JP6876412B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力した電気信号を信号処理する複数の一次回路と、一次回路によって信号処理された信号を入力して信号処理する二次回路とを備えて被測定量を測定する測定装置に関するものである。

この種の測定装置として、下記特許文献１において出願人が開示した電気計測機器が知られている。この電気計測機器は、入力端子から入力した信号を増幅する差動増幅器を有する電圧一次側回路と、電圧一次側回路から入力した信号に基づいて電力を算出する二次側回路とを備えて構成されている。この場合、入力端子と差動増幅器との間は、基礎絶縁素子（デバイス）としてのインピーダンスを介して接続されている。また、電圧一次側回路と二次側回路との間が基礎絶縁素子としてのフォトカプラを介して接続されている。つまり、この電気計測機器では、入力端子と二次側回路との間が２つの基礎絶縁素子で接続されており、この構成により、入力端子と二次側回路との間が二重絶縁されている。この場合、この種の測定装置では、安全基準を満たすために、入力端子と二次側回路との間を二重絶縁または強化絶縁することが義務付けられており、上記の電気計測機器では、上記の構成によってこの安全基準が満たされている。

特開２００７−２４８０９２号公報（第５−６頁、第１−２図）

ところが、上記の電気計測機器には、改善すべき以下の課題がある。具体的には、この電気計測機器では、入力端子と差動増幅器との間に接続されたインピーダンスを基礎絶縁素子として用いて入力端子と二次側回路との間を二重絶縁している。この場合、差動増幅器は、一般的に、高周波数帯域における周波数特性が悪く（高周波数帯域で利得が低下する）、また、ＣＭＲＲ（同相信号除去比）が低いため、測定精度の向上が困難なことがある。この場合、ＣＭＲＲについては、ＣＭＲＲ調整回路を設けてＣＭＲＲを向上させる構成も考えられるが、この構成では、回路構成が複雑化すると共に、煩雑な調整作業が発生するという課題が生じる。一方、ＣＭＲＲが高いシングルエンド増幅器を差動増幅器に代えて用いる構成が考えられる。しかしながら、この構成では、基礎絶縁素子として機能する大きなインピーダンスを入力端子と差動増幅器との間に接続することが困難なため、一次側回路と二次側回路との間に、基礎絶縁素子を追加（上記したフォトカプラに加えて）接続する必要がある。このため、この構成を採用したときにも、回路構成が複雑化するという課題が生じる。また、シングルエンド増幅器を差動増幅器に代えて用いると共に、一次側回路と二次側回路との間に、基礎絶縁素子としてのフォトカプラに代えて、強化絶縁素子を接続して、一次側回路と二次側回路との間を、二重絶縁に代えて強化絶縁する構成も考えられるが、この構成では、一次側回路を複数備えた複数チャンネル構造としたときに、各一次側回路に１つずつ強化絶縁素子を接続する必要がある。しかしながら、強化絶縁素子は基礎絶縁素子と比較して高価なため、この構成を採用したときには、製造コストが上昇するという課題が生じる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、回路構成の複雑化や製造コストの上昇を抑えつつ測定精度を向上し得る測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の測定装置は、入力した電気信号を増幅する増幅器を入力段にそれぞれ有して当該電気信号をそれぞれ信号処理する複数の一次回路と、前記電気信号についての被測定量を測定する二次回路とを備えている測定装置であって、前記各一次回路によってそれぞれ信号処理された複数の信号を複数の基礎絶縁素子をそれぞれ介して入力して多重化信号に多重化すると共に当該多重化信号を強化絶縁素子を介して前記二次回路に出力する中継回路を備え、前記増幅器は、シングルエンド増幅器で構成され、前記二次回路は、前記強化絶縁素子を介して前記中継回路から出力された前記多重化信号を前記複数の信号に分離すると共に当該分離した複数の信号を信号処理して前記電気信号についての前記被測定量を測定する。
また、請求項２記載の測定装置は、入力した電気信号を増幅する増幅器を入力段にそれぞれ有して当該電気信号をそれぞれ信号処理する第１の一次回路と、前記電気信号についての被測定量を測定する二次回路とを備えている測定装置であって、入力した電気信号を増幅する増幅器を入力段に有して当該電気信号を信号処理する第２の一次回路を有する中継回路を備え、前記中継回路は、前記第１の一次回路によって信号処理された信号を基礎絶縁素子を介して入力し、当該入力した信号と前記第２の一次回路によって信号処理された信号とを多重化信号に多重化すると共に当該多重化信号を強化絶縁素子を介して前記二次回路に出力し、前記増幅器は、シングルエンド増幅器で構成され、前記二次回路は、前記強化絶縁素子を介して前記中継回路から出力された前記多重化信号を前記複数の信号に分離すると共に当該分離した複数の信号を信号処理して前記電気信号についての前記被測定量を測定する。

また、請求項３記載の測定装置は、請求項１または２記載の測定装置において、前記強化絶縁素子は、光ファイバーを用いた光ファイバー絶縁素子で構成されている。

請求項１記載の測定装置では、各一次回路によってそれぞれ信号処理された複数の信号を二次回路に中継する中継回路を備え、各一次回路の各増幅器がシングルエンド増幅器でそれぞれ構成され、各一次回路が基礎絶縁素子を介して信号処理した信号を中継回路にそれぞれ出力し、中継回路が各一次回路からそれぞれ出力された各信号を多重化信号に多重化すると共に多重化信号を強化絶縁素子を介して二次回路に出力する。このため、この電圧測定装置によれば、周波数特性に優れ、かつＣＭＲＲが高いシングルエンド増幅器を用いることで、測定精度を十分に向上させることができると共に、各一次回路と中継回路との間を基礎絶縁素子によって基礎絶縁し、かつ中継回路と二次回路との間を１つの強化絶縁素子によって強化絶縁したことで、回路構成の複雑化や製造コストの上昇を十分小さく抑えることができる。また、この電圧測定装置によれば、各一次回路と中継回路との間にそれぞれ基礎絶縁素子を設けたことにより、各一次回路相互間における基礎絶縁を確保することができる。
また、請求項２記載の測定装置では、上記の効果に加えて、一次回路によって信号処理された信号を一次回路から二次回路に中継する機能のみを有する中継専用の中継回路が不要な分、回路構成の複雑化や製造コストの上昇をより小さく抑えることができる。

また、請求項３記載の測定装置では、光ファイバーを用いた光ファイバー絶縁素子で強化絶縁素子が構成されている。この場合、光ファイバー絶縁素子は、比較的安価でありながら、十分な強化絶縁の機能を有し、かつ周波数特性に優れている。このため、光ファイバー絶縁素子を強化絶縁素子として用いるこの電圧測定装置によれば、製造コストの上昇をより小さく抑えつつ、測定精度をさらに向上させることができる。

電圧測定装置１の構成を示す構成図である。 測定部１１の構成を示す構成図である。 一次回路２１の構成を示す構成図である。 測定部１１１の構成を示す構成図である。

以下、測定装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、図１に示す電圧測定装置１の構成について説明する。この電圧測定装置１は、測定装置の一例であって、同図に示すように、測定部１１、表示部１２、操作部１３、記憶部１４および制御部１５を備えて構成されている。また、この電圧測定装置１は、ＩＥＣ規格に規定されている絶縁性の基準に適合するように構成されている。

測定部１１は、図２に示すように、回路基板５０上に配置された複数（一例として３つ）の一次回路２１、複数（この例では、一次回路２１の数と同数の３つ）の基礎絶縁素子２２、中継回路２３、強化絶縁素子２４および二次回路２５を備え、入力端子２０から入力した電気信号（以下、「入力信号Ｓｉ」ともいう）についての電圧値（被測定量の一例）を測定行可能に構成されている。この場合、この測定部１１では、複数チャンネル（この例では、各一次回路２１に対応する３つのチャンネル）でそれぞれ入力した各入力信号Ｓｉについての電圧値を測定可能に構成されている。

一次回路２１は、図３に示すように、入力段（測定部１１の入力段でもある）に配設されたシングルエンド増幅器３１（入力段の増幅器）、抵抗３２およびＡＤ変換器３３を備えて構成されている。シングルエンド増幅器３１は、入力端子２０および抵抗３２を介して入力した入力信号Ｓｉ（シングルエンド信号）を増幅する。ＡＤ変換器３３は、シングルエンド増幅器３１によって増幅された入力信号ＳｉをＡＤ変換（アナログ−デジタル変換）して出力する。なお、ＡＤ変換器３３から出力された信号が「一次回路２１によって信号処理された電気信号」に相当し、以下「信号Ｓ１」ともいう。また、各一次回路２１は、図２に示すように、基礎絶縁素子２２を介して基礎絶縁された状態で中継回路２３にそれぞれ接続されている。

基礎絶縁素子２２は、一例として、フォトダイオードおよびフォトトランジスタ（いずれも図示せず）を有するフォトカプラで構成されている。この基礎絶縁素子２２は、入力側（フォトダイオード）が一次回路２１のＡＤ変換器３３に接続されると共に、出力側（フォトトランジスタ）が中継回路２３に接続されて、ＡＤ変換器３３から出力された信号Ｓ１を基礎絶縁した状態で中継回路２３に出力する。

中継回路２３は、図２に示すように、多重化回路３４を備えて構成され、各一次回路２１の各ＡＤ変換器３３からそれぞれ出力された複数（この例では、３つ）の信号Ｓ１を二次回路２５に中継（伝送）する機能を有している。具体的には、中継回路２３は、各基礎絶縁素子２２を介して基礎絶縁された状態で各一次回路２１に接続されて、各基礎絶縁素子２２を介してそれぞれ入力した各信号Ｓ１を多重化回路３４によって多重化する（以下、多重化した信号を「多重化信号Ｓ２」ともいう）。また、中継回路２３は、後述する強化絶縁素子２４を介して強化絶縁された状態で二次回路２５に接続されて、強化絶縁素子２４を介して多重化信号Ｓ２を二次回路２５に伝送する。

強化絶縁素子２４は、ＩＥＣ規格で規定されている強化絶縁の機能を有して電気信号を伝送可能な素子であって、一例として、光ファイバーを用いた光ファイバー絶縁素子で構成されている。この強化絶縁素子２４は、図２に示すように、入力側が中継回路２３に接続されると共に、出力側が二次回路２５に接続されて、多重化回路３４によって多重化された多重化信号Ｓ２を入力して、強化絶縁した状態で多重化信号Ｓ２を二次回路２５に伝送する。

二次回路２５は、図２に示すように、一次回路２１から出力されて中継回路２３によって中継され、その際に強化絶縁素子２４によって強化絶縁された信号Ｓ１（信号Ｓ１を多重化した多重化信号Ｓ２）を入力して信号処理し、入力信号Ｓｉについての被測定量としての電圧値（例えば、電圧の実効値）を示す測定値データＤｍを出力端子４０に出力する。具体的には、二次回路２５は、多重化信号Ｓ２を多重化前の信号Ｓ１に分離（逆多重化）する多重分離回路３５と、分離した各信号Ｓ１に基づいて各入力信号Ｓｉについての電圧値（電圧の実効値）を示す測定値データＤｍを生成して出力する処理（信号処理）を行う演算回路３６とを備えて構成されている。なお、多重分離回路３５を独立した回路として備えることなく、多重分離回路３５および演算回路３６を１つの回路で構成することもできる。

ここで、この電圧測定装置１では、上記したように、各一次回路２１が、基礎絶縁素子２２を介して基礎絶縁された状態で中継回路２３にそれぞれ接続されている（図２参照）。このため、各一次回路２１が、基礎絶縁素子２２によって互いに基礎絶縁されている。また、この電圧測定装置１では、中継回路２３が、強化絶縁素子２４を介して強化絶縁された状態で二次回路２５に接続されている（同図参照）。したがって、この電圧測定装置１では、各入力端子２０と二次回路２５との間が、１つの基礎絶縁素子２２によってそれぞれ基礎絶縁されると共に１つの強化絶縁素子２４によって強化絶縁されている。

