用於測量氣體密度的壓電傳感器的製作方法

2023-06-29 03:50:06

專利名稱：用於測量氣體密度的壓電傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量氣體密度的裝置的領域，特別地涉及氣體隔離的電氣和/或電子設施的隔離氣體的氣體密度。此外，它涉及這樣的裝置的具體用途。
背景技術：
由於在開關單元中進行開關的情況下的飛弧(flashover)的可能性，在開關設備的主動(active)和非主動部件之間間隙是必需的。在例如配電系統中的變電站等大功率開關單元的情況下，由於安全原因，需要是大的間隙。
在開關設備中SF6氣體作為絕緣介質的使用減小了開關設備的主動和非主動部件之間的間隙距離，促進了氣體絕緣應用與空氣絕緣應用相比的下列優勢 更小的空間要求-特別在擁擠的城市區域中； 對汙染以及鹽、沙或甚至大量的雪的更小敏感度； 更小的運行&維護成本。
然而該隔離氣體的存在需要監測，因為氣體密度的顯著降低可導致絕緣不足。因此，高功率氣體絕緣開關站必須配備有用於監測在開關設備的開關和對應外殼之間的空隙中的氣體充足存在的傳感器。在所謂的氣體絕緣變電站通常包括若干個間隔(bay)，它們中的每個包括若干個開關設備單元的若干個配電盤(panel)的情況下，每個開關設備單元必須配備有對應的傳感器。
可以在該上下文中使用的傳感器是在本領域中本身已知的，並且一個特別可靠和高準確度的感測原理依賴一對壓電諧振器的諧振頻率的差分測量，其中諧振器中的一個 (測量諧振器)暴露於氣體環境並且諧振器中的一個(參考諧振器)位於真空空間中。在氣體環境存在的情況下，測量諧振器改變壓電諧振器的諧振頻率，可以獲得與氣體的密度成正比的測量信號。如果使用仔細選擇的一對諧振器並且如果除此之外在該兩個諧振器周圍的另外的外部參數(主要是溫度)維持在相同水平，實現非常高的測量準確度。該測量原理以及對應的裝置例如在EP 0 484 569和EP 0 582 045中描述。

發明內容
因此本發明的目的是提供用於測量氣體密度的改進的裝置。本發明的另外的目的是提供這樣的裝置的用途。
具體地，本發明涉及用於測量空間中氣體的密度、特別地測量氣體隔離的電氣和/ 或電子設施中的隔離氣體的密度的裝置的改進，其中該裝置包括至少一個位於與所述空間直接或間接連接並且基本包括相同密度的所述氣體的腔中的壓電諧振器，其中該裝置包括至少一個位於關於所述氣體與所述空間和所述腔隔離的參考腔中的壓電參考諧振器，並且其中該裝置包括致動元件和至少一個控制元件，其用於確定兩個諧振器之間的諧振頻率中的差別。
因此，本發明涉及如在EP 0 582 045中公開的裝置的改進，並且關於這樣的裝置的詳情EP 0 582 045 Al的公開明確地包含在該說明書中。
根據本發明的一個方面，這樣的裝置此外包括至少一個連接到控制元件用於與監測裝置無線通信的無線連結單元以及至少一個用於傳感器的供電的拾取單元。
如在介紹部分概述的，典型地氣體絕緣變電站包括充滿隔離氣體的大量單獨空間或隔間(compartment)。個體空間或隔間的存在由於安全原因和對於減少共模誤差問題是必需的。在另一方面，大量氣密隔間需要存在針對空間或充氣空腔中的每個的氣體密度的至少一個傳感器。典型地，這些裝置中的每個連接到中央監測裝置，並且這樣的氣體密度測量裝置的子集可被編組以每個間隔具有一個中央監測裝置。典型地因此這些裝置必須經由電纜連接到中央監測裝置，並且一方面該電纜提供電力供應給傳感器並且在另一方面實現到和從傳感器的數據傳遞。
