CN104075816A - 电场感应取电型无线测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场感应取电型无线测温系统，包括多个无线测温终端、多个数据接收器和管理终端，所述无线测温终端包括单片机、静电感应电源、温度探测器和无线射频通讯模块。本发明电场感应取电型无线测温系统，其无线测温终端中的静电感应电源采用很小的感应极板获得感应电流，并将感应电流转换成可供无线测温终端正常工作的电流，解决了传统的用于高压设备的测温装置需要额外提供电源或是电源的工作状态不够稳定的问题，并且其无线测温终端采用的射频通讯方法能够适用于该静电感应电源，本发明同时还具有安装方便、体积小、成本低、以及不明显改变设备原电场分布和原有的安全参数的优点。

Description

电场感应取电型无线测温系统

技术领域

本发明涉及一种用于高压设备的测温系统，尤其涉及一种电场感应取电型无线测温系统。

背景技术

据统计分析，我国每年发生的电力事故，有40%是由高压电气设备过热所致；开关、刀闸、电缆连接部位接触电阻变大、过负荷等容易引起接头温度过高，导致设备运行故障。因此，对电力设备，特别是电气连接点的温度变化进行实时监测及预警是非常必要的。但高压设备对绝缘有严格要求，传统的电偶测温无法在电力设备上使用。

目前国内普遍采用红外测温、有源无线测温、光纤测温、SAW声表面波传感器测温、电流互感器取电无线测温五种方式。红外测温即是由人工拿着红外成像仪对准物体表面直接测量，它只能测到物体的表面温度，还容易受环境温度的影响，其最大的缺点是必须由人工操作，不能实现在线监测；有源无线测温是采用微功耗设计的无线射频模式，装置采用锂铁电池供电，目前国内普遍采用此模式进行测温，但是电池存在高温下易爆炸和泄露等状况，电池在高温下排出导电的气体和液体对于电力设备绝缘油致命影响，同时存在使用寿命问题，普遍使用3-5年后需要更换电池；光纤测温采用光栅测温探头安装在测温点，用光缆传输光信号，光纤测温通过的光纤隔离高压存在着沿面放电问题，在电力设备上光缆的布置和走线都非常困难，且造价高昂一般用户很难大范围使用，另外由于光栅测温传感器存在温漂现象，使用2-3年后需要取下重新校核温度刻度的状况；SAW声表面波传感器测温采用SAW声表面波温度传感器，采用的是美国技术，也是无源工作模式，SAW声表面波传感器测温方式需要在被测点附近的柜体内安装感应天线，减小了设备的放电距离，降低了高压防护等级，而且信号非常不稳定，目前声表面波传感器信息接收合格率不高于70%；电流互感器取电无线测温，需要在母排等部位安装电流互感器，取代有源无线测温系统的电池供电部分，但安装的电流互感器体积较大，将减少母排相间距离，破坏设备绝缘及电磁场，最致命的是弱电流情况下，装置很难稳定可靠工作。传统无源测温装置中的静电感应电极获取的能量是高电压、微弱电流级别，整流器的输入电流只有0.8uA，电子器件泄露的电流大于2uA，若采用常规开关电源，泄露电流大于输入电流，测温装置无法稳定正常工作。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能在高压电场中不需要外部电源的情况下，通过静电感应电源获取电能量，保障自身工作的无线测温系统。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电场感应取电型无线测温系统，包括多个无线测温终端、多个数据接收器和管理终端，多个所述无线测温终端的信号输出端分别与多个所述数据接收器的信号输入端连接，所述管理终端的信号输入端分别与多个所述数据接收器的信号输出端连接，所述无线测温终端包括单片机、静电感应电源、温度探测器和无线射频通讯模块，所述静电感应电源的电压输出端与所述单片机的电压输入端连接，所述温度探测器的信号输出端与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的数据端口与所述无线射频通讯模块的数据端口连接，所述静电感应电源包括感应电极、桥式整流电路、开关、电感、第一二极管、第一电容、第二电容、第三电容和稳压电路，所述桥式整流电路的第一交流输入端与所述感应电极连接，所述桥式整流电路的第二交流输入端与带电体连接，所述桥式整流电路的负极输出端分别与所述第一电容的第一端和所述开关的第一端连接，所述桥式整流电路的正极输出端分别与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第一端、所述第一二极管的正极、所述第三电容的第一端和所述稳压电路的第一输入端连接，所述开关的第二端分别与所述第二电容的第二端、所述第一二极管的负极和所述电感的第一端连接，所述电感的第二端分别与所述第三电容的第二端和所述稳压电路的第二输入端连接，所述稳压电路的输出端为所述静电感应电源的电压输出端。

所述静电感应电源能将uA级别的电流转换为mA级别电流。

具体地，所述整流电路包括线性稳压器、电压检测器、稳压二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二二极管、第三二极管，所述稳压二极管的正极与负极分别为所述稳压电路的第一输入端和第二输入端，所述稳压二极管的负极分别与所述第一电阻的第一端、所述第三二极管的正极和所述线性稳压器的输入端连接，所述稳压二极管的正极与所述电压检测器的输出端连接后接地，所述电压检测器的输出端为所述稳压电路的第一输出端，所述第一电阻的第二端分别与所述电压检测器的第一输入端和所述第二二极管的负极连接，所述第三二极管的负极与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端分别与所述电压检测器的第二输入端和所述线性稳压器的第一输出端连接，所述线性稳压器的第二输出端与所述第三电阻的第一端连接，所述线性稳压器的第二输出端为所述稳压电路的第二输出端，所述第三电阻的第二端与所述第二二极管的正极连接。

一种电场感应取电型无线测温系统的射频通讯方法，所述电场感应取电型无线测温系统的无线射频通讯模块与数据接收器之间进行射频通讯，包括以下步骤：

（1）单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片分别进行自检，进入下一步骤；

（2）单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片分别延时10ms，等待电源充电，进入下一步骤；

（3）判断数据接收器与温度探测器之间的信道是否为空，进入下一步骤；

（4）若数据接收器与温度探测器之间的信道为空，则进入步骤（5）,若数据接收器与温度探测器之间的信道不为空，则进入步骤(2)；

（5）无线射频通讯模块将数据信息发送到数据接收器，并等待数据接收器回复，进入下一步骤；

（6）若收到数据接收器的回复，则进入步骤(7),若没有收到数据接收器的回复，则进入步骤(2)；

（7）对静电感应电源的电压进行检测，并判断电压是否为支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，进入下一步骤；

（8）若电压为能支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，则进入步骤（9）,若电压为不能支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，则进入步骤（10）；

（9）获取单片机中寄存器的延迟时间长度，并进入下一步骤；

（10）单片机根据时钟计时延迟，进入步骤（3）；

（11）等待电源充电，电压到达正常工作电压时，进入步骤（1）。

本发明的有益效果在于：

本发明电场感应取电型无线测温系统，其无线测温终端中的静电感应电源采用很小的感应极板获得感应电流，并将感应电流转换成可供无线测温终端正常工作的电流，解决了传统的用于高压设备的测温装置需要额外提供电源或是电源的工作状态不够稳定的问题，并且其无线测温终端采用的射频通讯方法能够适用于该静电感应电源，本发明同时还具有安装方便、体积小、成本低、以及不明显改变设备原电场分布和原有的安全参数的优点。

附图说明

图1是本发明所述电场感应取电型无线测温系统的结构框图；

图2是本发明所述电场感应取电型无线测温系统的无线测温终端的结构框图；

图3是本发明所述电场感应取电型无线测温系统的静电感应电源的电路图；

图4是本发明所述电场感应取电型无线测温系统的整流电路的电路图；

图5是本发明所述电场感应取电型无线测温系统的射频通讯流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明电场感应取电型无线测温系统，包括多个无线测温终端、多个数据接收器和管理终端，多个所述无线测温终端的信号输出端分别与多个所述数据接收器的信号输入端连接，所述管理终端的信号输入端分别与多个所述数据接收器的信号输出端连接，所述无线测温终端包括单片机、静电感应电源、温度探测器和无线射频通讯模块，所述静电感应电源的电压输出端与所述单片机的电压输入端连接，所述温度探测器的信号输出端与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的数据端口与所述无线射频通讯模块的数据端口连接，静电感应电源包括感应电极、桥式整流电路BR、开关K、电感L、第一二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和稳压电路IC1，桥式整流电路BR的第一交流输入端与感应电极连接，桥式整流电路BR的第二交流输入端与带电体连接，桥式整流电路BR的负极输出端分别与第一电容C1的第一端和开关K的第一端连接，桥式整流电路BR的正极输出端分别与第一电容C1的第二端、第二电容C2的第一端、第一二极管D1的正极、第三电容C3的第一端和稳压电路IC1的第一输入端连接，开关K的第二端分别与第二电容C2的第二端、第一二极管D1的负极和电感的第一端连接，电感L的第二端分别与第三电容C3的第二端和稳压电路IC1的第二输入端连接，稳压电路IC1的输出端为静电感应电源的电压输出端。

静电感应电源能将uA级别的电流转换为mA级别电流。

如图4所示，稳压电路IC1包括线性稳压器LD、电压检测器IC2、稳压二极管ZD、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二二极管D2、第三二极管D3，稳压二极管ZD的正极与负极分别为稳压电路IC1的第一输入端和第二输入端，稳压二极管ZD的负极分别与第一电阻R1的第一端、第三二极管D3的正极和线性稳压器LD的输入端连接，稳压二极管ZD的正极与电压检测器IC2的输出端连接后接地，电压检测器IC2的输出端为稳压电路IC1的第一输出端，第一电阻R1的第二端分别与电压检测器IC2的第一输入端和第二二极管D2的负极连接，第三二极管D3的负极与第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端分别与电压检测器IC2的第二输入端和线性稳压器LD的第一输出端连接，线性稳压器LD的第二输出端与第三电阻R3的第一端连接，线性稳压器LD的第二输出端为稳压电路IC1的第二输出端，第三电阻R3的第二端与第二二极管D2的正极连接。

如图5所示，一种电场感应取电型无线测温系统的射频通讯方法，所述电场感应取电型无线测温系统的无线射频通讯模块与数据接收器之间进行射频通讯，包括以下步骤：

（1）单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片分别进行自检，进入下一步骤；

（2）单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片分别延时10ms，等待电源充电，进入下一步骤；

（3）判断数据接收器与温度探测器之间的信道是否为空，进入下一步骤；

（4）若数据接收器与温度探测器之间的信道为空，则进入步骤（5）,若数据接收器与温度探测器之间的信道不为空，则进入步骤(2)；

（5）无线射频通讯模块将数据信息发送到数据接收器，并等待数据接收器回复，进入下一步骤；

（6）若收到数据接收器的回复，则进入步骤(7),若没有收到数据接收器的回复，则进入步骤(2)；

（7）对静电感应电源的电压进行检测，并判断电压是否为支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，进入下一步骤；

（8）若电压为能支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，则进入步骤（9）,若电压为不能支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，则进入步骤（10）；

（9）获取单片机中寄存器的延迟时间长度，并进入下一步骤；

（10）单片机根据时钟计时延迟，进入步骤（3）；

（11）等待电源充电，电压到达正常工作电压时，进入步骤（1）。

使用本发明电场感应取电型无线测温系统的工作原理如下所示：

通过与带电体相连的感应电极与相邻异相导体、设备带电箱体间形成感应电容，在交流电压下形成感应电流，感应电流经桥式整流电路BR整流，对第一电容C1充电，当充电到最大值时，开关K导通，电感L中产生感应电流；随第一电容C1放电，其电压下降到最低值时，开关K关闭，由第一二极管D1续流，直到电感L磁能耗尽，当第一电容C1再次充电到最大值时，开始下一个工作周期。在工作过程中电感L的感应电流对第三电容C3充电，第三电容C3电压经稳压电路IC1控制以3.3V输出。

为了扩大第三电容C3上的电压利用率，要求第三电容C3的工作电压范围较大，而目前市面上电压检测芯片仅有5%回差，无法满足对其控制需要。本发明中采用的电压检测器IC2为LED串入电压检测芯片，其供电回路和引入电压反馈，从而获得5.4V~3.3V的回差控制，即第三电容C3的电压升至5.4V后开通线性稳压器LD输出，该线性稳压器LD为低压差线性稳压器，第三电容C3电压低于3.3V时关闭线性稳压器LD的输出，使负载获得标准电压，避免了因电源输出缓慢建立而导致用电设备中单片机因供电不足而产生故障。

电源提供的是短暂、低能量的模式，对应的无线通讯模式为高效、微功耗通讯。无线射频模块在上电后，快速完成自检过程，然后监听信道是否空闲，如果空闲则瞬时发送数据，并验证是否发送成功，若信道不空闲则随机延时后再次发送。

本发明采用高压触发二极管作为buck拓扑的开关器件使电路能在输入电流低于微安的电流下工作，并在buck拓扑的开关器件后接第二电容C2，传统的开关电源buck拓扑结构中，开关器件输出没有接第二电容C2，设置有第二电容C2才能保障开关器件的转换效率。本发明中的第一电容C1的值较常规电源电路中的要小得多，第一电容C1采用皮法级的电容，减小了电容的漏电，同时也提高开关的工作频率。

Claims (3)

1.一种电场感应取电型无线测温系统，包括多个无线测温终端、多个数据接收器和管理终端，多个所述无线测温终端的信号输出端分别与多个所述数据接收器的信号输入端连接，所述管理终端的信号输入端分别与多个所述数据接收器的信号输出端连接，所述无线测温终端包括单片机、静电感应电源、温度探测器和无线射频通讯模块，所述静电感应电源的电压输出端与所述单片机的电压输入端连接，所述温度探测器的信号输出端与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的数据端口与所述无线射频通讯模块的数据端口连接，其特征在于：所述静电感应电源包括感应电极、桥式整流电路、开关、电感、第一二极管、第一电容、第二电容、第三电容和稳压电路，所述桥式整流电路的第一交流输入端与所述感应电极连接，所述桥式整流电路的第二交流输入端与带电体连接，所述桥式整流电路的负极输出端分别与所述第一电容的第一端和所述开关的第一端连接，所述桥式整流电路的正极输出端分别与所述第一电容的第二端、所述第二电容的第一端、所述第一二极管的正极、所述第三电容的第一端和所述稳压电路的第一输入端连接，所述开关的第二端分别与所述第二电容的第二端、所述第一二极管的负极和所述电感的第一端连接，所述电感的第二端分别与所述第三电容的第二端和所述稳压电路的第二输入端连接，所述稳压电路的输出端为所述静电感应电源的电压输出端。

2.根据权利要求1所述的电场感应取电型无线测温系统，其特征在于：所述稳压电路包括线性稳压器、电压检测器、稳压二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二二极管、第三二极管，所述稳压二极管的正极与负极分别为所述稳压电路的第一输入端和第二输入端，所述稳压二极管的负极分别与所述第一电阻的第一端、所述第三二极管的正极和所述线性稳压器的输入端连接，所述稳压二极管的正极与所述电压检测器的输出端连接后接地，所述电压检测器的输出端为所述稳压电路的第一输出端，所述第一电阻的第二端分别与所述电压检测器的第一输入端和所述第二二极管的负极连接，所述第三二极管的负极与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端分别与所述电压检测器的第二输入端和所述线性稳压器的第一输出端连接，所述线性稳压器的第二输出端与所述第三电阻的第一端连接，所述线性稳压器的第二输出端为所述稳压电路的第二输出端，所述第三电阻的第二端与所述第二二极管的正极连接。

3.一种如权利要求1所述的电场感应取电型无线测温系统的射频通讯方法，所述电场感应取电型无线测温系统的无线射频通讯模块与上位机之间进行射频通讯，其特征在于包括以下步骤：

（1）单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片分别进行自检，进入下一步骤；

（2）单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片分别延时10ms，等待电源充电，进入下一步骤；

（3）判断数据接收器与温度探测器之间的信道是否为空，进入下一步骤；

（4）若数据接收器与温度探测器之间的信道为空，则进入步骤（5）,若数据接收器与温度探测器之间的信道不为空，则进入步骤(2)；

（5）无线射频通讯模块将数据信息发送到数据接收器，并等待数据接收器回复，进入下一步骤；

（6）若收到数据接收器的回复，则进入步骤(7),若没有收到数据接收器的回复，则进入步骤(2)；

（7）对静电感应电源的电压进行检测，并判断电压是否为支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，进入下一步骤；

（8）若电压为能支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，则进入步骤（9）,若电压为不能支持单片机、无线射频通讯模块的射频芯片和温度探测器的温度检测芯片正常工作的电压，则进入步骤（10）；

（9）获取单片机中寄存器的延迟时间长度，并进入下一步骤；

（10）单片机根据时钟计时延迟，进入步骤（3）；

（11）等待电源充电，电压到达正常工作电压时，进入步骤（1）。