JP6803277B2 - 周期信号測定装置、周期信号測定方法およびサンプリング周期決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば交流電流信号などの周期信号を測定する周期信号測定装置および方法に係り、特に周期信号の測定値が安定するサンプリング周期を決定する技術に関するものである。

従来より、周期信号をＡ／Ｄサンプリングして、サンプリング値に所定の処理を施すことにより、測定値を得る測定方法がある。例えば特許文献１には、交流電流信号をサンプリングして、サンプリング期間内の交流電流信号のサンプリング値を二乗してから加算することにより、電流の実効値を得る測定方法が開示されている。

上記のような周期信号の測定方法において、測定対象の周期信号の立ち上がりや立ち下がりが瞬時に変化する場合、この周期信号の変化に対して、測定するＡ／Ｄサンプリングの周期が十分に短くないと、サンプリング期間の信号変化を測定値に反映できないため、測定誤差の増加を招くことになる。このような測定誤差は顕著に表れる周波数帯が存在し、そのような周波数帯では一定の測定値であるべきところが長周期の振動的挙動になってしまう。長周期の振動的振る舞いに対して、単純なフィルタや移動平均などの波形／データ加工で振動を抑えることは困難である。

以下、実例を挙げて説明する。図１４は周期信号の１例を示す波形図である。図１４に示す周期信号は、交流電流の半周期毎に導通角を調整することにより負荷に供給する電力を連続的に制御する位相角制御が行われた交流電流信号である。図１４の例では、５０Ｈｚの正弦波交流電流を９０°位相角制御した波形を示している。なお、図１４の例では整流後の波形を示している。

図１５は、周期信号をサンプリング周期１ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の一定の測定期間の測定値Ｍの最小値Ｍｍｉｎと、この最小値Ｍｍｉｎを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍｉｎとを周期信号の周波数毎に示す図である。また、図１６は、周期信号をサンプリング周期１ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の一定の測定期間の測定値Ｍの最大値Ｍｍａｘと、この最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘと、フィルタ減衰能ＦＡとを周期信号の周波数毎に示す図である。

ここでは、図１４に示したような位相角９０°で制御された一定波高値の周期信号を測定対象とし、周期信号の周波数帯を４５〜６５Ｈｚとしている。また、測定期間を３００秒とし、周期信号をサンプリング周期１ｍｓでＡ／Ｄサンプリングしたサンプリング値の二乗値を１００回加算した値を測定値Ｍとしている。一次遅れフィルタとしては、時定数１００ｍｓのフィルタを使用している。フィルタ減衰能ＦＡは、データ加工（一次遅れフィルタ処理）の効果を示す指標の一例で、次式で与えられる量である。
ＦＡ＝１−（Ｆｍａｘ−Ｆｍｉｎ）÷（Ｍｍａｘ−Ｍｍｉｎ） ・・・（１）

フィルタ減衰能ＦＡ＝１は、測定値Ｍの振れを完全に除去できたことを示し、ＦＡ＝０は、測定値Ｍの振れを全く除去できていないことを示している。図１７（Ａ）は、周波数５０Ｈｚの周期信号（図１５、図１６のＡの部分の周期信号）を測定対象とした場合の測定値Ｍの最大値Ｍｍａｘと最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘとを示している。

図１７（Ｂ）は、周波数５１．５Ｈｚの周期信号（図１５、図１６のＢの部分の周期信号）を測定対象とした場合の最大値Ｍｍａｘと最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘとを示している。また、図１７（Ｃ）は、周波数５２．５Ｈｚの周期信号（図１５、図１６のＣの部分の周期信号）を測定対象とした場合の最大値Ｍｍａｘと最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘとを示している。図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）では横軸を時間としている。

以上のように、測定値Ｍの振れが大きい周波数帯では、フィルタ減衰能ＦＡが０に近い値となり、データ加工で測定値Ｍの振れを除去できていないことが分かる。すなわち、一次遅れフィルタ処理のような単純なデータ加工で測定値Ｍの振動を抑えることは難しいことが分かる。

このような測定値Ｍの振動による測定誤差を抑えるためにサンプリング周期を十分短くする対策が考えられる。しかしながら、サンプリング周期を短くすると、測定装置の処理負荷が増加するため、高性能高コストな測定装置を用意する必要があるという課題があった。

特開２０１１−１７６５７号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、処理負荷とコストの増加を抑えつつ、周期信号の測定誤差を抑えることができる周期信号測定装置、周期信号測定方法およびサンプリング周期決定方法を提供することを目的とする。

