CN103185646A - 一种传感器以及用其测量内部温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器，包括一个超声波换能器和一个阻尼器，其中所述阻尼器用于连接在所述超声波换能器和被测对象之间。所述超声波换能器借助所述阻尼器向被测对象发射超声波并接收所述超声波的反射波。本发明还提供一种使用该传感器测量内部温度的方法。这种传感器及使用该传感器测量内部温度的方法能够以非侵入的方式对传统传感器不可及的位置的内部温度进行测量，且该传感器能以较低的成本制造、安装和维护。

Description

一种传感器以及用其测量内部温度的方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是一种超声波传感器。此外，本发明还涉及使用该传感器测量内部温度的方法。

背景技术

许多行业都需要以非侵入(non-invasive)的方式监控某一对象的温度，特别是不易直接接触的测点的温度。例如，在电力行业开关柜的应用中，连接表面的腐蚀会导致连接处的接触电阻增高，进而致使连接处的温度增高。如果不及时处理，会造成短路等系统故障。因此，需要对发电、输电以及配电的许多组件进行连续监测以防止故障发生。有时温度增高的热点会处于传统传感器(例如热电偶)不可及的位置，例如电力高压开关触头及母线连接点。发生短路故障时，由于热传导的滞后效应，这些位置的温度与外表面温度可能会相差几百度。若能对物体内部温度进行测量，则可实时了解开关状态，及时防范可能出现的故障。采用已有的温度传感器，例如热电偶、电阻温度传感器(RTD)、半导体、超声波以及光纤等，需要在测量中解决高压绝缘的问题。红外摄像机能借助热成像技术以非接触的方式发现热点。然而，工业级红外摄像机的价格昂贵且安装和维护复杂，并容易受到被测对象表面灰尘的干扰。此外，这些现有技术都只能测量被测对象的外表面温度，对高压开关的触头、母线等的内部温度无法直接测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传感器，其能够以非侵入的方式对传统传感器不可及的位置的内部温度进行测量，且以较低的成本制造、安装和维护。这种传感器包括一个超声波换能器和一个阻尼器，其中所述阻尼器用于连接在所述超声波换能器和被测对象之间。所述超声波换能器借助所述阻尼器向被测对象发射超声波并接收所述超声波的反射波。阻尼器可以使得超声波换能器发射出的超声波进入被测对象，并使该超声波换能器能够接收到该超声波在被测对象另一侧的表面产生的反射波。

依据本发明的一个方面，所述传感器还包括一个耦合器。所述耦合器可连接在所述阻尼器和被测对象之间。耦合器有利于超声波进入被测对象。

依据本发明的另一方面，所述阻尼器的厚度小于2mm。

依据本发明的再一方面，所述传感器还包括一个壳体。所述超声波换能器、所述阻尼器以及所述耦合器封装在所述壳体内，所述壳体可通过与被测对象焊接或粘结来将所述传感器固定到被测对象。壳体为传感器内的各种组件提供保护，并使得传感器形成模块以方便使用。

依据本发明的又一方面，所述传感器还包括一个位于所述超声波换能器和所述壳体之间的弹簧。弹簧将超声波换能器、阻尼器和耦合器挤压在被测对象的表面上，有利于超声波及其反射波在不同组件中的传播。

依据本发明的又一方面，所述传感器还包括一个可与问答器通信的无线变送器。无线变送器使得传感器可以无线方式接收和发送信号。

依据本发明的又一方面，所述超声波换能器为压电换能器或掠面体波换能器。

依据本发明的又一方面，所述超声波换能器为叉指换能器。所述叉指换能器与所述阻尼器形成一个整体。整体的设计使得超声波换能器的结构更加紧凑。

依据本发明的又一方面，所述超声波换能器与一个天线连接。超声波换能器直接与天线连接使得传感器的结构更加紧凑。

依据本发明的又一方面，所述阻尼器由铌酸锂制成。

本发明的目的还在于提供一种测量内部温度的方法，以非侵入的方式对传统传感器不可及的位置的内部温度进行测量。这种测量内部温度的方法使用上述的传感器，包括：

步骤1：将所述传感器固定到被测对象一侧的表面；

步骤2：所述传感器向被测对象发射超声波；

步骤3：分别计算所述传感器发射出所述超声波和接收到所述超声波在被测对象一侧的表面产生的第一反射波之间的第一时间延迟t_1delay以及所述传感器发射出所述超声波和接收到所述超声波在被测对象另一侧的表面产生的第二反射波之间的第二时间延迟t_2delay；

步骤4：根据所述第一时间延迟t_1delay和所述第二时间延迟t_2delay来确定被测对象的内部温度

依据本发明的一个方面，在步骤4之后还包括：

步骤5：根据所述第一时间延迟t_1delay来确定被测对象的外表面温度T₁和/或确定被测对象(2)的内表面温度T₂。借助第一时间延迟t_1delay，使得本发明在测量被测对象的内部温度的同时，还可以测量被测对象的外表面温度T₁。由被测对象的外表面温度T₁和内部温度

还可以得到被测对象的内表面温度T₂。

依据本发明的另一方面，在步骤1之后和步骤2之前还包括：

步骤21：所述传感器以无线方式接收信号；以及

在步骤3之后和步骤4之前还包括：

步骤41：所述传感器以无线方式发送信号。利用无线方式接收和发送信号方便了传感器的使用。

依据本发明的再一方面，步骤4中被测对象的内部温度是通过以下式子计算得到的：

其中所述超声波在被测对象中的实际声速

L为被测对象一侧的表面至被测对象另一侧的表面沿所述超声波传播方向上的距离，v₀为所述超声波在被测对象中的参考声速，而α₁为被测对象的线性温度系数。

依据本发明的又一方面，步骤5中被测对象的外表面温度T₁是通过以下式子计算得到的：

其中T₀为参考温度，α₂为阻尼器的线性温度系数，而t₀为参考温度下所述超声波在阻尼器中的传播时间；被测对象的内表面温度T₂是通过以下式子计算得到的： $T_2=2\stackrel{\‾}{T}-T_1.$

依据本发明的一个方面，在步骤1中，将两个所述传感器连接到被测对象一侧的表面，并使得两个所述传感器中的一个发射的超声波在被测对象另一侧的表面产生的反射波能够被两个所述传感器中的另一个接收。这有利于在更大的范围内对被测对象的内部温度进行测量。

下文将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是本发明传感器的一种实施方式的示意图。

图2是本发明传感器的另一实施方式的示意图。

图3是使用本发明传感器测量内部温度的方法的流程图。

图4是本发明传感器安装在母线2上来实现本发明方法的示意图。

图5示意性地展示了采用图3所示的方法测量内部温度时，所发射出的超声波及其第一反射波和第二反射波的幅值关系和时间关系，其中X轴表示时间Y轴表示幅值。

图6是本发明传感器安装在母线上的另一实施方式的示意图。

图7是本发明传感器安装在母线上的再一实施方式的示意图。

标号说明

1         传感器

111       超声波换能器

112       叉指换能器

121，122  阻尼器

13        耦合器

14        壳体

15        弹簧

16        天线

17        无线变送器

18        问答器

2         母线

S         发射出的超声波

R1        第一反射波

R2        第二反射波

t_1delay   第一时间延迟

t_2delay   第二时间延迟

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。在各图中相同的标号表示相同或结构相似但功能相同的部件，且在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地描绘了其中的一个，或仅标出了其中的一个。为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。本文中“连接”、“固定”、“安装”表示直接的“连接”、“固定”、“安装”，或是经由第三者的“连接”、“固定”、“安装”。

图1是本发明传感器的一种实施方式的示意图，其中传感器1包括一个超声波换能器111和一个阻尼器121。阻尼器121用于连接在超声波换能器111和作为被测对象的母线2(见图4、6和7)之间。超声波换能器111借助阻尼器121向被测对象发射超声波S(见图4、6和7)并接收该超声波S的反射波。传感器1还可包括耦合器13，其中耦合器13连接在阻尼器121和母线2之间以利于超声波换能器111发射出的超声波S进入母线2，且利于超声波换能器111接收超声波S在母线2另一侧的表面产生的作为第二反射波的反射波R2。超声波换能器111、阻尼器121以及耦合器13可封装在壳体14内。壳体14可通过与母线2焊接或粘结来将传感器1固定到被测对象。超声波换能器111和壳体14之间还可具有一个弹簧15。当壳体14与母线2焊接或粘结后，弹簧15将超声波换能器111、阻尼器121和耦合器13挤压在母线2的表面上，从而有利于超声波S及其反射波R1和/或R2在阻尼器121和耦合器13等不同组件中传播。传感器1还可包括一个可与问答器18(见图6)通信的无线变送器17，以利用无线方式接收和发送信号来方便传感器的使用。本领域技术人员将理解，超声波换能器111可以为压电换能器、掠面体波(SSBW)换能器或叉指换能器112。通常，压电换能器用作主动传感器，其频率可在1MHz-100MHz内选择，此时需要电源(如电池)供电；而掠面体波换能器用作被动传感器，可用于无线测量应用，且无需电源供电。当超声波换能器为图2所示的叉指换能器112时，叉指换能器112与阻尼器121形成一个整体并与一个天线16连接。同时，本领域技术人员还将理解，传感器1也可以不具有壳体14，且超声波传感器111或叉指换能器112可以不连接到天线16或无线变送器17，而是通过有线的方式连接到测量系统的其它部分。阻尼器121或阻尼器122优选由任何一种具有高热导率的材料制成，例如由铌酸锂制成，但也可以采用其它材料，其厚度优选小于2mm，特别为1mm，这样可以近似地认为阻尼器的温度与作为被测对象的母线2一侧的表面温度相同。

