一种竖直方向的直流电场场强测量方法、装置、记录媒体及系统与流程

1.本发明属于电场测试技术领域，公开了一种竖直方向的直流电场场强测量方法、装置、记录媒体及系统。


背景技术：

2.评价直流输电线路的附近的电磁环境时，主要考虑直流合成电场、直流磁场、可听噪声、无线电干扰和离子电流等影响因素。其中，竖直方向的直流合成电场对沿线居民生活的影响最为直观，最易感知。在研究直流输电线路合成电场对环境和生物的影响时，都是基于分析电场大小及其对生物体作用的基础上的。也就是说，要研究直流输电线路附近的合成电场的影响，首先要了解合成电场的大小及其分布规律。这就要求在各种现场情况下对直流合成电场进行测量，测量结果的准确性对电磁环境评价具有重要影响，直接关系到相关工程的施工设计、环保验收以及日常运行维护。与交流电场测量方式不同的是，交流电场本身具有时变性，可以通过静止的电容式传感器感应出电场信号，直流合成电场在一定条件下不会随时间而改变，无法通过静止的电容式传感器来感应出电场信号，因此必须采用合适的方法实现对直流合成电场的感知和测量。
3.目前使用最多的是旋转式直流合成电场测试仪(简称场磨，原理如图5所示)，以及水平振动直流合成电场测量仪。场磨的传感器采用快速转动的动片结构，动片接地不可靠导致离子在动片上积累，进而引起测点的电场畸变和离子分布改变，最终使得测量结果与实际电场偏差较大、准确性较低；同时仪器体积大、携带不便，现场测量布置工作量大，测量效率较低。其中，转动动片采用的碳刷接触方式接地的可靠性是影响合成电场测量的主要因素，而这是旋转式直流合成电场测试仪(场磨)不可避免的内在缺陷。水平振动传感器(原理如图6所示)能够避免离子流的积累，提高了测量精度，其采用静片接地、感应极水平运动的方式获取与电场相关的电流信号，通过设计开孔形状与往复运动行程，理论上获取的开孔形状可为正弦波形。水平振动传感器的主要缺陷在于，电流波形受到两个维度的影响，要使电流波形为正弦形状，必须使得开孔样式和尺寸严格符合设计目标，同时需要使往复行程满足特定规律。在实际使用过程中，一旦有一个因素出现变化，则会对电流波形造成影响，进而影响测量结果。怎样用简单的方法排除各方面的干扰，获得标准的感应电流正弦波，以便测得准确的场强是当前场强测量技术亟需改进的方向。


