CN110726869A - 一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置及方法，包括柔性固定支架、磁传感单元、汇集接收单元，所述磁传感单元设置在所述柔性固定支架上，所述磁传感单元通过汇集接收单元连接形成闭合回路，所述磁传感单元与汇集接收单元通信连接。使用时将搭载磁传感单元的柔性固定支架环绕在被测导体上，并通过汇集接收单元连接，从而形成检测用的闭合回路，根据安培环路定理，被测导体的周围存在磁场，通过对所述闭合回路内各所述磁传感单元测量值进行数值积分计算即可测算出被测导体中的电流。本设计不含铁芯、磁感设备抗干扰能力强，并且检测范围大，不受被测导体的形状影响。

Description

一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电流测量传感器技术领域，具体涉及一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置及方法。

背景技术

随着工业电气化进程的加剧，电流测量技术的需求已经不再局限于电力工业中，除准确测量外，还需要在工作环境、应用便捷性甚至体积重量等方面满足各行各业的不同需求。另一方面，随着MENS传感器芯片集成、边缘计算、低功率无线通信等技术的日渐成熟，物联网、大数据同各类工业生产的结合程度日益紧密，在提升工业生产效率、保障关键装备可靠性的过程中，其作用愈发凸显。这也要求位于物联网最底层的电流测量技术具备传感器化、数字化、无线通信等特点。

在电流测量方面，目前应用最多的装置还是电流互感器，但不同原理的电流互感器各自都面临着应用上的问题，如电磁式电流互感器具备铁芯结构，体积重量在便携式设备等应用场合难以接受，且存在铁磁谐振和铁芯磁化等问题；罗氏线圈测量原理无法测量直流信号，且易受外部干扰影响；光学测量原理稳定性较差，且技术一直没能发展成熟。除此之外，电流互感器针对不同的测量导体、测量电流，需要使用不同设计的电流互感器，其泛用性较差。最后，电流互感器的测量信号，往往需要额外加装数模转化装置，才能实现数字化，这导致其很难得物联网技术中发挥作用。

基于以上原因，能够实现宽频测量，且具备灵活安装、即插即用特点，适应各类应用环境，实现就地数字化与无线通信的新型电流测量装置，在物联网技术发展的背景下，将具备广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置及方法，通过无线技术将磁传感器灵活组网，实现对不同环境和不同形状的导体电流进行检测，只需将非闭合的柔性测量装置闭合，使被测导体穿过测量装置形成的闭合环路中，无需考虑干扰、偏芯等安装条件影响，即可实现电流测量。

一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，包括柔性固定支架、磁传感单元、汇集接收单元，所述磁传感单元设置在所述柔性固定支架上，所述磁传感单元通过汇集接收单元连接形成闭合回路，所述磁传感单元与汇集接收单元通信连接。

本设计采用了柔性固定支架搭载磁传感单元的方式来检测导体电流，使用时将搭载磁传感单元的柔性固定支架环绕在被测导体上，并通过汇集接收单元连接，从而形成检测用的闭合回路，根据安培环路定理，被测导体的周围存在磁场，通过对所述闭合回路内各所述磁传感单元测量值进行数值积分计算即可测算出被测导体中的电流。现有的测量技术存在测量范围、抗干扰、便捷性以及装置大小、重量等诸多问题，本设计不含铁芯、磁感设备抗干扰能力强，并且检测范围大，不受被测导体的形状影响。

进一步的，所述柔性固定支架设置有若干磁传感单元，该磁传感单元沿所述柔性固定支架的中轴线等距排列，所述柔性固定支架用于固定所述磁传感单元，且每个磁传感单元之间的间距相同，在所有磁传感单元形成闭合回路时，其间距也相同。

