一種高壓絕緣型遠(yuǎn)距離測溫系統(tǒng)

邢旺，唐文俊，李維波

1海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430033 2海軍駐廣州廣船國際股份有限公司軍事代表室，廣東廣州510382

一種高壓絕緣型遠(yuǎn)距離測溫系統(tǒng)

邢旺1，唐文俊2，李維波1

1海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430033 2海軍駐廣州廣船國際股份有限公司軍事代表室，廣東廣州510382

鑒于晶閘管充當(dāng)脈沖功率開關(guān)時極易造成熱量累積和溫度陡升，因而快速、可靠和準(zhǔn)確地獲取脈沖功率開關(guān)組件的溫度并實(shí)現(xiàn)過溫報警，對于開關(guān)組件的安全運(yùn)行至關(guān)重要。介紹集成溫度傳感器AD590的工作原理，采用絕緣型結(jié)構(gòu)，將ARM微處理器作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心，通過硬件與軟件兩方面的設(shè)計，利用AD590實(shí)現(xiàn)了對脈沖功率開關(guān)閥體溫度的遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測與實(shí)時數(shù)據(jù)上傳，可確保脈沖功率開關(guān)健康運(yùn)行。

晶閘管；脈沖功率；傳感器；嵌入式系統(tǒng)；ARM

0 引 言

現(xiàn)階段，由于晶閘管具有高電壓（耐壓要求超過20 kV）、大電流的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于許多新概念艦載武器裝置（如軌道炮、電磁發(fā)射器）中。當(dāng)使用以晶閘管作為脈沖功率開關(guān)的主要開關(guān)器件時，流過晶閘管的電流通常是其通態(tài)平均電流的數(shù)倍，短時積聚的功率損耗會使晶閘管結(jié)區(qū)累積大量熱量，造成其結(jié)溫升高。當(dāng)溫度超過其管芯所能承受的最高溫度時，不但會使晶閘管的特性改變，嚴(yán)重時，還會使管芯融化而造成器件的永久失效。所以，在高壓大電流環(huán)境下，如何快速、可靠和準(zhǔn)確地獲取脈沖功率開關(guān)組件的溫度并實(shí)現(xiàn)過溫報警，對于開關(guān)組件的安全運(yùn)行至關(guān)重要［1-2］。

目前文獻(xiàn)中的溫度傳感器大多采用PT100，其對于電磁干擾小、絕緣要求不高且傳輸距離不遠(yuǎn)（如數(shù)米）的使用場合較合適。但研究與試驗表明，PT100不太適合測試工作于數(shù)千伏特且傳輸距離超過50 m的晶閘管脈沖功率開關(guān)組件的溫度。為此，本文將采用集成溫度傳感器AD590，利用ARM微處理器作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心［3-4］，通過硬件與軟件兩方面的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對脈沖功率開關(guān)閥體溫度的實(shí)時監(jiān)測。同時，該系統(tǒng)還可完成過溫報警，并結(jié)合比較電路實(shí)現(xiàn)過溫報警的雙冗余結(jié)構(gòu)，不僅能提高報警裝置的可靠性，還可確保脈沖功率開關(guān)的健康運(yùn)行，為脈沖功率開關(guān)閥體溫度檢測裝置的設(shè)計提供依據(jù)。

1 溫度檢測系統(tǒng)介紹

溫度檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 溫度檢測系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Temperature test system

溫度傳感器用于檢測脈沖功率開關(guān)閥體組件的溫度，并將檢測信號傳給處理電路，處理電路經(jīng)濾波、信號轉(zhuǎn)化、放大等操作后再將所得信號分別傳送給溫度比較電路和以ARM微處理器為核心的溫度狀態(tài)監(jiān)測單元。比較電路根據(jù)報警溫度的要求預(yù)先設(shè)定參考值，當(dāng)溫度檢測信號高于該參考值時，產(chǎn)生溫度報警信號并傳送給上位機(jī)執(zhí)行必要的操作。溫度狀態(tài)監(jiān)測單元負(fù)責(zé)采集連續(xù)變化的溫度模擬量信號，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，用以反映脈沖功率開關(guān)閥體的實(shí)時溫度；同時，當(dāng)溫度超過報警溫度時，也可實(shí)現(xiàn)過溫報警，與溫度比較電路組成溫度報警的雙冗余結(jié)構(gòu)。

