Спосіб гістограмної цифрової фільтрації хронопотенціометричних даних

Спосіб гістограмної цифрової фільтрації хронопотенціометричних даних, при якому аналоговий сигнал із електрохімічної комірки з 3 форму, діапазон вимірювання сигналу розбивають на рівні інтервали, в яких підраховують число спостережень сигналу у кожному інтервалі, та подають на вхід елементів пам'яті з системою управління, що виконує розрахунок сигналу фільтрації. На фіг. 1 під номером 1 зображена частина цифрових значень реального сигналу (хронопотенціограми), що надходить з електрохімічної комірки, = f ( t ), де - поточне значення потенціалу сигналу (мВ), t - час (мс), а під номером 2 - частина фільтрованих значень, одержаних способом гістограмної цифрової фільтрації хронопотенціометричних даних. На фіг. 2 зображені значення інтенсивності всієї хронопотенціограми = f ( ), де - час, на протязі якого значення сигналу знаходились в межах даного інтервалу (мс), - поточне значення потенціалу середини цього інтервалу (мВ). Хронопотенціометричні дані, які одержують під час зчитування потенціалів із вимірювального електроду, характеризуються великою швидкістю зміни та значним об'ємом одержуваної інформації. При створенні пристроїв визначення концентрації токсичних елементів виникає проблема оперативної обробки сигналу та його збереження у пам'яті пристрою, що має особливе значення коли не використовується комп'ютер або недостатньо швидкості обміну з ним по каналам зв'язку. Відмінною рисою електрохімічного процесу вимірювання хронопотенціометричним методом являється те, що хронопотенціограма, у вигляді функції = f (t), теоретично становить собою безперервно зростаючу функцію потенціалу по часу t. Але фактично, хронопотенціограма це дискретні значення потенціалів, додатково зашумлені роботою аналого-цифрового перетворювача (АЦП), та які зчитуються з постійною тактовою частотою. Абсолютна величина значення додаткового шуму, як правило, дорівнює 1-3 молодшим розрядам одержаного цілочисленного коду АЦП, а дисперсія шуму АЦП та сигналу рівномірна у всьому діапазоні вимірювання потенціалів. Спосіб містить в собі наступні дії. Сигнал із електрохімічної комірки з вимірювальним та допоміжним електродами подают на вхід АЦП та перетворюють його у цифрову форму (див. номер 1 на фіг. 1). Потім діапазон вимірювання сигналу розбивають на рівні інтервали, в яких підраховують число спостережень сигналу у кожному інтервалі, та подають на вхід елементів пам'яті з системою управління, що виконує розрахунок сигналу фільтрації. Суть способу гістограмної цифрової фільтрації полягає у наступному. Визначають об'єм необхідних елементів пам'яті для збереження фільтраційного сигналу, який дорівнює: V = (Fmax-Fmin)/ , де V - необхідне число елементів пам'яті; Fmax - верхнє значення діапазону вимірювання потенціалу на АЦП; Fmin - нижнє значення діапазону вимірювання потенціалу на АЦП; довжина інтервалу. 55158 4 Перед початком вимірювання всі значення елементів пам'яті встановлюють рівним нулю. Під час зчитування потенціалів з електродів, після одержання його поточного цифрового значення на АЦП, визначають номер елемента пам'яті, що відповідає інтервалу діапазону вимірювання потенціалу, по формулі: k = ( i - Fmin) / , де k - порядковий номер елемента пам'яті, що відповідає інтервалу діапазону вимірювання потенціалу; i - поточне значення потенціалу сигналу. Визначають зростаюче значення числа спостережень сигналу в даному інтервалі та записують його в k елемент пам'яті. Таким чином, пам'ять становить собою гістограму розподілу потенціалів сигналу. У кожному k елементі пам'яті міститься число спостережень сигналу Nk у даному інтервалі. Оскільки хронопотенціограма являє собою безперервно зростаючу функцію потенціалу по часу, а дисперсія шума АЦП рівномірна у всьому діапазоні вимірювання та довжина інтервалів постійна, то автоматично в гістограмі враховується шум роботи АЦП та сигналу. Після обробки всіх значень потенціалів сигналу кожне значення гістограми помножують на величину кроку квантування сигналу по часу t та одержують гістограму інтенсивності часу зміни потенціалу = f( ), де - час, у продовж якого значення потенціалів сигналу знаходились в межах даного інтервалу; - поточне значення потенціалу середини даного інтервалу (див. фіг. 2). Якщо послідовно підсумувати значення гістограми інтенсивності від нижньої до верхньої величини діапазону вимірювання потенціалів сигналу, то для кожного потенціалу одержимо час, у продовж якого всі попередні значення потенціалів сигналу не перевищують поточного значення. Таким чином, одержують фільтровані значення сигналу, у якому відсутні шум АЦП та сигналу (див. номер 2 на фіг. 1). Координати функції фільтрованого сигналу t = f ( ) визначають наступним чином: . - 0,5 . , k = Fmin + k . tk = tk-1 + Nk t, при t0=0; Nk 0; k=1,...,V; де k - потенціал середини k інтервалу діапазону вимірювання; k - послідовний номер інтервалу або відповідного елементу пам'яті; довжина інтервалу; tk - час, у продовж якого попередні значення потенціалів сигналу не перевищують k; Nk - число спостережень сигналу в інтервалі діапазону вимірювання, що міститься в k елементі пам'яті; t - крок квантування сигналу по часу. У запропонованому способі гістограмної фільтрації необхідний об'єм пам'яті для збереження фільтрованого сигналу не залежить від тривалості сигналу, що дуже важливо при створенні автономних пристроїв обробки даних хронопотенціограм. Приклад. Для параметрів АЦП: Fmin = - 2500 мВ, Fmax = + 2499 мВ та = 1 мВ необхідний 5 55158 об'єм пам'яті складає V = 5000 елементів. Тоді, при t = 1 мс та тривалості сигналу від 500 мс до 120000 мс, коефіцієнт стиснення сигналу буде від 0,1 до 24. Для приведених значень та t вказані формули способу гістограмної фільтрації спрощуються, що дає можливість використовувати у пристроях арифметичні операції тільки для цілих чисел. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 6 Запропонований спосіб гістограмної фільтрації може бути застосовано у пристроях, що включають АЦП, програмовані мікропроцесори з нарощуваним об'ємом пам'яті, або у комп'ютерах, що дозволить виконувати вимірювання концентрації токсичних елементів в необхідних для практики діапазонах (від 0,001 мг/дм3 до 1,0 мг/дм3). Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601