JPH0785094B2 - 電圧差測定方法及びその測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は、２つの電圧の差を測定する方法及び装置に
関する。

〔技術的背景〕

測定技術において、２つの電圧の差を検出しなければな
らないことがかなり頻繁に起こる。直流電圧の場合は一
方の電圧を他方の電圧から差引くことによって直ちに差
が得られるから、一般に簡単である。ところが２つの電
圧の内の少くとも一方が交流電圧の場合は、まずこれを
整流し、積分器によって平均値を形成する。こうして交
流電圧が直流電圧に変換される。使用可能な平均地を得
るには、多数の整流された交流電圧半波を比較的高い時
定数で積分する。従って公知の回路動作はかなり緩慢で
ある。

〔従来技術〕

交流電源で第１の交流電圧を無負荷時に、また第２の交
流電圧を負荷時に測定する、２つの交流電圧の差の測定
のための測定方法が雑誌ETZ（電気技術雑誌＜Elekfrote
chnishe Zeitschrijt＞）102巻（1981年）14号762ない
し764頁で公知である。この方法では時限制御測定過程
が取扱われ、まず第１の交流電圧の半波が正確に積分さ
れ、それによって第１の平均値U1が形成され、次に第２
の平均値U2の決定のために第２の交流電圧で同じ測定が
繰返される。電圧U1と電圧U2の値の差を形成し、又はベ
クトルの和を求めることによって、必要な差電圧ΔＵが
得られる。

〔従来技術の問題点〕

この公知の差電圧検出法は在来の方法より遥かに迅速で
あるが、しかし種々の欠点がある。差電圧が小さい場合
は比較的大きな誤差が生じる。なぜなら差U1−U2＝ΔＵ
が小さければ、U1又はU2の測定誤差が本来の差ΔＵより
大きくなることがあるからである。またこの方法は、積
分の後に更にベクトルの和を求めなけれべならないので
面倒である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、順次続く所定の固定時間間隔の間にま
ず一方の電圧の少くとも半波を、次に他方の電圧の少く
とも半波を積分して、２つの電圧の差を形成せしめる時
限制御測定過程によって２つの交流電圧の差を検出する
測定方法及びこの方法の実施に施した測定装置におい
て、特に迅速な、かつ僅かな誤差しか伴なわない測定を
可能にする電圧差測定方法及び装置を提供することであ
る。

〔発明の概要〕

互いに逆極性の２つの電圧の一方を最初に積分器に供給
し、増加方向の積分、即ち増加積分し、次に他方電圧を
同積分器に供給し、減少方向の積分、即ち減少積分し、
積分サイクルの終端において２つの電圧の差の平均値に
相当する電圧を前記積分器から出力し、好ましくは、他
方電圧を整流して減少積分するときの半波と同数の半波
を有する一方電圧を整流し、増加積分する電圧差測定方
法が提供される。

また、制御および演算のための自動装置、好ましくは、
マイクロプロセッサが第１の分圧器に接続された比較器
及び中間に接続された論理回路により交流電圧のゼロク
ロスを検出し、このゼロクロス検出に応答して所定のプ
ログラムに従って第１、第２及び第３のスイッチを制御
し、第１のスイッチおよびこの第１のスイッチと並列の
第２のスイッチが第２の分圧器と積分器の入力を接続
し、これら２個のスイッチの一方にインバータが接続さ
れ、積分器は最初に互いに逆極性の２つの電圧の一方を
受け、それを増加積分し、次に他方電圧を減少積分し、
積分サイクルの終端において２つの電圧の差の平均値に
相当する電圧を出力し、積分器の出力が第３のスイッチ
によって短絡され、積分器がリセットされる電圧差測定
装置が提供される。

