（电工理论与新技术专业论文）船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立.pdf

船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 o n - l i n ed a t ac o l l e e t i o na n dd a t a b a s ef o u n d a t i o ni n s u l a t e dp a r a m e t e r o f l o w v o l t a g ec a b l e b s t r a e t t h es a f ea n ds t a b l er t m n i n go f t h es y s t e m m a i n l yd e p e n d s0 1 3 t h er e l i a b i l i t yo f i n s u l a t i o n o fl o wv o l t a g ec a b l ee q u i p m e n t w i t ht h ew i d e l yu s eo ft h ec a b l ei nt h en a t i v ea n d i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a ls y s t e m , t h ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n go fc a b l eb a 7 , o n l c $ m o 把a n d1 e n o r e i m p o r t a n t b c c a l 1 s eo ft h el o n ge x p e r i m e n tp e r i o da n du n r e l i a b l er e s u l t s ，t h et r a d i t i o n a l i n s u l a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nt h ep o w e r - o f fm o d ei sb e i n gs u b s t i t u t e db yt h eo n - l i n e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h eo n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gi sat y p eo fm e t h o di nw h i c hv o l t a g ea n dc u r r e n tc 锄 b eo b t a i n e df r o mt h em o n i t o r e de q u i p m e n ti nt h ep o w e r - o nm o d e t h e nw e 啪c a l c u l a t et h e l 豫r a m c t c ro ft h ee q u i p m a a t , t h r o u g t lw h i c ht h ei n s u l a t i o ns t a t t t so ft h ee q u i p m e n tc 跹b e e v a l u a t e d c u r r e n t l y t h e r ea r ct w om a i nt r e n d si nt h ef i e l do fo n - l i n e m o n i t o r i n g ： m u l t i - f u n c t i o n a la n da u t o m a t i co n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m , p o r t a b l ei n s u l a t i o n m o n i t o r b a s i n go nt h et h e o r e t i ca n a l y s i so fa cs u p e r p o s i t i o nm e t h o d , t h eh o t - l i n et e s t m e t h o df o ri n s u l a t i n gp e r f o r m a n c eo fc a b l ea n dt h ed e s i g no fd e t e c t i n gi n s t r u m e n ta r c i n l r o d u e e di nt h i sp a p e r ：m a k i n gu s eo fs i n g l ec h i pm a c h i n ew i t hs o m ep e r i p h e r a lc i r c u i t s a t t a e h e d ，m a k i n gu s eo fn e wt e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g w ee a r l yo u tap r o p e r p r o c e s s i n g s a m p l e ds