この場合、入力端子２０との二次回路２５との間を二重絶縁するために、入力端子２０と差動増幅器との間のインピーダンスを基礎絶縁素子として用いる従来の構成では、一般的に、高周波数帯域における周波数特性が悪く、またＣＭＲＲが低い差動増幅器を用いることに起因して、測定精度の向上が困難となっている。これに対して、この電圧測定装置１では、周波数特性に優れ、かつＣＭＲＲが高いシングルエンド増幅器３１を用いているため、測定精度を十分に向上させることが可能となっている。また、シングルエンド増幅器３１を用いることで、各入力端子２０と各シングルエンド増幅器３１との間のインピーダンスを基礎絶縁素子として機能させることができないことの代替えとして、各一次回路２１と中継回路２３との間を１つの基礎絶縁素子２２によってそれぞれ基礎絶縁すると共に中継回路２３と二次回路２５との間を１つの強化絶縁素子２４によって強化絶縁したことで、絶縁素子の数を減らして回路構成の複雑化や製造コストの上昇を抑えることが可能となっている。

表示部１２は、制御部１５の制御に従い、測定部１１によって測定された電圧値を示す画像等の各種の画像を表示する。操作部１３は、電源スイッチや測定開始スイッチ等を備えて構成され、これらが操作されたときに操作信号を出力する。記憶部１４は、制御部１５の制御に従い、測定部１１の二次回路２５から出力された測定値データＤｍを記憶する。制御部１５は、操作部１３から出力された操作信号に従って電圧測定装置１を構成する各部を制御する。

次に、電圧測定装置１を用いて電圧値を測定する際の電圧測定装置１の動作について、図面を参照して説明する。

例えば、３つの入力信号Ｓｉについての電圧値を同時に測定する際には、信号入力用ケーブル（図示せず）を電圧測定装置１の測定部１１における各チャンネル（３つの一次回路２１に対応する３つのチャンネル）の各入力端子２０にそれぞれ接続する。

次いで、操作部１３の測定開始スイッチを操作する。続いて、制御部１５が、操作部１３から出力された操作信号に従って各部の制御を開始し、各部がそれぞれ処理を実行する。

具体的には、測定部１１における各一次回路２１では、シングルエンド増幅器３１が、入力端子２０および抵抗３２を介して入力した入力信号Ｓｉを増幅する。また、ＡＤ変換器３３が、シングルエンド増幅器３１によって増幅された入力信号ＳｉをＡＤ変換して、信号Ｓ１を出力する。この場合、シングルエンド増幅器３１による入力信号Ｓｉの増幅処理、およびＡＤ変換器３３による信号Ｓ１へのＡＤ変換処理が信号処理に相当する。

次いで、図２に示すように、各一次回路２１に接続されている各基礎絶縁素子２２が、各ＡＤ変換器３３からそれぞれ出力された各信号Ｓ１を入力して、基礎絶縁した状態で中継回路２３にそれぞれ伝送する。続いて、中継回路２３の多重化回路３４が、各基礎絶縁素子２２を介してそれぞれ伝送された各信号Ｓ１を多重化して多重化信号Ｓ２を出力し（各信号Ｓ１の中継）、中継回路２３に接続されている強化絶縁素子２４が、多重化信号Ｓ２を強化絶縁した状態で二次回路２５に伝送する。

次いで、図２に示すように、二次回路２５が、強化絶縁素子２４によって多重化された状態で中継回路２３から中継（伝送）された多重化信号Ｓ２を入力する。続いて、二次回路２５では、多重分離回路３５が多重化信号Ｓ２を多重化前の各信号Ｓ１に分離し、演算回路３６が分離された各信号Ｓ１に基づいて各入力信号Ｓｉについての電圧値（電圧の実効値）を演算して電圧値を示す測定値データＤｍを出力端子４０に出力する。この場合、演算回路３６による電圧値の演算処理および測定値データＤｍの出力処理が信号処理に相当する。

