ein universelles Programm zur Aufzeichnung, Auswertung und Dokumentation digitaler Meßdaten

Einleitung Programmbeschreibung Funktionsübersicht Hardware Funktionsgenerator Messung Auswertung MAKROS Anwendungen Stationäre Strom-Spannungs-Kurven Zyklische Voltammetrie Rotierende Ring-Scheibe-Elektrode Massenspektrometrie

Hier soll demnächst (?) noch einiges an Information eingefügt werden.

Digitale Meßverfahren finden heute in allen Bereichen der Wissenschaft Anwendung. Für Routineverfahren stehen kommerzielle Meßgeräte unterschiedlichster Auslegung zur Verfügung. Alle diese Anordnungen dienen primär der on-line Verarbeitung von Meßdaten und der standardisierten Auswertung oder Datenreduktion. Die mitgelieferten Programme sind daher meist unflexibel und eignen sich nicht für den Einsatz in der Grundlagenforschung.

Das Programmpaket S.C.A.D.A wurde in den Jahren 1985/86 als Meßprogramm für einen 1983/84 konstruierten Meßcomputer (STV 8030) geschrieben. Die Arbeiten wurden am Institut für Physikalische Chemie der Universität Wien (Arbeitsgruppe Elektrochemie) durchgeführt. Die Programmentwicklung verlief parallel zu experimentellen Arbeiten mit der rotierenden Ring-Scheibe-Elektrode. Obwohl die Meßanordnung vorerst ausschließlich im Bereich elektrochemischer Methoden eingesetzt wurde blieb das Grundkonzept allgemein orientiert. Die Installation von S.C.A.D.A im Massenspektrometrielabor der Arbeitsgruppe für Hochtemperaturthermodynamik erfolgte 1988 (Mehrere Publikationen sind derzeit in Vorbereitung). 1989 wurde eine S.C.A.D.A Version unter MS-DOS entwickelt. Damit soll ein breiterer Einsatz dieses Softwarepaketes möglich werden.

Seither wurde das Programmpaket in mehreren wissenschaftlichen Projekten eingesetzt. Die Firma AXA-data vertreibt dieses Produkt.

Die abgelegten Datensätze können mit halbautomatischen Methoden analysiert und nachbearbeitet werden. Außerdem stehen Ausgaberoutinen für Drucker und Plotter zur Dokumentation zur Verfügung. Ein integriertes Paket von "Utilities" erlaubt das Editieren von Text-Dateien und einige elemen-tare Operationen der Dateiverwaltung.
 

S.C.A.D.A unterstützt alle gängigen Graphik-Adapter, doch ist der Einsatz auf CGA nicht sehr zielführend. Der Einsatz eines schnellen Computers (AT oder TURBO-AT) ist empfehlenswert. Der verfügbare freie Speicherplatz ist für die handhabbaren Datenmengen begrenzend. Mindestens 450 kB sollten für S.C.A.D.A frei sein.

IBM-kompatibler PC (mindestens 802^Hihi86 ab 10 MHz) mit mindestens 640 kB RAM, 40 MB Harddisk, Floppy disk drive(s) und EGA- oder VGA-Graphikadapter (S.C.A.D.A nutzt derzeit nur den EGA-Modus mit 640x350 Bildpunkten und 16 Farben um eine optimal schnelle und flimmerfreie Umschaltung von zwei Bildschirmseiten zu gewährleisten). Serielle und parallele Schnittstelle für Drucker- und Mausanschluß sind erforderlich.

Die erste PC-Konfiguration nutzte die Einsteckkarten PCI 20098C und 20006M © BURR BROWN): 8 (16) Kanal 12 Bit A/DC mit programmable gain (1, 10, 100), 32 digitale I/O-Leitungen und 16 bit D/AC. Später wurden auch andere A/D und D/A-Bauteile dieser Firma implementiert (PCI20001C mit PCI20089W und PCI 20006M, PCI20488, PCI20377). Die Schnittstellenkarte RTI 835H von Analog Devices

Diese Anlage dient zur Steuerung elektrochemischer Messungen an bis zu 8 parallelen Meßplätzen. 9 digitale Outputleitungen werden für die Ansteuerung von Schaltern des Meßwertwandlers (Potentiostat) eingesetzt.

Die Signale der acht elektrochemischen Zellen werden getrennt erfaßt. Eine maximale Abtastrate von 1 kHz ist erprobt. Die Dauer eines Meßzyklus liegt bei etwa 300 µs, wenn alle Kanäle tatsächlich registriert werden.
 

Funktionsgenerator

Über den D/A-Konverter können komplizierte Spannungsfunktionen mit hoher Auflösung generiert werden. S.C.A.D.A integriert auch ein entsprechendes Softwaremodul zur Generierung und Steuerung derartiger Funktionsgeneratorprogramme.

Wird das Funktionsgeneratorprogramm auf niedrigster Ebene (Konstantspannung, Spannungsschritt und Rampe) erstellt, so können alle Funktionen voll ausgenutzt werden. Zusätzlich bietet S.C.A.D.A aber auch übergeordnete Funktionsbegriffe (Dreiecksspannung, Rechteckspannung etc.), die über Makros zugänglich gemacht werden können.

Bis zu 32 TTL-Signale können über das Funktionsgeneratorprogramm kontrolliert werden. So können Schaltvorgange in einem Raster von 1 ms mit einer Genauigkeit von ca. 1 µs realisiert werden.
 

Messung

Die Parameter können vor jeder Messung neu bestimmt werden. Der zuletzt gewählte Parameter-satz wird jeweils auf einer Parameterdatei abgelegt und kann damit leicht abgerufen werden.

