DE2130153C3 - Schaltungsanordnung zum Erfassen und Speichern des Zeitintegrals eines bandenartigen Meßsignals - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen und Speichern des Zeitintegrals eines bandenartigen Meßsignals, vorzugsweise des Zeitintegrals eines Detektorsignals bei einem Gaschromatographen.

Das Meßsignal in der Analysenmeßtechnik besteht häufig aus einer zeitlichen Aufeinanderfolge von einzelnen bandenartigen Meßsignalen, die in ihrem Verlauf einer Gauß-Funktion ähnlich sind. Die für die Auswertung einer Analyse benötigten Informationen sind dabei die zeitlichen Abstände sowie die Zeitintegrale (Flächen) und Spitzenwerte (Maximalhöhen) der einzelnen Meßsignale. Auf dem Gebiet der Prozeßautomatisierung, auf dem auf dieselben Zustandswerte gerichtete Analysen wiederholt durchgeführt und entsprechend Eingriffe in einen Prozeß vorgenommen werden, bedeutet die Kenntnis des Zeitintegrals oder des Spitzenwertes eines oder mehrerer der während der Analyse eintreffenden Meßsignale eine ausreichende Information über den momentanen Zustand der analysierten Probe. Auf dem Gebiet der Gaschromatographie ist z. B. das Zeitintegral eines einzelnen bandenartigen Meßsignals ein Maß für die Konzentration der für das Auftreten des Detektorsignals verantwortlichen Gaskomponente eines analysierten Gasgemisches.

Oft ist es für die Weiterverarbeitung nicht ausrei chend, das Zeitintegral eines Meßsignals lediglich zu erfassen und auf einem Schreiber zu registrieren. Für die Steuerung oder Regelung von Prozessen, z. B. von chemischen Herstellungsprozessen, muß der Wert des Zeitintegrals über die Analysenzeit hinweg gespeichert werden.

Es sind bereits elektronische Anordnungen sowohl zum Erfassen und Speichern des Spitzenwertes wie auch des Zeitintegrals eines bandenartigen Meßsignals bekannt, bei denen elektronische Zähler und Taktgeneratoren sowie ein Digital-Analog-Wandler verwendet werden. Nach einer bekannten Anordnung wird das Meßsignal mit Hilfe eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers in eine Impulsfolge proportionaler Frequenz umgeformt und diese Impulsfolge einem elektronischen Zähler zugeführt. Der Zähler wird eingeschaltet, wenn das Meßsignal einen bestimmten Schwellwert erreicht und nach Durchlaufen des Maximums der Amplitude wieder abgeschaltet, wenn der Schwellwert unterschritten wird. Spannungs-Frequenz-Wandler sind sehr aufwendig, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche aus weniger aufwendigen elektronischen Baugliedern zusammengesetzt ist.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einer obenerwähnten Anordnung dadurch erreicht, daß die Impulse des Taktgenerators bei Auftreten des Meßsignals über ein Tor auf zwei elektronische Zähler aufgeschaltet sind und der erste Zähler in äquidistanten Zeitabständen auf Null gesetzt ist, während sein Ausgang über den Digital-Analog-Wandler ein Kompensationssignal an einen Vergleicher abgibt, der das Kompensationssignal mit dem Meßsignal vergleicht und das Tor nur so lange offen steuert, wie das Kompensationssignal kleiner ist als das Meßsignal.

Es ist zweckmäßig, an den Digitalausgang des zweiten Zählers einen Speicher anzuschließen, der nach dem Ende des Meßsignals den Zählerstand des zweiten Zählers übernimmt. Dieser Speicher folgt also nicht dem Anstieg des Zeitintegralwertes beim Durchlaufen des Meßsignals, sondern übernimmt nacheinander die maximalen Zählerstände des vorgeschalteten zweiten Zählers.

Das Zeitintegralsignal kann am Ausgang des zweiten Zählers oder des Speichers in digitaler Form oder aber am Ausgang eines weiteren Digital-Analog-Wandlers, der dem zweiten Zähler oder dem Speicher nachgeschaltet ist, in analoger Form abgegriffen und anschließend weiterverarbeitet, z. B. auf einen Punkt-

drucker oder Regler gegeben werden.

Im Hinblick auf Analysenmeßanlagen, z. B. auf Prozeß-Gaschromatographen, ist es von Bedeutung, daß durch die Verbindung der beschriebenen Schaltungsanordnung mit einem handelsüblichen Punktdrukker oder einem ähnlichen Registriergerät der Aufbau eines Flächenwertdruckers möglich ist.

Bei der Prozeß-Gaschromatographie wird zweckmäßigerweise aus Ersparnisgründen nur eine einzige aus einem ersten Zähler, einem Taktgenerator, einem Digital-Analog-Wandler, einem Vergleicher und einem elektronischen Tor bestehende Schaltung sowie für jede zu registrierende Gaskomponente ein eigener zweiter Zähler vorgesehen. Während des Ablaufs der Gasanalyse werden alle zweiten Zähler ein- oder mehrmals abgefragt. Dieser Vorgang sowie die Zuordnung der den Gaskomponenten entsprechenden Meßsignale zu den einzelnen zweiten Zählern während d°s Ablaufs der Gasanalyse können über den im Prozeß-Gaschroma lo-•raphen üblicherweise vorhandenen Zeitgeber gejteuert werden.

Weitere Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in acht Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen und Speichern des Zeitintegrals eines bandenartigen Meßsignals in einem prinzipiellen Blockschaltbild und

Fig. 2 bis 8 Zeitdiagramme der dabei verwendeten Eingangs-, Arbeits- und Ausgangssignale.

In Fig. 1 ist ein gestrichelter Block dargestellt, der eine Schaltungsanordnung zum Erfassen und Speichern des Zeitintegrals eines aus einer Folge beliebiger bandenartiger Meßsignale ausgewählten einzelnen Meßsignals enthält. Da die Schaltungsanordnung bevorzugt zur Auswertung und Weiterverarbeitung von Detektorsignalen gaschromatographisch getrennter Gaskomponenten herangezogen wird, soll sie im folgenden als Komponentenspeicher K bezeichnet werden.

Der in Fig.l dargestellte Komponentenspeicher K erhält ein Meßsignal Xm(t) zugeführt, dessen Verlauf als Funktion der Zeit fin F i g. 2 dargestellt ist. Es kann sich dabei um das von einem Prozeß-Gaschromatographen abgegebene Detektorsignal handeln. Der Einfachheit halber ist es als periodische Folge von nur zwei einzelnen bandenartigen Meßsignalen I und II aulgezeichnet. Der Komponentenspeicher K soll zunächst einen Wert (Zeitintegralwert) ermitteln und speichern, der dem Zeitintegral des im Zeilintervall von π bis fi auftretenden Meßsignals II proportional ist; anschließend soll er die Zeitintegralwerte der weiterhin in periodischen Zeitabsländen auftretenden, dem Meßsignal II entsprechenden Signale bestimmen und speichern.

Gemäß Fig.1 ist ein Taktgenerator Tvorgesehen, der mit einer Frequenz von z.B. 100kHz fortlaufend Taktimpulse k(t) an ein logisches Netzwerk N abgibt. Die Taktimpulse k(t) sind in Fig.3 in einem Zeitdiagramm mit gegenüber Fig. 2 vergrößertem Zeitmaßstab dargestellt; weiterhin wurde in F i g. 3 der besseren Übersichtlichkeit wegen nur etwa jeder hundertste Taktimpuls eingezeichnet. Der zeitliche Abstand der dargestellten Taktimpulse k(t) ist also im Verhältnis zur Dauer (z, B. einige Sekunden) des Meßsignals U wesentlich enger als in Fig. 3 einge-

Das logische Netzwerk N wird durch ein Zeitgebersignal g(t) angesteuert, welches von einem externen Zeitgeber, z. B. von dem den Dosiervorgang bei einem Prozeß-Gaschromatographen steuernden Zeitgeber, abgegeben wird. Durch das Zeitgebersignal g(t)· dessen zeitlicher Verlauf in Fig.4 mit dem in Fig.3 verwendeten Zeitmaßstab dargestellt ist, wird der Meßvorgang für ein programmiertes Zeitintervall freigegeben. Dieses Zeitintervall beginnt mit dem Auftreten des Meßsignals H zum Zeitpunkt ii und endet mit dessen Abklingen auf dem Wert Null zum Zeitpunkt fi. Der Zeitpunkt η kennzeichnet also den Beginn der Ermittlung des Zeitintegralwertes.

