CN204883357U - 一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统 - Google Patents
一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，包括依次相连的电磁场天线及探头、调理电路、数字信号处理单元和人机接口模块；所述的电磁场天线及探头包括立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头；所述的调理电路集成有两路信号处理电路，分别用于处理立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头输出的信号，每路信号处理电路包括前级的隔离电路和滤波放大电路；调理电路中集成有对滤波放大电路输出的信号进行模/数转换的A/D转换器。该用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统易于实施，能精确检测水电厂三维空间电磁场分布情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其主要作用用于测定水电厂厂房内的电磁场强度及分布规律.
背景技术
随着自动化水平的提高，目前水电厂基本按照“无人值班、少人值守”模式设计和运行，计算机监控系统、调速器控制单元、励磁调节装置、振动摆度监测系统等大量自动化控制装置共同安装于水电厂内，与控制设备相连的控制电缆、供电电缆通常埋藏于建筑物内，除此之外，水电厂内本身存在着雷电过电压电磁场、三相/两相短路引起的瞬态电磁场、高压输电线路表面会发生电晕放电产生的高频电磁福射、工频磁场等因素，因此水电厂中存在着复杂电磁场干扰源。尽管各电厂在设计阶段采取隔离、提高硬件抗干扰能力、提高软件的可靠性和抗干扰能力等技术措施，以降低水电厂电磁干扰的影响、提高设备运行的可靠性，但工程实践表明由于空间电磁场导致水机事故停机时有发生。因此，各水电厂急需一款适合水电厂特点三维空间电磁场分布检测装置，检测水电厂内电磁场分布状态，标明电磁场强度较大空间区域，为降低电磁干扰、提高运行设备的抗电磁干扰能力提供指导，保障运行设备的可靠性与稳定性。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，该用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统易于实施，能精确检测水电厂三维空间电磁场分布情况。
实用新型的技术解决方案如下：
一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，包括依次相连的电磁场天线及探头、调理电路、数字信号处理单元和人机接口模块；
所述的电磁场天线及探头包括立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头；
所述的调理电路集成有两路信号处理电路，分别用于处理立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头输出的信号，每路信号处理电路包括前级的隔离电路和滤波放大电路；
调理电路中集成有对滤波放大电路输出的信号进行模/数转换的A/D转换器；
磁场天线采用多匝矩形线圈；
电场天线采用金属平行板电容；
用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统还包括与数字信号处理单元相连的存储模块；所述的存储模块为SD卡；
用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统还包括USB接口以及用于与上位机通信的串口接口电路；USB接口和串口接口电路均与数字信号处理单元相连。
用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统还包括用于形成USB口的USB转串口芯片CH340G，数字信号处理单元的IO端口与USB转串口芯片CH340G相连。
所述的数字信号处理单元采用ARM嵌入式处理器。
隔离电路采用光耦，滤波电路为带通滤波电路。
所述的数字信号处理单元采用STM32F103主控芯片；所述的人机接口模块包括触摸显示屏和键盘。
人机接口模块中设有TFT型LCD显示屏；TFT型LCD显示屏采用16位并联接口与数字信号处理单元相连；隔离电路采用作为集成式隔离放大器ISO124P；滤波电路采用通用有源滤波器UAF42。
本实用新型用于实现水电厂三维空间电磁场分布检测；采用立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头分别探测磁场和电场，形成磁场信号输出和电场信号两路输出信号；
采用集成有两个信号处理电路的调理电路对所述的两路输出信号进行隔离和滤波；
采用数字信号处理单元对调理电路输出的信号进行采集；
采用SD卡对数字信号处理单元采集的数据进行存储。
该用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统包括立体式电磁场天线及探头和信号分析仪器，集成有电磁波形监测功能、电磁波形频谱分析功能、数据管理功能、三维空间电磁场分布重构等功能。
所述信号分析仪器包括ARM嵌入式内核、模拟量输入调整电路、存储器、串口接口电路、USB接口电路、触摸屏显示器以及大容量电池。
分析仪器能实现电磁波形监测功能、电磁波形频谱分析功能、数据管理功能、对采集信号进行时域分析、频域分析、电磁场分布重构(根据空间不同测点电磁场，重构出空间电磁场分布)，这些功能的实现技术为现有成熟技术。
