CN104880987A - 电流监控模块 - Google Patents

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朱海华
韩连生
王建国
白建民
黎伟
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Abstract

本发明公开了电流监控模块，包括电流保护单元和用电计量单元，电流保护单元包括第一聚磁环、第一磁性传感器芯片和漏电流处理芯片，用电计量单元包括第二聚磁环、第二磁性传感器芯片、过流处理芯片和电量处理芯片；本发明提出的一种可同时实现过流保护、漏电保护和电量计量的电流监控模块，且该模块具有更高的精度和灵敏度和非常小的体积，可集成于智能插座等小型电器中。

Description

电流监控模块
技术领域
本发明涉及电流传感器领域，特别是电流监控模块。
背景技术
在家居、工业和医疗等领域，用电安全是尤为重要的，因此要对系统供电的电流和电量大小以及漏电情况进行实时监控，如果有漏电或负载过大的情况，必须要做出准确的判断和及时的响应。
目前主流的漏电流测量采用的是互感器，互感器由闭合磁芯和线圈构成，采用互感器检测漏电流的漏电断路保护器的工作方式是：同一回路的两根导线穿过磁芯内部，由于每根导线上的电流大小相等，方向相反，所以，其总的电流矢量和为零，当发生漏电时，由于回路有了分支，因此穿过互感器磁芯的电流矢量和不再等于零，互感器次级有感应电势产生，从而推动执行机构跳开主回路，起到保护作用。采用闭合磁芯的互感器在测量漏电流时有一个缺陷，那就是在直流分量作用下磁导率会迅速下降而饱和，采样值随之迅速降低，从而出现误判，错判现象，进而对家居、工业以及医疗等领域的用电安全带来极大的隐患。
目前主流的电流测量采用的以霍尔材料为敏感元件的电流传感器，霍尔电流传感器通常包含开环的聚磁环结构，带电导线穿过聚磁环的中心，霍尔元件通过测量汇集到聚磁环开口的磁场强度来测量导线的电流大小。但是霍尔电流传感器的精度和灵敏度都非常低，且体积较大，温度特征很差，不能够满足现代家居、工业以及医疗等领域对电流计量的高精度的要求。
随着现代智能家居的推广，对家用电器的体积、多功能和智能化有了更高的要求，如海尔公司推出的智能插座系列（可参见中国公开号CN103187666A的专利：带计量功能的智能插座），可将电量计量模块集成在插座中。不过，现有的技术中，还没有能够将漏电检测、电流测量和电量测量集成在一个模块中。由上述不难看出，现有的电流监控设备已经不能满足现代化家居、工业以及医疗等领域的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供电流监控模块，可同时实现过流保护、漏电保护和电量计量，且该模块具有更高的精度和灵敏度和非常小的体积，可集成于智能插座等小型电器中。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的电流监控模块，包括电流保护单元和用电计量单元，电流保护单元包括第一聚磁环、第一磁性传感器芯片和漏电流处理芯片，用电计量单元包括第二聚磁环、第二磁性传感器芯片、过流处理芯片和电量处理芯片；其中，
第一聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，第一聚磁环的内部穿有两条电流流向相反的电流导线；
第一磁性传感器芯片，位于第一聚磁环的气隙内，用来测量第一聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出第一电信号至漏电流处理芯片；
漏电流处理芯片，用来将第一电信号处理后输出漏电流信号；
第二聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，第二聚磁环的内部穿有一条电流导线；
第二磁性传感器芯片，位于第二聚磁环的气隙内，用来测量第二聚磁环气隙处汇聚的磁场场强并输出第二电信号至过流处理芯片和电量处理芯片；
过流处理芯片，用来将第二电信号处理后输出电流信号；
电量处理芯片，用来将第二电信号处理后输出电量信号。
作为本发明所述的电流监控模块进一步优化方案，所述第一聚磁环、第二聚磁环上均缠绕有消磁线圈。
作为本发明所述的电流监控模块进一步优化方案，还包括包覆电流保护单元和用电计量单元的屏蔽外壳。
作为本发明所述的电流监控模块进一步优化方案，所述屏蔽外壳为金属材料。
作为本发明所述的电流监控模块进一步优化方案，所述第一磁性传感器芯片、第二磁性传感器芯片均是由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁性传感元件为霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出了一种可同时实现过流保护、漏电保护和电量计量的电流监控模块，且该模块具有更高的精度和灵敏度和非常小的体积，可集成于智能插座等小型电器中。
