CN110779597A - 一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置及方法，所述测量装置包括设置于变压器油箱底部的压力传感器和设置于变压器油箱内的液体密度传感器，还包括主控制器、显示器和电源，所述压力传感器、液体密度传感器、显示器和电源均与主控制器相连接。所述测量方法主要包括如下步骤：(1)压力信号获取；(2)油液密度值获取；(3)温度信号获取；(4)压力信号的温度补偿；(5)通过液体压强公式进行油箱液位的计算。利用本发明装置和方法可实现变压器油箱油位的准确测量，并对其测量误差有针对性的进行了补偿，大大提高了测量精度；液位测量数据为实时数据，方便了对变压器运行状态的监测。

Description

一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置及 方法

技术领域

本发明属于变压器监测技术领域，涉及一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置及方法。

背景技术

变压器主要存在于特定的变电所或者有特殊需要的实验室等场所，在工业生产和生活中有着不可取代的作用。而油箱是负责整个变压器正常工作的动力源泉，其状态关乎整个设备安全。而变压器油位测量一直是工业中非常困难的一个事情，测量不准确、假油位、测量难度大等问题始终存在。传统的测量都是机械运动配合敏感元器件，由敏感元器件通过多机械变化的感知输出模拟量，误差不可避免，而且使用周期都不长，直接导致了工业应用的难度，有些甚至会威胁设备安全运行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置。

本发明的另一目的在于提供一种应用上述测量装置的变压器油箱液位测量方法。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置，包括设置于变压器油箱底部的压力传感器和设置于变压器油箱内的液体密度传感器，还包括主控制器、显示器和电源，所述压力传感器、液体密度传感器、显示器和电源均与主控制器相连接。

进一步地，所述压力传感器为压阻式压力传感器。

进一步地，还包括设置于变压器油箱内的温度传感器，所述温度传感器与主控制器相连接。

进一步地，所述液体密度传感器为音叉式液体密度传感器。

一种基于压力传感器的变压器油箱高精度液位测量方法，采用上述液位测量装置，包括如下步骤：

(1)压力信号获取

由压力传感器测量获得油箱最底部的压力信号；

(2)油液密度值获取

由液体密度传感器测量获得变压器油箱中油液的密度；

(3)温度信号获取

由温度传感器测量获得变压器油箱的油液温度；

(4)压力信号的温度补偿

首先进行现场多组数据的测量，得到基于某个温度值的r个压力测量值，记压力传感器获得的压力值为U_P，温度传感器获得的温度值为U_t，则有：

P(x)＝a₀U_P0(x)+a₁U_P1(x)+……+a_kU_Pk(x)+……+a_nU_Pn(x)

a_k＝a_k0U_t0(x)+a_k1U_t1(x)+……+a_kmU_tm(x)(k＝0,1,2,3…,n<r) (1)

式中：

P(x)表示温度补偿后的压力值；U_Pk(x)为k次多项式，表示测得的第k个压力值；U_t0(x)为i次多项式，表示获得的温度值；a_ki表示补偿系数；

m、n是拟和多项式次数，m一般取10；

首先对式(1)进行拟合，得到：

根据多元函数求极致的必要条件：

假设U_P0(x)、U_P1(x)、……U_Pn(x)是关于点集{X_Z},z＝0,1,2,……,r的正交函数族，则有如下方程：

根据以上几组方程可以得出如下的结论：

上式中，k＝0,1,2,……,n<r

U_P0(x)、U_P1(x)、……U_Pn(x)是作为P(X_Z)的正交多项序列，利用格拉姆-施密特方法构造出正交多项式，基本步骤如下：

U_P0(x)＝1

U_P1(x)＝X-a₁

U_P(k+1)(x)＝(X-a_k+1)U_Pk(x)-P_kU_P(k-1)(x)，k＝1,2,……,n-1 (6)

根据U_P具有正交性，得到如下方程组：

最后拟和得到如下方程：

P(x)＝a₀ ^*U_p0(x)+a₁ ^*U_p1(x)+……+a_k ^*U_Pk(x)+……+a_n ^*U_Pn(x) (8)

以上完成了对(P,U_P)拟和，然后对(a_k ^*,U_t)这组数据进行拟和，也就是基于正交函数的最小二乘法拟和，经过拟和获得如下公式:

a_k ^*＝a_k0 ^*U_t0(x)+a_k1 ^*U_t1(x)+……+a_km ^*U_tm(x) (9)

