KR100448311B1 - current measurement apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디지털 제어 방식 및 무선전파 통신방식을 적용한 전류 측정 장치 에 관한 것이다. 본 발명에서는 전류가 흐르는 도선 주위에서 발생하는 자장을 감지하여 그 자장을 상쇄시키는 방향으로 역전류를 발생시키고, 그 역전류를 측정하여 상기 도선에 흐르는 전류를 측정한다. 본 발명에서는 상기 도선에 흐르는 전류를 측정하기 위해 변류기에 흐르는 전압 파형을 디지털 신호로 변환시킴으로써, 보다 정확한 주파수 분석이 이루어질 수 있도록 하고, 상기 변류기에 검출된 전압값을 무선전파 통신방식으로 수신 모듈측으로 전송함으로써 측정 거리에 구애받지 않고 도선에 흐르는 전류값을 측정할 수 있다.The present invention relates to a current measuring device applying the digital control method and radio wave communication method. In the present invention, by detecting the magnetic field generated around the conductive wire current flows to generate a reverse current in the direction to cancel the magnetic field, the reverse current is measured to measure the current flowing in the conductive wire. In the present invention, by converting the voltage waveform flowing in the current transformer to a digital signal in order to measure the current flowing in the conductive wires, a more accurate frequency analysis can be performed, and the voltage value detected in the current transformer to the receiving module by radio wave communication method. By transmitting, the current value flowing through the wire can be measured regardless of the measurement distance.
Description
본 발명은 전류 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디지털 제어 방식과 무선 전파 통신 방식을 적용한 자기 보상형 전류 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a current measuring system, and more particularly, to a self-compensated current measuring device applying a digital control method and a radio wave communication method.
현재 주로 사용되고 있는 전류 측정 방식으로는 자기 홀 센서를 이용하는 방법과 변류기를 이용하는 방법등이 있다. 이러한 여러 가지 전류 측정 방법들 중에서 변류기를 이용하는 자기 보상형 전류 검출 방법이 가장 정밀한 전류 측정 방법으로서 알려져 있다.Current methods of measuring current include magnetic Hall sensors and current transformers. Among these various current measurement methods, a self-compensated current detection method using a current transformer is known as the most accurate current measurement method.
그러나, 종래의 자기 보상형 전류 검출 장치는 모두 아날로그 방식으로 구성되어 있고, 또한 자장을 검출하는 변류기와 전기적 제어 장치가 일정한 길이의 케이블로 연결되어 있다. 상기 아날로그 방식으로 되어 있는 전류 검출 장치는 자기를 보상하는 회로의 구성 방식이 복잡하고 정밀한 전류 검출이 이루어지지 못하는 문제점이 있다. 그리고, 보상 전류를 흐르게 하는 케이블의 길이의 한계성으로 인하여 매우 큰 자장이 발생되는 곳에서 전류 검출기의 출력을 검출할 수 밖에 없었다. 이처럼 작업장의 안전거리가 확보되지 않아 자장이 직접적으로 엔지니어의 인체에 영향을 미칠 수 있고, 전류 검출 장치의 출력을 받는 다른 시스템도 함께 설치하여야 하므로 공간상의 제약을 받게 되는 단점이 있다.However, all of the conventional self-compensating current detecting devices are configured in an analog manner, and a current transformer and an electric control device for detecting a magnetic field are connected by a constant length cable. The analog current detecting device has a problem in that a configuration of a circuit for compensating for magnetic is complicated and precise current detection cannot be performed. In addition, due to the limitation of the length of the cable through which the compensating current flows, the output of the current detector has to be detected in the place where a very large magnetic field is generated. As such, since the safety distance of the workplace is not secured, the magnetic field may directly affect the human body of the engineer, and other systems receiving the output of the current detection device must be installed together, which is a space limitation.
따라서, 본 발명의 목적은, 보다 정밀하게 전류를 측정할 수 있는 전류 측정 장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a current measuring device that can measure the current more precisely.
본 발명의 다른 목적은, 회로 구성이 보다 간략한 전류 측정 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a current measuring device with a simpler circuit configuration.
