CN113984252A - 一种电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统，涉及传感器温度补偿及修正领域，其特征在于：包括压力变送器及数字压力计、数字电源、高低温试验箱、计算机及上位机系统、数字通讯设备及其他辅助部件，数字压力计、数字电源、计算机及上位机系统均与高低温实验箱相连。介绍了一种分区域曲面模拟多变量的差压压力变送器的温度补偿方法，根据测试值及单一变量的函数拟合精度进行分段分区间曲面模拟其模型，进而在采集最少数据基础上达到0.2％FS及更高精度产品的温度补偿及应用。补偿进行高低温测试，补偿后温漂小，补偿温度范围无限制。

Description

一种电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统
技术领域
本发明涉及一种传感器温度补偿及修正方法，更具体的说，尤其涉及一种电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统。
背景技术
在变送器行业，随着客户的使用场合不同，客户对差压变送器的需求越来越大，所采用的传感器与普通压力变送器也有所不同，差压压力变送器一般采用扩散硅式双腔体双膜片。常用于高粘稠物质，易结晶物质，带有固体颗粒或悬浮物的沉淀性介质，强腐蚀或剧毒性介质等复杂应用场合。
但其采用的扩散硅式压力传感器普遍采用高低温箱测量温漂、应变片自温度补偿、零位输出的修正等环节、速度慢、无补偿标准，一致性差。需采取后端数据处理并温度补偿。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统，介绍了一种分区域曲面模拟多变量的差压压力变送器的温度补偿方法，根据测试值及单一变量的函数拟合精度进行分段分区间曲面模拟其模型，进而在采集最少数据基础上达到0.2％FS及更高精度产品的温度补偿及应用。
本发明的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统，其特征在于：包括压力变送器及数字压力计、数字电源、高低温试验箱、计算机及上位机系统、数字通讯设备及其他辅助部件，数字压力计、数字电源、计算机及上位机系统均与高低温实验箱相连。
优选的，所述的数字电源设置为3VDC&5VDC稳定可靠的精密电源，用于减小电源波动对变送器输出值的影响，去除测试系统外部部分干扰，提升数据采集精度。
优选的，一种基于权利要求1的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
a:根据传感器温漂特性对应采集不同温度点变送器输出数据，同时采集此时桥组变化所指示的温度数据指针；
b：对采集数据进行整理及转化，将以SPI通讯方式读取到的三个字节的十六进制数据转换为十进制数据，形成此变送器的原始数据表，表格内容包括但不限于高低温试验箱设定温度值(-5℃、25℃、40℃、60℃)共计四个温度点下的传感器压力数据；
c：在不同的温度环境下，传感器桥组串联低温漂高精度电阻，利用传感器桥组在不同温度下的阻值变化，进而影响串联电阻两端电压的变化作为温度指针信号、数字压力计设定压力：差压压力点为0PSI/0.75PSI/1.5PSI三个压力点；
d：变送器采集输出数据，即SPI方式读取的传感器桥组两端的信号输出AD值；
e：根据采集点的趋势线拟合形成分区，一般分为两个区间，根据各自区间进行([b,bint,r,rint,stats]＝regress(y,X))函数线性拟合，形成单区间的二元二次函数模型，拟合方程为：y＝(d1+d2*x1+d3*x1^2)+(d4+d5*x1+d6*x1^2)*x2+(d7+d8*x1+d9*x1^2)*x2^2
y：表示采集的传感器的压力信号
x1：表示采集的传感器的温度信号
x2：表示目标实际应用中所测得的压力值
d1、d2、d3……d9：表示补偿模型的系数，即regression拟合所得结果；
f：根据得到的函数系数进行逆运算，x1：表示的温度信号作为已知变量代入函数模型后消元，得到关于原始数据和所求压力数据的一元二次函数，根据求解公式求解目标值；
