DE3608644A1 - Signalverarbeitungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Verarbeitung von Datensignalen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum Aussieben unerwünschter Störsignale aus Daten mitführenden Signalen und findet insbesondere Anwendung beim Ausfiltern periodischer Störungen, und insbesondere periodischer Störsignale mit Harmonischen oder Oberwellen. Ein derartiges periodisches Störsignal mit Harmonischen kann in Datensignalen vorkommen, die von im Bohrlochtiefsten befindlichen Instrumenten

¹^ bei Bohrverfahren aufgrund des Betriebs von Flüssigkeitspumpen erhalten werden, die zum Zirkulieren von Bohrflüssigkeit und/oder dem Betrieb von Triebwerken eingesetzt werden, wie z.B. Drehtischen oder dergl., die verwendet werden, um Bohrwerkzeuge in Drehung zu versetzen.

Es sind einige Filterkonstruktionen zum Entfernen periodischer Störsingale mit Oberwellen aus einem Signal bekannt. Im allgemeinen würde ein derartiges Filter Sperrbereiche an ganzzahligen Mehrfachen einer Grundfrequenz über mindestens einen Teil des Frequenzbereichs des Filters vorsehen. Z.B. weist ein Kammfilter einen derartigen Frequenzbereich auf. Ein Eimerkettenfilter (bucket brigade filter) stellt beispielsweise einen derartigen Kammfilter dar. Bei einem Eimerkettenfilter (bucket brigade) wird das Eingangssignal in einem Differentialverstärker mit demselben verzögerten Signal vereinigt, idealerweise für einen Zeitraum, der der Grundschwingungsperiode des zu eliminierenden Störsignals gleich ist. So wird derjenige Anteil des Störsignals von demselben Signal eine Periode später subtrahiert, um das periodische Störsignal zu eliminieren. Wenn das Verzögerungswerk (time delay mechanism) genau gleich der zu eliminierenden Störsignals eingestellt ist, würde die Grundfrequenz des Störsignals und -sämtliche Harmonische desselben eliminiert, vorausgesetzt, die Amplitude der Geräuschkomponenten ändert sich

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nicht mit der Zeit. Wenn indessen die Periode des zu eliminierenden Störungssignals mit der Zeit driftet, kann die Wirksamkeit des Filters stark reduziert werden, denn

das Störsignal würde nicht vollständig eliminiert werden. 5

Im allgemeinen kann das Zeitverzögerungswerk von einer Bedienungsperson in bestimmten Grenzen variiert werden, z.B. durch notwendige Einstellungen des festverdrahteten hardware Verzögerungswerkes oder, wenn das Filter ein ^ Computer ist, durch die Zurverfügungstellung geeigneter Befehle.

Derartige Einstellungen einer Bedienungsperson sprechen jedoch nicht auf geringfügige, ziemlich schnelle Schwankungen der Störsignalfrequenz an, die nichtsdestoweniger das Filterausgangssignal beeinflussen können.

Ein zusätzliches Problem kann durch die Verwendung eines Eimerkettenfilters (bucket brigade filter) auftreten. Das das Verzögerungswerk durchlaufende und mit dem ursprünglichen Signal in dem Differentialverstärker kombinierte Signal wird zu Geistersignalen mit nichtperiodischen Signalkomponenten führen, gleichgültig, ob solche Komponenten datenführende Informationskomponenten oder andere Arten von Störsignalen darstellen. Ferner kann das Verzögerungswerk möglicherweise so eingestellt werden, daß es eine völlige oder teilweise Überlappung eines Datenbestandteils verursacht, der das Verzögerungswerk durchläuft, wobei eine nachfolgende Datenkomponente durchläuft, die unmittelbar dem Differentialverstärker übermittelt wird. Infolgedessen kann der Ausgang des Filters nicht nur weiterhin mit Geistersignalen aus nichtperiodischen Signalkomponenten gestört werden, sondern er kann auch gekennzeichnet sein durch verzerrte oder sogar verlorengegangene, eine Information tragende Signalkomponenten.

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Ein Filter der Costas-Bauart kann ebenfalls verwendet werden, um selektiv Harmonische eines periodischen Störsignals zu filtern.

Für die effektive und effiziente Eliminierung eines periodischen Störsignals und insbesondere eines periodischen Störsignals mit Oberschwingungen, ist erwünscht und vorteilhaft, ein Filterverfahren zur Verfügung zu stellen, das einen Frequenzgang mit Sperrbereichen aufweist, die bei ganzzahligen Mehrfachen einer wählbaren Grundfrequenz liegen, welche automatisch an die mögliche Änderungsperiode des zu eliminierenden Störsignals angepaßt wird, wobei beliebige Geistersignale, die durch den Betrieb des Filters hervorgerufen werden können, schnell auf einen unsignifikanten Pegel gedämpft werden und wobei die Verzerrung der Datensignalkomponenten auf ein Minimum reduziert wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen zur Beseitigung eines Störsignals aus diesen, und insbesondere eines periodischen Störsignals. Die Erfindung kann mit einem Signalverzögerungswerk versehen werden, das mit einer einen ersten Skalierer enthaltenden Rückkoppelungsschleife ausgestattet

2- ist, wobei der Skalierer einen ersten selektiv änderbaren Skaliererparameter besitzt. Das Ausgangssignal aus dem Rückkopplungs-Skalierer wird dem zu filternden Eingangssignal hinzuaddiert, wobei das Summensignal durch einen zweiten Skalierer verarbeitet wird, der einen zweiten selektiv änderbaren Skalierer-Parameter besitzt und ein Eingangssignal für das Verzögerungswerk liefert. Das Ausgangssignal des Verzögerungswerkes wird von dem Eingangssignal subtrahiert, um das periodische Störsignal zu entfernen.

Das Eingangssignal kann digital während einer ausgewählten

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Abtastperiode abgetastet werden und es kann die Abtastung mit dem periodischen Geräusch synchronisiert werden.

Die durch das Verzögerungswerk vorgesehene Zeitverzögerung kann so ausgewählt werden, daß sie einem ganzzahligen Vielfachen der Abtastperiode entspricht. Das ganzzahlige Vielfache kann veränderlich sein und so ausgewählt werden, daß die Zeitverzögerung annähernd der Zeitdauer des zu filternden Geräusches oder einem ganzzahligen Vielfachen

¹^ der Zeitperiode gleich ist. Mit annähernd ist gemeint, daß die Zeitverzögerung so ausgewählt wird, daß sie so dicht wie möglich an dem Wert der Geräuschperiode oder einem ganzzahligen Vielfachen der ausgewählten Geräuschperiode liegt, wobei die Werte, wenn möglich, gleich sind.

Die Erfindung zieht auch das Subtrahieren von unerwünschten nichtperiodischen Strukturen von dem Ausgangssignal in Betracht.

Die Erfindung sieht daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen eines periodischen Störsignals und ebenso von unerwünschten nichtperiodischen Strukturen aus Informationen tragenden Signalen vor.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine fragmentarische, geschnittene und schematische Seitenansicht eines gebohrten Bohrlochs, die die Verwendung der Schlammimpulstelemetrie veranschaulicht, in der die Erfindung enthalten sein kann;

Fig. 2 einen schematisches Diagramm eines Eimerkettenfilters ;

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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Eimerkettenfilters mit Rückkopplung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 in schematischer Darstellung in Form eines Blockdiagramms ein Signalverarbeitungssystem, das einen anpaßbaren Eimerkettenfilter mit Rückkopplung und synchroner Abtastung gemäß der Erfindung enthält;

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die das ideale I^ Ansprechverhalten eines Kammfilters zeigt;'

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die das Grundstorsignal darstellt, das von einer Triplexpumpe hervorgerufen werden kann;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Form eines typischen Schlammimpulstelemetrie-

datenimpulses und das Geistersignal eines solchen Impulses zeigt;

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Frequenzbereichs eines grundlegenden Eimerkettenfilters;

Fig. 9 den Frequenzbereich eines Eimerkettenfilters

mit Rückkopplung gemäß der Erfindung, für verschiedene Werte des Rückkopplungsparameters;

Fig. 10 ein durch Überlagerungen gekennzeichnetes Geräusch, das das Ausgangssignal eines Eimerkettenfilters sein kann, wenn die Zeitverzöge

rung nicht einem ganzzahligen Vielfachen der Zeitdauer des zu eliminierenden periodischen Störsignals entspricht; und

Fig. 11 eine graphische Darstellung von zwei Verfahren zum Synchronisieren der Abtastung eines zu

filternden Signals mit der Periode des zu eliminierenden Störsignals.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eliminieren eines unerwünschten periodischen, evt.

