CN2596340Y - 基于软件补偿的红外测温传感装置 - Google Patents

基于软件补偿的红外测温传感装置 Download PDF

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荣命哲
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杨武
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Abstract

本实用新型公开了一种高压电力设备温度状态在线监测的基于软件补偿的红外测温传感装置，由红外测温传感探头、信号传输电路及信号控制电路组成。本实用新型利用软件完成传感器系统环境温度补偿、辅以软硬件抗干扰设计、系统优化配置等方法，在保证系统测量精度前提下，有效降低了在强电磁干扰环境下系统的成本，为高压电力设备温升状态在线监测在全国的推广创造了良好的条件。

Description

基于软件补偿的红外测温传感装置
一.技术领域
本实用新型涉及一种传感器，进一步涉及一种高压电力设备温度状态在线监测的基于软件补偿的红外测温传感装置。
二.背景技术
目前，高压电力设备的温度检测采用的测温方法有接触式和非接触式两种，由于高压系统的带电部分处于高电位，接触式测温在高压隔离上存在很大困难。现有的接触式测温方法多采用红外调制发射技术或光纤传导。但这种方式结构复杂，成本高昂。如ABB公司研制的‘Safe Guard’装置，采用石英晶体声表面波元件作为温度敏感元件，将其粘贴在待测部位，由其组成的振荡回路输出与温度有关的频率信号，采用红外调制发射技术，将高电位处温度值发送到低电位处的红外接受器上。扬州工学院采用不导电的石英晶体传感器解决了高电压隔离问题，但是成本很贵，不可能产业化。目前的非接触式测温方法有日本电力工业研究中心通过监测由于异常接触引起电流路径改变从而导致的磁场畸变，直接判断接头处的异常接触。但是抗电磁干扰问题没有很好解决。上述各种方法，都有各自缺点，均未能在现场大面积推广。因此，降低测温系统的硬件成本、优化系统设置、提高系统的抗干扰能力，对温度在线监测系统在我国的全面推广有很重要的意义。
三.发明内容
根据上述现有技术部分存在的问题或不足，本实用新型的目的在于针对高压电力设备中的温度在线检测，提供一种降低测温传感系统的成本、优化系统的设置、提高系统在恶劣的电磁环境中的抗干扰能力的基于软件补偿的红外测温传感装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术手段是：利用软件代替硬件来进行环境温度补偿。本测温系统采用的传感器带有两路输出，一路是被测点的温度，另一路是探测器的环境温度。由于探测头输出的测温点温度信号不仅与测温点的温度有关，还跟探测器的温度有关。通过采集红外探测头输出的环境温度信号得到探测器的温度，用它来对探测头输出的测温点信号进行补偿，得到精确的测温点实际温度。我们采用二次查表法，利用得到的环境温度值对测温点得到的温度值作线性插值，得到精确的被测点实际温度值。
所采用的技术方案是：该基于软件补偿的红外测温传感装置，包括：一外壳1和外壳后盖2，其特征在于：外壳1内设置有一红外测温传感探头3和信号调理电路板5，红外测温传感探头3与信号调理电路板5相连接，外壳1内还设置有用来隔绝外界干扰热源的热辐射的热源屏蔽筒4；
所述信号调理电路板5包括：信号放大电路501、热敏电阻信号放大电路502、电压偏置电路503、有源滤波电路504；信号放大电路501和热敏电阻信号放大电路502分别与红外测温传感探头3互连，信号放大电路501将信号送入有源滤波电路504，电压偏置电路503与信号放大电路501连接；
红外测温传感探头3将被测体的红外辐射转换成电压信号，信号调理电路板5将微弱的电压信号放大、滤波后转换成频率信号输送到其装置以外的控制板上，通过精密放大器将信号放大后转换成数字信号进行传输，通过信号隔离器送入单片机进行数据处理，利用软件代替硬件来进行环境温度补偿。
本实用新型的其他一些特点是：所述热源屏蔽筒4和传感器外壳1均利用不锈钢材料加工而成，不但可以屏蔽外界热源红外辐射对传感器的影响，而且可以起到电磁屏蔽的效果，提高系统的抗强电磁干扰能力。
本实用新型从实用性的角度出发，通过采用软件环境温度补偿、硬件抗干扰和传感器外观设计。在保证测量精度的前提下，有效地降低了传感系统的成本，提高了系统在恶劣电磁环境下的抗干扰能力，实现了系统的优化配置。
四、附图说明
图1是本实用新型的圆形结构示意图；
图2是本实用新型的方形结构示意图；
图3是本实用新型的传感器原理图框图；
图4是本实用新型的传感器具体电路图，也是本实用新型的实施例；
图5是本实用新型的实施例对中压开关柜的母线温升进行在线监测的图片。
五、具体实施方式
以下通过附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
按照本实用新型的技术方案，该基于软件补偿的红外测温传感装置包括：一外壳1和外壳后盖2，其特点是：外壳1内设置有一红外测温传感探头3和信号调理电路板5，红外测温传感探头3与信号调理电路板5相连接，外壳1内还设置有用来隔绝外界干扰热源的热辐射的热源屏蔽筒4；
信号调理电路板5包括：信号放大电路501、热敏电阻信号放大电路502、电压偏置电路503、有源滤波电路504；信号放大电路501和热敏电阻信号放大电路502分别与红外测温传感探头3互连，信号放大电路501将信号送入有源滤波电路504，电压偏置电路503与信号放大电路501连接；
