CN101563856A - 具有电隔离的测量信号耦合设备和包括这样的设备的电气设备单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电绝缘的设备，包括至少一个信号输入口(SI)、用于表示输入信号的输出信号的输出口(SO)、接收该输入信号并提供输出信号的电绝缘信号传送装置。该传送装置包括至少一个信号互感器(14)，具有用于接收表示所述输入信号的初级信号的至少一个初级绕组(15)、用于对该输入信号进行斩波处理并且将其提供给所述初级绕组的开关装置(16)，和用于控制该电绝缘的开关装置并且包括在切换时间段(TC)期间接收控制信号(SC)的控制输入口。该电气设备包括连接到测量阻抗以及连接到用于处理电保护功能的单元的这样的耦合设备。

Description

具有电隔离的测量信号耦合设备和包括这样的设备的电气设备单元

技术领域

本发明涉及具有电隔离的耦合设备，包括：

-输入信号的至少一个输入端，

-表示所述输入信号的输出信号的输出端，和

-接收该输入信号并提供所述输出信号的具有电隔离的信号传送装置，

-至少一个信号互感器(14)，具有至少一个初级绕组，以接收表示所述输入信号的初级信号，

-开关装置，切换该输入信号并将表示所述输入信号的所述初级信号提供给所述初级绕组，

-该开关装置的控制装置包括，在切换时间段期间接收控制信号的控制信号输入端，和与该控制信号输入端电隔离并连接到所述开关装置以在所述切换时间段期间命令初级信号切换的输出端。

本发明还涉及包括这样的耦合设备的电气设备单元。

背景技术

已知的具有电隔离的测量信号耦合设备通常被实现为具有用于处理输入信号SI的第一部分1和用于处理输出信号SO的第二部分2。已知设备的图表示在图1中。第一输入信号部分1通常包括信号放大器3和调制器4，以传送输入信号的变换后的值或数字值。调制器4通常连接到互感器5或其他耦合器，以使第一部分1与第二信号处理部分2隔离。在第二部分2中，信号在电路6中被处理并恢复，以被处理为输出信号SO。在现有技术的设备中，接收输入信号的第一部分1需要电源电路7，用于使得放大器和调制器能够工作。在现有技术布局中，第一主电源8为输出信号处理电路6和包括斩波器9和电源变压器10以及电路7的电能转换电路供电，以将电能提供给整个第一部分1。

在其他布局中，可以有两个独立的电源，以为第一部分和第二部分分开供电。

很难将已知的具有电隔离且需要辅助电源电路的现有测量信号耦合设备合并到测量处理电路中或者小尺寸的设备单元中。此外，这样的设备还具有消耗电能从而使得它们与很低功耗的应用不兼容的缺点。

特定的设备包括接收切换的电流测量信号的互感器，如文献GB1585889和US2003/0076086中所示。但是，在文献US2003/0076086中，信号开关控制装置是与具有大的热应力的工业应用不兼容的光电子元件。特别是，这些元件的效率和速度特性随着温度的增加而极大地减小。这些高工作温度特别是存在于诸如电子解扣装置和电路断路器的电气设备中。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有电隔离的测量信号耦合设备以及包括这样的设备的设备单元，其不需要处理输入信号的部分的电源并且能够在很大的温度摆动范围内正常工作。

在根据本发明的具有电隔离的耦合设备中，该开关装置的控制装置包括通过电磁感应和/或通过电容连接的耦合装置。

所述信号互感器包括连接到检测装置的输出绕组，该检测装置接收切换的次级输出信号并且提供表示该输入信号的输出信号。

在第一可替换实施例中，输入信号切换是单向的。在第二可替换实施例中，输入信号切换是双向的或者可反转。

在第一特定实施例中，该信号互感器包括两个具有相反的绕线方向连接的初级绕组，每个绕组的第一端连接到绕组的公共点以接收信号输入，绕组的第二端连接到第一开关装置和第二开关装置，以切换输入信号并将输入信号交替地引导到第一和第二绕组上。

该开关装置优选地利用在切换的开始和结束时重叠的命令将输入信号切换到初级绕组上。

在第二特定实施例中，该信号互感器包括：连接到开关装置的初级绕组，该开关装置包括以具有两个分支的电桥形式连接的四个电子开关，该电桥的外部线接收输入信号以及该电桥的内分支连接到所述信号互感器的所述初级绕组，电桥形式的所述开关交替地以交叉方式被命令以反转施加于所述信号互感器的初级绕组的初级信号的方向。

在第三特定实施例中，该输入信号被施加于串联连接的两个测量电阻器的电桥，该测量电阻器的公共点连接到信号互感器的初级绕组的第一端，该信号互感器的所述初级绕组的第二端连接到具有开关装置的两个开关的开关电桥的公共中心部分，所述电桥的开关的外部线连接到与该电阻器电桥的公共点相对的外部部分，这两个开关交替工作以反转施加于所述信号互感器的初级绕组的初级信号的方向。