〔発明の効果〕

本発明に基づく方法は、差を形成するのにもはや２つの
値を別個に検出する必要がなく、求める差電圧を積分器
で直接取出すことができるので、大幅な簡素化をもたら
す。恐らく更に有意義であるのは、これによって測定誤
差が決定的に減少することである。本発明に基づく増加
及び減少方向積分法により差電圧の検出の際に１％の誤
差が発生するとすれば、別個の電圧U1,U2の差を後で形
成する場合は、この誤差が恐らく40％以上に達すること
になる。

差を測定しようとする２つの電圧の少くとも一方が交流
電圧である場合は、本方法が特に重要である。通常は第
２の電圧も交流電圧であり、その場合、本方法の好適な
実施態様は、他方の交流電圧で整流の上、減少方向に積
分するのと同数の第１ないし第ｎ半波を整流して増加方
向に積分することとする。１つの周期のそれぞれ２個の
（正及び負の）半波を積分するのが適当である。これに
よって増加方向の積分でも減少方向の積分でも電源の非
対称、例えば直流電圧分が除去される。

本発明の別の好適な実施態様は、増加方向の積分が終了
するのと同じ時点（例えばゼロクロス通過）に減少方向
の積分が始まることとする。それぞれ１周期にわたって
増加方向及び減少方向の積分が直接継続することによっ
て、２つの交流電圧の検出の間に休止時間が現れる方法
の場合よりも、電源電圧の変動が測定に入り込む危険が
少い。

また、本発明は、積分段階（積分動作）を形成するため
に１つの増加積分および１つの減少積分をそれぞれ含む
複数の積分サイクルに渡り差電圧を決定し、積分サイク
ル数で、積分器で発生する総電圧を割る方法が提供され
ている。この処置によって２つの重要な利点が得られ
る。すなわち多数回の増加方向及び減少方向積分によっ
て測定値の純統計的平均値が形成されるから、電源電圧
の変動の影響が大幅に低減される。更に複数個の測定サ
イクルにわたる積分は、特に差電圧が小さい場合に一方
では高い電圧絶対値をもたらし、他方では平均値の形成
によって測定精度の向上をもたらす。各半波の後に直ち
に減少方向に積分することによって、積分器の出力電圧
が比較的低いから、後置のユニットは大きな駆動範囲を
持たないでよい。

積分段階の長さ（積分サイクルの数）を制限して、積分
器の和値が所定の限界値に到達したならば、直ちに積分
サイクルの反復が遮断されるように、本方法を構成して
もよい。例えば差電圧が大きい場合に１つの積分段階に
対して不必要に多数の積分サイクルを準備することがこ
うして回避される。

本方法の他の実施態様によると、積分器で得られる和電
圧を転送する測定値転送段階（転送動作）が各積分段階
（積分動作）に続き、新しい積分段階の前に放電段階
（放電動作、即ちリセット動作）があって、ここで積分
器がゼロにセットされる。

放電段階と積分段階の間にオフセット段階を置くことに
よって、本方法で得られる測定精度を一層改善すること
ができる。このオフセット段階の持続時間は積分段階と
等しく、この段階の間に積分器の入力が短絡され、そこ
で積分器に生じるオフセット電圧が検出される。オフセ
ット段階に続くオフセット電送段階で逆の符号のオフセ
ット電圧が、積分段階の間に形成された和電圧に加えら
れる。

本方法は好適な実施態様として、測定サイクルがゼロ段
階、積分段階、測定値転送段階、放電段階及びオフセッ
ト転送段階から成ることとする。測定サイクルの終りに
測定値が直接に、又はAD変換と場合によってはコンピュ
ータ処理の後に記憶装置に転送され、限られた時間の
間、表示される。

複数個の積分サイクルとそれに続く平均値形成によって
測定精度を高めることができるように、複数個の測定サ
イクルの結果も同様にして表示することができる。この
場合、各測定サイクルの後に測定値が中間記憶され、別
の測定サイクルの測定値に加算され、そこから平均値が
形成される。

