專利名稱：基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)用于流程工業(yè)中，基于電壓頻率變換測(cè)量技術(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量方法及其相應(yīng)系統(tǒng)，普遍存在測(cè)量精度較差的缺陷。具體表現(xiàn)在不同外部條件下，同一測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果重復(fù)性(同一性)差；相同的外部條件下，不同測(cè)量系統(tǒng)存在不同的單向偏差；不同規(guī)格的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)呈現(xiàn)不同的分辨率和精度。傳統(tǒng)電壓頻率變換測(cè)量方法，采用多路現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊并行轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)選通電路的逐一選通，被選通電壓信號(hào)經(jīng)預(yù)定放大系數(shù)的放大電路后，進(jìn)入電壓頻率變換電路轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，單片機(jī)對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的頻率信號(hào)進(jìn)行脈沖記數(shù)，然后根據(jù)記數(shù)結(jié)果推算得到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)值。具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可參照《智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)》(徐愛(ài)均編著，北京航空航天大學(xué)出版社1995年11月出版)一文第130/131頁(yè)所述內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法。
它包括多路現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊并行轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)選通電路的逐一選通，被選通電壓信號(hào)經(jīng)預(yù)定放大系數(shù)的放大電路后，進(jìn)入電壓頻率變換電路轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，單片機(jī)對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的頻率信號(hào)進(jìn)行脈沖記數(shù)，然后根據(jù)記數(shù)結(jié)果推算得到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)值。其特征在于單片機(jī)脈沖記數(shù)過(guò)程中引入兩次捕捉；現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量過(guò)程中引入內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正；系統(tǒng)出廠時(shí)對(duì)外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源信號(hào)的測(cè)量引入外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校正及外零補(bǔ)償；測(cè)量過(guò)程中對(duì)同一現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行兩次連續(xù)測(cè)量引入軟自動(dòng)增益調(diào)整。
所說(shuō)的兩次捕捉是在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)軟件或軟硬件結(jié)合的方法進(jìn)行兩次連續(xù)的定時(shí)，對(duì)同一次電壓頻率轉(zhuǎn)化過(guò)程中的脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行兩次處理，剔除測(cè)量通道采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)初始、結(jié)束階段的不穩(wěn)定信號(hào)所產(chǎn)生的脈沖計(jì)數(shù)，取得兩次定時(shí)時(shí)刻之間的穩(wěn)定脈沖計(jì)數(shù)值，進(jìn)行后續(xù)的結(jié)果推算。如圖2的正采過(guò)程所示。
內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正，是在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)源電路所提供的多路基準(zhǔn)電壓進(jìn)行測(cè)量，由于基準(zhǔn)電壓的量值是預(yù)知的，就可以根據(jù)基準(zhǔn)電壓測(cè)量結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。如圖3所示。
外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償，是出廠時(shí)在充分預(yù)熱的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)源所提供的多路基準(zhǔn)電壓的電壓數(shù)值進(jìn)行修正。如圖4所示。
軟自動(dòng)增益調(diào)整是對(duì)同一現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行兩次連續(xù)的測(cè)量。首次測(cè)量確定現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的最佳放大系數(shù)，然后根據(jù)最佳的放大系數(shù)進(jìn)行基于兩次捕捉的第二次測(cè)量，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。
本發(fā)明通過(guò)兩次捕捉，剔除電壓頻率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)在采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)時(shí)，初始、結(jié)束階段的不穩(wěn)定信號(hào)，改善同一測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性(同一性)。通過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正、外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償，消除了不同測(cè)量系統(tǒng)由于元件參數(shù)的分散性所引起的測(cè)量結(jié)果的單向偏差。通過(guò)試采結(jié)合正采的軟自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)，自動(dòng)為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)選取最佳放大系數(shù)，使不同幅值的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)均具有良好的分辨率和精度。綜合應(yīng)用兩次捕捉、在線校正、離線校準(zhǔn)、軟自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)，不但使測(cè)量系統(tǒng)的精度得到質(zhì)的提升，而且具備低廉的總體擁有成本。


