一种远距离测试电力电子设备湿度的装置的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种远距离测试电力电子设备湿度的装置。

背景技术：

当前以SCR(相控晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)为代表的大功率电力电子器件，代替传统的真空开关、气体开关和液体开关，构建大容量电力电子设备，业已趋势化并大量产业化，极大地促进了电力电子装置朝着高电压、大电流、大容量、全数字化方向发展。

在电力电子器件工作时，如果不及时散热或者散热措施不得当，将使其因过温而烧毁器件，极大地降低了装置的可靠性，这也是限制电力电子器件的额定电流和额定电压的主要原因。目前最有效的方法就是增设专用的冷却系统，由冷却液(水)带走电力电子器件工作时所产生的大量热量，确保电力电子器件在额定温度以下正常工作。

也正因为有了冷却系统的存在，极易造成电力电子装置内部由于冷凝而受潮，况且电力电子开关器件又属于对湿度非常敏感的器件。研究与实践均表明，湿度不适宜是造成电力电子装置工作不可靠、故障频发的关键性因素之一，尤其是当它长期处在潮湿环境，其使用寿命将会大幅度降低，严重时还会造成重大灾难性事故。所以，我们必须重视这类装置的防潮工作。最有效的解决途径就是，实时监测并随时报告电力电子装置内部的湿度状况，并由主控设备设定必要的安全门限，一旦超过湿度设定值的安全门限，主控设备即刻进行必要的除潮操作，如开动抽湿机、启动通风设施或者动用加热除潮装置等。

在电力电子设备中，对湿度传感器及其后续处理器的要求极为苛刻，包括如下三个方面：

(1)由于电力电子器件工作时电压高达数千伏特，要求湿度传感器置于绝缘强度高的位置但又不要影响测湿性能；

(2)由于电力电子器件工作时电流高达数十千安培，要求湿度传感器及其后续处理器必须具有良好的抗强电磁干扰的能力；

(3)测试现场与控制中心，距离较远，一般超过数十米以上。

由此可见，研制出一套既能够远距离传输、还能正常穿行于强电磁场环境的测湿装置，它对确保电力电子设备安全、可靠运行，就显得非常重要。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种远距离测试电力电子设备湿度的装置，目的在于能够在强电磁场环境中实现远距离传输且可靠监测电力电子设备的运行湿度，确保设备安全、健康和可靠工作；旨在解决现有的电力电子设备中测湿装置远距离传输时，易受强电磁干扰的技术问题。

本发明提供了一种远距离测试电力电子设备湿度的装置，包括依次连接的带有绝缘护套的湿度传感单元、一组双芯屏蔽的双绞线、多谐振荡电路、光耦隔离处理电路、电光转换电路、传输单元、光电转换电路和数据采集器；所述带有绝缘护套的湿度传感单元用于将反应电力电子设备运行环境的湿度，转换为电容参变量C_P，由于该电容参变量C_P与电力电子设备运行环境的湿度存在一一对应关系；所述一组双芯屏蔽的双绞线包括两个接线端子T₁和T₂，分别连接至所述湿度传感单元的两个接线端；所述多谐振荡电路用于根据经由双绞线传递获得的反映电力电子设备运行环境湿度的电容参变量C_P输出周期性的方波电压信号；所述光耦隔离处理电路用于将所述方波电压信号进行电平转换，提高测试系统的抗扰能力；所述电光转换电路用于将光耦隔离处理电路输出的电信号进行电光变换后获得光方波信号；所述传输单元用于将所述光方波信号进行远距离、无干扰传输；所述光电转换电路用于将所述传输单元传送的光方波信号还原成方波电信号；所述数据采集器用于实时采集所述方波电信号，并获得反应电力电子设备运行环境湿度的电压信号的周期，根据电压信号的周期分析得到电力电子设备运行环境的湿度。

更进一步地，所述湿度传感单元包括绝缘板、湿度传感器和护套；所述绝缘板的设置能够极大提高测试传感器的绝缘水平；所述湿度传感器用于将反应电力电子设备运行环境的湿度转换为电容参变量C_P；所述护套，用于安装带有绝缘板的湿度传感器，将它们集成一体，形成整个测试系统的湿度传感单元。

