基于紅外傳感器陣列的智能溫度傳感器研究

宋念龍,李 琦,張新雨,李 倩,王 靜

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,西安 710048)

在大型電站鍋爐中,電站鍋爐空氣預(yù)熱器(簡(jiǎn)稱空預(yù)器)對(duì)于熱量回收和節(jié)省能源起著重要作用,由于空預(yù)器所處設(shè)備環(huán)境和運(yùn)行方式的原因,空預(yù)器存在發(fā)生再燃燒的隱患,而空預(yù)器的再燃燒將會(huì)影響到整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常工作,因此,對(duì)空預(yù)器的熱點(diǎn)檢測(cè)及對(duì)火災(zāi)隱患做出準(zhǔn)確的判斷對(duì)于杜絕火災(zāi)事故有著重要的意義,這也是國(guó)內(nèi)外電站鍋爐生產(chǎn)商比較關(guān)心的問(wèn)題。

以往空氣預(yù)熱器熱點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)多用熱電阻、熱電偶和單點(diǎn)紅外傳感器對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),熱電阻、熱電偶和單點(diǎn)紅外傳感器測(cè)量的面積范圍較小,對(duì)空預(yù)器熱點(diǎn)的測(cè)量會(huì)出現(xiàn)盲區(qū),容易出現(xiàn)火災(zāi)漏報(bào)的現(xiàn)象,并且熱電偶和熱電阻的響應(yīng)較為緩慢,不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn),一旦發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn),損失就會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重[1-3]。

本文介紹了一種新型的基于紅外傳感器陣列的智能溫度傳感器,用于空預(yù)器的熱點(diǎn)檢測(cè),本傳感器采用了紅外傳感器陣列結(jié)構(gòu)和雙單片機(jī)系統(tǒng)、雙總線結(jié)構(gòu),具有反應(yīng)靈敏、精度高、測(cè)溫面積大、自校準(zhǔn)、自組網(wǎng)、自愈合、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),并且能夠?qū)疹A(yù)器內(nèi)部及傳感器環(huán)境溫度變化作出迅速準(zhǔn)確的判斷。

1 智能溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

智能傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是數(shù)字傳感器信號(hào)處理(DSSP),另一種是數(shù)字控制的模擬信號(hào)處理(DCASP)[4]。

精確的設(shè)計(jì)一般都采用 DSSP結(jié)構(gòu),通常包括兩個(gè)傳感器：被測(cè)量傳感器和溫度(補(bǔ)償)傳感器。本傳感器采用 DSSP結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)如圖 1所示,首先通過(guò)紅外傳感器陣列獲得被測(cè)目標(biāo)溫度值,并且通過(guò)集成溫度傳感器獲得環(huán)境溫度,然后由高精度放大電路放大后同時(shí)送入兩個(gè)相互獨(dú)立的單片機(jī),每一個(gè)單片機(jī)集成了 13路 12 bit AD模擬輸入通道,對(duì)紅外傳感器陣列采到的每一個(gè)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析、處理,將最終結(jié)果通過(guò) RS485總線根據(jù)改進(jìn)的 Modbus總線協(xié)議輸出。

圖1 智能傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 紅外傳感器陣列原理

紅外熱電堆傳感器的原理是將多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái),將其工作端排列在很小的面積上,參考端分布在外圍,使入射紅外線照射在工作端,參考端則處于掩蔽場(chǎng)所。通過(guò)現(xiàn)代微電子技術(shù),可以在很小的半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)這種原理,制成實(shí)用的熱電堆紅外傳感器,并將其封裝起來(lái)[5-7]。

本傳感器采用的是 TPS434紅外熱電堆傳感器,該傳感器具有很高的靈敏性和很好的重復(fù)性,封裝結(jié)構(gòu)頂部留有鍺玻璃光窗,對(duì)紅外線具有很好的透過(guò)性。傳感器內(nèi)還集成了一個(gè)熱敏電阻,以利于溫度補(bǔ)償使用,如圖 2。

圖2 TPS434外形及內(nèi)部電路

這里選用了 7個(gè)該傳感器組成一個(gè)“一”字型的紅外熱電堆傳感器陣列,由于紅外信號(hào)比較微弱,所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng),使紅外輻射損失盡可能小。在傳感器陣列與被測(cè)目標(biāo)之間加一個(gè)透鏡,對(duì)紅外輻射進(jìn)行聚焦,這樣就形成了一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng),具體光路圖如圖 3所示。透鏡左側(cè)為熱源即物,右側(cè)為熱源落在紅外傳感器陣列上的像,物距為 u,像距為 v,物高為 h,像高為 h′,透鏡的焦距為 f,物寬為 w,像寬為 w′,根據(jù)凸透鏡成像原理,物距、像距和焦距有式(1)的關(guān)系：

