CN107727251B - 无线测温装置、无线测温系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线测温装置,包括:RFID标签;以及阻抗切换单元,所述RFID标签包括:RFID标签天线;以及RFID标签芯片,所述RFID标签天线和所述RFID标签芯片通过第一接口端线和第二接口端线连接,所述阻抗切换单元根据温度,将高阻抗或者低阻抗的电阻连接在所述第一接口端线和所述第二接口端线之间,当阻抗切换单元处于高阻抗状态时,所述无线测温装置能够向主控模块输出RFID标签的ID值,而当阻抗切换单元处于低阻抗状态时,所述无线测温装置不能向主控模块输出RFID标签的ID值。
Description
技术领域
本发明涉及无线测温装置、无线测温系统和方法,特别涉及利用RFID技术实现的无线测温装置、无线测温系统和方法。
背景技术
大电流高功率的电气设备在正常运行的时候常常会伴随局部发热,这些发热位置通常都处于电力线接口处或则是散热条件不良的电力传输线上,引起接线不良而断电、或线路烧毁、火灾等事故。为了预防设备局部发热带来的故障,我们需要在容易引起发热的外置安装温度传感器以监控设备发热情况,起到保护设备正常运行的作用。但是由于需要在温度测量点布线和为测温设备提供电源,这些测温方法给现场设备的安全带来挑战,如绝缘、隔离、供电等。为了克服有线测温的缺点,各种无线测温技术也就相应产生,但这些方法也都有各自的优点和缺点,我们需要比较各种无线测温的适用条件而选择最适合实际情况的方案。
现有的无线温度测量方法有很多,常见有红外温度测量法和无源超声温度测量法。红外温度测量法缺点是测量准确度不高,容易受被测物表面状态以及环境温度的影响。无源超声温度测量法目前成本还很高,不利于产品推广。除此之外,目前也有运用近场通讯NFC的方法实现进距离温度测量,利用NFC-Slave芯片的energy harvest功能产生一定电能为温度测量芯片提供电源,并把温度测量数据传输给NFC-Master。由于在这过程中需要模拟量前置放大、A/D变换和数字通讯,需要较高的耗电量,因而NFC天线的感应面积必须足够大,这就限制了温度感应模块进一步小型化的可能性,不利于温度感应模块的现场安装。也有的专利提出带有温度测量功能的NFC芯片,但是因为也需要模拟量前置放大、A/D变换等功能,其功耗跟前者相比没有明显地减少,因而也存在与前者一样的缺点。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的。本发明的目的是提出一种近距离无线测温装置、无线测温系统和方法,对带电导体测量温度,使系统在不影响产品绝缘和隔离等安全防护性能的情况下对局部带电部位进行温度监控,提高电气设备的安全性和可靠性。
本发明的无线测温装置,包括:RFID标签;以及阻抗切换单元,所述RFID标签包括:RFID标签天线;以及RFID标签芯片,所述RFID标签天线和所述RFID标签芯片通过第一接口端线和第二接口端线连接,所述阻抗切换单元根据温度,将高阻抗或者低阻抗的电阻连接在所述第一接口端线和所述第二接口端线之间,当阻抗切换单元处于高阻抗状态时,所述无线测温装置能够向主控模块输出RFID标签的ID值,而当阻抗切换单元处于低阻抗状态时,所述无线测温装置不能向主控模块输出RFID标签的ID值。
本发明的无线测温装置通过根据温度,控制能否向主控模块输出RFID标签的ID值,从而主控模块可以根据接收RFID标签的ID值的情况,计算相应的温度值。
本发明的无线测温系统包括:主控模块;以及上述的无线测温装置,所述主控模块和所述之间无线测温装置绝缘隔离,所述主控模块通过RFID无线通讯技术与所述无线测温装置进行通讯,获得被测温度值。
本发明的无线测温方法用于包括主控模块和无线测温装置的无线测温系统,该方法包括:所述无线测温装置根据温度,决定能够向所述主控模块输出RFID标签的ID值的占空比;以及所述主控模块定期尝试读取所述无线测温装置的RFID标签的ID值,并统计在一定时间内读取所述无线测温装置的RFID值的成功读取率,根据所述成功读取率计算所述占空比,并根据占空比换算成被测温度值。
本发明的技术方案的要点在于:
1、利用RFID技术,通过改变RFID读取成功率来获得被测温度值。
2、交替切换RFID标签天线两端的阻抗,并且只有在高阻抗状态下主控模块才能成功读取感温模块的ID值,由此形成主控模块的读取成功率。
3、利用热敏电阻的阻值的变化来改变RFID读取成功率的电路设计。
与现有技术相比,本发明的技术方案改进了以下方面。
