CN107238609A - 基于微波的结冰结霜检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测装置及方法，尤其是一种基于微波的结冰结霜检测装置及方法，属于结冰结霜检测的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述基于微波的结冰结霜检测装置，包括用于检测结冰或结霜状态的结冰结霜传感器以及用于向所述结冰结霜传感器加载微波检测信号的检测电路；加载的微波检测信号能在结冰结霜传感器上传输，结冰结霜传感器根据微波检测信号的传输环境变化向检测电路传输微波返回信号，检测电路根据微波检测信号、微波返回信号得到相位差电压信号，检测电路根据相位差电压信号确定结冰结霜传感器检测的结冰或结霜状态。本发明结构紧凑，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置及方法，尤其是一种基于微波的结冰结霜检测装置及方法，属于结冰结霜检测的技术领域。
背景技术
在制冷行业，冷凝器或者蒸发器化霜是一个比较难有效解决的问题，其核心问题是如何检测冷凝器或蒸发器结霜；目前基本采用检测其温度和运行时间的办法，当冷凝器或者蒸发器的温度低于一个设定温度且已经满足一定持续运行时间，认为其已经结霜。实际上在南方潮湿地区，没有达到化霜设定温度就已经结霜，而在干燥的北方，即使低于设定温度，冷凝器或蒸发器也没有结霜，这样就造成误判断，导致白白消耗电能甚至损坏机组。
电力架空线等设备也需要检测其结冰结霜程度，一旦电力线结冰没有及时发现解决，就会造成特大事故。
输水供水管道、汽车水箱等一些设备和场合也需要进行结冰结霜检测，目的就是为了及时发现结冰结霜情况，及时采取措施，避免发生事故。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于微波的结冰结霜检测装置及方法，其结构紧凑，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。
按照本发明提供的技术方案，所述基于微波的结冰结霜检测装置，包括用于检测结冰或结霜状态的结冰结霜传感器以及用于向所述结冰结霜传感器加载微波检测信号的检测电路；
加载的微波检测信号能在结冰结霜传感器上传输，结冰结霜传感器根据微波检测信号的传输环境变化向检测电路传输微波返回信号，检测电路根据微波检测信号、微波返回信号得到相位差电压信号，检测电路根据相位差电压信号确定结冰结霜传感器检测的结冰或结霜状态。
所述检测电路根据相位差电压信号还能确定结冰或结霜的厚度。
所述结冰结霜传感器包括热传导金属体以及设置于所述热传导金属体上的检测铜箔，所述检测铜箔的一端形成微波输入连接端，检测铜箔的另一端形成微波输出连接端，检测铜箔通过微波输入连接端、微波输出连接端与检测电路电连接。
所述检测铜箔呈U型，检测铜箔通过导热绝缘体粘贴在热传导金属体上，所述导热绝缘体包括环氧树脂。
所述检测电路包括微波信号发生器与所述微波信号发生器连接的鉴相器以及与所述鉴相器连接的信号处理电路，
微波信号发生器能产生微波检测信号，鉴相器接收微波返回信号，并向信号处理电路传输相位差电压信号，信号处理电路根据相位差电压电压信号得到结冰或结霜状态。
所述信号处理电路的电源端与电源稳压器连接，且信号处理器与接口电路连接。
一种基于微波的结冰结霜检测方法，提供用于检测结冰或结霜状态的结冰结霜传感器以及用于向所述结冰结霜传感器加载微波检测信号的检测电路；
加载的微波检测信号能在结冰结霜传感器上传输，结冰结霜传感器根据微波检测信号的传输环境变化向检测电路传输微波返回信号，检测电路根据微波检测信号、微波返回信号得到相位差电压信号，检测电路根据相位差电压信号确定结冰结霜传感器检测的结冰或结霜状态。
所述结冰结霜传感器包括热传导金属体以及设置于所述热传导金属体上的检测铜箔，所述检测铜箔的一端形成微波输入连接端，检测铜箔的另一端形成微波输出连接端，检测铜箔通过微波输入连接端、微波输出连接端与检测电路电连接。
