JP5823549B2

JP5823549B2 - 測定装置

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Publication number: JP5823549B2
Application number: JP2014034816A
Authority: JP
Inventors: 政博中沢; 竜太斎藤
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: JP2014098719A

Description

本発明は、測定対象体についての物理量を測定して表示する測定装置に関するものである。

この種の測定装置として、特開２００１−５６３４９号公報において出願人が開示したピーク値測定装置が知られている。このピーク値測定装置は、入力部、レンジアンプ、半波整流回路、波形反転回路、ピーク値ホールド回路、Ａ／Ｄ変換器、制御手段および表示器を備えて、測定対象体を流れる電流のピーク値を測定可能に構成されている。このピーク値測定装置では、クランプセンサなどの検出器からの被測定交流信号を入力部が入力し、その被測定交流信号をレンジアンプが増幅する。次いで、半波整流回路がレンジアンプによって増幅された被測定交流信号を半波整流し、波形反転回路がその負極側の半波整流波形を正極側に反転する。続いて、ピーク値ホールド回路が、整流された被測定交流信号のピーク値を保持し、Ａ／Ｄ変換器が、そのピーク値をディジタル信号に変換して出力する。次いで、制御手段がディジタル信号に基づき、被測定交流信号のピーク値を表示器に表示させる。

特開２００１−５６３４９号公報（第３−４頁、第１−２図）

ところが、上記のピーク値測定装置を含むこの種の測定装置には、以下の改善すべき課題がある。すなわち、この種の測定装置では、Ａ／Ｄ変換器がアナログ信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号に基づいて、測定対象体を流れる電流の電流値（上記のピーク値測定装置では、ピーク値）を表示部に表示させている。この場合、Ａ／Ｄ変換器によるアナログ信号からデジタル信号への変換には、一般的に、２００ｍｓｅｃ以上の時間を要する。また、この種の測定装置は、レンジアンプの測定レンジを測定対象信号の大きさに適した測定レンジに自動で切り替えるオートレンジ機能を備えており、電流値の測定までに数回のレンジ切り替えが行われ、測定レンジ数分だけＡ／Ｄ変換器による変換処理が行われる。このため、この種の測定装置では、測定を開始してから表示部に電流値が表示されるまでに、２００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃ程度の時間を要している。一方、測定対象体としての電源供給ライン（例えば、商用電源）に電気機器を接続している状態において、その電源供給ラインに流れる電流を測定する際に、例えば、電機機器の内部に短絡などの故障が発生しているときには、電源供給ラインに過大電流が流れることとなる。この場合、ブレーカの動作時間は、一般的に、測定装置が電流値を表示するのに必要な２００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃ程度の時間よりも短い１００ｍｓｅｃ程度であるため、このような状況においては、電源供給ラインに流れる電流を測定して表示させることができないこととなる。しかしながら、このような状況においても、どの程度の電流が電源供給ラインに流れていたかを把握したいとの要望があり、このような要望に対応可能な手段の開発が望まれている。

本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、測定対象体についての物理量がどの程度であるかを短時間で把握し得る測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の測定装置は、入力したアナログ信号をアナログデジタル変換したデジタル信号に基づいて測定対象体についての物理量を測定する測定部と、当該測定部によって測定された前記物理量の測定値を表示部に表示させる第１表示処理を実行する制御部とを備えた測定装置であって、前記アナログ信号の値と予め決められた比較値とを比較して比較結果を出力する比較部を備え、前記測定部は、測定レンジを切り替え可能に構成されて、前記測定した物理量が測定レンジ内に収まるまで前記測定レンジを切り替えると共に、当該物理量が測定レンジ内に収まったときには当該物理量を前記測定値として確定し、前記制御部は、前記比較部から出力された前記比較結果を前記表示部における予め決められた表示エリアに表示させる第２表示処理を実行し、当該第２表示処理の実行中において前記測定部による前記測定値が確定した時点で、前記第１表示処理を実行して前記比較結果に代えて前記確定した測定値を前記表示エリアに表示させる。

