TWI764953B - 非接觸式測量系統及其方法 - Google Patents

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TWI764953B
TWI764953B TW106138284A TW106138284A TWI764953B TW I764953 B TWI764953 B TW I764953B TW 106138284 A TW106138284 A TW 106138284A TW 106138284 A TW106138284 A TW 106138284A TW I764953 B TWI764953 B TW I764953B
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雷卡多 羅椎庫
大衛 艾普森
派翠克 杭特
保羅 林斯洛德
克拉克 修伯
克里斯汀 施米策
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麥可 加拉文
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Abstract

本發明題為“非接觸式電參數測量系統”。本公開提供了系統和方法，所述系統和方法提供絕緣線中的交流(AC)電參數的測量，而不需要所述絕緣線和測試探頭之間的電流連接。測量系統或儀器可包括外殼，所述外殼包括非接觸式電壓傳感器和非接觸式電流傳感器兩者。測量系統在測量時間間隔期間從所述電壓傳感器和所述電流傳感器獲得測量結果，並處理所述測量結果以確定所述絕緣線的AC電參數。可經由視覺指示裝置(例如，顯示器、燈)向操作者呈現AC電參數。AC電參數可另外地或另選地經由有線和/或無線通信接口傳送到外部裝置。測量系統可包括對準反饋傳感器，所述對準反饋傳感器向用戶提供關於所述絕緣線相對於所述電壓傳感器和所述電流傳感器的機械對準的反饋。

Description

非接觸式測量系統及其方法
本公開整體涉及電特性的測量，並且更具體地，涉及電路中電參數的非接觸式測量。
電壓表是用於測量電路中的電壓的儀器。測量不止一種電特性的儀器稱為萬用表或數字萬用表(DMM)，並且用於測量服務、故障排除和維護應用通常所需的許多參數。此類參數通常包括交流(AC)電壓和電流、直流(DC)電壓和電流以及電阻或通斷性。還可以測量其他參數，諸如功率特性、頻率、電容和溫度，以滿足特定應用的要求。
對於測量AC電壓和/或電流的常規電壓表或萬用表，需要使至少一個測量電極或探頭與導體電流接觸，這通常需要切除絕緣電線的一部分絕緣體、斷開電路和/或提前提供測量端子。除了需要暴露的線或端子進行電流接觸之外，由於被電擊或觸電的危險，將探頭接觸到剝離的線或端子的步驟可能相當危險。
非接觸式測量系統可以總結為包括：外殼，該外殼包括前端；電壓傳感器，該電壓傳感器被定位成接近外殼的前端，在操作中，該電壓傳感器感測絕緣線中的電壓而不與該絕緣線電流接觸；電流傳感器，該電流傳感器被定位成接近外殼的前端，在操作中，該電流傳感器感測絕緣線中的電流而不與該絕緣線電流接觸；以及定位在外殼中的至少一個處理器，所述至少一個處理器操作性地耦接到電壓傳感器和電流傳感器，其中在操作中，所述至少一個處理器：在測量時間間隔期間從電壓傳感器接收由電壓傳感器獲得的電壓傳感器信號，該電壓傳感器信號指示絕緣線中的電壓；在測量時間間隔期間從電流傳感器接收由電流傳感器獲得的電流傳感器信號，該電流傳感器信號指示絕緣線中的電流；並且至少部分地基於所接收的電壓傳感器信號和電流傳感器信號來確定至少一個交流(AC)電參數。
電流傳感器可包括磁場傳感器。電壓傳感器可包括電容分壓器型電壓傳感器、參考信號型電壓傳感器或多電容器型電壓傳感器中的一者。電壓傳感器可包括參考信號型電壓傳感器，在操作中，該參考信號型電壓傳感器感測絕緣線中的參考信號而不與絕緣線電流接觸，並且其中所述至少一個處理器接收參考信號，並且至少部分地基於所接收的參考信號來確定流過絕緣線的電流的至少一個特性。所述至少一個AC電參數可包括功率、相位、頻率、諧波 或能量中的至少一者。在操作中，所述至少一個處理器可至少部分地基於所接收的電壓傳感器信號和電流傳感器信號來確定多個AC電參數。
非接觸式測量系統還可包括操作性地耦接到至少一個處理器的顯示器，在操作中，所述至少一個處理器可使顯示器呈現所述至少一個AC電參數。
在操作中，所述至少一個處理器可使顯示器呈現與所述至少一個AC電參數相關聯的波形或曲線圖中的至少一者。
非接觸式測量系統還可包括操作性地耦接到所述至少一個處理器的通信接口，在操作中，所述至少一個處理器可經由該通信接口將數據發送到至少一個外部裝置，該數據與電壓傳感器信號、電流傳感器信號或所確定的至少一個AC電參數中的至少一者相關聯。
通信接口可包括無線通信接口，該無線通信接口操作性地將數據無線發送到所述至少一個外部裝置。
非接觸式測量系統還可包括：至少一個外部裝置，包括：顯示器；通信接口，該通信接口在操作中接收由非接觸式測量系統的通信接口發送的數據；以及至少一個處理器，所述至少一個處理器操作性地耦接到顯示器和通信接口，在操作中，所述至少一個處理器：經由通信接口接收來自非接觸式測量系統的數據；並且使顯示器呈現所述至少一個AC電參數。
非接觸式測量系統還可包括：對準反饋傳感器，該對 準反饋傳感器操作性地耦接到至少一個處理器並且被定位成接近非接觸式測量系統的外殼的前端，在操作中，該對準反饋傳感器生成指示絕緣線相對於電壓傳感器和電流傳感器的當前對準的對準反饋傳感器信號；以及指示裝置，該指示裝置操作性地耦接到所述至少一個處理器，其中在操作中，所述至少一個處理器從對準反饋傳感器接收對準反饋傳感器信號，並使指示裝置至少部分地基於所接收的對準反饋傳感器信號向非接觸式測量系統的用戶提供對準指示。
指示裝置可包括視覺指示裝置或聽覺指示裝置中的至少一者。指示裝置可包括顯示器或多個燈中的至少一者，並且在操作中，所述至少一個處理器使指示裝置向用戶提供包括多種顏色的對準指示，所述多種顏色中的每種顏色對應於絕緣線相對於電壓傳感器和電流傳感器的不同水平的對準。在操作中，所述至少一個處理器可使指示裝置至少部分地基於所接收的對準反饋傳感器信號來提供測量精度的指示。在操作中，所述至少一個處理器可使指示裝置至少部分地基於所接收的對準反饋傳感器信號來提供接近待測絕緣線的帶電電路的指示。
一種操作非接觸式測量系統以確定絕緣線中的至少一個交流(AC)電參數的方法可以總結為包括：在測量時間間隔期間，經由定位在非接觸式測量系統的外殼中的電壓傳感器感測絕緣線中的電壓，而不與該絕緣線電流接觸；在測量時間間隔期間，經由定位在非接觸式測量系統的外殼 中的電流傳感器感測絕緣線中的電流，而不與該絕緣線電流接觸；以及經由定位在非接觸式測量系統的外殼中的至少一個處理器，至少部分地基於所感測的電壓和所感測的電流來確定至少一個交流(AC)電參數。
感測電壓可包括利用電容分壓器型電壓傳感器、參考信號型電壓傳感器或多電容器型電壓傳感器中的一者感測電壓，並且感測電流可包括利用磁場傳感器感測電流。確定至少一個AC電參數可包括至少部分地基於所感測的電壓和所感測的電流來確定功率、相位、頻率、諧波或能量中的至少一者。
操作非接觸式測量系統以確定絕緣線中的至少一個交流(AC)電參數的方法還可包括向非接觸式測量系統的用戶呈現所述至少一個AC電參數的指示。
非接觸式測量系統可以總結為包括：外殼，該外殼包括前端；電壓傳感器，該電壓傳感器被定位成接近該前端，在操作中，該電壓傳感器在測量時間間隔期間感測絕緣線中的電壓而不與該絕緣線電流接觸；電流傳感器，該電流傳感器被定位成接近所述前端，在操作中，該電流傳感器在測量時間間隔期間感測絕緣線中的電流而不與該絕緣線電流接觸；對準反饋傳感器，該對準反饋傳感器被定位成接近所述前端；指示裝置，該指示裝置被定位在所述外殼的表面上；以及定位在所述外殼中的至少一個處理器，所述至少一個處理器通信地耦接到電壓傳感器、電流傳感器、對準反饋傳感器和指示裝置，其中在操作中，所 述至少一個處理器：至少部分地基於所感測的電壓和所感測的電流來確定至少一個交流(AC)電參數；從對準反饋傳感器接收對準反饋傳感器信號，該對準反饋傳感器指示絕緣線相對於電壓傳感器和電流傳感器的當前對準；並且使指示裝置至少部分地基於所接收的對準反饋傳感器信號向非接觸式測量系統的用戶提供對準指示。
100:環境
102:非接觸式電壓測量系統
104:操作者
106:絕緣線
108:外殼/主體
110:握持部分/端部
112:探頭部分/端部
114:用戶界面
116:凹部
118:第一延伸部分
120:第二延伸部分
122:導體/線
124:絕緣體
126:傳感器/電極/導電傳感器
128:接地端
VO:AC電壓信號
VR:AC參考電壓
CB:體電容
CO:耦合電容器
IO:信號電流
IR:參考電流
fO:信號頻率
fR:參考頻率
130:共模參考電壓源
132:內部接地保護件/遮蔽件
134:導電參考屏蔽件/參考屏蔽件
136:輸入放大器
138:內部接地端/內部電子接地端
140:信號處理模塊
142:用戶界面
300:非接觸式電壓測量系統
302:模數轉換器/ADC
306:快速傅里葉變換演算法電路/FFT
308:框
312:顯示器
500:信號處理部分
502:第一濾波器
504:第一整流器
506:第一ADC
508:處理器
510:第二濾波器
512:第二整流器
514:第二ADC
CG:電容
CC:電容耦合
141:可調節反相放大器
139:傳感器布置
139a:傳感器
139b:絕緣層
139c:內部接地保護件
139d:反向參考信號層
139e:絕緣層
139f:參考信號層
1000:傳感器和保護組件
1002:導電傳感器
1004:內部接地保護件
1006:隔離層
1100:探頭/前端
1102:外殼層
1104:絕緣線
1106:絕緣線
1108:凹部
1200:弓形前端
1202:凹部
1204:第一延伸部分
1206:第二延伸部分
1208:上部弓形部分
1210:絕緣線
1212:下部弓形部分
1214:絕緣線
1216:傳感器組件
1300:圓柱形前端
1302:內部接地保護件
1304:側壁
1306:前表面
1308:開口
1310:傳感器
1312:參考屏蔽件
1314:隔離層
1400:前端
1402:內部接地保護件
1404:前表面
1406:待測線
1407:邊緣
1408:開口
1410:導電傳感器
1412:側壁
1414:側壁
1416:導電保護環夾具
1416A:夾臂
1416B:夾臂
1418:致動子系統/致動系統
2100:環境
2102:非接觸式電壓測量系統
2104:操作者
2106:絕緣線
2108:外殼/主體
2110:握持部分/端部
2112:探頭部分/端部
2114:用戶界面
2116:凹部
2118:第一延伸部分
2120:第二延伸部分
2122:導體/線
2124:絕緣體
2126:傳感器/電極/導電傳感器
2128:接地端
2300:非接觸式電壓測量系統
2302:導電傳感器/電極
2304:可變電容子系統
2306:電壓測量子系統
2308:控制器
2310:用戶界面
2400:非接觸式電壓測量系統
2401:電容器
2402:可變電容子系統
2403:電容器
2404:第一電容子系統節點
2406:第二電容子系統節點
2408:導電傳感器
2410:ADC
VAC:AC源
CS:傳感器電容器
CM:測量電容
C1:電容值/第一電容值
C2:電容值/第二電容值
C3:第三電容值
S1、S2、S3、S4:開關
VM1:第一電壓測量/第一電壓
VM2:第二電壓測量/第二電壓
VM2:第三電壓
2600:非接觸式電壓測量系統
2601:可變電容子系統
2602、2604、2606:電容器
2608:第一電容子系統節點
2610:第二電容子系統節點
2612:電連接/參考連接
I1:串聯電流
ZS:阻抗
ZB:阻抗
2700:方法
2702、2704、2706、2708、2710、2712:步驟
3100:環境
3102:非接觸式電壓測量系統
3104:操作者
3106:絕緣線
3108:外殼/主體
3110:握持部分/端部
3112:探頭部分/端部
3114:用戶界面
3116:凹部
3118:第一延伸部分
3119、3121:表面
3120:第二延伸部分
3122:導體/線
3124:絕緣體
3126:傳感器/電極/導電傳感器
3128:接地端
I1、I2、I3:信號電流
3154:內部接地保護件
3132A、3132B:內部接地保護件
3136A、3136B、3136C:電壓測量部件
3140:信號處理模塊
3142:用戶界面
D1:距離/第一距離
D2:距離/第二距離
D3:距離/第三距離
W1、W2、W3:寬度
3150A:第一邊緣
3150B:第二邊緣
3150C:斜邊邊緣
3152A:第一邊緣
3152B:第二邊緣
3152C:斜邊邊緣
3151、3153:角部
S1:第一導電傳感器
S2:第二導電傳感器
S3:第三導電傳感器
3158A:第一絕緣層
3158B:第二絕緣層
3162、3164、3166:絕緣導體/絕緣線
3162A、3164A、3166A:導體
3162B、3164B、3166B:絕緣層
3700:非接觸式測量系統/儀器
3702:電壓傳感器
3704:電流傳感器
3706:處理器
3708:存儲器
3710:用戶界面
3712:顯示器
3714:讀出
3716:波形
3800:非接觸式電流測量功能的測量系統/儀器
3802:有線通信接口
3804:無線通信接口
3806:外部裝置
3900:前端/探頭端部
3902:固定爪
3902a、3902b:插脚
3904:凹部
3906:最深部分
3908:傳感器
3910:對準反饋傳感器
3912:顯示器
4000:測量儀器
4002:外殼
4004:讀出顯示器
4006:前端
4008:可伸縮夾具/夾爪
4100:測量儀器
4102:外殼
4104:讀出顯示器
4106:前端
4108:固定爪
4200:測量儀器
4202:外殼
4204:讀出顯示器
4206:前端
4208:可伸縮鈎
4300:測量儀器
4302:外殼
4304:顯示器
4306:前端
4308:可伸縮鈎
4400:測量儀器
4402:外殼
4404:顯示器
4406:弓形前端
4500:測量儀器
4502:外殼
4504:顯示器
4506:前端
4508:可伸縮鈎
4510:參考導線
4600:測量儀器
4602:夾具
4604:外殼部分
4606:可選夾子
4700:測量儀器
4702:第一外殼
4704:第二外殼
4706:電纜
4708:顯示器
4710、4712:前端
4800:測量儀器
4802:測試導線
4804:外殼
4806:外部裝置
4808:顯示器
4900:測量儀器
4902:外殼
4904:顯示器
4906:前端
5000:測量儀器
5002:外殼
5004:顯示面板
5006:信號輸入導線
5008:參考輸入導線
5100:紅外相機
5102:外殼
5104:顯示器
5200:環境
5202:非接觸式電壓測量系統
5204:技術人員
5206:絕緣線
5208:外殼/主體
5210:握持部分/端部
5212:前部/端部/第二夾持部分
5214:用戶界面
5216:磁場傳感器
5218:頂表面
5222:導體/線
5226:調節夾持組件
5228:位置反饋傳感器
5230:夾持構件/第一夾持部分
5232:夾持表面
5234:夾具開口
P1:第一位置
P2:第二位置
5236:偏置構件
5300:非接觸式電流測量系統
5302:外殼
5304:前端
5306:握持部分/端部
5308:用戶界面
5312:電流傳感器
5313:參考信號傳感器
5314:夾持構件
5316:前端表面
5318:夾持表面
5320:位置反饋傳感器
5322:偏置構件
5400:非接觸式電流測量系統
5402:外殼
5404:前端
5406:握持部分/端部
5408:用戶界面
5412:電流傳感器
5413:參考信號傳感器
5414:夾持構件
5416:前端表面
5418:夾持表面
5420:位置反饋傳感器
5422:偏置構件
5500:非接觸式電流測量系統
5502:外殼
5504:前端
5506:握持部分/端部
5508:用戶界面
5512:電流傳感器
5513:參考信號傳感器
5514:夾持構件
5516:前端表面
5518:夾持表面
5520:位置反饋傳感器
5522:偏置構件
5600:非接觸式電流測量系統
5602:電流傳感器
5604:處理器
5606:可調節夾持組件
5608:位置反饋傳感器
5610:存儲器
5612:用戶界面
5613:輸入件
5614:輸出件
5616:有線和/或無線通信接口
5618:電傳感器
在附圖中，相同的附圖標記指示相似的元件或動作。附圖中的元件的大小和相對位置不一定按比例繪製。例如，各種元件的形狀和角度不一定按比例繪製，並且這些元件中的一些元件可能被任意地放大和定位，以提高附圖的可讀性。此外，繪製的元件的特定形狀不一定意圖傳達關於特定元件的實際形狀的任何信息，並且可能僅為了便於在附圖中識別而被選擇。
圖1A是根據一個例示的具體實施的環境的示意圖，在該環境中操作者可使用包括參考信號型電壓傳感器的非接觸式電壓測量系統來測量絕緣線中存在的AC電壓，而不需要與該線電流接觸。
圖1B是根據一個例示的具體實施的圖1A的非接觸式電壓測量系統的俯視圖，其示出了在絕緣線和非接觸式電壓測量系統的導電傳感器之間形成的耦合電容、絕緣導體電流分量以及非接觸式電壓測量系統和操作者之間的體電容。
圖2是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的各種內部部件的示意圖。
圖3是根據一個例示的具體實施的示出非接觸式電壓測量系統的各種信號處理部件的框圖。
圖4是根據一個例示的具體實施的實現快速傅里葉變換(FFT)的非接觸式電壓測量系統的示意圖。
圖5是根據信號和參考信號分離的另一示例的實現模擬電子濾波器的非接觸式電壓測量系統的框圖。
