CN102539005B - 一种基于耦合的非接触式温度测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合的非接触式温度测量系统，包括控制器、与控制器相连的驱动电路、与驱动电路相连的开关电路、与开关电路相连的谐振电路、与谐振电路耦合的温度传感器、与谐振电路和控制器相连的信号检测电路。本发明测温系统使温度传感器与系统其他器件分离，通过电磁耦合实现物体的非接触式温度测量，系统电路简单，成本较低，适合于小型化设计，可应用于多种场合。本发明还公开了一种基于耦合的非接触式温度测量方法，其通过电磁耦合的形式实现温度信号的传递，根据温度信号进行计算分析，进而实现物体的非接触式温度测量，可适用于对高压电力电缆内部芯线的可靠温度测量。

Description

一种基于耦合的非接触式温度测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于测温技术领域，具体涉及一种基于耦合的非接触式温度测量系统及其测量方法。

背景技术

在日常生活和工业生产过程中，经常需要测量各种物体的温度。温度在许多技术领域都是一个非常重要的指标参数，在工业、医疗、军事和生活等许多领域，都需要用到测温装置来监测温度。温度的自动监测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失采取的重要措施之一。特定场合下由于监测点比较分散、偏远，采用传统的温度测量方式周期长、成本高，而且测量员必须到现场进行测量，因此工作效率非常低。

测温技术分接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温需要将传感器紧贴被测物体表面，同时测量电路和传感器之间有线路相连接。常用的接触式测温技术有热电耦测温、热敏电阻测温、半导体测温、光纤测温等方法。非接触式测温目前主要采用红外测温技术，测量电路与被测物体表面相分离，适合于远距离测量或者一些特殊场合。

但是，有一些场合既不能采用常用的接触式测温技术，也不能采用红外非接触测温方式。例如高压电力电缆的内部芯线温度测量，由于芯线外部有绝缘层保护，红外线无法穿透，因此无法使用红外测温技术。而由于电缆芯线处于高电位，从安全考虑也无法通过电路接触的方法直接测温。而如果采用光纤测温的方式，虽然解决了电气隔离的问题，但是在实际安装上非常困难。因此，目前针对高压电力电缆内部芯线的温度测量，还没有任何一项可靠的测温技术及设备，更无法根据温度对相关应用进行一些安全措施的部署，使得采用高压电缆的电力设备仍存在着相当的安全隐患。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于耦合的非接触式温度测量系统及其测量方法，能够实现对高压电力电缆内部芯线的可靠温度测量。

一种基于耦合的非接触式温度测量系统，包括：

控制器；

与控制器相连的驱动电路；所述的驱动电路将控制器提供的两路驱动信号进行放大后输出；

与驱动电路相连的开关电路；所述的开关电路根据两路放大后的驱动信号，输出方波信号；

与开关电路相连的谐振电路；所述的谐振电路将方波信号转换成交流电压信号；

与谐振电路耦合的温度传感器；所述的温度传感器用于感应待测物体的温度，其将所述的交流电压信号作为工作电压，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号传送给谐振电路；

与谐振电路相连的信号检测电路；所述的信号检测电路采集谐振电路接收到的温度电压信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号；

所述的控制器与信号检测电路相连；其根据所述的检测电压信号，分析计算出待测物体的温度。

所述的温度传感器采用串联式谐振电路或并联式谐振电路，其中的谐振电阻为热敏电阻。

所述的开关电路由两个MOS管Q1～Q2和两个二极管D1～D2构成；其中，MOS管Q1的源极接第一电源电压，栅极为开关电路的第一输入端并接收驱动电路输出的第一驱动信号，漏极与二极管D1的阳极相连；MOS管Q2的源极接地，栅极为开关电路的第二输入端并接收驱动电路输出的第二驱动信号，漏极与二极管D2的阴极相连；二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连构成开关电路的输出端并输出方波信号。

