CN1181813A - 用于高压设备、使用表面波技术的可用无线电询问的变流器 - Google Patents

Abstract

用于高/中压系统的变流器装有磁敏元件,该元件作为表面波装置中表面波结构的端口,被连接到此表面波结构。表面波装置的响应信号是关于瞬时流过由地面站评价的系统的电流其电流强度/方向和相位的信息。借助无线电发射,没有电绝缘的问题,无线电询问的表面波装置的使用使得整个变流器处于高电势的那部分成为上述的无源元件。

Description

用于高压设备、使用表面波技术 的可用无线电询问的变流器

本发明涉及的是一种变流器，它用于在电工器件之上或之中的电流强度的测量，这些电工器件处于高或中电压状态，例如象高架电力传输线、电缆、变电所、变压器之类。本发明涉及的变流器借助表面波技术来设计，这即是说，它具有带表面波结构的表面波装置作为其基本的组成部分。

与本发明相关的表面波装置被公开于专利WO 93/13495、专利WO/CH93/00252、专利US-A-3273146、专利US-A-4725841及专利US-A-4620191中。

所引用的专利描述了构造和操作各种表面波装置的方法。这些装置都有一个共同的因数，即通过叉指换能器，在压电基底中从电信号产生表面波，且这些表面波通常在基底表面以基本上垂直于换能器电极叉指准线的方向传播。借助第二个叉指换能器(它甚至可以是上面已经描述过的换能器，以双模式工作)，就可能从表面波恢复在特性上已被改变的射频信号。正如在以前的技术中所描述的，那样的表面波装置也可以包含另外的结构，如反射器结构、其他的换能器结构等。例如，这些结构也可以设置色散的反射器或换能器的指条、设置编码的指条等等。

本发明的一个基本的方面和要点是变流器具有使用表面波技术制作的可用无线电询问的传感器部分，且它是无源的，即不需要(直流)电源，射频信号、如瞬时脉冲、调频连续波信号、线性调频脉冲等等，可从一个远程射频发射机传送给它。为了这个目的，传感器部分的表面波装置，即其输入换能器结构安装了一个天线用于此发射脉冲的无线电接收。一对应的天线被连接到表面波装置的第二个换能器结构，或者，在已提到过的以双模式工作的一换能器结构的情况下，是同样的天线，它用来发射回表面波装置的响应脉冲信号，此信号被远程接收机接收。被发射回的响应脉冲信号通常不同于由表面波装置接收到的信号，就是说要按照电流强度来决定测量值，这实际上是因为在表面波装置上相应的物理效应。

可用无线电询问的表面波装置已被用于诸如道路收费系统、道路隧洞等等。但在这里涉及的是用于目标识别的响应脉冲信号预编程特殊编码的探测。可用无线电询问的表面波装置也已被用于计量学，它们通常被构造成延迟线，为计量的意图进行的测量以致于要决定的被测值在表面波装置中引起声波传播时间的变化。此传播时间的变化可基于基底中的一个电场(它横向定向于表面波的传播方向)，这个电场通过诸如压电效应在对应的基底部分区域产生一个传播时间的变化(专利EP0166065)。用举例的方法，使用波传播时间的变化的温度传感器已为人所知(专利EP 0465029)。一种利用表面波装置基底表面有机体薄层阻抗变化的装置适合用来测量这一薄层的表面加载，比如识别或数值测量一种化学物质(电子信函，23卷(1987).No.9,446/447页)。一种相关的压力计也已为人所知，在其中物体的力学特性，例如弯曲度，作为表面波装置基底材料中的压力的函数而变化，引起声波传播时间的变化，使之可用于决定被测值(Proceedings IEEE，卷64(1976)，754-6页)。然而，在这儿最后提到的装置的情况中，没有提供远程无线电询问。磁敏传感器在不同的文章中也同样为人所知，例如，从专利DE-A-3828005中及从论文“Magneto-resistive sensoren，Grundlagen…”1992年6月25日的科学报告会，多特蒙德，服务中心MIOK，应用物理研究院，耶拿大学。

本发明的一个目标是为带表面波装置的无线电询问、远程询问传感器件提供一个新的应用领域，所带表面波装置的构成方式也是与所选择的应用领域特别相匹配的。从电力工程师，尤其从电力分配工程师的观点来看，本发明的目标是提供一种便利的变流器用于测量处于高压状态的器件中的电流(强度及相位)。