i g n a l t h e ng e tt h em e a s u r e dp a r a m e t e rn e e d e d , w em a k ea c o m p a r i s o nb 吐w c e l lt h ed i f f e r e n tm e t h o d sa n dp u t sf o r w a r dt h eg r o s ss 灯u c n o f t l a ed e v i c e i no r d e rt os u p p r e s st h ei n t e r f e r e n c es i g n a l si nf i e l d , t h ep a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho f t h es i g n a js a m p l i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h u s ，t h e l o c k e d - i na m p l i f i e ra n dc o m p o u n dd i g i t a lf i l t e rt e c h n o l o g ya 托d e s i g n e d t h ef i e l de x p e r i m e n t s h o w st h a tt h es y s t e mc o u l df u l f i l lt h er e q u i r e m e n to fm o n i t o r i n gf o rt h ei 1 3 s u l a t i o no ft h e c a b l ei np o w e rs y s t e m k e rw o r d s ：o n - l i n em o n i t o r i n g ；d a t ae o l l e e t i o m d a t a b a s e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：莹羞厶日期：丑亟! 查：! 兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作一：盟孟叁 导师签名：举 址年丘月且日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源及研究意义 电缆由导电材料、导磁材料、结构材料和绝缘材料等组成。实际运行过程中，绝缘 材料的电气和机械性能往往决定着电缆的寿命，绝缘损坏时。可能导致非常严重的后果， 如火灾、设备损坏等，以致破坏整个系统的正常运行。船用低压电缆是一种应用在特殊 场合的电缆，目前对于这类低压电缆的绝缘检测相对于高压电力电缆来说，由于应用范 围相对较窄，还没有引起大家的足够重视，因此而引发的事故也造成了严重的经济损失。 所以研究船用低压电缆绝缘材料在线绝缘监测技术对于提高电缆运行可靠性、安全性具 有极其重要的意义。 通常，对电缆绝缘劣化的检测是通过检测电缆绝缘的某些参数来实现的，根据绝缘 检测到的数据和有关的理论或标准，对其绝缘状态做出分析和判断，从而为电缆的可靠 运行提供依据。表征不同的电缆绝缘系统劣化程度有多种不同的特征量。大致可以分为 两类：直接特征量和间接特征量。直接特征量是指直接表征绝缘剩余寿命的特征量，如 耐电强度、机械强度等；间接特征量是指间接表征绝缘剩余寿命的特征量，包括绝缘电 阻、介质损耗角正切、泄漏电流等。本课题采用检测绝缘电阻、泄漏电流、介质损耗角 等间接特征量的方法来监测电缆绝缘状态。 电缆检测通常有两种方法，即电缆绝缘停止运行检测法和电缆在线监测法，传统常 规的停止运行状态下的绝缘试验间隔时间长，因此不易及时发现设备绝缘缺陷，而且试 验时还会因停电造成一定的经济损失。随着检测技术、计算机技术的不断发展和对电设 备安全重视程度的提高，在线绝缘诊断技术越来越受到人们的关注。在线检测与停止运 行检测相比主要具有如几个优越性：一是在系统工作时完成测量，无须停电，提高了供 电效率。二是由于是在实际运行电压下进行测量，比停止运行时的测量更能真实地反映 运行状态下电力设备的绝缘状况。三是在线绝缘监测装置可以随时对系统绝缘状况进行 测量，能更加及时的发现绝缘缺陷和故障，避免了传统预防性试验的盲目性。四是有利 于建立电力设备绝缘状况数据库，并基于历史测量记录的数据库综合分析绝缘劣化趋 势，对剩余绝缘寿命进行预测，及早对潜在故障进行预报警。基于以上分析，电缆在线 检测技术得到了越来越广泛的发展。 本课题是基于项目船用低压电缆绝缘在线检测，此项目的耳的是基于对船用电缆绝 缘情况和环境参数，对电缆绝缘的剩余寿命进行评估和判断，为了对电缆绝缘的运行情 况和环境参数的数据进行及时掌握和对数据进行有效地分析，我方需要开发针对船舰的 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 电缆在线监测系统。其中包括了绝缘检测模块，数据采集及处理模块，数据管理模块。 本课题主要涉及到数据采集模块和数据管理模块，本课题的主要目的是设计一台电缆在 线监测仪，用来测量并记录船用低压电缆的绝缘参数，为了方便数据管理，还需要建立 绝缘参数数据库来管理并分析测量数据，以便了解船用低压电缆的绝缘状态，保证船用 低压电缆的安全运行。 