CN110553756B - 一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器 - Google Patents

一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，包括接收节点、无线网关/基站、无线温度传感器及云端，所述接收节点与无线温度传感之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述接收节点与无线网关/基站之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述无线温度传感器由弹性表带、测温探头、电子仓、固定电源、数据采集系统、数据处理系统、数据收发系统和天线组成，无线温度传感器通过测温探头感知电缆的温度，通过数据采集系统、数据处理系统转化成电信号，再通过数据收发射系统的天线向接收节点发射电信号，接收接点再通过Lora和NB‑IoT通讯方式传递至无线网关、基站，最终传递至云端，从而达到温度监测的目的。

Description

一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器
技术领域
本发明涉及一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器。
背景技术
在电力行业，由于材料老化等原因，会造成局部电阻过大或局放等问题，引起故障部位温度升高，引起线缆或接头老化加速，严重时引起火灾；同时为了城市的美观，逐渐将架空电缆铺设在地下，其故障排查难度更大。特别是沿海城市，地下水位高，电缆几乎泡在水里，其故障排查难度就更大；而一般电缆故障前兆是温度异常，因此对电缆温度的监控就变得非常关键。
现在对电缆温度的监控，一般有红外测温和光纤通讯测温、无线测温等方式，由于电缆可能几乎泡在水里，红外线在水里的穿透性极低，因此采用红外线测温只适用架空电缆，而对于铺设在地下的电缆却无能为力。而对于光纤通讯，则由于测温节点过于庞大，光纤根数也需要很多，光纤长度也很长，存在传感器成本高，自身维护难度大等问题，因此光纤通讯测温方式只适合测温点不多及分布集中的场合，而城市供电电缆存在分布广、测温点多等特性，显然光纤通讯测温方式有很大的局限，对于无线测温，目前应用比较成熟的有开关柜测温及架空电缆测温，一般是将温度传感器布置在接头部位，通过将温度信号转化为电信号，然后通过一定频率发射给上位机，上位机再将接受的电信号转换成温度，实施温度监控。
上述无线测温装置，很难在地下电缆中使用，主要是因为地下电缆可能浸泡在水中，不仅对传感器本身有防水要求，也要求传感器与电缆接触位置没有水，或者该位置的水不能与外界的水很容易的进行热交换，以防止电缆产生的温度被水带走，造成测试不准确的问题。同时地下电缆，由于处于自由状态，可能会产生扭曲，我们在电缆外部位置很难找到每芯对应的位置，这也给传感器的安装带来问题，很有可能传感器安装的位置并没有与内部的线芯对应，造成测温误差；另一方面，由于电缆泡在水中，很可能水深达到2m左右，无线电波在水里衰减非常大，这也是架空电缆测温和开关柜测温所没遇到的新课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能耗低，韧性好，安装和固定方便，安装后传感器与电缆之间的密封性好，能够对电缆进行多点检测，检测出的电缆温度精准可靠，同时信号传输稳定，组网方便，能在复杂的环境中使用，具有实用性和使用广泛性的电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，包括接收节点、无线网关/基站、无线温度传感器及云端，所述接收节点与无线温度传感之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述接收节点与无线网关/基站之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述无线温度传感器由弹性表带、测温探头、电子仓、