一种交流地电位梯度电压信号测量装置的制作方法

[0001]
本实用新型属于电子测量技术领域，具体地说是提供了一种交流地电位梯度电压信号测量装置及方法，特别是用于埋地钢质管道阴极保护参数中交流地电位梯度电压信号的测量。


背景技术：

[0002]
埋地钢质管道阴极保护参数中交流地电位梯度（acvg）电压信号能够一定程度上反映管道腐蚀状况，因此对其进行检测是一种重要的安全维护手段，能达到防患于未然的目的。通过精密仪器测量该信号，可以精确的找到管线外防腐层破损点的准确位置以及对腐蚀状态进行定量分析，为管道的完整性管理提供真实可靠的基础数据，从源头上控制管道腐蚀的发生，为管道的防腐工作提供依据。
[0003]
交流地电位梯度信号属于一种低频交流电压信号，由专用发射机发出，通过测量装置沿管道检测信号变化情况。交流地电位梯度信号的工作频率不一，通常从约100hz到数khz，该频率要避开当地的工频及其谐波频率。例如工频50hz场合，可选择128hz、570hz、640hz、1280hz等频率；再如工频为60hz场合，可使用96hz、512hz、570hz、1280hz。在实际使用时，根据测试工况的不同选择不同的工作频率，较高频率的信号测量精度更高，分辨力更好，较低频率的信号能够传播更远的距离，实际被测信号频率范围达到约100hz～200khz。交流地电位梯度信号幅值通常以dbμv表示，0db表示1μvrms的信号。实际使用时通常省略μv，直接以db表示，例如60db表示1mvrms的信号。低于0db的信号过于微弱，通常认为是干扰信号不予考虑。
[0004]
为了实现交流地电位梯度信号的精确测量，要求测量装置的动态范围达到140db以上，信号分辨力在应优于5db，即1.78μvrms，以上两项指标直接反映了装置的测量精度和灵敏度，另外还要求对100hz～200khz任意频率信号实现等精度测量，测量速率2次/秒以上。
[0005]
针对以上交流地电位梯度电压信号测量需求，查阅相关专利文献如下：
[0006]
专利cn102707133《一种测量频率可变的交流电压的装置、系统和方法》公开的方法是：通过边沿检测模块轮询与交流电同周期的方波信号的上升沿或下降沿，并在查询到时输出周期改变信号，中央处理电路根据采样时间间隔对所述交流电的电压值进行采样并保存和计算采样到的所有电压值的平均值。该方法存在以下缺点：1、由交流电信号生成方波信号的过程中，随机噪声和边沿检测电路的零点漂移都会影响方波信号边沿的产生时间，使得单片机的采样周期发生变化进而影响电压采样数据的准确性；2、边沿检测模块采用比较器电路，无法用于μv级别输入信号的边沿识别检测；3、装置输出的是采样周期内的交流电压平均值，而非有效值；4、以单片机内部的10bit模拟数字转换器（adc）测量被测信号，只能达到约60db的动态范围。
[0007]
专利cn104655916《一种交流电压有效值测量装置及方法》公开的方法是：利用信号比较器将待检测交流电信号转换为脉冲信号，利用处理器测量所述脉冲信号的周期t；同
时，将待检测交流电信号输入到峰值检测电路，利用处理器测量所述待检测交流电信号的峰值u，最后通过计算得到待检测交流电信号的有效值。该方法存在以下缺点：1、由交流电信号生成方波信号的过程中，随机噪声和边沿检测电路的零点漂移都会影响方波信号边沿的产生时间，使得单片机的采样周期发生变化进而影响电压采样数据的准确性；2、边沿检测模块采用稳压二极管用作比较器参考电压，无法识别μv级别的输入信号，导致边沿检测模块无法正常工作；3、以msp430单片机内部的模拟数字转换器（adc）测量被测信号，最多只有16bit分辨力，无法达到140db的动态范围。4、该专利仅限于测量工频电压信号
[0008]
