JP2014085241A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成によって、交流信号源からの電流を効率よく蓄電し、それを動作電力として交流信号源からの交流信号を高い精度で計測する。
【解決手段】電流トランス１２の一端が第１端子１１１に接続され、他端が第２端子１１２に接続され、第２端子１１２がグランド接続される。整流部１３０が電流トランス１２からの交流電流を整流済み電流に整流し、蓄電部１４０がこの整流済み電流の電荷を蓄電する。電流トランス１２の計測を行うときに抵抗Ｒ７の一端がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、この抵抗Ｒ７の他端にモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮが接続される。また電流トランス１２の計測を行うときにリレー回路ＳＳＲが第１端子１１１を抵抗Ｒ７の他端およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮに接続し、電流トランス１２の計測を行わないときにリレー回路ＳＳＲが第１端子１１１を抵抗Ｒ７およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮから分離する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流信号源からの交流信号を計測する技術に関し、特に、交流信号源からの電荷を蓄電して動作のための電力として利用する技術に関する。

電流トランス（ＣＴ：Current Trans）を用いて電線の電流値を計測する装置では、計測対象の電線を電流トランスに挿入し、電流トランスを計測部に接続し、マイクロコンピュータが計測部の出力から電線の電流値を推定する。一般にマイクロコンピュータや計測部は外部電源によって動作する。しかしながら、電流トランスからの微弱電流を蓄電部に蓄電し、そこから動作電力を得る技術も提案されている。さらに蓄電部の電圧値に応じ、計測の開始および停止を切り替える技術も提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２０１０−１８１３７８号公報

しかしながら、簡易な回路構成によって、電流トランスからの電流を効率よく蓄電し、それを動作電力とし、電流トランスからの交流信号を高い精度で計測する技術は存在しない。このことは電流トランスの電流値を計測する技術に限られたものではなく、交流信号源からの交流信号を計測する技術一般に共通する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、簡易な回路構成によって、交流信号源からの電流を効率よく蓄電し、それを動作電力とし、交流信号源からの交流信号を高い精度で計測する技術を提供する。

本発明では、交流信号源の一端に接続される第１端子と、グランドに接続され、交流信号源の他端に接続される第２端子と、第１端子に接続され、交流信号源からの交流電流を整流済み電流に整流する整流部と、整流部に接続され、整流部で得られた整流済み電流の電荷を蓄電する蓄電部と、交流信号源の計測を行うときに一端がグランドに接続される抵抗と、抵抗の他端に接続されたモニタリングラインと、第１端子に接続されており、交流信号源の計測を行うときに第１端子を抵抗の他端およびモニタリングラインに接続し、交流信号源の計測を行わないときに第１端子を抵抗およびモニタリングラインから分離するリレー回路と、交流信号源の計測を行うときに、蓄電部から動作電力が供給され、モニタリングラインの電圧に基づいた計測結果を得る計測処理部とを有する計測装置が提供される。

ここで、交流信号源の計測を行わないときに第１端子を抵抗およびモニタリングラインから分離することで、交流信号源で得られた電力が抵抗で消費されたり、交流信号源からの電流がモニタリングラインから漏洩したりすることを抑制できる。また、第２端子をグランドに接続し、交流信号源の計測を行うか否かに応じて第１端子を抵抗およびモニタリングラインに接続するか否かを切り替えることとするため、１個のリレー回路によって蓄電と計測とを切り替えることができる。さらに、第１端子に整流部が接続され、整流部に蓄電部が接続されているため、蓄電部への充電を開始するための動作に電力が消費されることはない。以上より、簡易な回路構成によって、交流信号源で得られた電力を効率よく蓄電できる。さらに、交流信号源の計測を行うときに第１端子が抵抗の他端およびモニタリングラインに直接接続され、モニタリングラインの電圧に基づいて測定を行うため、交流信号源からの交流信号を高い精度で計測できる。

このように本発明では、簡易な回路構成によって、交流信号源からの電流を効率よく蓄電し、それを動作電力として交流信号源からの交流信号を高い精度で計測できる。

図１は実施形態の計測装置を例示するブロック図である。 図２Ａは図１のマイクロコンピュータの詳細を例示する回路図であり、図２Ｂは図１の整流部１３０の詳細を例示する回路図である。 図３は図１の蓄電部および起動制御部の詳細を例示する回路図である。 図４は図１のアナログ電源制御部の詳細を例示する回路図である。 図５は図１の蓄電・計測制御部の詳細を例示する回路図である。 図６は図１の計測部の詳細を例示する回路図である。 図７は実施形態の計測装置の状態を説明するための図である。 図８は実施形態のマイクロコンピュータの処理を説明するためのフローチャートである。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
＜全体構成＞
図１に例示するように、本形態の計測装置１は、第１端子１１１、第２端子１１２、マイクロコンピュータ１２０（計測処理部）、整流部１３０、蓄電部１４０、起動制御部１５０、アナログ電源制御部１６０、蓄電・計測制御部１７０、および計測部１８０（計測処理部）を有する。本形態の電流トランス１２（交流信号源）は電流検出用のトランスである。電流トランス１２は二次巻線を備え、一次巻線として機能する測定対象の電線１３が挿入される。電線１３には商用電源電流などの交流電流が流れ、二次巻線の端子ＴＥＲ１，ＴＥＲ２の電圧を計測することで電線１３の電流値を得ることができる。

電流トランス１２の一端（端子ＴＥＲ１）は第１端子１１１に接続され、他端（端子ＴＥＲ２）は第２端子１１２に接続される。第２端子１１２は計測装置１に共通のグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。整流部１３０は、第１端子１１１、蓄電部１４０、およびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、電流トランス１２からの交流電流を整流済み電流に整流する。蓄電部１４０は、整流部１３０、起動制御部１５０、電源端子ＶＣＣ、およびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、整流部１３０で得られた整流済み電流の電荷を蓄電する。起動制御部１５０は、蓄電部１４０、マイクロコンピュータ１２０、およびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、マイクロコンピュータ１２０の起動を制御する。マイクロコンピュータ１２０は、起動制御部１５０、アナログ電源制御部１６０、電源端子ＶＣＣ、および計測部１８０に接続され、制御処理や演算処理を行う。アナログ電源制御部１６０は、マイクロコンピュータ１２０、蓄電・計測制御部１７０、計測部１８０、電源端子ＶＣＣ、およびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、蓄電・計測制御部１７０および計測部１８０の電源制御を行う。蓄電・計測制御部１７０は、アナログ電源制御部１６０、計測部１８０、第１端子１１１、およびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、蓄電および計測の切り替えを制御する。蓄電・計測制御部１７０は、電流トランス１２の計測を行うときに一端がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続される抵抗Ｒ７（但し、ＡＧＮＤとＣＴＲＬ＿ＧＮＤは計測時に接続される）、抵抗Ｒ７の他端に接続されたモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮ、および第１端子１１１に接続されたリレー回路ＳＳＲを有する。リレー回路ＳＳＲは、電流トランス１２の計測を行うときに第１端子１１１を抵抗Ｒ７の他端およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮに接続し、電流トランス１２の計測を行わないときに第１端子１１１を抵抗Ｒ７およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮから分離する。計測部１８０は、マイクロコンピュータ１２０、アナログ電源制御部１６０、および蓄電・計測制御部１７０に接続され、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの電圧に基づいた計測を行う。

＜マイクロコンピュータ１２０の構成例＞
本形態のマイクロコンピュータ１２０は、演算部、制御部、メモリ、および無線通信部を含み、メモリに格納されたプログラムを読み出して実行する。図２Ａに例示するように、マイクロコンピュータ１２０は、電源端子ＶＣＣ、端子ＡＤＣ４、端子ＤＩＯ１９、端子ＤＩＯ２０、および端子ＧＮＤに接続される。端子ＧＮＤは、起動制御部１５０によって、グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、または、グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤから切断される。

＜整流部１３０の構成例＞
図２Ｂに例示するように、本形態の整流部１３０は、コンデンサＣ５およびダイオードＤ２，Ｄ３から構成された半波倍電圧整流回路からなる。コンデンサＣ５の一端は第１端子１１１に接続され、他端はダイオードＤ２のアノードおよびダイオードＤ３のカソードに接続されている。ダイオードＤ３のアノードはグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。ダイオードＤ２のカソードはコンデンサＣ２の一端および端子ＰＷＲに接続され、コンデンサＣ２の他端はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。

＜蓄電部１４０および起動制御部１５０の構成例＞
図３に例示するように、蓄電部１４０は電界コンデンサＣ３を有し、起動制御部１５０は、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、コンデンサＣ１、ｎ型のＦＥＴスイッチＴ１，Ｔ２、および集積回路ＩＣ１を有する。電界コンデンサＣ３の正極端子は、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の一端および電源端子ＶＣＣに接続されている。電界コンデンサＣ３の負極端子はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。抵抗Ｒ２の他端は集積回路ＩＣ１の端子ＶＩＮおよびコンデンサＣ１の一端に接続され、コンデンサＣ１の他端はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。抵抗Ｒ３の他端は集積回路ＩＣ１の端子ＶＯＵＴおよびＦＥＴスイッチＴ１のゲートに接続され、抵抗Ｒ４の他端は端子ＤＩＯ２０およびＦＥＴスイッチＴ２のゲートに接続されている。ＦＥＴスイッチＴ１のソースはグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、ドレインは端子ＧＮＤに接続されている。ＦＥＴスイッチＴ２のソースはグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、ドレインは集積回路ＩＣ１の端子ＶＳＳに接続されている。

＜アナログ電源制御部１６０の構成例＞
図４に例示するように、アナログ電源制御部１６０は、抵抗Ｒ６，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０，Ｒ１３、Ｐ型のＦＥＴスイッチＱ１，Ｑ２、およびｎ型のＦＥＴスイッチＴ３を有する。端子ＤＩＯ１９が抵抗Ｒ６，Ｒ８，Ｒ１３の一端に接続されている。抵抗Ｒ６の他端は電源端子ＶＣＣおよびＦＥＴスイッチＱ１のソースに接続され、抵抗Ｒ８の他端はＦＥＴスイッチＱ１のゲートに接続され、抵抗Ｒ１３の他端はＦＥＴスイッチＱ２のゲートに接続されている。ＦＥＴスイッチＱ１のドレインは抵抗Ｒ９，Ｒ１０の一端および端子Ａ＿ＳＴＡTに接続され、抵抗Ｒ９の他端はＦＥＴスイッチＴ３のゲートに接続され、抵抗Ｒ１０の他端はＦＥＴスイッチＴ３のソースおよびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。ＦＥＴスイッチＴ３のドレインは端子ＡＧＮＤに接続されている。ＦＥＴスイッチＱ２のソースは電源端子ＶＣＣに接続され、ドレインは端子Ｖ＋に接続されている。

＜蓄電・計測制御部１７０の構成例＞
図５に例示するように、蓄電・計測制御部１７０は、抵抗Ｒ５，Ｒ７、およびリレー回路ＳＳＲを有する。リレー回路ＳＳＲの例はソリッドステートリレー等の半導体リレーや電磁リレーなどである。リレー回路ＳＳＲの入力回路側の一方の端子ＩＮ１は抵抗Ｒ５を介して端子Ａ＿ＳＴＡＴに接続され、他方の端子ＩＮ２はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されている。リレー回路ＳＳＲの出力回路側の一方の端子ＯＵＴ１は第１端子１１１に接続され、他方の端子ＯＵＴ２は抵抗Ｒ７の一端およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの一端に接続されている。抵抗Ｒ７の他端は端子ＡＧＮＤに接続されている。

＜計測部１８０の構成例＞
図６に例示するように、計測部１８０は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１４，Ｒ１５、可変抵抗器ＶＲ、コンデンサＣ７、およびオペアンプＯＰ１Ｂを有し、これらは反転増幅回路を構成している。抵抗Ｒ１１の一端は端子Ｖ＋に接続され、他端は可変抵抗器ＶＲの一方の固定端子に接続されている。可変抵抗器ＶＲの他方の固定端子は端子ＡＧＮＤに接続され、可変端子はオペアンプＯＰ１Ｂの非反転入力端子（＋）に接続されている。オペアンプＯＰ１Ｂの反転入力端子（−）は抵抗Ｒ１４，１５およびコンデンサＣ７の一端に接続されている。抵抗Ｒ１４の他端はモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの他端に接続され、オペアンプＯＰ１Ｂの出力端子は抵抗Ｒ１５およびコンデンサＣ７の他端および端子ＡＤＣ４に接続されている。可変抵抗器ＶＲは、端子Ｖ＋が電源端子ＶＣＣに接続され、端子ＡＧＮＤがグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されたときに、グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤを基準とした入力オフセット電圧がオペアンプＯＰ１Ｂの非反転入力端子（＋）に印加されるように調整されている。

＜動作の概要＞
図７に例示するように、本形態の計測装置１は、電流トランス１２からの微弱電流を蓄電部１４０に蓄電する蓄電モード、電流トランス１２の交流信号を計測する計測モード、マイクロコンピュータ１２０を低消費電力状態にするスリープモードを遷移する。

蓄電モードでは、電流トランス１２からの交流電流が整流部１３０で整流済み電流に整流され、得られた整流済み電流が蓄電部１４０に蓄電される。蓄電モードでは電流トランス１２の計測は行われず、リレー回路ＳＳＲが第１端子１１１から抵抗Ｒ７およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮを分離する。これにより、蓄電時に電流トランス１２からの交流電流が抵抗Ｒ７で消費されたり、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮから漏洩したりすることを防止する。また蓄電モードでは、起動制御部１５０がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤから端子ＧＮＤを切断する。これによってマイクロコンピュータ１２０がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに未接続な状態（浮いている状態）となり、非活性状態となるため、マイクロコンピュータ１２０で電力が消費されない。さらにアナログ電源制御部１６０がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤから端子ＡＧＮＤを切断し、電源端子ＶＣＣから端子Ｖ＋を切断する。これによって計測部１８０が電源端子ＶＣＣおよびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに未接続な状態となるため、計測部１８０でも電力が消費されない。よって蓄電モードでは、電流トランス１２からの電流を効率よく蓄電部１４０に蓄電できる。

蓄電部１４０の電圧（グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤを基準とした電圧）が第１値以上となると、電流トランス１２の計測を行う計測モードに遷移する。計測モードでは、起動制御部１５０が端子ＧＮＤをグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続し、蓄電部１４０からマイクロコンピュータ１２０に動作電力を供給してマイクロコンピュータ１２０を活性状態にする。さらに、アナログ電源制御部１６０が端子Ｖ＋および端子ＡＧＮＤを電源端子ＶＣＣおよびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤにそれぞれ接続する。これによって、計測部１８０が電源端子ＶＣＣおよびグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されて蓄電部１４０から計測部１８０に動作電力が供給されるとともに、抵抗Ｒ７の一端がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続される。また、リレー回路ＳＳＲが、抵抗Ｒ７の他端およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮを第１端子１１１に接続する。計測部１８０はモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの電圧に基づいた計測を行い、マイクロコンピュータ１２０がその計測結果に基づいた演算を行って計測結果を得る。マイクロコンピュータ１２０は計測結果を無線伝送する。

計測結果が無線伝送されるとスリープモードに遷移する。スリープモードでは、一定時間だけマイクロコンピュータ１２０が低消費電力状態とされる。その後、蓄電部１４０の電圧が第２値以下となれば蓄電モードに遷移し、蓄電部１４０の電圧が第２値以下でなければ計測モードに遷移する。第１値と第２値とは同じであってもよいし、異なってもよい。ただし、計測モード状態を十分な長さ維持するために、第１値が第２値よりも大きいことが望ましい。

計測モードでは、抵抗Ｒ７の電圧の最大値が「蓄電部１４０の電圧」と「整流部１３０の順方向電圧」との和よりも小さければ、電流トランス１２から蓄電部１４０側に電流が流れることはなく、高い精度で測定を行うことができる。そのため、抵抗Ｒ７の電圧の最大値は、第１値と整流部１３０の順方向電圧との和よりも小さいことが望ましく、第２値と整流部の順方向電圧との和よりも小さいことがより望ましい。

蓄電部１４０の電圧が第１値以上であるか否かの判定や、蓄電部１４０の電圧が第２値以下であるか否かの判定は、蓄電部１４０の電圧そのものを閾値と比較して行ってもよいし、蓄電部１４０の電圧に対応する電圧を閾値と比較して行ってもよい。すなわち、必ずしも蓄電部１４０の電圧そのものを検出してこれらの判定を行う必要はない。第１値の例は集積回路Ｃ１の閾値、第２値の例はマイクロコンピュータ１２０の動作下限電圧である。

＜動作の詳細＞
次に動作の詳細を例示する。
［蓄電モード］
蓄電モードでは、整流部１３０が電流トランス１２で得られた交流電流を整流し、蓄電部１４０の電界コンデンサＣ３に蓄電する（図２Ｂおよび図３）。

［蓄電モードから計測モードへの遷移］
起動制御部１５０は電界コンデンサＣ３の電圧を監視する。この例では端子ＶＩＮの電圧を閾値電圧ＴＨＲ１（例えば、３．４Ｖ）と比較することで、電界コンデンサＣ３の電圧が第１値以上であるか否かを判定する。以下に詳細を説明する。

集積回路ＩＣ１の端子ＶＩＮの電圧（蓄電部１４０の電圧に対応する電圧）が閾値電圧ＴＨＲ１未満の場合、集積回路ＩＣ１は端子ＶＳＳと端子ＶＯＵＴとの間を導通状態にする。一方、端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１以上の場合、集積回路ＩＣ１は端子ＶＳＳと端子ＶＯＵＴとの間を非導通状態にする。

端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１未満（ＶＳＳ−ＶＯＵＴ間が導通状態）の場合、ＦＥＴスイッチＴ１のゲートは端子ＧＮＤと同電位であるため、ＦＥＴスイッチＴ１はＯＦＦ状態にあり、端子ＧＮＤはグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに導通しない。すなわち、マイクロコンピュータ１２０はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに未接続であるために非活性状態であり、マイクロコンピュータ１２０の各回路ブロックは、原則としてグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤを基準とした電源端子ＶＣＣの電位となる。

端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１以上（ＶＳＳ−ＶＯＵＴ間が非導通状態）の場合、ＦＥＴスイッチＴ１のゲートは電源端子ＶＣＣと同電位となるため、ＦＥＴスイッチＴ１はＯＮ状態にあり、端子ＧＮＤはグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに導通する。これにより、マイクロコンピュータ１２０に接続された電源端子ＶＣＣと端子ＧＮＤとの間に電位差が生じ、マイクロコンピュータ１２０が起動して活性状態となる。

ＦＥＴスイッチＴ２は、マイクロコンピュータ１２０が活性状態になった後に集積回路ＩＣ１を不活性状態にし、集積回路ＩＣ１での消費電力を抑制する。すなわち、マイクロコンピュータ１２０が活性状態になるまでは、端子ＤＩＯ２０およびＦＥＴスイッチＴ２のゲートは電源端子ＶＣＣと同電位にある。この場合、ＦＥＴスイッチＴ２はＯＮ状態にあり、ＦＥＴスイッチＴ２のソースとドレインとは導通し、ＶＳＳ端子はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに導通するため、集積回路ＩＣ１は活性状態にある。マイクロコンピュータ１２０が活性状態となった直後、マイクロコンピュータ１２０は端子ＤＩＯ２０をＨｉ電位（電源端子ＶＣＣと同電位）にしているため、ＦＥＴスイッチＴ２はＯＮ状態を維持し、集積回路ＩＣ１は活性状態を維持する。その後、マイクロコンピュータ１２０は端子ＤＩＯ２０をＬｏ電位（グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤと同電位）に設定し、ＦＥＴスイッチＴ２をＯＦＦ状態にする。これにより、集積回路ＩＣ１のＶＳＳ端子がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに未接続な状態（浮いている状態）となるため、集積回路ＩＣ１は非活性状態となる。さらに集積回路ＩＣ１のＶＯＵＴ端子がＨｉ電位（電源端子ＶＣＣと同電位）となるため、ＦＥＴスイッチＴ１はＯＮ状態を維持し、マイクロコンピュータ１２０は活性状態を維持する。

上述のように、端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１以上となり、マイクロコンピュータ１２０が活性状態となった直後（ＤＩＯ２０がＨｉ電位の間）、集積回路ＩＣ１は活性状態にある。また、マイクロコンピュータ１２０は電界コンデンサＣ３の電荷を利用して稼働するため、マイクロコンピュータ１２０が活性状態となった直後、電源端子ＶＣＣの電圧が急激に低下し、それによって端子ＶＩＮの電圧も急激に低下する。集積回路ＩＣ１が活性状態にあるときに、集積回路ＩＣ１が端子ＶＩＮの電圧が閾値未満であると判断してしまうと、ＶＳＳ−ＶＯＵＴ間が導通状態となり、ＦＥＴスイッチＴ１がＯＦＦ状態となり、マイクロコンピュータ１２０が再び非活性状態となってしまう。このことが頻繁に発生すると、安定した計測を行うことが困難となる。このことを防止するため、この例では以下の２つの手段を用いる。

第１の手段では、集積回路ＩＣ１のヒステリシス動作を利用する。すなわち、閾値電圧ＴＨＲ１（例えば、３．４Ｖ）以外に、閾値電圧ＴＨＲ１よりも小さな閾値電圧ＴＨＲ２（例えば、３．３Ｖ）を設定する。集積回路ＩＣ１は、端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１未満のときに端子ＶＳＳと端子ＶＯＵＴとの間を導通状態にし、端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１以上となった場合に、端子ＶＳＳと端子ＶＯＵＴとの間を非導通状態にする。その後、集積回路ＩＣ１が活性状態を維持している間に端子ＶＩＮの電圧が低下して閾値電圧ＴＨＲ１に達しても、集積回路ＩＣ１は端子ＶＳＳと端子ＶＯＵＴとの間の非導通状態を維持する。さらにその後、集積回路ＩＣ１が活性状態を維持している間に端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ２未満となった場合、集積回路ＩＣ１は端子ＶＳＳと端子ＶＯＵＴとの間を導通状態にする。

第２の手段では、時定数回路を用いる。図３に例示した集積回路ＩＣ１の端子ＶＩＮには、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ２が接続されているが、これらは端子ＶＩＮの電圧を急激に低下させないための時定数回路である。これにより、端子ＶＩＮの電圧が急激に低下することを防止する。ただし、環境によっては、第１の手段および第２の手段の何れか一方のみを用いる構成であってもよいし、第１の手段および第２の手段の何れも用いない構成であってもよい。第１の手段および第２の手段の何れも用いない場合には、例えば、集積回路ＩＣ１は、検出電圧の検知後一定時間検知状態を維持する。

［計測モード］
マイクロコンピュータ１２０の起動後、マイクロコンピュータ１２０は端子ＤＩＯ１９をＬｏ電位（グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤと同電位）に設定する。これにより、アナログ電源制御部１６０による計測部１８０への電力供給、および蓄電・計測制御部１７０による電流トランス１２の交流電流の計測部１８０への供給が行われる。

マイクロコンピュータ１２０の起動時には、端子ＤＩＯ１９はＨｉ電位（電源端子ＶＣＣと同電位）である。この場合、アナログ電源制御部１６０（図４）のＦＥＴスイッチＱ１，Ｑ２，Ｔ３はいずれもＯＦＦ状態（非導通状態）であり、端子Ｖ＋が電源端子ＶＣＣに接続されておらず、端子ＡＧＮＤもグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されていない状態（浮いている状態）にある。よって、計測部１８０は稼働しておらず、さらに、蓄電・計測制御部１７０の抵抗Ｒ７はグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続されていない（図５および図６）。

マイクロコンピュータ１２０が端子ＤＩＯ１９をＬｏ電位に設定すると、ＦＥＴスイッチＱ１，Ｑ２，Ｔ３はいずれもＯＮ状態（導通状態）となる。これにより、端子Ｖ＋が電源端子ＶＣＣに接続され、端子ＡＧＮＤがグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、計測部１８０が活性状態となる。また、蓄電・計測制御部１７０の抵抗Ｒ７の一端が端子ＡＧＮＤを介してグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続される（図５および図６）。また端子ＤＩＯ１９がＬｏ電位になると、端子Ａ＿ＳＴＡTが電源端子ＶＣＣと同電位となるため（図４）、リレー回路ＳＳＲの端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ2間が接続される。これにより、電流トランス１２の端子ＴＥＲ１が接続された第１端子１１１に、抵抗Ｒ７の他端およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの一端が接続される。

前述のように、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの他端は計測部１８０の反転増幅回路に接続されている（図６）。計測部１８０は、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮの電圧に基づいて電流トランス１２の信号波形を計測する。計測結果を表す電圧波形は、オペアンプＯＰ１Ｂの出力端子から端子ＡＤＣ４を介して、マイクロコンピュータ１２０に与えられる。前述のように、抵抗Ｒ７の電圧の最大値が蓄電部１４０の電圧と整流部１３０の順方向電圧との和よりも小さければ、電流トランス１２から蓄電部１４０側に電流が流れることはなく、高い精度で測定を行うことができる。また、整流部１３０が半波倍電圧整流回路を含む場合、蓄電部１４０への蓄電効率をより向上でき、かつ、蓄電部１４０の電圧が低下した場合であっても計測部１８０での計測への影響が小さいという検証結果が得られている。

マイクロコンピュータ１２０は（図２Ａ）、例えば、端子ＡＤＣ４を介して与えられる電圧波形を周期的に測定して波形周期分の電圧波形の計測値（デジタルデータ）を得る。マイクロコンピュータ１２０は、これらの電圧波形の計測値から電圧波形の振幅を取得し、電線１３を流れる電流値を推定してもよい。またマイクロコンピュータ１２０は、得られた値から電力を推定することもできる。ただし、電線１３に流れる電流が商用電源電流の場合、電線１３に接続される負荷によって電流波形が歪んだり、位相がずれたりすることがあり、電流波形のみから正確に電力を推定することが困難な場合もある。この推定精度を改善ため、例えば、電流波形の面積から電力を推定することもできる。

計測後、マイクロコンピュータ１２０は、計測データ（電圧波形の最大振幅値等）を無線伝送する。無線伝送されたデータは、遠隔配置されたパーソナルコンピュータなどに記録され、表示等される。

［スリープモード］
マイクロコンピュータ１２０は、計測データの無線伝送完了後、内部の起床タイマーを設定した後、マイクロコンピュータ１２０をスリープ状態（低消費電力状態）にする。起床タイマーに設定した時間が経過後、電源端子ＶＣＣの電圧に応じて蓄電モードまたは計測モードに遷移する。例えば、マイクロコンピュータ１２０は、電源端子ＶＣＣの電圧と動作下限電圧とを比較することで、蓄電部１４０の電圧が前述の第２値以下であるかを判定する。マイクロコンピュータ１２０は、電源端子ＶＣＣの電圧が動作下限電圧以下の場合（すなわち、蓄電部１４０の電圧が第２値以下の場合）に蓄電モードに遷移させ、そうでない場合に計測モードに遷移させる。

＜マイクロコンピュータ１２０の動作＞
図８を用いてマイクロコンピュータ１２０の動作を例示する。
集積回路ＩＣ１の端子ＶＩＮの電圧が閾値電圧ＴＨＲ１となると（ステップＳ１０１）、マイクロコンピュータ１２０がグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続され、マイクロコンピュータ１２０が起動する（ステップＳ１０２）。起動したマイクロコンピュータ１２０はプログラムを読み出して実行する（ステップＳ１０３）。マイクロコンピュータ１２０は、端子ＤＩＯ２０をＬｏ電位に設定する（ステップＳ１０４）。これにより、集積回路ＩＣ１が不活性状態となる。さらにマイクロコンピュータ１２０は、端子ＤＩＯ１９をＬｏ電位に設定する（ステップＳ１０５）。これにより、計測部１８０が活性状態となる。次にマイクロコンピュータ１２０は、計測部１８０を安定させる目的で所定時間（例えば、５ｍｓ程度）の時間待ちを行う（ステップＳ１０６）。マイクロコンピュータ１２０は、ＡＤＣ４端子の電圧波形をアナログデジタル変換して信号計測を行う（ステップＳ１０７）。例えばマイクロコンピュータ１２０は、１／３０００秒周期で６０回の信号計測を行い、６０個の計測値Ｖｃｔ１〜Ｖｃｔ６０を収集する。例えば、これらの計測値は１２ｂｉｔの整数値であり、計測値＝０は０Ｖを表し、計測値＝４０９５は２．４Ｖを表す。マイクロコンピュータ１２０は、６０個の計測値Ｖｃｔ１〜Ｖｃｔ６０の中で最大値Ｖｃｔ＿ｍａｘと最小値Ｖｃｔ＿ｍｉｎを基め、最大値Ｖｃｔ＿ｍａｘと最小値Ｖｃｔ＿ｍｉｎとの差（Ｐｄ＝Ｖｃｔ＿ｍａｘ−Ｖｃｔ＿ｍｉｎ）を求める（ステップＳ１０８）。次にマイクロコンピュータ１２０は、計測値Ｖｃｔ１〜Ｖｃｔ６０や差Ｐｄなどを無線伝送するためのパケットデータを作成し、パケットデータを無線伝送する（ステップＳ１０９）。パケットデータの構成は無線規格などによって決定される。以下にパケットデータの構成を例示する。なお、実際にはさらにプリアンブルやチェックサム等の無線伝送に必須のデータが含まれるが、本形態では省略する。

