JPWO2006129389A1 - 広帯域型電流検出器 - Google Patents

Abstract

第１、第２の可飽和リングコア（１３）、（１４）にそれぞれ同一巻数で巻回された第１、第２の高周波コイル（１５）、（１６）と、第１、第２の高周波コイル（１５）、（１６）を半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第１、第２の不飽和リングコア（１７）、（１８）に巻き付けたキャンセルコイル（１９）とを有し、第１、第２の高周波コイル（１５）、（１６）に第１、第２の可飽和リングコア（１３）、（１４）が飽和する高周波電流を流し、第１、第２の高周波コイル（１５）、（１６）にかかる差分電圧を取り出し、差分電圧に対応する電流を、キャンセルコイル（１９）に流し、キャンセルコイル（１９）に流した電流から、直流から低周波領域での被測定導体（２６）を流れる電流を測定する。これによって、比較的測定精度が高く、直流から交流まで測定可能な広帯域型電流検出器（１０）を提供できる。

Description

本発明は、可飽和リアクトルを用いた直流から低周波（８〜１０ｋＨｚ程度の周波数をいう）の電流を測定できる広帯域型電流検出器に関する。

可飽和リアクトルを用いた電流検出器としては、例えば、日本国特公昭６３−２５４８７号公報に記載のものが知られており、可飽和鉄心に巻かれた被測定電流を流す一次巻線及び一対の二次巻線とを有する可飽和リアクトルと、負荷抵抗と、前記した二次巻線に互いに逆相で電流を流す交流電源とを有している。
また、日本国特開昭６１−２４５５１１号公報に記載のように、ホール素子等を用いて電流が流れる際に発生する磁界の強さを検知する電流検出器が実用化されて、主流となっている。

しかしながら、日本国特公昭６３−２５４８７号公報に記載の技術においては、一次巻線に流す電流が出力値に比例する領域は限定されており領域が狭く、更に、その領域を外れると非線型領域及び飽和領域を有し、比較的測定精度が悪いという問題がある。また、交流に対しては考慮されておらず、直流の測定用である。
また、日本国特開昭６１−２４５５１１号公報に記載のようなホール素子等を用いた電流計においては、温度変化等でホール素子の特性が変化し、高い測定精度を維持することは困難であるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、比較的測定精度（例えば、０．０１％以内）が高く、直流から交流まで測定可能な広帯域型電流検出器を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る広帯域型電流検出器は、測定電流を流す被測定導体が挿通可能な空間部を有し、該空間部を取り囲んで配置された第１及び第２の可飽和リングコアと、
前記第１、第２の可飽和リングコアにそれぞれ同一巻数で巻回されて、同一方向の電流を流すと逆方向に磁場を発生させる第１、第２の高周波コイルと、
前記第１、第２の高周波コイルを半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第１、第２の不飽和リングコアと、
前記第１、第２の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けたキャンセルコイルとを有し、
前記第１、第２の高周波コイルに前記第１、第２の可飽和リングコアが飽和する高周波電流を流し、前記第１、第２の高周波コイルにかかる差分電圧を取り出し、該差分電圧に対応する電流を、前記キャンセルコイルに流して前記第１、第２の不飽和リングコアに前記測定電流による励磁とは逆方向に励磁を与えて前記差分電圧を打ち消し、前記キャンセルコイルに流した電流から、直流から低周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定する。

第２の発明に係る広帯域型電流検出器は、第１の発明に係る広帯域型電流検出器において、前記第１、第２の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けられた検出コイルを有し、該検出コイルで検知された電流を増幅して前記キャンセルコイルに流し、該キャンセルコイルに流した電流から、高周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定する。

第３の発明に係る広帯域型電流検出器は、第２の発明に係る広帯域型電流検出器において、前記第１、第２の可飽和リングコアは、同一形状であって、軸方向に並べて配置されている。
そして、第４の発明に係る広帯域型電流検出器は、第２、第３の発明に係る広帯域型電流検出器において、前記第１、第２の高周波コイルには、それぞれ同一値の抵抗が直列に接続されてブリッジ回路を形成し、そのブリッジ出力を前記差分電圧とし、該差分電圧を前記第１、第２の高周波コイルを流す交流の２倍の周波数で同期整流し、平滑化してアンプで増幅して、前記キャンセルコイルに流す。

