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

摘要：過高的工業(yè)干擾，會(huì)導(dǎo)致智能儀表在進(jìn)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(duì)某智能電纜探測系統(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：

高精度測量是目前智能儀表在工作過程中的基本要求，但是在實(shí)際運(yùn)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(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(jì)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(duì)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(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電纜絕緣的檢測方法[1]，操作簡單，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處理器三種類型可供選擇。本文在對(duì)比各種類型的處理器后，針對(duì)應(yīng)用場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(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)行過程的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)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(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)換兩種芯片類型。在系統(tǒng)當(dāng)中，為了能夠保障測量精度，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(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，完成查詢和中斷。在本文的電纜監(jiān)測系統(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)融合的過程也并不需要較多的運(yùn)算處理，因此選擇了簡易接口方式進(jìn)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(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，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)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(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(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(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(shí)間間隔足夠短時(shí)，則可以認(rèn)為傳感器所處的測量環(huán)境并沒有變化，最終可以實(shí)現(xiàn)去除干擾信號(hào)提升測量精度的目的。此外，在本文所進(jìn)行的智能電纜監(jiān)測系統(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(dòng)勢產(chǎn)生于電纜屏蔽層，因此在通過絕緣電纜護(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”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(duì)類似情況進(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)勢以及絕緣電阻進(jìn)行保護(hù)，最終無法阻斷干擾通路。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進(jìn)行接線，在實(shí)驗(yàn)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(duì)正常數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測試，從而對(duì)傳感器測量真值進(jìn)行判斷。

結(jié)論：

智能儀表作為目前先進(jìn)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(shí)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(xiàn)：

[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(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(hù)；endprint