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        數(shù)據(jù)融合方法提高智能儀表測量精度中的應(yīng)用研究

        2017-12-20 12:59:12邵鵬
        科學(xué)與財富 2017年29期
        關(guān)鍵詞:智能儀表數(shù)據(jù)融合

        摘要:過高的工業(yè)干擾,會導(dǎo)致智能儀表在進行測量的過程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的偏差,最終造成儀表精度下降。為了能夠提升智能儀表的測量精度,本文對某智能電纜探測系統(tǒng)進行了研究,并借助數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計,使數(shù)據(jù)在采集硬件上完成了融合,從而提高了儀表測量的精度,為今后的儀表設(shè)計提供了經(jīng)驗。

        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)融合;智能儀表;精度提升;數(shù)模轉(zhuǎn)換

        前言:

        高精度測量是目前智能儀表在工作過程中的基本要求,但是在實際運作過程中,卻往往由于過多的干擾因素最終導(dǎo)致儀表測量數(shù)據(jù)與真實情況存在較大的出入,造成精度不足,影響工作進度和工作效率。筆者所研究的智能電纜探測系統(tǒng)主要目的在于通過高精準(zhǔn)度的故障探測能力幫助工作人員及早發(fā)現(xiàn)電纜故障,及早采取措施加以解決,避免造成更大危害。而探測精度不足,一切工作要求就無從談起。

        一、智能電纜在線監(jiān)測設(shè)計方案

        (一)故障監(jiān)測方法選擇

        在目前的電纜智能監(jiān)測技術(shù)當(dāng)中,針對電纜故障的檢測和判斷方法主要有直流成分法、電纜絕緣tga法、交流疊加法、支流疊加法、諧波分量法等。其中,電纜絕緣tga法是利用檢測軟件對tga值進行判斷,從而尋求電纜當(dāng)中存在的缺陷,但tga所能夠反應(yīng)的只是電纜的普遍缺陷,無法針對到具體的方面。交流疊加和諧波分析法是XLPE電纜絕緣的檢測方法[1],操作簡單,但是對于人員的經(jīng)驗要求較高。相比之下,直流成分法和直流疊加法是在經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到充分發(fā)展的,一方面能夠允許工作人員進行經(jīng)驗累積,另一方面可以借助軟件和硬件的功能來實現(xiàn)電流信號的提升。因此本文選擇了直流成分法作為監(jiān)測方法。

        (二)硬件設(shè)計

        在處理器的選擇方面,目前有計算機通用處理器、單片機、DSP處理器三種類型可供選擇。本文在對比各種類型的處理器后,針對應(yīng)用場景和處理器本身的特點,選擇了能夠進行復(fù)雜運算的DSP處理器進行硬件設(shè)計和架構(gòu)。除了在應(yīng)用范圍方面,DSP處理器擁有較大規(guī)模的片上外設(shè)以及資源,DSP處理器還能夠支持密集乘法運算和零開銷循環(huán)等,十分適宜在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用。

        (三)電路設(shè)計

        為了保證DSP處理器的工作,本文為其設(shè)計了雙電源供電,并選用電源轉(zhuǎn)換芯片滿足其功率需求。同時還利用晶體振蕩器以及上電和手動裝置,分別實現(xiàn)了DSP的時鐘電路和復(fù)位電路,從而使系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性,能夠?qū)﹄娎|運行過程的狀態(tài)進行實時的測量。

        二、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)融合

        (一)芯片選型

        為了能夠保證系統(tǒng)在進行電纜故障監(jiān)測過程中保證一定的穩(wěn)定性,本文利用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。在轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中,首先進行的是芯片的選取。在數(shù)模轉(zhuǎn)換中,芯片有串口A/D轉(zhuǎn)換和并口A/D轉(zhuǎn)換兩種芯片類型。在系統(tǒng)當(dāng)中,為了能夠保障測量精度,需要對芯片的轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)度和轉(zhuǎn)換速度進行考察。并還需要認真研究芯片的輸出/輸入電壓范圍、工作溫度范圍、電壓穩(wěn)定度等相關(guān)數(shù)據(jù),通過這部分標(biāo)準(zhǔn)的研究,從而幫助系統(tǒng)選擇合適的芯片。本文在對單片集成A/D進行研究時,對其轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)度和轉(zhuǎn)換誤差進行了描述,由于A/D轉(zhuǎn)換器輸出二進制位數(shù)來進行分辨率顯示,因此在不同的輸入模擬電壓中,A/D轉(zhuǎn)換器能夠完成最大20個不同等級的輸出誤差最大值顯示,并利用有效位倍數(shù)進行表示。本文在進行芯片選擇時,選擇了14位A/D轉(zhuǎn)換器AD7865[2],該轉(zhuǎn)換器芯片速度高、準(zhǔn)確性好、功耗更低,同時四通道能夠?qū)崿F(xiàn)四個跟蹤放大器同時運作,實現(xiàn)4路信號相對相位信息的完整保存。

