專利名稱：測量裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于諸如測量物理參數(shù)(例如壓強(qiáng)、液體流速、化學(xué)有 機(jī)氣體濃度以及溫度)的測量裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
通常，測量儀器會受到噪聲、非線性特性和干擾的影響。噪聲牽涉到 隨機(jī)誤差，即所測量的物理參數(shù)值和實(shí)際的物理參數(shù)值之間的差異，這個(gè) 差異不能通過附加信息來校正。非線性特性為系統(tǒng)誤差，它源于儀器的線 性響應(yīng)假設(shè)。許多換能器其電信號電壓輸出值和所測量的物理參數(shù)值之間 具有近似的數(shù)學(xué)線性關(guān)系。這個(gè)線性關(guān)系可以大大地簡化儀器的數(shù)據(jù)處理。 在數(shù)據(jù)處理的容易性和儀器設(shè)計(jì)的精確性之間存在權(quán)衡取舍。如果對于給 定的應(yīng)用來說準(zhǔn)確性和精確性比數(shù)據(jù)處理的容易性更重要的話，那么，必 須對這些非線性誤差進(jìn)行考慮和處理?？梢允褂门c這些非線性特性相關(guān)的 附加信息來校正所測量的物理參數(shù)值。干擾是另一種系統(tǒng)誤差，源于其它 物理參數(shù)對所測量信號的影響?？梢允褂门c這些其它物理參數(shù)的有關(guān)信息 來校正原始的所測物理參數(shù)值。本專利主要涉及對這后兩種誤差貢獻(xiàn)(即 非線性特性和千擾)的處理。
例如，在一種測量裝置中，通過用壓強(qiáng)傳感器測量水底的壓強(qiáng)來測量 水的深度。在這些儀器中的壓強(qiáng)傳感器是能將壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓的換能器。 這種壓強(qiáng)傳感器的電壓信號輸出能夠被轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)信號值，通過將該壓強(qiáng) 轉(zhuǎn)換為深度單位該壓強(qiáng)信號值則被進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為深度測量值。在一些儀器
中，使用深度測量值來確定流速(如美國專利5,275,042 )或者平均速度(如 美國專利5,371,686)。由于內(nèi)在的電"白噪聲"的緣故(白噪聲不能由附加信息來預(yù)測)，所測量的壓強(qiáng)參數(shù)值在測量誤差中會產(chǎn)生噪聲貢獻(xiàn)。進(jìn) 一步假設(shè)這些傳感器在實(shí)際壓強(qiáng)和信號電壓輸出之間有線性數(shù)學(xué)關(guān)系。由 于這種關(guān)系只是近似的，所以，所測量的壓強(qiáng)參數(shù)值在測量誤差中會存在 非線性貢獻(xiàn)。這些傳感器也受另一種物理參數(shù)即溫度的影響。所測量的壓 強(qiáng)參數(shù)值在測量誤差中會存在干擾貢獻(xiàn)。
在另一種傳感器中，用氧化錫焊珠來探測化學(xué)有機(jī)氣體濃度，氧化錫 焊珠的電阻會隨著空氣中有機(jī)氣體和氧氣間之間的抗衡而導(dǎo)致的有機(jī)氣體 濃度的變化而變化。有機(jī)氣體會使氧化錫還原為金屬錫，而氧氣則會使錫 氧化為氧化錫。錫和氧化錫具有不同的電阻。在這種換能器中，測量結(jié)果 受溫度和濕度的影響。溫度和空氣中的水汽會影響氧化錫焊珠的電阻。這 個(gè)效應(yīng)被運(yùn)用到幾種其它類型的儀器中，例如用于分析水中有機(jī)雜質(zhì)的分
析儀中，如在美國專利6,123,904中所描述的。提供上述兩個(gè)例子是用來說 明的，因?yàn)樵谠S多不同類型的裝置中有許多不同的傳感器，它們都受到噪 聲、非線性特性和干擾的影響。這些傳感器的準(zhǔn)確度和精度會被減小，因 為輸出信號電壓也會受到其它物理?xiàng)l件諸如溫度和濕度的影響。
已知通過使用高階多元多項(xiàng)式校準(zhǔn)曲線來校正測量中的非線性特性和 干擾，可以提高測量的精確性。也已知通過包括最小二乘回歸方法在內(nèi)的 若干方法中的任何一種方法可以獲得多項(xiàng)式校準(zhǔn)曲線中的各個(gè)項(xiàng)的最佳系 數(shù)。通常，通過微控制器將校準(zhǔn)曲線運(yùn)用到測量中。
在現(xiàn)有的多項(xiàng)式校準(zhǔn)曲線使用技術(shù)中，在確定系數(shù)之前必須先選擇多 項(xiàng)式的一般形式，諸如項(xiàng)數(shù)和項(xiàng)的次數(shù)。盡管多項(xiàng)式的一般形式會大大地 影響從校準(zhǔn)多項(xiàng)式的使用中所獲得的精度，但還沒有完全令人滿意的自動(dòng) 方法來滿足一些校準(zhǔn)需要。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種新技術(shù)，使用提供校準(zhǔn)多項(xiàng)式的 系統(tǒng)技術(shù)來校準(zhǔn)測量系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的上述以及進(jìn)一步的目標(biāo)， 一種用于測量至少第一值的測量儀器包括至少一個(gè)用來產(chǎn)生第一信號的傳感器或換能器，所述第一信號 表示所述第一值或參數(shù)，以及至少一個(gè)用來產(chǎn)生第二信號的其它傳感器， 所述第二信號表示會干擾所述第一值的測量、產(chǎn)生誤差或者使所述第一值 不準(zhǔn)確或不精確的一個(gè)值或參數(shù)?？梢杂幸粋€(gè)或多個(gè)對要測量的值進(jìn)行探 測的這種傳感器， 一個(gè)或多個(gè)對那些會進(jìn)行干擾、產(chǎn)生誤差或使正在測量 的值不準(zhǔn)確或不精確的值進(jìn)行測量的傳感器或換能器。用來對要測量的值 進(jìn)行探測的傳感器在下文中被稱作主傳感器或主換能器，要測量的值在下 文中被稱作主值。對那些會進(jìn)行干擾、產(chǎn)生誤差或使正在測量的值不精確 的值進(jìn)行測量的傳感器在下文中被稱作副傳感器或副換能器。由主傳感器 或主換能器所提供的信號在本說明書中被稱作主測量信號。才艮據(jù)這里所述 方法對主測量信號進(jìn)行校正后的信號被稱作校準(zhǔn)了的信號。
在本說明書中，名詞"值，，和名詞"參數(shù)，，每個(gè)都是指任何可以被探 測的物理特性，諸如水深、壓強(qiáng)、溫度、能量強(qiáng)度等。這里，名詞"值" 不僅包括人們要使用或要理解的值，而且包括會對要使用的值產(chǎn)生干擾的 干擾值。例如，要測量的值可以是由壓強(qiáng)傳感器所測量的壓強(qiáng)，與干擾相 關(guān)的值可以是溫度，它能改變壓強(qiáng)傳感器所提供的信號。
所述測量儀器包括微控制器，用來對主測量信號進(jìn)行校正以提供校準(zhǔn) 了的信號。在下文中，會對這個(gè)信號產(chǎn)生干擾的那些值被稱作與干擾相關(guān) 的值，由副傳感器或副換能器利用所述與干擾相關(guān)的值所產(chǎn)生的信號被稱 作與干擾相關(guān)的信號。用來校正信號的所述微控制器或其它裝置包括校正 多項(xiàng)式或校正曲線，在下文中它們被稱作標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正多項(xiàng)式或曲線，或 者標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校準(zhǔn)曲線或多項(xiàng)式。在本說明書中，術(shù)語"標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正多項(xiàng) 式"或"標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正曲線"或"標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校準(zhǔn)曲線"或"標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校準(zhǔn) 多項(xiàng)式"是指用下文所述的特殊過程所形成的一種關(guān)系。所述標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校 正多項(xiàng)式或標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正曲線中，與干擾相關(guān)的信號和感興趣的未校正的 值作為獨(dú)立變量，由校準(zhǔn)了的信號所指示的校正了的要測量的值作為因變 量。
所述孩支控制器用來接收主測量信號和一個(gè)或多個(gè)與干擾相關(guān)的信號。由此，所述微控制器能夠校正所述主測量信號受到的所述干擾，以提供校 準(zhǔn)了的信號，該校準(zhǔn)了的信號表示感興趣的校正值。在一個(gè)實(shí)施例中，所
述測量儀器是一種用來確定流床(flow bed )內(nèi)流體的體積流速(volumetric rate)的裝置。為此，它包括用來確定所述流床內(nèi)流體的平均流速的裝置， 所述主傳感器為^^皮置于所述流體的流徑的底部的壓強(qiáng)傳感器。因此，所述 主測量信號與所述流體的深度相關(guān)。在本實(shí)施例中，與干擾相關(guān)的傳感器 為溫度測量傳感器。
在本實(shí)施例中，在所述標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正多項(xiàng)式中，來自壓強(qiáng)傳感器和溫 度傳感器的信號作為獨(dú)立變量，深度作為因變量。所述微控制器將深度乘 以水的平均流速來計(jì)算體積流速。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，平均流速這樣來 確定將超聲波信號發(fā)射到所述流床內(nèi)的流體中；接收反射的超聲波信號； 利用這些信號來計(jì)算近似平均速度。所述近似平均速度這樣來計(jì)算對數(shù) 字化信號進(jìn)行傅立葉變換，對所述傅立葉變換的某些系數(shù)進(jìn)行平均，如美 國專利5,371,686所述，該專利的內(nèi)容通過引入納入這里。
在 一個(gè)實(shí)施例中，形成標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正多項(xiàng)式或標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正曲線的過 程包括形成含有多個(gè)獨(dú)立變量的預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式的步驟。在下文中被稱 作主獨(dú)立變量的一個(gè)獨(dú)立變量為所述主測量信號。其它的獨(dú)立變量為與干 擾相關(guān)的信號。所述因變量是指根據(jù)測量值(諸如來自壓強(qiáng)傳感器的就干 擾和非線性特性進(jìn)行了校正的主信號)所求出的值。在本說明書中，這個(gè) 信號被稱作校準(zhǔn)了的信號，盡管對所述校準(zhǔn)了的信號還可以進(jìn)行進(jìn)一步的 修正，諸如將其從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，或者由所述電路的其它部件 進(jìn)行操作，以侵Z使其適合于對所述儀器的操作非常重要的其它操作。如果 使用該壓強(qiáng)傳感器來指示它所浸入的流體的深度，那么，所述因變量為該 流體的深度，因?yàn)樵谒褂玫膯挝恢杏脡簭?qiáng)乘以一個(gè)反映水密度的常數(shù)可 以提供一個(gè)指示流體深度的信號。
所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式包括獨(dú)立變量的冪作為它的項(xiàng)，該獨(dú)立變量的冪 次由與測量儀器的應(yīng)用中所希望或所需要的因變量的精確度和準(zhǔn)確度相關(guān) 的標(biāo)準(zhǔn)來選擇。要選擇精確度和準(zhǔn)確度，因?yàn)樗鼘τ趦x器的有用性或者對使用該儀器的最終過程的需要很重要。例如，外科儀器或許要求某個(gè)過程， 否則出于安全的原因是不能使用的。在這種情形中，病人的安全就是確定 儀器精度的標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，可以考慮要使用的設(shè)備來選擇精度。獨(dú)立變 量的冪次越高，交叉項(xiàng)的數(shù)目越多，微控制器或其它裝置或所用技術(shù)等的 存儲器也就越大。因此，如果存儲器的大小是有限制的，那么，獨(dú)立變量 的冪次將是受限制的，盡管這對于最終測量的精確度有不利影響。在所述 優(yōu)選實(shí)施例中，所述標(biāo)準(zhǔn)可以是存儲器的大小或微控制器的速度。
一旦選擇了獨(dú)立變量的最高次數(shù)，那么就可以形成預(yù)備多項(xiàng)式或工作 多項(xiàng)式，它包含多個(gè)項(xiàng)。每個(gè)項(xiàng)中只有一個(gè)獨(dú)立變量，但所述預(yù)備校正多 項(xiàng)式包括次數(shù)較低的變量。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，在這個(gè)階段所準(zhǔn)備好的 預(yù)備校正多項(xiàng)式包括具有至少一些較低次數(shù)變量的項(xiàng)。在所述優(yōu)選實(shí)施例 中，包括了一個(gè)或所有獨(dú)立變量，其次數(shù)為從所選最高次數(shù)到一次方的所
有次數(shù)。例如，如果為溫度選擇了四次方，那么，變量CT^的系數(shù)為C4， 所有低冪次溫度項(xiàng)(諸如T3、 T2、和T)的相應(yīng)系數(shù)就為C3、 C2、和d。
在校正多項(xiàng)式的這個(gè)形成階段，沒有一項(xiàng)包含了多個(gè)獨(dú)立變量。在下 文中，包含兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量之積的項(xiàng)被稱作交叉項(xiàng)。在本說明書中， 變量的次數(shù)是指變量的冪次，比如T"的次數(shù)為4。
在選擇了因變量、獨(dú)立變量及其次數(shù)之后，將一些交叉項(xiàng)添加到預(yù)備 校正多項(xiàng)式中，并用任何已知的方法，諸如眾所周知的最小二乘回歸方法， 來估計(jì)系數(shù)。使用從包含主副傳感器的測試配置中所獲得的數(shù)據(jù)來確定所 述系數(shù)。在此刻所添加的交叉項(xiàng)最好只包括較低次數(shù)的獨(dú)立變量?？梢赃x 擇任意數(shù)目的交叉項(xiàng)，包括零項(xiàng)，但此刻希望選擇不多于一半的可能交叉 項(xiàng)。在獲得了變量的一般形式(包括次數(shù)選定了的因變量、獨(dú)立變量和交 叉項(xiàng))之后，對系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
使用從測試配置所獲得的數(shù)據(jù)來估計(jì)系數(shù)。使用校正多項(xiàng)式來獲得校 準(zhǔn)了的信號的儀器可以用作所述測試配置，或者可以使用特殊的測試配置。 在任一情形中，因?yàn)橹髦狄钥蓽y量的方式變化從而允許確定校準(zhǔn)了的信號， 所以使用主換能器和至少一個(gè)副換能器來探測主值和與干擾相關(guān)的值。獲取包含主值、與干擾相關(guān)的值和校正值的每組數(shù)據(jù)，將這些組數(shù)據(jù)匯編在 數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫用于對預(yù)備校正多項(xiàng)式的各項(xiàng)進(jìn)行測試。例如，壓強(qiáng) 換能器可以是主換能器，熱敏電阻可以是副換能器，主換能器的深度為因 變量。通過將換能器置于水體中的已知深度處來收集數(shù)據(jù)，使用任何合適 的方法，諸如最小二乘回歸方法，來求出深度的校正多項(xiàng)式的系數(shù)。在本 說明書中，此刻的預(yù)備校正多項(xiàng)式被稱作第 一級預(yù)備校正多項(xiàng)式。
在形成第一級預(yù)備校正多項(xiàng)式之后，形成第二級和第三級預(yù)備校正多 項(xiàng)式，從而導(dǎo)致最終的步驟，即，形成用來計(jì)算校準(zhǔn)了的信號的校正多項(xiàng) 式。通過去掉那些對提高測量精度用處最小的項(xiàng)而獲得第二級預(yù)備校正多 項(xiàng)式，通過添加那些對測量精度的提高用處最大的交叉項(xiàng)而獲得第三級校 正多項(xiàng)式。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，交替地形成第二和第三級預(yù)備校正多項(xiàng)式，直 到第二級和第三級預(yù)備校正多項(xiàng)式實(shí)質(zhì)上相同為止。此時(shí)，從第二級預(yù)備 校正多項(xiàng)式中去掉的一項(xiàng)被添加上，從而形成第三級預(yù)備多項(xiàng)式，或者被 添加上以形成第三級預(yù)備校正多項(xiàng)式的一項(xiàng)被去掉，從而形成第二級校正 多項(xiàng)式。在形成校正多項(xiàng)式過程中的這個(gè)時(shí)刻，就認(rèn)為所述多項(xiàng)式是自洽 的。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)自洽的校正多項(xiàng)式被用于測量儀器中，以 便從該儀器所探測到的值來形成校準(zhǔn)了的信號。
為了形成第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式，使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，即多個(gè)數(shù)據(jù) 組對第一級預(yù)備多項(xiàng)式的每個(gè)項(xiàng)進(jìn)行測試，對提高測量精度貢獻(xiàn)最少的項(xiàng) 從第二級校正多項(xiàng)式中去掉。通過去掉對提高測量精度貢獻(xiàn)最少的項(xiàng)來形 成一系列第二級校正多項(xiàng)式。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，去掉這些項(xiàng)，直到所
選擇的標(biāo)準(zhǔn);陂滿足為止。例如，去掉這些項(xiàng)，直到多項(xiàng)式適用于為微控制 器所選擇的存儲器的大小，或者直到通過去掉那些對提高儀器精度貢獻(xiàn)最 少的項(xiàng)并加上那些對提高所述精度貢獻(xiàn)最大的項(xiàng)而形成的第三級預(yù)備校正 多項(xiàng)式變得自洽為止。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，所述第二級校正多項(xiàng)式系列 不是連續(xù)的，而是與第三級校正多項(xiàng)式的形成交替進(jìn)行的。
在形成第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式時(shí)為了判斷哪個(gè)項(xiàng)對提高測量精度貢獻(xiàn)最小，形成一系列試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。試驗(yàn)多項(xiàng)式這才羊來形成，即從第一級 校正多項(xiàng)式中去掉一項(xiàng)，確定去掉該項(xiàng)后的系數(shù)以獲得試驗(yàn)校正多項(xiàng)式， 并確定所述試驗(yàn)校正多項(xiàng)式比所考慮的其它試驗(yàn)校正多項(xiàng)式使測量精度的 提高更小。對這些試驗(yàn)多項(xiàng)式進(jìn)行比較以判斷哪個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式能夠最精確 地確定因變量。這樣的試驗(yàn)校正多項(xiàng)式就變成第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式，如 果滿足標(biāo)準(zhǔn)或者如果校正多項(xiàng)式變得自洽，那么該多項(xiàng)式可以產(chǎn)生最終的 第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式，除了通過添加項(xiàng)所形成的一個(gè)或多個(gè)可能的第三 級校正多項(xiàng)式之外。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)對從一個(gè)其它的第一級或第三級預(yù)備多項(xiàng) 式去掉每個(gè)交叉項(xiàng)而形成的每個(gè)試驗(yàn)第二級多項(xiàng)式的比較來選擇每個(gè)第二 級預(yù)備校正多項(xiàng)式。然而，可以通過除了交叉項(xiàng)之外還去掉只包含一個(gè)獨(dú) 立變量的項(xiàng)來獲得好的結(jié)果，可以形成和考慮從其它的第二級校正多項(xiàng)式 中去掉某項(xiàng)而形成的試驗(yàn)校正多項(xiàng)式，和/或可以形成很少幾個(gè)試驗(yàn)校正多 項(xiàng)式以進(jìn)行比較，其中不是通過去掉每個(gè)交叉項(xiàng)來形成試驗(yàn)多項(xiàng)式而是只 選擇一些要被去掉的交叉項(xiàng)來形成試驗(yàn)多項(xiàng)式。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，使用多個(gè)不同的數(shù)據(jù)組對于每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng) 式數(shù)次計(jì)算因變量，從而比較各第二級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。對于所述多個(gè)數(shù) 據(jù)組中的每個(gè)數(shù)據(jù)組，為每個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式確定計(jì)算值和實(shí)際值之間的偏差， 并用這些結(jié)果來進(jìn)行比較。