УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТА С УЧЕТОМ ИХ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Устройство относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для определения удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости грунта, зависимых от частоты.
Уровень техники.
Из существующего уровня техники известно устройство для измерения удельного сопротивления грунта, содержащее прибор GEO416 фирмы «НТ Instruments» [1], соединенный с измерительными токовыми и потенциальными электродами. Измерение удельного сопротивления выполняется методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) при использовании установки Веннера. Удельное сопротивление грунта определяется по формуле:
а
а
где k - коэффициента установки, V - измеренное между потенциальными электродами напряжение, I - сила тока, протекающего через токовые электроды. В случае установки Веннера, коэффициента установки k равен 2π, где  - расстояние между соседними электродами. Недостатком данного устройства является то, что удельное сопротивление измеряется на низкой частоте, в то время как для высокоомных грунтов удельное сопротивление существенно снижается с ростом частоты и использование низкочастотного удельного сопротивления для токов молнии приводит к чрезмерно большой ошибке [2]. Значение диэлектрической проницаемости также существенно изменяется с частотой. Поэтому конструкции заземлителей опор линий электропередачи и электрических подстанций должны выбираться с учетом частотной зависимости электрических параметров грунта. В настоящее время существует необходимость в измерительном устройстве, способном измерять электрические параметры грунта в широком диапазоне частот, соответствующих спектру частот токов молнии.
Для учета частотной зависимости электрических параметров грунта используются специальные методы измерения. Так, в работе [2] было предложено использовать полусферический электрод, в который вводится импульсный ток, и относительно которого измеряется потенциал на потенциальном электроде. После этого к измеренным току и напряжению применяется преобразование Фурье. Для перекрытия необходимого частотного диапазона используется несколько различных форм тока (с разными значениями длительности фронта и полу спада).
Измеренные комплексные ток и напряжение в частотной области связаны с удельным сопротивлением и диэлектрической проницаемостью через уравнение:
где ε - диэлектрическая проницаемость грунта, ω - угловая частота. Найдя отношение напряжения к току можно рассчитать значения удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости для данной частоты.
Недостатком данного подхода является то, что в измеренное напряжение входит падение напряжения на сопротивлении контакта полусферического электрода с окружающим грунтом. Данное сопротивление может достигать больших значений в случае высокоомных грунтов и приводить к существенным ошибкам измерений. Другим недостатком является продолжительное время измерения, связанное с подготовкой заземления полусферического электрода и удаленного заземления для создания цепи ввода тока в грунт.
Другой способ измерения параметров грунта основан на использовании образцов грунта [3]. Для учета неоднородностей в нем используются относительно крупные образцы грунта (с размерами 1.2 м × 0.2 м × 0.2 м). Образцы грунта берутся с глубины около одного метра. После взятия образца, через него пропускается синусоидальный ток и измеряется разность потенциалов между определенными его точками. Зная размеры образца, ток через него, разность потенциалов между двумя точками образца, а также координаты данных точек, можно рассчитать электрические параметры грунта.
Основным недостатком при таком подходе является чрезмерная трудоемкость измерений. Это приводит к большим трудностям в том случае, если необходимо провести множество измерений в различных местах. Другим недостатком является то, что плохопроводящие грунты (для которых частотная зависимость выражена наиболее ярко) часто свойственны для скалистых грунтов. В случае таких грунтов проводить земляные работы крайне затруднительно и времязатратно.
Наиболее близким является устройство измерения удельного сопротивления грунта с применением токов варьируемой частоты [4], содержащее блок генератора, токовые электроды, потенциальные электроды, пробник измерения напряжения, включенный между двумя потенциальными электродами, блок измерения тока, включенный между блоком генератора и токовым электродом, блок измерения электрических параметров, в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь (KR 20050063009 A, G01R 27/18, опубл. 28.06.2005). Устройство предназначено для измерения удельного сопротивления грунта при использовании токов различной частоты.
Генератор периодического сигнала выполнен на основе IGBT транзисторов, включенных по мостовой схеме, и генерирует сигнал прямоугольной формы. Частота задается микросхемой AD654, представляющей собой преобразователь напряжение-частота. Максимальная частота, которая может быть установлена данным преобразователем, равна 500 кГц.
В качестве источника питания используется переменное напряжение с действующим значением 200 В и частотой 60 Гц. Данное напряжение выпрямляется и служит питающим напряжением для генератора.