Das durch das Zeitgebersignal g(t) angesteuerte logische Netzwerk N gibt zwischen den Zeitpunkten fi und ß eine in F i g. 5 dargestellte Impulsfolge l(t)an ein elektronisches Tor A, das zum Zeitpunkt η geöffnet ist. Im einfachsten Fall wird die Impulsfolge l(t) aus den Taktimpulsen k(l) dadurch erzeugt, daß im logischen Netzwerk N zwischen dem Taktgenerator T und dem elektronischen Tor A ein weiteres (nicht eingezeichnetes) Tor vorgesehen ist, das durch das Zeitgebersignal g|7J gesteuert und während dessen Dauer offengehalten ist.

An das elektronische Tor A sind zwei vorwärts zählende elektronische Zähler Zl und 22 als Zähl· und Speicherglieder angeschlossen.

Der erste Zähler Zl wird in äquidistanten Zeitabständen während dei Auftretens des Meßsignals xm(t) auf Null gesetzt. Dazu ist er über eine Rücksetzleitung mit dem logischen Netzwerk N verbunden. Die Rücksetzimpulse m(t), die zum Abtasien des Meßsignals xm(t) dienen, sind in einem Zeitdiagramm in Fig. 6 dargestellt. Sie werden im logischen Netzwerk N durch bekannte Schaltungen aus den Taktimpulsen k(t) des Taktgenerators Γ hergeleitet. Ihre Frequenz liegt z.B. bei einem dreidekadischen Zähler Zl mindestens um einen Faktor 1000 niedriger als die Frequenz der Taktimpulse k(t). Mit anderen Worten: Während eines jeden Zeitintervalls At können, sofern das Tor A offen ist, bis zu 1000 Impulse in den ersten Zähler Zl eingezählt werden, bevor dieser wieder auf Null zurückgesetzt wird.

Der zweite Zähler Z2 wird jeweils spätestens zu Beginn des Meßsignals II auf Null gesetzt. Dazu ist er gleichfalls über eine Rücksetzleitung mit dem logischen Netzwerk N verbunden. Die Rücksetzimpulse n(t) für diesen zweiten Zähler 22 werden am einfachsten im logischen Netzwerk N aus dem Zeitgebersignal g(t) hergeleitet. Aus Fig. 7, in der ein Zeitdiagramm der Rücksetzimpulse n(t) dargestellt ist, ist ersichtlich, daß

der zweite Zähler 22 jeweils zum Zeitpunkt /1, fi'

also jeweils mit dem Auftreten des in Fig.4 dargestellten Zeitgebersignals g(t), auf Null zurückgesetzt wird.

Vom Zeitpunkt t\ an liegt die Impulsfolge l(t) am elektronischen Tor A an. Das Tor A wird zu Beginn jedes Zeitintervall Δ t (vergleiche F i g. 6) automatisch durch eine Abgleichschaltung geöffnet, so daß die Impulsfolge l(t) in den auf Null zurückgesetzten ersten Zähler Zl und in den zweiten Zähler 22 eingezahlt wird. Die Abgleichschaltung besteht aus einem Digital-Analog-Wandler Ui und einem Vergleicher C. Der Digitalausgang des ersten Zählers Zl ist mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers Ui verbunden, so daß der Zählerstand des Zählers Zl sofort in ein proportionales analoges Kompensationssignal xk(t) überführt wird. Das Kompensationssignal xk(t) wird im

angeschlossenen Vergleicher C fortlaufend mit dem Meßsignal xm(t) verglichen. Der Vergleicher C hält das elektronische Tor A für den Durchgang der Impulsfolge l(t) so lange offen, als das Kompensationssignal xk(i) kleiner als das Meßsignal xm(t) ist. Der Vergleicher C schließt das Tor A in jedem Zeitintervall Δ t immer dann, wenn der erste Zähler ZX einen Zählerstand erreicht hat, bei dem das Kompensationssignal χψ) größer oder gleich dem momentanen Meßsignal xm(t)isl. Von diesem Zeitpunkt an kann die Impulsfolge nicht mehr in die beiden Zähler ZX und Zl gelangen. Der Zählerstand des ersten Zählers ZX ist im abgeglichenen Zustand der im betreffenden Intervall At auftretenden Höhe des Meßsignals xm(t) und damit in guter Näherung der betreffenden Intervallfläche proportional. Da der zweite Zähler ZZ nur zu Beginn der Messung im Zeitpunkt ii zurückgesetzt wird, summieren sich in ihm die einzelnen Abgleichswerte des ersten Zählers ZX. Sein Zählerstand ist im Zeitpunkt fc dem Zeitintegral des Meßsignals Il proportional. Dieser Zählerstand bleibt erhalten, bis zum Zeitpunkt fi' ein erneuter Meßvorgang eingeleitet wird.

