TWI538331B - 具有電流及電壓感測之引線管理器及量測方法 - Google Patents

Description

具有電流及電壓感測之引線管理器及量測方法

本發明係關於用於管理一根或多根電引線之位置的引線管理器，且更特定言之係關於包括電流感測器之引線管理器，該電流感測器可用以偵測通過藉由該引線管理器所管理之引線的電流。

本申請案與同此同期申請之名為「NON-CONTACT CURRENT AND VOLTAGE SENSOR」的同在申請中之美國專利申請案第12/XXX,XXX號相關，其具有至少一共同發明者且讓渡給同一受讓人。上文所提及之美國專利申請案的揭示內容以引用的方式併入本文中。

歸因於商業及住宅場所兩者均集中於能量效率，對在AC線供電系統中量測電力消耗之需要漸增。為量測電路之電力消耗，藉由負載所汲取之電流一般必須被量測，且為得到精確結果，亦可能需要知曉負載之特性。

將電流感測器添加至電力分配系統佔據空間且增加複雜性，且若大量電路必須被量測，則增加安裝困難且可引起電力分配系統中之混亂。

因此，將需要提供電流感測方案，其可提供隔離電流汲取資訊且視情況准許考慮負載特性，同時為電力分配系統提供具有較少額外空間要求之經組織且有效的安裝。

本發明係體現在包括用於感測通過引線之電流之感測器 的引線管理器及其操作方法中。該引線管理器可為單一引線管理器，其在單一位置處管理一或多根引線之位置且量測通過該等引線的淨電流，或該引線管理器可具有用於以位於每一引線處之相應電流感測器緊固多根引線的多個緊固機構。電壓感測器可併入於該(等)感測器內以用於感測該(等)引線之電位。

該引線管理器可具有經調適以用於安裝在電力分配面板或槽板內之外殼，且緊固機構可為蛤殼外殼，其含有自鐵氧體圓筒所形成之電流感測器的部分，在圍繞引線閉合時，該等蛤殼外殼形成完整的鐵氧體圓筒或具有沿圓周之間隙的鐵氧體圓筒，在該間隙中可插入有半導體磁場感測器。電壓感測器可為用於電容性耦接至引線以便感測引線之電位的圓柱形板、引線、薄膜、或其他合適的導電元件。電壓感測器可位於電流感測元件旁，或電流感測元件內。

本發明之前述及其他目標、特徵及優點將自本發明之較佳實施例之以下的更特定描述顯而易見，如隨附圖式中所說明。

據信為本發明之特性的新穎特徵闡述於所附申請專利範圍中。然而，當結合隨附圖式閱讀時，將藉由參考本發明之以下實施方式來最好地理解本發明自身以及較佳使用模式、另外目標及其優點，其中相似參考數字指示相似組件。

本發明包含具有電流感測特徵且視情況具有電壓感測特徵以用於將輸入提供至電力量測系統之引線管理器。舉例而言，本發明可將輸入提供至電腦伺服器室中之電力監視設備，其中多個分支電路將電力分配至各種電子底盤電源供應器，且其中將各種分支電路之電力使用資訊提供至電腦操作環境內之電力監視及/或系統控制設施係有益的。其他應用包括用於商業及/或住宅能量管理之電力監視。

現參看圖1，展示根據本發明之實施例之電力分配系統。電力分配面板8接收進戶接線(service entrance wiring)5且經由斷路器9將電力分配至分支電路引線3。分支電路引線3經導引以經由管道或其他槽板7將電力供應至負載。在電力分配面板8內，安裝根據本發明之實施例之引線管理器10。引線管理器10控制分支電路引線3之位置且進一步包括感測元件，該等感測元件用以判定流過分支電路引線3之電流且視情況判定分支電路引線3上之電壓的量值及/或相位以提供遞送至分支電路負載之實際(複雜)電力的計算。引線管理器10亦包括介面/處理單元12，介面/處理單元12將有線或無線介面提供至外部處理系統且一般提供在傳輸至外部處理系統之前之電力使用相關資訊的計算，但原始電流(且視情況為電壓)感測器輸出資訊可藉由在外部處理系統中所執行之電力使用相關資訊的計算被替代地傳輸。介面/處理單元12可或者置放於不同於所示之位置且不同於所示而定尺寸。舉例而言，介面/處理單元12可與引線管理器10實體分離且藉由有線、無線、光學或其他 合適之介面而耦接至引線管理器10。

