KR20070084141A

KR20070084141A - 센서 장치

Info

Publication number: KR20070084141A
Application number: KR1020077010599A
Authority: KR
Inventors: 마크 지 솔베슨; 찰스 제이 루에브케; 조셉 씨 엥겔
Original assignee: 이턴 코포레이션
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-08-24
Also published as: KR101237611B1; CA2582497A1; US7145322B2; CN101057149A; AU2005293279B2; CN101057149B; EP1800141A1; WO2006040638A1; US20060076838A1; BRPI0516339A; AU2005293279A1; MX2007004335A; ZA200703836B

Abstract

본 발명에 따른 전류 및 온도를 포함하는 전력 버스(4)용 센서 장치(2)는 하우징(6) 및 하나 이상의 센서(44,114,118)를 포함한다. 각각의 센서는 전력 버스의 전류 또는 온도 중 하나를 감지하도록 구성된다. 무선 트랜시버 회로(50,110)는 제 1 무선 신호(130)를 송신하고 제 2 무선 신호를 수신하도록 구성된다. 프로세서(88,122)는 센서로부터 감지된 전류 및 감지된 온도를 입력하고 대응 신호를 무선 트랜시버 회로로 출력하여 제 1 무선 신호를 전송한다. 전원 회로(24)는 전력 버스에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속으로부터 센서, 무선 트랜시버 회로 및 프로세서에 전력을 공급하기 위해, 전력 버스를 하나 이상의 코일에 자기적으로 결합시킴으로써 생성된 전압을 이용하도록 구성된다.

Description

센서 장치{SELF-POWERED POWER BUS SENSOR EMPLOYING WIRELESS COMMUNICATION}

본 발명은 개폐기용 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력 버스용의 그러한 센서에 관한 것이다.

도체를 통해 흐르는 전류를 검출하기 위해 다양한 유형의 전기 센서가 사용된다. 이러한 센서의 예로는 전류의 크기를 나타내는 출력 전압을 생성하는 단일 홀 효과 센서(single Hall effect sensor) 및 분로 저항과 같은 보다 통상적인 전류 센서들이 있다.

홀 효과 장치는 도체를 통한 전류의 흐름으로 인한 자속의 변화를 감지하는데 사용되어 왔다. 이들 공지되어 있는 장치 중 일부는 도체를 통한 전류의 흐름으로부터 나타나는 자속을 집속하기 위해 자속 집속기(flux concentrator)를 사용하였다. 미국 특허 제4,587,509호 및 제4,616,207호에는 전류 감지 장치를 구성할 수 있는 방법을 제시하고 있다.

도체 근방의 자속 밀도를 측정하는 하나 또는 두 개의 적절히 배치된 홀 센 서로 도체 내의 전류를 측정하고 이를 전류에 비례하는 신호로 변환시키는 방법이 알려져 있다. 예를 들어 미국 특허 제6,130,599호, 제6,271,656호, 제6,642,704호 및 제6,731,105호를 참고하라.

자기장 검출기 쌍을 이용하는 특별한 전류 센서는 특별한 요건들을 갖는다. 이들 요건들 중 하나는 자기장 검출기가 서로 평행하다는 것이다. 다른 요건은 대응하는 전자 회로 카드가 패키징, 편의 및 노이즈 억제와 같은 목적을 위해 자기장 검출기에 가능한 한 가까이에 배치된다는 것이다. 또한, 다양한 크기 및 형상을 갖는 도체에 탑재될 수 있는 전류 센서 어셈블리를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.

특허 제6,642,704호는 서로 평행하며 전자 회로 카드에 또는 이 카드에 근접하게 배치되어 있는 자기장 검출기 쌍을 구비하는 전류 센서 어셈블리를 개시하고 있다. 또한, 자기장 검출기는 다양한 전기 전력 도체에 부착되도록 선택적으로 조정 가능하다.

안전하게 전기 절연을 제공하고 예를 들어 전력 버스의 온도 및/또는 전류를 신뢰할 수 있게 결정하는 개폐기 장치가 필요하다.

따라서, 개폐기 또는 전력 버스용 센서에 개선의 여지가 있다.

상기 및 다른 목적은 전기 절연을 위한 무선 통신을 이용하는 자가 발전 전력 버스(self-powered power bus)를 제공하는 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 일측면에 따르면, 복수의 특성을 포함하는 전력 버스용 센서 장치는, 하우징과, 전력 버스의 특성을 각각 감지하는 적어도 하나의 센서와, 적어도 무선 신호를 전송하는 회로와, 무선 신호를 전송하기 위해 적어도 하나의 센서로부터 감지된 특성을 입력하여 회로에 대응 신호를 출력하는 프로세서와, 하우징을 전력 버스에 연결하고, 전력 버스에서 흐르는 전류로부터 발생하는 자속으로부터 적어도 하나의 센서, 상기 회로 및 프로세서에 전력을 공급하는 전원 장치를 포함한다.

전원 장치는 개구, 두 개의 단부를 갖는 페라이트 코어, 두 개의 단부를 갖는 자속 집속기 부재를 포함할 수도 있고, 페라이트 코어는 코일의 개구를 통과하고, 자속 집속기 부재의 각 단부는 페라이트 코어의 단부들 중 하나와 결합된다. 페라이트 코어 및 자속 집속기 부재는 전력 버스를 둘러싼다.

