WO2014141746A1

WO2014141746A1 - 計測装置および計測方法

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Publication number: WO2014141746A1
Application number: PCT/JP2014/051186
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Inventors: 裕幸徳崎; 紘今井; 泰和大野; 圭記松浦
Original assignee: オムロン株式会社
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-09-18
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Abstract

　計測装置（１）は、物理量変換部の一例であるＣＴ（２）の出力電流を計測する計測回路（４）と、計測回路の出力を入力とする電源回路（６）とを備える。また、計測回路の出力を電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、計測回路の出力をＣＴに直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部としての１対のＦＥＴ（７１，７２）と、電源回路によって駆動され、ＦＥＴの制御を行う切替制御部（１２２）とを備える。切替制御部は、待機時にＦＥＴを第１の状態となるように制御し、計測時にはＦＥＴを第２の状態となるように制御する。

Description

計測装置および計測方法

　本発明は、計測装置および計測方法であって、電流を計測する計測回路を備え、かつ、その電流を電源として利用する計測装置および計測方法に関する。

　従来より、ＣＴ（Current Transformer）によって電流を取り出し、その電流を計測する計測装置が存在する。このような計測装置は、たとえば電気設備の消費電力を計測するために用いられる。

　特開２００２－１３１３４４号公報（特許文献１）および特開２０１０－５５３５６号公報（特許文献２）では、このような装置において、ＣＴの出力電流を電源として利用することが開示されている。これにより、装置の配線が不要となるため、電気設備ごとに消費電力を細かく計測することができる。

特開２００２－１３１３４４号公報特開２０１０－５５３５６号公報

　しかしながら、電流を計測する計測回路が電源回路と接続されている場合、電源回路と接続されていない場合よりも電流の計測精度が低下してしまう。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、精度良く電流を計測することのできる計測装置および計測方法を提供することである。

　この発明のある局面に従う計測装置は、物理量を電流に変換するための物理量変換部と、物理量変換部の出力電流を計測する計測回路と、計測回路の出力を入力とする電源回路と、計測回路の出力を電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、計測回路の出力を物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部と、電源回路によって駆動され、回路切替部の制御を行う切替制御部とを備える。切替制御部は、待機時に回路切替部を第１の状態となるように制御し、計測時には回路切替部を第２の状態となるように制御することを特徴とする。

　この発明の他の局面に従う計測装置は、物理量を電流に変換し、交流電流を取り出すための接続部を含む物理量変換部と、それぞれが接続部に流れる交流電流を直流電流に整流するための第１および第２の整流回路と、第１の整流回路における接地側の第１の整流素子のアノード側、および、第２の整流回路における接地側の第２の整流素子のアノード側の少なくとも一方に接続される検出部を含む、物理量変換部の出力電流を計測するための計測回路と、第１および第２の整流回路の出力を入力とする電源回路と、第１および第２の整流回路の出力を電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、計測回路の出力を物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部と、電源回路によって駆動され、回路切替部の制御を行う切替制御部とを備える。切替制御部は、待機時に回路切替部を第１の状態となるように制御し、計測時には回路切替部を第２の状態となるように制御することを特徴とする。

　この発明のさらに他の局面に従う計測装置は、物理量を電流に変換し、交流電流を取り出すための接続部を含む物理量変換部と、物理量変換部による変換後の出力電流を直流電流に整流するための整流回路と、整流回路と並列接続され、物理量変換部の出力電流を計測する計測回路と、整流回路の出力を入力とする電源回路と、整流回路の出力を電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、計測回路の出力を物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部と、電源回路によって駆動され、回路切替部の制御を行う切替制御部とを備える。切替制御部は、待機時に回路切替部を第１の状態となるように制御し、計測時には回路切替部を第２の状態となるように制御することを特徴とする。

　この発明のさらに他の局面に従う計測方法は、電流を計測するための計測方法であって、物理量変換部において物理量を電流に変換する変換ステップと、待機時に、計測回路の出力を電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と計測回路の出力を物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替えるための回路切替部を、第１の状態となるように制御することで、変換ステップによる変換後の出力電流を電源回路に供給するステップと、待機時以外の期間に、回路切替部を第２の状態となるように制御することで、変換ステップによる変換後の出力電流を計測するステップとを含む。

　本発明によれば、精度良く電流を計測することができる。

本発明の実施の形態１に係る計測装置の構成図である。本発明の実施の形態１に係る二次側回路において、電力供給時の出力電流の経路を示す図である。本発明の実施の形態１に係る二次側回路において、計測時の出力電流の経路を示す図である。二次側回路に電源回路が含まれない場合の単純な回路構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る計測装置が実行する計測処理を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る計測装置の第１の動作結果を示す図である。本発明の実施の形態１に係る計測装置の第２の動作結果を示す図である。本発明の実施の形態１および比較例１，２における計測装置それぞれの計測誤差を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る二次側回路の構成を示す図である。本発明の実施の形態３に係る二次側回路の構成を示す図である。本発明の実施の形態３の変形例に係る二次側回路の構成を示す図である。本発明の実施の形態４に係る二次側回路の構成、および、電力供給時の出力電流の経路を示す図である。本発明の実施の形態４に係る二次側回路の構成、および、計測時の出力電流の経路を示す図である。本発明の実施の形態４の変形例１に係る二次側回路の構成を示す図である。本発明の実施の形態４の変形例２に係る二次側回路の構成を示す図である。本発明の実施の形態４の変形例３に係る二次側回路の構成を示す図である。一般的な二次側回路の構成を示す図である。一般的な二次側回路を用いた場合の、ＣＴの出力電流の影響を示すグラフである。変換特性が劣るＣＴを用いた場合の充電器の充電特性を示すグラフである。

