特許 7336181 電圧入力回路及び電力測定器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-23

(45)【発行日】2023-08-31

(54)【発明の名称】電圧入力回路及び電力測定器

(51)【国際特許分類】

   G01R 19/00 20060101AFI20230824BHJP

   G01R 21/00 20060101ALI20230824BHJP

   G01R 15/04 20060101ALI20230824BHJP

   G01R 15/06 20060101ALI20230824BHJP

【ＦＩ】

G01R19/00 A

G01R21/00 S

G01R15/04

G01R15/06 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018176249

(22)【出願日】2018-09-20

(65)【公開番号】P2020046351

(43)【公開日】2020-03-26

【審査請求日】2021-06-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】596157780

【氏名又は名称】横河計測株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100188307

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 昌宏

(74)【代理人】

【識別番号】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(72)【発明者】

【氏名】橘 勝也

【審査官】小川 浩史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２８８２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４２９３８２０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ １９／００－１９／３２

Ｇ０１Ｒ ２１／００－２１／１４

Ｇ０１Ｒ １５／０４－１５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分圧回路を備えた電圧入力回路であって、
当該電圧入力回路の＋端子と－端子との間に電圧を入力し、該電圧を前記分圧回路に供給し、
前記分圧回路は、
非反転入力端子が前記－端子と基準電位に接続されたオペアンプと、
前記オペアンプの出力信号を前記オペアンプの反転入力端子にフィードバックするフィードバック部と、
前記＋端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に直列接続されたｎ（ｎ≧２）個の抵抗と、該ｎ個の直列接続された各抵抗同士を接続するｎ－１個の接続点のそれぞれと前記－端子との間に接続されたｎ－１個の抵抗と、前記＋端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に直列接続されたｎ個のコンデンサと、該ｎ個の直列接続された各コンデンサ同士を接続するｎ－１個の接続点のそれぞれと前記－端子との間に接続されたｎ－１個のコンデンサとを有し、前記抵抗同士の接続点と前記コンデンサ同士の接続点とは非接続である入力部と、を備え、
前記フィードバック部は、ＲＣ並列回路を有することを特徴とする電圧入力回路。

【請求項2】

前記ｎは２であり、
前記入力部は、前記直列接続された前記ｎ個の抵抗の第１抵抗及び第２抵抗、並びに前記ｎ－１個の抵抗の第３抵抗をＴ字に接続した抵抗Ｔ型回路と、前記直列接続された前記ｎ個のコンデンサの第１コンデンサ及び第２コンデンサ、並びに前記ｎ－１個のコンデンサの第３コンデンサをＴ字に接続したコンデンサＴ型回路とを有することを特徴とする、請求項１に記載の電圧入力回路。

【請求項3】

前記入力部は第１切替部を有し、
前記第１抵抗及び前記第１コンデンサの接続点は、前記＋端子に接続され、
前記第１切替部により、前記第３抵抗及び前記第３コンデンサの接続点は、前記－端子に接続されるか、又は前記オペアンプの反転入力端子に接続され、
前記第２抵抗及び前記第２コンデンサの接続点は、前記オペアンプの反転入力端子に接続されることを特徴とする、請求項２に記載の電圧入力回路。

【請求項4】

前記第１抵抗及び前記第２抵抗の接続点の電圧、及び前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの接続点の電圧の変動率又は変動量が閾値を越えたか否かを監視する監視回路を備えることを特徴とする、請求項２又は３に記載の電圧入力回路。

【請求項5】

前記フィードバック部は、ＲＣ並列回路を直列接続したＲＣ並列回路群と、該ＲＣ並列回路群の一部のＲＣ並列回路に並列に接続された第２切替部とを有し、
前記第２切替部は、該第２切替部と並列に接続されたＲＣ並列回路をバイパスさせるか、該ＲＣ並列回路を用いて前記オペアンプの出力信号をフィードバックさせるか、を切り替えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電圧入力回路。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の電圧入力回路を備えることを特徴とする電力測定器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電圧入力回路及び電力測定器に関する。

【背景技術】

【0002】

電力測定器として、一般的に図７に示す構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図７において、電力測定器１００は、電圧入力回路１０と、電流入力回路２０と、演算部３０と、表示部４０と、メモリ５０と、操作部６０と、ＣＰＵ７０とを備える。

