基于HYT271的SF6微水密度分析系統(tǒng)*

張敏敏,肖 迪,許健佳

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

基于HYT271的SF6微水密度分析系統(tǒng)*

張敏敏,肖 迪*,許健佳

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

為了保障SF6氣體絕緣設(shè)備的絕緣特性和滅弧能力,設(shè)計(jì)了一種基于HYT271的SF6微水密度分析系統(tǒng)。系統(tǒng)通過溫濕度一體傳感器HYT271和壓力傳感器MS5803分別檢測(cè)出所處SF6氣室中的溫度值、相對(duì)濕度值和絕對(duì)壓力值,并通過微控制器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和計(jì)算,最后采用RS485總線將測(cè)量和分析的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)具有良好的精度,功耗低,實(shí)時(shí)性強(qiáng)且設(shè)計(jì)簡潔,方便了對(duì)高壓電氣設(shè)備中SF6的分析與監(jiān)測(cè)。

分析系統(tǒng);SF6的分析與監(jiān)測(cè);溫濕度一體傳感器;微控制器

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,如今對(duì)電網(wǎng)中各電氣設(shè)備的安全性和可靠性要求越來越高,進(jìn)而電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷等一些功能顯得格外重要。SF6氣體因其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和很強(qiáng)的絕緣和滅弧能力,成為了電力設(shè)備的絕緣介質(zhì)。SF6氣體的密度和純度決定了電氣設(shè)備的絕緣性能和滅弧能力,若SF6氣體中混有水分和氧氣,在高溫高壓的工作條件下SF6的分解物會(huì)和水分反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì),阻止分解物復(fù)原成SF6,從而降低了SF6氣體的密度和純度,同時(shí)降低了電力設(shè)備的絕緣性能[1-3]。因此,運(yùn)用智能傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和信號(hào)傳輸技術(shù)[4-5],設(shè)計(jì)了一種SF6氣體在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng),系統(tǒng)能夠檢測(cè)氣室的實(shí)時(shí)狀態(tài),提前分析測(cè)量數(shù)據(jù),起到了預(yù)警的作用,幫助電氣設(shè)備及時(shí)排除故障。

1 設(shè)計(jì)框架

分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖1所示,在下位機(jī)的部分,由電源模塊給各個(gè)元器件供電。將傳感器置于密閉的SF6氣室,其中溫濕度一體傳感器HYT271用于測(cè)量氣室中的溫度值和相對(duì)濕度值,同時(shí)使用絕對(duì)壓力傳感器MS5803測(cè)量壓力值。測(cè)量完畢后,傳感器通過I2C串行總線將測(cè)量結(jié)果的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給微控制芯片STM32F103RB,主芯片首先會(huì)按照使用說明書上提供的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的軟件補(bǔ)償和工廠校準(zhǔn),接著根據(jù)所得結(jié)果計(jì)算出分析數(shù)值,如露點(diǎn)、SF6質(zhì)量濃度,最后主芯片會(huì)將所有結(jié)果通過RS485總線發(fā)送給上位機(jī),以便上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲(chǔ)分析結(jié)果。與此同時(shí),若使用多臺(tái)這樣的分析系統(tǒng),上位機(jī)還可以一一為它們進(jìn)行地址修改,操作簡便。

圖1 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度一體傳感器

目前,使用較多的用于測(cè)量濕度的傳感器主要是電容式的,利用電容在不同介質(zhì)下介電常數(shù)不同的這一特性,將濕度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)電容值的測(cè)量。雖然電容式的濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn),但此后的調(diào)理電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,過多的電路必然增加了存在誤差的可能性,設(shè)計(jì)出的調(diào)理電路往往不是對(duì)所有電容都通用[6-8],故此系統(tǒng)選用了溫濕一體傳感器HYT271作為濕度測(cè)量的主要部分。

HYT271是一種高精度電容濕度傳感器,但與其他電容傳感器不同的是它內(nèi)部集成了一個(gè)能夠處理濕度和溫度信號(hào)的信號(hào)處理器,該信號(hào)處理器還可以通過I2C接口以數(shù)字信號(hào)的形式向外輸出測(cè)量結(jié)果。傳感器模塊經(jīng)過了工廠校準(zhǔn),所以不再需要進(jìn)行其他校準(zhǔn)。芯片內(nèi)部會(huì)對(duì)線性誤差和溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償,所采用的補(bǔ)償計(jì)算程序借助了多項(xiàng)式,確保了對(duì)偏差、增益線性度和溫度漂移的軟件校準(zhǔn)。因此,在很大的工作范圍內(nèi),傳感器的測(cè)量結(jié)果能夠保持很高的精度。除了信號(hào)處理器,芯片還集成了一個(gè)14位的電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器,一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)器和一個(gè)I2C接口。芯片的地址可設(shè)置為0x00至0x7F之間任意一個(gè)值,因此一個(gè)單獨(dú)的I2C可以接高達(dá)126個(gè)這樣的傳感器模塊。

HYT271的濕度測(cè)量范圍是0到100%RH,其分辨率為0.02%RH,精度為±1.8%RH,而溫度測(cè)量的范圍則為-40 ℃至125 ℃,其分辨率為0.015 ℃,精度為±0.2 ℃,工作電壓范圍是2.7 V～5.5 V,傳感器模塊具有長期穩(wěn)定性、耐化學(xué)品、抗結(jié)露、功耗低、低溫漂、體積小等優(yōu)良特性。其引腳分布如圖2所示,它的引腳很少,只有供電引腳(引腳2和3)和I2C總線的數(shù)據(jù)引腳及時(shí)鐘引腳(引腳1和4),簡化了硬件設(shè)計(jì)。

圖2 HYT271引腳分布圖

2.2 絕對(duì)壓力傳感器

所選用的壓力傳感器的型號(hào)為MS5803-14BA,它是帶有I2C和SPI接口的高分辨率壓力傳感器。在外觀上,為了滿足戶外設(shè)備的要求和過壓保護(hù)芯片對(duì)感受器施加了凝膠保護(hù)和防磁不銹鋼圈。芯片內(nèi)部集成了高線性度的壓力感受器,極低功耗的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,以及存有工廠校準(zhǔn)系數(shù)的存儲(chǔ)器,它不僅能夠輸出24位高精度數(shù)字壓力值和溫度值,還能提供不同的工作模式,以提高轉(zhuǎn)換速度減少功耗。傳感器模塊對(duì)壓力和溫度測(cè)量都使用兩點(diǎn)法校準(zhǔn),并將得出的6個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在128位的PROM里,控制芯片在讀取測(cè)量值前需要先讀取一次校準(zhǔn)系數(shù),此外不需要進(jìn)行其他的校準(zhǔn)。

MS5803測(cè)量絕對(duì)壓力所采用的單位是bar,需要在之后的讀取時(shí)加以注意,將其轉(zhuǎn)換成國際單位制中的MPa,因此它的壓力測(cè)量量程為0～1.4 MPa(0～14 bar),其分辨率為20 Pa(0.2 mbar),精度為±0.012 MPa,溫度的量程為-40 ℃～85 ℃,其分辨率為0.01 ℃,精度并沒有溫濕一體傳感器HYT271那么高,為±4 ℃,所以MS5803所測(cè)得的溫度值僅用于它自身的軟件補(bǔ)償,而采用HYT271的溫度輸出作為微水密度分析系統(tǒng)顯示的當(dāng)前溫度值。MS5803的供電電壓為1.8 V～3.6 V,它響應(yīng)速度快,低磁滯,功耗低,具有出色的長期穩(wěn)定性,無需外加其他元件。

