專(zhuān)利名稱(chēng)：電力無(wú)線數(shù)字傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感器，特別是涉及一種用于電力系統(tǒng)的多功能線路參數(shù)采 集和傳輸?shù)碾娏o(wú)線數(shù)字傳感器。
背景技術(shù)：
電力行業(yè)是一切經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的支柱，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求的大幅度 增長(zhǎng)，國(guó)家對(duì)電力建設(shè)投資的力度也逐年加大。目前用于電力輸電線路的電壓測(cè)量都是利 用電壓電流互感器。其存在著如下的問(wèn)題1、安裝困難，工程實(shí)施復(fù)雜，成本高；2、不利于架空線上的分節(jié)點(diǎn)安裝；3、沒(méi)有無(wú)線傳輸單元，需要線纜連接或者接觸式測(cè)量；4、沒(méi)有單片機(jī)控制電路，控制不靈活。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠使電壓測(cè)量采用非接觸式電容 傳感器，電流測(cè)量采樣電流感應(yīng)線圈的電力無(wú)線數(shù)字傳感器。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種電力無(wú)線數(shù)字傳感器，包括有低功耗微處 理器，通過(guò)采樣控制開(kāi)關(guān)連接到低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式 電壓感應(yīng)器電路；與低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進(jìn)行電流AD轉(zhuǎn)換的電流測(cè)量感 應(yīng)線圈電路；通過(guò)電流突增檢測(cè)和充電電路連接到低功耗微處理器的充電及電流突增感應(yīng) 線圈，所述的電流突增檢測(cè)和充電電路還通過(guò)儲(chǔ)能電容連接鋰電池；所述的低功耗微處理 器還連接有無(wú)線收發(fā)器。所述的電容式電壓感應(yīng)器電路，包括有電容式電壓感應(yīng)器，所述的電容式電壓感 應(yīng)器通過(guò)插座接入電路，經(jīng)過(guò)相串聯(lián)的兩個(gè)順態(tài)抑制二極管保護(hù)、相串聯(lián)的電阻和電位器 調(diào)整以后，進(jìn)入場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，并從場(chǎng)效應(yīng)管的漏極進(jìn)入低功耗微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。所述的采樣控制開(kāi)關(guān)包括有第一三極管，第一電阻和第二電阻，所述的低功耗微 處理器通過(guò)第一電阻對(duì)第一三極管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，利用第一三極管的導(dǎo)通和截止通過(guò)第二 電阻至場(chǎng)效應(yīng)管的漏極來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的輸出。所述的電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路，包括有電流感應(yīng)線圈，所述的電流感應(yīng)線圈連接 由第四電阻和第三電阻組成分壓電路分壓后，再經(jīng)電容、順態(tài)抑制二極管和二極管進(jìn)行濾 波和保護(hù)以后輸出電流信號(hào)adc_I至測(cè)試點(diǎn)，所述的電流信號(hào)ADC_I信號(hào)連接到低功耗微 處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。所述的電流突增檢測(cè)和充電電路，包括有對(duì)構(gòu)成充電及電流突增感應(yīng)線圈的電流 突增感應(yīng)線圈的電流進(jìn)行整流的由第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容和第三電 容構(gòu)成的倍壓整流電路，整流后的信號(hào)經(jīng)壓敏電阻進(jìn)行限幅保護(hù)，再經(jīng)限流電阻和第三二 極管進(jìn)入由兩個(gè)儲(chǔ)能電容和一個(gè)起過(guò)壓保護(hù)作用的壓敏電阻相并聯(lián)而構(gòu)成的儲(chǔ)能電路，再經(jīng)過(guò)單向保護(hù)二極管輸出充電信號(hào)BATT為鋰電池充電；所述的倍壓整流電路輸出的信號(hào) 同時(shí)通過(guò)第一穩(wěn)壓二極管進(jìn)行突增門(mén)限，經(jīng)過(guò)第四二極管鉗位和第四電容濾除干擾后進(jìn)入 由第五電阻、第五電容和第六電阻組成的微分電路把電流突增轉(zhuǎn)化為窄脈沖信號(hào)，所述的 窄脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)第二穩(wěn)壓二極管進(jìn)行二次門(mén)限濾除交流分量和干擾信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)第二三 極管整形為方波輸出到WAKEUP，通過(guò)插座連接到低功耗微處理器。