基于红外温度传感器的温度监测系统设计说明.docx

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基于红外温度传感器的温度监测系统设计说明

基于红外温度传感器的温度监测系统设计

摘要：

开关柜在保障电力系统安全中起着关键作用。

长期的运行，必然会出现超负荷运转、开关老化等现象，而这些现象极易导致设备局部温度升高，出现安全隐患。

如果没有及时排除这种隐患，很可能引起设备故障甚至引发火灾，损毁设备进而对工业生产、企业运作造成巨大损失。

因此，对开关柜易出现高温的部分进行实时温度监测具有重要意义。

针对上述问题，本文设计实现了一套开关柜温度在线监测系统。

系统采用红外温度传感器TS118-3进行温度信息采集，传感器输出模拟信号经放大滤波处理后送入微控制器单元MSP430F247进行模数转换并完成相应的数据处理。

数据处理采用多次测量取平均值的方式，从而减小测量误差。

最后被测目标的实时温度一方面通过液晶屏FM1602显示出来，以便工作人员现场查看，另一方面则通过RS232上传至计算机，由上位机软件对其进行分析处理实现远程监测。

本文设计的实时温度监测系统经过实验验证，能实现对被测物体温度的实时监测。

关键词：

红外温度传感器；MSP430F247；开关柜；实时监测

DesignoftemperaturemonitoringSystembasedoninfraredtemperaturesensor

Abstract:

Theswitchcabinetplaysanimportantroleinkeepingthesafetyoftheelectricitysystem.Inthelongtermoperation,itwillappearequipmentoverloadrunningorswitchagingphenomenon,andthesephenomenacaneasilyincreasethetemperatureofthedevice,andthusincurringhiddendanger.Ifthedangerisnotpromptlyeliminated,itislikelytoleadtomanyproblems,suchasequipmentfailure,firedisaster,whichwilldamagetoindustrialproductionandcauseheavyloss.Therefore,thereal-timemonitoringoftemperatureofswitchcabinethasagreatsignificance.

Inviewoftheabovequestions,thispaperdesignsandproducesasetofon-linemonitoringsystem.ThesystemusesinfraredtemperaturesensorTS118-3tocollecttemperatureinformation,andthesignalisamplifiedandfilteredprocessing,thensenttoMSP430F247microcontrollerunittocompletedigitalconverterandcorrespondingdataprocessing.Dataprocessingemploysthemethodofmeasuringmanytimesandtakingaveragetoreducemeasurementerrors.ThetemperatureisdisplayedbyFM1602.ThetemperaturedatathroughRS232uploadedtothecomputer,whichisanalyzedbyPCsoftwaretorealizetheremotemonitoring.

Thereal-timetemperaturemonitoringsystemthroughexperiments,verifiedthatthesystemachievereal-timemonitoringtheobject.

Keywords:

Infraredtemperaturesensor,MSP430F247,Switchgear,Real-timemonitoring

第1章绪论

1.1选题目的及意义

近年来红外测温技术被越来越多的企业和厂家所认识和接受，在冶金、石化、电力、交通、水泥、橡胶等行业得到了广泛的应用。

红外测温具有如下优点[1]：

（1）、不需要接触被测物体，不会扰乱被测物体的温度场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度；