在式(9)中：

s＝1,2，……m<l

U_t0(x)＝1

U_t1(x)＝x-y₁

U_t(s+1)(x)＝(x-γ_s+1)U_ts(x)-λ_sU_t(s+1)(x) S＝1,2,……,m-1 (11)

完成上述步骤以后，现场测得压力信号U_P和温度信号U_t，标定6*6组数据，也就是上述算法过程中都取r＝n＝6，l＝m＝6，则有：

(5)油箱液位的计算

根据步骤(2)得到的油液密度和步骤(4)计算得到的压力值，由液体压强公式P＝ρgh可得：

式中，h-液位高度，P-计算得到的油箱底部液体压强，ρ-油液密度，g-重力常数且g＝9.8N/kg。

在压力传感器测量油箱底部油压的过程中，变压器油箱的温度随着变压器的使用会发生非线性的变化，温度的变化不仅和变压器的功耗有关，还和外界环境的温度以及变压器外接负载的数量密切相关，针对温度变化引起的压力传感器误差，我们可以给压力信号增设温度补偿，以进一步降低温度变化对压力测量的影响。

本发明的有益效果在于：实现了变压器油箱油位的准确测量，并对其测量误差有针对性的进行了补偿，大大提高了测量精度；液位测量数据为实时数据，方便了对变压器运行状态的监测；能够对采集到的数据在显示器或PC端进行实时显示，并能实现远距离信号传输显示。

附图说明

图1为本发明变压器油箱液位测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明方案进行进一步的说明。

实施例1

一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置，包括设置于变压器油箱底部的压力传感器、设置于变压器油箱内的液体密度传感器和温度传感器，还包括主控制器、显示器和电源，所述压力传感器、液体密度传感器、温度传感器、显示器和电源均与主控制器相连接。

本发明中，所述压力传感器为压阻式压力传感器，所述液体密度传感器为音叉式液体密度传感器。主控制器选择STM32型单片机，主控制器可通过以太网通信模块连接上位机。

实施例2

一种基于压力传感器的变压器油箱高精度液位测量方法，采用上述液位测量装置，包括如下步骤：

(1)压力信号获取

由压力传感器测量获得油箱最底部的压力信号；

(2)油液密度值获取

由液体密度传感器测量获得变压器油箱中油液的密度；

(3)温度信号获取

由温度传感器测量获得变压器油箱的油液温度；

(4)压力信号的温度补偿

首先进行现场多组数据的测量，得到基于某个温度值的r个压力测量值，记压力传感器获得的压力值为U_P，温度传感器获得的温度值为U_t，则有：

P(x)＝a₀U_P0(x)+a₁U_P1(x)+……+a_kU_Pk(x)+……+a_nU_Pn(x)

a_k＝a_k0U_t0(x)+a_k1U_t1(x)+……+a_kmU_tm(x)(k＝0,1,2,3…,n<r) (1)

式中：

P(x)表示温度补偿后的压力值；U_Pk(x)为k次多项式，表示测得的第k个压力值；U_t0(x)为i次多项式，表示获得的温度值；a_ki表示补偿系数；

m、n是拟和多项式次数，m一般取10；

首先对式(1)进行拟合，得到：

根据多元函数求极致的必要条件：

假设U_P0(x)、U_P1(x)、……U_Pn(x)是关于点集{X_Z},z＝0,1,2,……,r的正交函数族，则有如下方程：

根据以上几组方程可以得出如下的结论：

上式中，k＝0,1,2,……,n<r

U_P0(x)、U_P1(x)、……U_Pn(x)是作为P(X_Z)的正交多项序列，利用格拉姆-施密特方法构造出正交多项式，基本步骤如下：

U_P0(x)＝1

U_P1(x)＝X-a₁

U_P(k+1)(x)＝(X-a_k+1)U_Pk(x)-P_kU_P(k-1)(x)，k＝1,2,……,n-1 (6)

根据U_P具有正交性，得到如下方程组：

最后拟和得到如下方程：

P(x)＝a₀ ^*U_p0(x)+a₁ ^*U_p1(x)+……+a_k ^*U_Pk(x)+……+a_n ^*U_Pn(x) (8)

以上完成了对(P,U_P)拟和，然后对(a_k ^*,U_t)这组数据进行拟和，也就是基于正交函数的最小二乘法拟和，经过拟和获得如下公式:

a_k ^*＝a_k0 ^*U_t0(x)+a_k1 ^*U_t1(x)+……+a_km ^*U_tm(x) (9)

