数字测温系统设计（精选7篇）
数字测温系统设计 篇1
温度是日常使用最广泛的参数之一,几乎涵盖了各种领域。对于恶劣环境下温度测量难的问题,提出了一种基于无线数据传输与一线数字式温度传感器的温度测量电路设计方案,使显示终端与温度测量探头分离,避免了测试人员置身于危险、恶劣的环境中测试温度带来的危险。
传统的温度测量,无法适用于远距离温度测量。随着无线通讯技术的发展,让它能够适应在环境比较恶劣的场合,而达到有线方式不能完成的任务。以互联网为基础,通过分布在各地的传感器感知这个世界变化。将来,温度测量也必将是组网测量,通过网络进行信息传输。无线技术与互联网技术的结合,给我们提供了很大的想象空间。通过在现场设置一个无线数据采集基点,接收各种传感器发送的数据,再通过互联网的传输,使在千里之外感知生产过程将变成一件非常容易的事情。
本文采用高度集成的射频芯片,大大简化系统的硬件和软件设计,减小了体积,提高了系统工作的可靠性,并以无线数字通讯为纽带,方便了在恶劣环境下的温度采集。
1 总体设计
数字测温系统的设计包含两个部分:一是温度测量(发射)电路,一是温度处理(接收)电路。温度测量部分由传感器、MCU、和无线发射模块构成。温度处理部分由无线接收模块、MCU、与温度显示的接口电路构成。其系统结构如图1(温度测量)、图2(温度处理)所示。
2 接口设计
2.1 温度传感器与单片机连接
图3是单片机(STC89C52RC)与温度传感器(DS1820)的连接。
图中右下方是连接信号发射模块,例如可以选择——一款无线收发装置且具有输出功率、频道选择和协议设置可通过SPI接口来设置的特点。
2.2 显示模块与单片机连接
本设计以LCD1602作为显示模块来与单片机相连,其中DB0~DB7与单片机P1(P1.0~P1.7)口对应连接,在具体的实物连接时,视情况连接上拉电阻,具体连接方式如图4所示。
3 低功耗设计
本设计中采用4项措施来降低系统整体功耗:(1)动态电源管理——主要把闲置的系统部分置于低耗能状态,如计数器、硬件控制器或软件控制;(2)动态电压缩放——允许电压调
节过程中改变CPU核心处理器的工作电压,如通过降低时钟频率来达到减少功耗的目的;(3)硬件低功耗的设计,如本设计采用的STC系列单片机,在机器空闲时采用睡眠方式节省系统功耗,用中断方式唤醒系统;(4)软件低功耗的设计,如在部分单片机程序设计代码的优化和指令的精简;通过以上措施来使得整个系统在能耗上能尽力满足大面积的使用与嵌入式的集成。
4 结论
本设计电路结构简单,采用STC89C52单片机为核心,以DS1820为温度传感器,无线收发模块nRF24L01来发送和接收数据,本系统还可以加入电源管理芯片来进一步降低系统功耗。
参考文献
[1]徐泳龙.单片机原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]谢维成,杨加国.单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2009.
[3]贾振国,于德荣,许林.数字温度传感器的应用[M].北京:东北水利水电出版社,1999.
数字测温系统设计 篇2
在大量的热工仪器中,热电偶作为温度传感器得到了广泛的应用,它利用热电效应,根据冷热端温度差产生的热电动势进行测温。它直接和被测对象接触,不受中间介质的影响,具有测量温度范围广、精确度高、构造简单、使用方便等优点。
K型(镍铬-镍硅)热电偶具有热电势大、灵敏度高、响应速度快、线性度好、测温范围较宽、造价低、化学稳定性好等优点,可在1 000℃下长期使用,因而是工业生产制造部门应用最广泛的热电偶元件。本文使用K型热电偶作为温度测量传感器设计了数字式测温仪。
1 设计目的及原理
1.1 设计目的
本文设计的是基于K型热电偶的数字式测温仪,可实现八位数码管温度显示,包含四个输入调节按钮,分别实现功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少的功能,另外安装蜂鸣器,实现设定温度上、下限报警功能。
1.2 工作原理
本设计中采用STC90C51RC作为控制单片机,该单片机是宏晶公司推出的新一代单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,内部集成MAX810专用复位电路,具有超强抗干扰、高速、低功耗等优点。
本设计使用K型热电偶,根据热电偶的冷端温度补偿,把热电偶传来的信号送到比例放大器进行信号放大,由MAXIM公司的MAX6675将测得的数据转化成相应的温度值。
