【正文】 （）式中： ――對流換熱系數(shù) ――與流體接觸的壁面面積[ ]； ――壁面溫度[K]； ――流體平均溫度[K]。 對比式 = /與式，因為溫差,對流熱阻計算公式如下： （） 式中： α――對流換熱系數(shù) A ――與流體接觸的壁面面積[ ]。 3) 輻射換熱熱阻的計算方法 兩個物體間通過輻射交換的凈換熱量為： （）式中：――表面黑度，也稱為輻射率； ――斯忒藩－波爾茲曼常數(shù)， 108 A ――物體的輻射表面積[ ]； ――發(fā)熱體的絕對溫度[K]； ――受熱體的絕對溫度[K]。 對比式= / 與式 ，因為溫差故有輻射熱阻計算公式為： 當(dāng)溫差不大，即 較小時 4，故有 （）例如，在C 時，則有 : （）在實際傳熱中，固體零件主要以傳導(dǎo)方式傳熱；真空主要以輻射方式傳熱；固體表面與流體間，當(dāng)流體為氣體時以對流和輻射方式傳熱，當(dāng)流體為液體時以對流方式傳熱；能夠自由對流的流體內(nèi)部主要以對流方式傳熱；流體薄層時，如果流體為氣體則以傳導(dǎo)和輻射方式傳熱，如果流體為液體則主要是傳導(dǎo)傳熱。 主觸頭溫度和主回路電阻間接算法 設(shè)斷路器內(nèi)部熱源到斷路器外表面的總熱阻為 ，設(shè)斷路器外表面散熱熱阻（空氣層熱阻） ，斷路器外表面溫度為 ，斷路器周圍空氣溫度為，設(shè)斷路器主觸頭的溫度為、斷路器主觸頭的熱損耗為。則有： （）由上式可知： 主觸頭穩(wěn)態(tài)溫度為： （）主觸頭熱損耗為： 又因主觸頭的電阻發(fā)熱損耗計算公式： 式中：―― 交流附加損耗系數(shù)，與趨表效應(yīng)（集膚效應(yīng)）有關(guān)； ―― 斷路器負(fù)荷電流； ―― 斷路器導(dǎo)電回路的總電阻。 由以上兩式相等可得出斷路器導(dǎo)電回路的總電阻 的計算公式 （） 注意：以上公式、只能用于估計或間接計算斷路器在達到熱平衡時的主觸頭溫度和導(dǎo)電回路電阻，脫離穩(wěn)態(tài)則無意義。 第3章 硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)組成概述 傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)組成 傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)[5]（）包括以下基本單元： （1） 信號變送：一般由傳感器來完成，它從電氣設(shè)備上檢測出那些反映 設(shè)備狀態(tài)的物理量，例如電流、電壓、溫度、壓力等，并將其轉(zhuǎn)換為合適的電信號傳送到后續(xù)單元。 （2） 信號處理：其功能是對傳感器變送來的信號進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，對混疊于其中的干擾信號進行抑制。 （3） 數(shù)據(jù)采集：對經(jīng)過處理的信號進行采樣、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。 （4） 數(shù)據(jù)通信：將采集到的信號傳送到后續(xù)單元，對于在線監(jiān)測系統(tǒng)，因為數(shù)據(jù)處理單元遠離現(xiàn)場，故需要配備專門的信號傳輸單元。 （5） 數(shù)據(jù)處理：對所采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，例如：讀取特征值、做時域分析和頻域分析、進行平均處理等等。 （6） 故障診斷：根據(jù)數(shù)據(jù)處理得來的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、判據(jù)及其它信息進行比較和分析后，對設(shè)備的狀態(tài)或故障部位作出診斷。 上述六個單元構(gòu)成一閉合系統(tǒng)，傳感器、變送器和設(shè)備在一起位于設(shè)備現(xiàn)場；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于設(shè)備附近也在現(xiàn)場，該環(huán)節(jié)有與監(jiān)控計算機通信的能力；監(jiān)控計算機從通訊口得來數(shù)據(jù)并對其進行分析和診斷，也可以對被監(jiān)視設(shè)備進行必要的控制或采取措施。