本発明に基づく測定方法の主要な用途の１つは電圧降下
の分野にある。この場合、交流電源に異なる負荷を与え
ることによって異なる交流電圧が発生する。その際、負
荷の変動は測定過程と同期するように制御される。公知
の電圧降下法と本発明に基づく増加及び減少方向積分の
原現を組合わせることによって、交流電圧回路網におい
て接触電圧又は回路網の内部抵抗を簡単に測定すること
ができる。

最初の負荷状態が好ましくは無負荷状態に相当し、第２
の負荷状態を交流電圧に相当する等しい波形の定常（印
加）負荷電流により発生することによって、本方法が更
に改善される。従来慣用のオーム抵抗でなく、定電流に
よって電源を負荷することによって、負荷電流を別個に
測定することが不要になる。測定される差電圧はもちろ
ん負荷電流に関係するが、負荷電流を印加しなければ、
当該のループ抵抗及び回路網の電圧と共に変化する。ま
た電流に正弦波形を取らせるから、負荷の持続の時に起
こる振動過程がほとんど無いことが好都合である。

本発明に基づく測定方法及びそれによってもたらされる
高い測定精度に関連して、印加負荷電流を公知の方法に
比して係数10ないし1000だけ低減することができる。本
方法を電気設備の保安対策の検査の面で使用すれば、こ
の場合に現れる接触電圧は比較的低いから、小さな負荷
電流で遥かに安全に測定することができる。またこれに
よって、比較的小容量のヒューズを備えた電流回路（1.
5アンペア以下）も検査することができる。

電気設備の保安対策の検査の面で、本発明に基づく測定
方法により更に別の量を検出することもできる。すなわ
ち差電圧と定常な負荷電流から交流電源の内部抵抗を直
ちに解析することができ、無負荷状態で測定された交流
電源の無負荷電圧と内部抵抗から短絡電流を決定するこ
とができる。

本測定方法を適用するための測定装置は交流電源に接続
された２個の分圧器を装備し、更に次のように構成され
ている。すなわち制御と演算のための自動装置が好まし
くはマイクロプロセッサによって実現され、該マイクロ
プロセッサは第１の分圧器に接続された比較器及び中間
に接続された論理回路を介して、交流電圧のゼロクロス
を検出する。上記自動装置はゼロクロス検出に応じて所
定のプログラムに従って複数個のスイッチを制御する。
これらのスイッチの内、第１のスイッチ及びこれと並列
の第２のスイッチは第２の分圧と積分器の入力を結合す
る。その際、これらの２個のスイッチの一方にインバー
タが前置され、また積分器の出力が第３のスイッチによ
って橋絡される。

積分器の出力に印加される電圧の解析のために、積分器
はAD変換器の入力と結合され、一方、AD変換器は自動装
置（マイクロプロセッサ）を介してディジタル表示器に
接続される。まずアナログで積分を行った後、測定値の
再処理がディジタル行われる。

積分器の領域で使用される第１及び第２のスイッチと、
積分器に対して放電段階を開始する第３のスイッチのほ
かに、更に第４のスイッチが設けられている。このスイ
ッチは第２の分圧器と第１及び第２スイッチの並列回路
との間にあって、積分器入力の短絡、それと共にオフセ
ット段階の遂行を可能にする。

最後に更に第５のスイッチ及びこれに直列の負荷抵抗が
設けられている。このスイッチは２個の分圧器を橋絡
し、それと共にマイクロプロセッサによって測定過程と
同期して制御され、無負荷電圧及び負荷時交流電圧の測
定を可能にする。

両方の電圧が直流電圧であるか、又は２つの電圧の一方
が交流電圧、他方が直流電圧であって、直流電圧が所定
の調整可能な値を有する場合には、本発明に基づく測定
方法が全く別様に適用される。この場合、直流電圧は他
方の被測定電圧の無関係な部分の抑制のために、基準値
として利用することができる。測定の際に問題になる残
留差電圧は、表示用アナログ目盛を適当に拡げれば、高
い読取り精度を可能にする。基準値を変えることによっ
て、差電圧Ｕの延長範囲を任意の測定範囲にずらせるこ
とができる。特に２つの電圧が異なる電源から来てお
り、これらの電源が異なる電位にあり、従って互いに接
続することができない場合には、差電圧の直接測定より
も増加及び減少方向積分による２つの直流電圧の差測定
が有利である。

