基于HYT271的SF6微水密度分析系統*

張敏敏,肖 迪,許健佳

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

基于HYT271的SF6微水密度分析系統*

張敏敏,肖 迪*,許健佳

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

為了保障SF6氣體絕緣設備的絕緣特性和滅弧能力,設計了一種基于HYT271的SF6微水密度分析系統。系統通過溫濕度一體傳感器HYT271和壓力傳感器MS5803分別檢測出所處SF6氣室中的溫度值、相對濕度值和絕對壓力值,并通過微控制器對測量數據進行校準和計算,最后采用RS485總線將測量和分析的數據發送給上位機。實驗結果表明,系統具有良好的精度,功耗低,實時性強且設計簡潔,方便了對高壓電氣設備中SF6的分析與監測。

分析系統;SF6的分析與監測;溫濕度一體傳感器;微控制器

隨著智能電網的發展,如今對電網中各電氣設備的安全性和可靠性要求越來越高,進而電氣設備的在線監測、故障診斷等一些功能顯得格外重要。SF6氣體因其穩定的化學性質和很強的絕緣和滅弧能力,成為了電力設備的絕緣介質。SF6氣體的密度和純度決定了電氣設備的絕緣性能和滅弧能力,若SF6氣體中混有水分和氧氣,在高溫高壓的工作條件下SF6的分解物會和水分反應產生雜質,阻止分解物復原成SF6,從而降低了SF6氣體的密度和純度,同時降低了電力設備的絕緣性能[1-3]。因此,運用智能傳感器技術、控制技術和信號傳輸技術[4-5],設計了一種SF6氣體在線監測分析系統,系統能夠檢測氣室的實時狀態,提前分析測量數據,起到了預警的作用,幫助電氣設備及時排除故障。

1 設計框架

分析系統的設計框架如圖1所示,在下位機的部分,由電源模塊給各個元器件供電。將傳感器置于密閉的SF6氣室,其中溫濕度一體傳感器HYT271用于測量氣室中的溫度值和相對濕度值,同時使用絕對壓力傳感器MS5803測量壓力值。測量完畢后,傳感器通過I2C串行總線將測量結果的數字信號發送給微控制芯片STM32F103RB,主芯片首先會按照使用說明書上提供的方法對數據進行一系列的軟件補償和工廠校準,接著根據所得結果計算出分析數值,如露點、SF6質量濃度,最后主芯片會將所有結果通過RS485總線發送給上位機,以便上位機能夠實時顯示和存儲分析結果。與此同時,若使用多臺這樣的分析系統,上位機還可以一一為它們進行地址修改,操作簡便。

圖1 分析系統設計框架

2 硬件設計

2.1 溫濕度一體傳感器

目前,使用較多的用于測量濕度的傳感器主要是電容式的,利用電容在不同介質下介電常數不同的這一特性,將濕度的測量轉換成對電容值的測量。雖然電容式的濕度傳感器具有響應速度快、精度高的特點,但此后的調理電路設計復雜,過多的電路必然增加了存在誤差的可能性,設計出的調理電路往往不是對所有電容都通用[6-8],故此系統選用了溫濕一體傳感器HYT271作為濕度測量的主要部分。

HYT271是一種高精度電容濕度傳感器,但與其他電容傳感器不同的是它內部集成了一個能夠處理濕度和溫度信號的信號處理器,該信號處理器還可以通過I2C接口以數字信號的形式向外輸出測量結果。傳感器模塊經過了工廠校準,所以不再需要進行其他校準。芯片內部會對線性誤差和溫度漂移進行補償,所采用的補償計算程序借助了多項式,確保了對偏差、增益線性度和溫度漂移的軟件校準。因此,在很大的工作范圍內,傳感器的測量結果能夠保持很高的精度。除了信號處理器,芯片還集成了一個14位的電容數字轉化器,一個校準系數存儲器和一個I2C接口。芯片的地址可設置為0x00至0x7F之間任意一個值,因此一個單獨的I2C可以接高達126個這樣的傳感器模塊。

