CN102656435B - 用于确定来自两个分离的传感器的压力差的测量设备 - Google Patents

用于确定来自两个分离的传感器的压力差的测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于产生被测量变量的测量值的序列的测量设备，该被测量变量是第一辅助被测量变量和至少一个第二辅助被测量变量的函数，该设备包括用于记录并且输出第一辅助被测量变量的值的序列的第一测量传感器（1）、用于记录并且输出第二辅助被测量变量的值的序列的至少第二测量传感器（2）、用于使用第一辅助被测量变量和至少第二辅助被测量变量的值的序列计算被测量变量的测量值的序列的评价单元（3）；该测量设备进而包括控制单元（24），该控制单元（24）用于借助向第一测量换能器（1）输出的控制信号的第一序列和向第二测量换能器（2）输出的控制信号的第二序列同步化第一辅助被测量变量和至少第二辅助被测量变量的序列的记录，至少控制信号的第一序列独立于控制信号的第二序列可变化。

Description

用于确定来自两个分离的传感器的压力差的测量设备
技术领域
本发明涉及用于基于至少两个辅助被测量变量的系列产生被测量变量的测量值的序列的测量设备。被测量变量可以特别地是压力差，其中第一辅助被测量变量是第一压力并且第二辅助被测量变量是第二压力，并且其中经由在第一压力的测量值和第二压力的测量值之间形成的差确定压力差的值。
背景技术
例如，在德国专利申请102008054913中描述了这种测量设备。对于这种类型的测量装置的操作而言，第一辅助被测量变量和第二辅助被测量变量的测量值记录的同步是重要的，因为，例如在利用两个压力传感器的、根据压力差原理的流量测量的情形中，在非同步化测量值记录的情形中静态压力的波动将会被解释成流量的波动。
发明内容
本发明的一个目的因此在于提供一种本发明技术领域的测量设备，该测量设备减小了在辅助被测量变量的记录之间的时间间隔。
根据本发明通过如在独立专利权利要求1中限定的测量设备实现了该目的。
本发明的测量设备用于产生被测量变量的测量值的序列，该被测量变量是第一辅助被测量变量和至少一个第二辅助被测量变量的函数，该测量设备包括第一测量换能器，其用于记录并且用于发射第一辅助被测量变量的值的序列；至少第二测量换能器，其用于记录并且用于发射第二辅助被测量变量的值的序列；评价单元，其用于基于第一辅助被测量变量和至少第二辅助被测量变量的值的序列计算被测量变量的测量值的序列；其中该测量设备进而具有控制单元，该控制单元用于借助向第一测量换能器输出的控制信号的第一序列，和向第二测量换能器输出的控制信号的第二序列来同步化第一辅助被测量变量和至少第二辅助被测量变量的序列的记录；其中至少控制信号的第一序列独立于控制信号的第二序列可变化。
在本发明进一步的改进中，从第一辅助被测量变量的当前值的记录直至第一参考信号的输出来限定第一处理时间，并且从第二辅助被测量变量的当前值的记录直至第二参考信号的输出来限定第二处理时间，其中控制单元被设计成记录至少第一参考信号的输出和第二参考信号的输出的各个时间点，并且考虑第一和第二处理时间或者在第一和第二处理时间之间的差，改变用于至少一个测量换能器的控制信号，从而减小在记录第一辅助被测量变量的各个当前值的时间点和至少记录第二辅助被测量变量的各个当前值的时间点之间的偏差。
在本发明进一步的改进中，第一参考信号表示第一辅助被测量变量的当前值或者第一校验和，其中特别地将在第一辅助被测量变量的当前值之后输出第一校验和，并且其中第二参考信号表示第二辅助被测量变量的当前值或者第二校验和，其中特别地将在第二辅助被测量变量的当前值之后输出第二校验和。
在本发明进一步的改进中，第一和/或第二测量换能器包括第一和/或第二ASIC，该第一和/或第二ASIC用于控制第一或者第二辅助被测量变量的记录值分别地到将被输出的数字值的转换。