圖3 MS5803硬件接線圖

MS5803共有8個(gè)引腳,其硬件接線圖如圖3所示,引腳2和引腳5是芯片的電源引腳,VDD與GND之間放置一個(gè)100 nF的解耦電容,這個(gè)解耦電容需盡量靠近VDD引腳,它能在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間穩(wěn)定供電電壓使測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到最高精度。因?yàn)闇貪穸纫惑w傳感器使用I2C總線作為通訊線路,為了簡化設(shè)計(jì)線路壓力傳感器也使用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,故而將PS引腳連接到VDD引腳以開啟I2C通訊線路關(guān)閉SPI功能。引腳1和引腳7分別是I2C總線的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳,與控制芯片相應(yīng)的接口連接,而CSB引腳電平的高低會(huì)被芯片識(shí)別并作為I2C地址的最低位,也就是說該傳感器模塊僅有兩個(gè)

I2C地址可供選擇,圖3中CSB引腳接地表示地址的最低位為0。

2.3 處理模塊

系統(tǒng)將微控制器模塊和通訊轉(zhuǎn)換模塊合稱為處理模塊,微控制器選用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RB芯片,它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核32位中容量增強(qiáng)型微處理器,它高性能、低功耗、低成本的特點(diǎn)使它成為使用率高、可靠性高的控制芯片。微處理器的硬件原理圖如圖4所示,微控制器塊是在控制芯片的最小系統(tǒng)上使用了I2C總線和兩個(gè)USART,這兩個(gè)USART分別用于燒錄程序和RS485通訊。微控制器完成補(bǔ)償和計(jì)算后會(huì)通過USART將串行數(shù)字信號(hào)發(fā)送給ADM2587E芯片,ADM2587E會(huì)將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485傳輸所使用的電平,便于上位機(jī)與分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖4 控制芯片接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

為了增加控制芯片的可靠性簡便系統(tǒng)的維護(hù),系統(tǒng)的軟件部分是基于RT-Thread操作系統(tǒng)進(jìn)行編寫,該操作系統(tǒng)適用于多個(gè)嵌入式系統(tǒng),包含了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)組件。多線程是它實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性所采用的方法,每個(gè)線程可以調(diào)用已有的底層驅(qū)動(dòng),線程之間可以通過郵箱、信號(hào)量的方式進(jìn)行通信或同步,降低了每個(gè)模塊之間的耦合,線程又將需要實(shí)現(xiàn)的不同功能進(jìn)行劃分,模塊化的程序簡化了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)。

3.1 HYT271測(cè)量線程

溫濕度一體傳感器HYT271的測(cè)量線程的流程圖如圖5所示,線程首先對(duì)I2C總線進(jìn)行初始化配置并開啟總線,此后向HYT271發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求指令,該指令包含7位芯片地址并將讀寫位設(shè)置為0,傳感器芯片只有在接收到測(cè)量請(qǐng)求指令后才會(huì)開始新一輪的測(cè)量,每個(gè)測(cè)量周期起始于溫度測(cè)量,再進(jìn)行濕度測(cè)量,完成測(cè)量后對(duì)測(cè)量值進(jìn)行信號(hào)處理,最后將處理過的測(cè)量值寫入輸出寄存器。為了判斷一個(gè)測(cè)量周期是否完成,需要周期性輪詢輸出寄存器。微控制器向傳感器模塊發(fā)送獲取數(shù)據(jù)指令,將地址的讀寫位設(shè)置成1,如果地址錯(cuò)誤,傳感器模塊將返回一個(gè)非響應(yīng)應(yīng)答信號(hào)(NACK),否則傳感器模塊將返回一個(gè)響應(yīng)應(yīng)答信號(hào)(ACK),接著傳感器芯片將會(huì)發(fā)送4 byte的數(shù)字測(cè)量值,前兩個(gè)字節(jié)是濕度值,高位在前低位在后,但濕度值僅有14位,最高兩位不是測(cè)量值,需要對(duì)它們進(jìn)行屏蔽。后兩個(gè)字節(jié)是14位溫度值,同樣是高位在前低位在后,與濕度有所不同,它的低兩位不是測(cè)量值,需加以屏蔽。數(shù)據(jù)接收完畢后,控制芯片向HYT271發(fā)送一個(gè)非響應(yīng)應(yīng)答信號(hào)(NACK)和一個(gè)停止位,傳感器芯片將等待下一輪的測(cè)量指令。最后,線程還需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并采用郵箱的形式發(fā)送給計(jì)算分析線程,方便后續(xù)的計(jì)算和分析,其轉(zhuǎn)換過程和AD轉(zhuǎn)換相類似。

