专利名称：用于中等电压或高电压设备或用于矿山中的具有智能传感头且降低能耗的测量系统及其 ...的制作方法
技术领域：
本发明首先涉及用于中等电压或高电压设备或用于矿山中的测量系统，此系统具有传感头与中央测量设备之间的信号和能量传输(权利要求1)。本发明还涉及相应的测量方法(权利要求12)。
为了测量中等电压或高电压切换设备中的工作电压，通常应用电压变换器。需要根据切换设备的工作电压来选择绝缘和绕组变压比，以使工作电压降低到100伏以下的一个适合于测量的显示电压。按照所提出的任务(结算测量，导线和设备保护，运行测量)应用不同结构类型的单极或双极绝缘电压变换器。
电压变换器在开关设备领域和开关设备测量技术的费用中总是占有高的比例。它们有大的体积，并且影响开关设备的结构。它们对于过压是敏感的，而且在设备制造中是开关设备结构中最薄弱的环节。在电压变换器与保护继电器之间或在电压变换器与测量装置之间的次级连接线可能受到磁场、地电流、短接电流和干扰场的严重影响，从而测量结果经常有误。
DE 3727 950 C2公开了一种实现中等电压或高压开关设备中电压测量的装置，它提供了对在运行测量领域应用电压变换器的完全替代。那里所用的光电传感器使得在测量地点与显示器之间可实现电和机械的去耦，光电传感器对于干扰场和过压不敏感，并且具有小的体积和较低的成本。为了实现相位比较测量形式的电压测量，特别具有两个在分压器支架上与耦合电极相连接的光电传感器。此外两个光电传感器具有铁电体结构形式，它们通过光波导与设置在远处的发送—接收装置相连接，并以反射的方式等时间间隔地被发送—接收装置采样。一个相位比较设备被连接到这两个发送—接收装置上，其中两个与这两个发送—接收装置相连接的比较器变换输入的模拟输入信号为一个矩形信号。两个连接到比较器上的单稳态多谐振荡器由矩形信号在两相的过零点同步产生短脉冲。接着是一个与这两个单稳态多谐振荡器的输出端相连接的求和计数器，它将等时间间隔输入的脉冲计作为一个单独的脉冲，相反将时间上交错的输入脉冲计作为特殊脉冲，并且一个用于判定和显示相位相同、相位相反、相位干扰的误差和功能性的装置被连接到求和计数器的输出端。在一个替代实施方式中，与安装在耦合电极与地之间的电容并联设置一个二极管和另一个电容组成的串联电路，与其并联连接一个与电压有关的CMOS脉冲发生器。铁电体结构形式的光电传感器通过一个电容连接到脉冲发生器的输出端，光电传感器通过光波导连接于一个带有测量放大器的光发送—接收设备。测量放大器具有一个设计为数/模转换器或频率/电压变换器的单元，它用于将脉冲频率变换为适合于电压测量装置输入端的值。在如DE 3727 950 C2所述装置中，信号处理和分析在远离测量地点处，即通过中央方式实现。
DE 382 4000 C2公开了一种用于避免电线杆损坏的监测装置，其中除LWL传感器外也可应用其它的传感器。特别是在每个电线杆上装有一个光波导、一个红外线探测器或一个固体声麦克风作为传感器，并从它引出光波导线到监测设备。在LWL传感器的情况下，一个剥去护套的光波导以绞线形式沿着电线杆的棱角杆基座前进，并且它在监测范围的上端绕过一个双芯的、由护套防护的LWL导线。此导线沿着电线杆棱角杆一直引到一个中央监测设备，此设备被安装在位于电线杆上部三分之一处的电线杆横梁上的一个金属盒中。除中央监测设备外，还有对应于每个红外探测器和固体声麦克风的各个监测设备，它作为一个电子模块构造在金属盒中并被安装在电线杆的一个棱角杆中的监测范围上端处。从它引出一根单芯LWL导线到中央监测设备。当红外线探测器或固体声麦克风装在信号设备中时，在LWL传感器上只是其导线被引到信号设备中。在中央设备中由各个设备发送出的光信号被转换并馈送给评估逻辑电路，它与过程控制电路一起工作，通过数据无线链路将报警消息传送到监测台。这里用什么信号设备发出消息可以是不同的。具有红外线探测器或固体声麦克风的信号设备用电池供电，并且具有以下串联的构件传感器、放大器、滤波器、评估逻辑电路、发光二极管和用于插入至中央设备的LWL导线插头的插座。其中对于无源的红外线探测器，用一个高通滤波器来抑制不希望要的温度输出，而对于固体声麦克风则用一个有源的带通滤波器进行频率选择。在评估逻辑电路中判断是否出现一个报警状态。在DE382 4000 C2所述监测装置中已在测量地点完成了信号预处理和分析。
DE 198 32707 C2公开了一种用于露天开关设备的组合电流和电压变换器，它具有一个CC-，RR-或RC-分压器形式的半常规电压变换器和一个包围高压导体的光波导绞线形式的纯光学电流变换器。此外还具有一个公共的、位于地电位的变换评估装置，它用于电流变换器和电压变换器。在分析电压变换部分和电流变换部分的信号时，测量值可以通过这种方式与各个相位相互对应，并且可以进行各个相位的相位同步测量。
