CN113219240A - 非侵入式线缆电压测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非侵入式线缆电压测量传感器，所述传感器包括：上盖(1)，被测线缆(2)，壳体(3)，底盖(4)，上盖固定孔(5)，固定轴(6)，感应电极(101)，参考电极(102)，绝缘介质(103)，同轴线过孔(104)，硬件电路模块(201)，同轴线(202)，电路板固定孔(203)；所述传感器基于电场耦合原理非接触测量电压，同时引入了参考信号补偿测量误差；当被测线缆位置或线径发生变化时，感应电极和参考电极的耦合电压都会发生改变，用参考电极的耦合电压变化量补偿由于被测线缆改变引起感应电极耦合电压的变化，实现在各种线径、安装位置变动时对被测线缆电压的准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及电压测量传感器领域，具体涉及一种非侵入式线缆电压测量传感器。
背景技术
目前，线缆电压测量设备包括电压互感器、直接接触式电表以及基于电场法反演的非接触式测量传感器等。电压互感器和直接接触式电表在不允许破坏电源线绝缘外层的情况下无法测量电压，并且在某些高压场合可能会引起安全问题。现有的非接触式交流电压测量传感器通过探测被测线缆周围的交变电场实现电压的非接触式测量，对距离依赖很大，安装固定之后需要二次校准，并且当被测线缆线径发生变化或改变与感应电极之间距离时测量结果会产生较大误差，这些缺点限制了其实际使用和推广。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种非侵入式线缆电压测量传感器，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种非侵入式线缆电压测量传感器，所述传感器包括：
上盖(1)，被测线缆(2)，壳体(3)，底盖(4)，上盖固定孔(5)，固定轴(6)，感应电极(101)，参考电极(102)，绝缘介质(103)，同轴线过孔(104)，硬件电路模块(201)，同轴线(202)，电路板固定孔(203)；
所述传感器基于电场耦合原理非接触测量电压，同时引入了参考信号补偿测量误差；当被测线缆位置或线径发生变化时，感应电极和参考电极的耦合电压都会发生改变，用参考电极的耦合电压变化量补偿由于被测线缆改变引起感应电极耦合电压的变化，实现在各种线径、安装位置变动时对被测线缆电压的准确测量。
其中，所述硬件电路模块包括：
无线传输模块(301)，精密运算放大器(302)，仪表放大器(303)，运算放大器(304)，A/D转换芯片(305)，MCU(306)，参考信号生成模块(307)。
其中，所述被测线缆(2)穿过所述上盖(1)与所述壳体(3)形成的圆形孔，当对所述被测线缆(2)施加交流电压时，所述感应电极(101)的表面将出现感应电荷并产生频率为ω的位移电流，所述位移电流通过所述同轴线(202)内芯传输到所述精密运算放大器(302)的反相输入端，所述参考信号生成模块(307)输出频率ωr、有效值Vr的电压信号，传输到所述同轴线(202)外屏蔽层、所述精密运算放大器(302)同相输入端以及所述仪表放大器(303)同相输入端，所述被测线缆(2)与所述感应电极(101)形成的电容C，所述精密运算放大器(302)的跨组为R，经过所述精密运算放大器(302)以及所述仪表放大器(303)，在所述MCU(306)内进行傅里叶变换分别提取被测电压和参考信号的同频有效值，通过计算即可得到被测被测线缆电压V。
其中，所述硬件模块电路(201)选用带通滤波器、模拟乘法器、低功耗MCU，以实现低功耗线缆电压检测，并能够加入声光报警。
其中，所述感应电极(101)和参考电极(102)为采用金属加工成的无底无盖的圆柱形壳体。
其中，所述绝缘介质(103)为采用聚四氟乙烯或尼龙的材料加工成的圆柱。
其中，所述无线传输模块(301)使用蓝牙、Zigbee、Lora或NB-LOT的方式。
其中，所述精密运算放大器(302)采用低偏置电流的放大或差分芯片。
基于上述技术方案可知，本发明的非侵入式线缆电压测量传感器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)通过使用电场耦合原理非侵入测量线缆电压,可使用在带绝缘胶皮线缆测量场合；
(2)通过加入外参考电极和参考信号，当被测线缆的线径或安装位置发生改变时，传感器测量结果几乎不受影响；
(3)通过使用外参考电极，屏蔽空间电场干扰，提高了测量精度。
附图说明
图1示出了本发明非侵入式线缆电压测量传感器的结构示意图；
图2示出了本发明非侵入式线缆电压测量传感器内感应电极和外参考电极平面示意图；
图3示出了本发明非侵入式线缆电压测量传感器的剖面图；
图4示出了本发明非侵入式线缆电压测量传感器的硬件原理示意图；
图5示出了非侵入式线缆电压测量传感器的第二实施例；
图6示出了非侵入式线缆电压测量传感器的第三实施例。
上述附图中，附图标记含义如下：
1-上盖，2-被测线缆，3-壳体，4-底盖，5-上盖固定孔，6-固定轴，
