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TW201913112A - 用於電壓測量裝置之校準系統 - Google Patents

用於電壓測量裝置之校準系統 Download PDF

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TW201913112A
TW201913112A TW107122066A TW107122066A TW201913112A TW 201913112 A TW201913112 A TW 201913112A TW 107122066 A TW107122066 A TW 107122066A TW 107122066 A TW107122066 A TW 107122066A TW 201913112 A TW201913112 A TW 201913112A
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朗諾 史都爾
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美商富克有限公司
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Abstract

本文提供用於校準一電壓測量裝置之系統及方法。該電壓測量裝置產生一參考電流信號且感測在一受測試導體中的該參考電流信號。一校準系統可控制一校準電壓源以選擇性地在一校準導體中輸出校準電壓。該校準系統可從該電壓測量裝置獲得當測量該校準導體時由該電壓測量裝置所擷取的資料。此類資料可包括一或多個參考電流測量、一或多個電壓測量等等。該校準系統利用該等所獲得測量來產生校準資料，該校準資料可儲存在該電壓測量裝置上藉此以供後續操作期間使用。該校準資料可包括一或多個查找表、用於一或多個數學公式的係數等。

Description

用於電壓測量裝置之校準系統
本揭露大致上係關於電壓測量裝置，並且更具體地係關於用於電壓測量裝置之校準系統。
伏特計係用於測量電路中電壓的儀器。測量超過一個電特性的儀器稱為萬用表或數位萬用表(DMM)，並且操作以測量大致上用於維修、故障排除及維護應用所需要的數個參數。此類參數一般包括交流(AC)電壓及電流、直流(DC)電壓及電流、以及電阻或導通性(continuity)。亦可測量其他參數，諸如功率特性、頻率、電容及溫度以滿足特定應用的要求。
運用測量AC電壓的習知伏特計或萬用表，需要使至少兩個測量電極或探針與導體流電接觸(galvanic contact)，這通常需要切斷絕緣導線之絕緣部分，或預先提供用於測量之終端。除了需要用於流電接觸的暴露導線或終端之外，使伏特計探針觸碰裸導線或終端的步驟亦會因為電擊或觸電風險而相對危險。「非接觸」電壓測量裝置可用於偵測交流(AC)電壓之存在，而不需要與電路流電接觸。
一種可操作以校準一電壓測量裝置之校準系統（其中該電壓測量裝置在操作中產生一參考電流信號且經由一電壓測量裝置感測器來感測在一受測試導體中之該參考電流信號）可概述為包括：一可控制校準電壓源，其可操作以選擇性地在一校準導體中輸出一電壓；及控制電路系統，其可通信耦合至該校準電壓源及該電壓測量裝置，其中該控制電路系統在操作中針對複數個校準電壓之各校準電壓：控制該校準電壓源以在該校準導體中輸出該校準電壓；獲得與該校準電壓相關聯之複數個校準點，該等校準點中之各者包括：從該電壓測量裝置獲得的一參考電流信號資料點，該參考電流信號資料點指示當該校準電壓源在該校準導體中輸出該校準電壓時，由該電壓測量裝置經由該電壓測量裝置感測器所測量之該參考電流信號；及一校準因數，該校準因數指示該校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一所測量輸出電壓資料點的一比率，該所測量輸出電壓資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該參考電流信號資料點來判定；基於該所獲得複數個校準點來判定用於該電壓測量裝置的校準資料，該校準資料取決於由該電壓測量裝置所測量之該參考電流信號及該複數個校準電壓；及儲存該校準資料在與該電壓測量裝置相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供在該電壓測量裝置之後續操作期間由該電壓測量裝置使用。
該電壓測量裝置可係一非接觸式測量裝置，並且對於複數個校準電壓中之各者，該等校準點可包括藉由選擇性地調整介於該電壓測量裝置之該電壓測量裝置感測器與該校準導體之間的一實體距離而獲得的一範圍之參考電流信號資料點。校準資料可包括一查找表，在操作中，該查找表允許該電壓測量裝置使用雙線性內插來判定用於一特定參考電流信號測量及一特定輸出電壓測量的一校準因數。該校準資料可包括用於複數個數學公式的係數，其中該複數個數學公式中之各者對應於該等校準電壓之一各別者。對於各校準電壓，該控制電路系統可藉由將複數個校準點擬合於由一數學公式所定義之一曲線來判定該校準資料。對於各校準電壓，數學公式可係y = a/(x-b)c + d，其中y係該校準電壓，x係該參考電流信號，且a、b、c及d係藉由分析與該各別校準電壓相關聯之該複數個校準點所判定的係數。用於該複數個數學公式中之各者的係數a、b及c之值可分別等於用於該複數個數學公式中之其他者之各者的係數a、b及c之值。該複數個校準電壓可包括至少三個校準電壓。該電壓測量裝置可包括一感測器陣列，該感測器陣列包括一第一感測器部分及一第二感測器部分，該第一感測器部分與該第二感測器部分交錯，且該第一感測器部分及該第二感測器部分之各者經由可控開關而可選擇性地耦合至一信號電流放大器及一參考電流放大器。該電壓測量裝置可包括一感測器陣列，該感測器陣列包括複數個感測器元件，且該等感測器元件中之各者可選擇性地耦合至處理電路系統之一輸入節點及選擇性地耦合至一導電防護節點。
一種可操作以校準一電壓測量裝置之校準系統（該電壓測量裝置包括複數個電壓測量裝置感測器，並且在操作中，該電壓測量裝置產生至少一個參考電流信號且經由該複數個電壓測量裝置感測器來感測在一受測試導體中之該至少一個參考電流）可概述為包括：一可控制校準電壓源，其可操作以選擇性地在一校準導體中輸出一電壓；及控制電路系統，其可通信耦合至該校準電壓源及該電壓測量裝置，其中該控制電路系統在操作中：控制該校準電壓源以在該校準導體中輸出一校準電壓；獲得與該校準電壓相關聯之複數個校準點，該等校準點中之各者包括：從該電壓測量裝置所獲得之複數個參考電流信號資料點，該複數個參考電流信號資料點指示當該校準電壓源在該校準導體中輸出該校準電壓時，由該電壓測量裝置經由該複數個電壓測量裝置感測器所測量之該等參考電流信號；及一校準因數，該校準因數指示該校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一所測量輸出電壓資料點的一比率，該所測量輸出電壓資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該複數個參考電流信號資料點來判定；基於該所獲得複數個校準點來判定用於該電壓測量裝置的校準資料，該校準資料取決於由該電壓測量裝置經由該複數個電壓測量裝置感測器所測量之該等參考電流信號；及儲存該校準資料在與該電壓測量裝置相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供在該電壓測量裝置之後續操作期間由該電壓測量裝置使用。
該電壓測量裝置可係一非接觸式測量裝置，並且可藉由選擇性地調整介於該電壓測量裝置與該校準導體之間的一實體距離來獲得該等校準點之至少一些。該校準資料可包括一查找表，在操作中，該查找表允許該電壓測量裝置使用內插來判定用於特定複數個參考電流信號測量的一校準因數。該校準資料可包括用於至少一個數學公式的係數。該控制電路系統可藉由將該等校準點擬合於由一數學公式所定義之一曲線來判定校準資料。用於各校準點的複數個參考電流信號資料點可包括至少三個參考電流信號資料點。
