一种GIS红外测温装置及其温度补偿校准方法与流程

本申请涉及gis温度测量技术领域，尤其涉及一种gis红外测温装置及其温度补偿校准方法。

背景技术：

随着我国电力工业的不断发展，气体绝缘金属封闭开关(gis)被广泛应用于电力系统中。当gis设备触头接触不良时，由于接触电阻变大，在负载电流流过时会产生过热现象。触头、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路，形成重大事故，造成巨大的经济损失。据不完全统计，国内的众多发电公司、电力公司所采用的gis设备均不同程度的出现过封闭母线、隔离开关、电缆头等部件由于绝缘老化或接触不良而造成温度异常变化而引发事故的现象。因此，实现对gis设备的在线温度监测，提前发现并消除热故障隐患，对gis的安全可靠运行具有非常重要的意义。

目前，现有的gis测温系统测量效果差，不能有效保证gis的安全运行，为此，本发明提出一种gis红外测温装置及其温度补偿校准方法。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种gis红外测温装置及其温度补偿校准方法，使得有效提高了测温的精度，以保证gis设备的安全可靠运行。

本申请第一方面提供了一种gis红外测温装置，包括：传感器封装壳和设置在所述传感器封装壳内的供电组件、红外传感器和主pcb板；

所述主pcb板上设置有电源管理模块、信号调理模块和信号收发模块；

所述供电组件分别与所述电源管理模块和所述红外传感器电连接；

所述红外传感器与所述信号调理模块电连接；

所述电源管理模块分别与所述信号调理模块和所述信号收发模块电连接。

可选地，所述信号调理模块包括红外传感器采样电路和信号调理电路；

所述红外传感器与所述红外传感器采样电路电连接；

所述红外传感器采样电路与所述信号调理电路电连接。

可选地，信号调理电路包括单片机、低速晶振电路、高速晶振电路、后备电池电路、单片机工作模式电路和电源电容滤波电路；

所述低速晶振电路、所述高速晶振电路、所述后备电池电路、所述单片机工作模式电路和所述电源电容滤波电路均与所述单片机电连接。

可选地，所述信号收发模块包括发送端lora模块和接收端lora模块；

所述信号调理模块与所述发送端lora模块电连接；

所述发送端lora模块与所述接收端lora模块通信连接。

可选地，所述接收端lora模块与显示端口电连接。

可选地，所述供电组件包括电池组和充放电模块；

所述充放电模块与所述电池组电连接。

可选地，所述供电组件还包括电量显示模块；

所述电量显示模块与所述电池组电连接。

可选地，所述主pcb板为圆环形。

本申请第二方面提供了一种温度补偿校准方法，该方法包括：s1：获得标称温度值t0，获得实测温度值t1；

s2：计算误差δt＝t0-t1，并根据误差计算拟合误差函数；

s3：判断拟合误差函数是否达到误差要求，若是，则得到校准后的温度值。

可选地，若否，重新计算拟合误差函数，计算后返回步骤s3。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：通过将供电组件、红外传感器和主pcb板集成到传感器封装壳内，有效避免了由于外界环境因素对传感器测温的影响；主pcb板上设置有电源管理模块、信号调理模块和信号收发模块，供电组件分别与电源管理模块和红外传感器电连接，红外传感器与信号调理模块电连接，电源管理模块分别与信号调理模块和信号收发模块电连接，通过将红外传感器采集的温度信号转化为电流信号输出，信号调理模块对电流信号进行采集以及寄存，然后对温度数据进行校准，最后由信号收发模块实现温度数据的发送和接收，通过信号调理模块对测量的温度进行校准，能够有效提高测温的精度，以保证gis设备的安全可靠运行，同时，间接解决了触头以及母线发射率低的问题。

