CN108072780A - 非接触式电流测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“非接触式电流测量系统”。本发明提供了系统和方法，所述系统和方法提供非接触式电流测量系统，所述非接触式电流测量系统用于测量流过绝缘线的交流，而不需要与所述绝缘线电流接触。所述测量系统可包括磁场传感器，所述磁场传感器可选择性地被定位成接近待测绝缘线。所述磁场传感器在操作中检测由所述绝缘线中流动的所述电流产生的磁场。通过使用可调节夹持组件，测量系统提供对所述绝缘线相对于所述磁场传感器的机械定位的控制以确保一致的测量。非接触式电流测量系统可确定与所述绝缘线的物理尺寸（例如，直径）相关的信息。通过使用所检测的磁场、已知的机械定位以及所确定的与所述绝缘线的所述物理尺寸相关的信息，所述测量系统在没有电流接触的情况下准确地确定流过所述绝缘线的所述电流的大小。

Description

非接触式电流测量系统
背景技术
技术领域
本公开整体涉及电特性的测量，并且更具体地，涉及电路中的交流(AC)的非接触式测量。
相关领域的说明
电流表是用于测量电子电路中电流的仪器。测量多于一种电特性的仪器称为万用表或数字万用表(DMM)，并且用于测量服务、故障诊断和维护应用通常所需的许多参数。此类参数通常包括交流(AC)电压和电流、直流(DC)电压和电流以及电阻或导通性。还可以测量其他参数，诸如功率特性、频率、电容和温度，以满足特定应用的要求。
为了用通用万用表测量电流，必须在电流通路中插入具有已知电阻的内附电流分流器，从而需要断开载流导体。然后测量跨电流分流器的电压降，以确定电流通路中的电流。由于万用表测试导线和电路的载流能力，采用内附电流分流器的通用万用表的可测量电流很有限，通常不超过几安培。此外，为了安全原因和防止损坏万用表两者，万用表通常必须用内附熔丝进行保护，以防止过大的电流流过万用表。
对于测量AC电流的常规电流表或万用表，可能需要使至少一个测量电极或探头与导体电流接触，这通常需要断开电路和/或切除绝缘电线的一部分绝缘体，或提前提供测量端子。除了需要暴露的线或端子用于电流接触之外，由于具有被电击或触电的风险，将探头接触到剥离的线或端子的步骤可能是相当危险的。
发明内容
非接触式电流测量系统可以总结为包括：可调节夹持组件，该可调节夹持组件选择性地夹持绝缘线并且可将该线定位在限定位置；位置反馈传感器，该位置反馈传感器在操作中生成指示被夹持在可调节夹持组件中的绝缘线的直径的位置反馈传感器信号；磁场传感器，该磁场传感器被定位成接近可调节夹持组件，其中该磁场传感器在操作中生成磁场传感器信号，该磁场传感器信号指示流过被夹持在可调节夹持组件中的绝缘线的电流的至少一个特性；以及至少一个处理器，该至少一个处理器通信地耦接到位置反馈传感器和磁场传感器，其中该至少一个处理器在操作中：从位置反馈传感器接收位置反馈传感器信号；从磁场传感器接收磁场传感器信号；并且至少部分地基于所接收的位置反馈传感器信号和磁场传感器信号来确定流过绝缘线的电流的至少一个特性。
可调节夹持组件可包括第一夹持表面和第二夹持表面，第二夹持表面可面向第一夹持表面，并且第一夹持表面和第二夹持表面（例如，“夹爪”）中的至少一者可在朝向和远离第一夹持表面和第二夹持表面中的另一者的方向上移动，以将绝缘线选择性地夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间的限定位置处。第一夹持表面可包括非接触式电流测量系统的外壳的前端的前端表面，并且第二夹持表面可设置在可相对于前端表面选择性地移动的夹持构件上。磁场传感器可被定位成接近外壳前端的前端表面。可调节夹持组件可包括滑块夹持组件，并且位置反馈传感器可包括线性位置反馈传感器，该线性位置反馈传感器生成指示滑块夹持组件的线性位置的位置反馈信号。可调节夹持组件可包括具有第一夹持表面的第一夹持部分和具有面向第一夹持表面的第二夹持表面的第二夹持部分，并且偏置构件可将第一夹持部分朝向第二夹持部分偏置。非接触式电流测量系统还可包括操作性地耦接到至少一个处理器的用户界面，其中该至少一个处理器在操作中使用户界面显示所确定的流过绝缘线的电流的至少一个特性。流过绝缘线的电流的至少一个特性可包括流过绝缘线的电流的大小。位置反馈传感器可包括电阻传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器或光学传感器。非接触式电流测量系统还可以包括：电压参考信号型传感器，该电压参考信号型传感器在操作中感测绝缘线中的参考信号而不与绝缘线电流接触，其中至少一个处理器接收参考信号，并且至少部分地基于所接收的参考信号来确定由参考电压驱动而流过绝缘线的电流的至少一个特性。至少一个处理器可至少部分地基于所接收的参考信号来进一步确定绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸。至少一个处理器可至少部分地基于所接收的参考信号和所接收的位置反馈传感器信号来进一步确定绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸，所接收的位置反馈传感器信号提供绝缘线的导体的外径。
测量绝缘线中的电流而不与绝缘线中的导体电流接触的方法可以总结为包括：经由可调节夹持组件将绝缘线夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间；确定第一夹持表面和第二夹持表面之间的夹持距离，其中该夹持距离指示被夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间的绝缘线的直径；经由被定位成接近被夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间的绝缘线的磁场传感器，感测由流过绝缘线的电流产生的磁场；以及至少部分地基于所确定的夹持距离和所感测的由流过绝缘线的电流生成的磁场，经由至少一个处理器确定流过绝缘线的电流的至少一个特性。
第一夹持表面可包括外壳的前端的前端表面，并且第二夹持表面可包括可调节夹持组件的夹持构件的表面，该表面可相对于前端表面移动，并且将绝缘线夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间可包括将绝缘线夹持在前端表面和夹持构件的表面之间。感测由流过绝缘线的电流产生的磁场可包括经由磁场传感器感测磁场，并且该磁场传感器可被定位成接近外壳的前端的前端表面。将绝缘线夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间可包括将绝缘线夹持在滑块夹持组件的第一夹持表面和第二夹持表面之间，并且确定夹持距离可包括确定滑块夹持组件的线性位置。除滑块之外的任何其他夹持机构也可用于提供位置。另一个示例是晾衣夹式夹持件，其中线径与旋转夹持件的开口角度成比例。第一夹持表面可定位在第一夹持部分上，并且第二夹持表面可定位在第二夹持部分上，并且该方法还可以包括将第一夹持部分朝向第二夹持部分偏置。该方法还可以包括：经由用户界面显示所确定的流过绝缘线的电流的至少一个特性。确定流过绝缘线的电流的至少一个特性可包括确定流过绝缘线的电流的大小。权利要求所述的方法还可以包括：经由定位在外壳中的参考信号型传感器感测绝缘线中的参考信号，而不与绝缘线电流接触；以及至少部分地基于所感测的参考信号，经由至少一个处理器确定流过绝缘线的电流的至少一个特性。该方法还可以包括至少部分地基于所接收的参考信号，经由至少一个处理器确定绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸。该方法还可以包括至少部分地基于所接收的参考信号和所接收的位置反馈传感器信号，经由至少一个处理器确定绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸。参考方法还可以提供线的位置，并且可以单独地或一起使用机械夹持或参考信号两种方法来确定线径。
非接触式电流测量系统可以总结为包括：外壳，该外壳包括具有前端表面的前端部分；夹持构件，该夹持构件具有面向前端表面的夹持构件表面，其中该夹持构件可相对于前端表面移动，以将绝缘线选择性地夹持在前端表面和夹持构件表面之间；位置反馈传感器，该位置反馈传感器生成指示夹持构件的位置的位置反馈传感器信号；电流传感器，该电流传感器被定位成接近外壳的前端表面，其中该电流传感器在操作中生成电流传感器信号，该电流传感器信号指示流过被夹持在前端表面和夹持构件表面之间的绝缘线的电流的至少一个特性；以及至少一个处理器，该至少一个处理器通信地耦接到位置反馈传感器和电流传感器，其中该至少一个处理器在操作中：从位置反馈传感器接收位置反馈传感器信号；从电流传感器接收电流传感器信号；并且至少部分地基于所接收的位置反馈信号和电流传感器信号来确定流过绝缘线的电流的至少一个特性。
电流传感器可包括磁场传感器。非接触式电流测量系统还可以包括操作性地耦接到至少一个处理器的显示器，其中该至少一个处理器在操作中使该显示器呈现流过绝缘线的电流的大小。位置反馈传感器可包括电阻传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器、电容传感器、感应传感器或光学传感器。
