CN204086407U - 一种基于环境参数补偿的场强测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于环境参数补偿的场强测试仪，包括电场传感模块、磁场传感模块、环境参数测量模块、微处理器控制模块和光电通讯模块；电场传感模块从电场探头获取电场信号并与微处理器控制模块连接；磁场传感模块从磁场探头获取磁场信号并与微处理器控制模块连接；环境参数测量模块获取环境的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数并与微处理器控制模块连接；光电通讯模块的一端与微处理器控制模块连接，光电通讯模块的另一端用于连接远程终端；微处理器控制模块对电场信号、磁场信号、环境的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数进行处理后，通过光电通讯模块传输给远程终端。本实用新型对电磁场测量参数进行补偿，结构简单，数据更准确可靠。

Description

一种基于环境参数补偿的场强测试仪

技术领域

本实用新型属于交流输变电工程电磁环境领域，具体涉及一种基于环境参数补偿的场强测试仪。

背景技术

工频电场和工频磁场是交流输电线路和变电站的主要电磁环境参数，是衡量工程是否满足环境要求的重要参数。随着人们环保意识的增强和我国对输变电工程环境影响评价工作的开展，对工频电场和工频磁场的检测已成为一项重要工作。

现有技术提出了一种适用于高湿度环境下测量工频电场强度的方法，具体包括下述步骤：(1)增设除湿装置，软管连接现有工频电场强度测量仪器；(2)提供干燥风源；(3)利用干燥风吹向上述工频电场强度测量仪器的探头将其封闭；(4)启动工频电场强度测量仪器实施高湿度环境下的工频电场强度测量。但是，该方法对应的设备测量结果受环境因数影响大，不能直接、便捷、有效、准确地测量空间待测区域的交流电场和磁场，不能为输变电工程环境评价、研究交流输电线路并行、交叉跨越等区域的电磁环境水平提供科学的测量依据，给后续工作留下潜在危险。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于环境参数补偿的场强测试仪，其目的在于通过设备内置的环境监测模块实时采集环境参数作为电场和磁场的补偿因子，从而保证恶劣环境下工频电场强度和磁场强度测量值的准确性，由此解决设备测量结果受环境因数影响大的技术问题。

本实用新型提供了一种基于环境参数补偿的场强测试仪，包括电场传感模块、磁场传感模块、环境参数测量模块、微处理器控制模块和光电通讯模块；所述电场传感模块从电场探头获取电场信号并与所述微处理器控制模块连接；所述磁场传感模块从磁场探头获取磁场信号并与所述微处理器控制模块连接；所述环境参数测量模块获取环境的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数并与所述微处理器控制模块连接；所述光电通讯模块的一端与所述微处理器控制模块连接，所述光电通讯模块的另一端用于连接远程终端；所述微处理器控制模块对所述电场信号、所述磁场信号、所述环境的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数进行处理后，通过所述光电通讯模块传输给远程终端。

其中，所述环境参数测量模块用于获取环境的温度参数的温度传感器，用于获取环境的湿度参数的湿度传感器，用于获取环境的气压参数的气压传感器，以及用于获取环境的噪声参数的噪声传感器。

其中，所述场强测试仪还包括为整个装置提供工作电能的电源模块。

其中，所述光电通讯模块为单纤双向光电传输模块。

其中，所述电场传感模块为三维电容耦合式电场传感器。

其中，所述磁场传感模块为三维磁阻磁场传感器。

其中，所述光电通讯模块通过光纤与远程终端相连。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于设备内置的电场传感模块、磁场传感模块、环境参数测量模块、微处理器控制模块和光电通讯模块实时采集环境参数作为电场和磁场的补偿因子，从而可使本装置不受环境因数的制约准确的测量，保证恶劣环境下工频电场强度和磁场强度测量值的准确性。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于环境参数补偿的场强测试仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供的一种基于环境参数补偿的场强测试仪，解决了设备测量结果受环境因数影响的问题，实现了高精度、高可靠方式的场强测量。该方法能直接、便捷、有效、准确地测量空间待测区域的交流电场和磁场，为输变电工程环境评价、研究交流输电线路并行、交叉跨越等区域的电磁环境水平提供了科学数学的测量依据，方便和简化测量工作。

如图1所示，本实用新型提供的基于环境参数补偿的场强测试仪包括电场传感模块1、磁场传感模块2、环境参数测量模块3、微处理器控制模块4、光电通讯模块5以及为整个装置提供工作电能的电源模块6，其中：电场传感模块1从电场探头获取信号并与微处理器控制模块4连接；磁场传感模块2从磁场探头获取信号并与微处理器控制模块4连接；环境参数测量模块3获取温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数并与微处理器控制模块4连接；微处理器控制模块4与电场传感器模块1、磁场传感器模块2以及环境参数测量模块3相连，并把处理后的信号传输给光电通讯模块5；光电通讯模块5的一端与微处理器控制模块4相连，另一端用于连接远程终端。

在本实用新型中，光电通讯模块5可以为单纤双向光电传输模块。环境参数测量模块3包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器，为场强测量提供补偿因子。电场传感模块1可以为三维电容耦合式电场传感器。磁场传感模块2可以为三维磁阻磁场传感器。微处理器控制模块4可以采用单片机。

在本实用新型中，电源模块6包括电源管理电路和可充电锂电池。可以采用低功耗电路设计，便于长时间野外测量和携带。

采用本实用新型的工频场强测量系统，分布式测量更便捷、有效、准确的测量空间区域的交流输变电工程，为交流输变电工程环境评价、研究输电线路电磁环境水平等提供了科学检测数据，比现有的高湿度环境下使用的场强监测设备简单，使用方便。

为了更进一步的说明本实用新型提供的基于环境参数补偿的场强测试仪，现结合具体实例，详述如下：

基于环境参数补偿的场强测试仪包括由三维电容耦合式电场传感器组成的电场传感模块，由三维磁阻磁场传感器组成的磁场传感模块，含有温度传感器、湿度传感器、气压传感器和噪声传感器的环境参数测量模块，由单片机、嵌入式ARM处理器、现场可编程门阵列FPGA、复杂可编程逻辑器件CPLD、可编程逻辑控制器PLC中的任意一种或多种组成的微处理器控制模块，由单纤双向光电传输模块组成的光电通讯模块，由电源管理电路和可充电锂电池组成的电源模块。

仪器测量时，由三维电容耦合式电场传感器组成的电场传感模块可以从电场探头获取到的电场信号传输给由单片机、嵌入式ARM处理器、现场可编程门阵列FPGA、复杂可编程逻辑器件CPLD、可编程逻辑控制器PLC中的任意一种或多种组成的微处理器控制模块；由三维磁阻磁场传感器组成的磁场传感模块可以从磁场探头获取磁场信号并传输给微处理器控制模块；含有温度传感器、湿度传感器、气压传感器和噪声传感器的环境参数测量模块将获取到的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数信号也传送给微处理器控制模块；微处理器控制模块将获取到的电场信号、磁场信号、温度参数信号、湿度参数信号、气压参数信号和噪声参数信号进行整合分析及运用误差反向传播BP算法进行数据处理，得到在各种环境下精确的环境参数补偿测量电场参数、磁场参数。微处理器控制模块得到准确测量的环境参数补偿测量电场参数、磁场参数后将信号传输给单纤双向光电传输模块，光电通讯模块将测量的电场数据、磁场数据经由光纤传输到远程终端。整个场强测试仪采用低功耗电路设计，便于长时间野外测量和携带。

本实用新型装置通过设备内置的环境监测模块实时采集环境参数作为电场和磁场的补偿因子，从而可使本装置不受环境因数的制约照常工作，保证恶劣环境下工频电场强度和磁场强度测量值的准确性，该装置设计轻巧，携带方便，成本低、效率高，操作简便。

在本实用新型中，基于环境参数补偿的场强测试仪的对外接口包括电源充电接口、电源开关、备用的USB存储接口、光纤接口、噪声接口。其中噪声接口为BNC接头。固定安装孔用于与国标规定的场强测量支架连接。

工作时，微处理器模块分别从电场传感模块、磁场传感模块、环境参数测量模块获取三维磁场参数、三维电场参数、温度参数、湿度参数、气压参数、噪声参数。微处理器模块通过分析环境参数补偿测量的电场参数、磁场参数，使达到在各种环境下均能准确的测量电场和磁场。

影响电磁场参数测量的环境因数较多，最显著的影响参数是环境温度和湿度，本实用新型采用如下方法根据环境参数对电磁场测量结果进行修正。

将架空输电线路和大地看作一个电容器，则该电容器的电容与导线和大地的空间介质有关。根据静电场理论，电容器的电容定义为：(1)

当空间均匀介质的介电常数为ε时，其电容为：C＝ε_rC₀(2)；式中：ε_r为空间介质的相对介电常数；C₀为真空的介电常数。

根据电场强度的定义，线路表面电荷在空间某一点P(x，y，z)产生的电场强度E(x，y，z)可表示为： $E(x,y,z)=\frac{q}{2\mathrm{\π\ϵ}}f(x,y,z)---\left(3\right)$

将式(1)、(2)代入式(3)，则得

$E(x,y,z)=\frac{\mathrm{CU}}{2\mathrm{\π\ϵ}}f(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{C}_{0}U}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0}f(x,y,z)=\frac{C_{0}U}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}f(x,y,z)---\left(4\right)$

