張金波，陳 彬，宋佳佳，王 恒

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

變電站房屋滲漏監(jiān)測(cè)裝置研究與設(shè)計(jì)?

張金波1，2，陳 彬1，2，宋佳佳1，2，王 恒1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

目前市場(chǎng)上有關(guān)房屋滲漏監(jiān)測(cè)的裝置種類繁多，這些裝置操作復(fù)雜、缺乏靈活性、對(duì)使用者技術(shù)水平要求過高。為了減少變電站房屋滲漏給變電站設(shè)備帶來的安全隱患，設(shè)計(jì)了一種基于電容法，并利用平行板式電容傳感器以及ATmega16為核心控制處理器的監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)變電站房屋滲漏的測(cè)量，并達(dá)到相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)指標(biāo)。該裝置另具有報(bào)警功能、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能，以及與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，該滲漏監(jiān)測(cè)裝置使用便利、成本低廉、穩(wěn)定可靠，能夠滿足變電站房屋滲漏的直接測(cè)量。

變電站房屋滲漏；電容法；ATmega16芯片；Modbus協(xié)議；傳感技術(shù)；報(bào)警；頻率

1 引 言

變電所建筑作為一種工業(yè)建筑，在防水抗?jié)B方面，具有共性之處。而戶內(nèi)變電所建筑由于電氣設(shè)備的特殊要求，重要電氣設(shè)備房間的滲水有可能影響電氣設(shè)備安全，因此對(duì)建筑物的防滲防漏具有更高的要求。隨著近幾年電力建設(shè)的高速發(fā)展，一大批戶內(nèi)變電所建成投入了使用，從這些變電所的使用情況來看，有不少存在著滲漏現(xiàn)象，給變電所建筑的整潔美觀和安全運(yùn)行造成了影響和隱患。傳統(tǒng)的建筑物滲漏監(jiān)測(cè)方法，儀器操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)監(jiān)測(cè)人員技術(shù)水平要求較高，成本較高，不能進(jìn)行大范圍在線監(jiān)測(cè)。據(jù)此設(shè)計(jì)一種新型變電站房屋滲漏監(jiān)測(cè)裝置［1－2］，該裝置采用電容法，利用平行板式電容傳感器采集電容值，經(jīng)過電路調(diào)理轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，并在該滲漏監(jiān)測(cè)裝置上實(shí)時(shí)顯示滲漏程度對(duì)應(yīng)的頻率值。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要設(shè)定滲漏程度的臨界報(bào)警值，當(dāng)所測(cè)頻率值低于設(shè)定的報(bào)警頻率值時(shí)，該裝置立刻報(bào)警通知監(jiān)測(cè)人員。該裝置的使用可以提高變電站房屋滲漏監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，減少運(yùn)行成本，同時(shí)降低了變電站房屋滲漏給電氣設(shè)備帶來的安全隱患。

2 平行板式電容傳感器獲得電壓信號(hào)的原理

圖1是平行板式電容傳感器示意圖。它是由靠的很近、相互平行的、同樣大小的兩片金屬組成的，設(shè)每塊極板的面積為s，兩極板內(nèi)表面的距離為d，且板面線度遠(yuǎn)大于兩極板的內(nèi)表面間距。若使A板帶正電＋q，B板帶負(fù)電－q，由于板面很大而兩極板間的距離很小，所以除了兩板的邊緣部分外，電荷是均勻分布在兩極板的內(nèi)表面上的，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為：

式（1）中，ε為傳感器中物質(zhì)的介電常數(shù)。

設(shè)磚頭（不含水）的重度為α，磚頭中水的重度為β，設(shè)傳感器中裝滿含水磚頭的重量為G，并有：

式（2）中，G1為磚頭的重量；G2為磚頭中水的重量。

圖1 平行板電容器

設(shè)S1和S2為磚頭和水的等效面積，設(shè)相應(yīng)的等效電容分別為C1和C2，則有：

由式（1）、（2）和（3）可得，傳感器裝滿含水的磚頭的電容量Cx為：

式（5）中，ε1和ε2分別是磚頭和水的介電常數(shù)。磚頭中含水率δ定義為：

由（7）可知，第一項(xiàng)為傳感器裝滿不含水磚頭時(shí)的電容，以Co表示，第二項(xiàng)是由于磚頭含水而引起電容的變化，變化量以ΔCx表示，則有：

