CN110118896A - 一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的方法及系统 - Google Patents
一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的方法，包括如下步骤：S2：获得不同极间距下的电压值及电流值；S4：根据多个所述电压值及多个所述电流值计算土壤视在复电阻率；S6：根据所述土壤视在复电阻率计算土壤电阻率和介电常数频变特性。与现有技术相比，本发明具有如下优点：利用基于频率扫描的等距四极法是采用现场测量的方式，测量结果较为准确。利用此种方法可以对分层的土壤结构进行分析，能够反映各层土壤电阻率和介电常数随频率的变化。
Description
技术领域
本发明涉及高电压技术领域，用于分析分层土壤各层电阻率和介电常数及其随频率的变化特性。
背景技术
进行变电站或杆塔的接地装置的设计之前，必须了解接地装置所处位置的土壤结构，包括土壤的分层、各层的电阻率和介电常数，这样才能对接地装置的接地电阻、跨步电压、接触电压等进行正确安全的设计。与此同时，土壤的电阻率和介电常数会随着频率的变化而变化。因此分析接地装置的冲击特性时，需要考虑分层土壤电阻率和介电常数频变特性。
已有的测量包括如下几种：
1、现场测量：目前使用的等距四极法测试在工频附近进行，主要是针对分层土壤的电阻率，对土壤的介电常数并未考虑在内，也无法反映土壤电阻率和介电常数频变特性。另一种是采用测量冲击接地电阻反推土壤的电阻率和介电常数频变特性，但测量只给出均匀土壤下的结果，无法反映土壤的分层结构。
2、实验室取样测量：目前使用介电谱仪可以测试土壤样品的电阻率和介电常数频变特性，但土壤取样很难与现场土壤紧密度、含水量等完全一致，并且也无法给出土壤的分层情况
发明内容
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓解上述问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的方法，包括如下步骤：S2：获得不同极间距下的电压值及电流值；S4：根据多个所述电压值及多个所述电流值计算土壤视在复电阻率；S6：根据所述土壤视在复电阻率计算土壤电阻率和介电常数频变特性。
可选地，所述步骤S2包括：S21：在同一个极间距下获得不同频率下的所述电压值及所述电流值；S22：根据步骤S21中获得的所述电压值及所述电流值计算在所述同一个极间距下电压和电流随频率变化的变化函数。
可选地，所述步骤S6包括：通过公式计算复电阻率，其中为分层土壤的总复电阻率，ρ为每层土壤的复电阻率，ω为相对介电常数。
可选地，还包括：S8：通过电磁场理论得到土壤结构的实际计算模型。
可选地，还包括：S9：通过测量值和计算值构建目标函数。
可选地，还包括：S10：通过遗传算法反演不同频率下的土壤结构，当目标函数达到最小时，得到的各土壤参数，并根据所述各土壤参数得到每一层土壤参数的频变特性。
根据本申请的另一个方面，提供了一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的系统，使用上述任意一项所述的方法。
根据本申请的另一个方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器内并能由所述处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的方法。
根据本申请的另一个方面，一种计算机可读存储介质，优选为非易失性可读存储介质，其内存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在由处理器执行时实现上述任一项所述的方法。
根据本申请的另一个方面，一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，其特征在于，当所述计算机可读代码由计算机设备执行时，导致所述计算机设备执行上述任一项所述的方法。
本发明基于等距四极法的原理，提出频率扫描的方法。主要是通过逐渐加载不同频率信号，对不同间距下的电压、电流值进行同步测量，得到复数域下的土壤复电阻率数据，进而得到分层土壤电阻率和介电常数的频变特性。极间距较小时，绝大部分电流从表层土壤流过，测得的数据主要反映了表层土壤的情况，随着极间距的加大，越来越多的电流将从深层土壤流过，测得的数据将反映深层土壤的情况。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
利用基于频率扫描的等距四极法是采用现场测量的方式，测量结果较为准确。
利用此种方法可以对分层的土壤结构进行分析，能够反映各层土壤电阻率和介电常数随频率的变化。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是本申请一实施例中基于频率扫描的土壤电阻率和介电常数的频变特性的构建的原理图；
