基于MLX90614的非接触式母线温度在线监测方法创新

　摘 要： MLX90614具有体积小、测温范围宽、高精度、无接触测量等优点，在此提出一种基于MLX90614非接触式母线测温开关柜在线监测预警系统，其采用MLX90614BCI红外传感器模块测量开关柜母线温度，再利用ZigBee无线通信方式将温度数据传递至本地终端。经过实践测试表明，该测温点终端能准确测量母线温度，同时将该温度反馈到本地开关柜终端，通过校正红外发射率进行温度校正的方法，可使测温精度达到±0.5%，能够实现对开关柜母线温度的高精确温度测量和预警，并且能对柜内母线温度异常位置进行准确定位，便于故障状态检修，提高了开关柜运行的可靠性，保障了开关柜系统的安全。
　　关键词： MLX90614； 非接触式母线测温； 开关柜； 在线监测
　　中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）12?0105?05
　　电力系统中，开关柜母线是电气主接线的重要环节，其将配电装置中各个载流分支回路连接在一起，起着汇集、分配和传输电能的作用。高压载流母线常因接触点氧化、接触松动、负荷过大、相间短路、散热环境差等原因而使温度升高，造成开关柜过热故障[1]。由于开关柜内的空间结构狭小，同时母线运行处于高电压状态，直接人工巡查测温不太方便[1]，因此采用一种合适的温度监测方法对开关柜的高压载流母线的温度进行在线实时监测预警是保证开关柜安全运行的重要手段。
　　采用非接触式母线无线测温对开关柜母线温度监测预警相比其他测温方式具有一定的优势。无线测温系统在实际应用中可靠稳定、体积小巧、结构简单、便于安装且不影响开关柜的结构。无线测温模块在开关柜上应用时，开关柜结构不需要改变，只需在定位安装处打上安装定位孔安装即可，不影响开关柜的各种性能。
　　目前，国内外电力设备厂家及科研院校都研制出了各种开关柜母线测温无线传输的在线监测预警系统。开关柜无线测温是基于无线测温技术开发的针对开关柜进行测温的系统，可对开关柜的母线排、上下触头、电  []缆接头等部位温度进行实时在线监测预警，方便运维人员及远程监控中心掌握现场开关设备运行情况。
　　1 总体设计方案
　　本文介绍一种基于MLX90614非接触式母线测温开关柜在线监测预警系统，测温点终端采用锂电池供电加上体积小巧的MLX90614BCI红外测温传感器测温及ZigBee发射模块构成。测温点终端测到温度后，再通过ZigBee无线通信传输到本地终端的ZigBee接收模块，同时本地终端能够显示温度及报警信息。不同的开关柜本地终端通过网络组网将各个开关柜的温度及报警信息上传到数据库服务器中存储管理，客户端可同时监控不同开关柜的温度及报警信息，系统可以采用这种方式组网构成分布式在线监测预警系统。系统分布式框图如图1所示。
　　2 测温点终端硬件设计
　　测温点终端硬件原理为主芯片ARM驱动MLX90614BCI红外测温传感器采集母线上定位点的母线温度，主芯片再将温度通过ZigBee无线发送模块发送给开关柜本地终端。开关柜本地终端将收到的母线温度值与系统设置各个开关柜的报警预警温度值进行比对来实现预警报警功能。
　　2.1 测温点终端硬件设计
　　测温点终端硬件设计电路图如图2所示，硬件电路主要由电源硬件电路、红外测温硬件电路、测温点激光定位硬件电路、看门狗硬件电路、ZigBee无线发射硬件电路组成。
　　2.1.1 电源硬件电路
　　由于测温点终端比较小，因此采用3.7 V大容量锂电池对测温点终端供电。电源硬件电路如图3所示。锂电池经过C18和C19对输入电源进行滤纹波处理后，经过LM1117?3.3 V的DC?DC转换为主芯片ARM的3.3 V的供电电压，同样输出3.3 V经过C20～C23进行滤波处理对整个系统进行稳定可靠的供电。其中R6为电源LED供电指示灯。
　　2.1.2 红外测温硬件电路
　　MLX90614采用体积小的4脚罐形（T0?39）封装。MLX90614BCI型传感器为3.3 V供电的红外传感器，芯片的SCL和SDA经过22 kΩ的上拉电阻后与ARM的I/O连接，ARM通过驱动SCL和SDA口线进行模拟SMBus时序驱动MLX90614进行读/写红外传感器设置及测温处理，如图4所示。
