一种智能化变压器油位计的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种智能化变压器油位计，包括硬件系统和软件系统；硬件系统包括微控制器、液位传感检测模块、电流电压转换模块、信息显示模块、报警输出模块和系统电源模块；液位传感检测模块的输出端连接电流电压转换模块，电流电压转换模块的输出端连接微控制器，微控制器的输出端分别连接信息显示模块和报警输出模块，系统电源模块分别连接液位传感检测模块、微控制器和信息显示模块；软件系统用于控制硬件系统的工作。本实用新型能够实现对油位的高精度测量，且能够实现超高状态报警和超低状态报警。
【专利说明】
一种智能化变压器油位计
技术领域
[0001]本实用新型涉及变压器油位计，特别是涉及一种智能化变压器油位计。
【背景技术】
[0002]电力系统主变压器油位计是用于指示主变压器储油柜中油量的仪表，目前，电力系统中的主变压器油位计普遍采用机械式仪表，分为玻璃管式、拉带式和磁力式三种油位计。机械式油位计具有不便于精确测量、输出为非电量信号、线性度较差等缺陷，已不能够满足电力系统向数字化、智能化和信息化的发展方向。
【实用新型内容】
[0003]实用新型目的:本实用新型的目的是提供一种测量精度高、输出为电量信号、线性度较高的智能化变压器油位计。
[0004]技术方案:为达到此目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0005]本实用新型所述的一种智能化变压器油位计，包括硬件系统和软件系统;硬件系统包括微控制器、液位传感检测模块、电流电压转换模块、信息显示模块、报警输出模块和系统电源模块;液位传感检测模块的输出端连接电流电压转换模块，电流电压转换模块的输出端连接微控制器，微控制器的输出端分别连接信息显示模块和报警输出模块，系统电源模块分别连接液位传感检测模块、微控制器和信息显示模块;软件系统用于控制硬件系统的工作。
[0006]进一步，所述软件系统包括系统初始化模块、A/D转换模块、信号数字滤波模块、油位信息分析模块、油位报警判断模块以及油位信息与报警状态显示模块。
[0007]进一步，所述微控制器的型号为C8051F350。
[0008]进一步，所述电流电压转换模块包括陶瓷式压电传感器。
[0009]进一步，所述信息显示模块包括型号为IXD12232ZA的液晶显示器。
[0010]有益效果:与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果:
[0011](I)本实用新型能够实现对油位的高精度测量，测量精度可达0.31215um，并进行信号数字滤波以确保所测量油位值的稳定性；
[0012](2)本实用新型既可以进行超高状态报警也可以进行超低状态报警；
[0013](3)本实用新型对信息进行显示，便于读取当前的油位信息和状态。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的硬件系统的框图；
[0015]图2为本实用新型的软件系统的工作流程图；
[0016]图3为本实用新型的功能不意图；
[0017]图4为本实用新型的系统初始化模块的工作流程图；
[0018]图5为本实用新型的A/D转换模块的工作流程图；
[0019]图6为本实用新型的信号数字滤波模块的工作流程图；
[0020]图7为本实用新型的油位信息分析模块的工作流程图；
[0021 ]图8为本实用新型的油位报警判断模块的工作流程图；
[0022]图9为本实用新型的油位信息与报警状态显示模块的工作流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合【具体实施方式】对本实用新型的技术方案作进一步的介绍。
