CN105846379B

CN105846379B - 一种超声波高压线除冰装置

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Publication number: CN105846379B
Application number: CN201610227631.6A
Authority: CN
Inventors: 张光斌; 刘长鑫; 张小凤
Original assignee: Shaanxi Normal University
Current assignee: Shaanxi Normal University
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2036-04-13
Also published as: CN105846379A

Abstract

本发明属于高压线使用维护技术领域，具体涉及一种超声波高压线除冰装置，包括以超声波换能器为核心的除冰震动体，超声波换能器包括压电陶瓷，环绕于圆筒内壁上的震动体内衬；超声波换能器左右各设一个，均封装于圆筒中，且固定于除冰装置的悬挂组件上；高压线除冰装置还设有驱动电机，驱动电机与设置于驱动电机下方的电子仓相连接，为驱动电机提供动力；同时该除冰装置还设有悬挂轮，卡在高压线上，方便整个除冰装置进行移动；此外，除冰装置前端设有除冰盾，在装置行进中可以除掉挂在高压线上的大型冰块，进而为后续高压线上碎冰的清除提供方便；该发明，具有可行性好、工作效率高的优点，具有良好的应用前景及市场价值。

Description

一种超声波高压线除冰装置

技术领域

本发明属于高压线使用维护技术领域，具体涉及一种超声波高压线除冰装置。

背景技术

随着国家经济和社会建设的快速发展，国家电网所覆盖的地域越来越大，高压线的建设越来越多，在为各地供电提供方便的同时，也带来了一个很大的问题，就是在高压电线在恶劣环境中结冰后的处理存在着缺陷，这也成为电网构建中一个亟待解决的问题。高压电线的除冰维护是保证电网正常工作，生产有序执行的重要保障，只有利用最安全有效的方法解决这一问题，才能为国家电力及其他行业的发展提供有力保障。

现有的高压线除冰大多是采用机械或者人力方式：通过电路工人在高压线上用铁锤、拉杆、木棒敲打使高压线上的冰块坠落，这种方式存在着效率低下，且极不安全等缺点；现阶段对于高压线除冰领域所提出的方法有以下几种：1、在高压线上通电，将冰融化，此方法危险性大，可实现性不高；2、通过机械装置，让硬质金属管贴附于电线表面，进行除冰，此方法虽然能达到除冰的目的，但是工作效率不高，装置较容易在恶劣环境中出现问题，同时，硬质金属容易损伤高压线，故不能作为除冰的最佳方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有除冰方法存在的危险性大、工作效率低、可实现性低的问题。

为此，本发明提供了一种超声波高压线除冰装置，包括装置本体，安装于所述装置本体顶部的悬挂组件；其中，所述装置本体的内部设有除冰震动体，所述除冰震动体包括左除冰震动体、右除冰震动体，所述左除冰震动体与右除冰震动体之间还设有除冰运动装置；所述除冰运动装置由驱动电机和设于驱动电机下方的电池仓组成；所述装置本体上还设置有除冰盾；所述左除冰震动体、右除冰震动体内部均安装有超声波换能器，且所述除冰震动体的下方均设置有电子仓，所述电子仓中设有与超声波换能器相连的超声波发生装置。

上述一种超声波高压线除冰装置，所述悬挂组件还包括悬挂梁、悬挂轮、上安装面、下安装面；所述左除冰震动体、右除冰震动体、驱动电机并行排列于所述上安装面和下安装面之间；所述驱动电机的转轴与悬挂轮通过传送皮带相连；所述上安装面和下安装面之间还设有起支撑作用的驱动电机支架。

上述一种超声波高压线除冰装置，所述除冰震动体包括有震动体前端、震动体正极和震动体负极。

上述一种超声波高压线除冰装置，所述除冰震动体内部的超声波换能器包括圆筒，设置于所述圆筒内部的震动体模块及导线，设置于所述圆筒内壁的震动体内衬。

上述一种超声波高压线除冰装置，所述震动体模块为压电陶瓷。

上述一种超声波高压线除冰装置，所述超声波换能器的上端设有震动头。

上述一种超声波高压线除冰装置，所述除冰盾选用钢材质制成。

上述一种超声波高压线除冰装置中超声波的产生方法，具体包括如下步骤：

步骤一、振荡电路产生高频三角波，控制所述三角波的频率在150KHz左右；

步骤二、利用DDS的方式产生正弦波，通过前置放大器将步骤一得到的信号放大至需要的幅值；

步骤三、将步骤一中的高频三角波与步骤二中的正弦波通过比较器的比较，得到PWM波；

步骤四、步骤三中的PWM波经过移相、倒相电路，产生相位相反的两个PWM波，推动全桥电路并将其整形，最终生成正弦波即需要的超声波。

上述一种超声波高压线除冰装置中超声波的产生方法，所述步骤一中的高频三角波的频率范围为100KHz至200KHz，本装置中选用的高频三角波的频率范围为150KHz，保证该装置在左右方向上有可观的可调范围。