圖6是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的示意性電路圖。
圖7A是根據一個例示的具體實施的示出各種泄漏和雜散電容的非接觸式電壓測量系統的示意圖。
圖7B是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的示意圖，示出了各種泄漏和雜散電容並包括對參考電壓信號的補償。
圖7C示出了根據一個例示的具體實施的圖7B的系統的示例性傳感器布置。
圖8是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的示意性電路圖，示出了非接觸式電壓測量系統的傳感器和外部接地端之間的電容。
圖9A是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的示意性電路圖，示出了非接觸式電壓測量系統的內部接地保護件和外部接地端之間的電容。
圖9B是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量 系統的示意性電路圖，示出了非接觸式電壓測量系統的內部接地保護件和外部接地端之間的電容。
圖10是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的傳感器和內部接地保護組件的透視圖。
圖11是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的“U”形或“V”形傳感器前端的剖視圖。
圖12是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的弓形傳感器前端的正視圖。
圖13是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的圓柱形傳感器前端的透視圖。
圖14A是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的傳感器前端的俯視圖，其中內部接地保護件的保護環夾具處於閉合位置。
圖14B是根據一個例示的具體實施的圖14A所示非接觸式電壓測量系統的前端的俯視圖，其中內部接地保護件的保護環夾具處於打開位置。
圖15是根據一個例示的具體實施的圖14A的傳感器前端的一部分的透視圖，其中內部接地保護件的保護環夾具被移除。
圖16是根據一個例示的具體實施的環境的示意圖，在該環境中操作者可使用包括電容分壓器型電壓傳感器的非接觸式電壓測量系統來測量絕緣線中存在的AC電壓，而不需要與該線電流接觸。
圖17是根據一個例示的具體實施的圖16的非接觸式電 壓測量系統的俯視圖。
圖18是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的高級框圖。
圖19是根據一個例示的具體實施的包括利用兩個電容器的可變電容子系統的非接觸式電壓測量系統的示意圖。
圖20是根據一個例示的具體實施的圖19的非接觸式電壓測量系統的示意性電路圖。
圖21是根據一個例示的具體實施的包括利用三個電容器的可變電容子系統的非接觸式電壓測量系統的示意圖。
圖22是根據一個例示的具體實施的操作非接觸式電壓測量系統以測量絕緣線中的AC電壓而不與線電流接觸的方法的流程圖。
圖23A是根據一個例示的具體實施的環境的示意圖，在該環境中操作者可使用包括多電容器型電壓傳感器的非接觸式電壓測量系統來測量絕緣線中存在的AC電壓，而不需要與該線電流接觸。
圖23B是根據一個例示的具體實施的圖23A的非接觸式電壓測量系統的俯視圖，其示出了在絕緣線和非接觸式電壓測量系統的導電傳感器之間形成的耦合電容。
圖24是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的各種內部部件的示意圖。
圖25是根據一個例示的具體實施示出被定位成接近待測絕緣線的非接觸式電壓測量系統的導電傳感器的示意圖。
圖26A是根據一個例示的具體實施的用於非接觸式電壓測量系統的第一導電傳感器、第二導電傳感器和內部接地保護件的平面圖，其示出了用於第一導電傳感器和第二導電傳感器的示例性形狀。
圖26B是根據一個例示的具體實施的用於非接觸式電壓測量系統的第三導電傳感器和內部接地保護件的平面圖，其示出了用於第三導電傳感器的示例性形狀。
圖27是根據一個例示的具體實施的非接觸式電壓測量系統的前端或探頭端部的剖視圖。
圖28是根據一個例示的具體實施的測量系統的示意性框圖。
圖29是根據一個例示的具體實施的作為遠程傳感器工作的測量系統的示意性框圖。
圖30是提供對準反饋的測量系統的前端的圖。
圖31是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖32是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖33是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖34是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖35是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖36是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖37是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖38是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖39是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖40是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖41是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖42A是可結合本公開的至少一些功能的示例性測量系統的前方正視圖。
圖42B是圖42A的測量系統的左側正視圖。
圖43是根據一個例示的具體實施的環境的示意圖，在該環境中操作者可使用非接觸式電流測量系統來測量絕緣線中存在的AC電流，而不需要與絕緣線電流接觸。
圖44A是包括可調節夾持組件的非接觸式電流測量系統的前方正視圖，其中示出可調節夾持組件的夾持構件與絕緣線間隔開。
圖44B是圖44A的非接觸式電流測量系統的正視圖，其中示出絕緣線被可調節夾持組件夾持。
圖45是根據一個例示的具體實施的非接觸式電流測量 系統的另一具體實施的正視圖。
圖46是根據一個例示的具體實施的非接觸式電流測量系統的另一具體實施的正視圖。
圖47是根據一個例示的具體實施的非接觸式電流測量系統的另一具體實施的正視圖。
圖48是根據一個例示的具體實施的非接觸式電流測量系統的示意性框圖。
本公開的系統和方法有利地提供絕緣線中的一個或多個交流(AC)電參數的測量，而不需要所述絕緣線和測試電極或探頭之間的電流連接。整體上，本文公開了包括外殼的“非接觸式測量系統”，該外殼包括非接觸式電流傳感器和非接觸式電壓傳感器。非接觸式電流傳感器類型的非限制性示例包括磁場傳感器，諸如各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器、磁通門傳感器、超導量子干涉傳感器、光纖傳感器、光泵傳感器、核處理傳感器、搜索線圈傳感器、磁敏晶體管傳感器、磁敏二極管傳感器、磁光傳感器、霍爾效應傳感器、羅戈夫斯基線圈、電流互感器或其他類型的磁場傳感器。非接觸式電壓傳感器類型的非限制性示例有電容分壓器型電壓傳感器、參考信號型電壓傳感器、多電容器型電壓傳感器等。以下將更詳細地討論電壓傳感器和電流傳感器的示例性具體實施。
本文討論的非接觸式測量系統可包括至少一個處理 器，其分別從電壓傳感器和電流傳感器接收電壓傳感器信號和電流傳感器信號。電壓傳感器信號指示絕緣線中的電壓，電流傳感器信號指示絕緣線中的電流。電壓傳感器和電流傳感器可在共同的或重疊的測量時間間隔期間分別獲得電壓傳感器信號和電流傳感器信號，該共同的或重疊的測量時間間隔在持續時間上可能相對較短(例如，10毫秒(ms)、100ms、1秒、10秒)。例如，電壓傳感器和電流傳感器可獲得彼此至少部分同時的測量結果。又如，電壓傳感器和電流傳感器中的一者可在電壓傳感器和電流傳感器中的另一者獲得測量結果之後基本上立即獲得測量結果，使得這些測量結果幾乎在同一時間並且在共同的測量時間間隔內獲得。在一些具體實施中，電壓傳感器和電流傳感器可用於在指定的時間間隔處(例如，每10ms、每100ms、每1秒、每10秒)重複獲得測量結果。一般來說，電壓傳感器和電流傳感器都在足夠短的測量時間間隔內獲得其各自的測量結果，使得成對的電壓測量結果和電流測量結果彼此對應，這允許使用所獲得的電流測量結果和電壓測量結果推導或確定一個或多個AC電參數(例如，功率、相位)。
在至少一些具體實施中，可經由視覺指示裝置(例如，顯示器、燈)向操作者呈現所確定的AC電參數。所確定的一個或多個AC電參數可另外地或另選地經由有線和/或無線通信接口傳送到外部裝置。AC電參數可包括功率、相位、頻率、諧波、能量等。另外，如下文參考圖30 進一步討論的，本公開的非接觸式測量系統可包括對準反饋傳感器，其提供關於絕緣線相對於電壓傳感器和電流傳感器的機械對準的反饋。可經由指示裝置(例如，顯示器、燈、揚聲器、蜂鳴器)向非接觸式測量系統的用戶提供對準反饋。在至少一些具體實施中，對準反饋傳感器還可提供用戶可能想要避免的與附近帶電電路的存在相關的反饋。
首先，參考圖1-圖15討論參考信號型非接觸式電壓傳感器或系統的示例。然後，參考圖16-圖22討論電容分壓器型電壓傳感器或系統的示例。然後，參考圖23A-圖27討論多電容器型電壓傳感器或系統的示例。然後，參考圖28-圖42B討論可包括本文公開的至少一些功能的各種非接觸式測量系統的示例。最後，參考圖43-圖48討論非接觸式電流測量系統的示例。應當理解，本文討論的具體實施的各種特徵可以多種方式重新排列和/或組合，以針對特定應用提供期望的功能。
在下面的描述中，闡述了某些具體細節以便提供對所公開的各種具體實施的徹底理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，可以在沒有這些具體細節中的一個或多個的情况下，或者使用其他方法、組件、材料等的情况下實現這些具體實施。在其他實例中，沒有詳細示出或描述與計算機系統、服務器計算機和/或通信網絡相關聯的公知結構，以避免不必要地模糊這些具體實施的描述。
除非上下文另有要求，否則貫穿整個說明書和申請專 利範圍，單詞“包含”與“包括”是同義的，並且是包容性的或開放式的(即，不排除額外的、未被引用的元件或方法動作)。
本說明書通篇對“一個具體實施”或“具體實施”的引用意指結合該具體實施描述的特定特徵、結構或特性包括在至少一個具體實施中。因此，本說明書通篇各個地方出現的短語“在一個具體實施中”或“在具體實施中”不一定全部指代相同的具體實施。此外，在一個或多個具體實施中，特定特徵、結構或特性可以任何合適的方式組合。
如本說明書和所附申請專利範圍所用，單數形式“一個”和“該”包括複數指示物，除非上下文另有明確指示。還應指出的是，術語“或”通常用作在其意義上包括“和/或”，除非上下文另有明確指示。此外，本文所提供的標題和說明書摘要僅為了方便而提供，並且不解釋具體實施的範圍或含義。
參考信號型非接觸式電壓測量系統
以下討論提供了用於測量絕緣導體或未絕緣的裸導體(例如，絕緣線)的交流(AC)電壓，而不需要導體和測試電極或探頭之間的電流連接的系統和方法。本節中公開的具體實施在本文中可稱為“參考信號型電壓傳感器”或系統。一般來說，提供非電流接觸式(或“非接觸式”)電壓測量系統，該系統使用電容傳感器來測量絕緣導體中相 對於接地端的AC電壓信號。不需要電流連接的此類系統在本文中稱為“非接觸式”。如本文所用，“電耦合”包括直接和間接電耦合，除非另有說明。
如下面進一步討論的，下面討論的“參考信號”系統和方法也可用於測量絕緣線的至少一個物理尺寸(例如，絕緣體厚度)，而不需要絕緣線的導體和傳感器或電極(“參考信號傳感器”)之間的電流連接。在至少一些具體實施中，非接觸式電流測量系統可利用參考信號方法(具有或不具有機械位置反饋)來確定或估計絕緣線的一個或多個物理尺寸(例如，導體的直徑)。由於許多原因，此類特徵可能是有利的，包括使得能夠以與在沒有物理尺寸信息的情况下可實現的精度相比更大的精度確定流過絕緣線的電流。
圖1A是環境100的示意圖，在該環境中操作者104可使用包括參考信號型電壓傳感器或系統的非接觸式測量系統102來測量絕緣線106中存在的AC電壓，而不需要非接觸式電壓測量系統和絕緣線106之間的電流接觸。圖1B是圖1A的非接觸式電壓測量系統102的俯視圖，其示出了操作期間非接觸式電壓測量系統的各種電特性。非接觸式電壓測量系統102包括外殼或主體108，該外殼或主體包括握持部分或端部110以及與該握持部分相對的探頭部分或端部112(在本文中也稱為前端)。外殼108還可包括便於用戶與非接觸式電壓測量系統102交互的用戶界面114。用戶界面114可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開 關、觸摸傳感器)和任何數量的輸出件(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。非接觸式電壓測量系統102還可包括一個或多個有線和/或無線通信接口(例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®)。
在至少一些具體實施中，如圖1B中最佳地示出，探頭部分112可包括由第一延伸部分118和第二延伸部分120限定的凹部116。凹部116接納絕緣線106(參見圖1A)。絕緣線106包括導體122和圍繞導體122的絕緣體124。當絕緣線106位於非接觸式電壓測量系統102的凹部116內時，凹部116可包括鄰近該絕緣線的絕緣體124安置的傳感器或電極126。儘管為了清楚起見未示出，但傳感器126可設置在外殼108的內側，以防止傳感器和其他物體之間的物理接觸和電接觸。
如圖1A所示，在使用中，操作者104可抓握外殼108的握持部分110並且將探頭部分112放置為接近絕緣線106，使得非接觸式電壓測量系統102可準確地測量該線中存在的相對於接地端(或另一參考節點)的AC電壓。雖然探頭端部112被示出為具有凹部116，但是在其他具體實施中，探頭部分112可被不同地配置。例如，在至少一些具體實施中，探頭部分112可包括可選擇性地移動的夾具、鈎、包括傳感器的平坦或弓形表面，或允許非接觸式電壓測量系統102的傳感器被定位成接近絕緣線106的其他類型的界面。下面參考圖10-圖15討論各種探頭部分和傳感器的示例。
可能只在某些具體實施中使操作者的身體充當地面/接地參考。本文討論的非接觸式測量功能不限於僅相對於地面測量的應用。外部參考可電容耦合到任何其他電位。例如，如果外部參考電容耦合到三相系統中的另一相，則測量相間電壓。一般來說，本文討論的概念不限於僅使用連接到參考電壓和任何其他參考電位的體電容耦合來相對於地面參考。
如下面進一步討論的，在至少一些具體實施中，非接觸式電壓測量系統102可在AC電壓測量期間利用操作者104和接地端128之間的體電容(CB)。儘管術語“接地端”用於節點128，但是該節點不一定是地面/接地，而是可通過電容耦合以電流隔離的方式連接到任何其他參考電位。
下面參考圖2-圖15討論非接觸式電壓測量系統102測量AC電壓使用的特定系統和方法。
圖2示出了也在圖1A和圖1B中示出的非接觸式電壓測量系統102的各種內部部件的示意圖。在該示例中，非接觸式電壓測量系統102的導電傳感器126大體上為“V”形並被定位成接近待測絕緣線106，並且與絕緣線106的導體122電容耦合，從而形成傳感器耦合電容器(CO)。操控非接觸式電壓測量系統102的操作者104具有對地體電容(CB)。因此，如圖1B和圖2所示，線122中的AC電壓信號(VO)通過串聯連接的耦合電容器(CO)和體電容(CB)生成絕緣導體電流分量或“信號電流”(IO)。在一些具體實施中，體電容(CB)還可包括生成對地或對任何其他參考電位 的電容的電流隔離的測試導線。
待測量的線122中的AC電壓(VO)具有與外部接地端128(例如，零線)的連接。非接觸式電壓測量系統102本身也具有對接地端128的電容，當操作者104(圖1)將非接觸式電壓測量系統握在其手中時，該對地電容主要由體電容(CB)組成。電容CO和CB兩者形成導電回路，並且該回路中的電壓生成信號電流(IO)。信號電流(IO)由電容耦合到導電傳感器126的AC電壓信號(VO)生成，並且通過非接觸式電壓測量系統的外殼108和對接地端128的體電容器(CB)回到外部接地端128。電流信號(IO)取決於非接觸式電壓測量系統102的導電傳感器126和待測絕緣線106之間的距離、導電傳感器126的特定形狀，以及導體122的大小和電壓電平(VO)。
為了補償直接影響信號電流(IO)的距離方差和隨之而來的耦合電容(CO)方差，非接觸式電壓測量系統102包括共模參考電壓源130，該共模參考電壓源生成具有與信號電壓頻率(fo)不同的參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)。
為了減少或避免雜散電流，非接觸式電壓測量系統102的至少一部分可被導電內部接地保護件或遮蔽件132圍繞，這使得大部分電流流過與絕緣線106的導體122形成耦合電容器(CO)的導電傳感器126。內部接地保護件132可由任何合適的導電材料(例如，銅)形成，並且可以是實心的(例如，箔片)或者具有一個或多個開口(例如，網眼)。
