CN201757684U - 用于地埋电缆的声表面波温度传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于温度测量技术领域，涉及一种用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，包括一个或多个信号读写器，一个信号读写器包括至少一个位于电缆节点处的声表面波温度传感器，所述声表面波温度传感器为无源被动型，与内置天线相连，所述信号读写器包括微处理器，与微处理器分别相连的射频信号发射模块、射频接收模块以及通信模块，微处理器通过射频信号发射模块向声表面波温度传感器发出射频信号，声表面波温度传感器的叉指换能器通过逆压电效应将接收到的射频信号转变为声表面信号，射频接受模块对接收到的载有温度信息的射频信号处理成温度数字信号并送入微处理器。本实用新型能实时在线监测多个(巡检)地埋电缆节点温度，具有方便、快捷、低成本的优点。

Description

用于地埋电缆的声表面波温度传感系统 

技术领域

本实用新型涉及一种温度传感系统。 

背景技术

在各大中城市地埋电缆的铺设越来越多。地埋电缆可以提高用电的安全性，并可以减少因架空布置给城市上空带来的线路“污染”。然而地埋电缆由于施工的因素，一旦出现故障，维修起来是非常麻烦和费力的。因此，对地埋电缆的在线监控，防范故障于未然显得十分必要。 

在各种地埋电缆中，热效应是各种故障和异常现象的重要原因，特别是电缆节点处，电阻大，压接头可能松动等，长期运行可能造成电缆头过热、烧穿绝缘等不良状况。因此，对地埋电缆节点处的温度实时在线监控显得十分必要。而地下空间小，不方便更换测量仪器，埋地深等特点为在线的温度监测带来极大不便。 

目前的测温技术方案主要有：热电偶、分布式光纤测温、光纤光栅和无线测温等。由于地下电缆外层有厚大的绝缘层和保护层，用热电偶方式无法透过绝缘层直接接触电缆测量温度。采用分布式光纤测温技术因为解调比较复杂，目前价格非常昂贵。并且因为要求光纤应被置于尽可能的靠近电缆的缆芯的位置来更精确地测量电缆的实际温度。而将光纤作为电缆的一部分，在加工电缆时就预埋进去的方法将会使得光纤不得不经受一些高压电缆的制造程序中可能包括的高温挤压和各种各样的弯曲操作，这种方法会大大提高电缆的制造加工成本。目前，国外一些生产厂家所使用的加工方法是，将一根具有良好柔韧性的空管子装在电缆内部或者是在电缆安装好后固定在电缆表面，然后把光纤吹入空管子中。按照这种方法，光纤的安装不会受到任何由于电缆加工或者安装造成的弯曲变形的影响。很显然这种表贴式光纤方法对于直埋动力电缆来说，实际上并不能准确地反映电缆负载和温度的变化。分布式光纤测温的优点是可以长距离地测量电缆沿线每个点的温度变化，但是对于任何一段均匀的电缆来说，如果电阻率相同，每段电缆沿线的温度梯度应该是由它两个端点的温度决定的。因此电缆节点处的温度测量才是最重要的。适合点状测温的方法有光纤光栅和无线测温方式，其中光纤光栅仍然有无法透过绝缘层的困难，无线测温方案可以穿透厚大的绝缘层和保护层，因此更有实用价值。 

现有的无线测温方案中，有红外测温、采用电池或者小CT取能的测温芯片等。红外测温虽然属于无线测温方案，但埋地电缆有很厚的绝缘层，红外线透过能力有限，并且安装设备复杂，价格昂贵，也无法实现实时监控。采用电池或者小CT去能的测温芯片，可以将测温信号通过射频芯片无线发出，但是考虑到这种芯片属于有源方案，传感头需要电池供电或者小CT取能供电。前者需要定时的更换电池，而对于深埋地下的电缆来说，更换电池的操作异常复杂和不便；采用小CT取能则存在接头电流较大时，容易烧坏小CT直至烧坏传感头，地埋电缆的电流值，高峰时可以高到数千安培，故采用小CT取能方式，在地埋电缆上缺乏可行性。 

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，设计了一种无源式无线温度传感系统，该温度传感系统采用声表面波温度传感技术，克服了传统无线温度传感器存在的需要供电、供电困难，结构复杂，安装不便，等问题。 

本实用新型采用如下的技术方案： 

一种用于地埋电缆的无线温度传感系统，包括一个或多个信号读写器，一个信号读写器至少对应一个位于电缆节点处的声表面波温度传感器，所述声表面波温度传感器为无源被动型，与内置天线相连，所述信号读写器包括微处理器，与微处理器分别相连的射频信号发射模块、射频接收模块以及通信模块，其中，微处理器通过射频信号发射模块向声表面波温度传感器发出射频信号，声表面波温度传感器的叉指换能器通过逆压电效应将接收到的射频信号转变为声表面信号，此声表面信号在压电晶体表面形成谐振，再将声信号转变成载有温度信息的射频信号经由与其相连的天线发射出去；微处理器通过射频接收模块接收从声表面波温度传感器发射出去的载有温度信息的射频信号，射频接受模块对接收到的载有温度信息的射频信号处理成温度数字信号并送入微处理器，由微处理器对声表面波温度传感器获取的温度数字信号处理、成帧后通过有线通信、无线通信或光纤通信方式传送到监控主机。 