进一步的，所述磁传感单元包括磁场传感器、接近传感器A、AD转换模块以及无线通信模块A，所述磁传感单元设置有对应编号，其中：

所述磁场传感器用于检测空间磁场强度，并输出对应该磁场强度的模拟信号；

所述AD转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号；

所述接近传感器A用于检测并判断所述汇集接收单元的位置；

所述无线通信模块A用于将所述数字信号、所述对应编号发送至所述汇集接收单元。

所述磁场传感器、接近传感器A、AD转换模块以及无线通信模块A均为现有技术，所述磁传感单元所设置的对应编号为体现每个磁传感单元的先后顺序，即对应编号为自然数或可以体现顺序的代码，该对应编号存储在所述磁传感单元中的任意存储模块中，例如所述磁场传感器自带的存储模块。

进一步的，所述磁传感单元还包括温度传感器，所述温度传感器用于检测空间温度，并对所述磁场传感器进行温度补偿，所述温度传感器为现有技术。

进一步的，所述汇集接收单元包括接近传感器B、无线通信模块B以及处理器，其中：

所述接近传感器B用于检测并判断所述磁传感单元的位置；

所述处理器用于根据所述数字信号和所述对应编号计算出电流值数据，并输出该电流值数据；

所述无线通信模块B用于接收所述数字信号、所述对应编号，并无线发送输出所述电流值数据。

进一步的，为了适应各种数据传输环境，所述汇集接收单元还包括光电转换模块、DA转换模块，其中：

所述光电转换模块用于将所述电流值数据转换为光信号；

所述DA转换模块用于将所述电流值数据转换为模拟信号。

优选地，所述磁传感单元的测量敏感轴与所述柔性固定支架的中心轴线方向一致，所述测量敏感轴为磁传感单元在空间中的最佳感应轴线。

进一步的，所述汇集接收单元包括闭锁结构，该闭锁结构用于固定任意两个所述磁传感单元并形成闭合回路，该闭锁结构通过连接并锁定柔性固定支架来固定所述磁传感单元，所述闭锁结构可设置多个，根据被测导体的数量或形状来确定连接方式。

进一步的，为了提供多种测量方式，设置多个所述柔性固定支架串联或并联，可以适应不同的测试环境或测试物。

一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量方法，基于一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，所述步骤如下：

S1、环绕被测导体(4)固定所述磁传感单元(2)与汇集接收单元(3)，当所述磁传感单元(2)触发时发送所述对应编号至所述汇集接收单元(3)；

S2、所述汇集接收单元通过接收到的所述对应编号，判断解析出闭合路径拓扑结构，并向闭合路径中的磁传感单元发送唤醒信号；

S3、接收到唤醒信号的所述磁传感单元开始检测空间磁场强度，并将检测到的数据转换为数字化采样值序列发送至所述汇集接收单元；

S4、所述汇集接收单元根据闭合路径拓扑结构以及所述数字化采样值序列计算出电流值。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用安培定理结合数值积分的测量方式，测量结果只与被测导体中的电流大小有关，具备极强的抗干扰性与稳定性；

2、本发明为非接触式测量，不与被测对象产生直接作用，不影响被测对象的电气连续性与安全运行；

3、本发明属于空间磁场测量，具备空间磁场测量所具备的宽屏带、低延迟的特点；

4、本发明采用磁传感单元组网的方式，具备按照灵活、即插即用到的特点；

5、本发明具备边缘计算和无线通信的能力，能够适应物联网技术的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例示意图；

图3为本发明另一实施例示意图。

附图中，1-柔性固定支架，2-磁传感单元，3-汇集接收单元，4-被测导体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1所示，一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，包括柔性固定支架1、磁传感单元2、汇集接收单元3，所述磁传感单元2设置在所述柔性固定支架1上，所述磁传感单元2通过汇集接收单元3连接形成闭合回路，所述磁传感单元2与汇集接收单元3通信连接。所示汇集接收单元3包括闭锁结构，该闭锁结构用于固定任意两个所述磁传感单元2并形成闭合回路，该闭锁结构通过连接并锁定柔性固定支架1来固定所述磁传感单元2，所述闭锁结构可设置多个，根据被测导体4的数量或形状来确定连接方式。

在使用时，汇集接收单元3为独立部件，所述柔性固定支架1上任意两个磁传感单元2通过所述闭锁结构固定连接，构成以被固定的两个磁传感单元2 为首尾，并穿过二者之间所有的磁传感单元2为一个闭合回路，使电流测量装置实现任意调整大小及形状的功能。汇集接收单元3可保证锁定后，被固定的两个磁传感单元2的间距与其他相邻传感器间的间距相等。

所述柔性固定支架1设置有若干磁传感单元2，该磁传感单元2沿所述柔性固定支架1的中轴线等距排列，所述柔性固定支架1用于固定所述磁传感单元2，且每个磁传感单元2之间的间距相同，在所有磁传感单元2形成闭合回路时，其间距也相同。

所述磁传感单元2包括磁场传感器、接近传感器A、AD转换模块以及无线通信模块A，所述磁传感单元2设置有对应编号，其中：所述磁场传感器用于检测空间磁场强度，并输出对应该磁场强度的模拟信号；所述AD转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号；所述接近传感器A用于检测并判断所述汇集接收单元3的位置；所述无线通信模块A用于将所述数字信号、所述对应编号发送至所述汇集接收单元3。

所述磁场传感器、接近传感器A、AD转换模块以及无线通信模块A均为现有技术，所述磁传感单元2所设置的对应编号为体现每个磁传感单元2的先后顺序，即对应编号为自然数或可以体现顺序的代码，该对应编号存储在所述磁传感单元2中的任意存储模块中，例如所述磁场传感器自带的存储模块。所述磁传感单元2还包括温度传感器，所述温度传感器用于检测空间温度，并对所述磁场传感器进行温度补偿，所述温度传感器为现有技术。

所述汇集接收单元3包括接近传感器B、无线通信模块B以及处理器，其中：所述接近传感器B用于检测并判断所述磁传感单元2的位置；所述处理器用于根据所述数字信号和所述对应编号计算出电流值数据，并输出该电流值数据；所述无线通信模块B用于接收所述数字信号、所述对应编号，并无线发送输出所述电流值数据。

为了适应各种数据传输环境，所述汇集接收单元3还包括光电转换模块、 DA转换模块，其中：所述光电转换模块用于将所述电流值数据转换为光信号；所述DA转换模块用于将所述电流值数据转换为模拟信号。所述磁传感单元2 的测量敏感轴与所述柔性固定支架1的中心轴线方向一致，所述测量敏感轴为磁传感单元2在空间中的最佳感应轴线。

该装置的供电方式为电池供电加外接电源供电，临时测量时可使用电池供电，长时间测量时使用外接电源供电。

如图2所示，一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量方法，基于一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，所述步骤如下：

S1、环绕被测导体(4)固定所述磁传感单元(2)与汇集接收单元(3)，当所述磁传感单元(2)触发时发送所述对应编号至所述汇集接收单元(3)；

S2、所述汇集接收单元3通过接收到的所述对应编号，判断解析出闭合路径拓扑结构，并向闭合路径中的磁传感单元2发送唤醒信号；

S3、接收到唤醒信号的所述磁传感单元2开始检测空间磁场强度，并将检测到的数据转换为数字化采样值序列发送至所述汇集接收单元3；

S4、所述汇集接收单元3根据闭合路径拓扑结构以及所述数字化采样值序列计算出电流值。

其中汇集接收单元3所使用的电流值信号计算依据磁场-电流之间的安培环路定理进行，定理如下：

l为空间中任意一条闭合路径，B(r)为路径上任意一点处的磁感应强度， l所包围的面内存在电流总和为i，则磁感应强度B(r)在闭合路径l上的线积分值即为电流总和i：

具体方法如下：

各个磁传感单元2输出的磁场值为Bn，通过将由汇集接收单元3所固定的柔性固定支架1部分所形成的积分路径l离散，由于磁传感单元2的灵敏度方向与柔性固定支架1轴向中心线的方向一致，则Bn即为积分路径上的磁场分量，再采用数值积分的算法对各磁传感单元2输出的磁场值进行积分，即可计算得到被测电流值。