于是由式（4）、（5）、（6）和β≈1可得：

式（10）說明，ΔCx與含水量δ有關(guān)，對(duì)于確定的含水量和傳感器［3－5］，測(cè)定ΔCx，則可確定含水量的大小，這正是電容傳感器用于磚頭含水量測(cè)量的原理。最后再由極板間兩端電容的變化，求出極板間的電壓。

3 平行板式電容屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)

平行板式電容屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置主要完成將采集的電容值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，在此基礎(chǔ)上裝置還具有報(bào)警功能，以及與上位機(jī)通信的功能。電路結(jié)構(gòu)包括Atmega16微控制器、電源模塊、平行板式電容傳感器模塊、RS485（modbus協(xié)議）通訊模塊、數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊、人機(jī)交互模塊等，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

4 平行板式電容屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

4.1 電容傳感器電壓信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換

如圖3所示，平行板電容傳感器電容的變化，引起極板兩端電壓值的變化；將采集到的電壓值通過NE555芯片轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)輸入微處理芯片Atmega16。

圖3 電容傳感器電壓信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換電路

4.2 頻率顯示和報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

微處理芯片采用Atmega16，滲漏監(jiān)測(cè)儀裝置共有兩塊數(shù)碼管。一塊顯示當(dāng)前采集到的電容值對(duì)應(yīng)的頻率，一塊設(shè)定報(bào)警值，即當(dāng)頻率低于設(shè)定值時(shí)裝置就會(huì)立刻報(bào)警。頻率只顯示千、百、十位，個(gè)位不顯示。例如磚頭不含水時(shí)采集的頻率約為4200Hz，數(shù)碼管上顯示420；磚頭含水時(shí)頻率大概為3700Hz，如果設(shè)定報(bào)警值為3800Hz，此時(shí)滲漏裝置就會(huì)報(bào)警。硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 頻率顯示模塊和報(bào)警模塊

5 平行板式電容屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

平行板式電容屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。將平行板式電容傳感器獲得的電容值轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，并將其輸入到控制芯片。平行板式電容屋面滲漏監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所測(cè)變電站屋頂滲漏的頻率值，頻率值的大小對(duì)應(yīng)房屋滲漏的程度，頻率值越小，房屋滲漏越嚴(yán)重。當(dāng)頻率值低于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)［6－10］，滲漏監(jiān)測(cè)裝置將會(huì)立刻報(bào)警通知管理人員。報(bào)警值的設(shè)定可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要使用按鍵控制得到。

圖5 滲漏監(jiān)測(cè)裝置軟件流程圖

6 結(jié)束語

系統(tǒng)基于電容法，利用平行板式電容傳感器及控制芯片Atmega16，設(shè)計(jì)了一種新型變電站屋頂滲漏監(jiān)測(cè)裝置，結(jié)合嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了屋頂滲漏的測(cè)量。經(jīng)測(cè)試表明，該裝置的使用可以很大程度提高變電站滲漏監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，并減少房屋滲漏給變電站電氣設(shè)備帶來的安全隱患。

［1］ 張金波，王俊范，梅榮.一種測(cè)定糧食水分含量傳感器的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（9－1）：144－145.

Zhang Jinbo，Wang Junfan，Mei Rong.Design of a Grainwater Content Measure Sensor［J］.Microcomputer Information，2005，21（9－1）：144－145.

［2］ 孟艷華，李赟.平面屋頂滲漏檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［J］.山西建筑，2006，32（19）：331－332.

