強(qiáng)磁場(chǎng)下微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉文靜，王民慧，汪亞霖，胡蘭子

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽550025)

眾所周知，鋁電解槽的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和流場(chǎng)的穩(wěn)定直接決定了電解槽的運(yùn)行情況［1］，而運(yùn)行穩(wěn)定的電解槽又有利于降低運(yùn)行電壓，達(dá)到節(jié)能減排的要求。但是，如果母線配置存在缺陷將會(huì)導(dǎo)致陰極電流的分布不均，從而無法降低運(yùn)行電壓。劉升［2］在對(duì)300 kA系列電解槽的母線優(yōu)化改造的研究中，主要以母線電流分布作為參考依據(jù)來發(fā)現(xiàn)缺陷，通過修正母線電阻來達(dá)到從新分配電流的目的。改造后，修正了母線電流的分布偏差，且噸鋁省電超過200 kWh，達(dá)到了節(jié)能的效果。該研究表明，對(duì)母線電流分布的在線監(jiān)控，可以分析母線配置是否存在缺陷，從而指導(dǎo)電解槽的運(yùn)行和維護(hù)。周萍［3］通過對(duì)不同進(jìn)電方式的電解槽進(jìn)行了研究，并得出結(jié)論:電解槽的進(jìn)電方式直接影響了槽內(nèi)熔體的運(yùn)動(dòng)。賀志輝［4］對(duì)不同進(jìn)線點(diǎn)的母線配置和母線補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究，研究表明:進(jìn)線點(diǎn)數(shù)較多以及適當(dāng)使用母線補(bǔ)償技術(shù)可以有效的降低影響電解生產(chǎn)的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于鋁電解工業(yè)，電解槽內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)是直接影響磁流體運(yùn)動(dòng)的主要原因之一，磁場(chǎng)不穩(wěn)定會(huì)引起磁流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)［5］，從而威脅安全生產(chǎn)。因此，穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境有利于正常生產(chǎn)，而磁場(chǎng)的穩(wěn)定與否又由母線的配置來決定，所以，合理的對(duì)母線進(jìn)行配置極其重要。

磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，它能將處于磁場(chǎng)下的鐵磁物質(zhì)磁化，改變其性質(zhì)。從微觀上說，有研究表明:均恒的強(qiáng)磁場(chǎng)能夠?qū)⒏邚?qiáng)度的能量無接觸地傳遞到物質(zhì)的原子尺度，改變?cè)拥呐帕小⑵ヅ浜瓦w移等行為，從而對(duì)材料的組織和性能產(chǎn)生很大的影響［6］。在宏觀來看，對(duì)于處于磁場(chǎng)下的儀器設(shè)備，強(qiáng)大的磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。林蘇軾［7］對(duì)高頻磁場(chǎng)下的熱電偶測(cè)溫誤差的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，表明磁性元件的渦流效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生誤差，研究使用了加權(quán)平均等效正弦頻率的方法使誤差得到了很好的修正。文獻(xiàn)［8］通過對(duì)諧振電路，51單片機(jī)系統(tǒng)等典型電路進(jìn)行了研究，說明，當(dāng)恒磁場(chǎng)B≤0.1 T時(shí)，電路均能正常工作;而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度處于0.1 T＜B≤2 T的范圍內(nèi)時(shí)，電路會(huì)受到較小的影響，但也能正常工作。李輝［9］對(duì)石英晶體諧振器在磁場(chǎng)中的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)受到磁場(chǎng)的作用時(shí)，磁性支架會(huì)產(chǎn)生力－頻效應(yīng)，從而引起頻率的變化。張志禹［10］以強(qiáng)磁場(chǎng)下的電解車間為背景，對(duì)計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試研究，研究表明:板狀材料對(duì)直流磁場(chǎng)的屏蔽有顯著的效果。上述研究表明，磁場(chǎng)對(duì)非鐵磁材料的元器件影響不大，反之，對(duì)鐵磁材料的元器件有較大影響;且恒磁場(chǎng)對(duì)電子器件的影響比高頻磁場(chǎng)的影響小。

要想同步測(cè)量鋁電解槽全部母線在同一時(shí)間段的電流變化，有一定難度，但是，由于母線溫度是一個(gè)慢時(shí)變的量，因此在溫度一定的情況下，母線等距壓降是母線電流的單值函數(shù)［11］。那么，就可以通過每根母線上的兩根探針之間的電壓降間接地反映出電流的變化情況。由于鋁質(zhì)母線上的電阻很小，短距離母線上的壓降為微小的毫伏級(jí)電壓信號(hào)，其大小在20mV以內(nèi)。要想得到準(zhǔn)確的電流值，就必須實(shí)現(xiàn)精確的微弱電壓信號(hào)和溫度信號(hào)的檢測(cè)。檢測(cè)電路中可靠的前置電路可以提高系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏度，增強(qiáng)穩(wěn)定性。反之，不但無法去除環(huán)境噪聲，還會(huì)把噪聲放大，影響檢測(cè)系統(tǒng)的精度。

