CN112305301A - 一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法及装置，涉及计算机辅助设计领域，具体载流导体内电流信号采集智能传感技术领域，包括:通过传感器组件获取装备运行中的动态数据，获取运行标准数据；根据所述装备运行中的动态数据确定修正后的动态数据；通过所述修正后的动态数据和运行标准数据确定装置状态数据。本发明提出了一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法及装置可以有效预测在工业生产过程中对发生预测预警时组织有效应对措施，进而通知技术人员及时采取技术手段，避免出现浪费发生，进而解决突然生产停顿的情况，从而避免经济上的重大损失。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，涉及计算机辅助设计领域，具体载流导体内电流信号采集智能传感技术领域。
背景技术
目前，随着工业自动化的发展，对具有实用性、可操作性及高精确度的交流或直流非接入式电流信号的测量需求迫切。在现有的非接触式电流测量产品方面，以互感器、霍尔传感器技术等为主流，这些技术该技术适用于从直流到中频段的交流电流的测量，且其在工业相关方面的应用较为广泛。但是，因为互感器在测量精度和响应时间上的缺陷以及其二次开路风险，导致其应用受到限制。现有霍尔传感器设计上均采用铁磁材料以起到聚磁的作用，而铁磁材料存在磁滞效应和磁损耗,当被测电流太小或太大时,电流与感应磁场之间的线性关系都会变受到影响,大大减低测试精度。处理磁化曲线的非线性却对该技术测量精度造成极大的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现霍尔传感器测试精度低的问题，提出一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，通过基于电路结构设计及微处理器信号处理方法实现了自动化调试、提高了测量精度、简化了外围硬件电路的测量方法，解决这种预测性测量的迫切需求。
本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，所述方法包括：
通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据，包括：通过所述非接入式电流传感器获取工业现场载流导体初始电流数据，通过所述工业现场载流导体电流数据确定工业现场载流导体初始电压数据，通过所述工业现场载流导体初始电压数据确定工业现场载流导体高精度数据；
通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
优选的是，所述非接入式电流传感器包括：六个霍尔片，其中三个霍尔片布置在第一坐标系轴线上，另三个所述霍尔片布置在第二坐标系轴线上，所述第一坐标系与第二坐标系原点相同且夹角为40度。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，包括：自动化前处理模块、自动化计算模块、自动化后处理模块、电子设备和服务器，
所述自动化前处理模块，用于通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据；
所述自动化计算模块，用于通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
所述自动化后处理模块，通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
所述电子设备和服务器包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集。
所述自动化前处理模块包括：三轴霍尔片组、磁场偏角40°补偿采集霍尔片组、相位开关单元、霍尔变差矫正单元和补偿灵敏度修正单元，所述自动化计算模块包括：单片机运算单元、基于外置板载振荡器单元、时钟发生器单元、基于钳位电路组单元、虚拟输入技术单元和多线程数组比率调节单元，所述自动化后处理模块：输出缓冲器单元。
优选的是，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法。
优选的是，所述电子设备还包括：射频电路和至少一个电源，
所述射频电路，用于所述电子设备连接到网络；
所述电源，用于所述电子设备的电源管理；
所述射频电路、处理器、存储器和电源均通过电性连接在一起。
优选的是，所述电子设备还包括外围设备接口和显示屏，
所述外围设备接口，用于将I/O相关的至少一个外围设备连接到处理器和存储器；
所述显示屏，用于所述电子设备显示；
所述外围设备接口、射频电路、显示屏、处理器、存储器和电源均通过电性连接在一起。
优选的是，所述服务器还包括：至少一个电源、有线或无线网络接口、输入输出接口、键盘和操作系统，所述电源、有线或无线网络接口、输入输出接口和键盘均通过电性连接在一起。
