CN110244106A - 一种非侵入式计量电流和电压的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非侵入式计量电流和电压的设备，包括印刷电路板、电容式感应器和磁感应装置，所述磁感应装置包括一个磁感应器、磁铁芯、副变线圈和副变线圈驱动器；所述磁铁芯呈具有一缺口的圆环形，所述磁感应器设置在磁铁芯的缺口位置；所述副变线圈缠绕在磁铁芯上；所述副变线圈两端分别与副变线圈驱动器和印刷电路板连接。本发明中采用非侵入式，非电测量的方式，通过测量载电导线周围的电场和磁场，来计量输电、配电和用电情况；安装和使用该装置，对输配电和用电侧的正常工作都不产生任何影响；此装置无需对载电导体有物理接触；通过测量磁场的装置可以支持高频频宽的测量，还能兼容直流和交流的测量。

Description

一种非侵入式计量电流和电压的设备

技术领域

本发明涉及电力测量技术领域，具体是一种非侵入式计量电流和电压的设备。

背景技术

电流测量分为侵入式和非侵入式两种方法，侵入式电流测量的依据欧姆定律，具有成本低、精度较高、体积小的优点，缺点也非常明显，温漂较大，精密电阻的选择较难，无隔离效果。非侵入式电流测量主要有电流互感器、霍尔传感器等方法。其中电流互感器是目前我国电能计量装置中使用最广泛的电流测量方式。

电流互感器主要由一次绕组、二次绕组、铁芯、绕组间与铁芯的绝缘以及外壳组成，工作原理与变压器类似；电流互感器原理简单，使用方便，可以测量非常大的电流，消耗的功率却很少，是目前大电流电子电能表中使用得最多的感应器。国内成熟商业产品正常的输出为5A或1A，能为电磁式继电器提供足够的驱动能力。

但是由于这些产品只能针对低空低压的一些线路测试，但是针对高空高压高电流的电路中对电流和电压的整体计量，现有的电流互感器测量动态范围小、频带窄、抗干扰性能差和测量精度差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非侵入式计量电流和电压的设备，以解决上述背景技术中提出的传统的侵入式电流和电压测量带来的不方便以及现有的非侵入式电流电压测量采用的电流互感器测量动态范围小、频带窄、抗干扰性能差和测量精度差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种非侵入式计量电流和电压的设备，包括印刷电路板、电容式感应器和磁感应装置，所述电容式感应器和磁感应装置均设置在印刷电路板上，所述印刷电路板上设置有模拟信号处理电路；所述电容式感应器设置两个，且分别与待测线缆的零线和火线连接；所述磁感应装置包括一个磁感应器、磁铁芯、副变线圈和副变线圈驱动器；所述磁铁芯呈具有一缺口的圆环形，所述磁感应器设置在磁铁芯的缺口位置；

所述副变线圈缠绕在磁铁芯上；所述副变线圈两端分别与副变线圈驱动器和印刷电路板连接。

作为本发明进一步的方案：所述副变线圈与印刷电路板相连的线路上并联有一负载电阻。

作为本发明进一步的方案：所述磁感应装置还包括一放大器，所述放大器的一端通过导线与磁感应器相连，另一端与副变线圈驱动器的一端相连。

作为本发明进一步的方案：所述磁感应器设置两个，两个磁感应器均安装在印刷电路板上。

作为本发明进一步的方案：所述磁感应器为巨磁阻GMR或穿隧磁阻TMR磁场感应器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中采用非侵入式、非电测量的方式，通过测量载电导线周围的电场和磁场，来计量输电、配电和用电情况；安装和使用该装置，无论对输配电，还是用电侧的正常工作都不产生任何影响；此装置无需对载电导体有物理接触；通过测量磁场的装置可以支持高频频宽的测量，还能兼容直流和交流的测量，解决了现有电流互感器测量动态范围小、频带窄、抗干扰性能差和测量精度差的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例一中磁感应装置的连接结构示意图。

图3为本发明实施例一的电压测量原理图。

图4为本发明实施例二中的结构示意图。

图5为本发明实施例二的磁场强度二阶梯度分布示意图。

图6为本发明实施例二的磁感应的分布测试示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，实施例一，本发明实施例中，一种非侵入式计量电流和电压的设备，包括印刷电路板1、电容式感应器2和磁感应装置3，所述电容式感应器2和磁感应装置3均设置在印刷电路板1上，所述印刷电路板1上设置有模拟信号处理电路，用于将模拟信号转化为数字信号之前对信号进行过滤处理，所述电容式感应器2设置两个，且分别与待测线缆的零线和火线连接，