此外DE 1954 3363 C2公开了一种测量中等电压或高压设备中的电流或电压的测量变换设备，它具有至少一个用于收集测量值的电流或电压传感器，至少一个用于对测量值编码的编码器，至少一个用于发送的光发送机和至少一个用于接收已编码的测量值的光接收机，以及具有至少一个用于在接收地点将测量值解码的解码器。为了以简单方式将测量变换设备安装到中等电压或高压设备中，且对相应的测量要求无需高的开销，该测量变换设备由具有标准接口的可相互组合的模块合成得到。此外存在至少一个具有电流或电压传感器的传感器模块，至少一个具有编码器和发光送机的发送模块和至少一个具有光接收机和解码器的接收模块。传感器模块和发送模块在它们的尺寸和连接关系上被相互调整，并且机械上结合成一个高压构件组，它作为一个单元保证了在高压设备中的简单安装。在一个优化设计中，用于测量直流或交流电压的传感器模块具有一个最好是频率补偿的电阻分压器形式的电压传感器，其中其低压侧具有一个过压支路。此发送模块可具有一个电压/频率变换器作为编码器，用以产生一个脉冲载波信号，并具有一个带有至少一个用于将载波信号变换为光脉冲的发送二极管的光发送机。接收模块相应具有一个带有用于将光脉冲变换为电脉冲载波信号的光敏接收二极管的光接收机和作为解码器的一个频率/电压变换器。这里发送模块和接收模块通过一个光波导在光学上相互连接。此外高压构件组具有一个辅助供能单元，用于向发送模块供电，其中辅助供能单元通过光波导馈给能量。
此外，DE 100 10913 C1公开了一种用于监测一个填充绝缘气体的、通过隔绝点分成多个导线段的高压传输线的气体密度的装置，此传输线在隔绝点的区域中包含用于测量导线段中气体密度的部件和用于发送测量结果的部件，并且包含一个信号处理单元，用于接收和分析测量结果。特别是，测量部件由一个中央安装的、包含一个光源的能源通过至少一根设计成光波导的能量供应导线馈给能量，测量部件包含一个用于将光变换为电能的光/电能量转换器，并且多个测量部件通过一根公共的能量供应导线与光源串联连接。能量供应导线和信号传输线也可组合成一个简单的光波导形式。测量部件主要由一个能量准备单元、一个计算单元和一个传感器单元组成。能量准备单元由一个包含一个光源的能量源通过设计成光波导的能量供应导线和一个光/电能量转换器供应能量。按照监测装置的结构，光源包含一个或多个激光二极管模块，每个模块最大500毫瓦功率。此外能量准备单元包含一个电容器，例如一个低泄漏电流的ELKO或由钽电容器或陶瓷电容器构成的阵列，它存贮能量源所给出的能量，并在需要时提供给计算单元。主要由微处理器构成的计算单元用于控制传感器单元，收集和处理由传感器单元测得的值，并经过一个发光二极管、一个设计成光波导的信号传输线和一个光传感器将已处理的测量值传送到信号处理单元。在相应的监测一个填充绝缘气体的高压传输线的气体密度的方法中，在等待状态下测量部件由能量源以恒定功率供应能量，接着气体密度被测量部件测量，测量值被传送到信号处理单元，接着测量部件回到等待状态，直至下一次测量。
最后，DE 695 20371 T2公开了一种光纤接口系统，其中应用以下控制馈给激光光源的电流尽可能地低，使得同时也为远距离的接口和过程变量发送机提供足够的能量。特别是，设置有第一个本地安装的微控制器装置，它用于调节在第一输出端子上光能的供应，并用于接收微控制器装置的第一输入端子上经过数字编码的、远距离地点的光传输信息。一个模拟发送装置电气上连接到第一个本地安装的微控制器装置上，并被如此设计使得模拟信息或数字信息或者模拟和数字信息两者同时都可选择地被传送给一个本地控制系统。第二个微控制器装置安装在远距离地点处，即远离第一个微控制器装置，并且用于接收模拟和/或数字信号，这些信号代表过程变量—如压力、温度、流量、运动、密度或其它参量的状态，它们被一个远距离过程变量发送机收集，第二微控制器装置还用于给出光编码的状态信息到第二输出端子。一个能量供应装置连接到第二微控制器装置和远距离过程变量发送机，此能量供应装置给它们供电。能量供应装置具有一个光电能量转换器，它与第二输入端子连接。在本地安装的设备的第一输出端子和远距离安装的光电能量转换器的第二输入端子之间至少连接一根光纤。同一光纤或第二根光纤连接在远距离安装的微控制器装置的第二输出端子和第一个本地安装的微控制器装置的第一输入端子之间。此外，最初一个包括第一个微控制器装置的装置以明显低的值馈送光能给第一输出端子。第二微控制器装置对通过第一光纤接收到的明显低的光能量值作出反应，并经光纤连接发送一个提升命令到第一本地安装的微控制器装置，这样当第一光纤正常地连接在相应的输出端子和输入端子之间时，第一光纤才在明显低的值之上增加光能量的传送。此外在本地存在一个光源—能量供应装置，它给光源—如气体激光器、激光二极管或LED—供应电能，其中光源包含一个用于对提供给第一输出端子的光能量强度进行调制的装置。第一个微控制器装置也包括用于控制光源能量供应装置和光源调制装置的第一微处理器。第一微处理器接收来自远距离的第二微控制器装置的能量状态信息，从而从本地提供给远距离地点的光能量(即激光电流)的调节，尤其是PI调节(比例—积分—调节)在“似稳工作状态”下通过以规律的时间间隔检验激光电压来完成(状态消息消息由六个8比特字节构成)。
