基于溫差發(fā)電供能的無源無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計*

陳前，張國鋼，劉競存，耿英三，王建華

（西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安710049）

0 引 言

電力設(shè)備是高壓輸配電系統(tǒng)中的重要組成部分，其健康狀況關(guān)系著供電的安全和穩(wěn)定。長時間過載運(yùn)行或者載流量過大引起局部溫度過高是電力設(shè)備故障的主要原因之一。電力設(shè)備局部溫度過高輕者影響設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時會引發(fā)設(shè)備故障，引起停電事故，甚至造成電力系統(tǒng)的崩潰和癱瘓，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，溫度監(jiān)測已成為高壓電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中的一項重要內(nèi)容。

在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，溫度測量方法可以分為接觸式和非接觸式的測量方法，非接觸式測量方法有紅外測溫法［1］、光纖光柵測溫法［2-3］、聲表面波測溫法［4］等，接觸式測溫方法主要有熱電偶測溫法、鉑電阻測溫法等。紅外測溫法雖然無絕緣問題，但其輸出與探頭到目標(biāo)的距離有關(guān)，易受周圍環(huán)境溫度的干擾；光纖光柵測溫法需要穩(wěn)定可靠的激光光源，成本較高；聲表面波測溫法中傳感器需要接收激勵信號，其測量的精度受到被測物體位移的影響；熱電偶測溫法精度較低且易受腐蝕；鉑電阻測溫法精度高，不易受環(huán)境條件影響。由于電力設(shè)備在運(yùn)行過程中通常承載高壓或者通過大電流，因此采用鉑電阻測溫法，需要解決數(shù)據(jù)傳輸和供能問題。

利用能量收集和轉(zhuǎn)換技術(shù)從設(shè)備工作現(xiàn)場獲得傳感器所需的電能成為研究熱點。在高壓電力設(shè)備中有三種雜散的能量可以利用：以振動形式存在的機(jī)械能、設(shè)備發(fā)出/泄露出的電磁能量以及由于設(shè)備發(fā)熱而與環(huán)境間的溫差［5］。感應(yīng)取電法［6-8］可以收集電磁能量，但在高電壓應(yīng)用場合時，其天線結(jié)構(gòu)由于絕緣問題而變得復(fù)雜。太陽能供電方式［7］雖然無電磁屏蔽問題，但其受物理條件影響較大，在使用中受到限制。溫差發(fā)電是一種新的供能方式，具有體積小、重量輕，免維護(hù)，使用壽命長，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。文章基于溫差發(fā)電原理，設(shè)計了一套適用于高壓電力設(shè)備的測溫系統(tǒng)，采用鉑電阻分壓法進(jìn)行溫度測量，并通過紅外方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1 溫差發(fā)電基本原理

塞貝克效應(yīng)是一種熱電效應(yīng)，該效應(yīng)是1823年德國科學(xué)家塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)的。在一個閉合回路中，有兩種不同材料的導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)體兩頭的溫度不同時，電路中會產(chǎn)生電動勢［8］，該電動勢被稱為溫差電動勢，而該效應(yīng)被稱為塞貝克效應(yīng)［9］。半導(dǎo)體溫差發(fā)電片是基于塞貝克效應(yīng)［10］，如圖1所示。

圖1 塞貝克效應(yīng)Fig.1 Seebeck effect

用P和N型半導(dǎo)體組成的電偶，通過一端電極連接負(fù)載，構(gòu)成閉合回路。P型半導(dǎo)體材料是富空穴材料，N型半導(dǎo)體材料是富電子材料，一端相連形成PN結(jié)置于高溫，另一端置于低溫，則由于熱激發(fā)作用，P型和N型半導(dǎo)體材料高溫端的空穴和電子濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子就開始向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動勢。

回路中產(chǎn)生的溫差電動勢為［11］：

式中α為半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)。

此電動勢分別加到溫差發(fā)電片內(nèi)阻r和負(fù)載電阻RL上，在負(fù)載電阻上的壓降即為輸出電壓，則輸出電壓Uo、輸出電流I和輸出功率Po分別為：

對于一個溫差發(fā)電片，其內(nèi)部是由多對上述的PN結(jié)串聯(lián)而成，其中α和r是由材料的特性決定的。因此，提高輸出功率的關(guān)鍵是提高其兩端的溫差。