HYT271的濕度測量范圍是0到100%RH,其分辨率為0.02%RH,精度為±1.8%RH,而溫度測量的范圍則為-40 ℃至125 ℃,其分辨率為0.015 ℃,精度為±0.2 ℃,工作電壓范圍是2.7 V～5.5 V,傳感器模塊具有長期穩定性、耐化學品、抗結露、功耗低、低溫漂、體積小等優良特性。其引腳分布如圖2所示,它的引腳很少,只有供電引腳(引腳2和3)和I2C總線的數據引腳及時鐘引腳(引腳1和4),簡化了硬件設計。

圖2 HYT271引腳分布圖

2.2 絕對壓力傳感器

所選用的壓力傳感器的型號為MS5803-14BA,它是帶有I2C和SPI接口的高分辨率壓力傳感器。在外觀上,為了滿足戶外設備的要求和過壓保護芯片對感受器施加了凝膠保護和防磁不銹鋼圈。芯片內部集成了高線性度的壓力感受器,極低功耗的24位模數轉換器,以及存有工廠校準系數的存儲器,它不僅能夠輸出24位高精度數字壓力值和溫度值,還能提供不同的工作模式,以提高轉換速度減少功耗。傳感器模塊對壓力和溫度測量都使用兩點法校準,并將得出的6個校準系數存儲在128位的PROM里,控制芯片在讀取測量值前需要先讀取一次校準系數,此外不需要進行其他的校準。

MS5803測量絕對壓力所采用的單位是bar,需要在之后的讀取時加以注意,將其轉換成國際單位制中的MPa,因此它的壓力測量量程為0～1.4 MPa(0～14 bar),其分辨率為20 Pa(0.2 mbar),精度為±0.012 MPa,溫度的量程為-40 ℃～85 ℃,其分辨率為0.01 ℃,精度并沒有溫濕一體傳感器HYT271那么高,為±4 ℃,所以MS5803所測得的溫度值僅用于它自身的軟件補償,而采用HYT271的溫度輸出作為微水密度分析系統顯示的當前溫度值。MS5803的供電電壓為1.8 V～3.6 V,它響應速度快,低磁滯,功耗低,具有出色的長期穩定性,無需外加其他元件。

圖3 MS5803硬件接線圖

MS5803共有8個引腳,其硬件接線圖如圖3所示,引腳2和引腳5是芯片的電源引腳,VDD與GND之間放置一個100 nF的解耦電容,這個解耦電容需盡量靠近VDD引腳,它能在數據轉換期間穩定供電電壓使測量數據達到最高精度。因為溫濕度一體傳感器使用I2C總線作為通訊線路,為了簡化設計線路壓力傳感器也使用I2C總線進行數據傳輸,故而將PS引腳連接到VDD引腳以開啟I2C通訊線路關閉SPI功能。引腳1和引腳7分別是I2C總線的時鐘引腳和數據引腳,與控制芯片相應的接口連接,而CSB引腳電平的高低會被芯片識別并作為I2C地址的最低位,也就是說該傳感器模塊僅有兩個

I2C地址可供選擇,圖3中CSB引腳接地表示地址的最低位為0。

2.3 處理模塊

系統將微控制器模塊和通訊轉換模塊合稱為處理模塊,微控制器選用的是意法半導體公司生產的STM32F103RB芯片,它是基于ARM Cortex-M3內核32位中容量增強型微處理器,它高性能、低功耗、低成本的特點使它成為使用率高、可靠性高的控制芯片。微處理器的硬件原理圖如圖4所示,微控制器塊是在控制芯片的最小系統上使用了I2C總線和兩個USART,這兩個USART分別用于燒錄程序和RS485通訊。微控制器完成補償和計算后會通過USART將串行數字信號發送給ADM2587E芯片,ADM2587E會將這些數字信號轉換成RS485傳輸所使用的電平,便于上位機與分析系統的數據交換。