　本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

　＜実施の形態１＞
　本実施の形態に係る計測装置は、物理量を電流に変換し、その電流を電源として利用する。電流への変換は、たとえば変流器としてのＣＴによって行われる。ＣＴは、電力線に流れる電流を所定の変流比により変換して取り出す。この場合、物理量は電力である。

　はじめに、本実施の形態に係る計測装置の概略構成について説明する。

　（概略構成について）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る計測装置１の構成図である。図１を参照して、計測装置１は、少なくとも、電力線９に流れる電流を計測する。本実施の形態に係る計測装置１は、電力線９に流れる電流を計測することで、電力線９を介して供給される電気設備における消費電力を計測する。計測装置１は、ＣＴ２と、ＣＴ２の二次側回路３として、計測回路４と、整流回路５と、電源回路６と、切替回路７とを備える。また、計測装置１は、ＣＴ２の二次側回路３に接続される監視部１０をさらに備える。

　ＣＴ２は、電力線９に流れる一次側電流Ｉｆを二次側電流に変換し、１対の端子（接続部）２１，２２から取り出す。このようにして、ＣＴ２は、計測対象となる電流を抽出する。計測回路４は、ＣＴ２からの出力電流Ｉｓを計測する。計測回路４は、出力電流Ｉｓを検出するための検出部として、たとえば抵抗器４０を含む。以下、この抵抗器を「検出抵抗器４０」という。整流回路５は、交流電流である出力電流Ｉｓを直流電流に整流する。本実施の形態では、整流回路５は、検出抵抗器４０の後段に設けられているが、検出抵抗器４０の前段に設けてもよい。この場合、検出抵抗器４０は、整流回路５により整流された電流を検出する。

　電源回路６は、整流された直流電流を入力し、その電流を電源として使用する。電源回路６は、充電器６１とＤＣ／ＤＣコンバータ６２とを含む。充電器６１は、たとえばキャパシタであるとするが、二次電池などであってもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、充電器６１からの直流電圧を所定レベルに変換し、監視部１０に電源を供給する。電源回路６の構成は、このような構成に限定されず、たとえば、充電器６１の前段にコンバータなどが介在していてもよい。

　切替回路７は、本実施の形態では、検出抵抗器４０と整流回路５との接続部分に設けられる。切替回路７は、計測回路４と電源回路６とを電気的に接続および遮断する。つまり、切替回路７は、計測回路４の出力を電源回路５に入力する回路を構成する第１の状態と、計測回路４の出力をＣＴ２に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える。なお、本実施の形態において「直接入力する」とは、整流回路５および電源回路６を通ることなく入力することを意味している。したがって、第２の状態においては、計測回路４とＣＴ２との間で電流の閉ループが形成される。切替回路７の詳細については後述する。

　監視部１０は、電圧を検出するための電圧検出部１１と、各種演算処理を実行する制御装置であるＭＰＵ（Micro-Processing Unit）１２と、無線Ｉ／Ｆ（interface）１３とを含む。監視部１０の各部は、電源回路６によって駆動される。

　電圧検出部１１は、検出抵抗器４０の両端の電位差を検出する。電圧検出部１１には、電圧信号を増幅するためのオペアンプ（図示せず）、および、入力した電圧信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ（Analog-to-Digital）コンバータ（図示せず）が含まれるものとする。電圧検出部１１は、検出した電圧信号をＭＰＵ１２に出力する。

　ＭＰＵ１２は、ＣＴ２からの出力電流Ｉｓを計測する制御を行う。本実施の形態では、ＭＰＵ１２は、その機能構成として、電流を計測するための処理を実行する計測処理部１２１と、切替回路７の切替制御を行う切替制御部１２２とを含む。計測処理部１２１は、電圧検出部１１から得られた電圧信号に基づいて、電気設備における消費電力を計算する。切替制御部１２２の具体的な制御についても後述する。

　無線Ｉ／Ｆ１３は、図示しない外部装置（コンピュータ）との間で無線通信を実行する。たとえば、無線Ｉ／Ｆ１３は、計測処理部１２１による計測データを外部装置に送信する。

　本実施の形態に係る二次側回路３の詳細な説明に先立ち、一般的な二次側回路の構成について説明する。

　（一般的な二次側回路の構成について）
　図１７は、一般的な二次側回路１０３の構成を示す図である。図１７を参照して、二次側回路１０３は、図１の二次側回路３と比較すると、切替回路７を含まない。二次側回路１０３において、ＣＴ２の一方の端子２１は、検出抵抗器４０（計測回路４）を介して整流回路５の一端５ａに接続されている。ＣＴ２の他方の端子２２は、整流回路５の他端５ｂに接続されている。整流回路５は、４つの整流素子５１～５４で構成される。以下の説明において、一端５ａ側の２つの整流素子５１，５２で構成される回路を第１の整流回路、他端５ｂ側の２つの整流素子５３，５４で構成される回路を第２の整流回路ともいう。

　このような二次側回路１０３の場合、電源回路６の入力側電圧（以下「電源電圧」という）Ｖoutにより、ＣＴ２の一方の端子２１に電圧負荷が加わる。そうすると、その電圧負荷によりＣＴ２の変換特性（電流出力特性）に影響が出て、出力電流Ｉｓは理想値よりも減少する。つまり、電源電圧Ｖoutが飽和電圧に達していなくても、端子２１側に電圧負荷が加わることで、出力電流Ｉｓが低下してしまう。理想値とは、整流回路５と電源回路６が含まれていない、後述の図４に示すような二次側回路における出力電流の値に等しい。

　一方で、ＣＴ２が変換特性の優れたものである場合、電源電圧Ｖoutの飽和電圧も大きくなるため、そのような影響が出にくい。したがって、図１７のような二次側回路１０３によって電流を計測する場合、ＣＴ２としては、変換特性の優れたものを選定しておく必要がある。

　図１８は、一般的な二次側回路１０３を用いた場合の、ＣＴ２の出力電流の影響を示すグラフである。図１８には、縦軸にＣＴ２の出力電流Ｉｓの実効値（単位：ｕＡ）、横軸に電源電圧Ｖout（単位：Ｖ）をとったグラフが示されている。このグラフにおいて、ラインＬ１００が理想出力を示し、ラインＬ１０１が変換特性の劣るＣＴ（以下「第１のＣＴ」という）の出力を示し、ラインＬ１０２が変換特性の良いＣＴ（以下「第２のＣＴ」という）を示している。第１のＣＴとしては、コア材質：ケイ素鋼、コア断面積：２０ｍｍ²、コア周長さ：１１０ｍｍ、二次側巻数：３０００巻のものが用いられている。第２のＣＴとしては、コア材質：フェライト、コア断面積：５４．２４ｍｍ²、コア周長さ：１１９．８ｍｍ、二次側巻数：３０００巻のものが用いられている。つまり、第２のＣＴは、第１のＣＴよりも、コアの磁気抵抗が低く、かつ、大型である。また、これらは材質も異なる。そのため、第２のＣＴは、第１のＣＴよりも高価である。

　図１８のラインＬ１０１に示されるように、第１のＣＴでは、電源電圧Ｖoutが０Ｖであっても出力電流Ｉｓは理想値よりもかなり低い値となっている。ここで、第１のＣＴを用いた場合の、電源回路６に含まれる充電器６１（図１）の充電特性を図１９に示す。図１９のグラフにおいて、ラインＬ２０１～Ｌ２０４は、それぞれ、一次側電流Ｉｆが２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａである場合の充電器６１の充電特性を示している。これらの図から分かるように、一般的な二次側回路１０３に第１のＣＴを用いた場合、計測精度を保証することはできない。

　一方で、図１８のラインＬ１０２に示されるように、第２のＣＴでは、電源電圧Ｖoutが低い間は、出力電流Ｉｓは理想値に近い。しかしながら、第２のＣＴであっても、電源電圧Ｖoutが高くなるにつれて、出力電流Ｉｓと理想値との差が広がっている。したがって、一般的な二次側回路１０３に第２のＣＴを用いた場合でも、精度良く電流（電力）を計測できないことが分かる。

　そこで、本実施の形態では、間隔を置いて計測を行い、かつ、計測時には整流回路５および電源回路６を計測回路４から切り離すこととする。本実施の形態に係る二次側回路３の構成について、以下に詳細に説明する。

　（本実施の形態に係る二次側回路について）
　再び図１を参照して、本実施の形態に係る二次側回路３では、切替回路７が、検出部としての検出抵抗器４０の電流出力端側において、整流回路５に並列接続されている。したがって、ＣＴ２の一方の端子２１は、検出抵抗器４０を介して切替回路７の一端７ａおよび整流回路５の一端５ａに接続されている。ＣＴ２の他方の端子２２は、切替回路７の他端７ｂおよび整流回路５の他端５ｂに接続されている。

　本実施の形態では、切替回路７は、１対のスイッチング素子として、同一極性のｐ型ＦＥＴ（Field effect transistor）７１，７２を含む。交流を±両方でｏｆｆするために、同一極性のＦＥＴ７１，７２を逆向きに配置している。ＦＥＴ７１のドレインは、切替回路７の一端７ａに接続されている。ＦＥＴ７１のソースは、ＦＥＴ７２のソースに接続されているとともに、所定電圧Ｖpull_upが供給されている。ＦＥＴ７２のドレインは、切替回路７の他端７ｂに接続されている。ＦＥＴ７２のゲートには、抵抗器７３を介して所定電圧Ｖpull_upが与えられている。ＦＥＴ７１，７２のゲートには、ＭＰＵ１２の切替制御部１２２からの制御信号（ＣＴＬ信号）が与えられる。なお、切替回路７は、３以上のスイッチング素子を含んでいてもよい。

　ＦＥＴ７１，７２が非導通とされることで、計測回路４と電源回路６とが電気的に接続され、ＦＥＴ７１，７２が導通とされることで、計測回路４と電源回路６とが電気的に遮断される。ＦＥＴ７１，７２の制御は、ＭＰＵ１２の切替制御部１２２によって行われる。

　ここで、切替制御部１２２の制御に応じた出力電流Ｉｓの経路について説明する。本実施の形態において、計測時にＦＥＴ７１，７２が導通され、少なくとも待機時にＦＥＴ７１，７２が非導通とされる。なお、計測時とは、計測処理部１２１による計測処理が実行されている期間、すなわち電圧検出部１１により検出抵抗器４０の電圧が検出されている期間を表わす。また、待機時とは、少なくとも計測時を除外した期間である。本実施の形態では、計測データの処理時も待機時に含まれることとする。計測データの処理には、計測データの送信処理や、計測データの記録処理が含まれる。

　図２は、本発明の実施の形態１に係る二次側回路３において、電力供給時の出力電流Ｉｓの経路を示す図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る二次側回路３において、計測時の出力電流Ｉｓの経路を示す図である。

　図１および図２を参照して、切替制御部１２２は、待機時には、切替回路７のＦＥＴ７１，７２をｏｆｆ（非導通）としている。この場合、切替回路７の一端７ａおよび他端７ｂは絶縁されるため、計測回路４（検出抵抗器４０）を通った出力電流Ｉｓは、整流回路５へと流れる。したがって、充電器６１は、整流回路５により整流された直流電流によって充電される。この場合の二次側回路３は、図１７に示したような一般的な二次側回路１０３と同等の回路構成となる。

　一方、図１および図３を参照して、切替制御部１２２は、計測時には、切替回路７のＦＥＴ７１，７２をｏｎ（導通）とする制御信号を出力する。この場合、切替回路７の一端７ａおよび他端７ｂは電気的に接続される。ここで、ＦＥＴ７１，７２の接続部に印加する所定電圧Ｖpull_upは、接地電位（０Ｖ）と電源電圧Ｖoutとの間で定められている。これにより、ＦＥＴ７１，７２が検出抵抗器４０の電流出力端に接続される接点７ａの電圧は、接地電位（０Ｖ）と電源電圧Ｖoutとの間の値となるため、整流回路５の４つの整流素子（ダイオード）５１～５４全てに、逆バイアス電圧がかかる。そのため、検出抵抗器４０を通った出力電流Ｉｓは、整流回路５側へは流れずに、切替回路７の他端７ｂへと流れる。この場合の二次側回路３は、図４に示したような、電源回路６を有さない単純な計測回路１０４と同等の回路構成となる。電流計測が終わると、切替制御部１２２は、切替回路７のＦＥＴ７１，７２を再びｏｆｆとする制御信号を出力する。

　（動作について）
　このような切替制御部１２２による切替制御を含む計測装置１の動作について説明する。

　図５は、本発明の実施の形態１に係る計測装置１が実行する計測処理を示すフローチャートである。図５に示す計測処理は、ＭＰＵ１２が記憶部（図示せず）に格納されたプログラムを実行することで実現される。

　図１および図５を参照して、切替制御部１２２は、はじめ、切替回路７を非導通としている（ステップＳ２）。ＣＴ２が電力線９に取付けられ、出力電流Ｉｓが取り出されると、電源回路６の充電器６１に対して初期充電が開始される（ステップＳ４）。その後、ＭＰＵ１２が起動されスタンバイ状態となる（ステップＳ６）。なお、ここでのスタンバイ状態は、ＭＰＵ１２におけるスタンバイ状態を意味しており、切替制御における待機状態（待機時）とは一致しない。

　ＭＰＵ１２がスタンバイ状態となると、計測処理のために、切替制御部１２２は、切替回路７を導通させる（ステップＳ８）。つまり、ＦＥＴ７１，７２のゲートにＯＮ信号を送信する。これにより、図３に示されるように、出力電流Ｉｓは、電源回路６（充電器６１）側へ流れず計測回路４内を流れる。切替回路７が導通状態とされると、ＭＰＵ１２の計測処理部１２１は、計測処理を開始する（ステップＳ１０）。計測処理部１２１による計測処理は、たとえば一定時間行われる。

　計測処理が終わると、切替制御部１２２は、切替回路７を再び非導通とする（ステップＳ１２）。つまり、ＦＥＴ７１，７２のゲートにＯＦＦ信号を送信する。これにより、図２に示されるように、出力電流Ｉｓは、電源回路６側へ流れる。

　計測処理部１２１は、ステップＳ１０での計測処理に基づく計測データを、外部装置に送信する（ステップＳ１４）。具体的には、計測データが、無線Ｉ／Ｆ１３を経由して外部装置に送信される。送信処理が終わると、ＭＰＵ１２は再びスタンバイ状態となる。

　スタンバイ状態となってから、たとえば一定時間が経過すると（ステップＳ１６にてＹＥＳ）、ステップＳ８に戻り、上記処理が繰返される。なお、本実施の形態では、計測処理（ステップＳ１０）の度に、計測データの送信（ステップＳ１４）を行うこととしたが、たとえば所定回数ごとに計測データを送信してもよい。その場合、計測データは、自装置の記憶部（図示せず）、または、着脱可能な記録媒体（図示せず）に記録されており、計測データを送信する際に、記録された計測データが読み出されればよい。

　上述のように、本実施の形態によれば、計測時にのみ、切替回路７が導通とされ、その結果、二次側回路３は上述の「第２の状態」とされる。一方、待機時（本実施の形態では非計測時）には、切替回路７が非導通とされるため、二次側回路３は上述の「第１の状態」とされる。

