一种基于PNI传感器的导线电流监测装置及应用方法与流程

一种基于pni传感器的导线电流监测装置及应用方法
技术领域
1.本发明涉及电力线路电流监测领域，尤其涉及一种基于pni传感器的导线电流监测装置及应用方法。


背景技术：

2.目前对于导线电流监测一般采用法拉第电磁感应传感器或者霍尔传感器，但是法拉第电磁感应传感器由于磁性铁芯材质及线圈圈数的限制，存在磁饱和的固有缺陷，无法测量直流电流，对检测微弱磁场偏差较大；霍尔传感器检测装置本身设备昂贵，对地磁场等杂散磁场的影响不能完全消除，不利于普及，且对操作者要求高，稍有操作不慎就会造成误差。
3.pni磁场传感器具有功耗低，采样频率快，分辨率高等众多特性，可同时测量多方向、多点磁场大小，得到测量的空间矢量值，为有功、无功、谐波分析等方面提供丰富的数据支撑。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于pni传感器的导线电流监测装置及应用方法，以解决现有方案精度不高的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种基于pni传感器的导线电流监测装置，包括控制模块、驱动芯片单元和两组位于同一水平面的pni传感器单元，所述pni传感器单元通过驱动芯片单元和控制模块连接，所述pni传感器单元分别设置于以被测导线的轴心为圆心的同心圆上，其中一组pni传感器单元沿所述同心圆的外圆周向均匀布置，另一组pni传感器单元沿所述同心圆的内圆周向均匀布置，所述内圆的每个pni传感器单元分别设置于外圆的对应pni传感器单元与所述圆心的连线上。
7.可选的，还包括显示模块，所述显示模块和控制模块连接。
8.可选的，所述显示模块为lcd显示屏或led显示屏。
9.可选的，还包括无线传输模块，所述无线传输模块和控制模块连接，所述控制模块通过无线传输模块和监控中心无线通信。
10.可选的，所述无线传输模块为4g通信模块或5g通信模块。
11.进一步的，还包括电路基板，所述电路基板为圆形且pni传感器单元均设置于电路基板上，所述电路基板开设有卡槽，且所述卡槽的两侧将被测导线夹持于电路基板的圆心。
12.进一步的，所述卡槽的两侧均包括弧形部和直线部，所述直线部互相平行形成卡槽的开口端，所述弧形部的弧形边均靠近电路基板的圆心，且所述弧形部一端互相连接形成卡槽的封闭端，所述弧形部另一端分别和对应的直线部连接。
13.可选的，还包括报警模块，所述报警模块和控制模块连接。
14.本发明还提出任一所述的基于pni传感器的导线电流监测装置的应用方法，包括
以下步骤：
15.驱动芯片单元获取第一组pni传感器单元测量的磁场值，以及第二组pni传感器单元测量的磁场值，并发送给控制模块，所述第一组pni传感器单元沿所述同心圆的外圆周向均匀布置，所述第二组pni传感器单元沿所述同心圆的内圆周向均匀布置；
16.控制模块计算各组pni传感器单元的电磁转换系数，将第一组pni传感器单元测量的磁场值与第二组pni传感器单元(3)测量的磁场值之差，除以第一组pni传感器单元(3)的电磁转换系数与第二组pni传感器单元(3)的电磁转换系数之差，计算得到被测导线的电流实际值；
17.若电流实际值大于预设阈值，生成报警信息，若电流实际值小于预设阈值，将电流实际值转换为显示信息。
18.进一步的，各组pni传感器单元的电磁转换系数
19.表达式如下：
[0020][0021]
上式中，i为pni传感器单元(3)的组别，μ为空气中的磁导率，ri为pni传感器单元(3)所在的同心圆外圆或者内圆的半径。
[0022]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0023]
本发明设置有两组pni传感器，分别沿以被测导线轴心为圆心的同心圆的外圆和内圆周向均匀布置，且内圆每个pni传感器均设置于外圆对应pni传感器与圆心的连线上，从而构建了一种双环点阵磁场测量的电流监测装置，通过环绕测量被测导线的磁场来计算电流测量值，减小了测量误差，并且测量时计算外环磁场测量值与内环磁场测量值后，将外环磁场测量值与内环磁场测量值相减，消除了环境磁场的影响，再进行磁场与电流转换，可得到更加精确的电流测量值。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例一的装置的结构框图。
[0025]
图2为本发明实施例一的pni传感器与被测导线位置关系示意图。
[0026]
图3为本发明实施例一的电路基板结构示意图。
[0027]
图4为本发明实施例二的应用方法流程图。
[0028]
图例说明：1-控制模块、2-驱动芯片单元、3-pni传感器单元、4-显示模块、5-导线、6-电路基板、101-卡槽。
具体实施方式
[0029]
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0030]
实施例一
[0031]
如图1所示，本实施例提出一种基于pni传感器的导线电流监测装置，包括控制模块1、驱动芯片单元2和两组位于同一水平面的pni传感器单元3，pni传感器单元3通过驱动芯片单元2和控制模块1连接，如图2所示，本实施例中，每一组pni传感器单元3均为四个，
pni传感器单元3分别设置于以被测的导线5的轴心为圆心的同心圆上，同心圆中内圆的最佳半径为20mm-25mm,外圆的最佳半径为30mm-35mm，其中一组pni传感器单元3沿同心圆的外圆周向均匀布置，另一组pni传感器单元3沿同心圆的内圆周向均匀布置，内圆的每个pni传感器单元3分别设置于外圆的对应pni传感器单元3与圆心的连线上。
[0032]
上述结构构建了一种双环点阵磁场测量的电流监测装置，通过环绕测量被测的导线5的磁场来计算电流测量值，减小了测量误差，此外，同心圆内圆和外圆的两组pni传感器单元3均位于包含导线磁场和环境磁场的复合磁场中，因此需要将两组pni传感器单元3的检测结果相减以消除环境磁场的影响。本实施例中，控制模块1可以为单片机或者fpga，被编程或者配置以实现如下功能：
[0033]
获取同心圆外圆的第一组pni传感器单元3测量的磁场值b
外
，以及同心圆内圆的第二组pni传感器单元3测量的磁场值b
内
，此时磁场值b
外
和b
内
均包含环境磁场；
[0034]
计算各组pni传感器单元3的电磁转换系数，将第一组pni传感器单元3测量的磁场值与第二组pni传感器单元3测量的磁场值之差，除以第一组pni传感器单元3的电磁转换系数与第二组pni传感器单元3的电磁转换系数之差，计算得到被测导线5的电流实际值。
[0035]
本实施例中，pni传感器单元3采用pni传感器，其体积小巧，检测精度高，适应微弱磁场检测。
[0036]
如图1所示，本实施例的装置还包括显示模块4，显示模块4和控制模块1连接，显示模块4可以为lcd显示屏或led显示屏，控制模块1可以将电流实际值转换为显示模块4可识别的显示信号并发送给显示模块4，从而实时显示控制模块1计算出的电流检测值。
[0037]
此外，本实施例的装置还可以设置无线传输模块(未图示)，无线传输模块和控制模块1连接，无线传输模块可以为4g通信模块或5g通信模块，控制模块1通过无线传输模块和监控中心无线通信，从而实现对于导线电流监测的远程监控。
[0038]
本实施例的装置还可以设置报警模块(未图示)，报警模块和控制模块1连接，报警模块可选择蜂鸣器，控制模块1得到电流实际值之后，还与预设阈值进行比较，电流实际值大于预设阈值时，生成报警信息并发送给报警模块，使其进行报警。
[0039]
本实施例的装置还包括盒体以及盒体中的电路基板6，盒体可以采用pvc材质，前述的控制模块1、驱动芯片单元2、pni传感器单元3、显示模块4、无线传输模块和报警模块均设置于电路基板6上，且两组pni传感器单元3围绕成共电路基板6的圆心的同心圆，如图3所示，电路基板6为圆形，为了消除偏心误差，电路基板6开设有卡槽101，且卡槽101的两侧将被测的导线5夹持于电路基板6的圆心。
[0040]
具体的，卡槽101如图3所示，其两侧均包括弧形部和直线部，直线部互相平行形成卡槽101的开口端，弧形部的弧形边均靠近电路基板6的圆心，且弧形部一端互相连接形成卡槽101的封闭端，弧形部另一端分别和对应的直线部连接。通过该结构，卡槽101能够保证导线5夹持稳固，同时便于拆装，使得本实施例的装置安装在导线5上时，能够适应室外的长时间检测作业，同时保证作业过程中同心圆上的各pni传感器单元3与导线5的距离固定不变，如一直保持在40mm。
[0041]
本实施例的装置还可以设置电源模块(未图示)，电源模块也设置于盒体中，为前述的控制模块1、驱动芯片单元2、pni传感器单元3、显示模块4、无线传输模块和报警模块供电。
[0042]
本实施例的装置可进行实时的监测，原理简单、可靠性高，检测精度高，可应用范围广；同时该装置简单小巧、轻便，便于高空带电电装，能够适应室外长时间检测作业。
[0043]
实施例二
[0044]
本实施例提出一种实施例一的基于pni传感器的导线电流监测装置的应用方法，如图4所示，包括以下步骤：
[0045]
驱动芯片单元2获取第一组pni传感器单元3感应的磁场值，以及第二组pni传感器单元3感应的磁场值，并发送给控制模块1，第一组pni传感器单元3沿同心圆的外圆周向均匀布置，第二组pni传感器单元3沿同心圆的内圆周向均匀布置；
[0046]
控制模块1计算各组pni传感器单元3的电磁转换系数，将第一组pni传感器单元3测量的磁场值与第二组pni传感器单元3测量的磁场值之差，除以第一组pni传感器单元3的电磁转换系数与第二组pni传感器单元3的电磁转换系数之差，得到被测的导线5的电流实际值；
[0047]
对于根据电磁转换系数和感应的磁场值计算得到被测的导线的电流测量值的推导过程如下：
[0048]
如图2所示，本实施例中，第一组pni传感器单元3被编号为1～4，第二组pni传感器单元3被编号为5～8，第i个pni传感器单元3测量的磁感应强度为bi，同一半径圆上的pni传感器单元3在相同激励和相同磁场作用下，产生并输出的磁场感应值相等。
[0049]
pni传感器单元3敏感轴方向全部穿过被测的导线5产生的磁场，根据电磁感应定律，在空气中，长载流导线在距离中心轴r处产生的磁场方向同时垂直于载流导线轴线和轴线至被测点所在直线，因此，pni传感器单元3的磁感应强度与导线5的电流大小的关系可表示为：
[0050][0051]
其中，μ为空气中的磁导率，r为被测点到导线轴心的距离，即pni传感器单元3所在的同心圆外圆或者内圆的半径，i为被测电流；
[0052]
通过式(1)，第一组pni传感器单元3的磁场值和电流的关系为：
[0053][0054]
通过式(1)，第二组pni传感器单元3的磁场值和电流的关系为：
[0055][0056]
由式(3)和式(4)可得到每一组pni传感器单元3的电磁转换系数ki表达式为：
[0057][0058]
上式中，μ为空气中的磁导率，ri为被测点到导线轴心的距离，即pni传感器单元3所在的同心圆外圆或者内圆的半径，这些均是已知量，ki为p第i组ni传感器单元3的电磁转换系数，对于第一组pni传感器单元3，i＝1，对于第二组pni传感器单元3，i＝2，由此可得到第一组或第二组pni传感器单元3的电磁转换系数大小；
[0059]
将第一组或第二组pni传感器单元3的电磁转换系数ki代入式(2)和式(3)，即可用
第一组或第二组pni传感器单元3的磁场值除以对应的电磁转换系数ki，得出对应的外圆电流测量值或者内圆电流测量值，外圆电流测量值和内圆电流测量值大小相同，但是外圆电流测量值和内圆电流测量值实际还包含环境磁场对应的电流，因此需要考虑如何将环境磁场的影响去除；
[0060]
理论上，外圆磁场测量值b
外
或者内圆磁场测量值b
内
均包含环境磁场，因此控制模块1计算同心圆的外圆磁场测量值b
外
和内圆磁场测量值b
内
的差值，即可得到被测的导线5的电流实际值对应的纯被测磁场差值，表达式如下：
[0061]b差
＝b
外-b
内
＝b
20
+b
环-(b
10
+b
环
)＝b
20-b
10
＝ik
2-ik1＝i(k
2-k1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
上式中，b
环
为环境磁场，b
外
为外圆磁场测量值，即第一组pni传感器单元3的磁场值，b
内
为内圆磁场测量值，即第二组pni传感器单元3的磁场值，b
20
为外圆磁场实际值，b
10
为内圆磁场实际值，k2和k1分别为第一组和第二组pni传感器单元3的电磁转换系数，i为被测的导线5的电流实际值；
[0063]
因此，将式(5)进行变换，得到被测的导线5的电流实际值表达式如下：
[0064][0065]
此后，控制模块1将电流实际值与预设阈值比较，若电流实际值大于预设阈值，生成报警信息并发送给报警模块，若电流实际值小于预设阈值，将电流实际值转换为显示信息，并且发送给显示模块4，此外，电流实际值小于预设阈值时，控制模块1还可以将电流实际值与已知的导线5的电压值相乘得到导线5的功率值，并转换为显示信息后发送给显示模块4。
[0066]
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。