【0003】

電圧入力回路１０は、分圧回路１１により入力電圧を分圧した後、増幅回路１２により増幅し、Ａ／Ｄ変換器１３によりデジタル信号に変換する。
に出力する。

【0004】

電流入力回路２０は、シャント抵抗２１にかかる電圧を増幅回路２２で増幅し、Ａ／Ｄ変換器２３によりデジタル信号に変換する。

【0005】

演算部３０は、Ａ／Ｄ変換器１３から入力された電圧信号、及びＡ／Ｄ変換器２３から入力された電流信号から、電圧値、電流値、電力値などを演算し、演算結果をメモリ５０に格納する。表示部４０は、演算部３０の演算結果を表示する。操作部６０は、例えば、ボタン、キー、外付けのキーボードやマウス等であり、測定条件等が設定される。ＣＰＵ７０は、電力測定器１の各機能部１０～６０とバスで接続されて各機能部１０～６０を制御し、電力測定器１の全体を制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００９－２８８２１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

図８は、従来の電圧入力回路１０の一例を示す回路図である。良好な周波数特性を得るためには、分圧回路１１において、各ＲＣ並列回路の時定数をそれぞれ同一の値に合わせる必要がある。すなわち、抵抗１２１及びコンデンサ１３１の並列回路の時定数と、抵抗１２２及びコンデンサ１３２の並列回路の時定数と、抵抗１２３及びコンデンサ１３３の並列回路の時定数と、抵抗１２４及びコンデンサ１３４の並列回路の時定数とを同一の値にする必要がある。そのため、抵抗値の大きな抵抗を使用した場合には容量値の小さなコンデンサを使用する必要があり、逆に抵抗値の小さな抵抗を使用した場合には容量値の大きなコンデンサを使用する必要があり、部品を選択する際の制約が大きかった。また、容量値の小さいコンデンサは、一般的に許容差が大きく、可変容量コンデンサ（トリマコンデンサ）等で許容差を調整する場合でも、調整感度や容量値変動の影響が大きくなる。

【0008】

そこで、本開示は、コンデンサの容量値の設定自由度を上げることが可能な電圧入力回路及び電力測定器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

幾つかの実施形態に係る電圧入力回路は、分圧回路を備え、当該電圧入力回路の＋端子と－端子との間に電圧を入力し、該電圧を前記分圧回路に供給し、前記分圧回路は、非反転入力端子が前記－端子と基準電位に接続されたオペアンプと、前記オペアンプの出力信号を前記オペアンプの反転入力端子にフィードバックするフィードバック部と、前記＋端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に直列接続されたｎ（ｎ≧２）個の抵抗と、該ｎ個の直列接続された各抵抗同士を接続するｎ－１個の接続点のそれぞれと前記－端子との間に接続されたｎ－１個の抵抗と、前記＋端子と前記オペアンプの反転入力端子との間に直列接続されたｎ個のコンデンサと、該ｎ個の直列接続された各コンデンサ同士を接続するｎ－１個の接続点のそれぞれと前記－端子との間に接続されたｎ－１個のコンデンサとを有し、前記抵抗同士の接続点と前記コンデンサ同士の接続点とは非接続である入力部と、を備え、前記フィードバック部は、ＲＣ並列回路を有する。
このように、入力部の抵抗とコンデンサとを分離することにより、コンデンサの容量値の設定自由度を上げることができる。

【0010】

前記ｎは２であり、前記入力部は、前記直列接続された前記ｎ個の抵抗の第１抵抗及び第２抵抗、並びに前記ｎ－１個の抵抗の第３抵抗をＴ字に接続した抵抗Ｔ型回路と、前記直列接続された前記ｎ個のコンデンサの第１コンデンサ及び第２コンデンサ、並びに前記ｎ－１個のコンデンサの第３コンデンサをＴ字に接続したコンデンサＴ型回路とを有してもよい。
このように、ｎ＝２とすることで、簡易な構成の電圧入力回路を実現することができる。

【0011】

一実施形態において、前記入力部は第１切替部を有し、前記第１抵抗及び前記第１コンデンサの接続点は、前記＋端子に接続され、前記第１切替部により、前記第３抵抗及び前記第３コンデンサの接続点は、前記－端子に接続されるか、又は前記オペアンプの反転入力端子に接続され、前記第２抵抗及び前記第２コンデンサの接続点は、前記オペアンプの反転入力端子に接続されてもよい。
このように、第１切替部を有することにより、レンジ切り替えをすることができる。

【0012】

一実施形態において、前記第１抵抗及び前記第２抵抗の接続点の電圧、及び前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの接続点の電圧の変動率又は変動量が閾値を越えたか否かを監視する監視回路を備えてもよい。
このように、監視回路を備えることにより、異常の発生を検知することができる。

