无源无线温度传感器（通用4篇）
无源无线温度传感器 篇1
随着RFID技术在冷链跟踪、仓储、运输及智能监控领域的应用日益加强,集成在RFID标签芯片内的低压、低功耗的温度传感器技术得到了更多的研究和关注。传统的温度传感器电路因为需要较高的工作电压、较大的功耗电流和较长的A/D转换时间,很难应用于无源RFID标签,参考文献[1,2,3,4,5]提出了许多温度传感器的新设计方法,虽然对上面三个问题的某些方面有所改进,但无法实现三个问题的全面突破,因此在实际的无源RFID应用中,需要以牺牲标签芯片的灵敏度、缩小读标签距离或降低读标签的效率为代价。
本文提出了一个低压低功耗并可进行快速A/D转换的数字温度传感器电路,使电路在1 V以上就可工作,功耗电流很小,可用于无源RFID标签而不降低标签的灵敏度。在详细阐述电路方案的结构和工作原理后,进行了电路的温度测量误差分析,指出引起温度测量误差的主要原因及相应的解决方法,最后依照电路的结构方案设计了一个温度测量范围为60℃～123℃的温度传感器电路并进行Spectre仿真和流片测试。测试结果与理论分析相符,验证了理论分析的正确性。
1 本文提出的温度传感器电路
1.1 温度传感器工作原理
本文提出的温度传感器电路方案如图1所示。利用负温度系数的电压Vbe和正温度系数的电流IPTAT以及逐次逼近ADC[6](Successive Approximation Register A/D Convertor,简称SAR ADC)结构,避免使用带隙基准电压电路,可以在较低的电源电压下工作,具有较快的A/D转换时间和较低的功耗,并且工作电压与无源RFID标签的电压相适应。
图1中,SAR ADC包含比较器、SAR控制逻辑电路和D/A转换器。集电极电流IC经过BJT晶体管产生负温度系数电压Vbe,ITPAT电流经过D/A转换器的电阻网络产生与数字信号相关的电压VP,通过比较器把Vbe和VP的比较结果送到ADC的逻辑控制电路。通过一个SAR ADC电路把电压Vbe转换成对应的数字信号输出。
Vbe相对于绝对温度有一个近似的线性关系[7],因此Vbe可表示为:
其中,K1是Vbe的温度系数,K1≈1.5 mV/℃～2 mV/℃,T是绝对温度,t是环境温度,t0是温度测量范围内的最低温度,Vbe0是Vbe在温度为t0时的值。
同理,电流IPTAT的表达式为:
其中,I0是IPTAT电流在最低工作温度点t0时的电流值,K2是IPTAT电流的温度系数。
图1的6 bit D/A转换电路中包含1个偏移电阻RS和6个2n加权电阻,相邻加权电阻的阻值有2倍的关系。数字信号d5～d0控制6个开关管的导通和截止,当数字信号为高电平时,相应的开关管导通,相应的加权电阻就被短接;当数字信号为低电平时,相应的开关管截止,相应的加权电阻就被串联接入,因此总的电阻值就是这些被串联接入的电阻的阻值总和,即电阻网络的总电阻R可表示为:
其中,,r为R6的阻值。
R0是在t=t0时R的初始值,此时d5～d0都为0。N是数据d5～d0的十进制数值。则D/A的输出电压Vp可表示为:
其中,Vp0=R0I0。电路的初始条件为当t=t0时,N=0,Vbeo=Vp0。D/A转换器的输出电压Vp与输入的数字信号成负系数的线性关系。
通过比较器,将Vbe和Vp进行比较,并把比较结果VC送回给SAR寄存器。因此,当Vbe=Vp时,有:
对式(5)在t=t0附近进行泰勒级数展开,可得:
其中,,Kn为A/D转换器的温度转换系数。因此,ADC的数值与温度成正比例线性关系。
图1中的SAR控制逻辑按参考文献[6]的逻辑由Verilog编程实现。SAR ADC完成一次转换所需的时间与其位数和时钟脉冲频率有关,位数愈少,时钟频率愈高,转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度较快、精度高的特点。
1.2 温度测量误差分析
温度测量误差主要由图1中的模拟电路产生,Vbe、IPTAT电流的非线性、D/A转换器的开关导通电阻、A/D转换的非线性、比较器的失调以及工艺的偏差等因素都会对温度的测量产生影响。
D/A转换器的开关通常由MOS晶体管来实现,MOS晶体管导通时的导通电阻大约有几十到几百欧姆,尤其在所有的开关都导通时,相当于所有的导通电阻串联,会产生较大的温度测量误差,因此需要尽可能减小开关的导通电阻。
