CN105182060A - 一种自供电分布式无线电流传感器 - Google Patents

Abstract

一种自供电分布式无线电流传感器，包括钳形壳体、钳形壳体的钳形开口处设有霍尔元件，磁芯布置在钳形壳体内，取能线圈缠绕在磁芯上。钳形壳体下方设有控制盒，所述控制盒内设有电源管理电路、信号调理电路、A/D转换模块、MCU处理器模块，无线收发模块。所述取能线圈连接电源管理电路，所述电源管理电路连接信号调理电路，所述信号调理电路连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接MCU处理器模块，所述MCU处理器模块连接无线收发模块。无线收发模块可与远程通讯设备实现无线通讯。本发明可以克服现有的电流传感器占用额外空间以及单独供电的缺陷，实现自我供电、无线传输以及测量多相电路电流等功能。且可以进行多对一数据传递。

Description

一种自供电分布式无线电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电流互感器，特别是一种自供电分布式无线电流传感器。

背景技术

随着电力需求的迅猛增长以及电力系统的高速发展，电力行业面临着提高电力设备用率，降低电力设备运行成本以及增强电力系统安全稳定运行的严重挑战。而电力系统地绝大多数故障都会对电流产生影响，因此对电流进行监测就十分必要。我国的电力建设已步入高度自动化、信息化的新阶段，对电流的监测也进入了一个新的阶段。目前，许多工业领域以及配电设备尤其是配电开关柜的环境比较复杂，很有可能出现因电流过高而引发的线路发热老化等问题，而当前的一些电流传感器，有着需要额外供电，以及不能无线传输等缺点，从而导致需要占用额外空间以及单独供电等弊端。

目前，大多数的无线电流传感器是由工作电源、信号测量、A/D转换和MCU等部分构成的，常规的无线电流传感器需要外接电源给系统提供工作电源，在实际工作环境尤其是开关柜的工作环境中，使用外接电源时，需要单独接线用于探测器的工作电源，这使得线路更加复杂，尤其是在开关柜中，线路多，空间小。

发明内容

本发明提供一种自供电分布式无线电流传感器，可以克服现有的电流传感器占用额外空间以及单独供电的缺陷，实现自我供电、无线传输以及测量多相电路电流等功能。且可以进行多对一数据传递。

本发明所采用的技术方案是：

一种自供电分布式无线电流传感器，包括钳形壳体、钳形壳体的钳形开口处设有霍尔元件，磁芯布置在钳形壳体内，取能线圈缠绕在磁芯上。钳形壳体下方设有控制盒，所述控制盒内设有电源管理电路、信号调理电路、A/D转换模块、MCU处理器模块，无线收发模块。

所述取能线圈连接电源管理电路，所述电源管理电路连接信号调理电路，所述信号调理电路连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接MCU处理器模块，所述MCU处理器模块连接无线收发模块。无线收发模块可与远程通讯设备实现无线通讯。

所述电源管理电路由依次连接的匹配电路、全桥整流电路、储能电路和稳压电路组成。电源管理电路可以通过取能线圈而无需电源或电池供电，即可实现电流传感和数据无线传输。

所述控制盒上设有拨码开关。

所述控制盒两侧设有用于打开钳形壳体的扳手。

所述霍尔元件、磁芯、取能线圈都位于钳形壳体内部，钳形壳体内部预留有各电气元件与其他电路连接的空间区域。

所述控制盒上设有无线功能开关。

钳形壳体与控制盒连接部分上侧有一衔接处，用于控制钳形壳体的开合。

一种电流信号无线传输方法，采用传感输出响应时间短的霍尔元件传感电流，减少耗能状态的时间；用取能线圈采集电线周围的磁场能量，通过电源管理电路对电能进行储存和释放，可以确保取能线圈在低电流情况下能够提供稳定的电源输出，无需布线，节省了大量的布线空间。之后利用无线收发模块，对电流信息进行无线传输。当测量多相电流时，可利用多个霍尔元件测量电流，然后利用无线数据编码技术，通过上位机识别并显示多相电流信息。实现了实时多路测量、读取和显示电流信息。