这里将与传感器1接触的被测对象的表面称为外表面，其温度称为外表面温度T₁；将与传感器1相对的被测对象另一侧的表面称为内表面，其温度称为内表面温度T₂；而将被测对象内部的平均温度称为内部温度相对于只能测量外表面温度T₁的传统传感器而言，本发明则提供了测量内部温度

和内表面温度T₂的传感器和方法。

在使用上述传感器1测量母线的内部温度时，可以如图4所示将传感器1连接到母线2一侧的表面，并采用包含图3所示的以下步骤的方法进行测量：

步骤1：将传感器1固定到作为被测对象的母线2一侧的表面；

步骤2：传感器2向被测对象发射超声波S；

步骤3：分别计算传感器2发射出超声波S和接收到超声波S在母线2一侧的表面产生的第一反射波R1之间的第一时间延迟t_1delay(见图5)以及传感器1发射出超声波S和接收到超声波S在母线2另一侧的表面产生的第二反射波R2之间的第二时间延迟t_2delay(见图5)；

步骤4：根据第一时间延迟t_1delay和第二时间延迟t_2delay来确定母线2的内部温度

如图4所示，传感器1的超声波换能器111向母线2一侧发射的超声波S的一部分经过阻尼器121和耦合器13后立即被母线2一侧的表面反射而产生作为第一反射波的反射波R1，反射波R1又通过耦合器13和阻尼器121被超声波换能器111接收到，其中发射出超声波S的时刻与接收到反射波R1的时刻的时间差即为图5所示的第一时间延迟t_1delay。传感器1的超声波换能器111向母线2一侧发射的超声波S的另一部分通过阻尼器121和耦合器13进入母线2，并在母线2另一侧的表面产生作为第二反射波的反射波R2，反射波R2又通过耦合器13和阻尼器121被超声波换能器111接收到，其中发射出超声波S的时刻与接收到反射波R2的时刻的时间差即为图5所示的第二时间延迟t_2delay。由于声波的传播速度会随着传播介质中温度的变化而变化，故可以通过计算声波在被测对象中的声速来计算被测对象的内部温度。

在步骤4之后还可包括步骤5：根据第一时间延迟t_1delay来确定母线2的外表面温度T₁，并根据

和T₁确定母线2的内表面温度T₂。

步骤4中被测对象的内部温度是通过以下式子计算得到的：

其中超声波S在母线2中的实际声速

L为母线2一侧的表面至母线2另一侧的表面沿超声波S传播方向上的距离，v₀为超声波S在母线2中的参考速度，而α₁为母线2的线性温度系数。实践中，L可通过实际测量获得，而v₀和α₁在已知被测对象的材料的基础上通过查表获得。例如，被测对象为不锈钢材质时，参考温度为0℃时的参考速度v₀为5880m/s，α₁为100ppm/℃。传感器可针对不同材质的被测对象，提供相应的参数表。更优地，可采用如下的步骤，对L、v₀和α₁进行自动标定：确保被测对象处于等温状态，即

在不同的温度条件下，用传感器进行至少3次测量，并采用独立的传感器(如热电阻)进行相应的测量；所得的至少3组测量数据满足公式

其中L、v₀和α₁是3个待定常数，

由独立的传感器测出，t_2delay和t_ldelay由本发明的传感器测出。通过方程联立求解或采用最小二乘法，可得到L、v₀和α₁这3个常数的值。

步骤5中被测对象的外表面温度T₁是通过以下式子计算得到的：

被测对象的内表面温度T₂是通过以下式子计算得到的：

其中T₀为参考温度，α₂为阻尼器的线性温度系数，而t₀为参考温度下超声波S在阻尼器中的传播时间。针对所采用阻尼器的设计，α₂和t₀均为固定常数。如1mm的YZ铌酸锂阻尼器，α₂为85ppm/℃，T₀取0℃，t₀为0.3微秒。

此外，在步骤1之后和步骤2之前还可包括步骤21：传感器1以无线方式接收信号；以及在步骤3之后和步骤4之前还包括步骤41：传感器以无线方式发送信号，其中超声波换能器111可以通过问答器18接收来自无线变送器17(见图4)的射频电磁波信号以获得发射超声波S所需的能量。此时，超声波换能器111为掠面体波换能器。图6展示了相隔一定距离布置在母线2表面的两个传感器1，其相当于在步骤1中将两个传感器1连接到母线2一侧的表面，并使得两个传感器1中的一个发射的超声波S在母线2另一侧的表面产生的反射波R2能够被两个传感器1中的另一个接收。这使得超声波在母线2内部具有更长的传播距离，从而在一个更大的范围内测量温度异常的热点，并具有更高的准确性。图7展示了分布在母线2一侧表面的多个传感器1，用于对多个点的温度同时进行测量。

