JP4884384B2 - Broadband current detector - Google Patents
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Description
本発明は、可飽和リアクトルを用いた直流から低周波(8〜10kHz程度の周波数をいう)の電流を測定できる広帯域型電流検出器に関する。 The present invention relates to a broadband current detector that can measure a low-frequency (referred to as a frequency of about 8 to 10 kHz) current from a direct current using a saturable reactor.
可飽和リアクトルを用いた電流検出器としては、例えば、日本国特公昭63−25487号公報に記載のものが知られており、可飽和鉄心に巻かれた被測定電流を流す一次巻線及び一対の二次巻線とを有する可飽和リアクトルと、負荷抵抗と、前記した二次巻線に互いに逆相で電流を流す交流電源とを有している。
また、日本国特開昭61−245511号公報に記載のように、ホール素子等を用いて電流が流れる際に発生する磁界の強さを検知する電流検出器が実用化されて、主流となっている。As a current detector using a saturable reactor, for example, the one described in Japanese Patent Publication No. Sho 63-25487 is known, and a primary winding and a pair of a current to be measured wound around a saturable iron core are known. A saturable reactor having a secondary winding, a load resistor, and an AC power source for causing currents to flow in opposite phases to the secondary winding.
Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-245511, a current detector that detects the strength of a magnetic field generated when a current flows using a Hall element or the like has been put into practical use and has become mainstream. ing.
しかしながら、日本国特公昭63−25487号公報に記載の技術においては、一次巻線に流す電流が出力値に比例する領域は限定されており領域が狭く、更に、その領域を外れると非線型領域及び飽和領域を有し、比較的測定精度が悪いという問題がある。また、交流に対しては考慮されておらず、直流の測定用である。
また、日本国特開昭61−245511号公報に記載のようなホール素子等を用いた電流計においては、温度変化等でホール素子の特性が変化し、高い測定精度を維持することは困難であるという問題がある。However, in the technique described in Japanese Patent Publication No. Sho 63-25487, the region in which the current flowing through the primary winding is proportional to the output value is limited, and the region is narrow. In addition, there is a problem that the measurement accuracy is relatively poor because of having a saturation region. In addition, it is not considered for alternating current, and is for direct current measurement.
In addition, in an ammeter using a Hall element as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-245511, it is difficult to maintain high measurement accuracy because the characteristics of the Hall element change due to a temperature change or the like. There is a problem that there is.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、比較的測定精度(例えば、0.01%以内)が高く、直流から交流まで測定可能な広帯域型電流検出器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a broadband current detector that has a relatively high measurement accuracy (for example, within 0.01%) and can measure from direct current to alternating current.
前記目的に沿う第1の発明に係る広帯域型電流検出器は、測定電流を流す被測定導体が挿通可能な空間部を有し、該空間部を取り囲んで配置された第1及び第2の可飽和リングコアと、
前記第1、第2の可飽和リングコアにそれぞれ同一巻数で同一方向又は逆方向に巻回されて、電流を流すと逆方向に磁場を発生させる第1、第2の高周波コイルと、
前記第1、第2の高周波コイルを半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第1、第2の不飽和リングコアと、
前記第1、第2の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けたキャンセルコイルとを有し、
前記第1、第2の高周波コイルに前記第1、第2の可飽和リングコアが飽和する高周波電流を流し、前記第1、第2の高周波コイルにかかる差分電圧を取り出し、該差分電圧に対応する電流を、前記キャンセルコイルに流して前記第1、第2の不飽和リングコアに前記測定電流による励磁とは逆方向に励磁を与えて前記差分電圧を打ち消し、前記キャンセルコイルに流した電流から、直流から低周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定する。
The broadband current detector according to the first invention that meets the above-mentioned object has a space part through which a conductor to be measured for passing a measurement current can be inserted, and the first and second movable detectors are disposed so as to surround the space part. A saturated ring core,
First and second high-frequency coils that are wound around the first and second saturable ring cores with the same number of turns in the same direction or in the opposite direction, and generate a magnetic field in the opposite direction when a current is passed ;
First and second unsaturated ring cores arranged with the first and second high-frequency coils sandwiched between both radial sides;
A cancel coil wound around the first and second unsaturated ring cores around the center,
A high-frequency current that saturates the first and second saturable ring cores is caused to flow through the first and second high-frequency coils, a differential voltage applied to the first and second high-frequency coils is extracted, and the differential voltage is handled. An electric current is passed through the cancellation coil, and the first and second unsaturated ring cores are excited in the opposite direction to the excitation by the measurement current to cancel the differential voltage. The current flowing through the conductor to be measured in the low frequency region is measured.
