TW201913116A - 多階段測量裝置 - Google Patents

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Abstract

測量一多相電氣系統之電氣參數之系統及方法可利用一多階段測量裝置，該多階段測量裝置包括具有一電壓感測器及一電流感測器之一感測器子系統。該電壓感測器及該電流感測器中之各者可係一接觸型感測器或不需要流電接觸的一「非接觸式」感測器。在操作中，多階段測量裝置可利用該電壓感測器及該電流感測器以循序獲得多相電氣系統之各相位的單階段測量。該等測量可經同步以獲得各種多相功率參數，諸如與功率、相位、電壓、電流等相關的各種參數。該多階段測量裝置可操作以自動偵測一操作者何時將該感測器子系統之一感測器定位成靠近一受測導體，使得該多階段測量裝置可起始偵測該導體中之一或多個電氣參數。

Description

多階段測量裝置
本揭露大致上係關於多相電氣系統中之參數的測量。
雖然單相電氣系統可用於供電給家用電器及商用電器，但通常使用三相交流電(AC)電氣系統來配送電力及供應電力給經額定用於相對高功率之電力設備。
圖1展示實例性三相電氣系統10，其包括電耦合至三相負載14之三相源12。在此特定實例中，三相源12包括耦合至三相負載14之四個導體，標記為A、B、C及N。導體A、B及C各載運相同頻率及類似量值之AC電壓，且導體N係共同回線(common return)。導體A、B及C中之AC電壓之各者之相位彼此相隔120˚。例如，導體A中之電壓之相位可係0˚，導體B中之電壓之相位可係+120˚，且導體C中之電壓之相位可係+240˚。三相電氣系統10可經配置成∆組態、Y組態等。
可使用瓦特計測量單相電氣系統中之電氣參數。此類電氣參數的實例可包括有效功率、表觀功率、伏安培無效功率、功率因數、諧波、電流、電壓、相移等。然而，測量多相電氣系統之電氣參數更困難。如圖1所示，三個電壓測量通道VCH1 、VCH2 、及VCH3 以及三個電流測量通道ACH1 、ACH2 、及ACH3 用於測量三相電氣系統之電氣參數。電壓/電流通道對之各者(例如，VCH1 /ACH1 )可與分開之瓦特計(即，總共三個瓦特計)相關聯，或所有通道可係單一多通道瓦特計之一部分。
一此類三階段測量之設置可使技術人員花費大量時間及精力。對於定位在限制進出之狹窄空間中之電氣系統，以及具有未標記導體之電氣系統尤其如此。在實務中，技術人員必須將四條電壓引線(導體A、B、C及N之各者各用一條電壓引線)連接至電氣系統中，且亦必須在正確電壓線上串聯連接至少三個電流感測器。因此，在可獲得測量之前，需要連接最少七條測試引線。
一種多階段測量裝置可概述為包括：一感測器子系統，其在操作中感測一導體中之電壓或電流中之至少一者；一使用者介面；控制電路系統，其通信地耦合至該感測器子系統，其中在操作中，該控制電路系統：令該使用者介面引導該多階段測量裝置的一使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近一多相電氣系統之一第一導體；經由該感測器子系統接收與存在於該第一導體中之一信號相關聯之第一導體電氣參數資料，該第一導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率；至少部分地基於該第一導體中之該信號之所判定之該頻率來建置同步資料；令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第二導體；經由該感測器子系統接收與存在於該第二導體中之一信號相關聯之第二導體電氣參數資料，該第二導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；處理所接收之該第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體中之該信號之相位資訊來判定該第二導體中之該信號之相位資訊；令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第三導體；經由該感測器子系統接收與存在於該第三導體中之一信號相關聯之第三導體電氣參數資料，該第三導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；及處理所接收之該第三導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體或該第二導體之至少一者中之該信號之相位資訊來判定該第三導體中之該信號之相位資訊。
該同步資料可包括一固定重複間隔，該固定重複間隔具有等於該第一導體中之該信號之一週期的持續時間。該感測器子系統可包括至少一電流感測器及一電壓感測器。該感測器子系統可包括一非接觸式電壓感測器或一非接觸式電流感測器中之至少一者。在操作中，該控制電路系統可處理該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料，以判定該多相電氣系統的至少一個額外電氣參數。該至少一個額外電氣參數可包括一電壓參數、一電流參數、一功率參數、一相序參數、一電壓相移參數、一電流相移參數、一電壓/電流相移參數、一諧波參數或一波形參數中之至少一者。在操作中，該控制電路系統可令該使用者介面在該使用者介面之一顯示器上呈現所判定之該相位資訊之一指示。所判定之該相位資訊之該指示可包括在該使用者介面之該顯示器上呈現的一相量圖。在接收該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料之各者之前，該控制電路系統可接收來自該感測器子系統的測量資料，該測量資料指示該感測器子系統之該感測器是否定位成分別靠近該第一導體、該第二導體及該第三導體。該感測器子系統可產生一參考電流，且該測量資料可包括在該第一導體、該第二導體或該第三導體中所偵測到之該參考電流之一特性。
回應於接收到指示在一時間週期之後該感測器子系統之該感測器未定位成靠近該第一導體、該第二導體或該第三導體中之一者的測量資料，該控制電路系統可令該使用者介面引導該使用者重新開始測量該多相電氣系統。在操作中，該控制電路系統可利用一快速傅立葉變換(FFT)來處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率。介於該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之該感測器定位成靠近該第一導體時與該控制電路系統接收與存在於該第三導體中之該信號相關聯之第三導體電氣參數資料時之間的一時間週期可被約束為小於30秒。
一種多階段測量裝置可概述為包括：一感測器子系統，其在操作中感測一導體中之電壓或電流中之至少一者；一使用者介面；控制電路系統，其通信地耦合至該感測器子系統，其中在操作中，該控制電路系統：令該使用者介面引導該多階段測量裝置的一使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近一多相電氣系統之一第一導體；經由該感測器子系統接收與存在於該第一導體中之一信號相關聯之第一導體電氣參數資料，該第一導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率；至少部分地基於該第一導體中之該信號之所判定之該頻率來建置同步資料；令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第二導體；經由該感測器子系統接收與存在於該第二導體中之一信號相關聯之第二導體電氣參數資料，該第二導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；及處理所接收之該第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體中之該信號之相位資訊來判定該第二導體中之該信號之相位資訊。