С выхода генератора напряжение подается на токовые электроды, что создает в грунте ток, который, в свою очередь, создает разность потенциалов между потенциальными электродами. Ток подается на вход трансформатора тока, а напряжение измеряется пробником для измерения напряжения. С выхода трансформатора тока и пробника сигналы через изолирующий разделитель попадают в цифро-аналоговый преобразователь.
После оцифровки сигналов, сигналы подаются в цифровой блок фильтрации, где устраняются частоты, отличающиеся от основной измерительной частоты. После этого сигналы попадают в анализатор импеданса, где измеряется их амплитуда и разность фаз между ними, что позволяет рассчитать значение удельного сопротивления на конкретной частоте.
Недостатком известного устройства является отсутствие оптоволоконной изоляции между цепями измерения напряжения и тока, что является необходимым для проведения измерений на частотах порядка нескольких МГц, поскольку другие методы изоляции не обеспечивают достаточной емкостной развязки между данными цепями. Другим недостатком является применение установки Веннера при измерениях, которая приводит к существенной ошибке измерений на частотах в несколько МГц. Также, поскольку для обработки сигналов в устройстве применяется персональный компьютер и сложный алгоритм вычислений измеряемых величин, а также отсутствует компактный блок питания для обеспечения питания генератора, данное устройство не является достаточно компактным (и, соответственно, удобным в применении).
Раскрытие сущности полезной модели.
Поставленной целью при создании данной полезной модели является улучшение технико-эксплуатационных свойств измерительного устройства. Технический результат, преследуемый полезной моделью, заключается в повышении точности измерения удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости грунта, расширении частотного диапазона измеряемых параметров, а также уменьшении временных затрат на измерения и уменьшении размеров самого измерительного устройства.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для измерения электрических параметров грунта с учетом их частотной зависимости, содержащее токовые электроды, потенциальные электроды, пробник измерения напряжения, включенный между двумя потенциальными электродами, блок измерения тока и блок генератора, соединенные между собой и при этом включенные между токовыми электродами, блок измерения электрических параметров, в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь, для электрической развязки пробник измерения напряжения соединен с аналого-цифровым преобразователем через оптоволоконный кабель и блок приемника, причем пробник измерения напряжения содержит дифференциальный пробник, соединенный с преобразователем напряжения в ток, который присоединен к передатчику, а также аккумулятор, соединенный с дифференциальным пробником, преобразователем напряжения в ток и передатчиком, а блок приемника содержит приемник для преобразования оптического сигнала в электрический, соединенный с блоком формирования напряжения.
Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- блок генератора был выполнен из управляемого напряжением усилителя, соединенного с цифро-аналоговым преобразователем и цифровым вычислительным синтезатором, генерирующим синусоидальный сигнал, причем цифро-аналоговый преобразователь и цифровой вычислительный синтезатор были бы соединены также с блоком измерения электрических параметров.
- блок измерения тока был выполнен из токового шунта, соединенного с блоком формирования тока, который был бы соединен с аналого-цифровым преобразователем, содержащемся в блоке измерения электрических параметров.
- устройство содержало блок питания, в состав которого входил бы аккумулятор, соединенный с блоком преобразования напряжений, который был бы соединен с блоком измерения электрических параметров, блоком генератора, блоком измерения тока и блоком приемника.
- блок питания, блок измерения электрических параметров, блок генератора, блок измерения тока и блок приемника были объединены в генераторно-измерительный модуль.
- в блок измерения электрических параметров были введены блок преобразования Фурье, блок расчета электрических параметров и блок USB, причем блок преобразования Фурье был бы соединен с аналого-цифровым преобразователем и блоком расчета электрических параметров, блок расчета электрических параметров был бы соединен с блоком преобразования Фурье и блоком USB, а блок USB был бы соединен с блоком расчета электрических параметров.
Краткое описание чертежей.
Сущность полезной модели и ее преимущества могут быть более детально пояснены нижеследующими рисунками, на которых изображены:
На фиг. 1 - функциональная схема устройства;
На фиг. 2 - схема подключения устройства при проведении измерений;
На фиг. 3 - результаты измерения удельного сопротивления и относительной диэлектрической проницаемости грунта с учетом их частотной зависимости.
Осуществление полезной модели.
