專利名稱：具有測溫功能的智能螺栓的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有測溫功能的智能螺栓。
背景技術：
電力設備是在電力系統(tǒng)中對發(fā)電機、變壓器、電力線路、互感器、接觸器、斷路器等設備的統(tǒng)稱，包括發(fā)電設備和供電設備。在電力系統(tǒng)中，特別是隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)向著高電壓、大機組、大容量的迅速發(fā)展，對電力設備安全可靠性的要求也越來越高。電氣設備的各種觸點、連接點，如開關觸點、電纜接頭、母線聯(lián)接點、發(fā)電機和變壓器引接線接頭、電動機接線盒接頭等在通入電流以后，設備溫度會發(fā)生變化，其發(fā)熱量與通入電流的平方成正比。當高壓設備因過載運行或接點接觸不良時，往往引起高壓設備有關部分溫度的上升，過熱會導致絕緣老化甚至燒毀絕緣材料，造成短路故障和重大經(jīng)濟損失。因此在線監(jiān)測接點的溫度顯得相當重要，當其超過某一設定值時，發(fā)出本地和遠程報警信號，提示生產(chǎn)維護人員及時發(fā)現(xiàn)故障前兆，對高壓電力設備和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。電氣接點的連接方式主要以螺栓連接為主，在《電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規(guī)范GBJ149-90》規(guī)定:母線裝置安裝用的緊固件，除地腳螺栓外應采用符合國家標準的鍍鋅制品，戶外使用的緊固件應用熱鍍鋅制品。而螺栓一般采用鋼材制成，螺栓連接處往往出現(xiàn)溫升異常的情況，分析主要原因如下:1.不同金屬的膨脹效應不同。鋼制螺栓的金屬膨脹系數(shù)要比銅質、鋁質母線小得多，尤其是螺栓型設備接頭，在運行中隨著負荷電流及溫度的變化，其鋁或銅與鐵的膨脹和收縮程度將有差異而產(chǎn)生蠕變，也就是金屬在應力的作用下緩慢的塑性變形，蠕變的過程還與接頭處的溫度有很大的關系。實踐證明，當接頭處的運行工作溫度超過80°C時，接頭金屬將因過熱而膨脹，使接觸表面位置錯開，形成微小空隙而氧化。當負荷電流減小溫度降低回到原來接觸位置時，由于接觸面氧化膜的覆蓋會影響接觸效果，即不可能是原安裝時金屬間的直接接觸。因此每次溫度變化的循環(huán)所增加的接觸電阻，將會使下一次循環(huán)的熱量增加，所增加的溫度又使接頭的工作狀況進一步變壞，因而形成惡性循環(huán)。2.連接部位緊固螺栓壓力不當。部分安裝或檢修人員在導體連接上認為連接螺栓擰得愈緊愈好，其實不然。特別是鋁質母線，彈性系數(shù)小，當螺母的壓力達到某個臨界壓力值時，若材料的強度差，再繼續(xù)增加不當?shù)膲毫Γ瑢斐山佑|面部分變形隆起，反而使接觸面積減少，接觸電阻增大，從而影響導體接觸效果，增加此連接處的工作熱量。綜上所述，監(jiān)測螺栓連接點位置的溫度是十分必要的，因此急迫需要提出一種新的螺栓連接點的溫度監(jiān)測裝置，并且必須滿足結構簡單體積需要足夠小，外界無需提供額外的能源供其工作等條件。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構簡單緊湊、可自動采集能量的具有測溫功能的智能螺栓。[0008]本實用新型所采用的技術方案是:本實用新型涉及的具有測溫功能的智能螺栓包括一具有螺桿和螺帽的螺栓和與該螺栓組裝成一體的測溫裝置，所述測溫裝置包括PCB線路板、散熱器以及一給該PCB線路板供電的熱電發(fā)生器，該熱電發(fā)生器具有一冷端和熱端，所述散熱器設置在冷端的一側并與該冷端直接熱傳導，所述螺栓的螺帽位于熱端的一側并與該熱端直接熱傳導；所述PCB線路板上設置有測溫傳感器和用于傳輸溫度信號的發(fā)射天線，該測溫傳感器的感溫端與所述螺栓的螺帽相接觸。進一步，所述測溫裝置還包括一外殼，該外殼與所述散熱器的下端相裝配形成一內腔，所述PCB線路板和熱電發(fā)生器位于該內腔中，所述螺栓的螺帽位于該內腔中且螺桿穿出至所述外殼的外部。進一步，所述外殼內具有一與所述螺栓的螺帽的形狀相匹配的空穴，該空穴內開設有容納所述螺栓的螺桿穿過的通孔。