一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量方法與流程
2023-05-13 13:48:46 1
本發明涉及埋地鋼質管道的雜散電流測量領域，特別是一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量方法及系統。
背景技術：
雜散電流是一種流動於規定迴路之外的電流，往往會產生較大電流，雜散電流具有多源性的特徵，大體可以分為交流雜散電流、直流雜散電流、在地(天然)雜散電流三種類型。特別是直流雜散電流，會引起埋地管道陰極保護電位的劇烈波動對管道的破壞極強。
不同類型雜散電流的具有不同的頻譜特徵：
交流雜散電流主要來源於工來用電的傳輸、感應和饋地。工業雜散電流的極化方向和空間分布的複雜程度與電網建設狀況以及用戶密集程度密切相關。其中由高壓電網以及發電機組周波變化引起的部分，具有頻率(基頻與諧波成分)穩定，強度較大的特點：由電器設備的接地和漏電引起的部分，則表現為在基波上疊加有雜亂無章的次級成分。其次，長波電臺所發射的電磁波沿地球表面傳播過程中也會產生交變雜散電流，其主要特點是極化方向和頻率比較穩定，但強度隨整夜變化的幅度大，具有明顯的「日出」「日落」效應。通常，在變電站、雷達站、載波電話和有線廣播站附近都存在強烈的交流雜散電流。
直流雜散電流主要由電氣化鐵路，直流電機、電解和電鍍設備以及其他直流用電器、各類避雷接地裝置等引起，這在城市和廠區十分普通。越是遠離幹擾源，其影響也就越小。直流雜散電流的特徵是在空間分布上來源複雜、大小不一、方向紊亂，但在時間變化上具有某個階段相對穩定的特點。
在地(天然)雜散電流是出太陽等離子體與地球磁場之間的互相作用以及電離層中的離子擾動所引起的地球脈動電流，其特點是雖然頻率成分極為複雜，但卻只有在數十平方公裡的大範圍內分布狀況變化不大的特徵。此類雜散電流不僅具有隨機變化的特徵，而且具有晝夜變化以及隨季節變化的特徵。
目前對雜散電流傳統的測量方法是用電壓表或萬用表測試管地電位較自然 電位偏移值或管地電位波動，通過簡單的換算得出雜散電流的平均值。這種方法存在無法得知雜散電流頻率頻譜(即頻率範圍及各頻點的幅值)、雜散電流極化方向等弊端，從而無法對雜散電流產生原因及對陰極保護產生的影響作更科學的評估。
技術實現要素：
基於此，針對上述問題，有必要提出一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量方法及系統，能夠得到雜散電流的頻譜結果，分析並得到測試點所受雜散電流的來源以及大小強度，可以對管道的保護作出準確的判斷，且該方法具有抗幹擾性強，精度高的特點。
本發明的技術方案是：一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量方法，包括以下步驟：
採集埋地鋼質管道的雜散電信號；
將採集到的雜散電信號進行信號調理，得到連續時域模擬信號；
利用高精度模數轉換晶片對所述連續時域模擬信號以固定的採樣頻率f0進行採樣，並進行模數轉換，得到離散時域數位訊號；
以周期T對N個離散時域數位訊號進行傅立葉變換，得到0Hz～508Hz的頻域信號。
本發明採用固定採樣頻率進行採樣並進行模數轉換，得到時域離散數位訊號，並周期性地對N個離散時域數位訊號進行快速傅立葉變換，得到的頻域信號即表示雜散電流的頻譜特徵，可以方便得出雜散電流的大小及頻率，便於對管道的保護作出準確的判斷，可進一步跟蹤治理雜散電流源。
優選地，將採集到的雜散電信號進行信號調理，得到連續時域模擬信號的步驟中還包括，將雜散電信號進行低通濾波處理後，並進行信號放大。
優選地，設定低通轉折頻率為600Hz，由於一般情況下，信號源的幅值都很小，並且很容易受到外界的幹擾，在對信號源進行低通濾波處理時，稍有不慎，便會造成失真，因此，本發明的低通轉折頻率採用600Hz的最佳取值。
優選地，設定採樣頻率f0為1kHz，信號經過信號調理電路後輸出的模擬信號經過採用及模數轉換得到離散的時域數位訊號，因此，本發明的採樣的周期 為1ms左右，即頻率的取值範圍為1kHz左右。
優選地，設定周期T的範圍為16ms～64ms，數位訊號處理晶片每隔一定周期對連續256個時域離散數位訊號進行一次快速傅立葉變換，得到0到508Hz的頻譜，該頻譜即可反應出雜散電流的頻譜特徵。
優選地，設定N的取值為256。
優選地，以周期T對N個離散時域數位訊號進行傅立葉變換，得到0Hz～508Hz的頻域信號的步驟之後，還包括根據得出的頻域信號分析雜散電流的頻譜特徵，並得出雜散電流的頻率及雜散電流的大小。
一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量系統，包括：
檢測電路，用於對埋地鋼質管道雜散電信號進行狀態及參數的監測；
信號調理電路，用於對雜散電信號的調理，得到連續時域模擬信號；
採樣及模數轉換模塊，用於對連續時域模擬信號進行採樣和模數轉換；
信號處理晶片，用於對離散時域信號進行快速傅立葉變換；
所述檢測電路的信號輸出端與信號調理電路的信號輸入端相連，信號調理電路的信號輸出端與採樣及模數轉換模塊的信號輸入端相連，採樣及模數轉換模塊的信號輸出端與信號處理晶片的信號輸入端相連。
本發明所述的該系統裝置，能夠實時監測埋地鋼質管道的雜散電信號，且所述的調理電路中還設有TVS二極體，防止雷擊和瞬間電流對檢測裝置的損壞。
優選地，設定採樣及模數轉換模塊採用獨立的模數轉換器AD7705。
優選地，採樣及模數轉換模塊與信號處理晶片通過SPI接口相連。
本發明的有益效果是：
(1)能快速得到雜散電流的頻譜結果，並根據雜散電流的頻譜結果得出測試點所受雜散電流的來源和大小強度，有利於對管道的保護作出準確的判斷，有利於治理雜散電流；
(2)測量精度高，抗幹擾性強，並能防止雷擊和瞬時電流擊穿損壞；
(3)成本低廉，使用方便。
附圖說明
圖1是本發明實施例所述的雜散電流測量的方法流程圖；
圖2是本發明實施例所述的信號調理電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。
實施例：
一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量方法，如圖1所示，包括以下步驟：
S1：採集埋地鋼質管道的雜散電信號；
S2：將採集到的雜散電信號進行信號調理，得到連續時域模擬信號；
S3：利用高精度模數轉換晶片對所述連續時域模擬信號以固定的採樣頻率f0進行採樣，並進行模數轉換，得到離散時域數位訊號；
S4：以周期T對N個離散時域數位訊號進行傅立葉變換，得到0Hz～508Hz的頻域信號；
S5：根據得出的頻域信號分析雜散電流的頻譜特徵，並得出雜散電流的頻率及雜散電流的大小。
本發明採用固定採樣頻率進行採樣並進行模數轉換，得到時域離散數位訊號，並周期性地對N個離散時域數位訊號進行快速傅立葉變換，得到的頻域信號即表示雜散電流的頻譜特徵，可以方便得出雜散電流的大小及頻率，便於對管道的保護作出準確的判斷，可進一步跟蹤治理雜散電流源。
優選地，將採集到的雜散電信號進行信號調理，得到連續時域模擬信號的步驟中還包括，將雜散電信號進行低通濾波處理後，並進行信號放大。
優選地，設定低通轉折頻率為600Hz，由於一般情況下，信號源的幅值都很小，並且很容易受到外界的幹擾，在對信號源進行低通濾波處理時，稍有不慎，便會造成失真，因此，本發明的低通轉折頻率採用600Hz的最佳取值。