現(xiàn)代在線監(jiān)測系統(tǒng)組成 傳統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)過分的依賴通訊接口，實時性較差，現(xiàn)場附近的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本上不具備任何處理能力，無法在必要時緊急處理突發(fā)事件，但它也有一定的優(yōu)勢，例如后臺的監(jiān)控計算機屬于PC機或者大型計算機，可以使用復(fù)雜的分析處理軟件對數(shù)據(jù)進行精確處理。與傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)相比，現(xiàn)代在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備部分本身就是一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)，在通訊完全中斷的情況下它依然可以自成體系，從而減輕了對上位機的依賴。這也是微電子計算發(fā)展的結(jié)果，因為目前的單片機已經(jīng)可以做到處理能量較強，可以完成一些過去只能由PC機完成的工作。現(xiàn)代在線監(jiān)測系統(tǒng)同時保留了傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，即在上位機召喚時可以實時傳遞上位機所需的一切數(shù)據(jù)，也可以只傳送單片機系統(tǒng) 診斷的結(jié)果。 現(xiàn)代在線監(jiān)視系統(tǒng)（）包括以下基本單元：傳感器、單片機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、上位監(jiān)控機系統(tǒng)。各部分的功能如下：傳感器：將各種各樣的物理量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電氣量。單片機系統(tǒng)：除濾波環(huán)節(jié)和信號放大環(huán)節(jié)外、諸如A/D環(huán)節(jié)、MCU、SPI接口、UART接口都屬于單片機的功能模塊，給設(shè)計帶來了極大的便利，同時也提供了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。通訊系統(tǒng)：現(xiàn)場總線是聯(lián)接單片機系統(tǒng)和上位監(jiān)控機的數(shù)據(jù)傳輸線路，目前工業(yè)現(xiàn)場較為常用的通信總線有CAN和RS422/485，在該設(shè)計中我們選用了RS485接口。上位監(jiān)控機系統(tǒng)：對下位單片機通過通訊接口傳送來的實時數(shù)據(jù)，通過高級軟件進行分析；對下位單片機通過通訊接口傳送來的診斷結(jié)果進行顯示或者報警；通過通訊接口對下位單片機傳送諸如命令、時鐘、定值數(shù)據(jù)等。 新一代單片機MSP430簡介 在本設(shè)計中，我們選用了TI 公司新近推出的新一代功能強大的MSP430系列單片機，該系列單片機具有如下特點[10] ： （1）超低功耗，典型功耗是：，活動模式為250μA，且具有5種節(jié)能工作方式。 （2）高效16位RISCCPU，27條指令，8MHz 時鐘頻率時指令周期時間125ns，絕大多數(shù)指令一個時鐘周期完成，32kHz時鐘頻率時16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度。 （3）低電壓供電、寬工作電壓范圍：～。 （4）12位8路A/D、內(nèi)部基準(zhǔn)源、采樣保持和自動掃描。 （5）兩個16位定時器，帶捕獲功能。 （6）片內(nèi)2kRAM、60kflashROM。 （7）靈活的時鐘系統(tǒng)（兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘）。 （8）低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信。 （9）串行在線編程能力，無需外加編程電壓，帶有密碼鎖。 （10）強大的中斷功能。 （11）喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6μs。 （12）ESD保護，抗干擾力強。 基于以上特點，MSP430系列單片機在便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制、家庭自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用較為便捷。MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲器容量組合的選擇，從14位ADC到LCD驅(qū)動電路的混合信號外設(shè)，可根據(jù)需要進行選擇，簡化了各類應(yīng)用的電路設(shè)計。且集成時鐘、集成LCD驅(qū)動電路、集成A/D使硬件簡化，所需外部元件極少。所以，與傳統(tǒng)單片機相比較MSP430單片機具有較高的性能價格比。用Flash或OTP型可快速制作樣機、用Flash型可作現(xiàn)場更新，且容易學(xué)習(xí)和設(shè)計程序，從而加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短開發(fā)周期。 在本論文中涉及的器件中，我們選擇了MSP430 系列單片機中MSP430F149一款。該芯片具有：2k字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，一般的設(shè)計不需要擴展內(nèi)存，且該2KB 的RAM在芯片內(nèi)部，故易于實現(xiàn)高速存取。60k字節(jié)FlashROM程序存儲器，存一般的程序都非常寬余。存儲器空間采用馮紐曼(vonNeumann)結(jié)構(gòu)。P1～P6：6個八位雙向多功能口，引腳復(fù)用，即每個口都可以設(shè)置口方式或者模塊方式，其中，PP2的全部引腳具有外中斷功能，可響應(yīng)16個中斷源。兩個UART接口不需要擴展可以同時和兩個計算機同時通信。兩個SPI接口，可用來擴展串行接口芯片和單元。15種中斷源；12個工作寄存器；兩個具有捕獲功能的AB7 定時器；一個看門狗定時器；一個模擬信號比較器。一個硬件乘法器能完成88，816，168，1616 四種運算，使乘法指令的執(zhí)行時間大大縮短。包含了一個具有八個外部通道的12 位高性能A/D 轉(zhuǎn)換器（A/D 轉(zhuǎn)換器的速度可高達200KHz），一般的設(shè)計其精度、速度、路數(shù)都已經(jīng)夠用，不需要外部擴展。利用芯片內(nèi)置的自動掃描功能，A/D 轉(zhuǎn)換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立工作，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)自動存入緩沖區(qū)。這樣，中央處理器的工作負(fù)擔(dān)就大為減輕。除此之外，內(nèi)置的參考電壓源（、）、時鐘、溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路可以減少外部器件數(shù)目，并且降低系統(tǒng)的整體成本。 各功能模塊設(shè)計 該監(jiān)測系統(tǒng)電路模塊包括：模擬量輸入環(huán)節(jié)，開關(guān)量輸入環(huán)節(jié)，位移量輸入環(huán)節(jié)，開關(guān)量輸出環(huán)節(jié)，通信接口環(huán)節(jié)，溫度測量環(huán)節(jié)，歷史數(shù)據(jù)保存環(huán)節(jié)，液晶顯示環(huán)節(jié)，電源環(huán)節(jié)等。 1 模擬量輸入環(huán)節(jié) 模擬量輸入環(huán)節(jié)即模擬量輸入通道，在該通道完成信號的濾波、放大倍數(shù)匹配等功能。事實上多路開關(guān)，采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換也屬于該環(huán)節(jié)的功能，由于我們選用的MSP430F149 本身自帶8路12位A/D，故此我們的設(shè)計極其簡捷，只需要考慮模擬信號的濾波和放大倍數(shù)匹配即可。我們需要采樣的模擬量有：斷路器開斷電流、斷路器線圈電流。溫度雖然屬于模擬量，我們選用的單片式1線數(shù)字溫度傳感器，它可以直接將溫度轉(zhuǎn)換成溫度代碼，且具有無須附加變送器和數(shù)字信號傳輸（不易受到干擾）等優(yōu)點，詳述見溫度測量環(huán)節(jié)。 、低通濾波器后的放大匹配電路，其設(shè)計簡述如下：本放大電路選用的運算放大器是超低失調(diào)電壓通用運放OP07，其供電電壓范圍是＋3V～＋18V，單片機的A/。