本发明的有益效果：本发明提供的这种超声波高压线除冰装置及其超声波的产生方法，利用超声波换能器进行高压线除冰，通过超声波高频率的特点，实现了在短时间内将高压线上的残冰处理干净的目的；同时，超声波除冰装置在具备所需的条件后能够高效稳定的工作，进一步提升了高压线除冰的效率；因此，该超声波高压线除冰装置，具有噪音小、能耗低等优点，值得推广和应用。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明一种超声波高压线除冰装置的剖面示意图。

图2是本发明一种超声波高压线除冰装置的结构示意图。

图3是本发明一种超声波高压线除冰装置的悬挂组件的结构示意图。

图4 是本发明一种超声波高压线除冰装置的除冰震动体的结构示意图。

图5是本发明一种超声波高压线除冰装置中超声波的产生方法中AT89S52部分的电路示意图。

图6是本发明一种超声波高压线除冰装置中超声波的产生方法中AD9851部分的电路示意图。

图7是本发明一种超声波高压线除冰装置中超声波产生方法中AT89S52与AD9851模块的连接示意图。

图8是本发明一种超声波高压线除冰装置中超声波产生方法中超声波调整和放大模块的电路示意图。

附图标记说明：1、悬挂组件；2、高压线；3、除冰震动体；4、电子仓；5、驱动电机；6、电池仓；7、除冰盾；101、悬挂梁；102、悬挂轮；103、上安装面；104、驱动电机支架；105、下安装面；301、震动体前端；302、震动头；303、除冰震动体壁；304、震动体内衬；305、震动体模块；306、震动体正极；307、震动体负极。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

结合图1、图2所示，一种超声波高压线除冰装置的结构图，包括装置本体，安装于装置本体顶部的悬挂组件1；其中，装置本体的内部设有除冰震动体3，除冰震动体3包括左除冰震动体、右除冰震动体，左除冰震动体与右除冰震动体之间还设有除冰运动装置；除冰运动装置由驱动电机5和设于驱动电机5下方的电池仓6组成；装置本体上还设置有除冰盾7，除冰盾7选用钢材质制成；左除冰震动体、右除冰震动体内部均安装有超声波换能器，且除冰震动体3的下方均设置有电子仓4，电子仓4中设有与超声波换能器相连的超声波发生装置。

如图3所示，一种超声波高压线除冰装置的悬挂组件的结构示意图，悬挂组件1包括悬挂梁101、悬挂轮102、上安装面103、下安装面105；左除冰震动体、右除冰震动体、驱动电机5并行排列于上安装面103和下安装面105之间；驱动电机5的转轴与悬挂轮102通过传送皮带相连，从而驱动整个超声波高压线除冰装置向前或向后运动；上安装面103和下安装面105之间还设有起支撑作用的驱动电机支架104；同时，悬挂组件1通过悬挂梁101和悬挂轮102将整个除冰装置卡到高压线2上。

如图4所示，一种超声波高压线除冰装置的除冰震动体的结构示意图，除冰震动体3包括震动体前端301、除冰震动体壁303、震动体正极306、震动体负极307及超声波换能器，除冰震动体3的震动体前端301通过上安装面103的圆孔将高压线2卡在悬挂轮102上；其中，超声波换能器包括圆筒，安装于圆筒内部的震动体模块305及导线，设置于圆筒内壁的震动体内衬304；震动体模块305为压电陶瓷；超声波换能器中导线的正负极与超声波发生装置相连，且超声波换能器的上端还设有震动头302。

实施例2：

在实施例1的基础上，该除冰装置中超声波可通过如下方法产生：

步骤一、振荡电路产生高频三角波，频率在150KHz左右的可调范围内；

步骤三、将所述高频三角波与所述正弦波通过比较器的比较，得到PWM波；

步骤四、所述PWM波经过移相、倒相电路，产生相位相反的两个PWM波，推动全桥电路并将其整形，最终生成正弦波即需要的超声波。

其中，步骤二中利用DDS产生正弦波的电路图如图4所示，发明中要用到的正弦波必须具备可调性高，稳定等特点，常规的振荡电路无法满足这种要求，故本发明中拟采用该方式产生正弦波：首先，利用AD9851与单片机的AT89S52连接，最后整个装置与LCD相连，起到了控制并显示电路输出的功能，给该正弦波的产生装置加上合适的电压，该装置会自动产生所需正弦波。

