signalflächenintegral
FI, den Zusatzdaten und den Korrekturfaktoren einen Zeitwert für den Signalechwerpunkt
tsi und einen relativen Intensitätswert I für jedes Signal liefert. Dabei lassen
Rich die mit jedem Signal wiederkehrendenFestdaten zur Wortsynchroni sation im Rechner
verwenden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich
ein
Gerät, das sowohl analog als auch digital arbeitende Baugruppen enthält. Dabei bilden
die digital arbeitende Baugruppen, z.B. Binärzähler in Verbindung mit einem Taktgenerator
und geeignet gesteuerten Torschaltungen,digital den Anfangszeitwert des Signals
sowie die Breite des Signale, die sich aus der Zeitdifferenz zwischen dem Überschreiten
und dem Unterschreiten des vorgewählten Schwellwertes ergibt. Der Rechner erhält
im On-line Betrieb nacheinander für Jedes Signal den digitalen Anfangezeitwert tOi,
die digitalisierten Werte des Flächenintegrals PI, des Momentenintegrals MI und
die digitale Signalbreite tbis Die Berechnung des Momentenintegrale MI und des Signalflächenintegrals
FI soll nun näher erläutert werden.
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Bei der Bildung des Momentenintegrals MI wird dem Multiplizierer eine
Spannung u = u(t) zugeführt, die über einen Integrator durch zeitliche Integration
einer konstanten Spannung uRflconst.
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-1 gewonnen wird. Es ergibt sich mit der Zeitkonstante c3 des Integrators:
Mit der Signalamplitude A = A(t) bildet der Multiplizierer das Produkt
Die Proportionalitätskonstante Km ist eine Gerät ekons tante des Multiplizierers.
Der Integrator zur Bildung des Momentenintegrals liefert schließlich
Ein weiterer Integrator bildet das Signalflächenintegral
Die Integratorzeitkonstanten sind durch c1-1 und c2-1 gegeben. Die Dimension der
beiden elektrischen Größen MI und FI ist Volt . Der Quotient ist dementsprechend
dimensionslos und lautet
Um Signalschwerpunktszeitwerte zu berechnen, muß die Konstante CO, die zunächst
frei wählbar ist, mit hinreichender Genauigkeit bekannt sein, da tsi = toi + Co
MI ist.
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FI Hinsichtlich einer größenordnungsmäßig vergleichbaren Aussteuerung
der beiden Integratoren für MI und FI wird die Konstante Coi in der Größenordnung
der Signalbreite gewählt.
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Je nach der am Massenspektrometer eingestellten Auflösung ist eine
Normsignalbreite definiert, wenn die Auflösung unabhängig von dem Massenwert ist.
Für den hier in Frage kommenden Fall der elektrischen Registrierung eines Massenspektrums
in tD sec/Massendekade ergibt sich bei einer Auflösung m/#m für die Normsignalbreite:
tK = tD . log e . (#m/m).
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die Signalvorverarbeitung der Datenfluß entschneidend verringert und auf
das Signal bezogen konstant gehalten wird.
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Im On-line Verfahren bedeutet das eine erhebliche Entlastung des rechnerseitigen
Speichers wie auch. eine Verringerung der Ansprüche hinsichtlich der notwendigen
Übertragungsgeschwindigkeit. Dies kommt sowohl der Verwendung eines dem Massenspektrometer
zugeordneten Kleinrechnere wie auch einem Time-Sharing-Betrieb eines größeren Rechners
entgegen. Mit einem derart reduzierten Datenfluß ergeben sich im On-line Verfahren
ferner einfachere Möglichkeiten zur Mitlung von Mehrfachregistrierungen eines Spektrums
und damit eine Erhöhung der Meßgenauigkeit der Massenwerte. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren können noch Signale mit einerzeitlichen Breite und Signal folgen mit einem
zeitlichen Zwischenraum von der Größenordnung 50 t 8 einwandfrei erfaBt und übertragen
werden.
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Anhand von Zeichnungen wird am Beispiel eines hochauflösenden Massenspektrometers
die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Es zeigen: Pigur
1 ein Blockschaltbild und Pigur 2 den zeitlichen Verlauf einer Spektrallinie eines
Massenspektrogrammes.
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1. Vorverarbeitung und Erfassung analoger Signaldaten An dem Signalausgang
des Massenspektrometers sind ein empfindlicher und schneller Schwellwertdetektor
mit einstellbarem Schwellwert und über eine Torschaltung ein Analog-Multiplizierer
AM und ein Analog-Integrator FI angeschlossen. Solange die Signalamplitude A(t)
den vorgewählten Schwellwert S überschreitet (AwS), ist das Tor Tl gedffnet und
die Signalamplitude liegt am Multiplizierer AM und am Integrator FI. ueber ein weiteres
Tor T2 liegt während der vom Schwellwertdetektor gegebenen Zeit eine definierte
Referenzepannung uR am Integrator ZI, der eine der Zeit proportionale Spannung u
an den-
Multiplizierer liefert. Ein dritter Integrator MI am Auagang
des Multiplizierers bildet schließlich aus dem Produkt Km . A uR C3 t das Momentenintegral
des Signale über die vom Schwellwertdetektor vorgegebenen Integrationegrenzen. Den
Integratoren FI und Ml sind Sample- und Hold-Veretärker nachgeschaltet, deren Ausgangspannungen
über einen Multiplexer nacheinander analog-digital gewandelt und einem digitalen
Zwischenspeicher ZWS zugeführt werden.