進一步，在所述外殼的外周設有一圈凹槽，內部的發(fā)射天線穿過外殼并沿外周環(huán)繞設置于該凹槽內。進一步，在所述螺栓的螺帽的端面上開設有與熱電發(fā)生器形狀相匹配的凹坑以及用于放入測溫傳感器的放置孔。進一步，所述散熱器包括中間的主體以及沿著主體軸向排列的圓柱形散熱片，所述PCB線路板呈環(huán)狀，所述散熱器的主體下端穿過PCB線路板中間的孔腔并與熱電發(fā)生器的冷端接觸。進一步，所述PCB線路板還包括有儲存電能的儲能器件以及能量管理電路。進一步，所述能量管理電路包括升壓電路、穩(wěn)壓電路以及啟動電路。進一步，所述熱電發(fā)生器的冷端與散熱器之間、所述熱電發(fā)生器的熱端與螺栓的螺帽之間均設置有導熱材料。進一步，在所述螺栓的螺帽的端面上還開設有接地螺孔，用于容納與PCB線路板接地連接的連接螺栓。本實用新型的有益效果是:由于本實用新型包括一螺栓和與該螺栓組裝成一體的測溫裝置，所述測溫裝置包括PCB線路板、散熱器以及一給該PCB線路板供電的熱電發(fā)生器，該測溫裝置和螺栓組裝成為一個整體并且形狀也與螺栓相匹配，從外觀來看本實用新型本身成為一個“螺栓”，它不僅具有螺栓本身的功能，即用于緊固連接電氣接點，而且還具有測量電氣接點的溫度并通過數(shù)據(jù)處理后傳輸出去的功能。另外由于本實用新型內部包括有一熱電發(fā)生器，它具有一冷端和熱端，所述散熱器設置在冷端的一側并與該冷端直接熱傳導，所述熱端，所述螺栓的螺帽位于熱端的一側并于該熱端直接熱傳導，它能利用電氣接點處與散熱器端之間的溫度差轉換為電能來供其它電路正常工作，無需外界供能，因此本實用新型在電氣接點溫度遠程監(jiān)測系統(tǒng)中作為關鍵的溫度采集部件具有非常重要的意義。

圖1是本實用新型的外部結構示意圖；圖2是沿圖1中A-A方向的剖視圖；圖3是本實用新型中各部件沿長度方向的分解圖；圖4是本實用新型中PCB線路板上電路硬件框圖；[0023]圖5是本實用新型中能量管理電路的實現(xiàn)框圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示，本實用新型涉及的智能螺栓包括一具有螺桿102和螺帽101的螺栓I和與該螺栓I組裝成一體的測溫裝置2，螺栓I的設計尺寸最小可以做到M8或者大于M8，在此情況下性能仍能滿足設計要求，M8及以上尺寸的螺栓I能夠滿足絕大部分電氣連接點的現(xiàn)場應用。所述測溫裝置2包括PCB線路板202、散熱器203以及一給該PCB線路板202供電的熱電發(fā)生器201，該熱電發(fā)生器201具有一冷端和熱端，所述散熱器203設置在冷端的一側并與該冷端直接熱傳導，所述螺栓I的螺帽101位于熱端的一側并與該熱端直接熱傳導，熱電發(fā)生器201的兩端可以分別與散熱器203和螺帽101直接接觸，但為了優(yōu)化導熱通道，所述熱電發(fā)生器201的冷端與散熱器203之間、所述熱電發(fā)生器201的熱端與螺栓I的螺帽101之間可以分別設置有導熱材料207、208 ;由于螺栓I是用于緊固電氣接點，正常工作的電氣接點處會產(chǎn)生熱量而具有一定的溫度，當溫度通過螺栓I傳導至熱電發(fā)生器201時使其冷端和熱端具有一定的溫度差時，熱電發(fā)生器201工作將熱量轉化為電能，經(jīng)過后續(xù)電路的處理后給本實用新型自身供電。所述PCB線路板202上設置有測溫傳感器206和用于傳輸溫度信號的發(fā)射天線205，該測溫傳感器206的感溫端與所述螺栓I的螺帽101相接觸，用于實時測量螺栓I的溫度(也就是電氣接點的溫度)，經(jīng)過后續(xù)電路的處理后將溫度數(shù)據(jù)信號通過發(fā)射天線205發(fā)送至溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中。所述散熱器203包括中間的主體2031以及沿著主體2031軸向排列的圓柱形散熱片2032 ;所述測溫裝置2還包括有一外殼204，該外殼204與所述散熱器203的最下端的一層圓柱形散熱片2032相裝配形成一內腔，主體2031的下端伸入該內腔中，同時所述PCB線路板202和熱電發(fā)生器201位于該內腔中。