附图说明

图1为本申请实施例中gis红外测温装置的结构示意图；

图2为本申请实施例中gis红外测温装置的电路框图；

图3为本申请实施例中供电组件的结构示意图；

图4为本申请实施例中电源管理模块的电路图；

图5为本申请实施例中红外传感器采样电路的电路图；

图6为本申请实施例中信号调理电路的电路图；

图7为本申请实施例中信号收发模块的结构示意图；

图8为本申请实施例中主pcb板的正面端口布局示意图；

图9为本申请提供的一种温度补偿校准方法的流程示意图；

其中，附图标记为：

1-传感器封装壳，2-主pcb板，3-红外传感器，4-供电组件，5-信号收发模块，6-塞钢板，11-顶盖，12-壳体，41-电池组，42-充放电模块，43-电量显示模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供了一种gis红外测温装置的一个实施例，具体请参阅图1和图2。

本实施例中的gis红外测温装置包括：传感器封装壳1和设置在传感器封装壳1内的供电组件4、红外传感器3和主pcb板2，主pcb板2上设置有电源管理模块、信号调理模块和信号收发模块5，供电组件4分别与电源管理模块和红外传感器3电连接，红外传感器3与信号调理模块电连接，电源管理模块分别与信号调理模块和信号收发模块5电连接，供电组件4用于给整个电路提供供电电源，电源管理模块将供电组件4的电压输入转换为信号调理模块和信号收发模块5所需的供电电压，为其提供工作电压；信号调理模块与信号收发模块5之间可以通过串口互传数据，信号收发模块5的信号发送电路与接收电路之间可以通过无线传输互传数据，通过将红外传感器3采集的温度信号转化为电流信号输出，信号调理模块对电流信号进行采集以及寄存，然后对温度数据进行校准，最后由信号收发模块5实现温度数据的发送和接收。

需要说明的是：通过将供电组件4、红外传感器3和主pcb板2集成到传感器封装壳1内，有效避免了由于外界环境因素对传感器测温的影响；主pcb板2上设置有电源管理模块、信号调理模块和信号收发模块5，供电组件4分别与电源管理模块和红外传感器3电连接，红外传感器3与信号调理模块电连接，电源管理模块分别与信号调理模块和信号收发模块5电连接，通过信号调理模块对测量的温度进行校准，可以有效提高测温的精度，以保证gis设备的安全可靠运行，同时，间接解决了触头以及母线发射率低的问题。

以上为本申请实施例提供的一种gis红外测温装置的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种gis红外测温装置的实施例二，具体请参阅图1至图8。

本实施例中的gis红外测温装置包括：传感器封装壳1和设置在传感器封装壳1内的供电组件4、红外传感器3和主pcb板2，主pcb板2上设置有电源管理模块、信号调理模块和信号收发模块5，供电组件4分别与电源管理模块和红外传感器3电连接，红外传感器3与信号调理模块电连接，电源管理模块分别与信号调理模块和信号收发模块5电连接，电源管理模块的作用是将供电组件4放电的输出电压转换为微处理器可以工作的工作电压，从而使得微处理器能够正常工作。

如图5所示，信号调理模块包括红外传感器采样电路和信号调理电路，红外传感器3与红外传感器采样电路电连接，红外传感器采样电路与信号调理电路电连接，其中，红外传感器采样电路由抑制冲击电流电阻r4、传感器接入端ifd、采样电阻r3以及限流电阻r5构成，红外传感器3连接于ifd+与ifd-，其中r4选取限制冲击电流的10ω电阻，r5按微处理器输入引脚的常用电阻值来选取，取为10kω。r3的选取需要和vdda相互配合，为方便起见，vdda选取为单片机的供电电压3.3v，考虑在vdda为3.3v，测温范围为0～200℃，下面来推导计算下r3的值。首先所选用红外传感器3的测温范围为-20～300℃，输出信号为4～20ma的电流信号，且输出为线性输出，由此可得公式1：

由公式1解得

在实际电路中，由于传感器的输出信号是电流信号，采样电阻r3选取的越小，越有利于减小电路的功耗，现考虑在所测温度为200℃时，使得采样电阻的电压值达到3.3v，此时选取的采样电阻r3的值较小。

当t＝200℃时，计算得

计算得

如图6所示，信号调理电路包括单片机、低速晶振电路、高速晶振电路、后备电池电路、单片机工作模式电路和电源电容滤波电路，低速晶振电路、高速晶振电路、后备电池电路、单片机工作模式电路和电源电容滤波电路均与单片机电连接。

