CN107192896A - 用于高压工频电场的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于高压工频电场的测量装置，属于配电网领域，包括微控制器，微控制器的输出端连接有指示灯模块，微控制器和指示灯模块的输入端还连接有电源模块，测量装置还包括连接在微控制器的输入端的至少一路传感器信号处理模块；传感器信号处理模块包括信号差分放大电路。通过传感器信号处理模块在工频电场测量信号的过程中，主要由信号差分放大电路提取有用信号并将其放大和抑制共模干扰信号，进而使测量结果准确可靠，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明属于配电网领域，特别涉及用于高压工频电场的测量装置。
背景技术
电场测量广泛运用于电力、航天、医疗等行业之中。近年来，随着超高压电网在全国范围内覆盖面的逐渐扩大，人们对此也越来越关注。根据《国家电网公司电力安全工作规程》规定各种不同电压等级的安全距离以及配置相应声光报警系统，并且可以根据具体的要求调整报警阀值。
目前，在电磁干扰非常强烈的变电站内，测量电场时干扰信号太多，从而会对测量精度造成较大影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了用于高压工频电场提高了测量精度的测量装置。
为了达到上述技术目的，本发明提供了用于高压工频电场的测量装置，包括微控制器，所述微控制器的输出端连接有指示灯模块，所述微控制器和所述指示灯模块的输入端还连接有电源模块，所述测量装置还包括连接在所述微控制器的输入端的至少一路传感器信号处理模块；
其中，所述传感器信号处理模块包括信号差分放大电路，所述信号差分放大电路包括输入电阻R7，所述输入电阻R7的一端作为输入端，所述输入电阻R7的另一端连接运算放大器U1的反相输入端，所述运算放大器U1的反相输入端与输出端之间串联运放电阻R2，所述输入电阻R7的输入端连接接地电阻R16的一端，所述接地电阻R16的另一端接地，所述运算放大器U1的同相输入端经接地电阻R19接地，所述运算放大器U1的输出端连接输出电阻R12的一端。
可选的，所述传感器信号处理模块还包括连接在所述信号差分放大电路的输出端的滤波电路。
可选的，在所述滤波电路中：
包括运算放大器U2、运算放大器U3、输入电阻R13、电阻R14、电阻R8、接地电阻R20、运放电阻R4、接地电容C35、接地电容C36、滤波电容C28；
所述输入电阻R13的一端经接地电容C35连接输出电阻R12的另一端，所述输入电阻R13的另一端经电阻R14连接运算放大器U2的同相输入端，所述滤波电容C28的一端连接输入电阻R13与电阻R14的公共点，所述滤波电容C28的另一端连接运算放大器U2的反相输入端；
所述运算放大器U2的反相输入端与自身输出端相连，所述运算放大器U2的同相输入端经接地电容C36接地，所述运算放大器U2的输出端连接电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端连接运算放大器U3的反相输入端，所述运输放大器U3的反相输入端与运输放大器U3的输出端之间串联运放电阻R4，所述运输放大器U3的同相输入端电阻经接地电阻R20接地。
可选的，所述传感器信号处理模块还包括连接在所述信号差分放大电路的输入端的传感器。
可选的，所述传感器为阿基米德螺旋天线。
可选的，所述传感器信号处理模块还包括连接在所述滤波电路的输出端的电平偏移电路。
可选的，所述电平偏移电路包括A/D采样芯片，所述A/D采样芯片的型号为AD7606-6。
可选的，所述微控制器的型号为LPC1758。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过传感器信号处理模块在工频电场测量信号的过程中，主要由信号差分放大电路提取有用信号并将其放大和抑制共模干扰信号，进而使测量结果准确可靠，提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的用于高压工频电场的测量装置的各单元连接示意图；
图2是本发明提供的信号差分放大电路的电路连接图；
图3是本发明提供的滤波电路的电路连接图；
图例：1-微控制器，2-指示灯模块，3-电源模块，4-传感器信号处理模块，41-传感器，42-信号差分放大电路，43-滤波电路，44-电平偏移电路。
具体实施方式
为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。
实施例一
本发明提供了用于高压工频电场的测量装置，包括微控制器1，所述微控制器1的输出端连接有指示灯模块2，所述微控制器1和所述指示灯模块2的输入端还连接有电源模块3，所述测量装置还包括连接在所述微控制器1的输入端的至少一路传感器信号处理模块4；
其中，所述传感器信号处理模块4包括信号差分放大电路42，，所述信号差分放大电路42包括输入电阻R7，所述输入电阻R7的一端作为输入端，所述输入电阻R7的另一端连接运算放大器U1的反相输入端，所述运算放大器U1的反相输入端与输出端之间串联运放电阻R2，所述输入电阻R7的输入端连接接地电阻R16的一端，所述接地电阻R16的另一端接地，所述运算放大器U1的同相输入端经接地电阻R19接地，所述运算放大器U1的输出端连接输出电阻R12的一端。
在实施中，如图1所示，电源模块3分别给微控制器1、传感器信号处理模块4、指示灯模块2供电，其中，图1中传感器信号处理模块4仅仅代表其中一路的传感器信号处理模块4。为了避免传感器信号处理模块4安装位置的缘故导致无法感应到有效电压，在本实施例中传感器信号处理模块选为三路。传感器信号处理模块4的路数越多，对工频电场测量的准确性越高。
首先，处于工频交变电场中的传感器信号处理模块4将获取到测量信号进行一系列处理得到处理后的信号，微控制器1读取处理后的信号，将该信号经过一定的数字滤波算法滤除不合理的干扰信号，再和用户事先设置的报警阀值进行比较，高于此阀值时，指示灯模块2中指示灯发送光信号报警，则提示用户进入安全距离范围；低于此阀值时，指示灯模块2中指示灯处于熄灭状态，则提示用户在安全距离范围以外。
还有，传感器信号处理模块4包括信号差分放大电路42，如图2所示，信号差分放大电路42由电阻R2、电阻R7、电阻R16、电阻R19运算放大器U1构成高共模抑制比运算放大器。由于测量装置工作在电磁干扰非常强烈的变电站内，工作条件非常恶劣，因此在信号差分放大电路42的输入端经常接到较大的干扰信号，有时完全是相同的干扰，即共模干扰，通用的放大器虽然对直接差动端的共模信号也有一定的抑制能力，但是当差动端电路不对称时对共模干扰起不到很好的抑制作用，从而会对测量精度造成较大影响。为了减小这种影响，因此本实施例选用高共模抑制比运算放大器提取有用信号并将其放大和抑制共模干扰信号。
可选的，所述传感器信号处理模块4还包括连接在所述信号差分放大电路42的输出端的滤波电路43。
在实施中，如图1所示，信号差分放大电路42的输出端连接有滤波电路43，滤波电路43用于对信号差分放大电路42的输出信号进行滤波处理。
由于变电站中运行的设备和附近运行的设备会产生频谱范围很宽的干扰信号，另外电场信号本身也具有较宽的频谱范围，需要电场传感器41信号处理电路时，由于电场传感器41本身具有较宽的工作带宽，同时还要将高于电场信号频率的干扰信号滤除，因此滤波电路43采用低通性能优异的滤波器。
可选的，如图3所示，在所述滤波电路43中：
包括运算放大器U2、运算放大器U3、输入电阻R13、电阻R14、电阻R8、接地电阻R20、运放电阻R4、接地电容C35、接地电容C36、滤波电容C28；
所述输入电阻R13的一端经接地电容C35连接输出电阻R12的另一端，所述输入电阻R13的另一端经电阻R14连接运算放大器U2的同相输入端，所述滤波电容C28的一端连接输入电阻R13与电阻R14的公共点，所述滤波电容C28的另一端连接运算放大器U2的反相输入端；
所述运算放大器U2的反相输入端与自身输出端相连，所述运算放大器U2的同相输入端经接地电容C36接地，所述运算放大器U2的输出端连接电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端连接运算放大器U3的反相输入端，所述运输放大器U3的反相输入端与运输放大器U3的输出端之间串联运放电阻R4，所述运输放大器U3的同相输入端电阻经接地电阻R20接地。
在实施中，如图3所示，滤波电路43中由电容C28、电容C35、电容C36、电阻R13、电阻R14、运算放大器U2构成低通滤波器，而由运算放大器U3、电阻R4、电阻R8、电阻R20构成放大器。所述放大器和所述低通滤波器组合在一起形成一个复合低通滤波器，信号差分放大电路42的输出信号经过复合低通滤波器的滤波，通带内的信号被选择，阻带内的信号被阻止，形成了较窄的通带和阻带之间的过渡带；最后通带内的信号经由所述运算放大器U3的输出端输出。
可选的，所述传感器信号处理模块4还包括连接在所述信号差分放大电路42的输入端的电场传感器41。
在实施中，如图1所示，传感器信号处理模块4还包括在信号差分放大电路42的输入端连接有电场传感器41，首先，在工频交变电场中都需要通过电场传感器41产生感应电压，然后，在电场传感器41的后端依次接入信号差分放大电路42和滤波电路43，经信号放大，滤波，阻抗匹配电路后，最后，电容上产生的电压才可作为测量信号。
可选的，所述电场传感器41为阿基米德螺旋天线。
在实施中，电场传感器41用于不同的场合，有不同的结构，目前，对于电场测量一般都选用电荷式传感器，电荷式传感器的结构有球形、平行板型、盒型等。但是电荷式传感器的体积较大，不利于便携式设计。根据试验验证，测量高频信号的螺旋天线也能有效的对工频电场进行测量，而且体积小，便于携带，更易制作，成本更低，因此该测量装置的电场传感器41为阿基米德螺旋天线。
可选的，所述传感器信号处理模块4还包括连接在所述滤波电路43的输出端的电平偏移电路44。
在实施中，由于电场传感器41上测量的是极其微弱的信号，除了对该信号进行必要的放大，滤波和阻抗匹配处理，还需要将该信号进行模拟信号转换数字信号处理，因此，在滤波电路43的输出端连接有电平偏移电路44。
可选的，所述电平偏移电路44包括A/D采样芯片，所述A/D采样芯片的型号为AD7606-6。
在实施中，A/D采样芯片是一款16位、6通道同步采样模数数据采集系统(DAS)，它输入范围是0-5V，采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，无需驱动运算放大器和外部双极性电源。
因此，在进行电平偏移电路44前需要将双极性的交流信号变成单极性的交流信号，并对其电压幅值变成A/D采样芯片可以接受的电平范围，这里将输入电压幅值抬升2V，并调整信号差分放大电路42和滤波电路43的输出电压范围为±2V，这样进入A/D采样芯片的信号范围时0-4V，刚好符合上A/D采样芯片的要求。
可选的，所述微控制器1的型号为LPC1758。
在实施中，LPC1758芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的ISC内核，工作频率为100MHz，内置高速存储器。具有较强的抗干扰性能，可以满足变电站恶劣环境的要求。
本发明提供了用于高压工频电场的测量装置，包括微控制器，微控制器的输出端连接有指示灯模块，微控制器和指示灯模块的输入端还连接有电源模块，测量装置还包括连接在微控制器的输入端的至少一路传感器信号处理模块；传感器信号处理模块包括信号差分放大电路。通过传感器信号处理模块在工频电场测量信号的过程中，由信号差分放大电路提取有用信号并将其放大和抑制共模干扰信号，进而使测量结果准确可靠，提高测量精度。
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.用于高压工频电场的测量装置，包括微控制器，所述微控制器的输出端连接有指示灯模块，所述微控制器和所述指示灯模块的输入端还连接有电源模块，其特征在于，所述测量装置还包括连接在所述微控制器的输入端的至少一路传感器信号处理模块；
其中，所述传感器信号处理模块包括信号差分放大电路，所述信号差分放大电路包括输入电阻R7，所述输入电阻R7的一端作为输入端，所述输入电阻R7的另一端连接运算放大器U1的反相输入端，所述运算放大器U1的反相输入端与输出端之间串联运放电阻R2，所述输入电阻R7的输入端连接接地电阻R16的一端，所述接地电阻R16的另一端接地，所述运算放大器U1的同相输入端经接地电阻R19接地，所述运算放大器U1的输出端连接输出电阻R12的一端。
2.根据权利要求1所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，所述传感器信号处理模块还包括连接在所述信号差分放大电路的输出端的滤波电路。
3.根据权利要求2所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，在所述滤波电路中：
包括运算放大器U2、运算放大器U3、输入电阻R13、电阻R14、电阻R8、接地电阻R20、运放电阻R4、接地电容C35、接地电容C36、滤波电容C28；
所述输入电阻R13的一端经接地电容C35连接输出电阻R12的另一端，所述输入电阻R13的另一端经电阻R14连接运算放大器U2的同相输入端，所述滤波电容C28的一端连接输入电阻R13与电阻R14的公共点，所述滤波电容C28的另一端连接运算放大器U2的反相输入端；
所述运算放大器U2的反相输入端与自身输出端相连，所述运算放大器U2的同相输入端经接地电容C36接地，所述运算放大器U2的输出端连接电阻R8的一端，所述电阻R8的另一端连接运算放大器U3的反相输入端，所述运输放大器U3的反相输入端与运输放大器U3的输出端之间串联运放电阻R4，所述运输放大器U3的同相输入端电阻经接地电阻R20接地。
4.根据权利要求1所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，所述传感器信号处理模块还包括连接在所述信号差分放大电路的输入端的传感器。
5.根据权利要求4所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，所述传感器为阿基米德螺旋天线。
6.根据权利要求1所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，所述传感器信号处理模块还包括连接在所述滤波电路的输出端的电平偏移电路。
7.根据权利要求6所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，所述电平偏移电路包括A/D采样芯片，所述A/D采样芯片的型号为AD7606-6。
8.根据权利要求1所述的用于高压工频电场的测量装置，其特征在于，所述微控制器的型号为LPC1758。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170922 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |