JP2010230670A - 無線クランプ・オン電流プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】電流プローブの出力を無線で受信機の送信し、測定できるようにする。
【解決手段】バッテリ１０５が電圧調整器１１０、１１５、１２０を介して各ブロックに電力を供給する。ホール効果センサ１２５が被試験導体に伝達する電流を表す信号を発生し、信号条件付け回路１３０が電流信号をオフセットしスケーリングして条件付き信号を発生する。ＡＤＣ１３５が条件付き信号をサンプリングして、デジタル信号サンプルを発生し、マイクロコントローラ１４０がデジタル信号サンプルを処理する。ＲＦデータ・リンク１４５がマイクロコントローラ及び受信ユニットの間で通信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、電流の大きさを測定する装置及び方法に関し、特に、クランプ・オン電流プローブにより電力を測定する装置及び方法に関する。

クランプ・オン電流プローブを用いて、被試験電子回路を中断することなく、導体を流れる電流に対して非接触電流測定を行う。導体を流れる電流を測定する他の方法には、分流抵抗器を用いる方法がある。分流抵抗器を用いる方法の欠点は、以下に限定されるわけではないが、固有の電力損失や、回路経路を中断してメータの内部線に挿入する必要性や、発熱や、被試験回路から電気的な分離ができない点である。２００８年４月２２日に発行された米国特許第７３６２０８６号明細書「完全な電力センサ」（デュプリスなど）は、結合されたインダクタを用いて検出電流に応答した出力電流を発生することにより、回路の特定点の電流を検出する種々の方法を開示している。

本願出願人に譲渡され１９９６年２月２０日に発行された米国特許第５４９３２１１号明細書「電流プローブ」（ベーカー・クリフォード）（特開平０７-４３３９０号公報に対応）は、ホール効果センサを用いて、導体内の電流を測定する電流プローブを開示している。

クランプ・オン電流プローブは、バナナ・ジャック又は他の形式のケーブルを用いて、デジタル・マルチメータ、オシロスコープ、データ取り込み装置、パワー・メータ及び他の種々の機器の如き試験機器に通常接続されている。いくつかのクランプ・オン電流プローブは、全体がそれ自体に含まれており、被測定電流の大きさを視覚的に示すが、外部測定機器に接続する手段がない。

米国特許第７３６２０８６号明細書 米国特許第５４９３２１１号明細書

残念なことに、電流プローブと試験測定機器又はデータ収集機器との間の結線インタフェースを用いることが望ましくないか、ユーザにとって危険であるという環境がある。

本発明の態様は、次のようなものである。
（１）無線クランプ・オン電流プローブであって；上記無線クランプ・オン電流プローブに電力を供給するバッテリと；上記バッテリに結合され、出力端子に電源電圧を発生する電圧調整器と；磁界に応答して、被試験導体が伝達する電流を表す信号を発生する変換器と；上記電流を表す上記信号をオフセットしスケーリングして条件付き信号を発生する信号条件付け回路と；上記条件付き信号をサンプリングして、デジタル信号サンプルを発生するアナログ・デジタル変換器と；上記アナログ・デジタル変換器を制御して、上記デジタル信号サンプルを処理するマイクロコントローラと；上記マイクロコントローラ及び受信ユニットの間で通信を行い、上記マイクロコントローラの制御下で動作する無線周波数データ・リンクとを具えた無線クランプ・オン電流プローブ。
（２）上記電圧調整器がスイッチ・モード電圧調整器である態様１の無線クランプ・オン電流プローブ。
（３）上記変換器がホール効果センサである態様２の無線クランプ・オン電流プローブ。
（４）上記信号条件付け回路が、上記オフセットを調整するユーザ調整可能な素子を含む態様３の無線クランプ・オン電流プローブ。
（５）上記バッテリがリチウム・イオン・バッテリである態様４の無線クランプ・オン電流プローブ。
（６）試験される電子回路を中断することなく導体を通過する電流の非接触測定を行い、測定値を受信ユニットに無線伝送する方法であって；上記導体の周囲に無線クランプ・オン電流プローブをクランプし； 上記電流伝達導体が発生した磁界を検出し；上記磁界の検出に応答して上記電流の大きさを表す電圧を発生し；上記電圧の大きさをスケーリングし；上記電圧をサンプリングして、上記サンプルを表すデジタル・データを発生し；上記デジタル・データをフォーマットし；上記データを受信ユニットに送ることを特徴とする方法。
（７）上記電流の大きさを表す電圧を発生することは、ホール効果センサを用いて達成する態様６の方法。
（８）上記デジタル・データをフォーマットするステップは、マイクロコントローラを用いて達成する態様６の方法。
（９）無線クランプ・オン電流プローブ及び受信器のシステムであって；無線クランプ・オン電流プローブと；受信ユニットとを具え；上記無線クランプ・オン電流プローブは；上記無線クランプ・オン電流プローブに電力を供給するバッテリと；上記バッテリに結合され、出力端子に電源電圧を発生する電圧調整器と；磁界に応答して、被試験導体が伝達する電流を表す信号を発生する変換器と；上記電流を表す上記信号をフィルタ処理して条件付き信号を発生する信号条件付け回路と；上記条件付き信号をサンプリングして、デジタル信号サンプルを発生するアナログ・デジタル変換器と；上記アナログ・デジタル変換器を制御して、上記デジタル信号サンプルを処理するマイクロコントローラと；上記マイクロコントローラ及び受信ユニットの間で通信を行い、上記マイクロコントローラの制御下で動作する無線周波数データ・リンクとを具え；上記受信ユニットは；上記プローブからの上記デジタル・データ信号サンプルを受ける無線周波数受信器と；上記無線周波数受信器に結合され、上記デジタル・データ信号サンプルを受けて処理するマイクロコントローラと；上記処理済みデジタル信号サンプルを、上記被試験導体が伝送する上記電流を表すアナログ波形に変換し、上記マイクロコントローラの制御下で動作するデジタル・アナログ変換器と；上記デジタル・アナログ変換器の出力端に結合され、上記アナログ波形を受けてフィルタ処理する信号条件付け回路と；上記フィルタ処理済みアナログ波形を外部試験測定機器又は外部コンピュータに供給する出力端子とを具えるシステム。
（１０）上記受信器は、上記被試験導体が伝達する上記電流の上記大きさを指示する表示装置を含む態様９のシステム。
（１１）上記受信器は、上記フィルタ処理済みアナログ波形を外部試験測定機器又は外部コンピュータに供給するコネクタを含む態様９のシステム。

本発明の装置及び方法は、被試験電子回路を中断することなく、導体を流れる電流に対して非接触電流測定を行い、測定したデータを受信ユニットに無線で伝送できる。本発明の装置は、導体の周りにクランプされたとき、この導体を流れる電流を測定し、データを受信ユニットに無線で伝送できる。本発明の装置は、受信ユニットが埋め込まれたデータ取り込みシステム、試験測定機器又は他のホスト装置にデータを伝送する。受信ユニットが受けた情報を、要求に応じて利用可能であるし、オプションとしてログ（記録）できる。

本発明の無線クランプ・オン電流プローブは、クランプ・オン電流プローブと埋め込みシステムとを組み合わせている。この埋め込みシステムは、サイズ、ケーブルの物理的摩損、重さ、コスト、電気的ノイズ、損失、物理適切に関する他の問題などのケーブル問題を考慮する必要なく、据え付け試験機器を電流プローブに接続できるＲＦ（無線周波数）トランシーバを含んでいる。本発明の装置及び方法では、以前は可能でなかった環境及び状況で電流プローブを使用することができる。

本発明の装置は、有線シリアル・コミュニケーション手段又は統合無線周波数（ＲＦ）トランシーバにより制御及び問い合わせしてもよい。このＲＦトランシーバは、ジグビー（ZigBee）（登録商標）、ブルートゥース（Bluetooth）（登録商標）又は任意のＩＥＥＥコミュニケーション標準の如き標準無線コミュニケーション・プロトコルや専用コミュニケーション・プロトコルを用いてもよい。確立されたコマンド・セットから装置にコマンドを発行することにより、ユーザは、装置の多くの構成設定を変更できる。本発明の装置は、信号処理にデジタル・プロセッサを用いて、全ての重要な機能を果たしている。これにより、装置は、既存の回路を変更したりすることなく、また、新たな回路を追加することなく、変更したファームウェアの形式で機能を追加できる。

本発明の一実施例の送信機システムの基本的なブロック図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機のアナログ・フロント・エンドの回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機の＋２．５Ｖ電圧基準部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機のアナログ・デジタル変換器(ＡＤＣ)部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機のマイクロコントローラ部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機の＋３．３Ｖバック・ブースト（buck-boost）ＤＣ−ＤＣ変換器部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機の＋３．３Ｖ線の後遅延部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機の−１５ＶブーストＤＣ−ＤＣインバータ部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機の＋１５ＶブーストＤＣ−ＤＣインバータ部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信機のリチウム・イオン／リチウム・ポリマー充電管理制御器部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の送信器のデジタルＲＦトランシーバ部分の回路図である。 本発明の一実施例の送信機の基本的なファームウェアの流れ図である。 ユニットを操作するのに用いる標準システム・コマンドの表を示す図である。 ユニットを操作するのに用いる標準システム・コマンドの表を示す図である。 本発明の一実施例の受信機システムの基本的なブロック図である。 本発明のシステムの一実施例の受信器のアナログ・フロント・エンド部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の受信器の＋２．５Ｖ電圧基準部分の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の受信器のマイクロコントローラ部分の回路図である。 本発明の一実施例の受信器の＋３．３Ｖ調整器の回路図である。 本発明のシステムの一実施例の受信器のデジタルＲＦトランシーバ部分の回路図である。 本発明の一実施例の受信器の基本的なファームウェアの流れ図である。 ユニットの操作に用いる標準システム・コマンドの表を示す図である。 本発明による無線クランプ・オン電流プローブの斜視図である。 本発明による無線クランプ・オン電流プローブの受信器ユニットの斜視図である。

本発明の装置及び方法を用いて、被試験電子回路を中断することなく、導体を流れる電流に対して非接触電流測定を行い、測定データを受信ユニットに無線送信している。本発明の装置を導体にクランプして、そこに流れる電流を測定し、測定した電流値を受信ユニットに無線で送信する。この情報は、要求に応じて利用可能であり、オプションとして記録される。

本発明の装置は、この装置の利用に応じて、異なる組合せで配置された種々の要素を含んでもよい。本発明の装置に用いるかかる要素には、以下に限定されるものではないが、電圧調整器（レギュレータ）、正確な電圧基準、無線トランシーバ、バッテリ充電管理制御器、リチウム・バッテリ、マイクロコントローラ（マイクロプロセッサ）、不揮発性メモリ、アナログ・デジタル変換器、ホール効果センサ、計測増幅器、演算増幅器、特定用途に装置を最適化する他の要素がある。

