磁场测量范文-盘古文库

磁场测量范文

资料大全

来源：盘古文库

作者：漫步者

2025-09-16

磁场测量范文（精选7篇）

磁场测量第1篇

关键词：磁场测量,瞬态磁场

一、引言

随着现代科学技术的进步,磁场测量有了很大发展,它已深入到工业、农业、国防科技以及生物医学各个领域。如:大型高压变电站中,由于开关操作或电抗器、电容器组的投切操作产生极强的瞬态电磁干扰[1];大型医疗设备产生的磁场;家用电器诸如手机产生的磁场等。这些均为时变磁场,其频率范围比较宽。目前,测量时变磁场所产生的磁场强度,通常采用的方法[2]有:霍尔效应法、电磁感应法、磁阻效应法、核磁共振法、磁通门法和磁变磁场时,均会因为探头产生的涡流效应损坏探头。国防科技大学的陈湘等研制的高精度智能磁场测量仪采用双只配对的UGN3503型集成霍尔传感器来获得磁感应强度信号,测量精度为0.1mT。光法。本文介绍其中最常用的三种方法。

二、霍尔效应法

霍尔效应法是利用半导体内载流子在磁场中受力作用来进行磁场测量的方法。它的基本原理是:如果对位于磁场中的导体施加一个电压,该磁场的方向垂直于所施加电压的方向则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个与磁场强度成比例关系的电压。通过检测这一电压值大小就可确定磁场大小。

霍尔磁场传感器的制造技术与微电子集成电路技术兼容,可以批量生产,大幅度降低了生产成本,因此得到了广泛应用。该类传感器大多使用N型硅和砷化镓(GaAs),用InAs和InSb等材料制作的磁场传感器,由于其载流子的高迁移率可获得较大灵敏度和较高的频率响应。根据文献[3]报道,霍尔传感器频率最高可达到1MHz,可检测从恒定磁场到1MHz的交变磁场。

目前,在国内,市面上用于测量时变磁场的磁场测量仪器,所使用的探头均为霍尔传感器,像:美国F.W.Bell公司的7030型三通道高斯计,其测量的频率范围为10Hz～50KHz,场强测量范围为0～300KG;美国LakeShore公司生产的410型高斯计可测量频率范围为20Hz～20KHz的交变磁场,其场强测量范围为0～20KG。但是这两类高斯计在测量强的交

三、电磁感应法

电磁感应法是测量磁场最简单最实用的一种方法。它是建立在法拉弟电磁感应定律的基础上,其定义为[4]:当穿过导体回路的磁感应通量φ,发生变化时,回路中产生感应电动势ε与磁通量对时间的变化率成正比,即ε=-。

因此利用感应线圈法测量变化磁场的场强,就是通过测量感应线圈两端的感应电动势和感应电动势对时间的积分值,来求出磁感应强度B。它可以用于测量直流磁场,交流磁场和脉冲磁场。

利用电磁感应法测量时变磁场强度的研究,早在20世纪60年代国外就开始这方面的研究,当时主要是为了测量由核爆炸所产生电磁脉冲(NEMP)的脉冲电场和脉冲磁场,而且主要是一些军工的研究机构在进行研究工作。他们根据测量的需要开发出各种形式的瞬态电磁场测量探头,像多间隙环(M G L-M u l t i g a p L o o p)结构[5],多扎线圈环(M T L-Multiturn Loop)探头、圆面Moebius环(CML-Cylindrical Moebius Loop)、屏蔽环形线圈、自积分式传感器以及屏蔽半环形磁场传感器[6,7]等形式,其结构分别如图1所示。

德国斯图加特大学K.Feser教授领导的研究组,为了测量高压电气设备附近的瞬态电磁场的分布,开发了瞬态磁场传感器,其频率范围为30Hz-300MHz,场强测量范围为0.8A/m-1.5kA/m。在国内,南京航空航天大学为研究电磁脉冲的防护,设计了微分和自积分磁场传感器[8],华北电力大学的肖保明等研制的瞬态磁场测量系统[9],其测量的频率范围为100KHZ-100MHZ,可测量10mA/m左右的弱磁场。东南大学的吴亚研制了用于测量交变磁场的装置[10],可测量频率范围为20K-100KHZ的中频强磁场。

四、磁光法

利用传光物质在磁场作用下,引起光的振幅,相位或偏振状态变化进行磁场测量的方法称为磁光法。最早用于测量磁场的是1846年法拉弟发现的磁光效应。自1976年以来,随着光纤通讯技术和光电子技术的发展,光纤传感技术迅速用于磁场测量出现了许多有发展前途的新型光纤磁传感器。

由于光纤是无源元件,对被测对象不会产生影响,光纤可以在高温,高压,有腐蚀,有噪声,有应力等恶劣环境中起传感作用,具有可塑性,可扰性,能按需要做成任意形状的传感器,灵敏度高,频带宽、动态范围大,体积小,重量轻等优点。

