電場測量系統的製作方法

2023-05-18 08:44:56 1

專利名稱：電場測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力檢測設備領域，特別涉及一種電場測量系統。
背景技術：
近年來隨著電壓等級的提高，不僅輸變電設備本身的電場分布成為研究的熱點， 電力系統電磁兼容問題也越來越引起人們的重視。在高電壓等級的變電站內，電磁環境相 當惡劣，特別是當開關操作時，會產生變化快、幅值高的瞬態電磁場，這種變化快、幅值高的 瞬態電磁場將對二次側的保護和控制設備產生強烈的電磁千擾，嚴重時甚至引發事故並損 壞二次側的保護和控制設備川。而採用測量的手段對變電站的工頻電場和暫態電場進行實 測以獲取相應的數據可以為電力系統電磁兼容問題的研究提供事實依據。此外，在EMC研 究方面，除電力系統電磁兼容問題外，很多其它領域也存在電磁兼容問題，都需要空間電場 的測量作為其實驗支持。作業人員在高壓工頻電場的環境下，尤其是在攀爬杆塔或接近高壓帶電設備時， 工作人員會誤闖入高場強區，如果在沒有警示的情況下作業人員將會長時間工作卻毫不知 情，這就有可能造成人身傷害。現有的檢測技術分兩個方面。一是光學式電場測量法。該方法具有絕緣性能好、 響應速度快、安全性高、體積小以及重量輕等優點但是這類電場傳感器往往價格昂貴，並且 在實際測量當中，光學式電場傳感器還有許多問題需要克服。比如，由於電光效應本身具有 溫度相關性，因此基於電光效應的電場傳感器一般存在溫度漂移的問題；當利用電光晶體 感應靜態或極低頻電場時，晶體內將產生電荷漂移和電場分布的改變，導致輸出傳感信號 不穩定的問題；同樣，被測電場內空間自由電荷的存在及在傳感晶體表面的積聚，也會影響 晶體內電場分布。另外一方面為電學原理電場測量法目前利用電學原理進行電場檢測的方法有很 多，但其基本原理是處於電場中的導體傳感器表面會產生感應電荷，針對測量不同頻率電 場的需要，設計相應的傳感器結構和取樣電路，將感應電荷轉換成與待測電場強度有一定 對應關係的電流或電壓信號，再對信號進行分析，從而獲得電場強度。例如1993年中國科 學院蘭州高原大氣物理研究所設計的旋片式電場儀，這種電場傳感器測量電極由一個固定 的金屬感應片和一個轉速一定的接地轉子組成，當接地轉子旋轉時，感應片將在電場中交 替地被屏蔽和暴露，感應片表面上就會產生變化的電荷。若使用一個電阻將感應片與地相 連接，則電阻上就會有交變電流流過，測出該電流大小就可知道電場值。又如2004年上海 交通大學電氣工程系設計的變電容合成絕緣子帶電檢測儀，通過測量合成絕緣子的縱向電 場強度來判斷絕緣子的內部導通性故障，也是採用旋片式變電容的方法進行合成絕緣子的 直流電場測量。自90年代以來國內外越來越多的科研機構和電力部門認識到電場測量的重要 性，但是這些研究成果複雜且價格較為昂貴從而影響了它們的推廣和使用。因此，研究成本較低、操作方便且具有警示功能的電場測量裝置，對保證作業人員的安全，提高電力生產的安全係數，降低事故發生率具有重要意義。 發明內容有鑑於此，本實用新型的目的是提供一種電場測量系統，具有製造成本低、操作方 便、抗幹擾能力強和使用靈活等優點。本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的。本實用新型的電場測量系統，包括三維電場探頭、信號預處理單元、A/D轉換單元 和數據處理單元，所述三維電場探頭包括三組測量電極，每一組測量電極分別對應電場的 Χ、γ、ζ方向上的電場強度測量，所述信號預處理單元包括三路信號預處理電路，每一路信號 預處理電路均包括前置放大模塊、濾波模塊和有效值轉換模塊，每一路信號預處理電路的 信號輸入端分別連接至對應測量電極的信號輸出端，經信號預處理電路處理後的電場強度 信號通過A/D轉換單元轉換後，送入數據處理單元。