专利名称：一种高电位温度实时检测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种温度检测装置及其方法，尤其是涉及一种应用于高压晶闸管阀温 度检测基于光电隔离的高电位温度实时检测装置及其方法，该装置及其方法还可应用于其 他功率半导体温度检测及其相关高电位温度检测领域。
背景技术：
在静态无功补偿系统及输配电系统中，晶闸管是非常重要的组成部分。工作时晶 闸管频繁地承受大电流的冲击，如果散热条件不好，可导致晶间管上的温度过高，这样将直 接降低晶闸管的载流能力，损耗晶闸管的使用寿命，甚至烧毁晶闸管；同时晶闸管的价格昂 贵，因此对运行中的处于高电位晶闸管的温度实时监测是十分必要的。在现有技术当中主 要有以下几种温度检测方式
文献1为公开号为CN2396386，1999年11月25日申请，2000年9月13日公布的高压 及超高压开关触头温度检测装置中国实用新型专利所描述的温度检测装置由自供电装置、 数字测温和红外通讯单元组成。自供电装置是从汇流条耦合出的能量供给测量端。采用集 成数字化测温元件。并采用红外通讯与主控机实现数据传输。通过红外通讯实现了高低压 隔离，但红外通讯有距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断等缺点，不适合高压 晶闸管阀温度的检测。文献2为公开号为C拟833M0，2005年10月观日申请，2006年11月1日公布的高 压电气设备的温度检测器中国实用新型专利所描述的温度检测装置由以单片机为核心的 触发唤醒及温度测试电路、红外通信电路和供电电池组成。其触发唤醒电路单元由单片机、 联接在该单片机的DTIl端的反相器及阻容偶合振荡电路组成；其温度测试电路单元由单 片机、联接在该单片机的ADC7端的热敏电阻、采样电阻和三个测试档位转换电阻组成；其 红外通信电路由单片机、联接在该单片机的XCK端的红外接收器和联接在该单片机的ADCO 端的红外发射管组成。它是一种基于红外传输的接触式的高压电气设备温度检测器。由于 采用红外通讯的方式隔离高压，不足之处与文献1相同；同时采用电池的供电方式带来了 后续维护的不便。文献3为公开号为CN201016816，2007年3月22日申请，2008年2月6日公布的 温度检测装置中国实用新型专利公开了一种由控制芯片和温度检测电路组成的温度检测 装置。主要由控制芯片、三态门电路和温度检测电路组成，温度检测电路所采集的温度信号 经三态门电路信号放大后传送给控制芯片，经控制芯片处理后，得到当前的环境温度。该专 利的检测方法虽然能够实时监测温度，但由于没有采取高低电位隔离措施，只能检测环境 温度，对于带高电位的检测点却无能为力。因此，对于无功补偿或者直流输电系统中的晶闸 管温度检测成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、测量精度高、可靠性强、传输距离长、成本低，能够有效隔离高电位对温度测量的影响的高压温度检测装置及其方法，该装置和方法主要 用于高压晶闸管�？榧吧⑷绕鞯奈露燃觳�。本发明具体提供了一种高电位温度实时检测装置的实施方式，一种高电位温度实 时检测装置包括温度信号检测单元、信号转换单元、解码输出单元，温度信号检测单元与 信号转换单元相连，信号转换单元与解码输出单元相连，温度信号检测单元将监测点的温 度值转换为电阻信号，并送给信号转换单元，信号转换单元将对应的电阻信号转换为频率 信号，即高低电平信号，并通过光电隔离通信方式将高低电平信号传送给解码输出单元，解 码输出单元经过计算，将频率信号转换成二进制数字信号，通过通信单元传送给监视系统， 完成温度的实时监测。通过采用光电隔离的传输方式，能够有效避免高电位对温度检测的 影响。通过通信单元将检测到的温度信息传送给监视系统显示，能够实时监测温度变化，可 实现任意温度值的保护。作为本发明高电位温度实时检测装置进一步的实施方式，信号转换单元将温度信 号检测单元生成的电阻信号转换为光信号输出，信号转换单元通过光纤将频率信号传送给 解码输出单元。通过光纤传送编码信号，不易受到电磁干扰，同时使得传输距离进一步延 长。作为本发明高电位温度实时检测装置进一步的实施方式，温度信号检测单元包括 钼电阻温度传感器，钼电阻温度传感器通过螺纹埋入所需测量的监测点，钼电阻温度传感 器为不平衡电桥电路中的一个桥臂电阻，钼电阻温度传感器的一根导线接到不平衡电桥电 路的电源端，其余两根导线分别接到钼电阻温度传感器所在的桥臂以及与其相邻的桥臂 上。使用钼电阻温度传感器，大大提高了温度测量的精度。将钼电阻温度传感器通过螺纹 埋入所需测量的监测点的测量方式，能够实时传感来自监测点的真实温度，同时大大提高 温度检测的精度。钼电阻温度传感器的三线制接线方式，可有效的减少引线电阻带来的测 量误差。作为本发明高电位温度实时检测装置进一步的实施方式，钼电阻温度传感器引出 的三根导线截面积和长度均相同。可进一步有效减少三线制接线方式中弓丨线电阻带来的测
