JP2018017687A - Electric current measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流測定装置に関するものであり、特にホール効果素子を使用し、簡単な構成で高精度にクランプ不良を検出可能な電流測定装置に関するものである。 The present invention relates to a current measuring device, and more particularly to a current measuring device that uses a Hall effect element and can detect a clamping failure with high accuracy with a simple configuration.
従来、ホール効果素子を使用した電流測定装置が各種提案されている。例えば下記の特許文献1には、ホール効果素子を使用した電力量計が開示されている。この電力量計は、ホール素子により計測電圧と計測電流の積に相当するホール電圧を出力し、スイッチング手段SWa1〜SWb2によりホール電圧の正負の極性を所定の周期毎に反転させ、差動増幅手段により差動増幅し、反転手段により差動増幅出力の極性をスイッチング手段による極性反転が戻った状態に再反転させ、積分手段により積分するようにしたものであり、ホール素子として、同一極性のホール電圧と異なる極性の不平衡電圧を出力する2つのホール素子を用い、不平衡電圧調整手段により2つのホール素子の不平衡電圧が等しくなるように調整し、積分手段による積分の前に、加算手段により2つのホール素子のそれぞれの差動増幅出力を加算するようにしている。
Conventionally, various current measuring apparatuses using Hall effect elements have been proposed. For example,
上記したような従来のホール効果素子を使用した電流センサー回路においては、被測定電流による磁界とホール効果素子とを結合させるために、全体がロ状あるいはリング状の磁性体コアを使用している。そして、使用時にはコアを2つに分割し、被測定電流ケーブルが中央部分を貫通するように取り付け、コアが環状に接合するようにクランプする。 In the current sensor circuit using the conventional Hall effect element as described above, a magnetic core having a round or ring shape is used as a whole in order to couple the magnetic field generated by the current to be measured and the Hall effect element. . In use, the core is divided into two parts, attached so that the current cable to be measured passes through the central portion, and clamped so that the core is joined in an annular shape.
ところが、クランプ時に接合面に小さなゴミが付着していると、接合面のギャップが広くなり、電流測定誤差が大きくなるという問題点があった。 However, if small dust adheres to the joint surface at the time of clamping, there is a problem that the gap of the joint surface becomes wide and current measurement error increases.
本発明の目的は、上記した従来の問題点を解決し、クランプ時に接合面に小さなゴミが付着してギャップが広くなっていることを検出可能な電流測定装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide a current measuring device capable of detecting that a small dust adheres to a joint surface during clamping and a gap is widened.
本発明の電流測定装置は、分割されており、被測定電流が流れる導体と磁気結合可能な磁性体コアを備え、前記磁性体コアを通る磁束をホール効果素子を使用して検出する電流測定装置において、前記ホール効果素子の2組の接続端子と、電源供給端子およびセンサ信号入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、前記スイッチ回路から出力される信号が入力され、磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、前記磁性体コアに巻回され、前記増幅回路の出力電流が流れるフィードバックコイルと、前記スイッチ回路を制御し、ホール効果素子の電圧印加方向を切り替えて測定電圧を入力し、2つの測定電圧の差が所定値以上である場合にはクランプ不良と判定するコントローラーとを備えたことを主要な特徴とする。 The current measuring device according to the present invention includes a magnetic core that is divided and magnetically coupled to a conductor through which a current to be measured flows, and detects a magnetic flux passing through the magnetic core using a Hall effect element. , A switch circuit for switching the connection between two sets of connection terminals of the Hall effect element, a power supply terminal and a sensor signal input terminal, and a signal output from the switch circuit is input and measured through the magnetic core An amplifier circuit composed of a differential amplifier circuit for passing a current in a direction to cancel the magnetic flux due to the current to the feedback coil, a feedback coil wound around the magnetic core and through which the output current of the amplifier circuit flows, and the switch circuit When the voltage application direction of the Hall effect element is switched and the measurement voltage is input, and the difference between the two measurement voltages is greater than or equal to a predetermined value, the clamp is not To mainly characterized in that a determining controller and.
