CN105444805A - 一体化sf6气体密度、湿度监测无线传感器 - Google Patents
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Abstract
一种一体化SF6气体密度、湿度监测无线传感器，属于电子仪器技术领域。本发明的壳体内部分为电器腔和气体腔，气体腔的壳体上有进气口和出气口，在电器腔和气体腔的分隔板上安装有湿度传感器、温度传感器和压力传感器，湿度传感器、温度传感器和压力传感器通过线路与数据采集电路板连接，数据采集电路板通过线路与安装在壳体上的天线连接。本发明能够适应户外恶劣的使用环境，温度范围-55~+150度，寿命8~10年，超级电容主要考虑通讯电路收发瞬间大电流的问题。传感器使用环境为高电压强磁场，所有电路地点与金属固定板保持等电位，微处理器与无线收发电路<b>JTT-4432</b>采用独立屏蔽罩，保证电路正常工作，不受强电场干扰。
Description
技术领域
本发明属于电子仪器技术领域。
背景技术
SF6气体是一种无色、无味、无毒和不可燃且透明的气体，是人造惰性气体，在通常情况下有液化的可能性，在45摄氏度以上才能保持气态。在均匀电场下，其绝缘性是空气的3倍，在4个大气压下，其绝缘性相当变压器油。一般不会与其它材料发生反应。在电力系统应用较为广泛，然而SF6的检测一般是现场检测设备较多，耗费了大量的人力物力，有时由于人为因素的漏检，就可能造成不必要的后果。
发明内容
本发明的目的是提过一种无线实时监测SF6气体状态的一体化SF6气体密度、湿度监测无线传感器。
本发明的壳体内部分为电器腔和气体腔，气体腔的壳体上有进气口和出气口，在电器腔和气体腔的分隔板上安装有湿度传感器、温度传感器和压力传感器，湿度传感器、温度传感器和压力传感器通过线路与数据采集电路板连接，数据采集电路板通过线路与安装在壳体上的天线连接；
其电路原理是：
是由微控制器电路、压力、湿度变送器及AD采集电路、温度传感器电路和RF收发电路构成；
微控制器电路：U1为微控制器MSP430F2131，J1为JTAG接口；U1的引脚2接3.3V电源；U1的引脚4接地；U1的引脚5和引脚6之间连接手表晶振Y1；3.3V电源与U1的引脚7之间接电阻R2，U1的引脚7与地之间接电容C1，电阻R1串指示灯D1，连接在3.3V电源和U1的引脚3之间，3.3V电源与U1的引脚8之间接电阻R6，U1的引脚8与U2的引脚2连接；3.3V电源与U1的引脚9之间接电阻R2，U1的引脚9与U2的引脚10连接，U1的引脚9与U3的引脚1连接；3.3V电源与U1的引脚10之间接电阻R8，U1的引脚10与U2的引脚9连接，U1的引脚10与U3的引脚6连接，U1的引脚11与U6的引脚8连接；U1的引脚12与U6的引脚7连接；U1的引脚13与U6的引脚6连接；U1的引脚14与U6的引脚5连接；U1的引脚15与U6的引脚9连接；U1的引脚16悬空；U1的引脚1与J1的引脚6连接，U1的引脚1与地之间接电阻R3；U1的引脚17与J1的引脚2连接；U1的引脚18与J1的引脚1连接；U1的引脚19与J1的引脚8连接；U1的引脚20与J1的引脚7连接；J1的引脚3悬空；J1的引脚4与U1的引脚7连接；J1的引脚5接地；
压力、湿度变送器及AD采集电路：U2为AD芯片ADS1115，U4为湿度变送器DMT143，U5为压力变送器US381-000002-010BG，U7为高精密运放OPA4170；U4的引脚1接24V电源；U4的引脚3和引脚4都接地；U4的引脚2和地之间接电阻R4，U4的引脚2与U7的引脚3连接；U5的引脚1接24V电源；U5的引脚3和引脚4都悬空；U5的引脚2和地之间接电阻R5，U5的引脚2与U7的引脚5连接；U7的引脚1与引脚2连接，U7的引脚1与U2的引脚4连接；U7的引脚6与引脚7连接，U7的引脚7与U2的引脚5连接；U2的引脚8接3.3V电源；U2的引脚1和引脚3都接地；U2的引脚3与U1的引脚8连接；U2的引脚9与U1的引脚10连接；U2的引脚10与U1的引脚9连接；U2的引脚6和引脚7都悬空；