Устройство для измерения электрических параметров грунта с учетом их частотной зависимости (см. Фиг. 1) содержит генераторно-измерительный модуль 1, соединенный с пробником измерения напряжения 2 через оптоволоконный кабель 3, а также с токовыми электродами 4 и 5. Пробник измерения напряжения 2 соединен с потенциальными электродами 6 и 7 и содержит дифференциальный пробник 27, соединенный с преобразователем напряжения в ток 28, который присоединен к передатчику 29, а также аккумулятор 26, соединенный с дифференциальным пробником 27, преобразователем напряжения в ток 28 и передатчиком 29. Генераторно-измерительный модуль 1 содержит блок измерения электрических параметров 9, соединенный с блоком генератора 10, блок измерения тока 11, блок приемника 12 и блок питания 8, соединенный с блоком измерения электрических параметров 9, блоком генератора 10, блоком измерения тока 11 и блоком приемника 12.
Блок генератора 10 содержит цифро-аналоговый преобразователь 19, цифровой вычислительный синтезатор 20 и управляемый напряжением усилитель 21. Цифровой вычислительный синтезатор 20 был использован для генерации сигнала, поскольку он способен задавать необходимую частоту с высокой точностью, а также может генерировать синусоидальный сигнал. В качестве цифрового вычислительного синтезатора была использована микросхема AD9834 фирмы «Analog Devices». AD9834 представляет собой цифровой вычислительный синтезатор с быстродействием 75 МГц, потребляемой мощностью 20 мВт и напряжением питания от 2.3 В до 5.5 В. Управляется данная микросхема через последовательный интерфейс SPI. Для того, чтобы управлять амплитудой генерируемого напряжения, был применен управляемый напряжением усилитель 21, а для формирования управляющего напряжения используется цифро-аналоговый преобразователь 19.
Блок измерения тока 11 состоит из токового шунта 22 и блока формирования тока 23. Блок формирования тока служит для усиления сигнала и приведения его к приемлемому для аналого-цифрового преобразователя виду.
Блок приемника 12 состоит из приемника 24 и блока формирования напряжения 25, функция которого аналогична функции блока формирования тока 23.
Блок измерения электрических параметров 9 основан на микроконтроллере LPC4370 фирмы «NXP Semiconductors)) и состоит из аналого-цифрового преобразователя 15, соединенного с блоком преобразования Фурье 16, который соединен с блоком расчета электрических параметров 17, который, в свою очередь, соединен с блоком USB. Микроконтроллер LPC4370 - это высокопроизводительный микроконтроллер, основанный на ядре ARM Cortex-M4 (работающем на частоте 204 МГц) и двух дополнительных ядрах ARM Cortex-М0. Данный микроконтроллер обладает основным статическим ОЗУ объемом 264 КБ и памятью для системного контроллера объемом 18 КБ, а также различными периферийными устройствами: последовательным интерфейсом линий ввода/ вывода, быстродействующим аналого-цифровым преобразователем, двумя высокоскоростными USB-контроллерами, контроллером широтно-импульсной модуляции, контроллерами различных последовательных интерфейсов и прочей аналоговой и цифровой периферией. Блок преобразования Фурье 16 и блок расчета электрических параметров 17 применены в настоящем устройстве вместо цифрового блока фильтрации и анализатора импеданса в известном устройстве, поскольку это позволяет существенно упростить алгоритм расчета и применить микроконтроллер вместо персонального компьютера. Это существенно уменьшает размеры измерительного устройства и повышает удобство его использования. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется встроенный в микроконтроллер LPC4370 высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь с частотой дискретизации 80 МГц и разрядностью 12 бит. Поскольку для оцифровки сигнала используются два канала, частота дискретизации каждого канала равна 40 МГц. Блок преобразования Фурье 16 и блок расчета электрических параметров 17 также выполнены на базе микроконтроллера LPC4370, т.е. данные блоки являются программными.
Блок питания 8 может быть создан в портативном исполнении. Это повысит компактность устройства и, соответственно, удобство его использования. В данном случае блок питания 8 содержит аккумулятор 13 и блок преобразования напряжений 14. В качестве аккумулятора 13 могут быть использованы литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Блок преобразования напряжений 14 служит для питания основных блоков генераторно-измерительного модуля 1 и формирует следующие напряжения: +3.3 В для питания цифрового вычислительного синтезатора 20, +5 В и -5 В для питания операционных усилителей, +15 В и +15 В для питания усилителя блока генератора 10. Поскольку в данном случае использованы два последовательно соединенных литий-ионных аккумулятора (т.е. суммарное напряжение на них составляет порядка 7.4 В), для получения напряжения +5 В был использован понижающий импульсный преобразователь напряжения. Для получения напряжения -5 В была использована микросхема МАХ660, представляющая собой монолитный преобразователь напряжения. Для получения напряжения +3.3 В был использован линейный стабилизатор напряжения. Для получения напряжений +15 В и -15 В был использован повышающий импульсный преобразователь напряжения на микросхеме XL6009.
Дифференциальный пробник 27 может быть основан на полевых транзисторах и операционном усилителе. Использование полевых транзисторов позволяет добиться высокого входного импеданса (высокого входного сопротивления и малой входной емкости) пробника, а также высокого импеданса относительно корпуса. Для питания светодиода передатчика 29 сигнал напряжения с выхода дифференциального пробника 27 должен быть преобразован в ток. Для этой цели применяется преобразователь напряжения в ток 28, основанный на применении операционного усилителя и биполярного транзистора. В качестве аккумулятора 26 может использоваться литий ионный аккумулятор. Для получения двуполярного питания могут использоваться два литий-ионных аккумулятора, либо один аккумулятор с применением импульсного преобразователя напряжения. Данный преобразователь может быть основан, например, на микросхеме TPS65130, представляющей собой специализированную микросхему для получения двуполярного питания.
Блок USB 18 служит для удобной передачи данных с устройства в персональный компьютер. В данном случае используется USB контроллер, встроенный в микроконтроллер LPC4370. Для передачи данных используется класс коммуникационного устройства USB.
Устройство для измерения электрических параметров грунта с учетом их частотной зависимости работает следующим образом.
Перед проведением измерений необходимо выполнить калибровку устройства. Это позволяет избавиться от ошибок измерения амплитуды и фазы. Поскольку цепи усиления и передачи сигнала по оптоволокну создают сдвиг фазы, его необходимо учитывать при измерениях, поскольку это приводит к существенной ошибке измерений. Также необходимо учитывать затухание сигнала при передаче его по оптоволокну. Поэтому калибровка амплитуды также необходима.
При измерениях в грунт забиваются два стержневых токовых электрода 4 и 5 и два стержневых потенциальных электрода 6 и 7. Предпочтительная установка ВЭЗ - дипольная. Причем диполи следует располагать перпендикулярно друг относительно друга для уменьшения электромагнитного влияния между измерительными цепями. Возможно также использование трехэлектродных установок (также при перпендикулярном расположении проводников). Расстояния между электродами выбираются исходя из необходимой глубины исследования. Как правило, глубина, на которой располагаются горизонтальные проводники заземлителей, составляет около 0.5-1 м. Соответственно, значение глубины исследования должно быть приблизительно того же порядка.
Существует два основных подхода для расчета значения глубины исследования [5, 6], основанных на понятии кривой глубины исследования. Кривая глубины исследования отражает зависимость вклада глубины бесконечно тонкого слоя грунта (через который протекает ток) в напряжение, измеренное на потенциальных электродах. В первом случае [5] за глубину исследования принимается глубина, соответствующая максимальному значению кривой глубины исследования. Во втором случае [6] используется медианное значение данной кривой.
Коэффициент установки рассчитывается по уравнению [7]:
1
2
1
2
где r и r - расстояния от первого потенциального электрода до первого и второго токового электрода, соответственно; R и R - расстояния от второго потенциального электрода до первого и второго токового электрода, соответственно.
Проводниками выход генераторно-измерительного модуля А присоединяется к токовому электроду 4, а выход устройства В - к токовому электроду 5. Выход пробника измерения напряжения С присоединяется к потенциальному электроду 6, а выход устройства D - к потенциальному электроду 7. Расположение токовых и потенциальных электродов зависит от выбранной установки и влияет на значение коэффициента установки, с помощью которого рассчитываются электрические параметры грунта. Перемена подключения токовых или потенциальных электродов приводит лишь к смене знака измеренных параметров грунта, поэтому использование модуля измеряемых величин позволяет использовать менять местами выходы А и В, а также выходы С и D. Во избежание электромагнитного влияния между измерительными цепями проводники, соединяющие выходы устройства с электродами, должны быть максимально короткими.