[0024]本实用新型公开了一种智能化变压器油位计，包括硬件系统和软件系统。硬件系统如图1所示，包括微控制器、液位传感检测模块、电流电压转换模块、信息显示模块、报警输出模块和系统电源模块;液位传感检测模块的输出端连接电流电压转换模块，电流电压转换模块的输出端连接微控制器，微控制器的输出端分别连接信息显示模块和报警输出模块，系统电源模块分别连接液位传感检测模块、微控制器和信息显示模块。软件系统包括系统初始化模块、A/D转换模块、信号数字滤波模块、油位信息分析模块、油位报警判断模块以及油位信息与报警状态显示模块。软件系统的流程图如图2所示。
[0025]本实用新型具有变压器油位检测、油位超高输出、油位超低报警输出和油位及报警信息显示等功能，如图3所示。
[0026]下面介绍一下本实用新型的各个组成部分:
[0027]一、机箱
[0028]智能化变压器油位计采用铝型材机箱外壳，由于其采用全封闭的金属材质，故其对环境电磁干扰具有较强的屏蔽作用。
[0029]二、硬件系统
[0030]1、微控制器
[0031]由于油位计安装在主变压器附近，体积过大必然会导致安装的不便和对固定的要求；同时，因系统长时间工作在室外，周围的电磁干扰严重，要求单片机必须有很强的抗干扰和稳定性。综上所述，油位计应遵循体积小、功耗低、可靠性高和性能高的特点。而C8051F350微控制器是美国Silicon Laboratories Inc推出的完全集成的混合信号系统级微控制器，具有与8051指令集完全兼容的MCS-51内核，其功能包括内部集成的768Byte RAM和8KB Flash存储器、JTAG调试与边界扫描、可编程数字I/O和交叉开关、高精度高达24位A/D转换器等资源。JTAG调试和边界扫描为生产和调试程序更加方便，可编程数字I/O和交叉开关可以进一步降低功耗，24位A/D转换器可以为系统提供更高的数据转换精度，这些都是C8051F350微控制器最具特色的设计。C8051F350微控制器最小系统由JTAG接口电路和复位电路组成。
[0032]2、电流电压转换模块
[0033]采用陶瓷式压电传感器，其工作电压范围为:12?24V，测量范围为O?3.0OMpaJt应的水位为O?3000mm，因此，油位测范围大于3000mm，为了提高油位计对主变压器周围的强电磁干扰，因此陶瓷式压电传感器的输出选用标准电流模式，为4?20mA。C8051F350微控制器的工作电压范围为2.7?3.6V，内部集成的24位A/D转换器的参考电压需要外部提供，因此参考电压选用具有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源TL431。陶瓷式压电传感器由电压基准电路和电流/电压转换电路组成:电压基准电路是由TL431构成的2.5V的基准电压电路；电流/电压转换电路为了与2.5V基准电压匹配，因此输入为4?20mA对应的输出电压应小于2.5V，可采用高精度电阻100欧姆电阻作为电流/电压转换电路，为了提高电路的高频抗干扰能力，可在电阻两端并0.0luF瓷片电容构成RC电流/电压转换电路，则陶瓷式压电传感器的输出电压为:0.4?2.0V。为了增强电流/电压转换电路的抗共模干扰能力，A/D转换电路采用双极性输入模式。
[0034]3、报警输出模块
[0035]系统输出要求为开关量，为了满足各种输出的开关量要求，输出采用继电器的常开接点。C80 51F3 50微控制器的I /0 口能够耐5 V电压，故继电器采用线圈为5V的继电器。驱动采用低压驱动N沟道增强型MOSFET AO 3400A，A0 3400A在抵达2.5V的门极驱动电压下，导通电阻仅有48πιΩ，最大电流可达4.7Α，封装为S0T-23贴片封装，由其构成的驱动器性能远非其他驱动电路所能比拟。这样可以使用C8051F350微控制器的I/O口直接驱动AO 3400A，既简化了驱动电路的设计，又提高了其抗干扰能力。为了使报警信息明确，故分别用两组继电器，每组各两路I/O 口作为超高报警和超低报警。
[0036]4、信息显示模块