本實踐從而將GIS (氣體絕緣變電站)間隔中的所有密度傳感器經由電纜連接到每個間隔的一個中央監測裝置。傳感器經由該電纜被供電並且與監測裝置交換數據。當前對於該功能每個間隔需要有多達大約20條電纜。
提出的本發明簡化該整體設置，其中不僅使得到傳感器和從傳感器到中央監測裝置的數據傳遞是無線的，除此之外並且使傳感器單元完全獨立，其中並且電力供應採用無線方式來提供。對應地，對於氣體監測功能的安裝不需要電纜連接，導致了節省材料和安裝。此外，不需要有對於傳感器的中央電力供應。不再牽涉可以受到機械損傷的電纜的事實導致傳感器網絡的高得多的堅固性和可靠性。存在傳感器的高得多的獨立性，導致共源誤差的可能性減小。傳感器的完全獨立和無線的設計允許具有該高度關鍵性的絕緣狀態測量的高得多的備用安全，其中它非常容易允許對於每個個體空腔具有多個傳感器並且對於一組共同控制的傳感器具有例如兩個監測裝置，然而這些監測裝置中的每個與傳感器中的每個單獨接觸，提供高冗餘度和高可靠性。
典型地，諧振器的諧振頻率在32. 6kHz的範圍中，並且諧振器中的每個提供有電極，其通過驅動諧振電路來被驅動。通常，實際測量諧振器位於傳感器中的管形空間中，該管形空間對於要監測的氣體所在的空間是打開的。在該測量諧振器和隔離氣體所在的隔離空間之間提供過濾器元件。通常，參考諧振器位於參考腔(例如盲孔)中，該參考腔緊挨測量傳感器所在的管形空間設置，並且參考諧振器的該空間被抽空。實際傳感器數據的估算通常採用以下方式發生，其中諧振器中的一個的輸出看作時鐘並且另一個諧振器的輸出用作D型觸發器輸入，使得兩個信號的相關性導致最終的信號，其與兩個諧振器的諧振頻率的差別成比例並且與管形空間中的氣體密度成比例。
典型地，拾取單元提供傳感器的基本上所有操作元件的操作的必需能量，即致動元件(典型地用於驅動諧振器的諧振電路，通常間接由控制元件的電力供應)、控制元件 (取得控制和驅動諧振電路的功能，由此收集實際測量數據，可選地第一數據處理以及控制和測量數據信息到和從監測裝置的交換)，和可選地無線連結單元的操作的必需能量(如果無線連結單元完全需要獨立電力供應)。
根據第一優選實施例，拾取單元包括拾取電極或拾取線圈。在拾取線圈或繞組的情況下，這可連接到電容以形成諧振電路。該諧振電路的中心頻率和Q值可以適應於無線供電的實際來源。優選地，可以提供傳感器的無線供電的特定來源。例如，這可以是具體提供的單元，其發射在特定波段中的電磁輻射。在使用這樣的特定供電單元的情況下，可以選擇傳感器中的諧振電路的窄頻帶和對應的高Q值，其導致該供電單元和傳感器之間的高效和選擇性的能量傳遞。
根據本發明的實施例，然而拾取電極或拾取線圈的敏感度和/或諧振頻率適應於由設施的一次開關設備中的電網電壓和/或電流產生的電和/或磁場是優選的。也就是說，已經出乎意料地發現在這些傳感器的具體應用的上下文中，在開關單元和電網線路的附近，已經存在的交替電和/或磁場可以直接使用，可以說採用共生方式，以採用高效方式用充足的電功率向傳感器供電。在該情況下，優選地拾取電極或拾取線圈的敏感度和/或諧振頻率適應於具有在15Hz-100Hz的範圍中的頻率並且優選地處於變電站的工作頻率的電和/或磁場。備選地，使頻率適應15kHz-15MHz的範圍是可能的。提供若干拾取單元(例如兩個拾取單元)也是可能的，其中每一個適應於這些頻率範圍中的任一個，即例如第一拾取單元適應低頻率範圍15Hz-100Hz，並且第二拾取單元適應高頻率範圍15kHz-15MHz。
