DE2622047A1

DE2622047A1 - Vorrichtung zur fortlaufenden ueberwachung des verhaeltnisses zwischen zwei sich zeitlich aendernden signalen

Info

Publication number: DE2622047A1
Application number: DE19762622047
Authority: DE
Inventors: Larkin B Scott
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1976-05-18
Publication date: 1976-12-02
Also published as: DE2622047C2; CA1062812A; JPS51143373A; GB1496618A; US3981586A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

H. KINKELDEY

OR-ING,

W. STOCKMAIR ZD £ / U 4 / κ. SCHUMANN

. DRBERNAi: DlPL-PHYS

P. H. JAKOB

oipl-ing.

G. BEZOLD

or. FER iwt:-

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 10 363 18. Mai 1976

THE PERKIN-ELMEH COBPOEATION
Norwalk, Connecticut 06852, USA.

Vorrichtung zur fortlaufenden Überwachung des Verhältnisses zwischen zwei sich zeitlich ändernden Signalen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur fortlaufenden Überwachung des Verhältnisses zwischen zwei sich zeitlich ändernden Signalen.

Die Erfindung bezieht sich somit auf. eine Vorrichtung, die mit einem Frequenzgenerator synchronisiert ist und periodisch das laufende Verhältnis zwischen sich zeitlich ändernden Signalen liefert, die von einem Analysegerät erzeugt werden. Signalverhältnismeßvorrichtungen sind im Bereich der Meßinstrumente allgemein bekannt. Für Anwendungen, bei denen sich die Signalpegel mit der Zeit ändern, überwachen wenige dieser Geräte das Sig-

609849/0719

nalverhältnis fortlaufend. Bei denjenigen bekannten Geräten, die das Signalverhältnis fortlaufend überwachen, wird das Verhältnis zwischen einem sich zeitlich ändernden Signal und einem Signal mit festem Pegel bestimmt, so daß diese Signalverhältnismeßgeräte bei Anwendungen unbrauchbar sind, bei denen sowohl dem Zähler als auch dem Nenner des Verhältnisses ein sich zeitlich änderndes Signal entspricht. Bei den meisten bekannten, fortlaufend arbeitenden Signalverhältnismeßgeräten ergeben sich darüberhinaus Fehler in den angegebenen Verhältnissen, die von einem Rauschen verursacht werden, das vom Energieversorgungsnetz aufgenommen wird, das das Gerät, das die sich zeitlich ändernden Signale erzeugt, mit Energie versorgt.

Ziel der Erfindung ist daher eine Vorrichtung, die periodisch das Verhältnis zwischen zwei Signalen mit sich zeitlich ändernder Größe überwacht. Diese Überwachung soll synchron mit der Frequenz des Energieversorgungsnetzes für das Instrument erfolgen, das diese Signale erzeugt.

Dazu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum fortlaufenden Überwachen des Verhältnisses zwischen zwei sich zeitlich ändernden Signalen gekennzeichnet durch einen ersten Integrator für das Signal, das dem Nenner des Verhältnisses entspricht, durch einen zweiten Integrator für.das Signal, das dem Zähler des Verhältnisses entspricht, durch eine Zerhackereinrichtung, um jedes der Signale an den zugehörigen Integrator zu legen, durch

eine Tastspeichereinrichtung zum Speichern des Ausgangssignals des ersten Integrators,~wobsi der Ausgang der Tastspeichereinrichtung mit dem Eingang des zweiten Integrators verbunden ist, durch eine Zeitmeßeinrichtung zusi Messen.des Zeitintervalls, das zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Ausgangssignal von der Taktspeichereinrichtung am zweiten Integrator liegt, und dem Zeitpunkt abgelaufen 609849/0719

ist, an dem das Aus gangs signal vom zweiten Integrator durch einen Vergleichspegel geht, durch eine Rücksetzein-' richtung zum Zurückführen der Zeitmeßeinrichtung und jedes Integrators auf Bezugspegel, durch einen Frequenzgenerator und durch eine logische Einrichtung zum Steuern der Zerhackereinrichtung, des Ausgangssignals von der Tastspeichereinrichtung und der Rücksetzeinrichtung in zu der Periode des Frequenzgenerators synchronisierten Intervallen, wobei die Zerhackereinrichtung so gesteuert wird, daß sie die Signale wenigstens eine Periode lang an die Integratoren legt, wobei das Ausgangssignal der Tastspeichereinrichtung so gesteuert wird, daß es am zweiten Integrator nur liegt, nachdem die Integration des Zählersignals durch den Integrator vollendet ist, und wobei die Rücksetzeinrichtung so gesteuert wird, daß sie die Bezugspegel nur aufbaut, nachdem das dem Verhältnis dsr Signale proportionale abgelaufene Zeitinervall durch die Zeitmeßeinrichtung gemessen ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Ziel der Erfindung dadurch erreicht, daß über eine logische Einrichtung ein Überwachungszyklus festgelegt wird, der sich über eine ganzzahlige Anzahl von Perioden des Frequenzgenerators erstreckt. In jedem Überwachungszyklus sind ein Anfangsintegrationsschritt, ein Endintegrationssdhritt und ein Rücksetzschritt enthalten. Das Auftreten aller Schritte ist durch die logische Einrichtung in Intervalle programmiert, die mit der Periode des Frequenzgenerators synchronisiert sind. Während des Anfangsintegrationsschrittes wird jedes der sich zeitlich ändernden Signale des Signalverhältnisses durch eine Zerhackereinrichtung für wenigstens eine ganze Generatorperiode einem separaten Integrator zugeführt. Während des Endintegrationsschrittes mißt eine Zeitmeßeinrichtung das Signal-