由(4)可知，线路表面电荷在空间某一点P(x，y，z)产生的电场强度E(x，y，z)与线路电压和空间位置有关，而与空间介质无关。在实际静电场中，各种电介质中存在少量自由电荷，具有微弱的导电能力。而当环境空气湿度增大时，架空输电线路区域的极性离子(水分子)会大量增加，从而导致自由移动的离子大量增加。这些极性粒子除随机运动外，还会使整个电场产生深度极化，并在电场作用下发生定向移动。因此，空间中的极性粒子发生变化是导致架空输电线路区域某一点P(x，y，z)处的电场强度E(x，y，z)变化的主要原因。空间某一点P(x，y，z)处的电场强度应表示为：E＝E₀+E′+E_i(5)；式中：E为架空输电线路附近区域点P(x，y，z)的总电场强度；E₀为线路表面电荷在附近区域点P(x，y，z)的产生电场强度；E′为电介质的极化产生的电场强度；E_i为自由移动定向运动电荷产生的电场强度。由(4)式可知，静风条件下E₀是恒定的，影响P点的电场强度是E′、E_i。根据电场极化理论，随着极性粒子增加，空间点的电场强度E′降低；但随着极性粒子增加，自由移动的电荷产生的电场E_i则增加，甚至可以超过线路表面电荷和电介质对电场强度的影响。

BP(误差反向传播)网络由多个网络层构成，其中包括一个输入层、一个或几个隐层、一个输出层，层与层之间采用全互连接，同层神经元之间不存在相互连接。BP网络的学习过程由前向传播和反向传播组成，在前向传播过程中，输入模式经输入层、隐层处理，并传向输出层，如果在输出层不能得到期望的输出，则转入反向传播过程，将误差值沿连接通路逐层反向传送，并修正各层连接权值。对于给定的一组训练模式，不断用一个训练模式训练网络，重复前向传播和误差反向传播过程，直至网络均方误差(E_p)小于给定值为止。前向传播的过程按(6)式进行，反向传播过程按(7)、(8)进行。

节点输出：o_j＝f(∑w_ij×X_i-θ_j)(6)；o_j-节点输出；X_i-节点输入；w_ij-节点连接权值；f-非线性作用函数；θ_j-神经单元阈值。权值修正：Δw_ij(n+1)＝a×E_i×o_j+η×Δw_ij(n)(7)；a-学习因子(根据输出误差动态调整)；η-动量因子；E_i-计算误差。误差计算：

t_pi-i节点的期望输出值；o_pi-i节点计算输出值。

输入层由三个输入构成，分别为温度、湿度、当前场强值，训练期望输出为校准设备时环境温度与湿度情况下的场强输出值，实验变量的训练值为温度与湿度的不同组合。训练数据，温度变化1-1.5℃，湿度变化5-10％测量一个点，具体变化趋势设置：

表1 测量趋势

训练数据测量完成之后，每种趋势里面选取2个点作为验证数据点，其余数据点全部用作训练数据点，设置预测网络均方误差E_p＜0.001，误差反向演算次数上限1000次。

当网络训练完成之后，输入验证数据来检测BP网络是否陷入了局部最优，当确认本次训练网络具有良好的全局最优能力，可使用此网络来拟合温湿度。

测量过程中，环境参数测量模块自动获取当前温度和湿度参数，点磁场传感器模块获得当前场强值，则根据上述算法计算输出值，该输出值为基于BP网络算法进行环境参数补偿的电场和磁场参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于环境参数补偿的场强测试仪，其特征在于，包括电场传感模块(1)、磁场传感模块(2)、环境参数测量模块(3)、微处理器控制模块(4)和光电通讯模块(5)；

所述电场传感模块(1)从电场探头获取电场信号并与所述微处理器控制模块(4)连接；

所述磁场传感模块(2)从磁场探头获取磁场信号并与所述微处理器控制模块(4)连接；

所述环境参数测量模块(3)获取环境的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数并与所述微处理器控制模块(4)连接；

所述光电通讯模块(5)的一端与所述微处理器控制模块(4)连接，所述光电通讯模块(5)的另一端用于连接远程终端；

所述微处理器控制模块(4)对所述电场信号、所述磁场信号、所述环境的温度参数、湿度参数、气压参数和噪声参数进行处理后，通过所述光电通讯模块(5)传输给远程终端。

2.如权利要求1所述的场强测试仪，其特征在于，所述环境参数测量模块(3)包括用于获取环境的温度参数的温度传感器，用于获取环境的湿度参数的湿度传感器，用于获取环境的气压参数的气压传感器，以及用于获取环境的噪声参数的噪声传感器。

3.如权利要求1或2所述的场强测试仪，其特征在于，所述场强测试仪还包括为整个装置提供工作电能的电源模块(6)。

4.如权利要求1或2所述的场强测试仪，其特征在于，所述光电通讯模块(5)为单纤双向光电传输模块。

5.如权利要求1或2所述的场强测试仪，其特征在于，所述电场传感模块(1)为三维电容耦合式电场传感器。

6.如权利要求1或2所述的场强测试仪，其特征在于，所述磁场传感模块(2)为三维磁阻磁场传感器。

7.如权利要求1或2所述的场强测试仪，其特征在于，所述光电通讯模块(5)通过光纤与远程终端相连。