TWI418806B - Radio intelligent inductive AC current measurement notification device - Google Patents

Description

無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置

本發明係關於一種以環扣式比流轉換變壓器結合數位無線電模組，特別是以變壓器電磁感應方式取得無線電模組所使用之工作電能，應用於交流電力單極電纜線負載電流量安全監測使用之一種無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置。

一般應用在交流電110v/220v電力線負載電流量測使用裝置(俗稱電力計)中，最常見絕緣式量測偵測器有以下三種：(1)環扣式比流變壓器(Split Core CT)、(2)環式比流變壓器(Ring Core CT)與(3)電子式霍爾(Hall)磁感應式比流器，其中則以環扣式感測器因安裝簡易而較為普遍，只要環扣於交流電電源端或負載端單極電纜線上，就可進行感應量測。也有的電力計則將感應式比流器隱藏在無熔絲開關盒內搭配控制給電開關一起使用。但無論何種型式電流量測裝置，經現場實際施工安裝體驗後，不難發現量測計(含數據傳輸)電路本身之使用電源，則必需內建或外加使用AC轉DC電源供應器裝置(AC/DC Power Adaptor)或使用直流電池，在施工安裝時則會面臨以下諸多缺失：

1.　必須採侵入式接電安裝，必須先拆卸AC 110v雙線(火線與N極線)配電端子座固定螺絲，再並聯接上電力計之AC輸入電源線於端子座，然後再鎖回端子座固定螺絲，這種安裝方式，除非在安裝施工前先進行電源斷電，否則有不小心觸電的危險，尤其在不能切電停止運轉的偵測環境安裝時，接電施工的危險性更大，如圖一所示，圖一為習知之侵入性接電施工說明圖，家用交流電力配電箱10加裝環扣式變壓器12時，施工必需利用侵入式施工，且於箱外安裝輸入電源線有安全顧慮，但安裝於箱內空時間有限。

2.　量測計本身增加AC轉DC電源供應電路者，無論採傳統降壓供電方式或者採交換式電源(Switching Power Adaptor)供電方式，都會增加較多電路元件成本，而也相對增加監測裝置之外殼體積，安裝安全性與便利性則大幅降低，請參閱圖一，另外，相對的電源供應器電路本身因採直接侵入接電，在電源輸入保護迴路上，必需通過嚴苛的安全規範與EMI、EMC等測試考驗，否則就會有嚴重電力安全與干擾等使用責任問題。

3.　使用電池電力之量測裝置，除了增加電池座空間，讓外殼體積龎大而降低安全性與便利性外，還會面臨一段時間後電池電力耗盡，而必須經常赴現場進行更換電池之麻煩程序，請參閱圖二，圖二為習知之電池耗盡則必須更換說明圖，交流電源配電盤20中內電池22耗盡必須更換，相當不便。

本案發明人有鑑於這些缺點，乃亟思加以改良創新，並經長期苦心孤詣潛心實驗研究後，終於成功研發完成本件無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置。

【發明目的】

本發明之目的即在於只增加使用一顆低成本環扣式比流變壓器搭配簡易整流電路，就可供應量測電路與無線電模組做數據量測與傳送時使用電能，因不使用電池而使體積縮小，在安裝施工過程中不需要額外增加任何侵入性接電施工，甚至可以進行無安全疑慮的不斷電安裝施工，且裝置本身因體積小佔用空間少，也增加安裝方便性與安全性。

達成上述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，在設計上只增加使用一顆低成本環扣式比流變壓器搭配簡易整流與濾波超級電容電路組成感應式電源供應器，原理就是將環扣式比流變壓器(Split Core CT)原本線性模式操作的AC電流量感測變更為電磁感應飽和模式操作，將AC負載電能轉換成DC電源能量，除供應量測電路與無線電模組做流量數據偵測與傳送時使用直流電能外，還可以在適當條件下(長時間AC負載電流超過1A以上)，會有額外電能蓄積到濾波電容(超級電容器)，做為因長時間低AC負載流量(<1A)時，讓本感測裝置仍正常運作之續航能源。

本發明除了感應式電源供應器外，還可以因不同環境需求而搭配有一組簡易型如圖三A所示，以及兩組以上最多可擴充至8組同樣線性模式操作的AC電流量感測環扣式比流器(Split Core CT)類比迴路模組如圖三B所示，其係均包含環扣式負載電流偵測器50及環扣式負載電流偵測器CT 60做為本發明量測裝置前端多通道AC電流類比感測介面，由於全部採被動元件組合電路設計，完全不消耗感應式電源供應器所提供之DC電源能量(信號能源完全由環扣式比流變壓器提供)。

