TWI809582B - 非接觸式電壓感測方法及裝置 - Google Patents

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布洛克 亞倫
杜塔 普拉巴爾
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Abstract

一種非接觸式電壓感測裝置，在不直接電接觸導體的情況下，測定在交流導體與參考電位之間的電壓。殼體提供排除其他導體的屏蔽量測區域且固持電源供應手段；交流電壓感測機構，包括傳導感測板及至參考電位的電連接。波形感測電子電路取得由該導體與該傳導感測板之間電容耦合所感應的交流電壓波形。電容測定電子電路取得基於形成在該導體與該傳導感測板之間的耦合電容的比例因數。訊號處理電子電路使用該交流電壓波形及基於該耦合電容的該比例因數，以取得該導體與該參考電位之間的該電壓。

Description

非接觸式電壓感測方法及裝置
〔相關申請案對照參考〕
本申請案主張在2020年12月4日提出申請的美國申請案號17/112,692的優先權優惠，名稱為「NON-CONTACT VOLTAGE SENSING METHOD AND APPARATUS(非接觸式電壓感測方法及裝置)」，Michael C.Lorek列名為第一發明人，該美國申請案為目前在2021年5月11日公告的美國專利號11,002,765；以及，本申請案主張在2021年5月7日提出申請的美國申請案號17/315,149的優先權優惠，名稱為「NON-CONTACT VOLTAGE SENSING METHOD AND APPARATUS(非接觸式電壓感測方法及裝置)」，Michael C.Lorek列名為第一發明人。在各種情況下，前述的參考申請案的全文內容藉由引用的方式盡皆納入本文。
本發明相關於一種在交流(alternating current；AC)導體量測電位的改善系統及方法。
現有量測交流電壓的手段需要電接觸目標導體以及參考電位，以形成電壓計與待量測電路並聯的路徑。
本申請揭露了一種非接觸式電壓感測裝置，適用於取得參考電位及交流電路的通電或「熱(hot)」導體之間的電壓測定，無需與第一熱導體直接電接觸，也無需與任何其他交流電壓訊號比較。
本文所揭露的非接觸式電壓感測裝置的技術進步使其克服了現有功率表的局限性，與習知技術的電壓量測裝置相比具有顯著的優勢。舉例而言：所揭露的電壓感測裝置使用非接觸式電容耦合系統及量測交流導體中的電壓訊號的技術。這允許不需要與熱導體電線有實體接觸的精確之電壓感測操作(量測適當形狀及比例的波形，不僅僅是峰值檢測)。所揭露的裝置減少了安裝時間、不需要中斷電源、且能檢測導體電壓中的諧波，而可用於檢測及預測設備故障或性能問題。
所揭露的技術通過導體及位於導體附近的感測板之間的電容耦合，取得目標通電導體的交流波形。一電子電路對代表通電導體及參考電位之間交流電壓的濾波版本的波形進行採樣。另一電路測定該導體及該感測板之間的該耦合電容。上述都允許類比或數位訊號處理電路恢復線電壓的形狀或頻譜，並正確縮放該經恢復的波形。因此，本文所揭露的非接觸式電壓感測裝置準確地測定交流線電壓。
此外，所揭露的技術允許鉗形比流器(CT)提供目標導體的電流量測，並提供一個多用性電路將比流器(當其不主動量測電流時)重新作為能量收集器以提供運作電源予非接觸式電壓感測裝置。在一些實施例中，鉗形比流器作為無多用性的電流感測器及能量收集器的功能。舉例而言：通過估計或 計算能量收集器的輸出電壓、電流或功率，能量收集及電流感測功能可以同時運作。收集能量為非接觸式電壓感測裝置供電並同時量測目標導體中流動的電流可以提高能源效率。另一個範例，當電流感測電路處於主動狀態時，構件(如，能量收集電子電路)可以關閉。
100:非接觸式電壓感測裝置
1006:電線
1008:電線
1010:電線
1012:電線
1020:距離
1030:電容
1056:電線
1058:電線
1060:電線
1062:電線
1070:距離
1080:百分比誤差幅度
110:殼體
1100:導體固定及量測系統
1110:上殼體
1115:下殼體
1116:鉸鏈
1120:量測區域
1122:導體
1130:固定卡鉗爪
1140:可動卡鉗爪
1145:導軌
1150:導軌接收器
1160:張力板簧
1170:滑動量具
1180:讀取器
120:量測區域
1210:接地
1215:感測器接地
1220:第一導體VA
1230:導體VB
1235:電容
1237:潛在電容
1240:導體VC
1245:電容
1247:潛在電容
125:外殼
130:傳導感測板
1300A:非接觸式電壓感測裝置
1300B:非接觸式電壓感測裝置
1300C:非接觸式電壓感測裝置
131:導體量測手段
1310:殼體
1320:量測區域
1321:橫軸
1325:軟性基板
1326:縱軸
1327:分隔區域
1328:剛性基板
133:數位卡尺電子電路
1330:傳導感測板
1335:連接
1340:電子元件
135:濕度感測器
1350:屏蔽層
1360:絕緣層
1375:無線電
1375:射頻通訊電子電路
1377:連接介面
1380:感測器
1385:周長標記
140:電容式交流電壓感測機構
142:波形感測電子電路
144:電容測定電子電路
145:參考電位
146:訊號處理電子電路
150:電流感測機構
151:比流器
152:電流感測器
155:電流處理電子電路
160:電源裝置
162:能量收集電子電路
164:電池
166:電壓源
170:輸入/輸出構件
175:無線電收發器
178:天線
180:控制電路
185:多用性電路
190:記憶體
200:非接觸式電壓感測裝置
210:上殼體
212:鉤
214:上鉸鏈部
215:下殼體
216:下鉸鏈部
218:桿
220:量測區域
230:傳導感測板
235:連接件
240:電子元件
251:上核
252:下核
253:繞組
300:非接觸式電壓感測裝置
310:彈性發泡件
320:分離器
330:載體
342:印刷電路板
344:印刷電路板
346:印刷電路板
350:對準器
400:非接觸式電壓感測裝置
420:導體
500:常式
501:開始方塊
515:方塊
525:方塊
535:方塊
540:方塊
545:方塊
550:方塊
555:方塊
560:方塊
565:方塊
575:方塊
599:完成方塊
600:多用性電路
610:地
615:中性線
620:熱導體
625:線電壓
630:傳導感測板
635:電容Csense
640:開關S0
645:開關S1
650:波形檢測器
655:波形輸出「Vsense」
660:電容檢測器
665:比例因數
700:波形檢測器電路
735:電流i1
745:直流參考電壓Vref
750:放大器
751:感測器接地
752:電壓VCC
755:反饋迴路電阻Rf
800:電容測定電子電路
820:熱導體
840:反饋電阻Rf
841:電阻R1
842:直流參考電壓
843:電阻R2
850:運算放大器
851:感測器接地
852:VCC
860:輸出電壓Vout
865:頻率fVout
900:校準電路
935:電容Cpar
940:相位開關S1
950:電容檢測器
A825:節點
B:節點
B830:節點
C:電容
第1圖為顯示根據各種的實施例的非接觸式電壓感測裝置範例的運作構件的方塊圖。
第2圖為顯示根據一個實施例的非接觸式電壓感測裝置範例的構件的分解立體圖。
第3圖為顯示根據一個實施例的非接觸式電壓感測裝置範例的構件的不同的分解立體圖。
第4圖為顯示根據一個實施例的非接觸式電壓感測裝置組裝範例的立體圖。
第5圖為顯示根據一個實施例的非接觸式電壓感測系統的操作常式。
第6圖為顯示根據一個實施例的經配置而量測波形及電容的電子構件的多用性電路的線路示意圖。
第7圖為顯示根據一個實施例的波形偵測電路的電子構件的線路示意圖。
第8圖為顯示根據一個實施例的電容偵測電路的電子構件的線路示意圖。
第9圖為顯示根據一個實施例的經配置而校準電容偵測電路的校準電路的電子構件的線路示意圖。
第10A圖至第10B圖為顯示感測電容對於導體尺寸及對於與傳導感測板的距離的靈敏度的圖。
第11圖為顯示根據一實施例的包括數位卡尺的導體固定及量測系統範例的實體構件。
第12圖為顯示多相耦合電容的線路示意圖。
第13A圖至第13D圖為顯示根據各種的實施例的具有軟性感測附件的非接觸式電壓感測裝置範例的示意圖、立體圖及剖視圖。
現在詳細參考圖式中說明的實施例的敘述。雖然結合圖式及相關敘述對實施例進行了描述，但並不打算將範圍限制在本文揭露的實施例中。相反地，其目的是涵蓋所有的替代、修改及等效的方案。在另一實施例中，額外的感測裝置、或圖示裝置的組合，可以被添加到或結合起來，而不限制本文所揭露的實施例的範圍。以下討論的每個圖式可能包括比所示及敘述的更多或更少的構件。此外，並非所有敘述的構件都是施行各種實施例所需要，而且構件的安排及類型也可以進行變化。然而，所顯示的構件足以揭露用於施行所揭露技術的各種說明性實施例。
以下提出的實施例主要是在量測電路的背景下敘述，如住宅、商業、工業或公用事業級佈線(包括，例如：電力傳輸及分配網路)。然而，本 文敘述的實施例是說明性的範例，決不是將所揭露的技術限制在任何特定的尺寸、結構或導體的應用上。
「在一個實施例中」、「在各種實施例中」、「在一些實施例中」等措辭被反復使用。這些措辭不一定指的是同一實施例。術語「包含」、「具有」及「包括」是同義，除非上下文另有規定。在本說明書及所附請求項中，單數形式的「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」包括複數指稱，除非內容明確規定。舉例而言：「一比例因數」一般包括多個比例因數。還應注意的是，術語「或」通常在其意義上被採用，包括「及/或」，除非內容明確規定了其他含義。
術語「感測(sense/sensing)」、「計量(meter/metering)」、「檢測(detect/detecting)」及「量測(measure/measuring)」一般是同義，除非上下文另有規定。舉例而言：「檢測」交流波形一般是指取得連續變化的交流電流的量測，而不僅僅是取得代表交流波形是否存在的布林值。同樣，「檢測器」應被解釋為取得量測的設備，而不僅僅是檢測存在。術語「電」及「電氣」通常是同義。術語「電壓」及「電位」或「電勢」一般也是同義。同樣，術語「安培數」及「電流」或「電流值」通常是同義。因此，術語「電壓感測裝置」及「電位計量系統」是同義。
所揭露的非接觸式電壓感測裝置可以採取各種形式的因素。第1圖至第13圖說明了各種不同的安排、設計及子系統的可能性。圖示的感測系統及方法不是一窮舉的清單；在其他實施例中，用於接收導體的量測區域或用於給非接觸式電壓感測裝置供電及/或控制的電路可以形成不同的安排。然而，沒有必要為了敘述說明性的實施例而窮舉展示這種可選的實施細節。
第1圖是一方塊圖，說明根據一個實施例的非接觸式電壓感測裝置100的操作元件。該裝置100通常包括一殼體110。裝置100包括一量測區域120，該區域被配置為接收導體，例如：「熱」交流導體(或「線」)，如絕緣銅線。非接觸式電壓感測裝置100被配置成當量測區域120接收導體時，導體不會被中斷。在各種實施例中，量測區域120在運作中接收單一導體，並被配置為排除其他導體(包括，例如：任何額外的「熱」線)。在各種實施例中，殼體110提供、定義或指示量測區域120。在各種實施例中，量測區域120被配置為使導體沿著、進入或穿過量測區域120。因此，量測區域120可以安排在殼體110的內部及/或外部。