【0013】

一実施形態において、前記フィードバック部は、ＲＣ並列回路を直列接続したＲＣ並列回路群と、該ＲＣ並列回路群の一部のＲＣ並列回路に並列に接続された第２切替部とを有し、前記第２切替部は、該第２切替部と並列に接続されたＲＣ並列回路をバイパスさせるか、該ＲＣ並列回路を用いて前記オペアンプの出力信号をフィードバックさせるか、を切り替えてもよい。
このように、第２切替部を有することにより、レンジ切り替えをすることができる。

【0014】

幾つかの実施形態に係る電力測定器は、前記電圧入力回路を備える。
このような構成によれば、高精度に電圧を測定することができる。

【発明の効果】

【0015】

本開示によれば、コンデンサの容量値の設定自由度を上げることが可能な電圧入力回路及び電力測定器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】一実施形態に係る電圧入力回路を示す図である。

【図2】図１に示した分圧回路の第１の変形例を示す図である。

【図3】図１に示した分圧回路の第２の変形例を示す図である。

【図4】図１に示した分圧回路の第３の変形例を示す図である。

【図5】図１に示した分圧回路の第４の変形例を示す図である。

【図6】図１に示した分圧回路の第５の変形例を示す図である。

【図7】従来の電力測定器の一例を示す図である。

【図8】従来の電力測定器における電圧入力回路の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態に係る電圧入力回路を示す図である。図１に示すように、電圧入力回路８０は、分圧回路８１ａと、増幅回路１２と、Ａ／Ｄ変換器１３とを備える。分圧回路８１ａは、電圧入力回路８０の入力電圧を分圧する。増幅回路１２は、分圧回路８１ａにより分圧された電圧を増幅する。Ａ／Ｄ変換器１３は、増幅回路１２により増幅された電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換する。なお、増幅回路１２は無くてもよく、その場合には、Ａ／Ｄ変換器１３は、分圧回路８１ａにより分圧された電圧をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

【0019】

分圧回路８１ａは、オペアンプ８１１と、オペアンプ８１１の反転入力端子に入力信号を供給する入力部８００と、オペアンプ８１１の出力信号をオペアンプ８１１の反転入力端子にフィードバックするフィードバック部８１０とを備える。

【0020】

入力部８００は、直列接続されたｎ（ｎ≧２）個の抵抗と、該抵抗同士の接続点と基準電位（グラウンド）との間に接続されたｎ－１個の抵抗と、直列接続されたｎ個のコンデンサと、該コンデンサ同士の接続点と基準電位との間に接続されたｎ－１個のコンデンサとを有し、抵抗同士の接続点とコンデンサ同士の接続点とは非接続である。図１では、ｎ＝１の場合を示している。すなわち、入力部８００は、抵抗８２１、抵抗８２２、及び抵抗８２３をＴ字に接続したＴ型回路（以下、「抵抗Ｔ型回路」という。）と、コンデンサ８３１、コンデンサ８３２、及びコンデンサ８３３をＴ字に接続したＴ型回路（以下、「コンデンサＴ型回路」という。）とを有し、抵抗同士の接続点（抵抗Ｔ型回路の中点）Ｐと、コンデンサ同士の接続点（コンデンサＴ型回路の中点）Ｑとは非接続である。

【0021】

抵抗８２１及びコンデンサ８３１の接続点は、電圧入力回路８０の＋端子に接続される。すなわち、抵抗８２１の、コンデンサ８３１と接続されない端子は中点Ｐに接続され、コンデンサ８３１の、抵抗８２１と接続されない端子は中点Ｑに接続される。また、抵抗８２２及びコンデンサ８３２の接続点は、電圧入力回路８０の－端子（グラウンド）に接続される。すなわち、抵抗８２２の、コンデンサ８３２と接続されない端子は中点Ｐに接続され、コンデンサ８３１の、抵抗８２１と接続されない端子は中点Ｑに接続される。また、抵抗８２３及びコンデンサ８３３の接続点は、オペアンプ８１１の反転入力端子に接続される。すなわち、抵抗８２３の、コンデンサ８３３と接続されない端子は中点Ｐに接続され、コンデンサ８３３の、抵抗８２３と接続されない端子は中点Ｑに接続される。

【0022】

フィードバック部８１０は、抵抗８２４及びコンデンサ８３４のＲＣ並列回路を有する。抵抗８２４及びコンデンサ８３４の一端はオペアンプ８１１の反転入力端子に接続され、抵抗８２４及びコンデンサ８３４の他端はオペアンプ８１１の出力端子に接続される。