1、本方法的温度测量系统由两部分组成:感温模块和主控模块。感温模块与主控模块绝缘隔离,主控模块通过RFID无线通讯技术读取感温模块的ID值。
2、感温模块位无源被动器件,不需要对它单独供电。
3、感温模块是在RFID标签的基础上实现的,具体来讲是在RFID标签的天线和芯片之间并联一个阻抗切换模块。
4、感温模块中的阻抗切换模块在近场通讯RF信号存在的情况下周期性地交替出现低阻抗状态和高阻抗状态。并且只有在高阻抗状态下主控模块才能成功读得感温模块的ID值,因而使主控模块对感温模块的ID读取存在一定的成功读取率。这一成功读取率与感温模块的中的热敏电阻的阻值有关,通过对成功读取率的换算就可以热敏电阻的阻值,进而可以换算出当前的温度。
5、感温模块不需要前置放大电路,不需要A/D变换电路。
由于进行了上述改进,本发明的技术方案与现有的技术方案相比有以下优点:
1、感温模块的功耗低,因而理论上可以实现更小尺寸的近场通讯天线,更加有利于现场安装。
2、成本低,特别是在主控接收端,只需要普遍使用的RFID读写芯片就可以实现。
3、感温模块为无源器件,不需要对模块进行额外供电,它只是利用近场通讯的无线信号能量就可工作。
4、实现了温度探测模块和主控接收模块之间的绝缘和隔离,有利于满足产品防尘、防水等方面的设计要求。
技术效果
本发明可以解决对带电导体进行温度测量而同时又能满足系统的绝缘和隔离等安全方面的要求的技术问题,适合于为电气设备的局部位置进行近距离无线测温。
附图说明
从本公开的具体实施例结合附图的以下描述中,其它优点和特征将变得更清楚明显,这些具体实施例仅是为了非限制性的目的,并在附图中示出,附图中同样的附图标记用于表示同样的部件或单元,其中:
图1是无线测温系统的框图。
图2是表示RFID(射频识别)成功读取率与方波脉宽比的关系的图。
图3是阻抗切换模块设计实例的原理图。
图4是RFID成功读取率与温度值的定标曲线。
图5是主控模块温度测量的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的多个具体实施例,然而应该理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了使本公开被理解得更加透彻和完整,并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明是基于RFID技术进行无线测温的技术。图1为本发明的无线测温系统1的框图。由图1可知无线测温系统1由两部分组成:主控模块2和感温模块3。两个模块之间绝缘隔离,感温模块3为无源器件,不需要对它进行单独供电。主控模块2通过RFID无线通讯技术与感温模块3进行通讯,并换算出被测温度值。
主控模块2由电源模块25、主控MCU模块22、RFID读写模块23、RFID天线24和温度值输出模块21组成。其功能是定时尝试读取感温模块中RFID标签的ID值,记录成功读取标签的ID值的次数,获得成功读取率,根据成功读取率来换算成温度值,并把温度值传输给温度值输出模块。
感温模块3由RFID标签32和阻抗切换模块33组成。RFID标签32由RFID标签天线321和RFID标签芯片322组成。在RFID标签天线321和RFID标签芯片322之间并联了阻抗切换模块33。
在近场通讯RF信号存在的情况下,阻抗切换模块33的阻值在高阻抗和低阻抗之间周期性地交替切换。当阻抗切换模块33处于高阻抗状态时,主控模块2可以成功读取感温模块3和RFID标签32的ID值,而当阻抗切换模块33处于低阻抗状态时,由于RFID标签天线321两端建立不起足够的电压,造成主控模块2读取标签ID值失败,所以主控模块2对于RFID成功读取率与阻抗切换模块33的高阻抗时段占空比成正比。
如图1所示,阻抗切换模块33由热敏电阻RT、电容C1、方波发生电路331和阻抗切换电路332组成。阻抗切换电路332由并联连接的高阻抗电阻R1、低阻抗电阻R2、以及分别控制R1、R2的开关K1、K2构成。方波发生电路331输出A通道方波和B通道方波,分别控制阻抗切换电路332的K1和K2开关,其中B通道是A通道的互补输出,即其电平始终与A通道相反。这样K1和K2始终只有一个开关处于导通状态,并且随着方波的电平的变化轮流切换导通状态,使阻抗切换模块33轮流产生高阻抗和低高阻抗状态。热敏电阻RT的阻值决定了方波的脉宽比,而方波脉宽比决定了阻抗切换模块33处于高阻抗时段的占空比。
图2说明了RFID成功读取率与方波脉宽比的关系。如前段所述,高阻抗时段占空比决定了主控模块RFID的成功读取率,所以我们可以测得主控模块2对RFID读取的成功率来推算出热敏电阻的阻值,然后通过热敏电阻与温度的对应表就可求得被测温度值。
