非接触式工频电压测量装置及其测量方法

摘要

本发明公开了一种非接触式工频电压测量装置，包括电源模块、非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块；电源模块供电；被测工频电线从非接触式感知探头模块中穿过；非接触式感知探头模块从被测工频电线上感应出感应电势并输入信号处理模块；信号处理模块进行信号处理后上传控制器模块；控制器模块对工频电压进行测量。本发明还公开了所述非接触式工频电压测量装置的测量方法。本发明方法通过新型的非接触式感知探头模块的设计，以及对应的信号处理模块的电路设计，实现了非接触式工频电压测量，而且在信号处理模块中设置了可靠的隔离电路，因此本发明的可靠性和安全性均较高，而且采用非接触式检测，能耗相对更小。

权利要求

1.一种非接触式工频电压测量装置，其特征在于包括电源模块、非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块；非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块依次串接；电源模块给所述非接触式工频电压测量装置供电；被测的工频电线从非接触式感知探头模块中穿过；非接触式感知探头模块从被测工频电线上感应出感应电势并输入信号处理模块；信号处理模块对接收的感应电势信号进行信号处理后并上传控制器模块；控制器模块根据接收的处理信号对工频电压进行测量。

2.根据权利要求1所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的非接触式感知探头模块包括连接导线以及从内向外依次布置的内层感应金属片、中间层隔离介质层和外层屏蔽层，连接导线的线芯焊接于内层感应金属片外，用于将内层感应金属片的感应电势导出；非接触式感知探头模块以其内层感应金属片包裹在被测的工频电线上。

3.根据权利要求2所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的非接触式感知探头模块还包括防水层；防水层为包裹在外层屏蔽层外的醋酸胶带，用于对非接触式感知探头模块进行防水，并防止外层屏蔽层外露。

4.根据权利要求3所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的连接导线为屏蔽单芯线；屏蔽单芯线的线芯焊接于内层感应金属片外，用于将内层感应金属片的感应电势导出；屏蔽单芯线的屏蔽层与外层屏蔽层的外侧电连接。

5.根据权利要求1～4之一所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的信号处理模块包括补偿电路、放大电路和隔离电路；补偿电路、放大电路和隔离电路依次串联；

补偿电路用于对非接触式感知探头模块输出的感应信号进行补偿后得到补偿信号，并输出到放大电路；放大电路用于对上传的补偿信号进行放大后再输出到隔离电路；隔离电路用于对上传的信号进行电气隔离后上传至控制器模块的信号输入引脚。

6.根据权利要求5所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的补偿电路包括补偿电阻、补偿续流二极管和补偿电容；补偿电阻的一端连接补偿续流二极管的阳极，补偿续流二极管的阴极连接非接触式感知探头模块的输出端，补偿电阻的另一端直接接地；

补偿电容的一端接地，补偿电容的另一端连接非接触式感知探头模块的输出端。

7.根据权利要求5所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的放大电路为由两组三极管串联构成的放大电路。

8.根据权利要求5所述的非接触式工频电压测量装置，其特征在于所述的隔离电路为由隔离光耦构成的隔离电路。

9.一种权利要求1～8之一所述的非接触式工频电压测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1.将被测工频电线穿过非接触式感知探头模块，从而使得非接触式感知探头模块获取感应电势信号；

S2.信号处理模块对接收的感应电势信号进行补偿、放大和隔离后，上传到控制器模块；

S3.控制器模块根据上传的信号，对工频电压进行测量。

说明书

非接触式工频电压测量装置及其测量方法

技术领域

[0001] 本发明具体涉及一种非接触式工频电压测量装置及其测量方法。

背景技术

[0002] 目前，在自动化电路或者电子设备中，工频电路的测量，一般采用的是接触式测量：即采用采样电路、继电器电路、电压互感器电路等电路，将工频电路接入采样电路或继电器电路，通过对工频电路进行电阻分压、继电器采样或者电压互感器采样的方式进行采样，然后再对工频电路的是否有电的状态进行检测，或者对电压进行测量。

