测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量物理变量的测量装置以及一种测量装置测试方法。

背景技术

测量装置可用于测量物理变量。举例而言，测量装置可用于测量系统(如多相线路系统)中的电力。

此类测量装置可在被测物理变量满足预定条件时输出错误消息。例如，当电压或电流大幅降低或者电信号频率变化异常时，测量装置可对此进行指示。

在对此类测量装置进行测试时，通常使用提供相应物理变量的提供源。例如，当对能够测量电流或电压的测量装置进行测试时，将使用提供电流和电压的电力提供源。

然而，所述相应物理变量的提供可能较为耗时费力且耗资不菲。例如，对于电动交通车辆领域中的充电站，电流范围可能会达到500A。此类有可能会用到的电流须以测量装置进行测量，而在对此类测量装置进行测试时，需要使用能够提供500A的电力提供源。

发明内容

本发明的目的在于在测量装置的测试方面提供一种改进概念。

上述目的由独立权利要求的技术方案实现。本发明的有利实施方式见从属权利要求、说明书及附图技术方案。

本公开内容基于如下认识：测量装置内的信号合成器通过模拟模数转换器的输出而模拟处理单元的测量输入。

根据第一方面，上述目的由一种测量物理变量的测量装置实现。该测量装置具有转换器，用于将测量输入端上的输入变量转换成测量信号，并将该测量信号提供为输出变量。该测量装置包括处理单元，用于对所述转换器的输出变量进行处理。该测量装置包括信号发生器，用于根据指定内容生成测试信号，该测试信号对应于输出变量，其中，所述输出变量与对应于所述指定内容的所述转换器(102)的所述输入变量对应。其中，所述处理单元可经开关元件或与所述转换器相连，或与所述信号发生器相连。

所述转换器可以为模数转换器。所述测量输入端可以为可供测量传感器连接的插座或插头。通过所述测量输入端，可以对输入信号进行采集，以实现所述物理变量的测量。所述测量输入端所检测到的输入信号可作为所述转换器的输入变量。所述转换器将所述输入变量转换成输出变量。其中，该输出变量即所述测量信号，也即所述转换器发送至所述处理单元的信号。该测量信号可以为数字信号。所述转换器可包括预处理部件，例如降低电流强度的部件。该预处理部件设于所述转换器上游。该预处理部件可包括传感器或电流互感器。所述物理变量也可直接馈送至所述转换器。提供于该转换器输入端的信号为模拟形式的信号。该信号由该信号的特性表征。

测试可包括演示或培训。例如，除了对所述测量装置进行功能测试之外，所述测试模式还可用于向客户进行演示，以实现演示或人员培训目的。如此，可使得用户在使用前做好准备，以更为精确地操作所述测量装置，从而可通过减少操作失误而提高安全性。

所述处理单元可包括集成电子器件。该处理单元可包括逻辑构件。该处理单元用于处理所述转换器提供的测量信号。例如，该处理单元可根据所述转换器的输出变量(如测量信号)生成可显示于显示器上的显示信号。该处理单元可对所述测量信号进行评估，即判断是否超出限值，是否发生异常情况，或者是否发生其他错误。

所述转换器生成数字信号，该数字信号的信息内容反映了所述转换器输入信号的特性。所述信号发生器生成数字信号，该数字信号的信息内容反映了与所述指定内容相符的特性。如果所述指定内容的值表示与所述转换器输入端处相同的信号，则如果当所述转换器和信号发生器同时提供输出信号时，此两输出信号将完全相同。

所述信号发生器可以为合成器。该信号发生器可用于生成数字电信号。信号的生成可取决于指定内容。该指定内容可包括确定和生成测试信号时所需的一种或多种必要参数。所述指定内容可完全或部分从设于所述测量装置内的存储器中读取。来自外部提供源(如计算机系统)的指定内容可仅为对待生成信号的单独指定参数进行修改的修改内容。所述指定内容可仅对生成测试信号时所需的若干种必要参数当中的一种进行修改。该指定内容可完全来自外部提供源。在该情形中，可不设所述存储器。所述指定内容可表示所述转换器输入端处信号的特性。也就是说，所述指定内容提供表示施加至所述转换器的模拟输入信号的值。该指定内容包括表示所述转换器在其输出端处所接收信号的参数。