本发明一种自供电分布式无线电流传感器，具有如下有益效果：

1)、本发明采用霍尔元件检测电流，取能线圈采集电线周围的磁场，能为无线电流传感器供电，无需电源或电池供电即可实现电流传感和数据无线传输。

2)、本发明是结构紧凑，灵敏度高，适用范围广泛，使用方便，具备无线传输功能，可用于构建电能安全监控网络。

3)、本发明采用无线数据传输编码技术，可将多路电流信息同时发送到上位机，上位机可识别这些电流信息并显示出来。

4)、使用时，该传感器只需要嵌套在被监测电线外包层，无需外接电源并免除电池维护，就可以持久实现无线传感。

5)、该无线传感器的灵敏度高，无需供电，占用空小间，可自主实现自我供电、电流检测和无线数据传输。

附图说明

图1是本发明无线电流传感器结构示意图；

图2是本发明无线电流传感器的硬件模块连接图；

图3是本发明无线电流传感器的电源管理电路框图；

图4是本发明无线电流传感器的电源管理电路原理图；

图5是本发明无线电流传感器的信号调理电路原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种自供电分布式无线电流传感器，包括两个钳形壳体1，两个钳形壳体1构成钳臂。其中一个钳形壳体1的钳形开口处设有霍尔元件2，磁芯3布置在钳形壳体1内，取能线圈4缠绕在磁芯3上。

钳形壳体1下方设有控制盒5，所述控制盒5内设有电源管理电路、信号调理电路、A/D转换模块、MCU处理器模块，无线收发模块。

所述取能线圈4连接电源管理电路，所述电源管理电路连接信号调理电路，所述信号调理电路连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接MCU处理器模块，所述MCU处理器模块连接无线收发模块。

霍尔元件2采用HW302C型号，具有结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等特点。

A/D转换模块采用ADC0809型号，具有转换起停控制端，模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准，低功耗等特点。

MCU处理器模块采用MSP430G2553芯片，具有低功耗，处理能力强，片内资源丰富，方便扩展，使用灵活方便等特点。

无线收发模块采用NRF905型号无线收发模块，具有体积小，收发距离远，抗干扰能力强，通信稳定等特点。

所述电源管理电路由依次连接的：匹配电路、全桥整流电路、储能电路、控制开关电路和稳压电路组成，

取能线圈4从电线上的电流i_p(t)感应出交流电压形成电流i₂(t)，通过匹配电路和全桥整流电路后对储能电容充电积累能量，当储能电容(即储能电路)两端电压达到预设电压时，启动稳压电路，因为多输出的需要，稳压电路设有多个稳压器，稳压芯片采用L7815CV稳压器和LM7803稳压器，释放储能电容的电能，提高输出功率，可为无线传感器和单片机以及信号调理电路等提供的稳定工作电压，是一个多路输出电源。

如图4所示，电源管理电路原理图，其中，C₁＝0.1uF，C₂＝0.1uF，C₃＝2200uF，C₄＝0.1uF，C₅＝10uF，C₆＝0.1uF，C₇＝0.1uF，C₈＝10uF，整流桥为将交流变为直流1A，R₁＝4.7kΩ，T₁为变压器。有两个稳压管，L7815CV稳压器和LM7803稳压器。

信号调理电路简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路，如滤波器、转换器、放大器等…，来改变输入的讯号类型并输出之。

如图5所示，信号调理电路原理图：其中，R₁＝160kΩ，R₂＝160kΩ，R₃＝2.5kΩ，R₄＝160kΩ，R₅＝160kΩ，R₆＝499Ω，C₁＝0.1uF,C₂＝0.1uF,C₃＝0.1uF,C₄＝0.1uF,C₅＝0.1uF,LM336为基准电压芯片，A₁为AD620放大器，A₂和A₃均为AD750放大器。