図１は、本発明の一実施例の送信機システム（送信ユニット）１００の基本的なブロック図であり、電力、アナログ、デジタル及びＲＦ（無線周波数）の如きシステムの主な副回路の間の関係を示す。送信ユニット用の主な電力源は、リチウム・バッテリ１０５であり、その電圧は、フル充電で４．２Ｖであり、消耗した状態で約３．０Ｖである。電圧調整器を用いて、リチウム・バッテリ１０５からの供給電圧を安定化させる。これは、サブシステムが用いる電圧を特定の電圧レベルに固定する必要があるためである。本発明の装置は、＋３．３Ｖ、＋１５Ｖ及び−１５Ｖのスイッチ・モード電圧調整器１１０、１１５、１２０を含んでおり、これらは、ユニットを使用中にバッテリ電圧が低下しても、全てのサブシステムに必要な一定電圧を供給する。ホール効果センサ１２５を変換器（トランスジューサ）として用い、電流伝達導体が発生する磁界の検出された大きさを、それを表す電圧に変換する。信号条件付け回路１３０は、ホール効果センサからの出力電圧をフィルタ処理し、ＡＤＣ（アナログ・デジタル変換器）１３５の入力レンジに適する大きさにスケーリング（拡大／縮小）する。ＡＤＣ１３５は、信号条件付け回路からの出力電圧をデジタル・データに変換する。このデジタル・データをマイクロコントローラ１４０に供給して、処理及びフォーマットして、ＲＦデータ・リンク１４５に直列に送って、受信ユニット４００（図４）に無線送信する。

図２Ａは、本発明の無線クランプ・オン電流プローブの送信機のアナログ・フロント・エンドの一実施例の回路図である。ポテンショメータＰＯＴ１を、ホール効果センサ１２５のシングル・エンド出力信号用の減衰器として用いる。小型の機械的多回転ポテンショメータを用いることができるが、好適実施例においては、ポテンショメータＰＯＴ１として、より信頼性の高い半導体デジタル・ポテンショメータを用いることができる。

演算増幅器（オペ・アンプ）Ｕ１Ａを用いて、ＰＯＴ１のワイパー（可動）端子から受けた減衰済みホール効果センサ信号を緩衝する。オペ・アンプＵ１Ｄを用いて、＋２．５Ｖ電圧基準１４７からの出力を緩衝する。オペ・アンプＵ１Ａ及びＵ１Ｄの出力信号は、抵抗器Ｒ２、Ｒ６及びＲ２９で構成される加算回路網を介して、オペ・アンプＵ１Ｂに結合される。オペ・アンプＵ１Ｂ及び抵抗器Ｒ５、Ｒ７は、増幅器を形成し、この増幅器を用いて、オペ・アンプＵ１Ａの出力信号（即ち、センサ信号）とオペ・アンプＵ１Ｄからの緩衝済み＋２．５Ｖ基準電圧とを加算し、スケーリングする。オペ・アンプＵ１Ｂの加算出力は、ＡＤＣ１３５（図２ＣのＵ２）の電圧入力レンジでの使用に最適化されるようにスケーリングされオフセット調整された信号である。増幅器Ｕ１Ｂの出力信号は、抵抗器Ｒ３、Ｒ４、コンデンサＣ１、Ｃ４及びオペ・アンプＵ１Ｃで構成されたフィルタに結合される。オペ・アンプＵ１Ｃは、２次ロウパス・フィルタとして構成され、このフィルタを用いて、ＡＤＣ１３５の入力端子に供給される信号の帯域幅を制限する。

図２Ｂは、＋２．５Ｖ電圧基準源１４７の詳細を示す。電圧調整器１４８は、その入力端子に＋１５Ｖを受け、その出力端子に調整した（安定化した）＋２．５Ｖ電圧を発生する。コンデンサＣ７及びＣ８は、入力電圧をフィルタ処理して、望ましくないノイズを除去する。調整した出力電圧を、抵抗器Ｒ９、Ｒ１０及びポテンショメータＰＯＴ２で構成された分圧器に供給する。ポテンショメータＰＯＴ２は、上述の半導体形式でもよいことが当業者には理解できよう。ポテンショメータＰＯＴ２の調整により、＋２．５ＶＲｅｆ出力端子に発生した電圧をわずかに可変できる。すなわち、図２Ａのオペ・アンプＵ１Ｂの入力におけるアナログ出力信号のオフセットをわずかに調整するＰＯＴ２を用いて、＋２．５Ｖ電圧基準源１４７の出力を調整できる。

図２Ｃを参照する。ＡＤＣ１３５を用いて、ホール効果センサ１２５からの条件付き出力信号をサンプリングし、１６ビット・デジタル・ワードに変換する。このデータ・ワードをマイクロコントローラ１４０（図２ＤのＵ４）が直接制御する。分解能の低い又は高いアナログ・デジタル変換器を用いることができるが、１６ビットＡＤＣは、現在のコスト及び分解能により、このアプリケーションに適する。コンデンサＣ２及びＣ３は、＋３．３Ｖ供給及び＋２．５Ｖ基準信号を夫々フィルタ処理する。ＡＤＣ１３５は、例えば、テキサス・インスツルメンツが製造しているＬＴＣ１８６４でもよい。

図２Ｄを参照する。マイクロコントローラ１４０は、装置の全ての統合機能を制御する。ボード上のメジャ集積回路の全ては、プロセッサ／マイクロコントローラで制御され、インタフェースされるように設計されている。本発明の装置は、次のものに限られるわけではないが、複数命令セット・コンピュータ（ＣＩＳＣ）、縮小命令セット・コンピュータ（ＲＩＳＣ）、ハーバード・アーキテクチャ、ノイマン型アーキテクチャ、変更ハーバード・アーキテクチャなどの種々形式の任意のプロセッサを組み込むように設計できる。フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いても、設計できる。好適のマイクロコントローラは、小さなフットプリント、少ないピン数、充分なプログラム・メモリ、低消費電力、統合発振器、周辺及びデジタル・コミュニケーション・インタフェースの充分な組合せを有する。マイクロコントローラ１４０は、通常の時間間隔でＡＤＣをポーリングできるので、ホール効果センサ１２５からの信号条件付き出力をサンプリングする。これを用いて、ＡＤＣ１３５から取り込んだデータに基づいて測定すべき電流の大きさを計算し、電流値情報をシステムのＲＦトランシーバＵ１３に伝送し、システムのバッテリの状態を確認し、ホスト・システムとインタフェースして、エンド・ユーザがシステム設定を構成できるようにする。マイクロコントローラ１４０は、例えば、マイクロチップ・テクノロジー・インクが製造したＤＳＰＩＣでもよい。単一のバス・バッファ・ゲート／ライン・ドライバＵ５は、動作期間中、ＲＦトランシーバ（図２Ｊの１４５）からの受信信号出力が、マイクロコントローラ１４０の受信ピンに到達するのを分離する。適切な単一バス・バッファ・ゲート／ライン・ドライブは、テキサス・インスルメンツが製造するＳＮ７４ＡＨＣＴ１Ｇ１２６型である。