本發明量測裝置數位電路模組本身則採低耗電設計，硬體電路使用一只超低耗電微控制器(MCU)，休眠模式(Sleep Mode)耗電低於1uA，工作模式(Active Mode)耗電約120uA，此外內建一只10或12位元8通道切換使用200kbps以上快速取樣類比/數位轉換器(A/D Converter)與前端類比迴路模組介面採1對1匹配銜接。

外部搭配一組可以程式控制速率50~250kbps具超短瞬時發射模式(Shock Burst Tx Mode)之數位無線電晶片模組，做為對外部無線電數據收集裝置連線之通信介面。

以及MOS低耗電(<1uA)電壓動態監測(Voltage Supervisor)元件所組成電源電壓動態監測模組，負責監測感應式電源供應器運作狀況，掌控所有數位模組(微控制器MCU與無線電模組)之供電運作，此外還透過微控制器DI插斷介面，喚醒微控制器進行及時感測通報作業。

所有運作完全透過智慧型軔體(Firmware)程式對量測轉換與無線電數據通報的工作時間與時間間隔做有效控管，讓裝置本身平時均處於休眠模式，只開啟計時器與電源電壓動態監測器，裝置總耗電量低於6uA，一旦計時器控管時間到達時，微控制器進入操作模式(Active Mode)，開始啟動進行120uA以下耗電時間1ms以下之CT電流量A/D取樣偵測，接著啟動無線電晶片做超短瞬時模式數據封胞發射通報，無線電瞬間發射功率耗電量約30mA歷時約5毫秒(msec)，通報完畢後即刻回到休眠模式低於6uA耗電等待下一次計時器時間到達，再進行AC流量偵測與無線電數據通報作業。至於休眠時間之長短則取決於AC電流量量測值大小，AC負載電流量愈大則表示感應式電源供應器輸入充電電流量也愈大，軔體控制之休眠時間就可以愈短，4A以上可以控制在5秒鐘以內(請參考圖四)，1A以下則休眠時間就控制在10秒鐘以上，甚至於在超輕載耗電時(<0.5A)，感應式電源供應器幾乎沒輸入充電情況下，為維持正常監測運作及降低濾波超級電容器之放電損耗，可以拉長休眠時間超過5分鐘以上，並將微控制器被喚醒掌控權移轉給電源電壓動態監測模組，當長時間休眠情況下一旦突然發生AC負載流量超過0.5A以上時，則藉由電源電壓動態監測模組輸出邏輯準位之改變，透過及時硬體觸發插斷喚醒微控制器，立即進行AC流量偵測與無線電數據通報作業(參考圖五)。

另外，本發明量測裝置的微控制器(MCU)具有內建一只溫度感測器，透過內建A/D轉換可以偵測到周邊環境溫度變化狀況，透過智慧型軔體(Firmware)程式運算，可以針對本發明模組電路本身因周邊環境溫度改變所造成之誤差進行及時降誤差溫度補償，讓AC負載電流量測值精準度，維持在±3%範圍以內，讓本發明量測裝置在惡劣溫度環境下，也能維持正常操作水準。

請參閱圖六，圖六為本發明之硬體結構方塊圖，主要包含一只內建8通道類比/數位轉換器63之一單晶片微控制器單元64，隨設計需求搭配外加1組以上，最多可擴充至8組之可變CT阻抗感測迴路62，因此可以外掛收容1簡易型或擴充至8個滿裝型環扣式交流負載電流偵測器CT8 61，一組負責將偵測數據對外傳送之無線電送收單元65，以及由另外一只外掛環扣式電流轉換變壓器CT以AC 60Hz交流感應方式供電給一組由電源電壓動態監測器67、整流與濾波電容器及超級電容充電器68與3.3V穩壓器所組成之CT感應式電源供應器69，做為提供本發明硬體正常運作所需之直流電源，在量測安裝時第1個通道CT則必須與感應式電源供應器CT共掛載同一條AC電纜，此電纜通常為AC配電箱之主進線電纜，這樣就可以提供穩定及足夠的感應直流電源供應。

請參閱圖七及圖八，如圖所示，圖七為本發明之一硬體結構詳細電路圖，本發明之1至8通道可變CT阻抗感測迴路71請參閱圖七，每一通道是由二極體橋式整流器、濾波電容器與CT負載電阻可變選擇之光耦合MOS開關所組成，搭配一只外掛環扣式CT變壓器，做為AC負載電流輸入轉換成類比偵測直流電壓，搭配高負載電流(15~60A)與低負載電流(15A以下)兩種量測範圍之二選一負載電阻可變選擇迴路，迴路輸出接單晶片微控制器單元」進行類比/數位轉換，最多可以複製擴充至8通道「可變CT阻抗感測迴路」輸出。