附图说明
图1是本发明提出的电流监控模块的工作示意图。
图2是本发明提出的电流监控模块的结构示意图。
图3是电流保护单元的结构示意图。
图4是用电计量单元的结构示意图。
图5是磁性传感器芯片的输出曲线示意图。
图中的附图标记解释为：13-电流进的导线，14-电流出的导线， 31-流经13的电流值I1，32-流经14的电流值I2，51-电流保护单元，52-用电计量单元，53-微处理器，54-继电器，17-屏蔽外壳，12a-电流保护单元中的第一聚磁环，12b-用电计量单元中的第二聚磁环，1-第一敏感轴，2-第二敏感轴，11a-第一磁性传感器芯片，11b-第二磁性传感器芯片，15-漏电流处理芯片，18-电量处理芯片，19-过流处理芯片，21a-第一磁场，21b-第二磁场。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
电流监控模块，包括电流保护单元51和用电计量单元52，电流保护单元包括第一聚磁环12a、第一磁性传感器芯片11a和漏电流处理芯片15，用电计量单元包括第二聚磁环12b、第二磁性传感器芯片11b、过流处理芯片19和电量处理芯片18；其中，
第一聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，第一聚磁环的内部穿有两条电流流向相反的电流导线；
第一磁性传感器芯片，位于第一聚磁环的气隙内，用来测量第一聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出第一电信号至漏电流处理芯片；
漏电流处理芯片，用来将第一电信号处理后输出漏电流信号；
第二聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，第二聚磁环的内部穿有一条电流导线；
第二磁性传感器芯片，位于第二聚磁环的气隙内，用来测量第二聚磁环气隙处汇聚的磁场场强并输出第二电信号至过流处理芯片和电量处理芯片；
过流处理芯片，用来将第二电信号处理后输出电流信号；
电量处理芯片，用来将第二电信号处理后输出电量信号。
所述第一聚磁环、第二聚磁环上均缠绕有消磁线圈。本发明还包括包覆电流保护单元和用电计量单元的屏蔽外壳17。所述屏蔽外壳为金属材料。
图1是本发明提出的电流监控模块的工作示意图,图2是本发明提出的电流监控模块的结构示意图。如图1和图2所示，本发明提出的电流监控模块包括电流保护单元51以及用电计量单元52，电流保护单元51用以测量漏电流，并将漏电流输出信号传递至后端的微处理器53，用电计量单元52用以测量电流和电量大小，并将输出信号传递至后端的微处理器53，微处理器53判定电流保护单元51和用电计量单元52的输出信号是否安全，若有漏电流，或电流过大，或回路负载过大，微处理器53通过控制继电器54切断用电回路，保证用电安全。
图2是本发明提出的电流监控模块的结构示意图。待检测电流导线13、14穿过电流保护单元中的第一聚磁环12a，待测电流导线13穿过用电计量单元中的第二聚磁环12b，第一聚磁环、第二聚磁环均为带气隙的金属环状结构，其气隙处设置有第一磁性传感器芯片11a，第二磁性传感器芯片11b（如图3和图4所示），其敏感轴1和2垂直于第一聚磁环12a和第二聚磁环12b的横截面，且与第一聚磁环12a和第二聚磁环12b的气隙中心处的切线平行。敏感轴与聚磁环气隙处的切线平行是本发明提出的电流监控模块的一种设计，但不局限于此，敏感轴也可以和聚磁环气隙处的切线垂直或呈一定角度，通过测量聚磁环气隙处磁场沿敏感轴方向的分量进行测量，且敏感轴1和敏感轴2的方向可以相同，也可以不相同。
用电计量单元：电流进的导线13通有电流I1（31），因此在导线周围产生感应磁场，第二聚磁环12b将感应磁场汇集到气隙处，第二磁性传感芯片11b感应到第二磁场21b，进而产生输出，其输出信号通过过流处理芯片19和电量处理芯片18（图2中未标示）处理后分别输出至微处理器53。
电流保护单元：电流进的导线13，电流出的导线14分别为电流进的导线和电流出的导线，若没有漏电发生，则电流进的导线13的电流值I1（31）和电流出的导线14的电流值I2（32）相等且方向相反，则在电流进的导线13和电流出的导线14附近产生的合磁场可近似为零，因此第一聚磁环12a不会产生感生磁场，第一磁性传感器芯片11a的输出为零。若有漏电现象，则电流进的导线13的电流值I1和电流出的导线14的电流值I2不等，第一聚磁环12a将流导线13和14附近产生的合磁场汇集至气隙处，第一磁性传感芯片11a感应到第一磁场21a，进而产生输出，其输出信号由漏电流处理芯片15（图2中未标示）处理后输出至微处理器53。由于采用带气隙的聚磁环结构，在直流分量的作用下，聚磁环的磁导率不会迅速衰减，其饱和场相比于闭合磁环要高得多。为了降低磁滞，第一聚磁环12a和第二聚磁环12b可缠绕一定匝数的线圈。
