CN102187209A - 用于测量气体密度的压电传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量空间(3)中气体的密度、特别地测量气体隔离的电或电子设施中的隔离气体的密度的装置(1)，其中该装置(1)包括至少一个位于与所述空间(3)直接或间接连接并且包括基本相同密度的所述气体的腔(12)中的压电谐振器(5)，其中该装置(1)包括至少一个位于关于所述气体与所述空间(3)和所述腔(12)隔离的腔(11)中的压电参考谐振器(4)，并且其中该装置(1)包括致动元件(6、7)和至少一个控制元件(8)，其用于确定该两个谐振器(4、5)之间的谐振频率的差别。具体地根据本发明，使这样的装置(1)为完全独立并且无线的，其中它还包括至少一个连接到该控制元件(8)用于与监测装置(2)无线通信的无线链接单元(10)以及至少一个用于该传感器(1)的供电的拾取单元(9)。

Description

用于测量气体密度的压电传感器
技术领域
本发明涉及用于测量气体密度的装置的领域，特别地涉及气体隔离的电气和/或电子设施的隔离气体的气体密度。此外，它涉及这样的装置的具体用途。
背景技术
由于在开关单元中进行开关的情况下的飞弧(flashover)的可能性，在开关设备的主动(active)和非主动部件之间间隙是必需的。在例如配电系统中的变电站等大功率开关单元的情况下，由于安全原因，需要是大的间隙。
在开关设备中SF6气体作为绝缘介质的使用减小了开关设备的主动和非主动部件之间的间隙距离，促进了气体绝缘应用与空气绝缘应用相比的下列优势：
更小的空间要求-特别在拥挤的城市区域中；
对污染以及盐、沙或甚至大量的雪的更小敏感度；
更小的运行&维护成本。
然而该隔离气体的存在需要监测，因为气体密度的显著降低可导致绝缘不足。因此，高功率气体绝缘开关站必须配备有用于监测在开关设备的开关和对应外壳之间的空隙中的气体充足存在的传感器。在所谓的气体绝缘变电站通常包括若干个间隔(bay)，它们中的每个包括若干个开关设备单元的若干个配电盘(panel)的情况下，每个开关设备单元必须配备有对应的传感器。
可以在该上下文中使用的传感器是在本领域中本身已知的，并且一个特别可靠和高准确度的感测原理依赖一对压电谐振器的谐振频率的差分测量，其中谐振器中的一个(测量谐振器)暴露于气体环境并且谐振器中的一个(参考谐振器)位于真空空间中。在气体环境存在的情况下，测量谐振器改变压电谐振器的谐振频率，可以获得与气体的密度成正比的测量信号。如果使用仔细选择的一对谐振器并且如果除此之外在该两个谐振器周围的另外的外部参数(主要是温度)维持在相同水平，实现非常高的测量准确度。该测量原理以及对应的装置例如在EP 0 484 569和EP 0 582 045中描述。
发明内容
因此本发明的目的是提供用于测量气体密度的改进的装置。本发明的另外的目的是提供这样的装置的用途。
具体地，本发明涉及用于测量空间中气体的密度、特别地测量气体隔离的电气和/或电子设施中的隔离气体的密度的装置的改进，其中该装置包括至少一个位于与所述空间直接或间接连接并且基本包括相同密度的所述气体的腔中的压电谐振器，其中该装置包括至少一个位于关于所述气体与所述空间和所述腔隔离的参考腔中的压电参考谐振器，并且其中该装置包括致动元件和至少一个控制元件，其用于确定两个谐振器之间的谐振频率中的差别。
因此，本发明涉及如在EP 0 582 045中公开的装置的改进，并且关于这样的装置的详情EP 0 582 045 A1的公开明确地包含在该说明书中。
根据本发明的一个方面，这样的装置此外包括至少一个连接到控制元件用于与监测装置无线通信的无线链接单元以及至少一个用于传感器的供电的拾取单元。
如在介绍部分概述的，典型地气体绝缘变电站包括充满隔离气体的大量单独空间或隔间(compartment)。个体空间或隔间的存在由于安全原因和对于减少共模误差问题是必需的。在另一方面，大量气密隔间需要存在针对空间或充气空腔中的每个的气体密度的至少一个传感器。典型地，这些装置中的每个连接到中央监测装置，并且这样的气体密度测量装置的子集可被编组以每个间隔具有一个中央监测装置。典型地因此这些装置必须经由电缆连接到中央监测装置，并且一方面该电缆提供电力供应给传感器并且在另一方面实现到和从传感器的数据传递。
