一种电流电压检测一体化传感器的制作方法

1.本实用新型涉及电流电压信号的检测和变送技术领域，特别提供了一种电流电压检测一体化传感器。


背景技术：

2.目前在工业现场许多设备需要对其电压电流特征进行检测，人们也逐渐不满足于对信号本身的采集，希望能够通过对数据的处理更多的去了解现场设备的运行情况。传统采用的模拟传感器和数据采集器的方式受到的制约越来越大。
3.随着传感器技术、通信技术和计算机技术等相关技术的不断发展，仪器仪表也逐步向数字化、网络化方向发展，即不仅各类控制设备是数字化的，而且传感器信号在传送过程中也由模拟化向数字化方向发展，并要求能够通过一定的网络将分散的传感器连接起来，实现集中采集和管理。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电流电压检测一体化传感器，实现电压电流的实时显示，能够计算出用电器的有功功率、功率因数、相位差，可以根据电信号对用电设备进行故障诊断。
5.本实用新型是这样实现的，提供一种电流电压检测一体化传感器，包括信号检测单元、信号采集单元和供电单元，信号采集单元包括电流信号采集单元和电压信号采集单元，电流信号采集单元包括依次连接的罗氏线圈互感器、前置放大电路和第一低通滤波器，电压信号采集单元包括依次连接的电压互感器、分压电路和第二低通滤波器，信号采集单元包括依次连接的adc模块、处理器、相位补偿模块和通讯模块，第一低通滤波器和第二低通滤波器均与adc模块连接，供电单元分别与信号检测单元和信号采集单元连接。
6.优选的，所述供电单元分别连接所述前置放大电路、所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器、所述adc模块、所述处理器和所述通讯模块。
7.进一步优选，所述信号采集单元还包括存储模块，存储模块与所述处理器双向连接。
8.进一步优选，所述信号检测单元和所述信号采集单元一体化设计。
9.进一步优选，所述处理器包括电流电压还原模块、有功功率计算模块、设备故障检测模块、设备相位差及功率因数计算模块和传输模块。
10.进一步优选，所述处理器为stm32mp157系列异构多核mpu和电能采集芯片。
11.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
12.本实用新型将设备的电流和电压信号的检测和变送进行一体化设计，对信号进行处理和计算得到电压电流瞬时值、电机有功功率、电机运行情况以及功率因数后，将结果以数字信号实时在线传送到上位机系统，其传送过程的抗干扰能力强，实时性好，更有利于检测技术的发展。
附图说明
13.下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
14.图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
15.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
16.参考图1，本实用新型提供一种电流电压检测一体化传感器，包括信号检测单元、信号采集单元和供电单元13，信号采集单元包括电流信号采集单元和电压信号采集单元，电流信号采集单元包括依次连接的罗氏线圈互感器2、前置放大电路3和第一低通滤波器4，电压信号采集单元包括依次连接的电压互感器5、分压电路6和第二低通滤波器7，信号采集单元包括依次连接的adc模块8、处理器9、相位补偿模块10和通讯模块11，第一低通滤波器4和第二低通滤波器7均与adc模块8连接，供电单元13分别与信号检测单元和信号采集单元连接。
17.在利用本新型提供的传感器进行设备电压电流的检测时，将本传感器与供电线路1连接，具体的，供电线路与罗氏线圈互感器2和电压互感器5分别连接，通讯模块11与上位机14建立通讯连接，供电单元13为信号检测单元和信号采集单元供电：通过罗氏线圈互感器2测量供电线路1的电流信号，前置放大电路3将罗氏线圈互感器2检测到的电流信号进行放大抬升，经过第一低通滤波器4去除高频干扰信号，通过adc模块8将电流信号传送至处理器9中；通过电压互感器5检测电机供电线路1中的电压信号，分压电路6将测量的电压信号转换为处理器9能够接收的电压信号，经过第二低通滤波器7将电压信号中的高频干扰信号去除，通过adc模块8将电压信号采集到处理器9中；处理器9对电流信号、电压信号进行处理，再通过相位补偿模块10对电压和电流信号进行相位补偿，弥补信号处理阶段的时间差，将信号传递给上位机14，能够保证信号传输的实时性。
18.具体的，所述供电单元13分别连接所述前置放大电路3、所述第一低通滤波器4、所述第二低通滤波器7、所述adc模块8、所述处理器9和所述通讯模块11。
19.为了对信息进行存储以及与后续的信息实现对比，作为技术方案的改进，所述信号采集单元还包括存储模块12，存储模块12与所述处理器9双向连接。
20.为了传感器设计的整体性，作为改进，所述信号检测单元和所述信号采集单元一体化设计。
21.具体的，所述处理器9包括电流电压还原模块、有功功率计算模块、设备故障检测模块、设备相位差及功率因数计算模块和传输模块。
22.上述各个模块的功能实现原理如下：
23.1、电流电压还原模块：明确信号检测单元对电压电流信号的处理过程，包括电信号的放大或缩小倍数，用于还原供电线路1中实际电压电流值；
24.2、有功功率计算模块：通过还原的电压电流信号来进行有功功率的计算。根据有功功率的计算公式：
[0025][0026]
其中p表示有功功率，t表示供电线路的周期，u(t)表示瞬时的电压值，i(t)表示电流的瞬时值。
[0027]
由于采集到处理器的数据为离散的，因此可将计算公式离散化为：
[0028][0029]
其中p表示有功功率，t表示供电线路的周期，f表示处理器的采样频率，tf为一个周期内采样的数目，k表示第k+1个周期(第1个周期k的取值为0)，u(m)表示采集到的第m个电压信号，i(m)表示采集到的第m个电流信号，将计算得到的有功功率值传输到存储模块。
[0030]
3、设备故障检测模块：可对电流信号以及频谱分析，通过一些特征频率来判别电机的故障情况。
[0031]
(1)断条故障会反映在定子电流谐波中，其表达式为：
[0032]
fb＝(1
±
2ks)f
1 k＝1,2,3...
[0033]
其中s为电机转差率，f1为供电频率或基频。
[0034]
(2)轴承故障与定子电流特征频率的关系如下：
[0035][0036]
(3)电机混合偏心故障发生后，定子电流中将含有|fs±fr
|的谐波分量。
[0037]
(4)电机偏心故障与轴承故障同时出现时，定子电流特征频率如下：
[0038][0039]
其中，fs为供电频率，fr为机械旋转频率，fo为外圈故障振动特征频率，fb为滚动体故障振动特征频率，fi为内圈故障振动特征频率，f
cage
为保持架转动频率。
[0040]
如果检测到故障，将故障信息立即通过通讯模块11传输给上位机14并报警；如果没有故障则给上位机14传输“运行正常”的信号。
[0041]
4、设备相位差及功率因数计算模块：本功能是基于设备在正常运行的情况下来进行的，将采集到的电压电流信号的过零点进行比较，得到电压和电流信号过零点的时间差，进而转换为相位差，通过功率因数的计算公式求解出功率因数。将计算得到的相位差和功率因数传送至存储模块12。
[0042]
5、传输模块：将以上采集和计算得到的电压电流瞬时值、电机的有功功率、电机的故障情况、电机的功率因数、电压电流的相位差传送给相位补偿模块10。
[0043]
优选的，所述处理器9为stm32mp157系列异构多核mpu和电能采集芯片。
[0044]
综上所述，本实用新型能够将电流电压的检测和变送进行一体化设计，通过相位补偿能够保证信号传输的实时性，能够得到供电线路的实时瞬时电压电流值，电机的有功功率以及对电机进行故障诊断并且可以得到电机的功率因数。
[0045]
上面结合附图对本实用新型的实施方式做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。