专利cn105807128《将多周期策略用于数模转换测量交流电压的方法及系统》公开了一种将多周期策略用于数模转换测量交流电压的方法，其方案是：s1：将p个周期的被测正弦电压信号等分n份，p和n之间除1之外没有公约数，产生阶梯波台阶的数字值；s2：将这n个数据输入dac产生一个周期的阶梯波；s3：对阶梯波台阶电压值测量；s4：对上述两个波形做差分采样；s5：在dft运算时采用分段采样方式，只对台阶中间数据运算。该方法存在以下缺点：1、数字模拟转换器（dac）会带来附加误差，影响测试精度；2、dac的动态范围有限，通常为16bit，最理想情况下动态范围只能达到96db；3、dac需要稳定时间，该方法采样时只对台阶中间时间段数据计算，无形中降低了数据采样率，不利于提高信噪比；4、dac无法输出μv级别的信号，因此对微弱信号的测量不适用。
[0009]
专利cn106353562《一种采用交流激励测量微弱非线性电流-电压特性的方法》公布的方法是：采用交流电压信号激励待测件，调节激励电压信号的频率和振幅，测量各阶谐波信号的振幅，根据测量数据计算待测电流-电压关系中各项的系数，根据获得的系数计算待测件非线性电流-电压关系。该方法存在以下缺点：1、交流地电位梯度信号是被动信号，在其上施加交流电压激励信号会影响发射机的正常功能；2、交流地电位梯度信号的有效信号为单一频率，不存在谐波分量，因此专利中所述测量谐波的方法不适用；3、交流地电位梯度信号为线性信号，而非专利中所述的非线性电流-电压特征信号，因此专利所述方法不适用交流地电位梯度信号测量。
[0010]
专利cn109444506《一种交流系统电压测量与计算方法》公开的方法是：利用单片机根据交流系统的交流电压频率，利用ad采样一个周波每一路的采集点的交流电压输入信号；根据采样得到的交流电压输入信号，利用fft计算相应的采集点电压的各次谐波有效值及角度；根据采集点的各次谐波有效值及角度，通过欧姆定律计算出交流系统中每一路电压的各次谐波有效值及角度；根据每一路电压的各次谐波有效值及角度，通过余弦定理公式计算出交流系统每一种所需要的电压值及角度。该方法存在以下缺点：1、所述的输入信号为交流系统电压，幅值在mv以上，不能满足μv级电压的测量要求；2、该方法的测量对象为三相四线制的交流系统电压，而交流地电位梯度信号为单路差动信号，因此本方法不适用。
[0011]
专利cn109444526《一种测量频率可变的交流电压的装置》公开了一种测量频率可变的交流电压的装置，包括外壳，外壳的内部设有一个中央处理模块，中央处理模块电连接有一个模数转换模块和边沿检测模块，所述中央处理模块、模数转换模块和边沿检测模块均电连接有工作电源模块；所述工作电源模块包括工作电源电路，该测量频率可变的交流电压的装置中，通过工作电源电路中，集成电路对输出电压进行反馈采集，然后控制第二三极管的通断，实现了对输出电压的稳定输出，配合第三电容和第四电容组成的储能电路，对输出电压进行储能，减少了电压波动，进一步提高了电压的稳定输出。该方法存在以下缺
点：1、随机噪声和边沿检测电路的零点漂移都会影响方波信号边沿的产生时间，使得单片机的采样周期发生变化进而影响电压采样数据的准确性；2、该专利所述的输入信号为交流系统电压，幅值在mv以上，不能满足μv级电压的测量要求。3、该专利仅限于测量工频电压信号。
[0012]
综上所述，目前的测量装置和方法均无法达到交流地电位梯度信号的精确测量要求。


技术实现要素：

[0013]
为了解决现有技术无法实现对交流地电位梯度电压信号进行精确、快速测量的技术难题，本实用新型提供了一种交流地电位梯度电压信号测量装置。
[0014]
本实用新型目的是通过以下技术方案实现的：
[0015]
一种交流地电位梯度电压信号测量装置，它包括有电源电路、输入分压电路，其特征在于：输入分压电路的输入端与被测信号输出端相连接，而输入分压电路的输出端依次与差动放大电路，混频电路，模拟数字转换电路及单片机电路相连通；在单片机电路输出端与差动放大电路输入端之间还设置有一实现两路运算放大器进行差动放大及电路增益的增益调节电路；在单片机电路输出端与混频电路输入端之间还设置有一由单片机电路设定信号频率的波形发生器电路。被测信号经过输入分压电路后进入差动放大电路，在增益调节电路的作用下，差动放大电路对信号进行放大后输出到混频电路。混频电路同时接收来自波形发生器电路信号，在其中进行混频处理，并将混频后的信号输出到模拟数字转换电路的输入端。模拟数字转换电路对输入信号进行数字化，输出数字量信号到单片机电路。单片机电路能够对波形发生器电路和增益调节电路进行控制。下面一一介绍各部分电路的功能。
