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温度变送器新校准方法以及非线性算法的研究

作时间:2014-04-15 10:36:43  来源:黑龙江省科学院自动化研究所  作者:牛 健, 张博文, 张迁礼, 刘彤军
   

【摘要】本文主要研究探索一种新的温度变送器校准方法,并采用计算机数字处理技术,谋求对温度变送器的非线性特性给予补偿。非线性特性补偿的关键技术在于采用逆函数求解的方式,全检测范围的逐点进行非线性补偿,从而达到良好的线性特性。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

目前国内外广泛地使用集成温度传感器和相应的组件组成温度变送器。集成温度变送器也开始投入使用。无论是由温度传感器和相应的组件组成三畅温度变送器,还是直接使用集成温度变送器,都采用两点标定法,两点标定法虽然可以快速方便地在现场对温度变送器进行标定,可以满足一般系统的要求,但是准确度不高,而高精度采集设备非线性补偿技术,可以使温度变送器具有良好的线性特性。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  从非线性校正角度看,温度传感器可以分为来两类:一类是互换性较差或者只能做到本企业内产品之间互换, 如: 辐射测温传感器, 热敏电阻等;另一类是可以互换的产品,如:热电阻,热电偶等,这类传感器往往具有法定的分度表和分度公式。前一类传感器传感函数一般事先未知,因此非线性校正任务的第一步是建立这样的函数, 但是受微处理器能力的限制, 使用时往往需要一个更简化的近似函数, 因此非线性校正的任务也包括建立个近似函数。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
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  【系统研究的原理】SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成:传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻;信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成(由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的,因此信号转换器作为好立产品时也称为变送器),有些变送器增加了显示单元,有些还具有现场总线功能。变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成,输出信号与温差之间有一给定的连续函数关系,故称为温度变送器。变送器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系(通常为线性函数),早期生产的变送器其输出信号与温度传感器的电阻值(或电压值)之间呈线性函数关系。标准化输出信号主要为0 m A ~ 2 0 m A 和4 m A ~ 2 0 m A ( 或1V~5V)的直流电信号。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

系统原理图SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  本文研究探索三畅一种新的温度变送器校准方法,并采用计算机数字处理技术,谋求对温度变送器的非线性特性给予补偿。本文创新的核心在于通过系统传递函数的逆函数求解,对系统进行全量程的非线性补偿。其原理如图1 所示。要实现温度To 的准确显示,需要补偿运算其中为一组数据量的非线性的运算, 运用M A T L A B软件进行拟合,拟合后的结果趋近于真实变送函数。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
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  【三畅:系统研究的关键技术】SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  传递函数逆函数求解是非线性补偿技术的关键。以往的各种两点标定法,都无法摆脱温度传感器和变送器本身非线性引入非线性误差;过去的变送器非线性补偿往往采用“分段线性化”技术,这种方法无论如何都做不到“点点跟踪”。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  本算法研究的关键技术在于对包括温度变送器所有的非线性因素进行补偿。这种关键技术在于求取温度变送器的非线性函数,进而获取这个非线性函数的反函数,通过微型计算机运算对温度变送器进行非线性补偿。本文的创新核心在于通过系统传递函数的逆函数求解,对系统进行全量程的非线性补偿。例如某非线性系统的原始实验数据如表1:SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

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  根据以上数据,经数据拟合可获得相应的系统非线性曲线。这是一个看似线性函数, 但实际上并非如此。这个复杂函数对应所有的测试点,与实验点的拟合误差均非常小, 现将运算结果列表如表2:SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

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  上述拟合比传统的非常小二乘法的拟合结果要精密得多。现将非常小二乘法(用一元二次多项式拟合)的拟合误差列表如下:SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  非常小二乘法运算误差SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
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  上述分析表明采用全量程非线性补偿可以获得相当好的线性效果。本文研究依托温度传感器与变送器微型计算机为平台,通过对温度的采集处理来验证新算法并运用到数据采集过程中。同样可以推广到压力,流量, P H 值等数据采集当中。对于高精度的采集数据有效的, 使得不提高成本的前提下, 运用补偿技术使得三畅仪器仪表拥有更高准确度的采集结果。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
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  【三畅:系统研究的实验方法】SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  系统研究的实验方法有以下3 种:SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  (1) 使用两只型号相同的温度传感器,构成两个不同的温度变送器, 经过两点标定和非线性补偿, 可以获得相同的温度显示结果。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  (2) 采用一只温度传感器,使用大致相同的电路组成两个不同的温度变送器, 经过两点标定和非线性补偿, 可以获得相同的温度显示结果。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  (3) 实验数据和理论计算相结合进行论证。通过国家标准局对温度传感器给出传感器的温度所对应的输出信号数据,求各温度传感器的温度传递函数(这是一个非线性函数),进而通过实验求取温度传感器后续电路的非线性实验数据,进一步获取这一部分的非线性传递函数。非常后通过数学运算证明本方法是完全合理的。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
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  【三畅:结束语】SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器
  在日趋要求精度的今天,采用非常小二乘法拟合的方法误差较大, 新的方法全量程非线性补偿法, 通过实验的方式把新的算法在实验室内来验证。本算法的研究成功, 不仅可以减少温度变送器所引入的非线性误差,而且还可以使用价格低廉、线性度低的温度传感器构成高度线性的一体化温度变送器。因此, 全量程非线性补偿法在同行业当中的应用有着新的发展方向与光明的发展前景。SH3压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

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