CN102798747A - 无线电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设计用于测量在电导体（20）中流动的电流（I）的无线电流传感器（10），所述无线电流传感器（10）包括：－电流互感器，包括磁芯，其被设计为围绕所述电导体（20）布置而形成所述互感器的初级，以及绕组（101），其围绕该磁芯制作并形成所述互感器的次级，以便当电流在该电导体中流动时取得电力；－电子电路，连接到该互感器的次级，该电子电路包括用于存储产生的电力的部件、用于测量在电导体（20）中流动的电流的部件、以及耦合到微控制器并使得可以发送测量数据的无线数据收发器。

Description

无线电流传感器

技术领域

本发明涉及使得可以测量在电导体中流动的电流的无线电流传感器。本发明的电流传感器使得可以测量在电导体中流动的电流并向远程总站发送测量数据。本发明的电流传感器通过借助在电导体中流动的电流的感应供电而具有电力自治的优点。

背景技术

从文献WO2008/142425或WO2010/119332已知无线的且电力自治（autonomous in electrical power）的电流传感器。这些文献提出使得可以测量在电导体中流动的电流的方案。为此，它们包括装有绕组且围绕电导体布置的环形磁芯（torus），电导体形成互感器的初级，而绕组形成互感器的次级。该配置既允许测量在电导体中流动的电流，又允许产生设计用于为电子测量电路供电的电力。这些方案为利用耦合到远程总站的无线发送器发送电流的测量数据作好准备。

本发明的目的在于，提供装有单个环形磁芯且电力自治的无线电流传感器，其使得可以优化用于测量作为可用电力的函数的电流的时间。

发明内容

通过一种设计用于测量在电导体中流动的电流的无线电流传感器来实现该目的，所述无线电流传感器包括：

－电流互感器，包括磁芯，其被设计为围绕所述电导体布置而形成所述互感器的初级，以及绕组，其围绕该磁芯制作并形成所述互感器的次级，以便当电流在该电导体中流动时取得电力；

－电子电路，连接到该互感器的次级，该电子电路包括：

－用于存储产生的电力的部件，

－用于测量在电导体中流动的电流的部件，包括借助存储在该用于存储电力的部件中的电力供电的微控制器，并使得可以产生在该电导体中流动的电流的测量数据，

－无线数据收发器，耦合到所述微控制器，并使得可以发送测量数据；

－至少两种不同的工作模式，该两种工作模式由于微控制器产生的测量数据以及由于在电导体中流动的电流的测量的持续时间而彼此不同；

－用于考虑所述测量的电流的值而确定从一种工作模式转变为另一种工作模式的部件。

根据一个特定特征，该电流传感器包括用于检测测量的电流的值的突然减少的部件、以及用于在检测到突然减少时激活该无线收发器以便发送测量数据的部件。

根据另一个特定特征，该用于存储电力的部件包括倍压器设备，其包括两个电容器和两个二极管。

根据另一个特定特征，该互感器的磁芯采用设计为围绕该电导体布置的环形磁芯的形式。

根据第一实施例，该电子电路包括用于在充电模式与测量模式之间进行选择的部件，在该充电模式下将电力存储在该用于存储电力的部件中，在该测量模式下使用电力来测量电流、确定测量数据、以及发送测量数据。