在本发明进一步的改进中，ASIC或者多个ASIC包括有限状态机，该有限状态机用于记录值的转换和用于第一和/或第二辅助被测量变量的数字化值的输出。
在本发明进一步的改进中，控制信号的第一序列包括时钟信号的第一序列，和/或控制信号的第二序列包括时钟信号的第二序列。
在本发明进一步的改进中，第一处理时间达到时钟信号的第一序列的时钟脉冲的特定第一数目，和/或第二处理时间达到时钟信号的第二序列的时钟脉冲的特定第二数目。
在本发明进一步的改进中，第一有限状态机要求时钟信号的第一序列的时钟脉冲的特定第一数目，和/或第二有限状态机要求时钟信号的第二序列的时钟脉冲的特定第二数目。
在本发明进一步的改进中，第一和/或第二测量换能器包括用于将各个辅助被测量变量的记录值转换成将由各个测量换能器输出的数字值的SAR转换器、快闪（flash）转换器或者增量总和（delta sigma）转换器。
在本发明进一步的改进中，第一辅助被测量变量是第一压力，其中第一测量换能器包括第一压力传感器，并且第二辅助被测量变量是第二压力，其中第二测量换能器包括第二压力传感器，并且其中被测量变量被确定为在第一压力和第二压力之间的差。
附图说明
现在将基于附图更加详细地解释本发明，其中的图如下地示出：
图1本发明的测量布置的示意性表示；和
图2在本发明的测量布置的初始化的情形中的数据流的图表。
具体实施方式
图1所示设备包括作为第一测量换能器的第一压力测量换能器模块1和作为第二测量换能器的第二压力测量换能器模块2，以及评价模块3。
第一压力测量换能器模块1包含第一压力传感器11，第一压力传感器11与第一介质压力p1可接触，并且具有用于输出表示第一介质压力的第一原始信号的换能器，其中该换能器例如可以是电容性或者（压电）电阻性换能器。进而，该压力测量换能器模块包含第一温度传感器，第一温度传感器记录第一压力传感器的温度，并且输出表示温度的温度信号。第一压力测量换能器模块进而包含具有ASIC 12的第一信号调节电路，ASIC 12首先调节第一压力传感器的模拟原始信号和在给定情形中的温度信号，并且然后数字化该两个信号。第一压力和第一温度的数字信号经由第一外部缆线连接14而被传输到第二压力测量换能器模块2的传输单元23。
第一外部缆线连接14可以具有例如以下线路：
●直流电压供应V+，其用于供应第一压力测量换能器模块，
●地线，
●时钟信号线，其从第二传感器模块向第一传感器模块传输具有时钟频率f1的时钟信号，和
●数据线，其例如以第一传输速率传输第一压力和第一温度的数字信号。
在这些由于EMC要求而有必要的程度上，除了时钟信号线和数据线，可以在每一种情形中设置另外的线路以输送具有相反符号的相应的信号。
第一压力和第一温度的数字信号从传输单元经由第一内部连接25而被传输到第二压力测量换能器模块2中的映射单元24。
除了已经述及的传输单元23和映射单元24，第二压力测量换能器模块2包含第二压力传感器21，第二压力传感器21与第二介质压力p2可接触，并且具有用于输出表示第二介质压力的第二原始信号的换能器22，其中该换能器可以是例如电容性或者（压电）电阻性换能器。进而，该压力测量换能器模块包含第二温度传感器，该第二温度传感器记录第二压力传感器21的温度，并且输出表示温度的第二温度信号。该第二压力测量换能器模块进而包含第二信号调节电路22，该第二信号调节电路首先调节第二压力传感器的第二模拟原始信号和在给定情形中的第二温度信号并且然后数字化该两个信号。第二压力和第二温度的数字信号从第二信号调节电路经由第二内部缆线连接26而被传输到映射单元24。
在第一和第二内部缆线连接25、26的情形中，由于短的传输路径，可以省略时钟信号和数据信号的反相线路的对称化。这里，除了能量供应，在每一种情形中，仅仅提供了具有第一传输速率的数据线和具有时钟频率f1的时钟线。
