CN115184382A - 基于微波的测冰方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波的测冰方法及装置，该方法包括：通过微波发射天线加载发射微波检测信号，并通过三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数判断传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。本发明可快速测出等效覆冰厚度，大大提高冰冻环境中输电线路覆冰监测的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路的结冰结霜检测技术领域，尤其涉及一种基于微波的测冰方法及装置。
背景技术
输电线路的覆冰现象已经十分普遍。输电线路覆冰和积雪会导致其机械和电气性能急剧下降，引起导线舞动、杆塔倾斜甚至倒塌、断线以及绝缘子闪络等重大电力事故，严重影响电力系统的安全运行。2008年中国春节前后发生的冰冻灾害，引起大规模、长时间的电力中断，直接经济损失达1500亿元以上，同时给工农业生产和人民生活带来严重社会影响。所以，实时监测输电线路的覆冰状况并做好除冰工作成为目前研究的热点。
长期以来，研究人员对输电线路覆冰进行了长期的观测和研究，在覆冰理论、冰闪机理、输电线路覆冰监测研究相关技术等方面取得了很多成果。但是目前普遍采用固定式图像监测方法存在摄像头结冰无法继续监测的问题，拉力法只能测一个耐张端内的覆冰，人工观测法无法测量几十米高塔上覆冰的难题。
发明内容
本发明提供了一种基于微波的测冰方法及装置，用以解决现有冰冻环境中输电线路覆冰监测无法持续或者准确度不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于微波的测冰方法，包括以下步骤：
通过微波发射天线加载发射微波检测信号，并通过三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数的计算判断传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。
作为本发明的方法的进一步改进：
通过接收到的微波检测信号的相位差电压信号计算传输介质的介电常数，包括：将终端开口波导与待测物质表面直接接触进行测量,然后对测得的结果进行曲线拟合计算,得到精确数值；通过多次测量的精确数值给出在f＝3.975GHz时,计算物质相对介电常数ε的曲线拟合系数。通过介电常数的判断传输的传输介质是空气、水或冰层，包括：介电常数为1判断为空气层，介电常数为3判断为覆冰层，介电常数为80判断为降水层。
通过接收到的
计算冰厚，用鉴相法测量待测信号源的相位差，所测得的相位变化就是由于不同冰厚引起，通过计算的相位差拟合得到冰厚。还可以通过如下方式计算冰厚，当接收到的微波检测信号与发出的微波检测信号之间产生了相位差，说明了传输介质产生了变化，并非是空气介质，从而通过曲线拟合获知介电常数，从而判断传输介质是冰层还是降雨；当判断为覆冰时，通过测量发射微波检测信号与接收的微波检测信号之间的传输时间与标准距离的空气介质中的传输时间进行对比，从而根据微波信号在不同介质中的传输速度，计算造成所述传输时间差的冰层介质的传输距离，从而计算冰厚。
微波接收天线的数量为六个以上，六个以上微波接收天线沿圆周均匀分布于以微波发射天线为圆心的圆周上；通过六个以上方向的冰厚计算微波测量的等值冰厚，包括取六个以上的方向的冰厚的均值作为等值冰厚。
本发明还提供一种基于微波的测冰装置，包括：检测电路、与检测电路相连的微波发射天线，与检测电路相连的且布置在围绕微波发射天线的圆周上的三个以上的微波接收天线；
检测电路，用于通过微波发射天线加载微波检测信号，并通过三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数判断传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。
作为本发明的装置的进一步改进：
微波接收天线的数量为六个，六个微波接收天线沿圆周均匀分布于以微波发射天线为圆心的圆周上，所述圆周的半径为1至5cm。
微波发射天线和微波接收天线均为柱状天线。
通过相位变化计算冰厚，包括以下步骤：通过六个方向的冰厚计算微波传感器测量的等值冰厚，包括取六个方向的冰厚的均值作为等值冰厚。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的基于微波的测冰方法，可快速获得不同型号的导线的覆冰厚度，大大提高冰冻环境中输电线路覆冰监测的准确度，对输变电设备覆冰监测预警有指导意义。
2、在优选方案中，本发明基于微波的测冰方法，通过加载微波检测信号，可快速测出等效覆冰厚度，给作业人员提供量化的数据，以便判断冰灾的严重程度和后续应对策略，使得整个过程高效、精准、安全。