코일들 각각은 코일들 중 다른 코일의 권선과 전기적으로 직렬로 접속되는 권선을 포함할 수도 있고, 전기적으로 직렬 접속된 코일의 권선은 제 1 전압을 출력한다. 전원 장치는 적어도 하나의 센서, 회로 및 프로세서에 전력을 공급하기 위해 제 1 전압으로부터 적어도 하나의 제 2 전압을 발생하는 수단을 더 포함한다.

전력 버스는 일반적으로 평면인 표면을 더 포함할 수도 있고, 자속 집속기 부재는 전력 버스의 일반적으로 평면인 표면에 접하거나 또는 근방에 코일을 유지한다.

전력 버스의 일반적으로 평면인 표면은 제 1 단부 및 반대쪽의 제 2 단부를 포함할 수 있다. 전원 장치는 페라이트 코어가 통과하는 개구를 갖는 스페이서를 더 포함할 수 있으며, 스페이서는 코일들 사이에 위치하고, 코일들 각각은 일반적으로 평면인 표면의 제 1 단부 및 반대쪽의 제 2 단부 중 하나에 인접하게 위치한다.

프로세서는 저 전력 모드를 포함하고, 루틴은 저 전력 모드로부터 깨어나서, 전력 버스의 감지된 특성을 입력하고, 메시지를 마련하여 대응 신호로서 회로에 출력하며, 저 전력 모드로 슬립(sleep)하도록 구성된다.

본 발명은 첨부 도면과 함께 하기의 바람직한 실시예의 설명을 참조하면 완전히 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자가 발전 무선 전력 버스 온도 센서의 아이소메트릭도(isometric view).

도 2는 도 1의 온도 센서의 아이소메트릭 분해도.

도 3은 도 1의 라인 3-3을 따라 절취한 단면도.

도 4는 도 2의 일렉트로닉스 보드 어셈블리의 아이소메트릭 분해도.

도 5는 도 2의 온도 센서 및 두 개의 버스 코일의 아이소메트릭도.

도 6은 도 2의 전자기기 보드의 개략적인 블록도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스 온도 및 버스 전류를 측정하기 위한 다른 무선 전력 버스 센서의 블록도.

도 8 내지 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 7의 프로세서에 의해 실행 된 소프트웨어의 순서도.

본 명세서에서 사용되는 "안테나"란 용어는 한정적인 것은 아니지만, 예를 들어 무선 주파수 신호와 같은 전자기파를 방사 및/또는 수신하기 위한 임의의 구성을 포함한다.

또한 본 명세서에서 사용되는 "개폐 장치"란 용어는 한정적인 것은 아니지만, 회로 차단기(예를 들어, 저전압 중간 전압 또는 고전압)와 같은 회로 차단 장치, 모터 제어기/시동기 및/또는 한 장소에서 다른 장소로 이동 또는 이전하는 임의의 적절한 장치를 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "전력 버스"란 용어는 한정적인 것은 아니지만, 전력 도체, 전력 버스 막대 및/또는 회로 차단기용 전력 버스 구조를 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "무선"이란 용어는 배선(wire), 전기 도체, 광섬유 또는 광 도파로가 없다는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 "무선 신호"란 용어는 배선(wire), 전기 도체, 광섬유 또는 광 도파로 없이 송신 및/또는 수신된 무선 주파수 신호, 적외선 신호 또는 다른 적절한 가시적 또는 비가시적 광 신호를 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 "저 레이트의(low-rate) 무선 신호"란 용어는 IrDA, 블루투스 및 기타 적합한 무선 주파수, 적외선 또는 다른 광, 무선 통신 프로토콜 또는 무선 신호를 의미한다.

본 명세서에서 사용된, 둘 이상의 부분이 서로 "접속" 또는 "결합"된다는 표현은 이들 부분이 함께 직접 결합되거나 또는 하나 이상의 중간 부분을 통해 결합되는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용된, 둘 이상의 부분이 "부착"된다는 표현은 이들 부분이 서로 직접 결합된다는 것을 의미한다.

본 발명은 전력 버스 막대를 위한 온도 센서 및/또는 전류 센서와 관련하여 설명되지만, 본 발명은 넓은 범위의 전력 버스용 센서에 적용 가능하다.

도 1을 참조하면, 자가 발전형 무선 전력 버스 온도 센서 장치(2)가 전력 버스 막대(4)에 대해 배치되어 있다. 센서 장치(2)는 절연 외피(6)와 같은 하우징과, 두 개의 전력 코일(8)(도 1에는 하나의 전력 코일(8)이 도시되어 있고, 도 2, 3, 5에는 두 개의 전력 코일(8)이 도시되어 있다). 이와 달리, 적절한 크기의 하나의 코일만(도시되어 있지 않음) 사용해도 된다.

또한 도 2를 참조하면, 센서 장치(2)는 (예를 들어 냉각 롤링된 강철로 형성된)자속 집속기 부재(10), (예를 들어, 적절한 철 함유 물질로 형성된)페라이트 코어(ferrite core)(12), 어셈블리 칩/스페이서(14), 일렉트로닉스 보드 어셈블리(electronics board assembly)(16), (예를 들어 나일론으로 형성된)절연 케이스(18), (예를 들어 나일론으로 형성된)절연 커버(20), (예를 들어 나일론으로 형성된)네 개의 절연 나사(22)를 더 포함한다.