綜上所述，從保證信號(hào)準(zhǔn)確的角度考慮，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中的測(cè)試設(shè)備，需采用性能較好的元器件，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)檢測(cè)電路的基本結(jié)構(gòu)

本測(cè)量系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和上位機(jī)顯示輸出模塊組成。信號(hào)的采集是通過在鋁電解槽的每個(gè)母線上安裝等距的兩個(gè)探針，來獲得等距壓降和溫度。每個(gè)母線上的探針通過屏蔽導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集模塊相連，實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)采集到的電壓信號(hào)和溫度信號(hào)送到調(diào)理電路;數(shù)據(jù)采集模塊將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，然后再送入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理;最后用串口將處理好的信號(hào)傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示。

數(shù)據(jù)處理模塊的CPU使用S3C2440集成芯片，它采用RAM920T的內(nèi)核，具有強(qiáng)大的指令集，它集成了片上時(shí)鐘，在高數(shù)據(jù)處理速率下工作，高效的速率有利于檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。圖1是檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。

圖1 鋁電解槽電壓信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊的放大電路

本系統(tǒng)選用INA114精密放大器，此產(chǎn)品尺寸小、精度高、價(jià)格低，是一種通用儀表放大器。它是精密三運(yùn)放集成芯片，具有高共模抑制比(G=1 000時(shí)為50 dB)，低失調(diào)電壓(50 μV)，漂移小(0.25 μV/℃)的特點(diǎn)。且使用一個(gè)外部電阻可設(shè)定1～10 000之間的任意增益。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

INA114的輸入阻抗大約為1010Ω，所以，其偏置電流小于±1 nA。但在應(yīng)用電路中卻必須為兩個(gè)輸入端的偏置電流設(shè)置返回路徑(圖4中的標(biāo)注部分)，若未設(shè)返回路徑，電路將無法正常使用。其外部電路用一個(gè)可調(diào)電阻來實(shí)現(xiàn)增益的修改，RG選用一個(gè)10 K的可調(diào)電阻，就能實(shí)現(xiàn)6～10 000倍的增益調(diào)節(jié)。為修正測(cè)試電路的零點(diǎn)偏移，參考電路還設(shè)置了偏離電壓的修正回路，并采用REF200和OPA177實(shí)現(xiàn)其功能。電路如圖3所示。

系統(tǒng)中電壓檢測(cè)的前置電路如圖4(a)所示，溫度檢測(cè)前置電路如圖4(b)所示。檢測(cè)電路使用了一片INA114實(shí)現(xiàn)信號(hào)的差動(dòng)放大，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，所以，設(shè)置了由OPA177和REF200共同組成的偏置修正電路。溫度檢測(cè)電路與電壓檢測(cè)電路的區(qū)別就是多使用了一個(gè)REF200，由它構(gòu)成恒流源來驅(qū)動(dòng)鉑電阻PT100，以實(shí)現(xiàn)將溫度引起的阻值變化轉(zhuǎn)變成電壓變化［12］。

圖3 偏置修正電路

圖4 檢測(cè)電路原理圖

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊的濾波電路

通過對(duì)干擾噪聲的分析，針對(duì)噪聲的類型來設(shè)計(jì)濾波電路，可以最大限度地濾除噪聲，讓測(cè)量值更接近真實(shí)值。影響系統(tǒng)的噪聲，除了元器件內(nèi)部噪聲外，在鋁工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有機(jī)械噪聲，母線磁場(chǎng)干擾噪聲，熱噪聲等多種噪聲。在正確接入電流方向的情況下，現(xiàn)場(chǎng)的小電壓信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)幅值大小大于零的毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的電壓原始信號(hào)波形可以看出，較大的干擾已完全將小信號(hào)淹沒。因?yàn)椋趫D6左中電壓的幅值不僅有大于零的也有小于零的，而且小于零的情況在直流母線上的是不應(yīng)該存在的，真實(shí)值應(yīng)該是大于零的一個(gè)有波動(dòng)的小電壓信號(hào)，如圖6左所示，此原始信號(hào)的采樣周期為2 μs，圖為3 ms時(shí)間內(nèi)的波形。