本實(shí)用新型的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，電壓測(cè)量采用非接觸式 電容傳感器，電流測(cè)量采樣電流感應(yīng)線圈。具有如下特點(diǎn)1、使用通用元器件，電路簡(jiǎn)單、成本低廉、元器件供貨穩(wěn)定，有利于推廣；2、電壓信號(hào)采集使用非接觸式電容傳感器，安裝使用方便；3、使用了超低功耗元器件，并且可以從線路上感應(yīng)取電，延長(zhǎng)了電池壽命；4、采用電壓電流同步采樣技術(shù)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算電壓和電流的相位差；5、通過(guò)雙向無(wú)線通信傳輸測(cè)量參數(shù)，并且支持無(wú)線組網(wǎng)；6、用微處理器進(jìn)行波形分析和計(jì)算，提高了測(cè)量精度；7、支持無(wú)線遠(yuǎn)程更新程序和參數(shù)修改。

圖1是本實(shí)用新型的整體框圖；圖2是本實(shí)用新型的電容式電壓感應(yīng)器電路的電路原理圖；圖3是本實(shí)用新型的電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路的電路原理圖；圖4是本實(shí)用新型的電流突增檢測(cè)和充電電路的電路原理圖圖5本實(shí)用新型的低功耗微處理器的外部電路原理圖。其中1:電容式電壓感應(yīng)器電路 2:采樣控制開(kāi)關(guān)3 電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路 45 電流突增檢測(cè)和充電電路 67:鋰電池89:無(wú)線收發(fā)器
充電及電流突增感應(yīng)線圈 儲(chǔ)能電容 低功耗微處理器
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖給出具體實(shí)施例，進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的電力無(wú)線數(shù)字傳感器是 如何實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)用新型的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，通過(guò)低功耗低成本的微處理器控制電壓和電 流信號(hào)的同步采樣，然后進(jìn)入微處理器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)采用波形分析 算法、線性修正和溫度補(bǔ)償?shù)忍幚磉^(guò)程精確的計(jì)算出線路上電壓，電流，相位差等參數(shù)。并 通過(guò)低功耗低成本的2. 4G頻段無(wú)線收發(fā)器發(fā)送到接收設(shè)備。采用電流感應(yīng)線圈從線路上 取電并存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容中，同時(shí)通過(guò)充電電路為鋰電池充電。如圖1所示，本實(shí)用新型的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，具體包括有低功耗微處理器8， 通過(guò)采樣控制開(kāi)關(guān)2連接到低功耗微處理器8的AD轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式電 壓感應(yīng)器電路1，所述的電容式電壓感應(yīng)器電路1提供線路的電壓，同時(shí)，低功耗微處理器8還為采樣控制開(kāi)關(guān)2提供開(kāi)關(guān)控制信號(hào)；與低功耗微處理器8的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進(jìn)行電 流AD轉(zhuǎn)換的電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路3 ；通過(guò)電流突增檢測(cè)和充電電路5連接到低功耗微處 理器8的充電及電流突增感應(yīng)線圈4，所述的電流突增檢測(cè)和充電電路5還通過(guò)儲(chǔ)能電容6 連接鋰電池7 ；所述的低功耗微處理器8還連接有無(wú)線收發(fā)器9。本實(shí)用新型所述的低功耗 微處理器8采用新型ARM Cotrex結(jié)構(gòu)的STM3210x系列MCU。