(57)【要約】【課題】電圧・電流計測装置において、交流、直流の別、電流、電圧の別を自動的に判別して、交流、直流別に電圧値、電流値を表示すること、及び交流と直流が重畳している場合にも、交流値と直流値を別々に計測して表示すること。【解決手段】交流系部（ＡＣ系）は、ハイパスフィルタ４１１によって直流成分をカットし、サンプリング部４３１、ＡＤ変換部４４１によってデジタルサンプルに変換し、実効値演算部４５１により実効値を演算して表示装置５２に表示する。直流系部（ＤＣ系）は、ローパスフィルタ４１１によって交流成分を減衰し、直流成分に交流成分が重畳したデジタルサンプルを平均値演算部４５２により演算して、表示装置５２に直流値を表示する。平均値演算は、交流成分の少なくとも１周期分のサンプルについて行う。交流成分は、この演算によってキャンセルされる。【選択図】　　　　　　　　図１
2004093416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測電圧又は被計測電流の直流成分をカットして交流電圧又は交流電流をサンプリングし、サンプルにより交流電圧又は交流電流の実効値を演算する手段、被計測電圧又は被計測電流の交流成分を減衰して直流成分と交流成分が重畳した電圧又は電流をサンプリングし、交流成分の少なくとも１周期分のサンプルの平均値を演算して直流電圧値又は直流電流値を演算するする手段、並びに交流電圧又は交流電流の実効値及び直流電圧値又は直流電流値を表示する手段を備えていることを特徴とする電圧・電流計測装置。
【請求項２】
被計測電圧又は被計測電流の直流成分をカットし、交流電圧又は交流電流をサンプリングしてサンプルにより交流電圧又は交流電流の実効値を演算する手段、被計測電圧又は被計測電流の交流成分を減衰して直流成分と交流成分が重畳した電圧又は電流をサンプリングし、交流成分の少なくとも１周期分のサンプルの平均値を演算して直流電圧値又は直流電流値を演算するする手段、並びに交流電圧又は交流電流の実効値、直流電圧値又は直流電流値及びそれらの交流、直流別を表示する手段を備えていることを特徴とする電圧・電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、被計測量が交流か直流か、及び電圧か電流かを自動的に判別して電圧と電流の計測値及びその計測値の交流・直流の別を表示する電圧・電流計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来交流と直流の電圧と電流の計測には、夫々の被計測量の種類に応じて交流電圧計、直流電圧計、交流電流計及び直流電流計を使用している。したがって被計測量の種類に適合した計測器を使用しないと、計測ができないか或いは正しい計測値が得られなかった。また交流と直流が重畳している電圧や電流は、高価な専用の計測装置を使用しなければ計測することができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電圧・電流計測装置の場合、計測者は、事前に被計測量が交流か直流か、及び電圧か電流かを調べて、被計測量の種類に適合した計測器を使用しなければならないため、電気知識のない者が電圧・電流を計測することは容易でなく、かつ計測ミスが多かった。また交流と直流が重畳している場合には、前記のように高価な専用の計測装置が必要になるため、誰もが簡単に計測するという訳にはいかなかった。
本願発明は、これらの点に鑑み、電気知識のない計測者が、交流・直流の電圧・電流を容易に計測でき、かつ交流と直流が重畳している場合にも交流成分と直流成分とを別々に計測できる電圧・電流計測装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願発明の電圧・電流計測装置は、被計測電圧又は被計測電流の直流成分をカットして交流電圧又は交流電流をサンプリングし、サンプルにより交流電圧又は交流電流の実効値を演算する手段、被計測電圧又は被計測電流の交流成分を減衰して直流成分と交流成分が重畳した電圧又は電流をサンプリングし、交流成分の少なくとも１周期分のサンプルの平均値を演算して直流電圧値又は直流電流値を演算するする手段、並びに交流電圧又は交流電流の実効値及び直流電圧値又は直流電流値を表示する手段を備えていることを特徴とする。
