CN103217563A - 用于具有双导线的电力电缆线的电力感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于具有双导线的电力电缆线的电力感测装置，其包括：一软性衬底，可附着于该电力电缆线或其保护层上；一感应线圈，形成于该软性衬底上；成对的第一及第二金属电极，形成于该软性衬底上且分别形成于该电力电缆线两侧的相对位置；及一读取电路，形成于该软性衬底上，该读取电路电性连接至该感应线圈，借以读取该电力电缆线内的电流值，且该读取电路电性连接至该对金属片，借以读取该电力电缆线内的电压值。

Description

用于具有双导线的电力电缆线的电力感测装置

技术领域

本发明是关于一种电力感测技术，特别是指一种可同时量取双导线的电力电缆线的电流及电压的电力感测装置。

背景技术

能源的消耗一般以能量(焦尔)或功率(瓦特)的形式来表示，但各种测量装置或方法大多以电压或电流为侦测的物理量；若能将此能源信息结合通信技术，而更有效的提供能源使用者这些相关信息，则将有助于能源使用者自主性节约能源。

然而，现有提供电源测量常用的电力传感器，常有体积大、需要外接电源、无法直接应用于多心电线等缺点，因而应用性受到限制。另外，也有现有技术提出以洛伦兹力(Lorentz force)定律为基础的微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工艺的电流传感器，通过机械形变量的测量来判读待测的电流，以改善上述的缺点，但仍无法完全满足未来的性能要求。若能设计出一微型、非接触式、被动式、及易安装的电力传感器，可同时量取电源缆线的电压及电流，则将可以更全面的采集电器设备的用电信息，达到自主性节能的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是以微机电***工艺在软性衬底上实现微型、非接触及被动式的电力感测装置，可同时测量电力电缆线的电流及电压。

为达成上述的目的，在本发明的一方面，一实施例提供了一种用于具有双导线的电力电缆线的电力感测装置，其包括：一软性衬底，可附着于该电力电缆线或其保护层上；一感应线圈，形成于该软性衬底上；成对的第一及第二金属电极，形成于该软性衬底上且分别形成于该电力电缆线两侧的相对位置；及一读取电路，形成于该软性衬底上，该读取电路电性连接至该感应线圈，借以读取该电力电缆线内的电流值，且该读取电路电性连接至该对金属片，借以读取该电力电缆线内的电压值。

该第一及第二金属电极所形成的容置空间可包含该双导线。各金属电极的横截面可为弧形，且彼此的弧凹相对。各金属电极可包含多个电极单元，各电极单元设置于该电力电缆线上不同的轴向位置。

感应线圈可包含至少一匝的金属线圈，并以该双导线的中央而形成左右对称的布局。该金属线圈内还可包含有导磁材料，以加强该感应线圈的导磁耦合效率。该金属线圈在与该电力电缆线水平的方向上的线宽可大于其与该电力电缆线垂直的方向上的线宽。

附图说明

图1根据本发明实施例的微机电***电力感测装置的立体透视图。

图2为图1实施例的微机电***电力感测装置沿着A-A’的剖面示意图。

图3为该电力电缆线因电流流过所产生的电磁场的示意图。

【主要元件符号说明】

110-软性衬底；

120-感应线圈；

130a/130b-金属电极；

140-读取电路；

180a/180b-电力电缆线；

190-保护层。

具体实施方式

为了能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，现配合附图详细说明如后。为了说明上的便利和明确，附图中各构成要素或信号的尺寸，是以夸张或省略或概略的方式表示，并非为其实际的尺寸。

根据安培定律，流经长直导线的电流在其邻近空间会产生一环形磁场，此环形磁场正比于该导线上电流大小：

$B_r=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{2\mathrm{\πr}},$

其中μ₀为导磁率，I为该导线上电流，B_r为该导线外推半径r上的磁通密度。当施用交流电源时，上述的磁场属于时变磁场。对于该导线邻近空间的一导电线圈，可根据法拉第感应定律(Faraday′s law of induction)得知该导电线圈二端的电动势或输出电压EMF(v)为

$\mathrm{EMF}\left(v\right)=-\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\∫\frac{d(\stackrel{\→}{\mathrm{Br}}\·\stackrel{\→}{A})}{\mathrm{dt}},$

其中φ为磁通量，

为该导电线圈的面向量。由上式可推得导电线圈两端的电动势具有

的特性，也就是该电动势将与该导线所流过的电流大小成正比，借此可用于电流的测量或电流传感器的设计。

此外，不同的电位之间会形成电场，而根据高斯定律，金属薄板在电场中将受其影响而产生感应电荷。对于交流电源而言，上述的电场属于时变电场，导致感应电荷在金属薄板中流动，而形成感应电流为

$i=\mathrm{\ϵA}\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}},$

其中ε为介电常数，A为金属薄板的有效面积，E为时变电场。由上式可推得金属薄板中的感应电流具有i∝E∝V的特性，V为上述不同电位之间的电位差；也就是，该感应电流将与该电位差的大小成正比，借此可用于电压的测量或电压传感器的设计。

请参照图1及2，为根据本发明实施例的电力感测装置的结构图，其中图1为其立体透视图、图2为图1沿着A-A’的剖面示意图，该电力感测装置主要的施用对象为具有双导线180a及180b的电力电缆线。如图所示，该电力感测装置包含：一软性衬底110、一感应线圈120、成对的金属电极130a/130b、及一读取电路140；各个构件的结合可以通过微机电***的工艺而布局于软性衬底上，可达成微型、非接触及被动式的电压及电流感测功能，因而具备相当的机动性和便利性。

该软性衬底110的背面可直接贴附于待测的电力电缆线180a及180b上，或贴附于该电力电缆线的保护层190上；该软性衬底110的正面则用以设置或制作感应线圈、金属电极及其它相关电路。该软性衬底110由可卷曲或伸展的材料制成，并能与该电力电缆线或其保护层紧密接合。借此，该感应线圈120及该金属电极130a/130b可尽可能的贴近该电力电缆线，达到优选的电磁感应效果。且因为软性衬底的特性，使得本实施例的电流感测装置具有随贴即用的便利性，且对于待测电力电缆线的表面形状及平坦性具有较大的施用弹性。此外，该软性衬底110也可制成C型的钳状，而直接夹贴于电力电缆线的保护层190上，如图1所示。

该感应线圈120以微机电***的工艺技术制作的平面式线圈，并布局于该软性衬底110上，借以依据上述的法拉第感应定律，感测该电力电缆线180a及180b内因电流流过而产生的电磁场。该感应线圈120可包括一匝以上的导电线圈，例如金属线圈，并且可通过例如微机电技术而尽可能增加线圈匝数，以提高该感应线圈120的电磁感应能力。此外，为了进一步加强其导磁耦合效率，该感应线圈120内还可添加导磁材料，并且在一优选实施例中，该感应线圈120的线宽设计为：其在与该待测电力电缆线的水平方向线宽大于其与该待测电力电缆线的垂直方向线宽。此外，该金属线圈可以该电力电缆线的双导线180a及180b中央为基准，而形成左右对称的布局，如图1及图2所示。

该金属电极130a/130b基本上是形状成对而材料相同的电极，分别形成于该软性衬底上的该电力电缆线左右两侧。如图2所示，该金属电极130a及130b所包含的空间，可将该电力电缆线的导线180a及180b含盖在内，使感应电荷在该金属电极130a/130b中达到较好的感应效果。以图2为例，该金属电极130a/130b的横截面皆呈弧形，且彼此的弧凹相对，以搭配C型钳状的软性衬底110，而直接夹贴于该电力电缆线上。此外，在本实施例中，各金属电极130a或130b可以是多个电极单元所组成的阵列结构，而形成多个成对的电极单元，分别设置于该电力电缆线上不同的轴向位置；当然，各对电极单元的大小可以是不同的尺寸，且可布局于该电力电缆线上不同的径度(或与水平面所形成的角度)位置。阵列型式的金属电极130a/130b可用以辅助校正本实施例的电力感测装置。

