用于感测通过导体的电流的传感器装置和方法

专利名称：用于感测通过导体的电流的传感器装置和方法
用于感测通过导体的电流的传感器装置和方法技术领域
本发明的领域大体涉及传感器装置和方法，并且更具体而言，涉及感测通过导体 的电流。
背景技术：
使用至少一些已知的公用服务仪表(utility meter)来测量从电力源供应给用户 的电。为了使得能够精确地测量供应给用户的能量的量，公用服务仪表常常包括一个或多 个传感器装置，以感测流过电力源和用户之间的导体的电流。当包括在公用服务仪表中时， 传感器装置意图在电压和/或电流的一定运行范围内精确地工作。
在公用服务仪表中使用多种类型的已知电流传感器装置。例如，至少一些已知的 互感器传感器装置包括其上缠绕有电磁线以感测流过导体的电流的磁芯。但是，一般知道 包括互感器的电流传感器装置体积大且昂贵。已知的电流传感器装置的另一个示例是罗戈 夫斯基(Rogowski)线圈。罗戈夫斯基线圈包括线圈，并且一般小于互感器传感器装置。但 是，知道罗戈夫斯基线圈在一定电压范围内在低电流和/或高电流状况期间提供仅有限的 精度。因此，在制造期间，具有已知的罗戈夫斯基线圈的公用服务仪表常常会经历多个校准 过程，以最大程度地减小这些不精确性的影响。虽然这些重复的校准过程可降低这样的传 感器装置的不精确性，但是过程也会增加公用服务仪表的制造时间和成本。发明内容
在一方面，提供一种用于感测通过导体的电流的传感器装置。该传感器装置包括 包括多个筒管的衬底，多个筒管限定孔口，孔口在结构上设置成在其中接收导体；包括缠绕 在多个筒管中的各个周围的多个线圈匝的线圈；在多个筒管中的各个和多个线圈匝之间延 伸的第一屏蔽件；以及第二屏蔽件，其定位成紧邻多个线圈匝，与第一屏蔽件相对，使得多 个线圈匝在第一屏蔽件和第二屏蔽件之间。
在另一方面，提供一种在将电能从电力源传输到用户中使用的公用服务仪表。该 公用服务仪表包括导体和至少部分地定位在导体周围的传感器装置。传感器装置包括具 有设置在孔口周围的多个筒管的衬底；包括缠绕在多个筒管中的各个周围的多个匝的线 圈；设置在多个筒管中的各个和多个匝之间的第一屏蔽件；以及第二屏蔽件，其设置成紧 邻多个匝，与第一屏蔽件相对。
在又一方面，提供一种制造用于感测通过导体的电流的传感器装置的方法。该方 法包括对衬底的多个筒管中的各个应用第一屏蔽件，在衬底的多个筒管中的各个周围将线 圈缠绕在第一屏蔽件上面，以及对衬底的多个筒管中的各个在线圈上面应用第二屏蔽件。
在又一方面，一种用于检测导体中的电流的传感器装置，所述传感器装置包括包 括多个筒管的衬底，所述多个筒管限定孔口，所述孔口在结构上设置成在其中接收导体；包 括缠绕在所述多个筒管中的各个周围的多个线圈匝的线圈；在所述多个筒管中的各个和所 述多个线圈匝之间延伸的第一屏蔽件；以及第二屏蔽件，其定位成紧邻所述多个线圈匝，与所述第一屏蔽件相对，使得所述多个线圈匝在所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件之间。单 个电磁线构成所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件。所述电磁线的第一端联接到所述电磁线 的第二端上。所述电磁线的所述第一端联接到所述线圈的一端上。所述第一屏蔽件和第二 屏蔽件形成构造成阻止对所述传感器装置的电磁干扰(EMI)的法拉第屏蔽。所述多个筒管 包括至少六个筒管，以及其中，所述多个筒管中的各个包括热塑性材料。所述传感器装置进 一步包括基本包围所述衬底、所述线圈、所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件的壳体，以及其 中，所述壳体包括介电材料。所述介电材料设置在所述孔口内以及在所述第二屏蔽件附近。 所述介电材料具有大于或等于大约3. 5的介电常数。
在又一方面，一种在将电能从电力源传输到用户中使用的公用服务仪表；所述公 用服务仪表包括导体；以及至少部分地定位在所述导体周围的传感器装置，所述传感器 装置包括具有设置在孔口周围的多个筒管的衬底；包括缠绕在所述多个筒管中的各个周 围的多个匝的线圈；设置在所述多个筒管中的各个和所述多个匝之间的第一屏蔽件；以及 设置成紧邻所述多个匝，与所述第一屏蔽件相对的第二屏蔽件。所述第一屏蔽件和第二屏 蔽件包括构造成阻止对所述传感器装置的电磁干扰(EMI)的法拉第屏蔽。单个电磁线构成 所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件。所述单个电磁线的各个端联接到所述线圈的一端上。 所述传感器装置包括联接到所述线圈的一端上的第一导线、联接到所述线圈的第二端上的 第二导线，以及联接到所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件中的至少一个上的第三导线。所 述传感器装置包括至少部分地定位在所述线圈和所述导体之间的介电材料，以及其中，所 述介电材料具有大于大约3. 5的介电常数。所述传感器装置包括基本由所述介电材料形成 的壳体。
