Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Messung und
Analyse von Gasen unter Verwendung eines Gaschromatographen
für eine Lieferung eines kontinuierlichen zeitveränderlichen
Signals, das zu den Gemischanteilen eines Trägergasstromes
in Beziehung steht.
Aus der DE-PS 26 05 660 ist ein Gaschromatograph bekannt,
der mit einer pneumatischen Regeleinheit zusammengeschaltet
ist, die periodisch ein pneumatisches Probeeingabesignal er
zeugt, das an ein Eingabeventil des Gaschromatographen ange
liefert wird. Der Gaschromatograph ist zur Lieferung eines
pneumatischen Ausgangssignals unter Vermittlung eines mit
dem Eingabeventil verbundenen pneumatischen Detektors einge
richtet, wobei mit den an dem Ausgangssignal aufeinanderfol
gend erscheinenden Signalspitzen eine Anzeige von Meßwerten
für die Konzentration der einzelnen Komponenten eines jewei
ligen Probenfluids vermittelt wird. Die pneumatische Regel
einheit ist mit einer Logikeinheit gebildet, die an der Lie
ferung eines so bezeichneten Trend-Ausgangssignals mitwirkt,
indem diese Logikeinheit mit mehreren Speichern unterschied
licher Funktion zusammengeschaltet ist, welche mit einer
Gegenüberstellung von Niedrig- und Hochwerten die Ableitung
des als Spitzenhöhensignal definierten Trendausgangssignals
vermitteln.
Wenn unter Verwendung eines Gaschromatographen die Gemisch
anteile eines Trägergasstromes gemessen und analysiert wer
den sollen, dann besteht dabei das Problem, wie bei der da
für angewendeten Auswertung des von dem Gaschromatographen
gelieferten Signals die das Signal begleitenden Geräusch
komponenten zu berücksichtigen sind. Bekannt ist, daß bei
der Auswertung von Radarsignalen alle sie begleitenden
Rauschsignale durch eine Schätzung ihrer Änderungsrate be
rücksichtigt werden. Für die Rauschsignale wird dabei eine
mit dem jeweiligen Geräuschinhalt übereinstimmende Ampli
tudengröße vorausgesetzt, womit für diese geschätzte Aus
wertung im wesentlichen nur Differenzierschaltungen der ver
schiedensten Formen in Verbindung mit geeigneten Verstärkern
und/oder Filtern benötigt werden. Die bekannten Systeme
dieser Art sind im allgemeinen äußerst ansprechempfindlich,
neigen aber leicht zu einer unprogrammierten Abschaltung bei
Erreichung eines Sättigungszustandes und haben auch sonst
eine Vielzahl von unerwünschten Betriebseigenschaften, ins
besondere in bezug auf ein nichtlineares Verhalten gegenüber
jeder Art von Geräuschen. Der Einsatz von Filtern ist dabei
gleichzeitig wegen deren Größe und Gewicht beschränkt sowie
auch dadurch, daß Filter im allgemeinen eine unerwünschte
Verzerrung in wechselndem Ausmaß der Amplitude und der Phase
des ursprünglichen Signals ergeben, wenn dessen Frequenzin
halt angenähert im spektralen Bereich des ausgeschiedenen
Geräusches liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer
Anlage der eingangs genannten Art eine einfach zu realisie
rende Voraussetzung dafür zu schaffen, daß Geräusche jeder
Art, welche das von den Gaschromatographen gelieferte Signal
begleiten können, als mögliche Störgrößen bei der Signalaus
wertung unberücksichtigt bleiben können.
