Система измерения температуры шин электрических шкафов Российский патент 2021 года по МПК G01K11/26 

Заявленное техническое решение относится к области радиотехники и измерительной техники, может быть использовано для дистанционного измерения по радио температуры в мультисенсорных системах мониторинга. Его применение актуально в системах мониторинга состояния объектов с целью предупреждения аварийных ситуаций при контроле физических величин, в частности температуры. При этом, в качестве чувствительных элементов температуры применены измерительные пассивные радиочастотные элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Система для электрических шкафов предназначена для встраивания в комплектные распределительные устройства (КРУ) рабочих напряжений от 0,4 до ПО кВ, с целью автоматизации процессов контроля (мониторинга) за температурным состоянием электрических шин и передачи данных в автоматическую систему управления (АСУ) (в том числе и для использования в технологических процессах (ТП) потребителя), а также для формирования и передачи сигналов предупредительной и/или аварийной сигнализации.

Заявленное устройство - система позволяет проводить беспроводный (дистанционный) контроль температуры датчиков, установленных на электрических шинах КРУ и имеющих с ними тепловой контакт. При помощи радиочастотной идентификации этих датчиков и передачи из них данных об измеренной температуре электрических шин и их соединений в АСУ ТП потребителя. В то же время применение входящих с систему датчиков, установленных на электрических шинах КРУ и имеющих с ними тепловой контакт, позволяет проводить беспроводной (дистанционный) контроль температуры в точке их размещения в реальном масштабе времени. При этом происходит радиочастотная идентификация этих датчиков и передача с них данных об измеренной температуре в АСУ ТП потребителя без коллизий.

Известны устройства и системы для контроля (мониторинга) температуры для шин электрических распределительных систем, в которых для передачи значения температуры используют элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) - RFID радиомодули, например по заявке на изобретение РФ: RU 2011150244 А от 20.06.2013, МПК Н02Н 5/04 - [1]. Шинная распределительная система [1], включает в себя множество шинопроводов, в области соединения отрезков которых расположен по меньшей мере один сенсор температуры, предназначенный для регистрации температуры и обеспечения возможности ее контроля. Сенсоры температуры могут быть выполнены в виде резистивных датчиков температуры. Сенсоры температуры могут быть выполнены в виде радиомодулей с возможностью индивидуальной адресации, а сами радиомодули могут представлять собой радиомодули RFID.

Недостатком известного технического решения [1] является то, что в нем температуру измеряют резистивными датчиками температуры и для связи с радиомодулями RFID (устройствами на ПАВ) необходимы дополнительные переходные устройства (системы). Кроме того, опубликованное техническое решения [1] трудно реализуемо из-за недостаточности конструктивных данных.

Также широко известны чувствительный элементы на поверхностных акустических волнах для измерения температуры и их использование в датчиках и системах контроля и мониторинга температуры. Так, например, «чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры» по патенту на изобретение РФ: RU 2537751 С2 от 10.01.2015, МПК G01K 11/22, H01L 41/08 - [2], состоит из пластины из альфа-кварца, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и не менее двух отражающих элементов (ОЭ). Электроды ВШП и ОЭ отклонены от оси Y1 на угол, не превосходящий по модулю 20°.

Недостатком устройства [2] является то, что его применение для определения температуры множества близко расположенных, например соединений токоведущих шин, затруднено из-за возникновения коллизий при снятии показаний.

Заявитель настоящего технического решения ОАО «Авангард» обладает собственными идентификационными и измерительными устройствами на ПАВ, которые защищены патентами РФ на полезные модели и изобретения, элементы которых реализованы при практической реализации устройства.

Радиометка по патенту на полезную модель РФ: RU 151943 U1 от 20.04.2015, МПК H01Q 13/10 - [3]. Радиометка относится к устройствам систем радиочастотной идентификации для маркировки объектов контроля и может применяться при маркировке транспортных средств, грузов, вспомогательного оборудования и пр. Содержит антенну в виде металлического экрана, щель которого заполнена компаундом, обратной стороной сопряженного с печатной платой, выполненной из диэлектрического сверхвысокочастотного (СВЧ) материала, на противоположную сторону которой нанесен металлизированный слой со щелью, и пассивный датчик, размещенный без электрического контакта с металлическим экраном, при этом точки запитки пассивного датчика выбираются путем смещения относительно осевого центра щели металлизированного слоя печатной платы.

