用于校准测量值的装置和方法
阅读说明：本技术 用于校准测量值的装置和方法 (Device and method for calibrating measured values ) 是由 马蒂亚斯·克吕勒 托斯滕·林德纳 于 2021-04-19 设计创作，主要内容包括：示出了具有输入端、模数转换器和处理器的装置,所述输入端设置用于读入模拟信号,所述模数转换器设置用于将模拟信号转换为数字值,所述处理器设置用于确定数字的测量值。此外,所述处理器设置成,借助于线性的校准函数从所述数字值得出已校准的数字值,并且借助于非线性的测量函数从所述已校准的数字值得出数字的测量值。作为对校准信号的反应,所述处理器基于算法和一定数量的预定的比较测量值改变所述线性的校准函数,所述算法基于所述非线性的测量函数。(An arrangement is shown with an input provided for reading in an analog signal, an analog-to-digital converter provided for converting the analog signal into a digital value, and a processor provided for determining a digital measured value. Furthermore, the processor is configured to derive a calibrated digital value from the digital value by means of a linear calibration function and to derive a digital measured value from the calibrated digital value by means of a non-linear measurement function. In response to a calibration signal, the processor varies the linear calibration function based on an algorithm based on the non-linear measurement function and a number of predetermined comparison measurements.)
技术领域
本发明涉及能够校准测量值的装置和方法。本发明尤其涉及能够在现场校准测量值的装置和方法。
背景技术
在生产侧能够将测量变换器校准至特定的测量值范围和/或特定的测量值。例如可在生产侧预定线性的校准函数，其将校准值分配给原始值。如果现场中发生的事件偏离为生产侧的校准实施的预测，或者偏离在生产侧的校准中应用的环境，那么使所述校准在现场中用户侧适应于发生的事件可能是必要或者有利的。
发明内容
根据本发明的第一装置包括输入端、模数转换器，即ADU，和处理器，所述输入端设置用于读入模拟信号，所述模数转换器ADU设置用于将模拟信号转换为数字值，所述处理器设置用于确定数字的测量值，其中，所述处理器设计成，借助于线性的校准函数由所述数字值得出已校准的数字值，并且借助于非线性的测量函数从所述已校准的数字值得出数字的测量值。此外，所述处理器设计成，基于算法和一定数量的预定的比较测量值改变所述线性的校准函数，以作为对校准信号的反应，所述算法基于所述非线性的测量函数。
在此，说明书和权利要求书中使用的“装置”这一概念，尤其指输入/输出模块，即I/O模块。在本说明书范围内使用的“I/O模块”这一概念，尤其指能串列在前端上的模块，或者已串列在前端上的模块，所述模块将一个或者多个现场设备(例如传感器和/或执行器)与所述前端并且在必要时(通过所述前端)与上级控制器连接。此外，本说明书和权利要求书范围内使用的“前端”这一概念，指模块化的现场总线节点的组件，其任务在于，使串列在前端上的I/O模块的数据和/或服务通过与所述前端连接的现场总线可供支配。
此外，说明书和权利要求书中使用的“输入端”这一概念，尤其指一种电连接，通过所述电连接可读入(并且因此在所述装置中进一步处理)电信号(例如电压值和/或电流值)。此外，说明书和权利要求书中使用的“模数转换器”这一概念，尤其指一种电路，其确定模拟值落入众多值域中的哪一个值域，并且输出与相应的值域相对应的数字值。所述数字值例如可作为比特串输出。
