（电力电子与电力传动专业论文）基于gprs的电力传输线接头温度监测系统的研究与开发.pdf

塑坚叁兰塑兰型生 堡塑垡堡苎塑堕堕型墨竺塑堡生 a b s t r a c t c u r r e n t w o r l d ，p o w e rs y s t e m h a sb e e nt h e e s s e n t i a la n dc r u c i a l b a s e m e n tf o rc o u n t r y se c o n o m y t h e r e f o r et h es a f ep e r f o r m a c eo f p o w e r s y s t e ma l s oi si m p o r t a n tc o n c e mf o rl o n g v i e w sd e v e l o p m e n t e x p e c i a l l y t h eh i g h - v o l t a g ed e v i c eo f t e nf a i l e dc a u s e do fs o m e p r o b l e m ，s u c ha sr u n c i r c u m s t a n c e ，w o r k l o a d a n d a g i n g s h o w e v e r t r a n d i t i o n a l s y s t e m i n s p e c t i o nm e t h o dc a n n o tm o n i t o rt h er e a lt i m ec o n d i t i o no ft h ed e v i c e i nt h i se s s a yw e d e s i g nar e a lt i m ep o w e r w i r ec o n n e c t i o n o rt e m p e r a t u r e m o n i t o r s y s t e m t od e a lw i t ht h i sd e l i m m a t h i se s s a yd e s i g n e dt e m p e r a t u r em e a s u r ed e v i c e ，s i g n a lp r o c e s sa n d w i r e l e s st r a n s m i s s i o nc e l l ，c u r r e n ti n d u c t i o np o w e rs u p p l yd e v i c ea n d s o f t w a r ea n a l y s i sm o d u l ef o rp r o v i d i n gk i n di n t e r f a c ef o ru s e r s k e yw o r d ：t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，c u r r e n ti n d u c t i o np o w e rs u p p l y , s i n g n a l w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 4 j 鲤墨查兰堡主堡苎一 堡塑垡董兰塑堡些型墨竺堕堡盐 1 1 项目背景 第一章绪论 我周电力系统正处在特殊的发展阶段。我国总装机容量已达2 3 5 g w ，发电 量突破1 万亿k w h ，绝对量已经跃居世界第二位。虽然我国已经建成多个千万 瓦级的现代化区域电网和省级电网，但网络还比较薄弱，安全稳定水平还比较低， 过去2 0 年发生过3 0 0 多次稳定事故，严重的缺电决定了我们必须保持高的电力 增长速度，而资金不足又决定了我们必须采用适合中国国情的高新技术，在加强 一次系统一电源和电网建设的同时，要比发达国家更多的依靠c 二次新的控 制和自动化设备来弥补一次的不足。因此电力系统自动化技术在我国电力系统 发展中占有十分重要的地位。 电力系统的根本任务是“安全、可靠、优质”地供应电能。但是在电力供电系 统运行过程中，由_ 二受到电、热、机械、环境等各种因素地作t e f j ，其性劣化、最 终导致故障。特别是电气设备中的绝缘介质，大多数为有机材料，如矿物油、绝 缘纸、各种有机合成的材料等，容易在外界因素的作用下发生老化。例如电缆接 头接触电阻、过负荷等因素引起的接头温度过高，使得接头处绝缘变差或烧崩， 突发故障引起火灾，给工业生产现场带来了严重的不安全隐患，甚至导致被迫停 机，短时间无法恢复生产的严重事故，造成重大经济损失和社会影响。 提高电气设备的可靠性，一种办法是提高设备的质量，选用优质的材料及先 进的工艺，优化设计，合理选择裕度，力求在工作寿命内彳i 发生故障。但这样会 导致制造成本增加。凶此，在另一方面，必须对没备进行必要的检修和维护。早 期是对设备使用直到发生故障才进行维修，称为事故维修。但是如前所述对大型 设备突发性事故将造成巨大损失。其后发展成定期试验和维修、即预防性维修a 现在定期预防性维修已在电力部门形成制度，读减少和预防事故的发生起到了很 好的作用。