温度传感器电路：U3为温度传感器TMP112，U3的引脚5接3.3V电源；U3的引脚2和引脚4都接地；U3的引脚1与U1的引脚9连接；U3的引脚6与U1的引脚10连接；U3的引脚3悬空；
RF收发电路：U6为RF收发器JTT-4432，U6的引脚1至3悬空；U6的引脚5与U1的引脚14连接；U6的引脚6与U1的引脚13连接；U6的引脚7与U1的引脚12连接；U6的引脚8与U1的引脚11连接；U6的引脚9与U1的引脚15连接；U6的引脚4、引脚10、引脚11、引脚14和引脚15都接地；U6的引脚12接3.3V电源；电容C2并电容C3，连接在3.3V电源和地之间；U6的引脚13接天线E1。
本发明能够适应户外恶劣的使用环境，温度范围-55—+150度，寿命8—10年，超级电容主要考虑通讯电路收发瞬间大电流的问题。传感器使用环境为高电压强磁场，所有电路地点与与金属固定板保持等电位，微处理器与无线收发电路JTT-4432采用独立屏蔽罩，保证电路正常工作，不受强电场干扰。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明微控制器电路电路图；
图3是本发明压力、湿度变送器及AD采集电路图；
图4是本发明温度传感器电路；
图5是本发明RF收发电路图。
具体实施方式
本发明壳体内部分为电器腔9和气体腔10，气体腔10的壳体上有进气口1和出气口2，在电器腔9和气体腔10的分隔板上安装有湿度传感器4、温度传感器5和压力传感器6，湿度传感器4、温度传感器5和压力传感器6通过线路与数据采集电路板7连接，数据采集电路板7通过线路与安装在壳体上的天线8连接；
传感器电路主要由微控制器电路、压力、湿度变送器及AD采集电路、温度传感器电路，和RF收发电路四部分组成，分别如图1至图4所示。由压力、湿度变送器感知SF6气体的气压与湿度，输出4-20mA的直流电流信号；电流信号经过采样电阻和射极跟随器变成直流电压信号，连接到AD芯片的模拟输入端；在微控制器的控制下，AD芯片将直流电压转换为16位的数字量，微控制器读取压力、湿度数据并进行信号处理。温度传感器TMP112在微控制器的控制下，直接将SF6气体的温度转换为12位的数字量，微控制器读取温度数据并进行信号处理。微控制器将采集数据重新打包后，由RF收发器发送到中继器。
其电路原理是：
是由微控制器电路、压力、湿度变送器及AD采集电路、温度传感器电路和RF收发电路构成；
微控制器电路：U1为微控制器MSP430F2131，J1为JTAG接口；U1的引脚2接3.3V电源；U1的引脚4接地；U1的引脚5和引脚6之间连接手表晶振Y1；3.3V电源与U1的引脚7之间接电阻R2，U1的引脚7与地之间接电容C1，电阻R1串指示灯D1，连接在3.3V电源和U1的引脚3之间，3.3V电源与U1的引脚8之间接电阻R6，U1的引脚8与U2的引脚2连接；3.3V电源与U1的引脚9之间接电阻R2，U1的引脚9与U2的引脚10连接，U1的引脚9与U3的引脚1连接；3.3V电源与U1的引脚10之间接电阻R8，U1的引脚10与U2的引脚9连接，U1的引脚10与U3的引脚6连接，U1的引脚11与U6的引脚8连接；U1的引脚12与U6的引脚7连接；U1的引脚13与U6的引脚6连接；U1的引脚14与U6的引脚5连接；U1的引脚15与U6的引脚9连接；U1的引脚16悬空；U1的引脚1与J1的引脚6连接，U1的引脚1与地之间接电阻R3；U1的引脚17与J1的引脚2连接；U1的引脚18与J1的引脚1连接；U1的引脚19与J1的引脚8连接；U1的引脚20与J1的引脚7连接；J1的引脚3悬空；J1的引脚4与U1的引脚7连接；J1的引脚5接地；
压力、湿度变送器及AD采集电路：U2为AD芯片ADS1115，U4为湿度变送器DMT143，U5为压力变送器US381-000002-010BG，U7为高精密运放OPA4170；U4的引脚1接24V电源；U4的引脚3和引脚4都接地；U4的引脚2和地之间接电阻R4，U4的引脚2与U7的引脚3连接；U5的引脚1接24V电源；U5的引脚3和引脚4都悬空；U5的引脚2和地之间接电阻R5，U5的引脚2与U7的引脚5连接；U7的引脚1与引脚2连接，U7的引脚1与U2的引脚4连接；U7的引脚6与引脚7连接，U7的引脚7与U2的引脚5连接；U2的引脚8接3.3V电源；U2的引脚1和引脚3都接地；U2的引脚3与U1的引脚8连接；U2的引脚9与U1的引脚10连接；U2的引脚10与U1的引脚9连接；U2的引脚6和引脚7都悬空；