[0037]油位计显示内容包括油位比值信息和油位状态信息，为了便于用户使用采用中文显示，同时为了节省I/O口资源，故显示器采用具有串行通信接口，集成中文字库，显示内容为16字符\2行，白底黑字，带背光的^01223224液晶显示器丄^122322六液晶显示器与C8051F350微控制器的串行接口非常简单，只需要三条I/O 口线与单片机的任意三个I/O 口线相连即可，同时还需一个10ΚΩ电阻进行对比度调节。
[0038]5、系统电源模块
[0039]油位计电源部分需要为陶瓷式压电传感器(大于等于12V)、液晶显示器和报警输出继电器(5V)以及C8051F350微控制器供电(3.3V)，因此变压器输出的交流电压经整流后要大于12V，因此，Tl选用输入220V，输出12V的1W变压器，经全桥整流后的输出电压为12 X1.414-1X2 * 15Vo
[0040]由于陶瓷式压电传感器为电流型，其输出最大电流不超过20mA，故采用三端可调分流基准电压源TL431构成13V稳定电流不低于25mA的稳压器即可，则限流电阻的应小于(15-13)￥/0.025厶=80欧姆。由于1?104去101(欧姆，则(1?102+1?103) = (13/2.5-1)\ 1K =42K。
[0041]液晶显示器和报警输出继电器的5V供电电源与15V的输入电源有1V的压差，如果采用线性稳压器则其效率不会超过35%，且发热严重，故在此采用美国TI公司的高效降压型DC/DC集成电路TPS5430进行5V稳压，以保证15V至5V的稳压效率不低于85%。则TPS540的输出电压为:(R201/R202+1) X 1.25V ? 5.0379V，完全能够满足供电要求。
[0042]08051?350微控制器的3.3￥的供电电源直接采用低压差型431117线性稳压集成电路。在5V输入电压时，其效率可达66%。
[0043]三、软件系统
[0044]1、系统初始化模块
[0045]C8051F350微控制器初始化是其进行工作前的准备工作和它的外设选用和配置，本系统的微控制器初始化包括系统时钟初始化、I/o 口初始化和A/D转换器初始化。
[0046]C8051F350微控制器内部集成有一个可编程内部RC振荡器，为了简化系统硬件电路、减小系统的对外电磁干扰，提高系统的稳定性和可靠性，本系统时钟源选用内部RC振荡器。系统时钟初始化是实现内部时钟源的选用配置、时钟频率的PLL值配置(时钟频率配置为24.5MHz)、进行振荡器稳定工作的判断工作。
[0047]I/O 口初始化实现将PI 口配置为推挽使输出。
[0048]A/D转换器初始化实现ADC外部参考电压源的选择配置、可编程增益放大器放大倍数的配置、输入缓冲器的配置、调制器时钟的配置、差分输入的配置和启动ADC。
[0049 ]系统初始化的详细程序流程图如图4所示。
[0050] 2、A/D转换模块
[0051 ] C8051F350微控制器内部集成的高精度24位A/D转换器使用时必须按要求的顺序和要求进行。由于A/D转换器的参考电压为2.5V，因此，数据采集的精度为:2.5V/(224-l) =1.49X10—7V。由于传感器对于水位的范围为O?3000mm对应的输出电流范围为4?20mA，采用100欧姆的取样电阻，则电压范围为:0.4?2.0V，电压变化为1.6V，则传感器的灵敏度为:3m/l.6V=1.875m/V。对于水位而言，则24位A/D转换器的水位测量精度为:1.875m/VX(1.49 X 10—7V) = 2.79375 X 10—7m。考虑到变压器油的密度小于水，是水的0.895，因此变压器油的油位测量精度为:2.79375X10—7m/0.895 = 3.1215X 10—7m=0.31215umo
[0052]A/D转换数据读取过程是:启动A/D转换后，等待A/D转换完成，当A/D转换完成后，依次读取A/D转换完成后的最高八位、中间八位和最低八位转换结果数据，最后，将其转换成十进制数。A/D转换模块的程序流程图如图5所示。
[0053]3、信号数字滤波模块