但预防性试验是在离线进行的有很多不足之处： 1 1 离线试验需要停电进行，而不少重要部门电力设备轻易不能停止运行。 2 ) 停电后设备状态和运行中不符，影响判断准确度。 3 ) 由于是周期性定期检查，而不是连续性实时监测，设备仍有可能在试验间隔 浙江大学硕士溏立 传输线接头温艘监测系统的设计 期间内发生故障，造成维修不足。 4 ) 出于是定期检查和维修，设备敬态即使莛好也要按照计划检查和维修造成a 力物力的演赞，甚军由于拆装过多而造成损坏，划维修过度。 因此目前正在发展以状态虢测和敌漳诊断为基础的状态维修。其基本原理如 下：设备的劣化和缺陷的发展具有统计行，发展的速度也有快有慢，但大多数其 有一定的发腱刺，在这期阕会产生各种前期征兆，表现为电气、物理、亿学等特 性发生少量渐进性的变化。随着电子技术、计算机技术、光电技术、信号处理技 术和各种传感技术的发展，可以对电气设各进行在绕的监测，及时取得各种即使 是微弱的信息。对这些信息避行处理和综合分析后根据其数值的大小及变化趋 势可以对设备的可靠件随时做出判断和对设备的剩余寿命做由预测，从而能毕期 发现潜伏的故障，必要时可以提供预警或者规定的操作。在线状态监测与故障诊 断技术的特点是可以对电气设备在运行状态下进行连续或随时的监测和翔断，故 可以避免预防性试验的缺点。 1 2 国内外研究现状 由于传输线的温度过高会产生严重后果，所以当前国内外对此类问题也有较 多的探讨和研究成果。现从各个方面对这些方案进行以下综述和分析。 1 , 2 1 在测量参数的选择上，有几种不同的方法。 1j 直接测量温度数值，根据所测温度数值的大小进行报警或j 掌制，这种方法比 较直接，实现起来简单可靠。 2 1 测量温升率因为被测对象在正常的情况下其温升率是固定的或较低的，而 在故障情况下温升率一般较大，通过删量温升率可以鉴别出正常状态和故障状 态。测量温升率的一个优点是实时性较高，l 要被测对象故障情况一出现就可以 通过其温升率被监测到。 3 、测量超过某一温度的持续时间，由于某些被测对象允许承受短时间的高温， 温度在一定时间后可能下降到正常范围，这样就不需报警。这种制问测量方法町 以避免一些干扰因素的影响和一些短期效应。 4 1 综合测量数种有关的参数，然后进行综合分析判断，这种方法町靠性和卖时 性都很好，但实现起来较为为复杂。 盟兰壁型生塑垒苎一 生塑垡堡苎墅壅些型墨竺塑墼生 1 2 2 在传输线接头的温度测量方法上主要有以下几种方法： 1 ) 温度敏感元件法：将温度敏感元件沿传输线及在传输线接头处逐点布设，由 微机系统巡回监测，发现过热及时报警。此方法的优点是可以直接测得温度。其 缺点是所需的温度传感器数量较多，此外这种方法只适合进行点测量和接触测 量。 2 ) 红外热辐射测温法和光纤测温法：这两种方法是非接触测量，比较适合带有 强电的传输线的温度测量，缺点是需要移动的空阳j 和相应的机构。 3 ) 热保护传输线保护法：过热保护传输线由两根弹性导电材料，两根导电线上 分别包有低温熔化性的特种绝缘材料，然后再用高温绝缘材料将两根导电线包 上。当温度超过线间的低温熔化型绝缘材料的允许温度( 约6 8 0 c 7 2 0 ) 时，低 温熔化材料就会熔化，使两根具有预应力的导电材料在预应力的作用下接触短 路。通过测量其短路电阻，便可知道过热点的部位。 4 1 烟雾敏感元件法：这种方法是通过烟雾敏感元件来测量环境的烟雾浓度，此 种方法【乜可实现较近距离的非接触测量，适合作一种监测温度的辅助测量方法。 从对以上几种测温方法的分析中可以看出，温度敏感元件法测量是一种用的 较多并且技术已经十分成熟的方法，非常适合分布式点测量和精度要求较高的情 况，传输线接头的温度监测就属于分布式点测量，所以选择一种比较适合的温度 敏感元件即温度传感器，是对传输线接头温度进行测量的较好方案。此外，由于 前面所述，传输线上带有高电压和大电流，接触性测量容易将强电引入测量系统， 危及人身设备的安全，所以以红外测量和光纤测量为代表的非接触式测量在本系 统中有较为乐观的使用前景。但红外测量和光纤测量在传输线温度的测量的有关 研究成果还不多，需要花费一定的时间精力去探讨。后两种测量方法也比较适合 测量传输线接头温度，因为应用范围窄，对其研究很少，可考虑作为本系统的后 备测量方法和辅助测量方法。 1 2 3 在监测系统的处理器的选择上，主要有以下几种。 1 1 采用单片机的监测系统：采用单片机的系统是工业控制和智能化系统中应用 最多的模式。这种模式的最大特点是设计者可以根据自己的实际需要出发设计一 个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。通过在单片机的基础上 再扩展一些输入输出接口( 如a d ，d a ，键盘显示、控制输出等接口) ，然后再开发 浙江大学硕l 论文 传输线接头温度船测系统的设计 一些应用软件，即可组成完整的单片机系统。随着大规模集成电路的发展，近年 来出现了各种各样功能完备的单片机，当前主要使用的是8 位和1 6 位的单片机。8 位的单片机的典型代表是i n t e l 公司1 拘8 0 5 1 ( 8 7 5 1 ，8 9 5 1 ) 和m o t o r o l a 公司的 m 6 8 0 5 ，m 6 8 h c i i 等，这类单片机的特点是性能好，使用简单，价格低。