更进一步地，湿度传感单元，经由一组双芯屏蔽的双绞线的两个接线端子T₁和T₂，将反应电力电子设备运行环境湿度变化的电容参变量C_P，连接到多谐振荡电路中。

更进一步地，所述多谐振荡电路包括：电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、定时模块A₁以及接线端子T₃～T₄；所述电阻R₁的一端作为接线端子T₃，所述电阻R₁的另一端接所述电阻R₂一端，所述电阻R₂的另一端接所述电阻R₃的一端，所述电阻R₃的一端接定时模块A₁的放电端(第7脚)，所述电阻R₃的另一端接定时模块A₁的外部复位端(第4脚)，定时模块A₁的地线端(第1脚)接底线GND1，定时模块A₁的低电平触发端(第2脚)与高电平触发端(第6脚)同时与接线端子T₃连接，定时模块A₁的控制端(第5脚)接所述电容C₁的一端，所述电容C₁的另一端接地线GND1，定时模块A₁的电源端(第8脚)接所述电阻R₄的一端，所述电阻R₄的该端接所述电容C₂的一端，所述电阻R₄的另一端接定时模块A₁的输出端(第3脚)，所述电容C₂的该端接电源U_S1，所述电容C₂的另一端接地线GND1，所述电容C₃并接在所述电容C₂的两端，芯片A₁的第3脚接电阻R₅的一端，所述电阻R₅的另一端接所述电容C₄的一端，所述电容C₄的该端与接线端子T₅连接，所述电容C₄的另一端接地线GND1，接线端子T₆与地线GND1连接。

更进一步地，所述光耦隔离处理电路包括：第一反相器芯片A₂、光耦隔离器A₃、第二反相器芯片A₄、电容C₅、电容C₆、电容C₇、电阻R₆和电阻R₈，以及接线端子T₇和T₈；第一反相器芯片A₂的输入端(第3脚)作为接线端子T₅，接线端子T₆与地线GND1连接，第一反相器芯片A₂的地线端(第8脚)与地线GND1相连接，第一反相器芯片A₂的电源端(第1脚)接电容C₅的一端，电容C₅的该端接电阻R₆的一端，电容C₅的另一端接地线GND1，电阻R₆的该端接电源U_S1，电阻R₆的另一端接光耦隔离器A₃的正输入端(第2脚)，电容C₆并接在电阻R₆的两端，第一反相器芯片A₂的输出端(第2脚)接光耦隔离器A₃的负输入端(第3脚)，光耦隔离器A₃的地线端(第5脚)与地线GND2相连接，光耦隔离器A₃的输出端(第6脚)和输出端(第7脚)接电阻R₈的一端，电阻R₈的该端接第二反相器芯片A₄的输入端(第3脚)，电阻R₈的另一端接电源U_S2，光耦隔离器A₃的电源端(第8脚)接电容C₇的一端，电容C₇的该端接电源U_S2，电容C₇的另一端接地线GND2，第二反相器芯片A₄的电源端(第1脚)接电源U_S2，第二反相器芯片A₄的地线端(第8脚)接光耦隔离器A₃的负输入端(第5脚)，接线端子T₇与第二反相器芯片A₄的输出端(第2脚)连接，接线端子T₈与地线GND2连接。

更进一步地，所述电光转换电路包括：与非门A₅、光纤头发送器A₆、电容C₈、电容C₉、电阻R₉和电阻R₁₀，以及光纤接头T₉；电容C₈的一端与接线端子T₇连接，接线端子T₈接电阻R₉的一端，电阻R₉的另一端同时连接与非门A₅的输入端(第1脚)和输入端(第2脚)，芯片A₅的地线端(第5脚)与地线GND2相连接，芯片A₅的输出端(第3脚)接光纤头发送器芯片A₆的负输入端(第3脚)，芯片A₆的正输入端(第2脚)、正输入端(第6脚)和正输入端(第7脚)接电阻R₁₀的一端，电阻R₁₀的另一端接电容C₈的一端，电容C₈的该端接电源U_S2，电容C₈的另一端接地线GND2，电容C₉并接在电容C₈的两端，芯片A₅的输出端作为接线端子T₉。

更进一步地，所述接线端子T₉为ST头、SM头、FC头或者SC头，为专门连接光纤头发送器芯片A₆，从而传送光信号的光纤接头，经由光纤接头T₉，将湿度传感器的电光转换电路处理获得的光脉冲信号。