按照权利要求1，借助适合于在电工器件之上或之中电流强度测量的变流器，此目标得到了实现。这些电工器件是处在高或中电压状态下，且具有带表面波结构和(至少)一个无线的表面波装置，具有(至少)一个磁敏元件，还具有带发射、接收天线及电子评价器件的射频发射机和接收机。在此变流器中，暴露于被测电流的磁场中的(一个)磁敏元件被耦合到表面波结构，发射机用于询问脉冲的无线电发射，接收机与其所带评价器件用于无线电接收及用于受瞬时磁场影响的、在表面波装置脉冲响应中的变化的评价。

借助本发明，在高压或中压系统中，能够用简单的方式进行带接地评价单元的不接地测量。特别是，按照本发明的器件对干扰非常不敏感，不需要检修，具有长的工作寿命。器件处于高压电势状态的传感器部件整体尺寸小、重量轻。另外，按照本发明的器件不需要特别的调节，或不需要对一方面处于高压状态、另一方面接地的器件组成部分进行其他的调整。

磁敏元件最好是磁阻电子元件(依赖磁场的阻抗)，它被电连接到表面波装置中的至少一个表面波结构。也能在基底的上边或下边设置由磁致伸缩材料组成的薄层或底座，它被力学耦合到表面波结构中的表面波。

参照附图给出了本发明的进一步解释。

图1展示一个概括的图，表示按照本发明的、在一说明性工作装置中的变流器的一个简单例子，

图2展示基于图1中例子的说明性实施例的一个有利改进，

图3和图3a展示按照本发明的变流器的其他例子，

图4展示图3中变流器例子的一个特别的改进，

图5展示在电力电缆中按照本发明的变流器的一个例子，

图6，7和8展示用于按照本发明的变流器中表面波装置的特殊的实施例，

图9和10展示按照本发明的变流器的实施例，它具有作为磁敏元件的磁致伸缩薄层或支承板。

在图1中，1指那些在高压铁塔上作为高架导线的高压线。当电流流过导线1时，环绕后者产生一个环形磁场M，在交流电流的情况下，这个磁场周期性地改变它的旋转方向。为了在按照本发明的传感器区获得磁场M的明确磁道，设置了一个带空隙的软铁环3。在图1的例子中，设置磁阻12作为铁环作用区的磁阻元件。例如，该磁阻可以是具有磁阻特性的已知磁阻。

在图1例子的情况中，表面波装置21具有非常简单的形状，但仍然能够用来解释用于本发明的表面波装置作用模式的本质。22指表面波装置21已知的压电体。在此压电体22的一个表面以已知的方式设置了一叉指换能器结构23。24指由两个偶极柄组成的天线。但也可以设置诸如片状天线、环状天线等其他相关的天线结构。由天线24接收到射频询问信号300，产生于两个偶极子天线之间的射频电压加到换能器23的两个叉指结构上。作为输入换能器的换能器23产生的表面波25在基底22的表面上或表面中传播。那个波由25示意性表明。当它传播时，它也进入结构26的作用区，结构26因为其指条而对波25起到反射器的作用。然而，因为结构26(同样)被设计成叉指结构，正如从图1中可看到，磁阻元件12被电连接到它的两个叉指结构，在结构26中借助声表面波另外又产生一个射频电压，磁阻元件12对其起到电端阻抗的作用。因为元件12的电阻抗作为磁场B的幅度的函数而变化，磁场B幅度的变化导致结构26电端阻抗的变化。但仅在极端的情况下产生一个处于非常高的端阻抗和几乎短路的端阻抗之间的效应，这实际上依赖磁场B的幅度，即依赖流过导线1且产生磁场B的电流的强度。通过适当选择元件12电学量的范围，在每种情况中都能设置磁场所控制的端阻抗的合适的测量范围。脉冲响应信号由310所指示。

也就是说，元件12因为起到端阻抗的作用，它构成了本发明的一个新颖的特性。

在已知的换能器的P-矩阵描述中，换能器的反射能够如下表达为它的电端的函数： $P_{11}\left(Y_{\mathrm{Last}}\right)=P_{11}\left(\mathrm{SC}\right)+2\·\frac{P_{13}^2}{(P_{33}+Y_{\mathrm{Last}})}$