技术实现要素：

4.针对上述问题及多数情况下高压直流输电形成的电场方向为竖直方向，本发明提供一种竖直方向的直流电场场强测量方法，具体方案包括如下步骤：
5.通过暴露于直流电场中传感器的感应极在竖直方向上的往复运动获得交变电流信号；放大所述交变电流信号并通过整流、滤波变成直流信号；测量所述直流信号的电流幅值，计算所述直流电场场强的绝对值；将放大后的所述交变电流信号输入至极性判断电路，
确定所述直流电场的场强方向。
6.优选的，测量前将所述感应级接地。
7.进一步的，所述往复运动的幅度一致。
8.本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的一种竖直方向的直流电场场强测量方法。
9.本发明的又一方案在于提供一种竖直方向的直流电场场强测量系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述一种竖直方向的直流电场场强测量方法。
10.本发明还提供一种竖直方向的直流电场场强测量装置，包括依次电连接的信号采集电路、信号处理电路、a/d转换模块、单片机，信号采集电路包括电流测量装置，信号处理电路用于对采集的信号放大、整流、滤波和极性判断，竖直方向的直流电场场强测量装置还包括：
11.置于接地的屏蔽盒中的竖直振动传感器，所述屏蔽盒置于电场线为竖直方向的直流电场中内，顶面布置一个圆形竖直通孔，所述竖直振动传感器顶部固定有水平放置的金属圆盘作为感应极，所述金属圆盘与竖直通孔同轴且所述金属圆盘比竖直通孔面积大，所述金属圆盘与屏蔽盒外壳通过导线连接，所述导线耦合有电流测量装置。
12.优选的，所述竖直振动传感器包括布置于同一立面且轮缘齿相互啮合、大小一样的主动轮和从动轮，所述主动轮为偏心轮，位于从动轮下方，由电机带动；所述从动轮的轴两端的轴承外圈均固定有滑块，所述滑块置于竖直方向的滑槽内。
13.优选的，所述从动轮为偏心轮，与所述主动轮型号一致。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：竖直振动式直流合成电场测量传感器将旋转运动改变为竖直方向上的往复运动，相较于场磨传感器的测量方式，规避了因离子在动片上积累引起的测点电场畸变和离子分布改变，从而提升了测量的准确性。同时还大幅削减了配套测量装置的尺寸，便于携带，可进行实时在线测量。
15.相较于水平振动传感器的测量方式，所述传感器由于感应极面积为固定数值，感应极形状不再对电流波形造成影响，感应极面积大于水平振动传感器感应极面积，测量结果精度得到提升。传感器采用齿轮啮合进行运动调节，传递运动准确可靠，可提升运动控制精度，同时降低了传感器在运行时由于撞击产生的噪声。
附图说明
16.图1为本发明竖直振动式电场传感器测量原理示意图；
17.图2为本发明中主动轮、从动轮位置关系图；
18.图3为本发明竖直振动测量传感器结构图示意图；
19.图4为本发明竖直振动测量传感器运动结构图；
20.图5为现有技术场磨式测量传感器测量原理示意图；
21.图6为现有技术水平振动式电场传感器测量原理示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明提供的一种竖直方向的直流电场场强测量方法的具体原理如下：
24.请参阅图1，本实施例先构造一种竖直方向的直流电场场强测量装置，包括依次电连接的竖直振动传感器、信号采集电路、信号处理电路、a/d转换模块、单片机、通信模块、手持式显示终端和竖直振动传感器；竖直振动传感器获得的交变电流信号由信号采集电路采集，经信号处理电路整流、滤波、放大和极性判断，再经a/d转换模块数模转换后进入单片机，单片机经过计算输出场强值至手持式显示终端。其中，竖直振动传感器的结构参见图1：由外壳(即屏蔽盒)、感应电路和竖直运动结构构成，外壳为空心圆柱形金属壳，顶部开有一圆孔；感应电路包括感应极与离子流释放极，感应极为上部圆形金属片，由导体与离子流释放极相连并通过其接地，以避免离子流在感应极上积聚；所述竖直运动结构由一个旋转电机、一个齿轮组与电机轴承组成，所述旋转电机固定，所述齿轮组由主动轮、从动轮组成，从动轮所带动的感应极被固定在竖直方向的凹槽内，只能进行竖直方向上的运动。
25.齿轮组运动规律参见图2-4：
26.齿轮组结构设置为两个齿轮啮合，主动轮在下，从动轮在上，且主动轮与从动轮的圆心均不固定，两个齿轮半径均为5mm。如图4所示，主动轮轴承固定在a点，与主动轮圆心oa距离为3mm，电机转动时，主动轮将围绕a点进行旋转；从动轮轴承固定b点，与主动轮圆心ob距离为3mm，主动轮旋转时带动从动轮在竖直方向进行运动。通过对电机速度的控制，使得感应极与静片的距离发生变化。
27.如图4所示，设a点坐标为(0，0)，电机转速为ω，旋转方向为顺时针，由圆心oa绕a点做匀速圆周运动可知圆心oa坐标为
[0028][0029]
由于主动轮与从动轮一直相切，且从动轮始终位于主动轮正上方，因此圆心ob坐标为：
[0030][0031]
通过几何学求解可知b点坐标为
[0032][0033]
可知b点在竖直方向上做往复运动，且行程为12mm，也即竖直振动传感器的振动幅值为12mm，电机转速设置为3000r/min。
[0034]
一种竖直方向的直流电场场强测量方法的实施例：
[0035]
上述装置做好后，即可通过感应极在竖直方向上来回振动，产生流经感应级的交变电流信号；通过放大电路放大所述交变电流信号；将放大后的所述交变电流信号整流滤
波成直流信号，通过测量经滤波、放大的电流信号获得实时的电压差，从而计算合成电场值。手持终端通过与测量探头无线通信实现直流监测数据接收和处理，最远通信距离可达到50m。终端功能包括参数设置、设备测量、数据管理、数据校准、单基设置、设备自检。
[0036]
同时，将放大后的所述交变电流信号并输入至极性判断电路，确定所述直流电场的场强方向。这就完成了竖直方向的直流电场场强测量方法的实施。
[0037]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。
[0038]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0039]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0040]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0041]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0042]
将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”技术方案；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过数据处理能完成竖直方向的直流电场场强测量，则构成本发明的“一种竖直方向的直流电场场强测量系统”技术方案。
[0043]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种竖直方向的直流电场场强测量方法，其特征在于，包括以下步骤：通过暴露于直流电场中传感器的感应极在竖直方向上的往复运动获得交变电流信号；放大所述交变电流信号并通过整流、滤波变成直流信号；测量所述直流信号的电流幅值，计算所述直流电场场强的绝对值；将放大后的所述交变电流信号输入至极性判断电路，确定所述直流电场的场强方向。2.根据权利要求1所述的一种竖直方向的直流电场场强测量方法，其特征在于，测量前将所述感应级接地。3.根据权利要求2所述的一种竖直方向的直流电场场强测量方法，其特征在于，所述往复运动的幅度一致。4.一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行权利要求1-3中任一项所述的一种竖直方向的直流电场场强测量方法。5.一种竖直方向的直流电场场强测量系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求1-3中任一项所述的一种竖直方向的直流电场场强测量方法。6.一种竖直方向的直流电场场强测量装置，包括依次电连接的信号采集电路、信号处理电路、a/d转换模块、单片机，所述信号采集电路包括电流测量装置，所述信号处理电路用于对采集的信号放大、整流、滤波和极性判断，其特征在于，所述竖直方向的直流电场场强测量装置还包括：置于接地的屏蔽盒中的竖直振动传感器，所述屏蔽盒置于电场线为竖直方向的直流电场中内，顶面布置一个圆形竖直通孔，所述竖直振动传感器顶部固定有水平放置的金属圆盘作为感应极，所述金属圆盘与所述竖直通孔同轴且所述金属圆盘比竖直通孔面积大，所述金属圆盘与屏蔽盒外壳通过导线连接，所述导线耦合有所述电流测量装置。7.根据权利要求6所述的一种竖直方向的直流电场场强测量装置，其特征在于，所述竖直振动传感器包括布置于同一立面且轮缘齿相互啮合、大小一样的主动轮和从动轮，所述主动轮为偏心轮，位于从动轮下方，由电机带动；所述从动轮的轴两端的轴承外圈均固定有滑块，所述滑块置于竖直方向的滑槽内。8.根据权利要求7所述的一种竖直方向的直流电场场强测量装置，其特征在于，所述从动轮为偏心轮，与所述主动轮型号一致。

技术总结
本发明属于电场测试技术领域，特别涉及一种竖直方向的直流电场场强测量方法，包括以下步骤：通过感应极在竖直方向的直流电场中沿电场线方向以固定振幅来回振动来改变感应极与外壳之间的电荷分布，形成正弦波形的感应电流，通过测量该感应电流推算电场强度，较之前的场磨式及水平振荡式测场强的装置而言，更容易提取标准的正弦波用于计算，提升了测量的准确性。本发明还公开了一种物理装置去实施上述方法；并提供一种存储有该方法程序的非暂态可读记录媒体及包含该媒体的系统，通过处理电路可以调用程序，执行上述方法。执行上述方法。执行上述方法。


技术研发人员：刘玉欢 张广洲 张振宇 冯智慧 方书博 柳逢春 李涛 涂杉 陈秀芳 韩晴 邓慰 李牧 张永刚
受保护的技术使用者：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 国网山西省电力公司电力科学研究院
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/21