朱德志，李 晨

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

大電流封閉母線露點(diǎn)檢測(cè)裝置研究

朱德志，李 晨

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

防止大電流封閉母線結(jié)露的設(shè)備一般需要檢測(cè)母線內(nèi)部的露點(diǎn)數(shù)據(jù)以確定設(shè)備啟動(dòng)或停止運(yùn)行。空氣露點(diǎn)儀依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。利用空氣露點(diǎn)溫度與空氣溫度、相對(duì)濕度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，依靠單片機(jī)計(jì)算及相關(guān)處理技術(shù)，可以把大電流封閉母線內(nèi)部空氣溫度、相對(duì)濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成露點(diǎn)數(shù)據(jù)，降低設(shè)備成本。

防止大電流封閉母線結(jié)露設(shè)備；空氣相對(duì)濕度；露點(diǎn)；單片機(jī)

大電流封閉母線受潮和結(jié)露會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，影響其安全運(yùn)行[1]。為了防止大電流封閉母線結(jié)露，一般使用大電流封閉母線干燥裝置來降低母線內(nèi)部空氣的露點(diǎn)溫度，提高母線絕緣性能[2]。首先，使用空氣露點(diǎn)儀檢測(cè)大電流封閉母線內(nèi)部空氣的露點(diǎn)溫度。然后，根據(jù)母線內(nèi)部空氣的露點(diǎn)溫度啟動(dòng)或停止大電流封閉母線干燥裝置。母線干燥后降低了內(nèi)部的空氣露點(diǎn)溫度，可以避免受潮。但空氣露點(diǎn)儀長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，價(jià)格非常昂貴。為了節(jié)約成本，目前國(guó)內(nèi)很多廠家用相對(duì)濕度儀替代空氣露點(diǎn)儀。但采用這種方法會(huì)導(dǎo)致露點(diǎn)溫度控制不精確，使大電流封閉母線存在受潮和結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)，存在絕緣事故隱患。就現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)而言，以較低的成本檢測(cè)大電流封閉母線內(nèi)部的空氣露點(diǎn)溫度具有重要意義，這也是本文研究的重點(diǎn)。

基于空氣露點(diǎn)溫度與空氣溫度和相對(duì)濕度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，依靠傳感器檢測(cè)空氣溫度和相對(duì)濕度信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算后轉(zhuǎn)換成大電流封閉母線內(nèi)部空氣露點(diǎn)溫度信號(hào)，可以降低設(shè)備的制造成本，提高控制精度。

1 露點(diǎn)檢測(cè)的方法分析

大電流封閉母線干燥裝置和大電流封閉母線熱風(fēng)保養(yǎng)裝置都是基于露點(diǎn)溫度控制設(shè)備的啟動(dòng)和停止。露點(diǎn)溫度是因空氣濕度飽和而發(fā)生結(jié)露時(shí)的溫度值。露點(diǎn)溫度可以準(zhǔn)確反映在當(dāng)前溫度和相對(duì)濕度下，母線內(nèi)部空氣溫度下降到什么值時(shí)結(jié)露。為了有效地防止大電流封閉母線結(jié)露，一般設(shè)定在-10 ℃露點(diǎn)溫度時(shí)設(shè)備啟動(dòng)，在-15 ℃露點(diǎn)溫度時(shí)設(shè)備停止運(yùn)行。這樣，既確保了母線內(nèi)部空氣的干燥度符合要求，又確保了設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行。

進(jìn)口露點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備主要是芬蘭VAISALA公司的空氣露點(diǎn)儀，可以測(cè)試空氣相對(duì)濕度和溫度，也可以測(cè)試空氣的露點(diǎn)溫度值，但價(jià)格昂貴，很難在國(guó)內(nèi)推廣使用。

在恒定的空氣壓力下，一定的空氣溫度值和相對(duì)濕度值對(duì)應(yīng)一個(gè)空氣露點(diǎn)溫度值。當(dāng)空氣溫度值發(fā)生變化時(shí)，空氣相對(duì)濕度值也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，但這時(shí)的空氣露點(diǎn)溫度值保持不變。這就是空氣露點(diǎn)溫度值的優(yōu)越性。

空氣露點(diǎn)溫度Td與空氣溫度t(℃)、空氣壓力P(mbar)、空氣相對(duì)濕度RH(%)存在一定的關(guān)系，可以用兩組計(jì)算公式[3]表示，即

(1)

(2)

其中，PWS表示飽和水蒸汽的分壓力(mbar)。參數(shù)A，m，Tn與t的關(guān)系如表1所示。

表1 參數(shù)A，m，Tn與t的關(guān)系表

根據(jù)檢測(cè)到的空氣溫度t查表1得到相應(yīng)的A，m，Tn值，代入式(1)和式(2)計(jì)算，就可以得到當(dāng)前的空氣露點(diǎn)溫度Td，所以說，在空氣壓力值恒定的情況下，當(dāng)前空氣溫度值t和當(dāng)前空氣相對(duì)濕度值RH決定了空氣露點(diǎn)溫度Td。

2 露點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于計(jì)算簡(jiǎn)便，確定以AT89C51單片機(jī)為核心研制露點(diǎn)溫度檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)CPU選用ATMEL公司的AT89C51。此芯片是新型的電擦寫8位單片機(jī)，片內(nèi)采用閃速存儲(chǔ)(Flash Memory)制造技術(shù)，4KEPROM/128RAM，無須加片外存儲(chǔ)器，功耗低，可加密，價(jià)格低，支持兩種可選的模式(省電模式—休眠模式和掉電模式)，性價(jià)比高。

單片機(jī)利用溫度檢測(cè)電路和相對(duì)濕度檢測(cè)電路檢測(cè)到的母線內(nèi)部空氣的溫度值和相對(duì)濕度值計(jì)算出空氣露點(diǎn)溫度值(假設(shè)母線內(nèi)部壓力恒定為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，顯示在數(shù)碼管上，并提供所需要的上、下限報(bào)警接點(diǎn)以啟動(dòng)或停止設(shè)備的運(yùn)行[4]。

本系統(tǒng)選用ADC0809作為模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是逐次逼近式的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，有8個(gè)模擬量輸入通道，即IN0，IN1，…，IN7，每個(gè)通道占有1個(gè)地址號(hào)，由通道選擇線ADDA，ADDB，ADDC決定。A/D芯片在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)外圍芯片，因此取P2.7低電平有效作為片選信號(hào)，片選信號(hào)與WR有效信號(hào)配合，利用WR下降沿使START及ALE信號(hào)變高電平有效來鎖存地址信號(hào)，在WR上升沿時(shí)刻，START信號(hào)由高電平變低電平啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809輸入信號(hào)要求為0～5 V的電壓信號(hào)，而現(xiàn)在外部需要處理的8路信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，在送入ADC0809前需通過50 Ω電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓信號(hào)，母線內(nèi)部的溫度信號(hào)對(duì)應(yīng)溫度范圍為-50～500 ℃，母線內(nèi)部相對(duì)濕度信號(hào)對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度范圍為0%～100%。這樣，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)就可以進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理了。

AT89C51單片機(jī)串行口方式為移位寄存器方式，外接4片74LS164作為4位LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，AT89C51的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)串行輸入、并行輸出。當(dāng)1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到T端時(shí)，移位寄存器移1位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164。Q1～Q8(第3～6和第10～13引腳)并行輸出端分別接LED顯示器的H～A各段對(duì)應(yīng)的引腳，如圖2所示。

圖2 顯示接口

數(shù)字的字型碼如表2所示。

表2 字型碼表

露點(diǎn)溫度的上、下限報(bào)警接點(diǎn)和外部報(bào)警信號(hào)通過3只5 V繼電器輸出。當(dāng)單片機(jī)計(jì)算的露點(diǎn)溫度值低于-15 ℃時(shí)，單片機(jī)P2.7輸出高電平，下限繼電器線圈得電吸合，下限繼電器接點(diǎn)閉合發(fā)出溫度下限報(bào)警信號(hào)；當(dāng)單片機(jī)計(jì)算的露點(diǎn)溫度值高于-10 ℃時(shí)，單片機(jī)P2.6輸出高電平，上限繼電器線圈得電吸合，上限繼電器接點(diǎn)閉合發(fā)出溫度上限報(bào)警信號(hào)。在系統(tǒng)上電自檢過程中，如果發(fā)現(xiàn)有報(bào)警信號(hào)，則單片機(jī)P2.5輸出高電平，使外部報(bào)警繼電器得電吸合，向外發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)閉鎖系統(tǒng)直至外部報(bào)警信號(hào)消失。

3 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1主程序和中斷程序

編程前，針對(duì)單片機(jī)速度慢的特點(diǎn)，在時(shí)序產(chǎn)生和數(shù)據(jù)讀入處理的循環(huán)中，要求編程代碼簡(jiǎn)潔，力求耗時(shí)最少。

主程序完成各硬件的初始化、中斷向量的設(shè)定，并檢查外部設(shè)備的工作狀態(tài)。若設(shè)備不正常，則在LED上顯示Err(錯(cuò)誤)信息，并發(fā)報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)，等待人工檢修。若一切正常，則進(jìn)入中斷程序運(yùn)行。主程序流程圖和中斷程序流程圖如圖3所示。

主程序流程圖中的核心是定時(shí)器T0的開中斷，經(jīng)檢查，沒有外部報(bào)警信號(hào)則進(jìn)入中斷程序。

進(jìn)入中斷程序后，首先，從模-數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣空氣溫度和空氣相對(duì)濕度信號(hào)，并把收集的信號(hào)樣值保存在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。然后，進(jìn)入A，m，Tn等參數(shù)判定子程序，得到相應(yīng)的A，m，Tn值后進(jìn)入空氣露點(diǎn)溫度計(jì)算子程序，計(jì)算空氣露點(diǎn)溫度值后進(jìn)入空氣露點(diǎn)溫度判定子程序。最后，返回主程序。通過發(fā)光二極管顯示結(jié)果。

圖3 主程序和中斷程序流程圖

3.2子程序

子程序流程圖詳見圖4。首先，進(jìn)入A，m，Tn等參數(shù)判定子程序，依次判斷t值是否小于50，是否小于100，是否小于150。然后，依據(jù)判斷結(jié)果把t分為4個(gè)等級(jí)，即t<50，50 150。最后，按等級(jí)分別從存儲(chǔ)器中讀取如表1所示的A，m，Tn值。

圖4 子程序流程圖

在進(jìn)入空氣露點(diǎn)溫度計(jì)算子程序后，經(jīng)查表，將A，m，Tn，t，RH值代入式(1)和式(2)計(jì)算Td[5]。

在露點(diǎn)溫度判定子程序中，把Td值分別與-15和-10比較后按照相應(yīng)程序驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的P2.7或P2.6啟動(dòng)報(bào)警電路，可以達(dá)到露點(diǎn)溫度上、下限報(bào)警的目的。

這里的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]，只可以顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，如果需要添加其他功能，可以在此基礎(chǔ)上改進(jìn)、提高。如附加自由設(shè)定上、下限值的功能，只需要增加外部中斷功能，增加相應(yīng)軟件即可。

4 結(jié)束語

單片機(jī)在價(jià)格和個(gè)性化設(shè)計(jì)方面有著非常突出的優(yōu)點(diǎn)，而且性能穩(wěn)定，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用前景。本研究用單片機(jī)處理復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和計(jì)算，大大降低了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制部分的成本。對(duì)于很多價(jià)格昂貴的控制設(shè)備而言，都可以通過單片機(jī)及輔助電路的設(shè)計(jì)、使用進(jìn)行設(shè)備的低成本改造，進(jìn)而使這些設(shè)備得以推廣使用。

[1] 陳思源,孫帆,桑振海,等.水電廠大電流封閉母線防結(jié)露裝置綜述[J].西北水電,2014(1):74-75.

[2] 王迪良.大電流封閉母線防凝露措施[J].人民長(zhǎng)江,2009(2):96-97.

[3] 戴偉,葉慶輝.儀表空氣壓力露點(diǎn)的計(jì)算[J].川化,2008(1):21-22.

[4] 布文峰,王世洪.對(duì)露點(diǎn)溫度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)式的修正[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001(3):24-25.

[5] 張志富,希爽.關(guān)于露點(diǎn)溫度計(jì)算的探討[J].干旱地區(qū)研究,2011(2):246-247.

[6] 王成,張馨,張?jiān)弃Q,等.便攜式溫濕度露點(diǎn)測(cè)量?jī)x的開發(fā)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007(5):61-62.

〔責(zé)任編輯：盧 蕊〕

Researchonthelargecurrentenclosedbusdewpointdetectiondevicemaintenance

ZHU De-zhi， LI Chen

(School of Electronics and Information Science， Zhenjiang College,Zhenjiang 212003，China)

Preventing large current enclosed bus condensation equipment generally needs to detect bus internal dew point data to determine the start or stop of equipment. Grain generally depend on imports.The price is very expensive. Using the mathematical relationship between air dewpoint,air temperature and relative humidity.Relying on single chip microcomputer calculations and related processing technologies,the large current enclosed bus internal air relative humidity signal can be transformed into dew point data.This greatly reduces the equipment cost.

prevent large current enclosed bus dew point equipment; relative humidity; dew point; single chip computer

2015-03-20

朱德志(1974—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，主要從事電氣自動(dòng)化和光伏系統(tǒng)研究；李 晨(1981—)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，國(guó)家信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室研究。

TM645

：B

：1008-8148(2015)03-0053-04