一種智能化變壓器油位計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種智能化變壓器油位計(jì)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；硬件系統(tǒng)包括微控制器、液位傳感檢測(cè)模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、信息顯示模塊、報(bào)警輸出模塊和系統(tǒng)電源模塊；液位傳感檢測(cè)模塊的輸出端連接電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接微控制器，微控制器的輸出端分別連接信息顯示模塊和報(bào)警輸出模塊，系統(tǒng)電源模塊分別連接液位傳感檢測(cè)模塊、微控制器和信息顯示模塊；軟件系統(tǒng)用于控制硬件系統(tǒng)的工作。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油位的高精度測(cè)量，且能夠?qū)崿F(xiàn)超高狀態(tài)報(bào)警和超低狀態(tài)報(bào)警。
【專利說明】
一種智能化變壓器油位計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及變壓器油位計(jì)，特別是涉及一種智能化變壓器油位計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力系統(tǒng)主變壓器油位計(jì)是用于指示主變壓器儲(chǔ)油柜中油量的儀表，目前，電力系統(tǒng)中的主變壓器油位計(jì)普遍采用機(jī)械式儀表，分為玻璃管式、拉帶式和磁力式三種油位計(jì)。機(jī)械式油位計(jì)具有不便于精確測(cè)量、輸出為非電量信號(hào)、線性度較差等缺陷，已不能夠滿足電力系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化和信息化的發(fā)展方向。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型的目的是提供一種測(cè)量精度高、輸出為電量信號(hào)、線性度較高的智能化變壓器油位計(jì)。
[0004]技術(shù)方案:為達(dá)到此目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:
[0005]本實(shí)用新型所述的一種智能化變壓器油位計(jì)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng);硬件系統(tǒng)包括微控制器、液位傳感檢測(cè)模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、信息顯示模塊、報(bào)警輸出模塊和系統(tǒng)電源模塊;液位傳感檢測(cè)模塊的輸出端連接電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接微控制器，微控制器的輸出端分別連接信息顯示模塊和報(bào)警輸出模塊，系統(tǒng)電源模塊分別連接液位傳感檢測(cè)模塊、微控制器和信息顯示模塊;軟件系統(tǒng)用于控制硬件系統(tǒng)的工作。
[0006]進(jìn)一步，所述軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)數(shù)字濾波模塊、油位信息分析模塊、油位報(bào)警判斷模塊以及油位信息與報(bào)警狀態(tài)顯示模塊。
[0007]進(jìn)一步，所述微控制器的型號(hào)為C8051F350。
[0008]進(jìn)一步，所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊包括陶瓷式壓電傳感器。
[0009]進(jìn)一步，所述信息顯示模塊包括型號(hào)為IXD12232ZA的液晶顯示器。
[0010]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的有益效果:
[0011](I)本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油位的高精度測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)0.31215um，并進(jìn)行信號(hào)數(shù)字濾波以確保所測(cè)量油位值的穩(wěn)定性；
[0012](2)本實(shí)用新型既可以進(jìn)行超高狀態(tài)報(bào)警也可以進(jìn)行超低狀態(tài)報(bào)警；
[0013](3)本實(shí)用新型對(duì)信息進(jìn)行顯示，便于讀取當(dāng)前的油位信息和狀態(tài)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型的硬件系統(tǒng)的框圖；
