無線電流傳感器的製作方法

2024-01-25 13:30:15 1

專利名稱：無線電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及使得可以測量在電導體中流動的電流的無線電流傳感器。本發明的電流傳感器使得可以測量在電導體中流動的電流並向遠程總站發送測量數據。本發明的電流傳感器通過藉助在電導體中流動的電流的感應供電而具有電力自治的優點。
背景技術：
從文獻W02008/142425 或 W02010/119332 已知無線的且電力自治(autonomous inelectrical power)的電流傳感器。這些文獻提出使得可以測量在電導體中流動的電流的方案。為此，它們包括裝有繞組且圍繞電導體布置的環形磁芯(torus)，電導體形成互感器的初級，而繞組形成互感器的次級。該配置既允許測量在電導體中流動的電流，又允許產生設計用於為電子測量電路供電的電力。這些方案為利用耦合到遠程總站的無線發送器發送電流的測量數據作好準備。 本發明的目的在於，提供裝有單個環形磁芯且電力自治的無線電流傳感器，其使得可以優化用於測量作為可用電力的函數的電流的時間。

發明內容
通過一種設計用於測量在電導體中流動的電流的無線電流傳感器來實現該目的，所述無線電流傳感器包括一電流互感器，包括磁芯，其被設計為圍繞所述電導體布置而形成所述互感器的初級，以及繞組，其圍繞該磁芯製作並形成所述互感器的次級，以便當電流在該電導體中流動時取得電力；一電子電路，連接到該互感器的次級，該電子電路包括一用於存儲產生的電力的部件，一用於測量在電導體中流動的電流的部件，包括藉助存儲在該用於存儲電力的部件中的電力供電的微控制器，並使得可以產生在該電導體中流動的電流的測量數據，一無線數據收發器，耦合到所述微控制器，並使得可以發送測量數據；一至少兩種不同的工作模式，該兩種工作模式由於微控制器產生的測量數據以及由於在電導體中流動的電流的測量的持續時間而彼此不同；一用於考慮所述測量的電流的值而確定從一種工作模式轉變為另一種工作模式的部件。根據一個特定特徵，該電流傳感器包括用於檢測測量的電流的值的突然減少的部件、以及用於在檢測到突然減少時激活該無線收發器以便發送測量數據的部件。根據另一個特定特徵，該用於存儲電力的部件包括倍壓器設備，其包括兩個電容器和兩個二極體。根據另一個特定特徵，該互感器的磁芯採用設計為圍繞該電導體布置的環形磁芯的形式。
根據第一實施例，該電子電路包括用於在充電模式與測量模式之間進行選擇的部件，在該充電模式下將電力存儲在該用於存儲電力的部件中，在該測量模式下使用電力來測量電流、確定測量數據、以及發送測量數據。根據該第一實施例的一個特定特徵，該選擇部件採用兩個電晶體的形式，該兩個電晶體經由它們各自的漏極連接在一起，並且各自在漏極與源極之間裝有二極體。根據該第一實施例的另一個特定特徵，該測量部件包括與該兩個電晶體串聯、並且與該用於存儲電力的部件並聯的測量電阻器。根據第二實施例，該測量部件包括與該用於存儲電力的部件串聯的測量電阻器。因而該實施例不包括用於在充電模式與測量模式之間進行選擇的選擇部件。根據該第二實施例的一個特定特徵，該無線電流傳感器包括設計用於檢測電流故障的工作模式。該工作模式僅被允許用於第二實施例，因為其假定能夠永久地測量電流。 根據本發明，在確定的工作模式下，電流傳感器被配置為在發送測量數據之後對於一預定時段將無線收發器切換到接收模式，以便接收來自總站的數據。


其他特徵和優點將在參照附圖進行的以下詳細說明中顯現，其中一圖I示意性地表示包括本發明的無線電流傳感器和設計用於收集電流測量數據的遠程總站的系統；一圖2表示根據第一實施例的本發明的電流傳感器的電子圖；一圖3表示根據第一實施例的本發明的電流傳感器的工作圖；—圖4表示根據第二實施例的本發明的電流傳感器的電子圖；以及一圖5表示根據第二實施例的本發明的傳感器的工作圖。
