JP4352394B2

JP4352394B2 - サンプリング式測定装置

Info

Publication number: JP4352394B2
Application number: JP2004005170A
Authority: JP
Inventors: 修伊東
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP2005201645A

Description

本発明は、サンプリング式測定装置に関し、特に電圧、電流、電力などを求める際の平均値演算や実効値演算などに関する。

従来、サンプリング式測定装置の一例としてデジタル電力計があり、デジタル電力計では、波形データの平均値演算、実効値演算、電力演算などが行われている。これらの演算には、デジタルローパスフィルタ方式または総和平均方式を用い、例えば、高確度の電力計にはデジタルフィルタ方式を採用し、普及器には総和平均方式を採用している。

デジタルフィルタを備えたサンプリング式測定装置に関連した先行技術文献には以下のものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３０８５４９６号公報

図３は、デジタルローパスフィルタ方式を用いた従来のサンプリング式測定装置の一例を示す構成図である。
図３において、アンプ４１は信号波形を正規化する。Ａ／Ｄコンバータ４２はアナログ波形をサンプリングしてサンプリングデータを生成する。ＤＳＰ（Digital Signal Processor）から構成される演算手段４３は、サンプリングデータに対し、デジタルローパスフィルタ演算を行い、サンプリングデータから平均値や実効値や電力値などを求める。ＣＰＵ（central processing unit）から構成される制御手段４４は、演算手段４３の演算結果をディスプレイやプリンタなどの表示手段４５に表示または印刷させる。

このようなデジタルローパスフィルタでは、実効値および平均値を求める演算式は次式のようになる。

・・・（３）

ここで、ｅ（ｎ）はｎ番目の出力，ｓ（ｎ）はｎ番目のサンプリングデータ，ｇは定数である。

図４は、総和平均方式を用いた従来のサンプリング式測定装置の一例を示す構成図である。
図４において、アンプ５１は信号波形を正規化する。Ａ／Ｄコンバータ５２はアナログ波形をサンプリングしてサンプリングデータを生成する。ゼロクロス検出器５４は、ゼロ点通過を周期の１／２と見なすゼロクロス検出を行う。ＤＳＰから構成される演算手段５３は、サンプリングデータを用いて、波形周期の整数倍の区間の平均値、実効値または電力値などを計算する。ＣＰＵから構成される制御手段５５は、演算手段５３の演算結果をディスプレイやプリンタなどの表示手段５６に表示または印刷させる。

このような、総和平均方式では、実効値演算および平均値演算を求める演算式は、次式のようになる。

ここで、Ｎはサンプリング個数，ｓ（ｎ）はｎ番目のサンプリングデータである。

デジタルローパスフィルタは、信号波形を選ばず精度の高い平均値をえることが可能であるため、電圧値や電流値を正確に求めることができる。しかし、測定値が安定するためにある一定以上の時間が必要であり、データ更新周期の高速化が困難となる。

また、総和平均方式は、測定時間は設定する区間に依存するので測定時間を短くすることができ、応答の良い平均化が可能であり、データ更新周期（表示更新周期）の間に１サイクル以上の入力があれば、デジタルフィルタには及ばないが、ほぼ正確な測定結果が得られる。しかし、信号に交流成分がある場合には信号の周期に同期する必要があり、信号の周期検出が不可欠となるため、周期検出部の精度が演算精度に影響を及ぼす。さらに、信号波形によっては正しく周期検出ができなく誤った平均値を算出してしまう。

このため、デジタルフィルタ方式を搭載した場合はデータ更新周期を犠牲にし、総和平均方式を搭載した場合は確度を犠牲にしていたという問題がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、データ更新周期に基づきデジタルフィルタ演算または総和平均演算を選択することにより、高速応答による測定と高確度による測定とを実現したサンプリング式測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下のように構成されたサンプリング式測定装置である。

（１）入力信号をデジタルサンプリングして測定するサンプリング式測定装置において、
前記入力信号のアナログ波形をサンプリングしてサンプリングデータを生成するＡ／Ｄコンバータと、
前記サンプリングデータをローパスフィルタ処理するデジタルフィルタ演算手段と、前記サンプリングデータを総和平均処理する総和平均演算手段と、予め設定されたデータ更新周期に基づきこれらデジタルフィルタ演算手段と総和平均演算手段とを切換える切換え手段を有する演算手段とで構成され、
前記切換え手段は、予め設定されたデータ更新周期（表示更新周期）がデジタルローパスフィルタ演算の可能な時間か否かにより、前記デジタルフィルタ演算手段と総和平均演算手段のどちらか一方を選択することを特徴とするサンプリング式測定装置。

（２）前記デジタルフィルタ演算手段と総和平均演算手段と切換え手段を有する演算手段は、ＤＳＰで構成されていることを特徴とする（１）に記載のサンプリング式測定装置。

（３）前記切換え手段は、予め設定されたデータ更新周期が前記デジタルローパスフィルタを通過した値が所望の確度以内に静定するために必要な時間に満たない場合に、前記総和平均演算手段を選択することを特徴とする（１）または（２）に記載のサンプリング式測定装置。

