CN110687341A - 一种基于电流互感器的复合型传感器 - Google Patents

一种基于电流互感器的复合型传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电流互感器的复合型传感器,包括:控制模块、无线通信模块、电源切换模块、电流互感器功能切换模块、电流测量模块、整流模块、电压阈值检测模块、稳压模块、电流互感器以及辅助电源模块;整流模块分别与电流互感器、电压阈值检测模块电连接,电压阈值检测模块与稳压模块电连接;电源切换模块分别与稳压模块、辅助电源模块电连接;电流互感器功能切换模块与电流互感器、电流测量模块电连接;控制模块用于控制各个电路模块。该复合型传感器能通过电流互感器功能切换模块,实现通过一个电流互感器进行测量以及取电,大大延长电池供电模块电量的使用时间,无需额外设置其他的外部供电装置,制造成本低。

Description

一种基于电流互感器的复合型传感器
技术领域
本发明涉及电流互感器技术领域,尤其涉及一种基于电流互感器的复合型传感器。
背景技术
在市面上有很多传感器是通过电流互感器来测量电流,并且通过电池供电模块等方式来供电。当电池供电模块的电量耗尽时,需要重新更换或者充电,比较麻烦;采用其他的外部供电方式也需要额外设置相应的硬件,会增加传感器的成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种基于电流互感器的复合型传感器,其能通过电流互感器功能切换模块,实现通过一个电流互感器进行测量以及取电,大大延长电池供电模块电量的使用时间,无需额外设置其他的外部供电装置,制造成本低。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现:
一种基于电流互感器的复合型传感器,包括:控制模块、无线通信模块、电源切换模块、电流互感器功能切换模块、电流测量模块、整流模块、电压阈值检测模块、稳压模块、电流互感器以及辅助电源模块;所述电流互感器与所述整流模块电连接,所述整流模块与所述电压阈值检测模块电连接,所述电压阈值检测模块与所述稳压模块电连接;所述电源切换模块分别与所述稳压模块、所述辅助电源模块电连接;所述电流互感器功能切换模块与所述电流互感器、所述电流测量模块电连接;所述控制模块分别与所述无线通信模块、所述电源切换模块、所述电流互感器功能切换模块及所述电流测量模块电连接。
进一步地,还包括带电感知模块,所述带电感知模块与所述控制模块电连接,用于通过接触或非接触的方式感知被测物体的带电状态,并将所述带电状态展示出来。
进一步地,所述带电感知模块包括:带电感知探头和施密特反相器;所述施密特反相器的输入端与所述带电感知探头电连接,所述施密特反相器的输入端还经高阻抗接地,所述施密特反相器的接地端接地,所述施密特反相器的电源端与所述控制模块电连接以获取工作电源,所述施密特反相器的输出端与所述控制模块电连接以向所述控制模块输出感知信号。
进一步地,还包括温度测量模块,所述温度测量模块与所述控制模块电连接。
进一步地,还包括载波触发模块,所述载波触发模块与所述控制模块电连接。
进一步地,还包括外部参考模块,所述外部参考模块与所述控制模块电连接。
进一步地,还包括指示灯模块,所述指示灯模块与所述控制模块电连接。
进一步地,所述电源切换模块采用具有至少两路输入的电源管理芯片,所述电源管理芯片的第一路输入端与所述稳压模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的第二路输入端与所述辅助电源模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的使能端与所述稳压模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的输出端与所述控制模块电连接。
进一步地,所述电流互感器功能切换模块为光电耦合器,所述光电耦合器的输入端与所述控制模块电连接,所述光电耦合器的输出端串联在所述电流测量模块与所述电流互感器之间。
进一步地,所述无线通信模块采用无线射频模块。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