非接觸式電壓感測裝置100進一步包括一外殼125。外殼125可由具有高傳導性的材料構成，如金屬箔或網。在不同的實施例中，外殼125可以圍繞非接觸式電壓感測裝置100的部分或全部元件形成法拉第籠，例如圍繞以下關於該第1圖敘述的量測電路及傳導感測板。在一些實施例中，外殼125可以僅部分地圍繞非接觸式電壓感測裝置100的部分或全部構件延伸，及/或可以包括一個以上孔，例如：以容納量測區域120中的導體。在一些實施例中，外殼125不環繞量測區域120。在一些實施例中，外殼125連接或可連接到接地或中性線電位。在一些實施例中，外殼125被主動驅動到參考電位或與電極或傳導感測板的電位相匹配。
圖示的非接觸式電壓感測裝置100包括一電容式交流電壓感測機構140。電壓感測機構140包括被配置為取得量測區域120中的導體中的交流電壓的測定的構件，例如通過感測交流線電壓波形，測定基於耦合電容的比例因數，以及處理波形及比例因數，如本揭露中進一步敘述。
電容式交流電壓感測機構140包括一電極或傳導感測板130，配置成使傳導感測板130與量測區域120的導體形成電容耦合。非接觸式電壓感測裝置100進一步包括可連接到參考電位145的電連接，用於測定導體及參考電位之間的電壓。與參考電位145的電連接可以包括與接地電位的電阻式或電容式連接。在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100驅動與參考電位145的電連接。舉例而言：用相同的訊號主動驅動外殼125及傳導感測板130，或驅動外殼125至匹配傳導感測板130的電壓，可以減少寄生電容的影響，以便更準確地量測目標導體的電壓。
在各種實施例中，非接觸式電壓感測裝置100經配置而使在量測區域120接收導體時，傳導感測板130具有測定的或其他可測定的幾何關係的導體。在該導體與該傳導感測板130之間的幾何關係，以及，例如：導體的尺寸或其他實體特性(如，線規及/或絕緣套厚度)可以是已知、固定的或預先設定；或者它們可以是可量測的或類似可測定。在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100被配置為自動定位傳導感測板130及/或導體彼此之間的關係。以下參照第3圖、第11圖及第13A圖至第13C圖進一步詳細敘述各種此類配置的說明性範例。在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括導體量測手段131，以固定及/或量測量測區域120處導體的一個以上方面。以下參照第11圖進一步詳細敘述一範例的導體量測手段131及數位卡尺電子電路133。在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括濕度感測器135，以使該裝置100能夠識別並補償與濕度變化相關的空氣介電常數的變化。
電容式交流電壓感測機構140包括經配置而感測交流線電壓波形的波形感測電子電路142。波形感測電子電路142可以藉由量測於量測區域120中的 通電導體與感測板130之間電容耦合所感應的電流而取得交流波形。波形感測電子電路142可以包括一個運算放大器(「op-amp」)電路，如以下參考第7圖進一步詳細敘述。
電容式交流電壓感測機構140還包括電容測定電子電路144(本文也稱為耦合電容軌跡電子電路)，經配置而感測於量測區域120中的導體與傳導感測板130之間的耦合電容。在一些實施例中，電容測定電子電路144包括具有部分取決於耦合電容的輸出頻率的元件，如以下參考第8圖進一步詳細敘述。在一些實施例中，電容測定電子電路144包括主動訊號驅動器，驅動傳導感測板130及/或外殼125。
在一些實施例中，主動訊號驅動器是具有主動或被動屏蔽功能的電容量測晶片或電路，如在非類比環境中使用，以例如感測按壓電容感測按鈕的手指的存在。這種電容量測晶片的範例包括：德州儀器®(「Texas Instruments；TI」)FDC1004電容到數位轉換器微晶片；微晶片科技公司MTCH1010觸碰控制器微晶片；亞德諾半導體公司AD7148電容式觸碰控制器晶片；及意法半導體公司STM8T141電容式感測器裝置。標題為「FDC1004 4-Channel Capacitance-to-Digital Converter for Capacitive Sensing Solutions(用於電容式感測解決方案的FDC10044通道電容數位轉換器)」的TI的FDC1004資料表及標題為「Capacitive Sensing：Ins and Outs of Active Shielding(電容式感測：主動屏蔽的來龍去脈)」的TI應用報告的內容；標題為「MTCH1010 Data Sheet(MTCH1010資料表)」的微晶片科技公司MTCH1010資料表及標題為「Capacitive Touch Sensor Design Guide(電容式觸碰感測器設計指南)」的微晶片科技公司應用筆記AN2934的內容；標題為「Programmable Touch Controller for Single Electrode Capacitance(Rev.B)(用於單電極電容感測器的可程式設計觸碰控制器(Rev.B))」的亞德諾半導體公司AD7148資料表的內容；及標題為「Single-channel capacitive sensor for touch or proximity detection with shielded sensing electrode(使用屏蔽感應電極進行觸碰或接近檢測的單通道電容式感測器)」的意法半導體公司STM8T141資料表的內容均通過引用併入本文。這種電容量測晶片或電路可以被配置為以高頻(例如：大約25kHa)波形驅動傳導感測板130及/或外殼125。
電容式交流電壓感測機構140還包括訊號處理電子電路146。訊號處理電子電路146處理由波形感測電子電路142取得的交流線電壓波形表示，以恢復線電壓波形的形狀或頻譜。訊號處理電子電路146可以處理由電容測定電子電路144取得的耦合電容測定以取得比例因數。訊號處理電子電路146還可以使用由導體量測手段131(例如：通過數位卡尺電子電路133)取得的導體的一個以上實體特性的測定來取得比例因數。訊號處理電子電路146根據比例因數縮放恢復的線電壓波形的形狀或頻譜，以取得量測區域120中導體中真實交流線電壓的準確量測值。在各種實施例中，訊號處理電子電路146可以包括類比及/或數位訊號處理構件。
在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括電流感測機構150。電流感測機構150可以包括比流器(「current transformer；CT」)151、電流感測器152及電流處理電子電路155。電流感測器152可以是鉗形比流器、實核比流器、羅氏線圈、各向異性磁阻(AMR)感測器、巨磁阻(GMR)感測器、霍爾效應感測器、電流感測電阻器、電感器等。在一些實施例中，訊號處理電 子電路146可以處理電流波形及電壓波形並使其時間同步，以取得基於檢測到的交流電流及電壓的功率因數的測定。
在各種實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括電源裝置160，經配置而對非接觸式電壓感測裝置100的電子電路供電。舉例而言：電源裝置160可以包括儲能系統，如電容器或電池164；外部電源，如直流(「DC」)電壓源166；或用於從交流導體取得能量的裝置，如能量收集電子電路162。舉例而言：電源裝置160可以被配置為通過量測區域120從導體取得電源，例如：通過電流感測機構150的比流器151。
在各種實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括控制電路180。控制電路180可以包括多用性電路185，其被配置為在電路之中或之間共享或切換元件。舉例而言：控制電路180可以在波形感測電子電路142及電容測定電子電路144之間多路複用傳導感測板130。作為另一個範例，控制電路180可以在感測機構150及能量收集電子電路162之間多路複用比流器151。作為又一範例，控制電路180可以在到參考電位145的電連接(例如：當波形感測電子電路142在操作時)及傳導感測板130之間多路複用外殼125(例如：用於電驅動器電路以將它們驅動到相同電位，最小化它們之間的電位差並因此最小化位移電流，從而當電容測定電子電路144在操作中時最小化它們之間的電容的影響或將它們從量測電路隱藏)。多用性電路185可以重新配置子電路以包括或排除構件，以使它們可以在不相互干擾的情況下執行多種功能。多用性電路185可以根據基於時間(例如：以均勻、不均勻或不規則的間隔或根據時間表)、需要(例如：基於由控制電路180接收的一個以上訊號，如電池164等級)、感測的電壓及/或電流值，或其他因素的各種演算法而操作。
此外，控制電路180可以被配置成將由電壓感測機構140(例如：通過波形感測電子電路142，根據電容測定電子電路144縮放)量測的適當縮放的採樣波形與由電流感測機構150取得的電流量測值，允許非接觸式電壓感測裝置100計算功率耗散、功率輸送或功率因數，以及其他可能的計算，包括有功功率、無功功率及視在功率。
在各種實施例中，資料匯流排連接非接觸式電壓感測裝置100的各種內部系統及邏輯構件。舉例而言：控制電路180可包括使量測值被記錄到記憶體190及/或經由輸入/輸出(「I/O」)構件170，如，用於發射及/或接收射頻(「RF」)訊號(例如：經由低功率廣域網路(「LPWAN」)〔例如：LoRa、Sigfox、LTE-M、NB-IoT等〕、藍牙、Wi-Fi、ZigBee、蜂巢式網路連接、NFC、RFID等)的無線電收發器175(例如：具有天線178)發射，或其他介面(例如：USB、UART等有線通訊埠)。輸入/輸出構件170可以允許將資料(包括，例如：記錄的電壓量測值)從非接觸式電壓感測裝置100發送到外部設備或目的地。輸入/輸出構件170還可以允許將指令傳輸到控制電路180或非接觸式電壓感測裝置100的其他構件，例如記憶體190。輸入/輸出構件170可以與，例如：專用儀表讀取設備、行動電話、桌上型電腦、筆記型電腦、平板電腦、隨身電腦或被配置為連接到非接觸式電壓感測裝置100的其他計算設備接合。
記憶體190可以包括暫時及/或永久儲存器的組合，以及唯讀記憶體(「ROM」)及可寫記憶體(例如：隨機存取記憶體(「RAM」))、處理器暫存器及晶載快取記憶體)、可寫非揮發性記憶體(例如快閃記憶體或其他固態記憶體)、硬碟、可移除式媒體、磁性或光學可讀碟及/或帶、奈米技術記憶體、合成生物記憶體等。記憶體不是與底層硬體分離的傳播訊號；因此，記憶 體及電腦可讀儲存媒體本身並不指暫態傳播訊號。記憶體190包括包含程式、軟體及/或資訊的資料儲存器，如作業系統(例如：嵌入式即時作業系統)、應用程式或功能常式及資料(例如：資料結構、資料庫條目、波形表示、量測記錄、計算結果等)。