また、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、前記比較値を任意に設定可能に構成されている。

請求項１記載の測定装置では、アナログ信号の値と予め決められた比較値とを比較して比較結果を出力する比較部を備え、制御部が、比較部から出力された比較結果を表示部に表示させる第２表示処理を実行する。この場合、比較部は、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換処理を行うことなく比較結果を出力する。このため、例えば測定対象体としての電源ラインに流れる電流の電流値を測定する際に、比較結果を出力する比較処理を電源ラインに接続されているブレーカが作動する時間よりも短い時間で実行することができる。したがって、この測定装置によれば、例えば、電気回路に短絡等の故障が生じている電機機器を測定対象体としての電源ラインに接続した場合において、ブレーカが作動する以前に電源ラインに流れていた電流の電流値が比較値以上であるか否かを短時間で表示することができる結果、電源ラインにどの程度の電流が流れていたか（測定対象体についての物理量がどの程度であるか）を使用者に対して確実に把握させることができる。

また、請求項２記載の測定装置によれば、比較値を任意に設定可能に構成したことにより、測定対象体の種類や、測定対象体に接続する電機機器の種類に応じて比較値を変更することで、測定対象体や電機機器の種類が異なる各種の使用形態において、測定対象体についての物理量がどの程度であるかを確実に把握することができる。

電流測定装置１の構成を示す構成図である。レンジアンプ１１の構成を示す構成図である。測定処理４０のフローチャートである。表示部５の表示画面を説明する第１の説明図である。表示部５の表示画面を説明する第２の説明図である。

以下、本発明に係る測定装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、測定装置の一例としての電流測定装置１の構成について説明する。図１に示す電流測定装置１は、測定対象体としての電源ライン１００に流れる電流（測定対象体についての物理量の一例であって、例えば交流電流）の電流値を測定可能に構成されている。また、電流測定装置１は、測定する電流値に適した測定レンジを複数の測定レンジの中から自動的に切り替えるオートレンジ機能を備えている。具体的には、電流測定装置１は、同図に示すように、電流センサ２、信号処理回路３、比較部４、表示部５、操作部６および制御部７を備えて構成されている。

電流センサ２は、クランプ型の電流センサであって、図１に示すように、電源ライン１００を取り囲んだ（クランプした）状態において、電源ライン１００を流れる電流を検出して、その電流値に対応する電圧値の交流電圧Ｖａ（アナログ信号）を出力する。

信号処理回路３は、図１に示すように、レンジアンプ１１、ローパスフィルタ１２、コンデンサ１３、ＲＭＳ（Root Mean Square）／ＤＣコンバータ１４、アンプ１５、ＡＣ／ＤＣコンバーター１６を備えて構成され、電流センサ２から出力される交流電圧Ｖａを電圧データＤｖに変換する変換処理を実行する。

レンジアンプ１１は、一例として、図２に示すように、オペアンプ２１、抵抗２２ａ〜２２ｃ（以下、区別しないときには「抵抗２２」ともいう）、抵抗２３、およびスイッチ２４ａ〜２４ｃ（以下、区別しないときには「スイッチ２４」ともいう）を備えて構成されている。オペアンプ２１は、制御部７の制御に従い、電流センサ２から出力される交流電圧Ｖａを増幅する。抵抗２２ａ〜２２ｃは、抵抗値が互いに異なるレンジ切り替え用の抵抗であって、スイッチ２４によってこれらの１つ以上がオペアンプ２１の負帰還経路に接続される。抵抗２３は、オペアンプ２１の利得を決めるための基準抵抗として機能する。したがって、オペアンプ２１は、スイッチ２４ａ〜２４ｃによってオペアンプ２１の負帰還経路に接続された抵抗２２ａ〜２２ｃのいずれか１つ以上の抵抗値と、抵抗２２ｄの抵抗値とで決まる利得で交流電圧Ｖａを増幅する。

