提高热电阻测温装置抗干扰能力措施

摘要:根据测温装置在现场运行的情况,提出了改进信号处理回路、软件中增加缓冲环节、采用具有滤波功能的A/D芯片等几种增强抗干扰能力的措施，并分别进行了现场试验,比较每种措施的性能,最终通过实践,比较成功地提高了测温装置对于环境千扰的抵抗能力,为其他类似的模拟量采集提供了参考。
0引言
　　温度参数是目前工业生产中常用的生产过程参数之一,在电厂中,机组的各温度值是反映机组是否正常运行的重要指标,也是提供机组运行控制的重要参考,部分温度参数还直接参与告警和停机保护。考虑到测量过程中可能遇到的各种恶劣环境,系统要求有较高的准确性和可靠性。实践中曾出现过恒流源激励失灵以及抗干扰能力差等问题,严重影响了测量的效果。为此,本文提出了抗干扰措施,并进行模拟试验与现场试验,根据试验结果选择适当的措施,以提高装置的抗干扰能力。
1原理
　　温度测量有多种方式,对于不同的场合和不同的要求,测量方式也不同。在水电厂，主要采用热电阻测温。热电阻是一种电阻值随温度而变化的传感器,可以通过测量电阻值的方法来完成温度测量"。通常,电阻的测量方法有电桥测量法和恒流源激励法。电桥测量法的输出电压与电阻值呈非线性关系，尤其是用于多种类型的热电阻时,数据处理比较复杂,因而很少用于温度测量系统中。而恒流源激励法输出电压与电阻值呈良好的线性关系,因此,本系统采用恒流源激励法进行温度测量。采用该方法进行温度测量时,要保证恒流源激励小于5mA,否则会造成热电阻的自热而影响测量的准确度。
　　热电阻的接入方式一般有两线制、三线制和四线制。两线制测量因引线电阻带来的附加误差会使实际测量值偏高,需要通过软件进行校准;四线制测量精度最高;三线制测量比两线制测量精度高,比四线制测量成本低。因此，工业上一般采用三线制测量。本系统以三线制接入方式进行温度测量。
 
　　图1是采用恒流源激励法进行温度测量的检测电路。热电阻RRTm采用三线制接入方式，从A,B,C点接入,RL为3根引线电阻,阻值一般在5Ω以内。恒流源激励I1从A端流经引线电阻RL、热电阻RRrD引线电阻Rr到C端组成一个激励回路,恒流源激励I2从B端流经2个引线电阻RL到C端组成另外一个激励回路,由于2路恒流源激励均为0.8mA,则热电阻RRn的电压为U=U(+)-U(-)=I1(RL+RRTD)-l2R=I1RRTD,最后通过标准电阻通道的切换得到电阻值RRTD,同时消除了恒流源激励的影响.
2现场情况
　　在某电厂中试验,测温装置使用的恒流源为0.8mA,测温电阻为Pt100,正常时,电阻两侧电压.应为90mV左右旧的装置在现场运行时,温度测值并不稳定,偶尔会有跳动,一般情况下会跳动1℃左右,但极少数情况测值跳动几度甚至达到10℃,初步判断是现场的干扰引起,并用示波器记录下测温电阻两侧电压值电压波形,见附录A。
　　在没有干扰的情况下,采集信号应为90mV左右的直流分量。但通过示波器记录的波形发现,除了90mV直流分量,信号中还有30mV~40mV的交流分量,频率约为20kHz;另外,信号中还有周期地出现的大干扰信号,该信号峰峰值超过400mV，最大达到500mV,周期约为3.3ms(300Hz),持续时间约为25μs~30μs。
　　分析可知,现场干扰频繁,基本是按固定频率出现,干扰幅值大,最大高达470mV,远高出正常的测量电压。当恒流源为0.8mA时,电阻电压与温度值的对应关系约为1mV对应温度值3℃。要使装置在以上干扰下达到测值跳动不超过1℃,必须通过硬件与软件处理来提高装置的抗干扰性。
3对策与效果
3.1硬件处理措施
　　将恒流源电流增大至25mA,电压与温度值的关系约为1mV/1℃。试验中发现，当电流达到25mA时,若持续供电,电阻会发热,并影响最终的测量结果。因此,增大电流后,采集通道必须采用切换方式,采集完毕后切除电流,使电阻有释放热量的时间。
　　设计多阶RC滤波回路(原理见图2),试验证明,二阶的效果比较明显，更高阶次的滤波对于测值的改进作用不大。
 