所述开关元件可设计为软件元件或物理元件。例如，所述信号发生器和处理单元可以为微控制器的部件。在该微控制器内进行切换，尤其基于软件的切换。在该情形中，可以对所述处理单元的信号输入端进行切换。

所述信号发生器生成的测试信号对应于所述转换器的输出变量。也就是说，如果所述转换器记录了处于所述测量输入端的输入变量，则其将将该输入变量转换成测量信号，并将其提供为输出变量。如此，如果提供给所述信号发生器的指定内容准确地表示了作为所述转换器的输入变量处于所述测量输入端的信号，则所述信号发生器的测试信号即准确地对应于所述输出变量。

举例而言，如果以所述测量装置对德国常见家用插座进行测量，则可将230V的电压值和/或16A的电流值作为输入变量施加至所述测量输入端。所述电压值为50Hz的交流电压。所述转换器将所述测量值转换成一个或多个测量信号，并将该一个或多个测量信号提供为输出变量。所述测量装置可例如根据所述输出变量确定显示内容，并相应地在显示器上显示230V的电压值和16A的电流值。所述测量装置还可执行其他处理步骤，并在必要时输出结果和警告。

如果所述测量装置处于测试模式下，则可向所述信号发生器设定230V的电压值，16A的电流值以及50Hz的频率。该信号发生器随后生成作为测试信号的人工测量信号，从而对所述转换器的输出信号进行模拟。所述测试信号确切对应于所述转换器提供给所述处理单元的信号。具体而言，所述测试信号直接提供给所述处理单元。也就是说，当所述信号发生器与所述处理单元的输入点连接时，该处理单元接收与所述转换器先前输出信号相同的信号，即具有相同信号特性的信号。在该情形中，如所述转换器与所述处理单元相连的情形一致，所述处理单元提供的显示内容，即所述处理单元的输出内容确切对应于所述处理单元的输出内容。如果将所述处理单元的输出内容输出至显示器上，则同样显示230V和16A。

所述指定内容可包括以百分比或伏特为单位的电压。所述指定内容可包括以百分比或安培为单位的电流。所述指定内容可包括相位角度、所有线路的频率或者电压和电流谐波。所述指定内容可包括动态变化。相应值可按照随机原理在指定范围内变化。

本方案的优点在于，无需提供精确且昂贵的电流或电压提供源，便可实现相应信号。其中，仅需将上述指定内容作为信号馈入待测试的测量装置便已足够。所述信号发生器随后在所述测量装置内部生成与所述转换器输出变量对应的测试信号。如此，可以保留所述测量装置的装置功能。其中，可以包括网络服务器、Modbus接口、显示器、平均值、对数函数、极限开关、错误消息以及其他模拟或数字接口。如此，可以完整地保留过程链，并且所述测量装置的功能可以如先前一样使用。

根据一种实施方式，所述测量装置用于测量电气变量。如此，可以实现电流或电压的测量。

根据一种实施方式，所述测量装置具有六个测量输入端，并用于分别测量三相线路的电压和电流。或者，该测量装置具有两个测量输入端，并用于分别测量单相线路的电压和电流，其中，所述信号发生器用于生成两个相应的测试信号。本文中，所述信号发生器用于生成六个相应的测试信号。

所述测量装置可以为能够对多相系统进行测量的测量装置。具体而言，可以对多相系统的三条线路进行测量。如果需要对该系统每一相的电力进行测量，则需要六个测量输入端，每一相均需要一个电路输入端和电流输入端。在所述测量装置内部，所述处理单元可随后利用分配给线路的输入端，根据相应电压和电流进行功率计算。在该情形中，所述信号发生器相应提供六个输入，每一者均对应于一个转换器输出。类似地，还可对其他值进行测量，例如，能量、失真(尤其总谐波失真(THD))等。其中，用于连接测量线缆或测量传感器的插座可与此处提及的测量输入端不同。具体而言，用于电流测量的测量输入端可具有两个插座。所述测量装置还可具有针对每一测量输入端的其他插座。对于电压值，测量输入端还包括一个参考点。用于电流测量的测量输入端具有两个插座。

