一種高壓絕緣型遠距離測溫系統

邢旺，唐文俊，李維波

1海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，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

一種高壓絕緣型遠距離測溫系統

邢旺1，唐文俊2，李維波1

1海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，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

鑒于晶閘管充當脈沖功率開關時極易造成熱量累積和溫度陡升，因而快速、可靠和準確地獲取脈沖功率開關組件的溫度并實現過溫報警，對于開關組件的安全運行至關重要。介紹集成溫度傳感器AD590的工作原理，采用絕緣型結構，將ARM微處理器作為嵌入式網絡系統的核心，通過硬件與軟件兩方面的設計，利用AD590實現了對脈沖功率開關閥體溫度的遠距離在線監測與實時數據上傳，可確保脈沖功率開關健康運行。

晶閘管；脈沖功率；傳感器；嵌入式系統；ARM

0 引 言

現階段，由于晶閘管具有高電壓（耐壓要求超過20 kV）、大電流的特點，已被廣泛應用于許多新概念艦載武器裝置（如軌道炮、電磁發射器）中。當使用以晶閘管作為脈沖功率開關的主要開關器件時，流過晶閘管的電流通常是其通態平均電流的數倍，短時積聚的功率損耗會使晶閘管結區累積大量熱量，造成其結溫升高。當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，在高壓大電流環境下，如何快速、可靠和準確地獲取脈沖功率開關組件的溫度并實現過溫報警，對于開關組件的安全運行至關重要［1-2］。

目前文獻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（如數米）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千伏特且傳輸距離超過50 m的晶閘管脈沖功率開關組件的溫度。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絡系統的核心［3-4］，通過硬件與軟件兩方面的設計，實現對脈沖功率開關閥體溫度的實時監測。同時，該系統還可完成過溫報警，并結合比較電路實現過溫報警的雙冗余結構，不僅能提高報警裝置的可靠性，還可確保脈沖功率開關的健康運行，為脈沖功率開關閥體溫度檢測裝置的設計提供依據。

1 溫度檢測系統介紹

溫度檢測系統原理框圖如圖1所示。

圖1 溫度檢測系統原理框圖Fig.1 Temperature test system

溫度傳感器用于檢測脈沖功率開關閥體組件的溫度，并將檢測信號傳給處理電路，處理電路經濾波、信號轉化、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監測單元。比較電路根據報警溫度的要求預先設定參考值，當溫度檢測信號高于該參考值時，產生溫度報警信號并傳送給上位機執行必要的操作。溫度狀態監測單元負責采集連續變化的溫度模擬量信號，并將數據發送至上位機，用以反映脈沖功率開關閥體的實時溫度；同時，當溫度超過報警溫度時，也可實現過溫報警，與溫度比較電路組成溫度報警的雙冗余結構。

2 溫度檢測裝置設計

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，與傳統的熱電阻、熱電偶等溫度傳感器相比，其具有復現性好、線性度好、體積小、熱容量小、穩定性好、信噪比高、波形質量好等優點，因此，選用AD590作為脈沖功率開關的溫度檢測傳感器。AD590封裝結構如圖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的結構示意圖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，其主要性能參數如下：

1）輸出電流與溫度的關系為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 檢測組件設計

本文所設計的脈沖功率開關結構如圖3所示，其中，測試點A與測試點B分別安裝有一個測溫組件。當脈沖功率開關工作時，晶閘管內部管芯由于功率損耗所產生的熱量會向U型電極與中間電極傳導，在測試點A與測試點B分別安裝溫度檢測組件，其溫度檢測結果近似等于晶閘管管殼的溫度。

圖3 脈沖功率開關組件結構Fig.3 Structure of the pulse power switching device

由于晶閘管脈沖功率開關組件工作于高電壓、強電磁干擾的場合，且距離監控中心數十米遠，由此便對溫度測試系統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，特設計了如圖4所示的絕緣結構。其中圖4（a）為溫度傳感頭絕緣結構的示意圖，圖4（b）為該絕緣型傳感器實物圖。

圖4 溫度檢測組件結構與實物圖Fig.4 Structure and photos of the temperature test device

溫度傳感器裝于耐高壓的絕緣護套內，底部為導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與遠端處理電路相連，用以實現遠距離測溫，其中，引腳1連接供電電源，引腳2為溫度信號輸入。護套內部灌注電氣密封膠以固定測溫裝置內部組件，整個裝置通過螺釘固定于導電極上［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，既解決了遠距離傳輸的抗干擾問題，又能夠適應高電壓環境。

2.3 溫度信號處理電路設計

溫度信號經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

設檢測溫度為T，AD590的輸出電流首先經RC濾波，然后流過R1，可將電流信號轉換為電壓信號（單位V），因其輸出電流與溫度的關系為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的關系為

穩壓二極管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設置為2.732V，V1與V2通過差分放大器A3，有

經差分放大電路處理后，將絕對溫度與電壓的關系轉換為攝氏溫度與電壓的關系。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 比較電路設計

比較電路用于過溫報警，當溫度高于設定參考值時，產生報警信號，并由控制設備做出相應的操作。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光二極管不發光，輸出端V5為高電平；當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光二極管發光導通，輸出端V5為低電平。V5可作為光纖發送頭的輸入端，通過光纖傳送至遠端控制設備，控制設備可根據光纖接收頭電平信號判斷是否過溫，并做出相應的操作。本文所用晶閘管脈沖功率開關在晶閘管殼溫超過70℃時報警，當溫度為70℃時，根據式（3）可得

穩壓二極管D2兩端的電壓為2.4 V，利用變阻器可將參考電壓VREF設置為0.7 V，當溫度超過70℃時，V3將大于VREF，實現溫度報警。

2.5 溫度狀態監測設計

在實際工作中，除溫度報警信號外，往往還需要獲取脈沖功率開關的實時溫度以確保開關閥體組件能夠健康運行，故需要將處理電路輸出信號V3通過網絡上傳至狀態監測單元。溫度狀態監測單元如圖7所示。

圖7 溫度狀態監測單元結構圖Fig.7 Structure diagram of the temperature data monitoring unit

溫度狀態監測單元利用嵌入式技術，主要由溫度信號采集與處理板、交換機以及上位機組成。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絡系統的設計。本文選用的ARM微處理器型號為LM3S9B92，其內部集成有一個10位的ADC模塊，支持16個輸入通道，ADC模塊包含4個可編程的序列發生器，無需控制器干預即可自動完成對多個模擬輸入源的采樣。每個采樣序列發生器都可靈活配置輸入源、觸發事件及中斷的產生等內容［7］。溫度狀態數據采集流程圖如圖8所示。

圖8 溫度狀態數據采集流程圖Fig.8 Process flow diagram of the temperature data acquisition

溫度狀態數據采集通過ADC實現，溫度信號為連續變化的模擬電壓信號，通過ADC模塊，可將連續變化的模擬信號轉換成離散的數字量。利用定時器來實現每隔1 s上傳一次狀態數據。當系統初始化后，初始化ADC模塊和定時器模塊，并通過網絡上傳至上位機。

3 實驗研究

利用所設計的溫度檢測系統進行現場調試，溫度信號采集與處理板按照預先設定的采集流程進行溫度信號的采集，并將數據傳送至上位機，利用網絡調試助手，通過設置協議類型、IP地址和端口號進行網絡連接?，F場調試結果如圖9所示［8］。

圖9 現場調試結果Fig.9 The debugging results

由調試結果可知，所設計的溫度檢測系統能夠實現溫度信號的采集與上傳，系統運行正常。為檢驗所設計的晶閘管脈沖功率開關溫度檢測裝置的工作性能，開展了脈沖功率開關的循環通流試驗，其試驗條件為：

1）初始溫度為32.9℃，通流12 kA，開通持續時間2 s，循環間隔22 s，導電極不通冷卻水；

2）初始溫度為40℃，通流12 kA，開通持續時間3 s，循環間隔22 s，導電極中水流量為2 L/min。

通過溫度檢測系統測量并上傳晶閘管的管殼溫度（即圖3中測試點B），試驗結果如圖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）開關組件閥體的溫度隨工作時間增加而增加；

2）導電極采用水冷方式時通電時間為3 s，所產生的熱量比通電時間為2 s時多，但導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電極的溫升曲線斜率。由此可見，導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）開關組件在試驗條件1）下，可循環導通22次，連續工作440 s，此時殼溫為65℃，不會損壞器件［9-10］。

當脈沖功率開關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兩晶閘管的殼溫超過了70℃，且對應的二極管發光了，實現了過溫報警。

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

4 結 語

針對晶閘管脈沖功率開關應用的高壓強磁場合，設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，設計了一種能夠實時采集并上傳脈沖功率開關溫度狀態的嵌入式網絡系統。分析實驗表明：可以通過溫度報警裝置實現脈沖功率開關的過溫報警，能夠利用溫度狀態監測單元實現溫度狀態數據的采集與上傳；可利用溫度狀態數據預測脈沖功率開關的溫度；能驗證比較電路產生的過溫報警信號的準確性，實現溫度報警的雙冗余結構，為脈沖功率開關溫度檢測系統的設計提供了依據，能夠確保閥體安全、可靠運行。同時，該裝置也可用于其他艦船艙室的高壓強磁場環境中，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

期刊網址：www.ship-research.com

2013－07－04 網絡出版時間：2014-3-31 16:33

國家自然科學基金資助項目（51077129）；國家重點基礎研究發展計劃（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

［責任編輯：喻 菁］