熱電偶和熱電阻溫度變送器是工業(yè)上常用的溫度測量設(shè)備，對其在通用性、精確度和成本方面的研究和改進(jìn)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文所依托的硬件采用通用型的數(shù)據(jù)接口，基于熱電偶和熱電阻溫度傳感器相應(yīng)的轉(zhuǎn)化為電勢/電阻和溫度之間的非線性關(guān)系的物理特性，采用通用型的數(shù)據(jù)接口有利于產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和降低成本。此次算法優(yōu)化是考慮到儀表智能化趨勢，利用牛頓迭代法和Horner算法等提高測量精度，同時降低空間復(fù)雜度，節(jié)約存儲空間。本文通過函數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)熱電偶、銅電阻和鉑電阻的高精度測量，程序中涉及的系統(tǒng)常量存儲于智能溫度變送器RAM中，具有很高的可移植性。
1、軟件流程方案
本文方案基于C語言，并且在軟件設(shè)計(jì)上盡量減少其與硬件的關(guān)聯(lián)性，增強(qiáng)可移植性，有利于此類算法的推廣應(yīng)用。在程序執(zhí)行中，處理傳感器采集的數(shù)據(jù)需要調(diào)用大量的常量數(shù)據(jù)，以數(shù)組的形式存儲,是實(shí)現(xiàn)高精度非線性擬合所必不可少的。
此次智能溫度變送器設(shè)計(jì)相對于溫度傳感器來說通用型的，首先要在接受到傳感器溫度轉(zhuǎn)換請求之后辨別其類型，然后才能根據(jù)其型號進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的處理。若傳感器類型為熱電阻，則轉(zhuǎn)入根據(jù)電阻與溫度之間的非線性關(guān)系求溫度的程序中，此時利用牛頓迭代法對非線性曲線進(jìn)行分段擬合，進(jìn)而處理采集數(shù)據(jù)求出溫度值并顯示；如傳感器類型為熱電偶，則一般要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，冷端電阻根據(jù)溫度反求補(bǔ)償電動勢?；诶涠藴囟认鄬Ψ€(wěn)定和環(huán)境的可控性，根據(jù)熱電阻所反求的補(bǔ)償電動勢精度在允許范圍內(nèi)。冷端溫度測定傳感器程序調(diào)用軟件中固有的熱電阻測溫子程序，降低了通用型溫度變送器的程序復(fù)雜度。
2、熱電阻傳感器算法
本文以銅電阻和鉑電阻為例進(jìn)行分析，如若電阻型號不一致，只需重新載入?yún)?shù)和電阻分度號，其算法是一致的。首先通過strcmp()函數(shù)確定電阻分度號，示例如下：
Strcmp(category,″pt10″)==0；//category[]是電阻類型數(shù)組。
確定熱電阻傳感器類型之后,根據(jù)不同的溫度區(qū)間賦予數(shù)組para[]不同的數(shù)組參數(shù)并確定其數(shù)組長度。
牛頓迭代法是最常用的將非線性方程線性化求解的方法之一。在非線性化的擬合中,用牛頓迭代法在算法設(shè)計(jì)中對熱電阻分段經(jīng)驗(yàn)方程即非線性方程f(t)=0進(jìn)行求解，算式為t1=t0-[f(t0)/f′(t0)]。若滿足|t1-t0|＜X，則輸出滿足精度X的根t1;否則將t1賦值給t0，繼續(xù)迭代計(jì)算t1，直到滿足要求的解t1為止。但是考慮到空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度，一般應(yīng)用中不會超過兩次迭代。
程序設(shè)計(jì)中利用傳感器熱電阻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和分段經(jīng)驗(yàn)方程作為算法應(yīng)用的基礎(chǔ)。算法時間復(fù)雜度為(3n)，n為迭代次數(shù)。算法中程序的空間復(fù)雜度為30Byte。
3、熱電偶冷端補(bǔ)償算法
熱電偶測溫需要冷端補(bǔ)償，因?yàn)閷犭娕祭涠吮３?℃附近缺乏實(shí)際的可操作性。本算法設(shè)計(jì)通過熱電阻測溫法確定冷端溫度，然后根據(jù)其非線性特性反求出熱電偶補(bǔ)償電勢。熱電偶冷端補(bǔ)償電動勢由獨(dú)立子程序來求，參數(shù)為冷端溫度值和冷端電阻類型，冷端溫度值由以上所述的熱電阻傳感器求溫程序得到，冷端電阻類型為預(yù)先設(shè)定的函數(shù)常量。被測冷端溫度設(shè)定在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的取值范圍為-50～100℃，完全符合現(xiàn)實(shí)情況并留出了足夠的余量。
