CN101303220A - 电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法 - Google Patents

Abstract

电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法属于自动化检测技术领域，其特征是由传感器内部单片机，单路电容数字转换器，极板之间空间内充满被检测介质冰或空气，并且按固定标尺刻度间距位置排列的一组平行极板检测电容器，各输入端依序与平行极板检测电容器各极板相连接、公共输出端与电容数字转换器信号输入端相连接的双路可编程控制刻度选通电路组成电容值检测回路；由传感器内部单片机，密封在金属导热外壳内的半导体集成数字温度传感器组成温度检测回路，该传感器在冰雨或冰冻条件下可以对悬空输电线，高压输电线固定塔架，建筑物或各种静止或移动设备表面、悬空支架，树枝等的覆冰厚度进行定点连续自动检测。

Description

电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法

技术领域

本发明电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法属于自动化检测技术领域。它是一种在冰雨或冰冻条件下可以对悬空输电线，高压输电线固定塔架，建筑物或各种静止或移动设备表面、悬空支架，树枝等的覆冰厚度进行定点连续自动检测的传感器装置。

背景技术

国内外在冬季冰冻或冻雨条件下对物体表面覆冰层厚度进行定点自动连续检测的传感器装置很少。目前国内外应用的物体表面覆冰生消检测技术可归纳为三种类型，一类是直接测量法，它依靠人工用尺直接测量物体表面覆冰厚度，它的优点是数据可靠，但缺点是自动化程度低，不能保证在同一地点自动定时检测或在多地点同步进行自动化连续检测，当测量高压输电线及其塔架、移动的飞机机翼表面、船舶、钻井架等物体表面覆冰厚度时具有很大的危险性，影响到物体表面覆冰的生消预测预报；第二类是通过摄像装置通过对物体表面覆冰情况进行连续摄像监测并将获得的物体表面覆冰图象视频信号传输到监测中心处理，其优点是适宜于对大面积物体表面覆冰监测，缺点是无法掌握覆冰层结构内部的生消变化过程；第三类方法是通过电磁学、光学等物理探测方法，如超声波、红外探测法等。经查阅资料和检索我们发现的覆冰厚度传感器有：1)2003年，欧洲科学家发明了一种新型冰层传感器，它可以鉴别出飞机等机械表面凝结的厚度在0.1mm以上的冰层。这一由欧盟资助的科研项目由欧洲多国科学家参加。这种主要由钢材料制成的新型传感器内部有一套复杂的光学系统，以及两个或多个半导体薄片。在外部气候条件发生改变的情况下，半导体薄层内的电子移动会随之发生改变。经过与之相配的光学镜像系统进行处理后，这套系统最终能够释放出激光束。通过对激光束的特性进行测量，控制人员就可以精确获知感应器探头上形成的冰层的厚度(欧洲发明新型冰层传感器，传感器世界，2004.1.16)

2)1993年美国科罗拉多州林姆技术有限公司的G·L·斯托拉齐克(申请专利号：93120674)一种用于固体表面冰厚检测的测量系统专利技术，其系统构成及原理为：一个天线，用于放在受到冰和/或水层积累的表面位置，并具有一个谐振频率和含有实数项的输入导纳；与该天线耦合的麦克斯韦电桥装置，用于检测所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项；以及频率扫描装置，用于在接近于所述谐振频的多个频率上驱动天线，其中所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项可以被确定(G.L.斯托拉齐克。对固体材料表面液体和冰层的检测设备与方法，专利申请号：93120674)

3)冰层厚度传感器及其检测方法[申请(专利)号200410012164.2]是利用水，冰，空气电阻值差异进行冰层厚度检测的一种传感器，其特征是由传感器内部检测电源正极经传感器内、外侧壁中间空间内充满的被检测介质，包括水，冰，空气，与按标尺刻度位置排列的传感器每一个金属检测触点，内部刻度译码开关电路，电导识别电路与检测电源负电极组成检测回路，通过串感器内部单片机控制电路按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号依次接通各金属检测触点对应的检测电路进行冰层厚度测量的传感器。

发明内容

本发明电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法目的在于：公开一种基于空气与冰的电容特性差异，结合被检测环境空间温度对物体表面覆冰层厚度进行自动测量的传感器及其检测方法。