非接觸式電壓感測裝置100可包括上述構件的子集或超集。附加的構件可以包括，例如：顯示螢幕(如，LCD、LED或OLED顯示螢幕或電子墨水顯示器)、用於播放音訊的揚聲器、用於振動之類的觸覺輸出的觸覺反饋裝置、環境感測器，如溫度感測器、電源管理或調節系統等。在各種實施例中，可以存在附加的基礎設施以及附加的設備。此外，在一些實施例中，敘述為由一些或所有非接觸式電壓感測裝置100提供的功能，可以通過實體及/或邏輯設備的各種組合來實現，例如：一個以上複製及/或分散式實體或邏輯設備。舉例而言：在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括被配置為獲取電壓參數(形狀、頻率分量及相位等)並將其無線傳輸到外部設備的感測器，並且可以或可以不包括任何電流感測或訊號處理電路。
非接觸式電壓感測裝置100的各方面，可以體現在專門或特殊用途的電腦設備或資料處理器，其特別地受程式設計、配置或構造成執行本文詳細解釋的一個以上可電腦執行指令。舉例而言：控制電路180可以體現在微控制器或特殊應用積體電路(「ASIC」)中。非接觸式電壓感測裝置100的各種電路或電路可以包括或體現在根據儲存在記憶體190中的電腦可讀指令控制非接觸式電壓感測裝置100的操作的處理元件中。處理元件可以是任何邏輯處理單元，例如一個以上中央處理單元(「CPU」)、圖形處理單元(「GPU」)、數位訊號處理器(「DSP」)、現場可程式閘陣列(「FPGA」)、特殊應用積體電路 處理構件可以是電子設備中的單個處理單元或複數個處理單元，或者分佈在複數個設備上。所揭露的系統及方法的方面也可以在分散式計算環境中實踐，其中任務或模組由通過通訊網路鏈接的遠端處理設備執行，例如區域網路(LAN)、廣域網路(WAN)、或網際網路，例如：從「雲端運算」提供商提供的運算資源。在分散式計算環境中，模組可以位於局部及遠端記憶體儲存設備中。舉例而言：在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置100包括被配置為在第一位置獲取電壓參數的感測器，以及在遠離第一位置的第二位置處的訊號處理電路。這樣的實現允許在具有集中運算資源的低成本的電力網路周圍進行遠程電壓感測。
本文揭露的系統的替代實施可以採用具有以不同方式排列的方塊的系統；並且可以刪除、移動、添加、細分、組合及/或修改一些方塊以提供替代或子組合。這些方塊中的每一個都可以以多種不同的方式實現。然而，沒有必要為了敘述說明性實施例而在第1圖中表示這樣的基礎設施及實施細節或變化。
第2圖顯示了根據一實施例的範例非接觸式電壓感測裝置200的元件的分解立體視圖。範例性非接觸式電壓感測裝置200包括分為兩部分的殼體：上殼體210及下殼體215。上殼體210包括上鉸鏈部214，下殼體215包括下鉸鏈部216。上鉸鏈部214及下鉸鏈部216一起形成鉸鏈，其允許上殼體210及下殼體215鉸接開啟並保持連接，提供了將非接觸式電壓感測裝置200放置在導體周圍的有利方式。當上鉸鏈部214、下鉸鏈部216接合並且上殼體210及下殼體215閉合時，上殼體210上的鉤212與下殼體215上的桿218接合以將非接觸式電壓感測裝置200固定在導體周圍。圖示的鉸鏈及閉合機構是範例；替代方法可包括多種機制 中的任一種，例如：上殼體210及下殼體215之間的摩擦配合或卡扣配合、旋入式附接、磁性附接、鎖定銷、緊固件固定、鉤-環結構固定、另一種類型的機械閂鎖等。沒有鉗形比流器(例如：具有一件式的變壓器的核或沒有比流器)的實現可以在一個部分中具有殼體並且根本不包括閉合機構。
當非接觸式電壓感測裝置200關閉時，它為導體提供量測區域220。在圖示的實施例中，量測區域220穿過非接觸式電壓感測裝置200。在其他實施例中，量測區域可以以其他方式佈置，例如沿著非接觸式電壓感測裝置，以使裝置可以量測位於或毗鄰設備上的導體中的電壓，而無需導體穿過設備。
與量測區域220相鄰的是傳導感測板230。傳導感測板230通過連接件235電連接到電路或電子元件240。
非接觸式電壓感測裝置200包括分成兩部分的比流器(例如：鐵磁核，如鐵氧體或奈米晶核)：上殼體210內的上核251，以及下殼體215內的下核252。上核251及下核252一起形成圍繞量測區域220的完整迴路。在一些實施例中，比流器(CT)是一體的而不是分裂鐵核，其可能僅部分圍繞導體或可能需要導體穿過比流器的核。當導體在量測區域220中通電並且非接觸式電壓感測裝置200圍繞導體閉合時，圍繞下核252並連接到電子元件240的繞組253使比流器能夠感測通過導體及/或從導體中獲取能量。
本揭露包括電壓感測系統的各種佈置及形狀，並且不限於通過該說明性範例敘述的實施例。舉例而言：第11圖及第13A至13C圖說明了替代安排。
第3圖顯示了根據一個實施例的範例非接觸式電壓感測裝置300的元件的不同分解分解圖。範例非接觸式電壓感測裝置300的圖示包括第2圖的非接觸式電壓感測裝置200的元件。舉例而言：它包括殼體的元件：上殼體210及 下殼體215，上鉸鏈部214及下鉸鏈部216，上殼體210上的鉤212與下殼體215上的桿218接合。範例非接觸式電壓感測裝置300還包括量測區域220，其周圍設有形成比流器的核的上核251及下核252(繞組253在該圖中未顯示)。
在該實施例中，彈性發泡件310被配置為安裝在上殼體210內，在比流器的上核251的相對側上。當非接觸式電壓感測裝置300被組裝並且圍繞導體閉合時，彈性發泡件310提供機械彈簧力以按壓量測區域220中的導體朝向傳導感測板230。在各種實施例中，可以採用其他機械裝置來在非接觸式電壓感測裝置300內固定或定位導體，例如：彈簧或彈簧加載板以在導體上提供推力，或者帶或夾子將導體拉定位置。
為了說明的目，顯示了下核252及對準器350，與它們在該範例非接觸式電壓感測裝置300中組裝的順序不同。在操作中，對準器350及下核252將位於用於傳導感測板230的載體330下方。類似地，為了可見性，電子元件240被表示為在下殼體215的外部斷開。
在該實施例中，分離器320將量測區域220與傳導感測板230分離，並且在其下方操作中，載體330、對準器350、比流器的下核252及電子元件240。分離器320圖示為厚度約為1毫米的塑料件。在各種實施例中，分離器320可以由各種材料形成、具有各種厚度、具有隱式構造(以使在量測區域220及傳導感測板230之間提供空間)或被省略(以使沒有空間設置在量測區域220及傳導感測板230之間)。
在所示實施例中，傳導感測板230是軟性印刷電路板(「PCB」)上具有絕緣層的導電金屬層，例如：聚醯胺。連接件235由相同材料製成。傳導感測板230被示為經配置有曲線或柔軟性以彎曲圍繞量測區域220中的導體，以 改進電容耦合，例如：通過提供減少的傳導感測板230及該導體之間的平均距離。傳導感測板230也可以是平坦的(例如：為了製造簡單)或具有不同的形狀。
在範例的實施例中，電子元件240包括三個印刷電路板342、344、346。在一個實施方式中，每個印刷電路板可以包括用於執行離散功能或成組功能的電子電路。舉例而言：電子元件240可以包括電壓感測電子電路的印刷電路板342、能量收集及電流感測電子電路的印刷電路板344、以及微控制器及射頻通訊電子電路的印刷電路板346。另一實施例可以將這些功能中的一些或全部整合到單個印刷電路板上。又一實施例可以將這些功能中的一些或全部整合到特殊應用積體電路(ASIC)中。
第4圖顯示了根據一實施例的組裝範例非接觸式電壓感測裝置400的立體圖。第2圖的上殼體210及下殼體215是閉合，並且上殼體210上的鉤212與下殼體215上的桿218接合。這說明了一種優雅的閉合，通過它人們可以簡單地按壓鉤212以將其從桿218釋放並打開非接觸式電壓感測裝置400(通過鉸鏈，其不可見)以將裝置400放置到導體420上或將其從導體420上移除。範例的非接觸式電壓感測裝置400通過虛線顯示了位於裝置400的量測區域中的導體420，其被來自彈性發泡件310的機械彈簧力壓入相對於傳導感測板的位置。
第5圖顯示了根據一實施例的非接觸式電壓感測系統的操作常式500。在各種實施例中，操作常式500由一個以上非接觸式電壓感測裝置執行，如上參考第1圖至第4圖所示。操作常式500的部分可以由如以下參照第6圖至第9圖所示的電路來執行。本領域具有通常知識者將認識到，第5圖中並未顯示操作常式的所有事件。相反地，為了清楚起見，僅表示及敘述與敘述交流電壓的非接觸式感測合理地相關的方面。本領域具有通常知識者還將認識到，所呈現的 實施例僅是一個範例實施例，並且在不脫離本文的敘述及以下申請專利範圍中闡述的更廣泛的發明構思的範圍的情況下，可以對所呈現的實施例進行變型。操作常式500起始於開始方塊501。
在方塊515中，操作常式500在量測區域中或量測區域處接收單個交流導體。如上文參考第1圖及第2圖所述，導體的量測區域可被佈置為以使導體沿著、進入或穿過由殼體提供的量測區域。操作常式500接收單個交流導體並且排除其他導體。
在方塊525中，操作常式500屏蔽一些或全部量測區域及/或量測電路或電子設備。這允許操作常式500減少來自可能在附近的其他導體的干擾，並因此提高相對於參考電位的電壓量測的質量(例如：精密度及準確度)。舉例而言：在多相(例如：三相)電氣系統中，交替相的導體可能對傳導感測板產生不需要的電容，如以下參考第12圖所述。在這樣的環境中，佈置屏蔽以幫助隔離電容到目標導體可以使操作常式500能夠提供改進的結果。
在各種實施例中，電極或傳導感測板130可能對傳導感測板130及外殼125之間的屏蔽電容或寄生電容敏感。操作常式500可以選擇性地將它們驅動到相同(或幾乎相同))電壓以減少或消除它們之間的位移電流，如以下參考方塊540進一步敘述。
在方塊535中，操作常式500通過量測經由量測區域中的通電導體與非接觸式電壓感測裝置的傳導感測板之間的電容耦合感應的電流來取得交流波形。以下參考第7圖更詳細地敘述範例波形感測電子電路。操作常式500可以採樣交流波形，儘管採樣的波形可以是通電導體及參考電位之間的電壓的濾波及/或失真表示。
所示的操作常式500分支以顯示基於耦合電容測定耦合電容及/或比例因數的兩種替代方法。一個分支包括方塊540、550及560；另一個分支包括方塊545及555。非接觸式電壓感測系統的各種實現可以利用任一方法，或者其組合或排列。
談到方塊540、550及560中所示的方法：在一些實施方式中，常式500使用電容測定電子電路來量測量測區域中的通電導體與感測器的傳導感測板之間的耦合電容。非接觸式電壓感測裝置。在方塊540中，常式500校準電容測定電子電路。校準可以在製造時在受控條件下進行。也可以在操作期間執行校準，例如：以校正寄生電容的影響。以下參考第9圖更詳細地敘述範例校準電路。
在一些實施例中，操作常式500最小化傳導感測板130及外殼125之間的電容耦合或寄生電容的影響。在一些實施例中，操作常式500將傳導感測板130及外殼125兩者電連接到參考電位145以允許它們達到相同的電位。在一些實施例中，操作常式500將外殼125驅動到傳導感測板130的電壓，匹配或鏡像電壓以減少或消除由它們之間的電壓差引起的感應位移電流。在一些實施例中，操作常式500主動地將訊號驅動到傳導感測板130及外殼125兩者中，以相同的電壓電勢驅動它們以消除它們之間的任何電壓差，即使存在可能隨方向或時間而變化的環境因素。
驅動訊號可由用於電容檢測的屏蔽驅動電路或晶片產生。以下參考第8圖更詳細地敘述範例的電容測定電子電路。在一些實施例中，當操作常式500感測到通電導體及傳導感測板130之間的耦合電容時，電容量測晶片或電路用於以高頻(例如：大約25kHz)訊號或波形驅動傳導感測板130及外殼125，其有效 地消除了傳導感測板130及外殼125之間的電容耦合。電容量測晶片或電路的範例在如上參考第1圖更詳細地敘述。
在方塊550中，操作常式500感測通電導體及傳導感測板130之間的耦合電容。舉例而言：常式500可以使用在方塊540中校準的電容測定電子電路來測定耦合電容。在一些實施例中，操作常式500產生耦合電容的值；在其他實施例中，操作常式500取得不直接提供耦合電容值但可用於產生用於訊號處理的比例因數的指示。
在方塊560中，操作常式500至少部分地基於導體及非接觸式電壓感測裝置的傳導感測板之間的耦合電容來測定比例因數。以下參考第8圖更詳細地敘述範例比例因數或電容測定電子電路。
談到方塊545及555的方法：在一些實施方式中，常式500量測位於量測區域中或量測區域處的導體電線的尺寸。在方塊545中，操作常式500固定(或測定)在方塊515中接收的導體的位置並測定導體的尺寸。為了便於導體的實體量測及導體中電壓的一致電量測，常式500提供了用於將導體保持在一個地方或位置的機制。如上參考第3圖及以下參考戲第11圖敘述了一些範例機制。
例如：數位卡尺可以測定導體的寬度或直徑，包括其絕緣護套。在其他實施例中，光學量測系統可以測定導體的尺寸。在其他實施例中，量測裝置可以例如取得導體的圓周量測值，或使用成形孔(例如：V形或階梯狀開口)根據導體的尺寸來定位導體。在一些實施例中，常式500基於導體的量測來測定導體的線規或橫截面積。舉例而言：常式500可以測定任何導體電線的直徑範圍加上其絕緣護套對應於特定規格號數的導體電線。因此，即使不同品牌的導體 可能具有不同的絕緣厚度並因此具有不同的總直徑，該操作常式500也可以準確地測定導體電線的尺寸，以提供導體中電壓的非接觸式測定的改進。
在方塊555中，操作常式500測定非接觸式電壓感測裝置的導體及傳導感測板之間的比例因數或耦合電容。在該方法中，電容測定電子電路被配置為根據固定或已知因素(例如：傳導感測板的尺寸及從傳導感測板到量測區域的距離)的組合產生比例因數或估計電容，並且量測變量(例如：目標火線的位置及/或尺寸)。操作常式500可以部分地基於來自方塊545的導體尺寸的測定以測定比例因數或耦合電容，以使常式500說明導體電線的號數規格如何影響該耦合電容。
例如：基於量測空間的幾何形狀及導體相對於傳導感測板的位置，連同在方塊545中測定的導體的尺寸，常式500可以執行計算或使用查找表以取得計算出的電容或比例因數。
在方塊565中，該操作常式500相對於在方塊535中取得的交流波形及在方塊560或方塊555測定的比例因數或耦合電容而執行訊號處理。如上參考第1圖所述，常式500處理該取得的波形表示，並且可以恢復線電壓波形的形狀或頻譜。該操作常式500處理耦合電容及/或導體的尺寸，並且可以取得比例因數。這可以包括多個比例因數，例如：頻率相關的比例因數及/或考慮對取得的波形表示的不同影響的比例因數。該操作常式500執行基於耦合電容(例如：根據比例因數)縮放該取得的波形表示(例如：線電壓波形的恢復形狀或頻譜)的訊號處理。
在一些實施方式中，常式500應用一個以上比例因數以解決例如電路中的非線性、特定頻率處的衰減或複阻抗，以分離出可能影響量測的多個校 正因子。在一些實施方式中，電路的校準可以提供附加的比例因數以解決寄生電容。
在方塊575中，操作常式500基於方塊565中的訊號處理測定導體相對於參考電位的交流電壓。因此，操作常式500能夠在不中斷導體、不接觸導體線並且不與任何其他交流訊號比較的情況下測定導體電壓。
在各種實施例中，根據本揭露的非接觸式電壓感測裝置可以在單相內執行多次量測，或者在產生量測的進程中多次改變相。舉例而言：操作常式500可以執行十到六十到三百個單獨的量測(每個持續，例如：一秒)以取得交流波形或測定耦合電容及/或比例因數。當測定交流電壓時，操作常式500可以使用平均值來減少變化；提供滾動平均值以平滑隨時間變化的結果或抽樣誤差；或以其他方式調整或處理量測值(例如：通過統計方法處理虛假或異常值)以產生可靠的測定。在一些實施例中，操作常式500可在更快速的結果、更大的採樣量及不同的時間及/或量測順序之間進行配置。
操作常式500在完成方塊599結束。
操作常式500的替代實施可以執行具有不同順序的進程的常式，並且可以刪除、移動、添加、細分、組合及/或修改一些進程或方塊以提供替代或子組合。這些進程或方塊中的每一個都可以以多種不同的方式實現。雖然一些進程或方塊可能表示為串列執行，但它們可以替代地並列執行或實施，或者可以在不同時間執行。
第6圖是示意地顯示根據一實施例的被配置為量測波形及電容的電元件的多用性電路600的線路圖。熱導體620承載要由非接觸式電壓感測裝置量測的交流線路電流及電壓。熱導體620中的線電壓625在第6圖至第9圖中被標記 為「Vline」。熱導體620是電路的一部分，該電路通常包括負載(未顯示)、中性線615(例如：線路、導體、匯流排或節點)及至地610的連接。
熱導體620與傳導感測板630電容耦合。傳導感測板630及熱導體620之間的電容635在第6圖至第9圖及12中被標記為「Csense」。在各種實施例中，傳導感測板630可以包含：電容器的一個以上構件，如以上參考第1圖敘述的傳導感測板130，或如上參考第2圖至第3圖敘述的傳導感測板230。
傳導感測板630可以經由開關S0640可切換地連接到波形檢測器650(例如：諸如以下參考第7圖進一步詳細敘述的波形感測電子電路)及/或電容檢測器660(例如：電容測定電子電路，如以下參考第8圖進一步詳細敘述)經由開關S1645。在一些實施例中，開關S0640及開關S1645實體連接或邏輯控制，以使當開關S0640閉合，開關S1645打開，及/或反之亦然。舉例而言：開關S0640及開關S1645可以實現為一個單刀雙擲(「SPDT」)開關。在這樣的實施例中，傳導感測板630在波形檢測器650及電容檢測器660之間切換，以使傳導感測板630連接到波形檢測器650或電容檢測器660但不是同時連接到兩者。
在一些實施例中，開關S0640及開關S1645可以獨立地切換，例如：允許兩者都處於打開狀態，以使傳導感測板630既不連接到波形檢測器650也不連接到電容檢測器660。在一些實施例中，可以切換開關S0640及開關S1645，以使兩者都處於閉合狀態，從而傳導感測板630同時連接到波形檢測器650及電容檢測器660。在一些實施例中，開關S0640及開關S1645連接到單獨的傳導感測板630，以使波形檢測器650可切換地連接到一個傳導感測板630並且電容檢測器660可切換地連接到另一個傳導感測板630。
在傳導感測板630被配置為可在波形檢測器650及電容檢測器660之間切換的實施例中，開關S0640及開關S1645可以在兩個或更多個階段或相中操作。舉例而言：在一個階段或「A」相中，開關S0640可以閉合，而開關S1645可以打開，從而波形檢測器650可以放大及採樣在熱導體620電壓的經濾波的Vline波形「Vsense」655。在另一階段或相「B」中，開關S0640可以打開，並且開關S1645可以閉合，以使電容檢測器660可以量測傳導感測板630及熱導體620之間的電容Csense635以取得比例因數665，用於縮放濾波後的Vline波形「Vsense」655。多用性電路600可以切換額外的或不同的構件；舉例而言：第1圖的外殼125也可以與相關聯於電容檢測器660的屏蔽驅動電路多路復用。屏蔽驅動電路然後可以將外殼125驅動到與電極或傳導感測板630相同的電壓(其可以是需要額外的電子電路來量測電極或傳導感測板630的電壓或基線偏置訊號)，以改進電容Csense635的量測。
因此，通過控制開關S0640及/或開關S1645，根據本揭露的非接觸式電壓感測裝置的多用性電路600可以選擇性地將傳導感測板630耦合到波形檢測器650及/或電容檢測器660。通過在波形檢測器650及電容檢測器660之間復用傳導感測板630，波形檢測器650使用的相同傳導感測板630可以與電容檢測器660共享以進行精確量測及訊號處理。此外，多用性允許構件重複的最小化。
第7圖示意地顯示了根據一實施例的波形檢測器電路700的電氣元件的線路圖。波形檢測器電路700包括具有電壓Vline625的熱導體620、地610(參考電壓)、具有電容Csense635的傳導感測板630、以及處於閉合位置的開關S0640，如以上參考第6圖進一步詳細敘述。圖示的波形檢測器電路700被配置為將感應電流「i1」735轉換成與熱導體620電壓Vline625成比例的放大電壓訊號。熱導體620 的時變交流電壓625通過電容感應耦合感應電流i1735，以使波形檢測器電路700產生濾波或失真的Vline的波形輸出「Vsense」655。
在所示實施例中，波形檢測器電路700被實施為轉阻放大器電路。本領域的具有通常知識者將認知替代的實施方式，例如：可以包括不同的電流到電壓的電子電路或其他電流感測電子電路的其他電流量測手段，可以等效地用於感測該感應電流i1735。
所示波形檢測器電路700包括放大器750，例如：運算放大器。在放大器750的一個輸入，可以使用恆定的直流參考電壓「Vref」745以適當地偏置波形檢測器電路700。在放大器750的另一個輸入，該感應電流i1735與連接至輸出Vsense655的反饋迴路組合。可以選擇反饋迴路電阻「Rf」755來為放大器750提供增益。放大器750還連接到直流供應電壓VCC752及感測器接地751。
所示波形檢測器電路700產生輸出訊號Vsense655，該輸出訊號Vsense655隨耦合電容Csense635及熱導體620中的電壓Vline625線性地縮放。舉例而言：所示電路可以如下測定輸出Vsense655，基於熱導體620中的時變電壓Vline625、傳導感測板630及熱導體620之間的耦合電容Csense635、感應電流i1735及反饋迴路電阻Rf755：
Figure 110145179-A0305-02-0026-1
vsense(t)=-i1(t)RF
Figure 110145179-A0305-02-0026-2
對測定的輸出Vsense655進行積分，波形檢測器電路700或訊號處理電路產生與時變交流線電壓Vline625成比例的響應。
因此，如果耦合電容Csense635是已知，則波形檢測器電路700的輸出Vsense655可以由根據本申請所揭露的非接觸式電壓感測裝置所使用，以量測在熱導體620的交流線電壓Vline625。
