JP2000292463A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】非切断で直流回路電流を高感度に測定すること
のできる電流測定装置を実現する。 【解決手段】４端子構造の測定端子を用い、この測定端
子の電流端子より被測定対象の低抵抗回路に交流の定電
流を印加する交流定電流源と、前記測定端子の電圧端子
より交流信号の電圧降下を検出し、この検出信号を交流
アンプで増幅後、同期整流により前記交流信号成分に同
期した信号のみを検出して前記低抵抗回路の抵抗値を測
定する抵抗測定手段と、前記測定端子間に生ずる微小直
流電圧降下を直流アンプにより検出し、この検出信号を
フィルタに通して前記交流信号成分を除去し測定端子間
の直流電圧降下を測定する電圧降下測定手段と、前記抵
抗測定手段と電圧降下測定手段の各出力をデジタル変換
し、そのデジタルデータをもとに演算により前記測定端
子の２点間に流れる被測定対象の直流回路電流値を求
め、この求めた直流回路電流を表示するように構成され
た手段を具備し、前記被測定対象の回路を切断すること
なく直流回路電流を測定できるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種直流回路の直
流回路電流を、回路を切断することなく、あるいはクラ
ンプセンサ等を使用することなく、簡便に測定する装置
に関するものであり、詳しくはバッテリ等の電源回路電
流やプリント板内の回路電流、プロセスオートメーショ
ンにおける各種センサーの直流出力電流４−２０ｍＡ等
を、回路を切断することなく、プローブを接触させるだ
けで測定できるようにした装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、直流回路の電流を測定するに
は通常次の方式がある。 (1) 回路を切断して電流計を挿入し、そこに流れる電流
を測定する方式。 (2) 直流クランプセンサを用い、回路を切断しないで電
流を測定する方式。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記方式で
は次のような課題がある。すなわち、 上記(1) の方式では回路を切断する必要があり、特に
プリント板回路の場合には好ましい方式とは言えない。 上記(2) の方式では、微小電流測定において感度的に
限界がある。また回路がクランプセンサでクランプでき
る形状（ワイヤまたはブスバー）でなければならず、例
えばプリント板パターン上の電流は測定できない。

【０００４】本発明の目的は、このような課題を解決す
るもので、非切断で直流回路電流を高感度に測定するこ
とのできる電流測定装置を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために請求項１の発明では、４端子構造の測定端子を
用い、この測定端子の電流端子より被測定対象の低抵抗
回路に交流の定電流を印加する交流定電流源と、前記測
定端子の電圧端子より交流信号の電圧降下を検出し、こ
の検出信号を交流アンプで増幅後、同期整流により前記
交流信号成分に同期した信号のみを検出して前記低抵抗
回路の抵抗値を測定する抵抗測定手段と、前記測定端子
間に生ずる微小直流電圧降下を直流アンプにより検出
し、この検出信号をフィルタに通して前記交流信号成分
を除去し測定端子間の直流電圧降下を測定する電圧降下
測定手段と、前記抵抗測定手段と電圧降下測定手段の各
出力をデジタル変換し、そのデジタルデータをもとに演
算により前記測定端子の２点間に流れる被測定対象の直
流回路電流値を求め、この求めた直流回路電流を表示す
るように構成された手段を具備し、前記被測定対象の回
路を切断することなく直流回路電流を測定できるように
構成したことを特徴とする。

【０００６】この発明では、被測定対象の低抵抗回路に
測定端子の電流端子より交流の定電流を印加した状態に
おいて、測定端子の電圧端子より交流信号の電圧降下を
検出し、この検出信号を増幅後、印加交流成分に同期し
た信号のみ同期整流・検出する。次に、電圧端子間に生
ずる微小直流電圧降下を高感度直流アンプとフィルタを
介して検出する。

【０００７】そしてこの２つの検出信号を交互にＡ−Ｄ
変換し、その変換データをもとに演算により、電流値
（ｍＡ）＝直流電圧降下（μＶ）／直流抵抗値（ｍΩ）
を求めて、測定端子間の電流値（ｍＡ）を得る。このよ
うにして、被測定対象の回路（導線）を切断することな
く回路電流を求めることができる。