圖1是基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量系統(tǒng)方框圖。
圖2是本發(fā)明的兩次捕捉，兩次采樣原理圖；圖3是本發(fā)明引入板內(nèi)基準(zhǔn)源電路后的測(cè)量原理圖；圖4(a)～(b)是本發(fā)明的外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償原理圖；具體實(shí)施方式
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電壓頻率變換測(cè)量方法基礎(chǔ)上，引入兩次捕捉技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集過(guò)程中，通過(guò)軟件或軟硬件結(jié)合的方法進(jìn)行兩次或多次定時(shí)，對(duì)同一次電壓頻率轉(zhuǎn)化過(guò)程中的脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行兩次處理，進(jìn)而達(dá)到將測(cè)量初始結(jié)束階段不穩(wěn)定的脈沖計(jì)數(shù)剔除的目的。使同一測(cè)量系統(tǒng)在不同外部條件下，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性(同一性)提高十倍。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電壓頻率變換測(cè)量方法基礎(chǔ)上，引入內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正技術(shù)和外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償技術(shù)。通過(guò)對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)源標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)量，獲取基準(zhǔn)源信號(hào)選通環(huán)節(jié)(4)的后續(xù)測(cè)量環(huán)節(jié)(M1環(huán)節(jié))所造成的單向偏差，據(jù)此在線校正現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量值。外部接線端子(1)至通道信號(hào)選通環(huán)節(jié)(3)的測(cè)量環(huán)節(jié)(M2環(huán)節(jié))所帶來(lái)的單向偏差，則在測(cè)量系統(tǒng)出廠時(shí)，根據(jù)對(duì)外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源的測(cè)量結(jié)果對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)源(9)所提供的多路基準(zhǔn)源的電壓數(shù)值進(jìn)行修正，進(jìn)而達(dá)到消除M2環(huán)節(jié)中由于元件參數(shù)分散性所引起的測(cè)量結(jié)果單向偏差。內(nèi)部基準(zhǔn)源電路、內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正、外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校正及外零補(bǔ)償?shù)能浻布惑w化設(shè)計(jì)，無(wú)需選用價(jià)格昂貴的高精度器件，就能有效克服由于測(cè)量系統(tǒng)元器件參數(shù)分散性引起的測(cè)量結(jié)果的單向偏差。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電壓頻率變換測(cè)量方法基礎(chǔ)上，引入了軟自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量分成兩步或多步實(shí)施，首步測(cè)量得到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的實(shí)際量級(jí)，通過(guò)比較運(yùn)算，確定再次測(cè)量的最佳放大系數(shù)，然后按照最佳的放大系數(shù)進(jìn)行的再次測(cè)量，進(jìn)而使不同規(guī)格的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都具有相同的分辨率和精度。
本發(fā)明所涉及技術(shù)都是建立在具體應(yīng)用的基礎(chǔ)之上的。下面是本發(fā)明的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例。
基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量系統(tǒng)由外部接線端子1、信號(hào)調(diào)理模塊2(包括2-1、2-2、......2-8共八路)、通道信號(hào)選通環(huán)節(jié)3、基準(zhǔn)源信號(hào)選通環(huán)節(jié)4、信號(hào)放大環(huán)節(jié)5(16種放大系數(shù))、電壓頻率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)6、通用單片機(jī)7、外零補(bǔ)償電路8、內(nèi)部基準(zhǔn)源電路9組成。
外部接線端子1共有八組輸入接線端子，可根據(jù)需求，接入八路不同規(guī)格的現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)，這些信號(hào)包括標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)(量程10mV、20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、200mV、1V、2V、5V、1～5V)、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)(量程0～10mA，4～20mA)、標(biāo)準(zhǔn)熱電阻信號(hào)(Pt100、Cu50)、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶信號(hào)(熱電偶R、S、B、K、N、T、E、J型)等等。
