JP6721910B2

JP6721910B2 - 電流測定装置

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Publication number: JP6721910B2
Application number: JP2016150277A
Authority: JP
Inventors: 國由吉野; 康晴舘野; 陽通加藤; 航宮澤; 晋久金子; 篤志堂前
Original assignee: Terada Co Ltd
Current assignee: Terada Co Ltd
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: JP2018017687A

Description

本発明は、電流測定装置に関するものであり、特にホール効果素子を使用し、簡単な構成で高精度にクランプ不良を検出可能な電流測定装置に関するものである。

従来、ホール効果素子を使用した電流測定装置が各種提案されている。例えば下記の特許文献１には、ホール効果素子を使用した電力量計が開示されている。この電力量計は、ホール素子により計測電圧と計測電流の積に相当するホール電圧を出力し、スイッチング手段ＳＷa1〜ＳＷb2によりホール電圧の正負の極性を所定の周期毎に反転させ、差動増幅手段により差動増幅し、反転手段により差動増幅出力の極性をスイッチング手段による極性反転が戻った状態に再反転させ、積分手段により積分するようにしたものであり、ホール素子として、同一極性のホール電圧と異なる極性の不平衡電圧を出力する２つのホール素子を用い、不平衡電圧調整手段により２つのホール素子の不平衡電圧が等しくなるように調整し、積分手段による積分の前に、加算手段により２つのホール素子のそれぞれの差動増幅出力を加算するようにしている。

特開２００１−１５９６４６号公報

上記したような従来のホール効果素子を使用した電流センサー回路においては、被測定電流による磁界とホール効果素子とを結合させるために、全体がロ状あるいはリング状の磁性体コアを使用している。そして、使用時にはコアを２つに分割し、被測定電流ケーブルが中央部分を貫通するように取り付け、コアが環状に接合するようにクランプする。

ところが、クランプ時に接合面に小さなゴミが付着していると、接合面のギャップが広くなり、電流測定誤差が大きくなるという問題点があった。

本発明の目的は、上記した従来の問題点を解決し、クランプ時に接合面に小さなゴミが付着してギャップが広くなっていることを検出可能な電流測定装置を提供することにある。

本発明の電流測定装置は、分割されており、被測定電流が流れる導体と磁気結合可能な磁性体コアを備え、前記磁性体コアを通る磁束をホール効果素子を使用して検出する電流測定装置において、前記ホール効果素子は電源供給端子及びセンサ信号入力端子にそれぞれ接続する２組の接続端子を備え、一方の前記接続端子を前記電源供給端子から前記センサ信号入力端子に、他方の前記接続端子を前記センサ信号入力端子から前記電源供給端子に接続を切り替えるスイッチ回路と、前記磁性体コアに巻回されるフィードバックコイルと、前記センサ信号入力端子から出力される出力信号を入力し、前記磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流を前記フィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、前記スイッチ回路を制御し、前記ホール効果素子の一方の前記接続端子を前記電源供給端子から前記センサ信号入力端子に、他方の前記接続端子を前記センサ信号入力端子から前記電源供給端子に接続を切り替えて、前記フィードバックコイルに流れる電流に比例する測定電圧を入力し、前記切り替え前後の２つの前記測定電圧の差が所定値以上である場合にはクランプ不良と判定するコントローラーと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のクランプ不良検出方法は、分割されており、被測定電流が流れる導体と磁気結合可能な磁性体コアと、前記磁性体コアを通る磁束を検出するホール効果素子と、前記ホール効果素子は２組の接続端子を備え、一方の前記接続端子が電源供給端子に接続し他方の前記接続端子がセンサ信号入力端子に接続する一方の状態と、一方の前記接続端子が前記センサ信号入力端子に接続し他方の前記接続端子が前記電源供給端子に接続する他方の状態とを切り替えるスイッチ回路と、前記磁性体コアに巻回されるフィードバックコイルと、前記スイッチ回路から出力される出力信号を入力し、前記磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流を前記フィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、前記スイッチ回路を制御し、前記一方の状態と前記他方の状態を切り替えて前記フィードバックコイルに流れる電流に比例する測定電圧を入力するコントローラーとを備えた電流測定装置のクランプ不良検出方法において、前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して前記一方の状態に切り替えるステップ、前記コントローラーが前記一方の状態における前記測定電圧を入力し、記憶するステップ、前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して前記他方の状態に切り替えるステップ、前記コントローラーが前記他方の状態における前記測定電圧を入力し、記憶するステップ、前記コントローラーが前記一方の状態と前記他方の状態の切り替え前後における２つの前記測定電圧の差を算出するステップ、前記コントローラーが前記差が所定値以上である場合に、クランプ不良と判定するステップ、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果がある。
（１）機械的手段を用いることなく、接合面に小さなゴミが付着していても検出可能であるので、クランプ不良の検出精度を向上させることができる。
（２）接合面のギャップが所定値以上であれば、例えばコアが完全に分離している状態も検出可能であるので、クランプ状態の確認に利用することができる。

