電容式壓力變送器具有準(zhǔn)確高、靈敏度好、壓力值的響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但容易受溫度影響,導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。因此需對電容式壓力變送器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文提出了一種軟件補(bǔ)償方法,首先建立電容式壓力變送器與溫度的高階溫度補(bǔ)償模型,工控機(jī)利用非常小二乘回歸算法(PLSR)求出電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償系數(shù),通過HART通訊把溫度補(bǔ)償系數(shù)發(fā)送到壓力變送器中,電容式壓力變送器通過高階溫度補(bǔ)償模型就可實(shí)現(xiàn)對電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償。
概述
電容式壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但容易受溫度影響,導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。測量值和真實(shí)值存在著誤差,因此溫度補(bǔ)償問題是提高傳感器性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前電容式壓力變送器主要有兩種溫度補(bǔ)償方法:硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償方法存在調(diào)試?yán)щy、精度低、成本高、通用性差等缺點(diǎn),不利于工程實(shí)際應(yīng)用;軟件補(bǔ)償能夠克服以上缺點(diǎn),也逐漸成為研究熱點(diǎn)。
目前軟件補(bǔ)償主要有:查表法、二元插值法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、曲線曲面擬合方法等。查表法需要占用很大的內(nèi)存空間,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、訓(xùn)練時(shí)間較長等缺點(diǎn),不利于工程應(yīng)用。本文采用非常小二乘回歸算法,占用內(nèi)存少,運(yùn)算速度快,可提高電容式壓力變送器的輸出線性度和精度,提高了 電容式壓力變送器在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠性。
1、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)原理
電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示,圖1 以兩線制帶HART 通訊的壓力變送器為例。工控機(jī)通過溫度采集板卡采集放到溫控箱里溫度傳感器的溫度,并通過GPIB 總線對溫控箱進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。氣泵、增壓泵和壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供壓力,工控機(jī)通過壓力檢測系統(tǒng)檢測氣體的壓力值,并根據(jù)此壓力值調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)為電容式壓力變送器提供穩(wěn)定的壓力源。壓力變送器在溫控箱里整齊排列,電容式壓力變送器接在同一個(gè)壓力氣源上,電容式壓力變送器 的供電也連接在一起接到24V 供電電源上,HART 調(diào)制解調(diào)器串在24V 供電電路里。當(dāng)溫控箱穩(wěn)定在某一溫度下,壓力控制系統(tǒng)為電容式壓力變送器提供一個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力,工控機(jī)就可以通過HART 調(diào)制解調(diào)器讀取溫控箱內(nèi)每個(gè)電容式壓力變送器在當(dāng)前溫度和當(dāng)前壓力下的壓力值。
2 電容式壓力變送器溫度補(bǔ)償模型
通過電容式壓力變送器的特性研究和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)電容式壓力變送器的壓力值隨溫度變化滿足一定的規(guī)律,基于該規(guī)律提出了適用于電容式壓力變送器的高階溫度補(bǔ)償模型。
2.1 建立高階溫度補(bǔ)償模型
電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償模型如下:
其中:P—補(bǔ)償后壓力值,單位bar;
CP00~CP44 —壓力的溫度補(bǔ)償系數(shù);
P測— 電容式壓力變送器測量的壓力值,單位bar;
T—溫度值,單位℃;
由關(guān)系式(1)得到矩陣形式如下:
其中:
其中:CP 和PT 都是具有25 個(gè)元素的行向量;CP00 ~CP44、P 測、T 和P 的含義同式(1)。
2.2 獲取樣本數(shù)據(jù)