本發明之CT感應式電源供應器72，主要由二極體橋式整流器、前置濾波電容器、後置特高容量之充電超級電容器與一只低耗電(uA級)3.3v線性穩壓器所組成，運作原理為AC負載電流經一只外掛環扣式CT變壓器感應輸入轉換成DC電壓源，儲存電能於後置超級電容器內，經3.3v穩壓器輸出給「單晶片微控制器單元」與「無線電送收單元」正常運轉使用。另外前置濾波電容器附掛並接一組超低耗電(nA級)之電源電壓動態監測IC，(73)用來監測感應輸入電壓源是否過低，以低臨界電壓1.8v進行輸入比較判定，輸出則與「單晶片微控制器單元」DI腳介接。一旦監測發現AC負載電流低於0.5A時，輸入電壓將低於臨界電壓1.8v值，監測IC輸出為邏輯Low，由DI腳通知「單晶片微控制器單元」，若輸入電壓高於低臨界電壓1.8v時，監測IC輸出為邏輯High通知「單晶片微控制器單元」，應用原理為當監測發現AC負載電流低於0.5A時，本發明裝置為節省電源耗電以延長超級電容器供電時間，「單晶片微控制器單元」在啟動「無線電送收單元」發送低AC負載電流數據通報後，就進入長時間休眠狀態(Long time Sleep Mode)，此時裝置平均總耗電將低於5.7uA，一旦監測發現AC負載電流突然超過0.5A時，則電源電壓動態監測IC輸出為邏輯High，由DI腳插斷喚醒休眠狀態的「單晶片微控制器單元」，可及時進行AC負載電流偵測與通報運作。

圖八為本發明之另一硬體結構詳細電路圖，請同時參照圖六，如圖所示，本發明之單晶片微控制器單元81，為計時運算與決策運作核心，為本發明裝置做為智慧型AC負載電流偵測輸入A/D轉換計算、啟動無線電送收單元65發送控制與休眠時間設定控制之重要決策機構，操作韌體的一切運作均由此核心模組負責執行。本單元硬體架構以RISC架構單晶片微處理器和內建5MHz以上程式時鐘(Instruction Clock)運作為核心，具有內建Flash ROM程式記憶體、內建Flash ROM永久資料記憶體及內建SRAM暫存資料記憶體，內建8通道多工選擇之每秒200ksps取樣速率之高位元類比數位轉換器(A/D Converter)，以及透過內嵌式輸入/輸出埠(Embeded I/O Port)，對周邊電源電壓動態監測迴路做信號輸入檢測或控制LED燈號當AC負載量測過載時做警示控制輸出，類比數位轉換器除了做為AC負載電流偵測使用外，還搭配內建溫度偵測感知器提供環境高低溫偵測數據，用於降低溫度因素造成AC負載電流量測誤差之溫度補償計算使用。另外，還搭配外接時鐘信號產生器(Clock Generator)，使用石英晶體32.768KHz的時鐘頻率，為精準計算使用之標準時鐘信號產生器(Timing Clock Generator)，做為精準休眠時間之計時來源，本單元之主要優點為超低工作電流，操作模式<1mA、休眠模式<1uA。

本發明之無線電送收單元82負責將偵測數據對外傳送，由一顆短距離低功率無線電收發射器晶片及其周邊被動元件所組成，採數位調變方式運作，發射機平均輸出功率約0dBm，可選擇性控制瞬間最高輸出功率值約+10dBm，接收機靈敏度低於-95dBm，送收數據資料速率約50~250kbps，以串列埠介面與單晶片微處理器做通訊介接。另外無線電調變載波則透過外接各式標準天線，與另一網路端配備相同之無線電閘道(Wireless Gateway)主機構成短距離無線封胞通訊網路，做為電力監測網路AC負載電流數據回報之重要通信介面。本單元之主要優點為超低工作電流，超短瞬時發射模式時耗電約30mA，耗時約低於5ms，休眠模式操作時耗電低於2.5uA，若以斷電模式操作時耗電量則為0 uA。