信号分析仪器具有防水电厂电磁场屏蔽装置，能够避免水电厂空间电磁场对信号分析处理的干扰。
立体式电磁场天线及探头能够感应出空间三个正交方向的磁场与电场。
硬件具备串口接口电路，用于将采集的数据导出到PC机(上位机)。
ARM嵌入式内核能够根据多匝矩形线圈感应电压计算出磁链、磁通、磁通密度，还能够根据金属平行板电容计算出电场强度。涉及到的技术为现有成熟技术。
硬件系统电路板由大容量电池供电，持续供电时间大于5小时，大容量电池具备快速充电功能。
显示屏能实时显示各通道的峰峰值、有效值和主频值。
模拟量输入调整电路(即调理电路)支持多路通道输入。
ARM嵌入式内核或调理电路具有模数转换功能，ARM嵌入式内核具有串口通讯功能、USB接口、LCD接口、OLED接口。
存储模块采用易插易拔、大容量SD卡。
数字信号处理单元采用集成式的数字处理模块(如CPU，DSP，单片机等)，或者采用由多个数字逻辑芯片搭建的数字处理电路，数字信号处理单元为现有成熟电路，不涉及方法和程序。
有益效果：
本实用新型的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其集成的电磁场天线及探头包括立体式磁场感应天线、立体式电场测量探头，信号分析仪器主要包括ARM嵌入式内核、模拟量输入调整电路(即调理电路)、存储器、串口接口电路、USB接口电路、触摸屏显示器、大容量电池。立体式电场测量探头用于探测水电厂厂房内三个正交方向背景电场变化，并将变化电场信号转化为电压信号；立体式磁场感应天线感受到水电厂厂房内三个正交方向背景磁场变化并产生电压信号。信号分析仪器作为电磁场分析计算控制的核心，与立体式电磁场天线及探头相连接，接收立体式电磁场天线及探头相连接输出的电压信号，控制模拟输入调理电路、存储器、串口接口电路、USB接口电路、触摸屏显示器的工作过程，根据电磁学原理对感应电压信号进行分析处理，计算并显示出水电厂厂房内三个正交方向电场、磁场的方向及强度。模拟量输入调整电路对立体式电磁场天线及探头输出电压信号隔离、滤波、放大，使得其信号幅值适应ADC采集单元的需求。串口接口电路、USB接口电路负责将数据导出至PC机；触摸屏显示器和键盘接收用户输入，负责完成人机交互中的用户输入、数据及波形显示功能。软件系统采用基于嵌入式操作系统，负责实现检测装置功能切换、波形存储、数据设置。本实用新型具有水电厂三维空间电磁场重构功能、电磁场波形频谱分析功能，体积小、质量轻、各通道相互隔离，抗干扰能力强。
本实用新型能探测水电厂内电磁场分布状态，(由此能进一步依据电磁场强度划分空间区域，标明电磁场强度较大空间区域—此点并非本实用新型的研究的问题)，提高运行设备的抗干扰能力、保障发电设备的安全可靠稳定运行。
本实用新型提供的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，功能丰富，能对电场、磁场输入信号进行处理。并且本实用新型采用的隔离电路布置方式能够保证各通道之间达到相互隔离，从而提高了抗干扰能力。
附图说明
图1为系统整体结构图；
图2为USB转串口电路；
图3为立体式磁场天线结构示意图；
图4为立体式电场天线结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：
实施例1：
如图1-4，用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统包括立体式电磁场天线及探头和信号分析仪器；电磁场天线及探头由立体式磁场感应天线、立体式电场测量探头构成(参见图3和图4)，信号分析仪器主要包括ARM嵌入式内核、模拟量输入调整电路、存储器、串口接口电路、USB接口电路、触摸屏显示器、大容量电池。
所述立体式磁场感应天线能够感应出空间三个正交方向的磁场强度，立体式电场测量探头能够感应出空间三个正交方向的电场强度。
所述ARM嵌入式内核及其逻辑主控模块的核心为STM32F103主控芯片，该ARM主控芯片内的FLASH存储器存有控制程序及数据计算算法。
所述模拟量输入调整电路包括通道隔离电路、滤波电路，隔离电路采用光耦，滤波电路为带通滤波电路。
所述存储器采用大容量SD卡，具有易拔插、可扩展特点。
所述串口接口电路、USB接口电路能够实现信号分析仪与计算机的通讯，实现数据导出至计算机，方便进一步深入分析。
所述触摸屏显示器能够接受用户输入、修改参数。
所述大容量电池具有持续供电时间长久、电压稳定等特点。
图1为本实用新型提供的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统结构示意图，包括：ARM嵌入式内核、模拟量输入调整电路、存储器、串口接口电路、USB接口电路、触摸屏显示器、大容量电池、嵌入式软件系统。所述ARM嵌入式内核为所述三维空间电磁场分布检测装置的逻辑控制核心，用于控制模拟量输入调整电路、存储器模块、串口接口电路、USB接口电路和触摸屏显示器的工作过程；所述ARM嵌入式内核还用于接收来自所述模拟量输入调整电路的信号，完成模数转换；所述ARM嵌入式内核通过所述串口接口电路、USB通信接口模块与终端机通信；所述嵌入式软件系统接受用户输入，接受并显示所述ARM嵌入式内核采集的数据，并实现数据管理功能。
以下对各模块的功能详细介绍：
(一)ARM嵌入式内核
所述ARM主控芯片与各模块的具体连接电路见图2。所述ARM嵌入式内核选用STM32F103RCT6处理器，拥有48KBSRAM、256KBFLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器(共12个通道)、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、1个SDIO接口及51个通用IO接口。该芯片性价比较高，使用数字3.3V电源和模拟3.3V电源分别供电，P3和P1分别用于PORTA和PORTB的IO口引出，P4口连接串口输出，对应着串口1(PA9/PA10)。
