基于電流感應(yīng)取電的無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)

丁柏文，沈金榮，唐啟陽(yáng)，柴一偉

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213000)

0 引言

電力設(shè)備長(zhǎng)期工作于過(guò)載或載流量過(guò)大的狀態(tài)下，容易導(dǎo)致設(shè)備薄弱節(jié)點(diǎn)溫升過(guò)高，從而引發(fā)設(shè)備故障[1]。為保證設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，檢測(cè)電力設(shè)備薄弱節(jié)點(diǎn)的溫升情況已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[2-5]。傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫及蠟片測(cè)溫，實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性較差，且耗費(fèi)大量人力[6]。且現(xiàn)有測(cè)溫傳感器多采用外置電池供電，其使用壽命受限于外置電池容量[7-8]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于電流感應(yīng)取電的無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用NTC(negative temperature coefficient)熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量；采用無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、即時(shí)傳輸；采用電流感應(yīng)取電模塊作為測(cè)溫節(jié)點(diǎn)工作電源，解決節(jié)點(diǎn)使用壽命受限于外置電池容量的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)包含電流感應(yīng)取電模塊、測(cè)溫模塊、主控模塊及無(wú)線模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

電流感應(yīng)取電模塊將取電線圈輸出的交變電動(dòng)勢(shì)經(jīng)整流濾波單元、鉗位儲(chǔ)能單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧D(zhuǎn)化為恒定電壓供給測(cè)溫模塊、主控模塊及無(wú)線模塊。測(cè)溫模塊采用溫度敏感元件作為感溫探頭，經(jīng)轉(zhuǎn)化電路將感溫探頭的物理特性轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。主控芯片經(jīng)片內(nèi)ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)將測(cè)溫模塊輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再依據(jù)轉(zhuǎn)化公式將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值。主控模塊將測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的位置及溫度值裝載成數(shù)據(jù)包，由無(wú)線模塊傳輸至顯示終端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)包括：電流感應(yīng)取電模塊、測(cè)溫模塊、主控模塊、無(wú)線模塊，其電路原理如圖2所示。

圖2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電路原理圖

2.1 電流感應(yīng)取電模塊

2.1.1 電流感應(yīng)取電數(shù)學(xué)模型

將電流感應(yīng)取電模塊簡(jiǎn)化為一個(gè)環(huán)形低頻變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電流感應(yīng)取電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3中，兩次側(cè)繞組(一次側(cè)繞組為輸電導(dǎo)線，二次側(cè)繞組為取電線圈)內(nèi)阻壓降及繞組漏感均不計(jì)，進(jìn)行全耦合電磁感應(yīng)。交變電流流經(jīng)一次側(cè)繞組，在取電鐵芯上產(chǎn)生交變磁通，則兩次側(cè)繞組分別產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2，依據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：

(1)

式中：N1=1；N2為2次側(cè)繞組匝數(shù)；Φ為電鐵芯的有效磁通量，磁通未飽和時(shí)，Φ=Φmsinωt，Φm為電鐵芯磁通量幅值，Wb。

且由能量守恒原理可得：

(2)

式中：I1為一次側(cè)繞組電流幅值，A；E1為一次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，V；I2為二次側(cè)繞組電流幅，A；E2為二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，V。

由基本電磁定律可知:

Φm=BmS=μHmS

(3)

式中：Bm為取電鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，T；S為取電鐵芯有效橫截面積，m2；μ為取電鐵芯磁導(dǎo)率，H/m；Hm為磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值，A/m。

則二次側(cè)繞組輸出平均功率P為：

(4)

式中：f為輸電導(dǎo)線供電頻率，Hz。

依據(jù)磁路基爾霍夫第二定律可知：

(5)

式中：l為磁路中心線長(zhǎng)度，m；Iμ為勵(lì)磁電流幅值，A。

(6)

將式(3)、式(5)帶入式(1)可得二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最大值Emax為：

