基于HYT271的SF6微水密度分析系统*

2017-04-25张敏敏许健佳

电子器件 2017年2期

关键词：线程指令芯片

张敏敏,肖迪,许健佳

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京 211816)

基于HYT271的SF6微水密度分析系统*

张敏敏,肖迪*,许健佳

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京 211816)

为了保障SF6气体绝缘设备的绝缘特性和灭弧能力,设计了一种基于HYT271的SF6微水密度分析系统。系统通过温湿度一体传感器HYT271和压力传感器MS5803分别检测出所处SF6气室中的温度值、相对湿度值和绝对压力值,并通过微控制器对测量数据进行校准和计算,最后采用RS485总线将测量和分析的数据发送给上位机。实验结果表明,系统具有良好的精度,功耗低,实时性强且设计简洁,方便了对高压电气设备中SF6的分析与监测。

分析系统;SF6的分析与监测;温湿度一体传感器;微控制器

随着智能电网的发展,如今对电网中各电气设备的安全性和可靠性要求越来越高,进而电气设备的在线监测、故障诊断等一些功能显得格外重要。SF6气体因其稳定的化学性质和很强的绝缘和灭弧能力,成为了电力设备的绝缘介质。SF6气体的密度和纯度决定了电气设备的绝缘性能和灭弧能力,若SF6气体中混有水分和氧气,在高温高压的工作条件下SF6的分解物会和水分反应产生杂质,阻止分解物复原成SF6,从而降低了SF6气体的密度和纯度,同时降低了电力设备的绝缘性能[1-3]。因此,运用智能传感器技术、控制技术和信号传输技术[4-5],设计了一种SF6气体在线监测分析系统,系统能够检测气室的实时状态,提前分析测量数据,起到了预警的作用,帮助电气设备及时排除故障。

1 设计框架

分析系统的设计框架如图1所示,在下位机的部分,由电源模块给各个元器件供电。将传感器置于密闭的SF6气室,其中温湿度一体传感器HYT271用于测量气室中的温度值和相对湿度值,同时使用绝对压力传感器MS5803测量压力值。测量完毕后,传感器通过I2C串行总线将测量结果的数字信号发送给微控制芯片STM32F103RB,主芯片首先会按照使用说明书上提供的方法对数据进行一系列的软件补偿和工厂校准,接着根据所得结果计算出分析数值,如露点、SF6质量浓度,最后主芯片会将所有结果通过RS485总线发送给上位机,以便上位机能够实时显示和存储分析结果。与此同时,若使用多台这样的分析系统,上位机还可以一一为它们进行地址修改,操作简便。

图1 分析系统设计框架

2 硬件设计

2.1 温湿度一体传感器

目前,使用较多的用于测量湿度的传感器主要是电容式的,利用电容在不同介质下介电常数不同的这一特性,将湿度的测量转换成对电容值的测量。虽然电容式的湿度传感器具有响应速度快、精度高的特点,但此后的调理电路设计复杂,过多的电路必然增加了存在误差的可能性,设计出的调理电路往往不是对所有电容都通用[6-8],故此系统选用了温湿一体传感器HYT271作为湿度测量的主要部分。

HYT271是一种高精度电容湿度传感器,但与其他电容传感器不同的是它内部集成了一个能够处理湿度和温度信号的信号处理器,该信号处理器还可以通过I2C接口以数字信号的形式向外输出测量结果。传感器模块经过了工厂校准,所以不再需要进行其他校准。芯片内部会对线性误差和温度漂移进行补偿,所采用的补偿计算程序借助了多项式,确保了对偏差、增益线性度和温度漂移的软件校准。因此,在很大的工作范围内,传感器的测量结果能够保持很高的精度。除了信号处理器,芯片还集成了一个14位的电容数字转化器,一个校准系数存储器和一个I2C接口。芯片的地址可设置为0x00至0x7F之间任意一个值,因此一个单独的I2C可以接高达126个这样的传感器模块。

HYT271的湿度测量范围是0到100%RH,其分辨率为0.02%RH,精度为±1.8%RH,而温度测量的范围则为-40 ℃至125 ℃,其分辨率为0.015 ℃,精度为±0.2 ℃,工作电压范围是2.7 V～5.5 V,传感器模块具有长期稳定性、耐化学品、抗结露、功耗低、低温漂、体积小等优良特性。其引脚分布如图2所示,它的引脚很少,只有供电引脚(引脚2和3)和I2C总线的数据引脚及时钟引脚(引脚1和4),简化了硬件设计。

图2 HYT271引脚分布图

2.2 绝对压力传感器

所选用的压力传感器的型号为MS5803-14BA,它是带有I2C和SPI接口的高分辨率压力传感器。在外观上,为了满足户外设备的要求和过压保护芯片对感受器施加了凝胶保护和防磁不锈钢圈。芯片内部集成了高线性度的压力感受器,极低功耗的24位模数转换器,以及存有工厂校准系数的存储器,它不仅能够输出24位高精度数字压力值和温度值,还能提供不同的工作模式,以提高转换速度减少功耗。传感器模块对压力和温度测量都使用两点法校准,并将得出的6个校准系数存储在128位的PROM里,控制芯片在读取测量值前需要先读取一次校准系数,此外不需要进行其他的校准。

MS5803测量绝对压力所采用的单位是bar,需要在之后的读取时加以注意,将其转换成国际单位制中的MPa,因此它的压力测量量程为0～1.4 MPa(0～14 bar),其分辨率为20 Pa(0.2 mbar),精度为±0.012 MPa,温度的量程为-40 ℃～85 ℃,其分辨率为0.01 ℃,精度并没有温湿一体传感器HYT271那么高,为±4 ℃,所以MS5803所测得的温度值仅用于它自身的软件补偿,而采用HYT271的温度输出作为微水密度分析系统显示的当前温度值。MS5803的供电电压为1.8 V～3.6 V,它响应速度快,低磁滞,功耗低,具有出色的长期稳定性,无需外加其他元件。

图3 MS5803硬件接线图

MS5803共有8个引脚,其硬件接线图如图3所示,引脚2和引脚5是芯片的电源引脚,VDD与GND之间放置一个100 nF的解耦电容,这个解耦电容需尽量靠近VDD引脚,它能在数据转换期间稳定供电电压使测量数据达到最高精度。因为温湿度一体传感器使用I2C总线作为通讯线路,为了简化设计线路压力传感器也使用I2C总线进行数据传输,故而将PS引脚连接到VDD引脚以开启I2C通讯线路关闭SPI功能。引脚1和引脚7分别是I2C总线的时钟引脚和数据引脚,与控制芯片相应的接口连接,而CSB引脚电平的高低会被芯片识别并作为I2C地址的最低位,也就是说该传感器模块仅有两个

I2C地址可供选择,图3中CSB引脚接地表示地址的最低位为0。

2.3 处理模块

系统将微控制器模块和通讯转换模块合称为处理模块,微控制器选用的是意法半导体公司生产的STM32F103RB芯片,它是基于ARM Cortex-M3内核32位中容量增强型微处理器,它高性能、低功耗、低成本的特点使它成为使用率高、可靠性高的控制芯片。微处理器的硬件原理图如图4所示,微控制器块是在控制芯片的最小系统上使用了I2C总线和两个USART,这两个USART分别用于烧录程序和RS485通讯。微控制器完成补偿和计算后会通过USART将串行数字信号发送给ADM2587E芯片,ADM2587E会将这些数字信号转换成RS485传输所使用的电平,便于上位机与分析系统的数据交换。

图4 控制芯片接线图

3 软件设计

为了增加控制芯片的可靠性简便系统的维护,系统的软件部分是基于RT-Thread操作系统进行编写,该操作系统适用于多个嵌入式系统,包含了实时嵌入式系统开发的各个组件。多线程是它实现实时性所采用的方法,每个线程可以调用已有的底层驱动,线程之间可以通过邮箱、信号量的方式进行通信或同步,降低了每个模块之间的耦合,线程又将需要实现的不同功能进行划分,模块化的程序简化了系统的开发和维护。

3.1 HYT271测量线程

温湿度一体传感器HYT271的测量线程的流程图如图5所示,线程首先对I2C总线进行初始化配置并开启总线,此后向HYT271发送测量请求指令,该指令包含7位芯片地址并将读写位设置为0,传感器芯片只有在接收到测量请求指令后才会开始新一轮的测量,每个测量周期起始于温度测量,再进行湿度测量,完成测量后对测量值进行信号处理,最后将处理过的测量值写入输出寄存器。为了判断一个测量周期是否完成,需要周期性轮询输出寄存器。微控制器向传感器模块发送获取数据指令,将地址的读写位设置成1,如果地址错误,传感器模块将返回一个非响应应答信号(NACK),否则传感器模块将返回一个响应应答信号(ACK),接着传感器芯片将会发送4 byte的数字测量值,前两个字节是湿度值,高位在前低位在后,但湿度值仅有14位,最高两位不是测量值,需要对它们进行屏蔽。后两个字节是14位温度值,同样是高位在前低位在后,与湿度有所不同,它的低两位不是测量值,需加以屏蔽。数据接收完毕后,控制芯片向HYT271发送一个非响应应答信号(NACK)和一个停止位,传感器芯片将等待下一轮的测量指令。最后,线程还需要对数字信号进行转换并采用邮箱的形式发送给计算分析线程,方便后续的计算和分析,其转换过程和AD转换相类似。

图5 HYT271数据交换流程图

3.2 MS5803测量线程

绝对压力传感器MS5803的测量线程流程图如图6所示,与HYT271测量线程一样,线程首先对I2C总线进行初始化,接着通过总线向MS5803发送复位指令,复位指令不仅能对未知状态的芯片ROM进行复位,而且能确保将校准数据加载到内部寄存器中。在执行完复位指令后便可执行PROM读指令,芯片会依据指令中的PROM地址返回一个16位校准系数,校准系数共有6个,依次是压力灵敏度C1、压力偏差C2、压力灵敏度温度因子C3、压力偏差温度因子C4、参考温度C5、温度测量温度因子C6。然后控制芯片会向传感器发送压力测量指令,只有接收到指令,传感器模块才会初始化压力测量,将压力值转换为未经处理的数字信号。在转换过程中传感器的测量转换系统将处于忙碌状态,读取测量值或重复发送测量指令都会使输出结果出错,所以线程在发送完指令后进行了适当延时,等待测量完成。转换结束后,向MS5803发送压力值读取指令可获取一个24位的数字压力值,之后的温度值获取与压力测量的过程相同。

图6 MS5803线程流程图

获得了未经处理的压力值和温度值还需要对数据进行软件补偿,图7是列出了补偿的具体过程和算法,其中C1～C6是从PROM读取的校准系数,D1是未经补偿的压力值,D2表示未经处理的温度值。补偿过程依次粗略地算出了实际温度与参考温度之差、实际温度、实际温度下压力的偏差和灵敏度,此后将温度区间分成3段,依照计算出的实际温度判断出它所处温度区间,使用相应区间的计算方法细致计算出最终的实际温度、实际温度下压力的偏差和灵敏度。最后采用这3个参数计算出实际的压力值,并将其发送给计算分析线程。

图7 补偿方法流程图

3.3 计算分析线程

计算分析线程主要是从HYT271和MS5803测量线程分别获得当前测量的相对湿度值、温度和绝对压力值,再结合物理公式和数学方法求出相关的分析参数。首先,利用温度和拟合的方法求出饱和蒸汽压,再结合相对湿度求出该压力下的露点。因为工业仪表所研究的露点一般都是指大气压下的露点,因此线程会进一步将压力露点换算成大气压下的露点。接着,根据测量的绝对压力和计算出的蒸汽压求得当前SF6的体积浓度(单位为PPM)并将其换算成符合标准的质量浓度(单位为mg/L)。此后,采用牛顿迭代法求解密度方程,得到当前的SF6密度。计算分析线程最后会将接收到的温度、相对湿度和绝对压力,以及计算分析所得的大气压下露点、质量浓度和SF6密度一起发送给通讯线程,让通讯线程转交给上位机。

3.4 通讯线程

通讯线程主要采用MODBUS通讯协议,连接分析系统和上位机使它们之间能够进行数据交换。通讯线程存储了分析系统的通讯地址,初始值为1,上位机可以通过RS485总线依照通讯协议给每台分析系统进行编址,通讯线程为地址分配了固定单元的寄存器,若上位机发送修改地址的指令,线程会自动检测并修改分析系统通讯地址再将新的地址存储在相应的寄存器中。与此同时,通讯线程还会接收计算分析线程发送的分析数据,并将这些数据保存在线程的只读寄存器中。当接收到上位机发送的读取数据指令时,通讯线程会将实时数据发送给上位机,以供上位机实时显示。

4 实验结果

上位机采用MODBUS Poll软件模拟主机,它能够遵照MODBUS通讯协议与从机进行通讯,同时可以在界面上实时显示地址和接收到的数据。将设计好的分析系统放入测试环境中反复调试后得到多组实验结果,选取其中某个时刻测得的一组数据,如表1所示,实验结果具有良好的一致性和重复性。

表1 实验结果

5 结束语

分析系统运用最新的传感器技术,不需要复杂的调理电路,简化了电路设计,模块化的软件设计有利于系统的维护。它具有分辨率高、精度高、稳定性好、低功耗的特点,能够实时监测密闭的SF6气室的状况,有利于对SF6气体性质的研究,帮助电气设备及时排除故障。同时,采用的温湿度一体传感器可以使用在很多湿度测量的情况下,能够促进湿度测量的研究与发展。

[1] 庄建煌,柯敏,秦伟. 高压电气设备中SF6气体密度和微水的在线监测方法研究[J]. 计算机测量与控制,2013,21(8):2065-2067.

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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.

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