3、本发明的基于微波的测冰装置，作为新型的微波测冰传感器，结构紧凑，操作简单，测量精度高，重复性稳定性好，可以实现在线实时检测。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于微波的测冰方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的基于微波的测冰装置的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的基于微波的测冰装置的天线步骤位置图。
图中各标号表示：
1、微波发射天线；2、第一接收天线；3、第二接收天线；4、第三接收天线；5、第四接收天线；6、第五接收天线；7、第六接收天线；8、检测电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的基于微波的测冰方法，包括以下步骤：
通过微波发射天线加载发射微波检测信号，并通过三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数的计算判断传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。可快速获得不同的导线的覆冰厚度，大大提高冰冻环境中输电线路覆冰监测的准确度，对输变电设备覆冰监测预警有指导意义。
实施时，通过接收到的微波检测信号的相位差电压信号计算传输介质的介电常数，包括：包括：终端开口波导与待测物质表面直接接触进行测量,然后对测得的结果进行曲线拟合计算,得到精确数值。给出了在f＝3.975GHz时,计算物质相对介电常数ε的曲线拟合系数。算得介电常数后，通过介电常数的判断传输的传输介质是空气、水或冰层，包括：介电常数为1判断为空气层，介电常数为3判断为覆冰层，介电常数为80判断为降水层。
通过接收到的
计算冰厚，用鉴相法测量待测信号源的相位差，所测得的相位变化就是由于不同冰厚引起，通过计算的相位差拟合得到冰厚。或者，通过接收到的微波检测信号的相位变化判断介质，并通过测量发射微波检测信号与接收的微波检测信号之间的传输时间与标准距离的空气介质中的传输时间进行对比，从而根据微波信号在不同介质中的传输速度，计算造成所述传输时间差的冰层介质的传输距离，从而计算冰厚。
参见图3，本实施例中，微波接收天线的数量为六个，六个微波接收天线沿圆周均匀分布于以微波发射天线1为圆心的圆周上；通过六个方向的冰厚计算微波测量的等值冰厚，包括取六个方向的冰厚的均值作为等值冰厚。
参见图2，本发明实施例还提供一种基于微波的测冰装置，包括：检测电路8、与检测电路8相连的微波发射天线1，与检测电路8相连的且布置在围绕微波发射天线1的圆周上的三个以上的微波接收天线；检测电路8，用于通过微波发射天线加载微波检测信号，并通过三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数的计算判断传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。本实施例中，微波接收天线的数量为六个，六个微波接收天线沿圆周均匀分布于以微波发射天线为圆心的圆周上，分别为、第一接收天线2，第二接收天线3，第三接收天线4；第四接收天线5，第五接收天线6和第六接收天线7。实施时，微波发射天线1和微波接收天线均可为柱状天线。本实施例中，圆周的半径为1cm。将该传感器至于与户外导线同等环境中，采用与导线同材质基准直径的圆柱作为发射和接收天线，可以使得天线表面的覆冰厚度基本与待测导线上的覆冰厚度相同。如待测导线的直径与基准尺寸的天线的直径不同，则根据事先标定的直径与覆冰厚度对应的标定表进行查询换算，可迅速获知导线的覆冰厚度。实际实施时，采用与待测(监测)导线的材料相似度模型测得的结果更精确。
通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚，包括以下步骤：通过接收到的微波检测信号的相位变化判断介质，并通过测量发射微波检测信号与接收的微波检测信号之间的传输时间与标准距离的空气介质中的传输时间进行对比，从而根据微波信号在不同介质中的传输速度，计算造成所述传输时间差的冰层介质的传输距离，从而计算冰厚。通过六个方向的冰厚计算微波传感器测量的等值冰厚，包括取六个方向的冰厚的均值作为等值冰厚。
例如：
微波发射天线1分别向360°均匀分布的六个方向的接收天线发送微波，采集检测电路8测量出六个方向的介电常数h1、h2、...、h6,测量时间为1分钟一次；
比较介电常数1附近为空气层，数值3为覆冰层，数值80为降水层；
计算六个方向的覆冰厚度d1、d2、...、d6；
计算得到实际等效冰厚d＝d1+d2+d3+d4+d5+d6/6。
