JP6003429B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置に関する。

近時、工場内等に配された個々の設備の消費電力等を測定し得る測定装置が提案されている。

かかる測定装置は、絶縁電線の導線に非接触で、負荷に供給される電力（有効電力）を測定することが可能である。

測定装置の設置の容易性を考慮すると、測定装置の電源として電池を用いることが好ましい。

特開２００８−１７５５３２号公報 特開２００９−１４６５９号公報 特開２０１０−１８１３７８号公報 特開２０１０−１４５２４４号公報 特許第３０７１２２０号公報 特開２０１１−１５１９７９号公報

しかしながら、測定装置の電源として電池を用いた場合には、電池の消耗に伴う電池交換作業の手間が生ずる。

本発明の目的は、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、絶縁電線に流れる電流を、電流トランスを用いて測定する電流測定部と、前記電流トランスにより前記絶縁電線から取り出される電力を用いて二次電池に充電する充電回路と、前記電流トランスの出力が前記電流測定部と前記充電回路とのいずれかに接続されるように切り換える切り換え部とを有し、前記電流トランスは、磁気コアと、前記磁気コアに巻き付けられた第１の巻数の第１の部分巻線と、前記磁気コアに巻き付けられ、前記第１の部分巻線に直列に接続され、前記第１の巻数より多い第２の巻数の第２の部分巻線とを含むコイルと有し、前記切り換え部は、前記電流トランスの出力を前記電流測定部に接続する際には、前記コイルの全体の出力を前記電流測定部に接続し、前記電流トランスの出力を前記充電回路に接続する際には、前記第１の部分巻線の出力を前記充電回路に接続するとを特徴とする測定装置が提供される。

開示の測定装置によれば、絶縁電線から電流トランスを用いて取り出される電力を用いて二次電池に充電が行われる。しかも、電流トランスの出力の接続先を選択的に切り換える切り換え部が設けられており、測定時には電流トランスの出力が電流測定部に接続され、非測定時には電流トランスの出力が充電回路に接続される。電流トランスの出力の接続先が電流測定部と充電回路とに選択的に切り換えられるため、充電回路のインピーダンスが電流測定部側に悪影響を及ぼさない。従って、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし得る、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供することができる。

図１は、第１実施形態による測定装置を示すブロック図である。 図２は、クランプ部の例を示す図（その１）である。 図３は、第１実施形態による測定装置の動作を示すタイムチャートである。 図４は、第１実施形態による測定装置の評価結果を示すグラフである。 図５は、第２実施形態による測定装置を示すブロック図である。 図６は、第３実施形態による測定装置を示すブロック図である。 図７は、クランプ部の例を示す図（その２）である。 図８は、巻数がＮ１の巻線と巻数がＮ２の巻線とが二次側に設けられたトランスを示す図である。

測定対象の絶縁電線から電流トランスを用いて電力を取り出し、取り出した電力を二次電池の充電に用いることも考えられる。

しかし、測定回路に接続されている電流トランスの出力を分岐して、充電用の電力を取り出した場合には、充電用の回路のインピーダンスが測定回路に悪影響を及ぼし、測定誤差等が生じてしまう虞がある。

また、測定用の電流トランスと別個に電力取り出し用の電流トランスを設けることも考えられるが、設置に要するスペースが広くなってしまい、また、低コスト化等の要請に反する。

［第１実施形態］
第１実施形態による測定装置について図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による測定装置を示すブロック図である。

ここでは、負荷（図示せず）に供給される交流の電力を測定する交流電力測定装置を例に説明する。

図１に示すように、入力回路１０には、クランプ部１１が設けられている。

図２は、クランプ部の例を示す図である。

図２に示すように、クランプ部本体（支持部）は、一対の磁気コア１２ａ、１２ｂを支持している。一対の磁気コア１２ａ、１２ｂのうちの少なくとも一方は、可動自在となっている。例えば、磁気コア１２ａは、図２に示す矢印の方向に可動し得る。各々の磁気コア１２ａ、１２ｂは、例えば半環状に成型されている。

クランプ部１１は、交流電源を負荷（図示せず）に供給する電線（絶縁電線、測定対象電線）１４をクランプする。絶縁電線１４は、導線（導体）１６が絶縁体１８により被覆されている電線である。図２は、一対の磁気コア１２ａ、１２ｂにより電線１４をクランプした状態を示している。クランプ部１１は、電線１４に流れる電流を検出する電流トランス（カレントトランス）として機能する。また、クランプ部１１は、後述するように、電線１４の電圧を検出するためにも用い得る。即ち、クランプ部１１は、電流検出のみならず、電圧検出にも用い得るものである。

なお、電線１４を介して電力が供給される負荷としては、工場等に配される様々な機器が挙げられる。

クランプ部１１の一対の磁気コア１２ａ、１２ｂにより電線１４をクランプすると、磁気コア１２ａの両端と磁気コア１２ｂの両端とが互いに対向した状態となり、電線１４が環状の磁路により取り囲まれた状態となる。

磁気コア１２ａ、１２ｂの材料としては、高透磁率の磁性材料が用いられている。より具体的には、磁気コア１２ａ、１２ｂの材料としては、フェライト、珪素鋼板、又は、パーマロイ等が用いられている。

