专利名称：基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法。
背景技术：
应用于流程工业中，基于电压频率变换测量技术的传统测量方法及其相应系统，普遍存在测量精度较差的缺陷。具体表现在不同外部条件下，同一测量系统的测量结果重复性(同一性)差；相同的外部条件下，不同测量系统存在不同的单向偏差；不同规格的现场信号，测量系统呈现不同的分辨率和精度。传统电压频率变换测量方法，采用多路现场输入信号通过信号调理模块并行转换成电压信号，经信号选通电路的逐一选通，被选通电压信号经预定放大系数的放大电路后，进入电压频率变换电路转换成频率信号，单片机对一定时间内的频率信号进行脉冲记数，然后根据记数结果推算得到现场信号的数值。具体实现细节可参照《智能化测量控制仪表原理与设计》(徐爱均编著，北京航空航天大学出版社1995年11月出版)一文第130/131页所述内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法。
它包括多路现场输入信号通过信号调理模块并行转换成电压信号，经信号选通电路的逐一选通，被选通电压信号经预定放大系数的放大电路后，进入电压频率变换电路转换成频率信号，单片机对一定时间内的频率信号进行脉冲记数，然后根据记数结果推算得到现场信号的数值。其特征在于单片机脉冲记数过程中引入两次捕捉；现场信号测量过程中引入内部基准源在线校正；系统出厂时对外接标准电压源信号的测量引入外接标准电压源离线校正及外零补偿；测量过程中对同一现场信号进行两次连续测量引入软自动增益调整。
所说的两次捕捉是在测量过程中，通过软件或软硬件结合的方法进行两次连续的定时，对同一次电压频率转化过程中的脉冲计数进行两次处理，剔除测量通道采集现场信号初始、结束阶段的不稳定信号所产生的脉冲计数，取得两次定时时刻之间的稳定脉冲计数值，进行后续的结果推算。如图2的正采过程所示。
内部基准源在线校正，是在对现场信号测量的过程中，通过对内部基准源电路所提供的多路基准电压进行测量，由于基准电压的量值是预知的，就可以根据基准电压测量结果对现场信号测量结果进行校正。如图3所示。
外接标准电压源离线校准及外零补偿，是出厂时在充分预热的基础上，通过对外接标准电压源进行测量，根据测量结果对内部基准源所提供的多路基准电压的电压数值进行修正。如图4所示。
软自动增益调整是对同一现场信号进行两次连续的测量。首次测量确定现场信号的最佳放大系数，然后根据最佳的放大系数进行基于两次捕捉的第二次测量，整个过程如图2所示。
本发明通过两次捕捉，剔除电压频率转换环节在采集现场信号时，初始、结束阶段的不稳定信号，改善同一测量系统测量结果的重复性(同一性)。通过内部基准源在线校正、外接标准电压源离线校准及外零补偿，消除了不同测量系统由于元件参数的分散性所引起的测量结果的单向偏差。通过试采结合正采的软自动增益调整技术，自动为现场信号选取最佳放大系数，使不同幅值的现场信号均具有良好的分辨率和精度。综合应用两次捕捉、在线校正、离线校准、软自动增益调整技术，不但使测量系统的精度得到质的提升，而且具备低廉的总体拥有成本。
图1是基于电压频率变换原理的低成本高精度测量系统方框图。
图2是本发明的两次捕捉，两次采样原理图；图3是本发明引入板内基准源电路后的测量原理图；图4(a)～(b)是本发明的外接标准电压源离线校准及外零补偿原理图；具体实施方式
本发明在传统的电压频率变换测量方法基础上，引入两次捕捉技术，在现场信号采集过程中，通过软件或软硬件结合的方法进行两次或多次定时，对同一次电压频率转化过程中的脉冲计数进行两次处理，进而达到将测量初始结束阶段不稳定的脉冲计数剔除的目的。使同一测量系统在不同外部条件下，测量结果的重复性(同一性)提高十倍。
本发明在传统的电压频率变换测量方法基础上，引入内部基准源在线校正技术和外接标准电压源离线校准及外零补偿技术。通过对内部基准源标准信号的测量，获取基准源信号选通环节(4)的后续测量环节(M1环节)所造成的单向偏差，据此在线校正现场信号的测量值。外部接线端子(1)至通道信号选通环节(3)的测量环节(M2环节)所带来的单向偏差，则在测量系统出厂时，根据对外接标准电压源的测量结果对内部基准源(9)所提供的多路基准源的电压数值进行修正，进而达到消除M2环节中由于元件参数分散性所引起的测量结果单向偏差。内部基准源电路、内部基准源在线校正、外接标准电压源离线校正及外零补偿的软硬件一体化设计，无需选用价格昂贵的高精度器件，就能有效克服由于测量系统元器件参数分散性引起的测量结果的单向偏差。
本发明在传统的电压频率变换测量方法基础上，引入了软自动增益调整技术。对现场信号的测量分成两步或多步实施，首步测量得到现场信号的实际量级，通过比较运算，确定再次测量的最佳放大系数，然后按照最佳的放大系数进行的再次测量，进而使不同规格的现场信号都具有相同的分辨率和精度。
本发明所涉及技术都是建立在具体应用的基础之上的。下面是本发明的一个具体应用实例。
基于电压频率变换原理的低成本高精度测量系统由外部接线端子1、信号调理模块2(包括2-1、2-2、......2-8共八路)、通道信号选通环节3、基准源信号选通环节4、信号放大环节5(16种放大系数)、电压频率转换环节6、通用单片机7、外零补偿电路8、内部基准源电路9组成。
外部接线端子1共有八组输入接线端子，可根据需求，接入八路不同规格的现场输入信号，这些信号包括标准电压信号(量程10mV、20mV、40mV、60mV、80mV、100mV、200mV、1V、2V、5V、1～5V)、标准电流信号(量程0～10mA，4～20mA)、标准热电阻信号(Pt100、Cu50)、标准热电偶信号(热电偶R、S、B、K、N、T、E、J型)等等。
信号调理模块2将前述不同规格现场输入信号平行转换成统一的电压信号，亦分成八路。
通道信号选通环节3，由通用单片机7控制，对调理后的八路不同量级电压信号(mV级～～V级)逐一选通。由此，后续的模拟信号处理环节可以为八路现场输入信号所共用。
基准源信号选通4，由通用单片机7控制，对选通环节3选通输出的信号，及内部基准源电路9输出信号，进行选通。选通前者时进行现场输入信号测量，选通后者时进行内部基准源测量，进而提供在线校正的参数。
信号放大环节5，对输入信号进行电压放大，放大系数共有16种待选，由单片机7进行选择。为了使信号稳定，本环节设置容阻滤波电路。
电压频率转换环节6，将输入的电压信号转换成相应频率的脉冲输出。
通用单片机7，对一定时间内的脉冲进行计数，然后根据对测量各环节的设置进行换算，得到现场信号输入值。
本发明的工作原理如下1、不同规格的现场模拟量信号经外部接线端子1和信号调理模块2，并行转换成统一的不同量级电压信号，由通道信号选通环节3逐一选通，选通后的信号经过基准源选通环节4选通，输出到信号放大环节5。
2、不同量级电压信号，经过可选放大倍数的信号放大环节5，放大成为同一量级电压信号。电压频率转换环节6对放大后的电压信号进行电压频率转换，输出对应频率的脉冲供通用单片机7计数，进而由通用单片机7推算出现场输入信号的数值。
3、通用单片机7对脉冲进行计数过程的初始和结束阶段，脉冲频率不能如实反映现场输入信号的幅值。因此系统采用了两次捕捉技术，第一次捕捉发生在测量初始阶段脉冲频率稳定之后，见图2的E时刻；第二次捕捉发生在测量结束阶段脉冲频率漂移之前，见图2的F时刻。然后根据两次捕捉时刻之间的脉冲计数进行推算，剔除了初始和结束阶段信号的不稳定所造成的影响。原理如图2正采过程。
4、基准源信号选通环节4至电压频率变换环节6之间(M1环节)，因测量通道元器件参数分散性所造成的单向偏差，可定期通过内部基准源在线校正技术予以消除。其原理如下，测量系统对现场信号和内部基准源信号产生相似的偏差，而内部基准源信号是预知的，据此可以有效地在线校正现场信号测量值，原理如图3。
5、外部接线端子1至通道信号选通环节3之间(M2环节)，因测量通道元器件参数分散性所造成的单向偏差，则是通过测量系统出厂时的外接标准电压源离线校准及外零补偿技术来消除的，消除的过程也就是对图3所示的E和Z修正的过程。原理如图4。通过对E和Z的修正，可以使线性的ZE和线性的Z-E-最大可能的拟合在一起，进而得到准确的现场信号测量值。
6、图1信号调理模块2输出不同量级的信号(mV级～～V级)，测量系统采用试采、正采两步实施。其基本思想是借鉴音视频领域的自动增益调整技术。图2时刻A到时刻B为试采，对现场信号的放大倍数为1，由此获取现场信号的实际量级；应用软自动增益调整技术，确定图1信号放大环节5的最佳放大倍数，并进行图2时刻E至时刻F的正采，达到不同规格的现场信号具有相同的分辨率和精度。
虽然以上已经根据各特定实施例描述了本发明，但是，本发明不准备被约束或限制在这里公开的实施例中。本发明要覆盖后附的权利要求书的精神和范围内的各种结构和修改。
权利要求
1.一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法，它包括多路现场输入信号通过信号调理模块并行转换成电压信号，经信号选通电路的逐一选通，被选通电压信号经预定放大系数的放大电路后，进入电压频率变换电路转换成频率信号，单片机对一定时间内的频率信号进行脉冲记数，然后根据记数结果推算得到现场信号的数值，其特征在于单片机脉冲记数过程中引入两次捕捉；现场信号测量过程中引入内部基准源在线校正；系统出厂时对外接标准电压源信号的测量引入外接标准电压源离线校正及外零补偿；测量过程中对同一现场信号进行两次连续测量引入软自动增益调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法，其特征在于，所说的两次捕捉是在测量过程中，通过软件或软硬件结合的方法进行两次连续的定时，对同一次电压频率转化过程中的脉冲计数进行两次处理，剔除测量通道采集现场信号初始、结束阶段的不稳定信号所产生的脉冲计数，取得两次定时时刻之间的稳定脉冲计数值，进行后续的结果推算。
3.根据权利要求1所述的一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法，其特征在于，所说的内部基准源在线校正，是在对现场信号测量的过程中，通过对内部基准源电路(9)所提供的多路基准电压进行测量，由于基准电压的量值是预知的，就可以根据基准电压测量结果对现场信号测量结果进行校正。
4.根据权利要求1所述的一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法，其特征在于，所说的外接标准电压源离线校准及外零补偿，是出厂时在充分预热的基础上，通过对外接标准电压源进行测量，根据测量结果对内部基准源(9)所提供的多路基准电压的电压数值进行修正。
5.根据权利要求1所述的一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法，其特征在于，所说的软自动增益调整是对同一现场信号进行两次连续的测量。首次测量确定现场信号的最佳放大系数，然后根据最佳的放大系数进行基于两次捕捉的第二次测量。
全文摘要
本发明公开了一种基于电压频率变换原理的低成本高精度测量方法。其方法在于通过两次捕捉，剔除电压频率转换环节在采集现场信号初始、结束阶段的不稳定信号，改善同一测量系统测量结果的重复性(同一性)。通过内部基准源在线校正、外接标准电压源离线校准及外零补偿，消除了不同测量系统由于元件参数的分散性所引起的测量结果的单向偏差。通过试采结合正采的软自动增益调整技术，自动为现场信号选取最佳放大系数，使不同幅值的现场信号均具有良好的分辨率和精度。综合应用两次捕捉、在线校正、离线校准、软自动增益调整技术，不但使测量系统的精度得到质的提升，而且具备低廉的总体拥有成本。
文档编号G01D3/028GK1563898SQ200410017268
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者姬亚鹏, 吴明光, 黄克强, 张伟 申请人:浙江大学