专利名称：测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量方法，其中，在测量链的开始阶段获取测量变量，并且在测量链的进程中，通过转换将其进一步加工处理成测量结果，其中，在测量链的第一位置上，利用预设的调制频率对原始的或者已转换的测量变量进行调制。
背景技术：
用于测量电的或者非电的测量变量的测量链由不同的测量元件组成，这些元件用于获取测量变量、产生适合用来进一步加工处理的电测量信号、调节例如测量信号的数字化、过滤、放大、矫正、和输出测量结果(测量值)。感测器将测量变量直接地或者通过其它物理变量转换成电测量信号。例如在顺磁测量氧气时利用以下效果，即被测气体的氧分子在不均质的磁场中向场强更高的方向运动。由此引起的局部气体密度、流量的变化或者压力变化可借助合适的测量感应器、例如热导性感应器、流量感应器或压力感应器探测并转换成电信号用于进一步加工处理(DE 8703944U1, WO 98/12552A1, DE 19803990A1, DE102005014145A1)。在许多情况下，原始的或者已转换的测量变量借助预设的调制频率进行调制，以得到交变信号，从而能够更简单并且更抗干扰地进行加工处理。于是，使得在后期借助锁定放大器对测量信号进行解调制时，即使在噪声干扰很强的情况下也能加工处理最小的测量信号。在顺磁测量氧气时，借助磁场(交变磁场)实现调制，从而获得例如与被测气体的氧含量成比例的交变气体流量，该交变气体流量被转换成交变电信号。然而该测量信号也与调制深度、在这里是磁场的振幅相关，以至于在产生磁场时发生的波动或者蠕动变化、还有像外界的干扰磁场(例如来自相邻的顺磁氧气测量仪)都会干扰影响测量结果。此外，测量结果还可能由于加工处理测量信号的测量元件发生变化或者由于外界的干扰影响而有误。例如为此有因老化或温度引起的测量感应器漂移或者电子漂移，或者干扰场。
发明内容
本发明的目的是，识别出测量链相对于校准状态所发生的变化，并且补偿其对测量结果造成的影响。根据本发明，该目的通过权利要求I中提出的测量方法来实现。根据本发明的方法的有利的改进方案可以在从属权利要求中得知。
所以，本发明的内容是一种测量方法，其中，在测量链的开始阶段获取测量变量，并且在测量链的进程中，通过转换将其进一步加工处理成测量结果，其中，在测量链的第一位置上，利用预设的调制频率对原始的或者已转换的测量变量进行调制，其特征在于，-在测量链的、在进一步加工处理的方向上位于第一位置后的第二位置上，在已转换的测量变量上加上具有和调制时相同的频率的变量，但是相对于调制偏移了预设的相位角，从而测量结果包括通过振幅和相位来描述的矢量，
-利用测量变量的不同已知值对测量链进行校准，其中获得了定义特征曲线的不同矢量，和-由特征曲线的点中查出测量变量的未知值，在此获得的矢量或者其延长线与特征曲线相交于该点。通过在例如被转换调制成测量信号或者物理中间变量的测量变量上加上频率相同的相移变量，为进一步加工处理得到测量信号矢量，该矢量以数值和相位标出。在利用测量变量的不同已知值对测量链进行校准时，在此过程中获得的测量结果的矢量定义出特征曲线。是要在后来的测量中，测量链中的测量条件符合校准条件，那么就获得一个矢量作为测量结果，其在特征曲线的一个点上示出，从而可以由这个点中查出测量变量的未知值。在有干扰的情况下，不管干扰现在是否存在于测量链的一个元件中或者是否从外界作用到测量链上，矢量值都会改变，以至于结果矢量的峰会落到特征曲线以外的地方。这样一来就可以非常轻松地诊断出是否存在干扰。因为干扰主要影响矢量的值，却不会或者很少影响它的相位，所以可以对测量结果进行矫正，为此，要在相位角未改变的情况下将结果矢量缩短或者延长到特征曲线上。