圖4 控制芯片接線圖

3 軟件設計

為了增加控制芯片的可靠性簡便系統的維護,系統的軟件部分是基于RT-Thread操作系統進行編寫,該操作系統適用于多個嵌入式系統,包含了實時嵌入式系統開發的各個組件。多線程是它實現實時性所采用的方法,每個線程可以調用已有的底層驅動,線程之間可以通過郵箱、信號量的方式進行通信或同步,降低了每個模塊之間的耦合,線程又將需要實現的不同功能進行劃分,模塊化的程序簡化了系統的開發和維護。

3.1 HYT271測量線程

溫濕度一體傳感器HYT271的測量線程的流程圖如圖5所示,線程首先對I2C總線進行初始化配置并開啟總線,此后向HYT271發送測量請求指令,該指令包含7位芯片地址并將讀寫位設置為0,傳感器芯片只有在接收到測量請求指令后才會開始新一輪的測量,每個測量周期起始于溫度測量,再進行濕度測量,完成測量后對測量值進行信號處理,最后將處理過的測量值寫入輸出寄存器。為了判斷一個測量周期是否完成,需要周期性輪詢輸出寄存器。微控制器向傳感器模塊發送獲取數據指令,將地址的讀寫位設置成1,如果地址錯誤,傳感器模塊將返回一個非響應應答信號(NACK),否則傳感器模塊將返回一個響應應答信號(ACK),接著傳感器芯片將會發送4 byte的數字測量值,前兩個字節是濕度值,高位在前低位在后,但濕度值僅有14位,最高兩位不是測量值,需要對它們進行屏蔽。后兩個字節是14位溫度值,同樣是高位在前低位在后,與濕度有所不同,它的低兩位不是測量值,需加以屏蔽。數據接收完畢后,控制芯片向HYT271發送一個非響應應答信號(NACK)和一個停止位,傳感器芯片將等待下一輪的測量指令。最后,線程還需要對數字信號進行轉換并采用郵箱的形式發送給計算分析線程,方便后續的計算和分析,其轉換過程和AD轉換相類似。

圖5 HYT271數據交換流程圖

3.2 MS5803測量線程

絕對壓力傳感器MS5803的測量線程流程圖如圖6所示,與HYT271測量線程一樣,線程首先對I2C總線進行初始化,接著通過總線向MS5803發送復位指令,復位指令不僅能對未知狀態的芯片ROM進行復位,而且能確保將校準數據加載到內部寄存器中。在執行完復位指令后便可執行PROM讀指令,芯片會依據指令中的PROM地址返回一個16位校準系數,校準系數共有6個,依次是壓力靈敏度C1、壓力偏差C2、壓力靈敏度溫度因子C3、壓力偏差溫度因子C4、參考溫度C5、溫度測量溫度因子C6。然后控制芯片會向傳感器發送壓力測量指令,只有接收到指令,傳感器模塊才會初始化壓力測量,將壓力值轉換為未經處理的數字信號。在轉換過程中傳感器的測量轉換系統將處于忙碌狀態,讀取測量值或重復發送測量指令都會使輸出結果出錯,所以線程在發送完指令后進行了適當延時,等待測量完成。轉換結束后,向MS5803發送壓力值讀取指令可獲取一個24位的數字壓力值,之后的溫度值獲取與壓力測量的過程相同。

圖6 MS5803線程流程圖

獲得了未經處理的壓力值和溫度值還需要對數據進行軟件補償,圖7是列出了補償的具體過程和算法,其中C1～C6是從PROM讀取的校準系數,D1是未經補償的壓力值,D2表示未經處理的溫度值。補償過程依次粗略地算出了實際溫度與參考溫度之差、實際溫度、實際溫度下壓力的偏差和靈敏度,此后將溫度區間分成3段,依照計算出的實際溫度判斷出它所處溫度區間,使用相應區間的計算方法細致計算出最終的實際溫度、實際溫度下壓力的偏差和靈敏度。最后采用這3個參數計算出實際的壓力值,并將其發送給計算分析線程。

