JP2020186991A - 電流測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路に対して柔軟な配置が可能であり、該電流経路を流れる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。【解決手段】電流測定装置は、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た4つ以上の三軸磁気センサと、4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、近接配置され、互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体に流れる電流を求める演算部と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、電流測定装置に関する。
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。
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。
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。
ところで、電流の測定対象である複数の被測定導体が、近接して配置されている場合がある。例えば、互いに反対方向の電流が流れている一対の被測定導体が、近接して平行に配置されている場合がある。このような場合には、一方の被測定導体を流れる電流の電流経路(例えば、往路)と、他方の被測定導体を流れる電流の電流経路(例えば、復路)とが存在することとなる。
このような場合において、一対の電流経路のうちの何れか一方の電流経路を流れる電流を測定しようとすると、何れか他方の電流経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。具体的には、往路を流れる電流を測定しようとすると、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てしまい、逆に、復路を流れる電流を測定しようとすると、往路を流れる電流によって生成される磁界の影響を受けてしまう。また、このような場合においては、電流経路間が狭く、例えば前述した磁気コアを被測定導体の周囲に設置するのが困難なことが多い。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路に対して柔軟な配置が可能であり、該電流経路を流れる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。
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、近接配置され、互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体(MC1、MC2)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4つ以上の三軸磁気センサ(11〜14)と、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と前記4つ以上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4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と前記4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とを用いて、前記被測定導体の位置(VA、VB、又は、vA、vB)を推定する位置推定部(25b)と、前記位置推定部によって推定された位置と、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果とに基づいて、前記被測定導体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は、前記演算部が、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と前記4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、前記4つ以上の三軸磁気センサに均一に作用する背景磁界(Φ又はφ)を推定する背景磁界推定部(25c)を備えており、前記電流算出部が、前記位置推定部によって推定された位置と、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と、前記背景磁界推定部で推定された背景磁界とに基づいて、前記被測定導体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、前記演算部が、前記4つ以上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4つ以上の三軸磁気センサの検出結果を用いて前記被測定導体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4つ以上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4つ以上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4つ以上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4つ以上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。
本発明によれば、互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路に対して柔軟な配置が可能であり、該電流経路を流れる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ある。
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。以下では、まず本発明の実施形態の概要について説明し、続いて本発明の各実施形態の詳細について説明する。
〔概要〕
本発明の実施形態は、互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路に対して柔軟な配置が可能であり、該電流経路を流れる電流を非接触で精度良く測定することを可能とするものである。具体的には、電流経路の何れか一方(例えば、往路)を流れる電流によって生成される磁界と、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との双方を考慮して、電流経路を互いに反対方向に流れて大きさが同じ電流を、非接触で精度良く測定することを可能とするものである。その際、電流経路に対する位置や姿勢が制限されず、柔軟な配置にて精度良い電流の測定を可能とするものである。
