專利名稱：基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置的制作方法
專利說明
一.技術(shù)領(lǐng)域本實用新型涉及一種傳感器，進一步涉及一種高壓電力設(shè)備溫度狀態(tài)在線監(jiān)測的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置。
二.
背景技術(shù)：
目前，高壓電力設(shè)備的溫度檢測采用的測溫方法有接觸式和非接觸式兩種，由于高壓系統(tǒng)的帶電部分處于高電位，接觸式測溫在高壓隔離上存在很大困難?，F(xiàn)有的接觸式測溫方法多采用紅外調(diào)制發(fā)射技術(shù)或光纖傳導(dǎo)。但這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。如ABB公司研制的‘Safe Guard’裝置，采用石英晶體聲表面波元件作為溫度敏感元件，將其粘貼在待測部位，由其組成的振蕩回路輸出與溫度有關(guān)的頻率信號，采用紅外調(diào)制發(fā)射技術(shù)，將高電位處溫度值發(fā)送到低電位處的紅外接受器上。揚州工學(xué)院采用不導(dǎo)電的石英晶體傳感器解決了高電壓隔離問題，但是成本很貴，不可能產(chǎn)業(yè)化。目前的非接觸式測溫方法有日本電力工業(yè)研究中心通過監(jiān)測由于異常接觸引起電流路徑改變從而導(dǎo)致的磁場畸變，直接判斷接頭處的異常接觸。但是抗電磁干擾問題沒有很好解決。上述各種方法，都有各自缺點，均未能在現(xiàn)場大面積推廣。因此，降低測溫系統(tǒng)的硬件成本、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置、提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在我國的全面推廣有很重要的意義。
三.
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)部分存在的問題或不足，本實用新型的目的在于針對高壓電力設(shè)備中的溫度在線檢測，提供一種降低測溫傳感系統(tǒng)的成本、優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)置、提高系統(tǒng)在惡劣的電磁環(huán)境中的抗干擾能力的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)手段是利用軟件代替硬件來進行環(huán)境溫度補償。本測溫系統(tǒng)采用的傳感器帶有兩路輸出，一路是被測點的溫度，另一路是探測器的環(huán)境溫度。由于探測頭輸出的測溫點溫度信號不僅與測溫點的溫度有關(guān)，還跟探測器的溫度有關(guān)。通過采集紅外探測頭輸出的環(huán)境溫度信號得到探測器的溫度，用它來對探測頭輸出的測溫點信號進行補償，得到精確的測溫點實際溫度。我們采用二次查表法，利用得到的環(huán)境溫度值對測溫點得到的溫度值作線性插值，得到精確的被測點實際溫度值。
所采用的技術(shù)方案是該基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置，包括一外殼1和外殼后蓋2，其特征在于外殼1內(nèi)設(shè)置有一紅外測溫傳感探頭3和信號調(diào)理電路板5，紅外測溫傳感探頭3與信號調(diào)理電路板5相連接，外殼1內(nèi)還設(shè)置有用來隔絕外界干擾熱源的熱輻射的熱源屏蔽筒4；所述信號調(diào)理電路板5包括信號放大電路501、熱敏電阻信號放大電路502、電壓偏置電路503、有源濾波電路504；信號放大電路501和熱敏電阻信號放大電路502分別與紅外測溫傳感探頭3互連，信號放大電路501將信號送入有源濾波電路504，電壓偏置電路503與信號放大電路501連接；紅外測溫傳感探頭3將被測體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電壓信號，信號調(diào)理電路板5將微弱的電壓信號放大、濾波后轉(zhuǎn)換成頻率信號輸送到其裝置以外的控制板上，通過精密放大器將信號放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行傳輸，通過信號隔離器送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，利用軟件代替硬件來進行環(huán)境溫度補償。
本實用新型的其他一些特點是所述熱源屏蔽筒4和傳感器外殼1均利用不銹鋼材料加工而成，不但可以屏蔽外界熱源紅外輻射對傳感器的影響，而且可以起到電磁屏蔽的效果，提高系統(tǒng)的抗強電磁干擾能力。
本實用新型從實用性的角度出發(fā)，通過采用軟件環(huán)境溫度補償、硬件抗干擾和傳感器外觀設(shè)計。在保證測量精度的前提下，有效地降低了傳感系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境下的抗干擾能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化配置。