在这里P₁₁(SC)是短路反射因子，P₁₃是声电转换，P₃₃是换能器导纳，Y_last是端口导纳。

(在每种情况中)为了保护器件抗各种电磁干扰，设置窄带天线是有利的。

在图1中，铁芯3的磁通回路中也插入一个N和S极的永磁体4。该永磁场在空隙5中叠加在对应于流过导线1的交变电流的周期性磁场上。利用该永磁场，能够改变装置的工作点，其方式是即使导线1中有最大的电流强度，空隙5中的磁通量也不会到零，这即是说实现了工作点的偏移。借助这点，在空隙5中因此能够获得一个定向(但依赖电流强度的幅度)磁通量B，它使得同时也能测量待测电流的流向。

图2又示意性地展示了一个实际上有利的改进。在图2中，两个图1所描述过的装置被设置在一根相同的电力线1上。这两个装置彼此不同，因为第二个装置的永磁体14与永磁体4具有相反的极性。因此两个装置的工作点被偏移了，但在第二个装置中，应考虑到空隙15的磁力线方向相反于空隙5的磁力线方向。装置21和21′中作为端阻抗的两磁阻元件区中工作点偏移的两相反变化的综合评价，即产生于天线24和124偶极的带相反相位的被测信号导致进一步改进的结果。两表面波装置21和21′的两脉冲响应之间的差别在评价仪器中被评价。这么做的作用是把各种干扰的影响减到最小。

在本发明的基础上，能够提供按照本发明的变流器的另一个实施例，它又使得能够同时决定电流强度和电流方向。图3展示了那样的一个实施例，它带有由铁磁材料构成的环形芯103，且从变流器转换器可知，在其上有环形芯线圈104。线圈104的两端a和b连接到依赖于电压的与这两端并行放置的阻抗VDX。在本发明的意义上，此依赖于电压的阻抗与其所带的线圈104，形成一个磁敏元件，该元件构成了连接到所讨论的换能器上的端阻抗(如在图1和图2中提出的实施例)。图3所示实施例的表面波装置121又具有输入/输出换能器23，并有天线24连接到那里。为了探测流过高压线1的待测电流的方向，设置了表面波装置121的另一换能器126，并把它连接到开关126。依赖加在阻抗VDX上电压的符号/方向，开关1126闭合或打开，即换能器126是开路的或短路的。在由换能器23发射并由此接着接收的声波的基础上，表面波装置121因此能够根据换能器26的反射功率决定瞬时流过导线1的电流的幅度，反射功率依赖于阻抗VDX的瞬时值；还能够根据随着换能器126打开或关闭在传播时间上的作用决定电流的幅度和方向。

图3a展示对图3的进一步改进，是为了决定电流的幅度和方向。105指示一桥式整流器电路，106指示一晶体管。如在图3a中能看到的，换能器26和另一换能器126被连接到电路105/106。电路106传送瞬时测量电流的瞬时幅度，作为开关的晶体管106传送它的符号。

图4展示一个实施例，与图3比较，此例中的阻抗VDX(和开关电路)已被省略，线圈104依赖磁场的电压被直接加到电极对526，利用该电极对，在声波传播路径25区域，利用该电极对，在声波传播路径25区域，表面波装置基底的压电材料中产生一电致伸缩。这一伸缩依赖所加电压各自的幅度，作为传感器效应，它导致表面波装置依赖于此伸缩的在传播时间上的影响。

图5展示一个按照本发明的、在高压电缆情况中应用的实施例。31指示电缆30的外导线，32指示其同轴芯线。一种绝缘材料，例如SF6，被包含在芯线和外导线间的空间。一按照本发明的变流器与其磁敏元件及其表面波装置作为变换器33安装在芯线的表面上，或作为替换方案(为了避免可能的电弧放电)，变换器33′被安装在芯线的内壁上。图5仅仅展示了带偶极子天线34的表面波装置33的轮廓图。为了能够进行无线电询问，在每种情况中都在外导线设置狭缝(35，35′)，也可任意选择地在电缆芯线设置狭缝，这是为了无线电场能透进电缆的内部。考虑到充气，那一狭缝应该相应地用介电材料以气密方式密封。作为一个替代方案，询问信号也能以波导模式的形式提供，能够在介于芯线和外导线之间的空心导线的中层空间传播。此波导模式在这种情况中也能在空心导线的远处被激发。图5展示把外导线31剖开后芯线32表面的视图，在其上安装在变流器33。

