JPWO2015011916A1 - 放射線検出器 - Google Patents

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Abstract

広いレンジの微小電流を短時間で正確に測定することができる電流測定装置を提供する。前記被測定電流を積分して積分信号を出力する積分回路(３)と、該積分回路から出力される積分信号が入力され、当該積分信号の変化率に比例した低レンジ側電流測定値を算出する低レンジ側電流測定部(４)と、前記積分回路から出力される積分信号の周期に応じたパルス信号に基づいて高レンジ側電流測定値を算出する高レンジ側電流測定部(５)と、前記パルス信号によって前記積分回路に蓄積された電荷を放電するポンピング回路(７)と、前記低レンジ側電流測定部で算出した低レンジ側電流測定値及び前記高レンジ側電流測定部で算出した高レンジ側電流測定値に基づいて前記被測定電流の測定値を決定する測定値決定部(６)とを備えている。

Description

本発明は、微小電流を広範囲に短時間で正確に測定することができる電流測定装置に関する。
例えば、電離箱放射線検出器の出力電流を測定する電流測定装置としては、例えば特許文献１に記載されている電流／周波数変換装置が提案されている。この電流／周波数変換装置は、入力電流を電荷として蓄積し、この蓄積された電荷に比例する電圧を出力する積分増幅回路と、前記積分増幅回路から出力される電圧に比例した周波数で且つデューティ比が５０％のパルス信号を出力する周波数変換回路と、前記積分回路に蓄積された電荷を前記パルス信号の供給時に放電するポンピング回路とを備えている。
特許第４４７９４３０号公報
ところで、電離箱放射線検出器のように、１０−１５Ａ〜１０−６Ａのような広い測定電流領域（〜９桁）をカバーするには、特許文献１に記載された電流／周波数変換装置では、最小電流における出力周波数が０．００１Ｈｚ程度になり、測定結果を得るための応答時間が１０００秒になる。ここで、応答時間を例えば１秒にするには、最小電流における出力周波数を１Ｈｚ以上にする必要があり、測定電流領域の最小電流が３桁上昇するため、その分測定電流領域が狭くなる。
そのため、例えば１秒の応答時間を確保し、かつ測定電流領域を広くするためには、測定できる電流領域が異なる複数の回路定数を備えておき、被測定電流に応じて回路定数を切り替える方法が用いられる。
しかしながら、電流領域の切り替えを行う場合には、電流領域を切り替える時間が必要なために、その切り替え時間分応答が遅れてしまうという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、広いレンジの微小電流を短時間で正確に測定することができる電流測定装置を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために、本発明に係る電流測定装置の一態様は、被測定電流の電流測定レンジを少なくとも低レンジ及び高レンジに分割し、それぞれのレンジで電流測定を行う電流測定装置である。そして、電流測定装置は、被測定電流を積分して積分信号を出力する積分回路と、この積分回路から出力される積分信号が入力され、積分信号の変化率に比例した低レンジ側電流測定値を算出する低レンジ側電流測定部と、積分回路から出力される積分信号の周期に応じたパルス信号に基づいて高レンジ側電流測定値を算出する高レンジ側電流測定部と、パルス信号によって積分回路に蓄積された電荷を放電するポンピング回路と、低レンジ側電流測定部で算出した低レンジ側電流測定値及び高レンジ側電流測定部で算出した高レンジ側電流測定値に基づいて被測定電流の測定値を決定する測定値決定部とを備えている。
本発明の一態様によれば、被測定電流の積分信号を低レンジ側電流測定部及び高レンジ側電流測定部の双方に供給し、低レンジ側電流測定部で積分信号の変化率に比例した電流測定値を算出し、高レンジ側電流測定部で積分信号の周波数に応じたパルス信号に基づいて電流測定値を算出する。このため、被測定電流が低レンジ側であるときには低レンジ側電流測定部で算出する電流測定値を採用し、被測定電流が高レンジ側であるときには高レンジ側電流測定部で算出する電流測定値を採用することにより、広いレンジで被測定電流を短時間で正確に測定することができる。
本発明に係る電流測定装置の一態様である第１の実施形態の概略構成を示すブロック図である。 図１の電流測定装置の具体的構成を示すブロック図である。 演算処理回路で実行する低レンジ側電流測定処理手順の一例を示すフローチャートである。 演算処理回路で実行する高レンジ側電流測定処理手順の一例を示すフローチャートである。 演算処理回路で実行する高レンジ側電流測定値記憶領域無効化処理手順の一例を示すフローチャートである。 演算処理回路で実行する測定値決定処理手順の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態の動作の説明に供するタイミングチャートである。 低レンジ側電流測定部における被測定電流値と積分電圧信号の変化率との関係と、高レンジ側電流測定部における被測定電流値と積分電圧信号の周波数との関係を示す説明図である。 本発明の一態様である第２の実施形態を示すブロック図である。 第２の実施形態の動作の説明に供するタイミングチャートである。 初期化回路を設けない場合の動作の説明に供するタイミングチャートである。
以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
図１は、本発明の一態様である第１の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
本発明に係る電流測定装置１は、図１に示すように、被測定電流Ｉｉｎが入力される電流入力端子２と、この電流入力端子２に接続された積分回路としての電荷積分回路３とを備えている。また、電流測定装置１は、電荷積分回路３から出力される積分信号としての積分電圧信号が入力される低レンジ側電流測定部４及び高レンジ側電流測定部５と、両電流測定部４及び５で算出した測定値に基づいて測定値を決定する測定値決定部６とを備えている。さらに、電流測定装置１は、電荷積分回路３で蓄積された電荷を一定量放電させるポンピング回路７を備えている。
ここで、被測定電流Ｉｉｎは、例えば電離箱放射線検出器の出力電流のように１０−１５Ａ（１ｆＡ）〜１０−６Ａ（１μＡ）の広いレンジの測定電流領域（〜９桁）を有する負の微小電流である。
電荷積分回路３の具体的構成は、図２に示すように、被測定電流Ｉｉｎが反転入力側に供給され、非反転入力側が接地されたオペアンプ３１と、このオペアンプ３１の出力側及び反転入力側間に接続された積分用コンデンサ３２とを備えている。したがって、電荷積分回路３では、積分用コンデンサ３２の静電容量をＣとしたときに、負の被測定電流Ｉｉｎが入力されるとこれを積分した下記（１）式で表される正の積分電圧信号Ｖｏが出力される。
Figure 2015011916
この（１）式から明らかなように、オペアンプ３１の積分電圧信号Ｖｏは経過時間Ｔに比例して上昇する。このとき、積分用コンデンサ３２には、出力される積分電圧信号Ｖｏとコンデンサの静電容量Ｃとの積だけの電荷Ｑ（＝Ｃ×Ｖｏ）が蓄積される。
低レンジ側電流測定部４の具体的構成は、図２に示すように、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏを所定サンプリング周期（例えば１ｓ程度）で読込んでディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路４１と、このＡ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号が入力される低レンジ測定値演算部としての例えばマイクロコンピュータで構成される演算処理回路４２とを備えている。
ここで、演算処理回路４２は、少なくともＡ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄに基づいて低レンジ側電流測定処理を実行する低レンジ側測定値演算部４２ａと、所定時間（例えば１２５ｍｓ）毎のタイマ割込処理として高レンジ側電流測定処理を実行する高レンジ側測定値演算部４２ｂとを備えている。
演算処理回路４２は、低レンジ側測定値演算部４２ａで、Ａ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄに基づいて低レンジ側電流測定処理を実行して、積分電圧信号Ｖｏの単位時間当りの変化率Ｒｃを算出し、算出した変化率Ｒｃに換算係数Ｋｃ（例えば“１”）を乗算して低レンジ側電流測定値ＩｍＬ（＝Ｒｃ×Ｋｃ）を算出する。
この低レンジ側電流測定処理は、例えばＡ／Ｄ変換回路４１のサンプリング周期と等しく設定された所定時間毎のタイマ割込処理（例えば１秒）として実行される。
Ａ／Ｄ変換回路４１のディジタル信号Ｖｏｄ(n)は、後述のパルス信号形成回路５２からパルス信号Ｐ１が出力されて、電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に蓄積されている電荷が汲み出されている途中にサンプリングされた場合、電荷積分回路３のオペアンプ３１の積分電圧信号Ｖｏが急激に変化して、積分電圧信号Ｖｏの単位時間当りの変化率Ｒｃと被測定電流Ｉｉｎとの比例性が損なわれており被測定電流Ｉｉｎの算出には使用できないため破棄する。
