CN107044882A - 测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量电路，该测量电路包括：传感元件，其被配置成从测量对象生成测量信号；信号注入器，其被配置成生成辅助信号；以及评价电路，其包括第一上游放大器和第二上游放大器，所述第一上游放大器具有经由第一信号线与所述传感元件的第一极连接的第一输入，所述第二上游放大器具有经由第二信号线与所述传感元件的第二极连接的第一输入。本发明提出所述第一上游放大器包括与所述信号注入器连接的第二输入，以及所述评价电路包括第一下游放大器，所述第一下游放大器具有与所述信号注入器连接的第一输入和与所述第一上游放大器的输出连接的第二输入。

Description

测量电路
技术领域
本发明涉及一种测量电路，该测量电路包括：传感元件，其被配置成从测量对象生成测量信号；信号注入器，其被配置成生成辅助信号；以及评价电路，其包括第一上游放大器和第二上游放大器，第一上游放大器具有经由第一信号线与传感元件的第一极连接的第一输入，第二上游放大器具有经由第二信号线与传感元件的第二极连接的第一输入。
背景技术
该类型的测量电路从美国专利No.US 6,498,501 B2中已知。该测量电路包括把传感元件连接到测量放大器和到故障指示信号放大器的两条信号线的对称布置。测量元件将对称输入信号传递到这些放大器。测量放大器传递代表其输入信号的差异的测量信号。故障指示信号放大器传递代表输入信号之和的故障指示信号。通过压电换能器来提供该电路的传感元件。
由信号注入器生成的辅助信号经由附加的测试信号注入线被注入到压电换能器的端子。传感电路还包括与压电换能器并联连接的两个注入电容器。两个注入电容器都连接到单独的测试信号注入线，使得辅助测试信号可以经由测试信号注入线借助于信号注入电容器而从信号注入器的输出注入到传感电路中。然后，测试信号经由相应信号线从注入点传送到评价电路。这使得测试电路能够不仅在受监视的振动机器的操作期间而且在振动机器静止时能够评价测量电路的质量。以这种方式，可以实现测量电路的永久监控。通过从两个单独的非对称电荷放大器上的压电元件收获正电荷和负电荷并随后在第三放大器上用一个减另一个，实现了两个主要优点。第一个是高共模抑制比(CMRR)，第二个是低噪声水平。
然而，尽管有这些有利特征，该电路还是具有一些不足。特别地，该电路要求专用于测试信号的要连接到传感元件的附加的导体。因为该附加的导体，所以该电路不能在不更换传感器的情况下改造到已经实现的测量链上。除此之外，第三连接器为传感器和电缆设计和制造产生额外的复杂度，从而由于组件的更高数量而产生更高成本并且影响其可靠性。
发明内容
本发明的一个目的是补救以上提到的不足中的至少一个，并且为初始提出的测量电路提供对其测量链的改进的可靠控制，以允许连续测试来自传感元件的测量信号的完整性，特别是在对传感元件执行实际测量的所有时间。还有一个目的是允许识别测量电路内的测量问题的起因，特别地，针对信号线和/或传感元件和/或剩余电子组件的单独测试能力。另一个目的是为初始提出的测量电路提供相对于不同的传感单元和/或评价单元(特别地，不需要对现有的传感元件和/或现有的信号线进行修改的新的测试和/或评价电路)可升级的能力，特别地，改造测量电路使得不要求更换和/或修改传感元件和/或信号线的可能性。
根据权利要求1所述的测量电路来实现这些目的中的至少一个。从属权利要求限定了优选的实施例。
因此，本发明提出第一上游放大器包括连接到信号注入器的第二输入。评价电路还包括第一下游放大器，第一下游放大器具有连接到信号注入器的第一输入和连接到第一上游放大器的输出的第二输入。因此，用于将信号注入器生成的辅助信号从信号注入器提供到传感元件的附加的信号线(特别是第三信号线)不是必要的，可以被省去。
另一方面，可以通过降低电路的复杂度这种方式来提高测量电路的可靠性，特别是在传感元件的相当敏感范围内。更特别地，当在(如通常在监视诸如飞机的发动机或陆基涡轮机的旋转机器时所遇到的)极其恶劣的环境中工作时，可以因此针对这种环境提供例如将不需要相当复杂的计算硬件和/或软件的更可靠和/或节省成本的解决方案。另一方面，通过省去用于提供辅助信号的附加信号线来降低电路复杂度(特别是在传感元件的范围内)，允许已经采用的测量电路的传感元件和/或信号线升级成根据本发明的测量电路，和/或将根据本发明的测量电路集成到已经被投入操作的测量电路中。
同时，本发明允许特别是通过采用第一和第二上游放大器和下游放大器的上述有利布线来确保高质量测量。特别地，它可以确保非常低的噪声水平和非常好的共模抑制。它还可以提供可靠的故障识别。优选地，采用第一和第二上游放大器和第一下游放大器的相应输出中的至少一个输出作为故障识别源。特别地，出于此目的，优选地采用至少第一下游放大器的输出。更优选地，采用这些输出中的响应于由信号注入器生成的辅助信号而生成显著不同的输出信号的至少两个不同的输出作为故障识别源。最优选地，采用第一和第二上游放大器和第一下游放大器中的每个的输出作为故障识别源。
