CN108880615A - 基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置，包括带有电极接插抽头的伪连通电缆和多个智能电极交换模块。智能电极交换模块的数量至少为两个，每两个智能电极交换模块之间采用伪连通电缆相连。第一个智能电极交换模块经连接线连接至上位机的串行I/O上，伪连通式电缆的一端连接在第一个智能电极交换模块的另外一个接口处，伪连通电缆的另一端连接第二个智能电极交换模块，以此类推，按照智能电极交换模块——伪连通电缆电缆——智能电极交换模块的顺序连接，最后一个智能电极交换模块空闲的接口开路，不再连接。本装置可以应用于地球物理勘探中的电法测量系统。

Description

基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置

技术领域

本发明涉及一种基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置。

背景技术

我们所生活的地球是由不同的岩石、矿体、和地层构成，这些物质之间存在着不同的物理特性，尤其在化学特性、电磁特性、介电特性等方面有着很大的差异，根据这些差异来研究地质，即电法勘探。目前国内的电法仪器大多依赖于高密度电法测量方式，其中仪器和线缆的体积和重量大，制造成本高，电极转换装置效率低，探测精度低，也不适合我国多山区矿藏状况的勘测。

高密度电法与普通电阻率法原理基本相同，不同的是前者在观测的时候设置了高密度的观测点，高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法。在进行野外探测时，该方法需要按照一定的顺序将两根电极作为发射电极，两根电极作为接收电极。主机通过发射电极向大地发射入地电流，另外两根电极进行接收。所以在测试中需要发射电极与接收电极按照规定的顺序进行位置移动，这时候如果人工干预移动就会浪费时间与人力，基于这样的考虑便有了各种电极转换装置的研发。

电极交换装置是一种通过控制继电器的开通和关断，使电极与电源激励端或接收端连通或断开，但是开通的顺序和采集数据的时间必须由处理器进行控制。以往的电法勘探中都需要人工进行移动，随后电极控制发展成为一个转换装置配一个电极的形式，这种形式一定程度上解决了人工移动的麻烦，但是伴随着资源的浪费，重量的增加等问题也出现了。

前段时间也有了集中式与分段集中式电极控制系统的出现，这种方式也在一定程度上解决了人工移动的问题，而且将电极控制系统集中到一起，但是带来的问题就是电缆内线芯数量的增加，材料的浪费，制造成本上升。这种方式将信号线与发射和接收的ABMN线缠绕在一根线缆上，这样导致了干扰的增加，尤其是当AB线传输的不是直流电的时候，其感应出来的电磁场对控制信号的干扰更大。

专利200910066635.0“一种高密度电法仪的增强型电极转换装置”提出了一种分布式的电极转换装置，其基本的工作原理类似于前面所述，为一从机配套一电极的形式，这种形式的优点在于电极的自动控制、电缆中线芯数量极大的减少、一定程度上解决了人工移动的问题，但是一个从机中就需要一个控制单元，这就使得控制单元的硬件资源极大的浪费，而且整体设备上的重量和体积会大大增加，制造材料的使用量也大大的增加了。此外，勘测仪器一般是工作在野外的恶劣环境中，经常会被摔打、踩踏，也可能会浸在潮湿的地面工作，如果是一个从机接一电极的形式那么出现的故障的概率就会大大的提高，导致设备经常有测量误差或者延误工期的事情出现。

专利200820106989.4“集中式高密度电法仪扩展测量通道的装置”提出了一种操作简单、控制集中的电极转换装置，该装置的原理示意如图1所示。这种装置克服了分布式电极转换装置的缺点，将若干电极的控制器集成到了一起，使得硬件资源合理的利用了起来，但是这样也使得电缆的线芯大大增加，一个24电极的测量电缆，线芯数量至少要大于24根甚至更多。这样一来线的重量大大增加，制造原材料使用量也大大增加，伴随而来的是成本的上升，重量体积的增加，便携性下降。而且通信线与ABMN测量线加工到了一起，使得干扰情况加剧。

专利201310469794.1“分段集中式高密度电法测量系统及其应用”提出了一种将电缆内部线芯分成两个相邻的第一、第二接触点的形式，如图2所示，这种情况下使得电缆里的线芯减少了，而且这种方式支持了电阻率测试和激电测试，最大发射电流大的优点，可是从设计的原理图中可以看出，若是采用12电极的形式，则需要12根连接电极的线芯，而且采用第一第二接触点的形式，给加工电极时带来了一定的复杂度，重量并没有太大的减少，而且信号线在长距离下衰减程度大、抗干扰能力下降。