圖3 紅外傳感器陣列光學(xué)系統(tǒng)光路圖

物距、像距、物高、像高有式(2)的關(guān)系：

紅外傳感器被測(cè)目標(biāo)比就可以得到：

這種紅外傳感器陣列結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)的組合既可以減少紅外輻射的損失,提高測(cè)量精度,又可以擴(kuò)大測(cè)量的有效面積,使傳感器獲得更豐富的測(cè)量值,便于自校準(zhǔn)和處理,并且比較容易實(shí)現(xiàn)。

3 雙單片機(jī)與雙總線系統(tǒng)

本傳感器采用了雙單片機(jī)與雙總線系統(tǒng),兩個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)獨(dú)立工作,每一個(gè)單片機(jī)都有唯一的通訊 ID,各自通過(guò)獨(dú)立的總線輸出,當(dāng)多個(gè)傳感器同時(shí)連接到通訊總線上,決策機(jī)構(gòu)可以自動(dòng)識(shí)別各個(gè)傳感器,并且建立通訊設(shè)備列表,形成一個(gè)完整的主從式網(wǎng)絡(luò),在通訊的過(guò)程中,決策機(jī)構(gòu)定時(shí)的檢測(cè)傳感器,當(dāng)有新的傳感器連接到總線上,決策機(jī)構(gòu)就可以很快的檢測(cè)到新加入的傳感器,將新加入傳感器的 ID添加到?jīng)Q策機(jī)構(gòu)的通訊設(shè)備列表中,以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)的功能,當(dāng)某一個(gè)設(shè)備失去連接以后,決策機(jī)構(gòu)可以立即檢測(cè)到失去連接的傳感器,把傳感器的通訊 ID號(hào)從決策機(jī)構(gòu)的通訊列表中剔除,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈合的功能。

每一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)包括了一個(gè)高性能高速度的單片機(jī)、大容量的參數(shù) flash存儲(chǔ)器、RS485通訊總線、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、振蕩電路和電源,具體結(jié)構(gòu)如圖 4。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)處理由紅外傳感器陣列采集經(jīng)高精度運(yùn)放放大和集成溫度傳感器采集的模擬信號(hào),將模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換、分析、處理,將處理后的數(shù)字量通過(guò) 485總線根據(jù)改進(jìn)的 ModBus協(xié)議輸出,本系統(tǒng)的外圍還包含了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊,為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的記錄數(shù)據(jù)及溫度異常的時(shí)間。系統(tǒng)的參數(shù) flash存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)傳感器一些設(shè)置參數(shù)[8-9]。

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

雙單片機(jī)雙總線系統(tǒng)可以增加信息的冗余度,降低信息的錯(cuò)誤率,當(dāng)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)損壞以后,另一個(gè)還可以繼續(xù)穩(wěn)定的工作,當(dāng)有一條總線出現(xiàn)通訊故障時(shí),另一條總線仍可以通訊,這樣就可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定,提高了智能傳感器的可靠性,每一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)模擬量都進(jìn)行獨(dú)立的處理,從而提高了智能傳感器測(cè)量值的精確性和準(zhǔn)確性。

4 數(shù)據(jù)處理

本傳感器采集到的信號(hào)包括集成溫度傳感器采集到的環(huán)境溫度和紅外傳感器陣列采集到的被測(cè)目標(biāo)的 7路模擬量。因此數(shù)據(jù)處理就包括兩方面的數(shù)據(jù)處理,一方面是對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè),另一方面是對(duì)紅外傳感器陣列的 7路模擬量進(jìn)行處理。

(1)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)和判斷 本傳感器選用了具有很好的線性度的集成溫度傳感器,輸出電壓值的分辨率為 0.1℃/mV,單片機(jī)通過(guò) AD通道的差分采樣,直接獲得這個(gè)電壓值,然后除以 10,就得到了溫度值。

