电力仪器红外温度传感器和DS18B20原理与应用
仪器网 · 2012-07-20 00:20 · 50021 次点击
电力是现代社会使用最为广泛的二次能源,电力工业则是关系到国计民生的重要基础产业和公用事业。不言而喻,传感器相当于电力工业的视觉神经,是电力能够安全、可靠运行和保质保量稳定供应的重要保障。
在电力生产过程中,温度测量与控制十分重要,温度参数的准确测量对电能的输出品质、生产效率和安全可靠的运行至关重要。目前,在电力生产和检修过程中已逐渐开始采用先进的红外温度计等非传统测温传感器,来代替传统的热电偶、热电阻类的热电式温度传感器,从而实现电力的生产过程或者重要设备的温度监视和控制。
一、红外温度传感器
红外辐射俗称红外线,是指辐射波长大致为0.75-1000mm频谱范围内的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射,当物体温度处于绝对零度以上时,其内部带电粒子的热运动就会向外发射出红外线。物体的温度越高,辐射出来的红外线就会越多,红外辐射的能量也就越强。红外温度计是基于物体红外辐射的能量大小及其波长的分布,与物体表面温度的对应关系,并通过对物体自身辐射的红外能量的测量,来准确地测定物体的表面温度。
与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比,红外温度计具有测温范围宽、寿命长、性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外,红外温度计还特别适合测量腐蚀性的介质和运动物体的温度,而且不会破坏到被测对象的温度场。近年来,随着微处理器芯片和红外测温传感技术的迅速发展,红外测温传感器的性能得到不断的提高,其适用范围已经可以覆盖到低、中、高温的不同区段。
电气设施及过程测控中的中低温红外温度传感器
英国Calex电子公司生产的PyroCoupleM系列微型化红外温度传感器,其测温范围为-20℃~+500℃,精度可达读数的±1%,重复性为读数的±0.5%,响应时间是200ms,防护等级达IP65,并可在环境温度范围为0℃~70℃和相对湿度为95%下的环境中使用,而且可以输出电流、电压或热偶信号。在发电厂,其主要用于非接触方式实时测量锅炉空预器、汇流排、重要断路器、电机轴承、电机绕组、变压器绕组、UPS或其它电气接头处的温度,并用来及时发现设备的热点或连接故障等,从而提供电气系统或设备的诊断、状态检修和维护等。
Fluke下属的雷泰公司新推出的CM系列的小型集成式红外温度计,其输出信号为0-5V或J、K型热电偶的连续信号和开关报警的触点信号,并带有RS232的数字通讯接口,探头状态以及自诊断显示LED,专用于工业制造流程的连续温度监视。在现场电磁干扰大的场合,可用于替代易受影响的普通热电偶和热电阻等。该温度计响应时间快,可达150ms,能够实现疏水管线温度、疏水袋温差式水位和抽气管线积水的探测等场合的实时监测功能,完全可以满足电厂的防进水保护,以及检测的快速响应时间和可靠性要求。
炉膛应用中的红外高温计
一般测量高温(700℃以上)的红外温度计,它的有用波段主要在0.76~3mm的近红外区,透射的光学材料主要是选用光学玻璃或石英等。
雷泰公司生产的Marathon系列红外测温仪是专为恶劣的工业环境应用所设计的工业级产品,测温范围为-40℃~3000℃,这款红外测湿仪拥有高性能的光学镜头,光学分辨率最高可达300:1,响应时间有2ms、60ms和120ms三种可选,并具备IP65的防护等级,可以防止安装、设置和使用过程中的污染和损伤。而且带标准的模拟量、数字量和分布式的继电器输出,能够同时传输数据、报警触发和控制信号。内置智能型的电路盒以及易于使用的操作界面等。此外,该红外测温仪坚固的不锈钢外壳也可以确保在苛刻的工业环境下能够安全使用。
通过电厂的锅炉炉膛和后炉膛区的温度,不仅可以直接反应出其内燃料的燃烧强度的大小,燃烧过程中的效率优劣,而且还能间接地影响到锅炉的受热面以及后续流程(如脱硝、灰份的控制等)的正常运行。从电厂的安全控制和效率角度来看,炉膛区的温度是十分重要的,而且需要运行监视的关键参数。在欧洲,有相当一部分电厂或锅炉的制造商(如法国Stein锅炉)即采用上述类型的红外光学高温计,用来测量大型的锅炉炉膛断面的烟气温度,并借此实现锅炉的全炉膛的火焰检测和炉膛灭火的保护功能。
红外成像仪的应用优势
在电厂,运行或检修人员不仅需要知道被控对象表面的平均温度,有时更需要知晓被监测对象的温度场的分布情况,以便分析和研究运行是否正常,内部结构是否存在缺陷等。与先前叙述的点式红外测温传感器不同,红外成像仪则是采用面式测温方式,能将对象的温度场的分布以图像形式直观地显示出来,以满足温度场监视的需要。
红外成像仪主要是检测波长范围在0.9~14mm内的红外电磁频谱区的辐射量,通过热图像技术,给出热辐射体的温度值及温度场分布图,并转换成可见的热图像。大多数的成像仪不是采用常规的CCD或CMOS传感元件,而是采用特殊的FPA(焦平面阵列),以感应更长的波长段。最常用的FPA有InSb,InGaAs,HgCdTe和QWIP等。目前,世界上最先进的红外成像仪的温度灵敏度可高达0.03℃。
在实际使用红外热像仪时,只需要将热范围、热水平、大气温度、环境温度、被测物体的发射率以及测量距离等相关的参数输入到仪表内嵌计算机,就可以自动地得出温度分布等结果。
红外成像仪可以快捷和准确地探测电气设备的接头松动或不良接触、负荷不平衡、过载、过热等隐患(这些隐患可能造成的潜在危害是产生电弧、短路、设备起火或烧毁,以致酿成更加严重的事故或火灾等)。对于所有可以直接看见的设备,红外成像仪能够确定所有连接点的热隐患,而对于那些由于遮蔽导致无法直接看到的部分,则可以根据其热量传导到外面部件上的情况来发现其潜在的隐患。这种情况对传统的检测方法来说,除解体检查外,没有其它更好的办法。由此可见,在断路器、导体、母线以及其它部件的运行测试方面,红外成像仪的作用是无可取代的。
另外,红外成像仪也可以很容易地探测到输电或供电回路过载或三相负载的不平衡情况。
二、智能温度传感器DS18B20DS18B20
(1)独特的单线接口方式:DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2)在使用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:3.0'5.5V。
(4)测温范围:-55'125℃。固有测温分辨率为0.5℃。
(5)通过编程可实现9'12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。
(8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
智能温度传感器DS18B20的内部结构
(1)64b闪速ROM的结构如下:开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
(2)非易市失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。
(3)高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH,TL值。数据先写入RAM,经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下:
低5位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,即是来设置分辨率,如表1所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间就越长。因此,在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存存储器除了配置寄存器外,还有其他8个字节组成,其分配如下所示。其中温度信息(第1,2字节)、TH和TL值第3,4字节、第6~8字节未用,表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以00625℃/LSB形式表示。温度值格式如下:
对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比较,若T>TH或T