现在市场上的电极转换装置，在出现问题时只能根据反馈给主机的从机编号进行人工寻找，这在短距离平坦地面的探测尚可以实现，但是在大范围或者崎岖地面进行人工寻找会给人力物力带来极大的浪费。这些电极转换装置大多不带有状态提示功能，这就让工作人员在安装完成后不能即刻知道装置的工作状态是否正常，必须在正式工作后才能从上位机处获取工作状态信息。长此以往，定会给勘测带来一定的事故影响，使得探测活动中断，更有甚者，可能会使得探测得到的结果由于信号的误差过大使得探测的结果出现错误，误导施工工作。

综上所述，分布式电极转换装置在每个电极内都装入了控制单元，使得电缆线芯数量大大减少，控制也变得结构简单易于编程操作。但是损坏率高，资源浪费重。集中式高密度电法将控制单元集中到了一个装置中，使得电极更为简化。因为集中到了一起使得更容易避免损伤，可靠性升高，可是也因此使得电缆线芯的数量大幅上升，重量增加，制作成本增加。而分段集中式电极转换装置，是一个比较大胆的创新，但是也存在着电缆制作的复杂，材料的使用量大，重量上也未减轻太多。而且分段式，在长距离情况下信号受干扰情况加剧，信号衰减程度增加。

发明内容

本发明针对以上不足提出了一种基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置，本发明继承了以上电极转换装置的优点，在一定程度上也克服了这些装置的缺点，具有重量轻，易排故，材料使用量小，测量距离远，成本低的优点，尤其可以应用于地球物理勘探中的电法测量系统。

本发明所述基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置包括带有电极接插抽头的伪连通电缆和多个智能电极交换模块。智能电极交换模块的数量至少为两个，每两个智能电极交换模块之间采用伪连通电缆相连。第一个智能电极交换模块经连接线连接至上位机的串行I/O上，伪连通式电缆的一端连接在第一个智能电极交换模块的另外一个接口处，伪连通电缆的另一端连接第二个智能电极交换模块，以此类推，按照智能电极交换模块——伪连通电缆电缆——智能电极交换模块的顺序连接，最后一个智能电极交换模块空闲的接口开路，不再连接。

伪连通电缆内部包括10根总线线芯和不少于12根的电极线芯。总线线芯与电极线芯相互独立，不存在连接关系。伪连通电缆外表面上均匀分布电极片，电极片的大小和相互之间的距离根据实际需要确定，通常电极片之间的距离是5米和10米。总线线芯贯穿整个伪连通电缆，总线线芯的两端分别与两个智能电极交换模块相连。电极线芯的前端位于伪连通电缆的端头，电极线芯的后端与分布在伪连通电缆外表面上的电极片相连。每一根电极线芯连接一片电极片，不再向后延伸贯穿电缆。电极线芯1，2,3,4，…N-3，N-2，N-1,N的前端都在伪连通电缆的端头，后端分別与分布在伪连通电缆表面的电极片a₁，a₂,a₃,a₄，…a_N-3，a_N-2， a_N-1,a_N相连；电极片均匀分布在伪连通电缆表面，相邻电极片间距离相等。

所述伪连通电缆中的10根总线线芯包括6根发射回路线芯、2根接收回路线芯和2根通信供电双绞电源线。通信供电双绞电源线除了供电作用以外，还具有传输信号的作用。所述伪连通电缆线上的刻度，在野外测量中可替代标尺使用。

所述的智能电极交换模块包括载波通信单元、中央处理器和继电器单元。载波通信单元的通信引脚直接与伪连通电缆的通信供电双绞电源线相连，中央处理器与载波通信单元之间通过RS485接口直接相连，中央处理器与继电器单元的控制端相连接。继电器单元的上位端与伪连通电缆的发射回路线芯和接收回路线芯相连，继电器单元的下位端与伪连通电缆的电极线芯的前端相连。其中载波通信单元又包括滤波单元和载波单元，具有功率补偿、载波通信和电源管理的功能，滤波单元和载波单元相互独立，在载波通信单元的输入侧滤波单元与载波单元分别引出导线与通信供电双绞电源线相连，在载波通信单元的输出侧滤波单元与载波单元分别引出线通过RS485接口与中央处理器相连。

