CN107664512B - 测量设备 - Google Patents

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Abstract

在测量设备中借助具有频率(f)的交流电流使非电参量转化为电测量信号，其包含取决于非电参量的具有双倍频率(2f)的有效信号分量和取决于交流电流的具有频率的干扰信号分量。由测量信号通过预处理和数字化生成数字信号，其通过与参考信号的相乘在双倍频率时相位敏感地探测并且通过随后的低通滤波处理为与非电参量成比例的测量值。此外，数字信号通过与另外的参考信号的相乘在一倍频率(f)时相位敏感地探测并且通过随后的低通滤波处理为干扰信号值。根据本发明使用干扰信号值用于测量值的归一化，通过在归一化级中形成测量值与干扰信号值的平方之商来归一化并且作为归一化的测量值给出。

Description

测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于非电参量的测量设备，
具有测量单元，其设计用于借助具有频率的交流电流间接地使非电参量转化为电的测量信号，其中，电的测量信号包含取决于非电参量的具有双倍频率的有效信号分量和取决于交流电流的具有频率的干扰信号分量，
具有信号预处理装置，用于使测量信号预处理和数字化成为数字信号，并且
具有信号处理装置，用于借助信号处理软件使数字信号处理成测量值，其中，信号处理软件设计用于，
通过与参考信号相乘在双倍频率时相位敏感地探测数字信号，并且数字信号通过随后的低通滤波被处理为与非电参量成比例的测量值，并且
通过与另外的参考信号相乘在一倍的频率时相位敏感地探测数字信号，并且数字信号通过随后的低通滤波被处理为干扰信号值。
背景技术
在从DE 10 2012 212 978 B3中已知的这类测量设备中，上述另外的值用作为诊断值。在此采用以下认知，在许多情况下在将非电参量调制地转化为电测量信号时，具有双倍或一半调制频率的干扰信号分量到达实际的测量信号(有效信号)中。这样的干扰信号借助合适的过滤措施尽可能地被衰减从而其不再影响测量结果，替代这种做法使用以下干扰分量，以便在连续的测量运行中监控从调制到测量值测定的完整信号处理路线。在此，将诊断值与期望值进行比较。只要诊断值位于围绕期望值的公差范围之内，那么能够将信号处理视为无错误的。在其它情况下生成错误和警报通知并且例如针对安全性地调整测量值。
作为对于已知的测量设备的实例给出了根据顺磁交变压力方法工作的气体分析器，其使用氧气的顺磁属性以生成测量效果。对此利用具有特定频率f的交流电流驱控电磁铁。因为测量效果与磁场的平方成比例，所以模拟的电测量信号包含取决于非电参量的具有双倍频率2f的有效信号分量。此外由于变压器耦合(transformatorischerEinkopplung)，在电测量信号中还存在具有电磁铁的驱控频率、即一倍的频率f的干扰信号分量。
磁回路的属性、例如线圈电阻或电感的改变影响了顺磁性的测量效果以及因此影响测量值。
发明内容
本发明的目的在于，以尽可能小的设备工艺上的花费使这样的测量值影响最小化。
根据本发明，该目的由此实现，即在前文所给出的这类测量设备中，信号处理装置具有归一化级，其设计用于，通过形成测量值与干扰信号值的平方之商使得测量值归一化(Normalisierung)并且作为归一化的测量值给出。
非电参量到电测量信号的转化借助于交流电流并且功率导向地实现，从而使有效信号分量具有交流电流的双倍频率2f。根据本发明的测量设备的主要优点目前在于，通过信号处理从有效信号分量中得出的测量值利用平方、即交流电流的功率被归一化，而不必对其进行测量。因此取消了任何与电流测量相关的设备工艺上的花费。
另一个优点在于，有效信号分量和用于其归一化的干扰信号分量经历同样的模拟的信号处理和实际上同样的数字的信号处理，从而在测量值归一化时补偿信号路线中的干扰或改变对测量值的影响。
可行的是，信号处理软件交替地利用测量值测定干扰信号值，或者信号处理软件以双重实施的方式存在并且并行地处理在双倍频率时探测的数字信号和在一倍的频率时探测的数字信号。
特别地，根据本发明的测量设备的测量单元能够是根据顺磁交变压力方法(paramagnetischen Wechseldruckverfahren)、热物理学原理或光学原理工作的测量单元、优选气体分析器。
附图说明
接下来为了进一步阐述本发明而参考附图；分别单独示例性地示出：
图1是根据本发明的测量设备的框图，
图2是根据顺磁性交变压力方法工作的气体分析器形式的测量单元，
图3是能导热气体分析器形式的测量单元的原理图，
图4是流量传感器形式的测量单元的原理图，
图5是用于流量传感器的实施例。
具体实施方式
图1示出的测量设备具有测量单元1，其将非电参量2转化为电测量信号(原信号)3。该转化借助具有频率f的正弦形式的交流电流I(f)实现，该交流电流由电流源或电压源4供应。电流源或电压源4也能够是测量单元1的组成部分。该转化功率导向地(leistungsbezogen)进行，从而使测量信号3包含具有双倍频率2f的有效信号分量3(2f)。因此，在根据顺磁交变压力方法工作的气体分析器的情况下，氧气分子在通过交流电流I(f)生成的交变磁场中运动；具有不同氧气含量的两种气体在磁场中聚集，因此在其之间出现了交替的压力差，压力差被检测作为测量信号3。在根据热物理学原理工作的测量设备、例如气体分析器中，利用交流电流I(f)加热加热元件，以便经由到周围气体上的热通量探测气体的导热性或流量。在根据光学原理工作的气体分析器中，利用交流电流I(f)驱控辐射源，其辐射在穿过测量介质或在测量介质处进行反射之后被测量。在所有的示例性的情况中，测量信号的有效信号分量3(2f)与交流电流I(f)的平方成比例。
此外，在将非电参量2转化为测量信号3时能够使具有交流电流I(f)的频率f的干扰信号分量3(f)进入到测量信号3中。因此，例如在根据顺磁交变压力方法工作的气体分析器的情况下，通过在电磁铁和用于检测压力差的传感器和/或下游的电子件之间的变压器耦合能够使干扰信号分量3(f)进入到测量信号3中。在上述根据热物理学原理工作的测量设备中，能应用作为测量信号3的、在加热元件上的电压不仅取决于交流电流I(f)、还取决于加热元件的由于交流电流I(f)和到周围测量介质中的热通量的电阻改变，其中，电阻改变以双倍频率2f进行变化。
具有有效信号分量3(2f)和干扰信号分量3(f)的测量信号3在信号预处理装置5中以多个级6、7、8进行滤波、增强并通过Delta-Sigma调制在过采样时转换为位串行的数字信号(比特流)9。此外，数字信号9中的有效信号分量在数字的信号处理装置10中借助于信号处理软件被处理成测量值11。对此，首先在Sinc滤波器12中对位串行的数字信号9进行低通滤波并且位串行的数字信号在采样率上减小(dezimiert)。随后，低通滤波的数字信号9通过与参考信号14和相位偏移90°的参考信号14的相乘13(正弦余弦相乘)在双倍频率2f时被相位敏感地探测，以便通过随后的低通滤波15测定同相成分I(2f)和90°移相成分Q(2f)(双相锁技术，例如EP 2 130 295 B1)，并且在另外的信号处理步骤16中处理成测量值11。另外的信号处理步骤16例如包含FIR汉明滤波17。
低通滤波的和在采样率方面减小的数字信号9中的干扰信号分量通过与参考信号19的另外的正弦余弦相乘18在一倍的频率f时相位敏感地被探测。通过随后的低通滤波15测定同相成分I(2f)和90°移相成分Q(2f)，并且在另外的信号处理步骤16中处理成干扰信号值20。除了另外的相乘之外，干扰信号分量的处理经历与测量信号3的有效信号分量相同的步骤。在此能够平行或交替地进行根据相乘13或18的信号处理。
干扰信号值20在乘法器21中进行平方并且随后输送给归一化级22，在其中通过形成测量值11与干扰信号值20的平方之商使测量值归一化，并且必要时根据另外的处理步骤23例如温度补偿和/或压力补偿作为归一化的测量值11’发送、例如使其显示或在过程自动化系统之中的其它装置上进行通信。
如从前文所述的DE 10 2012 212 978 B3中已知并且在此没有专门示出的那样，能够将干扰信号值20在比较装置中与期望值进行比较，期望值存放在存储器中并且被事先算出或者在校准功能正常的测量设备时被测定。如果诊断值20与期望值的偏离超出所允许的程度，那么就能够生成错误通知并且将其例如借助测量值11’规定到针对安全性的值。
图2示例性地示出了根据顺磁交变压力方法工作的气体分析器30形式的测量单元1。测量单元1具有测量室31，其由测量气体32穿流，测量气体的氧气分量应当被测定。测量室31的一部分在由电磁体生成的磁场中位于供给交流电流的电磁体33的极靴之间。电磁体33由电流源或电压源4利用具有频率f的交流电流I(f)进行驱控。为了实现测量效果所必需的比较气体34通过两个相同形状的通道35、36输送给测量室31，其中，这两个比较气体流中的一个在具有测量气体32的磁场区域中合流。因为氧气分子由于其顺磁的属性而在磁场中沿更高场强的方向运动，所以在通道35、36中的比较气流之间产生具有频率2f的交变的压力差。该压力差在两个通道35、36之间的连接通道37中影响交变流，其借助于微型流量探测器38检测并且转化为电测量信号3。如箭头39指示的那样，通过在电磁铁33和流量探测器38和/或下游的电子件5(图1)之间的变压器耦合为具有频率2f的测量信号3叠加具有交流电流I(f)的频率f的干扰信号分量3(f)。
图3示例性地示出了能导热气体分析器40形式的测量单元1的原理。测量单元1具有测量通道41，其由具有两个或必要时更多的不同气体成分的测量气体42流过。在测量通道41中将加热电阻43布置为，使得其在测量通道41的纵向方向上延伸并且由测量气体42环流。加热电阻43由具有频率f的交流电流I(f)的电流源或电压源4驱控，从而使加热功率以交流电流I(f)的平方和双倍频率2f进行脉动。产生从加热电阻43到测量通道41的壁44的热通量，其中，热通量取决于测量气体42的导热性。因此，加热电阻43的与温度相关的电阻取决于交流电流I(f)的平方和测量气体42的导热性，并且以双倍频率2f进行改变。电压U(f、2f)在加热电阻43上下降，该电压包含关于导热性的信息、和因而关于包含了测量气体42的组分的具有双倍频率2f的有效信号分量的信息，以及关于具有一倍的频率f的干扰信号分量的信息。该电压利用电压测量装置45来检测并且形成测量信号3，其能够相应地根据图1的实例继续处理。在实践中，加热电阻43与参考电阻一起布置在测量桥中，测量桥被供给有交流电流I(f)并且其诊断电压被检测作为测量信号3。如果加热电阻43布置为横交于测量通道41的纵向方向地延伸，那么热通量就主要横向地沿测量气体42的流动方向进行，从而使得测量单元1作为流量或通量传感器工作。
图4示例性地示出了测热的流量传感器50形式的测量单元1的原理。流量传感器50与图3示出的能导热气体分析器40的主要区别在于，存在与温度相关的第二电阻46，其在测量气体42或一般流体42的流动方向上看布置在加热电阻43的下游，并且这两个电阻43、46横向于流动方向地指向。在所示的实例中，电阻43、46串联并且形成具有三个接口的结构单元。电阻43、46的串联电路由具有频率f的交流电流I(f)的电流源或电压源4驱控，从而使加热功率以交流电流I(f)的平方和双倍频率2f进行脉动。产生从加热电阻43到与温度相关的电阻46的热通量，其中，热通量取决于流体42的导热性和流量。在流体42的组分不改变时，热通量仅还随流量变化。与温度相关的电阻46利用交流电流I(f)的平方并且因此以双倍频率2f进行改变。电压U(f、2f)在与温度相关的电阻46上下降，该电压包含关于导热性的信息、和因此关于含有流体42的组分的具有双倍频率2f的有效信号分量的信息、以及关于具有一倍的频率f的干扰信号分量的信息。该电压利用电压测量装置45检测并且形成测量信号3，其能够相应地根据图1的实例继续处理。在实践中，加热电阻43和与温度相关的电阻46与参考电阻一起布置在测量桥中，测量桥被供给有交流电流I(f)并且其诊断电压作为测量信号3进行检测。
在图4示出的实例中除了加热电阻43之外也通过电流I(f)加热与温度相关的电阻46。
