支持物联网(IoT)的无线传感器系统，其使用附着式和/或嵌入式无源电磁传感器，可以实现过程控制、对配电网络、液体和气体管道的预测性维护以及空气污染物(包括核、化学和生物试剂)的监测技术方案

本发明专利技术主要涉及支持物联网(IoT)的无线传感器系统,其使用附着式和/或嵌入式的带有配电硬件的无源电磁传感器(PES)。本发明专利技术的一个实施例包括无线传感器系统，其允许对公用输配电网进行过程控制和预测性维护。另一个实施例包括无线传感器系统，其允许对通过管道的液体或气体进行过程控制和预测性维护。另一个实施例包括无线传感器系统，其允许测量可呼吸空气污染物。此外，提供一种保护性无源电磁传感器荚体和一种装备配电硬件组件的无源电磁传感器的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】支持物联网(IoT)的无线传感器系统，其使用附着式和/或嵌入式无源电磁传感器，可以实现过程控制、对配电网络、液体和气体管道的预测性维护以及空气污染物(包括核、化学和生物试剂)的监测相关申请的交叉引用本申请要求的权益有：2018年4月10日提交的美国临时申请NO.62/655653；2018年4月10日提交的美国临时申请NO.62/655643；2018年2月5日提交的美国临时申请NO.62/626247；2018年1月31日提交的美国临时申请NO.62/624493；2017年12月8日提交的美国临时申请NO.62/596492；以及2017年11月30日提交的美国临时申请号为NO.62/592652的美国临时申请，以上申请的所有公开内容通过引用完全并入本文，以确保公开的连续性。
本专利技术主要涉及支持物联网(IoT)的无线传感器系统,其使用附着式和/或嵌入式无源电磁传感器(PES)。本专利技术的一个实施例包括无线传感器系统，其允许对公用输配电网进行过程控制和预测性维护。另一个实施例包括无线传感器系统，其允许对通过管道的液体或气体进行过程控制和预测性维护。另一个实施例包括无线传感器系统，其允许测量可呼吸空气污染物。
技术介绍
当前，在公用输配电用钢芯铝绞线(ACSR)导线和变电站中，有许多用于测量电气现象(例如电压、安培数、温度、振荡、挠度和湿度)的解决方案。这些解决方案中的某些方案试图将有源传感器套件附接到载有7500V–256000V电压的通电的ACSR电力线上作为离散传感器项目的一部分，以创建智能电网。这些解决方案不能满足行业需求，因为：a.由于线路工人老化，投资者所有公用事业公司(IOU)和公用事业合作社(UC)没有人力或预算来安装作为在数千英里的输配电ACSR导线上的离散项目的一部分的传感器套件；b.传感器套件难以安装，因为它们重约15磅，并且必须在绝缘的“带电操作杆(hotstick)”上于空中将其提升30英尺或更高，以及当电力线通电时，必须将其附接到高压电力线；c.目前的传感器套件需要电源。这需要IOU和UC在传感器套件的整个生命周期内更换电池，或在安装时连接寄生电源；d.目前的传感器套件不够灵敏，无法测量240伏以下的极低电压，这会因未接地电力线的环境电压而造成安全隐患；e.目前的传感器套件具有活动部分，其限制了它们的使用寿命，从而导致了持续的维护；f.目前的传感器套件价格昂贵，每个所监测的三相点的成本约为6000美元；g.目前的传感器套件限于ACSR导线和变电站组件，以及不能放置在电力线熔断器、变压器、开关、继电器、断路器、母线、电容器、线夹、塔和电线杆、绝缘子、连接器、联轴器、避雷器(surgearrestor)、箍筋、分接头、调节器组或抑制器上；h.目前的传感器套件可能没有中央处理单元来执行计算和软件程序；h.目前的传感器套件不对现象数据进行加密，从而会受到黑客攻击；i.当前的传感器套件没有集成人工智能来创建和改进电网运行状况的正常和异常算法以将公用事业从预防性维护转变为预测性维护；其他解决方案试图使用无源线传阵感器(linesensor)，但是因为它们要求项目人力，而仅能安装到ACSR导线上，却不能安装到其它线路的输配电硬件，所以这些解决方案同样无法满足行业需求，并且不是物联网(IoT)的一部分。还有其他解决方案寻求提供简单廉价的模拟传感器，但是这些解决方案也不能满足行业需求，因为它们没有连接到通信平台，只是使灯闪烁以指示电压状态。