(2)對(duì)紅外傳感器陣列的模擬量的處理

①硬件電路補(bǔ)償 TPS434 集成了一個(gè)熱敏電阻,為了抑制紅外傳感器輸出出現(xiàn)漂移,這里選用了電橋補(bǔ)償法,設(shè)計(jì)電路如圖 5,R1、R2、R3與 TPS434中的熱敏電阻組成一個(gè)電橋,與 TPS434中的熱電堆串聯(lián)起來(lái),對(duì)冷端起到了溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?然后通過(guò)高精度運(yùn)放放大,接入單片機(jī)的 AD采樣通道。單片機(jī)的 AD采樣轉(zhuǎn)換采用中斷實(shí)現(xiàn),當(dāng) AD通道將模擬值采樣、轉(zhuǎn)換完成后,產(chǎn)生一個(gè)中斷,單片機(jī)進(jìn)入中段服務(wù)程序去處理得到的數(shù)字量,每產(chǎn)生一次中斷,單片機(jī)得到一個(gè) AD通道 16個(gè)不同時(shí)刻的數(shù)字量,對(duì)這 16個(gè)數(shù)字量求平均值,得到一個(gè)更精確的值,單片機(jī)通過(guò)這種方法依次得到 7路傳感器的數(shù)字量[10]。

圖5 TPS434補(bǔ)償及放大電路

②粗大誤差的剔除 根據(jù)大量測(cè)量數(shù)據(jù)可以得出,大多數(shù)隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布[11],經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,本設(shè)備的紅外傳感器的誤差也大致符合正態(tài)分布,因此,本傳感器采用格拉布斯準(zhǔn)則消除粗大誤差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),該智能傳感器對(duì)紅外傳感器陣列中七個(gè)傳感器每秒采樣 2 800次,平均一個(gè)傳感器每秒采樣 400次。如果每秒都進(jìn)行一次粗大誤差剔除,傳感器的單片機(jī)對(duì)格拉布斯準(zhǔn)則準(zhǔn)則表格讀寫次數(shù)會(huì)大大增加,從而大量占用了單片機(jī)的處理時(shí)間,影響了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性;如果每分鐘進(jìn)行一次粗大誤差剔除,就使得粗大誤差不能夠及時(shí)剔除,從而數(shù)據(jù)不能夠得到及時(shí)的校正和補(bǔ)償,影響了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。為了減小單片機(jī)運(yùn)算的數(shù)據(jù)量并且為后面的校準(zhǔn)提供一致性數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),將消除粗大誤差的周期確定為 20 s效果最佳。

根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則,某個(gè)測(cè)量值滿足式(4),則判斷此值中含有粗大誤差,應(yīng)予剔除。

xi為第 i個(gè)測(cè)量值,為平均值,σ為測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差,G值可以根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則準(zhǔn)則表格查得。本傳感器為提高傳感器的精度,確定置信概率為0.99,將置信概率為 0.99的格拉布斯準(zhǔn)則表存入flash中,根據(jù)采到的值的個(gè)數(shù)來(lái)查相應(yīng)的 G值。單片機(jī)依次將 7路傳感器的結(jié)果剔除粗大誤差,然后存到 RAM中,以便單片機(jī)進(jìn)行下一步的融合校準(zhǔn)。

③傳感器自校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理 本傳感器的紅外傳感器陣列包含有 7個(gè)傳感器,相鄰的傳感器的測(cè)量區(qū)域都會(huì)有重疊部分,因此,每個(gè)紅外傳感器可以根據(jù)相鄰的傳感器的信息進(jìn)行校準(zhǔn),由于紅外溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果符合正態(tài)分布,而且經(jīng)過(guò)了剔除粗大誤差處理,數(shù)據(jù)的一致性較好,所以,本傳感器的校準(zhǔn)方法可以采用基于均值的分批估計(jì)理論,能夠獲得可靠的測(cè)量初值,有效消除測(cè)量中的不確定性,提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法具有計(jì)算量小,易于編程等特點(diǎn),適合于緩變量檢測(cè)系統(tǒng)[12]。

本傳感器將 7個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)分別融合 7次,其中第 1個(gè)和第 7個(gè)分別只與第 2個(gè)和第 6個(gè)相鄰,所以這兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)只能和第 2個(gè)和第 6個(gè)融合,而其它的傳感器分別和相鄰的兩個(gè)進(jìn)行融合。為了減小單片機(jī)的運(yùn)算量,每 5 s進(jìn)行一次融合。具體融合算法如下：

每個(gè)傳感器 20 s的算術(shù)平均值由式(5)得,其中 j為傳感器的序號(hào),值為 1～7七個(gè)整數(shù)。

對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差由式(6)得

由于此前沒(méi)有任何的測(cè)量,因此此前測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差 σ-=∞[13]。

