超声波局放检测仪校验方法优化

发布时间：2019-12-01 05:17

【摘要】：文章提出现行超声波局部放电检测仪校验方法中的两个问题:无法真实反映局部放电产生的脉冲超声波工况,无法对超声波在介质中传播而产生的纵波和表面波区别分析。针对第一个问题,文章运用FFT方法分析了波形频带,提出使用上位机控制超声波信号源产生脉冲波和包络正弦波,而不是连续正弦波,并提出相应的灵敏度实验方法;针对第二个问题,文章通过对声波传输路径的分析计算,选择底面直径600 mm、高度300mm的圆柱体钢制试块为实验平台,理论上能够达到区分纵波和表面波的目的。文章最后通过实验对优化方法进行了验证,得到了相关传感器的灵敏度曲线,并以声速为依据进行判断,验证了该方案能有效区分超声波在介质中的类型。
【图文】：

框图,系统原理,框图

1方案原理本文所述超声波局放检测计量方案采用标准表法，标准计量装置由标准超声信号源［2］、宽频功率放大器、超声换能器、标准传声器［3］、数据处理单元和上位机几部分组成，原理框图如图1所示。图1系统原理框图［4］Fig．1Systemprincipleblockdiagram［4］该方案中的核心问题在于标准信号源形式的选择，传输路径与传输介质的确定，以及传声器输出信号的调理采集及数据分析方法。对于现行计量方法无法反映局部放电脉冲超声波情况的问题，本方案使用自制的标准信号源产生波形宽度一定的窄脉冲波形(而非连续正弦波)，来模拟电气设备局部放电瞬间发出的脉冲超声波情况。同时，为了对超声波局放检测仪中的声传感器进行校准，本方案选用了特定的信号波形(脉冲波和包络正弦波)，通过一定的试验方法，达到对包括传感器特性在内的整个仪器进行评估的目的。对于现行计量方法不能较好地区分声波传输过程中产生的表面波和纵波的问题，本方案根据相关标准中提到的特定材料的钢制试块中声波传输速度的不同，计算分析后，选择订做了一块直径600mm，高300mm的钢制介质，借此通过实验方法对介质中的表面波和纵波进行区分。2波形选择与参数设计声发射部分，本方案通过上位机LabVIEW程序控制标准信号源，发出脉冲波、包络正弦波信号，如图2、图3所示。用来对被检设备的传感器进行灵敏度试验。灵敏度试验［5－6］大体分为以下三部分:(1)控制标准信号源产生脉冲波激励，对测得信号进行有效的傅里叶分析，得到被检传感器在20kHz～200kHz范围内的相对灵敏度曲线，即暂未得到各频率点的具体灵敏度值;图2脉冲波形Fig．2Pulsewave图3包络正弦波形Fig．3Envelopesinewave(2)通过相对灵敏度曲线确定被检传感器的谐振

脉冲波形,脉冲波形

器进行校准，本方案选用了特定的信号波形(脉冲波和包络正弦波)，通过一定的试验方法，达到对包括传感器特性在内的整个仪器进行评估的目的。对于现行计量方法不能较好地区分声波传输过程中产生的表面波和纵波的问题，本方案根据相关标准中提到的特定材料的钢制试块中声波传输速度的不同，计算分析后，选择订做了一块直径600mm，高300mm的钢制介质，，借此通过实验方法对介质中的表面波和纵波进行区分。2波形选择与参数设计声发射部分，本方案通过上位机LabVIEW程序控制标准信号源，发出脉冲波、包络正弦波信号，如图2、图3所示。用来对被检设备的传感器进行灵敏度试验。灵敏度试验［5－6］大体分为以下三部分:(1)控制标准信号源产生脉冲波激励，对测得信号进行有效的傅里叶分析，得到被检传感器在20kHz～200kHz范围内的相对灵敏度曲线，即暂未得到各频率点的具体灵敏度值;图2脉冲波形Fig．2Pulsewave图3包络正弦波形Fig．3Envelopesinewave(2)通过相对灵敏度曲线确定被检传感器的谐振频率点;(3)控制标准信号源产生谐振频率的脉冲包络波，计算得到该频率点的绝对灵敏度值，从而确定20kHz～200kHz范围内灵敏度曲线各点的绝对灵敏度值。按以下非周期性有限长离散信号x(n)的DFT计算公式进行傅里叶分析［7］:X(k)=∑N－1n=0x(n)WnkN(1)WN=e－j2πN，k=0，1，…，N－1(2)分析后可知，脉冲波形脉宽越小，脉冲所包含的频率成分越丰富。理想情况下，冲击信号的频谱图将是包含整个频域的平坦直线，如图4所示。实际应用中不存在理想的冲击信号，针对GIS变电站高压设备绝缘介质局部放电产生的20kHz～200kHz的超声波频率范围，本方案选择使用脉宽100ns的尖脉冲信号作为激励源，激励超声换?

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