法国Thomson-csf公司研制的用于测量NEMP瞬态电场和磁场的光纤瞬态电场和磁场传感器[11],其磁场传感器的测量范围为0.6A/m-31.6kA/m,频率范围为15Hz-40MHz。法国THALES公司开发的HT21型一维瞬态磁场测量系统。其测量范围为为0.6A/m-31.6k.A/m,测量的频率范围为40Hz-40MHz,信号传输通道由2条100m的光纤组成,测量到的信号传到计算机处理后可送示波器显示。华北电力大学在20世纪90年代就开始了磁场传感器的研究,最近张卫东老师[12]已经成功研发了一套光纤瞬态磁场传感器,频率范围为40Hz一100MHz,测量范围为1 A/m～1100A/m,其光纤瞬态磁场传感器的系统框图如图2。

图中,A&OVP为步进式衰减器和过压保护电路,其功能是将磁场探测线圈的感应电压调理并限定在合适的范围,以实现量程切换和对后续光源驱动电路的过压保护;OE为光发射机,实现光源的驱动及测量信号对光功率的调制;OF和OA分别为光纤和光衰减器,完成对光信号的传输与功率限制:O R为光接收机,实现光电变换、解调和低噪声放大功能,并输出测量的电信号;SA&P为信号采集与处理单元,由数字存储示波器对测量的瞬态信号进行采集与记录,再由微机对信号进行数字频率均衡与处理。

五、结论

1)霍尔效应法可以用来测量时变磁场,但是由于高频特性不好,并不适宜测量脉冲磁场。此外,由于霍尔元件的半导体材料受温度影响很大,其固有特性也会造成测量误差,因此也不适宜测量强的交变磁场。2)感应线圈法对于测量时变磁场的场强来说,是最简单实用的方法。感应线圈对磁场的变化有好的灵敏性,并且可以根据被测磁场的形态和分布来改变线圈的形状和几何尺寸,并且该方法受温度的影响小,可以用来测量强的交变磁场。3)磁光法由于采用了光纤传感技术,可以在高温,高压,有腐蚀,有噪声,有应力等恶劣环境中起传感作用,具有灵敏度高,频带宽、动态范围大,体积小,重量轻等优点,是有发展前途的一种新型光纤磁传感器

磁场测量第2篇

摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为1～26 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于0．5 dB，采用1．8 V电源，TSMC 0．18μm CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte 1 引言

随着科技的发展，嵌入式操作系统在越来越多的领域发挥着重要的作用，目前已成为产品技术水平的标志之一。其中Linux因为其拥有开放性、多用户、多任务、良好的用户界面、丰富的网络功能、可靠的系统安全和良好的可移植等特性被广泛的应用到仪器测量设备中。

传统的磁场测量设备(持斯拉计、高斯计)普遍存在精度低(典型测量精度为1．5％)、操作不便等缺点。本文提出一种基于嵌入式Linux的中频磁场测量系统，它不但可以满足当前磁场测量数据采集的需要，还因为其嵌入了操作系统Linux，使具有可靠性好、升级方便的特点，既提高了磁场测量的准确性，又为仪器的功能升级带来便利。可应用于实验室仪器，医疗仪器，姿态控制，安全检测等需磁场检测的领域。2 磁场测量系统的硬件结构

磁场测量系统在硬件结构上采用ARM9作为控制器，与信号放大、整流滤波、程控放大等硬件构成了整个磁场测量系统。而且，测量系统还搭配了USB、RS232、以太网通信接口，系统通讯能力强，可实现网络连网功能。其硬件结构如图1所示。

ARM9 嵌入式处理器采用三星公司的$3C2410。S3C2410是基于ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器，主要面向手持设备以及高性价比，低功耗的应用。它采用5级流水线和全性能的MMU，同时该芯片集成了大量的功能扩展单元，例如LCD控制器、I2C总线、触摸屏接口、USB接口等。强大的芯片功能简化了系统设计，不但缩小了系统体积，而且提高了系统的可靠性。

USB、RS232和以太网接口可为系统提供不同的通信方式，适合不同测量环境和条件，以太网接口还可实现系统联网功能。

在磁场测量系统中，可使用触摸屏简便地对系统进行控制，实现不同显示方式切换、参数设置和测量数据保存等功能。

磁场测量电压信号部分，由磁场传感器得到微弱的电压信号，经放大整流等措施后输入控制系统。

报警输出可实现用户自设定报警的上下限值，方便用户测量现场的监控。磁场测量系统前端信号处理模块

磁场测量系统前端传感器采用的测量方法为电磁感应法。电磁感应法是将测量线圈置入交变磁场中，根据法拉第电磁感应定律在线圈的引线间会产生感应电动势，并且感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量的大小成正比。感应电动势e为：测量系统前端信号处理模块的结构如图2所示。

(1)为了实现多路磁场传感器的信号输入，设计中采用片选芯片74HCl5进行通道的选择。通过对74HCl53控制端S0，Sl输入不同的数据组合(00，1O，0l，11)，输出端lY和2Y就可实现不同输入通道的选择。

脉冲电磁场测量方法研究第3篇

电磁感应法是利用电磁感应定律来测试磁场的方法, 当一个线圈置于变化的磁场中时, 当耦合与线圈的磁通发生变化时, 在线圈上就会感应出响应的电压, 因此, 只要测试出对应的电压大小, 就可以通过一定的转换方法, 获得对应的磁场大小。电磁感应法一般利用具有一定面积的线圈作为探头, 因此理论上不能算真正的点磁场测试, 一般将线圈面积内的磁场平均值来表征线圈中心点的磁场。

