JPH08304481A

JPH08304481A - 電力計

Info

Publication number: JPH08304481A
Application number: JP7108910A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Yamada; 康晴山田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1995-05-08
Filing date: 1995-05-08
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: JP3460375B2

Abstract

(57)【要約】【目的】環境の悪い状況であっても、簡単な構成で電
力を高精度に検出することができるとともに、直流電力
も測定できるようにする。【構成】一般家庭用等の電源ラインＬ、Ｌ´間に、直
列接続された高抵抗４ａ、コイル３ａ及び高抵抗４ｂ、
コイル３ｂの端部を接続するとともに、ラインＬ´がコ
ア２ａ、２ｂ内を貫通するようにコア２ａ、２ｂを配置
することにより、コア２ａ，２ｂには負荷電流Ｉに比例
した磁束Φｉと電源電圧Ｖに比例した磁束Φｖが誘起さ
れる。このとき、コイル３ａと３ｂは互いに逆向きに巻
回されているので、コア２ａには磁束Φｖ−Φｉが、コ
ア２ｂには磁束Φｖ＋Φｉが誘起される。これらの磁束
は磁気センサ素子５ａ，５ｂによって検出され、フラッ
クスゲート回路６ａ，６ｂからの電流と電圧の和と差に
比例した信号が二乗差回路７に入力され、二乗差回路７
から電力に比例した信号が出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般家庭、工場等にお
いて使用した電力を検出する電力計、特に電子式の電力
計に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の電力量計は機械式が一般的である
が、最近は電子式の電力計を使用した電力量計も開発さ
れており、将来は電子式の電力量計が主流になると思わ
れる。このような電子式の電力計として、図９に示すよ
うに、ホ−ル素子を用いた電力計が考えられている。図
９において、補助変圧器（ＰＴ）３１は配電線の負荷電
圧を変換してこれに比例した電圧を発生し、補助変流器
（ＣＴ）３２は消費電流を変換してこれに比例した磁界
を発生する。電力変換部３３は、この補助変圧器３１と
補助変流器３２の両出力を乗算して電力に比例した電圧
に変換する。この電力変換部３３はホール素子３４、電
圧−電流変換回路３５、増幅回路３６を有し、電圧−電
流変換回路３５は補助変圧器３１の出力を電流に変換す
る。そして、この電圧−電流変換回路３５の出力電流と
補助変流器３２による磁界とがホール素子３４に加えら
れるので、このホール素子３４から電流と磁界の強さと
の積である電力に比例した電圧が出力され、この出力が
増幅回路３６により適宜レベルに増幅されて出力され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来、
機械式の電力量計やホール素子を用いた電子式の電力量
計があるが、機械式の電力量計では直流電力を検出する
ことができず、また、ホール素子を用いた電力計では、
直流電力も検出することはできるが、環境特性、特に温
度特性が悪く、家庭や工場での電力を測定する機器とし
ては使用することができなかった。また、ホール素子自
体の感度も低いので、高精度に電力を検出することがで
きず、さらに、ホール素子を用いた場合、その特性上不
平衡（オフセット）が発生するという問題もあり、オフ
セット補償回路のような余分な回路が必要になるという
問題もあった。また、電流、電圧を検出するのに、補助
変圧器と補助変流器が必要となり、部品点数が増加し、
構造が複雑になるとともに、高価になるという問題もあ
った。

【０００４】一方、二つの電流変流器を使用して、負荷
電圧を高抵抗により電流に変換した出力と負荷電流を検
出し、この二つの変流器センサの出力の積を掛算器によ
って求めることも考えられているが、掛算器の精度が悪
く高精度に電力を測定することができないという問題も
あった。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、環境の悪い状況であっても、簡単な構
成で電力を高精度に検出することができるとともに、直
流電力も測定することが可能な電力計を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電力計は、高抵抗と直列接続されたコイル
が巻回されたコアと、該コアのギャップ間に配置された
磁気センサとを有する二組の変流器センサと、上記磁気
センサの出力が入力される二乗差回路とを備え、上記二
組の変流器センサのコイルの巻回方向を互いに逆向きと
することにより、電源ラインの負荷電圧と負荷電流の和
と差の二乗の差により電力を求めることを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明の電力計は上記のように構成されてお
り、以下のような作用により電力の測定を行う。