映射单元24包含微控制器或者FPGA（未示出），其在一方面提供用于第一压力测量换能器模块1的时钟信号并且在另一方面记录第一压力和第一温度以及第二压力和第二温度的输入数字信号，并且输出包含关于第一压力和第二压力以及第一和第二温度的信息的信号以传输到评价模块3。向评价模块的传输经由第二外部缆线连接28发生，第二外部缆线连接28例如包括以下线路：
●直流电压供应V+，其用于供应第二压力测量换能器模块，
●地线，
●时钟信号线，其从评价模块向第二传感器模块传输具有频率f1的时钟信号，和
●数据线，其以第一传输速率或者以减半的第一传输速率从映射单元24向评价模块传输信号。
评价模块3包含具有用于计算在第一介质压力和第二介质压力之间的差的微控制器的主电子器件，以及用于连接到两个线环的供应电路，在该线环上将计算的压力差输出为4…20mA电流信号。
进而，在形成该差之前，微控制器可以使用补偿算法作为相关联的温度测量值的函数而对于第一压力和第二压力校正所接收的压力测量值。
供应电路提供用于主电子器件和用于连接模块的电源电压。进而，主电子器件包含HART调制解调器，从而调制到表示以下测量值中的一个或者多个的电流信号（在给定情形中数字）信号上：第一压力、第二压力、压力差、第一温度和第二温度。进而，可以经由HART调制解调器向评价模块传输控制命令。
第一压力传感器和第二压力传感器的测量值记录的同步化对于本发明而言是重要的。映射单元24用于这一点，该映射单元24作为一种控制单元，接收压力测量换能器模块1、2的两个ASIC 12、22的被调节的信号。在第一ASIC 12和映射单元24之间布置的传输单元23在从第一ASIC 12到映射单元24的数据传输中至多引起对于实际意图可忽略的延迟。
现在将基于图2解释与同步化有关的信号的时间演变。在初始化测量设备时，控制单元24首先向两个ASIC中的一个、例如向第一ASIC12发送例如几十kHz的第一时钟信号作为控制信号的第一序列。在例如几十微秒的、未被精确地限定的公差时间之后，第一ASIC 12发送它的具有几个100字节的长度的初始化代码。在另外的未被精确地限定的公差时间之后，第一ASIC 12开始测量值电报的传输，测量值电报然后被以规则的序列输出，其中测量值电报的准确的重复频率是第一时钟信号的函数。
在第一ASIC 12的、完整的初始化代码的接收之后，控制单元24开始向第二ASIC 22传输第二时钟信号作为控制信号的第二序列，其中第二时钟信号初始地具有例如、诸如与第一时钟信号相同的频率。类似地，在例如几十微秒的、未被精确地限定的公差时间之后，第二ASIC 22发送它的具有几个100字节的长度的初始化代码。在另外的未被精确地限定的公差时间之后，第二ASIC 22也开始测量值电报的传输，测量值电报然后被以规则的序列输出，其中这里测量值电报的准确的重复频率是第二时钟信号的函数。
在没有测量值电报的进一步同步化的情况下，如基于第二传感器的第一测量值电报的接收时间与第一传感器的测量值电报的接收时间的比较可认识到地，第一压力传感器和第二压力传感器的各自的当前测量值将会在时间方面以彼此间未被限定的关系存在。经由例如达+/-1%或者达+/-0.4%地改变时钟信号中的一个的频率、例如改变第二时钟信号的频率，测量值电报的同步化能够快速地实现。
作为用于在测量值电报之间的时间偏差的量度，测量值电报的上升沿或者它们的端部可以在每一种情形中均被相互比较。
就测量值电报通常在端部处包含校验和而言，端部的比较是有利的，这实现了通过与校验和的端部同步化而同时获得了与各自的测量值电报的确认的同步化。
当然，仅当测量值电报在时间方面与测量值记录以固定的关系存在时，因此当限定的处理时间存在时，经由测量值电报的测量值记录的同步化才是合理的。当测量值的调节在限定数目的时钟脉冲中经由有限状态机发生时，特别地是这种情形。
在本情形中，第一压力测量换能器和第二压力测量换能器具有相同的处理时间。因此，测量值记录的同步化在这里要求测量值电报的同步化。在非相等的但是尽管如此仍然限定的处理时间t1、t2的情形中，其中例如，t2>t1，将提供相应的延迟tdelay：=t2-t1，将以该延迟在第一辅助被测量变量的测量值电报之后接收第二辅助被测量变量的测量值电报。