在一种实施方式中，所述测量装置可与计算机系统相连，并用于从该计算机系统接收针对所述测试信号的指定内容。

所述计算机系统可以为个人计算机、膝上型计算机或智能手机。

所述计算机系统可通过无线接口或有线接口与所述测量装置连接。所述指定内容的输入可以经由所述计算机系统以用户友好型的方式进行，并使用能够减少输入所述指定内容时所需工作量的已知数据传输方式。

在一种实施方式中，所述指定内容包括相位和/或频率和/或谐波和/或幅度。其中，所述信号发生器用于根据所述参数当中的至少一种生成所述测试信号。所述频率可施加至所述测量装置所测量的整个系统。针对每一相，均指定电流和电压的所得基波有效值。此外，还可针对每一相，指定相移角度。如果不仅指定正弦波值，还可可选指定每一电流和电压的谐波及其角度。每种状况下，均可指定一种或多种谐波。

所述信号发生器可生成测试信号。该测试信号的基本值可例如存储于所述测量装置的存储器内。通过这种方式，即使当未在外部另行指定所有参数的情形中，所述信号发生器也可生成测试信号。通过所述外部输入内容(即所述指定内容)，可以指定所述测试信号必须涉及的参数。其中，举例而言，可以确定所述测试信号的相位和/或频率和/或谐波和/或振幅。如果例如为了模拟三相线路而输入了针对一个或多个测试信号的多项指定内容，各个测试信号可例如生成为异相信号，以满足相应测量值的要求。除此之外，还可对信号的谐波进行模拟。

在一种实施方式中，所述开关元件包括电子开关。其中，所述测量装置用于根据控制信号对所述开关元件进行切换。电子开关可实现为软件形式，无需使用物理开关。通过所述开关元件，可根据逻辑(如微控制器内的逻辑)，进行信号输入端的切换。

所述测量装置可与计算机系统相连。该计算机系统可用于将所述测量装置从测量模式切换至测试模式，而且可将所述处理单元的输入端，而非所述转换器的输出端，连至所述信号发生器的输出端。如此，可以实现不可能发生意外切换的安全切换。

在一种实施方式中，所述测量装置用于通过询问安全特征，尤其密码和/或电子身份而对所述开关元件进行切换。

为了防止错误地将所述测量装置从测量模式切换至测试模式，可以对所述开关元件的切换操作进行保护。其中，可以要求提供密码，例如字母数字字符串和/或电子身份识别信息(如令牌或电子身份证)。

在一种实施方式中，所述测量装置用于通过Modbus接口通信，并经该Modbus接口接收所述指定内容。Modbus接口为一种可用于与可编程逻辑控制器通信的接口。在该情形中，所述测量装置易于实现连接。

在一种实施方式中，所述测量装置包括输出界面，尤其显示器。其中，所述处理单元用于经所述输出界面输出处理后的输出变量。如此，在经所述显示器显示的情形中，可以容易地实现测量值的读取。当所述测量装置处于测试模式下时，可以对处理后的测试信号进行显示。该显示可包括视觉显示或其他界面。

在一种实施方式中，所述开关元件集成于微控制器内。如此，所实现的优点在于，可以以低成本的方式实现所述开关元件。

根据本发明的第二方面，上述目的由一种测量装置的测试方法实现。该方法包括：

对开关元件进行切换，以将所述测量装置的处理单元与该测量装置的信号发生器连接，其中，所述信号发生器用于根据指定内容生成测试信号；

在所述测量装置的控制输入端上接收针对所述测试信号的指定内容；

由所述信号发生器根据所述指定内容，将所述测试信号输出至所述处理单元；以及

由所述处理单元处理输出的所述测试信号。

在一种实施方式中，所述方法包括将已处理的测试信号输出在显示器上。

在一种实施方式中，输出所述测试信号包括：输出指示该输出基于测试信号的指示内容。

如此，可以提高安全水平，并防止在测试模式下意外操作所述测量装置。

在一种实施方式中，在切换所述开关元件的步骤之前，进行安全询问。仅在当通过该安全询问时，才将所述开关元件切换至所述信号发生器。

所述安全询问可包括：输入密码，尤其字母数字字符串；记录生物特征输入信息或电子身份(如令牌或电子身份证)。仅在当该安全询问确定符合安全准则时，即当确定用户具有将所述测量装置切换至测试模式的授权时，才将该测量装置切换至测试模式。

