专利名称：一种电缆周围土壤热参数测量用传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤热参数测量技术及其应用领域，特别是涉及一种用于电力电缆周围土壤热参数实时监测的便携式的传感器。
背景技术：
近些年来，一种利用热探针法测量土壤热参数的技术获得了越来越广泛的应用。通过测量探针的温升曲线，通过建立简单的数学模型就可以计算出土壤的热参数。然而，目前上述测量方法在实际应用中还存在若干技术问题尚待解决:1)热探针表面无法保证是一个理想的等温面，影响测量的准确性；2)测量过程中忽略了热探针的自身热容以及热探针与土壤之间的接触热阻，造成测量结果的误差。3) 土壤的热容值无法测量出来。因此，如何设计和制作一种便携、测量快速的新的土壤热参数测量用的传感器，解决目前基于热探针法测量土壤热参数所面临的现实问题，实属当前业界的重要研究课题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电缆周围土壤热参数测量用的传感器，具有安全、便携、测量快速准确等特点，以克服现有技术中测量系统在实践中技术方面存在的不足和困难。为解决上述技术问题采用如下技术方案，本发明提供一种电缆周围土壤热参数测量用传感器，主要包括直流电源DC11、大功率限流电阻R11、半导体开关K11、二极管D11、电容组Cl 1、空心电感组LI 1、铜球壳和温度传感器；所述直流电源DC11，用于为整个热参数测量用传感器供电；所述大功率限流电阻R11，与直流电源DCll相连，用于限制传感器充电回路的电流；所述半导体开关K11，与大功率限流电阻Rll相连，用于传感器的充电控制回路；所述半导体开关Kll在充电回路中工作，不参与主回路的振荡过程；所述二极管Dll，与半导体开关Kl I相连，用于隔离保护，防止正向的振荡波反击供电回路；所述电容组Cll 一端与二极管Dll相连，另一端接地，为整个装置的储能和振荡单元;所述空心电感组Lll与电容组Cll并联，用于产生振荡波进而在其两端产生交变的电磁场；所述铜球壳置于空心电感组Lll外部，在空心电感产生的交变电磁场中由于涡流损耗而发热，为整个传感器的发热模块；所述温度传感器，置于铜球壳内表面，用于测量铜球壳表面的温升；优选地，所述电容组Cll包括:
第一电容C21，其一端与电力二极管相连，另一端接地；第二电容C22，与电容C21并联；第三电容C23，与电容C22并联；第四电容C24，与电容C23并联；第五电容C25，与电容C24并联；第六电容C26，与电容C25并联；优选地,所述空心电感组Lll包括:第一电感L21，其一端与电容组相连，另一端接地；第二电感L22，与电感L21并联；第三电感L23，与电感L22并联；第四电感L24，与电感L23并联；第五电感L25，与电感L24并联；第六电感L26，与电感L25并联；优选地，所述半导体开关Kll结构由直流开关电源，MOSFET控制板，MOSFET驱动板和MOSFET模块构成，直流开关电源的输入端与220V交流电相连，所述MOSFET模块连接MOSFET驱动板，所述MOSFET 驱动板通过光纤与MOSFET控制板相连；优选地，所述空心电感组Lll中的电感由漆包铜线绕置于电感骨架上，具有较低的内阻值，可以保证阻尼振荡波形的衰减较慢；优选地，所述空心电感组Lll中的六个电感均匀垂直粘贴在铜球壳的内表面，保证铜球壳受热均勻；优选地,所述铜球壳的外径为IOcm,壁厚为Imm,为两个半球壳拼接在一起,铜球壳顶部有直径为Icm的孔，用于将铜球壳内部连接电感的导线以及温度传感器的连接线引出铜球壳；优选地，所述直流电源DCll为可充电电池。本发明具有如下有益效果:1、本发明中的一种电缆周围土壤热参数测量用的传感器采用新型的主电路拓扑结构，整个装置工作可靠，便携性强，测量快速；2、本发明的发热部件铜球壳为一个理想的等温面，使得测量结果更准确可靠；3、本发明实施例合理设置MOSFET的开通与关断时间比，使得电容组Cl I的充电与放电过程连续，在空心电感组LI I两端产生连续的震荡波形，从而产生连续的交变磁场，使得铜球壳受热均匀。4、本发明实施例的电缆周围土壤热参数测量传感器在现场测量时，操作人员只需将传感器的铜球壳体埋入待测土壤中，在一定的时间间隔内连续的记录温度传感器的温度值，绘制出传感器的温升曲线，通过建立较为精确的数学模型即可计算出待测土壤的热参数。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍图1是本发明电缆周围土壤热参数测量传感器的主电路结构示意2是本发明电缆周围土壤热参数测量传感器的电容组的电路结构示意3是本发明电缆周围土壤热参数测量传感器的空心电感组的电路结构示意图