また、本発明のクランプ不良検出方法は、分割されており、被測定電流が流れる導体と磁気結合可能な磁性体コアと、前記磁性体コアを通る磁束を検出するホール効果素子と、前記ホール効果素子の2組の接続端子と、電源供給端子およびセンサ信号入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、前記スイッチ回路から出力される信号が入力され、磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、前記磁性体コアに巻回され、前記増幅回路の出力電流が流れるフィードバックコイルと、前記スイッチ回路を制御し、ホール効果素子の電圧印加方向を切り替えて測定電圧を入力するコントローラーとを備えた電流センサー装置において、前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して一方の電圧印加方向に切り替えるステップ、前記コントローラーが測定電圧を入力し、記憶するステップ、前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して他方の電圧印加方向に切り替えるステップ、前記コントローラーが測定電圧を入力し、記憶するステップ、前記コントローラーが2つの測定電圧の差を算出するステップ。前記コントローラーが前記差が所定値以上である場合に、クランプ不良と判定するステップを含むことを主要な特徴とする。 Also, the clamping failure detection method of the present invention is divided, a magnetic core that can be magnetically coupled to a conductor through which a current to be measured flows, a Hall effect element that detects a magnetic flux passing through the magnetic core, and the Hall effect A switch circuit for switching the connection between the two connection terminals of the element, the power supply terminal and the sensor signal input terminal, and a signal output from the switch circuit are input to cancel the magnetic flux caused by the current to be measured passing through the magnetic core. An amplifier circuit composed of a differential amplifier circuit for flowing a current in the direction to the feedback coil, a feedback coil wound around the magnetic core and through which an output current of the amplifier circuit flows, and the switch circuit to control the Hall effect element A current sensor device including a controller that switches a voltage application direction and inputs a measurement voltage. Controlling the switch circuit to switch to one voltage application direction, the controller inputting and storing the measurement voltage, the controller controlling the switch circuit to switch to the other voltage application direction, the controller Inputting and storing a measurement voltage; and calculating a difference between the two measurement voltages by the controller. A main feature is that the controller includes a step of determining a clamp failure when the difference is equal to or greater than a predetermined value.
本発明によれば、以下のような効果がある。
(1)機械的手段を用いることなく、接合面に小さなゴミが付着していても検出可能であるので、クランプ不良の検出精度を向上させることができる。
(2)接合面のギャップが所定値以上であれば、例えばコアが完全に分離している状態も検出可能であるので、クランプ状態の確認に利用することができる。
The present invention has the following effects.
(1) Since it is possible to detect even if a small amount of dust adheres to the joint surface without using mechanical means, it is possible to improve the accuracy of detecting a clamping failure.
(2) If the gap between the joint surfaces is equal to or greater than a predetermined value, for example, a state in which the core is completely separated can be detected, which can be used for confirming the clamped state.