6 0.9 8 A 9 / 0 7 1 9

verhältnis, das- proportional dem Intervall ist, das vergeht, während das Ausgangssignal vom Integrator für das Zählersignal auf seinen Ausgangspegel zurückgeführt wird, nachdem das Ausgangssignal vom Integrator für das Nennersignal an dessen Eingang gelegt worden ist. Beim Rücksetzschritt werden beide Integratoren und die Zeitineßeinrichtung auf ihren Ausgangszustand zurückgeführt, um den nächsten tJberwachungszyklus zu beginnen. Jede Art eines .Analysegerätes, in das das erfindungsgeraäße Verhältnismeßgerät eingesetzt werden kann, hat eine unterschiedliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes zu Folge. Die Zeitmeßeinrichtung kann jedoch bei diesen Ausführungsbeispielen entweder eine digitale oder analoge Einrichtung sein, während die einzelnen Schritte jedes Überwachungszyklus entweder nacheinander oder gleichzeitig im Zyklus auftreten können.

Ein analytisch bedeutendes Verhältnis zwischen der sich zeitlich ändernden Größe von Signalen wird somit periodisch in wiederkehrenden Zyklen überwacht, die alle mit einem Frequenzgenerator synchronisiert sind. Während jedes Überwachungszyklus wird jedes Signal, das dem Zähler und dein Nenner des Verhältnisses entspricht, separat für eine feste Anzahl von Generatorperioden integriert. Danach wird in jedem Überwachungszyklus das Ausgangssignal vom Integrator für das Nennersignal an den Eingang des Integrators für das Zählersignal gelegt und wird die Zeit, die der zuletzt genannte Integrator benötigt, um auf seinen Ausgangspegel zurückzuintegrieren, und die proportional dem Signalverhältnis ist, gemessen» Es können entweder digitale oder analoge Zeitmessungen verwandt werden, und die Anzahl der Generatorperioden, über die das Verhältnis

609849/0719

bestimmt wird, kann Übergangsperioden zwischen federn Integrationsschritt enthalten.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Zeitablaufdiagramm, das einen Überwachungszyklus bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Spektrophotometer darstellt.

Fig. 3 zeigt kombiniert ein schematisch.es Diagramm und eine Blockschaltbild für eine Ausführungsbeispiel der Erfindung., das den in Fig. 2 dargestellten Überv/achungszyklus ausführt.

60 98 49/0719

In den Figuren, und insbesondere in Fig. 1, ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Signalverhältnismeßgerätes dargestellt. Wie es auf dem Gebiet der analytischen Geräte üblich ist, werden durch eine Vorrichtung 6, die von einem Frequenzgenerator 8 über eine Verbindung 10 betrieben wird, ein Nennersignal 2 mit sich zeitlich ändernder Größe und ein Zählersignal 4 mit sich zeitlich ändernder Größe erzeugt. Die Signale 2 und 4 werden über Verbindungen 12 und 14 jeweils einer Zerhackereinrichtung 16 zugeführt, um jedes dieser Signale jeweils über Verbindungen 22 und 24 jeweils an den Eingang eines ersten Integrators 18 und eines zweiten Integrators 20 zu legen. Das Aus gangs signal vom ersten Integrator 18 wird über eine Verbindung 26 dem Eingang einer Tastspeichereinrichtung 28 zugeführt, um dieses Ausgangssignal zu speichern, während das Ausgangssignal vom zweiten Integrator 20 über eine Verbindung 30 dem Stillsetzeingang einer Zeitmeßeinrichtung 32 zum Messen der abgelaufenen Zeitintervalle zugeführt wird. Das Aus gangs signal von der Tastspeichereinrichtung 23 liegt über eine Verbindung 34 sowohl am Eingang des zweiten Integrators 20 als auch am Starteingang der Zeitmeßeinrichtung 32. Eine Rücksetzeinrichtung 36 zum Rückführen der Zeitmeßeinrichtung 32 und der beiden Integratoren 18,20 auf Bezugspegel ist über Verbindungen 38,40 und 42 jeweils angeschlossen. Verbindungen 44,46 und 48 befinden sich jeweils zwischen der Zerhackereinrichtung 16, der Tastspeichereinrichtung 28 sowie der Rücksetzeinrichtung 36 und einer logischen Einrichtung 50 zum Steuern jeder dieser Einrichtungen in zu den Perioden des Frequenzgenerators 8 synchronisierten Zeitintervallen. Die logische Einrichtung 50 ist über eine Verbindung 52 an den Frequenzgenerator 8 angeschlossen.

