DE2806846A1 - Geraet zum auswerten von messkurven - Google Patents

Geraet zum auswerten von messkurven

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DE2806846A1
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D1/00Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
    • G01D1/10Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving differentiated values
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/48Analogue computers for specific processes, systems or devices, e.g. simulators

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  • Mathematical Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

  • GERÄT ZUM AUSWERTEN VON MESSKURVEN
  • Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Auswerten von Meßkurven, die als an den Eingang des Gerätes angelegte elektrische Signale in mindestens zwei in Reihe geschalteten Differenziergliedern verarbeitet werden, insbesondere zur Auswertung von Meßkurven höherer Ordnung, wie sie beispielsweise bei spektrophotometrischen und spektroskopischen Untersuchungen anfallen.
  • Sehr viele Meßkurven entstehen durch Überlagerung einer Reihe von Einzelfunktionen, wobei aus einem mehr oder weniger homogenen Untergrund dann nur mehr undeutliche und schwer auswertbare Flanken, Terrassen und Schultern hervorragen. Beispielsweise zeigen Spektren von FlUssigkeiten und gelösten Substanzen wegen der Superposition zahlreicher -Übergänge, Atom- und Mol ekülschwingungsterme sowie zusätzlicher Anteile der Wechselwirkung der Substanz mit dem Lösungsmittel meist nur wenig charakteristische und gering strukturierte Banden.
  • Geräte zum Auswerten von Meßkurven sind bereits mehrfach bekannt.
  • Bei optischen Einrichtungen besteht zwar die Möglichkeit besserer Auflösung durch Spaltverengung; hier sind jedoch vor allem aus energetischen Gründen, dann aber auch wegen der dabei auftretenden Beugung, Grenzen gesetzt.
  • Eine andere Möglichkeit, kleine Unebenheiten einer gleichförmig sich erstreckenden Meßkurve besser sichtbar zu machen, besteht in der punktweisen Ermittlung ihrer Steigung (Differentiation). Die früher zeitraubenden manuellen Verfahren wurden durch Einführung automatischer Methoden zur Erstellung von Ableitungen der Meßkurven in der Spektrometrie durch HAMMOND und PRICE (1), MORRISON (2), SHAW (3), GREEN u.O'HAVER (4) u.a. wesentlich vereinfacht. Die bekannten Methoden der verbesserten Auswertung von Meßkurven durch Differentiation eignen sich aber entweder nur zur Darstellung der 1. und 2. Ableitung oder sind in ihrer Anschaffung sehr aufwendig und für den erzielbaren Erfolg unproportional kompliziert.
  • Auch die auf dem Markt erhältlichen, auf dem Prinzip analoger elektronischer Differenzierung beruhenden Geräte arbeiten nur mit Rechengliedern bis höchstens 2. Ordnung. Bei höherer Differentiation werden nämlich nicht nur unerwünschte konstante und linear verlaufende Signale eliminiert, sondern mit steigender Ordnung auch solche, deren Verlauf eine Funktion 2., 3. oder höheren Grades zugrunde liegen.
  • Die Reihenschaltung bekannter Geräte würde zwar zu höheren Ableitungen führen, das Signal-Rausch-Verhältnis würde dann jedoch so stark abnehmen, daß sich die Feinstruktur der erhaltenen Derivativkurven nur unzureichend und unbefriedigend reproduzieren lassen würde. Außerdem ist eine Variation der Einstell möglichkeiten nur begrenzt gegeben (Einknopfbedienung! ).
