基于MLX90614的非接觸式母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

陳創(chuàng)等

摘 要： MLX90614具有體積小、測溫范圍寬、高精度、無接觸測量等優(yōu)點，在此提出一種基于MLX90614非接觸式母線測溫開關柜在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，其采用MLX90614BCI紅外傳感器模塊測量開關柜母線溫度，再利用ZigBee無線通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳遞至本地終端。經(jīng)過實踐測試表明，該測溫點終端能準確測量母線溫度，同時將該溫度反饋到本地開關柜終端，通過校正紅外發(fā)射率進行溫度校正的方法，可使測溫精度達到±0.5%，能夠實現(xiàn)對開關柜母線溫度的高精確溫度測量和預警，并且能對柜內母線溫度異常位置進行準確定位，便于故障狀態(tài)檢修，提高了開關柜運行的可靠性，保障了開關柜系統(tǒng)的安全。

關鍵詞： MLX90614； 非接觸式母線測溫； 開關柜； 在線監(jiān)測

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0105?05

電力系統(tǒng)中，開關柜母線是電氣主接線的重要環(huán)節(jié)，其將配電裝置中各個載流分支回路連接在一起，起著匯集、分配和傳輸電能的作用。高壓載流母線常因接觸點氧化、接觸松動、負荷過大、相間短路、散熱環(huán)境差等原因而使溫度升高，造成開關柜過熱故障[1]。由于開關柜內的空間結構狹小，同時母線運行處于高電壓狀態(tài)，直接人工巡查測溫不太方便[1]，因此采用一種合適的溫度監(jiān)測方法對開關柜的高壓載流母線的溫度進行在線實時監(jiān)測預警是保證開關柜安全運行的重要手段。

采用非接觸式母線無線測溫對開關柜母線溫度監(jiān)測預警相比其他測溫方式具有一定的優(yōu)勢。無線測溫系統(tǒng)在實際應用中可靠穩(wěn)定、體積小巧、結構簡單、便于安裝且不影響開關柜的結構。無線測溫模塊在開關柜上應用時，開關柜結構不需要改變，只需在定位安裝處打上安裝定位孔安裝即可，不影響開關柜的各種性能。

目前，國內外電力設備廠家及科研院校都研制出了各種開關柜母線測溫無線傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測預警系統(tǒng)。開關柜無線測溫是基于無線測溫技術開發(fā)的針對開關柜進行測溫的系統(tǒng)，可對開關柜的母線排、上下觸頭、電纜接頭等部位溫度進行實時在線監(jiān)測預警，方便運維人員及遠程監(jiān)控中心掌握現(xiàn)場開關設備運行情況。

1 總體設計方案

本文介紹一種基于MLX90614非接觸式母線測溫開關柜在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，測溫點終端采用鋰電池供電加上體積小巧的MLX90614BCI紅外測溫傳感器測溫及ZigBee發(fā)射模塊構成。測溫點終端測到溫度后，再通過ZigBee無線通信傳輸?shù)奖镜亟K端的ZigBee接收模塊，同時本地終端能夠顯示溫度及報警信息。不同的開關柜本地終端通過網(wǎng)絡組網(wǎng)將各個開關柜的溫度及報警信息上傳到數(shù)據(jù)庫服務器中存儲管理，客戶端可同時監(jiān)控不同開關柜的溫度及報警信息，系統(tǒng)可以采用這種方式組網(wǎng)構成分布式在線監(jiān)測預警系統(tǒng)。系統(tǒng)分布式框圖如圖1所示。

2 測溫點終端硬件設計

測溫點終端硬件原理為主芯片ARM驅動MLX90614BCI紅外測溫傳感器采集母線上定位點的母線溫度，主芯片再將溫度通過ZigBee無線發(fā)送模塊發(fā)送給開關柜本地終端。開關柜本地終端將收到的母線溫度值與系統(tǒng)設置各個開關柜的報警預警溫度值進行比對來實現(xiàn)預警報警功能。

2.1 測溫點終端硬件設計

測溫點終端硬件設計電路圖如圖2所示，硬件電路主要由電源硬件電路、紅外測溫硬件電路、測溫點激光定位硬件電路、看門狗硬件電路、ZigBee無線發(fā)射硬件電路組成。

2.1.1 電源硬件電路

由于測溫點終端比較小，因此采用3.7 V大容量鋰電池對測溫點終端供電。電源硬件電路如圖3所示。鋰電池經(jīng)過C18和C19對輸入電源進行濾紋波處理后，經(jīng)過LM1117?3.3 V的DC?DC轉換為主芯片ARM的3.3 V的供電電壓，同樣輸出3.3 V經(jīng)過C20～C23進行濾波處理對整個系統(tǒng)進行穩(wěn)定可靠的供電。其中R6為電源LED供電指示燈。