現參看圖2，展示圖1之引線管理器10之細節。分支電路引線3經導引穿過相應的複數個感測器20，該複數個感測器20至少提供流過分支電路引線3中之一相應者之電流的一指示，且視情況提供分支電路引線3中之一相應者處之電壓或電壓的相位。感測器20之細節將在下文中根據本發明之例示性實施例得以描述，且感測器20之另外細節連同可替代地用以實施感測器20的其他感測器描述於上文所併入之美國專利申請案「NON-CONTACT CURRENT AND VOLTAGE SENSOR」中。

現參看圖3，展示圖1之引線管理器10之另外細節。感測器20固定至印刷線路板(PWB)30，該印刷線路板提供自電流感測元件32中之每一者至介面/處理單元12之連接，且若電壓感測元件被提供，則亦提供來自感測器20之電壓感測元件的連接。介面/處理單元12包括積體電路34，積體電路34實施電力使用計算及資訊傳輸，以及信號處理以移除雜訊且恰當地按比例調整感測器20之(多個)輸出。如所說明，當感測器20安裝至PWB 30時，電流感測元件32延伸穿過感測器20中之孔，且當感測器20係藉由使柱38與感測器20中之凹座36配合而安裝至PWB 30時，柱38可被提供以對準及穩定化感測器20。感測器20之附接可藉由任何適當方式進行，但一定程度之可撓性應被提供，以使得在分支引線3移動時過度之力不會施加至感測器20與PWB 30之間的機械連接，使得該機械連接不受損壞。可使用經熱 焊接或化學鍵結，或搭扣連接之軟固化黏著性、可撓性柱36。或者或除上述之外，可使電流感測元件32之外主體將機械附接提供至感測器20。蓋31經提供以將引線管理器10內之電路與安裝有引線管理器10之電力分配中心或槽板中的電路隔離。

現參看圖4A，展示圖3之感測器20之細節。當感測器主體22閉合時，感測器之電流感測部分係藉由形成圍繞分支電路引線3中之一者之鐵氧體圓筒的三個鐵氧體片24A、24B形成。頂部鐵氧體片24A形成半圓筒，而鐵氧體片24B界定在鐵氧體片24B之間且在鐵氧體圓筒之圓周中的間隙，其中安置圖3之一般為半導體磁場感測器(諸如，霍爾效應感測器)的電流感測元件32。孔34係形成穿過感測器主體22以用於接收如圖3中所說明之電流感測元件32。藉由金屬板28A、28B所形成之電壓感測器將電容式耦合提供至提供AC波形之分支電路引線3，該AC波形至少指示分支電路引線3上之電壓的相位且在需要時可經校準以提供電壓之量值的指示。金屬板28A包括觸點27且金屬板28B包括配合凹座29以改良金屬板28A與28B之間的電接觸，以使得需要金屬板28A及28B中之一者至量測系統的連接以提供電壓感測。端子38係提供在感測器主體22之底表面上以提供自金屬板28B至PWB之電連接。閉鎖機構23經提供，以使得感測器主體22係在將感測器主體22夾持於分支電路引線3周圍之後保持在閉合位置。可為自安裝表面延伸之柱提供一對凹座36，以穩定化感測器主體22及視情況 將其搭扣附接至PWB或其他安裝表面。