附图说明
在附图中，相同的参考标号指示相似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些可能被任意地放大和定位，以提高附图的可读性。此外，绘制的元件的特定形状不一定意图输送关于特定元件的实际形状的任何信息，并且可能仅为了便于在附图中识别而被选择。
图1是根据一个例示的具体实施的环境的示意图，在该环境中操作者可使用非接触式电流测量系统来测量绝缘线中存在的AC电流，而不需要与绝缘线电流接触。
图2A是包括可调节夹持组件的非接触式电流测量系统的前方正视图，其中示出可调节夹持组件的夹持构件与绝缘线间隔开。
图2B是图2A的非接触式电流测量系统的前方正视图，其中示出绝缘线被可调节夹持组件的夹持构件夹持。
图3是根据一个例示的具体实施的非接触式电流测量系统的另一具体实施的前方正视图。
图4是根据一个例示的具体实施的非接触式电流测量系统的另一具体实施的前方正视图。
图5是根据一个例示的具体实施的非接触式电流测量系统的另一具体实施的前方正视图。
图6是根据一个例示的具体实施的非接触式电流测量系统的示意性框图。
图7A是根据一个例示的具体实施的环境的示意图，在该环境中操作者可使用包括参考信号型传感器的非接触式测量系统来测量绝缘线的绝缘体厚度，而不需要与该线电流接触。
图7B是根据一个例示的具体实施的图7A的非接触式测量系统的俯视图，示出了绝缘线和非接触式测量系统的导电传感器之间形成的耦合电容、绝缘导体电流分量以及非接触式测量系统和操作者之间的体电容。
图8是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的各种内部部件的示意图。
图9是根据一个例示的具体实施的示出非接触式测量系统的各种信号处理部件的框图。
图10是根据一个例示的具体实施的实现快速傅里叶变换(FFT)的非接触式测量系统的示意图。
图11是根据信号和参考信号分离的另一示例的实现模拟电子滤波器的非接触式测量系统的框图。
图12是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的示意性电路图。
图13A是根据一个例示的具体实施的示出各种泄漏和杂散电容的非接触式测量系统的示意图。
图13B是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的示意图，示出了各种泄漏和杂散电容，并且包括对参考电流信号的补偿。
图13C示出了根据一个例示的具体实施的图7B的系统的示例性传感器布置。
图14是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的示意性电路图，示出了非接触式测量系统的传感器和外部接地端之间的电容。
图15A是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的示意性电路图，示出了非接触式测量系统的内部接地保护件和外部接地端之间的电容。
图15B是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的示意性电路图，示出了非接触式测量系统的内部接地保护件和外部接地端之间的电容。
图16是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的传感器和内部接地保护组件的透视图。
图17是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的“U”形或“V”形传感器前端的剖视图。
图18是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的弓形传感器前端的正视图。
图19是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的圆柱形传感器前端的透视图。
图20A是根据一个例示的具体实施的非接触式测量系统的传感器前端的俯视图，其中内部接地保护件的保护环夹具处于闭合位置。
图20B是根据一个例示的具体实施的图20A所示的非接触式测量系统的前端的俯视图，其中内部接地保护件的保护环夹具处于打开位置。
图21是根据一个例示的具体实施的图20A的传感器前端的一部分的透视图，其中内部接地保护件的保护环夹具被移除。
具体实施方式
本文所公开的系统和方法提供在不需要与绝缘线的导体电流接触的情况下测量流过绝缘线的电流的非接触式电流测量系统。在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统包括可选择性地定位成接近（例如，相邻）待测绝缘线的磁场传感器。磁场传感器的非限制性示例包括各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、磁通门传感器、超导量子干涉传感器、光纤传感器、光泵传感器、核处理传感器、搜索线圈传感器、磁敏晶体管传感器、磁敏二极管传感器、磁光传感器、霍尔效应传感器、罗戈夫斯基线圈、电流变压器或其他类型的磁场传感器。磁场传感器检测由绝缘线中流动的电流产生的磁场。绝缘线的导体周围的磁场的大小与流过绝缘线的导体的电流的大小相关（例如，成比例）。
除了检测导体周围的磁场之外，本公开的至少一些具体实施利用可调节夹持组件来提供对绝缘线相对于磁场传感器的机械定位的控制。此外，在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统确定与待测绝缘线的至少一个物理尺寸相关的信息，诸如绝缘线的绝缘体内侧导体的外径或线径。使用所检测的磁场、所控制的机械定位和所确定的物理尺寸信息，非接触式电流测量系统准确地确定流过绝缘线的导体的电流的大小。
在下面的描述中，阐述了某些具体细节以便提供对所公开的各种具体实施的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下，或者使用其他方法、部件、材料等的情况下实现这些具体实施。在其他实例中，没有详细示出或描述与计算机系统、服务器计算机和/或通信网络相关联的公知结构，以避免不必要地模糊这些具体实施的描述。
除非上下文另有要求，否则贯穿整个说明书和权利要求书，单词“包含”与“包括”是同义的，并且是包容性的或开放式的（即，不排除额外的、未被引用的元件或方法动作）。
本说明书通篇对“一个具体实施”或“具体实施”的引用意指结合该具体实施描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个具体实施中。因此，本说明书通篇各个地方出现的短语“在一个具体实施中”或“在具体实施中”不一定全部指代相同的具体实施。此外，在一个或多个具体实施中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
如本说明书和所附权利要求书所用，单数形式“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确指示。还应当指出的是，术语“或”通常用作在其意义上包括“和/或”，除非上下文另有明确指示。此外，本文所提供的标题和说明书摘要仅为了方便而提供，并且不解释具体实施的范围或含义。
图1是环境100的示意图，在该环境中技术人员104可使用非接触式电流测量系统102来测量绝缘线106中存在的AC电流，而不需要非接触式电流测量系统和绝缘线106之间的电流接触。图2A和图2B示出了非接触式电流测量系统102的放大视图。
非接触式电流测量系统102包括外壳或主体108，该外壳或主体包括握持部分或端部110以及与该握持部分相对的前部或端部112。外壳108还可以包括便于用户与非接触式电流测量系统102交互的用户界面114。用户界面114可包括任何数量的输入件（例如，按钮、拨盘、开关、触摸传感器）和任何数量的输出件（例如，显示器、LED、扬声器、蜂鸣器）。非接触式电流测量系统102还可以包括一个或多个有线和/或无线通信接口（例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®）。
如图2A和图2B中所示，磁场传感器116（例如，各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器、磁通门传感器等）被定位成在前端112的顶表面118下方。磁场传感器116用于检测由在绝缘线106中流动的电流产生的磁场，该绝缘线包括由一层或多层绝缘体124围绕的导体122。导体122周围磁场的大小与流过该导体的电流的大小相关（例如，成比例）。通常，当满足两个参数时，可以由磁场传感器116准确地确定在导体122中流动的电流的大小。第一参数是对绝缘线106相对于磁场传感器116的机械定位的控制，该绝缘线在至少一些具体实施中由可调节夹持组件126控制。第二参数是绝缘线106的物理尺寸信息，诸如其外径或绝缘线的绝缘体内侧导体的直径（即，线径），这可由操作性地耦接到可调节夹持组件126的位置反馈传感器128确定或估计。下面进一步讨论可调节夹持组件126和位置反馈传感器128。