更进一步地，传输单元为传输光纤或光缆。

更进一步地，所述光电转换电路包括：光纤头接收器芯片A₇、反相器芯片A₈、电阻R₁₁、电容C₁₀、电容C₁₁和电容C₁₂，光纤接头T₁₀，以及接线端子T₁₁和T₁₂，光纤头接收器芯片A₇的电源端(第2脚)接电源U_S3，芯片A₇的地线端(第3脚)和地线端(第7脚)均与地线GND3相连，芯片A₇的输出端(第6脚)接电阻R₁₁的一端，电阻R₁₁的另一端接电容C₁₀的一端，电容C₁₀的该端接电源U_S3，电容C₁₀的另一端接地线GND3，电容C₁₁并接在电容C₁₀的两端，反相器芯片A₈的电源端(第1脚)接电源U_S3，芯片A₈的地线端(第8脚)连接地线GND3，芯片A₈的输入端(第3脚)接电容C₁₂的一端，电容C₁₂的该端接电阻R₁₁的一端，电容C₁₂的另一端接地线GND3，接线端子T₁₁接芯片A₈的输出端(第2脚)，接线端子T₁₂接地线GND3，将湿度传感器的光电转换电路(7)获得的方波电压信号，传送到数据采集器。

具体而言，本发明的优点在于：

(1)本发明将湿度传感器埋置于具有绝缘结构的护套中，解决了工作于高压环境中的湿度传感器的高压绝缘问题；

(2)本发明将反应电力电子设备运行环境湿度的电容参变量C_P，转换为可以利用光纤(缆)传输的光脉冲信号周期的变化，解决了远距离传输的问题；

(3)本发明设置了光耦隔离处理电路，解决了工作于强电磁环境中的测湿系统的地电位的不好隔离易受干扰的难题，提高了全系统的抗干扰能力。

总之，本发明可以适应远距离监测高压环境、电磁干扰严重的工作场合，抗电磁干扰能力强，结构简单，重量轻，互换性强，安装、校准、调试、维护均方便。

附图说明

图1为本发明装置的一种具体实施方式的结构示意图。

图2为图1中埋置在具有绝缘结构护套中的湿度传感单元的结构示意图。

图3为图1中所示的湿度传感器的多谐振荡电路的原理图。

图4为图1中所示的湿度传感器的光耦隔离处理电路的原理图。

图5为图1中所示的湿度传感器的电光转换电路的原理图。

图6为图1中所示的湿度传感器的光电转换电路的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种远距离测试电力电子设备湿度的装置，由于将反应湿度变化的电压信号转换为周期(或频率)对应变化的光信号，采用光纤(缆)作为传输介质，解决了电力电子设备中测湿装置远距离传输时，易受强电磁干扰的技术难题，确保电力电子设备健康和可靠运行。

本装置也可以推广应用于高、低压场合的其它需要测湿的设备中。

本发明提供了一种远距离测试电力电子设备湿度的装置，目的在于能够在强电磁场环境中实现远距离传输且可靠监测电力电子设备的运行湿度，确保设备安全、健康和可靠工作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种远距离测试电力电子设备湿度的装置，它包括带有绝缘护套的湿度传感单元1、一组双芯屏蔽的双绞线2、多谐振荡电路3、光耦隔离处理电路4、电光转换电路5、传输单元6、光电转换电路7和数据采集器8。

带有绝缘护套的湿度传感单元1，被埋在具有绝缘结构的护套中，湿度传感单元1将反应电力电子设备运行环境的湿度转换为电容参变量C_P，由于该电容参变量C_P与电力电子设备运行环境的湿度存在一一对应关系，因此，可以将湿度传感单元1的电容参变量C_P视为与湿度密切相关的可变电容C_P，经由一组双芯屏蔽的双绞线2的两个接线端子T₁和T₂，将湿度传感单元1的电容参变量C_P的两端，连接到多谐振荡电路3，因此，就可以利用湿度传感单元1的电容参变量C_P的变化，来调整多谐振荡电路3输出的方波电压信号高低电平的脉宽变化，也就是输出方波电压信号的周期的变化，借助光耦隔离处理电路4和电光转换电路5，就能够把湿度传感单元1的反应电力电子设备运行环境湿度的电容参变量C_P转换为光脉冲信号，经由传输单元6传输，既可以实现远距离传输，还能降低电磁环境对它的不利影响，再利用光电转换电路7，将反应电力电子设备运行环境湿度的光脉冲信号，转换为方波电压信号，最后传给数据采集器8，方便数据采集器8实时采集反应电力电子设备运行环境湿度的方波电压信号，最终获得反应电力电子设备运行环境湿度的电压信号的周期，根据电压信号的周期分析得到电力电子设备运行环境的湿度。