進一步，所述電場測量系統還包括無線收發單元，所述無線收發單元包括與數據 處理單元相聯接的裝置端模塊和與外部PC機相聯接的PC端模塊，所述無線收發單元用於 實現電場強度數據的實時傳輸和三維電場探頭與PC機之間的無線控制；進一步，所述三維電場探頭採用立方體結構，每兩個對應面之間通過其各自的極 板相對組成一個感應電極；進一步，所述前置放大模塊和濾波模塊組成巴特沃思二階有源帶通濾波電路；進一步，所述前置放大模塊包括第一運算放大器、第一運放電阻、濾波電容、第一 接地電阻和接地電容，所述濾波電容的一端作為濾波輸入端，另一端接入第一運算放大器 的同相輸入端，所述接地電容的一端與濾波電容作為濾波輸入端的一端相聯接，另一端接 地，所述接地電容與濾波電容的公共接點與第一運放電阻串聯後接入第一運算放大器的輸 出端；所述第一接地電阻的一端與第一運算放大器的同相輸入端相聯接，另一端接地，所述 第一運算放大器的反相輸入端與其輸出端相聯接；進一步，所述帶通濾波模塊包括第二運算放大器、第二運放電阻、隔離電阻和第二 接地電阻；所述第二運算放大器的反相輸入端通過隔離電阻與第一運算放大器的輸出端相 聯接，所述第二運放電阻串聯在第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間，所述第二運 算放大器的同相輸入端通過第二接地電阻接地；所述第二運算放大器的輸出端通過輸出電 阻與數據處理單元的輸入端相聯接；進一步，所述有效值轉換模塊包括真有效值轉換晶片及其外圍電路；進一步，所述真有效值轉換晶片為AD637 ；進一步，所述系統還包括顯示報警單元，所述顯示報警單元與數據處理單元相聯 接；進一步，所述數據處理單元包括單片機及其外圍電路。本實用新型的有益效果是1.本實用新型通過利用電學原理電場測量法來測量工頻電場，由於這種三維電場 傳感器由軸向(Z)和徑向(Χ，Υ)三路電場測量電路和六個感應電極組成，每路測量電路仍 然以兩個對稱感應電極電荷變化的差值作為測量信號以克服高空帶電粒子的影響，故抗幹擾能力極強。2.本測量裝置工作穩定，可以做成小體積裝置，對周圍電場影響小，便於攜帶與安 裝，獨立工作，受外界環境影響小；3.相對目前電場測量儀器的昂貴价格，本發明製作出來的裝置成本較低，可以大 批量在電力系統推廣應用，用於電磁環境監測、作業場場強警示等，具有良好的應用前景和 廣泛的使用範圍；4.本裝置將無線射頻技術應用於電場數據傳輸，進一步增加了本電場測量裝置的 靈活性和使用範圍。本實用新型的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡 述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或 者可以從本實用新型的實踐中得到教導。本實用新型的目標和其他優點可以通過下面的說 明書和權利要求書來實現和獲得。

為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用 新型作進一步的詳細描述，其中圖1為本實用新型的各單元連接示意圖；圖2為三維電場探頭結構模型示意圖；圖3為前置放大電路的電路連接圖；圖4為濾波電路的電路連接圖；圖5為有效值轉換電路的電路連接圖；圖6為無線收發單元的連接示意圖；圖7為本實用新型的工作流程圖。
具體實施方式
以下將參照附圖，對本實用新型的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實 施例僅為了說明本實用新型，而不是為了限制本實用新型的保護範圍。如圖1所示，本實用新型的電場測量系統，包括三維電場探頭1、信號預處理單元 2、A/D轉換單元3和數據處理單元4，還包括了作為進一步改進的無線收發單元5和顯示報 警單元6。本實施例中，系統採用的處理器為C8051F020，片內集成12位採樣率200sps的 A/D轉換單元，可以用來對前端模擬電路採集到的信號轉換成數據信號。AD採樣的基準電 壓由處理器內部編程產生，大小為2. 4V，能夠對幅值為0-2. 4V之間的信號可靠採樣。AD轉 換單元有8個採集通道，系統開通3個通道用於三維電場數據採集。按照一般的電場測量儀器要求，處理器採用定時器定時採樣，採樣頻率為ΙΚΗζ，對 高於工頻周期時間內的數據進行均值處理，獲得準確電場數值。根據電場數據隨環境、負荷 等因素影響不斷發生改變的情況，裝置對不同時間範圍內的電場數據進行均值處理，將顯 示30S、lmin、2min以及5min等不同時間段的平均電場數值、最大值和最小值等。如圖2所示，本實施例中的三維電場探頭1採用立方體結構，每兩個對應面之間通 過其各自的極板相對組成一個感應電極，一共有三組測量電極。這三組測量電極分別對應電場的三個方向(X、Y、Z方向)，每一組平行板電極測得與其相對應方向的電場值，最終的