本願発明の電圧・電流計測装置は、被計測電圧又は被計測電流の直流成分をカットし、交流電圧又は交流電流をサンプリングしてサンプルにより交流電圧又は交流電流の実効値を演算する手段、被計測電圧又は被計測電流の交流成分を減衰して直流成分と交流成分が重畳した電圧又は電流をサンプリングし、交流成分の少なくとも１周期分のサンプルの平均値を演算して直流電圧値又は直流電流値を演算するする手段、並びに交流電圧又は交流電流の実効値、直流電圧値又は直流電流値及びそれらの交流、直流別を表示する手段を備えていることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１〜３図を用いて、本願発明の実施の形態に係る電圧・電流計測装置を説明する。
まず図１について説明する。
図１は、電圧・電流計測装置のブロック図である。
電圧センサ１１は被計測電圧を取出し、電流センサ１２は被計測電流を取出して、夫々スイッチ１３を介してオフセット増幅器２０に供給する。電圧を計測する場合には、スイッチ１３を電圧センサ１１側へ切り替え、電流を計測する場合には、スイッチ１３を電流センサ１２側へ切り替える。この際電圧・電流設定スイッチ３２により電圧計測か、電流計測かをマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１に設定する。
【０００６】
ここでは、電圧を計測する場合について説明する。
オフセット増幅器２０は、入力電圧を所定のレベルに調節して出力するとともに、オフセット調節を行う。例えば、入力電圧が０〜１０００Ｖの場合、出力電圧は、０〜２Ｖに調節する。また入力電流が０〜２０Ａの場合、出力電流は、２Ｖ／２０Ａに調節する。オフセット増幅器２０の出力電圧は、ハイパスフィルタ４１１とローパスフィルタ４１２に供給する。
【０００７】
ハイパスフィルタ４１１は、入力電圧に含まれる直流成分をカットして交流電圧のみを増幅器４２１へ供給する。増幅器４２１は、供給された電圧を後続する回路の処理に適したレベルに調節して（図２により詳述する）サンプリング部４３１へ供給する。サンプリング部４３１は、供給された電圧をサンプリングして、サンプルをＡＤ変換部４４１へ供給する。ＡＤ変換部４４１は、サンプルをＡＤ変換し、その変換されたデジタルサンプルを実効値演算部４５１へ供給する。実効値演算部４５１は、交流電圧の実効値を演算する。なおサンプリング、ＡＤ変換、実効値演算は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１によって行うが、サンプリング、ＡＤ変換は、夫々周知のサンプリング回路、ＡＤ変換回路により、また実効値演算は、二乗回路、平均値化回路、平方根回路からなる周知の実効値回路によって行うこともできる。
【０００８】
ローパスフィルタ４１２は、直流電圧を減衰することなく交流電圧を減衰して増幅器４２２へ供給する。増幅器４２２は、供給された電圧を後続する回路の処理に適したレベルに調節して（図２により詳述する）サンプリング部４３２へ供給する。サンプリング部４３２は、供給された電圧をサンプリングして、サンプルをＡＤ変換部４４２へ供給する。ＡＤ変換部４４２は、サンプルをＡＤ変換し、その変換されたデジタルサンプルを平均値演算部４５２へ供給する。平均値演算部４５２は、交流成分の少なくとも１周期分のサンプルを加算し、累計値をサンプルの個数で割って平均値を演算する。この演算により交流成分はキャンセルされて直流電圧値が得られる（図３により詳述する）。なおサンプリング、ＡＤ変換及び平均値演算は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１によって行うが、サンプリングとＡＤ変換は、夫々周知のサンプリング回路とＡＤ変換回路により、また平均値演算は、周知の平均値化回路によって行うこともできる。
【０００９】
ここでハイパスフィルタ４１１〜実効値演算部４５１までを交流系部（ＡＣ系）、ローパスフィルタ４１２〜平均値演算部４５２までを直流系部（ＤＣ系）と呼ぶ。
