TWI691728B - 電流偵測裝置及其設計方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種可大範圍及高精確度量測之電流偵測裝置與其設計方法，該電流偵測裝置包含至少一電阻與一偵測模組；該設計方法包含：一量測誤差值、一電流下限值及一電壓檢測精度之初始化設定，並依據該電壓檢測精度、該量測誤差值及該電流下限值計算並獲得該電阻之一電阻值，再依據該電阻值與該電阻之一耐受功率計算後獲得一電流上限值，其中該電流偵測裝置的設計方法藉此獲得該電流偵測裝置之該電流上限值與該電流下限值的區間範圍及該電阻之電阻值。
Description
本發明為一種電流偵測裝置及設計方法，特別是有關於使用電阻設計的一種可大範圍及高精度量測的電流偵測裝置。
目前現有用於偵測電流的技術主要分為兩大類：第一種是採用霍爾效應(Hall effect)的原理來感測電流，另一種則是採用單一電阻兩端的電壓差做為量測電流的基礎。霍爾效應的檢測方式需要外加一磁場的架構以產生霍爾感應電壓(Hall Voltage)的量測，再由霍爾感應電壓轉換得知待測電流，其中霍爾效應的量測方式容易被外在的電磁雜訊所干擾，而使得電流量測結果容易產生誤差，再者所設置的外加磁場架構形狀為環形，所需要的空間必須較大，以及在經常震動的環境下，外加磁場的架構容易受到碰撞，進而使電流量測結果失真，甚至是使量測裝置損毀。
單一電阻量測電流為另一種常見的檢測方式，因電阻元件體積較小，且價格上也較為便宜，所以採用電阻設計而成的電流偵測裝置具有造價便宜及占用較少空間的優勢，但是單一電阻量測電流的方式若設計不當，則容易因待測電流的不同，在電阻上產生熱的問題，而限制可量測的範圍，並影響量測準確度及持續量測下準確度的可靠性，甚至導致電阻燒毀，對於高溫導致的燒毀、能源的損耗、量測的準確性與較寬的可量測範圍等，都是迫切需要改善的問題。
由於現有偵測電流的方式都具有需要改善的缺陷，故設計一種電流偵測裝置及設計方法來解決現有技術的缺陷，針對小型化、準確度、大範圍電流檢測、能耗的降低及持續量測的可靠度等要點提出改良，是有其必要性的。
本發明主要目的在於提供一種電流偵測裝置及其設計方法，特別係指小型化、大範圍電流檢測、較佳檢測精度及低功率損耗的電流偵測裝置。
為了達成上述目的，本發明提供一種可大範圍及高精確度量測之電流偵測裝置與其設計方法，該電流偵測裝置包含至少一電阻與一偵測模組，該電阻供一電流輸入，該設計方法包含：一量測誤差值、一電流下限值及一電壓檢測精度之初始化設定，並依據該電壓檢測精度、該量測誤差值及該電流下限值計算並獲得該電阻之一電阻值，再依據該電阻值與該電阻之一耐受功率計算後獲得一電流上限值，其中該電流偵測裝置的設計方法藉此獲得該電流偵測裝置之該電流上限值與該電流下限值的區間範圍及該電阻之電阻值。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置設計方法之該量測誤差值包含一電壓量測誤差值、該電阻因作業溫度導致的誤差值或一線路阻抗校正所產生的誤差值至少其中之一。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置設計方法之該電阻值的計算方式為該電壓檢測精度除以該電流下限值後再除以該電壓量測誤差值。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置設計方法之該電阻值低於一預定電阻值時，該電阻採用該預定電阻值之並聯架構。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置設計方法之該電阻並聯數的計算方式為該預定電阻值除以該電阻值。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置設計方法之該電阻之該電阻值為該預定電阻值之並聯架構的等效電阻值。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置設計方法之該電流上限值的計算為該耐受功率除以該電阻值後的平方根。
