红外LED在温度监控中的应用.docx
- 文档编号:25936241
- 上传时间:2023-06-16
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:111.81KB
红外LED在温度监控中的应用.docx
《红外LED在温度监控中的应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《红外LED在温度监控中的应用.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
红外LED在温度监控中的应用
第29卷第5期2009年5月 电力自动化设备ElectricPowerAutomationEquipment
Vol.29No.5May2009
139
红外LED在温度监控中的应用
陈建明,梁德成
(华北水利水电学院动力系,河南郑州450011
摘要:
为保证变电站中露天安置设备的安全运行,提出了现场环境设备温度监控的设计方案。
该方案基于无源无线温度传感器,安装在现场的测温传感器的温度量转化为红外信号并发射,接收端的红外监控摄像机对传感器扫描接收,PC机对提取的红外图像处理、分析后,给出温度指示和异常报警信号。
测温传感器采用温差模块直接向红外管供电方式;采用热敏电阻网络进行温度补偿;利用高斯-牛顿和麦夸脱算法对热敏电阻网络的参数进行优化计算。
通过实际检验,所设计的方案获得满意的效果。
关键词:
无源无线温度传感器;温度测控;红外LED;图像识别;电荷耦合器件中图分类号:
TM732文献标识码:
B文章编号:
1006-6047(200905-0139-03 在各种温度测量中,将温度量转换为电阻或电势的方法最为普遍,前者要对传感器提供电源,用导线将敏感元件与测量电路相连接;后者如热电偶,虽无需提供传感器电源,但也要有导体将热端与冷端相连接,同时还要考虑冷端温度补偿问题。
诸如此类的限制和不便,影响了传统传感器在一些特殊应用场合的使用。
例如,在电力系统的变电站中,露天安置有各种供配电设备,其中大量的接线排、刀触头、开关等部件需实时进行非精确的温度监控,当触点温度超出某设定值时给予报警,以便技术人员及时发现、排除故障隐患,保证设备安全运行。
本设计方案提出基于无源无线温度传感器,利用红外(或可见光将测温信号传送给红外监控系统,结合图像识
别技术,解决恶劣环境条件下温度检测、报警问题。
1 测温方案设计
图1是测温系统框图,散布在现场的若干测温传感器将温度量转化为波长850nm的红外信号并发射,接收端由敏感中心波长为850nm的红外监控摄像机对传感信号进行扫描接收,PC机对提取的红外图像进行处理、分析,给出温度指示和报警信号。
图1测温系统框图
Fig.1Blockdiagramoftemperaturemonitoring
system
2 测温传感器原理
本设计应用于220kV变电站温度监控,现场有
收稿日期:
2008-09-22;修回日期:
2009-01-23
基金项目:
河南省教育厅自然科学研究项目(2007470004
图2传感器原理图Fig.2Principlediagram ofsensor高压,强辐射电磁干扰,
因此考虑现场测温部件内电子元件尽量少,以减少恶劣环境对测量的影响。
现采用温差模块直接向红外管供电。
图2是无源光学传感器的原理图,由半导体温差发电模块STM(SemiconductorThermoelectricModule,红外发射管,以及由R1、R2和RT组成的补偿网络3部分组成,其作用是将被测体与环境温度差转换成红外射频信号。
2.1 半导体温差模块STM
STM的作用是将热能转换成电能,又为红外发射回路提供电源。
研究发现将2种半导体结合,并使之处于高温状态(热端,而另一端开路并且处于低温状态(冷端,则在冷端就会产生开路电压ΔU,
称为赛贝克电动势[123]
用下式表示:
E=αsΔT=αs(TH-TL
其中,αs称为赛贝克系数,是由材料本身的电子能带结构决定的;ΔT为热端与冷端的温度差,在这里是被测发热体与环境的温度差。
采用的STM外形尺寸为35mm×35mm×5mm,共126对PN结,具有一定耐高温特性(热端稳定工
作可达523K,短时极限温度553K,热电转换效率
为4.7%[425]
。