磁気コア１２ｂには、電線（巻線）２０が巻かれており、これによりコイル２２が形成されている。電線２０の巻数Ｎは、例えば３０００程度とする。コイル２２は、電線１４に流れる電流（電流波形）を、電磁誘導結合によって、絶縁電線１４の導線１６に非接触で測定するために用いられる。一対の磁気コア１２ａ、１２ｂにより形成される環状の磁路に流れる磁束をコイル２２により検出することにより、電線１４に流れる電流を検出することが可能である。コイル２２の両端からは、それぞれ引き出し線（配線、信号線）２４、２５が引き出されている。

磁気コア１２ａの内側には、電極（導体）２６が設けられている。電極２６は、電線１４の電圧（電圧波形）を、容量結合（静電容量結合）によって、電線１４の導線１６に非接触で測定するために用いられるものである。クランプ部１１は、電線１４をクランプした際に、電線１４の絶縁体１８に電極２６を押し付ける機構を有している。このため、電極２６は、クランプ部１１により電線１４がクランプされた際に、電線１４の絶縁体１８に近接又は接触する。電極２６の材料としては、例えば銅（Ｃｕ）を用いる。電極２６からは、引き出し線（配線、信号線）２８が引き出されている。

クランプ部１１の電極２６は、容量素子（コンデンサ、キャパシタ）３０の一方の端部に配線２８により電気的に接続されている。クランプ部１１により電線１４をクランプすると、容量素子３０の一方の端部は、電線１４に静電容量結合される。容量素子３０の他方の端部は、グラウンド（接地電位、接地端子）ＧＮＤに電気的に接続されている。

なお、本実施形態による測定装置のグラウンドＧＮＤは、配電盤（図示せず）等に設けられたグラウンド（図示せず）に電気的に接続される。

電線１４の導線１６とクランプ部１１の電極２６との間の静電容量Ｃ０が例えば１０ｐＦ程度の場合、容量素子３０の静電容量Ｃ１は例えば１０ｎＦ程度とする。容量素子３０の静電容量Ｃ１は、導線１６と電極２６との間の静電容量Ｃ０に対して過度に大きくないことが好ましい。容量素子３０の両端に加わる電圧を、十分に大きく確保するためである。

容量素子３０には、電圧測定部（電圧波形測定部、電圧信号測定部）３２がそれぞれ接続されている。電圧測定部３２は、容量素子３０の両端の電圧（電圧波形、電圧信号）Ｖ（ｔ）を測定するものである。電圧測定部３２は、図示しないアンプ（増幅器）や図示しないＡＤコンバータ（アナログ−デジタル変換器）等により形成されている。電圧測定部３２と容量素子３０とクランプ部１１とが相俟って電圧センサ（電圧検出部）が形成されている。

電圧測定部３２は、容量素子３０の両端の電圧の瞬時値Ｖ（ｔ）を所定の時間間隔で順次測定する。即ち、電圧測定部３２は、容量素子３０の両端の電圧の瞬時値Ｖ（ｔ）を所定の時間分解能で順次測定し得る。交流電源の周波数は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。電圧測定部３２により容量素子３０の両端の電圧Ｖ（ｔ）を測定する時間間隔は、例えば２００μ秒程度とする。このような時間間隔で容量素子３０の両端の電圧波形Ｖ（ｔ）を測定すれば、十分な時間分解能の電圧波形Ｖ（ｔ）のデータを得ることが可能できる。

容量素子３０の両端には、電線１４の電圧に比例した電圧が生ずる。このため、容量素子３０の両端の電圧を測定し、換算を行うことにより、電線１４の電圧を求めることが可能である。

電圧測定部３２の入力インピーダンスは、容量素子３０のインピーダンスに対して十分に大きいことが好ましい。電圧測定部３２の入力インピーダンスを十分に大きく設定するのは、容量素子３０の両端に加わる電圧に位相ずれが生じるのを防止するとともに、電圧が過度に小さくなるのを防止し、十分な測定精度を確保するためである。例えば、電圧測定部３２の入力インピーダンスは、容量素子３０のインピーダンスの例えば２倍以上とする。より好ましくは、電圧測定部３２の入力インピーダンスは、容量素子３０のインピーダンスの例えば５倍以上とする。

電圧測定部３２による電圧波形Ｖ（ｔ）の測定は、処理部（制御部）３６により制御される。処理部３６としては、例えば所定のコンピュータプログラムにより動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）が用いられている。電圧測定部３２は、処理部３６からの命令に応じて電圧波形Ｖ（ｔ）のデータを取得し、取得した電圧波形Ｖ（ｔ）のデータを処理部３６に出力する。処理部３６は、取得された電圧波形Ｖ（ｔ）のデータを図示しない記憶部に記憶する。記憶部としては、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリやハードディスクドライブ（ＨＤＤ、Hard Disk Drive）等を用いることができる。