為了達成上述目的，本發明提供一種電流偵測裝置具有一量測誤差值、一電流下限值及一電流上限值，該電流偵測裝置包含：至少一電阻，該電阻包含一耐受功率，依據一電壓檢測精度、該量測誤差值及該電流下限值計算並獲得該電阻之一電阻值，該電阻值與該電阻之該耐受功率計算後獲得該電流上限值；以及一偵測模組，該偵測模組與該電阻電性連接並檢測電性；其中該電流偵測裝置藉此獲得具有該量測誤差值、該電流下限值及該電流上限值之該電流偵測裝置。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置更包含一微處理器與該偵測模組電性連接。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置之該電阻為合金電阻。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置之該量測誤差值包含該電壓量測誤差值、該電阻因作業溫度導致的誤差值或一線路阻抗校正產生的誤差值至少其中之一。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置之該電阻值為該電壓檢測精度除以該電流下限值後，再除以該電壓量測誤差值。
為了達成上述目的，本發明之電流偵測裝置之該電流上限值為該耐受功率除以該電阻值後的平方根。
藉由本發明之設計，提供不同量測誤差值及不同量測電流區間範圍的電流偵測裝置，電流偵測裝置內部採用電阻作為負載，所需的製造成本較市面上的其他產品為低，電阻可採用多顆並聯的方式獲得所需目標之電阻值，具有低功耗的優勢，且不易被外部的環境所影響，量測誤差值可依照待測電路的需求而訂定，較能符合客製化的需求，還可進一步對整體的誤差作校正，使電流偵測裝置的檢測準確性提升。
為了能夠更進一步瞭解本發明之特徵、特點和技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，惟所附圖式僅提供參考與說明用，非用以限制本發明。
1:電阻
2:偵測模組
3:微處理器
4:待測電路
100:電流偵測裝置
S1~S7:步驟
S8~S12:步驟
R1:負載
V:電源
I:電流
L1~L3:校正方程式
第1圖為本發明之電流偵測裝置之方塊圖。
第2圖為本發明之電流偵測裝置與待測電路連接之示意圖。
第3圖為本發明之電流偵測裝置設計之流程圖。
第4圖為本發明之電流偵測裝置之校正方法流程圖。
第5圖為本發明之電流偵測裝置之線性校正示意圖。
第6圖為本發明之電流偵測裝置之分段線性校正示意圖。
請參閱第1圖，本發明中之電流偵測裝置100具有一量測誤差值(圖未示)、一電流下限值(圖未示)及一電流上限值(圖未示)，電流偵測裝置100包含：至少一電阻1，供一電流I輸入，該電阻1包含一耐受功率(圖未示)，依據一電壓檢測精度(圖未示)、該量測誤差值(圖未示)及該電流下限值(圖未示)計算並獲得該電阻1之一電阻值(圖未示)，該電阻值(圖未示)與該電阻1之一耐受功率(圖未示)計算後獲得該電流上限值(圖未示)；一微處理器3(Micro Controller Unit，MCU)；一偵測模組2，偵測模組2分別與微處理器
3及電阻1電性連接，偵測模組2並檢測電阻1之電性；其中電流偵測裝置100藉此獲得具有量測誤差值(圖未示)、電流上限值(圖未示)、電流下限值(圖未示)及該電阻1之該電阻值(圖未示)之電流偵測裝置100。
