熱導(dǎo)檢測器恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

朱 武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)變電站的核心設(shè)備,一旦變壓器出現(xiàn)故障而突然停電,必將給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的正常生活帶來嚴重影響。因此,及時了解油浸式變壓器內(nèi)部的運行情況,發(fā)現(xiàn)潛在的故障苗頭,及時采取檢修措施,對保證變壓器安全、可靠運行具有十分重要的意義[1-2]。通常采用熱性能檢驗變壓器的運行狀況,但變壓器故障時可使變壓器油裂解生成烴類氣體,可以通過色譜分析儀檢測油中溶解氣體成分含量來進行變壓器的故障預(yù)測[3-4]。氣相色譜分析技術(shù)中,大多采用高靈敏度氫焰檢測器用于微量低分子烴類氣體的分析。這種檢測器使用時必須備有氫氣、空氣和氮氣3種載氣,而提供氣體的氣源裝置及高壓氣體鋼瓶都不適合現(xiàn)場使用。現(xiàn)有熱導(dǎo)檢測器(Thermal Conductivity Detector,TCD)結(jié)構(gòu)簡單,適合在線分析,但靈敏度低[5]。為了滿足變壓器故障預(yù)警的在線檢測,必須提高熱導(dǎo)傳感器的靈敏度,恒溫供電技術(shù)和降低熱噪聲是提高檢測器靈敏度的主要技術(shù)措施[6]。本文以與熱導(dǎo)傳感器溫度電阻特性相似的PT100為模擬傳感器,采用模擬和數(shù)字雙閉環(huán)方法,設(shè)計了熱導(dǎo)檢測器的恒溫控制系統(tǒng)。

1 色譜分析儀恒溫控制系統(tǒng)的原理

熱導(dǎo)檢測器恒溫控制系統(tǒng)如圖1所示。主要由微型控制裝置(Microcontroller Unit,MCU)、大電橋CB、小電橋熱導(dǎo)檢測器、橋流控制功率放大器、斷氣保護電路、差分放大器、信號放大和斬波電路,以及數(shù)控開關(guān)電阻陣列組成。

圖1 色譜分析儀恒溫控制系統(tǒng)原理示意

橋路系統(tǒng)采用兩個相疊加的電橋設(shè)置,即大橋中套有小橋。大橋由定值電阻和等效電阻組成,R1和R2構(gòu)成大電橋的上臂,采用溫度系數(shù)為10×10-6/K的1‰精密電阻,熱導(dǎo)檢測器B和D兩點的等效電阻為R3,構(gòu)成大電橋的一個下臂,其大小為

式中:Rsam——測量橋臂等效阻值;

Rref——參考橋臂等效阻值。

A和D兩點的等效電阻為R4,由固定電阻Rb和數(shù)控開關(guān)電阻陣列nR0串聯(lián)組成,構(gòu)成大電橋的另一個下臂,即

R4=Rb+nR0

式中:Rb——對應(yīng)于125 ℃橋路平衡電阻;

R0——溫度每增加1 K,數(shù)控電阻的增量值;

n——數(shù)控電阻控制變量,為0～255的整數(shù)。

小橋是由熱導(dǎo)檢測器的4根熱絲組成,參考橋臂Rref通入純凈載氣,測量橋臂Rsam通入含有被測試樣的載氣,當(dāng)載氣流速固定時,每根熱絲保持一固定的溫度,熱導(dǎo)檢測器輸出不平衡電壓。當(dāng)被測氣體流經(jīng)測量橋臂時,由于其導(dǎo)熱系數(shù)(一般情況下)相比載氣較小,導(dǎo)致熱絲溫度升高,各種氣體導(dǎo)熱系數(shù)不同,熱導(dǎo)檢測器不平衡電壓大小也不同,從而可以實現(xiàn)對不同氣體的檢測。

