基于智能傳感器NPX的氣體狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)
關鍵詞 NPX C8051F330 SF6氣體狀態(tài) 監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)值算法
有關在電力系統(tǒng)中的電廠、變電站實現(xiàn)無人值守的設想很早就提出了，而單片機技術使得在線監(jiān)測廣泛應用于電力系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)，為無人值守提供了技術上支持。通過總線通信技術，使工作人員在辦公室能夠利用后臺服務程序．對在現(xiàn)場工作運行的電力設備進行監(jiān)控、檢測、故障維護等工作。
六氟化硫(SF6)因其良好的電氣性能和穩(wěn)定的化學結構被廣泛應用于高電壓、大容量、高參數(shù)電氣設備中。隨著電力系統(tǒng)向著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，SF6高壓斷路器已廣泛應用于發(fā)供電企業(yè)。SF6絕緣氣體的狀態(tài)參數(shù)正常與否，嚴重影響著斷路器的工作性能。隨著SF6高壓電器的日益增多及SF6封閉式組合電器系統(tǒng)的廣泛應用，如何正確開展SF6氣體密度監(jiān)測的工作是一個急待解決的問題。
針對SF6斷路器的各種性能指標要求，設計以Cygnal公司的C805lF330單片機為核心的智能監(jiān)控單元、GENova Sensor公司最新推出的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)專用芯片NPX為傳感器芯片構成監(jiān)控子機，實現(xiàn)對SF6絕緣氣體壓力、溫度、密度3個狀態(tài)參數(shù)的測量和計算。通過RS485總線。由PC機和多監(jiān)控子機構成監(jiān)控系統(tǒng)，利用PC機的后臺服務程序對子機狀態(tài)進行查詢、控制。
1 監(jiān)控子機總體設計
監(jiān)控子機的整體沒計大致由四部分組成：傳感器模塊、主控制模塊、LED顯示及繼電器控制模塊和485總線傳輸模塊。由于傳感器需要封裝在SF6斷路器里面，傳感器部分和其他三部分分別設計于兩塊印刷線路板上，通過連接線進行數(shù)據(jù)傳輸，總體結構如圖l所示。
傳感器模塊的功能由1片NPX獨立完成，其集成微處理器、壓力溫度傳感器為一體，功能強大。NPX對SF6氣體的壓強、密度進行測量、補償和校準，并量化成數(shù)字信號傳送給主控制模塊的MCU。主控制模塊在接收到NPX發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理、分析，然后將數(shù)據(jù)輸出顯示，并根據(jù)分析結果控制繼電器狀態(tài)和狀態(tài)指示燈。同時主控制模塊通過光耦器件和MAX485相連掛在總線上，可以通過485總線傳輸模塊，利用PC機的后臺服務程序對監(jiān)控子機進行杳詢控制。
傳感器模塊、主控制模塊為整個系統(tǒng)中的核心部分，下面將詳細分析這兩個模塊的設計。
2 NPX芯片介紹
在傳感器模塊中，使用NPX芯片作為壓力、溫度傳感器。NPX-l是GE Nova Sensor公司2004年初推出的第二代TPMS(汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng))壓力傳感器。其內集成有8位RISC微處理器(采用Philips公司的CPUPCH7970)、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、低噪聲放大器和12位A／D轉換器；內置RC振蕩器提供系統(tǒng)時鐘，無需外接晶體振蕩器。其硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度，較低的功耗。NPX-1芯片內部框圖如圖2所示。
NPX主要引腳的功能如表1所列。
NPX中固化了壓力傳感器的測量、補償和校準程序。每一個NPX芯片在生產(chǎn)時，由工廠在不同溫度點(25℃和75℃)、不同壓力點(滿量程的O％、50％、100％)和不同電池電壓點(2．3V、3．1V)采集12組數(shù)據(jù)，經(jīng)過GE NovaSensor專用的校準公式計算，將補償和校準參數(shù)保存在NPX的E2PROM中。在測量時，由固化的壓力補償校準程序自動對此測量的數(shù)據(jù)進行計算，獲得一個準確的測量值。
同時，NPX芯片可以工作在極端環(huán)境下，如高溫(100℃以上)、低溫(-40℃)、水汽(低溫冷凝水結冰，NPX傳感器具有獨特的抗冷凝水結冰功能)、振動沖擊等情況；同時NPX在每次壓力測量后，都會采用一段內置代碼對傳感器的健康狀況進行檢測，以保證測量結果的可信度。
NPX體現(xiàn)了傳統(tǒng)壓力傳感器與微處理器數(shù)字電路的完美結合，具有適合TPMS應用的獨特優(yōu)勢，也適用于其他類型工程應用。在SF6氣體狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，NPX以其獨特、優(yōu)秀的性能滿足了設計的要求。
3 主控制模塊及其與NPX的接口設計
3．1 主控制模塊
主控制模塊由Cygnal C8051F330單片機及電源控制電路構成。C8051F330是美國Cygnal公司推出的一種混合信號SoC型8位單片機，是集成度很高的混合信號系統(tǒng)級的芯片。具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C805lF330是能真正獨立工作的片上系統(tǒng)。Flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新805l固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。