由式(6)可知,在t=t0附近,测量的温度值与实际的温度存在近似线性关系;在温度偏离t0后,由式(5)可知,温度的测量值与温度并不是严格的线性关系,实际的温度偏离t0越大,温度测量误差越大,把这种误差定义为A/D转换的非线性。因此,在一定的温度测量范围内,温度测量值是对温度非线性曲线的拟合,它限制了传感器的温度测量范围。温度测量拟合曲线如图2所示,在温度测量范围的中间有正的温度测量误差,但是在两端有负的温度测量误差。
2 温度传感器电路设计
依照图1的工作原理,设计了一个温度测量范围为60℃～123℃、温度分辨率为1℃、数据位数为6 bit的低压、低功耗数字温度传感器。所设计的温度传感器的模拟电路如图3所示。电路包含左边的偏置电路、中间的D/A转换电路和右边的比较器电路。偏置电路产生IPTAT电流、Vbe电压,并为无源RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。M14、M25、M26和M29是温度传感器电路的使能控制开关,当完成温度测量后,控制信号EN变为高电平,温度传感器的D/A转换电路和比较器电路进入睡眠状态,可节省芯片的功耗电流,而偏置电路仍处于工作状态,能继续为RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。
3 温度传感器的仿真和测试结果
基于TSMC CMOS 0.18μm的工艺设计了温度传感器的电路版图并流片,其模拟电路的版图如图4所示。版图的面积为190μm×127μm。
用Cadence Spectre进行电路的性能仿真,并测试流片后的芯片。芯片的温度测试方法:随机抽取10个样片,在90℃进行单点校正,然后在60℃～120℃范围内,每隔10℃进行一次温度测量,记录温度测量值,最后计算出在各温度测量点的平均温度误差。电路仿真和芯片测量的平均温度误差如图5所示。电路仿真的温度误差为±1℃,芯片测量的温度误差为±2℃,在各个温度测量点的平均测量误差小于±1.5℃。温度测量误差曲线大致呈抛物线的形状,在温度测量范围的两头呈现负的温度测量误差,而在中间部位有正的温度测量误差,测试结果与图2所示的温度误差的理论分析相一致。
图6是在温度为80℃时电路的功耗电流随电源电压变化的仿真结果。在电源电压VDD高于1 V后,电路的总电流趋于稳定,电路能稳定工作,因此电路的工作电压可低至1 V,与目前的无源超高频RFID标签的工作电压相适应。电路总功耗电流大约为4μA,其中DAC的电流小大约为1.5μA,比较器的电流大约为0.5μA,因此ADC部分的功耗电流为2μA,偏置电路的电流也约为2μA。RFID标签芯片中,可重用该偏置电路,因此只需增加DAC和比较器电路,大约增加2μA的电流就可实现温度传感器的功能。最后,使用80 kHz的时钟信号,温度测量时间大约为90μs。
本文提出了一种避免使用带隙基准电压的数字温度传感器电路,不仅使电路的工作电压可低至1 V,还缩短了温度测量时间,可用于无源RFID标签。在不提高RFID标签芯片的工作电压的情况下,大约只需增加2μA的电流就可以进行温度测量。因此合理地设计控制逻辑,就可以在不降低无源RFID标签芯片灵敏度的同时实现温度检测功能。本文提出的温度传感器电路方案解决了无源RFID温度检测标签芯片的低电压、低功耗、快速A/D转换三大难题,为温度传感器在无源RFID标签领域的应用和研究提供了参考和帮助。
参考文献
[1]BAKKER J,HUIJSING H.CMOS smart temperature sensoran overview[C].Proceedings of IEEE Sensors,2002(2):1423-1427.
[2]Xu Conghui,Gao Peijun,Che Wenyi,et al.An ultra-low-power CMOS temperature sensor for RFID applications[J].Journal of Semiconductors,2009,30(4):045003-1-4.
[3]Yin Jun,Yi Jun,LAW M K,et al.A system-on-chip EPC Gen-2passive UHF RFID tag with embedded temperature sensor[J].IEEE J.Solid-State Circuits,2010,45(11):2404-2420.
