[发明专利]一种交流地电位梯度电压信号测量装置

说明书

一种交流地电位梯度电压信号测量装置，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有波形发生器电路。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。

技术领域

本发明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

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。

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。

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。

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：

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。

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