CN212364408U - 一种电流采样装置及电流采样系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电流采样装置及电流采样系统。其中，该电流采样装置，包括：控制器和至少两个采样电路；所述至少两个采样电路的输入端均连接至预设采样位置，所述至少两个采样电路的输出端均连接至所述控制器；各采样电路的电流采样范围不同，且所有采样电路的电流采样范围能够覆盖所述预设采样位置的实际电流范围；所述控制器，用于读取所述至少两个采样电路中目标采样电路的输出信号，并根据所述输出信号得到采样电流。本实用新型通过至少两个采样电路进行分段采样，根据实际需求及时切换至更为合适的采样电路进行电流采样，能够提高电流采样精度，尤其是小电流的采样精度，进而能耗计算更准确。

Description

一种电流采样装置及电流采样系统

技术领域

本实用新型涉及电流采样技术领域，具体而言，涉及一种电流采样装置及电流采样系统。

背景技术

针对公共场合分户计费，需要对多联机的功耗进行计算。常用的方法是对电源电压和电源电流进行采样，根据采样的电压和电流来计算功耗。

目前一般采用一个采样电路进行电流采样，但是多联机系统的电源电流范围较宽，对小电流进行采样时，由于分辨率或干扰问题采集到的电流精度相对较低，导致功耗计算不准确，从而影响到分户计费的精准度。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种电流采样装置及电流采样系统，以解决现有技术中电流采样方法对小电流的采样精度较低，导致功耗计算不准确的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种电流采样装置，包括：控制器和至少两个采样电路；

所述至少两个采样电路的输入端均连接至预设采样位置，所述至少两个采样电路的输出端均连接至所述控制器；

各采样电路的电流采样范围不同，且所有采样电路的电流采样范围能够覆盖所述预设采样位置的实际电流范围；

所述控制器，用于读取所述至少两个采样电路中目标采样电路的输出信号，并根据所述输出信号得到采样电流。

可选的，所述至少两个采样电路中包括：第一采样电路，所述第一采样电路的电流采样范围的上限值小于所述至少两个采样电路中其他采样电路的电流采样范围的上限值。

可选的，所述控制器包括：

至少两个采样引脚，分别与所述至少两个采样电路的输出端一一对应连接；

比较器，所述比较器的输入端连接至所述至少两个采样引脚，用于比较通过当前目标采样电路输入的电流值与当前目标采样电路对应的预设阈值的大小关系；

控制模块，连接至所述比较器的输出端以及所述至少两个引脚，用于根据所述比较器输出的比较结果控制相应的引脚以实现目标采样电路的切换。

可选的，所述采样电路包括：采样电阻和放大电路；

所述采样电阻的第一端连接至所述预设采样位置，所述采样电阻的第二端接地；

所述放大电路的第一输入端连接至所述采样电阻的第一端，所述放大电路的第二输入端接地，所述放大电路的第一输出端作为所述采样电路的输出端；

各采样电路的采样电阻的阻值和/或放大电路的放大倍数不同。

可选的，所述放大电路包括：

运算放大器，包括正相输入端、反相输入端和所述第一输出端；

第一电阻，一端连接至所述正相输入端，另一端作为所述放大电路的第一输入端；

第二电阻，一端连接至所述反相输入端，另一端作为所述放大电路的第二输入端；

第三电阻，一端连接至所述正相输入端，另一端连接电压信号源；

第四电阻，一端连接至所述反相输入端，另一端连接至所述第一输出端。

本实用新型实施例还提供了一种电流采样系统，包括：用电设备以及上述电流采样装置，所述电流采样装置中的至少两个采样电路的输入端均连接至所述用电设备的预设采样位置。

应用本实用新型的技术方案，通过至少两个采样电路进行分段采样，根据实际需求及时切换至更为合适的采样电路进行电流采样，能够提高电流采样精度，尤其是小电流的采样精度，进而能耗计算更准确。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的电流采样装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的采样电路的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的电流采样方法的流程图；

