《基于无源无线传感技术的在线测温系统》
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摘 要：无源无线传感技术在当前电力设备状态监测中发挥着积极作用,其能够准确检测出相关设备的实际温度,为科学处理电力设备运行中的故障问题提供信息支持.本文主要从无源无线测温技术在变电站开关柜中的作用分析入手,重点介绍了无源无线测温装置的原理和设计路径,为全面保证变电设备的稳定运行,提升电网系统运行的整体稳定性提供借鉴和参考.
一、概述
变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要的设备,在长期运行过程中,开关触头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.
目前大部分地区对开关柜内设备触点的监测依然采用人工定期现场测量,不能实时监测设备的温度状态,存在极大的安全隐患;另外还有地区采用有源无线的方式对设备触点进行测量,这种方式在一定程度上解决了定期监测带来的盲目性,但由于该类传感器需要电池供电,而电池在高温环境下及电池馈电状态下极易发生误报警,大大影响监测精度,使得该种监测方式的可靠性大大降低.本文研究声表面波传感技术,将无源无线测温技术集成应用实现电力设备温度的实时监测,设计出适用于高压开关柜特别是手车柜的温度在线监测系统.
二、基于声表面波的无源无线传感技术
（1）SAW技术
声表面波器件的核心部件是叉指换能器（IDT）,IDT是一种在压电晶体上激发和检测声表面波SAW的声-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上,然后用光刻技术将金属薄膜刻成特定的尺寸及形状.
声反射栅是实现SAW谐振器的关键器件,SAW只能基于反射元阵列来构成SAW反射镜,SAW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.
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.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,下式即为频率温度特性的一般方程：
式中,T是被测温度,T0是参考温度,f0为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系数.
这些系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.典型的SAW衬底材料有铌酸锂（LiNbO3）、石英（SiO2）和LiTaO3等.同时,在衬底上镀压电薄膜,可以很好的调节压电晶体的性能参数.设计时应根据自身的需求综合考虑,采用合适的衬底压电晶体材料和鍍膜材料.本系统采用了石英衬底的压电基片镀上压电薄膜,使频率温度系数中的高阶系数b0,c0相比于一阶系数a0可以忽略,即频率温度曲线呈线性关系,测温计算更简便,测温精度更高,可达0.1℃.
（2）天线设计
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.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10mW,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,天线最重要的参量是定向性D和增益G.本系统依据实际工程应用的需求和特点,开发出了两种天线：在某方向上有定向性增益较高的螺旋臂偶极子天线;在法向方向为全向的小螺旋天线.其中偶极子天线通过同轴电缆与信号采集器（Reader）相连,起发射查询脉冲和接收携带温度信号的反馈脉冲的作用;法向的小螺旋天线与SAW传感器连接,一起接收查询脉冲,并将SAW谐振信号反馈给发射天线的作用.实验表明,在室外,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.
三、无源无线在线测温系统设计
（1）无源无线温度在线监测系统架构
无源无线温度在线监测系统采用4层网络架构,从底层往上包括：①传感芯片与数据采集器;②总线网关;③监控中心;④主站.
●传感器与数据采集器：最底层是分布放置的温度传感器,传感器和待测点直接接触,例如放置在开关柜母排上;数据采集器天线放置在传感芯片3米范围内.数据采集器给传感器发送问询信号,温度监测结果返回到数据采集器,从而完成温度数据采集.
●总线网关：网关通常以一个监控房间为单元,采用一个网关接8个数据采集器的方式.数据采集器通过485协议和网关连接,从而在网关完成多数据采集器的温度信息汇集.
●监控中心：针对同一区域、不同监控房间的数据,在监控中心进行汇集;计算机上按照温度监控客户端软件,该软件对总线网关数据进行汇总分析,同时向上级主站上传数据.
●跨区主站：针对不同监控中心实现温度数据收集、分析等.在主站安装温度监控服务器端软件,针对监控中心上传数据进行建立数据库系统和分析平台,该平台可以通过网络进行远程管理.
（2）监测系统功能
无源无线温度监测系统的主要功能包括各温度传感器设备、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等.根据实际情况,这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在（将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统）,也可以单独作为一套电力设备温度监测的主站系统.
四、结束语
变电站的高压开关柜无源无线温度在线监测系统在运行的过程中,传感器在其中扮演着较为重要的角色,主要采用了声表面波技术,可在无电能支持环境中正常运行,采用了射频无线方法与信号天线进行有效的通信,在此过程中进行高低压电路分离运行.无源无线温度在线监测系统在运行期间,具有停电时间短、安装便捷等优势,不用更换电池与检修.此外,将该系统安装于高压开关柜中,能够实现关键点温度实时在线监测,若温度出现异常时,能够提前报警,这在较大程度上能够提升电力系统运行期间的安全性.
参考文献
[1] 仝猛,孟凡钟,耿洁宇,等.环网柜温度监测系统设计研究[J]. 现造,2017（27）：101-103.
作者简介：王磊,1990年10月,河南永城,本科,工程师,四川大学,国网河南省电力公司开封供电公司.
岳纲毅,1989年6月,男,河南郑州,硕士,工程师,华北电力大学,国网河南省电力公司信息通讯公司.
王军亭,1965年7月,男,河南中牟,郑州大学,电力调度高级技师,国网河南省电力公司开封供电公司.
简而言之：这是适合传感技术论文写作的大学硕士及关于传感技术和无线测温本科毕业论文，相关传感技术和无线测温开题报告范文和学术职称论文参考文献.
传感技术和无线测温引用文献:
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