（４）前記データ更新周期は、高確度が必要な場合はデジタルローパスフィルタ演算が可能なデータ更新周期に設定されて、高速な応答が得たい場合は総和平均演算が可能なデータ更新周期に設定され、電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のサンプリング式測定装置。

本発明によれば、以下のような効果がある。

請求項１、請求項２および請求項３に記載の発明によれば、データ更新周期に基づきデジタルフィルタ演算または総和平均演算を選択することにより、高速応答による測定と高確度による測定とを実現することができる。

請求項４に記載の発明によれば、高速応答による測定と高確度による測定を行うことのできる電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定する測定装置を実現できる。

図１は本発明の一実施例を示した構成図である。
図１において、アンプ１は電圧や電流などの信号波形を正規化する。Ａ／Ｄコンバータ２はアナログ波形をサンプリングしてサンプリングデータを生成する。デジタルフィルタ演算手段３１は、サンプリングデータに対し、式（１）から（４）のデジタルローパスフィルタ演算を行い、総和平均演算手段３２は、サンプリングデータに対し、式（５），（６）の総和平均演算を行い、それぞれが平均値、実効値、電力値などを求める。

切換え手段３３は、予め設定されたデータ更新周期（表示更新周期）がデジタルローパスフィルタ演算の可能な時間か否かにより、デジタルフィルタ演算手段３１と総和平均演算手段３２のどちらか一方を選択する。例えば、デジタルローパスフィルタを通過した値が所望の確度以内に静定するために必要な時間（商用周波数である５０Ｈｚ，６０Ｈｚが入力された時では２５０ｍｓｅｃ以上）に満たないデータ更新周期が設定されている場合は、総和平均演算が選択される。

図２は、本発明の処理手順を示したフローチャートである。図２に示した処理手順に従って説明する。

（Ｓ１）サンプリングクロックをＡ／Ｄコンバータに入力することにより割り込みを発生させる工程。
（Ｓ２）割り込み発生に同期してＡ／Ｄコンバータにより入力電圧や入力電流のサンプリングデータを取得する工程。
（Ｓ３）工程（Ｓ２）で取得したサンプリングデータからオフセットを削除する工程。
（Ｓ４）デジタルローパスフィルタ演算が可能なデータ更新周期かを判断する工程。
（Ｓ５）デジタルローパスフィルタ演算が可能なデータ更新周期であれば、サンプリングデータに対してデジタルローパスフィルタ演算を行う工程。
（Ｓ６）デジタルローパスフィルタ演算が不可能なデータ更新周期であれば、サンプリングデータに対して総和平均演算を行う工程。

図１に戻り、デジタルフィルタ演算手段３１、総和平均演算手段３２および切換え手段３３は、ＤＳＰで構成される演算手段３に設けられる。ＣＰＵから構成される制御手段４は、演算手段３の演算結果をＬＣＤやＣＲＴなどの表示手段５に、設定されたデータ更新周期で表示させる。

以上のように、測定において高確度が必要な場合はデジタルローパスフィルタ演算が可能なデータ更新周期を設定し、高速な応答が得たい場合は高速なデータ更新時間を設定して総和平均演算をさせることで、２種類の平均値や実効値の演算処理を１台のサンプリング式測定装置で実行させることができる。

つまり、データ更新周期に基づきデジタルフィルタ演算と総和平均演算とを切換えることにより、高速応答による測定と高確度による測定とを実現することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の一実施例を示した構成図である。本発明の処理手順を示したフローチャートである。デジタルローパスフィルタ方式を用いた従来のサンプリング式測定装置の一例を示す構成図である。総和平均方式を用いた従来のサンプリング式測定装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１アンプ
２Ａ／Ｄコンバータ
３演算手段
４制御手段
５表示手段
３１デジタルフィルタ処理手段
３２総和平均処理手段
３３切換え手段

Claims

入力信号をデジタルサンプリングして測定するサンプリング式測定装置において、
前記入力信号のアナログ波形をサンプリングしてサンプリングデータを生成するＡ／Ｄコンバータと、
前記サンプリングデータをローパスフィルタ処理するデジタルフィルタ演算手段と、前記サンプリングデータを総和平均処理する総和平均演算手段と、予め設定されたデータ更新周期に基づきこれらデジタルフィルタ演算手段と総和平均演算手段とを切換える切換え手段を有する演算手段とで構成され、
前記切換え手段は、予め設定されたデータ更新周期（表示更新周期）がデジタルローパスフィルタ演算の可能な時間か否かにより、前記デジタルフィルタ演算手段と総和平均演算手段のどちらか一方を選択することを特徴とするサンプリング式測定装置。
前記デジタルフィルタ演算手段と総和平均演算手段と切換え手段を有する演算手段は、ＤＳＰで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のサンプリング式測定装置。
前記切換え手段は、予め設定されたデータ更新周期が前記デジタルローパスフィルタを通過した値が所望の確度以内に静定するために必要な時間に満たない場合に、前記総和平均演算手段を選択することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサンプリング式測定装置。
前記データ更新周期は、高確度が必要な場合はデジタルローパスフィルタ演算が可能なデータ更新周期に設定されて、高速な応答が得たい場合は総和平均演算が可能なデータ更新周期に設定され、電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のサンプリング式測定装置。