CN111190127A - 一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法及装置,本发明方法通过磁场传感器检测目标位置的感生电动势信号AOUT;判断感生电动势信号AOUT是否超过预设安全阈值A0,如果感生电动势信号AOUT超过预设安全阈值A0则输出报警信号。本发明能够在带电作业时实时监测输电线路周围电磁参数,在已知流经输电线路电流大小的前提下推导出装置与输电线路的几何距离,从而防止作业人员超过安全距离,确保安全、可靠进行带电作业;本发明装置具有体积轻巧、安全性能好、操作简单等优点,解决了传统接触式测量装置体积较大、操作繁琐以及安全性能不佳等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及带电作业安全检测技术,具体涉及一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法及装置。
背景技术
随着我国社会、经济发展水平的不断提高,电力系统供电可靠性与国民经济以及人民生活水平的联系也越来越密切。在此背景下,高压线路带电检修作业成为电力系统运维的发展趋势,如何确保带电作业的安全性也成为了研究热点。在带电检修作业中,每年因疏忽或检修不当造成大量触电身亡事故,因此对输电线路周围电磁参数的实时在线检测演着举足轻重的角色。对输电线路周围电磁参数的检测主要为接触式测量,接触式测量虽然发展的较为成熟,但是随着输电等级的不断提高,直接接触式测量暴露出来的体积较大、操作繁琐以及安全性能不佳等问题始终无法避免。
发明内容
本发明要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题,提供一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法及装置,本发明能够在带电作业时实时监测输电线路周围电磁参数,在已知流经输电线路电流大小的前提下推导出装置与输电线路的几何距离,从而防止作业人员超过安全距离,确保安全、可靠进行带电作业;本发明装置具有体积轻巧、安全性能好、操作简单等优点,解决了传统接触式测量装置体积较大、操作繁琐以及安全性能不佳等缺点。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法,实施步骤包括:
1)通过磁场传感器检测目标位置的感生电动势信号AOUT;
2)判断感生电动势信号AOUT是否超过预设安全阈值A0,如果感生电动势信号AOUT超过预设安全阈值A0则输出报警信号。
可选地,步骤2)中的预设安全阈值A0为的值为aAOUTsafe,其中a为预设安全系数,AOUTsafe为输电线路安全阈值,且输电线路安全阈值AOUTsafe的计算函数表达式如下:
上式中,A为磁场传感器检测电路的信号调理增益,N为磁场传感器的线圈匝数,S为磁场传感器的截面积,μ0为真空磁导率,ω为角频率,Irms为流经目标位置附近输电线路的电流有效值,D为电流有效值Irms对应电压等级下的安全距离。
此外,本发明还提供一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,包括磁场传感器、信号处理电路、微处理器、报警模块和上位机通讯模块,所述磁场传感器、信号处理电路、微处理器和报警模块依次相连,所述上位机通讯模块和微处理器相连,所述微处理器被编程或配置以执行所述基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的步骤。
可选地,所述磁场传感器包括铁芯和缠绕布置在铁芯上的检测线圈,所述检测线圈的输出端与信号处理电路相连。
可选地,所述信号处理电路包括依次相连的电压跟随电路、二阶有源低通滤波电路、反相放大电路、整流电路、分压跟随电路,所述第一电压跟随电路的输入端与磁场传感器的输出端相连,所述第二分压跟随电路的输出端与微处理器的输入端相连。
可选地,所述第一电压跟随电路包括运算放大器U1-A、电阻R1~R5以及电容C1~C4,运算放大器U1-A的正极输入端通过电阻R1和磁场传感器的一个输出端相连,磁场传感器的另一个输出端接地,电阻R1远离运算放大器U1-A的正极输入端的一端通过电阻R2接地、另一端通过电容C1接地,运算放大器U1-A的负极输入端串接电阻R3后和运算放大器U1-A的输出端相连,运算放大器U1-A的输出端串联电阻R5后与二阶有源低通滤波电路的输入端相连,电阻R5靠近运算放大器U1-A的输出端的一端通过电阻R4接地、另一端通过电容C4接地,运算放大器U1-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C3接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C2接地。
可选地,所述二阶有源低通滤波电路包括运算放大器U1-B、电阻R6~R10以及电容C5~C7,第一电压跟随电路的输出端依次通过电阻R6、电阻R7和运算放大器U1-B的正极输入端相连,运算放大器U1-B的负极输入端通过电阻R8接地、并通过电阻R9和运算放大器U1-B的输出端相连,电阻R6、电阻R7之间的中间接点通过电容C5接地,电阻R7靠近运算放大器U1-B的正极输入端的一端通过电容C6和运算放大器U1-B的输出端相连,运算放大器U1-B的输出端通过电容C7和反相放大电路的输入端相连,且电容C7和反相放大电路的输入端之间的中间接点通过电阻R10接地。
可选地,所述反相放大电路包括运算放大器U2-A、电阻R11~R14以及电容C8~C10,运算放大器U2-A的负极输入端通过电阻R11与二阶有源低通滤波电路的输出端相连、正极输入端通过电阻R12接地,运算放大器U2-A的负极输入端还通过串接的电阻R13和运算放大器U2-A的输出端相连,运算放大器U2-A的输出端通过串接的电容C10与整流电路的输入端相连,电容C10与整流电路的输入端的中间接点通过电阻R14接地,运算放大器U2-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C9接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C8接地。
可选地,所述整流电路包括运算放大器U3-A、运算放大器U3-B、电阻R15~R21、电容C11~C12、电容模块以及二极管D1~D2,运算放大器U3-A的负极输入端通过电阻R15与反相放大电路的输出端相连、正极输入端接地、输出端依次通过反向的二极管D2、电阻R17和运算放大器U3-B的负极输入端相连,运算放大器U3-A的负极输入端还分别通过电阻R16连接到二极管D2的正极、通过反向的二极管D1连接到二极管D2的负极,运算放大器U3-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C12接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C11接地;运算放大器U3-B的负极输入端还通过电阻R18与反相放大电路的输出端相连、正极输入端接地、输出端通过电阻R21和分压跟随电路的输入端相连,运算放大器U3-B的负极输入端还通过电阻R19和运算放大器U3-B的输出端相连,运算放大器U3-B的输出端还通过电阻R20接地,电阻R21和分压跟随电路的输入端之间的中间接点还通过电容模块接地,所述电容模块采用一个电容或者两个以上的并联布置的电容。
可选地,所述分压跟随电路包括运算放大器U2-B、电阻R22~R27、电容C16~C17以及稳压二极管D3,运算放大器U2-B的正极输入端依次通过电阻R24、电阻R22和整流电路的输出端相连,电阻R24、电阻R22之间的中间接点通过电阻R23接地,运算放大器U2-B的负极输入端分别通过电容C16以及电阻R25与运算放大器U2-B的输出端相连,运算放大器U2-B的输出端还通过电阻R27与微处理器的输入端相连,运算放大器U2-B的输出端还通过电阻R26接地,电阻R27与微处理器的输入端之间的中间接点分别通过稳压二极管D3接地、通过电容C17接地。
和现有技术相比,本发明基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法具有下述优点:
1、本发明能够在已知输电线缆电流并假定其变化忽略不计的前提下通过检测输电线缆周围的磁场强度进行信号处理及逻辑处理从而推导该装置与输电线路之间的几何距离是否超过安全阈值,能够确保工作人员安全、可靠进行带电作业。
2、本发明能够实现对输电线路周围电磁参数的非接触式测量,在流经输电线路电流基本不变的前提下可通过检测输电线路周围的磁场强度从而推导该装置与输电线路之间的几何距离从而确保安全、可靠进行带电作业,具有体积轻巧、安全性能好、操作简单等优点,解决了传统接触式测量装置体积较大、操作繁琐以及安全性能不佳等缺点。
和现有技术相比,本发明基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置具有下述优点:本发明基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置为用于实施本发明基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的装置,因此同样也具有本发明基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的前述优点,而且本发明基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置包括磁场传感器、信号处理电路、微处理器、报警模块和上位机通讯模块,具有结构小巧便携、成本低廉的优点,可集成于各类带电作业设备中以及人体可穿戴的设备中。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中电压跟随电路的电路原理示意图。
图4为本发明实施例中二阶有源低通滤波电路的电路原理示意图。
图5为本发明实施例中反相放大电路的电路原理示意图。
图6为本发明实施例中整流电路的电路原理示意图。
图7为本发明实施例中分压跟随电路的电路原理示意图。
图8为本发明实施例中报警模块中发光报警单元的电路原理示意图。
图9为本发明实施例中报警模块中发声报警单元的电路原理示意图。
图10为本发明实施例中微处理器的执行例程示意图。
图11为本发明实施例中上位机的执行例程示意图。
具体实施方式
如图1所示,本实施例基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的实施步骤包括:
1)通过磁场传感器检测目标位置的感生电动势信号AOUT;
2)判断感生电动势信号AOUT是否超过预设安全阈值A0,如果感生电动势信号AOUT超过预设安全阈值A0则输出报警信号。如果感生电动势信号AOUT超过预设安全阈值A0则判定当前距离已超过安全距离、输出报警信号,反之则判定当前距离位于安全距离内。
本实施例基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的工作原理如下:由毕奥-萨伐尔定律可知,当输电线路流经电流时,会在输电线路周围激发交变磁场,电流元Idl在目标位置(空间某点P)处产生的磁感应强度dB的大小与电流元Idl的大小成正比,与电流元Idl所在处到P点的位置矢量和电流元Idl之间的夹角的正弦成正比,而与电流元Idl到P点的距离的平方成反比。由法拉第电磁感应定律可知,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有电流和电动势,感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。因此,只要将磁场传感器放置于流经电流的输电线路周围,即可在磁场传感器的输出端产生感应电动势作为原始信号,通过对原始信号的处理即可推导当前位置的磁感应强度。在已知流经输电线路电流大小并假定其数值基本不变的前提下,通过对磁场传感器所输出感生电动势的大小进而推导该装置与输电线路的几何距离从而确保带电作业人员作业时的安全距离。
本实施例步骤2)中的预设安全阈值A0为的值为aAOUTsafe,其中a为预设安全系数(一般取值为0.7-0.9),AOUTsafe为输电线路安全阈值,且输电线路安全阈值AOUTsafe的计算函数表达式如下:
上式中,A为磁场传感器检测电路的信号调理增益,N为磁场传感器的线圈匝数,S为磁场传感器的截面积,μ0为真空磁导率,ω为角频率,Irms为流经目标位置附近输电线路的电流有效值,D为电流有效值Irms对应电压等级下的安全距离。公式(1)的推导过程如下:
由毕奥-萨伐尔定律可知无限长直导线产生的磁感应强度为:
上式中,Irms为流经输电线缆电流的有效值,ω为角频率,φ为初相位。
由法拉第电磁感应定律可知,位于变化磁场的磁场传感器所产生的感生电动势为:
上式中,S为磁场传感器的截面积,本实施例中约为截面积2cm2。
结合式(2)~(5)可知,磁场传感器在输电线缆周围的感生电动势E为:
上式中,N为磁场传感器的匝数,μ0为真空磁导率,ω为角频率,φ为初相位,d0为目标位置到输电线缆的几何距离,Irms为流经目标位置附近输电线路的电流有效值。假定磁场传感器检测电路的信号调理增益为A,则最终获得磁场检测信号AOUT的直流信号有效值AOUT为:
上式中,A为磁场传感器检测电路的信号调理增益,N为磁场传感器的线圈匝数,S为磁场传感器的截面积,μ0为真空磁导率,ω为角频率,Irms为流经目标位置附近输电线路的电流有效值,d0为目标位置到输电线缆的几何距离。在已知流经输电线缆电流Irms大小并假定其数值基本不变的前提下,带电作业人员工作时,与输电线路的几何距离d应大于该电压等级下安全距离D,即输电线路安全阈值AOUTsafe应满足式(1)所示函数表达式。
如图2所示,本实施例基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置包括磁场传感器1、信号处理电路2、微处理器3、报警模块4和上位机通讯模块5,磁场传感器1、信号处理电路2、微处理器3和报警模块4依次相连,上位机通讯模块5和微处理器3相连,微处理器3被编程或配置以执行前述基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的步骤。
磁场传感器1用于感应输电线缆周围的磁场强度,并将感应产生的感生电动势作为原始信号输入至信号信号处理电路2。如图2所示,本实施例中磁场传感器1为螺线管,包括铁芯11和缠绕布置在铁芯11上的检测线圈12,检测线圈12的输出端与信号处理电路2相连。根据电磁感应原理,当交变磁场的磁力线穿过于磁场传感器1的铁芯11时,缠绕在铁芯11外的检测线圈12线端则会产生感应电动势,通过对感应电动势的处理即可推断所在空间的磁场强度。
信号处理电路2用于对磁场传感器1产生的原始信号进行隔离、滤波、放大、整流等信号处理变送为0-3V直流信号。如图2所示,信号处理电路2包括依次相连的电压跟随电路21、二阶有源低通滤波电路22、反相放大电路23、整流电路24、分压跟随电路25,第一电压跟随电路21的输入端与磁场传感器1的输出端相连,第二分压跟随电路25的输出端与微处理器3的输入端相连。为了防止磁场传感器1和二阶有源低通滤波电路22直接耦合形成振荡,本实施例中通过在磁场传感器1和二阶有源低通滤波电路22之间连接电压跟随电路21,通过电压跟随电路21对磁场传感器1和二阶有源低通滤波电路22进行隔离,能够防止磁场传感器1和二阶有源低通滤波电路22直接耦合形成振荡,而且还通过电压跟随电路21进行阻抗变换以减小原始信号的波形失真并提高带载能力。
如图3所示,第一电压跟随电路21包括运算放大器U1-A、电阻R1~R5以及电容C1~C4,运算放大器U1-A的正极输入端通过电阻R1和磁场传感器1的一个输出端相连,磁场传感器1的另一个输出端接地,电阻R1远离运算放大器U1-A的正极输入端的一端通过电阻R2接地、另一端通过电容C1接地,运算放大器U1-A的负极输入端串接电阻R3后和运算放大器U1-A的输出端相连,运算放大器U1-A的输出端串联电阻R5后与二阶有源低通滤波电路22的输入端相连,电阻R5靠近运算放大器U1-A的输出端的一端通过电阻R4接地、另一端通过电容C4接地,运算放大器U1-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C3接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C2接地。电阻R1与电容C1的作用是消除反射,高频的反射信号通过电容C1泄放到地,电阻R1把反射的信号阻隔在运放的同相输入端,以此减小干扰,提高电压跟随的精度。本实施例中电阻R1、R2分别取20KΩ与10KΩ,电容C1取值1nf。
由于经过电压跟随电路21输出的AOUT1为工频正弦波,为确保AOUT1衰减较小的同时干扰信号能迅速衰减,因此采用二阶有源低通滤波电路22对AOUT1进行滤波处理。如图4所示,二阶有源低通滤波电路22包括运算放大器U1-B、电阻R6~R10以及电容C5~C7,第一电压跟随电路21的输出端依次通过电阻R6、电阻R7和运算放大器U1-B的正极输入端相连,运算放大器U1-B的负极输入端通过电阻R8接地、并通过电阻R9和运算放大器U1-B的输出端相连,电阻R6、电阻R7之间的中间接点通过电容C5接地,电阻R7靠近运算放大器U1-B的正极输入端的一端通过电容C6和运算放大器U1-B的输出端相连,运算放大器U1-B的输出端通过电容C7和反相放大电路23的输入端相连,且电容C7和反相放大电路23的输入端之间的中间接点通过电阻R10接地。