传感元件的极优选地连接到相应电极，相应电极被配置成收集由传感元件生成的和/或被引入到传感元件的电荷信号。优选地，传感元件的第一极连接到第一电极，并且传感元件的第二极连接到第二电极。优选地，该电极布置在传感元件的极处。优选地，该电极适于收集相反电荷，更特别地，正电荷和负电荷。特别地，极中的至少一个优选地连接到适于收集正电荷的正电极，以及极中的至少一个优选地连接到适于收集负电荷的负电极。优选地，可以采用电极中的每个作为正负电极。与传感元件的极连接的电极之间的电容后续被称为传感电容。
优选地，第二上游放大器包括没有连接到信号注入器的第二输入。根据第一优选配置，第二上游放大器的第二输入连接到地。根据第二优选配置，第二上游放大器的第二输入连接到与第一上游放大器的第二输入所连接到的信号注入器不同的第二信号注入器。优选地，第二信号注入器被配置成提供与连接到第一上游放大器的第二输入的信号注入器所提供的测试信号在不同的频率范围内的测试信号。以此方式，可以通过施加电路中的不同信号注入器所生成的至少两个不同测试信号，在一个电路中有利地复制和/或叠加根据本发明的故障识别方法。
优选地，评价电路包括第二下游放大器。第二下游放大器优选地具有与第二上游放大器的输出连接的第一输入。特别地，第二下游放大器优选地具有与信号注入器没有连接到的上游放大器连接的第一输入。第二下游放大器优选地具有与第一下游放大器的输出连接的第二输入。以上述方式包括第二下游放大器的电路可以进一步提高故障检测可靠性。特别地，优选地采用至少第二下游放大器的输出作为故障识别源。
在本申请的上下文中，优选地将放大器定义为包括可以被提供相应的输入信号(特别是电压)的至少一个输入，以及从输入信号中的至少一个(特别是以放大信号的形式)提供输出信号(特别是电压)的至少一个输出的组件。优选地将差分放大器定义为具有两个输入(特别地，反相输入和非反相输入)和输出的放大器，该输出提供代表两个输入处的相应输入信号之间的差异的输出信号。相应差分放大器的第一输入优选地对应于传递反相信号的反相输入和传递非反相信号的非反相输入中的一个。相应差分放大器的第二输入优选地对应于反相输入和非反相输入中的另一个。特别地，反相输入优选地被配置成提供传入信号值的加性逆元。非反相输入优选地被配置成提供与传入信号值基本上对应的具有代数符号的信号值。输出信号随后优选地代表由反相输入和非反相输入提供的这些信号值之和。优选地，将求和放大器定义为具有第一输入和第二输入以及输出的放大器，该输出提供代表第一输入处的输入信号和第二输入处的输入信号之和的输出信号。
根据优选实现方式，提供至少一个放大器(特别地，至少一个差分放大器)作为在其输入中的至少一个与其输出之间提供反作用的运算放大器。特别地，可以在运算放大器的输入中的至少一个与输出之间并联连接地设置反馈电阻和/或反馈电容和/或其他反馈组件，以提供反作用。因此，优选地通过该反作用来调节运算放大器的输出处的反馈信号(特别地，代表其两个输入处的相应输入信号之间的差异的输出信号)的强度。在该实现方式中或者根据另一个优选实现方式，提供至少一个放大器(特别地，至少一个差分放大器)作为在其输入和其输出之间基本上没有提供反作用的非反作用放大器。
优选地，第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个包括差分放大器。更优选地，第一上游放大器和第二上游放大器均包括差分放大器。第一上游放大器和/或第二上游放大器的第一输入优选地对应于相应差分放大器的反相输入和非反相输入中的一个。第一上游放大器和/或第二上游放大器的第二输入优选地对应于相应差分放大器的反相输入和非反相输入中的另一个输入。根据优选配置，第一信号线和第二信号线与相应差分放大器的反相输入或非反相输入的对应输入连接。优选地，第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个或这两个上游放大器的差分放大器被设置为通过反作用来调节输出信号的运算放大器。
优选地，第一下游放大器包括差分放大器。第一下游放大器的第一输入优选地对应于差分放大器的反相输入和非反相输入中的一个。第一下游放大器的第二输入优选地对应于相应差分放大器的反相输入和非反相输入中的另一个输入。优选地，信号注入器连接到第一下游放大器处的相应差分放大器的反相输入和非反相输入的与在第一上游放大器处的输入不同的输入。优选地，第二下游放大器包括差分放大器。第二下游放大器的第一输入优选地对应于差分放大器的反相输入和非反相输入中的一个。第二下游放大器的第二输入优选地对应于相应差分放大器的反相输入和非反相输入中的另一个输入。第二下游放大器优选地被配置成在输出处提供基本上与(特别地，在反相输入和非反相输入处的)两个输入信号的差异除以2对应的输出信号。优选地，第一下游放大器和第二下游放大器中的至少一个或这两个下游放大器的差分放大器被设置为基本上不通过反作用来调节输出信号的非反作用放大器。
根据优选配置，评价电路包括求和放大器。求和放大器的第一输入优选地连接到第二上游放大器的输出。求和放大器的第二输入优选地连接到第一下游放大器的输出。以上述方式包括求和放大器的电路可以进一步提高故障检测可靠性和/或降低信号评价的复杂度。优选地采用至少求和放大器的输出作为故障识别源。