破棄するディジタル信号Ｖｏｄ(n)の数は、電荷が汲み出されている途中にサンプリングされた信号で、実施例では、電荷が汲み出されている途中でサンプリングされた場合、次のサンプリングタイミングが必ず該電荷が汲み出された後になるようにしているので最大１個でよい。もし該電荷が汲み出されている途中のサンプリングが複数回になる場合は、その回数のディジタル信号Ｖｏｄ(n)を破棄すればよい。
このような処理を行わせるために低レンジ側電流測定処理は、図３に示すように、先ず、ステップＳ３１で、該ディジタル信号Ｖｏｄ(n)の破棄処理かを示すフラグＦＰ１を参照して判断し、ＦＰ１が“０”の場合はステップＳ３２へ移行する。
ステップＳ３２では、Ａ／Ｄ変換回路４１のディジタル信号Ｖｏｄ(n)が破棄処理でない場合に、前回のサンプリング以降にカウンタ回路５３にパルス信号形成回路５２からＰ１信号入力があるかフラグＣＮＦを参照して判断し、該Ｐ１信号入力がなかった場合（ＣＮＦ＝”０”）はステップＳ３３へ移行し、該Ｐ１信号入力があった場合（ＣＮＦ＝”１”）は破棄処理のステップＳ４０へ移行する。
ステップＳ３４では、ステップＳ３３で読込んだディジタル信号Ｖｏｄ(n)と前回読み込んだディジタル信号Ｖｏｄ(n-1)の差（Ｖｏｄ(n)−Ｖｏｄ(n-1)）をタイマ割込周期Ｔｔで除した単位時間当りの変化率Ｒｃを算出（微分処理）してからステップＳ３５に移行する。ここで前回読み込んだディジタル信号Ｖｏｄ(n-1)とは、後述の破棄処理終了直前のステップＳ３８で読み込まれたディジタル信号Ｖｏｄも含まれる。
このステップＳ３５では、ステップＳ３４で算出した単位時間当りの変化率Ｒｃに換算係数Ｋｃ（例えば“１”）を乗算して低レンジ側電流測定値ＩｍＬ（＝Ｒｃ×Ｋｃ）を算出し、次いで、ステップＳ３６に移行して、ステップＳ３５で算出した低レンジ側電流測定値ＩｍＬを演算処理回路４２に内蔵するメモリに形成した低レンジ側電流測定値記憶領域に更新記憶しステップＳ３７に移行する。
＜破棄処理＞
電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に蓄積されている電荷が汲み出されている途中にＡ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄがサンプリングされた場合の該信号Ｖｏｄの破棄処理を以下に示す手順で実行する。
破棄処理への移行の判定はステップＳ３２で行う。ステップＳ３２では、カウンタ回路５３にパルス信号形成回路５２からＰ１信号入力があった場合（ＣＮＦ＝”１”）に破棄処理のステップＳ４０側へ移行する。破棄処理では、入力電流と比例性が損なわれているＡ／Ｄ変換回路４１のディジタル信号Ｖｏｄ(n)を読み込まず破棄して、ステップＳ４０へ移行し、ステップＳ４０では破棄処理への移行を示すフラグＦＰ１＝“１”にしてステップＳ３７へ移行し、後述のステップＳ３７を実行してタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
次回の本処理のステップＳ３１において、該フラグＦＰ１＝“１”（破棄処理中）の場合はステップＳ３８へ移行し、ステップＳ３８では、次回の本処理のステップＳ３４で変化率が算出できるように該ディジタル信号Ｖｏｄ(n)を読み込み保持した後、ステップＳ３９で該フラグＦＰ１を“０”にして、ステップＳ３７へ移行する。
ステップＳ３７では、今回の低レンジ側電流測定処理後にカウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１の入力があったことを検知できるようにカウンタ回路にはパルス信号Ｐ１入力有りフラグＣＮＦを”０”にしてからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
また、高レンジ側電流測定部５は、図２に示すように、電圧比較回路５１、パルス信号形成回路５２及びカウンタ回路５３を備えている。
電圧比較回路５１は、前述した電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏが基準電圧Ｖ１未満であるときに例えばローレベルの比較信号Ｓｃを出力する。また、電圧比較回路５１は、積分電圧信号Ｖｏが基準電圧Ｖ１に達したときにハイレベルの比較信号Ｓｃを出力する。
パルス信号形成回路５２は、比較信号Ｓｃがローレベルからハイレベルに反転したときに所定パルス幅と所定のパルス波高のパルス信号Ｐ１を出力する例えばモノステーブルマルチバイブレータで構成されている。
カウンタ回路５３は、パルス信号形成回路５２から出力される１つのパルス信号Ｐ１(n)が入力されてから次のパルス信号Ｐ１(n+1)が入力されるまでの間クロックパルスを計数してパルス信号Ｐ１の周期Ｔを算出する。このカウンタ回路５３のカウント値である周期Ｔは前述した演算処理回路４２に入力される。
演算処理回路４２では、高レンジ側測定値演算部４２ｂで、図４に示す高レンジ側電流測定処理を実行している。この高レンジ側電流測定処理は、所定時間（例えば１２５ｍｓ）毎のタイマ割込処理として実行され、本処理で算出した高レンジ側電流測定値を最新から過去の所定時間分（例えば1秒間分８個）を保持し、以下の手順で順次更新する。
先ず、ステップＳ４１で、カウンタ回路５３からカウント値である積分電圧信号Ｖｏの周期Ｔが入力されたか否かを判定する。カウンタ回路５３から周期Ｔが入力されていないときには、そのままタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰し、カウンタ回路５３から周期Ｔが入力されたときにはステップＳ４２に移行する。
このステップＳ４２では、周期Ｔに基づいて下記（２）式の演算を行って周波数ｆを算出する。
ｆ＝１／Ｔ …………（２）
次いで、ステップＳ４３に移行して、算出した周波数ｆに換算係数Ｋｆ（例えば“１”）を乗算して高レンジ側電流測定値ＩｍＨを算出し、次いでステップＳ４４に移行して、算出した高レンジ側電流測定値ＩｍＨをメモリの高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（Ｎｈ）に更新記憶する。ここで、Ｎｈは、高レンジ側電流測定値記憶領域における過去の所定時間分の高レンジ側電流測定値の記憶場所を区分する数値で、本実施例では１秒間分８個を区分する０から７である。
次いでステップＳ４５に移行して、カウンタ回路にはパルス信号Ｐ１入力有りフラグＣＮＦを“１”にセットし、次いでステップＳ４６に移行する。
ステップＳ４６からステップＳ４８は、次回の本処理または高レンジ側電流測定値領域無効化処理において高レンジ側電流測定値を記憶する場所を区分する数値（ＩｍＨ（Ｎｈ）のＮｈ）を更新する処理で、ステップＳ４６でＮｈを＋１し、次いでステップＳ４７でＮｈ≧８の条件判定をして、条件が成立したらステップＳ４８でＮｈ＝０にしてからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
一方、ステップＳ４７で条件が不成立でＮｈ＜８の場合は、そのままタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
また、高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（０〜７）は、所定時間（例えば２秒）を超えても更新されない場合、次回に更新するべき高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（Ｎｈ）に“０”を書き込んで無効データにする。
以降１秒毎に高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（０〜７）の更新判定を行なって、更新されない場合、順次高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（Ｎｈ）に“０”を書き込んで無効データにする。
この処理は、入力電流が低レンジ側電流領域と高レンジ側電流領域の境界（本実施例では、カウンタ回路５３からの周期Ｔが２秒から８秒）にある場合に入力電流の測定値を低レンジ側電流測定値ＩｍＬと高レンジ側電流測定値ＩｍＨの両方を用いて算出し、その際、該電流が小さくなるにつれて、高レンジ側電流測定値ＩｍＨの重みを小さくするために、高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（Ｎｈ）内の無効データを増やして、低レンジ側電流測定値ＩｍＬと高レンジ側電流測定値ＩｍＨの感度差による測定値の不連続性を緩和するものである。
この具体的手順は図５を用いて説明する。
演算処理回路４２で、図５に示す高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ(Ｎｈ)無効化処理を実行している。この処理は、所定時間（例えば1秒）毎のタイマ割込処理として実行される。
