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专利名称：一种用于温度传感器检测温度的补偿方法
技术领域：
本发明属于传感测控领域，特别涉及一种用于温度传感器检测温度的 补偿方法，应用于自动化检测仪器的温度性能精密检测领域中。
背景技术：
早期温度检测大多是手动操作，常用国标1号水银温度计进行温度检 测。随着计算机技术的发展，自动化检测仪器逐渐取代了手动仪器，采用 温度传感器代替液体温度计是大势所趋。利用国标1号水银温度计的手动 捡测仪器的缺点是.，效率低下、无法实现过程控制，特别是无法实现自动
化、信息化。自动化检测仪器使用温度传感器PtlOO代替液体温度计，要求
被测物品在特定的温度曲线条件下进行检测，造成二者的动态特性差异会 给测量带来较大的误差。传统的补偿方法是实验中选取一条温度变化曲线
上的若干点做线性修正被测物品选择2 3。C/min速率升温，温度传感器 Ptl00读数作为修正曲线，每隔5。C为一点进行修正，使其与这一时刻温度 与国标1号水银温度计读数相同，再对相邻点温度进行线性修正。这种选 择特殊温度点、并对特定温度点与点之间采用线性标定的方式，虽然使二 者在固定的温度点有相同的动态特性，但有很大的局限性，而且需要对每 台仪器逐个修正。因为国家对国标1号温度计有严格检验标准，为使自动 化检测仪器符合国家检测标准，必须采用动态补偿使温度传感器Pt100的动 态特性逼近国标1号水银温度计。

发明内容
本发明要解决的技术难题是为了克服传统测量及补偿方法的不足、测 量结果不准等的局限性，以国标1号水银温度计为标准，对温度传感器PtlOO
进行动态补偿，确定补偿函数，并能通过计算机语言实现该算法。
本发明采用的技术方案首先以国标1号水银温度计为温度检测标准，
建立温度传感器PUOO的数学模型，确定传递函数，其次通过实验确定温度 传感器Pt100传递函数参数，引入三阶模型来描述其温度特性，利用 MATLAB软件对实验数据迸行拟合，引入补偿函数，确定补偿算法，最后 用转换计算机语言实现可以实现的差分方程，达到实现自动化检测温度目的
1) 建立温度传感器PtlOO的数学模型，确定传递函数 将温度传感器Ptl00可看作三个一阶系统串联而成的三阶系统，温度
传感器Ptl00传递函数为
式中Gp(5)为温度传感器Pt100的传递函数，《为第i次热传递系统
的比例系数，z;为第i次热传递系统的时间常数，设则
有
GnO) = ^。x~^~x~^~X~i~ (2)
2) 通过实验确定温度传感器PtlOO传递函数参数-
通过计算机系统检测装置使用高精度变阻箱对测量通道进行标定，然 后对温度传感器Ptioo在多个恒温状态下进行静态校正，实验步骤为实验 装置开机，预热io分钟，使实验装置的元器件达到稳定工作状态，然后以
国标1号水银温度计为标准取(TC、 10°C、 20°C、 、 lO(TC共ll个温度
环境，标定温度传感器PtlOO的静态精度，使得^^^^1，将温度传感器 PtlOO置于室温中，使其达到热传递平衡，利用计算机开始记录传感器温度， 当温度不再变化时，将传感器迅速插入沸水中，插入深度15mm，并记下这 一时刻，室温下测量温度记作^，沸水中测量的终态温度记作艮，在 MATLAB软件中将测量温度按公式(4)做归一化处理
，=AZ25_ (4)
L 一少o
利用MATLAB软件拟合，确定参数，由公式(2)可得温度传感器PtlOO 的阶跃响应为
少(/) = 1--S-,,--S-,2--S-e, (5)
(r广r,)(:t3-7;) (j;-r2)(r3-r2) (7;-:r3)(:r2-r3)
再利用MATLAB软件对实验数据按公式(5)进行拟合，可以得到 r,3.196， 7^0.4598' r3=0.4606，将r。 T2、 73代入公式(2)得到温度传感器PU00的传递函数
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
3)确定动态特性逼近的补偿算法.-
为了温度传感器PtlOO动态特性逼近国标1号水银温度计的动态特性， 需要找到一个补偿环节G。
<formula>formula see original document page 7</formula>(9)
补偿环节g可以看作三个一阶微分环节和一个一阶惯性环节的串联各
环节，则连续时域微分方程分别为
<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)为温度传感器PtlOO的时域测量温度，"i(,)为时域的中间温
