JPH0514936U - サンプリング式測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 指数化平均演算を用いて平均値を算出する測
定器において、その平均値を得るまでの時間を短縮した
サンプリング式測定器の提供。 【構成】 アナログ入力信号をサンプリングしてこれに
各種演算を加え、この結果得られる瞬時値b(n)の平均値
を得て、アナログ入力信号を測定する装置において、こ
の装置の測定定格値の50％の値が指数化平均演算の初期
値として設定され、下式にて瞬時値b(n)に指数化平均演
算を加える演算手段(12)を備えたもの。 P(n)＝P(n-1)＋ (1/G)・{b(n)-P(n-1)}

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、サンプリング式測定器に関する。更に詳述するとサンプリングして 得られた値に指数化平均演算を加えてその平均値を得る測定器に関するものであ る。

【０００２】

【従来の技術】

サンプリング式測定器として、電力計を例に上げて説明を行う。 アナログ信号をデジタル信号へ変換するアナログ／デジタル変換器（以下、AD 変換器と記す）を用いて、入力電圧波形及び入力電流波形をデジタルサンプリン グし、これに乗算を加えて有効電力を求めるサンプリング式の電力計がある。従 来のサンプリング式電力計では、入力波形の１周期の整数倍と、サンプリング周 期の整数倍とが一致しない場合に、測定電力値に誤差が生じていた。

【０００３】 誤差が生じる理由を図面で説明する。従来のサンプリング式電力計では、有効 電力Ｗ（つまり瞬時電力 Vn・Inの平均値）は、(1) 式で示すような算術平均を 行うことで得ていた。 Ｗ＝ (1/N)・Σ Vn ・In (1) Vn：入力電圧のサンプリング値 In：入力電流のサンプリング値 Ｎ：サンプル数 Σ：ｎ＝１〜Ｎまでの加算和

【０００４】 ここで図６に示す波形のように、入力波形の１周期Ｔ_inがサンプリング周期Ｔ _AD の整数倍でない場合、即ち、 n1・Ｔ_in≠n2・Ｔ_AD n1＝１，２，３，… n2＝３，４，５，… ただし、n2≧２・n1＋１の関係がある。この関係は、入力波形の同一の位 相位置をサンプリングし続けるのを防ぐ意味である。 の場合、図６のような端数TYが生じる。このように端数TYが生じると、上式に示 す有効電力Ｗに誤差を与えてしまう。

【０００５】 そこで上記端数TYの影響を小さくしようとすると、測定器自身の構成が複雑・ 高価となったり、測定時間が長くかかったりする問題が発生していた。 このようなことから本出願人は、指数化平均演算を行うことで、サンプリング 値（瞬時値）の平均値を速やかに算出できる特願平02-222100 号「サンプリング 式電力計」（平成２年８月23日），特願平02-224915 号「平均値整流形測定装置 」（平成２年８月27日）等の出願（これら出願を以下先願と記す）を行った。

【０００６】 これら指数化平均演算方式を用いる先願の測定器は、瞬時値b(n)を導入し(2) 式に示す所謂指数化平均演算を行うことで、瞬時値b(n)の平均値を算出するもの である。その指数化平均結果の推移をアナログ的に表現すると、図２(4) （ロ） となる。このような指数化平均演算を行う演算器は、例えば演算部とメモリを備 えている。演算部は、瞬時データb(n)が加えられる毎に、(2) 式の演算を繰り返 す。

【０００７】 即ち、今回サンプリングしたサンプリング回数ｎ番目の瞬時値b(n)と、前回の サンプリング回数(n-1) までの平均演算結果P(n-1)との差を取り出し、この差、 つまり{b(n)-P(n-1)} を定数1/G 倍する。ここで、1/G << 1であるから、(1/G) ・{b(n)-P(n-1)} は、前回までの平均演算結果P(n-1)と、今回のサンプリング値 b(n)の“差を薄めたもの”である。そして、この“差を薄めたもの”を前回の平 均演算結果P(n-1)に加算して今回のサンプリング回数ｎまでの平均演算結果デー タP(n)を得ているので、この演算を多数回繰り返すと、(2) 式のP(n)は、b(n)の 波形の平均値になることを意味している。