1 2 论文研究内容 ( 1 ) 电缆在线监测仪的数据采集的设计 数据采集部分主要包括了选择合适的传感器来测量温度参数和绝缘参数，传感器输 出信号的预处理，传感器与记录仪表的接口电路。 数据处理与记录主要包括选择性价比较高，而又能满足系统要求的记录仪表，本系 统决定采用无纸记录仪。 ( 2 ) 建立电缆绝缘参数数据库管理系统 基于无纸记录仪的存储空间相对有限性，特通过无纸记录仪的u s b 接口用移动存储 设备将数据，每隔一定时间，转存至计算机上，为了方便这些数据的管理工作，开发了 电缆绝缘参数数据库管理系统，以方便数据的查询和电缆绝缘剩余寿命的估计。 1 3 相关领域国内外研究现状 1 3 1 电缆在线检测的研究现状 通常，对电缆绝缘劣化的诊断是这样实现的，即通过检测电缆绝缘的某些参数，并 根据有关的理论或标准，对其绝缘状态做出分析和判断，从而为电缆的可靠运行提供依 据。传统的电缆绝缘老化的诊断方法有绝缘电阻试验，直流耐压泄漏电流试验，介质损 耗角正切试验，局部放电试验，耐压试验，直流放电试验，残余电荷等方法。以上传统 方法，统称为离线检测方法，其共同缺点是要求在停电状态下试验。而随着电气设备规 模的扩大，尤其是现代大型计算机的发展，要求尽量减少停电次数，甚至不能停电。这 就要求能在运行状态下对电缆的绝缘状态进行预测，保证电缆的可靠运行，避免突发性 停电事件。显然，这种在运行状态下对绝缘老化的检测( 称为在线检测) 具有很大的优越 性，它不但可以保证了供电的连续性，同时由于它检测到的实验数据是设备运行状态下 的信息，因而更具有合理性。所以，这就注定了电缆，以及其它各种电气设备的在线检 测是今后绝缘老化诊断技术的发展方向。 针对电缆绝缘老化的在线检测方法，目前己提出的有以下几种。 直流分量法：在交流电压作用下，电缆主绝缘若发生水树枝劣化，则泄漏电流中含 大连理工大学硕士学位论文 有直流成分，其与水树枝劣化长度( 或电缆主绝缘的劣化程度) 存在一定关系，故采 用电流直流分量法监测电缆主绝缘是可行的，但由于电流直流分量极小( 一般为n a 级) ，容易受到杂散电流干扰，且电缆端部表面泄露电阻受天气或环境影响大，测量 误差很大，因此，这种方法的使用受到限制。 直流叠加法：通过电缆所接的地电压互感器的中性点或其它方法，把一小的直流电 压( 5 0 v ) 叠加到运行中的电缆的导体线芯上。用高灵敏度的低量程的直流微安表测定出 流过电缆绝缘体的直流电流，以此判定绝缘老化情况。该方法原理上类似于传统的直流 泄漏电流法，但能实现在线检测。 谐波分量法：由水树枝引起老化的电缆会在损耗电流中产生谐波分量。研究表明，谐 波分量能很好地表征电缆的老化程度。谐波分量是由于水树枝的非线性伏安特征而产 生。随着电缆老化程度的增加，损耗电流波形畸变越大，也就是说，含有的谐波分量越 来越大。这样，谐波分量本身包含了更多的水树枝老化的信息。零序电流法：由于电缆绝 缘的劣化在三相中可能不对称，故一旦发生老化，则零序电流增加。在接地交压器的中 性点检侧其零序电流的增加，来进行老化的诊断。此方法虽然测定简单，但由于三相不 平衡也使零序电流增加，故检测时有难以准确判断的缺点。 在线介质损耗角正切法：通过电压互感器将运行电缆的电压信号取出，同时用电流 互感器将流过电缆绝缘的工频电流信号取出，比较两者的相位，可得到电缆绝缘的介质 损耗角正切，以此判断绝缘老化程度。 局部放电法：电缆绝缘上加上高压，定量掌握有部分缺陷部位的放电情况，求出局 部放电起始电压，熄灭电压和放电的电荷量及频率等，从而判断绝缘状况。由于同步示 波器等高速采样设备的运用，已可检出内部气隙、外伤等，但要消除外界干扰，提高灵 敏度，在现场使用效果差，且测定时间延长时，则放电量与频率随时问增加而减小。 交流叠加法：通过在电缆屏蔽层上叠加一个交流电压( 频率= 工频频率2 + 1 ) ， 检测出i h z 的特征电流信号，从而判断电缆的老化。研究表明，在给老化电缆屏蔽层 上叠加不同频率的交流电压时。当电压频率1 0 0 h z 时，会产生一个比较大的特征电流。 该特征电流只在老化的电缆上产生，对于新电缆并不产生特征电流，并且当叠加电压的 频率1 0 1 4 h z 时，特征电流达到最大值。电缆主绝缘性能比较好时，测量的交流损失 电流大小在1 0 h a 左右。 我国自九十年代以来，伴随人们对水树枝现象认识的进一步深入，对电缆绝缘状态 的现场诊断技术也有了一定的发展，但应用于现场电缆诊断与监视的尚不多见。 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 1 3 2 霍尔电流传感器发展概况 n ) 霍尔电流传感器简述 霍尔电流传感器是一种应用广泛的新型电流传感器。它的工作原理是当电流流过一 根很长的直导线时，在导体周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比， 这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔 器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测出输出信号，直接反映 出导线中电流的小大【1 1 。 霍尔元件在磁场中感应输出的电压，其处理电路有开路和闭路两种，将霍尔元件的 输出电压用运算放大器直接信号放大，得到所需要的信号电压，因此电压值来标定原边 被测电流大小。