CN101351793A

CN101351793A - 用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法

Info

Publication number: CN101351793A
Application number: CNA2006800501704A
Authority: CN
Inventors: 沃尔特·博斯特
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2026-12-06
Also published as: EP1966727B1; US8401824B2; ATE457497T1; DE102005062981A1; DE502006006136D1; CN101351793B; WO2007077087A1; US20100292939A1; EP1966727A1

Abstract

用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，该传感器具有逐点给定的非线性特征曲线K，在该方法中附加根据简单的算法产生辅助点H_j。通过特征曲线的至少两个点的内插，由输入值获得输出值。

Description

用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法

背景技术

在自动化技术中经常使用具有非线性测量变换器特征曲线的传感器。在这种情况中，测量变换器的测量信号非线性地依赖于待测过程变量，例如压力或温度等。为了获得传感器的线性输出信号，例如对于4-20mA电流回路，必须处理测量信号。这个处理是借助于线性化曲线实现的，其通常通过多个辅助点给定。由于在操作中需要线性化曲线的其它点，所以需要相应的近似。

一种非常简单的近似方法是线性内插。在这种情况中，辅助点通过直线段连接在一起。然而，当辅助点彼此较远时，这种内插对于现代传感器的精度需求是不足够的。用于获得线性化曲线的更好的方法是多项式近似或样条近似。

然而，这些近似方法需要非常高的计算花费。而自动化技术的传感器中的计算能力非常有限，特别是在传感器经由通信连接供电(即，所谓的2线制设备)的情况中。Endress+Hauser公司生成并销售大量这种传感器。

这些近似方法的进一步的缺点在于，确定的曲线并不精确通过预先给定的辅助点。由此不能实现线性化曲线精确处于辅助点。另外，在多项式近似的情况中，会出现导致不精确的所谓的“过振荡”。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，其不具有上述缺点，特别是提供一种无需很大计算花费的方法，其精确处于辅助点并且尽可能地精确。

这个目的通过权利要求1给出的以下方法实现：

用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，该传感器具有非线性特征曲线，该特征曲线描述传感器的输入量和输出量之间的函数关系，其中该特征曲线是在由点P1～Pn构成的点集SP上逐点给定的，并且产生特征曲线K的扩展的点集SP’，其中具有附加的辅助点H_j，

其中辅助点H_j是根据以下算法通过点集SP的四个相邻点P_i+1、P_i+2、P_i+3、P_i+4获得的：

A.确定三个线段g1＝P_i+1P_i+2、g2＝P_i+2P_i+3和g3＝P_i+3P_i+4的斜率m1、m2、m3；

B.计算第一辅助线h1的斜率mP_i+2＝(m1+m2)/2；

C.计算第二辅助线h2的斜率mP_i+3＝(m2+m3)/2；

D.确定两条辅助线h1和h2的交点S，其中两条辅助线h1、h2分别经过点P_i+2、P_i+3；

E.将交点S作为扩展的点集SP’中的辅助点H_j。

为了从输入量的值确定输出量的值，利用特征曲线K的扩展点集SP’的至少两个点执行内插。

从属权利要求中给出本发明的具有优点的进一步发展。

本发明的基本思想在于这样构造辅助点，使得在辅助点H_j的斜率变化Δm_j总是恰好为线段在两个相邻点P_i+2、P_i+3的斜率变化之和的四分之一，即，

Δ m_{j} = \frac{\frac{m 2 - m 1}{2} + \frac{m 3 - m 2}{2}}{2}

附图说明

现在根据附图中给出的实施例详细解释本发明，附图中：

图1示意表示自动化技术的传感器；

图2是根据本发明的方法的辅助点的构成；和

图3是传感器的非线性特征曲线。

具体实施方式

图1详细显示了自动化技术的传感器S的框图。用于处理测量值的微处理器μP经由模数转换器A/D和放大器V与测量变换器MA相连，该测量变换器检测过程变量(例如，压力、流量或料位)。微处理器μP与多个存储器相连。存储器VM用作暂时的(易失性)工作存储器RAM。在程序存储器PS中存储要在微处理器μP中执行的软件或软件元件。