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AU

auch Oberwellen enthaltenden Störsignals aus einem Signal. Ein Beispiel eines solchen periodischen Störsignals mit Oberwellen (Harmonischen) tritt bei Datensignalen auf, die in Schlammimpulstelemetriesystemen erzeugt werden, die bei ° Bohrarbeiten eingesetzt werden. Zum Zwecke der Erklärung und weniger im Sinne einer Beschränkung wird ein Beispiel eines solchen Schlammimpulstelemetriesystems in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung als ein Anwendungsbeispiel der Erfindung beschrieben, obwohl die Erfindung in einer Vielzahl von Formen verwirklicht werden kann und im allgemeinen in einer beliebigen Umgebung nützlich ist, in der ein periodisches Störsignal auftritt.

In Fig. 1 ist ein Signalprozessor, der die Erfindung enthält, im allgemeinen mit 10 bezeichnet und wird bei einem Schlammimpulstelemetriesystem angewandt, das bei Bohrlocharbeiten verwendet wird; Einzelheiten eines derartigen Prozessors 10 sind in Fig. 4 gezeigt. Ein Bohrmeißel 12 am Ende eines Bohrstranges 14 ist in Fig. 1 gezeigt, das ein Bohrloch 16 bohrt. Der Bohrstrang 14 wird von einem Bohrturm mittels einer geschwenkten Hubeinrichtung 20 oder dergl. getragen und mittels eines Drehtisches 22 gedreht. Bohrflüssigkeit oder -schlamm läuft in der Innenbohrung des Bohrstranges 14 abwärts, durch Düsen 24 im Bohrmeißel und in dem Ringraum, der den Bohrstrang innerhalb des Bohrloches 16 umgibt. Der Schlamm aus dem Ringraum wird einer an der Oberfläche verlegten Leitung 26 zugeführt, die zu Schlammtanks führt, die nicht gezeigt sind, von wo der Schlamm über eine andere Leitung 28 mittels einer Pumpe 30 abgezogen wird. Mittels der Pumpe 30 zirkuliert der Schlamm längs einer Zuführleitung 32 zu einer erhöhten Stelle innerhalb des Bohrturms 18, von wo die Schlammstromleitung mit der Schwenkvorrichtung 20 v,erbunden ist, so daß der Bohrschlamm oder die Bohrtrübe in die Bohrung des Bohrstranges 14 gepumpt wird. Ein Standrohr 34 kann zum Hinführen des Schlammstromes zu

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der erhöhten Stelle innerhalb des Bohrturms 18 vorgesehen sein. Der Schlamm zirkuliert daher in einem im allgemeinen geschlossenen Kreis mittels der Pumpe, wie durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.
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Im allgemeinen dient der Bohrschlamm verschiedenen Zwecken, einschließlich der Bildung eines Druckkopfes zum Ausgleich von im Bohrlochtiefsten sich bildenden Flüssigkeitsdrücken, wenn das Loch gebohrt wird, sowie dem Auswaschen von Bohrklein, das von dem sich drehenden Bohrmeißel 12 erzeugt wird. Der Schlamm erfährt daher einen Druckabfall, wenn er von der Pumpe und von seinem eigenen Druckkopf aus dem Innern des Bohrstranges 14 über die Bohrmeißeldüsen 24 unter Druck gesetzt wird.

Bei einem Schlammimpulstelemetriesystem dient der Schlamm zusätzlichen Zwecken. Eine Abtast- und Telemetrieuntergruppe 36 im Bohrlochtiefsten ist unmittelbar oberhalb des Bohrmeißels 12 angeordnet, so daß der im Bohrstrang 14 abwärts fließende Bohrschlamm über das Innere der Untergruppe mit dem Bohrmeißel verbunden ist. Bei einer Bauart des Telemetriesystems ist ein Ventil 38 als Teil der Untergruppe 36 vorgesehen, wodurch die unter einem verhältnismässig hohen Druck stehende Bohrflüssig-

2& keit innerhalb des Bohrstranges 14 unmittelbar mit dem Ringraum in Verbindung gebracht werden kann, der den Bohrstrang innerhalb des Bohrloches 16 umgibt, ohne daß er durch die Bohrmeißeldüsen 24 hindurchgeführt wird. Das Ventil 38 wird geöffnet und geschlossen, um den Flüssigkeitsdruck in dem Bohrstrang 14 auszusteuern. Wenn das Ventil 38 geöffnet und schlagartig geschlossen wird, bricht ein Bohrschlammschwall aus dem Innern des Bohrstranges 14 durch das Ventil aus. Das kurze, aber plötzliche Ventilieren oder Ausstoßen von Flüssigkeit hohen Drucks durch das Ventil 38 erzeugt eine Druckstörung in der Flüssigkeit innerhalb des Bohrstranges 14, die sich

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gegen die Richtung des Schlammstromes zur Oberfläche und zurück längs der Strömungsleitungen 34 und 32 zur Pumpe 30 ausbreitet. Z.B. kann ein Muster solcher vom Ventil 38 erzeugter Impulse verwendet werden, um eine Information ° vom Bohrloch zur Oberfläche zu telegraphieren, wo die Impulse erfaßt werden können. Im allgemeinen können ein Wandler und/oder eine andere geeignete Erfassungseinrichtung und Signalerzeugungseinrichtung, wie bei 40 in Fig. 1 gezeigt, an der Oberfläche eingesetzt werden, um die von dem Betrieb des Ventils 38 erzeugten Flüssigkeitsimpulse abzufühlen und entsprechende elektronische Datenimpulse zur Verfügung zu stellen. Derartige Vorrichtungen zum Erfassen von Druckänderungen in Flüssigkeitsleitungen ebenso Schlammimpulstelemetriesysteme sind im allgemeinen bekannt und bedürfen hier keiner ins einzelne gehenden weiteren Beschreibung.

Ein Bohrvorgang, wie der in Fig. 1 dargestellte, wird von verschiedenen Hintergrundgeräuschen begleitet, welche z.B.

die Erfassung von Datenimpulsen von dem Schlammtelemetriesystem anderweitig stören könnten. Derartige Störsignale umfassen im allgemeinen periodische Störsignale, die von der Pumpe 30 hervorgerufen werden, sowie im allgemeinen periodische Störsignale, die von dem Drehtisch 22 her-

2S rühren. Jedes dieser periodischen Geräusche ist komplex und kann viele Oberwellen enthalten; ferner kann die Grundfrequenz des Störsignales beliebig auswandern. Die Erfindung ist insbesondere geeignet zum Ausfiltern eines derartigen unerwünschten periodischen Störsignals mit Oberwellen und z.B. zum Isolieren der Datenimpulssignale für eine weitere Reduktion.

Fig. 6 zeigt die Periodizität von Druckstößen, die typischerweise von einer Triplexpumpe 30 in der Schlagstromleitung erzeugt werden in der Zeit. Die Druckstöße werden von dem Detektor 40 erfaßt. Typischerweise kann,

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wie Fig. 6 zeigt, die gesamte Zeitdauer des Pumpenstörsignals in der Größenordnung von einer Sekunde liegen, wobei das Störsignal im allgemeinen aus drei Druckstößen pro Zyklus besteht. Ein typischer Datensignalimpuls, wie er z.B. von der Telemetrieuntergruppe 36 erzeugt werden kann, ist in Fig. 7 links dargestellt. Typischerweise kann die Periode oder Zeitdauer für einen solchen Impuls annähernd eine Größenordnung aufweisen, die kleiner als die Zeitdauer des Pumpenstörsignals ist. Ferner kann die Amplitude des Pumpenstörsignals typischerweise 20 bis 40 mal größer sein als diejenige des Datenimpulses. Infolgedessen muß das periodische Pumpenstörsignal von den Datenimpulsen für eine zweckentsprechende Datenerfassung getrennt werden. Es ist ersichtlich, daß Fig. 7 als Darstellung der Flüssigkeitsdruckimpulse oder elektronischen Datensignale eines Wandlers oder dergleichen angesehen werden kann, wobei das dargestellte Datensignal dieselbe Form wie die beiden Impulse hat.