　　2.1.3 测温点激光定位硬件电路
　　由于采用非接触测温方式，红外传感器本身不带定位测量点功能，测温点模块结构上将红外传感器与激光头并行绑在一起，故在安装定位时需要采用激光辅助定位准确后再将激光定位关闭以实现对被测物体准确定位功能，如图5所示，采用ARM芯片的一个I/O口LASER_SWITCH经过PNP三极管开关控制驱动小功率激光管，使用激光来准确定位被测物体作用。
　　2.1.4 看门狗硬件电路
　　由于测温点终端安装在开关柜内部，开关柜内部环境较复杂，对ARM系统会产生一定的干扰作用，影响测温点终端正常工作，因此采用看门狗电路使测温点终端即使受到严重干扰的情况，也能通过看门狗电路确保系统重启来保证测温点终端能够安全可靠的运行。CAT824TTDI为低电平复位有效的看门狗芯片，WDI引脚如果在1.12 s之内无从低到高或从高到低的有效喂狗信号，则WDO端则会产生低电平的复位信号，对ARM芯片的RESET进行复位操作，从而实现对ARM芯片重启操作。看门狗硬件电路如图6所示。
　　2.1.5 ZigBee硬件发射电路
　　采用Core2530核心板模块与ARM芯片，通过串口来实现ZigBee发送功能。Core2530核心板的主控芯片为CC2530F256RHAR，其工作频段为2.4 GHz， ZigBee超过350 m可通信，超过250 m可靠通信，超过120 m可自动重连通信。核心板支持多种串行通信协议的USART，因此可以采用如图7所示电路，通过ARM芯片操作串口实现ZigBee无线发送数据。
　　2.2 MLX90614红外测温传感器
　　2.2.1 红外测温传感器原理
　　红外测温传感器可以捕获所有物体辐射出的红外能量。红外辐射是电磁频谱的一部分。红外线介于频谱可见光和无线电波之间。红外线波长通常以μm表示，红外频谱范围为0.7～1 000 μm。实践中，红外温度测量使用的波段范围为0.7～14 μm。红外测温传感器正是捕获这个波段的频谱数据的。红外测温传感器由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、信号输出等部分组成的传感器。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚集在光 电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转为被测目标的温度值。
　　2.2.2 MLX90614BCI数字式红外传感器
　　MLX90614系列是Melexis公司生产的数字式高精度红外非接触式测温传感器芯片，芯片采用小体积的TO?39封装，测温传感器温度范围为-40～125 ℃，测量物体温度范围为-70～380 ℃，温度辨析度可达0.02 ℃，芯片内部集成了低噪声放大器、17位模/数转换器和强大的数字信号处理单元，从而实现高精度和高分辨度的温度测量。传感器测量的温度为视场里所有物体温度的平均值。对于辐射温度测量，MLX90614具有内部测量热梯度，进而用所测温度去补偿该梯度保证了测温的精度。MLX90614传感器具有数字PWM和SMBus输出模式接口，可以方便广泛应用于各种嵌入式产品中。
　　2.2.3 测温点终端与被测母线的距离要求
　　使用MLX90614红外传感器测试温度为其视场FOV内的平均温度，只有在被测物体完全覆盖红外传感器的FOV视场有能保证精度。所以在实际应用中必须保证测温点终端与被测母线之间的距离满足要求才能保障测温的精度要求。为了保证高精度测量，采用了MLX90614中型号为BCI的红外温度传感器，其只有5°FOV。因此tan 5°=被测物体半径÷红外传感器与被测物体之间距离。假设被测母线测温点半径为a=4 cm，则b=[4tan]5°=45.7 cm。由此可算得假设使用MLX90614中型号为红外传感器测量半径为4 cm的物体时，其最大距离不超过45.7 cm才能保证测试温度的准确性。如果被测物体半径越大则测温的最大距离也相应增加。MLX90614BCI的视场（FOV）如图8所示。
　　3 测温点终端软件设计
