JP2013200252A - 電力計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力測定装置には、磁気センサから出力される検出電圧を増幅する増幅器と、増幅器の出力をAD変換するAD変換器、検出電圧のゲインを判断するゲイン判断回路が含まれる。増幅器はゲイン判断回路から出力されるゲインに応じた可変の増幅率で検出電圧を増幅し、増幅された検出電圧がAD変換器に入力される。このため、AD変換器の分解能を最大限利用して負荷電力の測定が正確に行える。
【選択図】図2
Description
アンプ)と、前記磁気センサの電圧出力端と前記演算増幅回路の反転入力端子との間に直列に接続された第1抵抗と第2抵抗と、前記演算増幅回路の出力端と反転入力端子との間に接続される第3抵抗と、ゲイン切替スイッチ回路とで構成される。前記増幅器の出力端子が前記のAD変換器の入力端に接続される。前記ゲイン切替スイッチ回路は、反転入力端子が第1抵抗と第2抵抗との直列回路を介して前記磁気センサの出力端に接続されると共に、第1抵抗と第2抵抗の直列回路と反転入力端子との間の接続点と出力端子との間に第3抵抗が接続される第1の状態を有する。さらに、反転入力端子が第1抵抗を介して前記磁気センサの出力端に接続されると共に、演算増幅回路の出力端子と反転入力端子との間に、第2抵抗と第3抵抗との直列回路が帰還抵抗として接続される第2の状態とを有する。前記ゲイン切替スイッチ回路は、第1の状態と第2の状態を切り替えるように構成される。前記ゲイン切替スイッチ回路は、前記ゲインが所定値以下の時に上記の第1の状態に切り替わり、それ以外の時には第2の状態に切り替えられるように構成されたことを特徴とする。
上記のオフセット電圧補正部は、前記入力切替スイッチが切断状態の時に、前記増幅器や前記AD変換器を経て前記演算器へ送られる検出電圧に含まれるオフセット電圧を求める補正モードを作りだすように構成される。上記のオフセット電圧補正部は、前記入力切替スイッチが接続状態の時に、前記の演算器に入力される検出電圧から上記のオフセット電圧を減じる電力測定モードを作り出すように構成されたことを特徴とする。
本発明の電力計測装置150は、外部電源を負荷300に接続する負荷線路310を流れる負荷電流によって変動する磁界の変化を利用して負荷300へ供給される負荷電力320を計測するものである。磁界の変化を検出する素子として磁気抵抗素子15やホール素子450が使用される。この種の磁気センサ10に、外部電源からの電流を流すと共に、外部電源を負荷300に接続する負荷線路310の一部を磁気センサ10に近接配置すると、負荷線路310を流れる負荷電流によって発生する磁界の影響を受けて、磁気センサ10に流れる電流が変化する。この変化に対応する電圧が磁気センサ10から出力される。磁気センサ10から出力される検出電圧(V)は、一般に、負荷300に供給される電力を表す成分(P)と、磁気センサ10に固有のパラメータ(K)との積として表される(V=P・K)。従って、負荷電力(P)は、検出電圧(V)をパラメータ(K)で除算することによって求められる(P=V/K)。本発明はこの原理を利用して、負荷で消費される電力を計測するように構成されたものある。
を使用する。磁気抵抗素子15は平面内に配列され、線路保持具210で保持される負荷線路310の一部が、図1に示すように、この平面と平行となるように、磁気抵抗素子15に近接配置される。フルブリッジ回路の第1電流入力端11と第2電流入力端12は外部電源からの電流が入力されるように電流制限抵抗110を介して電源入力端子111で接続され、フルブリッジ回路の第1電圧出力端13と第2電圧出力端14は増幅器20に接続される。フルブリッジ回路は、負荷線路310の一部に近接して配置される結果、負荷線路310を流れる電流によって磁気抵抗素子15の抵抗値が変化し、ブリッジ回路の第1電圧出力端13と第2電圧出力端14の間に検出電圧が発生するように構成され、この検出電圧が増幅器20に入力される。