（2）、在测量过程中，光电器件不必和被测介质达到热平衡，所以测量速度快，因而能检测温度的迅速变化过程，并能测量运动物体的温度；

（3）、测温围广，采用红外接受器件，可以测量相当高的温度，下限可测量-170℃；

（4）、测量距离可近可远，近者可达几厘米，甚至更小，远者可达近百公里；

（5）、可以测量小面积的目标，目前可测量出直径小至7.5μm的目标温度；

（6）、测量对象以黑体最为合适，但也可以测量一般物体。

正是这些优点使得红外测温技术得到越来越受到广泛的应用，该技术在温度测量领域具有不可替代的优势。

随着电力系统的大容量化、高电压化、结构复杂化、用电客户对电网稳定性提出越来越高的要求，供电控制设备的安全运行对社会生产具有非常重要的作用。

因此对供电控制设备进行实时的状态监测十分必要。

电力系统中，开关柜的应用相当广泛，担负着开合电气设备、保护设备安全的双重重任，其部导电连接处的接触特性直接影响到控制器件工作的可靠性。

开关柜由许多继电器和强电控制器组成，在设备长期运行过程中，会出现接触点老化、接触不良、接线柱松动等情况。

这些情况容易导致设备局部发热或者产生电弧，烧蚀周围部件，造成设备损坏、停电事故甚至引发火灾，给工厂、企业单位、国家等造成巨大经济损失。

为了确保电力系统的安全运行，最大程度地降低事故发生率，需要对开关柜关键部位的温度进行在线监测，达到对设备运行情况的实时了解，以减少设备故障次数，防止重大安全事故的发生。

本文针对该问题旨在设计实现一套基于红外测温传感器的温度监测系统。

1.2研究技术现状

1.2.1开关柜测温技术研究

开关柜大多处于高温、高压、强电场、强电磁环境中，要实现对它的温度测量，必须保证测量装置在上述恶劣环境条件下具有较强的适应能力。

目前开关柜测温方式大多采用接触式测温和非接触式测温两种形式[2][3]。

接触式测温是通过设在测量点的温度传感器直接测量温度，有热电偶间接测温法、集成温度传感器测温法等。

非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，有红外传感器测温法、光纤温度传感器测温法等。

接触式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布局灵活、简单、可靠，且测量精度高。

其缺点在于必须要求传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下具有较强的可靠性，还必须解决传感器与采集部分的高压隔离以及传感器自身的工作电源问题。

而且由于测温元件需与被测介质接触后进行热交换，才能达到热平衡，从而具有一定的安全隐患。

另外，接触式传感器受到耐高温材料的限制，接触式测温不能应用于很高温度的测量。

非接触式测温的优点在于接收器（传感器）可远离被测对象，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测温速度较快，不会破坏被测物体的温度场。

其缺点是只能测量在传感器视角围的测量点的温度，且受到物体的发射率，被测对象到测量装置之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一般测温误差较大。

上述两种测温形式常用的方法有贴色片测温法、热敏电阻式测温、光纤测温、红外辐射测温法。

贴色片测温根据色片颜色随温度的不同而发生变化的原理来实现温度的测量，测温准确度低，可靠性差。

热敏电阻式测温系统在开关柜部恶劣的环境下具有很大的误差，布线复杂且易损坏、维护量大。

光纤测温是将光纤作为温度传感器，通过温度变化调制透过光纤的光强来确定温度，对光源、发射和接收电路的技术和稳定性要求高，测量速度慢、空间分辨率低、系统实现困难。

光纤测温的另一种形式是以半导体温度传感器作为探头，光纤作为传光介质，该方法缺点在于测量装置大，减小了开关柜的绝缘空间，给开关柜的安全运行带来隐患，另外还需要外加工作电源，更换电源时需停电，影响系统的运行。

红外辐射测温法，是通过感知被测目标的温度变化对应红外辐射变化来确定其温度，也是一种非接触测量方式，其测量结果受环境影响大，准确度较低，可通过大量实验数据对测量结果进行校正。

1.2.2国外研究状况[1]

目前国外对高压开关柜温度的测量同样通过上述两种方式来实现。

国外的ABB配电公司开发了一种名为“SafeGuard”的温度监测系统，用于对高压开关柜的关键部位进行连续不断的温度测量。

其原理是采用一个SAW元件直接安装在测量点上作为温度传感器，利用传感器的信号通过振荡电路产生一个频率与温度相关的脉冲信号，使用微处理器进行数据分析，实现与PC机监测的连接。

整个系统采用全数字化设计以抑制强电磁场干扰，并用微机联网对高电位上三相多点的温度实行二十四小时连续集中遥测和实现过热报警。

我国安伏电子技术开发的SCAN-3000分布式光纤测温系统，该系统采用一种由光纤传输温度信号的高技术传感器，为一种非接触式测量。

由于光纤的高绝缘性能，使其在高压电器设备方面有着广泛的应用领域，如中高压电缆接头的运行温度在线监测、母线连接点的运行监测、主变压器部有载分接开关连接处的运行温度监测、避雷针等其它设备的温度监测。

SCAN-3000分布式光纤温度监测系统能实现高压运行部件的在线监测，与传统的蜡片和色温法相比，具有良好的实时性和稳定性，但是存在光纤沿表面放电的问题，需要很长的沿面放电时间，所以存在一定的缺陷。

鉴于以上分析，有必要研究一种应用于高压开关柜设备温度在线监测装置，不仅要实现高压隔离，温度实时监测，而且还要解决传感器环境温度高、电磁干扰等问题。

1.3主要容和安排

本系统采用红外温度传感器对开关柜温度进行采集，提高了准确性和安全性。

系统采用的红外温度传感器体积小、性能好，再加上稳定的运放和精度较高的A/D处理，运用多次采集取平均值的数据处理方式，通过一定实验对测量结果进行修正，可实现对目标温度的准确测量。

本文所研究的开关柜温度在线实时监测系统，主要由三部分构成:

温度数据采集、单片机数据处理和上位机监控软件部分。

传感器对柜开关触点的温度进行采集，目标温度信号通过放大滤波处理送至单片机MSP430F247，该信号由单片机集成的12位A/D转化为数字信号后，根据转换公式转换为温度值，然后存储等待上位机查询，并送LCD显示，若上位机发出数据查询命令则将单片机储存的数据通过串口送到上位机。

然后对触点的温度数据进行存储、分析，通过相应的计算得出目标温度值并绘制出目标温度曲线。

开关柜温度监测系统的系统软件由在线监测和实时分析两部分组成。

软件具有在线采集、监测、绘制温度曲线、数据保存等功能。

论文的主要工作是:

根据上述系统要求，设计合理的方案、选择适当的器件、设计可靠的硬件电路，并完成电路焊接调试，编写电路控制单元软件以及上位机软件。

本文章节安排如下:

第1章:

主要介绍本论文的相关背景、研究现状、研究目的、主要容。

第2章:

详细介绍红外测温原理、误差分析。

给出了系统总体框架图，对各部分的功能进行简要介绍。

第3章:

主要介绍了系统硬件部分的设计实现，包括原理图的设计、电路焊接、调试。

第4章:

简要介绍了单片机的开发环境，重点介绍了单片机软件的设计过程及具体实现。

第5章:

主要介绍了系统上位机软件的设计。

第6章:

对本课题系统的设计过程进行了总结，就目前仍存在的问题，提出了改进的方向和一些实施办法。

第2章红外测温原理和方案设计

2.1红外测温原理[2]

自然界中凡是温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，辐射通量密度是物体温度的函数，且与物体本身发射能力有关。

物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例。

物体的温度越高，所发出的红外辐射能量越强。

红外传感器经汇聚的红外光照射后产生信号，该信号传到处理电路，处理电路对其进行处理并计算出物体的温度。

2.1.1斯蒂芬-波尔兹曼定律[1][2]

温度为T的物体，其辐射出射度M（λ,T）（辐射源在单位面积上向半球空间发射的总辐射功率，单位为W/CM2）由温度决定。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，由下式求出：

（黑体）（2-1）

式中σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数；T为物体热力学温度。

2.1.2维恩位移定律[2]

在任意温度下，黑体光谱辐射通量最大值所对应的峰值波长

与温度T乘积为一常数，这就是维恩位移定律，即

（2-2）

其中λm为光谱辐射出射度的峰值波长；δ为一常数。

因此，光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成反比。

2.1.3基尔霍夫定律[1][2]

任何物体都不断发出和吸收辐射能量。

当物体从周围吸收的能量功率恰好等于自身辐射减小的能量功率时达到热平衡。

于是，辐射体可以用一个确定的温度Τ来描述。

物体辐射度M（λ,T）和吸收比α（λ,T）的比值与物体的性质无关，只是波长和温度的普适函数：

（2-3）

不同的物体对外来辐射的吸收，以及它本身向外的辐射都不相同。

根据吸收比定义可知吸收比是被物体吸收的辐射通量与入射的辐射通量之比，它是物体温度及波长等因素的函数。

当α（λ,T）=1时，这种物体被定义为绝对黑体。

换言之，绝对黑体是能够在任何温度下，全部吸收任何波长的入射辐射的物体。

在自然界中，理想的黑体是没有的，吸收比总是小于1。

2.1.4普朗克定律[1][2][3]

单位面积的黑体在半球面方向上单位时间里光谱辐射能量是黑体温度T和波长λ的函数，这就是普朗克定律。

它给出了绝对黑体辐射的光谱分布

（2-4）

其中M（λ,T）为绝对黑体的辐射出射度；T为绝对温度；λ为波长；C1为第一辐射常数；C2为第二辐射常数。

此外红外辐射，又称红外线，是物质分子在其振动状态发生改变时辐射出的电磁波，其波长在0.76μm到1000μm之间。

红外辐射是不可见光，但是具有较强的热效应。

由以上相关理论可得到实际测量物体温度与其红外辐射度的关系为：

（对于非黑体）（2-5）

式中ε为物体表面的发射率；σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数；T为物体热力学温度。

因此由式（2-5）可得，被测目标的温度为：

（2-6）

2.2红外测温影响因素

2.2.1待测目标辐射率

通过以上原理描述可知辐射率的大小决定了物体的红外能量幅出度与被测物体实际温度紧密相关。

辐射率是指一般物体相对于黑体的辐射能力大小的物理量，与物体的材料形状、凹凸度、表面粗糙度等因素有关，另外也与测量的方向有关。

不同物质的辐射率是不同的，常见物质辐射率见附件3，红外测温装置从被测物体上接收到的辐射能量大小正比于它的辐射率。

2.2.2待测目标尺寸

红外温度传感器都有一个测量视角，测温装置的精度与被测物体尺寸和传感器视角相关。

使用红外测温装置测温时，通常只能测定被测目标表面上某一确定面积的平均值。

待测物体的尺寸与传感器视角有以下几种关系：

1、当待测物体尺寸小于测试视角时，被测物体周围事物辐射的能量就会进入传感器的测量区域，干扰测温数据，造成误差。

最终得到温度信息是被测物体和周围事物温度的加权平均值。

因此，在实际测温时，通常要求被测物体尺寸要超过传感器视角大小的50%。

2、当被测目标大于测试视场时，测温装置就不会受到测量区域以外事物影响，能够准确的测量被测物体位于传感器视角确定面积的实际温度，此时传感器的测试效果最佳。

3、当被测目标等于传感器测试视角时，由于环境中物体间的能量在不断的传递，尤其是事物与事物直接相互接触部位，所以此时被测物体温度已受到一定程度影响，但一般影响还比较小，测试效果相对可信。

从上述几种情况可看出在设计测温装置时需要对测量实际情况进行实地考察，确定被测物体的尺寸，选取适合的温度传感器，保证测量装置的测量精度。

2.2.3测量距离

所有能量的传递都会有一定程度的衰减，被测物体辐射出的能量在传送到传感器的过程中同样会受到外界环境的影响，造成能量衰减，衰减程度与传感器到被测物体的距离相关，距离越远衰减越大。

因此在使用红外传感器进行温度信号采集时，需要通过实验分析选取适合的距离对被测物体进行温度测量。

2.2.4环境影响

红外测温的准确性还与环境温度有很大关系，被测物体处于一定温度的环境中，自身辐射能量的同时会吸收环境的辐射能量。

假设被测物体的温度为T0，环境温度为T1，此时该被测物体单位面积发射的辐射能量为A.ε.σ.T04，被它所吸收的环境辐射能量为A.ε.σ.T14，因此该物体单位面积发出的净辐射能量为

（2-8）

式中A为单位面积，α为物体吸收率，ε为物体发射率，σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数。

综合以上分析，在设计温度测量装置时需要充分考虑这些影响因素，采取适当的方法减小由这些因素所引起的测量误差。

2.3系统总设计方案

根据系统设计的要求，主要实现高压开关柜温度非接触在线监测，只需通过计算机，就可以了解开关柜的实时温度情况，判断是否存在异常和安全隐患。

因此系统的整体结构如图31所示。

数据处理模块包括前置放大滤波、AD转换、数据处理、LCD显示等功能，硬件电路与上位机之间的数据传输采用中断方式，当硬件电路收到上位机的查询要求时产生中断执行相应程序，将数据通过RS232传至上位机。

上位机软件具有数据实时处理、数据分析温度实时显示等功能。

图21系统结构

2.4硬件电路功能

系统硬件电路主要完成温度信号采集、信号调理、数据处理、温度显示、数据传输等功能，因此可以将硬件电路分为以下几个模块。

2.4.1信号采集

系统采用具有安全、准确、快速等优点的红外温度传感器进行温度信号采集。

红外温度传感器感知被测物体的温度和环境温度，然后通过部调理电路处理，分别将被测物体红外辐射能量和环境温度信号转化为电压信号和电阻信号，再送入后续调理电路进行相应处理。

2.4.2模拟信号处理

红外温度传感器输出被测目标温度信号大都为毫伏级甚至微伏级的电压信号，且传感器和整个测量装置处于高温、高压、高磁场的环境中，其输出信号携带大量噪声，因此在进行后续处理前首先应该对传感器信号进行适当的放大滤波处理，滤除噪声，放大有用信号。

传感器输出为一直流信号和K级电阻值，所以该部分电路实现微弱直流信号低通滤波和放大。

此外，由于单片机只对电信号进行处理因此该模块同时还完成电阻值信号到电压信号的转换。

2.4.3数据处理

由前两部分电路输出的信号都是模拟信号，而单片机只能处理数字信号，因此需要先将温度信号进行模数转换，模数转换完成后的数据才能送入单片机进行处理。

单片机将所接收的数字信号通过一定的算法转换成实际温度值，然后送LCD显示，同时将数据储存起来，等待上位机查询时，一旦有查询指令到来就将存储的数据以规定的格式送出。

本设计中采用的MSP430F247系列单片机集成了12位的AD，对于本次设计已经满足测量精度要求，因此在该部分电路中无需外加AD，直接使用单片机集成AD即可。

2.4.4温度显示

采用LCD对被测物体温度进行实时显示，实现人机数据交互，方便工作人员在进行设备巡查时了解其温度信息。

2.4.5数据传输与通信

经单片机处理后的数据分为两路信号，一路直接从单片机送到LCD显示，另一路则用于与PC进行信息交互实现单片机与上位机的通信，该系统中采用RS-232方式。

本次设计中只设计制作单个测温点不存在多点通信的问题，因此只要单片机接收到串口中断，就会将存储区中存储的温度数据传送到上位机，由上位机完成相应处理。

2.5上位机软件功能

上位机软件主要实现数据接收处理以及温度显示的功能，由串口设置、温度显示、曲线绘制等几部分组成。

2.5.1串口设置

上位机与硬件电路的通信必须保证两者的数据格式、发送接收速率等完全一致，串口设置即完成对端口号、波特率、校验位、数据位、停止位的设置。

2.5.2实时温度显示

为了能让设备检测人员实时了解开关柜的温度情况，实时温度数据显示是一种最直接有效的方法。

该部分通过相应算法，将从硬件电路接收到的数据转化为对应的温度值，并把这些温度值实时的显示出来，供工作人员查看。

2.5.3温度曲线绘制

实时温度显示实现对当前目标温度的显示，而不能展现一段时间开关柜温度情况，温度曲线是为了描绘某一时间段开关柜的温度情况。

2.6本章小结

本章主要介绍了红外测温的原理，遵循的理论依据，根据原理推导出计算温度的公式。

同时对运用红外温度传感器测量温度时的一些重要影响因素和设计时应需要注意的问题，如何减小测量结果的误差做了简单说明。

最后根据测温原理设计出了整个系统的总体方案，简要介绍了一些重要模块的相关功能，每一部分功能的具体实现会将在后续的章节加以详细阐述。

第3章硬件电路设计

3.1设计方案

基于红外传感器的温度监测系统采用模块化结构设计，主要由传感器模块、信号调理模块、MSP430F247单片机控制单元、显示器模块、PC机通信模块以及必需的电源模块组成，整体结构[4]如图31所示。

图31硬件电路结构

3.2器件选型

3.2.1红外温度传感器[5]

传感器采用江门市安泰电子的TS118-3型非接触式红外温度传感器，TS118-3是一种热电堆传感器，多应用于非接触式温度测量。

它的功能是要将物体红外辐射量转化成一个电压信号。