一種電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器的製作方法
2023-06-06 19:50:31 1
專利名稱：一種電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及土壤熱參數測量技術及其應用領域，特別是涉及一種用於電力電纜周圍土壤熱參數實時監測的可攜式的傳感器。
背景技術：
近些年來，一種利用熱探針法測量土壤熱參數的技術獲得了越來越廣泛的應用。通過測量探針的溫升曲線，通過建立簡單的數學模型就可以計算出土壤的熱參數。然而，目前上述測量方法在實際應用中還存在若干技術問題尚待解決:1)熱探針表面無法保證是一個理想的等溫面，影響測量的準確性；2)測量過程中忽略了熱探針的自身熱容以及熱探針與土壤之間的接觸熱阻，造成測量結果的誤差。3) 土壤的熱容值無法測量出來。因此，如何設計和製作一種便攜、測量快速的新的土壤熱參數測量用的傳感器，解決目前基於熱探針法測量土壤熱參數所面臨的現實問題，實屬當前業界的重要研究課題之一。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種電纜周圍土壤熱參數測量用的傳感器，具有安全、便攜、測量快速準確等特點，以克服現有技術中測量系統在實踐中技術方面存在的不足和困難。為解決上述技術問題採用如下技術方案，本發明提供一種電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，主要包括直流電源DC11、大功率限流電阻R11、半導體開關K11、二極體D11、電容組Cl 1、空心電感組LI 1、銅球殼和溫度傳感器；所述直流電源DC11，用於為整個熱參數測量用傳感器供電；所述大功率限流電阻R11，與直流電源DCll相連，用於限制傳感器充電迴路的電流；所述半導體開關K11，與大功率限流電阻Rll相連，用於傳感器的充電控制迴路；所述半導體開關Kll在充電迴路中工作，不參與主迴路的振蕩過程；所述二極體Dll，與半導體開關Kl I相連，用於隔離保護，防止正向的振蕩波反擊供電迴路；所述電容組Cll 一端與二極體Dll相連，另一端接地，為整個裝置的儲能和振蕩單元;所述空心電感組Lll與電容組Cll並聯，用於產生振蕩波進而在其兩端產生交變的電磁場；所述銅球殼置於空心電感組Lll外部，在空心電感產生的交變電磁場中由於渦流損耗而發熱，為整個傳感器的發熱模塊；所述溫度傳感器，置於銅球殼內表面，用於測量銅球殼表面的溫升；優選地，所述電容組Cll包括:
第一電容C21，其一端與電力二極體相連，另一端接地；第二電容C22，與電容C21並聯；第三電容C23，與電容C22並聯；第四電容C24，與電容C23並聯；第五電容C25，與電容C24並聯；第六電容C26，與電容C25並聯；優選地,所述空心電感組Lll包括:第一電感L21，其一端與電容組相連，另一端接地；第二電感L22，與電感L21並聯；第三電感L23，與電感L22並聯；第四電感L24，與電感L23並聯；第五電感L25，與電感L24並聯；第六電感L26，與電感L25並聯；優選地，所述半導體開關Kll結構由直流開關電源，MOSFET控制板，MOSFET驅動板和MOSFET模塊構成，直流開關電源的輸入端與220V交流電相連，所述MOSFET模塊連接MOSFET驅動板，所述MOSFET 驅動板通過光纖與MOSFET控制板相連；優選地，所述空心電感組Lll中的電感由漆包銅線繞置於電感骨架上，具有較低的內阻值，可以保證阻尼振蕩波形的衰減較慢；優選地，所述空心電感組Lll中的六個電感均勻垂直粘貼在銅球殼的內表面，保證銅球殼受熱均勻；優選地,所述銅球殼的外徑為IOcm,壁厚為Imm,為兩個半球殼拼接在一起,銅球殼頂部有直徑為Icm的孔，用於將銅球殼內部連接電感的導線以及溫度傳感器的連接線引出銅球殼；優選地，所述直流電源DCll為可充電電池。本發明具有如下有益效果:1、本發明中的一種電纜周圍土壤熱參數測量用的傳感器採用新型的主電路拓撲結構，整個裝置工作可靠，便攜性強，測量快速；2、本發明的發熱部件銅球殼為一個理想的等溫面，使得測量結果更準確可靠；3、本發明實施例合理設置MOSFET的開通與關斷時間比，使得電容組Cl I的充電與放電過程連續，在空心電感組LI I兩端產生連續的震蕩波形，從而產生連續的交變磁場，使得銅球殼受熱均勻。4、本發明實施例的電纜周圍土壤熱參數測量傳感器在現場測量時，操作人員只需將傳感器的銅球殼體埋入待測土壤中，在一定的時間間隔內連續的記錄溫度傳感器的溫度值，繪製出傳感器的溫升曲線，通過建立較為精確的數學模型即可計算出待測土壤的熱參數。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹圖1是本發明電纜周圍土壤熱參數測量傳感器的主電路結構示意2是本發明電纜周圍土壤熱參數測量傳感器的電容組的電路結構示意3是本發明電纜周圍土壤熱參數測量傳感器的空心電感組的電路結構示意圖
