CN102495382A - 一种瞬态磁场记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬态磁场记录仪，包括测试探头、信号调理板以及计算机和高速模拟采集卡组成的智能处理系统，将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向的电量信号，并进行比例放大、无损传输、运算，由智能处理系统对处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量进行采集、显示、记录。由于测试探头由三轴磁阻传感器进行磁信号到电信号的转换，实现了点测量，测量带宽高，能够达到DC-5MHz，因此，能够实现对瞬态异常磁场进行捕捉；克服了传统的使用感应线圈捕捉磁场不能实现磁场的点测量、无法响应恒定磁场、带宽与灵敏度之间的矛盾，不能很好地满足瞬态磁场测试要求的一些固有缺陷。

Description

一种瞬态磁场记录仪

技术领域

本发明属于磁场记录技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于记录变电站尤其是智能或数字化变电站中，由断路器、开关、雷电、异常错误等引起的瞬态磁场的记录仪器。

背景技术

现代电力系统在实际运行过程中，一次设备暂态动作，如断路器、开关、雷电、异常错误等会产生强大的电流，引起的瞬态磁场，这种磁场包含丰富的高频谐波成分，通常可达1MHz以上。高频磁场的穿透能力较强，对二次设备内部电路产生的串扰可能会导致系统误操作。

在现代电力系统中，随着智能电网技术的发展，特别是智能变电站和数字化变电站的发展，使得二次设备越来越靠近一次设备。变电站二次设备与一次设备之间距离的缩短对二次设备的抗磁场干扰性能提出了新的要求。

电磁干扰问题是影响到这些二次设备安全和可靠的关键问题之一，在变电站的规划阶段就需要考虑二次设备的电磁兼容性能。目前，对于磁场屏蔽效能的研究主要集中于工频磁场和谐波分量对电子设备的影响，并已制定出完善的测试标准(IEC/EN 61000-4-8和IEC/EN 61000-4-13)。然而，目前国内外对于智能变电站电磁干扰的研究主要集中在理论阶段，算法和仿真方面的研究比较多，而没有适宜的测试仪器。

现有的磁场测量设备不能对高频分量丰富的瞬态异常磁场进行捕捉，不能满足需要。为此，需要采用一种新型的瞬态磁场记录仪，该仪器需要能够记录变电站二次设备安装处的磁感应强度，采集磁感应强度数据并进行记录、传输和处理，并进行必要的分析。为了满足智能变电站和数字化变电站测试的要求，该瞬态磁场记录仪的测量带宽需要满足DC-5MHz。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够对瞬态异常磁场进行捕捉的瞬态磁场记录仪。

为实现上述发明目的，本发明瞬态磁场记录仪，其特征在于，包括：

测试探头，用于将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向的电量信号，并进行比例放大，放大后的电量信号通过屏蔽电缆传输到信号调理板；

信号调理板，用于将X、Y、Z三个方向的电量信号进行无损传输、运算，得到处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量，并输出给智能处理系统；

由计算机和高速模拟采集卡组成的智能处理系统，用于对处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量进行采集、显示、记录；

所述的测试探头通过三组屏蔽线连接到信号调理板，测试探头由三轴磁阻传感器进行磁信号到电信号的转换，将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向电量信号，转换结果通过运放电路放大，然后通过三组BNC连接器连接三组屏蔽线送出。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明瞬态磁场记录仪中，测试探头由三轴磁阻传感器进行磁信号到电信号的转换，三轴磁阻传感器是一种基于各向异性磁阻效应的磁阻传感器，使用该传感器的优势是实现了点测量，测量带宽高，能够达到DC-5MHz，因此，能够实现对瞬态异常磁场进行捕捉；克服了传统的使用感应线圈捕捉磁场不能实现磁场的点测量、无法响应恒定磁场、带宽与灵敏度之间的矛盾，不能很好地满足瞬态磁场测试要求的一些固有缺陷。

附图说明

图1是本发明瞬态磁场记录仪一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示测试探头原理图；

图3是图2所示控制信号接口和脉冲发生电路的脉冲发生装置的原理图；

图4是图3所示三轴磁阻传感器充磁时序图。

图5是图1所示信号调理板原理图；

图6是智能处理系统中软件的线程和对象的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明瞬态磁场记录仪一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明瞬态磁场记录仪包括测试探头1、信号调理板2以及智能处理系统3三个部分。

测试探头1负责信号的转换，将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向的电量信号，并进行比例放大，放大后的电量信号通过屏蔽电缆传输到信号调理板。

信号调理板2将X、Y、Z三个方向的电量信号进行无损传输、运算，得到处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量，并输出给智能处理系统。