检测装置优选地包括用于对切换的输出信号进行滤波的装置。

在优选实施例中，检测装置包括同步检测装置，与开关装置的控制同步，以恢复表示所述输入信号的输出信号。

有利地，该信号互感器包括：

-接收第一输入信号的至少一个第一初级绕组和切换所述第一输入信号的至少第一开关装置，

-接收第二输入信号的至少一个第二初级绕组和切换所述第二输入信号的至少第二开关装置，以及

-至少一个次级绕组，以提供表示所述第一输入信号或者所述第二输入信号的信号。

有利地，该设备包括处理装置：

-用于选择所述第一开关装置的第一控制装置以提供表示所述第一输入信号的输出信号，或者

-用于选择所述第二开关装置的第二控制装置以提供表示所述第二输入信号的输出信号。

优选地，该处理装置依次命令该控制装置的选择，以提供依次表示每个输入信号的多路切换的输出信号。

有利地，该处理装置同时命令控制装置以提供表示输入信号的总和的输出信号。

优选地，该处理装置包括信号采样装置，以对表示多路切换的次级信号的输出信号进行采样并且提供表示每个输入信号的值，采样与控制装置的选择同步。

优选地，在闭合开关装置的控制脉冲开始后的预定时间延迟之后执行采样。

优选地，该处理装置在短的时间段内激活控制装置的命令，并且在长的时间段内停止控制装置的命令。

在优选实施例中，该开关装置的控制装置包括至少一个控制变压器，具有接收控制信号的初级绕组和控制开关装置的次级绕组。

优选地，控制装置的至少一个控制变压器是空气绝缘的变压器，在电路支座的第一面上具有初级绕组并且在所述电路支座的第二面上具有次级绕组。

优选地，该电路支座由聚酰亚胺材料组成。有利地，该电路支座具有介于3μm和80μm之间的厚度。

在另一个实施例中，测量互感器是空气绝缘的互感器，在电路支座的第一面上具有至少一个初级绕组并且在所述电路支座的第二面上具有次级绕组。

有利地，该电路支座由聚酰亚胺材料组成，并且具有介于3μm和80μm之间的厚度。

在另一个实施例中，所述至少一个控制变压器和至少一个测量互感器位于相同的绝缘支座上，该绝缘支座在所述电路支座的每个面上具有绕组。

有利地，该电路支座由聚酰亚胺材料组成，并且具有介于3μm和80μm之间的厚度。

在另一个实施例中，该开关装置的控制装置包括至少两个电容耦合的电容器，每个具有接收控制信号的第一电极和命令开关装置的第二电极。

有利地，电路支座由聚酰亚胺材料组成并且具有介于3μm和80μm之间的厚度，所述电路支座的第一面上具有所述两个耦合电容器的第一电极，并且在第二面上具有所述两个耦合电容器的第二电极。

在另一个实施例中，该测量设备包括开关装置的控制装置，并且该开关装置被集中在MEMS类型的电磁微型元件中。

有利地，该设备包括电分路，连接到用于测量电流的信号输入端，表示电流的输出信号流入所述分路中。

根据本发明的电气设备单元包括：

-至少一个测量电阻器，

-与所述至少一个测量电阻器串联连接的电力触点，

-命令所述电触点的断开的操作机械装置，和

-用于处理命令连接到所述机械装置的继电器的保护功能的装置，

包括如上面定义的至少一个耦合设备，具有：

-与所述至少一个测量电阻器连接的至少一个信号输入端，和

-连接到所述用于处理保护功能的装置的信号输出端，以提供表示流入所述至少一个测量电阻器的电流的信号。

附图说明

通过下面对本发明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更清楚地明显，这些特定实施例仅仅作为非限制性例子给出并且表示在附图中，其中：

图1表示根据现有技术的具有电隔离的电信号耦合设备的图；

图2表示根据本发明的第一实施例的具有电隔离的电信号耦合设备的图；

图3表示具有晶体管的开关控制的根据图2的设备的图；

图4表示根据本发明的实施例的利用反转类型的切换的耦合设备的第一图；

图5A到5G表示在根据图4的实施例的设备中的信号的时序图；

图6和7表示根据本发明的实施例的利用反转类型的切换的耦合设备的可替换实施例；

图8A到8C表示在根据本发明的实施例的利用双向切换的耦合设备中的信号的线图；

图9表示根据本发明的实施例的图7的图的电信号耦合设备的实施例的图；

图10表示根据本发明的实施例的具有在公共信号互感器上多路切换的输入信号的耦合设备的第一图；

图11表示根据本发明的实施例的具有在公共信号互感器上多路切换的输入信号的耦合设备的第二图；

图12A到12G表示图11的设备中的信号的线图；

图13表示测量采样捕获循环的流程图；

图14表示根据本发明的实施例的包括测量设备的电气设备单元的图；

图15表示用在根据本发明的实施例的耦合设备的控制装置中的印制形式的脉冲变压器；

图16表示用在根据本发明的实施例的耦合设备中的印制形式的脉冲变压器和测量互感器的组合；

图17和18示出了根据实施例的设备的可替换实施例。

具体实施方式

图2表示根据本发明的第一实施例的电信号耦合设备的图。具有电隔离的耦合设备包括：输入信号SI的至少一个输入端11、表示所述输入信号的输出信号SO的输出端12、和接收输入信号并提供所述输出信号的具有电隔离的信号传送装置13。传送装置包括至少一个信号互感器14，具有至少一个初级绕组15，以接收表示所述输入信号SI的初级信号SP。输入信号通过由受控开关表示的开关装置16被切换，以将表示所述输入信号SI的所述初级信号SP提供给所述初级绕组15。开关装置16由包括接收控制信号SC的控制信号输入端18的控制装置17命令。控制装置的输出端20与控制信号输入端18电隔离，并且连接到所述开关装置16，从而以切换频率命令初级信号的切换。

在图2中，信号SI由电子开关16以高的切换频率切换，以将切换的信号SP提供到信号互感器14的初级绕组15上。所述信号互感器14包括输出绕组21，连接到检测装置23，该检测装置23接收切换的次级输出信号SD并且提供表示输入信号SI的输出信号SO。信号互感器的次级绕组21感应的次级信号SD然后被处理以提供输出信号SO。处理可以包括放大器22中的放大，后面是输出信号处理模块23中的检测和滤波。检测可以通过单个交替的整流、通过包络检波或者通过同步整流来执行。

开关装置的控制信号SC优选地由位于第二信号处理部分2中的开关信号发生器24提供。处理模块23和控制信号发生器24优选地位于相同的处理单元25中并且由相同的电源电路26供电。该电源电路26还可以为放大器22供电。控制信号被施加于隔离的控制装置的脉冲变压器27。控制装置的输出端可以包括信号调节电路28，信号调节电路28包括例如被适配到开关装置16的二极管29和电容器30。

图3示出了根据本发明的实施例的设备的布局图，利用具有反向连接的内部二极管32的场效应晶体管31执行开关控制。这些晶体管反向串联连接，即，它们的源极连接在一起并且充当由脉冲变压器27提供的控制信号的参考，它们的控制电极连接在一起以经由调节器28接收变压器27的所述控制信号。不管输入信号的方向或极性如何，两个晶体管都被导通。如果没有提供控制信号，则两个晶体管都截止，并且根据输入信号的方向或极性，两个二极管中只有一个二极管阻断输入信号。利用这样的布局，无论输入信号(可以是AC或DC)的极性和电平如何，设备都可以工作。在图3的图中，测量或负荷电阻器40连接在设备的输入端上以产生输入信号SI。如果电阻器40是电分路，则信号SI是电流测量信号。

如果输入信号具有非常低的电压，例如小于0.6伏特，则单个场效应晶体管31可以是足够的。在这些区域，晶体管双向工作，并且相关二极管在正向偏压时没有导通。

耦合设备可以工作在单向输入信号的开关模式下，其中通过根据连续的控制指令切换相同极性的输入信号并且将同样具有相同极性的输入信号施加于信号互感器的初级绕组。

为了改善信号互感器14的操作，输入信号的切换可以有利地是双向的。在这种情况下，在每个命令指令时都切换并且反转输入信号，以将具有反向连续的感应方向的初级信号提供到信号互感器14的初级感应电路上。因而，信号互感器的磁耦合电路根据该控制指令在一个方向被磁化然后在另一个方向被消磁并且再磁化，以控制所述磁路的剩磁并且改善互感器14的初级绕组和次级绕组之间的信号传送的效率。

图4表示根据本发明的实施例的具有双向开关的耦合设备的第一图。在这种情况下，信号互感器14包括两个具有反向绕组方向连接的初级绕组15A和15B，每个绕组的第一端连接到绕组的公共点以接收输入的信号输入，绕组的第二端连接到第一开关装置16A和第二开关装置16B，以切换输入信号SI并将输入信号SI交替地引导到第一和第二绕组上。优选地，为了改善互感器14的磁路的操作，开关装置利用在切换的开始和结束时重叠的命令来将信号切换到初级绕组上。信号发生器24为由受控开关表示的开关装置16A和16B提供控制信号。发生器24还将第一同步信号SY提供给处理模块23以执行输出信号的同步检测。根据初级绕组上的信号的方向，输出信号事实上可以是正的或负的。同步检测使得能够具有表示输入信号的信号极性。发生器24还可以提供或接收第二同步信号以利用信号采样器工作。发生器、同步检测器和采样器可以形成同一电路的一部分。