[0016]
输入分压电路能够对被测信号进行衰减，使信号的幅度能够满足差动放大电路输入范围的要求。通常被测信号的电压范围达到10vrms（rms表示有效值），超过一般电路的工作电压范围（5v或者更低），直接输入会导致差动放大电路饱和而不能正常工作。
[0017]
差动放大电路的增益通过增益调节电路设定。增益调节电路接收单片机的控制信号，通过外置增益电阻切换，实现差动放大电路增益的调节功能。
[0018]
波形发生器电路部分能够输出正弦波形信号，由单片机设定其输出信号频率。波形发生器电路的输出频率值为被测信号频率与预设的中频频率值之和或差。
[0019]
混频电路接收差动放大电路和波形发生器电路的输出信号，经过混频处理后输出中频频率的信号，并且该频率值不是当地工频频率的任意整数倍以避免干扰。
[0020]
模拟数字转换电路采用的模拟数字转换器（adc）为音频adc（音频模拟数字转换器），采样率是预设中频频率的整数倍。采样率是预设中频频率的整数倍，adc的单次采样时间为当地工频周期的整数倍。adc采样后的数据发送到单片机电路进行保存。
[0021]
本实用新型所采用的单片机电路是8位、16位或者32位的单片机；但不限于arm内核的stm32系列单片机、avr内核系列单片机以及pic系列单片机。
[0022]
单片机电路对采样周期进行控制，当完成一个采样周期的数据采集后，单片机对采样数据先进行相关平均计算，取得一个中频信号周期的电压采样数据，再用离散傅里叶变换（dft）算法对前述采样数据进行计算，取得被测信号的幅值。
[0023]
本实用新型提供的一种交流地电位梯度电压信号测量装置和方法，通过合理设置输入分压电路的参数和差动放大电路的增益，能够满足1μvrms～10vrms范围交流电压输入的要求，动态范围达到140db以上。波形发生器电路输出幅度和频率均稳定的正弦波信号，范围达到0hz～300khz以上，该信号与放大后的电压信号在混频器中进行混频处理，输出稳定的中频信号，该中频信号携带了被测信号的全部信息，实现了被测信号的频谱迁移，该信号频率适中，适合模拟数字转换器进行处理。通过合理设置波形发生器电路的输出频率，能够保证中频信号远离工频及其谐波频率的干扰，被测信号的频率范围可达10hz～20khz。模拟数字转换电路中缩采用的音频adc可以达到48khz～768khz的采样率，能够对中频信号进行过采样，在通过后期处理提高测量精度。装置的采样周期为中频信号周期和工频信号周期的整数倍，例如可以取为0.5秒、0.4秒等，能够满足测量速率的要求。在单片机的数据处理过程中，采用相关平均滤波算法对有用的中频信号同相叠加平均处理。此过程中，同相位的中频信号得到加强，而不同相位的随机噪声信号、工频及其谐波干扰信号被抑制，其信号幅度被大大降低。进一步应用的离散傅里叶变换（dft）算法，能够对中频频率的信号求取其幅值，此过程中，非中频频率的的信号因为与算法中的变换系数相位不同，因而其幅度进一步被抑制，最后输出的信号为信噪比很高的中频信号幅值数据，该数据与被测信号的幅值为线性关系。
[0024]
综上所述，与现有技术相比，本实用新型能够满足交流地电位梯度信号的测量要求，在测量精度、信号分辨力、测量速度方面具有显著优势。
附图说明
[0025]
图1为本实用新型的电路原理方框简图；
[0026]
图2为本实用新型的电源输入方框简图；
[0027]
图3为本实用新型的具体实施例的电路原理图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本实用新型进一步说明；由于被测信号的多样性，其相关信号频率不局限于实例中例举的频率，因此应用同样测量原理而设置的其他频率亦属于本实用新型的保护范围。