如上所述，现有技术已公开了各种结构的测量系统，它们大多数包括一个中央信号处理单元和多个电测量部件，并且其中由测量部件提供的测量值以光学方式通过光波导传输。然而由于这种测量系统要求有高的工作可靠性，例如在监测高压功率开关时，希望实现可靠的测量值收集和安全的光纤数据传输。然而已经发现持续控制用于远距离供给测量部件能量的激光二极管将导致激光二极管寿命的缩短。而且，由于来自高压设备的电磁作用，特别是由于高电压下的开关过程，在光信号传输中干扰信号可能通过测量信号(测量电流或测量电压)的节拍偏移而形成干扰。DE 695 20371 T2所述的光纤接口系统以其“似稳工作”供应激光源电流，可靠性低。所以实际上还没有一种光纤测量系统能够既具有低的功耗，又能够实现可靠的光数据传输。特别有意义的是，因为中等电压或高压设备制造工业被认为是非常先进、发展迅速的工业，这些设备能够很快地被优化和简化，并在实际中应用。
相对于已公开的测量系统，本发明的目的在于提供一种测量系统，它具有低的能耗，并可以实现可靠的光数据传输。
从用于中等电压或高电压设备或用在矿山中的测量系统出发，其具有在至少一个传感器元件的传感头与一个中央测量设备之间的光信号传输和能量传输，上述任务的解决方案如下·在中央测量设备中设置一个受微处理器控制的光发送机，它用于数据通信和传感头的能量供应，它给出由不同分量迭加的光到第一光波导，·在传感头中设置一个连接于第一光波导的光接收机和一个微处理器，其中微处理器在被光接收机激活后用于控制传感器元件和来自传感器元件的测量值的收集和处理，并且控制一个数据通信，此数据通信用于通过一个光发送机、第二光波导和一个安装在中央测量设备中的光接收机将经过处理的测量值传送到中央测量设备，这样，两个微处理器通过双向数据通信将传输、测量和监测任务作为分开的控制任务来完成，其中一个帧同步信号既用于能量供应又用于导出一个用于面向数据块进行数据传输的节拍信号，并且/或者实现一个用于在中央测量设备与传感头之间进行参量化和/或程序化的数据通信，以及在传感头对测量值进行处理，尤其是测量值校正和/或测量范围转换和/或滤波器特性的重新编程和/或传感头中的自动均衡。
根据本发明的测量系统具有以下优点通过分开的控制，测量变换系统中的故障能够立即被发现，并且可以避免不希望出现的后果，例如故障告警或关断中等电压或高压设备或关断监测设备等。此外测量可以高分辨率(例如从现在的12比特提高到16比特)进行，并且可以进行测量范围转换，在传感头中可以进行有关偏置、增益、温度或使用寿命(老化)的测量值校正。自动均衡不仅可在制造过程中进行(通过优化的检验和制造工艺)，而且也可在运行中进行。此外在根据本发明的测量系统中可实现组合的能量—数据传输控制，并且由于为此所需的整个功耗很低和采用了动态的工作方式，与现有技术相比大大提高了光发送机(激光二极管)的寿命。
此外，如权利要求12所述，上述任务由通过在中央测量设备与具有至少一个传感器元件的传感头之间的光信号传输和能量传输来测量中等电压或高压设备中和矿山中的电流或电压的方法完成，其中设置在测量设备中和传感头中的微处理器通过双向数据通信将传输、测量和监测任务作为分开的控制任务实现，其中设置在测量设备中的微处理器以动态工作方式按照帧同步信号来控制能量传输，其中为了预处理测量值和/或为了传感头中的自动均衡，测量气象箱中的参考电压并存储在至少一个微处理器中，并且其中设置在传感头中的微处理器完成均衡过程和误差计算，并且控制无直流电压和校正了错误的数据传输。
根据本发明的方法具有以下优点可以通过意想不到的简单方式和方法实现低能耗和可靠的光数据传输，并且通过双向数据根据按照工作状态在作为分开的控制器的两个微处理器之间传送参数或数据，并且根据其数据传输质量并在合适的发生时间监测数据/消息。
如权利要求2所述，在本发明的一个具有优点的实施方式中，在传感头中设置了一个模/数转换器，它与微处理器相连接，并且微处理器校正通过模/数转换器所馈入的数字测量值，和/或用系统信息补充数据，将所得到的数据分段，用分组码进行编码并给数据增补用于分段的信息，使得无直流电压和校正了错误的数据传输是可能的。
本发明的上述这种实施方式具有以下优点可靠地避免了数据传输中放大器的过载(由于无直流电压)，并且通过在发送机中加入冗余和在接收机中进行错误校正可建立起可靠的数据传输(由于错误可校正)。