温度传感器电路：U3为温度传感器TMP112，U3的引脚5接3.3V电源；U3的引脚2和引脚4都接地；U3的引脚1与U1的引脚9连接；U3的引脚6与U1的引脚10连接；U3的引脚3悬空；
RF收发电路：U6为RF收发器JTT-4432，U6的引脚1至3悬空；U6的引脚5与U1的引脚14连接；U6的引脚6与U1的引脚13连接；U6的引脚7与U1的引脚12连接；U6的引脚8与U1的引脚11连接；U6的引脚9与U1的引脚15连接；U6的引脚4、引脚10、引脚11、引脚14和引脚15都接地；U6的引脚12接3.3V电源；电容C2并电容C3，连接在3.3V电源和地之间；U6的引脚13接天线E1。
以下对本发明做进一步详细描述：
1、一体化SF6气体密度、湿度无线传感器方案
传感器由由微控制器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器和无线射通讯电路、电源电路等组成，温度传感器转换的数字量通过I2C总线送CPU处理，湿度传感器、压力传感器模拟量经过信号处理送AD进行转换后送CPU进行数据处理，并将测得的数据通过无线射频电路传送到远方的SF6气体监测数据采集中继器。
RF收发模块JTT-4432
JTT-4432是基于高性能的无线射频芯片Si4432以及高精度外围元件的一款无线通信模块。模块工作电压为1.9-3.6V，工作于433/470/915MHz的通用ISM频段,带有调制器和解调器,发送时可以自动打包,接收时可以自动地址匹配、自动CRC校验，发送和接收完毕后，其NIRQ中断引脚会自动设置为高电平，以表示发送或接收完毕，Si4432提供给应用的控制器一个SPI接口,速度由微控制器自己决定,因此编程非常方便。其功耗非常低,以20dBm的输出功率发射时电流为85mA,在接收模式时电流为15mA,待机状态电流仅为2.5uA。Si4432共有4种工作模式,分别为掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、接收模式、发送模式，其工作模式切换通过配置寄存器07H实现。
微控制器
微控制器采用TI公司的MSP430系列单片机MSP430F2131。MSP430F2131的工作电压为1.8-3.6V，正常工作时电流为200uA左右，在休眠条件下工作的电流仅为0.7uA，在电池供电的超低功耗应用中具有独特的优势。
湿度传感器
采用维萨拉DRYCAP技术的DMT143露点测量变送器，它可以被直接安装到最大压力为50公斤（725psta）的压缩空气系统中。
传感器完全经受得起潮湿气体的侵蚀，即使偶尔遇到生产过程有水溅情况，而且传感器也不会受到微粒、油气或大多数化学品的污染，并且对气体流速不敏感。
测量范围-60℃～+60℃(-76～+140℉)Td
测量范围（典型）10～40000ppm
模拟信号输出4～20mA(3线),0～1V/5V,1～5V
电流输出的分辨率0.002Ma
电压输出的分辨率0.3mV
典型温度响应跨度的0.005%/度
数字信号输出RS485,非隔离维萨拉工业协议
电气连接4-pinM8(IEC60947-5-2)
5、压力传感器
压力传感器采用美国MEASus381-000002-010BG，输出：4～20mA，测量范围：0~1000（kPa），精确度：±0.15%，工作温度范围：-40℃～105℃。
温度传感器
温度传感器采用美国TI半导体生产的I2C总线型数字温度传感器TMP112。TMP112在微控制器的控制下，将气体的温度转换为12位的数字量，微控制器读取温度数据并进行信号处理。TMP112的测量范围从-40~+125oC，精度为0.5oC。
一体化SF6气体密度、湿度监测无线传感器电路
硬件电路原理图如图2所示。
