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

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

        摘要:過(guò)高的工業(yè)干擾,會(huì)導(dǎo)致智能儀表在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)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(cè)量精度,本文對(duì)某智能電纜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并借助數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì),使數(shù)據(jù)在采集硬件上完成了融合,從而提高了儀表測(cè)量的精度,為今后的儀表設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

        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(cè)量是目前智能儀表在工作過(guò)程中的基本要求,但是在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中,卻往往由于過(guò)多的干擾因素最終導(dǎo)致儀表測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)情況存在較大的出入,造成精度不足,影響工作進(jìn)度和工作效率。筆者所研究的智能電纜探測(cè)系統(tǒng)主要目的在于通過(guò)高精準(zhǔn)度的故障探測(cè)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(cè)精度不足,一切工作要求就無(wú)從談起。

        一、智能電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

        (一)故障監(jiān)測(cè)方法選擇

        在目前的電纜智能監(jiān)測(cè)技術(shù)當(dāng)中,針對(duì)電纜故障的檢測(cè)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(cè)軟件對(duì)tga值進(jìn)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(wú)法針對(duì)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(cè)方法[1],操作簡(jiǎn)單,但是對(duì)于人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。相比之下,直流成分法和直流疊加法是在經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行經(jīng)驗(yàn)累積,另一方面可以借助軟件和硬件的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的提升。因此本文選擇了直流成分法作為監(jiān)測(cè)方法。

        (二)硬件設(shè)計(jì)

        在處理器的選擇方面,目前有計(jì)算機(jī)通用處理器、單片機(jī)、DSP處理器三種類(lèi)型可供選擇。本文在對(duì)比各種類(lèi)型的處理器后,針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景和處理器本身的特點(diǎn),選擇了能夠進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的DSP處理器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)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(yùn)算和零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)等,十分適宜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用。

        (三)電路設(shè)計(jì)

        為了保證DSP處理器的工作,本文為其設(shè)計(jì)了雙電源供電,并選用電源轉(zhuǎn)換芯片滿(mǎn)足其功率需求。同時(shí)還利用晶體振蕩器以及上電和手動(dòng)裝置,分別實(shí)現(xiàn)了DSP的時(shí)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(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)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(jìn)行電纜故障監(jiān)測(cè)過(guò)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。在轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中,首先進(jìn)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(lèi)型。在系統(tǒng)當(dāng)中,為了能夠保障測(cè)量精度,需要對(duì)芯片的轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)度和轉(zhuǎn)換速度進(jìn)行考察。并還需要認(rèn)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(guò)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(duì)單片集成A/D進(jìn)行研究時(shí),對(duì)其轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)度和轉(zhuǎn)換誤差進(jìn)行了描述,由于A/D轉(zhuǎn)換器輸出二進(jìn)制位數(shù)來(lái)進(jìn)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(gè)不同等級(jí)的輸出誤差最大值顯示,并利用有效位倍數(shù)進(jìn)行表示。本文在進(jìn)行芯片選擇時(shí),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(shí)四通道能夠?qū)崿F(xiàn)四個(gè)跟蹤放大器同時(shí)運(yùn)作,實(shí)現(xiàn)4路信號(hào)相對(duì)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(cè)量準(zhǔn)確性,應(yīng)該選擇合理的接口對(duì)接方式。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中,應(yīng)該選用簡(jiǎn)易接口方式將輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)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(jiǎn)易接口模式可以使用一片譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn),并在控制運(yùn)算量不高時(shí)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳輸,完成查詢(xún)和中斷。在本文的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度要求并不高,同時(shí)數(shù)據(jù)融合的過(guò)程也并不需要較多的運(yùn)算處理,因此選擇了簡(jiǎn)易接口方式進(jìn)行控制邏輯的鏈接。在數(shù)據(jù)融合的過(guò)程中簡(jiǎn)易接口下的數(shù)據(jù)采集硬件可以通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)器單元分配,并與轉(zhuǎn)換器形成擴(kuò)展總線(xiàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元的操作。

        三、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度提升

        為了能夠提升智能電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度,可以首先對(duì)智能傳感器的參量和采樣頻率進(jìn)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(rèn)定,傳感器精度測(cè)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(guò)程中,就可以通過(guò)剔除誤差測(cè)量數(shù)據(jù)的方法來(lái)進(jìn)行算數(shù)平均值的計(jì)算。在利用奇偶法進(jìn)行等精度測(cè)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(cè)量分組當(dāng)中對(duì)兩組算數(shù)平均值進(jìn)行計(jì)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(fù)抵消的原理實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)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(dòng)勢(shì)進(jìn)行處理,在消除單向雜散干擾電流對(duì)數(shù)據(jù)的影響之后,并利用電壓互感器去除掉干擾信號(hào),從而提升測(cè)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(cè)量之間所存在的時(shí)間間隔足夠短時(shí),則可以認(rèn)為傳感器所處的測(cè)量環(huán)境并沒(méi)有變化,最終可以實(shí)現(xiàn)去除干擾信號(hào)提升測(cè)量精度的目的。此外,在本文所進(jìn)行的智能電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中,電纜會(huì)隨著使用而不斷發(fā)生老化,進(jìn)而出現(xiàn)化學(xué)電動(dòng)勢(shì)隨著電纜屏蔽層而發(fā)生變化的現(xiàn)象。從理論角度來(lái)看,化學(xué)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生于電纜屏蔽層,因此在通過(guò)絕緣電纜護(hù)套時(shí)會(huì)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(méi)”傳感器測(cè)量的真值,造成測(cè)量精度的下降。因此在在線(xiàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,還需要依靠數(shù)據(jù)特征的方式來(lái)對(duì)類(lèi)似情況進(jìn)行充分的判斷。在一般的研究性實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,研究者通常選擇切斷電流傳播路徑的方式來(lái)阻斷干擾電流的傳播,這種方法往往很難對(duì)化學(xué)電動(dòng)勢(shì)以及絕緣電阻進(jìn)行保護(hù),最終無(wú)法阻斷干擾通路。因此為了去除干擾,本文認(rèn)為可以采用電容阻斷的方式來(lái)進(jìn)行接線(xiàn),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電容阻斷雖然接線(xiàn)復(fù)雜,但是能夠?qū)崿F(xiàn)干擾去除,并對(duì)正常數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測(cè)試,從而對(duì)傳感器測(cè)量真值進(jìn)行判斷。

        結(jié)論:

        智能儀表作為目前先進(jìn)的測(cè)量監(jiān)測(cè)儀器,在多種工程領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。而為了實(shí)現(xiàn)工程規(guī)劃的準(zhǔn)確性,一般要求儀表測(cè)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(guò)電路的設(shè)置和阻斷方式的選擇可以保證監(jiān)測(cè)信息收到更低的干擾,保障準(zhǔn)確性。

        參考文獻(xiàn):

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

        [2]王曉燕,秦海鵬,丁啟勝.傳感信號(hào)檢測(cè)與智能儀表一體化實(shí)驗(yàn)裝置研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(03):66-69+78.

        作者簡(jiǎn)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(chēng):助理工程師;研究方向:儀表維護(hù);endprint

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