DE102006042807A1

DE102006042807A1 - Messanordnung mit großer Messbereichsdynamik

Info

Publication number: DE102006042807A1
Application number: DE102006042807A
Authority: DE
Inventors: Martin Gehrke
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-27
Also published as: CN101512294A; WO2008028873A1; US20100063780A1; CN101512294B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Messgröße eines Messmediums über eine Messstrecke, die eine Folge von Signalen aufweist, wobei, abgesehen von dem Ursprungssignal der Folge, die Signale jeweils in Abhängigkeit des vorausgehenden Signals der Folge bereitgestellt werden, zumindest ein Signal der Folge durch Wechselwirkung mit dem Messmedium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird, wobei mindestens einem ersten Signal der Folge eine zeitliche Variation aufgeprägt wird; und ein zweites Signal, welches in der Folge der Signale an beliebiger Stelle nach dem ersten Signal steht, durch Integration des dem zweiten Signal unmittelbar vorhergehenden Signals gebildet wird, wobei ferner zur Ermittlung der Messgröße davon ausgegangen wird, dass die Messgröße während der Integration im Wesentlichen konstant geblieben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Erfassen einer physikalischen Größe über einen großen dynamischen Bereich. Dies ist insbesondere in der Analysetechnik von Bedeutung, da dort Effekte vorkommen, deren quantitative Auswirkung sich über viele Dekaden erstreckt.
Einerseits ist es erforderlich, kleine Signale mit großer Auflösung und Genauigkeit zu Messen und andererseits auch große Signale im Rahmen der angestrebten Genauigkeit zu erfassen. Beispielsweise bei Absorptionsmessungen besteht zwischen dem Messsignal und der verursachenden Konzentration einer absorbierenden Substanz ein exponentieller Zusammenhang, der leicht zu Signalen mit einem dynamischen Bereich von mehreren Dekaden führen kann.
Wenn ein durch einen Analyten bzw. durch ein Messmedium verändertes Erregersignal (Stimulus) als Messsignal erfasst wird, hängt die Größe des Messsignals von der Quantität des Stimulus ab. Ein Beispiel hierfür sind Absorptionsmessungen, bei denen das Messsignal im wesentlichen proportional zum Stimulus bzw. zum Erregersignal ist. Gleichermaßen ist das Signal proportional zum Verstärkungsfaktor der Sensorschaltung, mit welcher das durch den Analyten veränderte Erregersignal erfasst wird.
Zur Anpassung des Messsignals an den dynamischen Bereich der Messschaltung können nach dem Stand der Technik beispielsweise der Verstärkungsfaktor der Sensorschaltung oder die Amplitude des Erregersignals der Beeinflussung des Erregersignals durch den Analyten angepasst werden.
Um große dynamische Bereiche zu überdecken, kennt der Stand der Technik weiterhin Verstärker mit logarithmischen Kennlinien, Schaltungen mit umschaltbaren Verstärkungsbereichen, oder solche mit parallel verlaufenden unterschiedlichen Verstärkungsstufen. Die Auswahl der geeigneten Verstärkungsstufe läuft über die Identifikation der Verstärkungsstufe mit dem aktuell günstigsten Signal-zu-Rauschen-Verhältnis bei Vermeidung von Übersteuerung des Signals.
Weiterhin sind Vorrichtungen mit A/D-Wandlern großer Bitzahl bekannt, jedoch sind diese sehr langsam und verbrauchen verhältnismäßig viel Strom. Zudem weisen sie bei kleinen Signalen und vorgegebener absoluter Auflösung eine verhältnismäßig große Ungenauigkeiten bezogen auf den Messwerten auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät und ein Messverfahren bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Messgerät gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Erfassen einer Messgröße eines Messmediums über eine Messstrecke mit einer Folge von Signalen, wobei
abgesehen von dem Ursprungssignal der Folge die Signale jeweils in Abhängigkeit des vorausgehenden Signals der Folge bereitgestellt werden,
zumindest ein Signal der Folge durch Wechselwirkung mit dem Messmedium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird,
wobei ferner mindestens einem ersten Signal der Folge eine zeitliche Variation aufgeprägt wird; und
ein zweites Signal, welches in der Folge der Signale an beliebiger Stelle nach dem ersten Signal steht, durch Integration des dem zweiten Signal unmittelbar vorhergehenden Signals gebildet wird, wobei ferner zur Ermittlung der Messgröße davon ausgegangen wird, dass die Messgröße während der Integration im Wesentlichen konstant ist.
