JP2007248092A - Double insulated electrical measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧計、電流計、電力計など安全規格を満足する二重絶縁が必要な電気計測機器に関するものである。 The present invention relates to an electrical measuring instrument such as a voltmeter, ammeter, wattmeter and the like that requires double insulation that satisfies safety standards.
各種電気計測機器は、人が直接、あるいは間接に触れて感電する恐れがあるため、絶縁の規格が日本工業規格(JIS規格)あるいはIEC規格により安全規格として定められている。 Since various types of electrical measuring devices may cause an electric shock when they are touched directly or indirectly, insulation standards are defined as safety standards by Japanese Industrial Standards (JIS standards) or IEC standards.
例えば電力計についていえば、測定電力の入力となる電圧一次側回路と電流一次側回路、入力した電圧、電流を処理して電圧、電流の実効値や有効電力を算出し、データ出力端子を通じて記録計や表示装置に出力する二次側回路がある。電圧一次側回路あるいは電流一次側回路と二次側回路とは線形回路を構成することで、電圧入力あるいは電流入力に対応した出力電力が得られる。 For example, in the case of a wattmeter, the voltage primary side circuit and current primary side circuit that are input of measured power, the input voltage and current are processed to calculate the effective value and effective power of the voltage and current, and are recorded through the data output terminal. There is a secondary circuit that outputs to a meter or a display device. The voltage primary side circuit or the current primary side circuit and the secondary side circuit constitute a linear circuit, so that output power corresponding to the voltage input or current input can be obtained.
測定電力が比較的大きな電力である場合、電圧一次側回路あるいは電流一次側回路は人が触れると感電する部分として、絶縁カバーを設けたり沿面距離や空間距離をとる等して絶縁がなされる。しかし、二次側回路に繋がるデータ出力端子は人が触れる可能性がある。そこで、電圧一次側回路あるいは電流一次側回路と二次側回路との間には安全規格で二重絶縁を求めている。 When the measured power is relatively large, the voltage primary side circuit or current primary side circuit is insulated by providing an insulating cover or taking a creepage distance or a spatial distance as a part that is electrically shocked when touched by a person. However, the data output terminal connected to the secondary circuit may be touched by a person. Therefore, double insulation is required according to safety standards between the voltage primary circuit or current primary circuit and secondary circuit.
非特許文献1によれば、二重絶縁は、基礎絶縁及び補強絶縁の両方から成る絶縁であるとされている。基礎絶縁は、感電に対する保護を与える絶縁であり、破壊されると感電の危険を生ずる可能性がある。補強絶縁は、基礎絶縁が破壊した場合の感電に対する保護を与えるため、基礎絶縁に追加して設けられる独立した絶縁である。基礎絶縁は補強絶縁より厳格な絶縁性を求められるから、基礎絶縁と基礎絶縁との組み合わせも二重絶縁の規格を満たすことができる。この他、二重絶縁相当の絶縁耐力がみとめられるものとして強化絶縁がある。 According to Non-Patent Document 1, double insulation is considered to be insulation composed of both basic insulation and reinforcing insulation. Basic insulation is an insulation that provides protection against electric shock and, if broken, can create a risk of electric shock. The reinforced insulation is an independent insulation provided in addition to the basic insulation to provide protection against electric shock when the basic insulation breaks down. Since basic insulation requires stricter insulation than reinforced insulation, the combination of basic insulation and basic insulation can also satisfy double insulation standards. In addition to this, reinforced insulation is one that has a dielectric strength equivalent to double insulation.
線形回路を構成しながらの絶縁デバイスとしては、トランス、フォトカプラ、抵抗等がある。1個のデバイスで二重絶縁相当の絶縁と認められているものもある。例えばリード線はビニール被覆の上に布巻がしてあれば二重絶縁である。トランスは、ボビンに絶縁が施され、巻き線にもビニール被覆線を使用していれば、1個のデバイスで二重絶縁相当の絶縁が得られる。特許文献1にはボビンに基礎絶縁が施された例が示されている。また一次巻き線にビニール被覆線を使用し、二次巻き線にもビニール被覆線を使用していれば二重絶縁となる。フォトカプラは、基礎絶縁としての規格を満たすものは多いが、単独デバイスで二重絶縁相当の絶縁と認められているものが少ないし、耐電圧がさほど大きくない。 Examples of the insulating device that constitutes the linear circuit include a transformer, a photocoupler, and a resistor. Some devices are recognized as equivalent to double insulation. For example, a lead wire is double insulated if it is wrapped on a vinyl coating. In the transformer, if the bobbin is insulated and a vinyl-coated wire is used for the winding, insulation equivalent to double insulation can be obtained with one device. Patent Document 1 shows an example in which basic insulation is applied to a bobbin. If vinyl-coated wire is used for the primary winding and vinyl-coated wire is also used for the secondary winding, double insulation is obtained. Many photocouplers satisfy the standard for basic insulation, but few are recognized as equivalent to double insulation in a single device, and the withstand voltage is not so large.
