TWI751280B

TWI751280B - 不存在電壓檢測器

Info

Publication number: TWI751280B
Application number: TW107104670A
Authority: TW
Inventors: 梅瑟布魯瑞賽朗莎
Original assignee: 美商班狄特公司
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2022-01-01
Also published as: US20220057439A1; AU2018219890B2; US20190383860A1; CA3053249A1; TW201830035A; US20240302414A1; US11988693B2; AU2018219890A1; CA3053249C; US11162983B2; WO2018148387A1; EP3580574A1; EP3580574B1

Abstract

一種不存在電壓指示器具有：一隔離電路；一FM調變器，其連接至該隔離電路；一個參考振盪器；及一混頻器，其連接至該FM調變器和該參考振盪器，其中，該混頻器的輸出是二信號的差值。在一實施例中，該FM調變器包含：一可變電容器，其響應於與固定電容器並聯的電壓及與該電容器並聯的電感器而改變。

Description

不存在電壓檢測器

[0002] 本發明一般關於一種電壓檢測，尤其是一種用於檢測及指示不存在電壓的檢測器。

[0003] 在進行電氣安裝/設備的工作之前，工作人員需要確認設備處於電氣安全狀態。除非事實證明，否則必須假定設備已通電並採取所有必要的預防措施，包括使用適當的個人防護設備(personal protective equipment, PPE)。驗證電氣安全工作條件的一部分涉及不存在電壓的測試。該測試由經過訓練且合格的電工使用適當的額定電壓測試儀執行，通常為可攜式電壓計或萬用電錶。電工首先在已知通電的電源上測試儀表，以確保其正常工作。然後他/她通過測量相對相和相對地的電壓來驗證電氣設備中是否不存在電壓。最後，測試儀在已知的通電電源上進行重新測試，以確保其仍能正常工作，並且在測試過程中沒有受到損壞。雖然電壓驗證符合NFPA 70E要求並被認為是最佳實作規範，但測試本身仍然存在危險，因為在測試的帶電部分使用電壓測試儀時，工作人員暴露於通電電路和導體。　　[0004] 一個永久安裝的設備可以檢測及驗證主要(單相或多相交流或直流)電壓的不存在，並確實指示特定電氣隔室中的電壓狀態，這對於此類應用非常有用。　　[0005] 安全完整性等級(Safety Integrity Level, SIL)建議將風險降低至可接受的水平。安全儀表系統必須通過確保一切工作正常並按預期執行，將有缺陷功能的風險降低到可容許的水準。測試必須包括整個系統的驗證。　　[0006] 本發明描述了一種使用頻率調變技術並利用附加的幾種新穎概念來驗證不存在電壓的新穎方法。一些用於對系統功能建立高度信任的技術是：決策結構的冗餘路徑；驗證過程，通過檢查以確保測試儀能夠檢測到它想要檢測的最小電壓位準；並確定測試儀是否連接到電源線並檢測系統中關鍵元件的故障/漂移。

[0007] 不存在電壓指示器具有隔離電路，連接到隔離電路的FM調變器，參考振盪器和連接到參考振盪器和FM調變器的混頻器，其中混頻器的輸出是兩個信號的差值。在一實施例中，FM調變器包括響應於電壓而變化的可變電容器，其電壓並聯於固定電容器且與該電容器並聯的電感器。