本行业希望有一种公用事业无线传感器系统，其传感器不需要电池或寄生电源；其传感器没有活动部件，因此廉价而且可使用几十年；其传感器是现有类型的公用事业输配电硬件设备的组成部分，因此在该设备投入使用后，无需将其作为独立组件安装在高压设备上；其传感器无需单独维护，并且通过封装在保护性荚体(pod)中而免受环境影响，该荚体是其主机的集成制造部件，甚至可能位于主机的封装体内。此外，本行业希望有一种公用事业无线传感器系统，其传感器的安装可以在对公用电网组件进行定期维护、维修或升级期间以最小的人工成本完成。更进一步地，本行业希望有一种公用输配电无线传感器系统，其提供实时的传感器信息，以创建电网的结构正常状况监测器，从而能够采取措施来改善电网正常状况。更进一步地，本行业希望有一种系统，随着时间的推移，其可学习基本状态并识别异常情况，以创建更准确的电网结构正常状况监测器。因此，目前行业内需要一种设备和相关方法，其通过将损伤检测算法与结构监测系统相结合提供了一种自动化系统，用于跟踪公用输配电网的正常和结构状况，并且随着时间的推移可获得智能。同样地，有许多用于测量通过管道的液体和气体流量的解决方案。这些解决方案的一些方案使用通过钻探或破坏管道以插入管道的探针。其他的则使用非供电的无源传感器，其在管道运行后被固定在电力线的外部。然而，这些解决方案不能满足管道运营商的需求，因为：a.由于劳动力的老化，管道运营商没有人力或预算来安装作为在数千英里的，通常是在偏远地区的管道上的离散项目的一部分的传感器套件；b.传感器套件难以安装，因为它们重约30磅，并且必须将其夹在各种直径通常为数英尺的管道上；c.目前的传感器套件要求电源。这要求管道运营商必须在传感器套件的整个生命周期更换电池，或者在安装时连接寄生电源；d.目前的传感器套件具有活动部分，其限制了它们的使用寿命，从而导致了持续的维护；e.目前的传感器套件价格昂贵，每个所监测的节点的成本约为35000美元；f.目前的传感器套件仅限于管道，不能与阀或泵一起使用；g.目前的传感器套件可能没有中央处理单元来执行计算和软件程序；h.目前的传感器套件不对数据进行加密，从而会受到黑客攻击；i.当前的传感器套件没有集成人工智能来创建和改进电网运行状况的正常和异常数据库以将公用事业从预防性维护转变为预测性维护。本行业希望有一种公用事业无线传感器系统，其传感器不需要电池或寄生电源；其传感器没有活动部件，因此廉价而且可使用几十年；其传感器是现有类型的管道硬件设备的组成部分；其传感器无需单独维护，并且通过封装在保护性荚体中而免受环境影响，该荚体是其主机管道硬件的集成制造部件，甚至可能位于主机的封装体内。此外，本行业希望有一种公用事业无线传感器系统，其传感器的安装可以在对管道组件进行定期维护、维修或升级期间以最小的外加人工成本完成。更进一步地，本行业希望有一种管道无线传感器系统，其提供实时的传感器信息，以创建管道的结构正常状况监测器，从而能够采取措施来改善管道正常和安全状况。更进一步地，本行业希望有一种系统，随着时间的推移，其可学习基本状态并改进，以创建更准确的管道结构正常状况监测器。因此，目前行业内需要一种设备和相关方法，其通过结合带有结构监测系统的损伤探测算法提供了一种自动化系统，用于跟踪管道的正常和结构状况，并且随着时间的推移可获得智能。同样地，有许多测量空气污染物的解决方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无线传感器系统，包括/na.至少一个无源电磁传感器；/nb.至少一个电磁控制器通信器；/nc.至少一个用户分布式计算资源；/nd.至少一个具有人工智能装置的超级计算机；以及/ne.至少一个用户计算机。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171130 US 62/592,652;20171208 US 62/596,492;20181.无线传感器系统，包括
a.至少一个无源电磁传感器；
b.至少一个电磁控制器通信器；
c.至少一个用户分布式计算资源；
d.至少一个具有人工智能装置的超级计算机；以及
e.至少一个用户计算机。