根據再另一個優選實施例，無線連結單元用2-3GHZ範圍中的(優選地2. 3-2. 6GHz 範圍中的)頻率傳送數據。信息可以通過頻率調製或振幅調製或另一種調製和/或消波 (chopping)傳送。整體無線數據傳輸可以由標準無線LAN安裝來提供。
根據本發明的再另一個優選實施例，以減小操作傳感器必需的功率為目的，僅差分氣體密度傳感器數據經由無線連結單元傳送到監測裝置。例如可以操作傳感器使得數據傳輸僅在如果由控制元件檢測或估算到氣體密度中從正常的偏離超過閾值(即，氣體密度與正常操作條件的有關或顯著或甚至錯誤的差別)時發生。由此優化數據傳輸以僅在當因為氣體密度的變化而需要時發生。這基本上意思是如果沒有數據傳遞則沒有變化發生。由於安全原因，這樣的數據傳遞協議可以由傳感器的定期低電平「實時狀態」信號補充，該信號如果沒有被監測裝置收集則將指示關於數據傳輸的問題。
根據另一個優選實施例，傳感器包括電力存儲元件用於電力備用。這可以例如從電池和電容器的組選擇，並且可以優選地是金電容器。
為了進一步簡化傳感器，如果物理約束允許這樣，則拾取單元和無線連結單元使用相同天線是可能的。
為了進一步減小傳感器的功耗(特別地與數據傳遞有關的)，無線連結單元可包括定向天線。該定向天線(其例如可以採用可彎曲電線的形式)如此使得當裝置安裝時，它能夠定向到監測裝置，即它的發射特性適應於在監測裝置所在的優選方向上的射頻交換。
此外，本發明涉及氣體絕緣電氣(包括和/或電子部件)開關設備或變壓器。它此外涉及具有電和/或電子開關設備和/或變壓器的組的氣體絕緣配電盤以及涉及具有許多這樣的組和/或間隔的整個氣體絕緣變電站。在該情況下，開關設備和/或變壓器、開關設備和/或變壓器的組和變電站分別配備有至少一個如上文限定的裝置。在變電站的情況下，每個配電盤或組可以配備有至少一個裝置。
此外本發明涉及如上文限定的用於測量在氣體絕緣單元或設施的填充SF6的氣體絕緣空間和隔間中的氣體密度的裝置的用途(或操作方法)，其中該裝置位於其中分別由單元或設施的一次開關設備中的電網電壓和/或電流產生的電和/或磁場足夠強能夠憑藉拾取單元將充足能量耦合到傳感器中的地方的位置。在氣體絕緣變電站的一個間隔內，許多裝置可以位於各種地方，並且單個監測裝置或一對冗餘監測裝置收集由這些裝置提供的數據並且控制這些裝置。
可選地在最初或間歇地完成數據傳遞後，裝置可優選地僅傳遞關於氣體密度變化的信息，其中該傳遞可以是連續的、間歇的，或優選地僅在超過預先限定閾值的測量數據或數據變化在裝置中被檢測到時這樣的時刻。
本發明的另外的實施例在附上的權利要求中概述。
總的來說，本發明優選地包括下列方面(或單獨的或結合的) -在一次開關設備中由電網電壓和/或由電流產生的電和/或磁場供電的密度傳感器，並且經由無線通信與中央監測裝置的數據交換。
-傳感器可以配備有金電容器用於電力備用。
-可以優化數據傳輸以獲得低功耗，優選地通過將數據傳輸約束在氣體密度的有關(即高於閾值)變化。
-可以設計作為整體的傳感器以最小化功耗。
除其他益處外，對於客戶的益處如下 -對於SF6監測功能，不需要電纜連接，節省材料和安裝時間和勞動力。通過更簡單的試運行縮短安裝時間。
-不需要傳感器中央電力供應。
-避免可以受到機械損傷的電纜，導致降低的故障風險和減少的維護。
-整個氣體密度傳感器系統的更高運行可靠性。
