JP7070969B2 - マルチチャネルシステムのためのクロストーク較正 - Google Patents

Description

信号の複数のチャネルが存在する場合のアナログ又はミックスドシグナルシステムにおいて、チャネル間のクロストークは、信号精度に著しく影響し得る。そのようなミックスドシグナルシステムの一例は電力メータリング回路であり、これは、電力を演算するために電圧及び電流を測定するためアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を用い得る。電圧及び電流信号経路間のクロストークは、電力演算の精度に著しく影響を与える。問題は、シングルエンドＡＤＣを用いるシステムにおいてさらに一層明らかとなる。これは、このようなシステムは、複数のチャネル（例えば、電圧及び電流）により共有されるリターン接地経路を含むためである。共通リターンは、システムにクロストークの影響をより受け易くする。

記載される例において、電気メーターなどのシステムが、クロストークの影響を受け易いシングルエンドアナログ・デジタルコンバータを含む。クロストークの影響を較正及び相殺するため、システムは、電圧誘導クロストークが電圧に対して同相であるか又は位相がずれているかを判定する。システムは、最小及び最大の測定された電流値及び電圧に基づいて、第１の較正係数を判定する。クロストークが同相である場合、システムは、第２の較正係数を０に設定する。クロストークがずれた位相である場合、システムは、力率角が９０度に設定されるとき測定された電流に基づいて、第２の較正係数を演算する。較正係数は、マルチチャネルシステムにストアされ得る。使用の際、システムは、電流及び電圧を測定し、較正係数を用いるクロストーク相殺手法を用いることにより、測定された電流及び電圧に基づいて、実際の電流、電圧及び電力を演算する。

種々の例に従った電気メーター回路を示す。

種々の例に従った図１の電気メーターの等価の回路図を図示する。

種々の例に従った同相クロストークを図示するフェーザ図である。

種々の例に従ったずれた位相クロストークを図示するフェーザ図である。

種々の例に従った較正プロセスを実施するためテストシステムに結合される電気メーターを示す。

種々の例に従った電気メーターを較正するための方法である。

種々の例に従った較正プロセスの間判定される較正係数に基づいて、測定された電流を補償するための分野において、電気メーターによって実施される方法である。

図１の電気メーターにおいて利用し得る電圧感知回路の一例である。

図１の電気メーターにおいて利用し得る電流感知回路の一例である。

この記載において、「結合する（couple）」という用語は、間接的又は直接的な有線又はワイヤレスの接続を意味する。例えば、第１のデバイスが第２のデバイスに結合する場合、この接続は、直接接続を介するもの、又は、他のデバイス及び接続を介する間接的接続を介するものであり得る。

上述したように、マルチチャネルシステムにおけるチャネル間のクロストークは、特に、シングルエンドＡＤＣを用いるシステムにおいて、信号測定精度に悪影響を及ぼし得る。本明細書に記載される実施例は、この問題に対処する較正手法を提供し、それにより、シングルエンドＡＤＣを、データ取得のための低コストの解決策に用いることを可能にし得る。そのような一実施例の例が、電気メーターの文脈でこれ以降に記載されているが、この原理は、他のタイプのマルチチャネルシステムに適用し得る。

図１は、種々の実施例に従った電気メーター１００のブロック図を示す。例示のメーター１００が、電圧及び電流を２つの入力信号で受け取る。回路１００は、電圧センサ１０２、電流センサ１０４、電圧増幅器１０６、電流増幅器１０８、及びＡＤＣ１１０を含む。電気メーター１００は、マルチチャネルのシングルエンドＡＤＣ１１０を用い、これは、リターン接地経路１１１が電圧及び電流チャネル間で共有されることを意味する。電圧増幅器１０６から見られるように、ＡＤＣ１１０は、Ｚｖとして示される入力インピーダンスを有する。同様に、電流増幅器１０８から見られるように、ＡＤＣ１１０は、Ｚｉとして示される入力インピーダンスを有する。

