(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時定数を切替え可能な積分回路を内蔵すると共に入力した交流信号に基づく積分対象信号を前記積分回路によって積分することにより当該交流信号に対する実効電圧を出力する実効電圧測定部を備え、前記出力された実効電圧に基づいて前記交流信号に対する電気的パラメータを測定する測定装置において、
前記入力した交流信号の周波数を測定する周波数測定部と、前記周波数測定部によって測定された測定周波数に基づいて前記積分回路の時定数を切替え制御する切替制御部とを備え、
前記積分回路は、第１時定数と、当該第１時定数よりも小さい値の第２時定数を少なくとも切替え可能に構成され、
前記切替制御部は、第１基準周波数と、当該第１基準周波数よりも高周波数の第２基準周波数とをしきい値とし、前記測定周波数が前記第１基準周波数よりも低周波数のときおよび前記第２基準周波数よりも高周波数のときに、それぞれ前記第１時定数および前記第２時定数に切替え制御し、かつ前記測定周波数が前記第１基準周波数を超えて前記第２基準周波数までの間の周波数のとき、および前記第２基準周波数よりも低下して前記第１基準周波数までの間の周波数のときに、それぞれ前記第１時定数および前記第２時定数に切替え制御することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記積分回路は、容量性素子を切替えることにより前記時定数の切替えが可能に構成され、前記切替制御部は、前記積分回路の前記容量性素子を切替え制御することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧や電流の測定に適した測定装置に関し、詳しくは、入力交流信号に基づく被積分信号を積分し、その積分によって得られた実効電圧に基づいて電圧や電流を測定する測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モータのトルク特性を確認するための測定系として、図４に示す測定系Ｓ２が従来から知られている。この測定系Ｓ２では、まず、インバータ装置２が、入力した商用交流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の電圧および周波数を変換することにより、例えば、２Ｈｚ〜１２０Ｈｚまでの交流電圧ＶACをモータＭに供給する。この際に、モータＭに供給される交流電圧ＶACの実効電圧を電圧計５１によって測定すると共に、図外のトルク計によってモータのトルクを測定する。これにより、その両測定値に基づいて、モータＭに供給される電圧に対するモータＭのトルクの関係を求めることができ、この結果、モータＭに対してどの程度の交流電圧を印加すれば、最も効率よくモータＭが回転するかを確認することができる。
【０００３】
このような従来の測定系Ｓ２における電圧計５１は、同図に示すように、交流電圧ＶACの実効電圧を測定する実効電圧測定部１１と、実効電圧測定部１１によって測定された実効電圧Ｖrms に基づいて演算処理を行うことにより実効電圧に対する測定データＤM を生成する演算部１２と、演算部１２から出力される測定データＤM に基づいて実効電圧を表示する表示部１３とを備えている。
【０００４】
また、実効電圧測定部１１は、絶対値回路３１、二乗／割算回路３２および積分回路３３を備えて構成され、積分回路３３の積分時定数を切り替える外部回路として、インバータ回路１４、アナログスイッチ１５，１６、大容量の平均化コンデンサ１７、小容量の平均化コンデンサ１８、平均化コンデンサ１７，１８を切り替えるための切替スイッチ５２、およびプルアップ用の抵抗５３が配設されている。
【０００５】
この電圧計５１では、交流電圧ＶACが入力されると、絶対値回路３１が、アナログ演算により交流電圧ＶACの絶対値に対応する電圧Ｖａを演算する。次いで、二乗／割算回路３２が、電圧Ｖａを二乗すると共に、積分回路３３から出力される実効電圧Ｖrms によって、電圧Ｖａを二乗した電圧を除算することにより電圧Ｖｂを生成し、その電圧Ｖｂを積分回路３３に出力する。この後、積分回路３３は、電圧Ｖｂを積分することにより実効電圧Ｖrms を生成し、その実効電圧Ｖrms を演算部１２に出力する。