本發明之微控制器單元為智慧型量測與時間運算之運作核心，其係透過執行一靭體(Firmware)程式完成所有運作模式。請同時參閱圖九與圖十，圖九為為本發明之系統韌體流程圖，如圖所示，其動作原理分操作模式91與休眠模式92兩大程序，共包含五項流程：流程一為溫差補償量測流程、流程二為負載電流量測流程、流程三為數據通報流程、流程四為微控制器停止運作，流程五為插斷程式回復操作模式流程；其中當硬體電路+3.3v電源正常給電啟動後，就進入流程一：操作模式溫差補償量測101首先進行溫度量測，由單晶片微控制器之內建溫度感知器進行量測，啟動A/D轉換取樣計算出溫測值106，並加上溫度校正修正值108及溫度校正修正值109而獲得目前溫度值107，再由目前溫度值可以計算出溫差值110，溫差值的運算是以25℃為初始標準，25℃時溫差值為0℃，目前溫度值超過25℃時溫差值=(目前溫度值-25℃)，當目前溫度值為最高70℃時，溫差值計算至最高(70℃-25℃)=45℃；另外，低於25℃時溫差值=(25℃-目前溫度值)，因此當目前溫度值為最低0℃時，溫差值計算至(25℃-0℃)=25℃。本次流程所獲得目前溫度值與溫差值先預存於數據暫存記憶區的溫度值與溫差值兩欄位中。

流程二：操作模式負載電流量測102

接著進行CT電壓值量測，依據硬體電路所提供CT感測迴路數(1~8通道)逐一進行每迴路8次以上A/D取樣量測，透過2選1阻抗選擇迴路先選擇低負載(10A以下)範圍量測，若偵測值高於低負載電流量測範圍，則切換選擇另一阻抗進行高負載電流量測範圍(10A以上)量測。最後量測結果經公式計算轉換成負載電流量測值111，再加上溫差補償值=(溫差值x負載電流加權)，超過25℃為減溫差補償值運算，低於25℃則為加溫差補償值運算，溫差補償值運算則為流程一所預測之溫差值與負載電流加權值相乘結果，負載電流大小不同所使用之加權值亦不相同，經實驗證實負載越重加權比重也愈高。溫差補償公式計算後結果才是最後要通報的目前AC負載電流值112，另外還可以增加以預設AC電壓值(110V或220V或380V)乘上目前AC負載電流值而獲得目前AC負載功率值。本次流程所獲得之溫差補償值、目前AC負載電流值與目前AC負載消耗功率值也會預存於數據暫存記憶區之相關欄位內，其中目前AC負載電流值與AC負載功率值欄位則分別以各不同通道CT所感測計算之最後結果進行儲存，最多8個CT可以儲存2x8個欄位。本發明流程一至流程二之操作模式消耗電流約1mA，操作時間約1ms。

流程三：操作模式數據通報103

量測完各別CT感測器目前AC負載電流值後開始啟動[無線電送收單元]發射模式，以通信協定封包格式，由記憶體將本量測裝置識別碼、目前溫度值、溫差補償值、各別CT感測AC負載電流值與AC負載功率值載入[無線電送收單元]之發射資料(Payload)暫存器中，啟動發射控制點將無線電數據封包傳送出去113，由遠端電力監控無線電閘道(Gateway)主機接收。本流程之操作模式消耗電流約30mA，但操作時間僅約5ms。

流程四：休眠模式微處理器停止運作104

完成發送無線電數據封包後，執行程式會比對目前第一通道CT(第一通道CT與電源供應器CT共纜)的偵測AC負載電流值，選擇一相對應休眠時間值，載入時鐘信號計數器進行計時運轉，此同時啟動微處理器停止運轉進入休眠模式程序114。休眠時間值之設定原則為以CT感應式電源供應器超級電容器之(充電電流x休眠時間)>1.5倍(消耗電流x操作時間)，其中消耗電流x操作時間就是前面所敘述操作模式下流程一至流程三的消耗電流時間乘積值為1.5x(1mA x 1ms+30mA x 5ms)=227(mA-ms)，至於取1.5倍則是考慮到超級電容器等元件之預估內部電能損耗，至於超級電容器之充電電流值則是以實際儀器量測數據為參考依據，充電電流大小則與第一通道CT所量測AC負載電流大小成正比關係。當第一通道CT所量測AC負載電流為1Amp時，超級電容器之充電電流儀器量測值為0.05mA，此時計算休眠時間值為必須大於4540ms(227/0.05)，在程式設計上為考慮有足夠安全穩定的充電電源供應正常精確的量測運作，在AC負載電流為1Amp時休眠時間值以原計算值再乘以兩倍以上時間10秒(4540ms x 2取整數)為基準設定值，也就是當流程一至流程二第一通道CT所量測AC負載電流為1Amp時，經流程三啟動[無線電送收單元]將無線數據封包送出完成後，流程四會將微處理器停止運作進入休眠模式，而停止運作時間為10秒鐘。

