阅读说明：本技术 利用双线接口来测量特定量的电子装置 (The electronic device of specific quantity is measured using two-wire interface ) 是由 F·巴尔托利 于 2019-05-17 设计创作，主要内容包括：利用双线接口来测量特定量的电子装置。本发明涉及一种用于测量特定量的电子装置,该装置具有双线接口,该双线接口具有旨在连接至导线对的两个连接端子,该导线对向所述测量装置供电并且传送回表示所测量的量的电气量。所述装置包括：提供所述确定量的原始测量值的换能器；用于对所述原始测量值进行调理的处理级,该处理级包括连接至所述换能器的一个输入以及一个输出；电连接至所述处理级的稳压器。该稳压器包括电连接至所述双线接口的所述两个连接端子的输入端口,以及向所述换能器和/或向所述处理级提供调节电压的输出端口。所述装置还包括反馈电路,该反馈电路电连接至所述稳压器输入端口并且电连接至所述处理级。(The electronic device of specific quantity is measured using two-wire interface.The present invention relates to a kind of for measuring the electronic device of specific quantity, the device has two-wire interface, the two-wire interface has two connection terminals for being intended to be connected to conducting wire pair, and the opposite measuring device of the conducting wire powers and sends back the electrical quantity for the amount for indicating measured.Described device includes: to provide the energy converter of the original measurement value of the determining amount；Process level for being improved the original measurement value, the process level include being connected to the input and an output of the energy converter；It is electrically connected to the voltage-stablizer of the process level.The voltage-stablizer includes the input port for being electrically connected to described two connection terminals of the two-wire interface, and provides the output port of adjusting voltage to the energy converter and/or to the process level.Described device further includes feed circuit, which is electrically connected to the voltage-stablizer input port and is electrically connected to the process level.)

利用双线接口来测量特定量的电子装置

技术领域

本发明涉及具有“双线(two-wire)”接口的测量装置，例如，IEPE型测量装置。

背景技术

已知具有所谓的“双线”接口的测量装置(例如压电加速度计)经由单对导线(在下面的描述中更简单地称为“导线对”)连接至远程测量设备。

该导线对用于向测量装置供电并且传送回表示所测量的量的电气量。该导线对中的一根导线可以接地，而另一根导线可以传送表示所测量的量的有用电压。

根据该方法(通常被称为IEPE(集成电子压电))，该测量装置由恒定电流供电，并调制导线对上的电压，以将测量值传送并且发送至远程设备。

高阻抗恒流源被集成到测量设备中，并提供几毫安(通常介于2毫安至20毫安之间)的强度。一些已知的装置中，该高阻抗恒流源能够保持范围从0V至24V的电压。测量装置输出处的静态点固定在该范围的中间，这原则上允许+/-12V的测量动态范围。

这种测量装置的简单实现及其对噪声的抗扰性导致其在工业环境中的广泛使用。

现代测量装置除了提供物理量(从该物理量获取测量值)的原始测量值的换能器之外，还包括对该原始测量值进行调理的处理级，例如，对该原始测量值进行滤波和/或放大。该处理级可能需要电源(通常经由固定的低阻抗电压)。一些换能器也可能需要这样的电源，例如可以是基于MEMS的加速度计的情况。

这种(恒压和低阻抗)电源与双线接口提供的电源不直接兼容。因此，必须在测量装置中包括辅助电源电路(在本申请中也称为“稳压器(regulator)”)，以使得能够执行该电源功能。

从文献US8179121中已知这样一种IEPE型测量装置，即，其包括MEMS换能器、放大和滤波级以及双线接口。在双线接口的连接端子之间，齐纳(Zener)二极管与放大级串联设置，并且形成提供5V恒定电压的稳压器，用于为换能器以及放大和滤波级供电。

在该文献中提出的配置中，在二极管端子处产生的恒定电压是双线接口处提供的信号的直流分量。因此，该组件限制了该接口的端子之间可能发生的电压偏移。在测量装置的输出信号上诱发的扰动(例如，由于二极管的特性与其指定特性之间的必然差异)不能通过所提出的架构中的反馈回路直接校正。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有双线接口和不同架构的测量装置，该测量装置至少部分地解决了现有技术的解决方案架构的问题。

为了实现这些目的之一，本发明的主旨提出了一种测量确定量的电子装置，该装置具有双线接口，该双线接口具有旨在连接至导线对的两个连接端子，该导线对向所述测量装置供电并且传送回表示所测量的量的电气量。