第8圖是示意地顯示了根據一個實施例的電容測定電子電路800的電氣元件的線路圖。電容測定電子電路800包括具有電壓Vline625的熱導體620、地610(參考電壓)及具有電容Csense635的傳導感測板630，如上參考第6圖進一步詳細敘述。圖示的電容測定電子電路800包括節點A825及節點B830以說明傳導感測板630中電容Csense635的形成。在所說明的實施例中，通電的熱導體820的金屬線形成節點A及傳導感測板(例如：上文參考第1圖敘述的傳導感測板130，或上文參考第2圖至第3圖敘述的傳導感測板230)形成節點B。電容Csense635取決於節點A825及節點B830的實體特性，如作為例如：節點A825熱導體820的尺寸(例如：線規)及節點B830傳導感測板的面積及/或形狀。電容Csense635還取決於節點A825及節點B830之間的關係的幾何形狀，例如節點A825及節點B830之間的對齊及距離。這樣的因素可以隨著根據本揭露的非接觸式電壓感測裝置的每個安裝或應用而不同。因此，電容測定電子電路800允許更準確地測定熱導體620中的電壓Vline625。
所示的電容測定電子電路800包括弛張振盪器，其被配置為生成頻率與熱導體620及傳導感測板630之間的電容Csense635成比例的訊號。傳導感測板630通過流入的電流放電以下迴路：節點B830、感測器接地851、地610、中性線、節點A825。傳導感測板630通過以下迴路中的電流充電：節點B830、VCC852、 感測器接地851、地610、中性線、節點A825。電容測定電子電路800產生輸出電壓「Vout」860，其以開關頻率fVout865切換。電容測定電子電路800輸出電壓Vout860的開關頻率fVout865可以提供比例因數665，用於縮放來自波形檢測器電路700的濾波後的Vline波形輸出Vselse655。
在所示實施例中，電容測定電子電路800被實施為非穩態多諧振盪器電路。本領域的具有通常知識者將認識到，替代的實現方式，例如：可以包括不同弛張振盪器或電容-頻率電路或其他電容感測電路的其他電容量測裝置，可以等效地用於感測電容Csense635。所示的弛張振盪器電路允許根據本申請所揭露的非接觸式電壓感測裝置以低功耗合成傳遞函數，以使經濾波的Vsense655容易地恢復Vline波形。
所示的電容測定電子電路800是不穩定，並且在VCC852及感測器接地851電位(例如：連接到地610或另一參考電位)之間連續切換其輸出電壓Vout860。非穩態多諧振盪器電路包括運算放大器850、反饋電阻Rf840、恆定直流參考電壓Vref842以及電阻R1841及電阻R2843。輸出電壓Vout860開關頻率fVout865取決於由反饋電阻Rf840設置的時間常數以及形成在熱導體620及傳導感測板630之間的耦合電容Csense635。舉例而言：所示電路800的開關頻率fVout865與Csense635成反比。因此，電容測定電子電路800可以測定開關頻率fVout865如下：
Figure 110145179-A0305-02-0028-3
訊號處理電子電路可以經配置而使用耦合的該電容測定電子電路800的輸出頻率fVout865來取得電容Csense635的測定，且應用該測定來縮放由波形檢測器電路700產生的該經濾波Vline的波形輸出Vsense655，其取決於電容Csense635。
在一些實施例中，電容測定電子電路800包括屏蔽驅動器電路或晶片及/或電容量測晶片或電路，如上參考第1圖的敘述。
第9圖是示意地顯示了根據一個實施例的被配置為校準電容測定電子電路的校準電路900的電氣元件的線路圖。在所示實施例中，校準電路900包括電容檢測器950，其可以被校準以更準確地量測電容，例如：電容Csense635。舉例而言：電容檢測器950可以包括電容測定電子電路800的一部分或全部如上參考第8圖所敘述(例如：弛張振盪器)。
它還包括兩個電容元件：固定的、已知的或背景的(例如：寄生[可能未知及/或變化的])電容Cpar935在接地或參考電位與電容檢測器950之間，以及可能的可變或未知的耦合電容Csense635形成在熱導體620及傳導感測板630之間。校準電路900還包括校準級或相位開關「S1」940。所示校準電路900被配置為以兩階段或兩相位(不要與多相交流電源的相位混淆)以校準電容檢測器950。
在階段或相位A中，校準階段或相位開關S1940打開，並且電容檢測器950僅受電容Cpar935的影響。在階段或相位A中，電容檢測器950與耦合電容隔離Csense635。因此，階段或相位A中的電容檢測器950的輸出(例如：頻率)與電容Cpar935成比例。
在階段或相位B中，校準階段或相位開關「S1」940閉合，以使耦合電容Csense635也連接到包括電容Cpar935及電容檢測器950的電路中。因此，輸出階段或相位B中電容檢測器950的輸出(例如：頻率)與電容Cpar935及耦合電容 Csense635兩者成比例。在所示實施例中，階段或相位B中電容檢測器950的頻率與電容Cpar935及耦合電容Csense635之總和成比例。
通過將階段或相位A中的電容檢測器950的輸出與階段或相位B中的電容檢測器950的輸出進行比較或以其他方式組合或應用，校準電路900(或例如訊號處理電路及/或控制電路)可以取得耦合電容Csense635的更準確測定。舉例而言：在所示實施例中，校準可以包括取兩個頻率之間的差：Csenseα(fB-fA)。
校準電路900提供了一種動態校正任何寄生電容Cpar935的影響及/或校準電容檢測器950的方式。在其他實施方式中，這種校正可以由不同類型的校準電路執行例如：通過製造時的受控條件進行校準。
第10A至10B圖是說明對於給定的介電常數，感測電容對導體尺寸及距傳導感測板的距離的敏感性的曲線圖。
第10A圖顯示了曲線圖1000，其顯示了不同規格的電線的距離及電容Csense之間的模型化關係。曲線圖1000的x軸顯示以毫米為單位量測的傳導感測板及導體電線之間的距離「d_wire_plate」1020(線性範圍從大約1mm到20mm且以2.5mm為分度)。曲線圖1000的y軸顯示電容「C_sense」1030，以法拉為單位量測(範圍從大約10-14到10-11法拉，以對數或其他非線性標度)。繪製了四種不同尺寸的電線的電容與距離曲線：6號(AWG6)電線1006、8號(AWG8)電線1008、10號(AWG10)電線1010及12號(AWG12)電線1012。對於給定的電線，距離越小電容越大。對於在感測板及電線之間給定的距離，較大電線的電容更大。
第10B圖顯示了曲線圖1050，其顯示了不同規格的線中的線定位誤差及量測電壓Vsense的百分比絕對誤差之間的模型化關係。曲線圖1050的x軸顯示 以毫米為單位量測的傳導感測板及導體電線之間的距離「d_wire_plate」1070(線性範圍從大約9mm到11mm且以0.25mm為分度)。曲線圖1050的y軸顯示「百分比誤差幅度(V_sense)」1080，以百分比(線性範圍從0%到20%)量測。為四種不同尺寸的電線繪製誤差與距離曲線：6號(AWG6)電線1056、8號(AWG8)電線1058、10號(AWG10)電線1060及12號(AWG12)電線1062。所有曲線皆針對從傳導感測板到導體電線中心的10毫米目標距離進行校準，因此所有曲線都顯示沒有誤差，其中d_wire_plate正好是10毫米。對於給定的電線，隨著從校準距離的任一方向到感測板的實際距離的偏離，誤差百分比的絕對值變得更大。對於感測板及電線之間的給定距離，較大電線的百分比誤差更大。
第11圖顯示了根據一實施例的包括數位卡尺的範例導體固定及量測系統1100的實體構件。導體固定及量測系統1100可以改進電容Csense的量測並減少測定交流電壓Vsense的誤差(例如：如上參考第10A圖至第10B圖所示)，例如通過使非接觸式電壓感測裝置能夠測定及/或考慮要量測的導體的位置及要量測的導體的尺寸。
在一些實施例中，本揭露的非接觸式電壓感測設備包括導體量測裝置以在量測區域處固定及/或量測導體的一個以上方面。舉例而言：該裝置可以包括一個以上特徵，該特徵被配置為將導體引導至量測區域(例如：至量測區域處的位置及/或定向)及/或將導體保持在量測區域處或量測區域中。在一些實施例中，該裝置被配置為將導體的至少一部分固定在已知位置中或毗鄰已知位置。
該裝置可以包括一個以上特徵以取得導體的至少一個實體尺寸的測定。舉例而言：該裝置可以被配置為測定導體的直徑(例如：包括外絕緣護 套/層的電線)、導體的周長(例如：部分周長)、導體的周向曲率、導體的線規、及/或導體的橫截面積。
在所示範例中，導體固定及量測系統1100包括數位卡尺。系統1100包括通過鉸鏈1116連接的上殼體1110及下殼體1115。上殼體1110及下殼體1115圍繞被配置為接收導體1122的量測區域1120閉合。導體1122被壓在下殼體1115內的固定卡鉗爪1130及上殼體1110內的可動卡鉗爪1140(例如：可滑動的)之間。可動卡鉗爪1140連接到一對導軌1145，導軌1145可以在上殼體1110中的導軌接收器1150內移動，允許可動卡鉗爪1140調整以適應不同尺寸的導體1122。張力板簧1160或其他彈性元件提供彈力以將可動卡鉗爪1140移動或推壓而抵靠導體1122。
在操作中，導體固定及量測系統1100包括滑動量具1170(例如：附接到導軌1145的一部分)，其通過可動卡鉗爪1140的位置指示導體1122的尺寸(例如：直徑)。舉例而言：滑動量具1170可以包括由電接觸、磁頭或光學讀取器1180可讀的導電、電容、電阻、磁性及/或光學元件。舉例而言：滑動量具1170可以包括具有周期性間隔的金屬指狀物的印刷電路板，並且讀取器1180可以包括導電感測電極及/或電容測定電子電路(例如：在另一個印刷電路板上)。當量具1170的印刷電路板相對於讀取器1180移動時，隨著滑動量具1170的導電指(例如：三角形)滑過讀取器1180，電容會周期性地變化。微控制器可以計數對應於變化的電容的周期性變化附接到可動卡鉗爪1140的滑動量具1170的定位。因此，基於已知的手指間距及電容變化的計數，微控制器可以測定可動卡鉗爪1140相對於讀取器1180的絕對定位。這允許精確量測導體1122的直徑。在 一些實施例中，導體固定及量測系統1100包括結合機械、電磁及/或光學位置編碼的絕對定位識別系統(例如：二進制代碼讀取器)。
從導體1122的總直徑(包括其絕緣護套厚度的大約兩倍)，微控制器可以計算可能的線規及可能的絕緣厚度。舉例而言：已知的絕緣及/或線規標準可以使導體固定及量測系統1100能夠將導體分類為一組離散類別中的一個，例如：如果最粗的6號線小於最細的4號線電線。基於這些計算，導體固定及量測系統1100可以估計電線中心及傳導感測板之間的距離。
非接觸式電壓感測裝置可包括導體固定及量測系統1100或功能等效物以提高測定目標導體與傳導感測板之間的耦合電容的準確度，以使該裝置提供更準確的測定目標導體中的交流電壓。
第12圖是示意地顯示多相耦合電容的線路圖1200。通常，在量測交流電路時，屏蔽(如，上文參考第1圖敘述的外殼125)不被認為是必要。然而，發明人已經發現，屏蔽對於多相(例如：三相)環境中的非接觸式電壓感測可能出奇地重要。
舉例而言：在沒有屏蔽的情況下，電流可以不合意地從通電的非目標交流電壓相位注入到波形檢測器650。線路圖1200示意地圖示了範例的多相環境，其中波形檢測器650旨在量測第一導體VA1220上相對於接地1210電位的電壓。多相環境包括附加的導體VB1230及VC1240，它們以不同相的交流電壓供電。因此，波形檢測器650量測的波形可能被波形檢測器650與導體VB1230及VC1240之間的電容1235、1245，以及感測器接地1215電位與導體VB1230及VC之間的潛在電容1237、1247破壞。由於從這些非目標相位注入的電流，輸出Vsense655可能 不正確。因此，所揭露的非接觸式電壓感測裝置被屏蔽以減少如上所述的不期望電容的影響。
另外，如上所述，屏蔽本身及電極(如，如上參考第1圖敘述的傳導感測板130)之間的電容的不良影響可以通過主動地將屏蔽驅動到相同電位來抵消作為電極。
第13A圖至第13D圖顯示了根據各種實施例的具有軟性感測附接件的非接觸式電壓感測裝置的範例的示意圖、立體圖及截面圖。
第13A圖示了範例的非接觸式電壓感測裝置1300A的示意性俯視圖或仰視圖，該範例性非接觸式電壓感測裝置1300A具有佈置成延伸狀態的軟性感測附接件。根據實施及應用的需要，各種元件可以安裝在裝置1300A的頂部及/或底部。裝置1300A包括電極或傳導感測板1330。電極或傳導感測板1330被配置為當以諸如第13B圖或第13C圖中所描繪的替代狀態部署時與導體形成電容耦合。電極或傳導感測板1330通過匯流排或連接1335電連接到電路或電子元件1340。在各種實施例中，匯流排或連接1335可以是電線、印刷電路板(例如：軟性印刷電路板)上的跡線等。電極或傳導感測板1330及匯流排或連接1335安裝在軟性感測附接件的軟性基板1325部分上。軟性感測附件的軟性基板1325部分由金屬(例如：軟性彈簧鋼的薄帶)、塑料、織物、膠帶或其他合適的材料構成。在各種實施例中，軟性感測附接件的軟性基板1325部分是導電的或包括屏蔽層。在這樣的實施例中，電極或傳導感測板1330及匯流排或連接1335與軟性基板1325絕緣。這可以通過各種方式實現，例如通過放置電極或傳導感測板1330及匯流排或連接1335在軟性印刷電路板上，其中印刷電路板電介質用作絕緣體；或者通過用諸如油漆、塑料、織物或矽橡膠之類的材料來絕緣軟性基板 1325(在一些實施例中，電極或傳導感測板1330及匯流排或連接1335然後可以直接應用於絕緣材料)。以下參考第13D圖敘述屏蔽電極的示意性範例，其對應於非接觸式電壓感測裝置1300A的軟性基板1325沿線13D-13D的截面。
在所示實施例中，電極或傳導感測板1330是具有絕緣層(例如聚醯胺)的軟性印刷電路板上的導電金屬層，並且匯流排或連接1335是可以由相同或不同材料製成的電纜或導電金屬層的延伸。電極或傳導感測板1330被配置為具有撓性以與軟性感測附接件的軟性基板1325部分彎曲。特別地，電極或傳導感測板1330被構造成承受處於第13A圖所示裝置的伸展狀態及如第13B圖或第13C圖所示的捲曲或纏繞狀態。在各種實施例中，電極或傳導感測板1330在多個方向上是可撓的。舉例而言：它可以沿著軟性感測附接件的軟性基板1325部分的縱軸是平坦的或彎曲的(凹形或凸形的)(例如：當裝置1300A處於延伸狀態時)。相比之下，它可以圍繞橫向軸例如垂直於縱向軸的導體的軸捲曲(例如：當裝置1300A處於捲曲或纏繞狀態時，如環繞這樣的導體)。
在該範例的實施例中，電極或傳導感測板1330經由連接1335連接到諸如電子元件1340、射頻通訊電子電路1375(其可包括天線)及連接介面1377(例如：有線通訊埠、與電池的電源連接、分裂核的電流收集器、功率收集電路等)的元件。在一些實施例中，連接介面1377包括到天線或無線電發射器的鏈接，該天線或無線電發射器可以遠離裝置1300A定位，例如：裝置1300A在其中附接到導體的電氣面板的外部。電子元件1340及射頻通訊電子電路1375可以包括或被實現為一個以上印刷電路板、微晶片、特殊應用積體電路等。這些構件可以與其他非接觸式電壓感測裝置通訊；帶有遠程基站、量測設備或資料收集或儲存系統；或通過一個以上通訊網路使用一個以上計算設備。
在一些實施例中，裝置1300A的電子元件1340、射頻通訊電子電路1375及連接介面1377構件在軟性印刷電路板中實現或安裝在軟性印刷電路板上，或者以其他方式軟性連接到軟性印刷電路板的軟性基板1325部分。靈活的感測附件。舉例而言：將它們安裝到軟性印刷電路板上允許它們與電極或傳導感測板1330及連接1335一起生產，並且這些構件被共同屏蔽。在一些實施例中，這些構件被安裝到剛性基板1328。單個基板在分隔區域1327的一側可以是軟性的(例如：軟性基板1325)並且被加強或以其他方式有效地非軟性(例如：剛性基板1328)在分隔區域1327的相對側上。剛性基板1328可以僅在一個方向或在多個方向上是非軟性。分隔區域1327可以包括諸如剛性件的機構，其以防止軟性基板1325彎曲或撓曲或防止彎曲刺激通過分隔區域1327傳遞到有效地傳遞其他方式的軟性基板1325的方式。剛性基板1328。在一些實施例中，剛性基板1328被殼體1310包圍。殼體1310可以用作防止剛性基板1328彎曲的分隔區域1327的機構。
第13B圖顯示範例的非接觸式電壓感測裝置1300B的立體圖，該裝置具有佈置成部分延伸及部分捲曲或纏繞狀態的軟性感測附件。所示實施例包括雙穩態結構。雙穩態結構(例如雙穩態彈簧)具有兩種不同的穩定平衡配置，並且可以通過經過不穩定的中間狀態從一種配置轉換為另一種配置。因此，可以在任一配置中設置諸如包括雙穩態結構的裝置1300B的設備。在第13A圖至第13D圖所示的實施例中，第13A圖的裝置1300A處於伸展狀態，而第13C圖的裝置1300C處於捲曲狀態。
雙穩態結構的範例可以在非類似的環境中找到，如捕蠅草植物及拍打手鐲或「slap wrap(拍打包裹)」時尚配飾。手環可以由軟性金屬或塑料帶(或 分層帶)構成，可以用織物或橡膠(例如矽膠、聚氨酯或其他彈性材料)殼體包裹或覆蓋。一個典型的手鐲足夠長，可以完全但鬆散地環繞青少年的手腕(例如：大約九英寸)，並且足夠寬，可以作為手腕裝飾舒適地展示(例如：大約一兩英寸)。相比之下，裝置1300B被配置為環繞電導體，而不是人的手腕；並且足夠緊密地捲曲以保持電極或傳導感測板1330靠近(在一些實施例中，與導體保持一致的可再現或可量測的功能距離或毗鄰)導體，而不是提供寬鬆舒適的手鐲。裝置1300B可以被配置為具有足夠的寬度來屏蔽電極或傳導感測板1330免受來自其他導體或環境的干擾，這在拍手鐲(slap bracelet)中不是考慮因素。
裝置1300B包括結合雙穩態結構的構造。處於其延伸狀態的軟性基板1325圍繞縱軸1326彎曲，這使軟性基板1325具有槽形。處於捲曲或纏繞狀態的軟性基板1325圍繞正交橫軸1321彎曲，這使軟性基板1325具有環形或圓柱形形狀。橫軸1321通常與量測區域1320重合，量測區域1320被配置為接收導體，例如承載交流電壓的單根絕緣銅線。在第13圖的實施例中，形成軟性感測附接件的軟性基板1325在任何殼體1310的外部。軟性感測附接件而不是殼體1310因此提供量測區域1320。在各種實施例中，量測區域1320是由圍繞導體的軟性感測附件的纏繞或捲曲限定，以使在導體及電極或傳導感測板1330之間幾乎沒有或沒有額外空間，在該空間中導體沿著、進入或穿過量測區域1320。因為軟性基板1325上的電極或傳導感測板1330的幾何形狀從伸展狀態下的縱向凸出變為捲曲或纏繞狀態下的橫向凹入，所以電極或傳導感測板1330必須是軟性的並且抗疲勞。
在第13A圖至第13D圖所示的實施例中，非接觸式電壓感測裝置1300A、1300B及1300C包括整合到軟性基板1325中的外殼(參見上文參考第1圖 敘述的外殼125)。軟性基板1325可以由具有高傳導性的材料構成，如金屬箔或網。在各種實施例中，軟性基板1325的屏蔽在導體的一部分及電極或傳導感測板1330周圍形成法拉第籠，其中導體沿著、進入或穿過量測區域1320。屏蔽可以採用以下形式：包裹、封面、毯子、圓筒、部分管等，而不是完全封閉的籠子。在一些實施例中，軟性基板1325的屏蔽件(其可包括軟性基板1325本身)連接到接地電位或如上文參考第5圖所述被主動驅動以減少環境對電壓或電容量測的影響。
雙穩態結構從一種配置到另一種配置的轉變可以通過各種刺激，如機械致動、電刺激或加熱/冷卻，實現。不同的刺激(或一種刺激的不同應用)可能需要或用於通過兩種配置之間的中間狀態進行相反的轉換，如通過彈性變形。在雙穩態結構是彈簧或彈簧加載的情況下，一旦刺激使雙穩態結構經過某個中間點，轉變會突然發生。轉變的速度及/或能量，以及對改變配置的剛度或阻力，可以在雙穩態結構的製造或佈置中進行配置。裝置1300B被製造成，以使當裝置1300B處於伸展狀態時，開始將其跨過導體或圍繞導體彎曲導致裝置1300B彎曲超過其改變狀態以捲曲或纏繞導體的點。舉例而言：彎曲軟性基板1325以使其圍繞縱軸1326的曲率在很大程度上被消除，使其在縱向邊緣之間大致平坦，從而允許軟性基板1325圍繞橫軸1321及目標導體纏繞。軟性基板1325將保持在該捲曲狀態直到被展開。一旦完全展開成其他雙穩態配置，軟性基板1325保持在其延伸狀態直到再次被彎曲。
舉例而言：為了將裝置1300B應用到導體(例如：架空導體)、諸如「熱棒」(可以抓住或連接到裝置1300B的殼體的長絕緣桿)的工具可以將處於伸展狀態的軟性基板1325壓靠或撞擊在導體上，導致軟性基板1325圍繞導體 纏繞並且被設置為用於電壓量測的配置。為了從導體上移除裝置1300B，可以沿著縱軸1326拉動裝置1300B以拉直軟性基板1325並將其與導體斷開。在一些實施例中，槓桿、纜線或繩索、或其他機構或推動力可以拉直軟性基板1325。這允許以先前不可用的方式將非接觸式電壓感測裝置附接到導體的便利方法。
雖然第13B圖及第13C圖的實施例被敘述為包括雙穩態結構，但圖第13A圖至第13D圖的裝置可以包括或安裝在任何軟性基板上。舉例而言：可以將軟基材，如基於塑料或膠帶或織物的附件，手動施加到導體上，並使用任何合適的附件，如按扣、夾子、膠帶(如，電工膠帶)、可剝離的膠帶、或類似於血壓袖帶的鉤環固定裝置固定。作為另一個範例，軟性基板1325可以包括滑塊上的半剛性鉤及虎鉗狀固定裝置。
非接觸式電壓感測裝置1300B的剛性基板1328是附接到軟性基板1325的剛性印刷電路板。剛性印刷電路板的內含物允許使用低成本商品元件及連接件(例如：電子元件1340、射頻通訊電子電路1375及連接介面1377)，因為它們不會受到彎曲應力或疲勞，不需要安裝在軟性印刷電路板上，並且不需要在板設計或構件放置時考慮彎曲。設想將剛性基板1328及其構件安裝及/或連接到軟性基板1325的各種方法，包括各種形式的凸舌槽連接、摩擦配合、粘合劑安裝、一個以上機械緊固件及殼體1310(例如：塑料卡扣蓋或鉸鏈盒(第13B圖中未顯示)圍繞剛性基板1328及/或軟性基板1325。為了便於說明，在裝置1300B的與電極或傳導感測板1330相對的一側顯示了剛性基板1328；在各種實施例中，元件可以相對於彼此以不同方式佈置。
在各種實施例中，非接觸式電壓感測裝置1300B被配置為以使電極或傳導感測板1330與導體具有測定的或以其他方式測定的幾何關係一一例如： 以使電極(其可包括已知厚度的襯墊或間隔物)被壓靠在導體的絕緣覆蓋物的外部一一當量測區域1320接收導體或當軟性基板1325圍繞導體纏繞時。在一些實施例中，非接觸式電壓感測裝置1300B被配置為相對於導體自動定位電極或傳導感測板1330，例如通過使軟性基板1325包裹導體(並且例如靠著自身滑動)必要時)之間不留空隙。在此類實施例中，非接觸式電壓感測裝置1300B通過在捲曲傳導感測板1330及目標導體之間提供一致且最小的平均距離來改善電容耦合。