根据上述电路可知,二阶有源低通滤波电路22的截止频率fp1为:
上式中,R6、R7分别为电阻R6、电阻R7的电阻值,C5、C6分别为电容C5、电容C6的电容值。为简化电路设计及参数计算,因此选择R6=R7=51KΩ,C5=C6=10nf。由上式可知,二阶有源低通滤波电路22的截止频率fp约为312Hz。
二阶有源低通滤波电路22的传递函数为G(s):
上式中,AO为基本放大倍数,ωn为1/(R8R9C5C6),Q为品质因数,R8、R9分别为电阻R8、电阻R9的电阻值,C5、C6分别为电容C5、电容C6的电容值。
取电阻R8和电阻R9的电阻值为R8=R9=10KΩ,则有:
二阶有源低通滤波电路22的电容C7为隔直电容,与电阻R10构成一组RC滤波器,与下一级的反相放大电路23进行阻容耦合,防止直流信号进入反相放大电路23。该RC滤波器的截止频率fp2为:
上式中,C7为电容C7的电容值,R10为电阻R10的电阻值。本实施例中选择R10=4KΩ,C7=10uf。由上式可知该RC滤波器的截止频率fp2约为4Hz。
由于磁场传感器1输出原始信号较为微弱(5-50mv左右),因此需采用放大电路对信号进行放大处理。放大电路主要有同相放大与反相放大两种,同相放大器的输入信号范围受运放的共模输入电压范围的限制,反相放大器则无此限制且反相放大只存在差模信号,抗干扰能力强,可以得到更大的输入信号范围,因此本实施例采用反相放大电路23对磁场传感器1输出的信号进行放大处理。如图5所示,反相放大电路23包括运算放大器U2-A、电阻R11~R14以及电容C8~C10,运算放大器U2-A的负极输入端通过电阻R11与二阶有源低通滤波电路22的输出端相连、正极输入端通过电阻R12接地,运算放大器U2-A的负极输入端还通过串接的电阻R13和运算放大器U2-A的输出端相连,运算放大器U2-A的输出端通过串接的电容C10与整流电路24的输入端相连,电容C10与整流电路24的输入端的中间接点通过电阻R14接地,运算放大器U2-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C9接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C8接地。参见图5,对运算放大器U2-A进行“虚短”、“虚断”分析可知,反相放大电路23的放大倍数A23为:
上式中,R11、R13分别为电阻R11、电阻R13的电阻值。本实施例中选择R13=1MΩ,R11=2KΩ。由上式可知反相放大电路23的放大倍数A23为500。
电阻R12为平衡电阻,取电阻R12的电阻值为R12=(R10+R11)=24KΩ,R10、R11分别为电阻R10、电阻R11的电阻值。电容C10为隔直电容,与电阻R14构成一组RC滤波器,与下一级精密整流电路进行阻容耦合,防止直流信号干扰。选择电阻R14的电阻值R14=4KΩ,电容C10的电容值为C10=10uf,则该RC滤波器的截止频率约为4Hz。
为了将反相放大电路23输入正弦波信号AOUT3整流为直流信号以便于微处理器3进行A/D转换并且尽量减少整流过程的信号损耗,因此本实施例中的整流电路24采用精密整流电路进行整流。如图6所示,整流电路24(精密整流电路)包括运算放大器U3-A、运算放大器U3-B、电阻R15~R21、电容C11~C12、电容模块以及二极管D1~D2,运算放大器U3-A的负极输入端通过电阻R15与反相放大电路23的输出端相连、正极输入端接地、输出端依次通过反向的二极管D2、电阻R17和运算放大器U3-B的负极输入端相连,运算放大器U3-A的负极输入端还分别通过电阻R16连接到二极管D2的正极、通过反向的二极管D1连接到二极管D2的负极,运算放大器U3-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C12接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C11接地;运算放大器U3-B的负极输入端还通过电阻R18与反相放大电路23的输出端相连、正极输入端接地、输出端通过电阻R21和分压跟随电路25的输入端相连,运算放大器U3-B的负极输入端还通过电阻R19和运算放大器U3-B的输出端相连,运算放大器U3-B的输出端还通过电阻R20接地,电阻R21和分压跟随电路25的输入端之间的中间接点还通过电容模块接地,电容模块可根据需要采用一个电容或者两个以上的并联布置的电容,本实施例中电容模块具体包括并联布置的电容C13~C15。