以下に図面を参照して実施例について説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明における電流測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の電流測定装置は、磁気カップリング装置と電流センサー回路40とからなる。磁気カップリング装置は、被測定電流が流れる導体である電気ケーブル45と磁気結合した磁性体コア43、44、磁性体コア43の隙間に配置されたホール効果素子41、および磁性体コア43、44に巻回されたフィードバックコイル42からなる。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a current measuring apparatus according to the present invention. The current measuring device of the present invention includes a magnetic coupling device and a current sensor circuit 40. The magnetic coupling device includes
ロ形状の磁性体コアは半分に分割されており、一方のコ形状の磁性体コア44を外して内部空間に電気ケーブル45を通し、磁性体コア44を装着する、即ち、図示しないボルト、ナット等によって、またはヒンジを使用したロック機構等によって2つの磁性体コア43、44の接合面46を接合した状態で固着することによって磁性体コアを電気ケーブル45と磁気結合させることができる。
The B-shaped magnetic core is divided into halves. One of the U-shaped magnetic cores 44 is removed, the
市販されている周知のホール効果素子41は、2組の端子を備え、一方の端子に一定の電圧を印加して電流を流すと他方の端子間には素子を貫通する磁界に比例した電圧が発生する。なお、ホール効果素子41の2組の端子の接続先を交換して、ホール効果素子の電圧印加方向を切り替え、前記他方の端子に電圧を印加しても、前記一方の端子には磁界に比例した電圧が発生する。
A well-known Hall
電流センサー回路40は、後述するが、電線45と磁気的に結合し、ホール効果素子41を使用して電線に流れる電流値を測定し、電線の電流値と比例したデータを出力する。
As will be described later, the current sensor circuit 40 is magnetically coupled to the
図2は本発明における電流センサー回路40の構成を示す回路図である。コントローラー56は、市販されている周知の1チップマイクロコンピューター回路である。コントローラー56は、CPU、ROM、RAM、デジタル入出力回路、アナログ入力回路(A/D変換回路)、ハードウェアタイマ回路等を備えている。また、ROMには後述する処理を実行するためのプログラムやデータが格納されている。 FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the current sensor circuit 40 in the present invention. The controller 56 is a well-known one-chip microcomputer circuit that is commercially available. The controller 56 includes a CPU, a ROM, a RAM, a digital input / output circuit, an analog input circuit (A / D conversion circuit), a hardware timer circuit, and the like. The ROM stores programs and data for executing processing to be described later.
スイッチ回路50は、コントローラー56の出力信号によって切り替え制御される、半導体スイッチング素子を使用したアナログスイッチ回路であり、ホール効果素子41の2組の接続端子と、電源供給端子(例えば+3Vの電源および接地)およびセンサ信号入力端子(増幅回路51への+出力および−出力)との接続を切り替える。
The switch circuit 50 is an analog switch circuit using a semiconductor switching element that is switch-controlled by an output signal of the controller 56, and includes two sets of connection terminals of the
スイッチ回路50から信号が入力される増幅回路51は、演算増幅器からなる所定の増幅率の差動増幅回路からなる。増幅回路51の出力はフィードバックコイル42を介して抵抗54の一端に接続され、抵抗54の他端は接地されている。抵抗54は増幅回路51の負荷抵抗であり、抵抗54に発生する電圧は電気ケーブル45に流れる電流に比例する。この電圧値はコントローラー56のアナログ入力端子から読み込まれ(A/D変換され)て記憶される。
The amplifier circuit 51 to which a signal is input from the switch circuit 50 is composed of a differential amplifier circuit having a predetermined amplification factor composed of an operational amplifier. The output of the amplifier circuit 51 is connected to one end of a resistor 54 via a feedback coil 42, and the other end of the resistor 54 is grounded. The resistor 54 is a load resistor of the amplifier circuit 51, and the voltage generated at the resistor 54 is proportional to the current flowing through the
増幅回路51は磁性体コア43、44を通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイル42に流すように接続されている。従って、フィードバックコイル42には、導体45に流れる電流に比例し、導体45の巻き数を1としたフィードバックコイルとの巻数比に逆比例した電流が流れることになる。但し、ネガティブフィードバックがかかるので、磁性体コア43、44内部の磁束密度は導体45に流れる電流による磁束密度よりもかなり小さな値となる。この結果、磁性体コア43、44内部の磁束密度が大きな値とならないので、磁性体コア43、44が着磁することがなく、着磁による測定誤差の発生を防止できる。
The amplifier circuit 51 is connected so that a current in a direction to cancel the magnetic flux due to the current to be measured passing through the
電源回路55は増幅回路用の両極性電源、およびホール効果素子用およびコントローラー用の単極性の電源を生成する電源回路である。
The
図3は、本発明におけるスイッチ回路の構成を示す回路図である。ホール効果素子41の2組の端子の接続先を交換して、他方の端子に電圧を印加しても、一方の端子には印加された磁界に比例した電圧が発生する。またこの際、ホール効果素子41から出力される電圧の不平衡電圧値は端子の組を交換する前後で逆極性となる。
FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the switch circuit in the present invention. Even if the connection destinations of the two terminals of the
スイッチ回路50は、ホール効果素子41の2組の接続端子(+A、−Aの組および+B、−Bの組)と、電源供給端子(例えば+3Vの電源および接地)およびセンサ信号入力端子(増幅回路51への+出力および−出力)との接続を切り替える。
The switch circuit 50 includes two sets of connection terminals (a set of + A and −A and a set of + B and −B) of the
例えばスイッチ回路の制御信号が0のときにはスイッチ回路50は図3に図示するような状態であり、A組の端子に電源が接続され、B組の端子がセンサ信号入力端子に接続される。また、スイッチ回路の制御信号が1のときにはスイッチ回路50は各スイッチが切り替わり、B組の端子に電源が接続され、A組の端子がセンサ信号入力端子に接続される。この結果、センサ信号入力端子(+出力および−出力)にはA組とB組の出力信号が交互に同じ極性で出力される。 For example, when the control signal of the switch circuit is 0, the switch circuit 50 is in a state as shown in FIG. 3, the power supply is connected to the A set terminals, and the B set terminals are connected to the sensor signal input terminals. When the control signal of the switch circuit is 1, each switch of the switch circuit 50 is switched, the power source is connected to the B set terminals, and the A set terminals are connected to the sensor signal input terminals. As a result, the A group and B group output signals are alternately output to the sensor signal input terminals (+ output and -output) with the same polarity.
図4は、本発明における電流測定値の例を示す説明図である。図4(a)は正常にクランプされている場合の測定電圧値の一例を示しており、スイッチ回路の切り替え前の値V1と切り替え後の値V2との差の絶対値は小さい値となっている。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of current measurement values in the present invention. FIG. 4A shows an example of a measured voltage value when clamped normally, and the absolute value of the difference between the value V1 before switching of the switch circuit and the value V2 after switching becomes a small value. Yes.
一方、図4(b)はクランプ不良、即ち、コアの接合面46にゴミなどが存在し、接合面46のギャップが所定値よりも広いか、あるいはクランプが閉じられていない場合の測定電圧値の一例を示しており、スイッチ回路の切り替え前の値V3と切り替え後の値V4との差の絶対値が大きくなっている。 On the other hand, FIG. 4B shows a clamp voltage failure, that is, a measured voltage value when dust or the like is present on the core joint surface 46 and the gap of the joint surface 46 is wider than a predetermined value or the clamp is not closed. The absolute value of the difference between the value V3 before the switching of the switch circuit and the value V4 after the switching is large.
本発明者はクランプ不良を模擬した実験から、ギャップを広くするに従い、2つの測定電圧値の差が大きくなる関係性を見出した。本発明はこの関係性を利用することによりクランプ不良を検出している。 The present inventor has found from the experiment simulating the clamping failure that the difference between the two measured voltage values increases as the gap is widened. The present invention uses this relationship to detect a clamping failure.
図5は、コントローラー56の処理内容を示すフローチャートである。電流を測定しようとする場合、使用者はまず、磁気カップリング装置に電気ケーブルを通さない状態でクランプし、その後、図示しない装置のパネルのセットアップボタンを押下する。S10においては、セットアップボタンが押下されたか否かによって、セットアップ開始か否かが判定され、判定結果が否定の場合にはS10に戻るが、肯定の場合にはS11に移行する。 FIG. 5 is a flowchart showing the processing contents of the controller 56. When attempting to measure current, the user first clamps the magnetic coupling device without passing an electrical cable, and then presses a setup button on the device panel (not shown). In S10, it is determined whether or not the setup is started depending on whether or not the setup button is pressed. If the determination result is negative, the process returns to S10, but if the determination is positive, the process proceeds to S11.
S11においては、スイッチ回路50を一方の状態に切り替える制御信号を出力する。S12においては、抵抗54の一端に接続されたアナログ入力端子から電圧Vaを読み込み(A/D変換し)、記憶する。S13においては、スイッチ回路50を他方の状態に切り替える制御信号を出力する。S14においては、アナログ入力端子から電圧Vbを読み込み、記憶する。 In S11, a control signal for switching the switch circuit 50 to one state is output. In S12, the voltage Va is read (A / D converted) from the analog input terminal connected to one end of the resistor 54 and stored. In S13, a control signal for switching the switch circuit 50 to the other state is output. In S14, the voltage Vb is read from the analog input terminal and stored.
S15においては、d1=Va−Vbを算出する。S16においては算出値d1を正常な記憶値d0と比較する。d0は、本電流測定装置の製造時にメーカーにおいてd1と同様の方法で測定、算出され、コントローラー56内のROMに書き込まれている。S17においては、差(d1の絶対値)が所定値以下であるか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはエラー停止処理に移行するが、肯定の場合にはS18に移行する。 In S15, d1 = Va−Vb is calculated. In S16, the calculated value d1 is compared with the normal stored value d0. d0 is measured and calculated in the same manner as d1 at the time of manufacture of the current measuring device, and is written in the ROM in the controller 56. In S17, it is determined whether or not the difference (absolute value of d1) is equal to or smaller than a predetermined value. If the determination result is negative, the process proceeds to error stop processing, but if the determination is positive, the process proceeds to S18.
なお、エラー停止処理においては、クランプの閉じ方が不完全である(コアの接合面46にゴミなどが存在し、接合面46のギャップが所定値よりも広い)あるいはクランプが閉じられていない旨の警告を表示し、スタートアップ処理を終了する。 In the error stop process, the clamp is not completely closed (dust is present on the core joining surface 46 and the gap between the joining surfaces 46 is wider than a predetermined value) or the clamp is not closed. Is displayed and the startup process is terminated.
使用者はここで磁気カップリング装置に電気ケーブル45を通した状態でクランプを閉じ、その後、図示しないパネルの測定開始ボタンを押下する。S18においては測定開始ボタンが押下されたか否かによって、電流測定開始か否かが判定され、判定結果が否定の場合にはS18に戻るが、肯定の場合にはS19に移行する。
Here, the user closes the clamp while passing the
S19においては、スイッチ回路50を一方の状態に切り替える制御信号を出力する。S20においては、抵抗54の一端に接続されたアナログ入力端子から電圧Vaを読み込み、記憶する。S21においては、スイッチ回路50を他方の状態に切り替える制御信号を出力する。S22においてはアナログ入力端子から電圧Vbを読み込、記憶する。S23においては、d2=Va−Vbを算出する。 In S19, a control signal for switching the switch circuit 50 to one state is output. In S20, the voltage Va is read from the analog input terminal connected to one end of the resistor 54 and stored. In S21, a control signal for switching the switch circuit 50 to the other state is output. In S22, the voltage Vb is read from the analog input terminal and stored. In S23, d2 = Va−Vb is calculated.
S24においては、算出値d2と先に算出したd1とを比較する。S25においては、差の絶対値(|d1−d2|)が所定値以下であるか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはエラー停止処理に移行するが、肯定の場合にはS26に移行する。なお、エラー停止処理においては、クランプの閉じ方が不完全である(コアの接合面46にゴミなどが存在し、接合面46のギャップが所定値よりも広い)あるいはクランプが閉じられていない旨の警告を表示し、電流測定処理を終了する。 In S24, the calculated value d2 is compared with the previously calculated d1. In S25, it is determined whether or not the absolute value of the difference (| d1-d2 |) is equal to or smaller than a predetermined value. If the determination result is negative, the process proceeds to an error stop process. Migrate to In the error stop process, the clamp is not completely closed (dust is present on the core joining surface 46 and the gap between the joining surfaces 46 is wider than a predetermined value) or the clamp is not closed. Is displayed and the current measurement process is terminated.
