JP2010286295A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源ラインを構成する二本の電源ケーブルを同時にクランプでき、かつ、電流検出の感度を高めることが可能な電流検出装置を提供すること。
【解決手段】 二本の電源ケーブルから構成される電源ラインに対して平行な水平方向（Ｘ軸方向）に沿って設置された第１の磁気センサと、上記電源ラインに対して直交する垂直方向（Ｙ軸方向）に沿って設置された第２の磁気センサと、上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号に基づいて周辺の磁界の変化を検知し、それによって、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別する制御手段と、を具備したもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、各種電気機器や電子機器に電源を供給する電源ケーブルや電源コード等の電源ラインにおいて、電流が流れているか否かを検出し、それによって、上記各種電気機器や電子機器が動作状態にあるか否かを判別するための電流検出装置に係り、特に、電源ラインを構成する二本の電源ケーブルを同時にクランプでき、且つ、電流検出の感度を高めることができるように工夫したものに関する。

例えば、各種電気機器や電子機器には電源ケーブルや電源コードを介して電源が供給される構成になっている。又、上記電源ケーブルや電源コードにおいて電流が流れているか否かを検出することにより、上記各種電気機器や電子機器が動作状態にあるか否かを判別することが行われている。それによって、作業員が上記電気機器や電子機器を常時直接監視することなくその状態を把握することが可能になる。

上記電源ケーブルや電源コードにおいて電流が流れているか否かは電流検出装置によって検出される。この種の電流検出装置の構成を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。