數(shù)控開關(guān)電阻陣列用于溫度設(shè)置。當(dāng)檢測器達到溫度設(shè)定值時,大電橋平衡,差分放大器對平衡狀態(tài)進行伺服控制,對微小的不平衡電壓進行放大,形成脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)波形以調(diào)整供電電源,保持大電橋平衡,保證熱導(dǎo)檢測器的恒溫控制。MCU采用C8051F060微處理器,兩路16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)和12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter,DAC)為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集和反饋控制。

2 恒溫控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

2.1 溫控電橋的電路

圖2為恒溫控制的電橋,熱導(dǎo)檢測器是被加熱進行恒溫控制的對象,由熱導(dǎo)傳感器的4根熱絲組成,把熱導(dǎo)檢測器(小電橋)放到大橋路的一個橋臂上。大橋由定值電阻和等效電阻組成,其中R1和R2為定值電阻,固定電阻Rb和數(shù)控電阻陣列nR0串聯(lián)組成構(gòu)成比例臂R4,R4=Rb+nR0,熱導(dǎo)檢測器等效電阻為測量臂R3,R3=(Rsam+Rref)/2。

假設(shè)電橋所加電源電壓為U,大電橋比例臂數(shù)控開關(guān)電阻設(shè)定某個溫度值時,橋流控制功率放大器調(diào)整電壓對測量臂熱導(dǎo)檢測器加熱,當(dāng)達到設(shè)定溫度時,電橋平衡,電橋不平衡電壓輸出ΔU為零;當(dāng)電橋輸出不為零時,則熱導(dǎo)傳感器偏離設(shè)定溫度。因此,若要得到較高的溫度控制精度,則要求電橋電路對熱導(dǎo)檢測器的等效電阻R3有較高的電壓靈敏度。在電橋平衡狀態(tài)附近,當(dāng)測量臂R3有微小變化時,則電橋的電壓靈敏度為

(1)

當(dāng)電橋平衡時,令R1/R4=R2/R3=k,代入式(1),則

(2)

式中:k——大電橋上下橋臂電阻比。

由式(2)可得,k=1,電橋的電壓靈敏度最高,恒溫控制效果最好,即半橋上下橋臂電阻值相等時電橋靈敏度最高。為了減小功率放大器的負載,比例臂的電阻采用大電阻,測量臂的上橋臂R2采用與傳感器等效電阻大致相等的電阻。

根據(jù)電橋平衡原理,則有

R1R3=R2R4

(3)

R3=RR30(1+aT)

(4)

式中:RR30——熱導(dǎo)檢測器熱絲在0 ℃時的阻值;

a——熱導(dǎo)檢測器熱絲的溫度系數(shù);

T——設(shè)定的熱絲的溫度。

R4=Rb+nR0

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)可得:

(6)

固定電阻Rb對應(yīng)于系統(tǒng)設(shè)置溫度值為125 ℃,變量n由8個繼電器組合組成,通過MCU對繼電器進行控制以改變電阻串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連接方式,達到電阻數(shù)值可控,實現(xiàn)熱導(dǎo)傳感器125～380 ℃的工作溫度設(shè)定。

2.2 溫控功率放大電路

熱導(dǎo)傳感器工作溫度一般在125～380 ℃,遠高于室溫,電橋電源采用直流加PWM斬波方式供電。其溫控功率放大電路如圖3所示。

圖3 溫控功率放大電路

MCU根據(jù)設(shè)置溫度給出恒溫控制的近似直流電壓,使電橋處于近似平衡狀態(tài);差分放大器檢測電橋的不平衡電壓,通過信號放大形成PWM方波,與直流電壓相加給熱導(dǎo)檢測器加熱。放大器A3為加法器,DAC輸出電壓通過放大器A2緩沖輸入加法器;不平衡電壓信號形成的PWM信號通過放大器A1緩沖輸入加法器,斷氣信號(M信號)在正常情況下為零伏,斷氣時輸入較大負信號,由放大器A3實現(xiàn)3路信號的相加。A4為OPA541功率放大器,電阻R5,R6,R7以及電容C1和C2構(gòu)成有源二階濾波器,將PWM濾波得到微小的直流分量對加熱電源進行微調(diào)。假設(shè)DAC輸出直流電壓為UDAC,PWM信號電壓為UPWM,斷氣信號電壓為UM,則功率放大器的輸出電壓為

(7)

2.3 模擬閉環(huán)與保護電路設(shè)計

本系統(tǒng)中的比較器電路共有2路,一路為滯回比較器,用于熱導(dǎo)傳感器斷氣保護;另一路為模擬閉環(huán)比較器,根據(jù)控制電橋輸出值的大小產(chǎn)生一幅值較小的不定節(jié)拍PWM信號。其模擬閉環(huán)反饋和系統(tǒng)斷氣保護電路如圖4所示。

圖4 模擬閉環(huán)反饋和系統(tǒng)斷氣保護電路示意

大電橋不平衡電壓經(jīng)放大后得到電壓UDIF,該信號經(jīng)放大器A1放大后,由比較器CA形成PWM波,雙向穩(wěn)壓管D4和D5確定PWM峰的峰值,經(jīng)過電阻R14和R13分壓確定反饋的大小UPWM,用于在平衡點附近對電橋進行高精度快速調(diào)整,實現(xiàn)模擬閉環(huán)反饋功能。UDIF由大電橋不平衡電壓經(jīng)前級放大得到,在大電橋平衡點附近,UDIF信號在零點附近發(fā)生微小變化。比較器CB的同相端電壓比反相端電壓高,比較器CB輸出高電平,二極管D6截止,放大器A5輸出為零;當(dāng)系統(tǒng)斷氣時,熱絲的熱量帶不走,導(dǎo)致溫度上升,嚴重破壞大電橋的平衡,導(dǎo)致比較器CB的同相端電壓比反相端電壓低,比較器CB輸出負電平,二極管D6導(dǎo)通,通過放大器A5輸出一個較大的負電壓。根據(jù)式(7),調(diào)整功率放大電路的參數(shù),使功率放大器A4輸出負電壓,二極管D1截止,切斷供電電源,從而實現(xiàn)對熱導(dǎo)檢測器的保護。

2.4 熱導(dǎo)檢測器信號調(diào)理電路

熱導(dǎo)檢測器在進行氣體分析時,不同氣體成分輸出信號大小不同,氣體成分濃度越低輸出信號越小。為了提高檢測精度,所有放大器必須對熱導(dǎo)檢測器輸出微弱信號進行高精度處理。為了適用多種氣體分析的需要,需要對信號進行多量程寬范圍的程控放大,系統(tǒng)對信號放大分為40倍、100倍、360倍和1 000倍4種。其信號程控放大電路如圖5所示。

圖5 信號程控放大電路

該信號程控放大電路由兩級放大器構(gòu)成:第1級采用精密儀用放大器INA114,固定放大倍數(shù)為40倍;第2級由超低漂移放大器OPA177和模擬開關(guān)CD4052構(gòu)成,MCU的I/O口控制模擬開關(guān)的選擇端為A和B,得到不同的測量量程,以實現(xiàn)對信號不同倍數(shù)的放大。第1級放大器的放大倍數(shù)G為

(8)

根據(jù)系統(tǒng)信號調(diào)理要求,電路參數(shù)約為:RG=1.28 kΩ,R18=0.5 kΩ,R19=1 kΩ,R20=3.9 kΩ,R21=8.1 kΩ。

3 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

為了檢驗恒溫控制的效果,對控制系統(tǒng)進行模擬測試試驗。

測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

注:①—替代熱導(dǎo)傳感器的Pt100熱電阻元件;②—電阻引線;③—管道隔熱層,防止人接觸管道引起的溫度變化干擾實驗效果;④—PVC管道,作為散熱風(fēng)道;⑤—風(fēng)扇,用于產(chǎn)生氣流;⑥—防風(fēng)罩,防止環(huán)境氣流變化導(dǎo)致的管道內(nèi)風(fēng)速改變。