图2是本申请一实施例中的实现流程图；
图3是本申请一实施例中的土壤的计算模型；
图4a、4b是本申请一实施例中同步测量得到的电压和电流值；
图5a、5b是本申请一实施例中土壤复电阻率；
图6a、6b是本申请一实施例中土壤电阻率的频变特性；
图7a、7b是本申请一实施例中相对介电常数的频变特性；
图8是本申请一实施例中计算机设备的示意图；
图9是本申请一实施例中计算机可读存储介质的示意图。
具体实施方式
请参照图1，本申请一实施例中，测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的方法包括如下步骤：S2：获得不同极间距下的电压值及电流值；S4：根据多个所述电压值及多个所述电流值计算土壤视在复电阻率；S6：根据所述土壤视在复电阻率计算土壤电阻率和介电常数频变特性。
在本申请一实施例中，所述步骤S2包括：S21：在同一个极间距下获得不同频率下的所述电压值及所述电流值；S22：根据步骤S21中获得的所述电压值及所述电流值计算在所述同一个极间距下电压和电流随频率变化的变化函数。
在本申请一实施例中，所述步骤S6包括：通过公式计算复电阻率，其中为分层土壤的总复电阻率，ρ为每层土壤的复电阻率，ω为相对介电常数。
本申请还提供了一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的系统，使用上述任意一项所述的方法。
基于频率扫描的土壤电阻率和介电常数的频变特性的构建的原理如图1所示，模型主要有交流电源，示波器，接地极等组成，本模型主要依靠变频的交流电源来得到分层土壤参数的频变特性。
A,B两个电极为电流极，C,D两个电极为电压极，若有电流I注入，与电流极A相距x处的电位为与电流极B相距y处的电位表示为 当测量的极间距为a时，可以得到电压极C点和电压极D点的电位分别为：
于是可以得到电压值为：
其中为土壤的复电阻率，主要通过电压和电流的幅值和相位差得到。
当土壤分层不均匀时，(4)得到的为土壤的视在复电阻率
本发明的目的是测量交流信号下土壤的复电阻率，然后得到各土壤参数的频变特性，具体实现方法如图2，具体步骤如下：
首先利用交流变频电源作为源，对线路中的电压和电流数据进行同步测量。
实现同步测量：当交流电源通过电流极注入到土壤中时，通过示波器同时读出电压和电流数据，保证电源作用一次，就同时得到一个电压数据和一个电流数据。若在此过程中电源激励改变，则需要对电压和电流数据进行另外保存。
改变交流变频电源的频率，得到该极间距下电压和电流数据随频率的变化。
改变极间距，再次进行电流和电压数据的同步测量，以得到不同极间距下的测量值。
利用(4)计算不同频点以及不同间距下土壤视在复电阻率，从而得到土壤的视在电阻率和相对介电常数。
复电导率与电导率和相对介电常数的计算公式为：
于是复电阻率与电导率和相对介电常数的计算公式为：
4、通过电磁场理论得到土壤结构的实际计算模型。
请参照图3，图中的ρ1就是第一层土壤复电阻率，ρ2就是第二层土壤复电阻率，以此类推，可以得到复数域下点电流源的格林函数为：
其中A(λ)和B(λ)是未知的，J0(λr)为零阶贝塞尔函数，对水平分层土壤进行计算时，若有n层分层土壤，则对应有2n个未知量，而未知量的计算可以通过边界条件来计算得到。各个分层的边界条件为：
(1)z＝0时，
(2)z→∞时，电压U＝0；
(3)分界面两侧的电压和电流的法向分量连续，z＝hi时，Ui＝Ui+1，
通过上述的边界条件，结合公式(7)就可以求得每一层的格林函数。
通过测量值和计算值构建目标函数。
通过最小二乘法构建计算所需要的目标函数：
ρm(aj)表示的时不同极间距a下测量得到的复电阻率，ρc(aj)为不同极间距a下测量得到的复电阻率。
通过遗传算法或其他最优化方法反演不同频率下的土壤结构，即当目标函数达到最小时，得到的各土壤参数。
得到不同频率下的土壤参数之后，就可以得到每一层土壤参数的频变特性。
实例应用
以某一次实际测量的数据进行分析，展开对分层土壤电阻率和介电常数的频变特性的研究，通过同步测量得到的电压数据和电流数据如图4a、4b所示。图4a为频率在45Hz，图4b为频率在55Hz。
改变测试极间距和测试频率，得到一系列同步测量的电压和电流数据之后，对不同频率点的数据进行遗传算法的反演就可以得到不同频率点下的土壤结构以及土壤复电阻率，如图5a、5b所示。图5a为第一层土壤、5b为第二层土壤。
如图5所示，可以看到土壤复电阻率的幅值和实部的大小大致相同，因此图6(b)中土壤复电阻率的实部才未显示出来，得到每一层的土壤复电阻率的数据之后，通过复电阻率的公式计算就可以得到土壤电阻率和相对介电常数随着频率的变化，如图6a、6b和图7a、7b所示。图6a为第一层土壤、6b为第二层土壤。图6a、6b为土壤电阻率的频变特性。图7a、7b为相对介电常数的频变特性。
由图可知，随着频率的变化，土壤电阻率和相对介电常数都会发生相应的变化，因此实际计算中，应考虑到频率对分层土壤参数特性的影响。
