JP4190060B2 - measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧や電流の測定に適した測定装置に関し、詳しくは、入力交流信号に基づく被積分信号を積分し、その積分によって得られた実効電圧に基づいて電圧や電流を測定する測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
モータのトルク特性を確認するための測定系として、図4に示す測定系S2が従来から知られている。この測定系S2では、まず、インバータ装置2が、入力した商用交流(U,V,W)の電圧および周波数を変換することにより、例えば、2Hz〜120Hzまでの交流電圧VACをモータMに供給する。この際に、モータMに供給される交流電圧VACの実効電圧を電圧計51によって測定すると共に、図外のトルク計によってモータのトルクを測定する。これにより、その両測定値に基づいて、モータMに供給される電圧に対するモータMのトルクの関係を求めることができ、この結果、モータMに対してどの程度の交流電圧を印加すれば、最も効率よくモータMが回転するかを確認することができる。
【0003】
このような従来の測定系S2における電圧計51は、同図に示すように、交流電圧VACの実効電圧を測定する実効電圧測定部11と、実効電圧測定部11によって測定された実効電圧Vrms に基づいて演算処理を行うことにより実効電圧に対する測定データDM を生成する演算部12と、演算部12から出力される測定データDM に基づいて実効電圧を表示する表示部13とを備えている。
【0004】
また、実効電圧測定部11は、絶対値回路31、二乗/割算回路32および積分回路33を備えて構成され、積分回路33の積分時定数を切り替える外部回路として、インバータ回路14、アナログスイッチ15,16、大容量の平均化コンデンサ17、小容量の平均化コンデンサ18、平均化コンデンサ17,18を切り替えるための切替スイッチ52、およびプルアップ用の抵抗53が配設されている。
【0005】
この電圧計51では、交流電圧VACが入力されると、絶対値回路31が、アナログ演算により交流電圧VACの絶対値に対応する電圧Vaを演算する。次いで、二乗/割算回路32が、電圧Vaを二乗すると共に、積分回路33から出力される実効電圧Vrms によって、電圧Vaを二乗した電圧を除算することにより電圧Vbを生成し、その電圧Vbを積分回路33に出力する。この後、積分回路33は、電圧Vbを積分することにより実効電圧Vrms を生成し、その実効電圧Vrms を演算部12に出力する。
【0006】
この場合、積分回路33は実質的には平滑回路として機能している。このため、積分回路33に入力された電圧Vbにリップル電圧が重畳されていれば、積分回路33によって積分された実効電圧Vrms は、その電圧値が同じであっても、そのリップル周波数に応じて若干相違することがある。したがって、交流電圧VACの実効電圧Vrms を高確度で測定するためには、電圧Vbを確実に平均化する必要がある。具体的には、電圧Vbに重畳されているリップル周波数が高い周波数のときには、交流電圧VACの急峻な電圧変動に対応すべく、応答性の良い高周波用の小容量コンデンサを使用し、低い周波数のときには、確実に積分すべく、多少応答性を犠牲にしても大容量のコンデンサを使用する必要がある。
【0007】
このため、インバータ装置2から出力される交流電圧VACの周波数に応じて、積分回路33に外部付加される平均化コンデンサ17,18をいずれか一方に切り替える必要があり、オペレータは、モータMが低回転数のとき(つまり、交流電圧VACの周波数が低いとき)には、切替スイッチ52をオン状態に操作する。これにより、インバータ回路14からハイレベル信号が出力されることにより、アナログスイッチ15がオン状態に制御される結果、大容量の平均化コンデンサ17が積分回路33の積分時定数として機能する。一方、モータMが高回転数のとき(つまり、交流電圧VACの周波数が高いとき)には、切替スイッチ52をオフ状態に維持する。これにより、インバータ回路14からローレベル信号が出力されることによりアナログスイッチ15がオフ状態に制御されると共に、アナログスイッチ16にハイレベル信号が入力されてオン状態に制御される。この結果、小容量の平均化コンデンサ18が積分回路33の積分時定数として機能する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来の電圧計51には、以下の問題点がある。
すなわち、この電圧計51では、交流電圧VACの実効電圧Vrms を正確に測定するためには、モータMの回転数の高低に応じて切替スイッチ52を操作して平均化コンデンサ17,18をいずれか一方に切り替える必要がある。しかし、モータMの回転数の高低判断は、オペレータの個人差によって相違し、同一人であってもその時の判断によって相違する。このため、従来の電圧計51には、測定の再現性が悪く、また測定精度自体も低いという問題点がある。加えて、モータMの回転数に応じて切替スイッチ52を操作しなければならず、測定が煩雑であるという問題点もある。