本發明中之微處理器3包含中央處理單元(圖未示)、記憶體單元(圖未示)、計時單元(圖未示)、各種輸入及輸出介面(圖未示)等單元，微處理器3相當於多種的單元整合於積體電路晶片，由於將多個單元微小化整合於積體電路晶片中，使微處理器3的體積縮小，方便設置於各種裝置內部，對於空間的利用及各種裝置的微小化有明顯的改善；其中微處理器3之輸入及輸出介面包含：RS-232、RS-485、I2C、USB、CAN bus及RF收發器等多種不同的傳輸協定，藉此使微處理器3可以與其他裝置利用各種不同的介面溝通。
本發明中之偵測模組2係為類比數位轉換(Analog-to-digital converter,ADC)單元(圖未示)或差動放大器(differential amplifier)(圖未示)，類比數位轉換單元(圖未示)的功能主要是將所擷取到的類比訊號轉換為數位訊號，以利後續微處理器3的數位訊號處理，類比數位轉換單元(圖未示)的解析度指的是，在指定範圍中的類比訊號，能輸出離散數位訊號的個數；離散訊號產生變化所需最小輸入類比物理量的值被稱為最低有效位(Least Significant Bit,LSB)，當解析度的位元越多時，最低有效位所能辨識的類比物理量越小，則類比數位轉換單元(圖未示)的解析度越好；當微處理器3的解析度不佳時，可採用差動放大器(圖未示)來解決解析度不佳的缺點，差動放大器(圖未示)的功能主要在於利用一增益值將輸入的類比訊號放大，類比訊號放大後再輸出給微處理器3，以解決微處理器3中解析度較低的問題。
本發明中之電阻1採用合金電阻作為較佳之實施方式，其中合金電阻的材質包含：銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鈹(Be)及鋁(Al)等，由上述二種或二種以上的金屬所組成的合金，因合金電阻的電阻率較為穩定，對於溫度、壓力及磁場等因素的影響變化較小，且電阻率不易隨著時間而變化，且金屬合金製成的電阻具有電阻值較低的特性，當電流流經時也不易產生大量的功耗及廢熱，於本發明中具有較佳之應用特性。
合金電阻在一溫度區間內具有較小之溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)，如攝氏-55度至攝氏125度之間的溫度係數一般介於±100ppm/℃之間，所以相對於溫度的改變所影響的電阻值變化亦較小，且在此溫度區間中合金電阻的電阻率對於溫度的變化大致上呈現線性，相較於其他種類的電阻，合金電阻的溫度係數較低且對應的應用溫度區間的範圍也相對較大；綜合上述的優勢，採用合金電阻作為電流流經之負載，進一步達到電流偵測裝置的較佳準確性。
請參閱第1~2圖，第1~2圖中包含電流偵測裝置100及一待測電路4，待測電路4具有一電源V及一負載R1，電源V與負載R1串聯，本發明中之電阻1採用單一電阻或是二個以上的電阻並聯而成的，第2圖中的電阻1採用多顆並聯而成，電阻1與待測電路4串接，偵測模組2與電阻1電性連接，以接收待測電路4之電源V對電阻1產生的電氣特性，電源V產生一電流I流經負載R1及電阻1，在電阻1兩端產生一電位差(圖未示)，在較佳實施例中偵測模組2與電阻1並聯，並獲得電阻1兩端的電位差，偵測模組2中的類比數位轉換單元(圖未示)將電位差的類比值轉換為數位值，再將電位差的數位值傳輸給微處理器3，微處理器3內部再進行電位差的校正運算後，獲得較為準確的電流值。
在另一實施例中，偵測模組2為差動放大器(圖未示)時，分別由電阻1兩端各擷取一電位，藉由差動放大器(圖未示)獲得電阻1兩端的電位差後，以增益值放大，進一步獲得放大的電位差類比數值，再將放大的電位差類比數值輸入微處理器3，微處理器3內部更包含類比數位轉換單元(圖未示)，把類比數值轉換為數位，把數位的電位差值經由校正運算，獲得較為準確的電流值，其中微處理器3之類比數位轉換單元(圖未示)的解析度如果較低，差分放大器具有放大電阻1兩端電位差的功能，使微處理器3之類比數位轉換單元(圖未示)對於放大後的電位差值較有辨識能力，進而使微處理器3校正後輸出的電流值較為準確。