2 溫度檢測裝置設(shè)計

2.1 溫度傳感器選型

AD590屬電流源型集成溫度傳感器，其內(nèi)部包括溫度傳感器與集成電路，極大地提高了傳感器的性能，與傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶等溫度傳感器相比，其具有復(fù)現(xiàn)性好、線性度好、體積小、熱容量小、穩(wěn)定性好、信噪比高、波形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，因此，選用AD590作為脈沖功率開關(guān)的溫度檢測傳感器。AD590封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2（b）中，1腳接電源正極，2腳為電流輸出腳，3腳為封裝外殼，一般不使用。

圖2 AD590的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the temperature sensor AD590

集成溫度傳感器按輸出形式可分為電壓輸出型與電流輸出型，AD590是典型的電流輸出型溫度傳感器，其主要性能參數(shù)如下：

1）輸出電流與溫度的關(guān)系為1 μA/K；

2）測溫范圍為-55～150℃；

3）供電電源范圍為4～30 V；

4）輸出電阻 710 MΩ［5］。

2.2 檢測組件設(shè)計

本文所設(shè)計的脈沖功率開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，測試點(diǎn)A與測試點(diǎn)B分別安裝有一個測溫組件。當(dāng)脈沖功率開關(guān)工作時，晶閘管內(nèi)部管芯由于功率損耗所產(chǎn)生的熱量會向U型電極與中間電極傳導(dǎo)，在測試點(diǎn)A與測試點(diǎn)B分別安裝溫度檢測組件，其溫度檢測結(jié)果近似等于晶閘管管殼的溫度。

圖3 脈沖功率開關(guān)組件結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the pulse power switching device

由于晶閘管脈沖功率開關(guān)組件工作于高電壓、強(qiáng)電磁干擾的場合，且距離監(jiān)控中心數(shù)十米遠(yuǎn)，由此便對溫度測試系統(tǒng)的絕緣與抗干擾能力提出了較高要求，即必須采取特殊的高壓隔離措施，為此，特設(shè)計了如圖4所示的絕緣結(jié)構(gòu)。其中圖4（a）為溫度傳感頭絕緣結(jié)構(gòu)的示意圖，圖4（b）為該絕緣型傳感器實(shí)物圖。

圖4 溫度檢測組件結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖Fig.4 Structure and photos of the temperature test device

溫度傳感器裝于耐高壓的絕緣護(hù)套內(nèi)，底部為導(dǎo)熱性能良好的陶瓷片。AD590焊接在電路板上，其1腳和2腳通過引線1和引線2與遠(yuǎn)端處理電路相連，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測溫，其中，引腳1連接供電電源，引腳2為溫度信號輸入。護(hù)套內(nèi)部灌注電氣密封膠以固定測溫裝置內(nèi)部組件，整個裝置通過螺釘固定于導(dǎo)電極上［6］。由此可見，該裝置將電流源型集成溫度傳感器固封于絕緣套中，既解決了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目垢蓴_問題，又能夠適應(yīng)高電壓環(huán)境。

2.3 溫度信號處理電路設(shè)計

溫度信號經(jīng)引線首先傳遞到放大電路，圖5為溫度信號放大電路原理圖。

圖5 溫度信號放大電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the amplifier circuit for the temperature signal

設(shè)檢測溫度為T，AD590的輸出電流首先經(jīng)RC濾波，然后流過R1，可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號（單位V），因其輸出電流與溫度的關(guān)系為1 μA/K，故有

式中，T的單位為℃。A1為電壓跟隨器，則A1輸出端電壓V1與VT的關(guān)系為

穩(wěn)壓二極管D1兩端的電壓為5 V，通過變阻器R3將電壓跟隨器A2的輸出電壓V2設(shè)置為2.732V，V1與V2通過差分放大器A3，有

經(jīng)差分放大電路處理后，將絕對溫度與電壓的關(guān)系轉(zhuǎn)換為攝氏溫度與電壓的關(guān)系。V3作為比較電路的輸入，同時也作為模擬信號上傳到溫度采集與處理電路。