本发明电容温度式覆冰厚度传感器，其特征在于是一种基于空气与冰的电容特性差异，结合被检测环境空间温度对物体表面覆冰层厚度进行自动测量的传感器，该传感器由外部安装有悬挂固定钩的半圆柱型金属屏蔽保护外壳1、嵌入在半圆柱型金属屏蔽保护外壳1内部的单片机2、专用集成电路AD7745构成的电容数字转换器3、两片通用集成电路CD4067构成的双路可编程控制刻度选通电路4、按固定间隔标尺刻度排列的平行极板检测电容器5、密封在金属导热外壳6内由专用集成电路DS18B20构成的半导体集成数字温度传感器7、绝缘保温密封添充材料8和接线插座9构成；其中，单片机2采用MSC-51系列及其兼容8位单片机或MSP430系列及其兼容16位单片机构成，双路可编程控制刻度选通电路4各输入端通过导线按相同顺序分别与各平行极板检测电容器5双側的电容极板相连接，其公共输出端通过导线分别与电容数字转换器3信号输入端相连接；暴露于被测空间的各平行极板检测电容器两极片空间充满被检测介质，包括温度、空气或冰，尤其是覆冰。

上述电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法，其特征在于：

I、首先将传感器垂直固定或悬挂在被测物体表面或下方，外部电源通过传感器接线插座9给传感器内部检测电路接通工作电源后，传感器内部单片机2通过固化在内部ROM存储器内的程序经自己的I/O接口，同时向构成双路可编程控制刻度选通电路4的两片CD4067禁止端15脚发送低电平控制信号，然后按照从1到16的BCD码编码顺序同时向两片CD4067的译码选通端10脚、11脚、13脚和14脚发出译码选通控制信号，使两片CD4067的16个输入端也按照从1到16顺序与各自的公共输出端接通，也就是将电容两側极板分别与两片CD4067的16个输入端顺序相联结的各平行极板检测电容器5分别与电容数字转换器3的信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机2，电容数字转换器3，双路可编程控制刻度选通电路4，被接通的平行极板检测电容器5，被接通的平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质形成电容检测回路；

II、由于平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，并且具有较大的差异，电容数字转换器3将所确定状态转换成相应的数字量形式后输出并被单片机2采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机，半导体集成数字温度传感器7构成单总线温度采集电路，按照DS18B20单总线温度数据采集方法说明(www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2812/t/al)，单片机2同步地将被测空间温度数值直接读取并进行判断；

III、、当温度数值低于0℃时，依据由太原理工大学秦建敏等提出的基于空气、冰或水的物理特性差异检测冰层厚度的方法，仪器仪表学报，Vol.28(4)(增刊)：414-419对获取的电容值进行分析计算，确定各平行极板检测电容器极板空间内的被测介质物理属性；

IV、当标尺刻度间距为事先确定好的固定长度值时，根据各平行极板检测电容器5对应的标尺几何位置与电容器极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定传感器表面：

覆冰厚度＝固定长度值x介质为覆冰的平行极板检测电容器个数。

本发明电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法的主要用途及优点：可以在冰雨或冰冻条件下实现对悬空输电线，高压输电线固定塔架，建筑物或各种静止或移动设备表面、悬空支架，树枝等的覆冰厚度进行定点连续自动检测，它可有效地在冬季环境温度不低于-40℃时准确地测量附作在被测物体表面的覆冰层厚度的变化。本发明是基于温度、空气与冰的电容特性差异，结合电子信息处理技术研制出的一种对物体表面覆冰层厚度进行自动测量的传感器传感器装置和一种新的覆冰厚度检测方法。在整个检测过程中，控制信号与电容、温度检测数据都是数字量，具有很强的抗干扰能力，覆冰厚度判断计算方法简单、准确，结构简单成本及安装简便，可以在恶劣环境下实现对物体表面覆冰厚度的连续自动检测。

附图说明

图1电容温度式覆冰厚度传感器结构俯视图

图2电容温度式覆冰厚度传感器结构底视图

图中标号为：

1、半圆柱型金属屏蔽保护外壳

2、单片机

3、电容数字转换器

4、双路可编程控制刻度选通电路

5、平行极板检测电容器

6、金属导热外壳

7、半导体集成数字温度传感器

8、绝缘保温密封添充材料

9、接线插座

具体实施方式：

实施方式1：高压输电线悬浮覆冰厚度的检测：

首先，将附图中所示传感器垂直悬挂并固定在输电线任一部位，通过屏蔽多芯防水电缆将传感器导线连接插座9与固定在输电线塔架上的工作电源和信号发射装置相连。检测时先由传感器内部单片机2按照事先编制的程序，通过自己的I/O接口，按一定编码顺序向双路可编程控制刻度选通电路4发出译码选通控制信号，使双路可编程控制刻度选通电路4按照编码顺序将公共输出端依次接通各输入端，使各平行极板检测电容器5电容两側极板分别与电容数字转换器3的信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机2，电容数字转换器3，双路可编程控制刻度选通电路4，被接通的平行极板检测电容器5，被接通的平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，并且具有较大的差异，这一数值被电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出并被单片机2采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机，半导体集成数字温度传感器7构成单总线温度采集电路，按照DS18B20单总线温度数据采集方法说明(www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2812/t/al)，单片机2可以同步地将被测空间温度数值直接读取并进行判断；当温度数值低于0℃时，依据由太原理工大学秦建敏等提出的基于空气、冰与水的物理特性差异检测冰层厚度的方法(秦建敏等.利用空气、冰与水物理特性差异对冰、水情自动化监测方法的研究[J].仪器仪表学报，Vol.28(4)(增刊)：414-419)对获取的电容值进行分析计算实并与实验室获取的不同介质电容数值进行比较，确定各平行极板检测电容器极板空间内的被测介质物理属性(是空气还是覆冰)，根据各平行极板检测电容器5对应的标尺几何位置与电容器极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定出传感器表面覆冰的厚度，这一数值可以通过固定在输电线塔架上的信号发射装置(如GSM调制解调器或GPRS调制解调器等)发送到数据处理中心进行进一步处理。