【０００６】
この場合、積分回路３３は実質的には平滑回路として機能している。このため、積分回路３３に入力された電圧Ｖｂにリップル電圧が重畳されていれば、積分回路３３によって積分された実効電圧Ｖrms は、その電圧値が同じであっても、そのリップル周波数に応じて若干相違することがある。したがって、交流電圧ＶACの実効電圧Ｖrms を高確度で測定するためには、電圧Ｖｂを確実に平均化する必要がある。具体的には、電圧Ｖｂに重畳されているリップル周波数が高い周波数のときには、交流電圧ＶACの急峻な電圧変動に対応すべく、応答性の良い高周波用の小容量コンデンサを使用し、低い周波数のときには、確実に積分すべく、多少応答性を犠牲にしても大容量のコンデンサを使用する必要がある。
【０００７】
このため、インバータ装置２から出力される交流電圧ＶACの周波数に応じて、積分回路３３に外部付加される平均化コンデンサ１７，１８をいずれか一方に切り替える必要があり、オペレータは、モータＭが低回転数のとき（つまり、交流電圧ＶACの周波数が低いとき）には、切替スイッチ５２をオン状態に操作する。これにより、インバータ回路１４からハイレベル信号が出力されることにより、アナログスイッチ１５がオン状態に制御される結果、大容量の平均化コンデンサ１７が積分回路３３の積分時定数として機能する。一方、モータＭが高回転数のとき（つまり、交流電圧ＶACの周波数が高いとき）には、切替スイッチ５２をオフ状態に維持する。これにより、インバータ回路１４からローレベル信号が出力されることによりアナログスイッチ１５がオフ状態に制御されると共に、アナログスイッチ１６にハイレベル信号が入力されてオン状態に制御される。この結果、小容量の平均化コンデンサ１８が積分回路３３の積分時定数として機能する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来の電圧計５１には、以下の問題点がある。
すなわち、この電圧計５１では、交流電圧ＶACの実効電圧Ｖrms を正確に測定するためには、モータＭの回転数の高低に応じて切替スイッチ５２を操作して平均化コンデンサ１７，１８をいずれか一方に切り替える必要がある。しかし、モータＭの回転数の高低判断は、オペレータの個人差によって相違し、同一人であってもその時の判断によって相違する。このため、従来の電圧計５１には、測定の再現性が悪く、また測定精度自体も低いという問題点がある。加えて、モータＭの回転数に応じて切替スイッチ５２を操作しなければならず、測定が煩雑であるという問題点もある。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、入力した被測定信号の周波数に自動追従させることにより精度および再現性の良い測定を行うことが可能な測定装置を提供することを主目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の測定装置は、時定数を切替え可能な積分回路を内蔵すると共に入力した交流信号に基づく積分対象信号を積分回路によって積分することにより交流信号に対する実効電圧を出力する実効電圧測定部を備え、出力された実効電圧に基づいて交流信号に対する電気的パラメータを測定する測定装置において、入力した交流信号の周波数を測定する周波数測定部と、周波数測定部によって測定された測定周波数に基づいて積分回路の時定数を切替え制御する切替制御部とを備え、前記積分回路は、第１時定数と、当該第１時定数よりも小さい値の第２時定数を少なくとも切替え可能に構成され、前記切替制御部は、第１基準周波数と、当該第１基準周波数よりも高周波数の第２基準周波数とをしきい値とし、前記測定周波数が前記第１基準周波数よりも低周波数のときおよび前記第２基準周波数よりも高周波数のときに、それぞれ前記第１時定数および前記第２時定数に切替え制御し、かつ前記測定周波数が前記第１基準周波数を超えて前記第２基準周波数までの間の周波数のとき、および前記第２基準周波数よりも低下して前記第１基準周波数までの間の周波数のときに、それぞれ前記第１時定数および前記第２時定数に切替え制御することを特徴とする。
【００１１】