【0023】

図２に、分圧回路８１ａの第１の変形例である分圧回路８１ｂを示す。図２は、分圧回路８１ｂの入力部８００において、ｎ＝２の場合を示している。すなわち、分圧回路８１ｂの入力部８００は、抵抗Ｔ型回路の入力側に抵抗８２５，８２６を有し、コンデンサＴ型回路の入力側にコンデンサ８３５，８３６を有する。抵抗同士の接続点Ｐ，Ｐ’は、コンデンサ同士の接続点Ｑ，Ｑ’と非接続である。

【0024】

図３に、分圧回路８１ａの第２の変形例である分圧回路８１ｃを示す。図３に示すように、分圧回路８１ｃのフィードバック部８１０は、複数組のＲＣ並列回路と、切替部（スイッチ）８４１とを有する。切替部８４１は、いずれのＲＣ並列回路を用いてオペアンプ８１１の出力信号をフィードバックさせるかを切り替える。分圧回路８１ｃのフィードバック部８１０は、ＲＣ並列回路が２組の場合を示している。分圧回路８１ｃのフィードバック部８１０は、切替部８４１により、抵抗８２４及びコンデンサ８３４のＲＣ並列回路のみを選択するか、該ＲＣ並列回路と、抵抗８２７及びコンデンサ８３７のＲＣ並列回路の双方を選択するかを切り替える。

【0025】

分圧回路８１ｃのフィードバック部８１０は、切替部８４１により、オペアンプ８１１の反転入力端子と出力端子との間の抵抗値を変更することができるため、分圧回路８１ｃの入力電圧の分圧比を変更することができる。分圧比の具体例については後述する。

【0026】

図４に、分圧回路８１ａの第３の変形例である分圧回路８１ｄを示す。図４に示すように、分圧回路８１ｄの入力部８００は切替部（スイッチ）８４２を有する。切替部８４２は、抵抗８２２及びコンデンサ８３２の接続点を－端子（グラウンド）に接続するか、又はオペアンプ８１１の反転入力端子に接続するかを切り替える。

【0027】

分圧回路８１ｄは、抵抗８２２及びコンデンサ８３２の接続点をグラウンドに接続した場合には、入力電圧は、抵抗８２１の抵抗値と、抵抗８２２及び抵抗８２３の合成抵抗値との比により分圧され、さらに抵抗８２３及び抵抗８２４の抵抗値の比により分圧される。分圧回路８１ｄは、抵抗８２２及びコンデンサ８３２の接続点をオペアンプ８１１の反転入力端子に接続した場合には、入力電圧は、抵抗８２１、抵抗８２２、及び抵抗８２３の合成抵抗値と、抵抗８２４の抵抗値の比により分圧される。よって、切替部８４２により分圧比を変更することができる。分圧比の具体例については後述する。

【0028】

図５に、分圧回路８１ａの第４の変形例である分圧回路８１ｅを示す。切替部８４１及び切替部８４２を切り替えることにより分圧比が変わるため、レンジ切り替えが可能となる。例えば、抵抗８２１の抵抗値を９．９ＭΩ、抵抗８２２の抵抗値を１１１．１１ｋΩ、抵抗８２３の抵抗値を１ＭΩ、抵抗８２４の抵抗値を１００ｋΩ、抵抗８２７の抵抗値を９００ｋΩとした場合、切替部８４１及び切替部８４２の切り替えに応じて、分圧比は以下の（１）～（４）のようになる。

【0029】

（１）切替部８４２により抵抗８２２がグラウンドに接続され、切替部８４１により抵抗８２７が短絡された場合
この場合には、中点Ｐの電圧が、抵抗８２３及び抵抗８２４の抵抗値の比で分圧される。抵抗８２１の抵抗値は９．９ＭΩであり、抵抗８２２及び抵抗８２３の合成抵抗値は１００ｋΩであるため、中点Ｐの電圧は入力電圧の１／１００となる。また、抵抗８２３及び抵抗８２４の抵抗値の比は、１Ｍ：１００ｋ＝１０：１である。したがって、オペアンプ８１１の出力電圧は、分圧回路８１ｅの入力電圧の１／１０００となる。

【0030】

（２）切替部８４２により抵抗８２２がグラウンドに接続され、切替部８４１により抵抗８２７が短絡されなかった場合
この場合には、中点Ｐの電圧が、抵抗８２３の抵抗値と、抵抗８２４及び抵抗８２７の合成抵抗値との比で分圧される。中点Ｐの電圧は、上述したように入力電圧の１/１００である。また、抵抗８２３の抵抗値と、抵抗８２４及び抵抗８２７の合成抵抗値との比は、１Ｍ：（９００ｋ＋１００ｋ）＝１：１である。したがって、オペアンプ８１１の出力電圧は、分圧回路８１ｅの入力電圧の１／１００となる。