ものである。磁気センサ10の電圧出力端13と演算増幅回路25の反転入力端子との間には、直列に接続された第1抵抗26と第2抵抗27とを備える。さらに、演算増幅回路25の出力端と反転入力端子との間には、第3抵抗28が備えられる。増幅器20の出力端がAD変換器40の入力端に接続される。ゲイン切替スイッチ回路21は、第1の状態と第2の状態を切り替えるように構成されている。第1の状態は、図5(A)に示すように、反転入力端子が第1抵抗26と第2抵抗27との直列回路を介して磁気センサ10の電圧出力端13に接続されると共に、第2抵抗27と反転入力端子との間の接続点24と演算増幅回路25の出力端子との間に第3抵抗28が接続される。第2の状態は、図5(B)に示すように、反転入力端子が第1抵抗26を介して磁気センサ10の電圧出力端13に接続されると共に、演算増幅回路25の出力端子と反転入力端子との間に、第2抵抗27と第3抵抗28との直列回路が帰還抵抗として接続される。ゲイン切替スイッチ回路21は、ゲインが所定値以下の時に第1の状態に切り替わり、それ以外の時には第2の状態に切り替えられるように構成している。ゲインの大きさは、素子の出力によって決まる。素子の出力が小さいときには高ゲインとなり、素子の出力が大きいときには、低ゲインとなる。ゲインの所定値の判断は、後に述べるゲイン判断回路60で行われており、判断結果がゲイン切替スイッチ回路21に伝達される。このように、磁気センサ10から出力される検出電圧の大きさによって、ゲインの大きさを可変できることで、検出電圧が比較的小さい場合でも、電力測定を正確に行うことが可能となる。
選択的に出力する係数切替回路83とで構成されている。
、増幅器20には、使用する場所の温度によって変動するDC電圧成分が含まれるため、このDC電圧成分を取り除くことで、温度変化による出力誤差を無くすことができる。
値の変動を表す出力電圧を大きくすることができる。
(第2の実施形態)
本実施形態に係る電力計測装置は、磁気センサ10に加えて、外部電源との接続のための端子及び増幅器20との接続のための端子が一体に形成されたセンサユニット18の外部に、磁界付与手段を配置した構成を備える。図9のように、磁界付与手段はセンサユニット18の両側に配置された一対の永久磁石400で規定され、4つの磁気抵抗素子15が配列された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界(Hb)を与える。磁気センサ10に近接配置される負荷線路310の一部は、ここを流れる電流によって発生する磁界とバイアス磁界(Hb)が直交するように、線路保持具210によって位置決めされる。この構成により、磁界付与手段によってバイアス磁界(Hb)が均等に磁気センサ10に影響を与え、ぞれぞれの磁気抵抗素子15からの出力特性を安定にすることができる。このように、磁気センサ10へバイアス磁界(Hb)をかけることで、突入電流などの大電流が印加された場合も磁化反転が起こらず、安定した電力計測が可能である。この場合、磁気抵抗素子15として強磁性の抵抗素子を使用するのが望ましい。
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る電力計測装置は、第2の実施形態で使用する構成の磁気センサ10を使用し、図10示すように、磁界付与手段としての単一の永久磁石400をセンサユニット18の背面に配置してセンサユニット18と永久磁石400とが一つのブロックとして実現されている。この実施形態においても、4つの磁気抵抗素子15が配置された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界(Hb)を与え、このバイアス磁界(Hb)は、線路保持具210によって位置決めされる負荷線路310の一部を流れる電流によって発生する磁界と直交する。
(第4の実施形態)
本実施形態に係る電力計測装置は、基本的に、第3の実施形態と同一であり、異なる点は、図11に示すように、センサユニット18両側に一対のヨーク410を配置したことである。このヨーク410は、永久磁石400の磁極端に対応する位置に配置され、永久磁石400で発生する外部直流磁界の漏れ磁束を吸収し、効率的に磁気センサ10へ外部直流磁界を作用させるもので、磁気効率を向上させる。この結果、比較的小さな永久磁石400の使用が可能となり、センサユニット18の小型化が達成される。この実施形態に
おいても、磁気抵抗素子15として強磁性抵抗素子を使用するのが望ましい。
(第5の実施形態)
