CN204241128U - 一种用于高压设备的远传谐振型saw温度传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，包括声表面波传感单元与远程传输单元，其中，声表面波传感单元为双端口结构，包括输入输出换能器及两个构成声学谐振腔的反射栅极，远程传输单元包括定向增益天线、全向旋转天线与信号采集器，定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与信号采集器相连，能起到发射查询脉冲和接收携带温度信号的反馈脉冲的作用，从而降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。本实用新型可以有效克服现有SAW温度传感装置定向性不强、传输距离短的特点，并能广泛应用于各式不便于人工温度采集的高压电力设备上，能有效提高电网运行的可靠性与安全性，为真正实现无人值守提供了有效保障。
Description
技术领域
本实用新型涉及温度传感装置技术领域，尤其涉及一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置。
背景技术
近年来，随着技术的进步，高压电力系统引进了各种先进的温度测试设备，包括测温蜡片、光纤测温、红外测温和有源无线测温等方式，然而，这四种方案存在各种隐患和缺点，虽然基于SAW的无源无线温度方案早在上世纪80年代就被提及，但由于其测温距离较短，故一直未能在实际工程中获得应用。
申请号为201120379839.2的实用新型涉及传感器测试技术，具体为一种谐振型SAW温度传感器自动测试系统，其不同在于：所述系统包括计算机、网络分析仪、SAW传感器温度测试平台，SAW传感器温度测试平台包括测试夹具、测试电路及外接端口、匹配电路、风枪；测试电路包括无线读写装置、MCU测控模块，无线读写装置设置有第一天线，测试夹具由测试芯片台及自动压片机构构成；测试芯片台上配置有SAW天线接口，SAW天线接口上安装有与第一天线以无线方式进行通信的第二天线；SAW传感器温度测试平台的外接端口分别通过信号线与网络分析仪、计算机分别连接，网络分析仪与计算机互连。该实用新型具备测试室温下测量SAW温度传感器芯片固有参数和变化温度下SAW温度传感器芯片动态参数的功能。
与此同时，大量在线监测的传感装置被分散应用，其供电技术存在很大的局限性，若采用电池供电，则电池本身在高电压和强电磁环境中存在安全隐患；在有限的电池电量供应前提下，数据实时性较差；定期更换的维护成本巨大；若采用CT感应取电，则感应取电装置体积较大，在狭小的空间内安装困难；安装过程繁琐，时间周期长；母线电流的实时变化造成供电系统出现冲击而损坏，同时变电站复杂的电磁干扰也会直接导致电路工作异常，测温装置易损耗，安全性、可靠性较低。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，解决传统温度传感器稳定性和准确性差的缺点，且供电安全性、可靠性高。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，包括供源装置以及分别与其连接的传感单元、远程传输单元；所述供源装置由感应取能装置、整流稳压单元和蓄电池组成；所述传感单元为单端口结构，包括输入输出换能器及两个构成声学谐振腔的反射栅极；所述远程传输单元包括定向增益天线、全向旋转天线与信号采集器。
所述感应取能装置为电场能集能装置，包括平板电容器，所述平板电容器置于交变电场中。
所述整流稳压单元集成一个整流器和一个降压型转换器。
所述定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与所述信号采集器相连
所述信号采集器连接数据处理单元，所述数据处理单元包括DSP芯片。
本实用新型采用上述技术方案，首先，传感器基于声表面波技术，其主要组成部件为输入输出换能器及两个构成声学谐振腔的反射栅极，无需使用任何电子元器件，避免了因电子元器件质量及寿命导致装置工作可靠性低的问题。其使用寿命可与被监测设备同寿命。既保障了在线监测装置可持续稳定的对主设备进行状态监测，同时也避免了因在线监测装置可靠性问题对主设备的运行维护产生不良影响。由于这类声表面波传感器实现了无源无线的数据采集和传输方式，无需使用电池，也不需要在高低电位之间连接电缆，因此具有极高的安全性，非常适用于在高压、强电磁环境中工作，尤其是基于声表面波原理的温度传感器，填补现有设备状态参量监测领域的空白。输入输出换能器的核心为叉指换能器，这是一种在压电晶体上激发和检测声表面波（SAW）的声电换能器，是用半导体平面工艺将金属铝沉积在压电基片上，然后用光刻技术将金属薄膜刻成特定尺寸及形状的结构。SAW的反射栅极是实现SAW谐振器的关键器件，SAW基于反射元阵列来构成SAW反射镜，SAW反射栅振有反射沟槽和反射金属条带两种，其中沟槽反射阵性能较好，不过金属反射栅阵最易实现。
