布里奇曼公式壓力補(bǔ)償

基于智能傳感器NPX的氣體狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有關(guān)在電力系統(tǒng)中的電廠、變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的設(shè)想很早就提出了，而單片機(jī)技術(shù)使得在線監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，為無(wú)人值守提供了技術(shù)上支持。通過(guò)總線通信技術(shù)，使工作人員在辦公室能夠利用后臺(tái)服務(wù)程序，對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)工作運(yùn)行的電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)、故障維護(hù)等工作。六氟化硫(SF6)因其良好的電氣性能和穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于高電壓、大容量、高參數(shù)電氣設(shè)備中。隨著電力系統(tǒng)向著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，SF6高有關(guān)在電力系統(tǒng)中的電廠、變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的設(shè)想很早就提出了，而單片機(jī)技術(shù)使得在線監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，為無(wú)人值守提供了技術(shù)上支持。通過(guò)總線通信技術(shù)，使工作人員在辦公室能夠利用后臺(tái)服務(wù)程序，對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)工作運(yùn)行的電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)、故障維護(hù)等工作。六氟化硫(SF6)因其良好的電氣性能和穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于高電壓、大容量、高參數(shù)電氣設(shè)備中。隨著電力系統(tǒng)向著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，SF6高壓斷路器已廣泛應(yīng)用于發(fā)供電企業(yè)。SF6絕緣氣體的狀態(tài)參數(shù)正常與否，嚴(yán)重影響著斷路器的工作性能。隨著SF6高壓電器的日益增多及SF6封閉式組合電器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，如何正確開(kāi)展SF6氣體密度監(jiān)測(cè)的工作是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。針對(duì)SF6斷路器的各種性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)以Cygnal公司的C8051F330單片機(jī)為核心的智能監(jiān)控單元、GENovaSensor公司最新推出的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)用芯片NPX為傳感器芯片構(gòu)成監(jiān)控子機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6絕緣氣體壓力、溫度、密度3個(gè)狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算。通過(guò)RS485總線，由PC機(jī)和多監(jiān)控子機(jī)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，利用PC機(jī)的后臺(tái)服務(wù)程序?qū)ψ訖C(jī)狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún)、控制。1監(jiān)控子機(jī)總體設(shè)計(jì)監(jiān)控子機(jī)的整體設(shè)計(jì)大致由四部分組成：傳感器模塊、主控制模塊、LED顯示及繼電器控制模塊和485總線傳輸模塊。由于傳感器需要封裝在SF6斷路器里面，傳感器部分和其他三部分分別設(shè)計(jì)于兩塊印刷線路板上，通過(guò)連接線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。</tr>傳感器模塊的功能由1片NPX獨(dú)立完成，其集成微處理器、壓力溫度傳感器為一體，功能強(qiáng)大。NPX對(duì)SF6氣體的壓強(qiáng)、密度進(jìn)行測(cè)量、補(bǔ)償和校準(zhǔn)，并量化成數(shù)字信號(hào)傳送給主控制模塊的MCU。主控制模塊在接收到NPX發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，然后將數(shù)據(jù)輸出顯示，并根據(jù)分析結(jié)果控制繼電器狀態(tài)和狀態(tài)指示燈。同時(shí)主控制模塊通過(guò)光耦器件和MAX485相連掛在總線上，可以通過(guò)485總線傳輸模塊，利用PC機(jī)的后臺(tái)服務(wù)程序?qū)ΡO(jiān)控子機(jī)進(jìn)行查詢(xún)控制。