TWI439700B - 用於具有雙導線之電力電纜線的電力感測裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電力感測技術,特別是指一種可同時量取雙導線之電力電纜線的電流及電壓的電力感測裝置。
能源的消耗一般以能量(焦爾)或功率(瓦特)的形式來表示,但各種量測裝置或方法大多以電壓或電流為偵測的物理量;若能將此能源資訊結合通訊技術,而更有效的提供能源使用者這些相關資訊,則將有助於能源使用者自主性節約能源的功效。
然而,現有提供電源量測常用的電力感測器,常有體積大、需要外接電源、無法直接應用於多心電線等缺點,因而應用性受到限制。另外,亦有習知技術提出以倫茲力(Lorentz force)定律為基礎之微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)製程的電流感測器,藉由機械形變量的量測來判讀待測的電流,以改善上述的缺點,但仍無法完全滿足未來的性能要求。若能設計出一微型、非接觸式、被動式、及易安裝的電力感測器,可同時量取電源纜線的電壓及電流,則將可以更全面的採集電器設備的用電資訊,達到自主性節能的目的。
有鑑於此,本發明的目的之一是以微機電系統製程在軟性基板上實現微型、非接觸及被動式的電力感測裝置,可同時量取電力電纜線的電流及電壓。
為達成上述之目的,在本發明的一方面,一實施例提供一種用於具有雙導線之電力電纜線的電力感測裝置,其包括:一軟性基板,可附著於該電力電纜線或其保護層上;一感應線圈,形成於該軟性基板上;成對的第一及第二金屬電極,形成於該軟性基板上且分別形成於該電力電纜線兩側的相對位置;及一讀取電路,形成於該軟性基板上,該讀取電路電性連接至該感應線圈,藉以讀取該電力電纜線內的電流值,且該讀取電路電性連接至該對金屬片,藉以讀取該電力電纜線內的電壓值。
該第一及第二金屬電極所形成的容置空間可包含該雙導線。各金屬電極的橫截面可為弧形,且彼此的弧凹相對。各金屬電極可包含複數個電極單元,各電極單元設置於該電力電纜線上不同的軸向位置。
感應線圈可包含至少一匝的金屬線圈,並以該雙導線的中央而形成左右對稱的佈局。該金屬線圈內更可包含有導磁材料,以加強該感應線圈的導磁耦合效率。該金屬線圈在與該電力電纜線水平的方向上之線寬可大於其與該電力電纜線垂直的方向上之線寬。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解,茲配合圖式詳細說明如後。為了說明上的便利和明確,圖式中各構成要素或信號的尺寸,係以誇張或省略或概略的方式表示,並非為其實際的尺寸。
根據安培定律,流經長直導線的電流在其鄰近空間會產生一環形磁場,此環形磁場正比於該導線上電流大小:
其中μ0
為導磁率,I為該導線上電流,Br
為該導線外推半徑r上的磁通密度。當施用交流電源時,上述的磁場屬於時變磁場。對於該導線鄰近空間的一導電線圈,可根據法拉第感應定律(Faraday's law of induction)得知該導電線圈二端的電動勢或輸出電壓EMF(v)為
其中Φ
為磁通量,為該導電線圈的面向量。由上式可推得導電線圈兩端的電動勢具有EMF
(ν) Φ ● I
的特性,也就是該電動勢將與該導線所流過的電流大小成正比,藉此可用於電流的量測或電流感測器的設計。
此外,不同的電位之間會形成電場,而根據高斯定律,金屬薄板在電場中將受其影響而產生感應電荷。對於交流電源而言,上述的電場屬於時變電場,導致感應電荷在金屬薄板中流動,而形成感應電流為
其中ε
為介電常數,A為金屬薄板的有效面積,E為時變電場。由上式可推得金屬薄板中的感應電流具有i EV的特性,V為上述不同電位之間的電位差;也就是,該感應電流將與該電位差的大小成正比,藉此可用於電壓的量測或電壓感測器的設計。