【０００８】この場合、請求項２のように、前記抵抗測
定手段と電圧降下測定手段を、その交流アンプと直流ア
ンプを共通化して１系統の構成とすると共に、その出力
を平均化する平均化回路より構成し、抵抗測定モードに
おいては、直流分を阻止すると共に、前記印加する交流
定電流の周波数の半周期ごとに信号を反転させて前記平
均化回路に印加することにより同期整流を構成して直流
抵抗分に比例した出力を得るようにし、直流電圧測定モ
ードにおいては、前記半周期ごとの反転切換えを止めて
単なるフィルタ回路が構成されるようにし、前記抵抗測
定モードと直流電圧測定モードを切換えて前記測定端子
間の直流低抵抗と直流微小電圧降下を交互に測定するよ
うに構成することもできる。

【０００９】また、請求項３の発明では、４端子構造の
測定端子を用い、この測定端子の２点間に生じた被測定
対象の低抵抗回路における電圧降下を検出するアンプ
と、このアンプの出力電圧で駆動され前記測定端子の電
流端子より前記電圧降下がゼロとなるように被測定対象
に定電流を供給する定電流発生回路と、前記アンプの出
力が安定した状態のときのアンプ出力を読み取って前記
測定端子の２点間に流れる被測定対象の回路電流を求め
る手段を具備し、前記被測定対象の回路を切断すること
なく回路電流を測定できるように構成したことを特徴と
する。

【００１０】このような構成では、回路抵抗による電圧
降下を直流アンプで検出し、その出力で駆動される直流
定電流発生回路より測定端子の電流端子に電流を印加
し、電圧降下がゼロになるように定電流発生回路を制御
する。制御が安定した状態における定電流発生回路の出
力電流から回路電流を求めることができる。

【００１１】ただし、ここでは定電流発生回路の出力電
流が直流アンプの出力電圧に対応しているので、直流ア
ンプの出力電圧の測定をもって回路電流を求めるように
している。このような構成によれば、構成が簡単である
ばかりでなく、零位法により容易に高精度の測定が可能
であるという利点がある。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。本発明は４端子構造の測定端子を用いて被測
定回路の電流を測定する方式であり、図１は本発明に係
る電流測定装置の一実施例を示す構成図である。

【００１３】図１において、測定端子１０は２つの電圧
端子と２つの電流端子からなる４端子構造の測定端子で
あり、測定時には電圧端子の外側に電流端子が接続され
るように被測定対象１の導線２の測定点ｘ，ｙの２点に
それぞれ接続される。被測定対象１としては例えば回路
３と電池４を導線２で接続したものである。

【００１４】交流定電流源１１は測定端子１０の電流端
子に周波数ｆの交流定電流を供給する。交流アンプ１３
は交流電圧を適宜増幅するもので、コンデンサ１２で直
流カットされた測定端子１０からの電圧信号を受けて適
宜増幅する。同期整流回路１４は交流アンプ１４の出力
を交流定電流源１１の周波数ｆの交流信号成分で同期整
流する。

【００１５】なお、コンデンサ１２、交流アンプ１３お
よび同期整流回路１４からなる部分は、測定端子により
検出された信号から被測定対象の測定端子間の回路抵抗
を測定するための回路部分であり、ここではこれを抵抗
測定手段と呼ぶ。

【００１６】直流アンプ１５は測定端子１０の電圧端子
からの電圧信号を増幅する。フィルタ１６はその増幅信
号から交流成分を除去する（主として周波数ｆの信号成
分を除去する）。なお、直流アンプ１５およびフィルタ
１６からなる部分は、入力信号から交流信号成分を除去
し測定端子間の直流電圧降下を検出するものであり、こ
こではこれを電圧降下測定手段と呼ぶ。

【００１７】スイッチ１７は同期整流回路１４とフィル
タ１６の出力を択一的に選択する。アナログ・デジタル
変換器（以下アナログ・デジタル変換をＡ−Ｄ変換とい
う）１８はアナログ信号をデジタル信号に変換するもの
で、スイッチ１７の出力をデジタル信号に変換する。

【００１８】中央処理装置（以下単にＣＰＵという）１
９は所定の演算処理および各部の制御を行う機能を有す
る。表示器２０はＣＰＵ１９での演算結果を表示する。

【００１９】このような構成における動作を次に説明す
る。４端子構造の測定端子１０を被測定対象１の測定点
ｘ、ｙの２点に接続する。交流定電流源１１より電流端
子に周波数ｆの交流定電流を供給し、ｘ、ｙ間の回路抵
抗ｒに比例する電圧降下を電圧端子により検出する。こ
の電圧信号をコンデンサ１２に通して交流成分のみ取り
出し交流アンプ１３で適宜増幅し、同期整流回路１４で
これを周波数ｆに同期整流し印加交流成分に同期した信
号のみを取り出す。

【００２０】この同期整流出力は直流抵抗ｒ（低抵抗）
に比例した電圧である。この電圧信号はスイッチ１７経
由でＡ−Ｄ変換器１８に送られ、デジタル変換され、Ｃ
ＰＵ１９に読み取られる。

【００２１】次に、被測定対象１の測定点ｘ、ｙの２点
間の直流電圧降下Ｖｄｃを電圧端子で検出し、直流アン
プ１５でこれを増幅し、続いてフィルタ１６で交流成分
を除去した後スイッチ１７経由でＡ−Ｄ変換器１８でデ
ジタル変換する。デジタル変換された電圧降下の値はＣ
ＰＵ１９に読み取られる。

【００２２】ＣＰＵ１９は、上記２つのデータ、すなわ
ち直流抵抗ｒ（例えばｍΩ）に比例した電圧値と直流電
圧降下Ｖｄｃ（例えばμＶ）に比例した電圧値をもと
に、次式の演算により測定点ｘ、ｙ間の直流電流Ｉｄｃ
（ｍＡ）を求める。 Ｉｄｃ＝Ｖｄｃ／ｒ このようにして得られた直流電流ＩｄｃはＣＰＵ１９の
制御により表示器２０に表示される。

【００２３】このように、回路抵抗ｒとそのｒに生ずる
電圧降下Ｖｄｃを正確に捉えることができ、回路を切断
することなく回路電流を計測することができる。

【００２４】図２は本発明の他の実施例を示す構成図で
ある。図２において図１と同等部分には同一符号を付し
てある。

【００２５】波形整形回路２１は図３の（ａ）に示す交
流定電流源１１の同期信号（周波数ｆの交流電流信号）
を波形整形し、図３の（ｂ）に示すようなパルス幅が同
期信号の半周期幅であるパルス信号を発生する。パルス
発生器２２は、図３の（ｃ）に示すように波形整形回路
２１の出力パルスの立ち上がりに同期したパルスを発生
する。

【００２６】アンプ２３は測定端子１０で検出した電圧
信号を適宜増幅するもので、ここでは演算増幅器２３１
と抵抗２３２，２３３より構成された一般的な増幅回路
が使用されている。この演算増幅器２３１の非反転入力
端は、オートゼロ回路２４を介して測定端子１０の一方
の端子またはコモンラインに接続されている。また演算
増幅器２３１の反転入力端は、自身の出力端とコモンラ
イン間に接続された直列接続抵抗２３２，２３３の共通
接続点に接続されている。なお、測定端子１０の他方の
端子はコモンラインに接続されている。

【００２７】オートゼロ回路２４はアンプ２３の入力を
切り替えるもので、通常測定時にはアンプ２３の非反転
入力端を測定端子１０に接続し、ゼロ点補正時には非反
転入力端をコモンラインに接続するものである。

【００２８】反転回路２７はアンプ２３の出力信号を反
転する回路で、ここでは演算増幅器２７１と入力抵抗２
７２、帰還抵抗２７３より構成された一般的な反転増幅
回路が使用されている。

【００２９】切換スイッチ２８（Ｓ２，Ｓ３）は、アン
プ２３の出力またはその反転出力のいずれかを波形整形
回路２１の出力パルスの状態に関連して選択する。な
お、この場合、アンプ２３の出力はコンデンサ２５を介
して出力される。ただし、直流電圧測定モード時には、
コンデンサ２５に並列接続されたオン・オフスイッチ２
６（Ｓ１）がオンとなり、コンデンサ２５は短絡状態と
なる。

【００３０】なお、アンプ２３、コンデンサ２５、スイ
ッチ２６、反転回路２７、スイッチ２８からなる部分
を、ここでは信号選択手段と呼ぶ。

【００３１】積分器３０は、スイッチ２８から抵抗２９
を介して入力される電流を積分する。その積分電圧は、
スイッチ３１１（Ｓ４）とコンデンサ３１２でなるサン
プルホールド回路３１によりサンプルホールドされる。

【００３２】コンデンサ３１２にホールドされた電圧
は、トランジスタ３３のコレクタ・ベース間に接続され
たＦＥＴ３２のゲートに入力される。トランジスタ３３
のエミッタは抵抗３４を介して低電圧源に接続され、コ
レクタは高電圧源にそれぞれ接続されている。また、ト
ランジスタ３３のエミッタは抵抗３５を介して積分器３
０の入力端に接続されている。このトランジスタ３３の
エミッタからはコンデンサ３１２のホールド電圧に対応
した電圧が得られ、その電圧信号は、Ａ−Ｄ変換器１８
でデジタル変換される。

【００３３】このような構成における動作を次に説明す
る。４端子構造の測定端子１０を被測定対象１の測定点
ｘ、ｙの２点に接続する。以下２点間の抵抗を測定する
抵抗測定モードと、２点間の電圧を測定する電圧測定モ
ードとに分けて説明する。

【００３４】(１) 抵抗測定モード 交流定電流源１１より電流端子に周波数ｆの交流定電流
を供給し、ｘ、ｙ間の回路抵抗ｒに比例する電圧降下を
電圧端子により検出する。オートゼロ回路２４は測定端
子１０がアンプ２３の入力端に接続されるように設定し
ておく。前記検出信号をアンプ２３で適宜に増幅した後
コンデンサ２５で直流成分を除去し直流成分の除去され
た信号ｖを得る。スイッチ２８では前記交流定電流印加
の半周期ごとに信号ｖと反転信号−ｖを交互に選択し、
図４の（ｂ）に示すような波形を得て、これを抵抗２９
を介して積分器３０に印加して積分する。

【００３５】積分出力を前記交流定電流印加の１周期ご
とにサンプルホールドすることにより同期整流と交流信
号成分の除去が行われ、トランジスタ３３のエミッタか
らは回路抵抗ｒに比例した出力電圧が得られる。

【００３６】(２) 直流電圧測定モード 抵抗測定モードの場合と同様に、交流定電流源１１より
電流端子に周波数ｆの交流定電流を供給したまま、ｘ、
ｙ間の回路抵抗ｒに比例する直流電圧降下を電圧端子に
より検出する。オートゼロ回路２４は測定端子１０がア
ンプ２３の入力端に接続されるように設定しておく。

【００３７】更に、スイッチ２６をオンにしてコンデン
サ２５を短絡すると共に、スイッチ２８のＳ２をオンに
して、アンプ２３の出力ｖのみが積分されるように設定
する。この場合、アンプ２３の出力ｖは図４の（ｃ）に
示すように直流分に交流が重畳した波形である。

【００３８】積分出力を前記交流定電流印加の１周期ご
とにサンプルホールドすることにより直流分に重畳され
ている交流分がフィルター効果で除去され、直流電圧降
下Ｖｄｃを検出することができる。

【００３９】このようにして回路抵抗ｒと、そのｒに生
ずる電圧降下Ｖｄｃを正確に捉えることができ、回路を
切断することなく回路電流を計測することができる。

【００４０】なお、電圧測定モードにおいて、オートゼ
ロ回路２４を切換えてアンプ２３の入力を短絡してオフ
セット分を測定しておき、ＣＰＵ１９での演算の際にゼ
ロ補正を行えば、より高精度の測定が可能となる。ただ
し、このゼロ補正は本発明に必須の事項ではない。