[0029]
实施例1
[0030]
由图1、2中所示，本实用新型所述的交流地电位梯度电压信号测量装置电源电路，输入分压电路；输入分压电路的输入端与被测信号输出端相连接，而输入分压电路的输出端依次与差动放大电路，混频电路，模拟数字转换电路及单片机电路相连通；在单片机电路输出端与差动放大电路输入端之间还设置有一实现两路运算放大器进行差动放大及电路增益的增益调节电路；在单片机电路输出端与混频电路输入端之间还设置有一由单片机电路设定信号频率的波形发生器电路。被测信号经过输入分压电路后进入差动放大电路，在增益调节电路的作用下，差动放大电路对信号进行放大后输出到混频电路。混频电路同时接收来自波形发生器电路信号，在其中进行混频处理，并将混频后的信号输出到模拟数字转换电路的输入端。模拟数字转换电路对输入信号进行数字化，输出数字量信号到单片机电路。单片机电路能够对波形发生器电路和增益调节电路进行控制。
[0031]
图2是本实用新型所述装置的具体实施例的电路原理图，包含了各个部分电路的芯片与外围元器件的编号、规格与连接方式，下面对电路作以详细说明。
[0032]
本实例的电源电路包括u1、u2、c8、c10、cd1、c11～c16。本实施例的电源电路接受5.5～15v的直流电源输入，输出5.0v和3.3v直流电源供本实施例的其他电路使用。电源电路中的u1和u2是电源电路部分的直流稳压芯片，分别输出5v和3.3v的直流电压供其他电路使用。其中u1采用ldo芯片lp2985-50为其他电路提供5.0v的工作电源，电节点信号名为vcc50。u2采用ldo芯片lp2985-33为其他电路提供3.3v的工作电源，电节点信号名为vcc33。根据具体实施例所采用的方案不同，会有不同的供电需求，应根据实际需求进行调整。本实例电源电路的电源负极为gnd。u1和u2的引脚1为电源输入引脚，接输入电源vpp，vpp的电压范围是5.5v-15v。u1和u2的引脚3为使能引脚，与各自的引脚1相连。u1和u2的引脚2为电源地引脚，与装置的电源地（gnd）信号相连。u1和u2的引脚4是去耦引脚，分别接退耦电容c8、c10到gnd。u1和u2的引脚5为各自的稳压后电压输出引脚。在u1和u2周边元器件中，cd1、c11和c12是u1和u2的输入端电压信号vpp的滤波电容，c13、c14、c15和c16是u1的电压输出引脚5的滤波电容，c17-c24是u2的u1的电压输出引脚的滤波电容。
[0033]
输入分压电路包含c5、c7、r1、r5、r3、r4，构成交流耦合输入分压电路，用于将输入端信号vp1和vp2衰减到合适的幅度，以供差动放大电路使用。电阻分压电路的vbias信号是参考电位点，从模拟数字转换器（adc）芯片u7的引脚5取得，电压约为1.5v。c28和c29为vbias信号的退耦电容。输入分压电路中的c5和c7是隔直流电容，用于隔离直流信号，对交流信号相当于通路。输入分压电路中，r1和r3为一组，r5和r4为另一组，构成2组串联电阻分压网络，分别对输入电压vp1和vp2分压，分压后的电压节点为in1和in2，分别接放大器u3的3脚和5脚。
[0034]
差动放大电路包含u3、r2、r6，其中u3为低噪声运算放大器，型号为tlc2272。u3内含两路独立的运算放大器u3a和u3b，u3的电源部分u3c包含引脚8和引脚4，引脚8接电源vcc50，引脚4接gnd。u3的同相输入引脚为引脚3和引脚5，分别接电压节点in1和in2。u3的的输出引脚为引脚1和引脚7。u3a的引脚3和引脚1之间接有电阻r2，u3b的引脚6和引脚7之间接有电阻r6。u3的引脚2所在的电气节点信号名为ac1ga，u3的引脚6所在的电节点信号名为ac1gb。
[0035]
