CN113702696A - 一种多位一体电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电流采样传感器领域，具体为一种多位一体电流传感器，包括壳体在所述壳体至少设有两个穿线孔、选择开关、控制器和通信模块。穿线孔套设有励磁线圈，励磁线圈串接有采样电阻。所述控制器通过选择开关将方波信号依次循环加载到励磁线圈上；所述控制器对采样电阻的信号进行采样，并分别采集零电流时高电平的持续时间和有电流时高电平的持续时间；将零电流时高电平的持续时间存储到传感器内部，之后计算有电流时高电平持续时间与零电流时高电平持续时间的差值，将此时间差值换算成电流值。控制器将采集电流值通过通信模块传输到监控系统或服务器。本发明可以实现多路直流电流的采集，并且将采集的电流转换成数字信号传输的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及电流采样传感器领域，具体为一种多位一体电流传感器。
背景技术
由于交流电在传输的过程中会产生交变的磁场，进而可以通过电磁转换的方式实现交流电流的采样。而直流电不会产生变化的磁场，进而检测比较复杂。现有技术中有采用霍尔传感器进行直流电流采样的方案。同时，在实际的应用中，会出现需要采集多路电流的情况，因此设计一种可以实现直流电流采样、数字化输出的一种多位一体电流传感器成为一种迫切的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供了具有采集直流电流的一种多位一体电流传感器。
本发明要解决的技术问题的技术方案是：一种多位一体电流传感器，包括壳体，其特征在于：所述壳体至少设有两个穿线孔、选择开关、控制器和通信模块；所述穿线孔套设有励磁线圈，所述励磁线圈串接有采样电阻；所述选择开关的输入端和控制器电气连接，所述选择开关的输出端分别与励磁线圈连接；所述控制器通过选择开关将方波信号依次循环加载到励磁线圈上；所述控制器对采样电阻上的高电平信号的持续时间进行采样；之后将采样电阻的高电平持续时间与未施加穿心电流时高电平持续时间进行差值计算；将计算出的差值换算成电流值；控制器将采集电流值通过通信模块传输到监控系统或服务器。
更好的，所述穿线孔设置有四个。
更好的，所述选择开关为多路选择器。
更好的，还包括信号发生电路；
所述信号发生电路包括四个电控模拟开关，所述四个电控模拟开关组成换向电路用以产生方波信号。
更好的，两个所述电控模拟开关一组组成高电平信号回路和低电平信号回路；所述高电平信号回路：第五、第六引脚并联之后和控制器的信号输出端电气连接；第八引脚和电源正极电气连接；第三、第九引脚和励磁线圈的两端连接；第四引脚经采样电阻接地；所述低电平信号回路：第十二、第十三引脚并联之后和控制器的信号输出端电气连接；第一引脚和电源正极电气连接；第二、第十引脚和励磁线圈的两端连接；第十一引脚经采样电阻接地；控制器控制第五、第六引脚触发时产生高电平，控制第十二、第十三引脚触发时产生低电平，通过连续的间断控制实现方波励磁信号的产生。
更好的，上电时，控制器自动检测波上升时间，将当前波上升时间设置为基准值，后续采样中采集的高电平持续时间与此基准值比对。
更好的，还包括温度传感器，所述温度传感器和控制器电气连接；以T0摄氏度时，测定一额定电流并确定温度补偿系数ΔI/℃；后续采样中采集环境温度T，采样电流为Ih，则校正后的输出电流I＝Ih-ΔI/℃*。
更好的，所述T0取值为25摄氏度。
更好的，所述控制器以单片机为微处理器。
更好的，所述通信模块为485通信模块、CAN通信模块或232通信模块。
本发明的有益效果为：
可以实现多路直流电流的采集，并且将采集的电流转换成数字信号传输的有益效果。
附图说明
图1是本发明一种实施例的外观示意图。
图2是本发明一种实施例的系统组成示意图。
图3是本发明一种实施例的励磁电路。
图中：
500、温度传感器；L、励磁线圈；400、通信模块；300、控制器；200、选择开关；
具体实施方式
为使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面对本发明的实施方式做进一步的详细解释。
一种多位一体电流传感器，包括壳体，壳体内部设有空腔，在壳体空腔的内部设有励磁线圈和电路板，用以实现电流的采集以及电流信号的处理。本发明公开的多位一体的电流传感器可以同时测量多路直流电流。基于此在壳体上设有至少两个穿线孔，待测电流的导线穿过穿线孔就可以进行电流的采集。壳体上设有固定通孔，用以实现将壳体固定在检测电流的位置。如图1所示，本实施例中，所述穿线孔设置有四个，可以同时采集四个直流电流。