1 电磁感应法测量原理

当把匝数为N、截面积为S的圆形探测线圈放在磁感应强度为B的待测磁场中时, 如果使得线圈中所耦合的磁通φ发生变化, 那么根据电磁感应定律, 在线圈上产生的感应电动势为:

而一般线圈的N和S是己知的, 所以在获得了感应电动势e之后就可以通过积分运算得到B的大小:

2 传感器的设计

对空间某一点上的磁场值进行测量, 当探测线圈所涉及的区域过大时, 耦合到线圈内部的磁通量为其体积内的平均值, 不能准确地反映出磁场的点的测量值, 所以应当采用截面积小的探测线圈, 使探测线圈所限范围内的磁场能被看作是均匀的, 测量的结果可作为点磁场值。本文设计了一种圆柱形的感应线圈式磁传感器, 使之满足一定尺寸要求, 保证线圈内部的平均场与其几何中心的磁场值相等, 那么所测得的值就为线圈中心的“点”磁场值。

2.1 传感器的尺寸要求

如图1所示, 圆柱形感应线圈的内径为d, 外径为D, 长为L, 绕线匝数为N。以线圈中心点为坐标原点 (0, 0, 0) , 坐标系Z轴与线圈轴线重合。将磁感应强度B在线圈中心点附近展开为麦克劳林级数, 其中Bz (0) 表示中心点的磁场, 则有:

设线圈的横截面积为S1, 剖面面积为S2, 体积为V, 则总的磁通量为:

将式 (3) 代入式 (4) , 由于线圈形状的对称性, x、y、z奇次幂项正负抵消, 没有磁通, 并考虑到线圈是对不存在传导电流的无源区进行测量, 则矢量场B的散度和旋度为零 (即▽·B=0, ▽×B=0) , 是调和场, 它满足拉普拉斯方程:

忽略比二次项小得多的四次以后的高次项, 将 (4) 通过积分变换后得:

如果上式右边的第二项为零, 即:

则当线圈的几何尺寸满足上述关系时, 线圈的总磁通量φ只与其中心点处的磁场相关, 此时所测得的是线圈中心的“点”磁场值, 其方向与线圈轴向平行。

2.2 线圈常数的确定

利用满足一定尺寸要求的感应式磁传感器测量空间“点”磁场, 线圈常数是个很重要的概念,

因为它和检测的灵敏度有关。根据上述分析, 如果线圈是单层线圈, 它的线圈常数可按下式计算:

式中, d0—线圈导线的直径;D0—线圈骨架的直径。如果是多层圆柱线圈, 其线圈常数表达式为:

当感应线圈的几何尺寸和匝数设计确定后, 线圈常数也就定了, 但在实际设计尺寸时, 应综合考虑L/D和NS值, 保证实现“点”磁场测量传感器的最优化设计。

3 电磁感应法脉冲磁场测量系统

3.1 测量系统

利用电磁感应法进行磁场测量时, 测试系统主要包含以下几个部分, 主要由线圈探头, 连接线以及采集系统组成。

线圈探头是由导线绕制, 由于仅为观察线圈探头测量磁场对于电流的跟随效果, 故在线圈探头设计时并未做过多考究, 其参数如下:线圈匝数8匝、外径15.20mm、内径11.48mm、长15.30mm、导线直径为1.64mm, 如图2所示。

3.2 试验布置

利用电磁感应法测量磁场时, 因为线圈探头有一定的体积, 故为了更好的测量到“点”磁场, 需将线圈探头正对电感器中心处, 并妥善固定。线圈探头固定位置如图3所示, 试验布置如图4所示:

3.3 试验数据

(1) 示波器所测得的波形如图5至图6所示 (其中CH1为线圈测得信号, CH2为电流信号) :

(2) 将线圈测得的信号积分后, 所获得的波形如图7至图8所示:

由于示波器测得的信号存在一定的偏置, 其中线圈测得信号大约有-0.02的偏置, 电流信号大约有-0.8的偏置, 故对其做了相应处理。在积分前, 在EXCEL表格中, 分别对线圈信号数据+0.02, 对电流信号数据+0.8。

3.4 试验结果分析

虽然只是简单绕的线圈, 但是通过测量的结果可以明显看出, 其相对于电流的跟随性良好, 并且也没有出现负值。总体来说, 其波形满足要求, 但是线圈探头的标定仍是一个难点。

有一点值得注意的地方, 在线圈测量的d B/dt波形中, 同样可以发现有个向下的负脉冲, 但是由于数据还要再次经过积分, 所以该负脉冲的影响并不明显, 并未影响到积分后磁场波形的变化。并且, 通过对比第一次试验霍尔探头测量的波形可以发现, 其向下的负脉冲出现在同一地方, 故可以判定为同一原因引起的负脉冲, 并且该负脉冲只是单纯影响测量信号。霍尔探头是直接输出磁场的波形, 所以负脉冲对其影响很大;而线圈是经过积分后才获得磁场波形, 所以在这两处负脉冲对其积分结果不会造成很大影响。

