朱 武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)變電站的核心設(shè)備,一旦變壓器出現(xiàn)故障而突然停電,必將給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的正常生活帶來嚴(yán)重影響。因此,及時(shí)了解油浸式變壓器內(nèi)部的運(yùn)行情況,發(fā)現(xiàn)潛在的故障苗頭,及時(shí)采取檢修措施,對保證變壓器安全、可靠運(yùn)行具有十分重要的意義[1-2]。通常采用熱性能檢驗(yàn)變壓器的運(yùn)行狀況,但變壓器故障時(shí)可使變壓器油裂解生成烴類氣體,可以通過色譜分析儀檢測油中溶解氣體成分含量來進(jìn)行變壓器的故障預(yù)測[3-4]。氣相色譜分析技術(shù)中,大多采用高靈敏度氫焰檢測器用于微量低分子烴類氣體的分析。這種檢測器使用時(shí)必須備有氫氣、空氣和氮?dú)?種載氣,而提供氣體的氣源裝置及高壓氣體鋼瓶都不適合現(xiàn)場使用?，F(xiàn)有熱導(dǎo)檢測器(Thermal Conductivity Detector,TCD)結(jié)構(gòu)簡單,適合在線分析,但靈敏度低[5]。為了滿足變壓器故障預(yù)警的在線檢測,必須提高熱導(dǎo)傳感器的靈敏度,恒溫供電技術(shù)和降低熱噪聲是提高檢測器靈敏度的主要技術(shù)措施[6]。本文以與熱導(dǎo)傳感器溫度電阻特性相似的PT100為模擬傳感器,采用模擬和數(shù)字雙閉環(huán)方法,設(shè)計(jì)了熱導(dǎo)檢測器的恒溫控制系統(tǒng)。

1 色譜分析儀恒溫控制系統(tǒng)的原理

熱導(dǎo)檢測器恒溫控制系統(tǒng)如圖1所示。主要由微型控制裝置(Microcontroller Unit,MCU)、大電橋CB、小電橋熱導(dǎo)檢測器、橋流控制功率放大器、斷氣保護(hù)電路、差分放大器、信號放大和斬波電路,以及數(shù)控開關(guān)電阻陣列組成。

圖1 色譜分析儀恒溫控制系統(tǒng)原理示意

橋路系統(tǒng)采用兩個(gè)相疊加的電橋設(shè)置,即大橋中套有小橋。大橋由定值電阻和等效電阻組成,R1和R2構(gòu)成大電橋的上臂,采用溫度系數(shù)為10×10-6/K的1‰精密電阻,熱導(dǎo)檢測器B和D兩點(diǎn)的等效電阻為R3,構(gòu)成大電橋的一個(gè)下臂,其大小為

式中:Rsam——測量橋臂等效阻值;

Rref——參考橋臂等效阻值。

A和D兩點(diǎn)的等效電阻為R4,由固定電阻Rb和數(shù)控開關(guān)電阻陣列nR0串聯(lián)組成,構(gòu)成大電橋的另一個(gè)下臂,即

R4=Rb+nR0

式中:Rb——對應(yīng)于125 ℃橋路平衡電阻;

R0——溫度每增加1 K,數(shù)控電阻的增量值;

n——數(shù)控電阻控制變量,為0～255的整數(shù)。

小橋是由熱導(dǎo)檢測器的4根熱絲組成,參考橋臂Rref通入純凈載氣,測量橋臂Rsam通入含有被測試樣的載氣,當(dāng)載氣流速固定時(shí),每根熱絲保持一固定的溫度,熱導(dǎo)檢測器輸出不平衡電壓。當(dāng)被測氣體流經(jīng)測量橋臂時(shí),由于其導(dǎo)熱系數(shù)(一般情況下)相比載氣較小,導(dǎo)致熱絲溫度升高,各種氣體導(dǎo)熱系數(shù)不同,熱導(dǎo)檢測器不平衡電壓大小也不同,從而可以實(shí)現(xiàn)對不同氣體的檢測。

