专利名称：电场测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力检测设备领域，特别涉及一种电场测量系统。
背景技术：
近年来随着电压等级的提高，不仅输变电设备本身的电场分布成为研究的热点， 电力系统电磁兼容问题也越来越引起人们的重视。在高电压等级的变电站内，电磁环境相 当恶劣，特别是当开关操作时，会产生变化快、幅值高的瞬态电磁场，这种变化快、幅值高的 瞬态电磁场将对二次侧的保护和控制设备产生强烈的电磁千扰，严重时甚至引发事故并损 坏二次侧的保护和控制设备川。而采用测量的手段对变电站的工频电场和暂态电场进行实 测以获取相应的数据可以为电力系统电磁兼容问题的研究提供事实依据。此外，在EMC研 究方面，除电力系统电磁兼容问题外，很多其它领域也存在电磁兼容问题，都需要空间电场 的测量作为其实验支持。作业人员在高压工频电场的环境下，尤其是在攀爬杆塔或接近高压带电设备时， 工作人员会误闯入高场强区，如果在没有警示的情况下作业人员将会长时间工作却毫不知 情，这就有可能造成人身伤害。现有的检测技术分两个方面。一是光学式电场测量法。该方法具有绝缘性能好、 响应速度快、安全性高、体积小以及重量轻等优点但是这类电场传感器往往价格昂贵，并且 在实际测量当中，光学式电场传感器还有许多问题需要克服。比如，由于电光效应本身具有 温度相关性，因此基于电光效应的电场传感器一般存在温度漂移的问题；当利用电光晶体 感应静态或极低频电场时，晶体内将产生电荷漂移和电场分布的改变，导致输出传感信号 不稳定的问题；同样，被测电场内空间自由电荷的存在及在传感晶体表面的积聚，也会影响 晶体内电场分布。另外一方面为电学原理电场测量法目前利用电学原理进行电场检测的方法有很 多，但其基本原理是处于电场中的导体传感器表面会产生感应电荷，针对测量不同频率电 场的需要，设计相应的传感器结构和取样电路，将感应电荷转换成与待测电场强度有一定 对应关系的电流或电压信号，再对信号进行分析，从而获得电场强度。例如1993年中国科 学院兰州高原大气物理研究所设计的旋片式电场仪，这种电场传感器测量电极由一个固定 的金属感应片和一个转速一定的接地转子组成，当接地转子旋转时，感应片将在电场中交 替地被屏蔽和暴露，感应片表面上就会产生变化的电荷。若使用一个电阻将感应片与地相 连接，则电阻上就会有交变电流流过，测出该电流大小就可知道电场值。又如2004年上海 交通大学电气工程系设计的变电容合成绝缘子带电检测仪，通过测量合成绝缘子的纵向电 场强度来判断绝缘子的内部导通性故障，也是采用旋片式变电容的方法进行合成绝缘子的 直流电场测量。自90年代以来国内外越来越多的科研机构和电力部门认识到电场测量的重要 性，但是这些研究成果复杂且价格较为昂贵从而影响了它们的推广和使用。因此，研究成本较低、操作方便且具有警示功能的电场测量装置，对保证作业人员的安全，提高电力生产的安全系数，降低事故发生率具有重要意义。 发明内容有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种电场测量系统，具有制造成本低、操作方 便、抗干扰能力强和使用灵活等优点。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。本实用新型的电场测量系统，包括三维电场探头、信号预处理单元、A/D转换单元 和数据处理单元，所述三维电场探头包括三组测量电极，每一组测量电极分别对应电场的 Χ、γ、ζ方向上的电场强度测量，所述信号预处理单元包括三路信号预处理电路，每一路信号 预处理电路均包括前置放大模块、滤波模块和有效值转换模块，每一路信号预处理电路的 信号输入端分别连接至对应测量电极的信号输出端，经信号预处理电路处理后的电场强度 信号通过A/D转换单元转换后，送入数据处理单元。