Напряжение, создаваемое блоком генератора, подается на токовые электроды 4 и 5, что создает ток через данные электроды, и это, в свою очередь, создает разность потенциалов между потенциальными электродами 6 и 7, которая измеряется при помощи пробника измерения напряжения 2. Введенный в грунт ток измеряется блоком измерения тока 11, который преобразует измеренный ток в напряжение. Кроме того, блок приемника 12, соединенный с пробником измерения напряжения 2 через оптоволоконный кабель 3, преобразует оптический сигнал также в напряжение. Полученные с выходов блока измерения тока 11 и блока приемника 12 напряжения подаются в аналого-цифровой преобразователь 15, который приводит измеренные напряжения к цифровому виду. Измеренные значения напряжений сохраняются в оперативной памяти микроконтроллера. Частота выборки аналого-цифрового преобразователя может регулироваться и она настраивается в зависимости от конкретной измеряемой частоты таким образом, чтобы было оцифровано достаточное количество периодов измеряемого сигнала.
После оцифровки сигналов, к ним применяется быстрое преобразование Фурье и находятся напряжение и ток для нужной частоты в комплексном виде. Далее, по формуле (2) рассчитываются искомые значения удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости с учетом коэффициента установки к.
Для калибровки и измерений генерируемые частоты рассчитываются таким образом, чтобы в заданном диапазоне частот их значения располагались в логарифмическом порядке.
При помощи управляемого напряжением усилителя напряжение генератора может регулироваться. Это необходимо, т.к. для разных установок ВЭЗ, амплитуда напряжения на потенциальных электродах 6 и 7 может сильно варьироваться. Поэтому для установок, при которых напряжение на потенциальных электродах 6 и 7 чрезмерно высоко, необходимо понижать амплитуду генерируемого сигнала, и соответственно, вводимый через токовые электроды 4 и 5 ток.
Полный процесс измерения состоит из следующих этапов (для определенной частоты): проведение калибровки измерительного устройства (во время которой устройство измеряет разность фаз между выходными сигналами цепей измерения тока и напряжения для одного и того же входного сигнала); выбор глубины исследования и установки ВЭЗ; расчет коэффициента установки; забивание токовых и потенциальных электродов, подключение устройства и запуск измерения. После запуска измерения, устройство производит следующие действия: измерение тока I(t) и напряжения V(f); применение преобразования Фурье к измеренному току и напряжению; корректировка разности фаз между I(ω) и V(ω) на значение угла, измеренного при калибровке; расчет удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости по уравнению (2); сохранение результатов измерений во внутреннюю память микроконтроллера. После этого данные с устройства могут быть переданы на персональный компьютер через интерфейс USB.
Заявленная полезная модель обеспечивает ток, достаточный для значений глубины исследования порядка долей-единиц метров, что является достаточным для большинства случаев заземлителей опор линий электропередачи и электрических подстанций. Верхняя граница частотного диапазона, для которого может применяться полезная модель, составляет порядка 5 МГц, что достаточно для охвата частотного спектра молниевых воздействий.
Заявленное устройство может быть промышленно применимо для точных измерений электрических параметров грунта (удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости), в особенности электрических параметров грунта в районах с плохопроводящими и скалистыми грунтами.
Источники информации
1. Earth ground tester with storage and downloand capabilities - https://www.ht-instruments.com/en/products/geo416/download/manual
2. Visacro S., Alipio R. Frequency dependence of soil parameters: experimental results, predicting formula and influence on the lightning response of grounding electrodes // IEEE Transactions on Power Delivery. 2012. T. 27. №2. C. 927-935.
3. Portela С.М. и др. Earth conductivity and permittivity data measurements: Influence in transmission line transient performance // Electric Power Systems Research. 2006. T. 76. №11. С 907-915.
4. Патент на изобретение KR 20050063009 A, МПК G01R 27/18, A device and method for measuring the soil resistivity using variable frequency currents.
5. Roy A., Apparao A. Depth of investigation in direct current methods // Geophysics. 1971. T. 36. №5. С 943-959.
6. Barker R. Depth of investigation of collinear symmetrical four-electrode arrays // Geophysics. 1989. T. 54. №8. C. 1031-1037.
7. Heiland С A. Geophysical exploration.: New York, Prentice-Hall, inc., 1946. 1040 c.