所述装置包括：换能器，其提供所述确定量的原始测量值；处理级，其对所述原始测量值进行调理，所述处理级包括连接至所述换能器的输入以及输出端口；以及稳压器，该稳压器包括电连接至所述双线接口的两个连接端子的输入端口以及向所述换能器和/或向所述处理级提供调节电压的输出端口。

所述装置的显著之处在于，所述处理级的输出端口连接至所述稳压器的输入端口或者连接至所述稳压器的输出端口，并且在于，所述装置包括反馈电路，所述反馈电路电连接至所述稳压器的输入端口并且电连接至所述处理级。

由于反馈回路包括所述稳压器，因此，可以鲁棒地补偿该元件的可能影响。

根据本发明的其它有利和非限制特征，单独或按任何技术上可行的组合来采取：

-所述处理级包括滤波器单元和放大单元；

-所述稳压器是串联稳压器；

-所述串联稳压器包括储能装置；

-所述稳压器是升压稳压器，例如开关稳压器；

-所述电子测量装置被配置成被提供恒定电流，并且传送回的所述电气量是电压；

-所述换能器是加速度计；

-所述加速度计是压电加速度计；

-所述加速度计是MEMS加速度计。

附图说明

根据参照附图进行的本发明的以下详细描述，本发明的进一步特征和优点将呈现，附图中：

-图1示出了利用电子测量装置的测量系统；

-图2示出了测量装置的框图；

-图3a至图3d分别示意性地示出了非伺服控制串联稳压器、伺服控制串联稳压器、齐纳二极管稳压器以及开关稳压器；

-图4a和图4b示出了测量装置的两种可能配置；

-图5a和图5b分别示出了根据图4a的配置的测量装置的第一示例和第二示例；

-图6a和图6b分别示出了根据图4b的配置的测量装置的第一示例和第二示例；并且

-图6c示出了图6a的第一示例的另选实施方式。

具体实施方式

为了确保以下描述的简明，相同附图标记将被用于在本产品的各种公开实施方式中相同或执行相同功能的元件。

电子电路的术语“端口”指的是电路的、将电路电连接至另一电路的一对导电元件。流过这些导电元件的电流相等且方向相反。其中一个导电元件通常连接至地，而另一个导电元件传送“有用”电压。端口电压对应于这两个元件之间产生的电压。如果其中一个元件连接至电气地，那么端口电压等于另一个元件传送的有用电压。电路可以具有“输入”端口和“输出”端口，这些名称使得可以将一个端口与另一端口区分，而非在电路上施加任何操作方向。

图1示出了利用如本公开所述的电子测量装置1的测量系统。

电子测量装置1包括测量确定量的至少一个换能器S。因此，换能器S可以是用于获取装置1所附接至的机器或设备的振动特性的加速度计。该加速度计可以基于使用压电效应、电容效应或任何其它物理效应来实现测量技术。该加速度计可以通过微电子集成技术实现，并且例如可以采用微机电系统(MEMS)的形式。

在特定示例性实施方式中，换能器是单轴、双轴或三轴MEMS加速度计，即，沿一个、两个或三个方向提供加速度测量值。当可获得多个测量值时，这些测量值可以彼此以电方式组合，使得测量装置可以提供组合加速度测量值。MEMS测量方向可以与换能器测量轴成45°。

加速度计(或者更一般地，换能器S)可以采取的各种形式可以赋予加速度计特定的特性，诸如能够测量根据相对高或低的频率范围变化的量，或者需要被提供能量，或者能够以能量充足的方式运行等。

然而，本说明书的电子测量装置1不限于特定的换能器类型，提供待测量的量的原始测量值的任何换能器S都是合适的。该原始测量值可以具体化为电压、负载、电流、电阻，并且更一般地，具体化为可以由电子测量装置1调理的任何电气量，如将在下面章节中详细阐述的。作为另外的示例，换能器S可以形成压力或温度传感器、麦克风、光学传感器。

返回至图1的描述，电子测量装置1包括外壳2，该装置的各种组件设置在该外壳2中。然而，在不超出本发明的范围的情况下，测量装置1的元件可以设置成不放置在同一外壳中，甚或可以不设置外壳。

在图1所示的示例中，除了换能器S以外，测量装置1还包括双线接口J，该双线接口J具有用于将两根引线3a、3b连接至电子测量装置1的两个连接端子。该对导线3a、3b在本公开的其余部分中将被称为“导线对3”。双线接口J形成测量装置1的输出端口，在该端口处产生的电压表示所测量的量。该导线对的导线3a、3b之一具有电气地，而另一个具有有用电压。