1 6 位单 片机的典型代表是i n t e l 公司i 约m c s 一9 6 系列( 8 0 9 6 ，8 0 c 1 9 6 k b ，8 0 c 1 9 6 k c 等) 和 m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c l 6 系列( 6 8 h c l 6 2 1 ，6 8 h c l 6 2 2 等) ，这类单片机速度 快、功能强，适合较复杂的测控系统。除了上述两类型的单片机外，i n t e l 公司 还开发了3 2 位单片机如8 0 3 8 6 s x ，其特点是数据处理功能强大，直接寻址范围大 ( 6 4 m b ) ，p c d o s 兼容，相信此类单片机有较为乐观的使用前景。 2 ) 采用p l c 的测控系统：p l c ( 可编程控制逻辑器) 采用微处理器为主控制器，采 用大规模集成电路为存储器和工o 接口，其特点是可靠性好，编程容易，组合灵 活，输入输出功能模块齐全，安装方便等，p l c 澳j 控系统的使用非常迅速，应 用也日趋广泛。 3 1 采用s t d 总线工业控制机的测控系统：s t d 总线是目前工业控制中应用最多 的总线之一，其特点是小板结构模块化设计，标准化和兼容化较好，面向i o 设 计，可靠性好。正由于s t d 总线有这些优点，所以设计s t d 总线工业控制机测控 系统非常轻松，首先选择一个最小系统，然后根据实际需要选用各种功能接口板 即可。 4 、采用l c q k p c 的测控系统：所谓工业p c 就是在原来个人计算机的基础上进行改 造，使其结构和功能更适合工业测控的需要。这样，i 、k p c - - 方面继承了个人 计算机丰富的软件资源，使软件开发更加简单，另一方面又继承t s t d 总线工业 控制机的模块化优点，更加适合工业控制。3 1 j i p c - - 般用于大型的工业控制系 统，可靠性和实时性非常高。 1 2 , 4 传输线头温度监测仪，从测量报警的方式上，主要分为以下两种a 1 1 就地测控方式：就地测控方式就是利用合适的传感器件，将现场的被测对象 的温度信号转变为电信号，送至附近地面上的合适位置，以适当的方式显示温度， 并将测量到的温度值与一个预定值相比较，超出定值时发出声光报警信号a 这种 方式的优点是接线比较简单、造价低廉、工程施工量小。其缺点是监测仪器工作 环境恶劣，供电不便，工作人员必须去现场观察、记录所测温度，报警信号不易 j 塑曼苎兰堕圭笙苎一 堡塑些垫兰塑堕些型墨堡盟壁生 发觉，可能会造成故障隐患的漏检等。 2 ) 远程测控方式：远程测控方式就是将被测信号转变为电信号，经专用传输线 将该信号传送至下位机( 测控装置) ，由下位机对其进行模数转换、数字处理和运 算，实时显示、定时打印记录所测温度值，并将所测各个温度值与定值作逐一比 较，发现任意个超出定值时，就发出声光报警信号和控制信号。此外，下位机 还可以通过串行通讯( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ) 甚至调制解调器和电话网与位于主控室的 上位机进行通讯，传递数据和命令信息。这种方式的优点是无需工作人员干预， 能自动地对多个被测对象的温度进行监测，并能在值班人员易于观察的地方给出 声光报警信号，其缺点是构成较为复杂，工程施工量也相对较大。远程测控方式 将是以后测控领域优先发展的方案。 1 3 测温系统基本结构 1 3 1 基本单兀 监测与诊断包括以下基本单元。 1 1 信息的检出及适配单元：由相应的传感器从待测设备上检出反映设备状态的 物理量，并将其转换成合适的信号，向后续单元传送。 2 ) 数据采集及前置单元：对传感器变送来的信号进行预处理，主要是对混杂在 信号中的干扰进行抑制以提高信噪比。对经过预处理的信号进行a d 转换及采 集记录。 3 ) 信息的传输单元：将采集到的信息传送到后续单元。对于固定式监测系统， 因数据处理单元远离现场，故需配置专门的信息传输单元；对便携式检测装置， 只需对信号进行适当的变换和隔离。 4 1 数据处理单元：对所采集到的数据进行处理和分析，例如读取特征值，作时 域频域分析、平均处理等，为诊断提供有效的数据。 5 、诊断单元：对处理后数据及历史数据、判断、规程以及运行经验等进行分析 比较，对设备的状态及故障部位作出判断，为采取进一步措施提供依据，必要时 提供报警。 由于特征量和状态不是一一对应，需作综合性的分析与判断。专家的经验会 发挥重要的作用。人工智能的重要分支专家系统在诊断中的应用已得到重 浙江人学硕l 论文 传输线接头温度监测系统的l 醴计 视。 1 3 2 基本结构组成 输电线路在线监测系统一般把监测用主站放在其中一侧的变电站，但也有在 线路两侧的变电站上各设一个主站的结构。 线路铁塔上的监测数据信息传输通道，常用的是使用o p g w 。由于o p g w 是复合在地线上的，同时光纤是绝缘体，因此信号在传输过程中不受电气干扰， 因此是较好的选择。o p g w 也存在一定的缺点，那就是把在线监测得到的信号 从铁塔上注入到已铺好的o p g w 的光纤中比较麻烦。在注入光纤的监测信号量 很少的时候，也有采用在光纤外部直接加机械力，调制光纤信号的方案。 