此外，说明书和权利要求书中使用的“处理器”这一概念，尤其指一种电路，其设置用于处理来自于分配给所述处理器的指令集的指令，其中，通过所述处理器所执行的算法预定所述指令的顺序(和在必要时分配给所述指令的变元)。此外，说明书和权利要求书中使用的“非线性的测量函数”这一概念，尤其指非线性的分配规则(例如计算规则)，借助于所述分配规则，能够将测量值分配给数字值。所述测量值例如能够通过物理参量作出定量报告，例如特定位置的温度高低。所述测量值例如可以是通过所述处理器以数字形式提供的数值。
此外，说明书和权利要求书中使用的“校准信号”这一概念，尤其指一种信号，其能够手动地触发，例如通过按下所述装置的外壳上的按键触发，或者能够通过数据接口接收，并且所述信号启动校准程序。
所述比较测量值可包括两个与已知的测量值相对应的模拟信号。
例如，温度传感器可与输入端相连接，并且使所述温度传感器(时间上相继地)经受两个已知的温度，从而(在测量精度范围内)确定要产生的测量值，并且所述线性的校准函数可以用于减小或者补偿偏差。
所述改变包括反复地调整所述校准函数。
例如，在变小的步骤中，能够调整所述校准函数的参数，直至实现产生的测量值与产生的物理值之间充分一致。
如果达到了预设的步骤数量，或者在各已知的测量值和在应用所述已调整的校准函数的情况下计算出的测量值间的偏差满足特定的标准，或者如果接收到中断的要求，那么可中断所述反复的调整。
例如，当偏差低于所述传感器的测量精度界限时，可中断所述反复的调整。
所述处理器能够设计成，通过第一流程中第一值的确定和第二流程中第二值的确定，改变所述线性的校准函数，将第一值与分配给所述模拟信号的数值相乘，将第二值与所述数值和所述第一值的乘积相加，或者由所述乘积减去所述第二值。
此处要指出的是，说明书和权利要求书中使用的“第一”、“第二”等序数，并不确定时间上的顺序，而仅仅用于将特征区别开。
例如，可首先在第二流程确定第二值，之后在第一流程确定第一值。
所述处理器此外可设计成，借助于数字值与第三值相乘，并且借助于加上或者减去第四值，来确定所述数值。
所述线性的校准函数因此可通过两个相继连接的函数实现。例如，第一函数可在生产侧不变地预定，并且可自输入端(即测量变换器)起校准信号路径，反之，第二函数对截至输入端的信号路径进行校准并且在现场是可调整的。
例如，所述传感器可以是电阻温度传感器或者热敏元件，对于所述电阻温度传感器或者热敏元件，截至输入端的信号路径的校准可以是必要的。
根据本发明的第二装置具有用于传感器、尤其用于温度传感器的输入电路，还具有ADU、第一函数功能块、第二函数功能块、第三函数功能块、第四函数功能块和修正功能块，所述输入电路用于输出模拟电压，所述ADU用于输入模拟电压和输出数字值，所述第一函数功能块用于基于第一校准函数对所述数字值进行相关于所述ADU的第一校准，以用于输出第一校准值，所述第二函数功能块用于基于第二校准函数对所述第一校准值进行应用相关的第二校准，以用于输出第二校准值，所述第三函数功能块用于输入所述第二校准值和输出所述传感器的基于所述第二校准值的物理值，所述第四函数功能块用于将所述传感器的物理值与可预定的额定值比较并且输出比较结果，所述修正功能块用于基于所述比较结果改变应用相关的所述第二校准函数。
可借助于确定的硬件、软件或者借助于确定的硬件和软件的组合，实现所述函数功能块。例如借助于一个或者多个信号处理器实现所述函数功能块。
根据本发明的用于配置传感器下游的位于现场中的电子测量部件的方法，所述电子测量部件借助于线性的校准函数由传感器信号得出校准值，并且借助于非线性的测量函数由所述校准值得出测量值，所述方法包括基于第一传感器信号值和第二传感器信号值改变所述线性的校准函数，所述第一传感器信号值和第二传感器信号值与已知的测量值相对应。
所述改变可包括反复地调整所述校准函数，要么在达到了预设的步骤数量，或者当在各已知的测量值和在应用所述已调整的校准函数的情况下计算出的测量值间的偏差满足特定的标准时，所述反复的调整中断；要么在接收到中断的要求时，所述反复的调整中断。
所述改变可包括确定第一值，并且可包括确定第二值，将所述第一值与分配给所述第二传感器信号值的数值相乘，将所述第二值与所述数值和所述第一值的乘积相加，或者由所述乘积减去所述第二值。
可借助于由所述第二传感器信号值确定的第三值与第四值相乘和借助于加上或者减去第五值，来确定所述数值。
所述第一传感器信号值可以为零或者与所述传感器的最小的绝对输出值相对应。
