CN106104284B - 具有连续性检查的电压指示器 - Google Patents

Abstract

一种用于测试设备到源的电气连续性的系统，其中存在将所述设备连接到所述源的至少一个导体，该系统可包括参考电容性负载、振荡器、以及微处理器。所述振荡器选择性地连接到所述参考电容性负载以及将所述设备连接到所述源的每一个导体使得所述振荡器的频率输出与所述振荡器的所选择的电容性负载相关。将所述设备连接到所述源的每一个导体被连接到所述振荡器使得当每一个被选择性地连接时，所述振荡器的输出与该导体的寄生自电容相关。所述微处理器随后可将当每个导体被连接到所述振荡器时所产生的信号的频率与当所述参考电容性负载被连接时所产生的信号的频率进行比较。

Description

具有连续性检查的电压指示器

技术领域

本发明一般涉及连接性指示器并且具体地涉及电压指示器和测试器，所述电压指示器和测试器具有出于验证测量有效的目的而确认电压指示器的连接性的系统。

背景技术

在工业中，经常使用指示器来传达正被监测的信号或者信息的状态。经常利用指示器来告知特定信号或者状态的存在。然而，为了以任何确定性指示信号不存在，需要附加的验证。

当试图以任何确定性指示信号不存在时，需要肯定指示。这在使用诸如发光二极管之类的电子指示器时尤其重要。例如，指示器可被用于通过在信号存在时照射来指示诸如功率、电压、通信等之类的信号的存在。然而，如果指示器未照射，则假设信号不存在(尽管在一些情况下是正确的)并不是所有时间都准确。有若干可能的情况需要考虑：指示器可能已经故障或者已经到达其寿命终点；包括或者控制指示器的电路中的一个或者多个部件可能已经发生故障；或者信号与指示器之间的连接可能被分离或者切断。因此，为了以任何程度的信心验证信号的有效性并且肯定地指示不存在，必须建立并确认信号源与指示器之间的连续性。

信号不存在的肯定指示的这种类型的一个应用涉及电压检测。在对电气设备执行去激励工作之前，需要工人来验证该设备处于电气安全状态。直到另外被证明，人们必须假定该设备被通电并且采取所有必要的预防措施，包括利用合适的个体防护设备(PPE)。对电气安全工作条件的验证的一个部分包括对电压不存在的测试。这个测试由培训过的并且有资格的电气工人使用充分额定电压测试器(通常是便携式电压表或者万用表)来执行。电气工人首先在已知的激励源上测试他的仪表以确保它正常工作。他随后通过计量相对相或者相对地来验证电压存在于电气设备中。最后，他在已知的激励源上重新测试他的仪表以确保它仍然正常运行并且在测试期间未被损坏。尽管电压验证是NFPA70E要求并且被视为最佳实践，但该测试本身仍然存在危险，因为当在测试的现场期间使用电压测试器时工人被暴露于激励电路和导体并且其依赖人来遵循过程，在使用之前和之后验证仪表功能。因此，对于这种类型的应用，能够检测存在并且验证初级(单相或多相AC或者DC)电压的不存在，提供测试自身的手段，以及肯定地指示特定电气隔间中的电压状态的永久安装的设备将是有用的。

发明内容

一种用于测试设备到源的电气连续性的系统，其中存在将所述设备连接到所述源的至少一个导体，该系统可包括参考电容性负载、振荡器、以及微处理器。所述振荡器选择性地连接到所述参考电容性负载以及将所述设备连接到所述源的每一个导体使得所述振荡器的频率输出与所述振荡器的所选择的电容性负载相关。将所述设备连接到所述源的每一个导体被连接到所述振荡器使得当每一个被选择性地连接时，所述振荡器的输出与该导体的寄生自电容相关。所述微处理器随后可将当每个导体被连接到所述振荡器时所产生的信号的频率与当所述参考电容性负载被连接时所产生的信号的频率进行比较。

在一个实施例中，所述参考电容性负载是同一线缆中作为将所述设备连接到所述源的导体(多个)的附加导体，但是其中所述附加导体自身并不连接到源。

附图简述

图1是通过测量诸如寄生自电容之类的电容性负载来确定到主线的连接的系统的框图。

图2是具有与寄生自电容相关地变化的输出频率的振荡电路的框图。

图3A是使用频率参考以便确定诸如寄生自电容之类的未知电容性负载的系统的框图。

图3B是进一步包括微控制器的图3A的系统的框图。

图3C是进一步包括模拟多路复用器的图3B的系统的框图。

图3D是进一步实现能够以多个基频操作的振荡器的图3C的系统的框图。

图4A是使用具有校准线的振荡电路以便确定到电力线的连接性的代表性系统的框图。

图4B是进一步包括图3B和图3C的微控制器和模拟多路复用器并且进一步实现图3D的能够以多个基频操作的振荡器的图4A的系统的框图。

图5是用于利用用于检查连续性的系统来指示电压的设备的一般透视图。

图6是描述图5的设备的功能的硬件框图。

图7是示出图5的设备的内部逻辑的流程图。

优选实施例的详细描述

验证信号不存在的关键步骤之一是执行检查以验证检测方法或者方案实际上在测量信号并且尚未被不知不觉地断开。图1示出了用于通过感测并解译其寄生自电容103来检测主设备110与主信号线115的连接性的系统100。

图2示出了系统200，该系统200使用具有频率输出202的振荡器201，该频率输出202与寄生自电容203相关。由于振荡器201的频率输出202与寄生自电容203相关，因而当输入或者寄生自电容203变化时，频率输出202也将移动。结果，通过监测频率输出202并且将它与基频或者校准频率进行比较，主设备可以知道信号引线是否被连接。

图3A示出了系统300的一个实施例，该系统300检查连续性并且经由参考值305获得基频或者校准频率。图3A示出了使用在振荡器301的所有感测输入上的参考电容302，结合在除了至少一条线之外的所有线上的一组附加或者可变电容性负载303。仅具有参考电容302的(多个)输入可被用作(多个)参考值305以便实现系统300的自校准。随后可将可计量值304(输入还被连接至附加或者可变电容303的那些)与参考值305进行比较以便确定所述输入是否确实连接到附加或者可变电容303。

在一个实施例中，如图3B所示，振荡器301可与微控制器(微处理器)320结合。图3B示出了与图3A的系统300类似的第一替代系统350，除了它允许除参考值305之外的从1至n数量的可计量值的任何地方并且它将微控制器320与振荡器301结合。这通过利用微控制器320将可计量值中的一个与参考值305进行比较来允许对频率的计数以及对寄生自电容负载的变化的检查是可能的。微控制器320可以连接到人机界面322或者诸如安全系统或者监测或控制网络之类的通信或联网接口324。

在另一个实施例中，如图3C的第二替代系统360中所示的，可通过进一步将振荡器301与模拟多路复用器326结合来增加系统精度。来自模拟多路复用器326的选择的连接性将移动振荡器301的频率。此技术通过消除多个振荡器内的公差来提高精度。输入通道的选择可由微处理器320控制。

振荡器301的频率可能是相当高的并且存在测试下的导体的长度可下降到接近于振荡器301的基频的一半波长或多波长并且给检测方案带来问题的弱概率。为了纠正此问题，振荡器301可被配置成在多个基频下操作，如图3D中的第三替代系统370所示。

图4A示出了系统400的一个实施例，该系统400用于检查诸如电压指示器之类的主设备410的连续性。在此实施例中，包含四个导体的屏蔽线缆411朝向三相电源415连线以被主设备410监测。四个导体中的三个被连接到三相电源415，每相一个导体，剩余的导体被留下，未连接到任何电源以便被用作校准线407以便确定参考值405。参考值405可被用于校准并且标准化对线缆长度、温度、和其它变量的测量。往回参考图3A-D，线缆寄生自电容402，或者每一个导体的由于线缆411的对地电容，将与来自图3A-D的参考电容302类似，并且电力寄生自电容403，每一个导体的由于与三相电源415的连接的对地电容，将与图3A-D中的附加或者可变电容性负载302类似。使用振荡器401，针对连接到电源415的导体中的每一个获得输出值(可计量值404)以及针对参考值405获得输出值。每一个输出值的频率将基于每一个导体相对地的电容。连接到电源的导体的输出值、可计量值404，随后被与参考值405进行比较。如果针对可计量值404的导体确实连接到电源415，那么它们的对地电容应当与校准线407的对地电容显著不同，从而导致可计量值404的输出信号具有与参考值405显著不同的频率。然而，如果可计量值404中的一个具有与参考值405类似的输出频率，那么该导体未被连接到电源415。

图4B示出了用于检查诸如电压指示器之类的主设备410的连续性的系统450的替代实施例，该系统450与图4A的系统400类似，除了系统450包括图3B-D中所示并且在上文描述的模拟多路复用器426、微控制器420、以及具有多个基频的振荡器401。

另一个实施例使用具有未屏蔽线缆的接地线来获得如上文所述的每个导体的对地电容。

以上描述的连接性检查可被用于被设计成检测电压的存在和不存在两者的设备中。这允许工人测试电压的不存在并且在打开电气外壳之前接收电压不存在的经验证的指示。这样的设备的目的是要检测存在并且验证初级(单相或者多相ac或者dc)电压的不存在。该设备将在面板关闭时经由穿过面板安装的指示模块来可视化地指示电压是存在还是不存在。

图5和6示出了这种设备500的一个实施例。设备500具有指示模块501、内部模块502、多导体系统503、具有附接端子的电力附接引线504、和具有附接端子的接地引线505。在一个实施例中，该设备具有三个输出状态：电压存在(指示器模块上(多个)红色LED照射)、电压不存在且电压不存在已被验证(绿色LED照射)，以及未知或者出故障的设备(没有LED照射)。注意，在其它实施例中，合适的指示器的任何种类或者组合可以用来代替提到的LED。

如图5所示，电力连接引线504可以由三个分离线形成。每一个线可以是大概相同的长度并且可以在一端处(内部模块502内)被预先端接。电力连接引线504的另一端将是自由的并且可具有预安装的附接连接器。该附接连接器可被用于促进与电气面板内的三相电源的连接。当该设备被安装时，一个电力连接引线504将被硬接线到电源(线路或者供应侧)的每一相(L1，L2，L3)。对于典型应用，电力连接引线504可被安装在面板内的电气断开器506的上游(线路/供应侧)或者下游(负载侧)。附接连接器被设计成促进电力附接引线504与电力导体的安全连接，而不管电力导体的直径或者类型。附接类型可以包括，但不限于，标准线端子、可调宽度片状端子、包裹导体的导电标记、绝缘套管、吸血鬼夹具(vampireclamp)或者任何其它可接受的搭线(wiretapping)、接合、或者拼接连接。

接地引线505可与电力连接引线504类似。它可以在一端处(在内部模块502的内部)被工厂端接，并且将具有带有可选的工厂安装端子的自由端以在设备500被安装在面板内时允许容易地附接到地(G)。

内部模块502是设备500的为连接引线(电力连接引线504和接地引线505)与多导体系统503之间的接口的那部分。内部模块502可包括用于将三相电源电压中的每一相转换为不危险的水平的设备电压(小于50Vac，小于60Vdc通常被认为是不危险的；大约10Vac是优选实施例)的电路。这是重要功能，因为它确保通过多导体系统503传输至指示器模块的任何电力或者信号将是安全水平并且不出现触电危险。内部模块502可具有成为安装至或者表面安装至外壳内的平面表面的DIN导轨的预设(provision)。在一个实施例中，内部模块502具有指示器，该指示器将在初级三相电压存在时发信号(即，可视的、可听见的)。内部模块502可以是或者可以不是封装的或者共形地涂布的。

多导体系统503可包括至少5条线(L1，L2，L3，G，和校准线)。校准线可被用于在使用类似于上述的系统并且在图4A和B中示出的系统进行的连接性检查中获得参考值。在多导体系统503的一端处，每一个线将在内部模块502内被工厂端接。线缆的另一端将经由连接器连接至指示模块501。该连接器可以是工厂安装的(如果提供了预定的线缆长度)或者该连接器可被设置成，一旦多导体系统503已被切至合适长度将在现场被安装。

指示模块501由被设计成检测、验证、和指示三相电路的电压状态的电路构成。在该设备的一个实施例中，我们还可以指示对地的连续性。指示模块电路还可以包含记录启动测试的时间/日期以及当模块被激活时由该模块指示的所得信号的电路。可穿过电气面板永久地安装指示模块501，最像门或者盖。较佳的实施例可使用标准脱模(knockout)，可能地30mm圆形脱模。然而，其它实施例可能不是永久安装的且相反是便携式的。门或者盖的内侧可以容纳与多导体系统503相配的连接器或者插座接口。外侧可包括用户界面507。在一个实施例中，用户界面可包括照射以指示状态的一组各种颜色的LED 508。用户界面还可以包括测试按钮509或者其它激活所述设备的装置。指示模块501还可以容纳单独的电源，诸如电池。(有可能利用其它电源，诸如可再充电电池、超级电容器、混合动力概念(hybridconcept)、或者网络电源。还可能的是可将这些替代电源和它们的相关联电路，以及检测、验证、和指示电路的任意组合容纳在内部模块502中。)指示器模块501可包括可移动的帽特征，其允许在没有打开面板或者暴露于电气危险的情况下从电气面板外对安装设备完成电池更换和设备维护。