根据优选配置，评价电路包括至少一个输入电容，输入电容连接到第一信号线和第二信号线中的至少一个，优选地，连接到第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个的输入(特别地，第一输入)的上游。更优选地，相应的输入电容连接到第一信号线和第二信号线二者。优选地，输入电容连接到地。优选地，输入电容基本上设置在相应上游放大器的输入处。可以有利地从评估电路采用输入电容，以检查基本上整个电路。特别地，输入电容可以另外用于另一个目的，特别地，可以是测量电路的另一个电子组件(诸如滤波器)的部分。
优选地，至少一个反馈电容并联连接到第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个。更优选地，相应的反馈电容并联连接到第一上游放大器并且连接到第二上游放大器。优选地，反馈电容并联连接，从基本上在相应的放大器的输入处的分支点开始，直至基本上在相应的放大器的输出处的分支点。在相应的放大器的输入处的分支点优选地位于第一信号线和第二信号线中的至少一个所连接至的输入处。因此，由传感元件生成的电荷可以被馈送到相应的反馈电容，并且在相应的放大器处生成电压。根据优选配置，相应的放大器的输入处的分支点位于相应的差分放大器的反相输入处。优选地，并联连接到第一上游放大器和并联连接到第二上游放大器的反馈电容的值基本上相同。以这种方式，可以实现优良的共模抑制比。
优选地，测量电路包括传感单元，传感单元包括传感元件。优选地，测量电路包括评价单元，评价单元包括评价电路。优选地，测量电路包括输出端子。优选地，传感单元和评价单元可以经由输出端子相互连接。以这种方式，传感单元优选地可以从评价单元去除，特别地，可以通过将另一个传感单元连接到评价单元来更换传感单元。由于上述电路不包括用于将信号注入器连接到传感元件的单独第三信号线，导致可以特别地实现该优点。优选地，输出端子包括用于第一信号线的单独连接器和/或用于第二信号线的单独连接器。
优选地，传感单元包括传感器外壳，传感元件布置在传感器外壳中。优选地，以这种方式在传感器外壳中布置传感元件，使得后续被称为外壳电容的电容被设置在传感元件的极中的每个与传感器外壳之间。优选地，传感器外壳连接到地。根据优选配置，评价电路没有被包括在传感器外壳中。这样使得传感元件能够容易安装到评价电路和/或能够从评价电路去除传感元件。然而，还可以想到，评价单元的至少部分(例如，第一上游放大器和/或第二上游放大器)被包括在传感器外壳中和/或靠近传感元件。
根据优选配置，第一信号线和第二信号线至少部分被包括在至少一条电缆(更优选地，共用电缆)中。电缆优选地至少部分包括电缆护套。优选地，第一信号线和第二信号线被以这种方式至少部分布置在电缆中，使得后续被称为护套电容的电容被设置在信号线中的每条与电缆护套之间。第一信号线和第二信号线优选地被以这种方式至少部分布置在电缆中，使得后续被称为线电容的电容被设置在信号线之间。优选地，电缆至少部分包括矿物绝缘(MI)电缆和/或电缆连接。优选地，MI电缆和/或电缆连接布置在传感元件(更特别地，传感外壳)与输出端子之间。
第一信号线和第二信号线中的至少一个优选地至少部分设置有单独的电磁屏蔽件。电缆优选地至少部分包括用于至少一条信号线(更优选地，用于每条信号线)的单独电磁屏蔽件，特别地，用于第一信号线的第一屏蔽件和/或用于第二信号线的第二屏蔽件。优选地，用于每条信号线的屏蔽件至少部分被共用电缆护套包围。优选地，第一屏蔽件和/或第二屏蔽件被以这种方式至少部分布置在电缆中，使得后续被称为屏蔽件电容的电容被设置在每个屏蔽件和相应信号线之间。在这种情况下，基本上可忽略的电容被优选地设置在信号线之间和/或屏蔽件之间和/或信号线和电缆护套之间。优选地，电缆护套连接到地。优选地，包括至少一个屏蔽件的电缆至少部分被设置为中低噪声(MTLN)电缆。优选地，MTLN电缆被布置在输出端子和评价单元之间。替换地或者附加地，MTLN电缆被布置在传感元件(更特别地，传感器外壳)和输出端子之间。
根据优选配置，第一信号线和第二信号线被部分包括在至少一条MI电缆中以及/或者被部分包括在至少一条MTLN电缆中。优选地，传感单元包括MI电缆和/或MTLN电缆。优选地，评价单元包括MTLN电缆。要理解，还可以想到，例如，第一信号线和/或第二信号线被至少部分包括在仅MI电缆或仅MTLN电缆或不同电缆类型或不同电缆类型的组合中。特别地，根据另一个优选配置，基本上没有设置将包括第一信号线和第二信号线在其中的电缆。在这个配置中，传感元件优选地位于评价电路附近。特别地，传感元件和评价电路可以被共用外壳围绕，以及/或者评价电路可以基本上直接连接到传感元件。
优选地，评价电路配置有用于评价从在第一下游放大器、第二下游放大器、第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个的下游获取的信号(特别地，电压)导出的值的逻辑器件。在相应放大器的下游获取的所述信号可以包括从相应放大器的输出或在相应放大器的输出的下游获取的信号。特别地，评价电路优选地配置有用于评价从在第一下游放大器和第二下游放大器中的至少一个的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值的逻辑器件。