請參照圖1及2,為根據本發明實施例之的電力感測裝置的結構圖,其中圖1為其立體透視圖、圖2為圖1沿著A-A’的剖面示意圖,該電力感測裝置主要的施用對象為具有雙導線180a及180b之電力電纜線。如圖所示,該電力感測裝置包含:一軟性基板110、一感應線圈120、成對的金屬電極130a/130b、及一讀取電路140;各個構件的結合可以透過微機電系統的製程而佈局於軟性基板上,可達成微型、非接觸及被動式的電壓及電流感測功能,因而具備相當的機動性和便利性。
該軟性基板110的背面可直接貼附於待測的電力電纜線180a及180b上,或貼附於該電力電纜線的保護層190上;該軟性基板110的正面則用以設置或製作感應線圈、金屬電極及其它相關電路。該軟性基板110係由可捲曲或伸展的材料製成,並能與該電力電纜線或其保護層緊密接合。藉此,該感應線圈120及該金屬電極130a/130b可儘可能的貼近該電力電纜線,達到較佳的電磁感應效果。且因著軟性基板的特性,使得本實施例之電流感測裝置具有隨貼即用的便利性,且對於待測電力電纜線的表面形狀及平坦性具有較大的施用彈性。此外,該軟性基板110亦可製成C型的鉗狀,而直接夾貼於電力電纜線的保護層190上,如圖1所示。
該感應線圈120係以微機電系統的製程技術製作的平面式線圈,並佈局於該軟性基板110上,藉以依據上述的法拉第感應定律,感測該電力電纜線180a及180b內因電流流過而產生的電磁場。該感應線圈120可包括一匝以上的導電線圈,例如金屬線圈,並且可藉由例如微機電技術而儘可能增加線圈匝數,以提高該感應線圈120的電磁感應能力。此外,為了進一步加強其導磁耦合效率,該感應線圈120內更可添加導磁材料,並且在一較佳實施例中,該感應線圈120的線寬設計為:其在與該待測電力電纜線之水平方向線寬大於其與該待測電力電纜線之垂直方向線寬。此外,該金屬線圈可以該電力電纜線的雙導線180a及180b中央為基準,而形成左右對稱的佈局,如圖1及圖2所示。
該金屬電極130a/130b基本上是形狀成對而材料相同的電極,分別形成於該軟性基板上的該電力電纜線左右兩側。如圖2所示,該金屬電極130a及130b所包含的空間,可將該電力電纜線的導線180a及180b含蓋在內,使感應電荷在該金屬電極130a/130b中達到較佳的感應效果。以圖2為例,該金屬電極130a/130b的橫截面皆呈弧形,且彼此的弧凹相對,以撘配C型鉗狀的軟性基板110,而直接夾貼於該電力電纜線上。此外,在本實施例中,各金屬電極130a或130b可以是複數個電極單元所組成的陣列結構,而形成複數個成對的電極單元,分別設置於該電力電纜線上不同的軸向位置;當然,各對電極單元的大小可以是不同的尺寸,且可佈局於該電力電纜線上不同的徑度(或與水平面所形成的角度)位置。陣列型式的金屬電極130a/130b可用以輔助校正本實施例的電力感測裝置。
該讀取電路140設置於該軟性基板110上,並電性連接至該感應線圈120及該金屬電極130a及130b,藉以讀取該電力電纜線180a及180b中之交流電流所感應的電磁場,並分別計算該電力電纜線內的電流值及電壓值。該讀取電路140可以是以互補式金氧半導體(CMOS)製程的積體電路,而嵌置於該軟性基板110上。因該感應線圈120或該金屬電極130a/130b對於上述電磁場而響應的輸出信號強度可能會不足,故可在該讀取電路140中增加放大器電路模組,藉以放大該感應線圈120及該金屬電極130a/130b的響應輸出。但並不以此為限,上述的放大器電路模組亦可以是外加的晶片,而電性連接於該讀取電路140與該感應線圈120或該金屬電極130a/130b之間。
