大电流封闭母线露点检测装置研究
2015-07-18朱德志
朱德志，李 晨
(镇江高等专科学校 电气与信息工程学院，江苏 镇江 212003)
大电流封闭母线露点检测装置研究
朱德志，李 晨
(镇江高等专科学校 电气与信息工程学院，江苏 镇江 212003)
防止大电流封闭母线结露的设备一般需要检测母线内部的露点数据以确定设备启动或停止运行。空气露点仪依赖进口，价格昂贵。利用空气露点温度与空气温度、相对湿度之间的数学关系，依靠单片机计算及相关处理技术，可以把大电流封闭母线内部空气温度、相对湿度信号转换成露点数据，降低设备成本。
防止大电流封闭母线结露设备；空气相对湿度；露点；单片机
大电流封闭母线受潮和结露会导致绝缘性能下降，影响其安全运行[1]。为了防止大电流封闭母线结露，一般使用大电流封闭母线干燥装置来降低母线内部空气的露点温度，提高母线绝缘性能[2]。首先，使用空气露点仪检测大电流封闭母线内部空气的露点温度。然后，根据母线内部空气的露点温度启动或停止大电流封闭母线干燥装置。母线干燥后降低了内部的空气露点温度，可以避免受潮。但空气露点仪长期依赖进口，价格非常昂贵。为了节约成本，目前国内很多厂家用相对湿度仪替代空气露点仪。但采用这种方法会导致露点温度控制不精确，使大电流封闭母线存在受潮和结露的风险，存在绝缘事故隐患。就现实生产而言，以较低的成本检测大电流封闭母线内部的空气露点温度具有重要意义，这也是本文研究的重点。
基于空气露点温度与空气温度和相对湿度之间的数学关系，依靠传感器检测空气温度和相对湿度信号，经过单片机计算后转换成大电流封闭母线内部空气露点温度信号，可以降低设备的制造成本，提高控制精度。
1 露点检测的方法分析
大电流封闭母线干燥装置和大电流封闭母线热风保养装置都是基于露点温度控制设备的启动和停止。露点温度是因空气湿度饱和而发生结露时的温度值。露点温度可以准确反映在当前温度和相对湿度下，母线内部空气温度下降到什么值时结露。为了有效地防止大电流封闭母线结露，一般设定在-10 ℃露点温度时设备启动，在-15 ℃露点温度时设备停止运行。这样，既确保了母线内部空气的干燥度符合要求，又确保了设备的节能运行。
进口露点检测设备主要是芬兰VAISALA公司的空气露点仪，可以测试空气相对湿度和温度，也可以测试空气的露点温度值，但价格昂贵，很难在国内推广使用。
在恒定的空气压力下，一定的空气温度值和相对湿度值对应一个空气露点温度值。当空气温度值发生变化时，空气相对湿度值也会相应发生变化，但这时的空气露点温度值保持不变。这就是空气露点温度值的优越性。
空气露点温度Td与空气温度t(℃)、空气压力P(mbar)、空气相对湿度RH(%)存在一定的关系，可以用两组计算公式[3]表示，即
(1)
(2)
其中，PWS表示饱和水蒸汽的分压力(mbar)。参数A，m，Tn与t的关系如表1所示。
表1 参数A，m，Tn与t的关系表
根据检测到的空气温度t查表1得到相应的A，m，Tn值，代入式(1)和式(2)计算，就可以得到当前的空气露点温度Td，所以说，在空气压力值恒定的情况下，当前空气温度值t和当前空气相对湿度值RH决定了空气露点温度Td。
2 露点检测系统设计
由于计算简便，确定以AT89C51单片机为核心研制露点温度检测电路。设计的系统原理框图如图1所示。
图1 系统原理框图
系统CPU选用ATMEL公司的AT89C51。此芯片是新型的电擦写8位单片机，片内采用闪速存储(Flash Memory)制造技术，4KEPROM/128RAM，无须加片外存储器，功耗低，可加密，价格低，支持两种可选的模式(省电模式—休眠模式和掉电模式)，性价比高。
单片机利用温度检测电路和相对湿度检测电路检测到的母线内部空气的温度值和相对湿度值计算出空气露点温度值(假设母线内部压力恒定为1标准大气压)，显示在数码管上，并提供所需要的上、下限报警接点以启动或停止设备的运行[4]。
本系统选用ADC0809作为模-数转换芯片，该芯片是逐次逼近式的8位A/D转换芯片，有8个模拟量输入通道，即IN0，IN1，…，IN7，每个通道占有1个地址号，由通道选择线ADDA，ADDB，ADDC决定。A/D芯片在系统中相当于一个外围芯片，因此取P2.7低电平有效作为片选信号，片选信号与WR有效信号配合，利用WR下降沿使START及ALE信号变高电平有效来锁存地址信号，在WR上升沿时刻，START信号由高电平变低电平启动A/D转换。ADC0809输入信号要求为0～5 V的电压信号，而现在外部需要处理的8路信号为4～20 mA的电流信号，在送入ADC0809前需通过50 Ω电阻把电流信号转换成0～5 V的电压信号，母线内部的温度信号对应温度范围为-50～500 ℃，母线内部相对湿度信号对应相对湿度范围为0%～100%。这样，将电流信号转换成电压信号就可以进行模-数转换，输入单片机进行运算处理了。
AT89C51单片机串行口方式为移位寄存器方式，外接4片74LS164作为4位LED显示器的静态显示接口，AT89C51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可以实现串行输入、并行输出。当1个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移1位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164。Q1～Q8(第3～6和第10～13引脚)并行输出端分别接LED显示器的H～A各段对应的引脚，如图2所示。
图2 显示接口
数字的字型码如表2所示。
表2 字型码表