智能处理系统3包括嵌入式计算机301和高速模拟采集卡302，对处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量进行采集、显示、记录。嵌入式计算机301包括主板、触摸屏显示器和其他外设。

所述的智能处理系统包括嵌入式计算机主板、高速通道模拟采集卡、分辨率为800*600的触摸屏液晶显示器。具备USB接口，网络接口等常规接口。采集卡支持采样率为20M的模拟数据采集，具备512M的内存，可采用DMA方式在总线上传递数据。嵌入式处理机运行WINDOWS XP操作系统。电源是智能处理系统的一个部分，同时也为探头和信号调理板供电。

整个瞬态磁场记录仪由开关电源4提供电源。

图2是图1所示测试探头原理图。

在本实施例中，如图2所示，测试探头通过三组屏蔽线连接到信号调理板，测试探头由三轴磁阻传感器进行磁信号到电信号的转换，将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向电量信号，在本实施例中为电压信号，转换结果通过运放电路放大，然后通过三组BNC连接器连接三组屏蔽线送出。

在本实施中，三轴磁阻传感器采用霍尼韦尔HMC1043型传感器，将磁场信号转换为电压信号。HMC1043型传感器测量范围为-6Gauss到+6Gauss，频带宽度为DC-5MHz，灵敏度为1mV/V/Gauss。HMC1043传感器内部将12个磁电阻连成三组惠斯通电桥形式，输出X、Y、Z三路差分信号，分别为磁场在三个相互正交方向上的分量。电桥电压为5V情况下，传感器输出为5mv/Gauss。在-6Gauss到+6Gauss测量范围内，传感器输出信号范围为-30mV～+30mV。三轴磁阻传感器输出的差分电压信号X+、X-，Y+、Y-，Z+、Z-进行电压跟随后，分别送入三个差分放大电路进行放大，增益可通过控制信号V_GAIN控制，放大后的信号范围为0～0.7V。HMC1043传感器的S/R+引脚用于置位和复位，控制信号接口和脉冲发生器通过向传感器HMC1043的S/R+引脚施加置位/复位脉冲电流能够恢复传感器内合金薄膜上磁畴的磁化方向从而提高测量精度。置位/复位脉冲电流峰值为4A，脉宽为2us。

图3对应图2中控制信号接口和脉冲发生电路中的脉冲发生装置，即三轴磁阻传感器充磁电路，为采用模拟电路搭建的脉冲发生电路，其中CLOCk为其与智能处理系统的接口。当CLOCK信号由高电平变为低电平时，Q1迅速导通，Q2迅速截止，电容C4充电，此时产生一个正向脉冲电压，使三轴磁阻传感器置位；数个毫秒后CLOCK信号由低电平变为高电平，此时Q1迅速截止，Q2迅速导通，电容C4放电，此时产生一个负向脉冲电压，使传感器复位。

在本实施例中，如图4所示，为了使三轴磁阻传感器充分充磁，置位/复位脉冲的强度应该在15V～20V，脉宽为2us，正负脉冲之间的时间间隔可以是1-10毫秒。图4上部分为编程实现的智能处理系统发送来的CLOCK信号，下半部分是加载在三轴传感器上的置位Set和复位信号Reset。

图5是图1所示的信号调理板部分具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图5所示，所述的信号调理板通过三组BNC插头连接三组屏蔽线，接收测试探头送出X、Y、Z三个方向电量信号，然后通过电压跟随电路进行无损传输，并输出；同时，在信号调理板中包括有一基于运放的模拟计算电路，用于计算出磁感应强度：

$B=\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}---\left(1\right)$

其中，X、Y、Z为接收的测试探头送出X、Y、Z三个方向电量信号

然后，处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量，通过BNC接口，送到智能处理系统中的模拟采集卡部分。

图5中，X，Y，Z轴输入为3组BNC连接器，该部分与图2中测试探头X，Y，Z轴输出信号对应连接。X，Y，Z三轴电压信号经乘法器、加法电路和平方根运算电路，得到与磁感应强度成正比的电压值，即磁感应强度的模值，计算公式为

X，Y，Z三轴电压信号经跟随后，同X、Y、Z三个方向的电量信号一起，通过BNC接头输出到智能处理系统的AD采集卡部分。采用该设计的原因是，如果采用软件计算磁感应强度，由于使用开平方和开根号运算，讲占用大量CPU时间，极大降低设备的数据处理能力。图2中差分放大电路的增益控制电压由图5中+3V参考电压源输出电压经分压、跟随后连接至差分放大器V_GAIN引脚。增益控制电压可由可调电位器控制，可调范围是0V～0.7V。SET/RESET脉冲发生装置可产生用于传感器置位/复位的脉冲电流。