電場值可以表示為E= ^Bx2+By2 +Ez2，將三維電場探頭用三腳支架擺正，可以測量出該
位置的三維電場數值；在工頻電場應用中，可以不管三維電場探頭的擺放位置，從而很容易 的得到整個電場值，這樣的結構為電場測量帶來了便利。信號預處理單元2包括三路信號預處理電路，每一路信號預處理電路均包括前置 放大模塊21、濾波模塊22和有效值轉換模塊23，每一路信號預處理電路的信號輸入端分別 連接至對應測量電極的信號輸出端，本實施例中，由於A/D轉換單元3已經由所選擇的單片 機晶片集成了，所以經信號預處理電路處理後的電場強度信號直接送入單片機即可。本實施例中，前置放大模塊21和濾波模塊22組成巴特沃思二階有源帶通濾波電 路。如圖3所示，其中，前置放大模塊21包括第一運算放大器U1、第一運放電阻R15、濾波電 容C40、第一接地電阻R16和接地電容C15，濾波電容C40的一端作為濾波輸入端，另一端接 入第一運算放大器Ul的同相輸入端，接地電容C15的一端與濾波電容C40作為濾波輸入端 的一端相聯接，另一端接地，接地電容C15與濾波電容C40的公共接點與第一運放電阻R15 串聯後接入第一運算放大器Ul的輸出端；第一接地電阻R16的一端與第一運算放大器Ul 的同相輸入端相聯接，另一端接地，第一運算放大器Ul的反相輸入端與其輸出端相聯接。如圖4所示，濾波模塊包括第二運算放大器U2、第二運放電阻R22、隔離電阻R5和 第二接地電阻R20 ；第二運算放大器U2的反相輸入端通過隔離電阻R5與第一運算放大器Ul的輸出 端相聯接，第二運放電阻R22串聯在第二運算放大器U2的反相輸入端與輸出端之間，第二 運算放大器U2的同相輸入端通過第二接地電阻R20接地；第二運算放大器U2的輸出端通 過輸出電阻U14與數據處理單元4的輸入端相聯接。本實施例中，第一運算放大器Ul和第二運算放大器U2均採用0P07C。如圖5所示，本實施例中，有效值轉換模塊23包括真有效值轉換晶片及其外圍電 路。其中，真有效值轉換晶片採用了 AD637，可以將2v以內的交流信號轉換成直流信號。如圖6所示，本實用新型的無線收發單元5包括與數據處理單元4相聯接的裝置 端模塊51和與外部PC機相聯接的PC端模塊52，裝置端模塊51用於實時傳輸電場數據，同 時接收探頭操作命令信號；PC端模塊52則通過串口與PC機相連，主要作用是將測量數據 轉換後進行無線發送和探頭操作命令的接收與轉換。系統還包括顯示報警單元6，顯示報警單元6與數據處理單元4相聯接。本實施例 中，顯示報警單元集成了顯示模塊和報警模塊，分別用於實現外部數據顯示和聲光報警功 能。如圖7所示，本電場測量系統的工作流程如下開機後，系統進行初始化，並對各 個工作單元進行自檢；然後單片機片內的模數轉換單元開始對信號處理單元測得的電壓信 號進行AD轉換；結束一個轉換周期後，由單片機對採集的數位訊號進行分析處理，獲得電 場強度的測量值並輸出，同時結合國家標準進行場強警示；由於單片機在控制場強聲光報 警及數值顯示時採用定時器方式，所以數據處理完畢後便可進行下一周期的AD轉換。對獲 得的數值進行計算分析，獲得待測點的工頻電場強度；最後，對測得的電場強度輸出顯示並 結合有關標準按照設定數值進行警示。[0048]另外，系統可以進行不同的測量模式，將時間常數分別設置為30S、lmin Jmin和 5min等。分別獲得不同時間內的電場數據的平均值、最大值、最小值，滿足操作人員不同的 測量與數據分析需要。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參 照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本 實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應 涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1.