测得的STM输出开路电压随温差变化关系如图3所示。
根据图3曲线可以看出,1K
图3开路电压/匹配功率和温差关系Fig.3Relationbetweenopencircuitvoltage/output
powerandtemperaturedifference
140
电力自动化设备第29卷
的温差变化相应产生0.04V的开路电压。
同时,在
STM两端接上匹配负载,输出的功率随温差变化的
关系见图3,可以看出1K的温差变化可产生0.01
W的匹配功率。
2.2 红外发射器件
红外发射管工作在正向电压下,其正向特征与
普通二极管一样[6]。
对它施加几伏正向电压后,就
会发出红外光,光敏元件接收到此红外光后,就会输
出相应的信号。
由于红外发射管在正向电流下工
作,因此,发光强度随正向电流的增加而增加,从而
调整流过红外发射管的正向电流,便可调整输出光
功率(即发光强度,对应地达到测量温差的目的。
考虑到工作现场夏季环境温度可达50℃以上,
被测发热体与环境温差报警设定为50℃,红外射频
发射信号要求较大的功率以保证稳定接收,选择波
长为850nm的耐高温红外LED,参数见表1。
表1红外LED参数
Tab.1InfraredLEDparameters
型号材料波长
/nm
功率
/mW
正向电
压/V
正向电
流/mA
反向电
压/V
反向漏
电流/μA
视角
/(°
TL10-
350IR
AlGaAs8505501.650~350510010/30
该器件经过下列高温高湿试验,确保了长期高可靠稳定工作。
其试验如下:
LED置入88℃温度中20min,瞬间移至-44℃温度中20min,连续10个循环;LED置入温度40℃相对湿度95%的槽中连续96h;LED在室温中加20mA电流连续点亮1000h;LED之脚(离胶体底部1.6mm浸入260℃锡槽中5s;LED置入85℃箱中,加20mA电流连续点亮1000h;LED置入-45℃箱中,加20mA电流连续点亮1000h。
2.3 补偿保护网络
当要求传感器或测量系统体积小、价格低廉时,采用模拟电路实现温度补偿仍是重要途径。
采用热敏电阻网络补偿温度是一种常见方法[7]。
在设计热敏电阻网络时,需对网络参数进行优化计算。
本设计利用高斯-牛顿(Gauss-Newton和麦夸脱(Mar2quardt算法[8]对热敏电阻网络参数进行优化计算。
本设计温度补偿网络由R
1、R
2
和R
T
组成,参见
图2,采用正温度系数的热敏电阻器(PTC,这种热敏电阻器是非线性元件,可用指数函数表达热敏电阻器方程:
RT=RT0eBP(T-T0
式中 T是热力学温度;B
P
是热敏电阻常数,与元件
制备材料的特性有关;R
T0是平衡温度为T
时
的阻值,T
0一定时R
T0
是常数。
因热敏电阻器是无源参数式敏感元件,热敏电阻网络使用时需加一激励电源,在这里是STM的开
路电压U
E与红外LED正向压降U
dio
之差,当T
和
Udio一定时,在绝对温度T时热敏电阻网络的输出电流即是红外LED的工作电流I
LED
其关系为
I
LED
=f(R1,R2,RT,UE,T=
f(R1,R2,RT0,BP,UE,T
热敏电阻网络参数的计算,实际上是根据期望
的发电模块的开路电压U
E
和热力学温度T与网络
输出I
LED
之间的关系,计算热敏电阻网络的各个定
值电阻R
1
、R
2
、R
T0
及B
P
。
这实际是一个非线性优化问题,归结为求下式残差最小二乘解的问题。
Q=∑
n
k=1
ILEDk-fR
1
R2,RT0,BP,UEk,Tk2(1图2所示温度补偿网络的输出电流为
ILED=
UE-Udio
R1+R1RT/(R1+RT
(2
设网络平衡温度为T=298K,为了便于计算及
与传统方法比较,电阻R
1
的取值与文献[8]一致,为R1=1Ω。
这是假设的,实际使用时,若R1=1.5Ω,R2和RT0也应乘以1.5。
优化计算后选择的元件参
数分别为串联电阻R
1
=1.5Ω;并联电阻R2=7.5Ω;PT
C热敏电阻RT0=2.5Ω(25℃,型号是B59940C0080A070。
如图4所示,热敏电阻的阻值随流过自身电流的增加而增加,当电流超过150mA后,阻值随电流增加开始急剧增加。
另外,由于STM的热端与冷端距离较近,两端温差一般不超过100℃,所以流经红外LED的最大电流被限制不大于350mA,防止过流烧坏红外LED。