固定电源、数据采集系统、数据处理系统、数据收发系统和天线组成，无线温度传感器通过测温探头感知电缆的温度，通过数据采集系统、数据处理系统转化成电信号，根据通信协议要求，当被测温度数据符合发射条件时，无线温度传感器的数据收发系统先发一段请求发送数据的信息于接收接点，所述接收节点设置了动态唤醒功能，接收节点周期性的监听无线温度传感器所发射的信号，根据通讯协议，当监听到的信号包含协议中规定的信息，接收节点的接收和发送功能立即被唤醒，接收节点进入正常工作状态，否则接收节点处于动态监听和休眠状态，当节点接收到信号后，会向无线温度传感器反馈已接收到信号通知，若无线温度传感器未接收到反馈信号，无线温度传感器会重复发送多次；所述弹性表带上设有多个凸台，凸台与弹性表带为整体结构，所述凸台分布在电子仓的两侧，凸台的内侧设有凹槽，测温探头安装在凹槽中，测温探头的部分凸出于凸台的上端面，所述电子仓中设有线路板，数据采集系统、数据发射系统、数据处理系统和天线集成在线路板上，所述天线与数据发射系统连接，所述天线为弹簧天线，天线由带有包封层的金属丝缠绕而成，所述线路板与测温探头之间设有引线并通过引线连接，所述凸台与电子仓之间都设有引线容纳槽，引线镶嵌在引线容纳槽中，所述电子仓与弹性表带之间为整体结构，弹性表带与电子仓的连接处设有缆线槽，电子仓整体凸出于弹性表带；所述弹性表带上端面四周设有外围防水翼，外围防水翼呈辐射状向外围延伸，外围防水翼与弹性表带之间为整体结构，所述凸台的上端面与凹槽之间形成一个内圈防水翼，内圈防水翼与凸台之间为整体结构。
作为优选的技术方案，所述电子仓内设有塑料壳，塑料壳上设有密封板，线路板固定在塑料壳的内部，线路板与塑料壳之间填充有密封材料。
作为优选的技术方案，所述电子仓与固定电源之间设有缆线一和缆线二，缆线一和缆线二由两部分组成，两部分之间设有防水端子并通过防水端子连接。
作为优选的技术方案，所述弹性表带的两端设有贯穿孔，贯穿孔的两侧设有端部连接孔。
作为优选的技术方案，所述接收节点含有Lora模块，接收接点与无线网关间采用Lora模块无线通讯，所述接收节点含有NB-IoT通信模块，接收节点与基站之间基于NB-IoT通讯模块无线通讯。
作为优选的技术方案，所述数据处理系统具有边缘计算功能，即对一个周期内多个测温探头的数据按设定的要求进行取舍，并计算不同采集周期内温度变化梯度，根据预定温度变化梯度的范围确定数据是否发送给接收节点，所述数据采集系统是采用多点轮询测温的方式，在一个采集周期内，依次对各个测温探头的数据进行采集，采集多个测温探头的温度数据，通过数据处理系统的边缘计算能力，取出本轮中温度的最大值、最小值，并计算本轮温度最大值与最小值的温度差ΔT1，以及本轮与上轮温度最大值的差ΔT2。
作为优选的技术方案，所述数据采集系统计算出温度差值后，符合以下四个条件中的一条或多条时，无线温度传感器的数据收发系统发出信号，唤醒接点主机，并发送被测温度数据：1)、温度差ΔT1超出设定值；2)、温度差ΔT2超出设定值；3)、上一次数据更新时间到本轮轮询测温时间差超过设定值；4)、温度最大值超过设定值；反之，无线温度传感器的数据收发系统处于低功耗定时扫描和休眠状态。
作为优选的技术方案，所述无线温度传感器内置有适用于水下信号传输的低功耗无线收发模块，接收节点与无线温度传感器之间采用短距离无线通讯方式。
本发明的有益效果是：
一、采用Lora或NB-IoT通讯技术，传输能力比较强，保证了从传感器传出的信号100％能被接收节点接收。
二、由于传感器采用轮询采集数据，并进行数据边缘计算，并根据计算结果确定数据发射频率，保证功耗大的发射系统大部分处于休眠状态，降低了传感器能源的消耗，提高了传感器的使用寿命。
三、由于接收节点采用动态监听唤醒的工作方式，保证了接收节点大部分时间处于休眠状态，降低了接收节点的功耗，提高了接收节点的使用寿命。
四、传感器采用了多探头测温的结构，可以保证传感器尽可能准确的测出电缆的最高温度，系统及时作出预警反映。
五、测温节点直接的信号传给网关或基站，网关或基站再将信号传递给云端，由于网关或基站覆盖范围比较广，组网非常方便，组网扩充能力强，非常适合特大城市整个电网的监控。
六、通过在硅胶带表面设置多点测温探头，一方面保证了测温探头能充分与电缆接触，另一方面也保证了电缆的每一芯都有测温探头对应。
七、电源与电子仓分体设计，且连接电缆采用防水接头连接，简化了电子仓的设计，降低了电子仓的高度，从而为后续采用绝缘胶带包裹防水提供了条件；同时防水接头连接，不仅方便现场安装，同时防水接头也承担了开关的功能，方便调试，并在不工作时切断电源，降低电源的使用。
八、测温探头包裹在硅胶表带及表带盖中，且表带四周和镶嵌测温探头的凹槽四周设置有防水翼，使得水不易进入测温探头与电缆之间，提高了测温的准确性。
九、表带采用硅胶材料，弹性和韧性较好，使得表带容易收紧。
十、天线为弹簧天线，天线是带有包封层的金属丝缠绕而成，提高了天线抗挤压能力。
附图说明
为了更楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但并不是对本发明保护范围的限制。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的凸台位置示意图；
图3为本发明的安装示意图；
图4为本发明的电子仓与固定电源连接示意图；
图5为本发明的剖面示意图；
图6为本发明的温度传感器原理示意图；
图7为本发明的系统构架示意图；
其中，1.弹性表带，2.电子仓，3.测温探头，4.密封板,5.固定电源，6.长捆扎带，7.外圈防水翼，8.引线，9.塑料壳，10.天线，11.缆线槽，12.凹槽，13.内圈防水翼，14.凸台，15.引线容纳槽，16.端部连接孔，17.贯穿孔，18.短捆扎带,19.电缆，20.缆线一，21.缆线二，22.防水端子，23.线路板。
具体实施方式
参阅图1至图7所示的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，包括接收节点、无线网关/基站、无线温度传感器及云端，所述接收节点与无线温度传感之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述接收节点与无线网关/基站之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述无线温度传感器由弹性表带1、测温探头3、电子仓2、固定电源5、数据采集系统、数据处理系统、数据收发系统和天线10组成，无线温度传感器通过测温探头3感知电缆的温度，通过数据采集系统、数据处理系统转化成电信号，根据通信协议要求，当被测温度数据符合发射条件时，无线温度传感器的数据收发系统先发一段请求发送数据的信息于接收接点，所述接收节点设置了动态唤醒功能，接收节点周期性的监听无线温度传感器所发射的信号，根据通讯协议，当监听到的信号包含协议中规定的信息，接收节点的接收和发送功能立即被唤醒，接收节点进入正常工作状态，否则接收节点处于动态监听和休眠状态，当节点接收到信号后，会向无线温度传感器反馈已接收到信号通知，若无线温度传感器未接收到反馈信号，无线温度传感器会重复发送多次。
所述弹性表带1上设有多个凸台14，凸台14与弹性表带1为整体结构，所述凸台14分布在电子仓2的两侧，凸台14的内侧设有凹槽12，测温探头3安装在凹槽12中，测温探头3的部分凸出于凸台的上端面，所述电子仓2中设有线路板23，数据采集系统、数据发射系统、数据处理系统和天线10集成在线路板23上，所述天线10与数据发射系统连接，所述天线10为弹簧天线，天线10由带有包封层的金属丝缠绕而成，所述线路板23与测温探头3之间设有引线8并通过引线8连接，所述凸台14与电子仓1之间都设有引线容纳槽15，引线8镶嵌在引线容纳槽15中，所述电子仓2与弹性表带1之间为整体结构，弹性表带1与电子仓2的连接处设有缆线槽11，电子仓2整体凸出于弹性表带1。
所述弹性表带1上端面四周设有外围防水翼7，外围防水翼7呈辐射状向外围延伸，外围防水翼7与弹性表带1之间为整体结构，所述凸台14的上端面与凹槽12之间形成一个内圈防水翼13，内圈防水翼13与凸台14之间为整体结构。