相對的當第一通道CT所量測AC負載電流超過1 Amp時，休眠時間值的設定也就相對的縮短(<10sec)，當第一通道CT所量測AC負載電流為10Amp時，實驗儀器量測超級電容器之充電電流量測值為8.5mA，此時計算休眠時間值>27ms(227/8.5)，只要超過27ms休眠時間就可以將消耗電能完全補充回來，但考慮到無線數據封包發送的過度密集與無線電干擾因素，因此設定量測AC負載電流超過10A時，休眠時間值以1sec為最低設定值。

另外相對的當第一通道CT所量測AC負載電流低於1Amp時，休眠時間值的設定也就相對的拉長(>10sec)，在程式設計上以5分鐘為休眠時間設定值。

流程五：休眠模式插斷程式回復操作模式105

當微處理器完成休眠時間設定後，就進入休眠模式執行停止運作，控制權則移交給時間信號計數器，此時本發明模組總耗電量降至最低點(<6uA)，時間信號計數器經休眠時間計數到達後(115)，由計數器經正常插斷模式喚醒微處理器(116)回到操作模式流程一繼續下一階段的AC負載電流量測作業。

當AC負載量測電流低於0.5Amp時或停電時將不會有充電電流流入超級電容器，此時微處理器停止進入休眠模式運作時間會無限期延長，而控制權改由電源電壓動態監測IC輸入DI點進行插斷喚醒監控，一旦偵測到AC負載電流超過0.5Amp時，電源電壓動態監測IC之DI點輸入由Low轉High信號透過DI點插斷程式喚醒微處理器(118)回到操作模式流程一，即刻繼續下一階段的AC負載電流量測作業。

另外，為補償流程一操作模式內建溫度感知器之量測誤差之修正，特別提供硬體按鍵模式117，由DI點提供插斷喚醒休眠中的微處理器進行提供溫度校正之使用。

本發明提供結合數位無線電模組所組合成感應式低耗能AC電流量測通報裝置，與其他廠牌AC電流量測裝置相互比較時，更具備下列優點：

1.不使用電池：一般其他廠牌手持式AC電流量測裝置必須安裝使用電池，除了增加電池座空間讓外殼體積龎大而降低使用安全性與便利性外，若安裝量測電力點數量繁多時，一旦電池電力耗淨，更換電池便成為一筆所費不貲的材料與維運人力成本。但本發明因使用CT感應式電源供應器，所以不必安裝使用電池，空間上讓外殼體積縮小而增加使用安全性與便利性外，更沒有更換電池這一筆材料與維運人力成本問題。

2.不必採侵入式接電安裝：一般其他廠牌AC電流量測裝置若不使用電池，就必須使用內建或外掛AC轉DC電源供應器裝置，但不論內建或外掛它們共同的安裝特點，就是AC電源線之引接就必須採侵入式接電安裝，施工安裝時必須先拆卸AC 110v或220v雙電纜線(火線與N極線)配電端子座固定螺絲，再並聯接上電源供應器之AC輸入電源線於端子座，然後再鎖回端子座固定螺絲，這種安裝方式，除非在安裝施工前先進行電源斷電，否則有不小心觸電的危險，尤其在不能切電停止運轉的偵測環境安裝時，接電施工的危險性更大。但本發明因使用CT感應式電源供應器，施工安裝時不必做拆卸配電端子座螺絲之動作，直接將環扣式感應CT扣接在主電力電纜上，甚至可以做到不斷電安裝施工，安裝之安全性與便利性，更優於一般其他廠牌AC電流量測裝置。

3.智慧型程式控制耗電：本發明透過智慧型程式休眠模式運作時間耗電能控管，讓CT感應式電源供應器發揮極大的效益，除非主電力電纜負載電流永遠處於長期1Amp以下耗電外，只要平日家中電鍋煮一頓飯的時間，就足夠讓CT感應式電源供應器之超級電容器充飽，透過智慧型休眠運作時間之耗能控管機制，由於低耗能所以低故障，讓本發明裝置可以長期待命存活，可以隨時正常量測工作。

4.智慧型溫度補償量測：本發明裝置透過智慧型程式操作模式溫差補償機制，大大增加艱困環境正常操作使用能力，經實際驗證測試本發明裝置可以正常量測使用環境溫度範圍為：0℃至70℃，並且補償後之AC負載電流量測誤差可控制在±3%以內。