先ず、ステップＳ５０で、カウンタ回路５３で計数しているクロックのカウント値を読み込み、カウント値から前回周期Ｔが入力されてから２秒以上経過したか否かを判定する。前回周期Ｔが入力されてから２秒未満の場合は、そのままタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰し、前回周期Ｔが入力されてから２秒以上経過した場合はステップＳ５１へ移行する。
ステップＳ５１では、次回に更新するべき高レンジ側電流測定値記憶領域ＩｍＨ（Ｎｈ）に“０”を書き込んで無効データにして、ステップＳ５２へ移行する。
ステップＳ５２からステップＳ５４は、次回の本処理または高レンジ側電流測定処理において８個の高レンジ側電流測定値を記憶する場所を区分する数値（ＩｍＨ（Ｎｈ）のＮｈ）を更新する処理で、ステップＳ５２でＮｈを＋１し、次いでステップＳ５３でＮｈ≧８の条件判定をして、条件が成立したらステップＳ５４でＮｈ＝０にしてからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
一方、ステップＳ５３で条件が不成立でＮｈ＜８の場合は、そのままタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
この図５に示す一連の処理は１秒周期の割込み処理で実行されているので、パルス信号形成回路５２からのパルス信号Ｐ１が２秒以上途絶え続けて８秒経過すると８個の高レンジ側電流測定値を記憶するすべての高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（Ｎｈ））の値が無効“０”になる。
一方、パルス信号Ｐ１がカウンタ回路５３に入力されると、前述の高レンジ側電流測定処理において、そのときのＮｈの値が示す高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（Ｎｈ））が高レンジ側電流測定値ＩｍＨで更新される。
さらに、ポンピング回路７は、高レンジ側電流測定部５のパルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１が入力されるポンピングコンデンサ７１と、カソードが電流入力端子２と電荷積分回路３を構成するオペアンプ３１の反転入力側との間に接続されたポンピングダイオード７２との直列回路と、ポンピングコンデンサ７１及びポンピングダイオード７２間と接地との間に介挿された抵抗７３とで構成されている。
このポンピング回路７では、パルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１がローレベルであるときには、ポンピングコンデンサ７１に蓄積された電荷が抵抗７３を介して放電されており、ポンピングダイオード７２はオフ状態となり電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２は電荷蓄積状態を維持する。
この状態から、パルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１がハイレベルとなると、その立ち上がりで、ポンピングコンデンサ７１に充電されている電荷が抵抗７３を介して接地に流れ、ポンピングコンデンサ７１と抵抗７３との接続点に正電圧が発生する。この電圧は、ポンピングダイオード７２に順方向電圧として印加されるので、ポンピングダイオード７２が導通して電流が流れ、電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に蓄積されている電荷を汲み出す。
一方、演算処理回路４２では、図６に示す測定値決定処理を実行する。この測定値決定処理は、予め設定された所定時間（例えば１秒）毎に実行されるタイマ割込処理として実行される。
先ず、ステップＳ６１で、前述のようにカウンタ回路５３から前回周期Ｔが入力されてから２秒以上経過したか否かを判定する。
このステップＳ６１の判定結果が、前回周期Ｔが入力されてから２秒以上経過しているときには、ステップＳ６４に移行する。
このステップＳ６４の系統は、パルス信号Ｐ１の頻度により高レンジ側電流測定値ＩｍＨに重みを付け、低レンジ側電流測定値ＩｍＬとの平均値を求めて被測定電流Ｉｉｎの測定値とする処理を行うもので、ステップＳ６４で、ｉは高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（i））の場所を指定するポインタで初期値ｉ＝０、ｊは高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（i））の有効データ数をカウントするレジスタで初期値ｊ＝０、Ｉｍｓは計算過程の電流測定値を記憶するレジスタで初期値Ｉｍｓ＝０とし、ステップＳ６５へ移行する。
ステップＳ６５では、ｉで示される高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（i））の値が有効（ＩｍＨ（i）≠０）か否かを判定し、有効の場合はステップＳ６６へ移行し、有効な高レンジ側電流測定値ＩｍＨ（i）をＩｍｓへ加算し、次いでステップＳ６７へ移行し有効データ数に１を加算し、次いでステップＳ６８へ移行する。一方、ステップＳ６５で、iで示される高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（i））の値が無効（ＩｍＨ（i）＝０）の場合はそのままステップＳ６８へ移行する。
ステップＳ６８では、高レンジ側電流測定値記憶領域（ＩｍＨ（i））の場所を指定するポインタｉに１を加算し、ステップＳ６９でポインタｉが８以上（高レンジ側電流測定値記憶領域の上限）になるまで繰り返えしてステップＳ６５へ戻り、有効データの数ｊと有効な高レンジ側電流測定値の合計Ｉｍｓを求め後にステップＳ７０へ移行する。
ステップＳ７０では、先に求めた有効な高レンジ側電流測定値の合計Ｉｍｓに低レンジ側電流測定値ＩｍＬを加算した値を有効データの数ｊに１を加算した値で除算しこれらの測定値の平均値を求めて電流測定値Ｉｍを更新してタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
一方、ステップＳ６１の判定結果が、前回の周期Ｔが入力されてから２秒以上経過していない場合は、ステップＳ６２に移行する。
ステップＳ６２では、ステップＳ６４からステップＳ６９と同じ処理を実行し、高レンジ側電流測定値ＩｍＨ(0〜7)の有効データ（≠０）の加算値Ｉｍｓと有効データの数ｊを算出し、ステップＳ６３へ移行する。
ステップＳ６３では、先に求めた有効な高レンジ側電流測定値の合計Ｉｍｓを有効データの数ｊで除算し測定値の平均値を求めて電流測定値Ｉｍを更新してタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
なお、Ａ／Ｄ変換回路４１と演算処理回路４２で実行する低レンジ側電流測定値算出処理とで低レンジ側電流測定部４に対応している。また、電圧比較回路５１、パルス信号形成回路５２、カウンタ回路５３及び演算処理回路４２の高レンジ側電流測定値算出処理及び高レンジ側電流測定値記憶領域無効化処理とで高レンジ側電流測定部５に対応している。さらに、演算処理回路４２の測定値決定処理が測定値決定部６に対応している。
次に、上記第１の実施形態の動作について図７に示すタイミングチャートを伴って説明する。
今、電流入力端子２に入力される被測定電流Ｉｉｎが、図７（ａ）に示すように、時点ｔ０で入力されておらず、電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２が放電されて出力される積分電圧信号Ｖｏが“０”であるとともに、高レンジ側電流測定部５のカウンタ回路５３のカウント値Ｎが“０”にクリアされているものとする。
この状態で、時点ｔ１で負の一定値例えば−１０−１２Ａ以上となる被測定電流Ｉｉｎが入力されると、この被測定電流Ｉｉｎが電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に流れ込んで蓄積される。このため、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏは、前記（１）式で表されるように、被測定電流Ｉｉｎの積分値を積分用コンデンサ３２の静電容量Ｃで除した値となる。したがって、積分電圧信号Ｖｏは、被測定電流Ｉｉｎが一定値の場合経過時間Ｔに比例して図７（ｂ）に示すように上昇する。このとき、積分用コンデンサ３２には、オペアンプ３１の積分電圧信号Ｖｏと積分用コンデンサ３２の静電容量Ｃの積だけ電荷Ｑが蓄積されている（Ｑ＝Ｃ×Ｖｏ）。この初期状態では、積分電圧信号Ｖｏが基準電圧Ｖ１より低い値となるので、電圧比較回路５１から出力される比較信号Ｓｃは図７（ｃ）に示すようにローレベルを維持している。
その後、被測定電流Ｉｉｎは、図７（ａ）に示すように一定値を維持するので、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏは図７（ｂ）に示すように上昇を継続する。その後、時点ｔ２で積分電圧信号Ｖｏが基準電圧Ｖ１に達すると、電圧比較回路５１から出力される比較信号Ｓｃが、図７（ｃ）に示すように、ローレベルからハイレベルに反転する。
