CN106526296A - 一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，包括以下步骤：采集埋地钢质管道的杂散电信号；将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号；利用高精度模数转换芯片对所述连续时域模拟信号以固定的采样频率f0进行采样，并进行模数转换，得到离散时域数字信号；以周期T对N个离散时域数字信号进行傅里叶变换，得到0Hz～508Hz的频域信号；其测量系统包括检测电路、信号调理电路、采样及模数转换模块、信号处理芯片。本发明能根据分析结果得到测试点所受杂散电流的来源和大小强度，可以对管道的保护作出准确的判断，且该方法具有抗干扰性强，精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及埋地钢质管道的杂散电流测量领域，特别是一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法及系统。
背景技术
杂散电流是一种流动于规定回路之外的电流，往往会产生较大电流，杂散电流具有多源性的特征，大体可以分为交流杂散电流、直流杂散电流、在地(天然)杂散电流三种类型。特别是直流杂散电流，会引起埋地管道阴极保护电位的剧烈波动对管道的破坏极强。
不同类型杂散电流的具有不同的频谱特征：
交流杂散电流主要来源于工来用电的传输、感应和馈地。工业杂散电流的极化方向和空间分布的复杂程度与电网建设状况以及用户密集程度密切相关。其中由高压电网以及发电机组周波变化引起的部分，具有频率(基频与谐波成分)稳定，强度较大的特点：由电器设备的接地和漏电引起的部分，则表现为在基波上叠加有杂乱无章的次级成分。其次，长波电台所发射的电磁波沿地球表面传播过程中也会产生交变杂散电流，其主要特点是极化方向和频率比较稳定，但强度随整夜变化的幅度大，具有明显的“日出”“日落”效应。通常，在变电站、雷达站、载波电话和有线广播站附近都存在强烈的交流杂散电流。
直流杂散电流主要由电气化铁路，直流电机、电解和电镀设备以及其他直流用电器、各类避雷接地装置等引起，这在城市和厂区十分普通。越是远离干扰源，其影响也就越小。直流杂散电流的特征是在空间分布上来源复杂、大小不一、方向紊乱，但在时间变化上具有某个阶段相对稳定的特点。
在地(天然)杂散电流是出太阳等离子体与地球磁场之间的互相作用以及电离层中的离子扰动所引起的地球脉动电流，其特点是虽然频率成分极为复杂，但却只有在数十平方公里的大范围内分布状况变化不大的特征。此类杂散电流不仅具有随机变化的特征，而且具有昼夜变化以及随季节变化的特征。
目前对杂散电流传统的测量方法是用电压表或万用表测试管地电位较自然 电位偏移值或管地电位波动，通过简单的换算得出杂散电流的平均值。这种方法存在无法得知杂散电流频率频谱(即频率范围及各频点的幅值)、杂散电流极化方向等弊端，从而无法对杂散电流产生原因及对阴极保护产生的影响作更科学的评估。
发明内容
基于此，针对上述问题，有必要提出一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法及系统，能够得到杂散电流的频谱结果，分析并得到测试点所受杂散电流的来源以及大小强度，可以对管道的保护作出准确的判断，且该方法具有抗干扰性强，精度高的特点。
本发明的技术方案是：一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，包括以下步骤：
采集埋地钢质管道的杂散电信号；
将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号；
利用高精度模数转换芯片对所述连续时域模拟信号以固定的采样频率f0进行采样，并进行模数转换，得到离散时域数字信号；
以周期T对N个离散时域数字信号进行傅里叶变换，得到0Hz～508Hz的频域信号。
本发明采用固定采样频率进行采样并进行模数转换，得到时域离散数字信号，并周期性地对N个离散时域数字信号进行快速傅里叶变换，得到的频域信号即表示杂散电流的频谱特征，可以方便得出杂散电流的大小及频率，便于对管道的保护作出准确的判断，可进一步跟踪治理杂散电流源。
优选地，将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号的步骤中还包括，将杂散电信号进行低通滤波处理后，并进行信号放大。
优选地，设定低通转折频率为600Hz，由于一般情况下，信号源的幅值都很小，并且很容易受到外界的干扰，在对信号源进行低通滤波处理时，稍有不慎，便会造成失真，因此，本发明的低通转折频率采用600Hz的最佳取值。
优选地，设定采样频率f0为1kHz，信号经过信号调理电路后输出的模拟信号经过采用及模数转换得到离散的时域数字信号，因此，本发明的采样的周期 为1ms左右，即频率的取值范围为1kHz左右。
优选地，设定周期T的范围为16ms～64ms，数字信号处理芯片每隔一定周期对连续256个时域离散数字信号进行一次快速傅里叶变换，得到0到508Hz的频谱，该频谱即可反应出杂散电流的频谱特征。