【０００８】 P(n)＝P(n-1)＋ (1/G)・{b(n)-P(n-1)} (2) P(n)：サンプリング回数ｎまでに処理された指数化平均結果 P(n-1)：サンプリング回数(n-1) までに処理された指数化平均結果 b(n)：サンプリング回数ｎ番目における被測定信号の瞬時値 1/G ：定数（なお、1/G << 1） このような指数化平均演算によれば、入力波形の１周期の整数倍と、サンプリン グ周期の整数倍とを一致させる必要がなく、従来例と比較して速やかに平均値を 得ることができる。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、これら先願に係わるサンプリング式測定器については、その応答性を 更に速める余地があった。 この点を図２を参照して説明する。図２(4) は測定対象の波形の平均値がステ ップ状に変化した場合、指数化平均演算結果の推移を示す波形である。先願では 、(2) 式において、指数化平均を初期値P(0)＝０から始めている。このように動 作すると、瞬時値（瞬時電力）の平均値P(M)が、例えば１％の精度で得られるま で一定の応答時間tkがかかる。図２(4) （ロ）では僅かなサンプル数（演算回数 ）で、指数化平均出力が一定になるように示したが、実際の動作は、通常1000回 程の演算回数を経て一定になる。この応答時間を短くするため定数(1/G) の値を 大きくすると、応答は速くなるが、低い周波数の電力を測定する場合、指数化平 均後の出力にリプルを含み、測定値がふらつく問題がある。

【００１０】 本考案の目的は、指数化平均演算を用いてサンプリングした波形の平均値を算 出する測定器において、その平均値を得るまでの時間を短縮したサンプリング式 測定器を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

本考案は、 アナログ入力信号をサンプリングしてこれに各種演算を加え、この結果得られ る瞬時値b(n)の平均値を得て、アナログ入力信号を測定する装置において、 この装置の測定定格値の50％の値が指数化平均演算の初期値として設定され、 下式にて瞬時値b(n)に指数化平均演算を加える演算手段(12)を備えるようにした ものである。

【００１２】 P(n)＝P(n-1)＋ (1/G)・{b(n)-P(n-1)} P(n)：サンプリング回数ｎまでに処理された指数化平均結果 P(n-1)：サンプリング回数(n-1) までに処理された指数化平均結果 b(n)：サンプリング回数ｎ番目における瞬時値 1/G ：定数（なお、1/G << 1）

【００１３】

【作用】

本願の演算手段は、定格値の50％を初期値として指数化平均演算を開始する。 従って、初期値０から指数化演算を行う従来装置と比較して少ないサンプリング 数に設定することができる。 測定精度１％のサンプリング式測定器を例に上げて説明する。測定定格値100 ワットの測定器において、定格値（100 ワット）の電力が加えられた場合、初期 値P(0)＝０から指数化平均演算をスタートすると、１％の精度で平均値100 ワッ トに到達するまでに、例えば1000回の指数化平均演算回数が必要であるとする。 ここで、定格値より小さい電力（例えば50ワット）の測定では、1000回より少な い指数化平均演算回数で、１％の精度で平均値に到達する。しかし測定対象の電 力が、定格値のものか否かは不明なので、従来装置は、画一的に1000回の指数化 平均演算を行った結果を平均値としている。

【００１４】 一方、本願では、初期値として50％から指数化平均演算をスタートするので、 最もこの初期値と離れた入力は、 定格値の入力 ０入力 のどちらかである。つまり、初期値（50％）と入力の差は、従来の1/2 であるの で、少ない指数化平均演算回数で平均値に到達する。即ち、従来では、1000回で あったところを、例えば750 回にすることができる。

【００１５】

【実施例】

図１は本考案を適用したサンプリング式電力計の構成例を示す図、図２は図１ 装置の各部の波形を示すタイムチャート、図３は指数化平均演算結果の応答曲線 を示す図、図４，図５は本考案を適用した別の構成例を示す図、図６は従来の問 題を説明する図である。