第2の発明に係る広帯域型電流検出器は、第1の発明に係る広帯域型電流検出器において、前記第1、第2の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けられた検出コイルを有し、該検出コイルで検知された電流を増幅して前記キャンセルコイルに流し、該キャンセルコイルに流した電流から、高周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定する。 A wideband current detector according to a second invention is the wideband current detector according to the first invention, comprising a detection coil wound around the first and second unsaturated ring cores in the center. Then, the current detected by the detection coil is amplified and passed through the cancel coil, and the current flowing through the measured conductor in the high frequency region is measured from the current passed through the cancel coil.
第3の発明に係る広帯域型電流検出器は、第2の発明に係る広帯域型電流検出器において、前記第1、第2の可飽和リングコアは、同一形状であって、軸方向に並べて配置されている。
そして、第4の発明に係る広帯域型電流検出器は、第2、第3の発明に係る広帯域型電流検出器において、前記第1、第2の高周波コイルには、それぞれ同一値の抵抗が直列に接続されてブリッジ回路を形成し、そのブリッジ出力を前記差分電圧とし、該差分電圧を前記第1、第2の高周波コイルを流す交流の2倍の周波数で同期整流し、平滑化してアンプで増幅して、前記キャンセルコイルに流す。A wideband current detector according to a third invention is the wideband current detector according to the second invention, wherein the first and second saturable ring cores have the same shape and are arranged side by side in the axial direction. ing.
The broadband current detector according to the fourth invention is the broadband current detector according to the second and third inventions, wherein resistors having the same value are connected in series to the first and second high-frequency coils, respectively. The bridge output is used as the differential voltage, and the differential voltage is synchronously rectified at a frequency twice that of the alternating current flowing through the first and second high-frequency coils and smoothed by an amplifier. Amplify and flow through the cancellation coil.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図1、図3に示すように、本発明の一実施例に係る広帯域型電流検出器10は、中央に被測定導体の一例である導線26を挿通可能な空間部11を形成する絶縁体かつ非磁性体(例えば、プラスチック又はセラミック)からなるガイド筒12を有している。このガイド筒12の周囲には同一形状の第1、第2の可飽和リングコア13、14が軸方向に並べて配置され、この第1、第2の可飽和リングコア13、14には、それぞれ同一巻数で巻回されて同一方向の電流を流すと逆方向に磁場を発生させる第1、第2の高周波コイル15、16が巻かれている。
この第1、第2の高周波コイル15、16を半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第1、第2の不飽和リングコア17、18を有し、この第1、第2の不飽和リングコア17、18を中央にしてその外側には、巻数nのキャンセルコイル19と巻数mの検出コイル20が巻かれている。なお、この第1、第2の不飽和リングコア17、18を直流励磁した場合の磁気的特性を図2(B)に示す。Subsequently, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
As shown in FIGS. 1 and 3, the broadband
The first and second high-
同一巻数pの第1、第2の高周波コイル15、16には、図3に示すように、周波数2fの高周波発振器21からの出力を1/2の周波数に落とす周波数変換器22を介して所定電圧Vaに増幅された周波数fの方形波(この実施例では50kHzの高周波、図4(A)参照)が、抵抗(固定抵抗)23、24(抵抗値は同じ)を介して加えられている。第1、第2の可飽和リングコア13、14は図2(A)に示すような特性の可飽和コアからなっている。そして、第1、第2の高周波コイル15、16に周波数fの方形波電圧Vaを加えた場合(即ち、周波数fの高周波電流を流した場合)、第1、第2の可飽和リングコア13、14が約3/8・λ波長及び7/8・λ波長の所で飽和するように、第1、第2の高周波コイル15、16の巻数p及び第1、第2の可飽和リングコア13、14の断面積が設定されている。
