具有较大动态测量范围的测量系统

摘要

本发明涉及一种用于通过具有信号序列的测量路径检测测量介质的测量变量的方法，其中，除了序列的原始信号之外，每一信号都是依赖于序列的在先信号而提供的，序列的至少一个信号由于与测量介质相互作用而被依赖于测量变量得到改变，其中向序列的至少一个第一信号施加时间函数，并且在信号序列中存在于第一信号之后任一位置的第二信号是通过紧邻着在第二信号之前的信号的积分而形成，另外，为了确定测量变量，假设测量变量在积分期间保持基本恒定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测在较大动态范围内的物理变量的测量系统。这在分析技术中特别重要，因为分析技术中的量化结果跨越多个量级。

背景技术

一方面，需要以较高的分辨率和精度测量较小的信号；另一方面，还需要在期望的精度范围内检测较大的信号。例如，在吸收率测量的情况中，在测量信号和引起测量信号的吸收物质浓度之间存在指数关系，这个指数关系能够容易地导致信号的动态范围跨越多个量级。

当检测通过分析物或者测量介质而改变的激励信号(刺激)作为测量信号时，测量信号的大小依赖于刺激的量。吸收率测量是一个例子，其中测量信号基本与刺激或激励信号成正比。同样，信号与传感器电路的放大系数成正比，利用该传感器电路检测通过分析物改变的激励信号。

为了令测量信号匹配测量电路的动态范围，现有技术中例如提出，传感器电路的放大系数或者激励信号的幅度与激励信号受分析物的影响相匹配。

为了覆盖较大的动态范围，已知在现有技术中还使用具有对数特征曲线的放大器、具有可切换的放大范围的电路、或者具有并联的不同放大级的电路。选择合适的放大级包括确定具有当前最有益的信噪比的放大级，同时注意不会过激励信号。

另外，已知装置具有较大比特数的A/D转换器；然而，它们非常慢且相应消耗较多的电流。另外，在信号较小以及绝对分辨率预定的情况中，测量值精度较低。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种测量仪表和测量方法，克服现有技术的上述缺点。

本发明的目的通过独立权利要求1中的方法以及独立权利要求10中的测量仪表实现。

本发明的方法涉及通过具有信号序列的测量路径检测测量介质的测量变量的方法，其中，

除了序列的原始信号之外，每一信号都是依赖于序列的在先信号而提供的，

序列的至少一个信号由于与测量介质的相互作用而被依赖于测量变量得到改变，

其中向序列的至少一个第一信号施加时间函数，并且

在信号序列中存在于第一信号之后任意一位置的第二信号是通过紧邻着在第二信号之前的信号的积分而形成，另外，为了确定测量变量，假设测量变量在积分期间保持基本恒定。

第一信号的时间函数可以例如是严格单调的时间函数，特别是线性函数。

第一信号可以例如通过利用积分电路将恒定信号积分而形成，其中恒定信号例如是序列的原始信号。

第一信号优选地在开始确定测量值时始于固定的起始值，特别是零，并且在测量期间稳定上升。

用于确定第二信号的积分优选地以与第一信号的变化固定的时间关系开始，特别是同时开始。

为了确定测量值，积分可以进行直至例如第二信号达到参考值，其中然后由达到参考值所需的积分时间得到测量值。本发明的这个实施例当前是优选的；自然，它假设第二信号已经依赖于测量变量，也就是在测量路径中在信号与测量介质相互作用之后的任何位置。

在本发明的优选实施例中，第一信号与测量变量无关；于是，在测链中它在通过与测量介质相互作用而变化的信号之前。

在本发明的第二实施例中，第一信号在测链中也位于依赖于由与测量介质相互作用而变化的信号之后。这里，第一信号已经是依赖于测量值的，其中基本与测量变量无关地施加时间函数。

在本发明的第三实施例中，第二信号在测链中可以设置在由与测量介质相互作用而变化的信号之前。这里，第二信号与测量变量无关。作为替代，由与测量介质相互作用而变化的信号具有更高阶的时间依赖性。这里，可以通过确定直至依赖于由与测量介质相互作用而变化的信号超过极限值所经过的时间，而确定测量变量。

