江蘇國(guó)網(wǎng)自控科技股份有限公司、麗水學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐空間、珠海恒瑞電力科技有限公司的研究人員姜萬(wàn)東、王野、沈克明、周海濤、李才勇，在2017年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型自供電型的無(wú)線測(cè)溫傳感器控制系統(tǒng)，包括無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置及自供電取能電路，主要應(yīng)用在高壓觸頭、母線和電纜頭無(wú)線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)。

與常規(guī)無(wú)線測(cè)溫傳感器功能相比，新增功能包括：1）針對(duì)目前常規(guī)中繼裝置主要采用直流5V供電，無(wú)法接入市電問(wèn)題，增加AC/DC開(kāi)關(guān)電源直接接入市電AC220V；2）增加了一路無(wú)線通訊模塊，將從無(wú)線測(cè)溫傳感器采集到的數(shù)據(jù)利用無(wú)線通訊的模式發(fā)送出去；3）增加了人機(jī)接口界面；4）增加了自供電無(wú)線測(cè)溫傳感器取能電路，提高了工作效率。

在工業(yè)、電力行業(yè)中，電氣設(shè)備的正常運(yùn)行保證了社會(huì)的正常運(yùn)作以及人民的正常生活，因此設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。眾多企業(yè)提倡對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，而溫度是預(yù)防性維護(hù)中最重要的監(jiān)控參數(shù)，溫度的過(guò)高或過(guò)低均意味著故障產(chǎn)生的可能性。實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段[1-5]。

針對(duì)煤礦、石化、冶金等行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣，布線困難，工作量大以及信號(hào)電纜維護(hù)成本較高等不足[6-10]，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型無(wú)線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)，包括無(wú)線信號(hào)中繼裝置和自供電取能電路。

其功能包括：1）增加了AC/DC開(kāi)關(guān)電源，可以直接接入市電，無(wú)需用戶外部提供直流5V電源或電源適配器；2）可提供無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。可將采集到的無(wú)線測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)新增加的無(wú)線通訊模塊再次以無(wú)線的形式轉(zhuǎn)發(fā)出去；3）提供了人機(jī)界面，用戶可以在就地通過(guò)無(wú)線中繼觀察到通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)來(lái)的無(wú)線測(cè)溫傳感器測(cè)量到的溫度信息，又可以方便的設(shè)置配置參數(shù)，大大增加應(yīng)用的靈活性；4）設(shè)計(jì)采用單線圈開(kāi)路控制模式實(shí)現(xiàn)了自供電無(wú)線傳感器取能電路。當(dāng)電壓升高時(shí)，電子開(kāi)關(guān)是處在開(kāi)路狀態(tài)下，因此線圈的電流很小。因此，不會(huì)產(chǎn)生線圈發(fā)熱的問(wèn)題。同時(shí)利用電壓升高時(shí)，使后續(xù)電路與主電路通過(guò)電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的方式來(lái)控制電壓，效率大大提高。

1  現(xiàn)有的無(wú)線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)

1.1  無(wú)線信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置

如圖1所示，現(xiàn)有無(wú)線測(cè)溫傳感器信號(hào)中繼裝置主要采用直流5V供電，無(wú)法直接接入市電，必須采用電源適配器或者其他設(shè)備提供的5V輸出電源供電。采用無(wú)線通訊模塊接收無(wú)線測(cè)溫傳感器發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，并通過(guò)CPU處理后，驅(qū)動(dòng)RS485通訊模塊將溫度采集信息通過(guò)雙絞線輸出到監(jiān)控系統(tǒng)[11]。由于沒(méi)有人機(jī)接口所以無(wú)法設(shè)置參數(shù)，必須出廠前固化好配置信息，才能進(jìn)行通訊。

圖1 當(dāng)前無(wú)線測(cè)溫傳感器無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置框圖

采用傳統(tǒng)的無(wú)線測(cè)溫傳感器無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼，存在以下缺點(diǎn)：

1）采用弱電直流5V供電，由于電平低，在受到電磁干擾時(shí)，耐受容限很低，使中繼裝置無(wú)法正常運(yùn)行。

2）用戶必須外部提供外部直流5V電源，增加了硬件成本。

3）如圖1所示，設(shè)計(jì)裝置由于沒(méi)有人機(jī)接口電路，用戶無(wú)法在本地觀察到無(wú)線溫度傳感器所采集的溫度信息。用戶雖然可以通過(guò)相應(yīng)的輔件（如USB轉(zhuǎn)RS485模塊、無(wú)線接收模塊）與筆記本電腦進(jìn)行通信，通過(guò)相應(yīng)的配置軟件即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)定值維護(hù)，但是增大了操作的繁瑣性。同時(shí)，設(shè)備必須在出廠前固化好配置信息（例如RS485通訊地址以及通訊波特率等），無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)靈活組網(wǎng)通訊的要求。