本实践从而将GIS(气体绝缘变电站)间隔中的所有密度传感器经由电缆连接到每个间隔的一个中央监测装置。传感器经由该电缆被供电并且与监测装置交换数据。当前对于该功能每个间隔需要有多达大约20条电缆。
提出的本发明简化该整体设置，其中不仅使得到传感器和从传感器到中央监测装置的数据传递是无线的，除此之外并且使传感器单元完全独立，其中并且电力供应采用无线方式来提供。对应地，对于气体监测功能的安装不需要电缆连接，导致了节省材料和安装。此外，不需要有对于传感器的中央电力供应。不再牵涉可以受到机械损伤的电缆的事实导致传感器网络的高得多的坚固性和可靠性。存在传感器的高得多的独立性，导致共源误差的可能性减小。传感器的完全独立和无线的设计允许具有该高度关键性的绝缘状态测量的高得多的备用安全，其中它非常容易允许对于每个个体空腔具有多个传感器并且对于一组共同控制的传感器具有例如两个监测装置，然而这些监测装置中的每个与传感器中的每个单独接触，提供高冗余度和高可靠性。
典型地，谐振器的谐振频率在32.6kHz的范围中，并且谐振器中的每个提供有电极，其通过驱动谐振电路来被驱动。通常，实际测量谐振器位于传感器中的管形空间中，该管形空间对于要监测的气体所在的空间是打开的。在该测量谐振器和隔离气体所在的隔离空间之间提供过滤器元件。通常，参考谐振器位于参考腔(例如盲孔)中，该参考腔紧挨测量传感器所在的管形空间设置，并且参考谐振器的该空间被抽空。实际传感器数据的估算通常采用以下方式发生，其中谐振器中的一个的输出看作时钟并且另一个谐振器的输出用作D型触发器输入，使得两个信号的相关性导致最终的信号，其与两个谐振器的谐振频率的差别成比例并且与管形空间中的气体密度成比例。
典型地，拾取单元提供传感器的基本上所有操作元件的操作的必需能量，即致动元件(典型地用于驱动谐振器的谐振电路，通常间接由控制元件的电力供应)、控制元件(取得控制和驱动谐振电路的功能，由此收集实际测量数据，可选地第一数据处理以及控制和测量数据信息到和从监测装置的交换)，和可选地无线链接单元的操作的必需能量(如果无线链接单元完全需要独立电力供应)。
根据第一优选实施例，拾取单元包括拾取电极或拾取线圈。在拾取线圈或绕组的情况下，这可连接到电容以形成谐振电路。该谐振电路的中心频率和Q值可以适应于无线供电的实际来源。优选地，可以提供传感器的无线供电的特定来源。例如，这可以是具体提供的单元，其发射在特定波段中的电磁辐射。在使用这样的特定供电单元的情况下，可以选择传感器中的谐振电路的窄频带和对应的高Q值，其导致该供电单元和传感器之间的高效和选择性的能量传递。
根据本发明的实施例，然而拾取电极或拾取线圈的敏感度和/或谐振频率适应于由设施的一次开关设备中的电网电压和/或电流产生的电和/或磁场是优选的。也就是说，已经出乎意料地发现在这些传感器的具体应用的上下文中，在开关单元和电网线路的附近，已经存在的交替电和/或磁场可以直接使用，可以说采用共生方式，以采用高效方式用充足的电功率向传感器供电。在该情况下，优选地拾取电极或拾取线圈的敏感度和/或谐振频率适应于具有在15Hz-100Hz的范围中的频率并且优选地处于变电站的工作频率的电和/或磁场。备选地，使频率适应15kHz-15MHz的范围是可能的。提供若干拾取单元(例如两个拾取单元)也是可能的，其中每一个适应于这些频率范围中的任一个，即例如第一拾取单元适应低频率范围15Hz-100Hz，并且第二拾取单元适应高频率范围15kHz-15MHz。
根据再另一个优选实施例，无线链接单元用2-3GHz范围中的(优选地2.3-2.6GHz范围中的)频率传送数据。信息可以通过频率调制或振幅调制或另一种调制和/或消波(chopping)传送。整体无线数据传输可以由标准无线LAN安装来提供。