本发明的用于检测测量介质的测量变量的测量仪表包括具有信号序列的测量路径，其中

除了序列的原始信号之外，每一信号都是序列的在先信号的函数，并且

序列的至少一个信号通过与测量介质相互作用而被改变，

其中测量仪表还包括第一电路，用于向序列的第一信号施加时间函数，和

第二电路，用于提供第二信号，该第二信号在信号序列中在第一信号之后的任一位置，其中第二电路将序列的信号积分并输出积分作为第二信号。

在测量仪表的优选实施例中，第一电路包括：

激励电路，用于输出时变的激励信号，该激励信号直接与测量介质相互作用；或者

驱动电路，用于输出时变的驱动信号，该驱动信号驱动激励信号，该激励信号直接与测量介质相互作用，

其中测量装置还包括：

传感器，用于接收由激励信号与测量介质的相互作用而产生的响应信号，其中传感器提供依赖于响应信号的电子初级信号，和

测量电路，其将初级信号处理为测量信号，其中测量电路包含第二电路，其将初级信号或依赖于初级信号的信号积分，以提供第二信号。

优选地，测量电路确定第二信号达到阈值所需的积分时间，并基于积分时间确定测量变量的实际测量值。

为了确定积分时间，测量电路可以包括钟控计数器，其从积分开始时开始，并且在达到阈值时停止。

测量电路还可以包括比较器电路，以监控是否达到阈值。

激励信号可以例如包括辐射进入测量介质或者短暂地与测量介质相互作用的电磁波，特别是光(包括IR和UV)。相应地，响应信号可以是通过任何与测量介质的相互作用过程(例如，衰减、散射、吸收和发散)而得到的信号。相应地，传感器可以例如是合适的光电管或热传感器。

附图说明

现在根据附图中给出的实施例解释本发明，附图中：

图1a是本发明的方法的一个实施例的测链的不同信号随时间变化的图表；

图1b以图表示出本发明的方法的优点；

图2是本发明的装置的测量路径的第一实施例的框图；

图3是本发明的装置的测量路径的第二实施例的框图；和

图4是本发明的装置的测量路径的第三实施例的框图。

具体实施方式

图1a显示了用于执行本发明的方法的测量路径的信号在一个积分周期中的时间分布。恒定的电源电压(i)在第一积分步骤(a)中被改变为随时间线性上升的第一信号(ii)。这个第一信号可以是例如对于光源的电源电压，该光源将与(ii)成正比的激励信号发射进入测量介质。为了图表清楚，这样进行缩放，使得激励信号的强度同样由(ii)代表。通过与测量介质的相互作用，从介质接收相对于激励信号(ii)得到削弱的响应信号b(x)，其被传感器(例如，光电管)改变为初级信号(iii)。为了简化，再次假定初级信号(iii)被缩放为在测量介质没有衰减的情况中初级信号与信号(ii)重合。初级信号(iii)通过第二积分步骤(c)改变为积分(iv)，其随时间二次地上升。为了确定在衰减b(x)中包含的测量变量的测量值，确定积分(iv)达到阈值(v)所需的积分时间t’。

图1a中曲线(iii)的斜率依赖于衰减b(x)，与(1/t′)^2成正比。根据图1b，能够以在三个量级上的时间量或计数而检测在六个量级的动态范围上的曲线(iii)的斜率值。

图2中示意性示出根据本发明的优选实施例的测量仪表的测量路径。驱动电路包括积分器10，其对恒定的输入电压U_in进行积分。在积分器10的输出端上的积分电压信号被输出作为驱动信号，其在一个检测测量值的测量周期中从起始值“零”开始线性上升。驱动信号对例如光源进行控制或供电，该光源发出光作为激励信号进入在测量路径中间段20的测量介质。减弱的光信号离开测量介质，作为响应信号，其中这个减弱的响应信号或者激励信号与响应信号之间的比b(x)包含介质特定的信息。响应信号被传感器转换为电子初级信号，其被利用第二积分器30积分。第二积分器的输出电压U_out被送至比较器(未显示)，该比较器将U_out与阈值比较。随着积分开始，计数器(未显示)开始，其在达到阈值时由比较电路停止。计数器读数是积分时间的量度，由计数器读数可以确定b(x)以及由此确定感兴趣的测量变量的测量值。

在达到阈值并读出计数器之后，两个积分器放电并且计数器被复位至零，以开始下一测量值检测。

图3显示了本发明的测量路径的另一实施例，其中，第一积分器110和第二积分器130串联在激励信号之前。以这种方式，射入在测量路径的测量介质段120中的介质的激励信号已经具有二次的时间依赖性，这自然导致响应信号以及传感器的初级信号的二次时间依赖性。由此，初级信号或依赖于初级信号的信号U_out可以被送至监控达到阈值的比较器，而无需进一步积分。

在图4的实施例中，利用恒定的输入电压Uin驱动在确定测量值期间恒定的激励信号，其被射入在测量路径的测量介质段220中的测量介质。相应地，响应信号以及传感器的用于检测响应信号的初级信号不具有由测量装置施加的时间依赖性。然后，初级信号被输送顺序经过第一积分器210和第二积分器230，从而输出信号Uout再次具有二次时间依赖性。于是，正如上面描述的那样，通过达到阈值所需的时间确定测量值。