JPH04109173A - 電力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、成る周期でサンプリングしたアナログ入力電
圧及び入力電流の瞬時値をディジタル変換し、その値を
用いて有効電力を測定するサンプリング式の電力計に関
するものである。

〈従来の技術〉 第４図を参照して従来のサンプリング式電力計を説明す
る。入力端子Ｐ１に加えられたアナログ電圧信号ｅは、
アナログ／ディジタル変換手段（以下、単にＡＣ変換手
段と記す）３１により、ディジタル信号へ変換される。

また、入力端子Ｐ２に加えられたアナログ電流信号ｉは
、ＡＤ変換手段３２により、ディジタル信号へ変換され
る。

２つのへ〇変換手段３１と３２は、クロック発生器１３
から加えられた信号を共通のクロック信号とし、このク
ロック信号の発生タイミングに同期して、アナログ信号
ｅ、１をサンプリングし−ディジタル信号へ変換してい
る。従って、２つのＡＤ変換手段３１と３２からは、同
一時刻のサンプリング値である電圧信号ｅ　と、電流信
号１１が出力される。

なお、ｅ　、ｉ　は、時刻ｔにおける値である。

このようにして、クロック信号が発生するたびに、時刻
ｔ＝ｔ１．ｔ２．・・・におけるサンプリング値（ｅｔ
ｌ”　ｔｌ）、（ｅ　　　ｉ）、−が、ＡＯ変換手段ｔ
２’　　ｔ２ ３１と３２から演算器１１へ加えられる。

このディジタル値ｅ　、ｉ　は、演算器１１によす（１
）式の掛算を施され、時刻ｔにおける瞬時電力縁［１）
が算出される。

Ｗ（ｔ）＝　ｅ　　・ｉ　ｔ（１） を 更に、演算器１１は、このようにして得られた複数個の
瞬時電力を（２）式に示す平均化演算して、有効電力Ｗ
（平均電力とも言う）を算出している。

Ｗ＝　Σ−（ｔ）　　　　　　　　　　　　　　　（２
）このような機能の演算器１１は、例えばシグナルプロ
セッサやマイクロコンピュータなどにより構成される。

（２）式の有効電力Ｗは、表示器１２により表示される
。

〈発明が解決しようとする課題〉 第５図を参照しながら従来のサンプリング式電力計の課
題を説明する。

第５図は、クロック周期Ｔｃ（サンプリング周期）と、
ＡＤ変換動作を示す図である。この第５図から分かるよ
うに、クロック周期Ｔｃ毎に、第５図（２）の如くディ
ジタルデータ（ｅ　　　ｉ　　）、（ｅｔ２゜ｔｌｏ　
　　ｔｌ ｉｔ２）、・・・が次々と演算器１１に加えられる。従
って、演算器１１は、クロックの１周期Ｔｃの間に（１
）。

（２）式の演算を終了する必要がある。ここでクロック
信号をゆっくりした周期ＴＣで送出すると（１）。

（２）式の演算を行うことができるが、高周波信号の電
力測定ができなくなるので、社会の要請に応えることが
できない。

そこで、ＡＤ変換手段３１と３２として高速機能のＡＤ
変換器を採用し、クロック周期Ｔｃを短くすると、今度
は、１周期Ｔｃ内では（１）　、（２）式の演算を終了
できなくなる。

更に、近年では、有効電力Ｗだけでなく、入力電圧ｅ及
び入力電流１の実効値、平均値なども１台の電力計で測
定したいと言う要請がある。このような要請を１個の演
算器１１で行おうとすると、クロック周期Ｔｃの間で、
（１）　、　（２）式の演算の他に、ｅ、ｉの実効値演
算、平均値演算なども終了しなければならず、ますます
困難なことである。