Es stehen drei verschiedene Möglichkeiten zum Start einer Messung zur Verfügung.

• Im Standardmodus wird die Datenerfassung über Tastendruck begonnen.
• Weiters existiert noch ein Monitormodus. Dabei wird automatisch immer wieder gemessen, bis der Operator sich zum Abbruch der Registrierung mit oder ohne Sicherung der Daten entscheidet. Dieser Modus ist zum Kalibrieren des Systems ebenso geeignet wie zu Testmessungen, bei denen ein markantes Ereignis unvorhersehbarer Charakteristik "erwischt" werden soll.
• Kennt man einen typischen Signalverlauf, der den Beginn einer Messung auslösen soll, so steht ein Triggermodus zur Verfügung. Es kann auf jeden beliebigen Kanal mit positiver, negativer oder beliebiger Flankenrichtung eingestellt werden
• In Kombination mit allen drei Meßvarianten kann eine Zeitverzögerung über die Echtzeituhr programmiert werden.

Das Resultat jeder Messung wird auf einer eigenen Datei abgespeichert. Diese ist in einem dokumentierten Binärdatenformat codiert und enthält einen 240 Zeichen langen Titel, der als Textdatei lesbar ist. Datum, Uhrzeit, Zeitdauer, Zahl der Kanäle, Zahl der Meßdaten sowie bis zu 200 Zeichen langer Kommentar werden so gesichert.

In die Meßdatei können Bearbeitungssequenzen, numerische Parameter oder ganze Makros integriert werden, die Beim Laden der Datei in der Auswertung automatisch verarbeitet werden.
 

Auswertung

Das Auswerteprogramm von S.C.A.D.A beherrscht nicht nur Datensätze im S.C.A.D.A -Datenformat. Es können ebenso ASCII-Datensätze mit bis zu ca. 10.000 Werten insgesamt gelesen und verarbeitet werden.

Es zählt zu den Spezialitäten von S.C.A.D.A , daß keine bloße X/Y-Korrelation von Daten berücksichtigt wird. So können spektroskopische Daten parallel zu elektrochemischen Messungen aufgezeichnet werden und so eine hervorragende Korrelation für die in situ Spektroelektrochemie gewährleisten. Neben der Analyse des Signal/Zeit-Verlaufes können beliebige Datensätze gegeneinander dargestellt und verarbeitet werden.

S.C.A.D.A bietet graphische Ausgabe in bis zu vier Diagrammen gleichzeitig, wobei Daten aus verschiedenen Datensätzen richtig skaliert überlagert werden können. Die Kanäle einer Messung können beliebig gegeneinander dargestellt werden. Die Diagrammachsen können nicht nur linear sondern auch reziprok, quadratisch, quadratwurzel, exponentiell oder logarithmisch skaliert werden.

Mit Hilfe eines Cursors können Bildausschnitte gewählt, Datenfenster für mathematische Operationen gesetzt, Nullpunkte neu definiert werden. Die graphische Definition von linearen und exponentiellen Basislinien ist verfügbar. Lokale Kurvenintegrationen mit wahlweiser Berücksichtigung einer Basislinie sind möglich, wobei eine Dokumentation auf dem Drucker oder auf einer Datei erfolgen kann. Die Berechnung erfolgt nach der Bildschirmdarstellung als Integration von y nach dx über den von den Cursorpositionen definierten Bereich.

Es stehen drei Arten von Cursor zur Verfügung:

1. Der gebundene Cursor kann zum Scan der Daten benutzt werden. Die Koordinaten der Datenpunkte werden jeweils eingeblendet. Der Cursor wird entlang der im Datensatz definierten Bildpunkte (X_i,Y_i) bewegt.
2. Der Referenzcursor kann mit Hilfe von Cursor (1) oder (3) gesetzt werden und bleibt dann bis zum Rücksetzen oder zum Verlassen des Cursormodus sichtbar. Ist ein Referenzpunkt gewählt, so werden die Datenkoordinaten relativ zu diesem Punkt angegeben.
3. Der freie Cursor ist alternativ zu (1) verfügbar. (3) wird als Fadenkreuz dargestellt und kann frei im Diagramm bewegt werden. Der kleinste mögliche Cursorschritt im Modus (3) ist durch die Bildschirmauflösung bestimmt.

Ein Rechensystem mit AOS-Eingabe erlaubt die freie Programmierung von Datenveränderungen, was unter anderem die Kompensation gekrümmter Grundlinien erlaubt. Diesem Rechner stehen alle Meßdaten, Skalierungsfaktoren etc. als Variable zur Verfügung. So können neue Datensätze generiert werden. Das Ausgeben von einzelnen Datensätzen auf ASCII-Dateien erlaubt das Sichern von so generierten Wertereihen und den Export von (Teil)datensätzen zur Bearbeitung mit Fremdprogrammen..

Kurvenanpassung durch lineare Regression ist möglich, wobei Polynome bis zum 8. Grad erlaubt sind. Die ermittelten Koeffizienten können auf einer Datei oder Drucker dokumentiert werden und stehen im Formelrechner zur Verfügung.

Die graphische Darstellung der Meßkurven kann mit den mathematischen Hilfsmitteln aufbereitet und ausgeplottet werden. Die Plotterausgabe erfolgt in HPGL (für einen HP 7475A).

MAKROS können in jeder beliebigen Eingabe mit Hilfe eines einzigen Tastendruckes abgerufen werden und sind durch einen Tastendruck jederzeit zu unterbrechen.