CN109946525A - 一种测量接地电阻的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球物理电磁法勘探领域，尤其涉及一种测量接地电阻的装置和方法。该装置包括一个主控单元和多个测量单元；主控单元根据测量单元的位置，计算出不同测量单元使用的频率值，并将频率值发送给测量单元；测量单元控制内部信号源输出对应频率的电信号，并通过控制内部开关和采集电路来测量接地电阻。通过该装置和方法可大地提高测量接地电阻的准确性和效率。

Description

一种测量接地电阻的装置和方法

技术领域

本发明涉及地球物理电磁法勘探领域，尤其涉及一种测量接地电阻的装置和方法。

背景技术

电磁法勘探是利用仪器采集天然的、人工的电信号，并通过信号处理得到地下矿藏和地质构造的一种地球物理勘探方法。电磁法勘探的接收仪器为了接收从地面返回的电信号，需要从仪器信号输入端引出两根导线，每根导线连接一个刚性导电体(称之为电极)，并将导电体***地下。为了判断电极与地面之间接触是否良好，同时为后续处理提供数据支持，需要测量两根导电体***地下后的电阻值(称之为接地电阻)。

目前的测量方法一般是利用仪器内部输出已知的直流电压，然后测量接地电极返回的电压，通过返回电压和仪器内部的已知电压推算出接地电阻值。

以上方法存在如下缺陷：不同仪器内部信号源电压不一致导致测量不准确；因大地本身的电势差导致直流电压测量不准确；在多台仪器同时测量时，输出的测量信号会相互干扰，从而导致测量不准确；部分电极为不极化电极，直流电压信号会影响电极特性，导致后续的数据采集不合格。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，针对现有技术的不足，本发明提供一种测量接地电阻的装置和方法，解决了接地电阻测量不准确的问题，利用主控单元协调多个测量设备输出不同频率的交流信号来测量接地电阻，从而使接地电阻测量更加准确，测量效率更高。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的主要技术方案包括：

一种测量接地电阻的装置，所述装置包括一个主控单元和多个测量单元；

所述主控单元根据各测量单元的位置计算各测量单元使用的输出信号的频率值，并将频率值发送给测量单元；

所述测量单元用于输出对应频率的电信号以测量接地电阻。

进一步的，所述测量单元包括采集单元和回路单元；

所述采集单元用于设置回路单元的输出频率、开关状态，同时采集回路单元输出的电信号，并计算接地电阻；

所述回路单元用于接收采集单元的控制，输出对应频率的电信号，执行开关动作。

进一步的，所述回路单元包括信号源、第一分压电阻、第二分压电阻、开关及接地电阻；

所述信号源用于产生不同频率的电信号，信号源第一端与第一分压电阻第一端连接，信号源第二端与第二分压电阻第一端连接；

所述开关用于使第一分压电阻与接地电阻连接或断开，开关第一端与第一分压电阻第二端、采集单元输入第一端连接，开关第二端与接地电阻第一端连接；

所述接地电阻主要为接地电极与大地之间的接触电阻，接地电阻第二端与第二分压电阻第二端、采集单元输入第二端连接。

进一步的，所述测量单元测量接地电阻的计算公式为 式中Rd为所述接地电阻，R0为所述第一分压电阻，R1为所述第二分压电阻，V0为所述开关断开时对应频率的信号值，V1为开关闭合时对应频率的信号值。

此外，本发明还公开了一种测量接地电阻的方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：主控单元根据各测量单元的位置计算各测量单元的输出频率，并发送给测量单元；