電圧及び電流経路の各々の利得は、構成要素変動などの要因のため、その名目値とは異なり得る。このような変動は利得誤差を生じさせ得る。利得誤差を補償するために、一つの固定利得較正が概して充分であり得る。各経路はまた、センサ１０２、１０４からそれぞれのＡＤＣ入力までの或る量の位相遅延を導入し得、位相誤差を生じさせ得る。位相誤差は、参照信号を用いて較正され得る。較正された利得及び位相遅延は静的（定数）であり、利得及び位相誤差を補償するために通常オペレーションの間にデジタル処理において用いられる。高精度ＡＤＣ（差動ＡＤＣなど）が用いられる従来の電気メーターでは、信号間のクロストークは、概して、注意深いボードレイアウトを介して最小に制御され得、静的利得及び位相較正は、概して、電力測定精度を確実にするために充分である。

しかし、低コストのシングルエンドＡＤＣが所望とされる電気メーター応用例では、複数の信号の共通リターン経路のため、著しいクロストークはなくならない。上述した利得及び位相較正手法は、回路にクロストークが存在するとき、下記理由のため、充分ではない。第１に、クロストークは負荷と共に変化する。第２に、クロストークの影響は、電圧及び電流間の位相角度（即ち、力率角）にも依存する。負荷及び力率に応じてクロストークが変化するので、クロストークが導入する誤差は、従来の静的利得及び位相較正によっては補正され得ない。

図２は、図１の電気メーター１００の回路概略モデルを図示する。上述したように、電気メーターは共通接地アーキテクチャを用いる。小さくなりがちとはいえ、共通の接地経路は、図２においてＺ_ＧＮＤとして示されるインピーダンスを有する。電圧Ｖ及び電流Ｉは、それぞれ、電圧及び電流増幅器１０６、１０８からの電圧及び電流信号出力を表す。図２の概略は、電圧信号がＺ_ＧＮＤを介して電流信号上に結合され得、及びその逆もあることを図示する。注意深く設計されたボードレイアウトでも、インピーダンスが常に共通リターン経路にあり得る。低周波数では、接地インピーダンスＺ_ＧＮＤは、純粋な抵抗性負荷のように振る舞いがちである。

図３は、電流に対する電圧のクロストークの影響を図示するフェーザ図である。図３は、電圧及び電流ベクトルＶ及びＩ（実線で図示される）を示す。ベクトル間の角度（θ１）は、電圧及び電流間の位相差を表し、力率角とも称され得る。αＶとして示されるベクトルは、電流に対する電圧からのクロストークを表す。クロストークは、電圧Ｖに対して同相又はずれた位相であり得る。図３は、同相クロストークを図示し、図４（後述する）は、ずれた位相クロストークを図示する。

図３を引き続き参照すると、クロストーク係数αは正であってもよく負であってもよく、そのため、同相クロストークαＶは、０度又は１８０度の電圧Ｖに対して位相角度を有し得る。図３はαが負である例を示す。ずれた位相クロストーク（図４）は、αＶが電圧Ｖに対して０又は１８０度以外の角度であることを意味する。Ｚ_ＧＮＤが概して小さいため、クロストークの量は、電流Ｉの量よりずっと小さくなりやすく、即ち、αＶ＜＜Ｉである。Ｚ_ＧＮＤはまた、電気メーター１００の構成要素を含むボードがつくられるとき固定され、これは、αが一定であることを意味する。電気メーターの応用例において、電力線電圧は通常変わらないので、電圧Ｖは同じままとなりがちである。αＶの影響に起因して、ＡＤＣ１１０において検出される電流はＩとは異なる。図３において、ＡＤＣ測定された電流はＩｍと示される。従って、電流センサ１０４は電流Ｉを生成するが、ＡＤＣ１１０は、電圧信号経路により生成されるクロストークαＶから生じる電流Ｉｍをデジタル化する。また、本明細書に記載される実施例は、Ｉｍの測定からＩのメーターによる計算を可能にするように、電気メーターを較正するための手法を提供する。

クロストークは、ＩｍＶが既知である場合にＩを回復するためＩｍからαＶを減じることにより、容易に相殺又は補償され得る。後述する手法の目的は、クロストーク係数αを演算することである。Ｖ及びＩ間の力率角θ１は、所望のように変えられ得る。例えば、幾つかの実施例において、（及び図５について後述するように）、電気メーター１００は、電気メーターに提供される電圧及び電流の量、及び力率角を制御し得るテストシステムに接続され得る。力率角が変化するにつれて、電流Ｉに対するαＶの角度も変わる。

