电站锅炉内壁温监测信号无线传输特性研究

侯哲帆，王鑫雨, 李鸿源，徐 鸿

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

近年来，为了提高能量转换效率，火电机组蒸汽参数不断提高，已逐步逼近炉内高温受热面材料的性能极限。因此，对锅炉内受热面进行实时温度监控是避免运行超温的有效手段，对保障高参数机组运行安全具有重要意义[1]。

目前,基于声表面波(SAW)的温度传感器已经可以在900 ℃下稳定工作[2-3]，且测温点无需电源和布线，是一种可以在运行条件下直接监测锅炉内过热器壁温的技术手段。由于锅炉内结构复杂，温度特征信号无线传输是实现该技术应用的关键点之一。笔者在声表面波测温原理的基础上，建立了温度特征信号无线传输的有限元模型，通过实验对有限元模型进行了验证，并对温度特征信号无线传输中采集端的不同类型天线进行对比研究，获得了温度特征信号的无线传输特性，为电站锅炉内高温受热面壁温无线无源监测提供理论指导。

1 基于声表面波的测温方法

基于声表面波的测温方法主要包含2部分：一部分是温度的表征，另一部分是温度特征信号的传输。

温度表征通过SAW温度传感器实现，该传感器由压电基底材料及其表面的薄膜金属电极组成，如图1所示。薄膜金属电极分为2部分：一部分是位于压电基底材料表面中央的叉指电极(IDT)，另一部分是位于压电基底材料表面两端的反射栅电极。

图1 SAW温度传感器示意图

SAW温度传感器的工作原理如下：当叉指电极上感应或者通入交变的电信号时，由于逆压电效应,电信号将会在压电基底材料表面激励出声表面波。声表面波在压电基底材料表面由中央向两端传播，遇到反射栅电极时会发生反射和透射，反射与透射声波相互叠加形成频率为f0的谐振波。压电基底材料表面的声波振动通过压电效应会在叉指电极上形成同频的电信号[4]。SAW温度传感器的谐振频率与叉指电极、反射栅中栅间距以及声表面波速有关。当温度变化时，由于压电基底材料的物性参数发生变化，声表面波速和栅间距均会发生变化，导致谐振频率发生变化。因此，通过监测叉指电极上的电信号频率变化可以表征温度变化。

叉指电极上的交变电信号频率是温度的表征，因此交变电信号可以作为温度特征信号。有2种方式将温度特征信号传输到外界：一种方式是直接在叉指电极上连接金属导线，叉指电极上的电信号会直接传输到导线另一端，这种方式是有线连接；另一种方式是利用空间电磁场无线传输温度特征信号。

声表面波温度特征信号无线传输过程如图2所示，首先信号采集器的高增益天线作为发射天线向SAW温度传感器发送扫频询问信号，经过传感器天线接收，将电信号通过叉指换能器转换为声表面波振动信号[5-6]。声表面波频率随温度变化而变化，声表面波振动信号再通过叉指电极转换成电信号，这时传感器天线作为发射天线，信号采集器天线作为接收天线，通过空间电磁场将温度特征信号传输至解调仪，进而获得温度信息，完成测量。系统信号的收发在时序上交替进行即可实现温度的实时监测[7-8]。

图2 SAW测温系统信号传输示意图

电站锅炉内结构复杂、环境恶劣，使用有线方式进行声表面波测温时，除了SAW温度传感器需要耐高温外，还需要解决信号传输导线的布置及耐高温问题。而温度特征信号无线传输则不存在上述问题，更适用于电站锅炉环境。

2 温度特征信号无线传输有限元模型

由于SAW温度传感器应用于锅炉内高温复杂环境中，天线是温度特征信号无线传输的重要因素，因此对比研究不同天线结构对增强复杂、恶劣空间内的温度特征信号无线传输具有重要意义。

选取偶极子天线、法向螺旋天线、平面倒F天线(PIFA)3种采集端天线作为研究对象。这3种天线结构较为简单，制造工艺要求不高，同时在433 MHz中心频率下，天线尺寸较合理，便于满足实际工程应用中采集端天线也需要耐受一定温度甚至布置于炉膛包墙内的需求。基于3种天线结构，建立温度特征信号无线传输有限元模型，并以高频电磁波仿真软件HFSS作为有限元计算工具。

2.1 天线结构及几何尺寸

偶极子天线、法向螺旋天线和PIFA的结构如图3所示。为了便于对比分析，3种天线均假设为铜材质，并且中心频率均设计为433 MHz，天线具体几何尺寸参数见表1。

(a) 偶极子天线

(b) 法向螺旋天线

(c) PIFA

表1 天线几何尺寸

2.2 边界条件及网格

HFSS中所有几何结构默认为完美的导电屏蔽层，没有能量穿过此屏蔽层，因此需要在几何结构中设置端口，能量通过端口进入和离开此屏蔽层。将3种天线结构的端口设置为集总参数端口馈电，同时忽略导体的损耗，将所有几何结构金属导体设置为理想电导体(Perfect E)。

电磁波可以在无限的自由空间中传播，而计算机仿真时只能对有限空间进行分析。在HFSS有限元仿真中，为了模拟无限自由空间，将其设置为辐射边界(radiation boundry)条件，将偶极子天线的辐射边界设置为圆柱形，半径和高度分别为177 mm和679 mm；将法向螺旋天线的辐射边界也设置为圆柱形，半径和高度分别为519 mm和600 mm；将PIFA的辐射边界设置为长方体，长500 mm、宽500 mm、高320 mm。