[0054]由于油位在正常情况下几乎是不变的，即使在发生异常情况，其变化也是非常缓慢的，但由于油位计的工作环境恶劣，电磁干扰严重，再加之ADC转换器的精度非常高，这些因素都导致了每次A/D转换的结果有一定的差异。为了提高A/D转换结果既具有高的精度又具有一定的稳定性，在此采用取中间值平均法进行数字滤波方法，经实验检验，其效果超过预期。其过程如下:首先对A/D转换的20个结果进行排序，然后抽取其中的中间10个中间值，最后对这10个值求平均值。信号数字滤波的程序流程图如图6所示。
[0055]4、油位信息分析模块
[0056]油位信息经A/D转换和信号数字滤波后的数值并不是油位的具体数据，油位值还需要根据陶瓷式压电传感器的零位数值、A/D转换的参考电压、零油位值对应的数值进行计算和校正。油位值的计算和校正过程为:首先，根据陶瓷式压电传感器的零位数值计算出与油位高度成线性关系的有效数值;然后，由油位高度成线性关系的有效数值计算出陶瓷式压电传感器所测出的油位高度;最后，将陶瓷式压电传感器所测出的油位高度减去零油位值即可得到油位的实际油位高度值。油位信息分析模块的程序流程图如图7所示。
[0057]5、油位报警判断模块
[0058]油位计的油位报警功能是其非常重要的功能之一，当油位计的油位高度值确定后，为了与传统的机械式油位计的指示兼容，还需要将其转换成相对高度值，这样也便于进行异常液位报警判断。为了使油位高度异常信息更为详细明确，本系统对油位的超高和超低两种异常情况分别进行相应的标志进行标注，以便满足显示的需要。油位报警判断及输出过程如下:首先，根据油位信息分析得到的油位高度值和储油柜的高度计算出相对油位高度一一当前油位高度是储油柜高度的百分比数;然后，对超出相对油位高度的值进行边界值处理，使其处在有效相对油位高度值范围内，便于进行下面的判断分析;最后，对油位异常情况进行判断并进行输出控制和标识相应的标志。油位报警判断及输出程序流程图如图8所示。
[0059]6、油位信息与报警状态显示模块
[0060]传统的机械式油位计信息通常位于主变压器的储油柜上，对其进行夜间观察难度较大和精准度也较低。为了克服传统的机械式油位计的缺点，本油位计的显示采用显示信息量丰富且便于观察的LCD液晶显示器进行显示。油位信息及报警状态显示过程如下:首先，在LCD12232ZA液晶显示器的第一行显示液位百分比信息，然后，根据油位异常标志，在IXD12232ZA液晶显示器的第一行显示当前的油位状态信息。油位信息及报警状态显示程序流程图如图9所不。
【主权项】
1.一种智能化变压器油位计，其特征在于:包括硬件系统和软件系统;硬件系统包括微控制器、液位传感检测模块、电流电压转换模块、信息显示模块、报警输出模块和系统电源模块;液位传感检测模块的输出端连接电流电压转换模块，电流电压转换模块的输出端连接微控制器，微控制器的输出端分别连接信息显示模块和报警输出模块，系统电源模块分别连接液位传感检测模块、微控制器和信息显示模块;软件系统用于控制硬件系统的工作。2.根据权利要求1所述的智能化变压器油位计，其特征在于:所述软件系统包括系统初始化模块、A/D转换模块、信号数字滤波模块、油位信息分析模块、油位报警判断模块以及油位信息与报警状态显示模块。3.根据权利要求1所述的智能化变压器油位计，其特征在于:所述微控制器的型号为C8051F350。4.根据权利要求1所述的智能化变压器油位计，其特征在于:所述电流电压转换模块包括陶瓷式压电传感器。5.根据权利要求1所述的智能化变压器油位计，其特征在于:所述信息显示模块包括型号为IXD12232ZA的液晶显示器。
【文档编号】G01F23/00GK205483152SQ201520935887
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年11月23日
【发明人】王奇杰, 张美琪
【申请人】国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司盐城供电公司, 盐城工学院