CN112363418A - 荧光光纤温控仪及其控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种荧光光纤温控仪及其温控方法，解决了高压设备运行温度检测精度低的难题，包括箱体，位于箱体面板上的按键、n个显示单元与n个荧光光纤探头，位于箱体内部的CPU、存储单元、输出单元、继电器单元及n个光电转换单元；通过下述过程实现控温：首先，初始化后采集经光电转换单元转换后的温度数字信号；然后，校验温度数字信号的数据长度、功能码及CRC是否正确，若是，则对温度数字信号进行解析及处理，获得待测点的实时温度，并存储、显示及输出；最后判断当前通道内待测点的实时温度值是否达到设定的温度阈值，当达到设定的温度阈值时，接入该通道内的继电器工作，输出控制信号，控制外接装置；本发明更加适用于市场需求。

Description

荧光光纤温控仪及其控温方法

技术领域

本发明涉及的是荧光光纤温控仪及其温控方法，基于稀土荧光物质的材料特性，采用荧光光纤温度传感探头直接、在线、实时测量变压器绕组内部的温度。

背景技术

变压器运行中因绕组超温会导致绝缘老化、烧毁、击穿等事故。变压器内部其他物理和化学变化(如局部放电和局部过热等)也会引起变压器温度发生变化，使变压器表现不同于正常运行的温升轨迹。因此，准确测量变压器绕组温度从安全性和经济性考虑都显得尤为重要。

目前，变压器绕组热点温度测量主要方法有热模拟测量法和间接计算测量法。热模拟测量方法是根据变压器负载损耗与负载电流成正比平方关系而发展的一种绕组测量方法。绕组温度表是在油温表的基础上配备一台电流匹配器和电热元件，通过温度叠加来反映变压器绕组温度。这种测温方法简单，但误差大。间接计算测量方法是通过计算各种关键参数和变压器负载电流值来计算绕组热点温度，测量精度较低。

发明内容

为了解决高压设备运行温度检测精度低的难题，本发明提出一种荧光光纤温控仪及其控温方法，专用于高压设备的温度实时在线监测和过热预警，它采用荧光光纤进行高压隔离和信号传输，利用荧光光纤固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，直接将荧光光纤探头深入到绕组内部，进行在线、实时、精确热点温度测量，可实现动态负载运行时“热点”温度的实时和精确监测，从根本上解决了高压设备运行温度监测精度低的难题。

本发明的技术方案是提供一种荧光光纤温控仪，其特殊之处在于：包括箱体，位于箱体面板上的按键、n个显示单元与n个荧光光纤探头，位于箱体内部的CPU、存储单元、输出单元、继电器单元及n个光电转换单元；其中n大于等于1；

每个荧光光纤探头的一端用于与伸入至绕组内部的荧光光纤连接，另一端与光电转换单元的输入端连接；所述光电转换单元用于将荧光光纤探头输出的光信号转换为温度数字信号，其输出端与CPU输入端连接；CPU输出端分别与输出单元、显示单元、存储单元及继电器单元连接；

每一个探头、光电转化单元及CPU输出端构成一个通道，共包括n个通道；

所述显示单元用于显示每个通道的状态及每个通道输出的温度数据；

所述按键用于设置继电器单元中的继电器与各通道选通，并设置各通道的温度阈值及温度模式；

所述CPU中储存应用程序，该程序运行时，实现以下步骤：

步骤1、初始化；

步骤2、采集经光电转换单元转换后的温度数字信号；

步骤3、校验温度数字信号的数据长度、功能码及CRC是否正确，若是，则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、对温度数字信号进行解析及处理，获得待测点的实时温度；

步骤5、对步骤4获得的待测点的实时温度进行存储、显示及输出；

步骤6、判断当前通道内待测点的实时温度值是否达到设定的温度阈值，当达到设定的温度阈值时，接入该通道内的继电器工作，输出控制信号，控制外接装置；

步骤7、判断是否已完成所有待测点的实时温度，若是，则结束，否则，重复步骤2至步骤6。

进一步地，为了实现二次开发，所述输出单元包括RS485通讯单元；所述RS485通讯单元用于通过RS485通信端口，接收外部命令请求，实现温度数据通信，及对设备进行一些基本设置和查询功能。

进一步地，为了实现对产品进行二次开发，所述输出单元还包括4～20MA输出单元及AD芯片；所述4～20MA输出单元将待测点的实时温度数据转换成电流信号，通过AD芯片端口输出。