在非易失性的可写数据存储器NVM(例如，EEPROM存储器)中存储参数值(例如标定数据等)。

在微处理器μP中运行的程序(固件)定义了现场设备的与应用相关的功能(测量值计算、包络线分析、测量值线性化、诊断任务)。

另外，微处理器μP与显示服务单元A/B(例如，具有多个按钮的LCD显示器)相连，通过该显示服务单元用户可以手动操作现场设备并且测量值、包络线或参数值能够得以显示。

同样与微处理器μP相连的监控单元WD(看门狗)监控微处理器μP的功能。如果由于系统故障而发生程序中断，那么监控单元WD触发程序重启。

通过通信接口COM，微处理器μP与外部接口FBS相连。这用于将传感器S连接至通信连接(例如，4-20mA电流回路)。或者，通信连接还可以是现场总线系统，例如，Profibus或Foundation Fieldbus或HART连接。

通过通信连接而由电源NT向传感器供电(2线制设备)。或者，也可以分离地供电(4线制设备)。

图2在xy坐标图上绘出非线性特征曲线K的若干点P_i1、P_i2、P_i3和P_i4。这些点之间的相应直线段被标注为g1、g2和g3。在第一方法步骤A中，确定直线g1、g2、g3的斜率m1、m2、m3。

然后，在方法步骤B和C中，计算两条辅助线h1和h2的斜率m_Pi+2＝(m1+m2)/2和m_Pi+3＝(m2+m3)/2。

在方法步骤D中，确定两条辅助线h1和h2的交点S。辅助线h1和h2分别经过点P_i+2、P_i+3。

在方法步骤E中，将交点S作为扩展的点集SP’中新的辅助点H_j。两条辅助线h1和h2在点H_j的斜率变换Δm_j为

Δ m_{j} = \frac{\frac{m 2 - m 1}{2} + \frac{m 3 - m 2}{2}}{2},

即，直线段在点P_i+2、P_i+3处的斜率改变的四分之一。

这个方法可以由相应计算机程序非常快速且容易地执行。仅使用线性等式，从而计算机程序仅需要微处理器μP的很少的资源。

通过重复执行本方法，可以任意精确地近似非线性特征曲线K。在这种情况中，点集SP每次都由新获得的辅助点H_j扩展。

图3显示了利用本发明的方法获得的非线性特征曲线K。附加获得的点以小圆圈显示。

如果非线性特征曲线K的点被足够密集地确定，则特征曲线的两个点之间的线性内插足以以足够的精度确定与输入值相关联的输出值。

本发明的方法特别适合具有4-20mA测量值输出的传感器。自然，本发明不限于模拟传感器，而是同样适用于具有数字输出的传感器或者通过现场总线系统传输测量值的传感器。

本方法特别适用于温度传感器、压力传感器或质量流量计。

特征曲线K可以是线性化曲线。本发明还适用于标定曲线的近似，该标定曲线同样是逐点给定的。

Claims

1.用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，该传感器具有非线性特征曲线，该特征曲线描述传感器的输入量和输出量之间的函数关系，

其中该特征曲线是在由点P1～Pn(标定点)构成的点集SP上逐点给定的，并且产生特征曲线K的扩展的点集SP’，该扩展的点集具有附加的辅助点H_j，

B.计算第一辅助线h1的斜率m_Pi+2＝(m1+m2)/2；

C.计算第二辅助线h2的斜率m_Pi+3＝(m2+m3)/2；

E.将交点S作为扩展的点集SP’中的辅助点H_j；

并且通过特征曲线K的扩展的点集SP’的至少两个点的内插，从输入量的值确定输出量的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中扩展的点集SP’用作具有点P1-Pn′的点集SP，并且重复应用上述算法。

3.根据前述任一权利要求所述的方法，其中输出量的值是通过特征曲线的与输入量的值相邻的点之间的线性内插而获得的。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其中输出量被模拟地作为4-20mA信号而传输或者被数字地传输。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中传感器是温度传感器、压力传感器或质量流量计。

6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中特征曲线是线性化曲线或标定曲线。