この測定装置では、被測定信号としての交流信号が入力されると、周波数測定部が、その交流信号の周波数を測定する。次いで、切替制御部が、測定周波数に基づいて積分回路の時定数を切り替える。これにより、積分回路が、積分対象信号に重畳されている交流信号に基づくリップル電圧の周波数に適した時定数で積分する。これらの処理により、実効電圧測定部は、交流信号の周波数成分に自動追従して、再現性があり、かつ精度の良い交流信号の実効電圧を測定する。
【００１２】
また、この測定装置では、切替制御部は、いわゆるヒステリシス制御を実行する。つまり、切替制御部は、例えば、測定周波数が低い周波数から徐々に上昇している場合、まず、第１基準周波数よりも低周波数時には、積分回路の時定数を大きい値の第１時定数に切替え制御し、第２基準周波数に達するまで、第１時定数に維持する。次いで、測定周波数が第２基準周波数を超えたときには、切替制御部は、小さい値の第２時定数に切替え制御し、測定周波数が第１基準周波数よりも低下するまで、第２時定数を維持する。このように切替え制御することにより、測定周波数がしきい値近辺を上下するような場合においても、積分回路の時定数が煩雑に切替え制御されることに起因しての測定結果のばらつきを確実に防止することができる。
【００１３】
請求項２記載の測定装置は、請求項１記載の測定装置において、積分回路は、容量性素子を切替えることにより時定数の切替えが可能に構成され、切替制御部は、積分回路の容量性素子を切替え制御することを特徴とする。
【００１４】
時定数の切替えは抵抗素子および容量性素子などの時定数を形成するいずれの素子を切替え制御してもよい。一方、抵抗素子や半導体素子を集積化し、容量性素子を外部付加素子として切替え制御することにより、測定装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る測定装置を電圧計に適用した実施の形態について説明する。なお、出願人が既に開発している電圧計５１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
最初に、電圧計１の構成について、図１を参照して説明する。
【００１７】
電圧計１は、同図に示すようにモータＭのトルク特性を測定するための測定系Ｓ１の一部として用いられ、従来の電圧計５１と同様にして、実効電圧測定部１１、演算部１２、表示部１３、インバータ回路１４、アナログスイッチ１５，１６、本発明における容量性素子に相当する平均化コンデンサ１７，１８を備えるほか、切替スイッチ５２などに代えて、交流電圧ＶACの周波数を測定する周波数測定部１９、および周波数測定部１９によって測定された測定周波数に応じて平均化コンデンサ１７，１８の切替えを制御する制御部２０を備えている。
【００１８】
周波数測定部１９は、例えば、コンパレータ、クロック発振器およびカウンタを内蔵して構成されている。この周波数測定部１９では、交流電圧ＶACを入力すると、その交流電圧ＶACをコンパレータによって波形整形することにより交流電圧ＶACの周期と等しい周期の方形波信号を生成する。次いで、カウンタが、その方形波信号の１周期内において、クロック発振器によって生成したクロック信号に同期してカウントし、そのカウント値である周波数データＤｆを制御部２０に出力する。
【００１９】
制御部２０は、本発明における切替制御部に相当し、測定対象信号としての交流電圧ＶACの周波数に応じてアナログスイッチ１５，１６のいずれか一方にハイレベル信号を出力する。具体的には、制御部２０は、第１基準周波数Ｆref1と、第１基準周波数Ｆref1よりも高周波数の第２基準周波数Ｆref2とをしきい値とし、周波数データＤｆによって特定される測定周波数が第１基準周波数Ｆref1よりも低周波数のときに、アナログスイッチ１５にハイレベル信号を出力することにより、積分回路３３の時定数が大きくなるように制御する。逆に、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2よりも高周波数のときには、制御部２０は、アナログスイッチ１６にハイレベル信号を出力することにより、積分回路３３の時定数が小さくなるように制御する。また、制御部２０は、測定周波数が第１基準周波数Ｆref1を超えて第２基準周波数Ｆref2までの間の周波数のときには、アナログスイッチ１５に対して継続してハイレベル信号を出力することにより積分回路３３の時定数を大きく維持し、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2よりも低下して第１基準周波数Ｆref1までの間の周波数のときには、アナログスイッチ１６に対して継続してハイレベル信号を出力することにより積分回路３３の時定数を小さく維持する。