ローパスフィルタ１２は、レンジアンプ１１によって増幅された交流電圧Ｖａを入力して、Ａ／Ｄコンバータ１６のサンプリングクロックよりも低い周波数成分（例えば、サンプリングクロックの１／２以下の周波数成分）を通過させる。コンデンサ１３は、直流成分除去用のコンデンサであって、ローパスフィルタ１２を通過した交流電圧Ｖａに含まれている直流成分を除去する。

ＲＭＳ／ＤＣコンバータ１４は、ローパスフィルタ１２およびコンデンサ１３を通過した交流電圧ＶａをＲＭＳ変換して直流電圧Ｖｃを出力する。アンプ１５は、ＲＭＳ／ＤＣコンバータ１４から出力された直流電圧Ｖｃを増幅する。Ａ／Ｄコンバータ１６は、一例として、二重積分方式のＡ／Ｄコンバータであって、アンプ１５によって増幅された直流電圧Ｖｃ（アナログ信号）を予め決められたサンプリング周期でアナログ−デジタル変換して電圧データＤｖ（デジタル信号）を出力する。

比較部４は、コンパレータ３１、電源部３２を備えて構成されている。コンパレータ３１は、一例として、差動増幅器で構成されている。この場合、コンパレータ３１は、反転入力端子に入力される比較電圧Ｖｒｅｆの電圧値（比較値）と、電流センサ２から出力されて非反転入力端子に入力される交流電圧Ｖａの電圧値とを比較して、交流電圧Ｖａの電圧値が比較電圧Ｖｒｅｆの電圧値よりも高いときに比較結果を示す比較結果信号Ｓ１（一例としてハイレベル信号）を出力する比較処理を実行する。電源部３２は、制御部７の制御に従ってコンパレータ３１による比較処理に用いられる比較電圧Ｖｒｅｆを生成する。

表示部５は、一例として、液晶パネルで構成されて、制御部７の制御に従って各種の画像を表示する。また、表示部５には、図４に示すように、表示エリアＡ１，Ａ２が設定されている。この場合、同図に示すように、表示エリアＡ１には、比較部４による比較結果を示す比較結果画像Ｇｃが表示され、図５に示すように、表示エリアＡ２には、制御部７によって測定された電流値（測定値）を示す測定値画像Ｇｍが表示される。操作部６は、各種の操作ボタンを備えて構成されて、各操作ボタンの操作に対応する操作信号Ｓ２を制御部７に出力する。

制御部７は、操作部６から出力される操作信号Ｓ２に従い、信号処理回路３、比較部４および表示部５を制御する。また、制御部７は、信号処理回路３と共に測定部を構成し、電流センサ２から出力されたアナログ信号としての交流電圧Ｖａをアナログデジタル変換したデジタル信号としての電圧データＤｖに基づいて、電源ライン１００を流れる電流の電流値を測定する。また、制御部７は、測定値画像Ｇｍを表示部５に表示させる第１表示処理を実行すると共に、比較結果画像Ｇｃを表示部５に表示させる第２表示処理を実行する。

次に、電流測定装置１を用いて電源ライン１００に流れる電流の電流値を測定する方法およびその際の電流測定装置１の動作について、図面を参照して説明する。なお、図１に示すように、電源ライン１００は、ブレーカ３００を経由して図外の商用電源に接続されているものとする。

測定に先立ち、操作部６を操作して、設定値Ｉｓとして、例えば「１０．００ｍＡ」を入力する。この設定値Ｉｓは、電源ライン１００に流れる電流の電流値がどの程度の大きさであるかを使用者に把握させるための電流値であって（図４参照）、制御部７によって実行される第２表示処理において、電源ライン１００に流れる電流の電流値がこの設定値Ｉｓを超えているか否かを示す比較結果画像Ｇｃが表示部５に表示される。

次いで、制御部７が、操作部６から出力される操作信号Ｓ２に基づき、入力された設定値Ｉｓに対応する電圧値（比較値）の比較電圧Ｖｒｅｆを特定し、比較部４の電源部３２を制御して、電源部３２の出力電圧を、特定した比較電圧Ｖｒｅｆに設定する。

