CN218728075U

CN218728075U - 一种地表电位波动探测装置

Info

Publication number: CN218728075U
Application number: CN202222992009.8U
Authority: CN
Inventors: 顾承昱; 杨心刚; 苏磊; 杨靖宁; 赵文彬; 李峰; 洪子杰
Original assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2032-11-10

Abstract

本公开揭示了一种地表电位波动探测装置，包括：装置主体，装置主体内设置有电位信号采集系统，所述电位信号采集系统包括PCB板，PCB板上设置有信号调理器，信号调理器电连接有高速ADC采集芯片，高速ADC采集芯片电连接至可编程逻辑门阵列FPGA；可编程逻辑门阵列FPGA还依次电连接有MCU微控制器和GPS模块。

Description

一种地表电位波动探测装置

技术领域

本公开涉及一种电位探测装置，尤其涉及一种地表电位波动探测装置。

背景技术

随着我国电力建设的发展，轨道交通网络的逐渐复杂与大功率电力电子设备的投入，其产生的地下杂散电流对电气设施、轨道交通和地埋管道等设备的危害愈演愈烈，成为了城市建设发展中所不可忽视的一部分。地下杂散电流的增加会加剧附近埋地金属结构的电化学腐蚀，引起设备损坏、铁轨寿命缩短、管道泄露等问题，所以通过对地表电位的测量，确定地下的杂散电流大小和干扰源位置，为解决地下杂散电流产生的危害提供技术支撑，具有重要的现实意义。

然而就目前来说，公知的地表电位探测设备与接地电极间普遍采用有线连接，在进行大范围地表电位监测时需要长距离铺线，过程十分繁琐，遇到地形复杂的工作环境也会使铺线工作难以展开。更重要的是，使用电位波动的时间差对杂散电流源定位对探测装置的同步性、位置精度及采样频率要求较高，一般的地表电位探测装置很难达到需要的测量精度。例如，(应用监测法定位管道杂散电流的干扰源，油气储运，滕延平，2011，30(5)：347-349)公开了通过在多个测试桩布置存储式杂散电流测试仪，对管道电压进行长时间同步测试。该方法使用的杂散电流测试仪时间同步误差为0.2s，每秒仅储存一个电压数据，远没有达到对瞬时杂散电流定位所需的采样精度，同时长距离铺线的问题也无法避免。再例如，(长输天然气管道受杂散电流干扰的监测及防护探讨，江永强，石油和化工设备，2022(25卷))通过使用HC-069型储存室杂散电流测试仪和参比电极监测管道及土壤的梯度电位，该设备的数据收集及储存时间时间间隔为1秒，采样率较低，导致测量精度不高。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种地表电位波动探测装置，通过该装置能够在解决现场实测时因测点过远导致的繁琐铺线问题的同时提高测量精度。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种地表电位波动探测装置，包括：

装置主体，

装置主体内设置有电位信号采集系统，所述电位信号采集系统包括PCB板，PCB板上设置有信号调理器，信号调理器电连接有高速ADC采集芯片，高速ADC采集芯片电连接至可编程逻辑门阵列FPGA；可编程逻辑门阵列FPGA还依次电连接有MCU微控制器和GPS模块。

优选的，PCB板上还设置有存储器，存储器电连接至可编程逻辑门阵列FPGA。

优选的，PCB板上还设置有以太网芯片，以太网芯片电连接至可编程逻辑门阵列FPGA。

优选的，PCB板上还设置有无线数据收发器，无线数据收发器与以太网芯片电连接。

优选的，所述装置内还设置有电源管理芯片。

优选的，所述装置主体包括外壳，外壳上设置有电源开关、接口和指示灯。

优选的，所述外壳包括壳体和顶盖，壳体内铺设有泡沫纸，且壳体和顶盖之间的缝隙内填充有海绵。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开采用双路高速同步采集，采样精度和采样率高，能够采集一般设备无法采集的高精度电信号瞬态变化；

2、本公开采用有线和无线两种网络信号传输方式，省去了现场实测时因测点过远不可避免的繁琐铺线过程；

3、本公开安装有GPS模块，能够满足特殊工作条件的需求；

4、本公开具有耐摔耐碰，稳固易放置等优点。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种地表电位波动探测装置的正视图；

图2是本公开另一个实施例提供的一种地表电位波动探测装置的后视图；

图3是本公开另一个实施例提供的一种地表电位波动探测装置的内部结构示意图；

附图标记说明如下：

1、壳体；2、顶盖；3、圆头螺钉；4、电源开关；5、充电接口；6、以太网接口；7、紧固螺钉；8、信号指示灯；9、电信号输入接口；10、4G天线接口；11、GPS接口。

具体实施方式

下面将参照附图1至图3详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图3所示，本公开提供一种地表电位波动探测装置，包括：

装置主体，

本实施例中，当待测目标的电位信号达到探测装置的触发阈值后，信号调理器立刻开始对电位信号进行调理，高速ADC采集芯片对调理后的电位信号进行双路高速同步采集，与此同时，由无线数据收发器对GPS地理位置数据进行处理并记录。FPGA则对调理后的电位信号和GPS数据进行整合和处理，同时对其缓存，最终将处理完成的电位波形数据通过以太网LAN或者4G网络传输至计算机操作平台作进一步的可视化处理。

需要说明的是，信号调理器采用ICP恒流源信号调理器，其内部组成如下：1、内置恒流源电路，主要有TL431电压调节器和三极管组成。2、抗混叠滤波器部分采用低通滤波，信号截止频率根据实际情况调整，运放可选用TL072输入运算放大器做成有源二阶低通滤波。3、程控放大器部分，主要采用AD620仪表运放，可方便通过电阻设置信号增益自调零。