图5A到5G表示根据图4的实施例的耦合设备中的信号的时序图。在图5A中，线41示出了输入信号SI。在这些图中，输入信号SI是DC并且是正极性的。图5B示出了表示开关装置开关16A的控制的线42。图5C示出了表示开关装置开关16B的控制的线43。图5D示出了在信号互感器14的第一初级绕组15A中的电流I15A的线44。图5E示出了表示信号互感器14的第二初级绕组15B中的电流I15B的线45。图5F示出了与流入利用方向反转控制的信号互感器14的两个初级绕组15A和15B中的电流I15A和I15B对应的合成电流I15的线46。图5G示出了表示信号互感器14的次级绕组21上的输出信号SD的线47。

在时间t1，命令开关16A的闭合而开关16B刚断开。绕组15A接收输入信号SI。它产生电流I15A和增大的磁感应I15。该感应在互感器次级绕组21上产生等于磁通量的导数的输出信号，因此为正的信号SD。在时间t2，命令开关16B闭合，而命令开关16A断开。电流I15B流入绕组15B。电流I15A被抵消。因为绕组15B的绕线方向与绕组15A的绕线方向相反，所以由I15表示的结果磁感应减小。互感器次级绕组上的信号SD变为负的。开关16A和16B的交替开关在互感器14中引起没有任何间断的磁感应，从而产生具有零直流分量的交流信号SD。

利用这样的设备，初级绕组中的感应电流从不被中断，并且在次级输出信号SD中不会导致由于初级绕组中的切换引起的干扰。输出信号SD可以被整流以提供与初级信号相同符号的信号。切换时间TC可以被定义为开关16的导通的开始与导通的结束之间，例如在时间t1与t2之间。

图6表示根据本发明的实施例的利用双向切换的耦合设备的第二图。在这种情况下，信号互感器14包括连接到开关装置16的初级绕组15，该开关装置16包括以具有两个分支50和51的电桥形式连接的四个电子开关16A1、16A2和16B1、16B2。在该布局中，电桥的外部线接收输入信号SI并且电桥的分支的内部件53连接到信号互感器14的所述初级绕组15。所述电桥形式的开关16A1、16A2和16B1、16B2交替以交叉方式被命令，以反转施加于所述信号互感器14的初级绕组15的初级信号SP的方向。交叉连接的开关16A1和16A2被同时命令以施加第一方向的输入信号，并且交叉连接的开关16B1和16B2被同时命令以施加第二方向的输入信号。电阻器40可以是测量电阻器或用于测量电流信号的电分路。

图7表示根据本发明的实施例的利用双向开关的耦合设备的第三图。在这种情况下，输入信号SI被施加于串联连接的两个测量电阻器40A和40B的电桥。测量电阻器的公共点54连接到信号互感器14的初级绕组15的第一端，所述信号互感器的初级绕组的第二端连接到具有开关装置的两个开关16A和16B的开关电桥S6的公共中心部分55。所述电桥的开关的外部线57和58连接在电阻器电桥的公共点54的相对的外部部分59和60上。两个开关16A和16B可替换地工作以反转施加于所述信号互感器14的初级绕组15的初级信号SP的方向。当开关16A闭合且开关16B断开时，流入电阻器40A并且具有第一符号(例如正)的信号SI的部分SIA被施加于绕组15。然后，响应于随后的开关指令，开关16B闭合且开关16A断开。在这种情况下，呈现在测量电阻器40B上并且具有与第一符号相反的第二负号的信号SI的部分SIB被施加于互感器初级绕组15。电阻器40B上的信号具有与电阻器40A上的信号相反的极性，因为信号参考是在公共点54上。

图8A到8C表示在根据本发明的实施例的利用双向开关的耦合设备中的信号的线图。在图8A中，线65示出了正弦波形的交流输入信号SI。在图8B中，线66示出了提供在具有双向初级信号SP控制的信号互感器的次级绕组上的信号SD。在图8C中，线67示出了被处理以便恢复表示输入信号的正弦波信号的输出信号SO。处理装置通过以同步方式对信号整流来检测双向信号，例如利用具有电子开关的电桥或者具有编程的采样和处理的电子电路。因而检测装置包括用于对开关输出信号进行滤波的装置和/或与开关装置的控制同步的同步检测装置，以恢复表示所述输入信号的输出信号。

为了限制设备的电消耗，处理装置25可以在短的持续时间段内激活控制装置的命令，并且在比较长的非激活时间段内停止控制装置的命令。例如，在图6的图中，在第一时间段期间命令交叉连接的开关16A1和16A2，然后在第二时间段期间，命令开关16B1和16B2而停止开关16A1和16A2。最后，对于所有开关，在第三时间段期间停止控制。优选地，第一和第二时间段比第三时间段短。时间段在预置循环或工作循环中可以是有规律的，或者根据处理装置的要求而被随机命令。

