CN116324432A - 远程结构温度监测器 - Google Patents

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CN116324432A
CN116324432A CN202180064657.2A CN202180064657A CN116324432A CN 116324432 A CN116324432 A CN 116324432A CN 202180064657 A CN202180064657 A CN 202180064657A CN 116324432 A CN116324432 A CN 116324432A
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梅赫鲁兹·扎曼扎德
卡洛琳·托梅
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Ka LuolinTuomei
Mei HeluziZhamanzhade
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Ka LuolinTuomei
Mei HeluziZhamanzhade
Mett Gene Co ltd
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Abstract

数据采集设备和温度监测单元监测远程结构的温度。所述温度监测单元具有热电偶、具有天线和发射器的通信设备组件、用于向控制器和通信设备供电的电源、以及用于包围所述通信设备和所述电源的外壳，所述热电偶和所述天线延伸穿过所述外壳。所述通信设备从所述热电偶获得温度，并激活所述发射器以通过所述天线将温度发送到所述数据采集设备。

Description

远程结构温度监测器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年9月21日提交的题为“远程结构温度监测器(REMOTESTRUCTURE TEMPERATURE MONITOR)”的共同未决的美国临时专利申请第63/081,281号的根据《美国法典》第35卷第119(e)条的权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本主题公开涉及用于监测远程结构(如电信结构)的温度的系统、方法和装置，更具体地，涉及利用能够埋在远程结构下方的远程温度监测单元的系统。
背景技术
近年来，野火已成为澳大利亚、密歇根州、加拿大和美国西海岸的一个重大问题。在野火期间，钢的机械特性会在高温下恶化。这会导致脆化，屈服强度、刚度和弹性模量的降低。这种恶化会导致钢构件的变形、局部屈曲和扭曲。塔架应用和相关远程结构中的火灾危险会导致高后果区域(high consequence area，HCA)的严重安全问题，以及经济和资产损失。
这些结构中的许多结构由钢制成。钢的机械特性是温度相关的。随着温度升高，屈服强度(>400℃)和弹性模量(>200℃)降低。如果温度高于600℃，将损失约50％的抗拉强度。如果温度不超过600℃，并且没有长时间暴露于野火，机械特性将在冷却后恢复到它们的初始值。如果钢暴露在600℃以上的温度下约20-30分钟，表面将出现氧化。表面也将凹陷，钢的横截面厚度也将减小。
火产生的热量能够对钢结构产生多种不同的不利影响，包括恶化、变形和蠕变、软化、硬化和液态金属脆化(liquid metal embrittlement，“LME”)。当钢结构的物理和机械特性两者受到野火事件的不利影响时，会导致恶化。基于温度和暴露持续时间，诸如导热性、导电性、热膨胀系数等物理特性会恶化。此外，诸如拉伸强度、屈服强度、延展性、硬度和韧性等机械特性也可能受到不利影响。另外，微观结构可能发生永久性变化。
当某些金属在静载荷下暴露于高温时，会发生变形和蠕变。通常，钢的抗拉强度以室温(约21℃)测量。然而，随着温度升高，拉伸强度降低。在高温下，钢结构会在应力和其自重作用下变形，甚至可能倒塌。变形会导致螺栓孔、焊缝和应力集中位置处的结构开裂。
野火导致的高温会导致钢软化，并永久保持柔软，抗拉强度值较低。软化程度将取决于野火期间达到的温度、达到该温度的时间和冷却速度。缓慢的冷却速度通常会导致软化。
与火相关的高温也会导致硬化。当这种情况发生时，钢变得更硬，拉伸强度更高，但冲击强度更低。当结构通过水或沉淀快速冷却时，如果温度超过约715℃的较低临界温度，则能够达到更硬、更脆的条件。硬化程度取决于钢的碳含量和合金含量。
当温度长时间保持在约715℃以上时，可能发生晶粒生长，这将对钢结构的机械特性产生负面影响。如果火灾发生时，结构的下部被植被覆盖，并且如果钢的温度超过约715℃的较低临界温度，则钢可能发生渗碳。渗碳会导致更大程度的硬化，淬火后将增加钢的脆性。
LME会发生在镀锌钢中，所述镀锌钢是已涂覆有锌的钢。锌的熔点约为420℃。当温度超过锌的熔点时，会发生镀锌涂层的损失。由于液态锌在高温下穿透钢表面，镀锌涂层的损失导致LME。LME对暴露于野火的镀锌锚来说是严重的风险。
此外，一些远程结构包括有机涂层，所述有机涂层可能被火烧焦或完全烧毁。由于野火可能对远程金属结构造成潜在损害，因此需要用于监测此类结构的温度的装置和系统。
发明内容
在各种实施方式中，装置包括热电偶、具有用于与远程监测系统通信的天线和发射器的通信设备、用于控制通信设备的控制器、用于为控制器和通信设备供电的电源、以及用于包围通信设备、控制器和电源的外壳。外壳包括由隔热材料形成的主体，该主体中具有至少一个孔，并且热电偶和天线延伸穿过该至少一个孔。控制器从热电偶接收温度相关电压，确定温度，并指示通信设备激活发射器，以通过天线向远程监测系统发送与温度相关的信息。
附图说明
图1是根据本公开的用于监测远程结构的温度的系统的局部示意图。
图2是根据本公开的温度监测单元的框图。
图3是根据本公开的用于监测远程结构的温度的系统的另一实施例的局部示意图。
图4是根据本公开的用于监测远程结构的温度的系统的另一实施例的局部示意图。
图5是根据本公开的用于监测远程结构的温度的系统的另一实施例的局部示意图。
图6是根据本公开的用于监测远程结构的温度的系统的另一实施例的局部示意图。
具体实施方式
本主题公开涉及用于监测远程结构(如电信结构)的温度的系统、方法和装置，更具体地，涉及利用能够埋在远程结构下方的远程温度监测单元的系统。远程温度监测器能够测量温度并将温度实时传输到数据采集设备。远程温度单元封装在隔热材料中，该材料具有在约840℃的温度下承受0.5小时的火烧的能力。该单元能够作为套件以未组装的形式出售。
以下结合附图提供的详细描述旨在作为示例的描述，而不旨在表示能够被构建或使用本示例的唯一形式。该描述阐述了示例的功能以及用于构造和操作示例的步骤序列。然而，相同或等效的功能和序列能够通过不同的示例来实现。
对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一个实施方式”、“实施方式”、“一个示例”和“示例”等的引用表明所描述的实施例、实施方式或示例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例、实施方式或示例可以不必包括特定特征、结构或特点。此外，这样的短语不一定是指相同的实施例、实施方式或示例。此外，当结合实施例、实施方式或示例描述特定特征、结构或特点时，应理解，无论是否明确描述，都可以结合其他实施例、实施方式或示例来实现这种特征、结构和特点。
阐述了许多具体细节，以便提供对所述主题的一个或更多个实施例的透彻理解。然而，应理解，能够在没有这些具体细节的情况下实践这样的实施例。
现在参考附图更详细地描述本主题公开的各种特征，其中相同的数字通常指代贯穿始终的相同或相应的元件。附图和详细描述不旨在将要求保护的主题限制于所描述的特定形式。相反，其意图是涵盖落入所要求保护的主题的精神和范围内的所有修改、等同物和替代品。
现在参考图1-图2，示出了系统，该系统通常由数字100标示，用于监测远程结构110的温度。系统100特别适于在野火期间监测结构110周围的温度，此时不可能接近结构110以获得这样的测量。
系统100包括数据采集设备112和温度监测单元114。温度监测单元114能够被埋在远程结构110下方、地面116内，以保护温度监测单元112免受野火的影响。
在该示例性实施例中，数据采集设备112是能够在卫星通信系统内使用的卫星。卫星通信系统能够利用现有的卫星基础设施，例如
Figure BDA0004137272900000041
系统。IRIDIUM是华盛顿特区Iridium公司的注册商标。
温度监测单元114包括通信设备118、电源120、热电偶122和控制器124，控制器124利用电路126连接到通信设备118和热电偶122。通信设备118、电源120和控制器124被封装在形成包括孔130的外壳128的主体内。热电偶122延伸穿过孔130。电源120能够为通信设备118和控制器124供电。
热电偶122具有获得与温度相对应的电压的能力。通信设备118可以从热电偶122获得温度并将温度发送到数据采集设备112。
通信设备118能够包括天线132和发射器134。发射器134具有通过天线132与数据采集设备112通信的能力。天线132能够延伸穿过外壳128中的孔138。孔130和138能够以隔热材料填充以进一步保护通信设备122和控制器124。
控制器124能够从热电偶122接收温度相关电压。控制器124可以包括电压表，该电压表能够根据从热电偶122接收的温度相关电压来确定温度。然后，控制器124能够指示通信设备118激活发射器134以向数据采集设备112发送与温度相关的信息。
发射器134可以是发射器或收发器。在一些实施例中，通信设备122可以包括接收器136，接收器136能够接收可以发送到控制器124的指令。发射器134可以包括蜂窝信号发生器。蜂窝信号发生器可以是函数发生器、射频(radio frequency，RF)信号发生器、微波信号发生器、音高发生器、任意波形发生器、数字模式发生器或频率发生器。
电源120可以是便携式电源。在一些实施例中，电源120可以是电池或电池组。在这样的实施例中，可以选择电池以在正常条件(即，非高温)下为温度监测单元114供电五年。