次に、図１に示すように、電源ライン１００の周囲を電流センサ２で取り囲む（クランプする）。次いで、操作部６を操作して、測定開始を指示する。この際に、制御部７が、操作部６から出力たれた操作信号Ｓ２に従い、図３に示す測定処理４０を実行する。この測定処理４０では、制御部７は、信号処理回路３を構成する各構成要素を変換処理の実行開始の待機状態に移行させる（ステップ４１）。また、制御部７は、比較部４を構成する各構成要素を比較処理の実行開始の待機状態に移行させる（ステップ４２）。続いて、制御部７は、比較部４から比較結果信号Ｓ１が出力されたか否かを判別する処理を予め決められた時間間隔で繰り返して実行する（ステップ４３）。

次に、図１に示すように、電源ライン１００に電機機器２００を接続して作動させる。この場合、電機機器２００に故障がなく正常に作動する状態では、消費電力相当分の電流が電源ライン１００を流れて電機機器２００に対して供給される。この際に、電源ライン１００を取り囲んでいる電流センサ２が、電源ライン１００を流れる電流を検出して、その電流値に対応する交流電圧Ｖａを出力する。

この際に、待機状態の比較部４では、コンパレータ３１が、比較処理を実行して、反転入力端子に入力されている比較電圧Ｖｒｅｆの電圧値と、電流センサ２から出力される交流電圧Ｖａの電圧値とを比較する。具体的には、コンパレータ３１は、交流電圧Ｖａの電圧値が比較電圧Ｖｒｅｆの電圧値よりも高いときには、比較結果信号Ｓ１を出力し、交流電圧Ｖａの電圧値が比較電圧Ｖｒｅｆの電圧値以下のときには、比較結果信号Ｓ１の出力を停止する。この場合、コンパレータ３１から比較結果信号Ｓ１が出力されたときには、制御部７は、第２表示処理を実行する（ステップ４４）。この第２表示処理では、制御部７は、比較部４による比較結果を示す画像として、図４に示すように、電流値が設定値Ｉｓ（この例では、１０．００ｍＡ）を超えている旨を示す比較結果画像Ｇｃを表示部５の表示エリアＡ１に表示させる。続いて、制御部７は、信号処理回路３から電圧データＤｖが出力されたか否かを判別する処理を予め決められた時間間隔で繰り返して実行する（ステップ４５）。

一方、待機状態の信号処理回路３では、電流センサ２から交流電圧Ｖａが出力された際に、レンジアンプ１１がその交流電圧Ｖａを増幅する。この場合、制御部７は、レンジアンプ１１のスイッチ２４を制御して、各抵抗２２ａ〜２２ｃのうちの抵抗値が最大の抵抗２２をオペアンプ２１の負帰還経路に接続させることにより、測定レンジを最小のレンジに設定する。

次いで、ローパスフィルタ１２が、レンジアンプ１１によって増幅された交流電圧Ｖａを入力して、低い周波数成分を通過させ、コンデンサ１３が、ローパスフィルタ１２を通過した交流電圧Ｖａに含まれている直流成分を除去する。続いて、ＲＭＳ／ＤＣコンバータ１４が、ローパスフィルタ１２およびコンデンサ１３を通過した交流電圧ＶａをＲＭＳ変換して直流電圧Ｖｃを出力し、アンプ１５が、ＲＭＳ／ＤＣコンバータ１４から出力された直流電圧Ｖｃを増幅する。次いで、Ａ／Ｄコンバータ１６が、アンプ１５によって増幅された直流電圧Ｖｃをアナログ−デジタル変換して電圧データＤｖを出力する。

次いで、制御部７は、Ａ／Ｄコンバータ１６から出力された電圧データＤｖに基づいて、電源ライン１００に流れる電流値を特定する。この場合、特定した電流値がレンジアンプ１１に対して最初に設定した測定レンジを超えているときには、制御部７は、スイッチ２４を制御して、オペアンプ２１の負帰還経路に最初に接続した抵抗２２の次に抵抗値が大きい抵抗２２を負帰還経路に接続させて、最初に設定した測定レンジのよりも１つ大きい測定レンジに切り替える。この際に、ローパスフィルタ１２、コンデンサ１３、ＲＭＳ／ＤＣコンバータ１４、アンプ１５およびＡ／Ｄコンバータ１６が上記したように動作することにより、電圧データＤｖが出力される。