Fig. 5 zeigt den idealen Bereich eines Kammfilters, d.h. es ist der Quotient aus dem Ausgangssignal und Eingangssignal (O/I) gegen die Frequenz (f) aufgetragen. Ein derartiges ideales Filteransprechverhalten (Frequenzgang) ist für sämtliche Frequenzen eben mit der Ausnahme, daß bei spezifizierten Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache einer ersten Frequenz sind, das Ansprechen auf 0 geht oder in einen unendlich schmalen Einschnitt oder Sperrbereich abfällt. Von einem derartigen Filter wird daher das Störsignal einer Frequenz, die in einen Einschnitt fällt, nicht durchgelassen. Es ist dann ersichtlich, daß, wenn ein periodisches Störsignal eine Grundfrequenz aufweist, die gleich der Frequenz eines der Filtereinschnitte ist, dann das Störsignal, einschließlich der Grundfrequenz des Störsignals und aller seiner Harmonischen, durch das Filter eliminiert wird.

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Ein Kammfilter kann als ein grundlegendes Eimerkettenfilter gestaltet sein, wie es bei 42 in Fig. 2 gezeigt ist. Ein Eingangssignal I wird mit dem positiven Eingang eines Differentialverstärkers 44 und auch mit einer Verzögerungsvorrichtung 46 verbunden, deren Ausgang an die negative oder invertierende Eingangsklemme des Differentialverstärkers angelegt ist. Ein derartiges Filter 42 weist typischerweise einen Frequenzgang auf, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, wobei der Frequenzgang eine Folge vcn

¹^ Schleifen oder Durchlaßbereichen umfaßt, die in Kombination Einschnitte bilden, die bei 0 und einer ersten Frequenz auftreten und danach bei ganzzahligen Vielfachen der von 0 verschiedenen Grundfrequenz auftreten. Die Frequenz des ersten, von 0 abweichenden Frequenzeincchnitts ist die Reziproke der Periode des Verzögerungswerkes 46, d.h. der Zeitverzögerung, die durch das Zeitverzögerungswerk geliefert wird. Wenn die Frequenz des ersten, von 0 abweichenden Frequenzeinschnitts des Eimerkettenfrequenzbereichs gleich der Grundfrequenz des zu eliminierenden periodischen Störsignals gemacht wird, dann werden durch das Filter das bei dieser Frequenz auftretende Störsignal und sämtliche Oberwellen desselben eliminiert. Indessen beseitigt das Grund-Eimerkettenfilter aufgrund der verhältnismässig breiten Einschnitte und des

--B Fehlens eines flachen Frequenzgangs auch einen hohen Prozentsatz des die potientielle Information mitführenden Eingangssignals über die Einschnittfrequenzen hinaus. Der Frequenzgang wird beträchtlich durch die Verwendung einer Rückkopplungsschleife gemäß der Erfindung verbessert, wie im einzelnen nachstehend beschrieben ist.

Um das periodische Störsignal zu eliminieren, speichert das Verzögerungswerk eines Eimerkettenfilters vorübergehend das Störsignal und ermöglicht seine Vereinigung mit einem nachfolgenden Zyklus desselben Störsignals im Differentialverstärker. So kann z.B. eine drei Stöße des

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* Pumpgeräusches in Fig. 6 umfassende Periode in dem Verzögerungswerk 4 6 vor der Weitergabe des Zyklus an die negative Klemme des Differentialverstärkers 44 für die Zeit gespeichert werden, die für die Weitergabe der " Nachricht des nächsten aus drei Schleifen bestehenden Störsignalzyklus an die positive Klemme des Verstärkers erforderlich ist. In diesem Fall ist die Periode des Verzögerungswerkes 46 der Periode des strukturierten Störsignals gleich, und die Grundfrequenz dieses Stör-

!0 signals ist gleich der Frequenz des Grundfrequenzeinschnitts oder des ersten, von 0 abweichenden Frequenzeinschnitts des Frequenzbereichs des Filters. Der Differentialverstärker 44 kehrt effektiv das verzögerte Signal um und kombiniert es mit dem neuen Signal an der positiven Klemme und, da die beiden Signale als sonst identisch angesehen werden, resultiert daraus ein O-Ausgangssignal anstelle des Störsignaleingangssignals an dem Filter 42. In ähnlicher Weise ergibt dasselbe Verfahren für alle Oberwellen des periodischen Störsignalsimm Differentialverstärker 44 eine Kombination der verzögerten verzögerten Harmonischen des Störsignals, die zeitweilig mit der Harmonischen eines nachfolgenden Teils des Signals, in dem die Harmonische aus dem Signal eliminiert ist, in dem Verzögerungswerk 46 gespeichert ist. Das Grundfrequenzsignal des Störsignals kann in dem Verzögerungswerk 46 für mehr als einen Durchlauf (Zyklus) der Grundfrequenz des Störsignals verzögert werden, wobei in diesem Fall die zugeordneten Harmonischen jeweils für entsprechend längere Zeiten gespeichert werden.

Mit der Zeit kann die Grundfrequenz des Pumpenstörsignals und/oder die Grundfrequenz des Drehtisch-Störsignals driften, so daß die zeitweilig in dem Verzögerungswerk 4 6 gespeicherten Störsignale zeitlich nicht genau mit den · nachfolgenden Storsignalsurchlaufen in dem Differentialverstärker 44 übereinstimmen. Tritt dies auf, umfaßt das

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Ausgangssignal des Differentialverstärkers 44 immer noch ein Störsignal, wenn es auch gegenüber demjenigen, das das Eingangssignal zum Filter 42 darstellt, verzerrt i.st. In diesem Fall wird dementsprechend die Effektivität des Filters verringert und das datentragende Signal wird noch mit einem Störsignal periodischer Eigenschaft gestört.

Das Eimerkettenfilter speichert außerdem Datenimpulse in der Verzögerungsvorrichtung 46 und übermittelt sie dem Differentialverstärker 44. Ein einziger elektronischer Datenimpuls, wie z.B. der im linken Teil der Grafik in Fig. 7, der der positiven Klemme des Differentialverstärkers 44 übermittelt wird, liefert dann, wenn kein gleicher Impuls an der negativen Klemme des Verstärkers anliegt, ein den Datenimpuls enthaltendes Ausgangssignal zu einer durch die Länge der durch die Verzögerungsvorrichtung 4 6 gegebenen Verzögerung bestimmten späteren Zeit, wird jedoch ein verzögerter Datenimpuls an dem negativen Eingang dem Differentialverstärker 44 angelegt, ebenfalls zu einer Zeit, wenn kein gleicher Impuls an der positiven Klemme des Verstärkers vorliegt. Das Ergebnis ist ein invertierter elektronischer Datenimpuls, als Teil des Ausgangssignals des Filters, hier"aUTs" ein "Geistersignal" bezeichnet. Solch ein Geistersignal ist in dem rechten Teil der Grafik in Fig. 7 dargestellt, woraus ersichtlich ist, daß das Geistersignal als eine Inversion des ursprünglichen elektronischen Eingangsdatenimpulses erscheint. Infolgedessen umfaßt das Ausgangssignal von dem Filter 42 den einzelnen Eingangsdatenimpuls und einen Geisterimpuls, der dem ursprünglichen Datenimpuls in einer Zeit nachfolgt, die der Verzögerungsdauer, die durch das Verzögerungswerk 46 geliefert wird, d.h., der Zeitperiode des Filters 42 entspricht.

