羅文清 蔡嗣焜 黃永州 陳小鑫 吳鶴雯

【摘 要】開(kāi)關(guān)柜作為電力系統(tǒng)重要的供電設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而其常因內(nèi)部觸頭發(fā)熱導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜爆炸。本文利用物體表面向外輻射的紅外能量，將紅外能量轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜溫度的監(jiān)測(cè)。在紅外測(cè)溫技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)關(guān)柜紅外測(cè)量方法進(jìn)行了探究，并給出了矩陣式紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)過(guò)程以及紅外探測(cè)器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)方法，對(duì)所產(chǎn)生的溫度誤差進(jìn)行了原因分析，并提出了改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】紅外測(cè)溫；開(kāi)關(guān)柜；云臺(tái)；探頭；

一、紅外測(cè)溫的基本原理

紅外測(cè)溫的原理是利用紅外技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的理論，即任何物體高于絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)向外界輻射紅外線，其波長(zhǎng)為0.76到1000微米。從規(guī)律上來(lái)看，紅外線與普通光線一樣，都是客觀存在的，具有電磁波性質(zhì)。由于紅外輻射隨波長(zhǎng)與溫度的變化有一定的規(guī)律，因此可以利用物體輻射的紅外線測(cè)量物體的表面溫度，根據(jù)物體發(fā)出的紅外輻射能量，利用紅外透鏡實(shí)現(xiàn)能量的聚焦，并將這些能量匯集到探測(cè)器上，由探測(cè)器將信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大，濾波處理之后，得到與物體輻射強(qiáng)度成一定關(guān)系的溫度信號(hào)，再通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸出完成溫度檢測(cè)。

二、矩陣式紅外測(cè)溫儀的總體設(shè)計(jì)

該測(cè)溫裝置采用紅外測(cè)溫探頭，基本軟硬件架構(gòu)由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、人機(jī)交互、溫度判斷邏輯及Zigbee收發(fā)電路組成，所獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)Flash、RAM芯片存儲(chǔ)起來(lái)，便于后期數(shù)據(jù)查詢(xún)與調(diào)取。在硬件設(shè)備上，CT取電裝置是電源模塊的核心裝置，通過(guò)取電保護(hù)電路來(lái)滿(mǎn)足裝置供電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

矩陣式測(cè)溫儀是集合微電子、光學(xué)、精密機(jī)械、溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)為一體的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，在溫度定標(biāo)時(shí)采用替代法，能夠克服當(dāng)前市場(chǎng)上紅外測(cè)溫儀輻射率的修正問(wèn)題。而本文所設(shè)計(jì)的新型紅外測(cè)溫儀能夠效仿非制冷紅外熱像儀，探頭結(jié)構(gòu)將測(cè)溫儀探頭矩陣化，其探頭矩陣元可以根據(jù)用戶(hù)需求來(lái)確定，探頭矩陣元數(shù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)紅外熱像儀。另外，還可選擇普通半導(dǎo)體光學(xué)材料加工成矩陣式探測(cè)器，這樣可以大大降低成本。圖2給出了矩陣式紅外測(cè)溫探頭的基本結(jié)構(gòu)，由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器陣列、模擬放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元與信號(hào)輸出編碼構(gòu)成。

從性能指標(biāo)上來(lái)看，該矩陣式紅外測(cè)溫儀的核心部位是矩陣紅外探頭。其作用是將接收到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大倍率后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算，最后生成可以反映物體表面溫度分布情況的溫度陣列表，通過(guò)算法進(jìn)一步確定測(cè)量區(qū)域溫度，平均溫度等信息，具體的測(cè)溫范圍可由0到500℃，響應(yīng)時(shí)間為5毫秒。紅外探測(cè)器探頭的性能參數(shù)經(jīng)過(guò)修正后，測(cè)試合格才可以投入使用，調(diào)整好光路后，將矩陣式探側(cè)器放在合適位置，調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器，改變白熾燈溫度，利用靈敏度較高的臺(tái)式電流表測(cè)量其電流變化，通過(guò)測(cè)試可以得到測(cè)試電流與所得實(shí)際溫度值呈線性關(guān)系，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

