專利名稱：用于中等電壓或高電壓設(shè)備或用于礦山中的具有智能傳感頭且降低能耗的測量系統(tǒng)及其 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明首先涉及用于中等電壓或高電壓設(shè)備或用于礦山中的測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有傳感頭與中央測量設(shè)備之間的信號和能量傳輸(權(quán)利要求1)。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的測量方法(權(quán)利要求12)。
為了測量中等電壓或高電壓切換設(shè)備中的工作電壓，通常應(yīng)用電壓變換器。需要根據(jù)切換設(shè)備的工作電壓來選擇絕緣和繞組變壓比，以使工作電壓降低到100伏以下的一個適合于測量的顯示電壓。按照所提出的任務(wù)(結(jié)算測量，導(dǎo)線和設(shè)備保護(hù)，運(yùn)行測量)應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)類型的單極或雙極絕緣電壓變換器。
電壓變換器在開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域和開關(guān)設(shè)備測量技術(shù)的費(fèi)用中總是占有高的比例。它們有大的體積，并且影響開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)。它們對于過壓是敏感的，而且在設(shè)備制造中是開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。在電壓變換器與保護(hù)繼電器之間或在電壓變換器與測量裝置之間的次級連接線可能受到磁場、地電流、短接電流和干擾場的嚴(yán)重影響，從而測量結(jié)果經(jīng)常有誤。
DE 3727 950 C2公開了一種實(shí)現(xiàn)中等電壓或高壓開關(guān)設(shè)備中電壓測量的裝置，它提供了對在運(yùn)行測量領(lǐng)域應(yīng)用電壓變換器的完全替代。那里所用的光電傳感器使得在測量地點(diǎn)與顯示器之間可實(shí)現(xiàn)電和機(jī)械的去耦，光電傳感器對于干擾場和過壓不敏感，并且具有小的體積和較低的成本。為了實(shí)現(xiàn)相位比較測量形式的電壓測量，特別具有兩個在分壓器支架上與耦合電極相連接的光電傳感器。此外兩個光電傳感器具有鐵電體結(jié)構(gòu)形式，它們通過光波導(dǎo)與設(shè)置在遠(yuǎn)處的發(fā)送—接收裝置相連接，并以反射的方式等時間間隔地被發(fā)送—接收裝置采樣。一個相位比較設(shè)備被連接到這兩個發(fā)送—接收裝置上，其中兩個與這兩個發(fā)送—接收裝置相連接的比較器變換輸入的模擬輸入信號為一個矩形信號。兩個連接到比較器上的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器由矩形信號在兩相的過零點(diǎn)同步產(chǎn)生短脈沖。接著是一個與這兩個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸出端相連接的求和計(jì)數(shù)器，它將等時間間隔輸入的脈沖計(jì)作為一個單獨(dú)的脈沖，相反將時間上交錯的輸入脈沖計(jì)作為特殊脈沖，并且一個用于判定和顯示相位相同、相位相反、相位干擾的誤差和功能性的裝置被連接到求和計(jì)數(shù)器的輸出端。在一個替代實(shí)施方式中，與安裝在耦合電極與地之間的電容并聯(lián)設(shè)置一個二極管和另一個電容組成的串聯(lián)電路，與其并聯(lián)連接一個與電壓有關(guān)的CMOS脈沖發(fā)生器。鐵電體結(jié)構(gòu)形式的光電傳感器通過一個電容連接到脈沖發(fā)生器的輸出端，光電傳感器通過光波導(dǎo)連接于一個帶有測量放大器的光發(fā)送—接收設(shè)備。測量放大器具有一個設(shè)計(jì)為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器或頻率/電壓變換器的單元，它用于將脈沖頻率變換為適合于電壓測量裝置輸入端的值。在如DE 3727 950 C2所述裝置中，信號處理和分析在遠(yuǎn)離測量地點(diǎn)處，即通過中央方式實(shí)現(xiàn)。
DE 382 4000 C2公開了一種用于避免電線桿損壞的監(jiān)測裝置，其中除LWL傳感器外也可應(yīng)用其它的傳感器。特別是在每個電線桿上裝有一個光波導(dǎo)、一個紅外線探測器或一個固體聲麥克風(fēng)作為傳感器，并從它引出光波導(dǎo)線到監(jiān)測設(shè)備。在LWL傳感器的情況下，一個剝?nèi)プo(hù)套的光波導(dǎo)以絞線形式沿著電線桿的棱角桿基座前進(jìn)，并且它在監(jiān)測范圍的上端繞過一個雙芯的、由護(hù)套防護(hù)的LWL導(dǎo)線。此導(dǎo)線沿著電線桿棱角桿一直引到一個中央監(jiān)測設(shè)備，此設(shè)備被安裝在位于電線桿上部三分之一處的電線桿橫梁上的一個金屬盒中。除中央監(jiān)測設(shè)備外，還有對應(yīng)于每個紅外探測器和固體聲麥克風(fēng)的各個監(jiān)測設(shè)備，它作為一個電子模塊構(gòu)造在金屬盒中并被安裝在電線桿的一個棱角桿中的監(jiān)測范圍上端處。從它引出一根單芯LWL導(dǎo)線到中央監(jiān)測設(shè)備。當(dāng)紅外線探測器或固體聲麥克風(fēng)裝在信號設(shè)備中時，在LWL傳感器上只是其導(dǎo)線被引到信號設(shè)備中。在中央設(shè)備中由各個設(shè)備發(fā)送出的光信號被轉(zhuǎn)換并饋送給評估邏輯電路，它與過程控制電路一起工作，通過數(shù)據(jù)無線鏈路將報警消息傳送到監(jiān)測臺。這里用什么信號設(shè)備發(fā)出消息可以是不同的。具有紅外線探測器或固體聲麥克風(fēng)的信號設(shè)備用電池供電，并且具有以下串聯(lián)的構(gòu)件傳感器、放大器、濾波器、評估邏輯電路、發(fā)光二極管和用于插入至中央設(shè)備的LWL導(dǎo)線插頭的插座。其中對于無源的紅外線探測器，用一個高通濾波器來抑制不希望要的溫度輸出，而對于固體聲麥克風(fēng)則用一個有源的帶通濾波器進(jìn)行頻率選擇。在評估邏輯電路中判斷是否出現(xiàn)一個報警狀態(tài)。在DE382 4000 C2所述監(jiān)測裝置中已在測量地點(diǎn)完成了信號預(yù)處理和分析。
DE 198 32707 C2公開了一種用于露天開關(guān)設(shè)備的組合電流和電壓變換器，它具有一個CC-，RR-或RC-分壓器形式的半常規(guī)電壓變換器和一個包圍高壓導(dǎo)體的光波導(dǎo)絞線形式的純光學(xué)電流變換器。此外還具有一個公共的、位于地電位的變換評估裝置，它用于電流變換器和電壓變換器。在分析電壓變換部分和電流變換部分的信號時，測量值可以通過這種方式與各個相位相互對應(yīng)，并且可以進(jìn)行各個相位的相位同步測量。
