专利名称：智能雷电环境监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雷电环境监测装置，特别是涉及一种能同时测量雷电信息及接地电阻信息的雷电环境监测装置。
背景技术：
雷电预警、雷电事后监测、地线电阻测量广泛用于数字化大网络系统中(如，电力、铁路、石油、通讯、机场、国防及金融等)。对数字信息基础设施、机电一体化大型设施、工民建等设施的“防雷加固、地线优化”，提供了一个高可靠的智能型环境监测装置，对防雷减灾评估、雷电事故的定量分析、保险业务中的雷电灾害定损等方面有着记录和索取真实性证据的作用，具有快捷、方便、准确、有效的特性。
目前，气象预报领域中广泛采用气象雷达，可在50公里(中尺度)空域范围内，对大气过电压(雷电)的形成进行预警。但对闪电落地的具体位置5公里范围内，确无能为力。对雷电电磁脉冲的冲击波1.5平方公里范围的危害，无法确定。
而现有的对接地电阻的测量，只能采用一度测量法。工频电阻测量仪必须将接地线与系统设备断开，由于电流极、电压极长线要求，对城市建筑群的测量，难度加大。地下管网影响测量精度。而采用进口的钳型式冲击电阻测量仪，测量点多，但动态误差大，钳制头钳线位置受限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种有智能、高精度及高可靠的能同时检测雷电信息和接地电阻信息的智能雷电环境监测装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案在于提供一种智能雷电环境监测装置，其用于检测用电设备的接地线上雷电感应大流和大地谐振小电流，其主要包括有雷电信息监测单元、地阻监测单元、报警单元、接口电路和供电电源单元，雷电信息监测单元包括一处理器及分别与该处理器相连的耦合在用电设备的接地线上的传感探头、高速采样电路及LCD显示屏，感应雷电的传感探头用于采集雷电感应大电流信息；地阻监测单元包括有一耦合在用电设备的接地线上的测地线有源传感器，连在该传感器后的振荡阻尼值检测电路，其后接有一A/D转换器，该A/D转换器与微处理器连接，该测地线高灵敏度有源传感器用于采集大地谐振小电流；而所述报警单元主要包括有连接在微处理器上的MCU状态检测电路及连接在高速采样电路上的实时监控电路，及用于报警的LED及声音发生器，其用于对微处理器上的异常进行报警。
在本技术方案的进一步改进中，所述供电电源单元采用独立的AC/DC双开关电源。
在本技术方案的进一步改进中，所述该高速采样电路包括有比例函数电路、非线性积分电路、微分函数电路、数字化通带滤波电路。
在本技术方案的进一步改进中，所述感应器为一种空心电感。
在本技术方案的进一步改进中，所述感应雷电传感器子电路主要包括有依次电连接的感应线圈、整流电路、由高频电容C2构成的保持电路、跟随器及比较器，在该感应线圈与整流电路之间还设有一用于过电压保护和尖脉冲吸收的保护电路；该跟随器输出的信号传给A/D转换器，比较器产生的信号至微处理器的中断，而保持电路的复位信号来自于微处理器。
在本技术方案的进一步改进中，所述由电阻R5和电阻R6产生一基准电压，提供给所述比较器。
在本技术方案的进一步改进中，所述整流电路由响应时间为纳秒级的高速整流管D3、高速整流管D4、高速整流管D5及高速整流管D6组成。
在本技术方案的进一步改进中，所述跟随器由运放U1a，电阻R3，可调电阻RT1组成，其用于实现电气的匹配和缓冲，可调RT1用于误差的校准。
在本技术方案的进一步改进中，所述接口电路连接在微处理器上，其包括有串行、并行及无线接口，而无线接口用于与外接设备进行无线通信传递所测试的数据。
