一种基于克里金插值与三次样条插值的差压变送器综合补偿方法与流程

本发明涉及差压变送器补偿的，尤其涉及一种基于克里金插值与三次样条插值的差压变送器综合补偿方法。

背景技术：

1、差压变送器作为压力测控仪表，广泛应用于航空航天、汽车工业、工业控制等工业检测领域。差压变送器受硅材料和封装介质温度特性影响以及扩散电阻值不同，存在零点漂移、灵敏度漂移以及非线性等问题。环境温度因素和其他因素也影响着差压变送器的电压变化，其中环境温度因素的影响最大。因此，需要采取措施减小环境温度引起的误差，即温度补偿。另一方面，差压变送器测量对象为压力差，静压是其工作时所承受的压力。在环境温度稳定时，差压变送器的输出受静压影响产生静压误差，静压误差也是影响差压变送器测量精度的重要因素。差压变送器实际电压输出受到环境温度和静压的耦合影响，测量精度严重恶化。因此，需要采取措施提高差压变送器测量精度，即综合补偿。

2、目前，针对差压变送器温度补偿主要措施为硬件补偿和软件补偿。硬件补偿主要包括热敏电阻补偿法、串联二极管补偿法等，调节扩散电阻值补偿因温度变化损失的电信号，但硬件补偿存在电路调试复杂、精度低、成本较高。软件补偿将微处理器与差压变送器相结合，利用微处理器内置补偿算法，根据环境温度、输出电压构建温度补偿模型。软件补偿包括人工智能类方法和数值计算类方法，人工智能类方法包括bp神经网络、rbf神经网络、极限学习机等，这类算法对系统的硬件要求较高，计算量大，模型结构复杂。人工智能类方法需要训练节点参数以及存在局部最小值缺陷，常采用粒子群算法、灰狼算法、遗传算法等来优化人工智能类方法，这使得模型变得更加复杂，需要更多的时间来运算，增加微处理器的内存消耗。数值计算类方法包括三次样条插值、拉格朗日插值、牛顿插值等，这类算法补偿结构清晰、计算量小、容易实现在线补偿。虽然有很多方法来抑制差压变送器的温度漂移，但很少涉及同时考虑环境温度和静压误差的综合补偿。

3、申请号为202311397847.3的发明专利公开了一种基于磁敏电流传感器的温漂误差电压补偿方法，包括：针对磁敏电流传感器进行温度灵敏度测试，并获取测试数据；对所述测试数据进行数据拟合，构建所述磁敏电流传感器灵敏度与温度的关系，根据所述灵敏度与温度的关系，构建关系曲线；根据所述关系曲线，确定每一个温度下的灵敏度补偿系数；根据所述灵敏度补偿系数，并基于温漂误差，确定所述磁敏电流传感器补偿后的输出电压。上述发明能够基于温漂误差来计算磁敏电流传感器补偿后的输出电压，提升了磁敏电流传感器的测量性能和环境适应性。但是，上述发明只考虑到温度对磁敏电流传感器影响，而没有综合考虑到温度和静压对差压传感器耦合影响，应用于差压变送器来提升测量精度。

技术实现思路

1、针对现有差压变送器温度补偿方法对硬件要求高，计算复杂度高，测量精度低的技术问题，本发明提出一种基于克里金插值与三次样条插值的差压变送器综合补偿方法，能够提升差压变送器的测量精度。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于克里金插值与三次样条插值的差压变送器综合补偿方法，其步骤如下：

3、步骤一、离线部分：测量多个温度标定点、静压标定点和差压标定点下差压变送器的标定输出电压，得到数据标定点；根据数据标定点利用克里金插值拟合变异函数理论模型并得到补偿矩阵；利用三次样条插值建立温度标定点下，多种静压标定点和差压标定点下的输出电压模型；

4、步骤二、判断实测的环境温度测量值是否为步骤一的温度标定点，如果是进入步骤三，如果不是进入步骤四；

5、步骤三、将当前的环境温度测量值下的静压测量值直接带入输出电压模型，得到理论电压，选取与理论电压相邻的三个标定输出电压，利用三次样条插值和三个标定输出电压建立差压函数关系，将实测的输出电压带入差压函数关系得到待测差压；