クランプ部１１のコイル２２の両端は、切り換えスイッチ（切り換え部、切り換え手段）４２を介して、電流測定部（電流波形測定部、電流信号測定部）３８又は充電回路４４に選択的に接続されるようになっている。切り換えスイッチ４２は、クランプ部１１のコイル２２の出力の接続先を選択的に切り換えるためのものである。切り換えスイッチ４２の接点をＡ側に設定すると、コイル２２の両端は電流測定部３８に電気的に接続される。切り換えスイッチ４２の接点をＢ側に設定すると、コイル２２の両端は充電回路４４に電気的に接続される。

切り換えスイッチ４２の接点の切り換えは、処理部３６により制御される。処理部３６は、電力の測定を行う際、即ち、測定時には、電流トランス１１の出力が電流測定部３８に接続されるように、切り換えスイッチ４２の接点をＡ側に設定する。また、処理部３６は、電力の測定を行わない際、即ち、非測定時には、電流トランス１１の出力が充電回路４４に接続されるように、切り換えスイッチ４２の接点をＢ側に設定する。

本実施形態によれば、測定を行う際には電流トランス１１の出力が電流測定部３８に接続され、測定を行わない際には電流トランス１１の出力が充電回路４４に接続される。このため、充電回路４４のインピーダンスが電流測定部３８側に悪影響を及ぼさない。従って、本実施形態によれば、電流測定部３８により正確に電流の測定を行うことが可能である。

電流測定部３８は、コイル２２により検出される信号に基づいて、電線１４に流れる電流を測定するものである。電流測定部３８は、アンプ（図示せず）やＡＤコンバータ（図示せず）等により形成されている。電流測定部３８の入力端子には、負荷抵抗（電気抵抗、抵抗器）４６が接続されている。負荷抵抗４６の抵抗値は、例えば１００Ω程度とする。電流測定部３８と負荷抵抗４６とクランプ部１１とが相俟って電流センサ（電流検出部）が形成されている。

電線１４に流れる電流をＩａｃとし、コイル２２の巻数をＮとすると、コイル２２に流れる電流Ｉは、以下のような式（１）で表される。

Ｉ ＝ Ｉａｃ／Ｎ ・・・（１）
電線１４に流れる電流Ｉａｃが例えば３Ａ程度であり、コイル２２の巻数Ｎが３０００の場合、コイル２２に流れる電流Ｉは例えば１ｍＡ程度となる。

切り換えスイッチ４２の接点がＡ側に設定されている場合、負荷抵抗４６の両端には、電線１４に流れる電流Ｉａｃに比例した電圧ＶＲが生ずる。負荷抵抗４６の抵抗値をＲとすると、負荷抵抗４６の両端の電圧ＶＲは、以下のような式（２）で表される。

ＶＲ ＝ Ｒ × Ｉａｃ × Ｎ ・・・（２）
電線１４に流れる電流Ｉａｃが３Ａ程度であり、コイル２２の巻数Ｎが３０００程度であり、負荷抵抗４６の抵抗値Ｒが１００Ω程度の場合、負荷抵抗４６の両端の電圧ＶＲは例えば１００ｍＶ程度となる。

従って、負荷抵抗４６の両端の電圧を測定し、換算を行うことにより、電線１４に流れる電流を求めることが可能である。

電流測定部３８は、電線１４に流れる電流の瞬時値Ｉ（ｔ）を所定の時間間隔で順次測定する。従って、電流測定部３８は、電線１４に流れる電流の瞬時値Ｉ（ｔ）を所定の時間分解能で順次測定し得る。電線１４に流れる電流Ｉ（ｔ）を電流波形測定部３８により測定する時間間隔は、例えば２００μ秒程度とする。このような時間間隔で電線１４に流れる電流Ｉ（ｔ）を測定すれば、十分な時間分解能の電流波形Ｉ（ｔ）のデータを得ることができる。

電流測定部３８による電流波形Ｉ（ｔ）の測定は、処理部３６により制御される。処理部３６は、電圧波形Ｖ（ｔ）の測定と電流波形Ｉ（ｔ）の測定とが同期するように、電圧測定部３２と電流測定部３８とを制御する。電流測定部３８は、処理部３６からの命令に応じて電流波形Ｉ（ｔ）のデータを取得し、取得した電流波形Ｉ（ｔ）のデータを処理部３６に出力する。処理部３６は、電流測定部３８により取得された電流波形Ｉ（ｔ）のデータを図示しない記憶部に記憶する。

処理部３６は、電圧波形Ｖ（ｔ）のデータと電流波形Ｉ（ｔ）のデータとに基づいて、負荷に供給される交流の電力（有効電力）Ｐを算出する。

処理部３６により算出された交流の電力値のデータは、記憶部（図示せず）に記憶される。

なお、本実施形態による測定装置の測定回路、即ち、処理部３６，電圧測定部３２及び電流測定部３８等には、後述する二次電池５８から電源が供給される。即ち、本実施形態による測定装置は、二次電池５８を用いて駆動される。

本実施形態による測定装置による電力の測定は、間欠的に行われる。電力の測定を行う際、即ち、測定時には、切り換えスイッチ４２の接点がＡ側に設定される。

一方、電力の測定を行わない際、即ち、非測定時（待機時）には、切り換えスイッチ４２の接点がＢ側に設定され、以下のようにして、充電回路４４による二次電池５８への充電が間欠的に行われる。