現參看圖5，展示圖2之介面/處理單元12之細節。多工器101A自感測器20內之個別電流感測元件接收信號且選擇感測器以用於量測，從而將輸入提供至電流量測電路108A，電流量測電路108A為適當地按比例調整及濾波感測器20之電流通道輸出的類比電路。電流量測電路108A之輸出係作為輸入而提供至類比轉數位轉換器(ADC)106，類比轉數位轉換器(ADC)106將藉由電流量測電路108A所產生之電流輸出波形轉換為提供至中央處理單元(CPU)100的取樣值，中央處理單元(CPU)100根據耦接至CPU 100之記憶體104中所儲存的程式指令而執行電力計算。或者，單獨之電流量測電路108A及多工器101A可能並非必要的，且感測器20可直接耦接至ADC 106。藉由與特定感測器相關聯之分支電路所進行的電力使用可藉由假設分支電路電壓為恆定的(例如，115 Vrms)且電壓與電流之間的相位關係為對準的(亦即，同相)而判定。然而，儘管恆定電壓之假設一般係充分的，但由於經恰當設計之分配系統不使線電壓下降大於一小量(例如，<3%)，因此電壓與電流之間的相位關係係取決於負載之電力因數，且可藉由負載及隨著時間而廣泛及動態地變化。因此，一般需要至少知曉分支電路電壓與電流之間的相位關係以便準確地判定藉由分支電路所進行的電力使用。

當實施電壓量測時，若電壓感測經實施，則另一多工器101B經提供以自感測器20中之個別電壓感測元件接收信 號。多工器101B自感測器20內之個別電壓感測元件接收信號且選擇感測器以用於量測，從而將輸入提供至電壓量測電路108B，電壓量測電路108B為適當地按比例調整及濾波感測器20之電壓通道輸出的類比電路。可使用零點交叉偵測器109來替代性地或與將電壓量測電路之輸出提供至ADC 106之輸入端結合而將僅相位資訊提供至執行電力計算之中央處理單元100。或者，多工器101B可能並非必要的且感測器20之一或多個電壓感測器輸出可直接連接至ADC 106。詳言之，在感測器中之每一者處進行電壓量測可能並非必要的，例如，當感測電壓之相位時，單一量測可足以用於提供接著用以判定多個分支電路之電壓對電流相位差的相位基準。此外，若採取多個電壓量測，則電壓量測可用作絕對電壓量測，或振幅可按比例調整至已知峰值r.m.s.或平均值。輸入/輸出(I/O)介面102將無線或有線連接提供至外部監視系統，諸如無線區域網路(WLAN)連接122A或有線乙太網路連接122B。當並未考慮電力因數時，藉由每一分支電路所使用之瞬時電力可近似為：P_BRANCH=V_rms ^＊I_meas其中V_rms為恆定值(例如，115 V)且I_meas為經量測之rms電流值。電力值P_BRANCH可隨著時間經積分以產生能量使用。當已知電壓之相位時，則電力可更準確地計算為：P_BRANCH=V_rms ^＊I_meas ^＊COS(Φ)其中Φ為電壓波形與電流波形之間的相位角之差。零點交叉偵測器109之輸出可與藉由電流量測電路108A所產生之 電流波形中之零點交叉的位置及用以自線頻率(假設線頻率為60 Hz)產生相位差Φ之電流及電壓中之零點交叉之間的時間△T相比較：Φ=2Π^＊60^＊△T一般而言，電流波形並非真正為正弦的且上述近似可能不會充分地產生準確結果。更準確之方法係使在遠高於線頻率之取樣速率下所量測的電流及電壓樣本相乘。取樣值由此近似電流波形及電壓波形之瞬時值且能量可計算為：Σ(V_n ^＊I_n)可使用多種算術方法以自取樣電流及電壓量測判定電力、能量及相位關係。