[0015]圖2為本實(shí)用新型的軟件系統(tǒng)的工作流程圖；
[0016]圖3為本實(shí)用新型的功能不意圖；
[0017]圖4為本實(shí)用新型的系統(tǒng)初始化模塊的工作流程圖；
[0018]圖5為本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作流程圖；
[0019]圖6為本實(shí)用新型的信號(hào)數(shù)字濾波模塊的工作流程圖；
[0020]圖7為本實(shí)用新型的油位信息分析模塊的工作流程圖；
[0021 ]圖8為本實(shí)用新型的油位報(bào)警判斷模塊的工作流程圖；
[0022]圖9為本實(shí)用新型的油位信息與報(bào)警狀態(tài)顯示模塊的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。
[0024]本實(shí)用新型公開了一種智能化變壓器油位計(jì)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)如圖1所示，包括微控制器、液位傳感檢測(cè)模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、信息顯示模塊、報(bào)警輸出模塊和系統(tǒng)電源模塊;液位傳感檢測(cè)模塊的輸出端連接電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接微控制器，微控制器的輸出端分別連接信息顯示模塊和報(bào)警輸出模塊，系統(tǒng)電源模塊分別連接液位傳感檢測(cè)模塊、微控制器和信息顯示模塊。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)數(shù)字濾波模塊、油位信息分析模塊、油位報(bào)警判斷模塊以及油位信息與報(bào)警狀態(tài)顯示模塊。軟件系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。
[0025]本實(shí)用新型具有變壓器油位檢測(cè)、油位超高輸出、油位超低報(bào)警輸出和油位及報(bào)警信息顯示等功能，如圖3所示。
[0026]下面介紹一下本實(shí)用新型的各個(gè)組成部分:
[0027]一、機(jī)箱
[0028]智能化變壓器油位計(jì)采用鋁型材機(jī)箱外殼，由于其采用全封閉的金屬材質(zhì)，故其對(duì)環(huán)境電磁干擾具有較強(qiáng)的屏蔽作用。
[0029]二、硬件系統(tǒng)
[0030]1、微控制器
[0031]由于油位計(jì)安裝在主變壓器附近，體積過大必然會(huì)導(dǎo)致安裝的不便和對(duì)固定的要求；同時(shí)，因系統(tǒng)長時(shí)間工作在室外，周圍的電磁干擾嚴(yán)重，要求單片機(jī)必須有很強(qiáng)的抗干擾和穩(wěn)定性。綜上所述，油位計(jì)應(yīng)遵循體積小、功耗低、可靠性高和性能高的特點(diǎn)。而C8051F350微控制器是美國Silicon Laboratories Inc推出的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)微控制器，具有與8051指令集完全兼容的MCS-51內(nèi)核，其功能包括內(nèi)部集成的768Byte RAM和8KB Flash存儲(chǔ)器、JTAG調(diào)試與邊界掃描、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)、高精度高達(dá)24位A/D轉(zhuǎn)換器等資源。JTAG調(diào)試和邊界掃描為生產(chǎn)和調(diào)試程序更加方便，可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)可以進(jìn)一步降低功耗，24位A/D轉(zhuǎn)換器可以為系統(tǒng)提供更高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，這些都是C8051F350微控制器最具特色的設(shè)計(jì)。C8051F350微控制器最小系統(tǒng)由JTAG接口電路和復(fù)位電路組成。
[0032]2、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊
[0033]采用陶瓷式壓電傳感器，其工作電壓范圍為:12?24V，測(cè)量范圍為O?3.0OMpaJt應(yīng)的水位為O?3000mm，因此，油位測(cè)范圍大于3000mm，為了提高油位計(jì)對(duì)主變壓器周圍的強(qiáng)電磁干擾，因此陶瓷式壓電傳感器的輸出選用標(biāo)準(zhǔn)電流模式，為4?20mA。C8051F350微控制器的工作電壓范圍為2.7?3.6V，內(nèi)部集成的24位A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓需要外部提供，因此參考電壓選用具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431。陶瓷式壓電傳感器由電壓基準(zhǔn)電路和電流/電壓轉(zhuǎn)換電路組成:電壓基準(zhǔn)電路是由TL431構(gòu)成的2.5V的基準(zhǔn)電壓電路；電流/電壓轉(zhuǎn)換電路為了與2.5V基準(zhǔn)電壓匹配，因此輸入為4?20mA對(duì)應(yīng)的輸出電壓應(yīng)小于2.5V，可采用高精度電阻100歐姆電阻作為電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，為了提高電路的高頻抗干擾能力，可在電阻兩端并0.0luF瓷片電容構(gòu)成RC電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，則陶瓷式壓電傳感器的輸出電壓為:0.4?2.0V。為了增強(qiáng)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的抗共模干擾能力，A/D轉(zhuǎn)換電路采用雙極性輸入模式。
[0034]3、報(bào)警輸出模塊
[0035]系統(tǒng)輸出要求為開關(guān)量，為了滿足各種輸出的開關(guān)量要求，輸出采用繼電器的常開接點(diǎn)。C80 51F3 50微控制器的I /0 口能夠耐5 V電壓，故繼電器采用線圈為5V的繼電器。驅(qū)動(dòng)采用低壓驅(qū)動(dòng)N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO 3400A，A0 3400A在抵達(dá)2.5V的門極驅(qū)動(dòng)電壓下，導(dǎo)通電阻僅有48πιΩ，最大電流可達(dá)4.7Α，封裝為S0T-23貼片封裝，由其構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器性能遠(yuǎn)非其他驅(qū)動(dòng)電路所能比擬。這樣可以使用C8051F350微控制器的I/O口直接驅(qū)動(dòng)AO 3400A，既簡化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，又提高了其抗干擾能力。為了使報(bào)警信息明確，故分別用兩組繼電器，每組各兩路I/O 口作為超高報(bào)警和超低報(bào)警。
[0036]4、信息顯示模塊
[0037]油位計(jì)顯示內(nèi)容包括油位比值信息和油位狀態(tài)信息，為了便于用戶使用采用中文顯示，同時(shí)為了節(jié)省I/O口資源，故顯示器采用具有串行通信接口，集成中文字庫，顯示內(nèi)容為16字符\2行，白底黑字，帶背光的^01223224液晶顯示器丄^122322六液晶顯示器與C8051F350微控制器的串行接口非常簡單，只需要三條I/O 口線與單片機(jī)的任意三個(gè)I/O 口線相連即可，同時(shí)還需一個(gè)10ΚΩ電阻進(jìn)行對(duì)比度調(diào)節(jié)。
[0038]5、系統(tǒng)電源模塊
[0039]油位計(jì)電源部分需要為陶瓷式壓電傳感器(大于等于12V)、液晶顯示器和報(bào)警輸出繼電器(5V)以及C8051F350微控制器供電(3.3V)，因此變壓器輸出的交流電壓經(jīng)整流后要大于12V，因此，Tl選用輸入220V，輸出12V的1W變壓器，經(jīng)全橋整流后的輸出電壓為12 X1.414-1X2 * 15Vo
[0040]由于陶瓷式壓電傳感器為電流型，其輸出最大電流不超過20mA，故采用三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源TL431構(gòu)成13V穩(wěn)定電流不低于25mA的穩(wěn)壓器即可，則限流電阻的應(yīng)小于(15-13)￥/0.025厶=80歐姆。由于1?104去101(歐姆，則(1?102+1?103) = (13/2.5-1)\ 1K =42K。
[0041]液晶顯示器和報(bào)警輸出繼電器的5V供電電源與15V的輸入電源有1V的壓差，如果采用線性穩(wěn)壓器則其效率不會(huì)超過35%，且發(fā)熱嚴(yán)重，故在此采用美國TI公司的高效降壓型DC/DC集成電路TPS5430進(jìn)行5V穩(wěn)壓，以保證15V至5V的穩(wěn)壓效率不低于85%。則TPS540的輸出電壓為:(R201/R202+1) X 1.25V ? 5.0379V，完全能夠滿足供電要求。
[0042]08051?350微控制器的3.3￥的供電電源直接采用低壓差型431117線性穩(wěn)壓集成電路。在5V輸入電壓時(shí)，其效率可達(dá)66%。
[0043]三、軟件系統(tǒng)
[0044]1、系統(tǒng)初始化模塊
[0045]C8051F350微控制器初始化是其進(jìn)行工作前的準(zhǔn)備工作和它的外設(shè)選用和配置，本系統(tǒng)的微控制器初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/o 口初始化和A/D轉(zhuǎn)換器初始化。