按照本實用新型的技術(shù)方案，該基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置包括一外殼1和外殼后蓋2，其特點是外殼1內(nèi)設(shè)置有一紅外測溫傳感探頭3和信號調(diào)理電路板5，紅外測溫傳感探頭3與信號調(diào)理電路板5相連接，外殼1內(nèi)還設(shè)置有用來隔絕外界干擾熱源的熱輻射的熱源屏蔽筒4；信號調(diào)理電路板5包括信號放大電路501、熱敏電阻信號放大電路502、電壓偏置電路503、有源濾波電路504；信號放大電路501和熱敏電阻信號放大電路502分別與紅外測溫傳感探頭3互連，信號放大電路501將信號送入有源濾波電路504，電壓偏置電路503與信號放大電路501連接；紅外測溫傳感探頭3將被測體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電壓信號，信號調(diào)理電路板5將微弱的電壓信號放大、濾波后轉(zhuǎn)換成頻率信號輸送到其裝置以外的控制板上，通過精密放大器將信號放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行傳輸，通過信號隔離器送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，利用軟件代替硬件來進行環(huán)境溫度補償。
熱源屏蔽筒4和傳感器外殼1均利用不銹鋼材料加工而成，不但可以屏蔽外界熱源紅外輻射對傳感器的影響，而且可以起到電磁屏蔽的效果，提高系統(tǒng)的抗強電磁干擾能力。
溫度信號的放大利用儀用放大器INA128PA，該放大器有高達10000倍的放大倍數(shù)，利用進口電位器進行增益的調(diào)節(jié)，得到合適的放大倍數(shù)。為了減小電源波動對放大器工作性能的影響，在放大器的正負(fù)電源端分別加有鉭電解電容和高頻獨石電容組成的電源濾波電路；為了調(diào)整因器件的分散性導(dǎo)致的輸出信號的偏差，用可調(diào)電位器實現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)；由于探測器輸出電壓會出現(xiàn)負(fù)電壓，為此在本文設(shè)計中給放大器加上5V的參考電壓，將電壓抬升到0V以上，便于對電壓信號進行V/F變換。
來自探測器的微弱電壓經(jīng)放大器放大后不可避免的會產(chǎn)生噪聲，這種噪聲主要表現(xiàn)為高頻干擾電壓。為了將高頻干擾濾掉，本電路采用2階巴特沃斯有源低通濾波器，其截止頻率為10Hz。實驗表明，該濾波器對于波形有很好的改善效果，濾波器輸出比較穩(wěn)定的電壓。
由于本實用新型應(yīng)用對象是高壓電力設(shè)備，其工作溫度跨度較大，所以在元器件的選擇上選用低溫度系數(shù)元件，電阻采用金屬膜電阻，電容采用CBB聚丙烯電容。
考慮到傳感器的應(yīng)用對象是高壓電力設(shè)備，在外殼的加工上盡量是外表光滑，外殼的厚度為1mm，以保證傳感器外殼的耐用和抗電磁干擾作用。
本實用新型的特點是1.利用軟件代替硬件來進行環(huán)境溫度補償。本測溫系統(tǒng)采用的傳感器帶有兩路輸出，一路是被測點的溫度，另一路是探測器的環(huán)境溫度。由于探測頭輸出的測溫點溫度信號不僅與測溫點的溫度有關(guān)，還跟探測器的溫度有關(guān)。通過采集紅外探測頭輸出的環(huán)境溫度信號得到探測器的溫度，用它來對探測頭輸出的測溫點信號進行補償，得到精確的測溫點實際溫度。我們采用二次查表法，利用得到的環(huán)境溫度值對測溫點得到的溫度值作線性插值，得到精確的被測點實際溫度值。
2.傳感器設(shè)計充分考慮了現(xiàn)場惡劣的電磁環(huán)境和大范圍的溫、濕度變化條件，并考慮到安裝及加工上的方便。本傳感器有兩種外觀，分別為圓形結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)(參見附

圖1和附圖2)，1為傳感器的外殼，2為傳感器后蓋，4是熱源屏蔽筒，用來隔絕外界干擾熱源的熱輻射。
紅外測溫傳感器利用傳感探頭3將被測體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電壓信號，利用精密放大器INA128PA進行微弱信號的放大、LM124濾波電路進行信號的有源濾波、通過KA331(或LM331)將濾波后輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號輸送到裝置以外的控制板上。同時，將探測器本身的熱敏元件對傳感器環(huán)境感應(yīng)所產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過LM124放大后通過KA331(或LM331)轉(zhuǎn)換成頻率信號輸送到控制板上。傳感器原理圖如圖3所示。
傳感器具體具體實施電路如圖4所示，電路的原理和連接關(guān)系是，對于被測體的溫度紅外測溫傳感探頭3的管腳1′和3′輸出由被測體熱輻射感生的電壓信號，將傳感探頭3的管腳1′和3′分別接到精密放大器INA128PA的管腳3和2；由于在被測體溫度為0-150攝氏度內(nèi)，傳感探頭輸出的電壓信號為-200uV-2mV，所以INA128PA的5腳接一個5V的基準(zhǔn)源進行輸出信號電平的抬升，保證輸出電壓信號在0.2V以上；為了減小電源波動對精密放大器工作性能的影響已經(jīng)輸出電壓信號的干擾，利用鉭電解電容和高頻獨石電容組成的電源濾波電路對精密放大器的正負(fù)電源進行濾波；為了調(diào)整因器件的分散性導(dǎo)致的輸出信號的偏差，采用可調(diào)電位器對INA128PA的管腳1和8進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)傳感器的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)以及傳感器校準(zhǔn)；為了濾除有用信號中的高頻干擾，將精密放大器INA128PA管腳6輸出的電壓信號輸入LM124的管腳5，利用LM124和電阻、電容組成的2階巴特沃斯有源低通濾波器進行截止頻率為10Hz的濾波處理，實驗表明，該濾波器對于波形有很好的改善效果，濾波器輸出比較穩(wěn)定的電壓；濾波后穩(wěn)定的電壓信號從LM124的管腳7輸出并送入KA331(或LM331)的管腳7，利用由KA331(或LM331)和外圍電容、電阻組成的V/F轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號(fo)從KA331(或LM331)的管腳3輸出。