図１は、本発明における電流測定装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明における電流センサー回路の構成を示す回路図である。図３は、本発明におけるスイッチ回路の構成を示す回路図である。図４は、本発明における電流測定値の例を示す説明図である。図５は、本発明のコントローラーの処理内容を示すフローチャートである。

以下に図面を参照して実施例について説明する。

図１は、本発明における電流測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の電流測定装置は、磁気カップリング装置と電流センサー回路４０とからなる。磁気カップリング装置は、被測定電流が流れる導体である電気ケーブル４５と磁気結合した磁性体コア４３、４４、磁性体コア４３の隙間に配置されたホール効果素子４１、および磁性体コア４３、４４に巻回されたフィードバックコイル４２からなる。

ロ形状の磁性体コアは半分に分割されており、一方のコ形状の磁性体コア４４を外して内部空間に電気ケーブル４５を通し、磁性体コア４４を装着する、即ち、図示しないボルト、ナット等によって、またはヒンジを使用したロック機構等によって２つの磁性体コア４３、４４の接合面４６を接合した状態で固着することによって磁性体コアを電気ケーブル４５と磁気結合させることができる。

市販されている周知のホール効果素子４１は、２組の端子を備え、一方の端子に一定の電圧を印加して電流を流すと他方の端子間には素子を貫通する磁界に比例した電圧が発生する。なお、ホール効果素子４１の２組の端子の接続先を交換して、ホール効果素子の電圧印加方向を切り替え、前記他方の端子に電圧を印加しても、前記一方の端子には磁界に比例した電圧が発生する。

電流センサー回路４０は、後述するが、電線４５と磁気的に結合し、ホール効果素子４１を使用して電線に流れる電流値を測定し、電線の電流値と比例したデータを出力する。

図２は本発明における電流センサー回路４０の構成を示す回路図である。コントローラー５６は、市販されている周知の１チップマイクロコンピューター回路である。コントローラー５６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、デジタル入出力回路、アナログ入力回路（Ａ／Ｄ変換回路）、ハードウェアタイマ回路等を備えている。また、ＲＯＭには後述する処理を実行するためのプログラムやデータが格納されている。

スイッチ回路５０は、コントローラー５６の出力信号によって切り替え制御される、半導体スイッチング素子を使用したアナログスイッチ回路であり、ホール効果素子４１の２組の接続端子と、電源供給端子（例えば＋３Ｖの電源および接地）およびセンサ信号入力端子（増幅回路５１への＋出力および−出力）との接続を切り替える。

スイッチ回路５０から信号が入力される増幅回路５１は、演算増幅器からなる所定の増幅率の差動増幅回路からなる。増幅回路５１の出力はフィードバックコイル４２を介して抵抗５４の一端に接続され、抵抗５４の他端は接地されている。抵抗５４は増幅回路５１の負荷抵抗であり、抵抗５４に発生する電圧は電気ケーブル４５に流れる電流に比例する。この電圧値はコントローラー５６のアナログ入力端子から読み込まれ（Ａ／Ｄ変換され）て記憶される。

増幅回路５１は磁性体コア４３、４４を通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイル４２に流すように接続されている。従って、フィードバックコイル４２には、導体４５に流れる電流に比例し、導体４５の巻き数を１としたフィードバックコイルとの巻数比に逆比例した電流が流れることになる。但し、ネガティブフィードバックがかかるので、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度は導体４５に流れる電流による磁束密度よりもかなり小さな値となる。この結果、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度が大きな値とならないので、磁性体コア４３、４４が着磁することがなく、着磁による測定誤差の発生を防止できる。

電源回路５５は増幅回路用の両極性電源、およびホール効果素子用およびコントローラー用の単極性の電源を生成する電源回路である。

図３は、本発明におけるスイッチ回路の構成を示す回路図である。ホール効果素子４１の２組の端子の接続先を交換して、他方の端子に電圧を印加しても、一方の端子には印加された磁界に比例した電圧が発生する。またこの際、ホール効果素子４１から出力される電圧の不平衡電圧値は端子の組を交換する前後で逆極性となる。

スイッチ回路５０は、ホール効果素子４１の２組の接続端子（＋Ａ、−Ａの組および＋Ｂ、−Ｂの組）と、電源供給端子（例えば＋３Ｖの電源および接地）およびセンサ信号入力端子（増幅回路５１への＋出力および−出力）との接続を切り替える。

例えばスイッチ回路の制御信号が０のときにはスイッチ回路５０は図３に図示するような状態であり、Ａ組の端子に電源が接続され、Ｂ組の端子がセンサ信号入力端子に接続される。また、スイッチ回路の制御信号が１のときにはスイッチ回路５０は各スイッチが切り替わり、Ｂ組の端子に電源が接続され、Ａ組の端子がセンサ信号入力端子に接続される。この結果、センサ信号入力端子（＋出力および−出力）にはＡ組とＢ組の出力信号が交互に同じ極性で出力される。

図４は、本発明における電流測定値の例を示す説明図である。図４（ａ）は正常にクランプされている場合の測定電圧値の一例を示しており、スイッチ回路の切り替え前の値Ｖ１と切り替え後の値Ｖ２との差の絶対値は小さい値となっている。

一方、図４（ｂ）はクランプ不良、即ち、コアの接合面４６にゴミなどが存在し、接合面４６のギャップが所定値よりも広いか、あるいはクランプが閉じられていない場合の測定電圧値の一例を示しており、スイッチ回路の切り替え前の値Ｖ３と切り替え後の値Ｖ４との差の絶対値が大きくなっている。

本発明者はクランプ不良を模擬した実験から、ギャップを広くするに従い、２つの測定電圧値の差が大きくなる関係性を見出した。本発明はこの関係性を利用することによりクランプ不良を検出している。

図５は、コントローラー５６の処理内容を示すフローチャートである。電流を測定しようとする場合、使用者はまず、磁気カップリング装置に電気ケーブルを通さない状態でクランプし、その後、図示しない装置のパネルのセットアップボタンを押下する。Ｓ１０においては、セットアップボタンが押下されたか否かによって、セットアップ開始か否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ１０に戻るが、肯定の場合にはＳ１１に移行する。

Ｓ１１においては、スイッチ回路５０を一方の状態に切り替える制御信号を出力する。Ｓ１２においては、抵抗５４の一端に接続されたアナログ入力端子から電圧Ｖａを読み込み（Ａ／Ｄ変換し）、記憶する。Ｓ１３においては、スイッチ回路５０を他方の状態に切り替える制御信号を出力する。Ｓ１４においては、アナログ入力端子から電圧Ｖｂを読み込み、記憶する。

Ｓ１５においては、ｄ１＝Ｖａ−Ｖｂを算出する。Ｓ１６においては算出値ｄ１を正常な記憶値ｄ０と比較する。ｄ０は、本電流測定装置の製造時にメーカーにおいてｄ１と同様の方法で測定、算出され、コントローラー５６内のＲＯＭに書き込まれている。Ｓ１７においては、差（ｄ１の絶対値）が所定値以下であるか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはエラー停止処理に移行するが、肯定の場合にはＳ１８に移行する。

なお、エラー停止処理においては、クランプの閉じ方が不完全である（コアの接合面４６にゴミなどが存在し、接合面４６のギャップが所定値よりも広い）あるいはクランプが閉じられていない旨の警告を表示し、スタートアップ処理を終了する。

使用者はここで磁気カップリング装置に電気ケーブル４５を通した状態でクランプを閉じ、その後、図示しないパネルの測定開始ボタンを押下する。Ｓ１８においては測定開始ボタンが押下されたか否かによって、電流測定開始か否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ１８に戻るが、肯定の場合にはＳ１９に移行する。

Ｓ１９においては、スイッチ回路５０を一方の状態に切り替える制御信号を出力する。Ｓ２０においては、抵抗５４の一端に接続されたアナログ入力端子から電圧Ｖａを読み込み、記憶する。Ｓ２１においては、スイッチ回路５０を他方の状態に切り替える制御信号を出力する。Ｓ２２においてはアナログ入力端子から電圧Ｖｂを読み込、記憶する。Ｓ２３においては、ｄ２＝Ｖａ−Ｖｂを算出する。

Ｓ２４においては、算出値ｄ２と先に算出したｄ１とを比較する。Ｓ２５においては、差の絶対値（｜ｄ１−ｄ２｜）が所定値以下であるか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはエラー停止処理に移行するが、肯定の場合にはＳ２６に移行する。なお、エラー停止処理においては、クランプの閉じ方が不完全である（コアの接合面４６にゴミなどが存在し、接合面４６のギャップが所定値よりも広い）あるいはクランプが閉じられていない旨の警告を表示し、電流測定処理を終了する。

Ｓ２６においては電流値を測定し、記憶する。電流値は例えば図４（ａ）における切り替え前後の測定値Ｖ１とＶ２の平均値を取り、この平均値のデジタル値を出力あるいは記録する。その後、所定の周期でＳ１９からＳ２６を繰り返す。

本発明は電流を測定する必要のある任意の装置に適用可能である。

４０…電流センサー回路
４１…ホール効果素子
４２…フィードバックコイル
４３、４４…磁気コア
４５…電気ケーブル
４６…接合面

Claims

分割されており、被測定電流が流れる導体と磁気結合可能な磁性体コアを備え、前記磁性体コアを通る磁束をホール効果素子を使用して検出する電流測定装置において、
前記ホール効果素子は電源供給端子及びセンサ信号入力端子にそれぞれ接続する２組の接続端子を備え、一方の前記接続端子を前記電源供給端子から前記センサ信号入力端子に、他方の前記接続端子を前記センサ信号入力端子から前記電源供給端子に接続を切り替えるスイッチ回路と、
前記磁性体コアに巻回されるフィードバックコイルと、
前記センサ信号入力端子から出力される出力信号を入力し、前記磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流を前記フィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、
前記スイッチ回路を制御し、前記ホール効果素子の一方の前記接続端子を前記電源供給端子から前記センサ信号入力端子に、他方の前記接続端子を前記センサ信号入力端子から前記電源供給端子に接続を切り替えて、前記フィードバックコイルに流れる電流に比例する測定電圧を入力し、前記切り替え前後の２つの前記測定電圧の差が所定値以上である場合にはクランプ不良と判定するコントローラーと、
を備えたことを特徴とする電流測定装置。
分割されており、被測定電流が流れる導体と磁気結合可能な磁性体コアと、
前記磁性体コアを通る磁束を検出するホール効果素子と、
前記ホール効果素子は２組の接続端子を備え、一方の前記接続端子が電源供給端子に接続し他方の前記接続端子がセンサ信号入力端子に接続する一方の状態と、一方の前記接続端子が前記センサ信号入力端子に接続し他方の前記接続端子が前記電源供給端子に接続する他方の状態とを切り替えるスイッチ回路と、
前記磁性体コアに巻回されるフィードバックコイルと、
前記スイッチ回路から出力される出力信号を入力し、前記磁性体コアを通る被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流を前記フィードバックコイルに流す差動増幅回路からなる増幅回路と、
前記スイッチ回路を制御し、前記一方の状態と前記他方の状態を切り替えて前記フィードバックコイルに流れる電流に比例する測定電圧を入力するコントローラーとを備えた電流測定装置のクランプ不良検出方法において、
前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して前記一方の状態に切り替えるステップ、
前記コントローラーが前記一方の状態における前記測定電圧を入力し、記憶するステップ、
前記コントローラーが前記スイッチ回路を制御して前記他方の状態に切り替えるステップ、
前記コントローラーが前記他方の状態における前記測定電圧を入力し、記憶するステップ、
前記コントローラーが前記一方の状態と前記他方の状態の切り替え前後における２つの前記測定電圧の差を算出するステップ、
前記コントローラーが前記差が所定値以上である場合に、クランプ不良と判定するステップ、
を含むことを特徴とするクランプ不良検出方法。