上述散熱器203和外殼204均可設計成圓柱狀或者和螺栓I的螺帽101相匹配的形狀,例如多邊形體等；以上述散熱器203和外殼204設計成圓柱狀為例，本實施例中散熱器203的尺寸直徑為40mm，外殼204和散熱器203裝配后的總高度為30mm(即外殼204底部至散熱器203頂部的高度)。其中內部的熱電發(fā)生器201自身參數(shù)為:熱阻9.2K/W，賽貝克電壓27.77mv/K，內阻5.5歐；它的最小啟動工作溫差工作溫差7.5K(K為開氏溫度)，這個參數(shù)是目前同尺寸設計中具有優(yōu)勢，并且滿足測溫傳感器206連續(xù)工作的最小溫差設計為10.5Κ，連續(xù)工作是指符合測溫傳感器206每秒測量一次溫度數(shù)據(jù)并實現(xiàn)無線傳送的要求；同時熱電發(fā)生器201的溫差在IOK時輸出功率IOOuW,能滿足PCB線路板202各部件工作時的供能需求。。所述PCB線路板202呈環(huán)狀，所述散熱器203的主體2031下端伸入該內腔中穿過PCB線路板202中間的孔腔并與熱電發(fā)生器201的冷端接觸(之間設置有導熱材料207)。為了保證較佳的溫差效果，本實施例中還對螺栓I的材料進行了選擇。通過對模型建模，輸入智能螺栓各部分的熱阻參數(shù)，通過仿真得出不同螺栓材料的溫差參數(shù)，仿真結果表明選用銅螺栓相比不銹鋼螺栓提升38%的效果，可以用銅螺栓替代現(xiàn)有技術中應用場合使用較多的不銹鋼螺栓。如圖3所示的分解圖，所述外殼204內具有一與所述螺栓I的螺帽101的形狀相匹配的空穴2041 (例如M8螺栓)，該空穴2041內開設有容納所述螺栓I的螺桿102穿過的通孔2042，在所述螺栓I的螺帽101的端面上開設有與熱電發(fā)生器201形狀相匹配的凹坑104以及用于放入測溫傳感器206的放置孔103。在組裝過程中，先將螺栓I通過該通孔2042裝配在空穴2041內，然后再將熱電發(fā)生器201放入凹坑104中，再用螺釘將環(huán)狀的PCB線路板202緊固于外殼204上，最后將散熱器203與外殼204用螺釘相裝配。同時PCB線路板202和發(fā)射天線205也是設置成環(huán)狀，PCB線路板202是由兩塊電路板2021、2022組成環(huán)狀，其中與熱電發(fā)生器201相關的能量管理電路集中在電路板2021上，溫度采集處理、控制以及無線傳輸?shù)裙δ芗性诹硪浑娐钒?022上；此外在所述外殼204的外周設有一圈凹槽2043，內部的發(fā)射天線205穿過外殼204的壁并沿外周環(huán)繞設置于該凹槽2043內，本實施例在433M頻段下使用發(fā)射天線205，設計成環(huán)形主要是為了外觀整體效果好；并且優(yōu)勢明顯，降低成本，結構簡單。另外在所述螺栓I的螺帽101的端面上還開設有接地螺孔105，用于容納與PCB線路板202接地連接的連接螺栓，連接螺栓通過接地螺孔105使PCB線路板202的地極接地，當電氣接點位于高壓電位時可以使PCB線路板202的地極處于同一電位上，避免損壞PCB線路板202上的測溫傳感器等元件。如圖4所示，在本實用新型的電路硬件方面，所述PCB線路板202包括溫度傳感器、模數(shù)轉換器、處理器以及無線收發(fā)器，工作過程為:處理器控制溫度傳感器定時采集測溫數(shù)據(jù)，并通過模數(shù)轉換器將模擬信號轉化成數(shù)字信號并提供給處理器處理，處理器將處理過的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)器發(fā)出，溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的接收器接收并上傳PC顯示。本實用新型整個裝置的能量由熱電發(fā)生器采集電氣接點的熱能來提供。所述PCB線路板202上還包括有儲存電能的儲能器件以及能量管理電路，儲能器件主要指電容或充電電池；由于熱電發(fā)生器的輸出能量不是穩(wěn)定的，或有或無或多或少，并且常規(guī)工藝的熱電發(fā)生器輸出的電壓較低(20mV/K)，因此我們需要將它的能量集中起來供后續(xù)電路的使用。如圖5所示，能量管理電路主要由升壓電路，啟動電路和穩(wěn)壓電路三部分組成，升壓電路負責將熱電發(fā)生器輸出的較低的電壓升聞并存儲在電容或充電電池中；啟動電路控制能量的輸出，當儲能器件的電壓升至高電壓閥值時，啟動電路控制打開后級電路，能量流向后級供后續(xù)電路使用，當儲能器件的電壓降至低電壓閥值時，啟動電路控制關斷后級電路，儲能器件繼續(xù)儲能，周而復始的工作。