4 结论

本文首先对利用电磁感应法测量磁场进行了简要的介绍, 并且对其注意事项与设计做了一定分析。根据实际条件, 对模块的电感外侧磁场进行了测量, 并且获得了磁场测试的结果。

对于霍尔效应法而言, 测试得到信号后, 经过简单的转换就可以得到磁感应强度信号, 但是, 信号中包含有较多的干扰和毛刺, 需要进行平滑处理 (差分放大消除共模干扰) ;而电磁感应法获得的信号, 需要进行积分处理才能够获得最终的磁场信号, 经过积分处理后的信号失去了一些重要的跳变信息, 例如霍尔效应中出现的下降沿信号, 就无法在感应法中明显的体现。

为了使磁场测量的工作更加方便, 下一步的工作主要为消除示波器中的偏置与设计积分环节, 本文的试验数据能够为后一阶段的工作提供一定的参考价值。

参考文献

[1]董李江.模块化电源脉冲磁场测试技术研究[D].南京:南京理工大学, 2008.

[2]宫延伟.低频交变磁场测量技术研究及仪器开发[D].上海:上海交通大学, 2010.

[3]陈金全.测量低频交变磁场的试验方法[J].桂林电子工业学院学报, 2002, 22 (4) :53-56.

[4]强磁场测量科研组.感应法脉冲强磁场测量.

[5]张玉华, 罗飞路, 白奉天.交变磁场测量系统中磁传感器的设计[J].传感器世界, 2003:6-12.

[6]姜智鹏, 赵伟, 屈凯峰.磁场测量技术的发展及其应用[J].电测与仪表, 2008, 4:1-10.

磁场测量第4篇

关键词：NFC,磁场强度,通讯设备

0 引言

磁场测量分析:空间或磁性材料中磁通、磁通密度、磁通势、磁场强度等的测量。是磁学量测量的内容之一。空间的磁通密度与磁场强度成比例关系, 空间磁场强度的测量, 实质上也是磁通密度的测量。因而用磁强计测量的实际上是磁通密度。磁场测量主要利用磁测量仪器进行。按照被测磁场的性质, 磁场测量分为恒定磁场测量和变化磁场测量。

现如今, 有很多手机带有近场通信 (NFC) 的功能。我们基于手机上的NFC功能进行相关测试, 发现在市面上的各个读卡器或者NFC设备的磁场强度参差不齐, 与手机上的NFC天线耦合时会出现各种问题。下面介绍的这种采集磁场强度的方法非常简单方便, 适合外出的采集数据。

1 采集磁场强度平台的设计

1.1 采集平台的设计

首先, 我们需要先认识安捷伦测试仪器AT4中的Listener1天线。该天线有三个端口:

端口J1:测量场强 (持续的电压信号) , 连接AT4的VR端口。

端口J2:Listening设备响应生成器, 连接AT4的LM端口。

端口J4:测量波形工具 (正弦信号) , 连接AT4的SC端口。

使用Listener1是因为我们面对的所有手机运营商都以Listener1作为测试的标准。

我们可以使用示波器, 通过端口J1获得场强并通过端口J4监控正确的波形。 (图1)

在测试过程中, 需注意以下几点:

1) 需要把手机放在离天线5mm的上部, 手机的天线中心点与测试天线中心点对应;

2) 由于很容易引起掉包, 我们需要选择低频连接线;

3) Listener1的跳线需要放在位置1;

4) 设置测量场强的示波器端口阻抗为1Mohm。

由于Listener1并不适合外出时随身携带, 因为这属于易耗品, 所以我选择一个72mm×42mm的线圈来作为测量的工具 (图2) 。

我们可以通过测量得到的电压值来计算场强:voltage/0.9=A/m.

例如, 测量得电压值为5.5v/0.9=6.1A/m, 这是一个相对的磁场强度, 但是是经过与Forum和ISO的测试的相对结果很近似, 所以此平台适合外出采取样本的平台。

1.2 测量结果的对比

上面提到了我用这个72mm×42mm线圈所获取的测量结果与Forum/ISO的测量结果是近似的, 这一节就是对三组测量结果的比较。

1.2.1 Forum的测试结果

由于我的Listener1被Forum测试占用, 我使用Listener3作为测量场强的天线。

首先, 我们先查看AT4 Analog测试用例的结果。 (测试用例为TC_AN_POL_UNL_01:Minimum Power emission measurement (Listener3) ) [1]

AT4基于Forum的测试中, 我们可以得到5.46v的磁场强度 (图3) , 而同样的天线, 我们可以通过示波器得到5.18v的场强 (图4) 。0.28v的差距是因为不同连接线导致的, 并不影响我们的判断。

1.2.2 ISO测试结果的对比

ISO测试用例RF_TC_PCD_01.a–PCD Operating Field Strength for Type A with Hmin board[2], 我们通过AT4测量的平均值为3.7v, 结果如下 (图5) :

通过示波器得到的测量结果的平均值是3.763v, 如下图 (图6) :