Zur Gewährleistung einer genauen Informationsübermittlung muß der Geisterimpuls wirksam aus dem Daten mitführenden

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Signal eliminiert werden. Außerdem können dann/ wenn die Daten durch Impulsreihen übermittelt werden, die vorübergehend durch das Verzögerungswerk gespeicherten elektronischen Impulse, die etwa zu

der Zeit beim Differentialverstärker 44 eintreffen, zu der die Datenimpulse an der positiven Klemme des Verstärkers ankommen, mit der Folge, daß in das Filter 42 eingegebene Impulse nach der Kombination von zwei zur selben Zeit am Verstärker ankommenden identischen Impulse eliminiert und/oder aufgrund einer mindestens teilweisen Überlappung von an den Verstärkereingangsklenunen ankommenden Impulsen verzerrt werden.

Fig. 3 zeigt ein Eimerkettenfilter 48, das eine Rückkopplung gemäß der Erfindung ermöglicht, und das als Bestandteil des Prozessors 10 in Fig. 4 gezeigt ist. Ein Eingangssignal I wird an die positive Klemme eines Differentialverstärkers 50 angelegt, dessen Ausgangssignal 0 das Ausgangssignal des Filters 48 bildet. Die negative Klemme des Differentialverstärkers 50 empfängt das Ausgangssignal von einem Verzögerungswerk 52, dessen Ausgang auch mit einem Skalierer 54, der einen Skalenfaktor oder Rückkopplungsfaktor A besitzt, verbunden und in einer zu einer Klemme des Summierverstärkers 56 führenden Rückkopplungsschleife angeordnet ist. Das Eingangssignal I zum Filter 58 ist auch mit der anderen Eingangsklemme des Summierverstärkers 56 verbunden, so daß das Eingangssignal zu dem skalierten Rückkopplungssignal addiert wird. Der Ausgang des Summierverstärkers 56 ist mit einem Skalierer 58 mit einem Skalenfaktor B verbunden, und dessen Au^sgangssignal ist das Eingangssignal des Verzögerungswerks 52. Nachdem so der erste Durchlauf eines Signals durch das Verzögerungswerk 52 hindurchgegangen ist, ist das für Verzögerung anliegende Signal die (durch den Skalierer) skalierte Kombination des Filtereingangssignals I mit dem (durch den Skalierer 54) .skalierten verzögerten Rückkopplungssignal.

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36086ΛΛ Während die Werte für die Skalenfaktoren A und B unabhängig voneinander eingestellt werden können, können gute Betriebsbedingungen für das mit der Rückkopplung ausgestattete Eimerkettenfilter 48 mit B = 1/(1+A) für einen Bereich von Werten A erreicht werden, und zum Zwecke der Erklärung wird diese Beziehung zwischen A und B hierin unterstellt, es sei denn, es wird etwas anderes angegeben.

Der Frequenzgang des Filters 48 ist in Fig. 9 für verschiedene Werte des Parameters A und entsprechende Werte des Parameters B dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Rückkopplungseigenschaft für A=O nicht vorliegt, und daß in diesem Fall der Frequenzgang derjenigen des Grund-Eimerkettenfilters 42 in Fig. 8 ist. Indessen neigt der Frequenzgang des Filters 48 bei zunehmenden Werten von A zu einer Abflachung , wenn sich die Schleifen verbreitern und die Einschnitte schmaler umgrenzt werden, so daß das Filter bestrebt ist, sich dem idealen Kammfilter anzunähern, dessen Bereich in Fig. 5 dargestellt ist. Im allgemeinen weist das Filter 48 für höhere Werte von A eine höhere Genauigkeit der Signalübertragung und eine höhere Selektivität für das zu eliminierende Störsignal auf.

Es ist ersichtlich und kann mathematisch nachgeweisen werden, daß für einen gegebenen Wert des Rückkopplungsparameters A das Filter 48 das periodische Signal über das Verzögerungswerk 52 periodisch wiederholt, um das Verzögerungswerk "aufzufüllen", wodurch das verzögerte periodische, an die negative Klemme des Differentialverstärkers 50 angelegte Signal dieselbe entsprechende Amplitude wie ein Signaleingang an der positiven Klemme des Differentialverstärkers aufweist, um das periodische Störsignal zu eliminieren. Ferner kann gezeigt werden, daß für einen periodischen Signaleingang am Filter 48 die Amplitude

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des Ausgangssignals von dem Verzögerungswerk 52 sich der Amplitude des Signaleingangs am Filter 48 in weniger Durchläufen (Zyklen) durch das Verzögerungswerk für kleinere Werte von A annähert. Beispielsweise beträgt für einen Rückkopplungsparameter von drei die Amplitude des Ausgangssignals des Verzögerungswerkes annähernd 90% der Amplitude des Filtereingangssignals in gerade 8 Durchlaufen durch das Verzögerungswerk. Um die Anlaufzeit des Filters 48 zu verkürzen, kann man mit einem niedrigen Wert von A/ sogar mit 0, beginnen und schlagartig den Wert des Rückkopplungsparameters auf den gewünschten Betriebswert erhöhen, um sich im allgemeinen einem idealen Kammfilterbereich anzunähern, wenn die Verzögerungsvorrichtung 52 "aufgefüllt" wird.

Nicht periodische Strukturen im Eingangssignal zum Filter 48 wiederholen sich ebenfalls periodisch über das Verzögerungswerk 52, sind aber durch aufeinanderfolgende Wiederholungen derselben Störung nicht an die Eingangssignals zum Summierverstärker 58 angepaßt. Für ein anderweitiges flaches Eingangssignal zum Summierverstärker 58 weist das Ausgangssignal· von der Verzögerungsvorrichtung 52 aufgrund einer Impuisstörung in dem Eingangssignal eine Anfangsamplitude von der Hälfte der ursprünglichen Eingangs-

25.7 impulsamplitude für einen Rückkopplungsparameter von 1 sowie niedrigere Amplituden für höhere Werte von A auf.

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In allen Fällen nehmen die Amplituden des nachfolgenden periodisch wiederholten Ausgangssignals von dem Verzögerungswerk gleichbleibend ab. Während eine Vielzahl von Geisterimpulsen durch die Verwendung der Rückkopplungseigenschaft des Filters 48 erzeugt werden kann, werden infolgedessen die Geisteramplituden im Vergleich zu dem Grund-Eimerkettenansprechverhalten (A = O) vermindert, und können durch die Einstellung eines erhöhten A verringert

werden.
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Es ist ersichtlich, daß die Verzögerungswerke, wie z.B. 4 6 des Filters 42 sowie 52 des Filters 48 eine Vielzahl von Formen aufweisen können. Analoge Vorrichtungen in Form von Verzögerungsleitungen oder Kondensatorbänken sind bei-¹^ spielsweise bekannt. Die Größe der mittels solcher Vorrichtungen vorgesehenen Verzögerung kann durch die Auswahl der Länge der Verzögerungsleitung oder durch die Zahl oder die Parameter der Kondensatoren in der Kondensatorbank ausgewählt werden. Ein Zeitverzögerungswerk kann

2U auch digital betrieben werden. Das Verzögerungswerk 52 des Filters 48 ist in Fig. 3 in Form einer Vielzahl besonderer Komponenten 60 dargestellt, die z.B. Register sein können. Jedes solcher Register 60 kann dazu ausersehen werden, eine direkte Zeitperiode zu der durch die Vorrichtung 52 vorgesehenen Zeitverzögerung hinzuzuaddieren. Dann kann die Länge der Zeitverzögerung, der die dem Verzögerungswerk 52 eingegebenen Signale unterworfen sind, varriiert werden, indem das Ausgangssignal der Vorrichtung 52 beispielsweise an einer Stelle abgegriffen wird, die von den Eingangssignalen erreicht wird, nachdem sie durch eine ausgewählte Anzahl solcher Register 60 verarbeitet worden sind, um die gewünschte Verzögerung zu erreichen. Anzapfungen sind, wie dargestellt, zwischen den verschiedenen Registern 60 zu diesem Zweck vorgesehen. Wie nachste- hend beschrieben wird, kann eine zweckentsprechende Schaltvorrichtung für die selektive Auswahl des Ausgangs-

signalabgriffs 62 vorgesehen werden, von dem ein Eingangssignal zum Differentialverstärker 50 und zu dem Rückkopplungs-Impulszähler 54 erhalten werden kann.

