王广涛，王 楠，巩文东，张 勇

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东职业学院，山东 济南 250101）

0 引言

变压器、高低压开关柜等电气设备在进行温升试验时要监测环境温度和试品上不同部位的温度，并将其作为温升试验是否达到稳定状态及是否存在局部过热点的判据［1］。GB 1094.2—2013《电力变压器第2 部分：液浸式变压器的温升》等标准中有每隔一定时间记录读数或采用自动连续记录仪器进行温度测量的要求，部分标准中明确指出温度测量的时间间隔，如5 min、10 min［2］。

大部分电气设备试验时要求的测量点比较多，少至数十个，多至一百多个，在较小时间间隔内采用人工记录的方式难以满足快速准确测量的要求。常规的自动连续记录仪需要外接电源（如220 V），在布置温度监测点（以下简称测温点）时容易受到电源距离制约，大多数情况下需外带电源盘［3］；测量信号至计算机控制装置或者其他二次仪表上需要数据通信线，布置测温点时需考虑通信线长度是否合适；如果测试线或补偿导线比较长（如3 m 以上），在收放线时极易交叉错乱且易损坏。因此采用无线测温的方式是必然的趋势。

目前国内外针对无线测温的研究主要是基于不同的通信方法，提高通信的可靠性，但是在独立电源和多种传感器探头的支持上还有所欠缺。文献［4］采用ZIGBEE 通信方式进行了无线测温试验，证实了无线通信可以可靠快速采集现场的温度数据；文献［5］对低功耗式的无线测温装置进行了一定的研究，通过实验对比了不同无线通信芯片的功耗差异。目前同时支持多种温度传感器探头的无线测温装置几乎没有，因此，设计一种兼容多种类型的温度传感器探头的快插式多终端独立电源型无线测温装置是有必要的。

1 硬件设计方案

整套无线测温系统由温度传感器探头、无线测温装置，无线采集装置构成，结构如图1 所示。温度传感器探头包括K 型热电偶、二线制热电阻、四线制热电阻等多种类型；无线测温装置最多可支持4 路不同类型的温度传感器探头；无线采集装置可以同时采集最多100 个无线测温装置的数据。

图1 无线测温系统

1.1 测温模块

测温模块采用低功耗的STM32L041 单片机，STM32L041 提供WLCSP32 小封装，具有高达64 kB闪存、高达8 kB RAM 及高达2 kB 嵌入式EEPROM，此系列还具有带DMA 功能的外设、实时时钟、低功耗时钟、硬件加密模块以及100 kB／s 采样时仅需48 μA 的超低功耗12 位ADC。

由于极低的运行功耗，非常适合需要长时间高频率测量的无线测温装置，可以大大减轻锂电池的负担，使待机时间有效延长。

STM32L041 单片机的运行模式有以下几种，如表1 所示。

表1 STM32L041 运行模式及功耗

在软件设计中，根据用户对温度测量时间间隔的需求情况，通过在低功耗运行和旁路模式之间进行切换，降低系统功耗，延长电池的待机时间。温度采样触发时进入低功耗运行模式，此时无线测温装置完成对温度的一次采样并对数据进行滤波处理后，通过无线通信模块发送出去，完成采样后，为降低功耗，将转入旁路模式，待下一个采样周期开始时再次转入低功耗运行模式。

1.2 无线通信模块

无线通信模块采用ZM433SX-M，模块采用的LoRa 调制技术设计，抑制同频干扰的性能较强。另外，模块集成了+20 dBm 的可调功率放大器，并可获得超过-148 dBm 的接收灵敏度。ZM430SX 系列模块采用SPI 接口作为从机与用户MCU 连接，天线从模块管脚引出，支持多种休眠和待机模式，让能耗和性能得到更加细化平衡。模块可以通过调整扩频因子（数值为6～12）、调制带宽及纠错率等变量，在通信速率及传输距离和抗干扰特性之间取得更好的平衡；在发射功率一定时，通常扩频因子被设置得越大，模块可获得的接收灵敏度就越高，通信距离将越远，但会同时导致通信速率降低。

在无线测温装置中，测温模块将测得的温度数据传送到无线通信模块，采用433 MHz 的频段将数据发送给无线采集模块。

1.3 独立供电模块

独立供电模块采用的是容量为2 400 mAh，输出电压为5 V 的可充电锂电池，考虑到测量现场的环境一般较为恶劣（如粉尘易集聚等场合），因此外壳封装时不预留充电接口。按照以温度采样频率2 Hz，24 h 不间断工作，无线通信模块每隔2 min 响应并将温度数据传到无线采集装置的工况，独立供电模块可以连续待机150 天以上（若无线通信模块每隔5 min响应，独立供电模块待机时间可长达1 年以上）。当独立供电模块电量不能满足正常运行时模块会发出蜂鸣声，提示试验人员电量不足，此时可以将外壳拆开，电池取出，采用专用的充电器进行充电。

1.4 无线采集装置

无线采集装置按照采样周期查询无线测温装置的温度数据，查询到的温度数据可以实时显示，也可以推送至上位机的温度分析软件参与数据运算。

2 软件处理流程

无线测温装置中的测温模块对温度传感器进行采样，采样频率为2 Hz，同时根据设定的温度传感器探头类型，对采得的数据进行处理，使用中值滤波算法提高测温精度，无线温度采集装置每隔2 min 发起通信，无线测温装置中的无线通信模块在接收到无线温度采集发来的指令后，进行响应并将温度数据返回给无线温度采集装置。无线测温装置的软件处理流程如图2 所示。

图2 软件处理流程

3 温度数据比对

无线测温系统与恒温箱进行温度比对实验。比对过程为：将四线制的Pt100 热电阻探头及K 型热电偶探头，放入恒温箱中；为便于比对将恒温箱温度设定为10 ℃的整数倍，每种温度设定值恒温时间10 min；将恒温箱升温至设定值后，无线采集装置读取温度数据，与恒温箱设定的温度进行对比，无线采集装置每隔2 min 读取一次，实验结果见表2。

表2 温度对比试验 ℃

从表2 中可以看出，四线制Pt100 热电阻的测温精度高于K 型热电偶，Pt100 热电阻的测温精度在±0.5 ℃以内，K 型热电偶的测温精度为±1 ℃。

4 结语

独立供电模块的应用使系统无须引接外部电源，增强了系统的可移动性，温度传感器以快插方式接入，有效避免了布线过程中多回路的相互交叉，两者结合使无线测温系统更加微型化，测温点的布置更加灵活，在元器件紧密布置的高低压开关柜温度在线监测和温升试验中的使用意义更加明显。

设计的快插式多终端独立电源型无线测温装置大大提高了传感器探头的适配性和兼容性，热电偶测温范围宽、热电阻测温精度高的优势得以充分发挥，同时兼容二线制、四线制多种规格的热电阻，可以更加有效地利用传感器探头资源完成变压器、开关设备的温度测量。

经恒温箱比对，四线制热电阻在10～90 ℃的测温区间内精度可以达到±0.5 ℃，K 型热电偶的测温精度在±1 ℃以内，能够满足变压器、开关设备等电气设备温升试验的要求。