双线接口J可以采取任何合适形式，以将导线对3电连接至装置1，而且可能机械地连接至外壳2。在特定示例性实施方式中，导线对3由同轴电缆构成，众所周知，同轴电缆由用于传导有用电压的中心导线、围绕中心导线的电介质材料、以及形成导线对3的第二导线并与系统地(system ground)相关联的外导电护套形成。这电磁隔离了流过中心导线的信号，使测量对于工业环境中可能强烈的电磁干扰具有鲁棒性。在这种情况下，双线接口J由公或母同轴连接器构成。另选地，导线对3可以由封装在屏蔽护套中的两根导线3a、3b构成。在这种情况下，双线接口J可以将护套电连接至盒子2的地，并且将装置1的电气地连接至导线对3的两根导线之一。

图1中所示的测量系统还包括测量设备4。测量设备4经由导线对3连接至电子测量装置1。图1中的测量设备4具有双重功能。该测量设备4获取测量装置1提供的测量值以对其进行可视化、记录或分析。该测量设备4还是为测量装置1供电的能量源。

更具体地，测量设备4包括连接至导线对3的电流源，该电流源向测量装置1提供恒定电流。同时，电子测量装置1在其输出端口处建立的测量值被导线对3传送回测量设备4以供处理。

如本申请引言中所述，当换能器是压电加速度计时，测量装置1的这种实施方式被称为IEPE。在这种情况下，电流源通常提供几毫安(介于2毫安至20毫安之间)的高阻抗电流。导线对3的两根导线之间产生的电压通常介于0V至24V之间。当然可以不将电源集成到测量设备4中，而是形成系统的单独部分。

返回至图1中的测量装置1的一般描述，该测量装置1包括处于提供确定量的原始测量值的换能器S与双线接口J之间的电子部分5。电连接至换能器S和接口J的该部分包括设置在一个或更多个PCB型电子板上的多个分立或集成电子组件(例如电阻器、电容器、电感器、晶体管、放大器等)。

图2示出了电子测量装置1的示意图。在此图中，连接至电流源的导线对3电连接至双线接口J。

电子部分5的电子组件的第一部分构成处理级T，该处理级T旨在调理由换能器S提供的原始测量值。因此，该处理级包括连接至换能器S的一个输入和提供经调理的电信号的一个输出端口。该输出端口可以电连接至稳压器R的输入端口或稳压器R的输出端口，如本说明书后面更详细地描述的。在所有情况下，处理级T的输出端口提供的经调理的电信号对测量装置1的输出端口的电压进行调制，以在导线对3上传送表示测定量的电压。

由该处理级T对原始测量值执行的调理可以包括对由换能器S提供的负载或电压进行放大和/或滤波，例如，通过Butterworth滤波器、Bessel滤波器、Chebyshev滤波器或任何其它类型的滤波器。包装(Packaging)可以是任何其它性质的，例如提供原始测量值的有效值甚或包括对测量值进行数字处理。

这种调理由反作用回路BR辅助，该反作用回路BR允许将测量装置1的输出电压注入处理级T。该回路可以包括任何类型的无源或有源组件。众所周知，该回路可以用于固定或稳定测量装置1的增益和/或偏置。

装置1的部分5中的电子组件的另一部分形成向处理级T和/或换能器S提供电压的稳压器R。该稳压器R包括电连接至双线接口J的两个连接端子的输入端口Er，因此该输入端口Er上施加了可变电压。稳压器R还包括向换能器S和/或向处理级T提供调节电压的输出端口Sr。

与测量装置1兼容的双端口稳压器R可以以多种形式实现。例如，稳压器R可以是串联设置在负载C(这里为处理级T和/或换能器S)与可变电压(这里为导线对3传送的电压)之间的串联稳压器。这样的电路会在其输入端口与输出端口之间产生电压降，而无论该输入端口处的电压是否大于输出电压，以便保持输出端口处输出的电压恒定。输入端口吸收的电流返回至输出端口。这种串联稳压器在图3a中以开环配置示意性地示出，而在图3b中以包括稳压伺服控制的配置示出。