得到所需要的信号电压，因此电压值来标定原边被测电流的大小，这种 形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器，开环霍尔电流传感器的有点是电路形 式简单，成本相对较低，其缺点是精度、线性度差、响应时间较慢、温度漂移较大，为 了克服开环传感器存在的不足，八十年代末期国外出现了闭环霍尔电流传感器。闭环霍 尔传感器的工作原理是磁平衡式的，原边电流产生的磁场通过一个副边电流所产生的磁 场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的状态。 霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制 电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流 器的不足( 互感器只适用于5 0 h z 工频测量；分流器无法进行隔离测量) 。利用同一只霍 尔电流传感器模块检测单元既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值， 所以是替代互感器和分流器的新一代产品。 ( 2 ) 霍尔电流传感器国外发展概况 从1 8 7 9 年美国物理学家e d w i nh e r b e r th a l l 发现霍尔效应开始，到上世纪八十年 代，由霍尔器件应用开发的霍尔电流传感器的性能才有了很大提高【2 】 国外，a b b 公司的传感器因其型号多、量程宽、商精度、灵敏度高、线性度好、规 范、易安装、抗干扰能力强、质量可靠、平均无故障时间孵b f 长等有点，在各个领域 特别是在机车牵引和工业应用领域中值得用户信赖。 美国霍尼韦尔开发的c s n e l 5 1 0 0 5 ，c s n e l 5 1 1 0 0 ，c s n e l 6 1 ，c s n p 6 6 1 霍尔电流传感器 也同样得到了广泛的应用。 日本“h i n o d e ”霍尔电流传感器，主要有s 3 系列霍尔电流传感器、k 系列霍尔电流 传感器、耶p 2 系列霍尔电流传感器。其中k 系列霍尔电流传感器额定电流范围为5 0 0 2 0 0 0 h ，主要应用于电力系统，s 3 系列霍尔电路传感器额定电流范围为5 0 a 6 0 0 h ，主 大连理工大学硕士学位论文 要逆变焊机、变频器、电源、呼p 2 系列霍尔电流传感器额定电流范围为i o a 2 0 a ，主 要应用于通信、工控产品。 a l l e g r om i c r o s y s t e m s ( e u r o p e ) 公司开发的a c s 7 5 4 5 系列霍尔电流传感器，是一 种高精度的电路传感器，提供1 4 x 2 2 7 m 的无铅封装，可安装于p c b 板上，所有此行 电路均集成在产品内部，面向工业、消费电子、通信以及汽车系统等应用，其中额定值 为5 0 、1 0 0 、1 3 0 、1 5 0 和2 0 0 a 的型号符合工业和汽车系统应用温度要求【3 】。 侣) 霍尔电流传感器国内发展情况 1 9 8 9 年，西南自动化研究所研制出了髓系列电量隔离传感器，该研究所传感技术 部现改制为绵阳维博电子有限责任公司，主要从事w b 系列电量隔离传感器的研究、开 发、生产、销售。w b 系列电量隔离传感器变动器的体积小、功耗低、频响宽、精度高， 可以解决自动检测及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技术问 题，能有效克服共模干扰，提高系统精度，简化系统设计，降低系统成本。邪系列电量 隔离传感器与传统的电测器具相比，体积缩小了8 倍，重量减轻了1 0 倍，功耗减少了4 倍数，两价格只是同类进口产品的1 3 。 1 3 3 温度传感器发展概况 ( 1 ) 利用热电效应制成的传感器 利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今 仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、 热惯性小等特点。 常用的热电偶有以下几种： 镍铬镍硅，型号为w r n ，分度号为k ，测温范围0 9 0 0 ，短期可测1 2 0 0 。 镍铬一康铜，型号为w r k ，分度号为f ，测温范围0 6 0 0 0 ，短期可测8 0 0 。 铂铑铂，型号为w r p ，分度号为s ，在1 3 0 0 以下的温度可长期使用，短期可 测1 6 0 0 。 铂铑铂铐，型号为w r r ，分度号为b ，测温范围3 0 0 1 6 0 0 ，短期可测1 8 0 0 。 ( 2 ) 利用热阻效应技术制成的温度计 用此技术制成的温度计大致可分成以下几种： 电阻测温元件，它是利用感温元件( 导体) 的电阻随温度变化的性质，将电阻的 变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻( 分度号为 p t l 0 0 、p t l o 两种) 和铜热电阻( 分度号有c u 5 0 、c u l 0 0 两种) 。 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大副温度系数，也就 是说温度升高时，其阻值降低。 陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制 作而成的熟敏元件，常称为p c t 或n c t 热敏元件。