湿度传感器DMT143、压力传感器us381-000002-010BG输出信号为4～20mA，2路信号分别经电阻R4、R5取样后分别接运算放大器U7A、U7B进行信号处理，输出连接模数转换芯片ADS1115，经AD转换后送CPU芯片MSP430F2131进行运算，算出气体湿度及压力值，温度传感器TMP112的总线SCL、SDA接入MSP430F2131进行SF6气体温度计算，由温度和压力值通过气体方程计算气体密度，无线通讯电路JTT-4432的SDO、SDI、SCLK、NSEL、NIRQ分别连接MSP430F2131完成CPU运算结果的无线发送。
传感器结构
传感器为整体不锈钢壳体，结构如图1，图中1为连接开关SF6气体的进气口，2为试验用放气口，3为储气室与开关气体相连，4、5、6分别为湿度传感器、温度传感器、压力传感器，7为三个传感器的采集电路和无线射频电路，8为无线发射天线。
Claims (1)
1.一种一体化SF6气体密度、湿度监测无线传感器，其特征在于：壳体内部分为电器腔（9）和气体腔（10），气体腔（10）的壳体上有进气口（1）和出气口（2），在电器腔（9）和气体腔（10）的分隔板上安装有湿度传感器（4）、温度传感器（5）和压力传感器（6），湿度传感器（4）、温度传感器（5）和压力传感器（6）通过线路与数据采集电路板（7）连接，数据采集电路板（7）通过线路与安装在壳体上的天线（8）连接；
其电路原理是：
是由微控制器电路、压力、湿度变送器及AD采集电路、温度传感器电路和RF收发电路构成；
微控制器电路：U1为微控制器MSP430F2131，J1为JTAG接口；U1的引脚2接3.3V电源；U1的引脚4接地；U1的引脚5和引脚6之间连接手表晶振Y1；3.3V电源与U1的引脚7之间接电阻R2，U1的引脚7与地之间接电容C1，电阻R1串指示灯D1，连接在3.3V电源和U1的引脚3之间，3.3V电源与U1的引脚8之间接电阻R6，U1的引脚8与U2的引脚2连接；3.3V电源与U1的引脚9之间接电阻R2，U1的引脚9与U2的引脚10连接，U1的引脚9与U3的引脚1连接；3.3V电源与U1的引脚10之间接电阻R8，U1的引脚10与U2的引脚9连接，U1的引脚10与U3的引脚6连接，U1的引脚11与U6的引脚8连接；U1的引脚12与U6的引脚7连接；U1的引脚13与U6的引脚6连接；U1的引脚14与U6的引脚5连接；U1的引脚15与U6的引脚9连接；U1的引脚16悬空；U1的引脚1与J1的引脚6连接，U1的引脚1与地之间接电阻R3；U1的引脚17与J1的引脚2连接；U1的引脚18与J1的引脚1连接；U1的引脚19与J1的引脚8连接；U1的引脚20与J1的引脚7连接；J1的引脚3悬空；J1的引脚4与U1的引脚7连接；J1的引脚5接地；
压力、湿度变送器及AD采集电路：U2为AD芯片ADS1115，U4为湿度变送器DMT143，U5为压力变送器US381-000002-010BG，U7为高精密运放OPA4170；U4的引脚1接24V电源；U4的引脚3和引脚4都接地；U4的引脚2和地之间接电阻R4，U4的引脚2与U7的引脚3连接；U5的引脚1接24V电源；U5的引脚3和引脚4都悬空；U5的引脚2和地之间接电阻R5，U5的引脚2与U7的引脚5连接；U7的引脚1与引脚2连接，U7的引脚1与U2的引脚4连接；U7的引脚6与引脚7连接，U7的引脚7与U2的引脚5连接；U2的引脚8接3.3V电源；U2的引脚1和引脚3都接地；U2的引脚3与U1的引脚8连接；U2的引脚9与U1的引脚10连接；U2的引脚10与U1的引脚9连接；U2的引脚6和引脚7都悬空；
温度传感器电路：U3为温度传感器TMP112，U3的引脚5接3.3V电源；U3的引脚2和引脚4都接地；U3的引脚1与U1的引脚9连接；U3的引脚6与U1的引脚10连接；U3的引脚3悬空；
RF收发电路：U6为RF收发器JTT-4432，U6的引脚1至3悬空；U6的引脚5与U1的引脚14连接；U6的引脚6与U1的引脚13连接；U6的引脚7与U1的引脚12连接；U6的引脚8与U1的引脚11连接；U6的引脚9与U1的引脚15连接；U6的引脚4、引脚10、引脚11、引脚14和引脚15都接地；U6的引脚12接3.3V电源；电容C2并电容C3，连接在3.3V电源和地之间；U6的引脚13接天线E1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160330 |