本発明の目的は、１個の演算器を用いて、短いサンプリ
ング周期で電力測定することができる電力計を提供する
ことである。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、上記課題を解決するために アナログ入力電圧をサンプリングし、これをディジタル
信号へ変換する第１ＡＤ変換手段（１，３）と、第１Ａ
Ｄ変換手段のサンプリング時と同一時刻にアナログ入力
電流をサンプリングし、これをディジタル信号へ変換す
る第２ＡＤ変換手段（２，４）と、第１及び第２ＡＤ変
換手段の出力データを格納するメモリと、 このメモリに格納する前記出力データの数を計数し、こ
の数が設定数（Ｎ）に到達すると終了信号（Ｓ５）を出
力してメモリへの格納を停止させるカウンタ手段と、 メモリから同一時刻にサンプリングされたデータを読出
し、このデータ同士を掛算して瞬時電力を算出する掛算
機能（１１ａ）と、この瞬時電力の値に平均化演算を加
えて有効電力を算出する平均化演算機能（Ｉｌｄ）とを
有した演算器と、からなる手段を請じたものである。

く作用〉 第１と第２ＡＤ変換手段は、同一時刻にアナログ入力電
圧と電流をサンプリングし、これをディジタル信号へ変
換してメモリに格納する。カウンタ手段は、ＡＤ変換手
段からメモリに格納するデータの数を計数し、この数が
設定数（Ｎ）に到達すると終了信号（Ｓ５）を出力して
メモリへの格納を停止させる。

このようにまず、同一時刻における電圧値と電流値のデ
ータを必要な数だけメモリに取り込む。

演算器は、メモリから同一時刻にサンプリングされたデ
ータを読出し、このデータ同士を掛算して瞬時電力を算
出し、更にこの瞬時電力の値に平均化演算を加えるので
、その結果、平均電力、つまり有効電力が得られる。

このように八り変換している期間と２演算期間を分けて
いるので、ＡＤ変換を高速化しても、演算期間を拘束し
ない。

〈実施例〉 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る電力計の構成例を示す図、第２図
は第１図装置の動作を説明する図、第３図は第１図の変
形例を示す図、第６図〜第８図はメモリの内容例を示す
図である。

第１図において、アナログ入力電圧ｅは、端子２１に加
えられ、アナログ入力電流ｉは、端子Ｐ２に加えられる
。本発明の装置は、電圧ｅと電流ｉが、低周波の場合は
もちろん、′ｉ＆ｔｏｏ　ＫＨｚ程の高周波の信号であ
ってもその電力を測定できる。

端子２１に加えられたアナログ入力電圧ｅは、サンプル
・ホールド回路（以下、単にＳ／８回路と記す）１に導
かれる。Ｓ／８回路１は、クロック発生器１３からクロ
ック信号ＳＣが加えられるたびに、その時点のアナログ
入力電圧ｅの瞬時値をサンプリングし、前のサンプリン
グで取り込んでいた値に代わり、新しく取り込んだ値を
出力するものである。

アナログ・ディジタル変換器（以下、単にＡＤＣと記す
）３は、Ｓ／８回路１のアナログ出力信号Ｓ１を取り込
み、これをディジタル信号へ変換（このような変換を以
下、単にＡＤ変換と記す）するものである。このＡＤＣ
３は、タロツク信号ＳＣを遅肛させたスタート信号Ｓ３
が加えられるど、この信号Ｓ３の印加時期を起点として
、信号Ｓ１をディジタルデータＤｅへ変換して出力する
とともに、ＡＤ変換が終了した旨を示すＥＯＣ（［ｎｄ
　Ｏｆ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）信号を出力する。スタ
ート信号Ｓ３は、クロック信号ＳＣを遅延線５に通ずこ
とで得られる。

以上のような機能のＡＤＣ３は、市販されており。

容易に入手する、二とができる。特許請求の範囲に記し
たＡＤ変換手段とは、このＳ／８回路と、ＡＤＣで構成
される。

メモリ６は、ＡＤＣ３の出力データＤｅを導入シフ。

アドレスカウンタ８から加えられる信号ＡＤ１で指示さ
れるアドレスに、この出力データＤ６を格納する。即ち
、メモリ６には、端子Ｐ１に加えられた電圧ｅをサンプ
リングしたデータが格納される。

アドレスカウンタ８は、例えば、図示しないコンピータ
から加えられた設定信号ＳＡにより、予め数値Ｎか設定
される。そして前記ＥＯＣ信号が加えられるたびに、こ
の数値Ｎから１を減算する動作を行う。従って、ＥＯＣ
信号かに発出力されると、アドレスカウンタ８の出力は
（１Ｋ）となり、メモリ６の（Ｎ−Ｋ）番地にその時の
データＤｅを格納する。