Horner算法是計(jì)算多項(xiàng)式函數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化算法，程序設(shè)計(jì)中由冷端溫度值推算出冷端補(bǔ)償電勢的過程中，使用Horner規(guī)則節(jié)省多項(xiàng)式的計(jì)算量。
4、熱電偶傳感器綜合算法
熱電偶類型傳感器測溫首先應(yīng)根據(jù)冷端溫度和智能溫度變送器所需要的測量精度來確定是否需要冷端電勢補(bǔ)償。若得到需要補(bǔ)償?shù)膮?shù)確認(rèn)，則調(diào)用冷端補(bǔ)償程序以冷端溫度值和熱電偶分度號為參數(shù)反求補(bǔ)償電動勢，聯(lián)合熱電偶電動勢參數(shù)獲得補(bǔ)償后的電動勢，否則可直接調(diào)用熱電偶電動勢作為形參導(dǎo)入。系統(tǒng)工作順序流程如圖1所示。
圖1 熱電偶傳感器系統(tǒng)流程圖
由于熱電偶傳感器根據(jù)分度號的不同，其熱電勢和溫度間的非線性曲線有相當(dāng)大的差異，所以對不同分度號的熱電偶傳感器要分別進(jìn)行非線性擬合，其線性化算法是一致的。在函數(shù)文件中應(yīng)導(dǎo)入大量的數(shù)據(jù)常量，可以在頭文件中進(jìn)行聲明，相應(yīng)地,對其每種分度號的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)公式也是程序算法運(yùn)算的基礎(chǔ)，必須清晰而準(zhǔn)確?；谀骋环N特定的分度號熱電偶傳感器非線性化特性的不同特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確擬合,需要根據(jù)精確度的要求進(jìn)行分段線性化，以達(dá)到本設(shè)計(jì)所期望的精確度和時間空間復(fù)雜度。熱電偶測溫總調(diào)用程序示例如下：
If(compensate==1)
{
Ctemp=resistanceTemp(ccategory,rcvalue)；
Cpotential=coldCompensate(ctemp,ccatego-ry)；
Value+=cpotential；
}
Temp=(float)couple2Temp(category,value)；
Returntemp;
算法亦采用Horner規(guī)則節(jié)省多項(xiàng)式運(yùn)算的計(jì)算量，時間復(fù)雜度為O(n)，其中n為系數(shù)的長度。系統(tǒng)基于以上算法同時節(jié)省了存儲空間，在空間復(fù)雜度上系統(tǒng)所占用的空間統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1 空間統(tǒng)計(jì)
|
輸入信號類型 |
系數(shù)個數(shù) |
占用空間/Byte |
|
R |
11+10+6+5=32 |
256 |
|
S |
10+10+6+5=31 |
248 |
|
B |
9+9=18 |
144 |
|
J |
9+8+6=23 |
184 |
|
T |
8+7=15 |
120 |
|
E |
9+10=19 |
152 |
|
K |
9+10+7=26 |
208 |
|
N |
10+8+6=24 |
192 |
|
合計(jì) |
188 |
1504 |
5、結(jié)束語
本文智能溫度變送器方案兼容熱電偶和熱電阻兩種傳感器，顯著提高了其通用性和可移植性。在算法優(yōu)化設(shè)計(jì)中使用了牛頓迭代法和Horner算法等被廣泛應(yīng)用的算法技巧，在原有條件下提高了測量精度并降低其時間/空間復(fù)雜度。文件函數(shù)包包含兩個文件con-vert2Temp.h和convert2Temp.c文件。Con-vert2Temp.h文件為頭文件，聲明了實(shí)現(xiàn)高精度溫度測量的常量和所需要的子函數(shù)。Convert2Temp.c文件為C語言的源代碼文件,包含了在Covert2Temp.h中聲明的所有函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。本算法實(shí)現(xiàn)只是一種途徑，重點(diǎn)在于對算法的不斷改進(jìn)以及通用性和可移植性不斷探索。
在實(shí)際的智能溫度變送器中，誤差不僅僅來源于數(shù)據(jù)處理線性化擬合所帶來的誤差，接線阻值的影響、電源電壓的影響、電子元器件噪聲的影響等各種誤差因素疊加在一起，綜合表現(xiàn)為系統(tǒng)測量誤差。所以,在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，考慮成本及穩(wěn)定性、反應(yīng)時間等，以把數(shù)據(jù)處理的線性化誤差降到對系統(tǒng)整體誤差而言可以忽略的程度為最終標(biāo)準(zhǔn)。
《智能溫度變送器信號處理軟件算法與軟件設(shè)計(jì)》作者上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 歐陽玉東，男，碩士研究生，研究方向：智能儀表