5.體積小、高絕緣與絕對安全化無干擾量測：本發明裝置因電路結構簡單，使用零組件少，而且採用體積最小之「無線電送收單元」透過智慧型程式操作模式負責將偵測數據能在極短時間正確對外傳送無線電數據封包，相較於其他某些廠牌AC電流量測裝置則電路結構複雜，使用零組件多，使用有、無線傳輸裝置體積龐大，無論在使用性能耗電、安裝施工材料與人力成本，以及安裝施工時間與工法複雜度上，本發明裝置更優於一般其他廠牌AC電流量測裝置，更可以節省安裝施工時間與人力成本。且由於本發明使用電源採CT變壓器高絕緣感應式給電，在AC電力絕緣安規上與EMI干擾防治方面，本發明裝置更優於一般其他廠牌AC電流量測裝置。

6.可擴充最多8個CT量測通道：一般其他廠牌無論是手持式、壁褂式或無熔絲開關座式AC電流量測裝置，最普遍常見的一部裝置可以使用之CT量測通道為1至2個，若需要2個以上者則因體積龐大而必須採用桌上型或機架式安裝，但往往受制於安裝測試環境空間有限，能夠安裝使用之地點並不多。但本發明裝置因運作超省電，所以採用SMD元件精簡設計，一般小型璧掛外殼設計製作就可以符合需求，最多可以擴充使用8個CT量測通道，就可以安裝使用之場合空間比較，本發明裝置更優於一般其他廠牌之交流電流量測裝置。

50．．．環扣式感應電源輸入

60．．．環扣式負載電流偵測器CT1

61．．．環扣式負載電流偵測器CT8

62．．．可變CT阻抗感測迴路

63．．．8通道類比/數位轉換器

64．．．單晶片微處理器單元

65．．．無線電送收單元

66．．．環扣式電源供應用電流轉換變壓器CT

67．．．電源電壓動態監測器

68．．．AC整流與濾波超級電容充電器

69．．．CT感應式電源供應器

71．．．可變CT阻抗感測迴路

72．．．CT感應式電源供應器

73．．．電源電壓動態監測IC

81．．．單晶片微控制器單元

82．．．無線電送收單元

90．．．電源開啟RESET

91．．．操作模式(耗時<6ms)

92．．．休眠模式(時間1秒~5分鐘)

93．．．等待插斷

94．．．按鍵插斷

95．．．電壓動態監測插斷

100．．．電源開啟RESET

101．．．流程一操作模式：溫度與溫差補償量測

102．．．流程二操作模式：負載電流量測

103．．．流程三操作模式：數據通報

104．．．流程四休眠模式：微處理器停止運作

105．．．流程五休眠模式：插斷程式回復操作模式

106．．．溫度量測與計算

107．．．溫度量測值+校正值

108．．．溫度校正+1℃

109．．．溫度校正-1℃

110．．．溫差值計算

111．．．CT電壓量測

112．．．負載電流值計算+溫度補償值

113．．．無線電發射機數據值通報

114．．．休眠時間設定休眠模式

115．．．休眠模式計時器時間到達

116．．．插斷回操作模式

117．．．按鍵溫度校正

118．．．0.5安培以上負載電流監測

圖一為習知之侵入性接電施工說明圖；

圖二為習知之電池耗盡則必須更換說明圖；

圖三A為本發明裝置1CH簡易型接線示意圖；

圖三B為本發明裝置8CH滿裝接線示意圖；

圖四為本發明交流電負載電流量測智慧型時間控管示意圖(負載電流>4Amp)；

圖五為本發明交流電負載電流量測智慧型時間控管示意圖(負載電流<0.5Amp)；

圖六為本發明之硬體結構方塊圖；

圖七為本發明之一硬體結構詳細電路圖；

圖八為本發明之另一硬體結構詳細電路圖；

圖九為本發明裝置軔體流程圖；

圖十為本發明詳細軔體流程圖。

60．．．環扣式負載電流偵測器CT1

61．．．環扣式負載電流偵測器CT8

62．．．可變CT阻抗感測迴路

638．．．通道類比/數位轉換器

64．．．單晶片微處理器單元

65．．．無線電送收單元

66．．．環扣式電源供應用電流轉換變壓器CT

67．．．電源電壓動態監測器

68．．．AC整流與濾波超級電容充電器

69．．．CT感應式電源供應器

Claims (7)

