CN207946471U - 一种离子流密度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种离子流密度测量系统，包括：离子流传感阵列，用于测量离子流密度并将其转换为模拟电压信号输出；数据采集单元，用于将输入的所述模拟电压信号转换为第一数字信号，并将其发送至光纤数据传送单元；光纤数据传送单元，用于将接收到的所述第一数字信号转换为光脉冲，并将其通过光纤发送至光纤数据接收单元；光纤数据接收单元，用于将接收到的所述光脉冲转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号发送至上位机；电池供电模块。本实用新型中，数据传输采用光纤线路，使得传输线路的抗干扰能力强、传输的有效距离大，可满足远距离测量要求，减少数据传输过程中的误差或错误，尤其适合于高电压环境下的电场测量，实现高低压隔离。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力测量系统技术领域，具体地，为一种离子流密度测量系统。
背景技术
随着国民经济的持续快速发展，用电需求越来越高，而我国的发电能源与用电需求在地理位置上极度不平衡。特高压直流输电工程由于其输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需要同步、发生故障时对电网造成的损失小等诸多优点，适合大区电网互联。发展特高压输电技术，不能忽视其对周围环境和设备的电磁影响。其中地面离子流密度就是评价特高压直流输电线路下电磁环境干扰的重要指标之一。
离子流密度是指导体通过高压电时会发生电晕，电离形成的离子在电场力的作用下，向附近空间运动，形成离子流。而地面单位面积截获的离子流称为离子流密度。离子流密度通常用威尔逊平板(Wilson板)进行测量。离子流采集板的面积应足够大，使其截获的离子电流较大，易于进行测量。
公开号为CN101188059A的中国专利，公开了一种离子流密度测量系统，可适用于高压输电线路下方的离子流密度测量。它主要由一组离子流密度板，通过信号电缆与离子流信号采集处理装置相连，并设有A/D转换模块。由于该测量系统中的离子流密度板与离子流测量装置之间采用电缆连接。
电通信方式传输数据，在特高压线下复杂电磁环境，丢包率和误码率较高；在复杂电磁环境中测量离子流密度时，复杂的空间干扰往往会在离子流测量系统中形成有效的回路，从而使得离子流的测量结果不准确，甚至可能导致测量仪器的损坏。另外，位于复杂电磁环境中的测量电路很容易将高压电引导低压测量端，可能会操作人员和设备造成安全威胁。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种离子流密度测量系统，减少数据传输过程中的误差或错误，以及避免测量系统受到干扰，同时实现高低压之间的隔离。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种离子流密度测量系统，包括：
离子流传感阵列，用于测量离子流密度并将其转换为模拟电压信号输出；
数据采集单元，用于将输入的所述模拟电压信号转换为第一数字信号，并将其发送至光纤数据传送单元；
光纤数据传送单元，用于将接收到的所述第一数字信号转换为光脉冲，并将其通过光纤发送至光纤数据接收单元；
光纤数据接收单元，用于将接收到的所述光脉冲转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号发送至上位机；
电池供电模块，用于给所述离子流传感阵列、数据采集单元和光纤数据传送单元供电。
进一步地，所述离子流传感阵列、数据采集单元、光纤数据传送单元和电池供电模块均悬空设置，并位于高电位端。
进一步地，所述离子流传感阵列包括：
多块威尔逊板，用于截取待测量环境中的离子流，输出电流信号；
与所述威尔逊板一一对应的信号调理单元，用于将输入的所述电流信号转换为模拟电压信号并输出。
进一步地，所述数据采集单元设置多路与所述信号调理单元一一对应的采集通道。
进一步地，所述威尔逊板包括平行设置的、形状相同的上极板和下极板，所述上极板外圈套设有屏蔽环，所述屏蔽环和所述下极板接地，所述上极板和下极板的中部开设有通孔。
进一步地，所述上极板为边长0.7m的正方形，厚度为2mm，其与所述下极板间距为3mm，所述屏蔽环宽度为15mm。
进一步地，所述上极板和下极板材质为铝合金。
进一步地，所述上位机由测控计算机和上位机软件构成，用于解析、显示和存储所述第二数字信号。
进一步地，所述信号调理单元中，包括跨阻放大器。
进一步地，所述信号调理单元中，包括依次串联的跨阻放大器、反相放大器和跟随器。
进一步地，多个塑料螺栓支撑于所述上极板和下极板之间，所述屏蔽环通过金属螺栓与所述下极板连接。
进一步地，所述上位机软件用于根据存储于其中的所述信号调理单元的配置参数以及所述第二数字信号计算出所述离子流密度。
本实用新型提供的离子流密度测量系统，使用光纤传输数据，具有如下优点：