電力計に関する安全規格では、二重絶縁が要求されている。例えば図5に示すように、電圧一次側回路3と二次側回路5との間は二重絶縁、電流一次側回路4と二次側回路5との間も二重絶縁が必要である。入力端子と二次側回路との間に二重絶縁があれば安全は保たれるので、電圧一次側回路3と電流一次側回路4との間は絶縁は必要ないし、規格上も要求されていない。
In safety standards for power meters, double insulation is required. For example, as shown in FIG. 5, double insulation is required between the voltage
図6には、電圧一次側回路に差動増幅器13を使用し、インピーダンスだけで二重絶縁を完成させた例を示している。このインピーダンスは保護インピーダンスともいわれ、二次側回路の手前である電圧一次側回路に流れる電流を一定以下に制限するようにインピーダンスの値が設定される。
FIG. 6 shows an example in which the
規格によれば、二重絶縁に相当する保護インピーダンスは、電流値を0.5mA以内に抑えるインピーダンスとされている。また基礎絶縁に相当する保護インピーダンスは、電流値を3.5mA以内に抑えるインピーダンスである。例えば動作電圧U=300[V]において二重絶縁相当の保護インピーダンスを構成する場合には
Z=U/I=300[V]/0.5[mA]=600[kΩ]
となる。抵抗器が1個が故障して短絡状態になった単一故障状態においても保護インピーダンスの機能を果たさなければならないので,差動増幅器13の片側の抵抗器は2個以上必要である。図示例ではn個のインピーダンス10R1・・・10Rnをシリーズに繋いでいる。片側2個づつとした場合,抵抗器のいずれか1つが短絡したとすると、必要とされる抵抗器の抵抗値Rは
R=3U/2I=(3×300[V])/(2×0.5[mA])=900[kΩ]
となる。ただし、抵抗器の定格電力の仕様を満足するように抵抗器の個数、抵抗値を決める必要があるため、さらに安全をみて、上市されている電力計では200[kΩ]の抵抗器を片側6個、計12個使用している。
According to the standard, the protective impedance corresponding to double insulation is an impedance that keeps the current value within 0.5 mA. The protective impedance corresponding to basic insulation is an impedance that keeps the current value within 3.5 mA. For example, when constructing protective impedance equivalent to double insulation at operating voltage U = 300 [V], Z = U / I = 300 [V] /0.5 [mA] = 600 [kΩ]
It becomes. Even in a single failure state in which one resistor fails and is short-circuited, the function of the protective impedance must be fulfilled, so two or more resistors on one side of the
It becomes. However, since it is necessary to determine the number of resistors and the resistance value so as to satisfy the rated power specifications of the resistor, for safety reasons, a commercially available wattmeter has a resistor of 200 [kΩ] on one side. A total of 12 pieces are used.
上記したとおり、従来の電気計測機器は、感電の危険を回避し、安全規格上の二重絶縁を達成するため、非常にコストがかかっていた。また沿面距離、空間距離を確保するため、装置が大型となることが避けられなかった。 As described above, the conventional electric measuring device is very expensive because it avoids the risk of electric shock and achieves double insulation according to safety standards. Moreover, in order to secure a creepage distance and a space distance, it is inevitable that the apparatus becomes large.
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、小型でありながら高電圧となる測定対象を安全に計測が可能で、感電の危険を回避し、安全規格を達成することができる電気計測機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of safely measuring a measurement object that is high in voltage while being small, avoids the risk of electric shock, and achieves safety standards. The purpose is to provide a measuring instrument.
前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項1に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、測定入力端子とデータ出力端子との間に二重絶縁が施されているもので、電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが基礎絶縁機能を有する線形回路で構成され、電流系統の測定入力端子に繋がる電流一次側回路から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the double-insulated electric measuring instrument according to claim 1 of the present invention is provided with double insulation between a measurement input terminal and a data output terminal. Between the measurement input terminal of the voltage system and the voltage primary side circuit is connected by a linear circuit having a basic insulation function, and from the voltage primary side circuit to the secondary side circuit connected to the data output terminal, the basic insulation The circuit is composed of a linear circuit having a function, and the current primary circuit connected to the measurement input terminal of the current system to the voltage primary circuit are connected by a linear circuit having a basic insulation function.
同じく特許請求の範囲の請求項2に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項1に記載のものであって、前記した電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間の基礎絶縁機能を有する線形回路が保護インピーダンスであることを特徴とする。
Similarly, the double-insulated electric measuring device according to
同じく請求項3に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項1に記載のものであって、前記した電圧一次側回路から二次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、基礎絶縁されたフォトカプラであることを特徴とする。
Similarly, the double-insulated electrical measuring device according to the invention according to
請求項4に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項1に記載のものであって、前記した電圧一次側回路から二次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、トランスであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a double-insulated electrical measuring device according to the first aspect, wherein the basic insulation function configured between the voltage primary side circuit and the secondary side circuit is provided. The linear circuit having a transformer is a transformer.
請求項5に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項1に記載のものであって、前記した電流一次側回路から電圧一次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、フォトカプラを含む回路であることを特徴とする。 A double-insulated electrical measuring instrument according to a fifth aspect of the present invention is the electrical measuring instrument according to the first aspect, wherein a basic insulation function configured between the current primary side circuit and the voltage primary side circuit is provided. The linear circuit includes a circuit including a photocoupler.
請求項6に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項1に記載のものであって、前記した電流一次側回路から電圧一次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、トランスであることを特徴とする。 A double-insulated electrical measuring instrument according to a sixth aspect of the present invention is the electrical measuring instrument according to the first aspect, wherein a basic insulation function configured between the current primary side circuit and the voltage primary side circuit is provided. The linear circuit having a transformer is a transformer.
請求項7に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項3または5に記載のものであって、前記したフォトカプラを含む回路がアナログフォトカプラであることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a double-insulated electrical measuring instrument according to the third or fifth aspect, wherein the circuit including the photocoupler is an analog photocoupler.
請求項8に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項3または5に記載のものであって、前記したフォトカプラを含む回路がアナログ/デジタル変換回路とデジタルフォトカプラで構成されることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a double-insulated electrical measuring instrument according to the third or fifth aspect, wherein the circuit including the photocoupler includes an analog / digital conversion circuit and a digital photocoupler. It is characterized by that.
また、前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項9に係る発明の二重絶縁された多チャンネル電気計測機器は、電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが基礎絶縁機能を有する線形回路で構成され、第1チャンネルから第mチャンネルまでの電流系統の各測定入力端子に繋がる電流入力回路から該電圧一次側回路までの間が各々基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが各チャネル毎の基礎絶縁機能を有する線形回路で構成されていることを特徴とする。 Further, a double-insulated multi-channel electrical measuring device according to claim 9 of the invention, which has been made to achieve the above object, is provided from a measurement input terminal of a voltage system to a voltage primary side circuit. Are connected by a linear circuit having a basic insulation function, and the voltage from the voltage primary side circuit to the secondary side circuit connected to the data output terminal is composed of a linear circuit having a basic insulation function, from the first channel to the m-th channel. Between the current input circuit connected to each measurement input terminal of the current system and the voltage primary circuit is connected by a linear circuit having a basic insulation function, and from the voltage primary circuit to the secondary circuit connected to the data output terminal. Is constituted by a linear circuit having a basic insulation function for each channel.
同じく特許請求の範囲の請求項10に係る発明の二重絶縁された多チャンネル電気計測機器は、第1チャンネルの電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、第2チャンネル以降の電圧系統の各測定入力端子に繋がる電圧入力回路から該電圧一次側回路までの間が各々基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが各チャネル毎の基礎絶縁機能を有する線形回路で構成されていることを特徴とする。
Similarly, the double-insulated multi-channel electrical measuring instrument according to the invention of
従来は電圧系統、電流系統と二系統の二重絶縁を達成するため、基礎絶縁と補強絶縁との組み合わせ、或いは基礎絶縁と基礎絶縁との組み合わせを、電圧系統と電流系統の個別に必要としていた。しかし、本発明による電気計測機器は、3個の基礎絶縁の組み合わせにより、電圧系統、電流系統とも二重絶縁を達成できた。そのため、従来、電気計測機器に比して、回路構成が簡易であり、部品点数が少なくなり、小型で安価な機器になる。 Conventionally, in order to achieve double insulation of voltage system, current system and two systems, a combination of basic insulation and reinforced insulation, or a combination of basic insulation and basic insulation, was required separately for voltage system and current system. . However, the electrical measuring instrument according to the present invention can achieve double insulation in both the voltage system and the current system by combining three basic insulations. Therefore, conventionally, the circuit configuration is simple, the number of parts is reduced, and the device is small and inexpensive as compared with the electrical measuring device.
特に多チャンネルの電気計測機器にあっては、必要とする二重絶縁の数も多く、本発明による部品点数削減の効果は一層大きいものとなる。 In particular, in a multi-channel electrical measuring device, a large number of double insulations are required, and the effect of reducing the number of components according to the present invention is even greater.
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to these examples.
図1は本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の一実施例の概略ブロック回路を示す単線図である。この電気計測機器の回路は、電圧入力端子から基礎絶縁デバイス10を経て電圧一次側回路3に至り、さらに基礎絶縁デバイス11を経て二次側回路5からデータ出力端子から表示装置(不図示)に至る。一方、電流入力端子から電流一次側回路4を経て基礎絶縁デバイス12に至り、基礎絶縁デバイス12から電圧一次側回路3に導入される。
FIG. 1 is a single line diagram showing a schematic block circuit of an embodiment of a double-insulated electrical measuring instrument to which the present invention is applied. The circuit of this electrical measuring instrument reaches from the voltage input terminal through the
したがって、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス10と基礎絶縁デバイス11の2つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。また電流入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス12と基礎絶縁デバイス11の2つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。
Therefore, since the two basic insulations of the
図2は、図1のブロック回路の要部を、具体的な複線図に示してある。電圧入力端子には図1の基礎絶縁デバイス10であるインピーダンス10Rが接続される。インピーダンス10Rは、図示例ではn個のインピーダンス10R1・・・10Rnをシリーズに繋いでいるが、1つの基礎絶縁であるから単独で差支えない。インピーダンス10Rは、電圧一次側回路3に対応する差動増幅器13に接続される。差動増幅器13は、増幅器16およびアナログ/デジタル変換回路15を経由してフォトカプラ14に接続している。図1の基礎絶縁デバイス11に相当するフォトカプラ14は基礎絶縁をとるものである。フォトカプラ14からはデジタル信号を出力できる。
FIG. 2 shows a specific part of the block circuit of FIG. 1 in a specific double-line diagram. An
電流入力端子には図1の電流一次回路4に対応する電流検出抵抗7に接続される。電流検出抵抗7は、増幅器16を介しアナログ/デジタル変換回路15を経由してフォトカプラ14に接続する。フォトカプラ14(図1の基礎絶縁デバイス11に相当)の機能により基礎絶縁が得られる。
The current input terminal is connected to a current detection resistor 7 corresponding to the current primary circuit 4 of FIG. The current detection resistor 7 is connected to the
尚、基礎絶縁デバイス11に繋がる二次側回路5は、入力された電圧と電流からその実効値および有効電力を算出する回路等、公知の回路である。二次側回路5のデータ出力端子は、記録計や表示回路、或いはパーソナルコンピュータの入出力インターフェース、例えばUSB、RS232C等に接続される。
The
図3は本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の別な実施例であって、測定系が多チャンネル方式の装置の概略ブロック回路を示す単線図である。この多チャンネル電気計測機器は、電圧入力が1チャンネルに対して、電流入力がチャンネルCH1、CH2、・・・、CHmとなっている。電圧入力は、基礎絶縁デバイス10を経て電圧一次側回路3を通り、さらに基礎絶縁デバイス11を経て二次側回路5からデータ出力端子に至る。電流入力CH1、CH2、・・・、CHmは、各々電流入力回路71、72、・・・、7mを通り、基礎絶縁デバイス121、122、・・・、12mを経て電圧一次側回路3を通る。さらに各々基礎絶縁デバイス111、112、・・・、11mを経て二次側回路5からデータ出力端子に至る。電流入力回路71、72、・・・、7mは、例えば電流検出抵抗であり、必ずしも絶縁デバイスを構成するものではない。
