基于微電流探頭在線標(biāo)定的高精度便攜式免拆信號發(fā)生器

陳永偉，周新星，周群，陳燦玉

（1.中國廣核集團(tuán) 中廣核核電運(yùn)營有限公司，深圳 518118；2.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610065）

在傳統(tǒng)的通道校驗或者通道檢查過程中，需要將原有回路斷開，再將信號發(fā)生器串入回路，實現(xiàn)信號的給定和調(diào)節(jié)。此方法主要的弊端包括：①拆接線或打開信號回路導(dǎo)致校驗或檢查的效率低下；②在拆接線或打開信號回路的操作過程中，存在人為失誤的風(fēng)險，增加了系統(tǒng)操作的不確定性和風(fēng)險；③在操作過程中，可能會引入電磁干擾或電氣連接不穩(wěn)定的問題，從而影響到系統(tǒng)的正常工作和準(zhǔn)確性。

在通道高精度校驗方面，傳統(tǒng)的電流測量大多為串聯(lián)式電流表，無法滿足免拆的要求。因此，為實現(xiàn)高精度免拆校驗，關(guān)鍵技術(shù)難點在于非接觸式電流探頭的選取。現(xiàn)有的非接觸式電流傳感器主要分為兩類：霍爾傳感器[1-2]和磁通門傳感器，且多數(shù)傳感器在測量A 級電流時有較高的精度，但對于mA級小電流測量的精度較差，且大部分的傳感器都無法滿足免拆測量要求。此外，現(xiàn)有的微電流傳感器[3-5]存在帶寬較窄、精度較低等問題。進(jìn)口的微電流鉗形表為最符合本應(yīng)用場景的現(xiàn)有產(chǎn)品，但是其較高的價格限制了大規(guī)模的應(yīng)用。

因此，文中提出一種基于微電流探頭在線標(biāo)定的免拆信號發(fā)生器，包括信號發(fā)生器和非接觸式微電流傳感器，并加入了去除噪聲和線性擬合的算法，可以保證測量精度和穩(wěn)定性，排除了傳統(tǒng)校驗和檢查過程中可能存在的誤差和漂移問題。用以提高工作效率，減少人為失誤風(fēng)險，并提供便捷、穩(wěn)定的操作方式。

1 免拆信號發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

免拆線信號源由電壓檢測回路模塊、電流檢測回路模塊、信號源模塊、反饋控制與信號處理模塊、顯示模塊等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，電壓（電流）檢測回路模塊分別采用測試表筆和可分離式夾鉗，激活測量模式，消除偏移，測量出準(zhǔn)確的電壓（電流）信息。信號源模塊根據(jù)鍵入的信號類型及大小指令進(jìn)行信號輸出；反饋控制與信號處理包含傳感器和檢測電路的模型估算，解耦傳感器和信號發(fā)生器數(shù)據(jù)信息。顯示模塊顯示測量、顯示輸入信號類型及大小、顯示存儲。

圖1 免拆信號源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of non disassembly signal source

免拆信號發(fā)生器具體的原理框圖如圖2 所示，包含安全保護(hù)模塊、濾波模塊、信號隔離模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號隔離模塊、控制器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等。保護(hù)模塊是為了防止過壓過流損壞系統(tǒng)，采用斷路法進(jìn)行浪涌、過壓、過流保護(hù)；濾波模塊采用LC 濾波，去除電源和環(huán)境噪聲的干擾，提高信號的信噪比；信號隔離模塊采用數(shù)字隔離，能夠顯著節(jié)省成本和功耗，可提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能；控制模塊是為了實現(xiàn)電壓、電流和電阻信號的調(diào)節(jié)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊均采用低功耗、低噪聲的集成芯片，提高模數(shù)信號轉(zhuǎn)換和數(shù)模信號轉(zhuǎn)換的精度。顯示模塊包含信號類型鍵入顯示、信號檢測顯示、存儲顯示以及界面顯示流程。

圖2 免拆信號發(fā)生器原理框圖Fig.2 Principle block diagram of non disassembly signal generator

觸屏顯示模塊包含信號類型鍵入顯示、信號檢測顯示、存儲顯示以及界面顯示流程，其顯示流程步驟如下：

（1）觸摸屏、數(shù)/模（DA）、模/數(shù)（AD）初始化；

（2）進(jìn)入main 函數(shù)觸摸界面循環(huán)；

（3）根據(jù)按鍵跳轉(zhuǎn)函數(shù)類型進(jìn)入更新顯示或刷新顯示；

（4）更新顯示：重新顯示全部界面。搜索窗體，搜索控件，調(diào)用參數(shù)賦值空間位置、尺寸、內(nèi)容，最后更新顯示整個界面；

（5）刷新顯示：只更改部分編輯框數(shù)據(jù)。搜索待刷新窗口，獲取窗口數(shù)據(jù)，編輯框刷新顯示，調(diào)用循環(huán)延遲函數(shù)，實時更新編輯框數(shù)據(jù)。

