SIGNAL PROCESSING CIRCUIT

Abstract: 1. Signal processing circuit for processing the output signal of a detector (12) inert and/or subjected to a memory effect, to which a measuring quantity is applied, which assumes a measuring and a reference value, respectively, in measuring and reference time intervals (24 and 22, respectively) periodically consecutive, having a) an integrator (10) adapted to be reset, for integrating the output signal from the detector (12) during each measuring and each reference time interval. b) a first and a second memory circuit (32 and 34 ; respectively) adapted to be connected to the output of the integrator (10), c) a sequence control (14) for controlling the resetting of the integrator (10) and the connection of the first and second memory circuits (32 and 34, respectively) to the integrator, characterized in that d) a clamp circuit (16) is provided, which is adapted to clamp the output signal from the detector (12) to a base line before it is supplied to the integrator (10), e) the output (72) of the clamp circuit (16) is adapted to be connected to the integrator (10) either directly through a first switch (18) or through a second switch (20) serially arranged with an inverting amplifier (96), f) the sequence control (14) is adapted to generate the following control signals : (i) a first control signal (3) for closing the first switch (18) during the measuring and reference time intervals (24 and 22, respectively) following each other with time intervals therebetween, (ii) a second control signal (2) for closing the second switch (20) before each measuring and each reference time interval for a predetermined compensation time interval (26, 28), (iii) a third control signal (1) for energizing the clamp circuit (16) before each measuring, each reference and each compensation time interval, (iv) a fourth control signal (4, 5) for causing the output signal from the integrator (10) to be transferred to the first memory circuit (32) after each measuring time interval and into the second memory circuit (34) after each reference time interval, (v) a fifth control signal (6) for resetting the integrator (10) after its output signal has been transferred to one of the memory circuits (32, 34).

Description: Signalverarbeitungsschaltung zur Entfaltung von Signalen Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung zur Entfaltung von Signalen, die von einem von alternierenden Messgrössen beaufschlagten, mit Trägheit und/oder Gedächtnis behafteten Detektor geliefert werden, bei welcher das Detektorsignal durch einen Integrator während vorgegebener, je einer der alternierenden Messgrössen zugeordneter Referenz- bzw. Messzeitintervalle integriert wird. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Detektoren, die im mittel- bis langwelligen Infrarot empfindlich sind und abwechselnd von einem Mess- und einem Referenzstrahlenbündel beaufschlagt werden. Ein Beispiel für die Anwendung eines solchen Detektors ist ein Bifrequenz-Photometer zur Bestimmung der Konzentration eines absorbierenden Gases in einer Küvette. Bei einem solchen Bifrequenz-Photometer wird die Küvette von einem Strahlengang durchsetzt, der von einer Lichtquelle ausgeht und auf einen Detektor geleitet wird. In diesem Strahlengang sitzt eine rotierende Filterscheibe, die abwechselnd zwei verschiedene Wellenlängen oder Frequenzen durchlässt. Dabei fällt die eine durchgelassene Wellenlänge mit einer Absorptionsbande einer gesuchten Verbindung zusammen, während die andere Wellenlänge ausserhalb der Absorptionsbande liegt und eine Berücksichtigung der Untergrundabsorption, von Änderungen der Lichtquellenhelligkeit oder der Detektor empfindlichkeit gestattet. Bei einigen Substanzen, z.B. Uranhexafluorid, liegt