609849/0719

— ¹J _

Obwohl es in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, enthält die logische Einrichtung 50 eine Kombination von wenigstens drei Verknüpfungsgliedern, von denen jedes so arbeitet, daß es eine bestimmte Stufe in einem periodisch wiederholten Überwachungszyklus steuert. Während der ersten Stufe jedes Überwachungs2yklus werden das Nennerund das Zählersignal 2 und 4 jeweils über ein festes Intervall von wenigstens einer Periode des Frequenzgenerators 8 integriert und wird der integrierte Wert des Nennersignals 2 durch die Tastspeichereinrichtung 28 gespeichert.

Während dieser ersten Stufe steuert ein Verknüpfungsglied in der logischen Einrichtung 50 die Zerhackereinrichtung 16 derart, daß sie die Signale 2 und 4 getrennt jeweils an den ersten und den zweiten Integrator 18 und 20 legt. Während der zweiten Stufe jedes Überwachungszyklus wird das Zeitintervall gemessen, das vergeht, während der Pegel des Ausgangssignals des Integrators 20 auf seinen Ausgangswert zu Beginn des Überwachungsz3''klus durch den Pegel des Ausgangssignals des Integrators 18 rückintegriert wird. Während dieser zv/eiten Stufe steuert ein anderes Verknüpfungsglied in der logischen Einrichtung 50 die Tastspeichereinrichtung 28, um den Pegel des Ausgangssignals, das vom Integrator 18 in dieser Einrichtung gespeichert ist, gleichzeitig sowohl dem Eingang des Integrators 20 als auch dem Starteingang der Zeitmeßeinrichtung 32 zu liefern. Während der dritten Stufe jedes Überwachungszyklus steuert ein weiteres Verknüpfungsglied in der logischen Einrichtung 50 die Rücksetzeinrichtung 36 derart, daß sie dia Zeitmeßeinrichtung 32 und beide Integratoren.18 und 20 auf ihren Ausgangszustand für den nächsten Überwachungszyklus zurückführt. Jedes Verknüpfungsglied in der logischen

60984 9/0719

Einrichtung 50 ist mit dem Frequenzgenerator 8 synchronisiert, so daß das Zeitintervall jeder Stufe in jedem Überwachungszyklus gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode des Frequenzgenerators ist.

Da das Integrationsintervall für jedes Signal während der ersten Stufe jedes Überwachungszyklus festliegt, ändert sich das abgelaufene Zeitintervall, das während der zweiten Stufe gemessen wird, direkt proportional zum Verhältnis des Zählersignals 4 zum Nennersignal 2. Dieses Verhältnis wird natürlich erneut während jedes Überwachungszyklus bestimmt, so daß das in Fig. 1 dargestellte Signalverhältnismeßgerät in der Weise arbeitet, daß es fortlaufend das zwischen zwei sich zeitlich ändernden Signalen bestehende Verhältnis überwacht. Durch die Festlegung des Integrationsintervalls für jedes sich zeitlich ändernde Signal auf ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Frequenzgenerators 8 wird darüberhinaus das Rauschen in jedem Signal 2 oder 4 auf der Frequenz des Generators 8 oder einer Harmonischen dazu auf Null heraus^integriert, und wird die Genauigkeit des SignalVerhältnismeßgerätes durch dieses Rauschen nicht beeinflußt..

In Fig. 1 wird die Vorrichtung 6, die die Signale 2 und 4 erzeugt, nur vom Frequenzgenerator 8 aus Gründen.der Einfachheit betrieben. Darüberhinaus kann der Generator 8 irgendeine bestimmte Frequenz eins chließlich der der Netzversorgung erzeugen. Im übrigen können die Integratoren 18,20 von irgendeinem Typ sein, wobei jedoch angenommen wird, daß ein Typ mit invertiertem Ausgangssignal verwandt wird, und daß eine Einrichtung zum Invertieren des Ausgangssignals vom Integrator 18 vorgesehen ist, wenn Integratoren von einem Typ mit nicht invertiertem Ausgangs-

809849/0719

- 9 - 2B22047

signal verwandt werden. Die Zerhackereinrichtung 16 und die Rüeksetzeinrichtung 36 enthalten ebenfalls Schalter, die als Teil der logischen Einrichtung 50. enthalten sind.