4）只提供RS485雙絞線通訊方式，再用戶布置網(wǎng)絡(luò)線困難的情況下，無(wú)法滿足用戶需求（尤其是后期改造安裝項(xiàng)目，再次布置網(wǎng)絡(luò)線施工難度很大。因此用戶多數(shù)情況下拒絕再次施工布線）。

1.2  自供電無(wú)線傳感器供電電路

目前，傳統(tǒng)的自供電無(wú)線測(cè)溫傳感器供電部分處理電路見(jiàn)圖2。其工作原理是采用如下控制方式，環(huán)形鐵芯有兩組線圈，其中一組作為供電線圈，另一組為短路線圈。

工作原理如下：當(dāng)高壓在流體有電流通過(guò)后，產(chǎn)生交流電壓UAC1，經(jīng)過(guò)整流電路后對(duì)儲(chǔ)能電容充電。LDO經(jīng)過(guò)對(duì)儲(chǔ)能電容電壓進(jìn)行線性變換后供后級(jí)電路供電。當(dāng)電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)（VDC電壓不能過(guò)高，否則會(huì)損害電子電路），電壓穩(wěn)定反饋電路工作，控制電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使短路線圈通過(guò)整流橋短路[12]。由于工作線圈和短路線圈同在一個(gè)鐵芯上，短路線圈短路后，鐵芯上的磁通基本都降落在短路線圈上，因此工作線圈上的電壓就會(huì)降低。當(dāng)工作線圈電壓降低到設(shè)定值時(shí)，電壓反饋電路控制電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)，工作線圈產(chǎn)生的電壓升高，對(duì)電容充電，供后續(xù)電路工作。

圖2  為當(dāng)前自供電無(wú)線測(cè)溫傳感器取能電路框圖。

采用傳統(tǒng)的自供電無(wú)線測(cè)溫傳感器取能電路，存在以下缺點(diǎn)：

1）需要在環(huán)形鐵芯上纏繞兩組線圈，增加了成本，并多產(chǎn)生了一道工序，降低了生產(chǎn)效率。

2）由于為了控制工作電壓不能過(guò)高，因此短路線圈始終處在短路、開(kāi)路交替工作的狀態(tài)下，因此，產(chǎn)生了一個(gè)斷續(xù)的短路電流，該電流在線圈中持續(xù)工作，會(huì)引起線圈發(fā)熱，并且隨著短路電流的升高，發(fā)熱情況越來(lái)越嚴(yán)重。

3）控制效率低。由于采用短路工作模式，在高壓在流體電流增大，磁場(chǎng)增大時(shí)，該電路必須連讀短接一組線圈，來(lái)降低另一組線圈的電壓。該工作電路主要將能量轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉，因此效率很低。

2  無(wú)線測(cè)溫傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1  無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置硬件的實(shí)現(xiàn)

該裝置的硬件實(shí)現(xiàn)部分，如圖3所示，分為：1）開(kāi)關(guān)電源電路和線性電源電路：將市電AC220V變換為5V，然后通過(guò)線性電源電路將5V變換為3.3V，為微控制器和其它電路實(shí)用；2）無(wú)線通訊模塊1和2：無(wú)線通訊模塊1為433MHz無(wú)線收發(fā)模塊，而無(wú)線通訊模塊2為2.4GHz的無(wú)線收發(fā)模塊，兩者都可以與CPU進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)；3）RS485通訊模塊：與CPU進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，為有線接口電路；4）人機(jī)接口電路：主要有LCD液晶顯示屏和按鍵、指示燈等，用戶可以方便的設(shè)定配置信息和讀取傳感器的所測(cè)量出的溫度。

圖3 新型無(wú)線測(cè)溫傳感器無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置原理電路組成框圖

裝置接入市電AC220V后，開(kāi)關(guān)電源電路將電源變換成直流5V弱電，5V再經(jīng)過(guò)線性電源降壓成3.3V，供CPU微處器理電路和其它模塊使用。CPU微處理器通過(guò)兩個(gè)SPI接口分別和無(wú)線通訊模塊1與無(wú)線通訊模塊2連接，CPU驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無(wú)線模塊分別和無(wú)線測(cè)溫傳感器與無(wú)線通訊服務(wù)器進(jìn)行通訊，具體使用哪個(gè)模塊與無(wú)線測(cè)溫傳感器和無(wú)線通訊服務(wù)器通訊，取決于用戶的配置信息記錄。同時(shí)，CPU通過(guò)串行口UART和RS485通訊模塊進(jìn)行外部485通訊總線進(jìn)行通訊，外部485通訊可以通過(guò)通訊雙絞線連接到監(jiān)控系統(tǒng)。

CPU電路通過(guò)外部總線和IO與人機(jī)界面連接，用戶可以通過(guò)LCD屏幕查看到當(dāng)前的設(shè)置信息與無(wú)線溫度傳感器通過(guò)無(wú)線通訊傳輸過(guò)來(lái)的溫度信息，并可以通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置一些配置參數(shù)和報(bào)警值。