三、紅外測(cè)溫儀信號(hào)處理的相關(guān)設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是紅外測(cè)溫系統(tǒng)中的重要組成部分，數(shù)字信號(hào)處理部分是該測(cè)溫儀的軟件部分。紅外輻射溫度探測(cè)器可以輸出數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)包括前置放大、主放大、濾波、多路傳輸?shù)炔糠?，在單片機(jī)的控制下有序完成信號(hào)采集工作。從系統(tǒng)軟件上，可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理以及上位機(jī)進(jìn)行溫度顯示，而數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所完成的功能包括放大、濾波、中斷服務(wù)、串口通信、信號(hào)采集等，上位機(jī)溫度測(cè)量界面的顯示則由VC++編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)界面采用菜單和對(duì)話框的交互界面來(lái)完成。相比之下，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要軟件編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行命令控制，然后才能完成數(shù)據(jù)的采集，轉(zhuǎn)換和處理，由于c語(yǔ)言是一種可讀性強(qiáng)，可移植性較好的編程語(yǔ)言，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便，利用c語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換。通過(guò)完成單片機(jī)編程，能夠?qū)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊發(fā)出命令，控制模塊執(zhí)行功能。在單片機(jī)控制下，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，使采集到的信號(hào)存于單片機(jī)中，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中由矩陣式探測(cè)器經(jīng)過(guò)濾波和放大后，通過(guò)采集模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)并輸出，在單片機(jī)控制下將溫度信號(hào)儲(chǔ)存于指定位置。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)串口通信顯示在上位機(jī)上。具體的程序流程如下圖4所示。

上電完畢后主控制程序進(jìn)行初始化，讀取外部設(shè)置參數(shù)，自檢正常后匹配Zigbee參數(shù)，進(jìn)入測(cè)溫模式。完成所有信號(hào)采集之后，在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于Flash中，通過(guò)串口信號(hào)將數(shù)據(jù)顯示到上位機(jī)的指定模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的處理和顯示。I/O數(shù)據(jù)采集包括選擇采集通道、數(shù)據(jù)采樣控制和數(shù)據(jù)讀取。數(shù)據(jù)處理是從AD轉(zhuǎn)換器收集數(shù)據(jù)后并處理，再將數(shù)字轉(zhuǎn)化為可通過(guò)串口通信傳輸?shù)男问?。由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)量較大，因此需要將數(shù)據(jù)先儲(chǔ)存在RAM中，再存儲(chǔ)到Flash芯片內(nèi)，再通過(guò)Zigbee或者串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

四、誤差分析

圖5與圖6給出了本次試驗(yàn)中的溫度測(cè)量信息與不同溫度下的溫度誤差。由于無(wú)法在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因而很難避免測(cè)量誤差，考慮溫度測(cè)量并非對(duì)物體表面直接進(jìn)行測(cè)量，而是通過(guò)物體發(fā)出的輻射能來(lái)獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，物體的周?chē)h(huán)境因素，測(cè)量距離，發(fā)射率等原因都會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生誤差?；诶碚摲治?，我們認(rèn)為該系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差來(lái)源主要是由于探測(cè)器靈敏度，穩(wěn)定性及探測(cè)率等因素。不同探測(cè)器之間存在一定的測(cè)量誤差，硬件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)由于各部分測(cè)量精度不一致，也會(huì)產(chǎn)生誤差。根據(jù)上述誤差產(chǎn)生的原因分析，為了能夠提升系統(tǒng)測(cè)量精度，減小誤差，可以在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都進(jìn)行完整的性能測(cè)試，以提高整體測(cè)量精度。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分時(shí)需要進(jìn)行硬件匹配，考慮添加相應(yīng)的溫度補(bǔ)償電路，來(lái)減少誤差。

小結(jié)

本文針對(duì)矩陣式紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)進(jìn)行總體闡述，在基本理論上進(jìn)行詳細(xì)分析，給出其探測(cè)器信號(hào)處理的具體設(shè)計(jì)方案，在數(shù)據(jù)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器及信號(hào)設(shè)計(jì)處理部分是系統(tǒng)的核心部分，探測(cè)器性能直接影響系統(tǒng)的整體性能，而信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)影響最終的測(cè)量精度。由于受到多種因素的影響，一定程度上影響測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，需今后研究學(xué)者進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)柜的紅外測(cè)溫信號(hào)處理系統(tǒng)，以提升整個(gè)測(cè)溫性能。

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作者簡(jiǎn)介：

羅文清：男，1991年出生，電力工程助理工程師，主要研究方向：變電設(shè)備檢修與監(jiān)測(cè)。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司）