本发明的有益效果在于本发明智能雷电环境监测装置是一种对雷电感应大流(千安/微秒级电流)和大地谐振小电流(毫安/毫秒级电流)，数字化用电设备的零-地电压(百伏级电压)漂移的全动态智能化的监控装置。适应不同用电或非用电环境，对局部小尺度环境机房设备的大气过电压和大地电流干扰的监测。在随机性、不确定性的雷电事件发生后，能及时捕捉跟踪和记录雷电流的流过设备的时间、次数、破坏性能量幅值。对季节变化、晴雨气候地电位波动，接地电阻的变化、引起零-地电压的变化等电参数的记录和统计。对数字化基础设施电磁兼容EMC和EMI的抗干扰设计提供了有效的小环境电参数依据。对雷击灾害事故提供了的量化统计和分析数据。解决了信息化社会、人们赖以生存的信息设备在不同环境下使用的安全性、可靠性对防雷与接地设计的技术难题。该装置的高度智能化、小型化、低成本。
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的电路原理图。
图3是本发明的雷电传感器的电路框图。
图4是本发明的雷电传感器的电路原理图。
具体实施例方式
如图1所示，是本发明的原理框图。其揭示了一种用于信息基础设施和机电一体化装备防雷与接地、零/地漂移电压的现场连续监测，实时跟踪、记录，综合反映雷电发生的时间、雷电能量的幅值、各种接地线动态阻抗值和零/地漂移电压等电参数的测量装置。其主要包括有雷电信息监测单元、地阻监测单元、报警单元、接口电路和供电电源单元。其中，雷电信息监测单元包括一处理器(MCU)及分别与该处理器相连的用于感应雷电的传感探头、高速采样电路及LCD显示屏。该高速采样电路包括有比例函数电路、非线性积分电路、微分函数电路、数字化通带滤波电路。感应雷电的传感探头用于采集雷电感应大电流(千安/微秒级电流)信息。
地阻监测单元包括有一测地线高灵敏度有源传感器，连在该传感器后的振荡阻尼值检测电路，其后接有一A/D转换器，该A/D转换器与微处理器连接。该测地线高灵敏度有源传感器用于采集大地谐振小电流(微安/毫秒级电流)。
而所述报警单元主要包括有连接在微处理器上的MCU状态检测电路及连接在高速采样电路上的实时监控电路，及用于报警的LED及声音发生器。其用于对微处理器上的异常进行报警。
接口电路连接在微处理器上，其包括有串行、并行及无线接口，该串行或并行接口可以连接诸如USB设备或打印机等，而无线接口用于与外接设备(诸如非接触式的磁卡)进行无线通信。例如，可以采用RF-Smart Card作为数据的储存和携带，其设有128bit/s的密匙来增加了数据安全性，以满足一些用户(如保险公司)对雷电的数据的保密需求。
供电电源单元采用独立的AC/DC双开关电源，其采用EMC和EMI设计，抗干扰能力极好。
上述所有的单元模块均设在一个箱体中，箱体的面板上设有用于控制的触摸键。
本发明采用了雷电感应大电流(千安/微秒级电流)的采样和幅值还原技术；感应雷电(尖头)传感器和高速的采样电路，使得精度和可靠性有了很大的提高(误差小于2％)。电路采用双监视控制冗余设计，提高了系统的可靠性。
大地谐振小电流(微安/毫秒级电流)的采样和振荡阻尼测量技术；测地线高灵敏度有源传感器和高速采样电路，接地电阻测试中率先采用了震荡阻尼的测试方法，使得测试的抗干扰(测量精度)大大提高，而且对于用户来说，大大简化测试的操作。
本发明的工作原理如下所述通过耦合在系统接地线上的感应雷电传感器、测地线高灵敏度有源传感器，获取感应雷大电流和大地谐振小电流瞬间干扰源非线性振荡脉冲信号；在通过高速采样电路进行比例函数计算、非线性积分函数计算、微分函数计算和数字化带通滤波电路的将传感器获得的感应雷大电流和大地谐振小电流瞬间干扰源非线性振荡脉冲信号进行归一化波形处理；处理后的波形通过A/D转换器进行模拟信号和数字信号的转换；转换后的数字信号送MCU处理器进行运算处理，与写入的程序比较计算，将时间、次数、雷电流幅值、电网电压波动、接地阻抗、零-地电压漂移幅值等电参数存储进行与微处理器连接的存储器(未画出)中；微处理器存储的数据信号可经编码器通过LCD显示屏进行数码显示、显示内容有时间、次数、电网电压波动、零-地电压漂移幅值、雷电流幅值、接地阻抗等数据，由触摸键转换查询或复位；微处理器存储的数据经串行/并行(I/O、USB)接口电路、声光报警电路、远程遥讯接口电路接蜂鸣器、报警灯完成声光报警功能、接微型打印机完成数据输出功能、接无线卡完成无线远遥控制和数据读写。
如图2所示，是本发明的电路原理图。其中，芯片U1为主要的处理系统单元，该芯片兼具有微处理器MCU、A/D转换器和LCD驱动的功能，该芯片U1主要完成程序的执行(处理)，A/D的转换和对LCD实现驱动。
U2为频率检测器(Frequence Detecter)，主要完成对U1状态的监控，当U1工作异常是会发出报警信号。U3为报警声音发生器。U4为I/O扩展电路，U5和U6为数据储存器(EEPROM)，而U7为由电感、电容和钳位二极管组成的I/O口保护电路，用于抵抗脉冲/浪涌的干扰。
请参考图3和图4所示，分别为本发明中的感应雷电传感器子电路的电路框图和电路原理图。本发明的感应器为专门针对感应雷电大电流的采集而开发的感应器，其特征是采用了高速整流电路和保持电路。而采样器为一种简化的采样器。现时的雷电计数器和雷电计量器，多数采用了铁磁介质的感应器，在长期的使用中，会出现磁化而导致感应器精度下降甚至失效；而且其是按照比例的方式输出(变压器)，对后续的处理电路有很高的速度要求，导致设计难度和成本甚高。在本发明中，简化设计很好地解决了电路对高速度的要求。尤其适用于对浪涌电流的峰值采集。
该感应雷电传感器子电路主要包括有依次电连接的感应线圈、整流电路、保持电路、跟随器及比较器。其中，该感应线圈与整流电路之间还设有一保护电路；一基准电压提供给该比较器；该跟随器输出的信号传给A/D转换器，比较器产生的信号至微处理器的中断，而保持电路的复位信号来自于微处理器。
其中，感应器为一种优质空心电感L，不存在磁介质磁化而影响精度的问题；其能准确地调定起始电流，完成了短时间(纳秒级)的雷电浪涌峰值的采样。而保护电路，由稳压二极管MOV和电容C1，稳压二极管D1，D2组成，其用于过电压保护和尖脉冲吸收；整流电路由高速整流管D3，D4，D5，D6组成，响应时间为纳秒级；保持电路为利用电容C2的充电完成保持功能，所述电容C2为高频特性的电容；保持复位电路由电阻R1，电阻R2和三极管Q1组成，采样后的复位信号来自微处理器；跟随器由运放U1a，电阻R3，可调电阻RT1组成，其用于实现电气的匹配和缓冲，可调RT1用于误差的校准。
基准电压和比较器用于产生对微处理器的中断请求。其中基准电压为采样的开始电压。该基准电压由电阻R5和电阻R6提供。
在本发明中，是通过不同频率扫描来测试系统的阻尼，用以确定接地电阻。
本发明智能雷电环境监测装置是一种对雷电感应大流(千安/微秒级电流)和大地谐振小电流(毫安/毫秒级电流)，数字化用电设备的零-地电压(百伏级电压)漂移的全动态智能化的监控装置。适应不同用电或非用电环境，对局部小尺度环境机房设备的大气过电压和大地电流干扰的监测。在随机性、不确定性的雷电事件发生后，能及时捕捉跟踪和记录雷电流的流过设备的时间、次数、破坏性能量幅值。对季节变化、晴雨气候地电位波动，接地电阻的变化、引起零-地电压的变化等电参数的记录和统计。对数字化基础设施电磁兼容EMC和EMI的抗干扰设计提供了有效的小环境电参数依据。对雷击灾害事故提供了的量化统计和分析数据。解决了信息化社会、人们赖以生存的信息设备在不同环境下使用的安全性、可靠性对防雷与接地设计的技术难题。该装置的高度智能化、小型化、低成本。
权利要求