數(shù)控開關(guān)電阻陣列用于溫度設(shè)置。當(dāng)檢測器達(dá)到溫度設(shè)定值時(shí),大電橋平衡,差分放大器對平衡狀態(tài)進(jìn)行伺服控制,對微小的不平衡電壓進(jìn)行放大,形成脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)波形以調(diào)整供電電源,保持大電橋平衡,保證熱導(dǎo)檢測器的恒溫控制。MCU采用C8051F060微處理器,兩路16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)和12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter,DAC)為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集和反饋控制。

2 恒溫控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫控電橋的電路

圖2為恒溫控制的電橋,熱導(dǎo)檢測器是被加熱進(jìn)行恒溫控制的對象,由熱導(dǎo)傳感器的4根熱絲組成,把熱導(dǎo)檢測器(小電橋)放到大橋路的一個(gè)橋臂上。大橋由定值電阻和等效電阻組成,其中R1和R2為定值電阻,固定電阻Rb和數(shù)控電阻陣列nR0串聯(lián)組成構(gòu)成比例臂R4,R4=Rb+nR0,熱導(dǎo)檢測器等效電阻為測量臂R3,R3=(Rsam+Rref)/2。

假設(shè)電橋所加電源電壓為U,大電橋比例臂數(shù)控開關(guān)電阻設(shè)定某個(gè)溫度值時(shí),橋流控制功率放大器調(diào)整電壓對測量臂熱導(dǎo)檢測器加熱,當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),電橋平衡,電橋不平衡電壓輸出ΔU為零;當(dāng)電橋輸出不為零時(shí),則熱導(dǎo)傳感器偏離設(shè)定溫度。因此,若要得到較高的溫度控制精度,則要求電橋電路對熱導(dǎo)檢測器的等效電阻R3有較高的電壓靈敏度。在電橋平衡狀態(tài)附近,當(dāng)測量臂R3有微小變化時(shí),則電橋的電壓靈敏度為

(1)

當(dāng)電橋平衡時(shí),令R1/R4=R2/R3=k,代入式(1),則

(2)

式中:k——大電橋上下橋臂電阻比。

由式(2)可得,k=1,電橋的電壓靈敏度最高,恒溫控制效果最好,即半橋上下橋臂電阻值相等時(shí)電橋靈敏度最高。為了減小功率放大器的負(fù)載,比例臂的電阻采用大電阻,測量臂的上橋臂R2采用與傳感器等效電阻大致相等的電阻。

根據(jù)電橋平衡原理,則有

R1R3=R2R4

(3)

R3=RR30(1+aT)

(4)

式中:RR30——熱導(dǎo)檢測器熱絲在0 ℃時(shí)的阻值;

a——熱導(dǎo)檢測器熱絲的溫度系數(shù);

T——設(shè)定的熱絲的溫度。

R4=Rb+nR0

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)可得:

(6)

固定電阻Rb對應(yīng)于系統(tǒng)設(shè)置溫度值為125 ℃,變量n由8個(gè)繼電器組合組成,通過MCU對繼電器進(jìn)行控制以改變電阻串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連接方式,達(dá)到電阻數(shù)值可控,實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)傳感器125～380 ℃的工作溫度設(shè)定。

2.2 溫控功率放大電路

熱導(dǎo)傳感器工作溫度一般在125～380 ℃,遠(yuǎn)高于室溫,電橋電源采用直流加PWM斬波方式供電。其溫控功率放大電路如圖3所示。

圖3 溫控功率放大電路

MCU根據(jù)設(shè)置溫度給出恒溫控制的近似直流電壓,使電橋處于近似平衡狀態(tài);差分放大器檢測電橋的不平衡電壓,通過信號放大形成PWM方波,與直流電壓相加給熱導(dǎo)檢測器加熱。放大器A3為加法器,DAC輸出電壓通過放大器A2緩沖輸入加法器;不平衡電壓信號形成的PWM信號通過放大器A1緩沖輸入加法器,斷氣信號(M信號)在正常情況下為零伏,斷氣時(shí)輸入較大負(fù)信號,由放大器A3實(shí)現(xiàn)3路信號的相加。A4為OPA541功率放大器,電阻R5,R6,R7以及電容C1和C2構(gòu)成有源二階濾波器,將PWM濾波得到微小的直流分量對加熱電源進(jìn)行微調(diào)。假設(shè)DAC輸出直流電壓為UDAC,PWM信號電壓為UPWM,斷氣信號電壓為UM,則功率放大器的輸出電壓為