2 硬件设计
2.1 系统结构框图
数字式测温仪的结构框图见图1。
2.2 K型热电偶数字转换器
MAX6675作为测量热电偶的专用芯片,最大的特点是内部集成有冷端补偿电路,通过冷端补偿检测来校正周围温度变化。当热电偶的冷端与芯片温度相等时,MAX6675可获得最佳的测量精度。在实际测温应用中,应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件,这样会造成冷端误差。同时热电偶的输入负极必须接地,且尽可能地靠近MAX6675的引脚地。
2.3 人机界面
对于一个智能化的测量仪器而言,拥有一个友好的中文人机界面可大大地增强仪器的可操作性。本系统使用了平望公司的PVT-D801G型液晶屏,该屏内置GBK字库,字体大小从16点阵到64点阵,字体种类有宋体、仿宋、黑体、楷体;采用标准指令集;用户单片机可通过RS232串口或高速TTL电平串口接口接收控制命令和数据,也可用我们提供的上位机软件通过USB口或串口进行联机调试。可同时显示各种中西文字体、各种图形等。只需要通过通信口给终端发送实时的采样数据,即可完成你所要的所有动作,彻底简化了用户CPU的工作量。
2.4 数据存储
在仪表设计中,数据的安全存储非常重要,如果功能设计比较多,那么保存的数据量大,擦写次数比较多,就需要有一个高性能的存储器才能满足要求。本设计采用RAMTRON公司研制的FM24C256存储器,它的存储时间短,能够在极短的时间内保存大量数据,解决了仪表在突然断电时数据的及时存储问题,它的优良特性远高于同等容量的EEPROM。
3 软件设计
3.1 程序运行流程
系统的主程序运行流程见图2。
3.2 软件实现
本系统在硬件电路采用了串行扩展技术,所有外围电路功能部件与单片机接口采用I2C总线SPI总线来实现,其特点是电路连接简单方便、抗干扰能力强、工作性能稳定。软件部分采用C语言编写,作为中级语言,C允许对位、字节和地址等基本成分进行操作,具有可读性好、移植容易等优点,是普遍使用的一种计算机语言。
4 结语
由于本测温器采用了高性能的单片机、K型热电偶转换器和MAX6675转换器,所以无论是产品成本方面还是性能方面都有不俗的表现。同时,友好的人机界面使得仪器具有较好的可操作性,因而本测温仪具有较广泛的应用范围和较高的实用价值。
摘要：使用K型热电偶作为温度测量传感器,根据热电偶的冷端温度补偿设计制作数字式智能测温仪。把热电偶传来的信号进行放大及线性化处理,并通过矫正得到被测点的温度值。该温控器测温范围为-50℃～1 000℃,具有硬件电路简单、精度高、成本低、人机界面友好等优点。
关键词：数字式测温仪,k型热电偶,冷端温度补偿
参考文献
[1]夏路易,田建燕,高文华,等.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2]邓燕妮,常小科,刘辉琴,等.基于51单片机控制的液晶显示技术[J].工业控制计算机,2007,20(3):53-56.
[3]李希胜,王绍纯.热电偶特性[J].仪表技术与传感器,2000(3):26-27.
电力线路无线测温系统下位机设计 篇3
近年来,电力系统火灾事故发生的一个重要原因是一些温度监测系统可靠性不高、功能不够完善,不能在事故发生前提供及时准确的预警。因此,对电厂或变电站的电力设施进行实时可靠的监控是十分重要和必要的。目前国内外对电力系统设备的温度监测主要采用光纤光栅、红外、示温记录卷标等测温方法,但它们有的传输距离有限,有的实时性差,效果都不理想。电力线路无线测温系统下位机设计采用了无线数据传输的方式克服了上述缺点,并采用单片机完成数据采集、数据处理等任务。合理的系统设计方案使得巡回监测周期缩短为1分钟左右,为PC机做出实时报警提供了保证。
1 电力线路无线测温系统整体设计
1.1 系统功能
电力线路无线测温系统主要运用于变电站高压隔离开关的温度监测。用户通过终端显示屏就可以了解各个高压隔离开关的温度变化情况,保障电力系统的正常运行。该系统通过对开关触头温度数据的及时采集、分析和处理,实现了对高压隔离开关运行状态的实时监测,并通过PC机显示器或液晶显示模块对运行中的电力设备各个测点的温度进行在线监测,为管理和技术人员提供了决策服务和技术支持。
1.2 系统整体结构设计方案
系统的结构框图如图1所示。该系统由三部分组成:电力线监测装置(下位机),数据收集装置(上位机),数据分析处理装置(PC机)。