Das mit Rückkopplung 48 versehene Eimerkettenfilter kann z.B. ganz oder teilweise durch Computersoftware bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Verzögerungswerk 52 in Form von Software gestaltet sein, ebenso wie die

Skalierer (sealer) 54 und 58.
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Ein Softwareverzögerungswerk, wie z.B. 52, kann in einer Vielzahl von Formen vorhanden sein, wobei einzelne Verzögerungskomponenten 60 unterschieden werden können. Die Software kann so gestaltet werden, daß das Ausgangssignal von der Verzögerungsvorrichtung 52 nach einer zweckentsprechenden ausgewählten Verzögerung abgegriffen wird.

Wird das Eimerkettenfilter 48 im Digitalmode betrieben,

2^!- -wird das analoge Ausgangssignal vom Detektor 40 einem Analog-Digital-Umwandler (A/D) 64 zugeführt, um ein digitales Eingangssignal an das Filter 48 anzulegen. Die Abtastung durch den A/D-Umwandler 64 ebenso wie die Einstellung der vom Eimerkettenfilter 4 8 bewirkten Ver-

2c zögerungsperiode werden durch eine Zeitsteuerungsschaltung bestimmt, die durch die Quelle des zu eliminierenden periodischen Störsignals angetriggert werden kann. Zum Zwecke der Erläuterung wird hierin die Pumpe 30 als die Quelle angesehen, deren Störsignal eliminiert werden soll.

Ein Überwachungsgerät 66 ist mit der Pumpe 30 verbunden, um ein Ausgangssignal an eine Rücksetzschaltung 68 anzulegen, um den Beginn jedes Pumpenstörsignalzyklus zu signalisieren. Das Überwachungsgerät 66 kann in beliebigen Formen, einschließlich derjenigen eines Multivibrators vorliegen, der von dem großen vorderen Lappen des

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Pumpenstörsignals beispielsweise angesteuert wird, um einen Rechteckwellen-Ausgangsimpuls festliegender Dauer zu erzeugen, wie z.B. die Rechteckwellenimpulse in Fig. 11. Dort fällt die Vorderkante jedes Rechteckwellenimpulses mit dem Beginn der Pumpenstörsignalperiode zusammen, so daß die Zeitdauer zwischen den Vorderkanten der aufeinanderfolgenden Rechteckwellenimpulse T, die Periode des Pumpenstörsignals ist. Das Eingangssignal zu dem Überwachungsgerät 66 kann von einem Mikrophon, einem Wandler, •^ einem Magnetschalter oder irgendeiner anderen derartigen Vorrichtung stammen, die zweckentsprechend mit der Pumpe 30 verbunden ist und das zyklische Pumpenstörsignal unmittelbar abtastet oder das den Pumpenzyklus unmittelbar

und deshalb das Pumpenstörsignal indirekt abtastet.
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Die Rückstellvorrichtung 68 steuert einen Festfrequenzoszillator 70 an, der als ein Zeitgeber für eine Abtastschaltung 72 dient. Die Abtastschaltung 72 legt Trigger-Signale an den A/D-Konverter 64 als Befehle zur Abtastung des Signaleingangs an dem Konverter vom Detektor 40 an. Jedesmal, wenn A/D-Konverter 64 einen Trigger-Befehl empfängt, wird das Eingangssignal zu dem Konverter digital abgetastet und dem Eimerkettenfilter 48 übermittelt, so daß eine gesonderte Reihe von digitalen Abtastungen, die sas Eingangssignal zu dem A/D-Konverter 64 darstellen, an das Eimerkettenfilter 48 übermittelt wird.

Die Abtastgeschwindigkeit wird durch die Ausgangsfrequenz des die Abtastschaltung 72 antreibenden Oszillators 70 eingestellt, damit ein Abtastbefehl mit einer vorgewählten Anzahl von Zyklen des Oszillatorsignals zur Verfügung gestellt wird. Die Umkehrung der Abtastgeschwindigist t, die Periode zwischen dem Beginn der aufeinanderfolgenden Abtastungen. Typischerweise liegt die Abtastperiode in der Größenordnung von einer Millisekunde, wobei die für jede Abtastung erforderliche Zeit beträchtlich kürzer ist.

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Die Zeitdauer T des zu eliminierenden periodischen Störsignals wird bei 74 als die Zeitverzögerung zwischen dem Durchgang der Vorderkanten der aufeinanderfolgenden Rechteckwellenimpulse in dem Ausgangssignal von der Rückstelleinrichtung 68 gemessen. Mit dem Wert der bekannten Störsignalperiode T kann die Dauer der Verzögerung, die mittels der Verzögerungsvorrichtung 52 in dem Eimerkettenfilter 48 vorgesehen ist, eingestellt werden. Diese Verzögerung wird eingestellt als ein ganzzahliges Mehrfaches N der Abtastperiode t. Im allgemeinen würde, um die Effizienz des Filters 48 bei der Eliminierung des periodischen Störsignals zu maximieren, Nt = T, oder gleich einem entsprechenden ganzzahligen Vielfachen von T

*5 eingestellt. Ist die Länge der Abtastperiode t bekannt, kann N bei 76 eingestellt werden, basierend auf der Bestimmung der Störsignalperiode T bei 74, und der Wert von N kann effektiv dem Eimerkettenfilter 48 mittels eines zweckentsprechenden Signals zur Auswahl der Dauer der Verzögerung übermittelt werden, die von dem Verzögerungswerk 52 hervorgerufen wird.

Zwei Faktoren können bei der Auswahl der Zeitverzögerung durch das Filter 48 in Betracht gezogen werden. Die Störsignalperiode T kann mit der Zeit variieren. Infolgedessen muß für die maximale Effizienz des Eimerkettenfilters 48 die durch das Filter ermöglichte Zeitverzögerung einstellbar sein und auf die Änderung der sich ändernden Störsignalperiode T eingestellt werden. Um eine derartige Veränderung der Zeitverzögerung durch das Filter 48 zu ermöglichen, muß die Verzögerungsvorrichtung 52 genügend lang, ob in Hardware oder Software, gestaltet werden, um alle voraussichtlichen Veränderungen der tatsächlichen Verzögerungszeit zu berücksichtigen, die entsprechend der sich möglicherweise verändernden Störsignalperiode T verwendet wird. Z.B. kann die Verzögerungsvorrichtung 52

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so gestaltet sein, daß eine maximale Verzögerung des Zweifachen der erwarteten Zeitperiode T des Störsignals zur Verfügung gestellt wird. In der vorliegenden Darstellung, bei der die Pumpenstörsignalperiode in der Größenordnung einer Sekunde liegt, kann die Verzögerungsvorrichtung 52 ein Maximum von mindestens zwei Sekunden Verzögerung zur Verfügung stellen.

Zweitens, die Störsignalperiode T wird im allgemeinen

••■Ο nicht genau gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Abtastperiode t sein. Folglich kann das zu eliminierende Störsignal mindestens teilweise aus den Sperrbereichen herausfallen. Weiterhin, wo die durch die Verzögerungsvorrichtung 52 hervorgerufene Zeitverzögerung nt nicht einem ganzzahligen Vielfachen der Störsignalperiode T entspricht, können Fremdstörsignale erzeugt werden. In einem solchen Fall ist das Ausgangssignal des Eimerkettenfilters 48 gekennzeichnet durch alternierende positive und negative Störimpulsspitzen, die annähernd bei · jedem Nt auftreten und eine Dauer von annähernd t haben. Die Amplitude des Störimpulsspitzenzuges verändert sich mit einer Schwebungsfrequenz, die gleich dem absoluten Wert der Differenz zwischen l/t und 1/(Nt) ist. Ein derartiges Störsignal hoher Frequenz, das normalerweise den Eimerkettenfiltern zugeordnet ist, ist beispielsweise in Fig. 10 dargestellt, in der das Verhältnis von Ausgang zu Eingang für das Filter 48 als eine Zeitfunktion gezeigt ist, aber nur - das fragliche Fremd-Störsignal darstellt. Dieses Schwebungs-Störsignal kann dadurch vermindert werden, daß Nt so dicht wie möglich auf T oder ein ganzzahliges Vielfaches desselben eingestellt wird. Durch Überwachung der Störsignalperiode T kann die verarbeitende Schaltung 10 gemäß der Erfindung kontinuierlich die Länge der Zeitverzögerung ändern, die von der Verzögerungsvorrichtung 52 für das Eimerkettenfilter herrührt, um die Störsignalperiode oder ein ganzzahliges Vielfaches des

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Störsignalperiode so stark wie möglich anzunähern. Auf diese Weise ist die Verarbeitungsschaltung 10 gemäß der Erfindung an sich verändernde periodische Störsignale anpaßbar, wodurch das zu eliminierende periodische Störsignal immer oder beinahe immer in den Sperrbereich im Frequenzgang des Eimerkettenfilters 48 fällt und das Schwebungsstörsignal auf ein Minimum reduziert werden kann.