本実施形態に係る電力計測装置では、第2の実施形態で使用する構成の磁気センサ10を使用し、図12に示すように、磁界付与手段を構成する一対の永久磁石400をセンサユニット18の前面と背面とに配置してセンサユニット18と永久磁石400とが一つのブロックとして実現されている。この実施形態においても、4つの磁気抵抗素子15が配置された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界(Hb)を与え、このバイアス磁界(Hb)は、線路保持具210によって位置決めされる負荷線路310の一部を流れる電流によって発生する磁界と直交する。本実施形態においても、磁気抵抗素子15として強磁性の抵抗素子を使用するのが望ましい。
(第6の実施形態)
本実施形態に係る電力計測装置は、基本的に第5の実施形態と同一であり、異なる点は、図13に示すように、センサユニット18両側に一対のヨーク410を配置したことである。このヨーク410は、2つの永久磁石400の同極の磁極端間に配置され、永久磁石400で発生する外部直流磁界の漏れ磁束を吸収し、効率的に磁気センサへ外部直流磁界を作用させるもので、磁気効率を向上させる。この結果、比較的小さな永久磁石の使用が可能となり、センサユニット17の小型化が達成される。この実施形態においても、磁気抵抗素子15として強磁性抵抗素子を使用するのが望ましい。
(第7の実施形態)
本実施形態に係る電力計測装置は、図14に示すように、ガラス基板16上に、第1の実施形態と同じ構成の磁気センサ10と共に、一対の永久磁石400を磁気センサ10の両側に実装した構造を備える。永久磁石400は、前述の実施形態と同様に、4つの磁気抵抗素子15が配列された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界(Hb)を与える外部直流磁界付与手段を規定する。この実施形態においては、つや消しされたガラス基板16上にNiCo薄膜からなるミアンダ形状パターンの磁気抵抗素子15と、NdFeBの永久磁石400とが形成される。
(第8の実施形態)
本実施形態に係る電力計測装置では、図15に示すように、第1の実施形態と同様の構成の磁気センサ10が埋設された絶縁薄膜17を一対の磁性薄膜19で挟んだ構造のセンサユニット18をガラス基板16上に形成した構造を備える。磁性薄膜は、4つの磁気抵抗素子15が配列された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界(Hb)を与える磁界付与手段を構成する。磁気センサ10に近接配置される負荷線路310の一部は、ここを流れる電流によって発生する磁界とバイアス磁界(Hb)が直交するように、線路保持具210によって位置決めされる。この構成によれば、センサユニット18を薄膜構造体とし実現でき、装置全体の薄型化が達成される。
(第9の実施形態)
本実施形態は、図16乃至図18に示すように、4つの磁気抵抗素子15が円環状に連続した磁気抵抗環510とその内側に配置された円形の補助抵抗素子520とが同一平面
上に配列された磁気センサ10を使用する。この磁気センサ10に近接配置される負荷線路310の一部は、磁気抵抗環510の直径方向に沿うように配置され、この負荷線路310に平行となる磁気抵抗環510の直径方向の両端が外部電源への接続用の入力端530となり、負荷線路310と直行する方向に一致する磁気抵抗環510の直径方向の両端が検出電圧の出力端540となる。磁気抵抗環510及び補助抵抗素子520は、ガラス基板やシリコン基板の上に形成される薄膜によって形成される。磁気抵抗環510の内部空間に電気的に隔離された補助抵抗素子520は、磁気抵抗環510の電気抵抗値に影響を及ぼすものではないが、磁気的には磁性抵抗環510と結合することにより、多くの磁束を発生させることができ、磁気センサ10の高感度化を図ることができる。
(第10の実施形態)
本実施形態では、図18に示すように、4つの磁気抵抗素子15が正方形に配列された磁気抵抗環550を備える磁気センサ10が使用される。この磁気センサ10に近接配置される負荷線路310の一部は、磁気抵抗環550の一つの対角線に沿うように配置され、この負荷線路310に平行となる磁気抵抗環550の対角線の両端が外部電源への接続用の入力端570となり、負荷線路310と直行する方向に一致する磁気抵抗環550の対角線の両端が検出電圧の出力端580となる。磁気抵抗環550及び補助抵抗素子560は、ガラス基板やシリコン基板の上に形成される薄膜によって形成される。
(第11の実施形態)