【００１６】 図１において、１，２はサンプルホールド回路（以下、単にS/H 回路と言う） であり、S/H 回路１は電圧波形Ｖを、S/H 回路２は電流波形ｉを同一時刻に取り 込む動作を行う。即ち、S/H 回路１，２には図示しない同一のクロック信号が加 えられる。図２(1) ，(2) は、図１装置の端子31，32に加えられる電圧波形と電 流波形を示し、図２におけるV(1),V(2),…、i(1),i(2),…は、サンプル値を示し ている。

【００１７】 ３，４はアナログ信号をデジタル信号へ変換するAD変換器（以下、単にADC と 言う）であり、S/H 回路１，２から取り込んだアナログ信号V(1),V(2),…、i(1) ,i(2),…を次々とデジタル信号へ変換する。ｎ番目のサンプルデータをV(n)，i( n)と記す。 11は掛算器であり、同一時刻にサンプリングしたADC ３の出力V(n)と、ADC ４ の出力i(n)を導入し、この２つのデータの掛算 b(n) ＝V(n)・i(n)を行うもので ある。この掛算値b(n)は、ｎ番目のサンプリング時における瞬時電力値を示す。 このように掛算器11で得られる瞬時電力の波形を図２(3) に示す。有効電力は、 図２(3) に示す瞬時電力波形の平均値P(M)である。

【００１８】 図１の装置は、この瞬時電力波形の平均値を演算手段12と、メモリ14と、CPU 20との作用により(2) 式の演算で求めている。そしてこれら演算手段12とメモリ 14とCPU 20で行う(2) 式の演算動作は既述した通りである。 しかし、先願における装置と、本願装置とは、次の点で異なる。先願装置によ れば、図２(4) の（ロ）波形に示す如く、指数化平均演算は、初期値P(0)＝０か らスタートするのに対し、本願は、図２(4) の（イ）波形に示す如く、定格値の 50％であるP(0)＝Paからスタートしている点である。

【００１９】 以上のような図１装置によると、従来より少ない指数化平均演算回数で、従来 と同一精度の平均値P(M)を得ることができる理由を以下に説明する。

【００２０】 図３は、アナログ入力信号（ここでは有効電力）の平均値P(M)が、時刻０（ｎ ＝０）において、ステップ状に変化した場合の、指数化平均演算結果の応答曲線 を示した図である。即ち、点線（イ）、（ロ）、（ハ）は、指数化平均演算回数 を非常に多数回行った時の曲線波形を示し、階段状波形は、本考案の動作を分か り易くするために波形の変化を誇張して描いたものである。

【００２１】 ここで、測定精度１％のサンプリング式測定器を例に上げて説明する。即ち、 図１の装置は、(2) 式の演算を無限に繰り返すと、その演算結果（平均値）は、 限りなく真の平均値P(M)に近づく。しかし、このように動作すると、平均値を得 るまで、非常に時間がかかる装置となり実用的でない。そこで、当該装置の仕様 で定められた測定精度（例えば１％）以内に演算結果が到達した時点で、この(2 ) 式の演算を打切り、その時点の平均値を測定値としている。つまり、ここで言 う測定精度１％の測定器とは、真の平均値P(M)に対して誤差が１％以内に到達す るまで(2) 式の演算を行なう測定器のことである。

【００２２】 例えば、測定定格値100 ワットの測定器を考える。このような測定器に、定格 値100 ワットの入力が突然加えられると、従来のサンプリング式測定器は、図３ （ロ）のような応答波形で推移し（初期値P(0)＝０から演算をスタート）、指数 化平均演算の回数をｎb 回繰返した結果、精度が１％以内となる（図３参照）。 ここで、定格値100 ワットより小さい電力、例えば50ワットの電力が加えられ ると、ｎb 回より少ないｎa 回の演算回数で、１％の精度で真の平均値P(M)に到 達する（図３の（イ）波形参照）。

【００２３】 しかし測定器にとって、測定対象の電力が、定格値か否かは不明なので、サン プリング式電力計では、最大の電力（即ち定格値）が入力されても確実に１％の 測定精度を保証できるように、入力値に係わらず（複数の測定レンジを持つ装置 では、当該測定レンジ内では）画一的にｎb 回の指数化平均演算を行なうように している。