3种天线结构使用自适应网格剖分。求解频率设置为433 MHz，添加400～500 MHz的扫频范围设置，选择插值(Interpolating)扫频类型。

3 有限元模型验证

3.1 实验设计

为了验证有限元模型的准确性，搭建温度特征信号无线传输实验平台，并对PIFA传输特性进行了实验测量。

在空旷的环境中将PIFA固定在半无限大金属平板上，将SAW温度传感器放置在平板加热器上，平板加热器温度设定为50 ℃，实验原理和实物图如图4所示。通过改变PIFA在半无限大金属平板上的上下位置和PIFA与SAW温度传感器间的水平距离，保持SAW温度传感器与PIFA间的距离为1 m不变，不断改变两者之间的角度(θ)。将PIFA与SAW温度采集系统相连，计算机上显示出不同角度时的温度特征信号强度，其大小反映了PIFA的增益大小。

(a) 原理图

(b) 实物图

3.2 实验结果对比

图5为实验结果与有限元模拟结果的对比。从图5可以看出，在XOZ和YOZ平面内，实验测试获得的温度特征信号归一化增益与模拟结果基本一致，但由于实验无法达到模拟中完全空旷理想环境的要求，周围物体会对实验测量信号产生反射、折射，所以模拟结果与实验结果间存在一定误差。在YOZ平面内，实验结果和模拟结果均显示温度特征信号最大增益出现在θ=14°附近，增益在最高点左右两侧逐渐衰减。对比实验结果与模拟结果表明，温度特征信号无线传输有限元模型基本可以反映实际无线传输特征分布。

图5 XOZ和YOZ平面信号强度随θ的变化

4 结果分析

4.1 无线传输方向性及强度

图6～图8分别为偶极子天线、法向螺旋天线和PIFA无线传输增益云图。在声表面波测温传输系统中，其他条件相同时，增益越高，温度特征信号无线传输距离越长。

图6 偶极子天线无线传输增益云图

图7 法向螺旋天线无线传输增益云图

(a) X轴方向

(b) Y轴方向

(c) Z轴方向

从图6和图7可以看出，偶极子天线与法向螺旋天线无线传输增益分布为标准的饼状图，即沿Z轴呈现对称分布，靠近Z轴增益值衰减很快。由图8可知，PIFA无线传输增益具有明显的方向性，最大增益平面为过X轴且与Z轴呈14°夹角的平面，同时在YOZ平面沿最大方向两侧分布基本对称。

为了对3种天线无线传输增益以及方向性进行更详细的对比分析，分别提取三者在XOZ平面、YOZ平面以及最大增益平面的增益，如图9～图11所示，图中数值的单位为dB。

(a) XOZ平面

(b) YOZ平面

(c) 最大增益平面

(a) XOZ平面

(b) YOZ平面

(c) 最大增益平面

(a) XOZ平面

(b) YOZ平面

(c) 最大增益平面

从图9和图10可以看出，由于偶极子天线和法向螺旋天线结构的对称性，在XOZ平面信号的增益分布基本均匀，增益由两侧向Z轴逐渐递减。从图11可以看出，PIFA无线传输具有明显的方向性，根据图3(c)中坐标，其最大增益平面为过X轴且与Z轴呈14°夹角的平面，同时在YOZ平面沿最大方向两侧增益分布基本对称。在声表面波温度特征信号无线传输中，当SAW温度传感器分布在最大增益平面时，增益最大。

为了对比3种天线无线传输增益，提取最大增益平面增益分布，如图12所示。为了方便显示增益方向性细节信息，图12中极坐标极轴取值范围缩小至1～3 dB，与图9～图11取值范围不同。从图9～图11可以发现，偶极子天线在最大增益平面各个角度的增益最大且分布均匀，PIFA的增益主要分布在0°～180°，在此范围内增益分布均匀。法向螺旋天线的增益在整个方向上的分布基本均匀，但相对另外2种天线，其增益最小。

图12 最大增益平面对比图

4.2 无线传输带宽

无线传输带宽也是声表面波测温系统的重要参数，分别提取相同中心频率下3种天线的回波损耗参数，如图13所示。

图13 不同传输结构的回波损耗对比

回波损耗越小说明馈线终端越少的能量被反射，天线的阻抗匹配性能越好。3种天线的回波损耗均在433 MHz左右达到最小值，在该频率下有良好的匹配性能。从图13可以看出，PIFA的谐振频率为433 MHz，以-10 dB为标准的带宽为7 MHz。偶极子天线的回波损耗峰值绝对值最小，为-15 dB，小于-10 dB 的带宽约为40 MHz，约为PIFA带宽的6倍。法向螺旋天线尺寸小，回波损耗最小峰值绝对值与偶极子天线相近，小于-10 dB的带宽最小，为3 MHz。

5 结 论

(1) 通过实验结果与有限元模型模拟结果对比，所建立的有限元模型可以有效反映声表面波温度特征信号的无线传输特性。

(2) 基于偶极子天线和法向螺旋天线的温度特征信号无线传输增益呈周向对称分布，无明显方向性；而基于PIFA的温度特征信号无线传输增益具有明显的方向性，最大增益平面过X轴且与Z轴呈14°夹角。相同尺寸等级下，基于偶极子天线的温度特征信号无线传输增益最大。

(3) 基于偶极子天线的温度特征信号无线传输带宽最大，约为40 MHz；基于法向螺旋天线的温度特征信号无线传输带宽最小，仅为3 MHz。