專利名稱：一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用共振的方式提高取電效率的射頻測溫裝置，特別是指用于工頻場合的共振式取電射頻測溫裝置。
背景技術(shù)：
在高壓環(huán)境下使用的測溫裝置，目前市場上常用的供電方式有電池供電、CT取電、非接觸感應(yīng)取電、混合供電等，這些供電方式中都有各自的缺點(diǎn)。采用電池供電時，由于電力設(shè)備的高壓環(huán)境相關(guān)對封閉，不能隨便停電，電池電量耗盡時不能及時更換新的電池；又因電池電量耗盡后其內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)容易產(chǎn)生液體流出，腐蝕裝置內(nèi)部的線路板導(dǎo)致裝置損壞。采用CT取電時，由于CT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其外形尺寸比大，在高壓環(huán)境下影響設(shè)備的安全距離，而且其磁芯部分必須環(huán)繞于母線之上，安裝非 常的不方便，并且要根據(jù)母線的大小不同，生產(chǎn)不同尺寸規(guī)格的磁芯，生產(chǎn)周期長、成本高，另外CT取電另一個不足之處是它的起始工作電流比較高，一般為50A以上。采用如公告CN101656435A的“一種用于大電流高壓輸電母線的取電方法”的非接觸式感應(yīng)取電方式，相對于CT取電方式，其具有體積小、安裝方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足，這種感應(yīng)取電裝置的起始工作電流也較大，一般也要50A以上。混合供電一般采用電池+CT取電、電池+非接觸式感應(yīng)取電，這種組合方式雖然綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，但也同時具有兩者的缺點(diǎn)。因此，實(shí)用新型一種安裝方便、制作成本低廉的高效取電方式是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是在提供一種使用在工頻環(huán)境下，安裝方便、成本低廉、取電效率高的共振式隔離取電射頻測溫裝置。本實(shí)用新型是通過下述技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的—種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于電源管理模塊與共振取電模塊、射頻模塊、信號處理模塊連接，其中射頻模塊與信號處理模塊信號雙向互通；信號處理模塊與感溫探頭連接。在本實(shí)用新型中，電源管理模塊是一個智能系統(tǒng)，可以有效協(xié)調(diào)各部件之間的工作、及智能化處理方案。作為優(yōu)選，上述一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置中的共振取電模塊由磁芯、線圈和電容組成。為了更好的技術(shù)效果，其中線圈位于磁芯中間的橫向部位，且線圈圍繞磁芯，對于磁芯的放置位置，也是本實(shí)用新型的重點(diǎn)內(nèi)容，可以更好實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，也是其它文獻(xiàn)所無法查閱、并簡單得出的結(jié)論。作為優(yōu)選，上述一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置中線圈兩端并聯(lián)電容，形成諧振電容，其諧振頻率為50Hz±5%。在本實(shí)用新型中的電容，是本實(shí)用新型的至關(guān)重要的地方，也是本實(shí)用新型最終可以實(shí)現(xiàn)、并取得良好效果的重要組成部分，雖然電容在電路中經(jīng)常使用，但對于這種采用共振式隔離取電方式，來對野外高壓電線等裝置進(jìn)行溫度控制、溫度監(jiān)測則是從沒有過的，對于本行業(yè)內(nèi)的普通技術(shù)人員一般是不會想到的，本實(shí)用新型正是充分利用了電容的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了本實(shí)用新型的目的。作為優(yōu)選，上述一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置中磁芯的縱向方向平行于高壓母線的延伸方向。