例如可这样选择所述传感器信号值，使得所述数值变为零，或者所述数值的绝对值变为最小。
自不待言的是，已说明的与所述装置相关的特征，也可以是所述方法的特征，反之同样成立。
附图说明
下面在借助实施例的详细说明中对本发明进行阐述，其中，涉及附图如下：
图1示出现场总线系统的框图，所述现场总线系统包括多个模块化的现场总线节点；
图2示出模块化的现场总线节点的框图，所述现场总线节点包括前端和多个I/O模块，并且示出了连接到所述I/O模块的现场总线设备；
图3示出配有电子测量部件的I/O模块的框图；
图4a和图4b示出用于调整线性的校准函数的参数的流程；以及
图5示出用于配置(传感器下游的)位于现场中的电子测量部件的方法的过程。
在此对图中相同的或功能相近的元件加以相同的标记。
具体实施方式
图1示出现场总线系统的框图。现场总线系统10包括上级控制单元20和通过现场总线30(在信号技术上)相互连接的模块化的现场总线节点100。上级控制单元20既能用于监控，又能用于调控通过现场总线系统10控制的设备(未示出)。当上级控制单元20对设备进行监控时，上级控制单元20能够从现场总线节点100周期性或非周期性地接收状态数据，在所述设备的状态(实质上)偏离期望的/允许的状态或者状态范围时，所述状态数据描述所述设备的状态并且生成错误信号或警报信号。当上级控制单元20(不仅监控，而且还)调控所述设备时，上级控制单元20能够从现场总线节点100周期性或者非周期性地接收状态数据，并且在考虑所述状态数据的情况下确定传输给现场总线节点100的控制数据。
图2示出模块化的现场总线节点的框图。现场总线节点100包括前端110和两个串列到前端110上的I/O模块120、130。传感器和执行器140、150、160、170与I/O模块120、130在信号技术上相连接。在运行期间，所述I/O模块120、130读入传感器信号并且由所述传感器信号生成状态数据，所述状态数据通过本地总线180传输至前端110。前端110能够本地处理所述状态数据，和/或(在必要时以改进的形式)将所述状态数据转发至上级控制单元20。上级控制单元20(或者在本地处理情况下的前端110)继而能够在考虑所述状态数据的情况下生成控制数据。
通过上级控制单元20生成的控制数据随后能够通过现场总线30传输至(相同的或者)一个(其它的)前端。所述传输至前端110的(或者通过前端110生成的)控制数据随后(在必要时以改进的形式)转发/传输至I/O模块120、130。I/O模块120、130接收所述控制数据，并且在与执行器连接的输出端输出与所述控制数据对应的控制信号。现场总线系统10的组件之间的数据通信、传感器信号到状态数据的映射和控制数据到控制信号的映射在此能够通过现场总线节点100的配置来适配于不同的使用情景。
图3示出根据本发明的构造为I/O模块的装置的框图。I/O模块130包括输入端132、134。传感器150通过输入端134与I/O模块130连接。传感器150例如可以是如电阻温度传感器那样的温度传感器或者热敏元件。输入端134与输入电路200连接。输入电路200能够设计成，在传感器150处施加限定的电压，或者产生经过传感器150的限定的电流。输入电路200此外能够设计成，检测经过传感器150的电流，或者量取传感器150上的电压降，或者生成与所述电流或者电压降成比例的模拟电压。I/O模块130此外包括ADU 300。ADU 300设计成将模拟电压转换为数字值。
所述数字值通过校准功能块400映射到校准值。校准功能块400在此应用线性的校准函数k(x)，即k(x)＝a·x+b形式的校准函数，其中，x代表与所述数字值相对应的数值。校准功能块400可包括函数功能块410、420，其中，函数功能块410对所述数值应用第一线性的校准函数k1＝a1·x+b1，并且函数功能块420对函数功能块410的输出值，即所述第一线性的校准函数的结果，应用第二线性的校准函数k2(k1(x))＝a2·k1(x)+b2。
所述第一线性的校准函数k1(x)例如可适配于ADU 300，从而在截至输入端134的信号路径无干扰时，所述第一线性的校准函数的结果(在测量精度范围内)不再需要进一步的校准。所述第二线性的校准函数k2(k1(x))相应地对此设置，以便使I/O模块130的电子测量部件适配于截至输入端134的信号路径。也可备选地仅仅设有一个线性的校准函数，而不将两个线性的校准函数相关联。