本発明の一実施例にかかる広帯域型電流検出器本体の断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ可飽和リングコア及び不飽和リングコアの磁気特性を示すグラフである。 同広帯域型電流検出器の回路図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は同広帯域型電流検出器の動作を説明するための波形図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は同広帯域型電流検出器の動作を説明するための波形図である。 同広帯域型電流検出器の特性を示すグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図３に示すように、本発明の一実施例に係る広帯域型電流検出器１０は、中央に被測定導体の一例である導線２６を挿通可能な空間部１１を形成する絶縁体かつ非磁性体（例えば、プラスチック又はセラミック）からなるガイド筒１２を有している。このガイド筒１２の周囲には同一形状の第１、第２の可飽和リングコア１３、１４が軸方向に並べて配置され、この第１、第２の可飽和リングコア１３、１４には、それぞれ同一巻数で巻回されて同一方向の電流を流すと逆方向に磁場を発生させる第１、第２の高周波コイル１５、１６が巻かれている。
この第１、第２の高周波コイル１５、１６を半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第１、第２の不飽和リングコア１７、１８を有し、この第１、第２の不飽和リングコア１７、１８を中央にしてその外側には、巻数ｎのキャンセルコイル１９と巻数ｍの検出コイル２０が巻かれている。なお、この第１、第２の不飽和リングコア１７、１８を直流励磁した場合の磁気的特性を図２（Ｂ）に示す。

同一巻数ｐの第１、第２の高周波コイル１５、１６には、図３に示すように、周波数２ｆの高周波発振器２１からの出力を１／２の周波数に落とす周波数変換器２２を介して所定電圧Ｖａに増幅された周波数ｆの方形波（この実施例では５０ｋＨｚの高周波、図４（Ａ）参照）が、抵抗（固定抵抗）２３、２４（抵抗値は同じ）を介して加えられている。第１、第２の可飽和リングコア１３、１４は図２（Ａ）に示すような特性の可飽和コアからなっている。そして、第１、第２の高周波コイル１５、１６に周波数ｆの方形波電圧Ｖａを加えた場合（即ち、周波数ｆの高周波電流を流した場合）、第１、第２の可飽和リングコア１３、１４が約３／８・λ波長及び７／８・λ波長の所で飽和するように、第１、第２の高周波コイル１５、１６の巻数ｐ及び第１、第２の可飽和リングコア１３、１４の断面積が設定されている。
従って、第１、第２の高周波コイル１５、１６に、図４（Ａ）に示すような電圧を加えると、第１の高周波コイル１５には、図４（Ｂ）に示す電圧が、第２の高周波コイル１６には、図４（Ｃ）に示す電圧が発生する。

第１、第２の高周波コイル１５、１６の巻方向は同一（例えば、右巻又は左巻）であっても逆方向であってもよいが、ガイド筒１２内を挿通する測定電流を流す導線２６に電流を流すと、第１、第２の高周波コイル１５、１６の一方の電圧が減少し、他方の電圧が増加するように、抵抗２３、２４にそれぞれ接続されている。そして、この抵抗２３、２４及び第１、第２の高周波コイル１５、１６がそれぞれ直列に接続されて、ブリッジ回路を形成し、その中点出力に入力トランス２７の一次側コイル２８が接続されている。この入力トランス２７の二次側コイル２９には中間タップが設けられ、１８０度位相の異なる出力がその両側のコイルに発生するようになっている。
従って、導線２６に電流が流れない場合には、図４（Ｂ）に示す第１の高周波コイル１５にかかる電圧と、図４（Ｃ）に示す第２の高周波コイル１６にかかる電圧は同一となるので、その差分が入力トランス２７に出力され、結局は図４（Ｄ）に示すように０（ゼロ）となる。

ところが、導線２６に電流（説明のために直流が流れたとする）が流れると、第１、第２の可飽和リングコア１３、１４の磁気飽和状態が変わって、図４（Ｅ）及び図４（Ｆ）に示すように、第１、第２の高周波コイル１５、１６にかかる電圧が変化する。これは、図２に示す可飽和リングコアのヒステリシスカーブにおいて、導線２６に電流が流れることによって、０点が移動することによる。
第１、第２の高周波コイル１５、１６にかかる電圧の差分をブリッジ回路で検知し、入力トランス２７によって差分を出力すると、図５（Ａ）、（Ａ）′に示すような電圧が入力トランス２７の二次側のセンタータップを基準として両側に出力される。

この入力トランス２７の二次側に発生する電圧信号（Ａ）、（Ａ）′を、高周波発振器２１で発生させた周波数が２ｆ（即ち、１００ｋＨｚ）で同期整流を行う。ここで、同期整流とは、入力トランス２７の二次側に発生する１８０度位相の異なる電圧を、高周波発振器２１で発生させた方形波信号によって、スイッチング素子（例えば、ＣＭＯＳ型半導体素子）を交互に切り替えて、入力トランス２７から発生する信号を揃えること（即ち、整流すること）をいう。図５（Ｂ）は同期整流に使用する制御信号を、図５（Ｃ）は同期整流回路３０の出力を示すことになる。

