CN103293360A - 一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统。本发明主要包括特制电流传感器阵列、高速数据采集卡、控制处理模块、显示模块、同轴屏蔽电缆和光纤六个部分。本发明具有结构合理，测量精度高，抗干扰能力强，测量效率高等特点，可广泛应用于不同均匀程度、不同土壤电阻率等条件下土壤中的散流分布测量。本发明测量的地中散流分布属于目前研究尚未涉及到的范围，该数据能对于接地理论具有重要意义，并能为有效的设计降阻装置提供必要的参考依据。

Description

一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统

技术领域

本发明属于接地装置的测量技术领域，具体涉及一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统。

背景技术

对于地中接地体上电流的分布，常常利用高精度穿芯式罗格夫斯基线圈套在接地体上进行测量。该方法有其特定的应用条件，只能测量接地体上的散流分布且无法获得土壤中的散流分布。同时，该方法效率不高，一次只能测量接地体上一个点的电流值。

地中散流分布的研究对于接地理论及接地参数的获取具有重要意义，准确的掌握地中散流分布能为有效的设计降阻装置提供必要的参考。由于故障电流、操作电流或冲击雷电流经接地装置泄流时产生的时变电场的复杂性，很难从理论上推导出比较精确地数学表达式，从试验角度出发揭示接地装置的安全性能一直是接地性能研究的重要手段。通过测量手段获取地中的冲击散流特性能够全面地研究地中的散流规律，科学地预测输电线路的防雷效果。

发明内容

本发明的目的是针对缺乏地中散流测量装置的现状，提出一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统，该系统具有测量准确，抗干扰能力强、响应速度快、频率范围宽、线性行好等特点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统，系统由特制电流传感器阵列、同轴屏蔽电缆、高速数据采集卡、光纤、控制处理模块和显示模块六个部分组成。其中特制电流传感器阵列通过同轴屏蔽电缆与高速数据采集卡的一端相连，高速数据采集卡的另一端通过光纤与控制处理模块的一端相连、控制处理模块的另一端通过光纤与显示模块相连。

各部件结构及功能：

1)所述特制电流传感器阵列由九个特制传感器均匀镶嵌在边长为70cm、材料为氧化物陶瓷的不导磁正方形骨架内，每行每列均含三个特制传感器，相邻两个特制传感器距离10cm，用于采集接地极附近土壤中电流值，通过同轴屏蔽电缆将特制电流传感器阵列的输出端与所述高速采集卡的输入端相连接，高速采集卡将采集到的接地极附近土壤中电流值经过控制处理模块，最终在显示模块上呈现。

所述特制传感器由引流针、不导磁骨架、聚合物绝缘外壳、铜质线圈和积分模块组成；所述的不导磁骨架的材料为非磁性塑料、截面直径为10～15mm、外径为30～60mm、内径25～50mm的圆环，其主要作用是固定所述铜质线圈。所述圆环中间含直径25～50mm、厚度10mm的不导磁塑料圆盘，其主要作用是固定所述特制传感器中心的引流针。

所述的铜质线圈由标称直径为0.1～0.3mm的铜漆包圆线均匀绕制在不导磁骨架上，铜质线圈的匝数为200匝，其主要作用是产生与轴向电流成正比的感应电动势。所述积分模块用于对铜质线圈产生的感应电动势进行积分，从而得到感应电流。所述铜质线圈两端的引出线与所述积分模块的输入端连接，所述积分模块的输出端作为特制传感器的输出端。所述聚合物绝缘外壳的材料为环氧树脂，聚合物绝缘外壳为内径为3～15mm、外径为6～18mm、厚度为5～10mm的圆环形壳体，用以防止大电流窜入所述特制传感器所在的测量回路而损毁测量设备。所述引流针为长度为10～20mm、外径为3～8mm的铜漆包导体，在引流针的外面套装塑料绝缘管后固接在所述聚合物绝缘外壳的轴心处，其主要作用是引流待测点的冲击电流。所述特制传感器的测量带宽为100Hz～200MHz，其不仅具有良好的响应特性，能够准确的测量冲击大电流，而且特制传感器通过电磁场耦合测量冲击电流，测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，因此与主回路有着良好的电气绝缘性能。

2)所述高速数据采集卡为市购模块，主要用于对采集所述特制电流传感器阵列输出的电流信号，它能同时在九个通道上采集幅度为±10V、频率为0～200MHz的信号，采样频率为0～1GS/s，精度为0.05%FSR；采集可单次采集，也可连续采集；可以有效地解决在测试过程中的高速、多通道、长时间数据采集问题,使其成为传感器输出信号与数据处理系统的一个桥梁等。