电力线监测装置实时地采集温度值,然后打包,并通过无线收发系统发送给数据收集装置。数据收集装置收到信号后解包还原温度值并传给PC机。如果PC机停止工作,暂时不能上传时,数据收集装置会把温度数据暂时存入存储器中,等待PC机恢复工作后再继续传输数据。
电力系统中存在着强电磁干扰,这对无线数据传输有很大影响,为此在本设计中使用了重复码等差错控制技术解决了这一难点。
2 电力线路无线测温系统下位机总体框图
本设计主要完成下位机硬件设计。其硬件系统如图2所示。
2.1 单片机电路
本系统选用Luminary公司的Cotex-M3[1]内核单片机LM3S1138[2]。它是一种低功耗、低成本的32位单片机。其片内具有四个通用定时器模块,速率为1Mbps的10位AD、64K的FLASH、16KB单周期访问的SRAM。
2.2 无线收发电路设计
2.2.1 三线制串行配置接口
CC1000[3]很容易和市面上的任何单片机的接口进行连接,它只需要单片机有足够的空闲I/O口。配置CC1000的内部寄存器需要通过三线制串行接口(PCLK、PDATA和PALE)。三根信号线和单片机的I/O口相连。其中PDATA必须接双向I/O口,用来读写数据。
2.2.2 收发数据接口
由DIO和DCLK口组成。DIO是双向数据线,DCLK提供数据发送和数据接收的同步时钟。
2.2.3 射频输入/输出匹配电路
外围无源元件和内部T/R转换开关组成的电路确保在接收和发射模式下输入/输出都能匹配。不同工作频率下的元器件参数值可以用TI公司提供的配置软件SmartRF Studio计算出来。
2.3 射频功率放大电路设计
本设计中选用了高性能的射频功率放大芯片TSH690。
2.4 微波转换电路设计
本电路中射频信号的收发共用一根天线,因此电路中增加了微波转换电路。
3 电力线路无线测温系统下位机软件设计
下位机软件部分主要由睡眠计算程序、数据编码程序、数据解码程序、数据发送程序、初始化程序、数据收发中断处理程序、主程序组成。所有程序基于C语言[4]在IAR Embedded Workbench for ARM[5]集成开发环境下完成的。下位机主程序设计如图3所示。
3.1 睡眠计算程序设计
由于下位机的核心问题在于降低功耗,所以睡眠程序设计要配合硬件实现最大的电能节省。睡眠程序包括初始睡眠计算程序和循环睡眠计算程序。
3.2 编码程序设计
数据编码过程如下:
3.3 解码程序设计
假设接收端收到受干扰的5次重复编码分别为A、B、C、D、E,纠错后的结果为F。从5个字节中任意取出3个字节,共有10种组合方式。将每种组合的3个字节按位“与”,再将“与”的结果按位“或”就可以得到纠错后的结果F。其逻辑算式表达式如式(1)。
接收端将收到的数据按式(1)进行纠错,然后再进行解码。
3.4 初始化程序设计
初始化程序的主要任务是上电后对单片机和CC1000的内部功能寄存器设置初值。
3.5 收发中断处理程序设计
本设计中CC1000的数据收发模式选用同步曼彻斯特码模式模式。CC1000的DCLK引脚接到单片机的PA2引脚上,在收发数据时DCLK根据设定的波特率输出相应频率的同步脉冲。DCLK脉冲在下降沿时触发单片机的PD口中断,单片机进入中断后要对发送或接收的数据进行处理。
3.6 CC1000三线制串口接口程序设计
CC1000可通过简单的三线制串行接口(PDATA、PCLK和PALE)进行编程。内部有28个8位配置寄存器,均由7位地址寻址。在读或写的操作前有一个读/写位。
3.7 看门狗程序设计
为了防止程序进入死循环或者跑飞,系统中启用了LM3S1138的看门狗功能。在初始化程序中设置了看门狗的定时时间。在程序中需要不断的给看门狗计数器清零。当看门狗计数器溢出时,就认为程序已经跑飞或者进入了死循环,于是系统复位,使CPU恢复正常运行状态。在初始睡眠计算程序中,看门狗设置为关闭状态以支持超低功耗应用。
4 结论
本文给出了基于Cortex-M3内核单片机和CC1000无线模块的电力线路无线测温系统的设计,很大的提高了测温系统的检测距离和实时性,为电力系统的稳定运行提高了可靠
摘要：给出了基于Cortex-M3内核单片机和CC1000无线模块的电力线路无线测温系统的设计,证明其能大大提高测温系统的检测距离和实时性,为电力系统的稳定运行提供了可靠的保证。
关键词：电力线路,无线测温系统,下位机设计
参考文献
[1]Joseph Yiu.ARM Cortex-M3权威指南[M].北京:北京航空航天大学,2009.
