CN108806179A - 一种杆塔倾斜震动的监测报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆塔倾斜震动的监测报警装置，包括监控模块、保护罩、固定机构；在保护罩内设置有监控模块；保护罩通过固定机构固定在杆塔上；其中监控模块由微控制器、ADC转换电路、加速度传感器、震动传感器、报警模块、电源模块、GSM无线模块、Flash存储器、液晶模块组成。本发明能实时监控杆塔倾斜角度的变化以及施工时震动量级的变化，并发出警报信息，从而降低安全事故。

Description

一种杆塔倾斜震动的监测报警装置

技术领域

本发明涉及一种杆塔倾斜震动的监测报警装置，属于输电线路设备维护领域。

背景技术

电力必须通过电网输送，因此输电线路非常重要。由于我国地理分布广泛，地址条件复杂多样，当输电线路经过煤炭开采区、软土质地区、山坡带、河床地带等特殊地带时，在自然条件的作用下，杆塔基础时常会发生滑移、倾斜、沉降、开裂等现象，从而引起杆塔的变形或倾斜，影响输电线路的正常运行。而杆塔倾斜作为造成倒塔、断线、跳闸等灾害的罪魁祸首，一旦发生，造成的经济损失将难以估计。

所以，如何迅速确定电力杆塔倾斜或者塌陷以及提前预警就有着重大意义和必要性。

目前国外多采用激光或者远红外方式对电力杆塔进行实时监测，其优点是精度高，缺点是单杆塔设装置点多，而又对装置单设电力线供电，并且测量精度时常受气候条件(雾、雨)等影响。

国内多采用人工巡检或巡测，通过人工巡视的方式来目测是否出现杆塔被损毁的情况，这种目测的方式缺点是巡检周期长、精度低，无法在早期发现杆塔是否产生了倾斜，特别是偏远山区或森林地带，对于电力杆塔缓慢倾斜或塌陷不能及时发现和处理。同时，这种人工巡视的方式易受到天气情况的影响导致实时性差。

目前资料也披露了监测杆塔倾斜状态的装置，如国网山东省电力公司枣庄供电公司申报的专利“一种铁塔倾斜报警器”，其主要由二极管、太阳能板、芯片、三极管和水银开关构成，其中水银开关、单向晶闸管、两个电阻构成触发电路，芯片、芯片和继电器等元件构成报警电路。铁塔正常情况下水银开关内部处于断开状态，电路不得电，报警器不工作，当铁塔倾斜时，水银开关导通，单向晶闸管导通，芯片及其外围元件组成的多谐振荡器开始震荡，三极管导通，继电器被触发，其触点吸合，喇叭发出近距离的报警声，同时无线发射机采用的无线数据通信模块可向手机、电脑等设备发送GPRS和短信等多种无线信号，通知远距离的维修人员及时处理。但是该技术存在着以下不足：

1)不能实现任意倾斜角度的监测，监测有死角；

2)灵敏度较差，由于水银开关需要倾斜一定角度才能转换，因此，小角度倾斜情况下，水银开关无法转换，报警器无法工作；

3)水银开关不适宜在低温条件下工作，冬天气温低时，报警器无法正常工作。

此外，施工人员在杆塔上施工操作时，经常会因为剧烈的施工操作，导致杆塔倾斜，而施工人员浑然不知，杆塔倾斜到一定角度时，会导致杆塔坍塌，造成安全事故，危及施工人员生命。如何及时掌握杆塔的倾斜角度刻不容缓。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种杆塔倾斜震动的监测报警装置，以期能实时监控杆塔倾斜角度的变化以及施工时震动量级的变化，并发出警报信息，从而降低安全事故。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种杆塔倾斜震动的监测报警装置的特点包括：监控模块、保护罩和固定机构；

在所述保护罩内设置有所述监控模块；所述保护罩通过所述固定机构固定在杆塔上；

所述监控模块由微控制器、ADC转换电路、加速度传感器、震动传感器、报警模块、电源模块、GSM无线模块、Flash存储器和液晶模块组成；

所述加速度传感器为三轴加速度传感器，用于采集杆塔的倾斜角度信息并传递给所述ADC转换电路；

所述震动传感器采集杆塔的震动信息后传递给所述ADC转换电路；

所述ADC转换电路将倾斜角度信息和震动信息分别转换为倾斜角度信号和震动信号后传递给所述微控制器；

所述微控制器利用所述Flash存储器存储所述加速度传感器和震动传感器发送信号，并对倾斜角度信号进行角度计算，得到综合倾斜角度后，与角度倾斜量阈值进行比较，若超出角度倾斜量阈值，则启动报警模块进行声光混合模式报警；

所述微控制器同时将震动信号与震动量级阈值进行比较，若超出震动量级阈值，则启动报警模块进行声光混合模式报警；

所述微控制器利用所述GSM无线模块将杆塔的相关采集信息和报警信息发送给监控中心；

所述微控制器利用所述液晶模块显示杆塔的相关采集信息和报警信息；

所述电源模块包括太阳能电池和可充电式锂电池，用于为所述微控制器提供电能。

本发明所述的杆塔倾斜震动的监测报警装置的特点也在于：所述监测报警装置包括状态监测代理模块CMA；

所述状态监测代理模块CMA对若干个监测报警装置获取的采集信息和报警信息进行缓存并集中传输给监控中心。

所述监控模块的微控制器将报警信息分为三个等级，分别为0级、1级和2级；

0级对应着综合倾斜角度不大于阈值且震动信号不大于阈值，或者综合倾斜角度不大于角度倾斜量阈值但震动信号大于震动量级阈值；

1级对应着综合倾斜角度大于角度倾斜量阈值但震动信号不大于震动量级阈值；

2级对应着综合倾斜角度大于角度倾斜量阈值且震动信号大于震动量级阈值。

所述报警模块中的LED爆闪灯具有0.5秒闪烁频率和0.1秒闪烁频率两种状态；所述0.5秒闪烁频率用于提示1级的报警信息，所述0.1秒闪烁频率用于提示2级的报警信息。

所述保护罩包括壳体、上盖、侧板和下盖；

所述壳体为塑料材质，且内部具有空腔，用以容纳所述监控模块；所述侧板为透明钢化玻璃材质，并与壳体一侧通过螺钉进行固定后四周用密封胶密封；

所述壳体在放置侧板的两侧具有两个中空的把手；

所述上盖为透明钢化玻璃材质，并与壳体上端的空槽通过螺钉固定后四周用密封胶固定；

所述下盖为一薄板状结构，并均匀排布有通孔，所述下盖两侧通过螺钉与壳体下端的凹槽内的侧孔固定连接。

所述固定机构包括帆布带、钢丝绳和钢扣；

所述钢丝绳均匀缝制于帆布带内，所述钢扣安置在帆布带的一端，固定机构穿过壳体外侧的两个把手，并穿过钢扣固定，从而形成内置监控模块的保护罩在杆塔上的固定结构。

所述固定机构的帆布带上还包括双面魔术贴，且所述双面魔术贴的位置可调。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

1、本发明采用加速度传感器和震动传感器双因素监测，可实时监测杆塔的角度变化以及施工操作时震动量级的变化，当杆塔的角度倾斜或者施工震动量级达到危险阈值时，可发出不同的报警等级，报警模块采用LED爆闪灯和蜂鸣器，随时提醒操作人员采取相应的措施，避免了虚警和漏警；

2、本发明设置GSM无线模块和状态监测代理模块CMA，具有灵敏度高，不受环境影响的优点，杆塔信息可远程传递到监控中心，监控中心可以及时对收集杆塔信息进行处理，并安排人员处理安全隐患；

3、本发明固定机构采用钢扣和双面魔术贴的设置，可以将报警装置方便的固定在杆塔任意位置，安装方便，且内嵌钢丝绳，使用年限较久。

4、本发明保护罩的设置，可使得监控模块在风雪雨天等恶劣环境下正常工作，且有利于监控模块拆装和散热，且不受自然环境和外界气候影响。

附图说明

图1为本发明一种杆塔倾斜监测报警装置装配后的结构示意图；

图2为本发明监控模块组成及工作原理框图；

图3为本发明保护罩结构组成图；

图4为本发明固定机构的结构示意图；

图5为本发明状态监测代理CMA与各报警装置之间的关系图。

图中标号：1—监控模块、2—保护罩、2-1—壳体、2-2—上盖、2-3—侧板、2-4—下盖、3—固定机构、3-1—帆布带、3-2—钢丝绳、3-3—钢扣、3-4—双面魔术贴。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种杆塔倾斜震动的监测报警装置包括：监控模块1、保护罩2和固定机构3；

