Применение беспроводных систем мониторинга температуры ПАВ-Термо производства ОАО «Авангард» в электрических шкафах

Ситкин М.К.¹, Строганов К.А.², Люлин Б.Н.², Попова. Е.М.², Шубарев В.А.²

¹Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

²Открытое акционерное общество «Авангард», г. Санкт-Петербург

Аннотация: В статье приведены результаты разработки ОАО «Авангард» системы мониторинга температуры токоведущих частей в электрических шкафах на базе пассивных акустоэлектронных датчиков и результаты опытных эксплуатаций в ГУП «Петербургский метрополитен» и ПАО «Россети Сибирь» (г. Омск).

1. Введение

В рамках стратегического плана развития предприятия одним из инновационных технологических продуктовых направлений была выбрана технология наноакустоэлектроники, в частности технология на эффекте поверхностных акустических волн (ПАВ). Главным продуктовым направлением этой технологии было определено создание беспроводных систем мониторинга температуры на базе пассивных радиоканальных контактных датчиков температуры с функцией радиочастотной идентификации. Для принятия решения было несколько причин:

1. Выполненные работы по проекту «SAWHOT» совместно с научными организациями России, ФРГ, Франции, Греции, Швейцарии, Дании в рамках седьмой рамочной научно-технической программы ЕС и России показали технологическую возможность создания датчиков на ПАВ с использованием разрешённого диапазона частот 2,4 ГГц (ISM) с широким диапазоном измеряемых температур.
2. Созданный в рамках Российско-Белоруской научно-технической программы Союзного государства «Микросистемотехника» Научно-производственный центр микросистемотехники ОАО «Авангард» (ЦМСТ) обеспечил возможность не только разработки таких изделий, но и производство, независимое от иностранного аутсорсинга [1].
   
3. Проблема контроля температуры токоведущих частей электросетевого оборудования стала весьма актуальной на фоне постоянного увеличения потребления электроэнергии и необходимости обеспечения надёжного снабжения ею потребителей. По статистике второй по значению причиной пожара (≈27%) является нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования (НПУиЭ). Ещё большая доля пожаров – около 30% - приходится на НПУиЭ в сельской местности, причем аварии в электросетях становятся здесь уже преобладающей причиной [2]. Аналогичным образом выглядит ситуация с причинами пожаров и за рубежом. Статистика, приводимая фирмой Siemens [3], показывает, что ежегодно в Германии регистрируется примерно 600 000 случаев повреждений, возникших по причине пожара; общая стоимость ущерба составила примерно 6 миллиардов Евро.
   
4. Растущая цифровизация, внедрение технологий IoT, Blockchain потребовали использования новых технологий нано- и микросистемотехники, исключающих (или уменьшающих) влияние «человеческого фактора», обеспечивающих постоянный надёжный on-line мониторинг электрооборудования, в том числе, удалённого или труднодоступного.
5. Появление заинтересованных продвинутых потребителей таких систем в России и за рубежом.
   

В качестве базовой структуры топологии чипа датчика была выбрана линия задержки на ПАВ на рабочую частоту 2,4 ГГц. По сравнению с разрабатываемыми нашими партнёрами за рубежом системами на ПАВ – резонаторах (частоты 434 МГц), это решение обеспечивает работу в разрешённой полосе частот ISM - диапазона (2400.0 - 2483.5 МГц) с безопасной мощностью излучения до 100 мВт и обеспечивают минимизацию габаритов чувствительного элемента (чипа) датчика. В настоящее время несколько фирм в США и КНР [4-6] предлагают подобные системы с использованием ПАВ-датчиков на резонаторах в отличие нашей системы, использующей ПАВ-датчики на линиях задержки. Анализ технических характеристик систем на ПАВ-датчиках на резонаторах показал, что используются следующие полосы частот (данные взяты из электронных презентаций компаний):

- 423.92 MHz - 443.92MHz  (Chengdu Westsensor Technology Co., Ltd., КНР);

- 425 MHz - 442 MHz  (IntelliSAW, США);

- 426 MHz- 449MHz или 451MHz - 474MHz (Sanhe Power Tech, КНР).

В России разрешено использование полосы частот без оформления частных решений ГКРЧ только в диапазоне 433,075 МГц - 434,750 МГц. Поэтому внедрение таких систем в России (и не только в России) будет крайне затруднительно (точнее невозможно) по сравнению с нашей, работающей в разрешённой полосе частот ISM диапазона.

2. Принцип работы системы. Преимущества датчиков на ПАВ

Датчик температуры на ПАВ содержит пьезоэлектрическую подложку (чип), на поверхности которой методом фотолитографии нанесены металлизированные электроды, образующие встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и набор рефлекторов – кодовые отражателей (см. рисунок 1). ВШП предназначен для преобразования акустической волны в электромагнитную энергию за счёт прямого и обратного пьезоэффекта (по аналогии принципа работы пьезозажигалки). Основой производства ПАВ-датчиков является достигнутый мировой уровень технологии фотолитографии с разрешением 0.35 мкм, обеспечивающий высокую повторяемость и надёжность изделий.

Рисунок 1. Принцип работы чувствительного элемента датчика.

При опросе датчика температуры считыватель излучает радиосигнал, который через антенну датчика поступает на ВШП (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Принцип работы системы.

Далее за счёт явления обратного пьезоэффекта в преобразователе происходит возбуждение поверхностной акустической волны, распространяющейся вдоль поверхности подложки. В процессе прохождения акустической волны она отражается от каждого из электродов и возвращается обратно на преобразователь, который преобразует её обратно в изменённый радиосигнал, ретранслируемый через антенну датчика на считыватель. При увеличении или уменьшении температуры происходит расширение материала чипа, за счёт чего расстояние между электродами и расстояние между первым и последним отражателем изменяются. В считывателе производится оценка времени задержки каждого отражённого сигнала от соответствующего электрода, на основе которой происходит вычисление значения температуры.

Конкурентные преимущества датчиков:

ПАВ-датчики температуры абсолютно пассивные (без источников питания);

•опрос датчиков осуществляется по радиоканалу в диапазоне частот 2,45 ГГц на расстоянии от 0,1 до 4 м (что соответствует требованиям Правила устройства электроустановок [7];

•точность определения температуры (±4ºС), что достаточно для определения аварийных ситуаций;

•широкий диапазон контролируемых температур от –40ºС до +120ºС;

•возможность идентификации точки измерения температуры по радиочастотному идентификационному коду датчика для определения местоположения точки измерения;

•высокая радиационная стойкость и устойчивость к воздействию климатических, механических и электромагнитных помех. Возможна эксплуатация в в таких местах, как атомные реакторы, подстанции и пр., т.к. датчики на ПАВ, в отличие от датчиков на основе полупроводников, невосприимчивы к ионизирующему излучению и поэтому могут постоянно использоваться в зоне облучения [8].