2.1.2 紅外測溫硬件電路

MLX90614采用體積小的4腳罐形（T0?39）封裝。MLX90614BCI型傳感器為3.3 V供電的紅外傳感器，芯片的SCL和SDA經(jīng)過22 kΩ的上拉電阻后與ARM的I/O連接，ARM通過驅動SCL和SDA口線進行模擬SMBus時序驅動MLX90614進行讀/寫紅外傳感器設置及測溫處理，如圖4所示。

2.1.3 測溫點激光定位硬件電路

由于采用非接觸測溫方式，紅外傳感器本身不帶定位測量點功能，測溫點模塊結構上將紅外傳感器與激光頭并行綁在一起，故在安裝定位時需要采用激光輔助定位準確后再將激光定位關閉以實現(xiàn)對被測物體準確定位功能，如圖5所示，采用ARM芯片的一個I/O口LASER_SWITCH經(jīng)過PNP三極管開關控制驅動小功率激光管，使用激光來準確定位被測物體作用。

2.1.4 看門狗硬件電路

由于測溫點終端安裝在開關柜內部，開關柜內部環(huán)境較復雜，對ARM系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的干擾作用，影響測溫點終端正常工作，因此采用看門狗電路使測溫點終端即使受到嚴重干擾的情況，也能通過看門狗電路確保系統(tǒng)重啟來保證測溫點終端能夠安全可靠的運行。CAT824TTDI為低電平復位有效的看門狗芯片，WDI引腳如果在1.12 s之內無從低到高或從高到低的有效喂狗信號，則WDO端則會產(chǎn)生低電平的復位信號，對ARM芯片的RESET進行復位操作，從而實現(xiàn)對ARM芯片重啟操作?？撮T狗硬件電路如圖6所示。

2.1.5 ZigBee硬件發(fā)射電路

采用Core2530核心板模塊與ARM芯片，通過串口來實現(xiàn)ZigBee發(fā)送功能。Core2530核心板的主控芯片為CC2530F256RHAR，其工作頻段為2.4 GHz， ZigBee超過350 m可通信，超過250 m可靠通信，超過120 m可自動重連通信。核心板支持多種串行通信協(xié)議的USART，因此可以采用如圖7所示電路，通過ARM芯片操作串口實現(xiàn)ZigBee無線發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 MLX90614紅外測溫傳感器

2.2.1 紅外測溫傳感器原理

紅外測溫傳感器可以捕獲所有物體輻射出的紅外能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分。紅外線介于頻譜可見光和無線電波之間。紅外線波長通常以μm表示，紅外頻譜范圍為0.7～1 000 μm。實踐中，紅外溫度測量使用的波段范圍為0.7～14 μm。紅外測溫傳感器正是捕獲這個波段的頻譜數(shù)據(jù)的。紅外測溫傳感器由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、信號輸出等部分組成的傳感器。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，紅外能量聚集在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，該信號再?jīng)換算轉為被測目標的溫度值。

2.2.2 MLX90614BCI數(shù)字式紅外傳感器

MLX90614系列是Melexis公司生產(chǎn)的數(shù)字式高精度紅外非接觸式測溫傳感器芯片，芯片采用小體積的TO?39封裝，測溫傳感器溫度范圍為-40～125 ℃，測量物體溫度范圍為-70～380 ℃，溫度辨析度可達0.02 ℃，芯片內部集成了低噪聲放大器、17位模/數(shù)轉換器和強大的數(shù)字信號處理單元，從而實現(xiàn)高精度和高分辨度的溫度測量。傳感器測量的溫度為視場里所有物體溫度的平均值。對于輻射溫度測量，MLX90614具有內部測量熱梯度，進而用所測溫度去補償該梯度保證了測溫的精度。MLX90614傳感器具有數(shù)字PWM和SMBus輸出模式接口，可以方便廣泛應用于各種嵌入式產(chǎn)品中。

2.2.3 測溫點終端與被測母線的距離要求

使用MLX90614紅外傳感器測試溫度為其視場FOV內的平均溫度，只有在被測物體完全覆蓋紅外傳感器的FOV視場有能保證精度。所以在實際應用中必須保證測溫點終端與被測母線之間的距離滿足要求才能保障測溫的精度要求。為了保證高精度測量，采用了MLX90614中型號為BCI的紅外溫度傳感器，其只有5°FOV。因此tan 5°=被測物體半徑÷紅外傳感器與被測物體之間距離。假設被測母線測溫點半徑為a=4 cm，則b=[4tan]5°=45.7 cm。由此可算得假設使用MLX90614中型號為紅外傳感器測量半徑為4 cm的物體時，其最大距離不超過45.7 cm才能保證測試溫度的準確性。如果被測物體半徑越大則測溫的最大距離也相應增加。MLX90614BCI的視場（FOV）如圖8所示。