p c t 热敏元件分为突变型及缓交型二 类。突变型p c t 元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能， 多数用于保护电器。缓变型p c t 元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温 度补偿作用。n c t 元件特性与p c t 元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值 减小【。 1 3 4 无纸记录仪国内外发展概况 ( 1 ) 记录仪表简述 记录仪作为一种重要的数据记录仪表，长期以来被广泛应用于各种工业现场9 0 年 代以前，人们主要使用机械式记录仪机械式记录仪内部结构复杂，机械活动部件较多， 故可靠性很差，易出现机械故障，使用进程中还需要定期更换记录纸和记录笔，长期运行 费用较高进入九十年代以来。微处理器技术在显示记录仪的使用，使仪表总作原理得到 极大突破。产品全面由模拟式向数字式转变，与模拟式仪表特点相反，数字式记录仪表是 以显示打印数字的方式记录的，虽然有较高精度，但由于数据的断续性、不直观，难以 很快判断变化趋势、稳定程度及波动频率等参量。时至今日，最理想的方式应是无笔无 墨无纸的数字模拟混合记录，由于采用了微处理器，大容量存储介质和大屏幕图形液晶 显示屏等先进技术，彻底解决了前述记录仪存在的诸多问题，具有可靠性高，长期运行费 用低，便于记录数据进行迸一步分析处理等优点，因而迅速被广大用户接受。 纵观国内外无纸记录仪表市场，耳前无纸记录仪主要有以下特点或者发展趋势：智 能化，以微处理器为核心，从而实现了高性能，多回路的检测系统有些记录仪还具备联 网和通讯功能，历史数据查询功能，可以即时或者按时打印各种曲线，数据等信号输入 万能化：用户可以任意的选用电压，电流。热电阻，热点偶等作为输入信号类型，这也使得 仪表的应用场合变成更为广阔存储容量大：无纸记录仪大多采用大容量的r a ms r a m f l a s h 软盘甚至磁盘等来保存数据l c d 显示方案多样化，具备友好的人机界面，灵活的 设置组态，历史数据查询，打印，虚拟通道，流量累积等诸多功能 ( 2 ) 国内无纸记录仪状况 无纸记录仪采用液晶显示器作为显示器件，使显示值及曲线醒目、直观，采用3 5 英 磁盘或s r 脯作为数据存储载体，仪表内无机械传动部分，可靠性高，在现场使用中，不需 要纸、笔、墨等消耗材料，减少了日常维护工作。目前，国内生产无纸记录仪的厂家主要 大连理工大学硕士学位论文 有浙大中控、重庆川仪四厂、北京西姆森公司等厂家，其技术水平差异不大。主要特点 如下： 输入信号方面：一般输入通道数最大可为6 8 个通道，输入信号可为标准电压、 电流信号、各种热电偶信号、各种热电阻信号及频率信号等。信号输入方式大多为固定 输入或准万能输入。另外，重庆川仪四厂生产的n r l 8 0 0 系列无纸记录仪通道之间是全隔 离的。 记录方面：重庆川仪蹬厂的n r 系列及北京西姆森的r x a - 0 3 无纸记录仪采用内存 f l a s h + 3 5 英寸软盘作记录载体，存储容量大。浙大中控的儿2 2 系列采用扩展内存的方 式来记录数据。 c p u 采用：n r 系列采用的c p u 为8 7 c 1 9 6 k c 、r x a - 0 3 采用8 0 c 5 1 x a 。 基本误差：一般为0 2 9 6 0 3 f s 。 显示器：一般采用5 英寸左右的单色显示器。目前逐渐开始采用彩色显示器。 显示方式：一般分为曲线、棒图、循显、一览数显等画面。 通讯：可带r s 4 8 5 或r s 2 3 2 c 通讯接口。 采样时间：一般为1s 或0 58 。 供电：一般为2 2 0 va c 供电。 目前，无纸记录仪是一种装备微处理器的可编程序的大量运用计算机技术及先进检 测技术的仪表。它采用大屏幕高亮度密度液晶显示器来显示测量数据和模拟曲线，以内 存和磁盘来实时存储、记录测量数据，可以在线追忆历史记录曲线，也可以通过上位机软 件平台对磁盘记录数据进行各种显示、计算、分析和打印，另外，利用r s 4 8 5 等通信接口 可与计算机连网组成一个小型的数据监测系统。 ( 3 ) 国外无纸记录仪发展概况 国外无纸记录仪的最早生产厂家是英国的p e n n y + g i l e s 公司。目前技术水平最高及 产量较大的是日本横河公司、美国的h o n e y w e l l 公司。其中，以日本横河公司1 9 9 9 年推 出的d 矗q st a t i o n 系列的d x l 0 0 d x 2 0 0 产品技术水平最为先进。d x 系列产品采用高分辨 率的t f t 彩色液晶显示器实时显示测量数据，数据能存储到3 5 英寸软磁盘，a t 快闪存 储卡和z i p 磁盘等可转移媒体，d a q st i o n 包括一个标准的以太网适配器，允许直接连接 到1 0 b a s e - t 网络，附加串行接口包括支持m o d b u s 协议的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ，任一接口 允许p c 进行数据文件传送或实时数据采集，d x 系列还提供丰富多彩的显示功能，能完善 各种监控应用【4 】，主要特点如下： 输入信号方面：对于各种输入信号如直流电压、电流、热电偶、热电阻等信号实 现了万能输入，测量通道数多达3 0 个通道。每个通道可以输入任意信号，其实现的技术 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 主要采用了扫描继电器。q 1 、q 2 为n 沟道的高耐压( 1 5 0 0 vd c ) ，低漏电流( 3 m r ) 的m o s 场效应管，在原极之间加上光电耦合器的输入电压。这种电压输出型的光电耦合器输入 使用l e d ，输出则采用了直接连接的光一电转换元件阵列。控制信号电流通过l e d 时，即在 光一电元件阵列中产生电压。当这个输出电压比q 1 、q 2 的门槛电压大时，即处于开关的 “o n ”状态。利用场效应管与电压输出型的光电耦合器阵列构成的一体化高耐压半导体 继电器，实现了高速扫描，同时实现了扫描器的长寿命、无噪声。 网络功能：d x 系列产品装备有一个1 0 b a s e - t 以太适配器，并能够简便加装现有 的支持t c p i p 和f t p 客户服务器功能的l a n 或w a n 。网络功能拓宽了d a q st d o n 的应用领域，实现了远程实时监视和数据后备功能。 多c p u 技术：c p u 采用了多片日本东芝公司生产的s h 3 ，分别对数据采集、显示及 通讯进行控制，使数据的高速采集和处理成为可能。 实时操作系统：采用了实时多任务操作系统，使数据能得到同步处理，大大提高 了系统的响应速度和可靠性。 大规模门阵列技术：采用了大规模集成的门阵列电路。既提高了系统的可靠性， 又减小了仪表的体积并且使系统的保密功能更强。 数据保密技术：使用二进制格式保存测量数据。如果二进制数据被更改，在打开 文件时将出现一条警示信息，同时，还有非授权访问的注册功能，使得只有注册用户才能 访问记录仪。 ( 4 ) 无纸记录仪发展趋势 记录仪的发展己有几十年的历史。就我国而言，从1 9 5 8 年的第一代电子管式集成 电路式逐渐发展到了现在的智能式无纸记录仪，四十年多年来记录仪行业己有较大发 展。但是自动化控制系统领域中，集散控制系统的出现，使过去大量属于记录仪的领地 被c t r 打印机所代替，形成一种记录仪发展己到了尽头的说法。其实并非如此，新技 术的发展虽然使许多新设备具有记录仪的某些功能，但是不能完全代替记录仪，实际上， 在自动控制系统中，许多重要参数还需要记录仪进行详细记录，另一方面，记录仪本身 也大量采用新技术并增加了功能，以适应新的系统要求【5 1 。随着微电子技术、计算机技 术、软件技术和网络技术的高度发展及其在电子测量领域中的应用，记录仪表的结构不 断发生变革，功能不断得到完善和加强。随着微处理器的处理能力的加强，存储容量数 量级上的增加，记录仪的有些特点更突出： 输入信号类型增多，量程范围可以设定。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 模拟记录仪的一个较大局限性是一台仪表只能适用一种输入信号，甚至量程范围变 化也不能适应。智能记录仪却能满足多种输入信号，可以同时用于测量直流毫伏、热电 偶、热电阻等多种信号，并可以设定量程范围，使用十分方便。 测量显示和记录精确度提高。 采用数字技术，采用高精度的数模转换器，普遍有1 2 位( o 2 4 ) 以上的精度， 如果用2 v 的标准电压信号相当于至少0 4 9 毫伏精度。由于新的数字滤波技术的引 用，记录仪的精度又有了很大的提高，平均提高2 位左右达到0 0 6 的精度旧。 显示记录功能增加。 智能记录仪普遍采用了数字模拟混合记录，有些还能制表记录，既有模拟记录仪趋 势记录，又有数字式记录仪表格式并具有记录曲线零点迁移功能以及多个通道记录曲线 时间坐标一致的功能。在显示方面多采用数字显示和光柱的模拟显示，部分仪表还采用 了标尺指针显示，在显示器和记录纸上提供用户多种信息，用户观看、分析+ 分方便。 具有计算调节功能。 采用微处理器后，使仪表计算功能大大增加，除了四则运算外，还有开平方、绝对 值、示平均值、求a n d ，o r 等，使用十分方便。特别值得提出的是k e n t 公司仪表能做 到流量积算和p i d 控制，虽然某些模拟仪表也具有同样的功能，但较复杂，而智能记 录仪增加很少硬件就能达到此目的，并且具有了与p c 机通讯的功能。 报警和附加功能。 一般智能记录仪有多种设定，如上下限、变化率上下限、差值上下限等，报警设定 十分方便，在附加功能上除上面介绍的计算机通讯接口、计算调节功能之外，还有遥控 功能、断偶报警等。 可靠性提高。 机械结构简化、电子元件数减少、无接触式反馈系统的应用、大规模和超大规模集 成路的采用以及步进驱动器系统都大大提高了它的可靠性 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 2 电缆在线监测系统设计 2 1 电缆在线监测仪系统的结构组成 数据采集系统由数据采集模块和数据记录模块组成，数据记录模块主要由无纸记录 仪来完成，无纸记录仪分布在工业现场的各检测点上，每个记录仪可以检测记录一组物理 数据，并可以现场再现记录的数据。记录仪主要采用计算机技术，以单片机为核心，以 数字处理为主要特征，加上各种外围辅助电路组成的。其前端是数据采集模块，将现场 输送来的各种信号，通过a d 转换器转换成数字信号，进行必要的处理，保存在系统的 数据存储器里，并且将采集的数据再通过系统的人机交互界面的液晶显示器显示，保存 过的数据可以通过系统的u s b 接口转存到计算机里，以方便数据的备份和分析，也可 以将上位机对通道组态完成的文件下载到记录仪中；还可以通过键盘选择适合的显示界 面和对通道的特性在线组态。