　図６は、本発明の実施の形態１に係る計測装置１の第１の動作結果を示す図である。図７は、本発明の実施の形態１に係る計測装置１の第２の動作結果を示す図である。第１の動作結果には、ＣＴ２が、上記第１のＣＴで実装された場合における、各動作時の電源電圧Ｖoutの変化が時間軸に沿って表わされている。第２の動作結果には、ＣＴ２が、上記第２のＣＴで実装された場合における、各動作時の電源電圧Ｖoutの変化が時間軸に沿って表わされている。

　図６および図７における期間Ｔ１には、初期充電（図５のステップＳ４）の際の電圧変化が示されている。期間Ｔ２には、ＭＰＵ１２の起動（図５のステップＳ６）の際の電圧変化が示されている。期間Ｔ３には、計測処理および送信処理（図５のステップＳ１０およびＳ１４）が行なわれている際の電圧変化が示されている。期間Ｔ４には、ＭＰＵ１２がスタンバイ状態（図５のステップＳ１６）の際の電圧変化が示されている。

　図６および図７に示されるように、計測処理および送信処理によって、電源電圧Ｖoutは急降下する。しかしながら、一定期間（Ｔ４）充電を行うことで、ＣＴ２として第１のＣＴおよび第２のＣＴのどちらを用いたとしても、その後の計測処理および送信処理も適切に実行できる。このように、本実施の形態では、切替回路７を低消費電力のＦＥＴ７１，７２で実現することで、上述のような切替制御を行っても電源回路６への電力供給に影響を与えることなく必要な処理（計測処理、送信処理など）を行うことができる。

　（検証結果）
　最後に、上記動作による計測データの信頼性についての検証結果を示す。

　図８は、本発明の実施の形態１に係る計測装置１、および、比較例１，２における計測装置それぞれの計測誤差を示すグラフである。比較例１は、二次側回路が図１７に示した回路１０３であり、かつ、ＣＴ２を第１のＣＴで実装した計測装置である。比較例２は、二次側回路が図１７に示した回路１０３であり、かつ、ＣＴ２を第２のＣＴで実装した計測装置である。本実施の形態では、ＣＴ２が第１のＣＴで実装されている。

　図８には、横軸に電源電圧Ｖout（Ｖ）、縦軸に計測誤差（％）をとったグラフが示されている。計測誤差は、図４に示したような計測回路１０４での計測値（理想値）との誤差を示す。計測回路１０４は、計測回路４の後段に整流回路５および電源回路６を含まない構成である。図８において、比較例１での計測誤差がラインＬ１１上に示され、比較例２での計測誤差がラインＬ１２上に示されている。また、本実施形態での計測誤差がラインＬ１０上に示されている。

　切替回路７を含まない二次側回路１０３の場合、上述のように、出力電流Ｉｓに影響が出る。したがって、ラインＬ１１に示されるように、変換特性の良くない第１のＣＴの場合、電源電圧Ｖoutが０Ｖの時点であっても、誤差は７０％を超えてしまう。また、ラインＬ１２に示されるように、変換特性の良い第２のＣＴの場合でも、電源電圧Ｖoutが上昇するにつれて誤差は上昇し、飽和電圧付近では、誤差は１０％近くになる。

　これに対し、ラインＬ１０に示されるように、本実施の形態に係る計測装置１によれば、ＣＴ２を、変換特性の良くない第１のＣＴで実装した場合でも、電源電圧に関わらず測定誤差はほぼ０％であることが分かる。このように、本実施の形態によれば、ＣＴ２の変換特性にかかわらず、精度良く電流を計測することができる。その結果、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。

　＜実施の形態２＞
　上記実施の形態１では、切替回路７を１対のｐ型ＦＥＴにより実現したが、ｎ型ＦＥＴにより実現することもできる。以下に、実施の形態１との相違点のみ説明する。

　図９は、本発明の実施の形態２に係る二次側回路３Ａの構成を示す図である。図９において、図１に示した二次側回路３と同じ構成については、同じ符号を付してある。したがって、それらについての説明は繰り返さない。なお、以降の実施形態においても同様とする。

　図９を参照して、本実施の形態では、二次側回路３Ａには、実施の形態１における切替回路７に代えて切替回路７Ａが含まれる。切替回路７Ａが接続される位置は、実施の形態１と同じである。

　切替回路７Ａは、同一極性の１対のｎ型ＦＥＴ７１Ａ，７２Ａを含む。ＦＥＴ７１Ａのドレインは、切替回路７の一端７ａに接続されている。ＦＥＴ７１Ａのソースは、ＦＥＴ７２Ａのソースに接続されているとともに、所定電圧Ｖpull_downが供給されている。ＦＥＴ７２Ａのドレインは、切替回路７の他端７ｂに接続されている。ＦＥＴ７２Ａのゲートには、所定電圧Ｖpull_downが与えられている。ＦＥＴ７１Ａ，７２Ａのゲートには、ＭＰＵ１２の切替制御部１２２からの制御信号が与えられる。ＦＥＴ７２Ａのゲートには、抵抗器７３を介して制御信号が与えられる。