本発明の実施形態は、互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路に対して柔軟な配置が可能であり、該電流経路を流れる電流を非接触で精度良く測定することを可能とするものである。具体的には、電流経路の何れか一方(例えば、往路)を流れる電流によって生成される磁界と、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との双方を考慮して、電流経路を互いに反対方向に流れて大きさが同じ電流を、非接触で精度良く測定することを可能とするものである。その際、電流経路に対する位置や姿勢が制限されず、柔軟な配置にて精度良い電流の測定を可能とするものである。
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、数百[Hz]程度以下)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。
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。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。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。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。
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、例えば、往路を流れる電流を測定しようとすると、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てしまい、逆に、復路を流れる電流を測定しようとすると、往路を流れる電流によって生成される磁界の影響を受けてしまい、測定精度が悪化してしまう。
本発明の実施形態では、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た4つ以上の三軸磁気センサと、4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、近接配置されて互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体に流れる電流を求めるようにしている。電流を求める際には、一対の被測定導体に対する三軸磁気センサ(予め規定された位置関係をもって配置された4つ以上の三軸磁気センサ)の位置や姿勢は任意である。これにより、互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路に対して柔軟な配置が可能であり、該電流経路を流れる電流を非接触で精度良く測定することができる。
〔実施形態〕
〈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を備える。このような電流測定装置1は、近接して平行に配置され、互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを非接触で直接的に測定する。
〈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を備える。このような電流測定装置1は、近接して平行に配置され、互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを非接触で直接的に測定する。
ここで、被測定導体MC1,MC2が近接しているとは、被測定導体MC1,MC2の何れか一方に流れる電流によって生成される磁界が、センサヘッド10に設けられた複数の三軸磁気センサ(詳細は後述する)に均一に作用するとみなすことができない程度に、被測定導体MC1,MC2の間隔が狭く設定される場合をいう。言い換えると、上記の電流によって生成される磁界が、上記の複数の三軸磁気センサに不均一に作用する程度に、被測定導体MC1,MC2の間隔が狭く設定される場合をいう。
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反対である。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。
センサヘッド10は、被測定導体MC1,MC2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,MC2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,H4)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,MC2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。
センサヘッド10には、4つの三軸磁気センサ11,12,13,14が設けられている。三軸磁気センサ11,12,13,14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11,12,13,14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11,12,13,14の第1軸が互いに平行になり、三軸磁気センサ11,12,13,14の第2軸が互いに平行になり、且つ三軸磁気センサ11,12,13,14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間隔をもって配置されている。尚、以下では、図1に示す通り、三軸磁気センサ13,11,12が、第1軸方向に所定の間隔をもって配列され、三軸磁気センサ11,14が、第3軸方向に所定の間隔をもって配列されているとする。
三軸磁気センサ11,12,13,14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。但し、三軸磁気センサ11,12,13,14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、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果を示す信号がアナログ信号である場合に比べて、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11,12,13,14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11,12,13,14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12本のケーブルCBが必要になる。これに対し、三軸磁気センサ11,12,13,14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。
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11,12,13,14の検出結果)に基づいて、被測定導体MC1,MC2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。
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。
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,MC2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。
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11,12,13,14の検出結果、演算部25の演算結果(被測定導体MC1,MC2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。
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11,12,13,14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11,12,13,14の検出結果を読み出して、被測定導体MC1,MC2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、位置推定部25b、背景磁界推定部25c、及び電流算出部25dを備える。
雑音除去部25aは、三軸磁気センサ11,12,13,14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11,12,13,14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11,12,13,14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11,12,13,14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11,12,13,14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。
位置推定部25bは、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果と三軸磁気センサ11,12,13,14の位置関係とを用いて、被測定導体MC1,MC2の位置(三軸磁気センサ11,12,13,14に対する被測定導体MC1,MC2の位置)を推定する。このような推定を行うのは、被測定導体MC1に流れる電流Iによって生成される磁界と、被測定導体MC2に流れる電流Iによって生成される磁界との双方を考慮して、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを高い精度で測定するためである。尚、位置推定部25bで行われる処理の詳細については後述する。
背景磁界推定部25cは、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果と三軸磁気センサ11,12,13,14の位置関係とに基づいて、三軸磁気センサ11,12,13,14に均一に作用する背景磁界(例えば、地磁気)を推定する。このような推定を行うのは、背景磁界(例えば、地磁気)の影響を排除して、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを高い精度で測定するためである。背景磁界推定部25cは、背景磁界の影響を考慮する必要が無い場合には、省略することも可能である。尚、背景磁界推定部25cで行われる処理の詳細については後述する。
電流算出部25dは、位置推定部25bによって推定された位置と、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果とに基づいて、被測定導体MC1,MC2に流れる電流を求める。ここで、電流算出部25dは、背景磁界の影響を考慮する必要がある場合には、位置推定部25bによって推定された位置と、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果と、背景磁界推定部25cによって推定された背景磁界とに基づいて、被測定導体MC1,MC2に流れる電流を求める。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。
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11,12,13,14)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、狭い場所への設置)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。
〈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。尚、図3においては、視認性を考慮して、センサヘッド10に設けられた三軸磁気センサ11のみを図示し、三軸磁気センサ12,13,14については図示を省略している。まず、図3に示す通り、センサヘッド10に係る座標系(XYZ直交座標系)を設定する。
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。尚、図3においては、視認性を考慮して、センサヘッド10に設けられた三軸磁気センサ11のみを図示し、三軸磁気センサ12,13,14については図示を省略している。まず、図3に示す通り、センサヘッド10に係る座標系(XYZ直交座標系)を設定する。
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11,12,13,14の第1軸方向(三軸磁気センサ13,11,12の配列方向:図1参照)にX軸が設定されており、三軸磁気センサ11,12,13,14の第2軸方向にY軸が設定されており、三軸磁気センサ11,12,13,14の第3軸方向(三軸磁気センサ11,14の配列方向:図1参照)にZ軸が設定されている。
ここで、三軸磁気センサ11,12,13,14の位置をPm(m=1,2,3,4)と表す。尚、Pm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で表し、三軸磁気センサ14の位置をP4で表すとする。例えば、3三軸磁気センサ13,11,12のX方向の間隔、及び三軸磁気センサ11,14のZ方向の間隔がd[m]であるとすると(図1参照)、三軸磁気センサ11,12,13,14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=(−d,0, 0)
三軸磁気センサ14の位置:P4=( 0,0,−d)
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=(−d,0, 0)
三軸磁気センサ14の位置:P4=( 0,0,−d)
ここで、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13,14の位置に形成される磁界をHAm(m=1,2,3,4)と表す。尚、HAm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と表す。同様に、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14の位置に形成される磁界をHA4と表す。
