JP2019152607A - 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。 The present invention relates to a current measuring device.
従来から、被測定導体に流れる電流を非接触で直接的に測定することが可能な様々な電流測定装置が開発されている。このような電流測定装置の代表的なものとしては、例えばCT(Current Transformer:変流器)方式の電流測定装置、ゼロフラックス方式の電流測定装置、ロゴスキー方式の電流測定装置、ホール素子方式の電流測定装置等が挙げられる。 Conventionally, various current measuring apparatuses capable of directly measuring a current flowing through a conductor to be measured without contact have been developed. Typical examples of such current measuring devices include a CT (Current Transformer) current measuring device, a zero flux current measuring device, a Rogowski current measuring device, and a Hall element method. Examples include current measuring devices.
例えば、CT方式及びゼロフラックス方式の電流測定装置は、巻線が巻回された磁気コアを被測定導体の周囲に設け、被測定導体(一次側)に流れる電流によって磁気コアに生ずる磁束を打ち消すように巻線(二次側)に流れる電流を検出することで、被測定導体に流れる電流を測定するものである。また、ロゴスキー方式の電流測定装置は、ロゴスキーコイル(空芯コイル)を被測定導体の周囲に設け、被測定導体に流れる交流電流によって生ずる磁界がロゴスキーコイルと鎖交することでロゴスキーコイルに誘起される電圧を検出することで、被測定導体に流れる電流を測定するものである。 For example, CT and zero flux current measuring devices provide a magnetic core around which a winding is wound around a conductor to be measured, and cancel the magnetic flux generated in the magnetic core by the current flowing through the conductor to be measured (primary side). Thus, the current flowing through the conductor to be measured is measured by detecting the current flowing through the winding (secondary side). In addition, the Rogowski current measuring device has a Rogowski coil (air core coil) around the conductor to be measured, and the magnetic field generated by the alternating current flowing through the conductor to be measured is linked to the Rogowski coil. By detecting the voltage induced in the coil, the current flowing through the conductor to be measured is measured.
以下の特許文献1には、ゼロフラックス方式の電流測定装置の一例が開示されている。また、以下の特許文献2には、複数の磁気センサを用いた電流測定装置が開示されている。具体的に、以下の特許文献2に開示された電流測定装置は、被測定導体に対してそれぞれ異なる距離をとって2つの磁気センサを配置し、これら磁気センサの出力から磁気センサと被測定導体との距離を求め、求めた距離を用いて被測定導体に流れる電流の大きさを求めている。
The following
ところで、近年、ハイブリッド自動車(HV:Hybrid Vehicle)や電気自動車(EV:Electric Vehicle)の開発工程において、SiC(シリコンカーバイド)等のパワー半導体のピンに流れる電流や、組み立て後のバスバーに流れる電流を直接的に測定したいという要求がある。パワー半導体はピンのピッチが狭いものが多く、バスバーは周辺のスペースが限られている場所に設置されることがあり、このようなパワー半導体やバスバー等に対して、電流測定時の設置を柔軟に行うことが可能な電流測定装置が望まれている。また、ハイブリッド自動車や電気自動車では、例えばバッテリから供給される直流電流やモータに流れる交流電流が取り扱われるため、直流電流及び低周波(例えば、十[Hz]程度)の交流電流を非接触で測定可能な電流測定装置が望まれている。 By the way, in recent years, in the development process of hybrid vehicles (HV) and electric vehicles (EV), the current that flows in the pins of power semiconductors such as SiC (silicon carbide) and the current that flows in the bus bar after assembly. There is a demand for direct measurement. Many power semiconductors have narrow pin pitches, and bus bars may be installed in places where the space around them is limited. For such power semiconductors and bus bars, etc., flexible installation during current measurement is possible. There is a demand for a current measuring device that can be used in the future. Moreover, in a hybrid vehicle or an electric vehicle, for example, a direct current supplied from a battery or an alternating current flowing in a motor is handled, so a direct current and a low frequency (for example, about 10 Hz) alternating current are measured in a non-contact manner. A possible current measuring device is desired.
しかしながら、上述した特許文献1に開示されたゼロフラックス方式の電流測定装置は、ある程度の大きさを有する磁気コアを被測定導体の周囲に設ける必要があることから、狭い場所への設置が困難であるという問題がある。また、上述したロゴスキー方式の電流測定装置は、ロゴスキーコイルに誘起される電圧を検出していることから、原理的に直流電流の測定を行うことはできないという問題がある。また低周波領域では、出力信号が微弱であるとともに位相がずれるため、測定精度が悪いという問題がある。また、上述した特許文献2に開示された電流測定装置は、磁気センサの感磁方向を被測定導体の円周方向に一致させる必要があることから、磁気センサの配置が制限されてしまい柔軟な配置が困難であるという問題がある。
However, the zero flux type current measuring device disclosed in
また、電流は、一般的に電源の正極から流出した後に、負荷等を経て電源の負極に流入するため、電源から供給される電流の電流経路には、電流が電源の正極から流出する経路(往路)と、電流が電源の負極に流入する経路(復路)とがある。尚、前者の経路を復路といい、後者の経路を往路という場合もある。このため、電流経路の何れか一方(例えば、往路)を流れる電流を測定する場合には、電流経路の何れか他方(例えば、復路)を流れる電流によって生成される磁界の影響を受け、測定精度が悪化してしまうという問題がある。 In addition, since the current generally flows out from the positive electrode of the power supply and then flows into the negative electrode of the power supply through a load or the like, the current path of the current supplied from the power supply includes a path ( A forward path) and a path through which current flows into the negative electrode of the power supply (return path). The former route may be referred to as a return route, and the latter route may be referred to as an outbound route. Therefore, when measuring the current flowing through one of the current paths (for example, the forward path), the measurement accuracy is affected by the magnetic field generated by the current flowing through the other of the current paths (for example, the return path). There is a problem that gets worse.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、柔軟な配置が可能であり、往復する電流経路の何れか一方を流れる直流電流及び低周波の交流電流を非接触で精度良く測定することができる電流測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, can be arranged flexibly, and can accurately measure a direct current and a low-frequency alternating current flowing through one of the reciprocating current paths in a non-contact manner. An object of the present invention is to provide a current measuring device capable of performing the above.
上記課題を解決するために、本発明の一態様による電流測定装置は、互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体(MC1、MC2)の何れか一方に流れる電流(I)を測定する電流測定装置(1)であって、各々の感磁方向が互いに平行になるように、予め規定された位置関係をもって配置された3つの三軸磁気センサ(11、12、13)と、前記3つの三軸磁気センサの検出結果と前記3つの三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、前記被測定導体の何れか他方に流れる電流によって生成される磁界の影響を排除した上で、前記被測定導体の何れか一方に流れる電流を求める演算部(25)と、を備える。
また、本発明の一態様による電流測定装置は、前記演算部が、前記3つの三軸磁気センサの検出結果と前記3つの三軸磁気センサの位置関係とを用いて、前記被測定導体の何れか他方に流れる電流によって生成される磁界を推定する磁界推定部(25b)と、前記3つの三軸磁気センサの検出結果と前記3つの三軸磁気センサの位置関係とを用いて、前記被測定導体の何れか一方に対する前記3つの三軸磁気センサの少なくとも1つの距離を推定する距離推定部(25c)と、前記距離推定部によって推定された距離と、前記距離推定部によって距離が推定された三軸磁気センサの検出結果から前記磁界推定部によって推定された磁界を差し引いたものとに基づいて、前記被測定導体の何れか一方に流れる電流を求める電流算出部(25d)と、を備える。
また、本発明の一態様による電流測定装置において、前記磁界推定部によって推定される磁界は、前記被測定導体の何れか他方に流れる電流によって生成される磁界が、前記3つの三軸磁気センサに近似的に均一に作用するとみなした場合の磁界である。
また、本発明の一態様による電流測定装置は、前記演算部が、前記3つの三軸磁気センサの検出結果に含まれる雑音成分を除去する雑音除去部(25a)を更に備えており、前記雑音除去部によって雑音成分が除去された前記3つの三軸磁気センサの検出結果を用いて前記被測定導体の何れか一方に流れる電流を求める。
また、本発明の一態様による電流測定装置は、前記雑音除去部が、予め規定された一定の期間毎に得られる、前記3つの三軸磁気センサの検出結果の各々に対し、平均化処理又は二乗和平方根処理を個別に行うことで、前記3つの三軸磁気センサの検出結果に含まれる雑音成分をそれぞれ除去する。
また、本発明の一態様による電流測定装置は、前記3つの三軸磁気センサを備えるセンサヘッド(10)と、前記演算部を備える回路部(20)と、を備える。
また、本発明の一態様による電流測定装置は、前記3つの三軸磁気センサの検出結果を示す信号が、ディジタル信号である。
In order to solve the above problems, a current measuring device according to one aspect of the present invention measures a current (I) flowing in one of a pair of conductors to be measured (MC1, MC2) in which currents flow in opposite directions. The measuring device (1), which includes three three-axis magnetic sensors (11, 12, 13) arranged in a predetermined positional relationship so that the respective magnetic sensing directions are parallel to each other, and the three Based on the detection result of the three-axis magnetic sensor and the positional relationship of the three three-axis magnetic sensors, the influence of the magnetic field generated by the current flowing through one of the measured conductors is eliminated, and then the measured And an arithmetic unit (25) for obtaining a current flowing through one of the conductors.
Further, in the current measurement device according to one aspect of the present invention, the calculation unit uses any of the detection results of the three triaxial magnetic sensors and the positional relationship of the three triaxial magnetic sensors to determine which of the conductors to be measured. The magnetic field estimator (25b) for estimating the magnetic field generated by the current flowing through the other, the detection results of the three triaxial magnetic sensors, and the positional relationship of the three triaxial magnetic sensors. A distance estimation unit (25c) that estimates at least one distance of the three triaxial magnetic sensors with respect to any one of the conductors, a distance estimated by the distance estimation unit, and a distance estimated by the distance estimation unit A current calculation unit (25d) for obtaining a current flowing in one of the measured conductors based on a result obtained by subtracting the magnetic field estimated by the magnetic field estimation unit from the detection result of the triaxial magnetic sensor , Comprising a.
In the current measurement device according to the aspect of the present invention, the magnetic field estimated by the magnetic field estimation unit may be a magnetic field generated by a current flowing through one of the measured conductors in the three triaxial magnetic sensors. It is a magnetic field when it is assumed that it acts approximately uniformly.
In the current measurement device according to one aspect of the present invention, the calculation unit further includes a noise removal unit (25a) that removes a noise component included in the detection results of the three triaxial magnetic sensors. Using the detection results of the three three-axis magnetic sensors from which the noise component has been removed by the removing unit, a current flowing through one of the measured conductors is obtained.
Further, in the current measuring device according to one aspect of the present invention, the noise removing unit performs an averaging process on each of the detection results of the three three-axis magnetic sensors obtained every predetermined period. By performing the square sum square root processing individually, noise components included in the detection results of the three three-axis magnetic sensors are removed.
Moreover, the current measuring device according to one aspect of the present invention includes a sensor head (10) including the three triaxial magnetic sensors, and a circuit unit (20) including the arithmetic unit.
In the current measurement device according to one aspect of the present invention, the signals indicating the detection results of the three triaxial magnetic sensors are digital signals.
本発明によれば、柔軟な配置が可能であり、往復する電流経路の何れか一方を流れる直流電流及び低周波の交流電流を非接触で精度良く測定することができるという効果が得られる。 According to the present invention, flexible arrangement is possible, and it is possible to obtain an effect that a direct current and a low-frequency alternating current flowing through one of the reciprocating current paths can be accurately measured without contact.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電流測定装置について詳細に説明する。 Hereinafter, a current measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〈電流測定装置の構成〉
図1は、本発明の一実施形態による電流測定装置を模式的に示す図である。図1に示す通り、本実施形態の電流測定装置1は、ケーブルCBによって接続されたセンサヘッド10及び回路部20を備えており、被測定導体MC1,MC2の何れか一方に流れる電流Iを非接触で直接的に測定する。尚、本実施形態では、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定する場合を例に挙げて説明する。
<Configuration of current measuring device>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a current measuring device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
尚、被測定導体MC1,MC2は、例えばパワー半導体のピンやバスバー等の任意の導体である。以下では、説明を簡単にするために、被測定導体MC1,MC2は、円柱形状の導電であるとする。被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iは、その流れの方向が互いに逆である。以下、被測定導体MC1を流れる電流の電流経路を「往路」といい、被測定導体MC2を流れる電流の電流経路を「復路」ということがある。 The measured conductors MC1 and MC2 are arbitrary conductors such as power semiconductor pins and bus bars, for example. Hereinafter, in order to simplify the description, it is assumed that the conductors to be measured MC1 and MC2 are cylindrical conductive. The currents I flowing in the conductors MC1 and MC2 to be measured have opposite flow directions. Hereinafter, the current path of the current flowing through the measured conductor MC1 may be referred to as “outward path”, and the current path of the current flowing through the measured conductor MC2 may be referred to as “return path”.
センサヘッド10は、被測定導体MC1に流れる電流Iを非接触で測定するために、被測定導体MC1に対して任意の位置に任意の姿勢で配置される部材である。このセンサヘッド10は、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iによって生成される磁界(例えば、図1中に示す磁界H1,H2,H3)を遮らない材質(例えば、樹脂等)によって形成されている。このセンサヘッド10は、いわば被測定導体MC1に流れる電流Iを非接触で測定するためのプローブとして用いられるものである。
The
センサヘッド10には、3つの三軸磁気センサ11,12,13が設けられている。三軸磁気センサ11,12,13は、互いに直交する三軸に感磁方向を有する磁気センサである。三軸磁気センサ11,12,13は、各々の感磁方向が互いに平行になるように、予め規定された位置関係をもって配置されている。例えば、三軸磁気センサ11,12,13の第1軸が互いに平行になり、三軸磁気センサ11,12,13の第2軸が互いに平行になり、且つ三軸磁気センサ11,12,13の第3軸が互いに平行になるように、所定の方向に所定の距離だけ離間するように配置されている。尚、以下では、三軸磁気センサ11,12が、第1軸方向に所定の距離だけ離間するように配列され、三軸磁気センサ11,13が、第3軸方向に所定の距離だけ離間するように配列されているとする。
The
三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を示す信号は、アナログ信号及びディジタル信号の何れでも良いが、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を示す信号がディジタル信号である場合には、センサヘッド10と回路部20とを接続するケーブルCBの本数を少なくすることができる。例えば、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を示す信号がアナログ信号である場合には、三軸磁気センサ11,12,13の各々について三軸の検出結果を出力する3本のケーブルCBがそれぞれ必要になるため、計9本のケーブルCBが必要になるが、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を示す信号がディジタル信号である場合には、1本のケーブルCBのみで良い。ケーブルCBの本数が少ないと、ケーブルCBの屈曲性が向上するため、例えばセンサヘッド10を狭い空間内に配置する際にハンドリングが容易になる。
The signal indicating the detection result of the triaxial
回路部20は、センサヘッド10から出力される検出結果(三軸磁気センサ11,12,13の検出結果)に基づいて、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定する。ここで、回路部20は、被測定導体MC2に流れる電流Iによって生成される磁界の影響を排除した上で、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定する。回路部20は、電流Iの測定結果を表示し、或いは外部に出力する。センサヘッド10と回路部20とを接続するケーブルCBとしては任意のものを用いることができるが、可撓性を有し、取り回しが用意であり、且つ断線が生じ難いものが望ましい。
The
図2は、本発明の一実施形態による電流測定装置の要部構成を示すブロック図である。尚、図2では、図1に示した構成に対応するブロックについては、同一の符号を付してある。以下では、主に、図2を参照して回路部20の内部構成の詳細について説明する。図2に示す通り、回路部20は、操作部21、表示部22、メモリ23、及び演算部25を備える。
FIG. 2 is a block diagram showing a main configuration of the current measuring device according to one embodiment of the present invention. In FIG. 2, the same reference numerals are assigned to blocks corresponding to the configuration shown in FIG. Below, the detail of the internal structure of the
操作部21は、例えば電源ボタン、設定ボタン等の各種ボタンを備えており、各種ボタンに対する操作指示を示す信号を演算部25に出力する。表示部22は、例えば例えば7セグメントLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)表示器、液晶表示装置等の表示装置を備えており、演算部25から出力される各種情報(例えば、被測定導体MC1に流れる電流Iの測定結果を示す情報)を表示する。尚、操作部21及び表示部22は、物理的に分離されたものであっても良く、表示機能と操作機能とを兼ね備えるタッチパネル式の液晶表示装置のように物理的に一体化されたものであっても良い。
The
