以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。すなわち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
実施形態を説明する前に、異なる周波数の周期信号間の物理量が等しくなる条件について説明する。まず、周期がTである周期信号Sの物理量Pが、以下の数1に示す定積分によって求められるとする。Mは周期信号Sの振幅により決まる定数である。
次に、上記数1で物理量Pを求めることができる複数の周期信号S
1,S
2,…,S
nについて考える。各周期信号S
1,S
2,…,S
nの周期がそれぞれT
1,T
2,…,T
nであり、物理量Pを求める際のサンプリング期間をCとする。各周期信号S
1,S
2,…,S
nが、以下の数2に示す関係を満たす場合に、各周期信号S
1,S
2,…,S
nは、本願発明に係る電流計測装置によって電流値を計測可能なそれぞれ周期が異なる複数の交流電流信号に該当することになる。ここで、上記サンプリング期間Cとしては、各周期T
1,T
2,…,T
nの公倍数となる期間を設定することができる。なお、サンプリング期間Cとして、各周期T
1,T
2,…,T
nの最小公倍数となる期間を設定することで、物理量Pの計測時間を短縮することができる。また、各周期信号S
1,S
2,…,S
nの振幅はそれぞれ等しいこととする。
上記数2に示す各辺は、各周期信号S1,S2,…,Snをそれぞれサンプリング期間Cで積分して求めた物理量を示す。したがって、上記数2に示す関係を満たす各周期信号は、周期がそれぞれ相違するものの、サンプリング期間Cで求まる物理量がそれぞれ等しくなる関係にある。
上記数2に示す関係を満たす周期信号群を構成し得る信号の波形としては、例えば、正弦波、正弦半波整流波、正弦全波整流波、正弦二乗波、正弦二乗全波整流波、正弦二乗半波整流波、矩形波、三角波、台形波、これらの波形のうちいずれか複数の波形を重ね合わせた波形等がある。
上記数2に示す関係を満たす周期信号群を構成する信号を具体的に挙げると、例えば、50Hzの交流電流信号と60Hzの交流電流信号とがある。50Hzの交流電流信号と60Hzの交流電流信号とが上記数2に示す関係を満たす周期信号群を構成する所以について以下に説明する。なお、交流電流信号の物理量は電流値に対応することとなる。
図1は、50Hzの交流電流信号(振幅Aの正弦波A|sin(100πt)|)を全波整流した後の信号S1の波形を示す図である。図2は、60Hzの交流電流信号(振幅Aの正弦波A|sin(120πt)|)を全波整流した後の信号S2の波形を示す図である。図1に示す波形の元となる50Hzの交流電流信号の周期T1は1/50s、すなわち20msである。図2に示す波形の元となる60Hzの交流電流信号S2の周期T2は1/60s、すなわち16.66…msである。ここでは、50Hzと60Hzの周期の最小公倍数となる100msを、電流値を算出する際のサンプリング期間Cとして設定する。
図1に示す波形を上記数2の一辺に割り当てて解法すると、以下の数3のようになる。
図2に示す波形を上記数2の一辺に割り当てて解法すると、以下の数4のようになる。
上記数3と上記数4に示すように、図1に示す波形および図2に示す波形は、サンプリング期間Cで求まる物理量がともにA/5πで表されることとなる。これは、50Hzの交流電流信号と60Hzの交流電流信号とが、上記数2に示す関係を満たしていることを示す。それゆえに、50Hzの交流電流信号と60Hzの交流電流信号は、本願発明に係る電流計測装置によって電流値を計測可能なそれぞれ周期が異なる複数の交流電流信号に該当することとなる。
以下において、本実施形態における電流計測装置として、50Hzおよび60Hzの交流電流信号の電流値をそれぞれ計測可能な電流計測装置について説明する。なお、本実施形態では、説明の便宜のために、上記それぞれ周期が異なる複数の交流電流信号として、50Hzの交流電流信号と60Hzの交流電流信号とを用いて説明するが、本願発明に適用可能な交流電流信号は、これに限定されない。上記数2に示す関係を満たす周期信号群を構成する交流電流信号同士であれば、本願発明に適用することができる。
図3を参照して、実施形態における電流計測装置の機能構成について説明する。図3は、電流計測装置の機能構成図である。同図に示すように、電流計測装置1は、装置全体を制御する制御部10と、制御部10での各種処理に用いられるプログラムやデータ等を記憶する記憶部30とを有する。
制御部10は、入力部11と、整流部12と、A/D変換部13と、加算部14と、電流値変換部15と、出力部16と、処理モード切替部17と、設定用電流値登録部18と、係数・定数算出部19とを有する。記憶部30は、変換関数メモリ31と、設定作業用メモリ32とを有する。
ここで、電流計測装置1には、処理モードとして、電流計測モードとパラメタ設定モードとが設けられている。電流計測モードは、外部から入力される50Hzまたは60Hzの交流電流信号の電流値を計測して出力するモードである。パラメタ設定モードは、外部から入力される50Hzまたは60Hzの交流電流信号を用い、電流を計測する際に用いるパラメタ値を算出して設定するモードである。電流計測時に用いるパラメタとしては、例えば、後述する電流値変換関数に含まれる係数および定数がある。処理モード切替部17は、ユーザから入力される操作指示にしたがって電流計測モードとパラメタ設定モードとを切り替える。
処理モードが電流計測モードであるときには、入力部11、整流部12、A/D変換部13、加算部14、電流値変換部15および出力部16の各部によって電流値が計測されて出力される。処理モードがパラメタ設定モードであるときには、設定用電流値登録部18、入力部11、整流部12、A/D変換部13、加算部14および係数・定数算出部19の各部によって電流計測時に用いるパラメタ値が算出されて設定される。
整流部12は、外部から入力部11を介して入力された50Hzまたは60Hzの交流電流信号を全波整流する。なお、交流電流信号の整流は、全波整流には限定されず、半波整流であってもよい。A/D変換部13は、整流部12によって全波整流された信号をデジタル信号に変換する。
加算部14は、A/D変換部13によって変換されたデジタル信号のうち、サンプリング期間内の交流電流信号に対応するデジタル信号を加算していく。本実施形態ではサンプリング期間として、50Hzと60Hzの周期の最小公倍数となる100msを設定する。加算部14は、処理モードがパラメタ設定モードであるときには、加算の結果得られた加算値を設定作業用メモリ32に登録する。設定作業用メモリ32は、加算部14によって加算された加算値を、後述する電流値変換関数に含まれる係数と定数の総数分記憶する。
電流値変換部15は、処理モードが電流計測モードであるときに、加算部14によって加算された加算値を、後述する電流値変換関数を用いて電流平均値に変換する。出力部16は、電流値変換部15によって変換された電流平均値を計測結果として外部に出力する。
設定用電流値登録部18は、処理モードがパラメタ設定モードであるときに、ユーザによって入力指示された電流値を設定作業用メモリ32に登録する。設定作業用メモリ32は、後述する電流値変換関数に含まれる係数および定数を設定するための設定用電流値を、当該係数と定数の総数分記憶する。つまり、設定作業用メモリ32は、設定用電流値と、この設定用電流値に対応する加算値とを対応付けて、係数と定数の総数分記憶することになる。このように、設定用電流値と加算値とを係数と定数の総数分記憶させるのは、例えば電流値変換関数がn次式の関数である場合には、未知数となる係数と定数の総数分のデータを採取すれば未知数となる係数と定数を求めることができることによるものである。ただし、電流値変換関数の構成によっては、設定用電流値と加算値とが係数と定数の総数分よりも多数必要となる場合もある。なお、設定作業用メモリ32の内容は、処理モードが切り替わるときにリセットされる。
係数・定数算出部19は、処理モードがパラメタ設定モードであるときに、後述する電流値変換関数に含まれる係数および定数を算出して、変換関数メモリ31に登録する。変換関数メモリ31は、後述する電流値変換関数と、当該電流値変換関数に含まれる係数および定数とを記憶する。
ここで、制御部10は、物理的には、例えば、CPUと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリには、CPUで処理されるプログラムやデータを記憶するROMや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMが含まれる。これらの各要素は、互いにバスを介して接続されている。CPUは、ROMに記憶されたプログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種信号を送受信し、RAM内の各種データ等を用いて処理することで、後述する係数・定数設定処理や電流計測処理等を制御する。また、CPUは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、電流計測装置1全体を制御する。
電流値変換関数の詳細について、以下に説明する。電流値変換関数は、加算部14によって加算された加算値を電流平均値に変換する際に用いる変換関数である。電流値変換関数は、例えば、X軸を加算値とし、Y軸を電流平均値とする座標平面上に表すことができる。電流値変換関数は、加算値と電流平均値とが1対1に対応するように決定するとともに、電流値変換関数に含まれる係数および定数を各交流電流信号で共通の係数および定数に設定する。
電流値変換関数は、例えば、電流計測装置1の製造時に実験等を行い、入力交流電流信号と出力電流値との間の相関関係を求める等して電流値変換関数を決定し、変換関数メモリ31に格納する。電流値変換関数に含まれる係数および定数は、パラメタとして随時設定変更可能とする。
電流値変換関数としては、任意の関数を用いることができるが、一次式の関数として表すことで、電流値変換関数に含まれる係数および定数を算出する際に入力する信号数を二信号に抑えることができ、パラメタ設定の手間を削減することが可能となる。なお、電流値変換関数を一次式の関数として表わせない場合には、電流値変換関数のX軸に表される加算値の区間を細かく区分し、各区間内の関数を一次式の関数に近似させ、これら複数の近似一次式関数を用いて表すこととしてもよい。また、電流値変換関数が、二次式の関数となる場合には、係数が二つで定数が一つとなるため、係数と定数の総数分、つまり三つの信号を、係数および定数を算出する際に入力することになる。つまり、電流値変換関数が、n次式の関数となる場合には、(n+1)の信号を入力することになる。
電流値変換関数を一次式の関数として表す場合には、例えば、電流平均値をI
AVとし、加算値をXとすると、以下の数5に示す式で表すことができる。
ここで、aは加算値Xの係数であり、bは定数である。この係数aおよび定数bは、50Hzおよび60Hzの交流電流信号に共通の値となる。係数aおよび定数bを共通の値にすることができるのは、50Hzおよび60Hzの交流電流信号が、上記数2に示す関係を満たす周期信号群に含まれるため、同一の電流値変換関数を用いて電流値を求めることができることによる。つまり、上記数2に示す関係を満たす周期信号群を構成する信号同士であれば、それぞれの信号の周期の公倍数となるサンプリング期間で求まる物理量は等しいことになり、物理量が等しいということは電流値が等しいことになるため、電流値変換関数についても係数aおよび定数bを含めて同一の関数を用いることができることによるものである。
したがって、いずれか一方の交流電流信号を用いて係数aおよび定数bを算出してパラメタとして設定してしまえば、他方の交流電流信号を用いて係数aおよび定数bを算出して再設定する必要はなくなる。つまり、例えば東日本で一度パラメタを設定してしまえば、西日本に移動して使用する場合であってもパラメタを再設定することなく、交流電流を計測することができるようになる。
係数aは、以下の数6に示す式を用いて算出することができ、定数bは、以下の数7に示す式を用いて算出することができる。
上記数6および数7に示すI1は設定作業用メモリ32に登録された第一の設定電流値であり、X1は第一の設定電流値I1に対応付けられて設定作業用メモリ32に登録された第一の加算値であり、I2は設定作業用メモリ32に登録された第二の設定電流値であり、X2は第二の設定電流値I2に対応付けられて設定作業用メモリ32に登録された第二の加算値である。
図4を参照して、50Hzの交流電流信号を用いて係数aおよび定数bを設定する際に行われる係数・定数設定処理の処理手順について説明する。
最初に、処理モード切替部17は、ユーザから入力された操作指示にしたがって処理モードを電流計測モードからパラメタ設定モードに切り替える(ステップS101)。
続いて、設定用電流値登録部18は、ユーザから入力された操作指示にしたがって電流計測装置1に入力される交流電流信号に対応する平均電流値(既知の電流値)を、設定用電流値として設定作業用メモリ32に登録する(ステップS102)。
続いて、入力部11から交流電流信号が入力される(ステップS103)と、整流部12は、入力された交流電流信号を全波整流する(ステップS104)。
続いて、A/D変換部13は、整流部12によって全波整流された信号をデジタル信号に変換する(ステップS105)。
続いて、加算部14は、A/D変換部13によって変換されたデジタル信号のうち、サンプリング期間内の交流電流信号に対応するデジタル信号を加算していき(ステップS106)、この結果得られた加算値を、上記ステップS102で登録された設定用電流値に対応付けて設定作業用メモリ32に登録する(ステップS107)。
続いて、加算部14は、係数と定数の総数分の設定用電流値および加算値が設定作業用メモリ32に登録されたか否かを判定する(ステップS108)。この判定がNOである場合(ステップS108;NO)には、処理を上述したステップS102に移行する。
一方、上記ステップS108の判定で係数と定数の総数分の設定用電流値および加算値が設定作業用メモリ32に登録されたと判定された場合(ステップS108;YES)に、係数・定数算出部19は、変換関数メモリ31に登録された電流値変換関数、設定作業用メモリ32に登録された各設定用電流値および各加算値を用いて、電流値変換関数に含まれる係数aおよび定数bを算出する(ステップS109)。
続いて、係数・定数算出部19は、算出した係数aおよび定数bを変換関数メモリ31に登録する(ステップS110)。
続いて、処理モード切替部17は、ユーザから入力された操作指示にしたがって処理モードをパラメタ設定モードから電流計測モードに切り替える(ステップS111)。
次に、図5を参照して、実施形態における電流計測処理の処理手順について説明する。図5は、電流計測処理の処理手順を示すフローチャートである。
最初に、入力部11から交流電流信号が入力される(ステップS201)と、整流部12は、入力された交流電流信号を全波整流する(ステップS202)。
続いて、A/D変換部13は、整流部12によって全波整流された信号をデジタル信号に変換する(ステップS203)。
続いて、加算部14は、A/D変換部13によって変換されたデジタル信号のうち、サンプリング期間内の交流電流信号に対応するデジタル信号を加算していく(ステップS204)。