作為優(yōu)選，上述一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置中磁芯為U字型、或工字型結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型中，對于磁芯的設(shè)計(jì)是一個非常關(guān)鍵的部件，雖然U字型、或工字型結(jié)構(gòu)在其它行業(yè)內(nèi)是一個常規(guī)結(jié)構(gòu)，但 在本實(shí)用新型所涉及的行業(yè)內(nèi)、以及類似于此種用于高壓電使用設(shè)備來說則是從沒有出現(xiàn)過的，而且在本實(shí)用新型中使用了 U字型、或工字型結(jié)構(gòu)，對于本實(shí)用新型的效果具有非常好的突出。在本實(shí)用新型中，由于裝置的使用環(huán)境為高壓下，為提高通過線圈中心的磁通密度，磁芯做成“U”形或“工”形，線圈固定安裝在磁芯中間的橫向部位，安裝測溫裝置時，磁芯的縱向方向平行于母線的長度方向。當(dāng)母線通過電流i時，其周圍產(chǎn)生磁場，磁通密度為①，磁通由磁芯的縱向部分匯集到磁芯的橫向部分。假設(shè)磁芯縱向部分垂直于磁場的表面積為S1，磁芯橫向部分的橫截面積為&，則通過磁芯的橫向部分(即線圈中心)的磁通密度是母線周圍磁通密度的S1A2倍。由感應(yīng)電壓公式
U=N- ■■■T—
At可知，在線圈匝數(shù)N不變的情況下，提高磁通密度的改變量A O可以提高感應(yīng)電壓U。共振取電模塊的線圈兩端并聯(lián)電容，稱之為諧振電容，選擇參數(shù)合適的諧振電容，使之與線圈的諧振率為50Hz±5%。當(dāng)發(fā)生諧振時，回路特性呈現(xiàn)為純阻性，電流i的大小由回路電阻決定，即i=u/R，電容兩端的電壓Uc等于電感兩端的電壓隊(duì)，方向相反，即Uc=-Ulo在本實(shí)用新型中，如附圖6的“諧振等效模型”，回路電阻主要是線圈的內(nèi)阻&，L是線圈的電感，C是并聯(lián)于線圈兩端的諧振電容，所以i=u/X (u為感應(yīng)電壓)。由于流過電感中的電流等于電阻上的電流，所以電感上的電壓可以由以下式子求出Ul=Xl i
— Ii
—Rl=Q uXl稱為電感的感抗，XL=2 f LQ稱為品質(zhì)因數(shù)，Q=Xl/Rl在本實(shí)用新型中，共振取電模塊的輸出電壓由電容兩端輸出，由Uc=-W，及上面的電感電壓公式可知，諧振時得到的輸出電壓Uc是感應(yīng)電壓u的Q倍。但是Q值不是越大越好，因?yàn)楣舱袢‰娔K取到的功率是有限的，由公式P=U I(P為功率)可知，當(dāng)提高輸出電壓時，輸出的電流就相應(yīng)減小。如果輸出電壓很高時，輸出的電流就很小，不能供裝置正常工作，那么太高的輸出電壓就沒有什么實(shí)際意義。所以Q值應(yīng)該取一個合適的值。結(jié)合本裝置的功耗要求，Q值取為3左右，一般為2. 8^3. 2，具有較好的效果。以下是實(shí)驗(yàn)中使用同樣規(guī)格的線圈，分別用感應(yīng)式取電和共振式取電所測得的輸出電壓數(shù)據(jù)
母線電流(A)|5.0 IlO. 0|15. 0|20. 0|25. 0
感應(yīng)式取電(V) 一0. 33 OJ I. 19 I. 70 2. 10 共振式取電(V) |l. 01 \2. 28 丨3. 62 丨4. 98 丨6. 32由以上數(shù)據(jù)對比可知，在同等條件下，相對于感應(yīng)式取電，采用本實(shí)用新型可以大大提高取電模塊的輸出電壓值，可以在母線電流較小的情況下輸出足夠的電壓供裝置工作，從而可以減小裝置的起始工作電流，使裝置具有更廣泛的應(yīng)用價值。在CT取電或感應(yīng)取電中，通常使用一個卸能回路將裝置取到的多余的能量釋放掉，雖然這種方法可以有效防止輸出電壓過高而損壞測溫裝置，但這種方法須要額外增加部件，增加了生產(chǎn)成本，如果卸能回路發(fā)生故障，就有可能導(dǎo)整個裝置的損壞，安全性低。在 本實(shí)用新型中為了防止在母線電流比較大的時候，共振取電模塊輸出電壓過高而損壞測溫裝置，在設(shè)計(jì)時，合理地設(shè)計(jì)磁芯的參數(shù)，在母線電流達(dá)到一定值后，磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而使共振取電模塊輸出電壓不會隨母線電流的增大而成比例增大。有益效果本實(shí)用新型所生產(chǎn)的產(chǎn)品體積小，在距離母線(T50mm范圍內(nèi)都可以很好的從母線取得電源供測溫裝置工作，本實(shí)用新型具有良好的應(yīng)用價值和市場價值；相對于現(xiàn)有技術(shù)可以更方便的實(shí)施操作、以及無需經(jīng)常更換電池等。