在保护罩2内设置有监控模块1；保护罩2通过固定机构3固定在杆塔上；

如图2所示，监控模块1由微控制器、ADC转换电路、加速度传感器、震动传感器、报警模块、电源模块、GSM无线模块、Flash存储器和液晶模块组成；其中微控制器采用基于ARMCotex-M3核的STM32F107互联型微控制器，它拥有64KSRAM、256KFLASH、以太网MAC等丰富的存储器及外设资源；

加速度传感器和震动传感器均采用基于3D微机电系统的传感器芯片，其中，加速度传感器为三轴加速度传感器，对上下、左右、前后的倾斜角度进行测量，即采集杆塔的倾斜角度信息并传递给ADC转换电路；

震动传感器采集杆塔的震动信息后传递给ADC转换电路；

ADC转换电路将主要是将倾斜角度信息和震动信息的电压变换信号分别转换为倾斜角度信号和震动信号的数字信号后传递给微控制器；用于与加速度传感器3和震动传感器设定的值进行比对，确定是否超过阈值；

微控制器利用Flash存储器存储加速度传感器和震动传感器发送信号，方便后期异常的跟踪；并对倾斜角度信号进行角度计算，得到综合倾斜角度后，与角度倾斜量阈值进行比较，若超出角度倾斜量阈值，则启动报警模块进行声光混合模式报警；

微控制器同时将震动信号与震动量级阈值进行比较，若超出震动量级阈值，则启动报警模块进行声光混合模式报警；

具体实施中，报警模块包括LED爆闪灯和蜂鸣器，可发出灯光闪烁和声音报警，其中，LED爆闪灯具有0.5秒闪烁频率和0.1秒闪烁频率两种状态；如此设置，可在不同的报警等级发出不同的闪烁频率。且微控制器将报警信息分为三个等级，分别为0级、1级和2级；

0级对应着综合倾斜角度不大于阈值且震动信号不大于阈值，或者综合倾斜角度不大于角度倾斜量阈值但震动信号大于震动量级阈值；

1级对应着综合倾斜角度大于角度倾斜量阈值但震动信号不大于震动量级阈值；

2级对应着综合倾斜角度大于角度倾斜量阈值且震动信号大于震动量级阈值；

0.5秒闪烁频率用于提示1级的报警信息，0.1秒闪烁频率用于提示2级的报警信息。如此设置，监控中心可根据预设的等级发出相应的应对措施，是一切正常，还是停止施工，还是立即维修。

微控制器利用GSM无线模块将杆塔的相关采集信息和报警信息通过短信的方式发送给监控中心；告知报警等级，方便地面人员及时处理安全隐患；

微控制器利用液晶模块显示杆塔的相关采集信息和报警信息；即显示设备检测状态，出现异常情况，会显示警报等级，并提示工作人员进行相关避险操作。如此设置，既可预防杆塔倾斜造成的危害，同时又可预防对杆塔上线路维修施工时，出现的杆塔倾倒的危险。

电源模块包括太阳能电池和可充电式锂电池，用于为微控制器提供电能。

本实施例中，监测报警装置包括状态监测代理模块CMA；状态监测代理模块CMA4与每个杆塔倾斜震动监测报警装置的关系如图5所示，

状态监测代理模块CMA对若干个监测报警装置获取的采集信息和报警信息进行缓存并集中传输给监控中心。即状态监测代理模块CMA4可对分散的数据进行集中，还能进行数据的缓存及与监控中心进行双向数据通信。在对多个杆塔进行监测时，可区分出每一个杆塔的信息，防止出现接收到的信息与杆塔不匹配的情况。

