JP6846180B2

JP6846180B2 - 波形記録装置

Info

Publication number: JP6846180B2
Application number: JP2016229390A
Authority: JP
Inventors: 隆弘清水
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: JP2018084557A

Description

本発明は、波形記録装置に関し、さらに詳しく言えば、測定波形データのヒストグラム対比による波形検索機能を有する波形記録装置に関するものである。

波形記録装置は、その基本的な構成として、入力部、記憶部、表示部、制御部および操作部を備え、入力部より被測定対象物から測定されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの波形データ（測定データ）として取り込み、操作部にて設定された測定項目について、制御部にて所定の処理を行い、その波形データを逐次表示部に表示しながら、所定の時間軸長ごとに１波形ファイル（１波形データ群）として記憶部に格納する。

これによれば、波形ファイル名もしくは番号を指定して、記憶部から所望とする波形データを読み出して表示部に表示することができる。しかしながら、記憶部に格納される波形ファイル数が多くなると、その中から、所望とする波形（類似波形、非類似波形、異常波形等）を読み出すことは容易でない。

そこで、特許文献１に記載された発明では、時間方向（横軸方向）と測定値方向（縦軸方向）に検索ゾーン（異常領域）を設定し、この検索ゾーン内にデータがあるかどうかで、例えば異常波形を検索するようにしている。

しかしながら、このような検索を実施するには、あらかじめ検索ゾーンを設定するのに手間がかかるばかりでなく、波形ファィル内に保存されている波形をある程度認識していないと検索精度の高い検索ゾーンを設定することができない、という問題がある。

また、特許文献２に記載された発明では、複数の波形ファィルの同じ位置（サンプリング位置）に属する波形データの平均値Ｘと、標準偏差σとを求め、各位置ごとにそれぞれＸ±Ｋ・σ（Ｋはユーザーによって設定される任意の係数）なる電圧範囲を設定し、この電圧範囲内における波形データの有無によって、同質もしくは異質の波形データを抽出（検索）するようにしている。

しかしながら、特許文献２に記載された発明にしても、各波形ファィルの位置を順次ずらし、その各位置で平均値Ｘと、標準偏差σとを算出してＸ±Ｋ・σなる電圧範囲を設定するようにしているため、その演算に負担がかかる、という問題がある。

そこで、本出願人は、特許文献３として、検索ゾーンや検索式等を含む検索条件を事前に設定することなく、測定波形同士を対比することにより、波形の異常箇所等を検索できるようにした波形記録装置を提案している。

すなわち、特許文献３に記載された発明によれば、一定の指定周期で測定波形を時系列順に複数の波形データ群に区分し、その各波形データ群ごとに、測定データ（Ａ／Ｄ変換値）からヒストグラムを作成して記憶部に保存し、波形検索時に、操作部より基準となる基本波形（元波形）の波形データ群が選択されると、その基本波形のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムと、他の波形データ群のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムとを対比して類似度（スコア）を求めるようにしたことにより、事前に検索ゾーンや検索式等を設定することなく、その類似度に基づいて、異常波形や波形変化の大きい箇所等を素早く見つけることができる。

特開２０００−２９２４４９号公報特開２００７−０５７３０３号公報特開２０１６−０５０８３０号公報

しかしながら、見た目は似たような波形であるがレベルが異なる場合、特にレベルが異なる直流の場合、類似度（スコア）が低スコアとなり、他の似つかない波形よりも類似度が悪くなり、装置に対する信頼性が損なわれかねない。