具體實施例方式本發明涉及無線的且完全電力自治的電流傳感器。參照圖I，本發明的無線電流傳感器10被設計為測量在電導體20中流動的電流I。其採用附著到電導體、並且使得可以藉助測量部件確定與在電導體中流動的AC電流關聯的測量數據、以及藉助傳輸部件向遠程總站30發送測量數據的模塊的形式。總站30例如包括設計用於顯示測量數據或任何其他信息的顯示器300。本發明的以下部分中，「電流測量數據」意味著與在電導體20中流動的AC電流關聯的任何數據，諸如一在電導體20中流動的平均電流的有效值；一在給定測量時段上在電導體20中流動的最小電流的有效值；一在給定測量時段上在電導體中流動的最大電流的有效值；一在電導體20中流動的電流I的基頻的等級；一在電導體20中流動的電流的2次、3次、4次、5次諧波(如果必要甚至更高)的等級；-電流諧波畸變率THDi；一電流故障(電流過電壓，隨後轉變為零)的存在；
一轉變為零電流的瞬間，例如允許總站30計算功率因數(COS Cf)接著允許電流傳感器10改善穿過電導體20的總功率的評估。為了讓總站30確定功率因數，電流傳感器10的無線傳輸必須與電流到零的轉變同步。具體地，基於關於電流轉變為零的瞬間的信息、以及關於施加到電導體且為總站30所知的電源電壓轉變為零的瞬間的信息，總站30可以因此確定該功率因數。本發明的以下部分中，數據傳輸部件對應於既用於發送又用於接收數據的無線收發器E/R。本發明的電流傳感器10更準確地包括磁芯，其採用設計為被打算測量其電流的電導體20穿過的環形磁芯100的形式。圍繞所述環形磁芯100製作繞組101。環形磁芯例如能夠打開，以允許將其置於圍繞電導體20。當電流傳感器10在電導體20上就位時，電導體20於是形成電流互感器的初級，而繞組101形成所述電流互感器的次級。藉助該架構， 在電流互感器的次級中流動的電流是在電流互感器的初級中流動的電流I的鏡像。本發明的以下部分中，測量的電流是在互感器的次級中流動的電流，但是應當理解，其對應於在電導體20流動的初級電流I，因為其是初級電流的鏡像。本發明的電流傳感器10還包括電子電路，封閉在其模塊中並且直接連接到次級的兩條繞組導線101。該電子電路包括用於存儲藉助電流互感器產生的電力的部件、由存儲在用於存儲電力的部件中的電力供電的前面提到的測量部件和無線收發器。測量部件包括微控制器UC，其與兩個線性穩壓器LDO關聯，並且特別地使得可以確定將要向總站發送的測量數據、並作為存儲在電流傳感器10中的預先設定的操作規則的功能隨時間管理這些測量數據的發送。測量部件還包括測量電阻器Rm，優選地具有低的值(例如等於I歐姆)。無線收發器E/R例如為射頻型。當然可以設想任何其他無線技術。根據本發明，該電子電路可以採用圖2和4中所示的兩種不同的組裝的形式。在兩種建議的組裝中，電流I的測量不總是永久性的。取決於應用的工作模式，電流測量的時段可以改變。該測量時段依賴於在電導體20中測量的電流I的有效值、以及依賴於在用於存儲電能的部件的端子處測量的電壓的值而改變。圖2中所示的第一組裝示出在充電模式和測量模式之間不連續地工作的特定特徵。在充電模式下，次級電流進入用於存儲電力的部件，但不通過該測量電阻器Rm。在測量模式下，次級電力穿過該測量電阻器Rm而不是用於存儲電力的部件。因而該傳感器包括用於在測量模式與充電模式之間進行選擇的選擇部件。優選地在電流傳感器處於充電模式時發送測量數據。更準確地，該第一組裝包括包含測量電阻器Rm和形成選擇部件的開關的第一電路迴路、以及與第一電路迴路並行組裝且包含用於存儲電力的部件的第二電路迴路。在第一電路迴路上，該開關與測量電阻器串聯組裝。當該開關處於閉合狀態時，次級電流進入第一電路迴路，即，通過該測量電阻器Rm，而當該開關處於斷開狀態時，次級電流經由第二電路迴路前進並且用於對用於存儲電力的部件充電。該開關例如由兩個經由各自的漏極串聯在一起的N溝道MOSFET型電晶體T1、T2構成。每個MOSFET電晶體在其漏極與其源極之間裝有二極體。該兩個二極體朝向相反的方向。兩個電晶體Tl、T2各自由微控制器UC發出的控制信號S1、S2控制。該組裝使得可以管理次級電流的兩種交替。用於存儲電力的部件例如由以「Latour」倍壓器的形式布置在一起的兩個電容器C1、C2和兩個二極體D1、D2構成，使得可以在兩個電容器之一中取得在電流的正交替期間產生的電力並在另一個電容器中取得在電流的負交替期間產生的電力。與電容器C1、C2並聯連接的兩個線性穩壓器LDO使得可以各自向微控制器UC以及向無線收發器E/R遞送恆定電壓。當通過微控制器將開關控制為閉合狀態時，關於在測量電阻器Rm的端子處的電壓的測量的一項信息允許其減少電流的有效值。關於在電容器之一 Cl的端子處的電壓的值Vs的一項信息也被周期性地發送到微控制器UC，以便永久性地監視可用電力。微控制器UC使用這兩項信息來選擇電流傳感器10的工作模式，特定工作模式通過在確定的時間段上測量的持續時間以及通過產生的測量數據而彼此不同。電流傳感器可以特定地在僅考慮測量的電流I的同時從一種工作模式切換到另一種工作模式。該第一組裝的優點在於，在測量模式下，在測量電阻器Rm的端子處的電壓的波形是在電導體20中流動的電流I的忠實鏡像。特別地，因為測量電阻器Rm的低的值，在測量模式下，電流互感器的次級處於接近於短路的配置。因而該組裝完美地適合於電流I的諧波的測量以及電流互感器的初級和次級之間的相位轉變的控制。
對於圖2中所示的該第一組裝，當無法永久性地測量電流時，傳感器的一個工作周期包括-用於存儲電力的部件的充電時間；-電晶體Tl、T2的傳導的順序(order)；-測量的電流的穩定時間；一電流測量時間；一各電晶體的斷開的順序；一無線傳輸時間。對於該第一組裝，可以區分下列工作模式模式0 — I 0一在電導體20中流動的電流I太低而不能夠給電流傳感器10的電子電路供電。模式I — 2彡I彡5A一在電導體20中流動的電流I低但是足夠給電流傳感器10的電子電路供電，模數轉換器(ADC)除外。一不進行電流測量。一由無線收發器E/R周期性地發送，低電流在電導體20中流動。模式2 —5彡I彡7A一在電導體20中流動的電流I變得足夠給電流傳感器10的電子電路供電，包括模數轉換器(ADC)。一在例如電流傳感器10的工作周期Te (例如Te=2s)的30%上測量電流I。一每當電容器Cl的端子處的電壓Vs高於確定的閾值(例如等於5. IV)，就測量電流I，並且由無線收發器E/R發送測量數據。一由微控制器UC確定的測量數據是測量的電流I的有效值和電力的量。模式3 — 7 ^ I ^ 20A一在例如電流傳感器10的工作周期Te (例如Te=2s)的30%上測量電流。一測量數據是測量的電流的有效值、電力的量、特定諧波的等級、轉變到零電流的瞬間。一在發送之後在接收模式下工作傳感器可以在測量數據發送之後切換到接收模式。傳感器無法永久地保持偵聽，因為那樣將消耗過多電力。因此，其在數據發送之後以短暫的確定的時段切換到接收模式以便能夠從總站30接收數據。這些數據例如可以是電壓的有效值、功率因數(COS 9)或與電流傳感器10的發送的時段關聯的信息項。模式3. 2一除測量時段之外與模式3等價的模式。—可以在其工作周期的100%上測量電流，只要電容器Cl的端子處的電壓高於或等於確定的5. IV的閾值。一該工作模式是允許電流傳感器10通過有意消耗特定量的電力從模式3切換到模式2的暫時的模式。模式4 — 20 ≤ I ≤ 100A一在例如傳感器的工作周期Te (例如Te=2s)的50%上測量電流I。一由微控制器UC確定的測量數據是測量的電流I的有效值、電力的量、特定諧波的等級、轉變到零電流的瞬間。—在發送之後在接收模式下工作。模式5 — 100 ≤ I ≤ 700A一在傳感器的工作周期Te (例如Te=2s)的80%上測量電流I。一由微控制器UC確定的測量數據是測量的電流I的有效值、電力的量、特定諧波的等級、轉變到零電流的瞬間。一在發送之後在接收模式下工作。停止模式一當電流傳感器10檢測到測量的電流值的突然減少時，進行測量並立即發送測