図２Ｅは、＋３．３Ｖバック／ブースト・スイッチ・モード電圧調整器１１０の詳細な図である。チップＵ７は、リチウム・イオン・バッテリ１０５からの４．２Ｖ〜３．０Ｖ、又は外部の＋５．０Ｖ電源を固定の＋３．３Ｖ出力電圧に変換する。コイルＬ１は、チップＵ７に結合され、スイッチ・モード安定処理に使用される。コンデンサＣ１６は、入力するバッテリ電圧をフィルタ処理し、コンデンサＣ１５は、＋３．３Ｖ出力電圧をフィルタ処理する。この＋３．３Ｖレール（即ち、電源レベル）を用いて、マイクロコントローラ１４０、ＡＤＣ１３５、無線トランシーバＵ１３に電力を供給する。

＋３．３Ｖ出力が安定状態に達する前に、このスイッチ・モード調整器が上述の回路に電力を供給するのを防ぐために、図２Ｆに示す「パワー・オン・アフター・デレィー（遅延後の電源オン）」回路を用いる。＋３．３Ｖ調整器１１０の出力端をＱ１のソース端子Ｓに接続する。このＱ１は、ＦＥＴトランジスタでもよい。＋３．３Ｖ調整器１１０の出力端は、Ｒ１８、Ｒ１９、Ｃ１７で構成される抵抗／コンデンサ回路網にも接続される。＋３．３Ｖ調整器の出力が安定状態に達し、回路網の時定数Ｒ１８Ｃ１７で決まる時間が経過したとき、インバータＵ８の入力端の電圧レベルにより、このインバータＵ８の出力ピンが＋３．３Ｖから０Ｖに遷移するようになる。Ｑ１のゲート端子Ｇが低のとき、そのソース端子Ｓの＋３．３Ｖ(+3.3V_PRI)がそのドレイン端子Ｄに通過して、＋３．３Ｖレールの回路に電力を供給できる。

図２Ｇ及び図２Ｈに夫々示したスイッチ・モード電圧調整器１２０、１１５を用いて、ホール効果発生器を＋１５．０Ｖ及び−１５．０Ｖで夫々バイアスする。図２Ｇを参照する。集積回路スイッチ・モード負電圧調整器Ｕ９は、リチウム・イオン・バッテリ充電管理回路１０７からのバッテリ電圧を受け、その出力端子に−１５Ｖを供給する。コンデンサＣ１９及びＣ２０は、入力する条件付きバッテリ電圧をフィルタ処理してノイズを除去し、コンデンサＣ１８は、発生した−１５Ｖをフィルタ処理する。コンデンサＣ２１及びインダクタＬ２を集積回路スイッチ・モード電圧調整器Ｕ９の端子に接続して、その適切な動作を確実にする。Ｄ１は、Ｕ９と協働して用いられるショットキー・ダイオードであり、−１５．０Ｖを発生する。

図２Ｈを参照する。集積回路スイッチ・モード正電圧調整器Ｕ１２は、リチウム・イオン・バッテリ充電管理回路１０７からのバッテリ電圧を受けて、その出力端子に＋１５Ｖを供給する。コンデンサＣ２３及びＣ２４は、発生した＋１５Ｖをフィルタ処理する。コンデンサＣ２９及びインダクタＬ３を集積回路スイッチ・モード正電圧朝夕Ｕ１２の端子に接続して、その適切な動作を確実にする。図２ＨのＵ１２は、システム・マイクロコントローラにバッテリ状態を提供できる。システム・バッテリが抵抗器Ｒ２６及びＲ２８の間の共通ノードにて測定される所定しきい値未満に引き込まれると、集積回路スイッチ・モード正電圧調整器Ｕ１２が出力ピンを低に引っ張るので（即ち、プル・アップ抵抗器Ｒ２４を介して電流を引き込むので）、バッテリを直ちに再充電すべきとシステム・マイクロコントローラに知らせる。Ｄ２は、Ｕ１２と協働するショットキー・ダイオードであり、−１５．０Ｖを発生する。

図２Ｉは、リチウム・イオン・バッテリ充電管理回路１０７の詳細を示す。この図２Ｉにおいて、出力回路Ｕ１１を用いて、システム・リチウム・イオン／ポリマー・バッテリ１０５の充電を管理する。＋５Ｖの外部電源をユニット１０７の＋５Ｖバッテリ充電端子+5V_Batt_Chargeに接続すると、集積回路Ｕ１０及びＵ１１が活性化される。動作において、充電管理制御器Ｕ１１は、供給された外部＋５Ｖレベルを受けて、適切な電圧レベルをはせして、バッテリ１０５を充電する。