[4]张欢,毛陆虹,王倩,等.集成于无源UHF RFID标签的新结构CMOS温度传感器[J].传感技术学报,2011,24(11):1526-1531.
[5]Zhou Shenghua,Wu Nanjian.A novel ultra low power tem-perature sensor for UHF RFID tag chip[C].IEEE Asian Solid-State Circuits Conference,Jeju,korea,2007:464-467.
[6]魏智.解析逐次逼近ADC[J].国外电子元器件,2003(2):72-74.
[7]TSIVIDS Y P.Accurate analysis of temperature effects in IC-V BE characteristics with application to bandgap refer-ence sources[J].IEEE J.Solid-State Circuits,1980,15(6):1076-1083.
无源无线温度传感器 篇2
电力设备的安全稳定是电力系统安全稳定运行的重要基础。对电力设备运行状态进行监测, 能够及时发现问题, 减少故障的发生。电力设备发热监测监控技术是在工业设备的温度监控技术上发展出来的, 主要经历了热电偶技术、固定粘贴式示温蜡片 (纸) 测温技术、非接触式远红外测温技术、光纤测温技术、有源无线测温技术以及SAW传感器无源无线测温技术等发展阶段[1]。近年来, 国外相继开发了一些基于不同检测原理的电气设备温度在线监测装置, 为满足安全可靠及实用性要求, 各国开始趋向于采用无源无线测温方式。
声表面波 (Surface Acoustic Wave, 简称SAW) 是沿物体表面传播的一种弹性波。SAW谐振型传感器主要由天线和附有反射栅、叉指转换器的压电基片组成。叉指换能器通过逆压电效应将接收到的查询电磁波转换为一定频率的声表面波 (SAW) , 声表面波被左右两个周期性反射栅条反射至叉指换能器处产生特定谐振频率的电磁波, 并通过天线向外输出[2]。
目前, 无线无源测温系统已有许多研究成果。文献[3-4]研究了SAW传感器的设计;文献[5]研究了温度采集器的设计;在从测温网关向监控中心传输数据方式的研究方面, 文献[6]采用无源透明的EPON网络组建环网柜无源无线测温管理系统, 文献[7]采用RS485实现本地传输, 以太网实现数据远程传输。
本文给出了设计方案, 介绍了无线无源测温系统的总体架构, 重点介绍了能够汇集并上传温度信息的测温网关硬件设计以及温度监测系统的软件设计。本方案的一个突出特点是测温网关可以将数据通过以太网、RS485或GPRS等多种方式上传到监控系统, 可根据实际情况进行配置。
1 测温系统架构及硬件设计
1.1 测温系统工作原理
基于SAW传感器的无线无源测温系统由监测管理主站及软件、温度监测集中器 (网关) 、测温采集器、SAW温度传感器等部分构成。系统的工作原理是SAW传感器测量各触点温度, 采集器完成对传感器测量的温度信息的收发和管理, 一个采集器可接收6个SAW传感器的温度信息。同一区域 (如一个变电站) 内多个开关柜通过采集器之间组成CAN总线网络或RS485组网进行数据的本地传输, 再由测温网关统一进行本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。测温网关可以通过以太网、GPRS或RS485按照指定的标准规约传入监控中心, 实现远程在线温度监测、分析以及预警。监测系统总体架构如图1所示。
采集器从SAW传感器获取温度信息的过程是:采集器间歇地发射一定频率的正弦信号, 传感器接收到采集器发出的信号, 当传感器的谐振频率与激励信号频率相同时, 输出响应信号功率最大。此时, 响应信号是一个指数衰减的振荡信号, 振荡频率即谐振频率。采集器接收到这个信号并进行处理, 分析谐振频率, 计算出对应的温度并发送回温度监测集中器[8]。