^Q Das Fremd-Schwebungsstörsignal kann auch durch Synchronisierung der Abtastung vermindert werden, die an dem A/D-Konverter 64 beim Einschalten jeder Periode oder des zu eliminierenden periodischen Störsignals abgenommen

wird.
15

Zwei Arten synchroner Abtastung können bei der Erfindung verwendet werden, wobei die beiden Möglichkeiten in der Abtastschaltung 72 programmiert sind. Erstens durch Vergleich, wobei ersichtlich ist, daß das gewöhnliche Abtasten im allgemeinen vollständig wiederkehrend ist, d.h. daß eine Abtastung alle t Sekunden vorgenommen wird. Weiter wird für eine gegebene Störsignalperiode T, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von t ist, die Zahl der Abtastungen, die für aufeinanderfolgende Störsignal-

2& perioden T vorgenommen wird, im allgemeinen sich um eine Abtastperiode t verändern, was zu einem sich intermittierend ändernden Fremd-Störsignal im Ausgangssignal des Filters 48 führt. Die Synchronisierung der Abtastgeschwindigkeit mit der Störsignalperiode ergibt dieselbe Zahl von Abtastungen für jede Störsignalperiode T, solange wie die Störsignalperiode konstant bleibt. Wenn dann die Störsignalperiode T sich ändert, ändert sich die Zahl der Abtastungen pro Störsignalperiode entsprechend.
Bei jedem der beiden synchronen Abtastverfahren wird das Abtastverfahren mit den Vorderkanten der Rechteckwellen signalisierenden Impulse von der Rückstellvorrichtung 68

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to

synchronisiert, wodurch der Beginn einer Störsignalperiode T markiert wird. Gemäß einem synchronen Abtastverfahren wird dem A/D-Konverter 64 signalisiert, eine Abtastung, falls nötig außerhalb der Reihe zu Beginn jeder Stör-Signalperiode T vorzunehmen, wie sie durch die Vorderkante eines Rücksitzsignalimpulses definiert ist. Dann kann an der Vorderkante oder zu Beginn einer Störsignalperiode T eine unregelmäßig liegende Abtastung auftreten. Eine derartige unregelmäßig liegende Abtastung ist bei Sl in

¹^ der rechten Hälfte der Darstellung von Abtastbefehlssignalen, die durch kurze senkrechte Linien angezeigt sind, dargestellt, die von einer Darstellung von Rückstellimpulsen in Fig. 11 überlagert sind. Es ist ersichtlich, daß die Abtastgeschwindigkeit in Fig. 11 symbolisch dargestellt ist und nicht in dem selben Maßstab wie die Impulsgeschwindigkeit gezeigt ist. Die erzwungene Abtastung bei Sl beginnt bei weniger als einer vollen Zeit t nach dem Beginn der unmittelbar vorhergehenden Abtastung.

Bei einem zweiten synchronen Abtastverfahren wird der A/D-Konverter 64 gezwungen, eine Abtastung bis t Sekunden nach dem Beginn einer Störsignalperiode T zu verzögern. Eine derartige verzögerte Abtastung ist bei S2 im linken Teil von Fig. 11 angedeutet, in der die verzögerte Abtastung bei S2 zu einer Zeit beginnt, die größer als t nach dem Beginn der unmittelbar vorhergehenden Abtastung ist. In jedem Fall der synchronen Abtastung kann eine unregelmäßig beabstandete Abtastung sich für jede Störsignalperiode T ergeben. Bei der oben beschriebenen zweiten Version kann im Vergleich zu dem ersten synchronen Abtastverfahren für jede Störsignalperiode eine Abtastung weniger vorgenommen werden. Im übrigen sind die beiden Abtastverfahren im allgemeinen gleichwertig, und derartige synchronisierende Verfahren tragen zu der hohen Zeitauflösung zwischen der Abtastperiode t und der Geräuschperiode T beim Einstellen der Verzögerung Nt zur Verminderung

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des Geräusches in dem Ausgangssignal des Eimerkettenfilters 48 bei.

Die Bestimmung von N und die Synchronisierung der Abtastung mit der Störsignalperiode kann mit diskreter logischer Hardware oder mit einer Kombination von Hardware und Software unter Verwendung z.B. eines Mikroprozessors erreicht werden. Der Computer, der nicht ausdrücklich gezeigt ist, wählt nach Maßgabe des Eingangssignals des den Wert von N auf 7 6 einstellenden Stoßmonitors 66, der ausgewählten Abtastperriode und dem synchronen Abtastverfahren zur Anzapfung des Ausgangssignals von der Verzögerungsvorrichtung eine zweckentsprechende Stelle aus, die den Beginn der Abtastimpulse von der Abtastschaltung 72 signalisiert.

Das Ausgangssignal von dem Eimerkettenfilter 48 kann weiterhin gefiltert werden, wenn dies erforderlich ist. Z.B. kann das Ausgangssignal einem Filter für weißes Rauschen 78 zugeleitet werden, das auf die Eliminierung des nicht periodischen Störsignals gerichtet ist. Die Verwendung einer synchronen Abtastung verringert die Notwendigkeit der Verwendung eines Filters für weißes Rauschen.

Das Ausgangssignal von dem Eimerkettenfilter 48 kann weiterhin durch die Verwendung einer Diskriminatorschaltung 80 gefiltert werden. Ein derartiger Diskriminator 80 bewertet die Höhe der Amplitude des dem Diskriminator eingegebenen Signals und siebt aus dem Signal alle Pegel oberhalb und unterhalb vorgewählter Amplitudenwerte aus. Ist der Diskriminator 80 so eingestellt, daß er Signale mit Amplituden innerhalb eines Bereiches passieren läßt, der die antezipierte Amplitude von Datenimpulen einschließt, würde das Störsignal von Amplituden außerhalb dieses Bereichs aus dem Signal

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ausgesiebt.

Geisterirnpulse in dem Ausgangssignal des Diskriminator können durch ein Subtraktionsverfahren eliminiert werden. Das Ausgangssignal von dem Eimerkettenfilter 48 kann einem Filter 82 mit wählbarem Profil zugeführt werden, der ein durchschnittliches Profil von Geisterimpulsen bildet, das in einem Speicher 84 gespeichert wird. Eine Wahl für die weitere Behandlung des Ausgangssignals des Diskriminators in einer Rückkopplungsschleife zum Zurückweisen von Geisterimpulsen ist bei 86 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Diskriminators kann z.B. durch einen Computer bei 88 unter Subtraktion des Geisterimpulsprofils aus dem Speicher 84 von dem Datensignal verarbeitet werden, wobei

I^ letzteres dann zu dem Ausgang des Eimerkettenfilters 4 8 zurückgeführt wird. Das Datensignal kann kontinuierlich durch den Diskriminator 80 und das Subtraktionsverfahren bei 88 umlaufen, bis keine Geister impulse mehr in dem Signal verbleiben, an welchem Punkt das Datensignal von dem Prozessor 10 ausgegeben werden kann.