従って、第1、第2の高周波コイル15、16に、図4(A)に示すような電圧を加えると、第1の高周波コイル15には、図4(B)に示す電圧が、第2の高周波コイル16には、図4(C)に示す電圧が発生する。As shown in FIG. 3, the first and second high-
Therefore, when a voltage as shown in FIG. 4A is applied to the first and second high-
第1、第2の高周波コイル15、16の巻方向は同一(例えば、右巻又は左巻)であっても逆方向であってもよいが、ガイド筒12内を挿通する測定電流を流す導線26に電流を流すと、第1、第2の高周波コイル15、16の一方の電圧が減少し、他方の電圧が増加するように、抵抗23、24にそれぞれ接続されている。そして、この抵抗23、24及び第1、第2の高周波コイル15、16がそれぞれ直列に接続されて、ブリッジ回路を形成し、その中点出力に入力トランス27の一次側コイル28が接続されている。この入力トランス27の二次側コイル29には中間タップが設けられ、180度位相の異なる出力がその両側のコイルに発生するようになっている。
従って、導線26に電流が流れない場合には、図4(B)に示す第1の高周波コイル15にかかる電圧と、図4(C)に示す第2の高周波コイル16にかかる電圧は同一となるので、その差分が入力トランス27に出力され、結局は図4(D)に示すように0(ゼロ)となる。The winding directions of the first and second high-
Therefore, when no current flows through the
ところが、導線26に電流(説明のために直流が流れたとする)が流れると、第1、第2の可飽和リングコア13、14の磁気飽和状態が変わって、図4(E)及び図4(F)に示すように、第1、第2の高周波コイル15、16にかかる電圧が変化する。これは、図2に示す可飽和リングコアのヒステリシスカーブにおいて、導線26に電流が流れることによって、0点が移動することによる。
第1、第2の高周波コイル15、16にかかる電圧の差分をブリッジ回路で検知し、入力トランス27によって差分を出力すると、図5(A)、(A)′に示すような電圧が入力トランス27の二次側のセンタータップを基準として両側に出力される。However, when a current (direct current flows for the sake of explanation) flows through the
When the difference between the voltages applied to the first and second high-
この入力トランス27の二次側に発生する電圧信号(A)、(A)′を、高周波発振器21で発生させた周波数が2f(即ち、100kHz)で同期整流を行う。ここで、同期整流とは、入力トランス27の二次側に発生する180度位相の異なる電圧を、高周波発振器21で発生させた方形波信号によって、スイッチング素子(例えば、CMOS型半導体素子)を交互に切り替えて、入力トランス27から発生する信号を揃えること(即ち、整流すること)をいう。図5(B)は同期整流に使用する制御信号を、図5(C)は同期整流回路30の出力を示すことになる。
The voltage signals (A) and (A) ′ generated on the secondary side of the
ここで、同期整流回路30と通常のシリコンダイオード等を組み合わせて構成した整流回路との相違は、シリコンダイオードを使用する整流回路においてはシリコンダイオード自体の電圧降下(例えば、0.5〜0.7v)が存在するので微小信号の整流ができないこと、全ての信号が一定方向に電流が流れて直流化されるという問題があるが、同期整流回路30においては、素子自体の電圧降下がない(即ち、通常の接点と同じ)こと、及び入力信号と制御信号の位相によって、一方向の電流のみでなく逆方向の電流も発生すること(従って、完全には直流にはならない)である。
この同期整流回路30を用いることによって、導線26を流れる電流の方向及びその大きさを正確に測定できる。Here, the difference between the rectifier circuit configured by combining the
By using this
同期整流回路30の出力を、そのままフィルター回路31に流すと、図5(C)に示す電圧波形が平均化(平滑化)されて、直流となる。ここで、アンプ32で電圧増幅を行い、アンプ33が電流増幅を行って、その出力を抵抗34が直列に接続されたキャンセルコイル19に流す。このキャンセルコイル19に流れる電流によって第1、第2の不飽和リングコア17、18に発生する磁束が、導線26を流れる電流によって第1、第2の不飽和リングコア17、18及び第1、第2の可飽和リングコア13、14に発生する磁束を打ち消すようにしている。即ち、導線26を流れる電流をd1で巻数1とし、キャンセルコイル19に流れる電流をd2とし巻数をnとした場合、d1×1=d2(1+1/α)×nの関係が成立する。従って、d2=d1/{n(1+1/α)}、即ち、d2≒d1/nとなって、d2を測定すれば、d1の値が分かる。更に、第1、第2の可飽和リングコア13、14の磁界は、約(d1×1−d2×n)と打ち消されるので、磁束が減少し、広範囲の電流を測定でき、結果として機器の小型化を図ることができる。なお、「α」は入力トランス27からアンプ33までの信号の増幅率を示し、実際には105〜106程度の増幅率を有する。従って、キャンセルコイル19を流れる電流を、抵抗34の両端の電圧より検出し、適当に校正して、測定電流とする。When the output of the
この実施例においては、説明のため、導線26に直流が流れた場合について、説明したが、同期整流回路30でその極性を判別しながらその大きさを測定できるので、マクロ的に見れば交流も支障なく測定できる。なお、同期整流回路30を駆動する制御信号より高周波は測定できないし、次に設けられたフィルター回路31の通過帯域によって交流の測定周波数は決定される。例えば、フィルター回路31を10kHz程度に設定しておき、それ以上の周波数に対して減衰するように設定しておけば、約10kHz程度の交流まで測定できることになる。
なお、第1、第2の可飽和リングコア13、14は、fより高い周波数にも反応するが、周波数2fで同期整流を行うので、この同期整流の周期内で第1、第2の可飽和リングコア13、14が反応しても平均化され、この回路では検出できない。但し、第1、第2の不飽和リングコア17、18の検出コイル20については同期整流を行っていないので、fより高い周波数も検知できる。また、測定電流が低い周波数の場合、検出コイル20のみで検知しようとすると、その周波数で飽和しないだけのコア断面積を必要とし、小型軽量化ができない。In this embodiment, for the sake of explanation, a case where a direct current flows through the
The first and second
次に、第1、第2の不飽和リングコア17、18に検出コイル20を配置し、その出力をアンプ33に入力させて、その出力をキャンセルコイル19に流し、導線26を流れる磁束を打ち消すようにさせると、導線26を流れる交流電流も抵抗34の両端の電圧から測定できる。この技術は周知であるので、詳しい説明を省略する。
この場合、第1、第2の可飽和リングコア13、14及びこれらに巻いた第1、第2の高周波コイル15、16によって検出される差分電圧から、導線26に流れる電流を測定する回路Aと、検知コイル20を用いて交流電流を測定する回路Bとを組み合わせると、図6に示すような特性となって、直流から高周波交流まで広範囲な電流の測定ができる。Next, the
In this case, a circuit A that measures the current flowing through the
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での改良、又は一部省略も可能である。例えば、前記実施例においては、広帯域型電流検出器10は、直流から交流まで測定できる回路Aと、通常の交流電流を測定する回路Bとを組み合わせて構成したが、切替えスイッチを設けて、直流から交流まで測定できる回路Aと、通常の交流電流を測定する回路Bとを別々に作動させる場合も本発明は適用される。この場合、直流から交流まで測定できる回路A又は通常の交流電流を測定する回路Bを停止させる場合には、アンプ33にこれらの入力信号が入らないようにスイッチを設けることになる。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be improved or partially omitted without changing the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the broadband
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、この実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施例や変形例の一部又は全部を組み合わせることもできる。 As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described, the present invention is not limited to this embodiment, and can be changed without changing the gist of the invention. Some or all of the examples may be combined.
本発明に係る広帯域型電流検出器は、第1、第2の可飽和リングコアに巻回された第1、第2の高周波コイルの差分電圧に対応する電流をキャンセルコイルに流しているので、測定電流によって第1、第2の不飽和リングコアの飽和を防止すると共に第1、第2の可飽和リングコアの飽和も防止して、直流から低周波領域の電流を、小電流から大電流まで精度よく測定できる。
そして、第1、第2の可飽和リングコアに巻かれた第1、第2の高周波コイルを、第1、第2の不飽和リングコアによって半径方向両側からサンドイッチ状に挟んでいるので、第1、第2の可飽和リングコアの磁束の飽和状態がより正確に制御され、測定精度が向上する。In the wideband current detector according to the present invention, the current corresponding to the differential voltage between the first and second high-frequency coils wound around the first and second saturable ring cores is caused to flow through the cancel coil. The current prevents the saturation of the first and second unsaturated ring cores and the saturation of the first and second saturable ring cores, so that the current in the DC to low frequency region can be accurately measured from a small current to a large current. It can be measured.