図３に示すように、Ｉｍは、ポイントＰ２（力率角が０度となるポイント）で最小であり、ポイントＰ１（力率角が１８０度となるポイント）で最大である。そのため、最大及び最小ＲＭＳ電流Ｉｍは、力率角を（テストシステムを用いて）スウィープすることにより見つかる。Ｉｍの最小及び最大値が０及び１８０度の力率角と一致する場合、同相クロストークが存在する。Ｉｍの最小及び最大値が０及び１８０度の力率角と一致しない場合、ずれた位相クロストークが存在する。αの値は、
α＝（Ｉｍ（Ｐ１）－Ｉｍ（Ｐ２））／２Ｖ （１）
として演算され得、ここで、Ｉｍ（Ｐ１）は、力率角がスウィープされるときにＡＤＣ１１０により記録された最小ＲＭＳ電流測定であり、Ｉｍ（Ｐ２）は、ＡＤＣにより記録された最大ＲＭＳ電流測定であり、Ｖは、テストシステムにより設定される電圧の大きさである。従って、テストシステムは、Ｖ及びＩを設定し、その後、力率を（例えば、０から３６０度まで）スウィープする一方で、電流（Ｉｍ）の測定値を電気メーターのＡＤＣから受け取る。テストシステムは、最小及び最大Ｉｍ値を検出し、差を演算し、差を電圧Ｖの２倍で除算する。同相及びずれた位相両方のクロストークに対して、クロストーク係数αを得るために同じアプローチが用いられる。

電流に対する電圧のクロストークが純粋に同相であった場合、αの演算は、電気メーター１００をフルに較正し、クロストークの影響を相殺するために充分な較正係数であり得る。同相クロストークの場合、電気メーター１００は、電圧（Ｖ）及び電流（Ｉｍ）を測定し、
Ｉ＝Ｉｍ＋αＶ （２）
として、クロストークの影響なしに電流を演算する。

しかし、電流に対する電圧のクロストークが、電圧Ｖに対してずれた位相である場合、幾つかの実施例に従って付加的な較正係数が計算される。図４は、結合されたインピーダンスＺ_ＧＮＤが純粋に抵抗性ではないというシナリオを図示する。示されるように、αＶベクトル（実線）は、Ｖ（実線）と整合されず、Ｖに対してθ２の位相差を有する。位相差θ２は、電流に対する電圧のクロストークのずれた位相にも関わらず、電気メーターを較正するために（較正係数αに加えて）用いることができる第２の較正係数である。較正係数θ２は、力率角（Ｖ及びＩ間）を９０度に設定し、結果の電流の大きさを測定することによって、演算され得る。電流の大きさは、図４にＩｍ２として示され、示されるようにポイントＰ４と一致する。θ２の値は、
θ２＝（Ｉｍ２－Ｉ）／αＶ （３）
として演算される。

較正係数α及びθ２両方がある場合、電気メーターは、測定された電流Ｉｍを下記のように補償し得る。
Ｉ＝Ｉｍ＋αＶe^θ２ （４）

幾つかの実施例において、数式（４）は、クロストークが電圧Ｖに対して同相であるか又は位相がずれているかに関わらず、測定された電流を補償するために用いられる。クロストークが同相である場合、θ２は０となる。その結果、電流補償の数式（４）は数式（２）に還元する。クロストークが異なる位相である場合、テストシステムは、上述したようにθ２を演算し、この場合も数式（４）を用いる。

図５は、較正係数判定プロセスの間、テストシステム２００に結合される電気メーター１００を図示する。プロセスは、電気メーターの製造時に又はその後であるが、好ましくは、メーターが電圧及び電流測定値を得るために用いられる前に、実施され得る。後述するプロセスは、メーターの寿命の間に、一度のみ又は複数回実施され得る。