Diese Aufgabe wird bei einer Anlage der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß eine Schätzeinrichtung vorgesehen
ist, die eine Reihenfolge von Schätzwerten für die Änderungs
rate des Zeitfaktors des zeitveränderlichen Signals liefert
und eine rekursive Rückkoppelungsschaltung umfaßt, welche
jeden dieser Schätzwerte durch eine Kombination eines vor
hergehend bestimmten Wertes der für die Änderungsrate ge
schätzten Werte mit dem aktuellen Wert des zeitveränderlichen
Signals berechnet, um den aktuellen Schätzwert für die Ände
rungsrate zu erhalten.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfin
dung sind in den einzelnen Patentansprüchen gekennzeichnet
und befassen sich im wesentlichen mit einer Verarbeitung
einer digitalisierten Form des zeitveränderlichen Signals,
das dafür bevorzugt in vorbestimmten gleichen Zeitabständen
durch eine Wandlereinrichtung geprüft wird, um ein Daten
signal in der Form einer Reihenfolge von zeitgleich aufein
anderfolgenden amplitudenabhängigen Digitalsignalen zu lie
fern, deren Auswertung in keiner Weise durch irgendwie vor
handene Geräusche gestört wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Anlage zur Messung
und Analyse von Gasen gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Schätzeinrichtung der Anlage nach
Fig. 1,
Fig. 3A-3C Diagramme mit verschiedenen Wellenformen
zur näheren Erläuterung der ein
zelnen Bauteile der Anlage nach Fig. 1,
Fig. 4A u. 4B Diagramme mit den Wellenformen, die am Aus
gang einer Wandlereinrichtung der Anlage nach Fig. 1 und am Ausgang der Schätzeinrich
tung gemäß Fig. 2 erhalten
werden, und
Fig. 5A und 5B Diagramme mit einem vergrößerten Ausschnitt
der Wellenform, die ohne bzw. mit einem
Geräuschinhalt am Ausgang des Gaschromato
graphen erhalten wird.
Die in Fig. 1 in einem Blockdiagramm gezeigte
Anlage 10 umfaßt zur Messung und Analyse von Gasen einen
Gaschromatographen 15, der ein kontinuierliches zeitveränderliches
Signal über eine Ausgangsleitung 14 a liefert. Das Liefersignal wird aus
einem über eine Eingangsleitung 12 zugeführten Trägerstrom
erhalten. Wenn der Trägergasstrom nur aus einer Kompo
nente besteht, dann liefert der Gaschromatograph
15 das zeitveränderliche Signal 14 gemäß Fig. 3A,
während bei einem Bestehen des Trägergasstromes aus mehreren
Komponenten diese einheitliche Wellenform dann die Abwandlung
gemäß Fig. 3C erfährt, wobei die einzelnen Wellenspitzen
Rückschlüsse auf die einzelnen Gemischanteile des Trägergas
stromes ergeben.
Der Gaschromatograph 14 ist mit einer Wandlereinrichtung 18 zusammen
gebaut, welche das - analoge - Ausgangssig
nal des Gaschromatographen 15 in ein digitales Datensignal
umwandelt. Die Umwandlung in die digitale Form wird ampli
tudenabhängig in der Weise vorgenommen, daß am
Ausgang 16 des A/D-Wandlers 18 eine Reihenfolge von zeitgleich
auftretenden Digitalsignalen 17 gemäß Fig. 3B erhal
ten wird. Diese amplitudenabhängigen und folglich zeit
lich vereinzelten Digitalsignale 17 werden einer Schätz
einrichtung 20 zugeleitet, die weiter über eine Eingabe/Aus
gabe-Steuereinrichtung 24 mit einem Prozessor
30 verbunden ist. Die Schätzeinrichtung 20 liefert eine
Reihenfolge von Schätzwerten für die
Änderungsrate des Zeitfaktors des zeitveränderlichen
Signals 14 über ihren Ausgang 21 a, womit der
Prozessor 30 unter Berücksichtigung auch der am
Ausgang 16 des A/D-Wandlers 18 erhaltenenen Digitalsignale 17,
die außer an die Schätzeinrichtung 20 auch noch an die Ein
gabe/Ausgabe-Steuereinrichtung 24 angeliefert werden, eine
exakte Analyse der Gemischanteile des betreffenden Trägergasstroms
vornehmen kann. Der Prozessor 30 ist
beispielsweise für die Analyse eines Trägergasstromes mit bis
zu 15 verschiedenen Gemischanteilen ausgelegt, die dabei
auch unverbrennbare, gesättigte und ungesättigte Kohlenwasser
stoffe umfassen können.
