CN105954573A - 采用多层传感器结构测量地电位的方法及多层传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用多层传感器结构测量地电位的方法，还公开一种多层传感器结构，包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内。本发明的方法克服了现有测量方法的弊端，可以直接得到被测点的地电位，实现实时对地电位值得监测，使用方便，测量结果可靠。

Description

采用多层传感器结构测量地电位的方法及多层传感器结构
技术领域
本发明涉及电力参数测量领域，特别涉及一种采用多层传感器结构测量地电位的方法。
背景技术
目前对于地电位的测量，主要有数值计算法和实际测量法。
数值计算法采用对不同情况下接地状况的等效由公式计算而得。发电厂、变电站接地装置面积较大时，可近似为圆板接地装置；地电位可按下式计算：其中ID为经接地装置流入地中电流，RD为接地装置的接地电阻，r为接地装置的等效半径，X为接地装置边沿至计算点的距离；杆塔接地装置一般面积较小，近似于半球形接地装置，地电位可按下式计算：但是数值计算方法一般基于一定的假设条件建立模型,不能完全反映实际接地情况，使得结果偏差较大。
实际测量法一直以接地电阻为主要指标，从而得到电位值。目前常用的接地电阻测量方法是三极法、四极法、变频测量法、异频测量法、多电极布置法等。但是三极法对土壤模型要求较高，受土壤电阻率的各向异性工频干扰以及电位极和电流极引线间的互感等因素的影响；四极法存在测量电流过大、引线过长等问题；变频测量法、异频测量法则存在难以放置测量电源的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种采用多层传感器结构测量地电位的方法，通过传感器信号的检测间接获得被测点地电位的真实值，此方法测量速度较快，提高测量地电位的准确性。本发明的目的之二是提供一种应用于目的一方法的多层传感器结构，制作工艺简单，稳定性较高，加工简单成本较低；本发明的目的之三是提供一种测量地电位的装置。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：
该种采用多层传感器结构测量地电位的方法，包括以下步骤：
步骤一：制造多层传感器结构，传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内；
步骤二：将铜片电极I通过导线连接于待测接地点，铜片电极II通过导线连接于给定的零电位，当被测点地电位有升高时，铜片电极I与铜片电极II之间会产生电场，由于电磁感应原理以及铜片电极II、铜片电极III均为铜片良导体，处于中间的两片铜片电极会产生感应电荷分布在导体表面，而铜片电极将成为等位体；
步骤三：根据下述公式①和公式②计算
其中，分别为中间上下极板的电位值，u23为传感器输出信号，当地电位的实际值增大时，u23将近似按比例增大，即
其中，分别为中间上下极板的电位值，u23为传感器输出信号，k为上下极板电位差值与中间两极板电位差值的比例系数,当得到传感器的输出信号u23，便可以得到地电位的电压值U。
特别地，所述铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：
该种多层传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内。
特别地，所述铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
本发明的目的之三是通过以下技术方案实现的：
该种装置包括多层传感器结构、信号处理电路和处理器电路；
所述多层传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内；
所述信号处理电路用于接收传感器电压信号并对两铜片极板电压信号进行预处理，包括依次连接的前置差分放大电路、带通滤波电路、可编程增益放大电路和A/D转换电路；
所述处理器电路部分用于对预处理后的传感器电压信号进行分析计算，通过实验分析将计算结果整定为实际地电位的电压值，并进行外部显示。
特别地，所述铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的方法克服了现有测量方法的弊端，可以直接得到被测点的地电位，实现实时对地电位值得监测，使用方便，测量结果可靠；
(2)本发明的多层传感器结构紧凑合理、体积小，生产成本相对较低；由于各个极板间填充有绝缘介质，使得本传感器具有较高的耐压水平，有效的防止了电网过电压的冲击，使得传感器具有较高的工作稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的理解和研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明测量装置结构示意图；
图2为系统数据处理流程图；
图3为实施例的差值信号曲线图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明的采用多层传感器结构测量地电位的方法，包括以下步骤：
步骤一：如图1所示，本发明中制造多层传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I 1、铜片电极II 2、铜片电极III 3和铜片电极IV 4，铜片电极I 1和铜片电极II 2规格相同，铜片电极III 3和铜片电极IV 4规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内；本实施例中，铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
步骤二：将铜片电极I通过导线连接于待测接地点，铜片电极II通过导线连接于给定的零电位，当被测点地电位有升高时，铜片电极I与铜片电极II之间会产生电场，由于电磁感应原理以及铜片电极II、铜片电极III均为铜片良导体，处于中间的两片铜片电极会产生感应电荷分布在导体表面，而铜片电极将成为等位体；
步骤三：根据下述公式①和公式②计算
其中，分别为中间上下极板的电位值，u23为传感器输出信号，当地电位的实际值增大时，u23将近似按比例增大，即
其中，分别为中间上下极板的电位值，u23为传感器输出信号，k为上下极板电位差值与中间两极板电位差值的比例系数,当得到传感器的输出信号u23，便可以得到地电位的电压值U。
关于比例系数k值得确定，主要与传感器结构与材料的设计相关。在实际测量过程中，考虑到等电位传感器的作为等效信号源时，由于中间两块铜片极板相当于一个大电容串联，即在工频50Hz情况下内阻可以达到100兆欧到200兆欧左右。因此，需要在采集信号电路中尽量提高输入电阻以便得到测量值。
实施例(k值的计算)
本实施例中，铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
I号铜片电极与II铜片电极、III铜片电极与IV铜片电极相距6mm，II铜片电极与III铜片电极相距3mm，当输入电阻为30兆欧时，将变压器的两端分别与等电位传感器的上极板和下极板的引线相连接，其中下极板接地。逐渐从零调大变压器的输入，得到II铜片电极与III铜片电极实际输出的差值信号。
实验结果如图3所示，其中传感器输入有效值为差值输出有效值为由图中曲线计算可得，k值约为20。在以后的计算中，该套装置的k值直接代入计算即可。
铜片电极的大小形状、铜片电极之间的距离以及输入阻抗的大小都与k值的大小相关。但是通过上述的方式，可以很容易的得到具体装置的k值，从而方便后续的不同场合地电位的测量。
本实施例中的多层传感器结构制备较为容易，结构轻巧，通过与信号处理电路和处理器电路相结合，能够组成一套完整测量地电位的装置，如图2所示，其中，信号处理电路用于接收传感器电压信号并对两铜片极板电压信号进行预处理，包括依次连接的前置差分放大电路、带通滤波电路、可编程增益放大电路和A/D转换电路；主要完成传感器测量信号的接收、信号的预处理、可增益放大滤波、有效值转换、A/D处理等功能。
处理器电路部分用于对预处理后的传感器电压信号进行分析计算，通过实验分析将计算结果整定为实际地电位的电压值，并利用液晶显示电路将电压值显示在液晶显示屏上。
整套装置结构设置合理，使用方便，易于便携，具有良好的推广应用价值。
最后说明的是，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.采用多层传感器结构测量地电位的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：制造多层传感器结构，传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内；
步骤二：将铜片电极I通过导线连接于待测接地点，铜片电极II通过导线连接于给定的零电位，当被测点地电位有升高时，铜片电极I与铜片电极II之间会产生电场，由于电磁感应原理以及铜片电极II、铜片电极III均为铜片良导体，处于中间的两片铜片电极会产生感应电荷分布在导体表面，而铜片电极将成为等位体；
步骤三：根据下述公式①和公式②计算
其中，分别为中间上下极板的电位值，u23为传感器输出信号，当地电位的实际值增大时，u23将近似按比例增大，即
其中，分别为中间上下极板的电位值，u23为传感器输出信号，k为上下极板电位差值与中间两极板电位差值的比例系数,当得到传感器的输出信号u23，便可以得到地电位的电压值U。
2.根据权利要求1所述的采用多层传感器结构测量地电位的方法，其特征在于：所述铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
3.用于权利要求1所述方法的多层传感器结构，其特征在于：所述多层传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内。
4.根据权利要求3所述的多层传感器结构，其特征在于：所述铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
5.用于权利要求1所述方法的测量地电位的装置，其特征在于：所述装置包括多层传感器结构、信号处理电路和处理器电路；
所述多层传感器结构包括四片铜片电极，四片铜片电极采用相互平行的方式依次排列，从上到下依次为铜片电极I、铜片电极II、铜片电极III和铜片电极IV，所述铜片电极I和铜片电极II规格相同，铜片电极III和铜片电极IV规格相同，且铜片电极I和铜片电极II的规格小于铜片电极III和铜片电极IV，四片铜片电极封存于环氧树脂绝缘材料内；
所述信号处理电路用于接收传感器电压信号并对两铜片极板电压信号进行预处理，包括依次连接的前置差分放大电路、带通滤波电路、可编程增益放大电路和A/D转换电路；
所述处理器电路部分用于对预处理后的传感器电压信号进行分析计算，通过实验分析将计算结果整定为实际地电位的电压值，并进行外部显示。
6.根据权利要求5所述的测量地电位的装置，其特征在于：所述铜片电极I和铜片电极II的尺寸为5*5*1mm，所述铜片电极III和铜片电极IV的尺寸为3*3*1mm。
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