量數據。結合下表在圖3中更準確地解釋從一種模式轉變到另一種模式的條件。
權利要求
1.一種設計用於測量在電導體(20)中流動的電流(I)的無線電流傳感器(10)，所述無線電流傳感器(10)包括 一電流互感器，包括磁芯，其被設計為圍繞所述電導體(20)布置而形成所述互感器的初級，以及繞組(101)，其圍繞該磁芯製作並形成所述互感器的次級，以便當電流在該電導體中流動時取得電力； 一電子電路，連接到該互感器的次級，該電子電路包括 一用於存儲產生的電力的部件， 一用於測量在電導體(20)中流動的電流的部件，包括藉助存儲在該用於存儲電力的部件中的電力供電的微控制器(UC)，並使得可以產生在該電導體(20)中流動的電流的測量數據， 一無線數據收發器(E/R)，耦合到所述微控制器(UC)，並使得可以發送該測量數據， 特徵在於，該電流傳感器(10)包括 一至少兩種不同的工作模式，該兩種工作模式由於微控制器產生的測量數據以及由於在電導體(20)中流動的電流(I)的測量的持續時間而彼此不同； 一用於考慮所述測量的電流(I)的值而確定從一種工作模式轉變為另一種工作模式的部件。
2.根據權利要求I所述的無線電流傳感器(10)，特徵在於，其包括用於檢測測量的電流(I)的值的突然減少的部件，以及用於在檢測到突然減少時激活該無線收發器(E/R)以便發送測量數據的部件。
3.根據權利要求I或2所述的無線電流傳感器，特徵在於，該用於存儲電力的部件包括倍壓器設備，其包括兩個電容器(Cl、C2 )和兩個二極體(DI、D2 )。
4.根據權利要求I至3之一所述的無線電流傳感器，特徵在於，該互感器的磁芯採用設計為圍繞該電導體(20)布置的環形磁芯(100)的形式。
5.根據權利要求4所述的無線電流傳感器，特徵在於，該環形磁芯(100)能夠開啟。
6.根據權利要求I至5之一所述的無線電流傳感器，特徵在於，該電子電路包括用於在充電模式與測量模式之間進行選擇的部件，在該充電模式下將電力存儲在該用於存儲電力的部件中，在該測量模式下使用電力來測量電流、確定測量數據、以及發送測量數據。
7.根據權利要求6所述的無線電流傳感器，特徵在於，該選擇部件採用兩個電晶體(T1、T2)的形式，該兩個電晶體經由它們各自的漏極連接在一起，並且各自在漏極與源極之間裝有二極體。
8.根據權利要求7所述的無線電流傳感器，特徵在於，該測量部件包括與該兩個電晶體(Τ1、Τ2)串聯、並且與該用於存儲電力的部件並聯的測量電阻器(Rm)。
9.根據權利要求I至4之一所述的無線電流傳感器，特徵在於，該測量部件包括與該用於存儲電力的部件串聯的測量電阻器(Rm)。
10.根據權利要求9所述的無線電流傳感器，特徵在於，其包括設計用於檢測電流故障的工作模式。
11.根據前述權利要求之一所述的無線電流傳感器，特徵在於，在確定的工作模式下，其被配置為在發送測量數據之後，對於一確定的時段，將該無線收發器(E/R)切換到接收模式，以便接收來自總站(30)的數據。
全文摘要
本發明涉及一種設計用於測量在電導體(20)中流動的電流(I)的無線電流傳感器(10)，所述無線電流傳感器(10)包括－電流互感器，包括磁芯，其被設計為圍繞所述電導體(20)布置而形成所述互感器的初級，以及繞組(101)，其圍繞該磁芯製作並形成所述互感器的次級，以便當電流在該電導體中流動時取得電力；－電子電路，連接到該互感器的次級，該電子電路包括用於存儲產生的電力的部件、用於測量在電導體(20)中流動的電流的部件、以及耦合到微控制器並使得可以發送測量數據的無線數據收發器。
文檔編號G01R19/00GK102798747SQ201210159878
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月22日 優先權日2011年5月24日
發明者O.庫特洛, B.馬賽波厄夫 申請人:施耐德電器工業公司