所述校准值通过函数功能块500映射到测量值。所述测量值能够对应物理参量，例如温度。借助于非线性的测量函数，例如二阶或者更高阶的多项式m(y)＝d+e·y+f·y2+…其中y＝k2(k1(x))，来进行所述映射。当a2＝b2＝0时，所述非线性的测量函数将在截至输入端134的信号路径无干扰时得出正确的测量值。而在截至输入端134的信号路径有干扰时，可通过a2和b2的相应的选择来减小或者补偿该干扰。因此，I/O模块130设计成，基于算法和一定数量的预定的比较测量值改变所述线性的校准函数，以作为对校准信号700的反应，所述算法基于所述非线性的测量函数。
I/O模块130可配有按键136，并且校准信号700可由运行启动者通过控制按键136来触发。备选地或者额外地，I/O模块130同样可这样设计，使得校准信号700能够在由I/O模块130(通过本地总线180)接收到相应的消息时，由运行启动者来触发。如果比较和修正功能块600接收到校准信号700，则比较和修正功能块600反复地改变b2和/或a2，直到满足中断标准，或者直到所述运行启动者中断所述流程。
比较和修正功能块600可包括函数功能块610和修正功能块620。函数功能块610可设置用于将测量值与可预定的额定值比较，并且输出比较结果。修正功能块620可设置用于基于所述比较结果改变(应用相关的)所述第二线性的校准函数k2(k1(x))。
校准功能块400、函数功能块500与比较和修正功能块600可借助于确定的硬件实现，或者通过在处理器800上执行的软件实现。
图4a示出为了调整a2和b2而运行两次的流程，其中，在图4b中，第一次运行在第一行示出，第二次运行在第二行示出。第一次运行时，在步骤910中确定第一比较值970，并且在步骤920中为b2确定初值(例如b2＝0)。在步骤930中提高b2。所述提高程度可在每个步骤930中减小。例如，所述提高程度可在每个后续的步骤930中为在之前的步骤930中的一半。此外，在所述回环之间可设有等待时间(例如一秒)。
如果在判定框940中检测到测量值972大于比较值970，则在步骤950中撤回上一次提高。如果达到所述回环的最大数量，则可将所述流程在步骤960中断。此外，当运行启动者接收到中断信号时，可中断所述流程。如图4b所示，可这样选择比较值970，使得所述第二线性的校准函数k2(k1(x))的斜率，即a2，对“补偿”的校准具有尽可能小的影响。例如可这样选择比较值970，使得k1(x)接近零(图4b中第一行通过圆圈示出)。这例如可能是传感器信号值为零的情形或者与所述传感器的最小的绝对输出值相对应的情形。
第二次运行时，在步骤910中确定第二比较值980，并且在步骤920中为“增益”a2确定初值(例如a2＝0)。在步骤930中提高a2。所述提高程度可在每个步骤930中减小。例如，所述提高程度可在每个后续的步骤930中为在之前的步骤930中的一半。此外，在所述回环之间可设有等待时间(例如一秒)。
如果在判定框940中检测到测量值982大于比较值980，则在步骤950中撤回上一次提高。如果达到所述回环的最大数量，则可将所述流程在步骤960中断。此外，当运行启动者接收到中断信号时，可中断所述流程。如图4b所示，可这样选择比较值980，使得所述第二线性的校准函数k2(k1(x))的斜率，即a2，具有尽可能大的影响。例如可这样选择比较值980，使得k1(x)几乎最大(图4b中第二行通过圆圈示出)。这例如可能是所述传感器信号值为最大时的情形。
图5示出用于配置所述传感器150下游的位于现场中的电子测量部件的方法的过程。所述方法包括基于两个对应于测量值972、982的传感器信号值来改变所述线性的校准函数k2(k1(x))的步骤1000。
附图标记列表
10 现场总线系统
20 控制单元
30 现场总线
100 现场总线节点
110 前端/现场总线耦合器
120 I/O模块
130 I/O模块
132 输入端
134 输入端
140 现场设备
150 现场设备
160 现场设备
170 现场设备
180 本地总线
200 输入电路
300 模数转换器
400 校准功能块
410 函数功能块
420 函数功能块
500 函数功能块
600 比较和修正功能块
610 函数功能块
620 修正功能块
700 校准信号
800 处理器
910 步骤
920 步骤
930 步骤
940 判定
950 步骤
960 判定
970 比较值
972 测量值
980 比较值
982 测量值
1000 步骤。
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