(二)USB通信接口模块
所述ARM嵌入式内核核载USB接口电路中，外部设备通过USB接口提供电源，ARM嵌入式内核PA11引脚与USB接线口D-连接，ARM嵌入式内核PA12引脚与USB接线口D+连接，USB接口使用5PIN的MiniUSB头引出，实现与计算机等其他外部设备实现连接。
(三)USB转串口模块
所述USB转串口模块电路接线见图2。ARM嵌入式内核串口引脚为PA9、PA10，CH340G芯片【USB转串口芯片】的RXD、TXD引脚与ARM嵌入式内核串口引脚PA9、PA10连接，实现串口与USB之间的转换；CH340G芯片RTS、DTR引脚通过两个三极管Q1、Q2及相关电阻控制ARM嵌入式内核RST(复位)和BOOT0引脚的电平，实现软件下载自动控制。CH340G芯片的D+引脚与USB_232接口的D+连接，CH340G芯片的D-引脚与USB_232接口的D-引脚连接，实现ARM嵌入式内核串口到USB接口的转换。
(四)模拟信号调理模块
为避免不同模拟量通道之间相互干扰，同时满足ARM嵌入式内核的ADC模块0-3V输入信号电平要求，模拟信号调理模块实现对模拟信号的隔离、滤波，将模拟信号电平转换以达到ARM核内ADC输入信号电平的要求。
所述模拟信号的隔离模块见图3，所述隔离电路采用ISO124P光隔离芯片，用双电源±15V供电，双极性±10V输出，供电电压范围为±4.5V～±18V，该芯片功耗低，最大非线性误差仅为0.01％，可以实现强弱电的无损隔离及不同输入通道之间的隔离，防止串扰。
所述模拟信号滤波采用UAF42滤波器，对经过隔离芯片ISO124P后输出的信号完成切比雪夫二阶低通滤波，截止频率和放大倍数可以直接调整外围电阻RF1和RF2来实现。
(五)存储模块
所述存储模块采用SD卡，具有存储容量大(32Gb以上)、支持SPI接口、方便移动、快速数据传输率、且尺寸多种可选等特点。所述SD卡采用SPI通讯模式，SD卡片选信号CS低电平有效时SD卡的SPI模式被启用，SD卡的片选(SD_CS)连接ARM嵌入式内核PA3针脚，SD卡的SPI接口(SPI1_MOSI、SPI1_SCK、SPI1_MISO)连接ARM嵌入式内核SPI1针脚。
(六)触摸屏显示器
所述触摸屏显示器采用TFTLCD模块，具有高分辨率、真彩显示、触屏控制、屏幕尺寸可选等优点。所述触摸屏显示器选用2.8寸TFTLCD模块，接口为16位80并口，考虑到彩屏数据量较大，采用16位并联方式与ARM内核相连接，该模块中CS为TFTLCD片选信号，WR为向TFTLCD写入数据，RD为向TFTLCD读取数据，D[15:0]为16位双向数据线，与ARM核的相应I/O接口相连接，RST为硬复位TFTLCD，RS为命令/数据标志位(0表示读写命令，1表示读写数据)。
Claims (5)
1.一种用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其特征在于，包括依次相连的电磁场天线及探头、调理电路、数字信号处理单元和人机接口模块；
所述的电磁场天线及探头包括立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头；
所述的调理电路集成有两路信号处理电路，分别用于处理立体式磁场感应天线和立体式电场测量探头输出的信号，每路信号处理电路包括前级的隔离电路和滤波放大电路；
调理电路中集成有对滤波放大电路输出的信号进行模/数转换的A/D转换器；
磁场天线采用多匝矩形线圈；
电场天线采用金属平行板电容；
用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统还包括与数字信号处理单元相连的存储模块；所述的存储模块为SD卡；
用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统还包括USB接口以及用于与上位机通信的串口接口电路；USB接口和串口接口电路均与数字信号处理单元相连；
用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统还包括用于形成USB口的USB转串口芯片CH340G，数字信号处理单元的IO端口与USB转串口芯片CH340G相连。
2.根据权利要求1所述的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其特征在于，所述的数字信号处理单元采用ARM嵌入式处理器。
3.根据权利要求1所述的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其特征在于，隔离电路采用光耦，滤波电路为带通滤波电路。
4.根据权利要求1所述的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其特征在于，所述的数字信号处理单元采用STM32F103主控芯片；所述的人机接口模块包括触摸显示屏和键盘。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于水电厂的三维空间电磁场分布检测系统，其特征在于，人机接口模块中设有TFT型LCD显示屏；TFT型LCD显示屏采用16位并联接口与数字信号处理单元相连；隔离电路采用作为集成式隔离放大器ISO124P；滤波电路采用通用有源滤波器UAF42。
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