본 발명의 다른 목적은, 전류 측정시 자장이 발생되는 도선으로부터 작업자의 안전거리를 확보할 수 있는 전류 측정 장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a current measuring device that can ensure the safety distance of the operator from the conducting wire generated magnetic field when measuring the current.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위해서 본 발명에서는, 전류가 흐르는 도선 주위에 발생하는 자기를 보상하기 위해 역전류를 발생시키는 전기적 제어 장치 부분을 디지털 제어방식으로 설계하고, 상기 역전류를 측정하기 위한 전압값을 무선전파 통신방식으로 수신 모듈측에 전송하도록 구현된 전류 측정 장치를 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, in the present invention, to design a portion of the electrical control device for generating a reverse current to digitally control the magnetic current generated around the conducting wire flowing through the current, and to measure the reverse current Provided is a current measuring device implemented to transmit a voltage value for a radio wave communication method to a receiving module.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전류 측정 장치의 개념 구성도이다.1 is a conceptual configuration diagram of a current measuring device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 측정 장치의 블록 구성도이다.2 is a block diagram of a current measuring device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 전류 측정 장치를 설명하기 위한 자기장의 밀도 및 세기에 대한 이상적인 경우의 파형도를 나타낸다.3 and 4 show waveform diagrams of an ideal case for the density and intensity of the magnetic field for explaining the current measuring device according to the present invention.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 전류 측정 장치를 설명하기 위한 자기장의 밀도 및 세기에 대한 실제적인 경우의 파형도를 나타낸다.5 and 6 show waveform diagrams of the actual case for the density and intensity of the magnetic field for explaining the current measuring device according to the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류 측정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.7 is a flowchart illustrating a current measuring method according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 자기를 보상하기 위해 역전류를 발생시키는 전기적 제어 장치 부분을 디지털 제어방식으로 설계하고, 역전류를 측정하기 위한 전압값을 무선전파 통신방식으로 전송하도록 구현된 전류 측정 장치를 이용함으로써, 거리에 구애받지 않고 도선에 흐르는 전류를 검출할 수 있게 된다.As illustrated in FIG. 1, the electric control device that generates a reverse current to compensate for magnetism is designed by a digital control method, and a current implemented to transmit a voltage value for measuring the reverse current by a radio wave communication method. By using the measuring device, it is possible to detect the current flowing in the conductive wire regardless of the distance.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 전류 측정 장치의 블록 구성도가 도시되어 있다. 그리고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 전류 측정 장치를 설명하기 위한 자기장의 밀도 및 세기에 대한 이상적인 경우의 파형도를 나타내며, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 전류 측정 장치를 설명하기 위한 자기장의 밀도 및 세기에 대한 실제적인 경우의 파형도를 나타낸다.2 shows a block diagram of a current measuring device constructed in accordance with a preferred embodiment of the present invention. 3 and 4 show waveform diagrams of an ideal case for the density and intensity of a magnetic field for explaining the current measuring device according to the present invention, and FIGS. 5 and 6 illustrate the current measuring device according to the present invention. The waveform diagram of the practical case for the density and intensity of the magnetic field is shown.
먼저, 도 2을 참조하면, 본 발명에 따른 상기 전류 측정 장치는, 일정한 주파수의 정현파를 가지는 미소 전류를 변류기(2)에 흘려주는 제1디지털/아날로그 컨버터(DAC:4) 및 바이어스부(3), 상기 변류기(2)를 통과한 파형을 디지털 신호로 변환하는 제1아날로그/디지털 컨버터(ADC:8), 도선을 따라 흐르는 변화 전류를 측정하기 위한 제2아날로그/디지털 컨버터(13), 상기 변류기(2)에 역전류를 흘려주어 자장을 보상하는 파워 부스터(10)와 제2디지털/아날로그 컨버터(11), 상기 변류기(2)로부터 출력되는 전압을 무선전파 통신 방식으로 전송하는 전송 모듈(16) 및 수신 모듈(17), 상기 제1디지털/아날로그 컨버터(4), 제1아날로그/디지털 컨버터(8), 제2아날로그/디지털 컨버터(13)로부터 출력되는 주파수를 분석하는 제어 모듈(9)로 구성된다.First, referring to FIG. 2, the current measuring device according to the present invention includes a first digital / analog converter (DAC) 4 and a bias unit 3 for flowing a small current having a sine wave of a constant frequency to the current transformer 2. ), A first analog / digital converter (ADC) 8 for converting the waveform passed through the current transformer 2 into a digital signal, a second analog / digital converter 13 for measuring a change current flowing along the wire, Transmission module for transmitting a voltage output from the power booster 10, the second digital-to-analog converter 11, and the current transformer 2 to the reverse current flowing to the current transformer 2 to compensate for the magnetic field ( 16 and a control module 9 for analyzing frequencies output from the receiving module 17, the first digital / analog converter 4, the first analog / digital converter 8, and the second analog / digital converter 13; It is composed of
하기에서는 상기와 같은 구성의 전류 측정 장치를 통해 도선에 흐르는 전류값이 검출되는 과정을 살펴보기로 하자.Hereinafter, the process of detecting the current value flowing through the conductive wire through the current measuring device having the above configuration will be described.
