基于DSP的聲表面波溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

邵明強(qiáng)

(浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201)

高壓開關(guān)柜的溫度監(jiān)測一直是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，新型測量傳感技術(shù)目前成為研究熱點.現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于高壓開關(guān)柜測溫且相對成熟的技術(shù)有紅外測溫、光纖測溫、光纖光柵測溫等.文獻(xiàn)[1]提出了一種基于紅外傳感并結(jié)合GIS開關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點的在線監(jiān)測方法.文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種利用氣體傳遞過溫信號的中高壓開關(guān)柜過溫監(jiān)測系統(tǒng).文獻(xiàn)[3]針對光纖絕緣可靠且傳輸信號不受電磁場影響的特點介紹了光纖溫度監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用.文獻(xiàn)[4]介紹了光纖布喇格光柵測量原理，并對其在開關(guān)柜、電纜等電力系統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了論述.

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)測溫是近年來新興的一項測溫技術(shù).SAW波速會隨外界環(huán)境因素的變化而發(fā)生改變，SAW傳感器正是利用了SAW的這種特性，將波速的變化量轉(zhuǎn)換成射頻信號頻率的偏移量，通過天線傳遞信號，是一種被動式的感應(yīng)器件，無需額外供電.因此，與之前的有源無線傳感器相比，其沒有復(fù)雜的布線，不用更換電池，不受磁電干擾影響.本文針對SAW溫度傳感器的特點，設(shè)計了基于數(shù)字信號處理器(Digtial Signal Processor，DSP)的 SAW 溫度測量系統(tǒng)，并采用了具有低通特性的滑動平均數(shù)字濾波算法來提高測量精度.

1 系統(tǒng)工作原理與硬件設(shè)計

1.1 SAW溫度傳感器工作原理

SAW傳感器由壓電基片、聲反射柵、叉指換能器(IDT)及天線構(gòu)成，如圖1所示.[5]

圖1 SAW傳感器結(jié)構(gòu)

SAW波速v會受外界諸多因素的影響，其變化量公式如下:

式(1)表明，當(dāng)外界溫度t，質(zhì)量m，壓力P，彈性系數(shù)c，介電常數(shù)σ，電導(dǎo)率ε等變化時，都會引起v的變化.筆者選用對溫度敏感的復(fù)合型壓電材料，使溫度成為影響波速的主導(dǎo)因素，其他影響因素則可忽略.IDT可以將SAW波速的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率的變化，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為:

因此，溫度的變化量最終轉(zhuǎn)換為諧振頻率的偏移量，兩者的關(guān)系如圖2所示.[6]

溫度與頻率的函數(shù)關(guān)系為:

式中:T0——初始溫度;

T——待測溫度;

f0——溫度為T0時的初始諧振頻率;

f——溫度變化后返回的諧振頻率;

a0——一階系數(shù).

綜上可知，溫度與諧振頻率呈良好的線性關(guān)系，SAW的這一特性使其應(yīng)用于測溫時能達(dá)到較高的精度.

圖2 SAW傳感器頻率-溫度曲線

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個測溫系統(tǒng)硬件部分由溫度測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸入輸出模塊3部分組成.溫度測量模塊包括信號采集電路和SAW溫度傳感器.數(shù)據(jù)處理模塊包括 TMS320F2812芯片、SPI和SCI外設(shè).輸入輸出模塊包括I/O接口、TFT液晶屏和薄膜按鍵.DSP與溫度采集器通過RS232連接，DSP與PC機(jī)通過RS485連接，溫度采集器與SAW傳感器則通過天線發(fā)射電磁波進(jìn)行通訊.系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3 測溫系統(tǒng)原理示意

SAW溫度采集模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 SAW溫度采集模塊結(jié)構(gòu)

通過可調(diào)本振和固定本振混頻，得到一個射頻信號，該信號經(jīng)過帶通濾波和功率放大后，由天線發(fā)射給SAW傳感器，等待傳感器返回脈沖信號后，由天線接收，經(jīng)射頻放大，接著與固定本振混頻，得到一個低頻信號，再經(jīng)過低通濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，通過RS232將數(shù)據(jù)送入DSP進(jìn)行處理.

2 軟件設(shè)計

2.1 SAW測溫程序設(shè)計

DSP芯片能夠?qū)崟r快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，并且擁有豐富的外設(shè)接口，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域.本系統(tǒng)選用 F2812芯片，在CCSv3.3編程平臺上進(jìn)行程序的開發(fā)工作.程序的開發(fā)流程如圖5所示.

圖5 程序設(shè)計流程

首先，系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)函數(shù)、PIE控制寄存器、PIE中斷向量表、GPIO口和外設(shè)的初始化.然后，使能三級中斷，并查詢按鍵是否按下.當(dāng)檢測到按鍵被按下時，開啟CPU定時器和T1周期中斷，輸入周期T后，程序就會每隔T秒調(diào)用一次測溫函數(shù)和采樣函數(shù).測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算和處理后通過TFT顯示函數(shù)顯示在液晶屏首頁，溫度曲線顯示在第2和第3頁.當(dāng)檢測到上位機(jī)有指令發(fā)來時，立即進(jìn)入 RS485中斷函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī).