Meng Yanhua，Li Yun.The Acquisition System of Leakage Detection Data of FlatRoof［J］.Shanxi Architecture，2006，32（19）：331－332.

［3］ 薛書敏，王文灝，夏璐.紅外熱像技術(shù)在房屋滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)建筑防水，2012（22）：38－39.

Xue Shuming，Wang Wenhao，Xia Lu.Utilizing Infrared Imaging Technology for Detection of House Leakage［J］.China BuildingWaterproofing，2012（22）：38－39.

［4］ 楊建軍，陳星.WSJY－2型屋面滲漏檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（22）：132－133.

Yang Jianjun，Chen Xing.Design ofWSJY－2 Type Roof－leaking Detector［J］.Modern Electronics Technique，2011，34（22）：132－133.

［5］ 夏仲賢.房屋裂縫及滲漏檢測(cè)與分析探討［J］.住宅科技，2011，S1：273－274.

Xia Zhongxian.Housing Cracks and Leakage Detection and Analysis［J］.Housing Science，2011，S1：273－274.

［6］ 李赟.電容傳感器滲漏檢測(cè)方法研究［J］.河南科技，2013（23）：55－56.

Li Yun.The Research of Leakage Detection Method of Capacitance Sensor［J］.Journal of Henan Science and Technology，2013（23）：55－56.

［7］ 潘俊峰，能昌信，張赟，管紹朋，董路.便攜式滲漏檢測(cè)裝置在填埋場(chǎng)防滲層完整性檢測(cè)的應(yīng)用［J］.環(huán)境科究，2008，21（6）：43－46.

Pan Junfeng，Neng Changxin，Zhang Yun，Guan Shao peng，Dong Lu.Portable Leakage Detection System and Its Application in to Integrity In spection of Landfill Liner［J］.Research of Environmental Sciences，2008，21（6）：43－46.

［8］ 朱思涵，王斌，王晶，劉景財(cái).固體廢物填埋場(chǎng)滲漏檢測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用2014，33（8）：7－9.

Zhu Sihan，Wang Bin，Wang Jing，Liu Jingcai.The Research on Software Development of Solid Waste Landfill leakage detection［J］.Microcomputer＆Its Applications，2014，33（8）：7－9.

［9］ Yingchieh Ho，Katherine Shu－Min Li，Sying－Jyan Wang.Leakage Monitoring Technique in Near－threshold Systemswith a Time－based Bootstrapped Ring Oscillator［J］.Asian Test Symposium，2013（22）：91－96.

［10］ Ludwig Hoegner，Uwe Stilla.Thermal leakage detection on building facades using infrared textures generated by mobilemapping［J］.Urban Remote Sensing Joint Event，2009（10）：1－6.

Research and Design of Monitoring Devices of Substation Building Leakage

Zhang Jinbo1，2，Chen Bin1，2，Song Jiajia1，2，Wang Heng1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

Now，the housing leakage monitoring devices are available in the market，but it is complicated for operating and has higher requirement of technical level for the users.In order to reduce the hidden dangers of substation equipment caused by leakage of substation building，the core processor，using parallel plate capacitance sensor and control ATmega16，is proposed in this paper，based on Capacitancemethod，to realize the measurement of the substation building leakage and accord with the related parameters of the detection index.The practical test shows that the leakage monitoring device meets the need formeasuring the substation building leakage with the features of simple operation，low cost and reliable stability.

Substation building leakage；Capacitance method；ATmega16 chip；Modbus protocol；Sensing technology；Alarm function；Frequency

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.020

TP216

A

1002－2279（2015）05－0076－03

2014年江蘇省科技支撐項(xiàng)目（BE2014052）；江蘇省高校“2011計(jì)劃”（沿海開發(fā)與保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇證辦發(fā)［2013］56號(hào)）

陳彬（1989－），男，江蘇省揚(yáng)州市人，碩士，主研方向：檢測(cè)與自動(dòng)化技術(shù)。

2015－03－15