CN105651420A - 一种面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，通过单片机ADC采集到的真实数字量推算出理论数字量，根据推算出的理论数字量建立理论数字量与传感器温度值的映射关系，得出传感器温度值。本发明降低了仪表表卡温度变化对ADC采集输出结果照成的影响，得到的传感器温度值能够达到5‰及以上的精度要求，并且降低了软件算法的难度，从而降低了设备能量消耗。

Description

一种面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法

技术领域

本发明涉及数字化油田中的温度表标定领域，具体地说是一种面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法。

背景技术

温度是工业现场用得最多的待测物理量，温度表则广泛应用于工业中需要测温的场合，它能够自动采集石油行业输油管道内部油体的温度数据，独立或与油田RTU设备配合实时监测石油温度。温度数据的产生则来源于温度传感器信号的采集和标定算法。

温度传感器信号的采集是通过单片机内部ADC对传感器电压信号进行采集。

温度标定算法大体分为两种，一种是采用复杂的计算公式，根据温度传感器电阻值在不同温度条件下的变化，求解温度值与电阻值之间的三阶方程式。这对于单片机软件计算来说，算法及逻辑控制相当复杂，浪费处理器资源，影响温度值输出的实时性，但最终得出的温度值比较精确。另一种是直接将温度传感器的输出特性曲线理想成一阶方程式，直接计算温度传感器输出的电阻值与待测物温度之间的对应关系，这种方法计算得出的温度值精度低，与真实的温度值相比存在较大的误差。因此，需要研发人员做大量的后期计算工作，增加了维护工作量，对现在应用带来了不便。

目前温度表大多采用电池供电，一旦停止工作，对出输油管线温度监控照成影响，而且更换温度表的电池不方便，因此对温度表整机功耗有较高要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种面向石油行业输油管道的温度表标定的控制方法，可达到温度表输出温度数据的精度要求，降低算法及逻辑控制的复杂度。该方法不增加温度表正常工作开销，不会带来额外的能量消耗。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，通过单片机ADC采集到的真实数字量推算出理论数字量，根据推算出的理论数字量建立理论数字量与传感器温度值的映射关系，得出传感器温度值。

所述通过单片机ADC采集到的真实数字量推算出理论数字量包括以下步骤：

步骤1：启动温度表，通过串口配置进入系统测试模式，并设定单片机ADC的采集周期；

步骤2：在设定温度下，单片机ADC按照设定的采集周期分别采集不同两组目标电阻值时的输出电压值，以数组形式存储，并通过滤波处理后串口查询得出两组目标电阻的真实数字量；

步骤3：通过目标电阻的真实数字量，建立实时采集的真实数字量与理论数字量的映射关系，从而求出当前温度下的理论数字量。

所述传感器温度值计算过程如下：

$T=\frac{T_2-T_1}{Z_{n2}-Z_{n1}}\×(Z-Z_{n1})+T_1$

其中，Z_n1和Z_n2为选取两个温度点的理论数字量，T₁和T₂为对应的油槽温度值，Z为在当前油槽温度下得到的理论数字量，T为传感器温度值。

所述当前温度下的理论数字量计算过程为：

$\frac{N_2-N_1}{D_{12}-D_{11}}=\frac{Z-N_1}{D-D_{11}}$

$Z=\frac{N_2-N_1}{D_{12}-D_{11}}\×(D-D_{11})+N_1$

其中，D₁₁和D₁₂为目标电阻的真实数字量，N₁和N₂为目标电阻的理论数字量，D为当前温度下的真实数字量，Z为当前温度下的理论数字量。

所述滤波处理过程包括：使用冒泡法对数组中的数值进行排列，滤除最大值和最小值，求剩余的数据的平均值。

所述设定温度在-40℃～85℃范围内且在当前设定温度下，单片机ADC内部传感器温度与温箱温度保持一致。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明不增加温度表正常工作开销，不会带来额外的能量消耗。

2.本发明降低了仪表表卡温度变化对ADC采集输出结果照成的影响。得到的传感器温度值能够达到5‰及以上的精度要求，并且降低了软件算法的难度，从而降低了设备能量消耗。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明的理论数字量推算方法图；

图3是本发明的传感器温度值的推算方法图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的目的是提供一种石油行业输油管道的温度表通过插值计算得到标准电阻值对应的数字量与全量程范围温度值的映射关系的标定方法，无需系统额外开销。在温度表系统上电或复位后，进入测试模式，通过仪表表卡ADC在不同温度条件下采集温度传感器输出的真实数字量，推出理论数字量。通过不同温度下的理论数字量推出当前传感器的温度数值。这种算法可降低温度传感器的导热温度对仪表表卡的影响，达到提高温度传感器采集精度，降低仪表功耗的目的。