充電管理制御器Ｕ１１は、先ず、ＮＴＣ１（負温度係数のサーミスタ）を介してバッテリの温度をチェックする。このＮＴＣ１は、Ｒ２７と協働して、分圧回路を形成する。サーミスタＮＴＣ１をリチウム・イオン・バッテリ１０５の近接場所に取り付けて、バッテリ１０５の温度を検知する。サーミスタＮＴＣ１が検知したバッテリ温度が上昇すると、その抵抗値が減り、分圧比が変化して、サーミスタＮＴＣ１及び抵抗器Ｒ２７の共通ノードに発生する電圧の対応変化が、充電管理制御器Ｕ１１の入力端子に供給される電圧を変化させる。バッテリの温度が設定限界内であると、充電サイクルが開始し、Ｕ１１のピン番号２が低に引っ張られ、ピン番号１１が高に引っ張られる（即ち、制御器Ｕ１１は、プル・アップ抵抗器Ｒ２０に結合された端子を介して電流を引き込み、プル・アップ抵抗器Ｒ２１に結合された端子を介しては電流を引き込まない）。抵抗器Ｒ２０及びＲ２１の一端を互いに結合して、＋５Ｖ電圧源に接続する。抵抗器Ｒ２０及びＲ２１は、インバータＵ１０の入力端子に夫々結合された第２端を有し、ロジック・レベル信号を供給する。

インバータＵ１０のピン番号３をロジック・レベル例に引っ張ると、ピン番号４が高に設定され、デュアル・カラーＬＥＤ（緑／赤）１０８の緑要素がオンにバイアスされて、電流制限抵抗器Ｒ２３を介して電流が流れる。ＬＥＤ１０８の緑部分を照明して、バッテリが適切に充電されていることを知らせる。充電サイクルがうまく完了すると、ＬＥＤ１０８の緑部分がオフとなる。外部電力の供給に応じて、バッテリの温度が高すぎるか低すぎる場合、充電サイクルが停止し、制御器Ｕ１１のピン番号２が高に引っ張られ（ＬＥＤ１０８の緑部分が消灯し）、ピン番号１が１Ｈｚのレートで高及び低のロジック状態の間を繰り返す。この状況により、赤／緑充電状態ＬＥＤ１０８が１Ｈｚのレートで赤の点滅を行う。コンデンサＣ２２は、＋５Ｖバッテリ充電レベル+5V_Batt_Chargeに結合され、フィルタ処理する。また、コンデンサＣ２７は、バッテリ電圧＋ＢＡＴに結合され、フィルタ処理する。コンデンサＣ２５、Ｃ２６及び抵抗器Ｒ２５が制御器Ｕ１１に結合されて、これらを用いて、Ｕ１１の適切な動作を確実にする。

図２Ｊは、ＲＦデータ・リンク１４５の詳細を示す。本発明の装置の一実施例において、図２Ｊに示すジグビー無線機集積回路Ｕ１３を用いて、一定時間間隔で、又は処理要求（クエリー）されたときのみ、無線クランプ・オン電流プローブが測定する電流の大きさを受信ユニットに無線送信する。ジグビー無線機チップＵ１３のピン番号２及び３とマイクロコントローラ１４０のピン番号３３及び３４との簡単なロジック・レベルのユニバーサル非同期シリアル・ポート・インタフェース（ＵＡＲＴ）により、マイクロコントローラ１４０とジグビー無線機チップＵ１３との間のコミュニケーションを操作する。このインタフェースは、空中でデータを受信ユニット４００に送信するのに用いられるだけではなく、ジグビー無線機を構成するのにも用いられて、周辺領域ネットワークでの他のジグビー無線機と適切なコミュニケーションも行える。ジグビー無線機集積回路Ｕ１３は、デジ・インターナショナルが製造するＸＢ２４−Ｚ７ＷＩＴ−００４型でもよい。

本発明の無線クランプ・オン電流プローブ送信機の基本的なファームウェアの流れ図３００を図３Ａに示す。このルーチンは、ステップ３０５で開始し、ステップ３１０に進み、マイクロコントローラ（μＣ）１４０の電源を入れて初期化する。ステップ３２０にて、システムの電源を入れると、マイクロコントローラ１４０（図２ＤのＵ４）は、装置の全ての入力／出力ポートを初期化し、変数を初期化し、不揮発性メモリからデータ係数を読出してロードし、バッテリ状態をチェックし、ジグビー無線機を使用できるように構成する。ステップ３３０にて、クランプ・オン電流プローブは、ホール効果センサの出力をＡＤＣ１３５によりサンプリングし、デジタル化したデータをマイクロコントローラ１４０で処理し、ユーザ構成に応じて、ユニットは、受信ユニットからのコマンドを待つスタンバイ状態になるか、アクティブの受信器をチェックして、ユーザが決めた一定間隔で電流測定値を送るか、電流測定値サンプルを要求されるまでアイドル状態である。

図４は、本発明の一実施例の受信機システム（ユニット）４００のブロック図であり、電力、アナログ、デジタル及びＲＦの如きシステムの主要なサブシステムの間の関係を示す。受信ユニットの主要な電力源は、エンド・ユーザが提供する＋／−１５Ｖ電源４１０、４１５である。特定電圧に固定するのにサブシステムの用いる電圧が必要なので、電圧調整器を用いる必要がある。本発明の装置は、２個の＋３．３Ｖ線形電圧調整器４２０、４２５を含んでおり、全てのデジタル・サブシステムに必要な一定電圧を供給する。ＲＦデータ・リンク４３０は、クランプ・オン電流プローブが伝送したデータを受信し、それをシステム・マイクロコントローラ４４０に直列に中継する。

マイクロコントローラ４４０は、入力するデータをフォーマットし、それをデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）４３５に直列に伝送する。マイクロコントローラ４４０は、ユーザ・インタフェース４０５も扱う。ＤＡＣ４３５は、マイクロコントローラ４４０から入力するデジタル・データをアナログ信号に変換する。信号条件付け回路４４５は、電圧基準回路４５０と協働して、ＤＡＣ４３５からのアナログ信号をフィルタ処理し、シフトし、増幅するので、この信号は、無線クランプ・オン・プローブ送信機が測定した電流信号の大きさを表し、エンド・ユーザが使用するために、出力回路４５５にてアナログ信号を出力する。また、エンド・ユーザは、マイクロコントローラ４４０が発生したデジタル形式で出力信号を受ける。