請參閱第1~3圖所示，第3圖為本發明之一種電流偵測裝置100的設計方法流程圖，本發明之電流偵測裝置100之設計方法中，電流偵測裝置100包含至少一電阻1與一偵測模組2，該電阻1供一電流I輸入，此設計方法包含：一量測誤差值、一電流下限值及一電壓檢測精度之初始化設定，並依據該電壓檢測精度、該量測誤差值及該電流下限值計算並獲得該電阻1之一電阻值；依據該電阻值與該電阻1之一耐受功率計算後獲得一電流上限值；其中電流偵測裝置的設計方法藉此獲得該電流偵測裝置100之電流上限值與電流下限值的區間範圍及該電阻1之電阻值。
本發明中電流偵測裝置100之設計方法一開始為提供初始化S1的設定，初始化的設定中包含量測誤差值、電流下限值及電壓檢測精度，電壓檢測精度指的是偵測模組2及微處理器3中所能辨識的最低的類比物理量值，在本實施例中電壓檢測精度為偵測模組2及微處理器3之最低可辨識的類比電位差值，由於偵測模組2或微處理器3中包含有類比數位轉換單元(圖未示)，類比數位轉換單元(圖未示)的最低有效位可辨識的類比電壓值，即為電壓檢測精度，在本實施例中電壓檢測精度包含25微伏特(uV)或2.5微
伏特(uV)，但不以此為限，可依照實際電流範圍的需求選定適合的類比數位轉換單元(圖未示)，以對應到不同的電壓檢測精度。
依照設計需求選定電流下限值及量測誤差值，電流下限值為此電流偵測裝置100可檢測電流範圍的最小值，電流下限值與電流偵測裝置100中的電阻1依照歐姆定率(Ohm's law)的關係，可求得對應之一下限電壓值，電流偵測裝置100具有量測誤差值(圖未示)，量測誤差值(圖未示)為電流偵測裝置100整體量測誤差的上限值，量測誤差值(圖未示)包含電壓量測誤差值、電阻因作業溫度導致的誤差值、各元件間的線路阻抗校正產生的誤差值及其他可能誤差值其中的至少一項，其中電壓量測誤差值為電壓檢測精度與下限電壓的比值，電壓量測誤差值依據所適用的待檢測電路需求不同，而有對應不同的誤差值可供選擇，如電壓量測誤差值為小於或等於0.75%、2.25%或4.75%，但不以此為限，可依照實際需求選定適合的電壓量測誤差值。
本發明中電流偵測裝置100之設計方法，接著計算電阻1對應之電阻值S2，電流偵測裝置100可檢測的電流區間主要取決於電阻值的設定與調整，在前一個步驟S1已選定量測誤差值、電流下限值及電壓檢測精度的數值，再設定量測誤差值中的電壓量測誤差值，電阻值的計算方式為電壓檢測精度除以電流下限值後，再除以電壓量測誤差值，其中求得之電阻值即為電流偵測裝置100所需最小的電阻值。
依照上述步驟S2計算後，接著判斷所求得之電阻值是否小於一預定電阻值S3，當所求得之電阻值低於預定電阻值時，電阻1採用預定電阻值之並聯架構，其中預定電阻值為電流偵測裝置100所選用單一顆電阻1的阻值，預定電阻值的選擇依照計算所求得之電阻值而定，電阻1較佳實施方式為選擇使用合金電阻，預定電阻值可依據市場量產最低阻值的合金電
阻、市售價格較為平價之合金電阻或是電氣特性較為穩定之合金電阻，依據上述的狀況綜合評估，並可依照客製化需求自由調配，以選擇適當之電阻值。
本發明中電阻並聯數的計算方式S4為該預定電阻值與所求得電阻值之比值，進一步來說電阻並聯數的計算方式為預定電阻值除以所求得之電阻值，電阻並聯數為正整數，但實際上以預定電阻值並聯時的等效電阻值為主，不一定與所求得之電阻值相同，即電阻並聯數計算時有非整除的狀況，出現並聯數非正整數的狀況時，計算到小數點後一位，以個位數為基準，可採用無條件進位法、四捨五入法或是無條件捨去法，以取近似的方式進一步獲得電阻並聯的個數S4，依照預定電阻值的並聯架構計算出等效電阻值S5，再將原先計算獲得之電阻值依照該預定電阻值之並聯架構，修正為預定電阻值之並聯架構之等效電阻值，並依照修改後的電阻值，再修正原先設定的電壓量測誤差值，使實際電阻並聯的狀況對應到正確的電壓量測誤差值，再考量電阻因作業溫度導致的誤差值、線路阻抗校正產生的誤差值、及其他可能誤差值，而獲得該電流偵測裝置之量測誤差值；電阻並聯數計算如是整除的狀況時，原先計算出的電阻值將會與預定電阻值之並聯架構之等效電阻值相等。