其他的监测信号传输方案有电话线传输方案和无线传输方案，虽然也有利用 输电线本身作为信号传输媒介的载波方案，但输电线路的电压很高，安装耦合设 备困难，同时会增加输电线路的故障因素，因此极为少用。 在线路上铁塔上的在线监测系统还要解决电源问题，为解决电源问题主要有 下述几个方案供选择：( 1 ) 从附近居民用电电源接线方案；( 2 ) 从高压输电线耦合 方案；( 3 ) 太阳能电池方案；这几种方案供电各有利弊，因各国的国情不同，不 同的国家在输电设备在线监测系统供电策略上具有明显的倾向性。我国基本上还 没有开展输电线路的在线监测工作，因此国外经验可以借鉴。 1 4 项目设计需求 1 4 1 前期开发项目的主要内容： 1 1 导线及接头( 发热) 温度在线监测装置。 2 )自取电源装置，电源取自导线负载电流。 3 ) 在线采集实时数据信息，包括温度( 导线运行状态温度、接头发热温度) 、 环境温度、温度、速度等，并通过无线通信网将数据远程传输到监控中 心。 4 1 不同规格导线温度，接头发热温度的预警阈值及报警值，系统具备预警 报警功能，达到在线、实时、远程、智能的要求。 1 4 2 主要研究内容： l 、短时故障情况下的典型气象工况的导线温升与载流量的关系的理论计 塑曼鉴兰堡主丝壅一 堡塑垡垄苎塑堕些型墨笙盟堡生 算。 2 ) 一- - 一一r v a 。u t 域温度用于调度监控，提高线路载流能力。 3 ) 研究实时收集的线路输送容量、导线温升、环境气象数据的相关性。 1 4 1 3 关键技术： 1 ) 在线导线温度测量与传输系统 2 ) 软件数据分析系统 1 4 4 设计要求： 1 ) 温度测量范围：一5 + 1 0 0 0 。c ，测量精度：2 。c 2 ) 湿度测量范围：1 1 0 0 ，灵敏度：2 3 ) 风速测量范围：1 m 1 8 m s ，灵敏度：5 4 ) 装置安装于输电线路导线e ，与导线同电位，具有放水，防雷击，抗强 电磁干扰。 5 ) 自取电源在负载电流变化时保证正常工作，输出电压为5 v , 7 v , 1 2 v 三档， 电压波动5 ，输出功率3 w 。 6 ) 使用寿命：装置使用寿命为十年，如采用蓄电池，蓄电池使用寿命大于 三年。 1 5 设计方案介绍 1 5 1 传输线接头温度监测系统的组成 传输线接头温度监测系统是由几个硬件和软件子系统构成。具体的可分为温 度监测模块，下位机，上位机，通信网络和软件管理系统五大部分。如图1 - 1 所示 温度般测单元，又可称为温度监测装罱，是本系统最重要最基本的组成部分。 根据需要，系统可包括一个或多个温度监测单元。温度监测装置的主要功能是： 采集，转换温度信号，报警，打印，显示，控制，以及与用户交互等功能。此外， 温度监测装置还可以与其他温度监测装置，管理机，主控机进行通讯。 上位机的主要作用是通过与温度监测单元的通讯，收集传输线接头的温度 值，用直观的形式报告给主控室里的工作人员，以便于随时掌握传输线接头的状 况。更主要的是，利用上位机可以通过无线数据传输模块将温度值送入通讯网， 实现远程访问与远程测控。 塑! 茎兰堡兰堡苎一一 焦塑堡堡墨塑鏖些型墨堕塑墼生 图1 1 系统功能结构示意图 软件管理系统主要是对收集到的数据存储到数据库作为历史数据，可以根据 这些数据对任意点的温度进行查询，也可以对几个数据进行综合分析，得出不同参 数的相关性等结论。同时也可以显示即时的监测结果，给值班人员提供参考，在线 路出现故障时提供预警和报警功能。 1 ，5 2 系统功能模块介绍 传输线接头温度监测包括四大功能模块：温度监测模块，信号处理与通讯模 块，自取电源模块，软件分析模块。功能框图如图1 - 2 ： 传 输 线 导线 负载 电流 测量模块广_ 堡竺堡拳j 直流电压输山 自取电源模块 图1 2 传输线接头温度监测系统模块图 其中，温度监测模块是指通过传感器获取所需要的信号，然后经专用传输线 塑生竺墅生生垒垦一 堡塑丝堡苎塑堡堕塑墨篓箜堡生 传输到温度监测装置，再通过放大器将信号经行放大，把信号放大成适合于微机 ( 单片机) 的信号，然后经过光电隔离、消除噪音等处理最后将其送入微处理器进 行处理。信号分析与处理部分接受到送来得信号以后，对之按照一定的算法进行 换算，比较分析处理，按照一定的逻辑发出信号或产生动作。 信号处理与通讯部分包括温度监测单元之间和温度监测单元与上位机或主 控机之间的通讯。通过温度监测单元之间的通讯，可以将数个温度监测单元连成 一体，通过温度监测单元与主控机的通讯，下位机可及时地将信息传给主控机， 当然，更广义的通讯还包括较远距离的网络通讯，利用公用电话网可以将采集的 数据发送到因特网上，以达到数据共享的目的。利用局域网可以在一定业务范围 内实现信息交流和异地测控。 自取电源模块利用互感元件通过电磁感应从输电线的负载电流获取电能，然 后通过电流电压变换，整流滤波，稳压分压等单元产生稳定的直流电压给其他模块 供电。这样整个监测系统无需外加电池或其他电源供电，使用方便，减少维护费用。 软件分析模块实现对现场实时监测数据的数据存储、数据综合分析、越限的 预警和报警以及自动报表和查询功能。主要包括一下几个主要子功能模块： 1 1 数据分析模块：将获得的导线温度测量数据与其他环境测量数据综合处理， 计算分析相关性并可按要求做出相应相关性曲线，便于分析和保存。