进一步，所述电场测量系统还包括无线收发单元，所述无线收发单元包括与数据 处理单元相联接的装置端模块和与外部PC机相联接的PC端模块，所述无线收发单元用于 实现电场强度数据的实时传输和三维电场探头与PC机之间的无线控制；进一步，所述三维电场探头采用立方体结构，每两个对应面之间通过其各自的极 板相对组成一个感应电极；进一步，所述前置放大模块和滤波模块组成巴特沃思二阶有源带通滤波电路；进一步，所述前置放大模块包括第一运算放大器、第一运放电阻、滤波电容、第一 接地电阻和接地电容，所述滤波电容的一端作为滤波输入端，另一端接入第一运算放大器 的同相输入端，所述接地电容的一端与滤波电容作为滤波输入端的一端相联接，另一端接 地，所述接地电容与滤波电容的公共接点与第一运放电阻串联后接入第一运算放大器的输 出端；所述第一接地电阻的一端与第一运算放大器的同相输入端相联接，另一端接地，所述 第一运算放大器的反相输入端与其输出端相联接；进一步，所述带通滤波模块包括第二运算放大器、第二运放电阻、隔离电阻和第二 接地电阻；所述第二运算放大器的反相输入端通过隔离电阻与第一运算放大器的输出端相 联接，所述第二运放电阻串联在第二运算放大器的反相输入端与输出端之间，所述第二运 算放大器的同相输入端通过第二接地电阻接地；所述第二运算放大器的输出端通过输出电 阻与数据处理单元的输入端相联接；进一步，所述有效值转换模块包括真有效值转换芯片及其外围电路；进一步，所述真有效值转换芯片为AD637 ；进一步，所述系统还包括显示报警单元，所述显示报警单元与数据处理单元相联 接；进一步，所述数据处理单元包括单片机及其外围电路。本实用新型的有益效果是1.本实用新型通过利用电学原理电场测量法来测量工频电场，由于这种三维电场 传感器由轴向(Z)和径向(Χ，Υ)三路电场测量电路和六个感应电极组成，每路测量电路仍 然以两个对称感应电极电荷变化的差值作为测量信号以克服高空带电粒子的影响，故抗干扰能力极强。2.本测量装置工作稳定，可以做成小体积装置，对周围电场影响小，便于携带与安 装，独立工作，受外界环境影响小；3.相对目前电场测量仪器的昂贵价格，本发明制作出来的装置成本较低，可以大 批量在电力系统推广应用，用于电磁环境监测、作业场场强警示等，具有良好的应用前景和 广泛的使用范围；4.本装置将无线射频技术应用于电场数据传输，进一步增加了本电场测量装置的 灵活性和使用范围。本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐 述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或 者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说 明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用 新型作进一步的详细描述，其中图1为本实用新型的各单元连接示意图；图2为三维电场探头结构模型示意图；图3为前置放大电路的电路连接图；图4为滤波电路的电路连接图；图5为有效值转换电路的电路连接图；图6为无线收发单元的连接示意图；图7为本实用新型的工作流程图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实 施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。如图1所示，本实用新型的电场测量系统，包括三维电场探头1、信号预处理单元 2、A/D转换单元3和数据处理单元4，还包括了作为进一步改进的无线收发单元5和显示报 警单元6。本实施例中，系统采用的处理器为C8051F020，片内集成12位采样率200sps的 A/D转换单元，可以用来对前端模拟电路采集到的信号转换成数据信号。AD采样的基准电 压由处理器内部编程产生，大小为2. 4V，能够对幅值为0-2. 4V之间的信号可靠采样。AD转 换单元有8个采集通道，系统开通3个通道用于三维电场数据采集。按照一般的电场测量仪器要求，处理器采用定时器定时采样，采样频率为ΙΚΗζ，对 高于工频周期时间内的数据进行均值处理，获得准确电场数值。根据电场数据随环境、负荷 等因素影响不断发生改变的情况，装置对不同时间范围内的电场数据进行均值处理，将显 示30S、lmin、2min以及5min等不同时间段的平均电场数值、最大值和最小值等。如图2所示，本实施例中的三维电场探头1采用立方体结构，每两个对应面之间通 过其各自的极板相对组成一个感应电极，一共有三组测量电极。这三组测量电极分别对应电场的三个方向(X、Y、Z方向)，每一组平行板电极测得与其相对应方向的电场值，最终的
电场值可以表示为E= ^Bx2+By2 +Ez2，将三维电场探头用三脚支架摆正，可以测量出该
位置的三维电场数值；在工频电场应用中，可以不管三维电场探头的摆放位置，从而很容易 的得到整个电场值，这样的结构为电场测量带来了便利。信号预处理单元2包括三路信号预处理电路，每一路信号预处理电路均包括前置 放大模块21、滤波模块22和有效值转换模块23，每一路信号预处理电路的信号输入端分别 连接至对应测量电极的信号输出端，本实施例中，由于A/D转换单元3已经由所选择的单片 机芯片集成了，所以经信号预处理电路处理后的电场强度信号直接送入单片机即可。本实施例中，前置放大模块21和滤波模块22组成巴特沃思二阶有源带通滤波电 路。如图3所示，其中，前置放大模块21包括第一运算放大器U1、第一运放电阻R15、滤波电 容C40、第一接地电阻R16和接地电容C15，滤波电容C40的一端作为滤波输入端，另一端接 入第一运算放大器Ul的同相输入端，接地电容C15的一端与滤波电容C40作为滤波输入端 的一端相联接，另一端接地，接地电容C15与滤波电容C40的公共接点与第一运放电阻R15 串联后接入第一运算放大器Ul的输出端；第一接地电阻R16的一端与第一运算放大器Ul 的同相输入端相联接，另一端接地，第一运算放大器Ul的反相输入端与其输出端相联接。如图4所示，滤波模块包括第二运算放大器U2、第二运放电阻R22、隔离电阻R5和 第二接地电阻R20 ；第二运算放大器U2的反相输入端通过隔离电阻R5与第一运算放大器Ul的输出 端相联接，第二运放电阻R22串联在第二运算放大器U2的反相输入端与输出端之间，第二 运算放大器U2的同相输入端通过第二接地电阻R20接地；第二运算放大器U2的输出端通 过输出电阻U14与数据处理单元4的输入端相联接。本实施例中，第一运算放大器Ul和第二运算放大器U2均采用0P07C。如图5所示，本实施例中，有效值转换模块23包括真有效值转换芯片及其外围电 路。其中，真有效值转换芯片采用了 AD637，可以将2v以内的交流信号转换成直流信号。如图6所示，本实用新型的无线收发单元5包括与数据处理单元4相联接的装置 端模块51和与外部PC机相联接的PC端模块52，装置端模块51用于实时传输电场数据，同 时接收探头操作命令信号；PC端模块52则通过串口与PC机相连，主要作用是将测量数据 转换后进行无线发送和探头操作命令的接收与转换。系统还包括显示报警单元6，显示报警单元6与数据处理单元4相联接。本实施例 中，显示报警单元集成了显示模块和报警模块，分别用于实现外部数据显示和声光报警功 能。如图7所示，本电场测量系统的工作流程如下开机后，系统进行初始化，并对各 个工作单元进行自检；然后单片机片内的模数转换单元开始对信号处理单元测得的电压信 号进行AD转换；结束一个转换周期后，由单片机对采集的数字信号进行分析处理，获得电 场强度的测量值并输出，同时结合国家标准进行场强警示；由于单片机在控制场强声光报 警及数值显示时采用定时器方式，所以数据处理完毕后便可进行下一周期的AD转换。对获 得的数值进行计算分析，获得待测点的工频电场强度；最后，对测得的电场强度输出显示并 结合有关标准按照设定数值进行警示。[0048]另外，系统可以进行不同的测量模式，将时间常数分别设置为30S、lmin Jmin和 5min等。分别获得不同时间内的电场数据的平均值、最大值、最小值，满足操作人员不同的 测量与数据分析需要。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本 实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应 涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.电场测量系统，其特征在于包括三维电场探头(1)、信号预处理单元(2)、A/D转换 单元(3)和数据处理单元(4)，所述三维电场探头(1)包括三组测量电极，每一组测量电极 分别对应电场的X、Y、Z方向上的电场强度测量，所述信号预处理单元(2)包括三路信号预 处理电路，每一路信号预处理电路均包括前置放大模块(21)、滤波模块(22)和有效值转换 模块(23)，每一路信号预处理电路的信号输入端分别连接至对应测量电极的信号输出端， 经信号预处理电路处理后的电场强度信号通过A/D转换单元(3)转换后送入数据处理单元 (4),经数据处理单元(4)处理后向外传输。
2.根据权利要求1所述的电场测量系统，其特征在于所述电场测量系统还包括无线 收发单元(5)，所述无线收发单元(5)包括与数据处理单元(4)相联接的装置端模块(51)和 与外部PC机相联接的PC端模块(52)，所述无线收发单元(5)用于实现电场强度数据的实 时传输和三维电场探头与PC机之间的无线控制。
3.根据权利要求1或2所述的电场测量系统，其特征在于所述三维电场探头(1)采用 立方体结构，每两个对应面之间通过其各自的极板相对组成一个感应电极。
4.根据权利要求3所述的电场测量系统，其特征在于所述前置放大模块(21)和滤波 模块(22)组成巴特沃思二阶有源带通滤波电路。
5.根据权利要求4所述的电场测量系统，其特征在于所述前置放大模块(21)包括第 一运算放大器(U1)、第一运放电阻(R15)、滤波电容(C40)、第一接地电阻(R16)和接地电容 (C15)，所述滤波电容(C40)的一端作为滤波输入端，另一端接入第一运算放大器(Ul)的同 相输入端，所述接地电容(C15)的一端与滤波电容(C40)作为滤波输入端的一端相联接，另 一端接地，所述接地电容(C15)与滤波电容(C40)的公共接点与第一运放电阻(R15)串联 后接入第一运算放大器(Ul)的输出端；所述第一接地电阻(R16)的一端与第一运算放大器 (Ul)的同相输入端相联接，另一端接地，所述第一运算放大器(Ul)的反相输入端与其输出 端相联接。
6.根据权利要求4或5所述的电场测量系统，其特征在于所述带通滤波模块包括第 二运算放大器(U2)、第二运放电阻(R22)、隔离电阻(R5)和第二接地电阻(R20)；所述第二 运算放大器(U2)的反相输入端通过隔离电阻(R5)与第一运算放大器(Ul)的输出端相联 接，所述第二运放电阻(R22)串联在第二运算放大器(U2)的反相输入端与输出端之间，所 述第二运算放大器(U2)的同相输入端通过第二接地电阻(R20)接地；所述第二运算放大器 (U2)的输出端通过输出电阻(U14)与数据处理单元(4)的输入端相联接。
7.根据权利要求6所述的电场测量系统，其特征在于所述有效值转换模块(23)包括 真有效值转换芯片及其外围电路。
8.根据权利要求7所述的电场测量系统，其特征在于所述真有效值转换芯片为 AD637。
9.根据权利要求1所述的电场测量系统，其特征在于所述系统还包括显示报警单元 (6)，所述显示报警单元(6)与数据处理单元(4)相联接。
10.根据权利要求1所述的电场测量系统，其特征在于所述数据处理单元(4)包括单 片机及其外围电路。
专利摘要本实用新型公开了一种电场测量系统，包括三维电场探头、信号预处理单元、A/D转换单元和数据处理单元，三维电场探头包括三组测量电极，每一组测量电极分别对应电场的X、Y、Z方向上的电场强度测量，所述信号预处理单元包括三路信号预处理电路，每一路信号预处理电路均包括前置放大模块、滤波模块和有效值转换模块，每一路信号预处理电路的信号输入端分别连接至对应测量电极的信号输出端，经信号预处理电路处理后的电场强度信号通过A/D转换单元转换后，送入数据处理单元，本测量装置工作稳定，便于携带与安装，抗干扰能力强、制造成本较低，可以大批量在电力系统推广应用，用于电磁环境监测、作业场场强警示等，具有良好的应用前景和广泛的使用范围。
文档编号G01R29/08GK201892707SQ201020503780
公开日2011年7月6日 申请日期2010年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者何为, 汪金刚 申请人:重庆大学