带电流检测器的万用表的制作方法

专利名称：带电流检测器的万用表的制作方法
技术领域：
本发明概括地说涉及电子测试仪表，具体地说涉及具有用以测量电流的电流检测器和用以测量电压和电阻的测试引线的万用表。
万用表，也叫作数字万用表或“DMM”，适用于测量为维修、调试和保养用途通常所需的多种参数。这些参数一般包括交流电压和电流、直流电压和电流、以及电阻或连续性。还可轻易地添加诸如频率、电容、温度等其它参数，以满足特殊用途的需要。为了用通用的万用表测量电流，必须在电流路径中插入具有已知电阻的内部电流分路，这就需要使载流导体断开。然后测量电流分路的电压降，以确定电流。
采用内部电流分路的通用万用表由于其测试引线和载流电路的容量的缘故，一般限于10安培最大电流。此外，为了安全起见以及防止损坏万用表，万用表通常必须用内部熔丝予以保护，防止过大的电流电平流过万用表。拆卸熔断的熔丝时的困难连同完成替换熔丝所需的时间和成本使得人们希望获得一种不需要内部熔丝的非接触型电流测量仪表。
与通用万用表相比，夹持式万用表通过采用一个不必切断或断开载流导体而检测载流导体中的电流的整体电流夹，从而提高了测量电流的能力。电流夹一般与万用表配置在同一个外壳中，万用表则用独立的测试探针以传统的方式测量诸如电压和电阻等的其它参数。电流夹是绕载流导体闭合的，以检测由电流所形成的磁场，载流导体可以是铜线和母线。电流夹通过万用表提供测量的电压信号，万用表计算和显示测量的电流值。由于电流没有从载流导体流过夹持式万用表分流出去，基本上消除了对可能测量的最大电流的限制。同样，在夹持式万用表中免去了内部熔丝。
为了获得有效的电流测量，电流夹中的磁芯必须围绕载流导体，使得电流夹完全闭合。电流夹必须用机械方法启动，使爪开启、插入载流导体、然后使爪围绕载流导体闭合。在诸如控电板等的密集物理空间中，插入夹持式万用表以及采用这种技术进行电流测量是既不方便又很困难的。由于爪的对正而形成完整的磁芯对获得有效的测量是很重要的，电流夹会受到断裂、误用，而且容易变赃和污染。因此夹持式万用表会有可靠性的问题，以及启动电流夹的爪所需的物理空间颇大。而且，由于大量的铁用于磁芯，因此，夹持式万用表往往实际上很重。
现在有具有带一个接受载流导体用以测量导体的电流的固定凹口的C形电流检测器的电流计。日本的Multi公司200型万能夹持式电表(UCM)在其外壳的一端有一个电流检测器，另一端有一个C形电流夹。UCM是一种混合式仪表，说明了用C形电流检测器克服上文讨论的电流夹的缺点的必要性。然而，电流夹尽管有其缺点，但是仍然没有从UCM淘汰。C形电流检测器是不补偿的，因此使测量精度较差，很大程度上取决于载流导体在固定凹口中的几何位置。电流夹基本上不受载流导体几何位置的影响，其测量精度远远超过UCM中所实施的C形电流检测器的精度，这样就使C形电流检测器限于电流监测而不是电流度量的较有限的作用，而电流夹则用来获得较精确的电流测量。
在1991年10月15日授予GeraldL.Edwards，转让给Sensorlink公司的题为“交流电流检测器”的美国专利No.5,057,769中，描述了一种具有用以显著提高测量精度的补偿线圈的C形电流检测器。Sensorlink公司所制造的Ampstik电流测量产品容许测量流过高压线路的电流，而不必实际环绕载流导体。电流表是由带有与安装在整体外壳中的电子测量电路相耦合的补偿线圈的C形电流检测器所组成的。在其预定的应用中，为了进行电流测量，电流表放置在“带电操作杆”(hot stick)的端部。带电操作杆是一种用于电力工业中高压电力线路的不导电的杆子。
为了适应公用事业电气用途中所遇到的两和四英寸母线，电流表实际上必然很大。同时，使Ampstik电流表最佳化，以在高达400,000伏的电压环境下工作，能测量高达5,000安的电流。因此，Ampstik电流表并非旨在用作手持万用表，也没有用于一般的维修和保养用途中电流电平下工作的灵敏度，而且物理体积比上文讨论的现有技术的夹持式万用表显著地大。
在Charles R.Jensen 1997年3月17日提交的转让给Fluke公司的审理中的题为“改良的用于交流电流检测器的线圈”的专利申请08/819,527中描述了一种具有较小体积、较高灵敏度和测量精度的改良的电流检测器。这种电流检测器容许在不必实际环绕载流导体的情况下进行电流测量，同时适于在万用表的维修和保养用途中所遇到的较低电压和电流的范围内工作。采用补偿线圈保证了基本上不受电流检测器的固定凹口内的载流导体的几何位置影响的精确测量。为了防止来自其它载流导体的干扰，将线圈的固定凹口外部的磁场排斥至理想的程度。
因此，希望提供一种具有单一电流检测器固定凹口的手持万用表，以获得实质上减小的体积和增强的可靠性。
根据本发明，提供了一种万用表，这种万用表具有一个带有用以接受载流导体的固定凹口的电流检测器。这种万用表适于测量包括交流和直流电压、电阻和交流电流在内的各种参数。
在最佳实施例中，万用表适用于电气测试的用途。电阻功能实施作为连续性测试，其中测量例如小于10,000欧的较低电阻范围，决定有关测试探针之间是否存在短路。电压功能是用一伏分辨度及无电压范围实施的，因而保证了在一般在120-240V线路电压范围内的电气测试的足够分辨度的较快速电压读数。在测试探针之间保持较小的输入电阻，基本上小于通用万用表的1兆欧，以降低否则会从相邻的带电电路感应到开路电路(dead circuit)内的“寄生电压”(ghostvoltage)效应。
在万用表的细长外壳的一端在固定凹口的周围设置C形电流检测器，用以测量交流电流，而在另一端上有一对测试引线，用以测量电阻、交流电压和直流电压。电流检测器和测试引线向模数转换器(ADC)提供输入信号，以根据所选的参数获得作为测量结果显示的数字样本。
C形电流检测器设置在细长外壳的一端的固定凹口的周围。由于在C形电流检测器中没有机械启动的运动部件，所以获得了实质上更为小巧的万用表尺寸，连同增强的可靠性和耐用性。细长外壳设计成容许手持万用表，容易访问由旋钮、显示器、电压指示器以及显示保持按钮所组成的用户接口，而且当不用时，容易放入使用者的工具带或工具袋。
本发明的一个目的是提供一种具有一个带有用以接受载流导体的固定凹口的电流检测器的万用表。
本发明的另一个目的是提供一种具有一个不带运动部件的整体的电流检测器用以测量电压、电流和电阻的万用表。
本发明的再一个目的是提供一种具有一个在外壳的一端有用以接受载流导体的固定凹口、在另一端有测试引线的细长外壳的万用表。
本领域的技术人员在阅读结合附图所作的以下描述后，其它的特征、成就和优点就变得清楚了。


图1是根据本发明的万用表的从正右下侧观看的透视图；图2是图1的万用表的从背左下侧观看的透视图；图3是图1的万用表的顶视图；图4是包括一个挂钩的图1的万用表的另一个实施例的顶视图；图5是测试探针装在正向通路的图1的万用表的从正右下侧观看的透视图；以及图6是根据本发明的万用表的简化的示意方框图。
在图1中，示出了根据本发明的万用表10的从正右下侧观看的透视图。万用表10的细长外壳有正面14、背面16、低端18、顶端20、右侧面22和左侧面24。一对测试探针12经过绝缘的探针导线连接到低端18。顶端20有一个用以接受载流导体(未示出)的固定凹口26。在顶面14上装有旋钮28、保持钮30、电压指示器32、以及集中地形成万用表10的用户接口的显示器34。
通过使顶端20和低端18显著地比左侧面22和右侧面24窄而获得细长的外壳，从而容易手持操作和访问万用表10的用户接口。细长外壳的尺寸最好容许用一只手手持操作万用表10。旋钮28和保持钮30设置成容许用任何一只手手持万用表10进行启动以及容易在使用者的口袋或工具带中传送。旋钮28用来选择包括电压模式、电流模式和电阻模式在内的万用表10的测量模式，以及关断仪表电源。保持钮30的作用是在被按压时保持当时显示器34上的测量结果。电压指示器32是一个可视地指示这对测试探针12之间可能有电击危险的电压电平的存在的光源，也作为线路电压是否存在的快速指示器。在本发明的最佳实施例中，当测试探针12之间的电压电平超过30伏交流或60伏直流电压时，不管万用表10是什麽测量模式，电压指示器32都会发光。
在电压模式下，万用表10接受测试探针12之间的电压，并且在显示器34上提供电压的测量值。为了使使用者与旋钮28的相互作用减至最低，当处在电压模式下时，万用表10最好根据电压的频率值自动地在直流和交流电压测量之间进行选择。另一方面，可以用旋钮28手动地在直流和交流电压测量模式之间进行选择。
在电阻模式下，万用表10通过这对测试探针12之间所存在的一个未知电阻注入测试电流而提供测试探针12之间的未知电阻的测量值。在最佳实施例中，以连续性测试的形式进行传统的电阻测量的一个子集。定义为小于预定欧姆数的电阻的这对测试探针之间的短路存在与否是由万用表10做的决定，这能快速地指示，既能在显示器34上用数字显示，也能表示为通或断的音频声调。
在电流模式下，万用表10提供对流过插入固定凹口26内的载流导体的交流电流的测定。载流导体产生与电流成正比的磁场。磁场为安装在万用表10的细长外壳内的电流检测器(未示出)所接收，电流检测器所产生的测量信号则提供给万用表10的测量电路，万用表将测量结果显示在显示器34上。围绕电路检测器的区域内的细长外壳是由诸如塑料等的非磁性材料构成的，以防止对电路测量的干扰。本发明中所采用的电流检测器没有运动部件，且安装在固定凹口26周围的细长外壳的顶端20内，因此，与夹持式万用表相比，保证了万用表10具有实质上增强的耐用性和可靠性。
电流检测器不需要为了测量电流而环绕载流导体，因此为细长外壳提供了实质上减小的尺寸。固定凹口26只需要宽度足以容纳载流导体包括任何绝缘层在内的最大外径。细长外壳的顶端20的外径只需要宽到足以容纳内部的电流检测器的宽度。这样，根据本发明的万用表10保证了获得位于紧凑的物理空间内的载流导体的电流测量值，而这是现有技术的夹持式电表所不能实现的。
在图2中示出了万用表10的从背左下侧观看的透视图。所示的背面16朝上。背面16包括作为最佳实施例的电池室的外凸区36。沿着外凸区36的每一侧是沟道38和40，这些沟道适于当万用表10不使用时或者正在作电流测量时牢靠地容纳这对测试探针12中的每一个，把它们储藏保存起来。沟道40延伸到顶端20作为正向沟道42，沟道42适于在正向位置可靠地容纳这对测试探针12中的一个，使得探针从万用表10的顶端20伸出，容易用这对测试探针12进行探测。
在图3中示出了万用表10的顶视图。顶端20和低端18实际上比左侧面24和右侧面16窄。在旋钮28处环绕细长的表体的周长选成使万用表10容易用一只手握持或者容易插入使用者的盒或袋中。右侧面16和左侧面24朝低端18向内弯曲，有助于在操作用户接口时更容易握持。用以接受载流导体的固定凹口26保持离用户接口的最小距离，使万用表10的使用者与载流导体中存在的可能有危险的电压保持安全隔开。
在图4中示出了万用表10的另一个实施例的顶视图，万用表10包括一个在伸出位置所示出的可缩回挂钩27。处在伸出位置的可缩回挂钩27配合沟道凹口26而选成一个细长外壳中的孔。当不必进行电流测量时，可缩回挂钩27容许万用表10附装到固定物体上，且从固定物体上悬挂下来，这些固定物体可以包括载流导体、其它导线、或者钩子。在缩回位置，可缩回挂钩27缩回细长外壳内，使得固定凹口26不受阻塞。可缩回挂钩27最好由非磁性、非导电材料所构成，以避免对电流检测器的干扰，以及防止在任何正在测试的电路中引入有害的电流路径。可缩回挂钩27经过安装在细长外壳上的一条杆(未示出)在缩回位置和伸出位置之间机械地作动。
在图5中示出了万用表10的从正右下侧观看的透视图，这对测试探针12中的一个插入正向沟道42，从万用表10的顶端伸出。正向沟道42牢靠地保持测试探针在正交离开万用表10的顶端20的位置，与细长的表体成一直线。这样，在探测操作过程中，用一只手握持万用表10连同这对测试探针12中的一个，另一只手握持这对测试探针12中的另一个就可以探测电压和电阻。
在图6中示出了根据本发明的万用表10的测量电路的简化示意方框图。这对测试探针12与前端100相耦合，前端100可以包括放大器、分压器、电压保护电路、以及产生经过调节的输入信号的低通滤波器。前端100一般是受遥控的，并且根据直流或交流输入电压的类型以及确定所需的比例因子的输入电压幅值进行设定。
与前端100相耦合的电压检测电路102检测这对测试探针12之间的电压的幅值，将这个幅值与根据工业标准选为交流和直流电压的最大安全电压电平的阈值电压进行比较。在最佳实施例中，阈值选为交流30伏和直流60伏。如果这对测试探针12之间的电压超过任何一个阈值，电压检测电路102就向安装在顶面14上的电压指示器32(示于图1中)提供信号，以提供存在危险的输入电压电平的可视指示。
在电阻模式下，电流源104向前端100提供测试电流，前端100耦合流过这对测试探针12和连接在这对测试探针12之间的未知电阻Rx的电流。于是可以测量未知电阻Rx上的电压降，根据以下公式确定电阻Rx=电压降/测试电流电阻模式还包括连续性测试，其中这对测试探针12之间的电阻小于阈值电阻值被看作短路，并且经过用户接口可视地或者用音频声调指出这种短路。
前端100向开关106提供经过调节的输入电压，开关106根据正在测量的信号的类型而在直流路径和交流路径之间进行切换。在交流路径中，交流转换器108将交流信号转换成测量信号，这种测量信号主要由适合于转换成数字测量值的直流成分所组成。交流转换器108包括一个平均电路，但是根据应用的需要，对于更精确的交流读数，可以用真正的均方根转换器代替。AC/DC检测器100检测正在测量的无论是交流还是直流性质的信号的类型，向开关106提供信号，开关106响应信号的类型在交流路径和直流路径之间切换。
噪音滤波器112直接从前端100经过直流路径或者经过交流路径中的交流转换器108接收测量信号，进行滤波，以从测量信号中排除有害的噪音。噪音滤波器112是作为低通滤波器而实施的，其特性选成足以排除包括50/60赫线路噪音在内的有害噪音。
C形电流检测器114检测流过放置在其与固定凹口26一致的内部的载流导体116的交流电流。C形电流检测器114最好用补偿线圈构成，以获得测量精度的理想值，以及将固定凹口26内的载流导体116的几何位置变化的作用减至最低。由C形电流检测器114所产生的电流信号耦合到放大器118，放大器118具有诸如补偿和增益的校准调节作用，以在提供给交流转换器108的输出上获得适当校准的信号。交流转换器108选择性地接收和转换来自C形电流检测器114的电流信号和来自前端100的经过调节的输入信号的其中之一，响应于已经选择的测量模式而产生测量信号。
在噪音滤波器112的输出端上的经过滤波的测量信号提供给模数转换器(ADC)120，模数转换器120以选定的分辨率和采样率产生数字测量值。将数字测量值提供给显示驱动器122，显示驱动器122根据选定的测量模式处理数字测量值的格式化，将之转换成显示器34(示于图1)所需的格式。在电压模式下，显示器34最好指明响应于AC/DC检测器110所产生的信号正在显示直流或交流电压。为了连续显示，通过按压保持钮30可以保持特定的测量值。
旋钮28(示于图1)根据正面14上的各种棘轮(detents)和标号(未示出)选择万用表10的测量模式，包括电压模式、电流模式、或电阻模式、以及接通和关断万用表10。旋钮28的输出提供给仪表控制器124，仪表控制器124控制万用表10的所有功能。为了获得较少的元件数量和较低的制造成本，在最佳实施例中仪表控制器14是作为采用组合逻辑的状态机而实施的。另一方面，仪表控制器124可以采用执行软件程序的微处理器简易地实施，提供万用表10的测量过程的控制。