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Die beiden Sample- und Hold-Verstärker (S/H-Verstärker) werden eingesetzt,
um während der Analog-Digital-Wandlung die Integratoren FI, MI und ZI bereits wieder
zu entladen und für das nächste Signal aufnahmebereit zu machen. Die Zeitkonstanten
aller Integratoren-sind parallel zu den massenspektrometrischen Registriergeschwindigkeiten
bzw. zu den vorgegebenen, aus der massenspektrometrischen Auflösung zu erwartenden
signalbreiten umschaltbar.
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Die Schwellwerte und Bereiche werden auf Meßinstrumenten angezeigt.
Die verwendeten Baueinheiten sind hinsichtlich Empfindlichkeit, Genauigkeit, Schnelligkeit
und Rücketelleigenschaften der Integratoren aufeinander abgestimmt.
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2. Erfassung der Zeitwerte Als binäre-digitale Größen werden die durch
den Schwellwertgeber definierten Zeitwerte, wie zum Beispiel Signalanfang und Signalbreite
Ubertragen. Zu dem Zweck speist ein Taktgeber einen Frequenzteiler, dessen Ausgänge
in Abhängigkeit von der massenspektroietrischen Registriergeschwindigkeit und Auflösung
umschaltbar ausgebildet sind. Ein Ausgang speist über das Tor T4 den Zeitwertzähler,
dessen momentaner Zählerinhalt toi Jeweils zu Beginn eines Signales Uber T6 in den
Zwisohenlpeicher ZWS übernommen wird. Der zweite Ausgang dee Prequenzteiler. liefert
über das Tor T3 Zählimpulse in den
Signalbreitenzähler, solange
das Tor T3 durch den Schwellwertdetektor geöffnet bleibt. Beim Unterschreiten des
Signalamplitudenschwellwertes erfolgt die Übernahme des Inhalts des Zählers über
T5 in den Zwischenzähler ZWS.
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3. Steuer- und Übernahmelogik Zwischenspeicher und Dateneingang des
Rechners sind über Kabel miteinander verbunden. Ist der Zwischenspeicher gefüllt,
werden die Daten dem Rechner zur tbernahme angeboten. Der Rechner signalisiert die
Datenübernahme. Über ein rechrseitiges Interface erfolgt die Adressierung und Rückmeldung,
4. Organisation des Datenflusses Die Organisation des Datenflusses soll anhand von
Figur 2 beschrieben werden. Überschreitet die Signalamplitude den vorgewählten Schwellwert
zum Zeitpunkt 1, so wird die A-D-Wandlung fur den analogen Gesamtionenstromwert
GI gestartet. Gleichzeitig erfolgt die Übernahme des digitalen Signalanfangszeitwertes
toi in den Zwischenspseicher ZWS. Zum Zeitpunkt 2 ist die A-D-Wandlung des GI-Wertes
beendet. Es wird dann in den Zwischenspeicher ZWS übernommen. Unterschreitet die
Signalamplitude den Schwellwert zum Zeitpunkt 3, so wird die A-D-Wandlung des analogen
Flächenintegralwertes FI gestartet.
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Gleichzeitig werden der digitale Inhalt des Signalbreitenzählers Tbi
in den Zwischenspeicher ZWS übernommen und alle Integratoren auf null gestellt.
Zum Zeitpunkt 4 ist die A-D-Wandlung des Flächenintegralwertes FI beendet. Jetzt
werden gleichzeitig die A-D-Wandlung des analogen Momentintegrales MI gestartet
und der digitale Flächenintegralwert FI in den Zwischenspeicher ZWS Ubernommen.
Zum Zeitpunkt 5 ist die A-D-Wandlung des Momentenintegrales MI beendet. Es erfolgt
dessen Übernahme in den Zwischenspeicher ZWS.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist hier am Beispiel der Auswertung
massenspektrometrischer Daten beschrieben. Mit naheliegenden Abwandlungen kann das
erfindungsgemäße Verfahren auch zur Auswertung von Spektren elektromsgnetischer
Strahlung oder Partikel-Strahlung, sowie bei der Detektoranzeige optisches chromatographischer
und elektrischer Messverfahren herangezogen werden, wenn die Meßgröße in Form eines
elektrischen Signales als Funktion der Zeit vorliegt.
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