また、図3に示す通り、被測定導体MC2に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13,14の位置に形成される磁界をHBm(m=1,2,3,4)と表す。尚、HBmはベクトルである。つまり、被測定導体MC2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HB1と表し、被測定導体MC2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HB2と表す。同様に、被測定導体MC2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HB3と表し、被測定導体MC2に流れる電流Iによって三軸磁気センサ14の位置に形成される磁界をHB4と表す。
また、三軸磁気センサ11,12,13,14に均一に作用する背景磁界をΦと表す。尚、Φはベクトルである。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11,12,13,14の位置に形成される磁界Hm(m=1,2,3,4)は、以下の(1)式で表される。尚、Hmはベクトルである。
上記(2)式の右辺第1項は、被測定導体MC1に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13,14の位置に形成される磁界(上記(1)式中のHAm)を示している。上記(2)式の右辺第2項は、被測定導体MC2に流れる電流Iによって三軸磁気センサ11,12,13,14の位置に形成される磁界(上記(1)式中のHBm)を示している。上記(1)式及び(2)式の右辺第2項の符号が負となっているのは、被測定導体MC2に流れる電流Iの方向が、被測定導体MC1に流れる電流Iの方向とは反対だからである。
上記(2)式中のrAmは、三軸磁気センサ11,12,13,14の各々から被測定導体MC1に下ろした垂線に平行なベクトルを示しており、rBmは、三軸磁気センサ11,12,13,14の各々から被測定導体MC2に下ろした垂線に平行なベクトルを示している。また、上記(2)式中のjは、電流Iの方向の単位ベクトルである。
ここで、単位行列をEとし、被測定導体MC1の位置をVAとし、被測定導体MC2の位置をVBとする。尚、VA,VBはベクトルである。すると、上記(2)式中のベクトルrAm,rBmは、以下の(3)式で表される。
被測定導体MC1,MC2を流れる電流Iの方向は共に、磁界の方向と直交するため、三軸磁気センサ11,12,13,14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の方向の単位ベクトルjは、例えば三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3)を用いて、以下の(4)式で表される。
次に、上記(4)式で表される単位ベクトルjに垂直な複素数平面Γを考える。このような複素数平面Γを考えるのは、計算を簡略化するためである。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。尚、図4中のj1,j2は、複素数平面Γ内において互いに直交する単位ベクトルである。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11,12,13,14を図示している。
図4に示す複素数平面Γに対して、被測定導体MC1,MC2、三軸磁気センサ11,12,13,14、及び三軸磁気センサ11,12,13,14の位置に形成される磁界を射影する。図4に示す通り、紙面に対して垂直な方向(単位ベクトルjに沿う方向、又は単位ベクトルjとは反対の方向)に流れる電流Iによって、三軸磁気センサ11,12,13,14の位置に形成される磁界は、単位ベクトルj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複素数平面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。
ここで、複素数平面Γ上における三軸磁気センサ11,12,13,14の位置をpm(m=1,2,3,4)と表す。また、複素数平面Γ上における被測定導体MC1の位置をvAとし、複素数平面Γ上における被測定導体MC2の位置をvBとする。また、複素数平面Γ上に射影された磁界hm(i=1,2,3,4)を、以下の(5)式で表す。以下の(5)式中のhAm,hBm,φはそれぞれ、上記(1)式中のHAm,HBm,Φを複素数平面Γに射影したものである。
上記(7)中の磁界hmは、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果(磁界Hm)を複素数平面Γに射影したものであり、位置pmは、三軸磁気センサ11,12,13,14の位置Pmを複素数平面Γに射影したものであるから、演算により求めることができる。よって、被測定導体MC1,MC2を流れる電流Iは、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBと、複素数平面Γ上における背景磁界φとが得られれば、上記(7)式を用いて求めることが可能である。
このため、複素数平面Γ上に射影された磁界から、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBと、複素数平面Γ上における背景磁界φとを推定することを考える。上記(6)式の右辺第3項(φ)を左辺に移項し、左辺の複素共役を両辺に掛け、分母を払って整理すると以下の(8)式が得られる。
ここで、上記(8)式の右辺は、添字mに依らない定数である。このため、以下の(9)式に示す通り、上記(8)式の右辺を変数kとする。また、以下の(9)式に示す通り、被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBの和を変数vとする。
上記(11)式を参照すると、背景磁界φ*、変数v、及び変数kに関する二次斉次連立方程式となっている。上記(11)式は、m>1の場合に成り立つので、これを解くことで、背景磁界φ*、変数v(=vA+vB)、及び変数kを求めることができる。
上記(18)式はφ*の二次方程式であるから、以下の(19)式から背景磁界φ*を求めることができる。尚、未知の変数kを用いたことで2つの背景磁界φ*が得られるが、(6)式を満たす背景磁界φ*はただ一つに定まる。これにより、複素数平面Γ上における背景磁界φ*が推定される。
上記(19)式から求められた背景磁界φ*を、上述した(15)式に代入すると、変数v(=vA+vB)が求められる。更に、求められた背景磁界φ*、及び変数vを、前述した(12)式に代入すると、変数kを求めることができる。
最後に、求められた背景磁界φ*、変数v、及び変数kを、前述した(10)式に代入すると、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBの積(vAvB)を求めることができる。以上により、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBの和(v=vA+vB)と積(vAvB)とが求まったことから、複素数平面Γ上における被測定導体MC1の位置vAと、複素数平面Γ上における被測定導体MC2の位置vBとを推定することができる。
以上の通り、上記(19)式から複素数平面Γ上における背景磁界φ*が推定され、前述した(10)式から複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBが推定される。よって、背景磁界φ及び被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBを前述した(7)式に代入することにより、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを求めることができる。
上記(20)式中の磁界Hmは、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果である。上記(20)式中のjは、電流Iの方向の単位ベクトルであり、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果(磁界H1,H2,H3)を用いて前述した(4)式から求められる。よって、被測定導体MC1,MC2を流れる電流Iは、背景磁界Φと、三軸磁気センサ11,12,13,14の各々から被測定導体MC1,MC2の各々に下ろした垂線に平行なベクトルrAm,rBmとが得られれば、上記(20)式を用いても求めることができる。
背景磁界Φは、上記(19)式から推定された複素数平面Γ上における背景磁界φを、XYZ直交座標系に復元することにより得られる。また、ベクトルrAm,rBmは、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBを、XYZ直交座標系に復元することによって被測定導体MC1,MC2の位置VA,VBを求め、これらを前述した(3)式に代入することによって得られる。以上の通り、前述した(7)式、又は、上記(20)式を用いて、被測定導体MC1,MC2を流れる電流Iを測定することができる。
〈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,MC2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,MC2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,MC2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。
次に、電流測定装置1を用いて被測定導体MC1,MC2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,MC2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,MC2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。
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11,12,13,14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11,12,13,14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11,12,13,14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)。
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11,12,13,14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。
続いて、被測定導体MC1,MC2の位置及び背景磁界を推定する処理が、位置推定部25b及び背景磁界推定部25cによってそれぞれ行われる(ステップS14)。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、演算部25によって行われる(ステップS21)。例えば、三軸磁気センサ11,12,13の検出結果を用いて、前述した(4)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の方向の単位ベクトルjを算出する処理が、演算部25によって行われる。
次に、被測定導体MC1,MC2、三軸磁気センサ11,12,13,14、及び三軸磁気センサ11,12,13,14で検出された磁界Hm(m=1,2,3,4)を電流Iに垂直な複素数平面Γに射影する処理が、演算部25によって行われる(ステップS22)。ここで、被測定導体MC1,MC2の位置VA,VBは、未知である。このため、複素数平面Γ上に射影された被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBは未知の値となる。尚、複素数平面Γ上における背景磁界φも未知である。
これに対し、三軸磁気センサ11,12,13,14の位置Pm(m=1,2,3,4)は既知である。また、三軸磁気センサ11,12,13,14で検出された磁界Hmも既知である。このため、複素数平面Γ上に射影された三軸磁気センサ11,12,13,14の位置pm(m=1,2,3,4)、及び複素数平面Γ上に射影された磁界hm(m=1,2,3,4)は既知の値となる。
続いて、複素数平面Γ上における未知の背景磁界φを推定する処理が、背景磁界推定部25cによって行われる(ステップS23)。具体的には、前述した(19)式を用いて未知の背景磁界φを推定する処理が行われる。ここで、前述した(19)式中の係数α,β,γは、前述した(18)式、(14)式、及び(12)式を参照すると、複素数平面Γ上に射影された三軸磁気センサ11,12,13,14の位置pmと、複素数平面Γ上に射影された磁界hmとを要素とするものである。このため、複素数平面Γ上における未知の背景磁界φは、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果と三軸磁気センサ11,12,13,14の位置関係とに基づいて推定される。
続いて、未知の値である被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBを推定する処理が、位置推定部25bによって行われる(ステップS24)。具体的には、まず、ステップS23の処理で推定された背景磁界φを、前述した(15)式に代入して変数v(=vA+vB)を求める処理が行われる。尚、(15)式中の係数Amn,Bmn,Cmn,Dmnは、複素数平面Γ上に射影された三軸磁気センサ11,12,13,14の位置pmと、複素数平面Γ上に射影された磁界hmとから求められる。
次に、ステップS23の処理で推定された背景磁界φと、上記の変数vとを、前述した(12)式に代入して変数kを求める処理が行われる。尚、(12)式中の係数am,bm,cm,dm,emは、複素数平面Γ上に射影された三軸磁気センサ11,12,13,14の位置pmと、複素数平面Γ上に射影された磁界hmとから求められる。
そして、推定された背景磁界φと、求められた変数v及び変数kを、前述した(10)式に代入して、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBの積(vAvB)を求める処理が行われる。最後に、前述した(15)式から求められた位置vA,vBの和(v=vA+vB)と、前述した(10)式から求められた位置vA,vBの積(vAvB)とから、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBが算出される。このようにして、被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBが推定される。
以上の処理が終了すると、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを算出する処理が、電流算出部25dによって行われる(ステップS15)。具体的には、複素数平面Γ上に射影された三軸磁気センサ11,12,13,14の位置pm、複素数平面Γ上に射影された磁界hm、並びにステップS14の処理で推定された複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vB及び背景磁界φを用い、前述した(7)式に示される演算を行って、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを算出する処理が、電流算出部25dによって行われる。
尚、ステップS15においては、前述した(7)式に代えて、前述した(20)式に示される演算を行って、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを算出しても良い。(20)式に示される演算を行って電流Iを算出する場合には、まず、複素数平面Γ上における背景磁界φをXYZ直交座標系に復元して背景磁界Φを得る処理が、電流算出部25dによって行われる。また、複素数平面Γ上における被測定導体MC1,MC2の位置vA,vBをXYZ直交座標系に復元して被測定導体MC1,MC2の位置VA,VBを得る処理が、電流算出部25dによって行われる。
次に、得られた被測定導体MC1,MC2の位置VA,VBと、三軸磁気センサ11,12,13,14の位置Pmとを、前述した(3)式に代入して、ベクトルrAm,rBmを求める処理が、電流算出部25dによって行われる。そして、以上の処理で得られた背景磁界Φ、ベクトルrAm,rBmに加えて、図6のステップS21で算出された単位ベクトルj、三軸磁気センサ11,12,13,14で検出された磁界Hmを用い、前述した(20)式に示される演算を行って、被測定導体MC1,MC2に流れる電流Iを算出する処理が、電流算出部25dによって行われる。
以上の通り、本実施形態では、三軸磁気センサ11,12,13,14の検出結果と、三軸磁気センサ11,12,13,14の位置関係とを用いて、被測定導体MC1,MC2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,MC2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11,12,13,14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、互いに反対方向の電流が流れ、近接配置される電流経路(被測定導体MC1,MC2)を流れる直流電流及び低周波(例えば、数百[Hz]程度以下)の交流電流を非接触で精度良く測定することができる。
また、本実施形態では、三軸磁気センサ11,12,13,14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。
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、三軸磁気センサ13,11,12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11,14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11,12,13,14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。
1 電流測定装置
10 センサヘッド
11〜14 三軸磁気センサ
20 回路部
25 演算部
25a 雑音除去部
25b 位置推定部
25c 背景磁界推定部
25d 電流算出部
I 電流
MC1 被測定導体
MC2 被測定導体
VA,vA 被測定導体の位置
VB,vB 被測定導体の位置
φ,Φ 背景磁界
10 センサヘッド
11〜14 三軸磁気センサ
20 回路部
25 演算部
25a 雑音除去部
25b 位置推定部
25c 背景磁界推定部
25d 電流算出部
I 電流
MC1 被測定導体
MC2 被測定導体
VA,vA 被測定導体の位置
VB,vB 被測定導体の位置
φ,Φ 背景磁界
Claims (7)
- 近接配置され、互いに反対方向に電流が流れる一対の被測定導体に流れる電流を測定する電流測定装置であって、
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4つ以上の三軸磁気センサと、
前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と前記4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、前記被測定導体に流れる電流を求める演算部と、
を備える電流測定装置。 - 前記演算部は、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と前記4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とを用いて、前記被測定導体の位置を推定する位置推定部と、
前記位置推定部によって推定された位置と、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果とに基づいて、前記被測定導体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。 - 前記演算部は、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と前記4つ以上の三軸磁気センサの位置関係とに基づいて、前記4つ以上の三軸磁気センサに均一に作用する背景磁界を推定する背景磁界推定部を備えており、
前記電流算出部は、前記位置推定部によって推定された位置と、前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果と、前記背景磁界推定部で推定された背景磁界とに基づいて、前記被測定導体に流れる電流を求める、
請求項2記載の電流測定装置。 - 前記演算部は、前記4つ以上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4つ以上の三軸磁気センサの検出結果を用いて前記被測定導体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。 - 前記雑音除去部は、予め規定された一定の期間毎に得られる、前記4つ以上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4つ以上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、請求項4記載の電流測定装置。
- 前記4つ以上の三軸磁気センサを備えるセンサヘッドと、
前記演算部を備える回路部と、
を備える請求項1から請求項5の何れか一項に記載の電流測定装置。 - 前記4つ以上の三軸磁気センサの検出結果を示す信号は、ディジタル信号である、請求項1から請求項6の何れか一項に記載の電流測定装置。
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