實現可進一步使用自動配置無線網絡(Mote)或ZigBee。存在添加如上文概述的冗餘中央監測裝置和從每中央監測裝置多個間隔的數據收集的可能性。


在附圖中示出本發明的優選實施例，其中 圖1是根據本發明鄰近氣體隔離空間或隔間設置的兩個傳感器的示意視圖，其中在左側中央監測站位於傳感器上面並且在右側中央監測站位於傳感器下面；以及 圖2是由一個公共監測站控制和估算的傳感器組的示意視圖。
具體實施例方式參照圖(其用於圖示本發明的本優選實施例的目的並且不是用於限制其的目的)，圖1在示意視圖中示出兩個傳感器1，其鄰近充氣空腔3設置，具體地其一體式地設置或附連到充氣空腔3的壁18。例如SF6(六氟化硫)等絕緣氣體位於空腔3中，並且該充氣空腔或空間的目的是將導體或開關設備裝置與周圍部件電絕緣。
這些傳感器1中的每個包括一對諧振器。在一方面，存在所謂的參考諧振器4並且在另一方面存在測量諧振器5。這些諧振器4、5中的每個由提供在具有電極的面上的壓電晶體給出，該電極由特別提供的諧振電路6、7驅動。該參考諧振器4位於傳感器1的固體13中的盲孔11中。在該盲孔11中的空的空間被抽空使得存在有對該參考諧振器明確限定的周圍條件。特別地，在盲孔11中的該空間與在充氣空腔中的氣體氣氛完全屏蔽。
優選儘可能近地挨著該盲孔10設置管形孔12，測量諧振器5位於其中。該管形孔 12在變寬部分14中朝充氣空腔變寬，並且在那裡提供過濾元件15，其基本上將空間12和 14的內部與充氣空腔屏蔽並且確保僅氣體可穿過氣體可滲透開口 16使得在空間3和空間12,14中的氣體密度基本相同。這允許確保由測量諧振器5測量的狀況代表在充氣空腔3 中的狀況。
如上文提到的，測量諧振器5的空腔應該儘可能靠近參考諧振器4的位置以確保兩個諧振器(除去它們的氣體暴露中的差別)受到儘可能相同的周圍條件。到此，通常固體13提供為高熱傳導固塊(例如用銅或類似物製作)，並且空腔11和12儘可能緊密地互相鄰近設置。諧振器4、5兩者分別由個體諧振電路6、7驅動。這些諧振器4、5由傳感器控制單元8驅動和控制。
根據本發明，傳感器1包括至少一個無線連結單元10。該無線連結單元10連接到傳感器控制單元並且允許到和從中央監測裝置2的無線數據傳遞，如由箭頭25指示的。
該無線連結單元10可以提供為標準無線區域網路站，其使用在GHz範圍中的標準數據傳輸頻率並且使用標準數據傳輸協議。在傳感器1或多個傳感器1和中央監測裝置2 之間的數據傳遞可以包括控制信號從中央監測裝置2到傳感器1以及控制信號從傳感器1 到中央監測裝置2的傳輸，並且特別地它牽涉實際傳感器測量數據在傳感器1和中央監測裝置2之間的傳遞。
鑑於儘可能低的功耗，該數據傳遞優選地被執行使得僅如果由傳感器檢測到氣體密度與正常(例如測定值或臨界氣體密度值)的明顯或顯著差別，則發生數據傳輸。因此對應地，控制單元8在第一估算步驟中作為時間的函數估算氣體密度的發展並且僅在超過預先限定的閾值差值(在正和負方向)的情況下，傳感器控制單元8觸發經由無線連結單元10到中央監測裝置2的數據傳遞。鑑於可能有長時間的沉默階段的事實(如果氣體壓力是恆定的)，並且鑑於可能有與數據傳遞關聯的問題，定期使至少狀態信息(所謂的實時信號)在中央監測裝置2和傳感器裝置1或每個傳感器裝置1之間交換是值得推薦的。