1. 一種無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，包括：一單晶片微控制器單元，其係為計時運算與決策運作核心，係執行交流電負載電流偵測輸入A/D轉換計算，並啟動無線電送收單元發送控制與休眠時間設定控制之重要決策機構，操作韌體的一切運作均由此核心模組負責執行；至少一組可變CT阻抗感測迴路，其係包括二極體橋式整流器、濾波電容器與CT負載電阻可變選擇之光耦合開關，該可變CT阻抗感測迴路可搭配一外掛環扣式CT變壓器，做為交流電負載電流輸入轉換成類比偵測直流電壓，搭配高負載電流(15~60A)與低負載電流(15A以下)兩種量測範圍之之二選一負載電阻可變選擇迴路，該迴路輸出接該單晶片微控制器單元進行類比/數位轉換，最多可以複製擴充至8通道可變CT阻抗感測迴路輸出，因此可以外掛收容1或擴充至8個環扣式交流電負載電流偵測器CT；一無線電送收單元，係受該單晶片微控制器單元啟動，將偵測數據對外傳送，其係由短距離低功率無線電收發射器晶片及其周邊被動元件所組成，採數位調變方式運作，無線電調變載波則透過外接各式標準天線，與另一網路端配備相同之無線電閘道(Wireless Gateway)主機構成短距離無線封胞通訊網路，做為電力監測網路交流電負載電流數據回報之重要通信介面；以及一外掛環扣式電流轉換變壓器CT，其係以交流電60Hz交流感應方式供電之一CT感應式電源供應器，做為提供本發明硬體正常運作所需之直流電源，該CT感應式電源供應器主要由二極體橋式整流器、前置濾波電容器、後置特高容量之充電超級電容器與一只低耗電(uA級)3.3v線性穩壓器所組成，運作原理為交流電負載電流經一只外掛環扣式CT變壓器感應輸入轉換成DC電壓源，儲存電能於後置超級電容器內，經3.3v穩壓器輸出給該單晶片微控制器單元與該無線電送收單元正常運轉使用；其中，該前置濾波電容器附掛並接超低耗電之電源電壓動態監測IC，用來監測感應輸入電壓源是否過低，以低臨界電壓1.8v進行輸入比較判定，輸出則與該單晶片微控制器單元之DI腳介接，一旦監測發現交流電負載電流低於0.5A時，輸入電壓將低於臨界電壓1.8v值，監測IC輸出為邏輯Low，由DI腳通知該單晶片微控制器單元，若輸入電壓高於低臨界電壓1.8v時，監測IC輸出為邏輯High通知該單晶片微控制器單元，應用原理為當監測發現交流電負載電流低於0.5A時，當該單晶片微控制器單元在啟動該無線電送收單元發送低交流電負載電流數據通報後，就進入長時間休眠狀態(Long time Sleep Mode)，此時裝置平均總耗電將低於5.7uA，一旦監測發現交流電負載電流突然超過0.5A時，則電源電壓動態監測IC輸出為邏輯High，由DI腳插斷喚醒休眠狀態的該單晶片微控制器單元，可及時進行交流電負載電流偵測與通報運作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，其中該單晶片微控制器單元更包含執行交流電負載電流精準量測之一韌體，該韌體包含區分為操作模式與休眠模式兩大程序，更分為五項流程：流程一為溫差補償量測流程、流程二為負載電流量測流程、流程三為數據通報流程、流程四為微控制器停止運作與流程五為插斷程式回復操作模式流程。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，其中該韌體執行流程一之步驟包含：a.　由該單晶片微控制器單元之內建溫度感知器進行量測，啟動A/D轉換取樣計算出溫測值，並加上溫度校正修正值而獲得目前溫度值；b.　再由目前溫度值可以計算出溫差值，溫差值的運算是以25℃為初始標準，25℃時溫差值為0℃，目前溫度值超過25℃時溫差值=(目前溫度值-25℃)，當目前溫度值為最高70℃時，溫差值計算至最高(70℃-25℃)=45℃；另外，低於25℃時溫差值=(25℃-目前溫度值)，因此當目前溫度值為最低0℃時，溫差值計算至(25℃-0℃)=25℃；c.　本次流程所獲得目前溫度值與溫差值先預存於數據暫存記憶區的溫度值與溫差值兩欄位中。