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，在因變量的每個(gè)預(yù)設(shè)值 處進(jìn)行幾次測量。例如，在壓強(qiáng)和溫度為獨(dú)立變量而水下深度為因變量的 情形中，在產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫時(shí)，在已知的深度處用測試裝置來做幾次壓強(qiáng)和溫 度的測量。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的壓強(qiáng)和溫度值用每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式來計(jì)算深 度，并將所計(jì)算出的深度值與數(shù)據(jù)庫的多個(gè)數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)庫中的測量值 進(jìn)行比較。在本說明書中， 一個(gè)數(shù)據(jù)組就是在不同深度、溫度和壓強(qiáng)處的 一組測量結(jié)果。為每個(gè)校正多項(xiàng)式獲得幾個(gè)數(shù)據(jù)組，并用幾個(gè)數(shù)據(jù)組來測 試每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，對于每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式，從多個(gè)數(shù)據(jù)組中得 到的最大偏差^皮取為標(biāo)準(zhǔn)，用來判斷要去掉哪一項(xiàng)，盡管可以使用直接與不一致誤差相關(guān)并能反映該項(xiàng)對提高測量精度的影響的任何其它值，諸如 最大偏差的百分之十以內(nèi)的某個(gè)值。計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式的最大偏差 的平均值，并用其確定產(chǎn)生最低平均最大偏差的試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。產(chǎn)生最 低平均最大偏差的第二級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式被作為第二級校正多項(xiàng)式。盡管 在所述優(yōu)選實(shí)施例中使用平均最大偏差作為比較標(biāo)準(zhǔn)，但也可以選擇^f吏用 偏差的集中趨勢的任何其它表征量，諸如平均偏差，只要它能產(chǎn)生一個(gè)可 以提供更精確測量的校正多項(xiàng)式。
為了增加測量精度，將新的交叉項(xiàng)一次一個(gè)地添加到第二級預(yù)備校正 多項(xiàng)式中以形成試驗(yàn)第三級預(yù)備校正多項(xiàng)式。每個(gè)試驗(yàn)第三級預(yù)備校正多 項(xiàng)式包括第二級預(yù)備多項(xiàng)式的所有項(xiàng)，還有一個(gè)添加的交叉項(xiàng)。對每個(gè)試 驗(yàn)第三級校正多項(xiàng)式進(jìn)行評估，對提高測量精度貢獻(xiàn)最大的交叉項(xiàng)被留在 最終的第三級預(yù)備多項(xiàng)式中。每次添加一個(gè)交叉項(xiàng)時(shí)，對所有項(xiàng)的系數(shù)進(jìn)
行優(yōu)化，并求出不一致誤差(disagreement error)。當(dāng)求出了所有的不一 致誤差后，為這些不一致誤差確定集中趨勢值，諸如平均最大偏差。在試 驗(yàn)第三級校正多項(xiàng)式中提供最低平均偏差的交叉項(xiàng)將被永久地添加進(jìn)來。 利用上述過程所獲得的多項(xiàng)式可以用來校準(zhǔn)測量儀器。因此，可以很經(jīng)濟(jì) 地制造測量儀器，但精度卻很高。
從上述總結(jié)中可以明白，本發(fā)明所述的儀器以及使用該儀器的方法有 幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，諸如(1)能夠更容易地進(jìn)行校準(zhǔn)；(2)其某些方面能夠更 容易地自動(dòng)化；以及(3)能夠提供更精確的操作。


從下面結(jié)合附圖的具體描述中可以更好地理解本發(fā)明的上述以及其它 特點(diǎn)，在這些圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述的用來準(zhǔn)備校準(zhǔn)曲線的裝置的方 框圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化儀器的方框圖； 圖3是用來獲得標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式或曲線的過程的流程圖；圖4是用來形成圖3的過程中所使用的第一級多項(xiàng)式的子過程的流程
圖5是用來選擇圖3的過程中所使用的最佳試驗(yàn)第二級多項(xiàng)式的子過 程的流程圖6是在應(yīng)用到壓強(qiáng)傳感器以確定其所浸入的水的深度時(shí)用來執(zhí)^f亍圖 3的過程中的另一個(gè)步驟的過程的流程圖7是圖6的流程圖的一部分的更詳細(xì)的流程圖；以及
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所述的體積速度流量計(jì)的方框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了用來產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線或多項(xiàng)式的系統(tǒng)IO的方框圖，該系統(tǒng)包 括主換能器18、副換能器16、校準(zhǔn)微控制器14和輸入輸出裝置12。由系 統(tǒng)10所形成的校準(zhǔn)曲線是一個(gè)優(yōu)化的校正多項(xiàng)式，有時(shí)稱作優(yōu)化的校準(zhǔn)曲 線或多項(xiàng)式，由這里所描述的過程來形成。校準(zhǔn)微控制器14與主換能器 18、副換能器16和輸入輸出裝置12在電路中形成電連接。校準(zhǔn)微控制器 14從主換能器18和副換能器16中獲取讀數(shù)并在輸入輸出裝置12的控制 下產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線。然后，校準(zhǔn)曲線通過輸入輸出裝置12被傳送到其它裝置 中，或被用來以下面將要詳細(xì)描述的方式從主換能器l8獲得更精確的輸 出。
主換能器18用來在一些應(yīng)用中產(chǎn)生信號，該信號表示所感興趣的值。 副換能器16產(chǎn)生與干擾相關(guān)的值。它用來校正主換能器18的讀數(shù)，從而 校正與干擾相關(guān)的影響。由主換能器18所探測到的值為主值。由主換能器 18所產(chǎn)生的電信號^皮稱作主測量信號，在由校正多項(xiàng)式就非線性特性和干 擾對其進(jìn)行了校正之后，該信號被稱作校準(zhǔn)了的信號。因?yàn)榄h(huán)境的變化會 影響主測量信號，所以這些變化就是干擾值。主值和干擾值可以被認(rèn)為是 激勵(lì)點(diǎn)(points of stimulation )。來自副換能器16的與干擾相關(guān)的信號被 稱作是副的，是因?yàn)檫@些信號不是直接用來獲得測量信號，而只是用來從 主換能器18的讀數(shù)中去掉誤差，主換能器18的讀數(shù)才是用來獲得測量信號的。
例如，在所述優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)10為液體深度產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線，以用 于測量深度和流過已知流床的平均速度并確定體積流速(volumetric flow rate)的測量儀器中。在該儀器和在該系統(tǒng)10中，主換能器18為壓強(qiáng)傳 感器，在壓強(qiáng)作用下會產(chǎn)生電壓響應(yīng)。主換能器18被置于儀器中的流床的 底部，以及被置于系統(tǒng)10中的容器20內(nèi)的液體22的不同的已知深度處。 副換能器16是一個(gè)熱敏電阻，能根據(jù)液體22的溫度產(chǎn)生電壓響應(yīng)。溫度 是儀器中的干擾因素，因?yàn)樗鼤淖冎鲹Q能器18對壓強(qiáng)所產(chǎn)生的電壓響 應(yīng)。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)10產(chǎn)生與液體深度、溫度以及主換能器 18的電壓輸出相關(guān)的多組數(shù)據(jù)。深度測量為主值，產(chǎn)生主測量信號。每組 數(shù)據(jù)包括在主換能器18所處的不同深度處的從主換能器18輸出的多個(gè)電 壓讀數(shù)(這是主測量信號)和液體22的溫度(這是與干擾相關(guān)的值)。例 如，通過溫度控制設(shè)備36可以使液體22達(dá)到某個(gè)特定的溫度，通過從容 器20中去掉液體能夠使液體22中主換能器18所處的深度發(fā)生變化，或者， 通過改變主換能器18的深度來改變主換能器18之上的液體。在主換能器 18所處的每個(gè)深度處讀出主換能器18的電壓輸出并記錄在校準(zhǔn)微控制器 14中，然后使液體22達(dá)到不同的溫度并再次改變深度以記錄讀數(shù)，從而 在不同的溫度和深度下產(chǎn)生并記錄一組深度、溫度、電壓數(shù)據(jù)?？梢詫@ 個(gè)過程進(jìn)行重復(fù)以產(chǎn)生并記錄幾組數(shù)據(jù)。
在主換能器18和副換能器16中的一個(gè)換能器處于第一激勵(lì)點(diǎn)而所述 主換能器和副換能器中的另一個(gè)換能器處于所述一系列其它激勵(lì)點(diǎn)時(shí)，從 主換能器18和副換能器16中的所述一個(gè)換能器獲得一系列輸出值，從而 獲得各所述數(shù)據(jù)組。從所述主換能器和副換能器獲得一系列輸出值，每個(gè) 輸出值為一系列激勵(lì)值(stimuli value)中的一個(gè)不同的激勵(lì)值。從主換能 器18獲得主獨(dú)立變量。在本說明書中，術(shù)語"激勵(lì)點(diǎn)"是指獨(dú)立變量的一 個(gè)值。例如，在形成數(shù)據(jù)組時(shí)，水位為因變量，壓強(qiáng)傳感器18所處的不同 深度位置每個(gè)都是激勵(lì)點(diǎn)，測量時(shí)的不同溫度是激勵(lì)點(diǎn)。所述數(shù)據(jù)組用來通過一次消除預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的一項(xiàng)來消除所述預(yù) 備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中最不重要的項(xiàng)。確定剩余項(xiàng)的系數(shù)并確定最大偏差，直到 為幾個(gè)項(xiàng)確定了最大偏差為止。永久地消除使最大偏差增加最多的那些項(xiàng)。 在從校準(zhǔn)多項(xiàng)式中消除了最不重要的項(xiàng)之后， 一次一個(gè)地加入交叉項(xiàng)，確 定每次加入一個(gè)交叉項(xiàng)時(shí)多項(xiàng)式的系數(shù)，并確定最大偏差。對最大偏差有 最大影響的交叉項(xiàng)被永久地加入進(jìn)來。