图9表示根据本发明的实施例的图7的图的电信号耦合设备的实施例。在此实施例中，测量电阻器40是用于测量电流的电分路。则输出信号SO表示流入所述分路的电流。该分路包括中点54，其将第一部分40A和第二部分40B分开在中点的每一侧。该分路包括用于流动的测量信号的电源连接焊盘和三个测量接头。公共接头72连接到分路的点54，第一外接头73连接到与第一部分40A相同的侧，第二外接头74连接到与第二部分40B相同的侧。诸如电子开关16A和16B的开关装置以及诸如调节电路28的其他附加元件被布置在第一印制电路80上，处于要被测量的电路的电势处。此电路80接收与分路的连接和与信号互感器14的初级绕组的连接以及与控制装置17的脉冲变压器27A和27B的连接。第二印制电路81支撑诸如检测和处理电路23以及控制信号发生器24的处理单元25的电路。印制电路81上的电子电路处于不同的电势并且相对于位于印制电路80上的电子电路而被电以及电流地(galvanically)切换。印制电路81一侧与信号互感器14以及脉冲变压器27A和27B连接，另一侧与电源82的输入端P、信号SO的输出端83以及公共接地0V输入端84连接。

为了测量几个电压或者电流信号，可以使用并联的几个上述设备。但是，在本发明的特定实施例中，信号互感器形成多路切换单元的一部分。

图10表示根据本发明的实施例的具有在公共信号互感器14上多路切换的输入信号的耦合设备的第一图。信号互感器14包括：接收第一输入信号SI1的至少第一初级绕组151和切换所述第一输入信号SI1的至少第一开关装置161，以及接收第二输入信号SI2的至少第二初级绕组152和切换所述第二输入信号SI2的至少第二开关装置162，以及提供表示所述第一输入信号SI1或者所述第二输入信号SI2的次级信号SD的至少一个次级绕组21。

处理单元25选择所述第一开关装置161的第一控制装置271以提供表示所述第一输入信号SI1的输出信号SO，或者选择第二开关装置162的第二控制装置272以提供表示所述第二输入信号SI2的输出信号SO。因而，在信号互感器的次级绕组21的信号SD上，根据开关装置的开关的控制，可以存在表示第一输入信号的信号或表示第二输入信号的信号，或者表示输入信号的组合的信号。

图11表示根据本发明的实施例的耦合设备的第二图，其中在公共的信号互感器14上多路切换输入信号SI1、SI2、SI3、SI4。四个信号SI1到SI4可以被在测量电阻器401、402、403或404上产生，然后分别由开关装置161、162、163和164切换以及分别由控制装置271、272、273和274的脉冲变压器控制。在该图中，开关装置274完整地被表示在仅仅一个部分中，而其它的则由两个部分中的块表示以简化图。

输入信号的切换使得初级信号SP1、SP2、SP3和SP4能够被提供给信号互感器14的初级绕组151、152、153和154。电流或电的隔离由虚线86表示。次级信号SD被施加于具有可调节的放大参数的放大器22。来自于放大器的输出信号在被施加于处理单元25之前被低通滤波器87滤波。处理单元25包括信号采样器88，以对表示多路切换的次级信号的信号进行采样，并且提供表示每个输入信号的值，采样与控制装置的选择同步。放大器22和采样器88以基准电路89为参考。位于处理单元内的微控制器或微处理器使得能够提供开关装置的控制信号以及执行采样的同步以用于同步检测的目的。接收信号SD的采样的微处理器90将不同的值分成几个输出信号SO1、SO2、SO3和SO4，每个分别表示输入信号SI1、SI2、SI3和SI4。

处理装置优选地依次命令控制装置的选择，以提供依次表示每个输入信号SII到SI4的多路切换的输出信号SO。有利地，处理装置可以同时命令控制装置以提供表示输入信号的总和的输出信号SO。

利用诸如图11的图中的布局，耦合设备可以被用在接收表示来自于三相和中性导体的信号的信号的四端电路断路器中。然后测量电阻器401、402、403或404是电流测量分路。在接地保护的情况下，四个通路的同时控制可以提供表示差分电流的信号SO。

在另一个实施例的情况下，四个通路由处理器的同时数字处理可以提供表示输入信号的差分或总和电流的信号SO。

图12A到12G表示图11的设备中的信号的线图。不同的开关装置161到164的状态被表示在图12A的线91到94上。状态1对应于相应开关的闭合状态，状态0对应于断开状态。图12B示出了表示输入信号SI1的例子的线95。图12C示出了表示输入信号SI2的例子的线96。图12D示出了表示输入信号SI3的例子的线97。图12E示出了表示输入信号SI4的例子的线98。图12F示出了表示次级信号SD的例子的线99。图12G示出了对次级信号的采样以分成表示四个输出信号SI1、S12、S13和S14的四个输出信号SO1、SO2、SO3和SO4。

