CN109540340A - 一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法，包括，铂电阻温度传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯测试水温，得到水温标准值，采集并处理温度传感器信号得到水温测量值；根据水温标准值和水温测量值建立温度校准模型，对传感器测量的水温值进行校准；陶瓷压力传感器校准步骤：采用校准后的温度传感器测量在恒温水槽内设置的阶梯温漂测试水温值；在每个水温下，依次输入阶梯水压，得到压力传感器输出电压值；根据所述水温、输入水压以及电压值，建立压力的温漂校准模型，对压力传感器测量的水压值进行校准。本发明解决温度传感器和压力传感器的测温、测压误差问题，提高了温度传感器和压力传感器的测量精度。

Description

一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法。

背景技术

液体内部温度与压力，是反映液体介质自身状态的重要物理量。在各型工业管道内部，传统上利用位于各节点位置的温度传感器与压力传感器设备，对管道内所输送液体介质的状态进行监测。温度测量方面，常用铂电阻温度传感器(简称PRTDs)作为敏感芯体探入液体介质内部。根据Callendar-Van Dusen公式，铂电阻实时阻值与液体温度直接相关；压力测量方面，敏感芯体可采用陶瓷压力传感器，将表面膜片受到的介质压力转换为电压信号输出。

铂电阻温度传感器会受到计算模型参数的影响而导致所测温度精度不高，陶瓷压力传感器同时受到温度、压力的影响导致所测压力会有所偏移，产生温漂；所以，实际使用的温度传感器和压力传感器均需要后期进行校准，才能够达到所需要的测量精度。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法，通过对温度、压力传感器的联合校准，提高温度、压力传感器的监测精度。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法，包括，

铂电阻温度传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯测试水温，得到水温标准值；在每个标准水温下，采集并处理温度传感器信号，得到水温测量值；根据水温标准值和水温测量值建立温度校准模型，对传感器测量的水温值进行校准；

陶瓷压力传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯温漂测试水温，采用校准后的所述温度传感器测量水温值；在每个测试水温下，依次输入阶梯水压，采集并处理压力传感器信号，得到压力传感器输出电压值；根据所述水温、输入水压以及电压值，建立压力的温漂校准模型，对压力传感器测量的水压值进行校准。

进一步地，所述温度传感器校准步骤，包括，

步骤S101、在恒温水槽内设置阶梯测试水温，并得到测试水温标准值T_标＝[T_标1，T_标2，···，T_标n]；n为阶梯测试水温的台阶数；

步骤S102、在每个测试水温下，多次采集温度传感器信号，经过滤波、信号转换后，得到水温测量值T＝[T₁,T₂,···,T_n]；

步骤S103、根据得到的水温测量值T和对应的标准温度值T_标，建立温度校准模型，计算模型参数；

步骤S104、采用所述温度校准模型对铂电阻温度传感器测量的温度值进行校准。

进一步地，所述步骤S102具体包括：

1)从阶梯水温起始温度开始，根据设置的采样间隔时间ΔT和采集次数N；使用温度传感器进行温度信号采集，所述数据依次为x₀,x₁,···,x_N-1；

2)对N次采集的结果进行数据滤波，得到滤波结果

3)按照以上步骤进行重复进行M次数据采集和数据滤波得到M次数据滤波结果

4)对M次数据滤波结果取平均值

5)将采样数据进行信号转换，得到水温测量值T₁；

6)从起始温度开始，按照水温阶梯依次进行如上温度采集，直至终止温度，得到n个温度采样值T＝[T₁,T₂,···,T_n]。

进一步地，所述温度校准模型为T为铂电阻温度传感器测量的温度值，为校准曲线参数估计值；根据所述水温测量值T和对应的标准温度值T_标，采用一元线性回归算法，估计参数

进一步地，所述压力传感器校准步骤包括：

步骤S201、在恒温水槽内设置阶梯温漂测试水温，采用校准后的温度传感器测量水温值[T₁,T₂,···,T_i,···,T_m]；m为阶梯温漂测试水温的台阶数；

步骤S202、在m个温漂测试水温下，按照设置的阶梯水压分别输入压力P_i＝[P_i1,P_i2,···,P_ij,···,P_in]采集压力传感器信号，通过信号转换，得到传感器输出电压值U_i(P_i,T_i)＝[U_i1,U_i2,···,U_ij,···,U_in],i＝1,···,m，j＝1,···,n；