テストシステム２００は、電圧及び電流制御２０８を含み、これは、プロセッサ２０２により要求される大きさで、及び、同様にプロセッサ２０２により要求される力率角で、電圧及び電流を生成し得る電圧及び電流生成器を含む。力率は、テストシステム２００により特定の値（例えば、９０度）に設定され得、又は或る範囲の値（例えば、０～３６０度）を介してスウィープされ得る。テストシステム２００は、コンピュータ、カスタムスタンドアロンテストデバイス、又は任意の他のタイプの電子的システムとして実装され得る。概して、テストシステム２００は、電気メーター１００を較正するために用いられる、高精度電圧及び電流源信号を生成する。

電気メーターは、電圧及び電流センサ１０２及び１０４、増幅器１０６及び１０８、ＡＤＣ１１０、プロセッサ１２０、較正係数ストレージ１２２、及びトランスミッタ１２４を含む。ＡＤＣ１１０は、プロセッサ１２０の構成要素であり得、又は、プロセッサ１２０とは独立し得る。プロセッサ１２０は、較正コード１２５及びメーターコード１２７を含む。較正コード１２５は、本明細書に記載される較正を実施するためプロセッサ１２０により実行され得る機械命令を含み、メーターコードは、メーターのユーザーにより電力消費を測定するためランタイムの間メーターを動作させるためプロセッサ１２０により実行され得る機械命令を含む。電気メーター２００の電力演算結果は、トランスミッタ１２４を介してテストシステム２００に送信され得る。テストシステム２００は、電気メーターの電力演算の精度を検証及び報告し得る。演算された較正係数（例えば、θ２及びα）は、較正コード１２５の実行の間、プロセッサ１２０により演算され、メーターコード１２７の実行による実行時間の間の後続の使用のため、較正係数ストレージ１２２にストアされる。

ＡＤＣ１１０のデジタル出力は、プロセッサ１２０に提供され得、プロセッサ１２０は、演算されたα及びθ２較正係数をストアするため較正係数ストレージ１２２にアクセスできる。プロセッサ１２０は、複数のオペレーションを実施する。例えば、プロセッサ１２０は、較正時間の間、較正係数（１２２）を得るために較正コード（１２５）を実行し、（２）通常メーターオペレーションの間、Ｖ、Ｉ、電力を演算する。

図５の実施例において、較正コード１２５は、メーターを較正するため電気メーター内で実行する。他の実施例において、較正コードは、中に含まれるプロセッサ上で、テストシステム２００内で実行する。この後者の実施例において、テストシステムは、デジタル化された電流及び電圧測定値を電気メーターから受け取り、較正係数を演算し、この較正を、メーターにおける較正係数ストレージ１２２にプログラムする。

図６は、種々の実施例に従ったテストシステム２００及びプロセッサ１２０によって実施される較正プロセスのフローチャートを図示する。オペレーションは、示される順で、又は異なる順で実施され得る。また、オペレーションの二つ又はそれ以上が、順次実施される代わりに、同時に実施され得る。

３００で、テストシステム２００は、電圧及び電流制御２０８などを介して、電流（Ｉ）及び電圧（Ｖ）を設定する。Ｉ及びＶの大きさは、この分野における電気メーターにより見られる典型的な値を示し得るが、概して、任意の所望の値であり得る。

３０２で、この方法は、力率角をスウィープすること、最小及び最大電流測定値を記録することを含む。テストシステム２００は、力率角を第１の角度（例えば、０度）から第２の角度（例えば、３６０度）までスウィープするため電圧及び電流制御２０８に信号をアサートし得る一方、プロセッサ１２０は、メーターのＡＤＣ１１０からのデジタル化された電流読み出し値に基づいて電流を演算する。プロセッサ１２０は、力率角スウィープの間、ＡＤＣ１１０から受信した最小及び最大電流測定値を判定する。

３０４で、較正プロセスは更に、最小及び最大電流測定値が０及び１８０度の力率角と一致されるか否かを判定することを含む。最小及び最大電流測定値が０及び１８０度の力率角と一致する場合、クロストークが同相であると判定される。プロセッサ２０２は、クロストークが同相である又はずれた位相であるかを示すため、フラグ又は変数を設定し得る。

