专利名称：用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法
用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法
背景技术：
在自动化技术中经常使用具有非线性测量变换器特征曲线的传感 器。在这种情况中，测量变换器的测量信号非线性地依赖于待测过程 变量，例如压力或温度等。为了获得传感器的线性输出信号，例如对
于4-20mA电流回路，必须处理测量信号。这个处理是借助于线性化曲 线实现的，其通常通过多个辅助点给定。由于在操作中需要线性化曲 线的其它点，所以需要相应的近似。
一种非常简单的近似方法是线性内插。在这种情况中，辅助点通
过直线段连接在一起。然而，当辅助点彼此较远时，这种内插对于现 代传感器的精度需求是不足够的。用于获得线性化曲线的更好的方法 是多项式近似或样条近似。
然而，这些近似方法需要非常高的计算花费。而自动化技术的传 感器中的计算能力非常有限，特别是在传感器经由通信连接供电(即， 所谓的2线制设备)的情况中。Endress + Hauser公司生成并销售大量这 种传感器。
这些近似方法的进一步的缺点在于，确定的曲线并不精确通过预 先给定的辅助点。由此不能实现线性化曲线精确处于辅助点。另外， 在多项式近似的情况中，会出现导致不精确的所谓的"过振荡"。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定自动化技术的传感器的输出值 的方法，其不具有上述缺点，特别是提供一种无需很大计算花费的方 法，其精确处于辅助点并且尽可能地精确。
这个目的通过权利要求l给出的以下方法实现-
用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，该传感器具有非 线性特征曲线，该特征曲线描述传感器的输入量和输出量之间的函数
关系，其中该特征曲线是在由点Pl Pn构成的点集SP上逐点给定的， 并且产生特征曲线K的扩展的点集SP'，其中具有附加的辅助点Hj，
其中辅助点Hj是根据以下算法通过点集SP的四个相邻点P,w、 Pi+2、
P1+3、 Pi+4获得的
A. 确定三个线段gl =Pi+1 Pi+2、 82 = &+2 1+3和83 = &+3&+4的斜 率ml、 m2、 m3;
B. 计算第一辅助线hl的斜率mpi+广(ml+m2)/2;
C. 计算第二辅助线h2的斜率mpi+3 = (m2+m3)/2;
D. 确定两条辅助线hl和h2的交点S，其中两条辅助线hl、 h2分
别经过点Pi+2、 P1+3;
E. 将交点S作为扩展的点集SP'中的辅助点Hj。
为了从输入量的值确定输出量的值，利用特征曲线K的扩展点集 SP'的至少两个点执行内插。
从属权利要求中给出本发明的具有优点的进一步发展。
本发明的基本思想在于这样构造辅助点，使得在辅助点Hj的斜率 变化Amj总是恰好为线段在两个相邻点Pi+2、 Pi+3的斜率变化之和的四分 之一，即，
附2 — ml m3 — m2
-+-
现在根据附图中给出的实施例详细解释本发明，附图中:
图l示意表示自动化技术的传感器； 图2是根据本发明的方法的辅助点的构成；和 图3是传感器的非线性特征曲线。
具体实施例方式
图l详细显示了自动化技术的传感器S的框图。用于处理测量值的
微处理器iuP经由模数转换器A/D和放大器V与测量变换器MA相连，该 测量变换器检测过程变量(例如，压力、流量或料位)。微处理器/xP 与多个存储器相连。存储器VM用作暂时的(易失性)工作存储器RAM。 在程序存储器PS中存储要在微处理器/iP中执行的软件或软件元件。
在非易失性的可写数据存储器NVM (例如，EEPROM存储器)中 存储参数值(例如标定数据等)。
在微处理器MP中运行的程序(固件)定义了现场设备的与应用相 关的功能(测量值计算、包络线分析、测量值线性化、诊断任务)。
另外，微处理器/xP与显示服务单元A/B (例如，具有多个按钮的 LCD显示器)相连，通过该显示服务单元用户可以手动操作现场设备 并且测量值、包络线或参数值能够得以显示。
同样与微处理器MP相连的监控单元WD(看门狗)监控微处理器MP 的功能。如果由于系统故障而发生程序中断，那么监控单元WD触发程
序重启。
通过通信接口COM，微处理器MP与外部接口FBS相连。这用于将 传感器S连接至通信连接(例如，4-20 mA电流回路)。或者，通信连 接还可以是现场总线系统，例如，Profibus或Foundation Fieldbus或HART连接。