步骤S2：测量单元控制内部信号源输出对应频率的电信号；

步骤S3：测量单元控制内部开关，断开信号源与接地电阻的连接，采集并计算对应频率的电信号值V0；

步骤S4：测量单元控制内部开关，闭合信号源与接地电阻的连接，采集并计算对应频率的电信号值V1；

步骤S5：测量单元计算接地电阻。

其中，所述步骤S3和步骤S4能够互换位置。

进一步的，所述步骤S1中计算各测量单元的输出频率，包括如下步骤：

步骤S12：初始化频率初始值F0、频率间隔系数Rf及频率数Nf；

步骤S12：获取各测量单元的相对位置，并按相对位置的顺序依次对测量单元从0开始从小到大进行编号；

步骤S13：依次计算各测量单元的输出频率Fi，其中，Fi随着测量单元编号的变化而变化；

其中，Fi的计算公式为Fi＝F0×Rf^(Ni％Nf)，式中Ni为第i个测量单元的编号，％为取余算符。

进一步的，所述步骤S3和/或S4中采集并计算对应频率的信号值，包括如下步骤：

步骤S31：根据输出频率的频率值计算出采样率Rt，且Rt至少大于频率2倍以上；

步骤S32：设置采集单元的采样率；

步骤S33：采集N个周期的电压信号并存储；

步骤S34：利用傅里叶变换将存储的电压信号从时间域转换到频率域；

步骤S35：在频率域上获取对应频率的振幅值，该值则为所述对应频率的信号值。

进一步的，所述初始化频率的初始值F0的范围为0.1Hz～1000Hz，频率间隔系数Rf范围为0.01～100，频率数Nf范围为1～100。

进一步的，当所述频率数Nf小于测量单元的数量时，每个测量单元都使用不同频率电信号；当所述频率数Nf大于测量单元的数量时，部分测量单元使用了相同频率的电信号，同频率的测量单元之间在位置上间隔的数量与频率数Nf相同。

进一步的，所述各测量单元的位置通过测量单元的定位模块获得或者通过手动设置获得。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：.

1.通过输出交流信号测量接地电阻，避免了大地本身电位差的影响，提高了接地电阻测量的准确性。

2.不同测量单元通过位置来确定输出信号频率，使得多个测量单元能够同步测量且不相互干扰，提高接地电阻测量的准确性和效率。

3.通过开关切换，每次都单独测量信号源的电压，避免了仪器信号源电压不一致或者信号源衰减的影响，提高了接地电阻测量的准确性。

4.通过输出交流信号测量接地电阻，避免了直流电压对不极化电极特性的影响，提高后续数据采集质量。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中一种测量接地电阻的装置示意图。

图2为本发明实施例中测量单元组成框图。

图3为本发明实施例中回路单元电路图。

图4为本发明实施例中一种测量接地电阻的方法流程图。

图5为本发明实施例中采集并计算对应频率信号值的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1为本发明实施例中一种测量接地电阻的装置示意图，该装置包括主控单元和多个测量单元。主控单元为运行有控制软件的PC机，通过局域网获取各测量单元布设的位置信息，再根据测量单元相对位置计算不同测量单元使用的频率值，最后将频率值通过局域网发送给测量单元。测量单元与外部***大地的电极连接，并通过主控单元设置的频率来测量两个电极之间的电阻，即接地电阻。

从图1可以看出，在测量单元同时测量接地电阻时，一个测量单元的电信号会通过大地传输到其它测量单元的输入端。利用本发明的装置可保证相近的测量单元输出不同频率的电信号，从而消除或者减小测量单元测量信号的相互影响。

图2为本发明实施例中测量单元的组成框图，测量单元包括采集单元和回路单元。采集单元包括嵌入式***和具有AD的采集板，用于设置回路单元的输出频率、开关状态，同时采集回路单元输出的电信号，并计算接地电阻；回路单元包括信号源、开关及电阻，用于接收采集单元的控制，输出对应频率的电信号，执行与接地电阻连接或断开的动作。

图3为本发明实施例中回路单元的电路图，图中包括信号源AC、第一分压电阻R0、第二分压电阻R1、开关K1、接地电阻Rd、电压采集端口A及电压采集端口B。其中信号源AC为CS4373芯片，其输出信号的振幅和频率受芯片内部寄存器控制，其寄存器读写控制管脚与采集单元连接；开关K1为模拟开关，其控制管脚与采集单元连接；电压采集端口A和电压采集端口B与采集单元的信号输入端连接；一般取R0和R1的值为1千欧。接地电阻Rd的计算公式为 式中R0为第一分压电阻，R1为第二分压电阻，V0为所述开关断开时对应频率的信号值，V1为开关闭合时对应频率的信号值；计算公式中的V0代表了信号源的输出电压，由于该值在每次测量接地电阻时都进行单独测量，所以消除了不同信号源输出电压变化的影响，使得测量结果更加准确。