根据该第一实施例的一个特定特征，该选择部件采用两个晶体管的形式，该两个晶体管经由它们各自的漏极连接在一起，并且各自在漏极与源极之间装有二极管。

根据该第一实施例的另一个特定特征，该测量部件包括与该两个晶体管串联、并且与该用于存储电力的部件并联的测量电阻器。

根据第二实施例，该测量部件包括与该用于存储电力的部件串联的测量电阻器。因而该实施例不包括用于在充电模式与测量模式之间进行选择的选择部件。

根据该第二实施例的一个特定特征，该无线电流传感器包括设计用于检测电流故障的工作模式。该工作模式仅被允许用于第二实施例，因为其假定能够永久地测量电流。

根据本发明，在确定的工作模式下，电流传感器被配置为在发送测量数据之后对于一预定时段将无线收发器切换到接收模式，以便接收来自总站的数据。

附图说明

其他特征和优点将在参照附图进行的以下详细说明中显现，其中：

－图1示意性地表示包括本发明的无线电流传感器和设计用于收集电流测量数据的远程总站的系统；

－图2表示根据第一实施例的本发明的电流传感器的电子图；

－图3表示根据第一实施例的本发明的电流传感器的工作图；

－图4表示根据第二实施例的本发明的电流传感器的电子图；以及

－图5表示根据第二实施例的本发明的传感器的工作图。

具体实施方式

本发明涉及无线的且完全电力自治的电流传感器。

参照图1，本发明的无线电流传感器10被设计为测量在电导体20中流动的电流I。其采用附着到电导体、并且使得可以借助测量部件确定与在电导体中流动的AC电流关联的测量数据、以及借助传输部件向远程总站30发送测量数据的模块的形式。总站30例如包括设计用于显示测量数据或任何其他信息的显示器300。

本发明的以下部分中，“电流测量数据”意味着与在电导体20中流动的AC电流关联的任何数据，诸如：

－在电导体20中流动的平均电流的有效值；

－在给定测量时段上在电导体20中流动的最小电流的有效值；

－在给定测量时段上在电导体中流动的最大电流的有效值；

－在电导体20中流动的电流I的基频的等级；

－在电导体20中流动的电流的2次、3次、4次、5次谐波（如果必要甚至更高）的等级；

－电流谐波畸变率THDi；

－电流故障（电流过电压，随后转变为零）的存在；

－转变为零电流的瞬间，例如允许总站30计算功率因数

接着允许电流传感器10改善穿过电导体20的总功率的评估。为了让总站30确定功率因数，电流传感器10的无线传输必须与电流到零的转变同步。具体地，基于关于电流转变为零的瞬间的信息、以及关于施加到电导体且为总站30所知的电源电压转变为零的瞬间的信息，总站30可以因此确定该功率因数。

本发明的以下部分中，数据传输部件对应于既用于发送又用于接收数据的无线收发器E/R。

本发明的电流传感器10更准确地包括磁芯，其采用设计为被打算测量其电流的电导体20穿过的环形磁芯100的形式。围绕所述环形磁芯100制作绕组101。环形磁芯例如能够打开，以允许将其置于围绕电导体20。当电流传感器10在电导体20上就位时，电导体20于是形成电流互感器的初级，而绕组101形成所述电流互感器的次级。借助该架构，在电流互感器的次级中流动的电流是在电流互感器的初级中流动的电流I的镜像。

本发明的以下部分中，测量的电流是在互感器的次级中流动的电流，但是应当理解，其对应于在电导体20流动的初级电流I，因为其是初级电流的镜像。

本发明的电流传感器10还包括电子电路，封闭在其模块中并且直接连接到次级的两条绕组导线101。该电子电路包括用于存储借助电流互感器产生的电力的部件、由存储在用于存储电力的部件中的电力供电的前面提到的测量部件和无线收发器。测量部件包括微控制器UC，其与两个线性稳压器LDO关联，并且特别地使得可以确定将要向总站发送的测量数据、并作为存储在电流传感器10中的预先设定的操作规则的功能随时间管理这些测量数据的发送。测量部件还包括测量电阻器Rm，优选地具有低的值（例如等于1欧姆）。无线收发器E/R例如为射频型。当然可以设想任何其他无线技术。

根据本发明，该电子电路可以采用图2和4中所示的两种不同的组装的形式。

在两种建议的组装中，电流I的测量不总是永久性的。取决于应用的工作模式，电流测量的时段可以改变。该测量时段依赖于在电导体20中测量的电流I的有效值、以及依赖于在用于存储电能的部件的端子处测量的电压的值而改变。

图2中所示的第一组装示出在充电模式和测量模式之间不连续地工作的特定特征。在充电模式下，次级电流进入用于存储电力的部件，但不通过该测量电阻器Rm。在测量模式下，次级电力穿过该测量电阻器Rm而不是用于存储电力的部件。因而该传感器包括用于在测量模式与充电模式之间进行选择的选择部件。优选地在电流传感器处于充电模式时发送测量数据。