이와 달리, 자속 집속기 부재(10) 및 페라이트 코어(12) 중 하나 또는 둘 모두 이용하지 않아도 된다. (예를 들면, 자성이지만, 맴돌이 전류로 인해 그 만큼 가열하지 않도록 적절히 낮은 도전율을 갖는)페라이트 코어(12)는 AC 플럭스로 인 해 비교적 낮은 전력 손실(예를 들면, 열 손실)을 생성한다. 또는 (예를 들어 변압기(transformer)에 채용된 것과 같은)적절한 적층 구조를 이용할 수도 있다.

도 3, 5, 6과 관련하여 후술하는 바와 같이, 전원 장치(24)는 하우징(6)을 전력 버스 막대(power bus bar)(4)와 같은 전류 운반 전력 버스에 결합시킨다. 전원 장치(24)는 개구(26)를 각각 구비한 두 개의 전력 코일(8)과, 두 개의 단부(28, 30)를 갖는 페라이트 코어(12) 및 두 개의 단부(32, 34)(도 3 및 도 5에 도시되어 있음)를 갖는 자속 집속기 부재(10)를 포함한다. 페라이트 코어(12)는 전력 코일(8)의 개구(26)를 통과한다. 자속 집속기 부재(10)의 단부(32, 34)는 페라이트 코어(12)의 각 단부(28, 30)와 결합된다. 페라이트 코어(12) 및 자속 집속기 부재(10)는 전력 버스 막대(4)를 감싸서 포획하며, 부재(10)로 케이스(18)를 자신에게 결합시킨다. 공통 페라이트 코어(12) 및 자속 집속기 부재(10)는 또한 자속 집속기로서 작용하도록 결합되며 또한 센서 장치(2)를 전력 버스 막대(4)에 고정시킨다(도 3 및 도 5 참고). 도 6과 관련하여 후술하는 바와 같이, 센서 장치(2)는 두 개의 자속 감지 전력 코일(8) 및 개선된 자속 결합(예를 들어, 페러데이의 법칙, V=IR+dλ/dt 참고, λ는 자속 누설)을 위한 공통 삽입형 페라이트 코어(12)를 사용하여, 전력 버스 막대(4)로부터의 자속을 사용가능한 전압원으로 변환하여 전원 장치(24)에 적절한 입력 전력을 제공한다. 그 결과, 센서 장치(2)는 자가 발전한다.

도 3을 참고하면, 전력 버스 막대(4)는 일반적으로 평탄한 면(36)을 포함한다. 공통 페라이트 코어(12) 및 자속 집속기 부재(10)는 협력하여 일반적으로 평탄한 면(36)에 대해 또는 그 근방에 전력 코일(8)을 고정시킨다. 이 면(36)은 제 1 단부(38) 및 대향하는 제 2 단부(40)를 포함한다. 스페이서(14)는 페라이트 코어(12)가 관통하는 개구(42)를 포함한다. 스페이서(14)는 전력 코일들(8) 사이에 배치되는데, 이들 전력 코일은 각각 표면(36)의 단부들(38, 40) 중 한 단부 가까이에 있다.

센서 장치(2)는 또한 전력 버스 막대(4)의 일반적으로 평탄한 다른 면(46)과 열적으로 적절히 결합되는 적절한 온도 센서(44)(예를 들면, 캘리포니아 산타 클라라에 소재한 내셔널 세미콘덕터사에 의해 상용화된 LM35 프리시전(precision) 온도 센서)를 포함한다. 센서(44)의 출력은 일렉트로닉스 보드 어셈블리(electronics board assembly)(16)에 의해 전기적으로 입력되는데, 이에 대해서는 도 6과 관련하여 후술할 것이다.

따라서, 센서 장치(2)는 전력 버스 막대(4) 주위에 고정되도록 설계된다. 이것은 두 가지 이점을 제공한다. 첫째, 전력 버스 막대(4) 상의 온도 센서(44)의 기계적인 위치가 제공된다. 둘째, 자가 발전을 위해 채용된 전력 코일(8)을 연결하기 위한 비교적 양호한 자속 경로가 제공된다.

예 1

적절한 크기의 자속 집속기 부재(10), 페라이트 코어(12) 및 스페이서(14)를 사용함으로써 넓은 범위의 전력 버스 크기가 사용된다 하더라도, 센서 장치(2)의 설계는 적절한 단면 크기(예를 들면, 약 3.0 인치×약 0.5 인치)를 갖는 전력 버스 막대(4)에 알맞다.

예 2

넓은 범위의 온도 센서가 이용될 수 있다. 예를 들면, 실리콘 다이오드(도시되어 있지 않음)가 전력 버스 막대(4)의 표면(46)을 가열하기 위해 표면(46)에 적절하게 열적으로 결합되거나 또는 적절하게 인접하게 배치될 수도 있다. 예를 들면, 다이오드 양단의 순방향 전압 강하는 전력 버스 막대(4)의 온도에 역비례한다. 전원 장치(24)에 의해 전력을 공급받는 다이오드의 순방향 전압은 16과 같은 일렉트로닉스 보드 어셈블리에 의해 전기적으로 입력된다.

