Беспроводной датчик измерения температуры

Заявленное техническое решение относится к области радиотехники и измерительной техники, может быть использовано для дистанционного измерения по радио температуры в мультисенсорных системах мониторинга объектов. 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, использующие принцип функционирования на основе поверхностных акустических волн (ПАВ). Может быть использовано для измерения температуры объектов атомной электростанции, так как пассивные радиочастотные элементы, использующие принцип функционирования на основе ПАВ не чувствительны к радиации.
Заявленный «Беспроводной датчик измерения температуры» далее по тексту - «датчик» (у заявителя в технической документации обозначен как датчик под шифром «Термо-В») предназначен для встраивания в комплектные распределительные устройства (КРУ) рабочих напряжений в диапазоне от 0,4 до 110 кВ для автоматизации процессов контроля (мониторинга) за температурным состоянием электрических шин и передачи данных в автоматическую систему управления (АСУ) технологических процессов (ТП) потребителя, а также для формирования и передачи сигналов предупредительной и/или аварийной сигнализации.
Применение заявленных 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 беспроводных датчиков и передача с них данных об измеренной температуре в АСУ ТП потребителя.
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 решение [1] трудно реализуемо из-за недостаточности конструктивных данных.
Также широко известны чувствительные 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 обладает собственными идентификационными и измерительными устройствами (датчиками) на ПАВ, которые защищены патентами РФ на полезные модели и изобретения, элементы (признаки) которых частично и/или полностью практически реализованы в выпускаемой продукции ОАО «Авангард», а именно:
«Радиометка» по патенту на полезную модель РФ: RU 151943 U1 от 20.04.2015, МПК H01Q 13/10 - [3];
«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];
«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];
«Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах» по патенту на изобретение РФ: RU 2427943 С1 от 27.08.2011, МПК H01L 41/08 - [6];
«Способ 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];
«Система измерения температуры шин электрических шкафов» по патенту на изобретение РФ: RU 2748868 С1 от 01.06.2021, МПК G01K 11/26 - [8].
Прототипом заявленного технического решения является «Беспроводной датчик измерения температуры шин электрических шкафов» по патенту на полезную модель РФ заявителя ОАО «Авангард»: RU 204272 U1 от 18.05.2021, МПК G01K 11/26 - [9], который содержит установленный в герметичный корпус чувствительный элемент (ЧЭ), выводы которого соединены 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, ЧЭ выполнен на линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее трех рефлекторов, которые смещены 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. Направленная антенна беспроводного датчика измерения температуры [9] может быть выполнена в виде микрополосковой антенны типа «щель» или «бабочка». Основание беспроводного датчика измерения температуры [9] может быть выполнено из теплопроводного материала, как в виде металлической профильно изогнутой пластины, так и в виде металлической резьбовой втулки.
Недостатком прототипа - беспроводного датчика измерения температуры [9] является то, что его направленная антенна выполненная (например, на печатной плате) в виде микрополосковой антенны (в том, числе типа «щель» или «бабочка») имеет зауженные проводники, площадь поперечного сечения которых существенно ниже, чем площадь поперечного сечения основных (не зауженных) проводников. И, следовательно, электрическое сопротивление зауженных проводников, пропорционально ниже, чем основных (не зауженных) проводников. Это приводит к неравномерности прохождения тока по всему сечению проводников микрополосковой антенны, а именно к снижению силы тока в зауженных проводниках, и как следствие к уменьшению расстояния от антенны датчика к его считывателю и снижению эффективности датчика измерения температуры.
Сущность заявленного технического решения - устройства состоит в том, что «беспроводной датчик измерения температуры» содержит установленный в герметичный корпус ЧЭ, выводы которого соединены 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, ЧЭ выполнен на линии задержки на ПАВ, содержащей пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесен ВШП и не менее трех рефлекторов. При этом его направленная антенна выполнена на печатной плате в виде микрополосковой антенны, электрическое сопротивление которой по всей длине ее проводников одинаково. В местах сужения проводников (в зауженных проводниках) микрополосковой антенны печатной платы на нее припаян проводник, полностью покрытый припоем. Припаянный проводник выполнен из материала проводного слоя печатной платы, а площадь его сечения обратно пропорциональна снижению площади сечения в сужениях проводников (в зауженных проводниках) печатной платы микрополосковой антенны. Направленная антенна беспроводного датчика измерения температуры может быть выполнена в виде микрополосковой антенны типа «щель», а ее два припаянные проводника, полностью покрытые припоем расположены симметрично в начале и в конце «щели». Направленная антенна беспроводного датчика измерения температуры может быть выполнена в виде микрополосковой антенны типа «бабочка», а два ее припаянных проводника, полностью покрытых припоем, расположены симметрично по зауженным проводникам лепестков «бабочки».
Технический результат - повышение эффективности датчика измерения температуры. Эффективность датчика измерения температуры достигается повышением расстояния от антенны датчика к его считывателю, путем повышения силы тока в зауженных проводниках и повышения равномерности прохождения тока по всему сечению проводников печатной платы микрополосковой антенны.