步骤S203、根据所述水温值T_i，输入水压值P_i和传感器输出电压值U_i(P_i,T_i)，建立压力校准模型，计算模型参数；

步骤S204、采用所述压力校准模型对陶瓷压力传感器测量的水压值进行校准。

进一步地，所述步骤S202中压力传感器数据采集并处理过程包括：

1)在温漂测试水温的起始温度下，初始从阶梯水压的初始值0MPa开始，设置采样间隔时间ΔT，采集次数N；使用温度传感器进行温度信号采集，数据依次为y₀,y₁,···,y_N-1；

2)对N次采集的结果进行数据滤波，得到滤波结果

3)按照以上步骤进行重复进行M次数据采集和数据滤波得到M次数据滤波结果

4)对M次数据滤波结果取平均值

5)将采样数据进行信号转换，得到电压测量值U₁₁；

6)按照阶梯压力依次提高水压，依次进行如上电压测量值采集，直至阶梯水压的终止值，得到n个电压采样值U₁₁,U₁₂,···,U_1n；；

7)按照水温阶梯依次提高水温，依次进行如上电压测量值采集，直至温漂测试水温的终止温度，得到U_i(P_i,T_i)＝[U_i1,U_i2,···,U_in]，i＝1,···,m。

进一步地，建立的所述U_i(P_i,T_i)与P_i的数学模型为

U_i(P_i,T_i)＝α(T_i)+β(T_i)P_i+ε(T_i)；式中，α(T_i)、β(T_i)为温漂系数；ε(T_i)为测量误差；采用最小二乘法进行数据拟合，求得每一个测试水温T_i下的温漂系数

进一步地，对所述温漂系数α(T_i)、β(T_i)构造非线性数学模型：

式中，p≤m-1,q≤m-1，ε_α为零点温度漂移系数量测误差，ε_β为灵敏度温度漂移系数量测误差；

所述模型采用p阶、q阶最小二乘法进行数据拟合，得到温漂系数曲线的拟合系数

进一步地，采用三阶最小二乘法对所述温漂系数α(T_i)、β(T_i)的非线性数学模型进行数据拟合，得到温漂系数曲线的拟合系数以所述拟合系数建立的压力校准模型为U为压力传感器输出的电压值，T为校准后的铂电阻温度传感器测量的温度值。

进一步地，所述温度传感器和压力传感器信号处理过程中的采用的数据滤波方法为中值平均滤波算法。

本发明有益效果如下：

本发明通过对温度传感器和压力传感器进行联合校准，消除温度传感器由于计算模型参数影响测温精度的问题，解决了压力传感器由于温漂产生的测压误差问题，提高了温度传感器和压力传感器的测量精度；并且，得到的温度校准模型和压力校准模型结构简单，便于实际测量中使用。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中铂电阻温度传感器校准方法流程图；

图2为本发明实施例中陶瓷压力传感器校准方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法，其中，液体温度监测传感器为铂电阻温度传感器；液体压力监测传感器为陶瓷压力传感器；

如图1所示，校准方法包括如下步骤：

铂电阻温度传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯测试水温，得到水温标准值；在每个标准水温下，采集并处理温度传感器信号，得到水温测量值；根据水温标准值和水温测量值建立温度校准模型，对传感器测量的水温值进行校准；

陶瓷压力传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯温漂测试水温，采用校准后的温度传感器测量水温值；在每个测试水温下，依次输入阶梯水压，采集并处理压力传感器信号，得到压力传感器输出电压值；根据所述水温、水压以及电压值，建立压力的温漂校准模型，对压力传感器测量的水压值进行校准。

