CN115824440A - 一种基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，包括管状手性热力学超材料、加载装置、变形监测系统。管状手性热力学超材料是采用热塑性聚合物制备的手性管。加载装置设置有两个轻质刚性夹具和四根预应力弹簧。变形监测系统设置有极薄压电层。具有特定材料和结构参数的管状手性热力学超材料的临界屈曲力随温度升高而减小，并在某特定温度下等于四根预应力弹簧提供给管状手性热力学超材料的轴向压力，此时，管状手性热力学超材料发生屈曲。屈曲变形信息通过变形监测系统实时获取，进而实现该特定温度的预警。本发明系统可以实现电力设备任意部位(表面和内部)和大温度范围内任意高温的实时、准确和有效预警。
Description
技术领域
本发明属于电力设备温度监测和预警领域，具体涉及一种基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统。
背景技术
电能传输过程中的连接点称为接头。接头故障是引起电力设备故障的主要因素，而接头故障常由接头发热(金属磨损与腐蚀、被覆层失效、过负荷和接头压力失当等造成的接头温度过高)导致。对接头异常高温进行实时、自动和有效地监测和预警，从源头消除接头故障和它导致的电力设备故障是至关重要的。然而，现有的电力设备温度监测和预警系统经常采用的三类无线温度传感器，即电阻式传感器、热电偶和IC传感器存在一定局限性。电阻式传感器的电阻-温度响应存在非线性难题，热电偶的敏感度较低(10-100μV/)，IC传感器的工作温度范围较窄(-55-150μV/)。因此，有必要设计一种高准确度、高敏感度和宽工作温度范围的电力设备实时高温预警系统。
采用热功能力学超材料设计的薄壁圆柱壳的屈曲响应为本发明提供了技术支持。薄壁圆柱壳的临界屈曲力可表示为：
“其中，E为薄壁圆柱壳的杨氏模量；v为薄壁圆柱壳的泊松比；γ为薄壁圆柱壳的厚度”。热功能力学超材料采用热塑性聚合物制备力学超材料，使其兼具热塑性聚合物和力学超材料的优异性能，拓展了力学性能。热塑性聚合物的杨氏模量和屈服强度随温度的升高而降低，该过程称为玻璃化转变过程。在该过程中，杨氏模量和屈服强度跨越了三个数量级。力学超材料具有可调控的子结构设计(形状和几何参数)，使其具有可调控的力学响应，即杨氏模量、泊松比、剪切模量和体积模量。因此，采用热功能力学超材料设计的薄壁圆柱壳可以通过调控温度(材料角度)、子结构设计和厚度(结构角度)获得某特定临界屈曲力。同理，可以通过调控热功能力学超材料设计的薄壁圆柱壳的子结构设计、厚度和施加的轴向压力，使其在某特定温度下达到临界屈曲状态。
在本发明中，考虑到现有的三类无线温度传感器的局限性，即电阻式传感器的电阻-温度响应存在非线性难题、热电偶的敏感度较低和IC传感器的工作温度范围较窄。本发明提出了一种基于管状手性热力学超材料的屈曲响应的电力设备实时高温预警系统。本发明解决的问题是，该系统突破无线温度传感器技术发展的限制，可以通过管状手性热力学超材料的屈曲响应，实现电力设备任意部位(表面和内部)和大温度范围内任意高温的实时、准确和有效预警，是一种高准确度、高敏感度和宽工作温度范围的电力设备实时高温预警系统。本发明的创新之处在于通过材料和结构创新实现对薄壁圆柱壳的屈曲响应的调控；利用热塑性聚合物构建温度和屈曲响应的联系；实现电力设备任意部位(表面和内部)和大温度范围内任意高温的实时、准确和有效预警。
发明内容
针对现有的三类无线温度传感器的局限性，即电阻式传感器的电阻-温度响应存在非线性难题、热电偶的敏感度较低和IC传感器的工作温度范围较窄，本发明提出一种基于管状手性热力学超材料的屈曲响应的电力设备实时高温预警系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，该系统包括管状手性热力学超材料、加载装置、变形监测系统；
所述管状手性热力学超材料采用热塑性聚合物制备，由周期性排列的若干组手性单元组成，每组手性单元设置有一个正六边形胞元和沿正六边形胞元外围排列的六个Z形手性腿，相邻手性单元通过Z形手性腿连接；
所述加载装置包括两个轻质刚性夹具和四根预应力弹簧，管状手性热力学超材料安装在两个轻质刚性夹具之间，处于拉伸状态的预应力弹簧的两端固接在轻质刚性夹具上，施加于管状手性热力学超材料均匀分布的轴向压力，四根预应力弹簧沿轻质刚性夹具周向均匀分布；具有特定材料和结构参数的管状手性热力学超材料的临界屈曲力随温度升高而减小，并在某特定温度下等于预应力弹簧提供给管状手性热力学超材料的轴向压力，此时，管状手性热力学超材料发生屈曲；
所述变形监测系统包括极薄压电层，涂覆在管状手性热力学超材料的外表面，通过将管状手性热力学超材料和极薄压电层的变形信息转化为电压信号，得到电压信号曲线并进行分析，通过判断电压信号曲线的拐点进行高温预警。