所述利用DDS产生正弦波电路中的单片机模块（AT89S52）如图5所示，首先，AT89S52的复位电路是一个允许自动复位和手动复位两种方式的电路，该部分电路主要是由按键，上拉电容和一个下拉电阻构成，上拉电容的值选择在10uf，保证其在电路上电时实现复位，同时按键与100K的下拉电阻保证了能够实现手动按键复位。

AT89S52的时钟电路如图5所示，XTAL1和XTAL2与外部电路构成了整个时钟电路，有控制电路时钟信号的功能，我们在此处使用晶体震荡，上下两个电容值取50uf，以保证得到的时钟信号与单片机的工作状态相协调，晶体震荡频率取11.0592MHZ，同时可以根据实际的状况进行适当调整。

AT89S52芯片的p2.0-p2.3分别与键盘S1-S4相连接，在单片机工作时会扫描外部键盘有无按键按下，得到的信息通过四个接口传入单片机内部，然后进行一系列的后续处理。

AT89S52与LCD的连接如图5所示，AT89S52的p0.0-p0.7分别与Header16的接口7-14相连接，而Header16的接口3所连接的电路是一个电阻值为10K的滑动变阻器，其主要作用是用来调节LCD的初始显示，同时Header16的接口1与接口16接地，接口2和接口15与5V的电源相连接，最终整个结构构成了我们最终用来作为显示的LCD模块，该模块后续工作中主要是用来显示和控制。

所述步骤二中利用DDS产生正弦波电路的AD9851芯片模块的电路连接如图6所示，该系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加，所得输出的正弦波周期To=Tc*2^N/M，频率fo=M*fc/2^N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。其中，大多数DDS系统中，N的范围通常为24至32；数字M代表相位累加器每个时钟周期增加的数量。AD9851采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流；DAC通过一个外接电阻RSET调节，调节关系为ISET=32(1.148V/RSET)，RSET的典型值是3.9kΩ。在125MHz的时钟下，32位的频率控制字可使AD9851的输出频率分辨率达0.0291Hz；我们最终可以通过程序控制产生所需要的正弦波。

在该AD9851芯片模块中包含了AD9851的各个引脚的连接，和一个控制REFCLK引脚的电路，以及一个最终输出正弦波后的滤波网络和一个放大电路，其中，该REFCLK控制电路是由一个三端稳压模块7805来实现电压的稳定，以保证输入进入芯片的电压不会因为跳变太大毁坏芯片或者使整个芯片的工作出现异常。

在该模块中我们通过阅读芯片使用手册了解各引脚的规定及使用方法，对引脚进行了接地或者接入电源处理，其在整个电路中具体的连接方式如图6所示。

最后在AD9851模块中，通过与前面单片机以及LCD的连接后会产生所需要的正弦波，但是此时所产生的正弦波频率和幅度都不能达到我们所要求的范围，所以我们在其后面加上了一个低通滤波器，其具体连接方式如图6所示，整个低通滤波器我们采用的是椭圆形结构，首先在前端设置大电阻和电容的并联模式，如图6中R₂，R₃，C₂，在经过两个并联LC网络，将多余的频率滤除掉，我们所选用的电感值为100MH，电容值在22pf到32pf，可以根据所需要的实际情况做一个调整，在经过两个串联RC电路滤除掉同频率的其他形式的波形，最终只留下正弦波，最后我们通过一个三极管和其附带的电路给所得到的正弦波实现幅度上的放大，经过一系列处理我们可以通过一个接线端子将得到的正弦波输出，该接线端子即为图6中所示的Header2。

图7所示为AT89S52与AD8951的连接示意图，AT89S52的p1.0-p1.6分别与AD8951的D1-D6相连接，是数据的传输端口，并且AT89S52与AD9851的RST的端口相连接保证了使能的正常，最后我们可以实现两段相连接，构成了整个的DDS电路系统。

步骤三、将所述高频三角波与所述正弦波通过比较器的比较，得到PWM波的电路连接如图8所示，整个过程分为三个步骤：

3.1：将步骤二中所得的正弦波进行进一步放大。

3.2：将放大后的正弦波和步骤一中的高频三角波进行比较得到PWM波。

3.3：PWM波经过倒相分解为两个相位完全相反的PWM波。

3.4：将两个相位完全相反的PWM波形送入桥型电路中，最后还原出最终我们要的正弦波。

在步骤三中的3.1步骤中，通过一个前置放大电路将前面得到的正弦波放大到一定幅度，满足可以与步骤一中的高频三角波相比较即可。首先在放大之前我们先通过一个小的滤波电路将正弦波在导线传输过程中的多余频率滤除掉，然后我们经过一个相互对称的MOS型管进行初步的调整，然后经过一个放大器，这样操作我们可以保证放大的倍数能够在我们的控制下，其中我们所使用的电阻，电容的数值可在图中显所示，我们可以根据不同的要求更正电路中的数值。