Die Dauer jedes Überwachungszyklus kann natürlich verändert werden, um sie an eine spezielle Anwendungsmöglichkeit anzupassen. Durch eine Erweiterung der logischen Einrichtung 50 derart, daß sie mehr als die oben beschriebenen drei.Verknüpfungsglieder enthält, können darüberhinaus viele Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Signalverhältnismeßgerätes verwirklicht werden. Obwohl die Messung des abgelaufenen Zeitintervalls der zweiten Stufe bei jedem Überwachungszyklus bei jedem Ausführungsbeispiel der Erfindung kontinuierlich erfolgen sollte, können die erste und die dritte Stufe über jeden Überwachungszyklus in gestaffelten Zeitintervallen auftreten. Derartige gestaffelte Zeitintervalle werden dadurch möglich, daß ein Verknüpfungsglied in der logischen Einrichtung 50 hinzugefügt wird, das während der ersten Stufe steuert, wann das Ausgangssignal des Integrators18 durch die Tastspeichereinrichtung 28 gespeichert wird. Dann kann der Integrator 18 vor dem Integrator 20 rückgesetzt werden und treten die erste und die dritte Stufe während jedes Überwachungszyklus statt abwechselnd gleichzeitig auf.

Es ist daher ohne weitere Erläuterungen ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Signalverhältnismeßgerät in jede beliebige Vorrichtung oder jedes beliebige Instrument aufgenommen werden kann, die bzw. das sich zeitlich ändernde Signale erzeugt.

Es hat sich herausgestellt, daß eine besonders passende Anwendungsmöglichkeit für das erfindungsgemäße Signal-

60984 9/0719

Verhältnismeßgerät die Verwendung in einem Spektrophotoiaeter ist, einem Gerät, das dazu verwandt wird, die Konzentrationen verschiedener Bestandteile in Stoffproben zu bestimmen. Bei einem Spektrophotometer werden zwei Strahlenbündel mit im wesentlichen gleicher Intensität nacheinander über einen StrahTsnbündelschslter" oder Zerhacker auf einen photo elektrischen Detektor geschi ckt. Eines dieser Bündel dient als Intensitätsvergleich, während das andere Bündel die Probe durchdringt, die die Intensität des Bündels proportional zu Konzentration des Bestandteiles in der Probe herabsetzt. Der photoelektrische Detektor erzeugt Signale proportional zur Intensität jedes Bündels, und das Verhältnis dieser Signale wird anschließend als Teil der spektrophotometrischen Analyse bestimmt. Es ist auf dem Gebiet dar Spektrophotometer üblich, dieses Verhältnis fortlaufend zu überwachen, da die mit diesem Verhältnis in Besiehung stehenden Signale zu einer zeitlichen Änderung neigen. Auf dem Gebiet der Spektrophotometer ist es ebenfalls üblich, daß der Strahlen bündelschalter eine undurchlässige oder dunkle Zeitspanne aufweist, in der keine Strahlung auf den photo elektrischen Detektor geschickt wird.

Fig. 2 zeigt das Zeitablaufdiagramm jedes Überwachungszyklus des erfindungs gemäß en Signalverhältnismeßgerätes bei der speziellen Anwendung bei einem Spektrophotometer. Bei diesem Anwendungsbeispiel wird natürlich das Verhältnis der Intensität I des Probebündels zur Intensität Iq des Vergleichsbündels bestimmt. Die Dauer dieses Überwachungszyklus ist gleich acht Perioden des Fre— quenzgenerators, und die drei im Obigen anhand der Fig. beschriebenen Grundstufen liegen in dieser Zeitdauer.

609849/0719

Die erste Stufe ist über den Überwachungszyklus derart gestaffelt, daß das I₀-Si.gnal während der Perioden 1 und 2 integriert wird, während das I-Signal während der Perioden 4 und 5 integriert wird. Obwohl in Fig. 2 dargestellt ist, daß das Ausgangssignal vom I-Signalintegrator auf seinen Ausgangspegel durch den Pegel des Ausgangssignals vom Iq-Integrator innerhalb der Periode 6 rückintegriert wird, kann die zweite Stufe für eine veränderliche Zeitdauer während der Perioden 6,7,3 und 1 auftreten, wie es durch die unterbrochene Linie dargestellt ist. Natürlich wird während der zweiten Stufe durch die Zeitmeßeinrichtung das Zeitintervall gemessen, das vergeht, während das Ausgangssignal des I-Integrators auf seinen Ausgangspegel zurückkehrt. Die dritte Stufe ist ebenfalls über den Überwachungazyklus derart gestaffelt, daß der I_Q-Signalintegrator während der Periode 6 zurückgesetzt wird, während der I-Signalgenerator und die Zeitmeßeinrichtung während der Periode 2 zurückgesetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Pegel des Ausgangs signals des ^-Integrators nicht nur während der zweiten Stufe in der Tastspeichereinrichtung gespeichert, sondern auch während der Periode 4 auf diese Einrichtung übertragen, so daß die erste und die- dritte Stufe gestaffelt werden können. Darüberhinaus gibt es am Strahlenbündelschalter im Spektrophotoaieter eine undurchlässige Zeitspanne, die als Übergangszeit im Zeitablaufdiagramm von Fig. 2 programmiert ist, obwohl sie nicht für jede Stufe des Überwachungszyklus notwendig ist.. .

