柔性电流和电压传感器的制造方法
【专利摘要】一种柔性电流和电压传感器提供在应用（诸如AC支路电路接线测量）中易于安装的电流传感器以及可选地安装的电压传感器，这些应用可能需要在密集布线条件中和/或在其中必须佩戴绝缘手套的带电面板中安装。传感器包括在第一端粘附到电流感测器件的至少一个柔性铁磁条。第二端固着到电流感测器件的另一侧或者另一柔性铁磁条，该另一柔性铁磁条从电流感测器件的另一侧延伸以形成回路，该回路提供用于磁通量的闭合路径。电压传感器可以由粘附到柔性铁磁条的内侧的金属箔提供。夹具本体可以在接线周围固着铁磁条，该夹具本体可以是加载弹簧的用柄操作的夹具或者锁定紧固器。
【专利说明】柔性电流和电压传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及向功率测量系统提供输入的传感器，并且更具体地涉及一种可以用来检测功率分布系统的接线传导的电流的柔性无接触电磁电流传感器。
【背景技术】
[0002]由于聚焦于用于商业和住宅位置的能量效率而越来越需要测量AC线路供电的系统中的功率消耗。为了提供准确测量，必须将负载的特性与负载汲取的电流一起考虑。
[0003]为了确定向AC功率分布系统中并且具体为已经就位的安装中的负载递送的电流，需要电流传感器，这些电流传感器提供容易耦合到用来向负载供电的高电压布线，并且在功率分布电路/负载与测量电路装置之间需要恰当隔离。
[0004]然而在实际安装装置中，由于密集接线包装而难以插入电流传感器，并且在带电面板中安装电流传感器还需要使用绝缘手套，这些绝缘手套使得难以用手指执行精细工作。
[0005]因此，将希望提供一种柔性传感器，该传感器可以容易安装于接线周围以提供隔离电流汲取信息并且允许在AC功率分布系统中测量负载特性。
【发明内容】
[0006]在一种用于测量穿过接线的电流的传感器和操作该传感器的方法中体现本发明，并且本发明也可以感测接线上的电压。
[0007]该传感器包括在第一端粘附到电流感测器件的至少一个柔性铁磁条。第二端固着到电流感测器件的另一侧或者另一柔性铁磁条，该另一柔性铁磁条从电流感测器件的另一侧延伸以形成回路，该回路提供用于磁通量的闭合路径。
[0008]电压传感器可以由粘附到柔性铁磁条的内侧的金属箔提供。夹具本体可以在接线周围固着铁磁条，该夹具本体可以是加载弹簧的用柄操作的夹具或者锁定紧固器。
[0009]本发明的前述和其它目的、特征及优点将从如附图中所示本发明的优选实施例的以下更具体描述中变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]在所附权利要求中阐述视为本发明的特点的新颖特征。然而将通过参照在结合附图阅读时的本发明的以下具体描述来最好地理解本发明本身及其优选实施方式、更多目的和优点，在附图中相似标号指示相似部件，并且在附图中:
[0011]图1A是根据本发明的一个实施例的电流传感器的端视图并且图1B是轴侧图。
[0012]图1C是根据本发明的另一实施例的电流和电压传感器的端视图。
[0013]图2A是根据本发明的另一实施例的电流传感器的端视图并且图2B是轴侧图。
[0014]图3A是根据本发明的又一实施例的电流传感器的端视图并且图3B是轴侧图。
[0015]图4是根据本发明的另一实施例的电流和电压传感器的侧视图。[0016]图5是根据本发明的又一实施例的电流和电压传感器的侧视图。
[0017]图6是图示根据本发明的实施例的用于从传感器接收输入的电路的电路框图。
【具体实施方式】
[0018]本发明包括用于电流和电压感测特征的传感器，这些传感器用于向功率测量系统提供输入，这些传感器特别是在安装者佩戴绝缘手套并且其中在拥挤布线盒中进行安装时提供易于安装。例如可以在用于计算机服务器室的主要功率分布盒中安装本发明，在该分布盒中，大量支路电路向各种电子机架(chassis)功率供应分布功率，并且在该分布盒中，向计算机操作环境内的功率监视和/或系统控制工具提供用于各种支路电路的功率使用量信息是有益的。其它应用包括用于商业和/或住宅能量管理的功率监视。
[0019]现在参照图1A-图1B，示出根据本发明的一个实施例的传感器10。柔性铁磁条分段12A和12B粘附到电流感测元件17的侧面，该电流感测元件一般是磁场传感器，诸如霍尔效应传感器、电流感测变压器、各向异性磁阻(AMR)传感器、普通磁阻(CMR)传感器、巨型磁阻(GMR)传感器或者其它适当电流感测器件。示出电流感测器件17为具有从它的本体延伸的接口接线15，但是其它类型的端子可以用作提供与电流感测器件17的连接的备选方式。电流感测器件17提供关于穿过接线3的电流的量值和相位的信息，柔性铁磁条分段12A、12B缠绕于该接线周围并且用固着材料(诸如钩和环紧固器布置)固着，该钩和环紧固器布置具有粘附到铁磁条分段12A的一端的钩部分9B和粘附到铁磁条分段12B的一端的环部分9A，该钩和环紧固器布置提供传感器10在接线3周围的可拆卸紧固。备选地，固着材料可以是粘合剂，诸如粘附到铁磁条分段12A、12B的一端或者两端的纸背衬(paper-backed)双面粘合材料。在任一,清况下,应当使固着材料层尽可能薄，因为提供铁磁条分段12A、12B以形成用于磁通量的传导回路，其中间隙由电流感测元件17限定，该电流感测元件感测磁通量以测量穿过接线3的电流。因此，第二间隙由固着材料9A、9B限定，应当使该固着材料尽可能小以便提高在电流感测元件3的输出的信噪比。根据本发明的备选实施例，铁磁条分段12A、12B之一可以替换为适当形状的非柔性铁素体材料，从而剩余柔性条足以提供在接线3周围闭合。因此，本发明提供的感测回路包括由柔性铁素体材料形成的至少部分、但是可以包括非柔性铁素体以及在铁素体材料之间、在铁素体材料与传感器之间等的间隙。
[0020]现在参照图1C，示出根据本发明的另一实施例的传感器10A。传感器IOA与图1A-图1B的传感器10相似，因此以下将仅描述在传感器IOA与传感器10之间的不同。传感器IOA包括传感器10的电流感测特征，但是还包括金属箔提供的电压感测元件20，该金属箔可以镀制到柔性铁磁条分段12A、12B的内表面上、形成于该内表面内或者粘附到该内表面。电压感测元件20提供与支路电路接线3的电容耦合并且经由接口接线15A提供输出，该接线接口也可以备选地替换为端子或者其它适当电连接器。电压感测元件20提供至少指示接线3上的电压的相位的AC波形并且如果需要则可以被校准以提供电压的量值的指示。
[0021]现在参照图2A和图2B，示出根据本发明的另一实施例的传感器10B。传感器IOB与图1A-图1B的传感器10相似，因此以下将仅描述在它们之间的不同。传感器IOB使用单个连续柔性铁素体条12而不是包括在用于形成柔性铁素体条的两个不同柔性铁素体材料分段之间的电流感测元件17。电流感测元件然后粘附到柔性铁素体条12的一端，并且固着材料9C和/或固着材料9D分别粘附到电流感测元件17和/或柔性铁素体条12的与电流感测元件17相反的一端。固着材料9C和/或9D可以是与以上参照图1A-图1C公开的用于固着材料9A和9B的材料和/或结构相同的材料和/或结构。尽管在图中未示出，但是还可以在传感器IOB的内侧上设置提供电压感测元件20的金属箔以提供电压感测功能。
[0022]现在参照图3A和图3B，示出根据本发明的又一实施例的传感器10C。传感器IOC与图2A-图2B的传感器IOB相似，因此以下将仅描述在它们之间的不同。电流感测元件在柔性铁素体条12的一端粘附到柔性铁素体条12的外侧(或者备选为内侧)表面，而不是将电流感测元件17的一侧粘附到柔性铁素体条12的一端。固着材料9C、9D中的一个或者两个固着材料将在柔性铁素体条12的另一端的相对面保持与电流感测元件邻近，该固着材料粘附到电流感测元件17的另一侧和/或柔性铁素体条12的相对面。尽管在图中未示出，但是还可以在传感器IOC的内侧上设置提供电压感测元件20的金属箔以提供电压感测功倉泛。
[0023]现在参照图4，示出根据本发明的另一实施例的传感器10D。传感器IOD与图1C的传感器IOA相似，因此以下将仅描述在传感器IOD与传感器IOA之间的不同。传感器还包括夹具本体20，该夹具本体在近端包括柄部分22并且在远端限定柔性铁磁条分段12A、12B、电流感测元件17和电压感测元件20设置于其中的孔。在将柄部分22压缩在一起时，孔打开，从而弯曲柔性铁磁条分段12A、12B以及电压感测元件20并且允许向传感器IOD引入一个或者多个接线。在释放柄部分22时，柔性铁磁条分段12A、12B的与电流感测元件相反的末端产生接触，从而闭合由柔性铁磁条分段12A、12B和电流感测元件17形成的磁通量感测回路。
[0024]现在参照图5，示出根据本发明的另一实施例的传感器10E。传感器IOE与图1C的传感器IOA相似，因此以下将仅描述在传感器IOE与传感器IOA之间的不同。粘附到柔性铁磁条分段12A、12B并且具有锁定机构IOA的锁定拉带19B在传感器IOE中提供传感器本体，从而可以在一个或者多个接线周围持久地固着传感器10E。根据本发明的备选实施例，锁定机构19A可以可释放以提供传感器IOE的去除和重定位。锁定机构IOA可以由诸如钩和环紧固器(例如VELCRO,这是Velcro Industries, B.V.的商标)、拉链带或者其它线缆带之类的结构提供，并且可以包括具有紧固固定装置(诸如自粘合背衬器)的基部。
[0025]现在参照图6，在框图中示出用于从图1A-图1C、图2A-图2B、图3A-图3B、图4和图5的电流/电压传感器接收输入的电路。来自电流感测元件17的接口接线15向电流测量电路108A提供输入，该电流测量电路是对传感器的电流通道输出进行适当缩放和滤波的模拟电路。如果需要，则接口接线15也向电流感测元件17供应电流。提供电流测量电路108A的输出作为向模数转换器(ADC)106的输入，该ADC将电流测量电路108A生成的电流输出波形转换成向中央处理单元(CPU) 100提供的采样值，该CPU根据耦合到CPU100的存储器104中存储的程序指令执行功率计算。备选地，可以省略电流测量电路108A，并且电流感测元件17可以直接连接到ADC106。可以通过假设电路电压恒定(例如在美国用于电支路电路的115Vrms)并且对准在电压与电流之间的相位关系(即同相)来确定与特定传感器关联的电路的功率使用。然而，尽管恒定电压的假设一般足够，因为恰当设计的分布系统未让线路电压下降多于小数量、例如〈3%，但是在电压与电流之间的相位关系依赖于负载的功率因子并且可能由于负载并且随时间广泛和动态变化。因此，一般希望至少知道在支路电路电压与电流之间的相位关系以便准确确定支路电路的功率使用。
[0026]向电压测量电路108B提供来自传感器的电压通道的接口接线15A，该电压测量电路是对传感器的电压通道输出进行适当缩放和滤波的模拟电路。过零检测器109可以用来取代向ADC106的输入提供电压测量电路的输出或者与之组合向执行功率计算的中央处理单元100提供仅相位的信息。备选地，可以省略电压测量电路108B，并且接口接线15A直接连接到ADC106。输入/输出(I/O)接口 102向本地或者外部监视系统提供无线或者有线连接。在未考虑功率因子时，可以计算每个支路电路使用的瞬时功率为:
[0027]Pbranch-Vrms* Imeas，
[0028]其中Vnns是恒定值、例如115V，并且Imeas是测量的rms电流值。可以随时间对功率值Pbeanch进行积分以产生能量使用。在电压的相位已知时，可以更准确计算功率为:
[0029]Pbranch-Vrms*Imeas*C0S (①)。
[0030]其中Φ是在电压与电流波形之间的相位角度差。可以将过零检测器109的输出与电流测量电路108A生成的电流波形中的过零位置进行比较，并且在电流和电压中的过零之间的时间Λ T用来根据线路频率(假设线路频率是60Hz)生成相位差Φ:
[0031]Φ=2Π*60*ΔΤ。
[0032]一般而言，电流波形不是真正地正弦曲线，并且上述近似可能未产生充分准确结果。一种更准确的方法是将以比线路频率高得多的采样速率测量的电流和电压采样相乘。采样值因此近似电流和电压波形的瞬时值，并且可以计算能量为:
[0033]Σ (Vn*In)。
[0034]多种算术方法可以用来根据采样的电流和电压测量确定功率、能量和相位关系。
[0035]尽管已经参照本发明的优选实施例具体示出和描述本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的前述和其它改变而未脱离本发明的精神实质和范围。
【权利要求】
1.一种用于感测穿过功率分布系统的接线的电流的传感器，所述传感器包括: 电流感测器件，用于提供指示穿过所述接线的所述电流的第一输出；以及 柔性铁磁条，使得所述电流感测器件粘附于其一端以用于在所述传感器耦合到所述接线时形成用于磁通量的闭合路径。
2.根据权利要求1所述的传感器，还包括:电压感测器件，粘附到所述柔性铁磁条，用于提供指示所述接线上的电势的第二输出，其中所述电压感测器件未与所述接线产生电接触。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述电压感测器件包括具有与所述柔性铁磁条基本上相同宽度和相同长度的金属箔。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述柔性铁磁条是第一铁磁条，所述第一铁磁条使得所述电流感测器件的第一侧粘附于其第一端，并且还包括第二铁磁条，所述第二铁磁条在其第一端粘附到所述电流感测器件的第二侧，并且其中所述第一铁磁条的第二端和所述第二铁磁条的第二端在所述传感器耦合到所述接线时固着在一起以便形成经过所述第一铁磁条、所述第二铁磁条和所述电流感测器件的所述闭合路径。
5.根据权利要求4所述的传感器，还包括:至少一个固着材料，粘附到所述第一铁磁条的所述第二端或者所述第二铁磁条的所述第二端中之一，以将所述第一铁磁条的所述第二端固着到所述第二铁磁条的所述第二端。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电流感测器件的第一侧粘附到所述柔性铁磁条的第一端，并且其中所述铁磁条的第二端邻接所述电流感测器件的第二侧以形成经过所述电流感测器件的所述闭合路径。
7.根据权利要求6所 述的传感器，还包括:至少一个固着材料，粘附到所述铁磁条的所述第二端或者所述电流感测器件的所述第二侧中之一，以将所述铁磁条的所述第二端固着到所述电流感测器件的所述第二侧。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电流感测器件的第一侧粘附到在所述柔性铁磁条的所述第一端的内侧表面，并且其中在所述铁磁条的所述第二端的相对外侧表面邻接所述电流感测器件的第二侧以形成经过所述电流感测器件的所述闭合路径。
9.根据权利要求8所述的传感器，还包括:至少一个固着材料，粘附到在所述铁磁条的所述第二端的所述内侧表面或者所述电流感测器件的所述第二侧中之一，以将在所述铁磁条的所述第二端的所述外侧表面固着到所述电流感测器件的所述第二侧。
10.根据权利要求1所述的传感器，还包括用于将所述传感器固着到所述接线的传感器夹具本体，其中所述柔性铁磁条和所述电流感测器件设置于所述传感器夹具本体内。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述传感器夹具本体包括: 柄对，设置于所述传感器夹具本体的近端；以及 铰链机构，并且其中所述柔性铁磁条设置于在所述传感器夹具本体的远端处形成的孔内，其中所述柄对在被压缩在一起时打开所述孔以允许插入所述接线，其中所述铰链机构包括用于在释放所述柄对时在所述接线周围闭合所述孔的恢复弹簧，其中所述柔性条沿着所述孔的内侧圆周设置并且固着到所述传感器夹具本体，由此所述柔性条在所述柄对被压缩在一起或者释放时弯曲。
12.根据权利要求10所述的传感器，其中所述传感器夹具本体包括用于使得所述接线穿过的机械约束件，其中所述机械约束件通过在所述接线周围压缩所述柔性铁磁条来在固定位置处固着所述接线，其中所述机械约束件包括在所述接线周围的固定位置锁定所述柔性铁磁条的锁定机构。