其中励磁线圈L包括磁芯和缠绕在磁芯上的线圈，其中磁芯为环状中，且磁芯与穿线孔的轴心重合，导线穿过穿线孔的时候同时穿过磁芯。
电路板上设有控制器300、选择开关200和通信模块400。控制器300将采集的电流信号转换成数字信号之后通过通信模块400传输到上一级设备上，如监控系统、监控平台或者服务器上。所述通信模块400可为485通信模块、CAN通信模块或232通信模块。同时，通信模块也可以设置为无线通信模块，如GPRS通信模块、WiFi通信模块、蓝牙通信模块等。
本发明实现的功能是多路电流的采集，本实施例中设置了4个穿线孔，在采集的过程中可以有两种方式，一种是同时对四个电流进行采样，另一种是以循环的方式依次对每一个电流进行采样。
为了简化电路结构、降低处理器的成本，本实施例采用依次循环采样的方式。其中所述选择开关200的输出端分别与励磁线圈L连接；所述选择开关200的输入端和控制器300电气连接，所述控制器300通过选择开关200将方波信号依次循环加载到励磁线圈L上。控制器控制选择开关200导通其中一路，对其中一路电流进行采集，然后在控制导通下一路，并对下一路穿线孔的电流进行采集，进而实现依次循环采集的功能，本实施例没采集一路电流信号所用的时间设置为1秒。为了提高精度和实时性可以选择较高频率的处理器。
为了采集反馈信号，所述励磁线圈L串接有采样电阻；控制器通过采样电阻采集信号，并经穿线孔导线影响的反馈信号。
在采集电流之前，给励磁线圈L施加方波励磁信号，然后通过采样电阻采集励磁线圈的信号方波的变化，具体的，分别采集零电流时高电平的持续时间和有电流时高电平的持续时间；将零电流时高电平的持续时间存储到传感器内部，之后计算有电流时高电平持续时间与零电流时高电平持续时间的差值，将此时间差值换算成电流值。
由于依次循环进行信号的采集，需要设置选择开关200。选择开关可以多路选择器。本实施例中控制器采用单片机作为微处理器，该单片机内部集成晶振模块。单片机提供振荡信号，本实施例中为高低电平等分的方波信号，经选择开关200后传送给励磁线圈L，励磁线圈的两端会产生方波信号。四个励磁线圈循环切换，每个励磁线圈1秒钟。励磁线圈没有穿心电流时，方波高低电平持续时间相同。当直流电流穿过线圈时，产生偏置磁场，使震荡电路方波信号产生相位差，高低电平持续时间不同，产生变化的方波信号经采样电阻采样获取高低电平的持续时间。
采集高电平的持续时间，高电平持续时间包括波上升时间。具体的，在穿心线，即穿过穿线孔的导线没有电流时，读取高电平持续的时间t0，将该时间定义为基准时间。
在穿心线施加额定电流Ie的情况下，采集采样电阻上高电平持续的时间t1,则额定电流对应的采样时间为Δte＝t1-t0，将此采样时间设定为额定电流采用时间，并存储在控制器的内部。
当穿心线流过电流是，采集采样电阻的高电平的持续时间，假定此时的实际电流为I，此时高电平的持续时间与未有穿心电流的时间差值Δt＝t-t0。
此时测量的电流I＝Δt/Δte×Ie。
由于单片机I/O接口的引脚输出的电压较小电流微弱，无法实现励磁，因此需要设置一个信号发生电路，所述信号发生电路包括四个电控模拟开关，所述四个电控模拟开关组成换向电路用以产生方波信号。具体的，如图所示，所述电控模拟开关型号为MC14066B，两个开关一组组成高电平信号回路和低电平信号回路。其中所述高电平信号回路组成为：
第五、第六引脚并联之后和控制器的信号输出端电气连接；第八引脚和电源正极电气连接；第三、第九引脚和励磁线圈的两端连接；第四引脚经采样电阻接地；
所述低电平信号回路的组成为：
第十二、第十三引脚并联之后和控制器的信号输出端电气连接；第一引脚和电源正极电气连接；第二、第十引脚和励磁线圈的两端连接；第十一引脚经采样电阻接地；
控制器控制第五、第六引脚触发时产生高电平，控制第十二、第十三引脚触发时产生低电平，通过连续的间断控制实现方波励磁信号的产生。控制器输出的信号进选择开关之后到达信号发生电路，首先触发第五、第六引脚，此时U4.2和U4.3两个开关导通，电流由CT2向CT1流动，此时定义为高电平，之后触发第十二、第十三引脚，此时U4.1和U4.4两个开关导通，电流由CT1向CT2流动，此时定义为低电平。之后循环依次导通产生方波信号，并加载到励磁线圈L上。流过励磁线圈L的电流经采样电阻到接地端。通过采样电路可以采集采样电阻上的电压值，进而可以换算成电流值，其中采样电路可以采用高精密电阻。