一種操作一校準系統以校準一電壓測量裝置之方法（其中該電壓測量裝置在操作中產生一參考電流信號且經由一電壓測量裝置感測器來感測在一受測試導體中之該參考電流信號）可概述為包括針對複數個校準電壓之各校準電壓：控制一校準電壓源以在一校準導體中輸出該校準電壓；獲得與該校準電壓相關聯之複數個校準點，該等校準點中之各者包括：從該電壓測量裝置獲得的一參考電流信號資料點，該參考電流信號資料點指示當該校準電壓源在該校準導體中輸出該校準電壓時，由該電壓測量裝置經由該電壓測量裝置感測器所測量之該參考電流信號；及一校準因數，該校準因數指示該校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一所測量輸出電壓資料點的一比率，該所測量輸出電壓資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該參考電流信號資料點來判定；基於所獲得的該複數個校準點來判定用於該電壓測量裝置的校準資料，該校準資料取決於由該電壓測量裝置所測量之該參考電流信號及該複數個校準電壓；及儲存該校準資料在與該電壓測量裝置相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供在該電壓測量裝置之後續操作期間由該電壓測量裝置使用。
判定校準資料可包括產生一查找表，在操作中，該查找表允許該電壓測量裝置使用雙線性內插來判定用於一特定參考電流信號測量及一特定輸出電壓測量的一校準因數。判定校準資料可包括判定用於複數個數學公式的係數，該複數個數學公式中之各者對應於該等校準電壓之一各別者。判定校準資料包括對於該等校準電壓中之各者，將該等校準點擬合於由一數學公式所定義之一曲線。
控制該校準電壓源以輸出複數個校準電壓可包括控制該校準電壓源以輸出至少三個校準電壓。該電壓測量裝置可係一非接觸式測量裝置，並且對於複數個校準電壓中之各者，獲得複數個校準點可包括選擇性地調整介於該電壓測量裝置之該電壓測量裝置感測器與該校準導體之間的一實體距離。
本揭露之系統及方法有利地提供接觸及非接觸「參考信號」類型電壓測量裝置之校準。首先參考圖1A至圖4，論述參考信號類型電壓測量裝置的各種實例。然後，就圖5至圖12而言，論述各種校準系統及相關方法。
本文所揭露之校準系統及方法可用於校準非接觸式測量裝置，其中執行在絕緣導線中之一或多個交流電流(AC)電參數之測量，而不需要介於絕緣導線與測試電極或探針之間的流電連接。校準系統及方法亦可用於校準用於產生及偵測參考信號且利用導電測試引線或探針與受測試導體進行流電接觸的習知接觸型測量裝置。
在下文描述中，提出某些具體細節以提供對各種所揭露實施方案的透徹理解。然而，所屬技術領域中具通常知識者將瞭解，可在沒有這些具體細節之一或多者的情況中實踐實施方案，或運用其他方法、組件、材料等實踐實施方案。在其他情況中，未展示或詳細描述與電腦系統、伺服器電腦及/或通訊網路相關聯之熟知結構，以避免不必要地模糊實施方案之說明。
除非上下文另外要求，否則在整個說明書及申請專利範圍中，用詞「包含(comprising)」與「包括(including)」同義，並且係內含或係開放式的（即，不排除額外、未列舉之元件或方法動作）。
在本說明書通篇中提及「一個實施方案(one implementation)」或「一實施方案(an implementation)」意指關聯於該實施方案描述之一特定特徵、結構或特性被包括在至少一個實施方案中。因此，在本說明書通篇各處，出現的片語「在一個實施方案中」或「在一實施方案中」不一定都是指相同實施方案。此外，可在一或多個實施方案中以任何合適方式來組合特定特徵、結構或特性。
如本說明書與隨附之申請專利範圍中所使用者，單數形式「一(a/an)」與「該(the)」皆包括複數的指涉，除非上下文另有明確指定。亦應注意，除非上下文明確另有所指定，否則用語「或(or)」在使用時通常包括「及/或(and/or)」之意涵。
在此提供的本揭露之標題及摘要僅為方便起見，並且不應解讀為實施方案之範疇或含義。 參考信號類型非接觸電壓測量裝置
下文論述提供用於測量絕緣（例如，絕緣導線）或裸未絕緣導體（例如，匯流排(bus bar)）的交流(AC)電壓而不需要介於導體與測試電極或探針之間之流電連接之系統及方法的實例。本文所揭露之實施方案可在本文中稱為「參考信號類型電壓感測器」或系統。一般而言，提供非流電觸點式（或「非接觸式」）電壓測量裝置，其使用電容感測器相對於接地來測量絕緣導體中之AC電壓信號。在本文中，不需要流電連接之此類系統稱為「非接觸式」。如本文所用，除非另外指明，「電耦合」包括直接及間接電耦合。雖然下文論述聚焦於非接觸式參考信號類型測量裝置，但應理解，本文所揭露之校準系統及方法可另外或替代地用於校準接觸式參考信號電壓測量裝置（例如，產生且偵測參考信號之數位萬用表(DMM)）。
圖1A係根據一闡釋性實施例之一環境100的繪圖，其中可由一操作者104使用包括一參考信號類型電壓感測器或系統的一非接觸式電壓測量裝置102以測量存在於一絕緣導線106中之AC電壓，而不需要介於該非接觸式電壓測量裝置與導線106之間的流電接觸。圖1B係圖1A之非接觸式電壓測量裝置102的俯視平面圖，展示在操作期間非接觸式電壓測量裝置的各種電氣特性。非接觸式電壓測量裝置102包括一殼體或主體108，該殼體或主體包括一抓握部分或端部110及一探針部分或端部112，在本文亦稱為與抓握部分相對的前端。殼體108亦可包括促進使用者與非接觸式電壓測量裝置102互動的使用者介面114。使用者介面114可包括任意數目個輸入（例如，按鈕、撥號盤、開關、觸控感測器）及任何數目個輸出（例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器）。非接觸式電壓測量裝置102亦可包括一或多個有線及/或無線通信介面（例如，USB、Wi-Fi® 、Bluetooth® ）。
在至少一些實施方案中，如圖1B所展示得最佳，探針部分112可包括由第一延伸部分118及第二延伸部分120界定的凹入部分116。凹入部分116接收絕緣導線106（參見圖1A）。絕緣導線106包括一導體122及圍繞導體122的一絕緣體124。凹入部分116可包括一感測器或電極126，當絕緣導線定位在非接觸式電壓測量裝置102之凹入部分116內時，該感測器或電極擱置在絕緣導線106之絕緣體124附近。雖然為清楚起見而未展示，但感測器126可設置在殼體108內，以防止感測器與其他物體之間的實體及電接觸。
如圖1A所展示，在使用中，操作者104可抓住殼體108之抓握部分110且置放探針部分112靠近在絕緣導線106，使得非接觸式電壓測量裝置102可準確地測量相對於接地(earth ground)（或另一個參考節點）存在於導線中之AC電壓。儘管探針端部112展示為具有凹入部分116，但在其他實施方案中，探針部分112可經不同地組態。例如，在至少一些實施方案中，探針部分112可包括一可選擇性移動式夾鉗、一鉤、包括感測器之一平坦或弓形表面、或允許非接觸式電壓測量裝置102之一感測器被定位靠近絕緣導線106的其他類型介面。下文參考圖13及圖14論述各種探針部分及感測器的實例。
僅在一些實施方案中操作者身體可作為接地(earth/ground)之參考。替代地，可使用經由一測試引線139與接地128的直接連接。本文所論述之非接觸測量功能不限於僅用於相對於接地進行測量的應用。外部參考可電容耦合或直接耦合至任何其他電位。例如，若外部參考電容耦合至三相系統中之另一相，則測量相間電壓(phase-to-phase voltage)。一般而言，本文所論述之概念不限於僅使用連接至參考電壓及任何其他參考電位的體電容耦合的接地參考。
如下文進一步論述，在至少一些實施方案中，在AC電壓測量期間，非接觸式電壓測量裝置102可利用介於操作者104與接地128之間的體電容(CB )。雖然術語接地用於節點128，但節點不一定是接地，而是可藉由電容耦合而依流電隔離方式連接至任何其他參考電位。
下文參考圖2至圖4論述由非接觸式電壓測量裝置102使用以測量AC電壓的特定系統及方法。
圖2展示亦在圖1A及圖1B中展示之非接觸式電壓測量裝置102之各種內部組件的示意圖。在此實例中，非接觸式電壓測量裝置102之導電感測器126係實質上「V形」且被定位成靠近受測試絕緣導線106，且與絕緣導線106之導體122電容耦合，形成一感測器耦合電容器(CO )。處置非接觸式電壓測量裝置102之操作者104具有接地的體電容(CB )。再者，如圖1A及圖1B中所展示，可使用藉由一導線（例如，測試引線139）之直接導電接地耦合。因此，如圖1B及圖2所展示，透過串聯連接之耦合電容器(CO )及體電容(CB )，在導線122中之AC電壓信號(VO )產生一絕緣導體電流分量或「信號電流」(IO )。在一些實施方案中，體電容(CB )亦可包括流電隔離之測試引線，該測試引線產生對地電容或任何其他參考電位。