本程序的3個中斷函數(shù)的優(yōu)先級為CPU定時器0中斷＞T1周期中斷＞RS485中斷函數(shù)，程序在運(yùn)行時，如果同時檢測到多個中斷，先執(zhí)行優(yōu)先級高的，如果在運(yùn)行低優(yōu)先級的中斷時有高優(yōu)先級的中斷進(jìn)來，則執(zhí)行完本次中斷后再執(zhí)行高優(yōu)先級的中斷.

2.2 濾波算法研究與設(shè)計

為了對被測點溫度進(jìn)行高精度的測量，必須消除被測信號中的噪聲和干擾，該部分的研究主要是通過軟件設(shè)計對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，從而屏蔽掉噪聲和干擾信號，獲得較高精度的數(shù)據(jù)，常用的軟件濾波方法有限幅濾波法、中位值濾波法、算數(shù)平均值濾波法、遞推平均濾波法、一階滯后濾波法、消抖濾波法.文獻(xiàn)[7]比較分析了以上幾種方法的優(yōu)缺點，給出了數(shù)字濾波算法的選擇原則.文獻(xiàn)[8]通過對常見數(shù)字濾波方法的頻域和時域分析對比，提出了一種結(jié)合可變限幅濾波法和一階低通濾波法的改進(jìn)方法.

綜合以上對軟件濾波方法的分析，結(jié)合SAW測溫系統(tǒng)干擾信號的特點，即A/D采集的信號一般含有小幅度高頻A/D量化噪聲，容易降低數(shù)據(jù)曲線的平滑度，所以在本系統(tǒng)中采用具有低通特性的滑動平均數(shù)字濾波器來解決上述問題.

滑動平均濾波原理是把M個采集數(shù)據(jù)看成一個隊列，隊列的長度固定為M，每次新采樣結(jié)果就會被放入隊尾，并且去掉隊首的一個舊數(shù)據(jù)，最后把隊列中的M個數(shù)據(jù)求和取平均值，其結(jié)果就為最終的濾波結(jié)果.濾波算法的數(shù)學(xué)模型描述如下:

M——濾波滑動平均的點數(shù);

Xm－i——未經(jīng)過濾波的第m －i次采樣值.

綜合考慮DSP邏輯資源、A/D采樣頻率等因素，將濾波滑動平均點數(shù)定為8.

為了驗證算法是否有效，在實驗室進(jìn)行測溫實驗，設(shè)置烘箱溫度為20～70℃，設(shè)置 SAW 傳感器測量周期為1 min，對每個設(shè)定溫度持續(xù)測溫30 min，記錄實驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

由表1與表2可知，直接測量的絕對誤差值為0.825，加入濾波算法后，絕對誤差值為0.247.表明此濾波算法可以提高SAW溫度測量的精度，將測量誤差范圍控制在±0.5℃內(nèi).

表1 SAW傳感器的實測值與標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

表2 加入濾波算法后SAW傳感器的實測值與標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

3 現(xiàn)場試驗

本系統(tǒng)在某變電站35 kV高壓開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場試驗.首先，安裝傳感器，將6個傳感器探頭分別固定在進(jìn)線和出線的A相，B相，C相母排觸頭處，將測量天線置于距離傳感器1.5 m處，將顯示器安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)，整個安裝過程不到半小時，可見SAW傳感器的安裝十分方便靈活.然后，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，測量周期為1 min，最高報警溫度為75℃，最大溫度變化為2℃，設(shè)置校驗溫度為當(dāng)前室溫(排除環(huán)境溫度對測量值的影響).系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24 h，記錄數(shù)據(jù)如表3所示.

分析表3可知，0時至6時，用電負(fù)荷小，母線電流小，而且氣溫低，所以測得3相觸點的溫度低.6時以后，負(fù)荷開始增加，同時氣溫回升.9時至15時，溫度保持穩(wěn)定.晚上6時，用電負(fù)荷再次增加，至晚上9時，達(dá)到一天的最大溫度點，之后觸點測量溫度緩慢下降.

試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能同時檢測到3相母排觸點的實時溫度.當(dāng)一個周期內(nèi)測量到的溫度之差大于設(shè)定的最大溫度變化值時能及時預(yù)警，當(dāng)超過最高設(shè)定溫度時也能及時報警.

表3 開關(guān)柜24 h的溫度測量值 ℃

4 結(jié)論

(1)針對高壓開關(guān)柜強(qiáng)電磁場與高電壓的特點，比較了目前應(yīng)用較多的幾種測溫技術(shù).

(2)采用新穎的SAW無線無源溫度傳感器，設(shè)計了基于DSP的溫度測量系統(tǒng)，并使用具有低通特性的滑動平均數(shù)字濾波算法將傳感器的測量誤差控制在±0.5℃內(nèi).

(3)通過現(xiàn)場試驗，證明該系統(tǒng)安裝方便，運(yùn)行穩(wěn)定，具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，對高壓開關(guān)柜的在線監(jiān)測和實現(xiàn)智能變電站具有一定的借鑒意義.

[1]叢浩熹，李慶民，齊波，等.基于紅外傳感的GIS隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)研究[J].電力自動化設(shè)備，2014(3):144-148.

[2]楊志淳，樂健，靳超，等.基于氣體傳感器技術(shù)的中高壓開關(guān)柜過溫監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2011(4):116-119.

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