2 结论

从定义的操作方面来看, 磁感应强度是完全只是考虑磁场对于电流元的作用, 而不考虑这种作用是否受到磁场空间所在的介质的影响, 这样磁感应强度就是同时由磁场的产生源与磁场空间所充满的介质来决定的。相反, 磁场强度则完全只是反映磁场来源的属性, 与磁介质没有关系。实际在前面已经说明, 这两个概念在实际运用中各有其方便之处。通过这种采样方式, 在外部的实验室中采样是非常的方便简单的。我相信这是一种非常实用的测量方法。

参考文献

[1]NFCForum_TestCasesForAnalog_v1.0.01:81-82

[2]Identification cards—Contactless integrated circuit cards—Proximity cards—Part 2:Radio frequency power and signal interface:4

[3]刘浩.基于NFC技术的近场通信应用探索.中国无线电, 2010 (12) .

磁场测量第5篇

关键词：电磁场,油水界面,监测系统,数据优化

石油从开采到分离提炼,再到生产消费有非常复杂的过程,仅开采就是一道纷繁复杂的工序。开采出来的石油是油、气和水的混合物,常伴有少量泥沙,需要采取工艺除去其中的气、水及泥沙等杂质。一般说来,去除泥沙和气体是比较容易的,而去除其中的水却是一件很复杂的工艺,油水分离技术应运而生[1]。当前,国内外油罐液位测量仪表根据测量方式的不同可分为接触式和非接触式两种类型,如:电容式、射频导纳式等。但受外界和自身条件的限制,各有利弊,很难保证油罐油水界面测量的稳定性和准确性,还需用软件优化来弥补硬件测量过程中外界或自身原因产生的不足[2,3,4]。因此,为了满足实际项目开发要求,在油水界面测量系统开发的过程中,既要在硬件上选择性能稳定、可靠性高的测量装置,还要在软件上研究数据优化方法,通过优化方法达到稳定数据、屏蔽坏点的作用。

1 电磁场式油水界面测量方法

1.1 电磁场式油水界面测量仪工作过程

电磁场式油水界面测量仪是一种性能比较稳定、测量相对精确的油水界面测量装置,运用磁控高新传感技术,当仪器供电之后,均匀分布的微电子探极与金属罐壁间产生匀强磁场,在此匀强磁场的整体环境中,通过特殊的射电干扰模式,致使多点磁通量发生变化,产生多个独立的磁感线。而设备中的采集仪根据不同介质的不同特性,对所有磁感线的描述进行集中分析,再依据磁感线的强弱程度,找出不同介质的临界点,转换成标准的线性信号输出给二次仪表,实现液位、液量和温度的检测[5]。

1.2 油水界面计算方法

电磁场式油水界面测量方法目前应用在原油储罐特别是一次沉降罐中基本能满足现场的要求。图1模拟了20个测量点,假设电磁场式油水界面测量装置从油罐顶部直通油罐底部,每个测试点之间相距10cm。要确定油水界面,需要从这些测量点中获得空气典型值、油典型值、水典型值、油阈值和水阈值,具体计算方法如下:

a. 空气典型值。可以取1～4点平均值,也可以从中选一适中值,如,3点=0.071(71)。

b. 油典型值。可以取5～11点平均值,也可以从中选一适中值,如,10点=0.235(235)。

c. 水典型值。可以取12～20点平均值,也可以从中选一适中值,如,16点=1.281(1281)。

d. 油阈值。油阈值=(空气典型值+油典型值)/2=(71+235)/2=153。

e. 水阈值。水阈值=(油典型值+水典型值)/2=(235+1281)/2=758。

大于油阈值而小于水阈值的点为5～11点,共6段10cm长的距离,即为油高,油高=10×6=60cm;大于水阈值的点为12～20点,共8段10cm长的距离,即为水高,水高=10×8=80cm。

根据原油储罐半径,即可计算出原油储罐中

储油的体积和水的体积。

1.3 矩阵点坏点数据分析

电磁场式油水界面测量仪在工作过程中,受外界或自身影响,有时会得到一些不符合理论测量值的数据点,习惯上称之为坏点。坏点的产生一方面受外界环境的影响,比如油罐形状的制约,可能会在原油储罐的某一位置出现障碍物,测量仪各个监测点距离油罐壁的距离偏差太大,这样势必影响测量数据,出现坏点数据。再比如油罐车在注油的时候,原油储罐内部空气部分很可能出现浓度很大的油气,此时在原油储罐空气中的传感器很可能误测为油的数据。另一方面受自身影响,在工作过程中某些传感器可能会失灵,测不出矩阵点数据,这样的坏点必须进行处理,以免影响测量结果。

以90个测量点为例,表1显示出现坏点的矩阵点数据。其中第6～8点的值明显不同于其前后各点的值,数据突然增大又突然减小,很显然为坏点,原因可能是由罐口障碍物引起的;其中第28、69、70点突然为0,和前后各点数据没有保持连续,则为坏点,原因可能由于传感器本身失灵引起的。

按照上述油水界面计算方法,可计算出油高为34×10=340cm,水高为39×10=390cm。但实际观察得知油高为32×10=320cm,水高为41×10=410cm,都与实际相差20cm。坏点带来的问题,有些是客观引起的,有些是主观引起的,必须进行解决。可针对引起坏点的不同原因,研究不同的解决方法。