圖I本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖2本實(shí)用新型的磁芯結(jié)構(gòu)示意圖圖3本實(shí)用新型線圈與磁芯的安裝圖圖4本實(shí)用新型母線周圍的磁場示意圖圖5本實(shí)用新型磁芯的聚磁功能示意圖圖6本實(shí)用新型中諧振等效模型示意圖圖7本實(shí)用新型裝置的功能原理圖圖8本實(shí)用新型在實(shí)施中的應(yīng)用示意圖圖9本實(shí)用新型中測試母線電流與諧振式感應(yīng)模塊輸出電壓對應(yīng)關(guān)系圖I、共振取電模塊 2、電源管理模塊 3、感溫探頭 4、信號處理模塊5、射頻模塊 11、磁芯 12線圈 13、電容。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施作具體說明實(shí)施例I根據(jù)圖I所示的結(jié)構(gòu)，制作一具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其中電源管理模塊2與共振取電模塊I、射頻模塊5、信號處理模塊4連接，其中射頻模塊5與信號處理模塊4信號雙向互通；信號處理模塊4與感溫探頭3連接；共振取電模塊I由磁芯11、線圈12和電容13組成，磁芯11為U字型結(jié)構(gòu)。被測對象可以是母線、開關(guān)觸頭、電纜接頭等易發(fā)熱部位，在本實(shí)施例中被測對象為母線，如圖8所示，感溫探頭3與被測對象接近。當(dāng)磁芯11如圖5所示的方向貼近安裝于母線周圍時，母線周圍的磁場由磁芯11的縱向部分導(dǎo)入，匯集到處于磁芯11中間的橫向部分，所以磁芯中間的磁通密度大大增加。由于母線通過的是交流電流，磁通隨著電流變化而變化，所以固定安裝于磁芯11之上的線圈12可以感應(yīng)出電壓，感應(yīng)電壓的大小由線圈匝數(shù)、和磁通變化率決定，即
U=N> Af線圈感應(yīng)出的電壓頻率與母線中電流的頻率一致，都是50Hz，共振取電模塊I的電容13取合適的參數(shù)，使之與線圈的諧振頻率為50Hz (允許有一點(diǎn)的偏差，一般為±5%)，則可以從電容13兩端取出高于感應(yīng)電壓Q倍的電壓Uc，本實(shí)施例中的諧振結(jié)構(gòu)的工作原理如圖6所示。實(shí)施例2根據(jù)圖I所示的結(jié)構(gòu)，制作一具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其中電源管理模塊2與共振取電模塊I、射頻模塊5、信號處理模塊4連接，其中射頻模塊5與信號處理模塊4信號雙向互通；信號處理模塊4與感溫探頭3連接；共振取電模塊I由磁芯11、線圈12和電容13組成。線圈12位于磁芯11中間的橫向部位，且線圈12圍繞磁芯11。線圈12兩端并聯(lián)電容13，形成諧振電容，在本實(shí)施例中，采用的諧振頻率為50Hz，一般諧振頻率的偏差幅度為±5%。在高壓取電時，磁芯11的縱向方向平行于高壓母線的延伸方向，如圖8所示。磁芯11為U字型結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，為提高通過線圈中心的磁通密度，磁芯11可以做成“U”形，而“U”形磁芯11加工比較方便，而且可以使裝置的整體布局更加合理，所以本實(shí)用新型優(yōu)先采用“U”形磁芯11 ;如圖2所示的結(jié)構(gòu)。線圈12固定安裝于磁芯11中間的橫向部位，使得通過磁芯11橫向部位的磁通可以穿過線圈12中芯，如圖3所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)母線中通過電流i時，在其周圍產(chǎn)生磁場，其磁場密度用O表示，如圖4所示。當(dāng)磁芯11按圖5所示的方向貼近安裝于母線周圍時，母線周圍的磁場由磁芯11的縱向部分導(dǎo)入，匯集到處于磁芯11中間的橫向部分，所以磁芯11中間的磁通密度大大增力口。由于母線通過的是交流電流，磁通隨著電流變化而變化，所以固定安裝于磁芯11之上的線圈12可以感應(yīng)出電壓，感應(yīng)電壓的大小由線圈匝數(shù)、和磁通變化率決定，SP
M A#
*線圈12感應(yīng)出的電壓頻率與母線中電流的頻率一致，都是50Hz，共振取電模塊的電容13取合適的參數(shù)，使之與線圈的諧振頻率為50Hz (允許有一點(diǎn)的偏差，一般為±5%，則可以從電容13兩端取出高于感應(yīng)電壓Q倍的電壓Uc，實(shí)施例中的諧振結(jié)構(gòu)的工作原理如圖6所示。如圖7所示，由諧振電容兩端輸出的交流電壓通過橋式整流器變?yōu)橹绷麟妷?，?jīng)過大容量電容13濾波得到較平穩(wěn)的直流電壓，再經(jīng)過集成線性穩(wěn)壓器(LDO)穩(wěn)壓得到恒定的直流電壓，供信號處理模塊4及射頻模塊5工作。感溫探頭3感受到被測對像的溫度，呈現(xiàn)出相應(yīng)的電阻值，信號處理模塊4的電阻與感溫探頭3對電源進(jìn)行分壓輸出電壓UU Ut的電壓值反映出溫度的高低。[0053]MSP430系列單片機(jī)是一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的微處理器，片內(nèi)集成8KB的FLASH ROM和512B的RAM，2個16位的定時計(jì)數(shù)器、I個8通道的10位ADC轉(zhuǎn)換器，工作電壓I. 