在電容式壓力變送器傳感器的工作溫度范圍內(nèi)(-35℃~85℃),每隔一定溫度取一個(gè)溫度點(diǎn),共m 個(gè)溫度點(diǎn),并在每一個(gè)溫度點(diǎn)下采集壓力變送器在滿量程范圍內(nèi)的n 個(gè)壓力點(diǎn)的測量壓力值,則有m*n 個(gè)測量壓力值。然后通過m 個(gè)溫度值、n 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值、m*n 個(gè)測量壓力值求解高階溫度補(bǔ)償模型的補(bǔ)償系數(shù),求出補(bǔ)償系數(shù)后,把補(bǔ)償系數(shù)寫到電容式壓力變送器的存儲單元中保存,以實(shí)現(xiàn)對電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償。根據(jù)式(2) 數(shù)據(jù),可得到m*n 個(gè)關(guān)系式:
式(5) 轉(zhuǎn)換成矩陣形式如下:
設(shè)式(6)中, 則有
2.3 利用非常小二乘回歸算法計(jì)算壓力的溫度補(bǔ)償系數(shù)。
根據(jù)式(7)工控機(jī)利用軟件MATLAB 中的函數(shù)[CPT,CPint, b, bint, state]=regress(PT, A, 0.05) 即可求出溫度補(bǔ)償系數(shù)CP。
3 溫度補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)
把量程為1bar 的擴(kuò)散硅壓力變送器放到溫控箱中,接通氣源為電容式壓力變送器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力。給壓力變送器上電,關(guān)閉恒溫箱。在硅壓力變送器的使用溫度范圍(-35℃~ 85℃)內(nèi)每隔10℃選取一個(gè)溫度點(diǎn),共有13 個(gè)溫度測試點(diǎn)(m=13)。在每個(gè)溫度點(diǎn)分別采集壓力變送器在標(biāo)準(zhǔn)壓力為0bar、0.5bar 和1bar 下的測量壓力值(n=3),得到表1 補(bǔ)償前數(shù)據(jù)。表1 中的第一行為溫度值,第二行為電容式壓力變送器在0bar 壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值,第三行為壓力變送器在0bar 時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿量程誤差。第四行為電容式壓力變送器在0.5bar 壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值,第五行為壓力變送器在0.5bar 時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿量程誤差。第六行為壓力變送器在1.0bar 壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值,第七行為電容式壓力變送器在1.0bar 時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的滿量程誤差。根據(jù)表1 數(shù)據(jù),可以得到矩陣A 和,根據(jù)式,工控機(jī)調(diào)用MATLAB 中的非常小二乘回歸算法函數(shù)regress,即可求出電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償系數(shù)CP00 ~ CP44,如表2 所示。求出溫度補(bǔ)償系數(shù)后,工控機(jī)通過HART 通訊把溫度補(bǔ)償系數(shù)傳到壓力變送器內(nèi),根據(jù)式(1)可得出此壓力變送器的溫度補(bǔ)償模型,表3 為此壓力變送器采用溫度補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)。
從表1、表3 數(shù)據(jù)可以看出,未進(jìn)行溫度補(bǔ)償前電容式壓力變送器的溫度漂移很大,在-35℃、壓力為1bar 時(shí)滿量程誤差為0.81%,而采用高階溫度補(bǔ)償模型進(jìn)行補(bǔ)償后的溫度漂移明顯減小,在-35℃~ 85℃的溫度范圍內(nèi),壓力變送器的滿量程誤差為0.07%,電容式壓力變送器補(bǔ)償后的滿量程精度比補(bǔ)償前提高了10 倍。
采用了本文介紹的電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償技術(shù),大大提高了電容式壓力變送器的輸出精度,且降低了產(chǎn)品輸出溫度漂移,產(chǎn)品在-35℃~ 85℃的溫度范圍內(nèi),溫度漂移控制在0.075% 以內(nèi)。
4 結(jié)論
采用高階溫度補(bǔ)償模型,并利用非常小二乘回歸算法求解高階溫度補(bǔ)償模型系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對電容式壓力變送器的溫度補(bǔ)償,從而改善了傳感器和電路元器件的溫度漂移,提高了電容式壓力變送器的輸出精度。在降低產(chǎn)品成本,提高產(chǎn)品測量精度和產(chǎn)品在國內(nèi)自動化儀表市場競爭力等方面起到更輝煌的佳績。