当反相放大电路23输入信号AOUT3为正半周期时,二极管D1截止,二极管D2导通,此时这时电阻R15、电阻R16和运算放大器U3-A共同构成一个放大倍数为-1的反向放大电路。R17、R18、R19和运算放大器U3-B共同构成了个反相加法电路,输入信号AOUT3为半周期时,精密整流电路的放大倍数为1。当反相放大电路23输入信号AOUT3为负半周期时,二极管D1导通,二极管D2截止。这时运算放大器U3-A的作用为将R16的左端电位钳位在0V。而U3-B的反馈作用使得R17的右端电位为0。因此,电阻R16、R17这个支路两端等电位,这时整个电路其实就是电阻R4、电阻R5和运算放大器U3-B组成的放大倍数为-1反向放大电路。综合上面两种情况,整流电路24(精密整流电路)的功能就是将输入信号AOU3求绝对值,也就是精密整流功能。
本实施例中,取电阻R15、R16、R17的电阻值为10KΩ,电阻R18、电阻R19的电阻值为20KΩ,电阻R21和电容模块的电容C13、电容C14、电容C15构成无源滤波电路,取电阻R21的电阻值为5.1KΩ,电容C13的电容值为10uf、电容C14的电容值为4.7uf、电容C15的电容值为0.1uf。整流电路24(精密整流电路)将整流后的信号滤波为直流信号,输出信号AOUT4与输入信号AOUT3的关系为:
AOUT4=0.9AOUT3
由于微处理器3只能接受0-3.3v的电压信号,因此采用分压跟随电路25将精密整流及RC滤波后的直流信号AOUT4进行电压缩放及阻抗变换。如图7所示,分压跟随电路25包括运算放大器U2-B、电阻R22~R27、电容C16~C17以及稳压二极管D3,运算放大器U2-B的正极输入端依次通过电阻R24、电阻R22和整流电路24的输出端相连,电阻R24、电阻R22之间的中间接点通过电阻R23接地,运算放大器U2-B的负极输入端分别通过电容C16以及电阻R25与运算放大器U2-B的输出端相连,运算放大器U2-B的输出端还通过电阻R27与微处理器3的输入端相连,运算放大器U2-B的输出端还通过电阻R26接地,电阻R27与微处理器3的输入端之间的中间接点分别通过稳压二极管D3接地、通过电容C17接地。分压跟随电路25的电阻R22、电阻R23构成分压电阻,分压比k的函数表达式如下:
上式中,R22、R23分别表示电阻R22、电阻R23的电阻值。取R22=220KΩ、R13=500KΩ,由上式可知,分压比k约为0.3。电阻R24、R25、电容C16、运算放大器U2-B构成电压跟随器进行阻抗变换与隔离,电阻R26为4.7KΩ下拉电阻能确无信号输入时候,运算放大器U2-B严格输出0电平,D3为3.3V的稳压二极管,进行过压保护,防止电压过高导致微处理器3烧毁。电容C17为退耦电容,取0.1uf以滤除高频干扰。
信号调理模块中,由电压跟随电路21的电压放大倍数为1,二阶有源低通滤波电路22的电压放大倍数为2,反相放大电路23的电压放大倍数A23为500,整流电路24输出与输入关系(放大系数为0.9)、分压跟随电路25的分压比为0.3,可知,磁场传感器检测电路的信号调理增益A为:
A=2×500×0.9×0.3=270
本实施例中,微处理器3采用STM32F103RCT6单片机实现,信号处理电路2输出的0-3V直流信号通过STM32F103RCT6单片机内部自带12位A/D转换后进行逻辑处理,然后可以根据需要输出报警信号给报警模块4。
本实施例中,报警模块4包含发光报警单元和发声报警单元。如图8所示,发光报警单元包括三极管驱动电路、光耦芯片TLP185、发光二极管。如图9所示,发声报警单元包括三极管驱动电路、光耦芯片TLP185和蜂鸣器。由于微处理器3的驱动能力较弱并且为防止外界环境的干扰,因此对微处理器3的逻辑输出才用了光耦芯片TLP185进行隔离处理。电阻R22、电阻R23、三极管Q1与电阻R26、电阻R27、三极管Q2构成两组三极管驱动电路,电阻R24、电阻R25、电阻R28、电阻R29光耦芯片TLP185构成光耦隔离电路。磁场传感器1输出的原始信号AIN经信号处理模块2变送后输出AOUT5由微处理器3进行逻辑处理,当判定当前距离超过安全距离时,微处理器3输出逻辑电平OUT1、OUT2驱动声光报警,并且当前距离超过安全距离越远,声光报警信号的频率越高。