端子Ｐ２にも、端子Ｐ１に接続された構成素子と全く同
じ素子が接続される。即ち、端子Ｐ２に接続されるＳ／
８回路２は、Ｓ／８回路１に相当し、Ｓ／８回路２に接
続されるＡＤＣ４は、ＡＤＣ３に相当し、遅延線１４は
、遅延線５に相当し、ＡＤＣ４の出力データＤｉを導入
するメモリ７は、メモリ６に相当し、アドレスカウンタ
９は、アドレスカウンタ８に相当する。

なお、アナログ入力電流ｉは、通常、電圧信号Ｖｉへ変
換されて５７１１回Ｎ２へ加えられる。これについて説
明を加える。抵抗値が既知のシャント抵抗Ｒ８（図示せ
ず）へアナログ入力電流ｉを流すと２、電圧Ｖｉ＝Ｒ３
−ｉが発生する。この電圧Ｖ）は、抵抗値Ｒ３が既知で
あるため、電圧ｖ１を測定することでｉ−■ｉ／Ｒ５よ
り、アナログ入力電流を測定したことになる０本明細書
では、このようにアナログ入力電流ｉを変換した電圧信
号Ｖｉをアナログ入力電流ｉと称している。

Ｓ／８回路２は、Ｓ／８回路１と同じタロツク信号ＳＣ
が加えられているので、Ｓ／Ｈ回Ｒ１のサンプリング時
と、同一時刻にアナログ入力電流ｉをサンプリングして
いる。

クロック発生器１３は、一定周期のクロック信号ＳＣを
発生させるが、アドレスカウンタ９から加えられる終了
信号Ｓ５により、タロツク信号ＳＣの出力がストップさ
れる。メモリ７には、端子Ｐ２に加えられた電流ｉをサ
ンプリングしたデータが格納される。

演算器１１は、終了信号Ｓ５を受けて、メモリ６と７に
蓄積されたデータから同一時刻にサンプリングされた２
つのデータを読出し、このデータ同士を掛算して瞬時電
力を算出する掛算機能１１ａと、この瞬時電力の値に平
均化演算を加えて有効電力を算出する平均化演算機能１
１ｄとを有している。

また、演算器１１は、他に、例えば、絶対値演算機能１
１ｂや、２乗演算機能１１ｃを備え、端子Ｐ１．　Ｐ２
に加えられた電圧ｅと電流１の実効値や平均値などを測
定することもできる。

また、演算器１１は、このように測定した各種測定値を
表示器１２に表示している。

以上のような機能の演算器１１は、例えばシグナルプロ
セッサやコンピュータを用い実現することができる。

このように構成された第１図装置の動作を説明する。

Ｓ／Ｈ回路１．２は、同一時刻にアナログ入力電圧ｅと
入力電流ｉをサンプリングする。そしてこのサンプリン
グ時刻より僅かに遅れて発生するスタート信号Ｓ３．８
４がＡＤＣ３，４に加えられ、この信号Ｓ３．３４の発
生タイミングで、信号Ｓｌ、　Ｓ２をディジタルデータ
Ｄｅ、　Ｄｉへ変換する。スタート信号Ｓ３．　Ｓ４を
クロック信号ＳＣより遅らせた理由は、Ｓ／Ｈ回路１．
２のホールド状態が落ち着いてから、ＡＤＣ３，４がそ
の出力信号Ｓ１．Ｓ２を取り込めるようにするためであ
る。

このようにクロック信号ＳＣが発生するごとに、入力電
圧ｅと入力電流ｉが同時刻にサンプリングされ、それが
ＡＤＣ３，４にてディジタルデータＤｅ。

Ｄｉに変換されて次々と出力される。

アドレスカウンタ８．９は、設定信号Ｓ＾、　ＳＢによ
り予め設定数Ｎが置数される９通常、２つのカウンタ８
，９に設定される数Ｎは同じ値である。

ＡＤＣ３，４は、信号Ｓｌ、　３２をディジタルデータ
Ｏｅ。

Ｄｉへ変換するごとに、ＥＯＣ信号を出力する。アドレ
スカウンタ８．９は、ＥＯＣ信号が加えられる毎に、Ｎ
から１ずつ減算した値を出力する０例えば、ＥＯＣ信号
かに発出力されると２つのアドレスカウンタ８．９は、
同じ値である（１Ｋ）のアドレス信号ＡＤ１を出力する
。