所述电子仓2内设有塑料壳9，塑料壳9上设有密封板4，线路板23固定在塑料壳9的内部，线路板23与塑料壳9之间填充有密封材料，所述电子仓2与固定电源5之间设有缆线一20和缆线二21，缆线一20和缆线二21由两部分组成，两部分之间设有防水端子22并通过防水端子22连接。
所述弹性表带1的两端设有贯穿孔17，贯穿孔17的两侧设有端部连接孔26。
所述接收节点含有Lora模块，接收接点与无线网关间采用Lora模块无线通讯，所述接收节点含有NB-IoT通信模块，接收节点与基站之间基于NB-IoT通讯模块无线通讯。
所述数据处理系统具有边缘计算功能，即对一个周期内多个测温探头3的数据按设定的要求进行取舍，并计算不同采集周期内温度变化梯度，根据预定温度变化梯度的范围确定数据是否发送给接收节点，所述数据采集系统是采用多点轮询测温的方式，在一个采集周期内，依次对各个测温探头3的数据进行采集，采集多个测温探头3的温度数据，通过数据处理系统的边缘计算能力，取出本轮中温度的最大值、最小值，并计算本轮温度最大值与最小值的温度差ΔT1，以及本轮与上轮温度最大值的差ΔT2。
所述数据采集系统计算出温度差值后，符合以下四个条件中的一条或多条时，无线温度传感器的数据收发系统发出信号，唤醒接点主机，并发送被测温度数据：1)、温度差ΔT1超出设定值；2)、温度差ΔT2超出设定值；3)、上一次数据更新时间到本轮轮询测温时间差超过设定值；4)、温度最大值超过设定值；反之，无线温度传感器的数据收发系统处于低功耗定时扫描和休眠状态。
所述无线温度传感器内置有适用于水下信号传输的低功耗无线收发模块，接收节点与无线温度传感器之间采用短距离无线通讯方式。
本发明安装时，首先将弹性表带环绕线缆一周，调整测温探头与电缆线芯之间的位置，保证每根线芯都有相对应的测温探头，再将长捆扎带将穿过弹性硅胶带两端的贯穿孔将弹性表带的两端连接，通过短捆扎带穿过弹性硅胶带两端的端部连接孔将弹性表带的两端连接，再通过缆线一、缆线二将电子仓与固定电源连接，固定后，弹性表带上的外圈防水翼和内圈防水翼与电缆的表面贴合并吸在电缆上。
工作时，无线温度传感器上的数据采集系统，依次对各个测温探头一定周期内的数据进行采集，通过数据处理系统的边缘计算能力，取出本轮中温度的最大值、最小值，并计算本轮温度最大值与最小值的温度差ΔT1，以及本轮与上轮温度最大值的差ΔT2，当数据采集系统计算出温度差值，符合以下四个条件之一，无线温度传感器的数据收发系统发出信号，唤醒接收接点处的接点主机，并发送被测温度数据：(1、温度差ΔT1超出设定值；2、温度差ΔT2超出设定值；3、上一次数据更新时间到本轮轮询测温时间差超过设定值；4、温度最大值超过设定值；反之，无线温度传感器的数据收发系统处于休眠状态)。当被测温度数据符合发射条件时，无线温度传感器的数据收发系统先发一段请求发送数据的信息，接收节点设置了动态唤醒功能，接收节点周期性的监听无线温度传感器所发射的信号，根据通讯协议，当监听到的信号包含协议中规定的信息，接收节点的接收和发送功能立即被唤醒，接收节点进入正常工作状态，否则接收节点处于休眠状态，当节点接收到信号后，会向无线温度传感器反馈已接收到信号通知，若无线温度传感器未接收到反馈信号，无线温度传感器会重复发送直到接收节点接收到为止；当接收节点收到信号后，接收节点通过Lora模块无线通讯或基于NB-IoT无线通讯与网关、基站连接传输，最后网关与基站将温度数据传递至云端，便于系统做好及时预警，达到监测的准确性。
本发明的测温探头轴向方向与电缆的轴向方向一致，从而提高了与电缆的接触长度，增加了测温的可靠性。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，包括接收节点、无线网关/基站、无线温度传感器及云端，所述接收节点与无线温度传感之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述接收节点与无线网关/基站之间采用无线通讯方式进行双向数据通讯，所述无线温度传感器由弹性表带、测温探头、电子仓、固定电源、数据采集系统、数据处理系统、数据收发系统和天线组成，无线温度传感器通过测温探头感知电缆的温度，通过数据采集系统、数据