本实施例中,上位机通讯模块5为全双工无线通信模块,分别与微处理器3、上位机相连,用于微处理器3与上位机之间的数据交互。微处理器3向上位机上传装置与输电线缆之间的几何距离以及是否启动声光报警等信息,上位机从远端获取当前输电线缆电流的大小并有工作人员设定带电作业安全距离,通过上位机通讯模块5向微处理器3下达电流大小与安全距离等数据。
如图10所示,装置通电之后,微处理器3(STM32F103RCT6单片机)的执行步骤如下:对AD转换模块ADC、定时器TIM和串口通信模块USART等模块进行初始化。其中AD转换模块ADC设置为采样十组数据并求其平均值作为采样结果,定时器TIM设置为每20ms进入一次中断服务函数,在定时器TIM中断服务函数中进行AD采样,USART波特率设置为115200。各模块初始化完毕后及通过无线通信模块向上位机发送询问指令,等待与上位机连接。上位机、微处理器3通信成功后,等待上位机下达安全距离D。上位机下达安全阈值后,微处理器3设定采样时间启动定时器TIM。定时器TIM进行定时冲断,触发AD采样并实时上传当前采样结果(参数上报),同时,微处理器3根据AD采样的结果进行逻辑处理并推导装置与输电线缆之间的距离是否超过安全距离,若超过安全距离,微处理器3驱动声光报警提示作业人员,装置越靠近输电线路,声光报警频率越高,同时将报警信号通过上位机通讯模块5上传至上位机。
如图11所示,上位机通电之后的执行流程如下:对监控界面进行初始化。上位机监测界面从远端获取当前流经输电线路电流;根据当前输电线路电压等级确定安全距离,再由安全距离与当前流经输电线路电流计算安全阈值。安全阈值计算完毕后,上位机与监控界面进行无线通信,建立无线通信后向检测装置的微处理器3下达安全阈值,同时接收微处理器3上传的采样参数并显示以供地面作业人员实时了解带电作业安全状态。一旦上位机监测界面接收到微处理器3的报警信息后,及提醒地面作业人员防止意外事故的发生。
综上所述,本实施例基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法及装置能够在带电作业时实时监测输电线路周围电磁参数,在已知流经输电线路电流大小的前提下推导出装置与输电线路的几何距离,从而防止作业人员超过安全距离,确保安全、可靠进行带电作业。该装置具有体积轻巧、安全性能好、操作简单等优点,解决了传统接触式测量装置体积较大、操作繁琐以及安全性能不佳等缺点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法,其特征在于实施步骤包括:
1)通过磁场传感器检测目标位置的感生电动势信号AOUT;
2)判断感生电动势信号AOUT是否超过预设安全阈值A0,如果感生电动势信号AOUT超过预设安全阈值A0则输出报警信号。
3.一种基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,包括磁场传感器(1)、信号处理电路(2)、微处理器(3)、报警模块(4)和上位机通讯模块(5),所述磁场传感器(1)、信号处理电路(2)、微处理器(3)和报警模块(4)依次相连,所述上位机通讯模块(5)和微处理器(3)相连,所述微处理器(3)被编程或配置以执行权利要求1或2所述基于磁感应的非接触式带电作业安全检测方法的步骤。
4.根据权利要求1所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述磁场传感器(1)包括铁芯(11)和缠绕布置在铁芯(11)上的检测线圈(12),所述检测线圈(12)的输出端与信号处理电路(2)相连。
5.根据权利要求1所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述信号处理电路(2)包括依次相连的电压跟随电路(21)、二阶有源低通滤波电路(22)、反相放大电路(23)、整流电路(24)、分压跟随电路(25),所述第一电压跟随电路(21)的输入端与磁场传感器(1)的输出端相连,所述第二分压跟随电路(25)的输出端与微处理器(3)的输入端相连。