本申请还提供了一种计算机设备(请参照图8)，包括存储器、处理器和存储在所述存储器内并能由所述处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的方法。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质(请参照图9)，优选为非易失性可读存储介质，其内存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在由处理器执行时实现上述任意一项所述的方法。
本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，其特征在于，当所述计算机可读代码由计算机设备执行时，导致所述计算机设备执行上述任一项所述的方法。
本发明基于等距四极法的原理，提出频率扫描的方法。主要是通过逐渐加载不同频率信号，对不同间距下的电压、电流值进行同步测量，得到复数域下的土壤复电阻率数据，进而得到分层土壤电阻率和介电常数的频变特性。极间距较小时，绝大部分电流从表层土壤流过，测得的数据主要反映了表层土壤的情况，随着极间距的加大，越来越多的电流将从深层土壤流过，测得的数据将反映深层土壤的情况。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
利用基于频率扫描的等距四极法是采用现场测量的方式，测量结果较为准确。
利用此种方法可以对分层的土壤结构进行分析，能够反映各层土壤电阻率和介电常数随频率的变化。
本申请中的方法的步骤虽然是按照数字顺序编号，但并不意味着各个步骤的执行顺序一定要按照数字的顺序进行。有些步骤之间可以是并列执行的关系，甚至可以颠倒顺序执行，都属于本申请所要求的保护的范围内。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、获取其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD))等。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(英文：non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(英文：magnetic tape)，软盘(英文：floppy disk)，光盘(英文：optical disc)及其任意组合。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S2：获得不同极间距下的电压值及电流值；
S4：根据多个所述电压值及多个所述电流值计算土壤视在复电阻率；
S6：根据所述土壤视在复电阻率计算土壤电阻率和介电常数频变特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21：在同一个极间距下获得不同频率下的所述电压值及所述电流值；
S22：根据步骤S21中获得的所述电压值及所述电流值计算在所述同一个极间距下电压和电流随频率变化的变化函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
通过公式计算复电阻率，其中为分层土壤的总复电阻率，ρ为每层土壤的复电阻率，ω为相对介电常数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
S8：通过电磁场理论得到土壤结构的实际计算模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
S9：通过测量值和计算值构建目标函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
S10：通过遗传算法反演不同频率下的土壤结构，当目标函数达到最小时，得到的各土壤参数，并根据所述各土壤参数得到每一层土壤参数的频变特性。
7.一种测量分层土壤电阻率和介电常数频变特性的系统，其特征在于，使用如权利要求1-6任意一项所述的方法。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器内并能由所述处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，优选为非易失性可读存储介质，其内存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在由处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。
10.一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，其特征在于，当所述计算机可读代码由计算机设备执行时，导致所述计算机设备执行权利要求1-6中任一项所述的方法。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |