CN113167921B - 具有校准装置的感应测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量装置，其具有用于发送测量信号的发送器、用于接收对所发送的测量信号的响应的接收器和用于根据所述响应确定测量结果的信号处理装置，所述信号处理装置包括放大器(7)、模数转换器(8)、信号处理器(9)和信号处理设备(18)；所述发送器具有第一线圈(3)和第三线圈(16)和/或所述接收器具有第二线圈(4)和第三线圈(16)，所述测量装置具有用于减少对所述测量结果的干扰影响的校准装置，其特征在于，所述校准装置被配置为使得电流脉冲可以从直流电压源(DC)引入所述接收器的第二线圈(4)和第三线圈(16)，所述信号处理装置可以利用所述电流脉冲产生的校准信号进行测量值校正，以从所述响应中确定测量结果，并且可以根据所述响应和测量值校正确定测量结果。本发明还涉及一种测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，该测量装置具有用于发送测量信号的发送器、用于接收对所发送的测量信号的响应的接收器以及用于根据所述响应确定测量结果的信号处理装置。所述发送器和/或所述接收器包括至少一个线圈。所述测量装置包括用于减少对所述测量结果的干扰影响的校准装置。本发明还涉及一种操作所述测量装置的方法。
背景技术
由出版物DE 197 31 560A1得知一种测量装置，其具有用于发送测量信号的发送器和用于接收对所发送的测量信号的响应的接收器，以定位和识别地球表面的金属弹药体。通过发送器的发送线圈产生时变磁场作为测量信号。通过这种方式，在铁磁弹药体内产生涡流，从而产生二次场。这在接收器的接收线圈中产生定位信号，并对其进行评估。
根据EP 1 289 147 A1，由上述类型的测量装置中的振荡电路产生激励信号作为测量信号。激励信号会受到物体接近或存在的影响。这种影响由测量装置的接收器确定。测量装置对确定的响应进行评估。
出版物DE 10 2009 026 403 A1也公开了一种测量装置，该测量装置具有用于发送测量信号的发送器和用于接收对所发送的测量信号的响应的接收器。所述发送器包括初级电路，所述初级电路包括发送线圈。所述接收器包括具有接收线圈的二次电路。存在一条短路路径，通过该路径，发送线圈可以感应地耦合到接收线圈，以便进行诊断。
出版物WO 2018/014891 A1描述了电磁感应测量系统的校准方法以及适用于该方法的装置。提供了一种校准方法，对于表观电导率的实地测量，该校准方法考虑了可归因于测量装置本身或来自环境且影响测量的影响。该方法允许对电感应系统进行单独校准，并考虑到环境影响。为了校准，在离地面至少两个高度处设置具有至少一个发送器和至少一个接收器的感应测量装置，用正演模型计算表观电导率，然后用反演方法进行优化。
EP 2 657 726 A2公开了一种用于电磁测量介质导电率的方法。交变磁场(一次场)通过发送线圈施加到介质上，使得电流在介质中感应并形成另一交变磁场(二次场)，其中二次磁场由接收线圈测量，并由此评估介质的导电率。根据该发明，在发送线圈的位置处直接或间接地测量一次场，并且由此评估一次场对接收线圈位置处的场的贡献。由于叠加原理，一次场和二次场对总场的贡献在二次线圈位置重叠而没有干扰。作为测量信号的二次线圈中感应的电压与总场呈线性关系。因此，如果已知发送线圈位置处的一次场以及发送和接收线圈彼此相对的空间布置，则可以校正一次场的贡献以及其温度相关漂移。
从出版物DE 10 2012 203 111 A1可知用于MRI成像的方法和装置。从出版物US2010/0241389 A1可知与MRI激励有关的系统和方法。出版物US2011/0115497 A1中公开了一种无线传感器。从出版物US2005/0190100A1可知的发明涉及天气雷达校准。控制磁共振系统的方法已知于出版物DE 10 2011 083 959 A1。出版物US 2012/0139776A1公开了一种获取天线校准参数的方法。
发明内容
本发明旨在通过上述类型的测量装置，使得能够以很少的技术工作进行特别精确的测量。
一种测量装置，包括用于发送测量信号的发送器、用于接收对所发送的测量信号的响应的接收器和信号处理装置。所述信号处理装置被配置为使得其可用于从所述响应确定所寻求的测量结果。所述发送器和/或所述接收器具有线圈。存在能够减少对所述测量结果的干扰影响的校准装置。所述校准装置被配置为使得电流脉冲从电流源引入线圈。通过电流脉冲的引入产生校准信号。所述信号处理装置使用由电流脉冲产生的校准信号来进行测量值校正。所述校准信号包括关于由线圈干扰影响的信息。“测量校正”是指该干扰影响由信号处理装置确定，并且结果被输出为不再包括该确定的干扰的测量结果。通过较少的技术努力，获得了减少失真干扰的测量结果。因此，可以特别精确地确定测量结果。
有利地，所述校准装置被配置为使得测量被中断并且电流脉冲在中断期间被引入线圈。“中断”表示插入测量暂停。测量暂停结束后，继续测量。通过这种方式，可以在测量过程中确定干扰影响。这使得能够以改进的方式特别精确地确定测量结果。测量可以通过暂时关闭发送器然后因此不发送测量信号而中断。
在一个实施方式中，所述校准装置包括开关装置，所述开关装置被配置为使得可以通过打开和随后关闭所述开关装置将所述电流脉冲引入线圈。通过技术上简单的方法，可以产生电流脉冲。因此，也可以通过技术上简单的方法在测量暂停期间将电流脉冲引入线圈。
有利地，所述信号处理装置被配置为使得其在开关装置被关闭之后并且在进行或继续测量之前使用由线圈生成的信号作为校准信号。因此，在本实施方式中，所述校准信号是将电流脉冲引入线圈之后的响应。这以改进的方式进一步有助于能够特别精确地确定测量信号。
所述开关装置优选包括直流(DC)电压源和第一电阻器。DC电压源连接到第一电阻器。这意味着存在电导体，其一方面电连接到DC电压源，另一方面电连接到第一电阻器，使得电流可以从DC电压源流向第一电阻器。电导体可以是或包括由金属组成的线。电导体可以是电路板的导体轨道。电导体可由铜组成。
第一电阻器通过电导体连接到第二电阻器，使得电流可以从DC电压源经由第一电阻器流向第二电阻器。第二电阻器通过电导体连接到线圈，使得电流可以从第一电阻器流过第二电阻器进入线圈。
第一和第二电阻器之间的电连接或电导体通过使用电导体的开关电连接到地。当开关关闭时，电流从DC电源流向地。当开关打开时，电流不能从DC电源流向地。其然后流入线圈。如果开关被打开然后再次关闭，电流脉冲被引入线圈。
所述开关装置包括微控制器，所述微控制器被配置为使得开关的打开和关闭可以由所述微控制器控制。
总的来说，该开关装置能够在短的测量暂停内以适当的方式将电流脉冲引入线圈，以便能够产生校准信号。
第一电阻器有利地比开关的短路电阻大至少1000000倍，以便能够通过关闭开关几乎完全释放电流，从而使其不流过第二电阻器。短路电阻有利地小于10mΩ。第一电阻器可以是10kΩ～30kΩ。
第二电阻器有利地大于第一电阻器。第二电阻器可以是100kΩ～300kΩ。
所述信号处理装置被有利地配置为在操作期间将预定的振荡方程适应于校准信号。通过自适应确定振荡方程的参数。校正值使用频率方程由参数确定。这样，所述信号处理装置可以确定由校正值校正的测量信号。
有利地，校准装置以这样的方式控制测量：测量被反复中断，并且在每次中断期间，所述校准装置将电流脉冲引入线圈。因此，可以不断考虑干扰影响的时间变化。因此，可以改进的方式确定测量结果。
发送器可包括电压源，通过该电压源，电压可以施加到发送器的线圈或发送器的电振荡电路，以产生磁或电磁测量信号。发送器和/或接收器可以包括一个或多个线圈。信号处理装置可以包括放大器，通过该放大器放大响应。
所述信号处理装置可以包括模拟数字转换器，使响应数字化。信号处理装置可以包括评估响应的处理器。信号处理装置可以包括输出处理后的响应(即测量值)的输出装置。
所述测量装置可以被配置为确定测量信号和响应之间的相位差，并评估所确定的相位差。所述测量装置可以被配置为可用于分析底土(地下)。所述测量装置的配置方式应确保其能够确定底土的电导率。
所述输出装置可以包括监视器和/或扬声器，以输出处理后的响应。所述输出装置可以包括数据接口，经过处理的响应可以通过该数据接口被发送到另一装置。
所述测量装置可以被配置为测量土壤的表观电导率。所述测量装置可以被配置为允许对深度为例如40米或50米的近地表土壤进行调查。
适于此目的的测量装置通常包括带有线圈的发送器，也称为“发送线圈”，以及具有一个或多个线圈的接收器，也称为“接收线圈”。发送线圈与一个或多个接收线圈之间有预定距离。通过用通常在100Hz至100kHz之间的频率范围内的交流激励发送线圈，可以产生磁场，也称为一次场。由于土壤的导电性，感应电流是由一次场引起，而这反过来又引起一个称为二次场的磁场。二次场通常比一次场小几级。接收器可以一起测量两个场，以确定土壤的表观电导率(ECa)。
干扰影响会影响测量结果的准确性。例如，这种干扰影响可由温度效应或噪声引起。本发明可以减少这种干扰影响。因此可以改进测量结果。
每个线圈都可能导致干扰影响。本发明使得能够至少减少任何线圈的任何干扰影响。根据本发明的测量装置可以相应地扩展。
