一种声表面波快速测量开关柜温度的方法与流程

本发明涉及电力设备金属导体温度监测技术领域，更具体地，涉及一种声表面波快速测量开关柜温度的方法。

背景技术：

随着现代社会对电能的依赖性的提高，用电密度大的地区对电能的供给安全可靠性要求提出了更高的要求，进而对电力设备的可靠性也提出了更高的要求。其中开关柜是电力设备中的一种关键装置，内部包括断路器、负荷开关、隔离开关、互感器、操作机构以及各种保护装置等。实际统计数据表明，电网电力设备故障的发生绝大多数是由于设备大电流运行、老化等原因导致电力设备在高温条件下运行，从而引发燃烧，爆炸等严重后果所造成。开关柜为金属封闭开关设备，在正常工作时，不允许打开金属封闭门，所有电气连接点均位于开关柜中。由于开关柜内部工作电压高，正常使用中不能随意断电，所以安装于高压开关柜内部的测温系统，要求具有高的电气绝缘性，日常使用中的维护量应尽可能少的特性。因此需要对开关柜中的关键位置进行温度实时监测，以评估对应的工作状态。无源、无线的声表面波温度测量方法，由于其成本低廉、安装方便，在电力设备温度监测中得到了广泛的应用。目前针对开关柜的温度测量方式中，普遍采用谐振型声表面波技术进行开关柜关键位置的温度测量。由于实际测量中声表面波传感器的谐振频率是待测量，即事先无法让查询信号的主频和声表面波传感器的谐振频率相等，如何快速地用接近声表面波传感器的谐振频率的主频信号来查询声表面波传感器是决定查询性能的重要问题。测量过程中，一般采用固定频率扫描方式，以获得声表面波传感器的谐振频率，根据谐振频率和温度之间的拟合关系，获得当前声表面波传感器的温度，从而间接测量开关柜内关键位置的温度。由于步进扫描的频率大小和测量的温度精度相关，如果测量的温度精度较高，则需要扫描的频点将会非常多，从而导致单次温度测量的时间变得非常长，不利于开关柜关键位置的温度的实时监测。为了减小温度测量的时间，有研究人员将频率扫描分成两部分：频率粗扫描和频率精扫描两个阶段。利用频率粗扫描确定中心谐振频率所处的频率区间，再在该频率区间内利用频率精扫描得到声表面波谐振器的中心谐振频率。该方法可以将温度测量时间降为固定频率扫描的1/7。

技术实现要素：

本发明针对现有开关柜谐振型声表面波无源、无线温度系统，频率查询过程中频率扫描采用固定步进频率，导致测温过程时间较长的不足，提供一种声表面波快速测量开关柜温度的方法。通过建立声表面波传感器的谐振频率时的回波能量、非谐振时的回波能量与对应频率差之间的查找表映射关系，确定频率扫描过程中的步进频率。另外，通过测量回波信号的相角，判定扫描频率的变化方向。根据回波信号的能量和谐振时的能量之差是否小于设定的阈值决定单次频率查询是否结束。该测量方法应用于开关柜的温度监测中，由于阅读器的扫描频率步进是自适应的，因此总的扫频次数相对于传统的扫频方法会大大降低，从而可以快速获得开关柜内部监测点的实时温度，有效预防开关柜因为温度异常导致的故障发生。从而在频率查询过程中，谐振频率的可以快速查找，实现温度的快速测量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种声表面波快速测量开关柜温度的方法，包括以下步骤：

s1：通过实验建立谐振型声表面波传感器谐振频率f0时的回波能量emax和非谐振频率fi时的回波能量ei的关系模型；

由于谐振型声表面波传感器中的谐振器具有高品质因数的特点，工作的带宽较窄。其对应的回波能量可以表示为：

其中，n为表面波传感器中声换能器的周期数；i0为参考温度下回波信息频率；ω0为谐振时的角频率；δω为角频率差。当δω＝0的时候，谐振时的回波信号能量可以表示为：

emax＝i0exp[jωt]

由此可见查询信号的主频只要落在谐振器的工作频带内，都将引起谐振器振荡，产生瞬态传感输出。而只有当激励频率等于谐振频率时，谐振器从查询信号中获取的能量最大，同样传感输出信号的能量也最大。由此可见，在查询过程中表面波传感器的回波能量随偏离谐振频率而逐渐减小，从而可以建立偏离谐振频率时的回波能量和谐振时的回波能量的映射关系。

谐振型声表面波传感器谐振频率f0时的回波能量emax和非谐振频率fi时的回波能量ei的关系模型：

emax-ei＝α2(f0-fi)²+α1(f0-fi)+α0

其中α2，α1，α0是需要通过实验拟合的待定系数。根据获得的拟合数据，建立谐振型声表面波传感器谐振频率、非谐振频率的回波能量差和对应的频率差之间的映射查找表。

s2：根据回波信号的相角判断谐振型声表面波传感器的回波信号频率相对于谐振频率的大小；

s3：根据回波信号的相角以及谐振型声表面波传感器谐振频率、非谐振频率的能量差和对应的频率差之间的映射查找表，确定频率扫描的步进δfi的大小和正负；通过设置信号源的频率控制字将扫描的频率设置为fi+δfi。在下一次的频率扫描过程中，阅读器将发射频率为fi+δfi的间歇射频信号。

s4：如果探测回波信号的能量和谐振时的能量差小于预设的阈值，判断该发射频率即为当前传感器的谐振频率；以固定的发射频率进行多次测量并进行相干累计，改善信号的信噪比，提高温度测量的精度。

s5：通过温度和声表面波传感器的谐振频率之间的拟合关系，计算开关柜监测点的实时温度。声表面波传感器的谐振频率和温度之间的关系可以描述为：

f＝f0[1+a1(t-t0)+a2(t-t0)²]