量误差。作为本发明高电位温度实时检测装置进一步的实施方式，信号转换单元包括高压 侧取能电路，信号转换单元从高压侧取能电路取能，为信号转换单元电路工作提供电能。高 压侧取能电路进一步包括晶间管，动态均压电阻，动态均压电容，限幅电路，二极管和电容， 动态均压电阻，动态均压电容与限幅电路组成串联电路，同时并联在晶闸管的两端，二极管 V2并联在限幅电路的两端，二极管Vl与电容C2组成串联电路，同时并联在限幅电路的两 端，当晶闸管承受正向电压时，向动态均压电容和电容C2充电，当电容C2的端电压超过设 定值时，限幅电路动作，二极管V2截止，电容C2停止充电，电容C2的端电压保持为限幅值。 通过增加高压侧取能电路，信号转换单元可直接从高点位侧取能电路取能，不需要外部单 独供电，节省了供电装置，降低了系统的复杂性。作为本发明高电位温度实时检测装置进一步的实施方式，信号转换单元包括运算 放大器、ν/F转换�？楹凸庀朔⑺突芈罚怂惴糯笃髁硬黄胶獾缜诺缏返牡缪故涑龆耍� 平衡电桥电路将钼电阻温度传感器的电阻信号转换为电压信号，并由运算放大器进行放大 得到所需范围的电压信号，放大的电压信号经过V/F转换模块进行压频转换，得到相对应于电压信号的频率信号，再经过三极管、光纤发送器、电阻构成的光纤发送回路，得到所需 的光脉冲信号。作为本发明高电位温度实时检测装置进一步的实施方式，解码输出单元包括光纤 接收器、处理器和通信单元，信号转换单元输出的光脉冲信号经过光纤接收器转换为电脉 冲信号，处理器接收到电脉冲信号后，首先做数字滤波处理，滤除高频信号干扰，处理器在 单位时间内对经过处理的电脉冲信号进行累加计数，通过计数得到输入信号的频率，并转 换为二进制数字信号通过通信单元送给监视器进行显示。本发明还具体提供了一种高电位温度实时检测方法的实施方式，一种高电位温度 实时检测的方法，包括以下步骤
将钼电阻温度传感器通过螺纹埋入所需测量的监测点，将所述的钼电阻温度传感器设 置为不平衡电桥电路中的一个桥臂电阻；
温度信号检测单元将监测点的温度值转换为电阻信号，并传送给信号转换单元； 信号转换单元将对应的电阻信号转换为频率信号，即高低电平信号，再将高低电平信 号转换为光信号输出，并传送给解码输出单元；
解码输出单元接收光信号转换为电脉冲信号，经过计算将频率信号转换成二进制数字 信号，通过通信单元传送给监视系统，完成对温度的实时监测。作为本发明高电位温度实时检测方法进一步的实施方式，还进一步包括以下步 骤
信号转换单元输出的光脉冲信号经过光纤接收器转换为电脉冲信号，并送给处理器处
理；
处理器接收到电脉冲信号后，首先做数字滤波处理，滤除高频信号干扰，后送给计数 器，在单位时间内累加计数；
计数器通过计数得到的数值除以单位时间，得到输入信号的频率f ； 根据频率f与温度T计算得出该电脉冲信号所代表的温度值，并通过串行通讯方式传 送给监视系统进行实时监测显示。通过实施本发明一种高电位温度实时检测装置及其方法的具体实施方式
，能够达 到以下技术效果
(1)能够有效避免高电位对温度检测的影响，尤其是当采用光电隔离方式时，通过光纤 传送编码信号，不易受到电磁干扰，传输距离进一步延长；
(2)通过通信单元将检测到的温度信息传送给监视系统显示，能够实时监测温度变化， 配合软件可实现任意温度值的保护；
(3)不需要外部单独供电，可从高点位侧RC回路直接取能，节省了供电装置，降低了系 统的复杂性；
(4)温度传感器采用三线制接线方式，能有效地减少引线带来的误差；
(5)采用钼电阻测量温度，相比较热敏电阻等，具有良好的长期稳定性，测量精度好，整 体测量误差不超过士 0.5°C。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明一种高电位温度实时检测装置的结构原理框图2是本发明一种高电位温度实时检测装置温度检测单元传感器的结构示意图； 图3是本发明一种高电位温度实时检测装置温度检测单元传感器的三线制接线图； 图4是本发明一种高电位温度实时检测装置温度检测单元传感器的三线制接线原理