具体的，如图1所示，温度传感器校准步骤，包括，

步骤S101、在恒温水槽内设置阶梯测试水温，并得到测试水温标准值T_标＝[T_标1，T_标2，···，T_标n]；n为阶梯测试水温的台阶数；

阶梯水温的水温阶梯为ΔD，

例如起始温度为0℃，终止温度为100℃，水温阶梯为5℃；

采用高精度温度测量仪，在恒温水槽内度稳定后，测试水温，读取标准温度值T_标＝[T_标1，T_标2，···，T_标n]；

步骤S102、在每个测试水温下，多次采集温度传感器信号，经过滤波、信号转换后，得到水温测量值T＝[T₁,T₂,···,T_n]；

具体步骤包括：

1)从阶梯水温起始温度0℃开始，设置采样间隔时间ΔT，采集次数N；使用温度传感器进行温度信号采集，数据依次为x₀,x₁,···,x_N-1；

例如，采样间隔时间ΔT＝25ms，采集次数N＝20。

2)对N次采集的数据进行滤波；

可选的，采用中值平均滤波算法进行滤波；

例如，当N＝20时，首先20次数据先排序，去掉5个最大值和5个最小值，剩下的10个数取平均，得到平均数即为滤波结果。

3)按照以上步骤进行重复进行M次数据采集和数据滤波得到M次数据滤波结果

4)对M次数据滤波结果取平均值

5)将采样数据进行信号转换，得到水温测量值T₁；

具体的，首先根据公式式中，R为铂电阻温度传感器输出的电阻值，R_ref为铂电阻温度传感器的参考电阻值；将采样数据转换为对应的电阻值R₁；

其次，通过公式将电阻值R₁转换为对应的温度值T₁；式中，根据DIN EN60751(2009-05)标准，

A＝3.9083×10^-3℃^-1；B＝-5.7750×10^-7℃^-2；C＝-4.1830×10^-12℃^-4；

R₀＝100Ωfor PT100或R₀＝1000Ωfor PT1000。

6)从起始温度开始，按照水温阶梯ΔD依次进行如上温度采集，直至终止温度，得到n个温度采样值T＝[T₁,T₂,···,T_n]；

步骤S103、根据得到的水温测量值T和对应的标准温度值T_标，建立温度校准模型，计算模型参数；

具体的，由于得到的水温测量值T和对应的标准温度值T_标呈线性关系，即T_标＝α+β*T+ε；α、β为校准参数，ε为测量误差；

本实施例采用最小二乘法进行参数估计，估计校准曲线参数

拟合公式为

根据校准曲线参数忽略测量误差的影响，建立温度校准模型T为铂电阻温度传感器测量的温度值。

步骤S104、根据建立的校准模型对铂电阻温度传感器测量的温度值T进行校准，得到准确的温度值。

具体的，如图2所示，压力传感器校准步骤包括

步骤S201、在恒温水槽内设置阶梯温漂测试水温，采用校准后的温度传感器测量水温值[T₁,T₂,···,T_i,···,T_m]；m为阶梯温漂测试水温的台阶数；

例如温漂测试水温的起始温度为0℃，终止温度为100℃，水温阶梯为20℃；

步骤S202、在m个温漂测试水温下，按照设置的阶梯水压分别输入压力P_i＝[P_i1,P_i2,···,P_ij,···,P_in]，i＝1,···,m，采集压力传感器信号，通过信号转换，得到传感器输出电压值U_i(P_i,T_i)＝[U_i1,U_i2,···,U_in],i＝1,···,m；

其中，在每个温漂测试水温下，阶梯水压的初始值为P₀，阶梯压力为ΔP，阶梯水压的终止值为P_n，阶梯压力的台阶数

例如，阶梯水压的初始值为P₀＝0MPa，阶梯压力为ΔP＝0.1MPa，阶梯水压的终止值为P_n＝2MPa。

具体压力测量过程包括：

1)在温漂测试水温的起始温度下，初始从阶梯水压的初始值0MPa开始，设置采样间隔时间ΔT，采集次数N；使用压力传感器进行压力信号采集，数据依次为y₀,y₁,···,y_N-1；

