输电塔塔体杆件监测装置
阅读说明：本技术 输电塔塔体杆件监测装置 (Power transmission tower body rod piece monitoring device ) 是由 朱瑞 李凯 李宾皑 赵文彬 姜恒 薛敏 沈文豪 袁斌霞 王道累 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种输电塔塔体杆件监测装置,包括固定防护单元和监测数据采集单元,固定防护单元包括脚钉卡扣组件、监测杆件和紧固件,脚钉卡扣组件固定连接于输电塔塔体杆件上固有的脚钉固定节点上,中空圆柱形监测杆件螺旋插入脚钉卡扣组件中固定,监测数据采集单元固定密封于监测杆件内,监测杆件与输电塔塔体杆件相对位置固定,监测数据采集单元采集输电塔塔体杆件的应变数据、倾斜数据、位置数据无线传输至由通信终端、NB-IoT基站、NB-IoT核心网、IoT云平台和应用服务器组成通信网络。实时采集杆件的位移、倾斜度数据,实时掌握发生自然灾害时输电塔结构杆件的破坏情况,实现智能化监测,避免人工检测费时费力及检测人员人身安全遭到威胁问题。(The invention relates to a power transmission tower body rod piece monitoring device which comprises a fixed protection unit and a monitoring data acquisition unit, wherein the fixed protection unit comprises a pin buckle assembly, a monitoring rod piece and a fastening piece, the pin buckle assembly is fixedly connected to an inherent pin fixing node on a power transmission tower body rod piece, a hollow cylindrical monitoring rod piece is spirally inserted into the pin buckle assembly for fixing, the monitoring data acquisition unit is fixedly sealed in the monitoring rod piece, the monitoring rod piece and the power transmission tower body rod piece are fixed in relative positions, and the monitoring data acquisition unit acquires strain data, inclination data and position data of the power transmission tower body rod piece and wirelessly transmits the strain data, the inclination data and the position data to a communication network consisting of a communication terminal, an NB-IoT base station, an NB-IoT core network, an IoT cloud platform and an application server. The displacement of collecting the member in real time, gradient data, the destruction condition of power transmission tower structure member when taking place natural disasters is mastered in real time, realizes intelligent monitoring, avoids artifical measuring to waste time and energy and detection personnel personal safety to suffer the threat problem.)
技术领域
本发明涉及一种监测技术，特别涉及一种输电塔塔体杆件监测装置。
背景技术