为了避免外部的电流和磁场的干扰，所述电流监控模块还包括一个屏蔽外壳17，该屏蔽外壳17为金属材料，将电流保护单元51和用电计量单元52包覆其中。
上述过流处理芯片19和漏电流处理芯片15为普通运放结构，直接和第一磁性传感器芯片11a、第二磁性传感器芯片11b连接然后输出电流信号。电量处理芯片18可采用现有的成熟的电量计量芯片，如HiTrendtech公司的电能计算IC系列。电量处理芯片的输入端分别和第二磁芯传感器芯片11b以及用电回路连接，输出电量信号。本发明提出的监控模块实际上是一个用于提供输出信号的传感器组，将漏电、过流和电量测量集成在一个传感器模块中，因此微处理器53和继电器54并不包括在该模块中。微处理器53可以是一个单片机，在实际使用中可根据用途设置相关用电参数进行定制，如中国公开号CN103187666A的专利：带计量功能的智能插座中采用的HiTrendtech公司的ATT7037芯片。
所述第一磁性传感器芯片、第二磁性传感器芯片均是由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁性传感元件为霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。磁性传感元件可选用饱和场较大且精度很高的巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。巨磁电阻元件和磁性隧道结元件是一种阻值随外磁场变化而变化的磁电阻元件，通过现有的技术磁电阻元件的R-H（阻值-外磁场）曲线具有低磁滞，高饱和场和宽线性范围的特性，相对于传统的磁性传感元件如电感线圈和霍尔元件具有更高的精度和更好的温度特性，相比于各向异性磁电阻元件具有更高的饱和场，其作为漏电传感器的敏感元件是最理想的。
第一磁性传感器芯片、第二磁性传感器芯片可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。其中，半桥或全桥结构为最优的选择，其输出曲线如图5所示，图5是磁性传感器芯片的输出曲线示意图。其中，VMAX+和VMAX-为最大输出值，HS为饱和场，其工作区域为输出曲线的线性区域。
巨磁电阻元件以及磁性隧道元件的结构图和工作原理，以及磁性传感器芯片的具体工作方式可参考公开号为CN103645369A的中国专利：一种电流传感装置。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.电流监控模块，包括电流保护单元和用电计量单元，其特征在于，电流保护单元包括第一聚磁环、第一磁性传感器芯片和漏电流处理芯片，用电计量单元包括第二聚磁环、第二磁性传感器芯片、过流处理芯片和电量处理芯片；其中，
第一聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，第一聚磁环的内部穿有两条电流流向相反的电流导线；
第一磁性传感器芯片，位于第一聚磁环的气隙内，用来测量第一聚磁环的气隙处汇聚的磁场场强并输出第一电信号至漏电流处理芯片；
漏电流处理芯片，用来将第一电信号处理后输出漏电流信号；
第二聚磁环为金属材料构成的带有气隙的环状结构，第二聚磁环的内部穿有一条电流导线；
第二磁性传感器芯片，位于第二聚磁环的气隙内，用来测量第二聚磁环气隙处汇聚的磁场场强并输出第二电信号至过流处理芯片和电量处理芯片；
过流处理芯片，用来将第二电信号处理后输出电流信号；
电量处理芯片，用来将第二电信号处理后输出电量信号。
2.根据权利要求1所述的电流监控模块，其特征在于，所述第一聚磁环、第二聚磁环上均缠绕有消磁线圈。
3.根据权利要求1所述的电流监控模块，其特征在于，还包括包覆电流保护单元和用电计量单元的屏蔽外壳。
4.根据权利要求3所述的电流监控模块，其特征在于，所述屏蔽外壳为金属材料。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电流监控模块，其特征在于，所述第一磁性传感器芯片、第二磁性传感器芯片均是由磁性传感元件构成的单电阻、半桥或全桥结构，所述磁性传感元件为霍尔元件、各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。
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