其次，将感应取能技术应用于传感装置中，一方面，减少了供源的复杂度和困难度，能够合理利用资源，另一方面，在感应取能的供电单元中加入整流器、降压器、蓄电池以及稳压电路，能够有效避免输电线路在大电流下取能单元吸取能量过剩而烧损电源电路，减小电源的发热量，并将多余的吸取能量进行有效储存，并能够避免输电线路电流为小电流或者断电的情况下而导致监测设备的供电不足，保证取能电源能够向监测设备输出稳定的直流电，保证监测设备持久稳定运行 ；并且能够防止取能单元饱和，且使取能单元能够发出瞬时大功率，增强取能电源带负载能力以及适应能力。
另外，本实用新型为了实现远程传输的稳定性和高效性，远程传输单元运用了两种天线，即定向增益天线和全向旋转天线，定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与信号采集器相连，能起到发射查询脉冲和接收携带温度信号的反馈脉冲的作用，从而降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度；全向旋转天线是在法向方向为全向的小螺旋天线，其与SAW传感器连接，起接收查询脉冲，并将SAW谐振信号反馈给发射天线的作用。这样配置天线的原理是：与信号采集器连接的天线要向多个SAW探头发送查询脉冲信号，其安装位置可以在规定范围内随意调整，故其为定向的高增益天线；与SAW探头相连的天线位置安装是由被测点位置所决定的，安装方向可能会比较狭小且各个方向上都需要能接收到来自信号采集器的查询信号，故运用法向上全向的小螺旋天线，降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。
将该种类型的传感装置应用于在线监测技术中时，不仅能有效推动变电站智能状态监测技术进步，从而避免传统的在线监测装置大量使用电子元器件、使用电池或CT取电的供电方式，在安全性、可靠性、稳定性等方面存在技术缺陷的问题。声表面波技术采用被动工作方式，无需使用电子元器件和任何电源装置，实现了无源无线的状态监测方式，有效的解决了传统在线监测装置存在的在安全性、可靠性、稳定性等方面存在的问题。同时，声表面波技术和感应取能技术有利于实现更多更全面的设备状态监测内容。这些无疑都是状态监测技术的巨大进步。而且，可以起到节约成本和提高设备安全运行水平的效果，一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置与被监测设备同寿命，具有极高的可靠性和稳定性；感应取能技术替代传统的太阳能、蓄电池，均极大的减少了系统的维护工作量，有利于节约成本，同时，一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置的应用既保障了在线监测装置的可靠性和稳定性，还有利于实现一些新的更真实反映设备运行状态的特征量的监测，从而更加及时、准确、全面掌握设备状态。通过实时历史数据库技术，将各类在线监测数据、PMS、SCADA系统数据集成在统一的数据平台上，辅助实现设备的状态诊断、电网设备运行状态分析等高级应用。综上，本实用新型可以有效克服现有SAW温度传感装置定向性不强、传输距离短的特点，并能广泛应用于各式不便于人工温度采集的高压电力设备上，能有效提高电网运行的可靠性与安全性，为真正实现无人值守提供了有效保障。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：
图1为本实用新型的结构原理图；
图2为数据处理单元的数据放大模块图；
图3为蓄电池充放电模块图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，包括供源装置以及分别与其连接的传感单元、远程传输单元；供源装置由感应取能装置1、整流稳压单元2和蓄电池3组成；传感单元为单端口结构，包括输入输出换能器7及两个构成声学谐振腔的反射栅极8；远程传输单元9包括定向增益天线10、全向旋转天线11与信号采集器12；感应取能装置1为电场能集能装置，包括平板电容器，该平板电容器置于交变电场中；整流稳压单元集成一个整流器4和一个降压型转换器5；定向增益天线10为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与信号采集器12相连；信号采集器12连接数据处理单元6，数据处理单元包括DSP芯片。