  • Bei bekannten Geräten, bei denen die an den Eingang des Gerätes angelegten elektrischen Signale in maximal zwei in Reihe geschalteten Differenzierglieder verarbeitet werden (vgl. z. B. (4)) und bei denen nur die Darstellung der 1. und 2. Ableitung möglich ist, besteht der Nachteil, daß bei höheren Ableitungen, wenn man keine besonderen Maßnahmen trifft, also z.B. Filter oder Dämpfungsglieder verwendet, das Rauschen (höherFrequente Signal an teile) mit verstärkt und so groß wird, daß man schließlich Signale ähnlicher Amplitudenhöhe, jedoch unterschiedlicher Frequenz, nicht mehr von einander trennen kann. Der Unsicherheitsbereich (Fehler) der Meßdaten wird dadurch erhöht, ja in vielen Fällen gehen schwache Signale im Rauschpegel unter.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher bekannten Geräte zu vermeiden und ein Gerät zu schaffen, das auf möglichst einfache Weise Meßkurven unmittelbar (on-line) so auswertet, daß die Auflösung wesentlich verbessert, das Rauschen möglichst gering gehalten und dadurch eine Erfassung der Einzel anteile an der superpositionierten Kurve ermöglicht wird.
  • Durch den hochohmigen Impedanzwandler werden die Signalquelle und das Gerät zur Auswertung von Meßkurven galvanisch von einander getrennt, um Rückkopplungseffekte wie Überlagerung, Schwingungsneigung und damit Verfälschung der Kurven zu vermeiden. Hierauf wird das Signal durch einen Verstärker zuerst auf 33 - 66 % zulässiger Maximaleingangsspannung (günstigster Arbeitsbereich) der verwendeten IC angehoben und dann dem 1. Differenzierer D 1 zugeführt, in dessen Rückkopplung ein variierbares Dämpfungsglied DG eingebracht ist (Fig 2). D 1 ist zweckmäßigerweise ein passiver oder aktiver Tiefpaß zur Eliminierung nicht interessierender höherer oder hochfrequenter Signale vor- oder nachgeschaltet.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann noch eine zusätzliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht werden, und zwar durch Erweiterung des Rückkopplungskreises durch einen Hochpaß, wodurch niederfrequente Signale bevorzugt verstärkt und differenziert werden (Fig. 2).
  • Es kann auch vorteilhaft sein, nichtinvertierende Differenzierer zu verwenden; diese zeigen oft ein geringeres Rauschen als invertierende (Fig.3).
  • Das jeweils in der Reihenschaltung folgende Differenzierglied wird durch einen Impedanzwandler von dem vorangehenden Differenzierglied entkoppelt und galvanisch getrennt, um Rückwirkungen zu vermeiden. Hierauf schaltet man einen aktiven Tiefpaß dazwischen, nach der 4. Ableitung (oder letzten höheren) ein passives Filter. Analog können auch Ableitungen von noch höherer Ordnung verifiziert werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen erörtert.
  • Es zeigen: Fig. 1 Blockschaltbild der 1. Differenzierstufe Fig. 2 Bevorzugte Ausführungsform mit 4 Differenzierstufen Fig. 3 Nichtinvertierender Differenzierer Fig. 4 Invertierender Differenzierer mit integriertem Tiefpaßfilter Fig. 5 Grundkurve und 1.-4. Ableitung einer analytischen Bande (Gaußkurve) Fig. 6 Grundkurve und 1.-4. Ableitung zweier überlagerter Gaußkurven unterschiedlicher Amplitude mit Treppenpunkt Fig. 7 Meßkurve und deren 1., 2. und 3. Ableitung (UV-Spektrum von p-Anisidin in Wasser) Fig. 8 3. Ableitung der UV-Spektren von Rinderalbumin, Hühneralbumin und methyl iertem Hühneralbumin.
  • Fig. 1 stellt eine Ausführungsform der ersten Differenzierstufe dar. Das Meßsignal MS bildet das Eingangssignal des Impedanzwandlers 11, der Verstärker V1 verstärkt das Signal so, daß es in den optimalen Arbeitsbereich vom Differenzierer Dl kommt. Der Tiefpaß T1 ist erforderlich, um unerwünschte höherfrequente nichtinteressierende Signalanteile zu beseitigen. Der Tiefpaß kann auch direkt am Eingang oder vor dem Verstärker angebracht sein.