本发明装置将湿度传感单元1，埋植在绝缘护套中，将反应电力电子设备运行环境湿度变化的电容参变量C_P，经由多谐振荡电路3、光耦隔离处理电路4、电光转换电路5的处理与变换之后，转换为光脉冲信号周期的变化，利用传输单元6充当传输介质，可用于远距离传输，最后借助光电转换电路7的处理与变换之后，传给数据采集器8，方便数据采集器8获得湿度信号的实时、可靠、准确采集。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明装置包括埋置于具有绝缘结构的护套中湿度传感单元1、一组双芯屏蔽的双绞线2、多谐振荡电路3、光耦隔离处理电路4、电光转换电路5、传输单元6、光电转换电路7和数据采集器8共八个部分。

现将其工作原理和信号传输路径简述如下：

如图2所示，埋置于具有绝缘结构的护套中的湿度传感单元1，包括具有绝缘能力的绝缘板1-1、湿度传感器1-2和具有绝缘结构的护套1-3，共计三个部分，本专利特将湿度传感单元1设置了具有绝缘能力的绝缘板1-1，并将湿度传感器1-2安装在具有绝缘能力的绝缘板1-1上面，再将它们集成一体，安装在具有绝缘结构的护套1-3中，实现三级联防举措，确保传感头的高绝缘能力，这是与高压电力电子设备环境相适应的，最大限度提高传感器的可靠性。湿度传感单元1，经由两个接线端子T₁和T₂，将反应电力电子设备运行环境湿度变化的电容参变量C_P，经由一组双芯屏蔽的双绞线2，连接湿度传感器的多谐振荡电路3，进一步确保这套测试系统能够健康、安全和可靠工作。

如图3所示，湿度传感器的多谐振荡电路3，连接输入接线端子T₃和T₄，经由接线端子T₃和T₄，通过一组双芯屏蔽的双绞线2，将反应电力电子设备运行环境湿度变化的电容参变量C_P，连接到湿度传感器的多谐振荡电路3，接线端子T₃和与电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端接电阻R₂一端，电阻R₂的另一端接电阻R₃的一端，电阻R₃的该端接芯片A₁的第7脚，电阻R₃的另一端接芯片A₁的第4脚，芯片A₁的第1脚接底线GND1，芯片A₁的第2脚与第6脚同时与接线端子T₃连接，芯片A₁的第5脚接电容C₁的一端，电容C₁的另一端接地线GND1，芯片A₁的第8脚接电阻R₄的一端，电阻R₄的该端接电容C₂的一端，电阻R₄的另一端接芯片A₁的第3脚，电容C₂的该端接电源U_S1，电容C₂的另一端接地线GND1，电容C₃并接在电容C₂的两端，芯片A₁的第3脚接电阻R₅的一端，电阻R₅的另一端接电容C₄的一端，电容C₄的该端与接线端子T₅连接，电容C₄的另一端接地线GND1，接线端子T₆与地线GND1连接，经由接线端子T₅和T₆，将湿度传感器的多谐振荡电路3处理获得的方波电压信号，传送到湿度传感器的光耦隔离处理电路4。

如图4所示，湿度传感器的光耦隔离处理电路4，连接输入接线端子T₅和T₆，经由接线端子T₅和T₆，接收湿度传感器的多谐振荡电路3处理获得的方波电压信号，接线端子T₅与芯片A₂的第3脚连接，接线端子T₆与地线GND1连接，芯片A₂的第8脚接地线GND1，芯片A₂的第1脚接电容C₅的一端，电容C₅的该端接电阻R₆的一端，电容C₅的另一端接地线GND1，电阻R₆的该端接电源U_S1，电阻R₆的另一端接芯片A₃的第2脚，电容C₆并接在电阻R₆的两端，芯片A₂的第2脚接芯片A₃的第3脚，芯片A₃的第5脚接地线GND2，芯片A₃的第6脚和第7脚接电阻R₈的一端，电阻R₈的该端接芯片A₄的第3脚，电阻R₈的另一端接电源U_S2，芯片A₃的第8脚接电容C₇的一端，电容C₇的该端接电源U_S2，电容C₇的另一端接地线GND2，芯片A₄的第1脚接电源U_S2，芯片A₄的第8脚接芯片A₃的第5脚，接线端子T₇与芯片A₄的第2脚连接，接线端子T₈与地线GND2连接，经由接线端子T₇和T₈，将湿度传感器的光耦隔离处理电路4处理获得的方波电压信号，传送到湿度传感器的电光转换电路5。