[2]Luminary Micro.LM3S1138Microcontroller Data Sheet[OL].[2008-10-16].www.lumina-rymicro.com
[3]Texas Instruments.CC1000 Data Sheet[OL].[2007-3-3].www.ti.com
[4]Brian W.Kernighan,Dennis M.Ritchie.C程序设计语言[M].北京:机械工业出版社,2008.
高压隔离开关触头测温系统设计 篇4
关键词：隔离开关,测温系统,无线通信,嵌入式系统
0引言
高压隔离开关在电力系统中属于非常重要的电气设备,主要在检修高压母线、断路器等设备时起隔离来电的作用,并根据电网运行需求,在不带负荷时切换高压线路、分合小负荷电流等,是电网中使用范围最广、使用量最大的高压开关设备。开关的主要部分导电触头,因接触面不洁、触头氧化、机械变形松动等,造成触头严重发热烧毁的事故时有发生。以往由于没有可靠的手段在线监测触头温度等运行状况,往往采用“计划维修”,因而极易导致设备烧毁或突然停电等事故,在一定程度上影响了企业的效益[1]。本文结合66k V高压线路工程需要,设计基于ARM的高速度、高稳定可靠性的高压隔离开关触头测温系统。 该系统能够实时监测触头温度,并把数据无线发送到接收模块;接收模块嵌入到智能开关柜中,能够根据上位机的命令自动控制隔离开关,为66k V高压线路提供网络化检测、智能化控制,进而为实现变电站综合自动化奠定基础。
1系统工作原理
1.1系统供电原理
由于测温系统工作于66k V高压电的环境中,不能采用220V的市电进行供电,所以系统采用电池供电。考虑到系统运行的稳定性,同时采用太阳能充电板对电池充电,以维持系统的稳定运行。系统采用容量为2400MAH的锂电池。为了延长锂电池的使用寿命,同时采用了容量为10F的法拉电容进行交替供电。
1.2系统测温原理
采用PT100热电阻进行接触式测量。PT100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变。它的工作原理:当PT100在0摄氏度的时候阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。 通过分度表,就可以得到具体的温度值。PT100采用PC工程塑料封装,抗高强度跌落与振动,防浸泡,防冲击,满足工业环境要求[2]。
1.3无线通信原理
无线通信芯片采用挪威Nordic公司的n RF905芯片,其功耗很低,芯片可以软件设置空闲模式、关机模式,易于节能设计。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。由于一个变电站内有多个隔离开关触头需要测温,所以必须定义合适的无线通信协议。本设计方案是把一定数量的通信模块编成一组,不同组的无线模块采用不同的传输频率。在同一组内,采用一发多收的通信方式。开关柜中的无线模块为主模块,采用分时轮询的方式与组内的无线模块进行通信。
1.4控制原理
开关柜中的控制模块需要根据上位机的命令自动控制隔离开关。控制模块具有6路开关量输出(电磁型继电器),可以直接切断AC250V/5A或DC30V/ 5A的负载;6路开关量输出由上位机遥控。
2系统硬件设计
高压隔离开关触头测温系统的硬件由供电电路、 测温电路、无线通信电路和控制电路4部分组成。
2.1供电电路
系统的供电采用电池供电。系统的供电电路如图1所示。
TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用2个电阻就可以任意地设置到从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值。
2.2测温电路
测温电路采用PT100热电阻。测温电路如图2所示。
温度每6秒采集1次,为了系统节能,采用开关控制电路。PC1口控制三极 管Q1的通断,当需要采集温度时,PC1口输出高电平,三极管导通,R1, R2,R3支路产生 电流,通过采集AD1, AD2,AD3三点的电 压,计算出R2和R3两端的电压。R2为标准100欧姆电阻,R3为PT100热电阻,通过R2与R3的电压比,计算出R2与R3的电阻比,进而计算出R3的电阻。通过分度表就可以查出R3所测量物体的温度值。当不需要温度采集时,PC1口输出低电平,三极管截止,R1,R2,R3支路没有电流[3]。
2.3无线通信电路
无线通信模块采用挪 威Nordic公司的n RF905芯片,无线通信电路如图3所示。
2.4控制电路
核心处理器模块采用意法半导体 (ST) 公司的STM32F103RBT6, 该芯片使 用ARM高性能的Cortex-M3内核,工作频率为72MHz。作为典型的工业控制型的CPU,丰富的芯片资源使得地址、数据总线和存储器不需要扩展,更加提高控制系统的抗干扰性和电磁兼容性能,也使得控制系统的开发变得简便。控制电路负责与测温电路和无线通信电路进行连接。STM32的PC1,AD1,AD2,AD3与测温电路相连。STM32的PB12,PB13,PB14,PB15,PC6, PC7,PC8,PC9,PA11,PA12与无线通信电路相连。
3系统软件设计
控制器程序采用C语言在MDK环境下编写、调试。系统启动前先要对存储管理单元(MMU)和存储保护单元(MPU)进行配置,之后初始化库函数和堆栈指针。在ROM重映射时避免定位在0x0处,以防止影响系统运行性能。对于STM32处理器,指令周期为ns级别,要对内核中的系统时钟(Sys Tick) 进行设置。 Sys Tick为一个24位递减计数器,设定初值使能后, 每经过1个系统时钟周期,计数值就减1,计数到0时,Sys Tick计数器自动重装初值并继续计数,同时内部的Count Flag标志会置位,触发中断。STM32启动时,通过配置BOOT的0# 和1# 引脚可以有3种不同的启动模式,但是在硬件设计时,将BOOT1引脚接地,使其一直为0,这样只需改变BOOT0的值就可以改变启动模式[5]。系统首先进行初始化,检查电源是否正常,如果不正常给用户进行提示。之后启动温度检测程序,如果温度异常给用户进行提示。然后检测开关量,检测是否有开合闸命令,并根据命令是远方操作还是就地操作选择不同的程序。
4总结
数字测温系统设计 篇5
数显测温系统的设计早期采用传感器、模数转换及中小规模数字电子集成器件组合实现,该设计模式硬件电路较复杂;随着单片机技术的发展,使得温控系统的设计硬件上趋于简洁,除了和前端传感器相关的部分采用电子电路外,其余的功能都可在单片机内部通过软件方法实现,但单片机执行程序在本质上是一维顺序的,故实时性不如前者,当工作环境恶劣,则单片机运行的可靠性也受到了很大程度的影响,如温度过高、电磁干扰等等,程序的运行就不够稳定,PC有可能跑飞,导致系统崩溃。现今,随着EDA技术和硬件描述语言的发展和完善,其中VHDL硬件描述语言已作为一种IEEE的工业标准,它的并发性特点很适合描述电子电路实际并行工作情况,从而提高了电路的运行速度,增强了实时性,同时它能形式化地抽象表示电路的结构和行为,降低了硬件电路设计的难度,使得基于逻辑门电路的功能复杂的大规模集成电路的再设计成为可能,在此,我们采用了Altera公司的FLEX10K系列芯片和DALLAS单线式温度传感器DS18B20来实现数显温度系统的设计,DS18B20温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,本设计采用默认的12位转换精度,实际显示保留一位小数,测温范围为-55℃~99.9℃,电路结构如图1,主要由DS18B20读写时序控制模块(由Mealy状态机控制)、数据格式转换模块、16进制-BCD转换及显示译码模块等组成,前两个较复杂的模块设计方案如下:
2 DS18B20读写模块[1]
数字温度传感器DS18B20为一线式串行器件,具有线路简单,体积小的特点,但对时序有严格要求,时序如图2:
FPGA需完成DS18B20的初始化、读取DS18B20的48位ID号、启动DS18B20温度转换、读取温度转换结果,本系统中由于只有一个近距离传感器,故读取DS18B20的48位ID号以及CRC校验码计算等步骤可忽略,由于该工作过程实际上是一个不断采集、转换、显示数据的实时循环系统,考虑到状态转换时的条件较复杂,故采用Mealy状态机[2]来实现。
状态机转换图如图3:
各状态下需完成的工作以及转换条件如下:RESET1::对DS18B20进行第一次复位,由FPGA将DQ设为低电平,然后进入DELAY状态,等待800μs(满延时时间T_flag=1)。
CMDCC1:忽略ROM命令,FPGA向DQ按时序串行写入16#CC#命令。
CMD44:启动温度转换命令,FPGA向DQ按时序串行写入16#44#命令,