3 測溫點終端軟件設計

3.1 軟件系統(tǒng)概述

結合上述測溫點終端硬件原理圖，可以將測溫點終端軟件分為初始化程序模塊、MLX90614紅外溫度采集程序模塊、ZigBee無法發(fā)送程序模塊等。程序進行初始化硬件模塊后，定時500 ms讀取MLX90614紅外溫度傳感器獲取溫度值后，再將獲取到的母線溫度值及母線測溫點位置ID等信息定時500 ms，通過ZigBee無線發(fā)送給開關柜的本地終端。

3.2 MLX90614的SMBus協(xié)議

ARM軟件通過SMBus協(xié)議對MLX90614進行驅動，其SMBus協(xié)議如圖9所示，SMBus接口上提供主設備（Master Device，MD）與從設備（Slave Device，SD）之間進行數(shù)據(jù)通信方式，且在某一時刻總線上只能有一個主設備有效，數(shù)據(jù)傳輸分為主到從傳輸（Master to Slave）和從到主（Slave to Master）傳輸方式[2]。

3.3 MLX90614讀/寫數(shù)據(jù)格式流程

軟件通過SMBus協(xié)議對MLX90614進行讀/寫，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位進行的，發(fā)送流程為按位每次從高位到低位發(fā)送一個字節(jié)，然后判斷對方是否有響應，如果有響應就接著按位發(fā)送下一個字節(jié)；如果沒有響應，重發(fā)一定次數(shù)該字節(jié)，直到有響應，再按位發(fā)送下一個字節(jié)，如果多次重發(fā)后，仍然沒有響應，就結束[2]。接收流程為接收數(shù)據(jù)時，每次按位接收一個字節(jié)，然后向對方發(fā)送一個握手信號，繼續(xù)接收下一個字節(jié)[2]。具體讀寫流程圖如圖10所示。軟件正是按流程對MLX90614中的E2PROM及RAM讀取寫入MLX90614屬性和讀取被測物體溫度值。

3.4 軟件校正紅外溫度傳感器發(fā)射率進行溫度校正

根據(jù)前面介紹的紅外傳感器工作原理可以得知測量物體的溫度與物體輻射出來的紅外能量有關。由于不同的被測材料的紅外發(fā)射率不同，紅外溫度傳感器獲取到的輻射能量不同，部分物質的發(fā)射率如表1所示。

為了能準確的測試出母線的溫度值，除了傳感器與被測母線保證合適距離外還必須根據(jù)被測母線的材料對MLX90614進行發(fā)射率的設置。MLX90614內部E2PROM中含有相關紅外發(fā)射率參數(shù)設置值。

存儲的發(fā)射率的地址包含物體的發(fā)射率，出廠默認值為1.0 = 0xFFFF，16位數(shù)值，如下：

發(fā)射率 = dec2hex[round（65 535ε）]

其中：dec2hex[round（X）]代表十進制轉換為十六進制，四舍五入近似。該情況下，發(fā)射率數(shù)值為ε=0.1，…，1.0。因此通過軟件可以對MLX90614內部E2PROM中的紅外發(fā)射率進行設置來對測溫校正操作，從而使得測試的溫度更加準確。

4 系統(tǒng)性能測試

將大電流發(fā)生器串入開關柜的三相母線，開關柜母線上裝有DS18B20接觸式有線測溫系統(tǒng)為參照，使用接入3個MLX90614BCI測溫點終端校對好且安裝定位準確，分別對準三相母線進行對比測試，加大電流進行3組測試，每組6次，其中一組的測溫結果如表2所示。

從表2可以看出，采用MLX90614BCI紅外測溫點測試出來的溫度與DS18B20接觸式測溫得到的溫度很接近，對比精度可以達到±0.5%，因此基本符合系統(tǒng)測溫要求。

5 結 語

綜上所述，本文簡述了紅外測溫及其傳感器的原理，分別從硬件及軟件設計方面提出了一種采用MLX90614BCI非接觸式母線測溫開關柜在線監(jiān)測預警系統(tǒng)設計方案，采用校正傳感器發(fā)射率及保持有效測試距離等方式保障了紅外測溫的精度。經(jīng)對比測試表明采用該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對開關柜母線溫度進行高精確及高速響應的在線監(jiān)測預警功能，同時測溫點終端小巧，安裝定位方便，采用無線方式易于施工改造，便于運維故障狀態(tài)定位及排查檢修，保證開關柜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

表2 測溫實驗數(shù)據(jù)對比表

參考文獻

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