根据优选配置，评价电路配置有用于评价从在第一下游放大器和第二下游放大器二者的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值的逻辑器件。根据优选配置，评价电路配置有用于将从在第一下游放大器的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值与从在第二下游放大器的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值进行比较的逻辑器件。
根据优选配置，评价电路配置有用于评价从在求和放大器的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值的逻辑器件。根据优选配置，评价电路配置有用于将从在第二下游放大器的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值与从在求和放大器的输出处或输出的下游和在所述第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个的输出处或输出的下游的信号(特别地，电压)导出的值的组合中导出的值进行比较的逻辑器件。
优选地，评价电路包括后处理单元。优选地，第一上游放大器、第二上游放大器、第一下游放大器、第二下游放大器和求和放大器中的至少一个的输出连接到后处理单元。更优选地，第一上游放大器和第二上游放大器中的至少一个的输出和第一下游放大器和第二下游放大器中的至少一个的输出连接到后处理单元。后处理单元优选地配置有用于将传感元件所生成的测量信号与信号注入器所生成的测试信号分离的逻辑器件。后处理单元优选地配置有用于评价来自与后处理单元连接的放大器的输出的输出信号的逻辑器件。
优选地，来自第一上游放大器、第二上游放大器、第一下游放大器、第二下游放大器和求和放大器中的至少一个的输出信号的评价值指示传感电容、线电容、外壳电容、护套电容、屏蔽件电容、反馈电容以及第一信号线和第二信号线中的至少一条的输入电容中的至少一个和/或组合的改变。
优选地，得自第一上游放大器、第二上游放大器、第一下游放大器、第二下游放大器和求和放大器中的至少一个的输出信号的评价值与信号的组合(特别地，信号之和)相关。这些信号优选地被作为电压提供。信号中的至少部分优选地与电容(特别地，传感电容、线电容、外壳电容、护套电容、屏蔽件电容、反馈电容以及第一信号线和第二信号线中的至少一条的输入电容中的至少一个)两端的压降相关。
从所述放大器中的至少一个的输出或输出的下游评价的信号的组合优选地包括由传感元件生成的信号Uvib。从所述放大器中的至少一个的输出或输出的下游评价的信号的组合优选地包括由信号注入器生成的信号Ut。从所述放大器中的至少一个的输出或输出的下游评价的信号的组合优选地包括代表第一信号线和第二信号线之间的电容的电容值C3的信号UC3。特别地，电容值C3可以包括传感电容的电容值C13和线电容的电容值C23中的至少一个或其组合。
从所述放大器中的至少一个的输出或输出的下游评价的信号的组合优选地包括代表信号线中的一条(特别地，第一信号线)与该信号线周围之间的电容的电容值C2的信号UC2。特别地，电容值C2可以包括外壳电容的电容值C12、护套电容的电容值C22、相应信号线的屏蔽件电容的电容值C42中的至少一个或其组合。从所述放大器中的至少一个的输出或输出的下游评价的信号的组合可以包括代表信号线中的一条(特别地，第二信号线)与该信号线周围之间的电容的电容值C1的信号UC1。特别地，电容值C1可以包括外壳电容的电容值C11、护套电容的电容值C21、相应信号线的屏蔽件电容的电容值C41中的至少一个或其组合。
根据优选配置，评价电路配置有用于评价从来自以下中的至少一个的信号导出的值的逻辑器件：
-第一上游放大器的输出或输出的下游，该信号对应于
UOutput52＝Uvib+Ut+UC2+UC3或UOutput52＝-Uvib-Ut-UC2-UC3；
-第二上游放大器的输出或输出的下游，该信号对应于
UOutput51＝-Uvib-UC3或UOutput51＝Uvib+UC3；以及
-第一下游放大器的输出或输出的下游，该信号对应于
UOutput53＝Uvib+UC2+UC3或UOutput53＝-Uvib-UC2-UC3。
优选地，评价电路配置有用于评价从这些输出信号中的至少两个(更优选地，所有这些输出信号)导出的值的逻辑器件。
优选地，反馈电容中的至少一个以这种方式连接到第一上游放大器，使得代表电容C2的信号UC2对应于
UC2＝C2×Ut/C51，
其中，C51对应于该反馈电容的值。优选地，代表电容C3的信号UC3随后对应于
UC3＝C3×Ut/C51。
因此，第一上游放大器的输出信号可以对应于
第二上游放大器的输出信号可以对应于
第一下游放大器的输出可以对应于
此外，第二下游放大器的输出可以对应于
要理解，还可以想到这些输出信号的逆元。