1.一种智能雷电环境监测装置，其用于检测用电设备的接地线上雷电感应大流和大地谐振小电流，其主要包括有雷电信息监测单元、地阻监测单元、报警单元、接口电路和供电电源单元，其特征在于雷电信息监测单元包括一处理器及分别与该处理器相连的耦合在用电设备的接地线上的传感探头、高速采样电路及LCD显示屏，感应雷电的传感探头用于采集雷电感应大电流信息；地阻监测单元包括有一耦合在用电设备的接地线上的测地线有源传感器，连在该传感器后的振荡阻尼值检测电路，其后接有一A/D转换器，该A/D转换器与微处理器连接，该测地线高灵敏度有源传感器用于采集大地谐振小电流；而所述报警单元主要包括有连接在微处理器上的MCU状态检测电路及连接在高速采样电路上的实时监控电路，及用于报警的LED及声音发生器，其用于对微处理器上的异常进行报警。
2.如权利要求1所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于供电电源单元采用独立的AC/DC双开关电源。
3.如权利要求1所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于该高速采样电路包括有比例函数电路、非线性积分电路、微分函数电路、数字化通带滤波电路。
4.如权利要求1所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于所述感应器为一种空心电感。
5.如权利要求1所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于所述感应雷电传感器子电路主要包括有依次电连接的感应线圈、整流电路、由高频电容C2构成的保持电路、跟随器及比较器，在该感应线圈与整流电路之间还设有一用于过电压保护和尖脉冲吸收的保护电路；该跟随器输出的信号传给A/D转换器，比较器产生的信号至微处理器的中断，而保持电路的复位信号来自于微处理器。
6.如权利要求5所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于由电阻R5和电阻R6产生一基准电压，提供给所述比较器。
7.如权利要求5所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于所述整流电路由响应时间为纳秒级的高速整流管D3、高速整流管D4、高速整流管D5及高速整流管D6组成。
8.如权利要求5所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于所述跟随器由运放U1a，电阻R3，可调电阻RT1组成，其用于实现电气的匹配和缓冲，可调RT1用于误差的校准。
9.如权利要求1至8任一项所述的智能雷电环境监测装置，其特征在于所述接口电路连接在微处理器上，其包括有串行、并行及无线接口，而无线接口用于与外接设备进行无线通信传递所测试的数据。
全文摘要
本发明涉及一种智能雷电环境监测装置，其用于检测用电设备的接地线上雷电感应大流和大地谐振小电流，其主要包括有雷电信息监测单元、地阻监测单元、报警单元、接口电路和供电电源单元，雷电信息监测单元包括一处理器及分别与该处理器相连的耦合在用电设备的接地线上的传感探头、高速采样电路及LCD显示屏；地阻监测单元包括有一耦合在用电设备的接地线上的测地线有源传感器，连在该传感器后的振荡阻尼值检测电路，其后接有一A/D转换器，该A/D转换器与微处理器连接。本发明可以监测雷电感应大流和大地谐振小电流，其具有智能化、小型化、低成本的优点。
文档编号G01R19/165GK1632598SQ20041007753
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者吴波, 林毅龙, 李利民 申请人:深圳市康普盾电子科技有限公司