【摘 要】针对风电运维中温度传感器测试智能化水平低的问题，本文设计了一种智能风电温度传感器测试装置，通过原理分析、样机开发、实验测试的方法进行了研究。测试结果表明，该测试装置不仅可以提高温度传感器的检修效率和智能化水平，而且具有测试简单、易于携带、精度高、功耗低等特点。
【关键词】PT100 温度传感器 Arduino 设备检修 高效检修
引言
温度信号是风电机组预警和故障报警的重要信号，风电机组中为了检测各个系统和部件的工作温度，在风机内部安装了数十个温度传感器[1,2]。由于风电机组工况比较恶劣，设备上安装的温度传感器受到电冲击或者机械载荷可能导致失效或精度降低，进而影响机组主控对温度信号的监测。现场在检修和运维过程中对于温度传感器的检修没有便捷的工具和方法，通常是直接测量阻值或者直接更换，该方法对检修人员经验依赖性强且容易造成传感器状态误判与浪费，因此有必要设计一款可视化、智能化的温度传感器测试装置。
本文设计了一款智能温度传感器测试设备，该设备可以快速检测并显示出温度传感器的状态，该装置应用于风电场可以提高温度传感器现场运维的可视化和智能化水平。本文设计的风电温度传感器测试装置采用ArduinoUNO为主控制器，外接温湿度传感器、显示屏、SD卡等外围设备及传感器，并设计了具有高精度、低功耗及低温漂的采集电路用于测量PT100温度传感器。
1. PT100温度传感器
风电机组中常用的温度传感器为PT100型温度传感器，该传感器由感温材料铂、引线及保护管构成，具有测量准确度、性能稳定、测温范围广、抗振动冲击的性能。其温度可测范围为-200℃~+650℃，相应的阻值变化范围为15Ω~335Ω，PT100阻值与温度的函数关系如下[3,4]：
式中：
图片为PT100在t℃时的电阻值；
图片为PT100在0℃时电阻值；
A、B、C为常数，当温度系数为0.0003851时，A为图片，B为图片，C为图片。
由于B、C参数很小，可以近似认为阻值与温度函数关系简化如下：
根据简化后的函数关系式，测试得到PT100两端的电阻值后,即可计算得到其对应的温度。
PT100数据手册中要求测试电流为0.3mA~1mA，实际测试时超出该范围测量电流将导致PT100温度升高，导致测量到的PT100电阻与实际阻值存在偏差。因此设计PT100测试电路时，应确保PT100测试电流在0.3mA~1mA。
2. Arduino UNO主控板及功能设计
2.1 Arduino UNO板卡
Arduino是近几年来快速流行起来的一种控制器，它是一个以AVR芯片为核心的硬件平台，开发环境为ArduinoIDE。Arduino具有便捷灵活、方便开发者上手使用的开源电子原型平台[5]。
ArduinoUNO板卡核心器件为ATmega328，板卡具有14路数字输入/输出接口、6路模拟量采集接口、一个16MHz晶体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP接口和一个复位按钮，其结构如图1所示。
图1：ArduinoUno 控制器结构图
Arduino UNO输出管脚提供IIC、USART等多种通信接口，便于外接传感器及功能的扩展。
2.2 温度传感器测试装置功能设计
根据风电场实际应用场景及测试需求，考虑PT100温度传感器测试装置应具有以下功能：
1）测试设备可以实现PT100测试及结果的显示；
2）测试设备有两种测试模式，一是可以实现两路PT100的结果进行比较，该功能便于安装在设备内部，不方便拆卸的PT100温度传感器功能测试，二是可以实现一路PT100在空气中的结果测量，该功能便于测试放置在空气中的PT100温度传感器功能测试。
设计PT100温度传感器测试装置功能图如图2所示，测试装置功能图包括Arduino控制器、空气温湿度传感器、AD采集电路、显示屏、电源模块、电源监测电路6个部分。ArduinoUNO为测试装置的核心控制单元，用于计算采集到的信号及其状态判断；空气温湿度传感器用于测量空气的温湿度参数，为PT100的状态判断提供参数依据，选取DHT11温湿度传感器，该传感器具有精度高、稳定性好的有点，且其通信方式为IIC总线，与控制器通信方便；显示屏用于显示PT100测量结果及状态判断结果，选取的LCD显示器具有功耗低优点，其通信方式也为IIC接口，与温湿度传感器接口一致，程序设计和调试方便；电源模块采用标准9V锂电池，用于测试装置提供工作需要的能量，并通过DC-DC芯片转换为可供AD采集电路及Arduino工作的5V电压；电源监测电路用于监测电源模块的电压，当电压低于设定值时，通过电量指示灯提醒用户更换电池；AD采集电路用于采集PT100两端的电阻，考虑PT100的特性，AD采集电路应具有测试电流小、准确度高等特点。
图2：风电温度传感器测试装置功能框图
2.3 采集电路设计与选型
测温电路的硬件设计包括基准电压产生电路、测量电路、放大采集电路组成，测温电路原理图如图3所示。
基准电压产生电路由R1和Rref组成，Rref为参考电阻，可以根据实际应用场合温度的范围进行选取，实际电路中基准电压产生电路应选用高精电阻，以确保基准电压的准确性[6]；测量电路由R2和Rpt组成，Rpt为PT100电阻；放大电路核心芯片为AD623，该芯片具有高精度、低温漂、线性度好等优点，且测温电路中基准电压产生电路与放大采集电路采用隔离的电压，输入信号对测量的干扰，AD放大后的信号直接接入控制器的模拟量采集接口。
图3：采集电路原理图
记AD623放大倍数为A，参考电压为VR，图3采集电路放大电路输出电压与Rpt电阻的计算关系如下：
因此，控制器可以利用采集到的AD623输出电压信号，计算得到PT100对应的阻值。
3.系统软件设计
系统软件包括系统初始化程序、电源电压采集、电压判断、温度采集、测试模式判断及状态显示灯模块，系统详细的执行流程如图4所示。被测PT100电阻接线完成后，打开测试装置电源，系统进行初始化，采集电压、电阻、温度、测量模式等参数，并根据采集到的参数进行状态判断和结果显示，上电5s内即可完成测试与显示。
系统程序在ArduinoIDE中进行开发和调试，Arduino语言是建立在C/C++语言基础上的，且IDE中提供部分参考案例，便于开发者入门[5]。
图4：系统执行流程图
4.样机测试
对上述电路进行集成设计，绘制安装盒及结构件图纸并采用3D打印机进行打印，安装完成后的PT100温度传感器测试装置原理样机如图5所示。安装完成后，样机尺寸小于9cm*9cm*3cm，重量小于200g，小巧便于携带。
图5：PT100温度传感器测试装置原理样机
采用原理样机对两路PT100在相同环境下进行测量，上电前采用万用表测得两个PT100阻值分别为110.3Ω和110.0Ω，上电后测试装置测量结果如图6所示，两个PT100阻值分别为109.95Ω和109.69Ω。PT100在测量装置上带电测量5min后，测试得到的温度变化不超过0.1℃。
图6：两路PT100测试结果
5.结论
本文设计了一款风电PT100温度传感器测试装置，并对装置的软硬件进行设计，形成了原理样机。具有测试方便、便于携带、功耗低、准确度高、PT100在测量电路中温升小等特点。该设备应用于风场运行检修检测中，可以通过将两个被测温度传感器或与本装置内置温度传感器对比，快速检测被测传感器的异常及故障，降低运维人员判断传感器故障的难度，提升故障诊断效率，提升诊断水平降低传感器备件消耗以及机组消缺停机时间，提高检修可视化、提高效率、提高测试准确度。此外，该装置采用的技术也可在风电场其他产品和信号的测量中进行应用和推广。
参考文献：
[1]霍娟等，基于温度信号的风电机组发电机实时可靠性监测新方法[J]可再生能源，2016.34(03): 第408-412页.
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[3] 杨世铭，传热学[M]2006，北京：高等教育出版社.
[4] 谭长森，基于PT100型铂热电阻的测温装置设计[J]工矿自动化，2012.38(03): 第89-91页.
[5] 陈吕洲，ARDUINO程序设计基础[M] 第2版 2015，北京：北京航空航天大学出版社.
[6]赛尔吉欧·佛朗哥，基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M] 第3版.2009，西安：西安交通大学出版社