(7)

2.3 模擬閉環(huán)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的比較器電路共有2路,一路為滯回比較器,用于熱導(dǎo)傳感器斷氣保護(hù);另一路為模擬閉環(huán)比較器,根據(jù)控制電橋輸出值的大小產(chǎn)生一幅值較小的不定節(jié)拍PWM信號。其模擬閉環(huán)反饋和系統(tǒng)斷氣保護(hù)電路如圖4所示。

圖4 模擬閉環(huán)反饋和系統(tǒng)斷氣保護(hù)電路示意

大電橋不平衡電壓經(jīng)放大后得到電壓UDIF,該信號經(jīng)放大器A1放大后,由比較器CA形成PWM波,雙向穩(wěn)壓管D4和D5確定PWM峰的峰值,經(jīng)過電阻R14和R13分壓確定反饋的大小UPWM,用于在平衡點(diǎn)附近對電橋進(jìn)行高精度快速調(diào)整,實(shí)現(xiàn)模擬閉環(huán)反饋功能。UDIF由大電橋不平衡電壓經(jīng)前級放大得到,在大電橋平衡點(diǎn)附近,UDIF信號在零點(diǎn)附近發(fā)生微小變化。比較器CB的同相端電壓比反相端電壓高,比較器CB輸出高電平,二極管D6截止,放大器A5輸出為零;當(dāng)系統(tǒng)斷氣時(shí),熱絲的熱量帶不走,導(dǎo)致溫度上升,嚴(yán)重破壞大電橋的平衡,導(dǎo)致比較器CB的同相端電壓比反相端電壓低,比較器CB輸出負(fù)電平,二極管D6導(dǎo)通,通過放大器A5輸出一個(gè)較大的負(fù)電壓。根據(jù)式(7),調(diào)整功率放大電路的參數(shù),使功率放大器A4輸出負(fù)電壓,二極管D1截止,切斷供電電源,從而實(shí)現(xiàn)對熱導(dǎo)檢測器的保護(hù)。

2.4 熱導(dǎo)檢測器信號調(diào)理電路

熱導(dǎo)檢測器在進(jìn)行氣體分析時(shí),不同氣體成分輸出信號大小不同,氣體成分濃度越低輸出信號越小。為了提高檢測精度,所有放大器必須對熱導(dǎo)檢測器輸出微弱信號進(jìn)行高精度處理。為了適用多種氣體分析的需要,需要對信號進(jìn)行多量程寬范圍的程控放大,系統(tǒng)對信號放大分為40倍、100倍、360倍和1 000倍4種。其信號程控放大電路如圖5所示。

圖5 信號程控放大電路

該信號程控放大電路由兩級放大器構(gòu)成:第1級采用精密儀用放大器INA114,固定放大倍數(shù)為40倍;第2級由超低漂移放大器OPA177和模擬開關(guān)CD4052構(gòu)成,MCU的I/O口控制模擬開關(guān)的選擇端為A和B,得到不同的測量量程,以實(shí)現(xiàn)對信號不同倍數(shù)的放大。第1級放大器的放大倍數(shù)G為

(8)

根據(jù)系統(tǒng)信號調(diào)理要求,電路參數(shù)約為:RG=1.28 kΩ,R18=0.5 kΩ,R19=1 kΩ,R20=3.9 kΩ,R21=8.1 kΩ。

3 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

為了檢驗(yàn)恒溫控制的效果,對控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試試驗(yàn)。