die wesentliche Absorptionsbande, die für eine Messung ausnutzbar ist, im mittel- bis langwelligen Infrarot. Es muss daher das eine Filter in diesem Bereich durchlässig sein, und der Detektor muss auf solche Strahlung ansprechen. Dabei tritt die Schwierigkeit auf, dass Detektoren dieser Art mit Trägheit und Gedächtnis behaftet sind. Das bedeutet, dass der Detektor dem Anstieg der Strahlungsenergie nur verzögert mit seinem Ausgangs signal folgt, während andererseits das Ausgangssignal des Detektors nach Abfall der Strahlungsenergie mit Verzögerung wieder abklingt. Ausserdem sind solche Detektoren sehr empfindlich gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur. Schliesslich stellt die Eigenstrahlung der Geräteteile, z.B. der Küvettenwandung einen Strahlungsanteil, welcher nicht mit der Filterwechselfrequenz moduliert wird, sich aber langsam, z.B. in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, ändern kann. Durch diese Eigenschaften des Detektors laufen die von den beiden Messgrössen, also beispielsweise von Mess- und Referenzlichtbündel herrührenden Signale ineinander. überlagert sind Störsignale, die von Schwankungen der Umgebungstemperatur herrühren. Es ist eine Signalverarbeitungsschaltung für ein Bifrequenz-Photometer der vorerwähnten Art bekannt, bei welcher das Detektorsignal durch einen Integrator während vorgegebener, je einer der alternierenden Messgrössen zugeordneter Referenz- bzw. Messzeitintervalle integriert wird. Es sind dort auch Massnahmen getroffen worden, um die von den beiden alternierenden Messgrössen herrührenden Signale zu entfalten" (DE-OS 27 27 976). Diese Massnahmen sind jedoch nur in einem Punkt des Messbereichs wirksam, während in dem Rest des Messbereichs, also des Bereichs von Intensitätsverhältnissen von Mess- und Referenzstrahlenbündel, keine saubere Trennung der Signale erfolgt. Das macht das bekannte Gerät für viele Anwendungen ungeeignet. Bei bestimmten Anwendungen wird beispielsweise von einem Bifresuenz- Photometer verlangt, dass es noch eine saubere Messung liefert, wenn die Intensität des Messstrahlenbündels nur noch 3% der Intensität des Referenzstrahlenbündels beträgt. Unter solchen Bedingungen bringt eine unsaubere Trennung der Signalanteile, wenn also ein Prozentsatz des starken Referenzlichtbündels sich auf das Signal des Messlichtbündels auswirkt, erhebliche Messfehler mit sich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für solche und ähnliche Anwendungen eine Signalverarbeitungsschaltung der eingangs definierten Art so auszubilden, dass sie eine saubere Trennung der von den beiden alternierenden Messgrössen herrührenden Signale gewährleistet. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass (a) eine durch eine Ablaufsteuerung gesteuerte Klemmschaltung für das Detektor signal vorgesehen ist, (b) das Ausgangssignal der Klemmschaltung über einen durch die Ablaufsteuerung gesteuerten ersten Schalter direkt und über einen ebenfalls durch die Ablauf steuerung gesteuerten zweiten Schalter invertiert auf den Integrator auf schaltbar ist, (c) durch die Ablaufsteuerung während jedes Referenz bzw. Messzeitintervalls der eine Schalter und während jeweils vor den Referenz- bzw. Messzeit intervallen liegender Kompensations-Zeitintervalle der andere Schalter geschlossen wird, (d) die Klemmschaltung durch die Ablaufsteuerung vor jedem Referenz-, Mess- und Kompensations-Zeitintervall im Sinne eines Anklemmens des Detektorsignals an eine Nullinie ansteuerbar ist, (e) durch die Ablaufsteuerung nach jedem Referenz zeitintervall und nach jedem Messzeitintervall das Ausgangs signal des Integrators oder eine Funktion desselben auf je eine Speicherschaltung auf schaltbar ist und (f) durch die Ablaufsteuerung weiterhin der Integrator nach jeder