如权利要求3所述，在本发明的改进方案中，传感头具有一个多路复用器，它的输入端分别连接到传感器元件上，其中测量信道切换借助于微处理器完成。
本发明的上述这种改进方案的优点是，可以将其他测量信号送到微处理器，从而例如可在传感头中进行均衡或者实现相位比较测量(多个传感头)。
如权利要求4所述，在本发明的一个优选方案中，一个用于获取测量值的阻抗变换器连接在多路复用器的输出端，并且在阻抗变换器的输出端和模/数转换器的输入端之间设置一个差分放大器，它与微处理器相连接，用于测量范围转换。
本发明的上述这种实施方式具有以下优点；阻抗变换器产生一个高阻抗的输入端，并且差分放大器可以适配于模/数转换器的调节范围。此外测量范围转换允许本发明所述的测量系统可用于多个测量范围(到目前为止对每个范围需要一个单独的测量系统)。
如权利要求5所述，具有优点的是用于直流或交流电压测量的传感器元件具有一个欧姆电阻分压器，和/或用于电流测量的传感器元件具有一个电感式的电流变换器，它后接一个用于瞬态脉冲和高压脉冲滤波的滤波器和一个与其串联的保护元件。
滤波器和保护元件的结合不仅可靠地避免了由瞬态脉冲和高压脉冲导致的测量误差，而且也避免了对测量系统的损伤/毁坏。
如权利要求6所述，在本发明改进方案中，在传感头中设置一个温度传感器，它连接到多路复用器的一个输入端。此外如权利要求7所述，传感头还具有一个参考电压源，并且可通过多路复用器的一个输入端或模/数转换器的一个控制输入端馈入的相应与温度有关的参考电压值由微处理器控制，以实现均衡。
本发明的这种改进方案的优点是，以意想不到的简单方式和方法实现了诸如温度和老化的均衡，即排除了参考电压的温度特性影响和诸如放大器等元件的温度特性和老化的影响。
按照权利要求8，具有优点的是在传感头中设置一个与光接收机相连接的滤波器，在其输出端可获得帧同步信号和/或后续的数据信号并送给微处理器。
此滤波器可以滤出感兴趣的信号(帧同步/数据)及排除高频干扰信号，并且帧同步以简单的方式和方法实现了发送机和接收机的同步。
如权利要求9所述，在本发明的一个优选实施方式中，在传感头中设置一个与光接收机相连接的电压变换器，它用于传感头中的供电，并且微处理器监测在电压变换器的贮能器上可获得的电压。
在根据本发明的测量系统中，能量供应在光路上完成，这样可通过简单的方式和方法实现电位隔离。通过监测电压只有必要的能量被传输，从而光发送机/激光二极管得到更长的使用寿命。光脉冲的产生最好用脉宽调制(代替幅度调制)方法完成，这样可以优化能耗。此外仅当必要的电压已达到时才进行规定的运行/结束动作(尤其是通信)。
如权利要求10所述，具有优点的是在每个光发送机前面设置一个放大器，并且另一个放大器被设置在中央测量设备中光接收机后面。
放大器的应用可同时实现节能工作方式和光发送机/激光二极管完美的工作，同时对它们只产生必要的电流。
最后，如权利要求11所述，中央测量设备具有至少一个接口电路，并且在中央测量设备中设置一个与微处理器相连接的数字信号处理器，它可通过接口电路从外部进行配置和读取。
这样，数字信号处理器以简单的方式和方法不仅可从外部读取，而且也可从外部配置/编程，例如可设置其它的计算。
下面借助
本发明具有优点的实施方式，由此说明可看到本发明的其它优点和特点。附图中图1是整个测量系统的方框图，图2是本发明所述传感头的一种实施方式的方框图，图3a是一个发送报文的结构，图3b，3c示出在两个不同的节拍频率下的数据传输，以及图3d示出对传感头的能量传输的时间过程，图4示出参考电压VRef的温度特性示例，图5示出具有均衡抛物线的特性曲线示例，图6a和6b示出传感头中微处理器的控制时序，图7是本发明所述传感头的第二个实施方式的方框图，图8示出在(n)之后内插测量值(n-2)和(n-1)的处理顺序，以及图9示出求出校正因子的处理顺序。
图1所示整个测量系统的方框图最好用于在中等电压或高压设备中的电压测量和/或电流测量；此外它也可用在矿山中。
为了在具有至少一个传感器元件S1的传感头SK与中央测量设备MG之间进行最佳的信号传输和能量传输，在中央测量设备中设置有一个受微处理器MP1控制的光发送机LS1(例如波长在800nm和950nm之间的发送激光器)，为了数据通信和给传感头SK供应能量，光发送机最好给出一个交流分量与直流分量相迭加的光到第一光波导LW1。
本发明所述传感头的第一个实施方式的方框图显示在图2中，其中在传感头SK中设置有一个与第一光波导LW1相连接的光接收机LE2和一个微处理器MP2。按照本发明，微处理器MP2在被光接收机LE2激活后用于控制传感器元件S1，收集和处理由传感器元件S1所测量的值，以及将已处理的测量值传送到中央测量设备MG。为此微处理器MP2控制一个设置在传感头SK中的光发送机LS2，其中数据通信通过连接到中央测量设备MG中的光接收机LE1的第二光波导LW2实现。