Die zeitliche Variation des ersten Signals kann beispielsweise eine streng monotone Funktion in der Zeit sein, insbesondere eine lineare Funktion.
Das erste Signal kann beispielsweise durch Integration eines konstanten Signals mittels einer Integratorschaltung gebildet werden, wobei das konstante Signal beispielsweise das Ursprungssignal der Folge sein kann.
Das erste Signal startet vorzugsweise zu Beginn der Bestimmung eines Messwerts von einem festen Startwert, insbesondere Null, und steigt während der Messung stetig an.
Die Integration zur Ermittlung des zweiten Signals wird vorzugsweise in einer festen zeitlichen Beziehung zur Variation des ersten Signals gestartet, insbesondere gleichzeitig.
Zur Bestimmung des Messwerts kann die Integration beispielsweise erfolgen, bis das zweite Signal einen Referenzwert erreicht, wobei der Messwert dann aus der erforderlichen Integrationszeit bis zum Erreichen des Referenzwerts abgeleitet werden kann. Diese Ausgestaltung der Erfindung wird derzeit bevorzugt, sie setzt naturgemäß voraus, dass das zweite Signal bereits von der Messgröße abhängig ist, also in der Messstrecke an beliebiger Stelle nach der Wechselwirkung eines Signals mit dem Messmedium folgt.
Das erste Signal ist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung unabhängig von der Messgröße, es steht in der Messkette also vor dem Signal, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann auch das erste Signal in der Messkette nach dem Signal angeordnet sein, welches von dem Signal abhängt, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird. In diesem Fall ist das erste Signal bereits messgrößenabhängig, wobei die zeitliche Variation im Wesentlichen unabhängig von der Messgröße aufgeprägt wird.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung kann auch das zweite Signal in der Messkette vor dem Signal angeordnet sein, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird. In diesem Fall ist das zweite Signal unabhängig von der Messgröße. Stattdessen weist das Signal, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird, eine Zeitabhängigkeit höherer Ordnung auf. Die Messgröße kann in diesem Fall bestimmt werden, indem die Zeit bestimmt wird, die verstreicht, bis ein Signal, welches von dem Signal abhängt, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird, einen Grenzwert überschreitet.
Das erfindungsgemäße Messgerät zum Erfassen einer Messgröße eines Messmediums umfasst eine Messstrecke mit einer Folge von Signalen, wobei
abgesehen von dem Ursprungssignal der Folge, die Signale jeweils eine Funktion des vorausgehenden Signals der Folge sind, und
zumindest ein Signal der Folge durch Wechselwirkung mit dem Messmedium gewandelt wird,
wobei das Messgerät ferner eine erste Schaltung aufweist, um einem ersten Signal der Folge eine zeitliche Variation aufzuprägen, und
eine zweite Schaltung, um ein zweites Signal bereitzustellen, welches in der Folge der Signale an beliebiger Stelle nach dem ersten Signal steht, wobei die zweite Schaltung ein Signal der Folge integriert und das Integral als zweites Signal ausgibt.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung des Messgeräts umfasst die erste Schaltung
entweder eine Erregerschaltung zum Ausgeben eines zeitlich veränderlichen Erregersignals, welches direkt mit dem Messmedium in Wechselwirkung tritt, oder eine Treiberschaltung zum Ausgeben eines zeitlich veränderlichen Treibersignals, welches ein Erregersignal treibt, das direkt mit dem Messmedium in Wechselwirkung tritt,
wobei das Messgerät ferner einen Sensor zum Empfangen eines Antwortsignals, das aus der Wechselwirkung des Erregersignals mit dem Messmedium hervorgeht, aufweist, wobei der Sensor ein elektrisches Primärsignal bereitstellt, welches von dem Antwortsignal abhängt, und
eine Messschaltung, welche das Primärsignal zu einem Messsignal verarbeitet, wobei die Messschaltung die zweite Schaltung umfasst, die das Primärsignal oder ein davon abhängiges Signal integriert, um das zweite Signal bereitzustellen.
Vorzugsweise ermittelt die Messschaltung die Integrationszeit, die erforderlich ist, bis das zweite Signal einen Schwellwert erreicht, und bestimmt anhand der Integrationszeit einen aktuellen Messwert der Messgröße.
Die Messschaltung kann zum Ermitteln der Integrationszeit einen getakteten Zähler umfassen, der mit Beginn der Integration gestartet wird, und bei Erreichen des Schwellwerts gestoppt wird.
Die Messschaltung kann weiterhin eine Komparatorschaltung umfassen, um das erreichen des Schwellwerts zu überwachen.
Das Erregersignal kann beispielsweise eine in ein Messmedium eingestrahlte oder mit dem Messmedium evaneszent wechselwirkende elektromagnetische Welle umfassen, insbesondere Licht einschließlich IR und UV. Das Antwortsignal kann dementsprechend ein Signal sein, welches durch beliebige Wechselwirkungsprozesse mit dem Messmedium hervorgeht, beispielsweise Dämpfung, Streuung, Absorption und Emission. Der Sensor kann dementsprechend beispielsweise eine geeignete Photozelle oder ein Wärmesensor sein.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
1a: ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf, verschiedener Signale der Messkette gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
1b: ein Diagramm zur Darstellung des Nutzens des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: ein Blockschaltbild für eine erste Ausgestaltung einer Messstrecke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3: ein Blockschaltbild für eine zweite Ausgestaltung einer Messstrecke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4: ein Blockschaltbild für eine dritte Ausgestaltung einer Messstrecke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1a ist der zeitliche Verlauf von Signalen einer Messstrecke zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Integrationszyklus gezeigt. Eine konstante Speisespannung (i) wird in einem ersten Integrationsschritt (a) in ein linear in der Zeit steigendes erstes Signal (ii) gewandelt. Dieses erste Signal kann beispielsweise die Versorgungsspannung für eine Lichtquelle sein, welche ein zu (ii) proportionales Erregersignal in ein Messmedium emittiert. Der Übersicht halber sei das Diagramm so skaliert, dass die Intensität des Erregersignals ebenfalls durch (ii) repräsentiert ist. Durch Wechselwirkung mit dem Messmedium, b(x) wird aus dem Medium ein gegenüber dem Erregersignal (ii) gedämpftes Antwortsignal empfangen, welches von einem Sensor, beispielsweise einer Photozelle in ein Primärsignal (iii) gewandelt wird. Der Einfachheit sei wieder angenommen, das Primärsignal (iii) sei so skaliert, dass es bei einem Messmedium ohne Dämpfung mit dem Signal (ii) zusammenfallen würde. Das Primärsignal (iii) wird über einen zweiten Integrationsschritt (c) in das Integral (iv) gewandelt, welches quadratisch in der Zeit ansteigt. Zur Bestimmung des Messwerts der Messgröße, die hier in der Dämpfung b(x) enthalten ist, wird die Integrationszeit t' ermittelt, die erforderlich ist, bis das Integral (iv) einen Schwellwert (v) erreicht.
Die Steigung der Kurve (iii) in 1a, die von der Dämpfung b(x) abhängt, ist proportional zu (1/t')^2. Gemäß 1b kann der Wert der Steigung der Kurve (iii) über einen dynamischen Bereich von sechs Größenordnungen mit einem Zeitmaß bzw. Zähler über drei Größenordnungen erfasst werden.
Die Messtrecke eines Messgeräts gemäß einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist schematisch in 2 dargestellt. Eine Treiberschaltung umfasst einen Integrator 10, der eine konstante Eingangsspannung U_in aufintegriert. Das integrierte Spannungssignal am Ausgang des Integrators 10 wird als Treibersignal ausgegeben, welches über einen Messzyklus zum Erfassen eines Messwerts von dem Startwert „Null" ausgehend linear ansteigt. Das Treibersignal steuert bzw. speist beispielsweise eine Lichtquelle, die Licht als Erregersignal in das Messmedium in einem zentralen Abschnitt 20 der Messstrecke emittiert. Aus dem Messmedium tritt ein abgeschwächtes Lichtsignal als Antwortsignal aus wobei das geschwächte Antwortsignal, bzw. das Verhältnis zwischen dem Erregersignal und dem Antwortsignal b(x) letztlich die medienspezifische Information enthält. Das Antwortsignal wird von einem Sensor in ein elektrisches Primärsignal gewandelt, welches mittels eines zweiten Integrators 30 integriert wird. Die Ausgangsspannung des zweiten Integrators U_out wird einem hier nicht näher dargestellten Komparator zugeführt, der U_out mit einem Schwellwert vergleicht. Mit dem Start einer Integration wird ein hier nicht näher dargestellter Zähler gestartet, der beim Erreichen des Schwellwerts mittels der Komparatorschaltung gestoppt wird. Aus dem Zählerstand, welcher ein Maß für die Integrationszeit ist, kann b(x) und damit der Messwert der interessierenden Messgröße ermittelt werden.
Nach Erreichen des Schwellwerts und dem Auslesen das Zählers, werden die beiden Integratoren entladen und der Zähler wird wieder auf Null gesetzt um die nächste Messwerterfassung zu starten.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Messstrecke, wobei hier der erste Integrator 110 und der zweite Integrator 130 dem Erregersignal vorgeschaltet sind. Damit weist bereits das Erregersignal, welches in das Medium in einen Messmedienabschnitt 120 der Messstrecke eingestrahlt wird, eine quadratische Zeitabhängigkeit auf, was naturgemäß zu einer quadratischen Zeitabhängigkeit des Antwortsignals und des Primärsignals des Sensors führt. Das Primärsignal oder ein davon abhängiges Signal U_out kann ohne weitere Integration einem Komparator zugeführt werden, der das Erreichen eines Schwellwerts überwacht.
In der Ausgestaltung in 4 sind wird mittels einer konstanten Eingangsspannung U_in ein während der Bestimmung eines Messwerts konstantes Erregersignal getrieben, welches in das Messmedium in einem Messmedianabschnitt 220 der Messstrecke eingestrahlt wird. Dementsprechend weist das Antwortsignal und das Primärsignal eines Sensors zum Erfassen eines Antwortsignals keine von der Messvorrichtung aufgeprägte Zeitabhängigkeit auf. Das Primärsignal wird anschließend durch eine Folge von einem ersten Integrator 210 und einem zweiten Integrator 230 geführt, so dass das Ausgangssignal U_out wieder eine quadratische Zeitabhängigkeit aufweist. Die Messwertbestimmung erfolgt dann, wie zuvor beschrieben, über die benötigte Zeit zum Erreichen eines Schwellwerts.