红外测温传感探头3将被测体的红外辐射转换成电压信号，信号调理电路板5将微弱的电压信号放大、滤波后转换成频率信号输送到其装置以外的控制板上，通过精密放大器将信号放大后转换成数字信号进行传输，通过信号隔离器送入单片机进行数据处理，利用软件代替硬件来进行环境温度补偿。
热源屏蔽筒4和传感器外壳1均利用不锈钢材料加工而成，不但可以屏蔽外界热源红外辐射对传感器的影响，而且可以起到电磁屏蔽的效果，提高系统的抗强电磁干扰能力。
温度信号的放大利用仪用放大器INA128PA，该放大器有高达10000倍的放大倍数，利用进口电位器进行增益的调节，得到合适的放大倍数。为了减小电源波动对放大器工作性能的影响，在放大器的正负电源端分别加有钽电解电容和高频独石电容组成的电源滤波电路；为了调整因器件的分散性导致的输出信号的偏差，用可调电位器实现传感器的校准；由于探测器输出电压会出现负电压，为此在本文设计中给放大器加上5V的参考电压，将电压抬升到0V以上，便于对电压信号进行V/F变换。
来自探测器的微弱电压经放大器放大后不可避免的会产生噪声，这种噪声主要表现为高频干扰电压。为了将高频干扰滤掉，本电路采用2阶巴特沃斯有源低通滤波器，其截止频率为10Hz。实验表明，该滤波器对于波形有很好的改善效果，滤波器输出比较稳定的电压。
由于本实用新型应用对象是高压电力设备，其工作温度跨度较大，所以在元器件的选择上选用低温度系数元件，电阻采用金属膜电阻，电容采用CBB聚丙烯电容。
考虑到传感器的应用对象是高压电力设备，在外壳的加工上尽量是外表光滑，外壳的厚度为1mm，以保证传感器外壳的耐用和抗电磁干扰作用。
本实用新型的特点是：
1.利用软件代替硬件来进行环境温度补偿。本测温系统采用的传感器带有两路输出，一路是被测点的温度，另一路是探测器的环境温度。由于探测头输出的测温点温度信号不仅与测温点的温度有关，还跟探测器的温度有关。通过采集红外探测头输出的环境温度信号得到探测器的温度，用它来对探测头输出的测温点信号进行补偿，得到精确的测温点实际温度。我们采用二次查表法，利用得到的环境温度值对测温点得到的温度值作线性插值，得到精确的被测点实际温度值。
2.传感器设计充分考虑了现场恶劣的电磁环境和大范围的温、湿度变化条件，并考虑到安装及加工上的方便。本传感器有两种外观，分别为圆形结构和方形结构(参见附图1和附图2)，1为传感器的外壳，2为传感器后盖，4是热源屏蔽筒，用来隔绝外界干扰热源的热辐射。
红外测温传感器利用传感探头3将被测体的红外辐射转换成电压信号，利用精密放大器INA128PA进行微弱信号的放大、LM124滤波电路进行信号的有源滤波、通过KA331(或LM331)将滤波后输出的电压信号转换成频率信号输送到装置以外的控制板上。同时，将探测器本身的热敏元件对传感器环境感应所产生的电压信号经过LM124放大后通过KA331(或LM331)转换成频率信号输送到控制板上。传感器原理图如图3所示。
传感器具体具体实施电路如图4所示，电路的原理和连接关系是，对于被测体的温度：红外测温传感探头3的管脚1′和3′输出由被测体热辐射感生的电压信号，将传感探头3的管脚1′和3′分别接到精密放大器INA128PA的管脚3和2；由于在被测体温度为0-150摄氏度内，传感探头输出的电压信号为-200uV-2mV，所以INA128PA的5脚接一个5V的基准源进行输出信号电平的抬升，保证输出电压信号在0.2V以上；为了减小电源波动对精密放大器工作性能的影响已经输出电压信号的干扰，利用钽电解电容和高频独石电容组成的电源滤波电路对精密放大器的正负电源进行滤波；为了调整因器件的分散性导致的输出信号的偏差，采用可调电位器对INA128PA的管脚1和8进行调节，实现传感器的放大倍数调节以及传感器校准；为了滤除有用信号中的高频干扰，将精密放大器INA128PA管脚6输出的电压信号输入LM124的管脚5，利用LM124和电阻、电容组成的2阶巴特沃斯有源低通滤波器进行截止频率为10Hz的滤波处理，实验表明，该滤波器对于波形有很好的改善效果，滤波器输出比较稳定的电压；滤波后稳定的电压信号从LM124的管脚7输出并送入KA331(或LM331)的管脚7，利用由KA331(或LM331)和外围电容、电阻组成的V/F转换电路，将电压信号转换成频率信号(fo)从KA331(或LM331)的管脚3输出。对于环境温度：红外测温传感探头脚内置的热敏电阻产生的电压有传感探头的2脚输出，将此信号输入LM124的管脚3，利用由LM124和外围电容、电阻组成的放大电路进行放大，放大后从LM124的管脚1输出，此电压信号经过RC滤波后送入KA331(或LM331)的管脚7，利用由KA331(或LM331)和外围电容、电阻组成的V/F转换电路，将电压信号转换成频率信号(fe)从KA331(或LM331)的管脚3输出。
本实用新型的应用实施例参见图5，利用本红外测温传感装置A对中压开关柜的母线B温升进行在线监测。其原理是利用探测器将母线B的温度信号转换成微弱的电压信号，通过精密放大器将信号放大后转换成数字信号进行传输，通过信号隔离器送入单片机进行数据处理。本实用新型的基于软件补偿的红外测温传感装置，在信号的采集、传输、处理过程中都运用了软、硬件抗干扰措施，保证了本系统在恶劣的电磁环境下能够精确地显示出母线的温升值，在出现温升故障时能及时报警。便于现场操作人员及时、准确地判断开关柜的运行状态，有效地减少开关柜温升故障带来的损失。