一種操作一多階段測量裝置之方法可概述為包括：由一控制電路系統令一使用者介面引導一使用者將一感測器子系統之一感測器定位成靠近一多相電氣系統之一第一導體；由該控制電路系統經由該感測器子系統接收與存在於該第一導體中之一信號相關聯之第一導體電氣參數資料，該第一導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；由該控制電路系統處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率；由該控制電路系統至少部分地基於該第一導體中之該信號之所判定之該頻率來建置同步資料；由該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第二導體；由該控制電路系統經由該感測器子系統接收與存在於該第二導體中之一信號相關聯之第二導體電氣參數資料，該第二導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；由該控制電路系統處理所接收之該第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體中之該信號之相位資訊來判定該第二導體中之該信號之相位資訊；由該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第三導體；由該控制電路系統經由該感測器子系統接收與存在於該第三導體中之一信號相關聯之第三導體電氣參數資料，該第三導體電氣參數資料包括電壓資料或電流資料中之至少一者；及由該控制電路系統處理所接收之該第三導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體或該第二導體之至少一者中之該信號之相位資訊來判定該第三導體中之該信號之相位資訊。
該方法可進一步包括由該控制電路系統處理該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料，以判定該多相電氣系統的至少一個額外電氣參數。
該方法可進一步包括由該控制電路系統處理該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料以判定一電壓參數、一電流參數、一功率參數、一相序參數、一電壓相移參數、一電流相移參數、一電壓/電流相移參數、一諧波參數或一波形參數中之至少一者。
該方法可進一步包括由該控制電路系統令該使用者介面在該使用者介面之一顯示器上呈現所判定之該相位資訊之一指示。
該方法可進一步包括在接收該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料之各者之前，由該控制電路系統接收來自該感測器子系統的測量資料，該測量資料指示該感測器子系統之該感測器是否定位成分別靠近該第一導體、該第二導體及該第三導體。
該方法可進一步包括回應於接收到指示在一時間週期之後該感測器子系統之該感測器未定位成靠近該第一導體、該第二導體或該第三導體中之一者的測量資料，由該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者重新開始測量該多相電氣系統。處理所接收之該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料可包括利用一快速傅立葉變換(FFT)來處理所接收之該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料。
一種多階段測量裝置可概述為包括：一感測器子系統，其在操作中感測一導體中之電壓及電流；一使用者介面；控制電路系統，其通信地耦合至該感測器子系統，其中在操作中，該控制電路系統：令該感測器子系統循序獲得至少三個單階段測量，該等單階段測量之各者提供一多相電氣系統之一單相的單相電氣參數資料；及基於由該等循序獲得之單階段測量所提供的該單相電氣參數資料來判定該多相電氣系統的多相電氣系統參數。
本揭露之一或多個實施方案係關於利用包括具有單一電壓感測器及單一電流感測器之感測器子系統的多階段測量裝置來測量多相電氣系統之電氣參數之系統及方法。即，多階段測量裝置的硬體可類似於或相同於具有單一電壓測量通道及單一電流測量通道之瓦特計。電壓感測器及電流感測器中之各者可係接觸式感測器或非接觸式感測器。在本揭露之各種實施方案中，藉由循序獲得多相電氣系統之各相位的單階段測量，且使該等測量同步以獲得各種多相電氣參數來達成多階段測量。此類多相電氣參數包括但不限於導體之間的相位關係(例如，相序)、導體中之電壓及電流之間的相移、有效功率、有效基波功率(active fundamental power)、無效功率、無效基波功率、表觀系統功率、表觀系統基波功率、功率因數、位移功率因數等。下文參照圖2至圖9來論述本揭露之各種實施方案。
在下文描述中，提出某些具體細節以提供對各種所揭露實施方案的透徹理解。然而，所屬技術領域中具通常知識者將瞭解，可在沒有這些具體細節之一或多者的情況中實踐實施方案，或運用其他方法、組件、材料等實踐實施方案。在其他情況中，未展示或詳細描述與電腦系統、伺服器電腦及/或通訊網路相關聯之熟知結構，以避免不必要地模糊實施方案之說明。
除非上下文另外要求，否則在整個說明書及申請專利範圍中，用詞「包含(comprising)」與「包括(including)」同義，並且係內含或係開放式的(即，不排除額外、未列舉之元件或方法動作)。
在本說明書通篇中提及「一個實施方案(one implementation)」或「一實施方案(an implementation)」意指關聯於該實施方案描述之一特定特徵、結構或特性被包括在至少一個實施方案中。因此，在本說明書通篇各處，出現的片語「在一個實施方案中」或「在一實施方案中」不一定都是指相同實施方案。此外，可在一或多個實施方案中以任何合適方式來組合特定特徵、結構或特性。
如本說明書與隨附之申請專利範圍中所使用者，單數形式「一(a/an)」與「該(the)」皆包括複數的指涉，除非上下文另有明確指定。亦應注意，除非上下文明確另有所指定，否則用語「或(or)」在使用時通常包括「及/或(and/or)」之意涵。
此外，在本文中所提供之本揭露之標題及摘要僅為方便起見，且不應解讀為實施方案之範疇或含義。
圖2展示包括電耦合至三相負載104之三相源102之實例性三相電氣系統100的示意方塊圖。在此實例中，三相源102包括耦合至三相負載104之四個導體，標記為A、B、C及N。導體A、B及C各載運相同頻率及類似量值之AC電壓，且導體N係共同回線。導體A、B及C中之AC電壓之各者之相位彼此相隔120˚。例如，導體A中之電壓之相位可係0˚，導體B中之電壓之相位可係+120˚，且導體C中之電壓之相位可係+240˚(或等效地，-120˚)。三相電氣系統100可經配置成∆組態，Y組態等。
圖2中亦展示多階段測量裝置106。在圖3中展示且在下文中論述多階段測量裝置106的各種組件。多階段測量裝置106包括感測器子系統108(圖3)，該感測器子系統包括電壓感測器110及電流感測器112。電壓感測器110可操作以感測導體中之電壓，且電流感測器112可操作以感測導體中之電流。電壓感測器110及/或電流感測器112可係非接觸式感測器或接觸式感測器，如下文進一步論述。
一般而言，在操作中，在第一測量時間週期TM1 ，多階段測量裝置106的操作者可首先將該多階段測量裝置之感測器子系統108定位成靠近該四個導體之第一者(諸如導體A)。然後，多階段測量裝置106可經由感測器子系統測量導體A中之信號的一或多個電氣參數。所測量之電氣參數可包括導體A中之信號之頻率。頻率可係導體中之電壓之頻率、導體中電流之頻率、或兩者。
在第二測量時間TM2 ，一旦多階段測量裝置106已識別該導體超過電壓極限且達成用於可靠穩定值的穩定狀態(例如，藉由平均化多個值以測量導體A中之信號的一或多個電氣參數)，旋即多階段測量裝置106之一使用者介面可引導操作者以移動多階段測量裝置106之感測器子系統108成靠近該等導體之第二者(諸如導體B)。然後，多階段測量裝置106可經由感測器子系統108測量導體B中之信號的一或多個電氣參數。例如，可相對於導體A中之信號之所判定頻率來判定在導體B中之信號之相移。
在第三測量時間TM3 ，一旦多階段測量裝置106已測量導體B中之信號的一或多個電氣參數，旋即該使用者介面可引導該操作者以移動多階段測量裝置106之感測器子系統108成靠近該等導體之第三者(諸如導體C)。然後，多階段測量裝置106可經由感測器子系統108測量導體C中之信號的一或多個電氣參數。可相對於在其測量期間獲得的在導體A中之信號之所判定頻率及/或導體B中之信號之所判定頻率，來判定在導體C中之信號之相移。一旦多階段測量裝置106已測量導體C中之信號的一或多個電氣參數，旋即所有單相值可供該多階段測量裝置取用，該多階段測量裝置可判定及計算三相電氣系統100之整個多相系統之各種電氣參數(例如，功率參數、電流參數、電壓參數、相位參數及系統參數，如系統功率、相位旋轉及不平衡)，且可經由使用者介面呈現此類電氣參數給操作者，或可經由該多階段測量裝置之有線或無線通訊介面發送與此類電氣參數相關的資料。
圖3係亦稱為儀器、系統、工具或設備的多階段測量裝置106的示意方塊圖。測量裝置106可操作以判定從接觸式或非接觸式電流或電壓測量所獲得或自此類測量所導出的電氣系統之一或多個單相或多相AC電氣參數(例如，電壓、電流、功率、相位、能量、頻率、諧波)。例如，操作者可能夠選擇各種操作模式，諸如單相電壓、單相電流、單相功率、三相電壓、三相電流、三相功率等。測量裝置106可係大致上經組態以在進行測量時被握持在使用者手中的手持式裝置或系統。然而，應理解，測量裝置106無需始終被握持在使用者手中並且可由使用者例如藉由將裝置固定或懸掛在支撐件或機器上予以定位而未被握持。在其他實施方案中，測量裝置106可經設計成可移除地或永久地定位在特定位置以監測及測量一或多個電路。