DELAY1:进入DELAY状态等待800μs
RESET2:对DS18B20进行第二次复位依次延时800μs
CMDCC2:忽略ROM命令,
CMDBE:读取暂存存储器数据命令,FPGA向DQ按时序串行写入16#BE#,
READDATAl:,此时在DQ线上按时序依次由DS18B20输出9个字节的数据。
3 DS18B20数据格式转换模块
DS18B20采用默认的12位数据转换模式,输出数据格式如表1:
若要将此数据给LED数码管译码显示,则首先要进行数据格式转换,其中MS Byte高5位为符号位,考虑到综合后触发器资源的利用率,可将整数部分按表2所示规律转换:
而小数部分的转换,本系统保留一位小数,由于大多数综合器不支持实数运算,可采用查表法得到:转换值=bit3*0.5+bit2*0.25+bit1*0.125+bit1*0.0625,将小数四舍五入作为表项。当bit15~bit11为1,则输出负温度,读出的数据为补码,则按下列公式将补码转成原码。
该模块的源程序如下:
图4为上述源程序模块仿真结果。
该系统经顶层文件组装调试下载后,在室温为1 5℃时,用手逐渐捏紧DS18B20传感器,并定时采样显示温度值,所得显示温度折线图如图5所示,由图可知,该测温系统显示温度值随环境温度变化反应较快,实时性较好。
4 结束语
由于采用FPGA设计实现对单线式DS18B20数字温度传感器的读写和数据处理,使得电路结构简单可靠,实时性好,抗干扰性能力强,工作稳定,因而具有广泛的实用价值。
摘要：本数显测温系统采用Altera公司可编程FPGA芯片实现对单线式温度传感器DS18B20进行读写控制并输出至LDE数码显示,内部主要由DS18B20读写模块(由Mealy状态机控制),数据格式转换模块,显示译码模块组成,重点阐述了读写时序控制模块和数据格式转换模块的实现方式。
关键词：DS18B20,FPGA,Mealy状态机,数据格式转换
参考文献
[1]于克龙.数字温度传感器DS18B20的应用[J].《机械制造与自动化,》2004(02):54-56.
数字测温系统设计 篇6
1 测温系统现状
通过对许多小型水电站进行调查发现, 老水电站大多采用温度计、整流器和转换开关相结合的测温系统。由于经过多年的运行维护, 导致测温系统接线复杂、触头接触不良、测量误差大甚至监测设备损坏等问题。在机组温度升高过程中没有相应的设备进行监测和保护, 机组轴瓦烧坏的事故在这些电站中时有发生, 严重影响机组的使用寿命。
2 测温系统改造
2.1 温度采集
温度是机组运行的重要参数之一, 他属于模拟量范畴。因此, 为了便于计算机采集, 先利用A/D模数转换装置将模拟量转换为数字量, 再将数据供给控制主机进行监测。在实验室低干扰环境下, 温度模拟量的采集逻辑框图如图1所示。
图1即所谓的“直接连接方式”, 这种方式下, 主机和A/D转换设备之间连有公用地线, 抗干扰能力特别差, 只能在无干扰的实验室使用。在水电站中, 机组温度传感器都装于定子绕组和铁心处, 温度传感器工作于一个复杂的电磁交融的“噪音”环境, 所测的数据如果采用图1的连接方式, 将获得许多“假”温度信号, 从而导致控制系统的误动作或拒动作, 严重的会引起机组停机事故。为了保证温度信号在传输通道中尽量避免外来信号的干扰和保证采集信号的高线性度, 在测温系统改造设计中采用“隔”、“三地”处理, 如图2所示。
所谓“隔”, 即采用光电耦合技术, 将干扰信号通过光电隔离装置进行隔离滤波。因为, 温度信号经A/D转换后变成了数字信号, 即开关信号, 夹杂在数字信号中的电磁干扰, 因其幅度和宽度的限制, 一般不能使“电———光”二极管进行有效的“电———光”转换, 而被挡在“电———光”二极管的一侧, 从而将传输通道中的干扰信号筛选出来, 使温度测控主机采集到真正的温度信号, 增加了测控装置的监控的精确度
2.2 温度现地显示
为了便于运行人员更好的了解机组的运行情况, 小型水电站机组温度测量通常采用智能数显温控仪, 智能数显温控仪具有以下明显的特点:
(1) 智能数显温控仪采用PIC单片机微电脑处理技术, 接入热电阻传感器信号测控。尤其适用于电力、冶金、化工等行业的温度监测、控制;
(2) 采用了光电隔离技术具有较强的抗干扰能力;
(3) 对所采集的温度模拟量的时间漂移有自动补偿功能, 测量数据实时、精确度高;
