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摘要：由于变压器人工观测油位不方便、不准确，研究了油位检测技术，并研制出新型油位测量仪，经试验推广后该仪器效果显著。
关键词：变压器；油位；检测；
1．概述
变压器内部绝缘油具有比空气高得多的绝缘强度，具有完好的冷却作用，是良好的灭弧介质，同时对绝缘材料起到保养、防腐作用。由此可见，绝缘油对于变压器来说非常重要。
变压器的油枕油位要保持在一定的范围之内，当油位过高时，可能造成变压器内部油压增大，同时，还会造成溢油。油位过低时，遇到变压器低负荷运行（或变压器停用），或天气变冷时，油面还会降低。当油面低于变压器大盖以下时，会使引线或铁芯暴露在空气中，有造成内部闪络的危险。同时，油与空气接触面增大，会使绝缘油的绝缘性能迅速下降。
由此可见，变压器在运行中要求有一定的油位，运行中必须进行经常检查。当油位过高时，应设法放油；油位过低时，应设法补油，以保持合适的油位。
传统的检查油位的方法是观察人站在油位指示器窥视窗的正面，且距离适当，方可检查油位。当在夜间或光线不好的室内，检查油位有困难，且人工检查油位既不方便也可能误判。
近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术也发展很快，特别是电子式测量方法使得液位计的精度越来越高，越来越智能化、一体化、小型化。电子式液位测量方法包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、伺服式、混合式等等技术。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。
超声波液位测量有很多优点：它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便的提供遥控或遥控所需的信号。并且价格较低，使用维护方便。因此，本次设计将采用超声波技术测量变压器油位。
图3.1 超声波测距原理
2.检测原理
所谓超声波就是指频率高于20KHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。
超声波液位测量方法有多种，如超声波脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法等。超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用MCU记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式1.1计算出超声波传播的距离，也就是障碍物离测试系统的距离。
S=C*[t/2] (1.1)
式中S为被测距离，C为超声波传播速度，t为回波时间。
3.系统工作原理及设计
本系统采用超声波脉冲回波法测量油位。超声波测量工作原理如下图3.1所示。
利用超声波在液体中传播时较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可用回波测距的原理，测定传声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液面的高度。
3.1系统硬件设计
主系统使用意法半导体公司的STM32F1XX系列CPU，该系列的CPU的特点如下：
使用的是ARM 32位的Cortex-M3内核
最大72MHz的主频，高达90DMIPS，1.25DMIPS/MHz
单指令周期硬件乘法和除法
内置从32K字节~128K字节闪存程序存储器，4K字~96K字节SRAM
2.0V~3.6V供电和I/O管脚
上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）、掉电监测器
低功耗，3种省电模式：睡眠、停机和待机模式
包含多个定时器（16位，8位等）、串行接口（UART，SPI，I2C等），ADC，DAC等内部硬件资源，方便硬件设计，减少CPU外部接口芯片，节约设计成本。
3.2超声波驱动模块
超声波驱动模块包含超声波的发射和接收驱动电路以及超声波发射、接收传感器。
超声波传感器是一种将其他形式的能量转变为所需要频率的超生能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能量的器件。
超声波传感器的主要组成部分为压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者用于超声波的接收。
其等效电路为：
L1：超声波换能器动态（或等效）电感；
C0、C1分别为超声波环能器的并联电容（或静电容）和动态电容（或等效电容）；
R1：压电换能器的动态（或等效）电阻，亦或称为机械损耗。
3.3发射电路设计思路
根据超声波传感器的工作原理，其发射电路等效图如下图所示：
由触发脉冲产生电路产生触发脉冲控制Q1开关管的通断，当Q1导通时，发射脉冲产生电路工作，产生的脉冲加到环能器上使其发射超声波；当Q1截止时，换能器停止发射超声波。
3.4驱动模块设计
根据以上的阐述，了解了超声波的发射与接收原理，设计本方案中的超声波驱动模块，其设计的效果图如下：
4.成品展示
5. 测试结果
试验人员将超声波收发探头与信号处理装置进行连接，并在探头表面涂抹耦合剂，在变压器油枕外壳端面平整处进行了测试，探头沿油枕纵向方向上下移动，通过超声波发射波数据的变化，可以正确判断油枕内油位的高度。
由于采用了超声波测量原理，不用直接接触油体，也不会造成油污染和浪费，更为生态环保。
通过不停电测量油位，提升了设备运行的稳定性，保障了电网的供电质量，有利于地方经济发展和人民生活水平的提高。
论文作者:张文韵,王庆,马振国,周智刚,张磊
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/3
标签：超声波论文; 变压器论文; 回波论文; 脉冲论文; 测量论文; 压电效应论文; 液位论文; 《电力设备》2016年第4期论文;