提高熱電阻測溫裝置抗干擾能力措施

摘要:根據(jù)測溫裝置在現(xiàn)場運(yùn)行的情況,提出了改進(jìn)信號處理回路、軟件中增加緩沖環(huán)節(jié)、采用具有濾波功能的A/D芯片等幾種增強(qiáng)抗干擾能力的措施，并分別進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),比較每種措施的性能,最終通過實(shí)踐,比較成功地提高了測溫裝置對于環(huán)境千擾的抵抗能力,為其他類似的模擬量采集提供了參考。
0引言
　　溫度參數(shù)是目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)過程參數(shù)之一,在電廠中,機(jī)組的各溫度值是反映機(jī)組是否正常運(yùn)行的重要指標(biāo),也是提供機(jī)組運(yùn)行控制的重要參考,部分溫度參數(shù)還直接參與告警和停機(jī)保護(hù)。考慮到測量過程中可能遇到的各種惡劣環(huán)境,系統(tǒng)要求有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)踐中曾出現(xiàn)過恒流源激勵(lì)失靈以及抗干擾能力差等問題,嚴(yán)重影響了測量的效果。為此,本文提出了抗干擾措施,并進(jìn)行模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)拇胧?以提高裝置的抗干擾能力。
1原理
　　溫度測量有多種方式,對于不同的場合和不同的要求,測量方式也不同。在水電廠，主要采用熱電阻測溫。熱電阻是一種電阻值隨溫度而變化的傳感器,可以通過測量電阻值的方法來完成溫度測量"。通常,電阻的測量方法有電橋測量法和恒流源激勵(lì)法。電橋測量法的輸出電壓與電阻值呈非線性關(guān)系，尤其是用于多種類型的熱電阻時(shí),數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜,因而很少用于溫度測量系統(tǒng)中。而恒流源激勵(lì)法輸出電壓與電阻值呈良好的線性關(guān)系,因此,本系統(tǒng)采用恒流源激勵(lì)法進(jìn)行溫度測量。采用該方法進(jìn)行溫度測量時(shí),要保證恒流源激勵(lì)小于5mA,否則會(huì)造成熱電阻的自熱而影響測量的準(zhǔn)確度。
　　熱電阻的接入方式一般有兩線制、三線制和四線制。兩線制測量因引線電阻帶來的附加誤差會(huì)使實(shí)際測量值偏高,需要通過軟件進(jìn)行校準(zhǔn);四線制測量精度最高;三線制測量比兩線制測量精度高,比四線制測量成本低。因此，工業(yè)上一般采用三線制測量。本系統(tǒng)以三線制接入方式進(jìn)行溫度測量。
 
　　圖1是采用恒流源激勵(lì)法進(jìn)行溫度測量的檢測電路。熱電阻RRTm采用三線制接入方式，從A,B,C點(diǎn)接入,RL為3根引線電阻,阻值一般在5Ω以內(nèi)。恒流源激勵(lì)I(lǐng)1從A端流經(jīng)引線電阻RL、熱電阻RRrD引線電阻Rr到C端組成一個(gè)激勵(lì)回路,恒流源激勵(lì)I(lǐng)2從B端流經(jīng)2個(gè)引線電阻RL到C端組成另外一個(gè)激勵(lì)回路,由于2路恒流源激勵(lì)均為0.8mA,則熱電阻RRn的電壓為U=U(+)-U(-)=I1(RL+RRTD)-l2R=I1RRTD,最后通過標(biāo)準(zhǔn)電阻通道的切換得到電阻值RRTD,同時(shí)消除了恒流源激勵(lì)的影響.
2現(xiàn)場情況
　　在某電廠中試驗(yàn),測溫裝置使用的恒流源為0.8mA,測溫電阻為Pt100,正常時(shí),電阻兩側(cè)電壓.應(yīng)為90mV左右舊的裝置在現(xiàn)場運(yùn)行時(shí),溫度測值并不穩(wěn)定,偶爾會(huì)有跳動(dòng),一般情況下會(huì)跳動(dòng)1℃左右,但極少數(shù)情況測值跳動(dòng)幾度甚至達(dá)到10℃,初步判斷是現(xiàn)場的干擾引起,并用示波器記錄下測溫電阻兩側(cè)電壓值電壓波形,見附錄A。
　　在沒有干擾的情況下,采集信號應(yīng)為90mV左右的直流分量。但通過示波器記錄的波形發(fā)現(xiàn),除了90mV直流分量,信號中還有30mV~40mV的交流分量,頻率約為20kHz;另外,信號中還有周期地出現(xiàn)的大干擾信號,該信號峰峰值超過400mV，最大達(dá)到500mV,周期約為3.3ms(300Hz),持續(xù)時(shí)間約為25μs~30μs。
　　分析可知,現(xiàn)場干擾頻繁,基本是按固定頻率出現(xiàn),干擾幅值大,最大高達(dá)470mV,遠(yuǎn)高出正常的測量電壓。當(dāng)恒流源為0.8mA時(shí),電阻電壓與溫度值的對應(yīng)關(guān)系約為1mV對應(yīng)溫度值3℃。要使裝置在以上干擾下達(dá)到測值跳動(dòng)不超過1℃,必須通過硬件與軟件處理來提高裝置的抗干擾性。
3對策與效果
3.1硬件處理措施
　　將恒流源電流增大至25mA,電壓與溫度值的關(guān)系約為1mV/1℃。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流達(dá)到25mA時(shí),若持續(xù)供電,電阻會(huì)發(fā)熱,并影響最終的測量結(jié)果。因此,增大電流后,采集通道必須采用切換方式,采集完畢后切除電流,使電阻有釋放熱量的時(shí)間。
　　設(shè)計(jì)多階RC濾波回路(原理見圖2),試驗(yàn)證明,二階的效果比較明顯，更高階次的濾波對于測值的改進(jìn)作用不大。
 