本発明の周期信号測定装置は、周期信号をサンプリングし、サンプリング値に対して所定の処理を施すことにより測定値を得るように構成された測定部と、前記測定値に対して加工を施すように構成されたデータ加工部と、一定の測定期間における前記測定値の振れ量と前記測定期間における前記加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように前記測定部のサンプリング周期を決定するように構成されたサンプリング周期決定部と、このサンプリング周期決定部の決定に応じて前記測定部のサンプリング周期を設定するように構成されたサンプリング周期制御部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の周期信号測定装置の１構成例において、前記サンプリング周期決定部は、前記測定値と前記データ加工部による加工の結果とに基づいて前記効果値を算出するように構成された効果値算出部と、前記測定期間における前記測定値の振れ量と前記測定期間における前記効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内かどうかを判定するように構成された判定部と、前記測定値の振れ量と前記効果値のうち少なくとも一方が対応する許容範囲を超えている場合に、前記サンプリング周期制御部に対して前記サンプリング周期の変更を指示するように構成されたサンプリング周期変更部とを備え、前記測定値の振れ量と前記効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるまで前記サンプリング周期の変更を繰り返すことを特徴とするものである。
また、本発明の周期信号測定装置の１構成例において、前記サンプリング周期決定部は、許容周波数帯内の、周波数が異なる複数の前記周期信号の各々について前記サンプリング周期の決定が終了した後に、各周期信号について得られた前記効果値のうち最も高い効果を示す効果値が得られたときのサンプリング周期を、最終的なサンプリング周期として確定するサンプリング周期確定部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の周期信号測定装置の１構成例において、前記サンプリング周期の決定の際に前記測定部に入力される周期信号は、信号発生器によって生成される試験周期信号である。

また、本発明の周期信号測定方法は、周期信号のサンプリング値に対して所定の処理を施すことにより測定値を得る測定部から前記測定値を取得すると共に、前記測定値に対して加工を施すデータ加工部から加工の結果を取得し、一定の測定期間における前記測定値の振れ量と前記測定期間における前記加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように前記測定部のサンプリング周期を決定する第１のステップと、この第１のステップの決定に応じて前記測定部のサンプリング周期を設定する第２のステップとを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の周期信号測定装置のサンプリング周期決定方法は、周期信号のサンプリング値に対して所定の処理を施して測定値を得ると共に前記測定値に対して加工を施す周期信号測定装置の機能を模したモデルを用いて、前記周期信号に対する前記測定値を推定すると共に前記加工の結果を推定する第１のステップと、一定の測定期間における前記測定値の推定値の振れ量と前記測定期間における前記加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように前記周期信号測定装置のサンプリング周期を決定する第２のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、一定の測定期間における測定値の振れ量が許容範囲内になるように測定部のサンプリング周期を決定し、この決定に応じて測定部のサンプリング周期を設定することにより、処理負荷とコストの増加を抑えつつ、測定値を安定させることができ、測定誤差を抑えることができる。

また、本発明では、許容周波数帯内の、周波数が異なる複数の周期信号の各々についてサンプリング周期の決定が終了した後に、各周期信号について得られた測定値の振れ量のうち振れ量が最も小さいときのサンプリング周期を、最終的なサンプリング周期として確定することにより、周期信号の許容周波数帯内で測定結果が良好になるようにサンプリング周期を決定することができる。

また、本発明では、一定の測定期間における測定値の振れ量と測定期間における加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように測定部のサンプリング周期を決定することにより、処理負荷とコストの増加を抑えつつ、測定値を安定させることができ、測定誤差を抑えることができる。

また、本発明では、許容周波数帯内の、周波数が異なる複数の周期信号の各々についてサンプリング周期の決定が終了した後に、各周期信号について得られた効果値のうち最も高い効果を示す効果値が得られたときのサンプリング周期を、最終的なサンプリング周期として確定することにより、周期信号の許容周波数帯内で測定結果が良好になるようにサンプリング周期を決定することができる。

また、本発明では、周期信号のサンプリング値に対して所定の処理を施すことにより測定値を得る周期信号測定装置の機能を模したモデルを用いて、周期信号に対する測定値を推定し、一定の測定期間における測定値の推定値の振れ量が許容範囲内になるように周期信号測定装置のサンプリング周期を決定することにより、実際の周期信号測定装置を使用せずに、測定結果が良好になるようにサンプリング周期を決定することができる。

また、本発明では、モデルを用いて、周期信号に対する測定値を推定する共に加工の結果を推定し、測定期間における測定値の推定値の振れ量と測定期間における加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるようにサンプリング周期を決定することにより、実際の周期信号測定装置を使用せずに、測定結果が良好になるようにサンプリング周期を決定することができる。