充電回路４４は、整流回路５０と、蓄電用のキャパシタ（コンデンサ）５２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）５４と、逆流防止用のダイオード５６とを有している。

整流回路５０は、４つのダイオード４８を組み合わせることにより形成されたブリッジ整流回路（ブリッジ型全波整流回路）である。整流回路５０の一方の出力端子は、キャパシタ５２の一方の端子に接続されている。整流回路５０の他方の出力端子は、グラウンドＧＮＤに接続されている。キャパシタ４２の他方の端子は、グラウンドＧＮＤに接続されている。クランプ部１１のコイル２２を流れる交流電流は、整流回路５０により全波整流されて直流電流Ｉｄｃとなり、キャパシタ４２に供給される。換言すれば、電流トランス１１を用いて電線１４から取り出される電力が、整流回路５０を介して、キャパシタ４２に蓄積される。

キャパシタ４２の一方の端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力端子に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４としては、低電圧ロックアウト機能付きのＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。かかるＤＣ／ＤＣコンバータ５４は、例えば、リニアテクノロジー株式会社製のＬＴＣ３５８８等を用いて形成し得る。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５４は、入力電圧Ｖｓｔ、即ち、キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔが所定電圧（閾値電圧）ＶＨより高くなると、出力がイネーブルとなり、入力電圧Ｖｓｔが所定電圧（閾値電圧）ＶＬより低くなると出力がディセーブルとなるものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がイネーブルとなる入力電圧ＶＨは、例えば５．１Ｖ程度とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がディセーブルとなる入力電圧ＶＬは、例えば３．７Ｖ程度とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４がイネーブルの際の出力電圧Ｖｃは、二次電池５８の電池電圧（出力電圧）Ｖｂａｔよりわずかに高い電圧、即ち、Ｖｂａｔ＋αに設定されている。電池電圧Ｖｂａｔは、例えば２．５Ｖ程度とする。電圧αは、例えば０．８Ｖ程度とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４がイネーブルの際の出力電圧Ｖｃは、例えば３．３Ｖ程度とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４がイネーブルの際にＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に流れる電流Ｉｃは、例えば３０ｍＡ程度とする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力端子は、逆流防止用のダイオード５６のアノードに接続されている。逆流防止用のダイオード５６のカソードは、二次電池５８の一方の端子に接続されている。二次電池５８の他方の端子は、グラウンドＧＮＤに接続されている。二次電池５８の一方の端子は、処理部３６、電圧測定部３２及び電流測定部３８等の電源端子に電気的に接続されており、処理部３６、電圧測定部３２及び電流測定部３８等に電源が供給されるようになっている。

図３は、本実施形態による測定装置の動作を示すタイムチャートである。

図３（ａ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧Ｖｓｔと出力電圧Ｖｃの変化を示している。図３（ａ）における横軸は時間を示しており、図３（ａ）における縦軸は電圧を示している。

図３（ａ）に示すように、本実施形態による測定装置による電力の測定は間欠的に行われる。また、キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔは、図３（ａ）に示すように、徐々に上昇していく。キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔ、即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力電圧Ｖｓｔが所定電圧ＶＨに達する前の段階では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力はディセーブルであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力電圧Ｖｃは０Ｖである。

キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔ、即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力電圧Ｖｓｔが所定電圧ＶＨより高くなると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がイネーブルとなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力電圧ＶｃがＶｂａｔ＋αとなる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に充電が行われる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に充電が行われる際には、キャパシタ５２に蓄積された電荷がＤＣ／ＤＣコンバータ５４に供給され、キャパシタ５４の電圧Ｖｓｔ、即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力電圧Ｖｓｔは、徐々に低下する。

そして、キャパシタ５４の電圧Ｖｓｔ、即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力電圧Ｖｓｔが所定電圧ＶＬまで低下すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の低電圧ロックアウト機能が動作する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力はディセーブルとなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力電圧Ｖｃは０Ｖとなる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８への充電が中断される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８への充電が行われなくなると、キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔは再び上昇に転じる。図３（ａ）に示すように、キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔは徐々に上昇していく。

そして、キャパシタ５２の電圧Ｖｓｔ、即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力電圧Ｖｓｔが所定電圧ＶＨより高くなると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力が再びイネーブルとなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力電圧ＶｃがＶｂａｔ＋αとなる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に充電が行われる。

このように、電力の測定が間欠的に行われるとともに、充電回路４４による二次電池５８への充電が間欠的に行われる。

キャパシタ５２の静電容量をＣｓｔ、整流回路５０からキャパシタ５２に供給される電流をＩｄｃとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がディセーブルになってからイネーブルになるまでの時間Ｔｉｎは、以下のような式（３）で表される。

Ｔｉｎ ＝ Ｃｓｔ × （ＶＨ−ＶＬ）／Ｉｄｃ ・・・（３）
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に流れる電流をＩｃとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がイネーブルになってからディセーブルになるまでの時間Ｔｏｕｔは、以下のような式（４）で表される。

Ｔｏｕｔ ＝Ｃｓｔ × （ＶＨ−ＶＬ）／Ｉｃ ・・・（４）
電線１４を流れる電流Ｉａｃを例えば３Ａとし、コイル２２の巻数Ｎを例えば３０００とすると、整流回路５０からキャパシタ５２に供給される電流Ｉｄｃは例えば１ｍＡとなる。

キャパシタ５２の静電容量Ｃｓｔを例えば０．２Ｆ、閾値電圧ＶＨを例えば５．１Ｖ、閾値電圧ＶＬを例えば３．７Ｖ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に流れる電流Ｉｃを例えば３０ｍＡとする。

この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がディセーブルになってからイネーブルになるまでの時間Ｔｉｎ、即ち、キャパシタ５２が所定電圧ＶＨになるまでに要するキャパシタ５２の充電時間Ｔｉｎは、例えば３８０秒となる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がイネーブルになってからディセーブルになるまでの時間Ｔｏｕｔ、即ち、二次電池５８に対して充電が行われる時間Ｔｏｕｔは、例えば９．３秒となる。

図３（ｂ）は、二次電池５８から供給される電流Ｉｂａｔの変化を示している。図３（ｂ）における横軸は時間を示しており、図３（ｂ）における縦軸は電流Ｉｂａｔを示している。

図３（ｂ）に示すように、電力の測定を行う際には、二次電池５８から供給される電流Ｉｂａｔは大きくなる。

図３（ｂ）において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力がイネーブルの際に電流Ｉｂａｔがマイナスになるのは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に充電が行われるためである。

（評価結果）
図４は、本実施形態による測定装置の評価結果を示すグラフである。図４における横軸は、電力を測定する周期、即ち、測定周期を示している。図４における縦軸は、電流の平均値を示している。

図４における破線のプロットは、二次電池５８から各部に供給される電流Ｉｂａｔの平均値である。図４における一点鎖線は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から二次電池５８に供給される電流Ｉｃの平均値である。

評価を行う際には、電線１４に流す電流Ｉａｃは３Ａとした。また、測定時間Ｔｓ、即ち、１回の電力の測定に要する時間は、１．１秒とした。

図４における実線のプロットは、破線のプロットの値から一点鎖線のプロットの値を減算したものである。

図４において丸印で囲んだ箇所は、充電電流Ｉｃの平均値と消費電流Ｉｂａｔの平均値とが等しくなるときの測定周期を示している。

図４から分かるように、測定周期が例えば３０秒以上であれば、消費電力をまかなうように充電を行うことが可能である。

なお、図４に示す評価結果は一例であり、測定装置の消費電力や電線１４に流れる電流等により、変動し得る。即ち、測定装置の消費電力が極めて小さければ、測定周期を短くすることも可能であるし、電線１４に流れる電流が小さくても足りる。また、測定周期が比較的長ければ、電流１４に流れる電流が比較的小さくても足りる。

このように、本実施形態によれば、絶縁電線１４から電流トランス１１を用いて取り出される電力を用いて二次電池５８に充電が行われる。しかも、電流トランス１１の出力の接続先を切り換える切り換え部４２が設けられており、測定を行う際には電流トランス１１の出力が電流測定部３８に接続され、測定を行わない際には電流トランス１１の出力が充電回路４４に接続される。電流トランス１１の出力の接続先が電流測定部３８と充電回路４４とに選択的に切り換えられるため、充電回路４４のインピーダンスが電流測定部３８側に悪影響を及ぼさない。従って、本実施形態によれば、測定精度を損なうことなく、電池交換を不要とし、又は、電池交換の頻度を低減し得る測定装置を提供することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態による測定装置について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による測定装置を示すブロック図である。図１乃至図４に示す第１実施形態による測定装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

本実施形態による測定装置は、複数系統の電線１４ａ、１４ｂについて測定を行い得るものである。

図５に示すように、入力回路１０ａ、１０ｂには、それぞれクランプ部（電流トランス）１１ａ、１１ｂが設けられている。クランプ部１１ａ、１１ｂとしては、図２を用いて上述したクランプ部１１が用いられている。

クランプ部１１ａ、１１ｂの電極２６は、容量素子３０ａ、３０ｂの一方の端部に配線２８によりそれぞれ電気的に接続されている。容量素子３０ａ、３０ｂの他方の端部は、グラウンドＧＮＤにそれぞれ電気的に接続されている。容量素子３０ａ、３０ｂには、電圧測定部３２ａ、３２ｂがそれぞれ接続されている。

電圧測定部３２ａと容量素子３０ａとクランプ部１１ａとが相俟って、第１の電圧センサが形成されている。また、電圧測定部３２ｂと容量素子３０ｂとクランプ部１１ｂとが相俟って、第２の電圧センサが形成されている。

クランプ部１１ａ、１１ｂのコイル２２の両端は、それぞれ切り換えスイッチ４２ａ、４２ｂを介して、電流測定部３８ａ、３８ｂ又は充電回路４４ａに選択的に接続されるようになっている。

切り換えスイッチ４２ａ、４２ｂの接点の切り換えは、処理部３６により制御される。処理部３６は、電力の測定を行う際には、電流トランス１１ａ、１１ｂの出力が電流測定部３８ａ、３８ｂに接続されるように、切り換えスイッチ４２ａ、４２ｂの接点をＡ側に設定する。また、処理部３６は、電力の測定を行わない際には、電流トランス１１ａ、１１ｂの出力が充電回路４４ａに接続されるように、切り換えスイッチ４２ａ、４２ｂの接点をＢ側に設定する。

電流測定部３８ａ、３８ｂの入力端子には、負荷抵抗４６ａ、４６ｂがそれぞれ接続されている。

電流測定部３８ａと負荷抵抗４６ａとクランプ部１１ａとが相俟って、第１の電流センサが形成されている。また、電流測定部３８ｂと負荷抵抗４６ｂとクランプ部１１ｂとが相俟って、第２の電流センサが形成されている。

処理部３６は、電圧測定部３２ａにより測定される電圧波形Ｖ１（ｔ）のデータと電流測定部３８ａにより測定される電流波形Ｉ１（ｔ）のデータとに基づいて、電線１４ａを介して負荷（図示せず）に供給される交流の電力（有効電力）Ｐ１を算出する。また、処理部３６は、電圧測定部３２ｂにより測定される電圧波形Ｖ２（ｔ）のデータと電流測定部３８ｂにより測定される電流波形Ｉ２（ｔ）のデータとに基づいて、電線１４ｂを介して他の負荷（図示せず）に供給される交流の電力（有効電力）Ｐ２を算出する。

なお、本実施形態による測定装置の測定回路、即ち、処理部３６，電圧測定部３２ａ、３２ｂ及び電流測定部３８ａ、３８ｂ等には、二次電池５８から電源が供給される。

本実施形態による測定装置による電力の測定は、第１実施形態による測定装置と同様に間欠的に行われる。電力の測定を行う際、即ち、測定時には、切り換えスイッチ４２ａ、４２ｂの接点がＡ側に設定される。

一方、電力の測定を行わない際、即ち、待機時には、切り換えスイッチ４２ａ、４２ｂの接点がＢ側に設定され、以下のようにして、充電回路４４ａによる二次電池５８への充電が間欠的に行われる。

充電回路４４ａは、整流回路５０ａ、５０ｂと、蓄電用のキャパシタ５２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４と、逆流防止用のダイオード５６とを有している。

整流回路５０ａ、５０ｂは、４つのダイオード４８を組み合わせて形成されたブリッジ整流回路である。整流回路５０ａ、５０ｂの一方の出力端子は、キャパシタ５２の一方の端子にそれぞれ接続されている。整流回路５０ａ、５０ｂの他方の出力端子は、グラウンドＧＮＤに接続されている。キャパシタ４２の他方の端子は、グラウンドＧＮＤに接続されている。クランプ部１１ａ、１１ｂのコイル２２を流れる交流電流は、整流回路５０ａ、５０ｂによりそれぞれ全波整流されて直流電流Ｉｄｃ１，Ｉｄｃ２となり、キャパシタ４２に供給される。換言すれば、電流トランス１１ａ、１１ｂを用いて電線１４ａ、１４ｂから取り出される電力が、整流回路５０ａ、５０ｂを介して、キャパシタ４２に蓄積される。

キャパシタ４２の一方の端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の入力端子に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の出力端子は、逆流防止用のダイオード５６のアノードに接続されている。逆流防止用のダイオード５６のカソードは、二次電池５８の一方の端子に接続されている。二次電池５８の他方の端子は、グラウンドＧＮＤに接続されている。二次電池５８の一方の端子は、処理部３６、電圧測定部３２ａ、３２ｂ及び電流測定部３８ａ、３８ｂ等の電源端子に電気的に接続されており、処理部３６、電圧測定部３２ａ、３２ｂ及び電流測定部３８ａ、３８ｂ等に電源が供給されるようになっている。

このように、本実施形態によれば、複数系統の電線１４ａ、１４ｂから複数の電流トランス１１ａ、１１ｂを用いてそれぞれ取り出される電力が、充電回路４４ａに供給される。このため、本実施形態によれば、各々の電線１４ａ、１４ｂに流れる電流がより小さい場合であっても、電池交換を不要とすることが可能となる。また、電池交換を要する場合であっても、電池交換の頻度を低減することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態による測定装置を図６乃至図８を用いて説明する。図６は、本実施形態による測定装置を示すブロック図である。図１乃至図５に示す第１又は第２実施形態による測定装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

本実施形態による測定装置は、電流を測定する際には巻数の多いコイルの出力を電流測定部３８に接続し、充電を行う際には巻数の少ないコイルの出力を充電回路４４に接続するものである。

図６に示すように、入力回路１０には、クランプ部（電流トランス）１１ｃが設けられている。

図７は、クランプ部の例を示す図である。

図７に示すように、磁気コア１２ｂには、電線２０が巻かれており、これによりコイル２２ａが形成されている。コイル２２ａは、巻数がＮ１の部分巻線（分割巻線）２１ａと、巻数がＮ２の部分巻線２１ｂとが直列に接続されているものである。換言すれば、コイル２２ａは、部分巻線２１ａと部分巻線２１ｂとに分割されている。部分巻線２１ａの一方の端部と部分巻線２１ｂの一方の端部とが接続されている箇所からは、引き出し線２３が引き出されている。部分巻線２１ａの他方の端部から、引き出し線２４が引き出されている。部分巻線２１ｂの他方の端部からは、引き出し線２５が引き出されている。

部分巻線２１ａの巻数Ｎ１は、部分巻線２１ｂの巻数Ｎ２より小さいことが好ましい。更には、部分巻線２１ａの巻数Ｎ１を、部分巻線２１ｂの巻数Ｎ２の２分の１以下とすることが好ましい。換言すれば、部分巻線２１ｂの巻数Ｎ２は、部分巻線２１ａの巻数Ｎ１の２倍以上であることが好ましい。

ここでは、コイル２２ａの全体の巻数をＮとすると、部分巻線２１ａの巻数Ｎ１は、例えば、０．１×Ｎに設定されている。

コイル２２ａの全体の巻数Ｎが例えば３０００の場合、部分巻線２１ａの巻数Ｎ１を例えば３００とする。この場合、部分巻線２１ｂの巻数Ｎ２は、例えば２７００となる。

コイル２２ａからの引き出し線２５は、電流測定部３８の一方の入力端子及び負荷抵抗４６の一方の端子に電気的に接続されている。

コイル２２ａからの引き出し線２３，２４は、切り換えスイッチ４２ｃに接続されている。

切り換えスイッチ４２ｃの接点をＡ側に設定した際には、コイル２２ａからの引き出し線２４が電流測定部３８の他方の入力端子及び負荷抵抗４６の他方の端子に電気的に接続されるようになっている。従って、切り換えスイッチ４２ｃの接点をＡ側に設定した場合には、コイル２２ａの巻線全体が電流測定部３８及び負荷抵抗４６に接続される。

切り換えスイッチ４２ｃの接点をＢ側に設定した場合には、コイル２２ａからの引き出し線２３が、電流測定部３８の他方の入力端子と負荷抵抗４６の他方の端部に接続されるとともに、整流回路５０の一方の入力端子に接続されるようになっている。また、切り換えスイッチ４２ｃの接点をＢ側に設定した場合には、コイル２２ａからの引き出し線２４が、整流回路５０の他方の入力端子に接続されるようになっている。従って、切り換えスイッチ４２ｃの接点をＢ側に設定した場合には、部分巻線２１ａの出力が充電回路４４に接続されるとともに、部分巻線２１ｂの出力が負荷抵抗４６及び電流測定部３８に接続される。

切り換えスイッチ４２ｃの接点の切り換えは、処理部３６により制御される。処理部３６は、電力の測定を行う際には、電流トランス１１ｃのコイル２２ａの巻線全体が電流測定部３８に接続されるように、切り換えスイッチ４２の接点をＡ側に設定する。

なお、電力の測定を行う際にコイル２２ａの巻線全体を電流測定部３８側に接続するのは、負荷抵抗４６の両端に十分に大きい電圧を生じさせ、十分に大きい信号を電流測定部４８に入力するためである。

処理部３６は、電力の測定を行わない際には、電流トランス１１ｃの部分巻線２１ａの出力が充電回路４４に接続されとともに、電流トランス１１ｃの部分巻線２１ｂの出力が負荷抵抗４６に接続されるように、切り換えスイッチ４２ｃの接点をＢ側に設定する。

本実施形態において、電流トランス１１ｃのコイル２２ａの巻線全体の出力ではなく、部分巻線２１ａの出力を充電回路４４に接続するのは、以下に示すように、大きい電流Ｉｄｃを得るためである。

図８は、巻数がＮ１の巻線と巻数がＮ２の巻線とが二次側に設けられたトランスを示す図である。

一次側の巻線のインダクタンスをＬ０、一次側の巻線に流れる電流をＩ０、一次側の巻線の入力電圧をＶ０とする。二次側の巻数Ｎ１の巻線のインダクタンスをＬ１、二次側の巻数Ｎ１の巻線に流れる電流をＩ１、二次側の巻数Ｎ１の巻線の出力電圧をＶ１とする。二次側の巻数Ｎ２の巻線のインダクタンスをＬ２、二次側の巻数Ｎ２の巻線に流れる電流をＩ２、二次側の巻数Ｎ２の巻線の出力電圧をＶ２とする。

巻数とインダクタンスとの関係より、以下のような式（５）、（６）が成立する。

Ｌ１ ＝ Ｎ１^２× Ｌ０ ・・・（５）
Ｌ２ ＝ Ｎ２^２× Ｌ０ ・・・（６）
一次側の巻線と二次側の巻数Ｎ１の巻線との相互インダクタンスをＭ１、定数をｋとすると、以下のような式（７）が成立する。

Ｍ１ ＝ ｋ×√（Ｌ０×Ｌ１） ＝ ｋ×Ｎ１×Ｌ０ ・・・（７）
また、一次側の巻線と二次側の巻数Ｎ２の巻線との相互インダクタンスをＭ２とすると、以下のような式（８）が成立する。