【0031】

（３）切替部８４２により抵抗８２２がオペアンプ８１１の反転入力端子に接続され、 切替部８４１により抵抗８２７が短絡された場合
この場合には、分圧回路８１ｅの入力電圧が、抵抗８２１、抵抗８２２、及び抵抗８２３の合成抵抗値と、抵抗８２４の抵抗値との比で分圧される。この比は、（９．９Ｍ＋１００ｋ）：１００ｋ＝１００：１である。したがって、オペアンプ８１１の出力電圧は、分圧回路８１ｅの入力電圧の１／１００となる。

【0032】

（４）切替部８４２により抵抗８２２がオペアンプ８１１の反転入力端子に接続され、切替部８４１により抵抗８２７が短絡されなかった場合
この場合には、分圧回路８１ｅの入力電圧が、抵抗８２１、抵抗８２２、及び抵抗８２３の合成抵抗値と、抵抗８２４及び抵抗８２７の合成抵抗値との比で分圧される。この比は、（９．９Ｍ＋１００ｋ）：（９００ｋ＋１００ｋ）＝１０：１である。したがって、オペアンプ８１１の出力電圧は、分圧回路８１ｅの入力電圧の１／１０となる。

【0033】

フィードバック部８１０のコンデンサの容量値は、ＲＣ並列回路の時定数が所定の値となるように調整される。一方、入力部８００のコンデンサの容量値は、中点Ｐにおける分流比と中点Ｑにおける分流比が同一になればよい。抵抗８２２に流れる電流と抵抗８２３に流れる電流の比は９：１であるため、コンデンサ８３２の容量値とコンデンサ８３３の容量値の比も９：１とすればよい。例えば、コンデンサ８３２の容量値を２９７ｐＦとし、コンデンサ８３３の容量値を３３ｐＦとする。

【0034】

図６に、分圧回路８１ａの第５の変形例である分圧回路８１ｆを示す。分圧回路８１ｆは、監視回路８２０を備える。監視回路８２０は、中点Ｐ及び中点Ｑの電圧を常時監視する回路である。中点Ｐ及び中点Ｑの電圧の変動率又は変動量等が閾値を越えた場合には異常が発生したと判断することができる。例えば、監視回路８２０は図６に示すように、抵抗８２８と、抵抗８２９と、コンデンサ８３８と、コンデンサ８３９と、オペアンプ８１２とを有する。中点Ｐ及び中点Ｑの電圧は、レンジ切り替えのために図５に示す切替部８４１及び切替部８４２が設けられていた場合でも、レンジ切り替えの影響を受けないで一定の値となる。そのため、監視回路８２０により、適切に異常の発生を検知することができる。

【0035】

このように、分圧回路８１ａ～８１ｆでは、抵抗Ｔ型回路の中点Ｐと、コンデンサＴ型回路の中点Ｑとは非接続であり、入力部８００において抵抗とコンデンサとが分離される。そのため、入力部８００のコンデンサの容量値を設定する際に、従来のように各ＲＣ並列回路の時定数を合わせるという制約が無くなり、コンデンサの容量値の設定自由度を上げることができる。そして、容量値の設定自由度が上がることにより、容量値の許容差が大きくなる低容量のコンデンサを使用しなくても済むようになり、特性の良いコンデンサの選定も可能になる。また、トリマコンデンサによる調整感度を下げることができ、その結果、容量値の設定ずれによる誤差を低減することが可能となる。また、直流系統と交流系統の分離設計でパターンの混在を避けることができ、特性検証が容易となる。また、交流の分圧比は容量値で決定するため、抵抗値の変更にも柔軟に対応することが可能となる。

【0036】

また、図７に示した電力測定器１００の電圧入力回路１０を、上述した電圧入力回路８０に置換することができる。電圧入力回路８０は、上述したように特性の良いコンデンサを選定することができるため、電圧入力回路８０を備える電力測定器は、高精度に電圧を測定することが可能となる。

【0037】

以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

【符号の説明】

【0038】

１２ 増幅回路
１３ Ａ／Ｄ変換器
８０ 電圧入力回路
８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ，８１ｅ 分圧回路
８００ 入力部
８１０ フィードバック部
８２０ 監視回路
８１１，８１２ オペアンプ
８２１，８２２，８２３，８２４，８２５，８２６，８２７，８２８，８２９ 抵抗
８３１，８３２，８３３，８３４，８３５，８３６，８３７，８３８，８３９ コンデンサ
８４１，８４２ 切替部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】