2 免拆信號發(fā)生器微電流探頭在線標(biāo)定

2.1 在線標(biāo)定接線圖

免拆信號發(fā)生器測試和標(biāo)定的系統(tǒng)接線如圖3所示。其中，信號發(fā)生器采用一個16 位的D/A 轉(zhuǎn)換芯片并聯(lián)接入原有信號回路，可以通過前端顯示屏改變D/A 電流輸出回路的通斷，調(diào)整并顯示輸出電流信號的大小。信號測量以一個高精度微電流傳感器為核心，搭配24 位的高精度A/D 轉(zhuǎn)換芯片。其中，電流傳感器的輸出轉(zhuǎn)換比是10 mV/mA。免拆信號發(fā)生器可實時測量電流傳感器輸出的電壓，通過在線數(shù)據(jù)處理和校正計算從而獲得當(dāng)前回路的電流數(shù)值大小，并同步更新在顯示屏上。

圖3 免拆信號發(fā)生器測試和標(biāo)定接線圖Fig.3 Wiring diagram for testing and calibration of non disassembly signal generator

正常工作時，D/A 從原信號通道中斷開，變送器將外界信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的直流電流信號。在不施加外部電源VDC 的情況下，變送器不輸出電流信號。此時將D/A 產(chǎn)生的電流信號注入變送器通道中，再用非接觸式微電流電流探頭A 測量導(dǎo)線當(dāng)中電流信號的大小。

2.2 微電流探頭的在線標(biāo)定

由于免拆信號發(fā)生器測量部分的微電流探頭受環(huán)境因素影響較大，如溫度、導(dǎo)線材質(zhì)等，每一次測量輸出電壓都會有不同程度的偏移，為了在測量中得到盡可能高精度的結(jié)果，有必要在每次測量之前進(jìn)行標(biāo)定。

首先，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。MCU 將驅(qū)動D/A 產(chǎn)生4 mA～20 mA 的直流電流，總共設(shè)定的電流大小的數(shù)目記為m。其中，在穩(wěn)定輸出每一個電流后，MCU會從A/D 中讀取若干個電壓測量數(shù)值（記為n），測得的電壓數(shù)據(jù)保存在一個n×m 的矩陣當(dāng)中。其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在保持輸入電流不變時，對于不同的n 值，探頭輸出的電壓符合不同程度的正態(tài)分布。輸入4.1 mA 的輸出電壓測量結(jié)果如圖4 所示。其中n 為重復(fù)測量次數(shù)，曲線為以該數(shù)據(jù)集擬合的正態(tài)分布模擬曲線，柱狀圖為實測電壓的分布情況。可以看出，隨著測量次數(shù)的提高，測得探頭的輸出電壓數(shù)據(jù)越接近正態(tài)分布。

圖4 輸入為4.1 mA 的輸出電壓測量結(jié)果Fig.4 Measurement results of output voltage with input of 4.1 mA

根據(jù)樣本量計算公式：

式中：Z 為給定置信水平下的正態(tài)分布分位數(shù)；E 為在給定置信水平下可接受的估計誤差，即預(yù)期的精度要求；σ 為總體標(biāo)準(zhǔn)差，此處用樣本標(biāo)準(zhǔn)差估計。置信度水平對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分位數(shù)如表1 所示。

表1 置信度水平對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分位數(shù)Tab.1 Quantiles of standard normal distribution corresponding to confidence Level

通過改變重復(fù)測量次數(shù)n 的大小，可以得到樣本的平均標(biāo)準(zhǔn)差σ 為0.3214 mV。期望的電壓精度E 取0.03 mV，這個值低于大多數(shù)情況下A/D 電壓測量的絕對誤差。在95%置信水平下，可通過樣本量計算公式求得樣本量n 的最小合理取值。

