一种水电厂三维空间电磁场分布检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水电厂三维空间电磁场分布检测装置及方法，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】
[0002]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。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种水电厂三维空间电磁场分布检测装置及方法，该水电厂三维空间电磁场分布检测装置及方法易于实施，能精确检测水电厂三维空间电磁场分布情况。
[0004]发明的技术解决方案如下:
[0005]一种水电厂三维空间电磁场分布检测装置，包括依次相连的电磁场天线及探头、调理电路、微处理器和人机接口模块；
[0006]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；
[0007]所述的调理电路为双通道信号处理电路，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；
[0008]微处理器或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。
[0009]所述的微处理器采用ARM嵌入式处理器。
[0010]隔离电路采用光耦，滤波电路为带通滤波电路。
[0011]磁场天线采用多Bi矩形线圈。
[0012]电场天线采用金属平行板电容。
[0013]水电厂三维空间电磁场分布检测装置还包括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微处理器相连。
[0014]所述的USB接口通过微处理器的1端口和USB转串口芯片CH340G实现。
[0015]所述的微处理器采用STM32F103主控芯片；所述的人机接口模块包括触摸显示屏和键盘。
[0016]所述的水电厂三维空间电磁场分布检测装置还包括与微处理器相连的存储模块；所述的存储模块为SD卡；人机接口模块中设有TFT型IXD显示屏；TFT型IXD显示屏采用16位并联接口与微处理器相连；隔离电路采用作为集成式隔离放大器IS0124P ;滤波电路采用通用有源滤波器UAF42。
[0017]一种水电厂三维空间电磁场分布检测方法，采用前述的水电厂三维空间电磁场分布检测装置实现水电厂三维空间电磁场分布检测；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]采用微处理器对调理电路输出的信号进行采集；
[0021]采用SD卡对微处理器采集的数据进行存储。
[0022]该水电厂三维空间电磁场分布检测装置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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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)。
[0028]ARM嵌入式内核能够根据多IM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。
[0029]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。
[0030]显示屏能实时显示各通道的峰峰值、有效值和主频值。
[0031]模拟量输入调整电路(即调理电路)支持多路通道输入。
[0032]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 P。
[0033]存储模块采用易插易拔、大容量SD卡。
[0034]有益效果:
[0035]本发明的水电厂三维空间电磁场分布检测装置及方法，装置中，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。本发明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。
[0036]本发明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-此点并非本发明的研究的问题)，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。
[0037]本发明提供的水电厂三维空间电磁场分布检测装置，功能丰富，能对电场、磁场输入信号进行处理。并且本发明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】
[0038]图1为系统整体结构图；
[0039]图2为USB转串口电路；
[0040]图3为隔离电路原理图；
[0041]图4为滤波电路原理图；
[0042]图5为IXD接口液晶显示模块原理图；
[0043]图6为立体式磁场天线结构示意图；
[0044]图7为立体式电场天线结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明:
[0046]实施例1:
[0047]如图1-5，水电厂三维空间电磁场分布检测装置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6和图7)，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。
[0048]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。
[0049]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。
[0050