水電廠電阻測溫的干擾源的應(yīng)用研究

1.引言

在水電廠，為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，我們必須監(jiān)視機(jī)組各部位的運(yùn)行狀況，溫度就是其中一個(gè)重要指標(biāo)，通過溫度變化趨勢可以判斷各部位的受力情況。水電廠的測溫位置主要有三部軸承瓦溫、油溫、定子、冷熱風(fēng)，這些部位都有著強(qiáng)大的電磁干擾，惡劣的運(yùn)行環(huán)境，時(shí)時(shí)刻刻干擾著電阻測溫的正常工作。在三門峽水電廠，就發(fā)生多次由于測溫跳變導(dǎo)致的設(shè)備障礙，2005年1F、2F定子溫度測值多次跳變到140多攝氏度，2006年5F、7F先后發(fā)生了由于溫度跳變導(dǎo)致水機(jī)事故出口動(dòng)作的障礙。這類缺陷嚴(yán)重困擾著水電廠的安全運(yùn)行。為提高水電廠安全運(yùn)行水平，必須提高水電廠測溫的抗干擾水平。本文將從測溫原理出發(fā)，結(jié)合對各種干擾源的分析，提出測溫在實(shí)際運(yùn)行過程中有效的抗干擾措施。

2.測溫原理

RTD(resistance temperature detector)全稱電阻溫度檢測器。在眾多測量溫度(或測溫)方法中，電阻溫度檢測器(或電阻測溫器，通常簡稱為RTD)是最精確的一種方法，在各種工業(yè)環(huán)境中廣泛應(yīng)用。在RTD中，器件電阻與溫度成正比。RTD通過對測溫電阻施加外部激勵(lì)進(jìn)行采集，一般RTD測量有如下幾種原理。

(1)RTD集成電路

該原理一般采用自帶RTD功能的集成電路芯片，如XTR105等。該類芯片一般自帶2路精密恒流源輸出，直接產(chǎn)生4-20mA的電流型輸出信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。該原理器件集成度高，電路簡單，并且采集精度高。但該類器件一般輸出的電流較小，只有0.4~0.8mA,并且抗干擾能力較弱，在干擾大的環(huán)境下容易造成測值不準(zhǔn)，必須在硬件或軟件上有較好的濾波設(shè)計(jì)。

(2)電橋原理

該原理采用惠斯通電橋法。通過在電阻電橋上疊加電壓源，在被測電阻上形成電壓，通過機(jī)械式繼電器切換，沒有切入的通道僅和電壓源有電氣聯(lián)系，和采集回路沒有電氣聯(lián)系。

本原理采用電壓源取代電流源，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但存在以下問題：

非線性問題：由于采集電壓和電阻的變化率呈非線性關(guān)系，因此不同類型的測溫電阻之間無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，必須軟件補(bǔ)償;三線制問題：該原理無法真正實(shí)現(xiàn)三線制接線，即使通過三線制接線方式，也無法完全消除引線電阻。

必須采用機(jī)械式繼電器，由于機(jī)械式繼電器壽命有限，長時(shí)間頻繁動(dòng)作后損壞率較高。

當(dāng)多個(gè)測溫電阻發(fā)生接地時(shí)會(huì)測量不到溫度值。由于測溫電阻埋設(shè)在軸瓦和定子中，加上引線距離較長，因此很容易發(fā)生電阻接地的情況。如下圖所示，當(dāng)測溫電阻R1的一端和R2的另一端同時(shí)發(fā)生接地時(shí)，電流會(huì)沿紅色通道流過，從而R1被短路，無法正確測量。

(3)恒流源原理

采用獨(dú)立的恒流源電路，通過MOS繼電器在通道間切換，沒有切入的通道通過MOS繼電器隔離，和內(nèi)部電路沒有任何電氣上的連接;切入的通道，電流源在電阻上形成電壓并由AD采集。