增益调节电路包含u4、rg1～rg4，其中u4是模拟开关芯片，型号为tmux1109，是一款极低漏电流的模拟开关芯片，rg1～rg4是增益电阻。图中，u4包含u4a和u4c两部分。在u4c中，引脚16和引脚1都是选通控制引脚，与单片机u8的通用输入输出引脚（gpio）相连；引脚2是使能引脚接vcc33；引脚15和引脚3是电源引脚，接gnd。在u4a中，引脚4、5、6、7是选通引脚，引脚8是公共引脚。通过选通控制引脚上的控制信号muxa0和muxa1，能够令其中一个选通引脚与公共引脚之间的构成电信号通路，即能够形成引脚4/引脚8、引脚5/引脚8、引脚6/引脚8或者引脚7/引脚8之间的双向信号通路，实际效果是选择rg1～rg4其中之一接于电气节点ac1ga和ac1gb结点之间，设此电阻为rgx。u3结合外围元件r2、r6、rgx组成差动放大器电路，放大器的增益为1+(r2+r6)/rgx，其中r2和r6取相同阻值，rgx变化时放大器的增益随之变化。根据实际需要，rg1～rg4取合适的阻值，通过控制muxa0和muxa1的电平，切换rg1～rg4，即可实现差动放大器电路增益的分档调节。
[0036]
波形发生器电路部分包括u6、c25、c26、c27和c6。u6为直接数字合成（dds）类型的
波形发生器芯片，型号为ad9833，该芯片具有28bit的频率分辨力，当时钟频率为2.5mhz时，其输出信号的频率分辨力达到0.01hz。u6的通讯端口包括fsync、fsclk和fdata，与单片机的gpio连接；u6的引脚5为时钟信号输入端，与单片机的定时器输出端（引脚13）连接。u6的引脚10为输出端，接u5的引脚6。u6的引脚2为电源正极引脚，接vcc33。u6的引脚4和引脚9为电源负极引脚，接gnd。u6的引脚1接电容c25到gnd，u6的引脚3接电容c26和c27到gnd。
[0037]
混频电路包括u5、c2和c3。u5是混频器芯片，型号为sa612。u5的信号输入引脚1、2分别通过电容c2、c3连接到u3的引脚1和引脚7。u5的信号输出引脚4、5分别通过耦合电容c1、c4连接u7的信号输入端引脚6和引脚7。u5的引脚8为电源正极引脚，接vcc50。u5的引脚3为电源负极引脚，接gnd。u5的引脚6为载波信号输入引脚，通过耦合电容c6接u6的引脚10。
[0038]
模拟数字转换电路包括u7、c1、c4、c10、c31～c34、c28和c29。u7是模拟数字转换器（adc）芯片，型号为tlv320adc5140。u7的引脚1和引脚19是电源引脚，接3.3v电源vcc33。u7的引脚4和引脚25是电源负极引脚，接gnd。u7的引脚2是内部模拟电路稳压器引脚，接电容c31和c32到gnd。u7的引脚24是内部数字电路稳压器引脚，接电容c33和c34到gnd。u7的引脚3是基准电压引脚，接电容c30到gnd。u7的引脚5是偏置电压输出引脚，接电容c28和c29到gnd，电节点信号名为vbias，该信号同时作为前述输入分压电路的参考电位，电压约为1.5v。u7的引脚14是运行控制引脚，接vcc33。u7的引脚20为时钟输入引脚，与单片机u8的引脚13相连。u7的引脚15到引脚18是通讯引脚，分别与单片机u8的引脚17到引脚20相连。u7的引脚21到引脚23是数据输出引脚，分别与单片机u8的引脚7到引脚9相连。u7的引脚6和引脚7是模拟电压输入引脚，通过耦合电容c1和c4分别与u5的输出引脚4和引脚5相连。
[0039]
单片机电路包括u8、c9、y1、cx1、cx2。u8是单片机芯片，型号为arm内核的单片机，型号是stm32f030f4。u8的引脚5和引脚16是电源正极引脚，接vcc33。u8的引脚15是电源负极引脚，接gnd。u8的1脚接gnd。u8的引脚2和引脚3是晶体振荡器引脚，接在晶振y1的两端，另外这两个引脚各接电容cx1和cx2到gnd，构成晶体振荡器电路，y1的频率为11.0592mhz。u8的4脚为复位输入引脚，连接电容c9，c9的另一端接gnd。u8的引脚14接u4的引脚16，u8的引脚6接u4的引脚1。u8的引脚7到引脚9分别接u7的引脚21到引脚23。u8的引脚10到引脚12分别接u6的引脚8到引脚6。u8的引脚17到引脚20分别接u7的引脚18到引脚15。u8的引脚13接u7的引脚20和u6的引脚5。
[0040]