本發明中步驟S2的電阻值計算後，在步驟S3中判斷大於或等於預定電阻值時，可採用多個電阻串聯的方式，或是選擇與步驟S2計算出之電阻值相同的電阻，進一步實現步驟S2中所計算出之電阻值；由於市面上的電阻之電阻值規格多為制式化，可能無法實現步驟S2所計算出之電阻值，此時電阻值採取近似法的設計原則，如採用不同電阻值之多個電阻串聯出與步驟S2所計算出之電阻值較近似之等效電阻，或是選用與步驟S2所計算出之電阻值較近似之單一電阻，當後續電阻設計的電阻值與先前計算出的
電阻值不同時，將步驟S2所計算出之電阻值修改為後續電阻設計的等效電阻值S5，並依照修改後的電阻值，再修正原先設定的電壓量測誤差值，使實際電阻並聯的狀況對應到正確的電壓量測誤差值，再考量電阻因作業溫度導致的誤差值、線路阻抗校正產生的誤差值、及其他可能誤差值，而獲得該電流偵測裝置之量測誤差值。
本發明中電流偵測裝置100之設計方法中，接著進行電流上限值的運算S6，電流上限值的計算為耐受功率除以電阻值後的平方根，每一電阻具有對應之一額定功率，依照額定功率進一步定義出耐受功率，耐受功率為考量待測電路4的需求或是電阻規格中額定功率而訂定，在本發明中耐受功率小於或等於額定功率，通常設計為額定功率之一半或是一半以下，耐受功率設計原理因考量許多電器啟動時的電流值較高，產生較高功率的消耗，進而使電阻的溫度快速上升，使得該電阻實際可承受的功率會大幅衰減，而容易造成電阻的燒毀。為了避免電阻特性因溫度變化而衰減燒毀，故耐受功率會採較保守的設計，以確保電流偵測裝置100於電流上下限值之間的區間範圍內能夠正常運作。
本發明電流上限值的計算為耐受功率除以電阻值後的平方根中，所述之電阻值為原先計算求得之數值，如第3圖中電阻值不小於預定電阻值的狀態、電阻值小於預定電阻值且並聯計算後整除的狀態，或是並聯計算後非整除的狀態時，依照預定電阻值的設計架構計算出等效電阻值，以上述不同狀況的等效電阻值做為電阻值的調整依據。
本發明中電流上限值之計算方式，依照電功率的定義及歐姆定律，獲得耐受功率、電流上限值及電阻值之間的關係式P=I1 2*R，其中P：耐受功率、I1：電流上限值及R：電阻值，經由該計算式即可得知電流上限值為耐受功率除以電阻值的平方根，I1=(P/R)1/2，而進一步以耐受功率及電
阻值獲得電流上限值，經由上述的設計方法，獲得電流偵測裝置100設計所選用的電阻值及其電流上限值與電流下限值的使用區間S7。
本發明電流偵測裝置100之設計方法的一實施例中，偵測模組2或微處理器3的電壓檢測精度選用25微伏特(uV)、電流下限值選用0.10安培(A)、電壓量測誤差值選用0.75%、預定電阻值為0.3mΩ，以及電阻值設為R，其中電流偵測裝置100整體的量測誤差值扣除其他的外在影響的誤差值(如電阻作業溫度、線路阻抗校正及其他可能的誤差值)即獲得電壓量測誤差值，依照歐姆定律計算得知電阻兩端的電位差為0.1(A)*R，又電壓量測誤差值0.75%為電壓檢測精度與電阻1兩端的電位差的比值，並列出計算式：25*10-6/(0.1*R)=0.75%，求得R=1/30，計算出電阻值為1/30Ω，電阻值為約為33mΩ，電阻值33mΩ未低於預定電阻值0.3mΩ，故不須採用並聯的設計；接著再進一步以此電阻1計算電流上限值，本次採用電阻值1/30Ω的電阻額定功率為3瓦特(W)，進一步定義耐受功率為小於額定功率之一數值，本實施例中，耐受功率定義為1瓦特(W)，依照電功率及歐姆定律的定義列出算式：P=I1 2*R，其中P：耐受功率、I1：電流上限值及R：電阻值，代入各項的數值得到，1W=I1 2*(1/30Ω)，I1=(30)1/2，電流上限值I1約為5.5安培(A)，假設電阻因作業溫度產生的誤差、線路阻抗校正產生的誤差、及其他可能誤差為0.25%，則此裝置的量測誤差值為0.75%+0.25%=1%，故可獲得此電流偵測裝置100的量測誤差值為1%，使用的電阻阻值為1/30歐姆(Ω)，可量測電流上下限值的區間範圍為0.1安培(A)-5.5安培(A)。
本發明電流偵測裝置100之設計方法的另一實施例，偵測模組2或微處理器3的電壓檢測精度選用2.5微伏特(uV)、電流下限值選用1安培(A)、電壓量測誤差值選用2.25%、預定電阻值為0.3mΩ，以及電阻值設為R，其中電流偵測裝置100整體的量測誤差值扣除其他的外在影響的誤差值
(如電阻作業溫度、線路阻抗校正及其他可能的誤差值)即獲得電壓量測誤差值，依照歐姆定律計算得知電阻兩端的電位差為1(A)*R，又電壓量測誤差值2.25%為電壓檢測精度與電阻兩端的電位差的比值，並列出計算式：2.5*10-6/(1*R)=2.25%，求得R=1/9000，電阻值約為0.11mΩ，其中電阻值0.11mΩ低於預定電阻值0.3mΩ，預定電阻值須採用多個並聯的方式才能達到所需的電阻值，電阻1並聯個數設定為一正整數N，依照多個相同的預定電阻值並聯列出一算式：0.11mΩ=0.3mΩ/N，N=30/11，由於N為正整數，故在個位數採四捨五入的方式進位，獲得N值為3，意即將0.3mΩ的三個電阻並聯，取近似值獲得相近之電阻值，並聯後的等效電阻為0.1mΩ，並將原先的電阻值0.11mΩ改為並聯後的等效電阻值0.1mΩ，再以0.1mΩ的電阻值微調整原先設定的電壓量測誤差值，以原先電壓檢測精度的2.5uV除以在電流下限值1安培時0.1mΩ的電阻值所對應的電壓值，即可列出2.5*10-6/(1*0.1*10-3)=2.5%，求出電阻值0.1mΩ對應的電壓量測誤差值為2.5%，假設電阻因作業溫度導致的誤差值、線路阻抗校正產生的誤差值、及其他可能誤差值為0.5%，則此裝置的量測誤差值為2.5%+0.5%=3%；接著再進一步以並聯後的等效電阻值計算電流上限值，本次選用的單一顆電阻之預定電阻值為0.3mΩ，額定功率為3瓦特(W)，進一步定義耐受功率為小於額定功率之一數值，本實施例中耐受功率設定為1W，三個電阻值0.3mΩ的電阻並聯後的等效電阻值為0.1mΩ、三個電阻並聯之耐受功率為三個單一顆電阻耐受功率的和，即為3W，依照電功率及歐姆定律的定義列出算式：P=I1 2*R，其中P：耐受功率、I1：電流上限值及R：電阻值，代入各項的數值得到，1W*3=I1 2*(0.1mΩ)，I1=(3000)1/2，電流上限值I1約為173安培(A)，故可獲得此電流偵測裝置100的量測誤差值為3%，使用的電阻為
阻值0.1mΩ，由3個預定電阻值之電阻並聯而成，可量測電流上下限值的區間範圍為1安培(A)-173安培(A)。
請參閱圖式第1、2及4圖，本發明電流偵測裝置100之設計方法中更包含了一校正的方法，由於電流偵測裝置100與待測電路4之間的連接點存在不可預期的阻抗、每個電阻1之間存在等效阻值的誤差、每個電阻1焊接點具有不同的阻抗差異以及偵測模組2與電阻1之間偵測位置的設置存在不可預期的電性誤差，且電流偵測裝置100中的元件均為符合歐姆定律的線性元件，在電流及電位差之間存在正比關係，故以標準電流值的輸入，使偵測模組2擷取到對應的電性資訊，利用標準電流與擷取到之電性資訊的關係，產生一個校正方法，在將此校正方法儲存在微處理器3中，後續所需檢測的電流I經過微處理器3的運算後，做出補償及校正，以排除硬體上的誤差，使輸出的數值較為準確。
本發明中的校正方法包含：建立一標準電流對照表S8；依照電流對照表中的數值，計算並獲得一校正方程式S9；輸入一待測電流以檢測出一對應電位差值S10；將對應電位差值輸入校正方程式S11，經計算後即可獲得一待測電流值S12。