具体的，信号调理电路由stm32f103c8t6单片机、低速晶振电路(c1、c2、y1组成)、高速晶振电路(c3、c4、y2构成)、复位电路(r1、c5、k1构成)、后备电池电路(bat0后备电池构成)、单片机工作模式电路(r2、r10、k0构成)以及电源电容滤波电路(c6、c7、c8、c9、c10、c11)构成。其中，单片机选用stm32f103c8t6单片机作为核心arm，其adc转换位数可为12位，精度可以达到3.3v/(2^12-1)＝0.806mv，单片机工作电路选取36.768khz的无源低速晶振，起振电容c1、c2选取为10pf，选取8mhz的无源高速晶振，起振电容c3、c4选取为20pf；复位电路按标准进行连接，模式设置端boot0通过开关k0进行控制，boot1直接通过1k的r10下拉电阻连接到地，单片机3.3v供电端下拉接入6支电容c6、c7、c8、c9、c10和c11来滤除高低频纹波。另vdda接入3.3v，adc输入通道选取pa5和pa4通道，其中pa5用作传感器的adc采样输入端，pa4作为预留通道。预留p11为swd调试端口，使用串口pa9和pa10收发数据；单片机在上电后自动运行内核arm中存储的调理程序，通过pa5口采集红外传感器3通过采样电阻r3转化后的电压信号，之后将采集的电压信号在单片机中寄存，并进行校准计算，随后通过串口pa9进行发送输出。

如图7所示，信号收发模块5包括发送端lora模块和接收端lora模块，信号调理模块与发送端lora模块电连接，发送端lora模块与接收端lora模块通信连接。

具体的，发送端lora模块和接收端lora模块均包括1片lora模块和1支弹簧天线，另外接收端lora模块还需要ch340g芯片作为温度数据显示终端的接口芯片。其中lora模块构成端口有：模式选择端口io0和io1，ttl串口读写端口rxd和txd，工作状态显示端口out，模块供电端口vcc和gnd。lora模块在透传模式下正常工作时，将io0拉为低电平，io1悬空，在数据的采集发送端将lora模块串口读写端口rxd和txd分别与采集端微处理pa9以及pa10相连接，在数据接收端将lora模块读写端口rxd和txd分别与ch340g芯片的tx和rx相连接，将工作状态显示端口out连接到pcb主板上p10端口的2号引脚口，lora正常透传通信时，out端输出低电平，lora空闲时，out端输出高电平。

发送端lora模块的vcc和gnd与电源管理模块输出3.3v以及gnd相连，txd和rxd分别与单片机的串口pa10和pa9相连接。out输出接主pcb板2p10端口的lora-out接口，io0和io1为lora模块模式选择接口，lora模块正常透传工作时将io0接地，io1悬空，即可实现数据的发送。在接收端lora模块的vcc和gnd分别与ch430gusb转ttl电平模块3.3v以及gnd相连，txd和rxd分别与ch430g串口rx和tx相连接，out和io1端悬空闲置，io0接地，lora模块即可正常接收数据。整个信号数据流为：单片机串口发送数据到发送端lora模块，两端lora模块工作在透传模式，发送端lora模块将数据发送到空中，接收端lora模块接收到数据后，将数据通过ch430g模块传到计算机，显示软件通过识别并配置对应串口，实现对所接受数据的显示。

接收端lora模块与显示端口电连接，可以理解的是：接收端lora模块的供电电源由接收端主控机来提供。

如图3所示，供电组件4包括电池组41和充放电模块42，充放电模块42与电池组41电连接。

具体的，电池组41可以由八块锂电池组成，其中每四块锂电池一组，将每组四块锂电池串联后，再将两组电池并联，电池选用单块电压为3.7v的锂电池，通过串联实现对电压的不断稳定放大攀升。电池组41通过充放电模块42管理，使得供电电压可以稳定在14.8v供电；另外该电池组41使用了可充电的锂电池，可以通过充放电模块42进行充放电，该电池组41的充电是通过外接充电器实现的，此充电器采用交流220v转直流16.8v，之后接入充电头，从而实现了对电池组41的充电。另外电池组41的放电是通过从充放电模块42上面引出电源输出线实现的，通过充放电模块42可以将充电回路与放电回路分离开来，使得充放电回路相互不会产生干扰。