このハイレベルの比較信号Ｓｃがパルス信号形成回路５２に供給されるので、このパルス信号形成回路５２から図７（ｄ）に示すように所定のパルス幅のパルス信号Ｐ１が出力される。このパルス信号Ｐ１がカウンタ回路５３に入力されるので、このカウンタ回路５３がクロックパルスの計数を開始し、カウント値Ｎが増加する。
一方、パルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１がポンピング回路７のポンピングコンデンサ７１に供給される。このため、パルス信号Ｐ１がハイレベルとなると、その立ち上がりで、ポンピングコンデンサ７１に充電されている電荷が抵抗７３を介して接地に流れ、ポンピングコンデンサ７１と抵抗７３との接続点に正電圧が発生する。この電圧は、ポンピングダイオード７２に順方向電圧として印加されるので、ポンピングダイオード７２が導通して電流が流れ、電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に蓄積されている電荷を放電させる。
したがって、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏは、図７（ｂ）に示すように、パルス信号Ｐ１がハイレベルを継続している間急激に“０”近傍まで減少する。
その後、時点ｔ３でパルス信号Ｐ１がハイレベルからローレベルに復帰すると、ポンピング回路７による積分用コンデンサ３２の放電が停止され、電荷積分回路３で再度積分処理が開始されて積分電圧信号Ｖｏが図７（ｂ）に示すように再度上昇する。
その後、積分電圧信号Ｖｏの上昇が継続されて時点ｔ４で積分電圧信号Ｖｏが再度基準電圧Ｖ１に達すると、電圧比較回路５１からハイレベルの比較信号Ｓｃが出力され、これによってパルス信号形成回路５２で所定幅のパルス信号Ｐ１が形成される。
カウンタ回路５３は、パルス信号Ｐ１が供給される毎に前回のパルス信号Ｐ１入力時からのクロックの計数値を内部メモリへ転送して、カウント値を“０”にクリアし、クロックの計数を継続するようにしている。このため、起動直後のパルス信号Ｐ１入力時を除き、パルス信号Ｐ１が供給される毎にパルス信号Ｐ１の周期測定値Ｔが得られ、その度にそのときの積分電圧信号Ｖｏの周期Ｔを表すカウント値Ｎが演算処理回路４２に入力される。
この演算処理回路４２では、図４に示す高レンジ側電流測定処理をタイマ割込処理として実行しているので、この高レンジ側電流測定処理が実行開始されると、カウンタ回路５３から積分電圧信号Ｖｏの周期Ｔが入力される。このため、高レンジ側電流測定処理で、周期Ｔに基づいて積分電圧信号Ｖｏの周波数ｆを算出し（ステップＳ４２）、算出した周波数ｆに換算係数Ｋｆを乗算して高レンジ側電流測定値ＩｍＨを算出する（ステップＳ４３）。
そして、高レンジ側電流測定処理は、算出した高レンジ側電流測定値ＩｍＨをメモリの高レンジ側電流測定値記憶領域に更新記憶し（ステップＳ４４）、次いで、カウンタ回路にはパルス信号Ｐ１入力有りフラグＣＮＦを“１”にセットする。
次いで、高レンジ側電流測定処理は、高レンジ側電流測定値を記憶する場所を区分する数値Ｎｈを＋１すなわちＮｈをインクリメントし（ステップＳ４６）、Ｎｈが８未満であるときにはそのままタイマ割込処理を終了し、Ｎｈが８以上となるとステップＳ４８でＮｈ＝０に設定してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
このとき、被測定電流Ｉｉｎが−１０−１２Ａ以上であるので、積分電圧信号Ｖｏの周期Ｔは１秒以下となる。このため、演算処理回路４２で例えば１秒毎にタイマ割込処理として実行される図６の測定値決定処理が実行されたときに、ステップＳ６１からステップＳ６２へ移行し、高レンジ側電流測定値ＩｍＨ(0〜7)の有効データ（≠０）の加算値Ｉｍｓを算出するとともに、有効データ（≠０）の数ｊを算出する。次いでステップＳ６３に移行して、加算値Ｉｍｓを有効データ数ｊで除して平均値を算出し、これを被測定電流Ｉｉｎの電流測定値Ｉｍとして決定し、決定した電流測定値Ｉｍをメモリの電流測定値記憶領域に更新記憶するとともに、外部に出力する（ステップＳ６３）。
ところが、電流入力端子２に入力される被測定電流Ｉｉｎの電流値が−１０−１２Ａより小さい値となると、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏの周期Ｔが１秒より長くなる。このため、最小測定可能電流値である−１０−１５Ａである場合には積分電圧信号Ｖｏの周期Ｔが１０００秒となってしまう。したがって、カウンタ回路５３から周期Ｔが出力されるまでに１０００秒掛かることになり、電流測定要求が１秒毎である場合には、高レンジ側電流測定部５では全く対処できないことになる。
ここで、カウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１が入力されてから２秒以上経過したときには、図５に示す高レンジ側電流測定値記憶領域無効化処理がタイマ割込処理として実行される毎に、高レンジ側電流測定値記憶領域の記憶する場所を区分する数値Ｎｈに高レンジ側電流測定値ＩｍＨ(Ｎｈ)＝０が更新記憶されることを繰り返す(ステップＳ５０〜Ｓ５４)。
一方、低レンジ側電流測定部４では１秒以下の短時間で電流測定を行っている。すなわち、低レンジ側電流測定部４では、常時、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号ＶｏがＡ／Ｄ変換回路４１に入力され、このＡ／Ｄ変換回路４１で１秒に４，５回程度となるサンプリング周期で積分電圧信号Ｖｏをディジタル信号Ｖｏｄに変換している。このＡ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄが演算処理回路４２に供給される。
この演算処理回路４２では、図３に示す低レンジ側電流測定処理をＡ／Ｄ変換回路４１のサンプリング周期に対応する周期のタイマ割込処理として実行している。この低レンジ側電流測定処理では、積分電圧信号Ｖｏは、図７（ｂ）に示すように、時点ｔ１から時点ｔ２までの上昇過程では、積分電圧信号Ｖｏの単位時間当りの変化率Ｒｃが被測定電流Ｉｉｎに比例した値となる。しかしながら、時点ｔ２から時点ｔ３までの下降過程では、積分電圧信号Ｖｏの単位時間当りの変化率Ｒｃが被測定電流Ｉｉｎに比例した値とならず、この間のディジタル信号Ｖｏｄ(n)を破棄している。
このため、低レンジ側電流測定処理が実行開始されると、ディジタル信号Ｖｏｄ(n)の破棄処理であるか否かを判断し（ステップＳ３１）、ＦＰ１＝“０”で破棄処理ではないときに、カウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１が入力されたか否かをパルス信号Ｐ１入力有りフラグＣＮＦが“１”であるか否かによって判定する（ステップＳ３２）。
カウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１の入力がなく、該フラグＣＮＦが“０”にリセットされているときには、Ａ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄ(n)を読込む（ステップＳ３３）。
また、低レンジ側電流測定処理は、ステップＳ３３で読込んだディジタル信号Ｖｏｄ(n)と前回のタイマ割込時のディジタル信号Ｖｏｄ(n-1)との偏差をタイマ割込周期で除して単位時間当りの変化率Ｒｃを算出する（ステップＳ３４）。
次いで、低レンジ側電流測定処理は、算出した単位時間当りの変化率Ｒｃに換算係数Ｋｃを乗算して低レンジ側電流測定値ＩｍＬ（＝Ｒｃ×Ｋｃ）を算出し（ステップＳ３５）、算出した低レンジ側電流測定値ＩｍＬを低レンジ側電流測定値記憶領域に更新記憶する（ステップＳ３６）。そして、低レンジ側電流測定処理は、カウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１の入力があったことを検知できるようにパルス信号Ｐ１入力有りフラグＣＮＦを”０”にしてからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
また、図７（ｃ）に示すように、カウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１が入力されたときには、積分電圧信号Ｖｏが急激に立ち下がる状態となるため、ディジタル信号Ｖｏｄ(n)の破棄処理となる。この場合には、ステップＳ３２からステップＳ４０に移行して、フラグＦＰ１を“１”にセットしてからステップＳ３７に移行してフラグＣＮＦが“０”にリセットされる。これに応じて、演算処理回路４２は、低レンジ側電流測定値算出を行うことなくタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
このため、所定時間が経過して次に低レンジ側電流測定処理が開始されたときに、ステップＳ３１において、該フラグFP1が“１”（破棄処理中）の場合はステップＳ３８へ移行する。このステップＳ３８では、次回の本処理のステップＳ３４で変化率が算出できるように該ディジタル信号Ｖｏｄ(n)を読み込み保持した後、ステップＳ３９で該フラグＦＰ１を“０”にして、ステップＳ３７へ移行し、フラグＣＮＦが“０”にリセットされる。このため、演算処理回路４２は、低レンジ側電流測定値算出を行うことなくタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。このようにして、カウンタ回路５３にパルス信号Ｐ１が入力されたときには少なくとも１回ディジタル信号Ｖｏｄ(n)を読込むことなく破棄する。