101-感应电极，102-参考电极，103-绝缘介质，104-同轴线过孔，
201-硬件电路模块，202-同轴线，203-电路板固定孔，204-供电模块；
301-无线传输模块，302-精密运算放大器，303-仪表放大器，
304-运算放大器，305-A/D转换芯片，306-MCU(微控制器)，
307-参考信号生成模块。
具体实施方式
针对现有的非接触式交流电压测量技术的不足，本发明提出了一种新型的非侵入式交流线缆电压测量传感器，该传感器基于电场耦合原理，同时不依赖被测线缆的线径和安装位置来实现非侵入测量。该传感器不需要在线标定，并且当被测线缆线径变化或安装位置变动时仍能准确测量线缆电压。
本发明的基本思想在于：
基于电场耦合原理非接触测量电压，同时引入了参考信号补偿测量误差。传感器的内感应电极和外参考电极采用绝缘介质隔离，被测线缆电压恒定，当其位置或线径发生变化时，感应电极和参考电极的耦合电压都会发生改变，用参考电极的耦合电压变化量补偿由于被测线缆改变引起感应电极耦合电压的变化，实现在各种线径、安装位置变动时对被测线缆电压的准确测量。最后通过无线模块将被测线缆电压值发送到上位机显示。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种非侵入式线缆电压测量传感器，该传感器包括：上盖1，壳体3，底盖4，上盖固定孔5，固定轴6。
如图2所示为传感器感应电极平面图，包括感应电极101，参考电极102，绝缘介质103，同轴线过孔104。被测线缆2穿过上盖1与壳体3形成的圆形孔。
图3为传感器的剖面图，包括硬件电路模块201，同轴线202，电路板固定孔203，供电模块204。
图4为传感器硬件原理示意图，包括无线传输模块301，精密运算放大器302，仪表放大器303，运算放大器304，A/D转换芯片305，MCU306，参考信号生成模块307。
感应电极通过同轴线202的内芯电连接到精密运算放大器302的反相输入端；参考信号生成模块307产生参考波形和同轴线202的屏蔽外层、精密运算放大器302同相输入端以及仪表放大器303同相输入端电连通；精密运算放大器302输出端接到仪表放大器303的反相输入端；仪表放大器303的输出连接到运算放大器304进行比例放大后，A/D转换芯片305将其转换成数字信号，之后该数字信号经过MCU306运算处理后再通过无线传输模块301无线远将测试数据传输到上位机显示。
以下分别对本实施例的各个组成元件进行详细说明。
上盖1和壳体3通过固定轴6连接在一起，并且上盖1可通过固定轴6旋转，将被测线缆2按照图1方式放置到传感器圆形孔内，通过传感器固定孔5将上盖1固定到壳体3后即可开始测量线缆交流电压。壳体3及上盖1可加工成方形、圆形其它形状，其材质可为尼龙、ABS、金属等。上盖1和壳体3也可选用卡扣、铰链等其它方式连接，在一些特殊场合，也可如图5第二实施例将壳体上盖1和壳体3加工成一体，将被测线缆2从圆形孔中穿过以提高传感器测量精度，或者如图6第三实施例所示手持钳形式。
感应电极101与参考电极102采用金属分别加工两个无底无盖的半圆柱壳，分别固定在两个半圆柱绝缘介质103的内、外表面，其中绝缘介质103一半放置到上盖1内表面，另一半放置到壳体3内部，用导线分别将感应电极101和参考电极102的两个半圆柱壳连接起来，当上盖闭合时，整个感应电极结构会成为同心圆柱壳体。同轴线202一端穿过同轴线过孔104后，内芯连接感应电极101，外屏蔽层连接参考电极102，其另一端连接到硬件电路模块201。感应电极和参考电极的材质可选择铝、不锈钢；绝缘介质103可选择聚四氟乙烯、ABS、尼龙等。当上盖1和壳体3加工成一体时，感应电极1、参考电极102可直接加工为圆柱形金属壳，绝缘介质103加工为圆柱。
供电模块204、硬件电路模块201以及底盖4通过电路板固定孔203与壳体3固定在一起。
供电模块204提供硬件电路模块201工作所需的电源，可以使用干电池、锂电池或外部供电等其它方式。
如图4所示，当对被测线缆2施加交流电压(频率ω，有效幅值V)时，在其径向会产生电场，因而传感器的感应电极101的表面将出现感应电荷并产生频率为ω的位移电流，该位移电流通过同轴线202内芯传输到精密放大器302的反相输入端。参考信号生成模块307输出频率ω、有效
r值Vr的电压信号，传输到同轴线202外屏蔽层、精密放大器302同相输入端以及仪表放大器303同相输入端。被测线缆2与感应电极101形成的电容C；线缆2被测电压V、电容C、精密运算放大器302以及其跨组R形成的反相放大输出为
Vi＝-jωRCV (1)
参考电压Vr、电容C、精密运算放大器302以及其跨组R形成的同相放大输出为
Vri＝jωrRCVr+Vr (2)
Vi与Vri叠加输出到仪表放大器303的反相输入端，仪表放大器放大倍数为G,仪表放大器303同相输入信号为Vr，由式(1)和(2)可得仪表放大器的输出为
Vo1＝-G(jωrRCVr+jωRCV) (3)