【０００８】まず、一般家庭用等の電源ライン間に二組
の変流器センサの直列接続された高抵抗及びコイルの端
部を接続するとともに、電源ラインの一方がコア内を貫
通するようにコアを配置する。これにより、コアには負
荷電流に比例した磁束と電源電圧に比例した磁束が誘起
される。このとき、二組の変流器センサの各コイルが互
いに逆向きに巻回されているので、一方のコアには負荷
電流に比例した磁束と電源電圧に比例した磁束との差の
磁束が誘起され、他方のコアには負荷電流に比例した磁
束と電源電圧に比例した磁束との和の磁束が誘起され
る。これらの磁束は磁気センサによって検出されて電流
と電圧の和と差に比例した信号が二乗差回路に入力さ
れ、二乗差回路から電力に比例した信号が出力される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の電力計の実施例について図１
〜６により説明する。

【００１０】図１において、Ｌ、Ｌ´は一般家庭用等の
電源ライン、１ａ、１ｂは変流器センサ、２ａ、２ｂは
コア、３ａ、３ｂはコア２ａ、２ｂに巻回されたコイル
で、高抵抗４ａ、４ｂと直列に接続されており、各コイ
ルの巻回方向は互いに逆向きとなっている。５ａ、５ｂ
はコア２ａ、２ｂのギャップに配置された薄膜磁気セン
サ素子、６ａ、６ｂはフラックスゲート回路、７は二乗
差回路である。そして、コア、コイル、高抵抗及び薄膜
磁気センサ素子により変流器センサを構成している。

【００１１】図２〜５は薄膜磁気センサ素子５ａ、５ｂ
の詳細を示す図であり、図２に示すように薄膜磁気セン
サ素子は全体として、ガラス基板Ｓ上に積層された第１
の配線層１１と、この層上に平面上リングコア（磁性
膜）１２及び第２の配線層１３が、それぞれ、絶縁層１
４及び１５を挟んで積層された３層構造（絶縁層は除
く）となっている。なお、図２（ａ）は図２（ｂ）のＸ
−Ｘ断面図を示している。

【００１２】第１の配線層１１には、図３の平面図に示
すように、Ｌ字形状の励振線１１ａ…１１ａ及び信号線
１１ｂ…１１ｂが、リングコア１２の形成領域に相当す
る円周上に沿って交互にかつ互いに所定の間隔を隔てて
形成されている。

【００１３】また、第２の配線層３には、図４の平面図
に示すように、先の第１の配線層１１の各線１１ａ、１
１ｂとはＬ字の向きが逆の形状の励振線１３ａ…１３ａ
及び信号線１３ｂ…１３ｂが、それぞれ、第１の配線層
１１の各線１１ａ、１１ｂとリングコア１２を挟んで対
向する位置に形成されている。

【００１４】そして、第１の配線層１１の励振線１１ａ
…１１ａと第２の配線層の励振線１３ａ…１３ａとは、
図５（ａ）の模式図に示すように、それぞれ、コンタク
ト部Ｃにおいて、コンタクトホ−ルＨを介して互いに接
続されている。また、図５（ｂ）に示すように、信号線
１１ｂ…１１ｂと１３ｂ…１３ｂも同様に接続されてお
り、全体としてリングコア１２の回りに励振コイル及び
信号線コイルが形成された構造となっている。なお、そ
の各コイルには、それぞれ、励振コイル電極（パッド）
１６及び信号線（検出）コイル電極１７が接続されてい
る（図４参照）。

【００１５】図６はフラックスゲート回路６の詳細を示
す図であり、励振回路２１と受信回路２２とからなり、
励振回路２１は発振器２３、１／２分周器２４及び励振
器２５を備え、受信回路２２は交流増幅器２６、スイッ
チ２７、直流増幅器２８及び帰還抵抗２９を備えてい
る。

【００１６】薄膜センサ素子５とフラックスゲート回路
６とでフラックスゲート型磁気センサを構成している。
このフラックスゲート型磁気センサは、ホール素子や磁
気抵抗素子のように超小型にすることはできないが、感
度の点でははるかにこれらをしのぎ、１０^-4Ｔから１０
^-11Ｔの範囲の磁界を検出することができる。