圖5 HYT271數(shù)據(jù)交換流程圖

3.2 MS5803測(cè)量線程

絕對(duì)壓力傳感器MS5803的測(cè)量線程流程圖如圖6所示,與HYT271測(cè)量線程一樣,線程首先對(duì)I2C總線進(jìn)行初始化,接著通過總線向MS5803發(fā)送復(fù)位指令,復(fù)位指令不僅能對(duì)未知狀態(tài)的芯片ROM進(jìn)行復(fù)位,而且能確保將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載到內(nèi)部寄存器中。在執(zhí)行完復(fù)位指令后便可執(zhí)行PROM讀指令,芯片會(huì)依據(jù)指令中的PROM地址返回一個(gè)16位校準(zhǔn)系數(shù),校準(zhǔn)系數(shù)共有6個(gè),依次是壓力靈敏度C1、壓力偏差C2、壓力靈敏度溫度因子C3、壓力偏差溫度因子C4、參考溫度C5、溫度測(cè)量溫度因子C6。然后控制芯片會(huì)向傳感器發(fā)送壓力測(cè)量指令,只有接收到指令,傳感器模塊才會(huì)初始化壓力測(cè)量,將壓力值轉(zhuǎn)換為未經(jīng)處理的數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換過程中傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將處于忙碌狀態(tài),讀取測(cè)量值或重復(fù)發(fā)送測(cè)量指令都會(huì)使輸出結(jié)果出錯(cuò),所以線程在發(fā)送完指令后進(jìn)行了適當(dāng)延時(shí),等待測(cè)量完成。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,向MS5803發(fā)送壓力值讀取指令可獲取一個(gè)24位的數(shù)字壓力值,之后的溫度值獲取與壓力測(cè)量的過程相同。

圖6 MS5803線程流程圖

獲得了未經(jīng)處理的壓力值和溫度值還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件補(bǔ)償,圖7是列出了補(bǔ)償?shù)木唧w過程和算法,其中C1～C6是從PROM讀取的校準(zhǔn)系數(shù),D1是未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膲毫χ?D2表示未經(jīng)處理的溫度值。補(bǔ)償過程依次粗略地算出了實(shí)際溫度與參考溫度之差、實(shí)際溫度、實(shí)際溫度下壓力的偏差和靈敏度,此后將溫度區(qū)間分成3段,依照計(jì)算出的實(shí)際溫度判斷出它所處溫度區(qū)間,使用相應(yīng)區(qū)間的計(jì)算方法細(xì)致計(jì)算出最終的實(shí)際溫度、實(shí)際溫度下壓力的偏差和靈敏度。最后采用這3個(gè)參數(shù)計(jì)算出實(shí)際的壓力值,并將其發(fā)送給計(jì)算分析線程。