本发明相对于现有而言具有的有益效果：
本发明基于“广场效应”的非接入式电流传感器组件，获取工业现场载流导体(主要是线缆)内部通过电流的检测高精度数据，确定最终目的是所述获得输出0-10V模拟量信号。根据需要还可以增加变送器将信号转换为0-20mA信号输出，确定所述工业现场载流导体(主要为缆线)内流过电流的实际状态，便于加入后续监控手段实施。这样，可以有效预测在工业生产过程中对发生预测预警时组织有效应对措施，进而通知技术人员及时采取技术手段，避免出现浪费发生，进而解决突然生产停顿的情况，从而避免经济上的重大损失。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种实施环境图；
图2是本申请实施例提供的一种对机电装备运行状态进行检测的方法流程图；
图3是本申请实施例提供的一种对机电装备运行状态进行检测的方法流程图；
图4是本申请实施例提供的一种对机电装备运行状态进行检测的方法流程图；
图5是本申请实施例提供的非接入式电流传感器的排布结构示意图。
图6是本申请实施例提供的一种终端的结构框图。
图7是本申请实施例提供的一种服务器结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的系统和方法的例子。
实施例一
如图1、2是根据本申请实施例提供的的一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，如图1、2所示，包括以下步骤。
在步骤101中，通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据。
在步骤102中，通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据。
优选的是，通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
优选的是，所述非接入式电流传感器包括：六个霍尔片，其中三个霍尔片按照第一坐标系布置，另三个霍尔片按照第二坐标系布置，所述第一坐标系与第二坐标系原点相同且夹角为40度。
优选的是，所述通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据，还包括：通过所述非接入式电流传感器获取工业现场载流导体初始电流数据，通过所述工业现场载流导体电流数据确定工业现场载流导体初始电压数据，通过所述工业现场载流导体初始电压数据确定工业现场载流导体高精度数据。
本公开实施例中，获取工业现场载流导体(主要是线缆)内部通过电流的检测高精度数据，确定最终目的是所述获得输出0-10V模拟量信号。根据需要还可以增加变送器将信号转换为0-20mA信号输出，确定所述工业现场载流导体(主要为缆线)内流过电流的实际状态，便于加入后续监控手段实施。这样，可以有效预测在工业生产过程中对发生预测预警时组织有效应对措施，进而通知技术人员及时采取技术手段，避免出现浪费发生，进而解决突然生产停顿的情况，从而避免经济上的重大损失。
实施例二
本实施例将结合具体的实施方式方便工程师理解、检查和设置为例，基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法进行具体化介绍。在如图3所示的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法流程图，对基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法进行说明，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
在步骤201中，通过所述非接入式电流传感器获取工业现场载流导体初始电流数据。
其中，非接入式电流传感器包括：六个霍尔片，鉴于智能传感器采集用的霍尔片组是套装在导电体上，且为了防止霍尔效应产生的磁饱和、磁滞和磁记忆等因聚磁体原因导致的测量不准确，本专利的霍尔片均采用无聚磁体(金属)的半导体霍尔片。所以采集电流流过导体的表面磁效应能力产生的信号数据普遍偏弱，且霍尔片角度与导电体之间会形成安装偏角，为了能够实现广场效应的采集目的，促使获得的精确的信号数据初值，设计了基于多个轴向的集合采集(广场效应)的理念，在原有第一坐标系(X、Y、Z)的轴向布置霍尔片，位置偏角补偿又设计了第二坐标系(X1、Y1、Z1)的一组霍尔片，在实践调试中如上图4所示，X、Y、Z轴向与X1、Y1、Z1轴向分别偏角40°可以满足该轴向采集的补偿性识别，这样采集的初值来自各个轴向及与起40°偏角的霍尔片，感磁后聚集到广场效应的集合电荷也就有所区分，经过霍尔偏差、相位开关、灵敏度修正，就可获得所需要精确的采集初值。
采集初值集中输出给相位开关和霍尔变差矫正，相位开关单元更像是一种“大厅”效应，将基于三轴(即X1、Y1和Z1)霍尔片组、磁场偏角40°补偿(即X2、Y2和Z2)采集霍尔片组件的输入信号进行整合，这个整合是在振荡器和时钟发生器的作用下做相位补偿并有序完成的。