图2中测试探头及图3中信号调理板供电方式为机箱内开关电源提供的+12V输入，经DC-DC模块产生±7V输出，通过+5V LDO和-5V LDO(lowdropout regulator，低压差线性稳压器)产生±5V电压输出。

本发明采用采用VC++并嵌入CVI组件的开发环境，采用面向对象的程序设计方法，进行多线程的程序设计，包括信号采集线程、数据处理线程、波形显示线程、数据存储线程和主程序线程。采用消息机制进行线程之间的同步和通信。并编程实现高速三维动态波形显示及快速FFT运算功能，并能采用游标技术对波形进行局部放大和局部FFT变换。

图6显示的智能处理系统中软件的线程和对象的关系。软件部分的主要功能是对系统功能进行配置，并对采集的数据进行处理、显示、存储。开发工具为VC++，采用面向对象和多线程的程序设计方法。数据以高采样率采集，而共有4个通道，每组数据占2个字节。当以40MHz进行数据采集，每秒传送的数据量是320MByte。针对这么大的数据量，设计了多线程进行采集、处理和显示，以保证系统的实时性。

图6说明了系统中主要线程和对象的相互关系。

程序一开始运行于主线程，对系统进行初始化和配置，并显示用户界面。之后，创建数据接收线程、数据处理线程、数据显示线程。数据接收线程循环查询是否有数据准备好，如果有，就想数据处理线程发送消息，否则，挂起一段时间再查询。数据处理线程在接收到消息后进行数据处理，然后根据数据是否需要显示和存储，向显示线程和存储线程发送消息，之后挂起自己。显示线程和存储线程在接收到消息后进行相应处理，然后挂起。如果不采用这种方式处理，单线程的情况下处理完成后再接收，会造成丢失数据的结果。

主线程除创建上述线程外，还创建应用程序对象。应用程序对象创家配置文件对象后读取配置信息，创建主窗口对象并进行主窗口的初始化和显示。主窗口对象主要创建各种显示对象，负责显示的刷新，另外在用户菜单点击的情况下创建配置窗口对象和分析窗口对象。当显示线程进行显示更新的时候，使用主窗口对象创建的显示对象进行具体的显示更新操作。当进行存储的时候，存储线程创建文件操作类对象，然后使用文件操作类对象进行存储操作。配置窗口对象使用配置文件对象读写配置文件。分析窗口对象使用文件读写对象读取存储的数据，使用2维和3维显示对象进行波形回放，并创建FFT变换对象进行FFT变换，显示频谱。

本发明采用上述硬件和软件技术，实现了一种瞬态磁场记录仪，可工作在触发或连续方式。适用于对变电站电磁干扰信号的捕捉以进行分析，有针对性的对二次设备进行电磁兼容设计。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种瞬态磁场记录仪，其特征在于，包括：

测试探头，用于将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向的电量信号，并进行比例放大，放大后的电量信号通过屏蔽电缆传输到信号调理板；

信号调理板，用于将X、Y、Z三个方向的电量信号进行无损传输、运算，得到处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量，并输出给智能处理系统；

由计算机和高速模拟采集卡组成的智能处理系统，用于对处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量进行采集、显示、记录；

所述的测试探头通过三组屏蔽线连接到信号调理板，测试探头由三轴磁阻传感器进行磁信号到电信号的转换，将空间磁感应强度矢量转换为X、Y、Z三个方向电量信号，转换结果通过运放电路放大，然后通过三组BNC连接器连接三组屏蔽线送出。

2.根据权利要求1所述的瞬态磁场记录仪，其特征在于，所述的信号调理板通过三组BNC插头连接三组屏蔽线，接收测试探头送出X、Y、Z三个方向电量信号，然后通过电压跟随电路进行无损传输，并输出；同时，在信号调理板中包括有一基于运放的模拟计算电路，用于计算出磁感应强度：

$B=\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}$

其中，X、Y、Z为接收的测试探头送出X、Y、Z三个方向电量信号

然后，处理后的X、Y、Z三个方向的电量信号和与磁感应强度成正比的电量，通过BNC接口，送到智能处理系统中的模拟采集卡部分。

3.根据权利要求1所述的瞬态磁场记录仪，其特征在于，所述的测试探头中包括一脉冲发生装置，用于产生强度应该在15V～20V、宽度为2us的置位/复位正/负脉冲，正/负脉冲之间的时间间隔为1-10毫秒。

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