在时间t1，开关161闭合，并且次级信号SD变为表示输入信号SI1。在使得互感器14稳定工作的时间延迟D之后，在时间t2，信号SD被采样以具有表示信号SI1的输出信号SO1。在开关161的控制的结尾，在时间t3，互感器初级绕组上不再存在任何信号，并且次级信号变为零值。在时间t4，开关162闭合，并且次级信号SD变为表示输入信号SI2。在使得互感器14稳定工作的时间延迟D之后，在时间t5，信号SD被采样以具有表示信号SI2的输出信号SO2。在时间t6，开关162的控制被停止。然后，在时间t7，开关163闭合，并且次级信号SD变为表示输入信号SI3。在使得互感器14稳定工作的时间延迟D之后，在时间t8，信号SD被采样以具有表示信号SI3的输出信号SO3。在时间t9，开关163的控制被停止。最后，在时间t10，开关164闭合，并且次级信号SD变为表示输入信号SI4。在使得互感器14稳定工作的时间延迟D之后，在时间t11，信号SD被采样以具有表示信号SI4的输出信号SO4。在时间t12，开关164的控制被停止。在时间t13，通过闭合开关161以及在时间t14采样SD以提供SO1而重新开始循环。时间延迟D对应于开关的闭合的开始和对信号互感器14的输出端的次级信号SD进行采样之间的等待时间。

图13表示测量采样捕获循环的流程图。在步骤100，处理单元选择要被测量的通路。然后，在步骤101，开关装置的电子开关闭合。然后，在步骤102使得互感器稳定操作以特别是避免寄生振荡的时间延迟D之后，在步骤103中，处理单元命令表示次级信号SD的信号的采样。因而，在闭合开关装置的控制脉冲开始后的预定时间延迟D之后执行采样。

图14表示根据本发明的实施例的包括测量设备的电气设备单元的图。这样的设备单元104包括：至少一个测量电阻器401和402、与所述至少一个测量电阻器串联连接的电源触点105、控制电触点105的断开的操作机械装置106、和用于处理命令连接到所述机械装置106的继电器108的保护功能的处理装置107。根据本发明的实施例，电气设备单元包括如上所述的耦合设备110，具有连接到所述至少一个测量电阻器的至少一个信号输入端和连接到保护功能处理装置107以提供表示所述测量电阻器中的电流的输出信号SO的信号输出端。在图14中，存在两个测量电阻器401和402，其中两个初级电流IP1和IP2可以流动并且产生输入测量信号SI1和SI2。在这种情况下，耦合设备110可以与图10的具有信号多路切换的耦合设备相同。电阻器401和402可以是非常低的值的电阻器，诸如电分路。

在上述实施例中，开关装置的控制装置优选地是脉冲变压器27、271272，具有接收控制信号的初级绕组115和命令开关装置的次级绕组116。

当开关装置的控制装置是脉冲变压器时，固有的工作频率可以非常高以减小磁路的尺寸或者消除磁路。控制可以采取在控制时间段期间非常高的频率处的信号的突发的形式。图15表示用在根据本发明的实施例的耦合设备的控制装置中的印制形式的脉冲变压器。在这种情况下，脉冲变压器是空气绝缘的变压器，在印制电路118的第一面117上具有初级绕组115，并且在所述印制电路的第二面119上具有次级绕组116。则工作频率非常高以实现很小的绕组尺寸。在图15的实施例中，每个绕组具有十三匝，每一面的外形尺寸小于一厘米。自然地，在这些情况下，控制装置的工作频率比切换频率高得多。则控制信号是在切换时间段TC期间提供的高频处的方波脉冲或脉冲的突发。印制电路还可以是蚀刻电路或充当支座的任何其他电路(例如陶瓷或氧化铝支座)。甚至以印制的形式，控制变压器也可能具有适应于电路支座的形状和尺寸的磁路。为了减小所述空气绝缘的控制变压器的尺寸，电路支座118有利地由聚酰亚胺材料组成。电路支座优选地具有介于3μm和80μm之间的厚度E。

在特定实施例的情况下，测量互感器可以是空气隔离的互感器，在电路支座118的第一面上具有至少一个初级绕组15，并且在所述电路支座的第二面上具有次级绕组21。该电路支座有利地由聚酰亚胺材料组成，并且具有介于3μm和80μm之间的厚度。

图16示出了放置在相同的隔离支座上的两个控制变压器和测量互感器的组件，其中在所述电路支座的每个面上具有绕组。同样在这种情况下，该电路支座有利地由聚酰亚胺材料组成，具有介于3μm和80μm之间的厚度。

图17和18示出了根据实施例的设备的可替换实施例。

在图17中，开关装置的控制装置是双电容连接120，让脉冲通过并且阻止DC或低频电流，以实现电流隔离。在该电容连接的每个分支上，控制信号是互补的以使得控制电流在两个连接之间流动并且保证共模电绝缘。因而开关装置的所述控制装置包括至少两个电容耦合的电容器501、502，每个具有接收控制信号的第一电极503和命令开关装置的第二电极504。该电容器优选地在由具有介于3μm和80μm之间的厚度的聚酰亚胺材料组成的电路支座505上实现。在这种情况下，所述电路支座在第一面上具有所述两个耦合电容器501和502的第一电极503，并且在第二面上具有所述两个耦合电容器501和502的第二电极504。