続いて、制御部７は、電圧データＤｖに基づいて、電源ライン１００に流れる電流値を特定する。この場合、特定した電流値が２番目に設定した測定レンジを超えているときには、制御部７は、抵抗２２の接続を切り替えてさらに大きい測定レンジに切り替える。以後、制御部７は、特定した電流値が設定した測定レンジ内に収まるまで同様にして測定レンジを切り替える。次いで、特定した電流値が設定した測定レンジ内に収まったときには、その電流値を測定値として確定して、制御部７は、第１表示処理を実行する（ステップ４６）。この第１表示処理では、制御部７は、図５に示すように、測定値として確定した電流値（この例では、１２．４２ｍＡ）を示す測定値画像Ｇｍを表示部５の表示エリアＡ２に表示させる。

ここで、この電流測定装置１のＡ／Ｄコンバータ１６は、二重積分方式のＡ／Ｄコンバータであって、コンデンサの放電、正積分および逆積分を１回の処理として実行する。この場合、一般的に、ハムノイズの影響を軽減するためには、正積分および逆積分にそれぞれ１００ｍｓｅｃ程度の時間を必要とする。また、コンデンサの放電にもある程度の時間を必要とする。このため、Ａ／Ｄコンバータ１６が直流電圧Ｖｃをアナログ−デジタル変換して電圧データＤｖを出力する１回の処理には、少なくとも２００ｍｓｅｃ程度の時間を必要とする。したがって、上記したように、測定レンジの切り替えが行われたときには、電流値が確定するまでに測定レンジ数×２００ｍｓｅｃ程度の時間を必要とする結果、電源ライン１００に電機機器２００が接続されてから電流値が表示部５に表示されるまでには、２００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃ程度の時間が必要となる。一方、比較部４による比較処理は、コンデンサの放電、正積分および逆積分などの比較的長い時間を必要とする処理を含んでいないため、数ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ程度で終了する。このため、電源ライン１００に電機機器２００が接続されてから数ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ程度で比較結果画像Ｇｃが表示部５に表示される。この結果、この電流測定装置１では、電源ライン１００に電機機器２００が接続されてから短時間のうちに比較結果画像Ｇｃが表示され、その後に電流値が表示される。

一方、例えば、電気回路に短絡等の故障が生じている電機機器２００を電源ライン１００に接続したときには、電源ライン１００に過大な電流が流れる。この際には、電源ライン１００に接続されているブレーカ３００が作動して、電源の供給が停止する。この場合、ブレーカ３００の動作時間は、一般的に、１００ｍｓｅｃ程度となっている（電気設備技術基準では、定格動作電流における動作時間が１００ｍｓｅｃ以内と規定されている）。このため、電機機器２００を電源ライン１００に接続してから１００ｍｓｅｃ程度の時間が経過した時点で、電源ライン１００における電流が停止し、これに伴い、電流センサ２からの交流電圧Ｖａの出力も停止する。したがって、この場合には、電源ライン１００に電機機器２００が接続されてから２００ｍｓｅｃ以上の時間を要する第１表示処理が実行されることはなく、表示部５の表示エリアＡ２は、非表示の状態に維持される。

一方、比較部４による比較処理は、数ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ程度で終了するため、故障が生じている電機機器２００を電源ライン１００に接続してブレーカ３００が作動したとしても、ブレーカ３００が作動する１００ｍｓｅｃの時間を経過する以前に比較結果信号Ｓ１が出力される。したがって、この電流測定装置１では、このような場合においても、第２表示処理が実行されて表示エリアＡ１に比較結果画像Ｇｃが表示される結果、ブレーカ３００が作動する以前に電源ライン１００に流れていた電流の電流値が設定値Ｉｓ以上であるか否かを使用者に対して確実に把握させることが可能となっている。