采用插值计算，经过二次拟合的方法是通过在温度表上电或复位重启进入系统测试模式后，根据设定的ADC采集时间间隔和标准电阻发生器产生不同的电阻值，自动对当前温度传感器输出进行采集并得出真实数字量，根据采集的真实数字量拟合出温度传感器输出的真实数字量与标准电阻值对应的理论数字量之间的映射关系，再根据这种关系再次插值计算，拟合出全量程温度值与标准电阻值对应的理论数字量的映射关系并设置拟合结果对应表，从而推导得出当前传感器采集的温度值。

本发明主要包括：当温度表系统上电或复位后，进入测试模式，设定温箱温度和标准电阻发生器，单片机ADC按照采集时间间隔，自动采集温度传感器输出的数字量，分析采集数据，去除温度传感器采集数据中的最大值、最小值，求得剩余数据的平均值，达到滤波的目的，由此得到ADC采集传感器的真实数字量。根据不同温箱温度下，采集不同标准电阻值得到的真实数字量，经过插值计算，得到温度传感器真实数字量与标准电阻值理论数字量之间的映射关系。通过改变油槽温度，根据不同油槽温度得到的理论数字量，经过二次插值计算，拟合出标准电阻值对应的理论数字量与全量程温度值的映射关系。具体包括以下步骤：

输油管道温度表在上电或复位启动后，进入测试模式；

设定温箱的温度值；

设定标准电阻发生器的电阻值；

设定的采集时间间隔,单片机ADC按照设定的时间间隔对温度传感器进行采集；

根据分析单片机ADC采集数据，去除采集数据中的最大值；

根据分析单片机ADC采集数据，去除采集数据中的最小值；

根据分析单片机ADC采集数据，可计算得到采集数据中的平均值；

改变标准电阻值后，进行采集；

改变温箱温度后，进行采集；

根据分析不同温箱温度和不同电阻值条件下的温度传感器采集数据，第一次插值计算拟合出两者的映射关系；

设定油槽的温度值；

记录第一次插值算法得出的理论数字量；

改变油槽温度值，记录不同油槽温度下的理论数字量；

根据分析不同油槽温度条件下的数字量理论值和全量程范围的温度值，第二次插值计算拟合出两者的映射关系。

本发明中涉及到的概念如下：

1)温箱：可以产生不同环境温度的控温设备。

2)油槽：可以改变温度传感器温度的控温设备。

3)真实数字量：单片机ADC实时采集的数字量数值。

4)理论数字量：标准电阻发生器生成的100Ω和190Ω对应的标准的数字量。

输油管道的温度表标定控制方法包括：控温设备控制及温度传感器采集系统操作、第一次插值计算曲线拟合、第二次插值计算曲线拟合。

如图1所示为本发明方法流程图，本发明所述的控温设备控制及温度传感器采集系统操作，提供了石油行业输油管道在不同温度条件下，对实时温度值采集功能。控温设备控制是在系统上电或复位，进入系统测试模式之后，控制温箱处于不同温度，同时调整标准电阻发生器输出不同的电阻值。系统每隔1秒钟启动一次标准电阻值输出数字量采集，在其他时间内，温度表进入休眠状态，等待下一次采集，这样保证了采集的实时性,可以降低功耗。

如图2所示为本发明的理论数字量推算方法图，是将仪表表卡放置于温箱中，根据设计的温度点设定温度值-40℃，温度稳定要持续1小时，保证温度表表卡上的单片机内部传感器的温度已经和温箱的温度保持一致。将标准电阻发生器输出100Ω电阻值并用导线引入温箱内，接到温度表表卡的传感器硬件接口上。单片机ADC自动按照采集时间间隔对数字量进行采集，每次采集连续采样16次，将16个数据点存储在滤波数组内，用冒泡法对数组元素进行排序，去除最大值和最小值，对剩余的14个值进行求平均值计算，得出真实数字量。通过串口查询得到当前单片机的ADC采集的真实数字量标记为D11。调整标准电阻发生器输出为190Ω，通过串口查询得到此时单片机的ADC采集的真实数字量标记为D12。查找温度传感器热敏电阻PT100标准电阻值对照表得出100Ω电阻值和190Ω电阻值所对应的理论数字量分别为N1和N2。

经过第一次测量得到了D11和D12真实数字量，使用插值算法，进行曲线拟合，将实时采集的真实数字量与标准电阻值对照表中的理论数字量建立起映射关系。设当前温度下采集的真实数字量为D，所要得到的当前温度传感器PT100理论数字量为Z，建立公式如下：

$\frac{N2-N1}{D12-D11}=\frac{Z-N1}{D-D11}$

推导求得当前温度下的理论数字量Z：

$Z=\frac{N2-N1}{D12-D11}\×(D-D11)+N1$

再次调整温箱的温度值，使温度分别设置为-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、85℃，按照上述标定测试方法，得到这些温度下的标准电阻值100Ω和190Ω对应的真实数字量Dn1和Dn2。则在全部模拟环境温度段中的计算理论数字量的公式为：