具体实施中，如图3所示，保护罩2为监控模块1提供结构支撑和保护，其包括壳体2-1、上盖2-2、侧板2-3和下盖2-4；

壳体2-1为塑料材质，且内部具有空腔，用以容纳监控模块1；空腔四周具有一排排凹槽，壳体2-1的一侧具有大小两个凹槽，其中小凹槽与壳体2-1内部的空腔贯通；

侧板2-3为透明钢化玻璃材质，并与壳体2-1一侧的大凹槽通过螺钉进行固定后四周用密封胶密封；

壳体2-1在放置侧板2-3的两侧具有两个中空的把手；

壳体2-1的上端还具有一个内部镂空的空槽，上盖2-2为透明钢化玻璃材质，并与壳体2-1上端的空槽通过螺钉固定后四周用密封胶固定；

壳体2-1的下端具有凹槽，该凹槽与壳体2-1的空腔相互贯通，该凹槽两侧具有侧孔，下盖2-4为一薄板状结构，并均匀排布有通孔，下盖2-4两侧具有与壳体2-1的凹槽两侧的侧孔相对应的螺纹孔，并通过螺钉与壳体2-1下端的凹槽内的侧孔固定连接。如此设置，一方面有利于监控模块1从保护罩2中拆装，另一方面，下盖2-4的通孔设置以及空腔四周的凹槽设置，有利于监控模块1的散热，且保护罩2的设置，可使得监控模块1在风雪雨天等恶劣环境下可正常使用，再一方面，上盖2-2和侧板2-3采用透明钢化玻璃材质，有利于观察监控模块1，且透过上盖2-2或侧板2-3可查看液晶模块上的信息。

具体实施中，如图4所示；固定机构3包括帆布带3-1、钢丝绳3-2和钢扣3-3；

钢丝绳3-2均匀缝制于帆布带3-1内，钢丝绳3-2的数量为1～4股，钢扣3-3安置在帆布带3-1的一端，固定机构3穿过壳体2-1外侧的两个把手，并穿过钢扣3-3固定，当内置监控模块1的保护罩2放置在杆塔的某处时，固定机构3上的帆布带3-1穿过钢扣3-3收紧后即可形成内置监控模块1的保护罩2在杆塔上的固定结构。

具体实施中，固定机构3的帆布带3-1上还包括双面魔术贴3-4，且双面魔术贴3-4的位置可调。如此设置，双面魔术贴3-4相互粘接即可实现固定机构3的快速固定，适用于紧急维修或钢扣损坏的场合。

本监测报警装置的工作原理如下：

当杆塔倾斜震动监测报警装置通过固定机构3固定到杆塔上时，通过归零键对杆塔倾斜监测报警装置的初始安装角度位置进行记录，并作为初始状态存储在Flash存储器中。所述监控模块1将角度倾斜量预设一个阈值，如3°，震动量级预设一个阈值，该阈值通过震动传感器4对施工人员攀爬、敲击电线杆等产生的信号进行多次试验和综合分析，得出来的一个综合波形数值。监控模块将监控信息按下表所示进行分类，分别为0级、1级和2级，其中0级对应着倾斜角度不大于3°且震动信息不大于阈值，或者倾斜角度不大于3°但震动信息不大于阈值，1级对应着倾斜角度大于3°但震动信息不大于阈值，2级对应着倾斜角度大于3°且震动信息大于阈值。具体设定情况如下表1所示：

表1

角度信号	震动信号	显示	报警等级	提示操作
					<3°	<阈值	正常	0级	正常执行
<3°	>阈值	人为震动	0级	减少震动
					>3°	<阈值	缓慢倾斜	1级	停止施工
>3°	>阈值	强烈倾斜	2级	请求救援

当杆塔出现倾斜，且倾斜角度超出3°时，加速度传感器感受到角度变化后，监控模块1上的报警模块会启动。

当施工人员攀爬、敲击电线杆等操作时，震动传感器感受到震动信息变化，若震动量级超出预设的阈值，监控模块1上的报警模块会启动。

根据表1预先设置的情况，当角度倾斜不大于3°，且震动量级小于阈值时，液晶模块显示正常，报警等级为0级，报警模块不启动，提示操作为正常执行；当角度倾斜不大于3°，且震动量级大于阈值时，液晶模块显示人为震动，报警等级为0级，报警模块不启动，提示操作为减少震动；当角度倾斜大于3°，且震动量级小于阈值时，液晶模块显示缓慢倾斜，报警等级为1级，报警模块启动，蜂鸣器发出停止施工警报，LED每0.5秒闪烁一次，提示操作人员停止施工；当角度倾斜大于3°，且震动量级大于阈值时，液晶模块显示强烈倾斜，报警等级为2级，报警模块启动，蜂鸣器发出请求救援警报，LED每0.1秒闪烁一次，提示操作人员远离杆塔或者从杆塔上迅速下来，请求救援。

GSM无线模块将杆塔信息通过短信的方式发送到状态监测代理模块CMA4，状态监测代理模块CMA4对获取的所有数据进行传输，并对分散数据进行集中，地面人员根据收到的信息确认哪一个杆塔并及时安排人员处理安全隐患。