Natürlich können viele Schaltungsanordnungen entworfen werden, die die drei Stufen des Überwachungszyklus ira Zeitablauf diagramm von Fig. 2 ausführen. Sine £ür für diesen Zweck besonders geeignete Schaltung ist in

60 9,8 49/0719

2822047

Fig. 3 dargestellt, in der die Bloekelemente von Pig» 1 mit denselben Bezugszeichen, jedoch mit einem zugesetzten '-Zeichen bezeichnet sind.

Da sich das in Fig. 2 dargestellte Zeitablaufdiagramm auf ein Spektrophotometer bezieht, richtet in Fig. 3 ein Strahlenbündelschalter 54 wechselweise ein Vergleichsbündel und ein Probebündel auf einen photoelektrischen Detektor. Dementsprechend erzeugt der photoelektrische Detektor 56 wechselweise I- und I^-Signale und muß der Strahlenbündelschalter 54 mit den Verknüpfungsgliedern der logischen Einrichtung 50' derart synchronisiert werden, daß diese Signale getrennt über gestaffelte Zeitintervalle während der ersten Stufe des Überwachungszyklus integriert werden können. Diese Synchronisation wird bei dieser Anwendung auf ein Spektrophotometer dadurch" erreicht, daß der Strahlenbündels chalter 54 mit einem nicht dargestellten Synchronmotor vom selben Frequenzgenerator 8' betrieben wird, mit dem die Verknüpfungsglieder der logischen Einrichtung 50' synchronisiert sind. Diese Synchronisation kann natürlich auch auf andere Weise,.'beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Frequenz des Generators 8' direkt vdm Strahlenbündelschalter 54 festgelegt wird, der dann über das Versorgungsnetz oder über eine andere Energiequelle betrieben

Im übrigen sind in Fig. 3 Schalter 58 und 60 in der logischen Einrichtung 50' angeordnet, die als Zerhackereinrichtung 16' dienen. Diese Schalter 58 und 60 verbinden den Ausgang des photoelektrischen Detektors 56 mit dem ersten und dem zweiten integrator 18' und 20' jeweils und leiten dazwischen jeweils getrennt die I_Q- und I-Signale. Jeder der Integratoren 18' und 20V ent-

609849/071 9.

hält jeweils einen Funktion'sverstärker 62 und 64, wobei der nicht invertierende Eingang jedes Verstärkers an Masse lie gt, und wobei der invertierende Eingang jedes Verstärkers mit einem Rückkopplungskondensator 66 und 68 jeweils verbunden ist. Der Ausgang des Integrators 18' steht über einen Schalter 70 in der logischen Einrichtung 50' mit der Tastspeichereinrichtung 28.^f in Verbindung, die einen Funktionsverstärker 72 enthält, dessen nicht invertierender Eingang sowohl mit dem Ausgang des Integrators 18' als auch über einen Kondensator 74 mit Masse verbunden ist. Im übrigen.steht der Ausgang des Verstärkers 72 im Nebenschluß mit seinem invertierenden Eingang in Verbindung. Der Ausgang der -Tastspeichereinrichtung. 28' ist über einen Schalter 76 in der logischen Einrichtung 50' mit dem Eingang des Integrators 20' verbunden, dessen Ausgang zum Starten und Stillsetzen der Zeitmeßeinrichtung 32* angeschaltet ist, die einen Komparator 78 und einen Sägezahngenerator 80 enthält. Der Komparator 78 weist einen Funktionsverstärker 82 auf, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des Integrators 20' verbunden ist, und dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt. Der Sägezahngenerator 80 enthält einen Funktionsverstärker 84, dessen invertierender Eingang mit einem Rückkopplungskondensator 86 verbunden ist, und dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt. Ein Schalter 88, der in der logischen Einrichtung 50' vorgesehen ist, legt eine Vergleichsgleichspannung über einen Widerstand 90 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 84. Schalter 92,94 und 96 sind in der logischen Einrichtung 50' angeordnet und so geschaltet, daß sie die Kondensatoren 66,68 und 86 jeweils wie die Rückstelleinrichtung 36· nebenschließen. Natürlich werden alle Schalter 58,60,70,76,88,92,94 und 96 durch Verknüpfungsglieder innerhalb der logischen Einrichtung

609849/0719

50' gesteuert. Diese Schalter können von irgendeinem Typ beispielsweise Pestkörper - Feldeffekt-Transistors ehalter sein. Darüberhinaus werden alle diese Verknüpfungsglieder außer dem Yerknüpfungsglied, das den Schalter 88 steuert; und durch das Aus gangs signal vom Komparator 73 betrieben wird, synchron mit dem Frequenzgenerator 8 betrieben.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß jeder der Funktionsverstärker 62,64,72,82 und 84 so eingerichtet ist, daß er in herkömmlicher Weise arbeitet. Die Verstärker 62,64 und 84 arbeiten jeweils als Integrator, da ihr invertierender Eingang durch den von ihrem Ausgang über Kondensatoren 66,68 und 86 jeweils rückgekoppelten Strom auf Massepotential gebracht wird, das an ihrem nicht invertierenden Eingang liegt. Jedem dieser Integratoren ist natürlich eine Zeitkonstante eigen, wobei jedoch nur die RC -Kombination der Zeitkonstanten aus dem Widerstand 90 und dem Kondensator 86 für den Verstärker 84 in Fig. 3 dargestellt ist. Im übrigen wird jeder dieser Integratoren auf seinen Ausgangszustand zurückgesetzt, wenn sein Rückkopplungskondeiisator durch das Schließen der Schalter 92,94 und 96 jeweils entladen worden ist. Der Verstärker 72 arbeitet derart, daß er seinen Ausgang immer auf demjenigen Pegel hält, der über den Kondensator 74 an seinem nicht invertierenden Eingang liegt, da sein invertierender Eingang im Nebenschluß mit dem Ausgang verbunden ist. Weiterhin ist die Ausgangsinvpedanz des Verstärkers 72 niedrig, während die Impedanz des nicht invertierenden Eingangs groß ist. Daher kann sein Ausgangspegel über eine Zeitspanne ohne wesentliche Entladung des Kondensators 74 anliegen. Der Verstärker 82 arbeitet derart, daß er ein Ausgangssignal erzeugt, das gleich dem Unterschied zwischen den Signalpsgsln

609849/0719

gleicher Polarität am invertierenden und am nicht invertierenden Eingang ist. Daher ändert das Ausgangssignal des Verstärkers 82 seine Polarität, wenn das Potential an seinem invertierenden Eingang das Massepotential über- oder unterschreitet, da sein nicht invertierender Eingang an Masse liegt.

Der Komparator 78 und der Sägezahngenerator SO sind natürlich nur dazu in der Zeitmeßeinrichtung 32^f enthalten, um ein analoges Ausgangssignal des I/lQ~Verhältnisses zu liefern. Ein digitaler Aufbau der Zeitmeßeinrichtung 32' kann mit Sicherheit bei anderen Anwendungsformen verwandt werden. Im übrigen führt das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Signalverhältnismeßgerätes einen Übsrwachungszyklus aus drei Stufen in derselben grundsätzlichen ¥eise aus, wie sie im Vorhergehenden anhand des Blockschaltbildes in Fig. 1 beschrieben wurde.

Die erste Stufe beginnt, wenn der Schalter 53 während der Perioden 1 und 2 schließt, um das I₀-Signal über den Integrator 18^r zu integrieren, dessen Ausgangs signal infolge der Verwendung des FunktionsVerstärkers 62 im Integrator 18' invertiert wird. Anschließend schließt während der Periode 4 der Schalter 70, um das integrierte Ig-Signal in der Tastspeichereinrichtung 23' zu speichern, während der Schalter 68 während der Perioden 4 und 5 schließt, um das I-Signal mittels des Integrators 20^! zu integrieren. Die zweite Stufe beginnt, wenn die Schalter 76 und 88 gleichzeitig zu Beginn der Periode 6 schließen, um das integrierte I₀^§,ignal dem Integrator 20* zuzuführen und über den Widerstand 90 die Vergleichsgleichspannung an den invertierenden Eingang

6 0-9 8 4 9/0719

des Verstärkers 84 zu legen. Während der Perioden 6, 7,8 und 1 bleibt der Schalter 76 geschlossen, wohingegen der Schalter 88 nur solange geschlossen bleibt, bis das Ausgangssignal vom Integrator 20^f durch das Massepotential geht, wobei das Ausgangssignal des !Comparators 73 seine Polarität ändert, da das Verknüpfungsglied der logischen Einrichtung 50'_s das den Sehalter 83 steuert, mit dem Ausgangssignal des !Comparators 78 synchronisiert ist. Der Verstärker 84 integriert daher die Vergleichsgleichspannung solange, wie der Schalter 88 geschlossen ist, um dadurch ein Ausgangssignal konstanter Flankensteilheit vom Sägezahngenerator 80 zu erzeugen, natürlich ist der Pegel des Ausgangssignals vom Sägezahngenerator 80 zu jedem Zeitpunkt proportional dem Zeitintervall, über das der Schalter 83 geschlossen war. Folglich ist der Signalpegel, der vom Ausgangs signal des Sägezahngenerators 80 v/älirend der zweiten Stufe erreicht wird, direkt proportional dem Verhältnis I/Iq· ' Weiterhin ist es ohne weitere Erklärung ersichtlich, daß das Ausgangssignal vom Sägezahngenerator 80 ähnlich, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, in einer Tastspeichereinrichtung gespeichert werden kann. Die dritte Stufe beginnt dann, wenn sich' der Schalter 72 während der Periode 6 schließt, um den Integrator 18' zurückzusetzen, und ist.beendet,

wenn sich die Schalter 94 und 96 während der Periode 2 schließen, um sowohl den Integrator 20* als auch den Sägezahngenerator 80 zurückzusetzen.