測量裝置106包括一處理器114、非暫時性處理器可讀儲存媒體或記憶體116、電壓測量感測器或工具110、電流測量感測器或工具112、一通訊子系統或介面118、及一使用者介面120。在至少一些實施方案中，測量裝置106可不包括上述組件之各者，或可包括圖3中未描繪之額外組件。可藉由至少一可移除式或非可移除式電池、藉由主電源(electrical mains)、藉由感應式電力系統、藉由熱能轉換系統來供電給測量裝置106之各種組件。另外，測量裝置106之各種組件可設置在單一外殼中或設置在單一外殼上，或可跨經由有線及/或無線通訊頻道通訊地耦合在一起的多個實體裝置或工具分散。在至少一些實施方案中，測量裝置106沒有暴露之導電組件，這消除測量裝置106與電導體或電路流電接觸的可能性。
處理器114可藉由支援指令的執行而用作為測量裝置106之運算中心。處理器114可包括一或多個邏輯處理單元，諸如一或多個中央處理單元(CPU)、微處理器、數位信號處理器(DSP)、特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)、數位電路系統、類比電路系統、數位電路系統與類比電路系統之組合等。記憶體116可包括一或多種形式之非暫時性處理器可讀儲存媒體，其可包括適於儲存可由一或多個裝置組件(諸如處理器114)存取之程式或資料的目前可得或未來開發之儲存媒體。記憶體116可係可移除式或非可移除式並且可係揮發性或非揮發性。記憶體之非限制性實例包括硬碟、光碟、RAM、ROM、EEPROM及快閃記憶體類型。記憶體116可與處理器114整合或與處理器114分離。例如，處理器114可包括微控制器(諸如基於ARM之微控制器)，該微控制器包括記憶體116及一或多個可程式化輸入/輸出周邊裝置。處理器114及記憶體116可在本文中通常稱為「控制電路系統」。
通訊介面或子系統118可包括一或多個組件，用於透過一或多個有線或無線通訊網路124(例如，網際網路)來與外部裝置122通訊。外部裝置122可係行動電話、平板電腦、個人電腦(PC)、基於雲端之伺服器等。無線通訊技術之非限制性實例包括Wi-Fi®、Bluetooth®、Bluetooth® Low Energy(低功耗藍牙)、Zigbee®、6LoWPAN®、Optical IR(光學紅外線)、無線HART等。有線通訊技術之非限制性實例包括USB®、乙太網路、PLC、HART、MODBUS、FireWire®、Thunderbolt®等。另外，除了發送資料至外部裝置122外，在至少一些實施方案中，測量裝置106亦可經由一或多個有線或無線通訊網路124接收來自外部裝置122的資料或指令(例如，控制指令)之至少一者。
使用者介面120可包括例如一或多個輸入裝置及顯示器子系統。一般而言，使用者介面120可包括允許使用者或外部系統與處理器114互動的任何裝置以及允許處理器114顯示或以其他方式呈現資訊的任何裝置。在至少一實施方案中，使用者介面120允許使用者控制或組態測量裝置106以執行特定測量或自測量裝置請求特定資料。如下文更詳細論述，關於行動測量裝置106之特定組態的資訊可儲存在記憶體116中。使用者介面120之顯示器子系統可係例如液晶顯示器(LCD)裝置、發光二極體(LED)顯示器等。在至少一些實施方案中，顯示器子系統可能夠顯示彩色影像。在至少一些實施方案中，使用者介面120之顯示器子系統可包括允許使用者輸入的觸控螢幕。回應於使用者對使用者介面120之輸入，顯示器子系統可顯示與特定測量相關聯之資訊或資料。如下文進一步詳細論述，使用者介面120之顯示子系統可顯示描繪多相電氣系統之多個相位的相量圖之一或多個影像。更一般而言，使用者介面之顯示子系統可顯示一或多個信號特性或參數，諸如電壓、電流、頻率、功率參數(例如，瓦特、KVA)、相序、相移、能量、諧波等。
使用者介面120可包括經組態以將輸入傳達至測量裝置106之處理器114的單一輸入裝置或輸入裝置之一組合。輸入裝置之非限制性實例包括按鈕、鍵盤、觸控板、開關、選擇器、旋轉開關或其他已知或後來開發的輸入裝置。如上述，使用者介面120可包括併入至顯示器子系統中作為觸控螢幕的輸入裝置。在至少一些實施方案中，測量裝置106操作以回應於輸入至使用者介面120之輸入裝置的一使用者輸入或選擇來執行特定類型之測量。例如，特定測量組態係可藉由修改測量設定資料來組態。在至少一些實施方案中，設定資料可與特定測量資料相關聯並且儲存在記憶體116中。在一實例中，若使用者按下使用者介面120之輸入裝置之特定按鈕，該按鈕之致動則可組態由測量裝置106執行之測量類型(例如，單階段測量、多階段測量)。
電壓感測器110及/或電流感測器112可係經由介於受測導體與測試電極或探針之間的流電連接來接收輸入的接觸型電壓感測器。在至少一些實施方案中，電壓感測器110及電流感測器112中之至少一者可分別為「非接觸式」電壓感測器工具或「非接觸式」電流感測器工具，其能夠獲得測量而無需介於受測導體與測試電極或探針之間的流電連接。因此，應理解，用詞「非接觸(non-contact)」係指流電接觸，而不係實體接觸。非接觸式電流感測器類型之非限制性實例包括磁通量閘感測器、霍爾效應感測器、Rogowski線圈、變流器、巨磁阻(GMR)感測器等。非接觸式電壓感測器類型之非限制性實例包括「電容分壓器」型電壓感測器、「參考信號」型電壓感測器、「多電容器」型電壓感測器等。
一般而言，電容分壓器型電壓感測器或系統測量絕緣導體(例如，絕緣線)的AC電壓，而不需要介於導體與測試電極或探針之間的流電連接。電容分壓器型電壓感測器可包括可變電容工具，該可變電容工具操作以產生介於受測試之絕緣導體與接地(earth ground)或其他參考之間的可變電容電壓。在測量期間，非接觸式電壓測量裝置改變可變電容工具之電容以變更介於受測試之絕緣導體與接地之間的電容分壓器電路之阻抗。藉由循序地進行跨可變電容工具的兩次(或三次)測量，可判定絕緣導體的AC電壓，而不需要對絕緣導體的任何流電連接。
一般而言，「參考信號」型電壓感測器可係包括導電感測器、內部接地防護件及參考屏蔽件的非接觸式電壓感測器。共模參考電壓源可電耦合在內部接地防護件與參考屏蔽件之間以產生AC參考電壓，該AC參考電壓令參考電流通行通過導電感測器。至少一個處理器可接收指示由於AC參考電壓及絕緣導體中之AC電壓而使電流流動通過導電感測器之信號，並且至少部分地基於所接收信號來判定絕緣導體中之AC電壓。將在下文中進一步參考圖7A、圖7B、圖8及圖9詳細論述參考信號類型電壓感測器。
一般而言，「多電容器」類型之電壓感測器可包括複數個導電感測器，該複數個導電感測器與一絕緣導體電容耦合。關於影響電容耦合之至少一個特性，該複數個感測器之各者可不同於該等導電感測器之其他者。至少一個處理器接收指示由於絕緣導體中之AC電壓而在導電感測器處之電壓的信號，並且至少部分地基於所接收信號來判定絕緣導體中之AC電壓。
此類非接觸式感測器的各種非限制性實例揭露於2016年11月11日申請之美國臨時專利申請案第62/421,124號；2016年11月7日申請之美國專利申請案第15/345,256號；2017年1月23日申請之美國專利申請案第15/413,025號；2017年1月23日申請之美國專利申請案第15/412,891號；2017年5月24日申請之美國專利申請案第15/604,320號，及2017年6月16日申請之美國專利申請案第15/625,745號，該等案內容全文以引用方式併入本文中。
在操作中，處理器114接收來自電壓感測器110及電流感測器112之信號以分別獲得電壓測量及電流測量。處理器114可利用此類電壓測量及電流測量來基於測量之組合而導出額外之AC電氣參數。此類參數可包括例如功率(例如，有效功率、表觀功率、無效功率)、相位關係、頻率、諧波、能量等。可在共同測量時間間隔期間藉由各別電壓感測器110及電流感測器112獲得電壓及電流感測器信號，該共同測量時間間隔的持續時間可相對較短(例如，10毫秒(ms)、100 ms、1秒、5秒、10秒)。例如，電壓感測器110及電流感測器112可彼此至少部分同時地獲得測量。舉另一實例，電壓感測器110及電流感測器112之一者可在實質上緊接在電壓感測器及電流感測器之另一者獲得測量之後立即獲得測量，使得幾乎同時獲得測量。在一些實施方案中，電壓感測器110及電流感測器112可操作以依指定間隔(例如，每10 ms、每100 ms、每1秒、每10秒)同時或相繼地重複獲得測量。一般而言，對於特定受測試導體，電壓感測器110及電流感測器112兩者在充分短之測量時間間隔內獲得其等各別測量，使得成對之電壓測量及電流測量對應於彼此，這允許使用所獲得之電流測量及電壓測量來精確導出或判定一或多個AC電氣參數(例如，功率、相位)。