$Z=\frac{N2-N1}{\mathrm{Dn}2-\mathrm{Dn}1}\×(D-\mathrm{Dn}1)+N1$

本发明所述的第一次插值计算曲线拟合，通过在不同环境温度下，对模拟温度传感器PT100电阻值的进行采集，经过插值计算和曲线拟合，得到温度传感器实时采集的真实数字量和标准电阻值对应的理论数字量之间的映射关系。通过这种算法可降低温度传感器对温度表表卡的导热效应对单片机ADC采集准确性的影响，提高了温度表采集精度，降低了温度表工作功耗。

如图3所示为本发明的传感器温度值的推算方法图，温度表表卡置于工作环境中，将温度传感器连接到温度表表卡接口上，并将其放置于油槽当中。根据设计的温度点设定油槽温度为500℃，油槽温度稳定要持续0.5小时以上，保证温度表传感器的温度和油槽温度一致。通过串口读取当前温度下第一阶段所计算得到的理论数字量Z11。再次将油槽温度调整为400℃，油槽温度稳定要持续0.5小时以上。通过串口读取当前温度下第一阶段所计算得到的理论数字量Z12。

将得到的Z11和Z12理论数字量数值，使用插值算法，进行曲线拟合。将第一阶段插值计算得到的理论数字量与油槽设定的温度建立起映射关系。设当前油槽温度下推导的理论数字量为Z，所要得到的当前温度传感器采集的温度值为T，建立公式如下：

进而推导出当前传感器采集的温度T：

再次调整油槽的温度值，使温度分别调整到300℃、200℃、100℃、50℃、0℃，按照上述第二阶段油槽标定的测试方法，得到其他温度点上的理论数字量。设某两个温度点的理论数字量Zn1和Zn2，对应的油槽温度值为T1和T2，在当前油槽温度下得到的理论数字量为Z，所要求得的温度传感器的温度数值为T。则在全油槽温度段内的温度计算公式为：

$T=\frac{T2-T1}{\mathrm{Zn}2-\mathrm{Zn}1}\×(Z-\mathrm{Zn}1)+T1$

在第二次插值计算曲线拟合之后，退出测试模式。在正常模式中，依照此种温度传感器标定算法，按照设定的采集时间间隔，对温度传感器输出的温度值进行采集。

这种标定算法的优点在于，有效的降低了温度传感器导热效应对单片机ADC采集的影响。同时降低了软件设计的复杂度，减少了软件的计算量，每次对温度传感器的采集消耗的能量要比复杂算法消耗的能量低，从而达到提高采集精度，降低功耗的目的。

Claims (6)

1.一种面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，其特征在于，通过单片机ADC采集到的真实数字量推算出理论数字量，根据推算出的理论数字量建立理论数字量与传感器温度值的映射关系，得出传感器温度值。

2.根据权利要求1所述的面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，其特征在于，所述通过单片机ADC采集到的真实数字量推算出理论数字量包括以下步骤：

步骤1：启动温度表，通过串口配置进入系统测试模式，并设定单片机ADC的采集周期；

步骤2：在设定温度下，单片机ADC按照设定的采集周期分别采集不同两组目标电阻值时的输出电压值，以数组形式存储，并通过滤波处理后串口查询得出两组目标电阻的真实数字量；

步骤3：通过目标电阻的真实数字量，建立实时采集的真实数字量与理论数字量的映射关系，从而求出当前温度下的理论数字量。

3.根据权利要求1所述的面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，其特征在于，所述传感器温度值计算过程如下：

$T=\frac{T_2-T_1}{Z_{n2}-Z_{n1}}\×(Z-Z_{n1})+T_1$

其中，Z_n1和Z_n2为选取两个温度点的理论数字量，T₁和T₂为对应的油槽温度值，Z为在当前油槽温度下得到的理论数字量，T为传感器温度值。

4.根据权利要求2或3所述的面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，其特征在于，所述当前温度下的理论数字量计算过程为：

$\frac{N_2-N_1}{D_{12}-D_{11}}=\frac{Z-N_1}{D-D_{11}}$

$Z=\frac{N_2-N_1}{D_{12}-D_{11}}\×(D-D_{11})+N_1$

其中，D₁₁和D₁₂为目标电阻的真实数字量，N₁和N₂为目标电阻的理论数字量，D为当前温度下的真实数字量，Z为当前温度下的理论数字量。

5.根据权利要求2所述的面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，其特征在于，所述滤波处理过程包括：使用冒泡法对数组中的数值进行排列，滤除最大值和最小值，求剩余的数据的平均值。

6.根据权利要求2所述的面向石油行业输油管道的温度表标定控制方法，其特征在于：所述设定温度在-40℃～85℃范围内且在当前设定温度下，单片机ADC内部传感器温度与温箱温度保持一致。