太阳能热泵系统温度传感器测量的准确性校正.doc

太阳能热泵系统温度传感器测量的准确性校正 DOI10195570ki10019944xx05018太阳能热泵系统温度传感器测量的准确性校正周刚，杨永平(陕西理_72大学陕西省T-业自动化重点实验室，汉中723000)摘要为了提高太阳能热泵系统中温度测量的精度该文提出一种Cu50热电阻温度传感器的校正测温方法。 首先采用多点标定Cu50热电阻温度传感器测出的数据得出R一丁1特性关系并对此关系进行分段，然后利用最小二乘法拟合和拟合精度评估原理得出Cu50热电阻温度传感器的最佳校正方程。 经实验验证，此校正方程与实测RT特性关系的逼近度高提高了太阳能热泵系统测温的准确性关键词Cu50热电阻温度传感器最小二乘法；曲线拟合校正方程TP212文献标志码A10019944 (xx)05007304Correction onM easuringAuracy of the SolarHeat PumpSystem ofTemper-ature SensorZHOU Gang，YANG Yongping(Shaanxi ProvinceKey Laboratoryof Industria lAutomation，Shaanxi Universityof Technology，Hanzhong723000，China)AbstractIn orderto improvethe precisionof temperature measurement in the solarheat pumpsystem，a calibrationmethod oftemperaturemeasurementis proposedto improvethe temperature sensor of the Cu50therma lresistanceUsing multi-point calibrationof Cu50thermal resistance temperature sensormeasures thedata ofthe RT relationshipcharacter istics，and thisrelationship issegmentedThen optimal correctionequation of Cu50therma lresistancetemperaturesensoris obtainedusing theprinciple of least squaresf ittingand auracyeva luationThe experimental resuits showthat thiscalibration equationhas ahigh degreeof approximationto themeasured RT characteristics，which improvedthe auracyofthemeasurement ofthe solarheat pumpsystemKey wordsCu50ther mal resistancetemperature sensor；least squaremethod；curve fitting；co rectiveequation随着经济的发展地球上的建筑面积也迅速增多，伴随而来的是建筑空调的耗能也迅猛增长这使我国环境、能源背负着巨大的压力。 对此，我国成功研制了太阳能热泵系统。 它是用太阳能作为驱动能源，夏季可以为建筑供冷，冬季可以供暖，具有节能、环保的优点。 但是，由于得不到准确的太阳能热泵系统最基本的温度参数，使得太阳能热泵系统的效率得不到有效的提高。 为了减小误差，我们可以确定一个校正方程对其数据进行处理。 由于Cu50温度传感器具有电阻率高、测量精度高、反应快、成本低廉等优点，所以通常将Cu50温度传感器插入到换热管道内进行温度测量，由于换热管道的管径较小，导致传感器插入深度受限，影响了测量的准确度，所以必须对其进行尺一xx0926修订日期xx0222基金项目陕西省教育厅重点实验室项目(15JS018)；陕西省科技统筹创新工程重点实验室项目(xxSZS16一Z01)；陕西理工学院研究生创新基金项目(SLGYCX1611)作者简介周刚(199O一)，男，硕士研究生，研究方向为太阳能一地源热泵地层储能的设计与研究；杨永平(通讯作者)(1956一)，男，教授，硕士生导师，研究方向为太阳能制冷空调。 自动化与仪表xx,32困特性校正常用方法有神经网络算法，这种方法运算量大、速度慢，容易陷入局部极小而得不到全局最优值，精度也很低；硬件补偿算法I3-5，这种方法结构复杂、操作繁琐、成本高、精度低，在实际工程应用中不能很好的应用；线性化法问，此种方法误差很大。 为了保证数据的拟合精度和能够有效地查看拟合效果，通过最小二乘法将实测数据分成4段，利用Matlab对每段分别进行一次、二次、三次、四次拟合，这种拟合方法简单有效通过拟合精度评估和在太阳能热泵系统的应用中验证了该方法测量精度很高。 1Cu50温度传感器数据的标定在众多Cu系列的热电阻中。 Cu50热电阻测量精度很高测量温度范围一般在一50+150oC之间依据太阳能热泵系统的实际温度范围，实验中选取10100作为检测范围，利用高精度的数字温度计测量它的实际温度，通过恒温箱控制温度，依次改变箱里的温度进行检测，采用四线制接法对Cu50热电阻进行连接，用安捷伦表对Cu50热电阻随温度变化而对应的电阻值进行测量，可以得到电阻与温度之间的关系。 图1所示为测量的实际数据。 T()图1Cu50温度传感器只一7_的实测数据的关系曲线Fig1Cu50temperature sensors只-T relation curveoftheactually measured data由图l曲线可看出Cu50热电阻温度传感器具有非线性的特性可以引出传统的校正方程由文献7】可知，Cu50热电阻温度传感器的温度和电阻关系(在一50150qC)范围之间的校正方程为R=尺0+【1+A+B(一100)+(t-lO0)J (1)式中为温度t时的电阻值；R。 为t=O时的电阻值；A，C分别为相应的系数，=428xl0，一93lxl0。 2，C=I23x10oC。 现将实测R数据分成(1040)、(4070oC)、(70100cI二)3个区间，用最小二乘法对区间内数据分别进行一次、二次、三次、四次拟合，然后利用拟合精度评估原理得出田Cu50温度传感器的最佳校正方程。 2基于Matlab的数据拟合方法21最小二乘法拟合原理首先得到一组实测数据(，)(i=1，2，?，)，求出一个最佳拟合y(x)咖=spano，一，使得If,-y(xi)2=mi n一(溉)。 ，则()是i=0pE i=o在函数类中的最小二乘逼近函数。 设y(x)=ajj(x)，()=口()，然后定义m+l元函数j=o j=o S(，01，ae，?，)，则有鲁一2m=0(k=O，1，2，?，m)从而有、1(，竹)=(，)(k=0，1，2，?，m)j-o写成矩阵形式为(o，0)(0，1)?(1，0)(1，1)?(，o)(，1)?Po1m)1f ao)l l。 )JI (2) (3)(f，o)(f，)(f，) (4)解方程可得ao，01，?，。 22基于Matlab的曲线拟合利用Matlab中的内置函数Polyf it(R，T，n)对Cu50热电阻温度传感器的实测R-T数据在(104O oC)，(4O70)，(70100oC)区间内分别进行一次、二次、三次、四次拟合，拟合以后的方程为 (1)一次拟合多项式f02098229t+50xx41(10 (5)【O2118386t+50209372(70100) (2)二次拟合多项式R=00002347t+021O724lf+502916772(10t40)00002599t2+01901224t+509652136f4070) (6)00000609t+0198768lt+505981496f70t100)Aumat ionInstrumentationxx,32 (5)、。 ，。 _【rJ佗醯岛苗 (3)三次拟合多项式f一00000209t0+00019509t2+01653926t+I505702296(10t40)10000012t0001601t+02799786t+R= (7)I492601241(40t70)、I一00000229t+00059876t03011234t+l645997682(70t100) (4)四次拟合多项式f00000008t4-OO00102t3+00047401t4-I101228976t+507806328(10t40)I一00000013t44-00003024t00253109t2+R= (8)f11338012t+379479876(40t70)100000014t-00004989t+O0665012t2l37011263t+135709864(7O100)利用最小二乘法分段拟合后的图形如图2所示。 TCC)(a)1040oC区间的拟合图形7y()(b)4070区间的拟合图形T()(e)70100区间的拟合图形图2最小二乘法的分段拟合图象Fig2Segmented fitting curveofleast squaremethod自动化与仪表xx,32ts、23拟合精度评估为了评估校正方程的拟合精度，通常采用以下标准进行评估【4】 (1)拟合残差(厂)=一魁) (9)式中E(f)为校正方程的拟合残差，E(f)越平稳，校正方程精度越高；为实测值；筋)为各拟合方程的拟合值。 (2)拟合偏差的最值拟合偏差的最值就是拟合残差的最值，它包括最大拟合偏差Em()和最小拟合偏差(厂)。 拟合偏差最值越小，校正方程越理想。 (3)拟合残差的算术平均值(J)l_ (10)式中(厂)为校正方程拟合残差的算术平均值，E。 (厂)越小，校正方程精确度越高；n为实测数据点数。 (4)标准差r，1，2(l fyi-f(xi)21?)式中E a(厂)为校正方程标准差，a(厂)越小，校正方程精度越高。 24评价校正方程通过对各段拟合方程的系数进行误差分析得知，Cu50热电阻温度传感器分别在(1040，4070，70100)区间内进行一次拟合时的误差震荡波动最大，二次、三次次之，四次拟合误差相对较小，所以可以通过对二次，三次四次3种拟合的拟合偏差的最值、拟合残差的算术平均值及标准差进行对比，得到Cu50温度传感器的最佳校正方程，如表1所示。 表1Cu50温度传感器在101O0区间方程拟合误差Tab1Equation fitting errorofCu50temperature sensorat101OOC温度区间，拟合次数金逞萱()次(f)12Em。 (，)，n艮(厂)n Ea(，)t210088960O6O92003645004293l04020O7392006898003462004161300741200674700345700415710O4836005799001785002297407O200526100534200170800223630O4637005269001673002139100581200634100280900348670100200530600586300281000323130O5248005098002799003196田由表1可以看出，在1040，4070，7O一100区问上四次拟合方程的最大偏差、最小偏差、拟合残差的算数平均值、标准差最小、精度最高、逼近度最高。 因此在10100oC区间内，与Cu50热电阻温度传感器一的实测数据的精度最高的是四次拟合方程，校正方程为f00O000084_0O00102t+00047401tz+101228976t+507806328(10t40)l一00000013t+00003024t300253109t+、R= (12)j11338012t+379479876(40()?0。 -c-c。 00ooo(0(o。 ，t()0(上接第29页)4Yuanfang Chen，Lei Shu，Mingchu Li，et a1The insightsof DVbased localizationalgor ithmsinthewireless sensor works withdutycycled andradio irregularsensorsCInternational Conferenceon Communications(ICCxx)，Kyoto，Japan，June59，xxf5Lei Chen，Shuang Yang，Ying Xi，et a1Based onZigBee wireless sensorwork hemonitor ingsystem design for chemicalproduction processtoxic andharmful GasCxxInternational Conferenceon Computer，Mechatronics，Control andElectronic Engineering(CMCE)425-428，xx6Chunsheng Zhu，Laurence TYang，Trung QDuong，et a1Secured energy-awa rescheduling algorithm induty-cycled sensorworks【CIn International Conference0n Communications(ixx)，Ottawa，Canada，JunelO一15，xx【7Jin fangJiang，Guangjie Han，Huihui XnLMATLocalization witha mobileanchor nodebased ontr iangulationin wireless sensorworks【CIEEE GlobalCommunication Conference，Houston，Texas，USA，December，5-9，xx88Duan Ping，Yan Hui，Ding Chengjun。 et a1Development ongas leakdetection andlocation systembased onZigBee【CProceedings