被測量之導線122中之AC電壓(VO )具有至外部接地128（例如，中性線(neutral)）的連接。當操作者104（圖1）固持非接觸式電壓測量裝置時於其手中時，非接觸式電壓測量裝置102本身亦具有主要由體電容(CB )組成的對接地128之電容。電容CO 及CB 兩者產生導電環路，且該環路內的電壓產生信號電流(IO )。信號電流(IO )係藉由電容耦合至導電感測器126的AC電壓信號(VO )所產生，且透過非接觸式電壓測量裝置之殼體108及對接地128的體電容器(CB )而迴歸至外部接地128。電流信號(IO )取決於介於非接觸式電壓測量裝置102之導電感測器126與受測試絕緣導線106之間的距離、導電感測器126之特定形狀及導體122中之大小及電壓位準(VO )。
為了補償直接影響信號電流(IO )的距離變異且因此補償耦合電容器(CO )變異，非接觸電壓測量裝置102包括一共同模式參考電壓源130，該共同模式參考電壓源產生具有一參考頻率(fR )之一AC參考電壓(VR )，參考頻率(fR )不同於信號電壓頻率(fo)。
為了減少或避免雜散電流，非接觸式電壓測量裝置102之至少一部分可被導電內部接地防護件或網屏132圍繞，該導電內部接地防護件或網屏使得大部分電流通過導電感測器126，該導電感測器與絕緣導線106之導體122形成耦合電容器(CO )。內部接地防護件132可由任何合適之導電材料（例如，銅）所形成，並且可係實心（例如，箔）或具有一或多個開口（例如，網格）。
另外，為了避免內部接地防護件132與外部接地128之間的電流，非接觸式電壓測量裝置102包括一導電參考屏蔽134。參考屏蔽134可由任何合適之導電材料（例如，銅）所形成，並且可係實心（例如，片金屬、塑料殼體內側之濺鍍金屬）、可撓（例如，箔）、或具有一或多個開口（例如，網格）。共同模式參考電壓源130電耦合在參考屏蔽134與內部接地防護件132之間，而產生具有用於非接觸式電壓測量裝置102之參考電壓(VR )及參考頻率(fR )的一共同模式電壓或參考信號。此類AC參考電壓(VR )驅動一額外參考電流(IR )通過耦合電容器(CO )及體電容器(CB )。
圍繞導電感測器126之至少一部分的內部接地防護件132保護導電感測器免受AC參考電壓(VR )的直接影響，引起介於導電感測器126與參考屏蔽134之間的參考電流(IR )的非所要偏移。如上所述，內部接地防護件132係用於非接觸電壓測量裝置102的內部電子接地138。在至少一些實施方案中，內部接地防護件132亦圍繞非接觸式電壓測量裝置102之一些或全部電子器件，以避免AC參考電壓(VR )耦合至電子器件中。
如上所述，參考屏蔽134用於將一參考信號注入至輸入AC電壓信號(VO )上，並且作為第二函數，最小化防護件132至接地128電容。在至少一些實施方案中，參考屏蔽134圍繞非接觸式電壓測量裝置102之殼體108之一些或全部。在此類實施方案中，該等電子器件之一些或全部看到參考共同模式信號，該參考共同模式信號亦在絕緣導線106中介於導電感測器126與導體122之間產生參考電流(IR )。在至少一些實施方案中，參考屏蔽134中之唯一間隙可係用於導電感測器126之開口，該開口允許在非接觸式電壓測量裝置102之操作期間定位導電感測器靠近絕緣導線106。
內部接地防護件132及參考屏蔽134可在非接觸式電壓測量裝置102之殼體108（參見圖1A及圖1B）周圍提供雙層網屏。參考屏蔽134可設置在殼體之外表面108上，且內部接地防護件132可以作用為一內部屏蔽或防護件。導電感測器126藉由防護件132抵靠參考屏蔽134而屏蔽，使得藉由介於導電感測器126與受測試導體122之間的耦合電容器(CO )產生任何參考電流流動。感測器126周圍之防護件132亦減少靠近感測器的相鄰導線的雜散影響。
如圖2所展示，非接觸式電壓測量裝置102可包括操作為反相電流轉電壓轉換器的一輸入放大器136。輸入放大器136具有電耦合至內部接地防護132的一非反相終端，該內部接地防護件作用為非接觸式電壓測量裝置102之內部接地138。輸入放大器136之一反相終端可電耦合至導電感測器126。回授電路系統137（例如，回授電阻器）亦可耦合在輸入放大器136之反相終端與輸出終端之間，以提供用於輸入信號調節的回授及適當增益。
輸入放大器136接收來自導電感測器126的信號電流(IO )及參考電流(IR )且將轉換所接收電流成一感測器電流電壓信號，該感測器電流電壓信號指示在輸入放大器之輸出終端處的導電感測器電流。感測器電流電壓信號可係例如一類比電壓。類比電壓可饋送至信號處理模組140，該信號處理模組處理感測器電流電壓信號以判定絕緣導線106之導體122中的AC電壓(VO )，如下文進一步論述。信號處理模組140可包括數位電路系統及/或類比電路系統之任何組合。
非接觸式電壓測量裝置102亦可包括通信耦合至信號處理模組140的使用者介面142（例如，顯示器），以呈現所判定之AC電壓(VO )或藉由一介面傳達給非接觸式電壓測量裝置之操作者104。
圖3係非接觸式電壓測量裝置300的方塊圖，展示非接觸式電壓測量裝置之各種信號處理組件。圖4係圖3之非接觸式電壓測量裝置300的更詳細圖。
非接觸式電壓測量裝置300可類似或相同於上文論述之非接觸式電壓測量裝置102。因此，用相同的參考符號來標記類似或相同之組件。如所展示，輸入放大器136將來自導電感測器126的輸入電流(IO + IR )轉換成指示輸入電流的感測器電流電壓信號。使用類比轉數位轉換器(ADC) 302將感測器電流電壓信號轉換成數位形式。
藉由方程式(1)使導線122中之AC電壓(VO )與AC參考電壓(VR )相關：其中(IO )係由於導體122中之AC電壓(VO )而通過導電感測器126之信號電流，(IR )係由於AC參考電壓(VR )而通過導電感測器126之參考電流，(fO )係正被測量之AC電壓(VO )之頻率，且(fR )係參考AC電壓(VR )之頻率。
與AC電壓(VO )相關之含索引「O」之信號具有之特性（如頻率）不同於與共同模式參考電壓源130相關之含索引「R」之信號之特性。在圖4之實施中，諸如實作快速傅立葉變換(FFT)演算法306之電路系統的數位處理可用於分離不同頻率之信號量值。在其他實施方案中，類比電子濾波器亦可用於將「O」信號特性（例如，量值、頻率）與「R」信號特性分開。
由於耦合電容器(CO )，電流(IO )及(IR )分別取決於頻率(fO )及(fR )。流動通過耦合電容器(CO )及體電容(CB )的電流與頻率成比例，且因此，亦需要測量受測試導體122中的AC電壓(VO )之頻率(fO )，以判定參考頻率(fR )對信號頻率(fO )的一比率（在上文列出之方程式(1)中已利用），或參考頻率係已知的，此係因為參考頻率由系統本身產生。
在輸入電流(IO + IR )已被輸入放大器136調節並被ADC 302數位化之後，可藉由使用FFT 306在頻域中表示信號來判定數位感測器電流電壓信號之頻率分量（參見圖7）。當已測量兩個頻率(fO )及(fR )時，可判定頻格(frequency bin)以從FFT 306計算電流(IO )及(IR )之基本量值。
電流(IR )及/或電流(IO )之量值可隨介於參考信號感測器或電極（例如，電極126）與絕緣導線106之導體122之間的距離而變化。因此，系統可比較所測量電流(IR )及/或電流(IO )與預期各別電流，以判定介於參考信號感測器或電極與導體122之間的距離。
接下來，如圖3之區塊308所指示，按所判定頻率(fO )及(fR )來校正電流(IR )及(IO )之基本諧波（分別標示為IR ,1 及IO ,1 ）的比率，且此因數可用來藉由相加導線122中之諧波(VO )（係藉由計算平方諧波和之平方根而完成）來計算所測量原始基本或RMS電壓，且可在顯示器312上呈現給使用者。
例如，取決於介於絕緣導體106與導電感測器126之間的距離，以及感測器126之特定形狀及尺寸，耦合電容器(CO )通常可具有在約0.02 pF至1 pF範圍內之電容值。例如，體電容(CB )可具有大約20 pF至200 pF之電容值。
從上文之方程式(1)，可看出，共同模式參考電壓源130所產生之AC參考電壓(VR )與導體122中之AC電壓(VO )不需要在相同範圍以達成信號電流(IO )及參考電流(IR )的類似電流量值。藉由選擇相對高參考頻率(fR )，AC參考電壓(VR )可相對低（例如，小於5 V）。作為一實例，參考頻率(fR )可經選擇為3 kHz，這高於具有60 Hz之信號頻率(fO )的典型120 VRMS AC電壓(VO )達50倍。在此類情況中，僅可選擇2.4 V（即，120 V ÷ 50）之AC參考電壓(VR )來產生相同參考電流(IR )作為信號電流(IO )。一般而言，設定參考頻率(fR )為信號頻率(fO )之N倍允許AC參考電壓(VR )具有在導線122中之AC電壓(VO )的(1/N)倍之值以產生彼此在相同範圍中的電流(IR )及(IO )，以達成IR 及IO 的類似不確定性。
