基于本安取能约束的无线温振监测方法及传感器与流程

本发明属于煤矿机电设备无线监测，具体涉及了一种基于本安取能约束的无线温振监测方法及传感器。

背景技术：

1、煤矿井下机电设备数量较多，且普遍存在运行时间长、负荷量大、启停频繁等情况。水泵、电机、破碎机减速器、转载机减速器、输送机减速器等设备在长期运行过程中，容易因过热、齿轮损坏、打齿等原因出现温度异常或振动异常。若不能及时获取设备运行状态，可能影响设备维护判断和故障排查。

2、现有温振监测通常采用有线温振传感器或电池供电式无线温振传感器。有线温振传感器需要布设供电线缆和通信线缆，在煤矿井下设备分布复杂、安装空间受限或设备移动性较强的场景中，存在布线不便、安装维护工作量较大的问题。电池供电式无线温振传感器虽然能够减少通信线缆布设，但其采集频次、发送频次和使用周期受电池容量限制，长期运行时需要维护或更换电池，难以满足井下机电设备长时间、低维护的温振监测需求。

3、为减少外部供电依赖，可以利用被监测设备表面与环境之间的温差进行温差取能，并通过储能元件为温振采集、数据处理和无线传输提供工作电源。然而，煤矿井下环境中存在瓦斯和煤尘爆炸性混合气体，温差取能结构并不能仅以提高发电能力为目标。温差发电输出受设备表面温度、环境温度和散热条件影响较大，当冷热端温差较大时，温差发电过程可能产生较高输出功率；若未对散热能力和发电功率进行约束，可能导致输入后级能量收集电路的功率超过本质安全设计允许范围。相反，若散热能力不足，又可能导致额定工况下取能功率不足，难以支撑温振采集、数据处理和无线发送过程。因此，温差取能无线温振监测不仅需要考虑能量获取，还需要同时考虑极端工况下的功率限制和额定工况下的取能保障。

4、此外，温振采集、快速傅里叶变换处理、无线发送等过程均会消耗电能，尤其无线发送过程存在间歇性功耗需求。储能元件在充电、放电和短路异常情况下也需要满足本质安全要求。如果未结合储能限压、充电端钳位、短路能量限制以及储能供电状态来协调采样、处理、发送和休眠过程，可能出现供电不足时仍启动采样或发送、无线发送时短时能耗过高，或者在无有效触发条件时产生不必要能耗的问题。因此，如何在矿用本质安全要求下，对温差取能功率、散热约束、储能限压、短路能量以及温振监测运行过程进行协同控制，成为本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有温差取能无线温振监测中取能功率、储能供电和监测运行难以协同约束，导致极端工况下取能功率可能超过本安限制、额定工况下取能不足或者供电不足时仍启动采样和发送的问题，本发明提供了一种基于本安取能约束的无线温振监测方法及传感器。

2、本发明第一方面，一种基于本安取能约束的无线温振监测方法，包括：

3、获取温差取能设计参数和运行状态参数，所述温差取能设计参数包括温差发电功率上限、额定取能需求、热传递参数和储能限压参数，所述运行状态参数包括储能供电状态、周期计时值和振动幅值；

4、根据所述温差取能设计参数确定散热器的散热面积区间，并将散热器的散热面积设置在所述散热面积区间内，使温差发电过程在第一预设温度工况下的最大输出功率不超过所述温差发电功率上限，并在第二预设温度工况下满足所述额定取能需求；

