CN106443196A - 一种电极接地电阻的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电极接地电阻的测量系统及方法，系统包括用于产生电压信号的电源输入电路、电阻电路、通道选择电路、信号处理电路、中央处理单元以及埋入大地的用于电磁法勘探的不极化电极组；测量方法包括中央处理单元首先控制电源输入电路产生电压信号，接着控制通道选择电路进行通断以测量不极化电极间的电压，最后根据电源输入电路产生的电压和不极化电极间的测量电压计算出电极接地电阻。本发明结构简单，测试方法简便，可以集成于电磁法接收机中，实现电极接地电阻的自动测量，并且测量的准确性高，测量速度快。

Description

一种电极接地电阻的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及地球物理电磁法勘测领域，特别涉及一种电极接地电阻的测量系统及方法。

背景技术

在进行野外的电磁法勘探过程中，每台电磁法勘探信号接收机(以下简称“接收机”)需要连接多个不极化电极，例如：采用可控源音频大地电磁法(CSAMT)进行电磁法勘探时，以测量9个通道电场为例，东西方向各需要连接5个不极化电极，则共需要连接10个；采用大地电磁测深法(MT)或音频大地电磁法(AMT)时，需要在东南西北四个方向各连接1个电极，则共需要4个。

进行野外电磁法勘探的地理环境不同，电极间的接地电阻差别会很大，正常要求电极接地电阻在几十欧姆至几千欧姆之间。通过测量电极间的接地电阻可以判断出电极是否与大地正常接触，电极间的地电阻不能太大，大于3～4千欧时说明电极与大地的接触不良好，需要采取一定的措施，例如在电极周围浇灌一定浓度的盐水，以降低电极的接地电阻；同时测量电极间的接地电阻还可以判断出电极是否正常连接到电磁法接收机，如果接地电阻值特别大(几十千欧或更大)，显然说明电极与接收机是断开的，需要检查电极线是否正常连接。如果接地电阻特别小(几十欧姆或更小)，则说明电极间很可能发生了短路，需要检查电极线是否正常连接到接收机。因此，在进行电磁法勘探时，首先要测量埋入大地的电极间的接地电阻。适用于野外的电磁法勘探，并且能与电磁法接收机相配套的电极接地电阻自动测量系统需要具有的特点有：(1)能够准确测量电阻阻值；(2)对于多个电极，能够实现自动测量；(3)直接测试，不需要再另埋电极；(4)能与电磁法接收机兼容，测得的电阻值能被电磁法接收机直接使用。

现有的测量电极接地电阻的方法大致分为两类，第一类是在连接好电极及测量电路后，用手持式万用表依次测量电极间的电阻值，这种方法测量结果准确度不高，并且操作繁琐，效率低。第二类方法是采用专业测量大地接地电阻的测试仪器(参考专利201310032847.3)，但是这类仪器需要另外使用金属电极，不能兼容电磁法野外测试常用的不极化电极，无法自动测量一条测线上的多个电极间的电阻。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种电极接地电阻的测量系统及方法。

一种电极接地电阻的测量系统，所述系统包括用于产生电压信号的电源输入电路、电阻电路、通道选择电路、信号处理电路、中央处理单元以及埋入大地的用于电磁法勘探的不极化电极组，所述电源输入电路的输入端与所述中央处理单元的输出端连接，所述电源输入电路的输出端与所述电阻电路的输入端连接，所述电阻电路的输出端与所述通道选择电路的一端连接，所述通道选择电路与所述不极化电极组连接使得所述不极化电极组与所述电阻电路形成串联分压电路，所述中央处理单元与所述通道选择电路的控制端连接，所述信号处理单路的一端与所述不极化电极组串联，所述信号处理单路的另一端与所述中央处理单元的串联，所述通道选择电路与大地之间设有用于测量电极接地电阻时将所述系统与所述大地之间断开的模拟开关。