进一步地，为了实现对产品进行二次开发，所述输出单元还包括TCP/IP通信单元；

所述TCP/IP通信单元用于外部客户端或服务端基于Modbus协议，通过以太网通讯端口进行温度数据通信。

进一步地，为了实现外部与产品进行数据的相互传输，该温控仪还包括USB通讯端口，用于接入外部储存设备拷贝存储单元中所有历史数据或更新程序。

进一步地，为了实时监测和及时响应各个功能的实现，步骤4之后还包括以下步骤：

按键检测、USB检测、存储单元检测、RS485通讯单元检测及TCP/IP通信单元检测；

所述按键检测包括以下步骤：判断是否正在进行按键操作，若是，根据按键响应及显示单元的显示判断是否修改设置信息，若否，则修改设置信息；

所述USB检测包括以下步骤：判断是否接入外部存储设备，若是，如果存储设备中存在固件程序，则进行程序更新及程序重启；如果存储设备中存在data文件夹，则从数据存储单元中拷贝数据；如果两者都有，则只进行程序更新；

所述存储单元检测包括以下步骤：当存储单元使用率达到设定值时，自动删除最早数据，存储最新数据；

所述RS485通讯单元检测包括以下步骤：当检测到RS485接收端接收到来自外部数据通信请求，及时做出相应的通信响应；

所述TCP/IP通信单元检测包括以下步骤：在以太网连接畅通的情况下，当作为服务端，随时监听是否有外部客户端的请求连接，若有，则进行连接和响应客户端的温度数据通信请求；当作为客户端，随时请求连接外部服务器，如果连接成功，则等待服务端的温度数据通信请求后进行响应。

进一步地，所述设定值为90％。

进一步地，所述显示单元为数码管，进行温度数据轮询显示，具有寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，精确可靠，操作简单，程序编写容易，资源占用较少的优势。

进一步地，步骤4中，遵守RTU通讯协议，将温度信号数据(包括温度数据、光强度及驱动电流数据等数据信息)进行数据解析及处理，获得待测点的实时温度。

本发明还提供一种上述的荧光光纤温控仪的控温方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化；

步骤2、采集经光电转换单元转换后的温度数字信号；

步骤3、校验温度数字信号的数据长度、功能码及CRC是否正确，若是，则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、对温度数字信号进行解析及处理，获得待测点的实时温度；

步骤5、对步骤4获得的待测点的实时温度进行存储、显示及输出；

步骤6、判断待测点的实时温度值是否大于设定阈值，当大于设定阈值时，继电器单元工作，输出控制信号，控制外接装置；

步骤7、判断是否已完成所有待测点的实时温度，若是，则结束，否则，重复步骤2至步骤6。

进一步地，步骤4之后还包括以下步骤：

按键检测、USB检测、存储单元检测、RS485通讯单元检测及TCP/IP通信单元检测；

所述按键检测包括以下步骤：判断是否正在进行按键操作，若是，根据按键响应及数码管显示判断是否修改设置信息，若是，则修改设置信息；

所述USB检测包括以下步骤：判断是否接入外部存储设备，若是，如果存储设备中存在固件程序，则进行程序更新及程序重启；如果存储设备中存在data文件夹，则从数据存储单元中拷贝数据；如果两者都有，则只进行程序更新；

所述存储单元检测包括以下步骤：当存储单元使用率达到90％时，自动删除最早数据，存储最新数据；

所述RS485通讯单元检测包括以下步骤：当检测到RS485接收端接收到来自外部数据通信请求，及时做出相应的通信响应；

所述TCP/IP通信单元检测包括以下步骤：在以太网连接畅通的情况下，当作为服务端，随时监听是否有外部客户端的请求连接，若有，则进行连接和响应客户端的温度数据通信请求；当作为客户端，随时请求连接外部服务器，如果连接成功，则等待服务端的温度数据通信请求后进行响应。

本发明的有益效果是：

1、本发明荧光光纤温控仪用于变压器温度实时、在线、精确监测和过热预警，采用荧光光纤进行高压隔离和信号传输，利用荧光光纤固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，从根本上解决了高压设备运行温度不易监测的难题。

2、本发明荧光光纤温控仪在运行时间上提高性能，荧光光纤温度数据共享，各功能之间相互相辅相成，同步进行，具有精度高、效率高、操作简单等优点，及安全、长期、可靠、稳定、实用等多功能性，更加适用于市场需求。