两个微处理器MP1，MP2通过双向数据通信将传输、测量和监测任务作为分开的控制任务完成。此外，按照本发明，在传感头SK中完成测量值的预处理，尤其是测量值校正和/或测量范围转换和/或滤波器特性的重新编程和/或自动均衡；如下面将详细说明的那样。
按照本发明，在中央测量设备MG与传感头SK之间传送一个帧同步信号，它不仅用于能量供应，而且也用于面向数据块的数据传输所需节拍信号的导出(见图3d)。这里传感头SK从光发送机LS1经第一光波导LW1借助于时间上离散的激光脉冲(它与激光脉冲宽度一起构成对供应电压的衡量尺度)获得供应电压。图3d示出激光脉冲LI和间隔P，其中激光脉冲LI的最大宽度用点线示出。在激光脉冲LI之后中央测量设备MG有选择性地发送一个单字节长的数据(加上起始比特和结束比特ST，SB，见图3a)。这里可以例如发送以下参数要调整的测量范围，滤波器调整，参考测量间的间隔。数据传输用在参数交换中协商的方法实现，其中数据可靠性最好能够通过奇偶校验比特和校验和来实现。在每次识别出帧同步脉冲时启动微处理器MP2中的一个定时器。如果定时器运行得比一个可预设的时间间隔更长，说明构件组的供电有错误。该情况通过报文通知给中央测量设备MG，传感器SK进入休眠状态并等待激光发送机LS1(激光二极管)的下一信号。激光脉冲LI的节拍控制着测量数据从传感头SK到中央测量设备MG的传输时刻。每次请求发送数据到中央测量设备MG通过一个激光脉冲L1的开始被识别。微控制器MP1这里对于2点规则收到有关其工作电压产生的两条信息。当激光脉冲LI给出很高的电压(上限值)或收到很低的电压(下限值)时，两个电压比较器发出信号，使得激光脉冲LI在规定时间间隔内步进地变化(递减，即以分步方式或无级地减小能量的供应；或者递增，即以分步方式或无级地增加能量的供应)(动态工作)。发送报文中的一个比特对于这种电压信息就足够了，此信息从传感头SK传送给中央测量设备MG(增大或减小)。最好也可以对一个规定的门限值，例如对下限值进行简单的门限值控制。因为传感头SK有很大的温度波动，在此动态工作中也应考虑测量温度、参考电压和偏置电压(对地测量)的影响(见下面的说明)。
在传感头SK中设置有一个模/数转换器ADC，它连接于微处理器MP2。在正常工作时微处理器MP1串行地从模/数转换器ADC读入数字化的测量值MW(见图3a)，进行错误校正和编码，并串行地将经过校正和编码的数据经由第二光波导LW2发送到中央测量设备MG。传感头SK具有一个多路复用器MUX，它的输入端分别连接到传感器元件S1(图2，图7)，其中测量信道切换KU借助于微处理器MP2实现。在多路复用器MUX的输出端连接一个用于获取测量值的阻抗变换器IW，并且在阻抗变换器IW的输出端与模/数转换器ADC的输入端之间设置一个增益可调的差分放大器DV，它用于测量范围转换，并受微处理器MP2控制或者在增益可调情况下进行切换。此外传感头SK具有一个参考电压源REF。微处理器MP2通过测量参考电压进行校正(例如三点校正)。通过校正，根据本发明的测量系统消除了增益误差和偏置误差(只要非线性小得可以忽略)，其中相应的与温度有关的参考电压值通过多路复用器MUX的一个输入端或通过模/数转换器ADC的一个控制输入端输入。此外在传感头中还设置了一个与光接收机LE2相连接的滤波器FI，在其输出端上可获得帧同步信号和/或后续的数据信号，并且这些信号被送到微处理器MP2。这样在每次数据传输开始处的帧同步信号(即激光脉冲)的上升沿可被(比较器)识别。此外，在传感器SK中设置有一个与光接收机LE2相连接的电压变换器SPW，它用于在传感头SK(包括放大器V2)中供电，并且微处理器MP2监测电压变换器PW的贮能器上所提取的电压。
在图2或图7所示实施例中，传感器元件S1为了进行直流或交流电压测量具有一个欧姆电阻分压器，并且/或者为了进行电流测量而具有一个电感式电流变换器，它后接一个用以进行瞬态和高压脉冲滤波的滤波器F1和串接其上的一个保护元件SCH(过压保护)。在用一个测量支路进行的测量中，为了减小热噪声电压，在四个位置上测量测量支路上的电压，其中测量导线分开且相互绝缘地连接到一个接线板上。接线板和四个内屏蔽及外屏蔽在接线板上跨接。屏蔽的电位用作传感头SK中的参考电位，并且可能有多个传感头SK(见图7)并联，用于测量一个测量支路。
此外在传感头SK中设置有一个温度传感器TS，它连接在多路复用器MUX的一个输入端上，微处理器MP2由温度和例如由于流过支路的电流产生的温度升高计算出一个校正值。借助于这个校正值和一个支路校正值(见系统信息SI)，由温度变化而引起的误差得到了补偿。