根据本发明的再另一个优选实施例，以减小操作传感器必需的功率为目的，仅差分气体密度传感器数据经由无线链接单元传送到监测装置。例如可以操作传感器使得数据传输仅在如果由控制元件检测或估算到气体密度中从正常的偏离超过阈值(即，气体密度与正常操作条件的有关或显著或甚至错误的差别)时发生。由此优化数据传输以仅在当因为气体密度的变化而需要时发生。这基本上意思是如果没有数据传递则没有变化发生。由于安全原因，这样的数据传递协议可以由传感器的定期低电平“实时状态”信号补充，该信号如果没有被监测装置收集则将指示关于数据传输的问题。
根据另一个优选实施例，传感器包括电力存储元件用于电力备用。这可以例如从电池和电容器的组选择，并且可以优选地是金电容器。
为了进一步简化传感器，如果物理约束允许这样，则拾取单元和无线链接单元使用相同天线是可能的。
为了进一步减小传感器的功耗(特别地与数据传递有关的)，无线链接单元可包括定向天线。该定向天线(其例如可以采用可弯曲电线的形式)如此使得当装置安装时，它能够定向到监测装置，即它的发射特性适应于在监测装置所在的优选方向上的射频交换。
此外，本发明涉及气体绝缘电气(包括和/或电子部件)开关设备或变压器。它此外涉及具有电和/或电子开关设备和/或变压器的组的气体绝缘配电盘以及涉及具有许多这样的组和/或间隔的整个气体绝缘变电站。在该情况下，开关设备和/或变压器、开关设备和/或变压器的组和变电站分别配备有至少一个如上文限定的装置。在变电站的情况下，每个配电盘或组可以配备有至少一个装置。
此外本发明涉及如上文限定的用于测量在气体绝缘单元或设施的填充SF6的气体绝缘空间和隔间中的气体密度的装置的用途(或操作方法)，其中该装置位于其中分别由单元或设施的一次开关设备中的电网电压和/或电流产生的电和/或磁场足够强能够凭借拾取单元将充足能量耦合到传感器中的地方的位置。在气体绝缘变电站的一个间隔内，许多装置可以位于各种地方，并且单个监测装置或一对冗余监测装置收集由这些装置提供的数据并且控制这些装置。
可选地在最初或间歇地完成数据传递后，装置可优选地仅传递关于气体密度变化的信息，其中该传递可以是连续的、间歇的，或优选地仅在超过预先限定阈值的测量数据或数据变化在装置中被检测到时这样的时刻。
本发明的另外的实施例在附上的权利要求中概述。
总的来说，本发明优选地包括下列方面(或单独的或结合的)：
-在一次开关设备中由电网电压和/或由电流产生的电和/或磁场供电的密度传感器，并且经由无线通信与中央监测装置的数据交换。
-传感器可以配备有金电容器用于电力备用。
-可以优化数据传输以获得低功耗，优选地通过将数据传输约束在气体密度的有关(即高于阈值)变化。
-可以设计作为整体的传感器以最小化功耗。
除其他益处外，对于客户的益处如下：
-对于SF6监测功能，不需要电缆连接，节省材料和安装时间和劳动力。通过更简单的试运行缩短安装时间。
-不需要传感器中央电力供应。
-避免可以受到机械损伤的电缆，导致降低的故障风险和减少的维护。
-整个气体密度传感器系统的更高运行可靠性。
实现可进一步使用自动配置无线网络(Mote)或ZigBee。存在添加如上文概述的冗余中央监测装置和从每中央监测装置多个间隔的数据收集的可能性。
附图说明
在附图中示出本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明邻近气体隔离空间或隔间设置的两个传感器的示意视图，其中在左侧中央监测站位于传感器上面并且在右侧中央监测站位于传感器下面；以及
图2是由一个公共监测站控制和估算的传感器组的示意视图。
具体实施方式
参照图(其用于图示本发明的本优选实施例的目的并且不是用于限制其的目的)，图1在示意视图中示出两个传感器1，其邻近充气空腔3设置，具体地其一体式地设置或附连到充气空腔3的壁18。例如SF6(六氟化硫)等绝缘气体位于空腔3中，并且该充气空腔或空间的目的是将导体或开关设备装置与周围部件电绝缘。
这些传感器1中的每个包括一对谐振器。在一方面，存在所谓的参考谐振器4并且在另一方面存在测量谐振器5。这些谐振器4、5中的每个由提供在具有电极的面上的压电晶体给出，该电极由特别提供的谐振电路6、7驱动。该参考谐振器4位于传感器1的固体13中的盲孔11中。在该盲孔11中的空的空间被抽空使得存在有对该参考谐振器明确限定的周围条件。特别地，在盲孔11中的该空间与在充气空腔中的气体气氛完全屏蔽。