0 9 8 4 9/0719

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur fortlaufenden Überwachung des "Verhältnisses zwischen zwei sich zeitlich ändernden Signalen, gekennzeichnet durch einen ersten Integrator (13) für das Signal (2), das dem Nenrsr des Verhältnisses entspricht, durch einen zweiten Integrator (20) für das Signal (4), das dem Zähler des Verhältnisses entspricht, durch eine Zerhackereinrichtung (16), um jedes der Signale (2,4) an den zugehörigen Integrator (18,20) zu legen, durch eine Tastspeichereinrichtung (28) zum Speichern des Ausgangssignals des ersten Integrators (18), wobei der Ausgang der Tastspeichereinrichtung (28) mit dem Eingang des zweiten Integrators (20) verbunden ist, durch eine Zeitmeßeinrichtung (32) zum Messen des Zeitintervalls, das zwischen dem Zeitpunkt, an dsm das Ausgangssignal von der Taktspeichereinrichtung (28) am zweiten Integrator (20) liegt,und dem Zeitpunkt abgelaufen ist, an dem das Ausgangssignal vom zweiten Integrator (20) durch einen Vergleichspegel geht, durch eine Rücksetzeinrichtung (35) zum Zurückführen der ZeitaeSeinrichtung (32) und jedes Integrators (18,20) auf Bezugspegel, durch einen Fraquenzgenerator (8) und durch eine logische Einrichtung (50) zum Steuern der Zerhacksreinrichtung (16), des Ausgangssignals von der Tastspelchereinrichtung (28) und der Rücksetzeinrichtung (36) in zu der Periods des Fraquenzgenerators (8) synchronisierten Intervallen, wobei die Zerhackereinrichtung (16) so gesteuert wird, daß sie die Signale wenigstens eine Periode lang an die Integratoren (18,20) legt, wobei das Aus-

609849/0719

gangssignal der Tastspeichereinrichtung (2S) so gesteuert wird, daß es am zweiten Integrator (20) nur liegt, nachdem die Integration des Zählersignals (4) durch den Integrator (20) vollendet ist, und wobei die Riicksetzainrichtung (36) so gesteuert wird, daß sie die Bezugspegel nur aufbaut, nachdem das dem Verhältnis der Signale (2,4) proportionale, abgelauf ende Zeitintervall durch die Zeitmeßeinrichtung (32) gemessen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator (8) ein Wechselstromversοrgungsnetz ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennz eichnet, daß die Zerhackereinrichtung (16) und die Rücksetzeinrichtung (36) Feldeifek'ttransistorschalter (92,58,60) innerhalb der logischen Einrichtung (50) aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Tastspeichereinrichtung (28) einen Funktionsverstärker (72) enthält, dessen Ausgang im Nebenschluß mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, und dessen nicht invertierender Eingang über einen Kondensator (74) an Masse liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, -dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Integrator (13,20) einen Funktionsverstärker (62,64) mit einesi Kondensator (66,68) enthält, der zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang geschalter ist, wobei der nicht invertierende Eingang an Masse liegt.

609849/0719
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Zeitin eß einrichtung (32) einen Signalpegel erfassenden Komparator (78)» einen Sägezahngenerator (80) und eine Vergleichsgleichspannungsquelle enthält, wobei der Eingang des !Comparators (78) mit dem Ausgang des zweiten Integrators (20) verbunden ist und der Ausgang des !Comparators (78) so geschaltet ist, daß er ein Verknüpfungsglied innerhalb der logischen Einrichtung (50) ansteuert, um die Vergleichsspannung während der Messung des abgelaufenen Zeitintervalls an den Eingang des Sägezahngenerators (80) zu legen.
?. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Zerhackereinrichtung (16) die Signale xvährend abwechselnder Intervalle an die Integratoren (18,20) legt, und daß ein Verknüpfungsglied in der logischen Einrichtung (50) das Eingangssignal für die.Tastspeichereinrichtung (28) steuert, wobei das Ausgangssignal vom ersten Integrator (18) in der Tastspeichereinrichtung (28) vor dem Ende des Intervalls für den zweiten Integrator (20) gespeichert wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zerhaqkereinrichtung (16) die Signale von einem photoelektrischen Detektor (56) innerhalb eines Spektrophotometers empfängt, das einen Strahlenbündels ehalt er (54)'enthält, der mit dem Frequenzgenerator (8) synchronisiert ist, um wechselweise Strahlungsensrgiebündel sowohl über den Meßweg als auch den Vergleichsweg auf den photoelektrischen Detektor (56) zu schicken, wobei der photoelektrische Detektor (56) Ausgangssignale I und I_Q erzeugt, die proportional der