したがって、本発明の課題は、ヒストグラムによって測定波形同士を対比するにあたって、両測定波形のレベルを合わせて波形の類似判定が行えるようにした波形記録装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、被測定対象物から測定されるアナログの被測定信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの測定データとして取り込む入力部と、上記測定データを記憶する記憶部と、上記測定データによる測定波形を画面上に表示する表示部と、上記測定データを所定に処理するとともに、上記記憶部に対する上記測定データの書き込み、読み出しを制御する制御部と、上記制御部に対して波形検索指示を含む所定の指示を与える操作部とを備えている波形記録装置において、
上記制御部は、上記入力部より入力される各測定波形につき、それらのＡ／Ｄ変換された測定データからヒストグラムを作成して上記記憶部に保存し、
上記波形検索時に、上記操作部より上記記憶部に記憶されている測定波形の中から基準となる基本波形が選択されると、その基本波形のヒストグラムと、他の測定波形のヒストグラムとを対比して類似度を求め、上記類似度に基づいて所定の波形検索を行い、その結果を上記表示部に表示するにあたって、
上記制御部は、上記基本波形と上記他の測定波形との対比による上記類似度の値が実質的に「０」であるときには、上記基本波形の測定データもしくは上記他の測定波形の測定データのいずれかの上記測定データに上記操作部により設定されたオフセット値（±α）を加算しレベルをシフトして上記類似度を再度算出することを特徴としている。

上記基本波形は直流波形であり、その測定データに上記オフセット値（±α）が加算されることが好ましい。

本発明において、上記類似度は、ヒストグラム交差法に基づき、Ｈ_１を基本波形の測定データによるヒストグラム値，Ｈ_２を他の測定波形の測定データによるヒストグラム値，ｉを階調数の変数として成り立つ次式（１）

を正規化することにより求められる。

本発明によれば、基本波形のヒストグラムと、他の測定波形のヒストグラムとを対比して類似度を求め、その類似度に基づいて所定の波形検索、好ましくはヒストグラム交差法による波形検索を行い、その結果を上記表示部に表示するにあたって、基本波形の測定データもしくは他の測定波形の測定データのいずれかに操作部により設定されたオフセット値（±α）を加算するようにしたことにより、レベルは異なるが目視では似ている波形を類似度高と判定することができる。したがって、人の目の感覚に近い検索結果が得られるため、装置に対する信頼性が高められる。

本発明の実施形態に係る波形記録装置の構成を概略的に示すブロック図。（ａ）測定波形の一部分を示す波形図、（ｂ）そのＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムを示すグラフ。（ａ）本実施形態での第１基本波形（直流）を示す波形図、（ｂ）上記第１基本波形およびオフセットが加算された第２，第３基本波形の電圧レベルを表した表。（ａ）上記基本波形と対比される第１ないし第３測定波形を示す波形図、（ｂ）上記各測定波形の各電圧レベルを表した表。（ａ）上記第１基本波形のヒストグラムを示すグラフ、（ｂ）上記第２基本波形のヒストグラムを示すグラフ、（ｃ）上記第３基本波形のヒストグラムを示すグラフ、（ｄ）上記各基本波形の頻度数を表した表。（ａ）上記第１測定波形のヒストグラムを示すグラフ、（ｂ）上記第２測定波形のヒストグラムを示すグラフ、（ｃ）上記第３測定波形のヒストグラムを示すグラフ、（ｄ）上記各測定波形の頻度数を示す表。

次に、図１ないし図６を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態に係る波形記録装置１は、基本的な構成として、入力部２と、操作部３と、制御部４と、記憶部５と、表示部６とを備えている。

入力部２は、Ａ／Ｄ変換器を有し、図示しない被測定対象物からの被測定信号（アナログの電気信号）をデジタルの測定データ（波形データ）に変換して後段の制御部４に送出する。

本実施形態において、入力部２は、複数の入力チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎを有し、それら各入力チャンネルから入力される被測定信号を、図示しないマルチプレクサにより順次選択し、上記Ａ／Ｄ変換器を介してデジタルの測定データとして出力する多チャンネル入力部であるが、入力チャンネルが１つの単チャンネル入力部であってもよい。

制御部４には、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）もしくはマイクロコンピュータ等が用いられてよく、制御部４は、入力部２からの測定データを記憶部５に格納し、また、記憶部５から測定データを読み出して表示部６に送る。

本実施形態において、制御部４は、操作部３からの指示に基づいて、測定データを所定に処理して、インピーダンス，電力、実効値等を求める演算機能や判定機能の他に、測定データの圧縮機能、トリガ機能等を備えている。