ここで、同期整流回路３０と通常のシリコンダイオード等を組み合わせて構成した整流回路との相違は、シリコンダイオードを使用する整流回路においてはシリコンダイオード自体の電圧降下（例えば、０．５〜０．７ｖ）が存在するので微小信号の整流ができないこと、全ての信号が一定方向に電流が流れて直流化されるという問題があるが、同期整流回路３０においては、素子自体の電圧降下がない（即ち、通常の接点と同じ）こと、及び入力信号と制御信号の位相によって、一方向の電流のみでなく逆方向の電流も発生すること（従って、完全には直流にはならない）である。
この同期整流回路３０を用いることによって、導線２６を流れる電流の方向及びその大きさを正確に測定できる。

同期整流回路３０の出力を、そのままフィルター回路３１に流すと、図５（Ｃ）に示す電圧波形が平均化（平滑化）されて、直流となる。ここで、アンプ３２で電圧増幅を行い、アンプ３３が電流増幅を行って、その出力を抵抗３４が直列に接続されたキャンセルコイル１９に流す。このキャンセルコイル１９に流れる電流によって第１、第２の不飽和リングコア１７、１８に発生する磁束が、導線２６を流れる電流によって第１、第２の不飽和リングコア１７、１８及び第１、第２の可飽和リングコア１３、１４に発生する磁束を打ち消すようにしている。即ち、導線２６を流れる電流をｄ１で巻数１とし、キャンセルコイル１９に流れる電流をｄ２とし巻数をｎとした場合、ｄ１×１＝ｄ２（１＋１／α）×ｎの関係が成立する。従って、ｄ２＝ｄ１／｛ｎ（１＋１／α）｝、即ち、ｄ２≒ｄ１／ｎとなって、ｄ２を測定すれば、ｄ１の値が分かる。更に、第１、第２の可飽和リングコア１３、１４の磁界は、約（ｄ１×１−ｄ２×ｎ）と打ち消されるので、磁束が減少し、広範囲の電流を測定でき、結果として機器の小型化を図ることができる。なお、「α」は入力トランス２７からアンプ３３までの信号の増幅率を示し、実際には１０⁵〜１０⁶程度の増幅率を有する。従って、キャンセルコイル１９を流れる電流を、抵抗３４の両端の電圧より検出し、適当に校正して、測定電流とする。

この実施例においては、説明のため、導線２６に直流が流れた場合について、説明したが、同期整流回路３０でその極性を判別しながらその大きさを測定できるので、マクロ的に見れば交流も支障なく測定できる。なお、同期整流回路３０を駆動する制御信号より高周波は測定できないし、次に設けられたフィルター回路３１の通過帯域によって交流の測定周波数は決定される。例えば、フィルター回路３１を１０ｋＨｚ程度に設定しておき、それ以上の周波数に対して減衰するように設定しておけば、約１０ｋＨｚ程度の交流まで測定できることになる。
なお、第１、第２の可飽和リングコア１３、１４は、ｆより高い周波数にも反応するが、周波数２ｆで同期整流を行うので、この同期整流の周期内で第１、第２の可飽和リングコア１３、１４が反応しても平均化され、この回路では検出できない。但し、第１、第２の不飽和リングコア１７、１８の検出コイル２０については同期整流を行っていないので、ｆより高い周波数も検知できる。また、測定電流が低い周波数の場合、検出コイル２０のみで検知しようとすると、その周波数で飽和しないだけのコア断面積を必要とし、小型軽量化ができない。

次に、第１、第２の不飽和リングコア１７、１８に検出コイル２０を配置し、その出力をアンプ３３に入力させて、その出力をキャンセルコイル１９に流し、導線２６を流れる磁束を打ち消すようにさせると、導線２６を流れる交流電流も抵抗３４の両端の電圧から測定できる。この技術は周知であるので、詳しい説明を省略する。
この場合、第１、第２の可飽和リングコア１３、１４及びこれらに巻いた第１、第２の高周波コイル１５、１６によって検出される差分電圧から、導線２６に流れる電流を測定する回路Ａと、検知コイル２０を用いて交流電流を測定する回路Ｂとを組み合わせると、図６に示すような特性となって、直流から高周波交流まで広範囲な電流の測定ができる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での改良、又は一部省略も可能である。例えば、前記実施例においては、広帯域型電流検出器１０は、直流から交流まで測定できる回路Ａと、通常の交流電流を測定する回路Ｂとを組み合わせて構成したが、切替えスイッチを設けて、直流から交流まで測定できる回路Ａと、通常の交流電流を測定する回路Ｂとを別々に作動させる場合も本発明は適用される。この場合、直流から交流まで測定できる回路Ａ又は通常の交流電流を測定する回路Ｂを停止させる場合には、アンプ３３にこれらの入力信号が入らないようにスイッチを設けることになる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、この実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施例や変形例の一部又は全部を組み合わせることもできる。