權利要求1.一種具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:包括一具有螺桿和螺帽的螺栓和與該螺栓組裝成一體的測溫裝置，所述測溫裝置包括PCB線路板、散熱器以及一給該PCB線路板供電的熱電發(fā)生器，該熱電發(fā)生器具有一冷端和熱端，所述散熱器設置在冷端的一側并與該冷端直接熱傳導，所述螺栓的螺帽位于熱端的一側并與該熱端直接熱傳導；所述PCB線路板上設置有測溫傳感器和用于傳輸溫度信號的發(fā)射天線，該測溫傳感器的感溫端與所述螺栓的螺帽相接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:所述測溫裝置還包括一外殼，該外殼與所述散熱器的下端相裝配形成一內腔，所述PCB線路板和熱電發(fā)生器位于該內腔中，所述螺栓的螺帽位于該內腔中且螺桿穿出至所述外殼的外部。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:所述外殼內具有一與所述螺栓的螺帽的形狀相匹配的空穴，該空穴內開設有容納所述螺栓的螺桿穿過的通孔。
4.根據(jù)權利要求2所述的具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:在所述外殼的外周設有一圈凹槽，內部的發(fā)射天線穿過外殼并沿外周環(huán)繞設置于該凹槽內。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:在所述螺栓的螺帽的端面上開設有與熱電發(fā)生器形狀相匹配的凹坑以及用于放入測溫傳感器的放置孔。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:所述散熱器包括中間的主體以及沿著主體軸向排列的圓柱形散熱片，所述PCB線路板呈環(huán)狀，所述散熱器的主體下端穿過PCB線路板中間的孔腔并與熱電發(fā)生器的冷端接觸。
7.根據(jù)權利要求1至6所述的任意一項具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:所述PCB線路板還包括有儲存電能的儲能器件以及能量管理電路。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:所述能量管理電路包括升壓電路、穩(wěn)壓電路以及啟動電路。
9.根據(jù)權利要求1至6所述的任意一項具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:所述熱電發(fā)生器的冷端與散熱器之間、所述熱電發(fā)生器的熱端與螺栓的螺帽之間均設置有導熱材料。
10.根據(jù)權利要求1至6所述的任意一項具有測溫功能的智能螺栓，其特征在于:在所述螺栓的螺帽的端面上還開設有接地螺孔，用于容納與PCB線路板接地連接的連接螺栓。
專利摘要本實用新型公開了一種結構簡單緊湊、可自動采集能量的具有測溫功能的智能螺栓。該智能螺栓包括一具有螺桿和螺帽的螺栓和與該螺栓組裝成一體的測溫裝置，所述測溫裝置包括PCB線路板、散熱器以及一給該PCB線路板供電的熱電發(fā)生器，該熱電發(fā)生器具有一冷端和熱端，所述散熱器設置在冷端的一側并與該冷端直接熱傳導，所述螺栓的螺帽位于熱端的一側并與該熱端直接熱傳導；所述PCB線路板上設置有測溫傳感器和用于傳輸溫度信號的發(fā)射天線，該測溫傳感器的感溫端與所述螺栓的螺帽相接觸。本實用新型不僅具有螺栓本身的功能，即用于緊固連接電氣接點，而且還具有測量電氣接點的溫度的功能，其中的熱電發(fā)生器能自動采集電氣接點的熱量來給智能螺栓供能。
文檔編號G01K7/00GK203009521SQ20122071662
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權日2012年12月21日
發(fā)明者楊志強, 汪俊 申請人:珠海一多監(jiān)測科技有限公司