電源和時鐘電路 - 輸電線路局部氣象監(jiān)測的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

　　VC33的電源電路采用TI公司的雙電源應(yīng)用芯片TPS767D318。其外圍I/O工作電壓DVDD為3.3 V，而其核心的工作電壓CVDD為1.8 V。電源電路如圖2所示。

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　　除了在正常運(yùn)行時工作電壓要穩(wěn)定外，VC33還要求上電過程中保證CVDD端電壓不能超過DVDD端電壓0.6 V，采用肖特基限位整流器DL5817來提供此安全保證。二極管D1和D2起到鉗位CVDD、DVDD兩個工作電壓的作用。在TPS767D318的電壓輸出端均接有較大容量的電容，用于處理電壓輸出起始階段非常大的暫態(tài)電流，以免燒壞VC33。VC33強(qiáng)化了時鐘配置功能，可提供多種時鐘工作方式。設(shè)計(jì)中用外部有源時鐘、內(nèi)部時鐘電路不啟振、內(nèi)部倍頻系數(shù)為1的時鐘工作方式。

　　2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　系統(tǒng)應(yīng)該監(jiān)測的基本參數(shù)包括：環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)。除了風(fēng)向外，其余都是模擬量。為了把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為能被VC33處理的離散的數(shù)字量，必須設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路。

　　ADI公司的AD7874為自帶采樣/保持、4通道同時采樣、高精度的12位數(shù)據(jù)采集A/D芯片，適合水源熱泵工質(zhì)某點(diǎn)的溫度和壓力的同相位采集。其輸入信號范圍為±10 V，單通道采樣頻率可達(dá)29 kHz。AD7874輸入通道的多路復(fù)用通過選用Phillips公司的16選1多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)HEF4067來實(shí)現(xiàn)。由于水源熱泵節(jié)能最優(yōu)控制為動態(tài)實(shí)時測控，且水源熱泵熱工動態(tài)過程相對緩慢的特點(diǎn)，對各個模擬量采集頻率設(shè)定為24 Hz，即每秒24個點(diǎn)。

　　2.4.1 大氣壓力測量

　　大氣壓力測量泵的工質(zhì)壓力、水壓力到電壓信號的轉(zhuǎn)換由Siemens公司的QBE620-P16壓力變送器實(shí)現(xiàn)。QBE620-P16既適用于氣體，也適用于液體，溫度工作范圍寬，適合輸電線路的惡劣運(yùn)行現(xiàn)場。外加工作電壓范圍為DC 18～33 V，測量壓力范圍為0～232 psi。測量信號輸出DC 0～10 V，經(jīng)有源濾波和抗混疊電路后輸入AD7874，由AD7874完成A/D轉(zhuǎn)換。

　　一般認(rèn)為，壓力變送器的測量壓力與輸出直流信號之間的關(guān)系為線性變換，但實(shí)際上線性度并不為零。在壓力測量范圍較大時，由線性度引起的測量系統(tǒng)誤差不能忽略，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　2.4.2 環(huán)境溫度測量

　　輸電線路覆冰與溫度緊密相關(guān)，溫度的測量精度直接決定著覆冰預(yù)測的精度。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器選三線制Pt100鉑電阻溫度傳感器，按照國際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90：

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　　其中，RPt為Pt100的電阻值，T為溫度。電阻信號必須轉(zhuǎn)換為直流電壓信號后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用三線制熱電阻，是因?yàn)槿€制可消除長線引起的附加電阻帶來的測量誤差。

　　圖3為高精度溫度測量電路。熱電阻阻值必須轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能輸入A/D電路。XTR103為BURR-BROWN公司生產(chǎn)的以Pt100熱敏電阻(或其他類型)為激勵、輸出4～20 mA直流電流的高靈敏度變送器。其內(nèi)部集成的二階校正線性化電路能夠?qū)崿F(xiàn)Pt100阻值到直流電流的線性轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、工廠自動化、SCADA等領(lǐng)域。精密電流/電壓轉(zhuǎn)換器RCV420實(shí)現(xiàn)直流電流到直流電壓的轉(zhuǎn)換。

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　　XTR103輸出電流信號IO與Pt100阻值RPt的函數(shù)關(guān)系為：

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　　其中，IO為輸出電流信號，在4～20 mA范圍內(nèi);RG為XTR103的量程電阻;Rz為基準(zhǔn)電阻。考慮熱泵運(yùn)行工況，要選擇合適的量程電阻和基準(zhǔn)電阻，以設(shè)定合適的溫度測量范圍。選擇RG=150 Ω，Rz=80 Ω，由式(1)和(2)可以確定溫度測量范圍為-50.77～132.55℃，能夠滿足我國輸電線路環(huán)境溫度測量范圍的要求。

　　為了提高溫度測量精度，除了采用圖3所示的高精度信號轉(zhuǎn)換電路外，還必須解決以下兩個問題：

　?、巽K電阻的阻值一溫度特性校準(zhǔn)。式(1)給出的是額定特性，實(shí)際的鉑電阻存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的分散性，因此必須校準(zhǔn)每個鉑電阻的阻值-溫度特性。

　?、阢K電阻元件的熱滯后(thermal lag)問題。熱滯后問題由元件與環(huán)境的換熱熱阻以及元件自身的熱容共同引起。鉑電阻元件由鉑電阻絲和不銹鋼封裝外殼組成，在高溫應(yīng)用中采用陶瓷封裝。由于鉑電阻絲非常細(xì)、質(zhì)量小，可忽略其熱惰性。