在一种实施方式中，当所述开关元件将所述信号发生器连至所述处理单元时，输出用于显示所述开关元件开关位置的显示内容。

如此，无论是否有测试信号生成，均可实现对所述测量装置已切换至测试模式这一操作的显示。

在一种实施方式中，所述方法进一步包括：

如果所述开关元件的先前切换满足如下条件，则将该开关元件从所述信号发生器切换至所述转换器：所述信号发生器先前连至所述处理单元；已经经过了预定的一段时间。如此，可以确保防止忘记将所述测量装置回切至测量模式。

所述测量装置可回切至测量模式。回切可在所述测量装置的复位或重启过程中进行，或者通过所述测量装置的复位或重启实现。

为了实现这一目的，所述测量装置可具有计时器。

在一种实施方式中，所述指定内容包括参数的变化，以表示故障信号。该指定内容可按照如下方式确定：其表示呈现出错误行为的信号。通过这种方式，可以模拟待由所述测量装置测量的信号中的错误。除此之外，还可测定所述测量装置对信号错误的反应。在一种实施方式中，所提供的指定内容不正确。这一情形也可用于对所述测量装置进行测试。

附图说明

以下，结合例示实施方式和附图，对本发明进行说明。附图中：

图1为根据一种实施方式的测量装置的示意图；

图2为根据一种实施方式的测量装置设置方式示意图；

图3为根据一种实施方式的方法流程图。

附图标记：

100 测量装置

101 强度输入端

102 转换器

103输出端

104 处理单元

105 开关元件

106 输出界面

107 信号发生器

108 控制输入端

109 输出端

200 布置

201 测试线路

202 三相线路

202a，202b，2102c 相

203 电流传感器

300 流程图

301～309 方法步骤

具体实施方式

图1所示为测量装置100。测量装置100具有测量输入端101。在所公开的实施方式中，测量输入端101包括六个连接件。在其他实施方式中，测量输入端101包括一个或其他数目的连接件。通过测量输入端101的所述六个连接件，可以连接三条线路，每条线路均有电流和电压。如此，测量装置100可以对三相电力线进行测量，以及测量装置100可对该三相线路每一相的功率进行显示。连接器可包括多个插座。具体而言，用于实现电流测量的功率连接件可包括两个插座。

测量装置100为用于测量电力以及可从测量数据中得到的其他值(如电能)的测量装置。物理值(如电压)还可直接显示。在另一例示实施方式中，测量装置100为例如用于测量电压、温度、空间距离或其他物理变量的另一测量装置。

测量装置100包括转换器102。转换器102为模数转换器。转换器102将测量输入端101处的输入变量转换为数字输出变量。因此，转换器102在其输出端103提供输出变量。该输出变量为反映被测物理变量的测量信号。在模数转换器之外，转换器102还包括预处理功能(未图示)，以在将测量信号馈送至转换器102之前，对其进行处理，尤其进行调节或变换处理。带有预处理功能的转换器102可构成模拟前端。

测量信号，即转换器102输出端103的输出变量可由测量装置100的处理单元104处理。为了实现这一目的，处理单元104可与转换器102的输出端103电连接。为了实现这一目的，处理单元104和转换器102输出端103之间设有开关元件105。当开关元件105处于第一开关位置时，转换器102的输出端103与处理单元104的输入端连接。如此，转换器102的输出变量(即测量信号)即提供于处理单元104的输入端。处理单元104对测量信号进行解读，并在必要时利用该测量信号计算其他参数值，以供测量装置100记录。处理单元104可从测量信号中获得其他物理变量，或者将测量信号所表示的物理变量与极限值相比较，并在必要时生成错误消息或警告。