可使用任何合適的信號產生器來產生具有參考頻率(fR )之AC參考電壓(VR )。在圖3所展示之實例中，使用Sigma-Delta數位轉類比轉換器(Σ-Δ DAC) 310。Σ-Δ DAC 310使用位元串流來產生具有經定義參考頻率(fR )及AC參考電壓(VR )的波形（例如，正弦波形）信號。在至少一些實施方案中，Σ-Δ DAC 310可產生與FFT 306之窗同相之波形以減小抖動。可使用任何其他參考電壓產生器，諸如PWM，其可使用低於Σ-Δ DAC的運算能力。
在至少一些實施方案中，ADC 302可具有14個位元之解析度。在操作中，針對標稱50 Hz輸入信號，ADC 302可依10.24 kHz取樣頻率下取樣來自輸入放大器136之輸出，以在100 ms提供2n 個樣本(1024)（用於FFT 306之10 Hz頻格），該等樣本準備好供FFT 306處理。對於60 Hz輸入信號，取樣頻率可係12.288 kHz，例如，以獲得每循環相同數目個樣本。ADC 302之取樣頻率可與參考頻率(fR )之全數目個循環同步。輸入信號頻率可在例如40 Hz至70 Hz之範圍內。取決於AC電壓(VO )之所測量頻率，可使用FFT 306來判定用於AC電壓(VO )的頻格，並且使用漢尼視窗(Hanning window)函數用於進一步計算，以抑制由彙總間隔所擷取之不完整信號循環而造成的相移抖動。
在一個實例中，共同模式參考電壓源130產生具有2419 Hz之參考頻率(fR )的AC參考電壓(VR )。對於60 Hz信號，此頻率在第40諧波與第41諧波之間，對於50 Hz信號，此頻率在第48諧波與第49諧波之間。藉由提供具有不是所預期AC電壓(VO )之諧波的參考頻率(fR )的AC參考電壓(VR )，AC電壓(VO )不太可能影響參考電流(IR )之測量。
在至少一些實施方案中，共同模式參考電壓源130之參考頻率(fR )經選擇為最不可能被受測試導體122中之AC電壓(VO )之諧波影響的頻率。作為一實例，當參考電流(IR )超過極限時，可斷開共同模式參考電壓源130，這可指示導電感測器126正在接近受測試導體122。可在斷開共同模式參考電壓源130之情況中進行測量（例如，100 ms測量），以偵測數個（例如，三個、五個）候選參考頻率的信號諧波。然後，可在數個候選參考頻率判定在AC電壓(VO )中之信號諧波之量值，以識別哪些候選參考頻率最不可能被AC電壓(VO )之信號諧波影響。然後，參考頻率(fR )可被設定為所識別之候選參考頻率。參考頻率之此切換可避免或減少信號頻譜中之可能參考頻率分量的影響，這會增加所測量參考信號並降低準確度，並且可產生不穩定結果。除了2419 Hz之外，具有相同特性之其他頻率包括例如2344 Hz及2679 Hz。 校準系統及方法
如上文所論述，由電壓測量裝置所產生之參考電壓(VR )及參考頻率(fR )係已知的，並且可在參考電壓源130（圖2）之輸出處測量。由上文之方程式(1)定義輸出電壓(VO )。在理想情況中，若已知參考電壓(VR )，並且所需要的所有其他參數係比例IO /IR 及R /fO ，則不需要校準電壓測量裝置。然而，在實務中，存在若干影響因素，諸如信號處理電路系統之頻寬及洩漏電容，這導致輸出電壓測量值對在一受測試導體中之實際輸出電壓的偏差。主要因素係介於感測器126（參見圖2）與環境之間的雜散洩漏電容，這往往導致參考電流(IR )增加，且因此比率IO /IR 減小。另外，感測器126與參考屏蔽134之間的直接電容耦合導致偏移，這進一步增加參考電流(IR )。來自理想情況的參考電流(IR )的此類增加導致輸出電壓(VO )之計算小於受測試導體中之實際輸出電壓。因此，本文所論述之校準系統及方法允許使用所判定校準參數或因數來準確測量受測試導體中之輸出電壓(VO )，所判定校準參數或因數取決於耦合電容(CO )，或等效地，取決於介於感測器126與受測試導體之間的距離。
圖5展示可用於校準一電壓測量裝置502的校準系統500的示意方塊圖。該電壓測量裝置可係產生且感測參考信號的任何非接觸或接觸測量裝置，諸如上文所論述之電壓測量裝置。校準系統500可包括控制校準系統之各種功能的控制電路系統504。校準系統500亦可包括可操作以選擇性地輸出校準或測試電壓至校準導體508的校準電壓源506。控制電路系統504可係可操作地耦合至校準電壓源506以控制其操作。校準導體508可係在校準非接觸式電壓測量裝置時使用的絕緣導體，或可係在校準接觸式電壓測量裝置時使用的非絕緣導體。
校準系統500之控制電路系統504可藉由任何合適的有線或無線連接而可操作地耦合至電壓測量裝置502。如下文進一步論述，控制電路系統504可操作以發送指令或資料至電壓測量裝置500或接收來自該電壓測量裝置之指令或資料。針對不同校準點，控制電路系統504亦控制介於導線122與感測器126之間的距離以改變CO 且因此修改IR 。
一般而言，控制電路系統504可包括通信耦合至校準電壓源506及至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體的至少一個處理器，該至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體儲存處理器可執行指令或資料中之至少一者。控制電路系統504可包括任何類型處理單元，諸如一或多個中央處理單元(CPU)、數位信號處理器(DSP)、特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)、可程式化邏輯控制器(PLC)、人工神經網絡電路或系統、或任何其他離散或整合式邏輯組件。耦合至控制電路系統504之非暫時性處理器可讀儲存媒體可包括任何類型的非暫時性揮發性及/或非揮發性記憶體。
在至少一些實施方案中，控制電路系統504可包括一通信介面或一使用者介面。使用者介面可促進使用者與校準系統500的互動。使用者介面可包括任意數目個輸入（例如，按鈕、撥號盤、開關、觸控感測器）及任何數目個輸出（例如，顯示器、LED、揚聲器、蜂鳴器）。例如，使用者介面可包括允許操作者修改校準系統500之一或多個可調整設定或電壓測量裝置502的輸入。通信介面可實作一或多個有線及/或無線通信技術（例如，USB、Wi-Fi® 、Bluetooth® ），其允許校準系統500與電壓測量裝置502通訊或與一或多個本地或遠端之以外部處理器為基礎之裝置通信。
本揭露之發明人已發現，電壓測量裝置502之輸出電壓(VO )測量可取決於所測量之參考電流信號(IR )及/或受測試導體中之實際輸出電壓。因此，本文所論述之校準系統及方法提供對此類參數中之一或兩者的補償，以允許在各種電壓及介於電壓測量裝置502之感測器與受測試導體之間的各種距離準確測量輸出電壓(VO )，該等各種距離對應於各種位準之參考電流(IR )。
一般而言，在校準程序期間，控制電路系統504控制校準電壓源506以輸出已知之校準電壓（例如，100 VAC、250 VAC、800 VAC）至校準導體508。然後，控制電路系統504接收在測量校準導體508中之校準電壓期間由電壓測量裝置所獲得的來自電壓測量裝置502之資料。此類資料可包括所測量之參考電流信號(IR )、所判定之輸出電壓(VO )等。電壓測量裝置502可依上文參考圖1A至圖4所述之方式獲得此類資料。可在不同校準電壓重複此程序數次。此外，可藉由選擇性地改變介於電壓測量裝置502之感測器（例如，感測器126）與校準導體508之間的距離來獲得不同參考電流信號測量，此係因為由於變化之耦合電容(CO )（參見圖2）隨距離而變化，所以所偵測到之參考電流信號(IR )取決於此類距離。