然后就可以由特征曲线上的这个点中查出测量变量的正确值。因为测量变量的调制也会受到干扰，所以优选地要从测量变量的调制中推导出在已转换的测量变量上加上的变量，从而使得被加上的变量的振幅与调制深度成比例。在顺磁测量被测气体的氧含量时，测量变量(氧含量)被转换成中间变量(例如流量、压力)，它最终被转换成可以进一步加工处理的电测量信号。借助交变磁场实现测量变量到中间变量的转换，该磁场也用来调制已转换的测量变量。在此期间，在本发明的范畴中，优选地利用同一个磁场也将对比变量(对比气体的恒定氧含量)转换成相应的中间变量(例如流量、压力)。在将从测量变量和对比变量获取的中间变量转换成电测量信号之前，先将它们相移地加上或者减去。可替换地可以将这两个中间变量分开转换成电测量信号，然后将其相加或者相减，其中，对中间变量进行相加/相减或产生中间变量都是通过相移实现的。如果中间变量是气体的流量或者压力，那么可以通过导管的长度或者大体上通过产生中间变量的位置和探测到中间变量的位置之间的一个气体过滤器来调节相移。
为了进一步阐述本发明，接下来参照附图的各示图；分别示出图I示出测量链的一个简化示例，图2示出从矢量特征曲线图中查出测量结果的一个简化示例，图3和4示出形成相对于测量变量的调制进行了相移的变量的两个简化示例，以及图5至7示出顺磁氧气测量布置的不同示例。
具体实施例方式图I示出用于对测量变量S进行测量的测量链的简化方框图。测量变量S由第一测量元件(感测器)I获取并且被转换成电测量信号Si。该电测量信号SI在其它的测量元件中，例如在模拟放大器2、模拟/数字转换器3和计算器4中被加工处理成测量结果E。在获取了测量变量S的情况下，在位置5上利用频率&的调制信号M进行调制，从而使测、量信号Si是交流信号或者包含交流信号的一部分，该信号或者说该部分与测量变量S和调制振幅相关，并且具有频率fo。例如，所述感测器是带有灯丝的热导探测器，一种被测气体在其周围流动，从而使得热能依赖于要测量的气体的特殊的热导能力从灯丝流出；由于热能流出而使得灯丝冷却，从而使得它的电阻和进而是它的加热电流依赖于该气体的热导能力。在这种情况下，通过由交流电压源提供加热电流来实现调制。在测量链的、位于发生调制的位置5后面的第二位置6上，至此已经转换的测量变量、在此是测量信号SI被加上变量N，该变量具有和调制信号M相同的频率，但是相对于调制信号偏移了固定的相位角(Po (由于N(Cp0) =-N (180°+cp0)，所以加法和减法在这里都等值。于是，在测量链的其它流程中对信号S2 = S1+N进行加工处理。
图2用x-y-坐标系在x轴线上示出测量信号SI的变化范围Slniin-Slniax,这时的测量范围在最小的测量值Smin和最大的测量值Smax之间(Smin和Slmin也可以等于零)。通过将偏移了CpQ的变量N与测量信号SI相加，得到矢量形式的信号S2，其振幅为I S2 I，相位是(P。如果在校准测量链的范畴中，测量变量S在Smin和Slmax之间变化，那么在此期间获得的矢量在坐标系中定义出特征曲线K。在此，在特征曲线K上的每个点和矢量S2的长度|S2或者它的X轴线部分S2X之间形成明确的对应关系。于是，正如图2的上部分所示，从每个矢量长度|S2|或者矢量S2的每个X轴线部分S2X*，可以通过校准特征曲线KK获知测量结果(测量变量S的测量值)。校准特征曲线KK被存储到计算器4中。矢量长度|S2|相当于信号S2的值。可替换地，X轴线部分S2X可借助锁定放大器从信号S2中提取出来。如果测量链内的情况在位置6上加上变量N后发生变化，例如当放大器2的放大效果通过电子漂移而改变，或者由外界的干扰场诱导出一部分干扰信号，那么它就会同样地影响到信号S2 = S1+N的两个部分SI和N。