JP4572536B2

JP4572536B2 - サンプリング式測定装置

Info

Publication number: JP4572536B2
Application number: JP2003429007A
Authority: JP
Inventors: 勝也橘
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005189030A

Description

本発明は、デジタル変換した波形データの信号処理を行う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に関する。

従来のサンプリング式測定装置では、信号処理の一つとして波形データの平均値演算が行われている。
平均値演算の手法として、デジタルローパスフィルタと区間平均（総和平均）とがある。また、デジタルローパスフィルタでは、カットオフ周波数を固定とするものと可変とするものがあり、区間平均では、区間を固定とするものと可変とするものがある。これらは、測定器の用途に応じて適切な方法が採用される。

このようなデジタルフィルタを備えたサンプリング式測定器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７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７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デジタルデータに変換する。ＤＳＰ（Digital Signal Processor）から構成される演算手段５３は、サンプリングした波形データに対し、デジタルローパスフィルタ演算処理を行い、サンプリングデータから平均値を求める。ＣＰＵ（central processing unit）から構成される制御手段５４は、平均値をディスプレイやプリンタなどの表示手段５５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、一般的にＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ方式が採用され、演算式は次式のようになる。
Ｙｎ＝Ｙｎ-1+Ｇ×（Ｘｎ-Ｙｎ-1）
ここで、Ｙｎはｎ番目の出力，Ｘｎはｎ番目の入力，Ｇは定数である。
また、定数Ｇをｎ毎に変化させることで減衰特性と応答特性を改善する手法もある。

図８は、区間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８において、アンプ８１は信号波形を正規化する。Ａ／Ｄコンバータ８２はアナログ波形をサンプリングしてデジタルデータに変換する。ゼロクロス検出器８４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８３は、サンプリングした波形データを用いて、波形周期の整数倍の区間の平均値を計算する。ＣＰＵから構成される制御手段８５は、平均値をディスプレイやプリンタなどの表示手段８６に表示または印刷させる。

このような、区間平均方式は、次式を用いて予め設定していたサンプル数Ｎのデータを加算し平均する。
Ｙ＝１/Ｎ×ΣＸｋ
ここで、Ｙは平均値，Ｘｋはｋ番目のサンプルデータ，Ｎはサンプル回数である。

この演算に対し、信号に交流成分のある場合は、その成分に応じてＮを変化させ、交流成分の周期で平均する。このときの演算式は次式の通りである。
Ｙ＝１/ｎＴ×ΣＸｋ
ここで、Ｔは周期，ｎは整数であり、周期の整数倍である。ｎＴはサンプリング周期の整数倍となる。周期の検出は、ゼロクロスを検出することで得る。

従来のデジタルローパスフィルタを適用したサンプリング式測定装置では、デジタルローパスフィルタの特徴として、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。この場合、精度を上げるには減衰量を大きくして出力のリップルを抑えなければならない。しかし、減衰量を大きくすると応答速度が悪化するため、測定時間を短くすることができない。

また、区間平均方式を適用したサンプリング式測定装置では、区間平均方式の特徴として、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る。さらに、信号の周期を用いた場合も信号１周期を演算区間とすることで応答のよい平均化が可能である。

しかし、区間を短くして精度を上げるには、サンプリング周期もそれに応じて短くなくてはならない。また、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、デジタルフィルタと区間平均の利点を組み合わせることにより、応答が良く精度が高い平均値演算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。

本発明は次の通りの構成になったサンプリング式測定装置である。

（１）所定のアナログ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、
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処理部と、このデジタルフィルタ処理部のサンプル毎の出力に対し区間平均処理を行う区間平均処理部とを設け、
前記区間平均処理部は、前記デジタルフィルタ処理部の出力信号に交流成分がある場合は、その交流成分に対し、１／ｆ ₀ （ｓｅｃ）（ｆ ₀ ；測定下限周波数）に相当するサンプル数の区間平均を行うことを特徴とするサンプリング式測定装置。

（２）前記交流成分の周期はゼロクロスで検出す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）前記ローパスフィルタ処理はＩＩＲフィルタ方式であ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）前記サンプリング式測定装置は、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であることを特徴とする（１）乃至（３）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４に記載の発明によれば、デジタルフィルタ方式である有利性をそのままに、区間平均（総和平均法）に迫る応答性能を達成することができる。
これにより、応答が良く精度が高い平均値演算を実現したサンプリング式測定装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明によれば、区間平均の区間を測定信号周期に合わせ随時変更することにより、区間平均誤差を極めて小さくすることが可能となり、更なる高精度が可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、高速、高精度な平均値演算処理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デジタルの波形データに変換する。デジタルフィルタ処理部３１は、サンプリングした波形データに対し、デジタルローパスフィルタ演算処理を行う。区間平均処理部３２は、デジタルフィルタ処理部３１のサンプル毎の出力に対し区間平均処理を行い平均値を求める。

これらデジタルフィルタ処理部３１と区間平均処理部３２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、平均値をディスプレイやプリンタなどの表示手段５に表示または印刷させる。表示される平均値は、例えば電圧値、電流値または電力値などである。

このような構成のサンプリング式測定装置の動作を図を用いて説明する。
図２は、デジタルローパスフィルタの入力出力波形の一例を示した図である。図２（ａ）は縦軸が電圧値などの入力信号レベルで横軸が時間を表しており、入力波形の平均値をＡで示している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の入力波形に対するデジタルローパスフィルタの出力波形を示した図であり、縦軸がデジタルローパスフィルタの出力値で横軸が時間（出力データ数）を表しており、収束波形（最終波形）の平均値はＡでリップルの最大振幅の絶対値をＢで示している。

このときのデジタルローパスフィルタの精度は、リップルを含めたものとなるので±Ｂということになる。この値により平均可能な測定下限周波数を決定する。
このデジタルローパスフィルタのサンプル毎の出力に対し区間平均を行うことで、リップルを除去し平均値Ａを得ることができる。図２（ｂ）に示した出力データＮ１からＮ２の平均区間は任意で、後述するように測定時間とその測定下限周波数における演算精度によって決定する。

１次のローパスフィルタを例にとると、減衰定数Ｇのデジタルローパスフィルタの伝達関数Ｈ（e^jωＴ）は、

となり、この絶対値｜Ｈ（e^jωＴ）｜がゲイン特性であることから、測定下限周波数ｆ_０のゲインＢは、

となる。ここで、振幅を１で考えればリップルＢはゲインＢと同等となる。

従来は、デジタルローパスフィルタの出力精度を上げるためにゲインＢで示される減衰量を大きくして出力のリップルを抑えていたが、本実施例は、リップルＢに対し、１／ｆ₀（ｓｅｃ）に相当するサンプル数の区間平均を行うことでリップルを除去する。このとき±１サンプルの区間設定誤差が発生するので、最も誤差の大きくなる最大振幅で区間設定誤差が発生したとすると平均値Ａに対する誤差Ｅは、
Ｅ＝±Ｂｆ₀Ｔ
となる。つまり、リップルＢは、測定下限周波数／サンプリング周波数に、軽減できることになる。

これにより、リップルが大きくなるため応答速度を速めることができなかった信号周波数に対して、区間平均によるリップル除去で精度を確保しながらにして応答速度を速めることができる。一般的には、複数次のデジタルフィルタとするが効果は同様である。

また、デジタルフィルタプリング式測定装置では、測定周期（表示更新レート）によって、測定下限周波数を規定するという使い方が一般的である。従って、この場合の測定信号周波数によっては区間平均の設定区間で周期の整数倍とならず誤差となる。

この誤差をΔＡＶＧとすると、ΔＡＶＧは設定区間内の波数の中で１波に満たない部分の積算値により発生し、特にその部分のサンプルデータの中央の値が、最大振幅となる場合が最大誤差となる。このことから次式により誤差ΔＡＶＧを求めることができる。

となり、図３で示したようになる。

図３は、サンプリング２００ｋｓｐｓと区間平均時間を２００ｍｓとした場合の誤差の特性を示した図である。縦軸が誤差ΔＡＶＧで横軸が信号周波数frequencyである。図３において、５Ｈｚの整数倍の周波数で誤差ΔＡＶＧが最小となる。

図４は、図３に対し区間平均時間を２５ｍｓとした場合の誤差の特性を示した図である。図４において、４０Ｈｚの整数倍の周波数で誤差ΔＡＶＧが最小になる。

ここで、実例として以下の条件でのフィルタの出力誤差について説明する。
・１３次のＩＩＲデジタルローパスフィルタ。
・測定下限信号周波数：４０Ｈｚ。
・サンプリング周波数：２００ｋＨｚ。
・測定区間（サンプリングしている時間）：２００ｍｓ。
・区間平均：１７５ｍｓから２００ｍｓの間（３５０００サンプル後５０００サンプル）の固定。
・帯域：４０Ｈｚから９９９６０Ｈｚ以下。
とした場合の特性を図に示す。

図５は、この場合のデジタルローパスフィルタの周波数特性を示した図である。また、図６が図４の区間平均の特性と図５のデジタルローパスフィルタの特性を掛け合わせた平均値演算の特性を示した図である。

図５において、デジタルローパスフィルタの出力のリップルが最大となる４０Ｈｚのゲインは、−５１．４ｄＢでリップルは約０．２７％である。この出力に対し、固定でしかも２５ｍｓの区間の区間平均を行う。このようなわずかな時間の区間平均にもかかわらず、演算精度が０．２７％であったデジタルローパスフィルタに対し、区間平均を行った場合では図６に示すように平均値からの誤差を約０．０１２％と１／２０にすることができる。

なお、区間平均の区間を測定モードや、表示更新レートなどで固定しているが、これを測定信号周期に合わせ随時変更するようにしてもよい。測定信号の周期検出には、例えばゼロクロス検出器を用いればよい。
これにより、区間平均誤差（ΔＡＶＧ）を極めて小さくすることが可能となり、更なる高精度が可能となる。

以上のように、デジタルローパスフィルタの出力を区間平均することにより、デジタルフィルタの欠点であった精度を上げるための応答速度の悪化という問題を解決できると共に、区間平均の欠点であった平均区間を短くしたときのサンプリングの高速化と、信号周期検出部の精度の影響という問題を解決できる。

つまり、デジタルフィルタ方式である有利性をそのままに、区間平均（総和平均法）に迫る応答性能を達成することができる。
これにより、応答が良く精度が高い平均値演算を実現したサンプリング式測定装置を実現することができる。
なお、本発明の平均値演算処理は、電圧、電流、電力などの測定装置や、その他の装置に適用することが可能である。

また、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。デジタルローパスフィルタの入力出力波形の一例を示した図である。区間平均時間を２００ｍｓとした場合の誤差の特性を示した図である。区間平均時間を２５ｍｓとした場合の誤差の特性を示した図である。デジタルローパスフィルタの周波数特性を示した図である。本発明における平均値演算の誤差の特性を示した図である。デジタルローパスフィルタ方式を用いたサンプリング式測定装置の従来例を示した構成図である。区間平均方式を用いたサンプリング式測定装置の従来例を示した構成図である。

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部
３２区間平均処理部

Claims

所定のアナログ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、
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処理部と、このデジタルフィルタ処理部のサンプル毎の出力に対し区間平均処理を行う区間平均処理部とを設け、
前記区間平均処理部は、前記デジタルフィルタ処理部の出力信号に交流成分がある場合は、その交流成分に対し、１／ｆ ₀ （ｓｅｃ）（ｆ ₀ ；測定下限周波数）に相当するサンプル数の区間平均を行うことを特徴とするサンプリング式測定装置。
前記交流成分の周期はゼロクロスで検出す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。
前記ローパスフィルタ処理はＩＩＲフィルタ方式であ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。
前記サンプリング式測定装置は、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であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のサンプリング式測定装置。