３０６で、較正係数αの値が演算される。αの値は、上記数式（１）のとおり、２×Ｖで除算された、最大電流測定値及び最小電流測定値間の差として演算され得る。３０８でクロストークが同相であると判定される場合、３１０で、θ２較正係数の値は０に設定される。そうではなく、クロストークが、ずれた位相であると判定される場合、３１２で、テストシステム２００は、電圧及び電流間の力率角を９０度に設定する。その後、３１４で、この方法は、電流を測定することを含み、これは、ＡＤＣ１１０から出力デジタル電流値をリトリーブすることにより実施され得る。その後、３１６で、この方法は、上記数式（３）に従って較正係数θ２を演算する。

３１８で、プロセッサ１２０は、較正係数α及びθ２を、メーターの較正係数ストレージ１２２になど、電気メーター１００に書き込む。その後、電気メーターは、フィールド（例えば、住居又は企業）にインストールされ得る。

図７は、較正係数でプログラムされた後の電気メーター１００のオペレーションの方法の一例を図示する。オペレーションは、メーターにおけるプロセッサ１２０により実施され得、示される順で、又は異なる順で実施され得る。二つ又はそれ以上のオペレーションが、順次実施される代わりに、同時に実施され得る。

３５０及び３５２で、メーターは、それぞれの電圧（Ｖ）及び電流（Ｉｍ）測定値をとる。メーターは、そうするように事前プログラムされ得、又は、測定値をとるようコマンドを受信し得る。

３５４で、メーターは、上記数式（４）に従って較正係数α及びθ２に基づいて電流（Ｉｍ）の測定値を補償する。また、メーターは、３５６で、電流（Ｉ）の補償された値と電圧（Ｖ）の測定値とに基づいて電力を演算し得、トランスミッタ１２４を介してエネルギー利用（例えば、計算された電力）のデータを送信し得る。

電圧及び電流センサ１０２、１０４は、任意の適切なセンサ回路を用いて実装され得る。例えば、図８は、電圧センサ１０２の一実施例を図示する。センサは、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５、コンデンサＣ１、Ｃ２、及びＣ３、及び演算増幅器ＯＰ１を含む。図８の例における電圧センサは、抵抗器Ｒ４を介する負のフィードバックを備える差動増幅器回路として構成される。図９は、電流センサ１０４の一実施例を図示する。図９の例における電圧センサは、直列に接続される２つの利得段３７０、３７５を有する。

力率角（例えば、０度、１８０度、３６０度）などの数値に対する参照はすべて、近似の数値を指す。そのため、９０度に対する参照は、約９０度を意味する。幾つかの実施例において、「近似」は、＋／－５％を意味し得る。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (18)