测温网关主要负责传感器/采集器档案管理、参数设定、温度数据的存储, 并提供与自动化系统或测温平台的数据接口。测温网关将采集器上的温度数据读入之后, 首先通过自身的储存模块将温度信号保存下来, 然后通过外部接口将数据传送至上位机系统中, 与上位机系统的通讯接口主要包括以太网、RS485接口或GPRS接口, 通讯协议采用103/61850/Modbus等标准规约通信, 也可通过自定义规约进行通讯。
1.2 测温网关设计
网关的硬件系统由7大部分组成, 分别为主控单元、GPRS通信单元、以太网通信单元、2路RS485通信接口、1路调试RS232接口、1路CAN通信接口和电源单元 (GPRS和以太网设计成选配单元, 可根据不同的需求配不同的功能模块) 。主控单元是整个通信模块的主控中心, 由一块ARM芯片组成, 主要用于以太网协议栈的解析和参数的配置。GPRS通信单元通过GPRS模块和移动运营商的GPRS网络实现远程数据的采集。以太网通信电源采用工业级的以太网通信模块和主站进行数据通信。一路RS485用于和主站或其他设备通信, 另一路RS485主要和测温采集器通信。RS232通信接口设计成USB口, 主要用于参数设置和后续的串口升级。CAN通信接口主要用于和测温采集器通信。图2是网关硬件结构框图。
1.3 硬件设备安装
测温系统的硬件设备主要包括温度传感器、温度采集器及其天线和测温网关。安装时, 应根据现场实际情况制定安装方案。温度传感器是直接安装在被测物体表面的接触式测温元件, 采集器与传感器配套使用。传感器与采集器距离应该在有效测量范围内, 一般不超过5 m, 以避免信号衰减导致测量误差。
对于开关柜测温, 将测温系统安装在断路器上, 每个断路器各一套测温系统。传感器安装在断路器上下端触臂上, 采集器天线安装在开关柜断路器手车室, 通讯装置箱安装在开关柜仪表室。图3是断路器上下端触臂上传感器安装情况。
对于变压器测温, 基于对变压器的高压侧电流较小、发热不明显、安装难度高和远距离无线信号稳定性等方面的考虑, 测温系统只安装在变压器低压侧。传感器安装在变压器低压侧与离相封闭母线软连接处, 采集器天线安装在离相封闭母线外壳上, 通讯装置箱安装在变压器本身上。
2 温度监测系统软件设计
温度监测管理系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备运行状态监视、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。根据实际情况, 这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在 (将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统) , 也可以单独作为一套环网柜温度监测的主站系统。各类运行管理人员可通过远程访问及时准确地监控开关柜温度情况。
本系统采用分布式多层结构, 软件架构由上至下分为表现层、服务层、数据层, 其结构图如图4所示。表现层即面向用户的层级, 实现人机交互功能, 以前端页面展示为表现形式, 用户通过浏览器登录系统, 查看设备的实时温度, 设定用户权限, 设定报警条件和报警推送功能等。服务层程序架设在服务器上, 对数据中的实时温度数据进行分析处理, 经过处理之后保存到数据库, 接收表现层的请求并给予响应。数据层接收测温设备测量的数据, 存储在数据库中。
系统设计的整体流程图如图5所示。
传感器测量的温度经采集器和网关上传到服务器, 保存在数据层的数据库中。服务层程序对数据进行处理分析, 将实时数据在表现层前端页面进行展示。如果温度异常, 就会进行报警, 并分析温度异常的原因, 向手机发送报警消息。本系统具有以下特点:
(1) 多种温度监测方式。用户可以设定时间区间、指定监控对象进行历史温度信息的查询。
(2) 完备的告警机制。温度的绝对值或温度的变化率超过上限, 系统为运行管理人员提供声音、光电、短信等多种方式的告警信息。
