用于电力设备测温的无线多点测温探针设计

文/巩文东 赵青龙

1 引语

重要的电力设备如变压器等需要进行温升试验，需要监测根据温度判定是否出现局部过热，要求的测量点多达数十个甚至近百个，传统的有线测温方式安装布线难度大，容易出现错乱，如果发生损坏，不便于更换传感器。因此无线测温将是必然的发展趋势。

目前国内外针对无线测温的研究主要是研究对比不同的通信方式，在同一探针集成多个测温点的方式上仍有欠缺。徐波,杨帆等人采用ZIGBEE通信方式进行了无线测温试验，证实了无线通信可以可靠快速采集现场的温度数据；邓世杰对低功耗式的无线测温装置进行了一定的研究，通过实验对比了不同无线通信芯片的功耗差异。本文设计的基于无线通讯的多点测温探针，可以进一步简化安装布线的难度，尤其适用于测量油温等需要插入测量的场合，提高了测量的精度和效率。

2 多点式温度探针硬件结构设计

多点式温度探针主要由温度显示模块、无线测温单元、端头、铠装外壳、各测温点的热电偶构成，如图1所示。

图1中，无线测温单元由参量转换单元，供电单元和无线数据发射单元构成，参量转换单元采用低功耗的STM32L041单片机，STM32L041提供WLCSP32小封装，具有高达64 KB闪存、高达8 KB RAM及高达2 KB嵌入式EEPROM，此系列还具有带DMA功能的外设、实时时钟、低功耗时钟、硬件加密模块以及每秒100 KB采样时仅需48 µA的超低功耗12位ADC。

图1：多点式温度探针结构示意图

由于极低的运行时功耗，非常适合需要长时间高频率测量的无线测温装置，可以大大减轻电池的负担，使待机时间有效延长。供电单元采用锂电池，可以连续待机高达300天，具有Mini-USB充电口。无线数据发射单元采用ZM433SX-M，模块采用的LoRa调制技术设计，抑制同频干扰的性能较强。另外，模块集成了+20dBm的可调功率放大器，并可获得超过-148dBm的接收灵敏度。支持多种休眠和待机模式，让能耗和性能得到更加细化平衡。模块可以通过调整扩频因子（数值为6～12）、调制带宽及纠错率等变量，在通信速率及传输距离和抗干扰特性之间取得更好的平衡。无线测温单元的结构如图2所示。

图2：无线测温单元结构示意图

主要工作原理为：多点式温度探插入变压器油中，此时多点的感温信号通过连接导线输出，达到参量转换单元进行温度数据的处理，经过滤波算法提高精度后，采用Lora透传的方式，通过无线数据发射单元发送至数据采集器。多点式温度探针上每个点的数据都有唯一的编号，实际安装使用时需要记录每个多点式温度探针的安装位置，并与编号一起存入上位机数据库中。

温度测量终端参数如下：

（1）长期工作温度：-40℃～+80℃；

（2）测量温度范围：-55℃～+150℃；（此处看传感器是否满足）

（3）测量精度：±0.5℃；

（4）温度测量周期：每1分钟（或为大于1分钟的任意时间间隔）；

（5）发射频率：范围在915MHz/433MHz之间；

（6）最大发射功率：+20dBm；

（7）工作电压：3.6V；

温度显示单元一方面可以实现数据直读显示。根据试验人员需要在温升试验现场通过LED显示屏直接显示探针上每个测温点的数据；另一方面当出现温度异常时可以在显示屏上向试验人员发出报警信息。

3 多点式温度探针嵌入式软件设计

参量转换单元对温度的采样频率为10Hz，即每隔0.1s采集一次温度数据，接收多点式测温探针上每个测温点的数据，并经过一系列的信号放大及AD转换后，处理器需要对温度数据进行滤波处理，以提高温度的测量精度，这里用到的滤波算法为防脉冲干扰平均滤波法，相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”，参量转换单元连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，N值的选取为10。这种滤波的方法优点是对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，避免了测温过程中出现的突发干扰。

参数处理单元在滤波完成后，将数据发送到无线发射单元，由无线发射单元通过Lora透传的方式，将数据发送到数据采集器，数据采集器在采集现场设备上所有的无线数据后，将数据打包发送给工控机，工控机软件根据实时显示当前的各种测量数据，并形成各种所需的报表、趋势图等文件。软件流程图如图3所示。

4 结语

基于无线通讯的多点式测温探针设计既避免了有线通讯方式带来的安装布线困难，调试更换传感器不便等缺点，同时在一个探针上集成多个测温点，能够更加准确的测量同一位置不同深度下的温度，更好的反应当前变压器等电力设备的工作情况，提高了测温的精度，为工作人员进行数据分析提供了更好的保证。通过独立的锂电池进行供电，并进行程序优化设计，大大提高了待机的时间，可充电的设计方案使设备可以循环利用，降低了成本。

经过现场使用证明，相比于传统的测温方式，在精度上和测量的效率上，均有了较大的提高，但是在高频率的采样过程中，不可避免的存在通信干扰问题，如何能够在高频采样的情况下，保持通信的稳定性，是下一步需要解决的问题。

图3：嵌入式软件设计流程图