【００２０】
次に、電圧計１の動作について、図３に示すように、測定周波数が０Ｈｚから最高周波数まで徐々に上昇し、かつ最高周波数から徐々に低下する場合を例に挙げ、図２を参照して説明する。
【００２１】
まず、電源が投入されると、制御部２０は、ローレベルを出力してアナログスイッチ１５をオン状態に制御することにより、低周波用の平均化コンデンサ１７を積分回路３３に接続する。次いで、交流電圧ＶACが入力されると、図２に示すように、周波数測定部１９が交流電圧ＶACの周波数を測定し（ステップ４１）、測定結果である周波数データＤｆを制御部２０に出力する。この際に、制御部２０は、周波数データＤｆに基づいて、測定された周波数が第２基準周波数Ｆref2よりも高い周波数か否かを判別する（ステップ４２）。この例では、図３における時間ｔ１の時には、制御部２０は、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2よりも低いと判別した後、第１基準周波数Ｆref1よりも低い周波数か否かを判別する（ステップ４３）。時間ｔ１の時には、測定周波数が第１基準周波数Ｆref1よりも低いため、制御部２０は、アナログスイッチ１５のオン状態を維持させる。なお、時間ｔ１〜時間ｔ２の間では、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2を超えていないため、制御部２０は、上記したステップ４２，４３を繰り返し実行してアナログスイッチ１５のオン状態を維持する。
【００２２】
次いで、時間ｔ２に達すると、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2を超えたため、制御部２０は、ハイレベル信号を出力してアナログスイッチ１６をオン状態に制御することにより、平均化コンデンサ１７に代えて高周波用の平均化コンデンサ１８を積分回路３３に接続する（ステップ４４）。この後、時間ｔ２〜時間ｔ３間での間では、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2よりも高いため、アナログスイッチ１６のオン状態を維持する（ステップ４２，４４）。また、時間ｔ３の時には、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2よりも低下したが、依然として第１基準周波数Ｆref1よりも高い周波数のため、制御部２０は、アナログスイッチ１６のオン状態を維持する（ステップ４２，４３）。
【００２３】
一方、時間ｔ４に達すると、測定周波数が第１基準周波数Ｆref1よりも低下したため、制御部２０は、ローレベル信号を出力してアナログスイッチ１５をオン状態に制御することにより、平均化コンデンサ１８に代えて低周波用の平均化コンデンサ１７を積分回路３３に接続する（ステップ４２，４３，４５）。この後、時間ｔ４以降、測定周波数が第２基準周波数Ｆref2を超えない限り、アナログスイッチ１６のオン状態を維持する（ステップ４２，４３，４５）。このように、制御部２０は、ヒステリシス制御によりアナログスイッチ１５，１６の切替え制御を実行することにより、測定周波数がしきい値である第１基準周波数Ｆref1および第２基準周波数Ｆref2の近辺を上下するような場合においても、積分回路３３の時定数が煩雑に切替え制御されることに起因しての測定結果である実効電圧Ｖrms のばらつきを確実に防止する。
【００２４】
次に、実際の実効電圧Ｖrms の測定について説明する。
【００２５】