609849/0719

Intensität des Meß- und Vergleichsbündels jeweils sind, wobei die Ig-und I-Signale durch die Zerhackereinrichtung (16) an den ersten und zweiten Integrator (13,20) jeweils gelegt v/erden ~ und das durch die Zeitmeßeizirichtung (32) gemessene abgelaufene Zeitintervall proportional dem Verhältnis I/Iq ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenbündelschalter (54) einen Synchronmotor enthält und sowohl das Meßbündel als auch das Vergleichsbündel für die Dauer von zwei Perioden auf den photoelektrischen Detektor (56) wirft.
10. Spektrophotometer mit einem Strahlenbündelschalter, der abwechselnd Strahlungsenergiebündel über einen Meßweg und einen Vergleichsweg im Photometer auf einen photoelektrischen Detektor wirft, wobei der photoelektrische Detektor Ausgangssignale I und Iq erzeugt, die jeweils proportional der Intensität des Meßbündels und des Vergleichsbündels sind, gekennzeichnet durch einen ersten Integrator (18*) der einen ersten Funktionsverstärker (62) mit einem Kondensator (66) enthält, der zwischen seinen Ausgang und seinen invertierenden Eingang geschaltet ist, während sein nicht invertierender Eingang an Masse_rliegt, durch einen.zweiten Integrator (20¹)» der einen zweiten Funktionsverstärker (64) mit einem Kondensator (68) enthält, der zwischen seinen Ausgang und seinen invertierenden Eingang geschaltet ist, während sein nicht invertierender Eingang an Masse liegt, durch eine Tastspeichereinrichtung (28^f), die ein^n dritten Funktionsverstärker (72) enthält, dessen Ausgang im Nebenschluß mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist,und dessen nicht invertierender Eingang über einen Kondensator (74) an Masse liegt, durch einen Komparator (78), der einen vierten

60 98 4.9/0719

Funktionsverstärker (32) enthält, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des zweiten Funktionsverstärkers (64) verbunden ist,und dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt, durch einen Sägezahngenerator (80), der einen fünften Funktionsverstärker (84) mit einem Kondensator (86) enthält, der zwischen seinen Ausgang und seinen invertierenden Eingang geschaltet ist, während sein nicht invertierender Eingang an Masse liegt, und durch eine logische Einrichtung (50¹) zum Synchronisieren einzelner Schalter (58,60,70,76,88,92,94,96) mit der Wechselstromversorgung des Spektrophotometers und dem Ausgangssignals des !Comparators (78), wobei der invertierende Eingang des ersten Funktionsverstärkers (62) über den ersten Schalter (58) mit dem Ausgang des photoelektrischen Detektors (56) verbunden ist, wobei der invertierende Eingang des zweiten Funktionsverstärkers (64) über den zweiten Schalter (60) mit dem Ausgang des phatoelektrischen Detektors (5S) verbunden ist, wobei der nicht invertierende Eingang des dritten Funktionsverstärkers (72) über den dritten Schalter (70) mit dem Ausgang des ersten Funktionsverstärkers (62) verbunden ist, und sein Ausgang über den vierten Schalter (76) mit dem Eingang des zweiten FunktionsVerstärkers (64) in Verbindung steht, wobei-der invertierende Eingang des fünften Funktionsverstärkers (84) über den fünften Schalter (88) mit der Vergleichsgleichspannungsquelle verbunden ist, wobei der Ausgang jeweils des ersten, des zweiten und des fünften Funktionsverstärkers (62,64,84) im Nebenschluß mit .seinem invertierenden Eingang über den sechsten, siebten und achten Schalter (92,94,96) jeweils' verbunden ist, wobei die logische Einrichtung (50) die Schalter (53,60,70,76,88,92,94,96) derart steuert, daß über identische ÜberwachungsZeitspannen von acht Perioden periodisch des Verhältnis I/Iq erhalten wird, der erste Schalter

609849/0719

(58) so gesteuert wird, daß er für die ersts und die zweite Periode schließt, der zweite Schalter (60) so gesteuert wird, daß er für die vierte und fünfte Periode schließt, der dritte Schalter (70) so gesteuert wird, daß er für die vierte Periode schließt, der vierte Schalter (76) so gesteuert wird, daß er für die sechste, siebte, achte und die erste Periode schließt, der fünfte Schalter (83) so gesteuert wird, daß er während der sechsten, siebten, achten und ersten Periode schließt, solange das Ausgangssignal des zweiten Funktionsverstärkers (64) den Schwellenwert des !Comparators (73) am nicht invertierenden Eingang des vierten .Funktionsverstärkers (82) überschreitet, der sechste Schalter (92) so gesteuert wird, daß er für die sächsle Periode schließt und wobei der siebte und achte Schalter (94,96) so gesteuert werden, daß sie für die zweite Periode schliessen.

609849/0719