所述的智能电极交换模块在测试时由中央处理器控制继电器单元，进而使得接收回路和发射回路按照工作的需求分别与连接电极的电极片相连。

所述伪连通电缆与智能电极交换模块也采用接插件形式连接。

所述的智能电极交换模块内的载波通信单元将供电电源信号和控制信号合二为一，通过频分复用技术来区分使用。前一个智能电极交换模块的载波通信单元将高频的信号与直流电源叠加在一起，同时在通信供电双绞电源线上传输。而后一个智能电极交换模块的载波通信单元中的滤波单元与载波单元直接连接通信供电双绞电源线，通过滤波单元的高频滤波和低频滤波分别得到直流电源与所需高频信号，同时在信号回传时，后一个智能电极交换模块的载波通信单元将中央处理器的信号直接加载到通信供电双绞电源线上，以同样的方式传回前一个智能电极交换模块。如此设计可以使得电缆线再一次得到了简化，而且载波通信单元中的载波单元还集成了补偿电路，补偿电路连接在载波通信单元的通信引脚上，使得通信过程中不会让信号衰减过大，让远距离测量也能准确地进行数据传输。

为了满足能长时间稳定的工作状态，本发明采用电力系统传输中的分裂导线技术，将处于长时间高压工作状态的伪连通电缆中的发射回路线芯采用3分裂制布置，6条发射回路线芯分成两组，每3根发射回路线芯构成一组分裂导线，分裂后的3根导线呈现等边三角形排列，每根导线占据三角形一角。根据3分裂导线的电场分布原理，通信供电双绞电源线埋设在3分裂导线所呈现的等边三角形的中心位置，这样由于3分裂电场在中间位置非常弱，对通信供电双绞线的影响也会大大减少。

本发明交换装置采用STM32为中央处理器，STM32是ST公司推出的基于ARM-Cortex-M3 内核的32位单片机，能够流畅进行载波通信、使继电器单元按顺序的开通和关断。本发明在装置内集成了状态显示模块，此模块直接与载波通信模块通过导线连接，通过载波通信模块给予电源和信号。这样在上电工作之初就能显示其工作状态是否正常，使得工作更为方便。

附图说明

图1为现有技术集中式电极转换装置的原理结构图；

图2为现有分段集中式高密度电法测量系统及其应用的原理结构图；

图3为本发明智能电极交换装置结构图；

图4为伪连通电缆示意图；

图5为智能电极交换模块原理图；

图6为本发明控制单个电极的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，本发明所述基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置包括带有电极接插抽头的伪连通电缆和多个智能电极交换模块，智能电极交换模块的数量至少为两个，每两个智能电极交换模块之间采用伪连通电缆相连。第一个智能电极交换模块经连接线连接至上位机的串行I/O上，伪连通式电缆的一端连接在第一个智能电极交换模块的另外一个接口处，伪连通电缆的另一端连接第二个智能电极交换模块，以此类推，按照智能电极交换模块——伪连通电缆电缆——智能电极交换模块的顺序连接，最后一个智能电极交换模块空闲的接口开路，不再连接。

如图4所示，伪连通电缆内部包括10根总线线芯和不少于12根的电极线芯。总线线芯与电极线芯相互独立，不存在连接关系。伪连通电缆外表面上均匀分布电极片，电极片的大小和相互之间的距离根据实际需要确定，通常电极片之间的距离是5米和10米。总线线芯贯穿整个伪连通电缆，总线线芯的两端分别与两个智能电极交换模块相连。电极线芯的前端位于伪连通电缆的端头，电极线芯的后端与分布在伪连通电缆上的电极片相连。每一根电极线芯连接一片电极片，不再向后延伸贯穿电缆。如图4所示，电极线芯1，2,3,4，…N-3，N-2，N-1,N的前端位于伪连通电缆的端头，后端分別与分布在伪连通电缆表面的电极片a₁，a₂,a₃,a₄，…a_N-3，a_N-2，a_N-1,a_N相连；电极片均匀分布在伪连通电缆表面，相邻电极片间距离相等。

所述伪连通电缆中的10根总线线芯包括6根发射回路线芯、2根接收回路线芯和2根通信供电双绞电源线。通信供电双绞电源线除了供电作用以外，还具有传输信号的作用。所述伪连通电缆线上的刻度，在野外测量中可替代标尺使用。