度l， "2(0为时域的中间温度2， w(0为时域的中间温度3， K0为温度传感 器Pt100补偿后的时域测量温度。 4)计算机语言实现补偿算法 为了便于被测物品自动化检测仪器即计算机语言能够实现该算法，取
采样周期为T，对微分运算做如下近似 <formula>formula see original document page 7</formula> (14)
则公式(10)、 (11)、 (12)、 (13)可以变换成差分方程，进而得到补 偿环节的算法
<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)为k时刻温度传感器PtlOO的时域测量温度，",("为k日寸亥U 时域的中间温度1， "2(&)为k时刻的时域中间温度2， "3(^为k时刻的时域
中间温度3， y(W为k时刻温度传感器PtlOO补偿后的时域测量温度，用 MATLAB软件对补偿环节中7;、 T2 、 T3 、 i;,做微小调整，反复仿真试验， 进而得到更好的逼近效果，将测量的温度数据按照公式(15)、 (16)、 (17)、 (18)的补偿算法做修正，重复该实验确定补偿函数的参数。
采用的计算机系统检测装置结构，由恒流源、温度传感器PtlOO、信号 调理电路、A/D转换、计算机组成，编写单片机程序对温度传感器PtlOO 进行10ms时间间隔定时采集，对测量数据进行非线性处理，然后通过串行 接口发送给计算机，计算机对单片机上传的测量数据进行记录，恒流源到 A/D转换要经过两次标定，首先使用高精度变阻箱对测量通道进行标定， 然后对温度传感器PtlOO在多个恒温状态下进行静态标定。
本发明具有以下明显效果，该补偿方法将温度传感器PtlOO动态特性比 较理想地逼近国标1号水银温度计的动态特性，经过补偿后的温度传感器 PtlOO与国标1号水银温度计阶跃响应的均方根误差可以达到0.0177。并在 实际应用中得到了较好的验证。该方法简便易行，对于同一型号的温度传 感器PtlOO在相对稳定的实验环境中传递函数是恒定的，在自动化检测仪器 设计过程中只需进行一次实验，即可标定检测仪器参数。


图l计算机系统检测装置结构示意图。其中，6恒流源，7温度传感器 PtlOO， 8信号调理电路，9A/D转换，IO计算机。
图2补偿环节系统框图。其中，X温度传感器PtlOO的时域测量温度， Ul时域的中间温度l， U2时域的中间温度2， U3时域的中间温度3， Y温 度传感器PtlOO补偿后的时域测量温度。
图3实际温度测量变化曲线对比图。其中，横轴表示加热时间t，单位 为s，纵轴表示对应的温度3^)单位为"C; I国标1号水银温度计曲线，II 引入补偿函数温度传感器PtlOO动态曲线，III温度传感器PtlOO动态曲线。
具体实施例方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式
，本发明选用不锈钢护套直径为04mm，长度75mm的温度传感器PtlOO。
1.建立温度传感器PtlOO和国标l号水银温度计的数学模型，确定传
递函数
1)从温度传感器PtlOO的结构来看，热量经过护套和导热介质传给铂 热电阻丝。在被测物品检测中，加热环境往往是恒速率升温、恒速率降温 或恒温环境，纯滞后的影响不大。可把每一次热传递看作是一个带有纯滞
后的一阶惯性系统，则温度传感器PtlOO可看作三个一阶系统串联而成的三
阶系统，温度传感器PtlOO传递函数为
+=fi+7> (1)
式中 W为温度传感器PtlOO的传递函数，《为第i次热传递系统
的比例系数，z;为第i次热传递系统的时间常数。设^^&x^"3，则
有
G 0)=《Dx^~x~^~x~l~ (2)
2)国标l号水银温度计的结构由玻璃毛细管和刻度标尺组成。可以认 为是带有纯滞后的一阶惯性系统，其传递函数如下
G ~^ (3)
式中，G力)为国标l号水银温度计的传递函数，^为比例系数，j;,为 时间常数。
2.通过实验确定温度传感器PtlOO和国标1号水银温度计传递函数参
数
鉴于温度突变的瞬时性，在温度传感器从冰水混合物向沸水中转移时 不可避免要经过室温的过渡，这样一来会使实验结果受到影响。本实验选 取室温和沸水两个温度以缩短温度突变时间。对于温度传感器PtlOO采用自 制的计算机系统检测装置进行实时记录，对于国标1号水银温度计传递函 数参数的测定采用录像监视的方法。
1)温度传感器PtlOO传递函数参数的确定计算机系统检测装置结构示意图如图1所示。装置中恒流源6釆用高精度低温漂运放OP07构建，信
号调理电路8使用性能优越的AD620仪表放大器，A/D转换9由带有12 位高速A/D转换的MSP430F169单片机组成，编写单片机程序对温度传感 器Ptl007进行10ms时间间隔定时采集，对测量数据进行非线性处理，然 后通过串行接口发送给计算机10，计算机IO对单片机上传的测量数据进行 记录。从恒流源6到A/D转换9要经过两次标定，首先使用高精度变阻箱 对测量通道进行标定，然后对温度传感器Pt1007在多个恒温状态下进行静 态标定。
实验步骤a)实验装置开机，预热10分钟，使实验装置的元器件达 到稳定工作状态;b)以国标1号水银温度计为标准取0。C、l(TC、2(rC、 、
IO(TC共11个温度环境，标定温度传感器PtlOO的静态精度，使得I,r,l; c)将温度传感器PtlOO置于室温中，使其达到热传递平衡；d)计算机开始 记录传感器温度，当温度不再变化时，将传感器迅速插入沸水中，插入深 度15mm，并记下这一时刻；e)室温下测量温度记作j。，沸水中测量的终 态温度记作h，在MATLAB软件中将测量温度按公式(4)做归一化处理
利用MATLAB软件拟合，确定参数。由公式(2)可得温度传感器Pt100 的阶跃响应为
，=1--^-e,--^-,--S-,
利用MATLAB软件对实验数据按公式(5)进行拟合，可以得到
;=3.196， r2 =0.4598， r3 =0.4606，将7。 r2 、 7;代入公式(2)得到温度传
感器Ptl00的传递函数
G ——^——x-i-x-^—— (6)
p l + 3.196s l + 0.4598s l + 0.4606s
2)国标1号水银温度计参数的确定同样选取室温和沸水两个温度， 对国标1号水银温度计从室温向沸水中转移的过程采用录像监视的方法记 录温度变化，做归一化处理后，由公式(5)可得国标1号水银温度计的阶 跃响应为
10y(0 = l-(9)
利用MATLAB软件对实验数据按公式(9)进行拟合，可以得到
;=2.106。将t;代入公式(5)得到国标i号水银温度计的传递函数
Gm("-~~^~~ (7) "' 1 +2.106s
3、动态特性逼近的补偿算法
为了温度传感器PtlOO动态特性逼近成国标1号水银温度计的动态特 性，需要找到一个补偿环节G。使得
GpxGc=G (8)
则补偿环节
G —Gm— l + rm :(l + 7 x(l + 7^)>c(l + 7>) (9)
、一丄x丄x丄— 1 + J>
如补偿环节系统框图2所示，补偿环节R可以看作三个一阶微分环节 和一个一阶惯性环节的串联，则连续时域微分方程分别为
",x(/) + r，， (10); W2(,) = Wl(,)+:r2^l (ii); M3(0, + r3^^ (12); y(,) + 7;， = W3(o (13)
式中x(/)为温度传感器PtlOO的时域测量温度，w,(O为时域的中间温
度l， "2(0为时域的中间温度2， A(/)为时域的中间温度3， y(0为温度传感 器PtlOO补偿后的时域测量温度。
4、计算机语言实现补偿算法
为了便于被测物品自动化检测仪器即计算机语言能够实现该算法，取
采样周期为T，对微分运算做如下近似 祸-x(A:-l) (14)则公式(10)、 (11)、 (12)、 (13)可以变换成差分方程，迸而得到补
偿环节的算法
(<formula>formula see original document page 12</formula> (16)
<formula>formula see original document page 12</formula> (18)
式中；c("为k时刻温度传感器PtlOO的时域测量温度，",(Q为k时刻 时域的中间温度l， ^W为k时刻的时域中间温度2， "3(A:)为k时刻的时域 中间温度3， y("为k时刻温度传感器Pt100补偿后的时域测量温度。
用MATLAB软件对补偿环节中 ;、 r2、 r3、 z;做微小调整，反复仿真
试验，进而得到更好的逼近效果。将测量的温度数据按照公式(15)、 (16)、 (17)、 (18)的补偿算法做修正，重复该实验确定补偿函数的参数。
对温度传感器PtlOO引入补偿函数后，绘制曲线横轴表示加热时间t，
单位为秒，纵轴表示随着时间的变化对应的温度少(/)，单位为"c，即得实际
温度测量变化曲线对比图3:将温度传感器PtlOO动态曲线III及引入补偿函 数的动态测量曲线II和国标1号水银温度计实际测量曲线I做对比，可以 看到经过补偿的温度传感器PtlOO动态特性与国标1号水银温度计实际测量 曲线基本拟合，在实际应用中得到了较好的验证。该算法结构简单，经过 其补偿后的温度传感器PtlOO与国标1号水银温度计阶跃响应的均方根误差 可以达到0.0177。对于同一型号的温度传感器Pt100在相对稳定的实验环境 中传递函数是恒定的，在自动化检测仪器设计过程中只需进行一次实验， 即可标定检测仪器参数，方便易行。