优选地，评价电路配置有用于特别是基于上述评价来识别以下故障中的至少一个的逻辑器件：
-传感元件的断开；
-电缆，特别是MTLN电缆的断开；
-至少一个放大器的饱和；
-失去与地的连接；以及
-开路，特别是在电缆连接中。
更优选地，评价单元能识别到所有这些故障。
在评价单元可以基本上直接连接到传感元件(特别地，基本上可以不提供将包括第一信号线和第二信号线在其中的电缆)的另一个优选配置中，可以基本上没有护套电容和/或基本上没有屏蔽件电容和/或基本上没有线电容存在于电路中。优选地，信号UC3直接代表传感电容，特别地，传感电容值C13。信号UC2优选地直接代表外壳电容值C12。信号UC1优选地直接代表外壳电容值C11。特别地，在该情况下，线电容值C23、护套电容值C21、C22和屏蔽件电容值C41、C42可以是不存在的或可忽略的。要理解，可以想到许多其他配置，例如，在电路中可以基本上不存在护套电容和/或基本上不存在屏蔽件电容但存在至少一个线电容、至少一个外壳电容和至少一个传感电容的配置。
上述测量电路的可能应用领域包括振动传感器、加速计、压力传感器、声发射传感器或类似的传感装置。在振动传感器的情况下，测量对象优选地包括旋转机器或与传感元件操作性连接的任何其他振动结构。特别地，采用根据本发明的测量电路来检测振动和旋转中的至少一个。测量对象可以例如由飞机的发动机或陆基涡轮机(诸如，燃气或蒸气涡轮机)或任何其他振动结构构成。在加速计的情况下，测量对象优选地包括与传感元件机械耦接的感振质量块。在压力传感器的情况下，测量对象优选地包括可以例如经由隔膜与传感元件操作性连接的气体和/或液体。在声发射传感器的情况下，测量对象优选地包括可以由传感元件检测到的声波的发射源。电路的传感元件优选地通过压电换能器来提供。优选地，换能器设置有两个单独电极，这些电极连接到相应的极，相应的极提供电荷信号，特别地，对应于测量对象的振动和/或旋转。
附图说明
下文中，参照附图通过优选实施例更详细地说明本发明，附图例示本发明的其他特性和优点。附图、说明书和权利要求书包括本领域的技术人员还可以分别考虑到的并且以进一步适宜的组合使用的组合的许多特征。在附图中：
图1是根据第一实施例的测量电路的示意性展示；
图2是根据第二实施例的测量电路的示意性展示；
图3是根据第三实施例的测量电路的示意性展示；
图4是根据第四实施例的测量电路的示意性展示；
图5是根据第五实施例的测量电路的示意性展示；以及
图6是根据第六实施例的测量电路的示意性展示。
具体实施方式
在图1中示出测量电路1的基本实施例。测量电路1包括传感器10、矿物绝缘(MI)电缆连接件20、输出端子30、中低噪声(MTLN)电缆40和电子测量单元50。传感器10可以是例如任何类型的压电传感器。传感器10包括传感器外壳11和传感元件12，特别是压电传感元件。传感元件12包括正极15和负极16，正电极和负电极分别布置在正极15和负极16处，用作传感器10所生成的电荷的拾取器。传感元件12操作性连接到测量对象17并且被配置成生成与来自测量对象17的测量信号对应的电荷。传感单元39包括传感器10和MI电缆20。评价单元49包括MTLN电缆40和电子测量单元50。电极15、16通过两个导体13、14和MI电缆20连接到输出端子30。传感元件12的两个极15、16与外壳11绝缘(传感元件电浮置)。传感元件12具有内部电容18，其具有值C13。导体13、14的相应的布线与外壳11之间的电容25、26分别具有值C11和C12。传感器10连接到地27。
MI电缆20包括与传感器10的导体13、14连接的两个导体21、22。在这种情况下，它们没有相互被分别屏蔽。MI电缆20还包括以电磁屏蔽件形式的电缆护套28。导体21、22和屏蔽28之间的相应电容33、34分别具有值C21和C22。导体21、22之间的电容35具有值C23。
导体21、22形成通向输出端子30的相应的线，从而将来自传感器10的MI电缆20转为MTLN电缆40。MTLN电缆40从输出端子30去往电子测量单元50。MTLN电缆40包括相互被屏蔽的两个导体电缆41、42。在每个导体41、42与相应电磁屏蔽件43、44之间的电容45、46分别具有值C41和C42。MTLN电缆40还包括包围导体41、42和相应屏蔽件43、44的电缆护套47。电缆护套47还被设置作为电磁屏蔽件。屏蔽件47连接到地36。输出端子30包括将MI电缆20的导体21、22连接到MTLN电缆40的导体电缆41、42的相应连接件31、32。
传感器10的第一导体14、MI电缆20的第一导体22、输出端子30的第一连接件32以及MTLN电缆40的第一导体42因此相互连接，形成从传感器10的第一电极16通向电子测量单元50的第一信号线38。传感器10的第二导体13、MI电缆20的第二导体21、输出端子30的第二连接件31以及MTLN电缆40的第二导体41因此相互连接，形成从传感器10的第二电极15通向电子测量单元50的第二信号线37。