電容式電壓感應(yīng)器電路中的電容式電壓感應(yīng)器用于感應(yīng)線路上的電壓，電容式電 壓感應(yīng)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣控制開(kāi)關(guān)后進(jìn)入低功耗微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信 號(hào)，其中采樣控制開(kāi)關(guān)通過(guò)控制線受到低功耗微處理器I/O 口控制，用于打開(kāi)和停止對(duì)電 壓的采樣。電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路3中的電流測(cè)量感應(yīng)線圈用于感應(yīng)線路的電流，電流測(cè) 量感應(yīng)線圈的輸出信號(hào)進(jìn)入低功耗微處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)。充電及電流突增感應(yīng) 線圈用于檢測(cè)電流的突然增大同時(shí)也負(fù)責(zé)從線路上取電，充電及電流突增感應(yīng)線圈的輸出 信號(hào)進(jìn)入電流突增檢測(cè)和充電電路，電流突增檢測(cè)采用微分電路檢測(cè)信號(hào)突增并且把突增 信號(hào)送入低功耗微處理器，該突增信號(hào)用于喚醒低功耗微處理器進(jìn)行緊急處理，充電電路 采用倍壓整流和限幅器把感應(yīng)的信號(hào)調(diào)整到適于為本機(jī)供電的電壓，并存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容 中，該電壓通過(guò)儲(chǔ)能電容后還為鋰電池充電。如圖2所示，所述的電容式電壓感應(yīng)器電路1，是用于測(cè)試電壓的，包括有電容式 電壓感應(yīng)器TP1，所述的電容式電壓感應(yīng)器TPl通過(guò)插座接入電路，經(jīng)過(guò)相串聯(lián)的兩個(gè)順態(tài) 抑制二極管D6、D11保護(hù)、相串聯(lián)的電阻Rl和電位器R6調(diào)整以后，進(jìn)入N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q5 的柵極，并從場(chǎng)效應(yīng)管Q5的漏極即輸出ADC_V進(jìn)入低功耗微處理器8進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。所述的采樣控制開(kāi)關(guān)2包括有第一三極管Q6、第一電阻R3和第二電阻R4，所述的 低功耗微處理器8的ADC_V_CTRL管腳通過(guò)第一電阻R3對(duì)第一三極管Q6進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，利 用第一三極管Q6的導(dǎo)通和截止通過(guò)第二電阻R4至場(chǎng)效應(yīng)管Q5的漏極來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管Q5 的輸出。如圖3所示，所述的電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路3，是用于檢測(cè)電流的，包括有電流感 應(yīng)線圈L2，所述的電流感應(yīng)線圈L2連接由第四電阻R5和第三電阻R7組成分壓電路分壓 后，再經(jīng)電容C3、順態(tài)抑制二極管D9和二極管Dl進(jìn)行濾波和保護(hù)以后輸出電流信號(hào)ADC_I 至測(cè)試點(diǎn)TP5，所述的電流信號(hào)ADC_I信號(hào)連接到低功耗微處理器8進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。其中的 順態(tài)抑制二極管D9和二極管Dl用于吸收瞬間的干擾脈沖，電容C3用于濾除不必要高頻分 量。如圖4所示，所述的電流突增檢測(cè)和充電電路5，包括有對(duì)構(gòu)成充電及電流突增感 應(yīng)線圈4的電流突增感應(yīng)線圈L的電流進(jìn)行整流的由第一二極管D3、第二二極管D13、第 一電容C21、第二電容C22和第三電容C23構(gòu)成的倍壓整流電路，整流后的信號(hào)經(jīng)壓敏電阻 R23進(jìn)行限幅保護(hù)，再經(jīng)限流電阻RlO和第三二極管D16進(jìn)入由兩個(gè)儲(chǔ)能電容C14、C27和一 個(gè)起過(guò)壓保護(hù)作用的5. IV壓敏電阻D8相并聯(lián)而構(gòu)成的儲(chǔ)能電路3，再經(jīng)過(guò)單向保護(hù)二極管 D19輸出充電信號(hào)BATT為鋰電池7充電；所述的倍壓整流電路輸出的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入電流突 增檢測(cè)電路部分，通過(guò)第一穩(wěn)壓二極管D4進(jìn)行突增門(mén)限，經(jīng)過(guò)第四二極管D7鉗位和第四電 容C2濾除干擾后進(jìn)入由第五電阻R25、第五電容C24和第六電阻R30組成的微分電路把電 流突增轉(zhuǎn)化為窄脈沖信號(hào)，所述的窄脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)第二穩(wěn)壓二極管D5進(jìn)行二次門(mén)限濾除 交流分量和干擾信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)第二三極管Q7整形為方波輸出到WAKEUP，通過(guò)插座TP4連接到低功耗微處理器8的喚醒管腳，用于喚醒微處理器立即處理電流突增事件。