(7)

當(dāng)輸電導(dǎo)線供電頻率f、取電鐵芯磁導(dǎo)率μ、磁路中心線長(zhǎng)度l恒定時(shí)，由式(6)可知，二次側(cè)輸出最大功率Pmax由取電鐵芯有效橫截面積S及一次側(cè)繞組電流幅值I1共同決定；由式(7)可知，二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最大值Emax，由二次側(cè)繞組匝數(shù)N2及取電鐵芯有效橫截面積S共同決定。

2.1.2 取電線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)

電流感應(yīng)取電模塊二次側(cè)繞組匝數(shù)確定原則如下：當(dāng)二次側(cè)輸出最大功率等于節(jié)點(diǎn)工作所需最小功率時(shí)，可求滿足節(jié)點(diǎn)工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值最小值I1 min；當(dāng)一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點(diǎn)工作要求的最小值時(shí)，二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最大值應(yīng)高于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)定最小值，可求二次側(cè)繞組的最小匝數(shù)；當(dāng)一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點(diǎn)工作要求最小值時(shí)，二次側(cè)繞組電流幅值應(yīng)高于設(shè)定最小值，可求二次側(cè)繞組最大匝數(shù)。

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)采用CE0036030T精密可調(diào)電源供電，采用萬(wàn)用表測(cè)量無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)工作電流，經(jīng)換算可得測(cè)溫節(jié)點(diǎn)平均功率低于0.1 W，所需直流電壓高于2.6 V。為擴(kuò)大感應(yīng)取電模塊工作范圍，考慮整流壓降及穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換效率：取二次側(cè)輸出功率最大值為實(shí)測(cè)無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)平均功率3倍，則Pmax≥0.3 W；取二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值最大值為所需直流電壓兩倍，則Emax≥5.2 V；取二次側(cè)繞組電流幅值I2≥0.014 A，得如下不等式：

(8)

且已知f=50 Hz、μ=37.5 mH/m(坡莫合金)、S=420 mm2、l=0.215 m，由式(8)可得：

(9)

滿足節(jié)點(diǎn)工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值最小值I1 min=5.11 A，二次側(cè)繞組匝數(shù)N2=365。

2.2 測(cè)溫模塊

測(cè)溫模塊采用恒壓分段測(cè)量法，來(lái)適應(yīng)NTC熱敏電阻在大范圍測(cè)溫下的高精度要求[10]，其簡(jiǎn)化電路如圖4所示。

圖4 測(cè)溫模塊電路簡(jiǎn)圖

依據(jù)測(cè)溫模塊簡(jiǎn)化電路可得：

(10)

式中：URT為NTC熱敏電阻兩端電壓值，V；Uref為STM8L內(nèi)部基準(zhǔn)電壓值，V；ADCVcc為STM8L供電電壓(Vcc)的ADC采樣值；ADCRT為NTC熱敏電阻ADC采樣值；UR為串聯(lián)電阻兩端電壓值；n=12為ADC位數(shù)。

依據(jù)歐姆定律及式(10)可得：

(11)

式中：RT為NTC熱敏電阻計(jì)算阻值，Ω；R為串聯(lián)電阻阻值，Ω。

考慮ADC采樣精度，場(chǎng)效應(yīng)管壓降、串聯(lián)電阻精度及NTC熱敏電阻精度，可得NTC熱敏電阻計(jì)算阻值的相對(duì)誤差最大值約為：

δRT=δR+δADC+δcmos+δRef

(12)

式中：串聯(lián)電阻精度引起的相對(duì)誤差δR=0.1%； ADC采樣引起的相對(duì)誤差δADC=0.098%；場(chǎng)效應(yīng)管壓降引起的相對(duì)誤差δcmos=0.396%；NTC熱敏電阻精度引起的相對(duì)誤差δRef=1%，則NTC熱敏電阻計(jì)算阻值的最大相對(duì)誤差δRT=1.594%。