【0009】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、入力した被測定信号の周波数に自動追従させることにより精度および再現性の良い測定を行うことが可能な測定装置を提供することを主目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項1記載の測定装置は、時定数を切替え可能な積分回路を内蔵すると共に入力した交流信号に基づく積分対象信号を積分回路によって積分することにより交流信号に対する実効電圧を出力する実効電圧測定部を備え、出力された実効電圧に基づいて交流信号に対する電気的パラメータを測定する測定装置において、入力した交流信号の周波数を測定する周波数測定部と、周波数測定部によって測定された測定周波数に基づいて積分回路の時定数を切替え制御する切替制御部とを備え、前記積分回路は、第1 時定数と、当該第1時定数よりも小さい値の第2時定数を少なくとも切替え可能に構成され、前記切替制御部は、第1基準周波数と、当該第1基準周波数よりも高周波数の第2基準周波数とをしきい値とし、前記測定周波数が前記第1基準周波数よりも低周波数のときおよび前記第2基準周波数よりも高周波数のときに、それぞれ前記第1時定数および前記第2時定数に切替え制御し、かつ前記測定周波数が前記第1基準周波数を超えて前記第2基準周波数までの間の周波数のとき、および前記第2基準周波数よりも低下して前記第1基準周波数までの間の周波数のときに、それぞれ前記第1時定数および前記第2時定数に切替え制御することを特徴とする。
【0011】
この測定装置では、被測定信号としての交流信号が入力されると、周波数測定部が、その交流信号の周波数を測定する。次いで、切替制御部が、測定周波数に基づいて積分回路の時定数を切り替える。これにより、積分回路が、積分対象信号に重畳されている交流信号に基づくリップル電圧の周波数に適した時定数で積分する。これらの処理により、実効電圧測定部は、交流信号の周波数成分に自動追従して、再現性があり、かつ精度の良い交流信号の実効電圧を測定する。
【0012】
また、この測定装置では、切替制御部は、いわゆるヒステリシス制御を実行する。つまり、切替制御部は、例えば、測定周波数が低い周波数から徐々に上昇している場合、まず、第1基準周波数よりも低周波数時には、積分回路の時定数を大きい値の第1時定数に切替え制御し、第2基準周波数に達するまで、第1時定数に維持する。次いで、測定周波数が第2基準周波数を超えたときには、切替制御部は、小さい値の第2時定数に切替え制御し、測定周波数が第1基準周波数よりも低下するまで、第2時定数を維持する。このように切替え制御することにより、測定周波数がしきい値近辺を上下するような場合においても、積分回路の時定数が煩雑に切替え制御されることに起因しての測定結果のばらつきを確実に防止することができる。
【0013】
請求項2記載の測定装置は、請求項1記載の測定装置において、積分回路は、容量性素子を切替えることにより時定数の切替えが可能に構成され、切替制御部は、積分回路の容量性素子を切替え制御することを特徴とする。
【0014】
時定数の切替えは抵抗素子および容量性素子などの時定数を形成するいずれの素子を切替え制御してもよい。一方、抵抗素子や半導体素子を集積化し、容量性素子を外部付加素子として切替え制御することにより、測定装置の小型化を図ることが可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る測定装置を電圧計に適用した実施の形態について説明する。なお、出願人が既に開発している電圧計51と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【0016】
最初に、電圧計1の構成について、図1を参照して説明する。
【0017】
電圧計1は、同図に示すようにモータMのトルク特性を測定するための測定系S1の一部として用いられ、従来の電圧計51と同様にして、実効電圧測定部11、演算部12、表示部13、インバータ回路14、アナログスイッチ15,16、本発明における容量性素子に相当する平均化コンデンサ17,18を備えるほか、切替スイッチ52などに代えて、交流電圧VACの周波数を測定する周波数測定部19、および周波数測定部19によって測定された測定周波数に応じて平均化コンデンサ17,18の切替えを制御する制御部20を備えている。
【0018】
周波数測定部19は、例えば、コンパレータ、クロック発振器およびカウンタを内蔵して構成されている。この周波数測定部19では、交流電圧VACを入力すると、その交流電圧VACをコンパレータによって波形整形することにより交流電圧VACの周期と等しい周期の方形波信号を生成する。次いで、カウンタが、その方形波信号の1周期内において、クロック発振器によって生成したクロック信号に同期してカウントし、そのカウント値である周波数データDfを制御部20に出力する。
【0019】
制御部20は、本発明における切替制御部に相当し、測定対象信号としての交流電圧VACの周波数に応じてアナログスイッチ15,16のいずれか一方にハイレベル信号を出力する。具体的には、制御部20は、第1基準周波数Fref1と、第1基準周波数Fref1よりも高周波数の第2基準周波数Fref2とをしきい値とし、周波数データDfによって特定される測定周波数が第1基準周波数Fref1よりも低周波数のときに、アナログスイッチ15にハイレベル信号を出力することにより、積分回路33の時定数が大きくなるように制御する。逆に、測定周波数が第2基準周波数Fref2よりも高周波数のときには、制御部20は、アナログスイッチ16にハイレベル信号を出力することにより、積分回路33の時定数が小さくなるように制御する。また、制御部20は、測定周波数が第1基準周波数Fref1を超えて第2基準周波数Fref2までの間の周波数のときには、アナログスイッチ15に対して継続してハイレベル信号を出力することにより積分回路33の時定数を大きく維持し、測定周波数が第2基準周波数Fref2よりも低下して第1基準周波数Fref1までの間の周波数のときには、アナログスイッチ16に対して継続してハイレベル信号を出力することにより積分回路33の時定数を小さく維持する。
【0020】
次に、電圧計1の動作について、図3に示すように、測定周波数が0Hzから最高周波数まで徐々に上昇し、かつ最高周波数から徐々に低下する場合を例に挙げ、図2を参照して説明する。
【0021】
まず、電源が投入されると、制御部20は、ローレベルを出力してアナログスイッチ15をオン状態に制御することにより、低周波用の平均化コンデンサ17を積分回路33に接続する。次いで、交流電圧VACが入力されると、図2に示すように、周波数測定部19が交流電圧VACの周波数を測定し(ステップ41)、測定結果である周波数データDfを制御部20に出力する。この際に、制御部20は、周波数データDfに基づいて、測定された周波数が第2基準周波数Fref2よりも高い周波数か否かを判別する(ステップ42)。この例では、図3における時間t1の時には、制御部20は、測定周波数が第2基準周波数Fref2よりも低いと判別した後、第1基準周波数Fref1よりも低い周波数か否かを判別する(ステップ43)。時間t1の時には、測定周波数が第1基準周波数Fref1よりも低いため、制御部20は、アナログスイッチ15のオン状態を維持させる。なお、時間t1〜時間t2の間では、測定周波数が第2基準周波数Fref2を超えていないため、制御部20は、上記したステップ42,43を繰り返し実行してアナログスイッチ15のオン状態を維持する。
【0022】
次いで、時間t2に達すると、測定周波数が第2基準周波数Fref2を超えたため、制御部20は、ハイレベル信号を出力してアナログスイッチ16をオン状態に制御することにより、平均化コンデンサ17に代えて高周波用の平均化コンデンサ18を積分回路33に接続する(ステップ44)。この後、時間t2〜時間t3間での間では、測定周波数が第2基準周波数Fref2よりも高いため、アナログスイッチ16のオン状態を維持する(ステップ42,44)。また、時間t3の時には、測定周波数が第2基準周波数Fref2よりも低下したが、依然として第1基準周波数Fref1よりも高い周波数のため、制御部20は、アナログスイッチ16のオン状態を維持する(ステップ42,43)。
【0023】
一方、時間t4に達すると、測定周波数が第1基準周波数Fref1よりも低下したため、制御部20は、ローレベル信号を出力してアナログスイッチ15をオン状態に制御することにより、平均化コンデンサ18に代えて低周波用の平均化コンデンサ17を積分回路33に接続する(ステップ42,43,45)。この後、時間t4以降、測定周波数が第2基準周波数Fref2を超えない限り、アナログスイッチ16のオン状態を維持する(ステップ42,43,45)。このように、制御部20は、ヒステリシス制御によりアナログスイッチ15,16の切替え制御を実行することにより、測定周波数がしきい値である第1基準周波数Fref1および第2基準周波数Fref2の近辺を上下するような場合においても、積分回路33の時定数が煩雑に切替え制御されることに起因しての測定結果である実効電圧Vrms のばらつきを確実に防止する。
【0024】
次に、実際の実効電圧Vrms の測定について説明する。
【0025】
この測定では、従来の電圧計51と同様にして実効電圧Vrms を測定する。すなわち、まず、絶対値回路31が、アナログ演算により交流電圧VACの絶対値に対応する電圧Vaを演算する。次に、二乗/割算回路32は、電圧Vaを二乗すると共に、積分回路33から出力される実効電圧Vrms によって、電圧Vaを二乗した電圧を除算することにより電圧Vbを生成し、その電圧Vbを積分回路33に出力する。次いで、積分回路33が、電圧Vbを積分することにより実効電圧Vrms を生成し、その実効電圧Vrms を演算部12に出力する。この後、演算部12が、実効電圧Vrms に基づいて測定データDM を生成して表示部13に出力し、表示部13が、入力した測定データDM に基づいて、測定結果としての実効電圧を表示する。
【0026】
このように、この電圧計1によれば、周波数測定部19が交流電圧VACの周波数を測定し、制御部20が周波数データDfに基づいて積分回路33の時定数(平均化コンデンサ17,18)を切替え制御することにより、交流電圧VACに基づくリップル電圧が電圧Vbに重畳している場合であっても、積分回路33は、そのリップル電圧の周波数に適した時定数に設定されることにより、速い応答速度で、しかも高確度で積分することができる。この結果、電圧計1は、交流電圧VACの周波数成分に自動追従して、その交流電圧VACの実効電圧Vrms を精度良く、しかも再現性の良い測定を行うことができる。
【0027】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、電圧計1を例に挙げて説明したが、本発明は、実効電圧Vrms に基づいて電流や電力を演算して表示または記録する電流計、電力計、マルチメータおよび記録計などの各種の測定装置に好適に用いることができる。また、本発明の実施の形態では、平均化コンデンサ17,18を切替え制御する例について説明したが、積分回路33の時定数を決定する抵抗素子を切替え制御してもよいのは勿論である。さらに、本発明の実施の形態では、制御部20による切替え制御の際に第1基準周波数Fref1および第2基準周波数Fref2の2つのしきい値を用いる例について説明したが、本発明は、これに限らず、しきい値を3つ以上設けて切替え制御する場合にも適用することができる。
【0028】
また、本発明の実施の形態では、機能ブロックを用いて説明したが、ディジタル・シグナル・プロセッサ(DSP)などを用いることにより、実効電圧測定部11、インバータ回路14、アナログスイッチ15,16、周波数測定部19および制御部20を一体的に構成することもできる。かかる場合、平均化コンデンサ17,18を切替え制御することにより、電圧計1の小型化を図ることができる。
【0029】
【発明の効果】
以上のように、請求項1記載の測定装置によれば、周波数測定部が入力した交流信号の周波数を測定し、切替制御部が測定周波数に基づいて積分回路の時定数を切替え制御することにより、実効電圧測定部が、交流信号の周波数成分に自動追従することができ、これにより、再現性があり、かつ精度良く、交流信号の実効電圧を測定することができる。
【0030】
また、この測定装置によれば、切替制御部がヒステリシス制御を実行することにより、測定周波数がしきい値近辺を上下するような場合においても、積分回路の時定数が煩雑に切替え制御されることに起因しての測定結果のばらつきを確実に防止することができる。
【0031】
さらに、請求項2記載の測定装置によれば、切替制御部が積分回路の容量性素子を切替え制御することにより抵抗素子や半導体素子などの集積化が可能となり、かかる場合には、測定装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る電圧計を含む測定系のブロック図である。
【図2】 時定数の自動切替処理を示すフローチャートである。
【図3】 時定数の自動切替処理を具体的に説明するための例を示す図であって、時間に対する測定周波数の関係を示す図である。
【図4】 従来の電圧計を含む測定系のブロック図である。
【符号の説明】
1 電圧計
11 実効電圧測定部
17 平均化コンデンサ
18 平均化コンデンサ
19 周波数測定部
20 制御部
33 積分回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a measurement apparatus suitable for measuring voltage and current, and more specifically, a measurement apparatus that integrates an integrated signal based on an input AC signal and measures the voltage and current based on an effective voltage obtained by the integration. It is about.
[0002]
[Prior art]
As a measurement system for confirming the torque characteristics of a motor, a measurement system S2 shown in FIG. 4 is conventionally known. In the measurement system S2, first, the
[0003]
The
[0004]
The effective
[0005]
In the
[0006]
In this case, the
[0007]
For this reason, it is necessary to switch the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, this
That is, in the
[0009]
The present invention has been made in view of such problems, and mainly provides a measuring apparatus capable of performing measurement with high accuracy and reproducibility by automatically following the frequency of an input signal under measurement. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the measuring apparatus according to
[0011]
In this measuring apparatus, when an AC signal as a signal under measurement is input, the frequency measuring unit measures the frequency of the AC signal. Next, the switching control unit switches the time constant of the integration circuit based on the measurement frequency. Thereby, the integration circuit integrates with a time constant suitable for the frequency of the ripple voltage based on the AC signal superimposed on the integration target signal. Through these processes, the effective voltage measuring unit automatically follows the frequency component of the AC signal, and measures the effective voltage of the AC signal with reproducibility and accuracy.
[0012]
In this measuring apparatus, the switching control unit performs so-called hysteresis control. That is, for example, when the measurement frequency is gradually increased from a low frequency, the switching control unit first switches the time constant of the integration circuit to a first value having a large value when the frequency is lower than the first reference frequency. Control and maintain at the first time constant until the second reference frequency is reached. Next, when the measurement frequency exceeds the second reference frequency, the switching control unit controls the switching to a small second time constant, and maintains the second time constant until the measurement frequency falls below the first reference frequency. To do. By performing switching control in this way, even when the measurement frequency fluctuates around the threshold value, variation in measurement results due to complicated switching control of the time constant of the integration circuit is ensured. Can be prevented.
[0013]
The measuring apparatus according to
[0014]
Switching of the time constant may be controlled by switching any element that forms a time constant such as a resistance element and a capacitive element. On the other hand, it is possible to reduce the size of the measuring apparatus by integrating resistance elements and semiconductor elements and switching and controlling capacitive elements as external additional elements.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which a measuring device according to the present invention is applied to a voltmeter will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, about the component same as the
[0016]
First, the configuration of the
[0017]
The
[0018]
For example, the
[0019]
The
[0020]
Next, with respect to the operation of the
[0021]
First, when the power is turned on, the
[0022]
Next, when the time t2 is reached, since the measurement frequency exceeds the second reference frequency Fref2, the
[0023]
On the other hand, when the time t4 is reached, since the measurement frequency is lower than the first reference frequency Fref1, the
[0024]
Next, actual measurement of the effective voltage Vrms will be described.
[0025]
In this measurement, the effective voltage Vrms is measured in the same manner as the
[0026]
Thus, according to this
[0027]
The present invention is not limited to the configuration shown in the above-described embodiment of the present invention. For example, in the embodiment of the present invention, the
[0028]
In the embodiment of the present invention, the functional blocks are used. However, by using a digital signal processor (DSP) or the like, the effective
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the measuring apparatus of the first aspect, the frequency of the AC signal input by the frequency measuring unit is measured, and the switching control unit switches and controls the time constant of the integrating circuit based on the measured frequency. The effective voltage measuring unit can automatically follow the frequency component of the AC signal, and thereby, the effective voltage of the AC signal can be measured with high reproducibility and accuracy.
[0030]
Further, according to the measuring apparatus of this, by the switching control unit performs a hysteresis control, when the measurement frequency is such that lower the vicinity threshold also is troublesome to switch the control time constant of the integration circuit Therefore, it is possible to reliably prevent variations in measurement results due to the above.
[0031]
Furthermore, according to the measuring apparatus of the second aspect , the switching control unit switches and controls the capacitive element of the integrating circuit, thereby enabling integration of a resistance element, a semiconductor element, and the like. Miniaturization can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a measurement system including a voltmeter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a time constant automatic switching process;
FIG. 3 is a diagram illustrating an example for specifically explaining time constant automatic switching processing, and is a diagram illustrating a relationship of a measurement frequency with respect to time;
FIG. 4 is a block diagram of a measurement system including a conventional voltmeter.
[Explanation of symbols]
1
Claims (2)
前記入力した交流信号の周波数を測定する周波数測定部と、前記周波数測定部によって測定された測定周波数に基づいて前記積分回路の時定数を切替え制御する切替制御部とを備え、
前記積分回路は、第1時定数と、当該第1時定数よりも小さい値の第2時定数を少なくとも切替え可能に構成され、
前記切替制御部は、第1基準周波数と、当該第1基準周波数よりも高周波数の第2基準周波数とをしきい値とし、前記測定周波数が前記第1基準周波数よりも低周波数のときおよび前記第2基準周波数よりも高周波数のときに、それぞれ前記第1時定数および前記第2時定数に切替え制御し、かつ前記測定周波数が前記第1基準周波数を超えて前記第2基準周波数までの間の周波数のとき、および前記第2基準周波数よりも低下して前記第1基準周波数までの間の周波数のときに、それぞれ前記第1時定数および前記第2時定数に切替え制御することを特徴とする測定装置。An integration circuit capable of switching the time constant is incorporated, and an effective voltage measuring unit that outputs an effective voltage with respect to the AC signal by integrating the integration target signal based on the input AC signal by the integration circuit is provided. In a measuring device for measuring an electrical parameter for the AC signal based on an effective voltage,
A frequency measurement unit that measures the frequency of the input AC signal, and a switching control unit that switches and controls the time constant of the integration circuit based on the measurement frequency measured by the frequency measurement unit ,
The integration circuit is configured to be capable of switching at least a first time constant and a second time constant having a value smaller than the first time constant,
The switching control unit uses a first reference frequency and a second reference frequency higher than the first reference frequency as thresholds, and when the measurement frequency is lower than the first reference frequency and When the frequency is higher than the second reference frequency, the control is switched to the first time constant and the second time constant, respectively, and the measurement frequency exceeds the first reference frequency and reaches the second reference frequency. And switching control to the first time constant and the second time constant, respectively, when the frequency is lower than the second reference frequency and the frequency is between the first reference frequency and the first reference frequency. Measuring device.
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1998
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