(4) 数据具有断电保持能力;
(5) 有RS85串行通信接口, 能与中控室的操作员工作站、工程师工作站和调度工作站进行数据通信, 便于水电站的遥测、遥控管理。
由于智能数显温控仪的这些优点, 完全满足在复杂的电磁交融的“噪音”环境下机组测温的要求, 因此在水电站测温系统的改造或设计中得到广泛的应用。
小型水电站卧式机组温度采集点包括:定子绕组 (A、B、C相) 、铁心 (A、B、C相) 、推力轴承、后导、水导及通风道等多个关系机组正常优化运行的重要温度指标。图3是一个典型的卧式机组智能测温仪器的配置逻辑框图。
从图3可以看出, 在现地测温监控中共使用了3块智能数显测控仪和1块8点智能巡检数显温控仪。推力轴承、水导和后导温度通过3块数显温控仪进行实时监控;定子绕组 (A、B、C相) 、铁心 (A、B、C相) 和通风道这7个温度通过8点温度巡检仪进行定时的巡视监控。智能温控仪为LED显示, 可以显示被测量值、设定参数等温度指标, 便于电站运行人员记录和分析。
2.3 温度通信及计算机监控保护
随着计算机技术和通信技术的发展和日趋成熟, 水电站自动化监控保护也越来越成熟, 水电站的运行管理也越趋于“少人”、“无人”值守阶段。运行人员大都在中控室对机组运行进行监控。因此, 在对水电站测温系统改造过程中就要将温度参数利用通信的方式从现地传送到中控室。我国水电站监控系统目前大都采用可靠性极高的PLC作为主控制装置来对机组温度进行监控。这个包含PLC的主控制单元就是我们通常所说的“公用LCU”。这种监控系统是一种兼有现地和中控两种功能的通信系统, 如图4所示。
由于公用LCU中的PLC主控装置, 并不是简单的监测机组温度系统一个单元, 他监测的单元还包括:监测调速器系统、调速器油压系统及交流采样系统等多个单元。在实际RS485网络的数据传输量中, 监控单元的位置离主控PLC的距离不同、不同单元的数据在主传输通道中相互干扰以及数据传输时耗的不等都会影响采集数据的传输速率和线性度。若采用图4的一条干线单一PLC串口接线方式, 将大大降低数据通信的实时性和精确度, 从而造成监控系统的误动作、拒动作甚至造成严重的事故。
我国水电站监控系统现采用在监测单元和主控PLC之间加智能通信管理装置。如南自的SD200水电站自动化系统就是采用一种智能通信管理装置作为中转站的通信结构, 如图5所示。
在小型水电站卧式机组测温系统中, 监控保护的温度较为重要的为两类:一类为故障温度, 也称为报警温度 (在计算机编程中通常采用“上限温度”) , 即当机组温度达到计算机上限设定值时, 蜂鸣器响, 提示运行人员注意查看相应的机组辅助设备的运行情况;另一类为事故温度 (在计算机编程中通常采用“上上限温度”) , 即机组温度达到计算机上上限设定值时, 通过保护跳闸、向调速器发出关机命令。计算机温度监控保护框图如图6所示。
计算机程序不间断的对所采集的数据进行分析, 若计算机程序判断机组温度达到上限时, PLC主控设备将给蜂鸣器一个高电平, 蜂鸣器发出“呜、呜”的报警声, 同时计算机通过语音报警系统提示“××温度高”。若计算机程序判断机组温度达到上上限时, PLC主控设备将向调速器发出停机命令, 同时计算机通过语音报警系统提示“××温度过高, 保护停机”。计算机温度监控保护程序的逻辑框图如图7所示。
2.4 温度中控显示和图表生成
水电站运行人员在中控室就可以通过计算机了解机组的温度情况, 并可以通过密码 (Password) 对各温度单元的报警温度 (上限温度) 及事故温度 (上上限温度) 进行设定和修改, 计算机在运行人员进行数据修改时还可以自动纠错。在运行人员对上限或上上限进行数值修改设定时, 计算机自动从数据库中调出相应的参考值进行判断, 如果不在参考范围内将判断运行人员的此次操作无效, 并用语音提示运行人员。如果运行人员三次修改都被计算机判断为无效后, 计算机将自动闭锁以保护程序的安全性, 防止运行人员的误动作。此时若是数据库数据错误, 可以对数据库参考值进行修改。但是必须要工程师及总工两级的密码才能修改数据库, 防止对计算机程序的恶意修改造成巨大的事故, 保护计算机监控系统的安全可靠运行。在中控室计算机上, 在温度控制菜单下可见如图8所示界面。
在图8中有2种图:饼状图和柱状图。饼状图表示温度测控点此时的温度情况, 饼状图可以有三种颜色:当图位于绿色时, 表示该点温度正常;当图为黄色时, 表示该点温度达到报警温度;当图为红色时, 表示该点温度达到事故温度。柱状图可以将所有部位的温度在同一水平面进行比较, 运行人员可以通过柱状图分析测温装置是否正常运行。