图5示出了测热的传感器60的实施例，其中，与上述的实例不同，在加热电阻43和与温度相关的电阻46之间的接口上的电流I(f)从该处绕过且通过附加电阻47接地。与温度相关的电阻46经由另外的附加电阻48连接到具有直流电压UB+的电压源上。电压测量装置45检测在电阻46、47上下降的电压U(f、2f)并且形成测量信号3，测量信号能够相应地根据图1的实例继续处理。电压U(f、2f)由通过交流电流I(f)引起的、在附加电阻47上的具有频率f的子电压和在与温度相关的电阻46上下降的子电压构成，在与温度相关的电阻上下降的子电压包含具有双倍频率2f的有效信号分量，该有效信号分量包含关于流量的信息。

Claims (10)

1.一种用于非电参量的测量设备，
具有测量单元(1)，所述测量单元设计用于借助具有频率(f)的交流电流间接地使所述非电参量(2)转化为电的测量信号(3)，其中，电的所述测量信号(3)包含取决于所述非电参量(2)的具有双倍频率(2f)的有效信号分量(3(2f))和取决于所述交流电流(I(f))的具有所述频率(f)的干扰信号分量(3(f))，
具有信号预处理装置(5)，用于将所述测量信号(3)预处理和数字化成数字信号(9)，并且
具有信号处理装置(10)，用于借助信号处理软件将所述数字信号(9)处理成测量值(11)，其中，所述信号处理软件设计用于，
所述数字信号(9)通过与参考信号(14)相乘(13)在所述双倍频率(2f)时被相位敏感地探测，并且所述数字信号通过随后的低通滤波(15)被处理为与所述非电参量(2)成比例的所述测量值(11)，并且
所述数字信号(9)通过与另外的参考信号(19)相乘(18)在一倍的频率(f)时被相位敏感地探测，并且所述数字信号通过随后的所述低通滤波(15)被处理为干扰信号值(20)，
其特征在于，
所述信号处理装置(10)具有归一化级(22)，所述归一化级设计用于通过形成所述测量值(11)与所述干扰信号值(20)的平方之商使得所述测量值归一化并且作为归一化的测量值(11’)给出。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述信号处理软件交替地处理在所述双倍频率(2f)时探测的数字信号(9)和在一倍的频率(f)时探测的数字信号(9)。
3.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述信号处理软件以双重实施的方式存在并且并行地处理在所述双倍频率(2f)时探测的数字信号(9)和在一倍的频率(f)时探测的数字信号(9)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述测量单元(1)包括根据顺磁交变压力方法工作的气体分析器(30)，所述气体分析器具有生成带有交变的通量强度的磁场的电磁铁(33)，所述电磁铁利用所述交流电流(I(f))进行驱控。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述测量单元(1、40、50、60)包括利用所述交流电流(I(f))驱控的加热电阻(43)并且设计用于，使所述非电参量根据热物理学原理转化为电的所述测量信号(3)。
6.根据权利要求5所述的测量设备，其特征在于，所述测量单元(1)是能导热气体分析器(40)。
7.根据权利要求5所述的测量设备，其特征在于，所述测量单元(1)是流量传感器。
8.根据权利要求7所述的测量设备，其特征在于，所述测量单元(1)是测热的流量传感器(40、50)。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述测量单元(1)包括根据光学原理工作的、具有辐射源的气体分析器，所述气体分析器利用所述交流电流(I(f))进行驱控。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述信号处理装置(10)具有用于通过将所述干扰信号值(20)与期望值相比较来监控所述信号预处理装置(5)和所述信号处理装置(10)的部件。
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