続いて、電流値変換部15は、加算部14によって加算された加算値を、変換関数メモリ31に登録されている電流値変換関数を用いて電流平均値に変換する(ステップS205)。
続いて、出力部16は、電流値変換部15によって変換された電流平均値を、電流値の計測結果として外部に出力する(ステップS206)。
上述してきたように、実施形態の電流計測装置1によれば、電流値の計測対象となる50Hzの交流電流信号と60Hzの交流電流信号の各周期の公倍数をサンプリング期間とし、このサンプリング期間の交流電流信号に対応するデジタル信号を加算することができるため、加算の結果得られる加算値を各交流電流信号間で同値にすることができる。これにより、それぞれ周期が異なる複数の交流電流信号の電流値を、それぞれの交流電流信号に共通の電流値変換関数を用いて求めることができるため、周期が異なる交流電流信号ごとに設定を変更する手間を省くことができる。
また、実施形態の電流計測装置1によれば、電流値を計測する際に用いる電流値変換関数を、加算値と電流平均値とが1対1に対応するように決定するとともに、電流値変換関数に含まれる係数および定数を、各交流電流信号で共通の係数および定数に設定することができる。したがって、交流電流信号の特性や電流計測装置1のハードウェア特性によって加算値と電流平均値との相関関係にずれが生ずる場合があっても、上記電流値変換関数を用いて変換することで、電流計測装置1ごとに生じ得るずれを解消させることが可能となる。これにより、電流計測装置1の計測精度を向上させることが可能となる。
なお、上述した実施形態では、電流値変換関数を用いて加算値Xを電流平均値I
AVに変換しているが、電流平均値I
AVに変換することには限定されず、例えば、電流実効値I
rmsに変換することとしてもよい。この場合の電流値変換関数は以下の数8に示す式で表すことができる。
上記数8に示すXは二乗の加算値となる。したがって、本変形例における加算部14は、A/D変換部13によって変換されたデジタル信号のうち、サンプリング期間内の交流電流信号に対応するデジタル信号を二乗してから加算していくことになる。なお、Xが二乗の加算値で表されることにより、aX+bは二次式の関数となるが、aX+bの平方根をとることで、数8に示す電流変換関数は、実質的に一次式の関数として扱うことができる。つまり、上述した実施形態と同様にして、上記数6に示す式を用いて係数aを算出し、上記数7に示す式を用いて定数bを算出することができる。
また、図3に示した実施形態における電流計測装置1の構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができる。例えば、電流計測装置1の制御部10の機能をソフトウェアとして実装し、これをコンピュータで実行することにより、電流計測装置1と同等の機能を実現することとしてもよい。以下に、制御部10の各種機能をソフトウェアとして実装した電流計測プログラム171を実行するコンピュータの一例を示す。
図6は、電流計測プログラム171を実行するコンピュータの構成図である。このコンピュータ100は、各種演算処理を実行するCPU110と、ユーザからのデータの入力を受け付ける入力装置120と、各種情報を表示するディスプレイ130と、記録媒体からプログラム等を読み取る媒体読取装置140と、ネットワークを介して他のコンピュータとの間でデータの送受信をおこなう通信装置150と、各種情報を一時的に記憶するRAM160と、ハードディスク装置170とをバス180で接続して構成される。
ハードディスク装置170には、図3に示す制御部10と同様の機能を有する電流計測プログラム171と、図3に示す記憶部30に記憶される各種データに対応する電流計測用データ172とが記憶される。なお、電流計測用データ172を、適宜分散させ、ネットワークを介して接続された他のコンピュータに記憶させることとしてもよい。
CPU110が電流計測プログラム171をハードディスク装置170から読み出してRAM160に展開することで、電流計測プログラム171は、電流計測プロセス161として機能する。電流計測プロセス161は、ハードディスク装置170から読み出した電流計測用データ172等を適宜RAM160に展開し、この展開したデータ等に基づいて各種処理を実行する。
なお、電流計測プログラム171は、必ずしもハードディスク装置170に格納されている必要はない。例えば、CD−ROM等の記憶媒体に記憶された電流計測プログラム171を、コンピュータ100が読み出して実行することとしてもよい。また、例えば、公衆回線、インターネット、LAN、WAN等のネットワークを介してコンピュータ100に接続される他のコンピュータに電流計測プログラム171を記憶させ、コンピュータ100が他のコンピュータから電流計測プログラム171を読み出して実行することとしてもよい。
また、本発明は、電流以外の交流信号の測定にも応用することができる。例えば、周波数が既知である複数の波形信号(音、振動、光など)の計測に本発明を適用した場合にも、本発明と同様の作用効果が得られることは容易に理解することができる。