为了无直流和可靠地进行传输，根据本发明，数据在被发送前被编码。图3a示出发送报文的一种实施方式的结构。通过模/数转换器ADC馈入的16比特宽的数据字MW被微处理器MP2分段，例如每段4个比特，并且这些字用一个存储在微处理器MP2或一个存储器(图中未示出)中的编码表编码为7比特宽的码字(具有用于分段的信息)。除了这四个字之外，最好还发送一个含有系统信息SI的字(电压控制，温度等)。
所期待得到的数据量在此实施例中表现为每帧所发送的数据块。对于图3a所示例子，16比特宽的被变换值在编码后必须传输45比特(包括起始比特ST和终止比特SB)，它对应一个数据块。按照所需要的抽样频率，必须在一帧中传送不同数量的数据块。因为数据块的数目必须是整数n，不是任意的采样频率都可被设置。下面给出不同采样频率下传输速率的一些例子
帧时间长度118μs采样频率＝17.86kHz；传输速率＝45Bit×17.86kHz＝803.7kBit/s帧时间长度156μs采样频率＝12.82kHz；传输速率＝45Bit×12.82kHz＝576.9kBit/s帧时间长度118μs采样频率＝59.3kHz；传输速率＝45Bit×59.3kHz＝2.67MBit/s帧时间长度156μs采样频率＝57.7kHz；传输速率＝45Bit×57.7kHz＝2.6MBit/s在图3b和图3c中示出两个不同采样频率情况下的帧结构，图3b中采样频率为60kHz，图3c中采样频率为10kHz。
为了提高测量精度，根据本发明对数字化的测量值MW(例如电压值)进行误差校正。为此所需的校正因子通过一个周期性的均衡过程由传感头SK中的微处理器MP2求出，并在下一次均衡之前用于进行校正。由于在读入均衡值时没有实际的测量值MW可被读入和处理，根据本发明，一个内插值取代常规的值而被编码和传输。图8示出在(n)之后测量值(n-2)和(n-1)的内插处理时序，图9示出求校正因子的处理时序；其中与常规工作的区别用“或”来突出表示。(n-1)之后测量值(n-2)和(n)的内插以类似方法实现(未在图中示出)。通过存储两个测量值(n-2)和(n)(均衡过程(n-1)位于它们之间)，可以进行测量值(n-1)的内插。两次求取均衡值之间的时间间隔最好在分钟的范围内。
在本发明所述测量方法中，气象箱中的参考电压被外部一个精密的测量仪器测量。例如在温度-40℃，0℃和+85℃时测得的值被存储在微处理器MP2中，此例被示于图4中。由测量值得到用于误差校正的一根抛物线。利用抛物线方程可以对参考电压求出每个温度下的值。按照本发明借助抛物线方程形成如下的中间值表Δθ＝+85℃-(-40℃)＝125℃1个电压值/℃＝125个电压值(16比特宽)存储器需求16Bit×125＝2000Bit＝250字节在均衡过程中例如两个电压(+VRef，-VRef)和GND(地)相继被模/数转换器数字化。此外构件组/传感头SK的实际温度借助于温度传感器TS获得。用这些参数可以像下面所述那样进行误差校正。
参考电压值可借助实际温度由数值表求出。利用参考电压(与温度有关)的实际值、参考电压的测量值(正、负)和GND偏置计算均衡抛物线I y1＝ax12+bx1+c其中y1＝实际值VRef(正)；x1＝测量值VRefII y2＝ax22+bx2+c其中y2＝实际值VRef(负)；x2＝测量值VRefIII y3＝ax32+bx3+c其中y3＝实际值GND(＝0伏)；x3＝测量值GND接着求解具有三个未知数的方程组，以确定均衡抛物线，求出校正因子(a，b，c)并应用它直到下一次均衡。
校正计算式v输入＝av测量2+bv测量+c这说明为校正一个测量值需要进行两次乘法和两次加法。
在抛物线上的一个点处应用均衡直线可以减少校正过程中所需乘法和加法的次数。这样，校正因子可用较少的计算开销而求得，这时例如由测量支路得到的测量值的温度校正计算借助于存储在微处理器MP2中的多项式和支路温度(通过传感头中测得的温度)进行(在误差校正中不考虑测量支路的老化)。参考测量之间的时间间隔由微处理器MP1在参数化的同时告知传感头SK中的微处理器MP2，并且在参数测量时没有测量值被获得并且传输前一个测量值。为保证在各次测量之间有较小的抖动(几百个纳秒)，测量值直接用帧同步信号获取。
图6a示出一个设置于模/数转换器ADC与微处理器MP2之间的接口电路(串行外设接口，SPI接口)。此SPI接口基于一个8比特的移位寄存器。节拍脉冲(SCK)由微处理器MP2提供。当数据被发送时才由微处理器MP2产生节拍脉冲。在传输之间SCK处于休眠方式。发送和接收同时进行。在微处理器MP2发送其数据时数据由模/数转换器ADC接收到。因此，即使在什么也没有接收到时，也总是发送数据。如图6a中所示的数据交换表明SDO上的数据在下降沿被发送，SDI上的数据在上升沿被接收。SCK的休眠电平为高电平。