На фигурах приведены следующие графические материалы:
На фиг. 1 представлен типовой заявленный беспроводный датчик измерения температуры с разрезом.
На фиг. 2 - типовой заявленный беспроводный датчик измерения температуры без разреза ЧЭ.
На фиг. 3 - чертеж вида спереди беспроводного датчика с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.
На фиг. 4 - чертеж вида сзади беспроводного датчика с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.
На фиг. 5 - фотография спереди беспроводного датчика с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.
На фиг. 6 - фотография сзади беспроводного датчика с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.
На фиг. 7 - фотография сверху беспроводного датчика с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.
На фиг. 8 - фотография спереди беспроводного датчика с полосковой антенной типа «бабочка» на печатной плате.
На фиг. 9 - фотография установленных на разъемные соединения электрических шин беспроводных датчиков с полосковой антенной типа «щель» на печатной плате.
На фиг. 1-9 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, выполненное из профильно 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 (5) через диэлектрическую прокладку (6) к основанию датчика (7); 11 - резьбовые втулки для крепления винтами (10) печатной платы (5) через диэлектрическую прокладку (6) к основанию датчика (7), которое может быть выполнено из профильно изогнутой пластины в виде уголка или более сложной формы (например, ступенчатой формы); 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 - полностью покрытый припоем припаянный проводник; 15 - контролируемое (по температуре) резьбовое соединение электрических шин.
Датчик дистанционного измерения температуры шин электрических шкафов 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 (15) электрических шин. Зазор между герметичным корпусом (2) ЧЭ (1) и тепловым мостом (8) может быть заполнен теплопроводной пастой КПТ-8 ГОСТ 19783-74. Основание (7) датчика своим вырезом (13) в виде вилки закреплено в контролируемом резьбовом соединении электрических шин (15). Направленная антенна (4) датчика может быть выполнена в виде микрополосковой антенны типа «щель», приведенная на фигурах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 9 или типа «бабочка», приведенная на фигуре (8). 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. При этом направленная антенна (4) выполнена на печатной плате (5) в виде микрополосковой антенны (4), электрическое сопротивление которой по всей длине ее проводников одинаково. В местах сужения проводников (в зауженных проводниках) микрополосковой антенны (4) печатной платы (5) на нее припаян проводник, который полностью покрыт слоем припоя (14). В качестве припоя, может быть применен припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Припаянный проводник (под слоем привоя на фигурах не показан) выполнен из материала проводного слоя печатной платы (5), как правило, меди, а его площадь его сечения обратно пропорциональна снижению площади сечения в сужениях проводников (в зауженных проводниках) печатной платы (5) микрополосковой антенны (4). Направленная антенна (4) беспроводного датчика измерения температуры может быть выполнена в виде микрополосковой антенны типа «щель», а ее два припаянные проводника, полностью покрытые припоем (14) расположены симметрично в начале и в конце «щели». Направленная антенна (4) беспроводного датчика измерения температуры также может быть выполнена в виде микрополосковой антенны (4) типа «бабочка» - фигура 8, а два ее припаянных проводника, полностью покрытых припоем (14) расположены симметрично по зауженным проводникам лепестков «бабочки».
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. Температурные перемещения рефлекторов составляют всего порядка сотен нанометров, но при высокой частоте облучающего сигнала, например в 2,45 ГГц, фазовый сдвиг при отражении ПАВ от рефлекторов можно измерить (подвергнуть оценке). Анализ фазового сдвига откликов сигнала от рефлекторов ПАВ позволяет с высокой степенью разрешения определять эти перемещения (при высокой частоте облучающего сигнала в 2,45 ГГц) и с учетом коэффициента 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.
При этом заявленное устройство работает (функционирует) с повышенной эффективностью, так как повышается расстояние от антенны датчика к его считывателю, в виду повышения силы тока в зауженных проводниках и повышения равномерности прохождения тока по всему сечению проводников печатной платы (5) микрополосковой антенны (4). Повышение силы тока в зауженных проводниках и повышение равномерности прохождения тока по всему сечению проводников антенны (4) достигается тем, что в зауженных проводниках микрополосковой антенны (4) на нее припаян проводник, который полностью покрыт припоем (14).
Заявленный «Беспроводной датчик измерения температуры» в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы полезной модели является новым для общеизвестных устройств датчиков с чувствительными элементами температуры, основанными на пассивных радиочастотных элементах на ПАВ. При групповом применении таких заявленных беспроводных датчиков 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".
Реализация заявленного датчика осуществлена заявителем и проходит опытную эксплуатацию, что представлено на графических материалах: фотографии на фиг. 5, 6, 7, 8 и 9, 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».
8. Патент на изобретение РФ: RU 2748868 С1 от 01.06.2021, МПК G01K 11/26, «Система измерения температуры шин электрических шкафов».
9. Патент на полезную модель РФ: RU 204272 U1 от 18.05.2021, МПК G01K 11/26, «Беспроводной датчик измерения температуры шин электрических шкафов» - Прототип.