圖4展示一種操作多階段測量裝置(諸如多階段測量裝置106)以測量三相電氣系統(例如，圖2之三相電氣系統100)的一或多個電氣參數之方法400。圖5展示用於獲得三相電氣系統之電氣參數測量的實例性時間軸500。一般而言，多階段測量裝置用於循序獲得多相電氣系統之不同導體之各者上的測量，且使該等測量(例如，第一測量)相對於該等測量之一者同步。如圖5所示，用於三相電氣系統的測量程序可分成三個階段P1 、P2 及P3 ，一個階段分別針對三相電氣系統之第一導體、第二導體及第三導體之各者。第一階段P1 可包括一感測階段TS1 、後續接著測量階段TM1 。同樣地，第二階段P2 可包括感測階段TS2 、後續接著測量階段TM2 ，及第三階段P3 可包括感測階段TS3 、後續接著測量階段TM3 。各種階段的持續時間可被約束以確保精確測量，如下文進一步論述。
在402，多階段測量裝置之控制電路系統可使得多階段測量裝置的使用者介面引導操作者將感測器子系統定位成靠近多相電氣系統之第一導體。例如，控制電路系統可令使用者介面顯示訊息(例如，「開始測量」或「測量第一階段」)。這可回應於操作者經由使用者介面的輸入(例如，按鈕)起始多階段測量而發生，該輸入指示控制電路系統「開始」測量。
如在圖5之時間軸500所示，在至少一些實施方案中，當起始測量時，在第一感測階段TS1 期間，控制電路系統可接收來自感測器子系統(例如，電壓感測器、電流感測器)之測量資料，該測量資料指示感測器子系統是否經定位成靠近第一導體。此特徵使得在獲得測量之前控制電路系統能夠確保正確地定位感測器子系統。例如，如下文參考圖7A、圖7B、圖8、及圖9而進一步論述，在至少一些實施方案中，感測器子系統產生一參考電流，且該測量資料包括在第一導體中所偵測之參考電流之特性(例如，量值)。可比較參考電流之特性與臨限，以判定感測器子系統經定位成靠近第一導體。舉另一實例，在觸發實際測量之前，控制電路系統可首先偵測到所感測電壓或電流高於所判定臨限。此特徵允許只要系統偵測到感測器子系統被正確定位(對於非接觸方法)或測試探針與受測裝置接觸，多階段測量裝置開始獲得測量。
在至少一些實施方案中，回應於接收到指示在一時間週期(例如，5秒)之後感測器子系統之感測器未定位成靠近第一導體的測量資料，控制電路系統可令使用者介面引導使用者重新開始測量多相電氣系統。在其他實施方案中，使用者可經由輸入(例如，按鈕、麥克風)來手動通知多階段測量裝置感測器系統處於獲得測量之位置。在此類實施方案中，若使用者未在指定時間週期(例如，5秒、10秒)內指示感測器子系統經正確定位，則控制電路系統可令使用者介面引導使用者重新開始測量多相電氣系統。
在404，控制電路系統可經由感測器子系統接收與第一導體中存在之信號相關聯之第一導體電氣參數資料。第一導體電氣參數資料可包括電壓資料或電流資料中之至少一者。在至少一些實施方案中，此第一測量階段TM1 回應於接收到指示在第一感測階段TS1 期間感測器子系統被適當定位成靠近該第一導體的測量資料而發生。在一些實施方案中，緊接著在控制電路系統偵測到感測器子系統被適當定位之後，自動開始第一測量階段TM1 。
在406，控制電路系統處理所接收第一導體電氣參數資料以判定第一導體中之信號之頻率。例如，控制電路系統可獲得數個(例如，50個)測量，各測量包括可藉由快速傅立葉變換(FFT)演算法處理的數個(例如，1024個)資料點。控制電路系統可平均化FFT之結果，以獲得第一導體中之信號之頻率、量值及相位資訊。在至少一些實施方案中，除了FFT外或替代FFT，亦可使用零交叉偵測以判定相位資訊。控制電路系統亦可判定或記錄第一導體中之信號的一或多個其他參數，諸如電壓、電流、相移、時間戳記、諧波、波形等。
在408，控制電路系統可至少部分地基於第一導體中之信號之所判定頻率來建置同步資料。例如，控制電路系統可針對所測量循環時間(或週期)建置固定重複間隔，作為用於後續測量的零相位基準。例如，若判定第一導體中之一信號具有50 Hz之頻率，則同步間隔可設定為20 ms，其等於50 Hz信號的循環時間或週期。類似地，若第一導體中之信號判定為具有60 Hz之頻率，則同步間隔可設定為16.67 ms，其等於60 Hz信號之週期。在至少一些實施方案中，控制電路系統可首先獲得多相電氣系統之多個相位之各者的所有測量資料，然後可藉由處理或分析所接收測量資料中之至少一些來建置同步資料。
在410，在第二感測階段TS2 期間，在控制電路系統已獲得第一導體的測量之後，控制電路系統可令使用者介面引導使用者將感測器子系統定位成靠近多相電氣系統之第二導體。在第二感測TS2 期間，控制電路系統可偵測感測器子系統是否經定位成靠近第二導體。
在412，在第二測量階段TM2 期間，控制電路系統可經由感測器子系統接收與第二導體中存在之信號相關聯之第二導體電氣參數資料。如上文所論述，在感測階段TS2 期間，此動作可回應於控制電路系統偵測到感測器子系統定位成靠近第二導體而發生。替代地，若在第二感測階段TS2 之時間週期(例如，5秒)內控制電路系統偵測到感測器子系統未定位成靠近第二導體，則控制電路系統可令使用者介面引導使用者重新開始第三階段測量程序，因為測量之間已歷時太多時間。
在414，控制電路系統可處理所接收第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置同步資料，相對於第一導體中之信號之相位資訊來判定第二導體中之信號之相位資訊。
圖6展示曲線圖600，其繪示此特徵之一個實例。如所示，第一導體中之一信號602被判定為具有50 Hz之一頻率，因此控制電路系統建置與第一導體中之一信號同步的20 ms(50 Hz信號之週期)之固定重複間隔。然後，在操作者將感測器子系統移動至第二導體之後，參照與第一導體中之信號602同步的固定重複間隔來測量第二導體中之一信號604，如由展示介於第二導體中之信號相對於在第一導體中之信號之間的相移(Δθ)的經強調部分606所指示。因此，當使用FFT處理第二導體中之信號604時，由FFT輸出之相位資訊指示第二導體中之信號604及第一導體中之信號602之間的相對相位。
在416，在獲得第二導體的測量資料之後，控制電路系統可令使用者介面引導使用者將感測器子系統定位成靠近多相電氣系統之第三導體。如上文所論述，在感測階段TS3 期間，控制電路系統偵測感測器子系統是否定位成靠近第三導體。
在418，控制電路系統可經由感測器子系統接收與第三導體中存在之信號相關聯之第三導體電氣參數資料。在420，控制電路系統可處理所接收第三導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置同步資料，相對於第一導體或第二導體之至少一者中之信號之相位資訊來判定第三導體中之信號之相位資訊，如上文所論述。如上文所述，在至少一些實施方案中，控制電路系統可首先獲得多相電氣系統之多個相位之各者的所有測量資料，然後可藉由處理或分析所接收測量資料中之至少一些來建置同步資料。
一旦已處理測量資料，旋即控制電路系統可經由使用者介面呈現多相參數給使用者，或可經由有線或無線通訊通道將參數發送至外部裝置。例如，如圖7B所示，控制電路系統可令多階段測量裝置之顯示器顯示用於多相電氣系統之所測量信號的相量圖701。可判定及呈現之電氣參數包括但不限於電壓參數、電流參數、功率參數、相序參數、電壓相移參數、電流相移參數、電壓/電流相移參數、諧波參數或波形參數等。
多相系統之導體中之信號之頻率隨時間變化。因此，在至少一些實施方案中，測量程序之總持續時間(例如，階段P1 、P2 及P3 )可被約束為相對短時間週期(例如，30秒)。例如，在至少一些實施方案中，測量間隔TM1 、TM2 及TM3 之各者之持續時間係5秒，及感測間隔TS1 、TS2 及TS3 之各者之最大持續時間係5秒，從而約束測量週期的總持續時間係30秒。
另外，重要的係，獲得第一導體中之信號的精確頻率測量，使得在第二導體及後續導體中之信號的測量可準確地與第一導體中之信號同步。例如，對於50 Hz信號，循環時間係20 ms，且1˚相移對應於55.5 µs。因此，若依0.1%準確度執行頻率測量，則不確定性係20 µs，或0.36˚之相移。這導致每秒18˚的不確定性，且10秒後不確定性將係180˚，這不可用。因此，在至少一些實施方案中，所判定頻率之不確定性應優於0.1%(例如，0.01%)，所以第一信號可能被人工地延伸或內插以使第二及後續頻率測量準確同步。如上文所論述，在至少一些實施方案中，可在測量週期(例如，TM1 、TM2 、TM3 )中獲得數個(例如，10個、50個、100個)樣本，且可平均化這些樣本以判定準確之頻率測量。例如，對於各測量週期TM1 、TM2 、TM3 之5秒之總測量時間，控制電路系統可獲得50個樣本，各樣本包括在100 ms間隔內獲得之1024個FFT點(即，50個樣本x 100 ms/樣本)。 參考信號類型非接觸式多階段測量裝置
下文論述提供用於測量絕緣或裸未絕緣導體(例如，絕緣導線)的交流(AC)電壓而不需要介於導體與測試電極或探針之間之流電連接之系統及方法的實例。本文所揭露之實施方案可在本文中稱為「參考信號類型電壓感測器」或系統。一般而言，提供非流電接觸式(或「非接觸式」)測量裝置，其使用電容感測器相對於接地來測量絕緣導體中之AC電壓信號。如上文所論述，下文論述之「參考信號」系統及方法亦可用於在感測階段TS1 、TS2 及TS3 期間以偵測感測器子系統(例如，圖3之感測器子系統108)是否經定位成靠近一受測導體。出於多個原因，此類特徵可係有利的，包括實現在判定感測器子系統相對於該受測導體適當定位之後，實質上立即自動起始測量。
圖7A係一環境700的繪圖，其中可由一操作者704使用之包括一參考信號類型電壓感測器或系統的一非接觸式測量裝置702以測量存在於一絕緣導線706中之AC電壓，而不需要介於該非接觸式測量裝置與導線706之間的流電接觸。測量裝置702可包括上文參照圖1至圖6論述的測量裝置的一些或全部功能。圖7B係圖7A之非接觸式測量裝置702之俯視平面圖，展示在操作期間該非接觸測量裝置的各種電氣特性及三相電氣系統之相量圖701的實例性顯示。非接觸式測量裝置702包括一殼體或主體708，該殼體或主體包括一抓握部分或端部710及一探針部分或端部712，在本文亦稱為與抓握部分相對的前端。殼體708亦可包括促進使用者與非接觸式測量裝置702互動的一使用者介面714。使用者介面714可包括任意數目個輸入(例如，按鈕、撥號盤、開關、觸控感測器)及任何數目個輸出(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。非接觸式測量裝置702亦可包括一或多個有線及/或無線通信介面(例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®)。
在至少一些實施方案中，如圖7B所最佳展示，探針部分712可包括由第一延伸部分718及第二延伸部分720界定的凹入部分716。凹入部分716接收絕緣導線706(參見圖7A)。絕緣導線706包括一導體722及圍繞導體722的一絕緣體724。凹入部分716可包括一感測器或電極726，當絕緣導線定位在非接觸式測量裝置702之凹入部分716內時，該感測器或電極擱置在絕緣導線706之絕緣體724附近。雖然為清楚起見而未展示，但感測器726可設置在殼體708內，以防止感測器與其他物體之間的實體及電接觸。測量裝置702亦可包括可操作以測量電流的電流感測器，如上文參考圖1至圖6所論述。
如圖7A所展示，在使用中，操作者704可抓住殼體708之抓握部分710且置放探針部分712靠近在絕緣導線706，使得非接觸式測量裝置702可準確地測量相對於接地(earth ground)(或另一個參考節點)存在於導線中之AC電壓。儘管探針端部712展示為具有凹入部分716，但在其他實施方案中，探針部分712可經不同地組態。例如，在至少一些實施方案中，探針部分712可包括一可選擇性移動式夾鉗、一鉤、包括感測器之一平坦或弓形表面、或允許非接觸式測量裝置702之一感測器定位成靠近絕緣導線706的其他類型介面。
僅在一些實施方案中使用操作者身體可作為接地(earth/ground)之參考。本文所論述之非接觸測量功能不限於僅用於相對於接地進行測量的應用。外部參考可電容耦合至任何其他電位。例如，若外部參考電容耦合至三相系統中之另一相，則測量相間電壓(phase-to-phase voltage)。一般而言，本文所論述之概念不限於僅使用連接至參考電壓及任何其他參考電位的體電容耦合的接地參考。
如下文進一步論述，在至少一些實施方案中，在AC測量期間，非接觸式測量裝置702可利用介於操作者704與接地728之間的體電容(CB )。雖然術語接地用於節點728，但節點不一定是接地，而是可藉由電容耦合或亦直接流電連接耦合(例如，經由測試引線)而依流電隔離方式連接至任何其他參考電位。
圖8展示亦在圖7A及圖7B中展示之非接觸式測量裝置702之各種內部組件的示意圖。在此實例中，非接觸式測量裝置702之導電感測器726係實質上「V形」且經定位成靠近受測試絕緣導線706，且與絕緣導線706之導體722電容耦合，形成一感測器耦合電容器(CO )。處置非接觸式測量裝置702之操作者704具有接地的體電容(CB )。因此，如圖7B及圖8所展示，透過串聯連接之耦合電容器(CO )及體電容(CB )，在導線722中之AC電壓信號(VO )產生一絕緣導體電流分量或「信號電流」(IO )。在一些實施方案中，體電容(CB )亦可包括流電隔離之測試引線，該測試引線產生對地電容或任何其他參考電位。
被測量之導線722中之AC電壓(VO )具有至外部接地728(例如，中性線(neutral))的連接。當操作者704(圖7A)固持非接觸式測量裝置於其手中時，非接觸式測量裝置702本身亦具有主要由體電容(CB )組成的對接地728之電容。電容CO 及CB 兩者產生導電環路，且該環路內的電壓產生信號電流(IO )。信號電流(IO )係藉由電容耦合至導電感測器726的AC電壓信號(VO )所產生，且透過非接觸式測量裝置之殼體708及對接地728的體電容器(CB )而迴歸至外部接地728。電流信號(IO )取決於介於非接觸式測量裝置702之導電感測器726與受測試絕緣導線706之間的距離、導電感測器726之特定形狀及導體722中之量值及電壓位準(VO )。
為了補償直接影響信號電流(IO )的距離變異且因此補償耦合電容器(CO )變異，非接觸測量裝置702包括一共同模式參考電壓源730，該共同模式參考電壓源產生具有一參考頻率(fR )之一AC參考電壓(VR )，參考頻率(fR )不同於信號電壓頻率(fo )。
為了減少或避免雜散電流，非接觸式測量裝置702之至少一部分可被導電內部接地防護件或網屏732圍繞，該導電內部接地防護件或網屏令大部分電流通過導電感測器726，該導電感測器與絕緣導線706之導體722形成耦合電容器(CO )。內部接地防護件732可由任何合適之導電材料(例如，銅)所形成，且可係實心(例如，箔)或具有一或多個開口(例如，網格)。
另外，為了避免內部接地防護件732與外部接地728之間的電流，非接觸式測量裝置702包括一導電參考屏蔽734。參考屏蔽734可由任何合適之導電材料(例如，銅)所形成，且可係實心(例如，箔)或具有一或多個開口(例如，網格)。共同模式參考電壓源730電耦合在參考屏蔽734與內部接地防護件732之間，而產生具有用於非接觸式測量裝置702之參考電壓(VR )及參考頻率(fR )的一共同模式電壓。此類AC參考電壓(VR )驅動一額外參考電流(IR )通過耦合電容器(CO )及體電容器(CB )。
圍繞導電感測器726之至少一部分的內部接地防護件732保護導電感測器免受AC參考電壓(VR )的直接影響而避免導電感測器726與參考屏蔽734之間的參考電流(IR )的非所要偏移。如上文所述，內部接地防護件732係用於非接觸測量裝置702的內部電子接地738。在至少一些實施方案中，內部接地防護件732亦圍繞非接觸式測量裝置702之一些或全部電子器件，以避免AC參考電壓(VR )耦合至電子器件中。
如上文所述，參考屏蔽734用於將一參考信號注入至輸入AC電壓信號(VO )上，且其第二個功能是最小化防護件732至接地728電容。在至少一些實施方案中，參考屏蔽734圍繞非接觸式測量裝置702之殼體708之一些或全部。在此類實施方案中，該等電子器件之一些或全部看到參考共同模式信號，該參考共同模式信號亦在絕緣導線706中介於導電感測器726與導體722之間產生參考電流(IR )。在至少一些實施方案中，參考屏蔽734中之唯一間隙可係用於導電感測器726之開口，該開口允許在非接觸式測量裝置702之操作期間定位導電感測器靠近絕緣導線706。
內部接地防護件732及參考屏蔽734可在非接觸式測量裝置702之殼體708(參見圖7A及圖7B)周圍提供雙層網屏。參考屏蔽734可設置在殼體之外表面708上，且內部接地防護件732可作用為一內部屏蔽或防護件。導電感測器726藉由防護件732而與參考屏蔽734屏蔽，使得任何參考電流流動皆是由介於導電感測器726與受測試導體722之間的耦合電容器(CO )所產生。
感測器726周圍之防護件732亦減少靠近感測器的相鄰導線的雜散影響。
如圖8所展示，非接觸式測量裝置702可包括操作為反相電流轉電壓轉換器的一輸入放大器736。輸入放大器736具有電耦合至內部接地防護件732的一非反相終端，該內部接地防護件作用為非接觸式測量裝置702之內部接地738。輸入放大器736之一反相終端可電耦合至導電感測器726。回授電路系統737(例如，回授電阻器)亦可耦合在輸入放大器736之反相終端與輸出終端之間，以提供用於輸入信號調節的回授及適當增益。