此外DE 1954 3363 C2公開了一種測量中等電壓或高壓設(shè)備中的電流或電壓的測量變換設(shè)備，它具有至少一個用于收集測量值的電流或電壓傳感器，至少一個用于對測量值編碼的編碼器，至少一個用于發(fā)送的光發(fā)送機(jī)和至少一個用于接收已編碼的測量值的光接收機(jī)，以及具有至少一個用于在接收地點(diǎn)將測量值解碼的解碼器。為了以簡單方式將測量變換設(shè)備安裝到中等電壓或高壓設(shè)備中，且對相應(yīng)的測量要求無需高的開銷，該測量變換設(shè)備由具有標(biāo)準(zhǔn)接口的可相互組合的模塊合成得到。此外存在至少一個具有電流或電壓傳感器的傳感器模塊，至少一個具有編碼器和發(fā)光送機(jī)的發(fā)送模塊和至少一個具有光接收機(jī)和解碼器的接收模塊。傳感器模塊和發(fā)送模塊在它們的尺寸和連接關(guān)系上被相互調(diào)整，并且機(jī)械上結(jié)合成一個高壓構(gòu)件組，它作為一個單元保證了在高壓設(shè)備中的簡單安裝。在一個優(yōu)化設(shè)計(jì)中，用于測量直流或交流電壓的傳感器模塊具有一個最好是頻率補(bǔ)償?shù)碾娮璺謮浩餍问降碾妷簜鞲衅?，其中其低壓?cè)具有一個過壓支路。此發(fā)送模塊可具有一個電壓/頻率變換器作為編碼器，用以產(chǎn)生一個脈沖載波信號，并具有一個帶有至少一個用于將載波信號變換為光脈沖的發(fā)送二極管的光發(fā)送機(jī)。接收模塊相應(yīng)具有一個帶有用于將光脈沖變換為電脈沖載波信號的光敏接收二極管的光接收機(jī)和作為解碼器的一個頻率/電壓變換器。這里發(fā)送模塊和接收模塊通過一個光波導(dǎo)在光學(xué)上相互連接。此外高壓構(gòu)件組具有一個輔助供能單元，用于向發(fā)送模塊供電，其中輔助供能單元通過光波導(dǎo)饋給能量。
此外，DE 100 10913 C1公開了一種用于監(jiān)測一個填充絕緣氣體的、通過隔絕點(diǎn)分成多個導(dǎo)線段的高壓傳輸線的氣體密度的裝置，此傳輸線在隔絕點(diǎn)的區(qū)域中包含用于測量導(dǎo)線段中氣體密度的部件和用于發(fā)送測量結(jié)果的部件，并且包含一個信號處理單元，用于接收和分析測量結(jié)果。特別是，測量部件由一個中央安裝的、包含一個光源的能源通過至少一根設(shè)計(jì)成光波導(dǎo)的能量供應(yīng)導(dǎo)線饋給能量，測量部件包含一個用于將光變換為電能的光/電能量轉(zhuǎn)換器，并且多個測量部件通過一根公共的能量供應(yīng)導(dǎo)線與光源串聯(lián)連接。能量供應(yīng)導(dǎo)線和信號傳輸線也可組合成一個簡單的光波導(dǎo)形式。測量部件主要由一個能量準(zhǔn)備單元、一個計(jì)算單元和一個傳感器單元組成。能量準(zhǔn)備單元由一個包含一個光源的能量源通過設(shè)計(jì)成光波導(dǎo)的能量供應(yīng)導(dǎo)線和一個光/電能量轉(zhuǎn)換器供應(yīng)能量。按照監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)，光源包含一個或多個激光二極管模塊，每個模塊最大500毫瓦功率。此外能量準(zhǔn)備單元包含一個電容器，例如一個低泄漏電流的ELKO或由鉭電容器或陶瓷電容器構(gòu)成的陣列，它存貯能量源所給出的能量，并在需要時提供給計(jì)算單元。主要由微處理器構(gòu)成的計(jì)算單元用于控制傳感器單元，收集和處理由傳感器單元測得的值，并經(jīng)過一個發(fā)光二極管、一個設(shè)計(jì)成光波導(dǎo)的信號傳輸線和一個光傳感器將已處理的測量值傳送到信號處理單元。在相應(yīng)的監(jiān)測一個填充絕緣氣體的高壓傳輸線的氣體密度的方法中，在等待狀態(tài)下測量部件由能量源以恒定功率供應(yīng)能量，接著氣體密度被測量部件測量，測量值被傳送到信號處理單元，接著測量部件回到等待狀態(tài)，直至下一次測量。
最后，DE 695 20371 T2公開了一種光纖接口系統(tǒng)，其中應(yīng)用以下控制饋給激光光源的電流盡可能地低，使得同時也為遠(yuǎn)距離的接口和過程變量發(fā)送機(jī)提供足夠的能量。特別是，設(shè)置有第一個本地安裝的微控制器裝置，它用于調(diào)節(jié)在第一輸出端子上光能的供應(yīng)，并用于接收微控制器裝置的第一輸入端子上經(jīng)過數(shù)字編碼的、遠(yuǎn)距離地點(diǎn)的光傳輸信息。一個模擬發(fā)送裝置電氣上連接到第一個本地安裝的微控制器裝置上，并被如此設(shè)計(jì)使得模擬信息或數(shù)字信息或者模擬和數(shù)字信息兩者同時都可選擇地被傳送給一個本地控制系統(tǒng)。第二個微控制器裝置安裝在遠(yuǎn)距離地點(diǎn)處，即遠(yuǎn)離第一個微控制器裝置，并且用于接收模擬和/或數(shù)字信號，這些信號代表過程變量—如壓力、溫度、流量、運(yùn)動、密度或其它參量的狀態(tài)，它們被一個遠(yuǎn)距離過程變量發(fā)送機(jī)收集，第二微控制器裝置還用于給出光編碼的狀態(tài)信息到第二輸出端子。一個能量供應(yīng)裝置連接到第二微控制器裝置和遠(yuǎn)距離過程變量發(fā)送機(jī)，此能量供應(yīng)裝置給它們供電。能量供應(yīng)裝置具有一個光電能量轉(zhuǎn)換器，它與第二輸入端子連接。在本地安裝的設(shè)備的第一輸出端子和遠(yuǎn)距離安裝的光電能量轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間至少連接一根光纖。同一光纖或第二根光纖連接在遠(yuǎn)距離安裝的微控制器裝置的第二輸出端子和第一個本地安裝的微控制器裝置的第一輸入端子之間。此外，最初一個包括第一個微控制器裝置的裝置以明顯低的值饋送光能給第一輸出端子。第二微控制器裝置對通過第一光纖接收到的明顯低的光能量值作出反應(yīng)，并經(jīng)光纖連接發(fā)送一個提升命令到第一本地安裝的微控制器裝置，這樣當(dāng)?shù)谝还饫w正常地連接在相應(yīng)的輸出端子和輸入端子之間時，第一光纖才在明顯低的值之上增加光能量的傳送。此外在本地存在一個光源—能量供應(yīng)裝置，它給光源—如氣體激光器、激光二極管或LED—供應(yīng)電能，其中光源包含一個用于對提供給第一輸出端子的光能量強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的裝置。第一個微控制器裝置也包括用于控制光源能量供應(yīng)裝置和光源調(diào)制裝置的第一微處理器。第一微處理器接收來自遠(yuǎn)距離的第二微控制器裝置的能量狀態(tài)信息，從而從本地提供給遠(yuǎn)距離地點(diǎn)的光能量(即激光電流)的調(diào)節(jié)，尤其是PI調(diào)節(jié)(比例—積分—調(diào)節(jié))在“似穩(wěn)工作狀態(tài)”下通過以規(guī)律的時間間隔檢驗(yàn)激光電壓來完成(狀態(tài)消息消息由六個8比特字節(jié)構(gòu)成)。