工作原理如下：小CT過來的交流電流信號變換成交流電壓信號，經(jīng)跟隨器后送低通濾波器濾波變成信號VIN， 所示的模擬量放大環(huán)節(jié)后變?yōu)?～。由于MSP430F149 的12位A/D是單極性的。 斷路器分、合閘線圈的直流模擬信號采集處理和上述交流模擬信號的處理方式不同。斷路器的分、合閘線圈直流電流，（霍爾傳感器）變換成0～100mA電流信號，經(jīng)過40～200Ω測量電阻R 將電流信號轉(zhuǎn)換成輸出電壓， 經(jīng)低通濾波器濾波，濾波后的信號放大匹配電路基本和上述電路相同（只是不需要偏置電路）這里不作祥述。2 開關(guān)量輸入環(huán)節(jié) 開關(guān)量輸入環(huán)節(jié)包括：狀態(tài)量輸入環(huán)節(jié)和鍵盤輸入環(huán)節(jié)兩部分。狀態(tài)量輸入環(huán)節(jié)用以監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，故必須和單片機環(huán)節(jié)隔離，鍵盤輸入量則可以不經(jīng)過隔離直接入和單片機接口。無論是狀態(tài)量輸入環(huán)節(jié)還是鍵盤輸入環(huán)節(jié)，要求有單片機立即響應(yīng)，須采用中斷方式，故此必須將狀態(tài)量輸入和鍵盤輸入環(huán)節(jié)接于帶有中斷功能的PP2 口。，用光電耦合器TLP5214實現(xiàn)隔離。 開入量與單片機接口電路圖3 位移量輸入環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)的功能是將斷路器的觸頭位移量轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，然后通過電路處理進行四倍頻和正反向運動的識別?，F(xiàn)僅將其功能簡介如下： 安裝于斷路器操動機構(gòu)主軸上的旋轉(zhuǎn)光柵片在主軸的帶動下運動， 電路，將位移信號轉(zhuǎn)換為相位差為 的兩路方波脈沖A、B，其中：A超前B 為正向運動，為合閘；B超前A 為反向運動，為分閘。A、 電路：主板上光電耦合器6N137 的隔離側(cè)，然后轉(zhuǎn)換到非隔離側(cè)進行處理。處理后的信號A、B 經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路74HC4538挑出上跳沿、下跳沿，四個跳沿信號結(jié)合原信號A、B 送GAL 芯片16V8 [29] ，通過該芯片實現(xiàn)四倍頻和正反向辨向功能。 四倍頻辨向環(huán)節(jié)電路圖4 開關(guān)量輸出環(huán)節(jié) ，開關(guān)量輸出環(huán)節(jié)輸出的信號包括聲光報警、跳閘命令等。在本設(shè)計的開關(guān)量輸出環(huán)節(jié)我們需要考慮的問題有：、單片機的口線驅(qū)動能力較差、光電隔離、單片機上電時端口不定狀態(tài)的閉鎖保護。針對以上問題本設(shè)計采取的措施是：采用低供電電壓的總線驅(qū)動器74HC244，供電電壓2～6V；采用高傳送比（典型值為10）的達林頓輸出光電耦合器TLP627，其驅(qū)動能力可達150mA；該輸出環(huán)節(jié)的閉鎖方法是：U6 的光電二極管由U7 的光電三極管供電、UU7 的動作電平相反。（因為該監(jiān)測裝置兼有跳合閘線圈保護功能，故必要時可以跳開跳合閘回路，以保護線圈。） 開出量與單片機接口電路圖 5 通信接口環(huán)節(jié) 通信接口的選型、設(shè)計和操作相對其他環(huán)節(jié)來講較為復(fù)雜，且存在通信模塊與單片機的電平不匹配需要解決，為了敘述的連貫性，本文另立一章對其進行了專門闡述。詳見第五章。6 溫度測量環(huán)節(jié) 1）DS1820[30] 簡介 DS1820單線數(shù)字溫度傳感器是美國DALLAS 公司剛剛推出的新產(chǎn)品。DS1820 （一線式）數(shù)字溫度傳感器將55～125℃間的溫度信號轉(zhuǎn)換成9位二進制：一位符號位，8 位數(shù)據(jù)位。轉(zhuǎn)換后的溫度值（9 位二進制）通過DS1820 的數(shù)據(jù)線直接輸入到單片機，無需通過A/D轉(zhuǎn)換。讀寫指令以及溫度轉(zhuǎn)換指令通過數(shù)據(jù)總線傳入DS1820。DS1820有兩種供電方式：由電源引腳直接供電；由數(shù)據(jù)線寄生供電。另外，每一個DS1820在出廠時已經(jīng)給定了唯一的編碼，正因為每個DS18