在又一方面，一种制造用于感测通过导体的电流的传感器装置的方法，所述方法 包括对衬底的多个筒管中的各个应用第一屏蔽件；在所述衬底的所述多个筒管中的各个 周围将线圈缠绕在所述第一屏蔽件上面；以及对所述衬底的所述多个筒管中的各个在所述 线圈上面应用第二屏蔽件。应用所述第一屏蔽件包括缠绕电磁线而形成所述第一屏蔽件， 以及其中，应用所述第二屏蔽件包括缠绕所述电磁线而形成所述第二屏蔽件。所述方法进 一步包括将所述电磁线的第一端和第二端联接到第一导线上，将所述线圈的第一端联接到 所述传感器装置的第二导线上，以及将所述线圈的第二端联接到所述传感器装置的第三导 线上，所述第一导线、所述第二导线和所述第三导线形成成组的绞合导线。所述方法进一步 包括将所述线圈、所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件基本包围在壳体内，以及其中，所述壳 体的至少一部分包括至少一种介电材料。


图1是包括示例性传感器装置的示例性公用服务仪表的框图。
图2是图1中显示的传感器装置的部分地拆开的视图。
图3是图1中显示的传感器装置的透视图。
图4是图1中显示的传感器装置的平面图。
图5是用于图1中显示的传感器装置的示例性衬底和线圈的透视图。
图6是可用于图1中显示的传感器装置的示例性筒管的横截面图。
图7是可用于图1中显示的传感器装置的示例性线圈和屏蔽件的电路图。
图8是包括四根导线的示例性传感器装置的透视图。
图9是可用于图8中显示的传感器装置的示例性线圈和屏蔽件的电路图。
部件列表10公用服务仪表12传感器装置14导体15导体16导体17控制板102衬底104线圈106气隙108介电材料110孔口112壳体116安装件118第一部分120第二部分124筒管126筒管128筒管130筒管132筒管134筒管135凸缘136导线137铰接接头138导线140第一屏蔽件142第二屏蔽件144导线200传感器装置204线圈236导线238导线240第一屏蔽件242第二屏蔽件244导线245导线。
具体实施方式
图1示出了示例性公用服务仪表10的框图。在该示例性实施例中，公用服务仪表 10包括传感器装置12、导体14，以及联接到传感器装置12上的仪表控制板17。导体14可 包括汇流条、多股线材、单股线材、电缆，或者适于将电从电力源传输到电力用户的其它导 体。电力源可包括(无限制)电网和/或电力发生系统，诸如燃气轮机发动机、水电涡轮机、 风力涡轮机、太阳能板和/或另一个适当的发生和/或传输系统。电力源也可包括与仪表 控制板17通信的智能电网。用户可包括(无限制)居民用户、商业用户和/或处于任何水 平的任何其它电用户。传感器装置12联接到导体14上，以感测流过导体14的电流。传感 器装置12对仪表控制板17提供表示感测到的电流的信号。基于接收自传感器装置12的 信号，仪表控制板17确定随着时间的过去通过导体14从电力源传输到用户的电量。
因为对于从电力源传递到用户的电可产生费用，所以合乎需要的是，传感器装置 12高度精确，以确保用户基本仅对其收到的电付费，而非对电力源的运营商传输给用户的 基本所有电付费。
在这个示例性实施例中，公用服务仪表10进一步包括导体15和16和联接到导体 15上的另一个传感器装置12。应当理解，任何数量的导体和/或传感器装置(例如一个、 三个、六个等)可用于其它公用服务仪表实施例。此外，应当理解，传感器装置12不限于仅 用于公用服务仪表10内，而是实际上可用于感测通过导体的电流的任何应用中，诸如电力 发生应用、公用事业应用、机动车应用、电器应用、远程通信应用等。
图2是示例性传感器装置12的部分地拆开的视图。在该示例性实施例中，传感器 装置12包括衬底102、包括缠绕在衬底102周围的多个匝的线圈104，以及介电材料108。 线圈104包括限定在其中的孔口 110，孔口 110在结构上设置成(例如在大小、定向和/或 形状等方面)在其中接收导体14。介电材料108定位在线圈104附近以及至少部分地定位 在孔口 110内。更具体而言，在这个实施例中，当导体14定位成通过孔口 110时，介电材料 108至少部分地定位在线圈104和导体14之间。
介电材料108可包括具有以多种方式构造的多种特性的一种或多种介电材料。例 如，介电材料108可具有在大约10-1000 Hz处等于或大于大约3. O的介电常数。在一些实 施例中，介电常数可大于大约3. 5、大约4. O、大约5. O、大约8. O、大约12. O、大约17. O和/ 或任何其它适当的介电常数。在一个示例性实施例中，介电材料108的介电常数可大致等 于大约3. 5。在另一个不例性实施例中，介电材料108的介电常数可大致等于大约6. O。