通过通信连接而由电源NT向传感器供电(2线制设备)。或者， 也可以分离地供电(4线制设备)。
图2在xy坐标图上绘出非线性特征曲线K的若干点Pu、Pi2、Pi3和Pi4。 这些点之间的相应直线段被标注为gl、 g2和g3。在第一方法步骤A中， 确定直线gl、 g2、 g3的斜率ml、 m2、 m3。
然后，在方法步骤B和C中，计算两条辅助线hl和h2的斜率mp,+2 = (ml+m2)/2和mpi+3 = (m2+m3)/2。
在方法步骤D中，确定两条辅助线hl和h2的交点S。辅助线hl和h2 分别经过点Pi+2、 P1+3。
在方法步骤E中，将交点S作为扩展的点集SP'中新的辅助点H" 两条辅助线hi和h2在点Hj的斜率变换Amj为Amj =
2 + 2 —即，直线段在点&+2、 Pi+3处的斜率改变的四分之一。 2
这个方法可以由相应计算机程序非常快速且容易地执行。仅使用 线性等式，从而计算机程序仅需要微处理器/xP的很少的资源。
通过重复执行本方法，可以任意精确地近似非线性特征曲线K。在 这种情况中，点集SP每次都由新获得的辅助点Hj扩展。
图3显示了利用本发明的方法获得的非线性特征曲线K。附加获得 的点以小圆圈显示。
如果非线性特征曲线K的点被足够密集地确定，则特征曲线的两个 点之间的线性内插足以以足够的精度确定与输入值相关联的输出值。 本发明的方法特别适合具有4-20mA测量值输出的传感器。自然， 本发明不限于模拟传感器，而是同样适用于具有数字输出的传感器或 者通过现场总线系统传输测量值的传感器。
本方法特别适用于温度传感器、压力传感器或质量流量计。
特征曲线K可以是线性化曲线。本发明还适用于标定曲线的近似， 该标定曲线同样是逐点给定的。
权利要求
1.用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，该传感器具有非线性特征曲线，该特征曲线描述传感器的输入量和输出量之间的函数关系，其中该特征曲线是在由点P1～Pn(标定点)构成的点集SP上逐点给定的，并且产生特征曲线K的扩展的点集SP’，该扩展的点集具有附加的辅助点Hj，其中辅助点Hj是根据以下算法通过点集SP的四个相邻点Pi+1、Pi+2、Pi+3、Pi+4获得的A.确定三个线段g1＝Pi+1Pi+2、g2＝Pi+2Pi+3和g3＝Pi+3Pi+4的斜率m1、m2、m3；B.计算第一辅助线h1的斜率mPi+2＝(m1+m2)/2；C.计算第二辅助线h2的斜率mPi+3＝(m2+m3)/2；D.确定两条辅助线h1和h2的交点S，其中两条辅助线h1、h2分别经过点Pi+2、Pi+3；E.将交点S作为扩展的点集SP’中的辅助点Hj；并且通过特征曲线K的扩展的点集SP’的至少两个点的内插，从输入量的值确定输出量的值。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中扩展的点集SP'用作具有点 Pl-Pn'的点集SP，并且重复应用上述算法。
3. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中输出量的值是通过特 征曲线的与输入量的值相邻的点之间的线性内插而获得的。
4. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中输出量被模拟地作为 4-20 mA信号而传输或者被数字地传输。
5. 根据前述任一权利要求所述的方法，其中传感器是温度传感器、 压力传感器或质量流量计。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中特征曲线是线性化曲 线或标定曲线。
全文摘要
用于确定自动化技术的传感器的输出值的方法，该传感器具有逐点给定的非线性特征曲线K，在该方法中附加根据简单的算法产生辅助点H<sub>j</sub>。通过特征曲线的至少两个点的内插，由输入值获得输出值。
文档编号G01D18/00GK101351793SQ200680050170
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月6日 优先权日2005年12月28日
发明者沃尔特·博斯特 申请人:恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司