供电组件4还包括电量显示模块43，电量显示模块43与电池组41电连接；电量显示模块43由显示模块芯片、1个按钮以及5个指示灯组成，可以均匀显示电池组41的电量，实现的功能为按下指示灯，指示灯显示电池组41的电量，松开手后指示灯熄灭，指示灯只在按钮被按下时显示电池电量，这样的设计可以最大限度的降低电池组41的电量消耗。

具体的，电量显示模块43由tl431芯片、比例电阻、按钮以及5个指示灯组成，tl431和比例电阻提供五个基准电压分别对应5个指示灯的电压门限，当电池电量发生变化时，对应的电池电量会通过电路激活对应的指示灯的门限电压，从而使得对应电量个数的指示灯被点亮，1个按钮串联在整个电池电量显示干路中，控制所有指示灯的导通，通过比例电阻和tl431的配合可以实现对应电量指示灯的触发点亮。

如图4所示，电源管理模块的功能是将电池组41输出的14.8v的电压转换为3.3v的电压供信号调理模块和信号收发模块5使用，该功能实现的核心部件是lm2596开关电压调节芯片，通过给lm2596芯片外围布局输入滤波电容c12、输出吸纳稳压二极管1n5822、输出电感l1、输出滤波及旁路电容c13、反馈电阻r7以及10k电位器r6，可以实现输入在5～60v变化时，输出为1.2～30v的变化要求，另外此lm2596芯片的电压布局，使得输出可调，即便在输入电压变化不稳时，通过调节电位器r6即可实现模块输出电压稳定回调。

如图8所示，主pcb板2为圆环形，能够在有限的传感器封装壳1水平截面内布局整个测温系统电路。具体的，在主pcb板2上，布局一共分三部分，分别是：电源管理模块部分，信号调理模块部分以及工作状态指示部分。电源管理模块位于左上角，其中lm2596芯片布局在左上角靠圆环内侧位置，滤波电解电容c12和c13位于靠近lm2596芯片左侧位置，电感l1布局在芯片的下侧，电位器r6位于lm2596芯片的右侧，r7位于芯片的背面，电感d1位于电容c13的左下角。信号调理模块位于主pcb板2正下侧偏左位置，高低速晶振y2、y1分别位于靠近单片机左侧的位置，与高低速晶振相匹配的起振电容分别布局在对应晶振的背侧，单片机工作模式控制开关k0布局在靠近单片机工作模式端口boot0的位置，复位开关k1位于单片机正下方，电源滤波电容c6，c7，c8，c9，c10和c11成矩形阵列式排布在单片机背板的右侧位置，后备电池布局在主pcb板2的右下角。工作状态指示部分位于pcb板正上方，具体布局为开关k2与led指示灯d2水平匹配布局，开关k3与led指示灯d3水平布局，保护电阻r8与r9分别位于d2与d3对应的背侧位置。

k2开关的作用是监测电源管理模块是否正常工作，当电源管理模块正常工作时，按下k2开关，对应的led指示灯d2被点亮，松开开关k2后，d2熄灭；k3开关的作用是监测信号收发模块5是否正常通信，正常通信时，按下开关k3，对应的led指示灯d3被点亮，松开开关k3后，d3熄灭；当电路处于正常工作状态时，k2和k3处于断开状态，不指示电路的工作状态，但不会影响测温电路的正常工作，k2和d2以及k3和d3的这种布局设计使得系统的耗电量有所减少，保证了电池组41充一次电可以使用更长的时间。另外开关k2和k3只是在系统调试阶段适用，用于系统的调试，当整个测温系统正常工作后，无需再去控制开关k2和k3查看系统状态。

