CN103308774B - 用于确定与两个电感或电容组件的电感或电容之比成正比的测量值的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定与两个电感或电容组件的电感或电容之比成正比的测量值的设备和方法，该设备包括在其中布置有第一电感或电容组件和第一测量电阻器的第一测量支路以及在其中布置有第二电感或电容组件和第二测量电阻器的第二测量支路。为了能够以尽可能小的努力得到成正比的测量值，建议提供控制元件，经由该控制元件可同时对两个测量支路施加电压跳变并且能够为电压跳变之后的时间预定义时间区间；以及提供采样电路，该采样电路可由控制元件在可预定义的时间区间已流逝之后触发并且经由该采样电路可采样两个测量电阻器之间的电压差并且在输出端处将该电压差作为与两个电感或电容组件的电感或电容之比成正比的测量值。

Description

用于确定与两个电感或电容组件的电感或电容之比成正比的 测量值的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定与两个电感或电容组件的电感或电容之比成正比的测量值的设备和方法，该设备包括在其中布置有第一电感或电容组件和第一测量电阻器的第一测量支路以及在其中布置有第二电感或电容组件和第二测量电阻器的第二测量支路。
背景技术
从现有技术已知的测量设备和测量方法非常频繁地使用其电感或电容根据测量变量而变的传感器，例如，电容式或电感式近程传感器、电感式位置传感器、电容式湿度传感器、电容式或电感式压力传感器以及电容式接触传感器。
本发明涉及先前所述类型的电感式和电容式传感器两者。
例如，在位置传感器的情形中，往往使用以下原理：根据该原理，当铁磁芯根据待确定的位置而插入线圈各种深度时，该线圈的电感将根据其位置而变。需要相对较大的技术设计努力以创生在其中测量值与相应位置的相关性足够准确以例如确定、计及和在必要时校正某些周围环境影响（在此情形中尤其是温度）的设备。
在电感式传感器的情形中，例如，温度会直接影响测量装置，因为线圈电阻是一重要参数并且直接且相对较大程度地由温度确定。另外，插入线圈的铁磁芯的导磁性也在相当大的程度上由温度确定。
因此，从现有技术已知许多设备和方法，其中使用其特性不取决于铁磁芯的位置的参考线圈或者使用其电感关于相应位置相反地变化的测量装置。
在这些已知的设备和方法中，测量两个电感的值并且从这两个测得的电感值形成商（quotient）MW1/MW2。随后，测量值被分配给这些商作为待输出的位置。这可以是例如查找图或查找表的形式。
由于以此方式使用的两个线圈暴露于相同的影响之下，因而即使所记录的任何一个测量值发生绝对变化，商MW1/MW2仍保持不变。
从（专利文献）DE3343885C2已知一种尤其用于行程测量并且包括线圈和可朝该线圈移动的铁磁芯的电感式传感器。从（专利文献）DE3343885C2已知的方法及相应的设备的缺点在于，需要相对较大数目的组件并且测量的历时取决于电感的大小。
从（专利文献）DE3208785A1已知一种能够借助两个测量线圈来记录两个可移动对象之间的位置差异的位置传感器。该已知位置传感器的缺点在于，这两个测量线圈都必须安装在相同的轭上。
不同于例如电压和时间，由于电容或电感都不能被直接测量，因而从现有技术中已知许多辅助电路，在这些辅助电路中利用电容或电感对与时间有关的过程的影响。
在此上下文中，在从现有技术已知的此类设备和相应方法中，将相应的传感器元件纳入到振荡电路中。振荡电路的频率可随后用开关电路非常容易地记录，在该开关电路中记录振荡达准确定义的时间段。所记录的振荡数随后通常反比于电容和电感。
还从现有技术已知在其中测量振荡时间的应用。测得的时间通常反比于电容和电感。
还已知在其中相应的传感器元件被整合在LR或RC定时元件中的设备和方法。
在此方法和设备中，例如将电压脉冲施加于定时元件并且用比较器来测量直至达到预设的电压阈值的时间。测得的时间正比于电容和/或电感。在这些已知的方法和设备中，大致同时地记录两个测量值中的每一个测量值，并且随后在后续的计算单元中形成比值或商Q=MW1/MW2。
发明内容
从先前部分概述的现有技术出发，本发明的目的在于提供一种用于确定与两个电感或电容组件的电感和电容之比成正比的测量值的设备和方法，其中显著减少了用于构造该设备的设计工程努力和用于实现该方法的工艺工程努力。
通过控制元件和采样电路来为引言中所描述的设备达成该目的，其中经由该控制元件可同时对两个测量支路施加电压跳变并且电压跳变之后的时间段是可预定义的，其中该采样电路可由控制元件在可预定义的时间段期满之后触发，并且借助该采样电路可采样两个测量电阻器之间的电压差以及可在输出端处提供成正比的测量值作为两个电感或电容组件的两个电感或电容之间的比值。关于根据本发明的相应方法，提供了：将电压跳变同时施加至两个测量支路，为电压跳变之后的时间预定义时间区间，在可预定义的时间区间期满之后采样并存储两个测量电阻器之间的电压差，以及使得经采样的电压差用作正比于两个电感或电容组件的两个电感或电容之比的测量值。在根据本发明的设备和方法中，正比于测得变量之比的信号被直接记录，以使得可省却在后续的计算或评价单元中形成商的步骤。根据本发明的设备和方法的配置对于测量和/或监视动态过程而言是特别有用和有利的，因为仅需单次测量，从而可从一开始就避免可能与以时间偏移来采样两个传感器元件相关联的问题。
