CN105806498A - 基于电压感应取电的无线测温传感器 - Google Patents

基于电压感应取电的无线测温传感器 Download PDF

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王孜
吴绍琪
任海军
邱小平
王博
吴良俊
杨龙
杨建成
张玉祥
高国权
付恩勇
陈清林
刘作洋
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Abstract

本发明公开一种基于电压感应取电的无线测温传感器，包括固定系统、取电系统、电源模块、温度传感器、控制器和通讯模块。所述固定系统包U型夹、螺杆和壳体。使用时，高压母线被夹在U型夹中。所述取电系统包括置于壳体内的第一极板、第二极板，二者形成电容。所述第一极板和第二极板分别通过导电体连接电路板上的触点A，所述螺杆通过导电体连接电路板上的触点B。所述触点A和触点B向电源模块输入交流电流，所述电源模块将输入的交流电流转换为直流电流输出。并向温度传感器、控制器和通讯模块供电。控制器用于管理温度传感器和通讯模块。所述温度传感器置于壳体内，测量结果发送给通讯模块。所述通讯模块将测量结果向外发送。

Description

基于电压感应取电的无线测温传感器
技术领域
本发明涉及无线测温传感器。
背景技术
高压输电越来越多的被应用在现实生活中，因此对于输电线运行实时状况的监测也就显得更加重要。传统的导线监测方法在现实的生活中往往会受到地理位置、周围环境的影响无法进行实时、准确的温度监测以及预警，导致在输电过程中造成无法估量的损失。基于此高压线的实时监控被越来越多的引入了研究机构的话题中。随着测温技术的不断进步，尤其是高精度、长寿命传感器的出现使得测温变得更加容易。高压输电线一旦温度过高导致导线熔断，这将会使该导线的下游区域停电，同时也会对上游设备产生影响，甚至可能由于熔断进一步造成火灾，而这种熔断又不是肉眼所能看到的。通常情况下出现故障时需要巡线人员手持指示设备逐点检查，其实时性得不到解决，特别是当线路过长时，整个检查将会耗时、耗力，由于电网工作的复杂性，如果检查时，上、下游用户大型设备的启动在瞬间又会给指示设备造成误动，使得整体可靠性又受到影响。
现有的近距离线路温度检测设备由于长期在高压区域工作，受到强烈的电磁干扰，具有可靠性差，更换电源困难，容易损坏等缺点。
发明内容
本发明的目的是解决近距离线路温度检测设备长期在强大电磁干扰情况下可靠工作的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于电压感应取电的无线测温传感器，其特征在于:包括固定系统、取电系统、电源模块、温度传感器、控制器和通讯模块。
所述固定系统包U型夹、螺杆和壳体。
所述U型夹包括距离为L1的上夹板和下夹板。所述上夹板具有一个供螺杆旋入的螺纹孔。使用时，高压母线被夹在U型夹中。螺杆的一头旋入螺纹孔顶紧高压母线并刺破母线的绝缘皮，另一头固定在壳体上。
所述取电系统包括置于壳体内的第一极板、第二极板和电路板。所述第一极板和第二极板之间的距离为L2，二者分别与高压母线形成电容。所述第一极板和第二极板分别通过导电体连接电路板上的触点A，所述螺杆通过导电体连接电路板上的触点B。
所述触点A和触点B向电源模块输入交流电流，所述电源模块将输入的交流电流转换为直流电流输出。并向温度传感器、控制器和通讯模块供电。
控制器用于管理温度传感器和通讯模块。
所述温度传感器利用引线连接壳体内电路板(温度传感器处于需要测温的位置，用于测量高压母线接头、开关触点等处的温度)，温度传感器测量结果发送给通讯模块。所述通讯模块将测量结果向外发送。
进一步，所述电源模块包括全桥整流电路、高压储能电容、DC-DC转换器和低压储能电容。
所述触点A和触点B分别连接全桥整流电路的输入端子。所述全桥整流电路的输出端子对高压储能电容充电。当电压检测系统监测到高压储能电容的电压达到阈值时，高压储能电容向DC-DC转换器供电，经过所述DC-DC变压处理，向低压储能电容充电。所述低压储能电容向温度传感器和通讯模块提供电。
进一步，所述全桥整流电路带有过压过流保护。
进一步，所述低压储能电容的电压达到阈值后，停止充电。
进一步，所述低压储能电容的电压低于阈值时，所述温度传感器、控制器和通讯模块处于掉电状态。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，系统能够从高压母线获得电能，且系统是以间歇方式的工作，解决了系统长期在强烈的电磁干扰下，可靠性差，更换电源困难和容易损坏的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明取电系统的结构示意图；
图3为本发明模块图；
图4为本发明电源模块图；
图5为本发明工作流程图；
图6为本发明安装示意图；
图7为本发明选用的全桥整流电路示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
基于电压感应取电的无线测温传感器，包括固定系统、取电系统、电源模块、温度传感器、控制器和通讯模块。
参见图1，所述固定系统包U型夹1、螺杆2和壳体3。
所述U型夹1包括距离为L1的上夹板和下夹板。所述上夹板具有一个供螺杆2旋入的螺纹孔。使用时，高压母线4被夹在U型夹1中。螺杆2的一头旋入螺纹孔并顶紧高压母线4，另一头固定在壳体3上。