Über die Eingabe/Ausgabe-Steuereinrichtung 24 werden die von
dem Prozessor 30 errechneten Ausgangsdaten einem Drucker 35
zugeleitet. Die Ausgangsdaten des Prozessors 30 beinhalten
die verschiedensten Parameter in bezug auf den jeweils ausge
werteten Trägergasstrom, so insbesondere eine Analysator-Iden
tifikation, eine Zeit- und Daten-Analyse, die Wertgröße für das
gesättigte BTU/CF-Verhältnis, das reale spezifische Gewicht, den
Z-Faktor, die Gesamtfläche aller Spitzen im Ausgangssignal des
Gaschromatographen, die Namen der einzelnen Gemischanteile (Me
than, Kohlendioxyd usw.) unter gleichzeitiger Angabe der
jeweiligen Konzentration mit einer Genauigkeit bis zu zwei De
zimalstellen, die Retentions- oder Haltezeiten der Spitzen, An
sprechfaktoren und andere, für die Analyse wichtige Informa
tionen.
Die Eingabe/Ausgabe-Steuereinrichtung 24 umfaßt eine Vielzahl
programmierbarer Hardware zur Auswertung bzw. Beeinflussung der
Daten, die über eine Anschlußleitung 41 dem Prozessor 30 zuge
führt bzw. von ihm erhalten werden. Außer einer An
schlußleitung 35 a an den Drucker 35 sind zwei weitere analoge
Ausgangsleitungen vorhanden, über welche die Informationswerte
über die BTU-Größe und das spezifische Gewicht ferngeleitet
werden. Der A/D-Wandler 18 wird über eine Anschlußleitung
24 a und 41 durch die Steuereinrichtung 24 derart gesteuert,
daß für die Lieferung der amplitudenabhängigen Digi
talsignale 17 am Ausgang 16 des Wandlers die Prüfrate r o einge
halten wird. Diese Prüfrate kann in Abhängigkeit von der Zusam
mensetzung des zu messenden und zu analysierenden Trägergasstromes
geändert werden. In dem über die Anschlußleitung 24 a dem A/D-
Wandler 18 zugeführten Signal sind im übrigen Befehls- und Sta
tuswörter für einen selbststeuernden Bereichsver
stärker enthalten, mittels welchem der
zwischen 5 Mikrovolt und 10 Volt
reichende Streubereich des
am Ausgang 14 a des Gaschromatographen 15 erhaltenen
Signals
ausgewertet wird.
Die Steuereinrichtung 24 ist weiterhin über eine An
schlußleitung 23 a mit einem Steuerpaneel 22 verbunden, womit
bestimmte Sichtanzeigen gesteuert werden, mittels welcher die
Arbeitsweise der Steuereinrichtung 24 überprüfbar ist. Weiter
hin besteht über eine Anschlußleitung 24 b eine Verbindung auch
mit dem Gaschromatographen 15, wodurch dessen einzelne Solenoide
zum jeweils richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Zeitfolge
gesteuert werden. Zur Beeinflussung des Programmablaufs des
Prozessors 30 umfaßt die Anlage außerdem eine über eine An
schlußleitung 23 ebenfalls an die Steuereinrichtung 24 ange
schlossene Leseeinrichtung 34 für ein Band 19, womit es möglich
ist, von dem Prozessor 30 willkürlich alle gewünschten Daten zu
erhalten, die unter Vermittlung der Steuereinrichtung 24 dem
Prozessor 30 aus dem Gaschromatographen 15, dem A/D-Wandler 18
und der Schätzeinrichtung 20 zugeleitet werden bzw. die damit
beeinflußbar sind, um so andererseits den jeweils gewünschten
Informationsgehalt solcher Daten, die von dem Prozessor 30 aus
gegeben werden, an dem Steuerpaneel 22 und dem Drucker 35 zu
erhalten. Zur Ermöglichung eines Dialogverkehrs mit dem Pro
zessor 30 umfaßt die Anlage schließlich noch eine über eine
Anschlußleitung 38 a angeschlossene Tastatur 38.
In der vorbeschriebenen Anlage bestimmt die Schätzeinrichtung 20
die Änderungsrate des Zeitfaktors der Digi
talsignale 17, die an dem Ausgang 16 des A/D-
Wandlers 18 erhalten werden. Um hierfür mit einem minimalen
Aufwand an Rechnerkomponenten auszukommen, umfaßt die Schätz
einrichtung 20 eine rekursive Rückkoppelungsschaltung, für die
frühere Zeitwerte dieser geschätzten Änderungsrate
zur Bildung des jeweils aktuellen Schätzwertes benutzt werden.
Dabei ist vorauszusetzen, daß wenn von einem Träger
gasstrom mit mehreren Gemischanteilen
ein zeitveränderliches Signal 14 der
Wellenform gemäß Fig. 3C erhalten wird, bei der durch den A/D-
Wandler 18 vorgenommenen Umwandlung
gleiche Zeitabstände Δ t eingehalten werden.
Die von dem A/D-Wandler 18 an seinem Ausgang 16 gelieferten
Digitalsignale 17 ergeben folglich entsprechend der Dar
stellung in Fig. 3B eine Prüfrate r o , welche die Um
kehrfunktion dieser gleichen Zeitabstände Δ t ist, das heißt
r o =1/Δ t.
Das Ausgangssignal der Schätzeinrichtung 20, das somit
Schätzwerte für die Änderungsrate des Zeitfaktors des zeit
veränderlichen Signals beinhaltet, wird gemeinsam mit dem
digitalen Ausgangssignal des A/D-Wandlers 18 dem Prozessor 30
zugeleitet, um im Rahmen eines entsprechenden Unterprogramms
auf die enthaltenen Informationswerte geprüft zu werden. Die
Logik dieses Unterprogramms analysiert das Ausgangssig
nal des Gaschromatographen 15 einschließlich aller von diesem
Signal abgeleiteter Größen für eine Bestimmung der ein
zelnen Flächeninhalte unterhalb den einzelnen Wellenspitzen,
entsprechend der Darstel
lung in Fig. 3C,
welche die verschiedenen Gemischanteile des Trägergas
stromes ergeben. Dabei werden gleichzeitig
die folgenden Einzelfragen entschieden:
- 1. Befindet sich das Ausgangssignal des Gaschroma
tographen noch auf seinem vorhergehenden Grund
niveau?
- 2. Hat sich ein weiterer Gemischanteil eingestellt?
- 3. Ist ein Maximum erreicht worden?
- 4. Hat sich eine Verringerung angedeutet?
- 5. Hat eine früher festgestellte Verringerung eines
Gemischanteils das Grundniveau erreicht?
Die Antworten auf diese Fragen bestimmen die auszuwählende
Logik und werden für die Berechnung der Fläche A i unterhalb jeder
Wellenspitze
benutzt. Diese Fläche A i ist der Bereich jedes
Wellenabschnittes, der sich von
einem Grundniveau abhebt und nach Erreichen einer Spitze erst
mals wieder auf dieses Grundniveau zurückkehrt.
Bei der Berechnung ergeben sich verschieden große Flächeninhalte für
die einzelnen Abschnitte, womit Rückschlüs
se auf die verschiedenen Gemischanteile des Trägergasstromes erhalten
werden. Die Berechnung der Flächen A i wird fort
laufend vorgenommen, womit je
der neu auftauchende Gemischanteil sofort erkannt und inte
griert werden kann. Am Ende einer solchen Analyse steht somit eine
Liste zur Verfügung, bei welcher die
Flächen A i einzeln festgestellten Gemischanteilen des Träger
gasstromes zugeordnet sind.
