專利名稱：一種用于溫度傳感器檢測溫度的補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感測控領(lǐng)域，特別涉及一種用于溫度傳感器檢測溫度的 補償方法，應用于自動化檢測儀器的溫度性能精密檢測領(lǐng)域中。
背景技術(shù)：
早期溫度檢測大多是手動操作，常用國標1號水銀溫度計進行溫度檢 測。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，自動化檢測儀器逐漸取代了手動儀器，采用 溫度傳感器代替液體溫度計是大勢所趨。利用國標1號水銀溫度計的手動 撿測儀器的缺點是.，效率低下、無法實現(xiàn)過程控制，特別是無法實現(xiàn)自動
化、信息化。自動化檢測儀器使用溫度傳感器PtlOO代替液體溫度計，要求
被測物品在特定的溫度曲線條件下進行檢測，造成二者的動態(tài)特性差異會 給測量帶來較大的誤差。傳統(tǒng)的補償方法是實驗中選取一條溫度變化曲線
上的若干點做線性修正被測物品選擇2 3。C/min速率升溫，溫度傳感器 Ptl00讀數(shù)作為修正曲線，每隔5。C為一點進行修正，使其與這一時刻溫度 與國標1號水銀溫度計讀數(shù)相同，再對相鄰點溫度進行線性修正。這種選 擇特殊溫度點、并對特定溫度點與點之間采用線性標定的方式，雖然使二 者在固定的溫度點有相同的動態(tài)特性，但有很大的局限性，而且需要對每 臺儀器逐個修正。因為國家對國標1號溫度計有嚴格檢驗標準，為使自動 化檢測儀器符合國家檢測標準，必須采用動態(tài)補償使溫度傳感器Pt100的動 態(tài)特性逼近國標1號水銀溫度計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是為了克服傳統(tǒng)測量及補償方法的不足、測 量結(jié)果不準等的局限性，以國標1號水銀溫度計為標準，對溫度傳感器PtlOO
進行動態(tài)補償，確定補償函數(shù)，并能通過計算機語言實現(xiàn)該算法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案首先以國標1號水銀溫度計為溫度檢測標準，
建立溫度傳感器PUOO的數(shù)學模型，確定傳遞函數(shù)，其次通過實驗確定溫度 傳感器Pt100傳遞函數(shù)參數(shù)，引入三階模型來描述其溫度特性，利用 MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)迸行擬合，引入補償函數(shù)，確定補償算法，最后 用轉(zhuǎn)換計算機語言實現(xiàn)可以實現(xiàn)的差分方程，達到實現(xiàn)自動化檢測溫度目的
1) 建立溫度傳感器PtlOO的數(shù)學模型，確定傳遞函數(shù) 將溫度傳感器Ptl00可看作三個一階系統(tǒng)串聯(lián)而成的三階系統(tǒng)，溫度
傳感器Ptl00傳遞函數(shù)為
式中Gp(5)為溫度傳感器Pt100的傳遞函數(shù)，《為第i次熱傳遞系統(tǒng)
的比例系數(shù)，z;為第i次熱傳遞系統(tǒng)的時間常數(shù)，設則
有
GnO) = ^。x~^~x~^~X~i~ (2)
2) 通過實驗確定溫度傳感器PtlOO傳遞函數(shù)參數(shù)-
通過計算機系統(tǒng)檢測裝置使用高精度變阻箱對測量通道進行標定，然 后對溫度傳感器Ptioo在多個恒溫狀態(tài)下進行靜態(tài)校正，實驗步驟為實驗 裝置開機，預熱io分鐘，使實驗裝置的元器件達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，然后以
國標1號水銀溫度計為標準取(TC、 10°C、 20°C、 、 lO(TC共ll個溫度
環(huán)境，標定溫度傳感器PtlOO的靜態(tài)精度，使得^^^^1，將溫度傳感器 PtlOO置于室溫中，使其達到熱傳遞平衡，利用計算機開始記錄傳感器溫度， 當溫度不再變化時，將傳感器迅速插入沸水中，插入深度15mm，并記下這 一時刻，室溫下測量溫度記作^，沸水中測量的終態(tài)溫度記作艮，在 MATLAB軟件中將測量溫度按公式(4)做歸一化處理