　　總的來說,改進(jìn)的信號處理回路雖然有效果,但不能滿足要求,--般情況下,對干擾的抑制效果還不錯(cuò),但有些情況下實(shí)際測值最大跳變達(dá)到2℃~3℃。
3.2軟件處理措施
　　之前的裝置軟件上有些基本的處理,如多次求平均、去除最大最小值、跳變超過一定范圍認(rèn)為該值非法而不予處理等。現(xiàn)在在這些處理的基礎(chǔ)上,增加了積分環(huán)節(jié)與緩沖環(huán)節(jié)。
緩沖環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為:
 
　　式中:r(n)為實(shí)際測量值;c(n)為輸出值。
　　積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為:
　　提高熱電阻測溫裝置抗干擾能力的研究
 
　　在軟件處理上增加這2個(gè)環(huán)節(jié)都能取得很好的效果，實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果見表1，其中未修改是指原裝置的原程序,積分環(huán)節(jié)僅增加了T為4△T的小積分環(huán)節(jié)。從表中可以看出,該環(huán)節(jié)所起的作用比較明顯。
 
　　該方式對應(yīng)系數(shù)T越大,最終得到的測溫值則越平滑,但T越大,輸出值延時(shí)則越嚴(yán)重,當(dāng)機(jī)組處于燒瓦狀態(tài),溫度會(huì)急劇上升，這種因延時(shí)帶來的后果不堪設(shè)想。
3.3采用△∑的A/D芯片
3.3.1芯片特點(diǎn)
　　CS5523A/D芯片的特點(diǎn)是:高集成度的△∑A/D轉(zhuǎn)換器,常規(guī)轉(zhuǎn)換精度16位,特殊要求下轉(zhuǎn)換精度可達(dá)24位;測量電壓范圍可以選擇25mV,55mV,100mV,1V,2.5V,5V,且可以根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)償;支持多種工作模式，具有不同的測值轉(zhuǎn)換速率,可根據(jù)需要靈活選擇。其內(nèi)部原理如圖3所示。
 
　　該芯片的數(shù)字濾波器采用sinc濾波原理,通過3次sine濾波,最終的抗干擾能力可達(dá)到滿意的效果。由圖4可看出,當(dāng)設(shè)定芯片A/D轉(zhuǎn)換速率為15次/s時(shí),對于頻率為50Hz~65Hz及大于90Hz的干擾,A/D芯片能使其衰減-80dB,對于50Hz(工頻)倍數(shù)的頻率干擾，能使其衰減-100dB。若裝置面臨如上面通過示波器看到的數(shù)百mV的干擾,則直接將該信號衰減到0.1mV以下，這樣的干擾對測值的影響可忽略不計(jì)。若面臨幅值達(dá)到10V的極端干擾信號,且頻率為工頻倍數(shù),則該干擾將被衰減到0.1mV,若此干擾信號為50Hz~65Hz或大于90Hz,則該干擾將被衰誠到1mV以下，對測值造成的影響也不會(huì)超過1℃。
 
3.3.2芯片配置設(shè)定
　　工作方式選擇為Single_Setup模式,即當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢,芯片處于等待下一次命令的狀態(tài),直到下一次轉(zhuǎn)換命令到來,才開始一次新的轉(zhuǎn)換。
　　測值轉(zhuǎn)換速率根據(jù)需要設(shè)定為15次/s。速率越低,抗干擾能力則越強(qiáng),但所消耗的時(shí)間更長。在該速率下,既能保證裝置對時(shí)間的要求,也能保證裝置對抗干擾能力的要求。
　　測量范圍選擇為1V,且無極性。按照裝置的最大測量范圍,對應(yīng)電壓約為500mV,且只需要測量正向電壓,因此根據(jù)需要選擇測量范圍為1V。放大寄存器等暫未配置。
3.3.3試驗(yàn)結(jié)果
　　采用新的A/D芯片設(shè)計(jì)的模件進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，分別在機(jī)組運(yùn)行于空轉(zhuǎn)、空載、帶負(fù)荷與甩負(fù)荷等工況下進(jìn)行了測試,圖5所示為曲線圖之一。其中3條曲線分別對應(yīng)3個(gè)測點(diǎn)。可以看出,3個(gè)測點(diǎn)溫度值變化并不明顯,最大變化約為0.3℃。與以往裝置相比,該方式的抗干擾能力大大增強(qiáng),并能滿足現(xiàn)場裝置對測值的要求。
 
4結(jié)語
　　熱電阻測溫是一種微弱信號源,在電廠復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下,信號會(huì)受到干擾。本文介紹的幾種實(shí)用的增強(qiáng)抗干擾能力的方法,經(jīng)實(shí)踐證明,減小或消除干擾對測值影響的效果比較理想,滿足了監(jiān)控對于測溫的需要。