檢測方法　　[0023] 該方法利用RF信號，其中頻率將根據輸入電壓而變化(FM調變)。為了確定線路電壓是否超過用於呈現有害電壓的閾值，將調變信號轉換回與預設閾值相比較的電壓位準。高於該感興趣閾值的線路電壓可以忽略不計，且電路在閾值附近被優化。這示出在圖1中不存在電壓指示器10的系統概述，其示出了FM調變器100、參考振盪器200、混頻器300、包絡檢測器400、頻率到電壓轉換器500以及閾值窗口檢測器600。　　[0024] 乍看，將電壓位準轉換為RF信號，然後將其轉換回電壓位準似乎是多餘的。然而，當我們通過描述這個概念進行研究時，很明顯這種方法在隔離、簡化系統和滿足具備高級別故障安全結構之系統的要求方面提供了好處和優勢。 FM調變器　　[0025] 如圖2所示，FM調變器100是以LC諧振振盪器電路110為基礎。LC諧振電路110是由電感器140和與可變電容器130並聯的固定電容器120組成的諧振器(在一實施例中，變容二極體135(見圖3)可用作可變電容器，變容二極體之電容取決於施加的反向電壓)。電荷通過電感器在電容器之間來回流動，因此調諧電路儲存以其共振頻率振盪的電能。頻率根據電容而變化，電容根據變容二極體上施加的電壓而變化。LC諧振電路的電容器元件由界定振盪器的範圍和偏移頻率的固定電容器120，以及以提供調變器/振盪器的可變分量之可變電容器130所組成。該設置用於改善故障安全狀況，這將在後面對該概念的描述部分進行討論。隔離技術　　[0026] 為了防止由高電壓浪湧、ESD或線路電壓瞬態引起的檢測電路損壞，使用隔離電路40，如圖3所示。使用與TVS二極體60組合的第一組高阻值電阻器50。為了消除振盪器電路上的線路電壓的影響，使用一組DC阻斷器70(相對於LC諧振電路110中的固定電容器120和可變電容器130的高容值電容器)來阻斷DC和低頻AC電壓同時允許RF信號通過。為了消除這些隔直流電容器的影響，電容值需要比LC諧振電路110的電容值高一個數量級。第二組高阻值電阻器55用於阻止RF信號進入電路的其餘部分，並防止TVS的電容影響振盪器頻率。串聯使用兩個變容二極體135作為可變電容器產生由線路電壓呈現的正和負電壓的相同頻率變化。這個概念如圖3所示。解調器-參考振盪器　　[0027] 如圖4所示，混頻器300的輸出是FM調變器100和參考振盪器200之間的差異。參考振盪器200使用與FM調變器100相同的原理構成，但是去除了可變電容器。這種方法減少了由於溫度或其他環境變化引起的電源電壓變化或元件值漂移的不準確性。這些變化以相同的方式影響振盪器，並導致對混頻器輸出信號的影響降低。解調器-混頻器和包絡檢測器　　[0028] 通過混合參考振盪器200信號和FM調變器電路100來實現解調。包絡檢測器400用於產生這些輸入信號的差值，然後將這些差值轉換為方波信號。　　[0029] 如圖5所示，FM調變器信號的頻率總是高於參考振盪器信號的頻率，因此輸出信號的頻率範圍例如為0.5至2 MHz。在全部、線到線和線到地的配置中結合電壓的潛在存在　　[0030] 為了建立不存在電壓情境，對三相線到線和線到地的組合進行測試。如圖6所示，使用六個FM調變器感測器電路來覆蓋電壓存在的所有潛在組合。一次選擇一個FM調變器用於測量和測定。選擇電路是一個循環計數器/狀態機，它控制多工器(multiplexor, MUX)一次通過一個感測器電路信號。　　[0031] 電路檢測DC以及AC 50/60 Hz線路電壓。為了確保檢測到超過閾值的電壓，需要超過60Hz週期之線路電壓的過採樣。如圖7所示，選擇電路在60Hz時間週期內多次循環感測器電路的選擇。檢測系統　　[0032] 如圖8所示，檢測系統由兩個冗餘通道組成。每個通道由一個頻率到電壓轉換器、一個閾值窗口檢測器和一個時間暫停單元組成。　　[0033] 檢測通道的最後一個階段是暫停安全狀態或延遲安全狀態指示，以確定在最後幾個AC線路電壓期間沒有出現線路電壓的閾值退出。圖9說明了安全狀態的時間暫停功能。使用100ms作為延遲安全階段的例子。如圖所示，在100ms範圍內任何新出現的閾值退出都會延長延遲的時間。　　[0034] 圖10說明實現檢測通道的一例。防止錯誤安全指示進行電路/元件故障/漂移　　[0035] 如圖11所示，FM調變器在線路電壓為0時產生約19MHz，在3伏特時約為20MHz。這導致混頻器輸出端的頻率在0伏特時大約為0.5MHz，在3伏特時大約為1.5MHz。當頻率信號轉換為電壓位準時，需要產生在某個安全電壓窗口內的位準。在任何FM調變器或參考振盪器由於電路/元件故障而不存在信號的情況下，混頻器輸出頻率將移動到更高的頻率，從而將電壓位準推到閾值窗口檢測器電路的不安全區域。這將導致故障安全的情況。　　[0036] 造成FM調變器漂移到較低頻率範圍或參考振盪器漂移到較高頻率範圍之任何元件中的漂移將導致0伏特線路電壓情況下的較低頻率，並在閾值窗口檢測器電路將電壓位準推到不安全區域。這也會導致故障安全的情況。如圖12所示。　　[0037] 造成FM調變器漂移到較高頻率範圍或參考振盪器漂移到較低頻率範圍之任何元件中的漂移將導致在約3伏特線路電壓情況下的較低頻率，並在達到3伏特之前在閾值窗口檢測器電路將電壓位準推到不安全區域。這也會導致故障安全的情況。如圖13所示。利用診斷電路驗證測試儀的功能　　[0038] 為了建立對檢測系統的高度置信度，在不存在電壓檢測之後且在安全狀態指示之前，檢測電路的功能需要被確認。這稱為“測試測試儀”，它是診斷系統的一部分。如圖14所示，診斷單元採用微控制器和支持部件構成，可存取選擇單元的信號/狀態、檢測通道和感測器電路中的不同階段。它在特定的時間窗內為感測器電路產生不同的電壓位準，並在檢測通道上監測預期信號的檢測通道。當系統發生故障時，將由診斷電路識別。使用診斷電路驗證電壓檢測器與電源線和地的連接　　[0039] 作為診斷的一部分，驗證測試儀與線路電壓和地的連接。這通過圖15中所示的技術來實現。圖15示出了具有電容器710的連接測試儀700，其具有電容器710被充電到已知電壓然後測量其放電時間。由於從電力線連接到地的高阻值電阻器720，放電時間將取決於電壓指示器是否連接到電力線而延遲。如圖16所示，它通過將電容器充電至已知電壓，然後通過一組電阻器進行放電，同時測量衰減時間。　　[0040] 整體電阻值的任何變化都會通過衰減時間的變化而暴露出來。電源線通過一個高阻值電阻器接到地，且不存在電阻器路徑/連接將改變衰減時間。如圖16所示。　　[0041] 雖然已經說明和描述了本發明的特定實施例和應用，但應該理解的是，本發明不限於本文公開的精確構造和組成，並且，根據前述內容的各種明顯修改、改變和變化皆不脫離所描述的本發明的精神和範圍。