5、根据所述储能限压参数和所述储能供电状态生成供电判断结果；

6、当供电判断结果为不满足预设启动供电条件时，生成休眠控制指令；

7、当供电判断结果为满足预设启动供电条件，且周期计时值达到预设采样周期或振动幅值大于预设振动幅值阈值时，生成采样启动指令；

8、根据采样启动指令获取数字温度数据和数字振动数据，对所述数字振动数据进行频域处理，并基于预设超限阈值生成温振监测数据；

9、按照低功耗无线通讯协议发送所述温振监测数据，并在发送完成后生成休眠控制指令。

10、进一步的，根据所述温差取能设计参数确定所述散热面积区间，包括：

11、根据所述温差发电功率上限、热端温度、环境温度、温差发电元件电参数和负载参数，确定第一预设温度工况下的第一冷端温度边界；

12、根据所述额定取能需求、热端温度、环境温度、温差发电元件电参数和负载参数，确定第二预设温度工况下的第二冷端温度边界；

13、根据所述第一冷端温度边界、所述第二冷端温度边界、所述热传递参数和自然对流换热参数，确定散热面积上限和散热面积下限；

14、将所述散热面积下限至所述散热面积上限之间的范围确定为所述散热面积区间。

15、进一步的，确定所述第一冷端温度边界和所述第二冷端温度边界，包括：

16、根据塞贝克系数和冷热端温差确定温差发电元件的开路电压；

17、根据所述开路电压、温差发电元件内阻和负载电阻确定温差发电元件的输出功率；

18、以所述输出功率不大于所述温差发电功率上限为约束条件，反算得到所述第一冷端温度边界；

19、以所述输出功率满足所述额定取能需求为约束条件，反算得到所述第二冷端温度边界。

20、进一步的，确定散热面积上限和散热面积下限，包括：

21、根据温差发电元件的陶瓷片热阻、热电材料热阻和冷热端温差，确定传热功率；

22、根据冷端温度、环境温度、散热器特征尺寸和自然对流换热参数，确定自然对流换热系数；

23、根据第一预设温度工况下的传热功率和自然对流换热系数，确定所述散热面积上限；

24、根据第二预设温度工况下的传热功率和自然对流换热系数，确定所述散热面积下限。

25、进一步的，根据所述储能限压参数和所述储能供电状态生成供电判断结果，包括：

26、获取储能元件输出电压、储能元件充电端电压、预设最低放电电压和预设充电端钳位电压；

27、当所述储能元件输出电压不低于所述预设最低放电电压时，将所述供电判断结果确定为满足预设启动供电条件；

28、当所述储能元件输出电压低于所述预设最低放电电压时，将所述供电判断结果确定为不满足预设启动供电条件；

29、当储能元件充电端电压超过所述预设充电端钳位电压时，确定充电端限压保护状态或生成充电端过压标志。

30、进一步的，所述温差取能设计参数还包括短路能量约束参数，所述短路能量约束参数包括电源输入限流参数、电容储能参数和预设火花点燃能量阈值；

31、在按照低功耗无线通讯协议发送所述温振监测数据之前，所述方法还包括：

32、根据所述电源输入限流参数和所述电容储能参数，确定短路释放能量；

33、当所述短路释放能量不小于所述预设火花点燃能量阈值时，禁止生成无线发送指令，并生成短路能量异常标志；

34、当所述短路释放能量小于所述预设火花点燃能量阈值时，生成无线发送指令。

35、进一步的，当供电判断结果为满足预设启动供电条件，且周期计时值达到预设采样周期或振动幅值大于预设振动幅值阈值时，生成采样启动指令，包括：

36、当所述供电判断结果为满足预设启动供电条件、周期计时值达到预设采样周期，且振动幅值不大于预设振动幅值阈值时，生成周期采样启动指令；

37、当所述供电判断结果为满足预设启动供电条件，且振动幅值大于预设振动幅值阈值时，生成触发采样启动指令；

38、将所述周期采样启动指令或所述触发采样启动指令作为所述采样启动指令。

39、进一步的，根据采样启动指令获取数字温度数据和数字振动数据，对所述数字振动数据进行频域处理，并基于预设超限阈值生成温振监测数据，包括：

40、根据所述采样启动指令获取数字温度数据以及x方向数字振动数据、y方向数字振动数据和z方向数字振动数据；

41、分别对所述x方向数字振动数据、所述y方向数字振动数据和所述z方向数字振动数据进行快速傅里叶变换，得到频域振动数据；

42、根据所述频域振动数据提取振动信号特征值，并根据所述振动信号特征值生成振动指标数据；

43、按照采样时间顺序组织所述x方向数字振动数据、所述y方向数字振动数据和所述z方向数字振动数据，得到波形数据；

44、根据所述数字温度数据、所述振动指标数据、所述波形数据和预设超限阈值生成所述温振监测数据。

45、本发明第二方面，提出了一种自发电无线温振传感器，用于实现一种基于本安取能约束的无线温振监测方法，所述自发电无线温振传感器包括温差取能模块、储能供电模块、温振采集模块、数据处理模块和无线传输模块；