そして、低レンジ側電流測定値記憶領域に低レンジ側電流測定値ＩｍＬが記憶されると、その後に演算処理回路４２で前述した図６の測定値決定処理が実行されたときに、カウンタ回路５３に前回パルス信号Ｐ１が入力されてから２秒以上経過すると、ステップＳ６１からステップＳ６４に移行する。これにより、パルス信号Ｐ１の頻度により高レンジ側電流測定値ＩｍＨに重みを付け、重み付けされた高レンジ側電流測定値ＩｍＨと低レンジ側電流測定値ＩｍＬとの平均値を求めて被測定電流Ｉｉｎの電流測定値Ｉｍとする処理を行う（ステップＳ６４〜Ｓ７０）。
すなわち、数ｉ及びｊを“０”とするとともに加算値Ｉｍｓを“０”に設定し（ステップＳ６４）、高レンジ側電流測定値ＩｍＨ(i)が“０”以外であるときには現在の加算値Ｉｍｓに高レンジ側電流測定値ＩｍＨを加算して新たな加算値Ｉｍｓとし（ステップＳ６６）、次いで有効データ数ｊを“１”だけインクリメントし（ステップＳ６７）、次いでステップＳ６８に移行する。
ステップＳ６５の判定結果が高レンジ側電流測定値ＩｍＨ(i)が“０”であるときには加算処理を行うことなくステップＳ６８に移行する。
このステップＳ６８では加算回数ｉを“１”だけインクリメントしてからステップＳ６９に移行して、ｉ＜８であるときにはステップＳ６５に戻り、ｉ≧８であるときにはステップＳ７０に移行する。このステップＳ７０では、加算値Ｉｍｓと低レンジ側電流測定値ＩｍＬとを加算した加算値を有効データ数ｊに“１”を加えたｊ＋１で除して平均値を算出し、算出した平均値を被測定電流Ｉｉｎの電流測定値Ｉｍとして記憶するとともに、外部に出力する。
したがって、測定値決定処理のステップＳ６５からステップＳ６９までの処理を８回繰り返してＩｍＨ(0)〜ＩｍＨ(7)が全て“０”であるときには低レンジ側電流測定値ＩｍＬが電流測定値Ｉｍとして決定される。また、少なくとも１つ以上の高レンジ側電流測定値ＩｍＨが存在する場合には、これら高レンジ側電流測定値ＩｍＨの加算値Ｉｍｓと低レンジ側電流測定値ＩｍＬとの加算値を有効データ数ｊに“１”を加えた値で除して平均値を算出し、これを電流測定値Ｉｍとして決定する。
このように、上記第１の実施形態によると、高レンジ側電流測定部５で所望の測定値出力要求タイミングに応じて高レンジ側電流測定値ＩｍＨを算出できる場合には、高レンジ側電流測定値ＩｍＨを被測定電流Ｉｉｎに対する電流測定値Ｉｍとして決定する。また、高レンジ側電流測定値ＩｍＨの算出が所望の測定値出力要求タイミング内に算出できない場合には低レンジ側電流測定部４で算出した低レンジ側電流測定値ＩｍＬを被測定電流Ｉｉｎに対する電流測定値Ｉｍとして決定する。さらに、測定値出力要求タイミング内に高レンジ側電流測定値ＩｍＨが１以上算出された場合には、算出された高レンジ側電流測定値ＩｍＨの加算値と低レンジ側電流測定値ＩｍＬとの加算値を高レンジ側電流測定値ＩｍＨの有効データ数ｊに“１”を加えた値ｊ＋１で除した平均値を電流測定値Ｉｍとして決定する。
したがって、−１０−１５Ａ〜−１０−６Ａの９桁にわたる広いレンジの微小電流に対する電流測定値を、レンジ切換えを行うことなく、所望の測定値出力要求タイミングで正確に算出することができる。
しかも、低レンジ側電流測定部４では、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏの単位時間当りの変化率Ｒｃを算出し、この変化率Ｒｃに換算係数Ｋｃを乗算して低レンジ側電流測定値ＩｍＬを算出するので、被測定電流Ｉｉｎが最小電流値−１０−１５Ａ近傍でも所望の測定値出力要求タイミング内の短時間で正確に測定することができる。
また、高レンジ側電流測定部５でも、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏが基準電圧に達したときに形成されるパルス信号に基づいて高レンジ側電流測定値ＩｍＨを算出するので、正確な電流測定を行うことができる。
さらに、低レンジ側電流測定値ＩｍＬと高レンジ側電流測定値ＩｍＨとの算出が同時に行われ、両者の選択を高レンジ側電流測定値ＩｍＨが所望の測定値出力要求タイミング内に算出できるか否かによって行うので、レンジ切換えによる損失時間が発生することがなく、広いレンジの被測定電流を正確に測定することができる。
なお、低レンジ側電流測定部４の被測定電流値と積分電圧信号Ｖｏの変化率との関係は図８（ａ）に示すようになり、高レンジ側電流測定部５の被測定電流値と積分電圧信号の周波数との関係は図８（ｂ）に示すようになる。
ここで、高レンジ側電流測定部５で算出する高レンジ側電流測定値ＩｍＨは、ポンピング回路７を駆動するパルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１の周波数を測定することにより得ることができる。被測定電流Ｉｉｎとパルス信号Ｐ１の周波数との対応は図８（ｂ）に示すように、１ｐＡ〜１μＡが０．５Ｈｚ〜５００ｋＨｚに対応する。
この場合、１μＡの電流が１／５００ｋＨｚ時間流れたとき、その電荷は、２ｐＣ＝１μＡ／５００ｋＨｚとなる。この電荷は、ポンピング回路７で汲み出される電荷と平衡するので、１回のポンピング動作で電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏの電圧を例えば１Ｖ変化させようとすると、積分用コンデンサ３２の静電容量Ｃは、
Ｃ＝Ｑ／Ｖ＝２ｐＣ／１Ｖ＝２ｐＦ
となる。
また、低レンジ側電流測定部４で算出する低レンジ側電流測定値ＩｍＬは、上述したように、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏを単位時間毎の変化率Ｒｃに変換し、これに換算係数Ｋｃを乗算することにより得ることができる。電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２の静電容量を２ｐＦとした場合、被測定電流Ｉｉｎの１ｆＡ〜３ｐＡに対する１秒間の電圧変化の図８（ａ）に示す。
今、被測定電流Ｉｉｎを１ｆＡとすると、積分用コンデンサ３２の静電容量が２ｐＦなので、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏの１秒間の変化電圧ΔＶｏは、
ΔＶｏ＝１（ｆＣ）／２０００（ｆＦ）＝０．５ｍＶ
となり、Ａ／Ｄ変換回路４１は、上記電圧が必要な精度で測定できるものを選定する。例えば１％の精度が必要な場合、前記０．５ｍＶの１／１００の０．００５ｍＶが測定できる必要があり、最大測定電圧を１Ｖとすると、２００，０００（１Ｖ／０．０００００５Ｖ）の分解能（１８ビット以上）が必要である。
さらに、高レンジ側電流測定部５のパルス信号形成回路５２は、出力信号の波高を可変できるようにしておくと、被測定電流Ｉｉｎと出力するパルス信号Ｐ１との関係が回路定数の誤差を吸収させて規格化できるので都合がよい。パルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１のパルス幅は、パルス信号Ｐ１の最高周波数が５００ｋＨｚであるので、例えばデューティ比２０％とすると０．４μｓ程度に設定する。
そして、ポンピング回路７で汲み出す電流は、高レンジ側電流測定部５の入力電流と平衡するので、１μＡの電流を１／５００ｋＨｚ時間積分した電荷もパルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１が１個で汲み出す電荷と等しく２ｐＣとなる。ポンピングコンデンサ７１の静電容量Ｃ１はパルス信号形成回路５２の実効的な出力電圧の波高を例えば０．１Ｖとすると、
Ｃ＝Ｑ／Ｖ＝２ｐＣ／０．１Ｖ＝２０ｐＦ
となる。
また、抵抗７３の抵抗値は、パルス信号形成回路５２のパルス幅が０．４μｓ程度なので、この時間内にポンピングコンデンサ７１が十分に充放電されるように、抵抗７３の抵抗値とポンピングコンデンサ７１の静電容量との積（τｐ：ポンピング回路時定数）をパルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１のパルス幅が０．４μｓに対して十分小さい値、例えば０．０４μｓ（１／１０）とすると、抵抗７３の抵抗値Ｒ２は、
Ｒ２＝０．０４（μｓ）／２０（ｐＦ）＝２（ｋΩ）
となる。
ただし、実際には、ポンピングダイオード７２の順方向電圧の降下分の電圧と、ポンピングダイオード７２の電極間の静電容量により損失する分を加算する必要がある。
次に、本発明の一態様である第２の実施形態について図９を伴って説明する。
この第２の実施形態は、被測定電流Ｉｉｎの電流値が低レンジ側電流測定部４を構成するＡ／Ｄ変換回路４１で変換可能な下限電圧以下になった場合の無効データの発生を抑制するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図９に示すように、上述した第１の実施形態において、高レンジ側電流測定部５と並列に初期化回路１０が設けられていることを除いては図２と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