3、本发明荧光光纤温控仪固件程序采用的是“ARM核心板+PCB电路板”的软硬件组合方式，在Linux系统平台上进行嵌入式软件开发，进行荧光光纤模块温度数据采集、解析、数据的存储、信号输出、按键参数设置，RS485通信，TCP/IP客户端通信、TCP/IP服务端通信，4～20mA输出，USB通讯端口通讯，SD数据存储等基本功能，并实现各功能及后期的扩展和升级。该固件程序会在运行时间上提高性能，温度数据共享，使各项功能安全、长期、稳定、可靠同步进行，具有荧光光纤温度值精度高(精度±1℃)、荧光光纤温度采集效率高(频率为400ms)、操作简单等优点。

附图说明

图1是本发明荧光光纤温控仪的控温方法流程图；

图2是本发明荧光光纤温控仪硬件结构示意图；

图3是硬件结构立体图(温控仪正面与上面)；

图4是硬件结构立体图(温控仪正面与下面)；

图中附图标记为：1-箱体，2-显示单元，3-按键，4-指示灯，5-温控仪上面板，6-电源端口，7-RS485通讯端口，8-继电器控制端口，9-SD卡插口，10-4～20mA输出端口，12-以太网通讯端口，13-USB通讯端口，14-荧光光纤探头，15-荧光光纤。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明：

本实施例荧光光纤温控仪的型号为HQ-E116，采用“ARM核心板+PCB电路板”的软硬件组合方式，在Linux系统平台上进行嵌入式软件开发，完成各项功能的实现。荧光光纤温控仪主要包括箱体1，位于箱体面板上的荧光光纤探头14、显示单元2与按键3，位于箱体内部的光电转换单元、CPU、存储单元、输出单元及继电器单元；其中荧光光纤探头14至少为一个，本实施例中为16个，荧光光纤探头14位于箱体外的一端与荧光光纤连接，该荧光光纤直接伸入至变压器绕组内部与待测点连接，荧光光纤探头14位于箱体内部的一端与光电转换单元的输入端连接，光电转换单元用于将荧光光纤探头输出的光信号转换为温度数字信号，其输出端与CPU输入端连接；CPU遵守RTU通讯协议，将温度数字信号、光强度，驱动电流数据进行数据解析及处理，获得待测点的实时温度。CPU输出端分别与输出单元、显示单元2、存储单元及继电器单元连接。

每一个荧光光纤探头探测的待测点的数据通过光电转换单元转换后输入至CPU，CPU对数据进行处理后输出，将该数据传输的过程定义为一个数据通道。本实施例总共包括16个数据通道。

本实施例通过两路串口同步完成单路模块(或者多个单路模块)荧光光纤温度数据的采集、解析及处理。同时进行温度数据显示，通过数码管对每个选定通道进行温度数据轮询显示，可显示1-16路荧光光纤探头检测的温度数据(如图3所示)；

本实施例按键3通过32个数码管显示，用于设置继电器单元中的继电器与各通道选通，并设置各通道的温度阈值及温度模式(摄氏温度或华氏温度)；当某一通道的温度达到设定的最高温度值时，对应继电器通过继电器控制端口8进行控制外接装置；也可通过按键设置设备地址、RS485通信波特率、温度量程范围等基本设置及设置信息成功后进行保存；还可按键使荧光光纤的PD、UV、温度数据通过数码管进行循环切换显示查看。

本实施例中包括三类输出单元，分别为RS485通讯单元、4～20mA输出单元及TCP/IP通信单元；其中RS485通讯单元根据Modbus协议，通过RS485通讯端口7可进行设备地址、通道数、时间校时、SD卡历史数据存储间隔时间、通道跟随等基本设置，程序版本号查询、数据标定和继电器状态查询及各通道荧光光纤温度数据通信请求等操作。其中4～20mA输出单元，将实时温度数据转换成电流信号，通过4～20mA输出端口10输出(如图3所示)，以供进行对产品二次开发。其中TCP/IP通信单元可将HQ-E116温控仪作为服务端或客户端。当用于服务端时，通过以太网通讯端口12可设置是否启用服务端、端口号、设备IP地址，然后根据Modbus协议通过以太网对客户端进行数据通信(一个服务器可连接多个客户端)。当用于客户端时，可设置是否启用客户端、端口号、服务器IP地址，然后根据Modbus协议通过以太网对服务器进行数据通信(一个客户端只能连接一个服务器)。