其中包括短 时故障情况下的典型气象工况的导线温升与载流量的关系分析汁算，可做出相应 曲线，以及线路输送容量、导线温升、环境气象数据的相关性分析，并可按要求 做出相应的曲线。 2 ) 报表查询模块：根据已存储数据，以时间段、设备号、测量参数和预警报警 值作为查询条件查询显示相关测量数据。 3 1 预警、报警模块：试验获得不同规格导线温度，接头发热温度的预警阙值及 报警值，以此作为监测系统的标准阈值。当现场检测的导线温度高于闽值时监测 系统及时预警和报警，避免故障发生。 。 4 1 系统维护模块；系统维护模块给管理员提供一个修改数据库的接口。系统管 理员可以修改删除和备份被测设备数据，测量值的历史数据库和参考的预警报警 值等，方便对系统进行更新和管理。 塑坚叁堂塑土堡苎一堡塑鳖塑垡塑型墨堕塑兰丛 第二章测温传感器电路设计 2 1 测温方法介绍 电缆接头的温度值要想转化成微机能处理的电信号，需要传感器将温度信号 转换为电信号。温度传感器是种将温度信号变为电信号的装置，温度传感器的 种类繁多，测量原理也不相同，这儿只讲述几种常见的温度传感器，以便从中筛 选出适合本系统使用的传感器。 1 ) 热电偶 热电偶是由两个不同的导体组成的，有两端：工作端和自由端。当自由端温度 恒定时，热电偶的热电势只与工作点的温度有关。因此在工作时，最好保持自由 端的温度不变，必要时进行温度补偿。热电偶的主要优点有：1 ) 有较高的精确度。 与被测对象直接接触，无中间介质的影响。2 ) 测量范围广。通常的热电偶，从一5 0 c 1 6 0 0 均可连续测量。3 ) 构造简单，使用方便。常用的热电偶及其温度范围为： 铂铑1 0 一铂：o - - 1 6 0 04 c ；镍铬一镍硅：2 0 0 - - 1 3 0 0 。c ；铜一铜镍： 一2 0 0 4 ：铁一铜镍：一4 0 一7 5 0 ： 由于热电偶输出的电势比较小f 最大为几m y ) ，所以它不能与微机直接接口， 一般要经过放大以后才能与微机接口。现在，一些专门的传感器厂家己研究出热 电偶传感器，可直接输出0 5 v 或0 1 0 v 的信号，这些传感器体积小，价格便宜， 接口方便，是微机测控系统中理想的测温传感器。 2 ) 热电阻 热电阻是刹用导体( 半导体) 的电阻率随温度变化而变化的原理制成( 即热电 阻效应) 。它主要分为两大类：金属热电阻传感器和热敏电阻传感器，前者的测温 范围为一2 0 0 。c - - 6 0 0 * ( 2 ，后者的测温范围为2 7 0 。0 - - 1 3 0 0 。c 。热电阻传感器大都 由纯金属材料制成，如锚，铜等，锗的化学性质稳定，电阻率高，阻值与温度的 线形关系较好，在中低温测量中得到了广泛的应用。但铂是贵重金属，价格较高， 在精度要求比较低的情况下可用廉价的铜金属制成的铜电阻温度传感器，铜金属 传感器的温度与其阻值也基本是线性关系，但锅金属的缺点是电阻值较小历以镯 电阻体积比较大，当温度超过一百摄氏度时容易氧化，常用其来测一百摄氏度以 1 4 浙江人学硕l 论文 传输线接头温度蠕测系统的设计 下的温度。电阻温度传感器阻值的变化r 是用电桥来测量的。 3 ) 热敏电胆 热敏电阻足近几年发展起来的一种半导体新型感温元件，按其温度一电阻特 性分为三种：负温度系数，正温度系数和临界温度系数，其中负温度系数电阻器 的线性度好，在温度测量和控制系统中主要用这种热敏电阻作为温度传感器。热 敏电阻与常用的温度传感器( 女日热电偶，热电阻) 相比，有下列优点： a ) 电阻温度系数绝对值大，灵敏度高，测量线路简单，有时不用放大器便 可输出几伏的信号 b ) 体积小，重量轻热惯性小。 c ) 奉身电阻大，不必考虑线路电阻及接线方式，适合于远距离测量 d ) 制作简单，寿命长，而且价格便宜。 它的缺点足非线性度大，稳定性和重现差，热敏电阻感受温度的变化经过测量 电路转化成电压v ，此电压值经过a d 转换转换成数字量，然后经过i o 口送到 c p u ( 单片机) ，c p u 经过一定的运算，再用查表法查处相应的温度值，输出到显 示器进行显示，也可根据测量值进彳亍控制。 4 1 集成温度传感器 近年来，随着集成电路的发展，研制出许多专门阁来测量温度的集成电路温 度传感器，该传感器是在p n 结基础上加入了放大器和补偿电路而制成的，它具 有线性度好，灵敏度高体积小，使用方便等优点。集成电路传感器的测量范围 在i o 。c 至f j + 8 06 c ，它主要分为两种：电压输出性和电流输出性，女f l l m 3 9 1 1 ， m p c 5 1 5 a n 6 7 0 1 5 等为电压输出性，而a d 5 9 0 为电流输出性。 2 , 2 测温传感器选择 要实现温度在线实时监测，用于测温的传感器需要置于高压输电线上，所以在 电路的设计上要尽量避免复杂的结构，以减少测温装置的尺寸，从而降低功耗。综 合以上因素，我们决定采用集成温度传感器a d s 9 0 作为感温元件，配以相应的外 围控制电路，实现温度的测量。 2 2 1 集成温度传感器a d 5 9 0 集成温度传感器是集成温度传感技术与集成电路技术相结合的产物，利用集 浙江大学硕十论义 传输线接头温度嗡测系统的设计 成电路的工艺技术，将感温元件与外围电路集成在同一快芯片上，从而和传统的温 度传感器相比具有很多优越性，例如不需要线性化或冷补偿，体积小，功耗低，精确 度高，可以与数字系统直接相连等。