如圖5所示，本實(shí)用新型中的核心器件低功耗微處理器8選用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn) 的單片機(jī)STM32F101C8T6作為核心控制元件，該芯片在休眠模式下功耗僅15微安，非常適 合野外電池供電的產(chǎn)品，強(qiáng)抗靜電強(qiáng)抗干擾，能夠工作于電力系統(tǒng)惡劣的電磁環(huán)境。無(wú)線收 發(fā)器9通過(guò)控制線連接到低功耗微處理器，選用了低成本的2. 4G頻段數(shù)據(jù)收發(fā)器A7105，該 芯片屬于高速數(shù)據(jù)收發(fā)器，傳輸速率非?？欤允瞻l(fā)時(shí)間短耗電少。收發(fā)時(shí)功耗很低而且 在休眠模式下幾乎不耗電。為了降低功耗微處理器大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，它利用內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器的多 通道同步采樣功能，按照一定間隔對(duì)電壓和電流進(jìn)行同步采樣，低功耗微處理器中的嵌入 式軟件進(jìn)行電壓電流綜合波形處理和分析得到線路運(yùn)行的各種參數(shù)，并按照一定時(shí)間間隔 通過(guò)無(wú)線收發(fā)器把電壓電流相位差等參數(shù)發(fā)送到接收設(shè)備，采樣完畢以后再進(jìn)入休眠狀 態(tài)。采用間隔采樣可以省電但是喪失了實(shí)時(shí)性。為了處理緊急突發(fā)事件，例如線路發(fā)生短 路和接地的情況。當(dāng)線路中電流發(fā)生突增的時(shí)候電流突增檢測(cè)點(diǎn)路會(huì)輸出電流突增信號(hào)到 低功耗微處理器的WAKEUP管腳，并觸發(fā)外部中斷立即喚醒低功耗微處理器，低功耗微處理 器立即啟動(dòng)電壓和電流的同步采樣并進(jìn)行分析，如果發(fā)生異常低功耗微處理器就通過(guò)無(wú)線 收發(fā)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)到接收設(shè)備。低功耗微處理器內(nèi)部集成了溫度傳感器，可以隨時(shí)采集 溫度并對(duì)電壓電流值進(jìn)行溫度補(bǔ)償和修正。本實(shí)用新型的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，非接觸式參數(shù)測(cè)量，即直接懸掛在架空線或 電纜上，無(wú)需任何外部供電和布線，它可以實(shí)時(shí)采集電力輸電線路中的電壓，電流，相位差， 溫度等參數(shù)，并通過(guò)低功耗無(wú)線通信發(fā)送到接收設(shè)備。具有非常低的功耗并且通過(guò)感應(yīng)線 圈利用線路上的電流為本機(jī)供電同時(shí)也為備用的鋰電池充電?？蓮V泛應(yīng)用于智能化電網(wǎng)的 線路參數(shù)測(cè)量。線路狀態(tài)監(jiān)視，線路故障指示等多種場(chǎng)合。
權(quán)利要求一種電力無(wú)線數(shù)字傳感器，其特征在于，包括有低功耗微處理器(8)，通過(guò)采樣控制開(kāi)關(guān)(2)連接到低功耗微處理器(8)的AD轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式電壓感應(yīng)器電路(1)；與低功耗微處理器(8)的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進(jìn)行電流AD轉(zhuǎn)換的電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路(3)；通過(guò)電流突增檢測(cè)和充電電路(5)連接到低功耗微處理器(8)的充電及電流突增感應(yīng)線圈(4)，所述的電流突增檢測(cè)和充電電路(5)還通過(guò)儲(chǔ)能電容(6)連接鋰電池(7)；所述的低功耗微處理器(8)還連接有無(wú)線收發(fā)器(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的電容式電壓感應(yīng) 器電路(1)，包括有電容式電壓感應(yīng)器(TPl)，所述的電容式電壓感應(yīng)器(TPl)通過(guò)插座接 入電路，經(jīng)過(guò)相串聯(lián)的兩個(gè)順態(tài)抑制二極管(D6、Dll)保護(hù)、相串聯(lián)的電阻(Rl)和電位器 (R6)調(diào)整以后，進(jìn)入場(chǎng)效應(yīng)管(Q5)的柵極，并從場(chǎng)效應(yīng)管(Q5)的漏極進(jìn)入低功耗微處理器(8)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的采樣控制開(kāi)關(guān)(2) 包括有第一三極管(Q6)、第一電阻(R3)和第二電阻(R4)，所述的低功耗微處理器(8)通過(guò) 第一電阻(R3)對(duì)第一三極管(Q6)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，利用第一三極管(Q6)的導(dǎo)通和截止通過(guò) 第二電阻(R4)至場(chǎng)效應(yīng)管(Q5)的漏極來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管(Q5)的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的電流測(cè)量感應(yīng)線 圈電路(3)，包括有電流感應(yīng)線圈(L2)，所述的電流感應(yīng)線圈(L2)連接由第四電阻(R5)和 第三電阻(R7)組成分壓電路分壓后，再經(jīng)電容(C3)、順態(tài)抑制二極管(D9)和二極管(Dl) 進(jìn)行濾波和保護(hù)以后輸出電流信號(hào)ADC_I至測(cè)試點(diǎn)(TP5)，所述的電流信號(hào)ADC_I信號(hào)連接 到低功耗微處理器(8)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力無(wú)線數(shù)字傳感器，其特征在于，所述的電流突增檢測(cè)和 充電電路(5)，包括有對(duì)構(gòu)成充電及電流突增感應(yīng)線圈⑷的電流突增感應(yīng)線圈(L)的電 流進(jìn)行整流的由第一二極管(D3)、第二二極管(D13)、第一電容(C21)、第二電容(C22)和 第三電容(C23)構(gòu)成的倍壓整流電路，整流后的信號(hào)經(jīng)壓敏電阻(R23)進(jìn)行限幅保護(hù)，再經(jīng) 限流電阻RlO和第三二極管(D16)進(jìn)入由兩個(gè)儲(chǔ)能電容(C14、C27)和一個(gè)起過(guò)壓保護(hù)作 用的壓敏電阻(D8)相并聯(lián)而構(gòu)成的儲(chǔ)能電路(3)，再經(jīng)過(guò)單向保護(hù)二極管(D19)輸出充電 信號(hào)BATT為鋰電池(7)充電；所述的倍壓整流電路輸出的信號(hào)同時(shí)通過(guò)第一穩(wěn)壓二極管 (D4)進(jìn)行突增門(mén)限，經(jīng)過(guò)第四二極管(D7)鉗位和第四電容(C2)濾除干擾后進(jìn)入由第五電 阻(R25)、第五電容(C24)和第六電阻(R30)組成的微分電路把電流突增轉(zhuǎn)化為窄脈沖信 號(hào)，所述的窄脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)第二穩(wěn)壓二極管(D5)進(jìn)行二次門(mén)限濾除交流分量和干擾信號(hào)， 最后經(jīng)過(guò)第二三極管(Q7)整形為方波輸出到WAKEUP，通過(guò)插座(TP4)連接到低功耗微處理 器⑶。
專(zhuān)利摘要一種電力無(wú)線數(shù)字傳感器，包括有低功耗微處理器，通過(guò)采樣控制開(kāi)關(guān)連接到低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行電壓AD轉(zhuǎn)換的電容式電壓感應(yīng)器電路；與低功耗微處理器的AD轉(zhuǎn)換器相連用于進(jìn)行電流AD轉(zhuǎn)換的電流測(cè)量感應(yīng)線圈電路；通過(guò)電流突增檢測(cè)和充電電路連接到低功耗微處理器的充電及電流突增感應(yīng)線圈，所述的電流突增檢測(cè)和充電電路還通過(guò)儲(chǔ)能電容連接鋰電池；所述的低功耗微處理器還連接有無(wú)線收發(fā)器。本實(shí)用新型使用通用元器件，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，電壓測(cè)量采用非接觸式電容傳感器，安裝使用方便，電流測(cè)量采用電流感應(yīng)線圈。并采用電壓電流同步采樣技術(shù)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算電壓和電流的相位差，用微處理器進(jìn)行波形分析和計(jì)算，提高了測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01R19/25GK201681120SQ201020183940
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
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