数据处理单元将传感单元采集的信号转换成数字信号，电场能集能装置收集环境中产生的高压线路耦合能量并转换为电能，经整流稳压单元整流稳压后储存在蓄电池中为传感单元供电。感应取能装置为电场能集能装置，是用平板电容器置于交变电场中，其两端感应出电流电压，将电场能转换为电能，向负载进行供电；整流稳压单元通过集成一个低损耗整流器和一个高效率降压型转换器，以通过收集环境中产生的高压设备耦合能量，然后将这种能量转换成良好调节的输出，为传感器、数据处理单元及对外通信单元提供能量；温度传感单元为基于声表面波原理制成的传感器；数据处理单元提供滤波、放大、下变频、发送频率控制等功能，将传感器采集的信号转换成采集控制器可直接处理的数字信号；对外通信单元可以完成单台设备内部传感器到采集控制器的数据通信功能，实现电力设备在线监测装置高低电位之间的无线安全隔离。
装置的核心在于基于声表面波的温度传感器的测量，SAW谐振器主要分为单端口和双端口两种结构，本方案中采用单端口结构，只包含一个IDT，这个IDT既充当输入换能器，又充当输出换能器，IDT左右的两个反射栅阵对称分布，构成一个声学谐振腔，IDT将激励信号能量引入和谐振腔中的能量引出，其工作原理为：在基片表面激发与电磁波同频的SAW，声波在两个反射栅组成的谐振腔内来回多次反射，当激励信号的频率与声学谐振腔的尺寸匹配时，在腔内形成驻波并产生谐振。谐振频率f0直接反映了被测信息，是SAW传感器的重要特征参数，其表达式如下： ；其中，VSAW基片表面激发的声表面波的波速，L为反射阵周期。
当SAW谐振器的压电基片表面的温度发生变化时，SAW的传播速度VSAW和发射栅的间距L发生改变，从而引起谐振器的谐振频率发生变化，从谐振频率的变化即可反映出被测温度信息，通过测量频率的变化量，便可实现对温度参数的监测。在工程中，SAW谐振器的谐振频率随温度的变化关系一般用多项式表达，其频率温度特性的一般方程为：
；式中，T是被测温度，T0是参考温度，f0是参考温度处的谐振频率，a0、b0、c0分别是参考温度T0时的一阶、二阶和三阶频率温度参数，这些参数与所选择的晶体材料及其切割方向有关，压电晶体采用不同的材料和不同的切向，其温度系数不同，机电耦合系数和介质损耗也不同。
本实用新型中的远程传输单元包括定向增益天线、全向旋转天线与信号采集器，信号采集器连接包括DSP芯片的数据处理单元，数据处理单元将传感单元采集的信号转换成数字信号。天线是本方案中联系发射装置与接收装置的重要工具，其基本功能为接收和辐射电磁波，实施例中为了加大无线传输距离，采用提高天线的增益和性能，增大发射机的发射功率和接收机的接收灵敏度。本方案工作与429MHz至436MHz公用波段，国家规定该波段的信号发射功率不得超过10mV，接收机的灵敏度到达一定程度后就很难提升，所以设计高性能天线可以明显改善无线传感系统的性能，所以，针对天线最重要的参量：定向性与增益效果，本方案根据实际工程应用的需求和特点，开发出了两种天线，即定向增益天线和全向旋转天线，定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与信号采集器相连，能起到发射查询脉冲和接收携带温度信号的反馈脉冲的作用，从而降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度；全向旋转天线是在法向方向为全向的小螺旋天线，其与SAW传感器连接，起接收查询脉冲，并将SAW谐振信号反馈给发射天线的作用。这样配置天线的原理是：与信号采集器连接的天线要向多个SAW探头发送查询脉冲信号，其安装位置可以在规定范围内随意调整，故其为定向的高增益天线；与SAW探头相连的天线位置安装是由被测点位置所决定的，安装方向可能会比较狭小且各个方向上都需要能接收到来自信号采集器的查询信号，故运用法向上全向的小螺旋天线，降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。
该SAW传感器采用无源无线的数据采集和传输方式，无需使用电池，也不需要在高低电位之间连接电缆，因此具有极高的安全性，非常适用于在高压、强电磁环境中工作。新型高压感应取电技术的采用，具有取能方式和设计理念上的独到之处，具有适应各种恶劣天气、全天候稳定可靠供电、长期免维护运行等特点，从而克服了太阳能供电及传统CT取电方式的种种不足之处，成为解决线上设备供能难题的绝佳选择。
在具体实施中其难点在于传感装置的能量采集设计、功率放大设计以及蓄电池充放电的控制设计；其中，由于装置的能量采集是通过集成一个低损耗、整流器和一个高效率降压型转换器，以通过收集环境中产生的高压线路耦合能量，然后将这种能量转换成良好调节的输出，为发光元件组件提供能量。该能量采集模块为直接对电压波形整流以及在一个外部存储电容器中存储所采集的能量而设计，同时通过一个内部并联稳压器消耗任何过多的功率。具备宽迟滞窗口的超低静态电流欠压闭锁模式使电荷能够在存储电容器上积累，直至降压型转换器可以高效率地将一部分存储的电荷传送给输出为止。在无负载休眠状态时，可调节输出电压，同时连续给存储电容充电。
对于功率放大设计，功率放大器在数据处理单元中是重要的一个部分。由于在耦合能量较小，不能直接提供电源。当将小功率信号进行调制、处理后，由于阻抗特性，如果直接联入耦合电路，就会因为信号太小，很快就被衰减掉。为此，必须利用现有技术将小信号进行功率放大使整个通信过程顺利进行。根据实际情况，功率放大器的技术主要实现以下方面功能：有足够大的输出功率，保证信号在耦合系统和电路中传输中正常传输；要求功率放大器的额定负载阻抗与耦合电路阻抗匹配；由于负荷变化比较大，要求功放电路有强的带负载能力；要求功率放大器工作稳定，性能可靠；依照典型 OTL电路的特点，搭建实验电路如图所示。该电路中，前端是电压放大器，OTL电路由前端输入信号，后端为输出信号。
对于充放电控制设计，随着电力电子器件的发展，大功率开关器件如绝缘栅双极晶体管 IGBT 的技术及其制造工艺日益成熟，已在变换器、有源电力滤波器、整流器、逆变器、动态电压调节器等方面得到成功的应用。本实施例中，采用由 IGBT 组成的电路来产生大功率正弦信号，该信号经升压变压器升压及高压串联谐振电路放大后，电压等级可达高压、超高压、特高压级别。建立了调频式谐振特高压试验电源的数学模型，并在此基础上提出了电压调节自调整比例–积分控制方法和一种新的 PI锁相自动调频的方法，从而实现整个传感装置的调压和调频，我们所提的控制方法有利于消除传感装置的稳态误差和提高传感装置的动态性能，易于工程实现，其中，频率控制主要由三相不可控整流电路，H桥逆变电路，输出滤波器，串联谐振电路组成。
以将该传感装置应用于某10KV变电站的温度检测领域中为例，应用于10KV高压室内的10个开关柜内，每个开关柜内安装六个感温装置以及无线测温采集器，其中，感温装置安装在易发热的接触点位置，温度信号通过无线方式传送至无线测温采集器，采集器实现对六个探头温度数据的采集、分析和显示，同时将温度数据打包发送至中控台服务器，服务器完成对每个开关柜温度数据的显示、分析、存储、记录、打印及报警处理。当温度升高超过设定值时，或者升温速度过快，或者三相温度差不均衡，该系统会自动报警，在实际应用中，发现10面开关柜中第4面的B相出线触电温度高达75°C，而A相、C相出现接点温度仅为52°C，该系统根据三相温差不均衡判断，判断B相温度异常，经过工作人员检查，发现是B相由于紧固螺栓出现松动，导致出线触点接触不良，接触电阻过大，从而引起的温升异常，从而成功消除了潜在的安全隐患，预防了一起可能发生的安全事故。
Claims (5)
1.一种用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，其特征在于：包括供源装置以及分别与其连接的传感单元、远程传输单元；所述供源装置由感应取能装置、整流稳压单元和蓄电池组成；所述传感单元为单端口结构，包括输入输出换能器及两个构成声学谐振腔的反射栅极；所述远程传输单元包括定向增益天线、全向旋转天线与信号采集器。
2.如权利要求1所述的用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，其特征在于：所述感应取能装置为电场能集能装置，包括平板电容器，所述平板电容器置于交变电场中。
3.如权利要求1所述的用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，其特征在于：所述整流稳压单元集成一个整流器和一个降压型转换器。
4.如权利要求1所述的用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，其特征在于：所述定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与所述信号采集器相连。
5.如权利要求1所述的用于高压设备的远传谐振型SAW温度传感装置，其特征在于：所述信号采集器连接数据处理单元，所述数据处理单元包括DSP芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150401 Termination date: 20151124 |