　　总的来说,改进的信号处理回路虽然有效果,但不能满足要求,--般情况下,对干扰的抑制效果还不错,但有些情况下实际测值最大跳变达到2℃~3℃。
3.2软件处理措施
　　之前的装置软件上有些基本的处理,如多次求平均、去除最大最小值、跳变超过一定范围认为该值非法而不予处理等。现在在这些处理的基础上,增加了积分环节与缓冲环节。
缓冲环节传递函数为:
 
　　式中:r(n)为实际测量值;c(n)为输出值。
　　积分环节传递函数为:
　　提高热电阻测温装置抗干扰能力的研究
 
　　在软件处理上增加这2个环节都能取得很好的效果，实际的试验结果见表1，其中未修改是指原装置的原程序,积分环节仅增加了T为4△T的小积分环节。从表中可以看出,该环节所起的作用比较明显。
 
　　该方式对应系数T越大,最终得到的测温值则越平滑,但T越大,输出值延时则越严重,当机组处于烧瓦状态,温度会急剧上升，这种因延时带来的后果不堪设想。
3.3采用△∑的A/D芯片
3.3.1芯片特点
　　CS5523A/D芯片的特点是:高集成度的△∑A/D转换器,常规转换精度16位,特殊要求下转换精度可达24位;测量电压范围可以选择25mV,55mV,100mV,1V,2.5V,5V,且可以根据需要进行补偿;支持多种工作模式，具有不同的测值转换速率,可根据需要灵活选择。其内部原理如图3所示。
 
　　该芯片的数字滤波器采用sinc滤波原理,通过3次sine滤波,最终的抗干扰能力可达到满意的效果。由图4可看出,当设定芯片A/D转换速率为15次/s时,对于频率为50Hz~65Hz及大于90Hz的干扰,A/D芯片能使其衰减-80dB,对于50Hz(工频)倍数的频率干扰，能使其衰减-100dB。若装置面临如上面通过示波器看到的数百mV的干扰,则直接将该信号衰减到0.1mV以下，这样的干扰对测值的影响可忽略不计。若面临幅值达到10V的极端干扰信号,且频率为工频倍数,则该干扰将被衰减到0.1mV,若此干扰信号为50Hz~65Hz或大于90Hz,则该干扰将被衰诚到1mV以下，对测值造成的影响也不会超过1℃。
 
3.3.2芯片配置设定
　　工作方式选择为Single_Setup模式,即当A/D转换完毕,芯片处于等待下一次命令的状态,直到下一次转换命令到来,才开始一次新的转换。
　　测值转换速率根据需要设定为15次/s。速率越低,抗干扰能力则越强,但所消耗的时间更长。在该速率下,既能保证装置对时间的要求,也能保证装置对抗干扰能力的要求。
　　测量范围选择为1V,且无极性。按照装置的最大测量范围,对应电压约为500mV,且只需要测量正向电压,因此根据需要选择测量范围为1V。放大寄存器等暂未配置。
3.3.3试验结果
　　采用新的A/D芯片设计的模件进行现场试验，分别在机组运行于空转、空载、带负荷与甩负荷等工况下进行了测试,图5所示为曲线图之一。其中3条曲线分别对应3个测点。可以看出,3个测点温度值变化并不明显,最大变化约为0.3℃。与以往装置相比,该方式的抗干扰能力大大增强,并能满足现场装置对测值的要求。
 
4结语
　　热电阻测温是一种微弱信号源,在电厂复杂的电磁干扰环境下,信号会受到干扰。本文介绍的几种实用的增强抗干扰能力的方法,经实践证明,减小或消除干扰对测值影响的效果比较理想,满足了监控对于测温的需要。