所述取电系统包括置于壳体3内的第一极板401、第二极板403和电路板402。所述第一极板401和第二极板403之间的距离为L2，二者形成电容。所述第一极板401和第二极板403分别通过导电体连接电路板402上的触点A，所述螺杆2通过导电体连接电路板402上的触点B。
值得说明的是，L1大于母线的直径。电路板与外界有3个连接点，其中有一个是与高压母线的连接点，另外两个连接两块取电极板。取电极板与高压母线之间形成了平行板电容器，因为取电极板直接连接在一起，等效为两个并联的电容器，提高了电容量。
电路板可以收集的能量和取电极板面积、取电极板之间距离、取电极板与高压母线之间距离有关。其中取电极板之间距离L2，实际上是上侧极板与高压母线之间距离。取电极板面积影响极板与母线之间电容量，应该尽可能接近高压母线的投影面积。极板与母线距离影响电势差和电容量，距离越近电容量越大，距离越远电势差越大。通过实验，上侧极板与母线之间采用5～10cm之间的距离较好，同时极板应该尽可能接近高压母线的投影面积。两极板都应该在最适合距离范围内，因此不应该距离太远，L2采用1～5cm之间的距离较好。
所述触点A和触点B向电源模块输入交流电流，所述电源模块将输入的交流电流转换为直流电流输出。并向温度传感器、控制器和通讯模块供电。
控制器用于管理温度传感器和通讯模块。
所述温度传感器利用引线连接壳体3内电路板，温度传感器被固定于需要测温的位置，用于测量高压母线接头、开关触点处的温度。并将测量结果发送给通讯模块。所述通讯模块将测量结果向外发送。实施例中，所述通讯模块为2.4G通信模块。
所述电源模块包括全桥整流电路、高压储能电容、DC-DC转换器和低压储能电容。实施例中，选用LTC3588-1，LTC3588-1是集成了桥式整流、电压监测、AC-DC转换、充放电控制功能于一体的集成芯片，可以将较高压的交流电转化为适合系统使用的直流信号。PZ1和PZ2连接取电极板，是芯片的交流输入源；CAP是芯片内部PMOS驱动引脚，需要在CAP与VIN引脚之间连接1uF的电容C2；VIN是内部经过全桥整流的直流电压脚，需要连接高压储能电容C1；SW是内部DCDC电感引脚，需要在SW与VOUT之间连接电感L1；VOUT是芯片DCDC的输出引脚，为后级电路提供稳定的直流电压；VIN2是芯片内部NMOS驱动引脚，需要在VIN2与GND之间连接电容C3。D0和D1是芯片DCDC输出电压配置引脚，采用D0＝GND，D1＝VIN2配置，输出电压3.3V。PGOOD是芯片输出状态指示，未使用。元件清单如下表所示。
名称 型号 参数 各个引脚名称
电容C1 - 10uF -
电容C2 - 1uF -
电容C3 - 4.7uF -
电容C4 - 10uF -
电感L1 - 10uH -
集成芯片U1 LTC3588-1 - 1、PZ1
2、PZ2
3、CAP
4、VIN
5、SW
6、VOUT
7、VIN2
8、D1
9、D0
10、PGOOD
高压储能电容选用耐压20V以上，容量1～10uF(需要考虑能量收集周期和取电结构)，低ESR(电容串联等效电阻)。低压储能电容选用耐压3.3V以上，容量1～10uF(需要考虑能量收集周期)，低ESR(电容串联等效电阻)。DC-DC转换器：输入电压大于20V，输出为3.3V(电压输出精度高于5％)，峰值电流200～400mA，平均电流大于100mA。
所述触点A和触点B分别连接全桥整流电路的输入端子。所述全桥整流电路的输出端子对高压储能电容充电。实施例中，所述全桥整流电路带有过压过流保护。当电压检测系统监测到高压储能电容的电压达到阈值(5V左右)时，高压储能电容向DC-DC转换器供电，经过所述DC-DC变压处理，向低压储能电容充电。当所述低压储能电容的电压达到阈值(3.3V)后，停止充电。值得说明的是，参见图4，极板获得的能量是交流形式，需要进行整流才能被电容存储，采用全桥整流最大限度的利用能量。因为电场能量微弱，需要利用电容收集能量。当高压储能电容的电压达到DC-DC工作电压之后，DC-DC开始工作向低压储能电容充能。低压储能电容达到一定电压之后，可以被后级利用。
所述低压储能电容向温度传感器和通讯模块提供电。
值得说明的是，参见图5，所述低压储能电容的电压低于阈值时，所述温度传感器、控制器和通讯模块处于掉电状态。即能量收集过程中，微控制器和无线模块保持掉电。能量足够一次工作之后，微控制器被唤醒，开始初始化自身外设和无线模块。无线模块的初始化主要包括无线频段、地址、模式、功率设置。
实施例中，温度测量通过微控制器自带的数模转换器实现，读取温度传感器数据之后，需要通过查表得出温度读数。将地址信息、校验信息、温度信息打包成数据帧，通过无线发送出去。为了保证发送数据的成功率，连续发送三次数据。发送结束后系统进入超低功耗休眠模式，消耗电容存储的能量之后，系统进入掉电模式，等待下一次能量存储完成。
本实施例中，因为能量极其受限，系统的工作于间歇方式。系统的每一部分都要求尽可能的低功耗，并且尽可能减小上电到工作的间隙。无线方面，采用2.4G频段，保证空中速率高达2Mbps以减小发送数据的时间；合理设计通信协议，减小非必要负荷浪费；简化无线通信参数的初始化流程，将上电到工作的间隔时间尽可能减小。微控制器方面，采用低电压、低功耗的微控制器。谨慎选择电阻，妥善处理未使用引脚，在系统其它部分初始化的过程中保持低功耗休眠，尽可能降低微控制器功耗。程序设计上，尽可能减小没必要的外设和高功耗外设的使用，例如没必要的定时器等。