在高压开关柜触头温度监测应用的一个实例中，当发生短路故障时，触头组件外表面温度为60℃，看似正常，而内表面触头温度高达500℃。传统的传感器仅能测量触头组件的外表面温度，因而需要待内部温度逐渐传导到外表面时，才能发现故障，这需要数分钟乃至更长的时间。本发明的传感器则能在第一时间测量到触头的内部平均温度(280℃)和触点温度(500℃)，因而能及时发现故障，保证系统的安全运行。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种传感器(1)，包括一个超声波换能器(111、112)和一个阻尼器(121、122)，其中所述阻尼器(121、122)用于连接在所述超声波换能器(111、112)和被测对象(2)之间，所述超声波换能器(111、112)借助所述阻尼器(121、122)向被测对象(2)发射超声波(S)并接收所述超声波(S)的反射波(R1、R2)。

2.根据权利要求1所述的传感器(1)，其中所述传感器(1)还包括一个耦合器(13)，所述耦合器(13)用于连接在所述阻尼器(121、122)和被测对象(2)之间。

3.根据权利要求2所述的传感器(1)，其中所述阻尼器(121、122)的厚度小于2mm。

4.根据权利要求2所述的传感器(1)，其中所述传感器(1)还包括一个壳体(14)，所述超声波换能器(111、112)、所述阻尼器(121、122)以及所述耦合器(13)封装在所述壳体(14)内，所述壳体(14)可通过与被测对象(2)焊接或粘结来将所述传感器(1)固定到被测对象(2)。

5.根据权利要求4所述的传感器(1)，其中所述传感器(1)还包括一个位于所述超声波换能器(111、112)和所述壳体(14)之间的弹簧(15)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器(1)，其中所述传感器(1)还包括一个可与问答器(18)通信的无线变送器(17)。

7.根据权利要求1所述的传感器(1)，其中所述超声波换能器(111、112)为压电换能器或掠面体波换能器。

8.根据权利要求1所述的传感器(1)，其中所述超声波换能器(111、112)为叉指换能器，所述叉指换能器与所述阻尼器(122)形成一个整体。

9.根据权利要求7或8所述的传感器(1)，其中所述超声波换能器(111、112)与一个天线(16)连接。

10.根据权利要求1或3所述的传感器(1)，其中所述阻尼器(121、122)由铌酸锂制成。

11.一种测量内部温度的方法，使用权利要求1至10中任一项所述的传感器(1)，包括：

步骤1：将所述传感器(1)固定到被测对象(2)一侧的表面；

步骤2：所述传感器(1)向被测对象(2)发射超声波(S)；

步骤3：分别计算所述传感器(1)发射出所述超声波(S)和接收到所述超声波(S)在被测对象(2)一侧的表面产生的第一反射波(R1)之间的第一时间延迟t_1delay以及所述传感器(1)发射出所述超声波(S)和接收到所述超声波(S)在被测对象(2)另一侧的表面产生的第二反射波(R2)之间的第二时间延迟t_2delay；

步骤4：根据所述第一时间迟t_1delay和所述第二时间延迟t_2delay来确定被测对象(2)的内部温度

12.根据权利要求11所述的方法，其中在步骤4之后还包括：

步骤5：根据所述第一时间延迟t_1delay来确定被测对象(2)的外表面温度T₁和/或确定被测对象(2)的内表面温度T₂。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中在步骤1之后和步骤2之前还包括：

步骤21：所述传感器(1)以无线方式接收信号；以及

在步骤3之后和步骤4之前还包括：

步骤41：所述传感器(1)以无线方式发送信号。

14.根据权利要求11所述的方法，其中步骤4中被测对象(2)的内部温度

是通过以下式子计算得到的：

其中所述超声波(S)在被测对象(2)中的实际声速

L为被测对象(2)一侧的表面至被测对象(2)另一侧的表面沿所述超声波(S)传播方向上的距离，v₀为所述超声波(S)在被测对象(2)中的参考声速，而α₁为被测对象(2)的线性温度系数。

15.根据权利要求12所述的方法，其中步骤5中被测对象(2)的外表面温度T₁是通过以下式子计算得到的：

其中T₀为参考温度，α₂为所述阻尼器(121、122)的线性温度系数，而t₀为参考温度下所述超声波(S)在所述阻尼器(121、122)中的传播时间；被测对象(2)的内表面温度T₂是通过以下式子计算得到的：

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中在步骤1中，将两个所述传感器(1)连接到被测对象(2)一侧的表面，并使得两个所述传感器(1)中的一个发射的超声波(S)在被测对象(2)另一侧的表面产生的反射波(R2)能够被两个所述传感器(1)中的另一个接收。

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