[0003] 但是，目前的工频电路的测量方式，需要和被检测的工频电路直接进行电气连接。但是，在要求进行电气隔离的现场，这类直接电气连接不能接受；同时，直接电气连接性的工频电路测量，在检测现场难以快速实施，而且直接连接检测时，电能损耗较大，而且使用安全方面都存在一定的风险。

发明内容

[0004] 本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、安全性高且能耗相对较小的非接触式工频电压测量装置。

[0005] 本发明的目的之二在于提供一种所述非接触式工频电压测量装置的测量方法。

[0006] 本发明提供的这种非接触式工频电压测量装置，包括电源模块、非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块；非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块依次串接；电源模块给所述非接触式工频电压测量装置供电；被测的工频电线从非接触式感知探头模块中穿过；非接触式感知探头模块从被测工频电线上感应出感应电势并输入信号处理模块；信号处理模块对接收的感应电势信号进行信号处理后并上传控制器模块；控制器模块根据接收的处理信号对工频电压进行测量。

[0007] 所述的非接触式感知探头模块包括内层感应金属片、中间层隔离介质层、外层屏蔽层和连接导线；被测的工频电线穿过内层感应金属片；内层感应金属片的内侧包裹在被测的工频电线上；内层感应金属片的外侧与中间层隔离介质层的内侧采用粘性物粘贴在一起；中间层隔离介质层的外侧与外层屏蔽层的内侧采用粘性物粘贴在一起；连接导线的线芯与内层感应金属片的外侧电连接，用于将内层感应金属片的感应电势导出。

[0008] 所述的非接触式感知探头模块还包括防水层；防水层包裹在外层屏蔽层的外侧，用于对非接触式感知探头模块进行防水。

[0009] 所述的防水层为用醋酸胶带包裹在外层屏蔽层的外侧，并保证外层屏蔽层不外露。

[0010] 所述的连接导线为屏蔽单芯线；屏蔽单芯线的线芯与内层感应金属片的外层电连接，用于将内层感应金属片的感应电势导出；屏蔽单芯线的屏蔽层与外层屏蔽层的外层电连接。

[0011] 所述的内层感应金属片的面积为25*35mm，厚度为0.03mm，材料为紫铜箔，且在距离内层感应金属片的一端为3～10mm处与连接导线的线芯电连接。

[0012] 所述的中间层隔离介质层的面积为55*40mm，厚度为3mm，材料为绝缘泡棉板。

[0013] 所述的外层屏蔽层的面积为35*45mm，厚度为0.03mm，材料为紫铜箔，且在距离内外层屏蔽层的一端为3～10mm处与连接导线的屏蔽层电连接。

[0014] 所述的信号处理模块包括补偿电路、放大电路和隔离电路；补偿电路、放大电路和隔离电路依次串联；补偿电路用于对非接触式感知探头模块输出的感应信号进行补偿后得到补偿信号，并输出到放大电路；放大电路用于对上传的补偿信号进行放大后再输出到隔离电路；隔离电路用于对上传的信号进行电气隔离后上传至控制器模块的信号输入引脚。

[0015] 所述的信号处理模块还包括指示电路；指示电路连接在隔离电路的输入端，用于指示信号处理模块的工作状态。

[0016] 所述的指示电路为由指示限流电阻和指示灯构成的指示电路。

[0017] 所述的补偿电路包括补偿电阻、补偿续流二极管和补偿电容；补偿电阻的一端连接补偿续流二极管的阳极，补偿续流二极管的阴极连接非接触式感知探头模块的输出端，补偿电阻的另一端直接接地；补偿电容的一端接地，补偿电容的另一端连接非接触式感知探头模块的输出端。

[0018] 所述的放大电路为由两组三极管串联构成的放大电路。

[0019] 所述的隔离电路为由隔离光耦构成的隔离电路。

[0020] 本发明还提供了一种所述非接触式工频电压测量装置的测量方法，包括如下步骤：

[0021] S1.将被测工频电线穿过非接触式感知探头模块，从而使得非接触式感知探头模块获取感应电势信号；

[0022] S2.信号处理模块对接收的感应电势信号进行补偿、放大和隔离后，上传到控制器模块；

[0023] S3.控制器模块根据上传的信号，对工频电压进行测量。

[0024] 本发明提供的这种非接触式工频电压测量装置及其测量方法，通过新型的非接触式感知探头模块的设计，以及对应的信号处理模块的电路设计，实现了非接触式工频电压测量，而且在信号处理模块中设置了可靠的隔离电路，因此本发明的可靠性和安全性均较高，而且采用非接触式检测，能耗相对更小。

附图说明

[0025] 图1为本发明的功能模块图。

[0026] 图2为本发明的非接触式感知探头模块的结构示意图。

[0027] 图3为本发明的信号处理模块的电路原理示意图。

[0028] 图4为本发明方法的方法流程示意图。

具体实施方式

[0029] 如图1所示为本发明的功能模块图：本发明提供的这种非接触式工频电压测量装置，包括电源模块、非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块；非接触式感知探头模块、信号处理模块和控制器模块依次串接；电源模块给所述非接触式工频电压测量装置供电；被测的工频电线从非接触式感知探头模块中穿过；非接触式感知探头模块从被测工频电线上感应出感应电势并输入信号处理模块；信号处理模块对接收的感应电势信号进行信号处理后并上传控制器模块；控制器模块根据接收的处理信号对工频电压进行测量。

[0030] 如图2所示为本发明的非接触式感知探头模块的结构示意图：非接触式感知探头模块包括内层感应金属片1、中间层隔离介质层2、外层屏蔽层3、防水层4和连接导线；被测的工频电线穿过内层感应金属片；内层感应金属片的内侧包裹在被测的工频电线上；内层感应金属片的外侧与中间层隔离介质层的内侧采用粘性物粘贴在一起；中间层隔离介质层的外侧与外层屏蔽层的内侧采用粘性物粘贴在一起；连接导线的线芯与内层感应金属片的外侧电连接，用于将内层感应金属片的感应电势导出；防水层包裹在外层屏蔽层的外侧，用于对非接触式感知探头模块进行防水。

[0031] 在具体实施时，连接导线优选为屏蔽单芯线(比如1185#24的单芯屏蔽线)，屏蔽单芯线的长度约为200mm；屏蔽单芯线的线芯与内层感应金属片的外侧电连接，用于将内层感应金属片的感应电势导出；屏蔽单芯线的屏蔽层与外层屏蔽层的外侧电连接；内层感应金属片为紫铜箔矩形片，其面积为25*35mm，厚度为0.03mm，内层感应金属片以其长边方向为轴向包覆于工频电线外，连接导线的线芯连接于内层感应金属片外距其一端端部3～10mm处；中间层隔离介质层由矩型的绝缘泡棉板包覆而成，绝缘泡棉板展开面积为55*40mm，厚度为3mm，在具体实施时，绝缘泡棉板可由36X120的醋酸胶带反复缠绕而成；外层屏蔽层为紫铜箔矩形片，其展开面积为35*45mm，厚度为0.03mm；防水层为包裹在外层屏蔽层外的醋酸胶带，保证外层屏蔽层不外露，醋酸胶带的规格为36*90。

[0032] 在具体实施时，中间隔离介质层的面积较大，其原因在于：内层感应金属片和外层屏蔽层均为导电体，而且必须使得内层感应金属片和外层屏蔽层之间绝缘；中间隔离介质层的作用是保证内层感应金属片和外层屏蔽层之间绝缘，因此在具体应用或者使用时，中间隔离介质层的面积较大，能够保证在正常使用的情况下，内层感应金属片和外层屏蔽层之间的可靠绝缘。

[0033] 如图3所示为本发明的信号处理模块的电路原理示意图：信号处理模块包括补偿电路、放大电路、隔离电路和指示电路；补偿电路、放大电路和隔离电路依次串联；补偿电路用于对非接触式感知探头模块输出的感应信号进行补偿后得到补偿信号，并输出到放大电路；放大电路用于对上传的补偿信号进行放大后再输出到隔离电路；隔离电路用于对上传的信号进行电气隔离后上传至控制器模块的信号输入引脚；指示电路连接在隔离电路的输入端，用于指示信号处理模块的工作状态。