本实施例存储单元将所有通道的荧光光纤温度数据、PD、UV以文档形式定时按照规定格式存储到SD卡中(如图2所示)，以便后期工作人员导出到Excel生成温度曲线图查看，同时还具有SD卡使用率的自动检测，当SD卡使用率达到90％时，会自动删除最早数据，存储最新数据。

本实施例还可以包括USB通讯端口13，当需要进行历史数据拷贝时，在U盘中创建一个data文件夹，插入设备的USB通讯端口(如图4所示)，即可自动拷贝SD卡中所有历史数据；当需要更新固件程序时，将新的固件程序存放于U盘中，插入设备的USB通讯端口，即可自动更新固件程序，并重新启动固件程序。

本实施例CPU中存储储存应用程序，该程序运行时，实现以下步骤：

步骤1、初始化；

步骤2、采集经光电转换单元转换后的温度数字信号；

步骤3、校验温度数字信号的数据长度、功能码及CRC是否正确，若是，则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、对温度数字信号进行解析及处理，获得待测点的实时温度；

步骤5、对步骤4获得的待测点的实时温度进行存储、显示及输出；

步骤6、判断当前通道内待测点的实时温度值是否达到设定的温度阈值，当达到设定的温度阈值时，接入该通道内的继电器工作，通过继电器控制端口8输出控制信号，控制外接装置；

步骤7、判断是否已完成所有待测点的实时温度，若是，则结束，否则，重复步骤2至步骤6。

步骤4之后还包括以下步骤：

按键检测、USB检测、存储单元检测、RS485通讯单元检测及TCP/IP通信单元检测；

按键检测包括以下步骤：判断是否正在进行按键操作，若是，根据按键响应及显示单元的显示判断是否修改设置信息，若是，则修改设置信息；

USB检测包括以下步骤：判断是否接入外部存储设备，若是，如果存储设备中存在固件程序，则进行程序更新及程序重启；如果存储设备中存在data文件夹，则从数据存储单元中拷贝数据；如果两者都有，则只进行程序更新；

存储单元检测包括以下步骤：当存储单元使用率达到设定值时，自动删除最早数据，存储最新数据；

RS485通讯单元检测包括以下步骤：当检测到RS485接收端接收到来自外部数据通信请求，及时做出相应的通信响应；

TCP/IP通信单元检测包括以下步骤：在以太网连接畅通的情况下，当作为服务端，随时监听是否有外部客户端的请求连接，若有，则进行连接和响应客户端的温度数据通信请求；当作为客户端，随时请求连接外部服务器，如果连接成功，则等待服务端的温度数据通信请求后进行响应。

本发明HQ-E116温控仪各功能之间相互相辅相成，同步进行，使HQ-E116温控仪具有精度高、效率高、操作简单等优点，及安全、长期、可靠、稳定、实用等多功能性，更加适用于市场需求。

Claims (11)

1.一种荧光光纤温控仪，其特征在于：包括箱体(1)，位于箱体面板上的按键(3)、n个显示单元(2)与n个荧光光纤探头(14)，位于箱体内部的CPU、存储单元、输出单元、继电器单元及n个光电转换单元；其中n大于等于1；

每个荧光光纤探头(14)的一端用于与伸入至绕组内部的荧光光纤连接，另一端与光电转换单元的输入端连接；所述光电转换单元用于将荧光光纤探头输出的光信号转换为温度数字信号，其输出端与CPU输入端连接；CPU输出端分别与输出单元、显示单元(2)、存储单元及继电器单元连接；

每一个荧光光纤探头、光电转化单元及CPU输出端构成一个通道，共包括n个通道；所述显示单元(2)用于显示每个通道的状态及每个通道输出的温度数据；

所述按键(3)用于设置继电器单元中的继电器与各通道选通，并设置各通道的温度阈值及温度模式；

所述CPU中储存应用程序，该程序运行时，实现以下步骤：

步骤1、初始化；

步骤2、采集经光电转换单元转换后的温度数字信号；

步骤3、校验温度数字信号的数据长度、功能码及CRC是否正确，若是，则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、对温度数字信号进行解析及处理，获得待测点的实时温度；

