专利名称：一种能够自适应环境变化的线型温度传感器及其监测方法
技术领域：
本发明属于安全工程学科中火灾探测报警技术领域，涉及ー种主要用于火灾的早期探测及电力、冶金、石化等エ业领域各类长隧道、传送带、大型生产车间、仓库、轨道交通等环境恶劣场所，由于各种电カ设施、设备或物品的过热、明火燃烧引起的火灾发生之前或初期异常状态监测报警的能够自适应环境变化的线型温度传感器及其监测方法。
背景技术：
线型温度传感器在电力、冶金、石化等エ业领域应用时，主要存在如下问题ー是应用场所大多为野外或半野外场所，环境恶劣电磁干扰强，并且日常的应用环境温度变化明显，昼夜温差以及冬夏温差非常大，加上安装使用长度均在150米以上等因素，导致线型温度传感器监测异常温度时，易受环境温度的影响，严重时甚至会出现误报警。ニ是为了降低由于环境温度变化引起的误报率，通常采用调高报警响应值降低温度传感器灵敏度的方 法，这样带来的后果是延误了温度传感器的响应时间，严重时甚至会出现漏报警，特别是ー些重点防火部位，虽然安装了差定温型线型温度传感器，但为了防止误报警，有些时候干脆屏蔽了差温功能，仅保留定温报警功能，导致传感器无法实现早期火灾探测，延误了最佳报警及灭火救援时机。由于上述问题的存在，大大限制了线型温度传感器的应用范围，影响了线型温度传感器的火灾早期响应能力。
发明内容
针对目前线型温度传感器存在的不足，本发明提供一种成本低并且具有较强的抗电磁干扰能力和早期火灾响应能力的能够自适应环境温度变化的线型温度传感器及其监测方法。为实现本发明目的，本发明采用下述技术方案一种能够自适应环境变化的线型温度传感器，它包括微处理器和敏感単元；所说敏感单元采用四芯统ー绞合结构，敏感単元中四芯线首端与微处理器接线端子对应端连接；微处理器电路由第1、2前置电路、第1、2滤波电路、第1、2放大电路、脉宽控制电路、脉宽驱动电路、CPU处理器、报警输出电路组成；芯线1、2输出信号通过第I前置电路输出到第I滤波电路输入端，第I滤波电路输出信号经第I放大电路接至CPU输入端；芯线3、4输出信号通过第2前置电路输出至加法器，加法器输出信号经第2滤波电路和第2放大电路输出至CPU输入端，同时CPU输出控制信息至脉宽控制电路，脉宽驱动电路输出信号输出至加法器形成闭环控制。所说敏感単元，其中两芯线为导体，外层涂敷负温度系数绝缘材料；另两芯线为具有正温度系数的导体，外层涂敷绝缘材料，四芯线外加防水护套。敏感単元芯线的温度输出信号均为阻抗信号，并各线的阻抗随温度的变化率不同。脉宽控制电路由振荡电路、整形电路和积分电路组成；CPU控制振荡电路输出的可调整的脉宽调制信号经整形电路输出的信号接至积分电路输入端。报警输出电路包括显示电路和输出控制电路；显示电路由LED数码管或IXD液晶屏构成，可显示温度和报警点位置；输出电路包括光耦和继电器，CPU输出控制信号通过光耦接至继电器，继电器输出端接至远程控制设备，实现报警输出的隔离控制。一种能够自适应环境变化的线型温度传感器的监测包括如下处理步骤根据敏感単元实时采集的温度数据，与预先存储在CPU内的典型火灾燃烧曲线进行比较，得出所监视区间的温度状态，实现差温报警、定温报警和环境温度自适应补偿。差温报警、定温报警和环境温度自适应补偿的实现包括如下步骤首先获取敏感单元中芯线1、2的输入信号初始值CO及芯线3、4的输入信号初始值B0，并记录当前的运行时间TO ;传感器进入正常监视状态后，微处理器实时采集两路阻 抗信号当前数据值Cn、Bn、Tn，计算出芯线1、2当前数据值与初始值的温度差AC = Cn-CO、芯线3、4当前数据值与初始值的温度差ΛΒ = Βη-Β0、运行时间差AT = Tn-TO及芯线I、2阻抗变化率Λ C/AT、芯线3、4阻抗变化率Λ B/AT、比值AC/Λ B ;当Λ C/Λ B比值满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，判断Λ C/ Λ T是否满足差温火灾燃烧曲线，如果满足，则继续采集实时数据值Cn+1、Tn+1、Cn+2、Tn+2，判断温度变化趋势是否仍然满足差温报警条件，如果满足，则进行差温报警，即继电器关闭。如果AC/ΛΤ比值不满足差温火灾燃烧曲线，判断芯线1、2温度差AC是否满足定温火灾燃烧曲线，如果满足并满足次数> 10，则进行定温报警。当Λ C/Λ B不满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，首先将芯线3、4当前一段时间采集的温度值通过CPU数据处理求平均值BV，将BV与上一次进行环境温度补偿的温度值B’进行比较，求取两数据差值的绝对值，根据该绝对值计算出当前的脉宽控制參数包括周期和占空比，将脉宽控制參数输入至脉宽控制电路，利用加法器与芯线3、4的温度值进行加法运算，通过第2滤波电路和第2放大电路后得到补偿后的温度值B’，然后接续初始化程序步骤，开始下一次数据分析和处理。本发明与现有技术相比有益效果及优点I、本发明传感器中敏感单元采用四芯统ー绞合结构，实现该线型传感器成本低并且具有较强的抗电磁干扰能力；由于采用两种不同阻抗特性的芯线实施温度检测，控制方式采用了闭环控制，不但增强了线型温度传感器的环境适应性，降低了误报率，同时可以使线型温度传感器工作于较高的灵敏度级别，提高了线型温度传感器的早期火灾响应能力。2、本发明传感器的监测方法中软件算法能实现温度解调和报警。跟踪补偿由于环境温度变化引起的电路输入信号偏移，保证整个硬件电路始终处于有效的动态范围；有效地避免因环境温度变化而引起的误报警，增强了线型温度传感器的可靠性。该发明主要用于火灾的早期探测及电力、冶金、石化等エ业领域各类长隧道、传送带、大型生产车间、仓库、轨道交通等环境恶劣场所。
图I敏感单元结构图；图2微处理器功能图；图3线型温度传感器构成 图4软件算法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进ー步详细描述參见附图1，一种能够自适应环境变化的线型温度传感器，它包括微处理器和敏感単元；所说敏感单元采用四芯统ー绞合结构，敏感単元中芯线1、2，3、4首端与微处理器接线端子A1、A2，A3、A4对应端连接；微处理器电路由第1、2前置电路、第1、2滤波电路、第I、2放大电路、脉宽控制电路、脉宽驱动电路、CPU处理器、报警输出电路组成；芯线I、2输出信号通过第I前置电路输出到第I滤波电路输入端，第I滤波电路输出信号经第I放大电路接至CPU输入端；芯线3、4输出信号通过第2前置电路输出至加法器，加法器输出信号经第2滤波电路和第2放大电路输出至CPU输入端，同时CPU输出控制信息至脉宽控制电路，脉宽驱动电路输出信号输出至加法器形成闭环控制。
敏感単元感知长距离区域连续温度变化信息，微处理器采集、处理和分析温度信息，井根据数据分析结果确定是否报警。敏感単元结构为四芯统ー绞合结构，具体參见附图I。其中芯线1、2为导体，外层涂敷负温度系数绝缘材料6，芯线3、4为具有正温度系数的导体，外层涂敷绝缘材料，四条芯线按照一定的节距统一绞合在一起，外加防水护套5作为保护。敏感単元由同一类型温度输出信息，并不同特性的两种芯线组成，即芯线1、2，3、4的温度输出信号均为阻抗信号，并各线的阻抗随温度的变化率不同。參见附图2，微处理器由第1、2前置电路、第1、2滤波电路、第1、2放大电路、脉宽控制电路、脉宽驱动电路、CPU、报警输出电路组成。其中CPU处理器包含AD转换电路和信息存储电路。參见附图3，敏感単元中芯线1、2首端连接微处理器接线端子，尾端连接终端电阻R，芯线3、4首端连接微处理器端子A3、A4，尾端损坏绝缘层直接焊接在一起。芯线1、2的输出信号首先输入到第I前置电路，该前置电路的输出信号输入到第I滤波电路，该滤波电路输出信号输入到第I放大电路，该放大电路的输出信号输入CPU进行处理。芯线3、4的输出信号首先输入到第2前置电路，该前置电路的输出信号输入加法器，加法器的输出信号输入到第2滤波电路，该滤波电路的输出信号输入到第2放大电路，该放大电路的输出信号输入CPU进行处理，同时CPU输出控制信息至脉宽控制电路,脉宽控制电路的输出信号输入脉宽驱动电路，脉宽驱动电路的输出信号输入至加法器，加法器将两路信号做加法处理，加法器的输出信号输入到第2滤波电路，形成闭环控制。脉宽控制电路由振荡电路、整形电路和积分电路组成；CPU控制振荡电路输出的可调整的脉宽调制信号经整形电路输出的信号接至积分电路输入端，积分电路输出与初始环境温度成正比例关系的电压信号。该电压信号经脉宽驱动电路驱动后与第2前置电路输出的实时环境温度电压信号，一起输入加法器实施加法运算，再经过第2滤波电路和第2放大电路输入到CPU内，CPU根据放大后的电压信号变化值，判断出当前环境温度的变化趋势，通过实时调整振荡电路的周期、占空比，自动跟踪芯线3、4的环境温度输出信号，实现环境温度变化的闭环自适应控制。
报警输出电路包括显示电路和输出控制电路；显示电路由LED数码管或LCD液晶屏构成，可显示温度和报警点位置；输出电路包括光耦和继电器，CPU输出控制信号通过光耦接至继电器，继电器输出端接至远程控制设备，实现报警输出的隔离控制。參见附图4，一种能够自适应环境变化的线型温度传感器的监测方法，该方法实现包括如下步骤实时采集的温度数据，与预先存储在CPU内的典型火灾燃烧曲线进行比较，得出所监视区间的温度状态，实现差温报警、定温报警和环境温度自适应补偿。差温报警、定温报警和环境温度自适应补偿的实现包括如下步骤首先获取敏感单元中芯线1、2的输入信号初始值CO及芯线3、4的输入信号初始值B0，并记录当前的运行时间TO ;传感器进入正常监视状态后，微处理器实时采集两路阻抗信号当前数据值Cn、Bn、Tn，计算出芯线1、2当前数据值与初始值的温度差AC = Cn-CO、芯线3、4当前数据值与初始值的温度差ΛΒ = Βη-Β0、运行时间差AT = Tn-TO及芯线I、2阻抗变化率Λ C/AT、芯线3、4阻抗变化率Λ B/AT、比值AC/Λ B ;当Λ C/Λ B比值满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，判断Λ C/ Λ T是否满足差温火灾燃烧曲线，如果满足，则继续采集实时数据值Cn+1、Tn+1、Cn+2、Tn+2，判断温度变化趋势是否仍然满足差温报警条·件，如果满足，则进行差温报警，即继电器关闭。如果AC/ΛΤ比值不满足差温火灾燃烧曲线，判断芯线1、2温度差AC是否满足定温火灾燃烧曲线，如果满足并满足次数> 10，则进行定温报警。參见附图4，差定温报警算法流程说明软件首先获取敏感単元中芯线1、2的输入信号初始值CO以及芯线3、4的输入信号初始值Β0，并记录当前的运行时间TC。其中C0、B0为线型温度传感器上电后IOMin内的连续采集数据经软件数字滤波、剔除异常数据然后所有数据累加求平均数获得。传感器进入正常监视状态后，实时采集当前值Cn、Bn、Tn，计算出 AC = Cn-CO, ΔΒ = Βη-ΒΟ, ΔΤ = Tn-TO 以及 Λ C/AT、ΛΒ/ΛΤ、AC/Λ B 的比值。当ΔΟ/ΔΒ比值满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时(火灾燃烧曲线是在标准火灾燃烧室试验以及现场模拟真实火灾发生过程采集的ー组C、B与T相关的数据，该曲线的横坐标为时间T，纵坐标为输入信号C和B的数字量值)，表示线型温度传感器所监视的区域局部发生温度异常，需要进行差温或定温报警判断。考虑到线型温度传感器对早期火灾的响应能力，所以首先判断ACVAT是否满足差温火灾燃烧曲线，如果满足，则继续采集实时值Cn+1、Tn+1、Cn+2、Tn+2，判断温度变化趋势是否仍然满足差温报警条件，如果满足，则进行差温报警。如果AC/ΛΤ不满足差温火灾燃烧曲线，则进行定温报警判断，判断AC是否满足定温火灾燃烧曲线，如果满足，则进行定温报警，如果不满足则回到实时数据采集时序，重新开始下一次数据分析和处理。当Λ C/Λ B不满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，首先将芯线3、4当前一段时间采集的温度值通过CPU数据处理求平均值BV，将BV与上一次进行环境温度补偿的温度值B’进行比较，求取两数据差值的绝对值，根据该绝对值计算出当前的脉宽控制參数包括周期和占空比，将脉宽控制參数输入至脉宽控制电路，利用加法器与芯线3、4的温度值进行加法运算，通过第2滤波电路和第2放大电路后得到补偿后的温度值B，然后接续初始化程序步骤，开始下一次数据分析和处理。參见附图4，环境温度自适应补偿算法流程说明当Λ C/Λ B不满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，说明线型温度传感器所监视的区域无温度异常情况发生，AC和ΛΒ的数据波动属于正常的环境温度变化引起，软件直接进行环境温度补偿即可。首先将当前一段时间(一般为30Min内)采集的温度值通过CPU进行数字滤波、剔除异常数据求平均值BV，将BV与上一次进行环境温度补偿的温度值B’进行比较，求取两数据差值的绝对值，根据该绝对值计算出脉宽控制參数，将脉宽控制參数输入至脉宽控制电路后，通过第2滤波电路和第2放大电路处理后得到补偿后的温度值B’，然后重新计算输入信号初始值CO和BO,同时初始化时间T0，开始下一次数据分析和处理。具体工作原理敏感単元芯线1、2之间的负温度系数绝缘材料的阻抗温度系数大，受热后阻抗变化明显，所以即使短距离敏感単元受热，芯线1、2之间的阻抗下降也很快。敏感単元芯线3、4为一正温度系数的导体，该导体的阻抗的温度系数较小，局部受热阻抗变化不明显，只有长距离受热时，阻抗才能明显上升。线型温度传感器一般安装在长距离大空间场所，所以该类场所的温度异常变化一般发生在局部。当线型温度传感器所监测的区域局部温度发生异常时，敏感単元芯线1、2之间的阻抗很快下降，而芯线3、4的阻抗上升不明显，微处理器实时采集两路阻抗信号，CPU根据信号的相关性算法，判断是否发生了局部温度异常，并通过与预先存储在CPU内的典型火灾燃烧曲线进行比较，即可判断出现场 温度变化趋势，实现差温、定温或差定温报警。当线型温度传感器处于正常监视状态时，由于昼夜温度变化或一年四季的温度变化，敏感単元芯线1、2之间的阻抗也会发生变化，环境引起的温度变化幅度虽然小，但是由于对整条线型温度传感器都发生作用，所以环境温度变化引起的阻抗变化有时与局部温度异常引起的阻抗变化产生同样的效果，所以単独利用芯线1、2之间的阻抗变化判断异常温度及变化趋势，容易受到环境温度变化的影响，从而引发误报警。芯线3、4的阻抗虽然在敏感単元局部受热时阻抗变化不明显，但是当整条敏感単元所在的环境温度发生变化时，芯线3、4的阻抗会发生明显的变化，所以微处理器通过采集芯线3、4的输入信号，即可判断出敏感单元发生的异常状态是由局部温度异常引起，还是由所监视区域的环境温度发生变化引起，同时CPU控制脉宽控制电路，输出当前的环境温度參数，环境温度參数通过脉宽驱动电路转化为电压參数，跟踪补偿由于环境温度变化引起的电路输入信号偏移，保证整个硬件电路始终处于有效的动态范围。由于控制方式采用了闭环控制，所以线型温度传感器具有较宽的环境温度适用范围，完全能够满足エ业场所的应用要求，增强了线型温度传感器的工作稳定性，降低了误报率，误报率的降低可以使线型温度传感器工作于较高的灵敏度级别，所以提高了传感器的早期火灾响应能力。
权利要求
1.一种能够自适应环境变化的线型温度传感器，其特征在于它包括微处理器和敏感単元；所说敏感单元采用四芯统ー绞合结构，敏感単元中芯线(1、2，3、4)首端与微处理器接线端子(A1、A2，A3、A4)对应端连接；微处理器电路由第1、2前置电路、第1、2滤波电路、第1、2放大电路、脉宽控制电路、脉宽驱动电路、CPU处理器、报警输出电路组成；芯线(1、2)输出信号通过第I前置电路输出到第I滤波电路输入端，第I滤波电路输出信号经第I放大电路接至CPU输入端；芯线(3、4)输出信号通过第2前置电路输出至加法器，加法器输出信号经第2滤波电路和第2放大电路输出至CPU输入端，同时CPU输出控制信息至脉宽控制电路，脉宽驱动电路输出信号输出至加法器形成闭环控制。
2.根据权利要求I所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器，其特征在于所说敏感単元，其中芯线(1、2)为导体，外层涂敷负温度系数绝缘材料(6);芯线(3、4)为具有正温度系数的导体，外层涂敷绝缘材料，四芯线外加防水护套(5)。
3.根据权利要求I或2所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器，其特征在干敏感単元芯线(1、2，3、4)的温度输出信号均为阻抗信号，并各线的阻抗随温度的变化率不同。
4.根据权利要求I所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器，其特征在于脉宽控制电路由振荡电路、整形电路和积分电路组成;CPU控制振荡电路输出的可调整的脉宽调制信号经整形电路输出的信号接至积分电路输入端。
5.根据权利要求I所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器，其特征在于报警输出电路包括显示电路和输出控制电路；显示电路由LED数码管或LCD液晶屏构成，可显示温度和报警点位置；输出电路包括光耦和继电器，CPU输出控制信号通过光耦接至继电器，继电器输出端接至远程控制设备，实现报警输出的隔离控制。
6.一种按权利要求I所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器的监测方法，其特征在于该监测方法包括如下处理步骤 根据敏感単元实时采集的温度数据，与预先存储在CPU内的典型火灾燃烧曲线进行比较，得出所监视区间的温度状态，实现差温报警、定温报警和环境温度自适应补偿。
7.根据权利要求6所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器的监测方法，其特征在于差温报警、定温报警和环境温度自适应补偿的实现包括如下步骤 首先获取敏感单元中芯线(1、2)的输入信号初始值CO及芯线(3、4)的输入信号初始值B0，并记录当前的运行时间TO ;传感器进入正常监视状态后，微处理器实时采集两路阻抗信号当前数据值Cn、Bn、Tn，计算出芯线(1、2)当前数据值与初始值的温度差AC =Cn-CO、芯线(3、4)当前数据值与初始值的温度差ΛΒ = Bn-BO、运行时间差AT = Tn-TO及芯线1、2阻抗变化率AC/ΛΤ、芯线(3、4)阻抗变化率ΛΒ/ΛΤ、比值AC/ΛΒ ;当AC/ΛΒ比值满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，判断△ C/ △ T是否满足差温火灾燃烧曲线，如果满足，则继续采集实时数据值Cn+1、Tn+1、Cn+2、Τη+2，判断温度变化趋势是否仍然满足差温报警条件，如果满足，则进行差温报警，即继电器关闭。
8.根据权利要求7所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器的监测方法，其特征在于如果AC/ΛΤ比值不满足差温火灾燃烧曲线，判断芯线(1、2)温度差AC是否满足定温火灾燃烧曲线，如果满足并满足次数> 10，则进行定温报警。
9.根据权利要求7所述的ー种能够自适应环境变化的线型温度传感器的监测方法，其特征在于当Λ C/Λ B不满足存储于CPU内的火灾燃烧曲线时，首先将芯线(3、4)当前一段时间采集的温度值通过CPU数据处理求平均值，将该平均值与上一次进行环境温度补偿的温度值进行比较，求取两数据差值的绝对值，根据该绝对值计算出当前的脉宽控制參数包括周期和占空比，将脉宽控制參数输入至脉宽控制电路，利用加法器与芯线(3、4)的温度值进行加法运算，通过第2滤波电路和第2放大电路后得到补偿后的温度值，然后接续初始 化程序步骤，开始下一次数据分析和处理。
全文摘要
本发明公开一种能够自适应环境变化的线型温度传感器及其监测方法，它包括微处理器和线型敏感单元；敏感单元感知温度信息，微处理器采集和处理温度信息。敏感单元采用四芯统一绞合结构，由同一类型温度输出信息但不同特性的两种芯线组成；微处理器电路采用脉宽调制闭环控制电路，自动跟踪补偿环境温度变化，由软件算法实现温度解调和报警。该线型温度传感器具有自适应环境变化功能，有效地避免因环境温度变化而引起的误报警，增强了线型温度传感器的可靠性，提高了线型温度传感器对温度异常引发火灾的早期响应能力。该发明主要用于火灾的早期探测及电力、冶金、石化等工业领域各类长隧道、传送带、大型生产车间、仓库、轨道交通等环境恶劣场所。
文档编号G08B17/06GK102842201SQ20111017165
公开日2012年12月26日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘星, 李艳庆 申请人:无锡圣敏传感科技有限公司