所述的智能电极交换模块包括载波通信单元、中央处理器和继电器单元。载波通信单元的通信引脚直接与伪连通电缆的通信供电双绞电源线相连，中央处理器与载波通信单元之间通过RS485接口直接相连，中央处理器与继电器单元的控制端相连接。继电器单元的上位端与伪连通电缆的发射回路线芯和接收回路线芯相连，继电器单元的下位端与伪连通电缆的电极线芯的前端相连。其中载波通信单元又包括滤波单元和载波单元，具有功率补偿、载波通信和电源管理的功能，滤波单元和载波单元相互独立，在载波通信单元的输入侧滤波单元与载波单元分别引出导线与通信供电双绞电源线相连，在载波通信单元的输出侧滤波单元与载波单元分别引出线通过RS485接口与中央处理器相连。

所述的智能电极交换模块在测试时由中央处理器控制继电器单元，进而使得接收回路和发射回路按照工作的需求分别与连接电极的电极片相连。

所述伪连通电缆与智能电极交换模块也采用接插件形式连接。

本发明中智能电极交换模块内的载波通信单元将电源线和信号线合二为一，通过频分复用技术来区分使用。前一个智能电极交换模块的载波通信单元将高频的信号与直流电源叠加在一起同时在通信供电双绞电源线上传输。而后一个载波通信单元中的滤波单元与载波单元直接连接通信供电双绞电源线，通过滤波单元的高频滤波和低频滤波分别得到直流电源与所需高频信号，同时在信号回传时，第二个载波通信单元将中央处理器的信号直接加载到通信供电双绞电源线上，以同样的方式传回前一个智能电极交换模块。如此设计可以使得电缆线再一次得到了简化，而且该发明的载波通信模块中的载波模块还集成了补偿电路，并接在载波通信单元的通信引脚上，使得通信过程中不会让信号衰减过大，让远距离测量也能准确的进行数据传输。

为了满足能长时间稳定的工作状态，本发明采用电力系统传输中的分裂导线技术，将处于长时间高压工作状态的伪连通电缆中的发射回路线芯采用3分裂制布置，6条发射回路线芯分成两组，每3根构成一组分裂导线，分裂后的3根导线呈现等边三角形排列，每根线占据三角形一角。根据3分裂导线的电场分布原理，通信供电双绞电源线埋设在3分裂导线所呈现的等边三角形的中心位置，这样由于3分裂电场在中间位置非常弱，对通信供电双绞线的影响也会大大减少。

本发明在工作时需要连接电极。电极通过连接线与电极片插接连接，每一个电极片对应一个电极。工作时电极需要插入地面进行信号的激励和检测。

本实施例以含有12电极线芯的伪连通电缆为例说明本发明的工作过程。当正常工作时，载波通信单元首先对下属的电极线芯进行编号点名，并存错在自身的EEPROM中，然后检测 12根线芯所连接的电极之间的电阻，考察电极的接地性能。本发明采用的是滚动测量的方式，测量电极之间的电阻值，并对电阻值进行AD采集，然后将对应的电极编号和电阻值通过通信供电双绞电源线传递给上位机进行显示；如果出现电阻值相对其他电极的电阻值过大或者过小的情况，说明此对电极接地不良，会在上位机进行标红显示，提醒工作人员进行相应操作。图4为智能电极交换模块的结构图，图4中仅示出智能电极交换模块中载波通信单元与处理器之间的连接关系和所需的通信供电线。一般的探测装置中供电线与信号线是分开工作的，会使得线缆方面增加重量和制造成本，而且在长距离、大范围测量时线缆阻抗增加，信号与电源都会产生大幅度的衰减，甚至会导致信息传递错误，或者装置由于供电不足无法工作。

在实际工作中，上位机发送命令到各个智能电极交换模块，智能电极交换模块中的载波通信单元会在供电线上摘取上位机发过来的命令，并和自身的地址进行对比，若符合则握手成功，进行下面的数据互换。本发明中，中央处理器以及外围电路的供电由载波通信单元供给，载波通信单元的供电则直接从通信供电双绞电源线上获取。载波通信单元中也有中继器的功能，内置补偿电路，补偿电路连接在载波通信单元的通信引脚上，使得信号在长距离传输过程中不至于衰减过大，导致传输的数据出现误差。其工作原理为：当信号或者电源出现冲激现象，使得幅值大于正常值时，该补偿电路会存储电能，并使得信号波形回归正常。当信号衰减时，补偿电路会释放存储的电能使得信号波形变得平稳。