功率譜表示的是:有限信號(hào)單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的變化情況。從文獻(xiàn)［13］中總結(jié)得知，通過功率譜圖對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分析，可以得出有用信號(hào)的頻率段。LabVIEW是目前應(yīng)用廣泛的虛擬儀器開發(fā)軟件，它已將數(shù)據(jù)采集與分析的方法都模塊化，只需要將模塊組合，就能實(shí)現(xiàn)需要的功能［14］。實(shí)驗(yàn)中，通過LabVIEW軟件的功率譜估計(jì)模塊，對(duì)已知頻率的信號(hào)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果能準(zhǔn)確的顯示出左邊設(shè)置的正弦波頻率。因此，此方法是可行的。仿真信號(hào)的幅值均為2 V，分析的結(jié)果如圖5所示。圖6是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行的功率譜分析。

圖5 仿真信號(hào)功率譜估計(jì)

圖5充分證明了使用信號(hào)的功率譜估計(jì)來確定信號(hào)頻率是可行的。圖6右所示為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的原始信號(hào)進(jìn)行的功率譜分析，從分析的結(jié)果可以看出，有用信號(hào)的頻率小于10 Hz。因此，根據(jù)有用信號(hào)的頻段范圍，使用巴特沃斯的低通濾波設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)冗余為10 Hz的低通濾波器，濾波器的截止頻率為20 Hz。此濾波器通過對(duì)信號(hào)的硬件濾波顯示，能最大程度的減弱高頻信號(hào)，濾除干擾。

圖6 原始信號(hào)功率譜估計(jì)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)選用的處理器是S3C2440，它是三星公司的精簡(jiǎn)指令集微處理器，該芯片集成了兩路8通道10 bit的ADC，符合系統(tǒng)對(duì)AD轉(zhuǎn)換的要求。

數(shù)據(jù)處理的程序是在μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)下運(yùn)行的，操作系統(tǒng)通過有效地對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，并對(duì)其任務(wù)賦予不同的優(yōu)先級(jí)來保證任務(wù)時(shí)響應(yīng)，且在進(jìn)程中，最多可寫入64個(gè)任務(wù)。數(shù)據(jù)處理模塊中，AD轉(zhuǎn)換的功能，用一個(gè)任務(wù)來完成。程序流程圖如圖7(a)所示。除AD轉(zhuǎn)換以外，數(shù)字濾波也在任務(wù)中實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中使用的數(shù)字濾波程序?yàn)橹兄禐V波加平均值濾波的復(fù)合濾波方式，這種方法既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周期脈動(dòng)干擾的濾除也可以濾掉脈沖干擾，流程圖如圖7(b)所示。

圖7 程序流程圖

2.2 人機(jī)界面程序

人機(jī)界面使用Visual Basic語言完成。如圖8所示，此界面實(shí)現(xiàn)的是一路母線電流的檢測(cè)。要實(shí)現(xiàn)多路的監(jiān)測(cè)只需要增加顯示窗口即可，以下的實(shí)驗(yàn)都是針對(duì)一路母線實(shí)現(xiàn)的。

圖8 人機(jī)對(duì)話窗口

MSComm控件主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的接收，并將接收到的數(shù)據(jù)顯示在對(duì)話窗口的功能。下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)是經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)，一路為電壓信號(hào)，一路為溫度信號(hào)。人機(jī)界面主要分為4個(gè)部分:數(shù)據(jù)輸入部分，顯示部分，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分和計(jì)算部分。數(shù)據(jù)輸入部分實(shí)現(xiàn)母線參數(shù)設(shè)置，串口選擇，以及波特率選擇。顯示部分可以顯示電壓值，溫度值以及電流值，并通過選擇各個(gè)值的波形圖，可以查看從當(dāng)前開始的數(shù)值大小的波動(dòng)趨勢(shì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分是完成當(dāng)前電壓值，溫度值和電流值的存儲(chǔ)功能，當(dāng)點(diǎn)擊采集數(shù)據(jù)按鈕，在D盤的根目錄將數(shù)據(jù)和采集時(shí)間存儲(chǔ)在一個(gè)名叫“數(shù)據(jù)采集”的文件中，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)算部分主要實(shí)現(xiàn)電流的計(jì)算功能，由于母線的規(guī)格直接影響電流的大小，所以在打開串口之前就要求輸入測(cè)量母線的尺寸，大小以mm為單位。電流的計(jì)算公式為:

式(1)中V為小信號(hào)壓降，mV;ρ0為0℃時(shí)鋁的電阻率;β為電阻率溫度系數(shù);T為母線溫度(℃);L為等距壓降長度(m);S為母線截面積(m2)。

3 系統(tǒng)抗干擾措施

除使用硬件和軟件濾波器之外，針對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的微弱信號(hào)檢測(cè)還使用了其他抗干擾措施。

3.1 供電電源的抗干擾

電源在系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的部分，為抑制干擾，采用隔離變壓器與控制系統(tǒng)隔離，為濾除電網(wǎng)中的高頻部分，使用低通濾波器濾除高頻干擾而使50 Hz的電網(wǎng)頻率通過。然后使用直流穩(wěn)壓器給系統(tǒng)供電。穩(wěn)定的供電有利于放大器的穩(wěn)定工作。