此外，為了避免內部接地保護件132和外部接地端128之間的電流，非接觸式電壓測量系統102包括導電參考屏蔽件134。參考屏蔽件134可由任何合適的導電材料(例如，銅)形成，並且可以是實心的(例如，箔片)或者具有一個或多個開口(例如，網眼)。共模參考電壓源130電耦合在參考屏蔽件134和內部接地保護件132之間，這可產生用於非接觸式電壓測量系統102的具有參考電壓(VR)和參考頻率(fR)的共模電壓。此類AC參考電壓(VR)驅動額外的參考電流(IR)通過耦合電容器(CO)和體電容器(CB)。
圍繞導電傳感器126的至少一部分的內部接地保護件132保護導電傳感器免受AC參考電壓(VR)的直接影響，該直接影響會導致導電傳感器126和參考屏蔽件134之間的參考電流(IR)發生不期望的偏移。如上所述，內部接地保護件132是用於非接觸式電壓測量系統102的內部電子接地端138。在至少一些具體實施中，內部接地保護件132還圍繞非接觸式電壓測量系統102的部分或全部電子器件，以避免AC參考電壓(VR)耦合到電子器件中。
如上所述，參考屏蔽件134用於將參考信號注入到輸入AC電壓信號(VO)上，並且作為第二功能，最小化保護件132對接地端128的電容。在至少一些具體實施中，參考屏蔽件134圍繞非接觸式電壓測量系統102的部分或全部外殼108。在此類具體實施中，部分或全部電子器件參見參考共模信號，該信號還生成導電傳感器126和絕緣線106中的導體122之間的參考電流(IR)。在至少一些具體實施中，參 考屏蔽件134中的唯一間隙可以是用於導電傳感器126的開口，該開口允許導電傳感器在非接觸式電壓測量系統102的操作期間被定位成接近絕緣線106。
內部接地保護件132和參考屏蔽件134可提供圍繞非接觸式電壓測量系統102的外殼108(參見圖1A和圖1B)的雙層遮蔽件。參考屏蔽件134可設置在外殼108的外表面上，並且內部接地保護件132可用作內部屏蔽件或保護件。導電傳感器126通過保護件132屏蔽參考屏蔽件134，使得任何參考電流均由導電傳感器126和待測導體122之間的耦合電容器(CO)生成。
圍繞傳感器126的保護件132還減少了靠近傳感器的相鄰線的雜散影響。
如圖2所示，非接觸式電壓測量系統102可包括作為反相電流-電壓轉換器工作的輸入放大器136。輸入放大器136具有同相端子，該同相端子電耦合至用作非接觸式電壓測量系統102的內部接地端138的內部接地保護件132。輸入放大器136的反相端子可電耦合到導電傳感器126。反饋電路137(例如，反饋電阻器)還可耦接在輸入放大器136的反相端子和輸出端子之間，以提供用於輸入信號調節的反饋和適當的增益。
輸入放大器136從導電傳感器126接收信號電流(IO)和參考電流(IR)，並將所接收的電流轉換成指示輸入放大器的輸出端子處的導電傳感器電流的傳感器電流電壓信號。該傳感器電流電壓信號可例如是模擬電壓。該模擬電壓可 被饋送到信號處理模塊140，如下文進一步討論的，該信號處理模塊處理傳感器電流電壓信號以確定絕緣線106的導體122中的AC電壓(VO)。信號處理模塊140可包括數字和/或模擬電路的任何組合。
非接觸式電壓測量系統102還可包括通信地耦接到信號處理模塊140的用戶界面142(例如，顯示器)，以呈現所確定的AC電壓(VO)或者通過界面與非接觸式電壓測量系統的操作者104進行通信。
圖3是非接觸式電壓測量系統300的框圖，其示出了該非接觸式電壓測量系統的各種信號處理部件。圖4是圖3的非接觸式電壓測量系統300的更詳細的圖。
非接觸式電壓測量系統300可與上述非接觸式電壓測量系統102相似或相同。因此，相似或相同的部件用相同的附圖標號標記。如圖所示，輸入放大器136將來自導電傳感器126的輸入電流(IO+IR)轉換成指示輸入電流的傳感器電流電壓信號。使用模數轉換器(ADC)302將傳感器電流電壓信號轉換成數字形式。
線122中的AC電壓(VO)與AC參考電壓(VR)相關，如等式(1)所示：
Figure 106138284-A0305-02-0025-1
其中(IO)是由於導體122中的AC電壓(VO)而通過導電傳感器126的信號電流，(IR)是由於AC參考電壓(VR)而通過導電傳感器126的參考電流，(fO)是正被測量的AC電壓 (VO)的頻率，並且(fR)是參考AC電壓(VR)的頻率。
與AC電壓(VO)相關的標記為“O”的信號具有和與共模參考電壓源130相關的標記為“R”的信號不同的特性，如頻率。在圖4的具體實施中，數字處理諸如實現快速傅里葉變換(FFT)算法306的電路可用於分離具有不同頻率的信號大小。在下面所討論的圖5的具體實施中，還可以使用模擬電子濾波器將“O”信號特性(例如，大小、頻率)與“R”信號特性分開。
電流(IO)和(IR)由於耦合電容器(CO)分別取決於頻率(fO)和(fR)。流過耦合電容器(CO)和體電容(CB)的電流與頻率成比例，因此需要測量待測導體122中AC電壓(VO)的頻率(fO)，以確定參考頻率(fR)與信號頻率(fO)的比率，該比率在上面列出的等式(1)中被使用，或者參考頻率是已知的，因為參考頻率是由系統本身生成的。
在輸入電流(IO+IR)已由輸入放大器136調節並由ADC 302數字化之後，可通過使用FFT 306表示頻域中的信號來確定數字傳感器電流電壓信號的頻率分量。當已經測量頻率(fO)和(fR)兩者時，可確定頻率窗口，以計算來自FFT 306的電流(IO)和(IR)的基本大小。
電流(IR)和/或電流(IO)的大小可作為參考信號傳感器或電極(例如，電極126)與絕緣線106的導體122之間的距離的函數而變化。因此，系統可將所測量的電流(IR)和/或電流(IO)與期望的各個電流進行比較，以確定參考信號傳感器或電極與導體122之間的距離。由於在測量期間， 絕緣線106可(例如，經由可調節夾持組件)被定位成與參考信號傳感器或電極相鄰，參考信號傳感器和絕緣線106的導體122之間的距離約等於絕緣層124的厚度。如下所述，操作性地耦接到可調節夾持組件的位置反饋傳感器提供絕緣線106的總直徑。因此，使用所確定的絕緣線的總直徑和所確定的絕緣層124的厚度，系統可以準確地確定絕緣線106內側導體122的直徑或線徑。該信息以及由磁場傳感器測量的磁場可被系統用於準確地確定流過絕緣線106內側導體122的電流的大小。
接下來，如框308所示，分別指定為IR,1和IO,1的電流(IR)和(IO)的基波諧波的比率可通過所確定的頻率(fO)和(fR)來校正，並且該因數可用於通過在線122中添加諧波(VO)來計算所測量的原始基波或RMS電壓，這通過計算平方諧波和的平方根來完成，並且可在顯示器312上呈現給用戶。
耦合電容器(CO)通常可具有約0.02pF至1pF範圍內的電容值，例如具體取決於絕緣導體106和導電傳感器126之間的距離以及傳感器126的特定形狀和尺寸。體電容(CB)可例如具有約20pF至200pF的電容值。
從上述等式(1)可以看出，由共模參考電壓源130生成的AC參考電壓(VR)不需要處於與導體122中的AC電壓(VO)相同的範圍來實現類似的信號電流(IO)和參考電流(IR)的電流大小。通過選擇相對較高的參考頻率(fR)，AC參考電壓(VR)可能相對較低(例如，小於5V)。例如，可將參考頻 率(fR)選擇為3kHz，這比具有60Hz的信號頻率(fO)的典型的120V VRMS AC電壓(VO)高50倍。在此類情况下，可將AC參考電壓(VR)選擇為僅2.4V(即，120V÷50)，以生成與信號電流(IO)相同的參考電流(IR)。一般來說，將參考頻率(fR)設置為信號頻率(fO)的N倍允許AC參考電壓(VR)具有線122中的AC電壓(VO)的(1/N)倍的值，以產生處於彼此相同範圍的電流(IR)和(IO)，從而實現類似的IR和I0的不確定性。
可使用任何合適的信號發生器來生成具有參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)。在圖3所示的示例中，使用Σ-△數模轉換器(Σ-△DAC)310。Σ-△DAC 310使用比特流來產生具有限定的參考頻率(fR)和AC參考電壓(VR)的波形(例如，正弦波形)信號。在至少一些具體實施中，Σ-△DAC 310可生成與FFT 306的窗口同相的波形以減少抖動。
在至少一些具體實施中，ADC 302可具有14位的分辨率。在操作中，對於標稱的50Hz輸入信號，ADC 302可以10.24kHz的採樣頻率對來自輸入放大器136的輸出進行採樣，以在100ms(FFT 306的10Hz窗口)中提供2n個樣本(1024)以準備好由FFT 306進行處理。對於60Hz的輸入信號，採樣頻率可例如為12.288kHz，以在每個周期獲得相同數量的樣本。ADC 302的採樣頻率可與參考頻率(fR)的全數周期同步。例如，輸入信號頻率可在40Hz至70Hz的範圍內。根據所測量的AC電壓(VO)的頻率，可使用FFT 306來確定AC電壓(VO)的窗口，並使用漢寧窗函數進行進 一步的計算，以抑制由在聚合間隔中捕獲的不完整信號周期引起的相移抖動。
在一個示例中，共模參考電壓源130生成具有2419Hz的參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)。對於60Hz的信號，該頻率介於第40個諧波和第41個諧波之間，並且對於50Hz的信號，該頻率介於第48個諧波和第49個諧波之間。通過提供具有不是預期AC電壓(VO)的諧波的參考頻率(fR)的AC參考電壓(VR)，AC電壓(VO)不太可能影響參考電流(IR)的測量。
在至少一些具體實施中，將共模參考電壓源130的參考頻率(fR)選擇為最不可能受到待測導體122中的AC電壓(VO)的諧波的影響的頻率。例如，當參考電流(IR)超過極限時(這可指示導電傳感器126正在接近待測導體122)，可關斷共模參考電壓源130。可在共模參考電壓源130被關斷的情况下進行測量(例如，100ms測量)，以檢測一定數量的(例如，三個、五個)候選參考頻率處的信號諧波。然後，可在該數量的候選參考頻率處確定AC電壓(VO)中的信號諧波的大小，以識別哪個候選參考頻率可能受到AC電壓(VO)的信號諧波的影響最小。然後可將參考頻率(fR)設置為所識別的候選參考頻率。參考頻率的這種切換可避免或減少信號頻譜中可能的參考頻率分量的影響，這種影響可增加所測量的參考信號並降低準確度，並且可能產生不穩定的結果。具有相同特性的除2419Hz以外的其他頻率包括例如2344Hz和2679Hz。
圖5是實現電子濾波器的非接觸式電壓測量系統的信號處理部分500的框圖。信號處理部分500可從電流測量子系統(例如，輸入放大器136)接收與導電傳感器126電流(IO+IR)成比例的傳感器電流電壓信號。
如上所述，信號電流(IO)具有與參考電流(IR)不同的頻率。為了將信號電流(IO)與參考電流(IR)隔離開，信號處理部分500可包括第一濾波器502，該第一濾波器用於使信號電流(IO)通過並且拒絕參考電流(IR)。然後，經過濾波的信號可由第一整流器504整流，並由第一ADC 506數字化。經過數字化的信號可被饋送到合適的處理器508以用於計算，如上所述。類似地，為了將參考電流(IR)與信號電流(IO)隔離開，信號處理部分500可包括第二濾波器510，該第二濾波器用於使參考電流(IR)通過並且拒絕信號電流(IO)。然後，經過濾波的信號可由第二整流器512整流，並由第二ADC 514數字化。經過數字化的信號可被饋送到合適的處理器508以用於計算。第一濾波器502和第二濾波器510可以是任何合適的模擬濾波器，並且每者可包括多個分立部件(例如，電容器、電感器)。
圖6是非接觸式電壓測量系統的部分的示意性電路圖，諸如上面討論的任何非接觸式電壓測量系統，示出了由共模參考電壓源130、體電容(CB)、耦合電容器(CO)、線122、外部接地端128和內部接地端138形成的回路。
圖7A是示出各種泄漏和雜散電容的非接觸式電壓測量系統102的示意圖。通常，即使採用複雜的屏蔽技術，通 過特殊的傳感器設計和遮蔽方法也不能完全消除通過系統(例如，傳感器126)看到的不同雜散電容器的影響。如上所述，本公開的具體實施利用共模參考電壓源130來生成具有與所測量的信號頻率(fO)不同的參考頻率(fR)的參考電壓，以補償通過系統看到的雜散電容。
具體地，除了耦合電容器(CO)之外，圖7A示出了體電容(CB)、電容(CX)、電容(C傳感器-參考)和電容(CG)。體電容(CB)與耦合電容器(CO)串聯，在典型的應用中，體電容(CB)遠大於耦合電容器(CO)。因此，體電容(CB)僅影響電流的大小(IO+IR)，但不影響電流的比率(IO/IR)。
如圖7A和圖8所示，電容(CX)是導電傳感器126和外部接地端128之間的傳感器電容。耦合電容器(CO)不是線122和傳感器126之間唯一的電容。傳感器126和外部接地端128之間還有電容(CX)，特別是對於基本上不覆蓋傳感器126的區域的細線。電容(CX)對於信號電流(IO)具有電容分壓效應，並且可導致AC電壓(VO)的較低電壓測量結果。因此電容(CX)降低電流(IO+IR)的大小。然而，參考電流(IR)除以相同的比率，因此還補償雜散電容器(CX)，從而比率(IO/IR)不受影響。還為了避免任何內部電流流到非接觸式電壓測量系統之外，如上文至少在一些具體實施中所討論的，除了感測區域之外的整個測量系統可以被參考屏蔽件134與外部環境屏蔽，並且被連接到共模參考電壓源130的輸出端以產生參考電流(IR)。
如圖7A所示，電容(C傳感器-參考)是參考屏蔽件134與導 電傳感器126之間的剩餘電容。電容(C傳感器-參考)導致傳感器電流(IO+IR)的偏移，即使未測量絕緣線106中的AC電壓(VO)也存在該傳感器電流。
如圖7A和圖9A所示，電容(CG)是內部接地端138與外部接地端128或參考電位之間的電容。電容(CG)是參考電流(IR)的並聯支路，並且減小參考電流。因此，電容(CG)導致絕緣線106中的AC電壓(VO)的計算結果的增大。參見圖9B，其示出了電容(CG)的影響。具體地，電容(CG)對IR和IO有不同的影響，因此影響比率IO/IR。
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Figure 106138284-A0305-02-0032-3
Figure 106138284-A0305-02-0032-4
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從上面的等式(2)至(5)可以看出，比率IO/IR取決於CB/CG。當參考遮蔽件圍繞非接觸式壓力測量系統102的整個殼體和傳感器時，電容CG小得多。
圖7B示出了通過使用反向參考信號(-VR)以及將該反向參考信號耦合到傳感器126的布置，提供補償參考電壓(VR)對傳感器126的影響的具體實施。圖7C示出了包括反 向參考信號補償的示例性傳感器布置。
在圖7B中，可調節反相放大器141用於向傳感器126提供反向參考信號(-VR)，以補償參考電壓(+VR)對傳感器的影響。這可通過被定位成接近傳感器126的電容耦合(CC)來實現。電容耦合(CC)可以是被定位成接近傳感器的線、遮蔽件、屏蔽件等的形式。當絕緣導體106具有相對較小的直徑時，補償可能是特別有利的，因為在此類情况下，來自參考屏蔽件134的參考電壓(VR)可能對傳感器126具有最大的影響。
圖7C示出了用於提供上述參考信號補償的具體實施中的示例性傳感器布置139。傳感器布置139包括傳感器139a、絕緣層139b(例如，Kapton®帶)、內部接地保護件139c、反向參考信號層139d(-VR)、絕緣層139e，以及參考信號層139f(+VR)。
圖10是用於非接觸式電壓測量系統(諸如，上述任何非接觸式電壓測量系統)的示例性傳感器和保護組件1000的透視圖。在該示例中，傳感器和保護組件1000包括導電傳感器1002、內部接地保護件1004以及設置在傳感器和內部接地保護件之間的隔離層1006。一般來說，傳感器組件1000應在傳感器1002和待測線之間提供良好的耦合電容(CO)，並且應抑制對其他相鄰線的電容和對外部接地端的電容。傳感器組件1000還應使傳感器1002和參考屏蔽件(例如，參考屏蔽件134)之間的電容(C傳感器-參考)最小化。
作為一個簡單的示例，傳感器1002、保護件1004和隔離層1006可各自包括一片箔。保護件1004可耦接到載體(參見圖11)，隔離層1006(例如，Kapton®帶)可耦接到保護件，並且傳感器1002可耦接到隔離層。
圖11示出了非接觸式電壓測量系統的探頭或前端1100的傳感器實現的示例的剖視圖，該探頭或前端包括覆蓋傳感器組件1000以避免傳感器組件和任何物體之間的直接電流接觸的外殼層1102(例如，塑料)。前端1100可與圖1A和圖1B中所示的非接觸式電壓測量系統102的前端112相似或相同。在該圖示中，包括傳感器1002、保護件1004和隔離層1006的傳感器組件1000的形狀為“U”形或“V”形，以允許傳感器組件1000圍繞不同直徑的絕緣線，從而增加耦合電容(CO)，並且通過保護件更好地屏蔽相鄰的導電物體。
在圖11所示的示例中，傳感器組件1000被成形為適應各種直徑的絕緣線，諸如具有相對較大直徑的絕緣線1104或具有相對較小直徑的絕緣線1106。在每種情况下，當線被定位在前端1100的凹部1108中時，傳感器組件1000基本上圍繞該線。限定凹部1108並且位於傳感器組件1000和待測線之間的前端1100的壁可相對較薄(例如，1mm)，以提供電流隔離，同時仍允許適當的電容耦合。由於凹部1108具有“V”形，因此較粗的線1104比較細的線1106具有更大的距離，以減小耦合電容的寬度範圍並且還將環境電容減小為與線直徑的獨立性下降。
