无源无线测温天线装置制造方法
【专利摘要】本发明无源无线测温天线装置，属于变电站设备温度监测装置【技术领域】；技术问题是：提供一种方便变电站设备触点温度无线监测的装置；采用的技术方案是：无源无线测温天线装置，无源无线测温传感器包括叉指换能器、反射栅、压电基片和传感器天线，所述叉指换能器和反射栅设置在压电基片上，所述传感器天线与叉指换能器电连接，传感器天线采用螺旋天线；本发明适用于电力部门。
【专利说明】无源无线测温天线装置 【技术领域】[0001]本发明无源无线测温天线装置，属于变电站设备温度监测装置【技术领域】。【背景技术】[0002]电网安全生产不仅是一个庞大而复杂的系统工程，而且是电力公司乃至全社会改 革、发展和稳定的基础，是未来我国乃至全世界智能电网发展的重中之重，国务院于2006 年2月发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和国家电网于4月19日发布《国家 电网公司绿色发展白皮书》等一系列重要文件中，智能电网安全保障已经纳入国家重大优 先发展和着手实施的主题。[0003]变电站内的各设备在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化或接 触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致事故发生，电力设备安 全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节，在持续扩大供电同时给电网电器 设备带来一系列的安全问题，为尽可能的避免各类电力事故，电力设备安全运营实时监控 的任务迫在眉睫。[0004]电网设备中的触头和接头的电网安全的一个重要隐患，现有统计结果表明，故障 其主要发生在如下位置:一、开关柜中动、静触头故障，开关柜作为一种广泛运用的电力设 备，开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线路故障保护、监测 运行电量数据的重要作用；开关设备因高压断路器动、静触头接触不良，加上长期的大电 流、触头老化等因素易致其接触电阻增大，从而导致长时间发热、触头温升过高甚至最终发 生高压柜烧毁故障；二、电缆接头故障，随着运行时间的延长、压接头的松动、绝缘老化、以 及局部放电、高压泄漏等，将引起发热和温度的升高，温度的升高将使这些状况进一步恶 化，这将促使温度进一步提升，这一恶性循环的结果就引发短路放炮，甚至火灾。[0005]为解决这一难题，从测温原理上通常有几种方式，从传输角度来说，包括有线和无 线数据传输方式。[0006]一、常规测温方式:常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式的缺点 在于无法无线无源，需要金属导线传输信号，无法独立无线工作，绝缘性能不能保证，即使 采用无线发送模块，在电网的磁场、电场和热场复杂情况下，抗干扰能力弱而无法正常工 作。[0007]二、光纤测温:光纤温度传感器采用光导纤维传输温度信号，光导纤维具有优异的 绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此光纤温度传感器能够直接安装到开关柜内的高 压触点上，准确测量高压触点的运行温度，实现开关柜触点运行温度的在线监测，然而，光 纤具有易折，易断、不耐高温等特性，积累灰尘后易导致光纤沿面放电从而使绝缘性降低， 光纤属于有线方式，会破坏既有设备构架，受开关柜结构影响，在柜内布线难度较大，另外， 光纤测温的成本也相对较高。[0008]三、红外测温:红外测温为非接触式测温，在变电站套管、避雷器、母线等设备的温 度监测中应用较多，但由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，通过红外图谱间接获取温度数据其准确性不能满足要求，对红外图谱的计算机识别技术水平还不能替代人 工识别，自动化程度不高，同时红外热像仪的成本较高，不利于推广使用；另外红外测温易 受环境及周围的电磁场干扰，由于开关柜内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头(因为 探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面)，要求被测量点能 够在视野内并无遮掩，并且表面干净以确保准确性，因此使用红外成像仪对其进行温度测 量时有死角出现，无法全部监测到；红外成像仪进行测量必须要工作人员拿着仪器到现场 进行测量，无法实现远程、实时监测，浪费大量的人力；在对户外的刀闸等进行监测时，由于 距离较远，成本较高，遇到冰雪天气，使得该设备监测失效。[0009]四、有源无线测温:有源的无线温度传感器尺寸通常相对较大且需经常更换电池， 系统维护成本较高，同时，电池不适于在高温状态下工作，温度过高会影响电池正常工作， 最终影响测量精度，甚至会出现误报警；另外当电池电量不足时，会出现误报警的现象，影 响监测精度；另外目前大部分的无线传感器采用的天线均为普通的吸盘天线，这种天线由 于其外形原因，在用于开关柜内的触点温度监测时，无法实现在手车柜内的安装。
【发明内容】
[0010]本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题是:提供一种方便变电站 设备触点温度无线监测的装置。[0011]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:无源无线测温天线装置，无源 无线测温传感器包括叉指换能器、反射栅、压电基片和传感器天线，所述叉指换能器和反射 栅设置在压电基片上，所述传感器天线与叉指换能器电连接，传感器天线采用螺旋天线。[0012]所述传感器天线为法向方向上全向的螺旋天线。[0013]所述无源无线测温传感器中的传感器天线通过射频无线网络与温度采集器的采 集器天线相连进行通讯。[0014]所述采集器天线采用偶极子天线。[0015]所述采集器天线为螺旋臂偶极子天。[0016]本发明与现有技术相比具有的有益效果是:一、本发明在无源无线测温传感器上设置螺旋天线，能够很好的解决开关柜空间狭小 的问题，而且各个方向都能够接收到温度采集器的查询信号，在温度采集器上设置螺旋臂 偶极子天线，能够使得温度采集器在其安装位置可以随意调整，整体降低了工程上调整天 线之间方向性对准的难度；二、无需电源，减少电池产生的高维护费及误报警，传感器采用被动感应方式，无需电 池驱动，减少了电池更换带来的维护成本，同时不会对生态环境造成影响；三、安全可靠，无线的温度采样方式无需在被测点或相关支撑结构上连线，传感器与接 收设备之间无电气联系，从而实现了高压隔离，保障设备安全运行；四、安装方便灵活，温度传感器体积小且与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活， 不受开关柜结构和空间影响。【专利附图】
【附图说明】[0017]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明:图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中传感器天线的结构示意图；图3是本发明中采集器天线的结构示意图；图中:、1为叉指换能器、2为反射栅、3为压电基片、4为传感器天线、5为无源无线测温 传感器、6为温度采集器、7为采集器天线。【具体实施方式】[0018]如图1所示，本发明无源无线测温天线装置，无源无线测温传感器5包括叉指换能 器1、反射栅2、压电基片3和传感器天线4，所述叉指换能器I和反射栅2设置在压电基片 3上，所述传感器天线4与叉指换能器I电连接，传感器天线4采用螺旋天线，所述无源无线 测温传感器5中的传感器天线4通过射频无线网络与温度采集器6的采集器天线7相连进 行通讯。[0019]所述叉指换能器I (简称IDT)，是声表面波器件的核心部件，IDT是一种在压电晶 体上激发和检测声表面波温度的声一电转换器，IDT是用半导体平面工艺将金属铝沉积在 压电基片3上，然后用光刻技术将金属薄膜刻成特定的尺寸及形状的结构。[0020]所述反射栅2是实现声表面波温度谐振器的关键器件，声表面波温度只能基于反 射元阵列来构成声表面波温度反射镜，声表面波温度反射栅阵有反射沟槽和反射金属条带 两种，其中沟槽反射阵性能更好，但金属反射栅阵最易实现。[0021]本发明在使用过程中需要配备能够发射和接收无线射频信号的温度采集器6，温 度传感器直接安装在被测物体表面，它负责接收探询射频信号，并返回带温度信息的射频 信号到温度采集器6,温度传感器是采用声表面波(Surface Acoustic Wave)传感技术设 计，传感器表面波技术应用了晶体材料的物理特性，晶体的物理特性的改变通过压电感应 原理被自动转化成了电信号，传感器的工作原理是将射频信号发射到压电材料的表面，然 后将受到温度影响了的反射波再转回电信号而获取温度数据。