该基于电流互感器的复合型传感器能通过电流互感器功能切换模块,实现通过一个电流互感器进行测量以及取电,大大延长了电池供电模块电量的使用时间,无需额外设置其他的外部供电装置,制造成本低。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于电流互感器的复合型传感器的结构框图;
图2为图1中的控制模块的控制逻辑框图;
图3为图1中的无线通信模块的电路模块框图;
图4为图1中的电源切换模块的控制逻辑框图;
图5为图1中的电流互感器功能切换模块与电流测量模块的电路模块框图;
图6为图1中的整流模块的电路模块框图;
图7为图1中的电压阈值检测模块的电路模块框图;
图8为图1中的稳压模块的电路模块框图;
图9为图1中的带电感知模块的电路模块框图;
图10为图1中的温度测量模块的电路模块框图。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
请参阅图1至10,一种基于电流互感器的复合型传感器,包括:控制模块、无线通信模块、电源切换模块、电流互感器功能切换模块、电流测量模块、整流模块(例如倍压整流模块)、电压阈值检测模块、稳压模块、电流互感器以及辅助电源模块(例如电池);所述电流互感器与所述整流模块电连接,所述整流模块与所述电压阈值检测模块电连接,所述电压阈值检测模块与所述稳压模块电连接;所述电源切换模块的电源输入端分别与所述稳压模块、所述辅助电源模块电连接;所述电流互感器功能切换模块与所述电流互感器、所述电流测量模块电连接;所述控制模块分别与所述无线通信模块、所述电源切换模块、所述电流互感器功能切换模块及所述电流测量模块电连接。
该基于电流互感器的复合型传感器能通过电流互感器功能切换模块,实现通过一个电流互感器进行测量以及取电,大大延长了电池供电模块电量的使用时间,无需额外设置其他的外部供电装置,制造成本低。
以下对上述各个模块的工作原理进行简单的描述:
参阅图2,其为控制模块的控制逻辑框图,用于控制整个传感器的工作逻辑,包括数据的采集、处理和转发。
参阅图3,其为无线通信模块的电路模块框图,所述无线通信模块采用无线射频模块,在无线通信模块上电后,控制模块对其进行配置并将采集的数据打包传输给无线通信模块发射出去。
电源切换模块采用具有双路输入的电源管理芯片,所述电源管理芯片的第一路输入端与所述稳压模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的第二路输入端与所述辅助电源模块(即电池)的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的使能端与所述稳压模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的输出端与所述控制模块电连接。具体地,如图4所示,电源切换开关为两输入电源管理芯片,IN1接CT处理得到的能源,IN2直接接电池,EN使能当前哪一路有效,EN1=0,IN2有效;EN1=1,IN1有效,芯片输出电压即传感器的最终工作电压。当然了,也可采用其他方式来实现电源切换,例如采用光耦或者模拟开关等。
参阅图5,其为电流互感器功能切换模块与电流测量模块的电路模块框图,所述电流互感器功能切换模块为光电耦合器,所述光电耦合器的输入端与所述控制模块电连接,所述光电耦合器的输出端串联在所述电流测量模块与所述电流互感器之间。具体流程为在系统正常取电开始工作时,控制模块通过IO给光耦供电,光耦闭合,CT并入测量电路,控制模块完成电流采样并计算得出一次电流数据,完成后断开光耦的电源,使得CT重新切换到取电电路。需要说明的是,CT取电和测量功能的切换不限于光耦这一种开关元件,还可以采用晶体管开关电路、电磁继电器等。
参阅图6,其为整流模块的电路模块框图,包括谐振电容以及倍压整流电路,其中包括稳压管和储能元件在本实施例中,采用电感的并联谐振原理,互感器可以简单的看做一个电感,通过测量,电感级别为亨(H),经过计算可知道在工频条件下,所需并联的谐振电容只需要微法(uF)级别,极容易达成。谐振效果表现为二次回路电压幅值增大、支路电流增大,使得更小的二次电压也能通过整流倍压电路,而且支路的功率也更大,从而实现降低启动电流的目的。
参阅图7,其为电压阈值检测模块的电路模块框图,在倍压整流电路储能电容的电压缓慢上升的时候,电压阈值检测端的电压也同步上升,当电压阈值检测端达到电压阈值电路设定的上限值时,电压阈值检测芯片即门限管理芯片的VEN输出,用以使能稳压芯片。当电压阈值检测端的电压低于设定的电压下限值是,VEN不输出,稳压电路也停止工作。电压阈值的设定由三个电阻设置。
参阅图8,其为稳压模块的电路结构图,稳压模块由上级电压阈值电路VEN输出使能,向控制模块输出稳定的电压。
特别地,辅助电源模块作为独立的一块PCB,通过排针与主控板连接。
作为一种优选的实施方式,还包括带电感知模块,所述带电感知模块与所述控制模块电连接,用于通过接触或非接触的方式感知被测物体的带电状态,并将所述带电状态展示出来。优选地,所述带电感知模块可直接向所述控制模块输出检测结果;当然了,也可通过LED灯的方式来展示出被测物体的带电状态,例如带电显示绿灯,不带电显示红灯。具体地,参阅图9,所述带电感知模块包括:带电感知探头和施密特反相器;所述施密特反相器的输入端与所述带电感知探头电连接,所述施密特反相器的输入端还经高阻抗接地,具体的,高阻抗接地的方式可为通过电容接地,当然了,还有其他的高阻抗接地方式,例如通过兆欧级别的电阻接地等,所述施密特反相器的接地端接地,所述施密特反相器的电源端与所述控制模块电连接以获取工作电源,所述施密特反相器的信号输出端与所述控制模块电连接以向所述控制模块输出感知信号。带电感知模块的工作原理为:通过连接带电感知探头,此时带电感知探头和GND间存在一个与感知电缆上同频的一个交变电压,通过施密特反相器的作用,输出一个同频的方波,并输入至控制模块的IO,通过外部中断方式判断线缆是否带电。在本实施例中,带电感知探头采用金属极板,此外,不考虑与温度传感器接触需求,采用其他非绝缘材料作为带电感知探头也可以直接替换金属极板达到带电感知功能需求。
需要说明的是,施密特反相器也可采用其他逻辑门或逻辑芯片任意组合得到相同或类似结果,此为领域内技术人员常用的变形方式。
作为一种优选的实施方式,还包括温度测量模块,所述温度测量模块与所述控制模块电连接。温度测量模块的具体电路结构请参阅图10,温度测量模块采用半导体接触式测温传感器,向控制模块输出电压,该电压和测温传感器的温度呈线性关系,控制模块根据所测量得到的电压换算得到温度值。特别地,温度测量模块和带电感知金属极板两个部件集成在一块传感器小板上,传感器小板通过柔性PCB连接到主控板。当然了,不考虑具体使用场景的话,传感器小板可以直接集成到主控板。
市场上不乏电流互感器产品、测温传感器、也有所谓的非接触式验电装置,但纵观整个市场他们的功能、结构都相对功能单一,使用场景局限性较大,不适用需要同时监测多种状态的场景,或需要同时安装多个产品,这样安装和维护都相对繁琐,成本较高。在本实施例中,该复合型传感器包含了电流测量、温度测量以及带电感知三种功能,便于安装和维护,成本较低。
作为一种优选的实施方式,还包括载波触发模块,所述载波触发模块与所述控制模块电连接。载波触发模块用于生产测试,用来判断无线模块的功能是否正常。
作为一种优选的实施方式,还包括外部参考模块,所述外部参考模块与所述控制模块电连接;通过该模块,可使用外部参考电压,提高数据测量的准确度。此外,也可采用控制模块的内部参考电压,这属于本领域的常规方式,在此不展开描述
作为一种优选的实施方式,还包括指示灯模块,所述指示灯模块与所述控制模块电连接,其主要用来指示系统当前的工作状态,在本实施例中,在进行无线发射的时候会闪烁。可根据需求调指示灯的频闪来定义不同状态或事件。
该基于电流互感器的复合型传感器的工作过程如下:
电流互感器产生的二次感应电流经过倍压整流电路给储能电容充电,在达到特定的电压值时由电压阈值电路控制连接到稳压电路使得电压能稳定到系统能够正常工作的电压,稳压之后通过电源切换电路,此时电池供电也由此接入,经过电源切换电路的判断可以选择是由CT(即电流互感器)提供电源还是由电池提供,这里是CT优先级高于电池,即两路同时都有能量时优先选择CT供电。然后输出到控制模块,控制模块开始按程序设定的工作逻辑工作:首先控制光耦将CT取电电路切换到测量电路,测量完毕数据保存在存储单元,之后马上切回取电电路以确保电源的持续供应。接下来测量温度,温度传感器的工作电压由单片机IO供给,测量完成存储数据并关断IO供电以降低功耗。最后单片机同样通过IO给带电感知电路供电,以外部中断监测的方式监测带电状态,同样存在存储单元。在所有数据采集完毕后,打包成特定格式数据帧通过无线芯片发射出去,至此完成了一个完整工作周期。另外带电感知功能的周期是远小于其他参数测量周期的,而且在线路带电状态跳变时会立即触发无线发射数据,以确保能及时监测到线路的带电状态。