主pcb板2上测试端口一共留有11个，按引脚的pin分，其中2-pin的有10个，4-pin的有1个；按模块的布局分，电源管理模块上下位置占有p1和p3端口，用于电源管理模块电压的输入与输出，p2端口与p1端口并排放置，用做红外传感器3的接入端口，p4和p6端口分别布局在右上和左下角，为传感器采集电压信号以及预留adc的输入端口，p5、p8和p9端口为预留的微处理器供电电压端口，用于微处理器不同输入输出端口的供电，其中p5与p3竖直并排放置，p8和p9布局在右下角位置，p7端口为串口输入输出端口，用于微处理器与外界交换数据，其布局在右下角p8的上侧，p10为预留微处理器pa4输入以及lora通信状态显示端口，布局在右上角p4端口的下侧，p11为预留微处理器swd调试端口，布局在右下角p7端口上侧。传感器测温工作时，其中p3与p5配合使用，p4与p6配合使用。

如图1所示，传感器封装壳1包括壳体12和顶盖11，壳体12内设置有传感器安装螺纹孔，安装时：首先将红外传感器3通过传感器安装螺纹孔安装进传感器封装壳1，且红外传感器3可以按照测温的位置要求前后移动，将主pcb板2加塑料橡胶垫片通过定位孔安装固定在壳体12底部，信号收发模块5装在主pcb板2无器件一侧，然后将塞钢板6顺着红外传感器3加盖到主pcb板2上，对主pcb板2起到保护作用。将供电组件4沿着红外传感器3安装到塞钢板6上面，电量显示模块43、充电头以及电源总开关安装在顶盖11上面，将顶盖11通过螺钉固定在壳体12上面，完成整个传感器封装的安装。最后将封装好的传感器封装壳1通过安装螺钉安装到gis介质窗口，即完成了数据发送端整个测温装置的安装。

本申请实施例提供的gis红外测温装置，能满足在110kv和220kv电压等级不同工作状态下gis触头、母线以及隔离开关测温的要求。该测温装置在保证gis壳体气密性和电场完整性的前提下可以实现其关键部位的测温，将传感器封装后安置于gis外壳的介质窗口上方，直接对gis内部关键部位进行测温。

通过将供电组件4、红外传感器3和主pcb板2集成到传感器封装壳1内，有效避免了由于外界环境因素对传感器测温的影响；主pcb板2上设置有电源管理模块、信号调理模块和信号收发模块5，供电组件4分别与电源管理模块和红外传感器3电连接，红外传感器3与信号调理模块电连接，电源管理模块分别与信号调理模块和信号收发模块5电连接，通过信号调理模块能够对测量的温度进行校准，能够有效提高测温的精度，以保证gis设备的安全可靠运行，同时，间接解决了触头以及母线发射率低的问题。

相比红外成像测温法红外光路不确定的因素，本测温装置的红外光路主要集中在gis壳体内部，使得红外光路不确定的因素得到控制，并且，本测温装置与gis壳体相对独立，更换传感器相对更加方便，解决了测温装置与gis集成安装困难的难题，同时也保证了测温的安全性；通过给红外传感器3以及信号调理电路增设开关电路，使得gis设备可以实现实时在线测温，最终的实验结果证明了测温的有效性。

如图9所示，本申请还提供了一种温度补偿校准方法，该方法包括：

s1：获得标称温度值t0，获得实测温度值t1；

s2：计算误差δt＝t0-t1，并根据误差计算拟合误差函数δt＝f(t1)；

s3：判断拟合误差函数δt＝f(t1)是否达到误差要求，若是，则得到校准后的温度值t2＝t1+f(t1)。

若否，重新计算拟合误差函数，计算后返回步骤s3。

其具体实现原理为：通过标准温度测温仪测得一组在0℃到150℃变化的温度值作为标称温度值，同时记录在不同标称温度之下红外传感器3测量的温度实测值，构造误差函数为标称温度值减去温度实测值，然后反复修正温度实测值的表达式，使得误差函数最大限度的趋近于零，最终得到校准后的温度值。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。