数据融合方法提高智能仪表测量精度中的应用研究

摘要：过高的工业干扰，会导致智能仪表在进行测量的过程中出现较为严重的偏差，最终造成仪表精度下降。为了能够提升智能仪表的测量精度，本文对某智能电缆探测系统进行了研究，并借助数模转换的电路设计，使数据在采集硬件上完成了融合，从而提高了仪表测量的精度，为今后的仪表设计提供了经验。

关键词：数据融合；智能仪表；精度提升；数模转换

前言：

高精度测量是目前智能仪表在工作过程中的基本要求，但是在实际运作过程中，却往往由于过多的干扰因素最终导致仪表测量数据与真实情况存在较大的出入，造成精度不足，影响工作进度和工作效率。笔者所研究的智能电缆探测系统主要目的在于通过高精准度的故障探测能力帮助工作人员及早发现电缆故障，及早采取措施加以解决，避免造成更大危害。而探测精度不足，一切工作要求就无从谈起。

一、智能电缆在线监测设计方案

（一）故障监测方法选择

在目前的电缆智能监测技术当中，针对电缆故障的检测和判断方法主要有直流成分法、电缆绝缘tga法、交流叠加法、支流叠加法、谐波分量法等。其中，电缆绝缘tga法是利用检测软件对tga值进行判断，从而寻求电缆当中存在的缺陷，但tga所能够反应的只是电缆的普遍缺陷，无法针对到具体的方面。交流叠加和谐波分析法是XLPE电缆绝缘的检测方法[1]，操作简单，但是对于人员的经验要求较高。相比之下，直流成分法和直流叠加法是在经验数据的基础上得到充分发展的，一方面能够允许工作人员进行经验累积，另一方面可以借助软件和硬件的功能来实现电流信号的提升。因此本文选择了直流成分法作为监测方法。

（二）硬件设计

在处理器的选择方面，目前有计算机通用处理器、单片机、DSP处理器三种类型可供选择。本文在对比各种类型的处理器后，针对应用场景和处理器本身的特点，选择了能够进行复杂运算的DSP处理器进行硬件设计和架构。除了在应用范围方面，DSP处理器拥有较大规模的片上外设以及资源，DSP处理器还能够支持密集乘法运算和零开销循环等，十分适宜在线监测系统的使用。

（三）电路设计

为了保证DSP处理器的工作，本文为其设计了双电源供电，并选用电源转换芯片满足其功率需求。同时还利用晶体振荡器以及上电和手动装置，分别实现了DSP的时钟电路和复位电路，从而使系统具备较高的稳定性，能够对电缆运行过程的状态进行实时的测量。

二、高速数据转换电路的数据融合

（一）芯片选型

为了能够保证系统在进行电缆故障监测过程中保证一定的稳定性，本文利用高速数据转换技术实现数据融合。在转换电路的设计中，首先进行的是芯片的选取。在数模转换中，芯片有串口A/D转换和并口A/D转换两种芯片类型。在系统当中，为了能够保障测量精度，需要对芯片的转换精准度和转换速度进行考察。并还需要认真研究芯片的输出/输入电压范围、工作温度范围、电压稳定度等相关数据，通过这部分标准的研究，从而帮助系统选择合适的芯片。本文在对单片集成A/D进行研究时，对其转换精准度和转换误差进行了描述，由于A/D转换器输出二进制位数来进行分辨率显示，因此在不同的输入模拟电压中，A/D转换器能够完成最大20个不同等级的输出误差最大值显示，并利用有效位倍数进行表示。本文在进行芯片选择时，选择了14位A/D转换器AD7865[2]，该转换器芯片速度高、准确性好、功耗更低，同时四通道能够实现四个跟踪放大器同时运作，实现4路信号相对相位信息的完整保存。

（二）数据采集硬件

为了保证数据正确、提升工作效率、确保智能电缆的测量准确性，应该选择合理的接口对接方式。在系统的设计当中，应该选用简易接口方式将输出数据线与DSP接口相连接，并行成二者之间的控制逻辑，完成数据的融合。在控制逻辑电路当中，简易接口模式可以使用一片译码器来实现，并在控制运算量不高时实现各种数据的精准传输，完成查询和中断。在本文的电缆监测系统设计当中数据采集系统的速度要求并不高，同时数据融合的过程也并不需要较多的运算处理，因此选择了简易接口方式进行控制逻辑的链接。在数据融合的过程中简易接口下的数据采集硬件可以通过AD转换器来实现不同存储功能的存储器单元分配，并与转换器形成扩展总线，实现对存储单元的操作。

三、在线监测系统的测量精度提升

为了能够提升智能电缆监测系统的测量精度，可以首先对智能传感器的参量和采样频率进行判断。本文中智能电缆的传感器具有缓变和正态分布的特征，因此可以认定，传感器精度测量的结果与数字滤波数据相一致。而在数据融合的过程中，就可以通过剔除误差测量数据的方法来进行算数平均值的计算。在利用奇偶法进行等精度测量数据的分组后，可以发现传统的数字滤波能够在测量分组当中对两组算数平均值进行计算，最终得出相应的标准差。在直流叠加法中，接地电压的互感器能够根据正负抵消的原理实现中性点的低压直流电源添加，并将所得到的差值数据利用正方向和反方向的直流电动势进行处理，在消除单向杂散干扰电流对数据的影响之后，并利用电压互感器去除掉干扰信号，从而提升测量的精度。

将叠加正向直流电压设置为E，屏蔽侧流出电流设为I流，则可以表示为公式1。

公式1：I流=IE+Idc+In

当假设两次测量之间所存在的时间间隔足够短时，则可以认为传感器所处的测量环境并没有变化，最终可以实现去除干扰信号提升测量精度的目的。此外，在本文所进行的智能电缆监测系统当中，电缆会随着使用而不断发生老化，进而出现化学电动势隨着电缆屏蔽层而发生变化的现象。从理论角度来看，化学电动势产生于电缆屏蔽层，因此在通过绝缘电缆护套时会产生绝缘电阻，并与采样电阻共同在叠加电流当中形成干扰电流，“淹没”传感器测量的真值，造成测量精度的下降。因此在在线监测过程中，还需要依靠数据特征的方式来对类似情况进行充分的判断。在一般的研究性实验当中，研究者通常选择切断电流传播路径的方式来阻断干扰电流的传播，这种方法往往很难对化学电动势以及绝缘电阻进行保护，最终无法阻断干扰通路。因此为了去除干扰，本文认为可以采用电容阻断的方式来进行接线，在实验过程中，电容阻断虽然接线复杂，但是能够实现干扰去除，并对正常数据信息进行测试，从而对传感器测量真值进行判断。

结论：

智能仪表作为目前先进的测量监测仪器，在多种工程领域都有广泛应用。而为了实现工程规划的准确性，一般要求仪表测量数据应当具有较高的精度，因此在仪表使用中需要具备一定的干扰电流处理能力。在数据融合的技术当中，通过电路的设置和阻断方式的选择可以保证监测信息收到更低的干扰，保障准确性。

参考文献：

[1]岳元龙，左信，罗雄麟.提高测量可靠性的多传感器数据融合有偏估计方法[J].自动化学报，2014，40（09）：1843-1852.

[2]王晓燕，秦海鹏，丁启胜.传感信号检测与智能仪表一体化实验装置研制[J].实验技术与管理，2014，31（03）：66-69+78.

作者简介：

姓名：邵鹏（1988.12--）；性别：男，籍贯：辽宁省阜新人，学历：本科，毕业于辽宁科技学院；现有职称：助理工程师；研究方向：仪表维护；endprint