[0042]100‧‧‧FM調變器200‧‧‧參考振盪器300‧‧‧混頻器400‧‧‧包絡檢測器500‧‧‧頻率到電壓轉換器600‧‧‧閾值窗口檢測器110‧‧‧LC諧振電路120‧‧‧固定電容器130‧‧‧可變電容器140‧‧‧電感器135‧‧‧變容二極體40‧‧‧隔離電路50‧‧‧高阻值電阻器60‧‧‧TVS二極體70‧‧‧DC阻斷器55‧‧‧高阻值電阻器135‧‧‧變容二極體700‧‧‧連接測試儀710‧‧‧電容器720‧‧‧高阻值電阻器

[0008] 圖1是使用頻率調變的電壓指示器的一實施例的系統概要。　　[0009] 圖2是用於圖1的電壓指示器的LC諧振電路或FM調變器的示意圖。　　[0010] 圖3是用於圖1的電壓指示器的隔離電路的示意圖。　　[0011] 圖4是用於圖1的電壓指示器的FM調變器、參考振盪器和混頻器的示意圖。　　[0012] 圖5是顯示FM調變器、參考振盪器、混頻器、包絡檢波器和微分器的示意圖。　　[0013] 圖6是顯示使用多工器以進行各種測量的系統視圖。　　[0014] 圖7顯示電路的採樣率。　　[0015] 圖8是顯示使用冗餘通道的系統概要。　　[0016] 圖9說明安全狀態的時間暫停功能。　　[0017] 圖10說明實現檢測通道的一例。　　[0018] 圖11說明相對於FM調變器、參考振盪器和混頻器的電壓的頻率輸出。　　[0019] 圖12和13說明由於頻率漂移引起的故障安全機制。　　[0020] 圖14是顯示使用診斷系統的系統概要。　　[0021] 圖15是圖1的電壓指示器的連通性測試的示意圖。　　[0022] 圖16是顯示當指示器連接且未連接時的連通性測試的不同放電率的圖。

10‧‧‧電壓指示器

100‧‧‧FM調變器

200‧‧‧參考振盪器

300‧‧‧混頻器

400‧‧‧包絡檢測器

500‧‧‧頻率到電壓轉換器

600‧‧‧閾值窗口檢測器

Claims

一種不存在電壓檢測器，其包含：一隔離電路，其連接至電力線；一FM調變器，其連接至該隔離電路，其中，該FM調變器相對於電壓而變化；一個參考振盪器；及一混頻器，其連接至該FM調變器和該參考振盪器，其中，該混頻器的輸出是信號的差值；其中該隔離電路包含一第一高阻值電阻器；一TVS二極體，其連接到該第一高阻值電阻器；以及一第二高阻值電阻器，其連接至該TVS二極體。
如申請專利範圍第1項的不存在電壓檢測器，其中，該FM調變器包含：一可變電容器，其被配置為相對於線路電壓而變化；一固定電容器，其與該可變電容器並聯；以及一電感器，其與該固定電容器和該可變電容器並聯。
如申請專利範圍第2項的不存在電壓檢測器，其中該可變電容器包含變容二極體。
如申請專利範圍第1項的不存在電壓檢測器，更進一步包含一包絡檢測器，其連接到該混頻器的該輸出。
如申請專利範圍第4項的不存在電壓檢測器，更進一步包含頻率到電壓轉換器。
如申請專利範圍第5項的不存在電壓指示器，更進一步包含閾值窗口檢測器。
如申請專利範圍第1項的不存在電壓指示器，更進一步包含一電容器，其連接至該第二高阻值電阻器。