霍尔变差矫正单元是对霍尔片的电势偏差进行矫正的作用，各个霍尔片均可能存在电势差，特别是在无磁场状态下霍尔片应该是(B＝0,U＝0)；补偿灵敏度修正单元对多个霍尔片采集的值不一致的一种外部接入的灵敏度修正方式，使得各个霍尔片输入后的线性趋于一致性大厅技术是基于广场效应，这种技术允许霍尔效应传感通量能够探测到磁场矢量超过360度。
在步骤202中，通过所述工业现场载流导体电流数据确定工业现场载流导体初始电压数据。
三个轴向霍尔片组及其偏角40°的三个霍尔片组感磁产生电压信号初值，经过相位开关、霍尔偏差、灵敏度修正后获得现场导电体电流流过所产生的磁场的精确采集值数据，这个电压性质的采集初值经过放大器及增益器的作用输入给单片机进行处理。
在步骤203中，通过所述工业现场载流导体初始电压数据确定工业现场载流导体高精度数据
基于运算放大单元、增益器单元，将在增益系数的给定状态下的预算放大，“广场效应”最大的问题是“大厅”内的电信号经过相位、电势、灵敏度调整偏差后的信号需要经过预算放大来进一步处理，这个增益系数通过IC来实现，运算放大单元可以理解为一个“信号集中器”，通过增益系数动态补偿电压引起的温度变化,有一个非常稳定的信号输出,不受温度循环的影响。
在步骤204中，通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据。
基于单片机初级速率、精细增益器，单片机的速率设定为小于等于1MHZ，如无特殊变化基本是1MHZ。精细增益是单片机芯片内的增益系数给定，这一增益是通过单片机特性决定的，由于初级速率设置和一个外部振荡器(时钟发生器)设计有效缩短响应时间，高的IC片内带宽应用获得高速通道；
可选地线程整合单元、零偏修正、偏移补偿器组件是单片机IC的整合，这个实现是通过程序编辑实现，线程整合(P2Pbot)是对CPU的线程占用权进行分配，IC片内的零偏修正发挥作用；偏移补偿器组件是运算偏移的补偿，补偿参考精细增益系数。灵敏度额外的敏感性获得外部字段添加，输出获得最好的精度和分辨率。
可选地基于中间数据速率、极性偏执选正、宽带输入数据速率、多线程数组比率调节都是对信号的单片机IC内部的速率、比率进行调整，并完成极性的选配最终输出，考虑处理能力和总功耗可以直接微分输出；
基于钳位电路，本申请没有使用单片机内部钳位，而是使用了有源钳位器件和进行有源钳位的控制，虽然增加电路的复杂性，但却可以通过节省缓冲电路、复位电路和较低整体开关要求加以补偿，能够在宽广的输入范围完成对输出的应用；考虑半导体对静电放电(ESD)很敏感，采用静电放电控制处理，电容器接和低电阻接地布局助于改善ESD的鲁棒性；
基于输出缓冲器和单片机IC的VOQ技术单元，确定在一个物理通道上(一个Crossbar端口)，面向多个输出方向实现多个虚拟输出，可以避免HOL阻塞，依据优先级进行调度外，还需要支持交换网级的端到端Flow Control，可以针对Crossbar端口进行速率适配，从而真正实现了通过Crossbar的无阻塞交换。
在步骤205中，通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
基于输出缓冲器单元，确定接入电路用缓冲器是防止数据变化过快，导致中间有断层的数据未读到，本技术设计采用LTC2655，这是一个4通道、I2C、16位/12位、DAC系列具有集成10ppm/℃最大值基准。这些DAC具有内置的高性能输出缓冲，外部基准负责将DAC全标度输出设定为外部基准电压的两倍。采用二线式I2C兼容型串行接口。LTC2655工作于标准模式(最大时钟频率为100kHz)和快速模式(最大时钟频率为400kHz)。
本公开实施例中，获取工业现场载流导体(主要是线缆)内部通过电流的检测高精度数据，确定最终目的是所述获得输出0-10V模拟量信号。根据需要还可以增加变送器将信号转换为0-20mA信号输出，确定所述工业现场载流导体(主要为缆线)内流过电流的实际状态，便于加入后续监控手段实施。这样，可以有效预测在工业生产过程中对发生预测预警时组织有效应对措施，进而通知技术人员及时采取技术手段，避免出现浪费发生，进而解决突然生产停顿的情况，从而避免经济上的重大损失。
实施例三
本实施例提供一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，该系统用于执行上述实施例中的基于汽车准静态载荷分解方法，图5是根据本申请实施例提供的一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置框图。该系统包括：自动化前处理模块1010，自动化计算模块1020、自动化后处理模块1030、电子设备300和服务器400。
所述自动化前处理模块，用于通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据；
所述自动化计算模块，用于通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