图4是本实用新型实施例提供的电流采样方法的具体流程图一；

图5是本实用新型实施例提供的电流采样方法的具体流程图二。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供一种电流采样装置，可用于对设备进行电流采样，保证电流采样精度，尤其是小电流的采样精度。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见后续实施例所述的内容。

图1是本实用新型实施例提供的电流采样装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：控制器10和至少两个采样电路20。

所述至少两个采样电路的输入端均连接至预设采样位置Z，所述至少两个采样电路的输出端均连接至所述控制器。以采集设备的电源电流为例，预设采样位置是能够采集设备电源电流的位置点，例如，电网向该设备输入电流的位置点。

各采样电路的电流采样范围不同，且所有采样电路的电流采样范围能够覆盖设备的预设采样位置的实际电流范围。电流采样范围可以是[0，Y]，也可以是[X，Y]，其中，X和Y可根据实际需求(如采样电路个数、采样位置的实际电流范围等)进行设置。通过至少两个采样电路的分段采样，保证了小电流的采样精度。

所述控制器，用于读取所述至少两个采样电路中目标采样电路的输出信号，并根据所述输出信号得到采样电流。控制器以目标采样电路采样的电流值作为最终的采样电流，进而可根据该采样电流计算功率。在进行采样时，同一时间仅能有一个采样电路作为目标采样电路，当目标采样电路发生变化时，需要切换到新的目标采样电路，目标采样电路的确定及切换在后面将进行说明。

本实施例通过至少两个采样电路进行分段采样，根据实际需求及时切换至更为合适的采样电路进行电流采样，能够提高电流采样精度，尤其是小电流的采样精度，进而能耗计算更准确，分户收费更为合理。

所述至少两个采样电路中包括：第一采样电路，所述第一采样电路的电流采样范围的上限值小于所述至少两个采样电路中其他采样电路的电流采样范围的上限值。也就是说，第一采样电路是至少两个采样电路中电流采样范围较小的电路，适用于小电流的采样，第一采样电路的电流采样范围的下限值一定是0。

在一个可选的实施方式中，所述控制器包括：

至少两个采样引脚(参考图1中的ADCIN1至ADCINn，也称为采样通道)，分别与所述至少两个采样电路的输出端一一对应连接；

比较器，所述比较器的输入端连接至所述至少两个采样引脚，用于比较通过当前目标采样电路输入的电流值与当前目标采样电路对应的预设阈值的大小关系；

控制模块，连接至所述比较器的输出端以及所述至少两个引脚，用于根据所述比较器输出的比较结果控制相应的引脚以实现目标采样电路的切换。

控制器通过比较器的比较结果能够确定当前较为合适的目标采样电路，然后通过采样引脚实现对相应目标采样电路的输出信号读取，实现目标采样电路的切换(也可称为采样通道或采样引脚的切换)。非目标采样电路对应的采样引脚，是不读取采样电路的输出信号的。

可选的，可设置至少两个比较器，所述至少两个比较器的输入端分别与所述至少两个采样引脚一一对应连接，用于比较相应采样电路输入的电流值与该采样电路对应的预设阈值的大小关系。所述至少两个比较器的输出端均连接至控制模块，以输出比较结果给控制模块。

本实用新型实施例中各采样电路的结构可以相同，也可以不同。下面以图2所示的电路结构为例对采样电路进行说明。然而值得注意的是，该结构示例仅是为了更好地说明本申请，并不构成对本申请的不当限定。

参考图2，采样电路20包括：采样电阻R1和放大电路30。所述采样电阻的第一端连接至所述预设采样位置，所述采样电阻的第二端接地；所述放大电路的第一输入端连接至所述采样电阻的第一端，所述放大电路的第二输入端接地，所述放大电路的第一输出端作为所述采样电路的输出端(Uout)。各采样电路的采样电阻的阻值和/或放大电路的放大倍数不同。针对图2所示的采样电路结构，通过对采样电路中采样电阻的阻值和/或放大电路的放大倍数进行设置，可实现不同的电流采样范围。本实施例对具体参数设置不作详细阐述。

具体的，所述放大电路30包括：

运算放大器U1，包括正相输入端、反相输入端和所述第一输出端；

第一电阻R2，一端连接至所述正相输入端，另一端作为所述放大电路的第一输入端；

第二电阻R3，一端连接至所述反相输入端，另一端作为所述放大电路的第二输入端；

第三电阻R4，一端连接至所述正相输入端，另一端连接电压信号源；

第四电阻R5，一端连接至所述反相输入端，另一端连接至所述第一输出端。

通过R2、R3、R4、R5的选值可以确定运算放大器U1的放大倍数。待采样的电流流经采样电阻R1后得到电压信号，采样得到的电压信号经过放大后得到输出信号(即电压信号Uout)输入到控制器的采样通道(采样引脚)，控制器根据Uout、采样电阻的阻值和放大倍数可以计算得到对应的采样电流的模拟量，然后通过模数转换将该模拟量转换为数字量。模拟量与数字量是线性关系，数字量的范围固定(例如0～4096)，当设定的采样范围越小，即数字量的一个单位对应的模拟量越少，相应地电流采样的精度也越高。

本实用新型实施例还提供一种电流采样系统，包括：用电设备以及上述实施例所述的电流采样装置，所述电流采样装置中的至少两个采样电路的输入端均连接至所述用电设备的预设采样位置。示例性的，该用电设备可以是空调等，例如多联机。

本实用新型实施例还提供一种电流采样方法，该方法基于上述实施例所述的电流采样装置实现。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见上述实施例提供的电流采样装置。图3是本实用新型实施例提供的电流采样方法的流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：

S301，获取采样电流参考值。

S302，比较所述采样电流参考值与预设阈值，并根据比较结果确定至少两个采样电路中的目标采样电路。

S303，读取所述目标采样电路的输出信号，并根据所述输出信号得到采样电流。若确定的目标采样电路发生变化，不是当前的目标采样电路了，而是其他采样电路，则需要切换至该新的目标采样电路。

其中，可以按照预设时机获取采样电流参考值，例如，实时或者按照预设周期获取。预设阈值是预先设置的与各采样电路的电流采样范围相关的阈值，作为切换目标采样电路的依据。每个采样电路都可对应有自己的预设阈值，当采样电路作为当前目标采样电路时，可根据其当前采样电流与对应的预设阈值来确定是否要切换目标采样电路；或者，根据所有采样电路对应的预设阈值构建阈值区间与目标采样电路的对应关系，根据估算电流值所处的区间可确定目标采样电路。得到采样电流后可以根据该采样电流和相应的采样电压计算功率，进而计算电费。电流采样范围越大的采样电路对应的预设阈值相对也大。

本实施例通过至少两个采样电路进行分段采样，根据采样电流参考值与预设阈值的比较结果确定目标采样电路，并读取目标采样电路的输出信号以得到采样电流值，能够根据实际需求及时切换至更为合适的采样电路进行电流采样，提高电流采样精度，尤其是小电流的采样精度，进而能耗计算更准确，分户收费更为合理。

需要说明的是，各采样电路的电流采样范围可有些许重叠，主要依靠预设阈值来确定目标采样电路及其切换。具体的，获取采样电流参考值，包括：获取当前目标采样电路采样的当前电流值；或者，根据设备电机的电压电流参数计算得到所述设备的预设采样位置的电流估算值。本实施例提供两种不同的方式来切换目标采样电路，使得电流采样更为灵活。

进一步的，根据设备电机的电压电流参数计算得到所述设备的预设采样位置的电流估算值，包括：获取所述电机的交轴电压、交轴电流、直轴电压与直轴电流；根据所述交轴电压、交轴电流、直轴电压与直轴电流计算得到电机功率，作为设备功率；根据所述设备功率和所述预设采样位置的采样电压计算得到所述电流估算值。

其中，电机的电压电流参数(交轴电压、交轴电流、直轴电压与直轴电流)可测量或计算得到。具体的，计算交轴电流与交轴电压的第一乘积，计算直轴电流与直轴电压的第二乘积，计算第一乘积与第二乘积的和，得到电机功率，用电机侧的功率来估算整个设备的功率。由于电网电压一般比较稳定，所以设备的采样电压也比较准确，因此，通过上述估算得到的电流估算值较为可靠，可作为切换目标采样电路的依据。

下面分别针对上述两种形式的采样电流参考值对确定目标采样电路的具体步骤进行说明。

(1)采样电流参考值为当前目标采样电路采样的当前电流值

在本情况下，初始可默认任一采样电路为目标采样电路，较优的，默认电流采样范围较大甚至最大的采样电路作为初始的目标采样电路。

作为一个可选的实施方式，比较所述采样电流参考值与预设阈值，并根据比较结果确定至少两个采样电路中的目标采样电路，包括：

判断所述当前电流值与当前目标采样电路对应的预设阈值的大小关系，其中，当前目标采样电路对应的预设阈值包括第一阈值和/或第二阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值；

若所述当前电流值小于等于所述第一阈值，则确定当前目标采样电路的前一个采样电路作为新的目标采样电路；

若所述当前电流值大于所述第二阈值，则确定当前目标采样电路的后一个采样电流作为新的目标采样电路；

若所述当前电流值大于所述第一阈值和/或小于等于所述第二阈值，则维持当前目标采样电路不变；其中，大于第一阈值和小于等于第二阈值，表示大于第一阈值且小于等于第二阈值；

其中，各采样电路按照电流采样范围的上限值由小到大进行排序。

每个采样电路都可对应有自己的第一阈值和/或第二阈值。第一阈值是用于切换至更小采样范围的采样电路的阈值。第二阈值是用于切换至更大采样范围的采样电路的阈值。对于排序相邻的采样电路，其中前一个采样电路对应的第二阈值，与后一个电路对应的第一阈值是同一阈值。可以理解的是，针对排序相邻的两个采样电路之间的切换而言，二者对应有同一预设阈值，若当前电流值小于该阈值，则确定排序相邻的两个采样电路中的前一个采样电路作为目标采样电路，若当前电流值大于或等于该阈值，则确定排序相邻的两个采样电路中的后一个采样电路作为目标采样电路。示例性的，采样电路对应的第二阈值可以是该采样电路的电流采样范围的上限值。

具体的，按照上述排序，若当前目标采样电路为第一个采样电路，因为第一个采样电路的电流采样范围最小，因此第一个采样电路对应的预设阈值仅包括第二阈值(即用于切换至更大采样范围的采样电路的阈值)，判断当前电流值是否大于第二阈值；若是，则确定第二个采样电路作为新的目标采样电路；若否，则仍然保持第一个采样电路作为目标采样电路。

若当前目标采样电路为最后一个采样电路，因为最后一个采样电路的电流采样范围最大，因此最后一个采样电路对应的预设阈值仅包括第一阈值(即用于切换至更小采样范围的采样电路的阈值)，判断当前电流值是否小于第一阈值；若是，则确定倒数第二个采样电路作为新的目标采样电路；若否，则仍然保持最后一个采样电路作为目标采样电路。

若当前目标采样电路为中间的采样电路，因为其前后都有采样电路，所以中间的采样电路对应的预设阈值包括第一阈值(即用于切换至更小采样范围的采样电路的阈值)和第二阈值(即用于切换至更大采样范围的采样电路的阈值)。判断当前电流值与第一阈值、第二阈值的大小关系；若当前电流值小于第一阈值，则确定该中间的采样电路的前一个采样电路作为新的目标采样电路；若当前电流值大于第二阈值，则确定该中间的采样电路的后一个采样电路作为新的目标采样电路；若当前电流值大于等于第一阈值且小于等于第二阈值，则维持当前目标采样电路不变，即仍然保持该中间的采样电路作为目标采样电路。

本实施方式针对相邻采样电路之间的切换，预先设置一个用于判断是否切换目标采样电路的阈值，通过当前目标采样电路采样的当前电流值与当前目标采样电路对应的预设阈值的大小关系，实现了目标采样电路的确定和切换，能够根据实际电流大小切换更为合适的采样电路，保证电流的采样精度，尤其是小电流的采样精度。

作为另一个可选的实施方式，比较所述采样电流参考值与预设阈值，并根据比较结果确定至少两个采样电路中的目标采样电路，包括：

各采样电路按照电流采样范围的上限值由小到大进行排序；针对排序相邻的两个采样电路之间的切换，设置有第三阈值和第四阈值，所述第三阈值小于所述第四阈值；

若所述排序相邻的两个采样电路中的后一个采样电路为当前目标采样电路，比较当前目标采样电路采样的当前电流值与所述第三阈值；若所述当前电流值小于所述第三阈值，确定所述排序相邻的两个采样电路中的前一个采样电路作为新的目标采样电路；若所述当前电流值大于等于所述第三阈值，仍维持所述排序相邻的两个采样电路中的后一个采样电路作为目标采样电路；

若所述排序相邻的两个采样电路中的前一个采样电路为当前目标采样电路，比较当前目标采样电路采样的当前电流值与所述第四阈值；若所述当前电流值大于所述第四阈值，确定所述排序相邻的两个采样电路中的后一个采样电路作为新的目标采样电路；若所述当前电流值小于等于所述第四阈值，仍维持所述排序相邻的两个采样电路中的前一个采样电路作为目标采样电路。

其中，第三阈值是用于切换至更小采样范围的采样电路的阈值。第四阈值是用于切换至更大采样范围的采样电路的阈值。第三阈值和第四阈值可根据实际采样精度确定，例如，确定采样精度下降的临界电流值，第四阈值可设置为稍大于该临界电流值，第三阈值设置为小于该临界电流值。

本实施方式针对相邻采样电路之间的切换，预先设置两个用于判断是否切换目标采样电路的阈值，即第三阈值和第四阈值，且第三阈值小于第四阈值。在设备电流从小电流逐渐升高到大电流的过程中，当前采样电流值大于第四阈值时，切换到采样范围更大的采样电路进行采样，在设备电流从大电流逐渐下降到小电流的过程中，当前采样电流值小于第三阈值时，切换到采样范围更小的采样电路进行采样。这样的滞环设置在保证电流采样精度的同时，避免了采样电路频繁切换导致计算的功率值波动较大。

需要说明的是，为了方便描述，前述将各采样电路按照电流采样范围的上限值由小到大进行排序，实际上，也可将各采样电路按照电流采样范围的上限值由大到小进行排序，然后以该排序为基础进行目标采样电路确定过程的说明，对此不再进行赘述。

参考图4，以两个采样电路(记为1和2)以及滞环设置(I3<I4)为例进行示例说明。采样电路1的采样范围小于采样电路2的采样范围，图中I3、I4分别为判断采样电路(也可以理解为采样通道)的电流阈值。

S401，采样开始时，默认采样电路2采集的电流作为功率计算电流。

S402，判断当前采样得到的电流是否小于阈值I3；若是，执行步骤S403，若否，返回步骤S401继续用采样电路2采集到的电流作为功率计算电流。

S403，切换到采样电路1，并以采样电路1采集的电流作为功率计算电流。

S404，判断当前采样得到的电流是否大于阈值I4；若是，则返回步骤S401，切换至采样电路2，并用采样电路2采集到的电流作为功率计算电流；若否，则返回步骤S403继续用采样电路1采集的电流作为功率计算电流。直到采样结束。

(2)采样电流参考值为电流估算值

比较所述采样电流参考值与预设阈值，并根据比较结果确定至少两个采样电路中的目标采样电路，包括：根据所有采样电路对应的预设阈值，确定所述电流估算值所处的区间；根据所述区间确定所述目标采样电路。

