高精度测温方法及装置
阅读说明：本技术 高精度测温方法及装置 (High-precision temperature measuring method and device ) 是由 徐斌阳 张彭朋 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及测试计量技术领域,具体涉及一种高精度温度测量方法及装置,包括温度测量模块,由温度传感器和温度信号变换调理电路组成,用于将待测对象的温度物理量转换为可运算处理温度数据；存储器,用于存储历史温度测量数据以及测量设备的各种工作参数和运算参数；通信模块,用于将获取的温度数据传输至上位机或远端服务器,并从上位机获取设备工作及配置参数；主控制器,用于对所述温度测量模块、存储器及通信模块进行集中控制。本发明可以应用于宽量程温度监测装置和仪表中,通过预先设置多个不同的温区,每个温区使用适合本温区的多项式拟合,显著提高温度测量精度。(The invention relates to the technical field of test measurement, in particular to a high-precision temperature measurement method and a high-precision temperature measurement device, which comprise a temperature measurement module, a temperature signal conversion and conditioning circuit and a temperature signal conversion and conditioning circuit, wherein the temperature measurement module consists of a temperature sensor and a temperature signal conversion and conditioning circuit and is used for converting a temperature physical quantity of an object to be measured into temperature data capable of being operated; the memory is used for storing historical temperature measurement data and various working parameters and operation parameters of the measuring equipment; the communication module is used for transmitting the acquired temperature data to an upper computer or a remote server and acquiring working and configuration parameters of equipment from the upper computer; and the main controller is used for carrying out centralized control on the temperature measuring module, the memory and the communication module. The invention can be applied to wide-range temperature monitoring devices and instruments, and obviously improves the temperature measurement precision by presetting a plurality of different temperature zones, wherein each temperature zone uses polynomial fitting suitable for the temperature zone.)
技术领域
本发明涉及测试计量技术领域，具体涉及一种高精度温度测量方法及装置。
背景技术
随着工业的进步和高科技的发展，越来越多行业机构对目标环境温度测量的精度和可靠度有更高的要求，而高精度的温度测量设备应用也越来越广泛。典型的应用如，精密仪器生产制造、航空航天、军工制造、质量监督/质检机构、医药医疗及高科技科研等机构，为保证原材料在存储、流通，以及在产品加工制造过程中的品质，对目标环境/对象的温度测量和控制的稳定度和准确度提出很高要求。不准确或者不稳定的温度测量，因不能真实反映实际目标温度，容易引起生产质量问题。
目前市场上主流测温设备中的温度传感器一般采用热敏电阻、热电偶或者红外热电感应等，其可以测量的温度范围较宽。常见的探头型测温设备从可以测量从-200℃到200℃的宽温度区间。但是，由于传感器所用温感材料物理特性(如热阻、光敏等)的非线性及信号检测调理电路的非线性，常规的测温设备很难做到宽温度量程范围内的高精度测量。于是，可以实现宽温区高精度测温技术变得十分关键。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种高精度温度测量方法及装置，用于解决现有测温技术不准确或者不稳定的温度测量，因不能真实反映实际目标温度，容易引起生产质量问题。
本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明公开了一种高精度温度测量方法，包括以下步骤：
S1初始化，在测温设备量程内等间距抽取N个温度采样点，读取得到N组F-T温度响应特征值，其中N为正整数；
S2将N组F-T温度响应值生成特征曲线，根据K个特征曲线的临界温度点，将特征曲线分成K+1个温区，其中K为正整数；
S3选用合适的拟合函数，分别对K+1个温区的特征曲线做进行参数拟合，得到各个拟合函数的参数；
S4将各分区的拟合函数及参数存储至测温设备存储器，完成对测温设备的工作参数配置；
S5实际测量时，根据实际测得温度响应特征值，调用对应的拟合函数，通过计算得到被测目标的精准温度数值。
更进一步的，所述S2中，将特性曲线进行温区分割时，依据特征曲线的单调区间及特征曲线的线性/非线性原则。
更进一步的，所述方法中，设测温设备的量程为T0～Tm，其中m为自然数，则将特征曲线分成K+1个温区为(T0～t1)，(t1～t2)…(tk～Tm)，在(tx,tx+1)区间(x≤K)的拟合函数用多项式函数表示为：
F(t)＝ax0+ax1·t+ax2·t2+Λaxn·tn,t∈(tx,tx+1)。
更进一步的，所述方法中，对(tx,tx+1)之外的其他温区做类似的处理，则整个特征曲线用分段多项式函数表示为
更进一步的，所述方法中，对K+1个温区的特征曲线进行参数拟合，得到各个拟合函数的参数矩阵为：
第二方面，本发明公开了一种高精度温度测量装置，所述装置用于实现第一方面所述的高精度温度测量方法，包括
温度测量模块，由温度传感器和温度信号变换调理电路组成，用于将待测对象的温度物理量转换为可运算处理温度数据；
存储器，用于存储历史温度测量数据以及测量设备的各种工作参数和运算参数；
通信模块，用于将获取的温度数据传输至上位机或远端服务器，并从上位机获取设备工作及配置参数；
主控制器，用于对所述温度测量模块、存储器及通信模块进行集中控制。
更进一步的，所述测量装置还包括电源模块，所述电源模块用于为测量装置各部分提供平稳电源供应。
更进一步的，所述通信模块采用有线或无线通信，其中有线通信接口为RS485或太网；无线通信使用无线局域网WLAN、以及蜂窝网2G、4G、5G或NB-IoT。
更进一步的，所述温度传感器用于将测量对象的温度物理量转换为电压或电流信号；
所述信号变换调理电路对所述温度传感器输出的电压或电流小信号放大，再经过模数转换器转换成所述主控制器可处理的数字数据，并反馈给所述主控制器。
更进一步的，所述主控制器为微控制器MCU，用于处理所述温度测量模块采集的温度数据，将温度数据存储在所述存储器，并通过所述通信模块上传上位机、远程服务器或者或云平台。
本发明的有益效果为：
本发明可以应用于宽量程温度监测装置和仪表中，通过预先设置多个不同的温区，每个温区使用适合本温区的多项式拟合，极大提高温度测量精度。本发明分段越细，温区间距越小，获得的测量精度就越高。与传统的测温装置比较，该方法可以以较低成本达到优于0.01℃的高精度测量；为宽量程的温度监测装置提供了一种提高测量精度的解决方案。该方法硬件实现容易，功耗低，易于规模生产和维护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例常见热敏电阻传感器温度电阻值特性曲线图；
图2为本发明实施例宽温区高精度测温装置功能框图；
图3为本发明实施例PT100宽温区测温区间划分实例图；
图4为本发明实施例宽温区高精度测温方法实现流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开如图2所示的一种高精度温度测量装置，包含主控制器，存储器，温度测量模块，通信模块及电源模块。
本实施例主控制器负责对其他组成部分的集中控制，控制温度测量模块对目标温度采集、存储测得的温度数据，并控制通信模块将采集数据通过特定通信方式上传上位机或远端服务器。
本实施例存储器用于存储历史温度测量数据以及测量设备的各种工作参数、运算参数等。本实施电源模块为测温装置各部分提供平稳电源供应。
本实施例温度测量模块包括温度传感器和温度信号变换调理电路，负责将待测对象的温度相关物理量转换为主控制器可运算处理数据。
本实施例通信模块负责将获取的温度数据传输至上位机或远端服务器，以及从上位机获取设备工作及配置参数。
作为本实施例进一步的实施通信模块可以采用有线或无线通信技术实现，有线通信接口可以为RS485，以太网等；无线通信可以使用无线局域网WLAN，以及蜂窝网2G、4G、5G或NB-IoT等方式。
本实施例主控制器为一种微控制器MCU，处理采集的温度数据，并将温度数据存储，将温度数据通过特定通信方式上传上位机、远程服务器或者或云平台。
本实施例温度测量电路包括温度传感器和温度信号变换调理电路，传感器负责将测量对象的温度物理量转换为电压或电流信号；信号变换调理电路对传感器输出的电压或电流小信号加以放大，再经过模数转换器转换成主控制器可处理的数字数据，反馈给主控制器。