该读取电路140设置于该软性衬底110上，并电性连接至该感应线圈120及该金属电极130a及130b，借以读取该电力电缆线180a及180b中的交流电流所感应的电磁场，并分别计算该电力电缆线内的电流值及电压值。该读取电路140可以是以互补式金氧半导体(CMOS)工艺的集成电路，而嵌置于该软性衬底110上。因该感应线圈120或该金属电极130a/130b对于上述电磁场而响应的输出信号强度可能会不足，故可在该读取电路140中增加放大器电路模块，借以放大该感应线圈120及该金属电极130a/130b的响应输出。但并不以此为限，上述的放大器电路模块也可以是外加的芯片，而电性连接于该读取电路140与该感应线圈120或该金属电极130a/130b之间。

在本实施例中，该感应线圈120及该金属电极130a/130b可以微机电***(MEMS)的技术来实现，而该读取电路140可以互补式金氧半导体(CMOS)技术来实现，可整合于集成电路工艺的基础上。请参考图3，当有电流流过该电力电缆线180a及180b中，将会在其邻近空间产生正比于电流大小的磁场(其磁通线如图的点状线所示意)，根据法拉第定律，此磁场将在该感应线圈120的二端感应出电动势V(I_in)，以作为读取电路140判读该电力电缆线180a及180b所流过电流的依据。此外，该金属电极130a/130b上也会因为该电力电缆线180a及180b的交流电流而感应出电荷及两者之间的等效电容及时变电场(其电场线如图的破折线所示意)，根据高斯定律，此电场将在该金属电极130a/130b上形成感应电流，其正比于该金属电极130a及130b之间的电位差V(V_in)，以作为读取电路140判读该电力电缆线180a及180b的电压的依据。图中的V_in ^-及I_in ^-分别表示流入该电力电缆线180a的电压及电流，V_in ⁺及I_in ⁺分别表示流出该电力电缆线180b的电压及电流。借此，本实施例的电力感测装置可达成对双导线的电力电缆线的电流及电压的同时测量。

只是以上所述的内容，仅为本发明的优选实施例，当不能以此限制本发明的范围。即大凡依本发明权利要求所做的等同变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，也不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (11)

1.一种用于具有双导线的电力电缆线的电力感测装置，其包括：

一软性衬底，附着于该电力电缆线或其保护层上；

一感应线圈，形成于该软性衬底上；

成对的第一及第二金属电极，形成于该软性衬底上且分别形成于该电力电缆线两侧的相对位置；及

一读取电路，形成于该软性衬底上，该读取电路电性连接至该感应线圈，借以读取该电力电缆线内的电流值，且该读取电路电性连接至该对金属片，借以读取该电力电缆线内的电压值。

2.根据权利要求1所述的电力感测装置，其中，该第一及第二金属电极所形成的容置空间包含该双导线。

3.根据权利要求2所述的电力感测装置，其中，各金属电极包含多个电极单元，各电极单元设置于该电力电缆线上不同的轴向位置。

4.根据权利要求1所述的电力感测装置，其中，该第一及第二金属电极分别设置于该软性衬底上。

5.根据权利要求4所述的电力感测装置，其中，各金属电极的横截面为弧形，且彼此的弧凹相对。

6.根据权利要求1所述的电力感测装置，其中该软性衬底由可卷曲或伸展的材料制成，并可紧密接合于该电力电缆线或其保护层。

7.根据权利要求1所述的电力感测装置，其中该感应线圈包含至少一匝的金属线圈。

8.根据权利要求7所述的电力感测装置，其中该金属线圈以该双导线的中央而形成左右对称的布局。

9.根据权利要求7所述的电力感测装置，其中该金属线圈内还包含有导磁材料，以加强该感应线圈的导磁耦合效率。

10.根据权利要求7所述的电力感测装置，其中该金属线圈在与该电力电缆线水平的方向上的线宽大于其与该电力电缆线垂直的方向上的线宽。

11.根据权利要求1所述的电力感测装置，其中该读取电路为互补式金氧半导体工艺的集成电路。

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