먼저, 대용량의 전류가 흐르는 도선(1)에 변류기(2)를 설치한다. 그리고, 바이어스(3) 및 제1디지털/아날로그 컨버터(4)를 이용하여 상기 변류기(2)에 일정한 주파수의 정현파를 가지는 미세 전류가 흐르도록 한다. 상기 변류기(2)를 통과한 미세 전류는 제1로드저항(5) 및 제2로드저항(6)을 통과하면서 전압으로 변환되고, 이는 증폭기(7)를 거쳐 제1아날로그/디지털 변환기(8)로 전송된다. 상기 전압값은 제1아날로그/디지털 변환기(8)에 의해 디지털 신호로 변환된 후 제어 모듈(9)로 전송되고, 상기 제어 모듈(9)에서는 상기 디지털 신호의 주파수를 분석하게 된다.First, the current transformer 2 is provided in the conductive wire 1 through which a large amount of current flows. Then, a microcurrent having a sine wave of a constant frequency flows through the current transformer 2 by using the bias 3 and the first digital-to-analog converter 4. The microcurrent passing through the current transformer 2 is converted into a voltage while passing through the first rod resistor 5 and the second rod resistor 6, which is passed through the amplifier 7 to the first analog-to-digital converter 8. Is sent to. The voltage value is converted into a digital signal by the first analog-to-digital converter 8 and then transmitted to the control module 9, where the control module 9 analyzes the frequency of the digital signal.
이때, 상기 변류기(2) 주변에 흐르는 자장이 변화하지 않는다면 상기 디지털 신호의 주파수는 항상 일정하게 유지될 것이다. 그리고, 상기 변류기(2)의 코어가 이상적이라면 도 3과 같은 B-H 커브 및 도 4와 같은 전류-시간 파형이 나타날 것이다. 그러나, 상기 도 3 및 도 4에 도시된 B-H 커브 및 전류-시간 파형은 이상적인 경우에 한정된 것으로서, 실제 변류기(2)의 코어는 이상적이지 않으므로 도 5에 도시된 것과 같은 자속밀도(Magnetic Flux Density)와 자계의 세기(Magnetic Field Intensity)에 관한 B-H 커브가 나타나게 되는데, 이는 외부에서 자계를 가하여 강자성체를 자화하면 원인이 되는 자계를 제거한 다음에도 자기가 잔류하는 소위, 잔류 자기 현상에 기인하는 것이다. 그리고, 이러한 히스테리시스 손실로 인해 실제적인 파형은 도 6에 도시되어 있는 바와 같다.At this time, if the magnetic field flowing around the current transformer 2 does not change, the frequency of the digital signal will always be kept constant. If the core of the current transformer 2 is ideal, the B-H curve as shown in FIG. 3 and the current-time waveform as shown in FIG. 4 will appear. However, the BH curve and the current-time waveform shown in FIGS. 3 and 4 are limited to the ideal case, and the magnetic flux density as shown in FIG. 5 is not ideal since the core of the actual current transformer 2 is not ideal. The BH curve for the magnetic field intensity is shown due to the so-called residual magnetic phenomenon in which the magnetic field remains even after the magnetic field caused by external magnetic field magnetization is removed. And, due to this hysteresis loss, the actual waveform is as shown in FIG.