S26においては電流値を測定し、記憶する。電流値は例えば図4(a)における切り替え前後の測定値V1とV2の平均値を取り、この平均値のデジタル値を出力あるいは記録する。その後、所定の周期でS19からS26を繰り返す。 In S26, the current value is measured and stored. For example, the average value of the measured values V1 and V2 before and after switching in FIG. 4A is taken as the current value, and a digital value of this average value is output or recorded. Thereafter, S19 to S26 are repeated at a predetermined cycle.
本発明は電流を測定する必要のある任意の装置に適用可能である。 The present invention is applicable to any device that needs to measure current.
40…電流センサー回路
41…ホール効果素子
42…フィードバックコイル
43、44…磁気コア
45…電気ケーブル
46…接合面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ...
Claims (2)
前記ホール効果素子の2組の接続端子と、電源供給端子およびセンサ信号入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路から出力される信号が入力され、磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、
前記磁性体コアに巻回され、前記増幅回路の出力電流が流れるフィードバックコイルと、
前記スイッチ回路を制御し、ホール効果素子の電圧印加方向を切り替えて測定電圧を入力し、2つの測定電圧の差が所定値以上である場合にはクランプ不良と判定するコントローラーと
を備えたことを特徴とする電流測定装置。 In a current measuring device that is divided and includes a magnetic core that can be magnetically coupled to a conductor through which a current to be measured flows, and that detects magnetic flux passing through the magnetic core using a Hall effect element,
A switch circuit that switches connection between the two sets of connection terminals of the Hall effect element, a power supply terminal, and a sensor signal input terminal;
An amplifier circuit comprising a differential amplifier circuit that receives a signal output from the switch circuit and flows a current in a direction to cancel the magnetic flux due to the current to be measured passing through the magnetic core to the feedback coil;
A feedback coil wound around the magnetic core and through which an output current of the amplifier circuit flows;
A controller for controlling the switch circuit, switching a voltage application direction of the Hall effect element, inputting a measurement voltage, and determining a clamp failure when a difference between the two measurement voltages is a predetermined value or more. A characteristic current measuring device.
前記磁性体コアを通る磁束を検出するホール効果素子と、
前記ホール効果素子の2組の接続端子と、電源供給端子およびセンサ信号入力端子との接続を切り替えるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路から出力される信号が入力され、磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、
前記磁性体コアに巻回され、前記増幅回路の出力電流が流れるフィードバックコイルと、
前記スイッチ回路を制御し、ホール効果素子の電圧印加方向を切り替えて測定電圧を入力するコントローラーとを備えた電流センサー装置において、
前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して一方の電圧印加方向に切り替えるステップ、
前記コントローラーが測定電圧を入力し、記憶するステップ、
前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して他方の電圧印加方向に切り替えるステップ、
前記コントローラーが測定電圧を入力し、記憶するステップ、
前記コントローラーが2つの測定電圧の差を算出するステップ。
前記コントローラーが前記差が所定値以上である場合に、クランプ不良と判定するステップ
を含むことを特徴とするクランプ不良検出方法。 A magnetic core that is divided and can be magnetically coupled to a conductor through which a current to be measured flows;
A Hall effect element for detecting magnetic flux passing through the magnetic core;
A switch circuit that switches connection between the two sets of connection terminals of the Hall effect element, a power supply terminal, and a sensor signal input terminal;
An amplifier circuit comprising a differential amplifier circuit that receives a signal output from the switch circuit and flows a current in a direction to cancel the magnetic flux due to the current to be measured passing through the magnetic core to the feedback coil;
A feedback coil wound around the magnetic core and through which an output current of the amplifier circuit flows;
In a current sensor device comprising a controller for controlling the switch circuit and switching a voltage application direction of the Hall effect element to input a measurement voltage,
The controller controlling the switch circuit to switch to one voltage application direction;
The controller inputs and stores the measured voltage;
The controller controlling the switch circuit to switch to the other voltage application direction;
The controller inputs and stores the measured voltage;
The controller calculating a difference between two measured voltages;
A clamp failure detection method comprising the step of determining that the controller has a clamp failure when the difference is greater than or equal to a predetermined value.
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