步骤5、对步骤4获得的待测点的实时温度进行存储、显示及输出；

步骤6、判断当前通道内待测点的实时温度值是否达到设定的温度阈值，当达到设定的温度阈值时，接入该通道内的继电器工作，输出控制信号，控制外接装置；

步骤7、判断是否已完成所有待测点的实时温度，若是，则结束，否则，重复步骤2至步骤6。

2.根据权利要求1所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：所述输出单元包括RS485通讯单元；

所述RS485通讯单元用于通过RS485通讯端口(7)，接收外部命令请求，实现温度数据通信。

3.根据权利要求2所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：所述输出单元还包括4～20MA输出单元；

所述4～20MA输出单元将待测点的实时温度数据转换成电流信号，通过4～20MA输出端口(10)输出。

4.根据权利要求3所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：所述输出单元还包括TCP/IP通信单元；

所述TCP/IP通信单元用于外部客户端或服务端基于Modbus协议，通过以太网通讯端口(12)进行温度数据通信。

5.根据权利要求4所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：还包括USB通讯端口(13)，用于接入外部储存设备拷贝存储单元中所有历史数据或更新程序。

6.根据权利要求5所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：步骤4之后还包括以下步骤：

按键检测、USB检测、存储单元检测、RS485通讯单元检测及TCP/IP通信单元检测；

所述按键检测包括以下步骤：判断是否正在进行按键操作，若是，根据按键响应及显示单元的显示判断是否修改设置信息，若否，则修改设置信息；

所述USB检测包括以下步骤：判断是否接入外部存储设备，若是，如果存储设备中存在固件程序，则进行程序更新及程序重启；如果存储设备中存在data文件夹，则从数据存储单元中拷贝数据；如果两者都有，则只进行程序更新；

所述存储单元检测包括以下步骤：当存储单元使用率达到设定值时，自动删除最早数据，存储最新数据；

所述RS485通讯单元检测包括以下步骤：当检测到RS485接收端接收到来自外部数据通信请求，及时做出相应的通信响应；

所述TCP/IP通信单元检测包括以下步骤：在以太网连接畅通的情况下，当作为服务端，随时监听是否有外部客户端的请求连接，若有，则进行连接和响应客户端的温度数据通信请求；当作为客户端，随时请求连接外部服务器，如果连接成功，则等待服务端的温度数据通信请求后进行响应。

7.根据权利要求6所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：所述设定值为90％。

8.根据权利要求1所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：所述显示单元为数码管，进行温度数据轮询显示。

9.根据权利要求1所述的荧光光纤温控仪，其特征在于：步骤4中，遵守RTU通讯协议，将温度数字信号进行数据解析及处理，获得待测点的实时温度。

10.一种权利要求1所述的荧光光纤温控仪的控温方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、初始化；

步骤2、采集经光电转换单元转换后的温度数字信号；

步骤3、校验温度数字信号的数据长度、功能码及CRC是否正确，若是，则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、对温度数字信号进行解析及处理获得待测点的实时温度；

步骤5、对步骤4获得的待测点的实时温度进行存储、显示及输出；

步骤6、判断待测点的实时温度值是否大于设定阈值，当大于设定阈值时，继电器单元工作，输出控制信号，控制外接装置；

步骤7、判断是否已完成所有待测点的实时温度，若是，则结束，否则，重复步骤2至步骤6。

11.根据权利要求10所述的荧光光纤温控仪的控温方法，其特征在于，步骤4之后还包括以下步骤：

按键检测、USB检测、存储单元检测、RS485通讯单元检测及TCP/IP通信单元检测；

所述按键检测包括以下步骤：判断是否正在进行按键操作，若是，根据按键响应及数码管显示判断是否修改设置信息，若是，则修改设置信息；

所述USB检测包括以下步骤：判断是否接入外部存储设备，若是，如果存储设备中存在固件程序，则进行程序更新及程序重启；如果存储设备中存在data文件夹，则从数据存储单元中拷贝数据；如果两者都有，则只进行程序更新；

所述存储单元检测包括以下步骤：当存储单元使用率达到90％时，自动删除最早数据，存储最新数据；

所述RS485通讯单元检测包括以下步骤：当检测到RS485接收端接收到来自外部数据通信请求，及时做出相应的通信响应；

所述TCP/IP通信单元检测包括以下步骤：在以太网连接畅通的情况下，当作为服务端，随时监听是否有外部客户端的请求连接，若有，则进行连接和响应客户端的温度数据通信请求；当作为客户端，随时请求连接外部服务器，如果连接成功，则等待服务端的温度数据通信请求后进行响应。

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