电路126能够被配置和实施为通过热电偶122进行热电偶温度测量。在一些实施例中，热电偶122被选择用于测量至少约600℃的温度，因此是热电偶。可以部分地限制测量的分辨率，以降低通信要求，因为在这样的实施例中不需要更高的测量分辨率。温度读数的频率可以是固定的或可变的。将使功率要求尽可能小，以延长电源120的寿命。
如图1-图2所示，外壳128埋在地下。外壳128可以包括由隔热材料形成的主体。隔热材料可以是包括隔热物的任何合适的材料，隔热物可以包括陶瓷、玻璃、聚合物和复合材料。隔热材料可以是防火材料和耐火材料。接地的隔热材料140能够为外壳128提供额外的隔热。
隔热材料可包括捕获式隔火。在一些实施例中，隔热材料具有在约840℃的温度下承受0.5小时的火烧的能力。在该示例性实施例中，外壳128可以是已被修改为包括孔130和138的SentrySafe钥匙式耐火防水保险箱，其由威斯康星州奥克利克的玛斯特锁公司有限责任公司(Master Lock Company LLC)出售。
如图2所示，控制器124可以包括处理器142和用于在其中存储指令的存储器144。温度监测单元114可以包括数据存储设备146，用于记录与利用热电偶122测量的温度相关的信息。处理器142可以是可编程的或硬接线的，以执行特定功能或一组功能。在处理器142是可编程的实施例中，指令、程序和/或相关数据、信息和数据结构可以存储在存储器144和数据存储设备146中。
在一些实施例中，温度监测单元114可以连接到参考电极148，以监测结构110的腐蚀。
现在参考图3并继续参考前图，示出了另一个实施例，系统通常由数字200标示，用于监测远程结构210的温度。类似于图1-图2中所示的实施例，系统200包括埋在远程结构210下方的温度监测单元212。
与图1-图2中所示的实施例不同，系统200包括车辆形式的数据采集设备214。在该示例性实施例中，车辆是无人机。在替代实施例中，车辆可以是直升机、汽车和/或多用途车辆。
数据采集设备214可被视为“驱动”技术。在一些实施例中，该技术能够利用与数据采集设备214的短距离RF通信，该数据采集设备包括在温度监测单元212的传输范围内的接收器(未示出)。在这样的实施例中，传输范围可以小于一英里。数据采集设备214能够存储温度读数，直到数据采集设备214与之连接并获得读数为止。
现在参考图4并继续参考前图，示出了另一个实施例，系统通常由数字300标示，用于监测远程结构310的温度。类似于图1-图3中所示的实施例，系统300包括埋在远程结构310下方的温度监测单元312。
与图1-图3中所示的实施例不同，系统300包括线载波调制解调器形式的数据采集设备314。在这样的实施例中，系统300可以利用现有的高压传输线来传输数据。系统300可以利用现有的基础设施进行通信。
现在参考图5并继续参考前图，示出了另一个实施例，系统通常由数字400标示，用于监测远程结构410的温度。类似于图1-图4中所示的实施例，系统400包括埋在远程结构410下方的温度监测单元412。
与图1-图4中所示的实施例不同，系统400包括远程测试站监测器形式的数据采集设备414。在一些实施例中，监测器可以是TRUESHIELDTMPATRIOTTM测试站监测器。TRUESHIELD和PATRIOT是乔治亚州布福德市Omnimetrix有限责任公司拥有的商标。
系统400能够利用现有的蜂窝和卫星系统来提高可靠性。使用标准网页浏览器通过互联网上的现有数据管理系统能够收集、存储数据并使其可用。
在其他实施例中，通过实施网状网络，能够降低数据传输的频率和成本。在这样的网络中，多个监测点能够共享公共通信点。监测点能够使用短距离无线网络彼此通信。
现在参考图6并继续参考前图，示出了另一个实施例，系统通常由数字500标示，用于监测远程结构510的温度。类似于图1-图5中所示的实施例，系统500包括埋在远程结构510下方的温度监测单元512。
与图1-图5中所示的实施例不同，温度监测单元512中不包括天线。相反，天线被封装在第二隔热外壳514中，该外壳514使用连接器516连接到温度监测单元512。外壳514可以至少部分地定位在地面518以上。在该示例性实施例中，外壳514包括隔热材料，该隔热材料具有在约840℃的温度下承受0.5小时的火烧的能力。
温度监测单元512可包括外部参考电极520和热电偶组件522，热电偶组件522连接到远程结构510的延伸部524。外部参考单元520利用连接器526连接到参考电极520。外部参考单元520利用连接器528连接到延伸部524以获得腐蚀电位测量值。
外壳514内的天线可以为温度监测单元512提供与图1中所示的数据采集单元112、图3中所示的数据采集单元212或任何其他类似类型的数据采集单元通信的能力。
受支持的特征和实施例
以上结合附图提供的详细描述明确描述并支持用于监测远程结构的温度的装置和方法的各种特征。作为示例而非限制，受支持的实施例包括一种装置，该装置包括：热电偶、具有用于与远程监测系统通信的天线和发射器的通信设备、用于控制通信设备的控制器、用于为控制器和通信设备供电的电源以及用于包围通信设备、控制器和电源的外壳，其中外壳包括由隔热材料形成的主体，该主体中具有至少一个孔，并且热电偶和天线延伸穿过该至少一个孔，并且其中控制器从热电偶接收温度相关电压，确定温度，并指示通信设备激活发射器以通过天线向远程监测系统发送与温度相关的信息。
