用于電力設備測溫的無線多點測溫探針設計

文/鞏文東 趙青龍

1 引語

重要的電力設備如變壓器等需要進行溫升試驗，需要監(jiān)測根據溫度判定是否出現局部過熱，要求的測量點多達數十個甚至近百個，傳統(tǒng)的有線測溫方式安裝布線難度大，容易出現錯亂，如果發(fā)生損壞，不便于更換傳感器。因此無線測溫將是必然的發(fā)展趨勢。

目前國內外針對無線測溫的研究主要是研究對比不同的通信方式，在同一探針集成多個測溫點的方式上仍有欠缺。徐波,楊帆等人采用ZIGBEE通信方式進行了無線測溫試驗，證實了無線通信可以可靠快速采集現場的溫度數據；鄧世杰對低功耗式的無線測溫裝置進行了一定的研究，通過實驗對比了不同無線通信芯片的功耗差異。本文設計的基于無線通訊的多點測溫探針，可以進一步簡化安裝布線的難度，尤其適用于測量油溫等需要插入測量的場合，提高了測量的精度和效率。

2 多點式溫度探針硬件結構設計

多點式溫度探針主要由溫度顯示模塊、無線測溫單元、端頭、鎧裝外殼、各測溫點的熱電偶構成，如圖1所示。

圖1中，無線測溫單元由參量轉換單元，供電單元和無線數據發(fā)射單元構成，參量轉換單元采用低功耗的STM32L041單片機，STM32L041提供WLCSP32小封裝，具有高達64 KB閃存、高達8 KB RAM及高達2 KB嵌入式EEPROM，此系列還具有帶DMA功能的外設、實時時鐘、低功耗時鐘、硬件加密模塊以及每秒100 KB采樣時僅需48 μA的超低功耗12位ADC。

圖1：多點式溫度探針結構示意圖

由于極低的運行時功耗，非常適合需要長時間高頻率測量的無線測溫裝置，可以大大減輕電池的負擔，使待機時間有效延長。供電單元采用鋰電池，可以連續(xù)待機高達300天，具有Mini-USB充電口。無線數據發(fā)射單元采用ZM433SX-M，模塊采用的LoRa調制技術設計，抑制同頻干擾的性能較強。另外，模塊集成了+20dBm的可調功率放大器，并可獲得超過-148dBm的接收靈敏度。支持多種休眠和待機模式，讓能耗和性能得到更加細化平衡。模塊可以通過調整擴頻因子（數值為6～12）、調制帶寬及糾錯率等變量，在通信速率及傳輸距離和抗干擾特性之間取得更好的平衡。無線測溫單元的結構如圖2所示。

圖2：無線測溫單元結構示意圖

主要工作原理為：多點式溫度探插入變壓器油中，此時多點的感溫信號通過連接導線輸出，達到參量轉換單元進行溫度數據的處理，經過濾波算法提高精度后，采用Lora透傳的方式，通過無線數據發(fā)射單元發(fā)送至數據采集器。多點式溫度探針上每個點的數據都有唯一的編號，實際安裝使用時需要記錄每個多點式溫度探針的安裝位置，并與編號一起存入上位機數據庫中。

溫度測量終端參數如下：

（1）長期工作溫度：-40℃～+80℃；

（2）測量溫度范圍：-55℃～+150℃；（此處看傳感器是否滿足）

（3）測量精度：±0.5℃；

（4）溫度測量周期：每1分鐘（或為大于1分鐘的任意時間間隔）；

（5）發(fā)射頻率：范圍在915MHz/433MHz之間；

（6）最大發(fā)射功率：+20dBm；

（7）工作電壓：3.6V；

溫度顯示單元一方面可以實現數據直讀顯示。根據試驗人員需要在溫升試驗現場通過LED顯示屏直接顯示探針上每個測溫點的數據；另一方面當出現溫度異常時可以在顯示屏上向試驗人員發(fā)出報警信息。

3 多點式溫度探針嵌入式軟件設計

參量轉換單元對溫度的采樣頻率為10Hz，即每隔0.1s采集一次溫度數據，接收多點式測溫探針上每個測溫點的數據，并經過一系列的信號放大及AD轉換后，處理器需要對溫度數據進行濾波處理，以提高溫度的測量精度，這里用到的濾波算法為防脈沖干擾平均濾波法，相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”，參量轉換單元連續(xù)采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值，N值的選取為10。這種濾波的方法優(yōu)點是對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，避免了測溫過程中出現的突發(fā)干擾。

參數處理單元在濾波完成后，將數據發(fā)送到無線發(fā)射單元，由無線發(fā)射單元通過Lora透傳的方式，將數據發(fā)送到數據采集器，數據采集器在采集現場設備上所有的無線數據后，將數據打包發(fā)送給工控機，工控機軟件根據實時顯示當前的各種測量數據，并形成各種所需的報表、趨勢圖等文件。軟件流程圖如圖3所示。

4 結語

基于無線通訊的多點式測溫探針設計既避免了有線通訊方式帶來的安裝布線困難，調試更換傳感器不便等缺點，同時在一個探針上集成多個測溫點，能夠更加準確的測量同一位置不同深度下的溫度，更好的反應當前變壓器等電力設備的工作情況，提高了測溫的精度，為工作人員進行數據分析提供了更好的保證。通過獨立的鋰電池進行供電，并進行程序優(yōu)化設計，大大提高了待機的時間，可充電的設計方案使設備可以循環(huán)利用，降低了成本。

經過現場使用證明，相比于傳統(tǒng)的測溫方式，在精度上和測量的效率上，均有了較大的提高，但是在高頻率的采樣過程中，不可避免的存在通信干擾問題，如何能夠在高頻采樣的情況下，保持通信的穩(wěn)定性，是下一步需要解決的問題。

圖3：嵌入式軟件設計流程圖