例如，采样间隔时间ΔT＝25ms，采集次数N＝20。

2)对N次采集的数据进行滤波；

可选的，采用中值平均滤波算法进行滤波；

例如，当N＝20时，首先20次数据先排序，去掉5个最大值和5个最小值，剩下的10个数取平均，得到平均数即为滤波结果。

3)按照以上步骤进行重复进行M次数据采集和数据滤波得到M次数据滤波结果

4)对M次数据滤波结果取平均值

5)将采样数据进行信号转换，得到电压测量值U₁₁；

具体的，根据公式将采样数据代入其中的y，转换为对应的电压值，记为U₁₁；式中，U为陶瓷压力传感器输出的电压值，V_ref为陶瓷压力传感器的参考电压值。

6)按照阶梯压力ΔP依次提高水压，依次进行如上电压测量值采集，直至阶梯水压的终止值，得到n个电压采样值U₁₁,U₁₂,···,U_1n；；

7)按照水温阶梯依次提高水温，依次进行如上电压测量值采集，直至温漂测试水温的终止温度，得到m组U_i＝[U_i1,U_i2,···,U_ij,···,U_in]，i＝1,···,m，j＝1,···,n。

步骤S203、根据所述水温值T_i，输入水压值P_i和传感器输出电压值U_i(P_i,T_i)，建立压力校准模型，计算模型参数；

由于在恒温下，陶瓷压力传感器输出的电压值与水压呈线性关系；数学模型为U_i(P_i,T_i)＝α(T_i)+β(T_i)P_i+ε(T_i)；式中，

U_i(P_i,T_i)＝[U_i1,U_i2,···,U_ij,···,U_in]，P_i＝[P_i1,P_i2,···,P_ij,···,P_in]，i＝1,···,m，j＝1,···,n；；α(T_i)、β(T_i)为温漂系数；ε(T_i)为测量误差。

由于U_i(P_i,T_i)与P_i呈线性关系，采用最小二乘法进行数据拟合，求得每一个测试水温下的温漂系数

拟合公式为

由于在恒压下，陶瓷压力传感器输出的电压值与温度程非线性关系；于是，温漂系数构造如下数学模型：

式中，p≤m-1,q≤m-1，ε_α为零点温度漂移系数量测误差，ε_β为灵敏度温度漂移系数量测误差；

具体的，本实施例对上述模型采用三阶最小二乘法进行数据拟合，得到温漂系数曲线的拟合系数

根据拟合系数确定温漂系数在将温漂系数导入陶瓷压力传感器输出的电压值与水压呈线性关系模型，忽略ε(T_i)的影响，得到压力校准模型U为陶瓷压力传感器测量输出的电压值，T为校准后的铂电阻温度传感器测量的温度值。

步骤S204、采用所述压力校准模型对陶瓷压力传感器测量的水压值进行校准。

本实施例的压力校准模型为将陶瓷压力传感器测量输出的电压值U，校准后的铂电阻温度传感器测量的温度值T，上一步骤得到的温漂系数曲线的拟合系数带入建立的压力校准模型，对陶瓷压力传感器的测量值进行校准得到P_校正，消除温漂带来的影响。

在陶瓷压力传感器的校准过程中，采用校准后的温度传感器测量的水温值建立校准模型，在使用过程中，同样采用校准后的温度传感器测量的水温值对陶瓷压力传感器的测量值进行校准，由于数据同源，相比于其他测温手段，在校准过程中，采用校准后的温度传感器测量的水温值建立校准模型，模型的测量精度更高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道内液体温度、压力监测传感器的校准方法，其特征在于，包括，

铂电阻温度传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯测试水温，得到水温标准值；在每个标准水温下，采集并处理温度传感器信号，得到水温测量值；根据水温标准值和水温测量值建立温度校准模型，对传感器测量的水温值进行校准；

陶瓷压力传感器校准步骤：在恒温水槽内设置阶梯温漂测试水温，采用校准后的所述温度传感器测量水温值；在每个测试水温下，依次输入阶梯水压，采集并处理压力传感器信号，得到压力传感器输出电压值；根据所述水温、输入水压以及电压值，建立压力的温漂校准模型，对压力传感器测量的水压值进行校准。