[0046]C8051F350微控制器內(nèi)部集成有一個(gè)可編程內(nèi)部RC振蕩器，為了簡化系統(tǒng)硬件電路、減小系統(tǒng)的對(duì)外電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本系統(tǒng)時(shí)鐘源選用內(nèi)部RC振蕩器。系統(tǒng)時(shí)鐘初始化是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部時(shí)鐘源的選用配置、時(shí)鐘頻率的PLL值配置(時(shí)鐘頻率配置為24.5MHz)、進(jìn)行振蕩器穩(wěn)定工作的判斷工作。
[0047]I/O 口初始化實(shí)現(xiàn)將PI 口配置為推挽使輸出。
[0048]A/D轉(zhuǎn)換器初始化實(shí)現(xiàn)ADC外部參考電壓源的選擇配置、可編程增益放大器放大倍數(shù)的配置、輸入緩沖器的配置、調(diào)制器時(shí)鐘的配置、差分輸入的配置和啟動(dòng)ADC。
[0049 ]系統(tǒng)初始化的詳細(xì)程序流程圖如圖4所示。
[0050] 2、A/D轉(zhuǎn)換模塊
[0051 ] C8051F350微控制器內(nèi)部集成的高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器使用時(shí)必須按要求的順序和要求進(jìn)行。由于A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為2.5V，因此，數(shù)據(jù)采集的精度為:2.5V/(224-l) =1.49X10—7V。由于傳感器對(duì)于水位的范圍為O?3000mm對(duì)應(yīng)的輸出電流范圍為4?20mA，采用100歐姆的取樣電阻，則電壓范圍為:0.4?2.0V，電壓變化為1.6V，則傳感器的靈敏度為:3m/l.6V=1.875m/V。對(duì)于水位而言，則24位A/D轉(zhuǎn)換器的水位測(cè)量精度為:1.875m/VX(1.49 X 10—7V) = 2.79375 X 10—7m。考慮到變壓器油的密度小于水，是水的0.895，因此變壓器油的油位測(cè)量精度為:2.79375X10—7m/0.895 = 3.1215X 10—7m=0.31215umo
[0052]A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取過程是:啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，等待A/D轉(zhuǎn)換完成，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，依次讀取A/D轉(zhuǎn)換完成后的最高八位、中間八位和最低八位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，最后，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換模塊的程序流程圖如圖5所示。
[0053]3、信號(hào)數(shù)字濾波模塊
[0054]由于油位在正常情況下幾乎是不變的，即使在發(fā)生異常情況，其變化也是非常緩慢的，但由于油位計(jì)的工作環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，再加之ADC轉(zhuǎn)換器的精度非常高，這些因素都導(dǎo)致了每次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果有一定的差異。為了提高A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果既具有高的精度又具有一定的穩(wěn)定性，在此采用取中間值平均法進(jìn)行數(shù)字濾波方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，其效果超過預(yù)期。其過程如下:首先對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的20個(gè)結(jié)果進(jìn)行排序，然后抽取其中的中間10個(gè)中間值，最后對(duì)這10個(gè)值求平均值。信號(hào)數(shù)字濾波的程序流程圖如圖6所示。
[0055]4、油位信息分析模塊
[0056]油位信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)數(shù)字濾波后的數(shù)值并不是油位的具體數(shù)據(jù)，油位值還需要根據(jù)陶瓷式壓電傳感器的零位數(shù)值、A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓、零油位值對(duì)應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和校正。油位值的計(jì)算和校正過程為:首先，根據(jù)陶瓷式壓電傳感器的零位數(shù)值計(jì)算出與油位高度成線性關(guān)系的有效數(shù)值;然后，由油位高度成線性關(guān)系的有效數(shù)值計(jì)算出陶瓷式壓電傳感器所測(cè)出的油位高度;最后，將陶瓷式壓電傳感器所測(cè)出的油位高度減去零油位值即可得到油位的實(shí)際油位高度值。油位信息分析模塊的程序流程圖如圖7所示。