図５Ａは、無線クランプ・オン電流プローブ受信ユニット４００のアナログ信号条件付け回路４４５の回路図を示す。ポテンショメータＰＯＴ４０１をＤＡＣ４３５からの出力信号用の減衰器として用いる。抵抗器Ｒ４０２、Ｒ４０３及びコンデンサＣ４０２、Ｃ４０３と協働するオペ・アンプＵ４０２Ａを２次ロウパス・フィルタ（アンチエリアシング・フィルタ）として構成する。このフィルタを用いて、第２オペ・アンプＵ４０２Ｂの入力端子に供給する前にＤＡＣ出力信号の帯域幅を制限する。オペ・アンプＵ４０２Ｄを用いて、＋２．５Ｖ電圧基準４５０からの出力を緩衝し、ＤＡＣ４３５からの出力信号にオフセットを加える。図５ＢのポテンショメータＰＯＴ４０２を用いて、＋２．５Ｖ電圧基準４５０の出力を調整して、アナログ出力信号のオフセットをわずかに調整する。オペ・アンプＵ４０２Ｂを用いて、Ｕ４０２Ａの出力、ＤＡＣ４３５の出力信号、オペ・アンプＵ４０２Ｄの出力信号（緩衝された＋２．５Ｖ基準電圧）を加算する。抵抗器Ｒ４０４、Ｒ４０７は、条件付きアナログ信号をスケーリングする分圧器を形成する。オペ・アンプＵ４０２Ｃ及び利得設定抵抗器Ｒ４０８、Ｒ４０９を含む増幅回路を用いて、オペ・アンプＵ４０２Ｂの出力信号を増幅する。オペ・アンプＵ４０２Ｃの出力は、スケーリングされオフセットされた信号であり、受信ユニット４００が発生する最終アナログ出力信号である。

図５Ｂは、＋２．５Ｖ電圧基準源４５０の詳細を示す。電圧調整器Ｕ４０３は、入力端子に＋１５Ｖを受け、その出力端子に調整された＋２．５Ｖ電圧を発生する。コンデンサＣ４０６、Ｃ４０７は、入力電圧をフィルタ処理して、望まないノイズを除去する。調整された出力電圧を、抵抗器Ｒ４１０、Ｒ４１２とポテンショメータＰＯＴ４０２とで構成される分圧器に供給する。ポテンショメータＰＯＴ４０２は、上述の半導体形式でもよいことが当業者には理解できよう。ポテンショメータＰＯＴ４０２の調整により、＋２．５ＶＲｅｆ出力端子に発生する電圧がわずかに変化する。すなわち、ＰＯＴ４０２を用いて、＋２．５Ｖ電圧基準源４５０の出力を調整して、図５Ａのオペ・アンプＵ４０２Ｄの入力にて、アナログ出力信号のオフセットをわずかに調整する。

図５Ｃのマイクロコントローラ４４０は、本装置の全てのインテリジェント機能を制御する。ボード上の全ての主要な集積回路は、プロセッサ／マイクロコントローラで制御されインタフェースされるように設計されている。受信ユニットのマイクロコントローラ４４０は、ＵＡＲＴを介してジグビーからのデータを受け、デジタル・データ・ストリームをＤＡＣ４３５に供給し、ＤＡＣ４３５を制御してアナログ出力信号を新条件付け回路４４５に供給し、オプションとしてシリアル・インタフェースを介してデータをデジタル的に出力し、そのＵＡＲＴインタフェースを用いてユーザがこのユニットを外部に構成できるようにする。マイクロコントローラ４４０は、例えば、マイクロチップ・テクノロジー・インクが製造するＤＳＰＩＣでもよい。図５ＣのＵ４０５は、単一のバス・バッファ・ゲート／ライン・ドライバである。

図５Ｄは、１対の線形電圧調整器４２０、４２５を示す。これら調整器を用いて、エンド・ユーザからの入力電圧を既知で利用可能な電圧に下げる。電圧調整器Ｕ４０６は、＋３．３Ｖの調整器であり、これを用いて、マイクロコントローラ４４０及びＤＡＣ４３５に電力を供給する。電圧調整器Ｕ４０７も＋３．３Ｖ調整器であり、これを用いて、ジグビー無線機４３０に電力を供給する。１個の代わりに、２個のディスクリート＋３．３Ｖ電圧調整器を用いて、電圧調整器集積回路の電力消費を各装置にて最小に維持する。

図５Ｅを参照する。本受信機の実施例４００は、ジグビー無線機４３０を用いて、送信無線クランプ・オン電流プローブが測定する電力の大きさを表すデータを無線で受信する。一定時間間隔又は処理要求のときのみ情報を受信／送信するように、この装置を構成できる。送信回路について説明したように簡単なロジック・レベルのユニバーサル非同期シリアル・ポート・インタフェース（ＵＡＲＴ）により、マイクロコントローラ４４０及びジグビー無線機集積回路４３１の間のコミュニケーションを扱う。

無線クランプ・オン電流プローブ受信機４００用の基本的なファームウェアの流れ図６００を図６Ａに示す。このルーチンは、ステップ６０５で開始し、ステップ６１０に進んで、マイクロコントローラ（μＣ）４４０を初期化する。ステップ６１５似てシステムに電源を供給すると、マイクロコントローラ４４０は、装置上の全ての入力／出力ポートを初期化し、変数を初期化し、不揮発性メモリからのデータ係数を読出してロードし、ジグビー無線機４３０を利用できるように構成する。ユーザ構成に応じて、このユニットは、送信ユニットからの呼びかけコマンドを待つスタンバイ状態となる。呼びかけコマンドを受けると、受信ユニットは、コマンド受信応諾に応答する。この応答により、受信ユニットがアクティブで、データ受信の準備ができたことを送信ユニットが認識できる。送信ユニットがデータを流すように設定されると、ステップ６２０にて、受信ユニットのマイクロコントローラは、ジグビー無線機４３０からＵＡＲＴを介してデータのストリームを受ける。次に、マイクロコントローラ４４０は、ＤＡＣ４３５を制御して、アナログ出力信号を更新するか、オプションとして、シリアル・コミュニケーションにより受信データをデジタル的に出力する。

この装置の校正には、特定実施例に応じて、送信装置１００の利得及びオフセット用ポテンショメータＰＯＴ１、ＰＯＴ２と受信装置４００のＰＯＴ４０１とを調整することを含む。好適実施例において、これらポテンショメータをデジタル・ポテンショメータ又はプログラマブル電流源、若しくはこれら両方の組合せと置換して、自動化手段により装置の校正を行える。

本発明の他の実施例において、＋５Ｖアナログ及びデジタルの電圧レールが必要ならば、＋５Ｖコンポーネントを用いてもよい。この実施例は、動作用に、相対的により大きい電力が必要かもしれない。代わりに、電力条件が非常に低い＋１．８Ｖの電子コンポーネントを用いることもできる。好適実施例において、利用するために選択されたデジタル及びミックスドの信号コンポーネントの全ては、ＣＭＯＳ素子の如き低電力の＋３．３Ｖ素子である。

温度補償を本発明の装置内に組み込んで、特に、本装置を校正された環境と温度が大幅に異なる環境で用いる際に、電流測定の確度を改善できる。例えば、温度が上昇すると、ほとんどのホール効果素子の所定磁界レベルでの出力電圧が低下する。温度検知装置（サーミスタ、サーモカップラ、又は専用温度検知集積回路）の出力を用いて、検知要素（本発明で設計したようなホール効果装置）の出力の温度係数を補償できる。増幅器の利得又は制御電流レベルを変更して、この補償をアナログ回路でも実行できる。温度補償は、典型的には、経験値又は実際の測定値のいずれかにかかわらず、検知要素用の温度係数データを用いて、本発明の装置のマイクロコントローラ部分により数学的に実行してもよい。温度センサは、デジタルでもよいし、マイクロコントローラ１４０で制御して読み取ってもよい。

本発明の装置の回路の実現には、種々の方法がある。例えば、ＧａＡｓホール効果センサは、ＩｎＡｓ又はＩｎＳｂセンサでもよく、また、その代わりに、他の磁気センサ形式でもよく、限定するものではないが、磁気抵抗（ＭＲ／ＧＭＲ）、磁気光又はコイルを用いてもよい。好適なシリアル・バスの他に、イーサネット（登録商標）又はＵＳＢなどの他のコミュニケーション技術を用いてもよい。本発明のアプリケーションは、上述の特定の電流測定レンジ限界、分解能又は確度に限定されるものではない。さらに、本装置は、イーサネット（登録商標）を介して電力供給（ＰＯＥ）でき、且つ、任意の数の国内、商用又は産業用の場所でのアプリケーション用のインターネットを介して制御可能な遠隔モニタ装置として構成できる。

本発明を用いることができる典型的な装置は、固定試験装置を用いる遠方の装置にて導体を流れる電流を無線で測定するものである。他の可能なアプリケーションでは、多数の無線クランプ・オン電流プローブと、試験測定機器に接続された１個の無線電流プローブ受信機とを用いて、数百フィート（数十メートル）離れた多数の素子の電流消費を測定し、記録する。一般的には、本発明を使用する典型的なアプリケーションは、エンド・ユーザの構想により決まる。

本発明の装置とのコミュニケーション及び制御は、市販の種々のソフトウェア言語、例えば、以下に限られるものではないが、Ｃ、Ｃ＋＋、ＢＡＳＩＣ、フォートラン、ＬａｂＶｉｅｗ（登録商標）、テストポイント、又はハイパーターミナルと、シリアル・コミュニケーション信号を送受信できるコンピュータ又は制御器とを用いて達成できるし、コミュニケーション用のシリアル・ポートを有する他の装置によっても達成できる。このコミュニケーションは、ＲＳ−２３２Ｃインタフェースと一般的に関連したＴＴＬ形式のデジタル又はバイポーラ電圧レベルでもよい。ユニットにメッセージを送る際のデフォルト・メッセージ・ターミネータは、キャリッジ・リターン（０ｘ０Ｄ）であり、ユニットが送るデフォルト・メッセージ・ターミネータは、ライン・フィード及びキャリッジ・リターン（０ｘ０Ｄ、０ｘ０Ａ）である。コミュニケーションは、直接無線接続によるものでも、ＲＦ又は光トランシーバ・モジュールに関連したものでもよい。４つのユーザ選択可能なボー・レートが利用可能である。動作において、ユニットのファームウェア・バージョン、シリアル番号又はモデル番号の如き種々のデータをユーザが回収できる。

内部データ記録機能は、データの回収及び種々のタイミング間隔に対して、ユーザが構成可能である。ホスト・システムの特定のプログラム言語又はハードウェア機能によってのみ限定されるボタン又はチェック・ボックスの如き図形インタフェース又はテキスト・ベース・コマンド・ストリングによって、制御が開始してもよい。ユニットから受信したデータを数値、図形的に表示できるし、ホスト装置の外部メモリに蓄積してもよい。

将来の必要性により拡張できる標準コマンド・セットを用いて、コミュニケーションを達成できる。数値コマンドをユニットに送って、動作モードを変更したり、情報をホストに回収したりする。特にマイクロソフト（登録商標）ハイパーターミナル・プログラムと用いる際に、スクリーンをクリアするコマンドが含まれる。校正に用いる他のコマンドは、工場での専用でもよい。これにより、ユニットの校正を事故により変更したり改悪したりするのを防止する。標準のユーザ・コマンド・セットを図３Ｂ、図３Ｃ及び図６Ｂに示す。