6.根据权利要求5所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述第一电压跟随电路(21)包括运算放大器U1-A、电阻R1~R5以及电容C1~C4,运算放大器U1-A的正极输入端通过电阻R1和磁场传感器(1)的一个输出端相连,磁场传感器(1)的另一个输出端接地,电阻R1远离运算放大器U1-A的正极输入端的一端通过电阻R2接地、另一端通过电容C1接地,运算放大器U1-A的负极输入端串接电阻R3后和运算放大器U1-A的输出端相连,运算放大器U1-A的输出端串联电阻R5后与二阶有源低通滤波电路(22)的输入端相连,电阻R5靠近运算放大器U1-A的输出端的一端通过电阻R4接地、另一端通过电容C4接地,运算放大器U1-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C3接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C2接地。
7.根据权利要求5所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述二阶有源低通滤波电路(22)包括运算放大器U1-B、电阻R6~R10以及电容C5~C7,第一电压跟随电路(21)的输出端依次通过电阻R6、电阻R7和运算放大器U1-B的正极输入端相连,运算放大器U1-B的负极输入端通过电阻R8接地、并通过电阻R9和运算放大器U1-B的输出端相连,电阻R6、电阻R7之间的中间接点通过电容C5接地,电阻R7靠近运算放大器U1-B的正极输入端的一端通过电容C6和运算放大器U1-B的输出端相连,运算放大器U1-B的输出端通过电容C7和反相放大电路(23)的输入端相连,且电容C7和反相放大电路(23)的输入端之间的中间接点通过电阻R10接地。
8.根据权利要求5所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述反相放大电路(23)包括运算放大器U2-A、电阻R11~R14以及电容C8~C10,运算放大器U2-A的负极输入端通过电阻R11与二阶有源低通滤波电路(22)的输出端相连、正极输入端通过电阻R12接地,运算放大器U2-A的负极输入端还通过串接的电阻R13和运算放大器U2-A的输出端相连,运算放大器U2-A的输出端通过串接的电容C10与整流电路(24)的输入端相连,电容C10与整流电路(24)的输入端的中间接点通过电阻R14接地,运算放大器U2-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C9接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C8接地。
9.根据权利要求5所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述整流电路(24)包括运算放大器U3-A、运算放大器U3-B、电阻R15~R21、电容C11~C12、电容模块以及二极管D1~D2,运算放大器U3-A的负极输入端通过电阻R15与反相放大电路(23)的输出端相连、正极输入端接地、输出端依次通过反向的二极管D2、电阻R17和运算放大器U3-B的负极输入端相连,运算放大器U3-A的负极输入端还分别通过电阻R16连接到二极管D2的正极、通过反向的二极管D1连接到二极管D2的负极,运算放大器U3-A的正极电源端连接正极电源且通过电容C12接地、负极电源端连接负极电源且通过电容C11接地;运算放大器U3-B的负极输入端还通过电阻R18与反相放大电路(23)的输出端相连、正极输入端接地、输出端通过电阻R21和分压跟随电路(25)的输入端相连,运算放大器U3-B的负极输入端还通过电阻R19和运算放大器U3-B的输出端相连,运算放大器U3-B的输出端还通过电阻R20接地,电阻R21和分压跟随电路(25)的输入端之间的中间接点还通过电容模块接地,所述电容模块采用一个电容或者两个以上的并联布置的电容。
10.根据权利要求5所述的基于磁感应的非接触式带电作业安全检测装置,其特征在于,所述分压跟随电路(25)包括运算放大器U2-B、电阻R22~R27、电容C16~C17以及稳压二极管D3,运算放大器U2-B的正极输入端依次通过电阻R24、电阻R22和整流电路(24)的输出端相连,电阻R24、电阻R22之间的中间接点通过电阻R23接地,运算放大器U2-B的负极输入端分别通过电容C16以及电阻R25与运算放大器U2-B的输出端相连,运算放大器U2-B的输出端还通过电阻R27与微处理器(3)的输入端相连,运算放大器U2-B的输出端还通过电阻R26接地,电阻R27与微处理器(3)的输入端之间的中间接点分别通过稳压二极管D3接地、通过电容C17接地。
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