專利名稱：基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法
技術領域：
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量方法。
背景技術：
應用于流程工業(yè)中，基于電壓頻率變換測量技術的傳統(tǒng)測量方法及其相應系統(tǒng)，普遍存在測量精度較差的缺陷。具體表現(xiàn)在不同外部條件下，同一測量系統(tǒng)的測量結果重復性(同一性)差；相同的外部條件下，不同測量系統(tǒng)存在不同的單向偏差；不同規(guī)格的現(xiàn)場信號，測量系統(tǒng)呈現(xiàn)不同的分辨率和精度。傳統(tǒng)電壓頻率變換測量方法，采用多路現(xiàn)場輸入信號通過信號調理模塊并行轉換成電壓信號，經信號選通電路的逐一選通，被選通電壓信號經預定放大系數的放大電路后，進入電壓頻率變換電路轉換成頻率信號，單片機對一定時間內的頻率信號進行脈沖記數，然后根據記數結果推算得到現(xiàn)場信號的數值。具體實現(xiàn)細節(jié)可參照《智能化測量控制儀表原理與設計》(徐愛均編著，北京航空航天大學出版社1995年11月出版)一文第130/131頁所述內容。
發(fā)明內容
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量方法。
它包括多路現(xiàn)場輸入信號通過信號調理模塊并行轉換成電壓信號，經信號選通電路的逐一選通，被選通電壓信號經預定放大系數的放大電路后，進入電壓頻率變換電路轉換成頻率信號，單片機對一定時間內的頻率信號進行脈沖記數，然后根據記數結果推算得到現(xiàn)場信號的數值。其特征在于單片機脈沖記數過程中引入兩次捕捉；現(xiàn)場信號測量過程中引入內部基準源在線校正；系統(tǒng)出廠時對外接標準電壓源信號的測量引入外接標準電壓源離線校正及外零補償；測量過程中對同一現(xiàn)場信號進行兩次連續(xù)測量引入軟自動增益調整。
所說的兩次捕捉是在測量過程中，通過軟件或軟硬件結合的方法進行兩次連續(xù)的定時，對同一次電壓頻率轉化過程中的脈沖計數進行兩次處理，剔除測量通道采集現(xiàn)場信號初始、結束階段的不穩(wěn)定信號所產生的脈沖計數，取得兩次定時時刻之間的穩(wěn)定脈沖計數值，進行后續(xù)的結果推算。如圖2的正采過程所示。
內部基準源在線校正，是在對現(xiàn)場信號測量的過程中，通過對內部基準源電路所提供的多路基準電壓進行測量，由于基準電壓的量值是預知的，就可以根據基準電壓測量結果對現(xiàn)場信號測量結果進行校正。如圖3所示。
外接標準電壓源離線校準及外零補償，是出廠時在充分預熱的基礎上，通過對外接標準電壓源進行測量，根據測量結果對內部基準源所提供的多路基準電壓的電壓數值進行修正。如圖4所示。
軟自動增益調整是對同一現(xiàn)場信號進行兩次連續(xù)的測量。首次測量確定現(xiàn)場信號的最佳放大系數，然后根據最佳的放大系數進行基于兩次捕捉的第二次測量，整個過程如圖2所示。
本發(fā)明通過兩次捕捉，剔除電壓頻率轉換環(huán)節(jié)在采集現(xiàn)場信號時，初始、結束階段的不穩(wěn)定信號，改善同一測量系統(tǒng)測量結果的重復性(同一性)。通過內部基準源在線校正、外接標準電壓源離線校準及外零補償，消除了不同測量系統(tǒng)由于元件參數的分散性所引起的測量結果的單向偏差。通過試采結合正采的軟自動增益調整技術，自動為現(xiàn)場信號選取最佳放大系數，使不同幅值的現(xiàn)場信號均具有良好的分辨率和精度。綜合應用兩次捕捉、在線校正、離線校準、軟自動增益調整技術，不但使測量系統(tǒng)的精度得到質的提升，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)明引入板內基準源電路后的測量原理圖；圖4(a)～(b)是本發(fā)明的外接標準電壓源離線校準及外零補償原理圖；具體實施方式
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電壓頻率變換測量方法基礎上，引入兩次捕捉技術，在現(xiàn)場信號采集過程中，通過軟件或軟硬件結合的方法進行兩次或多次定時，對同一次電壓頻率轉化過程中的脈沖計數進行兩次處理，進而達到將測量初始結束階段不穩(wěn)定的脈沖計數剔除的目的。使同一測量系統(tǒng)在不同外部條件下，測量結果的重復性(同一性)提高十倍。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電壓頻率變換測量方法基礎上，引入內部基準源在線校正技術和外接標準電壓源離線校準及外零補償技術。通過對內部基準源標準信號的測量，獲取基準源信號選通環(huán)節(jié)(4)的后續(xù)測量環(huán)節(jié)(M1環(huán)節(jié))所造成的單向偏差，據此在線校正現(xiàn)場信號的測量值。外部接線端子(1)至通道信號選通環(huán)節(jié)(3)的測量環(huán)節(jié)(M2環(huán)節(jié))所帶來的單向偏差，則在測量系統(tǒng)出廠時，根據對外接標準電壓源的測量結果對內部基準源(9)所提供的多路基準源的電壓數值進行修正，進而達到消除M2環(huán)節(jié)中由于元件參數分散性所引起的測量結果單向偏差。內部基準源電路、內部基準源在線校正、外接標準電壓源離線校正及外零補償的軟硬件一體化設計，無需選用價格昂貴的高精度器件，就能有效克服由于測量系統(tǒng)元器件參數分散性引起的測量結果的單向偏差。
本發(fā)明在傳統(tǒng)的電壓頻率變換測量方法基礎上，引入了軟自動增益調整技術。對現(xiàn)場信號的測量分成兩步或多步實施，首步測量得到現(xiàn)場信號的實際量級，通過比較運算，確定再次測量的最佳放大系數，然后按照最佳的放大系數進行的再次測量，進而使不同規(guī)格的現(xiàn)場信號都具有相同的分辨率和精度。
本發(fā)明所涉及技術都是建立在具體應用的基礎之上的。下面是本發(fā)明的一個具體應用實例。
基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量系統(tǒng)由外部接線端子1、信號調理模塊2(包括2-1、2-2、......2-8共八路)、通道信號選通環(huán)節(jié)3、基準源信號選通環(huán)節(jié)4、信號放大環(huán)節(jié)5(16種放大系數)、電壓頻率轉換環(huán)節(jié)6、通用單片機7、外零補償電路8、內部基準源電路9組成。
外部接線端子1共有八組輸入接線端子，可根據需求，接入八路不同規(guī)格的現(xiàn)場輸入信號，這些信號包括標準電壓信號(量程10mV、20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、200mV、1V、2V、5V、1～5V)、標準電流信號(量程0～10mA，4～20mA)、標準熱電阻信號(Pt100、Cu50)、標準熱電偶信號(熱電偶R、S、B、K、N、T、E、J型)等等。
信號調理模塊2將前述不同規(guī)格現(xiàn)場輸入信號平行轉換成統(tǒng)一的電壓信號，亦分成八路。
通道信號選通環(huán)節(jié)3，由通用單片機7控制，對調理后的八路不同量級電壓信號(mV級～～V級)逐一選通。由此，后續(xù)的模擬信號處理環(huán)節(jié)可以為八路現(xiàn)場輸入信號所共用。
基準源信號選通4，由通用單片機7控制，對選通環(huán)節(jié)3選通輸出的信號，及內部基準源電路9輸出信號，進行選通。選通前者時進行現(xiàn)場輸入信號測量，選通后者時進行內部基準源測量，進而提供在線校正的參數。
信號放大環(huán)節(jié)5，對輸入信號進行電壓放大，放大系數共有16種待選，由單片機7進行選擇。為了使信號穩(wěn)定，本環(huán)節(jié)設置容阻濾波電路。
電壓頻率轉換環(huán)節(jié)6，將輸入的電壓信號轉換成相應頻率的脈沖輸出。
通用單片機7，對一定時間內的脈沖進行計數，然后根據對測量各環(huán)節(jié)的設置進行換算，得到現(xiàn)場信號輸入值。
本發(fā)明的工作原理如下1、不同規(guī)格的現(xiàn)場模擬量信號經外部接線端子1和信號調理模塊2，并行轉換成統(tǒng)一的不同量級電壓信號，由通道信號選通環(huán)節(jié)3逐一選通，選通后的信號經過基準源選通環(huán)節(jié)4選通，輸出到信號放大環(huán)節(jié)5。
2、不同量級電壓信號，經過可選放大倍數的信號放大環(huán)節(jié)5，放大成為同一量級電壓信號。電壓頻率轉換環(huán)節(jié)6對放大后的電壓信號進行電壓頻率轉換，輸出對應頻率的脈沖供通用單片機7計數，進而由通用單片機7推算出現(xiàn)場輸入信號的數值。
3、通用單片機7對脈沖進行計數過程的初始和結束階段，脈沖頻率不能如實反映現(xiàn)場輸入信號的幅值。因此系統(tǒng)采用了兩次捕捉技術，第一次捕捉發(fā)生在測量初始階段脈沖頻率穩(wěn)定之后，見圖2的E時刻；第二次捕捉發(fā)生在測量結束階段脈沖頻率漂移之前，見圖2的F時刻。然后根據兩次捕捉時刻之間的脈沖計數進行推算，剔除了初始和結束階段信號的不穩(wěn)定所造成的影響。原理如圖2正采過程。
4、基準源信號選通環(huán)節(jié)4至電壓頻率變換環(huán)節(jié)6之間(M1環(huán)節(jié))，因測量通道元器件參數分散性所造成的單向偏差，可定期通過內部基準源在線校正技術予以消除。其原理如下，測量系統(tǒng)對現(xiàn)場信號和內部基準源信號產生相似的偏差，而內部基準源信號是預知的，據此可以有效地在線校正現(xiàn)場信號測量值，原理如圖3。