【００４１】また、平均化回路としては、必ずしも実施
例のように積分器とサンプルホールド回路で構成した回
路である必要はなく、通常のフィルターを使用したもの
でもよい。通常のフィルターを使用しても本発明の本質
に変わりはない。

【００４２】図５は本発明の更に他の実施例を示す構成
図である。４端子構造の測定端子１０で検出された信号
は、利得が十分に大きいアンプ４１で増幅される。直流
定電流発生回路５０はアンプ４１の出力電圧ｖ１に対応
した電流Ｉｏ（定電流）を発生する。その電流は測定端
子１０を介して２点間ｘ，ｙに印加される。この場合、
電流Ｉｏは被測定対象１に流れる電流Ｉｄｃとは逆極性
となるように加えられる。

【００４３】定電流発生回路５０は、例えば次のような
構成のものが使用される。演算増幅器５１の非反転入力
端に入力抵抗５２が接続され、演算増幅器５１の反転入
力端には帰還抵抗５３が接続されると共に、他方がコモ
ンラインに接続された抵抗５４が接続されている。演算
増幅器５１の出力は抵抗５５（抵抗値Ｒ）を介して出力
端子５６に接続されている。

【００４４】また、出力端子５６の電圧はバッファアン
プ５８を経由し、抵抗５９を介して演算増幅器５１の非
反転入力端に加えられている。そして、出力端子５６，
５７は４端子構造の電流端子に接続されている。

【００４５】さて、図５のような構成においては、定電
流発生回路５０から出力される電流Ｉｏがｘ、ｙの２点
間に加えられるが、このときｘ、ｙ間の電圧がゼロとな
るように、すなわちアンプ４１が制御用誤差増幅器の役
割となって、Ｉｄｃと逆極性の電流Ｉｏが流れｘ、ｙ間
の電圧がゼロとなるように制御される。

【００４６】この場合の定電流発生回路５０の入力ｖ１
と出力Ｉｏとの関係は Ｉｏ＝ｋ・ｖ１／Ｒ ただし、ｋは比例定数 で与えられ、平衡した状態のｖ１を知ることによりＩｏ
すなわちＩｄｃを求めることができる。

【００４７】アンプ４１の出力ｖ１の値はＡ−Ｄ変換器
１８でデジタル変換され、ＣＰＵ１９ではこれを読み取
って上記の関係式に基づき演算により回路電流Ｉｄｃを
求め、表示器２０に表示する。

【００４８】図１および図２に示す電流測定装置の測定
方法は偏移法であるのに対し、図５に示す電流測定装置
は零位法に相当する。この方法は測定すべき回路電流と
同じ出力電流を供給する必要があるが、零位法であるた
めより高精度が期待できる。

【００４９】以上のような本発明の電流測定装置を使用
して例えばプリント板上の回路電流を測定する場合、パ
ターン抵抗は１０ｍΩ程度以上あるから直流電圧検出感
度を０．１μＶとすると、０．０１ｍＡの電流検出感度
が得られ、実用上十分な感度が得られる。バッテリ回路
等の大電流・低抵抗回路の場合でも、測定端子接続の２
点間の電圧降下が１００μＶ程度あれば、十分実用に供
せられる。

【００５０】ただし、直流電圧測定の場合は熱起電力の
影響を受けるため、２点間の温度分布が一様でないとき
は測定端子の正負を入れ換えて平均化するなどの工夫が
必要となる。

【００５１】なお、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくともクランプセンサで測定するよりも高感度化が可
能であり、磁界の影響を受けず、しかもクランプセンサ
方式では不可能な非切断での電流測定が可能である等の
利点があり、実用に供してその効果は大である。また、
本発明は、製品形態としては、回路電流を測定する電流
計または低抵抗を測定する低抵抗測定器（いわゆるｍΩ
メータ）、あるいはその両用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電流測定装置の一実施例を示す構
成図である。

【図２】本発明に係る電流測定装置の他の実施例を示す
構成図である。

【図３】動作説明用の各部の波形を示す図である。

【図４】各モードにおける検出信号の波形を説明するた
めの図である。

【図５】本発明に係る電流測定装置の更に他の実施例を
示す構成図である。

【符号の説明】

１ 被測定対象 ２ 導線 ３ 回路 ４ 電池 １０ 測定端子 １１ 交流定電流源 １２，２５ コンデンサ １３ 交流アンプ １４ 同期整流回路 １５ 直流アンプ １６ フィルタ １７，２６，２８ スイッチ １８ Ａ−Ｄ変換器 １９ ＣＰＵ ２０ 表示器 ２１ 波形整形回路 ２２ パルス発生器 ２３，４１ アンプ ２４ オートゼロ回路 ２７ 反転回路 ２８ 切換スイッチ ２９，３４，３５ 抵抗 ３０ 積分器 ３１ サンプルホールド回路 ３２ ＦＥＴ ３３ トランジスタ ５０ 定電流発生回路 ５１ 演算増幅器 ５２，５３，５４，５５，５９ 抵抗 ５８ バッファアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G028 AA01 AA02 BB03 BC01 BF04 BF10 CG02 DH03 DH05 DH13 EJ10 GL07 GL09 GL12 LR00 2G035 AA07 AA09 AB02 AC02 AD02 AD03 AD10 AD11 AD15 AD17 AD20 AD32 AD44 AD48 AD54 AD55 AD56 AD60 AD65

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】４端子構造の測定端子を用い、この測定端
   子の電流端子より被測定対象の低抵抗回路に交流の定電
   流を印加する交流定電流源と、 前記測定端子の電圧端子より交流信号の電圧降下を検出
   し、この検出信号を交流アンプで増幅後、同期整流によ
   り前記交流信号成分に同期した信号のみを検出して前記
   低抵抗回路の抵抗値を測定する抵抗測定手段と、 前記測定端子間に生ずる微小直流電圧降下を直流アンプ
   により検出し、この検出信号をフィルタに通して前記交
   流信号成分を除去し測定端子間の直流電圧降下を測定す
   る電圧降下測定手段と、 前記抵抗測定手段と電圧降下測定手段の各出力をデジタ
   ル変換し、そのデジタルデータをもとに演算により前記
   測定端子の２点間に流れる被測定対象の直流回路電流値
   を求め、この求めた直流回路電流を表示するように構成
   された手段を具備し、前記被測定対象の回路を切断する
   ことなく直流回路電流を測定できるように構成したこと
   を特徴とする電流測定装置。
2. 【請求項２】前記抵抗測定手段と電圧降下測定手段を、 その交流アンプと直流アンプを共通化して１系統の構成
   とすると共に、その出力を平均化する平均化回路より構
   成し、 抵抗測定モードにおいては、直流分を阻止すると共に、
   前記印加する交流定電流の周波数の半周期ごとに信号を
   反転させて前記平均化回路に印加することにより同期整
   流を構成して直流抵抗分に比例した出力を得るように
   し、 直流電圧測定モードにおいては、前記直流分阻止を止め
   ると共に前記半周期ごとの反転切換えを止めて単なるフ
   ィルタ回路が構成されるようにし、 前記抵抗測定モードと直流電圧測定モードを切換えて前
   記測定端子間の直流低抵抗と直流微小電圧降下を交互に
   測定するように構成したことを特徴とする請求項１記載
   の電流測定装置。
3. 【請求項３】４端子構造の測定端子を用い、この測定端
   子の２点間に生じた被測定対象の低抵抗回路における電
   圧降下を検出するアンプと、 このアンプの出力電圧で駆動され前記測定端子の電流端
   子より前記電圧降下がゼロとなるように被測定対象に定
   電流を供給する定電流発生回路と、 前記アンプの出力が安定した状態のときのアンプ出力を
   読み取って前記測定端子の２点間に流れる被測定対象の
   回路電流を求める手段を具備し、前記被測定対象の回路
   を切断することなく回路電流を測定できるように構成し
   たことを特徴とする電流測定装置。