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)已公開了各種結(jié)構(gòu)的測量系統(tǒng)，它們大多數(shù)包括一個中央信號處理單元和多個電測量部件，并且其中由測量部件提供的測量值以光學(xué)方式通過光波導(dǎo)傳輸。然而由于這種測量系統(tǒng)要求有高的工作可靠性，例如在監(jiān)測高壓功率開關(guān)時，希望實(shí)現(xiàn)可靠的測量值收集和安全的光纖數(shù)據(jù)傳輸。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)持續(xù)控制用于遠(yuǎn)距離供給測量部件能量的激光二極管將導(dǎo)致激光二極管壽命的縮短。而且，由于來自高壓設(shè)備的電磁作用，特別是由于高電壓下的開關(guān)過程，在光信號傳輸中干擾信號可能通過測量信號(測量電流或測量電壓)的節(jié)拍偏移而形成干擾。DE 695 20371 T2所述的光纖接口系統(tǒng)以其“似穩(wěn)工作”供應(yīng)激光源電流，可靠性低。所以實(shí)際上還沒有一種光纖測量系統(tǒng)能夠既具有低的功耗，又能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的光數(shù)據(jù)傳輸。特別有意義的是，因?yàn)橹械入妷夯蚋邏涸O(shè)備制造工業(yè)被認(rèn)為是非常先進(jìn)、發(fā)展迅速的工業(yè)，這些設(shè)備能夠很快地被優(yōu)化和簡化，并在實(shí)際中應(yīng)用。
相對于已公開的測量系統(tǒng)，本發(fā)明的目的在于提供一種測量系統(tǒng)，它具有低的能耗，并可以實(shí)現(xiàn)可靠的光數(shù)據(jù)傳輸。
從用于中等電壓或高電壓設(shè)備或用在礦山中的測量系統(tǒng)出發(fā)，其具有在至少一個傳感器元件的傳感頭與一個中央測量設(shè)備之間的光信號傳輸和能量傳輸，上述任務(wù)的解決方案如下·在中央測量設(shè)備中設(shè)置一個受微處理器控制的光發(fā)送機(jī)，它用于數(shù)據(jù)通信和傳感頭的能量供應(yīng)，它給出由不同分量迭加的光到第一光波導(dǎo)，·在傳感頭中設(shè)置一個連接于第一光波導(dǎo)的光接收機(jī)和一個微處理器，其中微處理器在被光接收機(jī)激活后用于控制傳感器元件和來自傳感器元件的測量值的收集和處理，并且控制一個數(shù)據(jù)通信，此數(shù)據(jù)通信用于通過一個光發(fā)送機(jī)、第二光波導(dǎo)和一個安裝在中央測量設(shè)備中的光接收機(jī)將經(jīng)過處理的測量值傳送到中央測量設(shè)備，這樣，兩個微處理器通過雙向數(shù)據(jù)通信將傳輸、測量和監(jiān)測任務(wù)作為分開的控制任務(wù)來完成，其中一個幀同步信號既用于能量供應(yīng)又用于導(dǎo)出一個用于面向數(shù)據(jù)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)拍信號，并且/或者實(shí)現(xiàn)一個用于在中央測量設(shè)備與傳感頭之間進(jìn)行參量化和/或程序化的數(shù)據(jù)通信，以及在傳感頭對測量值進(jìn)行處理，尤其是測量值校正和/或測量范圍轉(zhuǎn)換和/或?yàn)V波器特性的重新編程和/或傳感頭中的自動均衡。
根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)通過分開的控制，測量變換系統(tǒng)中的故障能夠立即被發(fā)現(xiàn)，并且可以避免不希望出現(xiàn)的后果，例如故障告警或關(guān)斷中等電壓或高壓設(shè)備或關(guān)斷監(jiān)測設(shè)備等。此外測量可以高分辨率(例如從現(xiàn)在的12比特提高到16比特)進(jìn)行，并且可以進(jìn)行測量范圍轉(zhuǎn)換，在傳感頭中可以進(jìn)行有關(guān)偏置、增益、溫度或使用壽命(老化)的測量值校正。自動均衡不僅可在制造過程中進(jìn)行(通過優(yōu)化的檢驗(yàn)和制造工藝)，而且也可在運(yùn)行中進(jìn)行。此外在根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)組合的能量—數(shù)據(jù)傳輸控制，并且由于為此所需的整個功耗很低和采用了動態(tài)的工作方式，與現(xiàn)有技術(shù)相比大大提高了光發(fā)送機(jī)(激光二極管)的壽命。
此外，如權(quán)利要求12所述，上述任務(wù)由通過在中央測量設(shè)備與具有至少一個傳感器元件的傳感頭之間的光信號傳輸和能量傳輸來測量中等電壓或高壓設(shè)備中和礦山中的電流或電壓的方法完成，其中設(shè)置在測量設(shè)備中和傳感頭中的微處理器通過雙向數(shù)據(jù)通信將傳輸、測量和監(jiān)測任務(wù)作為分開的控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)，其中設(shè)置在測量設(shè)備中的微處理器以動態(tài)工作方式按照幀同步信號來控制能量傳輸，其中為了預(yù)處理測量值和/或?yàn)榱藗鞲蓄^中的自動均衡，測量氣象箱中的參考電壓并存儲在至少一個微處理器中，并且其中設(shè)置在傳感頭中的微處理器完成均衡過程和誤差計(jì)算，并且控制無直流電壓和校正了錯誤的數(shù)據(jù)傳輸。
根據(jù)本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)可以通過意想不到的簡單方式和方法實(shí)現(xiàn)低能耗和可靠的光數(shù)據(jù)傳輸，并且通過雙向數(shù)據(jù)根據(jù)按照工作狀態(tài)在作為分開的控制器的兩個微處理器之間傳送參數(shù)或數(shù)據(jù)，并且根據(jù)其數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量并在合適的發(fā)生時間監(jiān)測數(shù)據(jù)/消息。
如權(quán)利要求2所述，在本發(fā)明的一個具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式中，在傳感頭中設(shè)置了一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它與微處理器相連接，并且微處理器校正通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所饋入的數(shù)字測量值，和/或用系統(tǒng)信息補(bǔ)充數(shù)據(jù)，將所得到的數(shù)據(jù)分段，用分組碼進(jìn)行編碼并給數(shù)據(jù)增補(bǔ)用于分段的信息，使得無直流電壓和校正了錯誤的數(shù)據(jù)傳輸是可能的。
本發(fā)明的上述這種實(shí)施方式具有以下優(yōu)點(diǎn)可靠地避免了數(shù)據(jù)傳輸中放大器的過載(由于無直流電壓)，并且通過在發(fā)送機(jī)中加入冗余和在接收機(jī)中進(jìn)行錯誤校正可建立起可靠的數(shù)據(jù)傳輸(由于錯誤可校正)。
如權(quán)利要求3所述，在本發(fā)明的改進(jìn)方案中，傳感頭具有一個多路復(fù)用器，它的輸入端分別連接到傳感器元件上，其中測量信道切換借助于微處理器完成。
本發(fā)明的上述這種改進(jìn)方案的優(yōu)點(diǎn)是，可以將其他測量信號送到微處理器，從而例如可在傳感頭中進(jìn)行均衡或者實(shí)現(xiàn)相位比較測量(多個傳感頭)。
如權(quán)利要求4所述，在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中，一個用于獲取測量值的阻抗變換器連接在多路復(fù)用器的輸出端，并且在阻抗變換器的輸出端和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端之間設(shè)置一個差分放大器，它與微處理器相連接，用于測量范圍轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的上述這種實(shí)施方式具有以下優(yōu)點(diǎn)；阻抗變換器產(chǎn)生一個高阻抗的輸入端，并且差分放大器可以適配于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)范圍。此外測量范圍轉(zhuǎn)換允許本發(fā)明所述的測量系統(tǒng)可用于多個測量范圍(到目前為止對每個范圍需要一個單獨(dú)的測量系統(tǒng))。
如權(quán)利要求5所述，具有優(yōu)點(diǎn)的是用于直流或交流電壓測量的傳感器元件具有一個歐姆電阻分壓器，和/或用于電流測量的傳感器元件具有一個電感式的電流變換器，它后接一個用于瞬態(tài)脈沖和高壓脈沖濾波的濾波器和一個與其串聯(lián)的保護(hù)元件。
濾波器和保護(hù)元件的結(jié)合不僅可靠地避免了由瞬態(tài)脈沖和高壓脈沖導(dǎo)致的測量誤差，而且也避免了對測量系統(tǒng)的損傷/毀壞。
如權(quán)利要求6所述，在本發(fā)明改進(jìn)方案中，在傳感頭中設(shè)置一個溫度傳感器，它連接到多路復(fù)用器的一個輸入端。此外如權(quán)利要求7所述，傳感頭還具有一個參考電壓源，并且可通過多路復(fù)用器的一個輸入端或模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個控制輸入端饋入的相應(yīng)與溫度有關(guān)的參考電壓值由微處理器控制，以實(shí)現(xiàn)均衡。
本發(fā)明的這種改進(jìn)方案的優(yōu)點(diǎn)是，以意想不到的簡單方式和方法實(shí)現(xiàn)了諸如溫度和老化的均衡，即排除了參考電壓的溫度特性影響和諸如放大器等元件的溫度特性和老化的影響。
按照權(quán)利要求8，具有優(yōu)點(diǎn)的是在傳感頭中設(shè)置一個與光接收機(jī)相連接的濾波器，在其輸出端可獲得幀同步信號和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)信號并送給微處理器。
此濾波器可以濾出感興趣的信號(幀同步/數(shù)據(jù))及排除高頻干擾信號，并且?guī)揭院唵蔚姆绞胶头椒▽?shí)現(xiàn)了發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的同步。
如權(quán)利要求9所述，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方式中，在傳感頭中設(shè)置一個與光接收機(jī)相連接的電壓變換器，它用于傳感頭中的供電，并且微處理器監(jiān)測在電壓變換器的貯能器上可獲得的電壓。
在根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)中，能量供應(yīng)在光路上完成，這樣可通過簡單的方式和方法實(shí)現(xiàn)電位隔離。通過監(jiān)測電壓只有必要的能量被傳輸，從而光發(fā)送機(jī)/激光二極管得到更長的使用壽命。光脈沖的產(chǎn)生最好用脈寬調(diào)制(代替幅度調(diào)制)方法完成，這樣可以優(yōu)化能耗。此外僅當(dāng)必要的電壓已達(dá)到時才進(jìn)行規(guī)定的運(yùn)行/結(jié)束動作(尤其是通信)。
如權(quán)利要求10所述，具有優(yōu)點(diǎn)的是在每個光發(fā)送機(jī)前面設(shè)置一個放大器，并且另一個放大器被設(shè)置在中央測量設(shè)備中光接收機(jī)后面。
放大器的應(yīng)用可同時實(shí)現(xiàn)節(jié)能工作方式和光發(fā)送機(jī)/激光二極管完美的工作，同時對它們只產(chǎn)生必要的電流。
最后，如權(quán)利要求11所述，中央測量設(shè)備具有至少一個接口電路，并且在中央測量設(shè)備中設(shè)置一個與微處理器相連接的數(shù)字信號處理器，它可通過接口電路從外部進(jìn)行配置和讀取。
這樣，數(shù)字信號處理器以簡單的方式和方法不僅可從外部讀取，而且也可從外部配置/編程，例如可設(shè)置其它的計(jì)算。
下面借助


本發(fā)明具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式，由此說明可看到本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。附圖中圖1是整個測量系統(tǒng)的方框圖，圖2是本發(fā)明所述傳感頭的一種實(shí)施方式的方框圖，圖3a是一個發(fā)送報文的結(jié)構(gòu)，圖3b，3c示出在兩個不同的節(jié)拍頻率下的數(shù)據(jù)傳輸，以及圖3d示出對傳感頭的能量傳輸?shù)臅r間過程，圖4示出參考電壓VRef的溫度特性示例，圖5示出具有均衡拋物線的特性曲線示例，圖6a和6b示出傳感頭中微處理器的控制時序，圖7是本發(fā)明所述傳感頭的第二個實(shí)施方式的方框圖，圖8示出在(n)之后內(nèi)插測量值(n-2)和(n-1)的處理順序，以及圖9示出求出校正因子的處理順序。
圖1所示整個測量系統(tǒng)的方框圖最好用于在中等電壓或高壓設(shè)備中的電壓測量和/或電流測量；此外它也可用在礦山中。
為了在具有至少一個傳感器元件S1的傳感頭SK與中央測量設(shè)備MG之間進(jìn)行最佳的信號傳輸和能量傳輸，在中央測量設(shè)備中設(shè)置有一個受微處理器MP1控制的光發(fā)送機(jī)LS1(例如波長在800nm和950nm之間的發(fā)送激光器)，為了數(shù)據(jù)通信和給傳感頭SK供應(yīng)能量，光發(fā)送機(jī)最好給出一個交流分量與直流分量相迭加的光到第一光波導(dǎo)LW1。
本發(fā)明所述傳感頭的第一個實(shí)施方式的方框圖顯示在圖2中，其中在傳感頭SK中設(shè)置有一個與第一光波導(dǎo)LW1相連接的光接收機(jī)LE2和一個微處理器MP2。按照本發(fā)明，微處理器MP2在被光接收機(jī)LE2激活后用于控制傳感器元件S1，收集和處理由傳感器元件S1所測量的值，以及將已處理的測量值傳送到中央測量設(shè)備MG。為此微處理器MP2控制一個設(shè)置在傳感頭SK中的光發(fā)送機(jī)LS2，其中數(shù)據(jù)通信通過連接到中央測量設(shè)備MG中的光接收機(jī)LE1的第二光波導(dǎo)LW2實(shí)現(xiàn)。
兩個微處理器MP1，MP2通過雙向數(shù)據(jù)通信將傳輸、測量和監(jiān)測任務(wù)作為分開的控制任務(wù)完成。此外，按照本發(fā)明，在傳感頭SK中完成測量值的預(yù)處理，尤其是測量值校正和/或測量范圍轉(zhuǎn)換和/或?yàn)V波器特性的重新編程和/或自動均衡；如下面將詳細(xì)說明的那樣。
按照本發(fā)明，在中央測量設(shè)備MG與傳感頭SK之間傳送一個幀同步信號，它不僅用于能量供應(yīng)，而且也用于面向數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)傳輸所需節(jié)拍信號的導(dǎo)出(見圖3d)。這里傳感頭SK從光發(fā)送機(jī)LS1經(jīng)第一光波導(dǎo)LW1借助于時間上離散的激光脈沖(它與激光脈沖寬度一起構(gòu)成對供應(yīng)電壓的衡量尺度)獲得供應(yīng)電壓。圖3d示出激光脈沖LI和間隔P，其中激光脈沖LI的最大寬度用點(diǎn)線示出。在激光脈沖LI之后中央測量設(shè)備MG有選擇性地發(fā)送一個單字節(jié)長的數(shù)據(jù)(加上起始比特和結(jié)束比特ST，SB，見圖3a)。這里可以例如發(fā)送以下參數(shù)要調(diào)整的測量范圍，濾波器調(diào)整，參考測量間的間隔。數(shù)據(jù)傳輸用在參數(shù)交換中協(xié)商的方法實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)據(jù)可靠性最好能夠通過奇偶校驗(yàn)比特和校驗(yàn)和來實(shí)現(xiàn)。在每次識別出幀同步脈沖時啟動微處理器MP2中的一個定時器。如果定時器運(yùn)行得比一個可預(yù)設(shè)的時間間隔更長，說明構(gòu)件組的供電有錯誤。該情況通過報文通知給中央測量設(shè)備MG，傳感器SK進(jìn)入休眠狀態(tài)并等待激光發(fā)送機(jī)LS1(激光二極管)的下一信號。激光脈沖LI的節(jié)拍控制著測量數(shù)據(jù)從傳感頭SK到中央測量設(shè)備MG的傳輸時刻。每次請求發(fā)送數(shù)據(jù)到中央測量設(shè)備MG通過一個激光脈沖L1的開始被識別。微控制器MP1這里對于2點(diǎn)規(guī)則收到有關(guān)其工作電壓產(chǎn)生的兩條信息。當(dāng)激光脈沖LI給出很高的電壓(上限值)或收到很低的電壓(下限值)時，兩個電壓比較器發(fā)出信號，使得激光脈沖LI在規(guī)定時間間隔內(nèi)步進(jìn)地變化(遞減，即以分步方式或無級地減小能量的供應(yīng)；或者遞增，即以分步方式或無級地增加能量的供應(yīng))(動態(tài)工作)。發(fā)送報文中的一個比特對于這種電壓信息就足夠了，此信息從傳感頭SK傳送給中央測量設(shè)備MG(增大或減小)。最好也可以對一個規(guī)定的門限值，例如對下限值進(jìn)行簡單的門限值控制。因?yàn)閭鞲蓄^SK有很大的溫度波動，在此動態(tài)工作中也應(yīng)考慮測量溫度、參考電壓和偏置電壓(對地測量)的影響(見下面的說明)。
在傳感頭SK中設(shè)置有一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，它連接于微處理器MP2。在正常工作時微處理器MP1串行地從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC讀入數(shù)字化的測量值MW(見圖3a)，進(jìn)行錯誤校正和編碼，并串行地將經(jīng)過校正和編碼的數(shù)據(jù)經(jīng)由第二光波導(dǎo)LW2發(fā)送到中央測量設(shè)備MG。傳感頭SK具有一個多路復(fù)用器MUX，它的輸入端分別連接到傳感器元件S1(圖2，圖7)，其中測量信道切換KU借助于微處理器MP2實(shí)現(xiàn)。在多路復(fù)用器MUX的輸出端連接一個用于獲取測量值的阻抗變換器IW，并且在阻抗變換器IW的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸入端之間設(shè)置一個增益可調(diào)的差分放大器DV，它用于測量范圍轉(zhuǎn)換，并受微處理器MP2控制或者在增益可調(diào)情況下進(jìn)行切換。此外傳感頭SK具有一個參考電壓源REF。微處理器MP2通過測量參考電壓進(jìn)行校正(例如三點(diǎn)校正)。通過校正，根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)消除了增益誤差和偏置誤差(只要非線性小得可以忽略)，其中相應(yīng)的與溫度有關(guān)的參考電壓值通過多路復(fù)用器MUX的一個輸入端或通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的一個控制輸入端輸入。此外在傳感頭中還設(shè)置了一個與光接收機(jī)LE2相連接的濾波器FI，在其輸出端上可獲得幀同步信號和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)信號，并且這些信號被送到微處理器MP2。這樣在每次數(shù)據(jù)傳輸開始處的幀同步信號(即激光脈沖)的上升沿可被(比較器)識別。此外，在傳感器SK中設(shè)置有一個與光接收機(jī)LE2相連接的電壓變換器SPW，它用于在傳感頭SK(包括放大器V2)中供電，并且微處理器MP2監(jiān)測電壓變換器PW的貯能器上所提取的電壓。
在圖2或圖7所示實(shí)施例中，傳感器元件S1為了進(jìn)行直流或交流電壓測量具有一個歐姆電阻分壓器，并且/或者為了進(jìn)行電流測量而具有一個電感式電流變換器，它后接一個用以進(jìn)行瞬態(tài)和高壓脈沖濾波的濾波器F1和串接其上的一個保護(hù)元件SCH(過壓保護(hù))。在用一個測量支路進(jìn)行的測量中，為了減小熱噪聲電壓，在四個位置上測量測量支路上的電壓，其中測量導(dǎo)線分開且相互絕緣地連接到一個接線板上。接線板和四個內(nèi)屏蔽及外屏蔽在接線板上跨接。屏蔽的電位用作傳感頭SK中的參考電位，并且可能有多個傳感頭SK(見圖7)并聯(lián)，用于測量一個測量支路。
此外在傳感頭SK中設(shè)置有一個溫度傳感器TS，它連接在多路復(fù)用器MUX的一個輸入端上，微處理器MP2由溫度和例如由于流過支路的電流產(chǎn)生的溫度升高計(jì)算出一個校正值。借助于這個校正值和一個支路校正值(見系統(tǒng)信息SI)，由溫度變化而引起的誤差得到了補(bǔ)償。