圖7 補(bǔ)償方法流程圖

3.3 計(jì)算分析線程

計(jì)算分析線程主要是從HYT271和MS5803測(cè)量線程分別獲得當(dāng)前測(cè)量的相對(duì)濕度值、溫度和絕對(duì)壓力值,再結(jié)合物理公式和數(shù)學(xué)方法求出相關(guān)的分析參數(shù)。首先,利用溫度和擬合的方法求出飽和蒸汽壓,再結(jié)合相對(duì)濕度求出該壓力下的露點(diǎn)。因?yàn)楣I(yè)儀表所研究的露點(diǎn)一般都是指大氣壓下的露點(diǎn),因此線程會(huì)進(jìn)一步將壓力露點(diǎn)換算成大氣壓下的露點(diǎn)。接著,根據(jù)測(cè)量的絕對(duì)壓力和計(jì)算出的蒸汽壓求得當(dāng)前SF6的體積濃度(單位為PPM)并將其換算成符合標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量濃度(單位為mg/L)。此后,采用牛頓迭代法求解密度方程,得到當(dāng)前的SF6密度。計(jì)算分析線程最后會(huì)將接收到的溫度、相對(duì)濕度和絕對(duì)壓力,以及計(jì)算分析所得的大氣壓下露點(diǎn)、質(zhì)量濃度和SF6密度一起發(fā)送給通訊線程,讓通訊線程轉(zhuǎn)交給上位機(jī)。

3.4 通訊線程

通訊線程主要采用MODBUS通訊協(xié)議,連接分析系統(tǒng)和上位機(jī)使它們之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通訊線程存儲(chǔ)了分析系統(tǒng)的通訊地址,初始值為1,上位機(jī)可以通過RS485總線依照通訊協(xié)議給每臺(tái)分析系統(tǒng)進(jìn)行編址,通訊線程為地址分配了固定單元的寄存器,若上位機(jī)發(fā)送修改地址的指令,線程會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并修改分析系統(tǒng)通訊地址再將新的地址存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中。與此同時(shí),通訊線程還會(huì)接收計(jì)算分析線程發(fā)送的分析數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)保存在線程的只讀寄存器中。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的讀取數(shù)據(jù)指令時(shí),通訊線程會(huì)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),以供上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上位機(jī)采用MODBUS Poll軟件模擬主機(jī),它能夠遵照MODBUS通訊協(xié)議與從機(jī)進(jìn)行通訊,同時(shí)可以在界面上實(shí)時(shí)顯示地址和接收到的數(shù)據(jù)。將設(shè)計(jì)好的分析系統(tǒng)放入測(cè)試環(huán)境中反復(fù)調(diào)試后得到多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取其中某個(gè)時(shí)刻測(cè)得的一組數(shù)據(jù),如表1所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性和重復(fù)性。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

分析系統(tǒng)運(yùn)用最新的傳感器技術(shù),不需要復(fù)雜的調(diào)理電路,簡化了電路設(shè)計(jì),模塊化的軟件設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)的維護(hù)。它具有分辨率高、精度高、穩(wěn)定性好、低功耗的特點(diǎn),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)密閉的SF6氣室的狀況,有利于對(duì)SF6氣體性質(zhì)的研究,幫助電氣設(shè)備及時(shí)排除故障。同時(shí),采用的溫濕度一體傳感器可以使用在很多濕度測(cè)量的情況下,能夠促進(jìn)濕度測(cè)量的研究與發(fā)展。

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An Analysis System of SF6Gas Density and Humidity Based on HYT271*

ZHANGMinmin,XIAODi*,XUJianjia

(School of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

In order to protect the insulation properties and arc extinguishing capability of SF6gas insulated equipment,an analysis system of SF6gas density and humidity is designed based on an integrated temperature and humidity sensor called HYT271. The values of temperature,relative humidity and absolute pressure in a SF6gas cell are measured by an integrated temperature and humidity sensor HYT271 and a pressure sensor MS5803. And the software calibration and mathematical calculation of the measurement data are carried out by the micro controller. Finally,the RS485 bus will be used to send the measurement and analysis data to the host computer. According to the test of some excellent characteristics of high accuracy,low current consumption,real time and simple design are demonstrated. It is convenient to analyze and monitor SF6gas in high voltage electrical equipment.

analysis system;analysis and monitor;SF6gas;integrated temperature and humidity sensor;microcontroller

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61308066)

2016-03-14 修改日期:2016-04-13

C:7230L;7320T

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.008

TH835

A

1005-9490(2017)02-0306-06