交流系部（ＡＣ系）の演算値、即ち交流電圧値（実効値）、及び直流系部（ＤＣ系）の演算値、即ち直流電圧値は、夫々マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１によって表示装置５２に表示される。その際、交流系部（ＡＣ系）の電圧については、交流電圧と表示し、直流系部（ＤＣ系）の電圧については、直流電圧と表示する。
【００１０】
上記例は、オフセット増幅器２０の入力電圧に交流成分と直流成分が重畳している場合であるが、入力電圧が交流成分のみのときは、直流系部（ＤＣ系）の電圧は０になり、また直流成分のみのときは、交流系部（ＡＣ系）の電圧は０になる。
また上記例は、電圧を計測する場合の例であるが、電流の場合も上記例と同様の要領で計測することができる。
【００１１】
上記例の場合、電圧計測か電流計測かの別は、電圧・電流設定スイッチ３２によって設定しているが、スイッチ１３が電圧センサ１１又は電流センサ１２に接続されているかを電圧検知回路３１１又は電流検知回路３１２によって検知し、自動的にマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１に設定することもできる。
【００１２】
本実施形態の電圧・電流計測装置の場合、表示装置５２には、計測者がスイッチ１３を電圧センサ１１側又は電流センサ１２側に切り替えるのみで、交流電圧値、交流電流値、直流電圧値、及び直流電流値が自動的に表示される。したがって計測者は、電気的知識がない場合にも表示装置５２の表示内容から電圧・電流の計測値を簡単に知ることができる。また電流計や電圧計の種類を間違えて、計測ミスを起こすこともない。
本実施形態の電圧・電流計測装置は、被計測電圧又は被計測電流に交流と直流が重畳している場合にも、交流、直流別に簡単に計測することができる。
【００１３】
次に図２について説明する。
図２は、図１の増幅器４２１又は４２２の具体例のブロック図である。
増幅器４２１又は４２２に後続するサンプリング部４３１又は４３２は、入力信号が大きすぎると飽和してしまい適切な信号処理を行うことができない。また小さすぎても誤差の影響が大きくなるため適切な信号処理を行うことができない。そこでサンプリング部４３１又は４３２は、信号処理に適したレベルの入力信号が必要になる。
【００１４】
図２の増幅器４２１又は４２２は、増幅部Ａ１〜Ａ４を設け、各増幅部の増幅度を、例えば１０００倍、１００倍、１０倍、１倍に設定してある。サンプリング部４３１又は４３２は、増幅部Ａ１〜Ａ４の出力信号の内から信号処理に適したレベルの出力信号を選択する。この選択は、手動によって行うこともできるが、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）５１によって自動に行う。この自動選択は、一般に自動レンジ選択と呼ばれ、周知である。
なおＬ１〜Ｌ４は、保護用のリミッタである。また増幅部の個数及び各増幅部の増幅度は、図２の例に限らず任意に設定することができる。
【００１５】
次に図３について説明する。
図３は、図１の平均値化演算部４５２における交流成分のキャンセルの原理を説明する図である。なお平均値化演算部４５２は、デジタルサンプルについて演算を行うが、図３は、アナログサンプルを用いて説明する。
【００１６】
図３（ａ）は、直流電圧ＶＤに交流電圧ＶＡが重畳している例で、交流電圧ＶＡの１周期をｔ１〜ｔ８の８箇所でサンプリングを行う。図３（ｂ）は、取出した８個のサンプルＳ１〜Ｓ８を示す。
８個のサンプルＳ１〜Ｓ８の内、サンプルＳ１，Ｓ５は、交流電圧が０の箇所のサンプルで直流電圧のみであるが、サンプルＳ２，Ｓ３，Ｓ４は、交流電圧の分だけ振幅が大きくなり、またサンプルＳ６，Ｓ７，Ｓ８は、交流電圧の分だけ振幅が小さくなる。そしてサンプルＳ２，Ｓ３，Ｓ４の交流電圧の大きさは、サンプルＳ６，Ｓ７，Ｓ８の交流電圧の大きさと同じで、極性が逆である。ここでサンプルＳ１〜Ｓ８を加算して累計し、累計値を８で割って８個のサンプルの平均を取ると、交流電圧は、キャンセルされるから、平均値は、直流電圧ＶＤと同じになる。