综上可知，本发明作为新型的微波测冰传感器使用，可测出等效覆冰厚度，能快速获得不同的导线的覆冰厚度，给作业人员提供量化的数据，判断冰灾的严重程度和后续应对策略。使得整个过程高效、精准、安全，对输变电设备覆冰监测预警有指导意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微波的测冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过微波发射天线加载发射微波检测信号，并通过三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数判断所述传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。
2.根据权利要求1所述的基于微波的测冰方法，其特征在于，所述通过接收到的微波检测信号的相位差电压信号计算传输介质的介电常数，包括：将终端开口波导与待测物质表面直接接触进行测量,然后对测得的结果进行曲线拟合计算,得到精确数值；通过多次测量的精确数值给出在f＝3.975GHz时,计算物质相对介电常数ε的曲线拟合系数。
3.根据权利要求2所述的基于微波的测冰方法，其特征在于，所述通过介电常数的计算判断所述传输的传输介质是空气、水或冰层，包括：介电常数为1判断为空气层，介电常数为3判断为覆冰层，介电常数为80判断为降水层。
4.根据权利要求2或3所述的基于微波的测冰方法，其特征在于，通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚，包括步骤：
通过接收到的微波检测信号的相位变化判断介质，并通过测量发射微波检测信号与接收的微波检测信号之间的传输时间与标准距离的空气介质中的传输时间进行对比，从而根据微波信号在不同介质中的传输速度，计算造成所述传输时间差的冰层介质的传输距离，从而计算冰厚。
5.根据权利要求4所述的基于微波的测冰方法，其特征在于，所述微波接收天线的数量为六个以上，所述六个以上微波接收天线沿圆周均匀分布于以所述微波发射天线为圆心的圆周上；通过六个以上方向的冰厚计算微波测量的等值冰厚，包括取六个以上的方向的冰厚的均值作为等值冰厚。
6.一种基于微波的测冰装置，其特征在于，包括：检测电路、与所述检测电路相连的微波发射天线，与所述检测电路相连的且布置在围绕所述微波发射天线的圆周上的三个以上的微波接收天线；
检测电路，用于通过所述微波发射天线加载微波检测信号，并通过所述三个以上的微波接收天线接收传输后的微波检测信号，通过接收到的微波检测信号的相位差的电压信号计算传输介质的介电常数，通过介电常数判断所述传输的传输介质是空气、水或冰层，并通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚。
7.根据权利要求6所述的基于微波的测冰装置，其特征在于，所述微波接收天线的数量为六个，所述六个微波接收天线沿圆周均匀分布于以所述微波发射天线为圆心的圆周上，所述圆周的半径为1至5cm。
8.根据权利要求6所述的基于微波的测冰装置，其特征在于，所述微波发射天线和微波接收天线均为柱状天线。
9.根据权利要求6所述的基于微波的测冰装置，其特征在于，通过接收到的微波检测信号的相位变化以及传输时间计算冰厚，包括步骤：
通过接收到的微波检测信号的相位变化判断介质，并通过测量发射微波检测信号与接收的微波检测信号之间的传输时间与标准距离的空气介质中的传输时间进行对比，从而根据微波信号在不同介质中的传输速度，计算造成所述传输时间差的冰层介质的传输距离，从而计算冰厚。
10.根据权利要求9所述的基于微波的测冰装置，其特征在于，通过六个方向的冰厚计算微波传感器测量的等值冰厚，包括取六个方向的冰厚的均值作为等值冰厚。
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|---|---|---|---|---|
| CN116538972A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-04 | 武汉工程大学 | 基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置 |
| CN117572099A (zh) * | 2024-01-17 | 2024-02-20 | 吉太航空科技(苏州)有限公司 | 一种机载天线结冰测试装置及一种机载天线结冰测试方法 |
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2021
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| CN116538972B (zh) * | 2023-07-06 | 2023-09-01 | 武汉工程大学 | 基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置 |
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