控制元件可有利地具有可编程开关电路的形式，经由该开关电路可根据电压跳变与电压差采样之间的可预定义的时间区间在时间方面控制该设备。
采样电路可适宜地具有采样-保持电路的形式，利用该采样-保持电路可采样电压差并存储电压差的瞬时值以及在输出端处使得该瞬时值用作测得值。
在根据本发明的设备的另一个有利的实施例中，提供n个电感或电容组件（例如，传感器）当然也是可能的，在该实施例中，可在n-1次测量操作中确定与这些电容或电感组件的电容或电感之比成正比的测量值。
为了能够以最小的努力使根据本发明的设备和方法适用于宽范围的问题和要求情况，如果在控制元件中通过软件手段可改变和/或改变电压跳变与电压差采样之间的时间区间，那将是有利的。
附图说明
以下将基于本发明的实施例并参照附图来更详细地解释本发明。
图1示出了根据本发明的用于确定与两个电感组件的电感之比成正比的测量值的设备的实施例；
图2是用图1中呈现的根据本发明的设备的实施例来计算与两个电感组件 的电感之比成正比的测量值的图形表示；
图3是图2中所示的对成正比的测量值的评价的图形表示；以及
图4是从现有技术已知的测量和评价方法的图形表示。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于确定与两个电感组件2、3的两个电感L1、L2之比成正比的测量值Us的设备1的实施例。这两个电感组件2、3可以例如是电感式传感器2、3。
应当注意，以类似的方式确定与两个电容组件的电容之比成正比的测量值也是可能的。
第一测量支路4和第二测量支路5与图1中所示的设备1的实施例相关联。
第一测量支路4和第二测量支路5可经由第一开关6连接至具有电压U0的电压源7。这两个测量支路5、6也可经由第二开关8连接至放电。
第一开关6和第二开关8经由控制线连接至控制器9，并且可由控制器9切换和控制。因此，测量支路4、5两者均可根据可预定义的规程经由控制器9连接至电压源7，以使得电压U0可被施加给测量支路4、5。
除了如先前部分中所描述的具有电感L1的第一电感组件2之外，第一测量支路4还包括具有欧姆电阻R1的第一测量电阻器10。在第一测量支路4中在具有电感L1的第一电感组件2与具有欧姆电阻R1的第一测量电阻器10之间提供了分接头11，该分接头通向差分放大器12的正输入端。因此，存在于分接头11中的电压Up也施加于差分放大器12的正输入端处。
除了如先前部分中所描述的具有电感L2的第二电感组件3之外，第二测量电阻器13被置于第二测量支路5中。在第二测量支路5中在具有电感L2的第二电感组件3与具有欧姆电阻R2的第二测量电阻器13之间还提供了分接头14，该分接头连接至差分放大器12的负输入端。因此，存在于分接头14处的电压Un也施加于差分放大器12的负输入端处。
在差分放大器12中计算和放大的电压差U差从差分放大器12的输出侧转发给采样-保持电路15。因此，可在采样-保持电路15的输出侧获得与两个电感组件2和3的两个电感L1和L2之比成正比的测量值US。
借助先前所提及的、尤其还能够作为时间控制元件工作的控制器9，可根据任何与时间有关的规范来切换第一开关6，以使得两个测量支路4、5能够连接至电压源7并且可同时向这两个测量支路4、5施加电压跳变。另外，在图1中所示的设备1的实施例中，在控制器9内预定义从两个测量支路4、5连接至电压源7并且电压跳变被施加的时间开始的时间区间td。
控制器9还连接至采样-保持电路15。相应地，保持-采样电路15可由控制器9在先前部分中所描述的时间区间td已流逝之后触发。因此，可在采样-保持电路中在时间区间td流逝的时间点采样电压差U差。随后，可在采样-保持电路15的输出端处得到测量值Us。
当设备1被用于确定与两个电感组件2、3的两个电感L1、L2之比成正比的测量值Us时，在第一方法步骤中打开第一开关6并且闭合第二开关8。此状态贯穿第一方法步骤存在并且维持直至存储在两个电感组件2、3中的能量已被耗散，从而为后续的测量操作达到所定义的起始状态。
在第二方法步骤中，打开第二开关8并且闭合第一开关6。
根据由第一电感组件2的电感L1和第一测量电阻器10的欧姆电阻R1定义的时间常数L1/R1，流过布置在第一测量支路4中的第一测量电阻器10的电流依据下式上升：
类似地，存在于第一测量支路4的分接头11处并且相应地转发给差分放大器12的正输入端的电压Up依据下式上升：
根据由第二电感组件3的电感L2和第二测量电阻器13的欧姆电阻R2定义的时间常数L2/R2，流过布置在第二测量支路5中的第二测量电阻器13的电流依据下式上升：
类似地，存在于第二测量支路5的分接头14处并且相应地转发给差分放大器12的负输入端的电压Un依据下式上升：