本发明所提供的复合型传感器可解决以下问题:1)由于位置(例如空间狭小)或成本(需要安装多个不同类型的传感器)限制无法同时得到电力线路多种状态数据(电流数据、是否带电、温度等)的问题;2)外部或电池供电使用寿命短,维护成本高,维护难的问题;3)线路无负荷情况自动切换至电池供电,无工作空窗期。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,包括:控制模块、无线通信模块、电源切换模块、电流互感器功能切换模块、电流测量模块、整流模块、电压阈值检测模块、稳压模块、电流互感器以及辅助电源模块;所述电流互感器与所述整流模块电连接,所述整流模块与所述电压阈值检测模块电连接,所述电压阈值检测模块与所述稳压模块电连接;所述电源切换模块分别与所述稳压模块、所述辅助电源模块电连接;所述电流互感器功能切换模块与所述电流互感器、所述电流测量模块电连接;所述控制模块分别与所述无线通信模块、所述电源切换模块、所述电流互感器功能切换模块及所述电流测量模块电连接。
2.如权利要求1所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,还包括带电感知模块,所述带电感知模块与所述控制模块电连接,用于通过接触或非接触的方式感知被测物体的带电状态,并将所述带电状态展示出来。
3.如权利要求2所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,所述带电感知模块包括:带电感知探头和施密特反相器;所述施密特反相器的输入端与所述带电感知探头电连接,所述施密特反相器的输入端还经高阻抗接地,所述施密特反相器的接地端接地,所述施密特反相器的电源端与所述控制模块电连接以获取工作电源,所述施密特反相器的输出端与所述控制模块电连接以向所述控制模块输出感知信号。
4.如权利要求1所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,还包括温度测量模块,所述温度测量模块与所述控制模块电连接。
5.如权利要求1所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,还包括载波触发模块,所述载波触发模块与所述控制模块电连接。
6.如权利要求1所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,还包括外部参考模块,所述外部参考模块与所述控制模块电连接。
7.如权利要求1所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,还包括指示灯模块,所述指示灯模块与所述控制模块电连接。
8.如权利要求1至7任一项所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,所述电源切换模块采用具有至少两路输入的电源管理芯片,所述电源管理芯片的第一路输入端与所述稳压模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的第二路输入端与所述辅助电源模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的使能端与所述稳压模块的电压输出端电连接,所述电源管理芯片的输出端与所述控制模块电连接。
9.如权利要求1至7任一项所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,所述电流互感器功能切换模块为光电耦合器,所述光电耦合器的输入端与所述控制模块电连接,所述光电耦合器的输出端串联在所述电流测量模块与所述电流互感器之间。
10.如权利要求1至7任一项所述的基于电流互感器的复合型传感器,其特征在于,所述无线通信模块采用无线射频模块。
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