〔実施例〕

第１図が示すように、相電圧線Ｌと中性線Ｎの間で２個
の分圧器T1及びT2が電源電圧に接続される。もちろん電
源電圧を相電圧線Ｌと接地線Ｎの間又は２つの相電圧線
の間で測定してもよい。分圧器T1に印加される交流電圧
については、比較器Ｋと論理回路Ｆによってゼロクロス
だけを検出し、正負いずれかのゼロクロスもタイミング
信号としてマイクロプロセッサ１に送られる。そこでマ
イクロプロセッサ１はゼロクロス検出に応じて多数の機
能要素を制御する。第２の分圧器T2から取出された交流
電圧は、２個のスイッチS1及びS2を介して積分器V2の入
力に送られる。スイッチS2の前にインバータV1が挿入さ
れ、交流電圧を逆相で、すなわち180℃回転して２個の
スイッチS1,S2に印加せしめる。積分器V2C1に２個の正
半波、次に２個の負半波が交互に送られるように、２個
のスイッチのタイミングを定める。こうして各々２個の
半波について増加方向に積分され、次に各々２個の半波
について減少方向に積分される。積分器V2C1の出力に残
る電圧ΔＵは差電圧の平均値に比例する。積分器V2C1の
出力電圧は、測定値の再処理を可能にするアナログ・デ
ィジタル変換器に送られる。再処理はマイクロプロセッ
サ１によって行われる。マイクロプロセッサ１は得た測
定値又は計算値をディスプレイ３にディジタルで表示す
る。

積分器V2C1の出力を橋絡する第３のスイッチS3は、各積
分段階とこれに続く測定値転送段階の後にコンデンサC1
を放電するために使用される。放電段階に更にオフセッ
ト段階が続き、その際、第４のスイッチS4によって積分
器V2C1の入力を更にインバータV1の手前で短絡すること
ができる。それによってオフセット段階の間に、交流電
圧から導き出される測定電圧は全く積分されず、回路内
部の妨害電圧だけが積分される。第５のスイッチS5を介
して電源LNに抵抗RLを負荷することができる。第５のス
イッチS5を介して制御される、負荷と無負荷の間の変動
は分圧器T2に２つの異なる電圧をもたらす。こうして生
じる差電圧は測定装置によって検出され、電圧値又は抵
抗値若しくは短絡電流としてディスプレイ３に直接表示
される。

電源内部抵抗の測定の際に生じる信号の経過を第２図に
示す。この場合、積分段階はそれぞれ１回の増加及び減
少方向積分を含む２個の測定サイクルに限定される。電
源交流電圧の信号、スタート信号、すべてスイッチS1な
いしS5の切換信号、積分器出力で測定される差電圧ΔＵ
又はその平均値の信号及び積分器出力から取出された信
号を転送するためのアナログ・ディジタル変換器制御装
置がある。図は交流電圧信号の12周期にわたっており、
最初の周期ではスタート信号があるゼロ段階、第２ない
し第５周期ではそれぞれ１回の増加及び減少方向積分を
含む２個の積分サイクルから成る積分段階、第６周期で
は測定値転送段階、第７周期では放電段階、第８ないし
第11周期でオフセット段階、第12段階でオフセット転送
段階を記録する。