圖6測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用4根熱絲構(gòu)成的橋式電路模擬熱導(dǎo)檢測器,其阻值大小表征了檢測器的溫度高低。由于氣體的種類和濃度會影響熱絲溫度,故可通過檢測熱絲阻值來判斷氣體的種類和濃度。

測試時,分別向熱絲通入載氣和測試氣體,檢測熱導(dǎo)檢測器橋式電路差分輸出信號,實現(xiàn)油中溶解氣體的檢測。系統(tǒng)分別采用模擬閉環(huán)控制和模擬數(shù)字雙閉環(huán)兩種方法對系統(tǒng)進行恒溫控制。通過改變直流風(fēng)扇供電電壓和風(fēng)速,施加小擾動來評估兩種恒溫控制的恒溫效果。圖7為控制和測試系統(tǒng)實物。

圖7 控制和測試系統(tǒng)實物

本測量系統(tǒng)中,使用Fluke 8846A測量流經(jīng)熱導(dǎo)檢測器的電流及其兩端電壓,測得檢測器電阻值。根據(jù)PT100溫度-電阻特性關(guān)系得到熱導(dǎo)檢測器的溫度值。設(shè)置溫度為202 ℃,模擬閉環(huán)溫度控制恒溫試驗曲線如圖8所示。

圖8 模擬閉環(huán)溫控系統(tǒng)曲線

從圖8可以看出,在模擬閉環(huán)恒溫控制25 s后,增加微小風(fēng)速擾動,散熱加快,導(dǎo)致熱絲溫度下降;當(dāng)停止風(fēng)速變化時,則迅速在設(shè)定值附近保持恒溫;無風(fēng)速擾動時,則將溫度控制在202±0.1 ℃范圍內(nèi);增加風(fēng)速擾動時,熱絲溫度偏離設(shè)定值,大于0.3 ℃,表明抗擾動能力較差。

在模擬與數(shù)字雙閉環(huán)控制下,閉環(huán)恒溫控制25 s后,增加風(fēng)速擾動,其恒溫特性如圖9所示。

圖9 模擬與數(shù)字雙閉環(huán)溫控系統(tǒng)

從圖9可以看出,閉環(huán)恒溫控制25 s后,增加微小的風(fēng)速擾動,其溫度波動略有變化,總體恒溫控制在202±0.1 ℃范圍內(nèi),對風(fēng)速微小擾動不敏感,動態(tài)響應(yīng)較好。

對比圖8和圖9可以看出,無人為風(fēng)速擾動時,熱導(dǎo)檢測器在設(shè)定溫度值附近仍然有±0.1 ℃波動。造成波動的主要原因如下:一是管道的直徑較大,風(fēng)扇的氣流不均勻不穩(wěn)定;二是管道的直徑較大,環(huán)境的氣流波動導(dǎo)致測試管道內(nèi)的氣流不穩(wěn)。因此,減小氣流管道的直徑,提高氣流的均勻性,則可以提高恒溫效果。

4 結(jié) 論

(1) 采用高集成度混合信號SOC單片機C8051F060作為控制器,設(shè)計了一種恒平均溫度供電控制系統(tǒng),實現(xiàn)了溫度在125～380 ℃的任意設(shè)定,具有斷氣保護功能。

(2) 模擬與數(shù)字雙閉環(huán)熱導(dǎo)檢測器平均溫度的控制方法具有動態(tài)響應(yīng)快、受風(fēng)速擾動影響小、溫度控制精度達到±0.1 ℃的優(yōu)點,可以滿足熱導(dǎo)檢測器高精度檢測的要求。這對提高油中溶解氣體檢測的靈敏度和準確性,具有一定的應(yīng)用價值。