優選地，設定採樣頻率f0為1kHz，信號經過信號調理電路後輸出的模擬信號經過採用及模數轉換得到離散的時域數位訊號，因此，本發明的採樣的周期為1ms左右，即頻率的取值範圍為1kHz左右。
優選地，設定周期T的範圍為16ms～64ms，數位訊號處理晶片每隔一定周期對連續256個時域離散數位訊號進行一次快速傅立葉變換，得到0到508Hz 的頻譜，該頻譜即可反應出雜散電流的頻譜特徵。
進一步地，一種基於快速傅立葉變換的雜散電流測量系統，包括：
檢測電路，用於針對埋地鋼質管道雜散電信號源進行狀態及參數的監測；
信號調理電路，用於對雜散電信號調理，得到連續時域模擬信號；
採樣及模數轉換模塊，用於對連續時域模擬信號進行採樣和模數轉換；
信號處理晶片，用於對離散時域信號進行快速傅立葉變換；
所述檢測電路的信號輸出端與信號調理電路的信號輸入端相連，信號調理電路的信號輸出端與採樣及模數轉換模塊的信號輸入端相連，採樣及模數轉換模塊的信號輸出端與信號處理晶片的信號輸入端相連。
本發明所述的該系統裝置，能夠實時監測埋地鋼質管道的雜散電信號，且所述的調理電路中還設有TVS二極體，防止雷擊和瞬間電流對檢測裝置的損壞。
優選地，設定採樣及模數轉換模塊採用獨立的模數轉換器AD7705。
優選地，所述採樣及模數轉換模塊與信號處理晶片通過SPI接口相連。
進一步地，如圖2所示，所述信號調理電路包括接口header2、TVS二極體D1、電阻R1、電阻R2、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電感L1、電容C1、電容C2、電容C4、電容C5和晶片INA128，接口header2的第一個埠直接與晶片INA128的第三個引腳相連，接口header2的第二個埠依次通過電阻R2、電感L1、電阻R4、電阻R5與晶片INA128的第二個引腳相連，TVS二極體D1的一端與接口header2的第一個埠相連，TVS二極體D1的另一端與接口header2的第二個埠相連，電阻R6的一端與接口header2的第一個埠相連，電阻R6的另一端通過電阻R2與接口header2的第二個埠相連，電容C2的一端與晶片INA128的第三個引腳相連並接地，電容C2的另一端依次通過電阻R4、電阻R5與晶片INA128的第二個引腳相連，電容C4的一端與晶片INA128的第三個引腳相連並接地，電容C4的另一端通過電阻R5與晶片INA128的第二個引腳相連，電容C5的一端與晶片INA128的第三個引腳相連，電容C5的另一端與晶片INA128的第四個引腳相連，晶片INA128的第四個引腳與-3.3v的電源相連，晶片INA128的第一個引腳通過電阻R1與晶片INA128的第8個引腳相連，晶片INA128的第七個引腳通過電容C1接地，晶片INA128的第七個引腳與3.3V 的電源相連，晶片INA128的第六個引腳通過電阻R7與AINI+信號端相連，晶片INA128的第五個引腳與VCC REF/2信號端相連，R2與R6的阻值之和為10兆歐。
數位訊號處理器每隔32ms對連續的256個時域離散數位訊號進行一次快速傅立葉變換，得出0到508Hz頻譜。
本發明採用的信號處理器為意法半導體公司的STM32F103RBT6ARM處理器，其內核是Cortex-M3，來進行快速傅立葉變換。也可以採用其它型號的處理器，如美國德州儀器生產的TMS320F28027。
信號處理器STM32F103RBT6與模數轉換晶片採用SPI接口。
根據本發明得出雜散電流頻譜結果，通過軟體識別，可以比較容易的得出測試點所受雜散電流的來源，大小強度，可以對管道的保護效果做出準確的評判，並為雜散電流治理有一定幫助。
以上所述實施例僅表達了本發明的具體實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。