一种高压绝缘型远距离测温系统

邢旺，唐文俊，李维波

1海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉430033 2海军驻广州广船国际股份有限公司军事代表室，广东广州510382

一种高压绝缘型远距离测温系统

邢旺1，唐文俊2，李维波1

1海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉430033 2海军驻广州广船国际股份有限公司军事代表室，广东广州510382

鉴于晶闸管充当脉冲功率开关时极易造成热量累积和温度陡升，因而快速、可靠和准确地获取脉冲功率开关组件的温度并实现过温报警，对于开关组件的安全运行至关重要。介绍集成温度传感器AD590的工作原理，采用绝缘型结构，将ARM微处理器作为嵌入式网络系统的核心，通过硬件与软件两方面的设计，利用AD590实现了对脉冲功率开关阀体温度的远距离在线监测与实时数据上传，可确保脉冲功率开关健康运行。

晶闸管；脉冲功率；传感器；嵌入式系统；ARM

0 引 言

现阶段，由于晶闸管具有高电压（耐压要求超过20 kV）、大电流的特点，已被广泛应用于许多新概念舰载武器装置（如轨道炮、电磁发射器）中。当使用以晶闸管作为脉冲功率开关的主要开关器件时，流过晶闸管的电流通常是其通态平均电流的数倍，短时积聚的功率损耗会使晶闸管结区累积大量热量，造成其结温升高。当温度超过其管芯所能承受的最高温度时，不但会使晶闸管的特性改变，严重时，还会使管芯融化而造成器件的永久失效。所以，在高压大电流环境下，如何快速、可靠和准确地获取脉冲功率开关组件的温度并实现过温报警，对于开关组件的安全运行至关重要［1-2］。

目前文献中的温度传感器大多采用PT100，其对于电磁干扰小、绝缘要求不高且传输距离不远（如数米）的使用场合较合适。但研究与试验表明，PT100不太适合测试工作于数千伏特且传输距离超过50 m的晶闸管脉冲功率开关组件的温度。为此，本文将采用集成温度传感器AD590，利用ARM微处理器作为嵌入式网络系统的核心［3-4］，通过硬件与软件两方面的设计，实现对脉冲功率开关阀体温度的实时监测。同时，该系统还可完成过温报警，并结合比较电路实现过温报警的双冗余结构，不仅能提高报警装置的可靠性，还可确保脉冲功率开关的健康运行，为脉冲功率开关阀体温度检测装置的设计提供依据。

1 温度检测系统介绍

温度检测系统原理框图如图1所示。

图1 温度检测系统原理框图Fig.1 Temperature test system

温度传感器用于检测脉冲功率开关阀体组件的温度，并将检测信号传给处理电路，处理电路经滤波、信号转化、放大等操作后再将所得信号分别传送给温度比较电路和以ARM微处理器为核心的温度状态监测单元。比较电路根据报警温度的要求预先设定参考值，当温度检测信号高于该参考值时，产生温度报警信号并传送给上位机执行必要的操作。温度状态监测单元负责采集连续变化的温度模拟量信号，并将数据发送至上位机，用以反映脉冲功率开关阀体的实时温度；同时，当温度超过报警温度时，也可实现过温报警，与温度比较电路组成温度报警的双冗余结构。

2 温度检测装置设计

2.1 温度传感器选型

AD590属电流源型集成温度传感器，其内部包括温度传感器与集成电路，极大地提高了传感器的性能，与传统的热电阻、热电偶等温度传感器相比，其具有复现性好、线性度好、体积小、热容量小、稳定性好、信噪比高、波形质量好等优点，因此，选用AD590作为脉冲功率开关的温度检测传感器。AD590封装结构如图2所示。图2（b）中，1脚接电源正极，2脚为电流输出脚，3脚为封装外壳，一般不使用。

图2 AD590的结构示意图Fig.2 Structure of the temperature sensor AD590

集成温度传感器按输出形式可分为电压输出型与电流输出型，AD590是典型的电流输出型温度传感器，其主要性能参数如下：

1）输出电流与温度的关系为1 μA/K；

2）测温范围为-55～150℃；

3）供电电源范围为4～30 V；

4）输出电阻 710 MΩ［5］。

2.2 检测组件设计

本文所设计的脉冲功率开关结构如图3所示，其中，测试点A与测试点B分别安装有一个测温组件。当脉冲功率开关工作时，晶闸管内部管芯由于功率损耗所产生的热量会向U型电极与中间电极传导，在测试点A与测试点B分别安装温度检测组件，其温度检测结果近似等于晶闸管管壳的温度。

图3 脉冲功率开关组件结构Fig.3 Structure of the pulse power switching device

由于晶闸管脉冲功率开关组件工作于高电压、强电磁干扰的场合，且距离监控中心数十米远，由此便对温度测试系统的绝缘与抗干扰能力提出了较高要求，即必须采取特殊的高压隔离措施，为此，特设计了如图4所示的绝缘结构。其中图4（a）为温度传感头绝缘结构的示意图，图4（b）为该绝缘型传感器实物图。

图4 温度检测组件结构与实物图Fig.4 Structure and photos of the temperature test device

温度传感器装于耐高压的绝缘护套内，底部为导热性能良好的陶瓷片。AD590焊接在电路板上，其1脚和2脚通过引线1和引线2与远端处理电路相连，用以实现远距离测温，其中，引脚1连接供电电源，引脚2为温度信号输入。护套内部灌注电气密封胶以固定测温装置内部组件，整个装置通过螺钉固定于导电极上［6］。由此可见，该装置将电流源型集成温度传感器固封于绝缘套中，既解决了远距离传输的抗干扰问题，又能够适应高电压环境。

2.3 温度信号处理电路设计

温度信号经引线首先传递到放大电路，图5为温度信号放大电路原理图。

图5 温度信号放大电路原理图Fig.5 Schematic diagram of the amplifier circuit for the temperature signal

设检测温度为T，AD590的输出电流首先经RC滤波，然后流过R1，可将电流信号转换为电压信号（单位V），因其输出电流与温度的关系为1 μA/K，故有

式中，T的单位为℃。A1为电压跟随器，则A1输出端电压V1与VT的关系为

稳压二极管D1两端的电压为5 V，通过变阻器R3将电压跟随器A2的输出电压V2设置为2.732V，V1与V2通过差分放大器A3，有

经差分放大电路处理后，将绝对温度与电压的关系转换为摄氏温度与电压的关系。V3作为比较电路的输入，同时也作为模拟信号上传到温度采集与处理电路。

2.4 比较电路设计

比较电路用于过温报警，当温度高于设定参考值时，产生报警信号，并由控制设备做出相应的操作。比较电路原理图如图6所示。

图6 比较电路原理图Fig.6 Schematic diagram of the comparison circuit

图中，比较器C的两输入端分别为放大电路输出端V3与参考电压VREF。当V3＞VREF时，比较器输出端电压V4为低电平，光耦隔离芯片中的发光二极管不发光，输出端V5为高电平；当V3＜VREF时，比较器输出端电压V4为高电平，光耦隔离芯片中的发光二极管发光导通，输出端V5为低电平。V5可作为光纤发送头的输入端，通过光纤传送至远端控制设备，控制设备可根据光纤接收头电平信号判断是否过温，并做出相应的操作。本文所用晶闸管脉冲功率开关在晶闸管壳温超过70℃时报警，当温度为70℃时，根据式（3）可得

稳压二极管D2两端的电压为2.4 V，利用变阻器可将参考电压VREF设置为0.7 V，当温度超过70℃时，V3将大于VREF，实现温度报警。

2.5 温度状态监测设计

在实际工作中，除温度报警信号外，往往还需要获取脉冲功率开关的实时温度以确保开关阀体组件能够健康运行，故需要将处理电路输出信号V3通过网络上传至状态监测单元。温度状态监测单元如图7所示。

图7 温度状态监测单元结构图Fig.7 Structure diagram of the temperature data monitoring unit

温度状态监测单元利用嵌入式技术，主要由温度信号采集与处理板、交换机以及上位机组成。其中，温度信号采集与处理板的主要器件为ARM微处理器，并基于该芯片完成了嵌入式网络系统的设计。本文选用的ARM微处理器型号为LM3S9B92，其内部集成有一个10位的ADC模块，支持16个输入通道，ADC模块包含4个可编程的序列发生器，无需控制器干预即可自动完成对多个模拟输入源的采样。每个采样序列发生器都可灵活配置输入源、触发事件及中断的产生等内容［7］。温度状态数据采集流程图如图8所示。

图8 温度状态数据采集流程图Fig.8 Process flow diagram of the temperature data acquisition

温度状态数据采集通过ADC实现，温度信号为连续变化的模拟电压信号，通过ADC模块，可将连续变化的模拟信号转换成离散的数字量。利用定时器来实现每隔1 s上传一次状态数据。当系统初始化后，初始化ADC模块和定时器模块，并通过网络上传至上位机。

3 实验研究

利用所设计的温度检测系统进行现场调试，温度信号采集与处理板按照预先设定的采集流程进行温度信号的采集，并将数据传送至上位机，利用网络调试助手，通过设置协议类型、IP地址和端口号进行网络连接。现场调试结果如图9所示［8］。

图9 现场调试结果Fig.9 The debugging results

由调试结果可知，所设计的温度检测系统能够实现温度信号的采集与上传，系统运行正常。为检验所设计的晶闸管脉冲功率开关温度检测装置的工作性能，开展了脉冲功率开关的循环通流试验，其试验条件为：

1）初始温度为32.9℃，通流12 kA，开通持续时间2 s，循环间隔22 s，导电极不通冷却水；

2）初始温度为40℃，通流12 kA，开通持续时间3 s，循环间隔22 s，导电极中水流量为2 L/min。

通过温度检测系统测量并上传晶闸管的管壳温度（即图3中测试点B），试验结果如图10所示。

图10 工作时间与阀体温度曲线图Fig.10 Curves of time vs.case temperature

分析图10所示的测试曲线可知：

1）开关组件阀体的温度随工作时间增加而增加；

2）导电极采用水冷方式时通电时间为3 s，所产生的热量比通电时间为2 s时多，但导电极采用水冷方式时温度曲线的斜率是随时间的推移逐渐减小，且220 s后小于不采用水冷方式导电极的温升曲线斜率。由此可见，导电极采用水冷方式可降低壳温温升的变化率，能够使组件更快地散热，有效增加组件散热能力；

3）开关组件在试验条件1）下，可循环导通22次，连续工作440 s，此时壳温为65℃，不会损坏器件［9-10］。

当脉冲功率开关组件中晶闸管的壳温超过70℃时，温度报警装置中表示过温的二极管会发光。图11为温度报警装置图，其中，控制三相交变电流中B相电流通断的脉冲功率开关两晶闸管的壳温超过了70℃，且对应的二极管发光了，实现了过温报警。

图11 温度报警装置图Fig.11 Photo of the designed thermal alarm device

4 结 语

针对晶闸管脉冲功率开关应用的高压强磁场合，设计了基于温度传感器AD590的温度信号处理电路，并用ARM微处理器作为核心，设计了一种能够实时采集并上传脉冲功率开关温度状态的嵌入式网络系统。分析实验表明：可以通过温度报警装置实现脉冲功率开关的过温报警，能够利用温度状态监测单元实现温度状态数据的采集与上传；可利用温度状态数据预测脉冲功率开关的温度；能验证比较电路产生的过温报警信号的准确性，实现温度报警的双冗余结构，为脉冲功率开关温度检测系统的设计提供了依据，能够确保阀体安全、可靠运行。同时，该装置也可用于其他舰船舱室的高压强磁场环境中，具有一定的推广价值。

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A Long Distance Temperature Measurement System with High Voltage Insulation

XING Wang1，TANG Wenjun2，LI Weibo1

1 National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Naval Military Representative Office in Guangzhou Shipyard International Co.Ltd，Guangzhou 510382，China

When the thyristor acts as a pulse power switch，the power loss can easily accumulate heat for the junction region of the thyristor in a short time，and the temperature of the junction may rise instantly and significantly，which poses certain risks on the safe operation of the device.Therefore，a quick and precise acquisition of the temperature of the pulse power switch is of vital importance，and an alarm needs to be automatically triggered when the temperature is over the security limit.In this paper，a temperature sensor，AD590，is used to collect the temperature signal，and an embedded system based on ARM is used to monitor and upload the temperature state of the pulse power switch in real time.Finally，the validity of the designed system is verified with both theoretic analysis and experimental results.

thyristor；pulse power；sensor；embedded system；ARM

U665.2

A

1673－3185（2014）02－106－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.019

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.019.html

期刊网址：www.ship-research.com

2013－07－04 网络出版时间：2014-3-31 16:33

国家自然科学基金资助项目（51077129）；国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2013CB035601）

邢旺（1988－），男，硕士生。研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：xwdog＠sina.com

李维波（1973－），男，博士，副教授。研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：hustlwb＠163.com

李维波

［责任编辑：喻 菁］