本実施形態は、磁気抵抗素子15に代えてホール素子450で磁気センサ10を構成した例を示す。その他の構成及び作用は、図2に示す実施形態と同様であるため、その説明を省略する。ここで使用するホール素子450も前述の実施形態の磁気センサ10と同様に、入力端と出力端を備え、負荷線路の一部に近接配置される。このホール素子450の入力端は外部電源へ電流制限抵抗を介して接続されることで、外部電源からの電流が入力される。このホール素子450は負荷線路を流れる電流によって発生する磁界の影響を受けて変動する検出電圧を出力端から出力する。この検出電圧は、第1の実施形態と同様の成分を含むことから、第1の実施形態と同様の増幅器20、AD変換器40、フィルタ30、電力演算器100を使用して、負荷電力が算出される。この場合、図20に示すように、ホール素子450の最も広い面に対して、負荷線路310を流れる電流によって発生する磁界が直行するように、線路保持具210によって、負荷線路310の一部をホール素子450に対して位置決めすることが望まれる。
11 電流入力端(第1電流入力端)
12 電流入力端(第2電流入力端)
13 電圧出力端(第1電圧出力端)
14 電圧出力端(第2電圧出力端)
15 磁気抵抗素子
20 増幅器
21 ゲイン切替スイッチ回路
24 接続点
25 演算増幅回路(OPアンプ)
26 第1抵抗
27 第2抵抗
28 第3抵抗
30 フィルタ
40 AD変換器
60 ゲイン判断回路
70 オフセット電圧補正部
100 電力演算器
120 入力切替スイッチ
121 主切替スイッチ
125 副切替スイッチ
129 基準電位(接地電位)
150 電力計測装置
210 線路保持具
310 負荷線路
320 負荷電力
450 ホール素子
Claims (13)
- 負荷に接続された負荷線路を流れる電流によって変動する磁界の変化を利用して負荷へ供給される負荷電力を計測するための電力計測装置であって、
この電力計測装置は、
前記負荷線路の一部に近接配置される磁気センサと、
前記磁気センサから出力されるアナログの検出電圧を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力をデジタルの検出電圧に変換するAD変換器と、
前記AD変換器から出力される検出電圧に基づいて負荷電力を算出する電力演算器と、
前記磁気センサから出力される検出電圧の値の大小を示すゲインを判断するゲイン判断回路と、を備え、
前記増幅器は、前記ゲイン判断回路から出力されるゲインに応じた可変の増幅率で検出電圧を増幅するように構成されたことを特徴とする電力計測装置。 - 前記増幅器は、反転入力端子、非反転入力端子、出力端子を有する演算増幅回路(OPアンプ)と、
前記磁気センサの電圧出力端と前記演算増幅回路の反転入力端子との間に直列に接続された第1抵抗と第2抵抗と、
前記演算増幅回路の出力端と反転入力端子との間に接続される第3抵抗と、
ゲイン切替スイッチ回路とで構成され、
前記増幅器の出力端子が前記のAD変換器の入力端に接続され、
前記ゲイン切替スイッチ回路は、反転入力端子が第1抵抗と第2抵抗との直列回路を介して前記磁気センサの電圧出力端に接続されると共に、第1抵抗と第2抵抗の直列回路と反転入力端子との間の接続点と出力端子との間に第3抵抗が接続される第1の状態と、
反転入力端子が第1抵抗を介して前記磁気センサの出力端に接続されると共に、演算増幅回路の出力端子と反転入力端子との間に、第2抵抗と第3抵抗との直列回路が帰還抵抗として接続される第2の状態とを切り替えるように構成され、
前記ゲイン切替スイッチ回路は、前記ゲインが所定値以下の時に上記の第1の状態に切り替わり、それ以外の時には第2の状態に切り替えられるように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の電力計測装置。 - 前記電力計測装置は、オフセット電圧補正部を有し、
このオフセット電圧補正部は、前記磁気センサの電流入力端を外部電源に接続する接続状態と、前記磁気センサの電流入力端を前記外部電源から切り離す切断状態とを選択する入力切替スイッチとを備え、
上記のオフセット電圧補正部は、前記入力切替スイッチが切断状態の時に、前記増幅器や前記AD変換器を経て前記電力演算器へ送られる検出電圧に含まれるオフセット電圧を求める補正モードを作りだすように構成され、
