科技论文电阻测温的抗干扰研究

　　在三门峡水电厂，就发生多次由于测温跳变导致的设备障碍，2005年1F、2F定子温度测值多次跳变到140多摄氏度，2006年5F、7F先后发生了由于温度跳变导致水机事故出口动作的障碍。这类缺陷严重困扰着水电厂的安全运行。为提高水电厂安全运行水平，必须提高水电厂测温的抗干扰水平。本文将从测温原理出发，结合对各种干扰源的分析，提出测温在实际运行过程中有效的抗干扰措施。

　　2.测温原理

　　RTD（resistancetemperaturedetector）全称电阻温度检测器。在众多测量温度（或测温）方法中，电阻温度检测器（或电阻测温器，通常简称为RTD）是最精确的一种方法，在各种工业环境中广泛应用。在RTD中，器件电阻与温度成正比。RTD通过对测温电阻施加外部激励进行采集，一般RTD测量有如下几种原理。

　　（1）RTD集成电路

　　该原理一般采用自带RTD功能的集成电路芯片，如XTR105等。该类芯片一般自带2路精密恒流源输出，直接产生4-20mA的电流型输出信号或数字信号。该原理器件集成度高，电路简单，并且采集精度高。但该类器件一般输出的电流较小，只有0.4～0.8mA，并且抗干扰能力较弱，在干扰大的环境下容易造成测值不准，必须在硬件或软件上有较好的滤波设计。

　　（2）电桥原理

　　该原理采用惠斯通电桥法。通过在电阻电桥上叠加电压源，在被测电阻上形成电压，通过机械式继电器切换，没有切入的通道仅和电压源有电气联系，和采集回路没有电气联系。

　　本原理采用电压源取代电流源，实现起来比较简单，但存在以下问题：

　　非线性问题：由于采集电压和电阻的变化率呈非线性关系，因此不同类型的测温电阻之间无法实现自适应，必须软件补偿；

　　三线制问题：该原理无法真正实现三线制接线，即使通过三线制接线方式，也无法完全消除引线电阻。

　　必须采用机械式继电器，由于机械式继电器寿命有限，长时间频繁动作后损坏率较高。

　　当多个测温电阻发生接地时会测量不到温度值。由于测温电阻埋设在轴瓦和定子中，加上引线距离较长，因此很容易发生电阻接地的情况。如下图所示，当测温电阻R1的一端和R2的另一端同时发生接地时，电流会沿红色通道流过，从而R1被短路，无法正确测量。

　　（3）恒流源原理

　　采用独立的恒流源电路，通过MOS继电器在通道间切换，没有切入的通道通过MOS继电器隔离，和内部电路没有任何电气上的连接；切入的通道，电流源在电阻上形成电压并由AD采集。

　　该原理采用独立大电流的恒流源，抗干扰能力较强；通道之间完全独立，并且没有切入的通道和内部电路没有任何电气联系，极大降低了被干扰的概率；该原理支持2线、3线及4线等多种接线形式，可有效消除引线电阻。此种方法应用比较广泛。

　　3.水电厂电阻测温的干扰源

　　（1）电磁干扰

　　电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰又分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰（Common-modeInterference）定义为任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差；差模干扰（Differential-modeInterference）定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。

　　辐射干扰又可分为近场干扰[测量点与场源距离<λ/6（λ为干扰电磁波波长）]和远场干扰（测量点与场源距离>λ/6）。由麦克斯韦电磁场理论可知，导体中变化的电流会在其周围空间中产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生的电磁场的大小以及其作用范围。

　　在水电厂中，无时无刻不存在着强大的电场和磁场，电场和磁场对电阻及电缆产生电磁干扰，不仅存在着差模干扰，共模干扰有时甚至能达到V级，严重影响了温度测量的准确度。

　　（2）工频干扰

　　水电厂的环境复杂，高压开关的分合，大容量的电容充放电等等都会产生工频干扰，工频干扰会产生感应电压或感应电流。这严重影响测温装置的正常运行。

　　（3）环境干扰

　　环境温度干扰：如果采用两线制的话，线阻是一个不可忽视的因素。这时一般会采用温度补偿的方法来解决。但环境温度变化会引起线阻的变化，导致温度补偿不恒定，从而导致温度测值不准。

　　运行环境干扰：运行环境恶劣。还是以推力瓦测温电阻为例，传感器及其导线长期浸泡在温度较高的透平油里，并时刻承受油流的冲击和机组的振动。在这样的环境中传感器及导线极易出现松动、断线等情况。这类由于断线导致的测值跳变占了电阻缺陷总数的近一半。

　　4.抗干扰措施

　　（1）采用三线制或四线制

　　热电阻（如Pt100）是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。

　　温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值（电压/电流），再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。

　　热电阻和温度变送器之间有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。它们的测温原理如下。1）二线制

　　如图1所示，变送器通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V1、V2。

　　由于连接导线的电阻RL1、RL2无法测得而被计入到热电阻的电阻值中，使测量结果产生附加误差。如在100℃时Pt100热电阻的热电阻率为0.379Ω/℃，这时若导线的电阻值为2Ω，则会引起的测量误差为5.3℃。

　　2）三线制

　　是实际应用中最常见的接法。如图2，增加一根导线用以补偿连接导线的电阻引起的测量误差。三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作温度相同，使三根导线的电阻值相同，即RL1=RL2=RL3。通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V1、V2、V3。导线L3接入高输入阻抗电路，IL3=0。

　　由此可得三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。

　　3）四线制

　　是热电阻测温理想的接线方式。

　　如图3，通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V3、V4。导线L3、L4接入高输入阻抗电路，IL3=0，IL4=0，因此V4-V3等于热电阻两端电压。

　　热电阻的电阻值：

　　（2）采用PT100测温电阻

　　Pt100和Cu50是目前电厂最常用的测温电阻，基本上99%的水电厂都在使用。Pt100是用铂金材料作为敏感元件，Cu50是用铜做敏感元件。Cu50与Pt100的比较有几个缺点：首先铜比铂的阻值小，需要很长的铜丝绕制成敏感元件，铂则相对短一些，一般的越长越细的材料可靠性越低。第二，铂电阻是主流的测温电阻，大的制造商、特别是德国厂家都以光刻溅射工艺生产Pt100芯片，非常成熟可靠。几乎没有厂家生产Cu芯片，这样如果要用Cu50产品只有国内小厂自己绕制线圈来做敏感元件，可靠性大大降低。这也就是有些电厂使用的Cu50测温电阻经常坏的原因。

　　另外，铂电阻芯片的品质也是千差万别的，应该采用溅射光刻工艺制作的Pt100芯片，精度要求达到A级。这类芯片的漂移很小，长期稳定性高，而且抗冲击和振动。芯片引脚采用铂镍合金。因为芯片引脚最终要和导线或铠装丝的芯线焊接，焊接容易导致金属材料发脆而断开，所以这也是个薄弱环节。芯片引脚采用铂镍合金可以保证焊接后引线的机械性能，避免导线在传感器内断开。

　　（3）采用抗工频干扰电源

　　工频干扰是最常见的干扰。采用工频干扰过滤器，将电源的工频干扰过滤掉，从而得到稳定的电源，保证装置的正常可靠运行。自今年上半年我们将所有SJ40C加装了交流电源过滤器，SJ40C装置运行的稳定性大大提高，跳变现象较之前有显著减少。

　　（4）增加滤波电容

　　电容具有隔直流通交流的作用，并可以有效去掉高频电压波峰。在端子排上增加滤波电容可有效去掉瞬间电压干扰。由于定子测温时刻处于强磁场中，测值跳变十分厉害，自从我们加装滤波电容后，跳变现象得到明显改善，但电容充放电需要时间，这会延长温度采集周期。

　　（5）采用软件滤波

　　温度信号值非常小，很容易受到干扰而导致测值漂移，因此必须对采样信号进行有效的滤波，才能避免信号误采集。软件滤波主要基于温度不会突变的思想，它可以有效去掉脉冲干扰，熨平温度变化。需要指出的是：软件滤波虽然能够有效滤波，但它是以牺牲刷新速度为代价的。目前主流的软件滤波思想如下：

　　对于每个测温点的采样分成4个周期（也可以分成n个周期，n越大，温度刷新周期越长），每个周期内对该点连续采集4次，分别得到4个采样值L1～L4，然后将改组采样值去掉最大值和最小值后取平均，作为第一个采样周期的测值M1；如此4个循环后得到4个采样周期的测值M1～M4；在将4个采样测值M1～M4去掉最大值和最小值后取平均，作为本次采样的最终测值N。采样处理过程如下图所示：

　　在写禁止条件下，再进行两个扫描周期的采样值之差的处理，结果如下：

　　（a）若|采样值之差|<=0.3度，置该点品质好，不更新温度测值。

　　（b）若0.3<|采样值之差|<=0.5度，置该点品质好，更新温度测值。

　　（c）若0.5<|采样值之差|<=5度，需连续三次，才置该点品质好，更新温度测值。

　　（d）若|采样值之差|>5度，需连续三次，才置该点品质坏，不更新温度测值，退出温度保护。

　　在写允许条件下，除断线或短路，置测值非法和品质坏外，其它情况直接更新温度测值。

　　（6）提高安装工艺

　　电缆在根部折断现象几乎在每个电厂都有，电缆长期浸泡在流动透平油中，如果不做特殊的处理，时间长了导线就会在传感器根部断开。一般在安装瓦温电阻时要求传感器与瓦体刚性连接，最好是螺纹连接，瓦内的导线也要可靠固定，特别是根部导线要与传感器固定在同一个刚体上。如果在安装轴瓦测温电阻时只是简单的放置在瓦孔内，或是用环氧树脂灌封在孔里，这样的安装方式是不规范的安装方式，不能有效地保护导线根部。在实际处理的缺陷中，电阻根部断线的故障占了测温电阻故障的一半左右，应该引起重视。另外，电缆外皮在高温及腐蚀性的透平油环境中也会开裂。

　　在电缆安装布线过程中，要绕开强磁场和电场，并实施可靠屏蔽。如果没有对测温电阻实施有效的屏蔽，使发电机的强电场和强磁场对测温电阻干扰并把干扰信号导入测温回路中，就会造成测温不准。测温电阻和整个测温回路，导线多且长，接线环节多，屏蔽要求在整个环节中都要有可靠的屏蔽，只要有一个环节出现问题，屏蔽就会无效。

　　5.结语

　　电阻测温的抗干扰研究是一项长期任务，随着环境的变化，不同地方的干扰源不尽相同，这就要求我们根据实际情况选择不同的抗干扰对策，从而提高测温的准确性，保证温度保护不误动、不拒动，保障电厂的安全运行。