Устройство радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта по патенту на полезную модель РФ: RU 125535 U1 от 10.03.2013, МПК B61L 25/00 - [4]. Содержит как минимум две радиочастотные метки, установленные на известных местах участка железнодорожного пути, и расположенный на железнодорожном транспортном средстве радиочастотный считыватель. При этом радиочастотные метки выполнены по технологии устройств на поверхностных акустических волнах: ПАВ-меток, работающих на частоте 2,4 ГГц, радиочастотный считыватель выполнен как минимум двухканальным и с двумя приемопередающими антеннами, расположенными на днище железнодорожного транспортного средства в промежутках между его колесными парами и разнесенными по длине железнодорожного транспортного средства, пары приемопередающих антенн и соответствующие им ПАВ-метки, установленные на железнодорожном пути, расположены в параллельных плоскостях, которые в поперечном направлении железнодорожного транспортного средства наклонены к горизонту соответственно под углом 0…65°.

Способ повышения защитных свойств идентификационной ПАВ-метки по патенту на изобретение РФ: RU 2608259 С2 от 17.01.2017, МПК G06K 7/10, H04L 9/32 - [5]. Относится к пьезоэлектрическим устройствам в виде идентификационной метки, работающей с поверхностными акустическими волнами (ПАВ), для систем идентификации и позволяет существенно повысить защитные свойства идентификационной ПАВ-метки.

Общим недостатком аналогов [3], [4] и [5] заявителя - ОАО «Авангард» является то, что они в представленном виде не используются для измерения температуры, и не могут быть применены в заявленном техническом решении.

Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах по патенту на изобретение РФ: RU 2427943 С1 от 27.08.2011, МПК H01L 41/08 - [6], может быть использовано для дистанционного измерения физических величин, а именно температуры. Содержит расположенные на подложке из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) и две структуры металлических отражателей для поверхностных акустических волн (ПАВ). Первая структура отражателей предусмотрена в качестве опорного элемента, вторая - в качестве чувствительного элемента. Отражатели ПАВ первой структуры и отражатели ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями к измеряемой величине. ВШП выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки. Направление ПАВ от отражателей совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0. Отражатели ПАВ выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой минимально возможным электрическим зазором или выполнены без зазора. Отражатели второй ПАВ структуры по всей поверхности покрыты слоем материала, чувствительного к измеряемой величине - температуре.

Недостатком аналога [6] заявителя - ОАО «Авангард» является то, что в нем нет линии задержки, благодаря которой в заявленном техническом решении, решена задача антиколлизии при опросе множества температурных датчиков.

Прототипом заявленного технического решения является устройство для реализации известного «Способа устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации» по патенту на изобретение РФ: RU 2585911 С1 от 10.06.2016, МПК G01D 5/48 - [7]. Способ позволяет предупредить аварийные ситуации при контроле физических величин, например температуры, а также позволяет повысить стабильность показаний контролируемой физической величины - температуры во всем диапазоне ее изменения. По известному способу [7] формируют набор из N датчиков на линиях задержки на поверхностных акустических волнах, рефлекторы датчиков располагают на пьезоэлектрических подложках в следующем порядке: первый рефлектор первого датчика, первый рефлектор второго датчика, …, первый рефлектор N-го датчика, затем второй рефлектор первого датчика, второй рефлектор второго датчика, …, второй рефлектор N-го датчика, третий рефлектор первого датчика, …, третий рефлектор второго датчика, третий рефлектор N-го датчика, проводят опрос датчиков, принимают сигналы откликов датчиков и проводят их обработку, при этом последовательно для каждого датчика определяют время задержки сигнала между первым и третьим рефлекторами, определяют разность фаз для виртуального времени задержки, разность фаз для времени задержки между первым и вторым рефлекторами и разность фаз между первым и третьим рефлекторами, по которой определяют значение контролируемой физической величины, полученные значения передают на устройство сбора данных.

Устройство для реализации способа [7] выполнено в виде датчика на линии задержки на поверхностных акустических волнах, содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно встречно-штыревого преобразователя. При этом первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки, таким образом, что их взаимное расположение определяет виртуальное время задержки, для которого приращение фазы составляет не более 2π во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины.

Недостатком известного прототипа [7] заявителя - ОАО «Авангард» является то, что не известно его использование для мониторинга температуры множества разъемных электрических соединений силовых щитов. Также из описания прототипа не ясна конструктивная реализация датчиков для применения при высоких напряжениях порядка от 0,4 до 110 кВ шин КРУ.

Сущность заявленного технического решения состоит в том, что Система измерения температуры шин электрических шкафов» содержит установленные на шинах N датчиков, каждый из которых содержит чувствительный элемент (ЧЭ) выполненный на линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно ВШП, первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки, таким образом, что их взаимное расположение определяет опорное (калибровочное) время задержки ПАВ (во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины). Каждый ЧЭ N датчиков обладающими свойствами антиколлизии в рамках одного комплекта (системы), путем смещения групп рефлекторов (1, 2 и 3) на каждой подложке ЧЭ, обеспечивающий разное время задержки ПАВ откликов, установлен в герметичный корпус (из теплопроводного материала), ВШП ЧЭ выводами соединен (припаян, приварен) с направленной антенной (выполненной например, в виде направленной микрополосковой антенны, изготовленной в металлизированном слое печатной платы из текстолита или керамики), закрепленной через диэлектрическую прокладку на основание датчика из теплопроводного материала (металлического, например, медного, алюминиевого, стального и т.д.), причем герметичный корпус ЧЭ (стороной обратной выводам) тепловым мостом через теплопроводную пасту соединен с основанием датчика. На безопасном расстоянии (от 0,1 до 4 м, в зависимости от конструктивных особенностей электрического шкафа) напротив каждого из N датчиков установлены М направленных антенн считывателей для проведения опроса датчиков, и приема сигналов откликов от датчиков. Каждая из М направленных антенн своим кабелем соединена с считывателем, а сам считыватель соединен с источником питания и с ЭВМ (микрокомпьютером, персональным компьютером, сервером и т.д.) по одному из стандартных интерфейсов (например, по интерфейсу RS-485). При количестве датчиков N равному количеству направленных антенн М, соответствующие антенны N и М расположены друг напротив друга, при этом обеспечивается режим приема/передачи типа «точка - точка» для максимальной помехозащищенности. При количестве датчиков N большему, чем количество направленных антенн М, каждая из направленных антенн М расположена напротив нескольких датчиков N, которые она опрашивает и принимает от них сигналы отклика, при этом остается возможность любой из направленных антенн М получить значение температуры своего, а также и смежных датчиков N, попадающих в область действия направленной антенны М благодаря свойству антиколлизии внутри одного комплекта (набора) датчиков.

Техническим результатом изобретения является создание промышленно применимой системы для контроля температуры мест соединения шин электрических шкафов с датчиками повышенного срока службы, работающих с функцией «антиколлизии», при рабочих напряжениях шин электрических шкафов от 0,4 до 110 кВ.

Кроме того, известно разделение сигналов от нескольких датчиков температуры по патенту на полезную модель РФ: RU 179933 U1 от 29.05.2018, МПК G01K 11/26, «Пассивный антиколлизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием» - [8]. Датчик содержит топологию, содержащую отражающие структуры, коэффициент отражения которых определен соответствующей частотой ƒk, а изменение положения рефлекторов в случае изменения температуры окружающей среды влечет изменения фазы последних трех импульсов ответного сигнала, что делает возможным разделение, идентификацию по двум информационным признакам - времени и частоте, а также измерение температуры множества пассивных датчиков температуры в зоне чтения считывателя, тем самым решив коллизию, возникшую между пассивными датчиками температуры на поверхностных акустических волнах.

Однако в заявленном техническом решении в отличии от аналога [8] антиколлизионные датчики температуры на поверхностных акустических волнах сформированы не с частотно-временным кодовым отличием, а на различных линиях задержки на поверхностных акустических волнах.

Также известна «Радиометка на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах» по патенту на изобретение РФ: RU 2701100 С1 от 24.09.2019, МПК Н03Н 9/30 - [9], которая содержит входной преобразователь радиометки выполненный в виде единичного встречно-штыревого преобразователя (ВШП), установленного между двумя плечами U-образного многополоскового ответвителя с равным делением энергии, таким образом, чтобы выполнялось условие, обеспечивающее сдвиг фаз ПАВ равный π/2. Отражательные структуры расположены на подложке со смещением относительно расположения входного преобразователя вдоль осевой линии, имеющей угол наклона α относительно расположения входного преобразователя, задающий фиксированные временные задержки импульсов информационного сигнала. Между входным преобразователем и отражательными структурами установлен многополосковый ответвитель-компрессор таким образом, чтобы осуществлялся полный перенос акустической энергии ПАВ, излученной входным преобразователем из акустического канала, апертура которого определена апертурой ВШП входного преобразователя, в акустический канал, апертура которого определена количеством отражательных структур.

Однако аналог [9], в своем известном виде не может быть применен для измерения температуры, как в заявленном техническом решении.