此外，在至少一些具体实施中，关于绝缘线106的线径的物理尺寸信息可以另外地或另选地利用一个或多个参考信号传感器获得，该参考信号传感器检测传感器和绝缘线106之间生成的参考信号（例如，参考电流信号）。下面参考图7A至图21讨论实现用于检测绝缘线的物理尺寸信息的此类“参考信号”方法的各种示例性非接触式测量系统。例如，在至少一些具体实施中，可使用可调节夹持组件和位置反馈传感器来确定绝缘线的总直径，并且可使用参考信号方法来确定绝缘线的绝缘体的厚度。使用所确定的绝缘线的总直径和所确定的绝缘体厚度，非接触式电流测量系统可以自动地确定或估计绝缘线的绝缘体内侧导体的直径（例如，导体的直径等于绝缘线的总直径减去绝缘体厚度的两倍）。所确定的导体直径然后可与所检测到的磁场一起使用，以准确地确定流过绝缘线的电流的大小。
在例示的具体实施中，绝缘线106的机械定位由可调节夹具或“滑块”夹持组件126提供，该可调节夹具或“滑块”夹持组件确保绝缘导体在测量期间与磁场传感器116正确对准（例如，相邻）。可调节夹持组件126包括耦接到外壳108的可选择性地朝向和远离前端112的顶表面118移动的夹持构件130。夹持构件130在本文中可被称为第一夹持部分，并且前端112在本文中可被称为第二夹持部分。夹持构件130包括面向前端112的顶表面118并且与其大致平行的夹持表面132。夹持表面132和顶表面118一起限定了可变尺寸的夹具开口134，其大小和尺寸被设计成在其中接纳绝缘线106的一部分。在例示的示例中，夹持构件130可选择性地在夹持开口134相对较大的第一位置P1和夹持开口相对较小的第二位置P2之间移动。
如图2A所示，当夹持构件130的夹持表面132与前端112的顶表面118间隔开足够容易地允许绝缘线被移入夹具开口的量时，用户可将绝缘线106定位在夹具开口134内。然后，如图2B所示，用户可将夹持构件130向下移动到第三位置P3，以将绝缘线106“夹持”在前端112的顶表面118和夹持表面132之间，使得顶表面和夹持表面在相对的两侧上均接触绝缘线的绝缘层。如本文所用，术语“夹持”用于指绝缘线106在绝缘线的相对侧上被顶表面118和夹持表面132接触以保持该线相对于磁场传感器116的位置。也就是说，该术语不指示顶表面118或夹持表面132必须在绝缘线106上施加任何特定量的力。
位置反馈传感器128用于感测夹持构件130的位置（例如，线性位置），并且生成指示此位置的位置反馈传感器信号（例如，线性位置反馈传感器信号）。该位置反馈信号可以例如是数字或模拟信号。当绝缘线106被夹持在夹持表面132和前端112的顶表面118之间时，夹持构件130的感测位置可用于确定或估计绝缘线的直径或线径。例如，位置反馈传感器128可提供与夹持构件130的延伸成比例的位置反馈传感器信号。位置反馈传感器128可以是用于感测夹持构件130的延伸并确定绝缘线106的直径的任何合适的传感器。例如，位置反馈传感器128可包括电阻传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器、光学传感器等。如下面进一步讨论的，在至少一些具体实施中，可另外地或另选地使用“参考信号”方法来确定绝缘线106内侧导体的直径或尺寸，这可进一步允许系统102提供准确的电流测量。
在至少一些具体实施中，夹持构件130可由合适的偏置构件136朝向第二位置P2偏置。例如，夹持构件130可由被耦接在夹持构件和外壳108的一部分之间的弹簧朝向第二位置P2偏置。有利的是，偏置夹持构件130可允许夹持组件126将绝缘线106更好地保持在夹具开口134中，同时还提供绝缘线106的直径的更均匀的测量。
由于磁通密度和电流之间的正交关系（例如，用于载流导体周围的磁通量的“右手定则”），绝缘线106相对于磁场传感器116的机械定位可能是重要的。此外，位置反馈传感器128所提供的物理尺寸信息可能是重要的，因为对于相同的电流，与导体圆周相切的磁通密度在直径较小的导体中比在直径较大的导体中要高。因此，通过至少知道绝缘线的直径的估计，非接触式电流测量系统102可通过考虑该线的直径对所感测的磁场与在该线中流动的电流之间的关系的影响而更准确地确定流过绝缘线的电流。
如下面参考图6进一步讨论的，使用来自磁场传感器116的数据和来自位置反馈传感器128和/或参考信号传感器的直径或线径数据，非接触式电流测量系统102的至少一个处理器可以准确地确定流过绝缘线106的电流的至少一个特性（例如，大小、频率）。此类信息被存储在非接触式电流测量系统的非暂态处理器可读存储介质中，可经由用户界面114的显示器呈现给用户和/或通过有线或无线通信接口被传输到独立的装置。
虽然所示非接触式电流测量系统102包括磁场传感器116，但是应当理解，在其他具体实施中，非接触式电流测量系统可包括各种其他类型的磁场传感器（例如，霍尔效应传感器、罗戈夫斯基线圈、电流变压器等），这些传感器能够感测由电流产生的磁场而不需要与待测线电流接触。
如下面进一步讨论的，在至少一些具体实施中，非接触式测量系统102可在电流测量期间利用操作者104和接地端128之间的体电容（CB）。尽管术语“接地端”用于节点128，但是该节点不一定是地球/地面，而是可以通过电容耦合以电流隔离的方式连接到任何其他参考电位。
图3示出了具有与非接触式电流测量系统102不同的形状因数的非接触式电流测量系统300的前方正视图。非接触式电流测量系统300可在许多方面与上文所讨论的非接触式电流测量系统102相似或相同。因此，关于非接触式电流测量系统102的特征的上述讨论中的一些或全部也可应用于非接触式电流测量系统300。
非接触式电流测量系统300包括具有前端304和与该前端相对的握持部分或端部306的外壳302。外壳302包括被定位在外壳的表面上的用户界面308（例如，显示器、按钮）。前端304包括电流传感器312（例如，磁场传感器）、可选的参考信号传感器313以及用于抓握绝缘线（例如，图1、图2A和图2B的绝缘线106）的可伸缩夹爪或夹持构件314。下面参考图7A至图21进一步讨论各种参考信号传感器的操作。前端304包括与电流传感器312相邻的前端表面316，并且夹持构件314包括与前端表面316相对的夹持表面318。为了进一步提高电流测量精度，在夹持构件314中可使用第二磁场传感器。电流传感器312和位于夹持构件314中的附加传感器之间的平均信号可用于电流计算。另外，两个传感器之间超过极限的差可用于识别由外部杂散电流引起的不可靠情况，或被夹持在夹持构件314和316之间的不正确定位的线。在使用中，可将绝缘线夹持在前端表面316和夹持表面318之间，以将绝缘线定位成与电流传感器312相邻。夹持构件314以及本公开的其他夹持构件可以永久地附接到外壳302，或者可以选择性地从外壳拆卸。非接触式电流测量系统300还包括位置反馈传感器320，并且可选地包括偏置构件322以将夹持构件314朝向外壳302偏置，以将绝缘线夹持在前端表面316和夹持表面318之间。关于图6提供了适用于非接触式电流测量系统300的电流传感器和位置反馈传感器的实施方案的进一步讨论。
图4示出了具有与非接触式电流测量系统102不同的形状因数的非接触式电流测量系统400的前方正视图。非接触式电流测量系统400可在许多方面与上文所讨论的非接触式电流测量系统相似或相同。因此，关于上述非接触式电流测量系统的特征的上述讨论中的一些或全部也可以应用于非接触式电流测量系统400。
非接触式电流测量系统400包括具有前端404和与该前端相对的握持部分或端部406的外壳402。外壳402包括被定位在外壳的表面上的用户界面408（例如，显示器、按钮、拨盘）。前端404包括电流传感器412（例如，磁场传感器）、可选的参考信号传感器413以及用于抓握绝缘线（例如，图1、图2A和图2B的绝缘线106）的可伸缩钩或夹持构件414。前端404包括与电流传感器412相邻的前端表面416，并且夹持构件414包括与前端表面416相对的夹持表面418。在使用中，可将绝缘线夹持在前端表面416和夹持表面418之间，以将绝缘线定位成与电流传感器412相邻。夹持构件414可以永久地附接到外壳402，或者可以选择性地从外壳拆卸。非接触式电流测量系统400还包括位置反馈传感器420，并且可选地包括偏置构件422以将夹持构件414朝向外壳402偏置，以将绝缘线夹持在前端表面416和夹持表面418之间。关于图6提供可用于非接触式电流测量系统400的电流传感器和位置反馈传感器的合适的实施方案。
图5示出了具有与非接触式电流测量系统102不同的形状因数的非接触式电流测量系统500的前方正视图。非接触式电流测量系统500可在许多方面与上文所讨论的非接触式电流测量系统相似或相同。因此，关于上述非接触式电流测量系统的特征的上述讨论中的一些或全部也可以应用于非接触式电流测量系统500。