主值是由主換能器18所探測的值。在本例中，主值為液體深度。主換
能器18所產(chǎn)生的電信號#:稱作主測量信號，在由校正多項(xiàng)式就非線性特性 和干擾對其進(jìn)行校正后，被稱作校準(zhǔn)了的信號。因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯绊憠?br> 強(qiáng)讀數(shù)，所以溫度變化為干擾值。副換能器16測量溫度，來自熱敏電阻 16的信號為與干擾相關(guān)的信號。來自副換能器16的信號被稱作是副的， 因?yàn)檫@些信號不是直接用來獲得水深或水流的平均速度的，而只是用來從 主換能器18的讀數(shù)中去掉誤差，主換能器18的讀數(shù)才是用于上述目的的。 校準(zhǔn)微控制器14在多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處從壓強(qiáng)傳感器18獲得輸出電壓讀數(shù)， 在本優(yōu)選實(shí)施例中，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)為7jc位或其它引起壓強(qiáng)的因素。校準(zhǔn)微控 制器14也獲得得到水位讀數(shù)時(shí)的溫度讀數(shù)。它也接收或產(chǎn)生用作模型框架 的一般形式的多項(xiàng)式。盡管在圖l及對圖1的描述中提到了校準(zhǔn)微控制器， 但這些功能也可以通過手動(dòng)或通過微控制器或微處理器來執(zhí)行，或者除了 進(jìn)行校準(zhǔn)外也可以用于其它目的。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，所述多項(xiàng)式由包括溫度作為獨(dú)立變量的項(xiàng)、包 括壓強(qiáng)作為獨(dú)立變量的項(xiàng)、以及溫度和壓強(qiáng)之積構(gòu)成的交叉項(xiàng)所組成。根 據(jù)所需要的精度和可用的微控制器存儲空間來選擇所述變量的次數(shù)(冪或 指數(shù))。使用任何合適的技術(shù)從所述數(shù)據(jù)組中確定起始多項(xiàng)式的系數(shù)。在 所述優(yōu)選實(shí)施例中，4吏用眾所周知的最小二乘回歸方法，如在MathWorld (http:〃mathworld.wolfram.com/Least SquaresFittingPolynomial.html)中 Eric W. Weisstein的 "Least Squares Fitting—Polynomial"(最小二乘扣乂 合多項(xiàng)式)中所描述的。在找到這些系數(shù)之后，按后面將描述的方式，去 除最不重要的交叉項(xiàng)，并添加屬于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的最重要的交叉項(xiàng)。這個(gè)多項(xiàng)式用來校準(zhǔn)測量儀器。
在圖2中，顯示了測量儀器30的方框圖，測量儀器30包括控制和計(jì) 算系統(tǒng)48、第一傳感器18、第二傳感器16、第三傳感器17以及信息輸入 輸出系統(tǒng)49。第一傳感器18是主換能器，它探測要測量的值，并在本優(yōu) 選實(shí)施例中，將電信號發(fā)送到控制和計(jì)算系統(tǒng)48中。這個(gè)信號或許會由于 環(huán)境的原因而失真?？梢杂袔追N不同的干擾源，諸如溫度變化、電磁場或 其它類型的射頻干擾、環(huán)境影響(諸如振動(dòng)或濕氣)。第二和第三傳感器 為干擾換能器，用來獨(dú)立地測量干擾源。來自第二傳感器16和第三傳感器 17的這些干擾信號也被傳送到控制和計(jì)算系統(tǒng)48中。在本優(yōu)選實(shí)施例中， 控制和計(jì)算系統(tǒng)48包括微處理器，該微處理器包含校準(zhǔn)曲線或多項(xiàng)式，該 多項(xiàng)式是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式(criteria-optimized polynomial)。
采用這種配置，對控制和計(jì)算系統(tǒng)48的輸入會產(chǎn)生更加精確的信號， 該信號可由信息輸入/輸出系統(tǒng)49讀出。在本優(yōu)選實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化儀 器(criteria-optimized instrument) 30是一個(gè)深度測量系統(tǒng)，其中第一傳 感器18為壓強(qiáng)傳感器。位于水流底部的該壓強(qiáng)傳感器受到由水流中液體落 差所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，并將該壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號傳送給控制和計(jì)算系統(tǒng)48。在 所述優(yōu)選實(shí)施例中，只使用了一個(gè)千擾傳感器。這個(gè)傳感器就是第二傳感 器16，該傳感器探測溫度。通過使用在控制和計(jì)算系統(tǒng)48內(nèi)的微處理器 中所記錄的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式，可以用所述溫度來校正變化和第一傳感器18 的信號輸出。
在圖3中，顯示了標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式的形成方法的流程圖24,該標(biāo)準(zhǔn)優(yōu) 化多項(xiàng)式用于對標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖4更完整地顯示的，該方法 的主要步驟有，形成第一級預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式(步驟26)，從第一或第三級 多項(xiàng)式中一次去掉一項(xiàng)以產(chǎn)生一組試驗(yàn)第二級多項(xiàng)式(步驟56),選擇最 佳第二級預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式(步驟60)，形成第三級預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式(步驟 66)，和選擇最佳試驗(yàn)第二級多項(xiàng)式(步驟67)。
只有在步驟118中判斷為以前所加上的一項(xiàng)沒有被去掉時(shí)，才執(zhí)行形 成第三級預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式的步驟66。如果之前所加上的一項(xiàng)被去掉了，那么，該多項(xiàng)式是自洽的，如在步驟78中所示，所述校準(zhǔn)多項(xiàng)式的形成就完 成了。類似地，只有在步驟120中判斷為以前所加上的一項(xiàng)沒有被去掉時(shí)， 程序24才返回步驟56，即從第一或第三級多項(xiàng)式中一次去掉一項(xiàng)以產(chǎn)生 一組試驗(yàn)第二級多項(xiàng)式。如果以前所加上的一項(xiàng)被去掉了，那么，該多項(xiàng) 式就是自洽的，如步驟78所示，那么該校準(zhǔn)曲線已經(jīng)被確定了。
由于在步驟26中所形成的第一級多項(xiàng)式會有許多項(xiàng)，所以在步驟56 中可以形成一組多個(gè)試驗(yàn)第二級預(yù)備多項(xiàng)式，每消除一項(xiàng)就形成一個(gè)試驗(yàn) 第二級預(yù)備多項(xiàng)式。例如，如果第一級多項(xiàng)式包括三項(xiàng)，那么所述一組試 驗(yàn)第二級預(yù)備多項(xiàng)式就包括三個(gè)多項(xiàng)式。進(jìn)一步說，如果第一級多項(xiàng)式為 y二QX+C2XVC3XT，那么，完整的一組試驗(yàn)第二級預(yù)備多項(xiàng)式就是y= C2X2+C3XT、 y《!X +C3XT和y=dX+C2X2。
為了選擇要添加到預(yù)備第二級多項(xiàng)式中的最重要的交叉項(xiàng)，所述過程 包括步驟66，即從步驟84 (圖4)中所產(chǎn)生的列表中將一個(gè)新的交叉項(xiàng)添 加到第二級多項(xiàng)式中以形成第三級試驗(yàn)多項(xiàng)式，還包括步驟67，即選擇最 佳試驗(yàn)多項(xiàng)式。從步驟84 (圖4)所產(chǎn)生的列表中將一個(gè)交叉項(xiàng)添加到所 述第二級多項(xiàng)式中，就形成所述一組第三級試驗(yàn)多項(xiàng)式。例如，如果步驟 84 (圖4)所產(chǎn)生的列表包含三個(gè)交叉項(xiàng)，那么所述一組第三級試驗(yàn)多項(xiàng) 式就包括三個(gè)多項(xiàng)式。進(jìn)一步講，如果所述交叉項(xiàng)列表包括的交叉項(xiàng)有 X2T、 X2T2、和X葉，并且如果第二級多項(xiàng)式為y-dX+QtX2,那么，完整 的一組第三級試驗(yàn)多項(xiàng)式將包含尸dX+C2XVC3X21 、 y-dX+C^XVQjX2!^和y-dX+C2X2+C3X3T。圖3所示的步驟66中的 過程(即選擇最佳第三級試驗(yàn)多項(xiàng)式)在過程60中被擴(kuò)充了 ，如后面圖5 中將更詳細(xì)地說明的那樣。圖5中的過程60既可以被用于第二級試驗(yàn)多項(xiàng) 式的選擇也可以被用于第三級試驗(yàn)多項(xiàng)式的選擇。
更具體地說，通過添加新的交叉項(xiàng)以形成第三級預(yù)備校正多項(xiàng)式，能 夠在所選標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，使測量儀器的測量精度增加。所添加的交叉項(xiàng)是從 一組全部可能的交叉項(xiàng)中選出來的，這些交叉項(xiàng)可以由第 一級預(yù)備校正多 項(xiàng)式中的獨(dú)立變量形成，除了被初始選擇為第 一級預(yù)備校正多項(xiàng)式的一部分的那些交叉項(xiàng)之外。被選為原始的第一級預(yù)備校正多項(xiàng)式的一部分的那 些項(xiàng)保留在第二和第三級預(yù)備校正多項(xiàng)式中，除非這些項(xiàng)在如上所述的形 成第二級預(yù)備多項(xiàng)式的過程中被去掉了。
被考慮要添加到第 一級預(yù)備多項(xiàng)式中的每個(gè)交叉項(xiàng)都被添加到第二級