　本実施の形態においても、ＦＥＴ７１Ａ，７２Ａの接続部に印加する所定電圧Ｖpull_downは、接地電位（０Ｖ）と電源電圧Ｖoutとの間で定められている。

　なお、実施の形態１，２では、スイッチング素子として、ｐ型またはｎ型のＦＥＴを採用したが、ＦＥＴに限らずバイポーラトランジスタなどを採用してもよい。

　＜実施の形態３＞
　本実施の形態では、二次側回路において、検出抵抗器が接地電位と整流素子との間にある構成について説明する。ただし、この場合も、切替回路は、計測回路（検出抵抗器）と整流回路との接続部分に設けられる。以下に、実施の形態１との相違点のみ説明する。

　図１０は、本発明の実施の形態３に係る二次側回路３Ｂの構成を示す図である。図１０を参照して、本実施の形態では、二次側回路３Ｂは、実施の形態１の計測回路４および切替回路７それぞれに代えて、計測回路４Ａおよび切替回路７Ｂを含む。

　計測回路４Ａは、整流素子５１のアノード側５ｃに接続される検出抵抗器４１と、整流素子５４のアノード側５ｄに接続される検出抵抗器４２とを含む。整流素子５１は、第１の整流回路における接地側のダイオードである。整流素子５４は、第２の整流回路における接地側のダイオードである。つまり、検出抵抗器４１，４２は、ともに一端が接地される。

　本実施の形態では、電圧検出部１１（図１）によって、検出抵抗器４１，４２それぞれの電圧が検出される。ＭＰＵ１２の計測処理部１２１（図１）は、それぞれの電圧に基づいて電力を計測する。なお、検出抵抗器４１，４２としては、計測時の電圧が電源電圧Ｖoutを越えないものが選定されているものとする。

　切替回路７Ｂには、ｎ型の２つのＦＥＴ７１Ａ，７２Ａが含まれている。ＦＥＴ７１Ａは、ＣＴ２の端子２１と、整流素子５１のアノード側５ｃすなわち検出抵抗器４１の他端との間に接続されている。ＦＥＴ７２Ａは、ＣＴ２の端子２２と、整流素子５４のアノード側５ｄすなわち検出抵抗器４２の他端との間に接続されている。ＦＥＴ７１Ａ，７２Ａのゲートには、制御信号が与えられる。また、本実施の形態では、ＦＥＴ７１Ａ，７２Ａのゲートと接地間には、抵抗器７３が接続されている。

　本実施の形態においても、切替制御部１２２（図１）は、非計測時にＦＥＴ７１Ａ，７２Ａを非導通とし、計測時にＦＥＴ７１Ａ，７２Ａを導通状態とする。これにより、非計測時には、二次側回路３Ｂは、第１および第２の整流回路の出力を電源回路６に入力する回路を構成する状態とされる。また、計測時には、計測回路４Ａの出力をＣＴ２に直接入力する回路を構成する状態とされる。

　本実施の形態では、ＣＴ２の端子２１と整流回路５の入力端子５ａとの間に計測回路４Ａが存在しない。そのため、非計測時にＦＥＴ７１Ａ，７２Ａが非導通とされている場合、検出抵抗器４１，４２に高電圧が印加されないため、計測回路４Ａを保護することができる。

　（変形例）
　実施の形態３では、計測回路４Ａに、一端が接地された２つの検出抵抗器４１，４２を含めたが、いずれか一方のみを含んでいてもよい。この場合の二次側回路３Ｃを図１１に示す。

　図１１を参照して、本変形例では、計測回路４Ｂに、たとえば、上記した検出抵抗器４１のみが含まれている。この場合、電圧検出部１１（図１）は、実施の形態１と同様に、検出抵抗器４１の電圧のみを検出すればよい。

　なお、図１０および図１１では、切替回路７Ｂがｎ型のＦＥＴ７１Ａ，７２Ａで実現された例が示されているが、ｐ型ＦＥＴなど他のスイッチング素子で実現してもよい。

　＜実施の形態４＞
　上記実施の形態１～３では、切替回路がスイッチング素子により実現されたが、スイッチング素子に限定されず、アナログスイッチや、ソリッドステートリレーによって実現されてもよい。本実施の形態では、切替回路をアナログスイッチで実現した場合の二次側回路の構成について説明する。

　図１２および図１３は、本発明の実施の形態４に係る二次側回路３Ｄの構成を示す図である。図１２および図１３には、それぞれ、非計測時および計測時の出力電流Ｉｓの経路が示されている。

　図１２および図１３を参照して、本実施の形態では、二次側回路３Ｄは、実施の形態１の切替回路７に代えて、切替回路７Ｃを含む。切替回路７Ｃは、２つのスイッチ７４，７５を含む。スイッチ７５は、検出抵抗器４０の電流出力端側において、整流回路５と並列接続されている。スイッチ７４は、スイッチ７５の検出抵抗器４０側の端子７ａよりも後段側において、検出抵抗器４０と直列接続されている。より具体的には、スイッチ７４，７５は、一端が検出抵抗器４０の電流出力端側（端子７ａ）に接続される。スイッチ７４の他端は、整流回路５の一端５ａに接続されている。スイッチ７５の他端は、ＣＴ２の端子２２と整流回路５の他端５ｂとの間（端子７ｂ）に接続される。

　図１２に示されるように、非計測時には、切替制御部１２２（図１）によって、スイッチ７５がｏｆｆされ、スイッチ７４がｏｎされる。これにより、端子７ａおよび端子７ｂ間は絶縁され、端子７ａおよび整流回路の一端５ａ間は電気的に接続される。したがって、出力電流Ｉｓは、整流回路５側にのみ流れ、電源回路６に電力が供給される。

　これに対し、図１３に示されるように、計測時には、スイッチ７５がｏｎされ、スイッチ７４がｏｆｆされる。これにより、端子７ａおよび端子７ｂ間は電気的に接続され、端子７ａおよび整流回路の一端５ａ間は絶縁される。したがって、出力電流Ｉｓは、整流回路５へは流れず、計測回路４のみを流れる。

　なお、本実施の形態のように、切替回路を１対のアナログスイッチで実現する場合、スイッチを動作させるために電源が必要となる。したがって、本実施の形態に係る計測装置は、スイッチの動作用に、たとえば一次電池（図示せず）などを別途搭載していることが望ましい。

　（変形例１）
　実施の形態４では、電力供給時（非計測時）にも、出力電流Ｉｓが検出抵抗器を通過する構成であったが、電力供給時には、検出抵抗器を通過しない構成としてもよい。

　図１４は、本発明の実施の形態４の変形例１に係る二次側回路３Ｅの構成を示す図である。図１４を参照して、本変形例では、検出抵抗器４０が整流回路５と並列接続されている。並列回路の一端および他端をそれぞれ端子８ａ，８ｂとして示している。この場合、スイッチ７４は、端子８ａと整流回路５の一端５ａとの間に接続されている。スイッチ７５は、並列回路において、検出抵抗器４０の電流出力端側に直列接続されている。

　切替制御部１２２（図１）による切替制御は、実施の形態４と同じである。その結果、二次側回路３Ｅは、非計測時に、整流回路５の出力を電源回路６に入力する回路を構成する状態とされる。また、計測時に、計測回路４Ｃの出力をＣＴ２に直接入力する回路を構成する状態とされる。

　（変形例２）
　また、上記変形例１のように、検出抵抗器４０を整流回路５と並列接続する場合、図１５のような構成としてもよい。

　図１５は、本発明の実施の形態４の変形例２に係る二次側回路３Ｆの構成を示す図である。図１５を参照して、本変形例では、スイッチ７４の位置が図１４とは異なる。本変形例では、検出抵抗器４０とスイッチ７５との間の接続点８ｃに、所定電圧Ｖpull_upが供給されており、その電圧供給経路上に、スイッチ７４が接続されている。

　この場合、切替制御部１２２（図１）は、非計測時に、スイッチ７４，７５をｏｆｆし、計測時に、スイッチ７４，７５をｏｎする。ここでも、電圧Ｖpull_upは、接地電位（０Ｖ）と電源回路６への出力電圧Ｖoutとの間で定められている。これにより、整流回路５の４つの整流ダイオード５１～５４全てに逆バイアス電圧がかかる。そのため、計測時には、出力電流Ｉｓは、端子８ａを経由して検出抵抗器４０側にのみ流れる。

　（変形例３）
　あるいは、検出抵抗器４０を整流回路５と並列接続する場合、図１６のような構成としてもよい。

　図１６は、本発明の実施の形態４の変形例３に係る二次側回路３Ｇの構成を示す図である。図１６を参照して、本変形例では、スイッチ７４の位置が図１５とは異なる。本変形例でも、検出抵抗器４０とスイッチ７５との間の接続点８ｃに、所定電圧Ｖpull_upが供給されている。スイッチ７４は、並列回路において、検出抵抗器４０の電流入力端側に直列接続されている。この場合のスイッチ７４，７５の切替制御は、上記変形例２と同様である。

　以上説明したように、各実施形態および各変形例では、計測時に計測回路（検出抵抗器）から電源回路が電気的に切り離されるため、計測精度を向上させることができる。したがって、物理量を電流に変換する素子として小型かつ磁気抵抗の高いＣＴを１つ搭載するだけで、電流の計測と電力供給とを適切に行うことができる。その結果、計測装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。

　なお、各実施形態および各変形例では、ＣＴによって電力が電流に変換される例を示したが限定的ではない。たとえば、エナジーハーベスト（環境発電）などによって、他の物理量が電流に変換されてもよい。計測対象の物理量としては、たとえば、ｉ）風力量、ｉｉ）水力量、ｉｉｉ）熱量、ｉｖ）照度、などが挙げられる。これらの場合、図１に示した計測処理部１２１は、計測回路にて電流または電圧を検出し、各物理量を計測（演算）する。物理量が、ｉ）風力量およびｉｉ）水力量の場合、変換素子としてはモータが採用される。物理量が、ｉｉｉ）熱量の場合、変換素子としてはペルチェ素子が採用される。物理量が、ｉｖ）照度の場合、変換素子としては光電素子が採用される。