所述的信号检测电路由四个电阻R3～R6、一个电容C3和一个运算放大器U构成；其中，电阻R3的一端为信号检测电路的输入端并采集谐振电路接收到的温度电压信号，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U的正相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连并接地，电阻R5的另一端与运算放大器U的反相输入端、电阻R6的一端和电容C3的一端相连，运算放大器U的正电源端接第二电源电压，运算放大器U的负电源端接第三电源电压，运算放大器U的输出端与电阻R6的另一端和电容C3的另一端相连构成信号检测电路的输出端并输出检测电压信号。

所述的谐振电路采用串联式谐振电路。

所述的控制器为DSP(数字信号处理器)。

一种基于耦合的非接触式温度测量方法，包括如下步骤：

(1)利用控制器驱动开关电路输出方波信号，通过谐振电路将所述的方波信号转换成交流电压信号，进而将所述的交流电压信号耦合至温度传感器，使温度传感器工作后控制器停止驱动；

(2)温度传感器感应待测物体的温度，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号，进而将所述的温度电压信号耦合至谐振电路；利用信号检测电路采集谐振电路接收到的温度电压信号，经调理整形后向控制器提供对应的检测电压信号；

(3)控制器根据所述的检测电压信号，分析计算出待测物体的温度。

所述的步骤(3)中，控制器分析计算待测物体的温度的步骤为：

1)提取所述的检测电压信号的周期；

2)对检测电压信号进行连续A/D采样，提取检测电压信号波形中连续三个周期的波峰点作为采样点；

3)根据检测电压信号的周期以及三个采样点的电压值，通过以下公式，求解出检测电压信号的阻尼系数；

$a=\frac{1}{T}\ln \left(\frac{u_1-u_2}{u_2-u_3}\right)---\left(1\right)$

其中：u₁、u₂、u₃分别为三个采样点对应的电压值；u₁、u₂、u₃对应的时刻分别为t₁、t₂、t₃，t₂＝t₁+T，t₃＝t₂+T，T为周期，α为阻尼系数；

4)根据所述的阻尼系数，通过以下公式，求解出温度传感器中热敏电阻的阻值，进而根据阻值分析求得待测物体的温度；

若温度传感器采用串联式谐振电路，则：

$a=\frac{R}{2L}---\left(2\right)$

若温度传感器采用并联式谐振电路，则：

$a=\frac{1}{2\mathrm{RC}}---\left(3\right)$

其中：R为温度传感器中热敏电阻的阻值，C为温度传感器中谐振电容的电容值，L为温度传感器中谐振电感的电感值。

本发明测温方法使温度传感器与系统其他器件分离，通过电磁耦合的形式实现温度信号的传递，根据温度信号进行计算分析，进而实现物体的非接触式温度测量，可适用于对高压电力电缆内部芯线的可靠温度测量；本发明测温系统电路简单，成本较低，适合于小型化设计，可应用于多种场合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为温度传感器的设置示意图。

图4为检测电压信号的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的测量系统及其测量方法进行详细说明。

如图1和图2所示，一种基于耦合的非接触式温度测量系统，包括：DSP、驱动电路、开关电路101、谐振电路102、信号检测电路104和温度传感器103。

驱动电路与DSP相连，其将DSP提供的两路驱动信号进行放大后输出；本实施例中，驱动电路采用International Rectifier公司的IRF2110芯片。

开关电路101与驱动电路相连，其根据驱动电路提供的两路放大后的驱动信号，输出方波信号；本实施例中，开关电路101由两个MOS管Q1～Q2和两个二极管D1～D2构成；其中，MOS管Q1的源极接+12V的电源电压，栅极为开关电路101的第一输入端并接收驱动电路输出的第一驱动信号，漏极与二极管D1的阳极相连；MOS管Q2的源极接地，栅极为开关电路101的第二输入端并接收驱动电路输出的第二驱动信号，漏极与二极管D2的阴极相连；二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连构成开关电路101的输出端并输出方波信号。