秸稈直接燃燒主要障礙是灰分元素多，釋放量約為秸稈的40%[43]，造成熔點(diǎn)下降和鍋爐結(jié)焦和堵塞。生物質(zhì)秸稈中硫的平均含量不到0.15%[44]，煤炭中硫的含量達(dá)到1.412%，是秸稈硫含量的9倍，秸稈能源燃燒時(shí)，避免了因產(chǎn)生的SO2、NO2而形成酸雨，其燃燒排放的CO2與生物質(zhì)再生時(shí)吸收的CO2達(dá)到碳平衡，具有CO2零排放的作用，從根本上解決能源消耗帶來(lái)的溫室效應(yīng)問(wèn)題[45-46]。但在傳統(tǒng)燃燒方式中，生物質(zhì)燃燒效率極低，一般只有10%左右，造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)。所以開發(fā)一種方便高效的秸稈直接燃燒技術(shù)刻不容緩，必將具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[47]。

根據(jù)分批估計(jì)融合理論,得到的融合值方差為式(7),

H為測(cè)量方程的系數(shù)矩陣,當(dāng)有2個(gè)傳感器時(shí),H=[1 1]T,當(dāng)有 3個(gè)傳感器時(shí),H=[1 1 1]T。

R為測(cè)量噪聲的協(xié)方差矩陣,當(dāng)有 2個(gè)傳感器時(shí),

當(dāng)有 3個(gè)傳感器時(shí),

根據(jù)分批估計(jì)融合理論和 σ-=∞的條件,得到數(shù)據(jù)融合值為式(8),

xi為融合后的結(jié)果,x為測(cè)量結(jié)果。[14]

表一為 100℃時(shí)融合前后 7路傳感器的值的比較。

表1 100℃時(shí)融合前后 7路傳感器的值

④AD采樣結(jié)果與溫度值的換算 基于均值的分批估計(jì)理論處理后的結(jié)果仍然為電壓值,要得到最后的溫度值,還需進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換處理。TPS434經(jīng)運(yùn)放輸出的電壓值與實(shí)際溫度值的關(guān)系是呈非線性的,如圖 6,所以對(duì)單片機(jī)得到的數(shù)字量必須經(jīng)過(guò)非線性補(bǔ)償,由圖 6可知,該傳感器的局部線性度較好,所以這里非線性補(bǔ)償方法選用線性插值法,在參數(shù)存儲(chǔ)器中建立直線參數(shù)表,單片機(jī)根據(jù) AD采到的值來(lái)選取直線,通過(guò)插值計(jì)算來(lái)獲得相應(yīng)的溫度值。經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)溫度段的隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù)分析,如表二,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,得到的溫度值可以精確到 ±0.1℃[15]。

圖6 TPS434溫度-電壓曲線

表2 最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本智能傳感器對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)和目標(biāo)溫度的檢測(cè)分開處理,可以保證傳感器既能夠檢測(cè)到當(dāng)前的環(huán)境溫度值,又能檢測(cè)到目標(biāo)溫度,避免二者相互干擾,在處理目標(biāo)溫度時(shí),首先運(yùn)用了格拉布斯準(zhǔn)則法剔除最大誤差,然后又采用基于均值的分批估計(jì)理論對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,最后通過(guò)非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ?zhǔn),既減少了單片機(jī)的運(yùn)算量和 CPU的占用時(shí)間,保證了程序能夠穩(wěn)定的運(yùn)行,提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性,也增強(qiáng)了系統(tǒng)判斷的可靠性。

5 結(jié)論

本智能傳感器運(yùn)用了紅外傳感器陣列,擴(kuò)大了傳感器的測(cè)溫面積,為判警提供了更多的參考數(shù)據(jù),便于自校準(zhǔn),采用雙單片機(jī)雙總線結(jié)構(gòu),增加了數(shù)據(jù)的冗余度,提高了傳感器的可靠性,延長(zhǎng)了系統(tǒng)的平均故障時(shí)間,采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng),自愈合的功能,在硬件和軟件上分別進(jìn)行了補(bǔ)償,更好的抑制了紅外傳感器的漂移,在數(shù)據(jù)處理上運(yùn)用了格拉布斯準(zhǔn)則法剔除最大誤差和基于均值的分批估計(jì)理論對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,最后通過(guò)非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行校準(zhǔn),提高了傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性,對(duì)空預(yù)器熱點(diǎn)檢測(cè)和預(yù)測(cè)空預(yù)器火災(zāi)隱患具有重大意義。

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