为了方便说明,图3展示了一个阻抗切换模块的设计实例原理图。图中的一些元器件编号与图1对应,即RT为热敏电阻,R1为高阻抗电阻,R2为低阻抗电阻,分别受开关K1和K2控制,而K1和K2分别受方波A和方波B控制。ANT-A和ANT-B为RFID标签天线321与RFID标签芯片322的接口端,阻抗切换模块并联在这两个接口端之间。
阻抗切换模块33的工作原理是:RFID标签天线321在近场通讯RF信号存在的情况下感应RF信号,在ANT-A和ANT-B产生RF电压信号。该RF电压信号在二极管D1和电容器C3组成的整流电路的作用下形成直流电压,为后续的电路提供工作电源。在下面的陈述中,我们把ANT-B当作是整个电路的参考地(零电位)。电阻R5和电容器C2构成直流充电电路,在初始状态下C2两端电压为0,三极管K5截止,方波A为高电平,于是三级管K1导通,方波B为低电平,三极管K2截止,所以ANT-A、ANT-B两端的阻抗为高阻抗R1;接着,电容器C2在充电过程中电压升高,到一定时间后电压升高到足以使三极管K5导通,于是方波A变为低电平,三极管K1截止,热敏电阻RT和C1构成充电电路开始充电。刚开始充电时C1两端电压为0,三极管K6截止,由于三极管K1已经截止,于是因而方波B为高电平,使三极管K2、K3导通,于是ANT-A、ANT-B两端的阻抗为低阻抗R2,同时因K3导通,C2开始放电。电容器C1在充电过程中电压升高,到一定时间后电压升高到足以使三极管K6导通,于是方波B变为低电平,使三极管K2和K3截止,电容器C2重新开始充电,在初始状态下C2两端电压为0,三极管K5截止,方波A为高电平,于是开启下一个方波周期。
在图3中可以看到,C2的充电时段为模块的高阻抗状态时段,C1的充电时段为模块的低阻抗状态时段,C1的充电时间与热敏电阻RT的阻值和电容器C1的电容值成正比,而热敏电阻的阻值与其温度有明确的对应关系,再根据图2所示的RFID读取成功率与感温模块高阻抗时段占空比的对应关系,我们就可以得到类似于图4的测量温度与RFID读取成功率的定标曲线,根据图4定标曲线,我们就可以通过获取RFID读取成功率来算得测量温度。
图5是表示主控模块温度测量的方法的流程图。该方法用于包括主控模2块和感温模块3的无线测温系统1。
在步骤S101中,开启射频载波。
在步骤S102中,清除各累计计数器值。
在步骤S103中,定时读感温模块RFID标签ID值。
在步骤S104中,判断是否成功读取了RFID标签值。
在步骤S104中判断为成功读取了RFID标签值的情况下,在步骤S105中,成功读取计数值累加1,并且进至步骤S107。
在步骤S104中判断为未成功读取RFID标签值的情况下,在步骤S106中,失败读取计数值累加1,并且进至步骤S107。
在步骤S107中,计算总计数值=成功读取计数值+失败读取计数值。
在步骤S108中,判断总计数值是否达到预定值。
在步骤S108中,判断为总计数值未达到预定值时,返回步骤S103。在步骤S108中,判断为总计数值达到了预定值时,进至步骤S109。
在步骤S109中,计算成功读取率=成功读取计数值/总计数值。
在步骤S110中,将成功读取率换算成温度值。
在步骤S111中,保存并传输温度值。
在步骤S112中,结束处理。
在步骤S101中包括:阻抗切换模块33根据温度的高低,将高阻抗电阻R1或者低阻抗的电阻R2连接在第一接口端线ANT-A和第二接口端线ANT-B之间,当阻抗切换模块33处于高阻抗状态时,感温模块3能够向主控模块2输出RFID标签的ID值,而当阻抗切换模块33处于低阻抗状态时,感温模块3不能向主控模块输出RFID标签的ID值的步骤;以及在近场通讯射频信号存在的情况下,电阻在高阻抗电阻R1和低阻抗电阻R2之间周期性地交替切换,主控模块2对于ID值的成功读取率与阻抗切换单元的高阻抗时段占空比成正比的步骤。
另外,上述步骤中,关键步骤是步骤S103至S110中,主控模块2定期尝试读取感温模块3的RFID标签32的ID值,并统计在一定时间内主控模块2读取感温模块3的RFID值的成功读取率,并根据成功读取率换算成被测温度值。
本公开的各个实施例中的各个单元(功能模块、芯片等)的连接关系和构成关系不对本公开的保护范围构成限制,它们可以合并为单独一个单元来实现,或者其中的特定单元也可以被分割为功能更小的多个单元来实现。
附图中的各个框图显示了根据本公开实施例的PLC装置可能实现的结构、功能和操作。在这点上,框图中的每个方框可以代表一个模块,所述模块包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在作为替换的实现方式中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图中的每个方框可以用执行规定功能或动作的专用的基于硬件的ASIC来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本公开的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各个实施例。在不偏离所说明的各个实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各个实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各个实施例。
工业适用性
本发明可用于对各类带电导体温度的近距离无线测量。
标号说明
1 无线测温系统
2 主控模块
3 感温模块
21 温度值输出模块
22 主控MCU
23 RFID读写模块
24 RFID天线
25 电源模块
32 RFID标签
33 阻抗切换模块
321 RFID标签天线
322 RFID标签芯片
331 方波发生电路
332 阻抗切换电路
Claims (8)
1.一种无线测温装置,其特征在于,
包括:RFID标签;以及
阻抗切换单元,
所述RFID标签包括:
RFID标签天线;以及
RFID标签芯片,
所述RFID标签天线和所述RFID标签芯片通过第一接口端线和第二接口端线连接,
所述阻抗切换单元根据温度的高低,将高阻抗或者低阻抗的电阻连接在所述第一接口端线和所述第二接口端线之间,当阻抗切换单元处于高阻抗状态时,所述无线测温装置能够向主控模块输出RFID标签的ID值,而当阻抗切换单元处于低阻抗状态时,所述无线测温装置不能向主控模块输出RFID标签的ID值,
在近场通讯射频信号存在的情况下,所述电阻的阻抗在高阻抗和低阻抗之间周期性地交替切换,
所述主控模块对于所述ID值的成功读取率与所述阻抗切换单元的高阻抗时段占空比成正比。
2.如权利要求1所述的无线测温装置,其特征在于,
所述阻抗切换单元由热敏电阻、电容、方波发生电路和阻抗切换电路组成。
3.如权利要求2所述的无线测温装置,其特征在于,
所述阻抗切换电路由将高阻抗电阻与第一开关串联连接的第一电路、和将低阻抗电阻与第二开关串联连接的第二电路并联连接而构成,
所述方波发生电路输出电平相反的第一通道方波和第二通道方波,分别控制所述阻抗切换电路的所述第一开关和所述第二开关,使所述阻抗切换单元轮流产生高阻抗和低高阻抗状态。
4.如权利要求3所述的无线测温装置,其特征在于,
根据所述热敏电阻的阻值决定所述第一通道方波和所述第二通道方波的脉宽比,而方波的所述脉宽比决定所述阻抗切换单元处于高阻抗时段的占空比。
5.如权利要求4所述的无线测温装置,其特征在于,
根据由所述热敏电阻和所述电容构成的电路的充电时间,决定所述方波的脉宽比。
6.一种无线测温系统,其特征在于,包括:
主控模块;以及
如权利要求1至5的任意一项所述的无线测温装置,
所述主控模块和所述无线测温装置之间绝缘隔离,所述主控模块通过RFID无线通讯技术与所述无线测温装置进行通讯,获得被测温度值。
7.一种无线测温方法,用于包括主控模块和无线测温装置的无线测温系统,其特征在于,
所述无线测温装置包括:RFID标签;以及阻抗切换单元,所述RFID标签包括:RFID标签天线;以及RFID标签芯片,所述RFID标签天线和所述RFID标签芯片通过第一接口端线和第二接口端线连接,
所述无线测温方法包括:
所述阻抗切换单元根据温度的高低,将高阻抗或者低阻抗的电阻连接在所述第一接口端线和所述第二接口端线之间,当阻抗切换单元处于高阻抗状态时,所述无线测温装置能够向主控模块输出RFID标签的ID值,而当阻抗切换单元处于低阻抗状态时,所述无线测温装置不能向主控模块输出RFID标签的ID值的步骤,
在近场通讯射频信号存在的情况下,所述电阻的阻抗在高阻抗和低阻抗之间周期性地交替切换,所述主控模块对于所述ID值的成功读取率与所述阻抗切换单元的高阻抗时段占空比成正比的步骤。
8.如权利要求7所述的无线测温方法,其特征在于,还包括:
所述主控模块定期尝试读取所述无线测温装置的RFID标签的ID值,并统计在一定时间内读取所述无线测温装置的RFID值的成功读取率,根据所述成功读取率计算所述占空比,并根据占空比换算成被测温度值的步骤。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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