2 坏点数据优化方法

2.1 最值过滤法

项目进展初期,电磁场式油水界面测量仪主要安装在沉降罐中,除了硬件传感器本身偶尔出现不稳定状态之外,采集的矩阵点数据都相对平稳,但是受到油罐结构的影响,油罐顶部相对狭窄,发现矩阵点数中空气段有坏点,在计算时会默认为油值。例如,坏点只出现在表1中第7、8点,值分别为432、445,其他各点均正常。

最值过滤法是连续确定3个数值a1、a2、a3,求最小值并取最小值赋值给a1,具体步骤为先将一组矩阵点数据存入一维数组中,初始标示指向前三个数,求最小值并将其赋给第一个数;其次再确定连续后三个数,求最小值并将其赋给第二个数;同理,再确定连续后三个数,求最小值并将其赋给第三个数,直至一维数组最后三个数,从而将新得到的一组数据保存在新的一维数组中。

此优化方法程序设计相对简单,只需编写求最值函数,遍历arr[90],便可得到新的newarr[90],也就是优化后的新数组。结果第7、8点优化为22、22。

该方法解决了坏点数据为连续两个的情况,如果坏点数据是3个连续的点,按照每次比较3个相邻点求最小值的方法就行不通了。解决的方法还是最值过滤法,可将新得到的一维数组再遍历一次,即可得到优化。比如第6～10点为444、432、445、22、35,显然第6、7、8点都是坏点,先用最值过滤法遍历一遍得到新的第6、7、8点为432、22、22,显然第6点依然是坏点,再用最值过滤法遍历一遍得到新的第6、7、8点为22、22、22,起到了优化的效果。同理,如果有4个连续坏点,还是调用最值过滤法函数遍历两次,即可解决问题;如果有连续5个或6坏点,则调用最值过滤法函数遍历3次,即可解决问题。

此方法只适合解决空气中出现过大值坏点的情况,不能解决油中或是水中同时出现过小值坏点的情况。

2.2 定点修正法

项目进展中期,在沉降罐中油量和水量变化不大的情况,发现油和水处某一固定的点数据出现小于油或水阈值的值,例如,坏点只出现在表1中第28、69、70点,值分别为0、0、0,其他各点均正常,即出现新的坏点。如果采用最值过滤法,不但不能解决问题,反而还起到相反的作用。分析原因,这些坏点都是由于传感器失灵引起的,由此采用一种新的方法进行数据优化定点修正法。

定点修正法是针对传感器上某一固定点进行人为绑定的方法,一旦设定,不能频繁更改。设原值为x,通过方程y=kx+b(k为系数,b为偏差)进行定点修正。

对第28点进行定点修正时,多观察几次第28点的值,如果每次观察都是0,方程设为:y=x+400,则修订后的值为400;如果经过多次观察发现第28点的值是个随机变化的值,则方程设为:y=0×x+400,修订后的值为400。对第69点和第70点进行定点修正的方法同上,可设方程为:y=x+4230,修订后的值为4 230。

此方法只适合解决沉降罐中传感器某一固定点出现问题,油量和水量变化不大的情况,不能解决在油量和水量变化稍大的情况下,传感器上某一固定的坏点时而出现在空气中,又时而出现在油中,或者传感器上某一固定的坏点时而出现在油中,时而出现在水中的情况。因为方程y=kx+b中的k、b值在这种情况下要随时变化,显然这与当初的设计相悖逆。

2.3 区域去噪法

项目进展后期,受条件的限制,坏点发生变化,采用硬件优化,代价太高,且有些客观存在的坏点是硬件修正不了的;采用软件优化,前两种方法显然在后期的实践中不能满足要求。例如表1中第6、7、8、28、69、70点都是坏点,且出现介质面下降或上升高于或低于所要修正的坏点。因此必须找到一种更加全面的优化方法,才能满足项目的实际要求,这就是区域去噪法。

区域去噪法是通过分析所采集的几组数据,在确定油阈和水阈的前提下,把所有数据划分为3个区域(空气域、油域和水域),逐一分析每个区域是否存在坏点,如存在则进行优化。优化时,将坏点数据修正到坏点前后数值大小附近。

程序设计流程如图2所示。首先确定油阈和水阈,分别在空气域、油域和水域中找到不正常的点,判断其前后相邻4个点是否正常,如果在相应区域中,则为正常,即坏点找到;如果不正常,则说明该点处于临界状态(空气与油的分界点或油与水的分界点),可视为临界相邻区域的点,修改相邻区域范围,重新判断并进行区域坏点优化。

对第6、7、8、28、69、70点通过区域去噪法,值就相应变为25、25、25、411、4 224、4 224。当然数据如表1这种情况是比较普遍且容易优化的,坏点没有出现在临界状态下,如果坏点出现在临界状态下,就要特殊对待了。如果坏点偶尔出现在临界状态下,误差显得微乎其微,如果坏点长时间处于临界状态下,区域去噪法也不能很好地进行数据优化,这样就只能对硬件进行改进,这说明软件优化的方法也是有限的,不能完全掩盖硬件的问题,只有在一定条件下做到硬件和软件相互搭配,才能起到事半功倍的效果。