此外傳感器中的每個提供有由盒9示意圖示的拾取電極或線圈。該拾取裝置9用於向在傳感器1中需要能量來操作的所有元件供電。如果傳感器1中的總能量管理由傳感器控制單元8控制，如在圖1中示出的，該拾取單元9僅連接到傳感器控制單元8。拾取電極或線圈9適應於拾取無論如何由於開關設備或由於周圍電網線路或其類似物引起的電和/或磁場的存在而可用的能量。因此當傳感器1像共生電力用戶一樣起作用時不需要有用於向傳感器1供電的特定裝置。對應地，典型地構造為包括拾取線圈和電容器的諧振電路的拾取線圈9在頻率和頻帶⑴值)中適應於在一次開關設備中由電網電壓和/或由電流產生的無論如何存在的電和/或磁場的特定條件。
根據本發明，傳感器1是完全獨立的並且根本不需要有任何電纜連接到傳感器1 或從其連接。此外，如在電力由於由一次開關設備中的電網電壓和電流產生的一次電和/ 或磁場而可用的這個非常具體的情況下，不需要有特定的無線供電裝置。
拾取單元9和無線連結單元10的相對設置可以適應於特別需要。如在圖1中在左側指示的，對於當中央監測裝置2位於充氣空腔中或靠近其的某處時的情況，使無線連結單元10位於傳感器中靠近空腔3的壁18是可能的。
在其中中央監測裝置2相反位於如在右側指示的向後區域中的情況下，無線連結單元10可以位於與壁側18相對的傳感器1的區域中。甚至可能為無線連結單元10提供定向種類的天線以便進一步減小無線數據傳遞的功耗並且減小與其他場和數據傳輸的幹擾效應。
如在圖1的右手側指示的，此外將拾取電極或線圈9儘可能緊密地位於分別由電網電壓和/或電流產生的一次電和/或磁場在一次開關設備中存在或最大的位置處是可能的，以便獲得將這些場高效耦合到拾取元件9中。
如在圖2中指示的，單個中央監測裝置2可用於到許多傳感器1的數據傳遞25，每個傳感器1負責測量個體充氣空腔或隔間。鑑於不需要任何電纜連接，然而對於相同傳感器1組具有兩個冗餘中央監測裝置2並且使它們相伴並且採用冗餘方式收集數據以增加傳感器系統1的安全性也是可能的。
部件列表
權利要求
1.一種用於測量空間( 中氣體的密度、特別地測量氣體絕緣的電或電子設施中的隔離氣體的密度的裝置(1)，其中所述裝置(1)包括至少一個位於與所述空間(3)直接或間接連接並且包括基本相同密度的所述氣體的腔(12)中的壓電諧振器(5)，其中所述裝置(1) 包括至少一個位於關於所述氣體與所述空間(3)和所述腔(12)隔離的參考腔(11)中的壓電參考諧振器G)，並且其中所述裝置包括致動元件(6、7)和至少一個控制元件(8)，其用於確定該兩個諧振器(4、幻之間的諧振頻率的差別，其中所述裝置(1)還包括至少一個連接到所述控制元件(8)用於與監測裝置(2)無線通信的無線連結單元(10)以及至少一個用於所述裝置(1)的供電的拾取單元(9)。
2.如權利要求1所述的裝置(1)，其中所述拾取單元(9)提供用於操作所述致動元件 (6、7)、所述控制元件(8)和可選地所述無線連結單元(10)必需的能量。
3.如權利要求1或2所述的裝置(1)，其中所述拾取單元(9)包括拾取電極或拾取線圈，其可選地在諧振電路中連接到電容。
4.如權利要求3所述的裝置(1)，其中所述拾取電極或拾取線圈的敏感度和/或諧振頻率適應於在所述設施的一次開關設備中分別由電網電壓和/或由電流產生的電和/或磁場。
5.如權利要求1-4中任一項所述的裝置(1)，其中所述拾取電極或拾取線圈的敏感度和/或諧振頻率適應於具有在15Hz-100Hz的範圍中的頻率和/或具有在15kHz-15MHz的範圍中的頻率的電和/或磁場。