圖12示出了非接觸式電壓測量系統的弓形前端1200的正視圖。前端1200包括由第一延伸部分1204和第二延伸部分1206限定的凹部1202。凹部1202包括相對較大的上部弓形部分1208，其接納具有相對較大直徑的絕緣線1210。凹部1202還包括位於部分1208下方的相對較小的下部弓形部分1212，其接納具有相對較小直徑的絕緣線1214。可類似於圖10所示傳感器組件1000並且被部分1208和部分1212覆蓋的傳感器組件1216，可具有與弓形部分1208和弓形部分1212的形狀基本上吻合的形狀，使得傳感器組件1216基本上圍繞具有相對較大直徑的線(例如，線1210)和具有相對較小直徑的線(例如，線1214)。
圖13是非接觸式電壓測量系統的圓柱形前端1300的透視圖。在該示例中，前端1300包括圓柱形內部接地保護件1302，該圓柱形內部接地保護件具有側壁1304和可被定位成接近待測線的前表面1306。內部接地保護件1302的前表面1306包括中心開口1308。與待測線一起形成耦合電容器(CO)的導電傳感器1310被凹入在內部接地保護件1302的開口1308的後面，以避免與相鄰物體的電容耦合。例如，傳感器1310可從內部接地保護件1302的前表面1306凹入一定距離(例如，3mm)。
內部接地保護件1302的側壁1304可被圓柱形參考屏蔽件1312包圍，該圓柱形參考屏蔽件通過隔離層1314與內部接地保護件隔離。共模參考電壓源(例如，電壓源130)可被連接在內部接地保護件1302和參考屏蔽件1312之間以 提供上述功能。
圖14A和圖14B示出了非接觸式電壓測量系統的前端1400的俯視圖，並且圖15示出了前端的一部分的透視圖。在該示例中，前端1400包括內部接地保護件1402，該內部接地保護件包括前表面1404，待測線1406(圖15)可抵靠該前表面定位。前表面1404包括邊緣1407，在這種情况下該邊緣為矩形，其限定了前表面中的開口1408。該小而長的矩形開口容納從側面看也具有較長而細的形狀的線形狀。這再次減少了相鄰線的影響，並且還較大地降低了與傳感器相關的環境電容。這導致獨立於線尺寸的高準確度。與待測線形成耦合電容器(CO)的導電傳感器1410在內部接地保護件1402的前表面1404的開口1408後方凹入一定距離(例如，3mm)。
內部接地保護件1402還包括從前表面1404的側邊緣向前(朝向待測線)延伸的側壁1412和側壁1414。該側壁降低傳感器雜散電容和直接參考信號耦合。內部接地保護件1402還可包括導電保護環夾具1416，該導電保護環夾具包括第一夾臂1416A和第二夾臂1416B。夾臂1416A和夾臂1416B可以選擇性地移動到如圖14B所示的打開位置，以允許待測線被定位成與內部接地保護件1402的前表面1404相鄰。一旦導線處於正確的位置，夾臂1416A和夾臂1416B可被選擇性地移動到如圖14A所示的閉合位置，以提供圍繞傳感器1410的屏蔽件來屏蔽與外部環境(例如，相鄰導體、相鄰物體)的電容。當處於閉合位置時，保護 環夾具1416可基本上為例如具有在傳感器1410上方和下方延伸的高度的圓柱形形狀。夾臂1416A和夾臂1416B可使用任何合適的手動或自動致動子系統1418選擇性地移動。例如，夾臂1416A和夾臂1416B可通過用作致動系統1418的彈簧或其他偏置機構朝向閉合位置(圖14A)偏置，該偏置可由操作者克服而將夾臂移動到打開位置(圖14B)，使得待測線可被定位成接近內部接地保護件1402的前表面1404。
電容分壓器型非接觸式電壓測量系統
以下討論涉及利用電容分壓器型電壓傳感器或系統來測量絕緣導體(例如，絕緣線)的AC電壓，而不需要導體和測試電極或探頭之間的電流連接的系統和方法。本節中公開的具體實施在本文中可稱為“電容分壓器型電壓傳感器”或系統。一般來說，提供非接觸式電壓測量系統，其包括用於在待測絕緣導體和接地端之間生成可變電容電壓的可變電容子系統。在測量期間，非接觸式電壓測量系統改變可變電容子系統的電容，以改變待測絕緣導體和接地端之間的電容分壓器電路的阻抗。通過在可變電容子系統兩端依次進行兩次(或三次)測量，可確定絕緣導體的AC電壓，而不需要與絕緣導體的任何電流連接。不需要電流連接的此類系統在本文中稱為“非接觸式”。如其中所用，“電耦合”包括直接和間接電耦合，除非另有說明。
圖16是環境2100的示意圖，在該環境中操作者2104可使用本公開的非接觸式電壓測量系統2102來測量絕緣線2106中存在的AC電壓，而不需要非接觸式電壓測量系統和線2106之間的電流接觸。圖17是圖16的非接觸式電壓測量系統2102的俯視圖。非接觸式電壓測量系統2102包括外殼或主體2108，該外殼或主體包括握持部分或端部2110以及與該握持部分相對的探頭部分或端部2112。外殼2108還可包括便於用戶與非接觸式電壓測量系統2102交互的用戶界面2114。用戶界面2114可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器)和任何數量的輸出件(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。
在至少一些具體實施中，如圖17中最佳地示出，探頭部分或端部2112可包括由第一延伸部分2118和第二延伸部分2120限定的凹部2116。凹部2116接納絕緣線2106。絕緣線2106包括導體2122和圍繞導體2122的絕緣體2124。當絕緣線2106位於非接觸式電壓測量系統2102的凹部2116內時，凹部2116可包括與該絕緣線的絕緣體2124相鄰或基本上相鄰安置的傳感器或電極2126。
如圖16所示，在使用中，操作者2104可抓握外殼2108的握持部分2110並且將探頭部分2112放置為接近絕緣線2106，使得非接觸式電壓測量系統2102可準確地測量該線中存在的相對於接地端(或另一參考節點)的AC電壓。雖然探頭部分或端部2112被示出為具有凹部2116，但是在其他具體實施中，探頭部分2112可被不同地配置。例如， 在至少一些具體實施中，探頭部分2112可包括可選擇性地移動的夾具、鈎、包括傳感器的平坦或弓形表面，或允許非接觸式電壓測量系統2102的傳感器被定位成與絕緣線2106相鄰的其他類型的界面。
如下面進一步討論的，在至少一些具體實施中，非接觸式電壓測量系統2102可在AC電壓測量期間利用操作者2104和接地端2128之間的體電容(CB)。下面參考圖18-圖22討論非接觸式電壓測量系統2102測量AC電壓使用的特定系統和方法。
圖18是非接觸式電壓測量系統2300的高級框圖。非接觸式電壓測量系統2300可與上述圖16和圖17的非接觸式電壓測量系統2102相似或相同。
非接觸式電壓測量系統2300包括導電傳感器或電極2302，當操作者2104將探頭部分或端部2112(圖16)定位成接近絕緣線2106時，該導電傳感器或電極的大小、尺寸和位置被設計成與該線相鄰。例如，傳感器2302可與圖17的傳感器2126相似或相同。當非接觸式電壓測量系統2300被定位成接近絕緣線2106(傳感器2302與該線相鄰)時，傳感器與絕緣線電容耦合。換而言之，傳感器2302的導電部分包括傳感器電容器(CS)的一半，絕緣線2106的導體2122(圖17)包括傳感器電容器的另一半。在至少一些具體實施中，傳感器2302可被設計成使得對面向絕緣線2106的傳感器的一側上的電磁場的靈敏度大於對未面向該絕緣線的傳感器的其他側上的電磁場的靈敏度。
非接觸式電壓測量系統2300還包括電耦合至導電傳感器2302的可變電容子系統2304。可變電容子系統2304具有在至少第一電容值(C1)和第二電容值(C2)之間可選擇性地變化的電容值，其中第二電容值(C2)不同於第一電容值(C1)。在至少一些具體實施中，可控制可變電容子系統2304以選擇性地具有可在至少第一電容值(C1)、第二電容值(C2)和第三電容值(C3)之間變化的電容值，其中第一電容值、第二電容值和第三電容值中的每一者彼此不同。如下面進一步討論的，可變電容子系統2304用於改變從絕緣線2106延伸通過非接觸式電壓測量系統2300到接地端2128或其他參考節點的串聯電容電路的電容。
在至少一些具體實施中，電容值中的至少一個(例如，電容值C1)可是選擇性地可變化的，以適應不斷變化的輸入信號值和輸入電容值。例如，系統2300可確定輸入信號對於準確測量來說太大或太小，並且可選擇性地調整一個或多個電容值，使得可獲得準確的信號測量。因此，可利用多個物理電容器來實現一個或多個電容值(例如，C1)，可選擇性地組合物理電容器以提供適用於特定輸入信號和輸入電容的所需電容值。
非接觸式電壓測量系統2300還包括電壓測量子系統2306，其可用於在可變電容子系統2304兩端感測電壓或指示電壓的信號。在至少一些具體實施中，電壓測量子系統2306可包括將模擬電壓信號轉換成數字信號的模數轉換器(ADC)。例如，電壓測量子系統2306可包括具有相對較高 的有效分辨率(諸如具有20或更多位(例如，22位)的分辨率)的ADC，這有助於高度準確的測量。在至少一些具體實施中，電壓測量子系統2306可包括調節電路(例如，一個或多個放大器和/或濾波器)，以在使用ADC將信號轉換成數字形式之前緩衝、成形和/或放大來自可變電容子系統2304的檢測電壓。
非接觸式電壓測量系統2300還可包括通信地耦接到電壓測量子系統2306和可變電容子系統2304的控制器2308。控制器2308可是任何合適的硬件、軟件或其組合。例如，控制器2308可包括一個或多個處理器和通信地耦接到所述一個或多個處理器的一個或多個非暫態處理器可讀存儲介質。非暫態處理器可讀存儲介質可存儲指令和/或數據，當由所述一個或多個處理器執行時，該指令和/數據使得所述一個或多個處理器實現本文討論的功能(例如，測量絕緣線2106中的AC電壓)。
控制器2308可包括任何類型的處理單元，諸如一個或多個中央處理單元(CPU)、數字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、可編程邏輯控制器(PLC)、人工神經網絡電路或系統，或任何其他邏輯組件。耦接到控制器2308的非暫態處理器可讀存儲介質可包括任何類型的非暫態易失性和/或非易失性存儲器。
非接觸式電壓測量系統2300還可包括通信地耦接到控制器2308的用戶界面2310。用戶界面2310可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器)和任 何數量的輸出件(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。在至少一些具體實施中，控制器2308和/或用戶界面2310可包括允許數據和/或指令在非接觸式電壓測量系統2300和一個或多個外部裝置之間傳送的一個或多個有線和/或無線通信接口(例如，USB、Bluetooth®、WiFi®)。
在操作中，操作者2104可將非接觸式電壓測量系統2300定位成接近絕緣線2106，使得傳感器2302與該線電容耦合以形成傳感器電容器CS。當如此定位傳感器2302時，控制器2308可使可變電容子系統2304具有不同的電容值，並且可在每個不同的電容值下從電壓測量子系統2306獲得測量。然後，控制器2308可基於所獲得的測量來確定絕緣線2106中存在的AC電壓的大小，並且經由用戶界面2310將結果呈現給操作者2104。下面參考圖19-圖21討論關於非接觸式電壓測量系統2300的特定具體實施的另外細節。
圖19是包括利用兩個電容器(指定為電容器2401和電容器2403)的可變電容子系統2402的非接觸式電壓測量系統2400的示意圖。電容器2401和電容器2403可具有彼此相同或彼此不同的電容值。作為非限制性示例，電容器2401和電容器2403可各自具有1000皮法拉(pF)的電容值。作為另一示例，電容器2401可具有1000pF的電容值，並且電容器2403可具有2000pF的電容值。
可變電容子系統2402包括第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406。電容器2401電耦合在第一電容 子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間。第一電容子系統節點2404進一步電耦合至導電傳感器2408，該導電傳感器可與上文討論的圖17和圖18分別的非接觸式電壓測量系統2102的導電傳感器2126和非接觸式電壓測量系統2300的導電傳感器2302相似或相同。如上所述，當非接觸式電壓測量系統2400被定位成與絕緣線2106相鄰時，導電傳感器2408形成傳感器電容器CS的一半，線2106的導體2122(圖17)形成傳感器電容器CS的另一半。
可變電容子系統2402還包括開關S1，該開關用於選擇性地電耦合電容器2403，使其與電容器2401並聯。因此，通過選擇性地控制開關S1，第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間的電容值在電容器2401的電容值以及電容器2401和電容器2403的電容值的和之間可選擇性地變化。在其中電容器2401和電容器2403具有相同的電容值(例如，1000pF)的情况下，當開關S1閉合時的可變電容子系統2402的電容是當開關S1斷開時的可變電容子系統2402的電容的兩倍(例如，2000pF對比1000pF)。
第二電容子系統節點2406可經由體電容CB電耦合至接地端2128，該體電容是操作期間握住非接觸式電壓測量系統2400的操作者2104(圖16和圖17)的電容。一般來說，操作者的身體可被模型化為相對於接地端2128的由薄絕緣體覆蓋的導體。通常，取決於各種因素，體電容CB在數十至低數百皮法拉(例如，50至300pF)的範圍內。在至少一些具體實施中，第二電容子系統節點2406可經由非接觸 式電壓測量系統2400和地面之間的合適的電連接而可選地電耦合至接地端2128，而不是利用體電容CB。
控制器2308被耦接以選擇性地控制開關S1的操作，這樣反過來選擇性地將可變電容子系統2402的電容值控制為電容值C1或電容值C2。在該示例中，電容值C1等於電容器2401的電容，並且電容值C2等於電容器2401和電容器2403的電容的和。在其他示例中，根據第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間的電容器和一個或多個開關的布置，可選擇性地在可變電容子系統2402中實現不同電容值C1和電容值C2。
非接觸式電壓測量系統2400還包括電耦合至第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406的ADC 2410。ADC 2410經由合適的接口(例如，同步串行接口(SSI))通信地耦接到控制器2308。ADC 2410可用於將第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間的模擬電壓轉換成數字信號，並且將數字信號提供給控制器2308。在至少一些具體實施中，ADC 2410可具有相對較高的有效分辨率，諸如具有20或更多位(例如，22位、24位、30位)的分辨率。儘管為了清楚起見未示出，但ADC 2410可包括或者耦接到調節電路(例如，一個或多個放大器和/或濾波器)，以在將信號轉換成數字形式之前緩衝、成形和/或放大來自可變電容子系統2402的檢測電壓。此外，雖然控制器2308和ADC 2410被示意性地示出為獨立組件，但是在至少一些具體實施中，一些或全部功 能可被組合到單個系統或組件(例如，單個集成電路)中。
為了當傳感器2408被定位成與線2106相鄰使得傳感器和線形成傳感器電容器CS時測量線中的AC電壓，控制器2308可首先使可變電容子系統2402在第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間具有第一電容值C1。例如，控制器2308可通過斷開開關S1(這樣使可變電容子系統2402具有等於電容器2401的電容的電容值)來實現此目的。
接下來，在可變電容子系統2402具有第一電容值C1時，控制器2308可使ADC 2410捕獲或測量第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間的第一電壓VM1。此類電壓VM1可由控制器2308存儲在非暫態處理器可讀存儲介質中以供後續使用。
接下來，在獲得第一電壓VM1的測量之後，控制器2308可使可變電容子系統2402在第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間具有第二電容值C2。例如，控制器2308可通過閉合開關S2以使電容器2403與電容器2401並聯(這樣使可變電容子系統2402具有等於電容器2401和電容器2403的電容值的和的電容值)來實現此目的。
在可變電容子系統2402具有第二電容值C2時，控制器2308可使ADC 2410捕獲或測量第一電容子系統節點2404和第二電容子系統節點2406之間的第二電壓VM2。
接下來，控制器2308可至少部分地基於檢測到的第一電壓VM1、檢測到的第二電壓VM2、第一電容值C1和第二電容值C2確定絕緣線2106中的AC電壓。下面參考圖20討論用於確定絕緣線2106中的AC電壓的示例性過程。
圖20示出了圖19的非接觸式電壓測量系統2400的示意性電路圖。在該示例中，絕緣線2106的AC電壓由AC源(VAC)表示。在AC源(VAC)、傳感器電容器CS、測量電容CM和操作者2104(圖16和圖17)的體電容CB之間形成了串聯電容電路，該測量電容為電容值C1或電容值C2，這取決於開關S1的狀態。如上所述，當可變電容子系統2402具有第一電容值(即，CM=C1)時，ADC 2410獲得節點2404和節點2406兩端的第一電壓測量VM1，並且當可變電容子系統具有第二電容值(即，CM=C2)時，獲得節點2404和節點2406兩端的第二電壓測量VM2。測量到的電壓VM等於節點2404處的電壓(V404)和節點2406處的電壓(V406)之間的電位差(即，VM=V404-V406)。
節點2404處的電流可由下式表達： I CS -I CM =0 (6)
電流(ICS)由以下等式給出：
Figure 106138284-A0305-02-0046-6