作为优选实施方式，声表面波温度传感器包括压电晶体以及设置在压电晶体上的至少一个叉指换能器；信号读写器包括射频发射模块、射频接收模块，两个模块分别通过射频屏蔽电缆与封装在地埋电缆管道外层的接收天线相连；与声表面波温度传感器的叉指换能器相连的内置天线设置在电缆节点附近的绝缘层表面，在声表面波温度传感器外包覆有厚绝缘层。 

信号读写器可以置于地面上，也可以置于地埋电缆沟内，通过包括单模光纤和直流电源线的特种光电综合缆，实现对信号读写器供电以及时分复用控制信号和各节点温度信号的双向传输。 

每一套声表面波温度传感系统还包括一个监控主机，所述的监控主机通过光纤通信与各个地面上的信号读写器相连，各个信号读写器以时分复用的方式轮流工作，并将收集到的温度数字信号传输给监控主机。 

当距离间隔不超过0.5m时，安装在电缆接头处不同位置的声表面波温度传感器可以共享一根接收天线，联结到同一个信号读写器；用于地埋电缆的声表面波温度传感系统容纳1～100个信号读写器。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点： 

1.纯无源传感头，免替换，免维护，长期可靠性高(＞20年)； 

2.体积小，测温探头可直接安装在电缆节点处，再被绝缘层封装； 

3.成本低； 

4.采用频分复用或时分复用方式支持多点探测； 

5.信号读写器置于地面或电缆沟：安装于地面时，通过射频屏蔽电缆与地埋接收天线相连通信，利用电池对信号读写器供电，安装于电缆沟时，采用单模光纤和供电电缆混合的特种光电综合缆，实现信号读写器供电、时分复用控制信号和各节点温度信号的双向传输，即 信号读写器供电方便； 

6.信号读写装置可对应多个探测点，即插即用，便于扩大规模和系统升级； 

7.信号读写器将温度信号处理成数字信号发出，采用光纤传输，实现长距离传感，抗电磁干扰，可靠性高； 

8.后台控制器采用时分复用方式可同时在线监测多路数据，根据控制者要求随时查看任意节点处的温度情况。提高了频率的利用率，整个系统的无线功率低，避免了信号冲撞。 

附图说明

附图1为本实用新型的无线无源传感头叉指换能器示意图； 

附图2为本实用新型的装置安装示意图； 

附图3为本实用新型的读写装置工作示意图； 

附图4为本实用新型信号读写器置于地面的系统构架图； 

附图5为本实用新型信号读写器置于电缆沟时的系统构架图。 

附图标注说明如下： 

1电缆           2电缆节点连接装置    3声表面波温度传感器 

4内置天线       5绝缘层              6厚绝缘封装层 

7接收天线       8天线数据输出接口    9射频屏蔽电缆 

10信号读写器    11监控主机           12光纤 

13直流电源线    14光电综合缆 

具体实施方式

声表面波技术是上世纪七、八十年代才逐渐成熟起来的一门新兴科学技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。在具有压电性的晶体上由于存在压电性，在电声之间存在耦合。压电晶体本身是换能介质，在传播声表面波的压电晶体表面可以制作电声换能器，使电能和声能互相转换。 

声表面波器件是在压电基片上制作一个或多个声-电换能器——叉指换能器。图1中叉指换能器能有效地产生和接收声表面波。这种换能器是在一个精确取向和抛光的压电晶体表面上沉积两组互相交错分布的、梳状的金属条带111(叉指)，每组叉指跟一个称之为汇流条110的金属条相连接。通过汇流条110把电信号加在这两组叉指上，就会产生以一对叉指间隔为周期的电场分布。通过电声耦合，即产生一个弹性应变的分布。它激发固体质点的振动，并以伴有电场分布的弹性波形式在压电基底介质中沿表面传播出去。声表面波测温的工作原理如图1所示，当压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将输入的无线信号转变成声信号后，被左右两个周期性栅条反射形成谐振。该谐振器的谐振频率与基片的温度有关，而且谐振频率的改变随温度的改变在一定温度范围内呈非常线性的关系。当同一个换能器通过压电效应将声信号转变成无线应答信号输出后，我们就可以通过测量频率变化得到温度值。 

