CN105222912B - 一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进的复合式数字滤波技术的发电机组温度检测系统，包括温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器，采用单片机作为微处理器芯片，控制采样频率与A/D转换频率，并嵌入温度信息量的复合式数字滤波单元。该运算单元以改进的小样本格拉布斯准则（Grubbs）判别非时变数据为基础，并复合一阶差分的滤波方法来剔除时变数据的粗大误差，实现不合理数据的舍弃或取代。工程应用表明，系统结构简单有效，运算效率高，在静态和动态测试上都获得很好的滤波效果，输出温度数据准确、稳定，同时也能够为顶层的温度控制提供了可靠的数据。

Description

一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统

技术领域

本发明涉及一种发电机组温度检测系统，具体地说是一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统。

背景技术

工程中，大功率中频发电机组出口温度工作范围在0～1200℃，与传统的温度检测系统相比，其测量温度范围跨度大，系统需要同时兼顾低温时弱小热电势的抗干扰，以及高温时动态测量的实时性和准确性，因此系统实现高灵敏度、测量结果正确且稳定的难度大。

由于系统易受震动、干扰、冲击等因素影响，使得检测数据经常会出现诸如系统、随机和粗大等种种误差。传统温度检测系统的滤波方法多种多样，主要是从限幅滤波、平均滤波等方法上推演而来，但应用在大功率中频发电机组中会出现制约性与弱适应性，存在着有效的复杂数字滤波算法难于工程编程实现，简单的传统滤波不能兼顾上述三种误差滤除的困难。

为确保大功率中频发电机组的工作性能满足要求，有必要根据机组工作流程与温度变化特点，采用有针对性解决该工程问题的检测系统及其数字滤波技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统，能可靠地对温度信号进行测量，可有效滤除滤波干扰、冲击等因素对温度静态、动态检测带来的各种影响。

本发明的技术解决方案如下。

一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统，包括温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器，温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器依次连接，所述微处理器采用单片机作为芯片，单片机控制采样频率与A/D转换频率，单片机嵌入有定时器0、定时器1和复合式数字滤波处理单元。

所述的温度传感器采用K型镍铬热电偶。

所述的单片机分别利用定时器0和定时器1控制采样频率与A/D转换频率，采样周期大于A/D转换周期。

所述的复合式数字滤波处理单元，首先在非时变基础上，根据定时器1控制的A/D转换频率，对温度信号感应电压进行连续多次A/D采样，得到一组温度信息数字量数据，采用改进的小样本Grubbs对这组数据进行第一级的滤波处理，形成一个近似真实值；然后在时变基础上，根据定时器0控制采样频率，在采样周期内采用一阶差分法对该近似真实值进行第二级的滤除奇异值处理；经过两级的复合式滤波，最后将温度数据输出。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：对于非时变采样数据，Grubbs是一种剔除坏样本的经典准则，但存在标准偏差、开方、平方等运算程序占用空间大且解算速度慢等缺点，因此通过简化改进Grubbs形成本发明中的小样本非时变滤波方法，解决Grubbs单片机难于编程实现的问题，同时也为上层的时变数据处理输入可信数据。对于时变采样数据，采用一阶差分滤除奇异值并进行合理替代。经两层有针对性的抗干扰和坏数据的滤波处理后，输出稳定、有效的温度数据。

经过实际发电机组起动、加速、减速、加负载、减负载、运行与停机等阶段温度检测验证，该数字滤波技术运算快、精度高，同时该温度检测系统也能对发电机组监控系统提供实时可靠的数据信息。

附图说明

图1是本发明系统结构图。

图2是本发明数字滤波单元的流程图。

图3是发电机组温度检测系统采样频率控制信号图。

图4是应用本发明技术与传统技术的静态温度曲线对比图。

图5是应用本发明系统的发电机组温度动态数据。

具体实施方式

下面结合附图内容和具体实例对本发明进行说明。

实例1

图1是本发明的系统结构框图，所述的基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统，包括温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器，温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器依次连接，所述微处理器采用单片机作为芯片，单片机控制采样频率与A/D转换频率，单片机嵌入有定时器0、定时器1和复合式数字滤波处理单元。

所述的温度传感器采用K型镍铬热电偶。

所述的单片机分别利用定时器0和定时器1控制采样频率与A/D转换频率，采样周期大于A/D转换周期。

基于图2所示的数字滤波计算的流程对所述滤波技术进行的分析。滤波技术具体步骤如下：

步骤一：采样频率50Hz，采样点附近连续A/D转换三次，转换频率2kHz。定时器T₁中断触发时转入步骤二进行运算，定时器T₀中断触发时转入步骤五进行运算。发电机组温度检测系统采样频率控制信号如图3所示。