其中(VAC-V404)是傳感器電容器CS兩端的電壓，s是拉普拉斯變量，並且(1/(s×CS))是傳感器電容器CS的阻 抗。電流(ICM)由以下等式給出：
Figure 106138284-A0305-02-0047-7
其中(V404-V406)是電容器CM兩端的電壓，並且(1/(s×CM))是電容CM的阻抗。
類似地，節點2406處的電流可由下式表達： I CM -I CB =0 (9)
電流(ICB)由以下等式給出：
Figure 106138284-A0305-02-0047-8
其中(V406-0)是體電容器CB兩端的電壓，並且(1/(s×CB))是體電容CB的阻抗。上文提供了電流(ICM)。
使用以上等式(6)和(9)以及VM=V404-V406，VM可由以下等式表達：
Figure 106138284-A0305-02-0047-9
其中
Figure 106138284-A0305-02-0047-10
如上所述，當可變電容系統2402具有電容值C1時，ADC 2410獲得第一電壓測量VM1，並且當可變電容系統2402具有電容值C2時，獲得第二電壓測量VM2。因此，VM1和VM2可由以下等式表達：
Figure 106138284-A0305-02-0048-11
Figure 106138284-A0305-02-0048-12
可解出等式(13)和(14)以解得絕緣線2106中的AC電壓(VAC)，其由以下等式提供：
Figure 106138284-A0305-02-0048-13
從等式(15)可以看出，可在運行時間期間僅使用已知電容值C1和電容值C2(或電容值C1和電容值C2之間的比率)和測量到的電壓VM1和VM2來確定AC電壓(VAC)。也就是說，不需要確定傳感器電容器CS和體電容CB來獲得絕緣線2106中的AC電壓(VAC)。還應指出的是，雖然AC電壓的頻率不參與等式，但是系統2400的整體阻抗取決於電路中最小電容器的頻率和電容。例如，當1pF的傳感器電容CS是電路中最小的電容器時，電路的阻抗在50Hz下大約為3.5GΩ。
圖21是包括利用三個電容器(即電容器2602,2604和2606)的可變電容子系統2601的非接觸式電壓測量系統2600的示意圖。非接觸式電壓測量系統2600與上文討論的非接觸式電壓測量系統相似或相同，所以為了簡明起見，下面僅討論實質上的差別。
非接觸式電壓測量系統2600包括電耦合至傳感器2408 的第一電容子系統節點2608，和經由操作者2104(圖16和圖17)的體電容CB電耦合至接地端2128的第二電容子系統節點2610。在至少一些具體實施中，第二電容子系統節點2610可以可選地經由合適的電連接2612(“參考連接”)直接電耦合至接地端2128。
電容器2602可經由可由控制器2308控制的開關S2選擇性地串聯耦接在節點2608和節點2610之間。電容器2604可經由可由控制器2308控制的開關S3選擇性地串聯耦接在節點2608和節點2610之間。電容器2606可經由可由控制器2308控制的開關S4選擇性地串聯耦接在節點2608和節點2610之間。在至少一些具體實施中，控制器2308每次閉合開關S2,S3和S4中的一者，以在節點2608和節點2610之間每次串聯耦接電容器中的一者。在此類情况下，電容器2602,2604和2606中的每一者可具有彼此不同的電容值。例如，電容器2602可具有1000pF的電容值，電容器2604可具有2000pF的電容值，並且電容器2606可具有24000pF的電容值。一般來說，應選擇電容值以當將電容器中的每一者切換到電路中時，在電壓測量中提供相對較大的變化。
為了當傳感器2408被定位成與線2106相鄰使得傳感器和線形成傳感器電容器CS時測量線2106中的AC電壓(VAC)，控制器2308可首先使可變電容子系統2402在第一電容子系統節點2608和第二電容子系統節點2610之間具有第一電容值C1。例如，控制器2308可通過閉合開關S2並且斷開開關S3和開關S4(這樣使可變電容子系統2601具有等 於電容器2602的電容的電容值)來實現此目的。
接下來，在可變電容子系統2402具有第一電容值C1時，控制器2308可使ADC 2410捕獲第一電容子系統節點2608和第二電容子系統節點2610之間的第一測量電壓VM1。此類電壓VM1可由控制器2308存儲在非暫態處理器可讀存儲介質中以供後續使用。
接下來，在獲得第一電壓VM1的測量之後，控制器2308可使可變電容子系統2601在第一電容子系統節點2608和第二電容子系統節點2610之間具有第二電容值C2。例如，控制器2308可通過閉合開關S3並且斷開開關S2和開關S4(這樣使可變電容子系統2601具有等於電容器2604的電容值的電容值)來實現此目的。
在可變電容子系統2601具有第二電容值C2時，控制器2308可使ADC 2410捕獲第一電容子系統節點2608和第二電容子系統節點2610之間的第二測量電壓VM2。
在獲得第二電壓VM2的測量之後，控制器2308可使可變電容子系統2601在第一電容子系統節點2608和第二電容子系統節點2610之間具有第三電容值C3。例如，控制器2308可通過閉合開關S4並且斷開開關S2和開關S3(這樣使可變電容子系統2601具有等於電容器2606的電容值的電容值)來實現此目的。
在可變電容子系統2601具有第三電容值C3時，控制器2308可使ADC 2410捕獲第一電容子系統節點2608和第二電容子系統節點2610之間的第三測量電壓VM3。
接下來，控制器2308可至少部分地基於檢測到的第一電壓VM1、檢測到的第二電壓VM2、檢測到的第三電壓VM3、第一電容值C1、第二電容值C2和第三電容值C3確定絕緣線2106中的AC電壓(VAC)。下面討論用於確定絕緣線2106中的AC電壓(VAC)的示例性過程。
當開關S2閉合並且開關S3和開關S4斷開時，絕緣線2106中的AC電壓(VAC)可由以下等式表達： V AC =I 1 (Z S +Z B +Z 602 ) (16)
其中I1是串聯電流，ZS是未知的傳感器電容器CS的阻抗，ZB是未知的操作者2104(圖16和圖17)的體電容CB的阻抗，並且Z602是電容器2602的阻抗。
當開關S3閉合並且開關S2和開關S4斷開時，絕緣線2106中的AC電壓可由以下等式表達： V AC =I 2 (Z S +Z B +Z 604 ) (17)
其中I2是串聯電流，ZS是未知的傳感器電容器CS的阻抗，ZB是未知的操作者2104(圖16和圖17)的體電容CB的阻抗，並且Z604是電容器2604的阻抗。
當開關S4閉合並且開關S2和開關S3斷開時，絕緣線2106中的AC電壓(VAC)可由以下等式表達： V AC =I 3 (Z S +Z B +Z 606 ) (18)
其中I3是串聯電流，ZS是未知的傳感器電容器CS的阻抗，ZB是未知的操作者2104(圖16和圖17)的體電容CB的阻抗，並且Z606是電容器2606的阻抗。
設定等式(16)和(17)彼此相等並求解ZS+ZB給出以下等式：
Figure 106138284-A0305-02-0052-14
將等式(19)代入等式(18)中給出以下等式：
Figure 106138284-A0305-02-0052-15
代入IX=VX/ZX和ZX=1/(2 π ω CX)並簡化結果，絕緣線2106中的AC電壓(VAC)可由以下等式表達：
Figure 106138284-A0305-02-0052-16
然後，可將確定的絕緣線2106的AC電壓呈現給操作者或者經由合適的通信接口傳送給外部裝置。
圖22是操作非接觸式電壓測量系統以測量絕緣線中的AC電壓而不進行電流接觸的方法2700的流程圖。非接觸式電壓測量系統可與上述非接觸式電壓測量系統的任何具體實施相似或相同，並且/或者可包括此類非接觸式電壓測量系統的各種組合。
當操作者將非接觸式電壓測量系統的導電傳感器定位成與待測量的絕緣線相鄰時，方法2700可從2702開始。如上所述，當導電傳感器被定位成與絕緣線相鄰時，傳感器和絕緣線中的導體電容耦合在一起以形成傳感器電容器CS。
在2704，非接觸式電壓測量系統的至少一個處理器(控制器)可使電耦合到傳感器的可變電容子系統具有第一電容值。在至少一些具體實施中，例如可變電容子系統至少包括第一電容器、第二電容器和處理器控制的開關。
在2706，至少一個處理器可檢測或測量可變電容子系統兩端的第一電壓，並將第一測量電壓存儲在非暫態處理器可讀存儲介質中。如上所述，在至少一些具體實施中，至少一個處理器可經由具有相對較高的有效分辨率(例如，20位、22位)的ADC來檢測或測量可變電容子系統兩端的電壓。
在2708，非接觸式電壓測量系統的至少一個處理器可使可變電容子系統具有不同於第一電容值的第二電容值。在至少一些具體實施中，第一電容值和第二電容值中的一者可以是第一電容值和第二電容值中的另一者的至少兩倍。作為非限制性示例，第一電容值和第二電容值中的每一者可介於1000pF和5000pF之間。
在2710，至少一個處理器可檢測或測量可變電容子系統兩端的第二電壓，並將第二測量電壓存儲在非暫態處理器可讀存儲介質中。
在2712，至少一個處理器可至少部分地基於第一測量電壓和第二測量電壓以及第一電容值和第二電容值來確定絕緣導體中的AC電壓。例如，如上所述，至少一個處理器可根據以下等式來確定絕緣導體中的AC電壓(VAC)：VAC=VM1×[(C1/C2)-1]/[(C1VM1/C2VM2)-1] (22)
其中C1和C2分別是第一電容值和第二電容值，VM1和VM2是可變電容子系統兩端的第一測量電壓和第二測量電壓。
在確定絕緣導體中的AC電壓之後，至少一個處理器可經由通信地耦接到至少一個處理器的用戶界面向操作者呈現結果。用戶界面可包括可視部件(例如，顯示器、光發射器(例如，LED)、多個光發射器(例如，LED))和/或音頻部件(例如，揚聲器、蜂鳴器)。另外或另選地，至少一個處理器可經由合適的有線和/或無線通信接口將結果傳送到外部裝置。
在至少一些具體實施中，在獲得第二測量電壓之後，至少一個處理器可使可變電容子系統具有第三電容值。在此類情况下，至少一個處理器可檢測或測量可變電容子系統兩端的第三測量電壓。
然後，至少一個處理器可至少部分地基於第一測量電壓(VM1)、第二測量電壓(VM2)、第三測量電壓(VM3)、第一電容值(C1)、第二電容值(C2)和第三電容值(C3)來確定絕緣導體中的AC電壓(VAC)。例如，至少一個處理器可根據以下等式來確定絕緣導體中的AC電壓(VAC)：VAC=C3VM3×[(VM2-VM1)/(C1VM1-C2VM2)]+VM3 (23)
所確定的AC電壓(VAC)然後可經由合適的界面呈現給操作者，並且/或者經由有線和/或無線通信接口傳送給外部裝置。
多電容器型非接觸式電壓測量系統
以下討論涉及使用多電容器型電壓測量傳感器或系統來測量絕緣導體或未絕緣的裸導體(例如，絕緣線)的AC電壓，而不需要導體和測試電極或探頭之間的電流連接的系統和方法。本節中公開的具體實施在本文中可稱為“多電容器型電壓傳感器”或系統。一般來說，提供非電流接觸式(或“非接觸式”)電壓測量系統，該系統使用多個電容傳感器(“多電容器”)來測量絕緣導體中相對於接地端的AC電壓信號。
圖23A是環境3100的示意圖，在該環境中操作者3104可使用包括多電容器電壓傳感器或系統的非接觸式測量系統3102來測量絕緣線3106中存在的AC電壓，而不需要非接觸式電壓測量系統和線3106之間的電流接觸。圖23B是圖23A的非接觸式電壓測量系統3102的俯視圖，其示出了操作期間非接觸式電壓測量系統的各種電特性。非接觸式電壓測量系統3102包括外殼或主體3108，該外殼或主體包括握持部分或端部3110以及與該握持部分相對的探頭部分或端部3112(在本文中也稱為前端)。外殼3108還可包括便於用戶與非接觸式電壓測量系統3102交互的用戶界面3114。用戶界面3114可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器)和任何數量的輸出件(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。非接觸式電壓測量系統3102還可包括一個或多個有線和/或無線通信接口(例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®)，以便與其他本地 或遠程裝置進行通信。
在至少一些具體實施中，如圖23B中最佳地示出，探頭部分3112可包括由第一延伸部分3118和第二延伸部分3120限定的凹部3116。當執行測量時，凹部3116接收絕緣線3106(參見圖23A)。絕緣線3106包括導體3122和圍繞導體3122的絕緣體3124。凹部3116可包括傳感器或電極S1、S2和S3，當絕緣線3106位於非接觸式電壓測量系統3102的凹部3116內時，這些傳感器或電極被定位成接近該絕緣線的絕緣體3124。在例示的示例中，傳感器S1和S2設置在外殼3108的延伸部分3118內，並且傳感器S3設置在延伸部分3120內。可提供延伸部分3118的表面3119，以使傳感器S1和S2與凹部3116分開，從而防止傳感器和其他物體(例如，絕緣線3106、金屬物體)之間的物理接觸和電接觸。類似地，延伸部分3120的表面3121可使傳感器S3與凹部3116分開。如下面參考圖27進一步討論的，在至少一些具體實施中，表面3119使傳感器S1和S2與凹部3116分開的距離(例如，圖27的厚度T1)可與表面3121使傳感器S3與該凹部分開的距離(例如，圖27的厚度T2)不同。
如圖23A所示，在使用中，操作者3104可抓握外殼3108的握持部分3110並且將探頭部分3112放置為接近絕緣線3106，使得非接觸式電壓測量系統3102可準確地測量該線中存在的相對於接地端(或另一參考節點)的AC電壓。雖然探頭端部3112被示出為具有凹部3116，但是在其他具體實施中，探頭部分3112可被不同地配置。例如，在 至少一些具體實施中，探頭部分3112可包括可選擇性地移動的夾具、鈎、包括傳感器的平坦或弓形表面，或允許非接觸式電壓測量系統3102的傳感器組件被定位成接近絕緣線3106的其他類型的界面。
當探頭部分3112被定位成接近絕緣線3106時，傳感器S1、S2和S3各自與線的導體3122電容耦合，分別生成電容C1、C2和C3。如下面進一步討論的，就影響與絕緣線3106的電容耦合的至少一個特性而言，傳感器S1、S2和S3中的每一者彼此不同，使得傳感器S1、S2和S3處的不同電壓V1、V2和V3可被檢測並用於準確地確定絕緣線3106中的AC電壓(VO)。
在至少一些具體實施中，使用輸出電壓V1、V2和V3之間的各種比率來確定絕緣導體3106的特性。使用所確定的特性，可經由經校準的查找表和/或一個或多個確定的等式來確定絕緣導體3106中的AC電壓。
下面參考圖24-圖27討論了非接觸式電壓測量系統3102測量AC電壓使用的特定系統和方法。
圖24示出了也在圖23A和圖23B中示出的非接觸式電壓測量系統3102的各種內部部件的示意圖。在該示例中，非接觸式電壓測量系統3102的導電傳感器S1、S2和S3被定位成接近待測絕緣線3106。傳感器S1、S2和S3中的每一者與絕緣線3106的導體3122電容耦合，分別形成傳感器耦合電容器C1、C2和C3(圖23B)。線3122中的AC電壓信號(VO)分別在傳感器S1、S2和S3處生成傳感器電壓信號V1、 V2和V3，這些傳感器電壓信號取決於相應的傳感器S1、S2和S3的耦合電容C1、C2和C3。
待測量的線3122中的AC電壓(VO)具有到外部接地端3128(例如，零線)的連接。非接觸式電壓測量系統3102本身也具有對接地端3128的電容，當操作者3104(圖23A)將非接觸式電壓測量系統握在其手中時，該電容主要由體電容(CB)組成。電容C1、C2和C3中的每一者產生通過CB的導電回路，並且該回路內的電壓生成相應的信號電流(I1、I2和I3)。電流信號(I1、I2和I3)分別由電容耦合到導電傳感器S1、S2和S3的絕緣線3106的導體3122中的AC電壓信號(VO)生成，並且通過非接觸式電壓測量系統3102的外殼3108和對接地端3128的體電容器(CB)回到外部接地端3128。電流信號(I1、I2和I3)各自取決於導電傳感器S1、S2和S3分別與待測絕緣線3106之間的距離、導電傳感器S1、S2和S3的特定形狀和大小，以及導體3122的大小、電壓電平(VO)和相對位置。電壓V1、V2和V3分別與電流信號I1、I2和I3成比例。如果存在從內部接地保護件3154(參見圖25、圖26A、圖26B和圖27)到所測量的參考電位的連接諸如測試導線，則也可使用任何其他的對地參考電位(體電容CB)。如果使用這種連接，還可抵消如果將低體電容CB連接到地面/接地的影響。一個示例將是在將內部接地保護件3154連接到一個相並將非接觸式傳感器3112用於另一個相的多相環境中進行相間測量。
為了減少或避免雜散電流，非接觸式電壓測量系統 3102的至少一部分(例如，傳感器S1、S2和S3)可至少部分地被導電內部接地保護件或遮蔽件3132A-B(也在圖26A-圖26B中示出)圍繞，這使得大部分電流流過分別與絕緣線3106的導體3122形成耦合電容器C1、C2和C3的導電傳感器S1、S2和S3。內部接地保護件3132A-B可由任何合適的導電材料(例如，銅)形成，並且可以是實心的(例如，箔)或者具有一個或多個開口(例如，網眼)。傳感器S1、S2和S3周圍的保護件3132A-B還可減少靠近傳感器的相鄰線的雜散影響。保護件3132A-B(在圖25、圖26A、圖26B和圖27中也用附圖標號3154指代)為非接觸式電壓測量系統3102提供了內部接地連接。
