CN107941369A - 一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备金属导体温度监测领域，更具体地，涉及一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置,包括射频发射器、射频接收器、信号处理模块、信号收发装置、谐振型声表面温度传感器、轨道角动量调制器和轨道角动量解调器；所述的射频发射器与射频接收器电连接，所述的轨道角动量解调器输出端与射频接收器和信号处理模块电连接，轨道角动量解调器输入端与收发装置电连接，所述的射频接收器与信号处理模块电连接，所述的射频发射器与收发装置电连接，所述的轨道角动量调制器与谐振型声表面温度传感器电连接。实现开关柜多个温度监测点的实时监测，有效预防开关柜故障的发生。

Description

一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置

技术领域

本发明涉及电力设备金属导体温度监测领域，更具体地，涉及一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置。

背景技术

随着现代社会对电能的依赖性的提高，用电密度大的地区对电能的供给安全可靠性要求提出了更高的要求，进而对开关柜的可靠性也提出了更高的要求。开关柜的内部包括断路器、负荷开关、隔离开关、互感器、操作机构以及各种保护装置等。实际统计数据表明，电网电力设备故障的发生绝大多数是由于设备大电流运行、老化等原因导致电力设备在高温条件下运行，从而引发燃烧，爆炸等严重后果所造成。开关柜为金属封闭开关设备，在正常工作时，不允许打开金属封闭门，所有电气连接点均位于开关柜中。由于开关柜内部工作电压高，正常使用中不能随意断电，所以安装于高压开关柜内部的测温系统，需要更高的电气绝缘性，日常使用中的维护量应尽可能减少。因此需要对开关柜中的部件进行温度检测，以评估对应的工作状态。目前针对开关柜的温度测量方式中，红外测温虽然可以获得开关柜内的温度数值，但需要巡检人员的参与。由于电力设备的内部结构复杂，诸多部件遮挡的影响，采用手持式红外测温装置通常不能获得准确的温度数值，同时也不能实时监测开关柜内的温度情况，该方式效率低下；采用有源无线的测温方式，通过温度传感器节点实时监测温度数据，将采集的数据处理后通过Zigbee协议传送给路由器节点，然后通过有线或无线网络传送给监控中心，对温度数据进行分析、显示、报警。该种测温方式中，由于温度传感器及数据处理单元需要供电电池，存在定时更换电池的问题，同时电池可能漏液，会给电力设备带来额外的安全隐患。光纤具有耐高压、耐高温，高灵敏度和抗电磁干扰等优点，可以对开关柜的温度可以实现分布式测量、定位、预警。但是该种测量方式存在调制解调器成本高、布线调试复杂等缺点，不利于大面积的推广。

无源、无线的声表面波温度测量装置，由于其成本低廉、安装方便，在电力设备温度监测中得到了广泛的推广使用。谐振型声表面波温度测量方法，由于工作带宽的限制，该种方式能够同时监测的节点数一般较少。如果需要增加温度监测节点的数量，则需要重复利用声表面温度传感器的工作频带。相邻工作频段的声表面温度传感器之间容易产生串扰，导致不同开关柜中温度测量点的声表面温度传感器之间不能正确区分。为了区分不同的开关柜中的温度测量点，人们提出了将声表面波温度传感器进行编码的延迟型温度测量方式，但该种方式中的声表面波温度传感器需要定做，将大幅增加温度测量装置的成本。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，实现开关柜多个温度监测点的实时监测，有效预防开关柜故障的发生。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，包括射频发射器、射频接收器、信号处理模块、信号收发装置、谐振型声表面温度传感器、轨道角动量调制器和轨道角动量解调器；

所述的射频发射器与射频接收器电连接，所述的轨道角动量解调器输出端与射频接收器和信号处理模块电连接，轨道角动量解调器输入端与收发装置电连接，所述的射频接收器与信号处理模块电连接，所述的射频发射器与收发装置电连接，所述的轨道角动量调制器与谐振型声表面温度传感器电连接。

射频发射机通过给各个谐振型声表面波温度传感器发射对应的脉冲型电磁波信号，从而将电磁能量传递给各个声表面温度波传感器，电磁能量在声表面波温度传感器中的谐振单元产生谐振并返回一个阻尼型电磁波信号，轨道角动量调制器将各个声表面温度传感器对应的阻尼型电磁波调制成具有不同轨道角动量的螺旋电磁波，该电磁信号通过与谐振型声表面波温度传感器相连接的接收天线，以指定的轨道角动量向空间辐射。射频信号接收机接收空间电磁波信号，通过轨道角动量解调器对返回的电磁波轨道角动量进行模式解调，标识对应的各个声表面波温度传感器。然后将电磁波信号在接收机中进行放大、混频、滤波，通过信号处理模块解算各个谐振型声表面波温度传感器表征开关机柜中的各个测量点的温度。

进一步的，所述的射频发射器包括扫频信号源、上变频器、本振信号源、滤波器、射频功率放大器，所述的扫频信号源、上变频器、滤波器、射频功率放大器依次电连接，所述的本振信号源的输出端与上变频器输入端电连接，所述的射频功率放大器输出端与收发装置电连接。

进一步的，所述的射频接收器包括低噪声放大器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、本振信号源，所述的低噪声放大器、带通滤波器、混频器、低通滤波器依次电连接，所述的本振信号源的输出端与混频器的输入端电连接，所述的轨道角动量解调器输出端与低噪音放大器输入端电连接，所述的低通滤波器输出端与信号处理模块输入端电连接。

进一步的，所述的信号处理模块由数模传唤器、数字信号处理单元依次电连接组成，所述的数模转换器输入端与射频接收器电连接，所述的数字信号处理单元的输入端与轨道角动量解调器输出端电连接。

进一步的，所述的收发装置包括射频接收天线、射频发射天线、收发切换开关，所述的收发切换开关分别与射频发射器、射频接收器电连接，所述的射频发射天线与收发切换开关电连接，所述的射频接收天线与轨道角动量调制器电连接。

进一步的，所述的轨道角动量调制器通过模拟的方式将声表面波返回的电磁波信号调制成指定角动量的电磁波信号。

进一步的，所述的轨道角动量解调器通过模拟的方式解调接收机天线接收到的电磁波信号对应的轨道角动量。

与现有技术相比，有益效果是：

(1)本发明采用无线无源的声表面波温度传感器测量开关柜内电力设备的温度，实时监测这些电力设备的工作状态。

(2)本发明对不同谐振型声表面波温度传感器采用工作频段以及轨道角动量的组合分配方式，可以在现有的工作频段范围内大大增加谐振型声表波温度传感器在开关柜内的数量，从而实现开关柜的多点实时温度监测。

(3)本发明采用对不同谐振型声表面波温度传感器采用工作频段以及轨道角动量的组合分配方式，可以减小各个谐振型声表面波温度传感器回波信号之间的串扰问题。

附图说明

图1是本发明在一个实施例中整体系统框图。

图1中的附图标记表示如下：1-扫频信号源，2-上变频器，3-本征信号源，4-滤波器，5-射频功率放大器，6-收发切换开关，7-轨道角动量解调器，8-低噪声放大器，9-带通滤波器，10-混频器，11-低通滤波器，12-数模转换器，13-数字信号处理单元，14-发射天线(编号为发射天线1到N)，15-接收射天线(编号为接收天线1到N)，16-轨道角动量调制器，17-谐振型声表面波温度传感器。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，包括射频发射器、射频接收器、信号处理模块、信号收发装置、谐振型声表面温度传感器17、轨道角动量调制器16和轨道角动量解调器7；

射频发射器与射频接收器电连接，轨道角动量解调器7输出端与射频接收器和信号处理模块电连接，轨道角动量解调器7输入端与收发装置电连接，射频接收器与信号处理模块电连接，射频发射器与收发装置电连接，轨道角动量调制器16与谐振型声表面温度传感器17电连接。

射频发射机通过给各个谐振型声表面波温度传感器17发射对应的脉冲型电磁波信号，从而将电磁能量传递给各个声表面温度波传感器，电磁能量在声表面波温度传感器17中的谐振单元产生谐振并返回一个阻尼型电磁波信号，轨道角动量调制器16将各个声表面温度传感器17对应的阻尼型电磁波调制成具有不同轨道角动量的螺旋电磁波，该电磁信号通过与谐振型声表面波温度传感器17相连接的接收天线15，以指定的轨道角动量向空间辐射。射频信号接收机接收空间电磁波信号，通过轨道角动量解调器7对返回的电磁波轨道角动量进行模式解调，标识对应的各个声表面波温度传感器17。然后将电磁波信号在接收机中进行放大、混频、滤波，通过信号处理模块解算各个谐振型声表面波温度传感器17表征开关机柜中的各个测量点的温度。

在本实施例中，射频发射器包括扫频信号源1、上变频器2、本振信号源3、滤波器4、射频功率放大器5，扫频信号源1、上变频器2、滤波器4、射频功率放大器5依次电连接，本振信号源3的输出端与上变频器2输入端电连接，射频功率放大器5输出端与收发装置电连接。

在本实施例中，射频接收器包括低噪声放大器8、带通滤波器9、混频器10、低通滤波器11、本振信号源3，低噪声放大器8、带通滤波器9、混频器10、低通滤波器11依次电连接，本振信号源3的输出端与混频器10的输入端电连接，轨道角动量解调器7输出端与低噪音放大器输入端电连接，低通滤波器11输出端与信号处理模块输入端电连接。

在本实施例中，信号处理模块由数模传唤器、数字信号处理单元13依次电连接组成，数模转换器12输入端与射频接收器电连接，数字信号处理单元13的输入端与轨道角动量解调器7输出端电连接。

在本实施例中，收发装置包括射频接收天线15、射频发射天线14、收发切换开关6，收发切换开关6分别与射频发射器、射频接收器电连接，射频发射天线14与收发切换开关6电连接，射频接收天线15与轨道角动量调制器16电连接。

在本实施例中，轨道角动量调制器16通过模拟的方式将声表面波返回的电磁波信号调制成指定角动量的电磁波信号。

在本实施例中，轨道角动量解调器7通过模拟的方式解调接收机天线接收到的电磁波信号对应的轨道角动量。

具体的实施方式为：假设要测量的温度点为20个，声表面波传感器以1到20进行编号。假设声表面波温度传感器17的工作频率范围为428~439MHz,测量的温度范围为-25~125oC，将每个声表面波传感器的工作带宽分配为1.1MHz，共有10个工作频带。对应的具有相同工作频率范围的声表面波温度传感器17编号分别为(1,11)、(2,12)、(3,13)、(4,14)、(5,15)、(6,16)、(7,17)、(8,18)、(9,19)、(10, 20)。将对应的428~429.1MHz频率范围分配给声表面波温度传感器17(1,11), 429.2~430.3MHz频率范围分配给声表面波温度传感器17(2,12),以此类推。基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置框图如图1所示，信号源产生一个可以覆盖编号为(1,11)的声表面波温度传感器17的低频扫频范围，通过上变频将工作频率搬移到射频段，通过滤波器4抑制干扰信号，然后通过射频功率放大器5进行功率放大，同时控制单元切换到发射模式，射频信号通过各自的发射天线14(发射天线141到N, N=20)向各自测量点进行空间辐射，温度传感器17端将接收到的射频信号通过轨道角动量调制器16调制成对不同的轨道角动量，即将相同工作频带的不同声表面波温度传感器17分配调制为不同的轨道角动量，例如编号为1的声表面波温度传感器17所接收到的射频信号轨道角动量调制为模式1, 将编号为11的射频信号轨道角动量调制为模式-1。因此所有的声表面波传感器的轨道角动量和工作频率可以表示为(±1, fi),i=1….10以便区分，射频信号通过声表面波温度传感器17中的谐振单元，产生一个共振频偏信号，然后通过传感器端的接收天线15辐射出对应频率的射频信号。同时，切换开关切换到接收模式，通过各个发射天线14接收对应的射频信号，轨道角动量模式解调器7解调出反射回来的射频信号的轨道角动量模式，从而识别来自不同的声表面波温度传感器17的回波信号。将对应的回波信号混频到中频，然后通过滤波器4进行高频信号抑制。模数转换器将模拟中频信号转换为可以采集的数字信号，数字信号在信号处理单元进行测频运算及温度计算，最终得到对应声表面波温度传感器171和声表面波温度11的温度。测量其他的声表面波温度传感器17的温度，按上述的步骤进行重复，唯一需要改变的是扫频信号的扫频范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，包括射频发射器、射频接收器、信号处理模块、信号收发装置、谐振型声表面温度传感器（17）、轨道角动量调制器（16）和轨道角动量解调器（7）；

所述的射频发射器与射频接收器电连接，所述的轨道角动量解调器（7）输出端与射频接收器和信号处理模块电连接，轨道角动量解调器（7）输入端与收发装置电连接，所述的射频接收器与信号处理模块电连接，所述的射频发射器与收发装置电连接，所述的轨道角动量调制器（16）与谐振型声表面温度传感器（17）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的射频发射器包括扫频信号源（1）、上变频器（2）、本振信号源（3）、滤波器（4）、射频功率放大器（5），所述的扫频信号源（1）、上变频器（2）、滤波器（4）、射频功率放大器（5）依次电连接，所述的本振信号源（3）与上变频器（2）电连接，所述的射频功率放大器（5）输出端与收发装置电连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的射频接收器包括低噪声放大器（8）、带通滤波器（9）、混频器（10）、低通滤波器（11）、本振信号源（3），所述的低噪声放大器（8）、带通滤波器（9）、混频器（10）、低通滤波器（11）依次电连接，所述的本振信号源（3）与混频器（10）电连接，所述的轨道角动量解调器（7）输出端与低噪音放大器电连接，所述的低通滤波器（11）输出端与信号处理模块电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的信号处理模块由数模传唤器、数字信号处理单元（13）依次电连接组成，所述的数模转换器（12）输入端与射频接收器电连接，所述的数字信号处理单元（13）的输入端与轨道角动量解调器（7）电连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的收发装置包括射频接收天线（15）、射频发射天线（14）、收发切换开关（6），所述的收发切换开关（6）分别与射频发射器、射频接收器电连接，所述的射频发射天线（14）与收发切换开关（6）电连接，所述的射频接收天线（15）与轨道角动量调制器（16）电连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的轨道角动量调制器（16）通过模拟的方式将声表面波返回的电磁波信号调制成指定角动量的电磁波信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的轨道角动量解调器（7）通过模拟的方式解调接收机天线接收到的电磁波信号对应的轨道角动量。

8.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的开关柜多点、低串扰温度测量装置，其特征在于，所述的谐振型声表面温度传感器（17）安放在开关柜中的温度待测点位置。