3．2 主控制模塊與NPX的接口設計
C8051F330和NPX通用L/O的工作電壓都是3．3V，因此可直接利用I／0進行數(shù)據(jù)傳輸。設計利用3對I／0口完成C8051F330與NPX的通信，其接口電路如圖3所示。
NPX與C8051F330的通信過程如下：NPX的P11作為總同步，無數(shù)據(jù)傳輸時處于高電平，準備傳輸數(shù)據(jù)前向C8051F330的P0．7腳發(fā)送一個下降沿，觸發(fā)C8051F330外部中斷1，從而使單片機進行中斷處理程序接收NPX的數(shù)據(jù)；NPX的P14腳作為位同步，P15腳作為數(shù)據(jù)傳送端，在接收到位同步發(fā)出下降沿時，單片機從數(shù)據(jù)端讀入一位數(shù)據(jù)。
NPX每2s采集1次數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制模塊，溫度、壓強各8位，加上l位NPX狀態(tài)標志位，一共需要傳輸17位數(shù)據(jù)。整個通信過程的時序如圖4所示。
C8051F330與NPX通信的I／O口需要進行如下配置：
C8051F330的P0.7腳接收到NPX發(fā)送的下降沿后，跳入外部中斷1的中斷子程序。在中斷子程序中，開啟定時器0計時，同時定義一個變量unsigned char bit_cntr計算讀入數(shù)據(jù)的位數(shù)。在P1．O腳接收到一個下降沿時，單片機從P1．1腳讀入1位數(shù)據(jù)，同時bit_cntr加1。當bit_cntr的值為17時，表明數(shù)據(jù)接收完畢，置標志位Data_Flag通知主程序接收到數(shù)據(jù)，關閉定時器0退出中斷子程序；若NPX在發(fā)送數(shù)據(jù)時出錯，則傳送的數(shù)據(jù)不到17位。這種情況下，定時器O將會計數(shù)到溢出，程序查詢到定時器O溢出后將清除標志位Data_Flag，同時退出中斷子程序。
4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理
在得到NPX傳來的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)需要對其進行處理，通過接收到的玨矗度、壓強數(shù)據(jù)，計算、判斷出當前SF6氣體是否泄露。在實際工程應用中，一般給出標準SF6氣體在20℃時的壓強作為參考標準，因此主控制模塊必須把得到的數(shù)據(jù)轉化成20℃時壓強。一般大致有3種方法對數(shù)據(jù)進行處理：
①采用查表法。有的廠商把SF6氣體壓強和溫度的關系制成表格供用戶查閱，使用起來好像更方便一些；但是，對于沒有列入表格的溫度和壓強值要采用插入法求解。顯然，利用預定表格來決定不同溫度下的壓強，也存在一定的誤差，但在工程上還是可以滿足要求的。這種方法最大的缺點就是，需要大量的存儲空間來存儲壓強和溫度的表格數(shù)據(jù)。
②按理想氣體處理，計算壓強溫度系數(shù)。作為參考．按理想氣體進行處理和計算，這時可使用狀態(tài)方程式PV=RT。例如,對20℃下的額定壓強為0．7MPa(絕對壓強)的高壓SF6斷路器，有下列公式：P=0．7T／(273+20)。由于實際工程應用中，SF6為非理想氣體，故這種處理得到的結果誤差比較大。氣體額定壓強越大，理想化后得到的壓強溫度系數(shù)的誤差也就越大。
③按經(jīng)驗公式對數(shù)據(jù)進行處理。要較為準確地計算SF6氣體的狀態(tài)參數(shù)，有些經(jīng)驗公式可供使用。典型的有如下Beattie-Bridgman經(jīng)驗公式：
Beattie-Bridgman公式在所有的處理方式中，是最接近實際值、誤差最小的。故采用其進行數(shù)據(jù)處理。構造關于P、T、C的方程如下：
由式(1)和式(2)可以看出，在確定壓強P和溫度T后，只須通過解一個三次方程即可得到此時SF6氣體的密度C。由于其為一個三次方程，故在進行編程計算時，采用牛頓疊代法進行求解，以保證截斷誤差盡量小。計算得到SF6氣體的密度后，令T=20+273，再通過式(1)計算出當前SF6氣體在20℃時的壓強P20。(軟件實現(xiàn)程序略——編者注)
程序中壓強P的單位為kPa。主控制模塊根據(jù)轉換得到的當前氣體在20℃時相對應的壓強和給定的標準值，判斷當前的氣體是否發(fā)生泄漏，再根據(jù)判斷結果控制繼電器和狀態(tài)指示燈的狀態(tài)。
結語
經(jīng)實際檢測，SF6氣體狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以高精度實現(xiàn)對壓強、溫度信號的采樣處理。尤其是采用了高性能的數(shù)值分析算法——牛頓疊代法，來實現(xiàn)高精度的密度計算，有效、穩(wěn)定、可靠地保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。
另外，在本系統(tǒng)中采用的NPX芯片體現(xiàn)了傳統(tǒng)壓力傳感器與微處理數(shù)字電路的完美結合。其與CygnalMCU接口方便，具有廣泛的應用價值。
編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站：www．mesnet．com．cn。
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