这些都是在系统的c p u 控制下完成的，图2 1 是系统的示 意图。 图2 1 电缆在线监测仪的构成框图 f i 9 2 i t h ec o m p o s i n gc h a r to f o n - l i n em o n i t o r i n g 大连理工大学硕士学位论文 2 2 电流传感器的选取 2 2 1 电流传感器的工作原理 霍尔电流传感器是一种应用广泛的新型电流传感器它是一种磁敏传感器，利用磁 场作为媒介，可以检测很多物理量，用它来检测电流或者电压是它的一个常见应用。 它的工作原理是当电流流过一根很长的直导线时，在导体周围产生磁场，磁场的大 小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件 进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此可利用 霍尔器件测出输出信号，直接反映出导线中电流的小大。 霍尔元件在磁场中感应输出的电压，其处理电路有开路和闭路两种，将霍尔元件的 输出电压用运算放大器直接信号放大，得到所需要的信号电压，因此电压值来标定原边 被测电流的大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器，开环霍尔电流 传感器的有点是电路形式简单，成本相对较低，其缺点是精度线性度差响应时间较慢 温度漂移较大，为了克服开环传感器存在的不足，八十年代末期国外出现了闭环霍尔电 流传感器1 1 0 l 。 闭环霍尔传感器的工作原理是磁平衡式的原边电流产生的磁场通过一个副边电流 所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的状态。 图2 2 闭环霍尔电流传感嚣原理图 f i 9 2 2 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f c u r r e n ts e n s o r 当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时。即有如下等式 n i 。= n l m ( 2 1 ) 式中“为原边电流。 i u 为副边电流 其中为原边线圈的匝数；，| 为副边线圈的匝数。 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 由上式可以看出，已经知道原边和副边线圈的匝数时，通过测量副边补偿电流k 的 大小，即可推算出原边电流，。的值，从而实现了原边电流的隔离测量。电流传感器的输 出信号是副边电流k ，它与原边电流成正比，k 一般很小，如果输出电流经过测量电 阻r ，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。 2 2 2 霍尔电流传感器的特点 霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制 电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流 器的不足( 互感器只适用于5 0 h z 工频测量；分流器无法进行隔离测量) 。利用同一只霍 尔电流电压传感器模块检测单元既可以检测交流也可以检测滞留，甚至可以检测瞬态峰 值，因为是替代互感器和分流器的新一代产品。霍尔电流传感器具有如下特点： 可测量任意波形的电压和电流，霍尔电压、电流传感器模块可以测量任意波形的电 流和电压参数，如直流、交流和脉冲原边电流的波形。这一点普通互感器无法与其相比， 因为普通的互感器一般只适用于5 0 h z 的正弦波。 精度高。一般的霍尔电流电压传感器或者变送器模块在工作区域内的精度优于1 ， 该精度适用于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3 5 ，而且只适合于5 0 h z 的正弦波形；线性度好。 动态性能好。一般霍尔传感器模块的动态响应时间小于7 js ，跟踪速度，跟踪速度 d ； 专高于5 0 a g s ，霍尔电流电压传感器或者变送器模块以其优异的动态性能为提高现代 a t 控制系统的性能提供了关键的基础( 无感元件) 。一般普通互感器的动态响应时间为 i 0 2 0 # s ，这显然已经不适应工业控制系统发展的需要( 感性元件) 。 工作频带宽可在o 2 0 k h z 频率范围内很好的工作；过载能力强；可靠性高。 尺寸小，重量轻，易于安装，不会给系统带来任何损失。 一1 2 大连理工大学硕士学位论文 r -r t 图2 3 霍尔元件的测量电路 f i 9 2 3 t h ec i r c u i to f c u r r e n ts e n l 奄 i l ln n 疆 lf 一 it 禽 图2 4 电流传感器示意图 f i 9 2 4t h es k e t c hm a po f c u r r e n ts e n s o f 其中：+ 代表正电源输入端( + 1 5 v ) ；m 代表测量电压输出端；一代表负电源输入端 ( - 1 5 v ) 。 图2 4 中，。是输入信号电流输出信号为电压信号，额定电压为4 v 。