マイクロコンピュータ１２０は、パケットデータの無線伝送完了後、内部の起床タイマーを設定し、マイクロコンピュータ１２０をスリープ状態（低消費電力状態）にする（ステップＳ１１０）。起床タイマーに設定した時間が経過後、電源端子ＶＣＣの電圧が動作下限電圧以下でなければステップＳ１０３に遷移し、電源端子ＶＣＣの電圧が動作下限電圧以下であればステップＳ１１２に遷移する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１２では、マイクロコンピュータ１２０の電源がオフになって設定がリセットされ（ステップＳ１１２）、ステップＳ１０１に遷移する。

＜本形態の特徴＞
電流トランス１２の計測を行わないときにも電流トランス１２からの交流電流が抵抗Ｒ７に流れ込むと、抵抗Ｒ７で電力を浪費してしまい、蓄電効率が低下してしまう。抵抗Ｒ７の抵抗値を大きくすれば抵抗Ｒ７に流れ込む電流量を小さくできるが、その場合には計測精度が低下する。具体的には、電流トランスによる測定範囲に制限が出たり、精度が低下するといった問題が生じる。また抵抗Ｒ７の抵抗値を大きくするだけでは、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮからの電流漏洩を防止することはできない。或いは、電流トランス１２の計測を行わないときに、ＦＥＴスイッチを用いて抵抗Ｒ７をグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤから切断すれば、抵抗Ｒ７での電力の浪費を防止できる。しかし、この場合でもモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮからの電流漏洩を防止することはできない。

本形態では、電流トランス１２の計測を行わないときに、リレー回路ＳＳＲが第１端子１１１から抵抗Ｒ７およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮを分離する。これにより、蓄電時に電流トランス１２からの交流電流が抵抗Ｒ７で消費されたり、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮから漏洩したりすることを防止できる。なお、電流トランス１２の計測を行わないときに、ＦＥＴスイッチやトランジスタなどの簡易なスイッチによって、第１端子１１１から抵抗Ｒ７およびモニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮを切り離す構成も考えられる。しかしながら、このような構成を簡易な回路で実現することはできない。ＦＥＴスイッチやトランジスタなどの簡易なスイッチの場合、入出力端子のいずれかがグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤまたは電源端子ＶＣＣに接続されている必要があり、本形態のリレー回路ＳＳＲの位置にそのまま挿入することはできないからである。

或いは、蓄電を行う場合に電流トランス１２の２端子を計測部側から切断して蓄電部側に接続し、計測を行う場合に電流トランス１２の２端子を蓄電部側から切断して計測部側に接続する構成も考えられる。しかしながら、電流トランス１２の２端子をまるごと切り替える構成の場合、切り替え機能を実現するための回路が複雑になる。このような切り替え機能を実現する汎用部品も存在するが、このような汎用部品は通電状態でしか動作しない。すなわち蓄電部に十分な電荷が蓄電されていない場合には、このような汎用部品も機能せず、蓄電モード自体を開始できない。

本形態では、電流トランス１２の一端のみを切り替え、電流トランス１２の他端は常時グランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤに接続しておくことにした。これにより、簡易なリレー回路ＳＳＲのみで切り替え機能を構成できる。この構成では、蓄電部１４０に全く電荷が蓄電されていない状態であっても蓄電モードを開始できる。なお、蓄電部１４０に十分な蓄電がなされた後は第１端子１１１から蓄電部１４０側に電流が流れず、蓄電・計測制御部１７０へ交流電流が流れることになるため、高い精度で計測を行うことができる。

さらに本形態では、電流トランス１２の計測を行わないときに、マイクロコンピュータ１２０や計測部１８０をグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤから切断する。そのため、蓄電モードにおいてマイクロコンピュータ１２０や計測部１８０で電力が消費されることがない。

また本形態の計測部１８０は、モニタリングラインＡＣ＿ＭＯＮが反転入力端子（−）に接続され、電流トランス１２の計測を行うときにグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤを基準とした入力オフセット電圧が非反転入力端子（＋）に印加され、電流トランス１２の計測を行わないときに非反転入力端子（＋）がグランドかＣＴＲＬ＿ＧＮＤら分離される、オペアンプ１８０を含む反転増幅回路を有する（図６参照）。このような計測部１８０は本実施形態に特に適する。例えば、計測部１８０として、入力オフセット電圧が印加されるオペアンプを含む電流検出型の回路を用いた場合（例えば、「トランジスタ技術，２００７年７月号，Ｐ１７５−Ｐ１７６」参照）、蓄電モードと計測モードとで電流トランス１２のグランドを切り替えなければならない。また例えば、計測部１８０として非反転増幅回路を用いた場合、入力オフセット電圧の設定が困難であり、かつ、オペアンプの増幅倍率が１倍以上に制限されてしまう。本形態の計測部１８０にはこのような問題が生じず、この計測部１８０を用いることは、本実施形態に対して合理的な選択であるといえる。

また本形態では、蓄電部１４０に蓄電した電荷を動作電力とするため、外部電源が不要である。

＜変形例＞
なお、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上述の蓄電部１４０では電界コンデンサＣ３に電荷を蓄電したが、電界コンデンサＣ３に代えて二次電池に電荷を蓄電してもよいし、二次電池と電界コンデンサとに電荷を蓄電してもよい。また、上述のように整流部１３０が半波倍電圧整流回路を含む場合、蓄電部１４０への蓄電効率をより向上でき、かつ、蓄電部１４０の電圧が低下した場合であっても計測部１８０での計測への影響が小さいという検証結果が得られている。すなわち、以下の理由によって半波倍電圧整流回路が合理的であると言える。第一に、誤差の範囲で波形は乱れるものの電界コンデンサＣ３の電圧に依存せず抵抗Ｒ７の計測が可能である（コンデンサＣ５へ充電される微小な電荷のみ影響するため）。第二に、電流トランス１３に流れ込む電流が微小であっても、より高い電圧に蓄電可能である。そのため、整流部１３０が半波倍電圧整流回路であることが望ましい。しかしながら、半波倍電圧整流回路に代えて、ダイオードＤ２のみからなる半波整流回路やダイオードブリッジを含む全波整流回路その他の整流回路が用いられてもよい。また、上述の実施形態では、交流信号源として電流トランスを用いた例を説明したが、圧電素子その他の交流信号源が用いられてもよい。また、電流トランス１２の計測を行わないときに計測部１８０をグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤおよび電源端子ＶＣＣから切断することとしたが、電流トランス１２の計測を行わないときに計測部１８０を電源端子ＶＣＣに接続したままでグランドＣＴＲＬ＿ＧＮＤから切断することにしてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

１ 計測装置
１２ 電流トランス（交流信号源）
１３ 電線
１１１ 第１端子
１１２ 第２端子
１２０ マイクロコンピュータ（計測処理部）
１３０ 整流部
１４０ 蓄電部
１５０ 起動制御部
１６０ アナログ電源制御部
１７０ 蓄電・計測制御部
１８０ 計測部（計測処理部）

Claims (9)

1. 交流信号源の一端に接続される第１端子と、
   グランドに接続され、前記交流信号源の他端に接続される第２端子と、
   前記第１端子に接続され、前記交流信号源からの交流電流を整流済み電流に整流する整流部と、
   前記整流部に接続され、前記整流部で得られた前記整流済み電流の電荷を蓄電する蓄電部と、
   前記交流信号源の計測を行うときに一端が前記グランドに接続される抵抗と、
   前記抵抗の他端に接続されたモニタリングラインと、
   前記第１端子に接続されており、前記交流信号源の計測を行うときに前記第１端子を前記抵抗の他端および前記モニタリングラインに接続し、前記交流信号源の計測を行わないときに前記第１端子を前記抵抗および前記モニタリングラインから分離するリレー回路と、
   前記交流信号源の計測を行うときに、前記蓄電部から動作電力が供給され、前記モニタリングラインの電圧に基づいた計測結果を得る計測処理部と、
   を有する計測装置。
2. 請求項１の計測装置であって、
   前記蓄電部の一端が電源端子に接続され、前記蓄電部の他端が前記グランドに接続され、
   前記交流信号源の計測を行うときに前記計測処理部が前記電源端子および前記グランドに接続され、前記交流信号源の計測を行わないときに前記計測処理部が前記グランドから分離される、
   ことを特徴とする計測装置。
3. 請求項１または２の計測装置であって、
   前記リレー回路は、前記蓄電部の電圧が第１値以上のときに前記第１端子を前記抵抗の他端および前記モニタリングラインに接続し、前記蓄電部の電圧が第２値以下のときに前記第１端子を前記抵抗および前記モニタリングラインから分離する、
   ことを特徴とする計測装置。
4. 請求項１から３の何れかの計測装置であって、
   前記蓄電部の一端が電源端子に接続され、前記蓄電部の他端が前記グランドに接続され、
   前記蓄電部の電圧が第１値以上のときに前記計測処理部が前記電源端子および前記グランドに接続され、前記蓄電部の電圧が第２値以下のときに前記計測処理部が前記グランドから分離される、
   ことを特徴とする計測装置。
5. 請求項３または４の計測装置であって、
   前記抵抗の電圧の最大値が前記第１値と前記整流部の順方向電圧との和よりも小さい、ことを特徴とする計測装置。
6. 請求項３から５の何れかの計測装置であって、
   前記抵抗の電圧の最大値が前記第２値と前記整流部の順方向電圧との和よりも小さい、ことを特徴とする計測装置。
7. 請求項１から６の何れかの計測装置であって、
   前記整流部が半波倍電圧整流回路である
   ことを特徴とする計測装置。
8. 請求項１から７の何れかの計測装置であって、
   前記交流信号源が電流トランスまたは圧電素子である
   ことを特徴とする計測装置。
9. 請求項１から８の何れかの計測装置であって、
   前記計測処理部は、
   前記モニタリングラインが反転入力端子に接続され、前記交流信号源の計測を行うときに前記グランドを基準とした入力オフセット電圧が非反転入力端子に印加され、前記交流信号源の計測を行わないときに前記非反転入力端子が前記グランドから分離される、オペアンプを含む反転増幅回路を有する
   ことを特徴とする計測装置。

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