На фигурах приведены следующие графические материалы:

На фигуре 1 представлен разрез беспроводного датчика «Термо-В» из комплекта датчиков, входящих в систему «ПАВ-Термо-В» измерения температуры шин электрических шкафов.

На фигуре 2 - фотография вида спереди беспроводного датчика «Термо-В» с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.

На фигуре 3 - фотография вида сзади беспроводного датчика «Термо-В» с полосковой антенной на печатной плате.

На фигуре 4 - структурная схема контроля диапазона контролируемых температур в термокамере (в климатической камере) при воздействии электрического потенциала.

На фигуре 5 - испытательная оснастка для расположения датчиков «Термо-В» и антенн в термокамере.

На фигуре 6 - фотография стенда для испытания термочувствительных радиочастотных датчиков «Термо-В» в термокамере (в климатической камере).

На фигуре 7 - схема установки датчиков «Термо-В» на электрические шины выкатного элемента (трансформатора тока) ТЛК-10, находящегося в электрическом шкафу КРУ 2-10.

На фигуре 8 - фрагмент схемы установки датчиков «Термо-В» на верхние шины ТЛК-10 и антенн АКП-2400, закрепленных на внутренних стенках электрического шкафа КРУ 2-10.

На фигурах 1…8 цифрами обозначены: 1 - чувствительный элемент; 2 - герметичный корпус ЧЭ выполненный из материала с высокой теплопроводностью (металла или керамики); 3 - выводы герметичного корпуса (2) от ЧЭ (1); 4 - направленная антенна, выполненная в виде направленной микрополосковой антенны в металлизированном слое печатной платы из текстолита или керамики), 5 - печатная плата с вытравленной направленной антенной (4); 6 - диэлектрическая прокладка для установки антенны (4) с ЧЭ (1) на основание датчика; 7 - основание датчика, выполнение из профильной изогнутой пластины в виде уголка из металлического материала: медного, алюминиевого, стального и т.д.; 8 - тепловой мост, для подведения теплоты от контролируемой шины, через основание датчика (7) с корпусом (2) чувствительного элемента (1), тепловой мост (8) может быть выполнен как из металла, так из теплопроводной керамики, тепловой мост (8) находится внутри диэлектрической прокладки (6), например, кольцеобразной; 9 - слой теплопроводной пасты для улучшения теплопередачи при подводе теплоты от теплового моста (8) к корпусу (2) чувствительного элемента (1); 10 - винты крепления печатной платы (4) через диэлектрическую прокладку (6) к основанию датчика (7); 11 - резьбовые втулки для крепления винтами (10) печатной платы (4) через диэлектрическую прокладку (6) к основанию датчика (7); 12 - винт крепления теплового моста (8) к основанию (7) датчика; 13 - вырез основания (7) датчика в виде вилки для крепления основания (7) в резьбовом соединении токоведущих шин; 14.1…14.i - датчики «Термо-В»; 15.1…15.i - шины электрического шкафа; 16.1…16.i - антенны; 17 - испытательная оснастка для датчиков «Термо-В» (14.1…14.i); 18 - термокамера (климатическая камера); 19 - блок считывателя с антеннами для датчиков «Термо-В»; 20 - считыватель (с 6-ю подключенными антенами); 21 - источник питания считывателя; 22 - ЭВМ (микроконтроллер, персональный компьютер, ноутбук, сервер); 23 - источник высокого напряжения, например УПУ-10; 24 - образцовый термометр, например, в виде щупа ТЦЩ-7, диаметром 5 мм и длиной 50 мм на гибком жаропрочном двухметровом кабеле; 25 - электронный цифровой измерительный блок, например, термометр цифровой ТЦ-1200.

Типовой датчик дистанционного измерения температуры шин электрических шкафов заявленной Системы содержит чувствительный элемент (ЧЭ) (1), выполненный на линии задержки на ПАВ, содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно ВШП, первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки, таким образом, что их взаимное расположение определяет опорное время задержки ПАВ. При этом ЧЭ установлен в герметичный корпус (2), выполненный из теплопроводного материала. ВШП ЧЭ (1) выводами (3) соединен, например, при помощи пайки или сварки с направленной антенной (4). Направленная антенна (4) может быть выполнена в виде микрополосковой антенны в металлизированном слое печатной платы (5) из текстолита или керамики. Печатная плата (5) (с направленной антенной (4)) закреплена винтами (10) через диэлектрическую прокладку (6) к основанию (7) при помощи резьбовых втулок (11), которые вставлены в отверстия основания (7). Диэлектрическая прокладка (6) может быть выполнена в виде кольца, внутри которого размещен герметичный корпус (2) ЧЭ (1). В свою очередь диэлектрическая прокладка (6) закреплена резьбовыми втулками (11) и винтами (10) на теплопроводное основание (7) датчика. Герметичный корпус (2) ЧЭ (1) стороной обратной выводам (3) через теплопроводную пасту (9) прижат к тепловому мосту (8), который в свою очередь винтом (12) закреплен на основании (7) датчика для подвода теплоты от контролируемого резьбового соединения электрических шин. Основание (7) датчика своим вырезом (13) в виде вилки закреплено в контролируемом резьбовом соединении электрических шин. Направленная антенна (4) датчика может быть выполнена в виде микрополосковой антенны типа «щель». Основание (7) датчика из теплопроводного материала может быть выполнено из металлической профильно изогнутой пластины (7), например, в виде уголка. В качестве теплового моста (8) между внешней поверхностью герметичного корпуса (2) ЧЭ (1) и основанием (7) или (17) датчика через толщину диэлектрической прокладки (6) может быть использована сплошная шайба из теплопроводного материала (например, из меди или алюминия). Тепловой мост (8) закреплен на самом основании (7) датчика, а его толщина зависит от толщины диэлектрической прокладки (6) и высоты герметичного корпуса (2) ЧЭ (1). Толщина теплового моста (8) подбирается индивидуально, например снятием слоя металла с его плоской поверхности. Диэлектрическая прокладка (6) необходима для создания гарантированно необходимого зазора между антенной (3) и основанием (7) датчика, величина которого зависит от диапазона рабочих частот устройства. Для проверки входящих в заявленную систему датчиков заявителем была создана установка для контроля диапазона контролируемых температур в термокамере (в климатической камере) при воздействии электрического потенциала. В установке датчики (14.1…14.i) заявленной системы расположены на шинах электрического шкафа (15.1…15.i). Напротив датчиков (14.1…14.i) закреплены антенны (16.1…16.i), например АКП-2400, Сами датчики (14.1…14.i), шины электрического шкафа (15.1…15.i) и антенны (16.1…16.i) смонтированы на испытательной оснастке (17), которая размещена в термокамере (18) (климатической камере). Блок считывателя (19) состоит из антенн (16.1…16.i), размещенных в термокамере (18) и самого считывателя (20), к которому каждая из антенн (16.1…16.i) подсоединена отдельным коаксиальным кабелем. Считыватель также подсоединен к источнику питания (считывателя), а также по интерфейсу RS-485 с ЭВМ (22), в качестве которой может выступать микроконтроллер, персональный компьютер, ноутбук, сервер. Установка также снабжена источником высокого напряжения, например УПУ-10. Выход, которого подсоединен к клеммам (зажимам) испытательной оснастки (17) а именно к ее шинам (15.1…15.i). Кроме того, установка образцовым термометром (24), например, в виде щупа ТЦЩ-7, диаметром 5 мм и длиной 50 мм (расположенным в термокамере (18) на гибком жаропрочном двухметровом кабеле, а также устройством (25) - электронным цифровым измерительным блоком, например, термометром цифровым ТЦ-1200 для отображения показаний образцового термометра (24).

Основные характеристики «Системы…»:

- диапазон измерения температур: - 40…+125°С;

- максимальная дистанция считывания температуры до 4 м;

- абсолютная погрешность: ±4,0°С;

- диапазон рабочих частот: 2400…2483,5 МГц;

- способ считывания: по радиоканалу.

Работа заявленного устройства состоит в следующем.

При воздействии радиосигнала считывателя на ВШП ЧЭ (1) за счет обратного пьезоэффекта происходит преобразование электромагнитного колебания в акустическую волну, которая распространяется вдоль поверхности пьезоэлектрической подложки, выполненной на линии задержки на ПАВ. После чего акустическая волна отражается от соответствующих рефлекторов и возвращается обратно на ВШП, где за счет прямого пьезоэффекта, происходит преобразование акустической волны в электромагнитную. На пластину пьезоэлектрической подложки нанесены рефлекторы (электроды, отражатели), которые могут быть выполнены в виде полосок или канавок. При изменении температуры пластины пьезоэлектрической подложки в результате линейного расширения - сжатия изменяется ее геометрические размеры, а также происходит изменение фазовой скорости распространения ПАВ, вследствие чего происходит изменение расстояния между рефлекторами, и, следовательно, изменение времени задержки сигналов между рефлекторами. Температурные перемещения рефлекторов составляют всего порядка сотен нанометров, и, следовательно, температурные изменения времени задержки составляют сотни наносекунд. При высокой частоте облучающего сигнала, например в 2,45 ГГц, фазовый набег (сдвиг) при отражении ПАВ от рефлекторов можно измерить (подвергнуть оценке), то есть, анализируя величину фазового набега сигналами откликов от рефлекторов можно измерить время задержки сигнала с высокой степенью точности. Учитывая коэффициент линейного расширения для данного материала подложки получать как значение изменений температуры, так и значение абсолютной температуры подложки после проведения калибровки устройства во всем рабочем температурном диапазоне.