g：验证建模点(-5℃、25℃、60℃)及之外数据(40℃)拟合性，总温度区间单段拟合精度不合格(≥0.2％)则进行两段拟合，直至产品验证点满足设计要求，即产品各个温度点总精度≤0.2％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)补偿进行高低温测试，补偿后温漂小，补偿温度范围无限制。
(2)补偿后变送器输出值为数字值，便于后期一键校零等。
(3)补偿模型结构简单，阶次低，易于计算及编程。
(4)相对于样条插值法、神经网络法等数据量少，补偿精度近似。
(5)对于多拐点输出曲线可根据其输出曲线多次分段模拟。
附图说明
图1为本发明的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统的示意图；
图2为本发明的采集原始数据表图；
图3为本发明的模型程序图；
图4为本发明的补偿模型及系数指数图；
图5为本发明的系数及反函数计算图；
图6为本发明的补偿前后差压标宋其零点输出值曲线；
图7为本发明的采集温度值指针图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统示意图，变送器通过快速连接器与计算机系统连接，数字电源为变送器供电，上位机系统对输出值进行采集。
所示的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统，包括压力变送器及数字压力计、数字电源、高低温试验箱、计算机及上位机系统、数字通讯设备及其他辅助部件，数字压力计、数字电源、计算机及上位机系统均与高低温实验箱相连。
采用3VDC&5VDC稳定可靠的精密电源，减小电源波动对变送器输出值的影响，去除测试系统外部部分干扰，提升数据采集精度。
电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿方法，包括以下步骤：
a:根据传感器温漂特性对应采集不同温度点变送器输出数据，同时采集此时桥组变化所指示的温度数据指针；
b：对采集数据进行整理及转化，将以SPI通讯方式读取到的三个字节的十六进制数据转换为十进制数据，形成此变送器的原始数据表，表格内容包括但不限于高低温试验箱设定温度值(-5℃、25℃、40℃、60℃)共计四个温度点下的传感器压力数据，采集温度值指针是利用如图7所示进行采集；
c：在不同的温度环境下，传感器桥组串联低温漂高精度电阻，利用传感器桥组在不同温度下的阻值变化，进而影响串联电阻两端电压的变化作为温度指针信号、数字压力计设定压力：差压压力点为0PSI/0.75PSI/1.5PSI三个压力点；
d：变送器采集输出数据，即SPI方式读取的传感器桥组两端的信号输出AD值；
e：根据采集点的趋势线拟合形成分区，一般分为两个区间，根据各自区间进行([b,bint,r,rint,stats]＝regress(y,X))函数线性拟合，形成单区间的二元二次函数模型，拟合方程为：y＝(d1+d2*x1+d3*x1^2)+(d4+d5*x1+d6*x1^2)*x2+(d7+d8*x1+d9*x1^2)*x2^2
y：表示采集的传感器的压力信号
x1：表示采集的传感器的温度信号
x2：表示目标实际应用中所测得的压力值
d1、d2、d3……d9：表示补偿模型的系数，即regression拟合所得结果；
f：根据得到的函数系数进行逆运算，x1：表示的温度信号作为已知变量代入函数模型后消元，得到关于原始数据和所求压力数据的一元二次函数，根据求解公式求解目标值；
g：验证建模点(-5℃、25℃、60℃)及之外数据(40℃)拟合性，总温度区间单段拟合精度不合格(≥0.2％)则进行两段拟合，直至产品验证点满足设计要求，即产品各个温度点总精度≤0.2％。
通过上述方案可实现的产品输出信号精度变化见表格：
原始数据：
差压 -5℃ 25℃ 40℃ 60℃
AD-℃ 51822 48864 47276 45288
0 2175583 2929613 3231825 3550639
0.75 7989535 8416601 8572925 8714815
1.5 13841449 13944907 13952952 13917195
产品补偿前零压力点信号全温度区间(-5～60℃)输出精度为：8.73％FS