記憶部５は、制御部４の動作プログラム等が格納されるＲＯＭ（リードオンリーメモリ）５ａと、測定データを逐次記憶するストレージメモリ５ｂと、所定のインターフェイスを介して接続されるＨＤＤ，ＵＳＢメモリ，ＳＤカード等の外部メモリ５ｃとを備え、操作部３からの指示により、ストレージメモリ５ｂ内の測定データが外部メモリ５ｃに保存される。

操作部３は、キーボードもしくはタッチパネル等からなり、制御部４に対して、各種の演算項目の指示やトリガ条件等の設定のほかに、後述する波形検索の指示を与える。

表示部６は、液晶表示パネル等からなる画面を備えている。画面はモノクロ表示、カラー表示のいずれであってもよいが、カラー表示であれば、各入力チャンネルの測定波形を色分けして表示することができる。

本発明において、波形記録装置１は、波形検索機能を備えている。そのため、制御部４は、まず測定データのＡ／Ｄ変換値によりヒストグラム（度数分布図）を作成する。

表示部６の画面に、図２（ａ）に示すように、正弦波の測定波形Ｗ１が表示されている場合を例にして説明すると、ヒストグラムを作成するにあたって、操作部３により、測定波形Ｗ１のヒストグラムを作成する範囲として、１周期もしくはその整数倍の周期が指定される。

入力部２のＡ／Ｄ変換器で、アナログの被測定信号が１６ビットの測定データに変換されるとした場合、測定データ１ポイントのＡ／Ｄ変換値は、０〜６５５３５のうちの一つの値を取る。

このままでは、測定データの範囲（階調数）が広すぎることから、制御部４は、１６ビットの測定データを２５６で除算して、図２（ｂ）に示すように、測定波形Ｗ１について、横軸を２５６階調，縦軸をＡ／Ｄ変換値のデータ数（頻度数）とするヒストグラムを作成する。

なお、測定データが８ビットであれば、上記のような除算を行うことなく、その生データのままヒストグラムが作成されるが、横軸の階調数は任意に選択されてよい。例えば、階調数を１２８とする場合、測定データが１６ビットであれば５１２で除算し、８ビットであれば２で除算することになる。

制御部４は、このようにして各測定波形（アナログの被測定信号をＡ／Ｄ変換した測定データによる波形）についてヒストグラムを作成し、その各々を記憶部５のストレージメモリ５ｂおよび／または外部メモリ５ｃに記憶する。

波形検索時において、操作部３より、その検索基準になる元波形となる測定波形が指定されると、制御部４は、検索基準として指定された元波形のヒストグラムと、他の測定波形（「被検索波形」ということがある。）のヒストグラムとを読み出し、次式（１Ａ）により類似度を算出する。

本実施形態では、ヒストグラム交差法が適用され、上記式（１）中、Ｈ_１は元波形のヒストグラム値，Ｈ_２は対比される被検索波形のヒストグラム値，ｉは階調数の変数で、この例においてｉ＝１〜２５６（０〜２５５）である。ｍｉｎ（Ｈ_１，Ｈ_２）は両者の各階級を比較して小さい方の値を取得する演算式を意味しており、ヒストグラム値とは、一つの階調におけるデータ数である。

なお、上記式（１Ａ）より求められた類似度を、次式（２）によって正規化することにより、１．０００以下の数値が得られ、その値が「１」に近いほど類似度が高く元波形に似た波形、「０」に近づくに連れて類似度が低く元波形とは異なる波形（異常波形、変化率が大きい箇所の波形）と判定することができる。

ヒストグラム交差法については、例えば、「M.J. Swain and D.H. Ballard : Color Indexing, International Journal of Computer Vision. vol. 7. no. 1. pp.11-32. 1991.」，「岡本一志らの共著に係る（t-normに基づいたヒストグラム交差法の提案と画像検索への応用）：日本感性工学会論文誌，Vol.10 No.1 pp. 11-21（2010）」等を参照。

次に、図３（ａ）に示す３５Ｖの直流を基本波形（第１基本波形）とし、被検索波形として図４（ａ）に示す第１ないし第３の測定波形１〜３を例にして、ヒストグラム交差法による類似度に基づく波形検索例について説明する。