실리콘 다이오드의 경우를 설명하였지만, 예를 들어 갈륨 아스나이드와 같은 다른 순방향 바이어스된 PN 접합이 사용될 수도 있다. 또는, 임의의 적절한 능동 또는 수동 온도 측정 또는 감지 장치(예를 들면, RTD(resistive temperature detector), 온도에 대한 저항, 전압 또는 전류 특성을 갖는 다양한 금속(예를 들면, 구리, 니켈, 백금))가 사용될 수도 있다.

도 4에는 일렉트로닉스 보드 어셈블리(16)가 도시되어 있다. 어셈블리(16)는 온도 감지 인쇄 회로 기판(48), 온도 센서(44), 무선 트랜시버 인쇄 회로 도터(daughter) 보드(50), 두 개의 2-핀 보드 커넥터(52, 54) 및 네 개의 캐패시터(56)를 포함한다. 또는, 임의의 적절한 측로 구조물(예를 들면, 하나 이상의 캐패시터 또는 수퍼캡(supercap))이 사용될 수도 있다. 무선 트랜시버 도터 보드(50)는 온도 감지 인쇄 회로 기판(48) 상의 도체 트레이스(58)와 같은 인쇄된 도체인 적절한 안테나를 통한 무선 통신을 제공한다.

도터 보드(50)는 안테나 출력(60)(도 6 참고)을 포함한다. 인쇄 회로 기 판(48)은 도전 트레이스(58)를 안테나 출력(60)에 전기 접속시키는 커넥터(62)(도 4, 6 참고)를 포함한다.

예 3

안테나(58)는 감마 매치를 갖는 인쇄 회로 기판 반전형 L 안테나일 수도 있다. 예를 들면, 안테나(58)의 길이는 1/4 파 915 MHz 신호에 대해 설계될 수도 있다.

예 4

예 3과 달리, 임의의 적절한 안테나가 사용될 수 있다. 넓은 범위의 안테나 유형, 통신 거리 및 다른 주파수 설계(예를 들면, 2.4 GHz)가 이용될 수 있다.

예 5

무선 트랜시버 도터 보드(50)는 예를 들어 임의의 적절한 무선 송신기 또는 트랜시버일 수도 있다.

도 6

두 개의 인쇄 회로 기판(48, 50)이 도시되어 있지만, 단일 인쇄 회로 기판 또는 다른 적절한 회로 구조가 이용될 수도 있다.

예 7

무선 트랜시버 도터 보드(50)의 다른 예로는 뉴저지 어퍼 새들 리버에 소재한 Zensys사에 의해 상용화된 Zensys A-Wave FSK radio 가 있다.

예 8

이와 달리, 임의의 적절한 무선 회로(예를 들면, Zigbee 호환가능한 보드, Zigbee 컴플라이언트 트랜시버(예를 들면, http://www.zigbee.org), IEEE 802.15.4 송신기 또는 트랜시버, 무선 보드, 무선 프로세서)가 사용될 수도 있다.

예 9

예 7의 Zensys 무선 보드에 애플리케이션 프로그램이 추가되어 온도 센서(44)로부터 온도 정보의 애플리케이션 특정 통신을 제공한다. 예를 들면, 슬립 모드, 데이터 송신 빈도, 전송 데이터 포맷, 확인 수신 또는 데이터에 대한 요청과 같은 특성들이 적절하게 프로그램될 수 있다.

도 5는 전력 버스 막대(4)의 하측(도 5 참조)에 위치하는 두 개의 전력 코일(8) 및 온도 센서 장치(2)를 도시하고 있다. 이것은 적절한 버스 전류 레벨에서 적절한 자가 발전을 생성하는 전력 버스 막대(4) 주위에 자속 집속기 부재(10)가 지나갈 수 있게 한다.

예 10

400 A 내지 600 A의 버스 전류 레벨에서, 도 6의 전원 장치(24)는 +5 VDC 및/또는 +3.3 VDC를 조절할 수도 있고, 이들 버스 전류에서 10 mA를 제공할 수 있지만, 비교적 낮은(예를 들어 50A) 또는 비교적 높은(예를 들어 1200A) 버스 전류가 이용될 수도 있다.

도 6을 참조하면, 도 4의 온도 감지 인쇄 회로 기판(48)의 회로가 도시되어 있다. 각각의 코일(8)은 다른 코일의 권선과 직렬로 연결되어 있는 권선(63)을 포함한다. 직렬 연결된 코일 권선(63)은 전압을 출력한다. 비교적 짧은 기간 동안의 비교적 높은 전압 스파이크 및 비교적 긴 기간 동안의 비교적 낮은 전압 스파이크를 다루는 것을 돕기 위해 전력 코일(8)의 직렬 연결 양단에 적절한 과도 전압 억제기(64)가 전기 접속된다. 코일(교류 전류(AC)) 전압(66)은 전압 쿼드러플러 회로(68)에 의해 입력되고, 그 후 온도 회로(75)에 대해 +5 VDC 전압(74)을 공급하고 도 4의 무선 트랜시버 도터 보드(50)에 대해 +3.3 VDC 전압(76)을 공급하는 두 개의 전압 조정기(70, 72)로 입력된다. 회로(68)는 에너지를 저장하는 네 개의 캐패시터(56) 및 정류하는 네 개의 다이오드(78)를 포함하며, 넓은 범위의 적절한 검출 및 승산 회로를 이용할 수도 있다.