电子测量单元50包括评价电路48。评价电路48包括四个放大器51、52、53、54和处理单元55。放大器包括第一上游放大器52、第二上游放大器51、第一下游放大器53和第二下游放大器54。第一上游放大器52包括与第一信号线38连接的第一输入。第一上游放大器52是具有由其第一输入提供的反相输入和由第二输入提供的非反相输入的差分放大器。第二上游放大器51包括与第二信号线37连接的第一输入。第二上游放大器51也是具有由其第一输入提供的反相输入和由第二输入提供的非反相输入的差分放大器。
信号注入器56(特别地，信号生成器)提供所需的测试信号。信号生成器56连接到地60。第一上游放大器52的第二输入连接到信号生成器56。第二上游放大器51的第二输入连接到地59。第一下游放大器53具有与信号注入器56连接的第一输入和与第一上游放大器52的输出连接的第二输入。第二下游放大器54具有与第二上游放大器51的输出连接的第一输入和与第一下游放大器53的输出连接的第二输入。第一下游放大器53和第二下游放大器54也通过具有与其第一输入对应的反相输入和与其第二输入对应的非反相输入的相应差分放大器来提供。
相应反馈电容57、58与上游放大器51、52并联连接。反馈电容57、58的值分别是C51和C52。为了获得优良的共模抑制比，电容C51和C52应该是相同的。四个放大器51、52、53、54的所示出布置示出了可以实现本发明的方式之一。特别地，放大器51-54均形成差分放大器。上游放大器51、52均形成运算放大器，在该运算放大器中，经由连接在其输入中的一个与相应放大器51、52的输出之间的反馈电容57、58发生反作用。下游放大器53、54均形成没有在相应放大器53、54的输入和输出之间提供反作用的非反作用放大器。使用至少三个放大器使得能够有非常低的噪声水平和非常好的CMMR。
由信号注入器56生成的辅助测试信号的幅度具有值Ut。可以在宽限制内自由地选择Ut，只要它不使测量电子器件过载。为了连续使用内置测试设备(BITE)，却应该选择在测量信号带宽之外的频率，这是因为由信号注入器56产生的电压将一直保持。测试频率还可以在传感元件的带宽内，只要所选择的频率没有被有效地用于测量。
由传感元件12生成的电荷具有值Qvib。所生成的电荷将终止于具有值C51、C52的反馈电容57、58上并且将生成电压Uvib＝Qvib/C51(＝Qvib/C52)。第一上游放大器52、第二上游放大器51、第一下游放大器53和第二下游放大器54的输出经由相应的输出信道61、62、63、64连接到后处理单元55。处理单元55将传感元件12提供给的测量信号与信号注入器56提供的测试信号分离，并且分析从不同放大器51、52、53、54获取的输出值。该分析的结果将提供关于故障的性质和位置的信息。下文描述所使用的机制。
测量电路1中的上述电容值包括针对传感电容的值C13、线电容的值C23、外壳电容的值C11、C12、护套电容的值C21、C22、屏蔽件电容的值C41、C42和反馈电容的值C51、C52。
从测量电子器件50看到的电容值是：
C1＝C11+C21+C41
C2＝C12+C22+C42
C3＝C13+C23
在图1中示出的电路中，差分放大器51、52、53、54的输出是：
为了方便起见，定义：
Cz＝C3+C2/2
可以看出，电容值的变化将对测得的输出电压有直接影响。由不同的输出的分析中，可以对测量单元的各种组件执行健康检查。在正常条件下，测试频率范围中的输出的值将在由校准处理限定的界限内。如果在整个系统内有错误，则各种可能的故障将对在输出处读取的值带来可识别的后果。如果C1、C2或C3改变，则与测试信号对应的输出电压的分量将改变。
这里，仅有用针对这种系统的最常见发生的故障中的一些来例示的上述电路的故障识别能力的几个示例。
特别地，这些步骤中的一些会要求进行精确校准，步骤中的其他不需要。故障定位中的精度的量可以优选地由终端用户来选择。在甚至更优选的选项中，可以进行足够的校准，以允许检测故障的准确位置。例如，对于C2的测量值(将与C2-C42/2对应的值)可以用于推导故障发生在MTLN电缆的中间。这些选项留给测量电路的用户的偏好。为了方便起见，可以添加其他差分放大器，以直接挑选UC2和/或UC3并且减少挑选它们所需的计算能力。
图2描绘了测量电路71的第二实施例。用相同的附图标记来指代相对于图1中示出的测量电路1的对应特征。测量电路71包括评价电路78，在评价电路78中添加了求和放大器67。求和放大器67具有与第二上游放大器51的输出连接的第一输入和与第一下游放大器53的输出连接的第二输入。求和放大器67的输出经由输出通道65连接到处理单元55。求和放大器的输出信号对应于UC2。也可以想到的是取决于用户想要直接访问什么而提供值UC3作为输出或者提供UC2和UC3二者作为输出或者提供UCZ作为输出的对应组件。
图3描绘了测量电路81的第三实施例。用相同的附图标记来指代相对于图1中示出的测量电路1和图2中示出的测量电路71的对应特征。测量电路81包括添加到处理单元55的附加的逻辑组件85。逻辑组件85被配置成将从第二下游放大器54的输出处的信号导出的值与从自求和放大器67的输出处的信号和第二上游放大器51的输出处的信号导出的值的组合中导出的值进行比较。