상기 도 6에 나타나 있는 파형의 주파수를 분석해 보면 히스테리시스 곡선 특성에 의해 홀수배인 주파수만 생성되어진다. 그러나, 상기 도선(1)에 전류가 흐르게 되어 주변에 발생되는 자장이 변화하면 히스테리시스 루프가 변화하게 되고 이로 인해 짝수배 성분의 주파수를 생성된다. 이러한 짝수배 성분의 주파수를 제거하기 위하여 제2디지털/아날로그 컨버터(11) 및 파워 부스터를 이용하여 역전류를 발생시키게 되면 상기 도선 주변의 자장에서는 원래의 홀수배 성분의 주파수만이 생성되어진다.When the frequencies of the waveforms shown in FIG. 6 are analyzed, only odd-numbered frequencies are generated by hysteresis curve characteristics. However, when the current flows through the conductive wire 1, the magnetic field generated around the hysteresis loop changes, thereby generating an even-numbered frequency. When the reverse current is generated by using the second digital / analog converter 11 and the power booster to remove the frequency of even-numbered components, only the frequency of the original odd-numbered components is generated in the magnetic field around the conductor.
상기와 같은 원리를 이용하여 직류(Direct Current) 전류를 정밀하게 측정할 수 있게 된다. 또한 전류의 교류(Alternating Current) 성분은 제2증폭기(12)를 지나 제2아날로그/디지털 컨버터(13)를 통과하여 제어 모듈(16)에서 미세 전류 파형과 비교 분석된다. 이렇게 분석되어진 후, 항상 홀수배 성분의 파형만이 출력되도록 디지털/아날로그 변환기(15)와 파워 부스터(11)를 통해 상기 변류기(2)에 역전류를 흘려보낸다. 상기 변류기(2)에 흐르는 역전류를 제3로드저항(14)을 거치도록 하여 전압값으로 변환시킨다. 상기 전압값을 이용하여 초기의 전류값을 예측할 수 있으므로, 상기 전압값을 제3증폭기(15)를 통해 증폭시킨 후, 전송 모듈(16)을 이용하여 무선전파 통신 방식으로 수신 모듈(17)측으로 전송한다. 그리고, 상기 수신 모듈(17)로 전송된 상기 전압값을 전류값으로 환산하여 상기 도선(1)에 흐르는 전류값을 산출한 뒤, 산출된 전류값을 출력 모듈(18)을 통해 디스플레이한다.By using the above principle, it is possible to accurately measure the direct current (Direct Current) current. In addition, the alternating current component of the current passes through the second amplifier 12 and through the second analog / digital converter 13 to be compared with the microcurrent waveform in the control module 16. After this analysis, a reverse current flows to the current transformer 2 through the digital / analog converter 15 and the power booster 11 so that only waveforms of odd-numbered components are always output. The reverse current flowing through the current transformer 2 is converted into a voltage value by passing through the third load resistor 14. Since the initial current value can be predicted using the voltage value, the voltage value is amplified by the third amplifier 15, and then the radio module is transmitted to the receiving module 17 using the transmission module 16. send. In addition, the voltage value transmitted to the receiving module 17 is converted into a current value to calculate a current value flowing through the conductive line 1, and then the calculated current value is displayed through the output module 18.
이와 같이, 본 발명에서는 도선에 흐르는 전류를 측정할 수 있는 전압값을 무선전파 통신 방식으로 수신 모듈측으로 전송함으로써, 거리에 제약을 받지 않고대용량의 전류를 측정할 수 있게 된다.As described above, in the present invention, a voltage value capable of measuring the current flowing in the conductive wire is transmitted to the receiving module side through the radio wave communication method, so that a large amount of current can be measured without being restricted by distance.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류 측정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.7 is a flowchart illustrating a current measuring method according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 제100단계에서는 대용량의 전류가 흐르는 도선에 변류기를 설치한다. 제102단계에서는 상기 변류기에 일정 주파수의 정현파를 가지는 미세 전류를 도통시킨다. 제104단계에서는 상기 미세 전류를 로드저항을 통과시켜 전압으로 전환시키고, 제106단계에서는 상기 전압을 디지털 신호로 변환시킨다.Referring to the drawing, in step 100, a current transformer is installed on a conductive wire through which a large amount of current flows. In step 102, a fine current having a sine wave of a predetermined frequency is conducted to the current transformer. In step 104, the microcurrent is converted into a voltage by passing the load resistor, and in step 106, the voltage is converted into a digital signal.