如圖24所示，非接觸式電壓測量系統3102可包括電壓測量子系統3136，該電壓測量子系統包括分別用於檢測電壓信號V1、V2和V3以及/或者與電壓信號成比例的相應電流信號I1、I2和I3的電壓測量部件3136A、3136B和3136C。作為非限制性示例，電壓測量部件3136中的每一者可包括模數轉換器(ADC)和相關聯的電路，以檢測電壓信號V1、V2和V3。作為另一個非限制性示例，電壓測量部件3136A、3136B和3136C中的每一者可包括輸入放大器和反饋電路，該輸入放大器和反饋電路作為反相電流-電壓轉換器工作，以將與電壓信號V1、V2和V3成比例的輸入電流I1、I2和I3轉換為電壓電平。
電壓信號V1、V2和V3(或其代表的信號)可被饋送到信號處理模塊3140，如下文進一步討論的，該信號處理模 塊對電壓信號V1、V2和V3進行處理以確定絕緣線3106的導體3122中的AC電壓(VO)。信號處理模塊3140可包括數字和/或模擬電路的任何組合。
非接觸式電壓測量系統3102還可包括通信地耦接到信號處理模塊3140的用戶界面3142(例如，顯示器)，以呈現所確定的AC電壓(VO)或通過接口傳送給非接觸式電壓測量系統的操作者3104。
圖25是根據一個例示的具體實施示出在測量絕緣線期間被定位成接近絕緣線3106的非接觸式電壓測量系統3102的導電傳感器S1、S2和S3的示意圖。在該示例中，導電傳感器S1與絕緣線3106分開第一距離D1，導電傳感器S2與絕緣線3106分開第二距離D2，並且導電傳感器S3與絕緣線3106分開第三距離D3。在至少一些具體實施中，距離D1、D2和D3中的至少一者可不同於距離D1、D2和D3中的至少另一者。例如，在至少一些具體實施中，距離D1和D2可彼此相等，並且距離D3可不同於距離D1和D2。如圖27所示，距離D1、D2和D3可至少部分地由一個或多個絕緣層的物理屬性(例如，厚度)來控制。
又如圖25所示，導電傳感器S1、S2和S3可具有不同的物理尺寸(例如，高度、寬度、形狀、面積)。在例示的示例中，導電傳感器S1的寬度(W1)小於導電傳感器S2的寬度(W2)，並且導電傳感器S2的寬度(W2)小於導電傳感器S3的寬度(W3)。傳感器S1、S2和S3之間的此類差異允許測量電壓V1、V2和V3以唯一地確定絕緣線中的AC電壓。
圖26A是至少部分地被內部接地保護件3132A圍繞的第一導電傳感器S1和第二導電傳感器S2的平面圖。在該示例中，傳感器S1具有平面的直角三角形形狀，其限定在角部3151處形成直角的第一邊緣3150A和第二邊緣3150B，以及與直角相對的斜邊邊緣3150C。類似地，傳感器S2具有平面的直角三角形形狀，其限定在角部3153處形成直角的第一邊緣3152A和第二邊緣3152B，以及與直角相對的斜邊邊緣3152C。在該示例中，傳感器S1和S2相對於彼此倒置，使得第一導電傳感器S1和第二導電傳感器S2的斜邊邊緣3150C和3152C分別被定位成緊挨彼此(例如，基本上相鄰)，其間存在小的間隙。
圖26B是至少部分地被內部接地保護件3132B圍繞的第三導電傳感器S3的平面圖。在該示例中，第三導電傳感器S3的形狀為矩形。在至少一些具體實施中，第三傳感器S3的面積與第一導電傳感器S1和第二導電傳感器S2的組合面積相同(或基本上相同)，但是並不要求此類特徵。在第三傳感器S3與第一導電傳感器S1和第二導電傳感器S2的組合面積相同並且傳感器S1和S2與絕緣線間隔開的距離不同於傳感器S3與絕緣線間隔開的距離的情况下，組合傳感器S1和S2可被視為單個電容(C1+C2)，可將該電容與電容C3進行比較以說明使用形狀類似的電容器的距離差異。
應當理解，傳感器S1、S2和S3的特定形狀、大小、相對位置和取向是例示性的而非限制性的。實際上，傳感器S1、S2和S3中的每一者的形狀、大小、相對位置和取向可 以多種組合變化。
圖27是包括傳感器S1、S2和S3的非接觸式電壓測量系統3102的前端3112的剖視圖。傳感器S1和S2可由至少部分地被內部接地保護件3132A圍繞的電路板3156A支撐。類似地，傳感器S3可由至少部分地被內部接地保護件3132B圍繞的電路板3156B支撐。
第一絕緣層3158A將傳感器S1和S2與前端3112的凹部3118分開。第二絕緣層3158B將傳感器S3與前端的凹部3118分開。第一絕緣層3158A和第二絕緣層3158B可分別具有平面表面3119和3121，這些平面表面相對於彼此以銳角(α)設置以限定將絕緣導體接收在其中的“V”形凹部3116。作為非限制性示例，在至少一些具體實施中，角(α)可介於20度和50度之間(例如，39度、42度)。示例性絕緣導體3162、3164和3166被示出設置在與平面表面3119和3121相鄰的凹部3116內。絕緣導體3162包括被絕緣體3162A圍繞的導電線3162B，絕緣導體3164包括被絕緣體3164A圍繞的導電線3164B，並且絕緣導體3166包括被絕緣體3166A圍繞的導電線3166B。
在圖27所示的示例中，前端或探頭端部3112被成形為適應各種直徑的絕緣線，諸如具有相對較大直徑的絕緣線3162或具有相對較小直徑的絕緣線3166。絕緣線3162、3164和3166還可分別具有直徑不同的導體3162A、3164A和3166A，和/或厚度不同的相應絕緣層3162B、3164B和3166B。
第一絕緣層3158A可具有第一厚度T1，並且第二絕緣層3158B可具有第二厚度T2。在至少一些具體實施中，第一厚度T1可不同於第二厚度T2。例如，在至少一些具體實施中，第一厚度可為大約0.5毫米(mm)，並且第二厚度T2可為大約2.5mm。
就影響與待測絕緣線的電容耦合的至少一個特性(例如，大小、形狀、到絕緣導體3106的距離)而言，提供彼此不同的三個傳感器S1、S2和S3允許非接觸式電壓測量系統3102補償影響傳感器和絕緣導體3106之間的電容耦合的不同變量。此類變量可包括絕緣導體3106的直徑、絕緣導體3106的絕緣體的厚度、絕緣導體3106在前端3112的凹部3116內的位置等。
有利的是，通過分別在傳感器S1、S2和S3處獲得電壓V1、V2和V3的電壓測量，非接觸式電壓測量系統3102的至少一個處理器可準確地確定絕緣導體3106上的AC電壓。為了進行此類確定，(例如，在製造或設計期間)可使用具有已知AC電壓的已知絕緣導體3106來校準非接觸式電壓測量系統3102。另外或另選地，非接觸式電壓測量系統3102的至少一個處理器可利用一個或多個確定的等式，這些等式利用電壓V1、V2和V3作為輸入，並且提供絕緣導體3106的AC電壓作為輸出。在操作期間，非接觸式電壓測量系統3102的至少一個處理器可獲得電壓V1、V2和V3，然後使用查找表或一個或多個等式來確定絕緣線中的AC電壓，這些等式接收電壓作為輸入並且輸出絕緣線中的AC 電壓。
對於在圖26A、圖26B和圖27所示的示例性傳感器構造，可使用分別在傳感器S1、S2和S3處測量的電壓V1、V2和V3之間的各種關係來確定待測絕緣導體的AC電壓。在至少一些具體實施中，非接觸式電壓測量系統3102可利用以下關係中的一者或多者：
Figure 106138284-A0305-02-0064-17
V 1+V 2 (25)
V 1+V 2+V 3 (26)
Figure 106138284-A0305-02-0064-19
可使用以上關係(24)-(27)來為絕緣導體(例如，絕緣導體3106)中的未知AC電壓提供函數，該函數與絕緣導體和傳感器S1、S2和S3之間的距離無關，使得可測量各種大小的絕緣導體中的AC電壓。
對於傳感器S1和S2，可使用以下等式：V O =k×(V 1+V 2) (28)
其中VO是絕緣導體中的AC電壓，並且k是以上關係(24)的函數(即，k=f(V1/V2))。
所測量的電壓V1、V2和V3分別取決於傳感器S1、S2和S3與絕緣導體之間的電容C1、C2和C3。因此，可根據平行於平面或壁(例如，傳感器S1、S2和S3中的每一者)的線 (例如，絕緣導體)之間的電容已知等式來計算電容C1、C2和C3。每個傳感器的電容C等式如下：
Figure 106138284-A0305-02-0065-20
其中“a”是導電線的半徑，“d”是線和傳感器之間的距離(其中“d”>“a”)，並且“l”是接近傳感器的線的長度，或相當於傳感器的寬度。
如上所述，可分別利用合適的電壓測量部件3136A、3136B和3136C(諸如，將通過傳感器S1、S2和S3中的每一者的電流轉換為相應電壓的一個或多個ADC或者一個或多個反相運算放大器)來測量電壓V1、V2和V3。
以上列出的關係(24)、(25)和(26)確定了為電壓V1、V2和V3的給定測量提供唯一值的三個等式，該給定測量確定了待測導電線的直徑以及導電線的絕緣體厚度，並且可用於使用以上等式(29)來計算電容C1、C2和C3。然後，可根據以下等式來計算絕緣線中的AC電壓：
Figure 106138284-A0305-02-0065-21
其中對於傳感器S1、S2和S3，“x”分別等於1、2和3。
三個傳感器S1、S2和S3的三個輸出電壓V1、V2和V3允許通過導體的直徑和絕緣體的厚度來表徵待測絕緣線。以上關係(24)主要限定絕緣線的外徑，並且關係(27)主要限定絕緣線的導體的直徑。如上所述，電壓V1、V2和V3被用 作輸入，以從查找表獲得校準因子或者以利用一個或多個等式計算校準因子。
例如，對於電壓V1、V2和V3的給定測量，使用以上等式(29)，關係(24)限制了待測絕緣線的線直徑和絕緣體厚度的可能組合。類似地，關係(25)限制了待測絕緣線的線直徑和絕緣體厚度的可能組合。因此，使用關係(24)和(25)，可確定具有指定線直徑和指定絕緣體厚度的虛擬線。所確定的虛擬線的物理屬性可用於確定取決於以上關係(24)和(25)兩者的因子‘k’。使用所確定的虛擬線和所測量的電壓V1和V2，由待測絕緣線的不同位置生成的校準表提供了與位置無關的最終電壓結果。
僅使用電壓V1和V2，結果可能會提供不準確的值。因此，可以與上述方式類似的方式使用來自傳感器S3的電壓V3，以提供更好的位置限定。特別地，關係(27)利用電壓V1和V2的和。由於傳感器S1和S2組合在一起時的形狀與傳感器S3的形狀類似，所以關係(27)提供了類似電容器(即，C1+C2和C3)在兩個不同距離(即，T1和T2)處的比率。
可將傳感器S1、S2和S3的實際大小和形狀選擇為實現傳感器和待測絕緣導體之間的並且遠小於體電容(CB)(例如，30至200皮法拉)的合理電容(例如，幾皮法拉)，該電容可被用作手持應用的可能接地參考。
非接觸式AC電參數測量系統
以下討論提供了可包括本文討論的部分或全部功能的非接觸式測量系統的各種示例性具體實施。
圖28是提供非接觸式電壓測量功能和非接觸式電流測量功能的非接觸式測量系統或儀器3700的示意性框圖。測量系統3700還可確定從電壓和/或電流測量結果推導的一個或多個AC電參數(例如，功率、能量、頻率、諧波)。測量系統3700包括各自通信地耦接到處理器3706的電壓傳感器3702和電流傳感器3704。
電壓傳感器3702和/或處理器3706可與本文討論的任何非接觸感測系統相似或相同。處理器3706可包括一個或多個邏輯處理單元，諸如一個或多個中央處理單元(CPU)、微處理器、數字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)等。測量系統3700還可包括通信地耦接到處理器3706的存儲器3708，該存儲器上存儲有指令或數據中的至少一者。存儲器3708可包括一個或多個固態存儲器，例如閃存存儲器或固態驅動器(SSD)，這些固態存儲器為測量系統3700提供計算機可讀指令、數據結構、程序模塊和其他數據的非易失性存儲。雖然未示出，但是測量系統3700可採用其他非暫態計算機或處理器可讀介質，例如硬盤驅動器、光盤驅動器或存儲卡介質驅動器。
測量系統3700可包括用戶界面3710，該用戶界面可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器、觸摸屏)和任何數量的輸出件(例如，顯示器、 LED、揚聲器、蜂鳴器)。測量系統3700還可包括呈現讀出3714和/或波形3716的一個或多個顯示器3712。
在操作中，處理器3706從電壓傳感器3702和電流傳感器3704接收信號，以分別獲得電壓測量結果和電流測量結果。處理器3706可利用此類電壓測量結果和電流測量結果來基於測量結果的組合推導另外的AC電參數。此類參數可包括例如功率(有效功率、視在功率等)、相位(例如，三相)、頻率、諧波、能量等。
電壓傳感器3702和電流傳感器3704可在共同的測量時間間隔期間分別獲得電壓傳感器信號和電流傳感器信號，該共同的測量時間間隔在持續時間上可能相對較短(例如，10毫秒(ms)、100ms、1秒、10秒)。例如，電壓傳感器3702和電流傳感器3704可獲得彼此至少部分同時的測量結果。又如，電壓傳感器3702和電流傳感器3704中的一者可在電壓傳感器和電流傳感器中的另一者獲得測量結果之後基本上立即獲得測量結果，使得這些測量結果幾乎在同一時間獲得。在一些具體實施中，電壓傳感器3702和電流傳感器3704可用於在指定的時間間隔處(例如，每10ms、每100ms、每1秒、每10秒)同時或相繼地重複獲得測量結果。一般來說，電壓傳感器3702和電流傳感器3704都在足夠短的測量時間間隔內獲得其各自的測量結果，使得成對的電壓測量結果和電流測量結果彼此對應，這允許使用所獲得的電流測量結果和電壓測量結果準確地推導或確定一個或多個AC電參數(例如，功率、相位)。
處理器3706可提供一個或多個所測量或所推導的參數的讀出3714，並且可提供一個或多個特性的圖形表示。此類圖形表示可包括波形、諧波條形圖等。可經由顯示器3712呈現的示例性信號特性包括電壓、電流、頻率、功率參數(例如，瓦特、KVA)、相位、能量、諧波、相序檢測等。
圖29是提供非接觸式電壓測量功能和/或非接觸式電流測量功能的測量系統或儀器3800的示意性框圖。測量系統3800在許多方面與圖28的測量系統3700相似或相同，所以為了簡潔起見，本文僅討論相關的差別。
在該具體實施中，測量系統3800可不包括顯示器，而是可用作“遺留”傳感器以經由基於處理器的外部裝置3806遠程監視電氣設備。此類基於處理器的裝置3806可包括各種類型的裝置，諸如智能電話、平板電腦、膝上型計算機、可穿戴計算機、服務器、雲計算機等。基於處理器的外部裝置3806可包括顯示器，以呈現由測量系統3800在一段時間(例如，幾分鐘、幾小時、幾天、幾周、幾年)內收集的數據。
為了與一個或多個基於處理器的外部裝置進行通信，測量系統可包括一個或多個有線通信接口3802和/或一個或多個無線通信接口3804。
無線通信接口3804的非限制性示例包括Wi-Fi®、Bluetooth®、Bluetooth® Low Energy、Zigbee®、6LoWPAN®、Optical IR、無線HART等。有線通信接口 3802的非限制性示例包括USB®、以太網、PLC、HART、MODBUS、FireWire®、Thunderbolt®等。
除了向外部裝置3806發送數據之外，在至少一些具體實施中，測量系統3800可經由有線通信接口3802和/或無線通信接口3804從外部裝置3806接收數據或指令(例如，控制指令)中的至少一者。
圖30示出了測量系統諸如測量系統3800的前端或探頭端部3900的一部分。測量系統可與本文討論的一個或多個測量系統相似或相同。在該具體實施中，測量系統的前端3900包括固定爪3902，該固定爪具有限定凹部3904的第一間隔開的插脚3902a和第二間隔開的插脚3902b，該凹部接收待測絕緣導體(未示出)。接近凹部3904的最深部分3906存在傳感器3908，該傳感器用於測量待測絕緣導體中的電壓和電流中的至少一者。
測量系統的前端3900還包括設置在插脚3902a和3902b周圍的一個或多個對準反饋傳感器3910，這些對準反饋傳感器可用於在測量操作期間向用戶提供各種信息。例如，在至少一些具體實施中，可使用一個或多個對準反饋傳感器3910來向用戶提供關於絕緣導體相對於前端3900對準的反饋。這可通過利用一個或多個對準反饋傳感器3910來確定絕緣導體的位置並且向用戶提供此位置的指示來實現。
例如，測量系統的顯示器3912可向用戶提供對準反饋信息。又如，可使用顏色燈(例如，LED)來向用戶提供對準反饋。例如，紅燈可照亮以指示絕緣導體未對準，黃 燈可照亮以指示絕緣導體幾乎對準，並且綠燈可照亮以指示絕緣導體是正確對準。又如，絕緣導體相對於前端3900的位置可以圖形方式顯示在顯示器上。又如，可使用聲音來提供對準反饋。例如，測量系統可以基於絕緣導體的對準而變化的間隔、强度(音量)或頻率產生“嗶嗶聲”或其他聲音(例如，慢嗶嗶聲表示未對準，稍快嗶嗶聲表示幾乎對準，最快嗶嗶聲或穩定嗶嗶聲表示對準)。
在至少一些具體實施中，可另選地或另外地使用一個或多個對準反饋傳感器3910來檢測附近的帶電電壓(例如，與待測導體相鄰的帶電電路)。在檢測到此類帶電電壓時，可呈現指示(例如，聲音、燈、警告消息)以通知用戶附近存在帶電電壓。
在至少一些具體實施中，可使用一個或多個對準反饋傳感器3910來提供用戶所獲得的測量結果的精度指示。例如，當用戶獲得測量結果時，可提供顏色編碼信號(例如，紅色、黃色、綠色)來基於對準確定通知用戶測量精度良好(綠色)、尚可(黃色)或不佳(紅色)。除了顏色或圖形對準反饋之外，還可提供其他類型的反饋。例如，可將所確定的對準信息呈現為數值、條形圖、“熱/冷”指示符或任何其他合適的指示符。
圖31-圖41B示出了各自可包含本文討論的至少一些功能的測量儀器的各種示例。圖31示出了測量儀器4000，該測量儀器包括外殼4002、讀出顯示器4004、包括傳感器的前端4006以及用於抓握絕緣導體的可伸縮夾具或夾爪 4008。夾具或夾爪4008以及本公開的其他夾具或夾爪可永久地附接到外殼4002，或可以是可選擇性地拆卸的。圖32示出了測量儀器4100，該測量儀器包括外殼4102、讀出顯示器4104、包括傳感器的前端4106以及將絕緣導體接收在其中的固定爪4108。圖33示出了測量儀器4200，該測量儀器包括外殼4202、讀出顯示器4204、包括傳感器的前端4206以及用於抓握待測絕緣導體的可伸縮鈎4208。圖34示出了測量儀器4300，該測量儀器包括外殼4302、呈現讀出和圖形信息(例如，波形、諧波圖)的顯示器4304、包括傳感器的前端4306以及用於抓握待測絕緣導體的可伸縮鈎4308。圖35示出了測量儀器4400，該測量儀器包括外殼4402、顯示器4404以及其中包括傳感器的弓形前端4406。