  • In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit 4 Differenzierstufen dargestellt. Dl ist ein nichtinvertierender Differenzierer, D2, D3 und D4 invertierende Differenzierer. Das Tiefpaßfilter T 1 ist ein passives Filter.
  • T2 ist in D2 integriert. Der sich in der Rückkopplung befindende Hochpaß läßt hohe Frequenzen bevorzugt durch, wobei andererseits niedrige Frequenzen bevorzugt verstärkt und differenziert werden. T4 stellt einen aktiven Tiefpaß 2. Ordnung dar. Anstelle des Tiefpasses T3 wurde in I3 ein variierbarer Glättungskondensator eingebaut. Die Reihenfolge kann hierbei variiert werden. Der Spannungsteiler S dient zur Anpassung an ein Registriergerät (z. B. Schreiber). Weisen die Ausgangssignale große Unterschiede in ihren Amplituden auf, ist es vorteilhaft, einen bipolaren logarithmischen Verstärker in Reihe vor das Registriergerät zu schalten.
  • Die nichtinvertierende Differenzierstufe nach Fig. 3 kann als Differenzierstufe D1 benutzt werden, insbesondere dann, wenn höhere Ableitungen, z. B.
  • 4, benötigt werden; sie hat den Vorteil, eine hohe Eingangsimpedanz aufzuweisen, nicht kapazitiv belastet zu werden, ein besseres Großsignalver halten zu zeigen und höhere Stabilität zu besitzen.
  • Der invertierende Differenzierer mit integriertem Tiefpaßfilter nach Fig.4 vereinigt einen Differenzierer mit einem Tiefpaßfilter. Dies ist schaltungsmäßig sehr einfach und hat den Vorteil, daß bevorzugt niederfrequente Signale differenziert werden, während höherfrequente Schwingungen den Hochpaß der Rückführung passieren und dadurch der Verstärkung entzogen werden.
  • In Fig; 5 ist die Ableitung einer Gauß-Kurve ("Analytische Bande"), wie sie im einfachsten Fall z. B. in der Spektralphotometrie vorkommt, bis zur 4. Ordnung dargestellt. Man ersieht daraus, daß das Maximum der Kurve in den Ableitungen geradzahliger Ordnung als Extremwert (Maximum oder Minimum), in denen ungeradzahliger Ordnung als Nulldurchgang erscheint.
  • Die Halbwertsbreiten werden von Ordnung zu Ordnung geringer und die Signale damit schärfer.
  • Überlagern sich nun zwei solcher Gaußkurven, von denen eine ein geringeres Maximum aufweist, so kommt es in der superpositionierten Kurve, je nachdem, wie weit die Maxima der Einzelsignale auseinanderliegen, zu einer Kurve mit einer Schulter oder einem Terrassenpunkt. In Fig. 6 ist solch ein Fall bis zur 4. Ableitung dargestellt.
  • Schließlich ist in Fig. 7 ein Beispiel für die praktische Anwendung des Gerätes wiedergegeben, wobei zur Vereinfachung nur 3 Ableitungen berücksichtigt sind. Die Grundkurve (O. Ableitung) ähnelt stark der, wie in Fig. 6 gezeigten. Vergleicht man jedoch die Ableitungen höherer Ordnung miteinander, dann sieht man, daß die Kurve in Fig. 7 aus mehr als nur 2 analytischen Banden durch Überlagerung entstanden ist. Komponenten, die man an der linken Flanke nur undeutlich sehen oder vermuten kann, treten nun deutlich hervor und sind trotz des hohen Untergrundes sogar aus der Peakhöhe quantitativ erfaßbar. Man kann auf diese Weise z. B. noch geringe Verunreinigungen in Substanzen einfach ermitteln und quantitativ bestimmen.
  • Wie empFindlich das Gerät auf Unterschiede in den Eingangssignalen anspricht, kann man in Fig. 8 erkennen. Während die Grundspektren der drei Albumine im UV-Bereich des Spektrums praktisch identisch sind, kann man in den entsprechenden Derivativspektren 3. Ordnung (Kurve 1 Rinderalbumin, Kurve 2 Hühneralbumin, Kurve 3 Methyliertes Hühneralbumin) bereits markante Unterschiede, besonders im Bereich von 272 und 288 nm, wahrnehmen. Es ist so möglich, auf Grund der hohen Auflösung der Derivativspektroskopie höherer Ordnung ähnlich wie im IR auch bei wenig aussagenden Grundspektren von Substanzen im UV und sichtbaren Bereich charakteristische Muster (Fingerprints) zu erhalten, zu identifizieren und in Spektrenkatalogen zu sammeln.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren technischen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß man mit steigendem n der 2n-ten Ordnung (n = 1,2,3...; geradzahlige Ordnung!) der Ableitungen zunehmende Schärfung der Extremwerte der Grundkurve erreicht, mit steigendem n' der 2n' + 1 -ten Ordnung (n' = 0,1,2,3..; . . ungeradzahlige Ordnung!) Wende- und Treppenpunkte der Grundkurve in Extrema abnehmender Halbwertsbreite überführen kann.
  • Außerdem gelingt es, durch breite Variationsmöglichkeit der ohmschen und kapazitiven Komponente der Zeitkonstante jedes Differenziergliedes und durch Einsatz aktiver und passiver Filter das Gerät der jeweiligen Meßkurve optimal anzupassen und bei geringem Rauschen trotzdem vorzügliche Auflösung zu erreichen. Die Höhe der Ordnung ist dann optimal, wenn unipolare Signale in bipolare und alle Schultern und Wendepunkte der Grundkurve in Extrema oder Nulldurchgänge übergeführt sind, was in den meisten Fällen mit der 2. Ableitung noch nicht, dagegen mit der 3., 4. oder noch höheren möglich ist. Dann ist auch die das Rauschen verringernde Filterung und damit die Reproduzierbarkeit der Feinstruktur der Derivativkurven optimal Literaturnachweis (1) V. J. Hammond u. W. C. Price: J. Opt. Soc. Amer., 43, 924 (1953) (2) J. D. Morrison: J. Chem. Phys., 21, 1767 (1953) (3) M. C. Shaw: Anal. Biochem. 44, 291 (1972) (4) G. L. Green u. T. C. O'Haver: Anal. Rohem. 46, 2191 (1974) Leerseite

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCH E 1. Gerät zum Auswerten von Meßkurven höherer Ordnung, die als an den Eingang des Gerätes angelegte elektrische Signale in mindestens zwei in Reihe geschalteten Differenziergliedern verarbeitet werden, insbesondere zur Auswertung von spektrophotometrischen und spektroskopischen Meßkurven, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Differenzierglied (D 1, D 2 , D3...) ein Impedanzwandler (I1, I2, I3 ...) mit hochohmigem Eingang und nieder ohmigem Ausgang angeordnet ist, und daß zwischen den in Reihe geschalteten DifFerenziergliedern mindestens ein Tiefpaßfilter (T1, T2, T3..) oder Dämpfungsglied DG vorgesehen ist.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der ersten Dffferenzierstufe (D 1) ein Verstärker (V1) vorgesehen ist.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das TieFpaßfilter als passives TieFpaßFilter (T 1 ) ausgebildet ist.
  4. 4. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das TieEpaßfilter als aktives Tiefpaßfilter CT4) ausgebildet ist.
  5. 5. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tie'fpaß-Filter (T2) in den Differenzierer (D2) integriert ist.
  6. 6. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine, mehrere oder alle Differenzierstufen als nichtinvertierende Differenzierer CD 1) ausgebildet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4222346A1 (de) * 1992-07-08 1994-02-03 Bosch Gmbh Robert Einrichtung zur Erhöhung der Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen
CN100416277C (zh) * 2004-05-14 2008-09-03 通用汽车公司 确定输入信号导数的方法

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