為了無直流和可靠地進(jìn)行傳輸，根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)在被發(fā)送前被編碼。圖3a示出發(fā)送報文的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC饋入的16比特寬的數(shù)據(jù)字MW被微處理器MP2分段，例如每段4個比特，并且這些字用一個存儲在微處理器MP2或一個存儲器(圖中未示出)中的編碼表編碼為7比特寬的碼字(具有用于分段的信息)。除了這四個字之外，最好還發(fā)送一個含有系統(tǒng)信息SI的字(電壓控制，溫度等)。
所期待得到的數(shù)據(jù)量在此實(shí)施例中表現(xiàn)為每幀所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。對于圖3a所示例子，16比特寬的被變換值在編碼后必須傳輸45比特(包括起始比特ST和終止比特SB)，它對應(yīng)一個數(shù)據(jù)塊。按照所需要的抽樣頻率，必須在一幀中傳送不同數(shù)量的數(shù)據(jù)塊。因?yàn)閿?shù)據(jù)塊的數(shù)目必須是整數(shù)n，不是任意的采樣頻率都可被設(shè)置。下面給出不同采樣頻率下傳輸速率的一些例子
幀時間長度118μs采樣頻率＝17.86kHz；傳輸速率＝45Bit×17.86kHz＝803.7kBit/s幀時間長度156μs采樣頻率＝12.82kHz；傳輸速率＝45Bit×12.82kHz＝576.9kBit/s幀時間長度118μs采樣頻率＝59.3kHz；傳輸速率＝45Bit×59.3kHz＝2.67MBit/s幀時間長度156μs采樣頻率＝57.7kHz；傳輸速率＝45Bit×57.7kHz＝2.6MBit/s在圖3b和圖3c中示出兩個不同采樣頻率情況下的幀結(jié)構(gòu)，圖3b中采樣頻率為60kHz，圖3c中采樣頻率為10kHz。
為了提高測量精度，根據(jù)本發(fā)明對數(shù)字化的測量值MW(例如電壓值)進(jìn)行誤差校正。為此所需的校正因子通過一個周期性的均衡過程由傳感頭SK中的微處理器MP2求出，并在下一次均衡之前用于進(jìn)行校正。由于在讀入均衡值時沒有實(shí)際的測量值MW可被讀入和處理，根據(jù)本發(fā)明，一個內(nèi)插值取代常規(guī)的值而被編碼和傳輸。圖8示出在(n)之后測量值(n-2)和(n-1)的內(nèi)插處理時序，圖9示出求校正因子的處理時序；其中與常規(guī)工作的區(qū)別用“或”來突出表示。(n-1)之后測量值(n-2)和(n)的內(nèi)插以類似方法實(shí)現(xiàn)(未在圖中示出)。通過存儲兩個測量值(n-2)和(n)(均衡過程(n-1)位于它們之間)，可以進(jìn)行測量值(n-1)的內(nèi)插。兩次求取均衡值之間的時間間隔最好在分鐘的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明所述測量方法中，氣象箱中的參考電壓被外部一個精密的測量儀器測量。例如在溫度-40℃，0℃和+85℃時測得的值被存儲在微處理器MP2中，此例被示于圖4中。由測量值得到用于誤差校正的一根拋物線。利用拋物線方程可以對參考電壓求出每個溫度下的值。按照本發(fā)明借助拋物線方程形成如下的中間值表Δθ＝+85℃-(-40℃)＝125℃1個電壓值/℃＝125個電壓值(16比特寬)存儲器需求16Bit×125＝2000Bit＝250字節(jié)在均衡過程中例如兩個電壓(+VRef，-VRef)和GND(地)相繼被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。此外構(gòu)件組/傳感頭SK的實(shí)際溫度借助于溫度傳感器TS獲得。用這些參數(shù)可以像下面所述那樣進(jìn)行誤差校正。
參考電壓值可借助實(shí)際溫度由數(shù)值表求出。利用參考電壓(與溫度有關(guān))的實(shí)際值、參考電壓的測量值(正、負(fù))和GND偏置計(jì)算均衡拋物線I y1＝ax12+bx1+c其中y1＝實(shí)際值VRef(正)；x1＝測量值VRefII y2＝ax22+bx2+c其中y2＝實(shí)際值VRef(負(fù))；x2＝測量值VRefIII y3＝ax32+bx3+c其中y3＝實(shí)際值GND(＝0伏)；x3＝測量值GND接著求解具有三個未知數(shù)的方程組，以確定均衡拋物線，求出校正因子(a，b，c)并應(yīng)用它直到下一次均衡。
校正計(jì)算式v輸入＝av測量2+bv測量+c這說明為校正一個測量值需要進(jìn)行兩次乘法和兩次加法。
在拋物線上的一個點(diǎn)處應(yīng)用均衡直線可以減少校正過程中所需乘法和加法的次數(shù)。這樣，校正因子可用較少的計(jì)算開銷而求得，這時例如由測量支路得到的測量值的溫度校正計(jì)算借助于存儲在微處理器MP2中的多項(xiàng)式和支路溫度(通過傳感頭中測得的溫度)進(jìn)行(在誤差校正中不考慮測量支路的老化)。參考測量之間的時間間隔由微處理器MP1在參數(shù)化的同時告知傳感頭SK中的微處理器MP2，并且在參數(shù)測量時沒有測量值被獲得并且傳輸前一個測量值。為保證在各次測量之間有較小的抖動(幾百個納秒)，測量值直接用幀同步信號獲取。
圖6a示出一個設(shè)置于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與微處理器MP2之間的接口電路(串行外設(shè)接口，SPI接口)。此SPI接口基于一個8比特的移位寄存器。節(jié)拍脈沖(SCK)由微處理器MP2提供。當(dāng)數(shù)據(jù)被發(fā)送時才由微處理器MP2產(chǎn)生節(jié)拍脈沖。在傳輸之間SCK處于休眠方式。發(fā)送和接收同時進(jìn)行。在微處理器MP2發(fā)送其數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC接收到。因此，即使在什么也沒有接收到時，也總是發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖6a中所示的數(shù)據(jù)交換表明SDO上的數(shù)據(jù)在下降沿被發(fā)送，SDI上的數(shù)據(jù)在上升沿被接收。SCK的休眠電平為高電平。
模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與微處理器MP2之間的共同作用說明如下。MP2必須持續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)，為此生成一個用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的節(jié)拍脈沖。這些數(shù)據(jù)是不含信息內(nèi)容的空數(shù)據(jù)，并且發(fā)送和接收同時進(jìn)行。對于一個變換周期總共必須發(fā)送24個比特，即3個字節(jié)。在完成第一個字節(jié)的傳輸之后進(jìn)行一次中斷，在中斷服務(wù)程序中必須讀取接收緩存器的內(nèi)容并將一個新的字節(jié)寫入到發(fā)送緩存器中。在此期間內(nèi)接口電路SPI不提供節(jié)拍脈沖到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，從而模/數(shù)轉(zhuǎn)換器也不工作。這樣不會丟失數(shù)據(jù)。在處理完中斷服務(wù)程序后又發(fā)送一個字節(jié)到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，并且同時接收一個字節(jié)。通過微處理器MP2進(jìn)行控制的時間流程示于圖6a和6b。