図１は、周期信号をサンプリング周期０．９３８ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最小値と最小値を一次遅れフィルタ処理した値とを示す図である。 図２は、周期信号をサンプリング周期０．９３８ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最大値と最大値を一次遅れフィルタ処理した値とフィルタ減衰能とを示す図である。 図３は、周期信号をサンプリング周期０．９７５ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最小値と最小値を一次遅れフィルタ処理した値とを示す図である。 図４は、周期信号をサンプリング周期０．９７５ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最大値と最大値を一次遅れフィルタ処理した値とフィルタ減衰能とを示す図である。 図５は、周期信号をサンプリング周期０．９４３ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最小値と最小値を一次遅れフィルタ処理した値とを示す図である。 図６は、周期信号をサンプリング周期０．９４３ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最大値と最大値を一次遅れフィルタ処理した値とフィルタ減衰能とを示す図である。 図７は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置の構成を示すブロック図である。 図８は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置の測定時の動作を説明するフローチャートである。 図９は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置の測定部の別の構成を示すブロック図である。 図１０は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置の測定時の別の動作を説明するフローチャートである。 図１１は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置のサンプリング周期決定部とサンプリング周期制御部の構成を示すブロック図である。 図１２は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置のサンプリング周期決定部とサンプリング周期制御部の動作を説明するフローチャートである。 図１３は、本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図１４は、周期信号の１例を示す波形図である。 図１５は、周期信号をサンプリング周期１ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最小値と最小値を一次遅れフィルタ処理した値とを示す図である。 図１６は、周期信号をサンプリング周期１ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最大値と最大値を一次遅れフィルタ処理した値とフィルタ減衰能とを示す図である。 図１７は、周期信号をサンプリング周期１ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値の最大値と最大値を一次遅れフィルタ処理した値とを示す図である。

［発明の原理］
発明者は、サンプリング周期を変更すると、測定値の振れ（最大値−最小値）の周波数に対する特性がずれることに着眼し、測定対象の周期信号の周波数帯が測定値振れの大きな領域の中間付近（谷部分）になるようにサンプリング周期を変更することで、周期信号の周波数帯で測定値を安定化できることに想到した。

以下、本発明の原理を図を用いて説明する。図１５、図１６に示した測定結果では、４５．５Ｈｚ、５０．０Ｈｚ、５５．５Ｈｚ、６２．５Ｈｚ付近に測定値の大きな振れが発生する周波数帯が存在する。また、４５．５Ｈｚ、５０．０Ｈｚ、５５．０Ｈｚ、５５．５Ｈｚ、５８．８Ｈｚ、６０．０Ｈｚ、６２．５Ｈｚ付近には一次遅れフィルタ等の単純なデータ加工が機能しない長周期の測定値振れの発生する周波数帯が存在する。そのため、５０Ｈｚ近辺の周期信号を測定対象とする場合、良好な測定結果が得られないことが分かる。

図１は、周期信号をサンプリング周期０．９３８ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値Ｍの最小値Ｍｍｉｎと、この最小値Ｍｍｉｎを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍｉｎとを周期信号の周波数毎に示す図である。また、図２は、周期信号をサンプリング周期０．９３８ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値Ｍの最大値Ｍｍａｘと、この最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘと、フィルタ減衰能ＦＡとを周期信号の周波数毎に示す図である。

図１５、図１６の場合と同様に、位相角９０°で制御された一定波高値の周期信号を測定対象とし、周期信号の周波数帯を４５〜６５Ｈｚとしている。また、測定期間を３００秒とし、周期信号をサンプリング周期０．９３８ｍｓでＡ／Ｄサンプリングしたサンプリング値の二乗値を１００回加算した値を測定値Ｍとしている。一次遅れフィルタとしては、時定数１００ｍｓのフィルタを使用している。フィルタ減衰能ＦＡの定義は上記のとおりである。

このように、サンプリング周期を０．９３８ｍｓにすると、測定値Ｍに現れる特性を＋３．２Ｈｚ程度ずらすことができる。つまり、図１５、図１６のＡの周波数帯の特性を図１、図２のＤの周波数帯にずらすことができる。したがって、５０Ｈｚ近辺の周期信号を測定対象とする場合、測定値Ｍの振れを抑えることができ、かつ、一次遅れフィルタ等の単純なデータ加工が機能するようにできるため、測定値Ｍの安定化を容易に実現することができる。

図３は、周期信号をサンプリング周期０．９７５ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値Ｍの最小値Ｍｍｉｎと、この最小値Ｍｍｉｎを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍｉｎとを周期信号の周波数毎に示す図である。また、図４は、周期信号をサンプリング周期０．９７５ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値Ｍの最大値Ｍｍａｘと、この最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘと、フィルタ減衰能ＦＡとを周期信号の周波数毎に示す図である。測定対象の周期信号は、図１、図２、図１５、図１６の場合と同じである。

図３、図４によれば、測定対象の周期信号の許容周波数帯を５０Ｈｚ付近（図３、図４のＥの周波数帯）に限定できる場合は、サンプリング周期を０．９７５ｍｓとすることで周期信号の許容周波数帯を５０Ｈｚ±１．１Ｈｚ程度まで許容できるようになることが分かる。