온도 회로(75)는 온도 센서(44) 및 버퍼 증폭기(80)를 포함한다. 무선 트랜시버 도터 보드(50)는 적절한 안테나 회로(84)를 통해 무선 신호를 송신(및/또는 수신)한다. 안테나 회로(84)는 커넥터(62), 도전 트레이스(58) 및 적절한 매칭 회로(86)를 포함한다.

도터 보드(50)는 온도 회로(75)로부터 감지된 온도 특성(90)을 입력하고 대응하는 무선 신호(82)를 출력하는 마이크로프로세서(μP)(88)와 같은 적절한 프로세서를 포함한다.

도 7 내지 10과 관련하여 후술하는 바와 같이, 비교적 효율적인 무선 통신 보드 및/또는 적절한 슬립(예를 들어, 저 전력) 모드 및 웨이크업 모드를 포함하는 프로세서를 이용함으로써 전력 절감이 이루어질 수도 있다.

예 11

온도 회로(75)는 +5 VDC 전압(74)으로부터 약 5 mA를 끌어내고, 무선 트랜시버 도터 보드(50)는 무선 전송 동안 40 mA를, 수신 동안 50 mA를 끌어내며, 이들 비교적 짧은 기간 동안에 피크 전력이 전원 장치(24) 내의 56과 같은 캐패시터에 의해 공급될 수 있다. 그 외에는, 무선 트랜시버는 턴오프되는 것이 바람직하다.

예 12

도 7은 버스 온도(94) 및/또는 버스 전류 흐름(96)과 같은 전력 버스의 특성을 측정하기 위한 독립형 무선 전력 버스 센서(92)를 도시한 것이다. 자가 발전 센서(92)는 도 1의 전력 버스 막대(4)와 같은 전력 버스에 독립적으로 결합되고, 감지된 버스 온도(94) 및/또는 감지된 버스 전류 흐름(96)을 적절한 간격(예를 들면, 몇 초마다 또는 몇 분마다)으로 원격 장치(98)에 대해 무선으로 통신한다.

센서(92)는 도 1 및 6의 전원 장치(24)와 유사한 방식으로 기능하는 적절한 자가 발전 유도 결합 회로(100) 및 조정 회로(102)를 포함한다. 또한, 전력 관리 회로(104)는 다음과 같은 부가적인 기능, 즉 (1) 전류 감지 회로(106) 및 온도 감지 회로(108)에 대한 +5 VDC 전압(105) 관리, (2) 무선 트랜시버 회로(110)에 대한 +3.3 VDC 전압(109) 관리, (3) 조정 회로(102)로부터의 전압이 처음 확립될 때마다 무선 트랜시버 회로(110)에 대한 파워 온 리셋 신호(111) 제공, 및/또는 (4) 전력 소비를 최소화하기 위한 회로 비활성화 기능을 제공하는데 사용될 수 있다.

예를 들어 무선 트랜시버 회로(110)로부터의 제어 신호(112)가 0 상태(예를 들면, 참(true))로 설정되면, 전력 관리 회로(104)는 각각의 회로(106, 108, 110)에 대해 정상 전압(105, 109)을 출력한다. 그렇지 않으면, 전압(105)은 디스에이블되고, 전압(109)은 적절한 슬립 모드 전압(예를 들면, 약 1.0 VDC)으로 감소한다. 이런 방식으로, 로컬 전원 장치(예를 들면, 캐패시터(도시되어 있지 않음))에 전하를 유지하기 위해 전력 수확(power harvesting)이 연속적으로 발생한다.

바람직하게는, 도 8 내지 10과 관련하여 후술하는 바와 같이, 마이크로프로세서(122)를 슬립(예를 들면, 저 전력) 모드가 되게 하고 데이터가 전송될 때 깨어나게 함으로써 전력 소비를 절감하기 위한 적절한 전력 관리 루틴이 이용될 수 있다. 그 결과, 센서(92)는 비교적 낮은 버스 전류로 자가 발전할 수 있다.

예 13

버스 전류 흐름(96)은 전류 감지 회로(106)의 적절한 전류 센서(114)에 의해 측정된다. 전력 버스 내의 전류는 전력 버스 근방의 자속 밀도를 측정하기 위한 하나 또는 두 개의 적절히 위치된 홀 센서(도시되어 있지 않음)에 의해 측정된다. 자속 밀도 신호(115)는 신호 조절 회로(116)에 의해 적절히 조절되고 무선 트랜시버(110)에 의해 117에서 입력된다.

예 14

버스 온도(94)는 온도 감지 회로(108)의 적절한 온도 회로(118)에 의해 측정된다. 회로(118) 및 이 회로의 신호 조절 회로(120)는 예 2 및 도 6과 관련하여 전술한 바와 같이 센서와 동일하거나 또는 유사할 수도 있다. 온도 신호(119)는 신호 조절 회로(120)에 의해 적절하게 조절되며, 무선 트랜시버(110)에 의해 121에서 입력된다.

계속해서 도 7을 참조하면, 무선 트랜시버(110)는 마이크로프로세서(μP)(122)와 같은 적절한 프로세서, 각각의 입력(117, 121)을 포함하는 두 개의 아날로그-디지털(A/D) 변환기(124, 126), 프로세서(122)를 인터럽트하여 저 전력 모드로부터 깨어나게 하는 타이머(128)를 포함한다. 초기화(예를 들면, 시동) 후에, 마이크로프로세서(122)는 저 전력 모드로 들어간다. 입력(117,121)에서의 전류 및 온도 신호는 A/D 변환기(124, 126)에 의해 대응하는 디지털 신호로 각각 변환되고, 무선 트랜시버(110)에 의해 안테나(132)로부터 저속(low-rate) 무선 신호(130)와 같은 무선 신호로서 전송된다.