46、所述温差取能模块用于根据被监测设备表面与环境之间的温差产生电能，并具有散热面积位于所述散热面积区间内的散热结构；

47、所述储能供电模块与所述温差取能模块电连接，用于根据所述储能限压参数对所述温差取能模块产生的电能进行收集、存储和限压保护；

48、所述温振采集模块用于获取数字温度数据和数字振动数据；

49、所述数据处理模块分别与所述储能供电模块、所述温振采集模块和所述无线传输模块连接，用于根据所述储能限压参数和所述储能供电状态生成供电判断结果，根据所述供电判断结果、所述周期计时值和所述振动幅值控制所述温振采集模块获取数字温度数据和数字振动数据，对所述数字振动数据进行频域处理以生成温振监测数据，并通过所述无线传输模块发送所述温振监测数据。

50、进一步的，所述温差取能模块包括温差发电元件和散热器，所述散热器的散热面积位于所述散热面积区间内；

51、所述储能供电模块包括微功率能量收集与管理电路、储能元件、充放电限压电路和充电端钳位保护电路，所述充放电限压电路用于设定所述储能元件的最高充电电压和最低放电电压，所述充电端钳位保护电路用于限制所述储能元件的充电端电压；

52、所述数据处理模块包括处理器和电源输入限能保护电路，所述电源输入限能保护电路用于使电源输入侧的短路释放能量小于预设火花点燃能量阈值；

53、所述无线传输模块为低功耗无线传输模块。

54、有益效果

55、本发明提供的一种基于本安取能约束的无线温振监测方法，通过获取温差发电功率上限、额定取能需求、热传递参数和储能限压参数，并据此确定散热器的散热面积区间，使温差发电过程在第一预设温度工况下的最大输出功率不超过温差发电功率上限，同时在第二预设温度工况下满足额定取能需求。由此，温差取能过程不是单纯追求提高发电能力，而是在最大功率受限和额定功率够用之间形成约束匹配，能够降低极端温差工况下输出功率过高对后级能量收集电路和本安设计造成的不利影响，并保障常规工况下温振采集、数据处理和无线发送所需的取能基础。

56、本发明根据储能限压参数和储能供电状态生成供电判断结果，并结合储能元件输出电压和最低放电电压对采样、处理、发送和休眠过程进行控制，同时通过最高充电电压和充电端钳位电压对储能元件进行限压保护。当供电判断结果为不满足预设启动供电条件时，生成休眠控制指令；当供电判断结果为满足预设启动供电条件，且周期计时值达到预设采样周期或振动幅值大于预设振动幅值阈值时，再生成采样启动指令。由此，能够使温振监测过程与储能供电状态和储能限压边界相配合，减少供电不足时启动采样、频域处理或无线发送的情况，并通过充电端钳位、短路能量约束和发送前供电判断，提高温差取能无线温振监测过程在矿用本安场景下的运行安全性。

57、本发明在获取数字温度数据和数字振动数据后，对数字振动数据进行频域处理，生成振动指标数据和波形数据，并基于预设超限阈值生成温振监测数据，再按照低功耗无线通讯协议发送温振监测数据，并在发送完成后生成休眠控制指令。由此，能够在同一处理流程中形成温度数据、振动指标数据、波形数据和超限信息，便于网关或数据采集器远程获取被监测设备的温振状态；同时，通过周期采样和振动触发采样相结合的方式，在保证状态监测及时性的基础上减少无效采样和无效发送，使该方法更适于温差取能、储能供电以及煤矿井下低维护无线监测场景。