更准确地，该第一组装包括包含测量电阻器Rm和形成选择部件的开关的第一电路回路、以及与第一电路回路并行组装且包含用于存储电力的部件的第二电路回路。在第一电路回路上，该开关与测量电阻器串联组装。当该开关处于闭合状态时，次级电流进入第一电路回路，即，通过该测量电阻器Rm，而当该开关处于断开状态时，次级电流经由第二电路回路前进并且用于对用于存储电力的部件充电。该开关例如由两个经由各自的漏极串联在一起的N沟道MOSFET型晶体管T1、T2构成。每个MOSFET晶体管在其漏极与其源极之间装有二极管。该两个二极管朝向相反的方向。两个晶体管T1、T2各自由微控制器UC发出的控制信号S1、S2控制。该组装使得可以管理次级电流的两种交替。用于存储电力的部件例如由以“Latour”倍压器的形式布置在一起的两个电容器C1、C2和两个二极管D1、D2构成，使得可以在两个电容器之一中取得在电流的正交替期间产生的电力并在另一个电容器中取得在电流的负交替期间产生的电力。与电容器C1、C2并联连接的两个线性稳压器LDO使得可以各自向微控制器UC以及向无线收发器E/R递送恒定电压。当通过微控制器将开关控制为闭合状态时，关于在测量电阻器Rm的端子处的电压的测量的一项信息允许其减少电流的有效值。关于在电容器之一C1的端子处的电压的值Vs的一项信息也被周期性地发送到微控制器UC，以便永久性地监视可用电力。微控制器UC使用这两项信息来选择电流传感器10的工作模式，特定工作模式通过在确定的时间段上测量的持续时间以及通过产生的测量数据而彼此不同。电流传感器可以特定地在仅考虑测量的电流I的同时从一种工作模式切换到另一种工作模式。

该第一组装的优点在于，在测量模式下，在测量电阻器Rm的端子处的电压的波形是在电导体20中流动的电流I的忠实镜像。特别地，因为测量电阻器Rm的低的值，在测量模式下，电流互感器的次级处于接近于短路的配置。因而该组装完美地适合于电流I的谐波的测量以及电流互感器的初级和次级之间的相位转变的控制。

对于图2中所示的该第一组装，当无法永久性地测量电流时，传感器的一个工作周期包括：

-用于存储电力的部件的充电时间；

-晶体管T1、T2的传导的顺序（order）；

-测量的电流的稳定时间；

－电流测量时间；

－各晶体管的断开的顺序；

－无线传输时间。

对于该第一组装，可以区分下列工作模式：

模式0－I≈0

－在电导体20中流动的电流I太低而不能够给电流传感器10的电子电路供电。

模式1－2≤I≤5A

－在电导体20中流动的电流I低但是足够给电流传感器10的电子电路供电，模数转换器（ADC）除外。

－不进行电流测量。

－由无线收发器E/R周期性地发送，低电流在电导体20中流动。

模式2－5≤I≤7A

－在电导体20中流动的电流I变得足够给电流传感器10的电子电路供电，包括模数转换器（ADC）。

－在例如电流传感器10的工作周期Te（例如Te=2s）的30%上测量电流I。

－每当电容器C1的端子处的电压Vs高于确定的阈值（例如等于5.1V），就测量电流I，并且由无线收发器E/R发送测量数据。

－由微控制器UC确定的测量数据是测量的电流I的有效值和电力的量。

模式3－7≤I≤20A

－在例如电流传感器10的工作周期Te（例如Te=2s）的30%上测量电流。

－测量数据是测量的电流的有效值、电力的量、特定谐波的等级、转变到零电流的瞬间。

－在发送之后在接收模式下工作：传感器可以在测量数据发送之后切换到接收模式。传感器无法永久地保持侦听，因为那样将消耗过多电力。因此，其在数据发送之后以短暂的确定的时段切换到接收模式以便能够从总站30接收数据。这些数据例如可以是电压的有效值、功率因数

或与电流传感器10的发送的时段关联的信息项。

模式3.2

－除测量时段之外与模式3等价的模式。

－可以在其工作周期的100%上测量电流，只要电容器C1的端子处的电压高于或等于确定的5.1V的阈值。

－该工作模式是允许电流传感器10通过有意消耗特定量的电力从模式3切换到模式2的暂时的模式。

模式4－20≤I≤100A

－在例如传感器的工作周期Te（例如Te=2s）的50%上测量电流I。

－由微控制器UC确定的测量数据是测量的电流I的有效值、电力的量、特定谐波的等级、转变到零电流的瞬间。

－在发送之后在接收模式下工作。

模式5－100≤I≤700A

－在传感器的工作周期Te（例如Te=2s）的80%上测量电流I。

－由微控制器UC确定的测量数据是测量的电流I的有效值、电力的量、特定谐波的等级、转变到零电流的瞬间。

－在发送之后在接收模式下工作。

停止模式

－当电流传感器10检测到测量的电流值的突然减少时，进行测量并立即发送测量数据。

结合下表在图3中更准确地解释从一种模式转变到另一种模式的条件。

初始工作模式	条件	最终工作模式
			0	Vs>2.8V	1
1	Vs>5.1V	2
			1	Vs<2.7V	0
2	I>7A或在发送之后Vs>5.1V	3
			3	5<I<7A	3.2
3.2	Vs<5.1V	2
			3	I>20A	4
4	7<I<20A	3
			4	I>100A	5
4	5<I<7A	2

5	20<I<100A	4
			5	7<I<20A	3
5	5<I<7A	2
			2、3、4、5	I<5A或Vs<5.1V	停止
停止	Vs<2.7V	0

在该第一表中，电压和电流的数值作为示例给出。

图4中所示的第二组装允许测量和充电的连续工作。相对于第一组装，第二组装并不使用开关在充电模式与测量模式之间进行选择。在该组装中，“Latour”倍压器被再次使用并直接连接到电流互感器的次级的绕组101。将测量电阻器Rm连接到两个电容器的中点。如同在第一组装中，两个线性稳压器LDO与两个电容器C1、C2并联连接，并且用于调节微控制器UC和无线收发器E/R的供电。在电容器之一C1的端子处可用的电压也被监视并且发送到微控制器以便永久地确保电压Vs以及由此可用的电力。由于能够永久地监视电流，该方案具有能够检测电流故障的优点。通过检测从相对高电流（例如大于20A）到零电流的突然转变来应用该功能。

对于该第二组装，当无法永久性地测量电流时，传感器的一个工作周期包括：

－用于存储电力的部件的充电时间；

－测量的电流的稳定时间；

－电流测量时间；

－无线传输时间。

当在工作周期的100%上测量电流时，由微控制器UC并行完成其他任务。

对于该第二组装，如下是各种工作模式：

模式0－I≈0

－在电导体20中流动的电流I太低而不能够给电流传感器10的电子电路供电。

模式1－2≤I≤5A

－在电导体20中流动的电流I低但是足够给电流传感器10的电子电路供电，模数转换器（ADC）除外。

－不进行电流测量。

－由无线收发器E/R周期性地发送，低电流在电导体中流动。

模式2－5≤I≤7A

－在电导体20中流动的电流I变得足够给电子电路供电，包括模数转换器。

－在传感器的工作周期Te（例如Te=2s）的30%上测量电流。

－每当电容器C1的端子处的电压Vs高于预定阈值（例如等于5.1V），就测量电流，并且由无线收发器E/R发送测量数据。

－由微控制器UC确定的测量数据是测量的电流的有效值和电力的量。

模式3－7≤I≤20A

－在例如电流传感器10的工作周期Te（例如Te=2s）的30%上测量电流。

－由微控制器UC确定的测量数据是测量的电流的有效值、电力的量、特定谐波的等级、转变到零电流的瞬间。

－在发送之后在接收模式下工作：该工作模式在上面为第一组装定义。

模式3.2

－除测量时段之外与模式3等价的模式。

－可以在其时段的100%上测量电流，只要电容器C1的端子处的电压Vs高于或等于确定的5.1V的阈值。

－该工作模式是允许电流传感器10通过有意消耗特定量的能量从模式3切换到模式2的暂时的模式。

模式4－20≤I≤700A

－在传感器的工作周期Te（例如Te=2s）的100%上测量电流。

－由微控制器UC确定的测量数据是测量的电流的有效值、电力的量、特定谐波的等级、转变到零电流的瞬间。

－在发送之后在接收模式下工作。

模式5－700A≤I

－检测电流故障的模式。

－以非常小的采样周期Td在传感器的工作周期Te的100%上测量电流，使得可以尽可能快地检测电流故障。如果在每个采样周期Td的瞬间电流保持为正，则传感器切换回工作模式4。另一方面，如果在采样周期Td的瞬间电流变成零，则检测到电流故障。