2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述温度传感器校准步骤，包括，

步骤S101、在恒温水槽内设置阶梯测试水温，并得到测试水温标准值T_标＝[T_标1，T_标2，…，T_标n]；n为阶梯测试水温的台阶数；

步骤S102、在每个测试水温下，多次采集温度传感器信号，经过滤波、信号转换后，得到水温测量值T＝[T₁,T₂,…,T_n]；

步骤S103、根据得到的水温测量值T和对应的标准温度值T_标，建立温度校准模型，计算模型参数；

步骤S104、采用所述温度校准模型对铂电阻温度传感器测量的温度值进行校准。

3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：

1)从阶梯水温起始温度开始，根据设置的采样间隔时间ΔT和采集次数N；使用温度传感器进行温度信号采集，所述数据依次为x₀,x₁,…,x_N-1；

2)对N次采集的结果进行数据滤波，得到滤波结果

3)按照以上步骤进行重复进行M次数据采集和数据滤波得到M次数据滤波结果

4)对M次数据滤波结果取平均值

5)将采样数据进行信号转换，得到水温测量值T₁；

6)从起始温度开始，按照水温阶梯依次进行如上温度采集，直至终止温度，得到n个温度采样值T＝[T₁,T₂,…,T_n]。

4.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，所述温度校准模型为T为铂电阻温度传感器测量的温度值，为校准曲线参数估计值；根据所述水温测量值T和对应的标准温度值T_标，采用一元线性回归算法，估计参数

5.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述压力传感器校准步骤包括：

步骤S201、在恒温水槽内设置阶梯温漂测试水温，采用校准后的温度传感器测量水温值[T₁,T₂,…,T_i,…,T_m]；m为阶梯温漂测试水温的台阶数；

步骤S202、在m个温漂测试水温下，按照设置的阶梯水压分别输入压力P_i＝[P_i1,P_i2,…,P_ij,…,P_in]采集压力传感器信号，通过信号转换，得到传感器输出电压值U_i(P_i,T_i)＝[U_i1,U_i2,…,U_ij,…,U_in],i＝1,…,m，j＝1,…,n；

步骤S203、根据所述水温值T_i，输入水压值P_i和传感器输出电压值U_i(P_i,T_i)，建立压力校准模型，计算模型参数；

步骤S204、采用所述压力校准模型对陶瓷压力传感器测量的水压值进行校准。

6.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于，所述步骤S202中压力传感器数据采集并处理过程包括：

1)在温漂测试水温的起始温度下，初始从阶梯水压的初始值0MPa开始，设置采样间隔时间ΔT，采集次数N；使用温度传感器进行温度信号采集，数据依次为y₀,y₁,…,y_N-1；

2)对N次采集的结果进行数据滤波，得到滤波结果

3)按照以上步骤进行重复进行M次数据采集和数据滤波得到M次数据滤波结果

4)对M次数据滤波结果取平均值

5)将采样数据进行信号转换，得到电压测量值U₁₁；

6)按照阶梯压力依次提高水压，依次进行如上电压测量值采集，直至阶梯水压的终止值，得到n个电压采样值U₁₁,U₁₂,…,U_1n；；

7)按照水温阶梯依次提高水温，依次进行如上电压测量值采集，直至温漂测试水温的终止温度，得到U_i(P_i,T_i)＝[U_i1,U_i2,…,U_in]，i＝1,…,m。

7.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于，

建立的所述U_i(P_i,T_i)与P_i的数学模型为U_i(P_i,T_i)＝α(T_i)+β(T_i)P_i+ε(T_i)；式中，α(T_i)、β(T_i)为温漂系数；ε(T_i)为测量误差；采用最小二乘法进行数据拟合，求得每一个测试水温T_i下的温漂系数

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于，对所述温漂系数α(T_i)、β(T_i)构造非线性数学模型：

式中，p≤m-1,q≤m-1，ε_α为零点温度漂移系数量测误差，ε_β为灵敏度温度漂移系数量测误差；

所述模型采用p阶、q阶最小二乘法进行数据拟合，得到温漂系数曲线的拟合系数i＝0,1,…,p；j＝0,1,…,q。

9.根据权利要求8所述的校准方法，其特征在于，

采用三阶最小二乘法对所述温漂系数α(T_i)、β(T_i)的非线性数学模型进行数据拟合，得到温漂系数曲线的拟合系数k＝0,1,2,3；以所述拟合系数建立的压力校准模型为U为压力传感器输出的电压值，T为校准后的铂电阻温度传感器测量的温度值。

10.根据权利要求1-9所述的校准方法，其特征在于，所述温度传感器和压力传感器信号处理过程中的采用的数据滤波方法为中值平均滤波算法。