图4温差与红外管电流对应关系
Fig.4Relationbetweentemperature
differenceandinfraredLEDcurrent
3 红外摄像机的选择
本系统采用松下WV-CL920A红外摄像机[9],具有彩色/黑白转换功能,主要参数如下:
a.1/2型红外敏感行间转移电荷耦合器件CCD(Charge-CoupledDevice;
b.超高灵敏度,F1.4时彩色模式为0.14Lux、黑白模式为0.01Lux;
c.彩色模式水平分辨率为480线,黑白模式水平分辨率为570线;
d.电子灵敏度提升(自动/手动/关;
e.VD2同步信号支持松下电器系统产品;
f.具有外同步端口适合大型系统应用;
g.单同轴电缆控制或RS-485控制;
h.可使用AC24V或DC12V电源,型号为WV-CL924A/WV-CLR924A。
第5期陈建明,等:
红外LED在温度监控中的应用141
对红外摄像机要做一些改动,摘除用于彩色摄像的红外线截止滤镜(ICF,同时加装光学带通滤波器,选通720~900nm波长的红外线进入CCD器件[10212],这样不仅保留了部分白天的彩色摄像效果,同时最大限度地降低了太阳光对测温的影响。
红外摄像机获取的现场图像信号通过RS-485/RS-232送入监控显示器和计算机[13214],计算机对图像进行处理,首先利用对比测量滤除日光、照明灯等对850nm检测波长的影响,然后对每个红外LED测温单元逐个进行现场标定,最后利用图像灰度等级与红外LED辐射强度及温差之间的关系曲线进行现场扫描监控,现场环境温度由分布于现场不同位置的5个温度传感器提供。
表2给出了实际应用中2号变压器接线排监控温度与实测温度的对比数据。
可以看出测温误差小于±7℃,完全满足项目监控测温的要求。
表2实际温度和指示温度
Tab.2Actualanddisplayedtemperatures
℃实际温度2040608090100110120指示温度21.643.765.185.084.396.7103.4123.5
4 结论
利用价格较低的红外夜视摄像机替代成本昂贵的热像仪进行非精确的温度监控测量,其关键是提供稳定可靠的与被测温度对应的红外辐射信号。
半导体温差发电模块与红外LED组成的测温单元受环境温度的影响较大,采用专门设计的温差模块冷端散热器,可以提高测温单元的灵敏度和系统的测温精度,同时改善红外LED和电阻网络的工作环境温度,有利于系统的稳定性和可靠性。
参考文献:
[1]ROWEDM.Thermoelectrics,anenvironmentally2friendlysourceofelectrical
power[J].RenewableEnergy,1999(16:
125121256.
[2]ZHAOHui,XUDonglin,PANSha,etal.DesignofaCMOScurrent2ad2just2
ablecharge2pumpcircuitinsensitivetopowersupplyandtemperature[J].Chi2neseJournalofSemiconductors,2003,24(3:
2602265.
[3]STRASSERM,AIGNERR,LAUTERBACHC,etal.MicromachinedCMOS
thermoelectricgeneratorsason2chippowersupply[J].SensorsandActuatorsA:
Physical,2004,114(223:
3622370.
[4]GLOSCHH,ASHAUERM,PFEIFFERU,etal.Athermoelectricconver2terfor
energysupply[J].SensorandActuatorsA,1999,74(3:
2462250.
[5]陈金灿,严子浚.半导体温差发电器性能的优化分析[J].半导体学报,
1994,15(2:
1232129.
CHENJincan,YANZijun.Optimalanalysisonperformanceofasemiconductorthermoelectricgenerator[J].ChineseJournalofSemiconductors,1994,15
(2:
1232129.