测量装置100具有输出界面106。输出界面106用于输出测量装置100的测量值。具体而言，输出界面106包括用于将被测物理变量呈现给用户的显示器。例如，电压可以伏特表示，电流可以安培表示。在其他实施方式中，还可表示相应的其他物理值。处理单元104设计为将处理后的测量信号发送至输出界面106，以供输出界面106显示测量模式下测量信号的测量值。

测量装置100包括信号发生器107。信号发生器107与控制输入端108连接。控制输入端108符合通信标准，例如，其可设计为Modbus接口。通过控制输入端108，可以对信号发生器107进行设定。指定内容可包括物理变量值。例如，电压值可设定为230V，具体而言，电压信号的有效值可设定为230V；电流强度(即电流强度的有效值)可设定为16A；信号频率可设定为50Hz；还可设定其他的值。除此之外，还可设定一种或多种谐波或相移。谐波可与电流或电压相关。

信号发生器107用于在其输出端109输出测试信号。该测试信号模拟转换器102的测量信号。该测试信号表示合成测量信号。测量装置100的操作可通过信号发生器107和测试信号进行模拟。例如，在演示或测试目的下，可检验测量装置100是否对某些信号变化或信号做出反应。

在未图示的开关位置下，开关元件105处于第一开关位置，并因而将转换器102连至处理单元104。这一位置对应于测量装置100的测量模式。其中，可通过测量输入端101进行物理变量的测量。例如，通过测量输入端101测出，第一电压为231.2V，第二电压为230.9V，第三电压为229.8V。此外，还可通过测量输入端101的其他连接件，对相应电流进行测量。转换器102将此类模拟电压测量值转换为数字信号。这些数字信号作为输出变量或转换器102输出端103的测量信号。由于测量装置100处于测量模式下，上述信号还提供给处理单元104。处理单元104可从上述值(即电压值和电流值)中进行选择，以分别计算三相线路各相的电力，而且还可计算其他值。处理后的值可通过输出界面106输出(尤其显示)。

根据本发明，当例如需要对测量装置100能否检测其中一条线路上的电压降进行测试时，无需先在线路上提供电压，然后在该线路上引发电压降。

测量装置100具有测试模式，其中，通过将开关元件105从第一开关状态切换至第二开关状态，可以借助开关元件105将测量装置100切换至测试模式。在该测试模式下，转换器102不与处理单元104相连。相反地，信号发生器107经信号发生器107的输出端109连接至处理单元104的输入端。

通过控制输入端108，可以对信号发生器107进行设定，以令其产生当由指定内容映射的输入变量出现于测量输入端101时转换器102应该生成的测试信号。例如，可以设定电压信号为231.2V，而且在约10秒后经历95％的电压降。其他值对应于三相电力线的常见值。这些值可经控制输入端108设定，或者由信号发生器107从内部存储器(未图示)提供。信号发生器107随后生成测试信号，并作为合成器运行。信号发生器107按照如下方式生成测试信号：对于处理单元104而言，转换器102所转换出的测量信号与信号发生器107的测试信号之间不存在差异。处理单元104将所述测试信号解读为转换器102的输出变量。处理单元104按照对转换器102输出变量(即测量信号)处理时的相同处理方式，对所述测试信号进行处理。处理单元104通过输出界面106输出测试信号，即所述物理变量的假定测量值。如此，即可检验当处理单元104中发生错误时，所显示的电压降是否正确。

上述测试信号可用于检验测量装置100的功能。此外，该测试信号还可用于培训或演示目的，以对使用测量装置100的用户进行指导。

图2所示为包含测量装置100的布置200。从图中可以看到测量装置100的输出界面106。与测量装置100的测量输入端101相连的六条测量线路201(即测量传感器)引入测量装置100。测量线路201与三相电气线路202的第一相202a，第二相202b以及第三相202c相连。测量输入端101的每两个连接件经电流传感器203与电气线路202的其中一相202a，202b，202c相连。每一相202a，202b，202c的两条测量线路201均用于测量电流。在其他实施方式中，作为追加或替代方案，还通过其他测量线路201检测其他参数(如电压)。

