红外矩阵测温器在电力系统中的应用和设计

2021-09-23李小力

通信电源技术 2021年9期

李小力

（东部机场集团南京禄口机场，江苏南京 210006）

0 引言

大部分企业对电气设备温度的监控并不重视，只在巡视过程中才有些了解，没有对电气设备日常运行中的温度进行监控，没有预警系统，只有电气设备出故障了才去维修。这样不仅耽误生产，还使得电气设备的故障扩大化，大大增加维修费用。因此，必须要将状态维修引入日常运行过程中，自动记录电气设备的温度值，计算设备的温升，超过阈值自动报警，提早发现电气设备的故障。在电气设备故障没有扩大化前，其维修费用较低。本文探讨电气设备温升的日常运行监控，称之为对电气设备的热监控。

1 红外矩阵温度监控测量特点

温度的测量方法主要包括有接触式测温法和非接触式测温法。在非接触式测温法中，利用红外线来测量温度使用的最多。它遵循黑体辐射的定理，感应物体的热辐射，将感应值转换成电信号，放大处理后，经过转换、标定，实时显示出来[1]。红外测温又分为单点测量温度和矩阵测量温度。单点测量温度是指每次只能测量一个点的温度，缺点是测量面积小，得到的信息量少，不能全面反映被测设备的温度状态。红外矩阵测温可以解决单点测温的缺点，感应面积比较大，测量出设备的最高温、平均温、最低温以及对应的温度区间，较为全面地了解设备的温度状态。其缺点是传感器制作工艺复杂，价格比单点的传感器贵了许多。

2 电气设备现状与所需应用

东部机场集团南京禄口国际机场供电科自机场通航以来，人员没有增加，但是所管辖的范围却增加了不少。随着管辖范围增加的同时，管辖范围内设备也大大增多。机场通航到现在已经过了多年，管辖范围内有些设备的电器绝缘材料逐渐老化，容易发生火灾，必须通过使用一些手段来了解设备的运行状态。例如，增加巡视次数来查看设备等，这些方法都要大量增加工作人员，还需用自动化和智能化手段来监控重要设备与重要负荷[2]。其中，增加热监控就是一个重要的自动化手段。

3 红外矩阵温度监视器设计

目前，在市场上没有这样的自动化、智能化设备，只能靠自己来设计，使设备符合单位需要的功能。由于是自己设计，自己完全掌握核心技术，成本比较低，价格是红外成像仪的1/20。

本文的红外矩阵测温监测器采用模块化设计，结构紧凑，便于集成。一个测温模块可以同时测量多个点的红外线温度，将所测试的温度传输给无线/有线模块，让连接的计算机监控设备上的温度数据，如温度异常，报警装置会发出警报来提醒值班人员[3]。各种红外测温器比较如表1所示。

表1 各种红外测温器比较

其中，数值上传是指将测量出来的温度值传输给计算机。无线传输是指传输数据的形式，用无线比较方便。区域温度显示是指设备上不同的区域有不同的温度值，必须将这些温度值实时显示出来。睡眠节能的原理为温度传感器工作时候用的电流相对比较大，不测量的时候可以关闭，工作时开启，从而达到节能的目的[4]。

红外矩阵测温器主要由红外矩阵传感器、单片机、电源、串口电路、无线模块以及休眠电路等组成，如图1所示。

图1 红外矩阵测温器结构图

产品配件的选型需要考虑价格因素、安全因素、质量因素以及易用性因素等。电路设计时要考虑电源、PCB布局中的干扰、可靠性、可测试性、功耗、信号完整性等，所设计的红外矩阵测温器PCB板如图2所示。

图2 设计红外矩阵测温器PCB板

最终决定选用型号为AMG8833的红外矩阵传感器，这是一种8×8的红外热传感器阵列。当连接到单片机时，它将通过I2C返回64个独立红外温度读数的数组。温度和位置同时读出，处理器为单片机，单片机的型号为ATMEG328。用这种AVR单片机来控制，有“看门狗”系统不死机[5]。开启睡眠方式时，工作电流是微安级别，耗能少，24 h监控采集数据，不耗电。易用性能力特强，有非常多的库可以使用。无线模块为2.4G DRF1609H ZigBee物联网模块，体积小，编程性能好，保密性能强，电源可以用标准的模块电源，通用性能好，价格便宜，又具有输出多电压小电流带短路保护功能[6]。

经过调试，已经实现了设计的全部功能。通过量产3块电路板，进一步测试系统稳定性。焊接完成的红外矩阵测温器如图3所示，串口模块具有1个485串口，传输协议要采用工业控制标准MODBUS协议，兼容性好，不易出错。

图3 焊接完成的红外矩阵测温器

有些工作场所的设备不方便安装电源线。红外矩阵测温器在设计电路和编程过程中用了睡眠节能技术，可以用电池来工作。睡眠时电路工作电流达到纳安级别，一块电池可以正常工作3年[7]。图4为安装电池的红外矩阵测温器，其能耗非常低，同时安装电池也非常方便。

图4 安装电池的红外矩阵测温器

由于外壳开模费用昂贵，红外矩阵测温器没有设计外壳，故采用通用的外壳，价格非常低。使用通用外壳的红外矩阵测温器如图5所示。由于通用外壳安装孔比较多，可以随意安装到需要测温的设备上。

图5 使用通用外壳的红外矩阵测温器

红外矩阵测温系统如图6所示，将配置好的红外矩阵测温器安装在需要测温的电气设备里，利用有线或者无线传输温度值。测温系统由多个红外矩阵测温检测器和计算机构成，利用工业组态软件在计算机上显示数值。设置好温升值，当数值达到设定值时，画面弹出报警信息，喇叭发出警报声[8]。再将温度数值写入数据库，这样红外矩阵测温系统即可正常工作。