[0057]5、油位報(bào)警判斷模塊
[0058]油位計(jì)的油位報(bào)警功能是其非常重要的功能之一，當(dāng)油位計(jì)的油位高度值確定后，為了與傳統(tǒng)的機(jī)械式油位計(jì)的指示兼容，還需要將其轉(zhuǎn)換成相對(duì)高度值，這樣也便于進(jìn)行異常液位報(bào)警判斷。為了使油位高度異常信息更為詳細(xì)明確，本系統(tǒng)對(duì)油位的超高和超低兩種異常情況分別進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)注，以便滿足顯示的需要。油位報(bào)警判斷及輸出過程如下:首先，根據(jù)油位信息分析得到的油位高度值和儲(chǔ)油柜的高度計(jì)算出相對(duì)油位高度一一當(dāng)前油位高度是儲(chǔ)油柜高度的百分比數(shù);然后，對(duì)超出相對(duì)油位高度的值進(jìn)行邊界值處理，使其處在有效相對(duì)油位高度值范圍內(nèi)，便于進(jìn)行下面的判斷分析;最后，對(duì)油位異常情況進(jìn)行判斷并進(jìn)行輸出控制和標(biāo)識(shí)相應(yīng)的標(biāo)志。油位報(bào)警判斷及輸出程序流程圖如圖8所示。
[0059]6、油位信息與報(bào)警狀態(tài)顯示模塊
[0060]傳統(tǒng)的機(jī)械式油位計(jì)信息通常位于主變壓器的儲(chǔ)油柜上，對(duì)其進(jìn)行夜間觀察難度較大和精準(zhǔn)度也較低。為了克服傳統(tǒng)的機(jī)械式油位計(jì)的缺點(diǎn)，本油位計(jì)的顯示采用顯示信息量豐富且便于觀察的LCD液晶顯示器進(jìn)行顯示。油位信息及報(bào)警狀態(tài)顯示過程如下:首先，在LCD12232ZA液晶顯示器的第一行顯示液位百分比信息，然后，根據(jù)油位異常標(biāo)志，在IXD12232ZA液晶顯示器的第一行顯示當(dāng)前的油位狀態(tài)信息。油位信息及報(bào)警狀態(tài)顯示程序流程圖如圖9所不。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種智能化變壓器油位計(jì)，其特征在于:包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng);硬件系統(tǒng)包括微控制器、液位傳感檢測(cè)模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、信息顯示模塊、報(bào)警輸出模塊和系統(tǒng)電源模塊;液位傳感檢測(cè)模塊的輸出端連接電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接微控制器，微控制器的輸出端分別連接信息顯示模塊和報(bào)警輸出模塊，系統(tǒng)電源模塊分別連接液位傳感檢測(cè)模塊、微控制器和信息顯示模塊;軟件系統(tǒng)用于控制硬件系統(tǒng)的工作。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化變壓器油位計(jì)，其特征在于:所述軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)數(shù)字濾波模塊、油位信息分析模塊、油位報(bào)警判斷模塊以及油位信息與報(bào)警狀態(tài)顯示模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化變壓器油位計(jì)，其特征在于:所述微控制器的型號(hào)為C8051F350。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化變壓器油位計(jì)，其特征在于:所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊包括陶瓷式壓電傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化變壓器油位計(jì)，其特征在于:所述信息顯示模塊包括型號(hào)為IXD12232ZA的液晶顯示器。
【文檔編號(hào)】G01F23/00GK205483152SQ201520935887
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年11月23日
【發(fā)明人】王奇杰, 張美琪
【申請(qǐng)人】國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司鹽城供電公司, 鹽城工學(xué)院