由文獻(xiàn)[11]可知，NTC熱敏電阻R-T校正方程如下：

T=a+blnRT+cln2RT+dln3RT+eln4RT

(13)

式中：a=359.605 5;b=-29.100 6;c=0.001 6;d=0.830 7;e=-0.140 1。

由式(13)可得測(cè)溫絕對(duì)誤差值為：

ε*(T)=δRT|T′|+ξ

(14)

式中：R-T校正方程的平均誤差ξ=0.286 3 ℃[11]，由測(cè)溫絕對(duì)誤差曲線圖5可得，當(dāng)NTC熱敏電阻阻值約為1 056 Ω，測(cè)溫絕對(duì)誤差最大值為0.75 ℃。

圖5 測(cè)溫絕對(duì)誤差曲線圖

2.3 其他模塊

2.3.1 主控模塊

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)主控模塊選用STM8L051F3，其優(yōu)點(diǎn)在于：具備動(dòng)態(tài)停機(jī)模式，實(shí)測(cè)停機(jī)電流僅為1 μA；芯片內(nèi)置高精度RC振蕩電路，可簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，降低節(jié)點(diǎn)功耗；片載串行外設(shè)接口(SPI)，通信速率可達(dá)8 Mbit/s，降低與無(wú)線模塊通信耗時(shí)；片內(nèi)集成12位ADC，滿足節(jié)點(diǎn)測(cè)溫要求。

2.3.2 無(wú)線模塊

無(wú)線模塊采用工作于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段的低功耗、自組網(wǎng)無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01。其優(yōu)點(diǎn)在于：采用2.4 GHz高頻寬帶通信技術(shù)，通信帶寬為1 MHz，相較于433 MHz等低頻窄帶通信技術(shù)，可防止因晶振的溫漂及老化而產(chǎn)生工作頻點(diǎn)漂移，從而導(dǎo)致通信失敗的問(wèn)題；具備增強(qiáng)型ARQ(停等式自動(dòng)重傳請(qǐng)求)協(xié)議，可設(shè)置重傳等待時(shí)間和重傳最大次數(shù)，有效提升數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)選用IAR EW for STM8作為開發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其過(guò)程如圖6所示。當(dāng)電流感應(yīng)取電模塊輸出電壓達(dá)節(jié)點(diǎn)最小工作電壓時(shí)，主控模塊上電，配置系統(tǒng)時(shí)鐘，開啟RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)停機(jī)喚醒中斷，設(shè)置喚醒間隔為6.89 s。主控模塊關(guān)閉無(wú)關(guān)外設(shè)時(shí)鐘，配置無(wú)線模塊及測(cè)溫模塊進(jìn)入掉電狀態(tài)，降低功耗，隨后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入活躍停機(jī)模式，等待觸發(fā)喚醒中斷。若節(jié)點(diǎn)觸發(fā)喚醒中斷，則無(wú)線模塊及測(cè)溫模塊上電，無(wú)線模塊配置為發(fā)送模式，測(cè)溫模塊測(cè)量外部溫度，并由無(wú)線模塊發(fā)送。若發(fā)送成功，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低功耗配置，而后進(jìn)入活躍停機(jī)模式，等待觸發(fā)下次喚醒中斷。若發(fā)送失敗，則重新進(jìn)行溫度測(cè)量，并發(fā)送。

圖6 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證電流感應(yīng)取電模塊的取電線圈匝數(shù)合理性，測(cè)溫模塊的測(cè)溫精度及無(wú)線模塊的無(wú)線通訊可靠性，搭建如圖7所示測(cè)試場(chǎng)景。

圖7 測(cè)試場(chǎng)景圖

4.1 電流感應(yīng)取電模塊

當(dāng)1次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6 A(幅值為5.1 A)、頻率為50 Hz時(shí)，采用DS1104B數(shù)字示波器采樣2次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線、儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能曲線及穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵銮€。