其中美国a n a l o gd e v i c e 公司的a d 5 9 0 以其良好的性能得到了广泛的应用。a d 5 9 0 是继电压型输出型温度传感器之后 发展的一种电流输出型温度传感器，以电流输出作为温度指标，在激励电压为 4 3 0 v 时，a d 5 9 0 的输出电流与绝对温度成正比，表现出1 卢a k 的高阻抗恒流调 节的优良特性。作为正比于温度的高阻电流源，a d 5 9 0 可以和数百欧姆的电阻串 连使用，不易受接触电阻，引线电阻和电压噪声的干扰，适合于多点温度测量和远 距离温度测量和控制。 2 2 1 1a d 5 9 0 温度一电流传感器工作原理 随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下，p n 结的 正向电压与温度具有很好的线性关系。a d 5 9 0 就是利用硅晶体管的基本性能实 现与温度成正比。根据p n 结理论，对于理想二极管，只要正向电压大于几个 k t q 其正向电流，? 与正向电压和温度t 之间的关系可表示为 仁小x p 学】( 2 - 1 ) 式中，? 为二极管反向饱和电流 k 为玻尔兹曼常数( 1 3 8 x 1 0 “j m ) t 为绝对温度 q 为电子电荷( 1 6 0 2 x 1 0 。1 9 库仑) 将式( 2 1 ) 两边除以。并取对数，整理后得到 ：望l n 串1 ( 2 - 2 ) q1 s 从式( 2 2 ) 中可知，在一定的电流下，二极管的正向电压随温度的升高而降低，呈 现负的温度系数，a d 5 9 0 就是根据上式进行工作的。由半导体理论可知，对于实际 的_ - 极管来说，只要他们工作在p n 结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可 以忽略，而又没有发生在大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想的二 浙江大学硕上论文 传输线接头温度临测系统的设计 极管符合，经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的个温度范围内，其在正向 电压和温度之间的关系与式( 2 2 ) 是吻合的 2 2 1 2 传感器内部电路分析 晶体管的基极一发射级电压在其集电极电流恒定的条件下，可以认为与温度呈 线性关系。但是严格的说，这种线性关系是补完全的，即关系式中仍然存在非线性 项。另外这种关系也不直接与任何温标相对应。此外，温敏晶体管的电压值在 同一生产批量中，可能存在正负1 0 0 m v 的离散性。鉴于上述原因，集成温度传感器 a d 5 9 0 内部采用了差分电路形式，使其直接给出正比与绝对温度的严格的线性输 出。内部电路图如图2 - 1 所示 q 】 0 7 图2 - 1a d 5 9 0 内部电路结构示意图 其核心部分是图中q ，q 。，q 9 和q ，；组成的感温电路，简称p t a t ( p r o p o r t i o n a l t o 浙江大学硕上论文 传输线接头温度监测系统的设计 a b s o l u t e t e m p r a m r e ) 核心电路a 如前所述，a d 5 9 0 内部采用了由q 9 和q 1 1 组成的差 分对管电路，g o 。，组成的电流镜，在工艺上以十字交叉连接，并且在结构的几 何尺寸性能方面进行了精确的匹配，以保证电流镜的电流匹配，从而使传感器具有 良好的线性。 g 和q ，。基区和隔离区结构完全相同，使得高温下流过两管的漏电 流基本上得到抵消，0 9 和9 。发射结面积比为8 ：1 。 由、丁电流镜的作用，使 b 蔬a q ，和g 。集电极电流在任何温度下始终相等，这样 o ，和q 。就工作在不同集电极电流密度下，若忽略e a r l y 效应和基极电流的影响， 则两管的集电极电流密度比为发射结面积的反比，因此在电阻器r 6 上将得到两 管的基极一发射极电压差 彤。： 堡】l n 每 _ 里】l n 8 ( 2 - 3 ) q o 凸 q 可见万圪。的温度系数仅取决于两管的发射极面积比，则电流q ，和q l - 两支路电流 为 k 等= 舞m s 弘4 ， 所有其他元件的引入都为使电路的性能更加完善。由于q ，和q 。的作用使得 q 幺的集电极电压一一直相等，从而减少e a r l y 效应的影响，使得两个支路电流式 中相等。流过q ，和q 。的电流由短接成二极管的q i 。提供，p n p 管q s 和q 6 的发射极 面积与q l q 。相同，因此流过q ，和级的电路几乎相等，并为左右两支路电流的一 半所以流过的电流也足p t a t 电流，并等于左右支路电流，于是由“+ ”端到“_ ，立嵛的 流过电路的总电流为 驴3 l n 8 黧 ( 2 - 5 ) 由此可见，若民的电阻值不随温度变化，则电路的总电流正比于绝对温度，构成了 电流输出集成温度传感器，同时也是一个正比于温度的电流源，其输出阻抗高， 塑三三篁墅生鬯望蔓一 生塑丝鲎兰鎏堕些型墨堑塑堡生 q t o 是这个电路的关键，它的作用是使所有的p t a t 核心电路之外的流向传感器负 端的出流合超来是一个p 掰r 屯流，避免了p 己盯核心电路之外元件弓f 入造成的输 入误差。 