CN105467184A - 无线罗戈夫斯基线圈系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线罗戈夫斯基线圈系统。传感器单元中的罗戈夫斯基线圈具有由被罗戈夫斯基线圈环绕的导体所感生的电压。对所述电压进行积分以表示电流，所述电流被转换成表示导体中的电流的数字数据并被无线地发送到万用表。传感器单元可以从万用表接收控制信号。多个传感器单元可以被联网并被远程控制装置所控制。

Description

无线罗戈夫斯基线圈系统

技术领域

本公开涉及无线传感器，尤其涉及无线罗戈夫斯基（Rogowski）线圈系统。

背景技术

万用表（也称为数字万用表或“DMM”）被适配用于测量通常对于服务、故障检测和维护应用所需的多个参数。这些参数典型地包括a.c.（交流电）电压和电流、d.c.（直流电）电压和电流、以及电阻或连续性。诸如频率、电容和温度之类的其他参数也可以被测量以满足特定应用的要求。为了利用通用万用表测量电流，具有已知电阻的内部电流分流器必须插入在电流路径中，要求承载电流的导体中的断路。跨越电流分流器的电压降然后被测量以确定电流流动。

采用内部电流分流器的通用万用表通常被限制为最大十安培，这是由于用于承载电流的万用表测试引线和电路的容量。此外，既出于安全原因又为了防止对万用表的损害，万用表通常必须用内部保险丝来保护以防止过量的电流水平流过万用表。与获得替换保险丝所必要的时间和成本相联结的移除熔断保险丝方面的困难使得获得不需要内部保险丝的非接触电流测量仪器是合期望的。

夹合式（clamp-on）万用表提供了用于通过采用组成的电流夹钳来测量通用万用表上的电流的改进能力，所述电流夹钳感测承载电流的导体中的电流而不必切断承载电流的导体或断开包括承载电流的导体的电路。电流夹钳典型地被提供在与万用表相同的外壳中，所述万用表以常规的方式使用单独的测试探测器来测量诸如电压和电阻之类的其他参数。使电流夹钳围绕承载电流的导体而闭合以感测由电流流动产生的磁场，所述承载电流的导体可以包括铜线和排线条（bussbars）。电流夹钳提供电压信号以用于由万用表进行的测量，所述万用表计算并显示测量的电流水平。因为不存在通过夹合式万用表从承载电流的导体分流的电流，所以对可以被测量的最大电流的约束已经被很大程度地消除。同样地，已经在夹合式万用表中消除了内部保险丝。

为了获得有效的电流测量，电流夹钳中的磁芯必须完全包围承载电流的导体，以使得电流夹钳完全闭合。电流夹钳必须被机械地致动以打开钳口，插入承载电流的导体，以及然后使钳口围绕承载电流的导体而闭合。在诸如电气柜（electricalcabinet）之类的紧密物理空间中，插入夹合式万用表并使用该技术来进行电流测量是不便捷且困难的。此外，钳口必须被对准以使磁芯完整以用于获得有效的电流测量。夹合式万用表因此难以用于受限的空间中并且在其中要求较大的物理空间以打开电流夹钳的钳口的。

夹合式万用表还趋向于是物理上沉重的，这是由于在磁芯上使用的相当大量的铁。此外，高电流水平可能使磁芯饱和。夹合式万用表的电流测量容量因此被限制于不使磁芯饱和的电流水平。夹合式万用表和有线罗戈夫斯基（Rogowski）线圈二者能够感测流过被夹钳或罗戈夫斯基线圈所环绕的导体的交流电。然而，罗戈夫斯基线圈和夹钳之间存在许多差异。例如，与万用表的基本上刚性的夹钳相比，罗戈夫斯基线圈是更柔性的并且具有更小的横截面。罗戈夫斯基线圈因此能够被用于对于夹钳型万用表而言过于紧密和/或过于小的受限的空间中。另外，罗戈夫斯基线圈的环（loop）能够被重新成形以环绕具有夹钳所不能围绕的横截面的导体。另一个差异是罗戈夫斯基线圈与夹钳相比的更大的电流测量能力。具体地，空气芯并不在使夹钳的芯的磁性材料饱和的电流水平处变为饱和。