現參看圖6A至圖6D，展示根據本發明之其他實施例之引線管理器。圖6A之引線管理器包括可用扣件(諸如，薄片金屬螺釘或電接線插口)貼附至底盤之主體部分40A，或主體部分40A可包括具有可自主體部分40A之底面及緊靠底盤或其他位置的引線管理器移除之剝離襯底的黏著劑。感測器42整合於主體部分40A中，且可為用於量測穿過藉由通過主體部分40A之引線繫材44A所緊固之一或多根引線的淨電流之單一霍爾效應裝置，但亦可包括如上文所述之如在感測器20中的電壓感測元件。介面引線46提供感測器42至處理單元之連接，其可自如圖6A至圖6D中所示之多個引線管理器接收輸入，以便以與上文參考圖1所述之電力分配系統中所使用之方式類似的方式提供關於藉由多個電力分配分支所進行之電力使用的資訊。

圖6B至圖6D之引線管理器與圖6A之引線管理器類似，因此僅其間的差異將在下文中進一步詳細描述。圖6B之引線管理器包括主體部分40B，主體部分40B用扣件(諸如，薄片金屬螺釘)貼附至底盤且亦接受用於緊固引線之引線繫材44B。感測器42定位為靠近主體部分40B之邊緣，以便提供對安裝區域的存取。圖6C之引線管理器具有捲繞一或多根引線之一體式扭轉型緊固延伸件44C，且感測器42係與主體部分40C整合而鄰近於緊固延伸件44C的聯合。圖6D之引線管理器具有形成為主體部分40D之部分的一體式引線保持帶。在上文所述之引線管理器中之每一者中，感測器42經定位，以使得感測器42將接近藉由緊固引線之引線管理器所保持的引線。可使用鐵氧體或其他磁性材料來藉由以與上文所述之感測器20中之鐵氧體片24A、24B之整合類似的方式將磁性材料整合於引線管理器主體中來形成圍繞引線的迴路。又，可使用如上文所述之插入式襯套來圍繞引線，以在電壓感測在感測器42內被使用時提供更均勻的引線距離。在具有對感測器機械特徵之合適改變的情況下，用於上文所述之實施例中之霍爾效應感測器可藉由其他電流感測元件替換。替代性電流感測元件之實例包括電流互感器、羅哥斯基線圈、各向異性磁阻(AMR)元件、磁通閘、巨型磁阻(GMR)元件、光纖電流感測器，或任何其他非接觸式電流感測器。

儘管本發明已參考其較佳實施例得以特定地展示及描述，但熟習此項技術者應理解，在不脫離本發明之精神及 範疇的情況下，可在其中進行形式上及細節上之前述及其他改變。

3‧‧‧分支電路引線

5‧‧‧進戶接線

7‧‧‧槽板

8‧‧‧電力分配面板

9‧‧‧斷路器

10‧‧‧引線管理器

12‧‧‧介面/處理單元

20‧‧‧感測器

22‧‧‧感測器主體

23‧‧‧閉鎖機構

24A‧‧‧鐵氧體片

24B‧‧‧鐵氧體片

27‧‧‧觸點

28A‧‧‧金屬板

28B‧‧‧金屬板

29‧‧‧配合凹座

30‧‧‧印刷線路板(PWB)

31‧‧‧蓋

32‧‧‧電流感測元件

34‧‧‧積體電路/孔

36‧‧‧凹座

38‧‧‧柱/端子

40A‧‧‧主體部分

40B‧‧‧主體部分

40C‧‧‧主體部分

40D‧‧‧主體部分

42‧‧‧感測器

44A‧‧‧引線繫材

44B‧‧‧引線繫材

44C‧‧‧一體式扭轉型緊固延伸件

46‧‧‧介面引線

100‧‧‧中央處理單元(CPU)

101A‧‧‧多工器

101B‧‧‧多工器

102‧‧‧輸入/輸出(I/O)介面

104‧‧‧記憶體

106‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)