Auf schaltung des Ausgangssignals auf eine der Speicherschaltungen wieder auf null rücksetzbar ist. Die Ablaufsteuerung definiert ein Zeitintervall, während welches überwiegend die eine Messgrösse wirksam ist und ein zweites Zeitintervall, in welchem überweigend die andere Messgrösse wirksam ist. Diese beiden Zeitintervalle sollen nachstehend als "Referenzfenster" und "Messfenster" bezeichnet werden. Die Messung jeder Messgrösse erfolgt durch Integration des Signals über ein Referenzzeitintervall, welches innerhalb des Referenzfensters liegt bzw. über ein Messzeitintervall, welches innerhalb des Messfensters liegt. Im Referenzfenster treten jedoch Signalanteile auf, die von der innerhalb des Messfensters gemessene Messgrösse herrühren und umgekehrt. Aus diesem Grunde wird vor der Messung der einen Messgrösse durch Integration im Referenzzeit intervall das Signal während eines Kompensations Zeitintervalls mit umgekehrtem Vorzeichen integriert. Ebenfalls erfolgt eine Integration mit umgekehrtem Vorzeichen während eines Kompensations-Zeitintervalls vor dem Messzeitintervall. Vor jedem Integrationsintervall wird das Detektorsignal jeweils durch eine Klemmschaltung an eine Nullinie "geklemmt". Die Form des Signalverlaufs am Detektor bei einem vorgegebenen, beispielsweise dreieckigen, Signalverlauf der Messgrössen hat unabhängig von den Amplituden der Messgrössen stets den gleichen Charakter. Das während des Kompensations-Zeitintervalls gebildete Integral des Detektorsignals steht daher in einem festen Verhältnis zu dem über das Mess- oder Referenzzeitintervall gebildeten Integral des von der jeweils anderen Messgrösse herrührenden Signalanteils. Wenn daher die Auf schaltung des Detektorsignals während der Kompensations-Zeitintervalle und die Länge der Kompensations-Zeitintervalle im Verhältnis zu den entsprechenden Grössen der Referenz- und Messzeitintervalle geeignet gewählt sind, wird durch die mit entgegengesetzten Vorzeichen erfolgenden Integrationen jeweils der Einfluss der einen Messgrösse auf die Messung der anderen und umgekehrt eliminiert. Der Signalverlauf am Detektor bei einem z.B. dreieckigen Verlauf der am Detektor wirksamen Messgrösse ist bei üblichen Detektoren sehr unregelmässig und bei gleichem Charakter von Detektor zu Detektor verschieden. Die Auf schaltung der Signale während der verschiedenen Zeitintervalle auf den Integrator muss daher für jeden Detektor speziell eingestellt werden. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass dem Detektor ein Filter nachgeschaltet ist, dessen Übertragungsfunktion invers zur Übertragungsfunktion des Detektors ist. Auch mit einem solchen Filter allein könnte eine Entfaltung der Signale erreicht werden. Bei Verwendung eines solchen Filters allein wäre jedoch ebenfalls eine genaue Anpassung des Filters an die Eigenschaften des jeweiligen Detektors erforderlich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Kombination der eingangs geschilderten Schaltung mit einem vorgeschalteten Filter, dessen Übertragungsfunktion invers zur Übertragungsfunktion des Detektors ist, praktisch keine Justage zur Anpassung an die speziellen Parameter des Detektors erforderlich ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 3 bis 7. Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemässen Signalverarbeitungs schaltung. Fig. 2 zeigt das Impulsdiagramm der Ablauf steuerung, durch welche die Signalver arbeitungsschaltung nach Fig. 1 steuerbar ist. Die Signalverarbeitungsschaltung enthält einen Integrator 10 durch welchen das Detektorsignal von einem Detektor 12 während vorgegebener, je einer von zwei alternierenden Messgrössen zugeordneter Referenz- bzw. Messzeitintervalle integriert; wird. Es ist eine durch eine Ablaufsteuerung 14 gesteuerte Klemmschaltung 16 für das Detektorsignal vorgesehen. Das Ausgangssignal der Klemmschaltung 16 wird über einen durch die Ablaufsteuerung 14 gesteuerten ersten Schalter 18 als invertiertes Detektorsignal und über einen ebenfalls durch die Ablaufsteuerung 14 gesteuerten zweiten Schalter 20 als nicht-invertiertes Detektorsignal auf den Integrator 10 aufgeschaltet. (Die Klemmschaltung 16 bewirkt schon eine Inversion des Signals). Es ist hier und im folgenden von "Schaltern" die Rede, und in der Zeichnung sind der Anschaulichkeit halber mechanische Schalter dargestellt. In der Praxis werden diese Schalter jedoch in dem Fachmann geläufiger Weise als elektronische Schalter ausgebildet. Durch die Ablaufsteuerung 14 wird während jedes Referenz- bzw. Messzeitintervalls 22 bzw. 24 (Fig. 2) der zweite Schalter 20 und während jedes vor den Referenz- bzw. Messzeitintervallen liegenden Kompensations-Zeitintervalls 26 bzw. 28 der erste Schalter 18 geschlossen. Die Klemmschaltung 16 ist durch die Ablaufsteuerung 14 vor jedem Referenz-, Mess- und Kompensations-Zeitintervall im Sinne eines Anklemmens des Detektorsignals an eine Nullinie ansteuerbar, wie in Fig. 2 durch die Kurve 30 dargestellt ist. Durch die Ablaufsteuerung 14 ist nach jedem Referenzzeitintervall 22 und nach jedem Messzeitintervall 24 das Ausgangssignal des Integrators 10 oder eine Funktion desselben auf je eine Speicherschaltung 32 bzw. 34 auf schaltbar. Weiterhin ist der Integrator 10 durch die Ablaufsteuerung nach jeder Aufschaltung des Ausgangssignals auf eine der Speicherschaltung 32,34 wieder auf Null rücksetzbar, wie durch Kurve 36 in Fig. 2 dargestellt ist. Dem Detektor 12 ist ein Filter 38 nachgeschaltet, dessen Übertragungsfunktion invers zur Übertragungsfunktion des Detektors 12 ist. Für einen auf Infrarotstrahlung ansprechenden pyroelektrischen Detektor weist das Filter 38 einen Operationsverstärker 40 mit einem nicht-invertierenden und einem invertierenden Eingang 42 bzw. 44 auf. Das Detektorsignal ist auf den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 geschaltet. Am Ausgang des Operationsverstärkers 40 liegt ein Spannungsteiler, der aus der Reihenschaltung zweier komplexer Widerstände besteht. Jeder dieser komplexen Widerstände wird von der Parallelschaltung je eines ohmschen Widerstandes 46 bzw. 48 und eines Kondensators 50 bzw. 52 gebildet. Die zwischen den komplexen Widerständen abgegriffene Spannung ist auf den invertierenden Eingang 44 des Operationsverstärkers 40 geschaltet. Die Klemmschaltung 16 enthält einen Kondensator 54 über welchen der Ausgang 56 des Filters 38 auf den nicht-invertierenden Eingang 58 eines als Impedanzwandler wirkenden ersten Operationsverstärkers 60 geschaltet ist. Dabei ist der Ausgang 62 dieses Operationsverstärkers 60 mit dem invertierenden Eingang 64 verbunden. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 60 ist über einen Widerstand 66 auf den invertierenden Eingang 68 eines zweiten Operationsverstärkers 70 geschaltet, dessen Ausgang 72 über einen weiteren Widerstand 74 mit dem invertierenden Eingang 68 verbunden und dessen nicht-invertierender Eingang 76 geerdet ist. Auf diese Weise erfolgt eine Verstärkung des von dem ersten Operationsverstärkers 60 erhaltenen Signals. Der Ausgang 72 des zweiten Operationsverstärkers 70 ist über einen von der Ablaufsteuerung 14 gesteuerten Schalter 78 und einen Widerstand 80 mit dem Eingang 58 des ersten Operationsverstärkers verbindbar. Dabei erfolgt durch Schliessen des Schalters 78 eine Umladung des Kondensators 54 durch die verstärkte Spannung vom zweiten Operationsverstärker 70, bis die Spannung am ersten Operationsverstärker zu null wird. Das Ausgangssignal der Klemmschaltung 16 wird vom Ausgang 72 des zweiten Operationsverstärkers abgegriffen, wie