这就是说，会得到有问题的信号S2F，它的矢量峰落在特征曲线K以外(图2)。除了识别故障或者说干扰之外，还可以对它进行补偿，为此，要将矢量S2F在相位角不变的情况下缩短或者延长到特征曲线K上(点7)。然后，就可以从这样矫正的矢量的长度或者说X轴线部分中，借助校准特征曲线KK确定出正确的测量值。因为只识别并且补偿了在位置6上加上变量N后出现的干扰和故障，所以这个位置优选地尽量靠近进行调制的位置5。如图3示意性示出，在最简单的情况下产生变量N,该变量具有与调制信号M的频率fo同步和与相移(Po同步的恒定振幅|N|。这样例如可以在顺磁测量来自产生磁场的交流电的氧气时，获得相同频率的信号N，这个信号与恒定的相移相加得到测量信号SI。然而，调制本身也可能受到干扰和发生改变，所以优选的是，如图4所示，从调制信号M本身获取变量N，使得变量N的振幅|n|与调制深度|m|成比例。如果调制振幅改变了，例如在顺磁测量氧气时交流磁场的强度改变了，那么这就会像上面根据图2所描述的一样被识别出来并补偿。图5示出一种顺磁测量氧气布置的示例。它基本上由平坦的和纵向延伸的测量室8构成，在其纵轴线方向上有需要确定其氧含量的被测气体9流过。测量室8的一部分落在在此未示出的接通交流电的电磁铁的磁场10中。为了达到测量效果所必需的辅助气体或者对比气体11穿流过两个形状相同的辅助气体导管12，12'，其中导管在位置13上进入测量室8的无磁场空间的中心，并且另外的导管在相对的位置13'上通入磁场10的区域中。在测量室10以外，这些辅助气体导管12，12'通入连接导管14，连接导管在中间具有响应流量或者交变电压的信号发射器15，信号发射器作为气电转换器起作用，并且发出符合被测气体9的氧含量的测量信号。到目前为止，该测氧布置是由DE 8703944U1已知的。为了产生与交变磁场10的强度成比例的变量，使其具有相同的频率但是发生相移，设计了对比室16，它与测量室8平行地在相互对置的位置17，17'上连接在辅助气体导管12、12'上，但与测量室8不同的是，只有辅助气体或者对比气体11流过这里。如也和测量室8中一样，在对比室中，辅助气体导管12的连接位置17落在无磁场的空间中并且辅助气体导管12'的另外的连接位置17'落在磁场10的区域内。在辅助气体11包括恒定的氧含量的前提下(例如空气)，在连接导管14中产生附加的流量或者附加的交变电压，这个附加的流量或者附加的交变电压与磁场强度相关，但是与被测气体9无关。由于一方面测量室8和连接导管14之间和另一方面对比室16和连接导管14之间的导管长度不同(延迟元件18)，所以在来自测量室8的那部分流量或交变电压和来自对比室16那部分的流量或交变电压之间实现预设的相移。也有可能的是，省去对比室16，并且这样调整磁场10，即，使得它在辅助气体导管12，12'之一中或者，从信号发射器15出发观察，在连接导管14的一侧中起作用，并且在那里产生附加的流量或者附加的交变电压。代替磁场10，也可以产生两个交变磁�。瞧德氏嗤窍嗷ブ浣辛讼嘁疲渲幸桓龃懦〈┕饬咳萜�8，并且另一个磁场穿过对比容器16。也可以考虑的是，增加的流量或者增加的交变电压借助布置在辅助气体导管12，12'之一中的或者，从信号发射器15出发观察，布置在连接导管14的一侧中的发射器、例如声波发射器直接产生。图6示出顺磁测量氧气布置的一个可替换的实施例，它与按照图5的布置的区别在于，对比室16不依赖于测量室8穿流过一种含氧的对比气体19，使得测量室8的辅助气体11可以不含氧，例如氮。代替对比室16和测量室8的流体并排布置，连接位置17，17'相互之间通过单独的连接导管14'连 接，它包括自身的信号发射器15'。由于一方面在位置13或13'与信号发射器15之间且另一方面在位置17或17'与信号发射器15'之间的导管长度不同，所以在由两个信号发射器15和15'产生的电信号之间实现预设的相移，而这些信号被相加或者相减。最后，图7中所示的实施例与图6中的实施例的不同之处在于，对比室16形成封闭的空间，该空间被填充了对比气体19。