3)所述控制处理模块为市购模块，采用32位高性能ARM处理器和μC/OS-II操作系统，主要用于完成针对所述高速数据采集卡的采样通道、采样频率、触发电平、存储位置等设置，针对所述显示模块的显示模式、通道选择等设置，以及数据处理。

4)所述显示模块为市购模块，采用19寸触摸显示器，主要用于显示所述高速数据采集卡所采集到的信号，并与所述控制处理模块一起构成人机交互界面，为单屏幕多窗口的显示方式，操作方便。

上述特制传感器的测量带宽为100Hz～200MHz；所述高速数据采集卡3为内触发和外触发两种触发方式，能通过12个通道同时采集幅度为±10V、频率为0～100MHz的信号，采样频率为0～1GS/s，精度为0.05%FSR；所述控制处理模块为32位高性能ARM处理器和μC/OS-II操作系统；所述显示模块为17寸触摸显示器，为单屏幕多窗口的显示方式。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本装置结构合理，测量精度高，抗干扰能力强，测量效率高，模块能组合使用，通过采集模式的选择能做到单次采集和多次采集，能有效连续监测地中散流特性。

（2）本装置既可应用在实验室理论研究，又可通过多个传感器阵列模块组合应用于现场测量，能够有效的获得不同条件土壤中的散流分布。在不均匀土壤中，由于不同电阻率的土壤对泄漏电流的阻碍作用不同，泄漏电流在不同土壤中的散流情况也不相同，本发明可将传感器阵列灵活放置在使用者需要测量的各个电流待测点处，能有效测量接地极泄漏电流在土壤中的不同位置的具体散流情况，故本发明适用范围广泛。

（3）本装置测量的地中散流分布属于目前研究尚未涉及到的范围，该数据能对于接地理论具有重要意义，并能为有效的设计降阻装置提供必要的参考。

本发明一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统可广泛用于测量的地中散流分布，能广泛适合于不同均匀程度、不同土壤电阻率等条件下土壤中的散流分布。

附图说明

图1是本发明一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统的结构示意图。

图中：特制电流传感器阵列1，同轴屏蔽电缆2，高速数据采集卡3，光纤4，控制处理模块5，显示模块6。

图2为本发明装置中所述特制电流传感器阵列的结构示意图。

图中：特制电流传感器阵列1，特制传感器7。

图3为本发明装置中所述特制传感器结构示意图。

图中：引流针8，不导磁骨架9，聚合物绝缘外壳10，铜质线圈11，积分模块12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统的结构如图1所示，系由特制电流传感器阵列1、高速数据采集卡3、控制处理模块5、显示模块6、同轴屏蔽电缆2和光纤4六个部分组成。其中特制电流传感器阵列1通过同轴屏蔽电缆2与高速数据采集卡3的一端相连，高速数据采集卡3的另一端通过光纤4与控制处理模块5的一端相连、控制处理模块5的另一端通过光纤4与显示模块6相连。

实施例1

特制电流传感器阵列结构如图2所示，特制电流传感器阵列1由九个特制传感器7均匀镶嵌在边长为70cm、材料为氧化物陶瓷的不导磁正方形骨架内，每行每列均含三个特制传感器7，相邻两个特制传感器距离10cm，用于采集接地极附近土壤中电流值，通过同轴屏蔽电缆2将特制电流传感器阵列1的输出端与所述高速数据采集卡3的输入端相连接，高速数据采集卡3将采集到的接地极附近土壤中电流值经过控制处理模块5，最终在显示模块6上呈现。

特制传感器7结构如图3所示，特制传感器7由引流针8、不导磁骨架9、聚合物绝缘外壳10、铜质线圈11和积分模块12组成。所述的不导磁骨架9的材料为非磁性塑料、截面直径为5mm、外径为30mm、内径25mm的圆环，其主要作用是固定所述铜质线圈。所述圆环中间含直径25～50mm、厚度10mm的不导磁塑料圆盘，其主要作用是固定所述特制传感器中心的引流针8。