【００１７】次に、図１の電力計を用いて電力を測定す
る場合の作用について、図７のコア１２の磁束説明図、
図８の波形図も用いて説明する。まず、一般家庭用等の
電源ラインＬ、Ｌ´間に、直列接続された高抵抗４ａ、
コイル３ａ及び高抵抗４ｂ、コイル３ｂの端部を接続す
るとともに、ラインＬ´がコア２ａ、２ｂ内を貫通する
ようにコア２ａ、２ｂを配置する。そして、電源ライン
から負荷に電力が供給されると、コアを貫通した電源ラ
インＬ´から負荷電流Ｉに比例した磁束Φｉ（＝β₁・
Ｉ）がコア２ａ、２ｂに誘起される。一方、電源電圧Ｖ
は高抵抗４ａ、４ｂにより電圧Ｖに比例した電流に変換
されてコイル３ａ、３ｂに流れるので、コア２ａ、２ｂ
には電源電圧Ｖに比例した磁束Φｖ（＝β₂・Ｖ／Ｒ、
ただし、Ｒは高抵抗４ａ、４ｂの抵抗値）が誘起され
る。このとき、コイル３ｂはコイル３ａと逆向きに巻か
れているので、コア２ａには磁束Φｖ−Φｉが、コア２
ｂには磁束Φｖ＋Φｉが誘起され、これらの磁束による
磁界が薄膜センサ素子５ａ、５ｂに加わる。

【００１８】一方、フラックスゲート回路６ａ、６ｂに
おいては、励振回路２１内の発振器２３からの交流信号
が１／２分周器２４によって周期が１／２にされた後、
励振器２５に入力され、励振器２５からセンサ素子５の
励振線に図８（ａ）の（イ）に示すような交流電流Ｉ_EX
が供給される。この交流電流Ｉ_EXはコア１２を飽和磁化
させるのに十分な大きさであり、図７（ａ）のＡ点、Ｂ
点では同じ交流磁束を発生する。信号線は二つの場所Ａ
点における磁束Φ_Aの変化、およびＢ点における磁束Φ
_Bの変化による電圧を加算して出力するように巻かれて
いるので、Ａ点、Ｂ点の磁束Φ_A、Φ_Bの変化による電
圧を加算して出力することができる。

【００１９】そして、外部磁界が存在しない場合は、
Ａ、Ｂ点で発生されている磁束Φ_A、Φ_Bは、図７
（ｂ）に示すコアの飽和磁化特性のため、励振コイルに
流れる電流には比例せず、図８（ａ）の（ロ）に示すよ
うに頭打ちの波形とはなるが、同じタイミングで発生さ
れる。このため、磁束Φ_A、Φ_Bにより、信号線の各々
のコイル部分で発生する電圧ｖ_A、ｖ_Bも図８（ａ）の
（ハ）、（ニ）に示すように同じタイミングで発生し、
しかも、信号線のコイルは電圧ｖ_Aとｖ_Bの極性が反転
するように巻かれているために、受信コイルに現れる出
力電圧ｖは図８（ａ）の（ホ）に示すように零となる。

【００２０】次に、コアに外部より磁界Ｈが加わると、
磁束Φ_A、Φ_Bと磁界Ｈの方向をみてわかるように、磁
束に不平衡が生じる。この不平衡は、図８（ｂ）の
（ロ）´に示すようにΦ_AとΦ_Bの頭打ちになるタイミ
ングにずれを生じさせるので、図８（ｂ）の（ハ）´、
（ニ）´に示すように電圧ｖ_Aとｖ_Bの発生のタイミン
グにずれが生じ、図８（ｂ）の（ホ）´に示すように信
号線に励振電流Ｉ_EXの２倍の周波数の交流電圧ｖが現れ
る。そして、受信回路２２の交流増幅器２６はこの交流
電圧ｖから励振周波数の二倍の周波数成分を取り出して
増幅し、スイッチ２７は増幅された交流電圧からその半
波を取り出し、取り出された半波に含まれている直流成
分が直流増幅器２８から検出された磁界の大きさに比例
した信号ｖ₀として出力される。なお、帰還抵抗２９は
測定磁界と出力電圧の関係を比例関係とするためのもの
である。

【００２１】したがって、フラックスゲート回路６ａ，
６ｂの直流増幅器２８からは夫々の磁束に比例した二つ
の信号（Φｖ−Φｉ）＝ｋ（Ｖ−Ｉ）（Φｖ＋Φｉ）＝ｋ（Ｖ＋Ｉ）が出力されて二乗差回路７に入力される。

【００２２】そして、二乗差回路７では、これら二つの
信号の夫々の二乗の差をｋ²（Ｉ＋Ｖ）²−ｋ²（Ｉ−Ｖ）²＝４ｋ²ＶＩにより演算することにより、電力に比例した信号を出力
する。この出力を電圧−周波数変換回路等を使用して積
算すれば電力量を求めることもできる。