對于環(huán)境溫度紅外測溫傳感探頭腳內(nèi)置的熱敏電阻產(chǎn)生的電壓有傳感探頭的2腳輸出，將此信號輸入LM124的管腳3，利用由LM124和外圍電容、電阻組成的放大電路進行放大，放大后從LM124的管腳1輸出，此電壓信號經(jīng)過RC濾波后送入KA331(或LM331)的管腳7，利用由KA331(或LM331)和外圍電容、電阻組成的V/F轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號(fe)從KA331(或LM331)的管腳3輸出。
本實用新型的應(yīng)用實施例參見圖5，利用本紅外測溫傳感裝置A對中壓開關(guān)柜的母線B溫升進行在線監(jiān)測。其原理是利用探測器將母線B的溫度信號轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，通過精密放大器將信號放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行傳輸，通過信號隔離器送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。本實用新型的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置，在信號的采集、傳輸、處理過程中都運用了軟、硬件抗干擾措施，保證了本系統(tǒng)在惡劣的電磁環(huán)境下能夠精確地顯示出母線的溫升值，在出現(xiàn)溫升故障時能及時報警。便于現(xiàn)場操作人員及時、準(zhǔn)確地判斷開關(guān)柜的運行狀態(tài)，有效地減少開關(guān)柜溫升故障帶來的損失。
權(quán)利要求1.一種用于高壓電力設(shè)備溫度狀態(tài)在線監(jiān)測的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置，包括一外殼[1]和外殼后蓋[2]，其特征在于外殼[1]內(nèi)設(shè)置有一紅外測溫傳感探頭[3]和信號調(diào)理電路板[5]，紅外測溫傳感探頭[3]與信號調(diào)理電路板[5]相連接，外殼[1]內(nèi)還設(shè)置有用來隔絕外界干擾熱源的熱輻射的熱源屏蔽筒[4]；所述信號調(diào)理電路板[5]包括信號放大電路[501]、熱敏電阻信號放大電路[502]、電壓偏置電路[503]、有源濾波電路[504]；信號放大電路[501]和熱敏電阻信號放大電路[502]分別與紅外測溫傳感探頭[3]互連，信號放大電路[501]將信號送入有源濾波電路[504]，電壓偏置電路[503]與信號放大電路[501]連接；紅外測溫傳感探頭[3]將被測體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電壓信號，信號調(diào)理電路板[5]將微弱的電壓信號放大、濾波后轉(zhuǎn)換成頻率信號輸送到其裝置以外的控制板上，通過精密放大器將信號放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行傳輸，通過信號隔離器送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，利用軟件代替硬件來進行環(huán)境溫度補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置，其特征在于所述熱源屏蔽筒[4]和外殼[1]采用的材料是不銹鋼材料，傳感器的外殼[1]為圓形或方形結(jié)構(gòu)，利用軟件對傳感器系統(tǒng)進行環(huán)境溫度補償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置，其特征在于所述信號調(diào)理電路板電路采用2階巴特沃斯有源低通濾波器，其截止頻率為10Hz，元器件的選擇上選用低溫度系數(shù)元件，電阻采用金屬膜電阻，電容采用CBB聚丙烯電容。
專利摘要本實用新型公開了一種高壓電力設(shè)備溫度狀態(tài)在線監(jiān)測的基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置，由紅外測溫傳感探頭、信號傳輸電路及信號控制電路組成。本實用新型利用軟件完成傳感器系統(tǒng)環(huán)境溫度補償、輔以軟硬件抗干擾設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化配置等方法，在保證系統(tǒng)測量精度前提下，有效降低了在強電磁干擾環(huán)境下系統(tǒng)的成本，為高壓電力設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測在全國的推廣創(chuàng)造了良好的條件。
文檔編號G01K11/00GK2596340SQ0225894
公開日2003年12月31日 申請日期2002年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月19日
發(fā)明者王小華, 榮命哲, 凌宏, 楊武 申請人:西安交通大學(xué)