特開２００３−３１５３７５号公報

特開２００１−５０９８７号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。すなわち、特許文献１、特許文献２の何れに開示されている電流検出装置の場合も、電流検出の感度や検出精度という点においては不十分であり、その改善が望まれていた。
この点に関して具体的に説明すると、まず、特許文献１に記載されている発明の場合には、電源ラインを構成する二本の電源ケーブルを、電流検出装置によって同時にクランプして電流検出を行うことは可能であるが、外来ノイズに弱いという問題があると共に、それぞれのケーブルに流れる電流の向きが互いに逆行しているために生じる磁束の打ち消しの影響を少なからず受けてしまうという問題があった。
又、特許文献２に記載されている発明の場合には、電源ラインを構成する二本の電源ケーブルを、電流測定装置によって同時にクランプすると、上記磁束の打ち消しの影響により正確な測定が困難になってしまうという問題があった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、電源ラインを構成する二本の電源ケーブルを同時にクランプすることができ、且つ、電流検出の感度を高めることが可能な電流検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による電流検出装置は、二本の電源ケーブルから構成される電源ラインに対して平行な水平方向（Ｘ軸方向）に沿って設置された第１の磁気センサと、上記電源ラインに対して直交する垂直方向（Ｙ軸方向）に沿って設置された第２の磁気センサと、上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号に基づいて周辺の磁界の変化を検知し、それによって、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別する制御手段と、を具備したことを特徴とするものである。
又、請求項２による電流検出装置は、請求項１記載の電流検出装置において、上記二本の電源ケーブルに対してアンバランスな位置に磁性材料が設置されていることを特徴とするものである。
又、請求項３による電流検出装置は、請求項１又は請求項２記載の電流検出装置において、上記制御手段は上記第１の磁気センサからの検出信号に基づいたデータと上記第２の磁気センサからの検出信号に基づいたデータを加算し、その加算データと予め設定されている閾値とを比較して、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別するものであることを特徴とするものである。
又、請求項４による電流検出装置は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の電流検出装置において、上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号から特定の周波数の交流成分を抽出して増幅するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）及びアンプが設けられていることを特徴とするものである。
又、請求項５による電流検出装置は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の電流検出装置において、上記電源ラインにある交流信号を検出する第３のセンサが設けられていて、上記第３のセンサからの交流信号により上記第１の磁気センサと第２の磁気センサの出力の特定の周波数成分を検波し増幅する手段が設けられていることを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明の請求項１による電流検出装置によると、二本の電源ケーブルから構成される電源ラインに対して平行な水平方向（Ｘ軸方向）に沿って設置された第１の磁気センサと、上記電源ラインに対して直交する垂直方向（Ｙ軸方向）に沿って設置された第２の磁気センサと、上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号に基づいて周辺の磁界の変化を検知し、それによって、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別する制御手段と、を具備した構成になっているので、電源ラインを構成する二本の電源ケーブルを同時にクランプして電流検出を行うことができ、且つ、二本の電源ケーブルに電流が流れているか否かを高い精度で検出することができる。
又、請求項２による電流検出装置の場合には、請求項１記載の電流検出装置において、上記二本の電源ケーブルに対してアンバランスな位置に磁性材料が設置されているので、電源ラインの二本の電源ケーブルにおいて、それぞれのケーブルに流れる電流の向きが互いに逆行している場合にも、二本の電源ケーブルに発生する磁束密度をアンバランスなものとし、それによって、発生する磁束の打ち消しを低減させることができるので、電流検出の感度を効果的に高めることができる。
又、請求項３による電流検出装置は、請求項１又は請求項２記載の電流検出装置において、上記制御手段は上記第１の磁気センサからの検出信号に基づいたデータと上記第２の磁気センサからの検出信号に基づいたデータを加算し、その加算データと予め設定されている閾値とを比較して、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別するものとして構成されているので、万一、磁束の打ち消しにより何れか一方の軸に検出信号の変化が生じなくても検出が可能となり、その結果、電流が流れているか否かを高い精度で判別することができる。
又、請求項４による電流検出装置は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の電流検出装置において、上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号から特定の周波数の交流成分を抽出して増幅するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）及びアンプを設けた構成になっているので、それによって、外的要因に起因した磁気的変化の影響をなくすことができ、電流検出の感度をさらに高めることができる。
又、請求５による電流検出装置は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の電流検出装置において、上記電源ラインにある交流信号を検出する第３のセンサが設けられていて、上記第３のセンサからの交流信号により上記第１の磁気センサと第２の磁気センサの出力の特定の周波数成分を検波し増幅する手段が設けられているので、センサ出力に対してＳ／Ｎ悪化を抑えながら大幅な増幅を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、電流検出装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、電流検出装置の各構成要素の配置を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、図３（ａ）は磁気センサ（コイル）の出力を示す特性図、図３（ｂ）はプリアンプ処理後の信号を示す特性図、図３（ｃ）はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）処理後の信号を示す特性図、図３（ｄ）はメインアンプ処理後の信号を示す特性図、図３（ｅ）はローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理後の信号を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、信号処理部における判定処理の内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、電流検出装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、図６（ａ）は磁気センサの出力を示す特性図、図６（ｂ）はプリアンプ処理後の信号を示す特性図、図６（ｃ）はＤＣ成分除去処理後の信号を示す特性図、図６（ｄ）は同期検波・メインアンプ処理後の信号を示す特性図、図６（ｅ）はローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理後の信号を示す特性図である。

以下、図１乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による電流検出装置の構成を示す機能ブロック図である。まず、電源ライン１があり、この電源ライン１は、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂとから構成されている。これら一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂは平行に配設されていて、図示しない電源取り出し部（例えば、ＡＣ電源取り出し部）から図示しない各種電気機器や電子機器に電源を供給するものである。

上記電源ライン１の近傍であって電源ライン１に平行な水平方向（Ｘ軸方向）に第１の磁気センサ３が設置されている。又、上記電源ライン１の近傍であって電源ライン１に直交する垂直方向（Ｙ軸方向）に第２の磁気センサ５が設置されている。又、上記一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに対してアンバランスな位置に磁性材料７が設置されている。それによって、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂにそれぞれ互いに逆行する方向に電流が流れた時に、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに発生する磁束密度をアンバランスなものとし、それによって、発生する磁束の打ち消しを低減させるものである。
尚、上記第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５と磁性材料７の配置例を図２に示す。上記磁性材料７は、上記一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに対してアンバランスな位置、この実施の形態の場合には、他方の電源ケーブル１ｂ側に偏った位置に設置されているものである。
尚、実際の電流検出装置としては、上記第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５を所定の位置に内装したクランプ部材があり、このクランプ部材によって、上記一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂをクランプするように構成されることになる。

上記第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５からの検出信号は、プリアンプ９に入力されて増幅される。上記第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５からの検出信号は、図３（ａ）に示すようなものである。電源がオフの場合には、測定対象ケーブルに電流が殆ど流れないため、ＡＣ成分は略「０」レベルとなり、電源がオンされた場合には、測定対象ケーブルに交流電流が流れることとなり、測定対象ケーブル、すなわち、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに接続されているＡＣ電源の周波数と等しいＡＣ成分が出力されることになる。又、プリアンプ９によって増幅された信号は図３（ｂ）に示すようなものとなる。

プリアンプ９において増幅された信号はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１に入力され、そこで測定対象ケーブル、すなわち、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに接続されているＡＣ電源の周波数（例えば、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に等しい周波数成分が抽出される。又、他の周波数成分（ＤＣ成分を含む）は減衰される。これはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１の周波数特性（中心透過周波数）をＡＣ電源の周波数付近に設定することにより実現される。このような処理を行うのは外的要因に起因した地磁気変化の影響をなくすためである。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１によって処理された後の信号を図３（ｃ）に示す。

上記バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９によって抽出された信号はメインアンプ１３に入力される。このメインアンプ１３によってバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１によって抽出された信号を増幅して検出感度を高めるようにしている。メインアンプ１３によって処理された後の信号を図３（ｄ）に示す。

上記メインアンプ１３によって増幅された信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５を介して信号処理部１７に入力される。このローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５によって平滑化処理を行い、ＡＣ成分の変化をＤＣレベルに変えて信号処理部１７に入力されることになる。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５によって平滑化処理された後の信号を図３（ｅ）に示す。図３（ｅ）に示すように、電源オンまたはオフの状態がＤＣレベルの変化となって出力される。
尚、上記図１の９、１１、１３、１５の処理は、上記第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５のそれぞれの出力に対してそれぞれ独立に行われる処理である。

信号処理部１７においては、Ａ／Ｄ変換器１９を介してアナログ／デジタル変換され、変化量演算・検出部２１に入力される。この変化量演算・検出部２１においては、第１の磁気センサ３側からの信号と第２の磁気センサ５側からの信号を加算する。このような加算を行うことにより、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに流れる電流の向きが互いに逆行しているために生じる磁束の打ち消しによって何れか一方の軸に信号の変化が生じていなくても検出は可能になる。

そして、変化量の加算結果と予め設定されている検出閾値とを比較して、加算結果が閾値内にある場合に電源ライン１に電流が流れていると判別し、その結果を検出結果として出力する。

上記信号処理部１７における情報処理を図４に示すフローチャートを参照して整理してみる。まず、ステップＳ１において、Ａ／Ｄ変換回数を０に初期化する。次いで、ステップＳ２に移行して、Ｘ、Ｙ二軸データのＡ／Ｄ変換処理を実行する。すなわち、Ｘ、Ｙ二軸分のアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。次いで、ステップＳ３に移行して、Ｘ、Ｙ二軸データのＡ／Ｄ変換処理が完了したか否かを判別する。判別の結果、未だ完了していないと判別された場合にはステップＳ２の処理を繰り返し実行する。これに対して、完了していると判別された場合には、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４においては、Ａ／Ｄ変換データの格納処理が実行されると共に、Ａ／Ｄ変換完了後に発生される完了フラグをカウントすることによりＡ／Ｄ変換回数を算出する。上記Ａ／Ｄ変換データの格納処理は、Ａ／Ｄ変換データ格納用バッファ２４を使用して行われる。次いで、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５においては、Ａ／Ｄ変換の回数が予め設定されたＮ回を超えたか否かが判別される。Ａ／Ｄ変換の回数が予め設定されたＮ回を超えないと判別された場合には、ステップＳ２に戻って処理が繰り返される。Ａ／Ｄ変換の回数が予め設定されたＮ回を超えたと判別された場合には、ステップＳ６に移行する。