进一步地，管状手性热力学超材料兼具热塑性聚合物的杨氏模量和屈服强度受温度调控以及手性管的杨氏模量和泊松比受子结构设计调控的性质，拓展了力学性能。
进一步地，通过调控热塑性聚合物的种类、手性管的厚度、周向和轴向正六边形胞元的数量、正六边形胞元的边长和Z形手性腿的宽度，使管状手性热力学超材料能够在特定的轴向压力和温度下达到临界屈曲状态。
进一步地，变形监测系统还包括无线数据传输芯片、两个金电极、两根导线和数据分析工具；
两个金电极分别粘贴在极薄压电层外表面和管状手性热力学超材料的内表面，并通过两根导线与无线数据传输芯片连接；管状手性热力学超材料和极薄压电层的变形信息转化为电压信号，被无线数据传输芯片接收并传输到数据分析工具；当管状手性热力学超材料发生屈曲时，由于极薄压电层的形状骤变，数据分析工具获得的电压信号曲线出现拐点，说明电力设备的温度已经达到特定温度，进而实现该特定温度的预警。
进一步地，电力设备实时高温预警系统还包括耐高温胶囊，用于封装管状手性热力学超材料、加载装置和无线数据传输芯片，避免电力设备实时高温预警系统受到外界环境的影响。
进一步地，耐高温胶囊具有均匀分布的圆形孔隙，保证耐高温胶囊内外温度的一致性。
本发明的有益效果：本发明考虑到现有的三类无线温度传感器的局限性，即电阻式传感器的电阻-温度响应存在非线性难题、热电偶的敏感度较低和IC传感器的工作温度范围较窄，提出了一种基于管状手性热力学超材料的屈曲响应的电力设备实时高温预警系统。本发明的创新之处在于通过材料和结构创新实现对薄壁圆柱壳的屈曲响应的调控；利用热塑性聚合物构建温度和屈曲响应的联系；实现电力设备任意部位(表面和内部)和大温度范围内任意高温的实时、准确和有效预警。本发明系统突破无线温度传感器技术发展的限制，可以通过管状手性热力学超材料的屈曲响应，实现电力设备任意部位(表面和内部)和大温度范围内任意高温的实时、准确和有效预警，是一种高准确度、高敏感度和宽工作温度范围的电力设备实时高温预警系统。
附图说明
图1是电力设备实时高温预警系统的示意图；
图2是管状手性热力学超材料和极薄压电层的结构示意图；
图3是加载装置的结构示意图；
图4是耐高温胶囊的外观和细部构造示意图；
图中：管状手性热力学超材料1、加载装置2、变形监测系统3和耐高温胶囊4；正六边形胞元101；Z形手性腿102；轻质刚性夹具201；预应力弹簧202；极薄压电层301；无线数据传输芯片302；金电极303；导线304；数据分析工具305；圆形孔隙401。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1-图4所示，本发明提供了一种基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，包括管状手性热力学超材料1、加载装置2、变形监测系统3和耐高温胶囊4。
管状手性热力学超材料1是采用热塑性聚合物制备的手性管，它兼具热塑性聚合物的杨氏模量和屈服强度受温度调控和手性管的杨氏模量和泊松比受子结构设计调控的性质，拓展了力学性能。
如图2所示，手性管由周期性排列的手性单元组成，每组手性单元设置有一个正六边形胞元101和六个Z形手性腿102。
通过调控热塑性聚合物的种类、手性管的厚度、周向和轴向正六边形胞元101的数量、正六边形胞元101的边长和Z形手性腿102的宽度，使管状手性热力学超材料1可以在特定的轴向压力和温度下达到临界屈曲状态。
如图3所示，加载装置2设置有两个轻质刚性夹具201和四根预应力弹簧202。
管状手性热力学超材料1的两端嵌入轻质刚性夹具201的环形凹槽203并固接，确保施加于管状手性热力学超材料1的轴向压力的均匀分布。
处于拉伸状态的预应力弹簧202的两端固接在轻质刚性夹具201的圆槽204中，用于提供特定的轴向压力。
具有特定材料和结构参数的管状手性热力学超材料1的临界屈曲力随温度升高而减小，并在某特定温度下等于预应力弹簧202提供给管状手性热力学超材料1的几乎恒定的轴向压力。此时，管状手性热力学超材料1发生屈曲。
如图1所示，变形监测系统3设置有极薄压电层301、无线数据传输芯片302、两个金电极303、两根导线304和数据分析工具305。
极薄压电层301涂覆在管状手性热力学超材料1的外表面。两个金电极303分别粘贴在极薄压电层301外表面和管状手性热力学超材料1的内表面，并通过两根导线304与无线数据传输芯片302连接。
管状手性热力学超材料1和极薄压电层301的变形信息转化为电压信号，被无线数据传输芯片302接收并传输到数据分析工具305。
当管状手性热力学超材料1发生屈曲时，由于极薄压电层301的形状骤变，数据分析工具305获得的电压信号曲线出现拐点。这说明电力设备的温度已经达到特定温度，进而实现该特定温度的预警。
耐高温胶囊4用于封装管状手性热力学超材料1、加载装置2和无线数据传输芯片302，避免电力设备实时高温预警系统受到物理损坏等外界环境的影响。
如图4所示，耐高温胶囊4具有均匀分布的圆形孔隙401，保证了耐高温胶囊内外温度的一致性。
如图1和2所示，当本发明系统用于电力设备的接头高温预警时，根据需要预警的温度值，确定热塑性聚合物的种类、设计手性管的结构参数(厚度、周向和轴向正六边形胞元101的数量、正六边形胞元101的边长和Z形手性腿102的宽度)和选择能够提供特定的轴向压力的预应力弹簧202(在该特定的轴向压力下，管状手性热力学超材料1将在需要预警的温度下发生屈曲)。当电力设备的接头达到需要预警的温度值时，管状手性热力学超材料1发生屈曲，导致极薄压电层301的形状骤变。该屈曲变形信息转化为电压信号，被无线数据传输芯片302接收并传输到数据分析工具305，此时，数据分析工具305获得的电压信号曲线出现拐点。因此，通过观察电压信号曲线的拐点，即可实现电力设备的接头特定高温的实时、准确和有效预警。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，其特征在于，该系统包括管状手性热力学超材料(1)、加载装置(2)、变形监测系统(3)；
所述管状手性热力学超材料(1)采用热塑性聚合物制备，由周期性排列的若干组手性单元组成，每组手性单元设置有一个正六边形胞元(101)和沿正六边形胞元(101)外围排列的六个Z形手性腿(102)，相邻手性单元通过Z形手性腿(102)连接；
所述加载装置(2)包括两个轻质刚性夹具(201)和四根预应力弹簧(202)，管状手性热力学超材料(1)安装在两个轻质刚性夹具(201)之间，处于拉伸状态的预应力弹簧(202)的两端固接在轻质刚性夹具(201)上，施加于管状手性热力学超材料(1)均匀分布的轴向压力，四根预应力弹簧(202)沿轻质刚性夹具(201)周向均匀分布；具有特定材料和结构参数的管状手性热力学超材料(1)的临界屈曲力随温度升高而减小，并在某特定温度下等于预应力弹簧(202)提供给管状手性热力学超材料(1)的轴向压力，此时，管状手性热力学超材料(1)发生屈曲；
所述变形监测系统(3)包括极薄压电层(301)，涂覆在管状手性热力学超材料(1)的外表面，通过将管状手性热力学超材料(1)和极薄压电层(301)的变形信息转化为电压信号，得到电压信号曲线并进行分析，通过判断电压信号曲线的拐点进行高温预警。
2.根据权利要求1所述的基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，其特征在于，管状手性热力学超材料(1)兼具热塑性聚合物的杨氏模量和屈服强度受温度调控以及手性管的杨氏模量和泊松比受子结构设计调控的性质，拓展了力学性能。
3.根据权利要求1所述的基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，其特征在于，通过调控热塑性聚合物的种类、手性管的厚度、周向和轴向正六边形胞元(101)的数量、正六边形胞元(101)的边长和Z形手性腿(102)的宽度，使管状手性热力学超材料(1)能够在特定的轴向压力和温度下达到临界屈曲状态。
4.根据权利要求1所述的基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，其特征在于，变形监测系统(3)还包括无线数据传输芯片(302)、两个金电极(303)、两根导线(304)和数据分析工具(305)；
两个金电极(303)分别粘贴在极薄压电层(301)外表面和管状手性热力学超材料(1)的内表面，并通过两根导线(304)与无线数据传输芯片(302)连接；管状手性热力学超材料(1)和极薄压电层(301)的变形信息转化为电压信号，被无线数据传输芯片(302)接收并传输到数据分析工具(305)；当管状手性热力学超材料(1)发生屈曲时，由于极薄压电层(301)的形状骤变，数据分析工具(305)获得的电压信号曲线出现拐点，说明电力设备的温度已经达到特定温度，进而实现该特定温度的预警。
5.根据权利要求1所述的基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，其特征在于，电力设备实时高温预警系统还包括耐高温胶囊(4)，用于封装管状手性热力学超材料(1)、加载装置(2)和无线数据传输芯片(302)，避免电力设备实时高温预警系统受到外界环境的影响。
6.根据权利要求5所述的基于管状手性热力学超材料的电力设备实时高温预警系统，其特征在于，耐高温胶囊(4)具有均匀分布的圆形孔隙(401)，保证耐高温胶囊内外温度的一致性。
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