本实施例所述装置采用高速FPGA、存储器缓存、GPS和高速ADC采集芯片，可以把瞬态触发数据和时间位置坐标实时上传到系统平台，是一种高性能实时传感器触发采集系统。其中，高速ADC采集芯片提供了12位分辨率精度的数据以及高达2MHz的采样速度，因此能够保证测量所需的精度。下面，结合具体原理对本装置之所以能够达到测量精度进行详细说明：

1、在对时间的精度要求上，因为电磁波在介质中的传播速度计算公式为：

其中ε_r,为介质的相对介电常数，μ_r为介质的相对磁导率。在探地雷达利用电磁波进行勘探时通常认为，介质的磁导率变化可以忽略，即认为μ_r＝1。所以探地雷达中通常用以下公式计算电磁波在介质中的传播速度：/>

常见土壤介电常数约为10，由此计算电磁波的传播速度约为9.49×10⁷m/s，因此若需要对电磁波发生位置进行精度为50m的定位，则需要探测装置能够至少区分5.27×10-⁷s内的电信号变化，即达到1.89MHz的采样精度，本实施提供了2MHz的采样率例满足其要求。

2、在对电位幅值的精度要求上，针对不同的杂散电流源例如电气化铁路、交直流输电线路和大容量电力电子设备，其周边的土壤电位基本分布在20mV-30V的范围内，本实施例为提高探测精度，提供了12位的电位测量精度，远超过探测的基本需求。

另一个实施例中，PCB板上还设置有存储器，存储器电连接至FPGA可编程逻辑门阵列。

本实施例中，存储器可选用任意一种类型的存储器，本实施例优选采用静态随机存取存储器(SRAM)，具体型号选用IS61WV25616EFBLL，可用于对经可编程逻辑门阵列FPGA处理的电位数据进行暂存。

另一个实施例中，PCB板上还设置有以太网芯片，以太网芯片电连接至可编程逻辑门阵列FPGA。

本实施例中，以太网芯片选用W5300，负责实现网络连接，以将经FPGA可编程逻辑门阵列处理的电位数据上传至服务器。

另一个实施例中，PCB板上还设置有无线数据收发器，无线数据收发器与以太网芯片电连接。

本实施例中，通过设置无线数据收发器，能够将经以太网芯片传输的电位数据转至4G无线信号发送至远端服务器，从而能够提高信号的传输速率。

现有的探测装置在进行大范围的地表同步电位监测时，需要将距离相隔数百米甚至数千米的探测点处的接地棒通过长距离铺线与探测装置连接，而本装置由于配备了无线数据收发器，其可以对电位波形数据进行记录并发送至服务器，只需要在每一个探测点处放置一个本装置，正负极分别就近和接地棒与硫酸铜通过数公分的有线连接即可完成同步监测任务，因此可以避免长距离的铺线问题。

另一个实施例中，所述装置内还设置有电源管理芯片。

本实施例中，电源管理芯片选用TPS62130，负责PCB板上各元器件的供电管理。

另一个实施例中，如图1和图2所示，所述装置主体包括外壳，外壳上设置有电源开关4、接口和信号指示灯8。

本实施例中，所述外壳包括壳体1和顶盖2，壳体1与顶盖2开有互相嵌合的凸起和凹槽并通过圆头螺钉3固定连接。壳体采用铝合金材料，壳体内沿面铺设有泡沫纸，且壳体和顶盖之间的缝隙内填充有海绵，以对内部的电位信号采集系统进行固定和减震，从而提高探测装置的结构强度。

此外，壳体上还设置有多个接口，具体包括充电接口5、电信号输入接口9、以太网接口、4G天线接口10和GPS接口11，其中，充电接口为12.6VDC充电口，与蓄电池相连，可为电位信号采集系统供电。以太网接口6采用RJ45网络接口，通过紧固螺钉7固定在壳体上，可通过网线与计算机连接，以将电位波形数据通过以太网传输至软件操作平台。电信号输入接口与信号线的末端连接，信号线的首端分出正极接头和负极接头，分别与待测目标的正极和负极连接，例如，当工作场景为地电位探测时，负极接头与插入地表的硫酸铜电极相连接，正极接头与插入地表的接地棒连接，即可记录地表电位波动。4G天线接口与4G天线连接，电位信号采集系统安装有流量卡，因此也可以不通过以太网而通过4G网络将电位数据上传到服务器，进一步发送到计算机软件操作平台。GPS接口与GPS模块(GPS模块是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路组成的集成电路，可以直接从市场采购，本公开不致力于对该模块做任何改进)连接，记录探测设备当前的精确地理位置，以满足工作时出现的接地棒定位定距需求。

进一步的，信号指示灯包括四个红色发光二极管，具有多种闪烁模式，能够显示当前探测装置的工作状态。

以上应用了具体实施例对本公开进行了阐述，只是用于帮助理解本公开，并不用于限制本公开。任何熟悉该技术的技术人员在本公开所揭示的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本公开的范围之内。

Claims

1.一种地表电位波动探测装置，包括：

装置主体，

2.根据权利要求1所述的装置，其中，PCB板上还设置有存储器，存储器电连接至可编程逻辑门阵列FPGA。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，PCB板上还设置有以太网芯片，以太网芯片电连接至可编程逻辑门阵列FPGA。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，PCB板上还设置有无线数据收发器，无线数据收发器与以太网芯片电连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置内还设置有电源管理芯片。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置主体包括外壳，外壳上设置有电源开关、接口和指示灯。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述外壳包括壳体和顶盖，壳体内铺设有泡沫纸，且壳体和顶盖之间的缝隙内填充有海绵。