Das Grundniveau, das bei dieser Berechnung sämtlicher
Flächen A i berücksichtigt wird, ist eine mehr
oder weniger willkürliche Größe und kann insbesondere durch den
Rauschinhalt des gesamten Systems festgelegt sein, der bei ein
geschalteter Anlage und noch nicht eingeleite
ter Analyse eines Trägergasstromes vorhanden ist. Bei der Be
stimmung der Fläche A i eines Wellenabschnitts y i
muß daher zuerst der Zeitpunkt t i ₁ festgestellt werden, an
welchem sich dieser Abschnitt y i von dem Grundniveau
abhebt. Es wird dann der Zeitpunkt t i ₂ ermittelt, in wel
chem der Wellenabschnitt y i seine Spitze erreicht, und schließ
lich der Zeitpunkt t i ₃, in welchem das Grund
niveau wieder erreicht wird. Für die Berechnung der
Fläche A i bedarf es daher einer genauen Kenntnis über das
Verhalten der (abgeleiteten) Funktion dy(t)/dt, für deren
Echtzeit-Bestimmung ein die Änderungsrate abschätzender Schalt
kreis benötigt wird. Hierbei ist noch wichtig, daß die betref
fende Logik eines solchen Schätzkreises auch extrem ansprech
empfindlich ist, so daß bereits kleinste Änderungen, die sich
auf Grund eines Wechsels der Gemischanteile des Trägergasstromes
im Wellenverlauf des Ausgangssignals des Gaschromatographen
einstellen, augenblicklich erfaßt werden.
Bei einer Berechnung dieser Art besteht das grundsätzliche
Problem, daß bei Zugrundelegung einer bereits abgeleiteten
Größe das Rechenergebnis darin fehlerhaft ist, daß in ihm
auch der Geräuschinhalt Eingang gefunden hat. Eine abgelei
tete Größe ist wegen der höheren Rate des mit den Geräusch
impulsen verbundenen Spannungswechsels generell wesentlich
rauschempfindlicher als das entsprechende Ursprungssignal.
Dieses Problem läßt sich mit der Schätzeinrich
tung 20 und im besonderem mit der rekur
siven Rückkoppelungsschaltung dieser Schätzeinrichtung be
herrschen. Die rekursive Rückkoppelungsschaltung greift
auf einen früher berechneten Wert zurück, der für eine laufen
de Berechnung als Eingangswert benutzt wird, d. h.
es wird ein Speicher benötigt, damit die
Rechnerlogik nicht mehr aktuelle frühere Werte des Signals ver
werten kann.
Die Schätzeinrichtung 20 dient grundsätzlich der Bestimmung
der mittleren Änderungsrate eines verrauschten Signals y(t)
beispielsweise der in Fig. 5B gezeigten Art. Für die einfachste
Auswertung eines solchen Signals können gleiche
Zeitabstände Δ t zwischen den aufeinanderfolgenden Prüfzeiten
y(t) zu Grunde gelegt werden, womit sich jeder
Unterschied der Meßwerte von zwei aufeinan
derfolgenden Prüfzeiten y(t) als eine Schätz
größe in Form der folgenden Gleichung darstellen läßt:
Sofern bei dieser Berechnung auch alle in dem Signal enthaltenen
Geräusche berücksichtigt werden, so ergeben sich daraus völlig
andere Werte, wie es die folgende Gleichung zeigt:
In der vorstehenden Gleichung (2) ist mit der Größe δ Ni
die augenblickliche Störspannung berücksichtigt, die
bei jeder Prüfzeit dem aktuellen Wert des Ausgangs
signals überlagert wird.