この例において、基本波形には、図３（ａ）に示す直流３５Ｖの第１基本波形のほかに、図３（ｂ）の表に示されているように、第１基本波形に直流４０Ｖのオフセット電圧を加算した直流７５Ｖの第２基本波形と、第１基本波形に直流６０Ｖのオフセット電圧を加算した直流９５Ｖの第３基本波形とが用意されている。

なお、基本波形は操作部３より指定されるが、実機においては、制御部４では、この指定された基本波形に対して、例えば±２０Ｖ，±４０Ｖ，…のように、所定の区間単位でオフセット電圧を加算して多くの基本波形を作成する。

これに対して、基本波形と対比される第１の測定波形１は振幅０〜１００Ｖ，周期１ｍＳの正弦波、第２の測定波形２は７６Ｖの直流波形、第３の測定波形３は実験的に作成した波形で、図４（ｂ）の表に示されているように、０〜０．２５ｍＳにかけて電圧が徐々に上昇して０．２５ｍＳでピークの９８．１２５Ｖとなり、それ以後は、電圧が漸次低下し１ｍＳで７０Ｖとなる山型波形である。

基本波形（第１〜第３基本波形）および測定波形１〜３ともに、説明の便宜上、時間軸長１ｍＳでのデータサンプリング数を簡易的に２０としているが、データサンプリング数は操作部３により任意に設定され、実際では、より多くのサンプリング数が設定される。なお、図３，図４によると、サンプリングされたデータが２１個になっているが、この例において、時間軸０のデータは不採用としている。

制御部４は、図３（ｂ）と図４（ｂ）の各表に示されている測定データにより、基本波形（第１〜第３基本波形）および測定波形１〜３についてヒストグラムを作成する。

この例では、図３（ａ）と図４（ａ）のグラフの縦軸（レベル軸）の目盛間隔２０Ｖを１データ区間（１階調）としてヒストグラムを作成しており、２０サンプルの測定データがどのデータ区間に振り分けられるかによって頻度がきまる。なお、このヒストグラムを作成するうえでの目盛間隔は、例えば５Ｖ間隔，１０Ｖ間隔、等任意に設定されてよい。

第１ないし第３基本波形の各測定データは、図５（ｄ）のように振り分けられる。これにより、第１基本波形（直流３５Ｖ）については、図５（ａ）に示すヒストグラムが作成され、第２基本波形（直流７５Ｖ）については、図５（ｂ）に示すヒストグラムが作成され、第３基本波形（直流９５Ｖ）については、図５（ｃ）に示すヒストグラムが作成される。

また、測定波形１〜３の各測定データは、図６（ｄ）のように振り分けられる。したがって、測定波形１については、図６（ａ）に示すヒストグラムが作成され、測定波形２については、図６（ｂ）に示すヒストグラムが作成され、測定波形３については、図６（ｃ）に示すヒストグラムが作成される。

次に、制御部４は、基本波形を基準にして測定波形がどのくらい類似しているかの類似度（スコア）を計算する。

まず、図５（ａ）のオフセットがかけられていない第１基本波形と、図６（ａ）の測定波形１、図６（ｂ）の測定波形２および図６（ｃ）の測定波形３の各スコアを計算する。計算の対象となる測定データ数（頻度数）は、各ヒストグラムの４０Ｖのデータ区間に含まれている測定データ数である。

第１基本波形の４０Ｖデータ区間に含まれている測定データ数は２０で、これに対して、測定波形１の同データ区間に含まれている測定データ数は４であるからスコアは０．２（＝４／２０）、測定波形２の同データ区間に含まれている測定データ数は０であるからスコアは０（＝０／２０）、測定波形３の同データ区間に含まれている測定データ数は１であるからスコアは０．０５（＝１／２０）である。

スコアが低い順（波形が似ていない順）に左から並べると、
測定波形２の「０」、測定波形３の「０．０５」、測定波形１の「０．２」
の順となる。見た目による観測では、測定波形２は直流であるから、他の測定波形１，３よりも第１基本波形に似ているが、ヒストグラムの対比では最も似ていない非類似と判定されることになる。