信號(hào)調(diào)理模塊2將前述不同規(guī)格現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)平行轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)，亦分成八路。
通道信號(hào)選通環(huán)節(jié)3，由通用單片機(jī)7控制，對(duì)調(diào)理后的八路不同量級(jí)電壓信號(hào)(mV級(jí)～～V級(jí))逐一選通。由此，后續(xù)的模擬信號(hào)處理環(huán)節(jié)可以為八路現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)所共用。
基準(zhǔn)源信號(hào)選通4，由通用單片機(jī)7控制，對(duì)選通環(huán)節(jié)3選通輸出的信號(hào)，及內(nèi)部基準(zhǔn)源電路9輸出信號(hào)，進(jìn)行選通。選通前者時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)測(cè)量，選通后者時(shí)進(jìn)行內(nèi)部基準(zhǔn)源測(cè)量，進(jìn)而提供在線校正的參數(shù)。
信號(hào)放大環(huán)節(jié)5，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電壓放大，放大系數(shù)共有16種待選，由單片機(jī)7進(jìn)行選擇。為了使信號(hào)穩(wěn)定，本環(huán)節(jié)設(shè)置容阻濾波電路。
電壓頻率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)6，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖輸出。
通用單片機(jī)7，對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后根據(jù)對(duì)測(cè)量各環(huán)節(jié)的設(shè)置進(jìn)行換算，得到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入值。
本發(fā)明的工作原理如下1、不同規(guī)格的現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)經(jīng)外部接線端子1和信號(hào)調(diào)理模塊2，并行轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的不同量級(jí)電壓信號(hào)，由通道信號(hào)選通環(huán)節(jié)3逐一選通，選通后的信號(hào)經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)源選通環(huán)節(jié)4選通，輸出到信號(hào)放大環(huán)節(jié)5。
2、不同量級(jí)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)可選放大倍數(shù)的信號(hào)放大環(huán)節(jié)5，放大成為同一量級(jí)電壓信號(hào)。電壓頻率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)6對(duì)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行電壓頻率轉(zhuǎn)換，輸出對(duì)應(yīng)頻率的脈沖供通用單片機(jī)7計(jì)數(shù)，進(jìn)而由通用單片機(jī)7推算出現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的數(shù)值。
3、通用單片機(jī)7對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)過(guò)程的初始和結(jié)束階段，脈沖頻率不能如實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的幅值。因此系統(tǒng)采用了兩次捕捉技術(shù)，第一次捕捉發(fā)生在測(cè)量初始階段脈沖頻率穩(wěn)定之后，見(jiàn)圖2的E時(shí)刻；第二次捕捉發(fā)生在測(cè)量結(jié)束階段脈沖頻率漂移之前，見(jiàn)圖2的F時(shí)刻。然后根據(jù)兩次捕捉時(shí)刻之間的脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行推算，剔除了初始和結(jié)束階段信號(hào)的不穩(wěn)定所造成的影響。原理如圖2正采過(guò)程。
4、基準(zhǔn)源信號(hào)選通環(huán)節(jié)4至電壓頻率變換環(huán)節(jié)6之間(M1環(huán)節(jié))，因測(cè)量通道元器件參數(shù)分散性所造成的單向偏差，可定期通過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正技術(shù)予以消除。其原理如下，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和內(nèi)部基準(zhǔn)源信號(hào)產(chǎn)生相似的偏差，而內(nèi)部基準(zhǔn)源信號(hào)是預(yù)知的，據(jù)此可以有效地在線校正現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量值，原理如圖3。
5、外部接線端子1至通道信號(hào)選通環(huán)節(jié)3之間(M2環(huán)節(jié))，因測(cè)量通道元器件參數(shù)分散性所造成的單向偏差，則是通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)出廠時(shí)的外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償技術(shù)來(lái)消除的，消除的過(guò)程也就是對(duì)圖3所示的E和Z修正的過(guò)程。原理如圖4。通過(guò)對(duì)E和Z的修正，可以使線性的ZE和線性的Z-E-最大可能的擬合在一起，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量值。
6、圖1信號(hào)調(diào)理模塊2輸出不同量級(jí)的信號(hào)(mV級(jí)～～V級(jí))，測(cè)量系統(tǒng)采用試采、正采兩步實(shí)施。其基本思想是借鑒音視頻領(lǐng)域的自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)。圖2時(shí)刻A到時(shí)刻B為試采，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的放大倍數(shù)為1，由此獲取現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的實(shí)際量級(jí)；應(yīng)用軟自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)，確定圖1信號(hào)放大環(huán)節(jié)5的最佳放大倍數(shù)，并進(jìn)行圖2時(shí)刻E至?xí)r刻F的正采，達(dá)到不同規(guī)格的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)具有相同的分辨率和精度。