図５は、周期信号をサンプリング周期０．９４３ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値Ｍの最小値Ｍｍｉｎと、この最小値Ｍｍｉｎを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍｉｎとを周期信号の周波数毎に示す図である。また、図６は、周期信号をサンプリング周期０．９４３ｍｓでＡ／Ｄサンプリングした場合の測定値Ｍの最大値Ｍｍａｘと、この最大値Ｍｍａｘを一次遅れフィルタ処理した値Ｆｍａｘと、フィルタ減衰能ＦＡとを周期信号の周波数毎に示す図である。測定対象の周期信号は、図１、図２、図１５、図１６の場合と同じである。

図５、図６によれば、測定対象の周期信号の許容周波数帯を６０Ｈｚ付近（図５、図６のＧの周波数帯）に限定できる場合は、サンプリング周期を０．９４３ｍｓとすることで周期信号の許容周波数帯を６０Ｈｚ±１．１Ｈｚ程度まで許容できるようになることが分かる。

［第１の実施例］
以下、本発明の第１の実施例について図面を参照して説明する。図７は本発明の第１の実施例に係る周期信号測定装置の構成を示すブロック図である。周期信号測定装置は、周期信号ＳをＡ／Ｄサンプリングし、サンプリング値に対して所定の処理を施すことにより測定値Ｍを得る測定部１と、測定部１で得られる測定値Ｍに対して加工を施すデータ加工部２と、測定部１のサンプリング周期を決定するサンプリング周期決定部３と、サンプリング周期決定部３の決定に応じて測定部１のサンプリング周期を設定するサンプリング周期制御部４とを備えている。

測定部１は、周期信号Ｓを整流する整流部１０と、整流された周期信号をＡ／Ｄ（Analog to digital）変換するＡ／Ｄ変換部１１と、Ａ／Ｄ変換部１１から出力されたサンプリング値に対して所定の処理（例えば加算処理）を施して測定値Ｍを得るデータ処理部１２とから構成される。

図８は周期信号測定装置の測定時の動作を説明するフローチャートである。整流部１０は、外部から入力される測定対象の周期信号Ｓ（アナログ信号）を全波整流する（図８ステップＳ１００）。

Ａ／Ｄ変換部１１は、整流部１０によって全波整流された周期信号をサンプリング周期毎にＡ／Ｄ変換する（図８ステップＳ１０１）。Ａ／Ｄ変換部１１のサンプリングクロックＳＣＫはサンプリング周期制御部４から供給される。

データ処理部１２は、Ａ／Ｄ変換部１１から出力されたサンプリング値（デジタル信号）の二乗値を１００回加算した値を測定値Ｍとして出力する（図８ステップＳ１０２）。こうして、サンプリング期間Ｃ毎に測定値Ｍがデータ処理部１２から出力される。サンプリング期間Ｃは、Ａ／Ｄ変換部１１のサンプリング周期が１ｍｓであれば、１ｍｓ×１００＝１００ｍｓである。

データ加工部２は、データ処理部１２から出力される測定値Ｍに対して所定の加工（例えば一次遅れフィルタ処理）を施す（図８ステップＳ１０３）。このデータ加工部２は本発明の必須の構成要素ではない。

なお、測定対象の周期信号Ｓが交流電流信号で、電流の実効値を測定値Ｍとする場合には、データ処理部１２で得た結果を電流の実効値に変換する必要がある。この場合の測定部１ａの構成を図９に示し、電流測定時のフローチャートを図１０に示す。

測定部１ａは、上記の測定部１に対して電流値変換部１３を追加したものである。電流値変換部１３は、データ処理部１２の出力値（サンプリング値の二乗値の加算値）を所定の電流値変換関数により電流の実効値に変換して、変換した値を測定値Ｍとして出力する（図１０ステップＳ１０４）。電流値変換関数については、特許文献１に開示されているので、詳細な説明は省略する。

次に、本実施例の特徴であるサンプリング周期決定部３とサンプリング周期制御部４の動作について説明する。以下のような手続きによりデータ処理部１２での加算回数や加算方法によらず、より好ましい測定値が得られるサンプリング周期を決定することができる。

図１１はサンプリング周期決定部３とサンプリング周期制御部４の構成を示すブロック図、図１２はサンプリング周期決定部３とサンプリング周期制御部４の動作を説明するフローチャートである。サンプリング周期決定部３は、測定部１または１ａから測定値Ｍを取得する測定値取得部３０と、データ加工部２からデータ加工値ＤＰ（加工の結果）を取得するデータ加工値取得部３１と、データ加工効果を示す効果値を算出するデータ加工効果値算出部３２と、一定の測定期間における測定値Ｍの振れ量と測定期間における効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内かどうかを判定する判定部３３と、判定部３３の判定結果に応じてＡ／Ｄ変換部１１のサンプリング周期を変更・設定するサンプリング周期変更部３４と、周波数が異なる複数の周期信号の各々についてのサンプリング周期の決定結果から最終的なサンプリング周期を確定するサンプリング周期確定部３５とから構成される。

サンプリング周期制御部４は、クロックＣＫを計数して、計数値が設定値に達する度にＡ／Ｄ変換部１１にサンプリングクロックＳＣＫを出力するタイマ４０と、タイマ４０の設定値を変更するタイマ設定値変更部４１とから構成される。

まず、測定部１または１ａのＡ／Ｄ変換部１１のサンプリング周期が適切かどうかを判定するための判定基準として、測定対象の周期信号Ｓの許容周波数帯、測定値Ｍの振れ量（最大値Ｍｍａｘと最小値Ｍｍｉｎとの差）の許容範囲、測定値のデータ加工効果の許容範囲、サンプリング周期の許容範囲などの判定基準が判定部３３に予め設定されている。許容周波数帯は、例えば電源の周波数の振れ幅や測定装置の発振器の精度などによって決まる。データ加工効果を示す値としては、例えばフィルタ減衰能ＦＡがある。

最初に、サンプリング周期決定部３のサンプリング周期変更部３４は、Ａ／Ｄ変換部１１のサンプリング周期を予め定められた初期値に設定する。具体的には、サンプリング周期変更部３４がサンプリング周期を指定する指示信号を出力すると、この指示信号に応じてサンプリング周期制御部４のタイマ設定値変更部４１がタイマ４０の設定値を変更する。タイマ４０は、図示しないクロック発振器から入力されるクロックＣＫを計数し、計数値が設定値に達するとＡ／Ｄ変換部１１にサンプリングクロックＳＣＫを出力して計数値を０にリセットするという動作を繰り返す。

こうして、計数値が設定値に達する度にタイマ４０からサンプリングクロックＳＣＫが出力される。したがって、タイマ４０の設定値を変更することにより、サンプリング周期を初期値に設定することができる（図１２ステップＳ２００）。なお、クロックＣＫの周波数をｆＣＫ、サンプリングクロックＳＣＫの周波数をｆＳＣＫとすると、ｆＣＫ＞ｆＳＣＫであることは言うまでもない。

次に、測定部１または１ａは、前述のような周期信号Ｓの測定を行い（図１２ステップＳ２０１）、データ加工部２は、測定部１または１ａから出力される測定値Ｍに対して所定の加工（例えば一次遅れフィルタ処理）を施したデータ加工値ＤＰを出力する（図１２ステップＳ２０２）。

なお、サンプリング周期の決定時に測定対象とする試験周期信号Ｓは、周期信号測定装置が使用される現場で実際に観測される周期信号を模した一定の位相角制御信号（図１４）であればよい。このような位相角制御信号は、ファンクションジェネレータ５（function generator：信号発生器）によって生成することができる。

サンプリング周期決定部３の測定値取得部３０は、測定部１または１ａから測定値Ｍを取得する（図１２ステップＳ２０３）。一方、サンプリング周期決定部３のデータ加工値取得部３１は、データ加工部２からデータ加工値ＤＰを取得する（図１２ステップＳ２０４）。

サンプリング周期決定部３のデータ加工効果値算出部３２は、測定値取得部３０が取得した測定値Ｍとデータ加工値取得部３１が取得したデータ加工値ＤＰとに基づいてデータ加工効果値（例えばフィルタ減衰能ＦＡ）を算出する（図１２ステップＳ２０５）。フィルタ減衰能ＦＡの算出式は式（１）で示したとおりである。

次に、サンプリング周期決定部３の判定部３３は、一定の測定期間における測定値Ｍの振れ量（最大値Ｍｍａｘと最小値Ｍｍｉｎとの差）が判定基準で定められた許容範囲内で、かつ測定期間におけるデータ加工効果値（フィルタ減衰能ＦＡ）が判定基準で定められた許容範囲内かどうかを判定する（図１２ステップＳ２０６）。

サンプリング周期決定部３のサンプリング周期変更部３４は、測定値Ｍの振れ量とデータ加工効果値のうち少なくとも一方が対応する許容範囲を超えていて、判定基準を満たしていないと判定部３３が判定した場合（ステップＳ２０６においてＮＯ）、サンプリング周期を予め定められた変更量だけ短くする方向に変更する指示信号をサンプリング周期制御部４に対して出力する（図１２ステップＳ２０７）。

サンプリング周期変更部３４からの指示信号に応じたサンプリング周期制御部４の動作は上記のとおりである。サンプリング周期を短くする場合には、タイマ４０の設定値を小さくすればよい。変更後のサンプリング周期が判定基準で定められた許容範囲内であれば（図１２ステップＳ２０８においてＹＥＳ）、ステップＳ２０１に戻る。