，=AZ25_ (4)
L 一少o
利用MATLAB軟件擬合，確定參數(shù)，由公式(2)可得溫度傳感器PtlOO 的階躍響應為
少(/) = 1--S-,,--S-,2--S-e, (5)
(r廣r,)(:t3-7;) (j;-r2)(r3-r2) (7;-:r3)(:r2-r3)
再利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)按公式(5)進行擬合，可以得到 r,3.196， 7^0.4598' r3=0.4606，將r。 T2、 73代入公式(2)得到溫度傳感器PU00的傳遞函數(shù)
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
3)確定動態(tài)特性逼近的補償算法.-
為了溫度傳感器PtlOO動態(tài)特性逼近國標1號水銀溫度計的動態(tài)特性， 需要找到一個補償環(huán)節(jié)G。
<formula>formula see original document page 7</formula>(9)
補償環(huán)節(jié)g可以看作三個一階微分環(huán)節(jié)和一個一階慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)各
環(huán)節(jié)，則連續(xù)時域微分方程分別為
<formula>formula see original document page 7</formula>(11)， <formula>formula see original document page 7</formula> (12)，<formula>formula see original document page 7</formula> (13)
式中W)為溫度傳感器PtlOO的時域測量溫度，"i(,)為時域的中間溫
度l， "2(0為時域的中間溫度2， w(0為時域的中間溫度3， K0為溫度傳感 器Pt100補償后的時域測量溫度。 4)計算機語言實現(xiàn)補償算法 為了便于被測物品自動化檢測儀器即計算機語言能夠?qū)崿F(xiàn)該算法，取
采樣周期為T，對微分運算做如下近似 <formula>formula see original document page 7</formula> (14)
則公式(10)、 (11)、 (12)、 (13)可以變換成差分方程，進而得到補 償環(huán)節(jié)的算法
<formula>formula see original document page 7</formula>(15), <formula>formula see original document page 7</formula> (16) <formula>formula see original document page 7</formula> (17), <formula>formula see original document page 7</formula> (18)式中x(/t)為k時刻溫度傳感器PtlOO的時域測量溫度，",("為k日寸亥U 時域的中間溫度1， "2(&)為k時刻的時域中間溫度2， "3(^為k時刻的時域
中間溫度3， y(W為k時刻溫度傳感器PtlOO補償后的時域測量溫度，用 MATLAB軟件對補償環(huán)節(jié)中7;、 T2 、 T3 、 i;,做微小調(diào)整，反復仿真試驗， 進而得到更好的逼近效果，將測量的溫度數(shù)據(jù)按照公式(15)、 (16)、 (17)、 (18)的補償算法做修正，重復該實驗確定補償函數(shù)的參數(shù)。