在各種實施例中，非接觸式電壓感測裝置1300B被配置為提供準確的量測而不需要電極或傳導感測板1330被精確定位，或者在其與導體之間具有量測的或可量測的幾何形狀。如以上參考第5圖、第8圖及第9圖進一步詳細敘述，耦合電容的量測(使用多種方法中的一種)可以完成，無論這種測定的或可測定的幾何關係是否存在。舉例而言：如果電極或傳導感測板1330靠近被量測的導體並且軟性基板1325包括適當定位的屏蔽平面(例如：在電極或傳導感測板1330與導體的相對側)，則非接觸式電壓感測裝置1300B在很大程度上將電極或傳導感測板1330與幾乎所有外部電場屏蔽。
第13C圖示了以捲曲或纏繞狀態佈置的非接觸式電壓感測裝置1300C的軟性感測附接件的立體圖。在圖示的實施例中，量測區域1320被配置為包含導體，其中捲曲的軟性基板1325包裹在導體周圍並且電極或傳導感測板1330位於導體上或導體附近。在各種實施例或應用中，捲曲軟性基板1325內側上的電極或傳導感測板1330可僅纏繞部分導體，或僅足以將電極或傳導感測板1330毗鄰導體放置或以其他方式進入與導體的預期幾何關係。在圖示的實施例中，捲曲的軟性基板1325在電極或傳導感測板1330及量測區域1320中的導體外 部形成或包括電磁屏蔽，屏蔽由如上所述的裝置1300C執行的量測。電極或傳導感測板1330可以放置在或靠近軟性基板1325的端部；這種放置需要較少地纏繞軟性基板1325以建立用於量測導體的裝置1300C的可靠定位。如第13A圖及第13C圖所示，電極或傳導感測板1330可以放置在與軟性基板1325的端部偏移一定距離處；這種放置可以減少彎曲應力及潛在磨損並提高設備1300C的長期可靠性。
導體有不同的尺寸。在一些實施例中，軟性基板1325或非接觸式電壓感測裝置1300C的另一部分被配置為量測導體的尺寸及/或軟性基板1325的纏繞或捲曲的量。舉例而言：軟性基板1325可以包括周長檢測感測器1380以檢測周長標記1385，從而可以知道纏繞在導體周圍的軟性基板1325的周長。與如上參考第11圖敘述的滑動量具1170一樣，這種感測器1380的實施可以包括，導電、電容、電阻、磁性及/或光學元件，可由電觸點、磁頭或光學讀取器讀取。舉例而言：一種實施方式可能類似於數位卡尺。另一個可以作為可變電阻器或電位計工作，在軟性基板1325上採用電阻表面或跡線，並採用電觸點作為感測器1380，該感測器將是擦拭器，以便與電阻表面的一端或另一端保持一定距離或到感測器1380的軌跡可以按比例或絕對方式進行電量測。由此，可以測定導體的周長及直徑以及可能的規格。作為另一範例，軟性基板1325可以包括彎曲感測器或彎曲應變儀以測定軟性基板1325被捲曲的緊密程度以量測量測區域1320中的導體(或測定量測區域1320不包含導體)，或不包含足夠尺寸的導體以產生精確量測的緊密配合)。在一些實施例中，軟性基板1325包括應變儀或其他感測器以測定裝置1300C是處於伸展狀態還是捲曲或纏繞狀態，並且僅當裝置1300C處於佈置成與導體接觸的狀態方啟動裝置1300C。
在一些實施例中，一些或全部電子元件1340(以上參考第13A圖及第13B圖更詳細地顯示及敘述)位於軟性基板1325上，以使如第13C圖所示，當軟性基板1325被捲曲時，它們被包裹在軟性基板1325的層或環中。這種構造可導致電子元件1340在所有側面被一層或多層屏蔽夾在中間。在電子元件1340處理訊號(例如：交流波形收集及/或電容量測)之後，輸出可以是數位或低阻抗類比，因此適合在屏蔽外佈線，對不希望的電容耦合或乾擾的敏感性大大降低。
第13D圖是示意性截面圖1300D，顯示了第13A圖的非接觸式電壓感測裝置1300A的軟性基板1325沿線13D-13D的截面。截面圖1300D顯示了屏蔽電極或傳導感測板1330的層的範例結構。這些層包括金屬或以其他方式導電的屏蔽層1350及絕緣層1360。在一些實施例中，屏蔽層1350包括或由或通過多個金屬層，如第13D圖所示。在一些實施方式中，屏蔽層1350環繞絕緣層1360或包括多個金屬層之間的連接並且在軟性基板1325的邊緣處不中斷。絕緣層1360防止屏蔽層1350接觸電極或傳導感測板1330。電極或傳導感測板1330在目標導體的方向上除了向下(在所示範例中)之外的所有側上都被屏蔽準包圍。在各種實施方式中，相同的屏蔽結構可以屏蔽匯流排或連接1335。
雖然本文已經說明及敘述了特定實施例，但是本領域具有通常知識者將理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以替換及/或等效的實施方式來替代所顯示及敘述的特定實施例。揭露。舉例而言：儘管以上根據卡扣在導體周圍的殼體或包裹在導體周圍的軟性感測附件敘述了各種實施例，但是在其他實施例中可以使用各種其他形狀因素。此外，處理及/或輸出讀數可以在裝置本地提供及/或遠程執行或顯示。本申請的精神及範圍旨在涵蓋本文討論的實施例的任何修改或變化。
因此，儘管已經以結構特徵及/或方法行為特定的語言敘述了主題，但還應理解，所附申請專利範圍中定義的主題不一定限於所敘述的特定特徵或行為。相反地，特定特徵及動作被揭露為實施申請專利範圍的範例形式。本申請旨在涵蓋此處討論的實施例的任何修改或變化。
範例
範例1：一種非接觸式電壓感測裝置，適於在不以直接電接觸第一熱導體且不比較第二交流電壓訊號的情況下，取得在第一交流電路的該第一熱導體與參考電位之間的電壓的測定，該非接觸式電壓感測裝置包含：經配置而容納該第一熱導體且不中斷該第一熱導體的量測區域；且電容式交流電壓感測機構，包含：當該量測區域已容納該第一熱導體時，位於該第一熱導體附近的電極；至參考電位的電連接；波形感測電子電路，經配置而取得由該第一熱導體與該傳導感測板之間電容耦合所感應的交流電壓波形；及電容測定電子電路，經配置而取得基於形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的耦合電容的比例因數；以及 訊號處理電子電路，經配置而從由該波形感測電子電路取得的交流電壓波形以及由該電容測定電子電路取得的該耦合電容式比例因數，取得該第一熱導體與該參考電位之間的該電壓。
範例2：如範例1的非接觸式電壓感測裝置，其中該量測區域經配置以使無其他導體被容納在該量測區域。
範例3：如範例1至2中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該電極是安裝，或連接，或形成於軟性印刷電路板，或由該軟性印刷電路板所形成。
範例4：如範例1至3中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該量測區域係以由高傳導材料構成的殼體所至少部分地圍繞。
範例5：如範例1至4中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：提供該量測區域的軟性感測附件，其中在運作的該軟性感測附件經配置而至少部分地圍繞該第一熱導體。
範例6：如範例1至5中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例5的該軟性感測附件，包含：範例4的該殼體。
範例7：如範例1至6中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例5的該軟性感測附件，包含：雙穩態結構，如雙穩態彈簧。
範例8：如範例1至7中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路包括屏蔽驅動電路或晶片。
範例9：如範例1至8中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例8的該屏蔽驅動電路或該晶片以訊號或波形驅動範例4的該殼體，以減少在該殼體與該電極之間的電容或感應位移電流的量測。
範例10：如範例1至9中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：多用性電路，經配置而選擇地耦合範例4的該殼體至該參考電位或至範例8的該屏蔽驅動電路或該晶片。
範例11：如範例1至10中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例10的該多用性電路，經配置而在該波形感測電子電路運作時，耦合該殼體至該參考電位，以及至範例8的該屏蔽驅動電路或該晶片，以將其驅動到與該電極大致相同的電位，以在該電容測定電子電路工作時，最小化它們之間電容的效應或量測值。
範例12：如範例1至11中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例5的該軟性感測附件經配置而纏繞該第一熱導體。
範例13：如範例1至12中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例5的該軟性感測附件為經配置而纏繞該第一熱導體，以在該電極與該第一熱導體之間產生可測定的幾何關係，且其中該可測定的幾何關係包含：在1mm與15mm之間的最近距離。
範例14：如範例1至13中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例5的該軟性感測附件，包含相對多撓曲的部分以及相對少撓曲的部分。
範例15：如範例1至14中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：剛性部分及/或殼體。
範例16：如範例1至15中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：經配置而連接至「熱黏」工具或由「熱黏」工具所固持的殼體或附件。
範例17：如範例1至16中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該訊號處理電子電路經配置而處理由該波形感測電子電路所取得的該交流電壓波 形，以取得線電壓波形頻率頻譜或形狀，且使用由該電容測定電子電路取得的該耦合電容式比例因數而量度所取得的該線電壓波形頻率頻譜或形狀。
範例18：如範例1至17中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中經配置而取得該第一熱導體與該電極之間電容耦合所感應的交流電壓波形的該波形感測電子電路，包含：具有，該放大器電路的輸出依據形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的該耦合電容而定且依據該第一熱導體與該參考電位之間的該電壓而定。
範例19：如範例1至18中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該放大器電路包含：轉阻放大器電路，該轉阻放大器電路具有的輸出隨著該耦合電容以及隨著該第一熱導體與該參考電位之間的該電壓線性地縮放。
範例20：如範例1至19中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中：該電容測定電子電路包含：耦合電容軌跡電子電路，經配置而具有依據形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的該耦合電容而定的輸出頻率；以及該電容測定電子電路包含：比例因數取得電子電路，經配置而取得基於該耦合電容軌跡電子電路的輸出頻率的該比例因數。