所述自动化后处理模块，通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
自动化前处理模块1010，用于通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据；
自动化计算模块1020，用于通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
自动化后处理模块1030，通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
可选地，所述自动化前处理模块为六个霍尔片、相位开关单元、霍尔变差矫正单元和补偿灵敏度修正单元。
可选地，所述自动化前处理模块1010，用于：
通过所述非接入式电流传感器获取工业现场载流导体初始电流数据；
可选地，通过所述工业现场载流导体电流数据确定工业现场载流导体初始电压数据；
可选地，通过所述工业现场载流导体初始电压数据确定工业现场载流导体高精度数据
可选地，自动化计算模块1020为单片机运算单元、基于外置板载振荡器单元、时钟发生器单元、基于钳位电路组单元、虚拟输入技术单元和多线程数组比率调节单元。
可选地，所述自动化计算模块1020，用于：
通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
可选地，所述自动化后处理模块1030为输出缓冲器单元。
可选地，所述自动化后处理模块1030，用于：
通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
本公开实施例中，获取工业现场载流导体(主要是线缆)内部通过电流的检测高精度数据，确定最终目的是所述获得输出0-10V模拟量信号。根据需要还可以增加变送器将信号转换为0-20mA信号输出，确定所述工业现场载流导体(主要为缆线)内流过电流的实际状态，便于加入后续监控手段实施。这样，可以有效预测在工业生产过程中对发生预测预警时组织有效应对措施，进而通知技术人员及时采取技术手段，避免出现浪费发生，进而解决突然生产停顿的情况，从而避免经济上的重大损失。
关于上述实施例中的系统，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
实施例四
本实施例时对上述实施例三进一步的解释说明，如图6示出了本申请实施例提供的电子设备300的结构框图。电子设备300包括处理器301、由存储器302所代表的存储器资源，处理器301进一步包括一个或多个处理器，存储器302用于存储可由处理器301的执行的指令，例如应用程序。存储器302中存储的应用程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理器301被配置为执行指令，以执行上述展示基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法。
电子设备300还可以包括至少一个电源306被配置为执行电子设备300的电源管理，一个射频电路304被配置为将电子设备300连接到网络，和一个外围设备接口303用于将I/O相关的至少一个外围设备连接到处理器和存储器、一个显示屏305用于显示。电子设备300可以操作基于存储在存储器的操作系统，例如Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM,LinuxTM，FreeBSDTM或类似。外围设备接口303、射频电路304、显示屏305、处理器301、存储器302和电源306均通过电性连接在一起。
实施例五
本实施例时对上述实施例三进一步的解释说明，如图7是本申请实施例提供的一种服务器结构示意图。该服务器400可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上中央处理器(central processing units，CPU)411(例如，一个或一个以上处理器)和存储器412，一个或一个以上存储应用程序423或数据422的存储介质431(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中，存储器412和存储介质431可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质431的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对服务器中的一系列指令操作。更进一步地，中央处理器411可以设置为与存储介质431通信，在服务器400上执行存储介质431中的一系列指令操作。
服务器400还可以包括一个或一个以上电源441，一个或一个以上有线或无线网络接口451，一个或一个以上输入输出接口453，一个或一个以上键盘4552，和/或，一个或一个以上操作系统421，例如Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM，LinuxTM，FreeBSDTM等等。电源441、有线或无线网络接口451、输入输出接口453和键盘452均通过电性连接在一起。