8 N 3. 6 V，其最大優(yōu)點(diǎn)在于它的優(yōu)越的低功耗設(shè)計(jì)，在IMHz頻率下全速運(yùn)行電流只有250 MA，休眠模式下電流只有0. 1MA，選用該單片機(jī)可以滿足本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)需求。利用單片機(jī)ADC通道對反映溫度值的電壓Ut進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后再換算成溫度值。射頻模塊5由集成射頻芯片、電感電容選頻網(wǎng)絡(luò)和天線組成，最高傳輸速率500kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK調(diào)制方式，靈敏度高(I. 2kbps下-I IOdDm, 0. I %數(shù)據(jù)包誤碼率)，采用串行總線接口，方便和處理器聯(lián)接，可通過軟件修改傳輸速率，發(fā)射功率，頻率等相關(guān)參數(shù)。采用集成射頻芯片的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、穩(wěn)定性和可靠性高。裝置在通電的時候，由單片機(jī)通過串行總線對射頻模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定好工作頻率、傳輸速率、發(fā)射功率等參數(shù)。當(dāng)單片機(jī)完成溫度采集、轉(zhuǎn)換之后，通過串口命令使射頻模塊進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，然后將溫度數(shù)據(jù)通過串口傳送給射頻模塊。射頻模塊接到溫度數(shù)據(jù)后，通過射頻天線將 數(shù)據(jù)發(fā)射出去，在本實(shí)施例中，取品質(zhì)因數(shù)為3。以下是實(shí)驗(yàn)中測試母線電流與諧振式感應(yīng)模塊輸出電壓對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)
權(quán)利要求1.一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于電源管理模塊(2)與共振取電模塊(I)、射頻模塊(5 )、信號處理模塊(4 )連接，其中射頻模塊(5 )與信號處理模塊(4 )信號雙向互通；信號處理模塊(4)與感溫探頭(3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于共振取電模塊(I)由磁芯(11)、線圈(12)和電容(13)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于線圈(12)位于磁芯(11)中間的橫向部位，且線圈(12)圍繞磁芯(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于線圈(12)兩端并聯(lián)電容(13)，形成諧振電容，其諧振頻率為50Hz ±5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于-M芯(11)的縱向方向平行于高壓母線的延伸方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于磁芯(11)為U字型、或工字型結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有共振式隔離取電的射頻測溫裝置，其特征在于共振取電中品質(zhì)因數(shù)為2. 8 3.2。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種利用共振的方式提高取電效率的射頻測溫裝置，特別是指用于工頻場合的共振式取電射頻測溫裝置。本實(shí)用新型包括電源管理模塊與共振取電模塊、射頻模塊、信號處理模塊連接，其中射頻模塊與信號處理模塊信號雙向互通；信號處理模塊與感溫探頭連接，其中共振取電模塊由磁芯、線圈和電容組成，磁芯的縱向方向平行于高壓母線的延伸方向。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)的產(chǎn)品體積小，在距離母線0~50mm范圍內(nèi)都可以很好的從母線取得電源供測溫裝置工作，本實(shí)用新型具有良好的應(yīng)用價值和市場價值；相對于現(xiàn)有技術(shù)可以更方便的實(shí)施操作、以及無需經(jīng)常更換電池等。
文檔編號G01K7/00GK202511912SQ201220139530
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者周建威, 楊石林 申請人:杭州凱源電子有限公司