3.2 傳輸線路和系統(tǒng)外部的抗干擾

選用具有耐高溫的雙絞磁屏蔽線作為信號(hào)傳輸線，可以實(shí)現(xiàn)共模干擾的抑制和磁場(chǎng)的屏蔽。傳輸較小的mV信號(hào)，導(dǎo)線不宜過長，否則，信號(hào)衰減將會(huì)比較明顯。鋁電解現(xiàn)場(chǎng)的磁場(chǎng)較大，所以檢測(cè)系統(tǒng)安裝在車間辦公室，并且同時(shí)使用三線雙層屏蔽技術(shù)，即使用屏蔽盒將放大器部分屏蔽起來，同時(shí)把整個(gè)設(shè)備用屏蔽罩將檢測(cè)系統(tǒng)屏蔽起來，達(dá)到最大程度的屏蔽磁場(chǎng)干擾。

3.3 系統(tǒng)接地抗干擾措施

選擇正確的接地點(diǎn)尤為重要，此系統(tǒng)屬于低頻系統(tǒng)，所以電路選擇單點(diǎn)接地方式。電路板的設(shè)計(jì)采用大面積地線，以減小地線電阻;并且系統(tǒng)的外屏蔽與內(nèi)屏蔽之間，模擬地與內(nèi)屏蔽都是絕緣的，而內(nèi)屏蔽引出的線與屏蔽電纜的屏蔽層相連;電路的信號(hào)地與屏蔽外殼也絕緣。整個(gè)電路系統(tǒng)采用浮地技術(shù)，系統(tǒng)機(jī)殼與大地相連。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源給定輸入信號(hào)，用萬用表測(cè)試輸出，記錄了前置放大部分和人機(jī)界面的顯示讀數(shù)，如表1、表2所示。

表1 前置放大器的輸出

表2 人機(jī)界面的顯示讀數(shù)

從表1可以看出，小電壓在測(cè)量量程為20 mV，溫度的量程為100℃，給定的輸入與輸出基本呈線性，放大倍數(shù)基本穩(wěn)定。在表2中可以明確的看出，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與輸入的模擬信號(hào)之間的誤差都很小，最大相對(duì)誤差為2.5%，完全可以保證誤差大小在5%以內(nèi)。從上述表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出檢測(cè)系統(tǒng)的線性較好，能滿足工業(yè)的要求，因在實(shí)際應(yīng)用中可以忽略存在的微小誤差。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)是在某電解鋁廠360 kA系列電流電解槽上在線獲取并保存得到的數(shù)據(jù)采集文件，使用此數(shù)據(jù)文件在EXCEL表格中繪得圖9。圖9(a)是沒有經(jīng)過硬件濾波的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，圖9(b)是通過濾波處理后得到的數(shù)據(jù)。

圖9 濾波前后的電壓降信號(hào)

由圖9可以看出，檢測(cè)的小電壓信號(hào)的幅值為8 mV～9 mV左右，在正常的工業(yè)生產(chǎn)中，由于電解槽內(nèi)鋁液是在低頻波動(dòng)的，所以檢測(cè)到的電流也是有微小波動(dòng)，這完全符合實(shí)際。從圖9的對(duì)比可以看出，微弱信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)進(jìn)行濾除，說明此電路系統(tǒng)完全能適用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，能抵抗較強(qiáng)的干擾。

5 總結(jié)和展望

論文從硬件和軟件兩大方面，詳細(xì)闡述了微小電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。且通過得到的數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果符合最初設(shè)計(jì)要求，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過對(duì)母線等距壓降和母線溫度的檢測(cè)，間接計(jì)算母線電流實(shí)現(xiàn)了電流的在線監(jiān)測(cè)，且能直觀的顯示出母線電流的分布情況。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)母線電流的在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，微小的電流波動(dòng)屬于濾液的正常波動(dòng)范圍，當(dāng)母線的電流分布異常時(shí)，各母線的電流值則會(huì)相差較大，這種差距對(duì)于判定槽況信息具有指導(dǎo)意義。

此系統(tǒng)的創(chuàng)新處在于設(shè)計(jì)了一個(gè)精度較高，實(shí)時(shí)性較好，不影響正常工業(yè)生產(chǎn)，方便拆裝的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。并在實(shí)際科研中驗(yàn)證了其精度滿足5%的要求，且在強(qiáng)干擾下能實(shí)時(shí)跟蹤電流的變化，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。對(duì)于此系統(tǒng)的開發(fā)，仍存在不足之處，例如AD的范圍為0～3.3 V，如果需要檢測(cè)負(fù)向電壓時(shí)就存在缺陷，不過，這可以更改使用的AD來完善所需的功能。

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