非接触式电流测量系统500包括具有前端504和与该前端相对的握持部分或端部506的外壳502。外壳502包括被定位在外壳的表面上的用户界面508（例如，显示器、按钮、拨盘）。前端504包括电流传感器512（例如，磁场传感器）、可选的参考信号传感器513以及用于握持绝缘线（例如，图1、图2A和图2B的绝缘线106）的可伸缩钩或夹持构件514。前端504包括与电流传感器512相邻的前端表面516，并且夹持构件514包括与前端表面516相对的夹持表面518。在使用中，可将绝缘线夹持在前端表面516和夹持表面518之间，以将绝缘线定位成与电流传感器512相邻。夹持构件514可以永久地附接到外壳502，或者可以选择性地从外壳拆卸。非接触式电流测量系统500还包括位置反馈传感器520，并且可选地包括偏置构件522以将夹持构件514朝向外壳502偏置，以将绝缘线夹持在前端表面516和夹持表面518之间。下面的图6提供适用于非接触式电流测量系统500的电流传感器和位置反馈传感器的实施方案的额外讨论。
图6是提供非接触式电流测量功能的非接触式电流测量系统或仪器600的示意性框图。非接触式电流测量系统600可与本文所讨论的任何非接触式电流测量系统相似或相同。
非接触式电流测量系统600包括通信地耦接到处理器604的电流传感器602（例如，磁场传感器）。非接触式电流测量系统600还包括可调节夹持组件606和操作性地耦接到可调节夹持组件和处理器604的位置反馈传感器608。如上所述，位置反馈传感器608生成指示可调节夹持组件606的位置的位置反馈传感器信号，并且从所检测到的位置确定被夹持在可调节夹持组件606中的绝缘线的直径。处理器604从位置反馈传感器608接收位置反馈传感器信号。
电流传感器602可以是任何合适的非接触式电流传感器，诸如磁场传感器、霍尔效应传感器等。电流传感器602在操作中生成指示流过被夹持在可调节夹持组件606中的绝缘线的电流的至少一个特性的电流传感器信号。例如，该至少一个特性可包括电流的大小或电流的频率。在电流传感器602是磁场传感器的具体实施中，电流传感器可生成磁场传感器信号，该磁场传感器信号指示由流过绝缘线的电流产生的磁场，该磁场可由处理器604分析以确定流过绝缘线的电流的至少一个特性。
可调节夹持组件606可与本文所讨论的任何可调节夹持组件相似或相同。位置反馈传感器608用于生成指示可调节夹持组件606的夹持位置的位置反馈传感器信号，该位置反馈传感器信号继而指示由可调节夹持组件夹持的绝缘线的直径。位置反馈传感器608可以是任何合适的位置传感器，包括但不限于电阻传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器、光学传感器等。
处理器604可包括一个或多个逻辑处理单元，诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、其他可编程电路、上述这些的组合等。通常，处理器604可通过支持指令的执行以及将数据读取和写入到一个或多个存储装置、I/O接口和通信系统来用作非接触式电流测量系统600的计算中心。
非接触式电流测量系统600还可以包括通信地耦接到存储其上的指令或数据中的至少一者的处理器604的存储器610。存储器610可包括一个或多个固态存储器，例如闪存存储器或固态驱动器(SSD)，所述一个或多个固态存储器为非接触式电流测量系统600提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的非易失性存储。虽然未示出，但是非接触式电流测量系统600可采用其他非暂态计算机或处理器可读介质，例如硬盘驱动器、光盘驱动器或存储卡介质驱动器。
非接触式电流测量系统600可包括用户界面612，该用户界面可包括任何数量的输入件613（例如，按钮、拨盘、开关、触摸传感器、触摸屏、触发开关、选择器、旋转开关）和任何数量的输出件614（例如，显示器、LED、扬声器、蜂鸣器）。显示装置的非限制性示例包括液晶显示器(LCD)装置、发光二极管(LED)装置和/或有机发光二极管(OLED)装置。用户界面612可包括触摸屏，该触摸屏可以是当前已知的或以后将开发的任何类型的触摸屏。例如，触摸屏可以是电容装置、红外装置、电阻装置或表面声波(SAW)装置。在非接触式电流测量系统600包括显示器的具体实施中，显示器可呈现指示流过待测绝缘线的电流的至少一个特性（例如，大小、频率）的读数和/或波形。
在操作中，处理器604分别从位置反馈传感器608和电流传感器602接收传感器信号，以获得夹持位置和电流测量。如上所述，夹持位置测量指示待测绝缘线的直径，并且电流传感器信号可指示流过绝缘线的电流的至少一个特性（例如，大小）。如上所述，处理器604可利用此类测量来确定流过待测绝缘线的电流的至少一个特性，诸如流过绝缘线的电流的大小和/或频率。
处理器604可提供所测量或所确定特性（例如，电流大小、电流频率、绝缘线的直径）中的一个或多个的读数，并且可提供一个或多个特性的图形表示。此类图形表示可包括波形、谐波条形图等。
为了与一个或多个基于处理器的外部装置进行通信，非接触式电流测量系统600可包括一个或多个有线和/或无线通信接口616。无线通信接口的非限制性示例包括Wi-Fi®、Bluetooth®、Bluetooth® Low Energy、ZigBee®、6LoWPAN®、Optical IR、Wireless HART等。有线通信接口的非限制性示例包括USB®、以太网、PLC、HART、MODBUS、FireWire®、Thunderbolt®等。
除了向外部装置发送数据之外，在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统600可经由有线和/或无线通信接口616从外部装置接收数据或指令（例如，控制指令）中的至少一者。
在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统600可不包括显示器，并且可以替代地用作传感器以经由基于处理器的外部装置远程监控电气设备。此类基于处理器的装置可包括各种类型的装置，诸如智能电话、平板电脑、膝上型计算机、可穿戴计算机、服务器、云计算机等。基于处理器的外部装置可包括显示器，以呈现由非接触式电流测量系统600在一段时间（例如，几分钟、几小时、几天、几周）内采集到的数据。
在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统可包括通信地耦接到处理器604的一个或多个附加电传感器618。此类电传感器618可包括能够感测电压的电压传感器、能够感测电阻的电阻传感器、能够感测电容的电容传感器等。在包括一个或多个附加传感器618的此类具体实施中，非接触式电流测量系统600可用作提供多种电特性（例如，电流、电压、功率、电阻、电容）的万用表。
在至少一些具体实施中，电传感器618可包括参考信号传感器，该参考信号传感器用于检测待测绝缘线的绝缘体的厚度。下面参考图7-图21进一步讨论各种示例性参考信号传感器。在此类具体实施中，可调节夹持组件606和位置反馈传感器608可用于确定绝缘导线的总直径，并且参考信号传感器618可利用下文进一步讨论的参考信号方法来确定绝缘线的绝缘体的厚度。使用由可调节夹持组件606和位置反馈传感器608确定的绝缘线的总直径，以及由参考信号传感器618确定的所确定的绝缘体厚度，非接触式电流测量系统可以自动地确定绝缘线的导体的直径，该直径等于绝缘线的总直径减去绝缘体厚度的两倍。所确定的导体直径然后可与所检测的磁场一起使用，以确定流过绝缘线的电流的大小。
下面的讨论提供了利用“参考信号”方法用于测量绝缘线的至少一个物理尺寸（例如，绝缘体厚度），而不需要绝缘线的导体和传感器或电极（“参考信号传感器”）之间的电流连接的系统和方法的示例。如上所述，在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统可利用参考信号方法（具有或不具有机械位置反馈）来确定或估计绝缘线的一个或多个物理尺寸（例如，导体的直径）。如下面所讨论的，参考信号方法可以另外地或另选地用于测量绝缘导体或未绝缘的裸导体（例如，绝缘线）的交流(AC)电压，而不需要导体和测试电极或探头之间的电流连接。下面所公开的具体实施在本文中可称为“参考信号型”传感器或系统。
图7A是环境700的示意图，在该环境中包括参考信号型电压传感器或系统的非接触式测量系统702可由操作者704用于测量绝缘线706中存在的AC电流，而不需要非接触式测量系统和线706之间的电流接触。非接触式测量702可包括上面所讨论的非接触式电流测量系统的部件和功能的一些或全部。图7B是图7A的非接触式测量系统702的俯视图，示出了非接触式测量系统操作期间的各种电特性。非接触式测量系统702包括外壳或主体708，该外壳或主体包括握持部分或端部710以及与该握持部分相对的探头部分或端部712（在本文中也称为前端）。外壳708还可以包括便于用户与非接触式测量系统702交互的用户界面714。用户界面714可包括任何数量的输入件（例如，按钮、拨盘、开关、触摸传感器）和任何数量的输出件（例如，显示器、LED、扬声器、蜂鸣器）。非接触式测量系统702还可以包括一个或多个有线和/或无线通信接口（例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®）。