2.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器附接到配电硬件的组件。


3.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器嵌入到配电硬件的组件。


4.根据权利要求2所述的无线传感器系统，其中配电硬件的所述组件由选自以下的电网输送组件组成：ACSR导线、熔断器、变压器、开关、继电器、断路器、母线、电容器、线夹、塔和电线杆、绝缘子、连接器、联轴器、避雷器、箍筋、分接头、调节器组、抑制器和路灯罩。


5.根据权利要求2所述的无线传感器系统，其中配电硬件的所述组件由选自以下的市政照明硬件的组件组成：灯罩、电线杆以及建筑物的建筑组件，例如墙壁、门和窗户。


6.根据权利要求2所述的无线传感器系统，其中配电硬件的所述组件由选自以下的管道硬件组件的组件组成：管、阀和储存容器。


7.根据权利要求3所述的无线传感器系统，其中配电硬件的所述组件由选自以下的电网输送组件组成：ASWR导线、熔断器、变压器、开关、继电器、断路器、母线、电容器、线夹、塔和电线杆、绝缘子、连接器、联轴器、避雷器、箍筋、分接头、调节器组、抑制器和路灯罩。


8.根据权利要求3所述的无线传感器系统，其中所述配电硬件组件由选自以下的市政照明硬件的组件组成：灯罩、电线杆以及建筑物的建筑组件，例如墙壁、门和窗户。


9.根据权利要求3所述的无线传感器系统，其中配电硬件的所述组件由选自以下的管道硬件组件的组件组成：管、阀和储存容器。


10.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器还由无源声波传感器组成。


11.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器还由无源微处理器组成。


12.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器是刚性的。


13.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器是是柔性的。


14.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器是封装在特制玻璃荚体中。


15.根据权利要求14所述的无线传感器系统，其中所述特制玻璃荚体呈弧形。


16.根据权利要求14所述的无线传感器系统，其中所述特制玻璃荚体由碱性铝硅酸盐玻璃组成。


17.根据权利要求14所述的无线传感器系统，其中所述特制玻璃荚体在内侧涂有非导电材料。


18.根据权利要求17所述的无线传感器系统，其中所述非导电材料为硅树脂。


19.根据权利要求10所述的无线传感器系统，其中所述无源声波传感器由以下组成：
a.柔性压电聚合物基板；
b.至少一个叉指换能器；以及
c.由薄膜、阻挡层、栅门和光栅组成的延迟间隙测试装置。


20.根据权利要求11所述的无线传感器系统，其中所述无源微处理器由以下组成：
a.天线；
b.解调器；
c.至少一个电磁功率采集器；
d.电压控制器；
e.中央处理单元；以及
f.调制器。


21.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器测量选自以下的现象：电压、电流、温度、压力、湿度、振荡、挠度、分子流速、降雨、空气污染物、化学试剂、生物试剂、核试剂、化学浓度、化学组合物或颗粒物。


22.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述电磁控制器通信器由以下组成：
a.电磁射频(RF)天线；
b.编码器；
c.射频(RF)收发器；
d.射频(RF)接收器；
e.解码器；
f.CPU；
g.数据储存设备；
h.电池；
i.全球定位系统设备；
j.蜂窝通信设备；以及
k.算法和程序逻辑装置。


23.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述用户分布式计算资源由输入设备故障、容量减少和其他异常状况的维护记录，接收传感器的信息、警报、机器对机器的指令、公用电网正常状况图以及处理查询的方法组成。


24.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述人工智能装置由表现出的例如学习、演示、解释、创建关联和向用户提供建议的智能行为，创建传感器数据与设备故障、容量减少、本地和区域间振荡以及其它异常状况之间的关联，以及利用这些新发现的关联来创建异常情况的算法，并将这些算法发送给ECC的装置组成。


25.根据权利要求1所述的无线传感器系统，其中所述无源电磁传感器还由唯一标识、频率和主机硬件类别标识组成。


26.一种实现过程控制和预测性维护的方法，其包括以下步骤：
a.安装至少一个无源电磁传感器作为配电硬件的组件；
b.在与所述无源电磁传感器物理隔离开的位置安装至少一个电磁控制器通信器；
c.通过接收来自所述电磁控制器通信器的射频脉冲来激活所述无源电磁传感器；
d.由此，所述无源电磁传感器收集电磁脉冲并将所述电磁脉冲转换成声波；
e.修正所述声波以基于要测量的现象创建修正的波形形态；
f.将所述修正的波形形态由所述无源电磁传感器传输到所述电磁控制器通信器，从而所述电子控制器通信器将所述修正的波形形态计算为现象测量值，其生成现象测量信息、警报、指令以及测绘信息数据；
g.通过所述电子控制器通信器的蜂窝通信装置将所述数据传输到超级计算机，从而所述超级计算器将所述数据组合成综合的过程控制和预测模型；
h.将所述过程控制和所述预测模型传输到至少一个用户计算机。

【专利技术属性】
技术研发人员：M·穆诺斯，
申请(专利权)人：M·穆诺斯，
类型：发明
国别省市：美国;US