4. 如申請專利範圍第2項所述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，其中該韌體執行流程二步驟包含：a.　依據硬體電路所提供CT感測迴路數(1~8通道)逐一進行每迴路8次以上A/D取樣量測，透過2選1阻抗選擇迴路先選擇低負載(10A以下)範圍量測，若偵測值高於低負載電流範圍則切換選擇另一阻抗進行高負載電流範圍(10A以上)量測；b.　最後量測結果經公式計算轉換成負載電流量測值，再加上溫差補償值=(溫差值x負載電流加權)，超過25℃為減溫差補償值運算，低於25℃則為加溫差補償值運算，溫差補償值運算則為流程一所預測之溫差值與負載電流加權值相乘結果，負載電流大小不同所使用之加權值亦不相同，實驗證實負載越重加權比重也愈高；溫差補償公式計算後結果才是最後要通報的目前交流電負載電流值；c.另外還可以增加以預設交流電電壓值(110V或220V或380V)乘上目前交流電負載電流值而獲得目前交流電負載功率值；d.本次流程所獲得之溫差補償值、目前交流電負載電流值與目前交流電負載消耗功率值也會預存於數據暫存記憶區之相關欄位內，其中目前交流電負載電流值與交流電負載功率值欄位則分別以各不同通道CT所感測計算之最後結果進行儲存，最多8個CT可以儲存2x8個欄位。
5. 如申請專利範圍第2項所述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，其中該韌體執行流程三步驟包含：啟動無線電送收單元發射模式，以通信協定封包格式，由記憶體將本量測裝置識別碼、目前溫度值、溫差補償值、各別CT感測交流電負載電流值與交流電負載功率值載入該無線電送收單元之發射資料(Pay load)暫存器中，啟動發射控制點將無線電數據封包傳送出去，由遠端電力監控無線電閘道(Gateway)主機接收。
6. 如申請專利範圍第2項所述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，其中該韌體執行流程四之步驟包含：a.比對目前第一通道CT(第一通道CT與電源供應器CT共纜)的偵測交流電負載電流值，選擇一相對應休眠時間值，載入時鐘信號計數器進行計時運轉，此同時啟動微處理器停止 運作進入休眠模式運作；b.休眠時間值之設定原則為以CT感應式電源供應器超級電容器之(充電電流x休眠時間)>1.5倍(消耗電流x操作時間)，其中消耗電流x操作時間就是前面所敘述操作模式下流程一至流程三的消耗電流時間乘積值為1.5x(1mA x 1ms+30mA x 5ms)=227(mA-ms)，至於取1.5倍則是考慮到超級電容器等元件之預估內部電能損耗，至於超級電容器之充電電流值則是以實際儀器量測數據為參考依據，充電電流大小則與第一通道CT所量測交流電負載電流大小成正比關係；c.當第一通道CT所量測交流電負載電流為1Amp時，超級電容器之充電電流儀器量測值為0.05mA，此時計算休眠時間值為必須大於4540ms(227/0.05)，在程式設計上為考慮有足夠安全穩定的充電電源供應正常精確的量測運作，在交流電負載電流為1Amp時休眠時間值以原計算值再乘以兩倍以上時間10秒(4540ms x 2取整數)為基準設定值；d.當第一通道CT所量測交流電負載電流超過1Amp時，休眠時間值的設定也就相對的縮短(<10sec)，當第一通道CT所量測交流電負載電流為10Amp時，實驗儀器量測超級電容器之充電電流值為8.5mA，此時計算休眠時間值>27ms(227/8.5)，只要超過27ms休眠時間就可以將消耗電能完全補充回來，但考慮到無線數據封包發送的過度密集與無線電干擾因素，因此設定量測交流電負載電流超過10A時，休眠時間值以1sec為最低設定值；e.　當第一通道CT所量測交流電負載電流低於1 Amp時，休眠時間值的設定也就相對的拉長(>10sec)，在程式設計上以5分鐘為休眠時間設定值。
7. 如申請專利範圍第2項所述之無線電智慧型感應式交流電流量測通報裝置，其中該韌體執行流程五步驟包含：a.　當微處理器完成休眠時間設定後，就進入休眠模式執行停止運作，控制權則移交給時間信號計數器，此時本發明模組總耗電量降至最低點(<5.7uA)，時間信號計數器經休眠時間計數到達後(115)，由計數器經正常插斷模式喚醒微處理器(116)回到操作模式流程一繼續下一階段的交流電負載電流量測作業；b.　交流電負載量測電流低於0.5Amp時或停電時將不會有充電電流流入超級電容器，此時微處理器停止進入休眠模式運作時間會無限期延長，而控制權改由電源電壓動態監測IC輸入DI點進行插斷喚醒監控，一旦偵測到交流電負載電流超過0.5Amp時，電源電壓動態監測IC之DI點輸入由Low轉High信號透過DI點插斷程式喚醒微處理器(118)回到操作模式流程一，即刻繼續下一階段的交流電負載電流量測作業；c.　為補償流程一操作模式內建溫度感知器之量測誤差之修正，特別提供硬體按鍵模式(117)，由DI點提供插斷喚醒休眠中的微處理器做為提供溫度校正之使用。