本实施优选的通信电路采用2G/4G无线通信方式，连接上位机，获取温度检测装置正常工作所需要的各项参数；之后将获取到的精确温度值上传上位机或远端服务器。
实施例2
本实施例针对宽温区高精度测温需求，采用温区分段以及数据拟合方法，对于宽温区的测温设备，其温度传感器的物理特性通常是温度的非线性函数。且在不同的温度区段，呈现的线性特征也不一致。如常用的热敏电阻传感器，其温阻(R-T)特性曲线是非线性复杂曲线，如图1所示。
本实施例中为便于描述，将测温装置的温度变化物理特征以F表示。该特征值可以是测温传感器的电阻、电压、电流、光强、红外辐射能量等。
在对于宽温区高精度测温需求，本实施例更进一步的提供了一种高精度温度测量方法，包括以下步骤：
S1初始化，在测温设备量程内等间距抽取N个温度采样点，读取得到N组F-T温度响应特征值，其中N为正整数；
S2将N组F-T温度响应值生成特征曲线，根据K个特征曲线的临界温度点，将特征曲线分成K+1个温区，其中K为正整数；
S3选用合适的拟合函数，分别对K+1个温区的特征曲线做进行参数拟合，得到各个拟合函数的参数；
S4将各分区的拟合函数及参数存储至测温设备存储器，完成对测温设备的工作参数配置；
S5实际测量时，根据实际测得温度响应特征值，调用对应的拟合函数，通过计算得到被测目标的精准温度数值。
本实施例应用于宽量程温度监测装置和仪表中，通过预先设置多个不同的温区，每个温区使用适合本温区的多项式拟合，极大提高温度测量精度。
实施例3
在具体实施层面，本实施例参照图4提供一种温区分段及温度变化特征曲线拟合过程如下：
在测温设备的量程(T0～Tm)内等间距均匀抽取N个温度采样点，在各个温度采样点对应的温度环境下读取测温设备的温度响应特征值F，得到测温装置N组F-T温度响应值；
根据测得的N组F-T特征值生成特征曲线，根据下述原则，对测温量程内的温阻F-T特性曲线进行温区分割：F-T特征曲线的单调区间和F-T特征曲线的线性/非线性；
按照以上原则，得到K个特征曲线的临界温度点，可将F-T特性曲线分割成K+1个温区:(T0～t1)，(t1～t2)…(tk～Tm)；
根据各目标温区F-T曲线的特征选用合适的拟合函数，如(tx,tx+1)区间(x≤K)的拟合函数可以用多项式函数表示为
F(t)＝ax0+ax1·t+ax2·t2+Λaxn·tn,t∈(tx,tx+1)
对其他温区做类似的处理，整个F-T特征曲线可用分段多项式函数表示为：
分别对K+1个温区的F-T曲线做进行参数拟合，得到各个拟合函数的参数矩阵：
测温装置根据实际测得的传感器输出F数值，调用对应的拟合函数，通过计算得到被测目标的精准温度数值。
实施例4
在具体实施层面，本实施例提供一种高精度温度测量方法的具体实施如下：
本实施例采用PT热敏电阻作为测温传感器，目标测温工作范围为-80℃～+60℃的宽温区测温设备的实现过程如下：
步骤一、在-80℃～+60℃温度区间等间距均匀抽取100个测温点，记录在各个温度点下设备测量的电阻值R，描绘设备实际测温变化曲线R-T，如图3。
步骤二、温区分段选择。根据步骤一获得的特征曲线的单调性和线性/非线性划分温区。如图3，可将全量程划分为：(-80℃～-40℃)，(-40℃～-20℃)，(-20℃～0℃)，(0℃～+20℃)，(+20℃～+60℃)五个温区。
步骤三、根据各目标温区R-T曲线的特征选用合适的特征函数，拟合计算函数系数。在每个温区等间隔实测10个温度点，根据实测温度点的变化趋势选择合适的曲线方程。本示例校准方法选择一次或者二次多项式方程。
本实施例在(-20℃～0℃)，(0℃～+20℃)温度区间内实测温度点基本呈线性变化，匹配特征函数选用一次多项式；
本实施例在(-80℃～-40℃)，(-40℃～-20℃)，(+20℃～+60℃)温度区间内实测温度点基本符合二次曲线变化，匹配特征函数选用二次多项式；
本实施例在-80℃～+60℃整个温区R-T特征曲线可用分段二项式函数表示为：
步骤四、使用最小二乘法拟合计算，得到各个拟合函数的参数矩阵：
即拟合后的R-T特征函数为
本实施例将各分区的拟合函数及参数存储至测温设备存储器，完成对该测温装置的工作参数配置。
本实施例通过以上过程即完成了对设备在-80℃～+60℃宽温度范围的初始配置。实际测量时，设备根据所测的R阻值，通过R阻值所对应区间拟合函数计算，得到精确的温度数值。与基准测温设备相比，该套设备在测温量程范围内的测量精度达到±0.2℃。
本实施例在实际应用中，可以根据测量精度要求选取合适的温区分段数量以及拟合函数的阶数。通常需结合测温设备处理器性能、计算资源的消耗等多方面综合考虑。
综上，本发明可以应用于宽量程温度监测装置和仪表中，通过预先设置多个不同的温区，每个温区使用适合本温区的多项式拟合，极大提高温度测量精度。本发明分段越细，温区间距越小，获得的测量精度就越高。与传统的测温装置比较，该方法可以以较低成本达到优于0.01℃的高精度测量；为宽量程的温度监测装置提供了一种提高测量精度的解决方案。该方法硬件实现容易，成本低，易于规模生产和维护。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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