如图5所示，湿度传感器的电光转换电路5，连接输入接线端子T₇和T₈，经由接线端子T₇和T₈，接收湿度传感器的光耦隔离处理电路4处理获得的方波电压信号，接线端子T₇接地线GND2，接线端子T₇与电容C₈的一端连接，接线端子T₈接电阻R₉的一端，电阻R₉的另一端同时连接芯片A₅的第1脚和第2脚，芯片A₅的第5脚接地线GND2，芯片A₅的第3脚接芯片A₆的第3脚，芯片A₆的第2脚、第6脚和第7脚接电阻R₁₀的一端，电阻R₁₀的另一端接电容C₈的一端，电容C₈的该端接电源U_S2，电容C₈的另一端接地线GND2，电容C₉并接在电容C₈的两端，湿度传感器的电光转换电路5输出端的接线端子T₉，与前面所述的电信号接线端子T₁～T₈不同，为专门连接芯片A₆传送光信号的光纤接头(如ST头、SM头、FC头或者SC头)，经由光纤接头T₉，将湿度传感器的电光转换电路5处理获得的光脉冲信号，经由传输单元6传送到湿度传感器的光电转换电路7。

如图6所示，湿度传感器的光电转换电路7，连接输入端的接线端子T₁₀，为专门连接芯片A₇接收光信号的光纤接头，本电路的光纤接头T₁₀与光纤接头T₉配套使用，即光纤接头T₁₀也可以采用ST头、SM头、FC头或者SC头，经由光纤接头T₁₀连接湿度传感器的光电转换电路7，接收传输单元6，传送获得的光脉冲信号，芯片A₇的第2脚接电源U_S3，芯片A₇的第3脚和第7脚接地线GND3，芯片A₇的第6脚接电阻R₁₁的一端，电阻R₁₁的另一端接电容C₁₀的一端，电容C₁₀的该端接电源U_S3，电容C₁₀的另一端接地线GND3，电容C₁₁并接在电容C₁₀的两端，芯片A₈的第1脚接电源U_S3，芯片A₈的第8脚接地线GND3，芯片A₈的第3脚接电容C₁₂的一端，电容C₁₂的该端接电阻R₁₁的一端，电容C₁₂的另一端接地线GND3，接线端子T₁₁接芯片A₈的第2脚，接线端子T₁₂接地线GND3，经由接线端子T₁₁和T₁₂，将湿度传感器的光电转换电路7获得的方波电压信号，传送到数据采集器8。

数据采集器8，可以采用专门的数据采集电路，如NI公司仪表生产的多功能数据采集设备，也可采用高档单片机或者ARM芯片或者FPGA芯片等构建采集卡。

图1所示实施例中的湿度传感单元1，可以选择HUMIREL公司出品的湿度传感器HS1101LF，它包括传感器本体的振荡器电路、参考电压的振荡器电路、输出电压的低通滤波器电路和末级放大器几个部分。该湿度传感器是基于独特工艺设计的电容型传感器元件，它除了可以应用于电力电子装置之外，还可以广泛应用于办公自动化、车厢内空气质量控制、家电和其它工业现场控制系统中。

图3所示实施例中的定时器模块A₁，为CMOS型555定时器，可以选择TLC555、LMC555、MC555、CA555、XR555、LM555等。

图4所示实施例中的芯片A₂和A₄，均为反相跟随器，可以选择六路CMOS反相跟随器CD4049，图4所示实施例中的芯片A₃，为光电耦合隔离器件(简称光耦器件)，可以选择HCPL-2300之类的高性能光耦器件。

图5所示实施例中的芯片A₅为与非门，可以选择MC 75452A/B、MC75452B、HD75452A、SG75452、SG75452B、SN75452、SN55452、SN55452B等，图5所示实施例中的芯片A₆，为光纤头发送器芯片，可以选择HFBR-1412TMZ、HFBR-1412TZ、HFBR-1412Z、HFBR-1414MZ、HFBR-1414TZ、HFBR-1414Z等，与光纤头配套使用的传输单元6为传输光纤或光缆，可以选择单芯多模光纤62.5/125um。

图6所示实施例中的芯片A₇，为光纤头接收器芯片，可以选择HFBR-2412TCZ、HFBR-2412TZ、HFBR-2412Z等，与光纤头配套使用的传输单元6为传输光纤或光缆，可以选择单芯多模光纤62.5/125um。图6所示实施例中的芯片A₈，为反相跟随器，可以选择六路CMOS反相跟随器CD4049。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。