在至少一些具体实施中，如图7B中最佳地示出，探头部分712可包括由第一延伸部分和第二延伸部分718和720限定的凹部716。凹部716接纳绝缘线706（参见图7A）。绝缘线706包括导体722和围绕导体722的绝缘体724。当绝缘线位于非接触式测量系统702的凹部716内时，凹部716可包括接近绝缘线706的绝缘体724的参考信号传感器或电极726。尽管为了清楚起见未示出，但传感器726可设置在外壳708的内侧，以防止传感器和其他物体之间的物理接触和电接触。
如图7A所示，在使用中，操作者704可抓握外壳708的握持部分710并且将探头部分712放置为接近绝缘线706，使得非接触式测量系统702可准确测量该线中存在的电流，如上所述。虽然探头端部712被示出为具有凹部716，但是在其他具体实施中，探头部分712可被不同地配置。例如，在至少一些具体实施中，探头部分712可包括可选择性地可移动的夹具、钩、包括传感器的平坦或弓形表面、或允许非接触式测量系统702的传感器被定位成接近绝缘线706的其他类型的界面。上面参考图1-图6讨论各种可调节夹持组件和位置反馈传感器的示例。下面参考图16-图21讨论各种探头部分和传感器的示例。
可能只在某些具体实施中使操作者的身体充当地面/接地参考。本文所讨论的非接触式测量功能不限于仅相对于地球测量的应用。外部参考可电容耦合至任何其他电位。例如，如果外部参考电容耦合至三相系统中的另一相，则测量相间电压。一般来说，本文所讨论的概念不限于仅使用连接到参考电压和任何其他参考电位的体电容耦合来相对于地球为参考。
如下面进一步讨论的，在至少一些具体实施中，非接触式测量系统702可在测量期间利用操作者704和接地端728之间的体电容(CB)。尽管术语“接地端”用于节点728，但是该节点不一定是地球/地面，而是可以通过电容耦合以电流隔离的方式连接到任何其他参考电位。
下面参考图8-图21讨论非接触式测量系统702使用的特定系统和方法。
图8示出了在图7A和图7B中也示出的非接触式测量系统702的各种内部部件的示意图。在该示例中，非接触式测量系统702的导电传感器726大体上为“V形”，并且被定位成接近待测绝缘线706且与绝缘线706的导体722电容耦合，从而形成传感器耦合电容器(CO)。操控非接触式测量系统702的操作者704具有对地体电容(CB)。因此，如图7B和图8所示，线722中的AC电压信号(VO)通过串联连接的耦合电容器(CO)和体电容(CB)生成绝缘导体电流分量或“信号电流”(IO)。在一些具体实施中，体电容(CB)还可以包括生成对地或对任何其他参考电位的电容的电流隔离的测试导线。
待测量的线722中的AC电压(VO)具有与外部接地端728（例如，零线）的连接。非接触式测量系统702本身也具有对接地端728的电容，该电容主要由当操作者704（图7A）将非接触式测量系统握在其手中时的体电容(CB)组成。电容CO和CB两者形成导电回路，并且该回路中的电压生成信号电流(IO)。信号电流(IO)由电容耦合至导电传感器726的AC电压信号(VO)生成，并且通过非接触式测量系统的外壳708和对接地端728的体电容器(CB)回到外部接地端728。电流信号(IO)取决于非接触式测量系统702的导电传感器726和待测绝缘线706之间的距离、导电传感器726的特定形状，以及导体722的尺寸和电压电平(VO)。
为了补偿直接影响信号电流(IO)的距离方差和随之而来的耦合电容(CO)方差，非接触式测量系统702包括共模参考电压源730，该共模参考电压源生成具有与信号电压频率(fo)不同的参考频率(fR)的AC参考电压(VR)。
为了减少或避免杂散电流，非接触式测量系统702的至少一部分可由导电内部接地保护件或屏幕732围绕，该导电内部接地保护件或屏幕使大部分电流流过与绝缘线706的导体722形成耦合电容器(CO)的导电传感器726。内部接地保护件732可由任何合适的导电材料（例如，铜）形成，并且可以是实心的（例如，箔片）或者具有一个或多个开口（例如，网眼）。
此外，为了避免内部接地保护件732和外部接地端728之间的电流，非接触式测量系统702包括导电参考屏蔽件734。参考屏蔽件734可由任何合适的导电材料（例如，铜）形成，并且可以是实心的（例如，箔片）或者具有一个或多个开口（例如，网眼）。共模参考电压源730电耦合在参考屏蔽件734和内部接地保护件732之间，其产生用于非接触式测量系统702的具有参考电压(VR)和参考频率(fR)的共模电压。此类交流参考电压(VR)驱动附加参考电流(IR)通过耦合电容器(CO)和体电容器(CB)。
围绕导电传感器726的至少一部分的内部接地保护件732保护导电传感器免受AC参考电压(VR)的直接影响，该直接影响会导致导电传感器726和参考屏蔽件734之间的参考电流(IR)的不期望的偏移。如上所述，内部接地保护件732是用于非接触式测量系统702的内部电子接地端738。在至少一些具体实施中，内部接地保护件732还围绕非接触式测量系统702的电子器件中的一些或全部，以避免交流参考电压(VR)耦合进电子器件。
如上所述，参考屏蔽件734用于将参考信号注入到输入AC电压信号(VO)上，并且作为第二功能，最小化保护件732对接地端728的电容。在至少一些具体实施中，参考屏蔽件734围绕非接触式测量系统702的外壳708中的一些或全部。在此类具体实施中，电子器件中的一些或全部参见参考共模信号，该信号还生成导电传感器726和绝缘线706中的导体722之间的参考电流(IR)。在至少一些具体实施中，参考屏蔽件734中的唯一间隙可以是用于导电传感器726的开口，该开口允许导电传感器在非接触式测量系统702的操作期间被定位成接近绝缘线706。
内部接地保护件732和参考屏蔽件734可提供围绕非接触式测量系统702的外壳708（见图7A和图7B）的双层屏幕。参考屏蔽件734可设置在外壳708的外表面上，并且内部接地保护件732可用作内部屏蔽件或保护件。导电传感器726通过保护件732屏蔽参考屏蔽件734，使得任何参考电流均由导电传感器726和待测导体722之间的耦合电容器(CO)生成。
围绕传感器726的保护件732还减少了靠近传感器的相邻线的杂散影响。
如图8所示，非接触式测量系统702可包括作为反相电流-电压转换器工作的输入放大器736。输入放大器736具有同相端子，该同相端子电耦合至用作非接触式测量系统702的内部接地端738的内部接地保护件732。输入放大器736的反相端子可以电耦合至导电传感器726。反馈电路737（例如，反馈电阻器）还可以耦接在输入放大器736的反相端子和输出端子之间，以提供用于输入信号调节的反馈和适当的增益。
输入放大器736从导电传感器726接收信号电流(IO)和参考电流(IR)，并将所接收的电流转换成指示输入放大器的输出端子处的导电传感器电流的传感器电流电压信号。该传感器电流电压信号可例如是模拟电压。该模拟电压可被馈送到信号处理模块740，如下文进一步讨论的，该信号处理模块处理传感器电流电压信号以估计或确定绝缘线706的绝缘层724的厚度和/或确定绝缘线706的导体722中的AC电压(VO)。如上所述，绝缘线706的绝缘层724的所确定厚度可至少部分地用于估计或确定导体722的至少一个物理尺寸（例如，直径），该至少一个物理尺寸可与磁场测量一起使用来确定流过绝缘线的导体722的电流。信号处理模块740可包括数字和/或模拟电路的任何组合。
非接触式测量系统702还可以包括通信地耦接到信号处理模块740的用户界面742（例如，显示器），以呈现所确定的电流和/或所确定的电压(VO)或者以通过界面与非接触式测量系统的操作者704进行通信。
图9是示出非接触式测量系统的各种信号处理部件的非接触式测量系统900的框图。图10是图9的非接触式测量系统900的更详细的图。
非接触式测量系统900可与上述非接触式测量系统702相似或相同。因此，相似或相同的部件用相同的附图标号标记。如图所示，输入放大器736将来自导电传感器726的输入电流(IO + IR)转换成指示输入电流的传感器电流电压信号。使用模数转换器(ADC) 902将传感器电流电压信号转换成数字形式。
线722中的AC电压(VO)与AC参考电压(VR)相关，如等式(1)：
其中(IO)是由于导体722中的AC电压(VO)而通过导电传感器726的信号电流、(IR)是由于AC参考电压(VR)而通过导电传感器726的参考电流、(fO)是正在测量的AC电压(VO)的频率，并且(fR)是参考AC电压(VR)的频率。
与AC电压(VO)相关的标记为“O”的信号具有和与共模参考电压源730相关的标记为“R”的信号不同的特性，如频率。在图10的具体实施中，数字处理诸如实现快速傅里叶变换(FFT)算法906的电路可用于分离具有不同频率的信号大小。在下面所讨论的图11的具体实施中，还可以使用模拟电子滤波器将“O”信号特性（例如，大小、频率）与“R”信号特性分开。
电流(IO)和(IR)由于耦合电容器(CO)分别取决于频率(fO)和(fR)。流过耦合电容器(CO)和体电容(CB)的电流与频率成比例，并且因此可能需要测量待测导体722中AC电压(VO)的频率(fO)，以确定参考频率(fR)与信号频率(fO)的比率，该参考频率在上面列出的等式(1)中被使用或者参考频率是已知的，因为参考频率是由系统本身生成的。
在输入电流(IO + IR)已由输入放大器736调节并由ADC 902数字化之后，可通过使用FFT 906表示频域中的信号来确定数字传感器电流电压信号的频率分量。当测量了频率(fO)和(fR)两者时，可确定频率窗口，以计算来自FFT 906的电流(IO)和(IR)的基本大小。
电流(IR)和/或电流(IO)的大小可作为参考信号传感器或电极（例如，电极726）与绝缘线706的导体722之间的距离的函数而变化。因此，系统可将所测量的电流(IR)和/或电流(IO)与期望的各个电流进行比较，以确定参考信号传感器或电极与导体722之间的距离。由于在测量期间，绝缘电线706可（例如，经由可调节夹持组件）被定位成与参考信号传感器或电极相邻，参考信号传感器和绝缘电线706的导体722之间的距离约等于绝缘层724的厚度。如上所述，操作性地耦接到可调节夹持组件的位置反馈传感器提供绝缘线706的总直径。因此，使用所确定的绝缘线的总直径和所确定的绝缘层724的厚度，系统可以准确地确定绝缘线706内侧导体722的直径或线径。该信息以及由磁场传感器（例如，传感器116、312、412或512）测量的磁场可被系统用于准确地确定流过绝缘线706内侧导体722的电流的大小。
如框908所示，分别指定为IR,1和IO,1的电流(IR)和(IO)的基波谐波的比率可以通过所确定的频率(fO)和(fR)来校正，并且该因数可用于通过在线722中添加谐波(VO)来计算所测量的原始基波或RMS电压，这通过计算平方谐波和的平方根来完成，并且在具体实施中可在显示器912上呈现给用户，其中非接触式测量系统还确定绝缘线706中的AC电压。
耦合电容器(CO)通常可具有约0.02pF至1pF的范围内的电容值，例如，取决于绝缘导体706和导电传感器726之间的距离以及传感器726的特定形状和尺寸。体电容(CB)可例如具有约20pF至200pF的电容值。
从上述等式(1)可以看出，由共模参考电压源730生成的AC参考电压(VR)不需要处于与导体722中的AC电压(VO)相同的范围来实现信号电流(IO)和参考电流(IR)类似的电流大小。通过选择相对较高的参考频率(fR)，AC参考电压(VR)可能相对较低（例如，小于5V）。例如，参考频率(fR)可以被选择为3kHz，这比具有60Hz的信号频率(fO)的典型的120V VRMS AC电压(VO)高50倍。在此类情况下，可将AC参考电压(VR)选择为仅2.4V（即，120 V ÷ 50），以生成与信号电流(IO)相同的参考电流(IR)。通常，将参考频率(fR)设置为信号频率(fO)的N倍允许AC参考电压(VR)具有线722中的AC电压(VO)的(1/N)倍的值，以产生与彼此处于相同范围中的电流(IR)和(IO)，以实现IR和IO的类似不确定性。
可使用任何合适的信号发生器来生成具有参考频率(fR)的AC参考电压(VR)。在图9所示的示例中，使用Σ-Δ数模转换器(Σ-Δ DAC) 910。Σ-Δ DAC 910使用比特流来产生具有限定的参考频率(fR)和AC参考电压(VR)的波形（例如，正弦波形）信号。在至少一些具体实施中，Σ-Δ DAC 910可生成与FFT 906的窗口同相的波形以减少抖动。
在至少一些具体实施中，ADC 902可具有14位的分辨率。在操作中，对于标称的50Hz输入信号，ADC 902可以10.24kHz的采样频率对输入放大器736的输出进行采样，以在100ms（FFT 906的10Hz窗口）中提供2n个样本(1024)以准备好由FFT 906进行处理。对于60Hz的输入信号，采样频率可例如为12.288kHz，以在每个周期获得相同数量的样本。ADC902的采样频率可与参考频率(fR)的全数周期同步。例如，输入信号频率可在40Hz至70Hz的范围内。根据所测量的AC电压(VO)的频率，可使用FFT 906来确定AC电压(VO)的窗口，并使用汉宁窗函数进行进一步的计算，以抑制由在聚合间隔中捕获的不完整信号周期引起的相移抖动。
在一个示例中，共模参考电压源730生成具有2419Hz的参考频率(fR)的AC参考电压(VR)。对于60Hz的信号，该频率介于第40个谐波和第41个谐波之间，并且对于50Hz的信号，该频率介于第48个谐波和第49个谐波之间。通过提供具有不是预期AC电压(VO)的谐波的参考频率(fR)的AC参考电压(VR)，AC电压(VO)不太可能影响参考电流(IR)的测量。
在至少一些具体实施中，共模参考电压源730的参考频率(fR)被选择为最不可能受到待测导体722中的AC电压(VO)的谐波的影响的频率。例如，当参考电流(IR)超过极限时（这可指示导电传感器726正在接近待测导体722），可以关断共模参考电压源730。可在共模参考电压源730被关断的情况下进行测量（例如，100ms测量），以检测一定数量（例如，三、五）的候选参考频率处的信号谐波。然后，可在该数量的候选参考频率处确定AC电压(VO)中的信号谐波的大小，以识别哪个候选参考频率可能受AC电压(VO)的信号谐波的影响最小。然后可将参考频率(fR)设置为所识别的候选参考频率。参考频率的这种切换可避免或减少信号频谱中可能的参考频率分量的影响，这种影响可增加所测量的参考信号并降低准确度，并且可能产生不稳定的结果。具有相同特性的除2419Hz以外的其他频率包括例如2344Hz和2679Hz。
图11是实现电子滤波器的非接触式测量系统的信号处理部分1100的框图。信号处理部分1100可从电流测量子系统（例如，输入放大器736）接收与导电传感器726电流成比例的传感器电流电压信号(IO + IR)。
如上所述，信号电流(IO)具有与参考电流(IR)不同的频率。为了将信号电流(IO)与参考电流(IR)隔离开，信号处理部分1100可包括第一滤波器1102，该第一滤波器用于使信号电流(IO)通过并且拒绝参考电流(IR)。经过滤波的信号然后可由第一整流器1104整流，并由第一ADC 1106数字化。经过数字化的信号可被馈送到合适的处理器1108以用于计算，如上所述。类似地，为了将参考电流(IR)与信号电流(IO)隔离开，信号处理部分1100可包括第二滤波器1110，该第二滤波器用于使参考电流(IR)通过并且拒绝信号电流(IO)。经过滤波的信号然后可由第二整流器1112整流，并由第二ADC 1114数字化。经过数字化的信号可被馈送到合适的处理器1108以用于计算。第一滤波器和第二滤波器1102和1110可以是任何合适的模拟滤波器，并且每一者可包括多个分立部件（例如，电容器、电感器）。
图12是非接触式测量系统的部分的示意性电路图，诸如上面讨论的任何非接触式测量系统，示出了由共模参考电压源730、体电容(CB）、耦合电容器(CO)、线722、外部接地端728和内部接地端738形成的回路。
图13A是示出各种泄漏和杂散电容的非接触式测量系统702的示意图。通常，即使采用复杂的屏蔽技术，通过特殊的传感器设计和屏蔽方法也不能完全消除通过系统（例如，传感器726）看到的不同杂散电容器的影响。如上所述，本公开的具体实施利用共模参考电压源730来生成具有与所测量的信号频率(fO)不同的参考频率(fR)的参考电压，以补偿通过系统看到的杂散电容。
具体地讲，除了耦合电容器(CO)之外，图13A示出了体电容(CB)、电容(CX)、电容(C传感器-参考)和电容(CG)。体电容(CB)与耦合电容器(CO)串联，并且在典型的应用中，体电容(CB)远大于耦合电容器(CO)。因此，体电容(CB)仅影响电流(IO + IR)的大小，但不影响电流的比值(IO/IR)。
如图13A和图14所示，电容(CX)是导电传感器726和外部接地端728之间的传感器电容。耦合电容器(CO)不是线722和传感器726之间唯一的电容。传感器726和外部接地端728之间还有电容(CX)，特别是对于基本上不覆盖传感器726的区域的细线。电容(CX)对于信号电流(IO)具有电容分压效应，并且可导致AC电压(VO)的较低电压测量。因此电容(CX)降低电流(IO + IR)的大小。然而，参考电流(IR)除以相同的比值，因此还补偿杂散电容器(CX)，因此比值(IO/IR)不受影响。还为了避免任何内部电流流到非接触式测量系统之外，如上文至少在一些具体实施中所讨论的，除了感测区域之外的整个测量系统可以被参考屏蔽件734与外部环境屏蔽，并且被连接到共模参考电压源730的输出端以产生参考电流(IR)。
如图13A所示，电容(C传感器-参考)是参考屏蔽件734与导电传感器726之间的剩余电容。电容(C传感器-参考)导致传感器电流(IO + IR)的偏移，即使不测量线706中的AC电压(VO)也存在该传感器电流。
如图13A和图15A所示，电容(CG)是内部接地端738与外部接地端728或参考电位之间的电容。电容(CG)是参考电流(IR)的并联支路，并且减小参考电流。因此，电容(CG)导致线706中的AC电压(VO)的计算结果的增大。参见图15B，其示出了电容(CG)的影响。具体地讲，电容(CG)对IR和IO有不同的影响，并且因此影响比值IO/IR。
(2)
(3)
(4)
(5)。
从上面的等式(2)-(5)可以看出，IO/IR的比值取决于CB/CG。当参考屏幕围绕非接触式测量系统702的整个壳体和传感器时，电容CG小得多。
图13B示出了通过使用反向参考信号(-VR)以及将该反向参考信号耦合到传感器726的布置，提供补偿参考电压(VR)对传感器726的影响的具体实施。图13C示出了包括反向参考信号补偿的示例性传感器布置。
在图13B中，可调节反相放大器741用于向传感器726提供反向参考信号(-VR)，以补偿参考电压(+VR)对传感器的影响。这可通过被定位成接近传感器726的电容耦合(CC)来实现。电容耦合(CC)可以是被定位成接近传感器的线、屏幕、屏蔽件等的形式。当绝缘导体706具有相对较小的直径时，补偿可能是特别有利的，因为在此类情况下，来自参考屏蔽件734的参考电压(VR)可能对传感器726具有最大的影响。
图13C示出了用于提供上述参考信号补偿的具体实施中的示例性传感器布置739。传感器布置739包括传感器739a、绝缘层739b（例如，Kapton®带）、内部接地保护件739c、反向参考信号层739d (-VR)、绝缘层739e，以及参考信号层739f (+VR)。
图16是用于非接触式测量系统（诸如，上述任何非接触式测量系统）的示例性传感器和保护组件1600的透视图。在该示例中，传感器和保护组件1600包括导电传感器1602、内部接地保护件1604以及设置在传感器和内部接地保护件之间的隔离层1606。通常，传感器组件1600应当在传感器1602和待测线之间提供良好的耦合电容(CO)，并且应该抑制对其他相邻导线的电容和对外部接地端的电容。传感器组件1600还应该使传感器1602和参考屏蔽件（例如，参考屏蔽件734）之间的电容(C传感器-参考)最小化。
作为一个简单的示例，传感器1602、保护件1604和隔离层1606可各自包括一片箔。保护件1604可耦接到载体（参见图17），隔离层1606（例如，Kapton®带）可耦接到保护件，并且传感器1602可耦接到隔离层。
图17示出了非接触式测量系统的探头或前端1700的传感器实现的示例的剖视图，该非接触式测量系统的探头或前端包括覆盖传感器组件1600以避免传感器组件和任何物体之间的直接电流接触的外壳层1702（例如，塑料）。前端1700可与图7A和图7B中所示的非接触式测量系统702的前端712相似或相同。在该图示中，包括传感器1602、保护件1604和隔离层1606的传感器组件1600的形状为“U”或“V”形，以允许传感器组件1600围绕不同直径的绝缘线，以增加耦合电容(CO)，并且通过保护件更好地屏蔽相邻的导电物体。
在图17所示的示例中，传感器组件1600成形为适应各种直径的绝缘线，诸如具有相对较大直径的绝缘线1704或具有相对较小直径的绝缘线1706。在每种情况下，当线被定位在前端1700的凹部1708中时，传感器组件1600基本上围绕该线。限定凹部1708并且位于传感器组件1600和待测线之间的前端1700的壁可相对较薄（例如，1mm），以提供电流隔离，同时仍允许适当的电容耦合。由于凹部1708具有“V”形，因此较粗的线1704比较细的线1706具有更大的距离，以减小耦合电容的宽度范围以及还将环境电容减小为与线直径的独立性下降。
图18示出了非接触式测量系统的弓形前端1800的正视图。前端1800包括由第一延伸部分和第二延伸部分1804和1806限定的凹部1802。凹部1802包括相对较大的上部弓形部分1808，其接纳具有相对较大直径的绝缘线1810。凹部1802还包括相对较小的下部弓形部分1812，在部分1808下方，其接纳具有相对较小直径的绝缘线1814。可类似于图16所示传感器组件1600并且被部分1808和部分1812覆盖的传感器组件1816，可具有与弓形部分1808和1812基本吻合的形状，使得传感器组件1816基本上围绕具有相对较大直径的线（例如，线1810）和具有相对较小直径的线（例如，线1814）。
图19是非接触式测量系统的圆柱形前端1900的透视图。在该示例中，前端1900包括圆柱形内部接地保护件1902，该圆柱形内部接地保护件具有侧壁1904和可被定位成接近待测线的前表面1906。内部接地保护件1902的前表面1906包括中心开口1908。与待测线一起形成耦合电容器(CO)的导电传感器1910被凹入在内部接地保护件1902的开口1908的后面，以避免与相邻物体的电容耦合。例如，传感器1910可从内部接地保护件1902的前表面1906凹入一定距离（例如，3mm）。
内部接地保护件1902的侧壁1904可被圆柱形参考屏蔽件1912包围，该圆柱形参考屏蔽件通过隔离层1914与内部接地保护件隔离。共模参考电压源（例如，电压源730）可被连接在内部接地保护件1902和参考屏蔽件1912之间以提供上述功能。
图20A和图20B示出了非接触式测量系统的前端2000的俯视图，并且图21示出了前端的一部分的透视图。在该示例中，前端2000包括内部接地保护件2002，该内部接地保护件包括前表面2004，待测线2006（图21）可抵靠该前表面定位。前表面2004包括边缘2007，在这种情况下为矩形，该边缘限定了前表面中的开口2008。该小而长的矩形开口容纳从侧面看也具有较长而细的形状的线形状。这再次减少了相邻线的影响，并且还较大地降低了与传感器相关的环境电容。这导致独立于线尺寸的高准确度。与待测线形成耦合电容器(CO)的导电传感器2010在内部接地保护件2002的前表面2004的开口2008后方凹入一定距离（例如，3mm）。
内部接地保护件2002还包括从前表面2004的侧边缘向前（朝向待测线）延伸的侧壁2012和2014。该侧壁降低传感器杂散电容和直接参考信号耦合。内部接地保护件2002还可包括导电保护环夹具2016，该导电保护环夹具包括第一夹臂2016A和第二夹臂2016B。夹臂2016A和2016B可以选择性地移动到如图20B所示的打开位置，以允许待测线被定位成与内部接地保护件2002的前表面2004相邻。一旦导线处于正确的位置，夹臂2016A和2016B可被选择性地移动到如图20A所示的闭合位置，以提供围绕传感器2010的屏蔽件来屏蔽与外部环境（例如，相邻导体，相邻物体）的电容。当处于闭合位置时，保护环夹具2016可基本上为例如具有在传感器2010上方和下方延伸的高度的圆柱形形状。夹臂2016A和2016B可使用任何合适的手动或自动致动子系统2018选择性地移动。例如，夹臂2016A和2016B可通过用作致动系统2018的弹簧或其他偏置机构朝向闭合位置（图20A）偏置，该偏置可由操作者克服而将夹臂移动到打开位置（图20B），使得待测线可被定位成靠近内部接地保护件2002的前表面2004。
前述具体实施方式已通过使用框图、示意图和示例阐述了装置和/或过程的各种具体实施。在此类框图、示意图和示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域的技术人员将会理解，可通过广泛的硬件、软件、固件或几乎其任何组合来单独地和/或共同地实现此类框图、流程图或示例内的每个功能和/或操作。在一个具体实施中，本主题可经由专用集成电路(ASIC)来实现。然而，本领域的技术人员将认识到，本文公开的具体实施可全部或部分地在标准集成电路中被等同实现为在一个或多个计算机上运行一个或多个计算机程序（例如，在一个或多个计算机系统上运行一个或多个程序）、在一个或多个控制器（例如，微控制器）上运行一个或多个程序、在一个或多个处理器（例如，微处理器）上运行一个或多个程序、固件或几乎其任何组合，并且鉴于本公开，为软件和/或固件设计电路和/或编写代码将完全在本领域的普通技术人员的技能内。
本领域的技术人员将认识到，本文提出的方法或算法中的许多方法或算法可采用另外的动作，可省去某些动作，并且/或者可以与指定顺序不同的顺序来执行动作。例如，在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统可以不利用处理器来执行指令。例如，非接触式电流测量系统可以是硬线的，以提供本文讨论的功能中的一些或全部功能。另外地，在至少一些具体实施中，非接触式电流测量系统可以不利用处理器来引起或发起本文所讨论的不同功能。
此外，本领域的技术人员将理解，本文示教的机构能够作为各种形式的程序产品分配，并且不管用于事实上实行分配的信号承载介质的特定类型如何，例示性具体实施同样适用。信号承载介质的示例包括但不限于以下：可记录型介质诸如软盘、硬盘驱动器、CDROM、数字磁带和计算机存储器。
可组合上述各种具体实施来提供进一步的具体实施。在与本文的具体教导和定义不矛盾的情况下，2016年11月11日提交的美国临时专利申请62/421,124；2016年11月7日提交的美国专利申请15/345,256；2017年1月23日提交的美国专利申请15/413,025；以及2017年1月23日提交的美国专利申请15/412,891，以上申请的全文以引用方式并入本文。
鉴于上文的详细说明，可以对这些具体实施做出这些及其他改变。一般来说，在随后的权利要求中，使用的术语不应解释成将权利要求限制在本说明书和权利要求书中公开的具体实施中，而应解释成包括所有可能的具体实施以及此类权利要求赋予的等效物的全部范围。因此，权利要求并不受本公开内容所限定。