預(yù)備校正多項(xiàng)式中，如圖3中的步驟66所示，該步驟是一個(gè)產(chǎn)生第三級試 驗(yàn)校正多項(xiàng)式的步驟。在優(yōu)選實(shí)施例中，將交叉項(xiàng)一個(gè)接一個(gè)地添加，并 且在對多項(xiàng)式的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以形成第三級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式之后，在一個(gè) 與上述從第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式中去除一些項(xiàng)的過程類似的過程中，對這 些交叉項(xiàng)進(jìn)行評估以選擇那些能提高測量精度的交叉項(xiàng)。
在本優(yōu)選實(shí)施例中，被添加來形成試驗(yàn)校正多項(xiàng)式的交叉項(xiàng)為(1) 不在第一級預(yù)備校正多項(xiàng)式中的交叉項(xiàng)；以及(2 )含有一個(gè)獨(dú)立變量的交 叉項(xiàng)，該獨(dú)立變量的次數(shù)小于等于第一級預(yù)備校正多項(xiàng)式中的該獨(dú)立變量 的最高次數(shù)。例如，如果一個(gè)獨(dú)立變量的最高次數(shù)為T4,那么，交叉項(xiàng)添 加到一定程度時(shí)需要提供的交叉項(xiàng)包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量T4、 T3、 T2 和T，但在本優(yōu)選實(shí)施例中不包括T5，盡管在某些情形下也可以包括次數(shù) 更高的獨(dú)立變量。在本優(yōu)選實(shí)施例中，對每個(gè)獨(dú)立變量選擇該獨(dú)立變量的 較低次數(shù)以構(gòu)成交叉項(xiàng)。在本優(yōu)選實(shí)施例中，在試驗(yàn)多項(xiàng)式中只包括一個(gè) 新的交叉項(xiàng)，盡管可以包括多個(gè)。
每次添加一個(gè)交叉項(xiàng)時(shí)，對所有項(xiàng)的系數(shù)進(jìn)行評估，并找出不一致誤 差(disagreement error)，如結(jié)合第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式的形成所描述的 那樣。當(dāng)所有的不一致誤差都被找到后，可以為這些不一致誤差確定集中 趨勢值(central tendency value)，例如平均最大偏差。在試驗(yàn)第三級校 正多項(xiàng)式中能產(chǎn)生最小平均偏差的交叉項(xiàng)被永久地添加進(jìn)來。因此，所含 獨(dú)立變量比只含一個(gè)獨(dú)立變量的項(xiàng)中的最高階獨(dú)立變量的次數(shù)低、并且可 以提高測量精度的交叉項(xiàng)被永久地添加到預(yù)備校正多項(xiàng)式中。不斷地添加 交叉項(xiàng)，直到所述預(yù)備校正多項(xiàng)式自洽為止，或者直到考慮了所有的如下 的交叉項(xiàng)為止，這些交叉項(xiàng)所含獨(dú)立變量的次數(shù)等于或小于第一級預(yù)備校 正多項(xiàng)式中的獨(dú)立變量的最高次數(shù)。盡管所述優(yōu)選實(shí)施例只包含這樣的交叉項(xiàng)，其所含獨(dú)立變量的次數(shù)比 第一級預(yù)備校正多項(xiàng)式中的獨(dú)立變量的次數(shù)低，但這不是絕對必須的。如 果通過添加具有更高次數(shù)變量的交叉項(xiàng)或者只有一個(gè)獨(dú)立變量的項(xiàng)可以更 好地滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，那么，可以使用這里的處理過程來評估這些項(xiàng)，如果 它們滿足所選擇的標(biāo)準(zhǔn)，那么在評估之后選擇并添加這些項(xiàng)。因此，如果 所述標(biāo)準(zhǔn)限制了校正多項(xiàng)式所要求的存儲量，并提供了更大容量的存儲器， 那么可以通過這個(gè)處理過程來評估要添加到校正多項(xiàng)式中的新項(xiàng)。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，過程24繼續(xù)執(zhí)行步驟56、 60、 118或66、 67 和120，直到以前所加上的一個(gè)項(xiàng)被去掉為止，這表明所述多項(xiàng)式是自洽 的。盡管在本說明書中使用語言優(yōu)化校準(zhǔn)曲線，但不需要使校準(zhǔn)曲線完全 變成最有效的形式，從而使之成為本發(fā)明范圍內(nèi)的優(yōu)化校準(zhǔn)多項(xiàng)式。不需 要執(zhí)行步驟60和66到某個(gè)固定點(diǎn)上，因?yàn)樗鼈冊诿恳徊缴隙籍a(chǎn)生逐步的 提高。此外，去除最不重要的項(xiàng)也不必與添加重要項(xiàng)的步驟交替進(jìn)行，也 不需要使被去掉項(xiàng)的數(shù)目等于添加項(xiàng)的數(shù)目，并且可以只采用去掉不太重 要的項(xiàng)和添加比較重要的項(xiàng)這兩個(gè)過程中的一個(gè)過程。然而，在本優(yōu)選實(shí) 施例中，去除不太重要的項(xiàng)的步驟和添加比較重要的項(xiàng)的步驟交替進(jìn)行， 并且所述重復(fù)的過程一直持續(xù)到在添加項(xiàng)的步驟期間所添加的項(xiàng)被去掉或 者早先所刪除了的項(xiàng)被添加上為止。此時(shí)，校準(zhǔn)曲線被認(rèn)為是自洽的。
圖4顯示了形成預(yù)備多項(xiàng)式的過程的流程圖26，該過程包括，選擇適 合標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立變量的最大次數(shù)并根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)選擇多項(xiàng)式中項(xiàng)的數(shù)目(步 驟38)、產(chǎn)生所有可能的交叉項(xiàng)的列表(步驟84)、獲得數(shù)據(jù)庫(參見圖 6)(步驟28)、以及將所有冪次的主獨(dú)立變量(冪次可以所述高達(dá)多項(xiàng) 式的次數(shù))和幾個(gè)較低冪次交叉項(xiàng)結(jié)合到第一級預(yù)備多項(xiàng)式中(步驟27 )。 所述第一級預(yù)備多項(xiàng)式也可以不含交叉項(xiàng)，特別是如果用戶不確定其重要 性的順序的話，因?yàn)檫@個(gè)過程會根據(jù)其重要性自動(dòng)包含這些項(xiàng)。
選擇多項(xiàng)式中獨(dú)立變量的最高次數(shù)和項(xiàng)數(shù)牽涉到在設(shè)備復(fù)雜度、要使 用的存儲器的大小和要達(dá)到的測量精確度之間進(jìn)行平衡。測量精度隨著項(xiàng) 數(shù)、變量的次數(shù)和交叉項(xiàng)的數(shù)目的增加而增加。另一方面，在由微控制器來實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例中，項(xiàng)數(shù)、變量的次數(shù)和交叉項(xiàng)數(shù)目的增加要求復(fù)雜性和 存儲器大小也增加。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，使用微控制器，盡管本說明書 中所描述的過程可以通過手工來完成而不需要使用微控制器。
一旦選擇出了獨(dú)立變量的最高次數(shù)，那么就可以產(chǎn)生包含多個(gè)項(xiàng)的第 一級預(yù)備或工作多項(xiàng)式。這些項(xiàng)中的一些項(xiàng)為獨(dú)立變量的冪，而另一些項(xiàng)
則為包含兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量之積的交叉項(xiàng)，如步驟84所示。包含兩個(gè)或 多個(gè)獨(dú)立變量之積的項(xiàng)在這里被稱作交叉項(xiàng)。使用任何已知的曲線擬合方 法(諸如眾所周知的最小二乘回歸方法)來選擇這些項(xiàng)的系數(shù)。在本優(yōu)選 實(shí)施例中，包括了具有所有次數(shù)(從所選最高次數(shù)到一次方)的一個(gè)或所 有獨(dú)立變量。例如，如果對溫度選擇了四次方，那么，變量CV^的系數(shù)為 C4，所有低冪次溫度項(xiàng)(諸如T3、 T2、和T1)的相應(yīng)系數(shù)就為C3、 C2、 和Q。
圖5顯示了選擇最佳試驗(yàn)多項(xiàng)式的過程60的流程圖，該過程包括，通 過將所述試驗(yàn)多項(xiàng)式與數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)數(shù)據(jù)組進(jìn)行擬合來確定該試驗(yàn)多項(xiàng) 式中的各項(xiàng)的最佳系數(shù)(步驟58)、確定步驟58中所獲得的多項(xiàng)式的因 變值與所述數(shù)據(jù)組中每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的相應(yīng)因變數(shù)據(jù)值之間的偏差或不一致誤 差(步驟61 )、以及對具體數(shù)據(jù)組找出具有最大絕對值的偏差(步驟62 )。 對于所述數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)數(shù)據(jù)組，重復(fù)步驟58、 61和62，如步驟63所示。
在完成了對數(shù)據(jù)庫的分析之后，在步驟64中確定數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù) 組的所有最大偏差的平均值。對于該具體試驗(yàn)多項(xiàng)式來說，最大偏差的平 均值涉及到重要性的排序。如步驟63所示，對下一個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式重復(fù)步驟 58、 61、 62和64，以確定其重要性的排序。這個(gè)過程一直持續(xù)到所有的試 驗(yàn)多項(xiàng)式的重要性的排序完成為止。在所有的試驗(yàn)多項(xiàng)式都被排序之后， 平均最大偏差的值最小的試驗(yàn)多項(xiàng)式就被選為最佳多項(xiàng)式，如步驟65所 示。這個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式與所述數(shù)據(jù)庫具有最小的偏差或不一致誤差。所述過 程60可以同樣地應(yīng)用到第二級和第三級試驗(yàn)預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式。
在形成第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式時(shí)，為了確定哪一項(xiàng)所提高的測量精度 最小，形成一系列試驗(yàn)^^正多項(xiàng)式。通過從第一級校正多項(xiàng)式中去掉一項(xiàng)、確定去掉所述項(xiàng)后的最優(yōu)系數(shù)來獲得第二級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式、并去掉比其 它所考慮的第二級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式更少地提高測量精確度的第二級試驗(yàn)校 正多項(xiàng)式，從而形成一個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式。對這些試驗(yàn)多項(xiàng)式進(jìn)行比較，以判 斷哪個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式能最精確地確定因變量。能提供最精確測量的第二級試 驗(yàn)校正多項(xiàng)式就成為第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式，如果滿足標(biāo)準(zhǔn)或者校正多項(xiàng) 式變得自洽，那么該第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式會產(chǎn)生最終的第二級預(yù)備校正 多項(xiàng)式，除了通過添加項(xiàng)所形成的一個(gè)或多個(gè)可能的第三級校正多項(xiàng)式之 外。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)對每個(gè)試驗(yàn)第二級多項(xiàng)式(該每個(gè)試驗(yàn)第 二級多項(xiàng)式是從一個(gè)其它的第 一級或第三級預(yù)備多項(xiàng)式去掉每個(gè)交叉項(xiàng)而 形成的)的比較來選擇每個(gè)第二級預(yù)備校正多項(xiàng)式。然而，可以通過除了 交叉項(xiàng)之外還去掉只包含一個(gè)獨(dú)立變量的項(xiàng)來獲得好的結(jié)果，可以形成和
考慮從其它的第二級校正多項(xiàng)式中去掉若干項(xiàng)而形成的試驗(yàn)校正多項(xiàng)式， 和/或可以形成很少幾個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式以進(jìn)行比較，其中不是通過去掉每 個(gè)交叉項(xiàng)來形成試驗(yàn)多項(xiàng)式而是只選擇一些要去掉的交叉項(xiàng)來形成試驗(yàn)多 項(xiàng)式。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，使用多個(gè)不同的數(shù)據(jù)組對于每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng) 式計(jì)算因變量(該計(jì)算進(jìn)行幾次)，從而來比較各第二級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。 對于所述多個(gè)數(shù)據(jù)組中的每個(gè)數(shù)據(jù)組，為每個(gè)試驗(yàn)多項(xiàng)式確定計(jì)算值和實(shí) 際值之間的偏差，并用這些結(jié)果來進(jìn)行比較。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，在因 變量的每個(gè)預(yù)設(shè)值處進(jìn)行幾次測量。例如，在壓強(qiáng)和溫度為獨(dú)立變量而水 下深度為因變量的情形中，在產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫時(shí)，在已知的深度處用測試裝置 來做幾次壓強(qiáng)和溫度的測量。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的壓強(qiáng)和溫度值用每個(gè)試驗(yàn)校 正多項(xiàng)式來計(jì)算深度，并在數(shù)據(jù)庫的多個(gè)數(shù)據(jù)組中將所計(jì)算出的深度值與 數(shù)據(jù)庫中的測量值進(jìn)行比較。在本說明書中， 一個(gè)數(shù)據(jù)組就是在不同深度、 溫度和壓強(qiáng)處的一組測量結(jié)果。為每個(gè)校正多項(xiàng)式獲得幾個(gè)數(shù)據(jù)組，并用 幾個(gè)數(shù)據(jù)組來測試每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。
在所述優(yōu)選實(shí)施例中，對于每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式，從多個(gè)數(shù)據(jù)組中得
21到的最大偏差被取為標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)用來判斷要去掉哪一項(xiàng)，盡管可以使用 直接與不一致誤差相關(guān)并能反映該項(xiàng)對提高測量精度的影響的任何其它
值，諸如最大偏差的百分之十以內(nèi)的某個(gè)值。計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)校正多項(xiàng)式的 最大偏差的平均值，并用其確定產(chǎn)生最低平均最大偏差的試驗(yàn)校正多項(xiàng)式。 產(chǎn)生最低平均最大偏差的第二級試驗(yàn)校正多項(xiàng)式被作為第二級校正多項(xiàng) 式。盡管在所述優(yōu)選實(shí)施例中使用平均最大偏差作為比較標(biāo)準(zhǔn)，但也可以
選擇使用偏差的集中趨勢的任何其它表征量，諸如平均偏差，假^:它能產(chǎn) 生一個(gè)可以提供更精確測量的校正多項(xiàng)式。
圖6顯示了用來獲得多個(gè)數(shù)據(jù)組的過程28的流程圖，其中包括，在溫 度和水平面可以控制的水池中放置壓強(qiáng)換能器或者說傳感器和熱敏電阻 (步驟88 )，將水池的溫度和水平面設(shè)置為某個(gè)選定的初始條件(步驟90 )、 在多個(gè)水平面和溫度處記錄水平面、溫度和電壓以形成數(shù)據(jù)組(步驟122 )、 以及在所述數(shù)據(jù)組完成之后，在不同的日子或者用不同的傳感器進(jìn)行重復(fù)， 以繼續(xù)獲得其它數(shù)據(jù)組(步驟128)。在每個(gè)數(shù)據(jù)組都完成了之后，除非 所有的數(shù)據(jù)組都已經(jīng)收集完畢，判決步驟126返回步驟88。如果所有的數(shù) 據(jù)組都已經(jīng)收集完畢，那么數(shù)據(jù)庫就完成了，如步驟124所示。
圖7顯示了在多個(gè)水平面和溫度處記錄水平面、溫度和電壓以形成數(shù) 據(jù)組的步驟122(圖6)的流程圖，其中包括，等待水平面和溫度的穩(wěn)定(子 步驟92)、根據(jù)所有的換能器來記錄水平面或換能器的深度、溫度和電壓 信號輸出(子步驟94)、以及將水平面或溫度或兩者調(diào)節(jié)到新的狀態(tài)(子 步驟96)，并如步驟126所示，如果所有的水平面和溫度已凈皮檢驗(yàn)的話， 重復(fù)前述步驟92、 94和96。 一直重復(fù)這些步驟，直到在多個(gè)深度和溫度 處獲得了將溫度與壓強(qiáng)信號關(guān)^來的數(shù)據(jù)為止。結(jié)合上述圖1的描述可 以更加完整地描述這些步驟。當(dāng)然，可以首先將換能器置于水池中的單個(gè) 位置上，然后改變溫度來獲得在水池中該位置處多個(gè)溫度下的數(shù)據(jù)，然后 將換能器移動(dòng)到不同的深度處并再次改變溫度，重復(fù)這些步驟，直到獲得 了足夠的數(shù)據(jù)，但這是一個(gè)更花費(fèi)時(shí)間的過程。
重復(fù)步驟92、 94和96只能產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)組。數(shù)據(jù)庫是多個(gè)數(shù)據(jù)組的集合。換言之，數(shù)據(jù)組是數(shù)據(jù)庫的子集。數(shù)據(jù)組只包含具體換能器和具體
日子的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫包括所有換能器和所有日子的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。第一天 在某個(gè)具體換能器上所收集的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)組。另一天
在同 一換能器上所收集的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立而完整的數(shù)據(jù)組。在另一 個(gè)換能器上所收集到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)也構(gòu)成另一個(gè)獨(dú)立而完整的數(shù)據(jù)組。所有 這些數(shù)據(jù)組都包含在數(shù)據(jù)庫中。在其它地方，數(shù)據(jù)庫也4皮稱作多個(gè)數(shù)據(jù)組。
采用上述過程，通過形成校準(zhǔn)多項(xiàng)式來提供校準(zhǔn)了的信號可以對4義器 進(jìn)行校準(zhǔn)，其中所述校準(zhǔn)了的信號表示校正了干擾和非線性特性后的測量 值。為了準(zhǔn)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式，首先準(zhǔn)備一個(gè)第一級預(yù)備校正多項(xiàng)式，其中包 括主獨(dú)立變量、至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量、以及一些交叉項(xiàng)或沒有 交叉項(xiàng)。獲得因變量、主獨(dú)立變量以及所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變 量的多個(gè)數(shù)據(jù)組，即數(shù)據(jù)庫。如上所述，使用所述數(shù)據(jù)組來去掉第一級預(yù) 備校正多項(xiàng)式中的最不重要的項(xiàng)并添加最重要的交叉項(xiàng)。
在制造儀器時(shí)，選擇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，諸如所需要的精度或用于校準(zhǔn)所述儀 器所使用的存儲器的大小，并準(zhǔn)備能滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校準(zhǔn)曲線。
選擇主換能器18和至少一個(gè)副換能器16來探測要測量的值和與干擾相關(guān) 的信號或能降低測量儀器精度的因素。對微控制器14進(jìn)行編程來校正由主 換能器18所測量的值。所述儀器可以使用這個(gè)校正了的值來進(jìn)行進(jìn)一步計(jì) 算，和/或顯示這個(gè)校正了的值。