測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

注:①—替代熱導(dǎo)傳感器的Pt100熱電阻元件;②—電阻引線;③—管道隔熱層,防止人接觸管道引起的溫度變化干擾實(shí)驗(yàn)效果;④—PVC管道,作為散熱風(fēng)道;⑤—風(fēng)扇,用于產(chǎn)生氣流;⑥—防風(fēng)罩,防止環(huán)境氣流變化導(dǎo)致的管道內(nèi)風(fēng)速改變。

圖6測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用4根熱絲構(gòu)成的橋式電路模擬熱導(dǎo)檢測器,其阻值大小表征了檢測器的溫度高低。由于氣體的種類和濃度會(huì)影響熱絲溫度,故可通過檢測熱絲阻值來判斷氣體的種類和濃度。

測試時(shí),分別向熱絲通入載氣和測試氣體,檢測熱導(dǎo)檢測器橋式電路差分輸出信號,實(shí)現(xiàn)油中溶解氣體的檢測。系統(tǒng)分別采用模擬閉環(huán)控制和模擬數(shù)字雙閉環(huán)兩種方法對系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制。通過改變直流風(fēng)扇供電電壓和風(fēng)速,施加小擾動(dòng)來評估兩種恒溫控制的恒溫效果。圖7為控制和測試系統(tǒng)實(shí)物。

圖7 控制和測試系統(tǒng)實(shí)物

本測量系統(tǒng)中,使用Fluke 8846A測量流經(jīng)熱導(dǎo)檢測器的電流及其兩端電壓,測得檢測器電阻值。根據(jù)PT100溫度-電阻特性關(guān)系得到熱導(dǎo)檢測器的溫度值。設(shè)置溫度為202 ℃,模擬閉環(huán)溫度控制恒溫試驗(yàn)曲線如圖8所示。

圖8 模擬閉環(huán)溫控系統(tǒng)曲線

從圖8可以看出,在模擬閉環(huán)恒溫控制25 s后,增加微小風(fēng)速擾動(dòng),散熱加快,導(dǎo)致熱絲溫度下降;當(dāng)停止風(fēng)速變化時(shí),則迅速在設(shè)定值附近保持恒溫;無風(fēng)速擾動(dòng)時(shí),則將溫度控制在202±0.1 ℃范圍內(nèi);增加風(fēng)速擾動(dòng)時(shí),熱絲溫度偏離設(shè)定值,大于0.3 ℃,表明抗擾動(dòng)能力較差。

在模擬與數(shù)字雙閉環(huán)控制下,閉環(huán)恒溫控制25 s后,增加風(fēng)速擾動(dòng),其恒溫特性如圖9所示。

圖9 模擬與數(shù)字雙閉環(huán)溫控系統(tǒng)

從圖9可以看出,閉環(huán)恒溫控制25 s后,增加微小的風(fēng)速擾動(dòng),其溫度波動(dòng)略有變化,總體恒溫控制在202±0.1 ℃范圍內(nèi),對風(fēng)速微小擾動(dòng)不敏感,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

對比圖8和圖9可以看出,無人為風(fēng)速擾動(dòng)時(shí),熱導(dǎo)檢測器在設(shè)定溫度值附近仍然有±0.1 ℃波動(dòng)。造成波動(dòng)的主要原因如下:一是管道的直徑較大,風(fēng)扇的氣流不均勻不穩(wěn)定;二是管道的直徑較大,環(huán)境的氣流波動(dòng)導(dǎo)致測試管道內(nèi)的氣流不穩(wěn)。因此,減小氣流管道的直徑,提高氣流的均勻性,則可以提高恒溫效果。

4 結(jié) 論

(1) 采用高集成度混合信號SOC單片機(jī)C8051F060作為控制器,設(shè)計(jì)了一種恒平均溫度供電控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了溫度在125～380 ℃的任意設(shè)定,具有斷氣保護(hù)功能。

(2) 模擬與數(shù)字雙閉環(huán)熱導(dǎo)檢測器平均溫度的控制方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、受風(fēng)速擾動(dòng)影響小、溫度控制精度達(dá)到±0.1 ℃的優(yōu)點(diǎn),可以滿足熱導(dǎo)檢測器高精度檢測的要求。這對提高油中溶解氣體檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。