[0022]本发明的温度采集过程包括如下步骤:一、温度采集器6通过它的天线发射射频 脉冲，二、脉冲信号被传感器天线4收到后，通过叉指换能器I (IDT)在压电感应器的表面 激活一个表面波；三、传感器表面波的频率由于受到传感器本身温度的影响发生了变化，正 是由于频率受温度变化的机制，使得温度数据测量得以实现；四、叉指换能器I再将表面波 的频率振荡转化成射频信号，此射频信号由采集器上的天线收到后进行处理；五、由于谐振 器的高质量特性，即使访问波具有50Hz的带宽，也确保了反射回来的信号包含了精确的射 频信息；六、反射回来的射频频率变化与温度的变化成比例关系。[0023]所述温度采集器6负责与一组温度传感器通信，发射测温探询射频信号到温度传 感器，接收温度传感器的返回信号，并解析成温度信息发送回温度监测主站软件系统，温度 采集器6连接有采集器天线7，所述采集器天线7嵌在开关柜内壁，这样以来可以屏蔽外部 的电波干扰，而温度采集器6的其他部分(接收箱)则安装在开关柜的外面，采集器天线7通 过与柜体的间隙穿过隔板吸附在柜壁，温度采集器6放置在顶部，此柜门无需停电即可开 启，方便管理人员进行操作。[0024]天线是无线通信系统中不可缺少的部件，是联系发射装置和接收装置的重要工 具，其基本功能为接收和辐射电磁波，在本无源传感系统中，为增大无线传感距离，可采用的方法有: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；本系 统工作于429-436MHZ公用波段，国家规定该波段的信号发射功率不得超过IOmW,接收机的 灵敏度到达一定程度后就很难提升，高灵敏度的接收机成本也非常大，设计高性能天线可 以很明显的改善无线传感系统的性能，因而天线的设计具有很重要的意义。[0025]根据天线的特性可知:具有定向性的天线的增益比全向天线要高，方向性越明显， 在其最大辐射方向上的增益最大，另外，天线之间的无线通信性能受天线与传输线、负载间 的阻抗匹配程度影响，天线与传输线和负载的阻抗匹配得越好，天线就可以更大程度的信 号源的能量发射出去或将接收的信号能量传递出去。[0026]如图2和图3所示，所述传感器天线4为法向方向上全向的螺旋天线，能够很好的 解决开关柜空间狭小的问题，而且各个方向都能够接收到温度采集器6的查询信号；所述 采集器天线7为螺旋臂偶极子天线，能够使得温度采集器6在其安装位置可以随意调整，整 体降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。[0027]上述采集器天线7在433M处理论上总长度为34cm，对此工程上不能接受，本发明 中，我们将偶极子天线的两臂用螺旋状的金属丝代替，并在金属丝上镀银(实验表明镀银比 镀铜和镀金时天线的增益更大)，这样做的好处是，螺旋状的缠绕实现了较小的横向长度， 而有效长度仍然可达34cm。其最大辐射方向增益达到2.8dB ;所述传感器天线4在法向上 为全方向辐射，但其增益较小；本发明中，采集器天线7的阻抗接近50Ω，与同轴传输线相 匹配；传感器天线4与传感头的阻抗相匹配，这样可以达到最佳通信效果；实验表明，在室 夕卜，本无线通信系统的稳定工作距离可达3m ;在开关柜内，信号更强，保持在稳定的无线传 感状态。[0028]上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施 例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做 出各种变化。
【权利要求】
1.无源无线测温天线装置，其特征在于:无源无线测温传感器(5)包括叉指换能器(I)、反射栅(2)、压电基片(3)和传感器天线(4 )，所述叉指换能器(I)和反射栅(2 )设置在 压电基片(3)上，所述传感器天线(4)与叉指换能器(I)电连接，传感器天线(4)采用螺旋 天线。
2.根据权利要求1所述的无源无线测温天线装置，其特征在于:所述传感器天线(4)为 法向方向上全向的螺旋天线。
3.根据权利要求1或2所述的无源无线测温天线装置，其特征在于:所述无源无线测 温传感器(5)中的传感器天线(4)通过射频无线网络与温度采集器(6)的采集器天线(7) 相连进行通讯。
4.根据权利要求3所述的无源无线测温天线装置，其特征在于:所述采集器天线(7)采 用偶极子天线。
5.根据权利要求4所述的无源无线测温天线装置，其特征在于:所述采集器天线(7)为 螺旋臂偶极子天线。
【文档编号】G01K11/26GK103557958SQ201310490433
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月19日 优先权日:2013年10月19日
【发明者】王凯武, 郑为民, 田海林, 李洪霞, 周春红, 靳键云, 闫永芳, 邢林敏, 闫俊杰, 赵群, 王秋云, 陈长栋 申请人:国家电网公司, 国网山西省电力公司临汾供电公司