FIG. 3 is a single line diagram showing a schematic block circuit of an apparatus of a multi-channel system in which a measurement system is another embodiment of a double-insulated electric measuring instrument to which the present invention is applied. In this multi-channel electrical measuring instrument, the voltage input is one channel and the current input is channels CH1, CH2,..., CHm. The voltage input passes through the
このような構成で、図3の多チャンネル電気計測機器における電流入力CH1〜CHmの各チャンネルは、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス121〜mと基礎絶縁デバイス111〜mの2つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。
In such a configuration, each channel of the current input CH1~CHm in a multi-channel electrical measuring instrument of FIG. 3 between the voltage input terminal to the data output terminal,
図4は本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の別な実施例の概略ブロック回路図である。この多チャンネル電気計測機器は、電圧入力がチャンネルCH1、CH2、・・・、CHmを持っている。電圧入力CH1は、基礎絶縁デバイス10を経て電圧一次側回路3を通り、さらに基礎絶縁デバイス11を経て二次側回路5からデータ出力端子に至る。電圧入力CH2、CH3、・・・、CHmは、各々電圧入力回路82、83、・・・、8mを通り、基礎絶縁デバイス121、122、・・・、12mを経て電圧一次側回路3を通る。さらに各々基礎絶縁デバイス112、113、・・・、11mを経て二次側回路5からデータ出力端子に至る。電圧入力回路82、83、・・・、8mは、例えば電流制限抵抗(保護抵抗)であるが、絶縁デバイスを構成するものではなく、これ自体では必ずしも安全規格を満足する必要はない。
FIG. 4 is a schematic block circuit diagram of another embodiment of a double-insulated electrical measuring device to which the present invention is applied. In this multi-channel electrical measuring instrument, the voltage input has channels CH1, CH2,..., CHm. The voltage input CH1 passes through the
このような構成で、図4の多チャンネル電気計測機器における電圧入力CH1は、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス10と基礎絶縁デバイス111の2つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。電圧入力CH2〜CHmの各チャンネルは、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス1212〜mと基礎絶縁デバイス112〜mの2つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。
In this configuration, the voltage input CH1 in the multi-channel electrical measuring instrument of FIG. 4, between the voltage input terminal to the data output terminal, the two basic insulation of
上記の実施例では、基礎絶縁機能を有する線形回路としてアナログ/デジタル変換回路とフォトカプラを組み合わせた線形特性を利用した回路を示したが、この組み合わせはアナログフォトカプラに置き換えることができる。また、基礎絶縁機能を有する線形回路としてトランス、その他回路も使用できる。 In the above-described embodiment, a circuit using a linear characteristic in which an analog / digital conversion circuit and a photocoupler are combined is shown as a linear circuit having a basic insulation function, but this combination can be replaced with an analog photocoupler. Moreover, a transformer and other circuits can be used as a linear circuit having a basic insulation function.
また、本発明は、電力計、電圧計、電流計、およびこれらの組み合わせのいずれの電気計測機器にも同様に適用できる。またメモリハイコーダにも適用できる。 In addition, the present invention can be similarly applied to any electric measuring device such as a wattmeter, a voltmeter, an ammeter, and a combination thereof. It can also be applied to a memory high coder.
3は電圧一次側回路、4は電流一次側回路、5は二次側回路、7は電流検出抵抗、71、72、・・・、7mは電流入力回路、81、82、・・・、8mは電圧入力回路、10、11、111、112、・・・、11m、121、122、・・・、12mは基礎絶縁デバイス、10Rはインピーダンス、13は差動増幅器、14はフォトカプラ、15はアナログ/デジタル変換回路、16は増幅器である。 3 is a voltage primary side circuit, 4 is a current primary side circuit, 5 is a secondary side circuit, 7 is a current detection resistor, 7 1 , 7 2 ,..., 7 m are current input circuits, 8 1 , 8 2 , · · ·, 8 m is the voltage input circuit, 10,11,11 1, 11 2, ··· , 11 m, 12 1, 12 2, ···, 12 m is basic insulation devices, 10R impedance, 13 Is a differential amplifier, 14 is a photocoupler, 15 is an analog / digital conversion circuit, and 16 is an amplifier.
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