        (二)數(shù)據(jù)采集硬件

        為了保證數(shù)據(jù)正確、提升工作效率、確保智能電纜的測量準(zhǔn)確性,應(yīng)該選擇合理的接口對接方式。在系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中,應(yīng)該選用簡易接口方式將輸出數(shù)據(jù)線與DSP接口相連接,并行成二者之間的控制邏輯,完成數(shù)據(jù)的融合。在控制邏輯電路當(dāng)中,簡易接口模式可以使用一片譯碼器來實現(xiàn),并在控制運算量不高時實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳輸,完成查詢和中斷。在本文的電纜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度要求并不高,同時數(shù)據(jù)融合的過程也并不需要較多的運算處理,因此選擇了簡易接口方式進行控制邏輯的鏈接。在數(shù)據(jù)融合的過程中簡易接口下的數(shù)據(jù)采集硬件可以通過AD轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)不同存儲功能的存儲器單元分配,并與轉(zhuǎn)換器形成擴展總線,實現(xiàn)對存儲單元的操作。

        三、在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度提升

        為了能夠提升智能電纜監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度,可以首先對智能傳感器的參量和采樣頻率進行判斷。本文中智能電纜的傳感器具有緩變和正態(tài)分布的特征,因此可以認定,傳感器精度測量的結(jié)果與數(shù)字濾波數(shù)據(jù)相一致。而在數(shù)據(jù)融合的過程中,就可以通過剔除誤差測量數(shù)據(jù)的方法來進行算數(shù)平均值的計算。在利用奇偶法進行等精度測量數(shù)據(jù)的分組后,可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)字濾波能夠在測量分組當(dāng)中對兩組算數(shù)平均值進行計算,最終得出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。在直流疊加法中,接地電壓的互感器能夠根據(jù)正負抵消的原理實現(xiàn)中性點的低壓直流電源添加,并將所得到的差值數(shù)據(jù)利用正方向和反方向的直流電動勢進行處理,在消除單向雜散干擾電流對數(shù)據(jù)的影響之后,并利用電壓互感器去除掉干擾信號,從而提升測量的精度。

        將疊加正向直流電壓設(shè)置為E,屏蔽側(cè)流出電流設(shè)為I流,則可以表示為公式1。

        公式1:I流=IE+Idc+In

        當(dāng)假設(shè)兩次測量之間所存在的時間間隔足夠短時,則可以認為傳感器所處的測量環(huán)境并沒有變化,最終可以實現(xiàn)去除干擾信號提升測量精度的目的。此外,在本文所進行的智能電纜監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中,電纜會隨著使用而不斷發(fā)生老化,進而出現(xiàn)化學(xué)電動勢隨著電纜屏蔽層而發(fā)生變化的現(xiàn)象。從理論角度來看,化學(xué)電動勢產(chǎn)生于電纜屏蔽層,因此在通過絕緣電纜護套時會產(chǎn)生絕緣電阻,并與采樣電阻共同在疊加電流當(dāng)中形成干擾電流,“淹沒”傳感器測量的真值,造成測量精度的下降。因此在在線監(jiān)測過程中,還需要依靠數(shù)據(jù)特征的方式來對類似情況進行充分的判斷。在一般的研究性實驗當(dāng)中,研究者通常選擇切斷電流傳播路徑的方式來阻斷干擾電流的傳播,這種方法往往很難對化學(xué)電動勢以及絕緣電阻進行保護,最終無法阻斷干擾通路。因此為了去除干擾,本文認為可以采用電容阻斷的方式來進行接線,在實驗過程中,電容阻斷雖然接線復(fù)雜,但是能夠?qū)崿F(xiàn)干擾去除,并對正常數(shù)據(jù)信息進行測試,從而對傳感器測量真值進行判斷。

        結(jié)論:

        智能儀表作為目前先進的測量監(jiān)測儀器,在多種工程領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。而為了實現(xiàn)工程規(guī)劃的準(zhǔn)確性,一般要求儀表測量數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)具有較高的精度,因此在儀表使用中需要具備一定的干擾電流處理能力。在數(shù)據(jù)融合的技術(shù)當(dāng)中,通過電路的設(shè)置和阻斷方式的選擇可以保證監(jiān)測信息收到更低的干擾,保障準(zhǔn)確性。

        參考文獻:

        [1]岳元龍,左信,羅雄麟.提高測量可靠性的多傳感器數(shù)據(jù)融合有偏估計方法[J].自動化學(xué)報,2014,40(09):1843-1852.

        [2]王曉燕,秦海鵬,丁啟勝.傳感信號檢測與智能儀表一體化實驗裝置研制[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(03):66-69+78.

        作者簡介:

        姓名:邵鵬(1988.12--);性別:男,籍貫:遼寧省阜新人,學(xué)歷:本科,畢業(yè)于遼寧科技學(xué)院;現(xiàn)有職稱:助理工程師;研究方向:儀表維護;endprint

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