CN113847952B - 一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于线缆测量技术领域，具体涉及一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，包括壳体和取电和电流测量环，壳体包括可拆卸的上壳体、中壳体、下壳体；中壳体内部固定有主控板和无线通信模块；取电和电流测量环固定设置在壳体上，并且穿过被测线缆；取电和电流测量环包括可拆卸的环形软磁合金带、罗氏线圈；下壳体下面固定有温度探头。本发明采用软磁合金带取电，软磁合金带材料软易于安装在不同形状的被测物体上。本发明采用罗氏线圈来进行电流测量，大电流不发热、测量范围宽、体积小、重量轻、开口易安装。本发明安装简单，对于不同尺寸的被测物体可更换不同尺寸的罗氏线圈和软磁合金带，适应性和通用性强。

Description

一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置

技术领域

本发明属于线缆测量技术领域，具体涉及一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置。

背景技术

随着传感器技术和物联网技术的发展，越来越多的电力设备都要求进行温度、负荷电流等在线监测。而这些监测装置为了满足更长的使用寿命和绿色环保，往往采用无源取电技术来代替一次性电池。

常见的磁场取电和电流测量采用电磁式电流互感器的方式，电磁式电流互感器取电在大电流情况下容易发热甚至烧毁，而用于测量电流存在绝缘结构复杂、磁芯容易饱和、长时间使用还容易生锈导致精度下降的技术问题。电磁式电流互感器测量电流范围小，如要提高测量范围结构就非常的大不便于安装。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，具体技术方案如下：

一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，包括壳体和取电和电流测量环，所述壳体包括可拆卸的上壳体、中壳体、下壳体；所述中壳体内部固定有主控板和无线通信模块；所述取电和电流测量环固定设置在壳体上，并且穿过被测线缆；

所述取电和电流测量环包括可拆卸的环形软磁合金带、罗氏线圈；所述软磁合金带上固定有取能线圈，并且取能线圈固定在中壳体上；

所述下壳体下面固定有温度探头；

所述取能线圈、罗氏线圈、温度探头、无线通信模块分别与主控板连接；

所述软磁合金带与取能线圈用于从被测线缆处获取电能，并将获取的电能提供给主控板用作工作电源；

所述罗氏线圈用于采集被测线缆通过的电流信号，并将采集的电流信号传输至主控板；

所述温度探头用于采集被测线缆的温度信号，并将采集的温度信号传输至主控板；

所述主控板用于对罗氏线圈和温度探头采集的电流信号、温度信号进行处理分析得到被测线缆流过的电流大小以及被测线缆的温度，并通过无线通信模块将被测线缆流过的电流大小和被测线缆的温度传输至远程控制端。

优选地，所述取电和电流测量环还包括环形并设有开口的硅胶套；所述硅胶套上设置有与软磁合金带、罗氏线圈的形状分别匹配的固定槽，用于分别固定软磁合金带、罗氏线圈。

优选地，所述上壳体上设置有第一螺孔，所述主控板上设置有固定孔，所述下壳体上设置有与螺孔相匹配的第二螺孔；所述第一螺孔用于与螺杆配合，使得螺杆依次穿过第一螺孔、固定孔、第二螺孔以固定主板和密封壳体。

优选地，还包括扎带，所述扎带固定在下壳体下面，用于将壳体固定在被测线缆上。

优选地，所述主控板包括能量收集模块、微处理器模块、积分电路模块、信号处理模块；所述能量收集模块分别与取能线圈、微处理器模块连接；所述积分电路模块分别与罗氏线圈、信号处理模块连接；

所述能量收集模块用于对软磁合金带与取能线圈配合获得的电能进行收集并将获取的电能输入至微处理器模块进行供电；所述积分电路模块用于将罗氏线圈的感应电动势进行积分还原成被测线缆中流过的电流信号，并将还原后的电流信号输入至信号处理模块；所述信号处理模块用于将积分电路还原的电流信号进行处理后输入至微处理器模块。

优选地，所述信号处理模块包括信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元；所述信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元依次连接；所述信号滤波单元与积分电路模块连接；所述模数转换单元与微处理器模块连接；所述信号滤波单元用于对积分电路模块还原的电流信号进行滤波，并将滤波后的电源信号输入至信号放大单元；所述信号放大单元用于对滤波后的电流信号进行放大，并将放大后的电流信号输入至模数转换单元；所述模数转换单元用于对放大后的电流信号进行模数转换，并将转换后的电流信号输入至微处理器模块进行处理分析。

优选地，所述主控板还包括电源管理模块、可充电电池、电源切换模块；所述电源管理模块分别与能量收集模块、可充电电池、电源切换模块连接；所述电源切换模块分别与可充电电池、微处理器模块连接；

所述电源管理模块用于将能量收集模块收集的电能直接通过电源切换开关给微处理器模块供电，或同时给可充电电池充电；所述电源切换模块用于在被测线缆有电流通过时切换成能量收集模块收集的电能直接给微处理器模块供电，或在被测线缆无电流通过时切换成可充电电池存储的电能给微处理器模块供电。

优选地，所述罗氏线圈的出线通过弹针或者耳机孔的方式与主控板连接。

优选地，所述软磁合金带的宽度为8-12mm，厚度为0.15-0.3mm。

本发明的有益效果为：

本发明采用软磁合金带取电，软磁合金带具有初始导磁率高，饱和电流小的特点，且材料软易于安装在不同形状的被测物体上。软磁合金带与取能线圈配合，取能效率高，

为了解决电流测量范围窄以及磁芯易发热的问题，本发明采用罗氏线圈来进行电流测量，罗氏线圈具有大电流不发热、测量范围宽、体积小、重量轻、开口易安装等特点。

本发明安装简单，对于不同尺寸的被测物体可更换不同尺寸的罗氏线圈和软磁合金带，适应性和通用性强。

本发明设置可充电电池作为备用电源，在被测线缆无电流通过的时候也能让整个装置正常工作无影响，方便装置使用。

本发明采用的软磁合金带尺寸小，软磁合金带的尺寸只需宽10mm、厚0.2mm，长度根据实际被测物体的直径决定，相比硅钢所用材料少，适合推广。

本发明采用硅胶套固定软磁合金带和罗氏线圈，作为一个整体结构，方便整天拆卸安装，而且硅胶套绝缘，可避免触电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的结构图；

图2为图1的爆炸图；

图3为1A时软磁合金带配取能线圈的输出波形图；

图4为5A时软磁合金带配取能线圈的输出波形图；

图5为20A是软磁合金带配取能线圈的输出波形图；

图6为200A时软磁合金带配取能线圈的输出波形图；

图7为不同电流下线圈的开路输出均方根电压值；

图8为本发明的工作原理图。

其中，1-壳体、11-上壳体、12-中壳体、13-下壳体、111-第一螺孔、2-扎带、3-取电和电流测量环、31-硅胶套、32-罗氏线圈、33-软磁合金带、34-取能线圈、4-主控板、41-固定孔、5-温度探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1-2所示，一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，包括壳体1和取电和电流测量环3，壳体1包括可拆卸的上壳体11、中壳体12、下壳体13；中壳体12内部固定有主控板4和无线通信模块；取电和电流测量环3固定设置在壳体1上，并且穿过被测线缆；

取电和电流测量环3包括可拆卸的环形软磁合金带33、罗氏线圈32；软磁合金带33上固定有取能线圈34，并且取能线圈34固定在中壳体12上；

下壳体13下面固定有温度探头5；

取能线圈34、罗氏线圈32、温度探头5、无线通信模块分别与主控板4连接；

软磁合金带33与取能线圈34用于从被测线缆处获取电能，并将获取的电能提供给主控板4用作工作电源；

罗氏线圈32用于采集被测线缆通过的电流信号，并将采集的电流信号传输至主控板4；

温度探头5用于采集被测线缆的温度信号，并将采集的温度信号传输至主控板4；

主控板4用于对罗氏线圈32和温度探头5采集的电流信号、温度信号进行处理分析得到被测线缆流过的电流大小以及被测线缆的温度，并通过无线通信模块将被测线缆流过的电流大小和被测线缆的温度传输至远程控制端。

本发明用软磁合金带代替电磁式电流互感器，软磁合金带取电的优势在于初始导磁率高，如图3所示，1A时线圈的开路电压即可达到0.96V的峰值，此时的波形已产生畸变说明软磁合金已工作在非线性区。而在大电流下，例如图4中的5A、图5中的20A、图中的200A下，图4为5A时软磁合金带配线圈的输出波形图，图5为20A是软磁合金带配线圈的输出波形图，图6为200A时软磁合金带配线圈的输出波形图，虽然开路电压幅值增加较大，但均方根RMS电压并未增加多少如表1所示，图7为不同电流下线圈的开路输出均方根电压值，从图7可以看出，电流较小时电流增大均方根电压增大较快，而电流达到一定时均方根电压输出变化很小慢慢趋于平稳，这一特性使得能电流再大电路中的器件不容易发热，电路处理简单。

表1不同电流下线圈的开路电压输出均方根值

电流：A	1	2	5	10	20	100	200	500
									均方根电压：V	0.554	1.519	3.154	4.549	6.193	11.58	14.771	16.285

作为本发明的一个实施例，取电和电流测量环3还包括环形并设有开口的硅胶套31；硅胶套31上设置有与软磁合金带33、罗氏线圈32的形状分别匹配的固定槽，用于分别固定软磁合金带33、罗氏线圈32。

作为本发明的一个实施例，上壳体11上设置有第一螺孔111，主控板4上设置有固定孔41，下壳体13上设置有与螺孔111相匹配的第二螺孔；第一螺孔111用于与螺杆配合，使得螺杆依次穿过第一螺孔111、固定孔41、第二螺孔以固定主板4和密封壳体1。

作为本发明的一个实施例，还包括扎带2，扎带2固定在下壳体13下面，用于将壳体1固定在被测线缆上。

作为本发明的一个实施例，如图8所示，主控板包括能量收集模块、微处理器模块、积分电路模块、信号处理模块；能量收集模块分别与取能线圈34、微处理器模块连接；积分电路模块分别与罗氏线圈32、信号处理模块连接；能量收集模块用于对软磁合金带33与取能线圈34配合获得的电能进行收集并将获取的电能输入至微处理器模块进行供电；积分电路模块用于将罗氏线圈32的感应电动势进行积分还原成被测线缆中流过的电流信号，并将还原后的电流信号输入至信号处理模块；信号处理模块用于将积分电路还原的电流信号进行处理后输入至微处理器模块。

作为本发明的一个实施例，信号处理模块包括信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元；信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元依次连接；信号滤波单元与积分电路模块连接；模数转换单元与微处理器模块连接；信号滤波单元用于对积分电路模块还原的电流信号进行滤波，并将滤波后的电源信号输入至信号放大单元；信号放大单元用于对滤波后的电流信号进行放大，并将放大后的电流信号输入至模数转换单元；模数转换单元用于对放大后的电流信号进行模数转换，并将转换后的电流信号输入至微处理器模块进行处理分析。

作为本发明的一个实施例，主控板还包括电源管理模块、可充电电池、电源切换模块；电源管理模块分别与能量收集模块、可充电电池、电源切换模块连接；电源切换模块分别与可充电电池、微处理器模块连接；

电源管理模块用于将能量收集模块收集的电能直接通过电源切换开关给微处理器模块供电，或同时给可充电电池充电；电源切换模块用于在被测线缆有电流通过时切换成能量收集模块收集的电能直接给微处理器模块供电，或在被测线缆无电流通过时切换成可充电电池存储的电能给微处理器模块供电。

本发明设置的电路简单但功能齐全，本装置不仅能通过软磁合金带进行取电，还留有备用可充电电池，在被测物体通流时除了给系统供电外将多余的能量给备用电池充电，在充满的情况下被测物体没有电流通过的时候仍可工作。电路实现简单，无需过多的保护器件，可实现主壳体小型化以便安装在空间狭小的地方。

作为本发明的一个实施例，罗氏线圈32的出线通过弹针或者耳机孔的方式与主控板4连接。

作为本发明的一个实施例，软磁合金带33的宽度为8-12mm，厚度为0.15-0.3mm，作为最优的方案，软磁合金带33的宽度为10mm，厚度为0.2mm。

本发明中用罗氏线圈32来代替电磁式电流互感器测电流的优势也很明显，一般电磁式互感器采用硅钢磁芯进行聚磁，硅钢存在磁饱和，大电流发热的情况，开口设计接触面可能会处理不好而影响测量精度，就算处理得当长时间也会存在生锈的风险而导致接触不良从而影响精度。而罗氏线圈32不含铁磁性材料,无磁滞效应,几乎为零的相位误差;无磁饱和现象,因而测量范围可从数安培到数百千安的电流;结构简单；测量精度不会随时间变化。

电磁式电流互感器受被测物体的尺寸限制，不同的尺寸通用性不强。而本发明中设计的结构就可以解决此缺陷。本发明采用高温扎带2固定，而罗氏线圈32的出线可通过弹针或者耳机孔等方式接入主控板4上，方便更换罗氏线圈32，针对不同尺寸的被测物体主壳体无需更改，只需更换不同长度的罗氏线圈32和软磁合金带33即可满足现场的各种应用。罗氏线圈和软磁合金带都是软性材料，不同被测物体的形状均可安装。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：包括壳体（1）和取电和电流测量环（3），所述壳体（1）包括可拆卸的上壳体（11）、中壳体（12）、下壳体（13）；所述中壳体（12）内部固定有主控板（4）和无线通信模块；所述取电和电流测量环（3）固定设置在壳体（1）上，并且穿过被测线缆；

所述取电和电流测量环（3）包括可拆卸的环形软磁合金带（33）、罗氏线圈（32）；所述软磁合金带（33）上固定有取能线圈（34），并且取能线圈（34）固定在中壳体（12）上；

所述下壳体（13）下面固定有温度探头（5）；

所述取能线圈（34）、罗氏线圈（32）、温度探头（5）、无线通信模块分别与主控板（4）连接；

所述软磁合金带（33）与取能线圈（34）用于从被测线缆处获取电能，并将获取的电能提供给主控板（4）用作工作电源；

所述罗氏线圈（32）用于采集被测线缆通过的电流信号，并将采集的电流信号传输至主控板（4）；

所述温度探头（5）用于采集被测线缆的温度信号，并将采集的温度信号传输至主控板（4）；

所述主控板（4）用于对罗氏线圈（32）和温度探头（5）采集的电流信号、温度信号进行处理分析得到被测线缆流过的电流大小以及被测线缆的温度，并通过无线通信模块将被测线缆流过的电流大小和被测线缆的温度传输至远程控制端；

所述取电和电流测量环（3）还包括环形并设有开口的硅胶套（31）；所述硅胶套（31）上设置有与软磁合金带（33）、罗氏线圈（32）的形状分别匹配的固定槽，用于分别固定软磁合金带（33）、罗氏线圈（32）；

针对不同尺寸的被测物体，更换不同长度的罗氏线圈（32）和软磁合金带（33）。

2.根据权利要求1所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：所述上壳体（11）上设置有第一螺孔（111），所述主控板（4）上设置有固定孔（41），所述下壳体（13）上设置有与螺孔（111）相匹配的第二螺孔；所述第一螺孔（111）用于与螺杆配合，使得螺杆依次穿过第一螺孔（111）、固定孔（41）、第二螺孔以固定主板（4）和密封壳体（1）。

3.根据权利要求1所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：还包括扎带（2），所述扎带（2）固定在下壳体（13）下面，用于将壳体（1）固定在被测线缆上。

4.根据权利要求1所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：所述主控板包括能量收集模块、微处理器模块、积分电路模块、信号处理模块；所述能量收集模块分别与取能线圈（34）、微处理器模块连接；所述积分电路模块分别与罗氏线圈（32）、信号处理模块连接；所述能量收集模块用于对软磁合金带（33）与取能线圈（34）配合获得的电能进行收集并将获取的电能输入至微处理器模块进行供电；所述积分电路模块用于将罗氏线圈（32）的感应电动势进行积分还原成被测线缆中流过的电流信号，并将还原后的电流信号输入至信号处理模块；所述信号处理模块用于将积分电路还原的电流信号进行处理后输入至微处理器模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：所述信号处理模块包括信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元；所述信号滤波单元、信号放大单元、模数转换单元依次连接；所述信号滤波单元与积分电路模块连接；所述模数转换单元与微处理器模块连接；所述信号滤波单元用于对积分电路模块还原的电流信号进行滤波，并将滤波后的电源信号输入至信号放大单元；所述信号放大单元用于对滤波后的电流信号进行放大，并将放大后的电流信号输入至模数转换单元；所述模数转换单元用于对放大后的电流信号进行模数转换，并将转换后的电流信号输入至微处理器模块进行处理分析。

6.根据权利要求4所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：所述主控板还包括电源管理模块、可充电电池、电源切换模块；所述电源管理模块分别与能量收集模块、可充电电池、电源切换模块连接；所述电源切换模块分别与可充电电池、微处理器模块连接；

所述电源管理模块用于将能量收集模块收集的电能直接通过电源切换开关给微处理器模块供电，或同时给可充电电池充电；所述电源切换模块用于在被测线缆有电流通过时切换成能量收集模块收集的电能直接给微处理器模块供电，或在被测线缆无电流通过时切换成可充电电池存储的电能给微处理器模块供电。

7.根据权利要求1所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：所述罗氏线圈（32）的出线通过弹针或者耳机孔的方式与主控板（4）连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于感应取电的线缆温度、负荷电流测量的无线装置，其特征在于：所述软磁合金带（33）的宽度为8-12mm，厚度为0.15-0.3mm。