範例21：如範例1至20中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路包含：包括有非穩態運算放大器多諧振盪器的電路，經配置而在反比於形成在該第一熱導體與該電極之間的該耦合電容的切換頻率切換輸出電壓與接地電位之間的輸出訊號。
範例22：如範例1至21中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路，包括電容量測晶片或電路。
範例23：如範例1至22中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路包含校準電路，包括：弛張振盪器、該參考電位的參考電容、經配置而選擇地連接該參考電容與該耦合電容的開關、以及經配置而取得在當該開關開啟時該校準電路的第一頻率與當該開關關閉時該校準電路的第二頻率之間頻率差的電子電路。
範例24：如範例1至23中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該電容式交流電壓感測機構，包含：量測手段，取得該第一熱導體的至少一個實體尺寸的測定；電子電路，經配置而基於該第一熱導體的該至少一個實體尺寸的該測定，取得在該電極與該第一熱導體的中心之間距離的測定；其中該電容測定電子電路經配置而使用在該電極與該第一熱導體的中心之間經測定的該距離、以及該第一熱導體的經測定的至少一個實體特徵，以取得形成在該第一熱導體與該電極之間的耦合電容式的該比例因數。
範例25：如範例1至24中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該量測手段經配置而感測一個以上的：包括有絕緣層的第一熱導體的直徑，該第一熱導體的周長，範例5的該軟性感測附件的距離指標，或範例5的該軟性感測附件的曲率或彎曲。
範例26：如範例1至25中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：電流感測機構，包含：電流變壓器，經配置而量測該第一熱導體中的電流；以及 電流處理電子電路，經配置而取得該第一熱導體中的電流的測定。
範例27：如範例1至26中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中該訊號處理電子電路經配置而處理及時間同步化該第一交流電路的電流波形與電壓波形，以取得該第一交流電路的功率因數的測定。
範例28：如範例1至27中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：電源供應手段，經配置而供電予上述的電子電路。
範例29：如範例1至28中任一個的非接觸式電壓感測裝置，其中範例28的該電源供應手段，包含：一個以上，儲能系統，如電容或電池，外部電源，如直流電壓源，適於自該第一交流電路取得電源的能量收集電子電路。
範例30：如範例1至29中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：多用性電路，經配置而在電流感測機構與該能量收集電子電路之間共用電流變壓器。
範例31：如範例1至30中任一個的非接觸式電壓感測裝置，更包含：多用性電路，經配置而選擇地耦合該電極至該波形感測電子電路或至該電容測定電子電路。
200:非接觸式電壓感測裝置
210:上殼體
212:鉤
214:鉸鏈
214:上鉸鏈部
215:下殼體
216:下鉸鏈部
218:桿
220:量測區域
230:傳導感測板
235:連接件
240:電子元件
251:上核
252:下核
253:繞組

Claims (22)

  1. 一種非接觸式電壓感測裝置，適於在不以直接電接觸第一熱導體且不比較第二交流電壓訊號的情況下，取得在第一交流電路的該第一熱導體與參考電位之間的電壓的測定，該非接觸式電壓感測裝置包含：殼體，提供經配置而容納該第一熱導體的量測區域，以使該第一熱導體由該量測區域所容納且不中斷該第一熱導體；且其中在運作的該量測區域為經配置而排除該第一交流電路的每個額外的熱導體，以使僅該第一熱導體由該量測區域所容納；電容式交流電壓感測機構，包含：傳導感測板，當該量測區域已容納該第一熱導體時，該傳導感測板具有對於該第一熱導體的可測定幾何關係；至參考電位的電連接；波形感測電子電路，經配置而取得由該第一熱導體與該傳導感測板之間電容耦合所感應的交流電壓波形；及電容測定電子電路，經配置而取得基於形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的耦合電容的比例因數；訊號處理電子電路，經配置而從由該波形感測電子電路取得的交流電壓波形以及由該電容測定電子電路取得的該耦合電容式比例因數，取得該第一熱導體與該參考電位之間的該電壓；以及電源供應手段，經配置而供電予上述的電子電路。
  2. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該訊號處理電子電路經配置而處理由該波形感測電子電路所取得的該交流電壓波形，以取得線 電壓波形頻率頻譜或形狀，且使用由該電容測定電子電路取得的該耦合電容式比例因數而量度所取得的該線電壓波形頻率頻譜或形狀。
  3. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中經配置而取得該第一熱導體與該傳導感測板之間電容耦合所感應的交流電壓波形的該波形感測電子電路包含：放大器電路，該放大器電路具有的輸出依據形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的該耦合電容而定且依據該第一熱導體與該參考電位之間的該電壓而定。
  4. 如請求項3所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該放大器電路包含：轉阻放大器電路，該轉阻放大器電路具有的輸出隨著該耦合電容以及隨著該第一熱導體與該參考電位之間的該電壓線性地縮放。
  5. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路包含：耦合電容軌跡電子電路，經配置而具有依據形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的該耦合電容而定的輸出頻率；以及該電容測定電子電路包含：比例因數取得電子電路，經配置而取得基於該耦合電容軌跡電子電路的輸出頻率的該比例因數。
  6. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路包含：包括有非穩態運算放大器多諧振盪器的電路，經配置而在反比於形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的該耦合電容的切換頻率切換輸出電壓與接地電位之間的輸出訊號。
  7. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該電容測定電子電路包含校準電路，包括：弛張振盪器、該參考電位的參考電容、經配置而選 擇地連接該參考電容與該耦合電容的開關、以及經配置而取得在當該開關開啟時該校準電路的第一頻率與當該開關關閉時該校準電路的第二頻率之間頻率差的電子電路。
  8. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該電容式交流電壓感測機構包含：量測手段，取得該第一熱導體的至少一個實體尺寸的測定；其中經配置而容納該第一熱導體的該量測區域更被配置為固定該第一熱導體的至少一部分位在或毗鄰已知位置；及其中該量測手段經配置而當該第一熱導體的該至少一部分被固定位在或毗鄰已知位置時，取得該第一熱導體的該至少一個實體尺寸的測定；以及數位卡尺電子電路，經配置而基於該第一熱導體的該至少一個實體尺寸的該測定，取得在該傳導感測板與該第一熱導體的中心之間距離的測定；以及其中該電容測定電子電路經配置而使用在該傳導感測板與該第一熱導體的中心之間經測定的該距離、以及該第一熱導體的經測定的至少一個實體特徵，以取得形成在該第一熱導體與該傳導感測板之間的耦合電容式的該比例因數。
  9. 如請求項8所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該量測手段經配置而取得包括有絕緣層的第一熱導體的直徑的測定。
  10. 如請求項9所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該數位卡尺電子電路經配置而取得該第一熱導體的線規或剖面積的測定。
  11. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該第一交流電路包括：單相、雙線、中點電位平衡的分相電路，或是雙相、三相或其他多相電路。
  12. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中提供該量測區域的該殼體係經配置，以使該第一熱導體順沿、進入或通過由該殼體所提供的該量測區域。
  13. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該量測區域係以由高傳導材料構成的殼體所至少部分地圍繞。
  14. 如請求項13所述之非接觸式電壓感測裝置，其中由高傳導材料構成的該殼體連接至接地電位。
  15. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中至參考電位的該電連接包含：至接地電位的電阻或電容連接。
  16. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中在該傳導感測板與該第一熱導體之間的該可測定幾何關係包含：至多100mm的最近距離。
  17. 如請求項16所述之非接觸式電壓感測裝置，其中在該傳導感測板與該第一熱導體之間的該可測定幾何關係包含：在1mm與15mm之間的最近距離。
  18. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，更包含：電流感測機構，包含：電流變壓器，經配置而量測該第一熱導體中的電流；以及電流處理電子電路，經配置而取得該第一熱導體中的電流的測定。
  19. 如請求項18所述之非接觸式電壓感測裝置，其中該訊號處理電子電路經配置而處理及時間同步化該第一交流電路的電流波形與電壓波形，以取得該第一交流電路的功率因數的測定。
  20. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，其中經配置而供電予上述的電子電路的該電源供應手段包含：能量收集電子電路，適於自該第一交流電路取得電源。
  21. 如請求項20所述之非接觸式電壓感測裝置，更包含：多用性電路，經配置而在電流感測機構與該能量收集電子電路之間共用電流變壓器。
  22. 如請求項1所述之非接觸式電壓感測裝置，更包含：多用性電路，經配置而選擇地耦合該傳導感測板至該波形感測電子電路或至該電容測定電子電路。
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