108A‧‧‧電流量測電路

108B‧‧‧電壓量測電路

109‧‧‧零點交叉偵測器

120‧‧‧外部監視系統

122A‧‧‧無線區域網路(WLAN)連接

122B‧‧‧有線乙太網路連接

圖1為說明根據本發明之實施例的包括引線管理器10之電力分配系統的直觀圖。

圖2為展示引線管理器10之另外細節的說明。

圖3為展示引線管理器10之另外細節的另一說明。

圖4A至圖4B為展示根據本發明之實施例的感測器20之細節的說明。

圖5為說明根據本發明之實施例的引線管理器10內之電路的電力方塊圖。

圖6A至圖6D為描繪根據本發明之替代實施例之引線管理器的直觀圖。

10‧‧‧引線管理器

20‧‧‧感測器

30‧‧‧印刷線路板(PWB)

31‧‧‧蓋

32‧‧‧電流感測元件

34‧‧‧積體電路/孔

36‧‧‧凹座

38‧‧‧柱/端子

Claims (15)

1. 一種用於以機械方式緊固一引線之引線管理器，該引線管理器包含：一主體，其用於將該引線管理器緊固至一結構且包括用於使該引線通過之一機械限制器，其中該機械限制器閉合在該引線周圍時，該引線通過與該機械限制器接觸而被緊固於一固定位置；及一感測器，其包括於該引線管理器之該主體中且包括一電流感測元件，該電流感測元件用於感測通過該引線之一電流且產生指示該電流之一量值的一第一輸出。
2. 如請求項1之引線管理器，其中該感測器進一步包括一電壓感測元件，該電壓感測元件用於感測該引線處之一電位，且產生指示該電位的一第二輸出。
3. 如請求項1之引線管理器，其中該引線管理器包括：多個機械限制器，其用於導引多根該引線穿過其；及多個感測器，其用於感測通過該多根引線之電流且產生指示通過該多根引線之該等電流的多個輸出；或其中該多個感測器進一步包括用於感測該多根引線處之該等電位的電壓感測元件。
4. 如請求項3之引線管理器，其中該主體經調適以用於包括在一建築物電力分配面板或槽板內，且其中該多根引線為該建築物之多個分支電路；或進一步包含整合於該主體內之一處理電路，該處理電路用於自指示通過該多根引線之該等電流的該多個輸出 計算該多個分支電路之電力消耗，及提供用於將該計算之一結果傳達至一外部系統的一介面。
5. 如請求項4之引線管理器，其中該介面為含於該引線管理器之該主體內的一無線介面；或其中該介面為一有線介面，其含於該引線管理器之該主體內且具有一延伸件，該延伸件用於穿透該電力分配面板或槽板以提供該有線介面與該電力分配面板或槽板之剩餘者的隔離。
6. 如請求項3之引線管理器，其中該多個感測器具有用於將該多個感測器以可拆卸方式貼附至該多根引線中之相應者的個別外殼，且其中該多個機械限制器為該多個感測器之該等個別外殼；或其中該多個感測器之該等個別外殼形成用於緊固該多根引線中之該等相應者的個別蛤殼，且其中該等蛤殼含有各自沿其中心軸線界定一中央空隙之相應鐵氧體圓筒的部分，且其中該多根引線中之該等相應者通過該中央空隙，且其中該等電流感測元件偵測在該等相應鐵氧體元件中藉由通過該多根引線中之一相應者的該電流所引起之一磁通量。
7. 如請求項1之引線管理器，其中該引線管理器包括用於使至少一引線通過之僅一機械限制器及用於感測通過該至少一引線之一淨電流的一單一感測器；或其中該主體為用於貼附至該結構之一塑膠主體且其中該引線管理器進一步包含用於捲繞該至少一引線之一或 多個可移動引線緊固延伸件。