Заявленная система измерения температуры шин электрических шкафов имеет широкий диапазон применения. Она может быть использована для автоматизации процессов контроля (мониторинга) за температурным состоянием электрических шин, находящихся под рабочим напряжением 0,4…110 кВ, с целью передачи данных в АСУ ТП потребителя, а также для формирования и передачи сигналов предупредительной или аварийной сигнализации. Выполнена на базе пассивных беспроводных датчиков температуры на ПАВ «Система…» для электрических шин функционирует в режиме «антиколлизии». Датчики выполнены с габаритными размерами 85x53,5x35 мм. Они обеспечивают прием зондирующих сигналов считывателя, кодово-временную модуляцию принятых сигналов и переизлучение модулированных сигналов-откликов в эфир. В «Системе…» используется антенна типа АКП-2400, с габаритными размерами 121×121×41,5 мм. Считыватель подсоединен к антеннам АКП-2400 с помощью коаксиальных кабелей (SMAm-SMAm-1500MM-5DFB, длиной не более 1,5 м).

Считыватель в системе обеспечивает:

- формирование зондирующих сигналов, излучение их в эфир и прием при помощи антенн (АКП-2400) отраженных от датчиков сигналов-откликов в режиме «антиколлизии»;

- определение по сигналам-откликам (разных) датчиков их температуры и индивидуального номера;

- передачу данных о температуре разных датчиков по интерфейсу RS-485 в АСУ ТП потребителя;

- формирование сигналов предупредительной или аварийной сигнализации при выходе показаний датчиков за заданные (изготовителем) пороговые значения.

Заявителем был проведен контроль диапазона контролируемых температур датчиков одновременно с воздействием электрического потенциала и контролем погрешности определения температуры, а также контролем идентификационных кодов датчиков с одновременной проверкой функции «антиколлизии». Такой контроль заявленного технического решения был проведен согласно схемы подключения, представленной на фигуре 4, на оснастка (см. фиг. 5) и в термокамере (см. фиг. 6). Для связи считывателя с ЭВМ в виде ноутбука использован интерфейс RS-485. При этом первоначально перед проведением контроля по фигуре 4 были проведены следующие мероприятия:

- антенны АКП - 2400 были закреплены на пластиковых панелях испытательной оснастки (17);

- образцовый термометр (24), в виде щупа ТЦЩ-7 закреплен на металлической поверхности рядом с любым из датчиков и кабелем подсоединен с цифровым термометром ТЦ-1200;

- датчики с помощью винтов установлены на металлических панелях испытательной оснастки, так, что датчики и антенны сориентированы излучающими поверхностями друг к другу на расстоянии от 0,1 до 0,2 м, соблюдая совпадение их векторов поляризации (как приведено на фиг. 5);

- один контакт (клемма) испытательной оснастки (17) подсоединена к клемме переменного выходного напряжения «~» прибора для испытания электрической прочности, например прибору УПУ-10, а другой контакт (клемма) испытательной оснастки (17) подключена к контакту «Земля» прибора УПУ-10.

После чего испытательная оснастка была установлена в термокамере (18), на ноутбук загружено программное обеспечение (ПО) реализации цифрового управления и снятия показаний заявленной системы, а также на испытательную оснастку (17) было подано высокое напряжение. Температура в термокамере (климатической камере) при проведении контроля (испытаний) менялась ступенчато от минус 40, (минус 20, 0, 20, 40, 60, 80, 100) до 120°С и обратно, выжидая 30 мин после выхода термокамеры (18) в заданную температурную область (для установки полного термодинамического равновесия).

В результате проведения контроля (испытания системы) были получены положительные результаты, так как происходило считывание датчиков с отображением их идентификационных кодов, совпадающих с их идентификационными номерами, обозначенными на корпусах датчиков. Погрешность показаний температуры в диапазоне от минус 40 до 120°С составила не более ±4°С. Работа интерфейса RS-485, ПО, а также функции «антиколлизии» подтвердилась фактом отображения на экране ноутбука идентификационных кодов датчиков и значений их температуры.