整個變換周期需要24個節(jié)拍脈沖，并且用于處理中斷服務(wù)程序的時間必須雙倍被相加上。中斷服務(wù)程序的任務(wù)是—讀接收緩存器—寫發(fā)送緩存器當(dāng)發(fā)送緩存器被寫入或者從接收緩存器中讀取時中斷被取消。
模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的控制也可通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC上的MOSI腳(主出，從進(jìn))的連接實(shí)現(xiàn)。通過發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)可以激活或關(guān)閉模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。通過采用多路復(fù)用器MUX提供了以下可能性將參考電壓施加到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC上。這些電壓使得微處理器MP2能夠校正模擬路徑上存在的增益誤差。校正計(jì)算可以關(guān)斷，以得到測試工作中純粹由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC得到測量數(shù)據(jù)。
本發(fā)明所述測量系統(tǒng)的消耗功率在大量試驗(yàn)中求得如下
電壓參考REF和多路復(fù)用器MUX的消耗功率可以忽略不計(jì)。
圖7示出一個具有多個傳感頭的第二個實(shí)施方式，其中采用了相同的附圖標(biāo)記。
根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于要求光信號傳輸和能量傳輸、并必須保證非常有效和可靠的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡胤?，例如礦山中、中等電壓或高壓設(shè)備中、或者在工業(yè)電子設(shè)備中，尤其是自動化工程的工業(yè)電子設(shè)備中。按照本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了一種基于幀同步信號和脈寬調(diào)制與兩點(diǎn)調(diào)節(jié)或簡單的門限值控制(微調(diào))相結(jié)合的動態(tài)工作，自身帶有誤差的測量值MW借助于在傳感頭SK中測得的環(huán)境溫度、測得的參考電壓和測得的傳感頭SK中的偏置電壓而被校正，并且根據(jù)工作狀態(tài)在兩個微處理器MP1，MP2之間通過雙向數(shù)據(jù)通信作為分開的控制來傳輸參數(shù)和數(shù)據(jù)，以及監(jiān)測有關(guān)其數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的數(shù)據(jù)/消息和到達(dá)時間是否正確。
在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)例如可以應(yīng)用于控制系統(tǒng)的實(shí)時組網(wǎng)(也可用于通過以太網(wǎng)或電力線的實(shí)時控制)，其中部件(例如傳動裝置，快速E/As，傳感器，執(zhí)行單元，觀測系統(tǒng))相互間的可同步性和數(shù)據(jù)按照傳動裝置的規(guī)則節(jié)拍被處理是前提條件；溫度TS通過接口電路SPI連接到微處理器MP2上并且循環(huán)地被微處理器查詢；也可利用一個可編程邏輯電路代替微處理器進(jìn)行測量值預(yù)處理；通過數(shù)字信號處理器DSP饋送到微處理器MP1的傳感器信號可以由外部傳感器S1饋送等。
權(quán)利要求
1.用于中等電壓或高壓設(shè)備或用于礦山中的測量系統(tǒng)，它在一個中央測量設(shè)備(MG)和一個具有至少一個傳感器元件(S1)的傳感頭(SK)之間進(jìn)行光信號傳輸和能量傳輸，其中，·在中央測量設(shè)備(MG)中設(shè)置有一個受微處理器(MP1)控制的光發(fā)送機(jī)(LS1)，該光發(fā)送機(jī)將由不同分量迭加的光給出到第一個光波導(dǎo)(LW1)上，用于數(shù)據(jù)通信，并用于傳感頭(SK)的能量供應(yīng)，·在傳感頭(SK)中設(shè)置有一個連接于第一光波導(dǎo)(LW1)上的光接收機(jī)(LE2)和一個微處理器(MP2)，其中微處理器(MP2)在被光接收機(jī)(LE2)激活后用于控制傳感器元件(S1)、收集和處理傳感器元件(S1)所測得的值；并且如此控制用于通過光發(fā)送機(jī)(LS2)、第二光波導(dǎo)(LW2)和設(shè)置在中央測量設(shè)備(MG)中的光接收機(jī)(LE1)將已經(jīng)過處理測量值傳送到中央測量設(shè)備(MG)的數(shù)據(jù)通信，使得兩個微處理器(MP1，MP2)通過雙向數(shù)據(jù)通信將傳輸、測量和監(jiān)測任務(wù)作為分開的控制來實(shí)現(xiàn)，其中一個幀同步信號不僅用于能量供應(yīng)，也用于導(dǎo)出面向數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)傳輸所需的節(jié)拍信號，并且一個用于參數(shù)化和/或編程的數(shù)據(jù)通信在中央測量設(shè)備(MG)和傳感頭(SK)之間進(jìn)行，以及在傳感頭(SK)中進(jìn)行測量值的預(yù)處理，尤其是測量值校正和/或測量范圍轉(zhuǎn)換和/或?yàn)V波器特性的重新編程和/或自動均衡在傳感頭(SK)中實(shí)現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，在傳感頭(SK)中設(shè)置有一個與微處理器(MP2)相連接的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，并且微處理器(MP2)校正通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)送來的數(shù)字測量值(MW)，和/或用系統(tǒng)信息(SI)補(bǔ)充數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)被分段，借助于分組碼進(jìn)行編碼，并且供給用于分段的信息，使得可以實(shí)現(xiàn)無直流電壓的和對錯誤進(jìn)行校正的數(shù)據(jù)傳輸。