受支持的实施例包括前述装置，其中，通信设备能够实时传输信息。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，隔热材料选自防火材料和耐火材料。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，隔热材料包括捕获式隔火。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，隔热材料具有在约840摄氏度的温度下承受0.5小时的火烧的能力。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，外壳埋在地下，地面具有进一步使隔热材料隔热的能力。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，发射器包括蜂窝信号发生器。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，蜂窝信号发生器选自函数发生器、RF信号发生器、微波信号发生器、音高发生器、任意波形发生器、数字模式发生器和频率发生器。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，通信设备包括用于接收控制器指令的接收器。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，控制器包括处理器和用于在其中存储指令的存储器。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，进一步包括：数据存储设备，用于记录与温度相关的信息。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，进一步包括：用于将热电偶连接到控制器的电路。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，电源是便携式电源。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，电源是电池。
受支持的实施例包括用于实现前述装置中的任一个或其部分的方法、套件、系统和/或工具。
受支持的实施例包括用于监测远程结构的温度的系统，该系统包括：数据采集设备、具有热电偶的温度监测单元、具有天线和发射器的通信设备组件、用于为控制器和通信设备供电的电源以及用于包围通信设备和电源的外壳，热电偶和天线延伸穿过外壳，其中通信设备从热电偶获得温度并激活发射器以通过天线向数据采集设备发送温度。
受支持的实施例包括前述系统，其中，数据采集设备包括选自卫星、无人机、直升机和多用途车辆的车辆。
受支持的实施例包括前述系统中的任一个，其中，数据采集设备包括线载波调制解调器。
受支持的实施例包括前述系统中的任一个，其中，数据采集设备包括远程测试站。
受支持的实施例包括用于实现前述系统中的任一个或其部分的方法、套件、装置和/或工具。
受支持的实施例包括一种装置，该装置包括：热电偶、具有用于与远程监测系统通信的天线和发射器的通信设备、用于控制通信设备的控制器、用于为控制器和通信设备供电的电源、以及外壳，该外壳具有由隔热材料形成的主体，用于包围天线，其中控制器从热电偶接收温度相关电压，确定温度，并指示通信设备激活发射器，以通过天线向远程监测系统发送与温度相关的信息。
受支持的实施例包括前述装置，进一步包括：参考电极组件，耦接到控制器以获得腐蚀电位测量值。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，通信设备能够实时传输信息。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，隔热材料选自防火材料和耐火材料。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，隔热材料包括捕获式隔火。
受支持的实施例包括前述装置中的任一个，其中，隔热材料具有在约840摄氏度的温度下承受0.5小时的火烧的能力。
受支持的实施例包括用于实现前述装置中的任一个或其部分的方法、套件、系统和/或工具。
受支持的实施例可以在包括包含电路、电池组和通信工具的小型电子单元的系统方面提供各种附带和/或技术优势。
受支持的实施例包括易于实施、成本低且提供可靠数据传输的远程温度监测系统。
受支持的实施例包括可实时监测温度的远程温度监测系统。这样的实施例不需要在监测点处进行交互。
以上结合附图提供的详细描述旨在作为示例的描述，而不旨在表示可构建或使用本示例的唯一形式。
应理解，本文描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且所描述的实施例、实施方式和/或示例不应被视为限制性的，因为可能有多种变化。