处理系统转化成电信号，根据通信协议要求，当被测温度数据符合发射条件时，无线温度传感器的数据收发系统先发一段请求发送数据的信息于接收接点，所述接收节点设置了动态唤醒功能，接收节点周期性的监听无线温度传感器所发射的信号，根据通讯协议，当监听到的信号包含协议中规定的信息，接收节点的接收和发送功能立即被唤醒，接收节点进入正常工作状态，否则接收节点处于动态监听和休眠状态，当节点接收到信号后，会向无线温度传感器反馈已接收到信号通知，若无线温度传感器未接收到反馈信号，无线温度传感器会重复发送多次，其特征在于：所述弹性表带上设有多个凸台，凸台与弹性表带为整体结构，所述凸台分布在电子仓的两侧，凸台的内侧设有凹槽，测温探头安装在凹槽中，测温探头的部分凸出于凸台的上端面，所述电子仓中设有线路板，数据采集系统、数据发射系统、数据处理系统和天线集成在线路板上，所述天线与数据发射系统连接，所述天线为弹簧天线，天线由带有包封层的金属丝缠绕而成，所述线路板与测温探头之间设有引线并通过引线连接，所述凸台与电子仓之间都设有引线容纳槽，引线镶嵌在引线容纳槽中，所述电子仓与弹性表带之间为整体结构，弹性表带与电子仓的连接处设有缆线槽，电子仓整体凸出于弹性表带，所述弹性表带上端面四周设有外围防水翼，外围防水翼呈辐射状向外围延伸，外围防水翼与弹性表带之间为整体结构，所述凸台的上端面与凹槽之间形成一个内圈防水翼，内圈防水翼与凸台之间为整体结构。
2.根据权利要求1所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述电子仓内设有塑料壳，塑料壳上设有密封板，线路板固定在塑料壳的内部，线路板与塑料壳之间填充有密封材料。
3.根据权利要求2所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述电子仓与固定电源之间设有缆线一和缆线二，缆线一和缆线二由两部分组成，两部分之间设有防水端子并通过防水端子连接。
4.根据权利要求1所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述弹性表带的两端设有贯穿孔，贯穿孔的两侧设有端部连接孔。
5.根据权利要求1所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述接收节点含有Lora模块，接收接点与无线网关间采用Lora模块无线通讯，所述接收节点含有NB-IoT通信模块，接收节点与基站之间基于NB-IoT通讯模块无线通讯。
6.根据权利要求1所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述数据处理系统具有边缘计算功能，即对一个周期内多个测温探头的数据按设定的要求进行取舍，并计算不同采集周期内温度变化梯度，根据预定温度变化梯度的范围确定数据是否发送给接收节点，所述数据采集系统是采用多点轮询测温的方式，在一个采集周期内，依次对各个测温探头的数据进行采集，采集多个测温探头的温度数据，通过数据处理系统的边缘计算能力，取出本轮中温度的最大值、最小值，并计算本轮温度最大值与最小值的温度差ΔT1，以及本轮与上轮温度最大值的差ΔT2。
7.根据权利要求3所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述数据采集系统计算出温度差值后，符合以下四个条件中的一条或多条时，无线温度传感器的数据收发系统发出信号，唤醒接点主机，并发送被测温度数据：1)、温度差ΔT1超出设定值；2)、温度差ΔT2超出设定值；3)、上一次数据更新时间到本轮轮询测温时间差超过设定值；4)、温度最大值超过设定值；反之，无线温度传感器的数据收发系统处于低功耗定时扫描和休眠状态。
8.根据权利要求1所述的一种电缆温度检测系统及用于该系统的无线温度传感器，其特征在于：所述无线温度传感器内置有适用于水下信号传输的低功耗无线收发模块，接收节点与无线温度传感器之间采用短距离无线通讯方式。
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