JP4261002B2

JP4261002B2 - 交流電圧測定装置及び方法

Info

Publication number: JP4261002B2
Application number: JP31735799A
Authority: JP
Inventors: 功次小西
Original assignee: 河村電器産業株式会社
Priority date: 1999-11-08
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2019-11-08
Also published as: JP2001133488A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧を測定する測定装置と測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の基本的な交流電圧の測定方法は図５のブロック図に示すように、入力端子に入力された交流電圧信号を変圧器１０により降圧し、その信号を実効値回路１１又は整流回路１２で交流信号の電圧値に比例した直流電圧に変換し、それをＡ／Ｄ変換部１３でデジタル信号に変換し、後段の演算部１４でその変換データを現在の電圧値データとして読み込み、各種処理に使用している。
図６は図５の実効値回路１１の１例を示すもので、ＲＭＳコンバータ１５を用いて電圧実効値を得て、Ａ／Ｄ変換部１３に取り込む例を示している。この場合、ＲＭＳコンバータ１５は数１に示す演算をして出力する。尚、Ｃ１は時定数決定用コンデンサ、１６はオペアンプである。
【０００３】
【数１】

【０００４】
Ｔは時定数であり、その値（期間）はコンデンサＣ１の容量で決まる。
また、図７は両波整流回路の１例を示し、２個のオペアンプ１８，１９を使用し、絶対値化して平滑した直流電圧をＡ／Ｄ変換部１３へ送っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記実効値回路の場合、ＲＭＳコンバータ１５で演算する数式において、良好な実効値を得るためには、時定数Ｔを１０サイクル程度の期間の入力信号が必要であり、応答性が悪い。また、期間を短くするとリップルにより正確な値が得られなくなる。また、可変抵抗ＶＲ１による入力レベルの調整、可変抵抗ＶＲ２，ＶＲ３による出力信号の増幅度調整、オペアンプ１６のオフセット調整等が必要であり、調整作業が面倒である。
また、整流回路を用いる場合も、可変抵抗ＶＲ１により入力レベルの調整をしなければならないし、可変抵抗ＶＲ４による半波分のピーク電圧レベルの調整（反転する半波は回路中のダイオードにより電圧降下が生じるため）、オペアンプ１８，１９のオフセット調整などが同様に必要である。また、入力する電圧波形が歪んでいると正確な値が得られない。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、オペアンプ等の調整工程を必要とせず、応答性の良い交流電圧測定装置及び方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、入力交流電圧の実効値或いは平均値の測定をコンピュータの演算により行う交流電圧測定装置であって、入力交流電圧信号に直流バイアスを与えるバイアス手段と、直流バイアスされた前記入力交流電圧信号とバイアス電圧とを夫々Ａ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段を制御し、Ａ／Ｄ変換手段の出力信号から入力交流電圧の実効値、或いは平均値の少なくとも一方を演算する電圧演算手段を備え、前記バイアス手段が、前記Ａ／Ｄ変換手段の許容電圧の２分の１の電圧を発生することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、入力交流電圧の実効値或いは平均値の測定をコンピュータの演算により行う交流電圧測定方法であって、入力交流電圧信号に直流バイアスを与える工程と、直流バイアスされた前記入力交流電圧信号とバイアス電圧とを夫々一定周期でＡ／Ｄ変換する工程と、そのＡ／Ｄ変換した信号を基に各周期毎に所定演算をし、その演算値を記憶する工程と、入力交流電圧が１サイクル終了後に前記記憶した所定演算の結果を平均して、実効値或いは平均値を演算する工程とを含み、前記直流バイアス電圧が、前記Ａ／Ｄ変換する工程における許容電圧の２分の１の電圧であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を基に詳細に説明する。図１は本発明の交流電圧測定装置の回路ブロック図を示し、入力電圧は変圧器２により降圧され、２次側出力は抵抗Ｒ１が並列接続されると共に、Ａ／Ｄ変換部３の別の入力部に夫々入力される。また、抵抗Ｒ１の一方は定電圧ダイオードＤ１により一定電圧にバイアスされ、Ａ／Ｄ変換部３はＣＰＵを有する演算部４により制御されている。
【００１０】
変圧器２は、入力交流電圧が、後段のＡ／Ｄ変換部３の適正入力電圧の範囲となるように、抵抗の両端に適当な電圧を出力させている。例えばＡ／Ｄ変換部の入力許容範囲が５Ｖとすると、交流電圧最大入力時のピーク電圧が５Ｖ以下となるよう電圧を降圧させる。
【００１１】
また、抵抗Ｒ１の一端をバイアスする定電圧ダイオードは、Ａ／Ｄ変換部の許容電圧の２分の１、例えば２．５Ｖとするためのもので、低温度ドリフトのものを使用すると良い。また、低温度ドリフトなシャント式ダイオードを用いてバイアスしても良い。
そして、複数の入力チャネルを持つＡ／Ｄ変換部３にてチャネル１に抵抗両端の電圧のうちバイアスしていない方の電圧、即ち入力電圧信号Ｖsnを入力し、チャネル２にバイアスしている方の電圧即ちバイアス電圧Ｖbnを入力する。
【００１２】
Ａ／Ｄ変換部３は演算部４からの制御信号に従いデジタル変換する。以下、図２の電圧サンプリング説明図と図３の制御フローチャートに従い演算部４による制御の流れを説明する。まず、初期設定及びメモリのクリアをした後（Ｓ１〜ｓ３）、一定周期ｔ毎に上記２チャネルの電圧を取り込み、それをデジタル信号に変換てし演算部４に出力する（Ｓ４〜Ｓ１０）。
【００１３】
デジタル信号が入力された演算部４は、先ず実効値演算を行い、一定周期ｔ毎に得た各周期毎の瞬時値からＶsn²−Ｖbn²を演算し、その結果をメモりに累積して行く（Ｓ１１，Ｓ１２）。次に平均値演算を行い、各周期毎の瞬時値からＶsn−Ｖbnの絶対値を演算し、その結果をメモリに累積して行く（Ｓ１３〜Ｓ１６）。
１サイクルが経過したら累積結果をサンプリング回数Ｔで割り、その平方根を演算することで数２に示す計算を実行し、実効値を得る（Ｓ１７〜Ｓ１９）。
【００１４】
【数２】

【００１５】
平均値演算の場合は、平均値累積値をサンプリング回数Ｔで割り、数３の計算を実行し、平均値を得る（Ｓ２０，Ｓ２１）。
【００１６】
【数３】

【００１７】
こうして交流信号の１サイクル毎の実効値演算値、平均値演算値を得ることができ、各種制御のための基礎データとして利用することができる。
【００１８】
このように、
電圧の実効値或いは平均値を得るにあたって、オペアンプセットが不要であるし、電圧レベル等の回路調整を必要としないので、製造工程を簡略化できるし、調整不良による測定値のばらつきも発生しない。また、小さいレベルでも正確に測定できるし、回路中の部品点数が少ないため、低コスト、高信頼度となる。
更に、サンプリング周期を入力交流電圧１サイクルに対して十分短くすることで、入力波形に歪があっても正確な値を得ることができるし、１サイクルで測定でき応答性が早い。
【００１９】
尚、上記実施の形態では抵抗の一端は低温度ドリフトな定電圧ダイオード若しくはシャント式ダイオードによりバイアスしたが、各サンプリング周期毎にＶｓｎ、Ｖｂｎを読み込むため、バイアス電圧の若干の変動は許容でき、ダイオードを抵抗に置き換えて抵抗による分圧値でバイアスしても良い。また、演算部に積和演算は得意であるが、除算は苦手なＤＳＰを用いる場合は、実効値演算部内において、平方根演算はせず、二乗値のまま電圧データを取り扱うことも可能である。更に、変圧器を電流変成器に置き換えれば、電流実効値、電流平均値の測定も可能となるし、２チャネル／１個のＡ／Ｄ変換器を用いたが、１チャネルのＡ／Ｄ変換器２個を用いても良い。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、電圧の実効値或いは平均値を得るにあたって、オペアンプセットや電圧レベル等の回路調整を必要としないので、製造工程を簡略化できるし、調整不良による測定値のばらつきも発生しない。また、小さいレベルでも正確に測定できるし、回路中の部品点数が少ないため、低コスト、高信頼度となる。
更に、入力波形に歪があっても正確な値を得ることができるばかりでなく、応答性も早い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る交流電圧測定装置の実施の形態の１例を示す回路ブロック図である。
【図２】図１の回路の電圧サンプリング方法を示す説明図である。
【図３】図１の回路の作用を示すフローチャートの前半部である。
【図４】図１の回路の作用を示すフローチャートの後半部である。
【図５】従来の交流電圧測定装置を示すブロック図である。
【図６】図５の実効値回路の１例を示す回路図である。
【図７】図５の平均値回路の１例を示す回路図である。
【符号の説明】
２・・変圧器、３・・Ａ／Ｄ変換器、４・・演算部、Ｒ１・・抵抗、Ｄ１・・定電圧ダイオード。

Claims

入力交流電圧の実効値或いは平均値の測定をコンピュータの演算により行う交流電圧測定装置であって、
入力交流電圧信号に直流バイアスを与えるバイアス手段と、
直流バイアスされた前記入力交流電圧信号とバイアス電圧とを夫々Ａ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、
該Ａ／Ｄ変換手段を制御し、Ａ／Ｄ変換手段の出力信号から入力交流電圧の実効値、或いは平均値の少なくとも一方を演算する電圧演算手段を備え、
前記バイアス手段が、前記Ａ／Ｄ変換手段の許容電圧の２分の１の電圧を発生することを特徴とする交流電圧測定装置。
入力交流電圧の実効値或いは平均値の測定をコンピュータの演算により行う交流電圧測定方法であって、
入力交流電圧信号に直流バイアスを与える工程と、
直流バイアスされた前記入力交流電圧信号とバイアス電圧とを夫々一定周期でＡ／Ｄ変換する工程と、
そのＡ／Ｄ変換した信号を基に各周期毎に所定演算をし、その演算値を記憶する工程と、
入力交流電圧が１サイクル終了後に前記記憶した所定演算の結果を平均して、実効値或いは平均値を演算する工程とを含み、
前記直流バイアス電圧が、前記Ａ／Ｄ変換する工程における許容電圧の２分の１の電圧であることを特徴とする交流電圧測定方法。