然而，罗戈夫斯基线圈被连接线缆的寄生电阻、电容和电感所限制。为了使寄生效应最小化，期望将连接线缆的长度保持为切实可行地短。连接线缆的长度还限制罗戈夫斯基线圈的放置和查看用线圈所获取的测量结果的技术人员的位置之间的距离。被罗戈夫斯基线圈包围的导体可以处于具有用于操作万用表的人员的有限空间的机柜或空间中。导体可以承载对技术人员表现出危险的大电压和电流，因为与暴露的导体的意外接触可能是有害的并且可能致命。尽管由诸如在美国专利No.8,330,449中示出和描述的那些之类的系统取得了进展，但仍存在对于无法由接线到万用表的罗戈夫斯基线圈提供的改进的便捷性和安全性的未满足需要。

发明内容

提供本概要来以简化的形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本概要并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在被用作在确定所要求保护的主题的范围时的帮助。

本文所描述和示出的实施例针对无线远程控制的罗戈夫斯基线圈、控制无线罗戈夫斯基线圈的系统、以及用于远程测量被罗戈夫斯基线圈所环绕的导体中电流的方法。特别地，无线远程控制的罗戈夫斯基线圈是具有伸长的罗戈夫斯基线圈的传感器单元。被线圈所环绕的导体在罗戈夫斯基线圈中感生电压。由积分器电路或设备对该电压进行积分以提供表示导体中的电流的输出信号。通过模数转换器将电流信号转换成数字信号。表示电流的数字信号被收发器无线地传输，所述收发器发送数字数据并且接收控制信号。万用表或其他控制装置具有用于从传感器收发器接收数字数据并且用于向罗戈夫斯基线圈的收发器发送控制信号的无线收发器。

传感器单元可以具有存储器和控制器。积分器和模数转换器可以是不同的设备或电路或者被结合到控制器中。

控制信号被配置成将传感器收发器置于空闲模式，命令传感器单元退出空闲模式并且获取导体中的电流的一个或多个读数，或者周期地传输导体中的电流的读数。

附图说明

随着本发明的前述方面和许多伴随的优势在结合附图时通过参考下述具体实施方式而变得被更好地理解，本发明的前述方面和许多伴随的优势将变得更容易被领会，其中：

图1是根据用于测量交流电的本公开的实施例的具有无线罗戈夫斯基线圈传感器单元的万用表的示意性图示；

图2是根据本公开的实施例的罗戈夫斯基线圈的组件的示意性图示；以及

图3是根据本公开的实施例的万用表的组件的框图。

具体实施方式

以下参考包括导体的电气电路来描述根据本公开的实施例的具体细节。本公开的其他实施例可以具有与本部分中描述的那些所不同的配置、组件、特征或过程。因此，本领域普通技术人员将相应地理解到，本公开可以具有带有附加要素的其他实施例，或者本公开可以具有没有以下参考图1-3示出和描述的要素中的若干个要素的其他实施例。

图1是无线地耦合到罗戈夫斯基线圈传感器200的万用表100的示意性图示。万用表100包括具有细长形状的外壳120，由此用户（未示出）能够舒适地握持外壳120。

在外壳120上提供夹钳140。夹钳140包括分别具有芯144a和144b的夹钳部分142a和142b的对。夹钳芯144a和144b可以包括围绕由可磁化材料（例如，铁）制成的芯的绕组（未示出）。第一夹钳部分142a可移动地附接（例如，枢轴地附接）到外壳120，并能够移动到用点划线（one-dot-chainline）示出的布置。第二夹钳部分142b可以相对于外壳120来固定。夹钳部分142a和142b分别包括端部146a和146b，并且因此能够以打开布置来定位，其中端部146a和146b被间隙所分离。夹钳部分142a和142b还能够以闭合布置来定位，其中端部146a和146b邻接地啮合。因而，在图2中以实线示出的夹钳140的闭合布置具有近似环状的形状。固定到第一夹钳部分142a的杆150可以用于相对于第二夹钳部分142b和/或外壳120来移动第一夹钳部分142a。夹钳140被配置成感应地感测由以闭合布置的夹钳140所环绕的导体C中的交流电的流动。夹钳140可以包括用于例如感测在导体C中流动的直流电的霍尔效应电流传感器（未示出）。夹钳140可以在不断开包括导体C的电气电路（图2中未示出）的情况下感测电流的流动。夹钳140可以产生与电流流动相对应的第一电压范围中的第一信号。

外壳120包括具有用于感测其他电气参数的一个或多个端子181、182、183的端口180。其他传感器的引线的端部上的插头（未示出）可以连接到端口180以将指示电压、电阻和/或温度的各种信号引入到万用表100。