輸入放大器736接收來自導電感測器726之信號電流(IO )及參考電流(IR )且將轉換所接收電流成一感測器電流電壓信號，該感測器電流電壓信號指示在輸入放大器之輸出終端處的導電感測器電流。感測器電流電壓信號可係例如一類比電壓。類比電壓可饋送至信號處理模組740，該信號處理模組處理感測器電流電壓信號以判定絕緣導線706之導體722中之AC電壓(VO )，如下文進一步論述。信號處理模組740可包括數位電路系統及/或類比電路系統之任何組合。
非接觸式測量裝置702亦可包括通信耦合至信號處理模組740的一使用者介面742(例如，顯示器)，以呈現所判定之該AC電壓(VO )或藉由一介面傳達給非接觸式測量裝置之操作者704。
圖9係非接觸式測量裝置900的方塊圖，展示非接觸式測量裝置之各種信號處理組件。非接觸式測量裝置900可類似或相同於上文論述之測量裝置。因此，用相同的參考符號來標記類似或相同之組件。如所展示，輸入放大器736將來自導電感測器726的輸入電流(IO + IR )轉換成指示輸入電流之一感測器電流電壓信號。使用類比轉數位轉換器(ADC) 902將感測器電流電壓信號轉換成數位形式。
藉由方程式(1)使導線722中之AC電壓(VO )與AC參考電壓(VR )相關：其中(IO )係由於導體722中之AC電壓(VO )而通過導電感測器726之信號電流，(IR )係由於AC參考電壓(VR )而通過導電感測器726之參考電流，(fO )係正被測量之AC電壓(VO )之頻率，且(fR )係參考AC電壓(VR )之頻率。
與AC電壓(VO )相關之含下標「O」之信號所具有之特性(如頻率)不同於與共同模式參考電壓源730相關之含下標「R」之信號之特性。諸如實作快速傅立葉變換(FFT)演算法906之電路系統的數位處理可用於分離不同頻率之信號量值。類比電子濾波器亦可用於分開「O」信號特性(例如，量值、頻率)與「R」信號特性。
由於耦合電容器(CO )，電流(IO )及(IR )分別取決於頻率(fO )及(fR )。流動通過耦合電容器(CO )及體電容(CB )的電流與頻率成比例，且因此，亦需要測量受測試導體722中之AC電壓(VO )之頻率(fO )，以判定參考頻率(fR )對信號頻率(fO )的一比率(在上文列出之方程式(1)中已利用)，或參考頻率係已知的，此係因為參考頻率由系統本身產生。
在輸入電流(IO +IR )已被輸入放大器736調節並被ADC 902數位化之後，可藉由使用FFT 906在頻域中表示信號來判定數位感測器電流電壓信號之頻率分量。當已測量兩個頻率(fO )及(fR )時，可判定頻格(frequency bin)以從FFT 906計算電流(IO )及(IR )之基本量值。
電流(IR )及/或電流(IO )之量值可隨介於參考信號感測器或電極(例如，電極726)與絕緣導線706之導體722之間的距離而變化。如上文所論述，可在測量多相電氣系統期間使用此類特性，以偵測感測器是否經定位成靠近一受測導體。系統可比較所測量電流(IR )及/或電流(IO )與預期各別電流，以判定介於參考信號感測器或電極與導體722之間的距離。接下來，如方塊908所指示，按所判定頻率(fO )及(fR )來校正電流(IR )及(IO )之基本諧波(分別標示為IR ,1 及IO ,1 )的比率，且此因數可用來藉由相加導線722中之諧波(VO )(係藉由計算平方諧波及之平方根而完成)來計算所測量原始基本或RMS電壓，且可在顯示器912上呈現給使用者。
例如，取決於介於絕緣導體706與導電感測器726之間的距離，以及感測器726之特定形狀及尺寸，耦合電容器(CO )通常可具有在約0.02 pF至1 pF範圍內之電容值。例如，體電容(CB )可具有大約20 pF至200 pF之電容值。
從上文之方程式(1)，可看出，共同模式參考電壓源730所產生之AC參考電壓(VR )與導體722中之AC電壓(VO )不需要在相同範圍以達成信號電流(IO )及參考電流(IR )的類似電流量值。藉由選擇相對高參考頻率(fR )，AC參考電壓(VR )可相對低(例如，小於5 V)。作為一實例，參考頻率(fR )可經選擇為3 kHz，這高於具有60 Hz之信號頻率(fO )的典型120 VRMS AC電壓(VO )達50倍。在此類情況中，僅可選擇2.4 V(即，120 V÷50)之AC參考電壓(VR )來產生相同參考電流(IR )作為信號電流(IO )。一般而言，設定參考頻率(fR )為信號頻率(fO )之N倍允許AC參考電壓(VR )具有在導線722中之AC電壓(VO )的(1/N)倍之值以產生彼此在相同範圍中之電流(IR )及(IO )，以達成IR 及I0 的類似不確定性。
可使用任何合適之信號產生器來產生具有參考頻率(fR )之AC參考電壓(VR )。在圖9所繪示之實例中，使用Sigma-Delta數位轉類比轉換器(Σ-Δ DAC) 910。Σ-Δ DAC 910使用位元串流來產生具有經定義參考頻率(fR )及AC參考電壓(VR )的波形(例如，正弦波形)信號。在至少一些實施方案中，Σ-Δ DAC 910可產生與FFT 906之窗同相之波形以減小抖動。
在至少一些實施方案中，ADC 902可具有14個位元之解析度。在操作中，針對標稱50 Hz輸入信號，ADC 902可依10.24 kHz取樣頻率下取樣來自輸入放大器736之輸出，以在100 ms提供2n 個樣本(1024)(用於FFT 906之10 Hz頻格)，該等樣本準備好供FFT 906處理。對於60 Hz輸入信號，取樣頻率可係12.288 kHz，例如，以獲得每循環相同數目個樣本。ADC 902之取樣頻率可與參考頻率(fR )之全數目個循環同步。輸入信號頻率可在例如40 Hz至70 Hz之範圍內。取決於AC電壓(VO )之所測量頻率，可使用FFT 906來判定用於AC電壓(VO )的頻格，且使用漢尼視窗(Hanning window)函數用於進一步計算，以抑制由彙總間隔所擷取之不完整信號循環而造成之相移抖動。
在一個實例中，共同模式參考電壓源730產生具有2419 Hz之參考頻率(fR )的AC參考電壓(VR )。對於60 Hz信號，此頻率在第40諧波與第41諧波之間，對於50 Hz信號，此頻率在第48諧波與第49諧波之間。藉由提供具有不是所預期AC電壓(VO )之諧波的參考頻率(fR )的AC參考電壓(VR )，AC電壓(VO )不太可能影響參考電流(IR )之測量。
在至少一些實施方案中，共同模式參考電壓源730之參考頻率(fR )經選擇為最不可能被受測試導體722中之AC電壓(VO )之諧波影響之一頻率。作為一實例，當參考電流(IR )超過極限時，可斷開共同模式參考電壓源730，這可指示導電感測器726正在接近受測試導體722。可在斷開共同模式參考電壓源730之情況中進行測量(例如，100 ms測量)，以偵測數個(例如，三個、五個)候選參考頻率之信號諧波。然後，可在數個候選參考頻率判定在AC電壓(VO )中之信號諧波之量值，以識別哪些候選參考頻率最不可能被AC電壓(VO )之信號諧波影響。然後，參考頻率(fR )可被設定為所識別之候選參考頻率。參考頻率之此切換可避免或減少信號頻譜中之可能參考頻率分量的影響，這會增加所測量參考信號並降低準確度，並且可產生不穩定結果。除了2419 Hz之外，具有相同特性之其他頻率包括例如2344 Hz及2679 Hz。
前述實施方式已經由使用方塊圖、示意圖及實例來闡述裝置及/或程序的各種實施方案。在此類方塊圖、示意圖及實例含有一或多個功能及/或操作的情況下，所屬技術領域中具有通常知識者將理解，可藉由多種硬體、軟體、韌體或其等之幾乎任何組合來個別地或統合地實施在此類方塊圖、流程圖或實例中之各功能及/或操作。在一實施方案中，本發明標的可經由特殊應用積體電路(ASIC)來實施。然而，所屬技術領域中具通常知識者將瞭解，本文所揭露之實施方案可整體地或部分地等效地在標準積體電路中實施為：在一或多個電腦上執行的一或多個電腦程式(例如，在一或多個電腦系統上執行的一或多個程式)；在一或多個控制器(例如，微控制器)上執行的一或多個程式；在一或多個處理器(例如，微處理器)上執行的一或多個程式；韌體；或其等之幾乎任何組合，並且將瞭解，設計電路系統及/或撰寫用於軟體及/或韌體之程式碼是在參酌本揭露的所屬技術領域中具有通常知識者的技術內。
所屬技術領域中具通常知識者將瞭解，本文所述之許多方法或演算法可採用額外動作、可省略某些動作、及/或可依不同於指定之順序來執行動作。
此外，所屬技術領域中具通常知識者將明白，本文所教導之機制能夠以多種形式散佈為程式產品，並且將明白，實例性實施方案同等地適用，無論用於實際執行散佈的特定類型之信號承載媒體為何。信號承載媒體之實例包括但不限於可記錄類型媒體，例如軟碟、硬碟機、CD ROM、數位磁帶及電腦記憶體。