圖4是本發明電纜周圍土壤熱參數測量傳感器的半導體開關組成方框示意5是本發明電纜周圍土壤熱參數測量傳感器的電容組Cll兩端電壓的波形中，1、溫度傳感器2、銅球殼3、直流開關電源4、M0SFET驅動板5、M0SFET控制板
6、MOSFET 模塊
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對發明作進一步地詳細描述。如圖1所示，一種電纜周圍土壤熱參數測量用的傳感器，主要包括直流電源DC11、大功率限流電阻Rn、半導體開關Kiu二極體Diu電容組Ciu空心電感組Liu銅球殼2和溫度傳感器I;所述直流電源DC11，用於為整個熱參數測量用傳感器供電；所述大功率限流電阻R11，與直流電源DCll相連，用於限制傳感器充電迴路的電流；選取大功率限流電阻Rll = I Ω，功率為250W以上的大功率繞線電阻。所述半導體開關K11，與大功率限流電阻Rll相連，用於傳感器的充電控制迴路；所述半導體開關Kll在充電迴路中工作，不參與主迴路的振蕩過程；優選開關速度小於I μ S,耐壓大於50V,通流能力大於50Α的半導體開關。
所述二極體D11，與半導體開關Kll相連，用於隔離保護，防止正向的振蕩波反擊供電迴路；可以採用耐壓50V、通流50Α以上的二極體；所述電容組Cll 一端與二極體Dll相連，另一端接地，為整個裝置的儲能和振蕩單元，即當半導體開關Kll閉合時，直流電源DCll通過大功率限流電阻Rll對電容組Cll進行充電，當Kll斷開後，電容組Cll將與其並聯的空心電感組Lll諧振，產生振蕩波；所述空心電感組Lll與電容組Cll並聯，用於產生振蕩波進而在其兩端產生交變的電磁場。所述銅球殼2置於空心電感組Lll外部,在空心電感產生的交變電磁場中由於潤流損耗而發熱，為整個傳感器的發熱模塊；所述溫度傳感器1，置於銅球殼2內表面，用於測量銅球殼2表面的溫升；如圖2所示，所述電容組Cll由六個5uf、耐壓50V的低損耗金屬化聚丙烯膜(MKP)電容並聯組成:第一電容C21,其一端與電力二極體相連,另一端接地；第二電容C22，與電容C21並聯；第三電容C23，與電容C22並聯；第四電容C24，與電容C23並聯；第五電容C25，與電容C24並聯；第六電容C26，與電容C25並聯；如圖3所示,所述空心電感組Lll由六個3uH、通流能力大於50A的空心電感並聯組成:第一電感L21，其一端與電容組相連，另一端接地；第二電感L22，與電感L21並聯；
第三電感L23，與電感L22並聯；第四電感L24，與電感L23並聯；第五電感L25,與電感L24並聯；第六電感L26，與電感L25並聯；如圖4所示，所述半導體開關KlI結構由直流開關電源3,MOSFET控制板5、M0SFET驅動板4和MOSFET模塊6構成，直流開關電源3的輸入端與220V交流電相連，所述MOSFET模塊6連接MOSFET驅動板4，所述MOSFET驅動板4通過光纖與MOSFET控制板5相連；MOSFET模塊6選用耐壓大於50V、工作電流大於50A的模塊；直流開關電源3功率均為20w，MOSFET控制板5的控制信號(PWM調製信號)的佔空比為0.089，其開通與關斷時間比為12us: 122us0優選地，所述空心電感組Lll中的電感由漆包銅線繞置於電感骨架上，具有較低的內阻值，可以保證阻尼振蕩波形的衰減較慢。優選地，所述空心電感組Lll中的六個電感均勻垂直粘貼在銅球殼2的內表面，保證銅球殼2受熱均勻。優選地,所述銅球殼2的外徑為IOcm,壁厚為Imm,為兩個半球殼拼接在一起,銅球殼2頂部有直徑為Icm的孔，用於將銅球殼2內部連接電感的導線以及溫度傳感器I的連接線引出銅球殼。優選地，所述直流電源DCll為可充電電池，可充電電池選用工作電壓為48V的大容量(如14Ah)的鉛蓄電池，該可充電電池為4個12V大容量充電電池串聯組成。如圖5所示，是 本發明電容組Cll兩端電壓的波形圖，從該圖可以看出，當按圖1中所示實施例的參數進行選取，按圖4所示實施例MOSFET控制板的控制信號(對應於圖5中的虛線部分，高電平表示MOSFET控制板開通，低電平表示MOSFET控制板關斷)進行調製以後，使得電容組Cll的充電與放電過程連續，從而產生連續的震蕩波形(對應於圖5中的實線部分)。