谐振电路102与开关电路101相连，其将方波信号转换成交流电压信号；本实施例中，谐振电路102采用串联式谐振电路，包括一个电阻R2、一个电容C2和一个电感L2；其中，电阻R2的一端与电容C2的一端相连构成谐振电路102的输入端并接收开关电路101输出的方波信号，电容C2的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与电阻R2的另一端相连并接地。

温度传感器103与谐振电路102耦合，其将从谐振电路102中的电感L2上耦合得到的交流电压信号作为自身的工作电压；本实施例的测量对象为高压电力电缆内部芯线，如图3所示，温度传感器103设于高压电力电缆绝缘层的内壁上，其用于感应电缆内部芯线的温度，并产生与芯线温度相对应的温度电压信号耦合传送给谐振电路102；温度传感器103采用串联式谐振电路，包括一个热敏电阻R1、一个电容C1和一个电感L1；其中，热敏电阻R1的一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与热敏电阻R1的另一端相连，电感L1与谐振电路102中电感L2相耦合；本实施例中热敏电阻R1采用的型号为PT100。

信号检测电路104与谐振电路102相连，其采集谐振电路102接收到的温度电压信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号；本实施例中，信号检测电路104由四个电阻R3～R6、一个电容C3和一个运算放大器U构成；其中，电阻R3的一端为信号检测电路104的输入端且与谐振电路102中的电感L2的一端相连以采集谐振电路102接收到的温度电压信号，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U的正相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连并接地，电阻R5的另一端与运算放大器U的反相输入端、电阻R6的一端和电容C3的一端相连，运算放大器U的正电源端接+5V的电源电压，运算放大器U的负电源端接-5V的电源电压，运算放大器U的输出端与电阻R6的另一端和电容C3的另一端相连构成信号检测电路104的输出端并输出检测电压信号。

DSP与信号检测电路104相连，其接收信号检测电路104输出的检测电压信号，并根据该信号分析计算出电缆内部芯线的温度；本实施例中，DSP采用Texas Instruments公司的TMS320F28035芯片。

本实施例的基于耦合的非接触式温度测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)DSP通过驱动电路输出一对互补的驱动信号分别给开关电路101中的两个MOS管Q1～Q2，两个MOS管Q1～Q2互补开关动作，使得开关电路101输出高频的方波信号；谐振电路102将方波信号转换成交流电压信号，进而通过电感L2将交流电压信号耦合至温度传感器103，温度传感器103正常工作稳定后，DSP停止输出驱动信号，则谐振电路102中的电容C2和电感L2停止振荡并快速放电。

(2)温度传感器103通过电感L1耦合得到交流电压信号形成电流回路后开始工作，其通过热敏电阻R1感应电缆内部芯线的温度，并产生与芯线温度相对应的温度电压信号，进而通过电感L1将温度电压信号耦合至谐振电路102；利用信号检测电路104采集谐振电路102中电感L2耦合得到的温度电压信号，经调理整形后向DSP提供对应的检测电压信号。

(3)DSP首先提取检测电压信号的周期，并对检测电压信号进行连续A/D采样，然后提取检测电压信号波形中连续三个周期的波峰点作为采样点，如图4所示；根据检测电压信号的周期以及三个采样点的电压值，通过以下公式，求解出检测电压信号的阻尼系数；

$a=\frac{1}{T}\ln \left(\frac{u_1-u_2}{u_2-u_3}\right)---\left(1\right)$

其中：u₁、u₂、u₃分别为三个采样点对应的电压值；u₁、u₂、u₃对应的时刻分别为t₁、t₂、t₃，t₂＝t₁+T，t₃＝t₂+T，T为周期，α为阻尼系数；

DSP根据阻尼系数，通过以下公式，求解出温度传感器103中热敏电阻R1的阻值，进而根据热敏电阻R1的阻温关系，求得电缆内部芯线的温度；

$a=\frac{R}{2L}---\left(2\right)$

其中：R为温度传感器103中热敏电阻R1的阻值，L为温度传感器103中电感L1的电感值。

Claims (8)