图4是本发明电缆周围土壤热参数测量传感器的半导体开关组成方框示意5是本发明电缆周围土壤热参数测量传感器的电容组Cll两端电压的波形中，1、温度传感器2、铜球壳3、直流开关电源4、M0SFET驱动板5、M0SFET控制板
6、MOSFET 模块
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对发明作进一步地详细描述。如图1所示，一种电缆周围土壤热参数测量用的传感器，主要包括直流电源DC11、大功率限流电阻Rn、半导体开关Kiu二极管Diu电容组Ciu空心电感组Liu铜球壳2和温度传感器I;所述直流电源DC11，用于为整个热参数测量用传感器供电；所述大功率限流电阻R11，与直流电源DCll相连，用于限制传感器充电回路的电流；选取大功率限流电阻Rll = I Ω，功率为250W以上的大功率绕线电阻。所述半导体开关K11，与大功率限流电阻Rll相连，用于传感器的充电控制回路；所述半导体开关Kll在充电回路中工作，不参与主回路的振荡过程；优选开关速度小于I μ S,耐压大于50V,通流能力大于50Α的半导体开关。
所述二极管D11，与半导体开关Kll相连，用于隔离保护，防止正向的振荡波反击供电回路；可以采用耐压50V、通流50Α以上的二极管；所述电容组Cll 一端与二极管Dll相连，另一端接地，为整个装置的储能和振荡单元，即当半导体开关Kll闭合时，直流电源DCll通过大功率限流电阻Rll对电容组Cll进行充电，当Kll断开后，电容组Cll将与其并联的空心电感组Lll谐振，产生振荡波；所述空心电感组Lll与电容组Cll并联，用于产生振荡波进而在其两端产生交变的电磁场。所述铜球壳2置于空心电感组Lll外部,在空心电感产生的交变电磁场中由于润流损耗而发热，为整个传感器的发热模块；所述温度传感器1，置于铜球壳2内表面，用于测量铜球壳2表面的温升；如图2所示，所述电容组Cll由六个5uf、耐压50V的低损耗金属化聚丙烯膜(MKP)电容并联组成:第一电容C21,其一端与电力二极管相连,另一端接地；第二电容C22，与电容C21并联；第三电容C23，与电容C22并联；第四电容C24，与电容C23并联；第五电容C25，与电容C24并联；第六电容C26，与电容C25并联；如图3所示,所述空心电感组Lll由六个3uH、通流能力大于50A的空心电感并联组成:第一电感L21，其一端与电容组相连，另一端接地；第二电感L22，与电感L21并联；
第三电感L23，与电感L22并联；第四电感L24，与电感L23并联；第五电感L25,与电感L24并联；第六电感L26，与电感L25并联；如图4所示，所述半导体开关KlI结构由直流开关电源3,MOSFET控制板5、M0SFET驱动板4和MOSFET模块6构成，直流开关电源3的输入端与220V交流电相连，所述MOSFET模块6连接MOSFET驱动板4，所述MOSFET驱动板4通过光纤与MOSFET控制板5相连；MOSFET模块6选用耐压大于50V、工作电流大于50A的模块；直流开关电源3功率均为20w，MOSFET控制板5的控制信号(PWM调制信号)的占空比为0.089，其开通与关断时间比为12us: 122us0优选地，所述空心电感组Lll中的电感由漆包铜线绕置于电感骨架上，具有较低的内阻值，可以保证阻尼振荡波形的衰减较慢。优选地，所述空心电感组Lll中的六个电感均匀垂直粘贴在铜球壳2的内表面，保证铜球壳2受热均勻。优选地,所述铜球壳2的外径为IOcm,壁厚为Imm,为两个半球壳拼接在一起,铜球壳2顶部有直径为Icm的孔，用于将铜球壳2内部连接电感的导线以及温度传感器I的连接线引出铜球壳。优选地，所述直流电源DCll为可充电电池，可充电电池选用工作电压为48V的大容量(如14Ah)的铅蓄电池，该可充电电池为4个12V大容量充电电池串联组成。如图5所示，是 本发明电容组Cll两端电压的波形图，从该图可以看出，当按图1中所示实施例的参数进行选取，按图4所示实施例MOSFET控制板的控制信号(对应于图5中的虚线部分，高电平表示MOSFET控制板开通，低电平表示MOSFET控制板关断)进行调制以后，使得电容组Cll的充电与放电过程连续，从而产生连续的震荡波形(对应于图5中的实线部分)。