【摘要】本文主要研究探索一種新的溫度變送器校準方法,并采用計算機數字處理技術(shù),謀求對溫度變送器的非線(xiàn)性特性給予補償。非線(xiàn)性特性補償的關(guān)鍵技術(shù)在于采用逆函數求解的方式,全檢測范圍的逐點(diǎn)進(jìn)行非線(xiàn)性補償,從而達到良好的線(xiàn)性特性。
目前國內外廣泛地使用集成溫度傳感器和相應的組件組成溫度變送器。集成溫度變送器也開(kāi)始投入使用。無(wú)論是由溫度傳感器和相應的組件組成三暢溫度變送器,還是直接使用集成溫度變送器,都采用兩點(diǎn)標定法,兩點(diǎn)標定法雖然可以快速方便地在現場(chǎng)對溫度變送器進(jìn)行標定,可以滿(mǎn)足一般系統的要求,但是準確度不高,而高精度采集設備非線(xiàn)性補償技術(shù),可以使溫度變送器具有良好的線(xiàn)性特性。
從非線(xiàn)性校正角度看,溫度傳感器可以分為來(lái)兩類(lèi):一類(lèi)是互換性較差或者只能做到本企業(yè)內產(chǎn)品之間互換, 如: 輻射測溫傳感器, 熱敏電阻等;另一類(lèi)是可以互換的產(chǎn)品,如:熱電阻,熱電偶等,這類(lèi)傳感器往往具有法定的分度表和分度公式。前一類(lèi)傳感器傳感函數一般事先未知,因此非線(xiàn)性校正任務(wù)的地衣步是建立這樣的函數, 但是受微處理器能力的限制, 使用時(shí)往往需要一個(gè)更簡(jiǎn)化的近似函數, 因此非線(xiàn)性校正的任務(wù)也包括建立個(gè)近似函數。
【系統研究的原理】
溫度變送器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成:傳感器和信號轉換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻;信號轉換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成(由于工業(yè)用熱電阻和熱電偶分度表是標準化的,因此信號轉換器作為好立產(chǎn)品時(shí)也稱(chēng)為變送器),有些變送器增加了顯示單元,有些還具有現場(chǎng)總線(xiàn)功能。變送器如果由兩個(gè)用來(lái)測量溫差的傳感器組成,輸出信號與溫差之間有一給定的連續函數關(guān)系,故稱(chēng)為溫度變送器。變送器輸出信號與溫度變量之間有一給定的連續函數關(guān)系(通常為線(xiàn)性函數),早期生產(chǎn)的變送器其輸出信號與溫度傳感器的電阻值(或電壓值)之間呈線(xiàn)性函數關(guān)系。標準化輸出信號主要為0 m A ~ 2 0 m A 和4 m A ~ 2 0 m A ( 或1V~5V)的直流電信號。
本文研究探索三暢一種新的溫度變送器校準方法,并采用計算機數字處理技術(shù),謀求對溫度變送器的非線(xiàn)性特性給予補償。本文創(chuàng )新的核心在于通過(guò)系統傳遞函數的逆函數求解,對系統進(jìn)行全量程的非線(xiàn)性補償。其原理如圖1 所示。要實(shí)現溫度To 的準確顯示,需要補償運算其中為一組數據量的非線(xiàn)性的運算, 運用M A T L A B軟件進(jìn)行擬合,擬合后的結果趨近于真實(shí)變送函數。
【三暢：系統研究的關(guān)鍵技術(shù)】
傳遞函數逆函數求解是非線(xiàn)性補償技術(shù)的關(guān)鍵。以往的各種兩點(diǎn)標定法,都無(wú)法擺脫溫度傳感器和變送器本身非線(xiàn)性引入非線(xiàn)性誤差;過(guò)去的變送器非線(xiàn)性補償往往采用“分段線(xiàn)性化”技術(shù),這種方法無(wú)論如何都做不到“點(diǎn)點(diǎn)跟蹤”。
本算法研究的關(guān)鍵技術(shù)在于對包括溫度變送器所有的非線(xiàn)性因素進(jìn)行補償。這種關(guān)鍵技術(shù)在于求取溫度變送器的非線(xiàn)性函數,進(jìn)而獲取這個(gè)非線(xiàn)性函數的反函數,通過(guò)微型計算機運算對溫度變送器進(jìn)行非線(xiàn)性補償。本文的創(chuàng )新核心在于通過(guò)系統傳遞函數的逆函數求解,對系統進(jìn)行全量程的非線(xiàn)性補償。例如某非線(xiàn)性系統的原始實(shí)驗數據如表1:
根據以上數據,經(jīng)數據擬合可獲得相應的系統非線(xiàn)性曲線(xiàn)。這是一個(gè)看似線(xiàn)性函數, 但實(shí)際上并非如此。這個(gè)復雜函數對應所有的測試點(diǎn),與實(shí)驗點(diǎn)的擬合誤差均非常小, 現將運算結果列表如表2:
上述擬合比傳統的#小二乘法的擬合結果要精密得多�，F將#小二乘法(用一元二次多項式擬合)的擬合誤差列表如下:
上述分析表明采用全量程非線(xiàn)性補償可以獲得相當好的線(xiàn)性效果。本文研究依托溫度傳感器與變送器微型計算機為平臺,通過(guò)對溫度的采集處理來(lái)驗證新算法并運用到數據采集過(guò)程中。同樣可以推廣到壓力,流量, P H 值等數據采集當中。對于高精度的采集數據有效的, 使得不提高成本的前提下, 運用補償技術(shù)使得三暢儀器儀表?yè)碛懈邷蚀_度的采集結果。
【三暢：系統研究的實(shí)驗方法】
系統研究的實(shí)驗方法有以下3 種:
(1) 使用兩只型號相同的溫度傳感器,構成兩個(gè)不同的溫度變送器, 經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)標定和非線(xiàn)性補償, 可以獲得相同的溫度顯示結果。
(2) 采用一只溫度傳感器,使用大致相同的電路組成兩個(gè)不同的溫度變送器, 經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)標定和非線(xiàn)性補償, 可以獲得相同的溫度顯示結果。
(3) 實(shí)驗數據和理論計算相結合進(jìn)行論證。通過(guò)guojia標準局對溫度傳感器給出傳感器的溫度所對應的輸出信號數據,求各溫度傳感器的溫度傳遞函數(這是一個(gè)非線(xiàn)性函數),進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗求取溫度傳感器后續電路的非線(xiàn)性實(shí)驗數據,進(jìn)一步獲取這一部分的非線(xiàn)性傳遞函數。#后通過(guò)數學(xué)運算證明本方法是完全合理的。
【三暢：結束語(yǔ)】
在日趨要求精度的今天,采用#小二乘法擬合的方法誤差較大, 新的方法全量程非線(xiàn)性補償法, 通過(guò)實(shí)驗的方式把新的算法在實(shí)驗室內來(lái)驗證。本算法的研究成功, 不僅可以減少溫度變送器所引入的非線(xiàn)性誤差,而且還可以使用價(jià)格低廉、線(xiàn)性度低的溫度傳感器構成高度線(xiàn)性的一體化溫度變送器。因此, 全量程非線(xiàn)性補償法在同行業(yè)當中的應用有著(zhù)新的發(fā)展方向與光明的發(fā)展前景。
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