該原理采用獨(dú)立大電流的恒流源，抗干擾能力較強(qiáng);通道之間完全獨(dú)立，并且沒有切入的通道和內(nèi)部電路沒有任何電氣聯(lián)系，極大降低了被干擾的概率;該原理支持2線、3線及4線等多種接線形式，可有效消除引線電阻。此種方法應(yīng)用比較廣泛。

3.水電廠電阻測溫的干擾源

(1)電磁干擾

電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。

傳導(dǎo)干擾又分為兩大類：共模干擾、差模干擾。

共模干擾(Common-mode Interference)定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間不希望有的電位差;差模干擾(Differential-mode Interference)定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。

輻射干擾又可分為近場干擾[測量點(diǎn)與場源距離λ/6(λ為干擾電磁波波長)]和遠(yuǎn)場干擾(測量點(diǎn)與場源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場理論可知，導(dǎo)體中變化的電流會(huì)在其周圍空間中產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生的電磁場的大小以及其作用范圍。

在水電廠中，無時(shí)無刻不存在著強(qiáng)大的電場和磁場，電場和磁場對電阻及電纜產(chǎn)生電磁干擾，不僅存在著差模干擾，共模干擾有時(shí)甚至能達(dá)到V級(jí)，嚴(yán)重影響了溫度測量的準(zhǔn)確度。

(2)工頻干擾

水電廠的環(huán)境復(fù)雜，高壓開關(guān)的分合，大容量的電容充放電等等都會(huì)產(chǎn)生工頻干擾，工頻干擾會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感應(yīng)電流。這嚴(yán)重影響測溫裝置的正常運(yùn)行。

(3)環(huán)境干擾

環(huán)境溫度干擾：如果采用兩線制的話，線阻是一個(gè)不可忽視的因素。這時(shí)一般會(huì)采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q。但環(huán)境溫度變化會(huì)引起線阻的變化，導(dǎo)致溫度補(bǔ)償不恒定，從而導(dǎo)致溫度測值不準(zhǔn)。

運(yùn)行環(huán)境干擾：運(yùn)行環(huán)境惡劣。還是以推力瓦測溫電阻為例，傳感器及其導(dǎo)線長期浸泡在溫度較高的透平油里，并時(shí)刻承受油流的沖擊和機(jī)組的振動(dòng)。在這樣的環(huán)境中傳感器及導(dǎo)線極易出現(xiàn)松動(dòng)、斷線等情況。這類由于斷線導(dǎo)致的測值跳變占了電阻缺陷總數(shù)的近一半。

4.抗干擾措施

(1)采用三線制或四線制

熱電阻(如Pt100)是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一原理制成的將溫度量轉(zhuǎn)換成電阻量的溫度傳感器。

溫度變送器通過給熱電阻施加一已知激勵(lì)電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值(電壓/電流)，再將電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值，從而實(shí)現(xiàn)溫度測量。

熱電阻和溫度變送器之間有三種接線方式：二線制、三線制、四線制。它們的測溫原理如下。

1)二線制

如圖1所示，變送器通過導(dǎo)線L1、L2給熱 電阻施加激勵(lì)電流I,測得電勢V1、V2.

由于連接導(dǎo)線的電阻RL1、RL2無法測得而被計(jì)入到熱電阻的電阻值中，使測量結(jié)果產(chǎn)生附加誤差。如在100℃時(shí)Pt100熱電阻的熱電阻率為0.379Ω/℃，這時(shí)若導(dǎo)線的電阻值為2Ω，則會(huì)引起的測量誤差為5.3℃。

2)三線制

是實(shí)際應(yīng)用中最常見的接法。如圖2,增加一根導(dǎo)線用以補(bǔ)償連接導(dǎo)線的電阻引起的測量誤差。三線制要求三根導(dǎo)線的材質(zhì)、線徑、長度一致且工作溫度相同，使三根導(dǎo)線的電阻值相同，即RL1=RL2=RL3.通過導(dǎo)線L1、L2給熱電阻施加激勵(lì)電流I,測得電勢V1、V2、V3.導(dǎo)線L3接入高輸入阻抗電路，IL3=0.