Zur Weiterverarbeitung steht das am Ausgang des zweiten Zählers Zl abgegriffene digitale Ausgangssignal d(t) oder das am Ausgang eines zweiten, an den zweiten Zähler Zl angeschlossenen Digital-Analog-Wandlers Ul abgegriffene analoge Ausgangssignal a(t) zur Verfügung. Der zueinander proportionale zeitliche Verlauf der beiden Ausgangssignale a(t) und d(t) ist in F i g. 8 dargestellt. Der Zeitmaßstab ist derselbe wie in F i g. 2. Der zum Zeitpunkt fi erreichte Integralwert bleibt bis zum Beginn fi' einer neuen Messung erhalten.

Zur Verdeutlichung des Iniegrationsvorganges wurde in F i g. 2 ein vor dem Auftreten des maximalen Meßsignals xnunfu) liegender Zeitabschnitt zwischen η und ft herausgegriffen, in welchen sechs Rücksetzimpulse m(t) für den ersten Zähler ZX fallen (vergleiche F i g. 6). Dieser Zeitabschnitt von ft bis ο ist auch in den F i g. 3 bis 8 eingezeichnet.

Der in F · g. 1 dargestellte Komponentenspeicher K gibt gemäß F i g. 8 Ausgangssignale aft} und d(t)ab, die sich während der Messung zwischen den Zeitpunkten fi und fs ändern. Solche Signale sind insbesondere zum Ansteuern von Reglern unerwünscht. Um zu einem stufenförmigen Ausgangssignal (Flächenwertsignal) zu gelangen, kann an den Digitalausgang des zweiten Zählers Z2 ein (nicht dargestellter) Speicher angeschlossen werden, der nach dem Zeitpunkt fc. also nach Erreichen des Zeitintegralwertes, den Zählerstand des vorgeschalteten zweiten Zählers Zl übernimmt. Die Übernahme des Zählerstandes durch den Speicher kann gleichfalls über das logische Netzwerk /V vom Zeitgebersignal ^f(^ gesteuert werden. Am Ausgang des Speichers steht damit ein digitales Ausgangssignal zur Verfügung, das während der Messung keine Unterbrechung aufweist und nach jeder Messung auf das neue Flächenwertsignal springt.

Handelsübliche Registriergeräte, wie z. B. Punktdrukker, Fallkugelschreiber od. dgl, können durch Anschluß an den Komponentenspeicher K zu Flächenwert-Drukkern ergänzt werden.

Ein besonderer Vorteil des in F i g. 1 dargestellten Komponentenspeichers K ist darin zu sehen, daß er auf einfache Weise in eine Schaltungsanordnung zum Erfassen und Speichern des Spitzenwertes eines bandenartigen Meßsignals umgewandelt werden kann. Dazu ist nur ein (nicht dargestellter) Schalter vorzusehen, mit dem die Anschlußklemmen für die Rücksetzleitung am ersten Zähler ZX auf die Rücksetzleitung für die

ίο Rücksetzimpulse n(t) des zweiten Zählers Zl und die Anschlußklemmen für die Rücksetzleitung am zweiten Zähler Zl auf eine (nicht dargestellte) Ansteuerleitung zum Auslesen seines Zählerstandes umgeschaltet werden. Der zweite Zähler Zl dient in diesem Fall nur zum Speichern des ermittelten Spitzenwertes.

Wird das Detektorsignal eines Prozeß-Gaschromatographen einem der oben beschriebenen Komponentenspeicher, an den mehrere zweite Zähler angeschlossen sind, zugeführt, so läßt sich eine auf mehrere Gaskomponenten einer Gasprobe gerichtete Analyse gleichzeitig durchführen.