1.本实用新型结合光纤通信技术的稳定传输特性，可以达到如传输特高压合成电场数据等应用领域所要求的数据实时可靠传输标准；
2、本实用新型尤其适合于高电压环境下的离子流测量，实现高压侧测量与低压侧数据保存和处理的隔离，最大程度地保障低压侧设备和人身安全。
3.本实用新型所提供的技术方案中，数据传输采用光纤线路，使得传输线路的抗干扰能力强、传输的有效距离大，可满足远距离测量要求，减少数据传输过程中的误差或错误；
4.本实用新型的系统简化了数据采集、数据传输等的硬件设计，降低了制作成本。
附图说明
图1是本实用新型离子流密度测量系统的结构示意图；
图2是本实用新型离子流密度测量系统中离子流传感阵列与数据采集单元连接示意图；
图3是本实用新型离子流密度测量系统中信号调理单元电路图；
图4是本实用新型离子流密度测量系统中上位机软件功能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
一种离子流密度测量系统，如图1和图2所示，包括：
离子流传感阵列，用于测量离子流密度并将其转换为模拟电压信号输出；
数据采集单元，用于将输入的所述模拟电压信号转换为第一数字信号，并将其发送至光纤数据传送单元，可以由RS485总线传输到光纤数据传送单元；
光纤数据传送单元，用于将接收到的所述第一数字信号转换为光脉冲，并将其通过光纤发送至光纤数据接收单元；
光纤数据接收单元，用于将接收到的所述光脉冲转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号发送至上位机，可以通过串口转USB传输到上位机。光纤数据接收单元由上位机通过USB进行供电，而上位机则通过工频220V电压进行供电。
电池供电模块，用于给所述离子流传感阵列、数据采集单元和光纤数据传送单元供电。
考虑到此测量系统在复杂电磁环境中使用，在保证离子流密度测量系其统功能完整的前提下，结合离子流密度测量的实际需求，从模块化、可靠性及可扩展性等角度对复杂电磁环境中离子流密度测量系统进行了设计。离子流密度测量系统硬件体系结构的通用性、可靠性及可扩展性设计是确保系统能准确、高效完成采集任务的基础及关键，因此，系统基于USB总线资源进行开发，通过通用串行总线集线器，将成熟的数据采集模块、数字量I/O模块、数据传输模块和系统电源模块等集成到一起，各硬件模块相互独立，可单独开发、调试，提高采集系统的可扩展性。数据采集模块即对应于测量系统中的数据采集单元，数字量I/O模块对应于测量系统中光纤数据接收单元，数据传输模块对应于测量系统中光纤数据传送单元。
考虑到复杂电磁环境下各种电磁干扰对于测量结果的影响，离子流密度测量系统在数据传输的过程中采用光纤通信技术，光纤通信技术能够有效的降低电磁干扰对于数据传输过程的影响，从而提高了离子流密度测量系统的精度，实现了光纤通信技术和离子流密度测量技术的有效结合。采用光纤通信方式，抗电磁干扰能力强，且传输距离远，与无线和其他有线电通信方式相比，具有较多优势。本实用新型的离子流密度测量系统不仅可以适用于传统野外测量环境，而且对于复杂的电磁环境，离子流密度测量系统也能满足相应的测量的需求。
本实施例的一可选实施方式中，所述离子流传感阵列、数据采集单元、光纤数据传送单元和电池供电模块均悬空设置，并位于高电位端。可以将其用挂钩布置在金属网支架上。为进一步降低实际使用离子流密度测量系统的过程中，环境因素对于测量结果的影响，测量装置采用悬浮测量方法，仅通过光纤与地面侧的上位机相连，与地面布置离子流传感器测量相比，这种浮地式的测量结构的设计也进一步减小了地面环境因素对于系统测量结果的影响，提高了离子流密度测量系统的精度。
本实施例的一可选实施方式中，如图1和图2所示，所述离子流传感阵列包括：多块威尔逊板，用于截取待测量环境中的离子流，输出电流信号；与所述威尔逊板一一对应的信号调理单元，用于将输入的所述电流信号转换为模拟电压信号并输出威尔逊板具体数目和摆放位置按照实际测量要求可灵活的选择，一般而言，不仅需要保证能测量到最大值，同时还要兼顾到测量横向分布情况，在离子流变化比较大的地方要多放置些。威尔逊板的两极板间形成电流信号，这种电流信号与离子流密度成正比例关系，通转换为过电流信号的测量结果可计算离子流密度，而信号调理单元即可以把这种电流信号转换为易于测量的模拟电压信号。
本实施例的一可选实施方式中，所述数据采集单元设置多路与所述信号调理单元一一对应的采集通道。所述数据采集变换单元选择ADAM4017高精度模拟量采集模块作为核心，配置差分电压信号采集通道，将输入的模拟电压信号转化为数字信号，具有多通道同步采集功能，可保证同时转换所有模拟电压信号，完成离子流密度数据的多点同步采集功能。采集得到的数据同步性能好，保证了后期数据分析的结果准确。
本实施例的一可选实施方式中，所述威尔逊板包括平行设置的、形状相同的上极板和下极板，所述下极板所述上极板外圈套设有屏蔽环，所述屏蔽环和所述下极板接地，所述上极板和下极板的中部开设有通孔。中心进行开孔设计具有两种作用，第一就是方便威尔逊板与信号调理单元之间的连接，第二就是在雨雪天气时该通孔能够起到排水的作用，从而进一步降低环境因素对于离子流密度测量系统的精度的影响。