こうして、測定値Ｍの振れ量とデータ加工効果値がそれぞれ対応する許容範囲内になり、判定基準を満たすまで（ステップＳ２０６においてＹＥＳ）、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８の処理が繰り返し実行される。

サンプリング周期決定部３の判定部３３は、測定値Ｍの振れ量とデータ加工効果値がそれぞれ対応する許容範囲内になり、判定基準を満たした場合、判定基準で定められた周期信号Ｓの許容周波数帯の全てについてサンプリング周期の決定処理を終えたかどうかを判定し（図１２ステップＳ２０９）、サンプリング周期が未決の周波数が残っている場合には、ファンクションジェネレータ５に対して試験周期信号Ｓ（位相角制御信号）の周波数を予め定められた変更量だけ変更するよう指示を出す（図１２ステップＳ２１０）。
こうして、試験周期信号Ｓの周波数を変更しながら、ステップＳ２００〜Ｓ２１０の処理を繰り返し実行する。

サンプリング周期決定部３のサンプリング周期確定部３５は、周期信号Ｓの許容周波数帯内の各周波数についてサンプリング周期の決定処理が終了した場合（ステップＳ２０９においてＹＥＳ）、最終的なサンプリング周期を確定する（図１２ステップＳ２１１）。

具体的には、サンプリング周期確定部３５は、許容周波数帯内の各周波数の測定値Ｍの振れ量のうち振れ量が最も小さいときのサンプリング周期を最終的なサンプリング周期として確定する。あるいは、サンプリング周期確定部３５は、許容周波数帯内の各周波数のデータ加工効果のうちデータ加工効果が最も高い（フィルタ減衰能ＦＡが最も大きい）ときのサンプリング周期を最終的なサンプリング周期として確定してもよい。

そして、サンプリング周期確定部３５は、Ａ／Ｄ変換部１１のサンプリング周期をステップＳ２１１で確定した値にするようにサンプリング周期変更部３４に対して指示を出す。サンプリング周期変更部３４は、サンプリング周期確定部３５からの指示に応じてサンプリング周期を設定する（図１２ステップＳ２１２）。サンプリング周期変更部３４からの指示に応じたサンプリング周期制御部４の動作は上記のとおりである。

なお、サンプリング周期決定部３の判定部３３は、判定基準で定められたサンプリング周期の許容範囲内で測定値Ｍの振れ量とデータ加工効果値とが判定基準を満たさなかった場合（ステップＳ２０８においてＮＯ）、現時点の試験周期信号Ｓの周波数に関してのみ判定基準の緩和、すなわち測定値Ｍの振れ量とデータ加工効果値のそれぞれの許容範囲の緩和を行い（図１２ステップＳ２１３）、ステップＳ２００に戻る。

こうして、測定値Ｍの振れ量の許容範囲を所定の緩和量だけ大きくし、データ加工効果値の許容範囲をデータ加工効果が低くなる方向に所定の緩和量だけ緩和することにより、判定基準を緩和して、サンプリング周期の許容範囲内で測定値Ｍの振れ量とデータ加工効果値とが判定基準を満たすようにする。

特定の試験周期信号Ｓの周波数に関して判定基準を緩和した場合、この周波数について決定したサンプリング周期を、ステップＳ２１１で確定する際のサンプリング周期の候補から除外してもよいし、除外しなくてもよい。
以上で、サンプリング周期決定部３とサンプリング周期制御部４の動作が終了する。

上記の例のサンプリング周期０．９３８ｍｓは、周期信号Ｓの許容周波数帯を５０Ｈｚ±０．６０Ｈｚと６０Ｈｚ±０．７２Ｈｚとし、データ加工効果値（フィルタ減衰能ＦＡ）の許容範囲を０．５以上とし、サンプリング周期の許容範囲を０．９ｍｓ〜１．０ｍｓとして、図１２の処理によりフィルタ減衰能ＦＡが０．５以上になるサンプリング周期を探索したものである。

上記のとおり、サンプリングクロックＳＣＫの基になるクロックＣＫは周期信号測定装置内の発振器により生成されるが、この発振器にも精度誤差が存在する。本実施例では、このようなクロックの誤差も測定対象の周期信号Ｓの周波数ずれとして扱うことができる。例えば、＋１％のサンプリング周期誤差のある発振器による５０Ｈｚの周期信号Ｓの測定は、誤差のない発振器による４９．５Ｈｚ相当の周期信号Ｓの測定として扱うことができる。そのため、測定対象の周期信号Ｓの周波数帯を広く許容できるということは、周期信号Ｓの周波数マージンに余裕ができるばかりでなく、周期信号測定装置側の発振精度にも余裕を持てるということになる。

測定対象の周期信号Ｓの周波数や周期信号測定装置の発振精度は、短期間で大きく変動することは稀で、一定のズレを持って微小に揺らいでいることが多い。そのため、図１２で説明したような処理により、現場調整で良好なサンプリング周期を決めて運用することが可能である。

本実施例では、試験周期信号Ｓが９０°位相角制御信号である例を示したが、その他の位相角制御信号でも、試験周期信号Ｓの周波数とサンプリング周期とが同じ場合は測定値の振れが増大する周波数帯は一致している。但し、位相角が大きくなると、測定値の振れが検出し難い周波数帯が現れる。また、位相角が小さくなると、測定値そのものが小さくなるため振れの量が小さくなる。そのため、試験周期信号Ｓとして位相角制御信号を用いる場合、位相角は６０°〜１２０°が理想的である。

なお、上記のとおり、データ加工部２は本発明の必須の構成要素ではない。データ加工部２を使用しない場合、判定部３３は、測定期間における測定値Ｍの振れ量が許容範囲内であれば判定基準を満たしていると判定し、測定期間における測定値Ｍの振れ量が許容範囲外であれば判定基準を満たしていないと判定すればよい（ステップＳ２０６）。また、サンプリング周期確定部３５は、許容周波数帯内の各周波数の測定値Ｍの振れ量のうち振れ量が最も小さいときのサンプリング周期を最終的なサンプリング周期として確定すればよい（ステップＳ２１１）。

［第２の実施例］
第１の実施例で説明した測定部１または１ａのデータ処理部１２と電流値変換部１３とデータ加工部２とサンプリング周期決定部３とサンプリング周期制御部４とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図１３に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ６０と、記憶装置６１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）６２とを備えている。Ｉ／Ｆ６２には、周期信号Ｓを出力する測定対象、試験周期信号Ｓを出力するファンクションジェネレータ５などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の周期信号測定方法およびサンプリング周期決定方法を実現させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供され、記憶装置６１に格納される。ＣＰＵ６０は、記憶装置６１に記憶されたプログラムに従って第１の実施例で説明した処理を実行する。

［第３の実施例］
第１、第２の実施例では、実際の周期信号測定装置の測定部１または１ａとデータ加工部２とを用いてサンプリング周期を決定しているが、コンピュータ上でのシミュレーションを行ってもよい。この場合には、第２の実施例で説明したようなコンピュータを用いて、周期信号測定装置の機能とファンクションジェネレータ５の機能とをソフトウェアで実現し、図１２で説明した処理を実行すればよい。

つまり、図７、図８で説明した測定部１とデータ加工部２の機能を模したモデルをソフトウェアで構築し、このモデルを用いて、試験周期信号Ｓに対する測定値Ｍの推定値とデータ加工値ＤＰの推定値とを得るようにすればよい。あるいは、図７、図９、図１０で説明した測定部１ａとデータ加工部２の機能を模したモデルをソフトウェアで構築し、このモデルを用いて、試験周期信号Ｓに対する測定値Ｍの推定値とデータ加工値ＤＰの推定値とを得るようにすればよい。これらの推定値を得ることができれば、図１２のステップＳ２００〜Ｓ２１１までの処理をコンピュータによるシミュレーションで容易に実現できることは言うまでもない。

こうして、本実施例では、実際の周期信号測定装置を使用せずに、シミュレーションでサンプリング周期を決定することができる。そして、決定したサンプリング周期を周期信号測定装置に設定すればよい。

なお、第１〜第３の実施例では、正弦波を位相角制御した図１４のような位相角制御信号を周期信号Ｓとしたが、本発明の適用対象となる周期信号Ｓはこれに限るものではない。以下、本発明の適用対象となる周期信号Ｓについて説明する。まず、周期がＴである周期信号Ｓの物理量Ｐが、以下の式（２）に示す定積分によって求められるとする。αは周期信号Ｓの振幅により決まる定数である。

次に、上記式（２）で物理量Ｐを求めることができる複数の周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nについて考える。各周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nの周期がそれぞれＴ₁，Ｔ₂，・・・・，Ｔ_nであり、物理量Ｐを求める際のサンプリング期間をＣとする。各周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nが、以下の式（３）に示す関係を満たす場合に、各周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nは、本発明の適用対象となる周期信号Ｓに該当することになる。ここで、上記サンプリング期間Ｃとしては、各周期Ｔ₁，Ｔ₂，・・・・，Ｔ_nの公倍数となる期間を設定することができる。サンプリング期間Ｃとして、各周期Ｔ₁，Ｔ₂，・・・・，Ｔ_nの最小公倍数となる期間を設定することで、物理量Ｐの計測時間を短縮することができる。また、各周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nの振幅はそれぞれ等しいこととする。

上記式（３）に示す各辺は、各周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nをそれぞれサンプリング期間Ｃで積分して求めた物理量を示す。したがって、上記式（３）に示す関係を満たす各周期信号は、周期がそれぞれ相違するものの、サンプリング期間Ｃで求まる物理量がそれぞれ等しくなる関係にある。第１〜第３の実施例では、５０Ｈｚの周期信号と６０Ｈｚの周期信号が複数の周期信号Ｓ₁，Ｓ₂，・・・・，Ｓ_nに相当し、電流値が物理量Ｐに相当する。

上記式（３）に示す関係を満たす周期信号群を構成し得る信号の波形としては、例えば、正弦波、正弦半波整流波、正弦全波整流波、正弦二乗波、正弦二乗全波整流波、正弦二乗半波整流波、矩形波、三角波、台形波、これらの波形のうちいずれか複数の波形を重ね合わせた波形等がある。

また、第１〜第３の実施例では、データ処理部１２の処理の例としてサンプリング値の二乗加算を例に挙げて説明しているが、データ処理部１２の処理は単純加算でもよい。例えば周期信号Ｓが交流電流信号である場合、交流電流信号のサンプリング値を複数回加算した値と波形率とを用いて電流の実効値を算出することも可能である。

また、本発明の適用対象となる周期信号Ｓは交流電流信号に限るものではない。また、第１〜第３の実施例では、サンプリング周期が１ｍｓ近辺で議論を進めてきたが、本発明はサンプリング周期に制約はない。

本発明は、周期信号を測定する技術に適用することができる。

１，１ａ…測定部、２…データ加工部、３…サンプリング周期決定部、４…サンプリング周期制御部、５…ファンクションジェネレータ、１０…整流部、１１…Ａ／Ｄ変換部、１２…データ処理部、１３…電流値変換部、３０…測定値取得部、３１…データ加工値取得部、３２…データ加工効果値算出部、３３…判定部、３４…サンプリング周期変更部、３５…サンプリング周期確定部、４０…タイマ、４１…タイマ設定値変更部。

Claims (6)

1. 周期信号をサンプリングし、サンプリング値に対して所定の処理を施すことにより測定値を得るように構成された測定部と、
   前記測定値に対して加工を施すように構成されたデータ加工部と、
   一定の測定期間における前記測定値の振れ量と前記測定期間における前記加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように前記測定部のサンプリング周期を決定するように構成されたサンプリング周期決定部と、
   このサンプリング周期決定部の決定に応じて前記測定部のサンプリング周期を設定するように構成されたサンプリング周期制御部とを備えることを特徴とする周期信号測定装置。
2. 請求項１記載の周期信号測定装置において、
   前記サンプリング周期決定部は、
   前記測定値と前記データ加工部による加工の結果とに基づいて前記効果値を算出するように構成された効果値算出部と、
   前記測定期間における前記測定値の振れ量と前記測定期間における前記効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内かどうかを判定するように構成された判定部と、
   前記測定値の振れ量と前記効果値のうち少なくとも一方が対応する許容範囲を超えている場合に、前記サンプリング周期制御部に対して前記サンプリング周期の変更を指示するように構成されたサンプリング周期変更部とを備え、
   前記測定値の振れ量と前記効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるまで前記サンプリング周期の変更を繰り返すことを特徴とする周期信号測定装置。
3. 請求項２記載の周期信号測定装置において、
   前記サンプリング周期決定部は、
   許容周波数帯内の、周波数が異なる複数の前記周期信号の各々について前記サンプリング周期の決定が終了した後に、各周期信号について得られた前記効果値のうち最も高い効果を示す効果値が得られたときのサンプリング周期を、最終的なサンプリング周期として確定するサンプリング周期確定部をさらに備えることを特徴とする周期信号測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の周期信号測定装置において、
   前記サンプリング周期の決定の際に前記測定部に入力される周期信号は、信号発生器によって生成される試験周期信号であることを特徴とする周期信号測定装置。
5. 周期信号のサンプリング値に対して所定の処理を施すことにより測定値を得る測定部から前記測定値を取得すると共に、前記測定値に対して加工を施すデータ加工部から加工の結果を取得し、一定の測定期間における前記測定値の振れ量と前記測定期間における前記加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように前記測定部のサンプリング周期を決定する第１のステップと、
   この第１のステップの決定に応じて前記測定部のサンプリング周期を設定する第２のステップとを含むことを特徴とする周期信号測定方法。
6. 周期信号のサンプリング値に対して所定の処理を施して測定値を得ると共に前記測定値に対して加工を施す周期信号測定装置の機能を模したモデルを用いて、前記周期信号に対する前記測定値を推定すると共に前記加工の結果を推定する第１のステップと、
   一定の測定期間における前記測定値の推定値の振れ量と前記測定期間における前記加工の効果を示す効果値とがそれぞれ対応する許容範囲内になるように前記周期信号測定装置のサンプリング周期を決定する第２のステップとを含むことを特徴とする周期信号測定装置のサンプリング周期決定方法。