上記のオフセット電圧補正部は、前記入力切替スイッチが接続状態の時に、前記の電力演算器に入力される検出電圧から上記のオフセット電圧を減じる電力測定モードを作り出すように構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の電力計測装置。 - 前記オフセット電圧補正部はモード切替手段とを含み、
前記入力切替スイッチは、主切替スイッチと副切替スイッチとで構成され、
前記主切替スイッチは、上記外部電源と前記磁気センサの電流入力端との間に挿入されて、外部電源と磁気センサの電流入力端との接続と切断を選択的に行うように構成され、
前記副切替スイッチは、前記主切替スイッチの前段で上記外部電源とこの外部電源よりも低い基準電位(接地電位のことです)との接続と切断を選択的に行うように構成され、
上記モード切替手段は、上記オフセット電圧の検出を行う補正モードと、負荷電力を計測する電力計測モードとを選択的に決定するように構成され、
上記モード切替手段は、補正モードを選択した時に、前記主切替スイッチが上記外部電源を磁気センサの電流入力端に接続した状態で、副切替スイッチを動作させて直流電源を前記基準電位に接続するように切り替えた後、前記主切替スイッチを上記外部電源から切り離すように構成され、
前記モード切替手段は、上記電力計測モードを選択した時に、前記副切替スイッチで上記外部電源を前記の基準電位に接続した状態で、前記主切替スイッチを上記外部電源に接続した後に、前記副切替スイッチで前記外部電源を前記基準電位から切断するように構成されたことを特徴とする請求項3に記載の電力計測装置。 - 前記磁気センサは、前記検出電圧にDC電圧成分、基本周波数成分及び高調波成分が含まれるように構成され、
前記電力演算器の前段に、前記検出電圧から基本周波数成分と高調波成分とを除去するフィルタが設けられたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電力計測装置。 - 前記外部電源は、所定の周波数を有する交流電源であり、
前記フィルタは、上記交流電源の周波数未満の周波数成分を通過させるローパスフィルタであることを特徴とする請求項4に記載の電力計測装置。 - 前記磁気センサは、負荷電流にて発生する磁界の影響を受けて、電気抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子で構成され、前記磁気抵抗素子の抵抗値の変化に応じた検出電圧を出力するように構成されたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電力計測装置。
- 上記磁気抵抗素子がフルブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路はその入力端が上記の外部電源に接続され、前記のブリッジ回路の出力端間に上記の検出電圧が発生するように構成されたことを特徴とする請求項6に記載の電力計測装置。
- 前記の磁気抵抗素子は薄膜抵抗素子であり、複数の薄膜抵抗素子が同一のセンサ配列面に配列され、
上記の負荷線路の一部を前記のセンサ配列面と平行な状態に保持するための線路保持具が備えられたことを特徴とする請求項7に記載の電力計測装置。 - 前記のフルブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子に対して一定の外部直流磁界を与えるための磁界付与手段を備えたことを特徴とする請求項7または8に記載の電力計測装置。
- 前記の磁界付与手段は、上記の磁気センサに近接する部位の負荷線路の周りに負荷線路を流れる負荷電流にて発生する磁界と直交する方向に上記の外部直流磁界を作用させるように構成されたことを特徴とする請求項9に記載の電力計測装置。
- 前記のフルブリッジ回路は、互いに90度の角度で接続された4つの線分のそれぞれに、前記の各磁気抵抗素子が位置するように構成され、
各線分での前記の磁気抵抗素子がミアンダ形状とされたことを
特徴とする請求項7から10のいずれかに記載の電力計測装置。 - 前記磁気センサはホール素子で構成され、
前記負荷線路の一部を前記ホール素子の面と垂直方向となるように保持する線路保持手段を備えたことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電力計測装置。
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