输电杆塔整体为空间桁架结构，因其结构受力简单、施工方便、强度高、整体性好、自重小而广泛。输电塔桁架结构中钢杆材在极端自然灾害环境(如飓风、冰雹、地震等)下因受到过大的突发外作用力而易出现大位移。为了确保输电塔结构及其线路的长期安全稳定运行，国家电网在发生自然灾害时需要对输电塔结构进行人工检查。然而，杆件作为输电塔桁架结构的最基本单元，在输电塔结构上数量巨大，且随着输电杆塔的建设，空间桁架结构数目多达上万。人工检查需要耗费大量的人力物力，并且在极端自然灾害事件后，人工作业环境十分恶劣(例如大风或结冰天气)，检查人员生命安全遭到严重威胁。因此随着物联网和传感器技术的发展，输电塔结构杆件监测智能化诊断装置是必然选择，同时目前各电网公司对其需求较大。
发明内容
针对空间桁架结构的输电杆自动监测问题，提出了一种输电塔塔体杆件监测装置，可以实时采集杆件的位移、倾斜度数据，实时掌握发生自然灾害时输电塔结构杆件的破坏情况，可以实现输电塔结构在自然灾害(飓风、冰雹和地震等)时杆件应变量的智能化监测，避免人工检测费时费力及检测人员人身安全遭到威胁，有效实现自动化监测问题。
本发明的技术方案为：一种输电塔塔体杆件监测装置，包括固定防护单元和监测数据采集单元，固定防护单元包括脚钉卡扣组件、监测杆件和紧固件，脚钉卡扣组件固定连接于输电塔塔体杆件上固有的脚钉固定节点上，中空圆柱形监测杆件螺旋插入脚钉卡扣组件中固定，监测数据采集单元固定密封于监测杆件内，监测杆件与输电塔塔体杆件相对位置固定，监测数据采集单元采集输电塔塔体杆件的应变数据、倾斜数据、位置数据无线传输至由通信终端、NB-IoT基站、NB-IoT核心网、IoT云平台和应用服务器组成通信网络。
优选的，所述监控杆件两根为一组，两根监控杆件之间由距离调节活接连接锁定，两根监控杆件另两端分别通过脚钉卡扣组件固定在输电塔塔体杆件上下两个脚钉固定节点上。
优选的，所述输电塔输出电送入监测数据采集单元中的内部降压稳压电路，降压稳压电路一路输出至作为备用电源的超级电容，一路输出为监测数据采集单元供电。
优选的，所述监测数据采集单元所有元件置于同一块PCB板上，监测数据采集单元包括处理供电的降压稳压芯片、监测输电塔塔体杆件应变的压电陶瓷激振器和压电陶瓷应变片、数据向外传输的无线传输模块以及倾角、位置采集的三轴加速度传感器及北斗定位器，监测数据采集单元封装后插入监测杆件后灌胶固定在监测杆件内。
优选的，所述所述压电陶瓷激振器对输电塔杆件发出外荷载激励信号，激励信号在输电塔杆件中传播，输电塔杆件的压电陶瓷应变片采集杆件的应变响应数据；压电陶瓷激振器发出的实时激励信号和压电陶瓷应变片接收的实时应变响应数据传输给无线传输模块并立即上传到终端。
优选的，所述脚钉卡扣组件包括扣板和插板，扣板上有一凸面，扣板扣在脚钉固定节点一面，凸面大小与脚钉固定节点的空间匹配，插板上有两根平行竖直杆，插板扣置于远离扣板的脚钉固定节点另一边，两根平行竖直杆插入扣板上圆孔后穿出，加装螺母固定。
优选的，所述脚钉卡扣组件固定住螺旋插入脚钉卡扣组件的监测杆件的自由度，扣板和插板的板材厚度及两根竖直杆的直径均小于脚钉固定节点板材厚度，不会干涉输电塔塔体杆件的脚钉安装在脚钉固定节点上。
本发明的有益效果在于：本发明输电塔塔体杆件监测装置，实现了在输电系统中自然灾害时输电塔结构杆件大位移破坏监测，避免了耗费大量人力物力的人工检测，并避免了人工作业时人身安全遭到威胁；监测装置布置方案全面且施工方便，有利于减少工时和减少安装费用，适用于大规模工程应用。本发明实现了输电塔结构在自然灾害(飓风、冰雹和地震等)时杆件大位移的智能监测，避免人工检测费时费力及检测人员人身安全遭到威胁，有效的解决了自然灾害时输电塔结构杆件大位移自动化监测诊断问题；可以实现智能杆件与终端实时相连接，便于实时监测输电杆塔的单根杆件的力学行为，便于工作人员即时对危险杆件做好预警以及准备工作，并可以为后续输电杆塔杆件的设计及加固提供数据与方案。
附图说明
图1为本发明输电塔塔体杆件监测装置结构示意图；
图2为本发明装置中供电端结构示意图；
图3为本发明装置中监测数据采集单元布置示意图；
图4为本发明监测数据采集单元封装示意图；
图5为本发明输电塔上脚钉固定节点示意图；
图6为本发明装置中脚钉卡扣组件组装后3D示意图；
图7为本发明装置中脚钉卡扣组件组装后左视图；
图8为本发明装置脚钉卡扣组件中扣板结构示意图；
图9为本发明装置脚钉卡扣组件中插板结构示意图；
图10为本发明装置中活接示意图；
图11为本发明装置安装至输电塔后示意图；
图12为本发明装置中无线传输模块传输示意图。
