CN105092145A

CN105092145A - 应用于智能变送器上的温压补偿线性修正方法

Info

Publication number: CN105092145A
Application number: CN201510277687.8A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 田英明; 胡珺珺; 艾军; 何艳
Original assignee: Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
Current assignee: Chongqing Chuanyi Automation Co Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN105092145B

Abstract

本发明涉及一种应用于智能变送器上的温压补偿线性修正方法，将迭代法和多项式拟合法相融合的方法引入到PDS型压力差压变送器传感器的温压补偿线性修正系统中，不仅解决因压力和温度两个变元而影响压力/差压传感器非线性和零漂的问题，而且还能降低温压补偿系统的线性修正运算和PDS型变送器微控制器温压补偿输出的运算，线性修正效率高。

Description

应用于智能变送器上的温压补偿线性修正方法

技术领域

本发明涉及变送器校验领域，尤其涉及一种应用于智能变送器上的温压补偿线性修正方法。

背景技术

现有的压力/差压变送器传感器因受生产流程中的焊接、充灌、整形等生产工艺的制约，以及整机传感器自身机械结构的特性和应用环境温度的影响，导致压力/差压传感器自身存在非线性、零漂的问题。虽然可以采用最小二乘法中的多项式拟合法解决该问题，但是PDS变送器温压补偿系统软件应用线性行列式进行线性修正和变送器微控制器温压补偿输出的运算量较大，线性修正效率低。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供了一种应用于智能变送器上的温压补偿线性修正方法，将迭代法和多项式拟合法相融合的方法引入到PDS型压力差压变送器传感器的温压补偿线性修正系统中，不仅解决因压力和温度两个变元而影响压力/差压传感器非线性和零漂的问题，而且还能降低温压补偿系统的线性修正运算和PDS型变送器微控制器温压补偿输出的运算，线性修正效率高。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种应用于智能变送器的温压补偿线性修正方法，包括以下步骤：

1)在待温压补偿智能变送器的温度范围区间内依次选取s个温度补偿标定点，在待温压补偿智能变送器的量程范围区间内依次选取多个压力补偿标定点，在每个温度补偿标定点下进行各个压力补偿标定点的压力标定采样和温度标定采样，得到各个温度补偿标定点下各压力补偿标定点的压力标定AD采样值以及各个温度补偿标定的温度标定AD采样值。温度补偿标定的选取一般是依据PDS型压力变送器所使用的工业现场的环境温度，通常工业级仪表的温度范围通常为120℃至-40℃温度区间。温度补偿标定点的选取通常要依据线性修正算法所建立的数学模型。

2)采用一元u次多项式拟合算法建立各个温度补偿标定点下压力标定值与压力采样信号之间的多项式特征方程，运用线性行列式矩阵方程进行求解，计算出每个温度补偿标定点下的压力标定输出系数,设为a_ik(0≤i≤s-1，0≤k≤u)，温度补偿标定点下压力标定值与压力采样信号之间的多项式特征方程为：P_k(X_i)＝a_k0+a_k1X_i+a_k2X_i ²+……+a_kuX_i ^u，其中，P_k(X_i)为实际的压力补偿标定值，a_k0至a_ku(0≤k≤s-1)为压力标定输出系数，X_i为压力标定AD采样值；

3)在s个温度补偿标定点中依次选取w组温度补偿标定点，每组温度补偿标定点均包含有u+1个温度补偿标定点，采用一元u次多项式拟合算法建立各组温度补偿标定点下的压力标定输出系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程，进行w次迭代的多项式拟合，运用线性行列式矩阵方程进行求解，分别计算出各组温度补偿标定点对应的温度标定输出系数，并将温度标定输出系数写入至对应的待温压补偿智能变送器中进行实时压力输出计算，各组温度补偿标定点对应的压力标定输出系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程为：a_ik＝b_k0+b_k1T_i+b_k2T_i ²+……+b_kuT_i ^u，其中，a_ik为各组温度补偿标定点对应的压力标定输出系数，b_k0至b_ku为各组温度补偿标定点对应的温度标定输出系数，T_i为各组温度补偿标定点对应的温度标定AD采样值；

4)待温压补偿智能变送器在进行实时压力输出计算时，采用一元u次多项式拟合算法建立与压力输出相关的常系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程，为c_k＝b_k0+b_k1T+b_k2T²+……+b_kuT^u，其中，c_k为与压力输出相关的常系数，b_k0至b_ku为温度标定输出系数，T为实时的传感器温度AD采样值，将步骤3)得到的温度标定输出系数代入上述公式中，运用线性行列式矩阵方程进行求解，计算出u+1个与压力输出相关的常系数，分别为c₀、c₁、c₂、……c_u；

5)将步骤4)中得到的u+1个与压力输出相关的常系数代入公式P(X)＝c₀+c₁X+c₂X²+……+c_uX^u，其中，X为实时的传感器压力AD采样值，计算出实时的压力输出值P(X)，并输出。

步骤3)中当每组温度补偿标定点的温度补偿标定点的个数u+1与全温区间内所有温度补偿标定点的个数s相等时，在全温区间内选取的温度补偿标定点的组数w为1，则选取全温区间内所有的温度补偿标定点，采用一元u次多项式拟合算法建立全温区间内所有的温度补偿标定点下的压力标定输出系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程，进行一次迭代的多项式拟合，运用线性行列式矩阵方程进行求解，计算出一次迭代输出的温度标定输出系数，并将温度标定输出系数写入至对应的待温压补偿智能变送器中进行实时压力输出计算；当每组温度补偿标定点的温度补偿标定点的个数u+1小于全温区间内所有温度补偿标定点的个数s时，在全温区间内选取的温度补偿标定点的组数w大于1，则将每组温度补偿标定点设为一个集合，相邻的集合之间相交，选取每组温度补偿标定点中的u+1个温度补偿标定点，采用一元u次多项式拟合算法建立各组温度补偿标定点下的压力标定输出系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程，进行w次迭代的多项式拟合，运用线性行列式矩阵方程进行求解，分别计算出各组温度补偿标定点对应的温度标定输出系数，并将温度标定输出系数写入至对应的待温压补偿智能变送器中进行实时压力输出计算。

步骤4)中在待温压补偿智能变送器进行实时压力输出计算时，待温压补偿智能变送器依据当前传感器的实际温度在各次迭代输出的温度标定输出系数中选出与当前传感器的实际温度靠近的温度补偿标定对应的一组温度标定输出系数进行实时压力输出计算。

多项式拟合算法的次数u为3或4。在实际的应用中，通常用到的是三次和四次。五次会出现病态方程，小于三次幂指数又过低，使线性修正输出的系数偏差较大，势必会影响产品的输出监测精度。

步骤1)中的压力标定采样在温压补偿线性修正系统中进行，参见图2，该温压补偿线性修正系统包括主站工控机、温度标定设备、压力标定设备、电流输出检测设备、温压补偿工位矩阵电路、控制总线和气路装置，所述主站工控机通过控制总线与温度标定设备内的待温压补偿智能变送器进行通讯，所述温压补偿工位矩阵电路用于控制主站工控机与待温压补偿智能变送器间的控制总线的选通，以及控制气路装置的气路电磁阀进行温压补偿气路的切换；

主站工控机为PDS压力变送器传感器温压补偿系统中的工控机部分，它是该系统的核心，安装在工控机上的自动温压补偿软件通过HART总线实现对在线待补偿的压力传感器的压力、温度和电流标定采样，以及相关内部参数、温压补偿修正系数的读写操作；通过GPIB总线实现在压力传感器温压补偿生产流程中对压力控制器RUSKA7250和数字万用表Agilent34401A的操作控制；通过PCI总线驱动控制PIO-D144/D168接口卡，输出168路的数字I/O，实现对矩阵电路控制，完成HART总线型工位电路的切换和压力传感器标定气路的选择；通过RS485总线实现对高低温烘箱控温操作。温度标定设备采用高低温烘箱。压力标定设备采用压力控制器RUSKA7250。电流输出检测设备采用数字万用表Agilent34401A。其中压力控制器RUSKA7250是压力传感器温压补偿生产流程中压力标定的控压设备，数字万用表Agilent34401A是4-20mA输出检测设备，高低温烘箱是压力传感器的温度标定设备。控制总线，PDS压力变送器温压补偿系统中的控制总线有HART总线、GPIB总线、PCI总线和RS485总线4种总线，是控制主站实现对温压补偿系统中相关设备及电路操作控制的基础。温压补偿工位矩阵电路，该部分是由PCI总线驱动控制PIO-D144/D168接口卡输出168路数字I/O进行阵列组合设计的电路，其功能是控制主站通过PCI总线控制实现烘箱内在线待补偿压力传感器间HART总线的选通、规约协议并行同步采样时钟控制线的操控和温压补偿气路的切换。气路装置，该部分主要由气路管道、传感器安装夹具和基架。气路管道是气源通过压力控制器输出恒定压力至压力传感器的输出通道。传感器安装夹具是压力传感器与气路的连接部分，主要完成气路管道与压力传感器之间的密封性。

