數據融合方法提高智能儀表測量精度中的應用研究

摘要：過高的工業干擾，會導致智能儀表在進行測量的過程中出現較為嚴重的偏差，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進行了研究，并借助數模轉換的電路設計，使數據在采集硬件上完成了融合，從而提高了儀表測量的精度，為今后的儀表設計提供了經驗。

關鍵詞：數據融合；智能儀表；精度提升；數模轉換

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致儀表測量數據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主要目的在于通過高精準度的故障探測能力幫助工作人員及早發現電纜故障，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、智能電纜在線監測設計方案

（一）故障監測方法選擇

在目前的電纜智能監測技術當中，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，從而尋求電纜當中存在的缺陷，但tga所能夠反應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，但是對于人員的經驗要求較高。相比之下，直流成分法和直流疊加法是在經驗數據的基礎上得到充分發展的，一方面能夠允許工作人員進行經驗累積，另一方面可以借助軟件和硬件的功能來實現電流信號的提升。因此本文選擇了直流成分法作為監測方法。

（二）硬件設計

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，針對應用場景和處理器本身的特點，選擇了能夠進行復雜運算的DSP處理器進行硬件設計和架構。除了在應用范圍方面，DSP處理器擁有較大規模的片上外設以及資源，DSP處理器還能夠支持密集乘法運算和零開銷循環等，十分適宜在線監測系統的使用。

（三）電路設計

為了保證DSP處理器的工作，本文為其設計了雙電源供電，并選用電源轉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，分別實現了DSP的時鐘電路和復位電路，從而使系統具備較高的穩定性，能夠對電纜運行過程的狀態進行實時的測量。

二、高速數據轉換電路的數據融合

（一）芯片選型

為了能夠保證系統在進行電纜故障監測過程中保證一定的穩定性，本文利用高速數據轉換技術實現數據融合。在轉換電路的設計中，首先進行的是芯片的選取。在數模轉換中，芯片有串口A/D轉換和并口A/D轉換兩種芯片類型。在系統當中，為了能夠保障測量精度，需要對芯片的轉換精準度和轉換速度進行考察。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、電壓穩定度等相關數據，通過這部分標準的研究，從而幫助系統選擇合適的芯片。本文在對單片集成A/D進行研究時，對其轉換精準度和轉換誤差進行了描述，由于A/D轉換器輸出二進制位數來進行分辨率顯示，因此在不同的輸入模擬電壓中，A/D轉換器能夠完成最大20個不同等級的輸出誤差最大值顯示，并利用有效位倍數進行表示。本文在進行芯片選擇時，選擇了14位A/D轉換器AD7865[2]，該轉換器芯片速度高、準確性好、功耗更低，同時四通道能夠實現四個跟蹤放大器同時運作，實現4路信號相對相位信息的完整保存。

（二）數據采集硬件

為了保證數據正確、提升工作效率、確保智能電纜的測量準確性，應該選擇合理的接口對接方式。在系統的設計當中，應該選用簡易接口方式將輸出數據線與DSP接口相連接，并行成二者之間的控制邏輯，完成數據的融合。在控制邏輯電路當中，簡易接口模式可以使用一片譯碼器來實現，并在控制運算量不高時實現各種數據的精準傳輸，完成查詢和中斷。在本文的電纜監測系統設計當中數據采集系統的速度要求并不高，同時數據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。在數據融合的過程中簡易接口下的數據采集硬件可以通過AD轉換器來實現不同存儲功能的存儲器單元分配，并與轉換器形成擴展總線，實現對存儲單元的操作。

三、在線監測系統的測量精度提升

為了能夠提升智能電纜監測系統的測量精度，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分布的特征，因此可以認定，傳感器精度測量的結果與數字濾波數據相一致。而在數據融合的過程中，就可以通過剔除誤差測量數據的方法來進行算數平均值的計算。在利用奇偶法進行等精度測量數據的分組后，可以發現傳統的數字濾波能夠在測量分組當中對兩組算數平均值進行計算，最終得出相應的標準差。在直流疊加法中，接地電壓的互感器能夠根據正負抵消的原理實現中性點的低壓直流電源添加，并將所得到的差值數據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據的影響之后，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置為E，屏蔽側流出電流設為I流，則可以表示為公式1。

公式1：I流=IE+Idc+In

當假設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境并沒有變化，最終可以實現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測系統當中，電纜會隨著使用而不斷發生老化，進而出現化學電動勢隨著電纜屏蔽層而發生變化的現象。從理論角度來看，化學電動勢產生于電纜屏蔽層，因此在通過絕緣電纜護套時會產生絕緣電阻，并與采樣電阻共同在疊加電流當中形成干擾電流，“淹沒”傳感器測量的真值，造成測量精度的下降。因此在在線監測過程中，還需要依靠數據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雜，但是能夠實現干擾去除，并對正常數據信息進行測試，從而對傳感器測量真值進行判斷。

結論：

智能儀表作為目前先進的測量監測儀器，在多種工程領域都有廣泛應用。而為了實現工程規劃的準確性，一般要求儀表測量數據應當具有較高的精度，因此在儀表使用中需要具備一定的干擾電流處理能力。在數據融合的技術當中，通過電路的設置和阻斷方式的選擇可以保證監測信息收到更低的干擾，保障準確性。

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據融合有偏估計方法[J].自動化學報，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，學歷：本科，畢業于遼寧科技學院；現有職稱：助理工程師；研究方向：儀表維護；endprint