其中t为待测的温度，t0为参考温度，f0为参考温度下，声表面波传感器的谐振频率。a1,a2为参考温度t0时的一阶，二阶频率温度系数，需要在校准的过程中进行确定。

在一种优选的方案中，所述的回波信号为阅读器以一定的频率步进发射间歇的射频信号，声表面波传感器接收到射频信号后，将在声表面波传感器内部进行多次反射并根据谐振器的温度情况，发射出一定频率的射频回波信号。

在一种优选的方案中，步骤s2中通过对声表面波传感器返回的回波信号进行数字下变频，将信号分为i路和q路两路信号，分别可以表示为：

在一种优选的方案中，通过两路信号值的符号判定相角大小，从而判定回波信号频率和声表面波传感器谐振频率之间频率差的正、负，以确定步进频率方向。

在一种优选的方案中，步骤s3中，在信号接收期间，通过检测声表面波传感器返回的回波信号能量和声表面波传感器谐振时的能量差是否小于预设的阈值：如果大于预设的阈值，确定新的步进频率δfi；如果小于预设的阈值，则扫频结束。

在一种优选的方案中，根据建立的能量差和频率差之间的映射查找表确定新的步进频率δfi。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：一种声表面波快速测量开关柜温度的方法，取得两大有益效果，一，通过检测对应回波信号的频率以及能量大小拟合谐振型声表面波传感器谐振频率f0时的回波能量emax和非谐振频率fi时的回波能量ei的关系模型，建立谐振型声表面波传感器谐振频率、非谐振频率的能量差和对应的频率差之间的映射查找表。该查找表，可以使得在频率扫描期间的频率扫描步进可以根据回波信号能量的大小进行变化，而不像传统测量过程中的扫描频率是固定的；二，根据回波信号的相角以及谐振型声表面波传感器谐振频率、非谐振频率的能量差和对应的频率差之间的映射查找表，确定频率扫描的步进δfi的大小和正负，可以实现查询过程中的快速谐振频率查找，从而实现开关柜温度的快速测量。

附图说明

图1为本发明实施例1声表面波回波信号能量和扫描频率之间关系图。

图2为本发明实施例1声表面波传感器回波能量差与频率差映射查找表。

图3为本发明实施例1测量流程图.

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

假设声表面波温度传感器的工作频率范围为428～429mhz,测量的温度范围为-25～125℃。在校准的过程中，阅读器以一定的频率步进发射间歇的射频信号，声表面波传感器接收到射频信号后，将在声表面波传感器内部进行多次反射并根据谐振器的温度情况，发射出一定频率的射频回波信号。表面波传感器的回波能量随偏离谐振频率而逐渐减小，如图1所示。在射频回波信号接收期间，通过检测对应回波信号的频率以及能量大小。建立谐振型声表面波传感器谐振频率f0时的回波能量emax和非谐振频率fi时的回波能量ei的关系模型。

emax-ei＝α2(f0-fi)²+α1(f0-fi)+α0

确定待定系数α2，α1，α0。并根据获得的拟合数据，建立谐振型声表面波传感器谐振频率、非谐振频率的能量差和对应的频率差之间的映射查找表，如图2所示。

如图3所示，在温度测量过程中，阅读器发射工作频率范围为428～429mhz任意一个频率fi的间歇正弦射频信号。接收期间，阅读器对回波信号进行数字下变频，并将回波信号分为i路和q路两路信号。根据i,q的符号判定相角的大小，从而判定回波信号频率和声表面波传感器谐振频率之间频率差的正、负，以确定步进频率的方向。

在具体实施过程中，根据回波信号的相角以及谐振型声表面波传感器谐振频率、非谐振频率的能量差和对应的频率差之间的映射查找表，确定频率扫描的步进δfi的大小和正负。通过设置信号源的频率控制字将扫描的频率设置为fi+δfi。在下一次的频率扫描过程中，阅读器将发射频率为fi+δfi的间歇射频信号。在接收期间，通过检测声表面波传感器返回的回波信号能量和声表面波传感器谐振时的能量差是否小于设定的阈值：如果声表面波传感器返回的回波信号能量和声表面波传感器谐振时的能量差大于设定的阈值，根据建立的能量差和频率差之间的映射查找表确定新的步进频率δfi；如果声表面波传感器返回的回波信号能量和声表面波传感器谐振时的能量差小于设置的阈值，则扫频结束。当声表面波传感器返回的回波信号能量和声表面波传感器谐振时的能量差小于设置的阈值的时候，以固定的发射频率进行多次测量并进行相干累计，改善信号的信噪比，提高温度测量的精度。最后通过温度和声表面波传感器的谐振频率之间的拟合关系，计算开关柜监测点的实时温度。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。