Mit der rekursiven Rückkoppelungsschaltung bleiben alle Abwei
chungen, die kurzzeitig durch Geräusche verursacht
sind, unberücksichtigt, indem die Zeitabstände zwi
schen den aufeinanderfolgenden Prüfzeiten vergrößert werden. Damit wird
entsprechend der Gegenüberstellung gemäß den Fig. 5A und 5B ein gleich
mäßiger Wellenverlauf vorausgesetzt, für dessen aufsteigenden
Ast mit einer entsprechenden Auswahl des Zeitabstandes Δ t bei
spielsweise 16 Prüfzeiten vorgegeben werden. Für eine betref
fende Schätzung wird dann zunächst die Amplitude y o des ersten
dieser 16 Prüfzeiten ermittelt, um nachfolgend von dem jewei
ligen Meßwert für die Amplituden y(t) jedes der weiteren 15
Meßpunkte subtrahiert zu werden, wenn gemäß der folgen
den Gleichung ein entsprechender Mittelwert aus der Summe dann
dieser einzelnen Differenzen ermittelt wird:
Gemäß der vorstehenden Gleichung (3) wird daher
mittels einer Integration bzw. Summation eine Differenzierung
durchgeführt, wobei die Fig. 5B ergibt,
daß die Überlagerung des Signals y(t) mit der Ge
räusch- bzw. Störgröße σ N (t) bei einigen
Prüfzeiten additiv und bei anderen Prüfzeiten subtraktiv
wirkt. Wenn folglich die für die einzelnen Prüfzeiten berech
neten Differenzen über eine längere Zeitdauer addiert werden,
dann kann die Störgröße bei der Ermittlung eines
Mittelwertes für die Änderungsrate des auszuwerten
den Signals unberücksichtigt bleiben, d. h. es reicht bei
der Ermittlung eines Mittelwertes aus, einen
geglätteten Wellenverlauf zu berechnen.
Die Schätzeinrichtung 20 respektive
ihre rekursiven Rückkoppelungsschaltung gebraucht im wesentlichen
die vorerwähnte Gleichung (3), wobei aber be
stimmte Vorkehrungen getroffen sind, um mögliche Abrundungsfeh
ler in der Logikschaltung zu vermeiden. Die
Berechnungsformel für diese rekursive Rückkoppelungsschaltung,
die sich mit einem minimalen Aufwand verwirklichen läßt, ist
nachfolgend wiedergegeben:
F i × (Δ t) = F i-1 · (Δ t) + y i+1 - y i - k(y i - y i-1) (4)
wobei
F i = Schätzwert der mittleren Änderungsrate des
Eingangssignals
i = Indexparameter der Zeit (i = 1, 2, 3. . . n)
y = Amplitude des Eingangssignals
k = Parameter der Prüfzeiten
Die Schätzeinrichtung 20 verzögert das Eingangssig
nal, um die Berechnung mit mehreren gleichzeitig zugänglichen Werten
durchführen zu können. Die Verzögerung wird durch die
Verwendung eines Schieberegisters erhalten. In der vor
stehenden Gleichung wird weiterhin der Parameter k als ein
Multiplikator benutzt,
d. h. wird dieser Parameter k vergrößert,
dann scheidet die Schätzeinrichtung 20 bei einer
größeren Anzahl von Prüfzeiten entsprechend vermehrt
hochfrequente Geräuschanteile aus. Der Parameter k wird
für jeden Anwendungsfall des Gaschromatogra
phen auf einen bestimmten Wert eingestellt.
Der Schätzeinrichtung 20 werden über die Verbindungsleitung 16
mit dem A/D-Wandler 18 Digitalsignale der in Fig. 4A gezeigten
Art übergeben, bei denen es sich um Binärwörter der Indikation
y i+k einer Länge von 32 Bits handelt. Wenn der Schätzein
richtung 20 von der Steuereinrichtung 24 über eine Befehllei
tung 68 (Fig. 2) der Start-Befehl an der Eingangsklemme S eines
RS-Flip-Flops 71 gegeben wird, schaltet dessen Ausgangs
klemme Q auf hoch und es wird über die Anschlußleitung 41 an
den A/D-Wandler 18 der Befehl erteilt, mit der Umwandlung
in die digitale Form des zeitveränderlichen Signals zu beginnen,
das über die Anschlußleitung 14 a von dem Gaschromatographen 15
angeliefert wird. Gleichzeitig damit wird über die Ausgangsklem
me des RS-Flip-Flops 71 bzw. eine betreffende Ausgangsleitung
65 ein Rückstellbefehl an die erste Stufe eines Schieberegisters
44 sowie an zwei weiterhin vorgesehene 32 Bits-Sperregister 44′
und 60 weitergegeben. Noch bevor von dem A/D-Wandler 18
über eine Verbindungsleitung 42 das Signal erhalten wird, wel
ches das Ende der Umwandlung beinhaltet, wird von der Steuer
einrichtung 24 über eine Anschlußleitung 69 ein Stop-Befehl
an die Anschlußklemme des RS-Flip-Flops 71 abgegeben, womit
dessen beide Ausgänge Q und resp. die betreffenden Ausgangs
leitungen 41 und 45 dann abgeschaltet werden. Wenn das
vorerwähnte Signal, welches das Ende der Umwandlung beinhal
tet, über die Leitung 42 der Schätzeinrichtung 20 zugeleitet
wird, dann wird der zu diesem Zeitpunkt von dem A/D-Wandler 18
übergebene Wert in das Schieberegister 44 übernommen. Auch die
beiden Sperregister 44′ und 60 werden gleichzeitig durch das in
der Leitung 42 enthaltene Signal abgetastet, damit die in ihren
Eingangsleitungen zu diesem Zeitpunkt enthaltenen Informations
werte zur Speicherung übernommen werden. Das Schieberegister 44
ist aus einzelnen Flip-Flops aufgebaut, die eine Reihenanordnung
der Vielzahl 32 k von einzelnen Speicherelementen für jeweils
ein Bit bilden. Dieses Schieberegister 44 erfüllt den Zweck,
aus jedem über die Leitung 16 aktuell angelieferten
Digitalsignal y i+k die Komponente y i , die also bereits zu
einem früheren, sich um den Parameter k unterscheidenden Zeit
punkt vorhanden war, für eine Weitergabe an die Ausgangslei
tung 46 auszuscheiden. Das Schieberegister 44 stellt folglich
eine Art digitale Verzögerungseinrichtung dar, die so program
miert werden kann, daß sie eine Zeitverzögerung in der Größen
ordnung von k Δ t-Einheiten erreicht.
Das Signal y i wird über die Ausgangsleitung 46 des Schiebere
gisters 44 einer digitalen Subtraktionseinrichtung 50 a
zugeleitet, welche zur Lieferung eines Signals (y i+k -y i ) über
ihre Ausgangsleitung 77 die Subtraktion F=A-B durchführt.
Jedes Element dieser Subtraktionseinrichtung 50 a bearbeitet
nur 4 Bits der beiden jeweils 32 Bits umfassenden Wörter y i+k
und y i , die zum Zeitpunkt der Subtraktion an den beiden Ein
gängen A und B vorhanden sind. In gleicher Art und Weise
arbeitet eine weitere Subtraktionseinrichtung 54, die zur Lie
ferung eines Signals (y i -y i-₁) in ihrer Ausgangsleitung 55 an
geordnet ist. Das Signal y i-1 wird dabei über eine Ausgangs
leitung 52 des Sperregisters 44′ erhalten, das für eine Ver
zögerung der Speicherung um den Zeitfaktor Δ t angeordnet ist.
Das Signal (y i -y i-₁) wird über die Ausgangsleitung 55 der Sub
traktionseinrichtung 54 einer Multipliziereinrichtung 57 zuge
führt, die eine Vervielfachung dieses Signals um den Faktor k
vornimmt. Der Faktor k hat beispielsweise den Wert 16, und die
Vervielfachung wird in der Weise vorgenommen, daß das in der
Ausgangsleitung 55 der Subtraktionseinrichtung 54 erhaltene Sig
nal den unteren 32 Bit-Positionen des insgesamt fünf 8-Bit-
Schieberegister umfassenden 40-Bit-Schieberegisters 57 zuge
leitet wird. Danach wird das Signal (y i -y i-₁) um 4-Bit-Posi
tionen in Richtung auf das wichtigste Bitende des Schiebere
gisters 57 weitergeschaltet, womit die Multiplikation in der
Größenordnung der vorerwähnten Wertzahl 16 erhalten wird. Die
Multipliziereinrichtung 57 erhält ihre Schiebebefehle über
eine mit der Steuereinrichtung 24 verbundene Befehlsleitung 70
sowie weitere Steuersignale über eine Verbindungsleitung 80,
die von der in der Steuereinrichtung 24 enthaltenen Logik der
art geformt werden, daß zum maßgeblichen Zeitpunkt das Signal
k(y i -y i-₁) in der Ausgangsleitung 56 der Multipliziereinrichtung
57 erhalten wird. Dieses Ausgangssignal wird dem Eingang A
einer weiteren Subtraktionseinrichtung 50 b zugeleitet, das die
Subtraktion F=B-A durchführt. Der Multiplikator k, mit dem
die Multipliziereinrichtung 57 arbeitet, ist dabei
abhängig von der für die Unterdrückung der Geräuschkomponente
σ N (t) benötigten Anzahl von Überprüfungen, wobei die Wertzahl 16
ebenso kleiner wie auch größer sein kann in Abhängigkeit davon,
wie stark das Rauschverhalten des Systems ist. Die Multiplizier
einrichtung 57 kann folglich auch als eine programmierbare arith
metische Logikschaltung ausgeführt sein. Bei einer
solchen Programmierung des Faktors k würde auch das Schieberegi
ster 44 zusätzliche Logiktore umfassen, um mit dieser
Anpassung eine analoge Verzögerung der Größenordnung
k(Δ t) zu erhalten.