傳感器模塊、主控制模塊為整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，下面將詳細(xì)分析這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。2NPX芯片介紹在傳感器模塊中，使用NPX芯片作為壓力、溫度傳感器。NPX—1是GENovaSensor公司2004年初推出的第二代TPMS（汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)）壓力傳感器。其內(nèi)集成有8位RISC微處理器（采用Philips公司的CPUPCH7970）、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、低噪聲放大器和12位A/D轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置RC振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘，無(wú)需外接晶體振蕩器。其硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測(cè)量電路的，具有較高的測(cè)量精度，較低的功耗。NPX-1芯片內(nèi)部框圖如圖2所示。NPX主要引腳的功能如表1所列。NPX中固化了壓力傳感器的測(cè)量、補(bǔ)償和校準(zhǔn)程序。每一個(gè)NPX芯片在生產(chǎn)時(shí)，由工廠在不同溫度點(diǎn)（25°C和75°C）、不同壓力點(diǎn)（滿(mǎn)量程的0%、50%、100%）和不同電池電壓點(diǎn)（2.3V、3.1V）采集12組數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)GENovaSensor專(zhuān)用的校準(zhǔn)公式計(jì)算，將補(bǔ)償和校準(zhǔn)參數(shù)保存在NPX的E2PROM中。在測(cè)量時(shí)，由固化的壓力補(bǔ)償校準(zhǔn)程序自動(dòng)對(duì)此測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)量值。同時(shí)，NPX芯片可以工作在極端環(huán)境下，如高溫（100C以上）、低溫（-40°C）、水汽（低溫冷凝水結(jié)冰，NPX傳感器具有獨(dú)特的抗冷凝水結(jié)冰功能）、振動(dòng)沖擊等情況；同時(shí)NPX在每次壓力測(cè)量后，都會(huì)采用一段內(nèi)置代碼對(duì)傳感器的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，以保證測(cè)量結(jié)果的可信度。NPX體現(xiàn)了傳統(tǒng)壓力傳感器與微處理器數(shù)字電路的完美結(jié)合，具有適合TPMS應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也適用于其他類(lèi)型工程應(yīng)用。在SF6氣體狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中NPX以其獨(dú)特、優(yōu)秀的性能滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的要求。3主控制模塊及其與NPX的接口設(shè)計(jì)3.1主控制模塊主控制模塊由CygnalC8051F330單片機(jī)及電源控制電路構(gòu)成°C8051F330是美國(guó)Cygnal公司推出的一種混合信號(hào)SoC型8位單片機(jī)，是集成度很高的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)的芯片。具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F330是能真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。Flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。用戶(hù)軟件對(duì)所有外沒(méi)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。3.2主控制模塊與NPX的接口設(shè)計(jì)C8051F330和NPX通用I/O的工作電壓都是3.3V，因此可直接利用I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)利用3對(duì)I/O口完成C8051F330與NPX的通信，其接口電路如圖3所示。NPX與C8051F330的通信過(guò)程如下：NPX的P11作為總同步，無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)處于高電平，準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)前向C8051F330的PO.7腳發(fā)送一個(gè)下降沿，觸發(fā)C8051F330外部中斷1,從而使單片機(jī)進(jìn)行中斷處理程序接收NPX的數(shù)據(jù)；NPX的P14腳作為位同步，P15腳作為數(shù)據(jù)傳送端，在接收到位同步發(fā)出下降沿時(shí)，單片機(jī)從數(shù)據(jù)端讀入一位數(shù)據(jù)。NPX每2s采集1次數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制模塊，溫度、壓強(qiáng)各8位，加上1位NPX狀態(tài)標(biāo)志位，一共需要傳輸17位數(shù)據(jù)。整個(gè)通信過(guò)程的時(shí)序如圖4所示。