所述检测铜箔呈U型，检测铜箔通过导热绝缘体粘贴在热传导金属体上，所述导热绝缘体包括环氧树脂。
所述检测电路包括微波信号发生器与所述微波信号发生器连接的鉴相器以及与所述鉴相器连接的信号处理电路，
微波信号发生器能产生微波检测信号，鉴相器接收微波返回信号，并向信号处理电路传输相位差电压信号，信号处理电路根据相位差电压电压信号得到结冰或结霜状态。
本发明的优点：利用加载的微波检测信号在结冰结霜传感器上传输，结冰结霜传感器根据微波检测信号的传输环境变化向检测电路传输微波返回信号，检测电路根据微波检测信号、微波返回信号得到相位差电压信号，检测电路根据相位差电压信号确定结冰结霜传感器检测的结冰或结霜状态，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。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明结冰结霜传感器的结构示意图。
图3为本发明检测电路的结构框图。
附图标记说明：1-结冰结霜传感器、2-检测电路、3-微波输出连接线、4-微波返回连接线、5-直流电源输入、6-检测数据输出、7-热传导金属体、8-导热绝缘体、9-检测铜箔、10-微波输入连接端、11-微波输出连接端、12-微波信号发生器、13-鉴相器、14-微波检测信号、15-鉴相器参考信号、16-微波返回信号、17-相位差电压信号、18-电源稳压器、19-接口电路以及20-信号处理电路。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了能有效实现对结冰或结霜状态的有效检测，本发明一种基于微波的结冰结霜检测装置，包括用于检测结冰或结霜状态的结冰结霜传感器1以及用于向所述结冰结霜传感器1加载微波检测信号14的检测电路2；
加载的微波检测信号14能在结冰结霜传感器1上传输，结冰结霜传感器1根据微波检测信号14的传输环境变化向检测电路2传输微波返回信号16，检测电路2根据微波检测信号14、微波返回信号16得到相位差电压信号17，检测电路2根据相位差电压信号17确定结冰结霜传感器1检测的结冰或结霜状态。
具体地，微波信号的传输不同于普通的直流电或者交流电的传输，由于趋肤效应，微波信号的电磁场集中在传输线的表面，其传输速度受传输线周围的介质影响。根据麦克斯韦电磁场原理，影响微波传输速度的主要因素是介质的介电常数、电导率和磁导率。介电常数、电导率和磁导率越高，微波的衰减越大，传输速度越低。
一般地，水的介电常数是80左右，空气的介电常数是1，而冰的介电常数是3左右，从介电常数看，水大于冰，冰大于空气，从电导率和磁导率看，也是水大于冰，冰大于空气，因此，微波在水、冰和空气中的传输速度不一样，在空气中接近于光速，在冰中稍低，而在水中相对比较慢。
根据上述原理，在结冰结霜传感器1上加载微波检测信号14，由于结冰结霜传感器1置于待检测的环境中或与待检测的设备紧密连接，当微波检测信号14在结冰结霜传感器1上传输时，能向检测电路2传输微波返回信号16，当周围介质变化时，由于传输速度的变换，导致微波返回信号16与微波检测信号14的相位不同，即检测电路2能根据微波返回信号16与微波检测信号14间的相位差电压信号17。在得到相位差电压信号后，根据上述微波在水、冰和空气中的传输速度关系，能最终确定结冰结霜传感器1检测的结冰状态或结霜状态。
如图2所示，所述结冰结霜传感器1包括热传导金属体7以及设置于所述热传导金属体7上的检测铜箔9，所述检测铜箔9的一端形成微波输入连接端10，检测铜箔9的另一端形成微波输出连接端11，检测铜箔9通过微波输入连接端10、微波输出连接端11与检测电路2电连接。
本发明实施例中，所述检测铜箔9呈U型，检测铜箔9通过导热绝缘体8粘贴在热传导金属体7上，所述导热绝缘体8包括环氧树脂，检测铜箔9通过导热绝缘体8与热传导金属7电绝缘，且能实现与热传导金属7间的热传导。检测电路2通过微波输出连接线3与微波输入连接端10电连接，微波输出连接端11通过微波返回连接线4与检测电路2电连接，即检测电路2与检测铜箔9间形成一个检测回路。