采用的計算機系統(tǒng)檢測裝置結(jié)構(gòu)，由恒流源、溫度傳感器PtlOO、信號 調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、計算機組成，編寫單片機程序?qū)囟葌鞲衅鱌tlOO 進行10ms時間間隔定時采集，對測量數(shù)據(jù)進行非線性處理，然后通過串行 接口發(fā)送給計算機，計算機對單片機上傳的測量數(shù)據(jù)進行記錄，恒流源到 A/D轉(zhuǎn)換要經(jīng)過兩次標定，首先使用高精度變阻箱對測量通道進行標定， 然后對溫度傳感器PtlOO在多個恒溫狀態(tài)下進行靜態(tài)標定。
本發(fā)明具有以下明顯效果，該補償方法將溫度傳感器PtlOO動態(tài)特性比 較理想地逼近國標1號水銀溫度計的動態(tài)特性，經(jīng)過補償后的溫度傳感器 PtlOO與國標1號水銀溫度計階躍響應的均方根誤差可以達到0.0177。并在 實際應用中得到了較好的驗證。該方法簡便易行，對于同一型號的溫度傳 感器PtlOO在相對穩(wěn)定的實驗環(huán)境中傳遞函數(shù)是恒定的，在自動化檢測儀器 設計過程中只需進行一次實驗，即可標定檢測儀器參數(shù)。


圖l計算機系統(tǒng)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中，6恒流源，7溫度傳感器 PtlOO， 8信號調(diào)理電路，9A/D轉(zhuǎn)換，IO計算機。
圖2補償環(huán)節(jié)系統(tǒng)框圖。其中，X溫度傳感器PtlOO的時域測量溫度， Ul時域的中間溫度l， U2時域的中間溫度2， U3時域的中間溫度3， Y溫 度傳感器PtlOO補償后的時域測量溫度。
圖3實際溫度測量變化曲線對比圖。其中，橫軸表示加熱時間t，單位 為s，縱軸表示對應的溫度3^)單位為"C; I國標1號水銀溫度計曲線，II 引入補償函數(shù)溫度傳感器PtlOO動態(tài)曲線，III溫度傳感器PtlOO動態(tài)曲線。
具體實施例方式
結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
，本發(fā)明選用不銹鋼護套直徑為04mm，長度75mm的溫度傳感器PtlOO。
1.建立溫度傳感器PtlOO和國標l號水銀溫度計的數(shù)學模型，確定傳
遞函數(shù)
1)從溫度傳感器PtlOO的結(jié)構(gòu)來看，熱量經(jīng)過護套和導熱介質(zhì)傳給鉑 熱電阻絲。在被測物品檢測中，加熱環(huán)境往往是恒速率升溫、恒速率降溫 或恒溫環(huán)境，純滯后的影響不大?？砂衙恳淮螣醾鬟f看作是一個帶有純滯
后的一階慣性系統(tǒng)，則溫度傳感器PtlOO可看作三個一階系統(tǒng)串聯(lián)而成的三
階系統(tǒng)，溫度傳感器PtlOO傳遞函數(shù)為
+=fi+7> (1)
式中 W為溫度傳感器PtlOO的傳遞函數(shù)，《為第i次熱傳遞系統(tǒng)
的比例系數(shù)，z;為第i次熱傳遞系統(tǒng)的時間常數(shù)。設^^&x^"3，則
有
G 0)=《Dx^~x~^~x~l~ (2)
2)國標l號水銀溫度計的結(jié)構(gòu)由玻璃毛細管和刻度標尺組成?？梢哉J 為是帶有純滯后的一階慣性系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)如下
G ~^ (3)
式中，G力)為國標l號水銀溫度計的傳遞函數(shù)，^為比例系數(shù)，j;,為 時間常數(shù)。
2.通過實驗確定溫度傳感器PtlOO和國標1號水銀溫度計傳遞函數(shù)參
數(shù)
鑒于溫度突變的瞬時性，在溫度傳感器從冰水混合物向沸水中轉(zhuǎn)移時 不可避免要經(jīng)過室溫的過渡，這樣一來會使實驗結(jié)果受到影響。本實驗選 取室溫和沸水兩個溫度以縮短溫度突變時間。對于溫度傳感器PtlOO采用自 制的計算機系統(tǒng)檢測裝置進行實時記錄，對于國標1號水銀溫度計傳遞函 數(shù)參數(shù)的測定采用錄像監(jiān)視的方法。