雖然以上已經(jīng)根據(jù)各特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是，本發(fā)明不準(zhǔn)備被約束或限制在這里公開(kāi)的實(shí)施例中。本發(fā)明要覆蓋后附的權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)和修改。
權(quán)利要求
1.一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法，它包括多路現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊并行轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)選通電路的逐一選通，被選通電壓信號(hào)經(jīng)預(yù)定放大系數(shù)的放大電路后，進(jìn)入電壓頻率變換電路轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，單片機(jī)對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的頻率信號(hào)進(jìn)行脈沖記數(shù)，然后根據(jù)記數(shù)結(jié)果推算得到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)值，其特征在于單片機(jī)脈沖記數(shù)過(guò)程中引入兩次捕捉；現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量過(guò)程中引入內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正；系統(tǒng)出廠時(shí)對(duì)外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源信號(hào)的測(cè)量引入外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校正及外零補(bǔ)償；測(cè)量過(guò)程中對(duì)同一現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行兩次連續(xù)測(cè)量引入軟自動(dòng)增益調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法，其特征在于，所說(shuō)的兩次捕捉是在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)軟件或軟硬件結(jié)合的方法進(jìn)行兩次連續(xù)的定時(shí)，對(duì)同一次電壓頻率轉(zhuǎn)化過(guò)程中的脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行兩次處理，剔除測(cè)量通道采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)初始、結(jié)束階段的不穩(wěn)定信號(hào)所產(chǎn)生的脈沖計(jì)數(shù)，取得兩次定時(shí)時(shí)刻之間的穩(wěn)定脈沖計(jì)數(shù)值，進(jìn)行后續(xù)的結(jié)果推算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法，其特征在于，所說(shuō)的內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正，是在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)源電路(9)所提供的多路基準(zhǔn)電壓進(jìn)行測(cè)量，由于基準(zhǔn)電壓的量值是預(yù)知的，就可以根據(jù)基準(zhǔn)電壓測(cè)量結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法，其特征在于，所說(shuō)的外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償，是出廠時(shí)在充分預(yù)熱的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)源(9)所提供的多路基準(zhǔn)電壓的電壓數(shù)值進(jìn)行修正。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法，其特征在于，所說(shuō)的軟自動(dòng)增益調(diào)整是對(duì)同一現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行兩次連續(xù)的測(cè)量。首次測(cè)量確定現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的最佳放大系數(shù)，然后根據(jù)最佳的放大系數(shù)進(jìn)行基于兩次捕捉的第二次測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測(cè)量方法。其方法在于通過(guò)兩次捕捉，剔除電壓頻率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)在采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)初始、結(jié)束階段的不穩(wěn)定信號(hào)，改善同一測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性(同一性)。通過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)源在線校正、外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源離線校準(zhǔn)及外零補(bǔ)償，消除了不同測(cè)量系統(tǒng)由于元件參數(shù)的分散性所引起的測(cè)量結(jié)果的單向偏差。通過(guò)試采結(jié)合正采的軟自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)，自動(dòng)為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)選取最佳放大系數(shù)，使不同幅值的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)均具有良好的分辨率和精度。綜合應(yīng)用兩次捕捉、在線校正、離線校準(zhǔn)、軟自動(dòng)增益調(diào)整技術(shù)，不但使測(cè)量系統(tǒng)的精度得到質(zhì)的提升，而且具備低廉的總體擁有成本。
文檔編號(hào)G01D3/028GK1563898SQ200410017268
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者姬亞鵬, 吳明光, 黃克強(qiáng), 張偉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)