5、外部接線端子1至通道信號選通環(huán)節(jié)3之間(M2環(huán)節(jié))，因測量通道元器件參數分散性所造成的單向偏差，則是通過測量系統(tǒng)出廠時的外接標準電壓源離線校準及外零補償技術來消除的，消除的過程也就是對圖3所示的E和Z修正的過程。原理如圖4。通過對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，進而得到準確的現(xiàn)場信號測量值。
6、圖1信號調理模塊2輸出不同量級的信號(mV級～～V級)，測量系統(tǒng)采用試采、正采兩步實施。其基本思想是借鑒音視頻領域的自動增益調整技術。圖2時刻A到時刻B為試采，對現(xiàn)場信號的放大倍數為1，由此獲取現(xiàn)場信號的實際量級；應用軟自動增益調整技術，確定圖1信號放大環(huán)節(jié)5的最佳放大倍數，并進行圖2時刻E至時刻F的正采，達到不同規(guī)格的現(xiàn)場信號具有相同的分辨率和精度。
雖然以上已經根據各特定實施例描述了本發(fā)明，但是，本發(fā)明不準備被約束或限制在這里公開的實施例中。本發(fā)明要覆蓋后附的權利要求書的精神和范圍內的各種結構和修改。
權利要求
1.一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法，它包括多路現(xiàn)場輸入信號通過信號調理模塊并行轉換成電壓信號，經信號選通電路的逐一選通，被選通電壓信號經預定放大系數的放大電路后，進入電壓頻率變換電路轉換成頻率信號，單片機對一定時間內的頻率信號進行脈沖記數，然后根據記數結果推算得到現(xiàn)場信號的數值，其特征在于單片機脈沖記數過程中引入兩次捕捉；現(xiàn)場信號測量過程中引入內部基準源在線校正；系統(tǒng)出廠時對外接標準電壓源信號的測量引入外接標準電壓源離線校正及外零補償；測量過程中對同一現(xiàn)場信號進行兩次連續(xù)測量引入軟自動增益調整。
2.根據權利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法，其特征在于，所說的兩次捕捉是在測量過程中，通過軟件或軟硬件結合的方法進行兩次連續(xù)的定時，對同一次電壓頻率轉化過程中的脈沖計數進行兩次處理，剔除測量通道采集現(xiàn)場信號初始、結束階段的不穩(wěn)定信號所產生的脈沖計數，取得兩次定時時刻之間的穩(wěn)定脈沖計數值，進行后續(xù)的結果推算。
3.根據權利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法，其特征在于，所說的內部基準源在線校正，是在對現(xiàn)場信號測量的過程中，通過對內部基準源電路(9)所提供的多路基準電壓進行測量，由于基準電壓的量值是預知的，就可以根據基準電壓測量結果對現(xiàn)場信號測量結果進行校正。
4.根據權利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法，其特征在于，所說的外接標準電壓源離線校準及外零補償，是出廠時在充分預熱的基礎上，通過對外接標準電壓源進行測量，根據測量結果對內部基準源(9)所提供的多路基準電壓的電壓數值進行修正。
5.根據權利要求1所述的一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法，其特征在于，所說的軟自動增益調整是對同一現(xiàn)場信號進行兩次連續(xù)的測量。首次測量確定現(xiàn)場信號的最佳放大系數，然后根據最佳的放大系數進行基于兩次捕捉的第二次測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電壓頻率變換原理的低成本高精度測量方法。其方法在于通過兩次捕捉，剔除電壓頻率轉換環(huán)節(jié)在采集現(xiàn)場信號初始、結束階段的不穩(wěn)定信號，改善同一測量系統(tǒng)測量結果的重復性(同一性)。通過內部基準源在線校正、外接標準電壓源離線校準及外零補償，消除了不同測量系統(tǒng)由于元件參數的分散性所引起的測量結果的單向偏差。通過試采結合正采的軟自動增益調整技術，自動為現(xiàn)場信號選取最佳放大系數，使不同幅值的現(xiàn)場信號均具有良好的分辨率和精度。綜合應用兩次捕捉、在線校正、離線校準、軟自動增益調整技術，不但使測量系統(tǒng)的精度得到質的提升，而且具備低廉的總體擁有成本。
文檔編號G01D3/028GK1563898SQ200410017268
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者姬亞鵬, 吳明光, 黃克強, 張偉 申請人:浙江大學