Since the first and second high frequency coils wound around the first and second saturable ring cores are sandwiched between the first and second unsaturated ring cores from both sides in the radial direction, the first, The saturation state of the magnetic flux of the second saturable ring core is more accurately controlled, and the measurement accuracy is improved.
特に、本発明の広帯域型電流検出器において、第1、第2の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けられた検出コイルを設け、この検出コイルで検知された電流を増幅してキャンセルコイルに流し、キャンセルコイルに流した電流から、高周波領域での被測定導体を流れる電流を測定するようにした場合には、この広帯域型電流検出器が通常のCTとしての役目も果たし、高周波領域(前記低周波領域を超える周波数をいう)での交流電流の測定が可能となる。従って、この発明においては、直流から高周波領域までの電流を精度よく測定できる。 In particular, the broadband current detector of the present invention is provided with a detection coil wound around the center of the first and second unsaturated ring cores, and a current detected by the detection coil is amplified to cancel the coil. When the current flowing through the conductor to be measured in the high frequency region is measured from the current flowing in the cancel coil, the broadband current detector also serves as a normal CT, and the high frequency region ( AC current can be measured at a frequency exceeding the low frequency region. Therefore, in the present invention, the current from the direct current to the high frequency region can be accurately measured.
また、本発明の広帯域型電流検出器においては、第1、第2の可飽和リングコアを、同一形状として、軸方向に並べて配置することによって、差分電圧の精度が高まり、より精度の良い電流測定ができる。 In the broadband current detector of the present invention, the first and second saturable ring cores have the same shape and are arranged side by side in the axial direction, so that the accuracy of the differential voltage is increased and more accurate current measurement is performed. Can do.
そして、本発明の広帯域型電流検出器において、第1、第2の高周波コイルに、それぞれ同一値の抵抗を直列に接続してブリッジ回路を形成し、そのブリッジ出力を差分電圧とし、該差分電圧をアンプで増幅して、キャンセルコイルに流すことによって、温度変化等に影響されず、より精度の高い電流測定が可能となる。 In the broadband current detector of the present invention, the first and second high-frequency coils are connected in series with resistors of the same value in series to form a bridge circuit, and the bridge output is set as a differential voltage. Is amplified by an amplifier and passed through a cancel coil, so that a more accurate current measurement can be performed without being affected by a temperature change or the like.
Claims (4)
前記第1、第2の可飽和リングコアにそれぞれ同一巻数で同一方向又は逆方向に巻回されて、電流を流すと逆方向に磁場を発生させる第1、第2の高周波コイルと、
前記第1、第2の高周波コイルを半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第1、第2の不飽和リングコアと、
前記第1、第2の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けたキャンセルコイルとを有し、
前記第1、第2の高周波コイルに前記第1、第2の可飽和リングコアが飽和する高周波電流を流し、前記第1、第2の高周波コイルにかかる差分電圧を取り出し、該差分電圧に対応する電流を、前記キャンセルコイルに流して前記第1、第2の不飽和リングコアに前記測定電流による励磁とは逆方向に励磁を与えて前記差分電圧を打ち消し、前記キャンセルコイルに流した電流から、直流から低周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定することを特徴とする広帯域型電流検出器。A first and second saturable ring cores having a space part through which a conductor to be measured for passing a measurement current can be inserted, and arranged to surround the space part;
First and second high-frequency coils that are wound around the first and second saturable ring cores with the same number of turns in the same direction or in the opposite direction, and generate a magnetic field in the opposite direction when a current is passed ;
First and second unsaturated ring cores arranged with the first and second high-frequency coils sandwiched between both radial sides;
A cancel coil wound around the first and second unsaturated ring cores around the center,
A high-frequency current that saturates the first and second saturable ring cores is caused to flow through the first and second high-frequency coils, a differential voltage applied to the first and second high-frequency coils is extracted, and the differential voltage is handled. An electric current is passed through the cancellation coil, and the first and second unsaturated ring cores are excited in the opposite direction to the excitation by the measurement current to cancel the differential voltage. A wide-band current detector for measuring a current flowing through the conductor to be measured in a low frequency region.
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