露点温度的上、下限报警接点和外部报警信号通过3只5 V继电器输出。当单片机计算的露点温度值低于-15 ℃时，单片机P2.7输出高电平，下限继电器线圈得电吸合，下限继电器接点闭合发出温度下限报警信号；当单片机计算的露点温度值高于-10 ℃时，单片机P2.6输出高电平，上限继电器线圈得电吸合，上限继电器接点闭合发出温度上限报警信号。在系统上电自检过程中，如果发现有报警信号，则单片机P2.5输出高电平，使外部报警继电器得电吸合，向外发出报警信号，同时闭锁系统直至外部报警信号消失。
3 软件系统的实现
3.1主程序和中断程序
编程前，针对单片机速度慢的特点，在时序产生和数据读入处理的循环中，要求编程代码简洁，力求耗时最少。
主程序完成各硬件的初始化、中断向量的设定，并检查外部设备的工作状态。若设备不正常，则在LED上显示Err(错误)信息，并发报警接点信号，等待人工检修。若一切正常，则进入中断程序运行。主程序流程图和中断程序流程图如图3所示。
主程序流程图中的核心是定时器T0的开中断，经检查，没有外部报警信号则进入中断程序。
进入中断程序后，首先，从模-数转换器采样空气温度和空气相对湿度信号，并把收集的信号样值保存在内部数据存储器。然后，进入A，m，Tn等参数判定子程序，得到相应的A，m，Tn值后进入空气露点温度计算子程序，计算空气露点温度值后进入空气露点温度判定子程序。最后，返回主程序。通过发光二极管显示结果。
图3 主程序和中断程序流程图
3.2子程序
子程序流程图详见图4。首先，进入A，m，Tn等参数判定子程序，依次判断t值是否小于50，是否小于100，是否小于150。然后，依据判断结果把t分为4个等级，即t<50，50
图4 子程序流程图
在进入空气露点温度计算子程序后，经查表，将A，m，Tn，t，RH值代入式(1)和式(2)计算Td[5]。
在露点温度判定子程序中，把Td值分别与-15和-10比较后按照相应程序驱动单片机的P2.7或P2.6启动报警电路，可以达到露点温度上、下限报警的目的。
这里的系统设计是最小的系统设计[6]，只可以显示相应的数据，产生报警信号，如果需要添加其他功能，可以在此基础上改进、提高。如附加自由设定上、下限值的功能，只需要增加外部中断功能，增加相应软件即可。
4 结束语
单片机在价格和个性化设计方面有着非常突出的优点，而且性能稳定，在各行各业都有广泛的应用前景。本研究用单片机处理复杂现场检测和计算，大大降低了工业现场设备控制部分的成本。对于很多价格昂贵的控制设备而言，都可以通过单片机及辅助电路的设计、使用进行设备的低成本改造，进而使这些设备得以推广使用。
[1] 陈思源,孙帆,桑振海,等.水电厂大电流封闭母线防结露装置综述[J].西北水电,2014(1):74-75.
[2] 王迪良.大电流封闭母线防凝露措施[J].人民长江,2009(2):96-97.
[3] 戴伟,叶庆辉.仪表空气压力露点的计算[J].川化,2008(1):21-22.
[4] 布文峰,王世洪.对露点温度计算的经验式的修正[J].北京工业大学学报,2001(3):24-25.
[5] 张志富,希爽.关于露点温度计算的探讨[J].干旱地区研究,2011(2):246-247.
[6] 王成,张馨,张云鹤,等.便携式温湿度露点测量仪的开发与应用[J].现代科学仪器,2007(5):61-62.
〔责任编辑：卢 蕊〕
Researchonthelargecurrentenclosedbusdewpointdetectiondevicemaintenance
ZHU De-zhi， LI Chen
(School of Electronics and Information Science， Zhenjiang College,Zhenjiang 212003，China)
Preventing large current enclosed bus condensation equipment generally needs to detect bus internal dew point data to determine the start or stop of equipment. Grain generally depend on imports.The price is very expensive. Using the mathematical relationship between air dewpoint,air temperature and relative humidity.Relying on single chip microcomputer calculations and related processing technologies,the large current enclosed bus internal air relative humidity signal can be transformed into dew point data.This greatly reduces the equipment cost.
prevent large current enclosed bus dew point equipment; relative humidity; dew point; single chip computer
2015-03-20
朱德志(1974—)，男，江苏镇江人，高级工程师，主要从事电气自动化和光伏系统研究；李 晨(1981—)，女，江苏镇江人，国家信息系统项目管理师，硕士，主要从事计算机信息系统、实验室研究。
TM645
：B
：1008-8148(2015)03-0053-04