外壳可以包括显示器130，例如液晶显示器（LCD）。显示器130示出由夹钳140感应地感测的诸如交流电或交流电频率之类的测量参数。特别地，通过被夹钳140环绕的导体C中的电流的流动来在夹钳140中感生信号。显示器130还示出由经由端口180接收到的信号所感测的电气参数。如果期望的话，具有三头插头（threeprongplug）的另一个罗戈夫斯基线圈可以被插入到端口180中。这样的有线罗戈夫斯基线圈在美国专利No.8,330,449中被示出并描述，所述专利被转让给本专利的受让人，并且由此出于所有目的通过引用而结合其全部内容。

外壳120包括一个或多个选择器190，例如按钮192和/或旋转切换器194。选择器190可以开启和关闭用于万用表100的电源（未示出）和/或改变万用表100的测量模式。例如，旋转切换器194可以被转动以选择用于利用夹钳140测量交流电的模式。可以用选择器190选择用于测量电压、电阻、温度等的其他模式。根据本公开的实施例，选择器190还可以用于选择用于利用罗戈夫斯基线圈传感器200测量交流电的模式。

罗戈夫斯基线圈200包括环210、悬架（pendant）230、信号线缆240和无线控制器250。此外，参考图2，环210包括具有中心线的环形线圈212，其由围绕柔性、非磁性芯214以螺旋形缠绕的相同的线所环绕并被包覆在柔性覆盖物216中。作为结果，使线圈的一端通过线圈本身并带出另一侧，以使得线圈的两端在同一侧212a上。根据本公开的一个实施例，非磁性芯214包括空气。覆盖物216可以足够刚性以保护环形线圈212的形式，并仍足够柔性以允许环210在长度和/或形状方面被调整。环210的长度可以利用悬架230来调整。环形线圈的起始匝212a和环形线圈的结束匝212b被信号线缆240电气连接到无线控制器250（图3）。结束匝212b具有插接到悬架230的绝缘套管234中的绝缘帽232。技术人员通过从悬架230中移除端部212b而打开环210、围绕导体定位该环定、以及通过将帽232插入到套管234中而使环210重新闭合。

无线控制器250向万用表100发送数据信号并从万用表100或其他控制装置接收控制信号。夹钳140和罗戈夫斯基线圈传感器200二者都能够感测流过被夹钳140或环210围绕的导体的交流电。然而，在罗戈夫斯基线圈传感器200和夹钳140之间存在许多差异。例如，与基本上刚性的夹钳部分142a和142b相比，环210更柔性并具有更小的横截面。罗戈夫斯基线圈传感器200可以相应地用于对于夹钳140而言过于紧密和/或过于小的受限空间中。另外，环210可以被重新成形以环绕具有夹钳140所不能密切围绕的横截面的导体。另一个差异是罗戈夫斯基线圈传感器200与夹钳140相比更大的电流测量能力。具体地，空气芯不会在使芯144a和144b的磁性材料饱和的电流水平处变为饱和。又一个差异是，罗戈夫斯基线圈传感器200通过信号线缆240来与万用表100间隔，而夹钳140的相对位置相对于万用表100是固定的。因而，夹钳140和万用表100可以作为单个单元而被操纵，而罗戈夫斯基线圈传感器200允许用户围绕导体来定位罗戈夫斯基线圈传感器单元200并将万用表100保持在从接近于导体移开的安全位置。

图3是根据本公开的实施例的包括万用表100和罗戈夫斯基线圈传感器单元200的系统的组件的框图。万用表100包括显示器130、夹钳140和端口180、无线收发器140、选择器190和处理器110。无线收发器150通过发送控制信号并从罗戈夫斯基线圈传感器单元200接收数据信号来与罗戈夫斯基线圈传感器单元200进行通信。控制信号可以包括对传感器单元200的命令，用于从空闲或睡眠模式上电、下电到空闲或睡眠模式、提供由环210感测到的电压的当前读数、或者提供由环210感测到的电压的周期性读数。夹钳140包括绕组，其在不断开电气电路的情况下感应地感测交流电并且产生与该交流电相对应的第一电压范围中的第一信号。例如，第一电压范围可以以毫伏为单位来测量。由向显示器130输出信号的处理器110来接收第一信号。类似地，来自端口180的其他信号也由处理器110来接收。根据某些实施例，选择器190选择处理器110用来在显示器130上呈现期望的测量结果的（一个或多个）信号。

罗戈夫斯基线圈传感器单元200在不断开电气电路的情况下感应地感测交流电并且产生与交流电相对应的第二电压范围中的第二信号。例如，第二电压范围可以以微伏为单位来测量。罗戈夫斯基线圈传感器200具有无线控制单元250，其将数据无线地发送到万用表100并从万用表100或其他控制装置接收一个或多个命令。无线控制单元250具有控制器300、信号调节电路301、存储器302、收发器304、天线305和电源306。控制器300可以是微处理器、数字信号处理器、专用电路或可编程逻辑控制器。信号调节电路可以包括用于滤波器、积分器、模数转换器的一个或多个电路或者用于将来自罗戈夫斯基线圈环210的信号配置成对于由控制器300处理而言以及对于在存储器302存储而言可接受的任何其他电路。在其他实施例中，一个或多个调节电路被直接结合到控制器300中。在更进一步的实施例中，至少存在用于将来自环210的电压信号转换成数字数据信号的模数电路，所述数字数据信号被发送到万用表100或被存储直到被万用表100需要为止。

存储器302可以是单独的存储器，可以被直接结合到用于控制器300的电路中，或者可以是单独的存储器和控制器300中的第二存储器二者。存储器302可以存储用于对由收发器304接收到的命令进行解译并进行响应的系统和应用程序。收发器304是任何合适的无线电发射器和接收器。在一些实施例中，收发器遵从原始蓝牙标准。其他实施例遵从蓝牙低能量标准。另外的其他实施例遵从Wi-Fi标准。可替换实施例遵从任何其他合适的射频标准。电源306直接或间接地向控制器300、信号调节电路301、存储器302、收发器304和天线305提供电力。电源可以包括电池，所述电池包括且不限于可再充电电池。

在其他实施例中，远程控制装置400被维护人员（attendant）404操作以从一个或多个罗戈夫斯基线圈传感器单元200和万用表100接收信息以及向一个或多个罗戈夫斯基线圈传感器单元200和万用表100发送控制信号。远程控制装置可以经由一个或多个网络与罗戈夫斯基线圈传感器单元进行通信，所述一个或多个网络包括且不限于在收发器304的范围中的本地无线网络。

以上描述的实施例克服了一个或多个缺陷并解决了当罗戈夫斯基线圈接线耦合到万用表时产生的问题中的一个或多个。无线单元100、200提供实质上无限的灵活性以便允许技术人员将罗戈夫斯基线圈传感器单元200安全地放置在目标导体上，并且在操纵万用表100以获取导体的读数之前安全地从该导体离开。连接线缆240可以非常短，并且可以与悬架230的底部成一整体，从而降低寄生因素（诸如，连接线缆240的电阻、电容和电感）的潜在的不利影响。在其他实施例中，线240被包围在相对短的刚性绝缘导管中。

本公开的一些实施例具有无线传感器单元，其包括耦合到罗戈夫斯基线圈的积分器电路、耦合到积分器的输出的模数转换器和耦合到模数转换器的输出的无线发射器。无线发射器连续地传输模数转换器的输出。诸如美国专利No.8,330,449中示出的那些之类的现有万用表可以被修改成具有经由端口180接线连接的接收器或收发器，以使得电流数据可以被接收并在万用表100上显示。因此，本公开不限于万用表100的传感器单元200中的任何一个类型的电路系统的特定放置。

在一些实施例中，万用表100还可以在端口180中接纳有线罗戈夫斯基线圈。这样的万用表还包括积分器112，以将来自有线罗戈夫斯基线圈的第二信号按比例缩放到第一电压范围，例如以将罗戈夫斯基线圈的微伏输出按比例放大到处理器110可以处理的毫伏信号。万用表100的外壳120将处理器110、积分器112、显示器130、夹钳140、端口180和选择器190包括在内。

在本公开的其他实施例中，其他主机或控制装置可以取代万用表100。例如，具有无线收发器而没有夹钳140的其他数字万用表可以取代万用表100。另外的其他实施例可以使用其他装置来控制传感器单元，该其他装置包括且不限于平板设备、智能电话、个人数字助理（PDA），以及个人计算机（PC），其装备有可以从传感器单元200接收信号并向该传感器单元发送控制信号的收发器。这样的DMM、平板设备、智能电话、PDA和PC可以具有调节电路系统和/或软件以从传感器单元100接收表示经处理电流的未处理信号，或者传感器单元100可以具有调节电路系统和/或软件以传输表示所测量电流的经处理信号。