durch Leitung 82 dargestellt ist. Der Integrator 10 enthält einen Operationsverstärker 84, dessen Ausgang 86 über einen Kondensator 88 mit dem invertierenden Eingang 90 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang 92 des Operationsverstärkers 84 ist geerdet. Der invertierende Eingang 90 ist über den ersten Schalter 18 und über einen ersten Widerstand 94 direkt mit dem Ausgang 82 der Klemmschaltung 16 und über den zweiten Schalter 20 mit dem Ausgang eines vom Ausgangssignal der Klemmschaltung 16 beaufschlagten invertierenden Verstärkers 96 verbunden. Der invertierende Verstärker 96 hebt die in der Klemmschaltung 16 erfolgende Inversion auf. Ein dritter, von der Ablaufsteuerung 14 gesteuerter Schalter 98 überbrückt zum Rücksetzen des Integrators 10 in Reihe mit einem Entladewiderstand 100 den Kondensator 88. Dem Integrator 10 ist ein Logarithmierer 102 nachgeschaltet. Der Ausgang des Logarithmierers ist über einen vierten Schalter 104 auf die erste analoge Speicherschaltung 32 und über einen fünften Schalter 106 auf die zweite analoge Speicherschaltung 34 übertragbar, wobei der vierte und fünfte Schalter 104 bzw. 106 durch die Ablaufsteuerung nach jedem Referenz- bzw. Messzeitintervall 22 bzw. 24 kurzzeitig im schliessenden Sinne ansteuerbar sind. In Fig. 1 sind die verschiedenen Steuersignale, die von der Ablaufsteuerung abgegeben werden mit "1","2", "3","4","5" und "6" bezeichnet. Die entsprechenden Signalverläufe sind in Fig. 2 dargestellt. Die beschriebene Signalverarbeitungsschaltung hat sich besonders bewährt in einem Bifrequenz-Photometer zur Bestimmung von Uranhexafluorid, wobei eine Absorptionsbande im mittel- bis langwelligen Infrarot benutzt wird und ein in diesem Bereich empfindliches Detektor erforderlich ist, der die eingangs geschilderten Probleme mit sich bringt.

Claims: Patentansprüche 1. Signalverarbeitungsschaltung zur Entfaltung von Signalen, die von einem von alternierenden Mess grössen beaufschlagten, mit Trägheit und/oder Gedächtnis behafteten Detektor geliefert werden, bei welcher das Detektorsignal durch einen Integrator während vorgegebener, je einer der alternierenden Messgrössen zugeordneter Referenz- bzw. Messzeitintervalle integriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass (a) eine durch eine Ablaufsteuerung (14) ge steuerte Klemmschaltung (16) für das Detektorsignal vorgesehen ist, (b) das Ausgangssignal der Klemmschaltung (16) über einen durch die Ablaufsteuerung (14) gesteuerten ersten Schalter (18) direkt und über einen ebenfalls durch die Ablaufsteuerung (14) gesteuerten zweiten Schalter (20) invertiert auf den Integrator (10) auf schaltbar ist, (c) durch die Ablaufsteuerung (14) während jedes Referenz- bzw. Messzeitintervalls (22 bzw. 24) der eine Schalter (20) und während jeweils vor den Referenz- bzw. Messzeitintervallen liegender Kompensations-Zeitintervalle (26,28) der andere Schalter (18) geschlossen wird, (d) die Klemmschaltung (16) durch die Ablauf steuerung (14) vor jedem Referenz-, Mess- und Kompensations-Zeitintervall im Sinne eines Anklemmens des Detektorsignals an eine Nullinie ansteuerbar ist, (e) durch die Ablaufsteuerung (14) nach jedem Referenzzeitintervall (22) und nach jedem Messzeitintervall (24) das Ausgangssignal des Integrators (10) oder eine Funktion desselben auf je eine Speicherschaltung (32,34) auf schaltbar ist und (f) durch die Ablaufsteuerung (14) weiterhin der Integrator (10) nach jeder Aufschaltung des Ausgangssignals auf eine der Speicher schaltungen (32,34) wieder auf null rück setzbar ist. 2. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Detektor (12) ein Filter (38) nachgeschaltet ist, dessen Über tragungsfunktion invers zur Übertragungsfunktion des Detektors (12) ist. 3. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 2 für einen auf Infrarotstrahlung ansprechenden pyroelektrischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass (a) das Filter (38) einen Operationsverstärker (40) mit einem nicht-invertierenden und einem invertierenden Eingang (42 bzw. 44) aufweist, (b) das Detektorsignal auf den nicht-invertierenden Eingang (42) des Operationsverstärkers (40) geschaltet ist, (c) am Ausgang des Operationsverstärkers (40) ein Spannungsteiler liegt, der aus der Reihenschaltung zweier komplexer Widerstände besteht, wobei jeder dieser komplexen Widerstände von der Parallelschaltung je eines ohmschen Widerstandes (46,48) und eines Kondensators (50,52) gebildet ist, und (d) die zwischen den komplexen Widerständen abgegriffene Spannung auf den invertierenden Eingang (44) des Operationsverstärkers (40) geschaltet ist. 4. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Klemmschaltung (16) einen Kondensator (54) enthält, über welchen der Ausgang (56) des Filters (38) auf den nicht-invertierenden Eingang (58) eines als Impedanzwandler wirkenden ersten Operationsverstärkers (60) geschaltet ist, wobei der Ausgang (62) dieses Operationsverstärkers (60) mit dem invertierenden Eingang (64) verbunden ist, (b) der Ausgang (62) des ersten Operations verstärkers (60) über einen Widerstand (66) auf den invertierenden Eingang (68) eines zweiten Operationsverstärkers (70) geschaltet ist, dessen Ausgang (72) über einen weiteren Widerstand (74) mit dem invertierenden Eingang (68) verbunden und dessen nicht invertierender Eingang (76) geerdet ist, so dass eine Verstärkung des am ersten Operations verstärkers (60) erhaltenen Signals erfolgt, und (c) der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (70) über einen von der Ablaufsteuerung (14) gesteuerten Schalter (78) und einen Widerstand mit dem Eingang (58) des ersten Operations verstärkers (60) verbindbar ist, wobei durch Schliessen des Schalters (78) eine Umladung des Kondensators (54) durch die ver stärkte Spannung vom zweiten Operationsver stärker (70) erfolgt, bis die Spannung am ersten Operationsverstärker (60) zu null wird, und das Ausgangssignal der Klemmschaltung (16) vom Ausgang (72) des zweiten Operationsverstärkers (70) abgegriffen wird. 5. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Integrator (10) einen Operationsver stärker (84) enthält, dessen Ausgang (86) über einen Kondensator (88) mit dem inver tierenden Eingang (90) verbunden und dessen nicht-invertierender Eingang (92) geerdet ist, (b) der invertierende Eingang (90) über den ersten Schalter (18) und einen ersten Wider stand (94) direkt mit dem Ausgang (82) der Klemmschaltung (16) und über den zweiten Schalter (20) mit dem Ausgang eines vom Ausgangssignal der Klemmschaltung (16) beaufschlagten invertierenden Verstärkers (96) verbunden ist und (c) ein dritter von der Ablaufsteuerung (14) gesteuerter Schalter (98) zum Rücksetzen des Integrators (10) in Reihe mit einem Entladewiderstand (100) den Kondensator (88) überbrückt. 6. Signalverarbeitungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Integrator (10) ein Logarithmierer (102) nachgeschaltet ist. 7. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Logarithmierers (102) über einen vierten Schalter (104) auf eine erste analoge Speicherschaltung (32) und über einen fünften Schalter (106) auf eine zweite analoge Speicherschaltung (34) über tragbar ist, wobei der vierte und fünfte Schalter (104,106) durch die Ablaufsteuerung (14) nach jedem Referenz- bzw. Messzeitintervall (22,24) kurzzeitig im schliessenden Sinne ansteuerbar sind.

Inventors: TILMAN, PHILIP SPAETH, DIPL.-ING.
Applicants: BODENSEEWERK GEOSYSTEM GMBH
Application year: 1980
Main classification: G01J3
IPC codes: G01N21, G01J3, G01D3, G01D1