可組合上述各種實施方案以提供進一步實施方案。例如，在至少一些實施方案中，多階段測量裝置可包含複數個(例如，三個)接觸式或非接觸式感測器子系統，該複數個接觸或非接觸式感測器子系統可各同時地定位成靠近一多相電氣系統之導體之一各別者。複數個感測器子系統可各包括電壓感測器及/或電流感測器，如上文所論述。另外，各感測器子系統可耦合至相同處理電路系統，在操作期間，該處理電路系統在各感測器子系統之間切換以獲得用於該多相電氣系統之導體之各者的測量資料。在此類實施方案中，多階段測量裝置無需引導操作者將同一感測器定位成靠近各導體。
在與本文之具體教示內容及定義一致的程度，2016年11月11日申請之美國專利申請案第62/421,124號；2016年11月7日申請之美國專利申請案第15/345,256號；2017年1月23日申請之美國專利申請案第15/413,025號；2017年1月23日申請之美國專利申請案第15/412,891號；2017年5月24日申請之美國專利申請案第15/604,320號；及2017年6月16日申請之美國專利申請案第15/625,745號之內容全文以引用方式併入本文中。若需要，可修改實施方案之態樣，以採用各種專利、申請案及公開案之系統，電路及概念來提供更進一步之實施方案。
參酌上文實施方式，可對實施方案進行這些及其他變化。一般而言，在下文申請專利範圍中，所用術語不應被解釋為將申請專利範圍受限於本說明書及申請專利範圍中揭露的具體實施方案，而是應理解為包括所有可能的實施方案連同此申請專利範圍享有的均等物之全部範疇。因此，申請專利範圍不受限於本揭露。
10‧‧‧三相電氣系統
12‧‧‧三相源
14‧‧‧三相負載
100‧‧‧三相電氣系統
102‧‧‧三相源
104‧‧‧三相負載
106‧‧‧多階段測量裝置
108‧‧‧感測器子系統
110‧‧‧電壓感測器；電壓測量感測器或工具
112‧‧‧電流感測器；電流測量感測器或工具
114‧‧‧處理器
116‧‧‧非暫時性處理器可讀儲存媒體或記憶體
118‧‧‧通訊子系統或介面
120‧‧‧使用者介面
122‧‧‧外部裝置
124‧‧‧有線或無線通訊網路
402‧‧‧步驟
404‧‧‧步驟
406‧‧‧步驟
408‧‧‧步驟
410‧‧‧步驟
412‧‧‧步驟
414‧‧‧步驟
416‧‧‧步驟
418‧‧‧步驟
420‧‧‧步驟
500‧‧‧時間軸
600‧‧‧曲線圖
602‧‧‧信號
604‧‧‧信號
606‧‧‧經強調部分
700‧‧‧環境
701‧‧‧相量圖
702‧‧‧非接觸式測量裝置
704‧‧‧操作者
706‧‧‧絕緣導線
708‧‧‧殼體或主體
710‧‧‧抓握部分或端部
712‧‧‧探針部分或端部
714‧‧‧使用者介面
716‧‧‧凹入部分
718‧‧‧第一延伸部分
720‧‧‧第二延伸部分
722‧‧‧導體；導線
724‧‧‧絕緣體
726‧‧‧感測器或電極；導電感測器
728‧‧‧接地；外部接地
732‧‧‧導電內部接地防護件或網屏
734‧‧‧導電參考屏蔽
736‧‧‧輸入放大器
737‧‧‧回授電路系統
738‧‧‧內部電子接地；內部接地
740‧‧‧信號處理模組
742‧‧‧使用者介面
900‧‧‧非接觸式測量裝置
902‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)
906‧‧‧快速傅立葉變換(FFT)演算法
908‧‧‧區塊(校正)
910‧‧‧Sigma-Delta數位轉類比轉換器(Σ-Δ DAC)
912‧‧‧顯示器
A‧‧‧導體
ACH1‧‧‧電流測量通道
ACH2‧‧‧電流測量通道
ACH3‧‧‧電流測量通道
B‧‧‧導體
C‧‧‧導體
CB‧‧‧體電容
CO‧‧‧感測器耦合電容器
IO‧‧‧信號電流
IR‧‧‧參考電流信號
IR1‧‧‧參考電流
IR2‧‧‧參考電流
IR3‧‧‧參考電流
N‧‧‧導體
P1‧‧‧第一階段
P2‧‧‧第二階段
P3‧‧‧第三階段
TM1‧‧‧第一測量時間週期；第一測量階段
TM2‧‧‧第二測量時間週期；第二測量階段
TM3‧‧‧第三測量時間週期；第三測量階段
TS1‧‧‧第一感測階段
TS2‧‧‧第二感測階段
TS3‧‧‧第三感測階段
VCH1‧‧‧電壓測量通道
VCH2‧‧‧電壓測量通道
VCH3‧‧‧電壓測量通道
VO‧‧‧AC電壓信號；電壓位準；諧波；輸出電壓；信號電壓；AC電壓
VR‧‧‧AC參考電壓；參考電壓
fO‧‧‧信號電壓頻率；信號頻率
fR‧‧‧參考頻率
在附圖中，相同參考標號標識類似元件或動作。附圖中元件之尺寸及相對位置未必按比例繪製。例如，各種元件之形狀及角度未必按比例繪製，並且這些元件中之一些可被任意放大及定位以改善圖式易讀性。此外，所繪製之元件之特定形狀不一定意欲傳達關於特定元件之實際形狀的任何資訊，並且可僅是為了便於在附圖中辨識而選擇。 　　圖1係包括耦合至三相負載之三相源之三相電氣系統的示意方塊圖，展示使用複數個電壓測量通道及多通道瓦特計之電流測量通道測量電氣參數。 　　圖2係包括耦合至三相負載之三相源之三相電氣系統的示意方塊圖，展示使用根據一闡釋性實施方案之多階段測量裝置來測量電氣參數。 　　圖3係根據一闡釋性實施方案之圖2所示之多階段測量裝置的示意方塊圖。 　　圖4係一種根據一闡釋性實施方案之用於操作一多階段測量裝置以測量多相電氣系統的一或多個參數之方法的流程圖。 　　圖5係繪示一種根據一闡釋性實施方案之操作多階段測量裝置以測量多相電氣系統的一或多個電氣參數之方法的各種階段之時間軸。 　　圖6係展示在測量多相電氣系統之一第一導體及第二導體期間所擷取之實例性波形的圖表，該圖表繪示根據一闡釋性實施方案之後續用於建置同步資料之第一導體中之信號之頻率偵測，該同步資料用於相對於第一導體中之信號之相位來偵測第二導體中之信號之相位。 　　圖7A係根據一闡釋性實施方案之其中可使用非接觸式多階段測量裝置之環境的繪圖。 　　圖7B係根據一闡釋性實施方案之圖7A之非接觸式多階段測量裝置的俯視圖，其展示介於絕緣導線與非接觸式電壓測量裝置之導電感測器之間形成的耦合電容、絕緣導體電流分量及介於非接觸式多階段測量裝置與操作者之間的體電容(body capacitance)。 　　圖8係根據一闡釋性實施方案之非接觸式多階段測量裝置之各種內部組件的示意方塊圖。 　　圖9係展示根據一闡釋性實施方案之非接觸式多階段測量裝置之各種信號處理組件的方塊圖。

Claims (22)

  1. 一種多階段測量裝置，其包含： 　　一感測器子系統，其在操作中感測一導體中之電壓或電流中之至少一者； 　　一使用者介面； 　　控制電路系統，其通信地耦合至該感測器子系統，其中在操作中，該控制電路系統： 　　　　令該使用者介面引導該多階段測量裝置的一使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近一多相電氣系統之一第一導體； 　　　　經由該感測器子系統接收與存在於該第一導體中之一信號相關聯之第一導體電氣參數資料，該第一導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者； 　　　　處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率； 　　　　至少部分地基於該第一導體中之該信號之所判定之該頻率來建置同步資料； 　　　　令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第二導體； 　　　　經由該感測器子系統接收與存在於該第二導體中之一信號相關聯之第二導體電氣參數資料，該第二導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者； 　　　　處理所接收之該第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體中之該信號之相位資訊來判定該第二導體中之該信號之相位資訊； 　　　　令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第三導體； 　　　　經由該感測器子系統接收與存在於該第三導體中之一信號相關聯之第三導體電氣參數資料，該第三導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者；及 　　　　處理所接收之該第三導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體或該第二導體之至少一者中之該信號之相位資訊來判定該第三導體中之該信號之相位資訊。
  2. 如請求項1之多階段測量裝置，其中該同步資料包含一固定重複間隔，該固定重複間隔具有等於該第一導體中之該信號之一週期的持續時間。