本实施例的一可选实施方式中，考虑到在复杂电磁环境内使用离子流密度测量系统的规格的限制，同时兼顾风的影响且为了方便离子流密度值计算，所述上极板为边长0.7m的正方形，厚度为2mm，其与所述下极板间距为3mm，所述屏蔽环宽度为15mm。威尔逊板的边长和屏蔽环宽度要尽可能大，厚度要尽量小，而上极板面积应当尽量大，其用于收集离子流。离子流收集板与底板通上、下极板过多个塑料螺栓进行支撑以使两板绝缘，屏蔽环则通过金属螺栓与下极板连接以接地。按照以上的设计尺寸，该威尔逊板的测量误差在5％以下，该误差在工程应用中可接受。
本实施例的一可选实施方式中，所述上极板和下极板材质为铝合金。考虑到实际测量环境电晕笼内的各种影响因素，制作威尔逊板时选用6061-T651铝合金，该材料具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、高韧性以及加工后不易变形、材料致密无缺陷等优点。
本实施例的一可选实施方式中，上位机由测控计算机和上位机软件构成，完成数据的解析、显示和存储。上位机软件中存储离子流传感阵列中各信号调理单元的配置参数，利用采集得到的模拟电压值和所述信号调理单元的配置参数进行简单计算得到威尔逊板测量的离子流密度值。见图4，上位机软件主要功能分为传感器参数管理和数据采集管理两部分。传感器参数管理包括通道- 传感器-位置映射和标定系数录入和加载两部分，其中通道-传感器-位置映射实现采集模块通道、传感器编号和传感器在测量位置的一一对应，这样设计可以灵活适应实际测量当中传感器可能出现的问题；标定系数录入和加载功能主要是因为当离子流传感阵列使用一段时间后，其元器件老化、电阻阻值变化等将导致其标定系数发生变化，为了保证采集数据的准确性，需要在采集数据前获得其标定系数，并且在程序中进行更新；数据采集管理主要包括量程、采集周期设置、数据采集存储和数据图表显示等功能。数据可以多样化显示，包括通过表格形式进行分布式数据显示，以及通过柱状图进行分布式图形显示，可以让用户掌握每一个位置对应的离子流密度精确值。数据的实时存储要求程序必须有后台数据库进行支撑，在数据采集结束之后，用户可以对离线的数据库文件进行分析。
本实施例的一可选实施方式中，图3所示为信号调理单元示意图。所述测量系统在测量方案选择方面，由于高压直流输电线下的离子流密度一般为几十到几百nA/m2，具体数值跟风速、导线运行方式、导线高度和极间距等因素有关。而目前常用的微弱电流检测方法中：电容积分法需延长积分时间T，由此带来的问题就是降低了测量系统的实时性与测量精度；T型网络法虽然可以避免大电阻的使用但这种方法的信噪比差，电路结构相比于跨阻法也要复杂。所以上述两种方法都不适合用于本测量系统。而跨阻法的优点在于实时性好、电路结构简单，唯一的缺点在于反馈电阻的高阻值会引起的温度稳定性较差、热噪声较大，线性度比较低等问题，但是这些在阻值在10GΩ以上的情况下才会比较明显，由于本实用新型测量的量级在纳安级，故反馈电阻的阻值也就是10M Ω量级，由于电路中引入大电阻而造成的测量精度不够的问题不是很明显；综合考虑各项技术指标，采用跨阻法，即在运放的输出端以负反馈的形式将反馈电阻接到输入端。
所述信号调理单元由三级电路组成：第一级为I/V变换电路，运放采用集成芯片LMC660AIN，该运放具有极低的输入偏置电流和失调电流(fA级)和高输入阻抗(TΩ级)，以及较高的共模抑制比和较低的偏置电压漂移，适合作为第一级电路的运放。反馈电阻R2选择阻值20MΩ、1％精度的精密电阻，其温漂仅为30ppm，在温度变化时阻值改变对测量的影响较小。反馈电容C3用于补偿相位，输入串联了一个10K的电阻用以限流。由电路知识可知T1处的电压和输入电流之间有U1＝-iin×R2的关系，易知本级将提供2×106的放大倍数，信号将从nA级的电流将变为mV级的电压，从而实现了电流信号到电压信号的转换和放大；第一级电路和第二级电路之间的电阻R2和滑动变阻器W1的作用为调节电路总体的输出，在进行校准时通过调节滑动变阻器W1来调节电路的输出信号，从而在提高系统测量精度的同时便于以后测量系统的维护检修工作；第二级为反相放大电路，运放选择了自斩波稳零集成芯片ICL7650，其较低的失调电压适合放大电压信号，自稳零特性使得不需要增加调零电路，提高了集成度，使用电位器可以调节反相比例放大系数，使其接近1；第三级为跟随器，使用了LMC660AIN的第二个运放放大器，用于提供后级的带载能力。当输入电流的范围在±0nA到±250nA时，第一级输出电压在负正0mV到5V之间，由于反相放大比例为1，第二级电路不进行放大，这样最后跟随器的输出为± 0mV到5V之间。
本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
Claims (11)
1.一种离子流密度测量系统，其特征在于，包括：