产品补偿前满压力点信号全温度区间(-5～60℃)输出精度为：20.34％FS
补偿后数据：
Figure BDA0003322668520000051
Figure BDA0003322668520000061
产品补偿后零压力点信号全温度区间(-5～60℃)输出精度为：≤0.2％FS产品补偿后满压力点信号全温度区间(-5～60℃)输出精度为：≤0.2％FS综合补偿前后数据精度，补偿效果明显。
如图2所示，给出了本发明的采集原始数据表，表格涵盖产品编号、产品所处环境温度、采集温度、所被施加压力、采集压力数据等内容。
如图3所示，给出了本发明的模型程序图，根据采集原始数据进行模型建立，并绘制其数据模型图。
如图4所示，给出了本发明的补偿模型及系数指数图，根据模型图示及其拟合度，将拟合系数整理并导出。并可通过拟合模型判定拟合优劣程度。通过各点的变化趋势预估出其他数据点的对应值，以此得到不同温度下未知压力所对应的实际压力值。
如图5所示，给出了本发明的系数及反函数计算图，通过模型得到的系数代入其他采集数据点进行验证，并完成验证点的变送器输出精度计算，进而判定补偿过程是否符合设计要求。
如图6所示，给出了本发明的补偿前后差压变送器零点输出值曲线比较，由图像中可以看出，补偿后输出曲线与原曲线基本一致，拟合曲线与源数据曲线最大偏差≤0.2％。进而所得系数可完美计算各温度点下压力输出值与实际压力的对应关系。

Claims (3)

1.一种电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统，其特征在于：包括压力变送器及数字压力计、数字电源、高低温试验箱、计算机及上位机系统、数字通讯设备及其他辅助部件，数字压力计、数字电源、计算机及上位机系统均与高低温实验箱相连。
2.根据权利要求1所述的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿系统，其特征在于：所述的数字电源设置为3VDC&5VDC稳定可靠的精密电源，用于减小电源波动对变送器输出值的影响，去除测试系统外部部分干扰，提升数据采集精度。
3.一种基于权利要求1的电阻式差压压力变送器的数字化拟合温度补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
a:根据传感器温漂特性对应采集不同温度点变送器输出数据，同时采集此时桥组变化所指示的温度数据指针；
b：对采集数据进行整理及转化，将以SPI通讯方式读取到的三个字节的十六进制数据转换为十进制数据，形成此变送器的原始数据表，表格内容包括但不限于高低温试验箱设定温度值(-5℃、25℃、40℃、60℃)共计四个温度点下的传感器压力数据；
c：在不同的温度环境下，传感器桥组串联低温漂高精度电阻，利用传感器桥组在不同温度下的阻值变化，进而影响串联电阻两端电压的变化作为温度指针信号、数字压力计设定压力：差压压力点为0PSI/0.75PSI/1.5PSI三个压力点；
d：变送器采集输出数据，即SPI方式读取的传感器桥组两端的信号输出AD值；
e：根据采集点的趋势线拟合形成分区，一般分为两个区间，根据各自区间进行([b,bint,r,rint,stats]＝regress(y,X))函数线性拟合，形成单区间的二元二次函数模型，拟合方程为：y＝(d1+d2*x1+d3*x1^2)+(d4+d5*x1+d6*x1^2)*x2+(d7+d8*x1+d9*x1^2)*x2^2
y：表示采集的传感器的压力信号
x1：表示采集的传感器的温度信号
x2：表示目标实际应用中所测得的压力值
d1、d2、d3……d9：表示补偿模型的系数，即regression拟合所得结果；
f：根据得到的函数系数进行逆运算，x1：表示的温度信号作为已知变量代入函数模型后消元，得到关于原始数据和所求压力数据的一元二次函数，根据求解公式求解目标值；
g：验证建模点(-5℃、25℃、60℃)及之外数据(40℃)拟合性，总温度区间单段拟合精度不合格(≥0.2％)则进行两段拟合，直至产品验证点满足设计要求，即产品各个温度点总精度≤0.2％。
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