13.一种用于感测穿过功率分布系统的接线的电流的方法，所述方法包括: 在所述接线周围固着柔性铁磁条，所述柔性铁磁条使得电流感测器件粘附于其一端以形成包括所述电流感测器件的用于磁通量的闭合路径；并且 测量所述电流感测器件的输出以提供所述电流的瞬时值的指示。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述固着进一步固着电压感测器件，所述电压感测器件粘附到所述柔性铁磁条以用于提供指示所述接线上的电势的第二输出，其中所述电压感测器件不与所述接线产生电接触。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述固着将电压感测器件进行固着，所述电压感测器件包括具有与所述柔性铁磁条基本上相同宽度和相同长度的金属箔。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述固着将第一铁磁条和第二铁磁条进行固着，所述第一铁磁条使得所述电流感测器件的第一侧粘附于其第一端，并且所述第二铁磁条在其第一端粘附到所述电流感测器件的第二侧，并且其中所述第一铁磁条的第二端和所述第二铁磁条的第二端通过所述固着来固着在一起，以便形成经过所述第一铁磁条、所述第二铁磁条和所述电流感测器件的所述闭合路径。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述固着由至少一个固着材料执行，所述至少一个固着材料粘附到所述第一铁磁条的所述第二端或者所述第二铁磁条的所述第二端中之一以将所述第一铁磁条的所述第二端固着到所述第二铁磁条的所述第二端。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述固着对单个柔性铁磁条进行固着，所述单个柔性铁磁条使得所述电流感 测器件的第一侧粘附于其第一端并且所述电流感测器件的第二侧在所述铁磁条的第二端邻接所述铁磁条以形成经过所述电流感测器件的所述闭合路径。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述固着由至少一个固着材料执行，所述至少一个固着材料粘附于所述第一铁磁条的所述第二端或者所述第二铁磁条的所述第二端中之一以在所述第二铁磁条的所述第二端处固着所述第一铁磁条的所述第二端。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述固着包括固着粘附到所述柔性铁磁条的传感器夹具本体，其中所述柔性铁磁条和所述电流感测器件设置于所述传感器夹具本体内。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述传感器夹具本体包括:柄对，设置于所述传感器夹具本体的近端；以及铰链机构，并且其中所述柔性铁磁条设置于在所述传感器夹具本体的远端的孔内，其中所述固着包括压缩和释放所述柄以打开所述孔以允许插入所述接线并且在所述接线周围闭合所述孔，其中所述柔性条沿着所述孔的内侧圆周设置并且固着到所述传感器夹具本体，由此所述柔性条在所述柄对被压缩在一起或者释放时弯曲。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述固着对所述传感器夹具本体的用于使得所述接线穿过的机械约束件进行固着，其中所述机械约束件通过在所述接线周围压缩所述柔性铁磁条来在固定位置固着所述接线，其中所述机械约束件包括在所述接线周围的固定位置锁定所述柔性铁磁条的锁定机构。
23.一种用于感测穿过功率分布系统的接线的电流的传感器，所述传感器包括:电流感测器件，用于提供指示穿过所述接线的所述电流的第一输出；以及柔性铁磁条，使得所述电流感测器件粘附于其一端以用于在所述传感器耦合到所述接线时形成用于磁通量的闭合路径；以及 电压感测器件，由粘附到所述柔性铁磁条的金属箔形成用于提供指示所述接线上的电势的第二输出，其中所述电 压感测器件不与所述接线产生电接触。
【文档编号】G01R19/00GK103675403SQ201310334886
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2012年8月28日
【发明者】W·艾尔-埃索伊, A·P·弗雷拉, T·W·凯勒, K·拉加玛尼, J·C·鲁比奥, M·A·沙佩特 申请人:国际商业机器公司