可选地，所述不极化电极组包括的不极化电极的数量为正偶数。

可选地，所述不极化电极组包括的不极化电极的数量为4个。

可选地，所述信号处理电路包括滤波电路，放大电路以及A/D转换电路，所述滤波电路、所述放大电路以所述A/D转换电路依次串联。

可选地，所述通道选择电路包含模拟开关的个数与所述不极化电极的数量相同。

可选地，所述中央处理单元为单片机、FPGA或ARM芯片。一种电极接地电阻的测量方法，应用于上述的电极接地电阻的测量系统，所述测量方法包括：

所述电源输入电路产生电压信号Vin；

可选地，所述电源输入电路产生的电压信号为直流电压信号，或者正弦波、方波、三角波、梯形波等幅度恒定的周期性电压信号。

所述中央处理单元控制所述通道选择电路进行通断以测量所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk；

可选地，所述中央处理单元根据所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk和所述电压信号Vin计算出电极接地电阻Rx，包括：

采用以下公式计算得到所述电极接地电阻Rx：

其中，Vin为电压信号发生器生成，Rk为所述电阻电路的电阻阻值，Ro为所述通道选择电路的模拟开关的电阻阻值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：测试系统结构简单，测试方法容易操作，可以集成于电磁法接收机中，实现电极接地电阻的自动测量，并且测量的准确性高，测量速度快。

附图说明

图1是本发明提供的电极接地电阻的测量系统的一种实施例的电路图；

图2是本发明提供的电极接地电阻的测量方法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的电极接地电阻的测量系统的一种实施例，所述系统包括用于生成电压信号的电源输入电路、电阻电路、通道选择电路、信号处理电路、中央处理单元以及埋入大地的用于电磁法勘探的不极化电极组，所述电源输入电路的输入端与所述中央处理单元的输出端连接，所述电源输入电路的输出端与所述电阻电路的输入端连接，所述电阻电路的输出端与所述通道选择电路的一端连接，所述通道选择电路与所述不极化电极组连接使得所述不极化电极组与所述电阻电路形成串联分压电路，所述中央处理单元与所述通道选择电路的控制端连接，所述信号处理单路的一端与所述不极化电极组串联，所述信号处理单路的另一端与所述中央处理单元的串联，所述通道选择电路与大地之间设有用于测量电极接地电阻时将所述系统与所述大地之间断开的模拟开关。

由电源输入电路提供电压信号，不极化电极组与所述电阻电路形成串联分压电路，比较电阻电路的电阻值和不极化电极组的电极接地电阻上的电压值，可以计算出电极接地电阻值。中央处理单元通过控制通道选择电路来实现多通道电极的接地电阻的依次测量，信号处理电路可以将模拟电压信号转换为数字信号，由中央处理单元进行自动计算。

可选地，电阻电路为一系列已知阻值的高精度电阻Rk，假设埋入大地的不极化电极数量为n，则电阻电路中电阻的数量为n/2，在电磁法勘探中，电极的数量一般为偶数个,所述不极化电极组包括的不极化电极的数量为正偶数，不极化电极的数量为4个，此处不进行限定。

可选地，所述信号处理电路包括滤波电路，放大电路以及A/D转换电路，所述滤波电路、所述放大电路以所述A/D转换电路依次串联。

可选地，通道选择电路中包括多个模拟开关，通过接受中央处理单元的控制信号进行电路的通断，所述通道选择电路包含模拟开关的个数与所述不极化电极的数量相同。

可选地，所述中央处理单元为单片机、FPGA或ARM芯片。

结合图1所示，中央处理单元控制电源输入单元产生电压信号来作为系统的输入信号，同时，中央处理单元通过控制通道选择电路的开关来选择要测量的电极接地电阻。如图1所示，要测量电极E1与E2之间的电阻值Rx1，中央处理单元需要闭合模拟开关K2与模拟开关K4，同时断开模拟开关K1与模拟开关K3，测量其它的电极接地电阻则依次类推，本领域普通技术人员可以了解，具体不进行赘述。

在测量电极接地电阻时，必须将接收机电路与大地之间的模拟开关断开，即控制模拟开关K0断开。信号处理电路包括滤波电路，放大电路以及AD转换电路，它的主要功能为对电极接地电阻上的模拟电压信号进行放大，滤波并转换为数字信号，上传给中央处理单元进行最后的计算。