所述的铜质线圈11由标称直径为0.1mm的铜漆包圆线均匀绕制在不导磁骨架9上，铜质线圈11的匝数为200匝，其主要作用是产生与轴向电流成正比的感应电动势。所述积分模块12为市购模块，用于对铜质线圈11产生的感应电动势进行积分，从而得到感应电流。所述铜质线圈11两端的引出线与所述积分模块12的输入端连接，所述积分模块12的输出端作为特制传感器7的输出端。所述聚合物绝缘外壳10的材料为环氧树脂，聚合物绝缘外壳10为浇铸在铜质线圈外表面上内径为3mm、外径为6mm、厚度为5mm的圆环形壳体，用以防止大电流窜入所述特制传感器7所在的测量回路而损毁测量设备。所述引流针8为长度为10mm、外径为3mm的铜漆包导体，在引流针8的外面套装塑料绝缘管后固接在所述聚合物绝缘外壳10的轴心处，其主要作用是引流待测点的冲击电流。所述特制传感器7的测量带宽为100Hz～200MHz，其不仅具有良好的响应特性，能够准确的测量冲击大电流，而且特制传感器7通过电磁场耦合测量冲击电流，测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，因此与主回路有着良好的电气绝缘，结构简单，线性良好。

所述高速数据采集卡3为市购模块，主要用于对采集所述特制电流传感器阵列1输出的电流信号，它能同时在九个通道上采集幅度为±10V、频率为0～200MHz的信号，采样频率为0～1GS/s，精度为0.05%FSR；采集可单次采集，也可连续采集；可以有效地解决在测试过程中的高速、多通道、长时间数据采集问题,使其成为传感器输出信号与数据处理系统的一个桥梁等。

所述控制处理模块5为市购模块，采用32位高性能ARM处理器和μC/OS-II操作系统，主要用于完成针对所述高速数据采集卡3的采样通道、采样频率、触发电平、存储位置等设置，针对所述显示模块6的显示模式、通道选择等设置，以及数据处理。

所述显示模块6为市购模块，采用19寸触摸显示器，主要用于显示所述高速数据采集卡3所采集到的信号，并与所述控制处理模块5一起构成人机交互界面，为单屏幕多窗口的显示方式，操作方便。

实施例2

特制电流传感器阵列结构如图2所示，与实施例1的特制电流传感器阵列结构相同。

特制传感器7结构如图3所示，特制传感器7由引流针8、不导磁骨架9、聚合物绝缘外壳10、铜质线圈11和积分模块12组成。所述的不导磁骨架9的材料为非磁性塑料、截面直径为8mm、外径为40mm、内径35mm的圆环，其主要作用是固定所述铜质线圈11。所述圆环中间含直径25～50mm、厚度10mm的不导磁塑料圆盘，其主要作用是固定所述特制传感器中心的引流针8。

所述的铜质线圈11由标称直径为0.2mm的铜漆包圆线均匀绕制在不导磁骨架9上，铜质线圈11的匝数为200匝，其主要作用是产生与轴向电流成正比的感应电动势。所述积分模块12为市购模块，用于对铜质线圈11产生的感应电动势进行积分，从而得到感应电流。所述铜质线圈11两端的引出线与所述积分模块12的输入端连接，所述积分模块12的输出端作为特制传感器7的输出端。所述聚合物绝缘外壳10的材料为环氧树脂，聚合物绝缘外壳10为浇铸在铜质线圈外表面上内径为12mm、外径为15mm、厚度为8mm的圆环形壳体，用以防止大电流窜入所述特制传感器7所在的测量回路而损毁测量设备。所述引流针8为长度为15mm、外径为6mm的铜漆包导体，在引流针8的外面套装塑料绝缘管后固接在所述聚合物绝缘外壳10的轴心处，其主要作用是引流待测点的冲击电流。

实施例3

特制电流传感器阵列结构如图2所示，与实施例1的特制电流传感器阵列结构相同。

特制传感器7结构如图3所示，特制传感器7由引流针8、不导磁骨架9、聚合物绝缘外壳10、铜质线圈11和积分模块12组成。所述的不导磁骨架9的材料为非磁性塑料、截面直径为10mm、外径为60mm、内径50mm的圆环，其主要作用是固定所述铜质线圈11。所述圆环中间含直径25～50mm、厚度10mm的不导磁塑料圆盘，其主要作用是固定所述特制传感器中心的引流针8。

所述的铜质线圈11由标称直径为0.3mm的铜漆包圆线均匀绕制在不导磁骨架9上，铜质线圈11的匝数为200匝，其主要作用是产生与轴向电流成正比的感应电动势。所述积分模块12为市购模块，用于对铜质线圈11产生的感应电动势进行积分，从而得到感应电流。所述铜质线圈11两端的引出线与所述积分模块12的输入端连接，所述积分模块12的输出端作为特制传感器7的输出端。所述聚合物绝缘外壳10的材料为环氧树脂，聚合物绝缘外壳10为浇铸在铜质线圈外表面上内径为15mm、外径为18mm、厚度为10mm的圆环形壳体，用以防止大电流窜入所述特制传感器7所在的测量回路而损毁测量设备。所述引流针8为长度为120mm、外径为8mm的铜漆包导体，在引流针8的外面套装塑料绝缘管后固接在所述聚合物绝缘外壳10的轴心处，其主要作用是引流待测点的冲击电流。