Claims (9)

1.一种用于产生被测量变量的测量值的序列的测量设备，所述被测量变量是第一辅助被测量变量和至少第二辅助被测量变量的函数，所述测量设备包括：
第一测量换能器（1），所述第一测量换能器（1）用于记录并且用于输出所述第一辅助被测量变量的值的序列；
至少第二测量换能器（2），所述第二测量换能器（2）用于记录并且用于输出所述第二辅助被测量变量的值的序列；和
评价单元（3），所述评价单元（3）用于基于所述第一辅助被测量变量和至少所述第二辅助被测量变量的值的序列计算所述被测量变量的测量值的序列；
其中，所述测量设备具有控制单元（24），所述控制单元（24）用于借助向所述第一测量换能器（1）输出的控制信号的第一序列和向所述第二测量换能器（2）输出的控制信号的第二序列来同步化所述第一辅助被测量变量和至少所述第二辅助被测量变量的序列的记录，其中至少所述控制信号的第一序列独立于所述控制信号的第二序列可变化，
其中，从所述第一辅助被测量变量的当前值的记录直至第一参考信号的输出来限定第一处理时间，其中从所述第二辅助被测量变量的当前值的记录直至第二参考信号的输出来限定第二处理时间，
其特征在于，
所述控制单元被设计成记录至少所述第一参考信号的输出和所述第二参考信号的输出的各个时间点，并且考虑所述第一和第二处理时间或者所述第一和第二处理时间之间的差，改变用于至少一个测量换能器的控制信号，从而减小在记录所述第一辅助被测量变量的各个当前值的时间点和至少记录所述第二辅助被测量变量的各个当前值的时间点之间的偏差。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其中所述第一参考信号表示所述第一辅助被测量变量的当前值或者第一校验和，其中特别地将在所述第一辅助被测量变量的当前值之后输出所述第一校验和，并且
其中所述第二参考信号表示所述第二辅助被测量变量的当前值或者第二校验和，其中特别地将在所述第二辅助被测量变量的当前值之后输出所述第二校验和。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中所述第一和/或所述第二测量换能器包括第一和/或第二ASIC，所述第一和/或第二ASIC用于控制所述第一或者第二辅助被测量变量的记录值到将被输出的数字值的转换。
4.根据权利要求3所述的测量设备，其中所述ASIC或者多个ASIC具有有限状态机，所述有限状态机用于记录值的转换和用于所述第一和/或第二辅助被测量变量的数字化值的输出。
5.根据权利要求1所述的测量设备，其中所述控制信号的第一序列包括时钟信号的第一序列，和/或其中所述控制信号的第二序列包括时钟信号的第二序列。
6.根据权利要求5所述的测量设备，其中所述第一处理时间达到所述时钟信号的第一序列的时钟脉冲的特定第一数目，和/或其中所述第二处理时间达到所述时钟信号的第二序列的时钟脉冲的特定第二数目。
7.根据权利要求6所述的测量设备，其中第一有限状态机要求所述时钟信号的第一序列的时钟脉冲的特定第一数目，和/或其中第二有限状态机要求所述时钟信号的第二序列的时钟脉冲的特定第二数目。
8.根据权利要求1所述的测量设备，其中所述第一和/或所述第二测量换能器具有用于将各个辅助被测量变量的记录值转换成将由各个测量换能器输出的数字值的SAR转换器、快闪转换器或者增量总和转换器。
9.根据权利要求1所述的测量设备，其中所述第一辅助被测量变量是第一压力，并且所述第一测量换能器包括第一压力传感器，其中所述第二辅助被测量变量是第二压力并且所述第二测量换能器包括第二压力传感器，并且其中所述被测量变量被确定为在所述第一压力和所述第二压力之间的差。
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