圖7 補償方法流程圖

3.3 計算分析線程

計算分析線程主要是從HYT271和MS5803測量線程分別獲得當前測量的相對濕度值、溫度和絕對壓力值,再結合物理公式和數學方法求出相關的分析參數。首先,利用溫度和擬合的方法求出飽和蒸汽壓,再結合相對濕度求出該壓力下的露點。因為工業儀表所研究的露點一般都是指大氣壓下的露點,因此線程會進一步將壓力露點換算成大氣壓下的露點。接著,根據測量的絕對壓力和計算出的蒸汽壓求得當前SF6的體積濃度(單位為PPM)并將其換算成符合標準的質量濃度(單位為mg/L)。此后,采用牛頓迭代法求解密度方程,得到當前的SF6密度。計算分析線程最后會將接收到的溫度、相對濕度和絕對壓力,以及計算分析所得的大氣壓下露點、質量濃度和SF6密度一起發送給通訊線程,讓通訊線程轉交給上位機。

3.4 通訊線程

通訊線程主要采用MODBUS通訊協議,連接分析系統和上位機使它們之間能夠進行數據交換。通訊線程存儲了分析系統的通訊地址,初始值為1,上位機可以通過RS485總線依照通訊協議給每臺分析系統進行編址,通訊線程為地址分配了固定單元的寄存器,若上位機發送修改地址的指令,線程會自動檢測并修改分析系統通訊地址再將新的地址存儲在相應的寄存器中。與此同時,通訊線程還會接收計算分析線程發送的分析數據,并將這些數據保存在線程的只讀寄存器中。當接收到上位機發送的讀取數據指令時,通訊線程會將實時數據發送給上位機,以供上位機實時顯示。

4 實驗結果

上位機采用MODBUS Poll軟件模擬主機,它能夠遵照MODBUS通訊協議與從機進行通訊,同時可以在界面上實時顯示地址和接收到的數據。將設計好的分析系統放入測試環境中反復調試后得到多組實驗結果,選取其中某個時刻測得的一組數據,如表1所示,實驗結果具有良好的一致性和重復性。

表1 實驗結果

5 結束語

分析系統運用最新的傳感器技術,不需要復雜的調理電路,簡化了電路設計,模塊化的軟件設計有利于系統的維護。它具有分辨率高、精度高、穩定性好、低功耗的特點,能夠實時監測密閉的SF6氣室的狀況,有利于對SF6氣體性質的研究,幫助電氣設備及時排除故障。同時,采用的溫濕度一體傳感器可以使用在很多濕度測量的情況下,能夠促進濕度測量的研究與發展。

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An Analysis System of SF6Gas Density and Humidity Based on HYT271*

ZHANGMinmin,XIAODi*,XUJianjia

(School of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

In order to protect the insulation properties and arc extinguishing capability of SF6gas insulated equipment,an analysis system of SF6gas density and humidity is designed based on an integrated temperature and humidity sensor called HYT271. The values of temperature,relative humidity and absolute pressure in a SF6gas cell are measured by an integrated temperature and humidity sensor HYT271 and a pressure sensor MS5803. And the software calibration and mathematical calculation of the measurement data are carried out by the micro controller. Finally,the RS485 bus will be used to send the measurement and analysis data to the host computer. According to the test of some excellent characteristics of high accuracy,low current consumption,real time and simple design are demonstrated. It is convenient to analyze and monitor SF6gas in high voltage electrical equipment.

analysis system;analysis and monitor;SF6gas;integrated temperature and humidity sensor;microcontroller

項目來源:國家自然科學基金項目(61308066)

2016-03-14 修改日期:2016-04-13

C:7230L;7320T

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.008

TH835

A

1005-9490(2017)02-0306-06