测量电路81构建在图2中展示的测量电路71上并且允许提供更精确地验证电子器件的附加步骤。有提供C3的值的第二上游放大器51的输出、提供C2的值的求和放大器67的输出以及给出Cz＝C3+C2/2的值的第一下游放大器53的输出的情况下，可以通过使用针对C2和C3获取的值来计算Cz的值并且检查该结果。如果结果不同，则识别到电子器件有问题。
图4描绘了测量电路91的第四实施例。用相同的附图标记来指代相对于图1中示出的测量电路1、图2中示出的测量电路71和图3中示出的测量电路81的对应特征。相比于图1中描绘的测量电路1，在MI电缆20的导体21周围设置附加的屏蔽件93和/或在MI电缆20的导体22周围设置附加的屏蔽件94。此外，添加两个电容95、96，各电容95、96将护套28连接到MI电缆20的相应导体21、22。电容95、96具有相应的值C24和C25。
相反地，如果在应用附加的屏蔽件93和/或附加的屏蔽件94时将使用与测量电路1相同的配置，则尽管测量电路1仍然可确定传感器/电缆系统上是否有故障，仍然存在测量电路1将不能够确定问题是来自传感元件12和与其连接的MI电缆20还是来自MTLN电缆40的一些情况。例如，导体22的接近输出端子30的末端处或导体42的接近输出端子30的起始端处的问题可造成相同的输出值。因此，一个选择将是添加电容95、96作为附加参考。
图5描绘了测量电路101的第五实施例。用相同的附图标记来指代相对于图1中示出的测量电路1、图2中示出的测量电路71、图3中示出的测量电路81的对应特征，并且用相同的附图标记来指代图4中示出的测量电路91。相比于图1中描绘的测量电路1，测量电路101包括其中添加了两个输入电容103、104的评价电路108。第一输入电容104连接到第一上游放大器52的第一输入处的第一信号线38。第二输入电容103连接到第二上游放大器51的第一输入处的第二信号线37。各输入电容103、104连接到地105、106。输入电容103、104具有相应的值C53、54。
图6描绘了测量电路111的第六实施例。用相同附图标记来指代相对于图1中示出的测量电路1的对应特征。相比于测量电路1，测量电路111包括与传感元件12直接连接的评价电路118。特别是，在传感器10和电子测量单元50之间没有设置电缆。因此，基本上没有线电容，没有护套电容，也没有屏蔽件电容存在于该电路中。在电路111中，故障识别因此可以仅仅是基于对传感电容18的值C13和外壳电容25、26的值C11、C12的确定和/或监视。信号UC3随后直接代表传感电容值C13，信号UC2随后直接代表外壳电容值C12，以及信号UC1随后优选地直接代表外壳电容值C11。特别地，在该情况下，不存在或可忽略线电容值C23、护套电容值C21、C22和屏蔽件电容值C41、C42。评价电路118和传感元件12(更特别地，传感器10和电子测量单元50)被包括在共用外壳中。
可以用先前方法的组件以不同方式来诊断关于电子模块的问题。检查Ut或检查来自第二上游放大器51和第一下游放大器53的Uvib值是做出诊断的两种容易的方式。然而，检查整个电子器件的快速方式将是添加输入电容器103、104，如图5所见。输入电容器103、104是布置在相应电荷放大器51、52的输入线处的两个电容器。常常，出于滤波目的，这种电容器将是已经存在的。其值为C53、C54的这些电容器103、104将作为添加到上述值C1和C2的附加分量在输出上出现。如果甚至不能检测到这些电容器103、104，则问题可以直接归因于电子器件。
上述测量电路表示通过参考包括于此的US 6,498,501 B2和US 2014/0225634 A1中公开的测量电路的进一步发展，并且可以包括本文中公开的任何其他组件和/或配置和/或应用。
从前面的描述中，在不脱离仅仅由权利要求书限定的本发明的保护范围的情况下，根据本发明的测量电路的许多修改对于本领域的技术人员而言是明了的。

Claims (15)

1.一种测量电路，所述测量电路包括：传感元件(12)，其被配置成从测量对象(17)生成测量信号；信号注入器(56)，其被配置成生成辅助信号；以及评价电路(48、78、88、98、108、118)，其包括第一上游放大器(52)和第二上游放大器(51)，所述第一上游放大器(52)具有经由第一信号线(38)与所述传感元件(12)的第一极(16)连接的第一输入，所述第二上游放大器(51)具有经由第二信号线(37)与所述传感元件(12)的第二极(15)连接的第一输入，其特征在于，所述第一上游放大器(52)包括与所述信号注入器(56)连接的第二输入，并且所述评价电路(48、78、88、98、108、118)包括第一下游放大器(53)，所述第一下游放大器(53)具有与所述信号注入器(56)连接的第一输入和与所述第一上游放大器(52)的输出连接的第二输入。
2.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)包括第二下游放大器(54)，所述第二下游放大器(54)具有与所述第二上游放大器(51)的输出连接的第一输入和与所述第一下游放大器(53)的输出连接的第二输入。