1. 電気メーターを較正する方法であって、
   電圧及び電流制御の電流生成器により前記電気メーターのための電流（Ｉ）を生成することと、
   前記電圧及び電流制御の電圧生成器により前記電気メーターのための電圧（Ｖ）を生成することと、
   前記電気メーターの電流センサにより最小電流値と最大電流値とを測定する間に、前記電圧と前記電流との間の力率角をスウィープすることと、
   １つまたは複数のプロセッサを用いて、２×Ｖで除算される前記最小電流値と最大電流値との間の差としての第１の較正係数を演算することと、
   電圧誘導クロストークが前記電圧と同相であるときに、前記１つ又は複数のプロセッサを用いて第２の較正係数を０に設定することと、
   前記電圧誘導クロストークが前記電圧と位相がずれているときに、前記１つ又は複数のプロセッサを用いて、前記力率角が９０度に設定されるときに測定される電流値に基づいて前記第２の較正係数を演算することと、
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電圧誘導クロストークが前記電圧と同相であるか又は位相がずれているかを判定することを更に含む、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記電圧誘導クロストークが前記電圧と同相であるか又は位相がずれているかを判定することが、前記最小電流値と前記最大電流値とが０度と１８０度との力率角で生じるか否かを判定することを含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電圧誘導クロストークが前記電圧と位相がずれているときに、
   前記力率角を９０度に設定し、
   前記電流値（Ｉｍ）を測定し、
   Ｉｍと前記第１の較正係数とに基づいて前記第２の較正係数を演算する、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電圧誘導クロストークが前記電圧と位相がずれているときに、
   前記力率角を９０度に設定し、
   前記電流値（Ｉｍ）を測定し、
   前記第２の較正係数を（Ｉｍ－Ｉ）／（第１の較正係数×Ｖ）として演算する、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１及び第２の較正係数を前記電気メーターにおけるストレージにロードすることを更に含む、方法。
7. 装置であって、
   電圧及び電流制御であって、電気メーターのための電流（Ｉ）を生成する電流生成器と、前記電気メーターのための電圧（Ｖ）を生成する電圧生成器とを含み、前記電気メーターの電流センサが最小電流値と最大電流値とを測定する間に力率角をスウィープする、前記電圧及び電流制御と、
   プロセッサであって、２×Ｖで除算される前記最小電流値と最大電流値との間の差としての第１の較正係数を演算し、電圧誘導クロストークが前記電圧と位相がずれているときに、前記第１の較正係数と前記力率角が９０度に設定されるときに測定される電流値とに基づいて第２の較正係数を演算するように構成される、前記プロセッサと、
   を含む、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   前記プロセッサが、前記電圧誘導クロストークが前記電圧と同相であると判定し、前記第２の較正係数を０に設定するように更に構成される、装置。
9. 請求項７に記載の装置であって、
   前記プロセッサが、前記電圧誘導クロストークが前記電圧と同相であるか又は位相がずれているかを判定するように更に構成される、装置。
10. 請求項７に記載の装置であって、
    前記プロセッサが、前記最小電流値と前記最大電流値とが０度と１８０度との力率角で生じるか否かの判定を介して、前記電圧誘導クロストークが前記電圧と同相であるか又は位相がずれているかを判定するように更に構成される、装置。
11. 請求項７に記載の装置であって、
    前記電圧誘導クロストークが前記電圧と位相がずれているときに、前記プロセッサが、
    前記力率角を９０度に設定し、
    前記電流値（Ｉｍ）を測定し、
    Ｉｍと前記第１の較正係数とに基づいて前記第２の較正係数を演算する、
    ように更に構成される、装置。
12. 請求項７に記載の装置であって、
    前記電圧誘導クロストークが前記電圧と位相がずれているときに、前記プロセッサが、
    前記力率角を９０度に設定し、
    前記電流値（Ｉｍ）を測定し、
    （Ｉｍ－Ｉ）／（第１の較正係数×Ｖ）として前記第２の較正係数を演算する、
    ように更に構成される、装置。
13. 請求項７に記載の装置であって、
    前記プロセッサが、前記第１及び第２の較正係数を演算し、前記第１及び第２の較正係数を前記電気メーターにおけるストレージにストアする、装置。
14. 請求項７に記載の装置であって、
    前記プロセッサが前記電気メーターに含まれる、装置。
15. 電気メーターであって、
    アナログ電圧を測定する電圧センサと、
    アナログ電流を測定する電流センサと、
    前記電圧センサと前記電流センサとに結合され、前記アナログ電圧をデジタル電圧（Ｖ）に変換し、前記アナログ電流をデジタル電流（Ｉｍ）に変換するアナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、
    前記ＡＤＣに結合されるプロセッサであって、
    電流値（Ｉ）をＩ＝Ｉｍ＋αＶ^θ２として演算し、
    ＩとＶとに基づいて電力値を演算する、
    ように構成され、αが第１の較正係数であり、θ２が第２の較正係数である、前記プロセッサと、
    を含む、電気メーター。
16. 請求項１５に記載の電気メーターであって、
    θ２が、前記第１の較正係数と、前記電圧センサにより感知される電圧と、電流電圧間の力率角が９０度に設定されるときに測定される電流との関数である、電気メーター。
17. 請求項１５に記載の電気メーターであって、
    θ２が０である、電気メーター。
18. 請求項１５に記載の電気メーターであって、
    トランスミッタを更に含み、
    前記プロセッサが前記トランスミッタを介してエネルギーデータを送信するように更に構成される、電気メーター。

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