此外，智能电极交换模块内的中央处理器采用了现在比较先进的STM32单片机，该单片机相对于以往的51系列和AVR系列处理速度和存储空间都是非常大的，外围电路上采用了 I/O扩展芯片，使得单片机的输入输出口数量上又有了进一步的提升。正常工作时中央处理器会接收来自载波通信单元接收到的指令，进行相应的处理，控制模块内的继电器单元开通或者关断，然后中央处理器会通过AD采集电路采集电阻值的数据，将数据传输给载波通信单元，载波通信单元则把数据传输给上位机进行显示处理。

如图5所示为智能电极交换模块内的控制原理图，如图5所示，每个继电器单元含有至少4个继电器，每个测量用的电极都通过继电器单元分别连接至接收回路线芯和发射回路线芯。在正常测量工作时，令其中一个电极连接至发射回路线芯，另外一个连接至接收回路线芯，连接完毕，这时单片机开始采集数据。所述智能电极交换模块会多次重复采集一组数据做出迭代平均处理，然后传送给上位机。

图6为本发明控制单个电极的示意图。图6中A、B为发射回路，M、N为接收回路，C1，C2，C3，C4分别为继电器单元的控制信号端，黑色矩形为接入大地的电极。工作时，本发明装置可以通过控制信号端实现对继电器单元的开通和关断控制，根据需要将电极与发射回路或接收回路相连。

Claims (5)

1.一种基于电力载波通信与伪连通电缆的智能电极转换装置，其特征在于：所述的智能电极转换装置包括带有电极接插抽头的伪连通电缆和多个智能电极交换模块；智能电极交换模块的数量至少为两个，每两个智能电极交换模块之间采用伪连通电缆相连；第一个智能电极交换模块经连接线连接至上位机的串行I/O上，伪连通式电缆的一端连接在第一个智能电极交换模块的另外一个接口处，伪连通电缆的另一端连接第二个智能电极交换模块，以此类推，按照智能电极交换模块——伪连通电缆电缆——智能电极交换模块的顺序连接，最后一个智能电极交换模块空闲的接口开路。

2.按照权利要求1所述的智能电极转换装置，其特征在于：所述的伪连通电缆内部包括10根总线线芯和不少于12根的电极线芯；伪连通电缆外表面上均匀分布电极片，相邻电极片间距离相等；总线线芯贯穿整个伪连通电缆，总线线芯的两端分别与两个智能电极交换模块相连；电极线芯1，2,3,4，…N-3，N-2，N-1,N的前端位于伪连通电缆的端头，后端分別与分布在伪连通电缆表面的电极片a₁，a₂,a₃,a₄，…a_N-3，a_N-2，a_N-1,a_N相连；每一个电极线芯连接一个电极片，不再向后延伸贯穿电缆。

3.按照权利要求1所述的智能电极转换装置，其特征在于：所述的智能电极交换模块包括载波通信单元、中央处理器和继电器单元；载波通信单元的通信引脚直接与伪连通电缆的通信供电双绞电源线相连，中央处理器与载波通信单元之间通过RS485接口直接相连，中央处理器与继电器单元的控制端相连接；继电器单元的上位端与伪连通电缆的发射回路线芯和接收回路线芯相连，继电器单元的下位端与伪连通电缆的电极线芯的前端相连；其中载波通信单元又包括滤波单元和载波单元，滤波单元和载波单元相互独立，在载波通信单元的输入侧滤波单元与载波单元分别引出导线与通信供电双绞电源线相连，在载波通信单元的输出侧滤波单元与载波单元分别引出线通过RS485接口与中央处理器相连。

4.按照权利要求3所述的智能电极转换装置，其特征在于：所述的载波通信单元将供电电源信号和控制信号合二为一，通过频分复用技术区分使用；前一个智能电极交换模块的载波通信单元将高频的信号与直流电源叠加在一起，同时在通信供电双绞电源线上传输，后一个智能电极交换模块的载波通信单元中的滤波单元与载波单元直接连接通信供电双绞电源线，通过滤波单元的高频滤波和低频滤波分别得到直流电源与所需高频信号；同时，在信号回传时，后一个智能电极交换模块的载波通信单元将中央处理器的信号直接加载到通信供电双绞电源线上，以同样的方式传回前一个智能电极交换模块。

5.按照权利要求3所述的智能电极转换装置，其特征在于：所述伪连通电缆中的发射回路线芯采用3分裂制布置，6条发射回路线芯分成两组，每3根发射回路线芯构成一组分裂导线；分裂后的3根导线呈现等边三角形排列，每根导线占据三角形一角；通信供电双绞电源线埋设在3分裂导线所呈现的等边三角形的中心位置。