電阻測溫的抗干擾研究

【摘要】電阻測溫的干擾一直是困擾著水電廠的安全運行，本文從電阻測溫的原理入手，研究了水電廠電阻測溫的干擾源，并提出了對應的抗干擾措施，從而提高水電廠電阻測溫的抗干擾水平。

【關鍵詞】電阻；測溫；干擾；水電廠

1.引言

在水電廠，為保證機組的安全運行，我們必須監視機組各部位的運行狀況，溫度就是其中一個重要指標，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，這些部位都有著強大的電磁干擾，惡劣的運行環境，時時刻刻干擾著電阻測溫的正常工作。在三門峽水電廠，就發生多次由于測溫跳變導致的設備障礙，2005年1F、2F定子溫度測值多次跳變到140多攝氏度，2006年5F、7F先后發生了由于溫度跳變導致水機事故出口動作的障礙。這類缺陷嚴重困擾著水電廠的安全運行。為提高水電廠安全運行水平，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，結合對各種干擾源的分析，提出測溫在實際運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，在各種工業環境中廣泛應用。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進行采集，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，直接產生4-20mA的電流型輸出信號或數字信號。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，在干擾大的環境下容易造成測值不準，必須在硬件或軟件上有較好的濾波設計。

（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，通過機械式繼電器切換，沒有切入的通道僅和電壓源有電氣聯系，和采集回路沒有電氣聯系。

本原理采用電壓源取代電流源，實現起來比較簡單，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系，因此不同類型的測溫電阻之間無法實現自適應，必須軟件補償；

三線制問題：該原理無法真正實現三線制接線，即使通過三線制接線方式，也無法完全消除引線電阻。

必須采用機械式繼電器，由于機械式繼電器壽命有限，長時間頻繁動作后損壞率較高。

當多個測溫電阻發生接地時會測量不到溫度值。由于測溫電阻埋設在軸瓦和定子中，加上引線距離較長，因此很容易發生電阻接地的情況。如下圖所示，當測溫電阻R1的一端和R2的另一端同時發生接地時，電流會沿紅色通道流過，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。

該原理采用獨立大電流的恒流源，抗干擾能力較強；通道之間完全獨立，并且沒有切入的通道和內部電路沒有任何電氣聯系，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

電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾又分為兩大類：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）定義為任何兩個載流導體之間的不希望有的電位差。

輻射干擾又可分為近場干擾[測量點與場源距離<λ/6（λ為干擾電磁波波長）]和遠場干擾（測量點與場源距離>λ/6）。由麥克斯韋電磁場理論可知，導體中變化的電流會在其周圍空間中產生變化的磁場，而變化的磁場又產生變化的電場，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生的電磁場的大小以及其作用范圍。

在水電廠中，無時無刻不存在著強大的電場和磁場，電場和磁場對電阻及電纜產生電磁干擾，不僅存在著差模干擾，共模干擾有時甚至能達到V級，嚴重影響了溫度測量的準確度。

（2）工頻干擾

水電廠的環境復雜，高壓開關的分合，大容量的電容充放電等等都會產生工頻干擾，工頻干擾會產生感應電壓或感應電流。這嚴重影響測溫裝置的正常運行。

（3）環境干擾

環境溫度干擾：如果采用兩線制的話，線阻是一個不可忽視的因素。這時一般會采用溫度補償的方法來解決。但環境溫度變化會引起線阻的變化，導致溫度補償不恒定，從而導致溫度測值不準。

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

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），再將電阻值轉換成溫度值，從而實現溫度測量。

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，變送器通過導線L1、L2給熱電阻施加激勵電流I，測得電勢V1、V2。

由于連接導線的電阻RL1、RL2無法測得而被計入到熱電阻的電阻值中，使測量結果產生附加誤差。如在100℃時Pt100熱電阻的熱電阻率為0.379Ω/℃，這時若導線的電阻值為2Ω，則會引起的測量誤差為5.3℃。

2）三線制

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

由此可得三線制接法可補償連接導線的電阻引起的測量誤差。

3）四線制

是熱電阻測溫理想的接線方式。

如圖3，通過導線L1、L2給熱電阻施加激勵電流I，測得電勢V3、V4。導線L3、L4接入高輸入阻抗電路，IL3=0，IL4=0，因此V4-V3等于熱電阻兩端電壓。

熱電阻的電阻值：

（2）采用PT100測溫電阻

Pt100和Cu50是目前電廠最常用的測溫電阻，基本上99%的水電廠都在使用。Pt100是用鉑金材料作為敏感元件，Cu50是用銅做敏感元件。Cu50與Pt100的比較有幾個缺點：首先銅比鉑的阻值小，需要很長的銅絲繞制成敏感元件，鉑則相對短一些，一般的越長越細的材料可靠性越低。第二，鉑電阻是主流的測溫電阻，大的制造商、特別是德國廠家都以光刻濺射工藝生產Pt100芯片，非常成熟可靠。幾乎沒有廠家生產Cu芯片，這樣如果要用Cu50產品只有國內小廠自己繞制線圈來做敏感元件，可靠性大大降低。這也就是有些電廠使用的Cu50測溫電阻經常壞的原因。