예 15

예를 들면, 신호(130)는 조절 회로(102)로부터 전력을 유지하기 위해 수 분마다 송신된다.

예 16

원격 장치(98)는 안테나(134)를 통해 대응 무선 트랜시버(136)로 무선 신호(130)를 수신하고, 무선 트랜시버(136)는 다시 신호(137)를 출력하여 대응 동작(138)을 취한다.

예 17

동작(138)은 전력 버스의 감지된 특성을 디스플레이하는 디스플레이 동작일 수 있다.

예 18

동작(138)은 전력 버스의 감지된 특성을 경보하는 플래그(예를 들면, 경보) 동작일 수 있다.

예 19

동작(138)은 감지된 특성에 기초하여 전력 버스의 헬스(health)를 판단하기 위한 웰니스(wellness) 동작일 수 있다. 예를 들면, 적절한 진단 알고리즘, 적절 한 데이터 저장 알고리즘 또는 룩업 테이블(도시되어 있지 않음)을 이용하여 기록된 이력(예를 들면, 트렌드) 데이터 또는 공지되어 있는 동작 파라미터에 기초하여 전력 버스 막대(4) 또는 대응 개폐기 시스템(도시되지 않음)의 헬스에 대한 계산을 할 수 있다.

예 20

동작(138)은 전력 버스의 감지된 특성에 기초하여 개폐 장치(도시되어 있지 않음)를 작동하는 작동 동작일 수도 있다.

도 8은 도 7의 마이크로프로세서(122)에 의해 실행된 소프트웨어 루틴(140)을 도시한 것으로, 동일 또는 유사한 루틴이 도 6의 마이크로프로세서(88)에 의해 채택될 수도 있다. 마이크로프로세서(122)는 저 전력 모드를 포함하고, 루틴(140)은 저 전력 모드로부터 깨어나서, 전력 버스(예를 들면, 도 1의 전력 버스 막대(4))의 감지된 특성을 입력하여 도 7의 대응 무선 신호(130)로서 출력부에 메시지를 제공한 다음 저 전력 모드로 슬립(sleep)한다.

타이머(128)의 기간이 만료한 후에 도 7의 마이크로프로세서(122)에 대한 인터럽트가 발생할 때, 144에서 시간 개시 모드(142)가 시작된다. 이에 응답하여, 146에서 마이크로프로세서(12)가 저 전력 모드로부터 깨어난다. 그 다음에, 148에서, 전력 버스의 감지된 특성이 판독된다(예를 들면, A/D 변환기(124,126)로부터). 그 다음에, 150에서 감지된 버스 특성에 대해 적절한 데이터 분석이 수행될 수도 있다. 예를 들면, 원시 센서 데이터가 온도(예를 들면, 도 8c, 8f) 값 또는 전류 (예를 들면, A) 값으로 변환될 수 있고, 전력 버스의 헬스의 상태가 적절한 진단 알고리즘(도시되지 않음)에 기초하여 수행될 수 있으며 이력 데이터 수집 및/또는 온도 또는 전류 값이 사전 설정된 제한 값(도시되어 있지 않음)과 비교될 수도 있다. 그 다음에, 152에서, 전송 여부에 대한 판정이 이루어진다. 이 판정은 항상 예(yes)일 수 있으며(예를 들면, 메시지 전송에 대한 저 전력 슬립 모드의 듀티 사이클이 전력 소모가 인터럽트 간격 사이에 거두어들인 총 전력보다 더 적도록 충분히 낮다), 버스 특성의 값 또는 변화의 크기에 기초할 수 있거나 충분한 전원 전압이 존재하는 지에 기초할 수 있다. 만약 전송하지 않으면, 170에서 실행이 재개된다. 그 외에는, 154에서 실행이 재개되어, 전송을 위한 적절한 메시지 프레임(도시되어 있지 않음)을 구축한다. 그 다음에, 156에서, 마이크로프로세서(122)는 무선 트랜시버(110)의 무선부(도시되지 않음)에 전력을 인가하고, 레지스터(도시되지 않음)를 구성한다. 그 다음에, 158에서, 무선 수신기(도시되지 않음)가 턴온되고 적절한 클리어 채널을 확인한다. 그 다음에, 160에서, 무선 송신기(도시되지 않음)가 턴온되고, 메시지 프레임이 무선 신호(130)로서 전송된다. 그 다음에, 162에서, 무선 송신기가 턴오프되고, 무선 신호(130)의 수신으로부터 확인 메시지(도시되지 않음)가 수신된다. 그 다음에, 164에서, 무선 수신기가 임의의 원격 메시지(도시되지 않음)에 대해 확인되고, 만약 수신되었다면 166에서 처리된다. 그 다음에, 168에서 무선 수신기 및 무선부가 턴오프된다. 그 다음에 170에서, 타이머(128)는 그 다음 인터럽트 기간에 리셋된다. 마지막으로, 172에서, 마이크로프로세서(122)가 파워 다운되어 저 전력 슬립 모드로 들어간다.