Claims (7)

1.一种杆塔倾斜震动的监测报警装置，其特征包括：监控模块(1)、保护罩(2)和固定机构(3)；

在所述保护罩(2)内设置有所述监控模块(1)；所述保护罩(2)通过所述固定机构(3)固定在杆塔上；

所述监控模块(1)由微控制器、ADC转换电路、加速度传感器、震动传感器、报警模块、电源模块、GSM无线模块、Flash存储器和液晶模块组成；

所述加速度传感器为三轴加速度传感器，用于采集杆塔的倾斜角度信息并传递给所述ADC转换电路；

所述震动传感器采集杆塔的震动信息后传递给所述ADC转换电路；

所述ADC转换电路将倾斜角度信息和震动信息分别转换为倾斜角度信号和震动信号后传递给所述微控制器；

所述微控制器利用所述Flash存储器存储所述加速度传感器和震动传感器发送信号，并对倾斜角度信号进行角度计算，得到综合倾斜角度后，与角度倾斜量阈值进行比较，若超出角度倾斜量阈值，则启动报警模块进行声光混合模式报警；

所述微控制器同时将震动信号与震动量级阈值进行比较，若超出震动量级阈值，则启动报警模块进行声光混合模式报警；

所述微控制器利用所述GSM无线模块将杆塔的相关采集信息和报警信息发送给监控中心；

所述微控制器利用所述液晶模块显示杆塔的相关采集信息和报警信息；

所述电源模块包括太阳能电池和可充电式锂电池，用于为所述微控制器提供电能。

2.根据权利要求1所述的杆塔倾斜震动的监测报警装置，其特征在于：所述监测报警装置包括状态监测代理模块CMA；

所述状态监测代理模块CMA对若干个监测报警装置获取的采集信息和报警信息进行缓存并集中传输给监控中心。

3.根据权利要求1所述的监测报警装置，其特征在于，所述监控模块(1)的微控制器将报警信息分为三个等级，分别为0级、1级和2级；

0级对应着综合倾斜角度不大于阈值且震动信号不大于阈值，或者综合倾斜角度不大于角度倾斜量阈值但震动信号大于震动量级阈值；

1级对应着综合倾斜角度大于角度倾斜量阈值但震动信号不大于震动量级阈值；

2级对应着综合倾斜角度大于角度倾斜量阈值且震动信号大于震动量级阈值。

4.根据权利要求1所述的监测报警装置，其特征在于，所述报警模块中的LED爆闪灯具有0.5秒闪烁频率和0.1秒闪烁频率两种状态；所述0.5秒闪烁频率用于提示1级的报警信息，所述0.1秒闪烁频率用于提示2级的报警信息。

5.根据权利要求1所述的监测报警装置，其特征在于，所述保护罩(2)包括壳体(2-1)、上盖(2-2)、侧板(2-3)和下盖(2-4)；

所述壳体(2-1)为塑料材质，且内部具有空腔，用以容纳所述监控模块(1)；所述侧板(2-3)为透明钢化玻璃材质，并与壳体(2-1)一侧通过螺钉进行固定后四周用密封胶密封；

所述壳体(2-1)在放置侧板(2-3)的两侧具有两个中空的把手；

所述上盖(2-2)为透明钢化玻璃材质，并与壳体(2-1)上端的空槽通过螺钉固定后四周用密封胶固定；

所述下盖(2-4)为一薄板状结构，并均匀排布有通孔，所述下盖(2-4)两侧通过螺钉与壳体(2-1)下端的凹槽内的侧孔固定连接。

6.根据权利要求1所述的监测报警装置，其特征在于，所述固定机构(3)包括帆布带(3-1)、钢丝绳(3-2)和钢扣(3-3)；

所述钢丝绳(3-2)均匀缝制于帆布带(3-1)内，所述钢扣(3-3)安置在帆布带(3-1)的一端，固定机构(3)穿过壳体(2-1)外侧的两个把手，并穿过钢扣(3-3)固定，从而形成内置监控模块(1)的保护罩(2)在杆塔上的固定结构。

7.根据权利要求6所述的监测报警装置，其特征在于，所述固定机构(3)的帆布带(3-1)上还包括双面魔术贴(3-4)，且所述双面魔术贴(3-4)的位置可调。