ここで、初期化回路１０は、電圧比較回路１１、初期化用パルス信号形成回路１２及び初期化用ポンピング回路１３を有する。
電圧比較回路１１は、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏと、初期化電圧として低レンジ側電流測定部４を構成するＡ／Ｄ変換回路４１のＡ／Ｄ変換可能な下限電圧Ｖ２とが入力され、積分電圧信号Ｖｏが下限電圧Ｖ２未満であるときにハイレベルの比較信号Ｓｃ２を出力する。
初期化用パルス信号形成回路１２は、電圧比較回路１１の比較信号Ｓｃ２が供給され、この比較信号Ｓｃ２がローレベルからハイレベルに反転したときにハイレベルからローレベルとなる所定の幅、所定の波高の初期化用パルス信号Ｐ２が出力される。
初期化用ポンピング回路１３は、初期化用パルス信号形成回路１２から出力される初期化用パルス信号Ｐ２が入力され、ポンピング回路７とは逆極性の機能を有し、電荷積分回路の電荷を放電させるのではなく、電荷を蓄積させる方向に働くように構成されている。
すなわち、初期化用ポンピング回路１３は、図９に示すように、ポンピングコンデンサ１３ａ、ポンピングダイオード１３ｂ及び抵抗１３ｃを有する。ここで、ポンピングコンデンサ１３ａの一方の極はパルス信号形成回路１２の出力側に接続され、このポンピングコンデンサ１３ａの他方の極と電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２との間にポンピングダイオード１３ｂが介挿されている。
このポンピングダイオード１３ｂは、アノードが積分用コンデンサ３２に接続され、カソードがポンピングコンデンサ１３ａに接続されている。抵抗１３ｃは、ポンピングコンデンサ１３ａ及びポンピングダイオード１３ｂの接続点と接地との間に接続されている。
したがって、初期化用ポンピング回路１３では、ポンピングコンデンサ１３ａに初期化用パルス信号形成回路１２から供給されるパルス信号Ｐ２がハイレベルにある場合には、ポンピングコンデンサ１３ａの初期化用パルス信号形成回路１２側の電極の電圧ＶＣ１がパルス信号Ｐ２の充電電圧ＶＨとなり、この充電電圧ＶＨに応じた電荷がポンピングコンデンサ１３ａに蓄積される。電荷が蓄積されている間は充電電流が抵抗１３ｃを介して流れ、抵抗１３ｃのコンデンサ１３ａ側電圧ＶＣ２は正の電圧となる。この電圧がポンピングダイオード１３ｂのカソードに供給されてもポンピングダイオード１３ｂはオフ状態のままで電荷積分回路３へ流れ込むことはない。充電が終わると、ポンピングコンデンサ１３ａのポンピングダイオード１３ｂ側の電極の電圧ＶＣ２が０Ｖとなる。
この状態で、ポンピングコンデンサ１３ａに供給されている初期化用パルス信号形成回路１２からのパルス信号Ｐ２がローレベルとなると、初期化用パルス信号形成回路１２側の電極の電圧ＶＣ１が電圧ＶＬとなり、ポンピングコンデンサ１３ａに放電電流が流れ、その電流が抵抗１３ｃに流れ、ポンピングダイオード１３ｂ側の電極の電圧ＶＣ２がハイレベル及びローレベル間の電圧ＶＣ（＝ＶＨ−ＶＬ）に相当する分負電圧値に移行する。このため、ポンピングダイオード１３ｂのカソード側の電圧ＶＣ２が負電圧値となって、ポンピングダイオード１３ｂがオン状態となり、ポンピングコンデンサ１３ａの放電電流の一部が流れる。これによって、電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に電荷蓄積し、積分電圧信号Ｖｏを上昇させる。このとき、パルス信号Ｐ２の１個で積分電圧信号Ｖｏが初期化電圧となる下限電圧Ｖ２以上とならない場合は、下限電圧Ｖ２以上となるまで複数個の初期化用パルス信号Ｐ２を発生させる機能を初期化用パルス信号形成回路に持たせてもよい。積分電圧信号Ｖｏが初期化電圧となる下限電圧Ｖ２以上となると、電圧比較回路１１から出力される比較信号Ｓｃ２がローレベルに復帰する。
初期化用パルス信号形成回路１２から出力される初期化用パルス信号Ｐ２は所定の幅なので立ち下がりから所定時間後にハイレベルに復帰する。これによって、初期化用ポンピング回路１３のポンピングダイオード１３ｂがオフ状態に復帰し、初期化用ポンピング回路１３からの積分用コンデンサ３２への電荷蓄積が停止される。
次に、上記第２の実施形態の動作について図１０を伴って説明する。
今、電流入力端子２に負値の被測定電流Ｉｉｎが入力され、この被測定電流Ｉｉｎが電荷積分回路３に供給されて、この電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏの電圧値が低レンジ側電流測定部４を構成するＡ／Ｄ変換回路４１のディジタル変換可能な下限電圧Ｖ２を超えている場合には、Ａ／Ｄ変換回路４１から有効なディジタル信号Ｖｏｄが出力されることにより、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
ところが、電流入力端子２に入力される被測定電流Ｉｉｎが電源投入時やノイズ混入などの何らかの原因で電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏが、図１０（ｂ）に示すように、初期化電圧となる低レンジ側電流測定部４を構成するＡ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２未満に低下している場合には、Ａ／Ｄ変換回路４１から有効なディジタル信号Ｖｏｄを得ることができない。
この状態では、積分電圧信号Ｖｏが下限電圧Ｖ２未満に低下しているので、初期化回路１０の電圧比較回路１１から出力される比較信号Ｓｃ２がハイレベルとなり、初期化用パルス信号形成回路１２からローレベルＶＬの初期化用パルス信号Ｐ２が初期化用ポンピング回路１３に出力される。
このため、初期化用ポンピング回路１３のポンピングコンデンサ１３ａの初期化用パルス信号形成回路１２側の電極の電圧ＶＣ１が電圧ＶＬとなり、ポンピングコンデンサ１３ａへ放電電流が抵抗１３ｃを通じて流れる。この放電電流と抵抗１３ｃの積の負電圧がポンピングダイオード１３ｂ側の電極の電圧ＶＣ２に発生するので、ポンピングダイオード１３ｂがオン状態となる。これによって電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に電荷蓄積し、積分電圧信号Ｖｏを図１０（ｂ）に示すように急峻に上昇させる。
初期化用パルス信号Ｐ２は所定のパルス幅を出力するとハイレベルに復帰するので、初期化用ポンピング回路１３のポンピングコンデンサ１３ａの初期化用パルス信号形成回路１２側の電極の電圧ＶＣ１が充電電圧ＶＨとなって充電電圧ＶＨに応じた電荷がポンピングコンデンサ１３ａに蓄積される。電荷が蓄積されている間は充電電流が抵抗１３ｃを介して流れ、抵抗１３ｃのコンデンサ１３ａ側電圧ＶＣ２は正の電圧となる。この電圧がポンピングダイオード１３ｂのカソードに供給されてもポンピングダイオード１３ｂはオフ状態のままで電荷積分回路３へ流れ込むことはない、充電が終わるとポンピングコンデンサ１３ａのポンピングダイオード１３ｂ側の電極の電圧ＶＣ２が０Ｖとなる。
この状態となると、ポンピングダイオード１３ｂがオフ状態となるので、初期化用ポンピング回路１３による積分用コンデンサ３２の電荷蓄積が停止される。
ここで、初期化用パルス信号形成回路１２から初期化用ポンピング回路１３への初期化用パルス信号Ｐ２の供給が１回のみでは積分電圧信号Ｖｏが、Ａ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２に到達しない場合、到達するまで初期化用パルス信号Ｐ２の供給を継続させる。
そして、積分電圧信号Ｖｏが、初期化用パルス信号形成回路１２から初期化用ポンピング回路１３へ1個または複数個の初期化用パルス信号Ｐ２の供給によって、Ａ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２に達すると、電圧比較回路１１から出力される比較信号Ｓｃ２がローレベルに復帰する。これに応じて初期化用パルス信号形成回路１２から出力される初期化用パルス信号Ｐ２がハイレベルに戻った状態で停止する。
この状態となると、ポンピングダイオード１３ｂがオフ状態となるので、初期化用ポンピング回路１３による積分用コンデンサ３２の電荷蓄積が停止されて、初期化回路１０による初期化処理が終了される。
このように、積分電圧信号ＶｏがＡ／Ｄ変換回路４１のディジタル変換する下限電圧Ｖ２に達すると、Ａ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄが有効データとなり、以後前述した第１の実施形態と同様に積分電圧信号Ｖｏに基づく高レンジ側電流測定部５のパルス信号形成回路５２とポンピング回路７との動作によって積分電圧信号Ｖｏが積分状態と放電状態とを繰り返すことになり、低レンジ側電流測定部４での低レンジ側電流測定値ＩｍＬの算出が正確に行われる。
このように、第２の実施形態によると、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏが低レンジ側電流測定部４を構成するＡ／Ｄ変換回路４１のディジタル変換可能な下限電圧Ｖ２未満であるときに、初期化回路１０によって、積分電圧信号Ｖｏが急峻に下限電圧Ｖ２まで上昇される。このため、Ａ／Ｄ変換回路４１での無効データの発生を抑制して低レンジ側電流測定値の測定時間が長くなることを確実に抑制することができる。