本实用新型地埋电缆节点测温系统所采用的声表面波温度传感器3为无源被动型，可以长时间(大于20年)在地下稳定工作，免替换、免维护，包括压电晶体、设置在压电晶体上 的叉指换能器，叉指换能器与内置天线4相连，具体安装如图2所示，将声表面波温度传感器3置于电缆连接节点处，与叉指换能器相连的内置天线4缠绕在电缆节点附近的绝缘层5表面，在电缆节点处用厚绝缘层6将电缆节点、声表面波温度传感器3以及与叉指换能器相连的内置天线4封装起来。接收天线7置于厚绝缘层6外层，与厚绝缘层6内面的天线进行无线通信，获取射频信号，接收天线7通过射频屏蔽电缆9将射频信号送往地面上的信号读写器10，信号读写器10接收射频信号并对频率信号进行处理，得到温度信号，然后通过数据输出接口将温度信号传输出去。 

本实用新型可有多组信号读写装置，信号读写器10既可安装在地面，也可安装在电缆沟里。每组信号读写装置至少对应一个无线无源温度探头，即声表面波温度传感器3，装置内部包括微处理器、射频发射模块、射频接收模块与通信模块。参见图3，所述射频发射模块、射频接收模块、通信模块与微处理器相连接。射频发射模块发射射频信号给所述无线无源温度探头，无线无源温度探头将带有温度信息的射频信号反馈给所述信号读写装置的射频接收模块。所述射频接收模块包括一个信号放大器、滤波器和A/D变换单元。所述信号放大器将反馈回来带有温度信息的射频信号放大，所述滤波器对放大后的信号进行滤波处理，滤掉噪声，再传给所述A/D变换单元进行模数变换，然后将数字信号传递给微处理器，微处理器对数字信号进行重采样、滤波、打包，发送给所述通信模块，传送至后台监控主机11。 

信号读写器10能够同时发射射频信号和接受射频信号，它的射频发射模块、射频接收模块通过射频屏蔽电缆9与封装在地埋电缆管道外层的接收天线7相连。 

信号读写器10既可放置在地面，也可埋地放置。当信号读写器10放置于地面时，用电池供电即可长时间工作，电池更换方便。当信号读写器10放置于地埋电缆沟里时，采用包括了单模光纤和直流电源线13的特种光电综合缆14，实现信号读写器10供电、时分复用控制信号和各节点温度信号的双向传输，免除信号读写器10的电源更换问题。 

每一套声表面波无线温度传感系统还包括一个上位监控主机11，所述的上位监控主机11通过光纤通信与各个地面上的信号读写器10相连，各个信号读写器10以时分复用的方式轮流工作，并将收集到的温度数字信号传输给上位监控主机11。 

信号读写器10能够同时对应多个声表面波温度传感器3，当距离间隔不超过0.5m时，安装在电缆接头处不同位置的声表面波温度传感器3可以共享一根接收天线7，联结到同一个信号读写器10，因此每个信号读写器10可以容纳多个声表面波温度传感器3，一个用于地埋电缆的声表面波温度传感系统可以容纳1～100个信号读写器10。整个用于地埋电缆的声表面波温度传感系统可以同时在线监测几百、上千个地下电缆节点的温度。 

Claims (8)

1.一种用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，包括一个或多个信号读写器，一个信号读写器至少对应一个位于电缆节点处的声表面波温度传感器，其特征在于，所述声表面波温度传感器为无源被动型，与内置天线相连，所述信号读写器包括微处理器，与微处理器分别相连的射频信号发射模块、射频接收模块以及通信模块，其中，微处理器通过射频信号发射模块向声表面波温度传感器发出射频信号，声表面波温度传感器的叉指换能器通过逆压电效应将接收到的射频信号转变为声表面信号，此声表面信号在压电晶体表面形成谐振，再将声信号转变成载有温度信息的射频信号经由与其相连的天线发射出去；微处理器通过射频接收模块接收从声表面波温度传感器发射出去的载有温度信息的射频信号，射频接受模块对接收到的载有温度信息的射频信号处理成温度数字信号并送入微处理器，由微处理器对声表面波温度传感器获取的温度数字信号处理、成帧后通过有线通信、无线通信或光纤通信方式传送到监控主机。

2.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，所述的声表面波温度传感器包括压电晶体以及设置在压电晶体上的至少一个叉指换能器。

3.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，所述的信号读写器包括射频发射模块、射频接收模块，两个模块分别通过射频屏蔽电缆与封装在地埋电缆管道外层的接收天线相连；与声表面波温度传感器的叉指换能器相连的内置天线设置在电缆节点附近的绝缘层表面，在声表面波温度传感器外包覆有厚绝缘层。

4.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，所述信号读写器被置于地面上。

5.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，所述信号读写器置于地埋电缆沟内。

6.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，每一套声表面波温度传感系统还包括一个监控主机，所述的监控主机通过光纤通信与各个地面上的信号读写器相连，各个信号读写器以时分复用的方式轮流工作，并将收集到的温度数字信号传输给监控主机。

7.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，安装在电缆接头处不同位置的声表面波温度传感器，若相互之间距离间隔不超过0.5m，则通过同一根接收天线与同一个信号读写器相连。

8.根据权利要求1所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统，其特征在于，所述的用于地埋电缆的声表面波温度传感系统容纳1～100个信号读写器。 

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