電場測量系統，其特徵在於包括三維電場探頭(1)、信號預處理單元(2)、A/D轉換 單元(3)和數據處理單元(4)，所述三維電場探頭(1)包括三組測量電極，每一組測量電極 分別對應電場的X、Y、Z方向上的電場強度測量，所述信號預處理單元(2)包括三路信號預 處理電路，每一路信號預處理電路均包括前置放大模塊(21)、濾波模塊(22)和有效值轉換 模塊(23)，每一路信號預處理電路的信號輸入端分別連接至對應測量電極的信號輸出端， 經信號預處理電路處理後的電場強度信號通過A/D轉換單元(3)轉換後送入數據處理單元 (4),經數據處理單元(4)處理後向外傳輸。
2.根據權利要求1所述的電場測量系統，其特徵在於所述電場測量系統還包括無線 收發單元(5)，所述無線收發單元(5)包括與數據處理單元(4)相聯接的裝置端模塊(51)和 與外部PC機相聯接的PC端模塊(52)，所述無線收發單元(5)用於實現電場強度數據的實 時傳輸和三維電場探頭與PC機之間的無線控制。
3.根據權利要求1或2所述的電場測量系統，其特徵在於所述三維電場探頭(1)採用 立方體結構，每兩個對應面之間通過其各自的極板相對組成一個感應電極。
4.根據權利要求3所述的電場測量系統，其特徵在於所述前置放大模塊(21)和濾波 模塊(22)組成巴特沃思二階有源帶通濾波電路。
5.根據權利要求4所述的電場測量系統，其特徵在於所述前置放大模塊(21)包括第 一運算放大器(U1)、第一運放電阻(R15)、濾波電容(C40)、第一接地電阻(R16)和接地電容 (C15)，所述濾波電容(C40)的一端作為濾波輸入端，另一端接入第一運算放大器(Ul)的同 相輸入端，所述接地電容(C15)的一端與濾波電容(C40)作為濾波輸入端的一端相聯接，另 一端接地，所述接地電容(C15)與濾波電容(C40)的公共接點與第一運放電阻(R15)串聯 後接入第一運算放大器(Ul)的輸出端；所述第一接地電阻(R16)的一端與第一運算放大器 (Ul)的同相輸入端相聯接，另一端接地，所述第一運算放大器(Ul)的反相輸入端與其輸出 端相聯接。
6.根據權利要求4或5所述的電場測量系統，其特徵在於所述帶通濾波模塊包括第 二運算放大器(U2)、第二運放電阻(R22)、隔離電阻(R5)和第二接地電阻(R20)；所述第二 運算放大器(U2)的反相輸入端通過隔離電阻(R5)與第一運算放大器(Ul)的輸出端相聯 接，所述第二運放電阻(R22)串聯在第二運算放大器(U2)的反相輸入端與輸出端之間，所 述第二運算放大器(U2)的同相輸入端通過第二接地電阻(R20)接地；所述第二運算放大器 (U2)的輸出端通過輸出電阻(U14)與數據處理單元(4)的輸入端相聯接。
7.根據權利要求6所述的電場測量系統，其特徵在於所述有效值轉換模塊(23)包括 真有效值轉換晶片及其外圍電路。
8.根據權利要求7所述的電場測量系統，其特徵在於所述真有效值轉換晶片為 AD637。
9.根據權利要求1所述的電場測量系統，其特徵在於所述系統還包括顯示報警單元 (6)，所述顯示報警單元(6)與數據處理單元(4)相聯接。
10.根據權利要求1所述的電場測量系統，其特徵在於所述數據處理單元(4)包括單 片機及其外圍電路。
專利摘要本實用新型公開了一種電場測量系統，包括三維電場探頭、信號預處理單元、A/D轉換單元和數據處理單元，三維電場探頭包括三組測量電極，每一組測量電極分別對應電場的X、Y、Z方向上的電場強度測量，所述信號預處理單元包括三路信號預處理電路，每一路信號預處理電路均包括前置放大模塊、濾波模塊和有效值轉換模塊，每一路信號預處理電路的信號輸入端分別連接至對應測量電極的信號輸出端，經信號預處理電路處理後的電場強度信號通過A/D轉換單元轉換後，送入數據處理單元，本測量裝置工作穩定，便於攜帶與安裝，抗幹擾能力強、製造成本較低，可以大批量在電力系統推廣應用，用於電磁環境監測、作業場場強警示等，具有良好的應用前景和廣泛的使用範圍。
文檔編號G01R29/08GK201892707SQ201020503780
公開日2011年7月6日 申請日期2010年8月25日 優先權日2010年8月25日
發明者何為, 汪金剛 申請人:重慶大學