离子流传感阵列，用于测量离子流密度并将其转换为模拟电压信号，并将其发送至数据采集单元；
数据采集单元，用于将接收到的所述模拟电压信号转换为第一数字信号，并将其发送至光纤数据传送单元；
光纤数据传送单元，用于将接收到的所述第一数字信号转换为光脉冲，并将其通过光纤发送至光纤数据接收单元；
光纤数据接收单元，用于将接收到的所述光脉冲转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号发送至上位机；
电池供电模块，用于给所述离子流传感阵列、数据采集单元和光纤数据传送单元供电。
2.如权利要求1所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述离子流传感阵列、数据采集单元、光纤数据传送单元和电池供电模块均悬空设置，并位于高电位端。
3.如权利要求1或2任一所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述离子流传感阵列包括：
多块威尔逊板，用于截取待测量环境中的离子流，输出电流信号；
与所述威尔逊板一一对应的信号调理单元，用于将输入的所述电流信号转换为模拟电压信号并输出。
4.如权利要求3所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述数据采集单元设置多路与所述信号调理单元一一对应的采集通道。
5.如权利要求3所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述威尔逊板包括平行设置的、形状相同的上极板和下极板，所述上极板外圈套设有屏蔽环，所述屏蔽环和所述下极板接地，所述上极板和下极板的中部开设有通孔。
6.如权利要求5所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述上极板为边长0.7m的正方形，厚度为2mm，其与所述下极板间距为3mm，所述屏蔽环宽度为15mm。
7.如权利要求5所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述上极板和下极板材质为铝合金。
8.如权利要求3所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述上位机由测控计算机和上位机软件构成，用于解析、显示和存储所述第二数字信号。
9.如权利要求3所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述信号调理单元中，包括跨阻放大器。
10.如权利要求9所述的离子流密度测量系统，其特征在于，所述信号调理单元中，包括依次串联的跨阻放大器、反相放大器和跟随器。
11.如权利要求5所述的离子流密度测量系统，其特征在于，多个塑料螺栓支撑于所述上极板和下极板之间，所述屏蔽环通过金属螺栓与所述下极板连接。
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Cited By (2)
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| CN107976585A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-05-01 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种离子流密度测量系统 |
| CN114399897A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-04-26 | 北京航空航天大学 | 基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统 |
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2017
- 2017-12-29 CN CN201721926063.5U patent/CN207946471U/zh active Active
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| CN107976585A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-05-01 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种离子流密度测量系统 |
| CN114399897A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-04-26 | 北京航空航天大学 | 基于高速光纤总线的无人机蜂群密集连续发射控制系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |