專利名稱：基于溫度場擬合方法實現(xiàn)熱電偶冷端溫度補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度檢測儀表設(shè)計領(lǐng)域，提出 一種基于溫度場擬合方法實現(xiàn)熱電偶冷端溫度 補償?shù)姆椒ā?
背景技術(shù)：
常見的熱電偶冷端補償有電橋法、冰點法以及高精度溫度傳感器補償法。相比較而言， 采用高精度溫度傳感器補償，具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點?？墒浅Ｒ?guī)方法都是一路熱電偶 測量通道使用一個溫度傳感器作補償，這樣，產(chǎn)品的成本就會隨著熱電偶測量通道的增加而 顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提出一種溫度場擬合方法實現(xiàn)熱電偶冷端溫度補償?shù)姆椒?，僅通 過三點溫度的分布變化規(guī)律，建立由這三點確定的平面上溫度分布的數(shù)學(xué)模型，并通過最小 二乘的方法處理實驗數(shù)據(jù)，求得模型的待定系數(shù)。在保證高補償精度的前提下，在具有較多 熱電偶測量通道的產(chǎn)品中，降低用于補償?shù)臏囟葌鞲衅鞯臄?shù)量，從而降低產(chǎn)品成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
建立二維平面溫度分布數(shù)學(xué)模型，自變量為已知的三點溫度，函數(shù)值是以這三點為頂點
所確定矩形平面上任一點的溫度值。對于熱電偶的冷端接線端子處于一個平面上的產(chǎn)品，只
需要測量其中三點的溫度，即可實現(xiàn)該平面上所有通道的熱電偶溫度補償。
針對大多數(shù)儀表的熱電偶接線端子的具體分布情況，建立以ABCD為頂點的矩形平 L、 T^和T^ J7
D分別為A、 B和D三點的實際測得溫度，O為矩形ABCD內(nèi)部任意一點，E和F 分別為O點在邊AD和AB上的投影。
假定在該平面上，點E在線AD上，越靠近A點，貝膽點溫度受A點的影響越大，受D點的溫 度影響越小。當(dāng)E點處于AD的中點時，受AD兩點的溫度影響權(quán)重相同。定義Lad、 Lab、 Lae和
Laf分別為AD、 AB、 AE和AF的距離，^ 、 ^^和『G分別為E、 F和0點的溫度。引入加權(quán)平均
的方法，可以得到『E:yr —丄"6A/ jt -A / jt
〖
j 1 y 丄S
』爿 丄￡" 丄O T =T —J1
將式(1)和(2)代入(4)中，則有
(1)
(2)
(3)
(4)
丄w丄 丄
d
(5)
由式(6)可知，平面ABCD內(nèi)任意一點的溫度值K都是關(guān)于O點
相對位置和:^、 G和？；的函數(shù)。即只要O點的位置確定，即等式 (6)中的系數(shù)確定，那么就可以根據(jù)三個頂點溫度求得O點的溫度。
當(dāng)O點處于線CD上時，則有丄ue二丄。rf，代入到式(5)中有
〖
丄；
當(dāng)O點位于線AB上時，則有丄 6=0,代入式(5)得:
(6)
J(3 、4
z丄。/
.人'一 7
〖
〖
(7)
令^ 二 「，則當(dāng)O點處亍線CD上時有
丄w
當(dāng)O點位于線AB上時有
(8)
.(9)
其中，系數(shù)k和O點到AD的距離有關(guān)。這樣，在一個矩形平面上，只需要已知三個頂點的 溫度值，就可以通過該數(shù)學(xué)模型，求得平面上任何一點的溫度值。
本發(fā)明基于最小二乘原理，擬合熱電偶的冷端溫度分布情況，達(dá)到使用三路PT100補償裝置實現(xiàn)八路熱電偶的補償?shù)男Чa償精度為士rc，成本比常規(guī)PTioo補償方案節(jié)約成本達(dá)
62.5%。


圖l是二維平面上溫度分布圖。 圖2是儀表的熱電偶通道冷端溫度分布圖。
圖3是儀表模具型號ME MAX453-3 KMGY，品牌菲尼克斯，熱電偶接線端子正視圖。
圖4是儀表排布圖，溫度場測試設(shè)備(DUT)在右側(cè)，影響DUT內(nèi)部溫度常分布的其它設(shè)備 (OTHER DEVICE)位于左側(cè)。
圖5是儀表排布圖，溫度場測試設(shè)備(DUT)在左側(cè)，影響DUT內(nèi)部溫度常分布的其它設(shè)備 (OTHER DEVICE)位于右側(cè)。
圖6是儀表排布圖，溫度場測試設(shè)備(DUT)位于兩側(cè)，影響DUT內(nèi)部溫度常分布的其它設(shè) 備(OTHER DEVICE)位于中間。
具體實施例方式
根據(jù)技術(shù)方案里的方法，選取具有八個熱電偶信號輸入的儀表來驗證該方法。其八路模 擬量輸入通道AI(TAI7，如圖2和圖3所示，取其中的0A/0B、 4A/4B和7A/7B實際冷端溫度點， 使用PT100傳感器測量三點溫度，根據(jù)圖7和圖8的示例，將溫度補償傳感器貼放到端子上。 在實際使用中，影響到各通道溫度分布的因素可分為三種，從儀表的安裝位置上來講，分為 位于其它設(shè)備的左側(cè)，右側(cè)和中間，如圖4、圖5和圖6所示；從環(huán)境溫度上來講，為16'C 40°C;從空氣流動的角度來講，分為有外部風(fēng)扇，空氣流動良好，和無風(fēng)扇，空氣流動較 差的場合。將待測儀表DUT分別置于三種條件下，連接熱電偶，并將熱電偶的熱端置于室溫 環(huán)境中，記錄測得的冷端溫度值T皿b 7^17。再令由數(shù)學(xué)模型得到的冷端溫度擬合值為
，則有<formula>formula see original document page 5</formula>那么需要確定等式(10) (14)中的待定系數(shù)，該系數(shù)的選取要綜合儀表使用過程中的具 體工作條件，因此，系數(shù)Kj的確定必須要兼顧上面的三個影響因素。即確定系數(shù)K，使得在
上面三種外部條件下，擬合值與實際值偏差平方和S(7^》—7^)最小。將在不同外部條件 下測得的數(shù)據(jù)匯總，使用EXCEL中線性回歸函數(shù)LINEST，擬合得到通道r通道6的系數(shù)，如表 l所示。并且根據(jù)附加回歸統(tǒng)計值評估擬合效果。 表l、系數(shù)K擬合結(jié)果
通道系數(shù)Kselr2ssregssresid
1-0.104200.004140.95444142.513636.80324
2-0. 321380.006010.97870658.9675714.34296
3-0.420940.004100.99180804.797766.65485
5-0.119130.003160.97912186.283803.97322
60.202690.005250.97604444.7796310.91984
其中K為得到的系數(shù)，sel為K的標(biāo)準(zhǔn)方差，r2為判定系數(shù)，ssresid表示殘差平方和，為 實際值和擬合值的平方和。sstotal為總平方和，實際值和平均值的平方差之和。ssreg為回 歸平方和，ssreg二sstotal牠sresid， r2=ssreg/sstotal，可見判定系數(shù)r2越接近l，則表示 擬合效果越好。
則該系數(shù)代入等式(10) (14)中可得
7^=7^-0.104196'(7^7-U
^2=乙。-0.321384.(7^-乙4)
77 二71 -0 42094.(T —77 )
^5=^4-0.119127'(7^7-2^6 =&/4+0.202694 (^7-7^4)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
最后，將該數(shù)學(xué)模型通過寫成代碼的形式，嵌入到熱電偶溫度測量產(chǎn)品的程序中，即可 實現(xiàn)僅用三個補償點完成多路熱電偶冷端溫度補償問題。
為驗證補償精度，按照該補償方法重新編寫儀表的驅(qū)動程序，調(diào)試完畢后，將八路熱電 偶信號接入采集通道，熱端插入恒溫槽內(nèi)，再將儀表置于不同的環(huán)境下，讀取熱電偶測得的 溫度值，即可驗證補償精度。實際測試，該方法的補償精度為士rc。
權(quán)利要求
1.一種基于溫度場擬合方法實現(xiàn)熱電偶冷端溫度補償，其特征在于對測量熱電偶信號的接線端子分布，建立以ABCD為頂點的矩形平面，令TA、TB和TD分別為A、B和D三點的實際測得溫度，O為矩形ABCD內(nèi)部任意一點，E和F分別為O點在邊AD和AB上的投影，點E在線AD上；定義Lad、Lab、Lae和Laf分別為AD、AB、AE和AF的距離，TE、TF和TO分別為E、F和O點的溫度；<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>E</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>ad</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>ae</mi></msub> </mrow> <msub><mi>L</mi><mi>ad</mi> </msub></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mi>ae</mi> </msub> <msub><mi>L</mi><mi>ad</mi> </msub></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>D</mi></msub> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>F</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>ab</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>af</mi></msub> </mrow> <msub><mi>L</mi><mi>ab</mi> </msub></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mi>af</mi> </msub> <msub><mi>L</mi><mi>ab</mi> </msub></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow>]]></math></maths>TA-TE＝TF-TO<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>O</mi></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>L</mi> <mi>af</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>ab</mi></msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>L</mi> <mi>ae</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>ad</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mi>af</mi> </msub> <msub><mi>L</mi><mi>ab</mi> </msub></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>L</mi><mi>ae</mi> </msub> <msub><mi>L</mi><mi>ad</mi> </msub></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>D</mi></msub> </mrow>]]></math></maths>O點的位置確定后根據(jù)三個頂點溫度求得O點的溫度。
全文摘要
本發(fā)明提出一種溫度場擬合方法實現(xiàn)熱電偶冷端溫度補償?shù)姆椒?，僅通過三點溫度的分布變化規(guī)律，建立由這三點確定的平面上溫度分布的數(shù)學(xué)模型，自變量為已知的三點溫度，函數(shù)值是以這三點為頂點所確定矩形平面上任一點的溫度值。并通過最小二乘的方法處理實驗數(shù)據(jù)，求得模型的待定系數(shù)。只需要測量其中三點的溫度，即可實現(xiàn)該平面上所有通道的熱電偶溫度補償。
文檔編號G01K7/12GK101603863SQ20091030449
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者仲崇權(quán), 鶴 王, 王占猛, 袁曉峰 申請人:大連理工計算機控制工程有限公司