Claims (5)

1.基于电压感应取电的无线测温传感器，其特征在于:包括固定系统、取电系统、电源模块、温度传感器、控制器和通讯模块；
所述固定系统包U型夹(1)、螺杆(2)和壳体(3)；
所述U型夹(1)包括距离为L1的上夹板和下夹板；所述上夹板具有一个供螺杆(2)旋入的螺纹孔；使用时，高压母线(4)被夹在U型夹(1)中；螺杆(2)的一头旋入螺纹孔顶紧高压母线(4)并刺破母线的所述绝缘皮，另一头固定在壳体(3)上；
所述取电系统包括置于壳体(3)内的第一极板(401)、第二极板(403)和电路板(402)。所述第一极板(401)和第二极板(403)之间的距离为L2，二者分别与高压母线形成电容；所述第一极板(401)和第二极板(403)分别通过导电体连接电路板(402)上的触点A，所述螺杆(2)通过导电体连接电路板(402)上的触点B；
所述触点A和触点B向电源模块输入交流电流，所述电源模块将输入的交流电流转换为直流电流输出；并向温度传感器、控制器和通讯模块供电；
控制器用于管理温度传感器和通讯模块；
所述温度传感器利用引线连接壳体(3)内电路板，温度传感器将测量结果发送给通讯模块；所述通讯模块将测量结果向外发送。
2.根据权利要求1所述的基于电压感应取电的无线测温传感器，其特征在于：所述电源模块包括全桥整流电路、高压储能电容、DC-DC转换器和低压储能电容；
所述触点A和触点B分别连接全桥整流电路的输入端子；所述全桥整流电路的输出端子对高压储能电容充电；当电压检测系统监测到高压储能电容的电压达到阈值时，高压储能电容向DC-DC转换器供电，经过所述DC-DC变压处理，向低压储能电容充电；所述低压储能电容向温度传感器和通讯模块提供电。
3.根据权利要求2所述的基于电压感应取电的无线测温传感器，其特征在于：所述全桥整流电路带有过压过流保护。
4.根据权利要求2所述的基于电压感应取电的无线测温传感器，其特征在于：所述低压储能电容的电压达到阈值后，停止充电。
5.根据权利要求2所述的基于电压感应取电的无线测温传感器，其特征在于：所述低压储能电容的电压低于阈值时，所述温度传感器、控制器和通讯模块处于掉电状态。
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