続いて、制御部１５が、測定部１１の出力端子４０から出力された測定値データＤｍを記憶部１４に記憶させると共に、測定値データＤｍによって特定される電圧値（測定値）を示す画像を表示部１２に表示させる。以上により測定が終了する。この場合、この電圧測定装置１では、測定部１１において、各入力端子２０と二次回路２５との間が強化絶縁されて、ＩＥＣ規格に適合する絶縁性を有しているため、例えば、使用者が出力端子４０に接触したときの感電の防止等の安全性が確保されている。

このように、この電圧測定装置１では、複数の信号Ｓ１を二次回路２５に中継する中継回路２３を備え、各一次回路２１の各増幅器がシングルエンド増幅器３１でそれぞれ構成され、各一次回路２１が基礎絶縁素子２２を介して信号Ｓ１を中継回路２３にそれぞれ出力し、中継回路２３が各信号Ｓ１を多重化信号Ｓ２に多重化すると共に多重化信号Ｓ２を強化絶縁素子２４を介して二次回路２５に出力する。このため、この電圧測定装置１によれば、周波数特性に優れ、かつＣＭＲＲが高いシングルエンド増幅器３１を用いることで、測定精度を十分に向上させることができると共に、各一次回路２１と中継回路２３との間を基礎絶縁素子２２によって基礎絶縁し、かつ中継回路２３と二次回路２５との間を１つの強化絶縁素子２４によって強化絶縁したことで、回路構成の複雑化や製造コストの上昇を十分小さく抑えることができる。また、この電圧測定装置１によれば、各一次回路２１と中継回路２３との間にそれぞれ基礎絶縁素子２２を設けたことにより、各一次回路２１相互間における基礎絶縁を確保することができる。

また、この電圧測定装置１では、光ファイバーを用いた光ファイバー絶縁素子で強化絶縁素子２４が構成されている。この場合、光ファイバー絶縁素子は、比較的安価でありながら、十分な強化絶縁の機能を有し、かつ周波数特性に優れている。このため、光ファイバー絶縁素子を強化絶縁素子２４として用いるこの電圧測定装置１によれば、製造コストの上昇をより小さく抑えつつ、測定精度をさらに向上させることができる。

なお、測定装置の構成は、上記の構成に限定されない。例えば、３つの一次回路２１を備えた構成に適用する例について上記したが、２つまたは４つ以上の任意の数の一次回路２１を備えた構成に適用することもでき、この構成においても、上記した各効果を実現することができる。

また、上記した測定部１１に代えて、図４に示す測定部１１１を備えた電圧測定装置１０１を採用することもできる。なお、以下の説明において、上記した電圧測定装置１と同様の構成要素については、同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

この電圧測定装置１０１では、図４に示すように、回路基板５０上に配置された複数（例えば２つ）の一次回路２１（第１の一次回路）、複数（一次回路２１の数と同数の２つ）の基礎絶縁素子２２、中継回路１２３、強化絶縁素子２４および二次回路２５を備えて構成されている。この場合、中継回路１２３は、上記した中継回路２３と同様にして、各一次回路２１から出力された信号Ｓ１を二次回路２５に中継する機能を有し、基礎絶縁素子２２を介して入力した信号Ｓ１を強化絶縁素子２４を介して二次回路２５に伝送する。また、中継回路１２３は、上記した一次回路２１と同様にして、シングルエンド増幅器３１、抵抗３２およびＡＤ変換器３３を備えて、一次回路２１（第２の一次回路）として機能するように構成され、自ら出力した信号Ｓ１を強化絶縁素子２４を介して二次回路２５に伝送する。つまり、この測定部１１１では、３つのチャンネル（２つの一次回路２１に対応する２つのチャンネル、および一次回路２１として機能する中継回路１２３に対応する１つのチャンネル）で入力した各入力信号Ｓｉについての電圧値を測定することが可能となっている。