所述磁感应装置3包括一个磁感应器31、磁铁芯32、副变线圈33、放大器34和副变线圈驱动器35；所述磁铁芯32呈具有一缺口的圆环形，所述磁感应器31设置在磁铁芯32的缺口位置，磁感应器31为巨磁阻GMR或穿隧磁阻TMR磁场感应器；

所述副变线圈33缠绕在磁铁芯32上；所述放大器34的一端通过导线与磁感应器31相连，另一端与副变线圈驱动器35的一端相连，所述副变线圈33两端分别与副变线圈驱动器35和印刷电路板1连接，且副变线圈33与印刷电路板1相连的线路上并联有一负载电阻36。

本发明实施例的工作原理如下：

将本发明设备安装在待测电流和电压的线缆上，使线缆穿过磁铁芯32，本发明采用磁平衡测量原理, 原边电流记作Ip，即被测量的电流，在软磁材料中产生磁场，使磁感应器输出一定的电信号，该电信号经过放大器34，来驱动副变线圈33，圈数记作Ns，以产生一个与原边电流方向相反的副边电流记作Is，放大器34会迫使副边电流抵消原边电流产生的磁场，所以在失调电压为零的情况下, 磁铁芯32中的磁场为0，副边电流与原边电流存在以下的关系：

Is = − Ip/Ns

然而，在实际运用中，所有的惠斯通电桥装置都存在一定的失调电压，加上软磁体或许存在一定的剩余磁通，副边电流输出将有以下的关系，

Is = − Ip/Ns- (BrS +α)/ SβNs

其中，Br: 剩余磁通密度 (G)；

S: 磁感应器器的灵敏度 (mV/V/G)；

α: 失调电压 (mV/V)；

β: 磁芯系数 (G/A)；

根据上述公式可以计算出原边电流Ip。

因电阻的不平衡和剩余磁通带来的失调电压，必须控制在一定范围内并用一个直流电压进行补偿，这个直流电压的大小可以在出厂前做校准。

实施例二，

如图4所示一种非侵入式计量电流和电压的设备，与实施例一不同的是：本实施例中，所述磁感应装置3包括两个磁感应器31，两个磁感应器31之间的间距固定设置，两个磁感应器31均安装在印刷电路板1上。

本发明的工作原理如下：

该装置采用梯度测量法，磁场会随着测量点到导体之间的距离增加而衰减，当测量点周边存在干扰电流源时，测量的读数会被干扰源影响，影响的程度和磁场的衰减速度有关，磁场若衰减的越快，相对的影响程度就越小，磁场梯度的衰减速度远远大于磁场本身的随距离的衰减如图5所示。本发明实施例采用测量二阶的磁场梯度以减少或消除外界电流源和磁场源对于测量的影响。具体公式如下，

测量点距被测量导体的距离为R1，距离干扰源的距离为R2，

一般情况下，R2 > R1；

磁场二阶梯度信扰比：(R2/R1)²。

如图6所示对于则单独导线，它的磁场分布近乎于无限延伸的直导线模型，根据Biot-Savart定律，B1=I/2πr；B2 =I/2π(r+d),在校准过程中，磁场读值B1和B2，两感应器相互距离d均为已知，电流I和原始距离r为未知，未知可以由两个感应器测的读数计算获得。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种非侵入式计量电流和电压的设备，包括印刷电路板（1）、电容式感应器（2）和磁感应装置（3），其特征在于：所述电容式感应器（2）和磁感应装置（3）均设置在印刷电路板（1）上，所述印刷电路板（1）上设置有模拟信号处理电路；所述电容式感应器（2）设置两个，且分别与待测线缆的零线和火线连接；所述磁感应装置（3）包括一个磁感应器（31）、磁铁芯（32）、副变线圈（33）和副变线圈驱动器（35）；所述磁铁芯（32）呈具有一缺口的圆环形，所述磁感应器（31）设置在磁铁芯（32）的缺口位置；

所述副变线圈（33）缠绕在磁铁芯（32）上；所述副变线圈（33）两端分别与副变线圈驱动器（35）和印刷电路板（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种非侵入式计量电流和电压的设备，其特征在于：所述副变线圈（33）与印刷电路板（1）相连的线路上并联有一负载电阻（36）。

3.根据权利要求1所述的一种非侵入式计量电流和电压的设备，其特征在于：所述磁感应装置（3）还包括一放大器（34），所述放大器（34）的一端通过导线与磁感应器（31）相连，另一端与副变线圈驱动器（35）的一端相连。

4.根据权利要求1所述的一种非侵入式计量电流和电压的设备，其特征在于：所述磁感应器（31）设置两个，两个磁感应器（31）均安装在印刷电路板（1）上。

5.根据权利要求4所述的一种非侵入式计量电流和电压的设备，其特征在于：所述磁感应器（31）为巨磁阻GMR或穿隧磁阻TMR磁场感应器。