メモリ23は、例えば揮発性又は不揮発性の半導体メモリを備えており、センサヘッド10から出力される三軸磁気センサ11,12,13の検出結果、演算部25の演算結果(被測定導体MC1に流れる電流Iの測定結果)等を記憶する。尚、メモリ23は、上記の半導体メモリとともに(或いは、上記の半導体メモリに代えて)、例えばHDD(ハードディスクドライブ)やSSD(ソリッドステートドライブ)等の補助記憶装置を備えていても良い。
The
演算部25は、センサヘッド10から出力される三軸磁気センサ11,12,13の検出結果をメモリ23に記憶させる。また、演算部25は、メモリ23に記憶された三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を読み出して、被測定導体MC1に流れる電流Iを求める演算を行う。この演算部25は、雑音除去部25a、磁界推定部25b、距離推定部25c、及び電流算出部25dを備える。
The
雑音除去部25aは、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果に含まれる雑音成分を除去する。具体的に、雑音除去部25aは、予め規定された一定の期間(例えば、1秒)毎に、三軸磁気センサ11,12,13の各々から得られる複数の検出結果に対し、平均化処理又は二乗和平方根処理を個別に行うことで、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果に含まれる雑音成分を除去する。尚、三軸磁気センサ11,12,13からは三軸の検出結果がそれぞれ出力されるが、雑音除去部25aによる雑音成分の除去は、各軸の検出結果に対して個別に行われる。このような雑音除去を行うのは、三軸磁気センサ11,12,13のSN比(信号対雑音比)を向上させて、電流Iの測定精度を高めるためである。
The
磁界推定部25bは、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果と三軸磁気センサ11,12,13の位置関係とを用いて、被測定導体MC2に流れる電流によって生成される磁界を推定する。このような推定を行うのは、被測定導体MC2に流れる電流Iによって生成される磁界の影響を排除して、被測定導体MC1に流れる電流Iの測定精度を高めるためである。尚、磁界推定部25bによって推定される磁界は、被測定導体MC2に流れる電流によって生成される磁界が、三軸磁気センサ11,12,13に近似的に均一に作用するとみなした場合の磁界である。このような均一な磁界を考慮するのは、磁界推定部25bの演算負荷の削減及び演算時間の短縮を図りつつ、可能な限り測定精度を高めるためである。尚、磁界推定部25bで行われる処理の詳細については後述する。
The magnetic field estimation unit 25b estimates the magnetic field generated by the current flowing through the conductor to be measured MC2, using the detection results of the triaxial
距離推定部25cは、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果と三軸磁気センサ11,12,13の位置関係とを用いて、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の少なくとも1つの距離を推定する。このような距離の推定を行うのは、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定するためである。尚、距離推定部25cで行われる処理の詳細については後述する。
The
電流算出部25dは、距離推定部25cによって推定された距離と、被測定導体MC2に流れる電流Iによって生成される磁界の影響が排除された三軸磁気センサ11,12,13の検出結果から、被測定導体MC1に流れる電流Iを求める。例えば、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11の距離が電流算出部25dによって推定されたとすると、電流算出部25dは、推定された三軸磁気センサ11の距離と、三軸磁気センサ11の検出結果から磁界推定部25bによって推定された磁界を差し引いたものとに基づいて、被測定導体MC1に流れる電流Iを求める。尚、電流算出部25dで行われる処理の詳細については後述する。
From the detection result of the triaxial
ここで、図1,図2に示す通り、回路部20は、センサヘッド10と分離されており、ケーブルCBを介してセンサヘッド10に接続されている。このような構成にすることで、磁界検出機能(三軸磁気センサ11,12,13)と演算機能(演算部25)とを分離することができ、演算部25がセンサヘッド10内に設けられている場合に生ずる諸問題(例えば、温度特性、絶縁耐性)等を回避することができ、これにより電流測定装置1の用途を拡げることができる。
Here, as shown in FIGS. 1 and 2, the
〈電流の測定原理〉
次に、電流測定装置1による電流の測定原理について説明する。図3は、本発明の一実施形態による電流測定装置による電流の測定原理を説明するための図である。まず、図3に示す通り、センサヘッド10のみに係る座標系(xyz直交座標系)と、被測定導体MC1,MC2に係る座標系(XYZ直交座標系)との2つの座標系を設定する。
<Current measurement principle>
Next, the principle of current measurement by the
xyz直交座標系は、センサヘッド10の位置及び姿勢に応じて規定される座標系である。このxyz直交座標系は、三軸磁気センサ11の位置に原点が設定されており、三軸磁気センサ11,12,13の第1軸方向(三軸磁気センサ11,12の配列方向)にx軸が設定されており、三軸磁気センサ11,12,13の第2軸方向にy軸が設定されており、三軸磁気センサ11,12,13の第3軸方向(三軸磁気センサ11,13の配列方向)にz軸が設定されている。
The xyz orthogonal coordinate system is a coordinate system defined according to the position and orientation of the
ここで、三軸磁気センサ11,12,13の位置をPi(i=1,2,3)として表す。尚、Piはベクトルである。つまり、三軸磁気センサ11の位置をP1で表し、三軸磁気センサ12の位置をP2で表し、三軸磁気センサ13の位置をP3で表すとする。例えば、図3に示す通り、三軸磁気センサ11,12のx方向の間隔、及び三軸磁気センサ11,13のz方向の間隔がd[m]であるとすると、三軸磁気センサ11,12,13の位置は以下の通りに表される。
三軸磁気センサ11の位置:P1=(0,0,0)
三軸磁気センサ12の位置:P2=(d,0,0)
三軸磁気センサ13の位置:P3=(0,0,d)
Here, the positions of the three-axis
Position of the triaxial magnetic sensor 11: P1 = (0, 0, 0)
Position of the triaxial magnetic sensor 12: P2 = (d, 0, 0)
Position of the triaxial magnetic sensor 13: P3 = (0, 0, d)
XYZ座標系は、被測定導体MC1,MC2に応じて規定される座標系である。このXYZ直交座標系は、被測定導体MC1,MC2の長手方向(電流Iの方向)にX軸が設定されており、被測定導体MC1,MC2の並び方向にY軸が設定されている。Z軸は、X軸及びY軸に直交する方向に設定される。尚、XYZ直交座標系の原点位置は、任意の位置に設定可能である。 The XYZ coordinate system is a coordinate system defined according to the conductors MC1 and MC2 to be measured. In this XYZ orthogonal coordinate system, the X axis is set in the longitudinal direction (direction of current I) of the conductors MC1 and MC2 to be measured, and the Y axis is set in the direction in which the conductors MC1 and MC2 are to be measured. The Z axis is set in a direction orthogonal to the X axis and the Y axis. The origin position of the XYZ orthogonal coordinate system can be set to an arbitrary position.
図3に示す通り、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11の距離をr1とし、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ12の距離をr2とし、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ13の距離をr3とする、尚、距離r1は、三軸磁気センサ11から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分の長さであり、距離r2は、三軸磁気センサ12から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分の長さであり、距離r3は、三軸磁気センサ13から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分の長さである。尚、距離r1,r2,r3は、検出できない点に注意されたい。
As shown in FIG. 3, the distance of the triaxial
また、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界をHAi(i=1,2,3)として表す。尚、HAiはベクトルである。つまり、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11の位置に形成される磁界をHA1として表し、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ12の位置に形成される磁界をHA2として表し、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ13の位置に形成される磁界をHA3として表す。
Further, the magnetic field formed at the position of the three-axis
また、被測定導体MC2に対するセンサヘッド10の距離が、被測定導体MC1に対するセンサヘッド10の距離に比べて十分大きいとすると、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界は、三軸磁気センサ11,12,13に近似的に均一に作用するとみなすことができる。この磁界をHBとして表す。尚、HBはベクトルである。すると、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界Hi(i=1,2,3)は、以下の(1)式によって表される。尚、Hiはベクトルである。
次に、センサヘッド10のみに係るxyz直交座標系と、被測定導体MC1,MC2に係るXYZ直交座標系とを関連付けるために、電流Iの方向(図3中のX軸の方向)を求める。前述の通り、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界HBを均一と近似しているため、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果の差分をとると磁界HBをキャンセルすることができる。また、電流Iの方向は、磁界の方向と直交するため、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果の差分の外積の方向は、電流Iの方向と一致する。このため、電流Iの方向(図3中のX軸の方向)の単位ベクトルjは、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3)を用いて、以下の(2)式で表される。
Next, in order to associate the xyz orthogonal coordinate system relating only to the
次いで、xyz直交座標系で表された各種ベクトルをXYZ直交座標系で表すために、図4に示す通り、電流Iに対して垂直な平面Γを考える。つまり、上記(2)式を用いて求められる単位ベクトルjに垂直な平面Γを考える。尚、平面Γは、YZ平面に平行な平面であるということもできる。図4は、被測定導体及び三軸磁気センサを、図3中の方向D1から見た図である。図3中の方向D1は、被測定導体MC1,MC2の長手方向に沿う方向(被測定導体MC1に流れる電流Iの方向とは反対の方向、被測定導体MC2に流れる電流Iの方向に沿う方向)である。尚、図4においては、理解を容易にするためにセンサヘッド10の図示を省略して、被測定導体MC1,MC2及び三軸磁気センサ11,12,13を図示している。
Next, a plane Γ perpendicular to the current I is considered as shown in FIG. 4 in order to represent various vectors represented in the xyz orthogonal coordinate system in the XYZ orthogonal coordinate system. That is, a plane Γ perpendicular to the unit vector j obtained using the above equation (2) is considered. It can be said that the plane Γ is a plane parallel to the YZ plane. FIG. 4 is a view of the conductor to be measured and the three-axis magnetic sensor as viewed from the direction D1 in FIG. A direction D1 in FIG. 3 is a direction along the longitudinal direction of the conductors to be measured MC1 and MC2 (a direction opposite to the direction of the current I flowing through the conductor to be measured MC1, a direction along the direction of the current I flowing through the conductor to be measured MC2) ). In FIG. 4, for the sake of easy understanding, illustration of the
図4に示す平面Γに対して、被測定導体MC1,MC2、三軸磁気センサ11,12,13、及び三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界を射影することにより、xyz直交座標系で表された各種ベクトルをXYZ直交座標系で表す。図4に示す通り、紙面に対して垂直なX方向(±X方向)に流れる電流Iによって、三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界は、X軸に直交するものになる。従って、電流Iが流れる方向と直交する平面Γに、三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界を、その大きさを変えることなく射影することができる。
By projecting the magnetic fields formed at the positions of the conductors to be measured MC1, MC2, the triaxial
ここで、平面Γ上における三軸磁気センサ11,12,13の位置をpi(i=1,2,3)として表し、平面Γ上における被測定導体MC1の位置をpAとして表す。尚、hi,pAは、2次元のベクトルである。また、平面Γ上に射影された磁界hi(i=1,2,3)を、以下の(3)式で表す。以下の(3)式中のhAi,hBはそれぞれ、上記(1)式中のHAi,HBを平面Γに射影したものである。尚、hiは2次元のベクトルである。
続いて、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界HBを推定する。まず、図4に示す通り、平面Γ上において、磁界hA1は、三軸磁気センサ11から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分に直交する。また、平面Γ上において、磁界hA2は、三軸磁気センサ12から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分に直交する。同様に、平面Γ上において、磁界hA3は、三軸磁気センサ13から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分に直交する。従って、これら線分を示すベクトルと磁界hA1,hA2,hA3との内積がゼロになるため、以下の(4)式が成り立つ。
次に、上記線分の長さと、磁界hA1,hA2,hA3の大きさとの関係に着目すると、アンペールの法則から以下の(5)式が成り立つ。
ここで、前述の通り、三軸磁気センサ11,12,13から被測定導体MC1に垂直に下ろした線分を示すベクトルと磁界hA1,hA2,hA3との内積がゼロになるが、各々の線分を示すベクトルを平面Γ内で90°回転させてから磁界hA1,hA2,hA3との内積をとると、以下の(6)式が成り立つ。
但し、上記(6)式中のRは、二次元座標平面内における90°回転行列であり、以下の(7)式で示される。
平面Γに射影した磁界hBは、上記(4),(6)式を用いて得られる以下の(8)式から求められる。
但し、上記(8)式中のp,h,c1,c2は、以下の(9)式に示される通りである。
ここで、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界HBを平面Γに射影した磁界hBは、X成分(電流Iが流れる方向の成分)が失われている。被測定導体MC1に流れる電流Iによって形成される磁界HAiは、X成分が生ずることはないため、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iによって形成される磁界HiのX成分は、磁界HBのX成分と等価になる。このため、磁界HiのX成分(jTHi)を磁界hBに追加することで、磁界HBを求めることができる。このようにして、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界HBを推定することができる。 Here, the magnetic field h B obtained by projecting the magnetic field H B formed by the current I flowing through the conductor to be measured MC2 onto the plane Γ loses the X component (the component in the direction in which the current I flows). Since the magnetic field H Ai formed by the current I flowing through the conductor to be measured MC1 does not generate an X component, the X component of the magnetic field Hi formed by the current I flowing through the conductors to be measured MC1 and MC2 is the magnetic field H B. Is equivalent to the X component. Therefore, the magnetic field H B can be obtained by adding the X component (j T Hi) of the magnetic field Hi to the magnetic field h B. In this way, it is possible to estimate the magnetic field H B which is formed by a current I flowing through the measured conductor MC2.
続いて、平面Γ上における被測定導体MC1の位置pAを求める。被測定導体MC1の位置pAは、上記(4),(6),(8)式を用いて得られる以下の(10)式から求められる。
平面Γ上における被測定導体MC1の位置pAが分かると、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13距離r1,r2,r3を求める(推定する)ことができる。そして、距離r1,r2,r3を求める(推定する)ことができれば、以下に示す組み合わせの何れかを用いて、アンペールの法則から電流Iを測定することができる。
・距離r1と三軸磁気センサ11の検出結果(磁界H1)との組み合わせ
・距離r2と三軸磁気センサ12の検出結果(磁界H2)との組み合わせ
・距離r3と三軸磁気センサ13の検出結果(磁界H3)との組み合わせ
If the position p A of the conductor to be measured MC1 on the plane Γ is known, the three-axis
-Combination of distance r1 and detection result (magnetic field H1) of triaxial magnetic sensor 11-Combination of distance r2 and detection result (magnetic field H2) of triaxial magnetic sensor 12-Detection result of distance r3 and triaxial
具体的には、まず、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界Hi)から、上記(8)式等を用いて推定された磁界HBを差し引き、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界HAiを求める。そして、上記(9)式等を用いて被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13距離r1,r2,r3が求められている。このため、以下の(11)式を用いて、被測定導体MC1に流れる電流Iが求められる。
〈電流測定装置の動作〉
次に、電流測定装置1を用いて被測定導体MC1(往路)に流れる電流Iを測定する際の動作について説明する。まず、電流測定装置1のユーザは、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定するために、センサヘッド10を被測定導体MC1に近接配置させる。尚、被測定導体MC1に対するセンサヘッド10の位置及び姿勢は任意である。但し、被測定導体MC2に対するセンサヘッド10の距離が、被測定導体MC1に対するセンサヘッド10の距離に比べて十分大きいとみなせる程度に、被測定導体MC1に対してセンサヘッド10を近接配置させる必要がある。尚、被測定導体MC2が移動可能なものである場合には、被測定導体MC2に対するセンサヘッド10の距離が、被測定導体MC1に対するセンサヘッド10の距離に比べて十分大きいとみなせる程度に、被測定導体MC2を被測定導体MC1に対して遠方に配置させる。
<Operation of current measuring device>
Next, an operation when measuring the current I flowing through the conductor to be measured MC1 (outward path) using the
図5は、本発明の一実施形態による電流測定装置の動作の概要を示すフローチャートである。図5に示すフローチャートは、例えば一定周期(例えば、1秒)で開始される。図5に示すフローチャートの処理が開始されると、まず三軸磁気センサ11,12,13によって、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iによって形成される磁界が検出される(ステップS11)。尚、三軸磁気センサ11,12,13による磁界の検出は、例えば1秒間に1000回程度行われる。次に、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を示す検出データを、メモリ23に蓄積する処理が、回路部20の演算部25によって行われる(ステップS12)。
FIG. 5 is a flowchart showing an outline of the operation of the current measuring device according to the embodiment of the present invention. The flowchart shown in FIG. 5 is started at, for example, a constant cycle (for example, 1 second). When the processing of the flowchart shown in FIG. 5 is started, a magnetic field formed by the current I flowing through the conductors MC1 and MC2 to be measured is first detected by the three-axis
次いで、検出データから雑音を除去する処理が、雑音除去部25aによって行われる(ステップS13)。具体的には、メモリ23に蓄積された検出データが雑音除去部25aに読み出され、読み出された検出データに対して平均化処理又は二乗和平方根処理が行われることで、検出データに含まれる雑音成分を除去する処理が行われる。尚、二乗和平方根処理を行うと符号が無くなるため、別途、符号の付加を行う。ここで、三軸磁気センサ11,12,13からは、三軸の検出結果を出力する3種類の検出データがそれぞれ出力される。雑音除去部25aによる雑音成分の除去は、各軸の検出データに対して個別に行われる。
Next, a process for removing noise from the detected data is performed by the
続いて、被測定導体MC2(復路)に流れる電流Iによって形成される磁界HBを推定する処理が、磁界推定部25bによって行われる(ステップS14)。尚、磁界推定部25bによって推定される磁界HBは、被測定導体MC2に流れる電流によって生成される磁界が、3つの三軸磁気センサ11,12,13に近似的に均一に作用するとみなした場合の磁界である点に注意されたい。
Subsequently, the process of estimating the magnetic field H B which is formed by a current I flowing through the measured conductor MC2 (return) is performed by the magnetic field estimation unit 25b (step S14). Note that the magnetic field H B estimated by the magnetic field estimation unit 25b is considered that the magnetic field generated by the current flowing through the conductor to be measured MC2 acts approximately uniformly on the three triaxial
図6は、図5中のステップS14の処理の詳細を示すフローチャートである。ステップS14の処理が開始されと、まず、図6に示す通り、被測定導体MC1,MC2を流れる電流Iの方向を算出する処理が、磁界推定部25bによって行われる(ステップS21)。具体的には、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を用いて、前述した(2)式に示される演算を行って、被測定導体MC1,MC2を流れる電流Iの方向を算出する処理が、磁界推定部25bによって行われる。
FIG. 6 is a flowchart showing details of the process in step S14 in FIG. When the process of step S14 is started, first, as shown in FIG. 6, a process of calculating the direction of the current I flowing through the conductors to be measured MC1 and MC2 is performed by the magnetic field estimation unit 25b (step S21). Specifically, using the detection results of the three-axis
次に、被測定導体MC1,MC2、三軸磁気センサ11,12,13、及び三軸磁気センサ11,12,13で検出された磁界H1,H2,H3を電流Iに垂直な平面Γに射影する処理が、磁界推定部25bによって行われる(ステップS22)。尚、かかる処理によって、磁界H1,H2,H3を平面Γ上に射影した磁界h1,h2,h3は、前述した(3)式を用いて表される。
Next, the measured conductors MC1, MC2, triaxial
そして、被測定導体MC2(復路)に流れる電流Iによって形成される磁界HBを算出する処理が、磁界推定部25bによって行われる(ステップS23)。具体的には、前述した(8),(9)式を用いて磁界hBを算出し、磁界HiのX成分(jTHi)を磁界hBに追加して磁界HBを求める処理が、磁界推定部25bによって行われる。このような処理により、被測定導体MC2(復路)に流れる電流Iによって形成される磁界HBが推定される。 Then, the process of calculating the magnetic field H B which is formed by a current I flowing through the measured conductor MC2 (return) is performed by field estimation unit 25b (step S23). Specifically, the above-described (8), the processing for calculating the magnetic field h B, obtains the magnetic field H B by adding X component of the magnetic field Hi a (j T Hi) to the magnetic field h B using equation (9) This is performed by the magnetic field estimation unit 25b. By such processing, the magnetic field H B which is formed by a current I flowing through the measured conductor MC2 (return) is estimated.
続いて、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離r1,r2,r3を推定する処理が、距離推定部25cによって行われる(ステップS15)。具体的には、まず、平面Γ上における三軸磁気センサ11,12,13の位置pi、平面Γ上に射影された磁界hi、前述した(8),(9)式を用いて算出される磁界hBを用い、前述した(10)式に示される演算を行って、平面Γ上における被測定導体MC1の位置pAを求める処理が、距離推定部25cによって行われる。そして、平面Γ上における被測定導体MC1の位置pAと、平面Γ上における三軸磁気センサ11,12,13の位置piとから、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離r1,r2,r3を推定する処理が、距離推定部25cによって行われる。
Subsequently, processing for estimating the distances r1, r2, and r3 of the triaxial
以上の処理が終了すると、被測定導体MC1(往路)に流れる電流Iを算出する処理が、演算部25の電流算出部25dによって行われる(ステップS16)。具体的には、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3)、ステップS14で推定された磁界HB、及びステップS15で推定された距離r1,r2,r3を用い、前述した(11)式に示される演算を行って、被測定導体MC1に流れる電流Iを算出する処理が、演算部25の電流算出部25dによって行われる。
When the above process is completed, the process of calculating the current I flowing through the conductor to be measured MC1 (outward path) is performed by the current calculation unit 25d of the calculation unit 25 (step S16). Specifically, the detection results (magnetic fields H1, H2, and H3) of the three-axis
より具体的には、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3)からステップS14で推定された磁界HBを差し引いて、(11)式中の磁界HAi(被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13の位置に形成される磁界)を求める処理が行われる。そして、ステップS15で推定された距離r1,r2,r3と磁界HAiの大きさとを用いて(11)式に示される演算が行われる。このようにして、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界の影響が排除された上で、被測定導体MC1に流れる電流Iが非接触で直接的に測定される。
More specifically, by subtracting the magnetic field H B estimated in step S14 from the detection results (magnetic fields H1, H2, H3) of the three-axis
以上の通り、本実施形態では、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果と、三軸磁気センサ11,12,13の位置関係とを用いて、被測定導体MC2に流れる電流Iによって形成される磁界HBを推定するとともに、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離r1,r2,r3を推定している。そして、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3)から磁界HBの影響を排除したものと、推定した距離r1,r2,r3とを用いて、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定するようにしている。ここで、本実施形態では、被測定導体MC1に対するセンサヘッド10の位置及び姿勢は任意で良い。また、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果は、電流Iが直流電流であるか交流電流であるかに拘わらず得られる。このため、本実施形態では、柔軟な配置が可能であり、往復する電流経路の何れか一方(被測定導体MC1)に流れる直流電流及び低周波の交流電流を非接触で精度良く測定することができる。
As described above, in the present embodiment, the detection result of the triaxial
また、本実施形態では、三軸磁気センサ11,12,13が設けられたセンサヘッド10と、演算部25が設けられた回路部20とが分離されてケーブルCBによって接続されている。これにより、センサヘッド10の取り回しが容易になり、例えば狭い場所へのセンサヘッド10の設置も容易に行うことができるため、より柔軟な配置が可能である。
In the present embodiment, the
尚、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定する場合には、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3から磁界HBの影響を排除したもの)と、推定された距離r1,r2,r3とを全て用いる必要は必ずしも無い。以下の組み合わせの何れかを用いれば、被測定導体MC1に流れる電流Iを測定することができる。
・距離r1と三軸磁気センサ11の検出結果との組み合わせ
・距離r2と三軸磁気センサ12の検出結果との組み合わせ
・距離r3と三軸磁気センサ13の検出結果との組み合わせ
Incidentally, in the case of measuring the current I flowing through the measured conductor MC1 includes a detection result of the three-axis
-Combination of distance r1 and detection result of triaxial magnetic sensor 11-Combination of distance r2 and detection result of triaxial magnetic sensor 12-Combination of distance r3 and detection result of triaxial
以上、本発明の一実施形態による電流測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離r1,r2,r3を推定し、推定した距離r1,r2,r3を用いて被測定導体MC1に流れる電流Iを測定する例について説明した。しかしながら、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離r1,r2,r3を推定する必要は必ずしも無く、省略することが可能である。
The current measuring apparatus according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be freely changed within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the distances r1, r2, and r3 of the three-axis
つまり、前述した(9),(10)式を参照すると、平面Γ上における被測定導体MC1の位置pAは、平面Γ上における三軸磁気センサ11,12,13の位置pi、平面Γ上に射影された磁界hi、前述した(8),(9)式を用いて算出される磁界hBを用いて求められる。このため、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離ri(r1,r2,r3)も、上記の位置pA、上記の位置pi、及び上記の磁界hBを用いて求めることができる。よって、予め三軸磁気センサ11,12,13の距離riを求める式を求めて前述した(11)式に代入すれば、(11)式は、上記の位置pA、上記の位置pi、及び上記の磁界hBと、HAiの大きさとを用いて電流Iを求める式に変形することができる。このため、被測定導体MC1に対する三軸磁気センサ11,12,13の距離riを推定する処理は省略することが可能である。
That is, referring to the above-described equations (9) and (10), the position p A of the conductor MC1 to be measured on the plane Γ is the position pi of the triaxial
また、上述した実施形態では、三軸磁気センサ11,12が第1軸方向(x軸方向)に間隔d[m]だけ離間し、三軸磁気センサ11,13が第3軸方向(z軸方向)に間隔d[m]だけ離間している例について説明した。しかしながら、三軸磁気センサ11,12,13は、各々の感磁方向が互いに平行になるように設定されていれば、相対的な位置関係は任意である。
Further, in the above-described embodiment, the triaxial
1 電流測定装置
10 センサヘッド
11 三軸磁気センサ
12 三軸磁気センサ
13 三軸磁気センサ
20 回路部
25 演算部
25a 雑音除去部
25b 磁界推定部
25c 距離推定部
25d 電流算出部
I 電流
MC1 被測定導体
MC2 被測定導体
DESCRIPTION OF
Claims (7)
各々の感磁方向が互いに平行になるように、予め規定された位置関係をもって配置された3つの三軸磁気センサと、
前記3つの三軸磁気センサの検出結果と前記3つの三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、前記被測定導体の何れか他方に流れる電流によって生成される磁界の影響を排除した上で、前記被測定導体の何れか一方に流れる電流を求める演算部と、
を備える電流測定装置。 A current measuring device for measuring a current flowing in any one of a pair of conductors to be measured, in which currents flow in opposite directions,
Three three-axis magnetic sensors arranged with a predetermined positional relationship so that the respective magnetic sensing directions are parallel to each other;
Based on the detection results of the three triaxial magnetic sensors and the positional relationship of the three triaxial magnetic sensors, after eliminating the influence of the magnetic field generated by the current flowing through one of the measured conductors, A calculation unit for obtaining a current flowing in any one of the conductors to be measured;
A current measuring device comprising:
前記3つの三軸磁気センサの検出結果と前記3つの三軸磁気センサの位置関係とを用いて、前記被測定導体の何れか一方に対する前記3つの三軸磁気センサの少なくとも1つの距離を推定する距離推定部と、
前記距離推定部によって推定された距離と、前記距離推定部によって距離が推定された三軸磁気センサの検出結果から前記磁界推定部によって推定された磁界を差し引いたものとに基づいて、前記被測定導体の何れか一方に流れる電流を求める電流算出部と、
を備える請求項1記載の電流測定装置。 The calculation unit estimates a magnetic field generated by a current flowing in one of the measured conductors using a detection result of the three triaxial magnetic sensors and a positional relationship of the three triaxial magnetic sensors. A magnetic field estimator;
Using the detection results of the three triaxial magnetic sensors and the positional relationship of the three triaxial magnetic sensors, at least one distance of the three triaxial magnetic sensors with respect to any one of the conductors to be measured is estimated. A distance estimator;
Based on the distance estimated by the distance estimator and the result of subtracting the magnetic field estimated by the magnetic field estimator from the detection result of the three-axis magnetic sensor whose distance is estimated by the distance estimator A current calculation unit for obtaining a current flowing through one of the conductors;
A current measuring device according to claim 1.
前記雑音除去部によって雑音成分が除去された前記3つの三軸磁気センサの検出結果を用いて前記被測定導体の何れか一方に流れる電流を求める、
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の電流測定装置。 The arithmetic unit further includes a noise removing unit that removes a noise component included in the detection results of the three three-axis magnetic sensors,
Using the detection results of the three three-axis magnetic sensors from which noise components have been removed by the noise removing unit, a current flowing through any one of the conductors to be measured is obtained.
The current measuring device according to any one of claims 1 to 3.
前記演算部を備える回路部と、
を備える請求項1か請求項5の何れか一項に記載の電流測定装置。 A sensor head comprising the three triaxial magnetic sensors;
A circuit unit comprising the arithmetic unit;
The current measuring device according to claim 1, further comprising:
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