具体实施时，热导热金属体7需要与环境或被检测设备紧密连接，检测铜箔9的温度也与热导热金属体7基本一致，并完全暴露在环境中。如果被检测环境是空气，当环境温度低且湿度较高时，检测铜箔9的表面会结霜，因此，微波检测信号14的传输环境就发生了变化。如果被检测环境是水，当温度低于冰点温度时，检测铜箔9的表面会结成冰，即微波检测信号14的传输介质由水变成了冰。同样当霜或者冰融化时，微波检测信号14的传输介质也发生了变化。
一般地，检测铜箔9的长度L是固定不变的，微波检测信号的频率F也固定不变，假如微波检测信号14的传输速度为V，这样微波的波长λ=V/F。
检测铜箔9在空气中时，微波检测信号14的传输速度为V1，此时波长λ1=V1/F，微波检测信号14在检测铜箔9上发生的相位变化P1=(L/λ1)*360°=L*F*360°/V1。
检测铜箔9在冰或者霜中时，微波检测信号14的传输速度为V2，此时波长λ2=V2/F，微波在检测铜箔上发生的相位变化P2= L*F*360°/V2。
检测铜箔9在水中时，微波检测信号14的传输速度为V3，此时波长λ3=V3/F，微波检测信号14在检测铜箔9上发生的相位变化P3= L*F*360°/V3。
由于V1>V2>V3，所以检测铜箔9在水中发生的相移远大于冰霜，更大于空气。所以通过对微波检测信号14相移的检测，就可以分辨出被检测环境是空气、冰霜或者水；即通过相位差电压信号17能确定冰结霜传感器1检测的结冰或结霜状态。
此外，由于微波的电磁场有一定的作用范围，当在电磁场范围内的介质是冰霜、空气和水的混合形态时，微波的相移范围也在纯空气、纯冰和纯水之间。如果检测铜箔外依次是冰和空气，如果冰的厚度越厚，微波在铜箔上产生的相移就越大，这样就可以通过相位差电压信号17检测出结冰或者结霜的厚度。
如图3所示，所述检测电路2包括微波信号发生器12与所述微波信号发生器12连接的鉴相器13以及与所述鉴相器13连接的信号处理电路20，
微波信号发生器12能产生微波检测信号14，鉴相器13接收微波返回信号16，并向信号处理电路20传输相位差电压信号17，信号处理电路20根据相位差电压电压信号17得到结冰或结霜状态。
本发明实施例中，微波信号发生器12以及鉴相器13可以采用本技术领域常用的结构形式，微波信号发生器12通过微波输出连接线3与检测铜箔9的微波输入连接端10电连接，即微波信号发生器12产生的微波检测信号通过14通过微波输出连接线3加载到检测铜箔9上，检测铜箔9的微波输出连接端11通过微波返回连接线4与鉴相器13连接，即微波返回信号16通过微波返回连接线4传输至鉴相器13内。一般地，微波信号发生器12还向鉴相器13传输鉴相器参考信号15，所述鉴相器参考信号15为与微波检测信号14完全相同的微波信号，鉴相器13通过对鉴相器参考信号15以及微波返回信号16比较，得到相位差电压信号17。
所述信号处理电路20的电源端与电源稳压器18连接，且信号处理器20与接口电路19连接。电源稳压器18的输入端接直流电源输入5，电源稳压器18能提供所需的直流电压，电源稳压器18具体可以采用本技术领域常用的结构形式，信号处理器20可以采用本技术领域常用的单片机，ARM等芯片形式，具体可以根据需要进行选择，接口电路19可以采用串口、USB等形式，信号处理器20可以通过接口电路19将结冰结霜传感器1检测的结冰或结霜状态传输至远端。
综上，本发明利用加载的微波检测信号14在结冰结霜传感器1上传输，结冰结霜传感器1根据微波检测信号14的传输环境变化向检测电路2传输微波返回信号16，检测电路2根据微波检测信号14、微波返回信号16得到相位差电压信号17，检测电路2根据相位差电压信号17确定结冰结霜传感器1检测的结冰或结霜状态，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。
Claims (10)