Die Erfindung sieht ein Eimerkettenfilter mit Rückkopplung vor, die an die Periode oder Frequenz eines Störsignals adaptierbar ist, das aus einem aus dem Filter eingegebenen Signal eliminiert werden soll, wodurch die Datenabtastung mit der Periode eines solchen Störsignals synchronisiert werden' kann. Die Abtastgeschwindigkeit selbst muß nicht konstant sein, sollte aber genügend hoch sein, um eine genaue digitale Darstellung des ursprünglichen analogen Datensignals zu gewährleisten. Die Rückkopplungsparameter A und B, mit z.B. B = 1/(1+A), für die Impulszähler 54 bzw. 58 können ebenfalls variabel sein, so daß das Filter schnell mit kleinem Wert von A in den Arbeitszustand (d.h. "Auffüllen" mit umlaufenden periodischen Störsignalen) gebracht wird und anschließend bei einem verhältnismäßig hohen Wert von A für eine maximale Beseitigung des ins

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Auge gefaßten periodischen Störsignals und einer maximalen Dämpfung von Geisterimpulsen betrieben werden kann. Beispielsweise kann der Rückkopplungsparameter A des Rückkopplungs-Skalierers 54 (Fig. 3) zunächst auf Null eingestellt werden, während der Parameter B des Skalierers 58 auf Eins eingestellt ist, um die Geschwindigkeit auf ein Maximum zu erhöhen, mit der das Filter 48 auf Betriebsbedingungen gebracht wird.

Die Fähigkeit des Filters, sich an eine schnelle Änderung der Zeitdauer des zu eliminierenden periodischen Störfaktors anzupassen, wird verringert, wenn der Wert des Rückkopplungsparameters A erhöht wird. Ebenso haben für einen großen Wert von A viele Geisterimpulse von einem einzigen Impuls nahezu dieselbe Amplitude und es können die Geistersignale über eine Zeitdauer für eine große Datenmenge Hintergrund-Rumpel-Störsignale aufbauen. Es wird unterstellt, daß der Prozessor 10 mit dem Rückkopplungsparameter A = O, B = I gestartet wird und alle Inhalte der Verzögerungsleitung 52 gleich Null sind. Danach, einen Pumpenzyklus später, sollten die Parameter A und B der Skalierer 58 und 54 auf ihre endgültigen Betriebswerte eingestellt sein. Dieses Verfahren ermöglicht es, daß das Filter 48 in einigen wenigen Zyklen des

-·--■·· periodischen Störsignals initialisiert wird. Wenn sich die Störsignalperiode ändert bei einem verhältnismäßig hohen Wert von A von z.B. 9, so erfordert eine Änderung der Störsignalperiode annähernd 30 Störsignalperioden (für Nt auf T eingestellt) für das Filter 48, um es in seinen Betriebszustand einzulaufen. Wenn die neue Störsignalfrequenz innerhalb des FilterSperrbereichs liegt, ist die lange Anpassungszeit im allgemeinen irrelevant. Es sollte z.B. bemerkt werden, daß Pumpen, die typischerweise bei Bohrarbeiten verwendet werden, ihre Störsignalfrequenz um nicht mehr als 0,03 Hz zwischen aufeinanderfolgenden Pumpenhuben verändern, und daß Frequenzänderungen über

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31 ■■

lange Zeit sich nur langsam entwickeln. Indessen kann für eine wesentliche Änderung von T der Wert von A zumindest für den Rückkopplungs-Skalierer 54 für wenige Durchläufe reduziert werden, während N eingestellt wird und zu ermöglichen, daß das Filter 48 sich auf den neuen Betriebszustand einstellt (mit Störsignalen der neuen Frequenz "gefüllt" wird). Danach kann der Wert A auf seinen gewünschten Arbeitspunkt zurückgeführt werden.

Wo ein periodisches Störsignal mit Oberwellen auf mehr als einer Frequenz vorhanden ist, können zwei oder mehr Eimerkettenfilter mit Rückkopplung in Reihenschaltung verwendet werden, wobei die Abtastgeschwindigkeit mit der Periode synchronisiert ist, die der Störsignalquelle mit der größeren Amplitude zugeordnet ist. Die Verzögerung jedes der Filterverzögerungsvorrichtungen kann auf ein ganzzahliges Mehrfaches der Abtastperiode eingestellt werden.

Ein weiteres Verfahren für ein Stapeln einer Mehrzahl von Eimerkettenfiltern mit Rückkopplung zur Eliminierung periodischer Störsignale mit einer Vielzahl von Frequenzen umfaßt die Umwandlung des Ausgangssignals eines jedes solchen Filters in analoge Form durch einen Digital/Ana-

2b log-Wandler, das anschließende Aussieben des analogen Ausgangssignals mit einem analogen Tiefpaßfilter und dem anschließenden Umwandeln des ausgesiebten Ausgangssignals. Danach kann das ausgesiebte Signal abgetastet und für die Eingabe in ein nachfolgendes Eimerkettenfilter mit einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert werden. Für jedes Eimerkettenfilter kann die Abtastgeschwindigkeit mit dem besonderen, zu eliminierenden Störsignal synchronisiert werden und die Zeitverzögerung kann gemäß der Abtastgeschwindigkeit und der besonderen Störsignalperiode hergestellt werden. Das analog-gefilterte Signal eines jeden Eimerkettenfilters wird daher für das in Reihe

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Jf

geschalteten nächsten Eimerkettenfilter abgetastet. Dieses Verfahren eliminiert die Störsignale des Schwebungstyps, die noch in dem Ausgangssignal der Reihe der Eimerkettenfilter vorhanden sein können, wie oben beschrieben wurde. Indessen opfert dieses letztere Verfahren eine gewisse Bandbreite im Filteransprechverhalten und kann ein Störsignal aus der D/A und A/D-Kombination hinzufügen. Ein solches Störsignal sollte mindestens teilweise durch die Tiefpaßfilter eliminiert werden.

Der ein .. Eimerkettenfilter 48 mit Rückkopplung enthaltende Signalprozessor 10, der an sich ändernde Störsignalperioden anpaßbar ist und mit synchroner Abtastung eingesetzt wird, kann im allgemeinen in Form von Computersoftware oder durch elektronische Hardware oder durch eine Kombination von beidem gestaltet werden. Während eine besondere Anwendung auf Pumpenstörsignale nur zum Zwecke der Erläuterung beschrieben ist, ist es ersichtlich, daß eine derartige Signalverarbeitungsschaltung, und insbesondere das Eimerkettenfilter mit Rückkopplung, wie beschrieben, verwendet werden kann, um periodische Störsignale in verschiedenartigen Umgebungen zu beseitigen.

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- Leerseite -

Claims (38)

1. ΐ·:ΐΐ ι, scar πκι,·ιιοι»κ (; η ο κ μ nc; se η < >./,

   κ/ν 18-132 3608544

   NL Industries, Inc.
   1230 Avenue of the Americas New York, New York 10020, USA

   SignalVerarbeitungseinrichtung

   Patentansprüche

   . Signalverarbeitungseinrichtung mit einem Filter, gekennzeichnet durch

   a) eine Eingangseinrichtung/ durch die ein Signal zu dem Filter geleitet werden kann, und einer Ausgangseinrichtung, durch die ein solches dem Filter zugeführtes und von diesem verarbeitetes Eingangssignal als Ausgangssignal von dem Filter gewonnen werden kann;

   b) einen Signalverzögerer zur Zeitverzögerung eines Signals;

   c) eine Differenzvorrichtung, die in Verbindung mit der Eingangseinrichtung und der Ausgangseinrichtung des Signalverzögerers steht, wodurch das Ausgangssignal des Signalverzögerers mit dem Eingangssignal verglichen und die Differenz beider Signale an dem Filterausgang als das Filterausgangssignal zur Verfügung gestellt werden kann;

   d) eine Rückkopplungsschleife, die ebenfalls in Verbindung mit dem Ausgang des Signalverzögerers steht und einen ersten multiplikativen Skalierer (sealer) umfaßt, der einen ersten Skalier-Parameter für das Skalieren (scaling) des Ausgangssignals des Signalverzögerers abgibt;

   e) eine Summierungseinrichtung zur Aufnahme des Eingangssignals und Kombination des Eingangssignals mit dem Ausgangssignal des Signalverzögerers, wie es von dem

   Skalierer skaliert (maßstäblich verändert) wurde, um ein kombiniertes Signal als Ausgangssignal der Summiervorrichtung zu liefern; und

   f) einen zweiten multiplikativen Skalierer,, der einen zweiten Skalier-Parameter für die Skalierung des kombinierten Signals von der Summiervorrichtung und zur Verbindung des skalierten Signals mit dem Signalverzö-

   gerer liefert.
   10
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten und zweiten Skalier-Parameter wahlweise variabel ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Skalier-Parameter gleich dem reziproken Wert der Summe von Eins plus dem ersten Skalier-Parameter ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Skalier-Parameter gleich dem reziproken Wert der Summe von Eins plus dem ersten Skalier-Parameter ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverzögerer eine nach Wahl einstellbare Verzögerungszeit für ein solches dem Verzögerer von dem zweiten Skalierer geliefertes Signal zur Verfügung stellt.
6. 6/ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzvorrichtung aus einem Differenzverstärker besteht.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summiervorrichtung aus einem Summierverstärker besteht.