この電圧測定装置１０１においても、周波数特性に優れ、かつＣＭＲＲが高いシングルエンド増幅器３１を用いることで、測定精度を十分に向上させることができると共に、各一次回路２１と中継回路１２３との間を１つの基礎絶縁素子２２によってそれぞれ基礎絶縁し、かつ中継回路１２３と二次回路２５との間を１つの強化絶縁素子２４によって強化絶縁したことで、回路構成の複雑化や製造コストの上昇を十分小さく抑えることができる。また、この電圧測定装置１０１においても、電圧測定装置１と同様にして、各一次回路２１と中継回路１２３（一次回路２１でもある）との間にそれぞれ基礎絶縁素子２２を設けたことにより、各一次回路２１相互間における基礎絶縁を確保することができる。

また、この電圧測定装置１０１によれば、シングルエンド増幅器３１を有して一次回路２１として機能するように中継回路１２３を構成したことにより、信号Ｓ１を一次回路２１から二次回路２５に中継する機能のみを有する中継専用の中継回路２３が不要な分、回路構成の複雑化や製造コストの上昇をより小さく抑えることができる。

また、フォトカプラを基礎絶縁素子２２として用いる例について上記したが、トランス等の絶縁素子を基礎絶縁素子２２として用いることもできる。また、光ファイバー絶縁素子を強化絶縁素子２４として用いる例について上記したが、磁気結合方式の強化絶縁素子や、容量結合方式の強化絶縁素子を強化絶縁素子２４として用いることもできる。

また、被測定量としての電圧を測定する電圧測定装置１に適用した例について上記したが、被測定量としての電流値を測定する電流測定装置や、電圧値および電流値を測定し、電圧値と電流値とに基づいて被測定量としての電力を測定する電力測定装置などを含む各種の測定装置に適用することもできる。

１，１０１ 電圧測定装置
２１ 一次回路
２２ 基礎絶縁素子
２３，１２３ 中継回路
２４ 強化絶縁素子
２５ 二次回路
３１ シングルエンド増幅器
３４ 多重化回路
Ｄｍ 測定値データ
Ｓｉ 入力信号
Ｓ１ 信号
Ｓ２ 多重化信号

Claims (3)

1. 入力した電気信号を増幅する増幅器を入力段にそれぞれ有して当該電気信号をそれぞれ信号処理する複数の一次回路と、前記電気信号についての被測定量を測定する二次回路とを備えている測定装置であって、
   前記各一次回路によってそれぞれ信号処理された複数の信号を複数の基礎絶縁素子をそれぞれ介して入力して多重化信号に多重化すると共に当該多重化信号を強化絶縁素子を介して前記二次回路に出力する中継回路を備え、
   前記増幅器は、シングルエンド増幅器で構成され、
   前記二次回路は、前記強化絶縁素子を介して前記中継回路から出力された前記多重化信号を前記複数の信号に分離すると共に当該分離した複数の信号を信号処理して前記電気信号についての前記被測定量を測定する測定装置。
2. 入力した電気信号を増幅する増幅器を入力段にそれぞれ有して当該電気信号をそれぞれ信号処理する第１の一次回路と、前記電気信号についての被測定量を測定する二次回路とを備えている測定装置であって、
   入力した電気信号を増幅する増幅器を入力段に有して当該電気信号を信号処理する第２の一次回路を有する中継回路を備え、
   前記中継回路は、前記第１の一次回路によって信号処理された信号を基礎絶縁素子を介して入力し、当該入力した信号と前記第２の一次回路によって信号処理された信号とを多重化信号に多重化すると共に当該多重化信号を強化絶縁素子を介して前記二次回路に出力し、
   前記増幅器は、シングルエンド増幅器で構成され、
   前記二次回路は、前記強化絶縁素子を介して前記中継回路から出力された前記多重化信号を前記複数の信号に分離すると共に当該分離した複数の信号を信号処理して前記電気信号についての前記被測定量を測定する測定装置。
3. 前記強化絶縁素子は、光ファイバーを用いた光ファイバー絶縁素子で構成されている請求項１または２記載の測定装置。

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