圖8顯示了體積流量計(jì)(volumetric flow meter ) 30A的方框圖，其中 該體積流量計(jì)具有平均速度探測系統(tǒng)114、深度探測系統(tǒng)116、控制和計(jì)算 系統(tǒng)48A以及信息輸入輸出系統(tǒng)49A?？刂坪陀?jì)算系統(tǒng)48A與平均速度探 測系統(tǒng)114 、深度探測系統(tǒng)116以及信息輸入輸出系統(tǒng)49A進(jìn)行通信?？?制和計(jì)算系統(tǒng)48A: (1)從輸入輸出系統(tǒng)49A接收輸入信息，諸如數(shù)據(jù) 和命令；(2 )為信息輸入輸出系統(tǒng)49A提##息；(3 )從深度探測系統(tǒng) 116接收數(shù)據(jù)和信息；以及(4 )從平均速度探測系統(tǒng)114接收發(fā)送信息的 平均時(shí)間。它可以由從深度探測系統(tǒng)116接收到的數(shù)據(jù)來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多 項(xiàng)式，或者通過信息輸入輸出系統(tǒng)49A來接收這個(gè)信息，并可以根據(jù)深度
23信息和平均速度來計(jì)算體積流速。
平均速度探測系統(tǒng)114包括在自動(dòng)范圍和閾值設(shè)置系統(tǒng)控制下的超聲 波多普勒發(fā)射器和接收器。速度計(jì)發(fā)射聲波，該聲波穿過流束的有代表性 部分或者穿過流束的整個(gè)截面，并且速度計(jì)接收復(fù)雜的返回信號，并用快 速傅立葉變換分析器對其進(jìn)行數(shù)字化和分析。采用這種配置，接收和發(fā)射 換能器34和32的放置位置與水平方向成一個(gè)角度，從而使聲束照射到所 述流束的有代表性部分上并從那里接收反射。
測量的分辨率依賴于在由流束中的可能速度的范圍所導(dǎo)致的頻率移動(dòng) 的整個(gè)范圍上為傅立葉變換分析器的每項(xiàng)所選擇的頻率范圍的數(shù)目。在所 述優(yōu)選實(shí)施例中確定了預(yù)期的速度范圍，并為傅立葉變換分析器的正項(xiàng)和 負(fù)項(xiàng)選擇了 256個(gè)頻帶。
在本說明書中，術(shù)語"有代表性部分"是指總流束的一部分，該部分 的體積中包含多個(gè)更小的液體流束部分，在總流束中各所述更小的液體流 束部分以各自的速度流動(dòng)，其中，各所述更小液體流束部分的每個(gè)速度的
液體流束具有一個(gè)反射部分，該反射部分的大小相對于具有同樣速度的總 液體流束的反射部分的大小的比例，和所述有代表性部分中具有不同速度 的任何其它更小的反射部分相同。這個(gè)比例可以部分地由來自流體體積而 不是來自橫截該液體流束的虛平面的反射信號來獲得。
在有代表性部分的這個(gè)定義中，在所述有代表性部分中以某個(gè)具體速 度流動(dòng)的每個(gè)單位面積，和以該速度流動(dòng)的每個(gè)其它橫截面一樣，與以該 速度流動(dòng)的總流束的流體面積成相同的比例。因此，這個(gè)有4戈表性的部分 真實(shí)地反映了整個(gè)流束的平均流動(dòng)速率。
實(shí)踐中，由于不能恰當(dāng)?shù)貙α魇恼麄€(gè)橫截面或者對有代表性部分進(jìn) 行采樣，所以總會出現(xiàn)一些不精確性。由于使用有代表性部分比使用整個(gè) 橫截面更容易，所以，所述優(yōu)選實(shí)施例使用有代表性部分，并優(yōu)選通過選
動(dòng)的成比例的量的流體能夠?qū)⑿盘柗瓷涞浇邮論Q能器即換能器34中，從而 使用這個(gè)有代表性部分。當(dāng)假設(shè)反射信號為圓錐形時(shí)，由于反射信號相對于垂直于換能器的軸缺乏對稱性，從而會導(dǎo)致誤差。然而，很容易對其進(jìn) 行校正。通過使用一個(gè)固定因子(比如百分之二或其它值)來計(jì)入偏差， 可以對對稱性的缺乏進(jìn)行校正。
平均速度探測系統(tǒng)114還包括輸入電路40、反射處理電路42、時(shí)間控 制及計(jì)算系統(tǒng)48A、信息輸入輸出系統(tǒng)49A、定時(shí)電路44以M射信號發(fā) 生器46。輸入電路40通過導(dǎo)體65與接收換能器或換能器陣列34進(jìn)行電 連接，以從中接收信號、采用自動(dòng)增益控制對信號進(jìn)4亍放大、并通過導(dǎo)體 74將所述信號傳送到反射處理電路42。
反射處理電路42， (1)通過導(dǎo)體50、 52、 54和58與定時(shí)電路44進(jìn) 行電連接，定時(shí)電路控制幅度的掃描和閾值的設(shè)置；(2)通過導(dǎo)體70和 72以及通過導(dǎo)體68與時(shí)間控制及計(jì)算系統(tǒng)48A進(jìn)行電連接，通過導(dǎo)體70 和72，反射處理電路42可以發(fā)送時(shí)間控制及計(jì)算系統(tǒng)48A所使用的數(shù)據(jù)， 通過導(dǎo)體68，可以從時(shí)間控制及計(jì)算系統(tǒng)48A接收信號，這些信號用來控 制發(fā)射數(shù)據(jù)到時(shí)間控制及計(jì)算系統(tǒng)48A的時(shí)間。
時(shí)間控制及計(jì)算系統(tǒng)48A通過導(dǎo)體63和76與定時(shí)電路44電連接， 以控制整個(gè)流量計(jì)30A的同步，并確立采樣率和截止頻率點(diǎn)給輸入電路40 以調(diào)節(jié)自動(dòng)增益控制電路的幅值從而獲得足夠的信號。定時(shí)電路"通過導(dǎo) 體61與發(fā)射信號發(fā)生器46電連接，通過導(dǎo)體61定時(shí)電路44發(fā)射信號來 控制發(fā)射信號發(fā)生器46通過導(dǎo)體67發(fā)送信號給發(fā)射換能器或換能器陣列 32的時(shí)間。這些信號對所發(fā)射的超聲波信號的采樣時(shí)間和重復(fù)頻率進(jìn)行控 制，以便在采樣時(shí)間和頻率范圍上進(jìn)行掃描以提高精度。
壓強(qiáng)傳感器18A與時(shí)間控制及計(jì)算系統(tǒng)48A電連接以向其發(fā)送深度信 息，信息輸入輸出系統(tǒng)49A包括計(jì)算機(jī)鍵盤和其它輸入設(shè)備，它為時(shí)間控 制及計(jì)算系統(tǒng)48A提供諸如流束橫截面積等信息。利用這些值，時(shí)間控制 及計(jì)算系統(tǒng)48A能夠計(jì)算流束中液體流束的面積和平均速度，由此利用本 領(lǐng)域中已知的方法來計(jì)算所述流束中液體流束的流速。
一般地，從液束的整個(gè)截面上來接收多普勒移動(dòng)信息。預(yù)期這些信號 表示所有的實(shí)際速度和每個(gè)速度的橫截面積。這些速度和橫截面積可以用
25曲線來表示，在圖中，速度作為橫坐標(biāo)，具有各個(gè)速度或小變動(dòng)范圍的速 度的橫截面積的大小作為縱坐標(biāo)。這些值利用多普勒頻移來測量，多普勒 頻移將所接收到的超聲波信號的速度和幅度表示為具有該速度的面積。在
前述美國專利5,777,892中更詳細(xì)地描述了這種平均速度系統(tǒng)，通過引述將 該美國專利的內(nèi)容納入這里。
盡管已經(jīng)給出了標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式的稍詳細(xì)的說明，但并不打算將術(shù)語 "標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式"限于這個(gè)說明的全部特點(diǎn)上。術(shù)語"標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多項(xiàng)式" 可以指任何一個(gè)包含下述步驟的過程，這些步驟有，形成預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式， 該多項(xiàng)式包括主獨(dú)立變量和至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量；獲得因變量、 主獨(dú)立變量和至少一個(gè)與千擾相關(guān)的獨(dú)立變量的多個(gè)數(shù)據(jù)組；使用所述數(shù) 據(jù)組來去掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的最不重要的項(xiàng)或者將最重要的交叉項(xiàng) 添加到所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中，直到為了一般目的而任意選擇的標(biāo)準(zhǔn)被滿 足，或者添加能夠使校正多項(xiàng)式提高測量精度的項(xiàng)。
在本說明書中，在用于儀器時(shí)術(shù)語"標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化"是指使用標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化多 項(xiàng)式來提高其精度的儀器，在用于校準(zhǔn)曲線或校準(zhǔn)多項(xiàng)式時(shí)是指通過下列 步驟形成該校準(zhǔn)曲線或校準(zhǔn)多項(xiàng)式，即，首先形成預(yù)備或預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式， 該多項(xiàng)式包括主獨(dú)立變量和至少一個(gè)與干似目關(guān)的獨(dú)立變量；在形成所述 多項(xiàng)式之前或之后獲得因變量、主獨(dú)立變量和至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立 變量的多個(gè)數(shù)據(jù)組；使用所述數(shù)據(jù)組來去掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的最不 重要的項(xiàng)或者添加更重要的項(xiàng)。
從上面的描述中可以明白，本發(fā)明所述的儀器以及使用該儀器的方法 有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，諸如(1)可以更容易地進(jìn)行校準(zhǔn)；(2)在某些方面可以更 容易地自動(dòng)化；以及(3)可以提供更精確的操作。
盡管結(jié)合一些細(xì)節(jié)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但也可以對系統(tǒng)進(jìn)行 許多修正和改變而不偏離本發(fā)明。所以，應(yīng)該明白，在附屬^5L利要求的范 圍內(nèi)可以對本發(fā)明進(jìn)4亍實(shí)踐，而不限于所述具體描述。
權(quán)利要求
1. 一種用于值的測量并提供校準(zhǔn)了的信號的測量儀器(30)，包括用來探測所述值的至少一個(gè)主傳感器(18)，其中所述至少一個(gè)主傳感器(18)產(chǎn)生主測量信號；以及微控制器(14)，其特征在于通過至少一個(gè)副傳感器(16)來產(chǎn)生至少一個(gè)與干擾相關(guān)的信號，所述副傳感器用來探測至少一個(gè)與干擾相關(guān)的值，該與干擾相關(guān)的值降低了由所述至少一個(gè)主傳感器(18)所產(chǎn)生的主測量信號的精度；所述微控制器(14)包含標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正多項(xiàng)式，該多項(xiàng)式用所述至少一個(gè)主測量信號和所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的信號作為獨(dú)立變量，用所述校準(zhǔn)了的信號作為因變量；所述微控制器(14)被連接用來接收所述至少一個(gè)主測量信號和所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的信號，由此，所述微控制器(14)就所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的信號來校正所述至少一個(gè)主測量信號，以提供所述校準(zhǔn)了的信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的測量儀器(30)，其特征在于，所述測量儀 器(30)是一種用來確定流床內(nèi)流體流的體積流速的裝置，包括用來測 量所述流床內(nèi)流體流的平均流速的測量裝置；所述至少一個(gè)主傳感器(18) 為壓強(qiáng)傳感器，其中，所述至少一個(gè)主傳感器可以被置于所述流體的流徑 的底部，由此，所述至少一個(gè)主測量信號與所述流體的深度相關(guān)；所述至 少一個(gè)副傳感器(16)為溫度測量傳感器；所述標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校正多項(xiàng)式中， 深度和溫度為獨(dú)立變量；所述微控制器(14)還包括將所測量的值乘以平 均速度以提供體積速度的設(shè)備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量儀器(30)，其特征在于，所述測量裝 置由下列設(shè)施來表征將超聲波信號發(fā)射到所述流床(20 )內(nèi)的流體(22 ) 中的設(shè)備；接收反射的超聲波信號的設(shè)備；利用數(shù)字化信號通過對所述數(shù) 字化信號進(jìn)行傅立葉變換并對所述傅立葉變換的某些系數(shù)進(jìn)行平均來計(jì)算 近似平均速度的設(shè)備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量儀器(30)，其特征在于，所迷測量裝 置(20)包括將超聲波信號以一個(gè)角度發(fā)射到流體流使其穿過所述流體流的橫截面的至少一個(gè)有代表性部分的設(shè)備；接收從所述流體流的橫截面 的所述至少一個(gè)有代表性部分反射的超聲波信號的i殳備；將所接收的反射 超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號的設(shè)備，其中該電信號表示所述流體的橫截面的 所述至少一個(gè)有代表性部分的反射；利用表示所述流體流的橫截面的所述 至少一個(gè)有代表性部分的反射的基本上所有的所述電信號來計(jì)算所述流體 流的近似平均速度的設(shè)備；其中，利用表示所述流體流的橫截面的至少一 個(gè)有代表性部分的反射的基本上所有的所述電信號來計(jì)算所述流體流的近 似平均速度的所述設(shè)備包括，用來對所述電信號進(jìn)行傅立葉變換并對所述 傅立葉變換的某些系數(shù)進(jìn)行平均的設(shè)備。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀器(30)，其特征在于，主值為溫度， 所述至少一個(gè)主傳感器(18)為有機(jī)氣體化學(xué)傳感器，所述至少一個(gè)副傳 感器(16)測量濕度。
6. —種校準(zhǔn)儀器(30)的方法，其特征在于包括下列步驟形成預(yù)備 校準(zhǔn)多項(xiàng)式，該預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式包括主獨(dú)立變量和至少一個(gè)與干擾相關(guān)的 獨(dú)立變量；獲得因變量、所述主獨(dú)立變量和所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú) 立變量的多個(gè)數(shù)據(jù)組；使用所述數(shù)據(jù)組來去掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的最 不重要的項(xiàng)；以及添加最重要的交叉項(xiàng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中形成預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式的步驟由下 列步驟來表征選擇多項(xiàng)式的若干項(xiàng)；以及添加低次的交叉項(xiàng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，選擇多項(xiàng)式的若干項(xiàng)的步驟由 下列步驟來表征選擇獨(dú)立變量的最高次數(shù)的最大值；準(zhǔn)備所述預(yù)備校準(zhǔn) 多項(xiàng)式的多個(gè)項(xiàng)，其中，所述多個(gè)項(xiàng)中的每個(gè)項(xiàng)包括各所述獨(dú)立變量中的 一個(gè)不同的獨(dú)立變量和該獨(dú)立變量的不同次數(shù)；以及添加一些試驗(yàn)交叉項(xiàng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，獲得所述因變量、所述主獨(dú)立 變量和所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量的多個(gè)數(shù)據(jù)組的步驟由下列步 驟來表征在主換能器(18)和副換能器(16)中的一個(gè)換能器處于第一 激勵(lì)點(diǎn)而所述主換能器(18)和副換能器中的另一個(gè)換能器處于一系列其 它激勵(lì)點(diǎn)時(shí)，從所述主換能器(18)和副換能器(16)中的所述一個(gè)換能器獲得一系列輸出值；以及從所述主換能器和副換能器中的所述另一個(gè)換 能器獲得一 系列輸出值，每個(gè)輸出值都是在一 系列激勵(lì)值中的一個(gè)不同的 激勵(lì)值下獲得的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，使用所述數(shù)據(jù)組來去 掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的最不重要的項(xiàng)的步驟所包括以下步驟 一次去 掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的一個(gè)項(xiàng)，確定剩余各項(xiàng)的系數(shù)；確定最大偏差， 直到為幾個(gè)所述項(xiàng)確定了最大偏差；以及永久地去掉對所述最大偏差有最 小影響的項(xiàng)。
11. ，艮據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于 一次添加一個(gè)交叉項(xiàng)； 每次添加了交叉項(xiàng)時(shí)計(jì)算所述多項(xiàng)式的系數(shù)；確定最大偏差；以及永久地 添加對所述最大偏差有最好影響的交叉項(xiàng)。
12. —種制造儀器的方法，包括的步驟有選斧沒計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn) 優(yōu)化校準(zhǔn)曲線；選擇主換能器(18)和至少一個(gè)副換能器(16);對微控 制器(48 )進(jìn)行編程，以便用所述標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校準(zhǔn)曲線對所述主換能器(18 ) 所測量的值進(jìn)行校正；以及使用所述校正后的值。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，對微控制器(48)進(jìn) 行編程以便用所述標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化校準(zhǔn)曲線對所述主換能器(18)所測量的值進(jìn) 行校正的步驟包括形成預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式，該預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式的項(xiàng)包括主 獨(dú)立變量和至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量；獲得因變量、所述主獨(dú)立變 量和所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量的多個(gè)數(shù)據(jù)組；使用所述數(shù)據(jù)組 來去掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式中的最不重要的項(xiàng)；以及添加最重要的交叉項(xiàng)。
全文摘要
一種測量儀器(30)包括用來測量水(22)深或其它值的換能器(18)和用來測量能引起干擾誤差的物理參數(shù)的換能器(16)。使用校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)來校正輸出(12)信號中的干擾或非線性特性。所述校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)包括所述換能器所產(chǎn)生的信號作為獨(dú)立變量和所述輸出信號(12)作為因變量。所述校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)由以至少一個(gè)主測量信號和至少一個(gè)與干擾相關(guān)的信號作為獨(dú)立變量并以校準(zhǔn)了的信號作為因變量的校正多項(xiàng)式來形成。為了形成所述校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)，先開發(fā)包括所述主獨(dú)立變量和至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量的初步校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)。從測試設(shè)備中產(chǎn)生所述因變量、所述主獨(dú)立變量和所述至少一個(gè)與干擾相關(guān)的獨(dú)立變量的多個(gè)數(shù)據(jù)組。使用該數(shù)據(jù)來去掉所述預(yù)備校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)中最不重要的項(xiàng)，并添加最重要的交叉項(xiàng)，從而產(chǎn)生校準(zhǔn)多項(xiàng)式(14)。
文檔編號G01D18/00GK101473196SQ200780006126
公開日2009年7月1日 申請日期2007年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者P·B·利徹斯基 申請人:泰里迪尼愛斯科公司