在说明书中以及在附图中阐述了本公开的实施例的具体细节以提供对这些实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解到，本发明可以在没有这些细节中的若干细节的情况下被实践，或者附加细节可以被添加到本发明。尚未详细示出或描述众所周知的结构和功能以免不必要地使本公开的实施例的描述晦涩难懂。

除非上下文明确要求，否则遍及说明书和权利要求，词语“包括”、“包含”等将以包含性的意义来解释，与排除性或穷尽性的意义相反；也就是说，以包括但不限于的意义来解释。此外，词语“本文”、“以上”、“以下”和类似含义的词语，当在本公开中被使用时应指的是作为整体的本公开，而不是本公开的任何特定部分。在上下文准许的情况下，在以上具体实施方式中使用单数或复数的词语还可以分别包括复数或单数。引用两个或多个项目的列表的词语“或”涵盖该词语的以下解释的全部：列表中的项目的任一个，列表中的所有项目，以及列表中的项目的任何组合。

实施例的以上详细描述不旨在是穷尽的，或者将本发明限制成以上公开的精确形式。虽然以上出于说明性目的描述了本发明的具体实施例和针对本发明的示例，但在本发明的范围内各种等同修改是可能的，如相关领域中的技术人员所将认识到的那样。

虽然以下以某些权利要求形式呈现了本发明的某些方面，但发明人预计到以任何数目的权利要求形式的本发明的各种方面。因此，发明人保留在提交本申请之后添加附加权利要求的权利以诉求用于本发明的其他方面的这样的附加权利要求形式。

虽然已经说明并描述了说明性实施例，但将领会到的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在其中做出各种改变。

Claims (18)

1.一种系统，包括：

伸长的罗戈夫斯基线圈，其用于检测表示被罗戈夫斯基线圈环绕的电导体中的电流的信号；

无线控制单元，其耦合到罗戈夫斯基线圈以用于无线地传输与检测到的信号相对应的信息；以及

万用表，其具有用于接收由无线控制单元传输的信息的无线收发器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述无线控制单元包括信号调节电路和控制器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述信号调节电路包括积分器。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述信号调节电路包括模数转换器。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器包括以下各项组成的组中的至少一个：微处理器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器和专用集成电路。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述无线控制单元包括控制器，所述控制器具有用于对检测到的信号进行积分并且用于将经积分的检测到的信号转换成数字信号的信号调节电路。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述无线控制单元包括用于存储数字信号的存储器。

8.根据权利要求2所述的系统，其中所述无线控制单元包括用于发送表示所测量的电流的信息以及用于接收控制信号的无线收发器。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述无线控制单元被配置成在空闲模式中进行操作。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述无线控制单元被配置成测量电流并且响应于控制信号来传输关于所测量的电流的信息。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述无线控制单元被配置成测量电流并且周期地传输关于所测量的电流的信息。

12.根据权利要求1所述的系统，包括远程控制装置，其用于向无线传感器单元发送控制信号。

13.根据权利要求12所述的系统，包括多个传感器单元。

14.一种系统，包括：

伸长的罗戈夫斯基线圈，其具有由被罗戈夫斯基线圈环绕的导体中的电流所感生的电压；

积分器，其耦合到罗戈夫斯基线圈来对罗戈夫斯基线圈的电压进行积分以提供表示导体中的电流的输出信号；

模数转换器，其用于将积分器的输出转换成表示导体中的电流的数字数据；

收发器，其用于传输数字数据以及用于接收控制信号；以及

万用表，其具有用于从传感器收发器接收数字数据的无线收发器。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述传感器单元还包括存储器和控制器，所述控制器耦合到积分器、模数转换器和收发器。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述传感器收发器接收控制信号。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制信号被配置成将传感器收发器置于空闲模式中或命令收发器收集表示导体中的电流的数据。

18.一种用于测量导体中的电流的方法，包括：

利用罗戈夫斯基线圈环绕导体以在罗戈夫斯基线圈中感生电压；

对罗戈夫斯基线圈的电压进行积分以导出表示导体中的电流的信号；

将表示导体中的电流的所导出的信号转换成数字数据；

向远程接收器无线地传输数字数据；

无线地接收控制信号以控制用于测量导体中的电流的功率和用于测量导体中的电流的时间；

在与罗戈夫斯基线圈间隔的位置处，接收数字数据；

显示数字数据；以及

发送控制信号以控制用于测量导体中的电流的功率和用于测量导体中的电流的时间。