所述控制盒5上设有拨码开关6。拨码开关6与MCU处理器模块连接，拨码开关采用0/1的二进制编码原理，每一个键对应的背面上下各有两个引脚，拨至ON一侧，这下面两个引脚接通；反之则断开。这四个键是独立的，相互没有关联。可以设接通为“1”，断开为“0”，这样就有多个地址，最多可有16个无线地址，每个地址对应相对的电流信息，经过编码后的信号由MCU处理器模块的引脚输出到无线收发模块。

所述控制盒5两侧设有用于打开钳形壳体1的扳手7。电流互感器的铁芯为钳形结构，此钳形结构分为固定部分和活动部分，开口位于电流互感器的前端，为活动部分，位于衔接处9的为固定部分，钳形结构的活动部分与扳手7联动，捏紧扳手7，钳口张开；松开扳手7，钳口自动合拢。

所述霍尔元件2、磁芯3、取能线圈4都位于钳形壳体1内部，钳形壳体1内部预留有各电气元件与其他电路连接的空间区域。

所述控制盒5上设有无线功能开关8，无线功能开关8与MCU处理器模块连接，当电流传感器初次通过拨码开关6设定地址时，上位机需要识别地址码，当按下无线功能开关时，无线电流传感器可通过无线收发模块将地址码发送给上位机，以便上位机能够识别无线电流传感器的地址，以分辨多个传感器(最多16个)同时工作时，每个传感器检测到的电流来自哪个传感器。当设定好地址之后，下次可直接使用，重新设定地址后，需再次按下无线功能开关8。

一种自供电分布式无线电流传感器，在磁路上实现传感和能量采集，用取能线圈4采集磁场能量，通过电源管理电路对能量进行储存和释放，确保取能线圈4在低电流情况下能够提供稳定的电源输出，利用霍尔元件2传感电流，可收集被测导线电流信息，再将收集到的信息传送到MCU处理器模块，利用无线收发模块，将电流信息传送到上位机。当需要测量多相电流时，利用多个霍尔元件2同时工作，利用无线数据传输编码原理，可将采集的多相多路电流信息发送到上位机，上位机可分别显示多相多路电流信息。

实施例：

一种自供电分布式无线电流传感器，主要扣于三相导线外侧，当导线接通有电流通过时，取能线圈4开始工作，取能线圈4的工作原理类似变压器，但又有所差别。变压器利用线圈的互感原理来改变前级交流电压。而取能线圈4的一次侧是由交流电流而非电压控制，且一次侧是单匝绕组，二次侧是多匝绕组，根据安培环路定律、电磁感应定律、全电流定律及电机学理论，当一次侧通入正弦交变电流时，取能线圈4二次侧所感应到的电压经过整理后为： $E=4.44\sqrt{2}{\mathrm{fN}}_2{\mathrm{\μSI}}_{\mathrm{\μ}}/l$

其中f为输入信号的工作频率，N₂为感应线圈二次侧匝数，μ为磁芯磁导率，S为感应线圈磁芯的有效截面积，I_μ为感应线圈磁化电流，l为磁路长度。即取能线圈4获得的电压大小跟以上因素有关。

当获取的功率不足以驱动其他元件工作时，电源管理电路会进行能量的存储和释放。根据选定的霍尔元件2及其他用电模块，只要适当的调整磁芯磁导率，有效截面积和磁路长度，在启动电流确定的情况下满足功率要求是可以实现的。

取能线圈4获取能量传输到电源管理电路，同时霍尔元件2开始工作，根据霍尔效应原理，载有一定方向电流的导体或者半导体，垂直置于磁场中，会在垂直于电流与磁场平面的方向产生感应电势，感应电势U_H与磁感应强度B成正比，关系如下式所示，K_I表示单位磁感应强度时的霍尔电势。

U_H＝K_I×B

由于通电导线周围存在磁场，其大小和导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件2测量出磁场，就可确定导线电流的大小。理论推导过程中忽略了气隙磁漏、材料损耗、气隙宽度偏差等因素。

霍尔元件2将获取到的电流信息传递给信号调理电路，同时，A/D转换模块将信号调理电路的模拟信号转换成数字信号传递到MCU处理器模块，再由MCU处理器模块传送到无线收发模块，再通过无线收发模块发送出去，外部的无线收发模块接收到传感器内部的无线收发模块的信息再将信息传送到PC机，完成无线电流传感器的供电到信息传递的整个过程。

当需要测量多相电流时，可将多个传感器扣于每一相，每个传感器会测出每条导线的电流，利用无线编码技术，即在控制盒5上有四个拨码开关6，采用0/1的二进制编码原理，每一个键对应的背面上下各有两个引脚，拨至ON一侧，这下面两个引脚接通；反之则断开。这四个键是独立的，相互没有关联。可以设接通为“1”，断开为“0”，这样就有多个地址，每个地址对应相对的电流信息，再按下无线功能开关8，将设定好的无线地址经过编码后的信号由MCU处理器模块的引脚输出到无线收发模块，然后无线收发模块将基带信号经高频载波电路调制后，通过天线发出传递到PC端。当PC机确定好每个传感器的地址信息后，当多相电流信息通过天线发出后，外部的无线收发模块将接收到的电流信息传递给PC机，PC机识别并显示多相的电流信息，实现多对一的信息传递。

当发现电流突变、电流升高或者三相电流不平衡时可以及时发出报警信号，由工作人员进行处理。

Claims (9)

1.一种自供电分布式无线电流传感器，包括钳形壳体(1)、其特征在于，钳形壳体(1)的钳形开口处设有霍尔元件(2)，磁芯(3)布置在钳形壳体(1)内，取能线圈(4)缠绕在磁芯(3)上；钳形壳体(1)下方设有控制盒(5)，所述控制盒(5)内设有电源管理电路、信号调理电路、A/D转换模块、MCU处理器模块，无线收发模块；所述取能线圈(4)连接电源管理电路，所述电源管理电路连接信号调理电路，所述信号调理电路连接A/D转换模块，所述A/D转换模块连接MCU处理器模块，所述MCU处理器模块连接无线收发模块。

2.根据权利要求1所述一种自供电分布式无线电流传感器，其特征在于，所述电源管理电路由依次连接的匹配电路、全桥整流电路、储能电路和稳压电路组成。

3.根据权利要求1所述一种自供电分布式无线电流传感器，其特征在于，所述控制盒(5)上设有拨码开关(6)。

4.根据权利要求1所述一种自供电分布式无线电流传感器，其特征在于，所述控制盒(5)两侧设有用于打开钳形壳体(1)的扳手(7)。

5.根据权利要求1所述一种自供电分布式无线电流传感器，其特征在于，所述霍尔元件(2)、磁芯(3)、取能线圈(4)都位于钳形壳体(1)内部，钳形壳体(1)内部预留有各电气元件与其他电路连接的空间区域。

6.根据权利要求1所述一种自供电分布式无线电流传感器，其特征在于，所述控制盒(5)上设有无线功能开关(8)。

7.根据权利要求1所述一种自供电分布式无线电流传感器，其特征在于，钳形壳体(1)与控制盒(5)连接部分上侧有一衔接处(9)，用于控制钳形壳体(1)的开合。

8.采用如权利要求1～7任意一种自供电分布式无线电流传感器的电流信号无线传输方法，其特征在于，采用霍尔元件(2)传感电流，采用取能线圈(4)采集磁场能量，通过电源管理电路对电能进行储存和释放，之后利用无线收发模块，对电流信息进行无线传输。

9.根据权利要求8所述一种电流信号无线传输方法，其特征在于，当测量多相电流时，采用多个霍尔元件(2)测量电流，然后利用无线数据编码技术，通过上位机识别并显示多相电流信息。