Кроме того, заявителем был проведен контроль (испытание заявленной системы) на дистанцию опроса датчиков в нормальных климатических условиях (НКУ) без термокамеры, результаты которого также были положительные.

Таким образом заявленная «Система…) позволяет производить:

- контроль температуры токоведущих частей высоковольтного оборудования и других промышленных установок;

- формировать сигналы предупреждения аварийных ситуаций и производить автоматическую выдача их системе управления (АСУ) для принятия решений;

- обеспечить противопожарную безопасность электрооборудования (высоковольтных трансформаторов, устройств коммутации и других промышленных установок).

Конкурентные преимущества заявленной «Системы…»:

- применение абсолютно пассивных датчиков температуры (без источника питания);

- проведение опроса датчиков по радиоканалу (2,45 ГГц) работает во всем диапазоне измерений на расстоянии от 0,1 до 4 м;

- обеспечение абсолютной точности измерения температуры (±4°С) с разрешающей способностью 0,001°С;

- обеспечение возможности идентификации точки измерения температуры по коду датчика;

- обладание высокой радиационной стойкостью и устойчивостью к воздействию механических и электромагнитных помех (до 3000 А и 110 кВ);

- обеспечение срока службы датчика до 25 лет;

- применение беспроводных технологий обеспечивает оперативность монтажа и удобство обслуживания;

- малые габаритные размеры датчиков.

Проведенные заявителем испытания внедренной опытной системы измерения температуры шин электрических шкафов» в Петербургском метрополитене, а также на трансформаторной подстанции (в г. Кронштадт) показали положительные результаты. Опытная эксплуатация Системы проходит без сбоев и отказов. Кроме того, заявленная система в настоящее время внедряется для электрических шкафов (в рамках проведения опытно-промышленной эксплуатации в ПАО «МРСК Сибири» - «Омскэнерго»), а именно в шкафы КРУ 2-10 (КВЭ 10 13) с выключателем и трансформатором тока ТЛК-10. При этом датчики из состава системы закреплены на болтовые соединения электрических шин выкатного элемента ТЛК-10.

Заявленная «система измерения температуры шин электрических шкафов» в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств - систем с чувствительными элементами температуры, основанными на пассивных радиочастотных элементах на ПАВ. При групповом применении в заявленной системе таких беспроводных датчиков на ПАВ обеспечивается повышенный контроль температуры электрических соединений шин КРУ во всем диапазоне изменения температуры, а также обеспечивается гарантированное определение конкретного установленного датчика (без коллизий). В связи с этим данное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует из общеизвестных способов создания мультисенсорных системах мониторинга объектов с беспроводными датчиками на ПАВ, а именно для непрерывного мониторинга температуры электрических соединений шин КРУ. Это доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Реализация заявленной системы «ПАВ-Термо-В» осуществлена заявителем и проходит опытную эксплуатацию, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература

1. Заявка на изобретение РФ: RU 2011150244 А от 20.06.2013, МПК Н02Н 5/04, «Контроль температуры для шинной распределительной системы».

2. Патент на изобретение РФ: RU 2537751 С2 от 10.01.2015, МПК G01K 11/22, H01L 41/08, «Чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры».

3. Патент на полезную модель РФ: RU 151943 U1 от 20.04.2015, МПК H01Q 13/10, «Радиометка».

4. Патент на полезную модель РФ: RU 125535 U1 от 10.03.2013, МПК B61L 25/00, «Устройство радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта».

5. Патент на изобретение РФ: RU 2608259 С2 от 17.01.2017, МПК G06K 7/10, H04L 9/32, «Способ повышения защитных свойств идентификационной ПАВ-метки».

6. Патент на изобретение РФ: RU 2427943 С1 от 27.08.2011, МПК H01L 41/08, «Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах».

7. Патент на изобретение РФ: RU 2585911 С1 от 10.06.2016, МПК G01D 5/48, «Способ устранения коллизии в наборе датчиков и устройство для его реализации» - прототип.

8. Патент на полезную модель РФ: RU 179933 U1 от 29.05.2018, МПК G01K 11/26, «Пассивный антиколизионный датчик температуры на поверхностных акустических волнах с частотно-временным кодовым отличием».

9. Патент на изобретение РФ: RU 2701100 С1 от 24.09.2019, МПК Н03Н 9/30, «Радиометка на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах».

Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники, может быть использовано для дистанционного измерения по радио температуры в мультисенсорных системах мониторинга для предупреждения аварийных ситуаций при контроле температуры мест соединения шин электрических шкафов. В качестве чувствительных элементов температуры применены измерительные пассивные радиочастотные элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Система содержит установленные на шинах N датчиков, каждый из которых содержит чувствительный элемент (ЧЭ), выполненный на линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно ВШП, первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки, таким образом, что их взаимное расположение определяет опорное (калибровочное) время задержки ПАВ (во всем диапазоне изменения контролируемой физической величины). Каждый ЧЭ N датчиков, обладающих свойствами антиколлизии в рамках одного комплекта (системы), путем смещения групп рефлекторов (1, 2 и 3) на каждой подложке ЧЭ, обеспечивающих разное время задержки ПАВ откликов, установлен в герметичный корпус, ВШП ЧЭ выводами соединен с направленной антенной, закрепленной через диэлектрическую прокладку на основании датчика из теплопроводного материала, причем герметичный корпус ЧЭ (стороной, обратной выводам) тепловым мостом через теплопроводную пасту соединен с основанием датчика. Напротив каждого из N датчиков установлены М направленных антенн считывателей для проведения опроса датчиков и приема сигналов откликов от датчиков. Каждая из М направленных антенн своим кабелем соединена со считывателем, а сам считыватель соединен с источником питания и с ЭВМ по одному из стандартных интерфейсов (например, по интерфейсу RS-485). При количестве датчиков N, равном количеству направленных антенн М, соответствующие антенны N и М расположены друг напротив друга, при этом обеспечивается режим приема/передачи типа «точка - точка» для максимальной помехозащищенности. При количестве датчиков N большем, чем количество направленных антенн М, каждая из направленных антенн М расположена напротив нескольких датчиков N, которые она опрашивает и принимает от них сигналы отклика, при этом остается возможность любой из направленных антенн М получить значение температуры своего, а также и смежных датчиков N, попадающих в область действия направленной антенны М благодаря свойству антиколлизии внутри одного комплекта датчиков. Технический результат - создание системы для контроля температуры мест соединения шин электрических шкафов с датчиками повышенного срока службы при рабочих напряжениях шин электрических шкафов от 0,4 до 110 кВ. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система измерения температуры шин электрических шкафов, содержащая установленные на шинах N датчиков, каждый из которых содержит чувствительный элемент (ЧЭ), выполненный на линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее трех рефлекторов, смещенных на различное расстояние относительно ВШП, первый рефлектор имеет наименьшее время задержки, второй рефлектор располагается в средней части поверхности пьезоэлектрической подложки, третий рефлектор расположен на конце пьезоэлектрической подложки таким образом, что их взаимное расположение определяет опорное время задержки ПАВ, отличающаяся тем, что

каждый ЧЭ N датчиков, обладающих свойствами антиколлизии в рамках одного комплекта, путем смещения групп рефлекторов (1, 2 и 3) на каждой подложке ЧЭ, обеспечивающих разное время задержки ПАВ откликов, установлен в герметичный корпус, ВШП ЧЭ выводами соединен с направленной антенной, закрепленной через диэлектрическую прокладку на основании датчика из теплопроводного материала, причем герметичный корпус ЧЭ тепловым мостом через теплопроводную пасту соединен с основанием датчика,

напротив каждого из N датчиков установлены Μ направленных антенн считывателей для проведения опроса датчиков и приема сигналов откликов от датчиков,

каждая из Μ направленных антенн своим кабелем соединена со считывателем, а сам считыватель соединен с источником питания и с электронно-вычислительной машиной по одному из стандартных интерфейсов.

2. Система измерения температуры шин электрических шкафов по п. 1, отличающаяся тем, что при количестве датчиков N, равном количеству направленных антенн М, соответствующие антенны N и Μ расположены друг напротив друга, при этом обеспечивается режим приема/передачи типа «точка - точка» для максимальной помехозащищенности.

3. Система измерения температуры шин электрических шкафов по п. 1, отличающаяся тем, что при количестве датчиков N большем, чем количество направленных антенн М, каждая из направленных антенн Μ расположена напротив нескольких датчиков Ν, которые она опрашивает и принимает от них сигналы отклика, при этом остается возможность любой из направленных антенн Μ получить значение температуры своего, а также и смежных датчиков Ν, попадающих в область действия направленной антенны Μ благодаря свойству антиколлизии внутри одного комплекта датчиков.