　　3.1 软件系统概述
　　结合上述测温点终端硬件原理图，可以将测温点终端软件分为初始化程序模块、MLX90614红外温度采集程序模块、ZigBee无法发送程序模块等。程序进行初始化硬件模块后，定时500 ms读取MLX90614红外温度传感器获取温度值后，再将获取到的母线温度值及母线测温点位置ID等信息定时500 ms，通过ZigBee无线发送给开关柜的本地终端。
　　3.2 MLX90614的SMBus协议
　　ARM软件通过SMBus协议对MLX90614进行驱动，其SMBus协议如图9所示，SMBus接口上提供主设备（Master Device，MD）与从设备（Slave Device，SD）之间进行数据通信方式，且在某一时刻总线上只能有一个主设备有效，数据传输分为主到从传输（Master to Slave）和从到主（Slave to Master）传输方式[2]。
　　3.3 MLX90614读/写数据格式流程
　　软件通过SMBus协议对MLX90614进行读/写，发送和接收数据是以字节为单位进行的，发送流程为按位每次从高位到低位发送一个字节，然后判断对方是否有响应，如果有响应就接着按位发送下一个字节；如果没有响应，重发一定次数该字节，直到有响应，再按位发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有响应，就结束[2]。接收流程为接收数据时，每次按位接收一个字节，然后向对方发送一个握手信号，继续接收下一个字节[2]。具体读写流程图如图10所示。软件正是按流程对MLX90614中的E2PROM及RAM读取写入MLX90614属性和读取被测物体温度值。
　　3.4 软件校正红外温度传感器发射率进行温度校正
　　根据前面介绍的红外传感器工作原理可以得知测量物体的温度与物体辐射出来的红外能量有关。由于不同的被测材料的红外发射率不同，红外温度传感器获取到的辐射能量不同，部分物质的发射率如表1所示。
　　为了能准确的测试出母线的温度值，除了传感器与被测母线保证合适距离外还必须根据被测母线的材料对MLX90614进行发射率的设置。MLX90614内部E2PROM中含有相关红外发射率参数设置值。
　　存储的发射率的地址包含物体的发射率，出厂默认值为1.0 = 0xFFFF，16位数值，如下：
　　发射率 = dec2hex[round（65 535ε）]
　　其中：dec2hex[round（X）]代表十进制转换为十六进制，四舍五入近似。该情况下，发射率数值为ε=0.1，…，1.0。因此通过软件可以对MLX90614内部E2PROM中的红外发射率进行设置来对测温校正操作，从而使得测试的温度更加准确。
　　4 系统性能测试
　　将大电流发生器串入开关柜的三相母线，开关柜母线上装有DS18B20接触式有线测温系统为参照，使用接入3个MLX90614BCI测温点终端校对好且安装定位准确，分别对准三相母线进行对比测试，加大电流进行3组测试，每组6次，其中一组的测温结果如表2所示。
　　从表2可以看出，采用MLX90614BCI红外测温点测试出来的温度与DS18B20接触式测温得到的温度很接近，对比精度可以达到±0.5%，因此基本符合系统测温要求。
　　5 结 语   []
　　综上所述，本文简述了红外测温及其传感器的原理，分别从硬件及软件设计方面提出了一种采用MLX90614BCI非接触式母线测温开关柜在线监测预警系统设计方案，采用校正传感器发射率及保持有效测试距离等方式保障了红外测温的精度。经对比测试表明采用该系统能够实现对开关柜母线温度进行高精确及高速响应的在线监测预警功能，同时测温点终端小巧，安装定位方便，采用无线方式易于施工改造，便于运维故障状态定位及排查检修，保证开关柜系统的安全稳定性。
　　表2 测温实验数据对比表
　　参考文献
　　[1] 王茂军.高压母线无线测温系统的设计[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.
　　[2] 张日欣.基于MLX90614的非接触式体温测量系统设计[J].软件导刊，2009（8）：105?107.