1)溫度傳感器PtlOO傳遞函數(shù)參數(shù)的確定計算機系統(tǒng)檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。裝置中恒流源6釆用高精度低溫漂運放OP07構(gòu)建，信
號調(diào)理電路8使用性能優(yōu)越的AD620儀表放大器，A/D轉(zhuǎn)換9由帶有12 位高速A/D轉(zhuǎn)換的MSP430F169單片機組成，編寫單片機程序?qū)囟葌鞲?器Ptl007進行10ms時間間隔定時采集，對測量數(shù)據(jù)進行非線性處理，然 后通過串行接口發(fā)送給計算機10，計算機IO對單片機上傳的測量數(shù)據(jù)進行 記錄。從恒流源6到A/D轉(zhuǎn)換9要經(jīng)過兩次標定，首先使用高精度變阻箱 對測量通道進行標定，然后對溫度傳感器Pt1007在多個恒溫狀態(tài)下進行靜 態(tài)標定。
實驗步驟a)實驗裝置開機，預熱10分鐘，使實驗裝置的元器件達 到穩(wěn)定工作狀態(tài);b)以國標1號水銀溫度計為標準取0。C、l(TC、2(rC、 、
IO(TC共11個溫度環(huán)境，標定溫度傳感器PtlOO的靜態(tài)精度，使得I,r,l; c)將溫度傳感器PtlOO置于室溫中，使其達到熱傳遞平衡；d)計算機開始 記錄傳感器溫度，當溫度不再變化時，將傳感器迅速插入沸水中，插入深 度15mm，并記下這一時刻；e)室溫下測量溫度記作j。，沸水中測量的終 態(tài)溫度記作h，在MATLAB軟件中將測量溫度按公式(4)做歸一化處理
利用MATLAB軟件擬合，確定參數(shù)。由公式(2)可得溫度傳感器Pt100 的階躍響應為
，=1--^-e,--^-,--S-,
利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)按公式(5)進行擬合，可以得到
;=3.196， r2 =0.4598， r3 =0.4606，將7。 r2 、 7;代入公式(2)得到溫度傳
感器Ptl00的傳遞函數(shù)
G ——^——x-i-x-^—— (6)
p l + 3.196s l + 0.4598s l + 0.4606s
2)國標1號水銀溫度計參數(shù)的確定同樣選取室溫和沸水兩個溫度， 對國標1號水銀溫度計從室溫向沸水中轉(zhuǎn)移的過程采用錄像監(jiān)視的方法記 錄溫度變化，做歸一化處理后，由公式(5)可得國標1號水銀溫度計的階 躍響應為
10y(0 = l-(9)
利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)按公式(9)進行擬合，可以得到
;=2.106。將t;代入公式(5)得到國標i號水銀溫度計的傳遞函數(shù)
Gm("-~~^~~ (7) "' 1 +2.106s
3、動態(tài)特性逼近的補償算法
為了溫度傳感器PtlOO動態(tài)特性逼近成國標1號水銀溫度計的動態(tài)特 性，需要找到一個補償環(huán)節(jié)G。使得
GpxGc=G (8)
則補償環(huán)節(jié)
G —Gm— l + rm :(l + 7 x(l + 7^)>c(l + 7>) (9)
、一丄x丄x丄— 1 + J>
如補償環(huán)節(jié)系統(tǒng)框圖2所示，補償環(huán)節(jié)R可以看作三個一階微分環(huán)節(jié) 和一個一階慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，則連續(xù)時域微分方程分別為
",x(/) + r，， (10); W2(,) = Wl(,)+:r2^l (ii); M3(0, + r3^^ (12); y(,) + 7;， = W3(o (13)
式中x(/)為溫度傳感器PtlOO的時域測量溫度，w,(O為時域的中間溫
度l， "2(0為時域的中間溫度2， A(/)為時域的中間溫度3， y(0為溫度傳感 器PtlOO補償后的時域測量溫度。
4、計算機語言實現(xiàn)補償算法
為了便于被測物品自動化檢測儀器即計算機語言能夠?qū)崿F(xiàn)該算法，取
采樣周期為T，對微分運算做如下近似 禍-x(A:-l) (14)則公式(10)、 (11)、 (12)、 (13)可以變換成差分方程，迸而得到補
償環(huán)節(jié)的算法
(<formula>formula see original document page 12</formula> (16)
<formula>formula see original document page 12</formula> (18)
式中；c("為k時刻溫度傳感器PtlOO的時域測量溫度，",(Q為k時刻 時域的中間溫度l， ^W為k時刻的時域中間溫度2， "3(A:)為k時刻的時域 中間溫度3， y("為k時刻溫度傳感器Pt100補償后的時域測量溫度。
用MATLAB軟件對補償環(huán)節(jié)中 ;、 r2、 r3、 z;做微小調(diào)整，反復仿真
試驗，進而得到更好的逼近效果。將測量的溫度數(shù)據(jù)按照公式(15)、 (16)、 (17)、 (18)的補償算法做修正，重復該實驗確定補償函數(shù)的參數(shù)。
對溫度傳感器PtlOO引入補償函數(shù)后，繪制曲線橫軸表示加熱時間t，
單位為秒，縱軸表示隨著時間的變化對應的溫度少(/)，單位為"c，即得實際
溫度測量變化曲線對比圖3:將溫度傳感器PtlOO動態(tài)曲線III及引入補償函 數(shù)的動態(tài)測量曲線II和國標1號水銀溫度計實際測量曲線I做對比，可以 看到經(jīng)過補償?shù)臏囟葌鞲衅鱌tlOO動態(tài)特性與國標1號水銀溫度計實際測量 曲線基本擬合，在實際應用中得到了較好的驗證。該算法結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過 其補償后的溫度傳感器PtlOO與國標1號水銀溫度計階躍響應的均方根誤差 可以達到0.0177。對于同一型號的溫度傳感器Pt100在相對穩(wěn)定的實驗環(huán)境 中傳遞函數(shù)是恒定的，在自動化檢測儀器設計過程中只需進行一次實驗， 即可標定檢測儀器參數(shù)，方便易行。
權(quán)利要求
1. 一種用于溫度傳感器檢測溫度的補償方法，其特征是，首先以國標1號水銀溫度計為溫度檢測標準，建立溫度傳感器Pt100的數(shù)學模型，確定傳遞函數(shù)，其次通過實驗確定溫度傳感器Pt100傳遞函數(shù)中的參數(shù)，引入三階模型來描述其溫度特性，利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，引入補償函數(shù)，確定補償算法，最后轉(zhuǎn)換用計算機語言可以實現(xiàn)的差分方程，達到實現(xiàn)自動化檢測溫度目的1)建立溫度傳感器Pt100的數(shù)學模型，確定傳遞函數(shù)將溫度傳感器Pt100可看作三個一階系統(tǒng)串聯(lián)而成的三階系統(tǒng)，溫度傳感器Pt100傳遞函數(shù)為式中Gp(s)為溫度傳感器Pt100的傳遞函數(shù)，Ki為第i次熱傳遞系統(tǒng)的比例系數(shù)，Ti為第i次熱傳遞系統(tǒng)的時間常數(shù)，設Kp＝K1×K2×K3，則有2)通過實驗確定溫度傳感器Pt100傳遞函數(shù)參數(shù)通過計算機系統(tǒng)檢測裝置使用高精度變阻箱對測量通道進行標定，然后對溫度傳感器Pt100(7)在多個恒溫狀態(tài)下進行靜態(tài)校正，實驗步驟為實驗裝置開機，預熱10分鐘，使實驗裝置的元器件達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，然后以國標1號水銀溫度計為標準取0℃、10℃、20℃、……、100℃共11個溫度環(huán)境，標定溫度傳感器Pt100(7)的靜態(tài)精度，使得Km＝Kp＝1，將溫度傳感器Pt100(7)置于室溫中，使其達到熱傳遞平衡，利用計算機開始記錄傳感器溫度，當溫度不再變化時，將傳感器迅速插入沸水中，插入深度15mm，并記下這一時刻，室溫下測量溫度記作y0，沸水中測量的終態(tài)溫度記作y∞，在MATLAB軟件中將測量溫度按公式(4)做歸一化處理利用MATLAB軟件擬合，確定參數(shù)，由公式(2)可得溫度傳感器Pt100的階躍響應為再利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)按公式(5)進行擬合，可以得到T1＝3.196，T2＝0.4598，T3＝0.4606，將T1、T2、T3代入公式(2)得到溫度傳感器Pt100的傳遞函數(shù)3)確定動態(tài)特性逼近的補償算法為了溫度傳感器Pt100動態(tài)特性逼近成國標1號水銀溫度計的動態(tài)特性，需要找到一個補償環(huán)節(jié)Gc補償環(huán)節(jié)Gc可以看作三個一階微分環(huán)節(jié)和一個一階慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，則連續(xù)時域微分方程分別為式中x(t)為溫度傳感器Pt100的時域測量溫度，u1(t)為時域的中間溫度1，u2(t)為時域的中間溫度2，u3(t)為時域的中間溫度3，y(t)為溫度傳感器Pt100補償后的時域測量溫度4)計算機語言實現(xiàn)補償算法為了便于被測物品自動化檢測儀器即計算機語言能夠?qū)崿F(xiàn)該算法，取采樣周期為T，對微分運算做如下近似則公式(10)、(11)、(12)、(13)可以變換成差分方程，進而得到補償環(huán)節(jié)的算法式中x(k)為k時刻溫度傳感器Pt100的時域測量溫度，u1(k)為k時刻時域的中間溫度1，u2(k)為k時刻的時域中間溫度2，u3(k)為k時刻的時域中間溫度3，y(k)為k時刻溫度傳感器Pt100補償后的時域測量溫度，，用MATLAB軟件對補償環(huán)節(jié)中T1、T2、T3、Tm做微小調(diào)整，反復仿真試驗，進而得到更好的逼近效果，將測量的溫度數(shù)據(jù)按照公式(15)、(16)、(17)、(18)的補償算法做修正，重復該實驗確定補償函數(shù)的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于溫度傳感器檢測溫度的補償方法，其特征是 所采用的計算機系統(tǒng)檢測裝置，由恒流源(6)、溫度傳感器PtlOO (7)、信號調(diào) 理電路(8)、 A/D轉(zhuǎn)換(9)、計算機(10)組成，編寫單片機程序?qū)囟葌鞲衅?PtlOO (7)進行10ms時間間隔定時采集，對測量數(shù)據(jù)進行非線性處理，然后通 過串行接口發(fā)送給計算機(10)，計算機對單片機上傳的測量數(shù)據(jù)進行記錄，恒 流源(6)到A/D轉(zhuǎn)換(9)要經(jīng)過兩次標定，首先使用高精度變阻箱對測量通 道進行標定，然后對溫度傳感器PtlOO (7)在多個恒溫狀態(tài)下進行靜態(tài)校正。
全文摘要
本發(fā)明一種用于溫度傳感器檢測溫度的補償方法，屬于傳感測控領(lǐng)域，首先以國標1號水銀溫度計為溫度檢測標準，建立溫度傳感器Pt100的數(shù)學模型，確定傳遞函數(shù)，其次通過實驗確定溫度傳感器Pt100傳遞函數(shù)中的參數(shù)，引入三階模型來描述其溫度特性，利用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，引入補償函數(shù)，確定補償算法，最后轉(zhuǎn)換用計算機語言實現(xiàn)的差分方程，達到實現(xiàn)自動化檢測溫度目的。該補償方法將溫度傳感器Pt100動態(tài)特性很好的逼近國標1號水銀溫度計的動態(tài)特性，在實際應用中得到了較好的驗證。該方法方便易行，測量結(jié)果準確。
文檔編號G01K15/00GK101424572SQ20081022947
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者偉 修, 旭 馮, 周志民, 崔世界, 剛 張, 張元良, 楊小樂, 王君明, 郎慶陽 申請人:大連理工大學