JP6242574B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置に関し、詳しくは、オートレンジ機能を有する測定装置のレンジ切替の高速化に関する。

たとえば電力測定装置には、入力信号(電圧・電流)の変化に応じて、適正な測定レンジへ自動的に切り替えるオートレンジ機能が組み込まれている。

図４は、このようなオートレンジ機能を有する従来の電力測定装置の一例を示すブロック図である。図４において、装置全体は、入力部１０と、演算部２０と、ＣＰＵ部３０とで構成されている。入力部１０の出力信号は演算部２０に入力され、演算部２０はバスを介してＣＰＵ部３０に接続されている。

入力部１０は、電圧入力部１１と、電圧入力部１１から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２と、電流入力部１３と、電流入力部１３から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、高電圧の測定時に電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５と、大電流の測定時に電流入力端子の外部に接続される分流器１６とで構成されている。

電圧入力部１１は分圧抵抗１１ａと演算増幅器１１ｂとで構成され、分圧抵抗１１ａの分圧出力は演算増幅器１１ｂで正規化されてＡ／Ｄ変換器１２に入力される。高電圧の測定時に電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５は、入力可能範囲を超える高電圧を入力可能範囲の電圧に変換する。

電流入力部１３は分流抵抗１３ａと演算増幅器１３ｂとで構成され、分流抵抗１３ａの分流出力は演算増幅器１３ｂで正規化されてＡ／Ｄ変換器１４に入力される。大電流の測定時に電流入力端子の外部に接続される分流器１６は、入力可能範囲を超える大電流を入力可能範囲の電流に変換する。これらＡ/Ｄ変換器１２および１４の出力は、演算部２０に入力される。

演算部２０はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成されていて、複数系統の入力部１０からＡ/Ｄ変換器１２および１４の出力が入力されている。演算部２０には、各入力系統のＡ/Ｄ変換器１２の出力に基づき電圧の瞬時値を演算する電圧演算部２１、Ａ/Ｄ変換器１４の出力に基づき電流の瞬時値を演算する電流演算部２２、Ａ/Ｄ変換器１２および１４の出力に基づき電力の瞬時値を演算する電力演算部２３、これら電圧演算部２１と電流演算部２２および電力演算部２３で演算された瞬時値を格納する瞬時値格納部２４、瞬時値格納部２４に格納されている電圧値と電流値および電力値についてそれぞれ所定区間（たとえば５０ｍｓｅｃ〜２０ｓｅｃ）の平均値を演算する平均値演算部２５、これら平均値演算部２５で演算された平均値を格納する平均値格納部２６が設けられている。平均値格納部２６に格納されている平均値は、ＣＰＵ３１からの割り込みに応じてＣＰＵ部３０の測定データ格納部３４に転送格納される。

さらに、演算部２０には、ＣＰＵ部３０の電圧オフセット格納部３６および電流オフセット格納部３７に格納されている各入力系統の電圧オフセット値および電流オフセット値が転送格納されるオフセット格納部２７が設けられている。このオフセット格納部２７に転送格納される電圧オフセット値および電流オフセット値は、電圧演算部２１および電流演算部２２における瞬時値の演算に用いられる。

これら入力部１０および演算部２０をたとえば３系統実装することにより、三相の各相を同時に並行して測定できる。

ＣＰＵ部３０は、相互にバス接続されたＣＰＵ３１、操作部３２、表示部３３などで構成されている。ＣＰＵ３１は、装置全体の動作を統括制御する。操作部３２は、測定条件やオフセット処理条件などを設定入力する。表示部３３は、測定条件、オフセット処理条件、測定結果などを表示する。

さらにＣＰＵ部３０には、測定データ格納部３４、測定値演算部３５、電圧オフセット格納部３６、電流オフセット格納部３７、オフセット処理部３８などが設けられている。

測定データ格納部３４には、前述のように、ＣＰＵ３１からの割り込みに応じて、平均値格納部２６に格納されている平均値が転送格納されるとともに、測定値演算部３５における各種の演算結果も格納される。

測定値演算部３５は、測定データ格納部３４に転送格納される電圧値と電流値および電力値の平均値に基づいて力率、周波数、高調波測定値などを演算し、これらの演算結果を測定データ格納部３４に格納する。

電圧オフセット格納部３６には、電圧入力信号の変化に伴い行われる電圧測定レンジ変更時に、電圧入力端子の外部に接続される分圧器１５の入力端子を短絡した状態で測定される各入力系統の電圧オフセット値が格納される。

電流オフセット格納部３７には、電流入力信号の変化に伴い行われる電流測定レンジ変更時に、電流入力端子の外部に接続される分流器１６の入力端子を短絡した状態で測定される各入力系統の電流オフセット値が格納される。

オフセット処理部３８は、測定データ格納部３４に転送格納される電圧値および電流値の平均値に対して、電圧オフセット格納部３６に格納される電圧オフセット値および電流オフセット格納部３７に格納される電流オフセット値に基づく電圧測定値および電流測定値の直流オフセット補償演算処理を行う。具体的には、電圧測定値の平均値から電圧オフセット値を差し引き、電流測定値の平均値から電流オフセット値を差し引く。

なお、ＣＰＵ部３０には装置と外部装置との間で各種データの授受などを行うための通信部なども設けられるが図示しない。

図５は、このような電圧または電流の入力信号の変化に伴うレンジ変更処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、測定開始に先立ち、ペリフェラルの初期化、タスクの起動、測定条件を含む各種パラメータの設定などの測定系統の初期化処理が実行される（ステップＳ１）。

測定系統の初期化が完了すると、入力信号の測定が開始される（ステップＳ２）。入力信号の測定にあたっては、現時点におけるレンジ設定が現時点における入力信号の値を測定するのに適正なレンジか否か、レンジ変更の有無が判断される（ステップＳ３）。

ステップＳ３で現時点におけるレンジ設定で適正レンジと判断されると、そのままのレンジ設定で測定更新が行われる（ステップＳ４）。測定更新が完了するとステップＳ３に戻る。

ステップＳ３でレンジ変更が必要と判断されると、測定更新処理の前に、レンジ変更処理に移行する（ステップＳ５）。

レンジ変更処理にあたっては、各設定レンジの直流オフセット電圧または電流がそれぞれ異なることから、レンジ変更先の設定レンジにおける直流オフセット電圧または電流が測定され、直流オフセット電圧は電圧オフセット格納部３６に格納され、直流オフセット電流は電流オフセット格納部３７に格納される（ステップＳ６）。

変更先の設定レンジにおける直流オフセット電圧または直流オフセット電流が電圧オフセット格納部３６または電流オフセット格納部３７に格納されることにより、オフセット処理部３８においてこれら格納された直流オフセット電圧または直流オフセット電流を反映させたオフセット処理演算が行われた後、レンジ変更が実行される（ステップＳ７）。

レンジ変更が実行されるとステップＳ３に戻り、適正レンジと判断されると、そのままのレンジ設定で測定更新が行われる（ステップＳ４）。測定更新が完了すると、ステップＳ３に戻る。以降、上記一連の処理を繰り返して実行する。

非特許文献１には、三相インバータの効率を１台で測定できる電力測定装置の構成が記載されている。

岩瀬 久、伊東 修、橘 勝也、「プレシジョンパワーアナライザＷＴ３０００」、横河技報、横河電機株式会社、２００５年１月２０日、Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．１（２００５） ｐ．１７−２０

図６は図５のフローチャートに示した従来の電力測定装置におけるレンジ変更処理の時間関係を説明するタイミングチャートであり、測定更新周期を単位時間Ｔとして時系列的に示している。

図６において、周期Ｔ２で入力信号の変化に伴うレンジ変更要因が発生すると、周期Ｔ３でステップＳ５のレンジ変更処理に移行し、周期Ｔ４でステップＳ６の直流オフセット電圧の測定格納が行われ、周期Ｔ５でステップＳ７のレンジ変更が実行される。

これらレンジ変更処理移行が行われる周期Ｔ３、直流オフセット電圧の測定格納が行われる周期Ｔ４およびレンジ変更実行が行われている周期Ｔ５におけるレンジ変更に伴う一連の区間は測定装置の内部処理に費やされる非測定区間であり、測定装置としての本来の機能である入力信号の測定は行われないことになる。

電力測定装置の機能として、一定時間毎の電流量／電力量の累積値を表示する積算機能がある。ここで、「電流量／電力量」は、以下のａ）〜ｃ）で示す電流量と電力量の測定値の選択的な組み合わせを表すものとする。
ａ）電流量のみ
ｂ）電力量のみ
ｃ）電流量と電力量の双方
これらの積算中において、入力信号の変化に応じてレンジ変更を行うためには直流オフセット測定を行う必要がある。

ところが、図６に示すような直流オフセット測定を行うと、直流オフセットの測定が完了するまでの間、積算に関連する電流量／電力量を含めた全ての測定ができなくなる。そこで、直前の周期Ｔ２における電流量／電力量の測定値を用いて、周期Ｔ３からＴ５の区間に関して電流量／電力量の測定データの補完処理を行っている。

しかし、測定条件によっては、このような測定データの補完を行う区間がかなり長い時間となってしまうことがある。この結果、一連の積算中における測定データの補完の割合が増加に伴い、実際の入力に対する積算電流量／積算電力量の誤差が増えてしまう恐れがある。

本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、直流オフセット測定に要する時間を大幅に削減でき、測定データの補完を行う非測定区間も短縮できて、測定データ補完に伴う測定誤差を小さくできる測定装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
オートレンジ機能を有し、レンジ変更先の直流オフセット値に基づき直流オフセット補償演算処理を行うように構成された測定装置において、
前記測定装置は電力測定装置であり、
前記電力測定装置は、
一定時間毎の電流量と電力量の少なくともいずれかの累積値を積算して表示する積算機能と、
あらかじめ測定された全レンジの直流オフセット値を格納するメモリと、
このメモリに格納された全レンジの直流オフセット値に基づき各レンジにおける直流オフセット補償演算処理を行う直流オフセット補償演算処理機能と、
前記メモリに格納される直流オフセット値が所定範囲内にあるか否かを監視する直流オフセット監視機能と、
オートレンジ機能により設定されたレンジが現時点の入力信号を測定して前記累積値を積算するのに適正なレンジか否かを判断する設定レンジ判断機能を備え、
現時点で設定されているレンジが適正レンジと判断されると、そのままのレンジ設定で前記入力信号を測定更新することを特徴とする。

これらにより、レンジ変更に伴う直流オフセット測定時間を大幅に削減でき、測定データの補完を行う非測定区間も短縮できて、測定データの補完に伴う測定誤差を小さくできる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の構成における入力信号の変化に伴うレンジ変更処理の流れの具体例を示すフローチャートである。 図２のフローチャートに示した図１の構成におけるレンジ変更処理の時間関係を説明するタイミングチャートである。 オートレンジ機能を有する従来の電力測定装置の一例を示すブロック図である。 図４の構成における入力信号の変化に伴うレンジ変更処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図５のフローチャートに示した図４の構成におけるレンジ変更処理の時間関係を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図４の相違点は、ＣＰＵ部３０の構成にある。

図１のＣＰＵ部３０には、図４のＣＰＵ部３０における電圧オフセット格納部３６に代えて全レンジの電圧オフセット値が格納される電圧オフセット格納部３６１が設けられ、電流オフセット格納部３７に代えて全レンジの電流オフセット値が格納される電流オフセット格納部３７１が設けられ、オフセット処理部３８に代えてオフセット処理部３８１が設けられている。

オフセット処理部３８１は、測定データ格納部３４に転送格納される全レンジの電圧値および電流値の平均値に対して、電圧オフセット格納部３６１に格納される全レンジの電圧オフセット値および電流オフセット格納部３７１に格納される全レンジの電流オフセット値に基づく電圧測定値および電流測定値の直流オフセット補償演算処理を行う。具体的には、前述のように、各レンジの電圧測定値の平均値から該当するレンジの電圧オフセット値を差し引き、各レンジの電流測定値の平均値から該当するレンジの電流オフセット値を差し引く。

さらに、図１のＣＰＵ部３０には、各レンジの直流オフセット値が所定範囲内にあるか否かを監視するオフセット監視部３９が設けられている。

図２は、図１の構成における電圧または電流の入力信号の変化に伴うレンジ変更処理の流れの具体例を示すフローチャートである。図５と同様に、測定開始に先立ち、ペリフェラルの初期化、タスクの起動、測定条件を含む各種パラメータの設定などの測定系統の初期化処理が実行される（ステップＳ１）。

測定系統の初期化が完了すると、入力信号の測定を行う前に、全レンジの直流オフセット測定を行う（ステップＳ２）。ここで、電圧オフセット格納部３６１には全レンジの直流電圧オフセット値が格納され、電流オフセット格納部３７１には全レンジの直流電流オフセット値が格納される。

全レンジの直流オフセット測定値が電圧オフセット格納部３６１および電流オフセット格納部３７１に格納された後、入力信号の測定が開始される（ステップＳ３）。

入力信号の測定にあたっては、現時点で設定されているレンジが現時点における入力信号の値を測定するのに適正なレンジか否か、レンジ変更の有無が判断される（ステップＳ４）。

ステップＳ４で現時点におけるレンジ設定で適正レンジと判断されると、そのままのレンジ設定で測定更新が行われる（ステップＳ５）。測定更新が完了するとステップＳ４に戻る。

ステップＳ４でレンジ変更が必要と判断されると、測定更新処理の前に、レンジ変更処理に移行する（ステップＳ６）。

レンジ変更処理にあたり、オフセット処理部３８１は、レンジアップまたはレンジダウンのレンジ変更先の電圧または電流の直流オフセット値を電圧オフセット格納部３６１または電流オフセット格納部３７１から読み出し取得し、これら取得した直流オフセット電圧または直流オフセット電流を反映させた従来と同様なオフセット処理演算を行った後、所定の測定レンジに設定するためのレンジアップまたはレンジダウンを行う。

レンジ変更が実行されるとステップＳ４に戻り、適正レンジと判断されると、そのままのレンジ設定で測定更新が行われる（ステップＳ５）。測定更新が完了すると、ステップＳ４に戻る。以降、上記一連の処理を繰り返して実行する。

図３は図２のフローチャートに示した本発明に基づく電力測定装置におけるレンジ変更処理の時間関係を説明するタイミングチャートであり、図６と同様に測定更新周期を単位時間Ｔとして時系列的に示している。

図３において、周期Ｔ２で入力信号の変化に伴うレンジ変更要因が発生すると、続く周期Ｔ３でステップＳ６のレンジ変更処理が実行される。

すなわち、図１のブロック図では、オートレンジ設定中にレンジの切り替わりが発生しても、その都度従来の図６の周期Ｔ３およびＴ４のようなオフセット測定処理は行わず、図６の周期Ｔ４に相当するレンジ変更動作のみを行う。

これにより、レンジ変更処理における非測定期間は図３に示すように周期Ｔ３のみになり、デッドタイムは図６に比べて１／３に減少する。

デッドタイムが減少短縮される結果、一定時間毎の電流量／電力量の累積値を表示する積算機能を実行するのにあたり、レンジ変更直前の周期Ｔ２における電流量／電力量の測定値を用いた測定データの補完処理は周期Ｔ３の区間のみでよく、積算電流量／積算電力量の測定データの補完による誤差を従来よりも小さくできる。

なお、ＣＰＵ部３０に測定開始に先立って測定格納される各レンジの直流オフセット値が所定範囲内にあるか否かを監視するオフセット監視部３９を設けることにより、各レンジにおける直流オフセット値の異常を電流量／電力量の測定開始前に的確に検知でき、直流オフセット値が異常な状態での電流量／電力量の測定を未然に防止できる。

また、上記実施例では、測定装置が電力測定装置の例について説明したが、これに限るものではなく、レンジ変更にあたって直流オフセット補償演算処理を行うオートレンジ機能を有するその他の測定装置にも有効である。

以上説明したように、本発明によれば、直流オフセット測定に要する時間を大幅に削減でき、測定データの補完を行う非測定区間も短縮できて、測定データの補完に伴う測定誤差を小さくできる測定装置が実現できる。

１０ 入力部
１１ 電圧入力部
１２、１４ Ａ／Ｄ変換器
１３ 電流入力部
２０ 演算部（ＦＰＧＡ）
２１ 電圧演算部
２２ 電流演算部
２３ 電力演算部
２４ 瞬時値格納部
２５ 平均値演算部
２６ 平均値格納部
２７ オフセット格納部
３０ ＣＰＵ部
３１ ＣＰＵ
３２ 操作部
３３ 表示部
３４ 測定データ格納部
３５ 測定値演算部
３６ 電圧オフセット格納部
３７ 電流オフセット格納部
３８ オフセット処理部
３９ オフセット監視部

Claims (1)

1. オートレンジ機能を有し、レンジ変更先の直流オフセット値に基づき直流オフセット補償演算処理を行うように構成された測定装置において、
   前記測定装置は電力測定装置であり、
   前記電力測定装置は、
   一定時間毎の電流量と電力量の少なくともいずれかの累積値を積算して表示する積算機能と、
   あらかじめ測定された全レンジの直流オフセット値を格納するメモリと、
   このメモリに格納された全レンジの直流オフセット値に基づき各レンジにおける直流オフセット補償演算処理を行う直流オフセット補償演算処理機能と、
   前記メモリに格納される直流オフセット値が所定範囲内にあるか否かを監視する直流オフセット監視機能と、
   オートレンジ機能により設定されたレンジが現時点の入力信号を測定して前記累積値を積算するのに適正なレンジか否かを判断する設定レンジ判断機能を備え、
   現時点で設定されているレンジが適正レンジと判断されると、そのままのレンジ設定で前記入力信号を測定更新することを特徴とする測定装置。

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