このように、この電流測定装置１では、交流電圧Ｖａの値と予め決められた比較電圧Ｖｒｅｆの値とを比較して比較結果としての比較結果信号Ｓ１を出力する比較部４を備え、制御部７が、比較部４から出力された比較結果信号Ｓ１に基づいて比較結果を示す比較結果画像Ｇｃを表示部５に表示させる第２表示処理を実行する。この場合、比較部４は、交流電圧Ｖａをデジタル信号（デジタルデータ）に変換する変換処理を行うことなく比較結果を出力するため、この比較結果を出力する比較処理をブレーカ３００が作動する時間よりも短い時間で実行することができる。したがって、この電流測定装置１によれば、電気回路に短絡等の故障が生じている電機機器２００を測定対象体としての電源ライン１００に接続した場合においても、ブレーカ３００が作動する以前に電源ライン１００に流れていた電流の電流値が設定値Ｉｓ以上であるか否かを短時間で表示することができる結果、電源ライン１００にどの程度の電流が流れていたかを使用者に対して確実に把握させることができる。

また、この電流測定装置１によれば、比較電圧Ｖｒｅｆ（比較電圧Ｖｒｅｆに対応する設定値Ｉｓ）を任意の値に設定可能に構成したことにより、測定対象体の種類や、測定対象体に接続する電機機器の種類に応じて比較電圧Ｖｒｅｆを変更することで、測定対象体や電機機器の種類が異なる各種の使用形態において、測定対象体にどの程度の電流が流れていたかを確実に把握することができる。

なお、クランプ型の電流センサ２を用いて電源ライン１００を流れる電流を非接触で検出する例について上記したが、電源ライン１００の露出部分にプローブを接触させて、信号処理回路３に電流を直接入力する構成を採用することもできる。また、比較結果画像Ｇｃおよび測定値画像Ｇｍを表示部５における異なる表示エリアＡ１，Ａ２に別々に表示させる構成例について上記したが、１つの表示エリアに比較結果画像Ｇｃおよび測定値画像Ｇｍを順番に表示させる構成を採用することもできる。この構成では、先に完了する第２表示処理によって比較結果画像Ｇｃを表示部５の予め決められた表示エリアに表示させ、次に、電流値が確定した時点で、比較結果画像Ｇｃに代えて測定値画像Ｇｍをその表示エリアに表示させることができる。

また、測定レンジの自動切り替え（オートレンジ切り替え）機能を備えた例について上記したが、測定レンジを手動で切り替える構成や、測定レンジが１種類に固定されている構成に適用することもできる。

また、電源ライン１００に流れる電流の電流値を測定対象体についての物理量として測定する構成例について上記したが、これに限定されず、例えば、測定対象体についての抵抗値、電圧値、電力値、回転数および流量などの物理量を測定する各種の測定装置に適用することができる。

１電流測定装置
３信号処理回路
４比較部
５表示部
７制御部
１００電源ライン
Ｄｖ電圧データ
Ｇｍ測定値画像
Ｉｓ設定値
Ｓ１比較結果信号
Ｖａ交流電圧
Ｖｒｅｆ比較電圧

Claims

入力したアナログ信号をアナログデジタル変換したデジタル信号に基づいて測定対象体についての物理量を測定する測定部と、当該測定部によって測定された前記物理量の測定値を表示部に表示させる第１表示処理を実行する制御部とを備えた測定装置であって、
前記アナログ信号の値と予め決められた比較値とを比較して比較結果を出力する比較部を備え、
前記測定部は、測定レンジを切り替え可能に構成されて、前記測定した物理量が測定レンジ内に収まるまで前記測定レンジを切り替えると共に、当該物理量が測定レンジ内に収まったときには当該物理量を前記測定値として確定し、
前記制御部は、前記比較部から出力された前記比較結果を前記表示部における予め決められた表示エリアに表示させる第２表示処理を実行し、当該第２表示処理の実行中において前記測定部による前記測定値が確定した時点で、前記第１表示処理を実行して前記比較結果に代えて前記確定した測定値を前記表示エリアに表示させる測定装置。
前記比較値を任意に設定可能に構成されている請求項１記載の測定装置。