权利要求
1. 一种用于温度传感器检测温度的补偿方法，其特征是，首先以国标1号水银温度计为温度检测标准，建立温度传感器Pt100的数学模型，确定传递函数，其次通过实验确定温度传感器Pt100传递函数中的参数，引入三阶模型来描述其温度特性，利用MATLAB软件对实验数据进行拟合，引入补偿函数，确定补偿算法，最后转换用计算机语言可以实现的差分方程，达到实现自动化检测温度目的1)建立温度传感器Pt100的数学模型，确定传递函数将温度传感器Pt100可看作三个一阶系统串联而成的三阶系统，温度传感器Pt100传递函数为式中Gp(s)为温度传感器Pt100的传递函数，Ki为第i次热传递系统的比例系数，Ti为第i次热传递系统的时间常数，设Kp＝K1×K2×K3，则有2)通过实验确定温度传感器Pt100传递函数参数通过计算机系统检测装置使用高精度变阻箱对测量通道进行标定，然后对温度传感器Pt100(7)在多个恒温状态下进行静态校正，实验步骤为实验装置开机，预热10分钟，使实验装置的元器件达到稳定工作状态，然后以国标1号水银温度计为标准取0℃、10℃、20℃、……、100℃共11个温度环境，标定温度传感器Pt100(7)的静态精度，使得Km＝Kp＝1，将温度传感器Pt100(7)置于室温中，使其达到热传递平衡，利用计算机开始记录传感器温度，当温度不再变化时，将传感器迅速插入沸水中，插入深度15mm，并记下这一时刻，室温下测量温度记作y0，沸水中测量的终态温度记作y∞，在MATLAB软件中将测量温度按公式(4)做归一化处理利用MATLAB软件拟合，确定参数，由公式(2)可得温度传感器Pt100的阶跃响应为再利用MATLAB软件对实验数据按公式(5)进行拟合，可以得到T1＝3.196，T2＝0.4598，T3＝0.4606，将T1、T2、T3代入公式(2)得到温度传感器Pt100的传递函数3)确定动态特性逼近的补偿算法为了温度传感器Pt100动态特性逼近成国标1号水银温度计的动态特性，需要找到一个补偿环节Gc补偿环节Gc可以看作三个一阶微分环节和一个一阶惯性环节的串联，则连续时域微分方程分别为式中x(t)为温度传感器Pt100的时域测量温度，u1(t)为时域的中间温度1，u2(t)为时域的中间温度2，u3(t)为时域的中间温度3，y(t)为温度传感器Pt100补偿后的时域测量温度4)计算机语言实现补偿算法为了便于被测物品自动化检测仪器即计算机语言能够实现该算法，取采样周期为T，对微分运算做如下近似则公式(10)、(11)、(12)、(13)可以变换成差分方程，进而得到补偿环节的算法式中x(k)为k时刻温度传感器Pt100的时域测量温度，u1(k)为k时刻时域的中间温度1，u2(k)为k时刻的时域中间温度2，u3(k)为k时刻的时域中间温度3，y(k)为k时刻温度传感器Pt100补偿后的时域测量温度，，用MATLAB软件对补偿环节中T1、T2、T3、Tm做微小调整，反复仿真试验，进而得到更好的逼近效果，将测量的温度数据按照公式(15)、(16)、(17)、(18)的补偿算法做修正，重复该实验确定补偿函数的参数。
2.根据权利要求1所述的一种用于温度传感器检测温度的补偿方法，其特征是 所采用的计算机系统检测装置，由恒流源(6)、温度传感器PtlOO (7)、信号调 理电路(8)、 A/D转换(9)、计算机(10)组成，编写单片机程序对温度传感器 PtlOO (7)进行10ms时间间隔定时采集，对测量数据进行非线性处理，然后通 过串行接口发送给计算机(10)，计算机对单片机上传的测量数据进行记录，恒 流源(6)到A/D转换(9)要经过两次标定，首先使用高精度变阻箱对测量通 道进行标定，然后对温度传感器PtlOO (7)在多个恒温状态下进行静态校正。
全文摘要
本发明一种用于温度传感器检测温度的补偿方法，属于传感测控领域，首先以国标1号水银温度计为温度检测标准，建立温度传感器Pt100的数学模型，确定传递函数，其次通过实验确定温度传感器Pt100传递函数中的参数，引入三阶模型来描述其温度特性，利用MATLAB软件对实验数据进行拟合，引入补偿函数，确定补偿算法，最后转换用计算机语言实现的差分方程，达到实现自动化检测温度目的。该补偿方法将温度传感器Pt100动态特性很好的逼近国标1号水银温度计的动态特性，在实际应用中得到了较好的验证。该方法方便易行，测量结果准确。
文档编号G01K15/00GK101424572SQ20081022947
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者伟 修, 旭 冯, 周志民, 崔世界, 刚 张, 张元良, 杨小乐, 王君明, 郎庆阳 申请人:大连理工大学