另外，介电材料108具有至少一个厚度，并且可具有多个厚度。在该示例性实施例 中，定位在线圈104附近以及至少部分地定位在孔口 110内的介电材料108具有大约3. O毫 米的厚度。而且，在同一实施例中，定位在线圈104附近但与孔口 110相对的介电材料108 具有大约1. 2毫米的厚度。应当理解，介电材料108可具有使得传感器装置12能够如本文 描述的那样起作用的任何厚度或多个厚度。大体上，至少部分地基于介电材料108的介电 常数、线圈104与一个或多个导体14、15和16的距离以及和/或意图安装传感器装置的环 境中的可用空间等来选择介电材料108的厚度。在一些示例实施例中，介电材料108的厚 度的范围可为大约1. O毫米至大约3. O厘米，或者在另外的其它实施例中更大。
在该示例性实施例中，介电材料108可由若干种类型的材料中的一种或多种制造而成,诸如(无限制)塑料材料、热塑性材料、热固性材料、陶瓷材料、金属材料、木质材料、 粘土材料、有机材料、它们的任何混合物，以及/或者适于如本文描述的那样起作用的其它 材料。在图2的示例性实施例中，介电材料108包括能够在市场上从Valox 族材料获得 的PBT热塑性材料。在多种实施例中，介电材料108包括下者中的一个或多个(无限制) Kapton 胶带、聚偏二氟乙烯(PVDF)材料、室温硫化硅酮(RTV)聚合物、能够在市场上从 Valox 族材料获得的PBT热塑性材料(例如，Valox 365或Valox V9561)、来自Rynite 族材料的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)热塑性材料、能够在市场上从Ryton 族材料获得的 PPS热塑性材料、能够在市场上从Primef 族材料获得的PPS热塑性材料、能够在市场上从 Zytel 、Stanyl 或RTP 族材料获得的尼龙热塑性材料、LCP热塑性材料(例如,Sumitomo E5008L或E4008L材料)等。可基于介电常数、对于一种或多种制造技术的适用性、尺寸稳 定性、成本、成型性、可加工性、刚性和/或材料(一种或多种)的其它特性来选择一种或多 种类型的介电材料108。在至少一个示例中，至少部分地基于其介电常数随温度的可变性来 选择介电材料108。
图3是传感器装置12的透视图(以拆开的方式显示)，其中，导体14延伸通过孔 口 110。如上面描述的那样，传感器装置12感测通过导体14的电流流。特别地，当电流流 过导体14时，在线圈104中引起电流。在线圈104中引起的电流的量表示流过导体14的电 流的量。当传感器装置12定位在导体14周围时，线圈104与导体14隔开一距离。因此，在 线圈104和导体14之间存在电容。电容可影响传感器装置12在不同的运行电压(例如， 大约30 V至大约277 V的范围)处的精度。在该示例性实施例中，介电材料108定位在限 定在线圈104和导体14之间的气隙106的至少一部分内。因此，介电材料108影响和/或 有利于减小线圈104和导体14之间的电容，同时容许线圈104和导体14保持紧邻。
与已知的罗戈夫斯基线圈或其它气隙线圈相比，电容减小使得传感器装置12能 够以改进的精度感测流过导体14的电流。更具体而言，通过减少线圈104和导体14之间 的电容耦合，降低了对运行电压的敏感度。因此，在一定范围的不同的电流(包括高电流和 低电流)上在不同的运行电压处提供一致的电流感测。因此，当在公用服务仪表10中包括 传感器装置12时，可省略对校准已知的传感器装置必要的一个或多个过程。特别地，在该 示例性实施例中，与已知的公用服务仪表(其需要多个校准系数，以在不同的电压处使用) 相比，传感器装置12在不同的运行电压上一致地精确地检测电流可容许仪表控制板17对 多个运行电压使用仅一个校准系数。此外，线圈104和导体14之间的电容的减小不仅有利 于减少和/或简化校准过程，而且还有利于降低制造成本、资源和/或时间，而在运行电压 /电流范围上具有至少相同且往往改进的精度。
如图3中显示的那样，在这个示例性实施例中，传感器装置12包括壳体112。壳体 112可由多种材料形成，并且/或者通过多种制造过程形成。在该示例性实施例中，壳体112 基本仅包括介电材料108，使得介电材料108定位在线圈104周围，与孔口 110相对。因而， 当在具有三相导体14、15和16的公用服务仪表10内使用时，传感器装置12可定位在导体 14周围且紧邻至少一个其它导体15(如图1中显示的那样)，并且可能紧邻导体16。类似 于线圈104和导体14之间的相互作用，在线圈104和导体15之间存在电容，这可不利地影 响和/或损害传感器装置12的精度。由于与孔口 110相对的介电材料108的位置的原因， 介电材料108定位在线圈104和邻近的导体15之间。因此，进一步提供介电材料108来减小线圈104和导体15之间的电容。照这样，当用于具有多个导体的公用服务仪表10中时， 以及/或者当紧邻着一个或多个其它导体使用时，与已知的气隙线圈相比，传感器装置12 可提供改进的精度。
在一些实施例中，除了介电材料108之外，壳体112可包括一个或多个材料，诸如 具有不同的特性的非介电材料或介电材料。在一个实施例中，壳体112包括介电材料108 和添加剂材料，提供添加剂材料来相对于线圈104在一个或多个位置上支承介电材料108， 以使其能够如本文描述的那样起作用。添加剂材料可包括塑料材料、热塑性材料、热固性材 料、陶瓷材料、金属材料、木质材料、粘土材料、有机材料、它们的任何混合物和/或其它适 当的材料。可基于制造技术、尺寸稳定性、成本、成型性、可加工性、刚性和/或材料的其它 特性等来选择添加剂材料。在这样的实施例中，当介电材料108是较高成本的材料(与添 加剂材料相比)时，包括添加剂材料可降低传感器装置12的总成本。另外，可使用一种或 多种添加剂材料来执行一个或多个额外的功能，诸如支承介电材料108、保护和/或隔离线 圈104等。如应当显而易见的那样，添加剂材料在多种实施例中可用作壳体112的一部分。 但是，在该示例性实施例中，省略添加剂材料，因为壳体112基本仅包括介电材料108。
壳体112可由介电材料制造而成，由介电材料108和至少一种添加剂材料一体地 形成，或者由单独的介电材料(一种或多种)108和添加剂材料(一种或多种)组装而成。 可使用一个或多个注模过程和/或其它适当的制造过程来制造壳体112和/或介电材料 108。在该示例性实施例中，通过单个注模过程来构建壳体112，其中，介电材料108被注入 到在结构上设置成形成壳体112的模子中。
备选地，壳体112可由多阶段注模过程构建而成。在多阶段过程中，通过初始模制 过程将添加剂材料模制成特定的形状。随后，将经模制的添加剂材料定位在模子内，并且将 介电材料108注入到该模子中。介电材料108流到限定在模子和/或添加剂材料之间的空 隙中，以用介电材料108和添加剂材料来形成壳体112。在多种实施例中，多阶段模制过程 可容许较高成本的介电材料特别地相对于线圈104而定位成使得实现如本文描述的那样 的期望性能，同时仍然容许壳体112的其它部分由一种或多种较低成本的材料构建而成。
应当理解，壳体112可由其它制造技术构建而成，以在整个线圈104和/或导体14 上或者相对于线圈104和/或导体14在期望位置处提供介电材料108。在一个示例中，介 电材料108与添加剂材料分开来构建，并且随后与添加剂材料一起转变和/或构建而形成 壳体112。在又一个示例中，可将管状的介电材料插入到由添加剂材料形成的孔口中，以形 成壳体112。
在该示例性实施例中，壳体112包括限定孔口 110的安装件116。当导体14接收 在孔口 110中(如图3中显示的那样)时，在安装件116和导体14之间形成气隙106。同 时，在安装件116和导体14之间产生摩擦配合。安装件116可包括介电材料108和/或另 一种材料。应当理解，安装件116可形成为设计成接收以及/或者联接多种类型、形状和/ 或定向的导体的多种不同的形状。在至少一个实施例中，安装件116限定在结构上设置成 与长方形形状的汇流条导体形成摩擦配合的孔口。
再次参照图2，壳体112包括第一部分118和第二部分120。第一部分118可释放 地联接到第二部分120上，使得衬底102和线圈104基本包围在其中。特别地，当组装好时， 如图3中显示的那样，第一部分118通过至少一个搭叠接头而联接到第二部分120上，以形成壳体112。应当理解，第一部分118和第二部分120可通过多种不同的方法而联接在一 起，包括(无限制)一个或多个对接接头、螺旋接头、铰接接头、突块-槽口布置、舌槽布置、 紧固件等。虽然壳体112具有大体环形的形状，如图3中显示的那样，但是应当理解，其它 壳体实施例可限定尺寸设置成和/或用来至少部分地包围衬底102、线圈104和/或屏蔽件 且使得介电材料108能够如本文描述的那样起作用的任何形状和/或大小。
另外，在该示例性实施例中，介电材料108的厚度在整个壳体112中有所改变。第 一部分118和第二部分120之间的搭叠接头提供第一部分118和第二部分120的交叠。特 别地，在这个示例性实施例中，第一部分118和第二部分120各自在孔口 110处具有大约1. 2毫米的厚度。当第一部分118和第二部分120组装好时，第一部分118和第二部分120 至少部分地在搭叠接头(沿着孔口 110)处交叠，以产生大约2. 4毫米的总厚度。此外，在 这个示例性实施例中，第一部分118和第二部分120在结构上设置成使得围绕壳体112的 外部的总厚度在小搭叠接头(与孔口 110相对)处小于大约1. 2毫米。应当理解，可使用 形成壳体112的多种方法来提供一个或多个不同厚度的壳体112和/或介电材料108。