6、步骤四、结合实测的环境温度测量值、静压测量值以及输出电压，利用变异函数理论模型确定补偿系数，利用补偿系数和差压标定点计算待测差压。

7、优选地，所述拟合变异函数理论模型的方法为：变异值为

8、

9、其中，被向量h分割的数据对{z(xi),z(xi+h)}(i＝1,2,…,n(h))可看作数据对[z(x)，z(x+h)]一次不同的实现，n(h)是被向量h相隔的数据对数量；不同的滞后距h，计算出相应变异值γ*(h)，对变异函数值γ*(h)进行拟合得到变异函数理论模型γ(h)。

10、优选地，所述得到补偿矩阵的方法为：计算所有数据标定点的欧式距离，将欧式距离带入变异函数理论模型γ(h)得到矩阵k，求解矩阵k的广义逆矩阵[k+]作为补偿矩阵。

11、优选地，所述数据标定点的获取方法为：在m个温度标定点ti，n个静压标定点spj，q个差压标定点dpk下测得m×n×q个差压变送器的输出电压uijk，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，k＝1,2,…,q；得到m×n×q个数据标定点(ti,spj,uijk,dpk)。

12、优选地，所述步骤一中利用三次样条插值建立温度标定点下，多种静压标定点和差压标定点下的输出电压模型的方法为：在m个温度标定点ti下，利用三次样条插值建立q种差压标定点dpk下静压标定点spj对输出电压影响的输出电压模型：且：

13、

14、其中，ajk、bjk、cjk、djk为不同静压标定点下输出电压模型的三次样条插值系数，j＝1＝1,2,…,n-1，spc为静压测量值。

15、优选地，所述建立差压函数关系的方法为：利用三次样条插值建立三个标定输出电压ux,uy,uz与相应标定差压[dpx,dpy,dpz]的函数关系：

16、其中，a1、b1、c1、d1分别是标定输出电压下的三次样条插值系数，x、y、z∈{1,2,…,q}，uc为实量的输出电压。

17、优选地，所述三个标定输出电压ux,uy,uz的确定方法为：将当前环境温度测量值tc下，静压测量值spc带入输出电压模型：得到当前环境温度测量值tc与静压测量值spc下的标定差压点dpk对应的理论电压根据实测的输出电压uc，选取与理论电压相邻的三个标定输出电压[ux,uy,uz]。

18、优选地，所述确定补偿系数的方法为：计算实测的环境温度测量值tc、静压测量值spc以及输出电压uc分别与多种温度标定点、静压标定点和差压标定点组成的数据标定点的欧式距离，欧式距离带入变异函数理论模型得到变异矩阵，根据变异矩阵和补偿矩阵计算补偿系数。

19、优选地，所述得到变异矩阵的方法为：计算实际测量数据(tc,spc,uc)与数据标定点(ti,spj,uijk)的欧式距离，并带入变异函数理论模型γ(h)，求得变异矩阵m。

20、优选地，所述计算补偿系数的方法为：计算补偿系数矩阵[λ]＝[k+][m]；利用补偿系数和差压标定点计算待测差压的方法为：将补偿系数矩阵[λ]带入公式求出待测差压dp′。

21、本发明的有益效果：针对差压变送器温度误差与静压误差耦合影响问题，本发明提出一种基于克里金插值与三次样条插值的综合补偿方法，在建模温度下，采用三次样条插值，在非建模温度下采用克里金插值；利用计算机强大的计算能力，将三次样条插值系数和克里金插值变异函数理论模型离线的计算下载下来，既可以采用计算量较大的算法提高补偿精度，有效避免了在每个温度、静压区间进行重复插值，很大程度上减小了计算时的工作量，提高了补偿的实时性。同时，该方法具有以下优点：

22、(1)可提升差压变送器的测量精度，差压变送器综合补偿后，最大全量程引用误差、平均误差、误差方差分别为1.5×10-3、3.79×10-4、4.30×10-7，提高了差压变送器在不同环境温度与静压情况下的测量精度，本发明对差压变送器的综合补偿达到了理想的效果。

23、(2)减小差压变送器运算时的计算量，本发明的方法可以将综合模型补偿的插值系数存入差压变送器的存储器中，根据输入的环境温度测量值，静压测量值以及差压测量值对应输出的电压，计算综合补偿后的差压值。