建立標準電流對照表S8的步驟中包含：使用一電源供應器(圖未示)輸出複數個標準電流值流經電阻1，偵測模組2擷取電阻1兩端的電位差，再由偵測模組2內部的類比數位轉換器(圖未示)將電位差的類比訊號轉換成數位訊號，以建立標準電流值流經電阻1時，獲得電阻1兩端所對應電位差值的數值，在標準電流對照表中，標準電流的數值至少要兩個以上，如考量到精確度的因素，在電流偵測裝置100量測的電流值區間中，標準電流值的數量可以平均且大量的設置，藉由不同標準電流的數值輸入，降低採樣造成誤差的風險。
標準電流對照表中已記錄多個標準電流值對應到的電位差值後，由於電阻1為線性元件，故電流及電位差之間存在正比的關係，依據此特性，將標準電流對照表中的標準電流及對應的電位差值之間的關係，以一校正方程式來表達S9，請參閱第5圖為兩軸向的直角座標，X軸方向為電位差值，Y軸方向為電流值，校正方程式設定為：y=ax+b，其中x是標準電流對照表中偵測模組2擷取到的電位差值、y則為標準電流對照表中的標準電流值、a為校正方程式的斜率以及b為校正方程式中的偏移量，將標準電流對照表中至少兩個標準電流代入校正方程式的y中，兩個標準電流對應之電位差值代入上述的校正方程式的x中，進一步運算求得a及b的數值，並將獲得a及b的校正方程式存入記憶體單元(圖未示)中，其中記憶體單元(圖未示)可包含在微處理器3中或是獨立於微處理器3之外。
本發明的另一實施例中，由於電流偵測裝置100的電流檢測範圍區間可能包含數百安培以上的電流區間，如果只用二個標準電流值作為校正的依據，在較大的電流檢測範圍中求得的校正方程式，精準度上可能較無法貼近實際的狀況，故在較大的電流檢測範圍中，可以採用分段的方式求得不同的校正方程式，或是可採用多個標準電流值求得校正方程式的線性回歸。
本發明中分段計算校正方程式的方式為：採用將電流偵測裝置100的電流檢測範圍區間分為至少兩個區間，意即設定至少三個標準電流值，每一標準電流值均對應一電位差值，利用兩鄰近的標準電流值及對應之各電位差值求得校正方程式，即可求得不同標準電流值之間的校正方程式，利用分段計算校正方程式的方法，讓電流偵測裝置100的電流檢測範圍區間包含多個不同的校正方程式，進而使校正補償的機制更為準確。
請參閱第6圖，選擇四個標準電流值Y1、Y2、Y3及Y4，分別對應到四個電位差值X1、X2、X3及X4，接著利用鄰近的兩個點計算出校正方程式，如(X1,Y1)與(X2,Y2)計算出第一組校正方程式L1：y=a1x+b1、(X2,Y2)與(X3,Y3)計算出第二組校正方程式L2：y=a2x+b2及(X3,Y3)與(X4,Y4)計算出第三組校正方程式L3：y=a3x+b3，在標準電流Y1到Y4之間包含三組校正方程式，依照不同範圍的數值，選用不同的校正方程式，使校正補償的準確度更佳。
本發明的再一實施例中，校正方程式採用線性回歸的方式計算：將電流偵測裝置100的電流檢測範圍區間作多個標準電流值的樣本，其中樣本選擇方式可使用平均等分的採樣或是隨機採樣，再將這些標準電流值對應之電位差值的樣本作線性回歸，線性回歸可選用最小平方法分析的方式，求出電流檢測範圍區間的校正方程式，藉由眾多標準電流值樣本的建立，並回歸計算出校正方程式，使電流偵測裝置100透過校正後的數值，能夠提高準確度。
當電流偵測裝置100搭配校正方法時，待測電流流經電阻1，偵測模組2擷取電阻1兩端的電位差值後S10，再將電位差值傳送到微處理器3中執行校正的運算，校正過程將電位差值代入校正方程式y=ax+b的x中S11，記憶體單元(圖未示)中儲存的a及b的數值載入校正方程式中，經由微處理器3計算之後，S12獲得校正後對應的電流值y，藉由校正的運算，把實際檢測到的標準電流值數及對應的電位差值的關係，回饋到電流偵測裝置100中，由於校正方式把電流偵測裝置100與待測電路4之間連接的可能出現的問題一併考量，利用校正方程式做補償與修正，進而獲得較準確的檢測結果。