ちなみに、初期化回路１０を備えていないものとすると、図１１（ａ）に示すように、時点ｔ０で電源投入したときに、被測定電流Ｉｉｎを電荷積分回路３で積分した積分電圧信号Ｖｏが、図１１（ｂ）に示すように、Ａ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２未満である場合には、電荷積分回路３での積分により積分電圧信号ＶｏがＡ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２に達するまでの時間Ｔが長くなる。このため、図１１（ｅ）に示すように、Ａ／Ｄ変換回路４１から出力されるディジタル信号Ｖｏｄの無効データの期間Ｔが増加し、低レンジ側電流測定部４での電流測定開始が時間Ｔだけ遅れてしまう。
このとき、例えば積分電圧信号Ｖｏが−１Ｖ、下限電圧Ｖ２が０Ｖ、被測定電流Ｉｉｎが１０ｆＡ、積分用コンデンサ３２の静電容量が２ｐＦであるとすると、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏを−１Ｖから０Ｖまで高めるために必要な電荷は、−２ｐＣ（＝−１Ｖ×２ｐＦ）である。この電荷は入力電流１０ｆＡを蓄積して達成されるが、被測定電流Ｉｉｎが１０ｆＡの場合、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏが下限電圧Ｖ２以上に上昇するために必要な時間Ｔは、
Ｔ（ｓ）＝２（ｐＣ）／０．０１（ｐＡ）＝２００（ｓ）
となり、２００秒間被測定電流の低レンジ側電流測定値ＩｍＬが得られないことになる。
これに対して、上述した第２の実施形態では、初期化回路１０によって電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２に電荷を蓄積することによって、積分電圧信号Ｖｏを瞬時にＡ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２まで上昇させることができる。この初期化に必要な時間は、初期化用パルス信号形成回路１２から１パルス出力される間であるので１μｓ程度に抑制することができる。
この第２の実施形態では、初期化回路１０での動作が高レンジ側電流測定部５及びポンピング回路７の動作を逆にしたものとなるので、電圧比較回路１１に供給する下限電圧となる初期化電圧Ｖ２を基準電圧Ｖ１の負値−Ｖ１に設定することにより、被測定電流Ｉｉｎの極性を正値とした場合の高レンジ側電流測定値ＩｍＨを算出することが可能となる。
なお、上記第２の実施形態においては、初期化回路１０の電圧比較回路１１に供給する基準電圧をＡ／Ｄ変換回路４１の下限電圧Ｖ２に設定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、下限電圧Ｖ２以下の値であれば無効データが出力される時間Ｔが許容範囲内となる任意の値を設定することができる。
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、低レンジ側電流測定部４をＡ／Ｄ変換回路４１及び演算処理回路４２で構成する場合について説明したが、これに限定されるものではない。本発明の一態様では、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏを電圧差の小さい異なる基準電圧に設定された２つの電圧比較回路を設けて、電圧比較回路から出力される比較信号の時間差に基づいて積分電圧信号Ｖｏの変化率を算出するようにしてもよい。要は、積分電圧信号Ｖｏの変化率Ｒｃを算出可能な構成であれば、任意の構成を適用することができる。また、低レンジ側電流測定部４で所定時間毎に算出される低レンジ側電流測定値ＩｍＬの複数を平均化処理して低レンジ側電流測定値ＩｍＬとして算出するようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、高レンジ側電流測定部５についても電圧−周波数変換回路を設けて、積分電圧信号Ｖｏを直接周波数信号に変換するようにしてもよい。
さらに、上記第１及び第２の実施形態においては、演算処理回路４２を設け、この演算処理回路４２で、低レンジ側電流測定処理、高レンジ側電流測定処理、高レンジ側電流測定値記憶領域無効化処理及び測定値決定処理を行わせる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、低レンジ側電流測定部４及び高レンジ側電流測定部５に個別に低レンジ側測定値演算部４２ａ及び高レンジ側測定値演算部４２ｂを設けるようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、被測定電流Ｉｉｎが負値である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、正値の被測定電流Ｉｉｎを入力する場合には、電荷積分回路３から出力される積分電圧信号Ｖｏが０から負方向に減少するので、基準電圧Ｖ１の極性を負値とするとともに、変化率の演算も前回値から今回値を減算するようにすればよい。
さらに、上記第１及び第２の実施形態においては、ポンピング回路７を構成するポンピングダイオード７２の温度依存性を考慮しない場合について説明したが、ポンピングダイオード７２の温度依存性を考慮する場合には、前述した特許文献１に記載されているように、ポンピングダイオード７２の温度を温度センサで実測し、温度センサで実測した温度におけるポンピングダイオード７２の順方向電圧の変化分だけ、パルス信号形成回路５２から出力されるパルス信号Ｐ１のパルス幅を調整する温度補償回路を設けるようにすれば良い。
１…電流測定装置、２…入力端子、３…電荷積分回路、４…低レンジ側電流測定部、５…高レンジ側電流測定部、６…測定値決定部、７…ポンピング回路、１０…初期化回路、１１…電圧比較回路、１２…初期化用パルス信号形成回路、１３…初期化用ポンピング回路、３１…オペアンプ、３２…積分用コンデンサ、４１…Ａ／Ｄ変換回路、４２…演算処理回路、４２ａ…低レンジ側測定値演算部、４２ｂ…高レンジ側測定値演算部、５１…電圧比較回路、５２…パルス信号形成回路、５３…カウンタ回路
【０００２】
定電流に応じて回路定数を切り替える方法が用いられる。
しかしながら、電流領域の切り替えを行う場合には、電流領域を切り替える時間が必要なために、その切り替え時間分応答が遅れてしまうという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、広いレンジの微小電流を短時間で正確に測定することができる電流測定装置を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
［０００６］
上記の目的を達成するために、本発明に係る電流測定装置の一態様は、被測定電流を積分して積分信号を出力する積分回路と、この積分回路から出力される積分信号が入力され、積分信号の単位時間当りの電流変化率に比例した低レンジ側電流測定値を算出する低レンジ側電流測定部と、積分回路から出力される積分信号の周期に応じたパルス信号に基づいて高レンジ側電流測定値を算出する高レンジ側電流測定部と、パルス信号によって積分回路に蓄積された電荷を放電するポンピング回路と、高レンジ側電流測定値及び低レンジ側電流測定値に基づいて被測定電流の測定値を決定する測定値決定部とを備えている。
発明の効果
［０００７］
本発明の一態様によれば、被測定電流の積分信号を低レンジ側電流測定部及び高レンジ側電流測定部の双方に供給し、低レンジ側電流測定部で積分信号の変化率に比例した電流測定値を算出し、高レンジ側電流測定部で積分信号の周波数に応じたパルス信号に基づいて電流測定値を算出する。このため、被測定電流が低レンジ側であるときには低レンジ側電流測定部で算出する電流測定値を採用し、被測定電流が高レンジ側であるときには高レンジ側電流測定部で算出する電流測定値を採用することにより、広いレンジで被測定電流を短時間で正確に測定することができる。
【００１２】
上（高レンジ側電流測定値記憶領域の上限）になるまで繰り返えしてステップＳ６５へ戻り、有効データの数ｊと有効な高レンジ側電流測定値の合計Ｉｍｓを求めた後にステップＳ７０へ移行する。
ステップＳ７０では、先に求めた有効な高レンジ側電流測定値の合計Ｉｍｓに低レンジ側電流測定値ＩｍＬを加算した値を有効データの数ｊに１を加算した値で除算しこれらの測定値の平均値を求めて電流測定値Ｉｍを更新してタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
［００３９］
一方、ステップＳ６１の判定結果が、前回の周期Ｔが入力されてから２秒以上経過していない場合は、ステップＳ６２に移行する。
ステップＳ６２では、ステップＳ６４からステップＳ６９と同じ処理を実行し、高レンジ側電流測定値ＩｍＨ（０〜７）の有効データ（≠０）の加算値Ｉｍｓと有効データの数ｊを算出し、ステップＳ６３へ移行する。
［００４０］
ステップＳ６３では、先に求めた有効な高レンジ側電流測定値の合計Ｉｍｓを有効データの数ｊで除算し測定値の平均値を求めて電流測定値Ｉｍを更新してタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