智能压力变送器转换器部分主要是接收解析来自温压补偿系统主站的协议帧，依据协议帧指令完成当前工位压力传感器的压力标定、温度标定和电流标定的采样、线性修正系数的读写等功能。

智能压力变送器转换器部分包括微控制器、AD采样电路、HART总线通讯电路、存储器、压力信号采集电路、温度信号采集电路，所述压力信号采集电路用于接收传感器部分采集的压力信号，并传递给AD采样电路，所述温度信号采集电路用于接收传感器部分采集的温度信号，并传递给AD采样电路，所述AD采样电路用于分别采样压力和温度信号，并将得到的压力AD采样值和温度AD采样值传递给微控制器，所述HART总线通讯电路用于实现微控制器与温压补偿线性修正系统中的主站工控机之间的通信，用于实现主站工控机对在线待温压补偿的智能压力变送器的压力和温度信号标定采样。所述微控制器与AD采样电路之间采用SPI总线进行通讯。微控制器是主控单元，ADS1241芯片是受控单元，它们之间的通讯总线采用的是SPI总线，当进行压力标定采样时，微控制器通过SPI总线向ADS1241芯片发送通道切换指令，使压力信号输出到ADS1241芯片的A+和A-引脚，然后，微控制器通过SPI总线读取A+和A-通道的压力标定采样结果；同理完成温度信号的采样。

传感器、存储器、压力信号采集电路、温度信号采集电路均设置在数字采集板上。参见图3，所述压力信号采集电路包括第一运放D1A、第二运放D1B以及若干电阻，所述第一运放D1A的同相输入端分别与压力传感器的第一输出端、第2个电阻R2的一端连接，第2个电阻R2的另一端与第一运放D1A的输出端连接，第一运放D1A的反相输入端分别与第13个电阻R13的一端、第15个电阻R15的一端连接，第13个电阻R13的另一端与第一运放D1A的输出端连接，第一运放D1A的输出端经第1个电阻R1与AD采样电路的第一输入端连接，第15个电阻R15的另一端分别与第14个电阻R14的一端、第二运放D1B的反相输入端连接，第14个电阻R14的另一端与第二运放D1B的输出端连接，第二运放D1B的同相输入端分别与压力传感器的第二输出端、第4个电阻R4的一端连接，第4个电阻R4的另一端与第二运放D1B的输出端连接，第二运放D1B的输出端经第3个电阻R3与AD采样电路的第二输入端连接。

所述温度信号采集电路包括若干电阻、电容，第5个电阻R5的一端与温度传感器的输出端连接，第5个电阻R5的另一端分别与第6个电阻R6的一端、第4个电容C4的一端连接，第6个电阻R6的另一端接地，第4个电容C4的另一端分别与第7个电阻R7的一端、第8个电阻R8的一端、第5个电容C5的一端连接，第7个电阻R7的另一端与电源的输出端AVDD连接，第8个电阻R8的另一端、第5个电容C5的另一端均接地，第4个电容C4的两端分别与AD采样电路的第三、四输入端连接。采用上述电路，实现了压力和温度的24位的AD采样，这样不仅提高了AD的采样精度，同时还提高了温压补偿线性修正运算输出压力系数和温度系数的精度，提升产品整体的性能与质量，即产品的稳定性、重复性、可靠性、一致性及其产品检测输出运算精度。

微控制器、AD采样电路、HART总线通讯电路均设置在数字控制板上。该数字采集板主要完成三个功能，其一是传感器的压力差分信号(N1和COM)经过运放(D1A和D1B均为运放器TLC252C)后通过接插件(A+和A-)传输给数字控制板的AD端；其二是传感器的温度信号(T)经过采样标定电阻后形成差分信号(T+和T-)通过接插件传输给数字控制板的AD端。其三是温压补偿线性修正系数的存储功能，将最终的补偿系数存储在非易失性存储器(D2为非易失性存储器25LC160)。压力/差压传感器的压力和温度差分数字信号通过接插件传输给变送器数字控制板的AD端。数字控制板的AD采样部分，它是采用24位的4组差分采样通道的ADS1241(D4)采样芯片为基础，完成压力信号(A+和A-)和温度信号(T+和T-)的数字采集，然后主板的M16CM3030RFCP微控制器通过SPI总线控制ADS1241芯片采样通道的切换，并读取当前实时压力和温度数据信号的处理结果。数字控制板的HART总线通讯电路，该部分电路主要以HART驱动芯片A5191HRTP(D11)为核心，完成PDS变送器主板与温压补偿系统控制主站之间的通信，实现主站对在线温压补偿压力/差压传感器压力和温度信号标定采样，最终实现在线所有传感器的温压补偿线性修正的过程。