[0034] 具体的，指示电路为由指示限流电阻R4和指示灯LED1构成的指示电路；补偿电路包括补偿电阻R27、补偿续流二极管V95和补偿电容C122；放大电路为由两组三极管(电阻R1、三极管V2、电阻R3、电阻R26和三极管V3)串联构成的放大电路；隔离电路为由隔离光耦(电阻R25、光耦D33、电阻R24、电容C27和C121)构成的隔离电路；

[0035] 图中的SOR1信号为非接触式感知探头模块的输出端。

[0036] 对于补偿电路，补偿电阻的一端连接补偿续流二极管的阳极，补偿续流二极管的阴极连接非接触式感知探头模块的输出端，补偿电阻的另一端直接接地；补偿电容的一端接地，补偿电容的另一端连接非接触式感知探头模块的输出端；并联在信号回路上的由二极管V95和电阻R27串联组成的续流补偿电路，使得感应电流能形成一个持续的回路；电容C122能补偿因外部环境变化造成的感应探头(非接触式感知探头模块)和大地之间的电耦合电容值。

[0037] 对于放大电路，补偿电路的输出信号通过第一基级限流电阻R1进行限流后连接到三极管V2的基级，三极管V2的集电极通过第一集电极限流电阻R3连接独立电源信号ISO5VDC；三极管V2的发射极输出放大后的电流信号，再通过第二基级限流电阻R26限流后，连接到三极管V3的基级，三极管V3的发射极直接接地，三极管V3的集电极则连接隔离光耦的输入端一端。

[0038] 对于指示电路，LED灯的阳极直接连接独立电源信号ISO5VDC，LED灯的阴极通过限流电阻R4连接三极管V3的集电极。

[0039] 对于隔离电路，隔离光耦的输入端另一端直接通过隔离限流电阻R25连接独立电源信号ISO5VDC，隔离光耦的输入端一端则直接连接放大电路的输出端；隔离光耦的输出端一端直接接地，输出端另一端通过上拉电阻R24连接5V电源信号，同时也通过两组滤波电容C27和C121输出最终的信号YX，并通过接口XS1连接到控制器模块的输入引脚。

[0040] 图中的芯片D2为隔离电源芯片；芯片的1脚为输入端，其连接5V电源信号V5P0；芯片的2脚为接地引脚；芯片的4脚和5脚均直接连接独立地信号；芯片的6脚和7脚则输出独立电源信号ISO5VDC；同时，独立电源信号ISO5VDC也通过LED灯(LED2)和限流电阻R5接地，当独立电源信号正常时，LED灯亮，从而指示电路状态。

[0041] 信号处理模块的工作过程如下：非接触式感知探头模块输出的信号，通过补偿电路进行补偿后，感应电流流入二极管V2基级后，通过E级放大至二极管V3的基级，被再次放大至V3的C级输出；此时的信号发生转换，并转换成工频交流电压信号；此时信号同时还驱动了一个LED1灯，用于指示是否感应电压状态，LED1灯的亮度和感应电压幅值大小成正比；信号通过光耦D22后被隔离再输出，这样保证了后级系统和强电无任何电气连接，提高安全性。隔离后的电压信号通过3芯接口XS1和连接导线传至后端的控制器模块；控制器模块根据接收的信号，对被测的工频电线进行测量。

[0042] 在具体测量时：

[0043] 若控制器模块接收的信号一直为高电平，则可以断定被测的工频电线未通电。

[0044] 若控制器模块接收的信号为具有一定占空比的方波信号，则可以根据占空比的大小，采用如下公式计算被测的工频电线的电压信号：

[0045] U1＝s*T*U相

[0046] U1外部测量电压均方根值；

[0047] s环境系数，与测量点的环境温湿度有关一般取1.1～1.05；

[0048] T遥信信号占空比，可通过软件测得0≤T≤1；

[0049] U相额定相电压，一般取220V。

[0050] 如图4所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种非接触式工频电压测量装置的测量方法，包括如下步骤：

[0051] S1.将被测工频电线穿过非接触式感知探头模块，从而使得非接触式感知探头模块获取感应电势信号；

[0052] S2.信号处理模块对接收的感应电势信号进行补偿、放大和隔离后，上传到控制器模块；

[0053] S3.控制器模块根据上传的信号，对工频电压进行测量。