[6]蒋芸,鲍丽沙,曹正东.发光二极管的特性研究[J].实验室研究与探索,
2007,26(6:
30233.
JIANGYun,BAOLisha,CAOZhengdong.ResearchonthepropertyofLED[J].LaboratoryResearchandExploration,2007,26(6:
30233.
[7]汪晓东.热敏电阻网络参数的计算方法[J].传感器技术,2002,21(10:
34236.
WANXiaodong.Methodforcalculatingparametersofthermistornetwork[J].
JournalofTransducerTechnology,2002,21(10:
34236.
[8]冯康.数值计算方法[M].北京:
国防工业出版社,1978.
[9]罗顿,贾晓光,郭海萍.利用普通数码摄像机进行红外摄像的实验研究
[J].中国人民公安大学学报:
自然科学版,2005,44(2:
17219.
LUODun,JIAXiaoguang,GUOHaiping.Studyoninfraredphotographywithdigitalcamera[J].JournalofChinesePeopleπsPublicSecurityUniversity:
Sci2enceandTechnology,2005,44(2:
17219.
[10]陈源锋,林艳平.数码照相机红外线照相功能的应用与分析[J].影像技
术,2004(4:
24228.
CHENYuanfeng,LINYanping.Applicationandanalysisofdigitalinfraredphotography[J].ImageTechnology,2004(4:
24228.
[11]陈源锋.数码红外线彩色图像的合成与分析应用[J].影像技术,2005
(3:
63268.
CHENYuanfeng.ThecompositionandanalysisapplicationofdigitalIRcolor
images[J].ImageTechnology,2005(3:
63268.
[12]颜卓勇,郭庆华,梁钦锋.基于图像处理的CCD测温系统标定方法[J].
计算机与应用化学,2007,24(11:
145321457.
YANZhuoyong,GUOQinghua,LIANGQinfeng.Thecalibrationmethodofcolor2CCDtemperature2measurementsystembasedonimageproces2sing[J].ComputersandAppliedChemistry,2007,24(11:
145321457.
[13]冯丽芳,孙俊,周俊华.基于ARM9的网络视频监控系统实现[J].电力自
动化设备,2006,26(10:
95297.
FENGLifang,SUNJun,ZHOUJunhua.NetworkvideomonitoringsystembasedonARM9[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2006,26(10:
95297.
[14]武广富,吕震中.粗糙集理论在火焰图像处理及状态识别中应用[J].电
力自动化设备,2007,27(5:
84288.
WUGuangfu,LΒZhenzhong.Applicationofroughsetstheoryinflameimageprocessingandstaterecognition[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2007,27(5:
84288.
(责任编辑:
汪仪珍
作者简介:
陈建明(1962-,男,福建福州人,副教授,主要从事传感器和检测技术方面的研究(E2mail:
cjm@nc。
ApplicationofinfraredLEDintemperaturemonitoringsystem
CHENJianming,LIANGDecheng
(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,ChinaAbstract:
Atemperaturemonitoringschemeisdesignedfortheopensitedevicesofsubstationtoensureitssafeop2eration,whichisbasedonthepassivewirelesstemperaturesensors.Thesitesensorsconvertthetemperaturemeas2urementsintoinfrared(orvisiblelightsignalandtransmit,theinfraredcamerascanssensorsandreceivesthesig2nals,andthemonitoringsystemdisplaysthetemperatureandissuesalarmforabnormalityafterprocessingandanaly2zingthesignals.Thetemperaturesensorusestemperaturedifferencemo2duletodirectlysupplypowertoinfraredLEDandcompensatestemperaturewiththermistornetwork.ThenetworkparametersareoptimizedusingGauss2New2tonandMarquardtalgorithm.Practicaltestshowsthedesignedschemeissatisfying.
ThisprojectissupportedbytheNaturalScienceFoundationofEducationOfficeofHenanProvince(2007470004.
Keywords:
passivewirelesstemperaturesensor;temperaturemeasuringandcontrol;infraredLED;imagerecog2nition;charge2coupleddevice
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 红外 LED 温度 监控 中的 应用