8. 一種藉由一負載提供能量使用量測之方法，該方法包含：藉由使得一引線通過與一機械限制器接觸而被緊固將能量遞送至該負載之該引線的一引線管理裝置來控制該引線的一位置，其中該引線管理裝置包括該機械限制器；藉由整合於該引線管理裝置之一主體內的一電流感測器來量測通過該引線之一電流；及自該量測之一結果判定該負載之一能量使用。
9. 如請求項8之方法，其進一步包含使用整合於該引線管理裝置中之一電壓感測元件來感測該引線處之一電位，且其中該判定進一步判定與該電位之該感測之結果一致的該能量使用；或其中該控制係控制多根引線之位置，其中該量測係量測通過該多根引線之相應電流，且其中該判定係判定藉由該多根引線所供應之多個負載的一能量使用。
10. 如請求項9之方法，其進一步包含使用整合於該引線管理裝置中之一或多個電壓感測元件來感測該多根引線中之一或多者處的電位，且其中該判定進一步判定與該等電位之該感測之結果一致的該多個負載之該能量使用；或進一步包含將該引線管理裝置安裝於一建築物電力分配面板或槽板中，其中該多根引線為該建築物之多個分 支電路，且其中該量測係量測藉由該多個分支電路所供應之該多個負載的該能量使用；或進一步包含將該判定之一結果自與該引線管理裝置整合之一介面傳輸至一外部系統。
11. 如請求項9之方法，其中該等電流感測器具有用於將該等電流感測器以可拆卸方式貼附至該多根引線中之相應者的個別外殼，且其中該多根引線之該等位置的該控制係藉由該多個感測器之該等個別外殼執行；或其中該控制包含藉由閉合圍繞該多根引線之蛤殼而將該等個別外殼緊固在該多根引線中之該等相應者周圍，其中該等蛤殼提供該等個別外殼且含有形成該等電流感測器之部分的鐵氧體圓筒部分。
12. 一種用於整合於一建築物電力分配系統之一面板或槽板中之引線管理器，該引線管理器包含：一引線管理器主體，其含有用於控制對應於該電力分配系統之多個分支電路的多根引線之位置的通道，該通道包括相應的機械限制器，該多根引線中相應的引線通過與閉合在其周圍的機械限制器接觸而被緊固在固定位置；電流感測器，其用於量測該多根引線中之相應者中的電流，其中該等電流感測器係整合於該等通道中；及一介面，其電連接至該等電流感測器以用於將該等電流感測器耦接至一外部系統，該外部系統自該介面接收指示該建築物電力分配系統內之能量使用的資訊。
13. 如請求項12之引線管理器，其進一步包含整合於該外殼內之電壓感測器，其用於感測該多根引線之一電位，且其中該介面耦接至該等電壓感測器以用於提供指示能量使用之該資訊；或其中該等電流感測器及該等電壓感測器具有用於將該多個感測器以可拆卸方式貼附至該多根引線中之該等相應者的個別外殼，且該等電流感測器及該等電壓感測器以機械方式耦接至該引線管理器主體，其中該多個感測器之該等個別外殼形成用於緊固該多根引線中之該等相應者的個別蛤殼，其中該等蛤殼含有形成該等電流感測器之部分的相應鐵氧體圓筒之部分，且其中該等蛤殼進一步含有用於電容性耦接至該等引線以感測其該等電位之電板或引線。
14. 一種量測一建築物電力分配系統中之能量使用之方法，該方法包含：藉由指引多根引線穿過具有多個相應通道之一引線管理器主體來控制對應於該電力分配系統之多個分支電路的該多根引線之位置；量測該多根引線中之相應者中的電流，其中電流感測器係整合於該等通道中，該等通道包括機械限制器，該電流感測器包括整合於該機械限制器中的電流感測元件；及將該量測之結果傳達至一外部系統，該等結果指示該建築物電力分配系統內之能量使用。
15. 如請求項14之方法，其進一步包含使用整合於該等通道中之電壓感測元件來感測該多根引線中之每一者處的電位，且其中該判定進一步傳達判定為與該感測之一結果一致的該量測之結果。