采用上述温压补偿线性修正系统进行步骤1)的压力标定采样的步骤为：将待温压补偿智能变送器安装到气路装置的完全密封的气路管道上，置入温度标定设备中；

1)主站工控机通过RS485总线控制设置温度标定设备的温度，并将温度设置为步骤1)中设定的第1个温度补偿标定点，当压力传感器处于温度稳定状态时，则进行第1个温度补偿标定点下的压力标定采样；

2)主站工控机通过GPIB控制总线控制压力标定设备，使压力的输出值为步骤1)中设定的第1个压力补偿标定点，当压力传感器处于恒压稳定状态时，则进行第1个压力补偿标定点的压力标定采样；

3)主站工控机通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O电路，将主站工控机的HART总线与在线所有待温压补偿智能变送器的HART总线接通，然后发送并行压力采样协议帧分别给在线所有待温压补偿智能变送器，各待温压补偿智能变送器的转换器接收、解析来自主站工控机的协议帧，依据协议帧指令完成压力传感器的压力标定采样、温度标定采样、电流标定采样，得到压力标定AD采样值、温度标定AD采样值、电流标定AD采样值，并存储；

4)重复步骤2)至3)，完成第1个温度补偿标定点下其它压力补偿标定点的压力标定采样，得到第1个温度补偿标定点下的所有压力补偿标定点的压力标定AD采样值、温度标定AD采样值、电流标定AD采样值，存储并传递给主站工控机；

5)重复步骤1)至4)，完成其它温度补偿标定点的压力标定采样，得到所有温度补偿标定点下的所有压力补偿标定点的压力标定AD采样值、温度标定AD采样值、电流标定AD采样值，存储并传递给主站工控机。

本发明采用上述技术方案的有益效果为：本应用于智能变送器上的温压补偿线性修正方法，将迭代法和多项式拟合法相融合的方法引入到PDS型压力差压变送器传感器的温压补偿线性修正系统中，不仅解决因压力和温度两个变元而影响压力/差压传感器非线性和零漂的问题，而且还能降低温压补偿系统的线性修正运算和PDS型变送器微控制器温压补偿输出的运算，线性修正效率高。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的温压补偿线性修正系统的架构图；

图3为本发明的数字采集板的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1，一种应用于智能变送器的温压补偿线性修正方法，包括以下步骤：

PDS型压力变送器传感器在出厂前都要进行一次温压补偿标定，在待温压补偿智能变送器的温度范围区间内依次选取s个温度补偿标定点，在待温压补偿智能变送器的量程范围区间内依次选取多个压力补偿标定点，在每个温度补偿标定点下进行各个压力补偿标定点的压力标定采样和温度标定采样，得到各个温度补偿标定点下各压力补偿标定点的压力标定AD采样值以及各个温度补偿标定的温度标定AD采样值。温度补偿标定的选取一般是依据PDS型压力变送器所使用的工业现场的环境温度，通常工业级仪表的温度范围通常为120℃至-40℃温度区间。温度补偿标定点的选取通常要依据线性修正算法所建立的数学模型。

压力标定采样由温压补偿线性修正系统完成，参见图2，该温压补偿线性修正系统包括主站工控机、温度标定设备、压力标定设备、电流输出检测设备、温压补偿工位矩阵电路、控制总线和气路装置，所述主站工控机通过控制总线与温度标定设备内的待温压补偿智能变送器进行通讯，所述温压补偿工位矩阵电路用于控制主站工控机与待温压补偿智能变送器间的控制总线的选通，以及控制气路装置的气路电磁阀进行温压补偿气路的切换；

采用上述温压补偿线性修正系统进行压力标定采样的步骤为：将待温压补偿智能变送器安装到气路装置的完全密封的气路管道上，置入温度标定设备中；

本实施例在全温区内选取7个温度补偿标定点，分别为80℃、55℃、35℃、20℃、5℃、-15℃和-40℃。温度点的选取可以更多，不一定是七个，可以是更多，比如在全温区120℃至-40℃内，如果每10℃选取一个温度标定点，则就会有19个温度标定点；如果每5℃选取一个温度标定点，则就会有37个温度标定点等等；总之，温度补偿标定点选取既要满足所建立的数学模型，又要满足实际产品生产的需求和使用范围。对于压力型的传感器，压力标定通常选取8个压力补偿标定修正点，分别为待补偿压力传感器满量程的1.00、0.80、0.60、0.40、0.20、0.10、0.05和0.00。对于差压型的传感器，压力标定通常选取11个补偿标定修正点，分别为待补偿压力传感器满量程的1.00、0.60、0.30、0.15、0.05、0.00、-0.05、-0.15、-0.30、-0.60和-1.00。本实施例以在全温区内选取的7个温度补偿标定点，分别为80℃、55℃、35℃、20℃、5℃、-15℃和-40℃进行说明。同时，在每一个温度点下还要进行压力的标定。