图5是本发明一种高电位温度实时检测装置信号转换单元温度检测板取能电路原理
图6是本发明一种高电位温度实时检测装置信号转换单元温度检测板的电路原理图； 图7是本发明一种高电位温度实时检测装置解码输出单元的软件程序流程图。其中1-温度信号检测单元，2-信号转换单元，3-解码输出单元，4-不平衡电桥电 路，5-运算放大器，6-V/F转换�？椋�7-光纤发送回路，Rf-钼电阻温度传感器。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。作为本发明一种高电位温度实时检测装置的具体实施方式
，本发明中的温度传感 器安装在晶闸管�？楦浇⒂胛露刃藕偶觳獾ピ�1的温度检测板相连，当晶闸管阀带电 的情况下，高压温度检测板即可从高压侧取能电路取能工作，通过光纤传送脉冲序列送给 解码输出单元3读�。饴牒螅伤透嗍酉低常锏绞凳奔嗖馕露鹊哪康�。如图1 一种高电位温度实时检测装置的结构原理框图所示，一种高电位温度实时 检测装置，包括温度信号检测单元1、信号转换单元2、解码输出单元3，温度信号检测单元1 与信号转换单元2相连，信号转换单元2与解码输出单元3相连，温度信号检测单元1将监 测点的温度值转换为电阻信号，并送给信号转换单元2，信号转换单元2将对应的电阻信号 转换为频率信号，即高低电平信号，并通过光电隔离通信方式将高低电平信号传送给解码 输出单元3，解码输出单元3经过计算，将频率信号转换成二进制数字信号，通过通信单元 传送给监视系统，完成温度的实时监测。除了光电隔离通信方式，红外通信，无线通信，以及 蓝牙通信方式也可以实现高电位隔离温度检测，但是在传输距离上有所限制。其中，各单元功能如下
温度信号检测单元1的功能是检测测量点的温度，由钼电阻温度传感器Rf完成。钼 电阻温度传感器Rf输出相对应于温度的电阻阻值，提供给信号检测单元1，信号检测单元1 的结构框图如图3所示。钼电阻温度传感器Rf通过螺纹埋入所需测量的监测点，并采用如 图3所示的三线制接线方式，可有效的减少引线电阻带来的测量误差。三线制接线方式原 理如下前提要求是钼电阻温度传感器引出的三根导线截面积和长度均相同；在测量钼电 阻温度传感器Rf的不平衡电桥电路4中，钼电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接
7到电桥的电源端，其余两根分别接到钼电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，如图4所示， Rt表示钼电阻的真实值，r表示引线电阻；当桥路平衡时，通过计算可知，Rt=RlR3/R2+Rlr/ R2-r,当R1=R2时，Rt=R3。可见引线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了 导线线路电阻带来的测量误差。信号转换单元2的功能主要是将温度信号检测单元1生成的电阻信号转换为光信 号输出，主要由温度检测板完成。温度检测板从高压侧电路取能，高压侧取能电路为信号转 换单元2提供工作电源，如图5虚线框内所示。Tl为晶闸管，RUCl为动态均压电阻电容， 当晶闸管Tl承受正向电压时，向电容Cl、C2充电，当电容C2的端电压超过DC50V时，限幅 电路XF动作，V2 二极管截止，C2停止充电，其端电压保持为限幅值，存储的能量供电路工作 所需。图6 (a)部分利用不平衡电桥的原理，将电阻信号转换为电压信号。钼电阻Rt作为 一个桥臂电阻，与Rl、R2、R3构成不平衡电桥，钼电阻Rt的阻值发生变化后，电桥中间m、η 两点之间的电压差也随之发生变化，即实现电阻信号转换为电压信号。图6 (b)部分所示 经过负反馈运算放大器放大一定倍数后，可得到所需范围的电压信号VI，Vl经过V/F转换 �？�6进行压频转换，得到相对应于电压信号的频率信号fl ； fl在经过三极管Q1、光纤发 送器TX、电阻Rl构成的光纤发送回路7，如图6 (c)部分所示，即得到所需的光脉冲信号。 采用光信号传输方式实现了高低压电位的隔离，且不容易受到外部电磁干扰。解码输出单元3的功能主要是将信号转换单元2生成的光信号，进行解码读�。