优选地，设定N的取值为256。
优选地，以周期T对N个离散时域数字信号进行傅里叶变换，得到0Hz～508Hz的频域信号的步骤之后，还包括根据得出的频域信号分析杂散电流的频谱特征，并得出杂散电流的频率及杂散电流的大小。
一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量系统，包括：
检测电路，用于对埋地钢质管道杂散电信号进行状态及参数的监测；
信号调理电路，用于对杂散电信号的调理，得到连续时域模拟信号；
采样及模数转换模块，用于对连续时域模拟信号进行采样和模数转换；
信号处理芯片，用于对离散时域信号进行快速傅里叶变换；
所述检测电路的信号输出端与信号调理电路的信号输入端相连，信号调理电路的信号输出端与采样及模数转换模块的信号输入端相连，采样及模数转换模块的信号输出端与信号处理芯片的信号输入端相连。
本发明所述的该系统装置，能够实时监测埋地钢质管道的杂散电信号，且所述的调理电路中还设有TVS二极管，防止雷击和瞬间电流对检测装置的损坏。
优选地，设定采样及模数转换模块采用独立的模数转换器AD7705。
优选地，采样及模数转换模块与信号处理芯片通过SPI接口相连。
本发明的有益效果是：
(1)能快速得到杂散电流的频谱结果，并根据杂散电流的频谱结果得出测试点所受杂散电流的来源和大小强度，有利于对管道的保护作出准确的判断，有利于治理杂散电流；
(2)测量精度高，抗干扰性强，并能防止雷击和瞬时电流击穿损坏；
(3)成本低廉，使用方便。
附图说明
图1是本发明实施例所述的杂散电流测量的方法流程图；
图2是本发明实施例所述的信号调理电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例：
一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：采集埋地钢质管道的杂散电信号；
S2：将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号；
S3：利用高精度模数转换芯片对所述连续时域模拟信号以固定的采样频率f0进行采样，并进行模数转换，得到离散时域数字信号；
S4：以周期T对N个离散时域数字信号进行傅里叶变换，得到0Hz～508Hz的频域信号；
S5：根据得出的频域信号分析杂散电流的频谱特征，并得出杂散电流的频率及杂散电流的大小。
本发明采用固定采样频率进行采样并进行模数转换，得到时域离散数字信号，并周期性地对N个离散时域数字信号进行快速傅里叶变换，得到的频域信号即表示杂散电流的频谱特征，可以方便得出杂散电流的大小及频率，便于对管道的保护作出准确的判断，可进一步跟踪治理杂散电流源。
优选地，将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号的步骤中还包括，将杂散电信号进行低通滤波处理后，并进行信号放大。
优选地，设定低通转折频率为600Hz，由于一般情况下，信号源的幅值都很小，并且很容易受到外界的干扰，在对信号源进行低通滤波处理时，稍有不慎，便会造成失真，因此，本发明的低通转折频率采用600Hz的最佳取值。
优选地，设定采样频率f0为1kHz，信号经过信号调理电路后输出的模拟信号经过采用及模数转换得到离散的时域数字信号，因此，本发明的采样的周期为1ms左右，即频率的取值范围为1kHz左右。
优选地，设定周期T的范围为16ms～64ms，数字信号处理芯片每隔一定周期对连续256个时域离散数字信号进行一次快速傅里叶变换，得到0到508Hz 的频谱，该频谱即可反应出杂散电流的频谱特征。
进一步地，一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量系统，包括：
检测电路，用于针对埋地钢质管道杂散电信号源进行状态及参数的监测；
信号调理电路，用于对杂散电信号调理，得到连续时域模拟信号；
采样及模数转换模块，用于对连续时域模拟信号进行采样和模数转换；
信号处理芯片，用于对离散时域信号进行快速傅里叶变换；
所述检测电路的信号输出端与信号调理电路的信号输入端相连，信号调理电路的信号输出端与采样及模数转换模块的信号输入端相连，采样及模数转换模块的信号输出端与信号处理芯片的信号输入端相连。
本发明所述的该系统装置，能够实时监测埋地钢质管道的杂散电信号，且所述的调理电路中还设有TVS二极管，防止雷击和瞬间电流对检测装置的损坏。
优选地，设定采样及模数转换模块采用独立的模数转换器AD7705。
优选地，所述采样及模数转换模块与信号处理芯片通过SPI接口相连。