そして、メモリ６．７は、このアドレス信号ＡＤ１で示
されたアドレス（Ｎ−Ｋ）に、ｋ番目のデータＤｅ（ｋ
）　、　Ｄｉ（ｋ）を格納する。このようにして、メモ
リ６．７にデータを書き込み続けると、ついにはアドレ
スカウンタ６．７の出力は、ＯＯ・・・０となる。この
ようにその内容がオールゼロになると、アドレスカウン
タ６．７は、終了信号Ｓ５を出力することができる。

即ち、この終了信号Ｓ５は、予め設定された数Ｎだけメ
モリ６．７へ入力電圧ｅと入力電流１のサンプリングデ
ータを取り込んだことを意味している。後述の如く、第
１図では、この終了信号Ｓ５でクロック信号ＳＣの発生
を停止させている。

アドレスカウンタ８．９の内容は、どちらも同じである
ため、アドレスカウンタ８．９の終了信号は同時刻に発
生する。従って、どちらの終了信号Ｓ５をクロック発生
器９に加えてもよいが、第１図では、アドレスカウンタ
９の終了信号Ｓ５を加えている。

クロック発生器１３は、終了信号Ｓ５の発生を起点とし
てクロック信号ＳＣの出力をストップするので、ＡＤＣ
３，４から出力される新たなデータは停止する。従って
、アドレスカウンタ８，９の計数値は、オールゼロ（０
０・・・０）のままであり、またメモリ６゜７の内容は
、上述したデータを保持している。

第６図は、メモリ６のアドレスとそこに蓄積されている
データの例を示し、第７図は、メモリ７のアドレスとそ
こに蓄積されているデータの例を示したものである。第
６図と第７図から分かるように、２つのメモリ６．７の
同一アドレスには、同一時刻にサンプリングされた入力
電圧ｅと入力を流１が格納されている０例えば、２つの
メモリ６．７のアドレス“１１００″番には、時刻ｔ＝
ｔ３にサンプリングしたデータｅｔ３と’ｔ３が格納さ
れる。なお、第６図と第７図ではメモリ６．７のアドレ
スを僅か４ビツトで例示したが、このビット数に限定す
るものではない。

このようにます、第１図装置では、同一時刻における入
力電圧の値と入力を流の値を必要なデータ数だけメモリ
に取り込む０以上のデータ取り込み動作は、Ｓ／Ｈ回路
１，２とＡＤＣ３，４の動作スピードで決定され、極め
て高速の動作でデータの取り込みを行うことができる。

一連のデータ取り込み動作か終了すると、演算器１１は
、終了信号Ｓ５を受けて、メモリ６．７に格納されたデ
ータの中から同一時刻にサンプリングされた２つのデー
タを読出ず、同一時刻にサンプリングされた２つのデー
タを読み出す作業は簡単である。即ち、演算器１１は、
メモリ６．７の同一アドレスから同一タイミングでデー
タを読み出せばよい。

そして演算器１１は、まず、掛算機能ｔ１ａを動作させ
て、読出した１組のデータ毎に １１１（ｔ）＝ｅ・１１ の演算を行い瞬時電力を算出する。なお、Ｗ（ｔ）。

ｅｔ、ｆｆ１ｔは、時刻ｔにおける瞬時電力、瞬時電圧
値、瞬時電流値である。このような掛算を例えばメモリ
６．７から読出したＮ組のデータについて行う。

次に、平均化演算機能１１ｄを動作させ、掛ｘＩｌ能１
１ａで算出された各瞬時電力を平均化して有効電力Ｗを
算出する。

Ｗ−Σ賢（１） 平均化演算機能１１ｄの具体例として指数化平均演算が
ある。この指数化平均演算の説明を行う。

上述で、掛算機能１１ａ　Ｔ得られた瞬時電力Ｗ（ｔ）
を（３）式に代入し、各瞬時電力−（１）が得られる毎
にこの（３）式の演算を繰り返していくと、ｙ（ｎ）は
、平均電力、つまり、有効電力に漸近する。即ち、多数
回の演算を繰り返すと、指数化平均演算を用いた平均化
演算機能１１ｄから有効電力が得られる。