依据上述给定的温度和压力补偿标定条件，进行PDS型压力变送器传感器温压补偿实现的具体步骤如下：

1、主站工控机上的自动温压补偿系统软件通过RS485总线控制设置高低温烘箱的温度，并将温度设置为第1个温度补偿标定点80℃。

2、自动温压补偿软件进行80℃温度补偿标定点的恒温延时，并实时监测高低温烘箱内部的在线待温压补偿传感器的温度是否达到或接近80℃。当温度达到或接近80℃并处于恒温稳定状态，则进行当前温度点下的压力标定；

3、自动温压补偿系统软件通过GPIB控制总线控制压力控制器RUSKA7250，使压力的输出值为待补偿压力传感器的第1个压力补偿标定点，即为待补偿压力传感器满量程的1.0。当气路管道和压力传感器容室内的气体压力与压力控制器RUSKA7250输出的气体压力相等且处于恒压稳定状态时，则准备进行当前压力标定点的压力标定采样。

4、自动温压补偿系统软件通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O电路，将HART总线与在线所有待温压补偿传感器的HART总线接通，然后进行毫秒级延时，发送并行压力采样协议帧。

5、并行压力采样延时12秒(生产经验值)，完成在线所有压力传感器的压力标定采样、温度标定采样、电流标定采样及结果数据数据存储(工位补偿控制板的RAM中)。

6、重复步骤4)至5)，完成80℃补偿温度下其它标定点的压力采样(在线待补偿压力型传感器满量程的0.80、0.60、0.40、0.20、0.10、0.05和0.00)。

7、自动温压补偿系统软件通过HART总线从前至后依次将在线压力传感器的温压补偿标定数据读回，并将数据存储至主站系统数据库中。

8、重复步骤1)至7)，完成其它温度补偿标定点的压力标定(55℃、35℃、20℃、5℃、-15℃和-40℃)；

9、进行在线压力传感器的线性修正计算，并将线性修正系数通过HART总线写入至对应压力传感器的非易失性存储器内，同时将线性修正系数等数据进行保存备份，自动温压补偿系统软件完成压力传感器的温压补偿，报告生产用户。

通过具体实施例对本发明的迭代法和多项式拟合法相融合方法的原理进行说明：将PDS型压力/差压变送器传感器的温压补偿线性修正生产流程中的温度补偿标定点进行二次分割，整个温度补偿标定点共有7个，分别为80℃、55℃、35℃、20℃、5℃、-15℃和-40℃。首先将前4个温度补偿标定点80℃、55℃、35℃和20℃进行一次迭代的多项式拟合，然后将后4个温度补偿标定点20℃、5℃、-15℃和-40℃进行二次迭代的多项式拟合来完成整个PDS型压力/差压变送器传感器的温压补偿线性修正的生产流程。所谓的迭代法就是相同的算法进行重复调用，使其输出快速收敛，达到某种期望值。一次迭代就是一次调用多项式拟合算法。二次迭代就是再一次调用多项式拟合算法。

本发明提出的迭代法和多项式拟合法相融合的算法在PDS型压力差压变送器产品上的实现与应用共分为两个部分：压力差压传感器温压补偿标定的线性修正部分(温压补偿系统中线性修正算法)和线性输出部分(变送器控制主板压力输出算法)。温压补偿系统中线性修正计算是由计算机来完成的，并由计算机将线性修正的系数通过通讯总线写入到PDS变送器转换器的EEPROM中。实时压力输出计算由PDS变送器转换器中的微控制器来实现的。微控制器将EEPROM中的线性修正系数读取出来，将当前实时的检测压力、温度信号与线性修正系数做输出运算，便会得出将实时的压力输出值。

温压补偿标定的线性修正部分说明如下：

建立温度补偿标定点下压力标定输出与输出多项式通用方程，见公式(1)。

P_{k} (X_{i}) = a_{k 0} + a_{k 1} X_{i} + a_{k 2} X_{i}^{2} + . . . . . + a_{kn} X_{i}^{n} - - - (1)

其中：

P_k(X_i)为实际的压力标定值(标定量程％)；

a_k0至a_kn为压力标定输出系数；

X_i为压力标定AD采样转换值(电压信号)；

在PDS型压力/差压变送器传感器的温压补偿线性修正运算处理的过程中，为了防止多项式方程出现病态方程和降低温压补偿系统的线性修正运算和PDS型变送器微控制器温压补偿输出的运算，本文采用迭代法和一元三次多项式拟合法来实现压力差压传感器的温压补偿线性修正，见公式(2)。

P_{k} (X_{i}) = a_{k 0} + a_{k 1} X_{i} + a_{k 2} X_{i}^{2} + a_{k 3} X_{i}^{3} - - - (2)

建立每个温度补偿标定点下压力标定值与压力采样信号之间的多项式特征方程，见公式(3)。

运用线性行列式矩阵方程进行求解每个温度补偿标定点的压力标定输出系

数，即a_ik(0≤i≤6,0≤k≤3)，见公式(4)。

[\begin{matrix} m & Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i} & . . . & Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{n} \\ Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i} & Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{2} & . . . & Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{n + 1} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{n} & Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{n + 1} & . . . & Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{2 n} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{k 0} \\ a_{k 1} \\ . . . \\ a_{kn} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Σ_{i = 0}^{m - 1} P_{k} (X_{i}) \\ Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i} P_{k} (X_{i}) \\ . . . \\ Σ_{i = 0}^{m - 1} X_{i}^{n} P_{k} (X_{i}) \end{matrix}] - - - (4)

其中：

m为每个温度补偿标定点下选取压力标定点的数量。

建立压力标定系数与温度标定采样信号之间的通用多项式特征方程，见公式(5)。

a_{ik} = b_{k 0} + b_{k 1} T_{i} + b_{k 2} {T_{i}}^{2} + . . . . . + b_{kn} {T_{i}}^{n} - - - (5)

其中：

a_ik为压力标定输出系数；

b_kn为与温度标定输出的相关系数；

T_i为温度标定AD采样值(电压信号)；

选取PDS型压力/差压变送器传感器温压补偿线性修前4个温度补偿标定点80℃、55℃、35℃和20℃，建立压力标定系数与温度标定采样信号之间的多项式方程，进行一次迭代的多项式拟合，见公式(6)(7)(8)(9)。

\begin{matrix} a_{00} = b_{00} + b_{01} T_{0} + b_{02} T_{0}^{2} + b_{03} T_{0}^{3} \\ a_{10} = b_{00} + b_{01} T_{1} + b_{02} T_{1}^{2} + b_{03} T_{1}^{3} \\ a_{20} = b_{00} + b_{01} T_{2} + b_{02} T_{2}^{2} + b_{03} T_{2}^{3} \\ a_{30} = b_{00} + b_{01} T_{3} + b_{02} T_{3}^{2} + b_{03} T_{3}^{3} \end{matrix} - - - (6)

其中：T₀,T₁,T₂,T₃分别为80℃、55℃、35℃和20℃温度补偿标定点下压力/差压传感器自身温度的温度标定AD采样转换值。

\begin{matrix} a_{01} = b_{10} + b_{11} T_{0} + b_{12} T_{0}^{2} + b_{13} T_{0}^{3} \\ a_{11} = b_{10} + b_{11} T_{1} + b_{12} T_{1}^{2} + b_{13} T_{1}^{3} \\ a_{21} = b_{10} + b_{11} T_{2} + b_{12} T_{2}^{2} + b_{13} T_{2}^{3} \\ a_{31} = b_{10} + b_{11} T_{3} + b_{12} T_{3}^{2} + b_{13} T_{3}^{3} \end{matrix} - - - (7)

\begin{matrix} a_{02} = b_{20} + b_{21} T_{0} + b_{22} T_{0}^{2} + b_{23} T_{0}^{3} \\ a_{12} = b_{20} + b_{21} T_{1} + b_{22} T_{1}^{2} + b_{23} T_{1}^{3} \\ a_{22} = b_{20} + b_{21} T_{2} + b_{22} T_{2}^{2} + b_{23} T_{2}^{3} \\ a_{32} = b_{20} + b_{21} T_{3} + b_{22} T_{3}^{2} + b_{23} T_{3}^{3} \end{matrix} - - - (8)

\begin{matrix} a_{03} = b_{30} + b_{31} T_{0} + b_{32} T_{0}^{2} + b_{33} T_{0}^{3} \\ a_{13} = b_{30} + b_{31} T_{1} + b_{32} T_{1}^{2} + b_{33} T_{1}^{3} \\ a_{23} = b_{30} + b_{31} T_{2} + b_{32} T_{2}^{2} + b_{33} T_{2}^{3} \\ a_{33} = b_{30} + b_{31} T_{3} + b_{32} T_{3}^{2} + b_{33} T_{3}^{3} \end{matrix} - - - (9)

应用公式(4)完成公式(6)(7)(8)(9)中一次迭代的多项式中b_ki(0≤k,i≤3)前16个与温度相关的常系数。同理，用上述步骤完成后4个温度补偿标定点20℃、5℃、-15℃和-40℃二次迭代的多项式中b_ki(4≤k≤7,0≤i≤3)后16个与温度相关的常系数。经过两次迭代求解出的32个常系数是PDS型压力变送器传感器最终运用实时的压力和温度两个变元的采样转换值进行压力输出运算的基础。

1)压力输出计算

压力输出计算部分是PDS型压力/差压变送器控制板上微控制器应用温压补偿线性修正系统软件通过迭代法和多项式拟合相融合的算法进行线性修正运算得到的32个常系数作实时压力输出计算。见公式(10)

\begin{matrix} c_{0} = b_{00} + b_{01} T + b_{02} T^{2} + b_{03} T^{3} \\ c_{1} = b_{10} + b_{11} T + b_{12} T^{2} + b_{13} T^{3} \\ c_{2} = b_{20} + b_{21} T + b_{22} T^{2} + b_{23} T^{3} \\ c_{3} = b_{30} + b_{31} T + b_{32} T^{2} + b_{33} T^{3} \end{matrix} - - - (10)

其中：

c₀，c₁，c₂，c₃与压力输出相关的常系数；

b_ki(0≤k≤7,0≤i≤3)为32个与温度相关的常系数，由温压补偿线性修正系统软件稳步补偿计算得到的，并存储在传感器的非易失性存储器中；T为实时的传感器温度AD采样转换值；

实时的压力输出计算，见公式(11)。

P(X)＝c₀+c₁X+c₂X²+c₃X³(11)

其中：P(X)为实时的压力输出值；

X为实时的传感器压力AD采样转换值；

在实际的产品应用过程中，PDS型压力/差压变送器控制主板上的微控制器会依据当前压力/差压传感器的的实际温度来选定运用一次迭代输出的与温度相关的系数，还是一次迭代输出的与温度相关的系数。通常压力输出运算的温度分割点一般为一次迭代和二次迭代的温度交叉点20℃。如果PDS型压力/差压变送器应用的环境温度高于20℃，则选取一次迭代输出的16个与温度相关的系数，否则选取二次迭代输出的16个与温度相关的系数。见表6为在环境温度为5℃左右表号为S441EA013030108差压型传感器实际压力测试输出情况。

迭代和多项式拟合相融合方法的工程实例

本发明采用PDS型表号为S441EA013030108量程为400Kpa的差压传感器温压补偿标定数据来验证本文提出的迭代法和多项式拟合法相融合的方法在PDS型压力/差压变送器传感器信号处理上的实现与应用的过程，见表1为7个温度补偿标定点下所对应的11个压力补偿标定点的原始AD采样转换值。

表1温度补偿标定点下压力标定的原始AD采样转换值

将表1中的压力补偿标定原始AD采样转换值运用公式(2)(3)(4)，进行与压力相关a₀₁-a₀₃、a₁₁-a₁₃、a₂₁-a₂₃、a₃₁-a₃₃、a₄₁-a₄₃、a₅₁-a₅₃和a₆₁-a₆₃28个线性修正的计算，其运算处理结果见表2。

表2与压力相关的线性修正系数

7个温度补偿标定点下表号为S441EA013030108差压型传感器的温度标定的AD采样转换值，见表3。

表3温度标定AD采样转换值

选取温度补偿标定点80℃、55℃、35℃和20℃下差压传感器的温度标定的AD采样转换值，并与对应温度补偿标定点下输出的压力线性修正系数建立多项式特征方程，然后运用公式(4)(6)(7)(8)(9)进行一次迭代，计算输出与温度相关的16个线性修正系数，见表4。

表4一次迭代输出的与温度相关的系数

将20℃、5℃、-15℃和-40℃下差压传感器的温度标定的AD采样转换值与对应对应温度补偿标定点下输出的压力线性修正系数建立多项式特征方程，与一次迭代调用的计算公式和流程完全相同，完成二次迭代输出计算，其计算输出结果与温度相关的16个线性修正系数，见表5。

表5一次迭代输出的与温度相关的系数

在实际的产品应用过程中，PDS型压力/差压变送器控制主板上的微控制器会依据当前压力/差压传感器的的实际温度来选定运用一次迭代输出的与温度相关的系数，还是一次迭代输出的与温度相关的系数。通常压力输出运算的温度分割点为室温，一般在25℃左右。如果PDS型压力/差压变送器应用的环境温度高于25℃，则选取一次迭代输出的16个与温度相关的系数，否则选取二次迭代输出的16个与温度相关的系数。见表6为在环境温度为5℃左右表号为S441EA013030108差压型传感器实际压力测试输出情况。

表6实际压力测试输出验证

本发明阐述的迭代法和多项式拟合法相融合的方法在PDS型压力/差压传感器信号处理上的实现与应用是压力变送器生产企业研发人员历经多年的研发实践的总结和智慧的结晶。该该方法不但解决了因压力和温度两个变元而影响压力/差压传感器非线性和零漂的问题，而且还能降低温压补偿系统的线性修正运算和PDS型变送器微控制器温压补偿输出的运算。虽然现阶段应用于压力变送器上的温度补偿线性修正算法较多，例如多维回归分析法，BP神经网络法，RBF神经网络补偿修正法等等，但是对于PDS压力变送器生产企业来说，他们更追求的选取算法的实用性、时效性和稳定性，所以这就是本文提出代法和多项式拟合法相融合的方法在PDS型压力/差压传感器信号处理上的实现与应用的关键所在。

Claims

1.一种应用于智能变送器的温压补偿线性修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在待温压补偿智能变送器的温度范围区间内依次选取s个温度补偿标定点，在待温压补偿智能变送器的量程范围区间内依次选取多个压力补偿标定点，在每个温度补偿标定点下进行各个压力补偿标定点的压力标定采样和温度标定采样，得到各个温度补偿标定点下各压力补偿标定点的压力标定AD采样值以及各个温度补偿标定的温度标定AD采样值；

2.根据权利要求1所述的温压补偿线性修正方法，其特征在于：步骤3)中当每组温度补偿标定点的温度补偿标定点的个数u+1与全温区间内所有温度补偿标定点的个数s相等时，在全温区间内选取的温度补偿标定点的组数w为1，则选取全温区间内所有的温度补偿标定点，采用一元u次多项式拟合算法建立全温区间内所有的温度补偿标定点下的压力标定输出系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程，进行一次迭代的多项式拟合，运用线性行列式矩阵方程进行求解，计算出一次迭代输出的温度标定输出系数，并将温度标定输出系数写入至对应的待温压补偿智能变送器中进行实时压力输出计算；当每组温度补偿标定点的温度补偿标定点的个数u+1小于全温区间内所有温度补偿标定点的个数s时，在全温区间内选取的温度补偿标定点的组数w大于1，则将每组温度补偿标定点设为一个集合，相邻的集合之间相交，选取每组温度补偿标定点中的u+1个温度补偿标定点，采用一元u次多项式拟合算法建立各组温度补偿标定点下的压力标定输出系数与温度标定采样信号之间的多项式特征方程，进行w次迭代的多项式拟合，运用线性行列式矩阵方程进行求解，分别计算出各组温度补偿标定点对应的温度标定输出系数，并将温度标定输出系数写入至对应的待温压补偿智能变送器中进行实时压力输出计算。

3.根据权利要求1所述的温压补偿线性修正方法，其特征在于：步骤4)中在待温压补偿智能变送器进行实时压力输出计算时，待温压补偿智能变送器依据当前传感器的实际温度在各次迭代输出的温度标定输出系数中选出与当前传感器的实际温度靠近的温度补偿标定对应的一组温度标定输出系数进行实时压力输出计算。

4.根据权利要求1所述的温压补偿线性修正方法，其特征在于：多项式拟合算法的次数u为3或4。

5.根据权利要求1所述的温压补偿线性修正方法，其特征在于：步骤1)中的压力标定采样在温压补偿线性修正系统中进行，该温压补偿线性修正系统包括主站工控机、温度标定设备、压力标定设备、电流输出检测设备、温压补偿工位矩阵电路、控制总线和气路装置，所述主站工控机通过控制总线与温度标定设备内的待温压补偿智能变送器进行通讯，所述温压补偿工位矩阵电路用于控制主站工控机与待温压补偿智能变送器间的控制总线的选通，以及控制气路装置的气路电磁阀进行温压补偿气路的切换；

采用上述温压补偿线性修正系统进行步骤1)的压力标定采样的步骤为：

3)主站工控机通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O电路，将主站工控机的HART总线与在线所有待温压补偿智能变送器的HART总线接通，然后发送并行压力采样协议帧分别给在线所有待温压补偿智能变送器，各待温压补偿智能变送器接收、解析来自主站工控机的协议帧，依据协议帧指令完成压力传感器的压力标定采样、温度标定采样、电流标定采样，得到压力标定AD采样值、温度标定AD采样值、电流标定AD采样值，并存储；