如已在图1展示的，磁敏元件在图1中描述为弯曲形的对磁场灵敏的电阻，它可被整体地设置在各被使用的表面波装置的基片22上。除了那些弯曲形的电阻，磁敏元件也可以是两维分布的元件。

也可以把表面波装置以混合方式集成进阻抗发生传感器，作为附加的表面波晶片。为表面波装置设置压电薄膜作为基底也是有利的，例如氧化锌薄膜，它被设置于灵敏元件的支承基底上，该元件可以是在硅基底之上或之中的半导体元件。

那种混合装置的设置可能特别是为装配的原因，但也是为了降低对干扰的灵敏度。

借助特别有利地形成的表面波装置，考虑了信号评价的进一步改进能得到实现。图6展示又带有基片22和存在其上的表面波结构的表面波装置。23再次指输入/输出换能器，用于无线接收及无线再发射的偶极子天线24连接到换能器上。连接到磁敏元件12、起表面波反射器作用的换能器26被设置在基片22上换能器23的一侧。在基片22此表面的另一侧，图6中设置了两参考反射器226和326，它们除了被用于电流测量，也用于决定发射机/接收机与变流器的传感器元件12之间的距离，以及决定传感器元件的温度。在随内摆动的高压线的情况中，按照本发明的变流器连接在线上的那部分与被设计为地面站的部分之间的距离连续变化，正如已知的那样。在这种情况中，对距离和温度测量的基础在于实际的传感器元件12也定位在基片上，或定位在离基片一个小的确定的距离处。对传感器元件距离(变化)及温度的确定，在信号处理中能够消除诸如传感器信号可能的已知的横向灵敏度。

图7和图8展示其他适合于信号评价的表面波装置。图7展示一带模式耦合换能器的装置。在基片22上由71和71′所指示的换能器是输入/输出换能器，并带有偶极子天线24。换能器72也是被模式耦合到换能器71和71′的表面波结构。此模式耦合换能器72连接到磁敏元件12，其端阻抗的变化，即元件12在磁场中的变化，正如在上面所描述的例子一样，是待评价的测量值。

图8展示一表面波谐振器装置。在基底22上，包括输入/输出换能器23、23′及和前面一样连接到磁敏元件的换能器26。123和123′指反射器结构，在基底表面传播的声波在反射器上被反射回来，以致这些反射器具有谐振器反射镜的作用。

按照本发明的变流器可用在本质上已知的方式来检验/校准，就象在许多情况中采用的校准输出数值测量值的传感器/测量仪器。

在选择磁敏材料/元件时，选择具有比传感器元件最大工作温度高得多的高居里温度的一类是有利的。磁阻、(大的)磁阻薄膜及(大的)磁致伸缩薄膜等等适合作磁敏材料/元件。

非晶玻璃，例如Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈具有突出的软磁特性，同时有好的力学特性，它和terfenol尤其适合作为磁致伸缩被覆材料用于表面波装置的基底。

图9展示带上面提过的磁致伸缩覆层的表面波装置。又由22指示的表面波装置的基底由诸如上面提到的铁镍钼硼玻璃薄膜43覆盖。在软磁铁环3的空隙5的磁场中，位于其中的薄膜43受到磁致伸缩作用，引起表面波在薄膜43区域传播时间的变化。这一传播时间的变化是测量值，它使得能够在磁场瞬时值的基础上确定瞬时电流强度。至于其他情况，按照本发明的表面波装置如对上面描述过的表面波装置及其信号评价所解释的那样工作。

图10展示按照本发明的变流器的一个改进，再次采用了磁致伸缩效应。在此例中，表面波装置较薄的基片22被放置在厚度相当或更厚的磁致伸缩支承板122上。与按照本发明的变流器的应用相适应，如果磁致伸缩支承板122定位在图1或2中磁场5的作用区，那么此支承板的材料经历几何尺寸的变化，尤其是依赖于磁场的压缩/伸长。那样的长度变化导致基片22受到力学应力加载，此应力加载又导致在实际的表面波装置输入/输出换能器23和反射器结构1026之间的表面波传播时间的变化。该传播时间的变化也可被用作待测高压线中电流强度的测量值。

按照本发明的变流器的询问和评价单元包含本机发射振荡器，其发射信号由开关控制经末端单元及发射/接收滤波器被传到地面站的天线。从此天线，信号被无线发射到已多次提到的天线24、34。此地面天线也收到来自表面波装置的天线的响应信号。该接收信号经由一放大器及一由发射振荡器控制的混频器被传送。被转换至中频的响应信号由一带通滤波器滤波并被放大。为了能对信号进行数字评价，它在模数转换器中被数字化，且能在微机中进行处理。

表面波装置的响应信号由评价单元的接收机接收，受到瞬时流过高压线的电流的磁场的影响，测量考虑电流的强度和相位，在谐振器装置的情况中，它是一种被反射的指数衰减的自然振荡。此指数衰减自然振荡的频率、相位、衰减时间常量包含了作用于按照本发明的器件传感器部分磁敏元件的磁场的信息。如果表面波装置是延迟线，即比如反射延迟线，那么其响应信号包含询问信号的特征回波。该回波的各自的频率关系、相对幅度、不同的传播时间和/或相位角包含了此信息。如果表面波装置包含一个或更多色散(线性调频)结构，那么询问信号在由实际的变流器发射回去之前经历一个或更多频率调制。该调制精确的类型包含了此信息。

Claims (18)

1.变流器，

适合于在处于高压状态的电工器件之上或之中的电流强度的测量；

具有带表面波结构(23，26)及天线(24)的表面波装置(21)；

具有带无线电天线及电子评价器件的射频发射机和接收机；

具有磁敏元件(12)；磁敏元件(12)被耦合到表面波结构(26)的至少其中之一；

发射机被设计用于询问脉冲(300)的无线电发射，接收机与其评价器件被设计用于无线电接收及这一变化的评价，此变化在表面波装置的脉冲响应(310)中，它受到高压器件(1)中的瞬时磁场(B)的影响。

2.按照权利要求1的变流器，其中，磁敏元件是磁阻元件(12)，它被电连接到表面波结构(26)的其中一个。

3.按照权利要求2的变流器，其中，磁阻元件是依赖于磁场的电阻。

4.按照权利要求2的变流器，其中，磁阻元件是铋螺线。

5.按照权利要求1的变流器，其中，磁敏元件是依赖于电压的阻抗(VDX)与开关器件(1126)，它们被电连接到变压器环形芯线圈104，依赖于电压的阻抗被电连接到第一个表面波结构(26)，开关器件被电连接到表面波装置的第二个表面波结构(126)，并分别作为表面波结构(26，126)的电端子。

6.按照权利要求1的变流器，其中，磁敏元件是桥式整流器电路(105)与开关器件(106)，它们被电连接到变压器环形芯线圈104，整流器电路被电连接到第一个表面波结构(26)，开关器件被电连接到表面波装置的第二个表面波结构(126)，并分别作为这些表面波结构的电端子。

7.按照权利要求1的变流器，其中，磁敏元件是磁致伸缩元件，它被设置在表面波装置(21)的基底(22)的上面/附近。

8.按照权利要求7的变流器，其中，磁致伸缩元件是设置在基底(22)上的薄膜(43)。

9.按照权利要求7的变流器，其中，磁致伸缩元件是支承板(122)，它被刚性连接于基底(22)，它形成一个磁敏的伸缩弯曲元件。

10.按照权利要求9的变流器，其中，用于表面波装置的压电薄膜被设置在磁致伸缩基底材料上。

11.按照权利要求1至10其中之一的变流器，其中，表面波装置(21)是表面波谐振滤波器。(图8)。

12.按照权利要求1至10其中之一的变流器，其中，表面波装置是模式耦合滤波器。(图7)

13.按照权利要求1至10其中之一的变流器，其中，表面波装置(21)是延迟线。

14.按照权利要求1至10其中之一的变流器，其中，被设计成带一器件的装置，该器件包含与待测电流磁场叠加的直流(DC)磁场(N/S)，以用于偏移工作点。(图1)

15.按照权利要求14的变流器，其中，设置两个变流器器件，每个器件具有与待测电流磁场叠加的直流磁场(N/S)，相对于待测的磁场，一个变流器器件的直流磁场与另一个变流器器件的直流磁场具有相反的极性，目的是在各自相互相反的方向偏移工作点。(图2)

16.按照权利要求1至15其中之一的变流器，其中，它被安装在高压/中压电缆中。(图3)

17.按照权利要求16的变流器，其中，它被安装在同轴电缆(30)中，(各个)狭缝(35，35′)被设置在电缆的同轴导线中，用于无线电信号的输入/输出耦合。

18.按照权利要求17的变流器，其中，无线电信号经由在电缆空心导线中传播的波导模式被输入/输出。

Images