なお、Ａ／Ｄ変換回路４１と演算処理回路４２で実行する低レンジ側電流測定値算出処理とで低レンジ側電流測定部４に対応している。また、電圧比較回路５１、パルス信号形成回路５２、カウンタ回路５３及び演算処理回路４２の高レンジ側電流測定値算出処理及び高レンジ側電流測定値記憶領域無効化処理とで高レンジ側電流測定部５に対応している。さらに、演算処理回路４２の測定値決定処理が測定値決定部６に対応している。
［００４１］
次に、上記第１の実施形態の動作について図７に示すタイミングチャートを伴って説明する。
今、電流入力端子２に入力される被測定電流Ｉｉｎが、図７（ａ）に示すように、時点ｔ０で入力されておらず、電荷積分回路３の積分用コンデンサ３２が放電されて出力される積分電圧信号Ｖｏが“０”であるとともに、高レンジ側電流測定部５のカウンタ回路５３のカウント値Ｎが“０”にクリアされているものとする。
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、微小電流を広範囲に短時間で正確に測定することができる放射線検出器に関する。
背景技術
［０００２］
例えば、電離箱放射線検出器の出力電流を測定する電流測定装置としては、例えば特許文献１に記載されている電流／周波数変換装置が提案されている。この電流／周波数変換装置は、入力電流を電荷として蓄積し、この蓄積された電荷に比例する電圧を出力する積分増幅回路と、前記積分増幅回路から出力される電圧に比例した周波数で且つデューティ比が５０％のパルス信号を出力する周波数変換回路と、前記積分回路に蓄積された電荷を前記パルス信号の供給時に放電するポンピング回路とを備えている。
先行技術文献
特許文献
［０００３］
特許文献１：特許第４４７９４３０号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００４］
ところで、電離箱放射線検出器のように、１０−１５Ａ〜１０−６Ａのような広い測定電流領域（〜９桁）をカバーするには、特許文献１に記載された電流／周波数変換装置では、最小電流における出力周波数が０．００１Ｈｚ程度になり、測定結果を得るための応答時間が１０００秒になる。ここで、応答時間を例えば１秒にするには、最小電流における出力周波数を１Ｈｚ以上にする必要があり、測定電流領域の最小電流が３桁上昇するため、その分測定電流領域が狭くなる。
［０００５］
そのため、例えば１秒の応答時間を確保し、かつ測定電流領域を広くするためには、測定できる電流領域が異なる複数の回路定数を備えておき、被測
【０００２】
定電流に応じて回路定数を切り替える方法が用いられる。
しかしながら、電流領域の切り替えを行う場合には、電流領域を切り替える時間が必要なために、その切り替え時間分応答が遅れてしまうという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、広いレンジの微小電流を短時間で正確に測定することができる放射線検出器を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
［０００６］
上記の目的を達成するために、本発明に係る放射線検出器の一態様は、被測定電流を測定することで放射線を検出する放射線検出器であって、前記被測定電流を積分した積分信号を用いて該被測定電流を算出する高レンジ側電流測定部と、前記高レンジ側電流測定部において識別可能な基準レベルに到達する迄の前記積分信号を用いて前記被測定電流を算出する低レンジ側電流測定部と、所定時間内に前記積分信号が前記基準レベルに到達したか否かを判定し、前記所定時間内に前記積分信号が前記基準レベルに到達した場合には前記高レンジ側電流測定部が算出した被測定電流を用い、前記所定時間内に前記積分信号が前記基準レベルに到達していない場合には前記低レンジ側電流測定部が算出した被測定電流を用い、前記被測定電流の測定値を決定する測定値決定部とを備えている。
発明の効果
［０００７］
本発明の一態様によれば、被測定電流が低レンジ側であるときには低レンジ側電流測定部で算出する電流測定値を採用し、被測定電流が高レンジ側であるときには高レンジ側電流測定部で算出する電流測定値を採用することにより、広いレンジで被測定電流を短時間で正確に測定することができる。
【０００３】
図面の簡単な説明
［０００８］
［図１］本発明に係る放射線検出器の一態様である第１の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
［図２］図１の放射線検出器の具体的構成を示すブロック図である。
［図３］演算処理回路で実行する低レンジ側電流測定処理手順の一例を示すフローチャートである。
［図４］演算処理回路で実行する高レンジ側電流測定処理手順の一例を示すフローチャートである。
［図５］演算処理回路で実行する高レンジ側電流測定値記憶領域無効化処理手順の一例を示すフローチャートである。
［図６］演算処理回路で実行する測定値決定処理手順の一例を示すフローチャートである。
［図７］第１の実施形態の動作の説明に供するタイミングチャートである。
［図８］低レンジ側電流測定部における被測定電流値と積分電圧信号の変化率との関係と、高レンジ側電流測定部における被測定電流値と積分電圧信号の周波数との関係を示す説明図である。
［図９］本発明の一態様である第２の実施形態を示すブロック図である。
［図１０］第２の実施形態の動作の説明に供するタイミングチャートである。
［図１１］初期化回路を設けない場合の動作の説明に供するタイミングチャートである。
発明を実施するための形態
［０００９］
以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
図１は、本発明の一態様である第１の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
本発明に係る電流測定装置１は、図１に示すように、被測定電流Ｉｉｎが入力される電流入力端子２と、この電流入力端子２に接続された積分回路としての電荷積分回路３とを備えている。また、電流測定装置１は、電荷積分回路３から出力される積分信号としての積分電圧信号が入力される低レンジ

Claims (6)

  1. 被測定電流の電流測定レンジを少なくとも低レンジ及び高レンジに分割し、それぞれのレンジで電流測定を行う電流測定装置であって、
    前記被測定電流を積分して積分信号を出力する積分回路と、
    該積分回路から出力される積分信号が入力され、当該積分信号の変化率に比例した低レンジ側電流測定値を算出する低レンジ側電流測定部と、
    前記積分回路から出力される積分信号の周期に応じたパルス信号に基づいて高レンジ側電流測定値を算出する高レンジ側電流測定部と、
    前記パルス信号によって前記積分回路に蓄積された電荷を放電するポンピング回路と、
    前記低レンジ側電流測定部で算出した低レンジ側電流測定値及び前記高レンジ側電流測定部で算出した高レンジ側電流測定値に基づいて前記被測定電流の測定値を決定する測定値決定部と
    を備えたことを特徴とする電流測定装置。
  2. 前記低レンジ側電流測定部は、前記積分回路から出力される積分信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、該Ａ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル信号の単位時間当りの電流変化率を演算し、演算した電流変化率に換算係数を乗算して低レンジ側電流測定値を演算する低レンジ測定値演算部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
  3. 前記高レンジ側電流測定部は、前記積分回路から出力される積分信号と基準信号とを比較し、前記積分信号が基準信号を上回ったときにパルス信号を出力するパルス信号形成回路と、該パルス信号形成回路から出力されるパルス信号の単位時間当りのパルス数を係数して高レンジ側電流測定値を演算する高レンジ側測定値演算部とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流測定装置。
  4. 前記積分回路は、前記被測定電流の投入時に、出力する積分信号の初期値を決定する初期化回路を備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電流測定装置。
  5. 前記初期化回路は、前記積分回路から出力される積分信号を前記初期化電圧と比較し、前記積分信号が前記初期化電圧未満であるときに初期化用パルス信号を形成する初期化用パルス信号形成回路と、該初期化用パルス信号形成回路から出力される初期化用パルス信号によって前記積分回路に蓄積された電荷を蓄積する初期化用ポンピング回路とを備えていることを特徴とする請求項４に記載の電流測定装置。
  6. 前記初期化電圧は、前記低レンジ側電流測定部を構成するＡ／Ｄ変換回路で変換可能な下限電圧であることを特徴とする請求項５に記載の電流測定装置。
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