Claims (2)

1.一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统，其特征在于，系统由特制电流传感器阵列、同轴屏蔽电缆、高速数据采集卡、光纤、控制处理模块和显示模块六个部分组成，其中特制电流传感器阵列通过同轴屏蔽电缆与高速数据采集卡的一端相连，高速数据采集卡的另一端通过光纤与控制处理模块的一端相连、控制处理模块的另一端通过光纤与显示模块相连；

各部件结构及功能：

1)所述特制电流传感器阵列由九个特制传感器均匀镶嵌在边长为70cm、材料为氧化物陶瓷的不导磁正方形骨架内，每行每列均含三个特制传感器，相邻两个特制传感器距离10cm，用于采集接地极附近土壤中电流值，通过同轴屏蔽电缆将特制电流传感器阵列的输出端与所述高速采集卡的输入端相连接，高速采集卡将采集到的接地极附近土壤中电流值经过控制处理模块，最终在显示模块上呈现；

所述特制传感器由引流针、不导磁骨架、聚合物绝缘外壳、铜质线圈和积分模块组成；所述的不导磁骨架的材料为非磁性塑料，截面直径为10～15mm、外径为30～60mm、内径25～50mm的圆环，其主要作用是固定所述铜质线圈；所述圆环中间含直径25～50mm、厚度10mm的不导磁塑料圆盘，其主要作用是固定所述特制传感器中心的引流针；

所述的铜质线圈由标称直径为0.1～0.3mm的铜漆包圆线均匀绕制在不导磁骨架上，铜质线圈的匝数为200匝，其主要作用是产生与轴向电流成正比的感应电动势；所述积分模块用于对铜质线圈产生的感应电动势进行积分，从而得到感应电流；所述铜质线圈两端的引出线与所述积分模块的输入端连接，所述积分模块的输出端作为特制传感器的输出端；所述聚合物绝缘外壳的材料为环氧树脂，聚合物绝缘外壳为内径为3～15mm、外径为6～18mm、厚度为5～10mm的圆环形壳体，用以防止大电流窜入所述特制传感器所在的测量回路而损毁测量设备；所述引流针为长度为10～20mm、外径为3～8mm的铜漆包导体，在引流针的外面套装塑料绝缘管后固接在所述聚合物绝缘外壳的轴心处，其主要作用是引流待测点的冲击电流；所述特制传感器的测量带宽为100Hz～200MHz，其不仅具有良好的响应特性，能够准确的测量冲击大电流，而且特制传感器通过电磁场耦合测量冲击电流，测量线圈本身与被测电流回路没有直接的电的联系，因此与主回路有着良好的电气绝缘性能；

2)所述高速数据采集卡为市购模块，主要用于对采集所述特制电流传感器阵列输出的电流信号，它能同时在九个通道上采集幅度为±10V、频率为0～200MHz的信号，采样频率为0～1GS/s，精度为0.05%FSR；采集可单次采集，也可连续采集；可以有效地解决在测试过程中的高速、多通道、长时间数据采集问题,使其成为传感器输出信号与数据处理系统的一个桥梁；

3)所述控制处理模块为市购模块，采用32位高性能ARM处理器和μC/OS-II操作系统，主要用于完成针对所述高速数据采集卡的采样通道、采样频率、触发电平、存储位置等设置，针对所述显示模块的显示模式、通道选择等设置，以及数据处理；

4)所述显示模块为市购模块，采用19寸触摸显示器，主要用于显示所述高速数据采集卡所采集到的信号，并与所述控制处理模块一起构成人机交互界面，为单屏幕多窗口的显示方式，操作方便。

2.按照权利要求1所述的一种测量接地散流的阵列式电流传感器及数据采集系统，其特征在于，所述特制传感器的测量带宽为100Hz～200MHz；所述高速数据采集卡为内触发和外触发两种触发方式，能通过12个通道同时采集幅度为±10V、频率为0～100MHz的信号，采样频率为0～1GS/s，精度为0.05%FSR；所述控制处理模块为32位高性能ARM处理器和μC/OS-II操作系统；所述显示模块为17寸触摸显示器，为单屏幕多窗口的显示方式。

Images