附图标识：1、脚钉固定节点；2、脚钉；3、脚钉卡扣组件；301、扣板；302、插板；4、监测杆件；5、输电塔塔体杆件；6、活接；7、紧固螺母；8、输电供电；9、监测数据采集单元；10、超级电容；901、降压稳压芯片；902、压电陶瓷激振器和压电陶瓷应变片；903、无线传输模块；904、三轴加速度传感器及北斗定位器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示输电塔塔体杆件监测装置结构示意图，包括固定防护单元和监测数据采集单元9，固定防护单元包括脚钉卡扣组件3、监测杆件4和紧固件，为了实时测试输电塔塔体杆件5的竖直度，利用每段输电塔塔体杆件上固有的脚钉固定节点1对监控装置进设计，设计脚钉卡扣组件3，将监控杆件4固定在脚钉固定节点1上，约束智能杆件三个方向的自由度；监测数据采集单元9内置在监测杆件4被保护，中空圆柱形监控杆件4一端有螺纹，一端螺旋插入脚钉卡扣组件3中固定，另一端插入活接6与另一根监控杆件连接，两根监控杆件4为一组，两根监控杆件之间由活接6连接，上下两个脚钉固定节点1之间的距离不完全相同，且为防止监控杆件4出现加工误差过大，活接6设置接在两根监控杆件4之间，其距离调节作用，两根监控杆件4旋入活接6后，由套接在监控杆件螺纹上的紧固螺母7固定，使得安装后位置上下相位同时，智能杆件同时具备拉压力。
如图2所示装置中供电端结构示意图：电能的主要来源为输电铁塔供电，输电供电8将电输入监测数据采集单元9中经过内部降压稳压电路后给超级电容10充电，装置供电模式分为两种，一种输电塔架正常供电时，由输电塔架输电供电8经监测数据采集单元9中降压稳压电路直接为监测数据采集单元9供电及为超级电容10充电；另一种遇到极端天气(大风、覆冰)时，由超级电容10独立为监测数据采集单元9供电。
如图3所示监测数据采集单元布置示意图，整个监测数据采集单元置于同一块PCB板上，包括处理供电的降压稳压芯片901、监测输电塔塔体杆件应变的压电陶瓷激振器和压电陶瓷应变片902、数据向外传输的无线传输模块903以及位置采集的三轴加速度传感器及北斗定位器904。如图4所示监测数据采集单元封装示意图，监测数据采集单元9封装后插入监测杆件4后灌胶固定在监测杆件4内，因采集装置均为精密电子元器件，考虑到输电杆塔工作条件恶劣，均采用外壳封装。
基于单片机控制的降压稳压模块器采用LM2575电源管理模块进行电压降压稳压处理。压电陶瓷激振器和压电陶瓷应变片分别分布固定在智能杆件内部固定平面处，压电陶瓷应变片与监测杆件4封装灌胶固定，两者的相对位置不变，监测杆件4固定在上下两根输电塔塔体杆件自带的2个脚钉固定节点1上，监测杆件4与输电塔塔体杆件保持一致的相对位置，当输电塔塔体杆件发生应变，压电陶瓷应变片可直接检测；所述压电陶瓷激振器对输电塔杆件发出外荷载激励信号，激励信号在输电塔杆件中传播，输电塔杆件的压电陶瓷应变片采集杆件的应变响应数据；继而，压电陶瓷激振器发出的实时激励信号和压电陶瓷应变片接收的实时应变响应数据传输给无线传输模块并立即上传到终端；与压电陶瓷应变片装在同一PCB板上，三轴加速度传感器固定安装后可检测输电塔塔体杆件的初始位置，ADLX345三轴加速度传感器实时测量杆塔的倾斜度通过无线传输模块上传到终端，与终端可靠度数据对比，如遇险情，进行危险预警，同时由北斗定位器工作，定位危险杆件。
如图5所示为输电塔上脚钉固定节点示意图，输电塔塔体杆件上固有的脚钉固定节点1为焊接在输电塔塔体杆件上折板，背离输电塔塔体杆件朝向外一面有脚钉2，利用此设计脚钉卡扣组件3，如图6、7所示脚钉卡扣组件组装后示意图，脚钉卡扣组件3包括扣板301(图8)和插板302(图9)组成，扣板301上有一凸面，扣板301扣在脚钉固定节点1一面，凸面大小与脚钉固定节点的空间匹配，插板302上有两根平行竖直杆，插板302扣置于远离扣板301的脚钉固定节点1另一边，两根平行竖直杆插入扣板301上圆孔后穿出，加装螺母固定，脚钉卡扣组件3即固定在脚钉固定节点1上。
两根监控杆件4之间通过如图10的活接连接，两根监控杆件4两端固定在脚钉固定节点上，如图11所示装置安装至输电塔后示意图；通过机械设计原理固定住杆件三个方向的自由度，且上下扣板301和插板302板材厚度及两根竖直杆的直径均小于脚钉固定节点板材厚度，且经过干涉仿真检查，不会干涉输电塔架的脚钉的安装。置于监控杆件4内的监测数据采集单元9始终与输电塔塔体杆件保持相对稳定的位置，当输电塔塔体杆件出现应变、位置偏移，均可被监测数据采集单元中监测单元监测到，并通过无线传输模块将数据传输出去。
如图12所示无线传输模块传输示意图，有线传输主要依赖于光导纤维为介质进行的数据、信号传输；输电塔塔体杆件监测装置中的无线传输模块与通信终端、NB-IoT基站、NB-IoT核心网、IoT云平台和应用服务器组成通信网络。相比于传统2G、3G、4G蜂窝网，解决了传统蜂窝网络传输中面临的不适合低功耗场景的问题。且输电塔架位移人烟稀少地区，NB-IoT能更好的使信号更加稳定。无线通信技术采用NB-IoT,相比于ZigBee、LoRa，不需要自建基站或网关将传感器接入到互联网中，使得部署简单。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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