� 转换为计算机可识别的二进制数字信号，并用传送给监视器显示，作为一种典型的实施方 式，采用485通信方式将数字信号传送给监视系统显示。解码输出单元3的解码读�。藕� 转换以及传送处理器完成，处理器采用数字处理芯片CPLD (Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)完成。采用CPLD进行处理，能够提高计算处理的速度，进一 步提高温度检测过程的实时性。光脉冲信号经过光纤接收器转换为电脉冲信号，送给CPLD 处理。CPLD接收到电脉冲信号后，首先做数字滤波处理，滤除高频信号即毛刺信号的干扰， 后送给计数器，在单位时间内累加计数，计数得到的数值除以单位时间，可得到该信号的频 率，即实现了电脉冲信号转换为二进制数字信号，根据信号转换单元的公式即可计算出该 电脉冲信号所代表的温度值，并将温度信息通过485通讯传送给监视器进行显示，达到实 时监测的目的。作为本发明高电位温度实时检测方法的一种具体实施方式
，如图7的程序处理流 程所示，一种高电位温度实时检测的方法，包括以下步骤
将钼电阻温度传感器Rf通过螺纹埋入所需测量的监测点，将所述的钼电阻温度传感 器Rf设置为不平衡电桥电路4中的一个桥臂电阻；
温度信号检测单元1将监测点的温度值转换为电阻信号，并传送给信号转换单元2; 信号转换单元2将对应的电阻信号转换为频率信号，即高低电平信号，再将高低电平 信号转换为光信号输出，并传送给解码输出单元3 ；解码输出单元3接收光信号转换为电脉 冲信号，经过计算将频率信号转换成二进制数字信号，通过通信单元传送给监视系统，完成 对温度的实时监测。作为本发明高电位温度实时检测方法进一步的实施方式，高电位温度实时检测方 法进一步包括以下步骤
信号转换单元2输出的光脉冲信号经过光纤接收器转换为电脉冲信号，并送给处理器处理；
处理器接收到电脉冲信号后，首先做数字滤波处理，滤除高频信号干扰，后送给计数 器，在单位时间内累加计数；计数器通过计数得到的数值除以单位时间，得到输入信号的频 率f ；根据频率f与温度T之间的换算关系计算得出该电脉冲信号所代表的温度值，频率f 与温度T之间的换算关系主要与运放放大器5和V/F转换�？橹芪У牡缱璧缛萦泄兀⑼� 过串行通讯方式传送给监视系统进行实时监测显示。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种高电位温度实时检测装置，其特征在于包括温度信号检测单元(1)、信号转换 单元(2)、解码输出单元(3)，温度信号检测单元(1)与信号转换单元(2)相连，信号转换单 元(2)与解码输出单元(3)相连，温度信号检测单元(1)将监测点的温度值转换为电阻信 号，并送给信号转换单元(2)，信号转换单元(2)将对应的电阻信号转换为频率信号，即高 低电平信号，并通过光电隔离通信方式将高低电平信号传送给解码输出单元(3)，解码输出 单元(3)经过计算，将频率信号转换成二进制数字信号，通过通信单元传送给监视系统，完 成温度的实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种高电位温度实时检测装置，其特征在于所述的信号转 换单元(2)将温度信号检测单元(1)生成的电阻信号转换为光信号输出，信号转换单元(2) 通过光纤将频率信号以高低电平信号的方式传送给解码输出单元(3 )。
3.根据权利要求1或2所述的一种高电位温度实时检测装置，其特征在于所述的温 度信号检测单元(1)包括钼电阻温度传感器(Rf)，钼电阻温度传感器(Rf)通过螺纹埋入所 需测量的监测点，钼电阻温度传感器(Rf)为不平衡电桥电路(4)中的一个桥臂电阻，钼电 阻温度传感器(Rf)的一根导线接到不平衡电桥电路(4)的电源端，其余两根导线分别接到 钼电阻温度传感器(Rf)所在的桥臂以及与其相邻的桥臂上。
4.根据权利要求3所述的一种高电位温度实时检测装置，其特征在于所述的钼电阻 温度传感器(Rf)引出的三根导线截面积和长度均相同，以减小引线电阻带来的误差。
5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种高电位温度实时检测装置，其特征 在于所述的信号转换单元(2)包括高压侧取能电路，信号转换单元(2)从高压侧取能电路 取能，为信号转换单元电路工作提供电能。