以上所揭露的仅是本发明的较佳实施例而已，然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域技术人员利用上述揭露的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，仍属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，主要包括直流电源DC11、大功率限流电阻Rl 1、半导体开关Kl 1、二极管Dl 1、电容组Cl 1、空心电感组LI 1、铜球壳和温度传感器； 所述直流电源DCl I，用于为整个热参数测量用传感器供电； 所述大功率限流电阻R11，与直流电源DCll相连，用于限制传感器充电回路的电流； 所述半导体开关K11，与大功率限流电阻Rll相连，用于传感器的充电控制回路；所述半导体开关Kll在充 电回路中工作，不参与主回路的振荡过程； 所述二极管D11，与半导体开关Kll相连，用于隔离保护，防止正向的振荡波反击供电回路； 所述电容组Cll 一端与二极管Dll相连，另一端接地，为整个装置的储能和振荡单元；所述空心电感组Lll与电容组Cll并联，用于产生振荡波进而在其两端产生交变的电磁场； 所述铜球壳置于空心电感组Lll外部，在空心电感产生的交变电磁场中由于涡流损耗而发热，为整个传感器的发热模块； 所述温度传感器，置于铜球壳内表面，用于测量铜球壳表面的温升。
2.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述电容组Cll包括: 第一电容C21，其一端与电力二极管相连，另一端接地； 第二电容C22，与电容C21并联； 第三电容C23，与电容C22并联； 第四电容C24，与电容C23并联； 第五电容C25，与电容C24并联； 第六电容C26，与电容C25并联。
3.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述空心电感组Lll包括: 第一电感L21,其一端与电容组相连,另一端接地； 第二电感L22，与电感L21并联； 第三电感L23，与电感L22并联； 第四电感L24，与电感L23并联； 第五电感L25，与电感L24并联； 第六电感L26，与电感L25并联。
4.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述半导体开关Kll结构由直流开关电源，MOSFET控制板，MOSFET驱动板和MOSFET模块构成，直流开关电源的输入端与220V交流电相连，所述MOSFET模块连接MOSFET驱动板，所述MOSFET驱动板通过光纤与MOSFET控制板相连。
5.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述空心电感组Lll中的电感由漆包铜线绕置于电感骨架上，具有较低的内阻值，可以保证阻尼振荡波形的衰减较慢。
6.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述空心电感组Lll中的六个电感均匀垂直粘贴在铜球壳的内表面，保证铜球壳受热均匀。
7.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述铜球壳的外径为IOcm,壁厚为Imm,为两个半球壳拼接在一起,铜球壳顶部有直径为Icm的孔,用于将铜球壳内部连接电感的导线以及温度传感器的连接线引出铜球壳。
8.根据权利要求1所述的电缆周围土壤热参数测量用传感器，其特征在于，所述直流电源DC ll为可充电电池。
全文摘要
本发明提供一种电缆周围土壤热参数测量用传感器，主要包括直流电源、大功率限流电阻、半导体开关、二极管、电容组、空心电感组、铜球壳和温度传感器；本发明具有如下有益效果1、本发明中的一种电缆周围土壤热参数测量用的传感器采用新型的主电路拓扑结构，整个装置工作可靠，便携性强，测量快速；2、本发明的发热部件铜球壳为一个理想的等温面，使得测量结果更准确可靠；3、本发明实施例合理设置MOSFET的开通与关断时间比，使得电容组的充电与放电过程连续，在空心电感组两端产生连续的震荡波形，从而产生连续的交变磁场，使得铜球壳受热均匀。
文档编号E02D1/00GK103243699SQ201310190668
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月22日 优先权日2013年5月22日
发明者梁茂杰, 刘松, 何健, 李洪杰, 李彪, 魏若琳, 田琳, 宋哲 申请人:国家电网公司, 山东电力集团公司临沂供电公司, 西安交通大学, 山东伏雷克电气技术有限公司