图6是示出设备500的连接和部件中的一些关于它们在指示器模块501或者内部模块502中的布置的布置的硬件框图。在此实施例中，用户界面507、微控制器510，以及每一相512、地513、以及校准线514的设备电压和线连接电路位于指示器模块501中(可替换地，包含在指示器模块501中的大部分电路，诸如微控制器510以及线连接电路512、513、514还可以位于内部模块502中)。每一相515、地516、以及校准线517的源电压至设备电压接口被包含在内部模块502中。图6还示出了包含连接到每一相(L1，L2，L3)的设备电压侧和地(G)线的振荡器的微控制器510。振荡器的输出频率取决于输入电容的值。往回参考图5，当此电路的输入，电力连接引线504，被附接到诸如断开器506之类的线或者端子时，电容变化从而导致输出频率移动。通过监测频率并且获知基频或者校准频率(从校准线获得)，微控制器510将获知引线是否是连接的或者开路的。

参考图7，流程图详述了设备500的内部逻辑，为了指示电压的存在(如果电压以任何相存在)，指示器将在指示器模块501(例如(多个)LED 508)上发信号。为此，设备500可以从正被监测的电路导出其电力。这可以自动地完成且无需用户交互。一旦用户激活设备(在本实施例中通过按压按钮)，应当注意决策树可不一定按所指示的序列进行并且可以添加进一步检查以确保安全和可靠性。

为了指示电压不存在，设备500利用单独的电源，诸如电池、超级电容器、或者网络电源(例如，以太网供电)。在一个实施例中，在指示电压不存在之前，可以通过按下并保持位于指示模块501上的测试按钮509来激活该显示。这将开启一系列的内部测试和检查以验证没有电压存在于主电路上并且该设备正按照预期操作。在该设备的替代实施例中，激活该设备的其它方式可包括，但不限于，远程激活，非接触激活(例如，摆手)。

注意到为了以任何确定性指示电压不存在，必须使用肯定指示是重要的。仅仅因为电压存在指示器(在此实施例中为红色LED)未被照亮而假定电压不存在是不够的；存在几个必须首先被考虑的故障方法。例如，如果红色LED未被照亮，则其可能是因为所述红色LED已经失败或者到达它们的寿命终点并且电压存在，检测和指示电路中的部件中的一个或者多个已经失败并且电压存在，在被监测的电路和所述指示器之间的连接已经失败，已被切断，或者以其它方式在某点处变得断开并且电压存在，和/或电力已经在电分布方案中的上游点处断开并且电压确实不存在。在以上情形中，如果人们由于没有来自电压存在指示器的信号而要假定电压不存在，则除了最后示例外的所有示例将导致危险局面。大部分现有技术通常以这种方式操作，通常仅指示电压的存在。

为了验证电压不存在，连同验证电路使用单独的电源。验证电压不存在的关键步骤之一是要执行检查以验证电压检测器实际上在测量初级电路并且尚未被不知不觉地断开。如图7所示，用户可以通过按压测试按钮来启动此测试。如先前所描述的，用于完成连续性检查的一种方法是通过使用由(多个)微控制器监测的振荡器电路，该(多个)微控制器将电力连接引线的电容与参考值进行比较。

用于检查连续性的替代方法可以通过在至少两个位置中连接到初级相并且使用相导体来完成电路来完成。如果引线是断开的，则将导致开路状况。如果使用该方法，则每个单独相的单独引线可以位于单独的线缆中并且被安装在其进入外壳的点与电气断开器之间的进入导体上的任何位置中(对于特定应用，有可能安装在电气断开器的下游)。替代地，每一单独相的引线可以在单个线缆中并且利用单个连接器被安装在进入导体上。

本申请下的电压指示器可包含当设备被询问(即，推动按钮以启动测试)时记录时间、日期、以及设备状态的存储单元。对审核目的来说这可能是有用的特征。例如，此特征将允许监管者、监控者等来验证测试被执行以确保电压不存在。它还将指示，设备是否真实地给出指示电压不存在的读数。这样，如果存在事故，则设备中的存储器可被用于确定这是否是用户错误、设备错误、正在工作的电气面板的未记档的变化等，并且可以采取纠正动作。

本申请大体上已经将电压指示器描述为永久安装于电气系统上的设备。这是优选实施例；然而，有可能将用于电压检测、验证测试、以及指示的技术实现为便携式或者半便携式的模块化系统。具有便携式元件的模块化将允许在其它已知电压源上测试设备。有可能将该系统的一部分永久地安装在单独的电气外壳上，并且随后使用单个便携式元件来与安装在一个或者多个电气外壳内的设备的该部分相接。

在一些实施例中，电压检测器可具有执行自测试的能力。这种测试可以自动地启动或者根据来自用户输入的提示而启动以测试电子电路(诸如内部存储器、振荡器、以及其它部件或者系统等等)，以确保设备以及内部电路和软件正按照预期在执行并且将产生准确结果。如果在自测试期间发现差异，所述设备将不指示信号的不存在。

尽管已经示出并描述了本发明的特定实施例和应用，但应当理解的是，本发明不限于本文中揭露的精确构造和组成并且各种修改，变化以及变形可从前述内容中显而易见而不背离所描述的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于测试设备通过线缆到源的电气连续性的系统，所述线缆包含将所述设备连接到所述源的至少一个导体，所述系统包括：

参考电容性负载；

振荡器，所述振荡器选择性地连接到所述参考电容性负载和所述至少一个导体，所述振荡器被配置成使得所述振荡器的频率输出与连接到所述振荡器的所选择的电容性负载相关，所述至少一个导体连接到所述振荡器使得当所述至少一个导体被连接时，所述振荡器的频率输出与所述至少一个导体的寄生自电容相关；以及

微处理器，所述微处理器连接到所述振荡器，所述微处理器被配置成将当所述至少一个导体被选择性地连接时所产生的信号的频率输出与当所述参考电容性负载被选择性地连接时所产生的信号的频率输出进行比较，

其中除了所述至少一个导体外，所述线缆进一步包含参考导体，并且进一步其中所述参考导体未连接到所述源并且所述参考导体的寄生自电容被用于所述参考电容性负载。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个导体和所述参考电容性负载经由多路复用器被选择性地连接到所述振荡器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述源为电源。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述源是三相电源。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个导体包括三个导体，所述三个导体中的每一个导体连接到所述三相电源中的不同线，并且所述三个导体中的每一个导体经由所述多路复用器被选择性地连接到所述振荡器。

6.一种用于确定设备通过线缆到源的电气连续性的方法，所述线缆包含将所述设备连接到所述源的至少一个导体，所述方法包括：

提供振荡器，所述振荡器具有与连接到所述振荡器的电容性负载相关的频率输出；

选择性地将参考电容性负载连接到所述振荡器；

选择性地将所述线缆的所述至少一个导体中的第一导体连接到所述振荡器使得所述振荡器的频率输出与所述第一导体的寄生自电容相关；以及

将通过连接所述参考电容性负载所产生的信号的频率输出与通过连接所述第一导体所产生的信号的频率输出进行比较，其中所述参考电容性负载由包含在所述线缆内的参考导体提供，所述参考导体未被连接到所述源。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括选择性地将所述线缆的所述至少一个导体中的第二导体连接到所述振荡器使得所述振荡器的频率输出与所述第二导体的寄生自电容相关，以及将通过连接所述第二导体所产生的信号的频率与通过连接所述参考电容所产生的信号的频率输出、以及与通过连接所述第一导体所产生的信号的频率输出进行比较。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括选择性地将所述线缆的所述至少一个导体中的第三导体连接到所述振荡器使得所述振荡器的频率输出与所述第三导体的寄生自电容相关，以及将通过连接所述第三导体所产生的信号的频率输出与通过连接所述参考电容所产生的信号的频率输出、通过连接所述第二导体所产生的信号的频率输出以及通过连接所述第一导体所产生的信号的频率输出进行比较。

9.根据权利要求6所述的方法，其中经由多路复用器执行所述参考电容性负载到所述振荡器的选择性连接以及所述第一导体到所述振荡器的选择性连接。