在多种其它实施例中，壳体112和/或介电材料108的厚度可介于大约O. 5毫米 和大约3. O厘米之间。在一些实施例中，壳体112和/或介电材料108的一个或多个厚度 介于大约1. O毫米和6. O毫米之间。另外，在多种实施例中，壳体112和/或介电材料108 的一个或多个厚度介于大约1. O毫米和4. O毫米之间。应当理解，潜在地基于组装/制造 的方法、所选择的介电材料的特性(一个或多个)和/或期望的性能特性(一个或多个)， 壳体112和/或介电材料108在其它实施例中可具有不同的厚度。另外，可对壳体112使 用其它形状、大小和/或接头来至少部分地包围线圈104，同时相对于线圈104来定位介电 材料108，以使其与本公开的一个或多个方面一致地起作用。
在该示例性实施例中，线圈104包括示例性罗戈夫斯基线圈。但是,应当理解,传 感器装置12可包括除了罗戈夫斯基线圈之外的线圈。另外，本公开的各方面不限于仅与如 本文描述和示出的那样的罗戈夫斯基线圈一起使用。
图5是与壳体112分开的衬底102和线圈104的透视图。在该示例性实施例中， 衬底102包括六个筒管124、126、128、130、132和134(统称为筒管124-134)。各个筒管 124-134具有基本圆形的横截面，并且具体而言，各个筒管124-134是在相对的端处包括固 持线圈104的凸缘135的直圆柱。在其它实施例中，衬底102可具有不同数量、形状和/或 大小的筒管。例如，衬底102可包括五个筒管、八个筒管、十个筒管、三十个筒管，或者另一 个偶数或奇数数量的筒管。另外，衬底102可包括具有不同的形状和/或具有卵形横截面、 椭圆形横截面或长方形横截面等的筒管。在另外的其它实施例中，作为凸缘135的补充或 替代，衬底102可包括用于支承线圈104的不同的结构。在至少一个实施例中，线圈104刚 性足够高，以省略衬底102。
在该示例性实施例中，筒管124-134通过铰接接头137而联接在一起。更具体而 言，筒管124和126以铰接的方式联接，以容许它们之间有枢转运动。在多种实施例中，筒 管124-134可线性地对准，以使得能够高效地缠绕线圈104，并且/或者筒管124-134可相 对于彼此而枢转，以形成基本圆形的形状，如图5中示出的那样。
衬底102的筒管124-134中的各个是非磁性结构，使得筒管124-134由一种或多 种非磁性材料构建而成，包括例如热塑性材料、陶瓷材料、木质材料或其它适当种类的材料(一种或多种)。在这个示例性实施例中，筒管124-134中的各个由可能与介电材料108 — 致的介电材料制造而成。通过使用非磁性衬底102，可实现优于包括一个或多个磁芯的已 知传感器装置的成本节约。此外，在该示例性实施例中，与包括体积大的磁芯的已知传感器 装置相比，衬底102形状和/或大小设置成在公用服务仪表10内和/或对仪表控制板17 提供改进的安装。另外，在这个示例性实施例中，筒管124-134与壳体112分开来形成。但 是，应当理解，在其它传感器装置实施例中，筒管124-134可与壳体112的一个或多个部分 一体地形成，并且/或者形成壳体112的一个或多个部分。
在该示例性实施例中，线圈104是缠绕在各个筒管124-134上的多个匝。更具体 而言，在该示例性实施例中，线圈104包括单个电磁线，其使得线圈104能够以各个筒管 124-134上有若干匝的方式从筒管124缠绕到筒管134，并且然后以各个筒管124-134上有 额外的匝的方式缠绕回筒管124。应当理解，在其它实施例中，可在筒管124-134上使用其 它不同的缠绕型式。与在筒管124-134上的以上缠绕型式一致，线圈104的第一端和第二 端在筒管124处终止。线圈104的第一端在导线136处终止，并且线圈104的第二端在导 线138处终止，如下面进一步描述的图7中显示的那样。
在该示例性实施例中，除了线圈104之外，对衬底102应用一个或多个屏蔽件。特 别地，图6示出了在筒管124处的传感器装置12的局部横截面图。在该示例性实施例中， 筒管124包括第一屏蔽件140和第二屏蔽件142。第一屏蔽件140定位在筒管124和线圈 104之间。第二屏蔽件142定位在线圈104附近且与第一屏蔽件140相对，使得线圈104定 位在第一屏蔽件140和第二屏蔽件142之间。各个筒管124-134包括与图6中显示的基本 相同的屏蔽件-线圈-屏蔽件型式。在其它实施例中，筒管124-134可包括其它缠绕型式， 包括其中缠绕型式在不同的筒管之间有所变化的缠绕型式。
在该示例性实施例中，各个屏蔽件140和142提供法拉第屏蔽。更具体而言，在这 个示例性实施例中，第一屏蔽件140和第二屏蔽件142基本与法拉第笼一致地起作用，以便 有利减小传感器装置12上的共模噪声，以及/或者为高频噪声过滤提供低通滤波器。因此， 第一屏蔽件140和第二屏蔽件142有利于在关于电磁接口(EMI)和/或电磁相容性(EMC) 的一个或多个工业标准的背景下有改进的性能。