优选尽可能近地挨着该盲孔10设置管形孔12，测量谐振器5位于其中。该管形孔12在变宽部分14中朝充气空腔变宽，并且在那里提供过滤元件15，其基本上将空间12和14的内部与充气空腔屏蔽并且确保仅气体可穿过气体可渗透开口16使得在空间3和空间12、14中的气体密度基本相同。这允许确保由测量谐振器5测量的状况代表在充气空腔3中的状况。
如上文提到的，测量谐振器5的空腔应该尽可能靠近参考谐振器4的位置以确保两个谐振器(除去它们的气体暴露中的差别)受到尽可能相同的周围条件。到此，通常固体13提供为高热传导固块(例如用铜或类似物制作)，并且空腔11和12尽可能紧密地互相邻近设置。谐振器4、5两者分别由个体谐振电路6、7驱动。这些谐振器4、5由传感器控制单元8驱动和控制。
根据本发明，传感器1包括至少一个无线链接单元10。该无线链接单元10连接到传感器控制单元并且允许到和从中央监测装置2的无线数据传递，如由箭头25指示的。
该无线链接单元10可以提供为标准无线局域网络站，其使用在GHz范围中的标准数据传输频率并且使用标准数据传输协议。在传感器1或多个传感器1和中央监测装置2之间的数据传递可以包括控制信号从中央监测装置2到传感器1以及控制信号从传感器1到中央监测装置2的传输，并且特别地它牵涉实际传感器测量数据在传感器1和中央监测装置2之间的传递。
鉴于尽可能低的功耗，该数据传递优选地被执行使得仅如果由传感器检测到气体密度与正常(例如测定值或临界气体密度值)的明显或显著差别，则发生数据传输。因此对应地，控制单元8在第一估算步骤中作为时间的函数估算气体密度的发展并且仅在超过预先限定的阈值差值(在正和负方向)的情况下，传感器控制单元8触发经由无线链接单元10到中央监测装置2的数据传递。鉴于可能有长时间的沉默阶段的事实(如果气体压力是恒定的)，并且鉴于可能有与数据传递关联的问题，定期使至少状态信息(所谓的实时信号)在中央监测装置2和传感器装置1或每个传感器装置1之间交换是值得推荐的。
此外传感器中的每个提供有由盒9示意图示的拾取电极或线圈。该拾取装置9用于向在传感器1中需要能量来操作的所有元件供电。如果传感器1中的总能量管理由传感器控制单元8控制，如在图1中示出的，该拾取单元9仅连接到传感器控制单元8。拾取电极或线圈9适应于拾取无论如何由于开关设备或由于周围电网线路或其类似物引起的电和/或磁场的存在而可用的能量。因此当传感器1像共生电力用户一样起作用时不需要有用于向传感器1供电的特定装置。对应地，典型地构造为包括拾取线圈和电容器的谐振电路的拾取线圈9在频率和频带(Q值)中适应于在一次开关设备中由电网电压和/或由电流产生的无论如何存在的电和/或磁场的特定条件。
根据本发明，传感器1是完全独立的并且根本不需要有任何电缆连接到传感器1或从其连接。此外，如在电力由于由一次开关设备中的电网电压和电流产生的一次电和/或磁场而可用的这个非常具体的情况下，不需要有特定的无线供电装置。
拾取单元9和无线链接单元10的相对设置可以适应于特别需要。如在图1中在左侧指示的，对于当中央监测装置2位于充气空腔中或靠近其的某处时的情况，使无线链接单元10位于传感器中靠近空腔3的壁18是可能的。
在其中中央监测装置2相反位于如在右侧指示的向后区域中的情况下，无线链接单元10可以位于与壁侧18相对的传感器1的区域中。甚至可能为无线链接单元10提供定向种类的天线以便进一步减小无线数据传递的功耗并且减小与其他场和数据传输的干扰效应。
如在图1的右手侧指示的，此外将拾取电极或线圈9尽可能紧密地位于分别由电网电压和/或电流产生的一次电和/或磁场在一次开关设备中存在或最大的位置处是可能的，以便获得将这些场高效耦合到拾取元件9中。
如在图2中指示的，单个中央监测装置2可用于到许多传感器1的数据传递25，每个传感器1负责测量个体充气空腔或隔间。鉴于不需要任何电缆连接，然而对于相同传感器1组具有两个冗余中央监测装置2并且使它们相伴并且采用冗余方式收集数据以增加传感器系统1的安全性也是可能的。
部件列表
Figure BPA00001348788600101

Claims (17)