對於複數個校準電壓（例如，100 VAC、250 VAC、800 VAC）中之各者，控制電路系統504可獲得與校準電壓相關聯之複數個校準點。在至少一些實施方案中，校準點中之各者包括一參考電流信號資料點及一校準因數。一參考電流信號資料點係從電壓測量裝置502所獲得之測量，該參考電流信號資料點指示當校準電壓源506在校準導體508中輸出校準電壓時，由該電壓測量裝置所測量之該參考電流信號。該校準因數係指示已知校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一測量未校準輸出電壓(VO )資料點的一比率的值，該測量未校準輸出電壓(VO )資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該參考電流信號資料點來判定（例如，使用上文之方程式(1)）。例如，若控制電路系統504使校準電壓源506在校準導體508中輸出100 VAC，並且電壓測量裝置502測量110 VAC之輸出電壓，則校準因數係100/110 = 0.909。對於特定測量，由電壓測量裝置502所測量之未校準輸出電壓可乘以校準因數以提供正確輸出電壓。繼續執行上述實例，110 VAC之未校準輸出電壓可乘以0.909的校準因數，以提供受測試導體中之100 VAC之實際輸出電壓。
如下文進一步論述，在獲得校準點之後，控制電路系統504可基於所獲得複數個校準點來判定用於電壓測量裝置502的校準資料。校準資料可取決於由電壓測量裝置所測量之參考電流信號。在至少一些實施方案中，校準資料亦可取決於複數個校準電壓。然後，控制電路系統504可儲存該校準資料在與電壓測量裝置502相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供電壓測量裝置在其後續操作期間使用。校準資料可包括一或多個查找表及/或用於一或多個數學公式的係數，如下所述。
圖6展示映射至在100 VAC校準電壓所獲得之校準點603的曲線602以及映射至在250 VAC校準電壓所獲得之校準點605的曲線604的圖表600。各校準點包含一參考電流信號(IR )值以及使用已知校準電壓（即，100 VAC或250 VAC）及從電壓測量裝置所獲得之所計算未校準輸出電壓(VO )而判定的一對應校準因數。
圖7係展示由電壓測量裝置所測量的所測量信號電流(IO )（由箭頭702參考）以及所測量參考電流(IR )（由箭頭704參考）之頻域表示的圖表700。如上文所論述，電壓測量裝置可利用FFT以使信號電流與參考電流分開。在信號頻率(fO )之信號電流(IO )及在參考頻率(fR )之參考電流(IR )的頻率頻格量值分別用於信號量值及參考量值。在圖7之實例中，漢尼視窗在50 Hz之信號頻率(fO )及450 Hz之參考頻率(fR )處產生50%側頻格。
圖8係展示分別映射至100 VAC、250 VAC及800 VAC之校準電壓之校準點之曲線802、804、806的圖表800。在其他實施方案中，可使用更多或更少校準電壓。在所展示之實例中，校準電壓經選擇為接近115 VAC及230 VAC之共同供應電壓並且經選擇為接近1000 VAC之所選定上限，該上限可經選擇為取決於特定意欲應用的其他值。
對於各校準電壓，在介於電壓測量裝置之感測器與校準導體之間的不同距離，校準系統之控制電路系統獲取測量以提供一範圍的參考電流(IR )。在所展示之實例中，對於各校準電壓，獲得約20個參考電流值，其範圍為從約16,000個FFT單元至約200,000個FFT單元。在校準程序期間所獲得之參考電流值之特定範圍及數目可取決於各種因素，諸如所需之記憶體或運算量、所需之準確度、在正常使用期間介於電壓測量裝置之感測器與校準導體之間的可接受實體距離等。
圖9係由校準系統（諸如圖5之校準系統500）所產生之實例性校準資料的二維查找表900。在至少一些實施方案中，在校準系統已產生校準資料之後，校準資料可被儲存在電壓測量裝置之非暫時性處理器可讀儲存媒體上以供使用，從而準確判定受測試導體中之電壓。在此實例中，對於複數個校準電壓中之各者獲得19個校準點。此實例中，校準電壓係100 VAC，250 VAC及800 VAC。對於各校準電壓，校準點包括一參考電流信號值(IR )及一校準因數值(CALFAC)。對於在查找表900之頂部處的校準點編號1，人工選擇999998之一大值用於參考電流，並且各校準電壓之校準點2的校準因數被複製作為校準點1之校準因數。此在參考電流信號大於在校準程序期間所獲得之最大參考電流信號的情況中完成以避免外推不確定性。例如，測量比用於校準之導線更厚的導線之測量或具有有較高介電率之較厚絕緣材料更厚之導線亦可增加IR 至高於最大校準電流IR 之值。
使用查找表900，電壓測量裝置可利用取決於參考電流(IR )及未校準輸出電壓(VO )的雙線性校準函數，以判定用於在操作期間校正未校準輸出電壓(VO )測量的校準因數。電壓測量裝置可利用內插及外推來涵蓋基本上參考電流測量的所有可能值。人工校準點1允許當電壓測量裝置之感測器被定位非常接近受測試導體時所獲得的參考電流之高值使用內插（而非外推）執行。
圖10展示圖表1000，圖中描述用於100 VAC、250 VAC及800 VAC之校準電壓的校準因數/參考電流曲線。在此實例中，電壓測量裝置測量175 VAC之未校準輸出電壓及60,000個FFT單元之參考電流。圖表1000展示使用校準資料判定此類輸入值之校準因數的實例性內插程序，可由電壓測量裝置使用該校準因數來校正未校準輸出電壓測量。
在圖10之簡化實例中，判定175 VAC的校準因數等於1.1000，在60,000個FFT單元之參考電流，這是100 VAC與250 VAC的校準因數之間的中途。在實務中，由於未校準之所測量輸出電壓（例如，175 VAC）會不太準確，所以可使用更複雜的計算，其考量特定電壓測量裝置在校準點處執行之方式。
在至少一些實施方案中，一或多個數學公式可擬合於校準資料，而非利用儲存在電壓測量裝置上的查找表。在此類實施方案中，一或多個數學公式的係數可儲存在電壓測量裝置之非暫時性處理器可讀儲存媒體上（而非查找表所需之大量資料），並且在執行階段期間，該電壓測量裝置可簡單地使用該等係數及所測量值（例如，參考電流、未校準輸出電壓）來評估該一或多個數學公式，以判定待應用至未校準輸出電壓測量的校準因數。
已判定未校準測量的大部分測量誤差係由於參考電壓(VR )直接耦合至電壓測量裝置之感測器所致，其產生對參考電流(IR )的偏移電流(IRO )。這可藉由下列公式表達：這導致下列形式之二次曲線擬合函數：其中「y」係輸出電壓，「x」係參考電流，並且「a」、「b」、及「d」係可使用解算器（例如，Microsoft Excel®中可用的解算器）及所獲得校準資料解算之變數。為了進一步改善近似值，平方函數亦可係變數「c」，其提供下列公式：在至少一些實施方案中，校準資料用於針對各校準電壓解算變數「a」、「b」、「c」、及「d」。解算器可用於解算變數「a」、「b」、「c」、及「d」之值，該等值最小化曲線對相對應內插曲線的偏差（參見圖11）。因此，對於各校準電壓，電壓測量裝置僅需要儲存四個參數（即，參數「a」、「b」、「c」、及「d」）。在利用三個校準電壓的上文實例中，電壓測量裝置將需要儲存總共12個參數（4個參數用於3個校準電壓中之各者）。
圖11係展示擬合於針對特定校準電壓所獲得之複數個校準點1103的曲線1102的圖表1100。曲線1102使用上文之數學公式(4)擬合。圖表1100亦展示用於偏差點1105的偏差曲線1104。如所展示，對內插曲線的最大偏差小於0.15%。因此，使用僅12個參數（而非使用包括120個參數的查找表（參見圖9））達成類似準確度。
已觀察到，對於至少一些電壓測量裝置，各校準電壓的曲線特性不會相差很大，僅係由上文數學公式(3)及(4)中之變數「d」所判定之垂直偏移。因此，在至少一些實施方案中，用於校準電壓之各者的曲線參數「a」、「b」、及「c」相同，並且僅用於校準電壓之各者的偏移參數「d」可不同。在此類情況中，電壓測量裝置可儲存總共僅6個參數，一個「a」參數、一個「b」參數、一個「c」參數及三個「d」參數，一個「d」參數用於三個校準電壓中之各者。
在操作中，針對所測量參考電流及所判定未校準輸出電壓，電壓測量裝置可內插相鄰於所測量未校準電壓的校準電壓曲線。例如，若電壓測量裝置測量175 VAC，則電壓測量裝置可內插在100 VAC校準電壓及250 VAC校準電壓的曲線之間。
圖12係電壓測量裝置之正面或探針端部1200的繪圖。前端1200包括V形區域1202，在該V形區域中接收受測試導體1204。V形區域1202由一固定第一部分1206及一可移動式第二部分1208所界定，該第二部分與該第一部分相對。在此實例中，可移動式第二部分可從虛線所展示之打開位置及實線所展示之閉合位置選擇性地旋轉，在該打開位置中導體1204可自由地插入到V形區域1202中及從該V形區域移除，在該閉合位置中導體被夾持至固定位置中，使得可測量導體中之電特性（例如，電壓、電流）。在至少一些實施方案中，前端1200之第二部分1208固定，這允許在測量操作期間定位導體1204在V形區域1202中之實質上任何位置。