本発明のクランプ・オン無線電流プローブ７００の実施例の斜視図を図７に示す。電流を流すワイヤ（図示せず）は、プローブ本体７２０の開口７１０を通過して、電流の大きさを測定する。

エンド・ユーザがプローブ本体７２０の引き金７３０を押すと、開口７１０が開き、被測定電流を流す導体の周囲に本装置を配置できる。図７に示すプローブ本体７２０は、本発明の使用に適するが、他の適切な配置も同様に利用可能なことが当業者に理解できよう。

本発明の受信機４００用の外観として用いるのに適するハウジング８００の斜視図を図８に示す。受信機４００は、クランプ・オン無線電流プローブ７００が測定する電流の指示を表示する表示器８１０を含む。受信機４００は、１個以上の種々のコネクタも具えている。これらコネクタは、バナナ・ジャック８２０、ＢＮＣ端子８３０、ＵＳＢ端子８４０などであり、受信機４００と外部の試験測定機器又は外部コンピュータ（図示せず）との間で、測定及び設定データのコミュニケーションを行う。図８の外観８００の形状は本発明の用途に適するが、他の適切な外観を用いてもよいことが当業者には理解できよう。

本明細書で用いた接続詞「又は」は、列挙したものの一方、他方、又は全てを意味する。また、これは、いずれかで充分であることを意味し、記載した全ての代替がなければならないものでもない。

上述の実施例は、本発明の例を説明するためのものであり、本発明のそのように限定するものではない。

１００ 送信機システム
１０５ リチウム・ポリマー・バッテリ
１０７ リチウム・イオン・バッテリ管理回路
１１０ バック／ブースト・スイッチ・モード電圧調整器
１１５、１２０ スイッチ・モード電圧調整器
１２５ ホール効果センサ
１３０ 信号条件付け回路
１３５ アナログ・デジタル変換器
１４０ マイクロコントローラ
１４５ ＲＦデータ・リンク
１４７ 電圧基準回路
１５０ ユーザ・インタフェース
４００ 受信機システム
４０５ ユーザ・インタフェース
４１０、４１５ 電源
４２０、４２５ 電圧調整器
４３０ ＲＦデータ・リンク
４３５ デジタル・アナログ変換器
４４０ マイクロコントローラ
４４５ 信号条件付け回路
４５０ 電圧基準回路
４５５ 出力回路
７００ クランプ・オン無線電流プローブ
７１０ 開口
７２０ プローブ本体
７３０ 引き金
８００ ハウジング
８１０ 表示器
８２０ バナナ・ジャック
８３０ ＢＮＣ端子
８４０ ＵＳＢ端子

Claims (3)

1. 無線クランプ・オン電流プローブであって、
   上記無線クランプ・オン電流プローブに電力を供給するバッテリと、
   上記バッテリに結合され、出力端子に電源電圧を発生する電圧調整器と、
   磁界に応答して、被試験導体が伝達する電流を表す信号を発生する変換器と、
   上記電流を表す上記信号をオフセットしスケーリングして条件付き信号を発生する信号条件付け回路と、
   上記条件付き信号をサンプリングして、デジタル信号サンプルを発生するアナログ・デジタル変換器と、
   上記アナログ・デジタル変換器を制御して、上記デジタル信号サンプルを処理するマイクロコントローラと、
   上記マイクロコントローラ及び受信ユニットの間で通信を行い、上記マイクロコントローラの制御下で動作する無線周波数データ・リンクと
   を具えた無線クランプ・オン電流プローブ。
2. 試験される電子回路を中断することなく導体を通過する電流の非接触測定を行い、測定値を受信ユニットに無線伝送する方法であって、
   上記導体の周囲に無線クランプ・オン電流プローブをクランプし、
   上記電流伝達導体が発生した磁界を検出し、
   上記磁界の検出に応答して上記電流の大きさを表す電圧を発生し、
   上記電圧の大きさをスケーリングし、
   上記電圧をサンプリングして、上記サンプルを表すデジタル・データを発生し、
   上記デジタル・データをフォーマットし、
   上記データを受信ユニットに送る
   ことを特徴とする方法。
3. 無線クランプ・オン電流プローブ及び受信器のシステムであって、
   無線クランプ・オン電流プローブと、
   受信ユニットとを具え、
   上記無線クランプ・オン電流プローブは、
   上記無線クランプ・オン電流プローブに電力を供給するバッテリと、
   上記バッテリに結合され、出力端子に電源電圧を発生する電圧調整器と、
   磁界に応答して、被試験導体が伝達する電流を表す信号を発生する変換器と、
   上記電流を表す上記信号をフィルタ処理して条件付き信号を発生する信号条件付け回路と、
   上記条件付き信号をサンプリングして、デジタル信号サンプルを発生するアナログ・デジタル変換器と、
   上記アナログ・デジタル変換器を制御して、上記デジタル信号サンプルを処理するマイクロコントローラと、
   上記マイクロコントローラ及び受信ユニットの間で通信を行い、上記マイクロコントローラの制御下で動作する無線周波数データ・リンクとを具え、
   上記受信ユニットは、
   上記プローブからの上記デジタル・データ信号サンプルを受ける無線周波数受信器と、
   上記無線周波数受信器に結合され、上記デジタル・データ信号サンプルを受けて処理するマイクロコントローラと、
   上記処理済みデジタル信号サンプルを、上記被試験導体が伝送する上記電流を表すアナログ波形に変換し、上記マイクロコントローラの制御下で動作するデジタル・アナログ変換器と、
   上記デジタル・アナログ変換器の出力端に結合され、上記アナログ波形を受けてフィルタ処理する信号条件付け回路と、
   上記フィルタ処理済みアナログ波形を外部試験測定機器又は外部コンピュータに供給する出力端子とを具えるシステム。

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