3.根据权利要求1或2所述的测量电路，其特征在于，所述第二上游放大器(54)包括与地或与第二信号注入器连接的第二输入。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的测量电路，其特征在于，所述第一上游放大器(52)和所述第二上游放大器(51)中的至少一个包括差分放大器，所述差分放大器被配置成提供代表所述差分放大器的第一输入处的输入信号与所述差分放大器的第二输入处的输入信号之间的差异的输出信号。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述第一下游放大器(53)包括差分放大器，所述差分放大器被配置成提供代表所述差分放大器的第一输入处的输入信号与所述差分放大器的第二输入处的输入信号之间的差异的输出信号。
6.根据权利要求4或5所述的测量电路，其特征在于，相应的差分放大器的第一输入对应于传递反相信号的反相输入和传递非反相信号的非反相输入中的一个，以及相应的差分放大器的第二输入对应于所述反相输入和所述非反相输入中的另一个，所述信号注入器(56)连接到所述第一下游放大器(53)处的所述反相输入和非反相输入中的与所述第一上游放大器(52)处的输入不同的输入。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)包括具有第一输入、第二输入和输出的求和放大器(67)，所述输出提供代表在所述第一输入处的输入信号和在所述第二输入处的输入信号之和的输出信号，其中，所述第一输入连接到所述第二上游放大器(51)的输出，并且所述第二输入连接到所述第一下游放大器(53)的输出。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述测量电路包括：包括所述传感元件(12)的传感单元(39)、包括所述评价电路(48、78、88、98、108、118)的评价单元(49)，以及输出端子(30)，其中，所述传感单元(39)和所述评价单元(49)可以经由所述输出端子(30)相互连接。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)包括处理单元(55、85)，所述处理单元(55、85)配置有用于将由所述传感元件(12)生成的测量信号与由所述信号注入器(56)生成的测试信号分离的逻辑器件。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)配置有用于评价从在所述第一上游放大器(52)、所述第二上游放大器(51)以及所述第一下游放大器(53)中的至少一个的下游获取的信号导出的值的逻辑器件。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)配置有用于评价从在所述求和放大器(67)的下游获取的信号导出的值的逻辑器件。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)配置有用于将从在所述第二下游放大器(54)的下游获取的信号导出的值与从在所述求和放大器(67)的下游获取的信号和从在所述第一上游放大器(52)和所述第二上游放大器(51)中的至少一个的下游获取的信号导出的值的组合中导出的值进行比较的逻辑器件。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述第一信号线(38)和所述第二信号线(37)中的至少一个被至少部分设置有单独的电磁屏蔽件(43、44、93、94)。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路包括至少一个电容(103、104)，所述电容(103、104)连接到所述第一上游放大器(52)和所述第二上游放大器(51)中的至少一个的输入上游的所述第一信号线(38)和所述第二信号线(37)中的至少一个。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的测量电路，其特征在于，所述评价电路(48、78、88、98、108、118)配置有用于评价从以下中的至少一个的下游获取的信号导出的值的逻辑器件：
-所述第一上游放大器(52)，所述信号对应于
UOutput52＝Uvib+Ut+UC2+UC3或UOutput52＝-Uvib-Ut-UC2-UC3；
-所述第二上游放大器(51)，所述信号对应于
UOutput51＝-Uvib-UC3或UOutput51＝Uvib+UC3；以及
-所述第一下游放大器(53)，所述信号对应于
UOutput53＝Uvib+UC2+UC3或UOutput53＝-Uvib-UC2-UC3，
其中，Uvib对应于由所述传感元件(12)生成的信号，Ut对应于由所述信号注入器(56)生成的信号，UC2对应于代表所述信号线(37、38)中的一条和这条信号线的周围之间的电容的电容值C2的信号，以及UC3对应于代表所述第一信号线(38)和所述第二信号线(37)之间的电容的电容值C3的信号。
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