在闡釋性實施方案中，前端1200包括複數個感測器1210（展示兩個感測器）。感測器之數目可係兩個感測器、三個感測器、十個感測器或更多個感測器。感測器中之一或多者可用於感測由一或多個參考電壓源（例如，圖2之參考電壓源130）所產生之參考電流，如上文參考包括單一感測器之實施方案所述。為了進一步減小對感測器1210的環境雜散電流，可移動式第二部分1208亦可用於藉由包括導電防護件（類似於上文論述之防護件132）來屏蔽感測器。
在上文論述之實施方案中，參考電流(IR )及輸出電壓(VO )用於雙線性校準。在至少一些實施方案中，可能不需要輸出電壓參數，所以校準可僅取決於參考電流。在利用兩個感測器（諸如圖12所展示之感測器1210）的實施方案中，在雙線性校準中可偵測及使用兩個參考電流(IR1 )及(IR2 )，類似於利用一個參考電流信號及一個電壓信號之上文所論述之方法。此特徵可用於不僅補償介於感測器與受測試導體之間的距離，而且亦補償在感測區域中的導體之位置（例如，圖12所展示之V形區域1202）。
作為另外之校準改善，感測器可分成多對感測器。圖13係包括一感測器陣列1302之一感測器子系統1300的示意圖。感測器陣列1302包括具有第一複數個感測器元件1304（「第一感測器部分」）的第一感測器陣列部分，及具有第二複數個感測器元件1306（「第二感測器部分」）的第二感測器陣列部分。第一複數個感測器元件1304與第二複數個感測器元件1306交錯。
第一複數個感測器元件1304中之各者耦合至一節點V1，該節點經由受控於開關控制信號(fsynch ) 1316的開關1312及1314而分別交替耦合至一信號電流放大器1308及一參考電流放大器1310。類似地，第二複數個感測器元件1306中之各者耦合至節點V2，該節點經由開關1312及1314而分別交替耦合至放大器1308及1310。信號電流放大器1308可耦合至經組態用於處理信號電流IO 的處理電路系統，且參考電流放大器1310可耦合至經組態用於處理參考電流IR 的處理電路系統。放大器1308及1310將類似或相同於上文論述之放大器136。
第一複數個感測器元件1304及第二複數個感測器元件1306中之各者可係相同形狀，以在類比信號調節電路系統之前使信號電流與參考電流分開。此組態允許針對信號電流及參考電流使用不同濾波器及放大，以最佳化該兩個信號的信號品質及範圍。
為了補償任何位置相依性不平衡，尤其是在邊緣處，開關控制件1316可運用50%工作週期操作，以交替耦合第一複數個感測器1304至信號電流放大器1308及參考電流放大器1310，及交替耦合第二複數個感測器元件1306至信號電流放大器1308及參考電流放大器1310。這具有平均化任何局部幾何不平衡的效果。
與單一較大之感測器相比，第一複數個感測器及第二複數個感測器中之各者之信號量值將係信號量值之50%。然而，由於信號電流及參考電流被分開處理，所以可有利地針對各特定電流來最佳化信號調節電路系統（例如，增益、頻率）。
在至少一些實施方案中，切換頻率(fsynch )可與測量間隔（例如，100 ms）同步，以確保平均化全循環。例如，切換頻率可經選擇以搭配參考頻率fR 之全循環、或大於參考頻率之2倍及在參考頻率之多個值進行切換。
在至少一些實施方案中，可使用三個或更多個感測器來補償受測試導體的xy位置。一個實例性應用係利用硬鉗口電流夾鉗(hard jaw current clamp)的非接觸式電壓測量裝置，其中受測試導體之位置可在鉗口內之任何位置。
代替使用可移動式部件（例如，圖12中所展示之可移動式部分1208）定位導線在感測器附近，可使用一多感測器式陣列。圖14係用於一非接觸式電壓測量裝置之一感測器陣列1400的示意圖。感測器陣列包括複數個感測器元件1402。複數個感測器元件1402中之各者耦合至各別開關1404，該等開關受控於耦合至該等開關的開關控制器1410。開關控制器1410係可操作以控制開關1404以選擇性耦合感測器元件1402之各者至一輸入節點1408（該輸入節點被饋送至ADC 1412之輸入），或耦合至導電防護節點1406（例如，上文論述之防護件132）。
如上文所論述，在使用多參數（例如，對於3個感測器的三線性等）內插（而非使用上文所描述之雙線性內插）的二維校準程序中，感測器陣列1400可用來使用由該等感測器所測量之多個參考電流IR 來獲得含多參數校準的更多資訊。測量可使用所有並聯的感測器1402，其中感測器陣列1400中之感測器1402之各者具有至處理電子器件（例如，ADC等）的分開連接，或如圖14所展示，感測器1402被多工且在一時刻感測器陣列1400之僅一個感測器處於作用中。
在至少一些實施方案中，可在測量之前測試來自感測器1402之各者的個別感測器電流，以識別產生最大參考電流IR 的感測器，並且僅將此所識別感測器用於測量。此特徵可描述為以電子方式找出最接近受測試導線的一個（或複數個）感測器1402，然後使用該感測器進行測量。在至少一些實施方案中，其他未使用的感測器可經由開關1404耦合至防護節點1406，使得其他感測器在測量期間充當防護件。測量本身可類似於或相同於上文所描述之一個感測器配置而操作。
針對導線位置相依校準之此方法亦可用於補償電流測量的磁性偏差。例如，此方法可用於Rogowski線圈，以改善與受測試導體之位置無關之準確度。
在利用三個感測器之此類實施方案中，可執行取決於參考電流(IR1 )、(IR2 )及(IR3 )的三線性校準，以獲得在測量裝置之鉗口區域內的所有可能之xy座標之線性近似。結果是校準因數（例如C(x,y)）陣列，該等校準因數可內插在由測量裝置之三個感測器所偵測到之實際參考電流(IR1 )、(IR2 )與(IR3 )之間。
在本文所論述之電壓測量裝置之至少一些實施方案中，參考電壓(VR )可具有多個頻率，以減少由信號電壓(VO )之較高頻率分量所引起的所測量參考電流(IR )之信號諧波或間諧波影響。例如，可週期性地斷開參考電壓源（例如，圖2之參考電壓源130），並且多個參考頻率周圍的FFT頻格可比對相對極限制被分析且進行檢查。最低值可用於定義受到信號電壓(VO )或其他影響因素最小干擾的一所選擇參考頻率(fR )。
在至少一些實施方案中，斷開參考電壓源不一定會在測量流中產生間隙。例如，當參考電壓源斷開時，仍可測量信號電流(IO )，並且在先前間隔期間所測量的參考電流(IR )可用於估計參考電壓源斷開之間隔的參考電流。
為了進一步減小由參考頻率(fR )之可變頻率之頻寬影響所造成的任何誤差，可藉由將校準因數乘以常數校準因數來修改校準因數，該常數校準因數取決於在額外校準循環中藉由儲存在不同參考頻率的校準因數相對於預設參考頻率（例如，2419 Hz）的偏差所判定之參考頻率(fR )。
除了上文所論述之參考頻率切換之外，亦可使用參考信號的其他專用信號特性。實例包括振幅或頻率調變、同步或偽隨機切換、正交調變、相位切換等。
作為使用調變信號的實例，可利用調變頻率fm 來調變參考信號。在至少一些實施方案中，調變頻率fm 可經選擇為精確位於整數數目個FFT頻格處。例如，對於100ms FFT間隔，此類頻率將係10 Hz、20 Hz、30 Hz等之頻率。在載波或參考頻率(fR )處沒有雜訊的情況中，這導致兩個對稱側頻帶，一個側頻帶在參考頻率之各側。
若兩個側頻帶中之兩者不具有相同量值，則可判定參考信號被干擾（例如，被信號電壓(VO )干擾）。這是相對簡單之識別程序，不需要斷開參考電壓源。若發現參考信號被干擾，則系統可藉由使參考頻率移位Δf量，並且再次檢查側頻帶是否對稱，直到識別到合適之（未干擾）參考頻率。
為了進一步加速程序，在至少一些實施方案中，可同時使用多個參考頻率。此頻率混合可藉由例如預定表及位元串流（例如，ΣΔ DAC位元串流）或藉由類比相加脈衝寬度調變器(PWM)之經低通濾波輸出而產生。若使用PWM，則一對PWM可提供一參考頻率及一調變頻率，並且可使用多對PWM來提供多個參考頻率及多個對應調變頻率。
前述實施方式已經由使用方塊圖、示意圖及實例來闡述裝置及/或程序的各種實施方案。在此類方塊圖、示意圖及實例含有一或多個功能及/或操作的情況下，所屬技術領域中具有通常知識者將理解，可藉由多種硬體、軟體、韌體或其等之幾乎任何組合來個別地或統合地實施在此類方塊圖、流程圖或實例中之各功能及/或操作。在一實施方案中，本發明標的可經由特殊應用積體電路(ASIC)來實施。然而，所屬技術領域中具通常知識者將瞭解，本文所揭露之實施方案可整體地或部分地等效地在標準積體電路中實施為：在一或多個電腦上執行的一或多個電腦程式（例如，在一或多個電腦系統上執行的一或多個程式）；在一或多個控制器（例如，微控制器）上執行的一或多個程式；在一或多個處理器（例如，微處理器）上執行的一或多個程式；韌體；或其等之幾乎任何組合，並且將瞭解，設計電路系統及/或撰寫用於軟體及/或韌體之程式碼是在參酌本揭露的所屬技術領域中具有通常知識者的技術內。