6.如權利要求1-5中任一項所述的裝置(1)，其中第一拾取單元(9)適應低頻率範圍 15Hz-100Hz，並且第二拾取單元(9)適應高頻率範圍15kHz_15MHz。
7.如權利要求1-6中任一項所述的裝置(1)，其中所述無線連結單元(10)用2-3GHZ 範圍中、優選地2. 3-2. 6GHz範圍中的頻率傳送數據。
8.如權利要求1-7中任一項所述的裝置(1)，其中僅差分氣體密度傳感器數據經由所述無線連結單元(10)傳送到所述監測裝置O)，其中數據傳輸優選地僅在如果由所述控制元件(8)估算到超過閾值的氣體密度中的偏離時則發生。
9.如權利要求1-8中任一項所述的裝置(1)，其中對於電力備用，所述傳感器包括從電池和電容的組選擇的電力存儲元件(M)，優選地金電容器。
10.如權利要求1-9中任一項所述的裝置(1)，其中所述拾取單元(9)和所述無線連結單元(10)使用相同天線。
11.如權利要求1-10中任一項所述的裝置(1)，其中所述無線連結單元(10)包括定向天線，其優選地使得當所述裝置安裝時，它能夠定向到所述監測裝置(2)。
12.氣體絕緣電氣開關設備或變壓器、具有電開關設備和/或變壓器的組的氣體絕緣配電盤、或具有許多這樣的組和/或間隔的氣體絕緣變電站，其中所述開關設備、變壓器、 開關設備和/或變壓器的組或變電站分別配備有至少一個如權利要求1-11中任一項所述的裝置(1)。
13.如權利要求12所述的氣體絕緣變電站，其中每個配電盤或組配備有至少一個如權利要求1-12中任一項所述的裝置(1)。
14.如權利要求1-11中任一項所述的用於測量在氣體絕緣單元或設施的填充SF6的氣體絕緣空間(3)中的氣體密度的裝置(1)的用途，其中所述裝置(1)位於其中所述單元或設施的一次開關設備中分別由電網電壓和/或電流產生的電和/或磁場足夠強而憑藉所述拾取單元(9)將充足操作能量耦合到所述傳感器中的位置處。
15.如權利要求14所述的用途，其中在氣體絕緣變電站的一個間隔內，許多裝置(1)位於各種地方，並且其中單個監測裝置( 收集由這些裝置(1)提供的數據並且控制這些裝置。
16.如權利要求14和15中任一項所述的用途，其中可選地在最初或間歇完成數據傳遞後，所述裝置(1)僅傳遞關於所述氣體密度變化的信息。
17.如權利要求16所述的用途，其中所述傳遞能夠是連續的、間歇的，或優選地僅在超過預先限定閾值的氣體密度中的變化在所述裝置(1)中的至少一個中被檢測到時這樣的時刻。
全文摘要
本發明涉及用於測量空間(3)中氣體的密度、特別地測量氣體隔離的電或電子設施中的隔離氣體的密度的裝置(1)，其中該裝置(1)包括至少一個位於與所述空間(3)直接或間接連接並且包括基本相同密度的所述氣體的腔(12)中的壓電諧振器(5)，其中該裝置(1)包括至少一個位於關於所述氣體與所述空間(3)和所述腔(12)隔離的腔(11)中的壓電參考諧振器(4)，並且其中該裝置(1)包括致動元件(6、7)和至少一個控制元件(8)，其用於確定該兩個諧振器(4、5)之間的諧振頻率的差別。具體地根據本發明，使這樣的裝置(1)為完全獨立並且無線的，其中它還包括至少一個連接到該控制元件(8)用於與監測裝置(2)無線通信的無線連結單元(10)以及至少一個用於該傳感器(1)的供電的拾取單元(9)。
文檔編號G01N29/036GK102187209SQ200880131612
公開日2011年9月14日 申請日期2008年10月17日 優先權日2008年10月17日
發明者H·布倫德勒, L·安德森 申請人:Abb研究有限公司