根據(jù)拉伊達(dá)準(zhǔn)則[6-7]，在數(shù)據(jù)分析中，為了去除異常數(shù)據(jù)的干擾，需要剔除在平均值正負(fù)3 個標(biāo)準(zhǔn)差范圍以外的數(shù)值。在本場景中，需要對每一次電壓的重復(fù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行粗大誤差的去除，即在每一列的范圍內(nèi)使用3σ 準(zhǔn)則，然后剩下的有效數(shù)值再取平均值。最后每一列的電壓數(shù)據(jù)將會得到一個電壓數(shù)值，這就是在D/A 輸出某一電流時，經(jīng)過去除噪聲處理過后的探頭輸出的電壓數(shù)值。由此輸出電壓矩陣就被降為成了一個1×m 的向量，與設(shè)定的m個電流值一一對應(yīng)。接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)系擬合，以處理后的電壓數(shù)據(jù)和已知的電流標(biāo)準(zhǔn)值為基礎(chǔ)，通過分段線性擬合（修正方程建立）[8-10]的方法，用以計算出當(dāng)前電流回路的修正電流。

根據(jù)誤差數(shù)量級的不同，大致可以將電壓數(shù)據(jù)分為3 段：v1～v2mV，v2～v3mV，v3～v4mV。根據(jù)這3段的“電壓—電流”數(shù)據(jù)，利用線性擬合得到3 段“電壓—電流”特性。采用正規(guī)方程求解線性擬合的最優(yōu)參數(shù)。正規(guī)方程如下：

式中：X 是處理過后的電壓向量的轉(zhuǎn)置與另一列偏置向量組成的輸入矩陣Y 是設(shè)定電流向量的轉(zhuǎn)置。

解出的w 是權(quán)重矩陣，w1是電壓一次項的系數(shù)，w2是一個恒定偏置。

分別得到3 段探頭輸出特性的修正方程：

將處理后的m 個電壓數(shù)據(jù)帶入這個修正方程，得到預(yù)測的m 個電流值，這些電流值和理論設(shè)定的電流值的誤差的分布如圖5 所示，由圖5 可知，電流的相對誤差基本都在±0.2%以下。

圖5 分段線性擬合計算的電流誤差Fig.5 Current error calculated by piecewise linear fitting

3 實驗裝置及測試結(jié)果

3.1 實驗裝置

根據(jù)上述理論分析，分別進(jìn)行免拆信號發(fā)生器的硬件設(shè)計，包括高精度信號發(fā)生器和非接觸式微電流傳感器；軟件設(shè)計包括用于傳感器校正的軟件算法以及觸摸屏多功能顯示的編程設(shè)計。具體實物如圖6 所示。

圖6 免拆信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)封裝實物圖Fig.6 Physical diagram of the structure and packaging of the non disassembly signal generator

3.2 測試結(jié)果

3.2.1 DA 信號給定

電壓輸出的范圍是0～10 V，電流輸出范圍是0～24 mA，電阻范圍是0～300 Ω，通過觸摸屏輸出設(shè)定值，再用萬用表得到實際測量值，最后計算出設(shè)定值與測量值的誤差，其中，電壓輸出誤差小于±0.003，電流輸出誤差小于±0.01，電阻誤差小于±0.2。

3.2.2 AD 信號測量

電壓測量范圍是0～10 V，電流測量范圍是0～24 mA，通過外部標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入設(shè)定值，再有觸摸屏顯示實際測量值，最后計算出設(shè)定值與測量值的誤差，其中，電壓測量誤差小于±0.001，電流測量誤差小于±0.01。

3.2.3 探頭測量

首先測量變送器信號，再通過DA 給定0～24 mA的若干個電流信號，得到設(shè)定值大小，然后測量出疊加的總信號大小，即測量值，最后計算出設(shè)定值與測量值的誤差，測量數(shù)據(jù)如圖7 所示，誤差結(jié)果小于±0.03。

圖7 探頭測量Fig.7 Probe measurement

4 結(jié)語

通過高精度信號發(fā)生器和非接觸式微電流傳感器的硬件設(shè)計以及基于分段線性擬合的輸出電壓修正方程軟件設(shè)計、觸摸屏軟件設(shè)計，本文提出了一種基于微電流探頭在線標(biāo)定的免拆信號發(fā)生器。實驗結(jié)果表明，免拆信號發(fā)生器能夠給定差低于0.1%的信號，并通過微電流非接觸式傳感器測量回路電流，測量精度可達(dá)0.2%。因此，所提出的免拆信號發(fā)生器不需要拆接線或打開信號回路，避免了人為失誤的風(fēng)險，提高了工作效率；采用微電流傳感器測量回路電流，并加入了去除噪聲和線性擬合的算法，可以保證測量精度和穩(wěn)定性，排除了傳統(tǒng)校驗和檢查過程中可能存在的誤差和漂移問題；免拆線信號發(fā)生器和測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維護(hù)，適用于各種工業(yè)場合的信號校驗和檢查。