2 高壓側(cè)供電方案設(shè)計

電力系統(tǒng)中溫度測量傳感器一般安裝在電力設(shè)備的高壓側(cè)，其供電和數(shù)據(jù)傳輸受到絕緣隔離要求的限制，成為設(shè)計的難題。文中采用溫差發(fā)電原理，設(shè)計了一套無需外部電源的高壓側(cè)供電方案。

2.1 溫差發(fā)電片的選擇和熱阻計算

實驗方案中采用TEP1-142T300型溫差發(fā)電片，其材料為Bi2Te3，內(nèi)阻3Ω，導(dǎo)熱系數(shù)1.5 W/m·K。溫差發(fā)電片的輸出功率與發(fā)電片熱端與冷端的溫差有關(guān)。溫差越大，發(fā)電片輸出的功率越高，而發(fā)電片兩端面的溫差與多個因素相關(guān)：熱端面熱源溫度、冷端面散熱器的散熱功率、環(huán)境溫度等。提高散熱功率是提高輸出功率的有效方法，實驗中采用的鋁散熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示，接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂。系統(tǒng)熱量傳導(dǎo)過程為：熱量從被測對象的發(fā)熱表面通過溫差發(fā)電片，流向與溫差發(fā)電片相接觸的鋁散熱器，散熱器通過自然對流作用向周圍空氣傳熱。

圖2 散熱器結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of heat sink

溫差發(fā)電片的熱阻為：

散熱器的熱阻：

式中L＝40 mm；b＝1 mm；h＝11 mm；n＝13。散熱器的其他參數(shù)如表1所示。

散熱器與空氣的熱阻：

在散熱器和溫差發(fā)電片的總熱阻：

表1 散熱器散熱參數(shù)Tab.1 Heat dissipation parameters

2.2 電源模塊的硬件結(jié)構(gòu)

電源模塊由超低電壓型升壓轉(zhuǎn)換芯片LTC3108及其外圍元件組成。如圖3所示，LTC3108利用外部的電容C1、變壓器T的初級線圈和在SW端的內(nèi)部耗盡型N溝道MOSFET開關(guān)形成一個諧振振蕩器，超低電壓經(jīng)諧振振蕩器，直流電壓變?yōu)榻涣麟妷海俳?jīng)變壓器T升壓后，由芯片內(nèi)部整流器整流，輸出穩(wěn)定的電壓。該電壓通過VOUT端向后級電路供電，當(dāng)收集能量充足時，通過VSTORE端對儲能電容器充電，VSTORE的充電電壓可以達(dá)到5 V。儲能電容器在發(fā)電功率不足時，通過VSTORE端給后級電路供電［12］。通過PGD端可以監(jiān)測系統(tǒng)的供電電壓，當(dāng)VOUT端電壓大于設(shè)定電壓的92.5%時，PGD端輸出高電平；當(dāng)電壓降落超過9%時，PGD端輸出低電平。

圖3 電源模塊Fig.3 Powermodule

單片發(fā)電片的開路電壓，與溫差成正比，即：

實測開路電壓的擬合結(jié)果：α≈47.30 mV/℃，發(fā)電片內(nèi)阻r＝3Ω，等效負(fù)載電阻RL＝4Ω，η＝38%，考慮充電損耗，實際的發(fā)電功率為：

以此發(fā)電功率對一個470μF的電容充電，不考慮電容的泄露電流和其他損耗，充電電壓從0～3.3 V，所需的時間約為：

假設(shè)以此電容器為后級電路供電，后級電路消耗的電流I＝10 mA，電容器的電壓降至3 V時后級的電路停止工作，則可以維持工作的時間為：

也就是維持工作的時間為13.46 ms，所以后級電路需要采用間歇式的工作方式，否則在低壓差時，無法維持正常的工作電壓。

3 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

由于高壓電力設(shè)備在運(yùn)行過程中承載高電壓，所以將測溫系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)，高壓側(cè)是發(fā)送端，低壓側(cè)是接收端和上位機(jī)。高壓發(fā)送端放置在高壓電力設(shè)備的測溫點，接收端放置在一定距離遠(yuǎn)的低壓安全位置，發(fā)送端采集的數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射電路發(fā)送，接收端接收數(shù)據(jù)，計算對應(yīng)的溫度，然后經(jīng)過RS485總線向上位機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）發(fā)送端

如圖4所示，發(fā)送端由控制器、測溫電路、紅外數(shù)據(jù)發(fā)送電路等部分組成。由于在測溫系統(tǒng)的供電系統(tǒng)為溫差發(fā)電，所以對控制器的要求：（1）低啟動電壓；（2）低功耗運(yùn)行；（3）具有高精度 ADC模塊。本設(shè)計選用了某公司的MSP430F149專為低功耗應(yīng)用場合而設(shè)計，該芯片可以在低至1.8 V的電壓下工作，具有LMP0-LMP4共五種低功耗工作模式。正?；顒幽Ｊ较?，在2.2 V供電電壓，1 MHz運(yùn)行頻率下，芯片僅消耗280μA；最低功耗運(yùn)行模式下，只有32.768 kHz低頻晶振為單片機(jī)提供外部時鐘信號，其他模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，電流消耗僅1.6μA。

圖4 發(fā)送端硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of sending terminal

測溫模塊電路如圖5所示，通過基準(zhǔn)二極管產(chǎn)生基準(zhǔn)源為鉑電阻和基準(zhǔn)精密電阻Rref供電。

圖5 測溫電路Fig.5 Temperature measuring circuit

采用PT1000的鉑電阻，在溫度范圍是0～200℃時，電阻范圍為1 000.00Ω～1 758.56Ω。為了提高溫度測量的精度，則鉑電阻上的電壓的變化范圍應(yīng)達(dá)到最大，鉑電阻上的電壓的變化范圍為：

電壓變化的比例為：

考慮到鉑電阻、參考電阻的溫漂、標(biāo)稱值等誤差以及穩(wěn)壓二極管的精度，以及ADC的誤差，輸出電壓的相對誤差為：

鉑電阻和參考電阻的相對誤差 αRt/Rt、αRref/Rref為0.04%和0.01%；穩(wěn)壓二極管的電壓誤差αLM385為120μV；ADC的相對量化誤差σQE為2－13；ADC內(nèi)部參考電壓精度 αADref/VADref為 2－11。

代入式（16），得Uo的相對誤差為：

在控制器內(nèi)部計算鉑電阻阻值，其相對誤差為：

鉑電阻與溫度值的對應(yīng)關(guān)系為：

在0℃≤t≤600℃條件下，A＝3.908 02×10－3，B＝－5.801 95×10－7，C＝－4.273 51×10－12。

則溫度值的最大誤差為：

從降低系統(tǒng)功耗的角度出發(fā)，采用間歇式的供電方式。采用IO口的輸出電壓為測溫電路供電，在需要AD轉(zhuǎn)換時，IO口輸出高電平，然后對Uo進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到電壓值和電阻值；在完成AD轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)進(jìn)入休眠前，使IO口輸出低電平，由于休眠的時間遠(yuǎn)多于AD轉(zhuǎn)換的時間，所以這種間歇式的供電方式能夠大大降低測溫電路的功耗。

利用限流電阻R1來限制測溫支路的總電流，可進(jìn)一步降低了測溫過程的功耗。穩(wěn)壓二極管采用低功耗穩(wěn)壓二極管LM385-2.5，其工作電流范圍從20 μA到20 mA。R1的阻值過大時，有可能使穩(wěn)壓二極管無法正常工作。所以，當(dāng)Rt最小時，鉑電阻上的電流最大。設(shè)置當(dāng)供電電壓u＞3 V時，系統(tǒng)開始正常工作，也就是LTC3108芯片的PGD端為高電平時，系統(tǒng)開始正常工作，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。

紅外發(fā)射電路主要完成將傳輸電信號轉(zhuǎn)換為光信號的工作。在該電路中，從單片機(jī)的I/O口中發(fā)送出的已調(diào)制的數(shù)據(jù)脈沖，通過驅(qū)動三極管使紅外發(fā)光管點亮，向外發(fā)送紅外光信號。

（2）接收端

紅外接收電路是將接收到的光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號［13］。選用型號為HS0038B的紅外接收頭。器件內(nèi)集成了帶通濾波器，采用集電極開路輸出。紅外接收頭將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，并解調(diào)為數(shù)據(jù)信號，送入控制器中。在接收端數(shù)據(jù)通過RS485串行通訊接口經(jīng)線纜傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

高壓側(cè)發(fā)送端系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)溫度的測量和數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能，以最低功耗的方式運(yùn)行。由于溫度的變化較為緩慢，采用間歇式測量。

（1）主程序

在上電之后，首先初始化系統(tǒng)時鐘、外部端口、和定時器，然后打開定時器中斷，進(jìn)入低功耗LPM3模式。在該模式下，控制器可以被外部中斷喚醒。在實驗中，設(shè)置定時器中斷的時間間隔為5 s，即控制器每5 s被喚醒一次。

（2）定時器中斷子程序

在定時器中斷子程序中，先判斷系統(tǒng)的電壓是否滿足要求，即判斷LTC3108芯片的PGD引腳電平。若是高電平，則說明電壓充足，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送的操作，若是低電平，則進(jìn)入休眠，系統(tǒng)繼續(xù)充電，等待下一次定時器中斷。

（3）溫度測量程序

溫度測量程序主要是進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。ADC設(shè)置成單通道多次采樣，打開內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。每完成一次采樣，系統(tǒng)讀取一次采樣值。當(dāng)進(jìn)行10次采樣后，關(guān)閉內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和ADC，以節(jié)省功耗。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送

在完成數(shù)據(jù)采集之后，采用去極值濾波和均值濾波的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。上述兩種濾波方法可以有效地降低噪聲干擾。

低壓側(cè)程序的主要功能是將接收的數(shù)據(jù)計算得到對應(yīng)的溫度值，并將溫度值通過串行485接口發(fā)送到上位機(jī)。鉑電阻的電阻值為：

由鉑電阻的阻值計算對應(yīng)的溫度值，通常純軟件的非線性矯正法有逐次逼近法、查表法等。為了降低計算量和獲得較高的精度，文中采用查表法。

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)實際應(yīng)用場景，設(shè)計和搭建了圖6所示的溫度測量實驗平臺。在母排表面貼上發(fā)熱板作為熱源，模擬發(fā)熱點。發(fā)熱板的前級接調(diào)壓器，控制發(fā)熱板的輸入電壓，從而控制發(fā)熱功率。

圖6 實驗平臺Fig.6 Experiment platform

（1）溫度測量實驗

如圖7為實驗?zāi)概诺臏囟茸兓€，環(huán)境溫度25℃，發(fā)熱功率約30 W。啟動時，母排的表面溫度為28℃。溫度數(shù)據(jù)每5 s接收一次，上位機(jī)對溫度數(shù)據(jù)處理后存儲。通過實驗測量，接收距離可以達(dá)到5 m，接收范圍為10°，數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確。

圖7 母排的溫度曲線Fig.7 Temperature variation curve of bus bar

（2）系統(tǒng)啟動時間

調(diào)節(jié)變壓器變比，模擬不同情況下異常發(fā)熱，記錄從開始通電到接收到第一個實驗數(shù)據(jù)的時間差，溫差為發(fā)熱板表面同環(huán)境溫度的差值。結(jié)果表明，發(fā)熱功率越大，溫差越大，系統(tǒng)的啟動時間越短。即使之前儲能電容中電能已經(jīng)消耗殆盡，通過重新收集能量，系統(tǒng)能夠在較短的時間內(nèi)啟動，啟動時間曲線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)啟動時間曲線Fig.8 Starting time curve of system

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種用于高壓電力設(shè)備的測溫系統(tǒng)，以溫差發(fā)電為系統(tǒng)供能，鉑電阻作為溫度敏感元件，通過紅外方式傳輸溫度測量數(shù)據(jù)，在接收端通過串行接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端上位機(jī)。紅外信號傳輸距離可以達(dá)到5 m，角度范圍為10°。系統(tǒng)采用間歇式的工作方式，在休眠時控制器運(yùn)行在最低功耗模式下，自動監(jiān)測供電電壓啟動測溫。進(jìn)行了溫度測量實驗，獲得系統(tǒng)啟動時間和發(fā)熱功率的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)測溫模塊無需額外的供電措施和傳輸線路，能夠在設(shè)備異常發(fā)熱時快速啟動測溫和報警，滿足了電力設(shè)備溫升監(jiān)測的需求。