由圖8可知，當(dāng)1次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6 A時(shí)，2次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值為5.12 V，與理論計(jì)算值基本相符。

圖8 二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線圖

由圖9可知，當(dāng)儲(chǔ)能曲線達(dá)到點(diǎn)B1時(shí)，主控模塊達(dá)到最小工作電壓1.76 V，節(jié)點(diǎn)上電消耗電能。當(dāng)儲(chǔ)能曲線達(dá)到點(diǎn)B2時(shí)，主控模塊完成低功耗配置，并進(jìn)入活躍停機(jī)模式，降低功耗。儲(chǔ)能曲線達(dá)到點(diǎn)B3、B5、B7時(shí)，節(jié)點(diǎn)觸發(fā)喚醒中斷，平均觸發(fā)間隔為6.73 s，觸發(fā)后的平均工作時(shí)間為0.07 s，與設(shè)計(jì)值相符。節(jié)點(diǎn)工作期間儲(chǔ)能單元的平均壓降為1.12 V，滿足使用要求。當(dāng)輸電導(dǎo)線流經(jīng)電流有效值為4.8 A時(shí)，儲(chǔ)能元件最大儲(chǔ)能電壓值約為4.96 V。

圖9 儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能曲線圖

由圖10可知，點(diǎn)C1、C2可印證圖9結(jié)論，節(jié)點(diǎn)最小啟動(dòng)電壓為1.76 V，啟動(dòng)時(shí)間約為0.6 s。當(dāng)輸電導(dǎo)線流經(jīng)電流有效值為4.8 A時(shí)，穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵鲭妷嚎煞€(wěn)定在3.28 V。

圖10 穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵銮€圖

4.2 測(cè)溫模塊

環(huán)境溫度26.7 ℃，采用恒溫加熱臺(tái)作為熱源，K型熱電偶采樣溫度作為標(biāo)稱值。恒溫加熱臺(tái)從27～100 ℃加熱過(guò)程中，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)隨機(jī)采樣21組數(shù)據(jù)，計(jì)算與標(biāo)稱值之間的絕對(duì)誤差，并繪制曲線如圖11所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)熱電偶標(biāo)稱溫度值為86 ℃時(shí)，節(jié)點(diǎn)測(cè)溫絕對(duì)誤差值的最大值為0.67 ℃，在測(cè)溫絕對(duì)誤差0.75 ℃范圍內(nèi)。

圖11 實(shí)測(cè)絕對(duì)溫度曲線圖

4.3 無(wú)線模塊

為模擬測(cè)溫節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作環(huán)境，在測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與顯示終端之間，放置若干的遮擋物，無(wú)間斷進(jìn)行100次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)傳輸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在遮擋物位置及體積不變情況下，無(wú)線傳輸?shù)某晒β孰S傳輸距離的增加，略有降低，但該基本滿足應(yīng)用需求。

表1 無(wú)線模塊測(cè)試表

5 結(jié)束語(yǔ)

電流感應(yīng)取電技術(shù)解決了傳感器工作壽命受限于外置電池容量的問(wèn)題，無(wú)線傳感技術(shù)解決了傳統(tǒng)測(cè)溫實(shí)時(shí)性較差問(wèn)題。本文基于電流感應(yīng)取電技術(shù)及無(wú)線傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一款無(wú)源無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行詳細(xì)分析，給出了二次側(cè)繞組匝數(shù)計(jì)算方法及NTC熱敏電阻測(cè)溫理論絕對(duì)誤差計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其可行性進(jìn)行證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)一次側(cè)繞組流經(jīng)電流有效值為3.6 A時(shí)，該電流感應(yīng)取電模塊輸出電壓值可穩(wěn)定在3.28 V；測(cè)溫模塊的測(cè)溫絕對(duì)誤差最大值為0.67 ℃；無(wú)線模塊通訊較為穩(wěn)定，具備較高的可靠性。