其中，所有采样电路对应的阈值可以采用上述(1)中的两种阈值设置方式进行设置，相应的区间与目标采样电路的对应关系也可参考(1)中所述进行设置，此处不再赘述。示例性的，以三个采样电路且针对相邻电路间的切换设置一个阈值为例，采样电路按照电流采样范围的上限值由小到大进行排序为A、B、C，两个阈值a和b，a＜b，若电流估算值小于等于a，则目标采样电路为A，若电流估算值大于b，则目标采样电路为C，若电流估算值大于a且小于等于b，则目标采样电路为B。又一示例，以三个采样电路且针对相邻电路间的切换设置两个阈值为例，采样电路按照电流采样范围的上限值由小到大进行排序为A、B、C，阈值a、b、c和d，a＜b＜c＜d，若电流估算值小于a，则目标采样电路为A，若电流估算值大于等于a且小于等于d，则目标采样电路为B，若电流估算值大于d，则目标采样电路为C。

本实施例根据当前的电流估算值所处的区间来确定目标采样电路，为采样电路的选择与切换提供了另一种可靠的实现方式，能够切换更为合适的采样电路，保证电流的采样精度，尤其是小电流的采样精度。

参考图5，以两个采样电路(记为1和2)以及滞环设置(I3<I4)为例进行示例说明。采样电路1的采样范围小于采样电路2的采样范围，图中I3、I4分别为判断采样电路(或称为采样通道)的电流阈值。

S501，估算系统功率，根据估算功率和采样电压来估算电流值。

S502，判断估算的电流值是否小于I3，若是，执行步骤S503，若否，执行步骤S504。

S503，切换采样电路1的采样电流来计算实际功率。

S504，判断估算的电流值是否大于I4，若是，执行步骤S505，若否，执行步骤S506。

S505，切换采样电路2的采样电流来计算实际功率。

S506，结束，等待下一次估算和判断。若估算的电流值介于I3和I4之间，维持当前采样通道不变。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种电流采样装置，其特征在于，包括：控制器和至少两个采样电路；

所述至少两个采样电路的输入端均连接至预设采样位置，所述至少两个采样电路的输出端均连接至所述控制器；

各采样电路的电流采样范围不同，且所有采样电路的电流采样范围能够覆盖所述预设采样位置的实际电流范围；

所述控制器，用于读取所述至少两个采样电路中目标采样电路的输出信号，并根据所述输出信号得到采样电流。

2.根据权利要求1所述的电流采样装置，其特征在于，所述至少两个采样电路中包括：第一采样电路，所述第一采样电路的电流采样范围的上限值小于所述至少两个采样电路中其他采样电路的电流采样范围的上限值。

3.根据权利要求1所述的电流采样装置，其特征在于，所述控制器包括：

至少两个采样引脚，分别与所述至少两个采样电路的输出端一一对应连接；

比较器，所述比较器的输入端连接至所述至少两个采样引脚，用于比较通过当前目标采样电路输入的电流值与当前目标采样电路对应的预设阈值的大小关系；

控制模块，连接至所述比较器的输出端以及所述至少两个引脚，用于根据所述比较器输出的比较结果控制相应的引脚以实现目标采样电路的切换。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流采样装置，其特征在于，所述采样电路包括：采样电阻和放大电路；

所述采样电阻的第一端连接至所述预设采样位置，所述采样电阻的第二端接地；

所述放大电路的第一输入端连接至所述采样电阻的第一端，所述放大电路的第二输入端接地，所述放大电路的第一输出端作为所述采样电路的输出端；

各采样电路的采样电阻的阻值和/或放大电路的放大倍数不同。

5.根据权利要求4所述的电流采样装置，其特征在于，所述放大电路包括：

运算放大器，包括正相输入端、反相输入端和所述第一输出端；

第一电阻，一端连接至所述正相输入端，另一端作为所述放大电路的第一输入端；

第二电阻，一端连接至所述反相输入端，另一端作为所述放大电路的第二输入端；

第三电阻，一端连接至所述正相输入端，另一端连接电压信号源；

第四电阻，一端连接至所述反相输入端，另一端连接至所述第一输出端。

6.一种电流采样系统，其特征在于，包括：用电设备以及权利要求1至5中任一项所述的电流采样装置，所述电流采样装置中的至少两个采样电路的输入端均连接至所述用电设备的预设采样位置。

Images