8.8.3 Приклад системи автоматизованого контролю
температури обмоток збудження гідрогенераторів
Основною особливістю вимірювання температури, як неелектричної величини, є її перетворення в електричну за допомогою первинного вимірювального перетворювача (сенсора) з подальшим її вимірюванням вторинним електровимірювальним приладом.
Відомі методи вимірювання температури (п.6.3.1) поділяють на контактні і безконтактні.
Безконтактні методи вимірювання температури реалізують за допомогою пірометрів і тепловізорів. Вони дозволяють провести вимірювання температури, як в локальній точці так і в температурному полі.
Вимірювання температури окремих секторів обертових частин електрообладнання за допомогою пірометрів обмежено низькою швидкодією (від одиниць секунд до сотень мілісекунд). Такої швидкодії явно недостатньо для контролю температури обмоток збудження в реальному часі. Тому, для вимірювання температури в локальних точках обертових вузлів агрегатів необхідно використовувати більш швидкодіючі, контактні методи.
Для вирішення поставленої задачі необхідно розташувати на роторній обмотці збудження гідрогенератора бортові (автономні) контролери температури, які здійснюють перетворення температури в електричну величину, та цифровий двійковий код.
Оптимальним засобом для передачі двійкового коду на стаціонарний пристрій є безпровідний зв’язок, який забезпечує простоту доступу до бортового контролера температури. Стаціонарний пристрій (локальний) здійснює обробку, зберігання та передачу вимірювальної інформації в системний комп’ютер. Для розширення функціональних можливостей та забезпечення необхідної швидкодії вимірювального каналу стаціонарний пристрій розділено на локальний та магістральний мікроконтролери.
Отже, основними складовими системи автоматизованого контролю температури (рисунок 8.32) є такі:
Полюсний контролер температури;
Локальний контролер;
Магістральний контролер;
Інтерфейсний кабель з перетворювачем інтерфейсу RS-485;
Персональний комп’ютер;
Програмне забезпечення.
Полюсний контролер температури і локальний контролер з’єднані між собою безпровідним каналом зв’язку.
Полюсний контролер температури (рис. 7.30) складається з:
сенсора температури;
керуючого мікроконтролера;
передавача без провідного каналу зв’язку;
автономного джерела живлення.
Основними вимогами до цього функціонального блоку є:
висока точність;
висока швидкодія;
висока завадостійкість;
мінімальне енергоспоживання;
мінімальні малогабаритні характеристики.
Полюсний контролер температури
Рисунок 8.32
Температурний сенсор призначений для перетворення неелектричної величини температури в електричний сигнал.
Широко розповсюджені в даний час термометри опору та термопари мають такі недоліки:
нелінійність функції перетворення;
вплив параметрів їхніх інтерфейсних кіл на похибку перетворення;
не задовільні для даної задані інерційні властивості ( постійна часу знаходиться в межах від десятків секунд до одиниць хвилин).
В діапазоні зміни температури від – 0 до 1000С значно ефективнішими є інтегральні сенсори температури. Вони дозволяють з більш високою точністю та швидкодією здійснювати вимірювання температури вузлів та агрегатів електрообладнання. При цьому мають низьку вартість та значно ширші функціональні можливості.
Інтегральний сенсор температури має у своєму складі термочутливий елемент (первинний вимірювальний перетворювач) та схему попередньої обробки вимірювальної інформації, які виконані на одному кристалі і конструктивно реалізовані в одному корпусі.
На відміну від термопар, в інтегральних сенсорах не виникає необхідності в розробці додаткової схеми компенсації холодного спаю та схеми лінеаризації статичної характеристики. Також немає необхідності в розробці додаткових зовнішніх схем компараторів або АЦП для перетворення аналогового сигналу в цифровий двійковий код. Всі ці функції уже вбудовані в інтегральні температурні сенсори. В зв’язку з цим вони мають низьке, прийнятну для поставленої задачі, енергоспоживання.
Фірмами виробниками інтегральних сенсорів є такі, як Analog Device, National Semiconductor, Texas Instruments, Maxim та інші. Порівнюючи технічні характеристики цих та інших фірм, можна стверджувати, що по параметрам сенсори даного типу досить близькі. Тим не менше вини мають і свої особливості.
Наприклад, характерною особливістю мікросхем фірми Maxim є наявність відкаліброваних сенсорів, що забезпечує похибку вимірювання ±0,5°С в широкому діапазоні зміни температури та напруги живлення. Серед відкаліброваних інтегральних сенсорів фірми Maxim своїми параметрами виділяють сенсори DS600 з аналоговим виходом та сенсор DS1626 з цифровим виходом.
Основні метрологічні характеристики інтегрального сенсора температури DS 600:
похибка вимірювання: ±0,5°С в діапазоні температур 20...125°C;
похибка вимірювання ±0,75°С в діапазоні температур -40...125°C;
калібрована вихідна напруга в точці 0°С дорівнює 509 мВ;
чутливість вимірювального перетворення складає 6,5мВ/° С;
діапазон зміни напруг живлення від 2.7 В до 5.5 В;
струм споживання в активному режимі не більше 140 мкА, а в режимі очікування не більше 2.5 мкА.
Основні метрологічні характеристики інтегрального сенсора температури DS 1626:
похибка вимірювання: ±0,5°С в діапазоні температур - 0...70°C;
похибка вимірювання ±2°С в діапазоні температур -55...125°C;
час перетворення не більше 94 мс;
діапазон зміни напруг живлення від 2.7 В до 5.5 В;
струм споживання в активному режимі не більше 1000 мкА, а в режимі очікування не більше 1.5 мкА.
передача цифрових даних здійснюється по інтерфейсу SPI.
Аналіз наведених вище інтегральних сенсорів температури показує, що використання мікросхеми DS 600 забезпечує більш широкий температурний діапазон при значно меншому енергоспоживанню, але вимагає додаткового АЦП.
Низьке енергоспоживання вимагає того, що б мікроконтролер переважну більшість свого часу роботи знаходився в режимі очікування «спання», що забезпечить мікро споживання та повинен мати схему для періодичної активації (включення в робочий режим).
Схема активації повинна забезпечувати переривання мікро контролера точно в момент попадання бортового контролера температури в зону дії локального мікро контролера. Дана обставина дуже важлива у випадку, коли для вимірювання температури обмоток збудження використовують декілька контролерів.
Отже, керуючий мікроконтролер має у своєму складі інтегральну програмну FLASH и EEPROM пам’ять, а також інтегральні периферійні пристрої: АЦП, аналоговий компаратор і інтерфейс SPI. В якості керуючого мікроконтролера можна використати, наприклад мікроконтролер фірми Atmel – ATtiny 44A с такими параметрами:
- ємність програмної FLASH пам’яті 4 кбайт;
- ємність пам’яті даних EEPROM 256 байт;
- тактова частота до 20 МГц;
- периферійні пристрої;
- 10 розрядний АЦП, диференціальний аналоговий компаратор, інтерфейс SPI, 8- и 16- бітний таймер;
- робоча напруга живлення 1,8-5,5 В;
- струм споживання в активному режимі не більше 200 мкА, а в режимі очікування не більше 15 мкА.
Без провідний канал зв’язку в бортовому контролері температури реалізовано у вигляді радіопередавача, робоча частота якого стабілізується за допомогою резонатора ПАВ. Передача вимірювальної інформації здійснюється на несущій частоті 433.92 МГц зі швидкістю 57600 біт/с.
Автономне джерело живлення забезпечує роботу бортового контролера температури, як режимі вимірювання так і в режимі передачі вимірювальної інформації.
Важливою характеристикою бортового контролера є його низьке енергоспоживання.
В режимі вимірювання температури інтегральний сенсор та керуючий мікроконтролер знаходяться в активному стані, а радіопередавач в режимі очікування. Для напруги живлення +3.3 В їх струми споживання складають відповідно 140 мкА, 200 мкА, 1мкА. Максимальний час перетворення не перевищує 1 мс. За цей час вимірювання загальний струм споживання складає 341 мкА.
В режимі передачі активними є мікроконтролер та радіопередавач, а сенсор температури знаходиться в режимі очікування. Для напруги живлення +3.3 В їхні струми споживання відповідно складають 120мкА, 2000 мкА, 2.5 мкА. Максимальний час передачі 6 байт вимірювальної інформації при швидкості 57600 біт/с не перевищує 1 мс. Загальний струм споживання протягом цього часу передачі буде складати 2122.5 мкА.
Полюсний контролер температури забезпечує вимірювання одного значення температури за один оберт гідроагрегата. Тому період обертання його ротора дорівнює
Відповідно до цього, контролер температури може знаходитися в режимі очікування (мінімального енергоспоживання) протягом 558 мс. При цьому струм споживання не перевищить 18.5 мкА.
Отже, результуючий середній струм споживання не перевищить 23 мкА. Тому в якості автономного джерела живлення можна використати або літієву батарею, або технологію RFID.
Агрегатний мікроконтролер
Призначений для прийому цифрових кодів по безпровідному каналу з полюсного контролера температури, їх запам’ятовування, накопичування даних та попередньої обробки. Інтерфейс агрегатного мікроконтролера виконаний у вигляді RS-485.
Довжина лінії зв’язку для цього інтерфейсу не повинна перевищувати 30м. Оперативна пам’ять агрегатного мікроконтролера не менше 2 кбайт. Максимальна швидкодія передачі даних від агрегатного мікроконтролера не менше 115.2 кбіт.
Магістральний мікроконтролер
Магістральний мікро контролер призначений для збору інформації з агорегатного мікроконтролера, обробки та передачі сформованиими пакетами даних в системний комп’ютер. Інтерфейс магістрального мікроконтролера виконати у вигляді RS 485. Довжина лінії зв’язку для цього інтерфейсу не повинна перевищувати 300м. Оперативна пам’ять магістрального мікроконтролера не менше 4 кбайт. Максимальна швидкодія передачі даних від магістрального мікроконтролера не менше 115.2 кбіт.
В системному комп’ютері результати вимірювань температури подаються у вигляді тренда числових значень на екрані його.
Архітектура побудови такої системи автоматизованого контролю температури обмоток збудження забезпечує організацію 56-ти або 112-ти канальної вимірювальної системи температури.
Основні метрологічні характеристики одного вимірювального каналу системи:
крок дискретизації – 560 мс;
максимальне значення абсолютної похибки – ± 0.250С;
максимальне значення відносної похибки – 1%;
швидкодія СОМ-порта персонального комп’ютера відповідає вимогам технічного завдання (115.2 кбіт).