【００２３】なお、図７においては、基本的原理を説明
するため、２点Ａ、Ｂにのみ巻回方向がリングコアに対
して逆向きとなった信号線コイルを設けた場合を説明し
たが、実際の素子の構成においては、図２〜５に示すよ
うに、信号線コイルは励振線コイルと同様にリングコア
を周回するように巻かれており、図３、４に示すように
信号線コイルのみが中心軸Ｙ−Ｙを境に巻き方向を逆向
きとして直列に接続されている。この結果、各信号線コ
イルに誘起される電圧が加算して出力される。また、中
心軸を境に対称な構成となっているため、図７と同様に
中心軸の磁界成分のみを検出することとなる。

【００２４】このように、フラックスゲート型薄膜磁気
センサは磁界を高感度、高安定に検出することができ、
温度特性も安定しているので、本発明の電力計は電力を
温度等の影響を受けずに、高精度に検出することができ
る。

【００２５】なお、上記実施例では磁気センサ素子とし
て、図２〜５に示す薄膜センサ素子を用いた例を説明し
たが、これ以外のフラックスゲート型磁気センサ、例え
ば、棒状コア型やリングコア型の素子を用いたフラック
スゲート型磁気センサを使用することもでき、また、フ
ラックスゲート型センサ以外の他の磁気センサ、例え
ば、磁気抵抗素子等であっても、高感度、高安定な磁気
センサであれば使用することができる。また、上記実施
例では、コアに電源線を貫通させることにより、電流信
号を検出したが、コアに電源線を巻き付けることにより
電流を検出することもできる。

【００２６】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく特許請求の範
囲に記載された本発明の要旨の範囲内で種々の変更を行
うことが可能である。本発明の変更実施態様を下記に例
示する。

【００２７】（１）高抵抗と直列接続されたコイルが巻
回されたコアと、該コアのギャップ間に配置されたフラ
ックスゲート型磁気センサとを有する二組の変流器セン
サと、上記磁気センサの出力が入力される二乗差回路と
を備え、上記二組の変流器センサのコイルの巻回方向を
互いに逆向きとすることにより、電源ラインの負荷電圧
と負荷電流の和と差の二乗の差により電力を求めること
を特徴とする電力計。

【００２８】（２）高抵抗と直列接続されたコイルが巻
回されたコアと、該コアのギャップ間に配置された薄膜
フラックスゲート型磁気センサとを有する二組の変流器
センサと、上記磁気センサの出力が入力される二乗差回
路とを備え、上記二組の変流器センサのコイルの巻回方
向を互いに逆向きとすることにより、電源ラインの負荷
電圧と負荷電流の和と差の二乗の差により電力を求める
ことを特徴とする電力計。

【００２９】

【発明の効果】本発明の電力モニタは上記のように、二
組の変流器センサによって負荷電流と負荷電圧の和と差
に比例した磁束を検出し、二乗差回路によって電力を求
めており、同一構造の変流器を二つ用いるだけであるの
で、簡単な構造で電力を測定することができるととも
に、直流の電力もモニタすることができる。また、セン
サとして薄膜フラックスゲート型磁気センサ等の高安定
な磁気センサを使用するので、温度特性も良く、高感
度、高安定に電力を測定することができ、また、ホール
素子を使用した場合のように、不平衡補償回路が不要と
なるので、構成を簡単にすることができる。さらに、電
流、電圧とも磁束によって検出しているので、被検出ラ
インと検出回路間の絶縁を容易にとることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力計の一実施例を示す図である。

【図２】薄膜磁気センサ素子の構造を示す図である。

【図３】薄膜磁気センサ素子の第１の配線層のパターン
を示す図である。

【図４】薄膜磁気センサ素子の第２の配線層のパターン
を示す図である。

【図５】薄膜磁気センサ素子の第１の配線層と第２の配
線層とのコンタクトを示す模式図である。

【図６】フラックスゲート回路の詳細を示す図である。

【図７】磁気センサ素子内の磁束の発生状況を説明する
ための図である。

【図８】磁気センサ素子で発生する磁束と電圧の関係を
示す波形図である。

【図９】従来のホール素子を用いた電力計を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ変流器センサ２ａ、２ｂコア３ａ、３ｂコイル４ａ、４ｂ高抵抗５ａ、５ｂ磁気センサ素子６ａ、６ｂフラックス
ゲート回路７二乗差回路Ｌ、Ｌ´ 電源ライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高抵抗と直列接続されたコイルが巻回さ
れたコアと、該コアのギャップ間に配置された磁気セン
サとを有する二組の変流器センサと、上記磁気センサの
出力が入力される二乗差回路とを備え、上記二組の変流
器センサの各コイルの巻回方向を互いに逆向きとするこ
とにより、電源ラインの負荷電圧と負荷電流の和と差の
二乗の差により電力を求めることを特徴とする電力計。