本文所述的特定过程或方法可以表示任意数量的处理策略中的一种或更多种。这样，所示出的和/或所描述的各种操作可以以所示出的和/或所描述的序列、以其他序列、并行或省略来执行。同样地，可以改变上述过程的顺序。
虽然本主题已经以结构特征和/或方法行为特有的语言进行了描述，但应理解，所附权利要求中定义的主题不必限于上述特定特征或行为。相反，上述具体特征和行为作为实现权利要求的示例形式呈现。

Claims (23)

1.一种装置，包括：
热电偶，
通信设备，具有用于与远程监测系统通信的天线和发射器，
控制器，用于控制所述通信设备，
电源，用于为所述控制器和所述通信设备供电，以及
外壳，用于包围所述通信设备、所述控制器和所述电源，
其中，所述外壳包括由隔热材料形成的主体，所述主体中具有至少一个孔，并且所述热电偶和所述天线延伸穿过所述至少一个孔，以及
其中，所述控制器从所述热电偶接收温度相关电压，确定所述温度，并指示所述通信设备激活所述发射器，以通过所述天线向所述远程监测系统发送与所述温度相关的信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述通信设备能够实时地发送所述信息。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述隔热材料选自防火材料和耐火材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述隔热材料包括捕获式隔火。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述外壳埋在地下，地面具有进一步使所述隔热材料隔热的能力。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述发射器包括蜂窝信号发生器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述蜂窝信号发生器选自函数发生器、射频信号发生器、微波信号发生器、音高发生器、任意波形发生器、数字模式发生器和频率发生器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述通信设备包括接收器，用于接收所述控制器的指令。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器包括处理器和用于在其中存储指令的存储器。
10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：
数据存储设备，用于记录与所述温度相关的信息。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
电路，用于将所述热电偶连接到所述控制器。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电源是便携式电源。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电源是电池。
14.一种用于监测远程结构的温度的系统，包括：
数据采集设备，以及
温度监测单元，具有热电偶、具有天线和发射器的通信设备组件、用于向控制器和通信设备供电的电源、以及用于包围所述通信设备和所述电源的外壳，所述热电偶和所述天线延伸穿过所述外壳，
其中，所述通信设备从所述热电偶获得温度并激活所述发射器以通过所述天线将所述温度发送到所述数据采集设备。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述数据采集设备包括选自卫星、无人机、直升机和多用途车辆的车辆。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述数据采集设备包括线载波调制解调器。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述数据采集设备包括远程测试站。
18.一种装置，包括：
热电偶，
通信设备，具有用于与远程监测系统通信的天线和发射器，
控制器，用于控制所述通信设备，
电源，用于为所述控制器和所述通信设备供电，以及
外壳，具有由隔热材料形成的主体，用于包围所述天线，
其中，所述控制器从所述热电偶接收温度相关电压，确定所述温度，并指示所述通信设备激活所述发射器，以通过所述天线向所述远程监测系统发送与所述温度相关的信息。
19.根据权利要求18所述的装置，进一步包括：
参考电极组件，耦接到所述控制器以获得腐蚀电位测量值。
20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述通信设备能够实时地发送所述信息。
21.根据权利要求18所述的装置，其中，所述隔热材料选自防火材料和耐火材料。
22.根据权利要求18所述的装置，其中，所述隔热材料包括捕获式隔火。
23.根据权利要求18所述的装置，其中，所述隔热材料具有在约840摄氏度的温度下经受0.5小时火烧的能力。
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