所屬技術領域中具通常知識者將瞭解，本文所述之許多方法或演算法可採用額外動作、可省略某些動作、及/或可依不同於指定之順序來執行動作。
此外，所屬技術領域中具通常知識者將明白，本文所教導之機制能夠以多種形式散佈為程式產品，並且將明白，實例性實施方案同等地適用，無論用於實際執行散佈的特定類型之信號承載媒體為何。信號承載媒體之實例包括但不限於可記錄類型媒體，例如軟碟、硬碟機、CD ROM、數位磁帶及電腦記憶體。
可組合上述各種實施方案以提供進一步實施方案。若需要，可修改實施方案之態樣，以採用各種專利、申請案及公開案之系統，電路及概念來提供更進一步之實施方案。
參酌上文實施方式，可對實施方案進行這些及其他變化。一般而言，在下文申請專利範圍中，所用術語不應被解釋為將申請專利範圍受限於本說明書及申請專利範圍中揭露的具體實施方案，而是應理解為包括所有可能的實施方案連同此申請專利範圍享有的均等物之全部範疇。因此，申請專利範圍不受限於本揭露。
100‧‧‧環境
102‧‧‧非接觸式電壓測量裝置
104‧‧‧操作者
106‧‧‧絕緣導線
108‧‧‧殼體或主體
110‧‧‧抓握部分或端部
112‧‧‧探針部分或端部
114‧‧‧使用者介面
116‧‧‧凹入部分
118‧‧‧第一延伸部分
120‧‧‧第二延伸部分
122‧‧‧導體；導線
124‧‧‧絕緣體
126‧‧‧感測器或電極；導電感測器
128‧‧‧接地；外部接地
130‧‧‧共同模式參考電壓源
132‧‧‧導電內部接地防護件或網屏
134‧‧‧導電參考屏蔽
136‧‧‧輸入放大器
137‧‧‧回授電路系統
138‧‧‧內部電子接地；內部接地
139‧‧‧測試引線
140‧‧‧信號處理模組
142‧‧‧使用者介面
300‧‧‧非接觸式電壓測量裝置
302‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)
306‧‧‧快速傅立葉變換(FFT)演算法
308‧‧‧區塊
310‧‧‧Sigma-Delta數位轉類比轉換器(Σ-Δ DAC)
312‧‧‧顯示器
500‧‧‧校準系統
502‧‧‧電壓測量裝置
504‧‧‧控制電路系統
506‧‧‧校準電壓源
508‧‧‧校準導體
600‧‧‧圖表
602‧‧‧曲線
603‧‧‧校準點
604‧‧‧曲線
605‧‧‧校準點
700‧‧‧圖表
702‧‧‧箭頭（所測量信號電流）
704‧‧‧箭頭（所測量參考電流）
800‧‧‧圖表
802‧‧‧曲線
804‧‧‧曲線
806‧‧‧曲線
900‧‧‧二維查找表
1000‧‧‧圖表
1100‧‧‧圖表
1102‧‧‧曲線
1103‧‧‧校準點
1104‧‧‧偏差曲線
1105‧‧‧偏差點
1200‧‧‧電壓測量裝置之正面或探針端部；前端
1202‧‧‧V形區域
1204‧‧‧受測試導體
1206‧‧‧固定第一部分
1208‧‧‧可移動式第二部分
1210‧‧‧感測器
1300‧‧‧感測器子系統
1302‧‧‧感測器陣列
1304‧‧‧第一複數個感測器元件
1306‧‧‧第二複數個感測器元件
1308‧‧‧信號電流放大器
1310‧‧‧參考電流放大器
1312‧‧‧開關
1314‧‧‧開關
1316‧‧‧開關控制件
1400‧‧‧感測器陣列
1402‧‧‧感測器元件；感測器
1404‧‧‧開關
1406‧‧‧導電防護節點
1408‧‧‧輸入節點
1410‧‧‧開關控制器
1412‧‧‧ADC
CB‧‧‧體電容
CO‧‧‧感測器耦合電容器
IO‧‧‧信號電流
IR‧‧‧參考電流信號
IR1‧‧‧參考電流
IR2‧‧‧參考電流
IR3‧‧‧參考電流
IRO‧‧‧偏移電流
VO‧‧‧AC電壓信號；電壓位準；諧波；輸出電壓；信號電壓
VR‧‧‧AC參考電壓；參考電壓
fO‧‧‧信號電壓頻率
fR‧‧‧參考頻率
fm‧‧‧調變頻率
fsynch‧‧‧切換頻率
在附圖中，相同參考標號標識類似元件或動作。附圖中元件之尺寸及相對位置未必按比例繪製。例如，各種元件之形狀及角度未必按比例繪製，並且這些元件中之一些可被任意放大及定位以改善圖式易讀性。此外，所繪製之元件之特定形狀不一定意欲傳達關於特定元件之實際形狀的任何資訊，並且可僅是為了便於在附圖中辨識而選擇。 　　圖1A係根據一闡釋性實施例之一環境的繪圖，其中可由操作者使用包括參考信號類型電壓感測器的非接觸式電壓測量裝置以測量存在於絕緣導線中之AC電壓，而不需要與導線流電接觸。 　　圖1B係根據一闡釋性實施例之圖1A之非接觸式電壓測量裝置的俯視圖，其展示介於絕緣導線與非接觸式電壓測量裝置的導電感測器之間形成的耦合電容、絕緣導體電流組件及介於非接觸式電壓測量裝置與操作者之間的體電容(body capacitance)。 　　圖2係根據一闡釋性實施方案之非接觸式電壓測量裝置之各種內部組件的示意方塊圖。 　　圖3係展示根據一闡釋性實施方案之非接觸式電壓測量裝置之各種信號處理組件的方塊圖。 　　圖4係根據一闡釋性實施方案之實作快速傅立葉變換(FFT)之非接觸式電壓測量裝置的示意圖。 　　圖5係根據一闡釋性實施方案之用於諸如圖1A至圖4中所展示之電壓測量裝置的電壓測量裝置之校準系統的示意方塊圖。 　　圖6係展示根據一闡釋性實施方案之由電壓測量裝置所偵測到之參考電流與用於兩個校準電壓之校準因數之間之關係的圖表。 　　圖7係展示根據一闡釋性實施方案之由電壓測量裝置所偵測到之參考電流及信號電流之頻域表示的圖表。 　　圖8係展示根據一闡釋性實施方案之由電壓測量裝置所偵測到之參考電流與用於三個校準電壓之校準因數之間之關係的圖表。 　　圖9係根據一闡釋性實施方案之由校準系統（諸如圖5之校準系統）所產生之查找表，其可儲存在電壓測量裝置之非暫時性處理器可讀儲存媒體上以供使用，從而判定受測試導體中之電壓。 　　圖10係展示根據一闡釋性實施方案之由電壓測量裝置所偵測到之參考電流與用於三個校準電壓之校準因數之間之關係的圖表，並且展示用於判定校準因數之實例性內插程序。 　　圖11係展示根據一闡釋性實施方案的圖表，其展示定義由電壓測量裝置所偵測到之參考電流與校準因數之間之關係的曲線，並且亦展示擬合於該曲線的數學公式之複數個點，以及數學公式之百分比偏差。 　　圖12係根據一闡釋性實施方案之包括複數個感測器之電壓測量裝置的前部或探針端部的繪圖，該前端包括可移動式夾鉗，該可移動式夾鉗在測量程序中選擇性地使導體（例如，絕緣導體）固持在固定位置中。 　　圖13係根據一闡釋性實施方案之感測器陣列的示意圖，該感測器陣列包括具有第一複數個感測器元件之第一感測器陣列部分及具有第二複數個感測器元件之第二感測器陣列部分，其中該第一複數個感測器元件與該第二複數個感測器元件交錯。 　　圖14係根據一闡釋性實施方案之用於非接觸式電壓測量裝置之感測器陣列的示意圖，其中該感測器陣列包括複數個感測器元件。

Claims (22)

  1. 一種可操作以校準一電壓測量裝置之校準系統，其中該電壓測量裝置在操作中產生一參考電流信號且經由一電壓測量裝置感測器來感測在一受測試導體中之該參考電流信號，該校準系統包含： 　　一可控制校準電壓源，其可操作以選擇性地在一校準導體中輸出一電壓；及 　　控制電路系統，其可通信耦合至該校準電壓源及該電壓測量裝置，其中該控制電路系統在操作中針對複數個校準電壓之各校準電壓： 　　　　控制該校準電壓源以在該校準導體中輸出該校準電壓； 　　　　獲取與該校準電壓相關聯之複數個校準點，該等校準點中之各者包含： 　　　　　　從該電壓測量裝置獲得的一參考電流信號資料點，該參考電流信號資料點指示當該校準電壓源在該校準導體中輸出該校準電壓時，由該電壓測量裝置經由該電壓測量裝置感測器所測量之該參考電流信號；及 　　　　　　一校準因數，該校準因數指示該校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一所測量輸出電壓資料點的一比率，該所測量輸出電壓資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該參考電流信號資料點來判定； 　　　　基於該所獲得複數個校準點來判定用於該電壓測量裝置的校準資料，該校準資料取決於由該電壓測量裝置所測量之該參考電流信號及該複數個校準電壓；及 　　　　儲存該校準資料在與該電壓測量裝置相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供在該電壓測量裝置之後續操作期間由該電壓測量裝置使用。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中該電壓測量裝置係一非接觸式測量裝置，並且對於該複數個校準電壓中之各者，該等校準點包含藉由選擇性地調整介於該電壓測量裝置之該電壓測量裝置感測器與該校準導體之間的一實體距離而獲得的一範圍的參考電流信號資料點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中該校準資料包含一查找表，在操作中，該查找表允許該電壓測量裝置使用雙線性內插來判定用於一特定參考電流信號測量及一特定輸出電壓測量的一校準因數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中該校準資料包含用於複數個數學公式的係數，其中該複數個數學公式中之各者對應於該等校準電壓之一各別者。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中對於該等校準電壓中之各者，該控制電路系統藉由將該複數個校準點擬合於由一數學公式所定義之一曲線來判定該校準資料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之校準系統，其中對於該等校準電壓中之各者，該數學公式係y = a/(x-b)c + d，其中y係該校準電壓，x係該參考電流信號，且a、b、c及d係藉由分析與各別之該校準電壓相關聯之該複數個校準點所判定的係數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之校準系統，其中用於該複數個數學公式中之各一者的該等係數a、b及c之值分別等於用於該複數個數學公式中之其他者之各者的該等係數a、b及c之值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中該複數個校準電壓包含至少三個校準電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中該電壓測量裝置包含一感測器陣列，該感測器陣列包含一第一感測器部分及一第二感測器部分，該第一感測器部分與該第二感測器部分交錯，且該第一感測器部分及該第二感測器部分之各者經由可控開關而可選擇性地耦合至一信號電流放大器及一參考電流放大器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之校準系統，其中該電壓測量裝置包含一感測器陣列，該感測器陣列包含複數個感測器元件，且該等感測器元件中之各者可選擇性地耦合至處理電路系統之一輸入節點及可選擇性地耦合至一導電防護節點。
  11. 一種可操作以校準一電壓測量裝置之校準系統，該電壓測量裝置包含複數個電壓測量裝置感測器，並且在操作中，該電壓測量裝置產生至少一個參考電流信號且經由該複數個電壓測量裝置感測器來感測在一受測試導體中之該至少一個參考電流信號，該校準系統包含： 　　一可控制校準電壓源，其可操作以選擇性地在一校準導體中輸出一電壓；及 　　控制電路系統，其可通信耦合至該校準電壓源及該電壓測量裝置，其中該控制電路系統在操作中： 　　　　控制該校準電壓源以在該校準導體中輸出一校準電壓； 　　　　獲取與該校準電壓相關聯之複數個校準點，該等校準點中之各者包含： 　　　　　　由該電壓測量裝置所獲得之複數個參考電流信號資料點，該複數個參考電流信號資料點指示當該校準電壓源在該校準導體中輸出該校準電壓時由該電壓測量裝置經由該複數個電壓測量裝置感測器所測量之該等參考電流信號；及 　　　　　　一校準因數，該校準因數指示該校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一所測量輸出電壓資料點的一比率，該所測量輸出電壓資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該複數個參考電流信號資料點來判定； 　　　　基於該所獲得複數個校準點來判定用於該電壓測量裝置的校準資料，該校準資料取決於由該電壓測量裝置經由該複數個電壓測量裝置感測器所測量之該等參考電流信號；及 　　　　儲存該校準資料在與該電壓測量裝置相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供在該電壓測量裝置之後續操作期間由該電壓測量裝置使用。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之校準系統，其中該電壓測量裝置係一非接觸式測量裝置，且藉由選擇性地調整介於該電壓測量裝置與該校準導體之間的一實體距離來獲得該等校準點中之至少一些。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之校準系統，其中該校準資料包含一查找表，在操作中，該查找表允許該電壓測量裝置使用內插來判定用於特定複數個參考電流信號測量的一校準因數。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之校準系統，其中該校準資料包含用於至少一個數學公式的係數。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之校準系統，其中該控制電路系統藉由將該等校準點擬合於由一數學公式所定義之一曲線來判定該校準資料。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之校準系統，其中用於各校準點的該複數個參考電流信號資料點包含至少三個參考電流信號資料點。
  17. 一種操作一校準系統以校準一電壓測量裝置之方法，其中該電壓測量裝置在操作中產生一參考電流信號且經由一電壓測量裝置感測器來感測在一受測試導體中之該參考電流信號，該方法包含： 　　對於複數個校準電壓之各校準電壓， 　　　　控制一校準電壓源以在一校準導體中輸出該校準電壓； 　　　　獲得與該校準電壓相關聯之複數個校準點，該等校準點中之各者包含： 　　　　　　從該電壓測量裝置獲得的一參考電流信號資料點，該參考電流信號資料點指示當該校準電壓源在該校準導體中輸出該校準電壓時，由該電壓測量裝置經由該電壓測量裝置感測器所測量之該參考電流信號；及 　　　　　　一校準因數，該校準因數指示該校準電壓對從該電壓測量裝置所獲得之一所測量輸出電壓資料點的一比率，該所測量輸出電壓資料點係由該電壓測量裝置至少部分基於該參考電流信號資料點來判定； 　　　　基於所獲得的該複數個校準點來判定用於該電壓測量裝置的校準資料，該校準資料取決於由該電壓測量裝置所測量之該參考電流信號及該複數個校準電壓；及 　　　　儲存該校準資料在與該電壓測量裝置相關聯之至少一個非暫時性處理器可讀儲存媒體上，以供在該電壓測量裝置之後續操作期間由該電壓測量裝置使用。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中判定校準資料包含：產生一查找表，在操作中，該查找表允許該電壓測量裝置使用雙線性內插來判定用於一特定參考電流信號測量及一特定輸出電壓測量的一校準因數。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中判定校準資料包含：判定用於複數個數學公式的係數，該複數個數學公式中之各者對應於該等校準電壓之一各別者。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中判定校準資料包含：對於該等校準電壓中之各者，將該等校準點擬合於由一數學公式所定義之一曲線。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中控制該校準電壓源以輸出複數個校準電壓包含：控制該校準電壓源以輸出至少三個校準電壓。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該電壓測量裝置係一非接觸式測量裝置，並且對於該複數個校準電壓中之各者，獲得複數個校準點包含選擇性地調整介於該電壓測量裝置之該電壓測量裝置感測器與該校準導體之間的一實體距離。
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