Bei einem (nicht dargestellten) Prozeß-Gaschromatographen wird bekanntlich dem durch eine Trägergasleitung strömenden Trägergas an einer Dosierstelle eine aus mehreren Gaskomponenten bestehende Gasprobe zudosiert. In einer angeschlossenen chromatographischen Trennsäule wird die Gasprobe in Einzelkomponenten aufgetrennt, die nacheinander in einem gaschromatographischen Detektor (z. B. Wärmeleitfähigkeitsmesser. Flammenionisationsdetektor) nachgewiesen werden. Die Analyse wird periodisch wiederholt. Dazu ist üblicherweise ein Zeitgeber vorgesehen, der in periodischen Zeitabständen für eine erneute Probeneingabe an der Dosierstelle sorgt. Das vom Detektor abgegebene Detektorsignal, eine in periodischen Zeitabständen auftretende Folge bandenartiger Meßsignale, wird in einem Signalverstärker verstärkt. Danach steht es zur Auswertung, Registrierung und/oder Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Das Detektorsignal wird nun einem Komponentenspeicher zugeführt, dessen erster elektronischer Zähler wahlweise mit einem aus einer Anzahl von zweiten Zählern zusammenarbeitet. Die Anzahl der zweiten Zähler richtet sich nach der Anzahl der interessierender Gaskomponenten, deren Zeitintegralwerte als Maß für ihre Konzentration bei jeder Analyse erfaßt und gespeichert werden sollen. Jeder Gaskomponente isi also ein eigener zweiter Zähler zugeordnet. Dei Zeitgeber steuert durch abgegebene Zeitgeberimpulsi

J₀ das Erfassen und Speichern der Zeitintegralweru nacheinander in den einzelnen zweiten Zählern.

Die an den Digitalausgängen der zweiten Zähle: abgegebenen digitalen Zeitintegralwerte können ge trennten Ziffernanzeigern und/oder einer elektroni sehen Rechenmaschine zugeführt werden, während dii an den Analogausgängen abgegebenen analogei Zeitintegralwerte jeweils Regel- oder Steuereinrichtun gen, z. B. bei chemischen Produktionsanlagen, speisei und/oder zur Registrierung in einem Punktdrucke

to verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen und Speichern des Zeitintegrals eines bandenartigen Meßsignals, vorzugsweise des Detektorsignals bei einem Gaschromatographen, mit elektronischen Zählern, einem Taktgenerator und einem Digital-Analog-Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse des Taktgenerator (T)bei Auftreten des Meßsignais über ein Tor (A) auf zwei elektronische Zähler (Zl, Zl) aufgeschaltet sind und der erste Zähler (Zl) in äquidistanten Zeitabständen (At) auf Null gesetzt ist, während sein Ausgang über den Digital-Analog-Wandler (Ui) ein Kompensa'ionssignal an einen Vergleicher (C) abgibt, der das Kompensationssignal mit dem Meßsignal vergleicht und das Tor (A) nur so lange offen steuert, wie das Kompensationssignal kleiner ist als das Meßsignal.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an den Digitalausgang des zweiten Zählers (Z2) angeschlossenen Speicher, der nach dem Ende des Meßsignals den Zählerstand des zweiten Zählers (Zl) übernimmt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Taktgenerators (T) mindestens um einen Faktor 1000 größer ist als die Frequenz der Rücksetzimpulse für den ersten Zähler (Zi).

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Taktgenerator (T) und dem elektronischen Tor (A) ein weiteres Tor vorgesehen ist, das durch ein von einem Zeitgeber (G) abgegebenes Zeitgebersignal gesteuert ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetzimpulse für den zweiten Zähler (Zl) mittels eines logischen Netzwerkes (N) aus dem von einem Zeitgeber (G) abgegebenen Zeitgebersignal hergeleitet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetzimpulse für den ersten Zähler (Zi) mittels eines logischen Netzwerkes (N) aus den Taktimpulsen des Taktgenerators f7} hergeleitet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang des zweiten Zählers (Zl) ein weiterer Digital-Analog-Wandler (Ul) zur Erzeugung eines analogen Zeitintegralsignals angeschlossen ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen und Speichern weiterer während einer Analyse anfallender bandenartiger Meßsignale eine Anzahl weiterer zweiter Zähier vorgesehen ist, welche durch einen Zeitgeber gesteuert wahlweise an Stelle des zweiten Zählers (Zl) einschaltbar sind.