3 结束语

电磁场式油水界面测量方法是目前原油储罐油水界面监测中效果较好的一种方法。针对采集的数据受到客观和主观因素的影响,从改变硬件的角度去解决代价较高。因而考虑采用软件优化的方法,分别是最值过滤法、定点修正法和区域去噪法。每种方法的应用范围都有所不同,每种方法都较前一种有很大的进步。笔者在开发新型原油储罐油水界面监测与分析系统的过程中,将上述3种方法应用于实践,在不同情况下都取得相对理想的效果,弥补硬件的不足,降低开发成本。

参考文献

[1]李国珍,肖华,董守平.油水分离技术及其进展[J].油气田地面工程,2001,20(2):7～9.

[2]王毅.新型收油器的油水界面检测及控制系统设计[D].大连:大连海事大学,2007.

[3]王永生.井下油水界面测试系统应用与研究[D].大连:大连理工大学,2008.

[4]任磊,陈祥光,刘春涛.原油储罐油水界面测量方法的研究及应用[J].仪器仪表学报,2008,29(10):2186～2191.

磁场测量第6篇

关键词：输变电,工频电磁场,测量

1 引言

随着社会经济水平的发展, 我国电网建设规模不断扩大, 输变电工程越来越接近公众的活动区域, 交流输变电工程所产生的工频电磁场带来的环境影响也越来越受到公众的关注, 有关交流输变电工程工频电磁场环境影响的信访投诉屡见不鲜[1]。对交流输变电工程周围工频电磁场进行准确测量, 是落实输变电工程环保审批手续、处理输变电工程工频电磁场信访投诉问题的必要条件。然而, 我国尚未发布交流输变电工程周围工频电磁场测量方法的环保标准, 测量人员对该技术的掌握主要来源于工作中摸索积累的经验和互相间的言传身教, 缺乏统一的标准。本文从交流输变电工程周围工频电磁场测量的参考标准、布点方法、高度、仪器、注意事项等几个方面进行了探讨, 以期为后续交流输变电工程周围工频电磁场测量的进一步规范提供参考。

2 参考标准

涉及交流输变电工程周围工频电磁场测量的标准有:

GBT 12720-1991《工频电场测量》, 该标准规定了工频电场测量所使用的术语、测量仪器的基本工作原理、校准和校准检验的方法、电场强度测量程序以及辨认重要的测量误差源并给出允许的不确定度。适用于工频准均匀电场的测量。

HJ/T24-1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》[3], 该标准规定了110kV及以上超高压输变电工程的评价范围、工频电磁场公众曝露的限值标准和用于环境影响评价的模拟类比测量方法。适用于110kV及以上超高压输变电工程的电磁辐射环境影响评价。

DL/T988-2005《高压交流架空输电线路、变电站工频电场和磁场测量方法》[4], 该标准规定了交流架空输电线路、变电站工频电磁场的测量方法, 是电力行业指导其技术部门开展交流高压架空输电线路和变电站工频电磁测量的推荐标准。

各个标准的适用范围、测量方法不尽相同, 需根据测量和评价的目的选择标准。

3 布点方法及测量高度

3.1 输电线路下方地面测量布点

输电线路下方地面工频电磁场测量应选择在导线驰垂最低处 (一般位于档距中央附近) , 以输电线路走廊中心地面投影为起点, 沿垂直于线路方向, 向走廊两侧顺序测量至边相导线水平距离50m处, 测点间距一般为5m, 在测量最大值时, 间距可调整为1m。对以走廊中心线垂直地面平面对称排列的输电线路, 可只测量一侧。

3.2 变电站厂界外测量布点

变电站厂界外工频电磁场测量点位布设于距离围墙5m处, 并在主变、高电压配电、低电压配电等不同功能区域外侧分别布置2～3处测量点位, 也可根据需要适当增加。同时, 应综合考虑变电站出线的影响, 以掌握公众曝露的最大场强值及其位置。

3.3 输电线路及变电站附近环境敏感目标测量布点

输电线路及变电站附近环境敏感目标主要包括居民住宅、学校、医院、行政办公等人员活动比较集中的区域。环境敏感目标测量点位应涵盖建筑物外开阔地, 不同楼层的室内、阳台和有人员活动的平台等不同场所, 并得出场强最大值。具体如下:建筑物外开阔地测量点位布置于靠近输电线路或变电站侧不同距离处, 测点间距1～5m, 测点连线垂直于输电线路或变电站围墙;室内、阳台测量点位一般布置于中央位置;平台上测量点位可按边长1～5m的网格进行布点;环境敏感目标距离变电站围墙50m以上时, 在靠近变电站侧地面布设2～3处点位测量即可。