圖36示出了測量儀器4500，該測量儀器包括外殼4502、讀出顯示器4504、包括傳感器的前端4506、可伸縮鈎4508以及可選的參考導線4510。測量儀器4500可用於測量和/或推導各種電特性，包括但不限於非接觸式AC電壓、AC電流、DC電壓、電阻、頻率、相位、KWh、KW、VA、var、PF、THD、侵入電流、相序和電壓降測試。
用於測量系統3800的示例性形狀因數在圖37中示出，該圖示出了測量儀器4600，該測量儀器包括從外殼部分4604延伸的用於抓握待測量的絕緣導體的夾具4602，以及可耦接到參考節點的可選夾子4606。在操作中，用戶可將夾具4602放置在待測量的絕緣導體上，並且測量儀器4600可獲得一段時間(例如，幾秒鐘、幾分鐘、幾小時、幾 天、幾周、幾年)內的電壓和/或電流，並且可由測量推導一個或多個另外的AC電參數。可將測量數據和/或所推導的參數實時地或以確定的時間間隔發送到一個或多個基於處理器的外部裝置，所述此類數據可在這些外部裝置中進行處理和/或經由合適的用戶界面(例如，顯示器)呈現給用戶。如上所述，測量儀器4600還可經由有線和/或無線通信從一個或多個外部裝置接收指令或數據。
圖38示出了測量儀器4700，該測量儀器包括通過電纜4706電耦合到第二外殼4704的第一外殼4702。第一外殼4702上可包括用於向用戶呈現測量信息的顯示器4708。第一外殼4702可包括其中具有用於獲得非接觸式電壓測量結果的傳感器的前端4710。類似地，第二外殼4704可包括其中具有用於獲得非接觸式電壓測量結果的傳感器的前端4712。在操作中，第一外殼4702和第二外殼4704中的一者或兩者可用於獲得單獨的非接觸式AC電壓測量結果和/或單獨的AC電流測量結果。另外，當第一外殼4702的前端4710被定位成接近第一絕緣導體並且第二外殼4704的前端4712被定位成接近第二絕緣導體時，測量系統4700可獲得兩個絕緣導體之間的組合非接觸式相間AC電壓測量結果。
圖39示出了測量儀器4800，該測量儀器包括具有耦接到其上的多個測試導線4802的外殼4804。測量儀器4800可與基於處理器的外部裝置4806(例如，智能電話、平板電腦)進行無線通信，該基於處理器的外部裝置可用作用戶 界面來控制測量儀器並在顯示器4808上呈現測量儀器所獲得的測量結果。在至少一些具體實施中，測量儀器4800可測量和呈現(例如，經由基於處理器的外部裝置4806)風扇、壓縮機、泵等的運行循環以及/或者加熱、冷却和/或照明系統的操作特性。例如，測量儀器4800還可測量和/或推導非接觸式AC電壓、AC電壓、AC電流、DC電壓、電阻、頻率、相位、KWh、KW、VA、var、PF和THD。
圖40示出了測量儀器4900，該測量儀器包括外殼4902、顯示器4904以及其中包括用於測量非接觸式AC電壓的傳感器的前端4906。測量儀器4900可用於測量或檢測高電壓(例如，大於1kV)。可以可選地將熱棒(例如，伸縮式熱棒)耦接到測量儀器4900，以在不觸摸或斷開電路的情况下測試高AC電壓。這在實業、工業和礦業應用中例如與高壓設備(諸如，輸電線、降壓電源線、熔斷器和負載斷路連接器)一起使用時可能是有用的。
圖41示出了測量儀器5000，該測量儀器包括外殼5002、顯示面板5004(例如，觸摸屏)、三個信號輸入導線5006和參考輸入導線5008。例如，測量儀器5000可用於測量非接觸式AC電壓、AC電流、DC電壓、電阻、連續性、頻率、相位、KWh、KW、VA、var、PF、THD、侵入電流、相序和電壓降測試。
圖42A和圖42B示出了包括外殼5102和顯示器5104的紅外相機5100。紅外相機5100包括前端部分5106，該前端部分包括可用於交替或同時測量非接觸式AC電壓和AC電 流的傳感器。紅外相機5100可在顯示器5104上提供視覺圖像，並且可以可選地被激光引導。在至少一些具體實施中，紅外相機5100可經由有線和/或無線通信接口(例如，螺旋電纜、Bluetooth® Low Energy)通信地耦接到基於處理器的外部裝置(例如，智能電話、平板電腦、另一測量儀器)。
本公開的一個或多個測量系統或儀器可包括以下特徵中的一者或多者：用於更好地接近緊線的更小夾爪寬度；用於更大導體的更寬夾爪開口；手電筒；非接觸式AC電壓接地測量；非接觸式AC電壓相間測量；非接觸式AC電壓指示器；背光顯示器；鬼電壓檢測(低Z)；阻抗；聲音；可更換的測試導線；可選的彎曲夾具；電容測量；自動保持；溫度測量；真RMS；電流(例如，mA)；DC電流；功率等。
非接觸式電流測量系統
本文公開的系統和方法提供了測量流過絕緣線的電流，而不需要與絕緣線的導體電流接觸的非接觸式電流測量系統。本文討論的非接觸式電流測量系統可被實現為獨立電流錶，或可與本文討論的一個或多個其他具體實施組合以提供附加功能，諸如各種AC電參數(例如，功率、相位、頻率、諧波、能量)的測量。在至少一些具體實施中，非接觸式電流測量系統包括可選擇性地定位成接近待測絕緣線(例如，與其相鄰)的磁場傳感器。磁場傳感器 的非限制性示例包括各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器、磁通門傳感器、超導量子干涉傳感器、光纖傳感器、光泵傳感器、核處理傳感器、搜索線圈傳感器、磁敏晶體管傳感器、磁敏二極管傳感器、磁光傳感器、霍爾效應傳感器、羅戈夫斯基線圈、電流互感器或其他類型的磁場傳感器。磁場傳感器檢測由在絕緣線中流動的電流產生的磁場。絕緣線的導體周圍的磁場大小與流過絕緣線的導體的電流大小相關(例如，成比例)。
除了檢測導體周圍的磁場之外，本公開的至少一些具體實施利用可調節夾持組件來提供對絕緣線相對於磁場傳感器的機械定位的控制。此外，在至少一些具體實施中，非接觸式電流測量系統確定與待測絕緣線的至少一個物理尺寸相關的信息，諸如絕緣線的絕緣體內的導體外徑或線徑。使用所檢測的磁場、所控制的機械定位和所確定的物理尺寸信息，非接觸式電流測量系統準確地確定流過絕緣線的導體的電流大小。
圖43是環境5200的示意圖，在該環境中技術人員5204可使用非接觸式電流測量系統5202來測量絕緣線5206中存在的AC電流，而不需要非接觸式電流測量系統和絕緣線5206之間的電流接觸。圖44A和圖44B示出了非接觸式電流測量系統5202的放大視圖。
非接觸式電流測量系統5202包括外殼或主體5208，該外殼或主體包括握持部分或端部5210以及與該握持部分相對的前部或端部5212。外殼5208還可包括便於用戶與非接 觸式電流測量系統5202交互的用戶界面5214。用戶界面5214可包括任何數量的輸入件(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器)和任何數量的輸出件(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。非接觸式電流測量系統5202還可包括一個或多個有線和/或無線通信接口(例如，USB、Wi-Fi®、Bluetooth®)。
如圖44A和圖44B所示，磁場傳感器5216(例如，各向異性磁阻(AMR)傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器、磁通門傳感器或其他磁場傳感器)被定位成在前端5212的頂表面5218下方。磁場傳感器5216用於檢測由在絕緣線5206中流動的電流產生的磁場，該絕緣線包括被一層或多層絕緣體5224圍繞的導體5222。導體5222周圍的磁場大小與流過該導體的電流大小相關(例如，成比例)。一般來說，當滿足兩個參數時，可由磁場傳感器5216準確地確定在導體5222中流動的電流大小。第一參數是對絕緣線5206相對於磁場傳感器5216的機械定位的控制，在至少一些具體實施中該機械定位由可調節夾持組件5226控制。第二參數是絕緣線5206的物理尺寸信息，諸如其外徑或絕緣線的絕緣體內的導體直徑(即，線徑)，這可由操作性地耦接到可調節夾持組件5226的位置反饋傳感器5228確定或估計。下面進一步討論了可調節夾持組件5226和位置反饋傳感器5228。
此外，在至少一些具體實施中，關於絕緣線5206的線徑的物理尺寸信息可另外地或另選地利用一個或多個參考 信號傳感器獲得，該參考信號傳感器檢測傳感器和絕緣線5206之間生成的參考信號(例如，參考電流信號)。上面參考圖1A至圖15討論了實現用於檢測絕緣線的物理尺寸信息的此類“參考信號”方法的各種示例性非接觸式測量系統。例如，在至少一些具體實施中，可使用可調節夾持組件和位置反饋傳感器來確定絕緣線的總直徑，並且可使用參考信號方法來確定絕緣線的絕緣體的厚度。使用所確定的絕緣線的總直徑和所確定的絕緣體厚度，非接觸式電流測量系統可自動地確定或估計絕緣線的絕緣體內的導體直徑(例如，導體的直徑等於絕緣線的總直徑減去絕緣體厚度的兩倍)。所確定的導體直徑然後可與所檢測到的磁場一起使用，以準確地確定流過絕緣線的電流大小。
在例示的具體實施中，絕緣線5206的機械定位由可調節夾具或“滑塊”夾持組件5226提供，該可調節夾具或“滑塊”夾持組件確保絕緣導體在測量期間被定位成與磁場傳感器5216正確對準(例如，相鄰)。可調節夾持組件5226包括耦接到外殼5208且可選擇性地朝向和遠離前端5212的頂表面5218移動的夾持構件5230。夾持構件5230在本文中可稱為第一夾持部分，並且前端5212在本文中可稱為第二夾持部分。夾持構件5230包括面向前端5212的頂表面5218並且與其大致平行的夾持表面5232。夾持表面5232和頂表面5218一起限定了大小可變的夾具開口5234，該夾具開口的大小和尺寸被設計成接收絕緣線5206的一部分。在例示的示例中，夾持構件5230可選擇性地在夾持開口 5234相對較大的第一位置P1和夾持開口相對較小的第二位置P2之間移動。
如圖44A所示，當夾持構件5230的夾持表面5232與前端5212的頂表面5218間隔開足夠的量以輕鬆允許絕緣線被移動到夾具開口中時，用戶可將絕緣線5206定位在夾具開口5234內。然後，如圖44B所示，用戶可將夾持構件5230向下移動到第三位置P3，以將絕緣線5206“夾持”在前端5212的頂表面5218和夾持表面5232之間，使得頂表面和夾持表面兩者在相對的兩側接觸絕緣線的絕緣層。如本文所用，術語“夾持”用於指絕緣線5206在絕緣線的相對側被頂表面5218和夾持表面5232接觸以保持該線相對於磁場傳感器的位置5216。也就是說，該術語不指示頂表面5218或夾持表面5232必須在絕緣線5206上施加任何特定量的力。
位置反饋傳感器5228用於感測夾持構件5230的位置(例如，線性位置)，並且生成指示該位置的位置反饋傳感器信號(例如，線性位置反饋傳感器信號)。位置反饋信號可以是例如數字或模擬信號。當絕緣線5206被夾持在夾持表面5232和前端5212的頂表面5218之間時，夾持構件5230的感測位置可用於確定或估計絕緣線的直徑或線徑。例如，位置反饋傳感器5228可提供與夾持構件5230的延伸成比例的位置反饋傳感器信號。位置反饋傳感器5228可以是用於感測夾持構件5230的延伸並確定絕緣線5206的直徑的任何合適的傳感器。例如，位置反饋傳感器5228可包括電阻傳感器、磁阻傳感器、霍爾效應傳感器、光學傳感器 等。在至少一些具體實施中，可另外地或另選地使用“參考信號”方法來確定絕緣線5206內的導體直徑或尺寸，這可進一步允許系統5202提供準確的電流測量。
在至少一些具體實施中，夾持構件5230可由合適的偏置構件5236朝向第二位置P2偏置。例如，夾持構件5230可由被耦接在夾持構件和外殼5208的一部分之間的彈簧朝向第二位置P2偏置。有利的是，偏置夾持構件5230可允許夾持組件5226將絕緣線5206更好地保持在夾具開口5234中，同時還能更均勻地測量絕緣線5206的直徑。
由於磁通密度和電流之間的正交關係(例如，用於載流導體周圍的磁通量的“右手定則”)，絕緣線5206相對於磁場傳感器5216的機械定位可能是重要的。另外，位置反饋傳感器5228所提供的物理尺寸信息可能是重要的，因為對於相同的電流，與導體圓周相切的磁通密度在直徑較小的導體中比在直徑較大的導體中要高。因此，通過至少知道絕緣線的直徑的估計，非接觸式電流測量系統5202可通過考慮該線的直徑對所感測的磁場和在該線中流動的電流之間的關係的影響來更準確地確定流過絕緣線的電流。
如下面參考圖48進一步討論的，使用來自磁場傳感器5216的數據和來自位置反饋傳感器5228和/或參考信號傳感器的直徑或線徑數據，非接觸式電流測量系統的至少一個處理器5202可準確地確定流過絕緣線5206的電流的至少一個特性(例如，大小、頻率)。此類信息可經由用戶界面5214的顯示器呈現給用戶，存儲在非接觸式電流測量系 統的非暫態處理器可讀存儲介質中，並且/或者通過有線或無線通信接口傳輸到獨立的裝置。
雖然所示的非接觸式電流測量系統5202包括磁場傳感器5216，但是應當理解，在其他具體實施中，非接觸式電流測量系統可包括各種其他類型的電流傳感器(例如，霍爾效應傳感器、羅戈夫斯基線圈、電流互感器等)，這些傳感器能夠感測由電流產生的磁場而不需要與待測線電流接觸。
在至少一些具體實施中，非接觸式測量系統5202可在電流測量期間利用操作者5204和接地端5228之間的體電容(CB)。儘管術語“接地端”用於節點128，但是該節點不一定是地面/接地，而是可通過電容耦合以電流隔離的方式連接到任何其他參考電位。
圖45示出了非接觸式電流測量系統5300的前方正視圖，該非接觸式電流測量系統具有與圖44A-圖44B的非接觸式電流測量系統5202不同的形狀因數。非接觸式電流測量系統5300可在許多方面與上文討論的非接觸式電流測量系統5202相似或相同。因此，關於非接觸式電流測量系統5202的特徵的部分或全部上述討論可同樣適用於非接觸式電流測量系統5300。
非接觸式電流測量系統5300包括外殼5302，該外殼具有前端5304以及與該前端相對的握持部分或端部5306。外殼5302包括被定位在外殼的表面上的用戶界面5308(例如，顯示器、按鈕)。前端5304包括電流傳感器5312(例 如，磁場傳感器)、可選的參考信號傳感器5313以及用於抓握絕緣線(例如，圖43、圖44A和圖44B的絕緣線5206)的可伸縮夾爪或夾持構件5314。上面參考圖1A-圖15討論了各種參考信號傳感器的操作。前端5304包括與電流傳感器5312相鄰的前端表面5316，並且夾持構件5314包括與前端表面5316相對的夾持表面5318。為了進一步提高電流測量精度，在夾持構件5314中可使用第二磁場傳感器。電流傳感器5312和位於夾持構件5314中的附加傳感器之間的平均信號可用於電流計算。另外，兩個傳感器之間超過極限的差異可用於識別由外部雜散電流引起的不可靠情况，或被夾持在夾持構件5314和5316之間的線的不正確定位。在使用中，絕緣線可被夾持在前端表面5316和夾持表面5318之間，以將絕緣線定位成與電流傳感器5312相鄰。夾持構件5314以及本公開的其他夾持構件可永久地附接到外殼5302，或可選擇性地從外殼拆卸。非接觸式電流測量系統5300還包括位置反饋傳感器5320，並且可選地包括偏置構件5322以將夾持構件5314朝向外殼5302偏置，從而將絕緣線夾持在前端表面5316和夾持表面5318之間。參考圖48提供了適用於非接觸式電流測量系統5300的電流傳感器和位置反饋傳感器的實施方案的進一步討論。
圖46示出了非接觸式電流測量系統5400的前方正視圖，該非接觸式電流測量系統具有與圖44A-圖44B的非接觸式電流測量系統5202不同的形狀因數。非接觸式電流測量系統5400可在許多方面與上文討論的非接觸式電流測量 系統相似或相同。因此，關於以上非接觸式電流測量系統的特徵的部分或全部上述討論可同樣適用於非接觸式電流測量系統5400。
非接觸式電流測量系統5400包括外殼5402，該外殼具有前端5404以及與該前端相對的握持部分或端部5406。外殼5402包括被定位在外殼的表面上的用戶界面5408(例如，顯示器、按鈕、撥盤)。前端5404包括電流傳感器5412(例如，磁場傳感器)、可選的參考信號傳感器5413以及用於握持絕緣線(例如，圖44、圖44A和圖44B的絕緣線5206)的可伸縮鈎或夾持構件5414。前端5404包括與電流傳感器5412相鄰的前端表面5416，並且夾持構件5414包括與前端表面5416相對的夾持表面5418。在使用中，絕緣線可被夾持在前端表面5416和夾持表面5418之間，以將絕緣線定位成與電流傳感器5412相鄰。夾持構件5414可永久地附接到外殼5402，或可選擇性地從外殼拆卸。非接觸式電流測量系統5400還包括位置反饋傳感器5420，並且可選地包括偏置構件5422以將夾持構件5414朝向外殼5402偏置，從而將絕緣線夾持在前端表面5416和夾持表面5418之間。參考圖48提供了可用於非接觸式電流測量系統5400中的電流傳感器和位置反饋傳感器的合適的實施方案。
圖47示出了非接觸式電流測量系統5500的前方正視圖，該非接觸式電流測量系統具有與圖44A-圖44B的非接觸式電流測量系統5202不同的形狀因數。非接觸式電流測量系統5500可在許多方面與上文討論的非接觸式電流測量 系統相似或相同。因此，關於以上非接觸式電流測量系統的特徵的部分或全部上述討論可同樣適用於非接觸式電流測量系統5500。