1.一种基于微波的结冰结霜检测装置，其特征是：包括用于检测结冰或结霜状态的结冰结霜传感器（1）以及用于向所述结冰结霜传感器（1）加载微波检测信号（14）的检测电路（2）；
加载的微波检测信号（14）能在结冰结霜传感器（1）上传输，结冰结霜传感器（1）根据微波检测信号（14）的传输环境变化向检测电路（2）传输微波返回信号（16），检测电路（2）根据微波检测信号（14）、微波返回信号（16）得到相位差电压信号（17），检测电路（2）根据相位差电压信号（17）确定结冰结霜传感器（1）检测的结冰或结霜状态。
2.根据权利要求1所述的基于微波的结冰结霜检测装置，其特征是：所述检测电路（2）根据相位差电压信号（17）还能确定结冰或结霜的厚度。
3.根据权利要求1所述的基于微波的结冰结霜检测装置，其特征是：所述结冰结霜传感器（1）包括热传导金属体（7）以及设置于所述热传导金属体（7）上的检测铜箔（9），所述检测铜箔（9）的一端形成微波输入连接端（10），检测铜箔（9）的另一端形成微波输出连接端（11），检测铜箔（9）通过微波输入连接端（10）、微波输出连接端（11）与检测电路（2）电连接。
4.根据权利要求3所述的基于微波的结冰结霜检测装置，其特征是：所述检测铜箔（9）呈U型，检测铜箔（9）通过导热绝缘体（8）粘贴在热传导金属体（7）上，所述导热绝缘体（8）包括环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的基于微波的结冰结霜检测装置，其特征是：所述检测电路（2）包括微波信号发生器（12）与所述微波信号发生器（12）连接的鉴相器（13）以及与所述鉴相器（13）连接的信号处理电路（20），
微波信号发生器（12）能产生微波检测信号（14），鉴相器（13）接收微波返回信号（16），并向信号处理电路（20）传输相位差电压信号（17），信号处理电路（20）根据相位差电压电压信号（17）得到结冰或结霜状态。
6.根据权利要求5所述的基于微波的结冰结霜检测装置，其特征是：所述信号处理电路（20）的电源端与电源稳压器（18）连接，且信号处理器（20）与接口电路（19）连接。
7.一种基于微波的结冰结霜检测方法，其特征是：提供用于检测结冰或结霜状态的结冰结霜传感器（1）以及用于向所述结冰结霜传感器（1）加载微波检测信号（14）的检测电路（2）；
加载的微波检测信号（14）能在结冰结霜传感器（1）上传输，结冰结霜传感器（1）根据微波检测信号（14）的传输环境变化向检测电路（2）传输微波返回信号（16），检测电路（2）根据微波检测信号（14）、微波返回信号（16）得到相位差电压信号（17），检测电路（2）根据相位差电压信号（17）确定结冰结霜传感器（1）检测的结冰或结霜状态。
8.根据权利要求7所述基于微波的结冰结霜检测方法，其特征是：所述结冰结霜传感器（1）包括热传导金属体（7）以及设置于所述热传导金属体（7）上的检测铜箔（9），所述检测铜箔（9）的一端形成微波输入连接端（10），检测铜箔（9）的另一端形成微波输出连接端（11），检测铜箔（9）通过微波输入连接端（10）、微波输出连接端（11）与检测电路（2）电连接。
9.根据权利要求8所述基于微波的结冰结霜检测方法，其特征是：所述检测铜箔（9）呈U型，检测铜箔（9）通过导热绝缘体（8）粘贴在热传导金属体（7）上，所述导热绝缘体（8）包括环氧树脂。
10.根据权利要求7所述基于微波的结冰结霜检测方法，其特征是：所述检测电路（2）包括微波信号发生器（12）与所述微波信号发生器（12）连接的鉴相器（13）以及与所述鉴相器（13）连接的信号处理电路（20），
微波信号发生器（12）能产生微波检测信号（14），鉴相器（13）接收微波返回信号（16），并向信号处理电路（20）传输相位差电压信号（17），信号处理电路（20）根据相位差电压电压信号（17）得到结冰或结霜状态。
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