由于磁芯和电子元器件温度特性的影响，采样电阻上产生的信号输出会随着环境温度的变化而变化。经实验验证，传感器的输出电流值随温度升高时而增大，随温度降低时而减小，即传感器是正温度系数的器件。故在传感器内部预埋一个温度传感器，并在EEPROM内部存储温度补偿系数ΔI/℃。首先在特定温度T0下，在穿心导线上输入精确地额定电流，之后采集输出的电流数据，调整温度之后重复上述步骤可以确定一个温度补偿系数。该系数可通过试验测定。温度传感器和控制器电气连接，温度传感器实时监测环境温度的变化，并根据温度的变化自动补偿输出电流值。以25℃为基数，当环境温度上升T摄氏度时，实测的电流值为Ih，其补偿的电流值为ΔI/℃*T,故其输出电流值为I＝Ih-ΔI/℃*T；当环境温度下降T℃时，实测的电流值为Il，其补偿的电流值为ΔI/℃*T,故其输出电流值为I＝Il+ΔI/℃*T。即通过采样电阻计算出采样的电流Ih，通过温度传感器采集环境温度T，则校正后的输出电流I＝Ih-ΔI/℃*(T-T0)。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的范围，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡依本发明的要求范围所述的形状、构造、特征及精神所谓的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种多位一体电流传感器，包括壳体，其特征在于：
所述壳体至少设有两个穿线孔、选择开关(200)、控制器(300)和通信模块(400)；
所述穿线孔套设有励磁线圈(L)，所述励磁线圈(L)串接有采样电阻；所述选择开关(200)的输入端和控制器(300)电气连接，所述选择开关(200)的输出端分别与励磁线圈(L)连接；所述控制器(300)通过选择开关(200)将方波信号依次循环加载到励磁线圈(L)上；
所述控制器(300)对采样电阻上的高电平信号的持续时间进行采样；
之后将采样电阻的高电平持续时间与未施加穿心电流时高电平持续时间进行差值计算；
将计算出的差值换算成电流值；
控制器(300)将采集电流值通过通信模块(400)传输到监控系统或服务器。
2.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
所述穿线孔设置有四个。
3.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
所述选择开关(200)为多路选择器。
4.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
还包括信号发生电路；
所述信号发生电路包括四个电控模拟开关，所述四个电控模拟开关组成换向电路用以产生方波信号。
5.根据权利要求4所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
两个所述电控模拟开关一组组成高电平信号回路和低电平信号回路；
所述高电平信号回路：
第五、第六引脚并联之后和控制器的信号输出端电气连接；第八引脚和电源正极电气连接；第三、第九引脚和励磁线圈的两端连接；第四引脚经采样电阻接地；
所述低电平信号回路：
第十二、第十三引脚并联之后和控制器的信号输出端电气连接；第一引脚和电源正极电气连接；第二、第十引脚和励磁线圈的两端连接；第十一引脚经采样电阻接地；
控制器控制第五、第六引脚触发时产生高电平，控制第十二、第十三引脚触发时产生低电平，通过连续的间断控制实现方波励磁信号的产生。
6.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
上电时，控制器自动检测波上升时间，将当前波上升时间设置为基准值，后续采样中采集的高电平持续时间与此基准值比对。
7.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
还包括温度传感器(500)，所述温度传感器(500)和控制器(300)电气连接；
以T0摄氏度时，测定一额定电流并确定温度补偿系数ΔI/℃；
后续采样中采集环境温度T，采样电流为Ih，则校正后的输出电流I＝Ih-ΔI/℃*(T-T0)。
8.根据权利要求7所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
所述T0取值为25摄氏度。
9.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
所述控制器(300)以单片机为微处理器。
10.根据权利要求1所述的一种多位一体电流传感器，其特征在于：
所述通信模块(400)为485通信模块、CAN通信模块或232通信模块。
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