도 9는 도 7의 마이크로프로세서(122)에 의해 실행된 소프트웨어 루틴(180)을 도시한 것이다. 동일 또는 유사한 루틴이 도 6의 마이크로프로세서(88)에 의해 이용될 수도 있다. 마이크로프로세서(122)는 사용할 필요가 없는 타이머(128) 대신에 도 8의 단계 144의 인터럽트를 개시하는 이벤트 감지 모드(142')를 포함한다. 144'에서, 감지된 변수에서의 적절한 큰 변화(Δ)(예를 들면, 온도 감지 회로(108)로부터의 Δ온도; 전류 감지 회로(106)로부터의 Δ전류; 임의의 적절한 버스 특성 센서로부터의 Δ감지된 변수; 조정 회로(102)로부터의 Δ전원 전압)의 결과로서 마이크로프로세서(122)에 대한 인터럽트가 발생한다. 따라서, 하나 이상의 감지된 버스 특성에서의 큰 변화 또는 전원 전압의 큰 증가가 무선 신호(130)의 전송을 트리거할 수도 있다. 예를 들면, 이들 변화는 하나 이상의 회로(104,116,120)에 의해 결정될 수 있으며 하나 이상의 인터럽트 라인(도시되지 않음) 상의 마이크로프로세서(122)에 의해 입력될 수도 있다. 이것은 도 8의 단계 146과 관련하여 위에서 논의한 바와 같이 마이크로프로세서(122)가 깨어나서 파워 업 되게 한다. 그 외의 실행은 단계 152 및 170이 이용되지 않는다는 점을 제외하면 도 8의 단계들(146 내지 172)과 유사하다.

바람직하게는, 도 8의 루틴들(140) 중 하나와 도 9의 180은 도 7의 조정 회로(102)로부터 비교적 낮은 전력 소비를 제공하는데 이용된다.

도 10은 도 7의 마이크로프로세서(122)에 의해 실행된 소프트웨어 루틴(190)을 도시하고 있지만, 동일 또는 유사한 루틴이 도 6의 마이크로프로세서(88)에 의해 이용될 수도 있다. 마이크로프로세서(122)는 소정 기간 후에 깨어나서 감지된 버스 특성들을 판독하는 도 8의 단계들(144,146,148,150)을 포함하는 폴형 모드(polled mode)(142")를 포함한다. 그러나, 원격 장치(예를 들면, 도 7의 98)에 의해 요구되지 않으면, 어떠한 무선 신호도 전송되지 않는다. 그 다음에, 단계 152'은 (예를 들면, 다른 무선 장치로부터의 응답을 트리거하는데 이용된)비컨 메시지와 같은 수신된 메시지가 데이터를 요청하는 지를 판정한다. 예를 들면, 단계 152'은 메시지를 수신하고 무선 신호(130)의 전송을 요구하는 지를 판정하기 위해 도 8의 단계들(156,158,164,166,168)을 포함할 수 있다. 만약 요구한다면, 도 7의 단계들(154,156,158,160,162)을 이용하는 154'에서 무선 신호(130)가 전송된다. 여기서, 루틴(190)은 마이크로프로세서(122)가 특정 시간 간격 후에 깨어나서 무선 신호(130)를 송신하기 전에 비컨 요구 데이터를 확인한다. 그렇지 않고 만약 152'에서 아무런 요구도 없으면, 루틴(190)은 다시 슬립 상태로 되어 다음 시간 간격의 끝에서 다른 비컨을 검사한다.

무선 트랜시버(50,110)가 각각의 응답(88,122)을 이용하지만, 하나 이상의 아날로그, 디지털 및/또는 프로세서 기반의 회로의 조합이 이용될 수도 있다.

명확성을 위해 본 명세서에서는 온도, 전류 또는 다른 센서 정보를 디스플레이하기 위한 예시적인 디스플레이 동작(138)을 참조하였지만, 이러한 정보는 저장될 수도 있고, 하드 카피에 인쇄될 수도 있으며, 컴퓨터로 수정될 수도 있고 다른 데이터와 결합될 수도 있다. 이러한 모든 프로세싱은 본 명세서에서 사용된 "디스플레이"란 용어에 포함되는 것으로 간주한다.

개시된 센서 장치(2)는 전력 버스 막대(4) 상에 위치할 수 있기 때문에, 새 로운 또는 개장의 애플리케이션에 설치하기가 비교적 쉽다.

본 발명의 특정 실시예는 상세히 설명하였지만, 개시된 전체 기술적 사상으로부터 다양한 변경 및 대안이 개발될 수 있다. 따라서, 개시된 특정 구성은 일례일 뿐 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부한 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 규정된다.

Claims

복수의 특성(characteristics)을 포함하는 전력 버스(4)용 센서 장치에 있어서,

하우징(6)과,

상기 전력 버스의 특성을 각각 감지하도록 구성된 적어도 하나의 센서(44,114,118)와,

적어도 무선 신호를 전송하도록 구성된 회로(50,110)와,

상기 무선 신호를 전송하기 위해 상기 적어도 하나의 센서로부터 상기 감지된 특성을 입력하여 상기 회로에 대응 신호를 출력하도록 구성된 프로세서(88,122)와,

상기 하우징을 상기 전력 버스에 결합하고, 상기 전력 버스에서 흐르는 전류로부터 발생하는 자속(flux)으로부터 상기 적어도 하나의 센서, 상기 회로 및 상기 프로세서에 전력을 공급하도록 구성된 전원 장치(24)