在本實施例中,該感應線圈120及該金屬電極130a/130b可以微機電系統(MEMS)的技術來實現,而該讀取電路140可以互補式金氧半導體(CMOS)技術來實現,可整合於積體電路製程的基礎上。請參考圖3,當有電流流過該電力電纜線180a及180b中,將會在其鄰近空間產生正比於電流大小的磁場(其磁通線如圖之點狀線所示意),根據法拉第定律,此磁場將在該感應線圈120的二端感應出電動勢V(Iin
),以作為讀取電路140判讀該電力電纜線180a及180b所流過電流的依據。此外,該金屬電極130a/130b上亦會因為該電力電纜線180a及180b的交流電流而感應出電荷及兩者之間的等效電容及時變電場(其電場線如圖之破折線所示意),根據高斯定律,此電場將在該金屬電極130a/130b上形成感應電流,其正比於該金屬電極130a及130b之間的電位差V(Vin
),以作為讀取電路140判讀該電力電纜線180a及180b之電壓的依據。圖中的Vin -
及Iin -
分別表示流入該電力電纜線180a的電壓及電流,Vin +
及Iin +
分別表示流出該電力電纜線180b的電壓及電流。藉此,本實施例的電力感測裝置可達成對雙導線之電力電纜線的電流及電壓的同時量測。
唯以上所述者,僅為本發明之較佳實施例,當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾,仍將不失本發明之要義所在,亦不脫離本發明之精神和範圍,故都應視為本發明的進一步實施狀況。
110...軟性基板
120...感應線圈
130a/130b...金屬電極
140...讀取電路
180a/180b...電力電纜線
190...保護層
圖1根據本發明實施例之微機電系統電力感測裝置的立體透視圖。
圖2為圖1實施例之微機電系統電力感測裝置沿著A-A’的剖面示意圖。
圖3為該電力電纜線因電流流過所產生的電磁場之示意圖。
110...軟性基板
120...感應線圈
140...讀取電路
180a/180b...電力電纜線
Claims (10)
- 一種用於具有雙導線之電力電纜線的電力感測裝置,其包括:一軟性基板,可附著於該電力電纜線或其保護層上;一感應線圈,形成於該軟性基板上;成對的第一及第二金屬電極,形成於該軟性基板上,分別位於該電力電纜線兩側的相對位置,且平行該電力電纜線;及一讀取電路,形成於該軟性基板上,該讀取電路電性連接至該感應線圈,藉以讀取該電力電纜線內的電流值,且該讀取電路電性連接至該對金屬片,藉以讀取該電力電纜線內的電壓值;其中,各金屬電極包含複數個電極單元,各電極單元設置於該電力電纜線上不同的軸向位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之電力感測裝置,其中該第一及第二金屬電極所形成的容置空間包含該雙導線。
- 如申請專利範圍第1項所述之電力感測裝置,其中該第一及第二金屬電極分別設置於該軟性基板上。
- 如申請專利範圍第3項所述之電力感測裝置,其中各金屬電極的橫截面係為弧形,且彼此的弧凹相對。
- 如申請專利範圍第1項所述之電力感測裝置,其中該軟性基板係由可捲曲或伸展的材料製成,並可緊密接合於該電力電纜線或其保護層。
- 如申請專利範圍第1項所述之電力感測裝置,其中該感應線圈包含至少一匝的金屬線圈。
- 如申請專利範圍第6項所述之電力感測裝置,其中該金屬線圈係以該雙導線的中央而形成左右對稱的佈局。
- 如申請專利範圍第6項所述之電力感測裝置,其中該金屬線圈內更包含有導磁材料,以加強該感應線圈的導磁耦合效率。
- 如申請專利範圍第6項所述之電力感測裝置,其中該金屬線圈在與該電力電纜線水平的方向上之線寬大於其與該電力電纜線垂直的方向上之線寬。
- 如申請專利範圍第1項所述之電力感測裝置,其中該讀取電路係為互補式金氧半導體(CMOS)製程的積體電路。
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