Das in der Ausgangsleitung 21 a der Subtraktionseinrichtung 50 c
erhaltene Signal F i (Δ t) wird einem ähnlich wie das Sperregister
44′ ausgeführten Sperregister 60 zugeleitet, dessen 32-Bit-
Positionen über dieselben Leitungen 65 und 42 gesteuert werden,
über die auch das Sperregister 44′ seine Schiebe- und Steuer
befehle erhält. Es wird folglich in der Ausgangsleitung 58 des
Schieberegisters 60 das einheitlich verzögerte Ausgangssignal
F i-₁(Δ t) erhalten, das dem Eingang B der Subtraktionseinrich
tung 50 b zugeleitet und darin mit dem über den Eingang A zuge
führten Signal k(y i -y i-₁) verarbeitet wird zur Gewinnung des
Ausgangssignals F i-1 · (Δ t)k(y i -y i-₁) in der zu dem Eingang B
der Subtraktionseinrichtung 50 c geführten Ausgangsleitung 75.
In der Ausgangsleitung 21 a der Subtraktionseinrichtung 50 c wird
daher durch Bildung der Funktion F=A+B das vorerwähnte Sig
nal F i · (Δ t) erhalten, das der Schätzwert für den abge
leiteten Zeitfaktor des am Ausgang des Gaschromatographen 15
erhaltenen Signals ist.
Das in der Ausgangsleitung 58 des Schieberegisters 60 für nur
eine Prüfzeit erhaltene Signal F i-1 ist der Schätzwert des
abgeleiteten Zeitfaktors, der dazu benutzt wird, den augenblick
lichen Schätzwert für die Änderungsrate zu bilden. Das in der Aus
gangsleitung 21 a der Subtraktionseinrichtung 50 c erhaltene Sig
nal F i ist im Verhältnis zu dem Eingangssignal y i +k, das in der
Ausgangsleitung 16 des A/D-Wandlers 18 erhalten wird, um den Fak
tor k verzögert, mit dem die Anzahl der Überprüfungen festgelegt
ist.
Die Schätzeinrichtung 20 kann mittels eines von dem Prozessor 30
gelieferten Programms ergänzt werden. Weiterhin kann anstelle des
A/D-Wandlers 18 auch ein Tastspeicher-Schaltkreis verwendet wer
den, wobei dann die Schätzeinrichtung 20 als entsprechendes Ana
logsystem auszuführen wäre. Für diese alternative Ausführungs
form könnte auf eine Überprüfung des Ausgangssignals
14 des Gaschromatographen 15 in einzelnen Zeitabständen verzich
tet werden und stattdessen für die Schätzeinrichtung 20 vorge
sehen sein, daß sie die abgehandelte Schätzung in analoger Form
kontinuierlich durchführt. Das in diesem Fall analoge Ausgangs
signal der Schätzeinrichtung 20 würde dann erst die Überprüfung
erfahren, die durch das Programm des Prozessors 30 vorgeschrie
ben ist.