  3. 如請求項1之多階段測量裝置，其中該感測器子系統包含至少一電流感測器及一電壓感測器。
  4. 如請求項1之多階段測量裝置，其中該感測器子系統包含一非接觸式電壓感測器或一非接觸式電流感測器中之至少一者。
  5. 如請求項1之多階段測量裝置，其中在操作中，該控制電路系統： 　　處理該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料及該第三導體電氣參數資料，以判定該多相電氣系統的至少一個額外電氣參數。
  6. 如請求項5之多階段測量裝置，其中該至少一個額外電氣參數包含一電壓參數、一電流參數、一功率參數、一相序參數、一電壓相移參數、一電流相移參數、一電壓/電流相移參數、一諧波參數、或一波形參數中之至少一者。
  7. 如請求項1之多階段測量裝置，其中在操作中，該控制電路系統： 　　令該使用者介面在該使用者介面之一顯示器上呈現所判定之該相位資訊之一指示。
  8. 如請求項7之多階段測量裝置，其中所判定之該相位資訊之該指示包含在該使用者介面之該顯示器上呈現的一相量圖。
  9. 如請求項1之多階段測量裝置，其中在接收該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料、及該第三導體電氣參數資料之各者之前，該控制電路系統接收來自該感測器子系統的測量資料，該測量資料指示該感測器子系統之該感測器是否定位成分別靠近該第一導體、該第二導體、及該第三導體。
  10. 如請求項9之多階段測量裝置，其中該感測器子系統產生一參考電流，且該測量資料包含在該第一導體、該第二導體、或該第三導體中所偵測到之該參考電流之一特性。
  11. 如請求項9之多階段測量裝置，其中回應於接收到指示在一時間週期之後該感測器子系統之該感測器未定位成靠近該第一導體、該第二導體、或該第三導體中之一者的測量資料，該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者重新開始測量該多相電氣系統。
  12. 如請求項1之多階段測量裝置，其中在操作中，該控制電路系統利用一快速傅立葉變換(FFT)來處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率。
  13. 如請求項1之多階段測量裝置，其中介於當該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之該感測器定位成靠近該第一導體時與當該控制電路系統接收與存在於該第三導體中之該信號相關聯之第三導體電氣參數資料時之間的一時間週期被約束為小於30秒。
  14. 一種多階段測量裝置，其包含： 　　一感測器子系統，其在操作中感測一導體中之電壓或電流中之至少一者； 　　一使用者介面； 　　控制電路系統，其通信地耦合至該感測器子系統，其中在操作中，該控制電路系統： 　　　　令該使用者介面引導該多階段測量裝置的一使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近一多相電氣系統之一第一導體； 　　　　經由該感測器子系統接收與存在於該第一導體中之一信號相關聯之第一導體電氣參數資料，該第一導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者； 　　　　處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率； 　　　　至少部分地基於該第一導體中之該信號之所判定之該頻率來建置同步資料； 　　　　令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第二導體； 　　　　經由該感測器子系統接收與存在於該第二導體中之一信號相關聯之第二導體電氣參數資料，該第二導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者；及 　　　　處理所接收之該第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體中之該信號之相位資訊來判定該第二導體中之該信號之相位資訊。
  15. 一種操作多階段測量裝置之方法，該方法包含： 　　由控制電路系統令一使用者介面引導一使用者將一感測器子系統之一感測器定位成靠近一多相電氣系統之一第一導體； 　　由該控制電路系統經由該感測器子系統接收與存在於該第一導體中之一信號相關聯之第一導體電氣參數資料，該第一導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者； 　　由該控制電路系統處理所接收之該第一導體電氣參數資料以判定該第一導體中之該信號之一頻率； 　　由該控制電路系統至少部分地基於該第一導體中之該信號之所判定之該頻率來建置同步資料； 　　由該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第二導體； 　　由該控制電路系統經由該感測器子系統接收與存在於該第二導體中之一信號相關聯之第二導體電氣參數資料，該第二導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者； 　　由該控制電路系統處理所接收之該第二導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體中之該信號之相位資訊來判定該第二導體中之該信號之相位資訊； 　　由該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者將該感測器子系統之一感測器定位成靠近該多相電氣系統之一第三導體； 　　由該控制電路系統經由該感測器子系統接收與存在於該第三導體中之一信號相關聯之第三導體電氣參數資料，該第三導體電氣參數資料包含電壓資料或電流資料中之至少一者；及 　　由該控制電路系統處理所接收之該第三導體電氣參數資料以至少部分地基於所建置之該同步資料，相對於該第一導體或該第二導體之至少一者中之該信號之相位資訊來判定該第三導體中之該信號之相位資訊。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含由該控制電路系統處理該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料、及該第三導體電氣參數資料，以判定該多相電氣系統的至少一個額外電氣參數。
  17. 如請求項15之方法，其進一步包含由該控制電路系統處理該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料、及該第三導體電氣參數資料，以判定一電壓參數、一電流參數、一功率參數、一相序參數、一電壓相移參數、一電流相移參數、一電壓/電流相移參數、一諧波參數、或一波形參數中之至少一者。
  18. 如請求項15之方法，其進一步包含由該控制電路系統令該使用者介面在該使用者介面之一顯示器上呈現所判定之該相位資訊之一指示。
  19. 如請求項15之方法，其進一步包含： 　　在接收該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料、及該第三導體電氣參數資料之各者之前，由該控制電路系統接收來自該感測器子系統的測量資料，該測量資料指示該感測器子系統之該感測器是否定位成分別靠近該第一導體、該第二導體、及該第三導體。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包含： 　　回應於接收到指示在一時間週期之後該感測器子系統之該感測器未定位成靠近該第一導體、該第二導體、或該第三導體中之一者的測量資料，由該控制電路系統令該使用者介面引導該使用者重新開始測量該多相電氣系統。
  21. 如請求項15之方法，其中處理所接收之該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料、及該第三導體電氣參數資料包含利用一快速傅立葉變換(FFT)來處理所接收之該第一導體電氣參數資料、該第二導體電氣參數資料、及該第三導體電氣參數資料。
  22. 一種多階段測量裝置，其包含： 　　一感測器子系統，其在操作中感測一導體中之電壓及電流； 　　一使用者介面； 　　控制電路系統，其通信地耦合至該感測器子系統，其中在操作中，該控制電路系統： 　　　　令該感測器子系統循序獲得至少三個單階段測量，該等單階段測量之各者提供一多相電氣系統之一單相的單相電氣參數資料；及 　　　　基於由循序獲得之該等單階段測量所提供的該單相電氣參數資料來判定該多相電氣系統的多相電氣系統參數。
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