本発明に係る広帯域型電流検出器は、第１、第２の可飽和リングコアに巻回された第１、第２の高周波コイルの差分電圧に対応する電流をキャンセルコイルに流しているので、測定電流によって第１、第２の不飽和リングコアの飽和を防止すると共に第１、第２の可飽和リングコアの飽和も防止して、直流から低周波領域の電流を、小電流から大電流まで精度よく測定できる。
そして、第１、第２の可飽和リングコアに巻かれた第１、第２の高周波コイルを、第１、第２の不飽和リングコアによって半径方向両側からサンドイッチ状に挟んでいるので、第１、第２の可飽和リングコアの磁束の飽和状態がより正確に制御され、測定精度が向上する。

特に、本発明の広帯域型電流検出器において、第１、第２の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けられた検出コイルを設け、この検出コイルで検知された電流を増幅してキャンセルコイルに流し、キャンセルコイルに流した電流から、高周波領域での被測定導体を流れる電流を測定するようにした場合には、この広帯域型電流検出器が通常のＣＴとしての役目も果たし、高周波領域（前記低周波領域を超える周波数をいう）での交流電流の測定が可能となる。従って、この発明においては、直流から高周波領域までの電流を精度よく測定できる。

また、本発明の広帯域型電流検出器においては、第１、第２の可飽和リングコアを、同一形状として、軸方向に並べて配置することによって、差分電圧の精度が高まり、より精度の良い電流測定ができる。

そして、本発明の広帯域型電流検出器において、第１、第２の高周波コイルに、それぞれ同一値の抵抗を直列に接続してブリッジ回路を形成し、そのブリッジ出力を差分電圧とし、該差分電圧をアンプで増幅して、キャンセルコイルに流すことによって、温度変化等に影響されず、より精度の高い電流測定が可能となる。

Claims (4)

1. 測定電流を流す被測定導体が挿通可能な空間部を有し、該空間部を取り囲んで配置された第１及び第２の可飽和リングコアと、
   前記第１、第２の可飽和リングコアにそれぞれ同一巻数で巻回されて、同一方向の電流を流すと逆方向に磁場を発生させる第１、第２の高周波コイルと、
   前記第１、第２の高周波コイルを半径方向両側からサンドイッチ状に挟んだ状態で配置された第１、第２の不飽和リングコアと、
   前記第１、第２の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けたキャンセルコイルとを有し、
   前記第１、第２の高周波コイルに前記第１、第２の可飽和リングコアが飽和する高周波電流を流し、前記第１、第２の高周波コイルにかかる差分電圧を取り出し、該差分電圧に対応する電流を、前記キャンセルコイルに流して前記第１、第２の不飽和リングコアに前記測定電流による励磁とは逆方向に励磁を与えて前記差分電圧を打ち消し、前記キャンセルコイルに流した電流から、直流から低周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定することを特徴とする広帯域型電流検出器。
2. 請求項１記載の広帯域型電流検出器において、前記第１、第２の不飽和リングコアを中央にしてその外側に巻き付けられた検出コイルを有し、該検出コイルで検知された電流を増幅して前記キャンセルコイルに流し、該キャンセルコイルに流した電流から、高周波領域での前記被測定導体を流れる電流を測定することを特徴とする広帯域型電流検出器。
3. 請求項２記載の広帯域型電流検出器において、前記第１、第２の可飽和リングコアは、同一形状であって、軸方向に並べて配置されていることを特徴とする広帯域型電流検出器。
4. 請求項２及び３のいずれか１項に記載の広帯域型電流検出器において、前記第１、第２の高周波コイルには、それぞれ同一値の抵抗が直列に接続されてブリッジ回路を形成し、そのブリッジ出力を前記差分電圧とし、該差分電圧を前記第１、第２の高周波コイルを流す交流の２倍の周波数で同期整流し、平滑化してアンプで増幅して、前記キャンセルコイルに流すことを特徴とする広帯域型電流検出器。

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