【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,謀求對溫度變送器的非線性特性給予補償。非線性特性補償的關鍵技術在于采用逆函數求解的方式,全檢測范圍的逐點進行非線性補償,從而達到良好的線性特性。
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始投入使用。無論是由溫度傳感器和相應的組件組成仕樂克溫度變送器,還是直接使用集成溫度變送器,都采用兩點標定法,兩點標定法雖然可以快速方便地在現場對溫度變送器進行標定,可以滿足一般系統的要求,但是準確度不高,而高精度采集設備非線性補償技術,可以使溫度變送器具有良好的線性特性。
從非線性校正角度看,溫度傳感器可以分為來兩類:一類是互換性較差或者只能做到本企業內產品之間互換, 如: 輻射測溫傳感器, 熱敏電阻等;另一類是可以互換的產品,如:熱電阻,熱電偶等,這類傳感器往往具有法定的分度表和分度公式。前一類傳感器傳感函數一般事先未知,因此非線性校正任務的第一步是建立這樣的函數, 但是受微處理器能力的限制, 使用時往往需要一個更簡化的近似函數, 因此非線性校正的任務也包括建立個近似函數。
【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。主要用于工業過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獨立產品時也稱為變送器),有些變送器增加了顯示單元,有些還具有現場總線功能。變送器如果由兩個用來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系,故稱為溫度變送器。變送器輸出信號與溫度變量之間有一給定的連續函數關系(通常為線性函數),早期生產的變送器其輸出信號與溫度傳感器的電阻值(或電壓值)之間呈線性函數關系。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。
本文研究探索仕樂克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,謀求對溫度變送器的非線性特性給予補償。本文創新的核心在于通過系統傳遞函數的逆函數求解,對系統進行全量程的非線性補償。其原理如圖1 所示。要實現溫度To 的準確顯示,需要補償運算其中為一組數據量的非線性的運算, 運用M A T L A B軟件進行擬合,擬合后的結果趨近于真實變送函數。
【仕樂克：系統研究的關鍵技術】
傳遞函數逆函數求解是非線性補償技術的關鍵。以往的各種兩點標定法,都無法擺脫溫度傳感器和變送器本身非線性引入非線性誤差;過去的變送器非線性補償往往采用“分段線性化”技術,這種方法無論如何都做不到“點點跟蹤”。
本算法研究的關鍵技術在于對包括溫度變送器所有的非線性因素進行補償。這種關鍵技術在于求取溫度變送器的非線性函數,進而獲取這個非線性函數的反函數,通過微型計算機運算對溫度變送器進行非線性補償。本文的創新核心在于通過系統傳遞函數的逆函數求解,對系統進行全量程的非線性補償。例如某非線性系統的原始實驗數據如表1:
根據以上數據,經數據擬合可獲得相應的系統非線性曲線。這是一個看似線性函數, 但實際上并非如此。這個復雜函數對應所有的測試點,與實驗點的擬合誤差均非常小, 現將運算結果列表如表2:
上述擬合比傳統的最小二乘法的擬合結果要精密得多。現將最小二乘法(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性補償可以獲得相當好的線性效果。本文研究依托溫度傳感器與變送器微型計算機為平臺,通過對溫度的采集處理來驗證新算法并運用到數據采集過程中。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, 運用補償技術使得仕樂克儀器儀表擁有更高準確度的采集結果。
【仕樂克：系統研究的實驗方法】
系統研究的實驗方法有以下3 種:
(1) 使用兩只型號相同的溫度傳感器,構成兩個不同的溫度變送器, 經過兩點標定和非線性補償, 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不同的溫度變送器, 經過兩點標定和非線性補償, 可以獲得相同的溫度顯示結果。
(3) 實驗數據和理論計算相結合進行論證。通過國家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(這是一個非線性函數),進而通過實驗求取溫度傳感器后續電路的非線性實驗數據,進一步獲取這一部分的非線性傳遞函數。最后通過數學運算證明本方法是完全合理的。
【仕樂克：結束語】
在日趨要求精度的今天,采用最小二乘法擬合的方法誤差較大, 新的方法全量程非線性補償法, 通過實驗的方式把新的算法在實驗室內來驗證。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性誤差,而且還可以使用價格低廉、線性度低的溫度傳感器構成高度線性的一體化溫度變送器。因此, 全量程非線性補償法在同行業當中的應用有著新的發展方向與光明的發展前景。
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