ｙ（ｎ）−ｙ（ｎ−１）＋　（１／Ｇ）　　−（Ｗ（ｔ
）−ｙ（ｎ−１））　　　（３）ｙ（ｎ）　：時刻ｔま
でに処理された指数化平均演算結果 ｙ（ｎ−１）　：時刻（ｔ−１）までに処理された指数
化平均演算結果 Ｗ（ｔ）　：時刻ｔにおける瞬時電力 （１／Ｇ）　　：指数化定数（１／Ｇ＜くｌである）な
お、時刻ｔは、を回目のサンプリングの意味と同等であ
る。　１／Ｇ　（（１であるから、（３）式の演算を繰
り返すと、ｙ（ｎ）−Σ−（１）に漸近する。

また、演算器１１は、例えば絶対値演算機能１１ｂや２
乗演算機能Ｈｃｔｒｆｌえ、メモリ６．７から読出した
データＯＶ、　ＯＡにこれら演算を加えて、更に平均化
演算を加えて、入力電圧ｅと入力電流ｉの平均値や実効
値を算出することもできる。なお、これら実効値や平均
値を演算する点に本発明の特徴があるわけではないので
、その説明は省略する。

このようにして得られた、有効電力、実効値、平均値な
どの測定値は、表示器１２へ送られ測定値として表示さ
れる。

第２図はメモリ６．７へ必要な数だけデータを取り込む
動作期間と、このメモリ６．７からデータを読出して演
算を加える動作期間などを示す図である。第２図で、波
形の旧ＧＨ期間は、その動作を行っていることを示Ｌ７
、［０Ｉｌ１期間は、その動作が停止していることを示
している。

即、本発明では、データの読取り周期■１は短い周期で
行うことができる（第２図（１）参照）。その後、１周
期の間で、例えば掛算等の演算（瞬時電力Ｗ（ｔ）の算
出）を行うことができるゆっくりした周期■２によりメ
モリからデータを読出ずように動作している。そして、
第２図（４）の演算が終了した後、平均化演算を行い（
第２図（５）参照）、その値を表示器１２に出力する（
第２図（６）参照）。

このようにして一連の測定動作が終了する（第２図（７
）参照）。

なお、第１図ではメモリ６．７の２個と、アドレスカウ
ンタ８．９の２１１をそれぞれ備える構成例で説明した
が、メモリとアドレスカウンタを１個ずつ備えるだけで
本発明は成立する。これを第３図に示す、第３図は、要
部を図示したもので、第１図におけるＳ／Ｈ回路１．２
と、遅延線５，１４と、クロック発生器１３ど、表示器
１２の図示を省略しである。

第３図において、切換器２１は、ＡＤＣ３の出力データ
Ｄａと、ＡＤＣ４の出力データＤ１を導入し、信号Ｓ８
の制御により、２つのデータＤｅとＤｉを切り替えてメ
モリ１０へ出力するものである。

パルス発生器２２は、ＡＤＣ４から１発のＥＯＣ信号が
加えられると、２発のパルスを出力するものである（第
３図の信号Ｓ７参照）、アドレスカウンタ９から切換器
２１に加える信号Ｓ８は、例えばアドレス信号ＡＤ２の
最下位ビット信号（第８図の８１参照）である。

以上のように構成された第３図は、第１図と同様な動作
を行うことができ、これを第８図を参照しながら説明す
る。第８図は、メモリ１０のアドレスとその内容を示す
例である０例えばアドレスカウンタ９には、設定信号Ｓ
Ｂによりオール１が設定されたとする。

そして、時刻ｔ１に、クロック発生器１３からクロック
信号ＳＣが１発出力されると＝ＡＤＣ３，４からＤｅ＝
　ｅ　　　Ｄｉ＝　ｉ　　　のサンプリングデータが出
ｔ１”　　　　ｔｌ 力される。これと同時に、ＡＯＣ４からＥＯＣ信号が１
発出力されて、パルス発生器２２に加えられる。