そこで、制御部４は、次にオフセット電圧が加算されている第２基本波形（直流７５Ｖ）と測定波形１，２，３との各スコアを計算し、また、第３基本波形（直流９５Ｖ）と、測定波形１，２，３との各スコアを計算する。

第２基本波形との対比には、８０Ｖデータ区間に含まれている測定データ数が対象とされる。第２基本波形の同データ区間に含まれている測定データ数は２０で、これに対して、測定波形１の同データ区間に含まれている測定データ数は４であるからスコアは０．２（＝４／２０）、測定波形２の同データ区間に含まれている測定データ数は２０であるからスコアは１（＝２０／２０）、測定波形３の同データ区間に含まれている測定データ数は７であるからスコアは０．３５（＝７／２０）である。

第３基本波形との対比には、１００Ｖデータ区間に含まれている測定データ数が対象とされる。第３基本波形の同データ区間に含まれている測定データ数は２０で、これに対して、測定波形１の同データ区間に含まれている測定データ数は５であるからスコアは０．２５（＝５／２０）、測定波形２の同データ区間に含まれている測定データ数は０であるからスコアは０（＝０／２０）、測定波形３の同データ区間に含まれている測定データ数は１１であるからスコアは０．５５（＝７／２０）である。

第２基本波形および第３基本波形に対する測定波形１〜３のスコアが低い順（波形が似ていない順）に左から並べると、
測定波形１の「０．２５」、測定波形３の「０．５５」、測定波形２の「１」
の順となり、測定波形２が最もスコアがよく基本波形に似ていると判定される。

上記のように、ヒストグラム交差法によると、基本波形と測定波形は波形自体は似ているものの、その両波形にレベル差がある場合には異なる波形と判断されるが、オフセットをかけることにより、レベルは異なるが目視では似ている波形を類似度高と判定することができる。したがって、人の目の感覚に近い検索結果が得られるため、装置に対する信頼性が高められる。

上記実施形態では、基本波形に直流波形を選択しているが、基本波形として交流波形や脈流波形が選択されてもよい。また、オフセットは基本波形ではなく、被検索波形側の測定波形にかけてもよい。すなわち、測定波形のレベルをオフセット値の±α分シフトさせてもよく、このような態様も本発明に含まれる。

１波形記録装置
２入力部
３操作部
４制御部
５記憶部
６表示部

Claims

被測定対象物から測定されるアナログの被測定信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの測定データとして取り込む入力部と、上記測定データを記憶する記憶部と、上記測定データによる測定波形を画面上に表示する表示部と、上記測定データを所定に処理するとともに、上記記憶部に対する上記測定データの書き込み、読み出しを制御する制御部と、上記制御部に対して波形検索指示を含む所定の指示を与える操作部とを備えている波形記録装置において、
上記制御部は、上記入力部より入力される各測定波形につき、それらのＡ／Ｄ変換された測定データからヒストグラムを作成して上記記憶部に保存し、
上記波形検索時に、上記操作部より上記記憶部に記憶されている測定波形の中から基準となる基本波形が選択されると、その基本波形のヒストグラムと、他の測定波形のヒストグラムとを対比して類似度を求め、上記類似度に基づいて所定の波形検索を行い、その結果を上記表示部に表示するにあたって、
上記制御部は、上記基本波形と上記他の測定波形との対比による上記類似度の値が実質的に「０」であるときには、上記基本波形の測定データもしくは上記他の測定波形の測定データのいずれかの上記測定データに上記操作部により設定されたオフセット値（±α）を加算しレベルをシフトして上記類似度を再度算出することを特徴とする波形記録装置。
上記基本波形は直流波形であり、その測定データに上記オフセット値（±α）が加算されることを特徴とする請求項１に記載の波形記録装置。
上記類似度は、ヒストグラム交差法に基づき、Ｈ_１を基本波形の測定データによるヒストグラム値，Ｈ_２を他の測定波形の測定データによるヒストグラム値，ｉを階調数の変数として成り立つ次式（１）

を正規化することにより求められることを特徴とする請求項１または２に記載の波形記録装置。