Claims

Verfahren zum Erfassen einer Messgröße eines Messmediums über eine Messstrecke, die eine Folge von Signalen aufweist, wobei abgesehen von dem Ursprungssignal der Folge die Signale jeweils in Abhängigkeit des vorausgehenden Signals der Folge bereitgestellt werden, zumindest ein Signal der Folge durch Wechselwirkung mit dem Messmedium in Abhängigkeit von der Messgröße gewandelt wird, wobei mindestens einem ersten Signal der Folge eine zeitliche Variation aufgeprägt wird; und ein zweites Signal, welches in der Folge der Signale an beliebiger Stelle nach dem ersten Signal steht, durch Integration des dem zweiten Signal unmittelbar vorhergehenden Signals gebildet wird, wobei ferner zur Ermittlung der Messgröße davon ausgegangen wird, dass die Messgröße während der Integration im wesentlichen konstant geblieben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zeitliche Variation des ersten Signals während der Erfassung eines Messwerts eine streng monotone Funktion in der Zeit ist, insbesondere eine lineare Funktion.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste Signal durch Integration eines konstanten Signals mittels einer Integratorschaltung gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Signal zu Beginn der Bestimmung eines Messwerts von einem festen Startwert, insbesondere Null, startet und während der Messung stetig ansteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Integration zur Ermittlung des zweiten Signals in einer festen zeitlichen Beziehung zur Variation des ersten Signals gestartet wird, insbesondere gleichzeitig.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Signal von der Messgröße abhängig ist, also in der Messstrecke an beliebiger Stelle nach der Wechselwirkung eines Signals mit dem Messmedium folgt, und zur Bestimmung des Messwerts die Integration zur Bestimmung des zweiten Signals erfolgt, bis das zweite Signal einen Referenzwert erreicht, wobei der Messwert dann aus der erforderlichen Integrationszeit bis zum Erreichen des Referenzwerts abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Signal unabhängig von der Messgröße ist, also in der Messkette vor dem Signal steht, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Signal in der Messkette nach dem Signal angeordnet ist, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Signal in der Messkette vor dem Signal angeordnet sein, welches durch Wechselwirkung mit dem Messmedium verändert wird.
Messgerät zum Erfassen einer Messgröße eines Messmediums, umfassend: eine Messstrecke mit einer Folge von Signalen, wobei, abgesehen von dem Ursprungssignal der Folge, die Signale jeweils eine Funktion des vorausgehenden Signals der Folge sind, und zumindest ein Signal der Folge durch Wechselwirkung mit dem Messmedium gewandelt wird, wobei das Messgerät eine erste Schaltung aufweist, um einem ersten Signal der Folge eine zeitliche Variation aufzuprägen, und eine zweite Schaltung zum Bereitstellen eines zweiten Signals, welches in der Folge der Signale an beliebiger Stelle nach dem ersten Signal steht, wobei die zweite Schaltung ein Signal der Folge integriert und das Integral als zweites Signal ausgibt.
Messgerät nach Anspruch 10, wobei die erste Schaltung eine Erregerschaltung umfasst zum Ausgeben eines zeitlich veränderlichen Erregersignals, welches direkt mit dem Messmedium in Wechselwirkung tritt.
Messgerät nach Anspruch 10, wobei die erste Schaltung eine Treiberschaltung umfasst zum Ausgeben eines zeitlich veränderlichen Treibersignals, welches ein Erregersignal treibt, das direkt mit dem Messmedium in Wechselwirkung tritt.
Messgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Messgerät ferner einen Sensor umfasst zum Empfangen eines Antwortsignals, das aus der Wechselwirkung des Erregersignals mit dem Messmedium hervorgeht, wobei der Sensor ein elektrisches Primärsignal bereitstellt, welches von dem Antwortsignal abhängt.
Messgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Messgerät ferner eine Messschaltung umfasst, welche das Primärsignal zu einem Messsignal verarbeitet, wobei die Messschaltung die zweite Schaltung umfasst, die das Primärsignal oder ein davon abhängiges Signal integriert, um das zweite Signal bereitzustellen.
Messgerät nach Anspruch 14, wobei die Messschaltung die Integrationszeit erfasst, die erforderlich ist, bis das zweite Signal einen Schwellwert erreicht, ein aktueller Messwert der Messgröße anhand der Integrationszeit bestimmt wird.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erregersignal eine in ein Messmedium eingestrahlte oder mit dem Messmedium über eine Grenzfläche evaneszent wechselwirkende elektromagnetische Welle ist, insbesondere Licht.