图3为根据一种实施方式的测量装置100的测试方法流程图300。

在步骤301中，测量装置100接收控制输入端108上的控制信号。该控制信号表示，须将开关元件105从第一开关位置切换至第二开关位置，从而将测量装置100从测量模式切换至测试模式。这其中，可以使用管理模式。这一步骤可包括软复位。所述测试模式也可在管理模式之外运行。然而，需要管理模式进行切换。在其他实施方式中，无需使用管理模式。

随后，在步骤302中，测量装置100发起安全询问。其中，用户需要经控制输入端108输入密码。在另一例示实施方式中，所述安全询问包括生物特征参考信息、电子身份识别信息等的采集。如果安全询问未通过，也就是说，例如，如果所输入的密码不正确，或者未输入密码，则发出切换至测试模式的控制信号108的用户无法通过身份验证，该方法在步骤303中结束。相应地，测量装置100不执行开关元件105从第一开关位置至第二开关位置的切换。

如果用户通过步骤302中的安全询问，也就是说，如果用户正确获得身份验证，则在步骤304中，开关元件105从第一开关状态切换至第二开关状态。在该情形中，开关元件105通过电子方式切换(此处，为微控制器信号输入端的内部切换)。在其他实施方式中，这一步骤可涉及双极型晶体管等其他开关元件。

在另一实施方式中，进行机械式开关路径的释开。

当开关元件105切换至测试模式(即开关元件105的第二开关状态)时，计时器同时开始计时。该计时器用于测量时间，即开关元件105处于第二开关状态下的时间长度。无论是否存在其他输入信号，当所述计时器到达终止时间，或者在经过一段预定时间后，开关元件105即切换回第一开关状态。这一做法可用作防止忘记将测量装置100切换回测量模式的安全举措。在另一实施方式中，不采用所述自动回切做法。在该情形中，可以省去计时器。

在步骤305中，接收指定内容。指定内容经控制输入端108提供给信号发生器107。其中，指定内容包括对电信号有影响和/或决定作用的参数。生成此类信号所需的其他必要参数或者由存储器预先设定为标准参数，或者必须由用户经控制输入端108输入。上述指定内容可决定电信号的特性。具体而言，该指定内容包括幅度和/或频率和/或相位和/或谐波。

在步骤306中，信号发生器107可根据所接收的指定内容，输出测试信号。该测试信号由信号发生器107经由信号发生器107的输出端109输出。由于开关元件105处于第二开关状态，因此信号发生器107的输出端109与处理单元104的输入端相连。因此，此时施加至处理单元104的信号为测试信号，而非测量信号。然而，处理单元104仍将该测试信号解读为测量信号，并按照其来自转换器102且表示实际测量物理变量的原则对其进行处理。

在步骤307中，处理单元104进行处理。处理单元104根据某些指定内容对测试信号进行解读，并例如，根据该测试信号进行电力或其他值的计算。

在步骤308中，处理单元104向输出界面106提供输出值，以令测试信号的值显示或以其他方式输出在显示器上。如此，用户可对显示内容是否与输入指定内容的相应期望值相符进行检验。在另一例示实施方式中，当未发生错误或某些其他预定事件时，则不输出任何内容。

在步骤309中，测量装置100检测到控制输入端108不再传递信号。这例如表示，相应插头已从控制输入端108拔出。随后，开关元件105切换回第一开关状态，并将测量装置100再次设置为测量状态。

在另一个实施例中，上述操作并不自动进行。在该情形中，用户必须对测量装置100进行手动回切。为了实现这一目的，举例而言，用户必须再次经控制输入端108施加控制信号，才能实现开关元件105的回切。在该情形中，测量装置100例如通过复位或重启进行主动式回切。

输出界面106还可用于表明测量装置100当前处于测试模式下。相应显示内容可取决于开关元件105的开关位置。除此之外，还可表明，当前显示内容基于测试信号。