【００２４】 つまり、従来装置では、当該測定レンジにおいて、測定対象の電力値の大小に 係わらず、画一的にｎb 回の演算を繰返して平均値を得ている。

【００２５】 一方、本願（図１装置）では(2) 式の初期値P(0)として、定格値の50％の値Pa が、CPU 20から予め演算手段12へ加えられており、このP(0)＝Paの値から指数化 平均演算をスタートするようにしている。従って、この初期値Paと最も離れた平 均値である入力は、 定格値の入力（図３で言えば100 ％の入力） ０入力 のどちらかである。つまり、初期値（50％）Paと入力との最大差は、従来の1/2 になるので、少ない指数化平均演算回数で従来と同じ測定精度の平均値（精度１ ％）に到達する。即ち、従来では、ｎb 回であったところを、ｎa 回に減少させ ることができる（図３参照）。

【００２６】 このように図１装置では、演算回数をｎa 回繰返して得られた指数化平均結果 のデータをCPU 20に取り込み、そのデータに基づき、有効電力値を表示器21に表 示している。

【００２７】 図４は、上述したような本考案の指数化平均演算（初期値が定格入力の50％） を用いて、入力信号を整流した波形の平均値を求める測定装置を示す図である。 同図において、S/H 回路１には、測定対象の電圧信号または電流信号が加えられ 、そのサンプリング値はADC ３にてデジタル信号へ変換される。このデジタル信 号は、絶対値演算器５に加えられ、ここで信号の振幅を示すデータb(n)のみが抽 出される。即ち、アナログ回路で言えば、整流が行われる。この振幅を示すデー タb(n)は、測定対象の電圧または電流が交流であれば、脈動した値であるので、 演算手段12以下の部分で、その平均値が取り出される。なお、演算手段12以降の 構成・動作は、図１と全く同様であり、その説明は省略する。

【００２８】 図５は、指数化平均演算（初期値が定格入力の50％）を用いて、入力信号の実 効値を測定できる装置を示す図である。同図において、S/H 回路１には、測定対 象の電圧ｖ（または電流信号）が加えられ、そのサンプリング値はADC ３にてデ ジタル信号へ変換される。そして、２乗演算器７にて、b(n)＝ｖ² の信号へ変 換される。このb(n)のデータは、測定対象の電圧ｖ（または電流）が交流であれ ば、脈動した値であるので、演算手段12以下の部分で、その平均値が取り出され る。つまり、演算手段12の出力として、 (1/N)・Σｖ² が得られる。そして、 この平均値を開平器16にて、開平演算を行い実効値を得ている。

【００２９】

【考案の効果】

以上説明したように本考案によれば、従来より少ない指数化平均演算回数で、 従来と同一精度の平均値P(M)を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案を適用したサンプリング式電力計の構成
例を示す図

【図２】図１装置の各部の波形を示すタイムチャート

【図３】指数化平均演算結果の応答曲線を示す図

【図４】本考案を適用した別の構成例を示す図

【図５】本考案を適用した別の構成例を示す図

【図６】従来の問題を説明する図

【符号の説明】

１，２ S/H 回路 ３，４ ADC 12 演算手段 14 メモリ 20 CPU

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】アナログ入力信号をサンプリングしてこれ
   に各種演算を加え、この結果得られる瞬時値b(n)の平均
   値を得て、アナログ入力信号を測定する装置において、 この装置の測定定格値の50％の値が指数化平均演算の初
   期値として設定され、 下式にて瞬時値b(n)に指数化平均演算を加える演算手段
   (12)を備えたことを特徴とするサンプリング式測定器。
   P(n)＝P(n-1)＋ (1/G)・{b(n)-P(n-1)}P(n)：サンプリ
   ング回数ｎまでに処理された指数化平均結果P(n-1)：サ
   ンプリング回数(n-1) までに処理された指数化平均結果
   b(n)：サンプリング回数ｎ番目における瞬時値1/G ：定
   数（なお、1/G << 1）