另外，鉑電阻芯片的品質也是千差萬別的，應該采用濺射光刻工藝制作的Pt100芯片，精度要求達到A級。這類芯片的漂移很小，長期穩定性高，而且抗沖擊和振動。芯片引腳采用鉑鎳合金。因為芯片引腳最終要和導線或鎧裝絲的芯線焊接，焊接容易導致金屬材料發脆而斷開，所以這也是個薄弱環節。芯片引腳采用鉑鎳合金可以保證焊接后引線的機械性能，避免導線在傳感器內斷開。

（3）采用抗工頻干擾電源

工頻干擾是最常見的干擾。采用工頻干擾過濾器，將電源的工頻干擾過濾掉，從而得到穩定的電源，保證裝置的正常可靠運行。自今年上半年我們將所有SJ40C加裝了交流電源過濾器，SJ40C裝置運行的穩定性大大提高，跳變現象較之前有顯著減少。

（4）增加濾波電容

電容具有隔直流通交流的作用，并可以有效去掉高頻電壓波峰。在端子排上增加濾波電容可有效去掉瞬間電壓干擾。由于定子測溫時刻處于強磁場中，測值跳變十分厲害，自從我們加裝濾波電容后，跳變現象得到明顯改善，但電容充放電需要時間，這會延長溫度采集周期。

（5）采用軟件濾波

溫度信號值非常小，很容易受到干擾而導致測值漂移，因此必須對采樣信號進行有效的濾波，才能避免信號誤采集。軟件濾波主要基于溫度不會突變的思想，它可以有效去掉脈沖干擾，熨平溫度變化。需要指出的是：軟件濾波雖然能夠有效濾波，但它是以犧牲刷新速度為代價的。目前主流的軟件濾波思想如下：

對于每個測溫點的采樣分成4個周期（也可以分成n個周期，n越大，溫度刷新周期越長），每個周期內對該點連續采集4次，分別得到4個采樣值L1～L4，然后將改組采樣值去掉最大值和最小值后取平均，作為第一個采樣周期的測值M1；如此4個循環后得到4個采樣周期的測值M1～M4；在將4個采樣測值M1～M4去掉最大值和最小值后取平均，作為本次采樣的最終測值N。采樣處理過程如下圖所示：

在寫禁止條件下，再進行兩個掃描周期的采樣值之差的處理，結果如下：

（a）若|采樣值之差|<=0.3度，置該點品質好，不更新溫度測值。

（b）若0.3<|采樣值之差|<=0.5度，置該點品質好，更新溫度測值。

（c）若0.5<|采樣值之差|<=5度，需連續三次，才置該點品質好，更新溫度測值。

（d）若|采樣值之差|>5度，需連續三次，才置該點品質壞，不更新溫度測值，退出溫度保護。

在寫允許條件下，除斷線或短路，置測值非法和品質壞外，其它情況直接更新溫度測值。

（6）提高安裝工藝

電纜在根部折斷現象幾乎在每個電廠都有，電纜長期浸泡在流動透平油中，如果不做特殊的處理，時間長了導線就會在傳感器根部斷開。一般在安裝瓦溫電阻時要求傳感器與瓦體剛性連接，最好是螺紋連接，瓦內的導線也要可靠固定，特別是根部導線要與傳感器固定在同一個剛體上。如果在安裝軸瓦測溫電阻時只是簡單的放置在瓦孔內，或是用環氧樹脂灌封在孔里，這樣的安裝方式是不規范的安裝方式，不能有效地保護導線根部。在實際處理的缺陷中，電阻根部斷線的故障占了測溫電阻故障的一半左右，應該引起重視。另外，電纜外皮在高溫及腐蝕性的透平油環境中也會開裂。

在電纜安裝布線過程中，要繞開強磁場和電場，并實施可靠屏蔽。如果沒有對測溫電阻實施有效的屏蔽，使發電機的強電場和強磁場對測溫電阻干擾并把干擾信號導入測溫回路中，就會造成測溫不準。測溫電阻和整個測溫回路，導線多且長，接線環節多，屏蔽要求在整個環節中都要有可靠的屏蔽，只要有一個環節出現問題，屏蔽就會無效。

5.結語

電阻測溫的抗干擾研究是一項長期任務，隨著環境的變化，不同地方的干擾源不盡相同，這就要求我們根據實際情況選擇不同的抗干擾對策，從而提高測溫的準確性，保證溫度保護不誤動、不拒動，保障電廠的安全運行。

作者簡介：

牛建波（1959—），男，河南三門峽人，技師，主要從事電氣維護、檢修工作。

李建云（1963—），男，河南洛陽人，技師，主要從事電氣運行、維護工作。