模/数转换器ADC与微处理器MP2之间的共同作用说明如下。MP2必须持续地发送数据，为此生成一个用于模/数转换器ADC的节拍脉冲。这些数据是不含信息内容的空数据，并且发送和接收同时进行。对于一个变换周期总共必须发送24个比特，即3个字节。在完成第一个字节的传输之后进行一次中断，在中断服务程序中必须读取接收缓存器的内容并将一个新的字节写入到发送缓存器中。在此期间内接口电路SPI不提供节拍脉冲到模/数转换器ADC，从而模/数转换器也不工作。这样不会丢失数据。在处理完中断服务程序后又发送一个字节到模/数转换器ADC，并且同时接收一个字节。通过微处理器MP2进行控制的时间流程示于图6a和6b。
整个变换周期需要24个节拍脉冲，并且用于处理中断服务程序的时间必须双倍被相加上。中断服务程序的任务是—读接收缓存器—写发送缓存器当发送缓存器被写入或者从接收缓存器中读取时中断被取消。
模/数转换器ADC的控制也可通过模/数转换器ADC上的MOSI脚(主出，从进)的连接实现。通过发送相应数据可以激活或关闭模/数转换器ADC。通过采用多路复用器MUX提供了以下可能性将参考电压施加到模/数转换器ADC上。这些电压使得微处理器MP2能够校正模拟路径上存在的增益误差。校正计算可以关断，以得到测试工作中纯粹由模/数转换器ADC得到测量数据。
本发明所述测量系统的消耗功率在大量试验中求得如下
电压参考REF和多路复用器MUX的消耗功率可以忽略不计。
图7示出一个具有多个传感头的第二个实施方式，其中采用了相同的附图标记。
根据本发明的测量系统广泛应用于要求光信号传输和能量传输、并必须保证非常有效和可靠的测量数据传输的地方，例如矿山中、中等电压或高压设备中、或者在工业电子设备中，尤其是自动化工程的工业电子设备中。按照本发明，实现了一种基于帧同步信号和脉宽调制与两点调节或简单的门限值控制(微调)相结合的动态工作，自身带有误差的测量值MW借助于在传感头SK中测得的环境温度、测得的参考电压和测得的传感头SK中的偏置电压而被校正，并且根据工作状态在两个微处理器MP1，MP2之间通过双向数据通信作为分开的控制来传输参数和数据，以及监测有关其数据传输质量的数据/消息和到达时间是否正确。
在本发明的其它实施方案中，根据本发明的测量系统例如可以应用于控制系统的实时组网(也可用于通过以太网或电力线的实时控制)，其中部件(例如传动装置，快速E/As，传感器，执行单元，观测系统)相互间的可同步性和数据按照传动装置的规则节拍被处理是前提条件；温度TS通过接口电路SPI连接到微处理器MP2上并且循环地被微处理器查询；也可利用一个可编程逻辑电路代替微处理器进行测量值预处理；通过数字信号处理器DSP馈送到微处理器MP1的传感器信号可以由外部传感器S1馈送等。
权利要求
1.用于中等电压或高压设备或用于矿山中的测量系统，它在一个中央测量设备(MG)和一个具有至少一个传感器元件(S1)的传感头(SK)之间进行光信号传输和能量传输，其中，·在中央测量设备(MG)中设置有一个受微处理器(MP1)控制的光发送机(LS1)，该光发送机将由不同分量迭加的光给出到第一个光波导(LW1)上，用于数据通信，并用于传感头(SK)的能量供应，·在传感头(SK)中设置有一个连接于第一光波导(LW1)上的光接收机(LE2)和一个微处理器(MP2)，其中微处理器(MP2)在被光接收机(LE2)激活后用于控制传感器元件(S1)、收集和处理传感器元件(S1)所测得的值；并且如此控制用于通过光发送机(LS2)、第二光波导(LW2)和设置在中央测量设备(MG)中的光接收机(LE1)将已经过处理测量值传送到中央测量设备(MG)的数据通信，使得两个微处理器(MP1，MP2)通过双向数据通信将传输、测量和监测任务作为分开的控制来实现，其中一个帧同步信号不仅用于能量供应，也用于导出面向数据块的数据传输所需的节拍信号，并且一个用于参数化和/或编程的数据通信在中央测量设备(MG)和传感头(SK)之间进行，以及在传感头(SK)中进行测量值的预处理，尤其是测量值校正和/或测量范围转换和/或滤波器特性的重新编程和/或自动均衡在传感头(SK)中实现。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，在传感头(SK)中设置有一个与微处理器(MP2)相连接的模/数转换器(ADC)，并且微处理器(MP2)校正通过模/数转换器(ADC)送来的数字测量值(MW)，和/或用系统信息(SI)补充数据，所得到的数据被分段，借助于分组码进行编码，并且供给用于分段的信息，使得可以实现无直流电压的和对错误进行校正的数据传输。
3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，传感头(SK)具有一个多路复用器(MUX)，其输入端分别连接到传感器元件(S1)上，并且测量切换电路(KU)借助于微处理器(MP2)实现。