显然本领域的普通技术人员可以在上述本发明的最佳实施例的细节方面作许多变化，只要在其大的方面不脱离本发明的精神。例如，各种用户接口任选件可以从市场上能买到的许多用户接口中选取，包括例如采用音频声调或合成语音来传送测量结果，连同滑动开关和图象接触屏幕，以接受用户输入。采用测量电流的固定凹口26的万用表外壳采用了手持操作的许多人类工程学形状中的任何一种，但是外壳形状也是容易替代的。固定凹口26可以向右侧面22或左侧面24转，或者稍微倒转，以容许万用表10从载流导体116或其它固定物体悬挂下来。这对测试引线12可以配置香蕉插头，香蕉插头与细长外壳上的香蕉插孔配合，方便拆卸和重新连接。使万用表10能容易适于包含测量直流电流以及交流电流的C形电流检测器。因此，本发明的范围应该由后文的权利要求书确定。
权利要求
1．一种万用表，包括(a)一个细长的外壳，它具有正面、背面、左侧面、右侧面、以及顶端和低端，其中所述顶端和低端实质上比所述左侧面和右侧面窄，而所述顶端具有一个用以接受载流导体的固定凹口；(b)一个安装在所述凹口的周围用以检测所述载流导体中的电流的C形电流检测器；(c)一对与所述低端相连接的测试探针；(d)与所述电流检测器和所述一对测试探针相耦合用以根据测量模式提供测量值的测量电路；以及(e)一个与所述测量电路相耦合用以根据所述测量模式显示所述测量值的显示器。
2．根据权利要求1的万用表，其特征在于所述背面包括为了储藏用以牢靠地容纳所述一对测试探针的第一和第二沟道。
3．根据权利要求2的万用表，其特征在于所述背面还包括用以将所述一对测试探针的其中之一牢靠地容纳在正向位置的正向沟道，其中所述一对测试探针中的所述一个伸出所述顶端。
4．根据权利要求1的万用表，其特征在于还包括一个与所述一对测试探针相耦合的电压指示器，其中所述电压指示器指示所述一对测试探针之间是否存在危险电压。
5．根据权利要求1的万用表，其特征在于还包括一个用以选择所述测量模式的旋钮。
6．根据权利要求1的万用表，其特征在于所述测量模式包括电流模式、电压模式、以及电阻模式的其中之一。
7．根据权利要求1的万用表，其特征在于还包括一个安装在所述顶端的可缩回挂钩，所述可缩回挂钩具有伸出位置和缩回位置。
8．根据权利要求7的万用表，其特征在于当所述可缩回挂钩处在所述伸出位置时，所述可缩回挂钩和所述沟道凹口在所述顶端形成一个孔。
9．一种万用表，包括(a)用以接收所述输入电压的测试引线；(b)一个与所述测试引线耦合用以产生经过调节的输入电压的前端；(c)一个用以与载流导体磁耦合而产生电流信号的C形电流检测器；(d)一个与所述前端和所述C形电流检测器相耦合用以根据测量模式选择性地接收所述经过调节的输入电压和所述电流信号的其中之一而提供测量电压的交流转换器；(e)一个与所述交流转换器相耦合用以产生数字测量值的模数转换器；以及(f)一个与所述模数转换器相耦合用以根据所述测量模式显示所述数字测量值的显示器。
10．根据权利要求9的万用表，其特征在于还包括(a)一个与所述前端相耦合用以在所述输入电压处于危险电平时产生信号的电压检测器；以及(b)一个与所述电压检测器相耦合用以可视地显示所述信号的电压指示器。
11．根据权利要求9的万用表，其特征在于所述测量模式包括电流模式、电压模式、以及电阻模式的其中之一。
全文摘要
本发明提供了一种具有带接受载流导体的固定凹口的细长外壳的万用表。这种万用表适于测量各种参数,包括交流和直流电压、电阻和交流电流。在万用表的细长外壳的一端在固定凹口的周围有一个用以测量载流导体中的交流电流的C形电流检测器,另一端有一对用以测量电阻、交流电压和直流电压的测试引线。电流检测器和测试引线向模数转换器(ADC)提供输入信号,以获得数字样本,这些数字样本根据所选的测量模式作为测量结果予以显示。
文档编号G01R27/02GK1215839SQ98119569
公开日1999年5月5日 申请日期1998年9月19日 优先权日1997年10月29日
发明者W·J·劳拜, C·A·布布里茨, B·S·埃金斯, C·R·杨森, S·W·菲舍 申请人:弗兰克公司