以上是电路连接情况，下面就实际工作时的信号处理作以介绍。
[0041]
被测信号为一定频率的交流信号，输入信号经过输入分压电路和差动放大电路放大后，幅度达到1mv以上为好，否则应当通过增益调节电路调节差动放大器电路中u3的增益电阻以调节放大器的增益。被测信号的频率设为fin，本实例中假定为128hz。
[0042]
单片机启动后，通过定时器接口输出mclk信号，该信号的频率根据u6和u7的工作特性参数选择，一般取1mhz到25mhz之间的频率值，本实例中取为12.288mhz。mclk信号有效以后，u8向u6的发送频率设定指令，令u6输出载波信号fc，本实例中为628hz。fc的频率满足fc=fin+fb，fb为预设的中频信号，一般为数百hz到数khz，本实例中取为480hz。480hz处于50hz工频及其谐波频率的中间，因此能够有效避免工频及其谐波的干扰。
[0043]
在u5中，经u3放大后的交流信号和来自u6的载波信号进行混频，输出两种频率的信号，其一为480hz，是载波信号频率与输入信号频率的差频，其二为756hz，是载波信号频率与输入信号频率的和频，后续的处理只处理480hz的信号即可。混频后的信号经过交流耦
合电容c1和c4分别进入u7的信号输入引脚6和引脚7。
[0044]
单片机u8设定u7的采样率为48khz，为中频频率的100倍。采样率也可以设置为其他数值，但是要保证为中频频率的整数倍，以便后续进行相关平均计算。另外，本实例预设的采样时间ts为0.5s，以便达到约每秒钟2次的数据刷新率。为了在相关平均计算中能够有效消除工频及其谐波干扰，ts应为工频信号周期的整数倍，本实例中，工频为50hz，周期为20ms，ts时长0.5s为工频周期的25倍，满足要求。
[0045]
u7的数据输出引脚发送采样期间的模拟数字转换结果到u8，数据保存在u8的缓存中。本实例中保存了0.5s，共计24000点的数据，数据通常以数组形式保存，本实例中设为data[1..24000]。此次采样结束以后，u8暂停接收数据，开始进行数据处理。数据处理主要包含相关平均计算和离散傅里叶变换（dft）两个步骤，具体实现过程如下：
[0046]
1.准备平均值数组avg[1..100]。
[0047]
2.将data[1..24000]数据每100点分为一组，共计240组，即第1组g1[1..100]对应data[1..100]，第2组g2[1..100]对应data[101..200]，以此类推，第240组g240[1..100]对应data[23901..24000]。
[0048]
3.将g1到g240的各组相同位置的数据取平均，结果保存在avg[1..100]中。例如：avg[1]=（g1[1]+ g2[1]+
…
+g240[1]）/240，一般的，avg[n]=（g1[n]+ g2[n]+
…
+g240[n]）/240，n范围是1到100。
[0049]
4.经过以上处理后，得到480hz中频信号的一个信号周期的数据，共计100点，保存在数组avg[1..100]中。数据的采样率为fs=48khz，用以上数据进行单点dft（离散傅里叶变换）。根据dft的原理可知，该变换的频率分辨力为fs/100，恰为480hz，因此只经过一次dft，就可以得到中频信号的幅值信息。中频信号的幅值信息与被测信号的幅值信息为线性比例关系，因此经过以上处理后即可取得被测信号的幅值信息。
[0050]
当被测信号频率因测量需要取其他数值时，需要同步调整载波信号频率fc，使得输出中频信号频率fb保持恒定，这样u8中进行的数据处理程序和参数不需要变化。
[0051]
本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变形方案实现本实用新型。以上仅是本实用新型的较佳可行的实施例，并不对本实用新型的权利范围构成限制。凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本实用新型的权利之内。