   -2-
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum digitalen Abtasten eines Signals, das gefiltert werden soll und als Eingangssignal dem Eingang des Filters zugeführt wird.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung eine periodische Abtastung ausführt.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aötastoeriode nach Wahl einstellbar ist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Signalverzögerer gelieferte Zeitverzögerung nach Wahl bei einem ganzzahligen Vielfachen der Abtastperiode bereitgestellt wird.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ganzzahlige Vielfache der Zeitverzögerung nach Wahl änderbar ist.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Abtastung so synchronisiert ist, daß sie beim Start der Störsignalstruktur des abgetasteten Signals beginnt.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung so synchronisiert ist, daß sie eine Abtastperiode nach dem Start der Störsignalstruktur des abgetasteten Signals beginnt.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Abtastvorrichtung einen Analog/Digital-Wandler zum Konvertieren analoger Signale in digitale Signale aufweist.

    — 3—
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

    a) eine Vorrichtung zum Aufzeichnen struktureller Eigenschaften der verarbeiteten Ausgangssignale von dem Filter; und

    b) Mittel zum Subtrahieren der aufgezeichneten Strukturen von den Ausgangssignalen des Filters.
17. 17. Verfahren zum Verarbeiten von Signalen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

    a) Zurverfügungstellen von Signalen in digitaler Form bei einer ausgewählten periodischen Abtastgeschwindigkeit als ein Eingangssignal;

    b) Verzögerung eines solchen Eingangssignals und BiI-den der Differenz zwischen einem solchen Eingangssignal und dem verzögerten Eingangssignal als ein Ausgangssignal;

    c) Skalieren eines solchen verzögerten Signals durch einen ersten Skalenfaktor und Kombinieren des skalierten Signals mit einem solchen Eingangssignal;

    d) Skalieren des kombinierten Signals mit einem zweiten Skalenfaktor und Verzögerung des zweiten skalierten Signals, wenn das verzögerte Signal von dem Eingangssignal subtrahiert werden soll.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet/ daß die Zeitverzögerung des Signals nach Wahl auf ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der Abtastgeschwindigkeit eingestellt wird. _
19. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalabtastung synchronisiert wird, so daß eine Abtastung beim Anfang der Störsignalstruktur des abgetasteten Signals begonnen wird.

    -4-
20. 20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwindigkeit synchronisiert wird, um eine Abtastperiode nach dem Anfang der Störsignalstruktur des abgetasteten Signals eine Abtastung zu beginnen.
21. 21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein ganzzahliges Vielfaches so ausgewählt wird, daß die Zeitverzögerung des Signals als eine Näherung eines ganzzahligen Vielfachen eines periodischen Störsignals, das in dem zu verarbeitenden Signal enthalten ist, geliefert wird.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Skalenfaktor gleich dem reziproken Wert der Summe von Eins plus dem ersten Skalenfaktor ist.
23. 23. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

    a) Aufzeichnen einer Struktur des Ausgangssignals; und

    b) Subtrahierung der Struktur von dem Ausgangssignal. 25
24. 24. Einrichtung zum Aussieben periodischer Störungen aus Signalen, gekennzeichnet durch

    a) einen Signalverzögerer zum selektiven Speichern und Verzögern der Übermittlung von Signalen; b) erste und zweite multiplikative Skalierer, die erste bzw. zweite Skalierer-Parameter zur Veränderung der Signalamplituden liefern, während ihre entsprechenden proportionalen Formen aufrechterhalten werden;

    c) eine Summiervorrichtung zum Addieren zweier Signale; und

    d) eine Differenzvorrichtung zum Vergleichen zweier

    -5-

    BAD ORIGINAL

    Signale und zur Erzielung der Differenz zwischen den Signalen;

    e) wobei ein Eingangssignal, aus dem ein solches periodisches Störsignal ausgefiltert wird/ durch die Summiervorrichtung dem verzögerten und durch den ersten Skalierer skalierten Ausgangssignal des Verzögerers zuaddiert wird, wobei das Summiersignal dem summierten, durch den zweiten Skalierer skaliert und dem Verzögerer eingegeben wird, und wobei das Ausgangssignal des Verzögerers mit der Differenzvorrichtung von dem Eingangssignal subtrahiert wird, von dem das periodische Störsignal ausgefiltert werden soll.
25. 25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer von den ersten und zweiten Skalierparametern wahlweise variabel ist.
26. 26. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Skalierparameter gleich dem reziproken Wert der Summe von Eins plus dem ersten Skalierparameter ist.
27. 27. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverzögerer eine nach Wahl veränderbare Verzögerungszeit für das summierte Signal liefert, das von dem zweiten Skalierer skaliert ist.
28. -28. Einrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum digitalen Abtasten des zu filternden Signals während einer ausgewählten Abtastperiode.
29. 29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastungsperiode nach Wahl änderbar ist.

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    BAD ORIGINAL
30. 30. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Abtastung mit dem aus dem Signal auszusiebenden periodischen Störsignal synchronisert ist.
31. 31. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Signalverzögerer vorgesehene Zeitverzögerung wahlweise als ein ganzzahliges Vielfaches der Abtastperiode zur Verfügung gestellt wird.
32. 32. Einrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,

    daß das die Zeitverzögerung bestimmende ganzzahlige Vielfache nach Wahl änderbar ist.

    I^
33. 33. Einrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das die Zeitverzögerung bestimmende ganzzahlige Vielfache so gewählt wird, daß die Zeitverzögerung als eine Näherung eines ganzzahligen Vielfachen der Störsignalperiode vorgesehen ist, die in dem auszusiebenden Signal enthalten ist.
34. 34. Einrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch

    a) Mittel zum Aufzeichnen struktureller Eigenschaften des Ausgangssignals von der Differenzvorrichtung; ^und

    b) Mittel zum Subtrahieren der aufgezeichneten strukturellen Eigenschaften von dem Ausgangssignal der DifferenzVorrichtung.
35. 35. Verfahren zum Aussieben eines eine Information mitführenden Signals zum Entfernen eines periodischen Störsignals aus diesem, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

    a) Zurverfügungstellung des Signals in digital abgetasteter Form als ein Eingangssignal;

    b) Durchleiten des Eingangssignals durch eine Schleife

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    BAD ORIGINAL

    zur Lieferung eines verzögerten Ausgangssignals mit der Amplitude des periodischen Störsignals, die sich der Amplitude des periodischen Störsignals annähert, das in dem Eingangssignal enthalten ist, wobei die Amplitude nicht periodischer Strukturen auf ein Minimum reduziert wird;

    c) Subtrahieren des verzögerten Ausgangssignals von dem Eingangssignal zur Erzielung eines Filterausgangssignals.
36. 36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Schritt des Durchleitens vorgesehene Zeitverzögerung annähernd gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Zeitdauer des periodischen Störsignals entsprechend gehalten wird.
37. 37. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung mit dem auszusiebenden periodischen Ctörsignal synchronisiert wird.
38. 38. Verfahren nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch die Subtraktion unerwünschter nicht periodischer Strukturen von dem Ausgangssignal.

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