Ｍ２ ＝ ｋ×√（Ｌ０×Ｌ２） ＝ ｋ×Ｎ２×Ｌ０ ・・・（８）
また、二次側の巻数Ｎ１の巻線と二次側の巻数Ｎ２の巻線との相互インダクタンスをＭ３とすると、以下のような式（９）が成立する。

Ｍ３ ＝ ｋ×√（Ｌ１×Ｌ２） ＝ ｋ×Ｎ１×Ｎ２×Ｌ０ ・・・（９）
ａを０．５より小さい定数とし、Ｎ１＝ａＮとし、Ｎ２＝（１−ａ）Ｎとする。そして、簡単のため、トランスの二次側の出力を短絡した場合、即ち、Ｖ１＝Ｖ２＝０Ｖとした場合を考える。そうすると、各巻線の出力電流Ｉ１、Ｉ２は、以下のような式（１０）、（１１）で表される。

Ｉ１ ＝ −Ｉ０／（２×Ｎ１） ＝ −Ｉ０／（２×ａ×Ｎ） ・・・（１０）
Ｉ２ ＝ −Ｉ０／（２×Ｎ２） ＝ −Ｉ０／｛２×（１−ａ）×Ｎ｝ ・・・（１１）
二次側の巻線が２つに分割されていないトランスの場合には、二次側の巻線の巻数をＮとすると、出力電流Ｉは、以下のような式（１２）で表される。

Ｉ ＝ −Ｉ０／Ｎ ・・・（１２）
従って、ａの値が例えば０．２の場合には、巻数がＮ１の部分巻線の出力電流Ｉ１の値は、巻数がＮの場合の２．５倍となる。

また、ａの値が例えば０．１の場合には、巻数がＮ１の部分巻線の出力電流Ｉ１の値は、巻数がＮの場合の５倍となる。

このように、本実施形態によれば、電流トランス１１ｃのコイル２２ａの巻線全体の出力ではなく、コイル２２ａの一部である部分巻線２１ａの出力を充電回路４４に接続する。このため、本実施形態によれば、電線１４に流れる電流がより小さい場合であっても、電池交換を不要とすることができる。また、電池交換を要する場合であっても、電池交換の頻度をより低減することができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、交流電力を測定する測定装置、即ち、交流電力測定装置を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、交流電流を測定する交流電流測定装置であってもよい。

また、上記実施形態では、単相交流の電力を測定する測定装置を例に説明したが、三相交流の電力を測定する測定装置に適用することも可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ…入力回路
１１、１１ａ〜１１ｃ…クランプ部、電流トランス
１２ａ、１２ｂ…磁気コア
１４、１４ａ、１４ｂ…電線
１６…導線
１８…絶縁体
２０…電線
２１ａ、２１ｂ…部分巻線
２２、２２ａ…コイル
２３…信号線
２４…信号線
２５…信号線
２６…電極
２８…信号線
３０、３０ａ、３０ｂ…容量素子
３２、３２ａ、３２ｂ…電圧測定部
３６…処理部
３８、３８ａ、３８ｂ…電流測定部
４２、４２ａ〜４２ｃ…切り換えスイッチ
４４、４４ａ…充電回路
４６、４６ａ、４６ｂ…負荷抵抗
４８…ダイオード
５０、５０ａ、５０ｂ…整流回路
５２…キャパシタ
５４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５６…ダイオード
５８…二次電池

Claims (4)

1. 絶縁電線に流れる電流を、電流トランスを用いて測定する電流測定部と、
   前記電流トランスにより前記絶縁電線から取り出される電力を用いて二次電池に充電する充電回路と、
   前記電流トランスの出力が前記電流測定部と前記充電回路とのいずれかに接続されるように切り換える切り換え部とを有し、
   前記電流トランスは、磁気コアと、前記磁気コアに巻き付けられた第１の巻数の第１の部分巻線と、前記磁気コアに巻き付けられ、前記第１の部分巻線に直列に接続され、前記第１の巻数より多い第２の巻数の第２の部分巻線とを含むコイルと有し、
   前記切り換え部は、前記電流トランスの出力を前記電流測定部に接続する際には、前記コイルの全体の出力を前記電流測定部に接続し、前記電流トランスの出力を前記充電回路に接続する際には、前記第１の部分巻線の出力を前記充電回路に接続する
   ことを特徴とする測定装置。
2. 請求項１記載の測定装置において、
   前記第２の巻数は、前記第１の巻数の２倍以上である
   ことを特徴とする測定装置。
3. 請求項１又は２記載の測定装置において、
   前記絶縁電線の電圧を、静電容量結合により検出する電圧測定部を更に有し、
   前記電流測定部により測定される電流と前記電圧測定部により測定される電圧とに基づいて、前記絶縁電線により負荷に供給される電力を測定する
   ことを特徴とする測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測定装置において、
   前記充電回路は、前記電流トランスにより前記絶縁電線から取り出される電力を蓄積するキャパシタと、前記キャパシタに蓄積される電力を用いて前記二次電池に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを含む
   ことを特徴とする測定装置。

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