一般情况下采用复合梯形公式或复合辛普森公式(举例说明，不限定于该两公式，数值积分公式很多，以上两种公式为使用最广泛的数值积分公式)，

应用复合梯形公式的计算结果为：

复合辛普森公式的计算结果为：

以上两式中，l为积分路径长度，m(或2m)为测量点个数，i为磁传感单元2的对应编号。

实施例2

根据实施例1中所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置及方法，被测导体4设置有多个时，通过所述柔性固定支架1将磁传感单元2 分别环绕多个被测导体4，并使用一个或多个汇集接收单元3的闭锁结构固定，每个汇集接收单元3均可检测与其通信连接的闭合回路或路径中的电流值，如图3所示，在两个被测导体4上形成了两个环形的闭合回路，可使用一个汇集接收单元3固定在两个环形的交点处，此时则存在4个磁传感单元2被触发，可通过所述磁传感单元2的对应编号来确定两个环形的首尾磁传感单元2，从而分别计算各自的电流值。

为了提供多种测量方式，设置多个所述柔性固定支架1串联或并联，可以适应不同的测试环境或测试物；例如被测导体4体积过大或是数量过多，可以采取多个柔性固定支架1串联或并联解决。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：包括柔性固定支架(1)、磁传感单元(2)、汇集接收单元(3)，所述磁传感单元(2)设置在所述柔性固定支架(1)上，所述磁传感单元(2)通过汇集接收单元(3)连接形成闭合回路，所述磁传感单元(2)与汇集接收单元(3)通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述柔性固定支架(1)设置有若干磁传感单元(2)，该磁传感单元(2)沿所述柔性固定支架(1)的中轴线等距排列。

3.根据权利要求2所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述磁传感单元(2)包括磁场传感器、接近传感器A、AD转换模块以及无线通信模块A，所述磁传感单元(2)设置有对应编号，其中：

所述磁场传感器用于检测空间磁场强度，并输出对应该磁场强度的模拟信号；

所述AD转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号；

所述接近传感器A用于检测并判断所述汇集接收单元(3)的位置；

所述无线通信模块A用于将所述数字信号、所述对应编号发送至所述汇集接收单元(3)。

4.根据权利要求3所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述磁传感单元(2)还包括温度传感器，所述温度传感器用于检测空间温度，并对所述磁场传感器进行温度补偿。

5.根据权利要求3所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述汇集接收单元(3)包括接近传感器B、无线通信模块B以及处理器，其中：

所述接近传感器B用于检测并判断所述磁传感单元(2)的位置；

所述处理器用于根据所述数字信号和所述对应编号计算出电流值数据，并输出该电流值数据；

所述无线通信模块B用于接收所述数字信号、所述对应编号，并无线发送所述电流值数据。

6.根据权利要求5所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述汇集接收单元(3)还包括光电转换模块、DA转换模块，其中：

所述光电转换模块用于将所述电流值数据转换为光信号；

所述DA转换模块用于将所述电流值数据转换为模拟信号。

7.根据权利要求1所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述磁传感单元(2)的测量敏感轴与所述柔性固定支架(1)的中心轴线方向一致。

8.根据权利要求1所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：所述汇集接收单元(3)包括闭锁结构，该闭锁结构用于固定任意两个所述磁传感单元(2)并形成闭合回路。

9.根据权利要求1所述的一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，其特征在于：设置多个所述柔性固定支架(1)串联或并联。

10.一种磁传感单元无线组网式电流非接触测量方法，其特征在于，包括权利要求1-9其中任一项所述的磁传感单元无线组网式电流非接触测量装置，步骤如下：

S1、环绕被测导体(4)固定所述磁传感单元(2)与汇集接收单元(3)，当所述磁传感单元(2)触发时发送所述对应编号至所述汇集接收单元(3)；

S2、所述汇集接收单元(3)通过接收到的所述对应编号，判断解析出闭合路径拓扑结构，并向闭合路径中的磁传感单元(2)发送唤醒信号；

S3、接收到唤醒信号的所述磁传感单元(2)开始检测空间磁场强度，并将检测到的数据转换为数字化采样值序列发送至所述汇集接收单元(3)；

S4、所述汇集接收单元(3)根据闭合路径拓扑结构以及所述数字化采样值序列计算出电流值。

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