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 |