在制造期间，电磁线的多个匝在各个筒管124-134上从筒管124缠绕到筒管134， 以形成第一屏蔽件140。然后线圈104从筒管124缠绕到筒管134，并且回到筒管124，如上 面描述的那样。随后，第一屏蔽件140的电磁线以各个筒管124-134上有多个阻的方式从 筒管134缠绕回筒管124，以形成第二屏蔽件142。因而，在该示例性实施例中，第一屏蔽件 140和第二屏蔽件142由单个电磁线形成。单个电磁线包括两个端部，这两个端部可在一起 终止，联接到导线138上，并且/或者联接到一个或多个额外的导线上，如下面描述的那样。 应当理解，第一屏蔽件140和第二屏蔽件142可包括任何适当的材料，诸如(无限制)铜、 铝或其它不含铁的传导材料。更一般而言，屏蔽材料可形成为片材、带、线材、喷涂层和/或 使得筒管124-134能够包括屏蔽件140和142的任何其它形式。因而，可通过例如(无限 制)缠绕、包裹和/或喷涂来形成屏蔽件140和/或142的应用。在多种实施例中，第一屏 蔽件140和第二屏蔽件142可与线圈104分开来形成，并且随后应用到线圈104上。
再次参照图5，传感器装置12包括从其延伸的三根导线136、138和144。图7示 出了导线136、138和144的联接的电路图。特别地，在该示例性实施例中，第一屏蔽件140和第二屏蔽件142由单个电磁线形成，其中各个端联接在一起，并且联接到导线144上。另 外，线圈104(由单个电磁线形成)的第一端联接到导线136上，并且线圈104的第二端联 接到导线138上。如图5中显示的那样，导线136、138和140从壳体112延伸，并且形成绞 合线组。因而，导线144用作低通滤波器元件，以阻止来自第一屏蔽件140和/或第二屏蔽 件142的噪声注入到传感器装置12所提供的电流信号的返回路径中。绞合线组具有至少 大约O. 25英寸的长度。在其它实施例中，绞合线组可具有至少大约1. O英寸的长度，或者 至少大约3. O英寸的长度。在另外的实施例中，绞合线组可具有至少大约6. O英寸的长度。 应当理解，可能地基于用作滤波器来阻止噪声注入到从传感器装置12中传输出的电流信 号中的导线和/或绞合线组的性能，可在其它传感器装置实施例中采用其它长度的导线和 /或绞合线组。
图8-9示出了另一个示例性传感器装置200。在该示例性实施例中，传感器装置 200包括线圈204和第一屏蔽件240和第二屏蔽件242，它们与上面描述的线圈104和屏蔽 件140和142基本一致。但是，传感器装置200包括四个导线236、238、244和245。特别地， 形成第一屏蔽件240和第二屏蔽件240的电磁线的各个端联接到单独的导线244和245上 而产生滤波元件。另外，在这个示例性实施例中，两个导线236和238联接到线圈204上。 如图8中示出的那样，导线236、238、244和245形成与上面参照图5所描述的绞合线组基 本一致地起作用的绞合线组。
当联接到仪表控制板17上时，各个导线244和245可联接在一起，并且联接到导 线238上。在一些实施例中，绞合导线244和245可用作滤波元件。另外或备选地，滤波 元件可联接在导线244和245和导线238之间。这样的滤波元件可包括(无限制)电阻 器-电容器电路、电感器-电容器电路、电阻器-电感器电路和/或电阻器-电感器-电容 器电路。
再次参照图3和7，在又一个实施例中，形成屏蔽件140和142的电磁线的各个端 可联接在一起，并且联接到导线138(即，线圈104的一端)上，而非联接到单独的导线144 上。在这种示例性实施例中，传感器装置12可包括导线136和138，同时省略导线144，从 而提供双线材传感器装置12。在该示例性实施例中，来自第一屏蔽件140和/或第二屏蔽 件142的一些噪声可能会注入到从传感器装置12提供的电流信号的返回路径中，同时针对 期望的运行环境提供足够的精度和/或可重复性。在另外的其它实施例中，可从传感器装 置实施例中省略导线，以允许安装在电路板(诸如仪表控制板17)上。在这种实施例中，滤 波元件可由仪表控制板17上的迹线提供，迹线具有足够的长度，以如上面参照导线144所 描述的那样起作用。另外或备选地，滤波器元件可包括电阻器-电容器电路、电感器-电容 器电路、电阻器-电感器电路和/或电阻器-电感器-电容器电路，以阻止来自第一屏蔽件 140和/或第二屏蔽件142的噪声注入到传感器装置12所提供的电流信号的返回路径中。