3.4 测量高度

测量工频场强时, 仪器探头离地高度为1.5m, 也可根据需要在其他高度测量, 工频电场测量需使用绝缘支架支撑, 工频磁场可手持测量。

4 工频电磁场测量仪器

工频电磁场测量必需使用专门的仪器。目前, 我国用于工频电磁场测量的仪器主要有4种, 均为悬浮体型仪器 (表1) 。

使用HI3604型工频场强仪进行工频磁场测量时需分别测量磁场强度垂直分量H垂直和水平分量H水平[2], 然后按公式 (1) 计算得出综合的磁场强度H。工频电场测量可只测量垂直分量。其他3种为三维探头, 测量中可直接读取综合场强值, 无需考虑探头方向性问题。

H= (H $_{水平}^{2}$ +H $_{垂直}^{2}$ ) 1/2。 (1)

5 注意事项

5.1 环境条件需符合测量要求

需在无雨雪、无冰雹、无雾, 空气相对湿度小于80%、温度满足仪器工作环境要求的条件下进行。

5.2 减少工频电场畸变带来的干扰

工频电场会在置入场中的导体周围发生畸变, 需采取以下措施减少干扰因素:

(1) 仪器探头的放置位置应尽量避开树木、通信线路和生长较高的杂草, 距离墙壁、栏杆1.5m以上, 桌椅等可搬动物体应移开1m以上。测量人员需距离探头2.5m以上。

(2) 确保仪器部件及绝缘支撑架干燥、无凝露。测量中应尽量选用塑料、玻璃纤维等绝缘性好的支架, 避免使用木质支架。测量仪器部件及支架受潮、绝缘性降低会使测量结果偏大 (表2) 。

(3) 使用一维探头测量, 应准确放置仪器, 确保探头平面处于垂直或水平位置。探头长轴线应与输电线路、变电站带点构架平行。

参考文献

[1]唐宝贤.输变电工程环境信访逐年增多专家建议建立电磁环境公共信息发布机制[N].中国环境报, 2008-12-01 (3) .

[2]国家技术监督局.GBT12720-1991工频电场测量[S].北京:国家技术监督局, 1991.

[3]国家环境保护总局.HJ/T24-1998500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范[S].北京:国家环境保护总局, 1998.

[4]国家发展和改革委员会.DL/T988-2005高压交流架空输电线路、变电站工频电场和磁场测量方法[S].北京:国家发展和改革委员会, 2006.

[5]邬雄, 万保全, 输变电工程的电磁环境[M].北京:中国电力出版社, 2009.

磁场测量第7篇

关键词：工频磁场,测量,DSP

有关环境低频磁场对包括人体在内的生物体影响的研究, 正日益受到人们的重视, 但是有关工频电场测量的测量仪器还比较少, 也不是十分成熟。户外环境的磁场主要是由输电线路产生, 所以户外环境磁场是一大小方向都在变化的旋转磁场。本文在理论研究的基础上, 研制了旋转工频电场测量仪。

1 DSP简介

传统的磁测量仪器都是基于模拟电路的, 模拟电路有不利于计算机处理等许多缺点, 并且不能实现仪器智能化。而数字信号处理 (digital signal process) 系统是仪器仪表行业发展的一个趋势, 并且DSP较单片机有更加适合与数字信号处理的软件和硬件资源, 可以应用于较复杂的数字信号处理算法。因此本文研制了以DSP为中心的适用于环境低频磁场测量仪。TMS320C55系列是TI公司最新推出的定点D S P芯片系列, 它比C54系列的性能有很大提高, 而且功耗大大降低, 是目前TI公司推出的功率最小的DSP芯片, 适用于便携式超低功率场合。本文选用了TMS320VC5509DSP芯片。

2 硬件设计

本文研制的三维工频电场测量仪主要包括三个部分:探头、模拟电路和数字电路。探头选择电磁感应法制作了一个三维探头。模拟电路部分包括滤波电路、放大电路和采样电路。数字电路包括数字处理和显示等。TMS320VC5509内部自带AD转换电路框图如图1所示。

2.1 探头

磁测量方法有许多, 通过比较各种方法的测量频率和大小范围等各种参数后最后选择了电磁感应法。电磁感应法主要的是通过电磁感应定律将要测磁场转换为电压值, 以便于后面信号的处理。

由于户外环境磁场是一旋转磁场, 因此我们采用了三个互相正交的线圈分别测量空间三个方向分量的磁场最大值, 最后将三个分量值合成为一个最大值也就是我们要显示的数值。

2.2 模拟电路

本设计模拟电路部分, 电磁感应信号经过工频带宽滤波电路对输入信号处理, 然后再经过精密仪用放大器INA128对工频信号进行放大, 三路采样保持器的输出经多路开关CD4501B (由DSP控制选通) 后输入到DSP内部AD转换器进行模数转换。

因为所需的信号是工频信号, 需要消除附近电台电视台的电磁干扰, 所以需要先对采集信号进行滤波。滤波电路如图2所示。

E即为需要滤波处理的采样信号, C为可调电容, L是10H的大电感, R1是电阻。

采样保持电路部分采用LF398采样/保持器, 三片LF398分别接在多路开关CD4501B的输入端, 由DSP控制选通某一路信号。图3为LF389的工作状态。

对于信号放大倍数的控制本文采用CD4502B实现自动切换放大倍数。CD4502B是双4通道多路开关, 依据两个地址线 (A0, A1) 和使能控制EN来选择8路输入的某两路。

2.3 数字电路