服务器400可以包括有存储器412，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器412中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行此一个或者一个以上程序来执行上述各个实施例所述的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法及装置。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，其特征在于，所述方法包括：
通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据，包括：通过所述非接入式电流传感器获取工业现场载流导体初始电流数据，通过所述工业现场载流导体电流数据确定工业现场载流导体初始电压数据，通过所述工业现场载流导体初始电压数据确定工业现场载流导体高精度数据；
通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，其特征在于，所述非接入式电流传感器包括：
六个霍尔片，用于产生电荷移动输出；
相位开关单元，用于修正电荷相位；
霍尔变差矫正单元，用于电荷调制运算；
补偿灵敏度修正单元，用于修正电荷数据变化；
单片机运算单元，用于整合电荷数据；
基于外置板载振荡器单元和时钟发生器单元，用于修正电荷相位补偿
基于钳位电路组单元，用于补偿修正后电荷数据位准输入
虚拟输入技术单元、多线程数组比率调节单元和输出缓冲器单元，用于稳定修正后电荷数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法，其特征在于，六个所述霍尔片其中三个霍尔片布置在第一坐标系轴线上，另三个所述霍尔片布置在第二坐标系轴线上，所述第一坐标系与第二坐标系原点相同且夹角为40度。
4.一种基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，其特征在于，包括：自动化前处理模块、自动化计算模块、自动化后处理模块、电子设备和服务器，
所述自动化前处理模块，用于通过非接入式电流传感器获取工业现场载流导体高精度数据；
所述自动化计算模块，用于通过所述工业现场载流导体高精度数据确定初步模拟量数据；
所述自动化后处理模块，用于通过初步模拟量数据确定最终模拟量数据，通过所述最终模拟量数据确定所述工业现场载流导体的状态数据；
所述电子设备和服务器包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集。
5.根据权利要求4所述的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，其特征在于，所述自动化前处理模块包括：六个霍尔片、相位开关单元、霍尔变差矫正单元和补偿灵敏度修正单元，所述自动化计算模块包括：单片机运算单元、基于外置板载振荡器单元、时钟发生器单元、基于钳位电路组单元、虚拟输入技术单元和多线程数组比率调节单元，所述自动化后处理模块：输出缓冲器单元。
6.根据权利要求4或5所述的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，其特征在于，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现适基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量方法。
7.根据权利要求6所述的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，其特征在于，所述电子设备还包括：射频电路和至少一个电源，
所述射频电路，用于所述电子设备连接到网络；
所述电源，用于所述电子设备的电源管理；
所述射频电路、处理器、存储器和电源均通过电性连接在一起。
8.根据权利要求7所述的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，其特征在于，所述电子设备还包括外围设备接口和显示屏，
所述外围设备接口，用于将I/O相关的至少一个外围设备连接到处理器和存储器；
所述显示屏，用于所述电子设备显示；
所述外围设备接口、射频电路、显示屏、处理器、存储器和电源均通过电性连接在一起。
9.根据权利要求7或8所述的基于“广场效应”的非接入式电流智能传感测量装置，其特征在于，所述服务器还包括：至少一个电源、有线或无线网络接口、输入输出接口、键盘和操作系统，所述电源、有线或无线网络接口、输入输出接口和键盘均通过电性连接在一起。
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