在该示例性实施例中，传感器装置12在大约10 Hz至大约1000 Hz之间运行，并 且基本不受此范围之外的信号的影响。更具体而言，导体14可用作天线，而拾取射频(RF) 信号，以及将有害的噪声再辐射给传感器装置12。第一屏蔽件140和第二屏蔽件142用作 低通滤波器来阻止噪声信号的注入，以提供高信噪比(SNR)输出。更具体而言，第一屏蔽件 140和第二屏蔽件142排斥再辐射的RF信号(和/或其它噪声信号)，以在感测通过导体 14的低电流时对传感器装置12的输出提供高的SNR。通过减小噪声对电流信号的影响，与已知的传感器装置相比，传感器装置12的有效电流感测范围在可适用的标准内更宽。在该 示例性实施例中，第一屏蔽件140和第二屏蔽件142可容许省略一个或多个额外的滤波元 件(针对低和/或高的电流性能)。
此外，第一屏蔽件140和第二屏蔽件142基本阻止EMI影响传感器装置12的精度。 更具体而言，第一屏蔽件140和第二屏蔽件142有利于阻止定位在传感器装置12附近(诸 如邻近意图干扰传感器装置12和/或公用服务仪表10的精度的电子器件和/或装置)的 EMI源的影响。另外，通过省略磁芯，与已知的传感器相比，针对EMI对精度的影响，传感器 装置12提供增强的免疫性。因而，在存在一个或多个EMI源时，与其它已知的传感器装置 相比，传感器装置12提供更强健和/或精确的电流传感器装置。
传感器装置12的精度可理解为流过导体14的电流的实际值。在该示例性实施例 中，传感器装置12在处于大约2 amp和大约200 amp之间的范围中的实际值的大约±0. 2% 内运行。更具体而言，传感器装置12在介于大约60 V和大约600 V之间(更具体而言在 大约240 V处)的运行电压处在O. 2%的精度内在级别O. 2,0.1A至200A内运行。应当理 解，与本公开的一个或多个方面一致的传感器装置12可在不同的运行电流/电压处符合一 个或多个不同的精度标准，这可能取决于预期应用和/或与预期应用相关联的一个或多个 精度要求。
在本文中描述了用于制造用于感测通过导体的电流的传感器装置的多种方法。虽 然在下面参照传感器装置12来描述这些方法，但是应当理解，方法不限于传感器装置12， 并且可用来制造其它传感器装置实施例。同样，可根据下面描述的那些以外的方法来制造 传感器装置12和传感器装置200。
制造用于感测通过导体14的电流的传感器装置12的一个示例性方法包括提供在 非磁性衬底102周围具有多个匝的线圈104，以及将介电材料108定位在线圈104附近，使 得当导体14设置在由传感器装置12限定的孔口 110内，介电材料108定位在导体14和线 圈104之间。在若干实施例中，示例性方法可包括至少部分地和/或基本将线圈104和/ 或衬底102包围在壳体112内。
制造用于感测通过导体14的电流的传感器装置12的另一个示例性方法包括提供 罗戈夫斯基线圈104，以及至少部分地将罗戈夫斯基线圈104包围在介电材料108内，使得 当罗戈夫斯基线圈104设置在导体14周围时，介电材料108设置在罗戈夫斯基线圈104和 导体14之间。介电材料108具有大于或等于大约3. 5的介电常数。在若干实施例中，不例 性方法可包括组装壳体的第一部分和壳体的第二部分，其中罗戈夫斯基线圈设置在它们之 间，以至少部分地包围罗戈夫斯基线圈。壳体包括介电材料。另外或备选地，示例性方法可 包括在具有多个热塑性筒管的衬底上形成罗戈夫斯基线圈。另外，示例性方法可包括用介 电材料来形成多个热塑性筒管。
制造用于感测通过导体14的电流的传感器装置12的又一个示例性方法包括将电 磁线形成的第一屏蔽件缠绕在衬底的多个筒管中的各个周围，将线圈缠绕在衬底的多个筒 管中的各个周围，以及将电磁线形成的第二屏蔽件缠绕在衬底的多个筒管中的各个周围。
参照图3的传感器装置12，例如，示例性方法可包括将电磁线的第一端和第二端 联接到传感器装置12的基准导线144上，将线圈的第一端联接到传感器装置12的第一导 线136上，以及将线圈的第二端联接到传感器装置12的第二导线138上。另外，示例性方法可包括至少部分地将线圈和第一屏蔽件和第二屏蔽件包围在壳体内，壳体包括至少一个 介电材料。
制造用于感测通过导体14的电流的传感器装置12的另一个示例性方法包括提供 传感器装置12，传感器装置12包括限定孔口 110的非磁性衬底102 ;在非磁性衬底102的 至少一部分周围具有多个线圈匝的线圈104 ;设置在衬底102中的各个和多个线圈匝之间 的第一屏蔽件140 ;设置成紧邻多个线圈匝，与第一屏蔽件140相对的第二屏蔽件142。示 例性方法还包括将导线144联接到第一屏蔽件140和第二屏蔽件142中的至少一个上，将 导线136联接到线圈104的第一端上，将导线138联接到线圈104的第二端上，以及用导线 136、138和144形成绞合的导线组。
在多种实施例中，将导线144联接到第一屏蔽件140和第二屏蔽件142中的至少 一个上包括将导线144联接到第一屏蔽件140和第二屏蔽件142中的各个上。在其它实施 例中，将导线联接到第一屏蔽件和第二屏蔽件中的至少一个上包括将导线244联接到第一 屏蔽件140上，以及将导线245联接到第二屏蔽件142上。