中控室计算机还可以自动打印报表功能, 在生成的报表上, 计算机先自动判断数据:如果数据不可靠将在数据上加◇符号;如果此时该点为报警温度时, 将在数据上加□符号;如果此时该点为故障温度时, 将在数据上加△符号。计算机给运行人员提出明显的分析数据, 大大减少了运行人员的数据分析量;减少了故障和事故发生率;在事故或故障发生时运行人员能在极短的时间内把问题找出, 将损失减少到最低。
4 结语
水电站监控系统改造中, 机组温度监控系统的改造和优化非常重要, 他对机组运行的可靠性起着非常关键的作用:可以提高机组的使用寿命、推迟机组的绝缘老化程度、通过保护有效防止轴承 (瓦) 烧坏。利用计算机友好的界面可以减少运行人员的工作量, 利用计算机自动纠错能力帮助运行人员解决运行事故和故障, 可以有效的减少电站的损失。
随着计算机技术的飞速发展, 水电站自动化技术也日趋成熟, 对于修建时间较长的水电站应该进行电站监控设备自动化的全面改造, 以便满足电能生产的安全和可靠性, 使小水电逐渐适应新形势发展的需要, 提高小水电在市场上的竞争力。
参考文献
[1]何小阳.计算机监控原理与技术[M].重庆大学出版社, 2003
数字测温系统设计 篇7
光学系统设计、光电检测技术以及数字信号处理技术的发展, 极大地促进了红外探测技术的应用。红外测温技术发展迅速, 性能日益完善, 功能不断丰富, 使用范围也不断扩大, 市场占有率逐年上升。红外测温具有反应快速、使用方便、灵敏度高, 测温的范围广等特点。在医疗测温应用中, 利用不接触快速反应的特点为流行病的防治起到一定的积极作用;而在工业生产如冶金、电力、化工、石油等行业也得到了广泛的应用, 成为工业生产故障检测、产品质量控制和提高经济效益的重要手段[1,2,3]。在自然界中, 由于温度高于绝对零度的物体内部存在热运动, 因此, 其不断地向外辐射能量, 包括红外波段的辐射[4]。
1 系统硬件设计
系统的硬件组成如图1所示, 选用S T C 8 9 C 5 2单片机作为控制芯片, 设计分为主机和从机两个部分。其中从机负责测温、采集烟雾系数等数据, 并通过N R F 2 4 L 01无线模块将数据传送至主机, 经过单片机处理, 由L C D 12 8 6 4液晶显示屏显示测温结果。
2 系统软件设计
无线红外测温报警系统主机和从机的软件流程如图2所示。
开机等待15 s左右系统稳定之后, N R F 2 4 L 01发送给从机5字节的数据信号, 当从机接收到之后同时启动测温和M Q-2烟雾测量, 从机读取完烟雾和温度数据后将数据打包发送给主机, 主机接收后分析烟雾值以及温度值是否在设定的范围内, 当环境温度超过-10~5 0°C范围, 烟雾值超过0.6 5%~15.5%F T范围时, L C D 12 8 6 4将显示出目标环境温度值并报警。若没有超出报警范围, 那么主机只显示温度数据, 烟雾报警为正常。
3 实验总结
陶瓷的温度与时间数据关系如图3所示, 此材料的发射率是0.9 5。通过图3可以看出T N 9 01在测量陶瓷的表面温度时其精度明显高于D S 18 B 2 0, 波动幅度小。水的温度与时间的数据关系如图4所示, 水的辐射率为0.9 3, 从图4可以看出, T N 9 01曲线波动幅度大, 其对于水测量的精确度并不理想。
通过对两种不同的材料 (陶器、水) 的试验, 可以看出红外测温的灵活性与多样性。该测温系统监测环境温度以及目标温度精确度较高, 操作简单, 自动化强。通过实验分析得出, 主要误差来源于辐射率、距离系数、目标尺寸、环境因素。在实际测量工作中, 被测目标所在的周围环境温度有很大关系, 当温度越高时产生附加辐射对测量的影响越大, 误差也越大;而目标本身温度越高时, 测量精度越高。通过选择合适的材料, 采用高分辨率薄透镜和孔径光阑, 尽量保持光学镜头的清洁, 改进软件程序算法, 测量数据取平均值等方法来提高最终结果的准确度, 减小系统误差。
参考文献
[1]姚学军.红外测温原理与测温技术[J].中国仪器仪表, 1999 (1) :10-13
[2]李文星.具有无线数据传输功能的红外测温仪设计[J].河北科技大学, 2010
[3]晏敏, 颜永红, 曾云, 等.非接触式红外测温原理及误差分析[J].计量技术, 2005 (1)