図３は、交流電圧ＶＡの１周期の平均値について説明したが、複数周期の平均値を取ると精度はより高くなる。
【００１７】
このように直流電圧と交流電圧が重畳している場合には、交流電圧の少なくとも一周期のサンプルの平均値を取ることにより交流電圧をキャンセルすることができる。したがって図１の直流系部（ＤＣ系）は、被計測電圧又は被計測電流に交流成分が重畳していても、直流電圧又は直流電流のみを取出して計測することができる。
この場合、図１のローパスフィルタ４１２は、交流成分を完全にカットせずに、減衰させるのみでよいから、比較的安価に構成することができる。
【００１８】
次に前記実施形態の電圧・電流計測装置の実効値を演算する計算式について説明する。
まず電圧又は電流の実効値は、電圧又は電流をサンプリングしたデータを用いて次の（１）式の演算を行って求める。
【００１９】
【数１】
2004093416.tif 000003
ここで
Ｍ：電圧又は電流のサンプルデータの個数（サンプルの個数）
ｄ０，ｄ１，ｄ２，・・・ｄｋ：電圧又は電流の各サンプルのデータ
ｋ：０〜Ｍ−１までの数字
である。
【００２０】
交流電圧又は交流電流が正弦波の場合には、（１）式により実効値を演算するが、高調波を含むひずみ波の場合には、次の（２）式〜（５）式により実効値を演算することができる。
まず（２）式によってｎ次高調波のピーク値を演算し、そのピーク値を用いて（３）式によりｎ次高調波の実効値電圧Ｖｎ又は実効値電流Ｉｎを演算する。
【００２１】
【数２】
2004093416.tif 000004
ここで
ｎ：高調波次数（ｎ＝０，１，３，５，・・・）
ｎが０のときは直流成分
ｎが１のときは基本波成分
ｎが３のときは第３次高調波成分
Ｍ：電圧又は電流のサンプルデータの個数（サンプルの個数）
である。
【００２２】
次に（３）式で演算したｎ次高調波の実効値を用いて、高調波成分を含むひずみ波の実効値電圧又は実効値電流を（４）式又は（５）式によって演算することができる。ひずみ波の実効値電圧又は実効値電流は、各高調波の実効値の二乗の和の平方根でなる。
【００２３】
【数３】
2004093416.tif 000005
【００２４】
また（６）式，（７）式によって各高調波電流の位相Фｎを演算することもできる。
【００２５】
【数４】
2004093416.tif 000006
ここでｔ０は１周期の始まりの時刻、ｔ１は１周期の終了時である。またλは１周期の時間である。
【００２６】
（６）式により求めた位相は、図１の表示装置５２に表示することもできる。また（６）式により求めた位相、及び（４）式又は（５）式で求めた実効値電圧と実効値電流により電力を求めることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
本願発明の電圧・電流計測装置は、被計測電圧・電流の交流、直流の別及び電流、電圧の別を自動的に判別して、電圧値及び電流値とともに交流、直流の別を表示装置に表示するから、計測者は、電気的知識のない人であっても簡単に電圧・電流を計測することができ、また電流計や電圧計の種類を間違えて、計測ミスを起こすこともない。
本願発明の電圧・電流計測装置は、被計測電圧又は被計測電流に交流と直流が重畳している場合にも、交流、直流別に簡単に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態に係る電圧・電流計測装置のブロック図である。
【図２】図１の増幅器の具体例のブロック図である。
【図３】図１の平均値化演算部における交流成分のキャンセルの原理を説明する図である。
【符号の説明】
１３　　電圧センサ、電流センサの切替え用スイッチ
４２１，４２２　　自動レンジ選択用の増幅器
５１　　マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）
ＡＣ系　　交流系部
ＤＣ系　　直流系部
【図１】
2004093416.tif 000007
【図２】
2004093416.tif 000008
【図３】
2004093416.tif 000009