模式6－电流故障－警报消息

－已经检测到电流故障。

－产生警报消息。

停止模式

－当电流传感器10检测到电流I的值突然减少时，进行测量并立即发送测量数据。

结合下表在图5中更准确地解释从一种模式转变到另一种模式的条件。

初始工作模式	条件	最终工作模式
			0	Vs>2.8V	1
1	Vs>5.1V	2
			1	Vs<2.7V	0
2	I>7A或在发送之后Vs>5.1V	3
			3	5<I<7A	3.2
3.2	Vs<5.1V	2
			3	I>20A	4
4	7<I<20A	3
			4	I>700A	5
5	在Td结束之后I≠0	4
			5	在Td之后I=0	6
4	5<I<7A	2
			2、3、4、6	I<5A或Vs<5.1V	停止
停止	Vs<2.7V	0

在该第二表中，电压和电流的数值作为示例给出。

Claims (11)

1.一种设计用于测量在电导体（20）中流动的电流（I）的无线电流传感器（10），所述无线电流传感器（10）包括：

－电流互感器，包括磁芯，其被设计为围绕所述电导体（20）布置而形成所述互感器的初级，以及绕组（101），其围绕该磁芯制作并形成所述互感器的次级，以便当电流在该电导体中流动时取得电力；

－电子电路，连接到该互感器的次级，该电子电路包括：

－用于存储产生的电力的部件，

－用于测量在电导体（20）中流动的电流的部件，包括借助存储在该用于存储电力的部件中的电力供电的微控制器（UC），并使得可以产生在该电导体（20）中流动的电流的测量数据，

－无线数据收发器（E/R），耦合到所述微控制器（UC），并使得可以发送该测量数据，

特征在于，该电流传感器（10）包括：

－至少两种不同的工作模式，该两种工作模式由于微控制器产生的测量数据以及由于在电导体（20）中流动的电流（I）的测量的持续时间而彼此不同；

－用于考虑所述测量的电流（I）的值而确定从一种工作模式转变为另一种工作模式的部件。

2.根据权利要求1所述的无线电流传感器（10），特征在于，其包括用于检测测量的电流（I）的值的突然减少的部件，以及用于在检测到突然减少时激活该无线收发器（E/R）以便发送测量数据的部件。

3.根据权利要求1或2所述的无线电流传感器，特征在于，该用于存储电力的部件包括倍压器设备，其包括两个电容器（C1、C2）和两个二极管（D1、D2）。

4.根据权利要求1至3之一所述的无线电流传感器，特征在于，该互感器的磁芯采用设计为围绕该电导体（20）布置的环形磁芯（100）的形式。

5.根据权利要求4所述的无线电流传感器，特征在于，该环形磁芯（100）能够开启。

6.根据权利要求1至5之一所述的无线电流传感器，特征在于，该电子电路包括用于在充电模式与测量模式之间进行选择的部件，在该充电模式下将电力存储在该用于存储电力的部件中，在该测量模式下使用电力来测量电流、确定测量数据、以及发送测量数据。

7.根据权利要求6所述的无线电流传感器，特征在于，该选择部件采用两个晶体管（T1、T2）的形式，该两个晶体管经由它们各自的漏极连接在一起，并且各自在漏极与源极之间装有二极管。

8.根据权利要求7所述的无线电流传感器，特征在于，该测量部件包括与该两个晶体管（T1、T2）串联、并且与该用于存储电力的部件并联的测量电阻器（Rm）。

9.根据权利要求1至4之一所述的无线电流传感器，特征在于，该测量部件包括与该用于存储电力的部件串联的测量电阻器（Rm）。

10.根据权利要求9所述的无线电流传感器，特征在于，其包括设计用于检测电流故障的工作模式。

11.根据前述权利要求之一所述的无线电流传感器，特征在于，在确定的工作模式下，其被配置为在发送测量数据之后，对于一确定的时段，将该无线收发器（E/R）切换到接收模式，以便接收来自总站（30）的数据。

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