1.一种基于耦合的非接触式温度测量系统，其特征在于，包括： 

控制器； 

与控制器相连的驱动电路；所述的驱动电路将控制器提供的两路驱动信号进行放大后输出； 

与驱动电路相连的开关电路；所述的开关电路根据两路放大后的驱动信号，输出方波信号； 

与开关电路相连的谐振电路；所述的谐振电路将方波信号转换成交流电压信号； 

与谐振电路耦合的温度传感器；所述的温度传感器用于感应待测物体的温度，其将所述的交流电压信号作为工作电压，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号传送给谐振电路； 

与谐振电路相连的信号检测电路；所述的信号检测电路采集谐振电路接收到的温度电压信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号； 

所述的控制器与信号检测电路相连；其根据所述的检测电压信号，分析计算出待测物体的温度。 

2.根据权利要求1所述的基于耦合的非接触式温度测量系统，其特征在于：所述的温度传感器采用串联式谐振电路或并联式谐振电路，其中的谐振电阻为热敏电阻。 

3.根据权利要求1所述的基于耦合的非接触式温度测量系统，其特征在于：所述的开关电路由两个MOS管Q1~Q2和两个二极管D1~D2构成；其中，MOS管Q1的源极接第一电源电压，栅极为开关电路的第一输入端，漏极与二极管D1的阳极相连；MOS管Q2的源极接地，栅极为开关电路的第二输入端，漏极与二极管D2的阴极相连；二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连构成开关电路的输出端。 

4.根据权利要求1所述的基于耦合的非接触式温度测量系统，其特征在于：所述的信号检测电路由四个电阻R3~R6、一个电容C3和一个运算放大器U构成；其中，电阻R3的一端为信号检测电路的输入端，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U的正相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连并接地，电阻R5的另一端与运算放大器U的反相输入端、电阻R6的 一端和电容C3的一端相连，运算放大器U的正电源端接第二电源电压，运算放大器U的负电源端接第三电源电压，运算放大器U的输出端与电阻R6的另一端和电容C3的另一端相连构成信号检测电路的输出端。 

5.根据权利要求1所述的基于耦合的非接触式温度测量系统，其特征在于：所述的谐振电路采用串联式谐振电路。 

6.根据权利要求1所述的基于耦合的非接触式温度测量系统，其特征在于：所述的控制器为DSP。 

7.一种如权利要求1所述的基于耦合的非接触式温度测量系统的测量方法，包括如下步骤： 

（1）利用控制器驱动开关电路输出方波信号，通过谐振电路将所述的方波信号转换成交流电压信号，进而将所述的交流电压信号耦合至温度传感器，使温度传感器工作后控制器停止驱动； 

（2）温度传感器感应待测物体的温度，并产生与所述的温度相对应的温度电压信号，进而将所述的温度电压信号耦合至谐振电路；利用信号检测电路采集谐振电路接收到的温度电压信号，经调理整形后向控制器提供对应的检测电压信号； 

（3）控制器根据所述的检测电压信号，分析计算出待测物体的温度。 

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，控制器分析计算待测物体的温度的步骤为： 

1）提取所述的检测电压信号的周期； 

2）对检测电压信号进行连续A/D采样，提取检测电压信号波形中连续三个周期的波峰点作为采样点； 

3）根据检测电压信号的周期以及三个采样点的电压值，通过以下公式，求解出检测电压信号的阻尼系数； 

其中：u ₁ 、u ₂ 、u ₃ 分别为三个采样点对应的电压值；u ₁ 、u ₂ 、u ₃ 对应的时刻分别为t ₁ 、t ₂ 、t ₃ ，t ₂ =t ₁ +T，t ₃ =t ₂ +T，T为周期，α为阻尼系数； 

4）根据所述的阻尼系数，通过以下公式，求解出温度传感器中热敏电阻的阻值，进而根据阻值分析求得待测物体的温度； 

若温度传感器采用串联式谐振电路，则： 

若温度传感器采用并联式谐振电路，则： 

其中：R为温度传感器中热敏电阻的阻值，C为温度传感器中谐振电容的电容值，L为温度传感器中谐振电感的电感值。 

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