作为另外的示例，稳压器R可以是可能由电流源(电阻器、晶体管)补充的齐纳二极管稳压器，如图3c的电路图所示。

在这两个示例中，测量装置1的输出动态范围(即，最小电压与最大电压之间的可能电压偏移(voltage excursion))被限制。为了使装置起作用，对于测量装置1的输出端口处的电压(其还对应于稳压器R的输入端口Er处的电压)来说必需保持高于装置1的其它元件的供电电压加上稳压器R本身的操作所需的压差(drop-out)。因此，为了向测量装置1的组件提供5V的调节电压，稳压器R的输入端口Er处的电压(因此，测量装置1的输出端口处的电压)不能低于约6V或7V的最小值。

为避免这种情况，稳压器R可以配备有储能装置Cs，例如电容。当稳压器R的输入端口Er处的电压高于最小阈值电压时，该储能装置允许储存能量，并且当输入端口处的电压高于该阈值电压时，恢复该能量并保持该调节电压。该储能装置的规模(sizing)(例如，容量)当然取决于所测量的量的特性。该解决方案特别适用于不在低频率(小于1Hz或10Hz)下变化的量，因此不太可能呈现低于该阈值电压的电压达很长一段时间。

另选地，稳压器R可以由可以作为升压装置操作的开关稳压器构成，在图3d中示意性地示出。该另选方案特别适用于测量准静态量，例如大气压力测量。测量这样的量很可能在装置1的输出端口处提供低于串联稳压器的阈值电压的电压达很长一段时间。因此，这种相对低的电压无法容易地通过具有与测量装置1的规模兼容的规模的储能装置补偿。例如，利用升压稳压器(例如开关稳压器)，可以将导线对3处的3V电压转换成稳压器R的输出端口Es处的5V电压，从而向装置1的有源元件供电。在这种情况下，可以设置由稳压器R本身供电的附加电路以提供开关信号K。

升压稳压器也可以由开关电容器装置操作。

无论为稳压器R和处理级T选择的性质如何，测量装置1的电子部分5的这两个元件可以按照图4a和图4b中示意性示出的两种配置彼此连接。

在图4a的第一种配置中，处理级T的输出端口电连接至稳压器R的输出端口Sr。在图4b的第二种配置中，处理级T的输出端口电连接至稳压器R的输入端口Er。在两种情况下，在处理级T的输出端口处的可获得测量值的经调理信号对导线对3的电压进行调制，使得该电压表示由换能器S测量的量。

当然，测量装置1的电子部分5可以包括其它电子组件，以执行其它功能或者完成处理原始测量值和提供经调节的供电电压的功能。如果该功能未包括在反馈回路BR中，则因此可以设置具有去耦功能的电容或者被设置为分压器电桥以设定导线对3处的偏置的电阻器。

在操作中，电子测量装置1因此经由导线对3连接至电流源，该电流源可以设置在测量设备4中。该电流源提供标称电流(例如，几毫安)，并且能够保持规定测量动态范围的电压范围。该动态范围例如可以介于0至24伏特之间。

反馈回路BR或者电子部分5的附加电子组件限定由装置1提供给导线对3的偏置。“偏置”是指当确定量具有参考值时导线对3处的电压。例如，当换能器是大气压力传感器时，该参考值可以是1atm的压力。当换能器S是加速度计时，该参考值可以是零加速度。通常，考虑到稳压器R本身的压差，该偏置被选择为高于换能器S和/或处理级T的电源的调节电压。如果稳压器具有储存能量或作为升压装置操作的能力，则可以更自由地选择偏置，通常选择为在动态范围的中点处。

当所测量的量处于其参考值时，在导线对3中、在双线接口J处并且在稳压器R的输入端口Er处建立偏置。稳压器在其输出端口Sr处向处理级T和/或向换能器S提供经调节的供电电压，处理级T和/或换能器S因此正常运行。

所测量的量的变化导致换能器S提供的原始测量值的变化。在处理级T的输入处提供原始测量值以对该原始测量值进行滤波和/或放大。处理级T的输出端口连接至稳压器R的输入端口Er或者稳压器R的输出端口Sr，以在任何情况下对导线对3处的电压进行调制并使该电压表示所测量的量。

有利地，将选择处理级T的放大增益以利用所有可能的电压动态范围。例如，在换能器S是加速度计的情况下，可以调节处理级T的增益以获得等于或大于100mV/g或500mV/g的测量灵敏度，其中，g是大致对应于地球表面处的重力加速度的加速度单位。对于0V至24V之间的动态范围，设定在12V的偏置以及7V的阈值限制以调节5V的供电电压，可获得50g的测量动态范围(灵敏度为100mV/g)或者10g的测量动态范围(灵敏度为500mV/g)。在可以利用0V至24V之间的整个动态范围的装置中，将偏置设定在12V，可获得100g的动态范围(灵敏度为100mV/g)。