进一步地，如图2所示，所述信号调理电路包括接口header2、TVS二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电感L1、电容C1、电容C2、电容C4、电容C5和芯片INA128，接口header2的第一个端口直接与芯片INA128的第三个引脚相连，接口header2的第二个端口依次通过电阻R2、电感L1、电阻R4、电阻R5与芯片INA128的第二个引脚相连，TVS二极管D1的一端与接口header2的第一个端口相连，TVS二极管D1的另一端与接口header2的第二个端口相连，电阻R6的一端与接口header2的第一个端口相连，电阻R6的另一端通过电阻R2与接口header2的第二个端口相连，电容C2的一端与芯片INA128的第三个引脚相连并接地，电容C2的另一端依次通过电阻R4、电阻R5与芯片INA128的第二个引脚相连，电容C4的一端与芯片INA128的第三个引脚相连并接地，电容C4的另一端通过电阻R5与芯片INA128的第二个引脚相连，电容C5的一端与芯片INA128的第三个引脚相连，电容C5的另一端与芯片INA128的第四个引脚相连，芯片INA128的第四个引脚与-3.3v的电源相连，芯片INA128的第一个引脚通过电阻R1与芯片INA128的第8个引脚相连，芯片INA128的第七个引脚通过电容C1接地，芯片INA128的第七个引脚与3.3V 的电源相连，芯片INA128的第六个引脚通过电阻R7与AINI+信号端相连，芯片INA128的第五个引脚与VCC REF/2信号端相连，R2与R6的阻值之和为10兆欧。
数字信号处理器每隔32ms对连续的256个时域离散数字信号进行一次快速傅里叶变换，得出0到508Hz频谱。
本发明采用的信号处理器为意法半导体公司的STM32F103RBT6ARM处理器，其内核是Cortex-M3，来进行快速傅里叶变换。也可以采用其它型号的处理器，如美国德州仪器生产的TMS320F28027。
信号处理器STM32F103RBT6与模数转换芯片采用SPI接口。
根据本发明得出杂散电流频谱结果，通过软件识别，可以比较容易的得出测试点所受杂散电流的来源，大小强度，可以对管道的保护效果做出准确的评判，并为杂散电流治理有一定帮助。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集埋地钢质管道的杂散电信号；
将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号；
利用高精度模数转换芯片对所述连续时域模拟信号以固定的采样频率f0进行采样，并进行模数转换，得到离散时域数字信号；
以周期T对N个离散时域数字信号进行傅里叶变换，得到0Hz～508Hz的频域信号。
2.根据权利要求1所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，将采集到的杂散电信号进行信号调理，得到连续时域模拟信号的步骤中还包括，将杂散电信号进行低通滤波处理后，并进行信号放大。
3.根据权利要求1或2所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，设定低通转折频率为600Hz。
4.根据权利要求1所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，设定采样频率f0为1kHz。
5.根据权利要求1所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，设定周期T的范围为16ms～64ms。
6.根据权利要求1所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，设定N的取值为256。
7.根据权利要求1所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量方法，其特征在于，以周期T对N个离散时域数字信号进行傅里叶变换，得到0Hz～508Hz的频域信号的步骤之后，还包括根据得出的频域信号分析杂散电流的频谱特征，并得出杂散电流的频率及杂散电流的大小。
8.一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量系统，其特征在于，包括：
检测电路，用于对埋地钢质管道杂散电信号进行状态及参数的监测；
信号调理电路，用于对杂散电信号的调理，得到连续时域模拟信号；
采样及模数转换模块，用于对连续时域模拟信号进行采样和模数转换；
信号处理芯片，用于对离散时域信号进行快速傅里叶变换；
所述检测电路的信号输出端与信号调理电路的信号输入端相连，信号调理电路的信号输出端与采样及模数转换模块的信号输入端相连，采样及模数转换模块的信号输出端与信号处理芯片的信号输入端相连。
9.根据权利要求8所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量系统，其特征在于，设定采样及模数转换模块采用独立的模数转换器AD7705。
10.根据权利要求8所述一种基于快速傅里叶变换的杂散电流测量系统，其特征在于，采样及模数转换模块与信号处理芯片通过SPI接口相连。
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