계속해서, 제108단계에서는 상기 디지털 신호를 제어모듈로 전송하여 주파수를 분석한다. 상기 주파수의 짝수배 성분을 제거하기 위하여 제110단계에서는 상기 변류기에 역전류를 도통시킨다. 제112단계에서는 상기 역전류가 로드저항을 통과함에 따라 생성되는 전압값을 검출하여 초기 전류값을 산출하고, 제114단계에서는 무선전파 통신방식으로 상기 전압값을 수신 모듈측으로 전송하여 도선에 흐르는 전류값을 검출하게 된다.Subsequently, in step 108, the digital signal is transmitted to the control module to analyze the frequency. In step 110, a reverse current is conducted to the current transformer in order to remove an even multiple of the frequency. In step 112, an initial current value is calculated by detecting a voltage value generated as the reverse current passes through the load resistor, and in step 114, the voltage is transmitted to the receiving module to transmit the voltage value to the receiving module using a radio wave communication method. The value will be detected.
이와 같이, 본 발명에서는 도선에 흐르는 전류를 측정할 수 있는 전압값을 무선전파 통신 방식으로 수신 모듈측으로 전송함으로써, 거리에 구애받지 않고 대용량의 전류를 측정할 수 있게 된다. 그리고, 도선에 흐르는 대용량의 전류를 측정함에 있어서, 거리에 구애를 받지 않음으로 인하여 자장의 영향으로부터 작업자의 안전을 확보할 수 있게 된다.As described above, in the present invention, by transmitting a voltage value capable of measuring the current flowing in the conductive wire to the receiving module in a radio wave communication method, a large amount of current can be measured regardless of distance. And, in measuring the large current flowing through the wire, it is possible to ensure the safety of the operator from the influence of the magnetic field due to the distance regardless.
본 발명에 따른 상기 전류 측정 장치를 이용하여 전류를 측정할 경우, 50A 내지 20,000A 범위의 전류를 100KHz까지 0.1%오차 이내로 정밀하게 측정할 수 있다. 특히, 전류를 측정하는 방식이 전류가 흐르는 곳의 자장을 직접 감지하여 그 자장을 상쇄시키는 방향으로 역전류를 발생시키고 그 전류를 측정하는 비접촉 방식이므로 자장이 변화하지 않는 직류 전류도 측정할 수 있는 장점이 있다.When measuring the current using the current measuring device according to the present invention, it is possible to accurately measure the current in the range of 50A to 20,000A within 0.1% error up to 100KHz. In particular, since the current measuring method directly detects the magnetic field where the current flows and generates a reverse current in a direction to cancel the magnetic field, and a non-contact method of measuring the current, it is possible to measure a direct current without changing the magnetic field. There is an advantage.
상기한 본 발명은 도면에 따라 설명되고 예를들어 한정되었지만 사안에 따라 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 분야에 통상의 지식을 가진자들에게 있어서는 여러 가지 변화와 변경이 가능함은 물론이다.The present invention described above is described according to the drawings and limited by way of example, but various changes and modifications are possible to those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention according to the matter. to be.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 도선에 흐르는 전류를 측정하기 위해 설치된 변류기의 전압 파형을 디지털 신호로 변환시킨 후 제어 모듈에서 그 주파수가 분석되도록 함으로써, 보다 정확한 전류 검출이 가능해지는 효과가 있다.As described above, in the present invention, by converting the voltage waveform of the current transformer installed in order to measure the current flowing in the lead wire into a digital signal, the frequency is analyzed in the control module, thereby making it possible to more accurately detect the current.
또한, 상기 변류기에서 검출된 전압값을 무선전파 통신방식으로 수신 모듈측으로 전송함으로써 측정 거리에 구애받지 않고 도선에 흐르는 전류값을 측정할 수 있는 장점이 있다.In addition, by transmitting the voltage value detected by the current transformer to the receiving module side by the radio wave communication method, there is an advantage that can measure the current value flowing through the wire regardless of the measurement distance.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20070904 Year of fee payment: 4 |
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