参照图5a，现在公开了根据图4a的第一实施方式的电子测量装置1的第一示例。

在该示例中，存在换能器S和双线接口J。换能器可以是由5V电压供电的MEMS加速度计。这里，处理级T由彼此串联电连接的第一单元F和第二放大单元A构成，该第一单元F用于对原始测量值进行滤波。这里，稳压器R由串联稳压器构成，该串联稳压器包括设置在输入端口Er的导电元件与输出端口Sr的导电元件之间的晶体管Tr，以及放置在晶体管Tr的基极中并连接至电路的电气地的齐纳二极管Z(其特性基本上确定了稳压器R的输出端口Sr处的调节电压)。该电气地还连接至稳压器R的输入端口Er和输出端口Sr的第二导电元件。电阻器r设置在晶体管Tr的端子与晶体管Tr的基极之间。因此，在输出端口Sr上可获得调节电压(例如，5V)，该电压分布在换能器S的电源引脚以及由滤波器单元F和放大单元A构成的处理级T的电源引脚上。

放大单元A包括由稳压器R提供的电压供电的运算放大器Ao。该运算放大器在第一差分输入处接收来自滤波器单元F的原始测量值，并且在第二差分输入处接收由反馈回路BR提供的电压。运算放大器Ao的输出连接至位于形成放大器单元A的输出端口的两个导电元件之间的晶体管Ta。该端口连接至稳压器R的输出端口Sr。

这里，反馈回路由被配置为分压器电桥的简单电阻器构成。

当放大器Ao的差分输入处存在偏差时，晶体管Ta吸收稳压器R的输出端口Sr处的电流。这通过调节输入端口Er处的电压，连同回路BR的反馈效应一起来补偿所吸收的电流。以这种方式，根据换能器S提供的原始测量值，对双线接口J的端子之间的并且在导线对3上传送的电压进行调制。

图5b示出了根据图4a的第一实施方式的电子测量装置1的第二示例。在该第二示例中，与先前示例相比，仅修改放大单元A。因此，为了简洁起见，省略了对该第二示例的装置的其它单元或元件的描述。

在该第二示例中，放大单元A的显著之处在于，其连接至稳压器R的输出端口Sr的输出端口还连接至运算放大器Ao的电源引脚。当运算放大器Ao的差分输入处存在偏差时，放大器的输出放电至电阻Ra中，从而导致该放大器的供电电流增加。以这种方式，稳压器R的输出端口Sr处的电流被消耗，这类似于关于图5a的描述所描述的那样进行补偿。

图6a示出了根据图4b的第二实施方式的测量装置1的第一示例。在该示例中，可以看到前两个示例中的换能器S、滤波器单元F、串联稳压器R以及双线接口J。在该示例中，放大单元A的输出端口连接至稳压器R的输入端口Er。放大单元与图5a中的放大单元相同。在操作中，由于运算放大器的差分输入处的偏差，电流的一部分漂移至稳压器的输入Er，这导致对该电压进行调制。

图6b示出了符合图4b的第二实施方式的测量装置1的第二示例。在该第二示例中，先前示例中的串联稳压器R已被另选稳压器替代。该另选稳压器由与电流源(例如，电阻)串联设置的齐纳二极管Z构成。输出端口Sr从二极管2的端子处限定的中点取得电压。该示例中的装置1的操作模式类似于图6a的操作模式。

图6c示出了与图6a中的描述相关地呈现的第二实施方式的第一示例的变型。在该变型中，设置储能装置Cs，这里，当换能器是由5V电压供电的MEMS加速度计时，储能装置Cs的电容值通常可以介于10微法至50微法之间。还设置了阻塞二极管D2以避免储能装置通过稳压器R和放大器A的输出级放电。

当然，本发明不限于所述实施方式，并且可以在不脱离如权利要求中限定的本发明的范围的情况下，使用另选解决方案。

因此，尽管已经针对恒流电源呈现了测量装置(对电压进行调制以在导线对3上传送表示所测量的量的电压)，但是可以应用与所揭露原理相同的原理来提供以恒定电压供电的装置，其将对导线对中流动的电流进行调制以传送所测量的量。

另外，该装置可以具有由稳压器供电的多个换能器。在这种情况下，由这些换能器提供的测量值可以在通过导线对传送之前彼此组合，例如用于提供平均值。