Claims (3)

1.一种用于高压电力设备温度状态在线监测的基于软件补偿的红外测温传感装置，包括：一外壳[1]和外壳后盖[2]，其特征在于：外壳[1]内设置有一红外测温传感探头[3]和信号调理电路板[5]，红外测温传感探头[3]与信号调理电路板[5]相连接，外壳[1]内还设置有用来隔绝外界干扰热源的热辐射的热源屏蔽筒[4]；
所述信号调理电路板[5]包括：信号放大电路[501]、热敏电阻信号放大电路[502]、电压偏置电路[503]、有源滤波电路[504]；信号放大电路[501]和热敏电阻信号放大电路[502]分别与红外测温传感探头[3]互连，信号放大电路[501]将信号送入有源滤波电路[504]，电压偏置电路[503]与信号放大电路[501]连接；
红外测温传感探头[3]将被测体的红外辐射转换成电压信号，信号调理电路板[5]将微弱的电压信号放大、滤波后转换成频率信号输送到其装置以外的控制板上，通过精密放大器将信号放大后转换成数字信号进行传输，通过信号隔离器送入单片机进行数据处理，利用软件代替硬件来进行环境温度补偿。
2.根据权利要求1所述的基于软件补偿的红外测温传感装置，其特征在于：所述热源屏蔽筒[4]和外壳[1]采用的材料是不锈钢材料，传感器的外壳[1]为圆形或方形结构，利用软件对传感器系统进行环境温度补偿。
3.根据权利要求1所述的基于软件补偿的红外测温传感装置，其特征在于：所述信号调理电路板电路采用2阶巴特沃斯有源低通滤波器，其截止频率为10Hz，元器件的选择上选用低温度系数元件，电阻采用金属膜电阻，电容采用CBB聚丙烯电容。
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