步骤二：在三个连续的500us内测量的温度可认为是恒定不变的，即为非时变温度数据。然而热电偶的热电势为uV级的弱小信号，受种种噪声干扰后，一个测量单元(1.5ms)内的三个温度数据不尽相同，甚至出现较大误差。如图4所示的每个采样点附件连续3次A/D转换得到的温度数值。

为初步剔除偶然误差，取3个重复的采样温度值为一个单位。在这组数据中，温度值为x_i(i＝1…n,n＝3)，n次采样温度平均值为：得出如图4所示的均值法曲线。

步骤三：改进后的小样本Grubbs对可疑值进行剔除，进而确定一个采样温度值，但不能保证该值的真实性。

对于x_i对应的残差V_i，若满足则认为x_i是可疑值。将其舍弃后重新算平均值，并将新的平均值作为该采样点的温度值。

查Grubbs临界表，通过确定显著水平a和样本数n，确定临界值g(n,a)，当n＝3,a＝0.05,则g(n,a)＝1.15。

由贝塞尔函数推得σ(X)，其反应的是残差序列的标准差，它在单片机采样数据处理中体现为每组采样单元都需运算3次平方与1次开方，程序运算负担较重。总结多次试验结果，将σ(X)简化为固定数值σ，该值能反应出一组温度数据的绝对误差的大小。

步骤四：

若|V_i|>1.15σ，着认为X_i为正常值，x作为这一组采样的真实温度值。

若|V_i|>1.15σ，则认为X_i为异常值并予以剔除，转入步骤二重新计算平均值，将其作为这一组的真实采样温度值。

得到如图4所示Grubbs法得到的一组数据的曲线。

步骤五：

在机组启动过程中温度攀升速度快，相邻的两个采样温度值是时变关系。连续的一组采样数据序列中由于非时变滤波失败或有明显干扰有造成的个别数据差异大。在本实例系统中，采集到的非时变数据在温度变量与时间变量上呈线性分布，因此采用简单而有效的一阶差分法检查差异值。

设温度增量初值为w，常数为k，当|x_t-x_t-1|＞kw成立时，认为此采样点x_t为差异值，予以滤除，用x_t-1代替x_t。当采样频率大于温度增量的最高频率时，上述方法简单有效且可靠性高，本实例系统满足此条件。

另外，在系统开始工作后，若连续多次采样值都超过了极限误差kw，说明外围出现异常，系统应承认该采样值，并运用重新计算w值，保证测温系统的精度。因此该应用实例用本发明的数字滤波方法得到如图4所示一组数据曲线。

综上，同一时刻，取一组连续的原始值，同时进行均值法滤波、小样本Grubbs滤波、以及本发明方法三种运算，得到如图4所示的数据，可以看出，原始值波动大，不能反映常态的环境温度；均值法无法剔除粗大误差；而小样本Grubbs能剔除一个粗大误差，但不能剔除多个程度相当的粗大误差；在Grubbs非时变滤波基础上加入一阶差分滤波，结果稳定且准确度高。

实例2

通过机组启动过程中监测温度进行动态测试，采用本发明的滤波方法所测得的温度记录数据如图5所示。启动初段时间温度上升速率快，启动中段时间温度起伏几次后快速率下降，启动末段进入稳定运行阶段。

从测试结果可以看出，整个工作过程温度变化平稳，且试验数据准确、稳定，可以为顶层温度控制系统提供可靠依据，因此本发明所使用的数字滤波方法可有效的应用在发电机组温度检测系统中。

本发明的保护范围以权利要求为准，不受具体实施例所限制。

Claims (3)

1.一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统，其特征在于：包括温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器，温度传感器电路、信号调理与A/D转换单元、微处理器依次连接，所述微处理器采用单片机作为芯片，单片机控制采样频率与A/D转换频率，单片机嵌入有定时器0、定时器1和复合式数字滤波处理单元；所述的复合式数字滤波处理单元的滤波流程为，首先在非时变基础上，根据定时器1控制的A/D转换频率，对温度信号感应电压进行连续多次A/D采样，得到一组温度信息数字量数据，采用改进的小样本Grubbs对这组数据进行第一级的滤波处理，形成一个近似真实值；然后在时变基础上，根据定时器0控制采样频率，在采样周期内采用一阶差分法对该近似真实值进行第二级的滤除奇异值处理；经过两级的复合式滤波，最后将温度数据输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统，其特征在于所述的温度传感器采用K型镍铬热电偶。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合式数字滤波的发电机组温度检测系统，其特征在于所述的单片机分别利用定时器0和定时器1控制采样频率与A/D转换频率，采样周期大于A/D转换周期。