를 포함하는 센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전원 장치는 개구(26), 두 개의 단부(28,30)를 갖는 페라이트 코어(12), 두 개의 단부(32,34)를 갖는 자속 집속기 부재(10)를 포함하고,

상기 페라이트 코어는 상기 코일의 개구를 통과하고, 상기 자속 집속기 부재의 각 단부는 상기 페라이트 코어의 단부들 중 대응하는 하나와 결합되며,

상기 페라이트 코어 및 상기 자속 집속기 부재는 상기 전력 버스를 둘러싸서 포획하도록 구성되는

센서 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 코일들 각각은 상기 코일들 중 다른 하나의 코일의 권선과 전기적으로 직렬로 접속되는 권선(63)을 포함하고, 상기 전기적으로 직렬 접속된 상기 코일의 권선은 제 1 전압(66)을 출력하며,

상기 전원 장치는 상기 적어도 하나의 센서, 상기 회로 및 상기 프로세서에 전력을 공급하기 위해 상기 제 1 전압으로부터 적어도 하나의 제 2 전압(74,76)을 발생하는 수단(68,70,72)을 더 포함하는

센서 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 전력 버스는 일반적으로 평면인 표면(36)을 더 포함하고,

상기 자속 집속기 부재는 상기 전력 버스의 일반적으로 평면인 표면에 접하 거나(against) 또는 상기 표면 근방에 상기 코일을 유지하도록 구성되는

센서 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 전력 버스의 일반적으로 평면인 표면은 제 1 단부(38) 및 반대쪽의 제 2 단부(40)를 포함하고,

상기 전원 장치는 상기 페라이트 코어가 통과하는 개구(42)를 갖는 스페이서(14)를 더 포함하며, 상기 스페이서는 상기 코일들 사이에 위치하고, 상기 코일들 각각은 상기 일반적으로 평면인 표면의 제 1 단부 및 반대쪽의 제 2 단부 중 하나에 인접하게 위치하는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 프로세서(88,122)는 저 전력 모드를 포함하고, 저 전력 모드로부터 깨어나서, 상기 전력 버스의 상기 감지된 특성을 입력하고, 메시지를 마련하여 상기 대응 신호로서 상기 회로에 출력하며, 상기 저 전력 모드로 슬립(sleep)하도록 구성되는 루틴(140)을 포함하는

센서 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 저 전력 모드로부터 깨어나도록 상기 프로세서를 인터럽트하는 타이머(128)를 더 포함하는

센서 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 루틴은 또한 상기 전력 버스의 상기 감지된 특성의 사전 결정된 변화에 기초하여 상기 메시지를 상기 대응 신호로서 상기 회로로 출력할 지의 여부를 결정하도록 구성되는

센서 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 회로는 또한 상기 무선 신호로서 제 1 무선 신호를 전송하고(130), 제 2 무선 신호를 수신하며(164),

상기 루틴은 또한 상기 수신된 제 2 무선 신호로부터 수신된 메시지를 처리하도록(166) 구성되는

센서 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 루틴은 또한 상기 수신된 메시지에 응답하여 전송 메시지를 상기 대응 신호로서 상기 회로에 출력하도록(154') 구성되는

센서 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 전원 장치는 적어도 하나의 전압(105,109)을 포함하고,

상기 루틴(180)은 상기 전력 버스의 상기 감지된 특성 내에서의 사전 결정된 변화 또는 상기 적어도 하나의 전압 중 적어도 하나의 사전 결정된 값에 응답하여 상기 저 전력 모드로부터 깨어나도록 상기 프로세서를 인터럽트하도록 구성되는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 센서는 단일 센서(44)이고,

상기 하우징은 상기 단일 센서를 포함하는 제 1 인쇄 회로 기판(48)을 감싸고, 또한 적어도 무선 신호를 전송하도록 구성된 상기 회로를 포함하는 제 2 인쇄 회로 기판(50)을 감싸는

센서 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 제 2 인쇄 회로 기판은 안테나 출력부(60)를 포함하는 무선 트랜시버 회로 기판(50)이고,

상기 적어도 무선 신호를 전송하도록 구성된 회로는 상기 제 1 인쇄 회로 기판 상에 인쇄 도체(58)로 형성된 안테나를 포함하고,

상기 제 1 인쇄 회로 기판은 상기 인쇄 도체를 상기 무선 트랜시버 회로 기판의 안테나 출력부에 전기 접속시키는 커넥터(62)를 포함하는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전력 버스의 상기 특성은 상기 전력 버스의 온도(94)를 포함하고,

상기 적어도 하나의 센서는 상기 전력 버스의 온도를 감지하도록 구성된 온도 센서(118)인

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전력 버스의 상기 특성은 상기 전력 버스에서 흐르는 전류(96)를 포함하고,

상기 적어도 하나의 센서는 상기 전류를 감지하도록 구성된 두 개의 홀 검출기(114)를 포함하는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회로는 상기 무선 신호를 저 레이트 무선 통신으로서 전송하도록 구성되는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 무선 신호는 개폐 장치를 트립(trip)하도록 구성되는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 무선 신호는 상기 전력 버스의 상기 감지된 특성을 경보하도록 구성되는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 무선 신호는 상기 전력 버스의 상기 감지된 특성을 디스플레이하도록 구성되는

센서 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 하우징은 절연 외피(18,20,22)인

센서 장치.