パルス発生器２２は、１発のＥＯＣ信号を受けて、２発
の信号Ｓ７をアドレスカウンタ９へ加える。従って、ア
ドレスカウンタ９は、ＥＯＣ信号が１発出力されると、
“２”減算する。即ち、アドレスカウンタ９の出力は、
１発註のＥＯＣ信号に対し、まずとなり、更に １１１０→１１０１ となる（第８図参照）、そして、アドレスカウンタ９か
ら出力される４ビツトのアドレス信号ＡＤ２の内、最下
位ビットＢ１により切換器２１を制御している。即ち、
ビットＢ１が“０”の時、ＡＤＣ３からのデータＤｅ＝
ｅｔ１を切換器２１は選択してメモリ１０へ加え、ビッ
トＢ１が“１°′の時、ＡＤＣ４からのデータＤｉ＝１
１１を選択してメモリ０へ加えている。

即ち、メモリ１０のアドレス１１１０には、データ”ｔ
ｌが格納され、アドレス１１０１には、データ’ｔ１が
格納される。

以下、同様に、ＥＯＣ信号が１発出力されるたびにメモ
リ１０のアドレスが２ステツプずつ進むようにデータが
格納される、即ち、最下位ビットＢ１が“０″のアドレ
スには、電圧ｅをサンプリングしたデータ（ｅ　　　ｅ
　　　・・・）が格納され、最下位ｔ１１ｔ２゜ ビットＢ１が“１”のアドレスには、電流Ｉをサンプリ
ングしたデータ（ｉ　ｔＬ　ｉ　ｔ２．・・・）が格納
される（第８図参照）。

このようにメモリ１０には、同一時刻にサンプリングし
たデータが２アドレスずつ連続して格納されているので
、演算器１１は、容易に同一時刻にサンプリングされた
２つのデータを読み出すことができる。その後の演算動
作は、第１図の装置で既述したのでその再説明は省略す
る。

なお、第２図（７）において、測定が終了した後、再び
測定を開始する場合、図示しない手段からアドレスカウ
ンタ８．９へプリセット信号（図示せず）を加える。そ
して再び、その内容を設定信号ＳＡ、　ＳＲで指定され
た数値Ｎとして上述と同じ動作を繰り返す。

く本発明の効果〉 以上述べたように本発明によれば、入力電圧ｅと入力電
流１を同時刻に速い周期でサンプリングしてＡＯ変換し
、そのデータを一旦メモリに格納する。その後、メモリ
から任意の周期でデータを読出し、そのデータに演算を
加えることができるので、演算時間は、速いサンプリン
グ周期に影響されない、従って、時間のかかる複雑な演
算も行うことができ、その結果、多機能な電力計を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電力計の構成例を示す図、第２図
は第１図装置の動作を説明する図、第３図は第１図の変
形例を示す図、第４図と第５図は従来例を説明する図、
第６図〜第８図はメモリの内容例を示す図である。 １．２・・・Ｓ／８回路、３，４・・・ＡＤＣ，６，７
，１０・・・メモリ、８．９・・・アドレスカウンタ、
１１・・・演算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 アナログ入力電圧をサンプリングし、これをディジタル
   信号へ変換する第１ＡＤ変換手段（１、３）と、第１Ａ
   Ｄ変換手段のサンプリング時と同一時刻にアナログ入力
   電流をサンプリングし、これをディジタル信号へ変換す
   る第２ＡＤ変換手段（２、４）と、第１及び第２ＡＤ変
   換手段の出力データを格納するメモリと、 このメモリに格納する前記出力データの数を計数し、こ
   の数が設定数（Ｎ）に到達すると終了信号（Ｓ５）を出
   力してメモリへの格納を停止させるカウンタ手段と、 メモリから同一時刻にサンプリングされたデータを読出
   し、このデータ同士を掛算して瞬時電力を算出する掛算
   機能（１１ａ）と、この瞬時電力の値に平均化演算を加
   えて有効電力を算出する平均化演算機能（１１ｄ）とを
   有した演算器と、 を備えたことを特徴とする電力計。