非接觸式電流測量系統5500包括外殼5502，該外殼具有前端5504以及與該前端相對的握持部分或端部5506。外殼5502包括被定位在外殼的表面上的用戶界面5508(例如，顯示器、按鈕、撥盤)。前端5504包括電流傳感器5512(例如，磁場傳感器)、可選的參考信號傳感器5513以及用於握持絕緣線(例如，圖43、圖44A和圖44B的絕緣線5206)的可伸縮鈎或夾持構件5514。前端5504包括與電流傳感器5512相鄰的前端表面5516，並且夾持構件5514包括與前端表面5516相對的夾持表面5518。在使用中，絕緣線可被夾持在前端表面5516和夾持表面5518之間，以將絕緣線定位成與電流傳感器5512相鄰。夾持構件5514可永久地附接到外殼5502，或可選擇性地從外殼拆卸。非接觸式電流測量系統5500還包括位置反饋傳感器5520，並且可選地包括偏置構件5522以將夾持構件5514朝向外殼5502偏置，從而將絕緣線夾持在前端表面5516和夾持表面5518之間。下面討論的圖48提供了適用於非接觸式電流測量系統5500中的電流傳感器和位置反饋傳感器的實施方案的附加討論。
圖48是提供了非接觸式電流測量功能的非接觸式電流測量系統或儀器5600的示意性框圖。非接觸式電流測量系統5600可與本文討論的任何非接觸式電流測量系統相似或 相同。
非接觸式電流測量系統5600包括通信地耦接到處理器5604的電流傳感器5602(例如，磁場傳感器)。非接觸式電流測量系統5600還包括可調節夾持組件5606和操作性地耦接到可調節夾持組件和處理器5604的位置反饋傳感器5608。在操作中，位置反饋傳感器5608生成指示可調節夾持組件5606的位置的位置反饋傳感器信號，並且根據所檢測到的位置確定被夾持在可調節夾持組件5606中的絕緣線的直徑，如上所述。處理器5604從位置反饋傳感器5608接收位置反饋傳感器信號。
電流傳感器5602可以是任何合適的非接觸式電流傳感器，諸如磁場傳感器、霍爾效應傳感器等。在操作中，電流傳感器5602生成指示流過被夾持在可調節夾持組件5606中的絕緣線的電流的至少一個特性的電流傳感器信號。例如，至少一個特性可包括電流大小或電流頻率。在電流傳感器5602是磁場傳感器的具體實施中，電流傳感器可生成指示由流過絕緣線的電流產生的磁場的磁場傳感器信號，該磁場可由處理器5604分析以確定流過絕緣線的電流的至少一個特性。
可調節夾持組件5606可與本文討論的任何可調節夾持組件相似或相同。位置反饋傳感器5608用於生成指示可調節夾持組件5606的夾持位置的位置反饋傳感器信號，該位置反饋傳感器信號繼而指示由可調節夾持組件夾持的絕緣線的直徑。位置反饋傳感器5608可以是任何合適的位置傳 感器，包括但不限於電阻傳感器、磁阻傳感器、霍爾效應傳感器、光學傳感器等。
處理器5604可包括一個或多個邏輯處理單元，諸如一個或多個中央處理單元(CPU)、微處理器、數字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、微控制器、其他可編程電路、上述這些的組合等。一般來說，處理器5604可通過支持指令的執行並且將讀取數據並將其寫入到一個或多個存儲裝置、I/O接口和通信系統來用作非接觸式電流測量系統5600的計算中心。
非接觸式電流測量系統5600還可包括通信地耦接到處理器5604存儲器5610，該存儲器上存儲有指令或數據中的至少一者。存儲器5610可包括一個或多個固態存儲器，例如閃存存儲器或固態驅動器(SSD)，這些固態存儲器為非接觸式電流測量系統5600提供計算機可讀指令、數據結構、程序模塊和其他數據的非易失性存儲。雖然未示出，但是非接觸式電流測量系統5600可採用其他非暫態計算機或處理器可讀介質，例如硬盤驅動器、光盤驅動器或存儲卡介質驅動器。
非接觸式電流測量系統5600可包括用戶界面5612，該用戶界面可包括任何數量的輸入件5613(例如，按鈕、撥盤、開關、觸摸傳感器、觸摸屏、觸發開關、選擇器、旋轉開關)和任何數量的輸出件5614(例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器)。顯示裝置的非限制性示例包括液晶顯示器(LCD)裝置、發光二極管(LED)裝置和/或有機 發光二極管(OLED)裝置。用戶界面5612可包括觸摸屏，該觸摸屏可以是當前已知的或以後將開發的任何類型的觸摸屏。例如，觸摸屏可以是電容裝置、紅外裝置、電阻裝置或表面聲波(SAW)裝置。在非接觸式電流測量系統5600包括顯示器的具體實施中，顯示器可呈現指示流過待測絕緣線的電流的至少一個特性(例如，大小、頻率)的讀數和/或波形。
在操作中，處理器5604分別從位置反饋傳感器5608和電流傳感器5602接收傳感器信號，以獲得夾持位置和電流測量。如上所述，夾持位置測量指示待測絕緣線的直徑，並且電流傳感器信號可指示流過絕緣線的電流的至少一個特性(例如，大小)。如上所述，處理器5604可利用此類測量來確定流過待測絕緣線的電流的至少一個特性，諸如流過絕緣線的電流的大小和/或頻率。
處理器5604可提供一個或多個所測量的或所確定的特性(例如，電流大小、電流頻率、絕緣線的直徑)的讀數，並且可提供一個或多個特性的圖形表示。此類圖形表示可包括波形、諧波條形圖等。
為了與一個或多個基於處理器的外部裝置進行通信，非接觸式電流測量系統5600可包括一個或多個有線和/或無線通信接口5616。無線通信接口的非限制性示例包括Wi-Fi®、Bluetooth®、Bluetooth® Low Energy、Zigbee®、6LoWPAN®、Optical IR、Wireless HART等。有線通信接口的非限制性示例包括USB®、以太網、PLC、HART、 MODBUS、FireWire®、Thunderbolt®等。
除了向外部裝置發送數據之外，在至少一些具體實施中，非接觸式電流測量系統5600可經由有線和/或無線通信接口5616從外部裝置接收數據或指令(例如，控制指令)中的至少一者。
在至少一些具體實施中，非接觸式電流測量系統5600可不包括顯示器，而是用作傳感器以經由基於處理器的外部裝置遠程監視電氣設備。此類基於處理器的裝置可包括各種類型的裝置，諸如智能電話、平板電腦、膝上型計算機、可穿戴計算機、服務器、雲計算機等。基於處理器的外部裝置可包括顯示器，以呈現由非接觸式電流測量系統5600在一段時間(例如，幾分鐘、幾小時、幾天、幾周)內收集的數據。
在至少一些具體實施中，非接觸式電流測量系統可包括通信地耦接到處理器5604的一個或多個附加電傳感器5618。此類電傳感器5618可包括能夠感測電壓的電壓傳感器、能夠感測電阻的電阻傳感器、能夠感測電容的電容傳感器等。在包括一個或多個附加傳感器5618的此類具體實施中，非接觸式電流測量系統5600可用作提供多種電特性(例如，電流、電壓、功率、電阻、電容)的萬用表。
在至少一些具體實施中，電傳感器5618可包括參考信號傳感器，該參考信號傳感器用於檢測待測絕緣線的絕緣體的厚度。上面參考圖1A-圖15討論了各種示例性參考信號傳感器。在此類具體實施中，可調節夾持組件5606和位 置反饋傳感器5608可用於確定絕緣導線的總直徑，並且參考信號傳感器5618可利用上文討論的參考信號方法來確定絕緣線的絕緣體的厚度。使用由可調節夾持組件5606和位置反饋傳感器5608確定的絕緣線的總直徑，以及由參考信號傳感器5618確定的所確定的絕緣體厚度，非接觸式電流測量系統可自動地確定絕緣線的導體的直徑，該直徑等於絕緣線的總直徑減去所確定的絕緣體厚度的兩倍。所確定的導體直徑然後可與所檢測到的磁場一起使用，以確定流過絕緣線的電流大小。
前述具體實施方式已通過使用框圖、示意圖和示例闡述了裝置和/或過程的各種具體實施。在此類框圖、示意圖和示例包含一個或多個功能和/或操作的情况下，本領域的技術人員將會理解，可通過廣泛的硬件、軟件、固件或幾乎其任何組合來單獨地和/或共同地實現此類框圖、流程圖或示例內的每個功能和/或操作。在一個具體實施中，本主題可經由專用集成電路(ASIC)來實現。然而，本領域的技術人員將認識到，本文公開的具體實施可全部或部分地在標準集成電路中被等同地實現為在一個或多個計算機上運行一個或多個計算機程序(例如，在一個或多個計算機系統上運行一個或多個程序)、在一個或多個控制器(例如，微控制器)上運行一個或多個程序、在一個或多個處理器(例如，微處理器)上運行一個或多個程序、固件或幾乎其任何組合，並且鑒於本公開，為軟件和/或固件設計電路和/或編寫代碼將完全在本領域的普通技術 人員的技能內。
本領域的技術人員將認識到，本文陳述的許多方法或算法可採用另外的動作，可省去某些動作，並且/或者可以與指定順序不同的順序來執行動作。例如，在至少一些具體實施中，非接觸式測量系統可不利用處理器來執行指令。例如，非接觸式測量系統可以是硬連線的，以提供本文討論的部分或全部功能。另外，在至少一些具體實施中，非接觸式測量系統可不利用處理器來引起或發起本文討論的不同功能。
此外，本領域的技術人員將理解，本文提出的機構能夠作為各種形式的程序產品分配，並且不管用於實際實行該分配的信號承載介質為何種特定類型，例示性具體實施都同樣適用。信號承載介質的示例包括但不限於可記錄型介質諸如軟盤、硬盤驅動器、CD ROM、數字磁帶和計算機存儲器。
可組合上述各種具體實施來提供另外的具體實施。在與本文的具體教導和定義不矛盾的情况下，2016年11月11日提交的美國臨時專利申請No.62/421,124、2016年11月7日提交的美國非臨時專利申請No.15/345,256、2017年1月23日提交的美國非臨時專利申請No.15/412,891和2017年1月23日提交的美國非臨時專利申請No.15/413,025全文以引用方式並入本文。
鑒於上文的具體實施方式，可對這些具體實施做出這些及其他改變。一般來說，在以下申請專利範圍中，所用 的術語不應被解釋為將申請專利範圍限制於本說明書和申請專利範圍中公開的具體實施，而應被解釋為包括所有可能的具體實施以及此類申請專利範圍賦予的等效物的全部範圍。因此，申請專利範圍並不受本公開內容所限定。
102:非接觸式電壓測量系統
106:絕緣線
108:外殼/主體
110:握持部分/端部
112:探頭部分/端部
114:用戶界面
116:凹部
118:第一延伸部分
120:第二延伸部分
122:導體/線
124:絕緣體
126:傳感器/電極/導電傳感器
128:接地端
VO:AC電壓
CB:體電容
CO:耦合電容器
IO:信號電流

Claims (20)

  1. 一種非接觸式測量系統，包括：外殼，所述外殼包括前端；電壓傳感器，所述電壓傳感器被定位成接近所述外殼的所述前端，在操作中，所述電壓傳感器感測絕緣線中的電壓而不與所述絕緣線電流接觸；電流傳感器，所述電流傳感器被定位成接近所述外殼的所述前端，在操作中，所述電流傳感器感測所述絕緣線中的電流而不與所述絕緣線電流接觸；和定位在所述外殼中的至少一個處理器，所述至少一個處理器操作性地耦接到所述電壓傳感器和所述電流傳感器，其中在操作中，所述至少一個處理器：在測量時間間隔期間從所述電壓傳感器接收由所述電壓傳感器獲得的電壓傳感器信號，所述電壓傳感器信號指示所述絕緣線中的所述電壓；在所述測量時間間隔期間從所述電流傳感器接收由所述電流傳感器獲得的電流傳感器信號，所述電流傳感器信號指示所述絕緣線中的所述電流；並且至少部分地基於所述電壓傳感器信號和所述電流傳感器信號來確定至少一個交流(AC)電參數；對準反饋傳感器，所述對準反饋傳感器操作性地耦接到所述至少一個處理器並且被定位成接近所述非接觸式測量系統的所述外殼的所述前端，在操作中，所述對準反饋 傳感器生成指示所述絕緣線相對於所述電壓傳感器和所述電流傳感器的當前對準的對準反饋傳感器信號；和指示裝置，所述指示裝置操作性地耦接到所述至少一個處理器，其中在操作中，所述至少一個處理器從所述對準反饋傳感器接收所述對準反饋傳感器信號，並使所述指示裝置至少部分地基於所述對準反饋傳感器信號向所述非接觸式測量系統的用戶提供對準指示。
  2. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中所述電流傳感器包括磁場傳感器。
  3. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中所述電壓傳感器包括電容分壓器型電壓傳感器、參考信號型電壓傳感器或多電容器型電壓傳感器中的一者。
  4. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中所述電壓傳感器包括參考信號型電壓傳感器，在操作中，所述參考信號型電壓傳感器感測所述絕緣線中的參考信號而不與所述絕緣線電流接觸；並且其中所述至少一個處理器接收所述參考信號，並且至少部分地基於所述參考信號來確定流過所述絕緣線的所述電流的至少一個特性。
  5. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中所述至 少一個AC電參數包括功率、相位、頻率、諧波或能量中的至少一者。
  6. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中在操作中，所述至少一個處理器至少部分地基於所述電壓傳感器信號和所述電流傳感器信號來確定多個AC電參數。
  7. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，還包括操作性地耦接到所述至少一個處理器的顯示器，在操作中，所述至少一個處理器使所述顯示器呈現所述至少一個AC電參數。
  8. 根據請求項7所述的非接觸式測量系統，其中在操作中，所述至少一個處理器使所述顯示器呈現與所述至少一個AC電參數相關聯的波形或曲線圖中的至少一者。
  9. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，還包括操作性地耦接到所述至少一個處理器的通信接口，在操作中，所述至少一個處理器經由所述通信接口將數據發送到至少一個外部裝置，所述數據與所述電壓傳感器信號、所述電流傳感器信號或所確定的至少一個AC電參數中的至少一者相關聯。
  10. 根據請求項9所述的非接觸式測量系統，其中所述通 信接口包括無線通信接口，所述無線通信接口操作性地將所述數據無線發送到所述至少一個外部裝置。
  11. 根據請求項9所述的非接觸式測量系統，還包括：至少一個外部裝置，包括：顯示器；通信接口，所述通信接口在操作中接收由所述非接觸式測量系統的所述通信接口發送的所述數據；和至少一個處理器，所述至少一個處理器操作性地耦接到所述顯示器和所述通信接口，在操作中，所述至少一個處理器：經由所述通信接口接收來自所述非接觸式測量系統的所述數據；並且使所述顯示器呈現所述至少一個AC電參數。
  12. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中所述指示裝置包括視覺指示裝置或聽覺指示裝置中的至少一者。
  13. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中所述指示裝置包括顯示器或多個燈中的至少一者，並且在操作中，所述至少一個處理器使所述指示裝置向所述用戶提供包括多種顏色的對準指示，所述多種顏色中的每種顏色對應於所述絕緣線相對於所述電壓傳感器和所述電流傳感器的不同水平的對準。
  14. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中在操作中，所述至少一個處理器使所述指示裝置至少部分地基於所述對準反饋傳感器信號來提供測量精度的指示。
  15. 根據請求項1所述的非接觸式測量系統，其中在操作中，所述至少一個處理器使所述指示裝置至少部分地基於所述對準反饋傳感器信號來提供接近待測的所述絕緣線的帶電電路的指示。
  16. 一種操作非接觸式測量系統以確定絕緣線中的至少一個交流(AC)電參數的方法，所述方法包括：在測量時間間隔期間，經由定位在所述非接觸式測量系統的外殼中的電壓傳感器感測所述絕緣線中的電壓，而不與所述絕緣線電流接觸；在所述測量時間間隔期間，經由定位在所述非接觸式測量系統的所述外殼中的電流傳感器感測所述絕緣線中的電流，而不與所述絕緣線電流接觸；以及經由定位在所述非接觸式測量系統的所述外殼中的至少一個處理器，至少部分地基於所述電壓和所述電流來確定至少一個交流(AC)電參數；從被定位在接近所述外殼的前端的對準反饋傳感器接收對準反饋傳感器信號，所述對準反饋傳感器信號指示所述絕緣線相對於所述電壓傳感器和所述電流傳感器的當前 對準；和使被定位在所述非接觸式測量系統的所述外殼的表面上的所述指示裝置至少部分地基於所述對準反饋傳感器信號向所述非接觸式測量系統的用戶提供對準指示。
  17. 根據請求項16所述的方法，其中感測所述電壓包括利用電容分壓器型電壓傳感器、參考信號型電壓傳感器或多電容器型電壓傳感器中的一者感測所述電壓，並且感測所述電流包括利用磁場傳感器感測所述電流。
  18. 根據請求項16所述的方法，其中確定至少一個AC電參數包括至少部分地基於所述電壓和所述電流來確定功率、相位、頻率、諧波或能量中的至少一者。
  19. 根據請求項16所述的方法，還包括：向所述非接觸式測量系統的用戶呈現所述至少一個AC電參數的指示。
  20. 一種非接觸式測量系統，包括：外殼，所述外殼包括前端；電壓傳感器，所述電壓傳感器被定位成接近所述前端，在操作中，所述電壓傳感器在測量時間間隔期間感測絕緣線中的電壓而不與所述絕緣線電流接觸；電流傳感器，所述電流傳感器被定位成接近所述前 端，在操作中，所述電流傳感器在測量時間間隔期間感測所述絕緣線中的電流而不與所述絕緣線電流接觸；對準反饋傳感器，所述對準反饋傳感器被定位成接近所述前端；指示裝置，所述指示裝置被定位在所述外殼的表面上；和定位在所述外殼中的至少一個處理器，所述至少一個處理器通信地耦接到所述電壓傳感器、所述電流傳感器、所述對準反饋傳感器和所述指示裝置，其中在操作中，所述至少一個處理器：至少部分地基於所述電壓和所述電流來確定至少一個交流(AC)電參數；從所述對準反饋傳感器接收對準反饋傳感器信號，所述對準反饋傳感器指示所述絕緣線相對於所述電壓傳感器和所述電流傳感器的當前對準；並且使所述指示裝置至少部分地基於所述對準反饋傳感器信號向所述非接觸式測量系統的用戶提供對準指示。
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