本電路有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可直接接入市電，無(wú)需用戶提供5V電源或電源適配器。由于采用了開(kāi)關(guān)電源，產(chǎn)品的抗干擾性能大大提高。

2）可提供無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)增加的一路無(wú)線通訊模塊，可將采集到的無(wú)線測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)新增加的無(wú)線通訊模塊再次以無(wú)線的形式轉(zhuǎn)發(fā)出去。

3）提供了人機(jī)界面，用戶可以在就地通過(guò)無(wú)線中繼觀察到通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)來(lái)的無(wú)線測(cè)溫傳感器測(cè)量到的溫度信息，又可以方便的設(shè)置配置參數(shù)，大大增加應(yīng)用的靈活性。

2.2  自供電無(wú)線傳感器取能電路硬件的實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，本電路分為：整流電路、電子開(kāi)關(guān)電路、電子開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓與分壓電路、電容儲(chǔ)能池、LDO線性電源電路、電壓穩(wěn)定負(fù)反饋電路。

圖4  一種新型自供電無(wú)線測(cè)溫傳感器取能電路原理圖

本系統(tǒng)采用單線圈開(kāi)路控制模式。環(huán)形鐵芯在高壓載流體的磁場(chǎng)作用下，形成交變磁場(chǎng)。磁場(chǎng)使環(huán)形鐵芯的線圈產(chǎn)生交流電壓。交流電壓在整流電路處理后形成直流電壓VDC[13]。電壓VDC經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)后，再經(jīng)過(guò)分壓連接到儲(chǔ)能電容上，并作為LDO的輸入電壓。

為控制LDO輸入電壓不超過(guò)芯片的規(guī)定值，電壓穩(wěn)定反饋電路始終對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)電壓高過(guò)設(shè)定電壓時(shí)，反饋電路控制電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，這是負(fù)載的供電完全依靠電容中的儲(chǔ)能。隨著電容儲(chǔ)能的泄放，電壓Vin降低。

當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值后，電壓穩(wěn)定反饋電路將電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)，VDC經(jīng)過(guò)分壓后對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，當(dāng)充電到高壓設(shè)定值后關(guān)閉。由于電容上的電壓不能突變，因此LDO的輸入電壓Vin是在一定范圍內(nèi)的充電、放電。而LDO的輸出穩(wěn)壓特性，決定了后續(xù)3.3V電壓的穩(wěn)定。

為了保證在后續(xù)電路上電瞬間能啟動(dòng)工作，電子開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路中的U1為常閉型的MOSFET型繼電器。在電瞬間，電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)，對(duì)電容充電。當(dāng)電容電壓升高到LDO能夠啟動(dòng)工作的電壓后，后續(xù)電路開(kāi)始工作，對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。

本電路有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）環(huán)形鐵芯線圈只需一組，降低了硬件成本和減少了一道工序，提高了工作效率；

2）采用單線圈開(kāi)路控制模式，降低了電路的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)單可靠；

3）解決了線圈發(fā)熱問(wèn)題。由于傳統(tǒng)的控制方式，電路在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，電子開(kāi)關(guān)不斷短接線圈，短接線圈處在斷續(xù)的短路模式，產(chǎn)生了一個(gè)變化的短路電流，這個(gè)電流在線圈中持續(xù)發(fā)熱，進(jìn)而引起線圈溫度升高。而本設(shè)計(jì)采用開(kāi)路控制模式，當(dāng)電壓升高時(shí)，電子開(kāi)關(guān)是處在開(kāi)路狀態(tài)下，因此線圈的電流很小。因此，不會(huì)產(chǎn)生線圈發(fā)熱的問(wèn)題；

4）電路效率大大提高。由于傳統(tǒng)的控制方式是在電壓升高時(shí)短接線圈，將能量完全轉(zhuǎn)化為熱量，而本發(fā)明在電壓升高時(shí)，使后續(xù)電路與主電路通過(guò)電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的方式來(lái)控制電壓，因此效率大大提高，不會(huì)產(chǎn)生線圈過(guò)熱問(wèn)題，提高了電路效率。

3  結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型無(wú)線測(cè)溫傳感器控制系統(tǒng)，包括無(wú)線信號(hào)中繼裝置和自供電取能電路，主要應(yīng)用在高壓觸頭、母線和電纜頭無(wú)線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)。

其功能包括：1）增加了AC/DC開(kāi)關(guān)電源；2）可提供無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)?？蓪⒉杉降臒o(wú)線測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)新增加的無(wú)線通訊模塊再次以無(wú)線的形式轉(zhuǎn)發(fā)出去；3）提供了人機(jī)界面，即可以方便的設(shè)置配置參數(shù)，大大增加應(yīng)用的靈活性；4）設(shè)計(jì)采用單線圈開(kāi)路控制模式實(shí)現(xiàn)了自供電無(wú)線傳感器取能電路。解決了線圈發(fā)熱問(wèn)題和大大提高電路效率。

無(wú)線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，實(shí)用新型（專利）號(hào)為201420441484.9和201420369820.3。