上面描述的实施例中的一个或多个提供高精度的传感器装置。更具体而言，传感 器装置、公用服务仪表和本文描述的方法可提供高精度的传感器装置，该装置对于已知的 线圈传感器而言以减少的校准要求提供扩大的运行范围。例如，公开的介电材料可在线圈 和一个或多个导体之间提供减少的电容，从而在一定范围的电流和/或电压上提供改进的 精度。在制造期间，可以较少的校准过程来实现改进的精度，从而产生降低的制造成本和/ 或时间。在另一个示例中，公开的屏蔽技术提供对源自其它电子器件和/或干预装置的EMI 的改进的排斥。
虽然可能在一些图中显示了本发明的多种实施例的具体特征，而未在其它图中显 示，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其它图的任何特征来 参照和/或声明。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人 员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的 可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这 样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求 的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于检测导体(14)中的电流的传感器装置(12)，所述传感器装置包括 包括多个筒管(124，126，128，130，132，134)的衬底(102)，所述多个筒管限定孔ロ(110)，所述孔ロ(110)在结构上设置成在其中接收导体； 包括缠绕在所述多个筒管中的各个周围的多个线圈匝的线圈(104)； 在所述多个筒管中的各个和所述多个线圈匝之间延伸的第一屏蔽件(140);以及第二屏蔽件(142)，其定位成紧邻所述多个线圈匝，与所述第一屏蔽件相対，使得所述多个线圈匝在所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件之间。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在干，单个电磁线构成所述第一屏蔽件和 所述第二屏蔽件(140，142)。
3.根据权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，所述电磁线的第一端联接到所述电磁线的第二端上。
4.根据权利要求3所述的传感器装置，其特征在于，所述电磁线的所述第一端联接到所述线圈(104)的一端上。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述第一屏蔽件和所述第二屏蔽件(140，142)形成构造成阻止对所述传感器装置(12)的电磁干扰(EMI)的法拉第屏蔽。
6.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，所述多个筒管(124，126，128，130，132，134)包括至少六个筒管，以及其中，所述多个筒管中的各个包括热塑性材料。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置进ー步包括基本包围所述衬底(102)、所述线圈(104)、所述第一屏蔽件(140)和所述第二屏蔽件(142)的壳体(112)，以及其中，所述壳体包括介电材料(108)。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述介电材料(108)设置在所述孔ロ(110)内以及在所述第二屏蔽件(142)附近。
9.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述介电材料(108)具有大于或等于大约3. 5的介电常数。
全文摘要
本发明涉及用于感测通过导体的电流的传感器装置和方法。公开一种传感器装置和相关的方法。一个示例传感器装置(12)包括包括多个筒管(124，126，128，130，132，134)的衬底(102)，多个筒管限定孔口(110)，孔口(110)在结构上设置成在其中接收导体(14)；包括缠绕在多个筒管中的各个周围的多个线圈匝的线圈(104)；在多个筒管中的各个和多个线圈匝之间延伸的第一屏蔽件(140)；以及第二屏蔽件(142)，其定位成紧邻多个线圈匝，与第一屏蔽件相对，使得多个线圈匝在第一屏蔽件和第二屏蔽件之间。
文档编号G01R19/00GK102998507SQ20121032902
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2011年9月9日
发明者S.S.查马蒂, S.L.比伊茨, L.V.阮 申请人:通用电气公司