其他部件(如模数转换器)也可能导致温度相关的干扰影响。为了也减少这种干扰影响，优选地，存在用于相应部件的温度传感器，用其测量相应部件的温度。例如，可以从校准测量中知道作为温度函数的干扰影响。因此，可以通过测量的温度来确定各自的干扰影响。在此基础上，可以为各个部件生成进一步的校正值。这些校正值还优选地用于获得尽可能不被这种干扰影响失真的测量值。
本发明还涉及一种操作测量装置的方法，其中测量在一秒内至少中断一次，优选地中断几次，在每个测量暂停内生成校准信号，以便确定涉及校准信号的测量结果。因此，连续地确定干扰影响。得到了不受这些干扰影响影响的测量结果。因此，无需投入过多的技术工作就可以进行特别精确的测量。
附图说明
附图示出了：
图1：测量装置框图；
图2：电流脉冲和产生的校准信号；
图3：校准装置。
参考符号清单
1：交流(AC)发电机
2：电子放大器
3：第一线圈
4：第二线圈
5：空气
6：地
7：电子放大器
8：ADC，模数转换器
9：信号处理器
10：控件
11：部件组件或电路
12：第一电开关
13：电磁波的一部分
14：电磁波的另一部分
15：校准信号
16：第三线圈
17：开关装置
18：信号处理设备
19：第二电开关
20：地
DC：直流电压源
Rdr：第一电阻器
Rd：第二电阻器
具体实施方式
如图1所示，测量装置可以包括具有交流(AC)发电机1和电子放大器2的交流(AC)电源。发送器可以具有第一线圈3，即发送线圈。接收器可以具有第二线圈4，即接收线圈。第一线圈3和第二线圈4可以在空间上彼此分离。第一线圈3和第二线圈4可位于地6上方的空气5中，以便允许地6的检查。
连接到第一线圈3的信号处理装置可以包括电子放大器7、模数转换器8和信号处理器9。信号处理器9可以包括微控制器。校准装置可以包括控件10、部件组件或电路11和第一电开关12，以使电脉冲能够施加到第二线圈4。
测量时，交流发电机1和电子放大器2可将交流电引入第一线圈3。第一线圈3由此产生电磁波。电磁波的一部分13穿过地6，从而到达第二线圈4。电磁波的另一部分14专门通过空气5到达第二线圈4。地6引起电磁波的一部分13相对于电磁波的另一部分14的相移。该相移提供了表征地6的测量。电磁波的一部分13、电磁波的另一部分14在第二线圈4中引起响应。响应被传递到信号处理装置中的电子放大器7、模数转换器8和信号处理器9，其根据响应确定测量值。
例如，由控件控制，可以暂时关闭交流(AC)发电机1和电子放大器2。在由此产生的测量暂停内，电流脉冲可被引入由控件10控制的第二线圈4中。例如，控件10可以打开和关闭第一电开关12，以便将电流脉冲引入第二线圈4。这可以定期进行。例如，图2示出了在测量暂停期间周期性引入第二线圈4的矩形电流脉冲TF(IN)。这使得第二线圈4产生如图2所示的响应TF(OUT)。响应TF(OUT)的部分现在可以用作校准信号15。校准信号15暂时跟随电流脉冲的结束。在校准信号结束后的时间上，可以继续测量，例如，可以再次打开交流(AC)发电机1和电子放大器2。校准信号15可以是阻尼振荡，如图2所示。
信号处理装置中的电子放大器7、模数转换器8和信号处理器9处理来自第二线圈4的测量信号和来自第二线圈4的校准信号15，以确定其测量值。
也可为第一线圈3提供校准装置，如图1所示。如果发送器或接收器包括多个线圈，则可为每个附加线圈提供另一校准装置。从这个意义上说，测量装置是可扩展的。
例如，信号处理装置中的电子放大器7、模数转换器8和信号处理器9可以使依赖于时间t的以下振荡函数TFA(t)适应于校准信号15。
以这种方式确定的参数可以插入到以下频率函数中：
以这种方式确定的值GTFA(jω)是由线圈引起的相移的测量，因此可以是校正值。当测量值由信号处理装置中的电子放大器7、模数转换器8和信号处理器9确定时，可以考虑该测量。
图3示出了更多可能的细节。所示为第三线圈16(“Rx线圈”)、开关装置17和信号处理设备18的等效电路图。开关装置17包括直流电压源DC。直流电压源DC通过电导体连接到第一电阻器Rdr。第一电阻器Rdr通过电导体连接到第二电阻器Rd。第一电阻器Rdr可以是20kΩ。第二电阻器Rd可以是200kΩ。第一电阻器Rdr和第二电阻器Rd之间的电导体连接到第二电开关19，其可以由微控制器MC控制打开和关闭。当第二电开关19关闭时，电流从直流电压源DC流向地20。当第二电开关19在微控制器MC的控制下再次打开和关闭时，电流脉冲被施加到第三线圈16(Rx线圈)，如图3所示。
Claims (14)
1.一种测量装置，其具有用于发送测量信号的发送器、用于接收对所发送的测量信号的响应的接收器和用于根据所述响应确定测量结果的信号处理装置，所述信号处理装置包括放大器(7)、模数转换器(8)、信号处理器(9)和信号处理设备(18)；所述发送器具有第一线圈(3)和第三线圈(16)和/或所述接收器具有第二线圈(4)和第三线圈(16)，所述测量装置具有用于减少对所述测量结果的干扰影响的校准装置，其特征在于，所述校准装置被配置为使得：