图4为本发明实施例中一种测量接地电阻的方法流程图，图中包含以下步骤：

步骤S1：主控单元根据各测量单元的位置计算各测量单元的输出频率，使各个测量单元的信号互干扰最小；每个测量单元输出频率Fi的计算公式为Fi＝F0×Rf^(Ni％Nf)，式中F0为初始化频率，Rf为频率间隔系数，Nf为频率数，Ni为按相对位置排序后第i个测量单元的编号，％为取余算符。一般优选取F0＝1，Rf＝2，Nf＝10，则各测量单元的输出频率为1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1、2、4、......，具有相同频率的测量单元之间间隔了10个测量单元，两者之间产生的信号干扰已经可以忽略不计，使得接地电阻的测量结果更加准确，同时按照频率计算公式可以对测量单元的数量进行无限扩展，增加并行测量的数量，提高了测量效率。

步骤S2：主控单元向各测量单元分发可使用的输出频率，测量单元利用采集单元向回路单元中信号源寄存器写入对应的频率编码，并控制信号源输出对应频率的电信号；

步骤S3：利用采集单元控制回路单元中开关K1关断，断开信号源与接地电阻的连接，采集单元开始采集并计算对应频率的电信号值V0；步骤S4：利用采集单元控制回路单元中开关K1闭合，使信号源与接地电阻处于连接状态，采集单元开始采集并计算对应频率的电信号值V1；

步骤S5：计算接地电阻；接地电阻Rd的计算公式为 式中R0为第一分压电阻，R1为第二分压电阻；V0为所述开关断开时对应频率的信号值，V1为开关闭合时对应频率的信号值；计算公式中的V0代表了信号源的输出电压，由于该值在每次测量接地电阻时都进行单独测量，所以消除了不同信号源输出电压变化的影响，使得测量结果更加准确。

其中，所述步骤S3和步骤S4可以互换位置。

优选地，所述信号源输出对应频率的电信号为正弦波或者方波。

此外，所述初始化频率的初始值F0的范围为0.1Hz～1000Hz，频率间隔系数Rf范围为0.01～100，频率数Nf范围为1～100。

当所述频率数Nf小于测量单元的数量时，每个测量单元都使用不同频率电信号；当所述频率数Nf大于测量单元的数量时，部分测量单元使用了相同频率的电信号，同频率的测量单元之间在位置上间隔的数量与频率数Nf相同或为Nf的整数倍。具体的，所述各测量单元的位置可通过测量单元的定位模块获得或者通过手动设置获得，例如GPS。

图5为本发明实施例中的所述步骤S3和/或S4中采集并计算对应频率信号值的流程图，图5中包含以下步骤：

步骤S31：根据频率值计算出采样率Rt，Rt至少大于频率2倍以上；一般取Rt的值为16倍信号频率，采样率Rt的计算公式为：Rt＝16×Fi，式中Fi为采集的信号频率。如果Rt值为采集单元不能设置的采样率，则将Rt值调整为采集单元能设置的最大采样率。

步骤S32：通过向采集单元AD芯片寄存器写入采样率对应的码值，设置采集单元的采样率；

步骤S33：启动采集单元AD采集数据，连续采集N个周期的电压信号并存储；N个周期对应的采样点数P的计算公式为P＝N*Rt/Fi，式中Rt为采样率，Fi为信号频率；

步骤S34：利用傅里叶变换将存储的电压信号从时间域转换到频率域，得到P个频点的振幅和相位，每个频点都对应一个频率；

步骤S35：查找频谱序列中第N个频点的振幅值，该值则为对应频率的信号值。

综上可知，通过上述的装置和方法，能够使得本发明测量接地电阻的准确性和效率更高，且各测量单元之间在进行同步测量时不会相互干扰。需要提出的是，本申请发现多个测量单元同步测量时会产生相互干扰的现象不属于本领域技术人员能够简单或者已经发现的技术问题，即背景技术中的基于细节才能发现的技术问题的提出有难度。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种测量接地电阻的装置，其特征在于，所述装置包括一个主控单元和多个测量单元；

所述主控单元根据各测量单元的位置，计算出各测量单元使用的输出信号的频率值，并将频率值发送给测量单元；

所述测量单元用于输出对应频率的电信号以测量接地电阻。

2.根据权利要求1所述的一种测量接地电阻的装置，其特征在于，所述测量单元包括采集单元和回路单元；

所述采集单元用于设置回路单元的输出频率、开关状态，同时采集回路单元输出的电信号，并计算接地电阻；

所述回路单元用于接收采集单元的控制，输出对应频率的电信号，执行开关动作。

3.根据权利要求2所述的一种测量接地电阻的装置，其特征在于，所述回路单元包括信号源、第一分压电阻、第二分压电阻、开关及接地电阻；

所述信号源用于产生不同频率的电信号，信号源第一端与第一分压电阻第一端连接，信号源第二端与第二分压电阻第一端连接；

所述开关用于使第一分压电阻与接地电阻连接或断开，开关第一端与第一分压电阻第二端、采集单元输入第一端连接，开关第二端与接地电阻第一端连接；

所述接地电阻主要为接地电极与大地之间的接触电阻，接地电阻第二端与第二分压电阻第二端、采集单元输入第二端连接。

4.根据权利要求3所述的一种测量接地电阻的装置，其特征在于，所述测量单元测量接地电阻的计算公式为式中Rd为所述接地电阻，R0为所述第一分压电阻，R1为所述第二分压电阻，V0为所述开关断开时对应频率的信号值，V1为开关闭合时对应频率的信号值。

5.一种测量接地电阻的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤S1：主控单元根据各测量单元的位置计算各测量单元的输出频率，并发送给测量单元；

步骤S2：测量单元控制内部信号源输出对应频率的电信号；

步骤S3：测量单元控制内部开关，断开信号源与接地电阻的连接，采集并计算对应频率的电信号值V0；

步骤S4：测量单元控制内部开关，闭合信号源与接地电阻的连接，采集并计算对应频率的电信号值V1；

步骤S5：测量单元计算接地电阻。

其中，所述步骤S3和步骤S4能够互换位置。

6.根据权利要求5所述的一种测量接地电阻的方法，其特征在于，所述步骤S1中计算各测量单元的输出频率，包括如下步骤：

步骤S12：初始化频率初始值F0、频率间隔系数Rf及频率数Nf；

步骤S12：获取各测量单元的相对位置，并按相对位置的顺序依次对测量单元从0开始从小到大进行编号；

步骤S13：依次计算各测量单元的输出频率Fi，其中，Fi随着测量单元编号的变化而变化；

其中，Fi的计算公式为Fi＝F0×Rf^(Ni％Nf)，式中Ni为第i个测量单元的编号，％为取余算符。

7.根据权利要求5所述的一种测量接地电阻的方法，其特征在于，所述步骤S3和/或S4中采集并计算对应频率的信号值，包括如下步骤：

步骤S31：根据输出频率的频率值计算出采样率Rt，且Rt至少大于频率2倍以上；

步骤S32：设置采集单元的采样率；

步骤S33：采集N个周期的电压信号并存储；

步骤S34：利用傅里叶变换将存储的电压信号从时间域转换到频率域；

步骤S35：在频率域上获取对应频率的振幅值，该值则为所述对应频率的信号值。

8.根据权利要求6所述的一种测量接地电阻的方法，其特征在于，所述初始化频率的初始值F0的范围为0.1Hz～1000Hz，频率间隔系数Rf范围为0.01～100，频率数Nf范围为1～100。

9.根据权利要求6所述的一种测量接地电阻的方法，其特征在于：当所述频率数Nf小于测量单元的数量时，每个测量单元都使用不同频率电信号；当所述频率数Nf大于测量单元的数量时，部分测量单元使用了相同频率的电信号，同频率的测量单元之间在位置上间隔的数量与频率数Nf相同。

10.根据权利要求5所述的一种测量接地电阻的方法，其特征在于，所述各测量单元的位置通过测量单元的定位模块获得或者通过手动设置获得。