(3) 丰富的数据展现。在监控对象上, 可以选定一个开关柜的一组传感器或一个区域的多个开关柜温度信息进行监控。对于历史温度信息, 系统提供列表、曲线等多种展现方式。
(4) 完善的系统参数设置。管理温度监测相关设备档案。指定开关柜或一个具体的温度传感器进行参数的远程下发, 包括传感器温度校准、各类预警值、时间、温度采集频率、传感器发射功率、信号接收门限等。
本系统能够对测温数据进行深入分析, 得出温度异常原因, 并进行预测。具体分析方法如下:
(1) 高温原因分析。根据载流量的增大测量温度会持续走高, 当温度超过预设范围后, 进行两种原因判定。载流量过大:出线高温预警后, 根据历史温度变化趋势判定, 定时读取中国天气网对测温区域的温度数据。统计当前测量点与环境的历史温度差异, 根据每日平均温差形成温差走势, 如果温差不呈上升趋势, 则判定为载流量过大。设备老化或者接触不良:判定原理同上, 判断条件为温差呈上升趋势时, 判定设备老化或者接触不良。
(2) 温度预测分析。根据已有的温度数据及其变化规律, 按照既定的预测算法为用户提供温度预测结果, 并将预测值与预警值进行比较, 发现有异常的可能时发送温度告警信息。
(3) 对设备老化情况进行分析。以整点采集的温度和实时天气温度做差值, 将一天的所有差值取平均, 以月为分析单位, 将一个月内的所有日平均差值再取平均统计出月平均差值。平均温差作为衡量设备老化水平的分析依据, 当差值不断增大时, 预测为设备状况不佳, 可能存在老化现象。
(4) 对薄弱环节进行检测。薄弱点分析采用同级比较的方法, 根据普遍运行状况筛选出特殊运行状况。以用电高峰期作为时间节点, 统计用电高峰时段测量点温度增长情况, 将同级别的每个测量点在本时段的温度差值记录下来, 并计算出所有测量点温差平均值, 然后将超过温差平均值的测量点按照差值大小进行排名;以月为统计单位, 统计超过平均温差排在前三名之内的次数, 按照次数多少来排列薄弱点。
3 设计方案的实现
下面给出了测温系统安装后温度监测软件的运行情况。图6是采集器视图界面, 能够显示该采集器下所有传感器的温度情况。根据温度信息, 运行人员能够及时掌握设备的运行状况。如果出现温度异常, 系统会发出告警信息, 保障运行人员能及时发现问题并进行处理。
图7是传感器视图界面, 能够显示该传感器在一定时段内的温度曲线。该曲线能够反映温度变化趋势, 运行人员可以通过曲线及时发现设备老化等问题。
4 结语
今后对电力设备安全稳定的要求必然越来越高, 对设备温度进行监测, 能够及时发现异常情况, 减少设备故障。基于SAW传感器的无线无源测温系统安装灵活方便、运行可靠, 有广阔的发展前景。本文给出了无线无源测温系统的硬件、软件设计方案, 并应用在断路器触头温度监测上。由温度监测系统软件运行情况可知, 该系统能及时有效地监测传感器安装处的温度, 实现准确测温、及时告警的功能。当然, 无线无源测温设备还存在成本较高的问题, 值得深入研究。
参考文献
[1]邓世杰.中置式开关柜的无线测温方法[J].高压电器, 2010, 46 (11) :99-102.
[2]李平, 文玉梅, 黄尚廉.声表面波谐振器型无源无线温度传感器[J].仪器仪表学报, 2003, 24 (4) :403-405.
[3]卢小荣.无源无线声表面波温度传感器及应用方案设计[D].武汉:武汉邮电科学研究院, 2012.
[4]王磊, 刘文, 卢小荣.面向电网应用的SAW温度传感器设计[J].压电与声光, 2012, 34 (6) :817-819.
[5]宿元斌, 宿筱, 何建廷.高压开关柜无源无线温度监测系统的研究[J].制造业自动化, 2013, 35 (3) :32-35.
[6]霍富强, 雷振锋, 路进升.环网柜无源无线测温管理系统设计[J].科学技术与工程, 2013, 13 (25) :7516-7520.
[7]覃奇, 陈金, 鄢芬, 等.嵌入式协议转换器在无源无线测温系统中的应用[J].电气技术, 2012 (12) :53-56, 62.
无源无线温度传感器 篇3
1 传感器基本原理
1.1 湿度敏感原理
基于氧化铝陶瓷无线无源湿度传感器采用聚酰亚胺薄膜作为湿敏材料。聚酰亚胺在-200~260℃的范围内具有稳定的化学性能、物理性能及介电性能;同时具有耐高温、耐辐射、耐磨、尺寸稳定、易于改性等特点。聚酰亚胺的介电常数约为2.9左右,蒸馏水的介电常数约为76.7,当环境中水分子的浓度发生改变时,聚酰亚胺薄膜吸附的水分子量变化,导致其介电常数改变。当聚酰亚胺吸收水分子后,根据Looyenga关系式[16],可得到聚酰亚胺和水组成的复合体系的介电常数表达公式。
式(1)中,ν是复合体中水的体积百分比,ε1是聚酰亚胺的介电常数(ε1=2.93),ε2是水的介电常数(ε2=76.7),它是一个与温度有关的物理量,如式(2)[8]
由以上公式可以计算出在不同温度范围内复合体系的介电常数。随着环境中湿度的变化,叉指电容值会相应的变化,其计算公式[17]表示如下
式(3)中,Wgap为叉指电极间距,n为叉指电极总数,l为叉指电极长度,ε为复合物(感湿层吸收水分后的混合物)的介电常数,hfinger为叉指电极厚度。从而,根据式(1)和式(3),可以得到湿度传感器的电容值(图1)。
1.2 信号读取原理
该传感器的等效电路模型可以简化为电容Cs、电阻Rs、电感Ls组成的串联回路。传感器谐振频率f可表示为
式中,Q表示传感器的品质因子。为了和湿度传感器进行无线耦合,需要一个带有读取天线的测试电路,其等效电路如图2所示。当读取天线发射扫频信号时,当扫频信号的某一频率和传感器谐振频率相等时,传感器电路发生谐振,天线的阻抗信号(包括实部、虚部、振幅、相位)将会发生变化。通过提取天线的阻抗信号就能获取传感器的谐振频率值。
2 传感器的制备
传感器制备过程主要分为四步,首先采用丝网印刷技术在氧化铝陶瓷上用无铅铝浆印刷设计好的电感线圈和叉指电容图形;然后在高温炉中对印刷好的图形按照烧结曲线进行烧结;接着利用匀胶机在叉指电容和电感线圈表面旋涂一层均匀的聚酰亚胺薄膜;最后在氮气气氛中对聚酰亚胺薄膜层进行亚胺化处理。具体的制备流程如图3所示。
3 测试及结果分析
图4为搭建的湿度传感器测试平台。该平台由密封箱、加湿器、湿度记录仪、电脑和网络分析仪组成。加湿器、传感器、天线和湿度记录仪放置在密封箱内,电脑与湿度记录仪相连,实时监测温度和湿度的变化。天线放置在湿度传感器正上方10 mm处,并且与外界的网络分析仪相连。
用HFSS仿真得出传感器的谐振频率为114MHz,测得湿度传感器实际的谐振频率为113.712 1MHz,两者结果基本吻合,说明了设计的可行性。图5所示为湿度传感器的谐振频率随着湿度变大而呈线性减小。图6为传感器谐振频率和湿度线性拟合的曲线,当湿度从50%RH变化到88%RH的时候,传感器谐振频率从113.712 1 MHz变化到92.311 5MHz,灵敏度为0.545 MHz/%RH。
同时,研究了温度对湿度传感器谐振频率的影响,如图7所示,从图中可以看出当温度从30℃变化到160℃的时候,谐振频率大约变化了1.2 MHz左右。在搭建的湿度测试平台进行测试时,当湿度从50%RH变化到88%RH时,温度从30℃变化到33℃,也就是说,温度对湿度传感器的谐振频率影响很小,可忽略不计。
4 结论
高压开关柜无线温度传感器设计 篇4
因此, 急需一种能实时监测高压开关柜内各类设备、触头和节点的温度预警系统, 在高温事故发生前能发出预警信号, 通知变电站运维人员采取紧急措施, 避免电气火灾的发生。 温度预警系统中温度传感器又是重中之重, 本文设计了一款低功耗的无线温度传感器, 能将采集到的温度通过2.4G无线网络发送给无线接收模块。
1 硬件设计
1.1 常用的开关柜节点测温方法
(1) 柜内红外线离线测温: 红外测温为非接触式测温, 但极易受环境灰尘影响, 因为高压设备一般积灰较多, 当红外测温探头被灰尘遮盖后, 温度测量值急剧变化, 常常正常的温度突然显示几百度, 从而误报警。
(2) 红外热像仪测温:无法监测到柜内的关键节点温度, 只能测量露在柜子外面的节点温度。
(3) 光纤测温:采用光纤传输温度信号, 具有优异的绝缘性能, 能够隔离开关柜内的高压, 可直接安装到开关柜内的高压触点上, 准确测量高压触点的运行温度。 然而, 光纤表面可能受到污染, 将导致光纤沿面放电, 这使得光纤测温系统用于室外开关设备测温时受到限制。
1.2 无线测温的优点
无线测温采用无线信号传输, 传感器直接安装在设备上, 温度测量准确, 解决了电气绝缘的问题, 且不受环境影响, 可以测量室内外任何高压带电设备的温度。
1.3 无线温度传感器电路设计
传感器电路组成框图如图1 所示。
(1) 单片机选用microchip低功耗单片机pic16f913, 该处理器内部采用高精度振荡器、宽工作电压范围 (2.0~5.5V) 、工业级的温度范围、高耐用性闪存。 使用纳瓦技术, 待机电流小于100m A (当电压为2.0V时) , 看门狗定时器电流为1u A (当电压为2.0V时) 。
(2) 温度传感器采用美国AD公司的新产品TMP36, 是一款工作电压低、精度高的温度传感器, 其测量温度范围为-40~125℃, 在0℃时输出0.5V, 25℃时输出750m V;静态电流小于50u A, 关闭状态时功耗仅0.5u A;在整个测温范围内, 其精度为±1℃, 线性度±0.5℃。
(3) 2.4G无线通信模块选用微型NRF24L01+无线模块。该模块选用NORDIC公司的NRF24L01+芯片, 有如下特点:低工作电压1.9~3.6V;具有125 个频点, 可实现跳频通信;可工作在发送、接收、停机、待机、掉电等5 种模式。 模块的工作参考数据如表1 所示。
数据包有2 种处理方式:Shock Busrt和增强型Shock Burst模式。 Shock Busrt模式下, MCU通过SPI接口与NRF24L01+通信, 当接收到数据包时, NRF24L01+拉低IRQ引脚, MCU通过中断或查询该引脚从RX FIFO中读出数据, 发送数据结束后拉低IRQ通知MCU。 增强型Shock Burst模式下数据发送方要求接收方接收到数据后发一个应答信号, 以便发送方检查接收方是否收到数据, 如查到接收方没有收到数据, 则重新发送数据包。 此种重发机制完全由芯片自行完成, 不需MCU参与。
(4) 参考电压。 电路中采用TI公司的TL431 产生2.5V参考电压, 来作为AD采样的基准电压。 TL431 是一款具有良好热稳定性能的可控精密稳压源, 工作温度范围为-40~85℃, 误差为±0.4% (25℃) 。
(5) 低功耗控制。 在MCU处于休眠状态时, 关断NRF24L01+模块及TMP36 的电源, 由PIC16F913 的RC6引脚输出高电平, 使Q1 (AO3401) 的G极为高电平, VDD失电。 正常的温度采集状态时RC6 输出低电平, Q1 导通, VDD得电。
1.4 无线温度传感器
无线温度传感器尺寸为22mm×14mm×17mm (长×宽×高) , 感温铜片紧帖传感器TMP36。
1.5 电池
选用锂亚高能量电池ER17335, 标称容量为1900m Ah, 开路电压为3.6V, 工作温度为-55℃~85℃ , 尺寸为:￠17mm×33.5mm。
2 软件设计
软件系统依靠8 位单片机PIC16F913 来实现温度采集与无线发送功能, 具体有以下3 个方面的功能:
2.1 写码
为每一个无线温度传感器分配5 个字节的无线通信网络地址以及1 字节的自身地址, 只有具有相同网络地址的NRF24L01+芯片之间才能通信。 写码时将PCB板上的写码跳线与GND网络短接, 重新给传感器上电, 使程序进入到写码流程, 这时上位机通过串口对传感器写入地址码。 写码通信规约如表2 所示, 表2 中校验和为从包头到自身地址的所有字节之和。
2.2 温度采集与无线传输
使用PIC16F913 的第0 通道AD转换器来采集TMP36 的输出电压, 具体算法是:连续采样10 次, 去掉最大和最小值, 再求和后求平均值, 再通过公式 (1) 换算成实际的温度值t。
t为小数, 为了数据发送方便, 将t乘以10 得到整数, 即t的精度为0.1, 在后续的仪表中再换算过来。
无线发送策略:模块每次上电初始时都传输温度值, 以后每次定时休眠被唤醒后, 都采集温度值, 并与上次的温度值作比较, 如差值的绝对值大于3℃, 将温度值立即无线发射出去, 供无线接收模块接收, 否则正常状态下每5 次采集发送一次温度数据。无线温度数据传输通信规约如表3 所示, 其中校验和为数据包前5 字节之和。
2.3 低功耗控制
除了使用前面介绍的使用无线传输决策来控制无线发送次数外, 系统还采用定时休眠来降低功耗。PIC16F913 的休眠模式可以提供一种电流消耗很低的工作方式, 休眠中的单片机可通过中断或看门狗定时器唤醒。 WDT以标称的16ms作为其工作时基, 通过设置看门狗定时器控制寄存器WDTCON来实现不同的定时时间, 本软件系统中将看门狗定时器定时时间设置为8.118s, 程序如下:
3 结束语