权利要求
1.一种测量方法，其中，在测量链的开始阶段获取测量变量(S)，并且在所述测量链的进程中，通过转换将所述测量变量进一步加工处理成测量结果(E)，其中，在所述测量链的第一位置(5)上，利用预设的调制频率(4)对原始的或者已转换的所述测量变量(S)进行调制，其特征在于， -在所述测量链的、在进一步加工处理的方向上位于所述第一位置(5)后的第二位置(6)上，在已转换的所述测量变量(SI)上加上变量(N)，所述变量具有和调制时相同的频率(fo)，但是相对于调制偏移了预设的相位角((Po)，从而所述测量结果包括通过振幅(|S2|)和相位(Cp)来描述的矢量， -利用所述测量变量(S)的不同已知值对所述测量链进行校准，其中获得了定义特征曲线⑷的不同矢量，和 -由所述特征曲线(K)的点(7)中查出所述测量变量(S)的未知值，在此获得的矢量(S2f)或者所述矢量的延长线与所述特征曲线(K)相交于所述点。
2.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于，由所述测量变量(S)的调制中推导出在已转换的所述测量变量上加上的所述变量(N)，从而使得所述变量(N)的振幅与调制深度成比例。
3.根据权利要求I或2所述的测量方法，其特征在于，为了顺磁测量被测气体(9)的氧含量，无论是所述被测气体(9)还是具有恒定氧含量的对比气体(11，19)都暴露在交变磁场(10)中，在所述交变磁场中，氧分子向场强更高的方向运动，其中，由所述被测气体(9)中的氧分子的运动和所述对比气体(11，19)中的氧分子的运动引起的局部密度、流量的变化或者所述被测气体(9)的压力变化或者被叠加地、共同探测并且被转换成用于进一步加工处理的电信号，或者被分开探测、被转换成两个电信号，并且所述信号为了进一步加工处理而被相加或者相减。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，通过以下方法产生所述相位角(物)，即，在所述被测气体(9)和所述对比气体(11，19)暴露在所述交变磁场(10)中的位置(13' Al' )和探测到引起的局部密度、流量的变化或者压力变化的位置之间，设置不同长度的气体路径(延迟元件18)。
全文摘要
一种测量方法，在测量链的开始阶段获取测量变量(S)，并在测量链的进程中通过转换将其进一步加工处理成测量结果(E)，在测量链的第一位置(5)上，利用预设的调制频率(f0)对原始的或者已转换的测量变量(S)进行调制，在测量链的、在进一步加工处理的方向上位于第一位置(5)后的第二位置(6)上，在已转换的测量变量(S1)上加上具有和调制时相同的频率(f0)的变量(N)，但相对于调制偏移预设的相位角从而测量结果包括通过振幅和相位描述的矢量；利用测量变量(S)的不同已知值对测量链进行校准，获得定义特征曲线的不同矢量；和由特征曲线的点中查出测量变量的未知值，获得的矢量或者其延长线与特征曲线相交于该点。
文档编号G01N27/74GK102628833SQ20121002462
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月3日 优先权日2011年2月4日
发明者卡米尔·黑费斯, 托马斯·赫纳, 拉尔夫·比特, 马丁·基翁克 申请人:西门子公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