3.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，傳感頭(SK)具有一個多路復(fù)用器(MUX)，其輸入端分別連接到傳感器元件(S1)上，并且測量切換電路(KU)借助于微處理器(MP2)實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求2和3所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，在多路復(fù)用器(MUX)的輸出端上連接有一個用于可獲得的測量值的阻抗變換器(IW)，并且在阻抗變換器(IW)的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入端之間設(shè)置一個具有可調(diào)增益的差分放大器(DV)，它連接于微處理器(MP2)以實(shí)現(xiàn)測量范圍轉(zhuǎn)換(BU)。
5.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，用于直流或交流電壓測量的傳感器元件(S1)具有一個歐姆電阻分壓器，和/或用于電流測量的傳感器元件(S1)具有一個電感式電流變換器，它后接一個用于瞬態(tài)脈沖和高壓脈沖濾波的濾波器(F1)和串接的保護(hù)單元(SCH)。
6.如權(quán)利要求1和3所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，在傳感頭(SK)中設(shè)置有一個溫度傳感器(TS)，它被連接在多路復(fù)用器(MUX)的一個輸入端上。
7.如權(quán)利要求2和6所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，傳感頭(SK)具有參考電壓源(REF)，并且為了微處理器(MP2)所控制的均衡，相應(yīng)的與溫度有關(guān)的參考電壓值(VRef)通過多路復(fù)用器(MUX)的一個輸入端或者通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的一個控制輸入端饋入。
8.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其征在于，在傳感頭(SK)中設(shè)置有一個連接于光接收機(jī)(LE2)的濾波器(FI)，在其輸出端上可獲得幀同步信號和/或后續(xù)的數(shù)據(jù)信號，并且這些信號可送至微處理器(MP2)。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，在傳感頭(SK)中設(shè)置有一個與光接收機(jī)(LE2)相連接的電壓變換器(SPW)，它用于在傳感頭(SK)中供電，并且微處理器(MP2)監(jiān)測可在電壓變換器(SPW)的貯能器上獲得的電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，在每個光發(fā)送機(jī)(LS1，LS2)前面設(shè)置有一個放大器(V1，V2)，并且另一個放大器(V3)接在中央測量設(shè)備(MG)中的光接收機(jī)(LE1)的后面。
11.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，中央測量設(shè)備(MG)具有至少一個接口電路(IO)，并且在中央測量設(shè)備(MG)中設(shè)置有一個與微處理器(MP1)相連接的數(shù)字信號處理器(DSP)，該數(shù)字信號處理器可通過接口電路(S1)從外部進(jìn)行配置，也可被讀取。
12.用于測量中等電壓或高壓設(shè)備和礦山中電流或電壓的方法，其中在中央測量設(shè)備(MG)與一個具有至少一個傳感器元件(S1)的傳感頭(SK)之間進(jìn)行光信號傳輸和能量傳輸，如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述，其特征在于，設(shè)置在測量設(shè)備(MG)中和設(shè)置在傳感頭(SK)中的微處理器(MP1，MP2)通過雙向數(shù)據(jù)通信將傳輸、測量和監(jiān)測任務(wù)作為分開的控制來完成，設(shè)置在測量設(shè)備(MG)中的微處理器(MP1)根據(jù)幀同步信號以動態(tài)工作方式控制能量供應(yīng)，為了對測量值進(jìn)行預(yù)處理和/或?yàn)榱俗詣泳?，在傳感頭(SK)中測量氣象箱中的參考電壓，并存儲在至少一個微處理器(MP1，MP2)中，設(shè)置在傳感頭(SK)中的微處理器(MP2)完成均衡過程并進(jìn)行誤差計(jì)算，以及控制無直流電壓和對錯誤進(jìn)行校正的數(shù)據(jù)傳輸。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，能量傳輸?shù)奈⒄{(diào)借助于脈寬調(diào)制結(jié)合了兩點(diǎn)調(diào)節(jié)或簡單的門限值控制進(jìn)行，并且在數(shù)據(jù)傳輸之前，本身含有誤差的測量值(MW)借助于傳感頭(SK)中測得的環(huán)境溫度、參考電壓和偏置電壓，在傳感頭(SK)中被校正。
全文摘要
存在不同設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)，它們大多數(shù)包括一個中央信號處理單元和多個電測量元件，并且其中由測量元件完成的測量值在光波導(dǎo)上進(jìn)行光傳輸。本發(fā)明的目的在于提供一種這種類型的測量系統(tǒng)，它有低的功耗并能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的光數(shù)據(jù)傳輸。為此一個光環(huán)路被提供在中央測量設(shè)備(MG)和傳感頭(SK)之間。設(shè)置在中央測量設(shè)備(MG)中和設(shè)置在傳感頭(SK)中的微處理器(MP1，MP2)通過雙向數(shù)據(jù)通信將傳輸、測量和監(jiān)測任務(wù)作為分開的控制來完成。一個幀同步信號用于能量供應(yīng)和導(dǎo)出用于面向數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號。為了完成參數(shù)化和/或編程，在中央測量設(shè)備(MG)與傳感頭(SK)之間進(jìn)行一個數(shù)據(jù)通信，并且在傳感頭(SK)中對測量值進(jìn)行預(yù)處理，尤其是在傳感頭(SK)中進(jìn)行測量值校正和/或測量范圍轉(zhuǎn)換和/或?yàn)V波器特性的重新編程和/或自動均衡。
文檔編號G01R15/22GK1761881SQ200480007121
公開日2006年4月19日 申請日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者赫曼·哈姆佩爾 申請人:Iad信息自動化及數(shù)據(jù)處理有限公司