2.4 比較電路設(shè)計

比較電路用于過溫報警，當(dāng)溫度高于設(shè)定參考值時，產(chǎn)生報警信號，并由控制設(shè)備做出相應(yīng)的操作。比較電路原理圖如圖6所示。

圖6 比較電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of the comparison circuit

圖中，比較器C的兩輸入端分別為放大電路輸出端V3與參考電壓VREF。當(dāng)V3＞VREF時，比較器輸出端電壓V4為低電平，光耦隔離芯片中的發(fā)光二極管不發(fā)光，輸出端V5為高電平；當(dāng)V3＜VREF時，比較器輸出端電壓V4為高電平，光耦隔離芯片中的發(fā)光二極管發(fā)光導(dǎo)通，輸出端V5為低電平。V5可作為光纖發(fā)送頭的輸入端，通過光纖傳送至遠(yuǎn)端控制設(shè)備，控制設(shè)備可根據(jù)光纖接收頭電平信號判斷是否過溫，并做出相應(yīng)的操作。本文所用晶閘管脈沖功率開關(guān)在晶閘管殼溫超過70℃時報警，當(dāng)溫度為70℃時，根據(jù)式（3）可得

穩(wěn)壓二極管D2兩端的電壓為2.4 V，利用變阻器可將參考電壓VREF設(shè)置為0.7 V，當(dāng)溫度超過70℃時，V3將大于VREF，實(shí)現(xiàn)溫度報警。

2.5 溫度狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計

在實(shí)際工作中，除溫度報警信號外，往往還需要獲取脈沖功率開關(guān)的實(shí)時溫度以確保開關(guān)閥體組件能夠健康運(yùn)行，故需要將處理電路輸出信號V3通過網(wǎng)絡(luò)上傳至狀態(tài)監(jiān)測單元。溫度狀態(tài)監(jiān)測單元如圖7所示。

圖7 溫度狀態(tài)監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of the temperature data monitoring unit

溫度狀態(tài)監(jiān)測單元利用嵌入式技術(shù)，主要由溫度信號采集與處理板、交換機(jī)以及上位機(jī)組成。其中，溫度信號采集與處理板的主要器件為ARM微處理器，并基于該芯片完成了嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計。本文選用的ARM微處理器型號為LM3S9B92，其內(nèi)部集成有一個10位的ADC模塊，支持16個輸入通道，ADC模塊包含4個可編程的序列發(fā)生器，無需控制器干預(yù)即可自動完成對多個模擬輸入源的采樣。每個采樣序列發(fā)生器都可靈活配置輸入源、觸發(fā)事件及中斷的產(chǎn)生等內(nèi)容［7］。溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖8所示。

圖8 溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.8 Process flow diagram of the temperature data acquisition

溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)采集通過ADC實(shí)現(xiàn)，溫度信號為連續(xù)變化的模擬電壓信號，通過ADC模塊，可將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。利用定時器來實(shí)現(xiàn)每隔1 s上傳一次狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)初始化后，初始化ADC模塊和定時器模塊，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)。

3 實(shí)驗研究

利用所設(shè)計的溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，溫度信號采集與處理板按照預(yù)先設(shè)定的采集流程進(jìn)行溫度信號的采集，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，通過設(shè)置協(xié)議類型、IP地址和端口號進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接?，F(xiàn)場調(diào)試結(jié)果如圖9所示［8］。

圖9 現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果Fig.9 The debugging results

由調(diào)試結(jié)果可知，所設(shè)計的溫度檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度信號的采集與上傳，系統(tǒng)運(yùn)行正常。為檢驗所設(shè)計的晶閘管脈沖功率開關(guān)溫度檢測裝置的工作性能，開展了脈沖功率開關(guān)的循環(huán)通流試驗，其試驗條件為：