Vo1进入运算放大器304实现电压跟随得到Vo2，A/D转换芯片305将其转为数字信号，MCU306根据式(3)进行FFT变换，提取线缆2被测电压和参考电压的同频信号量有效值得
Vo2＝-GjωRCV (4)
Vro＝-GjωrRCVr (5)
由式(4)和(5)可得
V＝(Vo2/Vro)(ωr/ω)Vr (6)
最后将所求有效值V通过无线传输模块301传输到上位机进行实时显示。
在硬件模块电路其它实施例中，也可将Vo1信号分别发送到中心频率为ω和ωr的带通滤波器得到Vo2和Vro,将Vo2和Vro两路正弦信号分别经过有效值或峰值提取芯片，再经A/D采样，之后MCU中按公式(6)进行计算得到线缆电压有效值V；或者将Vo2与Vro两路信号接入模拟除法器得到
Vo3＝ωV/(ωrVr) (7)
之后Vo3信号与Vr信号经过模拟乘法器，乘法器放大倍数K设定为ωr/ω，得到乘法器输出
Vo4＝Vo3KVr (8)
乘法器输出交流电压信号Vo4经过有效值检测芯片即可得到被测线缆电压的有效值V，选用模拟器件实现解调功能可降低系统功耗，再将该信号通过低功耗MCU无线远传输到上位机显示或者加入声光报警模块，当检测信号V大于设定阈值时触发声光报警。
如图5所示示出了非侵入式线缆电压测量传感器的第二实施例；图6示出了非侵入式线缆电压测量传感器的第三实施例。
在本发明的某些实施例中，内感应电极和外参考电极采用不锈钢、铝等材质加工成圆柱形壳体。
在本发明的某些实施例中，绝缘介质采用聚四氟乙烯或尼龙等材料加工成圆柱。
在本发明的某些实施例中，精密放大模块采用低偏置电流的放大或差分芯片。
在本发明的某些实施例中，无线传输模块可以使用蓝牙、Zigbee、Lora、NB-LOT等方式。
在本发明的某些实施例中，供电模块采用锂电池组或铅酸电池，或者外接供电。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述传感器包括：
上盖(1)，被测线缆(2)，壳体(3)，底盖(4)，上盖固定孔(5)，固定轴(6)，感应电极(101)，参考电极(102)，绝缘介质(103)，同轴线过孔(104)，硬件电路模块(201)，同轴线(202)，电路板固定孔(203)；
所述传感器基于电场耦合原理非接触测量电压，同时引入了参考信号补偿测量误差；当被测线缆位置或线径发生变化时，感应电极和参考电极的耦合电压都会发生改变，用参考电极的耦合电压变化量补偿由于被测线缆改变引起感应电极耦合电压的变化，实现在各种线径、安装位置变动时对被测线缆电压的准确测量。
2.根据权利要求1所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述硬件电路模块包括：
无线传输模块(301)，精密运算放大器(302)，仪表放大器(303)，运算放大器(304)，A/D转换芯片(305)，MCU(306)，参考信号生成模块(307)。
3.根据权利要求2所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述被测线缆(2)穿过所述上盖(1)与所述壳体(3)形成的圆形孔，当对所述被测线缆(2)施加交流电压时，所述感应电极(101)的表面将出现感应电荷并产生频率为ω的位移电流，所述位移电流通过所述同轴线(202)内芯传输到所述精密运算放大器(302)的反相输入端，所述参考信号生成模块(307)输出频率ωr、有效值Vr的电压信号，传输到所述同轴线(202)外屏蔽层、所述精密运算放大器(302)同相输入端以及所述仪表放大器(303)同相输入端，所述被测线缆(2)与所述感应电极(101)形成的电容C，所述精密运算放大器(302)的跨组为R，经过所述精密运算放大器(302)以及所述仪表放大器(303)，在所述MCU(306)内进行傅里叶变换分别提取被测电压和参考信号的同频有效值，通过计算即可得到被测被测线缆电压V。
4.根据权利要求1所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述硬件模块电路(201)选用带通滤波器、模拟乘法器、低功耗MCU，以实现低功耗线缆电压检测，并能够加入声光报警。
5.根据权利要求1所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述感应电极(101)和参考电极(102)为采用金属加工成的无底无盖的圆柱形壳体。
6.根据权利要求1所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述绝缘介质(103)为采用聚四氟乙烯或尼龙的材料加工成的圆柱。
7.根据权利要求2所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述无线传输模块(301)使用蓝牙、Zigbee、Lora或NB-LOT的方式。
8.根据权利要求2所述的非侵入式线缆电压测量传感器，其特征在于，所述精密运算放大器(302)采用低偏置电流的放大或差分芯片。
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