C8051F330與NPX通信的I/O口需要進(jìn)行如下配置:C8051F330的PO.7腳接收到NPX發(fā)送的下降沿后，跳入外部中斷1的中斷子程序。在中斷子程序中，開(kāi)啟定時(shí)器O計(jì)時(shí)，同時(shí)定義一個(gè)變量unsignedcharbit_cntr計(jì)算讀入數(shù)據(jù)的位數(shù)。在P1.0腳接收到一個(gè)下降沿時(shí)，單片機(jī)從P1.1腳讀入1位數(shù)據(jù)，同時(shí)bit_cntr加1。當(dāng)bit_cntr的值為17時(shí)，表明數(shù)據(jù)接收完畢，置標(biāo)志位Data_Flag通知主程序接收到數(shù)據(jù)，關(guān)閉定時(shí)器0退出中斷子程序；若NPX在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)出錯(cuò)，則傳送的數(shù)據(jù)不到17位。這種情況下，定時(shí)器0將會(huì)計(jì)數(shù)到溢出，程序查詢(xún)到定時(shí)器0溢出后將清除標(biāo)志位Data_Flag，同時(shí)退出中斷子程序。4系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理在得到NPX傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)需要對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)接收到的溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算、判斷出當(dāng)前SF6氣體是否泄露。在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般給出標(biāo)準(zhǔn)SF6氣體在20°C時(shí)的壓強(qiáng)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，因此主控制模塊必須把得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成20°C時(shí)壓強(qiáng)。一般大致有3種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：采用查表法。有的廠商把SF6氣體壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系制成表格供用戶(hù)查閱，使用起來(lái)好像更方便一些；但是，對(duì)于沒(méi)有列入表格的溫度和壓強(qiáng)值要采用插入法求解。顯然，利用預(yù)定表格來(lái)決定不同溫度下的壓強(qiáng)，也存在一定的誤差，但在工程上還是可以滿(mǎn)足要求的。這種方法最大的缺點(diǎn)就是，需要大量的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)壓強(qiáng)和溫度的表格數(shù)據(jù)。按理想氣體處理，計(jì)算壓強(qiáng)溫度系數(shù)。作為參考，按理想氣體進(jìn)行處理和計(jì)算，這時(shí)可使用狀態(tài)方程式PV=RT。例如，對(duì)20C下的額定壓強(qiáng)為0.7MPa(絕對(duì)壓強(qiáng))的高壓SF6斷路器，有下列公式：P=O.7T/(273+20)。由于實(shí)際工程應(yīng)用中，SF6為非理想氣體，故這種處理得到的結(jié)果誤差比較大。氣體額定壓強(qiáng)越大，理想化后得到的壓強(qiáng)溫度系數(shù)的誤差也就越大。按經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。要較為準(zhǔn)確地計(jì)算SF6氣體的狀態(tài)參數(shù)，有些經(jīng)驗(yàn)公式可供使用。典型的有如下Beattie-Bridgman經(jīng)驗(yàn)公式：P=(RxTxB-A)xC2+RxTxC(1)式中：P為絕對(duì)壓強(qiáng)，bar(1Pa=10-5)ar);C為密度，kg/m3；T為絕對(duì)溫度，K；A=73.882x10-5+5.132105xlO-7xC；B=2.50695x10-3—2.12238x10-6xC；R=56.9502x10-5(barxm3/K)。Beattie—Bridgman公式在所有的處理方式中，是最接近實(shí)際值、誤差最小的。故采用其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。構(gòu)造關(guān)于P、T、C的方程如下：f(P,R，C)=(R?T?B—A)?C2+R?T?C—P(2)由式(1)和式(2)可以看出，在確定壓強(qiáng)P和溫度T后，只須通過(guò)解一個(gè)三次方程即可得到此時(shí)SF6氣體的密度C。由于其為一個(gè)三次方程，故在進(jìn)行編程計(jì)算時(shí)，采用牛頓疊代法進(jìn)行求解，以保證截?cái)嗾`差盡量小。計(jì)算得到SF6氣體的密度后，令T=20+273,再通過(guò)式(1)計(jì)算出當(dāng)前SF6氣體在20°C時(shí)的壓強(qiáng)P20。(軟件實(shí)現(xiàn)程序田——編者注)程序中壓強(qiáng)P的單位為kPa。主控制模塊根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的當(dāng)前氣體在20C時(shí)相對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)和給定的標(biāo)準(zhǔn)值，判斷