1）初始溫度為32.9℃，通流12 kA，開通持續(xù)時間2 s，循環(huán)間隔22 s，導(dǎo)電極不通冷卻水；

2）初始溫度為40℃，通流12 kA，開通持續(xù)時間3 s，循環(huán)間隔22 s，導(dǎo)電極中水流量為2 L/min。

通過溫度檢測系統(tǒng)測量并上傳晶閘管的管殼溫度（即圖3中測試點(diǎn)B），試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 工作時間與閥體溫度曲線圖Fig.10 Curves of time vs.case temperature

分析圖10所示的測試曲線可知：

1）開關(guān)組件閥體的溫度隨工作時間增加而增加；

2）導(dǎo)電極采用水冷方式時通電時間為3 s，所產(chǎn)生的熱量比通電時間為2 s時多，但導(dǎo)電極采用水冷方式時溫度曲線的斜率是隨時間的推移逐漸減小，且220 s后小于不采用水冷方式導(dǎo)電極的溫升曲線斜率。由此可見，導(dǎo)電極采用水冷方式可降低殼溫溫升的變化率，能夠使組件更快地散熱，有效增加組件散熱能力；

3）開關(guān)組件在試驗條件1）下，可循環(huán)導(dǎo)通22次，連續(xù)工作440 s，此時殼溫為65℃，不會損壞器件［9-10］。

當(dāng)脈沖功率開關(guān)組件中晶閘管的殼溫超過70℃時，溫度報警裝置中表示過溫的二極管會發(fā)光。圖11為溫度報警裝置圖，其中，控制三相交變電流中B相電流通斷的脈沖功率開關(guān)兩晶閘管的殼溫超過了70℃，且對應(yīng)的二極管發(fā)光了，實(shí)現(xiàn)了過溫報警。

圖11 溫度報警裝置圖Fig.11 Photo of the designed thermal alarm device

4 結(jié) 語

針對晶閘管脈沖功率開關(guān)應(yīng)用的高壓強(qiáng)磁場合，設(shè)計了基于溫度傳感器AD590的溫度信號處理電路，并用ARM微處理器作為核心，設(shè)計了一種能夠?qū)崟r采集并上傳脈沖功率開關(guān)溫度狀態(tài)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。分析實(shí)驗表明：可以通過溫度報警裝置實(shí)現(xiàn)脈沖功率開關(guān)的過溫報警，能夠利用溫度狀態(tài)監(jiān)測單元實(shí)現(xiàn)溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與上傳；可利用溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)測脈沖功率開關(guān)的溫度；能驗證比較電路產(chǎn)生的過溫報警信號的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)溫度報警的雙冗余結(jié)構(gòu)，為脈沖功率開關(guān)溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)，能夠確保閥體安全、可靠運(yùn)行。同時，該裝置也可用于其他艦船艙室的高壓強(qiáng)磁場環(huán)境中，具有一定的推廣價值。

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A Long Distance Temperature Measurement System with High Voltage Insulation

XING Wang1，TANG Wenjun2，LI Weibo1

1 National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Naval Military Representative Office in Guangzhou Shipyard International Co.Ltd，Guangzhou 510382，China

When the thyristor acts as a pulse power switch，the power loss can easily accumulate heat for the junction region of the thyristor in a short time，and the temperature of the junction may rise instantly and significantly，which poses certain risks on the safe operation of the device.Therefore，a quick and precise acquisition of the temperature of the pulse power switch is of vital importance，and an alarm needs to be automatically triggered when the temperature is over the security limit.In this paper，a temperature sensor，AD590，is used to collect the temperature signal，and an embedded system based on ARM is used to monitor and upload the temperature state of the pulse power switch in real time.Finally，the validity of the designed system is verified with both theoretic analysis and experimental results.

thyristor；pulse power；sensor；embedded system；ARM

U665.2

A

1673－3185（2014）02－106－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.019

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.019.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－07－04 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-3-31 16:33

國家自然科學(xué)基金資助項目（51077129）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）資助項目（2013CB035601）

邢旺（1988－），男，碩士生。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：xwdog＠sina.com

李維波（1973－），男，博士，副教授。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：hustlwb＠163.com

李維波

［責(zé)任編輯：喻 菁］