ステップＳ６においては、平均化（ノイズリダクション）処理が実行される。これはＸ、Ｙ二軸分についてそれぞれ行われる。すなわち、ノイズを除去するために、格納したＮ個分のデータを平均化してＡ／Ｄ変換データ格納用バッファ２４に格納するものである。次に、ステップＳ７に移行する。このステップＳ７では、ステップＳ６において算出した平均値データのレベルが時間的に安定したデータであるか否かを判別する。具体的には、Ａ／Ｄ変換データ格納用バッファ２４に格納されている過去の平均値データと現在の平均値データとを比較して、そのレベル差が予め設定されている範囲内に収まっているか否かを判別し、収まっている場合には現在の平均値データのレベルが「時間的に収束している」と判別するものである。

ステップＳ７において、現在の平均値データのレベルが「時間的に収束している」と判別された場合には、ステップＳ８に移行する。これに対して、現在の平均値データのレベルが「時間的に収束していない」と判別された場合には、ステップＳ１から再度処理を行う。

ステップＳ８においては、Ｘ、Ｙ二軸分の平均値データを使用して、例えば、次の式（Ｉ）に示すような演算を行って最終的な検出信号とする。
Ｖｘｙ＝Ｖｘ＋Ｖｙ―――（Ｉ）
但し、
Ｖｘｙ：加算後データ
Ｖｘ ：Ｘ軸の平均値データ
Ｖｙ ：Ｙ軸の平均値データ

次に、ステップＳ９に移行して、判定処理が実行される。すなわち、ステップＳ８において算出されたデータ、すなわち、加算後データＶｘｙの値が、予め設定されている閾値内である場合には、「電流オン」と判定し、それ以外については「電流オフ」と判定する。次いで、ステップＳ１０に移行する。このステップＳ１０においては、ステップＳ９における判定結果を「０」或いは「１」の２値で出力する。その後ステップＳ１に戻る。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、電源ライン１を構成している二本の電源ケーブル、すなわち、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂを同時にクランプして、電源ライン１に電流が流れているか否かを高い精度で検出して判別することができる。これは第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５をそれぞれＸ軸、Ｙ軸に設置しているからである。
又、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに対してアンバランスな位置に磁性材料７を設置しているので、電源ライン１の一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂにそれぞれ互いに逆行する方向に電流が流れた時に、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに発生する磁束密度をアンバランスなものとし、それによって、発生する磁束の打ち消しを低減させることができるので、電流検出の感度を効果的に高めることができる。
又、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１及びメインアンプ１３によって測定対象ケーブル、すなわち、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに接続されているＡＣ電源の周波数に等しい周波数成分を抽出して増幅しているので、外的要因に起因した磁気的変化の影響をなくすことができ、電流検出の感度をさらに高めることができる。
又、第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５からの電気信号の変化量を演算し、それと予め設定されている閾値とを比較して、電源ライン１に電流が流れているか否かを判別するようにしているので、電流が流れているか否かを高い精度で判別することができる。

次に、図５及び図６を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この場合には、まず、第３のセンサ３１を設置して、その検出信号を使用して、同期検波用矩形波生成回路３３によって、同期検波における基準信号となる矩形波を生成する。この矩形波信号の周波数は、測定対象ケーブル、すなわち、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに接続されているＡＣ電源の周波数に等しいものである。

又、第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５からの信号は、プリアンプ９を介してＤＣ成分除去回路３５に入力され、そこでそのＤＣ成分が除去される。第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５の出力は、図６（ａ）に示すようなものであり、電源オフ時のＡＣ成分は、測定対象ケーブルに電流が殆ど流れないため、略「０」レベルとなり、これに対して、電源オン時には、測定対象ケーブルに交流電流が流れるため、測定対象ケーブルに接続されているＡＣ電源の周波数と等しいＡＣ成分が抽出される。又、その信号はプリアンプ９によって増幅される。プリアンプ９によって増幅された信号は図６（ｂ）に示すようなものとなる。又、上記ＤＣ成分除去回路３５による処理後の信号は図６（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＤＣ成分を除去してＡＣ成分のみを抽出する。

そして、同期検波・増幅回路３７によって、上記同期検波用矩形波生成回路３３によって生成された矩形波を基に上記ＡＣ電源周波数に等しい周波数成分を検波し増幅する。反り様子を図６（ｄ）に示す。測定対象ケーブルに接続されているＡＣ電源周波数と等しい周波数の矩形波信号を使用して、上記周波数のＡＣ成分を検波・増幅する。そして、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５によって平滑化処理を行い、ＡＣ成分の変化をＤＣレベルに変えて信号処理部１７に入力されることになる。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５によって平滑化処理された後の信号を図６（ｅ）に示す。
尚、第１の磁気センサ３と第２の磁気センサ５と磁性材料７の配置等、その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

よって、前記第１の実施の形態の場合と略同様の効果を奏することができると共に、測定対象ケーブル、すなわち、一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに接続されているＡＣ電源の周波数と等しい周波数の矩形波信号を使用して、上記周波数のＡＣ成分を検波・増幅するようにしているので、増幅によるセンサ出力のＳ／Ｎ悪化を抑制でき、それによって、大幅な増幅が可能となり、その結果、電源ライン１を構成する一方の電源ケーブル１ａと他方の電源ケーブル１ｂに流れるより微小な電流も判別可能となる。

尚、本発明は前記第１、第２の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、電源ラインとしては様々なものが想定される。
その他、図示した構成はあくまで一例である。

本発明は、例えば、電源ケーブルや電源コード等の電源ラインにおいて、電流が流れているか否かを検出し、それによって、上記各種電気機器や電子機器が動作状態にあるか否かを判別するための電流検出装置に係り、特に、電流検出の感度を高めることができるように工夫したものに関し、例えば、各種電気機器や電子機器に電源を供給する電源ケーブルや電源コード等の電源ラインにおける電流検出に好適である。

１ 電源ライン
３ 第１の磁気センサ
５ 第２の磁気センサ
７ 磁性材料
９ プリアンプ
１１ バンドパスフィルタ
１３ メインアンプ
１５ ローパスフィルタ
１７ 信号処理部
１９ Ａ／Ｄ変換器
２１ 変化量演算・検出部
３１ 第３のセンサ
３３ 同期検波用矩形波生成回路
３５ ＤＣ成分除去回路
３７ 同期検波増幅回路

Claims (5)

1. 二本の電源ケーブルから構成される電源ラインに対して平行な水平方向（Ｘ軸方向）に沿って設置された第１の磁気センサと、
   上記電源ラインに対して直交する垂直方向（Ｙ軸方向）に沿って設置された第２の磁気センサと、
   上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号に基づいて周辺の磁界の変化を検知し、それによって、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別する制御手段と、
   を具備したことを特徴とする電流検出装置。
2. 請求項１記載の電流検出装置において、
   上記二本の電源ケーブルに対してアンバランスな位置に磁性材料が設置されていることを特徴とする電流検出装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の電流検出装置において、
   上記制御手段は上記第１の磁気センサからの検出信号に基づいたデータと上記第２の磁気センサからの検出信号に基づいたデータを加算し、その加算データと予め設定されている閾値とを比較して、上記電源ラインに電流が流れているか否かを判別するものであることを特徴とする電流検出装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載の電流検出装置において、
   上記第１の磁気センサと第２の磁気センサからの電気信号から特定の周波数の交流成分を抽出して増幅するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）及びアンプが設けられていることを特徴とする電流検出装置。
5. 請求項１〜請求項３の何れかに記載の電流検出装置において、
   上記電源ラインにある交流信号を検出する第３のセンサが設けられていて、
   上記第３のセンサからの交流信号により上記第１の磁気センサと第２の磁気センサの出力の特定の周波数成分を検波し増幅する手段が設けられていることを特徴とする電流検出装置。
   

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