在图18中，开关装置的控制装置和开关装置被集合在优选地通过称为MEMS的技术实现的电磁微型元件122中。

可以使用几种类型的开关装置，特别是场效应晶体管、双极型晶体管、或具有电磁、静电或光学控制的开关。

输入信号SI的切换频率可以取决于使用的耦合互感器的尺寸以及取决于通过所述互感器的吞吐量。此切换频率有利地与检测和采样装置的性能有关系。

上述耦合设备使得能够测量任何种类的电信号，特别是电流、电压、或在信号互感器的相同的磁路上多路切换模式的几种类型。对于电压测量，输入信号可以由分压器电桥来提供。

采用耦合设备的电单元可以是任何类型的。如果该电单位包括电气保护功能，诸如继电器或断路器脱扣单元的功能，则测量电阻器有利地是电分路。这些分路可以是电阻或例如具有电感的阻抗类型。

Claims (30)

1、一种具有电隔离的耦合设备，包括：

输入信号(SI)的至少一个输入端，

表示所述输入信号的输出信号(SO)的输出端，和

接收该输入信号并提供所述输出信号的具有电隔离的信号传送装置，

至少一个信号互感器(14)，具有至少一个初级绕组(15、15A、15B、151、152、153、154)以接收表示所述输入信号(SI、SIA、SIB、SI1、SI2、SI3、SI4)的初级信号(SP、SP1、SP2、SP3、SP4)，

开关装置(16、16A、16B、161、162、163、164、31、32)，以切换该输入信号并且将表示所述输入信号的所述初级信号提供给所述初级绕组，

该开关装置的控制装置(17、17A、17B、27、27A、27B、271、272、273、274)，包括在切换时间段(TC)期间接收控制信号的控制信号输入端(SC)，和与该控制信号输入端电隔离并且连接到所述开关装置(16、16A、16B、161、162、163、164、31、32)以在所述切换时间段(TC)期间命令初级信号的切换的输出端，

其特征在于，该开关装置的所述控制装置包括由电磁感应和/或容性连接的耦合装置。

2、根据权利要求1所述的耦合设备，其特征在于，所述信号互感器(14)包括连接到检测装置(23)的输出绕组(21)，该检测装置(23)接收切换的次级输出信号(SD)并且提供表示该输入信号(SI、SIA、SIB、SI1、SI2、SI3、SI4)的输出信号(SO)。

3、根据权利要求1或2所述的耦合设备，其特征在于，该输入信号(SI、SIA、SIB、SI1、SI2、SI3、SI4)的切换是单向的。

4、根据权利要求1或2所述的耦合设备，其特征在于，该输入信号(SI、SIA、SIB、SI1、SI2、SI3、SI4)的切换是双向的或者可反转。

5、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该信号互感器(14)包括具有反向绕组方向连接的两个初级绕组(15A、15B)，每个绕组的第一端连接到绕组的公共点以接收信号输入，绕组的第二端连接到第一开关装置(16A)和第二开关装置(16B)，以切换输入信号(SI、SIA、SIB)并将输入信号交替地引导到第一和第二绕组上。

6、根据权利要求5所述的耦合设备，其特征在于，该开关装置利用在切换的开始和结束重叠的命令切换初级绕组(15A、15B)上的输入信号。

7、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该信号互感器(14)包括：连接到开关装置(16)的初级绕组(15)，该开关装置(16)包括以具有两个分支(50、51)的电桥形式连接的四个电子开关(16A1、16A2、16B1、16B2)，该电桥的外部线接收输入信号(SI)以及该电桥的内分支(53)连接到所述信号互感器的所述初级绕组(15)，电桥形式的所述开关以交叉方式被交替地命令反转施加于所述信号互感器(14)的初级绕组(15)的初级信号(SP)的方向。

8、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该输入信号(SI、SIA、SIB)被施加于串联连接的两个测量电阻器(40A、40B)的电桥，该测量电阻器的公共点(54)连接到信号互感器(14)的初级绕组(15)的第一端，该信号互感器的所述初级绕组(15)的第二端连接到具有开关装置的两个开关(16A、16B)的开关电桥的公共中心部分(55)，所述电桥的开关的外部线(57、58)连接到与该电阻器电桥的公共点相对的外部部分(59、60)，这两个开关交替工作以反转施加于所述信号互感器(14)的初级绕组(15)的初级信号(SP)的方向。

9、根据权利要求1至8中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该检测装置(23)包括用于对切换的输出信号进行滤波的装置。

10、根据权利要求1至9中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该检测装置(23)包括同步检测装置，与开关装置(16、16A、16B、161、162、163、164、31、32)的控制同步，以恢复表示所述输入信号(SI)的输出信号(SO)。

11、根据权利要求1至10中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该信号互感器(14)包括：

接收第一输入信号(SI1)的至少一个第一初级绕组(151)和切换所述第一输入信号的至少第一开关装置(161)，

接收第二输入信号(SI2)的至少一个第二初级绕组(152)和切换所述第二输入信号的至少第二开关装置(162)，以及

至少一个次级绕组(21)，以提供表示所述第一输入信号(SI1)或者所述第二输入信号(SI2)的信号(SD)。

12、根据权利要求11所述的耦合设备，其特征在于，该设备包括处理装置(25)：

用于选择所述第一开关装置(161)的第一控制装置(271)以提供表示所述第一输入信号(SI1)的输出信号(SO)，或者

用于选择所述第二开关装置(162)的第二控制装置(272)以提供表示所述第二输入信号(SI2)的输出信号(SO)。

13、根据权利要求11或12所述的耦合设备，其特征在于，该处理装置(25)依次命令该控制装置的选择，以提供依次表示每个输入信号(SI1、SI2、SI3、SI4)的多路切换的输出信号(SO)。

14、根据权利要求11至13中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该处理装置(25)同时命令控制装置以提供表示输入信号的总和的输出信号(SO)。

15、根据权利要求11至14中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该处理装置(25)包括信号采样装置(88)，以对表示多路切换的次级信号(SD)的输出信号进行采样并且提供表示每个输入信号的值，采样与控制装置的选择同步。

16、根据权利要求15所述的耦合设备，其特征在于，在闭合开关装置(16、16A、16B、161、162、163、164、31、32)的控制脉冲开始后的预定时间延迟(D)之后执行采样。

17、根据权利要求11至16中任一权利要求所述的耦合设备，其特征在于，该处理装置(25)在短的时间段内激活控制装置的命令，并且在长的时间段内停止控制装置的命令。

18、根据权利要求1至17中任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，该开关装置的所述控制装置包括至少一个控制变压器(27、271、272、273、274、27A、27B)，具有接收控制信号的初级绕组和控制开关装置的次级绕组。

19、根据权利要求18所述的电流测量设备，其特征在于，该控制装置的至少一个控制变压器是空气绝缘的变压器，在电路支座(118)的第一面(117)上具有初级绕组(115)并且在所述电路支座的第二面(119)上具有次级绕组(116)。

20、根据权利要求19所述的电流测量设备，其特征在于，该电路支座由聚酰亚胺材料组成。

21、根据权利要求19或20所述的电流测量设备，其特征在于，该电路支座具有介于3μm和80μm之间的厚度(E)。

22、根据权利要求1至21中任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，该测量互感器是空气绝缘的互感器，在电路支座(118)的第一面(117)上具有至少一个初级绕组(15)并且在所述电路支座的第二面(119)上具有次级绕组(21)。

23、根据权利要求22所述的电流测量设备，其特征在于，该电路支座由聚酰亚胺材料组成，并且具有介于3μm和80μm之间的厚度(E)。

24、根据权利要求18至23中任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，所述至少一个控制变压器(371、372)和至少一个测量互感器(14)位于相同的绝缘支座(118)上，该绝缘支座在所述电路支座的每个面上具有绕组(116、116、15、21)。

25、根据权利要求24所述的电流测量设备，其特征在于，该电路支座由聚酰亚胺材料组成，并且具有介于3μm和80μm之间的厚度(E)。

26、根据权利要求1至25中任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，该开关装置的所述控制装置包括至少两个容性耦合的电容器(501、502)，每个具有接收控制信号的第一电极(503)和命令开关装置的第二电极(504)。

27、根据权利要求26所述的电流测量设备，其特征在于，其包括由聚酰亚胺材料组成并且具有介于3μm和80μm之间的厚度的电路支座(505)，所述电路支座在第一面上具有所述两个耦合电容器(501、502)的第一电极(503)，并且在第二面上具有所述两个耦合电容器的第二电极(504)。

28、根据权利要求1至27中任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，其还包括开关装置的控制装置(17)，并且该开关装置(16)被集中在MEMS类型的电磁微型元件(122)中。

29、根据权利要求1至28中任一权利要求所述的电流测量设备，其特征在于，其包括电分路(40、40A、40B、401、402)，连接到用于测量电流(IP)的信号输入端，输出信号(SO)表示流入所述分路中的电流。

30、一种电设备单元，包括：

至少一个测量电阻器(40、40A、40B、401、402)，

与所述至少一个测量电阻器串联连接的电力触点(105)，

命令所述电触点的断开的操作机械装置(106)，和

用于处理命令连接到所述机械装置的继电器(108)的保护功能的装置(107)，

其特征在于，其包括至少一个根据权利要求1至29中任一权利要求所述的耦合设备，具有：

与所述至少一个测量电阻器(40、40A、40B、401、402)连接的至少一个信号输入端(SI1、SI2)，和

连接到所述用于处理保护功能的装置(25)的信号输出端(SO)，以提供表示流入所述至少一个测量电阻器的电流的信号(SO)。

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