步骤三中的3.2、3.3步骤中，通过一个比较器进行了比较，然后通过一个非门将所得的PWM波分为两个完全反相的PWM波，其具体连接方式如图8所示。

步骤三中的3.4通过桥型电路整形的电路连接如图8所示，我们将上一步的两个PWM波分别输入进Q₁，Q₃、Q₂，Q₄，同时，我们在桥型电路中间加上了两个10MH，100PF的LC和一个阻值为1K的电阻，目的是滤除在最后这一个阶段的杂波，保证最后输入进除冰设备的超声波的效率最高，经过桥型电路对于高频三角波和正弦波比较而成的PWM波的整形，最终我们可以将PWM波完全恢复成正弦波，输入进除冰装置，最终满足我们所要求的适用范围。

如上所述，我们得到推动装置运转的超声波之后，我们可以将此超声波出入进除冰装置进行除冰工作，所述除冰装置的结构和具体工作方式如下：

该超声波高压线除冰装置，工作过程简述如下：通过超声波发生装置

产生超声波，并将其与该除冰装置相连接；超声波经过超声波换能器将其装换为机械能，以机械振动的形式传到该除冰装置的震动头302中；该除冰装置在高压线2上前进除去大型冰块的同时，震动头302通过震动挤压高压线2除去覆盖在高压线2上的碎冰，达到对高压线2上进行除冰的目的。详细的工作过程如下：外部的高频正弦波通过除冰震动体3中的震动体正极306和震动体负极307导入到超声波换能装置中，然后导入的电信号通过导线加到左、右两个由导线相互连接震动体内衬304上，随后超声波换能器中的震动体模块305（即压电陶瓷）接收电信号，由于压电陶瓷的压电效应，将加在上面的高频电能转换为机械能，并由震动头302以机械振动的形式传送到除冰震动体3的震动体前端301，由于震动体前端301通过上安装面103的圆孔将高压线2压在悬挂轮上，故震动体前端301的抖动能去除高压线2上的碎冰。该超声波换能器的工作部分，由钢材质的震动体壁303密封保护，并由除冰震动体3的螺栓紧旋在上安装面103及下安装面105上。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种超声波高压线除冰装置，包括装置本体，安装于所述装置本体顶部的悬挂组件(1)；其特征在于：所述装置本体的内部设有除冰震动体(3)，所述除冰震动体(3)包括左除冰震动体、右除冰震动体，所述左除冰震动体与右除冰震动体之间还设有除冰运动装置；所述除冰运动装置由驱动电机(5)和设于驱动电机(5)下方的电池仓(6)组成；所述装置本体上还设置有除冰盾(7)；所述左除冰震动体、右除冰震动体内部均安装有超声波换能器，且所述除冰震动体(3)的下方均设置有电子仓(4)，所述电子仓(4)中设有与超声波换能器相连的超声波发生装置；所述悬挂组件(1)还包括悬挂梁(101)、悬挂轮(102)、上安装面(103)、下安装面(105)；所述左除冰震动体、右除冰震动体、驱动电机(5)并行排列于所述上安装面(103)和下安装面(105)之间；所述驱动电机(5)的转轴与悬挂轮(102)通过传送皮带相连；所述上安装面(103)和下安装面(105)之间还设有起支撑作用的驱动电机支架(104)；所述除冰震动体(3)包括有震动体前端(301)、震动体正极(306)和震动体负极(307)；

除冰震动体(3)的震动体前端(301)通过上安装面(103)的圆孔将高压线(2)卡在悬挂轮(102)上。

2.根据权利要求1所述的一种超声波高压线除冰装置，其特征在于：所述除冰震动体(3)内部的超声波换能器包括圆筒，设置于所述圆筒内部的震动体模块(305)及导线，设置于所述圆筒内壁的震动体内衬(304)。

3.根据权利要求2所述的一种超声波高压线除冰装置，其特征在于：所述震动体模块(305)为压电陶瓷。

4.根据权利要求2所述的一种超声波高压线除冰装置，其特征在于：所述超声波换能器的上端设有震动头(302)。

5.根据权利要求1所述的一种超声波高压线除冰装置，其特征在于：所述除冰盾(7)选用钢材质制成。