引入晨s 是为了方便定标，出于岛上的电压部分抵消r 。上的矾。，而流过致的 电流为流过r 。的两倍，所以总的电流值为 和，警翟 p 6 ， 讽整月，或兄可以方便的完成定标，为保证传感器的线性合精度，也或凡均为薄 膜电阻器，黉一在大片上躅激光微调进毒亍定标。 q 1 ：的作用在刚接通电源时提供一个小电流使传感器开始工作，此外由于q ，： 是以芯片的衬底作栅极，所以没有像一般单片集成电路那样把栅极与v 端相连结， 这样提高了漏电流开始作用的温度，从而扩展了传感器的使用温度范围。 电阻器r ，可以避免q ，。与衬底直接相连，隔开某些衬底电容，否则这些衬底电 容将对电路的频率稳定性产生不利影响。电阻器r ，r ：提供发射极负反馈，以减少 g 和g q 。的基区宽度调制效应，r ；，c i 起到频率补偿的作用，q 6 平衡q ，q 集电极电压，在工作电压不慎加反时起到保护器件的作用。 2 21 - 3a d s 9 0 的性能特点 由上面的分析可知，a d 5 9 0 由于采用了一些独特的电路结构，并利用薄膜电阻 激光微调技术做最后标定，从而从性能上有一下几个特点： 1 ) 流过a d s 9 0 电流的微安数等于所处环境温度的热力学温度( 开尔文) 度数，即 ，t = 1 k ( 2 7 ) 当温度改变一绝对温度，a d 5 9 0 获得1 a 的电流输出。 2 ) 宽的： 作范围( 一5 54 c - - 1 5 0 。c ) 。 3 ) 宽的工作电压范围( 4 v 3 0 v ) 。图2 - 2 为a d 5 9 0 在三个不同温度下的电流- 电压特性韶线，可见在z 7 v 左右进入线性区，考虑到工艺偏差引起的分散性， 规定器件的最低工作f 包压为4 、，是没有问题的。a 0 5 9 0 的输出电流在额定工 塑三= 鲨墅坠生坚兰_ 一 。 堡垫塑堡兰塑堡堕型墨竺塑堡生 作电压范围内的变化不超过2 t a 一3 # a 对于任何工作电压只要其变化在1 v 之内，引入的误差不会超过0 2 。c 。因此对所用的电源电压的稳定性要求不高。 a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压和2 2 v 反向电压，即时器件反接也不会损坏。 在本系统中供电电压为5 v 的直流电压。 o24 图2 2 a d 5 9 0 电流电压特性曲线 4 ) 极高的输入阻抗，电压5 v 时约为5 m q 。 5 ) 精度较高，a d 5 9 0 在出厂前已经校准，有较高精度，共有i ，j ，k ，l ，m 五档，其中m 精度最高，在5 5 。c - - 1 5 09 c 范围内，非线性误差为o 3 。 2 3 测温探头电路设计 结合a d 5 9 0 的工作原理及线性电流输出的特性，设计了测温探头电路，如图 2 3 所示。 r c 图2 - 3 测温传感器电路设计 光纤传输 严面网 i堕 【 堑坚塑! 墼一，壁塑些矍兰堡塞鉴篓墨塾塑堡生 其中关键部分是由a d 5 9 0 秘5 5 5 定时器组成的温度频率转换电路，是系统实现溢 废监铡的关键电潞。 2 3 1 温度一频率转换电路 5 5 5 定时器是种将模搬功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路， 功能灵活鼠使旁! i 范围广，只要外围配上两二个阻容元件就可以构成单稳多谐或施 密特电路。在图2 3 的接法中，它工j 乍于多谐振荡的无稳态方式，输出受温度调制 的矩形波，从而实现温度一频率转化，通过对频率信号的采集便可以实现温度测量 频率信q “f 拢性强，易于传输，可以获得较高的测量精度。5 5 5 定时器内部结构如 图2 - 4 所示。 控制电压) 嘲值输a 砸) 触发输a ( 2 ) 圈2 - 45 5 5 定时器内部结构原理图 褥出辘 救电璃仍 内邦参考电匿 它包括两个电压比较器c ：和c ：，一个r s 触发器，放电三极管王，复位三极管墨以 及二个阻值为5q 的电阻z 组成的分压器。定时器的主要功能取决于比较器，比 较器的输出控制r s 触发器和放r n 三极管z 的状态。当比较器c ，的触发输入电压 1 v 2 o 5 删 v = 6 v 上升时间 3 01 7n sv = 6 v l f 工作电压 v3 05v i d = 1 刖 由于光探测器输出的电流为微弱信号，需要进行前置放大。信号处理单元的电流一 电压转换及前置放大电路如图3 - 1 所示。 在i 转换电路中，将从光电二极管获取的电流信号转换成电压信号，利用直 流并联电压负反馈放大器的反向输入端”虚地”特点，使光电二极管工作在近似短 路状态( 零偏置) ，可以消除p n 结正向电流带来的影响，并使光电二极管得到最佳 的信嗓比，被放大的信号与光强成正比。前置放大电路是在光电转换电路的基础 上加上一个反馈电容构成，选用通用的运算放大器l f 4 1 2 实现两极放大。l f 4 1 2 浙江大学硕士论文 传输线接头温度监测系统的设计 是一种低价格高速度的双路j f e t 输入运算放大器，它具有输入阻抗高，漂移小，反 映速度快，增益带宽乘机高等特点。下面对电路的输入输出及噪声特性作出具体 分析。 图3 1i ，v 变换与前置放大电路图 光探测器输出的电流信号经过第一级前置放大电路转换为电压佰号 。：一之，( 3 - 1 ) 】+ 式中 2 荔丽1 ，f 为信号频率，在信号频率范围内，f 被t c s 使用 图5 5t c 3 5 数据无线传输系统硬件结构图 浙江大学硕士论文 传输线接头温度监测系统的设计 该系统p t b 仍使用p 8 9 c 6 6 8 单片机，利用双u a r t 芯片t 1 6 c 5 5 2 扩展两个串行 口，分别与t c 3 5 的标准r s 2 3 2 t ( 或经m a x 2 3 2 转换接t c s 系统) 和外部数 字终端通讯。单片机自身的u r t 经电平转换后可与p c 机串行口连接，负责软件 程序下载、调试、参数设置以及运行监视。 x 2 4 c 4 5 一片掉电保护r a m ，可保存有关的运行参数，如短信中心号码、 脉冲表脉冲常数等。p 8 9 c 6 6 8 自带看门狗电路，因此只需再加一片四腿的i m p 8 1 2 手动复位芯片即可。m a x 2 3 2 和m a x 4 8 5 分别完成t t l 与2 3 2 电平和4 8 5 电平的转 换。外部开关脉冲量经过光隔离芯片t l p 5 2 1 输) k m c u ，完成开关脉冲量的采 集。 标记 的m a x 2 3 2 是考虑了该p t b 硬件与t c 3 5 t c s 的兼容问题，该 p t b 与t c 3 5 接口时，该芯片可以不必焊接；当与t c s 系统接口时，由于t c s 的串行 口为2 3 2 电平，该芯片必须进行焊接，这样就解决了该p t b 硬件可同时兼容t c 3 5 ；f h t c s 的问题，差别的只是m c u 中的软件，而该m c u 又可以很容易地实现程序 的擦除和更新，使得该硬件系统具备极佳的灵活性。 5 5 3t c 3 5s m s 系统软件及程序设计 1 t c 3 5 收发短消息操作 旨先介绍一下从站如何应用t c 3 5 进行收发短消息的操作。 ( 1 ) 从站t c 3 5 初始化 t c 3 5 的s m s 功能支持p d u 禾i t e x t 模式。在我们的系统中采用的是t e x t 模式。 i a t z 回车 应答为：a t z ”o k ”或“e r r o r ”。 11 a t e o 回车 关闭命令回显，应答为：”o k 或“e r r o r ”a 1 1 1 a 丁干c r e g ? 回车 查询t c 3 5n 络注册情况。应答为：”+ c r e g0 ，1o k 或“+ c r e g0 ，0o k ”或， 。e r r o r ” n a t + c s c a - + 8 6 13 x x x x x x x x x 回车 设置用户端相应g s m 网络当地的短信中心号码。应答为：o k ”或e r r o r ” v a t + c m g f = i 回车 浙江大学硕士论文 传输线接头温度监测系统的设计 设置设置m 2 0 t 或t c 3 5 t 工作于t e x t 模式，应答为：+ c m g f ”o k ，或”e r r o r ” v i a t 十c n m i = 2 ，l ，0 ，0 ，1 回车 设置收到新短消息时t c 3 5 串行口提示字符串。应答为：”0 k ，或“e r r o r ” v i a t & w 回车 存储设置。应答为：“o k ”或，”e r r o r ” ( 2 ) 从站t c 3 5 收发短消息 参见表5 1 。 2 t c 3 5s m s 系统中p t b 软件系统结构 在t c 3 5s m s 系统的p t b 软件开发过程中，我先后尝试两种程序设计方案：一 种方案是与t c s 的p t b 系统极类似的轮询事件触发标志机制内核，差别只是收发 短信时执行的t c s 命令和t c 3 5 的a t 命令之间的差别，实现的软件功能与t c s 的 p t b 系统基本相同；另外种程序设计方案是初步尝试t j e a nj l a b r o s s e 编写的 u c o s i ir t o s 限e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 核，将其成功地移植到系统所使用 的m c u 上，编写了自己的应用任务。 ( 1 ) 轮询事件触发标志机制内核 主程序除了完成对各m c u 各种寄存器和外围器件的初始化，还要按照从站 t c 3 5 初始化操作完成该g s m 模块的初始化。主程序轮询各事件触发标志及各中 断服务程序模块，与t c s 的p t b 系统基本相同，这旱不在赘述。 ( 2 ) u c o s 一1 1r t o s 内核 r t o s 内核处理能够实时地进行多任务处理，最大程度的利用c p u ，并且提 供应用程序的模块化构造。一个任务也被称为一个线程，可以把它看成是一个完 全占有c p u 资源的简单程序。对每一个任务分派一个优先级，它拥有一组c p u 寄 存器，并且拥有堆栈区。 每一个任务通常是一个可以包含五个状态的无穷循环：即睡眠状态、就绪状 态、运行状态、等待状态( 对于一个事件而言) ，或者i s r 状态( 被中断) 。对于一个 任务的睡眠状态，是指该任务驻留在内存中但是不能够使用多任务内核。当一个 任务可以被执行