1.一种用于测量空间(3)中气体的密度、特别地测量气体绝缘的电或电子设施中的隔离气体的密度的装置(1)，其中所述装置(1)包括至少一个位于与所述空间(3)直接或间接连接并且包括基本相同密度的所述气体的腔(12)中的压电谐振器(5)，其中所述装置(1)包括至少一个位于关于所述气体与所述空间(3)和所述腔(12)隔离的参考腔(11)中的压电参考谐振器(4)，并且其中所述装置包括致动元件(6、7)和至少一个控制元件(8)，其用于确定该两个谐振器(4、5)之间的谐振频率的差别，
其中所述装置(1)还包括至少一个连接到所述控制元件(8)用于与监测装置(2)无线通信的无线链接单元(10)以及至少一个用于所述装置(1)的供电的拾取单元(9)。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其中所述拾取单元(9)提供用于操作所述致动元件(6、7)、所述控制元件(8)和可选地所述无线链接单元(10)必需的能量。
3.如权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述拾取单元(9)包括拾取电极或拾取线圈，其可选地在谐振电路中连接到电容。
4.如权利要求3所述的装置(1)，其中所述拾取电极或拾取线圈的敏感度和/或谐振频率适应于在所述设施的一次开关设备中分别由电网电压和/或由电流产生的电和/或磁场。
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置(1)，其中所述拾取电极或拾取线圈的敏感度和/或谐振频率适应于具有在15Hz-100Hz的范围中的频率和/或具有在15kHz-15MHz的范围中的频率的电和/或磁场。
6.如权利要求1-5中任一项所述的装置(1)，其中第一拾取单元(9)适应低频率范围15Hz-100Hz，并且第二拾取单元(9)适应高频率范围15kHz-15MHz。
7.如权利要求1-6中任一项所述的装置(1)，其中所述无线链接单元(10)用2-3GHz范围中、优选地2.3-2.6GHz范围中的频率传送数据。
8.如权利要求1-7中任一项所述的装置(1)，其中仅差分气体密度传感器数据经由所述无线链接单元(10)传送到所述监测装置(2)，其中数据传输优选地仅在如果由所述控制元件(8)估算到超过阈值的气体密度中的偏离时则发生。
9.如权利要求1-8中任一项所述的装置(1)，其中对于电力备用，所述传感器包括从电池和电容的组选择的电力存储元件(24)，优选地金电容器。
10.如权利要求1-9中任一项所述的装置(1)，其中所述拾取单元(9)和所述无线链接单元(10)使用相同天线。
11.如权利要求1-10中任一项所述的装置(1)，其中所述无线链接单元(10)包括定向天线，其优选地使得当所述装置安装时，它能够定向到所述监测装置(2)。
12.气体绝缘电气开关设备或变压器、具有电开关设备和/或变压器的组的气体绝缘配电盘、或具有许多这样的组和/或间隔的气体绝缘变电站，其中所述开关设备、变压器、开关设备和/或变压器的组或变电站分别配备有至少一个如权利要求1-11中任一项所述的装置(1)。
13.如权利要求12所述的气体绝缘变电站，其中每个配电盘或组配备有至少一个如权利要求1-12中任一项所述的装置(1)。
14.如权利要求1-11中任一项所述的用于测量在气体绝缘单元或设施的填充SF6的气体绝缘空间(3)中的气体密度的装置(1)的用途，其中所述装置(1)位于其中所述单元或设施的一次开关设备中分别由电网电压和/或电流产生的电和/或磁场足够强而凭借所述拾取单元(9)将充足操作能量耦合到所述传感器中的位置处。
15.如权利要求14所述的用途，其中在气体绝缘变电站的一个间隔内，许多装置(1)位于各种地方，并且其中单个监测装置(2)收集由这些装置(1)提供的数据并且控制这些装置。
16.如权利要求14和15中任一项所述的用途，其中可选地在最初或间歇完成数据传递后，所述装置(1)仅传递关于所述气体密度变化的信息。
17.如权利要求16所述的用途，其中所述传递能够是连续的、间歇的，或优选地仅在超过预先限定阈值的气体密度中的变化在所述装置(1)中的至少一个中被检测到时这样的时刻。
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