Claims (27)

1.一种非接触式电流测量系统，包括：
可调节夹持组件，所述可调节夹持组件选择性地夹持绝缘线并将其定位在限定位置处；
位置反馈传感器，所述位置反馈传感器在操作中生成指示被夹持在所述可调节夹持组件中的所述绝缘线的直径的位置反馈传感器信号；
磁场传感器，所述磁场传感器被定位成接近所述可调节夹持组件，其中所述磁场传感器在操作中生成磁场传感器信号，所述磁场传感器信号指示流过被夹持在所述可调节夹持组件中的所述绝缘线的电流的至少一个特性；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器通信地耦接到所述位置反馈传感器和所述磁场传感器，其中所述至少一个处理器在操作中：
从所述位置反馈传感器接收所述位置反馈传感器信号；
从所述磁场传感器接收所述磁场传感器信号；并且
至少部分地基于所接收的位置反馈传感器信号和所述磁场传感器信号来确定流过所述绝缘线的所述电流的至少一个特性。
2.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，其中所述可调节夹持组件包括第一夹持表面和第二夹持表面，所述第二夹持表面面向所述第一夹持表面，并且所述第一夹持表面和所述第二夹持表面中的至少一者可在朝向和远离所述第一夹持表面和所述第二夹持表面中的另一者的方向上移动，以将所述绝缘线选择性地夹持在所述第一夹持表面和所述第二夹持表面之间的所述限定位置处。
3.根据权利要求2所述的非接触式电流测量系统，其中所述第一夹持表面包括所述非接触式电流测量系统的外壳的前端的前端表面，并且所述第二夹持表面设置在可相对于前端表面选择性地移动的夹持构件上。
4.根据权利要求3所述的非接触式电流测量系统，其中所述磁场传感器被定位成接近所述外壳的所述前端的所述前端表面。
5.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，其中所述可调节夹持组件包括滑块夹持组件，并且所述位置反馈传感器包括线性位置反馈传感器，所述线性位置反馈传感器生成指示所述滑块夹持组件的线性位置的位置反馈信号。
6.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，其中所述可调节夹持组件包括具有第一夹持表面的第一夹持部分和具有面向所述第一夹持表面的第二夹持表面的第二夹持部分，并且偏置构件将所述第一夹持部分朝向所述第二夹持部分偏置。
7.根据权利要求6所述的非接触式电流测量系统，其中所述第一夹持表面和所述第二夹持表面中的至少一者作为所述磁场传感器的屏蔽件工作。
8.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，还包括操作性地耦接到所述至少一个处理器的用户界面，其中所述至少一个处理器在操作中使所述用户界面显示所确定的流过所述绝缘线的所述电流的至少一个特性。
9.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，其中流过所述绝缘线的所述电流的所述至少一个特性包括流过所述绝缘线的所述电流的大小。
10.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，其中所述位置反馈传感器包括电阻传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器、电容传感器、感应传感器或光学传感器。
11.根据权利要求1所述的非接触式电流测量系统，还包括：
参考信号型传感器，所述参考信号型传感器在操作中感测所述绝缘线中的参考信号而不与所述绝缘线电流接触，
其中所述至少一个处理器接收所述参考信号，并且至少部分地基于所接收的参考信号来确定流过所述绝缘线的所述电流的所述至少一个特性。
12.根据权利要求11所述的非接触式电流测量系统，其中所述至少一个处理器至少部分地基于所接收的参考信号进一步确定所述绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸，其中所述至少一个物理尺寸指示所述导体和所述磁场传感器之间的距离。
13.根据权利要求11所述的非接触式电流测量系统，其中所述至少一个处理器至少部分地基于所接收的参考信号和所接收的位置反馈传感器信号，进一步确定所述绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸。
14.一种测量绝缘线中的电流而不与所述绝缘线中的导体电流接触的方法，所述方法包括：
经由可调节夹持组件将所述绝缘线夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间；
确定所述第一夹持表面和所述第二夹持表面之间的夹持距离，其中所述夹持距离指示被夹持在所述第一夹持表面和所述第二夹持表面之间的所述绝缘线的直径；
经由被定位成接近被夹持在所述第一夹持表面和所述第二夹持表面之间的所述绝缘线的磁场传感器，感测由流过所述绝缘线的所述电流产生的磁场；以及
至少部分地基于所确定的夹持距离和所感测的由流过所述绝缘线的所述电流产生的磁场，经由至少一个处理器确定流过所述绝缘线的所述电流的至少一个特性。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一夹持表面包括外壳的前端的前端表面，并且所述第二夹持表面包括所述可调夹持组件的相对于所述前端表面可移动的夹持构件的表面，并且将所述绝缘线夹持在所述第一夹持表面和所述第二夹持表面之间包括将所述绝缘线夹持在所述前端表面和所述夹持构件的所述表面之间。
16.根据权利要求15所述的方法，其中感测由流过所述绝缘线的所述电流产生的磁场包括经由所述磁场传感器感测所述磁场，并且所述磁场传感器被定位成接近所述外壳的所述前端的所述前端表面。
17.根据权利要求14所述的方法，其中将所述绝缘线夹持在所述第一夹持表面和所述第二夹持表面之间包括将所述绝缘线夹持在滑块夹持组件的第一夹持表面和第二夹持表面之间，并且确定所述夹持距离包括确定所述滑块夹持组件的线性位置。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一夹持表面被定位在第一夹持部分上，并且所述第二夹持表面被定位在第二夹持部分上，并且所述方法还包括将所述第一夹持部分朝向所述第二夹持部分偏置。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
经由用户界面显示所确定的流过所述绝缘线的所述电流的至少一个特性。
20.根据权利要求14所述的方法，其中确定流过所述绝缘线的所述电流的所述至少一个特性包括确定流过所述绝缘线的所述电流的大小。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括：
经由被定位在外壳中的参考信号型传感器感测所述绝缘线中的参考信号，而不与所述绝缘线电流接触；以及
至少部分地基于所感测的参考信号，经由所述至少一个处理器确定流过所述绝缘线的所述电流的所述至少一个特性。
22.根据权利要求21所述的方法，至少部分地基于所接收的参考信号，经由所述至少一个处理器进一步确定所述绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸。
23.根据权利要求21所述的方法，至少部分地基于所接收的参考信号和所接收的位置反馈传感器信号，经由所述至少一个处理器进一步确定所述绝缘线内侧导体的至少一个物理尺寸。
24.一种非接触式电流测量系统，包括：
外壳，所述外壳包括具有前端表面的前端部分；
夹持构件，所述夹持构件具有面向所述前端表面的夹持构件表面，其中所述夹持构件可相对于所述前端表面移动，以将绝缘线选择性地夹持在所述前端表面和所述夹持构件表面之间；
位置反馈传感器，所述位置反馈传感器生成指示所述夹持构件的位置的位置反馈传感器信号；
电流传感器，所述电流传感器被定位成接近所述外壳的所述前端表面，其中所述电流传感器在操作中生成电流传感器信号，所述电流传感器信号指示流过被夹持在所述前端表面和所述夹持构件表面之间的所述绝缘线的电流的至少一个特性；和
至少一个处理器，所述至少一个处理器通信地耦接到所述位置反馈传感器和所述电流传感器，其中所述至少一个处理器在操作中：
从所述位置反馈传感器接收所述位置反馈传感器信号；
从所述电流传感器接收所述电流传感器信号；以及
至少部分地基于所接收的位置反馈信号和所述电流传感器信号来确定流过所述绝缘线的所述电流的至少一个特性。
25.根据权利要求24所述的非接触式电流测量系统，其中所述电流传感器包括磁场传感器。
26.根据权利要求24所述的非接触式电流测量系统，还包括操作性地耦接到所述至少一个处理器的显示器，其中所述至少一个处理器在操作中使所述显示器呈现流过所述绝缘线的所述电流的大小。
27.根据权利要求24所述的非接触式电流测量系统，其中所述位置反馈传感器包括电阻传感器、磁阻传感器、霍尔效应传感器或光学传感器。
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