在式(9)中：

s＝1,2，……m<l

U_t0(x)＝1

U_t1(x)＝x-y₁

U_t(s+1)(x)＝(x-γ_s+1)U_ts(x)-λ_sU_t(s+1)(x) S＝1,2,……,m-1 (11)

完成上述步骤以后，现场测得压力信号U_P和温度信号U_t，标定6*6组数据，也就是上述算法过程中都取r＝n＝6，l＝m＝6，则有：

(5)油箱液位的计算

根据步骤(2)得到的油液密度和步骤(4)计算得到的压力值，由液体压强公式P＝ρgh可得：

式中，h-液位高度，P-计算得到的油箱底部液体压强，ρ-油液密度，g-重力常数且g＝9.8N/kg。

Claims (5)

1.一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置，其特征在于，包括设置于变压器油箱底部的压力传感器和设置于变压器油箱内的液体密度传感器，还包括主控制器、显示器和电源，所述压力传感器、液体密度传感器、显示器和电源均与主控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置，其特征在于，所述压力传感器为压阻式压力传感器。

3.根据权利要求2所述的一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置，其特征在于，还包括设置于变压器油箱内的温度传感器，所述温度传感器与主控制器相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于压力传感器的变压器油箱液位高精度测量装置，其特征在于，所述液体密度传感器为音叉式液体密度传感器。

5.一种基于压力传感器的变压器油箱高精度液位测量方法，其特征在于，采用权利要求3所述的液位测量装置，包括如下步骤：

(1)压力信号获取

由压力传感器测量获得油箱最底部的压力信号；

(2)油液密度值获取

由液体密度传感器测量获得变压器油箱中油液的密度；

(3)温度信号获取

由温度传感器测量获得变压器油箱的油液温度；

(4)压力信号的温度补偿

首先进行现场多组数据的测量，得到基于某个温度值的r个压力测量值，记压力传感器获得的压力值为U_P，温度传感器获得的温度值为U_t，则有：

P(x)＝a₀U_P0(x)+a₁U_P1(x)+……+a_kU_Pk(x)+……+a_nU_Pn(x)

a_k＝a_k0U_t0(x)+a_k1U_t1(x)+……+a_kmU_tm(x)(k＝0,1,2,3…,n<r)(1)

式中：

P(x)表示温度补偿后的压力值；U_Pk(x)为k次多项式，表示测得的第k个压力值；U_t0(x)为i次多项式，表示获得的温度值；a_ki表示补偿系数；

m、n是拟和多项式次数，m一般取10；

首先对式(1)进行拟合，得到：

根据多元函数求极致的必要条件：

假设U_P0(x)、U_P1(x)、……U_Pn(x)是关于点集{X_Z},z＝0,1,2,……,r的正交函数族，则有如下方程：

根据以上几组方程可以得出如下的结论：

上式中，k＝0,1,2,……,n<r

U_P0(x)、U_P1(x)、……U_Pn(x)是作为P(X_Z)的正交多项序列，利用格拉姆-施密特方法构造出正交多项式，基本步骤如下：

U_P0(x)＝1

U_P1(x)＝X-a₁

U_P(k+1)(x)＝(X-a_k+1)U_Pk(x)-P_kU_P(k-1)(x)，k＝1,2,……,n-1 (6)

根据U_P具有正交性，得到如下方程组：

最后拟和得到如下方程：

P(x)＝a₀ ^*U_p0(x)+a₁ ^*U_p1(x)+……+a_k ^*U_Pk(x)+……+a_n ^*U_Pn(x) (8)

以上完成了对(P,U_P)拟和，然后对(a_k ^*,U_t)这组数据进行拟和，也就是基于正交函数的最小二乘法拟和，经过拟和获得如下公式:

a_k ^*＝a_k0 ^*U_t0(x)+a_k1 ^*U_t1(x)+……+a_km ^*U_tm(x) (9)

在式(9)中：

s＝1,2，……m<l

U_t0(x)＝1

U_t1(x)＝x-y₁

U_t(s+1)(x)＝(x-γ_s+1)U_ts(x)-λ_sU_t(s+1)(x) S＝1,2,……,m-1 (11)

完成上述步骤以后，现场测得压力信号U_P和温度信号U_t，标定6*6组数据，也就是上述算法过程中都取r＝n＝6，l＝m＝6，则有：

(5)油箱液位的计算

根据步骤(2)得到的油液密度和步骤(4)计算得到的压力值，由液体压强公式P＝ρgh可得：

式中，h-液位高度，P-计算得到的油箱底部液体压强，ρ-油液密度，g-重力常数且g＝9.8N/kg。

Images