对于先前部分中所描述的根据本发明的设备1的实施例，为差分放大器12假定V=1的放大。因此，差分放大器12的输出端处的电压U差对应于两个输入电压Up和Un之差。在当前路径和具有较大电感L1或L2的测量支路4或5中，电流并且由此电压也跨测量电阻器10或12较缓慢地上升。
相应地，差分电压U差可被计算为：
U差=Up(t)-Un(t)。
另外，如果使用公式L1=Q*L2或者L2=Q*L1，则获得以下序列：
采样-保持电路15由控制器9在先前所定义的在第一开关6关闭以后的时间区间td已流逝之后触发。相应地，电压U差在相同的时间点被存储在采样-保持电路15中并且随后可在采样-保持电路15的输出端处得到以作为与两个电感L1、L2之比成正比的测量值Us供进一步处理。如果第一电感组件2的电感L1大于第二电感组件3的电感L2，则测量值Us将是负的。如果第一电感组件2的电感L1小于第二电感组件3的电感L2，则测量值Us将是正的。如果第一电感组件2的电感L1与第二电感组件3的电感L2相同，则测量值Us将为0。
图2表示与先前部分中所描述的设备1相对应并具有以下参数的电路布置的特征曲线：
U0＝5V
R1＝R2＝1kΩ
L1＝15mH
L2＝Q*L1
td＝30μs
图2示出了电压或测量值Us与这两个电感L1与L2之比成正比。
如果此测量值Us可用于评估，则仅需要在记录了所述测量值Us之后在相应的查找表中确定所指派的位置值s并且随后输出该位置值s，如图3中的原 理中所解说的。
可省略如从现有技术已知且在图4中为比较目的而示出的记录两个测得信号MW1和MW2并且从这两个测得信号计算比值。

Claims (8)

1.一种用于确定与两个电感或电容组件(2，3)的电感(L1，L2)或电容之比成正比的测量值(Us)的设备，包括在其中布置有第一电感或电容组件(2)和第一测量电阻器(10)的第一测量支路(4)以及在其中布置有第二电感或电容组件(3)和第二测量电阻器(13)的第二测量支路(5)，其特征在于，所述设备包括控制元件(9)，经由所述控制元件(9)能够同时将电压跳变施加至所述两个测量支路(4，5)并且能够预定义关于所述电压跳变之后的时间的时间区间(td)；所述设备还包括采样电路(15)，所述采样电路(15)能由所述控制元件(9)在所述能够预定义的时间区间(td)已期满之后触发，并且借助所述采样电路(15)能够采样所述两个测量电阻器(10，13)之间的电压差(U差)以及能够在输出端处提供成正比的测量值(Us)作为所述两个电感或电容组件(2，3)的所述两个电感(L1，L2)或电容之比。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备的所述控制元件(9)具有可编程开关电路(9)的形式，借助所述可编程开关电路(9)能够根据所述电压跳变与所述电压差(U差)的所述采样之间的所述能够预定义的时间区间(td)在时间方面控制所述设备(1)。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备的所述采样电路(15)具有采样-保持电路(15)的形式，经由所述采样-保持电路(15)能够执行所述电压差(U差)的所述采样并且所述电压差的经采样的瞬时值能在存储器中和所述输出端处作为测量值(Us)得到。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备具有n个电感或电容组件，在所述设备中能够在n-1次测量操作中确定与所述电感或电容组件的电感或电容之比成正比的测量值。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电感或电容组件是传感器。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述设备的所述控制元件(9)中，通过软件手段来改变所述电压跳变与所述电压差(U差)的所述采样之间的所述时间区间(td)。
7.一种用于确定与两个电感或电容组件(2，3)的电感(L1，L2)或电容之比成正比的测量值(Us)的方法，其中第一电感或电容组件(2)和第一测量电阻器(10)布置在第一测量支路(4)中，并且第二电感或电容组件(3)和第二测量电阻器(13)布置在第二测量支路(5)中，其特征在于，同时对所述两个测量支路(4，5)施加电压跳变，为所述电压跳变之后的时间预定义时间区间(td)，采样并存储所述预定义的时间区间(td)已流逝之后所述两个测量电阻器(10，13)之间的电压差(U差)，以及将经采样的电压差(U差)提供为与所述两个电感或电容组件(2，3)的电感或电容之比成正比的测量值(Us)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过软件手段来改变所述电压跳变与所述电压差(U差)的所述采样之间的所述时间区间(td)。
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