熱電偶和熱電阻溫度變送器是工業上常用的溫度測量設備，對其在通用性、精確度和成本方面的研究和改進具有很大的現實意義。本文所依托的硬件采用通用型的數據接口，基于熱電偶和熱電阻溫度傳感器相應的轉化為電勢/電阻和溫度之間的非線性關系的物理特性，采用通用型的數據接口有利于產業標準化和降低成本。此次算法優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，同時降低空間復雜度，節約存儲空間。本文通過函數計算實現熱電偶、銅電阻和鉑電阻的高精度測量，程序中涉及的系統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，并且在軟件設計上盡量減少其與硬件的關聯性，增強可移植性，有利于此類算法的推廣應用。在程序執行中，處理傳感器采集的數據需要調用大量的常量數據，以數組的形式存儲,是實現高精度非線性擬合所必不可少的。
此次智能溫度變送器設計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換請求之后辨別其類型，然后才能根據其型號進行數據信號的處理。若傳感器類型為熱電阻，則轉入根據電阻與溫度之間的非線性關系求溫度的程序中，此時利用牛頓迭代法對非線性曲線進行分段擬合，進而處理采集數據求出溫度值并顯示；如傳感器類型為熱電偶，則一般要進行冷端溫度補償，冷端電阻根據溫度反求補償電動勢?；诶涠藴囟认鄬Ψ€定和環境的可控性，根據熱電阻所反求的補償電動勢精度在允許范圍內。冷端溫度測定傳感器程序調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雜度。
2、熱電阻傳感器算法
本文以銅電阻和鉑電阻為例進行分析，如若電阻型號不一致，只需重新載入參數和電阻分度號，其算法是一致的。首先通過strcmp()函數確定電阻分度號，示例如下：
Strcmp(category,″pt10″)==0；//category[]是電阻類型數組。
確定熱電阻傳感器類型之后,根據不同的溫度區間賦予數組para[]不同的數組參數并確定其數組長度。
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計中對熱電阻分段經驗方程即非線性方程f(t)=0進行求解，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，繼續迭代計算t1，直到滿足要求的解t1為止。但是考慮到空間復雜度和時間復雜度，一般應用中不會超過兩次迭代。
程序設計中利用傳感器熱電阻的相關標準參數和分段經驗方程作為算法應用的基礎。算法時間復雜度為(3n)，n為迭代次數。算法中程序的空間復雜度為30Byte。
3、熱電偶冷端補償算法
熱電偶測溫需要冷端補償，因為將熱電偶冷端保持0℃附近缺乏實際的可操作性。本算法設計通過熱電阻測溫法確定冷端溫度，然后根據其非線性特性反求出熱電偶補償電勢。熱電偶冷端補償電動勢由獨立子程序來求，參數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，冷端電阻類型為預先設定的函數常量。被測冷端溫度設定在現實環境下的取值范圍為-50～100℃，完全符合現實情況并留出了足夠的余量。
Horner算法是計算多項式函數值的標準化算法，程序設計中由冷端溫度值推算出冷端補償電勢的過程中，使用Horner規則節省多項式的計算量。
4、熱電偶傳感器綜合算法
熱電偶類型傳感器測溫首先應根據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償。若得到需要補償的參數確認，則調用冷端補償程序以冷端溫度值和熱電偶分度號為參數反求補償電動勢，聯合熱電偶電動勢參數獲得補償后的電動勢，否則可直接調用熱電偶電動勢作為形參導入。系統工作順序流程如圖1所示。
圖1 熱電偶傳感器系統流程圖
由于熱電偶傳感器根據分度號的不同，其熱電勢和溫度間的非線性曲線有相當大的差異，所以對不同分度號的熱電偶傳感器要分別進行非線性擬合，其線性化算法是一致的。在函數文件中應導入大量的數據常量，可以在頭文件中進行聲明，相應地,對其每種分度號的經驗標準函數公式也是程序算法運算的基礎，必須清晰而準確?；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，為了準確擬合,需要根據精確度的要求進行分段線性化，以達到本設計所期望的精確度和時間空間復雜度。熱電偶測溫總調用程序示例如下：
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規則節省多項式運算的計算量，時間復雜度為O(n)，其中n為系數的長度。系統基于以上算法同時節省了存儲空間，在空間復雜度上系統所占用的空間統計如表1所示。
表1 空間統計
|
輸入信號類型 |
系數個數 |
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 |
188 |
1504 |
5、結束語
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。在算法優化設計中使用了牛頓迭代法和Horner算法等被廣泛應用的算法技巧，在原有條件下提高了測量精度并降低其時間/空間復雜度。文件函數包包含兩個文件con-vert2Temp.h和convert2Temp.c文件。Con-vert2Temp.h文件為頭文件，聲明了實現高精度溫度測量的常量和所需要的子函數。Convert2Temp.c文件為C語言的源代碼文件,包含了在Covert2Temp.h中聲明的所有函數的實現。本算法實現只是一種途徑，重點在于對算法的不斷改進以及通用性和可移植性不斷探索。
在實際的智能溫度變送器中，誤差不僅僅來源于數據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，綜合表現為系統測量誤差。所以,在實際的工業應用中，考慮成本及穩定性、反應時間等，以把數據處理的線性化誤差降到對系統整體誤差而言可以忽略的程度為最終標準。
《智能溫度變送器信號處理軟件算法與軟件設計》作者上海理工大學光電信息與計算機工程學院 歐陽玉東，男，碩士研究生，研究方向：智能儀表