电流脉冲从直流电压源(DC)引入所述接收器的第二线圈(4)和第三线圈(16)，所述信号处理装置利用所述电流脉冲产生的校准信号进行测量值校正，以从所述响应中确定测量结果，并且根据所述响应和测量值校正确定测量结果；
和/或
电流脉冲从直流电压源(DC)引入所述发送器的第一线圈(3)和第三线圈(16)，所述信号处理装置通过电线电连接至所述发送器的第一线圈(3)和第三线圈(16)，所述信号处理装置利用所述电流脉冲产生的校准信号进行测量值校正，并且根据所述响应和测量值校正确定测量结果。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述校准装置被配置为使得在测量中断期间将所述电流脉冲引入第一线圈(3)、第二线圈(4)和第三线圈(16)。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述校准装置包括开关装置(17)，所述开关装置(17)被配置为通过打开并随后关闭所述开关装置(17)来将所述电流脉冲引入第一线圈(3)、第二线圈(4)和第三线圈(16)。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述信号处理装置被配置为在所述开关装置(17)被关闭之后并且在进行测量之前处理由第一线圈(3)、第二线圈(4)和第三线圈(16)产生的信号作为校准信号。
5.根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于，所述开关装置(17)包括连接至第一电阻器(Rdr)的直流电压源(DC)，所述第一电阻器(Rdr)连接至第二电阻器(Rd)，所述第二电阻器(Rd)连接至第一线圈(3)、第二线圈(4)和第三线圈(16)，所述第一电阻器(Rdr)和第二电阻器(Rd)之间的电连接通过第二电开关(19)连接到地(20)，使得当所述第二电开关(19)关闭时，电流从所述直流电压源(DC)流向地(20)，并且当所述第二电开关(19)打开时，电流从所述直流电压源(DC)流向第一线圈(3)、第二线圈(4)和第三线圈(16)，所述开关装置(17)包括微控制器(MC)，其被配置为使得所述第二电开关(19)的打开和关闭由所述微控制器(MC)控制。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述第一电阻器(Rdr)大于所述第二电开关(19)的短路电阻的1000000倍。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第二电阻器(Rd)大于所述第一电阻器(Rdr)。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第一电阻器(Rdr)为10kΩ～30kΩ和/或所述第二电阻器(Rd)为100kΩ～300kΩ。
9.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第二电开关(19)的短路电阻小于10mΩ。
10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述信号处理装置被配置为使得在操作期间将预定振荡方程适应于校准信号，从而确定振荡方程的参数，并使用频率方程从所述参数确定校正值，并确定由所述校正值校正的测量信号。
11.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述校准装置以这样的方式控制测量：测量被反复中断，并且在每次中断期间，所述校准装置将电流脉冲引入第一线圈(3)、第二线圈(4)和第三线圈(16)。
12.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，存在一个或多个温度传感器，通过所述温度传感器测量一个或多个部件的温度，并基于测量的温度确定一个或多个校正值，以及考虑一个或多个进一步的校正值通过所述信号处理装置来确定测量结果。
13.一种用于操作权利要求1-12中任一项所述的测量装置的方法，其特征在于，在一秒钟内，测量被中断至少一次，在每个测量暂停内产生校准信号，以便确定涉及校准信号的测量结果。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在一秒钟内，测量被中断几次。
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