6.根据权利要求5所述的一种高电位温度实时检测装置，其特征在于所述的高压侧 取能电路包括晶闸管(Tl)，动态均压电阻(R1)，动态均压电容(Cl)，限幅电路(XF)，二极管 和电容，动态均压电阻(Rl )，动态均压电容(Cl)与限幅电路(XF)组成串联电路，同时并联 在晶闸管(Tl)的两端，二极管V2并联在限幅电路(XF)的两端，二极管Vl与电容C2组成串 联电路，同时并联在限幅电路(XF)的两端，当晶闸管(Tl)承受正向电压时，向动态均压电 容(Cl)和电容C2充电，当电容C2的端电压超过设定值时，限幅电路(XF)动作，二极管V2 截止，电容C2停止充电，电容C2的端电压保持为限幅值。
7.根据权利要求1、2、4、6中任一权利要求所述的一种高电位温度实时检测装置，其特 征在于所述的信号转换单元(2)包括运算放大器(5)、V/F转换�？�(6)和光纤发送回路 (7)，运算放大器连接不平衡电桥电路(4)的电压输出端，不平衡电桥电路(4)将钼电阻温 度传感器(Rf)的电阻信号转换为电压信号，并由运算放大器(5)进行放大得到所需范围的 电压信号，放大的电压信号经过V/F转换�？�(6)进行压频转换，得到相对应于电压信号的 频率信号，再经过三极管(Q1)、光纤发送器(TX)、电阻(Rl)构成的光纤发送回路(7)，得到 所需的光脉冲信号。
8.根据权利要求1、2、4、6中任一权利要求所述的一种高电位温度实时检测装置，其特 征在于所述的解码输出单元(3)包括光纤接收器、处理器和通信单元，信号转换单元(2) 输出的光脉冲信号经过光纤接收器转换为电脉冲信号，处理器接收到电脉冲信号后，首先 做数字滤波处理，滤除高频信号干扰，处理器在单位时间内对经过处理的电脉冲信号进行 累加计数，通过计数得到输入信号的频率，并转换为二进制数字信号通过通信单元送给监视器进行显示。
9.一种利用权利要求1所述的高电位温度实时检测装置进行高电位温度实时检测的 方法，其特征在于，包括以下步骤将钼电阻温度传感器(Rf)通过螺纹埋入所需测量的监测点，将所述的钼电阻温度传感 器(Rf)设置为不平衡电桥电路(4)中的一个桥臂电阻；温度信号检测单元(1)将监测点的温度值转换为电阻信号，并传送给信号转换单元(2)；信号转换单元(2)将对应的电阻信号转换为频率信号，即高低电平信号，再将高低电平 信号转换为光信号输出，并传送给解码输出单元(3)；解码输出单元(3)接收光信号转换为电脉冲信号，经过计算将频率信号转换成二进制 数字信号，通过通信单元传送给监视系统，完成对温度的实时监测。
10.根据权利要求9所述的一种高电位温度实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤信号转换单元(2)输出的光脉冲信号经过光纤接收器转换为电脉冲信号，并送给处理 器处理；处理器接收到电脉冲信号后，首先做数字滤波处理，滤除高频信号干扰，后送给计数 器，在单位时间内累加计数；计数器通过计数得到的数值除以单位时间，得到输入信号的频率f ； 根据频率f与温度T计算得出该电脉冲信号所代表的温度值，并通过串行通讯方式传 送给监视系统进行实时监测显示。
全文摘要
本发明公开了一种高电位温度实时检测装置及其方法，主要用于高压晶闸管�？榧吧⑷绕鞯奈露燃觳猓ㄎ露刃藕偶觳獾ピ�、信号转换单元、解码输出单元，温度信号检测单元与信号转换单元相连，信号转换单元与解码输出单元相连，温度信号检测单元将监测点的温度值转换为电阻信号传送给信号转换单元，信号转换单元将对应的电阻信号转换为频率信号，并通过光电隔离通信方式传送给解码输出单元，解码输出单元经过计算，将频率信号转换成数字信号，通过通信单元传送给监视系统，完成温度的实时监测。通过实施本发明所描述的技术方案，在隔离高电位对温度测量影响的同时，使温度实时检测结构简化，可靠性提高，精度增加，传输距离增长，成本下降。
文档编号G01K7/20GK102116681SQ20111004354
公开日2011年7月6日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者刘华东, 刘永丽, 吕顺凯, 唐建宇, 张定华, 李保国, 杨磊, 王卫安, 王桂华, 胡晓东, 谭胜武, 邓建华, 邱岳烽, 黄燕艳 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司
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