以进行大地电磁测深法(MT)或音频大地电磁法(AMT)进行电磁法勘探为例，需要在大地中埋入4个不极化电极，因此通道选择电路包括4个模拟开关，电阻电路包括2个电阻为Rk，电阻Rk可以选择1千欧的高精度电阻，将模拟开关与大地进行连接，中央处理单元控制模拟开关Kx的开断来依次测量不极化电极接地电阻上的电压值，将这个电压值进行信号处理后，根据电阻值Rk就可以自动计算出电极接地电阻，在测量过程中，要保持模拟开关K0断开。

结合图2所示，本发明的电极接地电阻的测量方法的一种实施例，应用于前面提到的电极接地电阻的测量系统，所述测量方法包括：

S201、所述电源输入电路产生电压信号Vin。

埋入大地的用于电磁法勘探的不极化电极组与电阻电路、通道选择电路构成一个完整的电路，输入电压为电源输入电路产生电压信号Vin。

S202、所述中央处理单元控制所述通道选择电路进行通断以测量所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk。

S203、所述中央处理单元根据所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk和所述方波电压信号Vin计算出电极接地电阻Rx。

具体采用以下公式计算得到电极接地电阻Rx：

其中，Vin为电压信号发生器生成，Rk为电阻电路的电阻阻值，这个Rk是一个定值，Ro为通道选择电路的模拟开关的电阻阻值，Ro也为定值，可以通过查询得到，通过公式的变化可以得到电极接地电阻Rx的阻值，这里电极接地电阻Rx中的x表示不同的不极化电极的接地电阻，x可以为1、2、或3，例如，图1中虚线标注的R1、R2、以及R3。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：测试系统结构简单，测试方法简单，可以集成于电磁法接收机中，实现电极接地电阻的自动测量，并且测量的准确性高，测量速度快。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种电极接地电阻的测量系统及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电极接地电阻的测量系统，其特征在于，所述系统包括用于产生电压信号的电源输入电路、电阻电路、通道选择电路、信号处理电路、中央处理单元以及埋入大地的用于电磁法勘探的不极化电极组。

所述电源输入电路的输入端与所述中央处理单元的输出端连接，所述电源输入电路的输出端与所述电阻电路的输入端连接，所述电阻电路的输出端与所述通道选择电路的一端连接，所述通道选择电路与所述不极化电极组连接使得所述不极化电极组与所述电阻电路形成串联分压电路，所述中央处理单元与所述通道选择电路的控制端连接，所述信号处理单路的一端与所述不极化电极组串联，所述信号处理单路的另一端与所述中央处理单元的串联，所述通道选择电路与大地之间设有用于测量电极接地电阻时将所述系统与所述大地之间断开的模拟开关。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述不极化电极组包括的不极化电极的数量为正偶数。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述不极化电极组包括的不极化电极的数量为4个。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述信号处理电路包括滤波电路，放大电路以及A/D转换电路，所述滤波电路、所述放大电路以所述A/D转换电路依次串联。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述通道选择电路包含模拟开关的个数与所述不极化电极的数量相同。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述中央处理单元为单片机、FPGA或ARM芯片。

7.一种电极接地电阻的测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至中任一项所述的电极接地电阻的测量系统，所述测量方法包括：

所述电源输入电路产生电压信号Vin；

所述中央处理单元控制所述通道选择电路进行通断以测量所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk；

所述中央处理单元根据所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk和所述电压信号Vin计算出电极接地电阻Rx。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述电源输入电路产生电压信号Vin，该电压信号为直流电压信号，或者正弦波、方波、三角波、梯形波等幅度恒定的周期性电压信号。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述中央处理单元根据所述不极化电极组中不极化电极间的电压Vk和所述电压信号Vin计算出电极接地电阻Rx，包括：

采用以下公式计算得到所述电极接地电阻Rx：

$\frac{V_{in}}{R_k+R_x+2\×R_o}=\frac{V_k}{R_x}$

其中，Vin为电压信号发生器生成，Rk为所述电阻电路的电阻阻值，Ro为所述通道选择电路的模拟开关的电阻阻值。