以上所揭露的僅是本發明的較佳實施例而已，然不能以此來限定本發明的權利範圍，本領域技術人員利用上述揭露的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，仍屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，主要包括直流電源DC11、大功率限流電阻Rl 1、半導體開關Kl 1、二極體Dl 1、電容組Cl 1、空心電感組LI 1、銅球殼和溫度傳感器； 所述直流電源DCl I，用於為整個熱參數測量用傳感器供電； 所述大功率限流電阻R11，與直流電源DCll相連，用於限制傳感器充電迴路的電流； 所述半導體開關K11，與大功率限流電阻Rll相連，用於傳感器的充電控制迴路；所述半導體開關Kll在充 電迴路中工作，不參與主迴路的振蕩過程； 所述二極體D11，與半導體開關Kll相連，用於隔離保護，防止正向的振蕩波反擊供電迴路； 所述電容組Cll 一端與二極體Dll相連，另一端接地，為整個裝置的儲能和振蕩單元；所述空心電感組Lll與電容組Cll並聯，用於產生振蕩波進而在其兩端產生交變的電磁場； 所述銅球殼置於空心電感組Lll外部，在空心電感產生的交變電磁場中由於渦流損耗而發熱，為整個傳感器的發熱模塊； 所述溫度傳感器，置於銅球殼內表面，用於測量銅球殼表面的溫升。
2.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述電容組Cll包括: 第一電容C21，其一端與電力二極體相連，另一端接地； 第二電容C22，與電容C21並聯； 第三電容C23，與電容C22並聯； 第四電容C24，與電容C23並聯； 第五電容C25，與電容C24並聯； 第六電容C26，與電容C25並聯。
3.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述空心電感組Lll包括: 第一電感L21,其一端與電容組相連,另一端接地； 第二電感L22，與電感L21並聯； 第三電感L23，與電感L22並聯； 第四電感L24，與電感L23並聯； 第五電感L25，與電感L24並聯； 第六電感L26，與電感L25並聯。
4.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述半導體開關Kll結構由直流開關電源，MOSFET控制板，MOSFET驅動板和MOSFET模塊構成，直流開關電源的輸入端與220V交流電相連，所述MOSFET模塊連接MOSFET驅動板，所述MOSFET驅動板通過光纖與MOSFET控制板相連。
5.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述空心電感組Lll中的電感由漆包銅線繞置於電感骨架上，具有較低的內阻值，可以保證阻尼振蕩波形的衰減較慢。
6.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述空心電感組Lll中的六個電感均勻垂直粘貼在銅球殼的內表面，保證銅球殼受熱均勻。
7.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述銅球殼的外徑為IOcm,壁厚為Imm,為兩個半球殼拼接在一起,銅球殼頂部有直徑為Icm的孔,用於將銅球殼內部連接電感的導線以及溫度傳感器的連接線引出銅球殼。
8.根據權利要求1所述的電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，其特徵在於，所述直流電源DC ll為可充電電池。
全文摘要
本發明提供一種電纜周圍土壤熱參數測量用傳感器，主要包括直流電源、大功率限流電阻、半導體開關、二極體、電容組、空心電感組、銅球殼和溫度傳感器；本發明具有如下有益效果1、本發明中的一種電纜周圍土壤熱參數測量用的傳感器採用新型的主電路拓撲結構，整個裝置工作可靠，便攜性強，測量快速；2、本發明的發熱部件銅球殼為一個理想的等溫面，使得測量結果更準確可靠；3、本發明實施例合理設置MOSFET的開通與關斷時間比，使得電容組的充電與放電過程連續，在空心電感組兩端產生連續的震蕩波形，從而產生連續的交變磁場，使得銅球殼受熱均勻。
文檔編號E02D1/00GK103243699SQ201310190668
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月22日 優先權日2013年5月22日
發明者梁茂傑, 劉松, 何健, 李洪傑, 李彪, 魏若琳, 田琳, 宋哲 申請人:國家電網公司, 山東電力集團公司臨沂供電公司, 西安交通大學, 山東伏雷克電氣技術有限公司