4.如权利要求2和3所述的测量系统，其特征在于，在多路复用器(MUX)的输出端上连接有一个用于可获得的测量值的阻抗变换器(IW)，并且在阻抗变换器(IW)的输出端与模/数转换器(ADC)的输入端之间设置一个具有可调增益的差分放大器(DV)，它连接于微处理器(MP2)以实现测量范围转换(BU)。
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，用于直流或交流电压测量的传感器元件(S1)具有一个欧姆电阻分压器，和/或用于电流测量的传感器元件(S1)具有一个电感式电流变换器，它后接一个用于瞬态脉冲和高压脉冲滤波的滤波器(F1)和串接的保护单元(SCH)。
6.如权利要求1和3所述的测量系统，其特征在于，在传感头(SK)中设置有一个温度传感器(TS)，它被连接在多路复用器(MUX)的一个输入端上。
7.如权利要求2和6所述的测量系统，其特征在于，传感头(SK)具有参考电压源(REF)，并且为了微处理器(MP2)所控制的均衡，相应的与温度有关的参考电压值(VRef)通过多路复用器(MUX)的一个输入端或者通过模/数转换器(ADC)的一个控制输入端馈入。
8.如权利要求1所述的测量系统，其征在于，在传感头(SK)中设置有一个连接于光接收机(LE2)的滤波器(FI)，在其输出端上可获得帧同步信号和/或后续的数据信号，并且这些信号可送至微处理器(MP2)。
9.如权利要求1至8中任一项所述的测量系统，其特征在于，在传感头(SK)中设置有一个与光接收机(LE2)相连接的电压变换器(SPW)，它用于在传感头(SK)中供电，并且微处理器(MP2)监测可在电压变换器(SPW)的贮能器上获得的电压。
10.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，在每个光发送机(LS1，LS2)前面设置有一个放大器(V1，V2)，并且另一个放大器(V3)接在中央测量设备(MG)中的光接收机(LE1)的后面。
11.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，中央测量设备(MG)具有至少一个接口电路(IO)，并且在中央测量设备(MG)中设置有一个与微处理器(MP1)相连接的数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器可通过接口电路(S1)从外部进行配置，也可被读取。
12.用于测量中等电压或高压设备和矿山中电流或电压的方法，其中在中央测量设备(MG)与一个具有至少一个传感器元件(S1)的传感头(SK)之间进行光信号传输和能量传输，如权利要求1至11中任一项所述，其特征在于，设置在测量设备(MG)中和设置在传感头(SK)中的微处理器(MP1，MP2)通过双向数据通信将传输、测量和监测任务作为分开的控制来完成，设置在测量设备(MG)中的微处理器(MP1)根据帧同步信号以动态工作方式控制能量供应，为了对测量值进行预处理和/或为了自动均衡，在传感头(SK)中测量气象箱中的参考电压，并存储在至少一个微处理器(MP1，MP2)中，设置在传感头(SK)中的微处理器(MP2)完成均衡过程并进行误差计算，以及控制无直流电压和对错误进行校正的数据传输。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，能量传输的微调借助于脉宽调制结合了两点调节或简单的门限值控制进行，并且在数据传输之前，本身含有误差的测量值(MW)借助于传感头(SK)中测得的环境温度、参考电压和偏置电压，在传感头(SK)中被校正。
全文摘要
存在不同设计的测量系统，它们大多数包括一个中央信号处理单元和多个电测量元件，并且其中由测量元件完成的测量值在光波导上进行光传输。本发明的目的在于提供一种这种类型的测量系统，它有低的功耗并能够实现可靠的光数据传输。为此一个光环路被提供在中央测量设备(MG)和传感头(SK)之间。设置在中央测量设备(MG)中和设置在传感头(SK)中的微处理器(MP1，MP2)通过双向数据通信将传输、测量和监测任务作为分开的控制来完成。一个帧同步信号用于能量供应和导出用于面向数据块的数据传输的时钟信号。为了完成参数化和/或编程，在中央测量设备(MG)与传感头(SK)之间进行一个数据通信，并且在传感头(SK)中对测量值进行预处理，尤其是在传感头(SK)中进行测量值校正和/或测量范围转换和/或滤波器特性的重新编程和/或自动均衡。
文档编号G01R15/22GK1761881SQ200480007121
公开日2006年4月19日 申请日期2004年2月12日 优先权日2003年2月12日
发明者赫曼·哈姆佩尔 申请人:Iad信息自动化及数据处理有限公司