この測定では、従来の電圧計５１と同様にして実効電圧Ｖrms を測定する。すなわち、まず、絶対値回路３１が、アナログ演算により交流電圧ＶACの絶対値に対応する電圧Ｖａを演算する。次に、二乗／割算回路３２は、電圧Ｖａを二乗すると共に、積分回路３３から出力される実効電圧Ｖrms によって、電圧Ｖａを二乗した電圧を除算することにより電圧Ｖｂを生成し、その電圧Ｖｂを積分回路３３に出力する。次いで、積分回路３３が、電圧Ｖｂを積分することにより実効電圧Ｖrms を生成し、その実効電圧Ｖrms を演算部１２に出力する。この後、演算部１２が、実効電圧Ｖrms に基づいて測定データＤM を生成して表示部１３に出力し、表示部１３が、入力した測定データＤM に基づいて、測定結果としての実効電圧を表示する。
【００２６】
このように、この電圧計１によれば、周波数測定部１９が交流電圧ＶACの周波数を測定し、制御部２０が周波数データＤｆに基づいて積分回路３３の時定数（平均化コンデンサ１７，１８）を切替え制御することにより、交流電圧ＶACに基づくリップル電圧が電圧Ｖｂに重畳している場合であっても、積分回路３３は、そのリップル電圧の周波数に適した時定数に設定されることにより、速い応答速度で、しかも高確度で積分することができる。この結果、電圧計１は、交流電圧ＶACの周波数成分に自動追従して、その交流電圧ＶACの実効電圧Ｖrms を精度良く、しかも再現性の良い測定を行うことができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、電圧計１を例に挙げて説明したが、本発明は、実効電圧Ｖrms に基づいて電流や電力を演算して表示または記録する電流計、電力計、マルチメータおよび記録計などの各種の測定装置に好適に用いることができる。また、本発明の実施の形態では、平均化コンデンサ１７，１８を切替え制御する例について説明したが、積分回路３３の時定数を決定する抵抗素子を切替え制御してもよいのは勿論である。さらに、本発明の実施の形態では、制御部２０による切替え制御の際に第１基準周波数Ｆref1および第２基準周波数Ｆref2の２つのしきい値を用いる例について説明したが、本発明は、これに限らず、しきい値を３つ以上設けて切替え制御する場合にも適用することができる。
【００２８】
また、本発明の実施の形態では、機能ブロックを用いて説明したが、ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）などを用いることにより、実効電圧測定部１１、インバータ回路１４、アナログスイッチ１５，１６、周波数測定部１９および制御部２０を一体的に構成することもできる。かかる場合、平均化コンデンサ１７，１８を切替え制御することにより、電圧計１の小型化を図ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の測定装置によれば、周波数測定部が入力した交流信号の周波数を測定し、切替制御部が測定周波数に基づいて積分回路の時定数を切替え制御することにより、実効電圧測定部が、交流信号の周波数成分に自動追従することができ、これにより、再現性があり、かつ精度良く、交流信号の実効電圧を測定することができる。
【００３０】
また、この測定装置によれば、切替制御部がヒステリシス制御を実行することにより、測定周波数がしきい値近辺を上下するような場合においても、積分回路の時定数が煩雑に切替え制御されることに起因しての測定結果のばらつきを確実に防止することができる。
【００３１】
さらに、請求項２記載の測定装置によれば、切替制御部が積分回路の容量性素子を切替え制御することにより抵抗素子や半導体素子などの集積化が可能となり、かかる場合には、測定装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る電圧計を含む測定系のブロック図である。
【図２】  時定数の自動切替処理を示すフローチャートである。
【図３】  時定数の自動切替処理を具体的に説明するための例を示す図であって、時間に対する測定周波数の関係を示す図である。
【図４】  従来の電圧計を含む測定系のブロック図である。
【符号の説明】
１  電圧計
１１  実効電圧測定部
１７  平均化コンデンサ
１８  平均化コンデンサ
１９  周波数測定部
２０  制御部
３３  積分回路
【図１】
0004190060.tif 000002
【図２】
0004190060.tif 000003
【図３】
0004190060.tif 000004
【図４】
0004190060.tif 000005