电流感测装置及方法与流程

本发明关于电流感测的技术领域，尤指一种电流感测装置及方法。

背景技术：

近年来，中国台湾越来越重视全球暖化及能源缺乏的问题，因此经常通过奖励措施的实行鼓励民众节能省电。例如，中国台湾电力公司经常在夏季推出节电奖励活动。为了让民众可以自行检测家里的电器产品的耗电情况，市面上推出了例如智能电表的电源传感器，提供了检视电器产品的电压、电流、用电量、功率、与使用电费的功能。

工业技术研究院即推出所谓「电表便利贴」的非接触式电源感测装置，其技术由美国专利公开号us2017/0023625a1所揭示。请参阅图1，为显示美国专利公开号us2017/0023625a1所揭示的一种非接触式三相三线式电源线测量装置的立体图。如图1所示，所述非接触式三相三线式电源线测量装置1’主要包括：一壳体10’、多个电流传感器11’、多个电压传感器12’、以及一电子模块13’；其中，该壳体10’用以包覆三条电缆线2’，且该多个电流传感器11’与该多个电压传感器12’设置于该壳体10’的外侧表面之上。特别地，所述电流传感器11’为磁传感器；另一方面，参考美国专利号us9,007,077b2可知所述电压传感器12’为金属电极。

简单的说，工业技术研究院推出的非接触式电源感测装置具有多种功能，包括：非接触式电流测量、非接触式电压测量、与消耗功率计算及显示。然而，基于其非接触式电流测量利用一个或多个磁传感器(电流传感器11’)达成，本案发明人于实务研究过程中发现，这样的非接触式电流测量技术会因为电缆线的粗细大小不同或壳体10’的安装位置差异而出现电流测量上的明显误差。请参阅图2所显示的两条电流传输线的磁力线分布图。根据安培(右手)定律，若有一条载有电流大小为i的长直导线垂直穿出纸面，可以导线为圆心画出一个半径为r的圆形，其中，在该圆形的圆周上的每一点磁场大小均相等，并可由以下公式算得：

因此，利用工业技术研究院推出的多功能电源传感器(亦即，美国专利公开号us2017/0023625a1所揭示的非接触式三相三线式电源线测量装置)对一条载有电流的电缆线2’进行两次电流检测之时，若第一次电流检测的电流传感器11’与电缆线2’的距离不同于第二次电流检测的电流传感器11’与电缆线2’的距离，则两次电流检测所测得的电流值便会明显不同。原因在于：由长直导线所载电流所衍生的磁场大小与半径r成反比。另一方面，现有的多功能电源传感器在执行电流检测之时，并没有将电流信号之中的直流成分予以滤除，导致其测量电流值的准确率变动太大，无法与习用的电表相提并论。

熟悉电磁学理论与非接触式电流感测技术的工程师可以通过上述说明得知，现有的非接触式电流感测装置在实务应用上显示出高度的测量不正确性与不稳定性；有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成本发明的一种电流感测装置及方法。

技术实现要素：

现有的非接触式电流测量装置在执行电流检测之时并没有将电流信号之中的直流成分予以滤除，导致其测量电流值的准确率变动太大。同时，现有的非接触式电流测量装置会因为待测电缆线的粗细大小不同或者测量装置的安装位置差异而出现电流测量上的明显误差。因此，本发明的主要目的在于提供一种电流感测装置及方法，用以改善或解决上述现有技术的诸多缺陷。

为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述电流感测装置的一实施例，包括：

至少一磁传感器，位于一初始感测位置并与一电缆线相距一感测距离；其中，该磁传感器于该初始感测位置上感测该电缆线的一第一感应磁场，并输出一第一磁场感测信号；

一信号接收单元，电性连接至该磁传感器以接收该第一磁场感测信号；以及

一处理器，电性连接至该信号接收单元，并具有一环境磁场滤除单元与一有效电流运算单元；

其中，该环境磁场滤除单元用以滤除该第一磁场感测信号所带有的一环境磁场成分，使得该有效电流运算单元可以根据该第一磁场感测信号而运算出该电缆线所传输的一电流的值。

并且，为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人同时提供所述电流感测方法的一实施例，包括以下步骤：

(1)提供包括至少一磁传感器、一信号接收单元与一处理器的一电流感测装置；其中，该处理器具有一环境磁场滤除单元与一有效电流运算单元；

(2)令该磁传感器于一初始感测位置之上感测该电缆线的一第一感应磁场，并输出一第一磁场感测信号；

(3)该处理器通过该信号接收单元接收该磁传感器所输出的该第一磁场感测信号；

(4)该环境磁场滤除单元滤除该第一磁场所带有的一环境磁场成分；

(5)该有效电流运算单元根据该第一磁场感测信号而运算出该电缆线所传输的一电流的值。

附图说明

图1为显示美国专利公开号us2017/0023625a1所揭示的一种非接触式三相三线式电源线测量装置的立体图；

图2为显示两条电流传输线的磁力线分布图；

图3为显示本发明的电流感测装置的第一实施例的立体图；

图4为显示本发明的电流感测装置的第一实施例的架构图；

图5为显示具有本发明的电流感测装置的电源插头的部分结构分解图；

图6为显示电源插头的底座与磁传感器的上视图；

图7为显示电源插头与导线的上视图；

图8为显示测量电流相对于感测电流的数据曲线图；

图9为显示测量电流相对于感测电流的数据曲线图；

图10为显示感测电流稳定度的数据曲线图；

图11为显示本发明的电流感测装置的第二实施例的架构图；

图12为显示电缆线与磁传感器的侧面剖视图；

图13为显示电源插头的底座、磁传感器、与感测位置调整单元的上视图；

图14为显示电源插头的立体图；

图15为显示磁环与磁传感器的立体图；

图16a为显示本发明的电流感测方法的流程图；

图16b为显示本发明的电流感测方法的流程图；以及图16c为显示本发明的电流感测方法的流程图。

其中附图标记为：

31底座

32顶盖

33电连接端子

2电缆线

1电流感测装置

11磁传感器

12信号接收单元

13处理器

14信号传输单元

10电路板

16电源供应单元

131环境磁场滤除单元

132有效电流运算单元

134微处理器单元

4电子装置

17感测位置调整单元

133感测电流校正单元

18磁环

181缺口

171轨道组

172携载件

173控制件

s1-s5步骤

s6步骤

s6a-s8a步骤

21导线

22绝缘鞘

pin初始感测位置

p1第一调整感测位置

1’非接触式三相三线式电源线测量装置

10’壳体

11’电流传感器

12’电压传感器

13’电子模块

2’电缆线

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种电流感测装置及方法，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。

第一实施例

本发明的电流感测装置可应用于现有的任何一种电源装置之中，例如：非接触式电源传感器、电表(powermeter)、电源插座(poweroutlet)、电源插头(powerplug)、电源转换器、电源适配器(poweradapter)、或电源延长线。图3与图4即显示本发明的电流感测装置的第一实施例的立体图与架构图，且图5为显示具有本发明的电流感测装置的电源插头的部分结构分解图。由图5可知，电源插头3主要包括：一底座31、一顶盖32、二个电连接端子33、以及两条电缆线2。另一方面，如图3与图4所示，本发明的电流感测装置1主要包括：至少一磁传感器11、一信号接收单元12、一处理器13、以及一信号传输单元14。

为了使得本发明的电流感测装置1易于整合至该电源插头3内，可将信号接收单元12、处理器13与信号传输单元14设置于一电路板10之上，而后将该电路板10固定于电源插头3的底座31内。根据本发明的设计，该磁传感器11于该底座31内位于一初始感测位置，并与该两条电缆线2的其中一条相距一个感测距离。通常，两条电缆线2分别为火线(livewire)与中性线(neutralwire)，而该磁传感器11的设置位置是靠近火线(l)。值得注意的是，该电路板10之上更同时设有一电源供应单元16，用以供应该信号接收单元12、该处理器13与该信号传输单元14所需电力。当然，此电源供应单元16不限于电源供应器或电源转换器，也可以是电池或电压调整器(voltageregulator)。

如此设置，处理器13便能够控制磁传感器11于该初始感测位置上感测到该电缆线2的一第一感应磁场，并输出一第一磁场感测信号。进一步地，处理器13通过所述信号接收单元12接收该第一磁场感测信号，并借由其内部的一环境磁场滤除单元131滤除该第一磁场感测信号所带有的环境磁场成分。接着，处理器13内部的一有效电流运算单元132便能够基于该第一磁场感测信号而运算出该电缆线2所传输的一电流的值。最后，该处理器13内部的一微处理器单元134则可通过信号传输单元14将计算而得的该电流的值传送至外部一电子装置4，例如：智能型手机、智能型手表、智能型眼镜、平板计算机、笔记本电脑、或其它具有无线传输接口或有线传输接口的电子装置。

善用磁感测元件完成电流感测技术的电子工程师应该知道，磁传感器11基于处理器13的控制而感测该电缆线2所传输的电流所衍生的磁场，使得处理器13可以利用的公式计算出感测电流的值。然而，肇因于磁传感器11所感测到的磁场信号可能同时包含电缆线2的衍生磁场(inducedmagneticfield)与环境磁场，处理器13若直接使用的公式将所述第一磁场感测信号转换成电流信号，所得到的电流值可能会与实际值差异甚大。基于这个理由，本发明特别在处理器13内部规划了环境磁场滤除单元131以及有效电流运算单元132；其中，该环境磁场滤除单元131利用一环境磁场滤除表达式完成该环境磁场的滤除，且该有效电流运算单元132利用一有效电流表达式运算出该电缆线2所传输的该电流的值。所述环境磁场滤除表达式与所述有效电流表达式分别由以下式(1)与式(2)所表示，且两个表达式之中的代数或变量的定义整理于下表(1)之中。

表(1)

感测电流的校正方式

图6显示电源插头的底座与磁传感器的上视图，并且，图7为显示电源插头与导线的上视图。如图6所示，磁传感器11被放置在电源插头3的底座31之上，使其直接贴近电缆线2的导线21。另一方面，如图7所示，磁传感器11被移出电源插头3并放置在靠近电缆线2的绝缘鞘22的一处。利用磁传感器11在两个位置分别测量导线21的磁场信号后，处理器13的环境磁场滤除单元131便会滤除磁场信号所带有的环境磁场成分，使得有效电流运算单元132接着运算出该电缆线2所传输的一电流的值。之后，处理器13内的有效电流运算单元132与感测电流校正单元133便可利用以下数学表达式(i’)与(ii’)推算出所谓的电流校正参数，并完成电流的校正；其中，数学表达式(i’)与(ii’)之中的代数或变量的定义整理于下表(2)之中。

ical＝(irms)/k,k＝imea/i1..............................(ii')

表(2)

图8与图9皆显示测量电流相对于感测电流的数据曲线图。需特别说明的是，测量电流的数据使用标准测量装置(例如:电流测量装置)自电缆线2所测量获得。另一方面，图8的感测电流数据将磁传感器11放置在电源插头3之内所测得(参考图6)，且图9的感测电流数据将磁传感器11放置在靠近电缆线2的绝缘鞘22所测得(参考图7)。由图8的数据可以发现，相较于将磁传感器11放置在靠近电缆线2的绝缘鞘22所测得感测电流，将磁传感器11放置在电源插头3之内所测得感测电流的趋势线的r平方值较接近于1。请重复参考图2所显示的两条电流传输线的磁力线分布图。根据安培(右手)定律，若有一条载有电流大小为i的长直导线垂直穿出纸面，可以导线为圆心画出一个半径为r的圆形，其中，在该圆形的圆周上的每一点磁场大小均相等，并可由以下公式算得：基于磁场等位线的理论，磁传感器11放置在电源插头3之内所测得磁场强度必定高于磁传感器11放置在靠近电缆线2的绝缘鞘22所测得磁场强度。这也是为什么将磁传感器11放置在电源插头3之内所测得感测电流的趋势线的r平方值会比较接近于1。

然而在完成校正程序之后，如图9所示，将磁传感器11放置在靠近电缆线2的绝缘鞘22所测得感测电流的趋势线以及将磁传感器11放置在电源插头3的内所测得感测电流的趋势线，其两者的r平方值都趋近于1。简单地说，r的平方值反映多元线性回归的关系，越接近1则所得数据可信度越高。继续地参阅图10，为显示感测电流稳定度的数据曲线图。为了确定所述感测电流的校正方式的确有助于提升本发明的电流感测装置1的测量精准度，本案发明人以电表直接自电缆线2的导线21所载电流的数据，作为本发明的电流感测装置1的测量精准度的计算基础。由图10可以发现，本发明的电流感测装置1的测量精准度可以被控制在±0.5％以内。

第二实施例

由上述说明可知，本发明利用在处理器13内部规划一个环境磁场滤除单元131与一个有效电流运算单元132的方式，使处理器13可以在滤除感测磁场信号所带有的环境磁场成分的情况下计算出感测电流的正确值；同时，再进一步地配合感测电流校正单元133的使用并利用标准测量装置进行电缆线2的电流测量，借以完成对于电流感测装置1所测得该电缆线2的电流的校正，大幅提升此电流感测装置1的感测精确度。进一步地，本发明又提出了电流感测装置1的第二实施例。

图11为显示本发明的电流感测装置的第二实施例的架构图。比较图11与图4可以发现，此电流感测装置1的第二实施例更包括一组感测位置调整单元17；其中，所述感测位置调整单元17用以令该磁传感器11进行位移，以将该初始感测位置调整至一第一调整感测位置，使得该磁传感器11可以在第一调整感测位置之上感测该电缆线2传输的电流所衍生的一第二感应磁场。

感测电流的另一种校正方式

图12为显示电缆线与磁传感器的侧面剖视图。如图12所示，假设磁传感器11在初始感测位置pin之上与电缆线2内部的导线21相互距离r，且磁传感器11在第一调整感测位置p1与电缆线2内部的导线21相距r+d。如此，所述感测电流校正单元133便可利用以下数学表达式(i)、(ii)与(iii)完成感测电流的校正；其中，数学表达式(i)、(ii)与(iii)之中的代数或变量的定义整理于下表(3)之中。

表(3)

由于r的数值包括了电缆线2的绝缘鞘22的厚度以及磁传感器11与绝缘鞘22之间的距离，可以根据经验值预设绝缘鞘22的厚度，借此方式决定r的数值。继续地，基于磁传感器11于第一次感测作业时所测量到的磁场数据，可以利用数学表达式(i)计算出电缆线2所载电流的值。进一步地，只要将数学表达式(i)计算出的电流值以及磁传感器11于第一调整感测位置p1处所测量到的磁场数据代入数学表达式(ii)之中，如此便可以算出r’(亦即，r的校正值)。获得r’的值之后，便可接着利用数学表达式(iii)算出ical(亦即，校正后的电流值)。简单地说，先假设磁传感器11于初始感测位置pin之上所测量到的电流值是正确的；接着，将磁传感器11移动一段距离d之后，再完成第二感应磁场的感测。基于必欧-沙伐定律(biot-savartlaw)，磁传感器11于初始感测位置pin之上所测量到的电流值应该要等于磁传感器11于第一调整感测位置p1处所测量到的电流的值。因此，如上数学表达式(ii)所示，可以先假设磁传感器11于第一调整感测位置p1处所测量到的电流等于磁传感器11于初始感测位置pin之上所测量到的电流，接着将磁传感器11于第一调整感测位置p1处所测量到的磁场数据以及移动距离d代入数学表达式(ii)之中，如此便可以获得校正后的距离(亦即r’)。

如此方式，即使r的距离会随着不同电缆线2的绝缘鞘22的厚度而变动，只要利用本发明提出的感测电流的第一种校正方式对r进行校正，就可以利用必欧-沙伐定律(biot-savartlaw)计算出正确的感测电流值，借此方式提升本发明的电流感测装置1对于该电缆线2传输的电流的感测精确度。

请继续参阅图13，为显示电源插头的底座、磁传感器、与感测位置调整单元的上视图。并且，请同时参阅图14，为显示电源插头的立体图。由图11、图13与图14可以得知，所述感测位置调整单元17的示范性实施例系包括：一轨道组171、可移动于轨道组171之上的一携载件172、以及驱动该携载件172进行位移的一控制件173。其中，所述轨道组171可以是具有滑槽的轨道组或是具有齿槽的轨道组。于感测电流的校正上，只需要先通过该控制件173令携载件172带着磁传感器11于轨道组171之上移动一距离，则电流感测装置1便可以整合第一次感测作业与第二次感测作业的数据，进而自动完成感测电流的校正。必须强调的是，应用本发明的电流感测装置1对任一电缆线2进行电流检测之时，并不限制磁传感器11必须位于电源插头3的内部。因此，感测位置调整单元17也可以配合磁传感器11的设置位置而同步地被设在电源插头3的外部。

请再次参阅图3，并同时参阅图15所显示的磁环与磁传感器的立体图。实施本发明的电流感测装置1之时，可将一磁环18套设于电缆线2之上，并将该磁传感器11设置于该磁环18的一缺口181内。如此设置，便可利用该磁环18引导电缆线2传输的电流所衍生的磁场，使磁场通过该缺口181，借此方式提升磁传感器11的磁场感测准确度。同时，可进一步地将一电磁屏蔽层覆于该磁环18之上，用以屏蔽外部磁场，避免外部磁场对该电缆线2传输的电流所衍生的磁场造成干扰。必须特别说明的是，通常磁传感器11用以对两条电缆线2之中的火线进行磁场感测；因此，在使用磁环18的时候，必须让火线穿过磁环18，并限制中性线位于磁环18外部。

如此，上述已完整、清楚地说明本发明的一种电流感测装置1的多个实施例；接着，下文将继续说明本发明的一种电流感测方法。图16a、图16b与图16c为显示本发明的电流感测方法的流程图；其中，图16a之中包含五个步骤，用以对电缆线2(如图3所示)进行电流检测；该五个步骤包括以下步骤：

步骤s1：提供包括至少一磁传感器11、一信号接收单元12与一处理器13的一电流感测装置1；其中，该处理器13具有一环境磁场滤除单元131与一有效电流运算单元132；

步骤s2：令该磁传感器11于一初始感测位置pin之上感测该电缆线2的一第一感应磁场，并输出一第一磁场感测信号；

步骤s3：该处理器13通过该信号接收单元12接收该磁传感器11所输出的该第一磁场感测信号；

步骤s4：该环境磁场滤除单元131滤除该第一磁场所带有的一环境磁场成分；以及

步骤s5：该有效电流运算单元132根据该第一磁场感测信号而运算出该电缆线2所传输的一电流的值。

必须特别说明的是，若此电流感测方法以函式库、变量或操作数的形式被编辑为应用软件，并建立于本发明的电流感测装置1的第一实施例之中(如图3所示)，则图16b之中包含一个步骤，其用以对电缆线2所测得的电流进行校正；该步骤的执行内容如下：

步骤s6：基于该有效电流运算单元132所计算出的该电流的值以及一电流测量装置自该电缆线2所测得的一测量电流的值，该感测电流校正单元133能够对该有效电流运算单元132所计算出的该电流的值进行校正。

于该步骤s4与该步骤s5之中，该环境磁场滤除单元131利用一环境磁场滤除表达式完成环境磁场成分的滤除，且该有效电流运算单元132利用一有效电流表达式运算出该电缆线2所传输的该电流的值。所述环境磁场滤除表达式与有效电流表达式由前面所介绍的式(1)与式(2)所表示。并且，于该步骤s6之中，有效电流运算单元132与感测电流校正单元133利用前面所介绍的数学表达式(i’)与(ii’)推算出所谓的电流校正参数，并完成电流的校正。

另一方面，若此电流感测方法以函式库、变量或操作数的形式被编辑为应用软件，并建立于本发明的电流感测装置1的第二实施例之中(如图11所示)，则图16c之中包含三个步骤，其用以对电缆线2所测得的电流进行校正；该步骤的执行内容如下：

步骤s6a：令该磁传感器11进行位移，使该磁传感器11位于一第一调整感测位置p1之上；

步骤s7a：令该磁传感器11于该第一调整感测位置p1之上感测该电缆线2的一第二感应磁场，并输出一第二磁场感测信号，接着重复该步骤s3至该步骤s5；以及

步骤s8a：基于该第一磁场感测信号与该第二磁场感测信号，该感测电流校正单元133校正该有效电流运算单元132所运算出该电缆线2所传输的该电流的值。

并且，于该步骤s8a之中，有效电流运算单元132与感测电流校正单元133利用前面所介绍的数学表达式(i)、(ii)与(iii)推算出所谓的r的校正值，并完成电流的校正。

如此，上述已完整且清楚地说明本发明的电流感测装置及方法，经由上述，可以得知本发明具有下列的优点：

(1)现有的非接触式电流测量装置在利用磁传感器感测电缆线所衍生的感应磁场之时并没有将所感测到的磁场信号所带有的环境磁场成分予以滤除，导致其后端处理器所计算而出的电流值的准确率不高或者变动太大。有鉴于此，本发明提出一种电流感测装置1，包括：至少一磁传感器11、一信号接收单元12与一处理器13。特别地，本发明利用在处理器13内部规划一个环境磁场滤除单元131与一个有效电流运算单元132的方式；其中，该环境磁场滤除单元131用以滤除该磁场感测信号所带有的一环境磁场成分，使得该有效电流运算单元132可以根据该磁场感测信号而运算出该电缆线2所传输的一电流的值，借此方式提升电流感测装置1对于电缆线2所载电流的感测精确度。

(2)另一方面，现有的非接触式电流测量装置会因为待测电缆线的粗细大小不同或者测量装置的安装位置差异而出现电流测量上的明显误差。为了改善现有技术的缺陷，本发明又于处理器13内增设一个感测电流校正单元133；如此，基于该有效电流运算单元132所计算出的该电流的值以及一电流测量装置自该电缆线2所测得的一测量电流的值，该感测电流校正单元133能够对该有效电流运算单元132所计算出的该电流的值进行校正。

必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。