本發明所揭露的電流偵測裝置100及設計方法中，依照選定的量測誤差值、電流下限值及電壓檢測精度，進一步計算出電阻1對應的電阻值，或依照選用的預定電阻值求得電阻並聯的數量與等效電阻值，接著依據電阻1與電阻值的耐受功率求得電流上限值，再考慮電阻因作業溫度導致的誤差值、線路阻抗校正產生的誤差值、及其他可能誤差值，進而獲得電流偵測裝置100的量測誤差值與可量測的電流上下限值之區間範圍，進一步還可將偵測模組2擷取到的資訊搭配微處理器3的校正運算，使電流偵測裝置100輸出較準確的電流值；上述內容中量測誤差值、電流下限值及電壓檢測精度的設定可依照各種的需求不同，而調整至不同的數值，進而可設計出不同電阻值、不同並聯數的電阻以及不同電流上下限區間範圍，具有高度自由且符合客製化的優勢；藉由電壓檢測精度的設定、電阻1的設定、電流上下限值以及微處理器3的校正補償，使得此電流偵測裝置100具有較佳的精準度；其中電阻可採用合金電阻，因合金電阻具有較低的功耗及元件尺寸較小，使電流偵測裝置100具有低能耗及小型化的設計，電流偵測裝置100中的各元件皆為常見且易取得，故此電流偵測裝置100製造的成本也較低，在市場上具有較佳的競爭力。
由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
S1~S7:步驟
Claims (9)
- 一種電流偵測裝置之設計方法，該電流偵測裝置包含至少一電阻，該方法包含：一量測誤差值、一電流下限值及一電壓檢測精度之初始化設定，該量測誤差值包含一電壓量測誤差值；依據該電壓檢測精度除以該電流下限值後，再除以該電壓量測誤差值，獲得該電阻之一電阻值；以及依據一耐受功率除以該電阻值後的平方根，獲得一電流上限值；其中該電流偵測裝置的設計方法藉此獲得該電流偵測裝置之該電流上限值與該電流下限值的區間範圍及該電阻值。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該量測誤差值更包含該電阻因作業溫度導致的誤差值或一線路阻抗校正所產生的誤差值至少其中之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電阻值低於一預定電阻值時，該電阻採用該預定電阻值之並聯架構。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該電阻並聯數的計算方式為該預定電阻值除以該電阻值，且該電阻並聯數為一正整數。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該電阻之該電阻值為該預定電阻值之並聯架構的等效電阻值。
- 一種電流偵測裝置，具有一量測誤差值、一電流下限值及一電流上限值，該量測誤差值包含一電壓量測誤差值，該電流偵測裝置包含： 至少一電阻，該電阻包含一耐受功率，依據一電壓檢測精度除以該電流下限值後，再除以該電壓量測誤差值，獲得該電阻之一電阻值，該耐受功率除以該電阻值後的平方根，獲得該電流上限值；以及一偵測模組，該偵測模組與該電阻電性連接並檢測電性；其中該電流偵測裝置藉此獲得具有該量測誤差值、該電流下限值及該電流上限值之該電流偵測裝置。
- 如申請專利範圍第6項所述之電流偵測裝置，其中更包含一微處理器與該偵測模組電性連接。
- 如申請專利範圍第6項所述之電流偵測裝置，其中該電阻為合金電阻。
- 如申請專利範圍第6項所述之電流偵測裝置，其中該量測誤差值更包含該電阻因作業溫度導致的誤差值或一線路阻抗校正所產生的誤差值至少其中之一。
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