由于无纸记 录仪的a d 采样端接收的模拟量的最大电压较大，所以在使用时需要进行电压的转换， 使之满足无纸记录仪对输入信号的要求。 2 2 4 霍尔传感器的选型 根据系统要求及对比各产品的性能，决定选择h i x ：1 0 0 0 e k 系列霍尔可拆卸电流传感 器，如图2 5 所示。能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电 流。其可拆卸安装方式现场不用对电缆进行拆除即可安装完成安装方便简洁且互感器 一次侧与二次侧是完全隔离的。 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 图2 5i i d c l 0 0 0 e k 系列簌尔可拆卸电流传感器 f i 9 2 5 瑚) c 1 0 0 0 e kc u r r e n ts e n s o r 根据系统要求及对比各产品的性能，决定选择h d c l 0 0 0 e k 系列霍尔可拆卸电流传感 器，如图3 4 所示。能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电 流。其可拆卸安装方式现场不用对电缆进行拆除即可安装完成安装方便简洁且互感器 一次侧与二次侧是完全隔离的。 表2 1h d c l 0 0 0 e k 系列霍尔电流传感器 t a b 2 ，1t h ee l e c t r i cp a r a m e t e ro f h d c lo o o e ks e r i e sc u r r e n t $ e i l q o t 额定输入电流( a ) 1 0 0 0 测量电流范围( a )0 2 0 0 0 额定输出电压( v )4 l 电源电压( v )1 5 失调电压( m y )2 0 失调电压漂移( m y ) l 线性度( f s )1 响应时间( u s ) 7 绝缘电压2 5 k v 5 0 h z l m i n 工作温度 一4 0 8 5 储存温度一5 5 1 2 5 大连理工大学硕士学位论文 2 3 霍尔电压传感器的选取 2 3 1 霍尔电压传感器接口电路 图2 6 中：+ 接正电源，m 为测量电压输出端厂- 接负电源，咀t 为测量电压正端，h t 为测量电压负端。 十v _ 十 _ * c v 图2 6 电压传感器接线圈 f i 9 2 6t h ew i r i n gd i a g r a mo f v o l t a g es e n s o r 根据所测电压大小的不同，可根据需要在被测电压一端串接一个电阻r 。后再接到传 感器的原边，串接e g 阻r , 的大小由下式确定： r 1 ：拿一 肼 ( 2 3 ) 式3 1 2 中：蜀代表串连电阻，单位为q ；硌为被测电压，单位为v ；，。为额定输入 电流，单位为a ；震。为传感器原边内阻，单位为q 。 经过信号调理电路即隔离和电平转换电路，将采集到的信号送入到无纸记录仪的 a 仍转换单元进行处理。 2 3 2 霍尔电压传感器的选型 电压传感器选用h n v 2 2 0 t 型利用磁补偿原理的霍尔电压传感器，能够测量直流、交 流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的。其电气参数如表2 。2 所示。 船用低压电缆绝缘参数数据采集与数据库建立 表2 2h n v 2 2 0 t 型霍尔电压传感器电气参数 t a b 2 2 t h ee l e c t r i cl ：) a r a m e t e ro f h n v 2 2 0 tv o l t a g es e l 1 s o r 额定输入电压( v ) 2 2 0 线性测量电压( v )0 3 0 0 额定输出电压( v )4 1 电源电压( v )1 2 1 5 失调电压( v ) 4 0 失调电压漂移( m y )1 线性度( b s )1 响应时间( u s ) 4 0 绝缘电压 2 5 k v 5 0 h z 1 m i n 丁作温度一4 0 8 5 储存温度一5 5 1 2 5 k h z ( - 3 d b ) d c - 2 0 负载电阻( q ) 1 k 2 4 温度传感器的选取 一般用来测量温度的传感器主要有热点偶，热电阻和热敏电阻物质的电阻率随温 度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。大多数金属导体的电阻随温度的升高而增 加，电阻增加的原因可用其导电机理说明。根据热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感 器，简称热电阻。热电阻按电阻温度特性的不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻 两大类。金属热电阻又叫热电阻，半导体热电阻又叫热敏电阻 热点偶是目前温度测量中广泛使用的一种温度传感器与其他温度传感器相比，它 的优点是：测温范围广，对于一般工程测量都能满足要求：测量温点小。准确度高，动态响 应快：结构简单，便于维修：可用作远距离测量，便于集中检测和自动控制：产品规格多， 并且已标准化，易于选用缺点是选用热点偶需要进行冷端补偿 金属热电阻称为热电阻，热电阻传感器主要用于中、低温的温度测量。常用的工业 标准化热电阻有铂热电阻铜热电阻和镍热电阻铂热电阻主要用于高精度的温度测量 和标准测温装置，性能非常稳定，测量精度高，其测温范围是一2 0 0 c + 8 5 0