实施方式2：高压线塔架悬浮覆冰厚度的检测：

首先，将附图中所示传感器垂直悬挂并固定在高压线塔架任一部位，通过屏蔽多芯防水电缆将传感器导线连接插座9与固定在高压线塔架上的工作电源和信号发射装置相连，检测时先由传感器内部单片机2按照事先编制的程序，通过自己的I/O接口，按一定编码顺序向双路可编程控制刻度选通电路4发出译码选通控制信号，使双路可编程控制刻度选通电路4按照编码顺序将公共输出端依次接通各输入端，使各平行极板检测电容器5电容两側极板分别与电容数字转换器3的信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机2，电容数字转换器3，双路可编程控制刻度选通电路4，被接通的平行极板检测电容器5，被接通的平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，并且具有较大的差异，这一数值被电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出并被单片机2采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机，半导体集成数字温度传感器7构成单总线温度采集电路，按照DS18B20单总线温度数据采集方法说明(www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2812/t/al)，单片机2可以同步地将被测空间温度数值直接读取并进行判断；当温度数值低于0℃时，依据由太原理工大学秦建敏等提出的基于空气、冰与水的物理特性差异检测冰层厚度的方法(秦建敏等.利用空气、冰与水物理特性差异对冰、水情自动化监测方法的研究[J].仪器仪表学报，Vol.28(4)(增刊)：414-419)对获取的电容值进行分析计算实并与实验室获取的不同介质电容数值进行比较，确定各平行极板检测电容器极板空间内的被测介质物理属性(是空气还是覆冰)，根据各平行极板检测电容器5对应的标尺几何位置与电容器极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定出传感器表面覆冰的厚度，这一数值可以通过固定在输电线塔架上的信号发射装置(如GSM调制解调器或GPRS调制解调器等)发送到数据处理中心进行进一步处理。

Claims (1)

1.一种电容温度式覆冰厚度传感器的检测方法，其特征在于，首先将传感器垂直固定在被测物体表面或下方，检测时外部电源通过传感器接线插座(9)给传感器内部检测电路接通工作电源后，传感器内部单片机(2)通过固化在内部ROM存储器内的程序经自己的I/O接口，同时向构成双路可编程控制刻度选通电路(4)的两片CD40671禁止端15脚发送低电平控制信号，然后按照从1到16的BCD码编码顺序同时向两片CD4067的译码选通端10脚、11脚、13脚和14脚发出译码选通控制信号，使两片CD4067的16个输入端也按照从1到16顺序与各自的公共输出端接通，也就是将电容两側极板分别与两片CD4067的16个输入端顺序相联结的各平行极板检测电容器(5)分别与电容数字转换器(3)的信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机(2)，电容数字转换器(3)，双路可编程控制刻度选通电路(4)，被接通的平行极板检测电容器(5)，被接通的平行极板检测电容器(5)极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器(5)极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，并且具有较大的差异，这一数值被电容数字转换器(3)转换成相应的数字量形式后输出并被单片机(2)采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机(2)，半导体集成数字温度传感器(7)构成单总线温度采集电路，按照DS18B20单总线温度数据采集方法说明(www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2812/t/al)，单片机(2)可以将被测空间环境温度数值直接读取并进行判断；当温度数值低于0℃时，依据由太原理工大学秦建敏等提出的基于空气、冰与水的物理特性差异检测冰层厚度的方法，秦建敏等.利用空气、冰与水物理特性差异对冰、水情自动化监测方法的研究[J].仪器仪表学报，Vol.28(4)(增刊)：414-419对获取的电容值进行分析计算实并与实验室获取的不同介质电容数值进行比较，确定各平行极板检测电容器极板空间内的被测介质物理状态属性(是空气还是覆冰)，当标尺刻度间距为事先确定好的固定长度值时，根据各平行极板检测电容器(5)对应的标尺位置与极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定传感器表面：

覆冰厚度＝固定长度值x介质为覆冰的平行极板检测电容器个数。

Images