　変換素子が上記のような場合であっても、発電量に対し、相対的に後段の電源電圧が高くなる場合に計測精度に影響を及ぼすことがある。より具体的には、変換素子がモータの場合、電源電圧により、モータの回転に不要なトルクがかかり出力が低下してしまうことがある。また、変換素子がペルチェ素子および光電素子の場合、ＣＴの場合と同様に、電源電圧により、素子間に発生した電圧に応じた電流が出力されなくなることがある。そのため、使用可能な素子が限られ、製品設計の自由度が大きく制限されることがあった。しかし、上記各実施の形態および各変形例のような二次側回路を用いることで、使用可能な素子が限定されることがなくなる。したがって、いずれの場合であっても、計測装置の小型化やコストダウンを図ることができる。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　計測装置、２　ＣＴ（変流器）、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ，３Ｇ　二次側回路、４，４Ａ，４Ｂ，１０４　計測回路、５　整流回路、６　電源回路、７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ　切替回路、９　電力線、１０　監視部、１１　電圧検出部、１２　ＭＰＵ、１３　無線Ｉ／Ｆ、４０，４１，４２　検出抵抗器、５１，５２，５３，５４　整流素子、６１　充電器、６２　ＤＣ／ＤＣコンバータ、７１，７１Ａ，７２，７２Ａ　ＦＥＴ、７３　抵抗器、１２１　計測処理部、１２２　切替制御部。

Claims

　物理量を電流に変換するための物理量変換部と、
　前記物理量変換部の出力電流を計測する計測回路と、
　前記計測回路の出力を入力とする電源回路と、
　前記計測回路の出力を前記電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、前記計測回路の出力を前記物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部と、
　前記電源回路によって駆動され、前記回路切替部の制御を行う切替制御部とを備え、
　前記切替制御部は、待機時に前記回路切替部を前記第１の状態となるように制御し、計測時には前記回路切替部を前記第２の状態となるように制御することを特徴とする、計測装置。
　前記物理量変換部の出力電流は交流であり、
　前記物理量変換部による変換後の出力電流を直流電流に整流するための整流回路をさらに備える、請求項１に記載の計測装置。
　前記物理量変換部は、交流電流を取り出すための接続部を含み、
　前記計測回路は、電流を検出するための検出部を含み、
　前記検出部の電流入力端は、前記接続部の一方に接続され、
　前記整流回路は、前記検出部の電流出力端側に接続され、
　前記回路切替部は、前記検出部の電流出力端側と前記整流回路との間に接続されている、請求項２に記載の計測装置。
　前記回路切替部は、それぞれが前記検出部の電流出力端と前記接続部の他方とに接続される同一極性の第１および第２のスイッチング素子を含む、請求項３に記載の計測装置。
　前記回路切替部が前記第２の状態であるときに、前記第１および第２のスイッチング素子が前記検出部の電流出力端に接続される接点の電圧は、接地電位と、前記電源回路の入力側電圧との間の値になるように設定される、請求項４に記載の計測装置。
　前記切替制御部は、待機時に前記第１および第２のスイッチング素子を非導通とすることで前記回路切替部を前記第１の状態とし、計測時に前記第１および第２のスイッチング素子を導通させることで前記回路切替部を前記第２の状態とする、請求項４または５に記載の計測装置。
　前記第１および第２のスイッチング素子は、ｎ型またはｐ型ＦＥＴ、もしくは、バイポーラトランジスタを含む、請求項４～６のいずれかに記載の計測装置。
　前記物理量変換部は、電力線に流れる電流を、所定の変流比により変換して取り出す変流器で構成される、請求項１～７のいずれかに記載の計測装置。
　物理量を電流に変換し、交流電流を取り出すための接続部を含む物理量変換部と、
　それぞれが前記接続部に流れる交流電流を直流電流に整流するための第１および第２の整流回路と、
　前記第１の整流回路における接地側の第１の整流素子のアノード側、および、前記第２の整流回路における接地側の第２の整流素子のアノード側の少なくとも一方に接続される検出部を含む、前記物理量変換部の出力電流を計測するための計測回路と、
　前記第１および第２の整流回路の出力を入力とする電源回路と、
　前記第１および第２の整流回路の出力を前記電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、前記計測回路の出力を前記物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部と、
　前記電源回路によって駆動され、前記回路切替部の制御を行う切替制御部とを備え、
　前記切替制御部は、待機時に前記回路切替部を前記第１の状態となるように制御し、計測時には前記回路切替部を前記第２の状態となるように制御することを特徴とする、計測装置。
　物理量を電流に変換し、交流電流を取り出すための接続部を含む物理量変換部と、
　前記物理量変換部による変換後の出力電流を直流電流に整流するための整流回路と、
　前記整流回路と並列接続され、前記物理量変換部の出力電流を計測する計測回路と、
　前記整流回路の出力を入力とする電源回路と、
　前記整流回路の出力を前記電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と、前記計測回路の出力を前記物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替える回路切替部と、
　前記電源回路によって駆動され、前記回路切替部の制御を行う切替制御部とを備え、
　前記切替制御部は、待機時に前記回路切替部を前記第１の状態となるように制御し、計測時には前記回路切替部を前記第２の状態となるように制御することを特徴とする、計測装置。
　電流を計測するための計測方法であって、
　物理量変換部において物理量を電流に変換する変換ステップと、
　待機時に、計測回路の出力を電源回路に入力する回路を構成する第１の状態と前記計測回路の出力を前記物理量変換部に直接入力する回路を構成する第２の状態とを切替えるための回路切替部を、前記第１の状態となるように制御することで、前記変換ステップによる変換後の出力電流を前記電源回路に供給するステップと、
　前記待機時以外の期間に、前記回路切替部を前記第２の状態となるように制御することで、前記変換ステップによる変換後の出力電流を計測するステップとを含む、計測方法。