ゼロ段階の後に増加方向の積分が始まる。論理回路Ｆは
マイクロプロセッサに正又は負の電圧ゼロクロスを送信
する。マイクロプロセッサは正のゼロクロスと共に増加
方向の積分をスタートして、その際、第３スイッチS3が
開放されている。分圧器T2によって整合させた測定電圧
は正半波については第１スイッチS1を介し、負半波につ
いてはインバータV1及び第２スイッチS2を介して積分器
V2C1に送られる。積分コンデンサC1に、印加された半波
に比例する測定電圧平均値が現れる。

減少方向の積分は増加方向の積分の後に直ちに行われ
る。スタートは増加方向の場合と同じく、比較器Ｋと論
理回路Ｆを介してゼロクロスから導き出される。第５ス
イッチS5を介して負荷抵抗RLを接続すると同時に、正半
波に対して第２スイッチS2が、負半波に対して第１スイ
ッチS1が閉じられる。すなわち整流作用を行うスイッチ
S1及びS2が、増加方向の積分に対して反転して制御され
る。

増加及び減少方向に対して等しい時間間隔で電源内部抵
抗に比例する差電圧ΔＵが、積分コンデンサC1で形成さ
れる。

測定電圧ΔＵが積分コンデンサC1から取出されると共
に、アナログ・ディジタル変換器２で使用される。積分
サイクルの終期にマイクロプロセッサがアナログ・ディ
ジタル変換器の瞬時値を呼出す。

積分サイクルは単数個又は複数個の増加及び減少方向積
分から成る。本方法を電気設備の保安対策の検査に使用
する場合は、不当に高い接地抵抗又はループ抵抗で感電
の危険を回避するために、積分段階を0.2秒に制限する
のが適当である。他方、特に低オーム電源の場合に測定
範囲の拡張と測定誤差の低減のために、測定過程を数個
の積分サイクルに拡張することができる。持続時間0.2
秒の最初の積分サイクルは、同時に測定値又は接触電圧
の大きさを確かめるための予備検査を含む。この場合、
測定範囲が既に十分に制御され、又は接触電圧が余りに
高ければ、以後の積分サイクルが遮断される。

マイクロプロセッサが測定値を有効とみなしたならば、
減少方向積分に続く電圧周期の初めに直ちに測定値の転
送が行われる。そこで引続く周期で第３スイッチS3を介
して積分コンデンサが放置される。

次に続くオフセット段階で積分器V2C1の入力が２個のス
イッチS1,S2の手前で、第４スイッチS4によって短絡さ
れる。次に２個のスイッチS1及びS2が第２ないし第５周
期の積分段階と同じタイミングで、第８ないし第11周期
の間に開閉される。こうして積分コンデンサC1に発生し
たオフセット電圧が第12周期にマイクロプロセッサによ
って、同じくアナログ・ディジタル変換器を介して呼出
され、測定値を適当に修正する。測定経路がオフセット
経路と正確に一致し、時間間隔も全く等しく選定される
から、オフセット電圧は最適に調整される。

マイクロプロセッサはこうして修正された測定値でディ
スプレイを駆動する。最終的に得られた測定値は約15秒
の間、表示し続けられる。前以とこの時間が経過した上
で、スタートパルスによって新しい測定段階を開始する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく測定装置の基本回路図、そして
第２図は電源内部抵抗の測定の際の測定過程及び信号の
図を示す。 １……自動装置（マイクロプロセッサ）、Ｆ……論理回
路、Ｋ……比較器、S1……第１スイッチ、S2……第２ス
イッチ、S3……第３スイッチ、T1……第１分圧器、T2…
…第２分圧器、V1……インバータ、V2C1……積分器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルベルト・シイツク ドイツ連邦共和国，デー‐8510 フユル ト，アルブレヒトシユトラーセ ７

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】時間制御測定サイクル中に、無負荷時およ
   び負荷時における２つの導体間の平均電圧差を測定する
   方法において、電源電圧に対応し、互いに逆極性である
   第１および第２の電圧を１つの積分器に供給するステッ
   プと、前記積分器によって、増加積分時間と減少積分時
   間とが等しい積分サイクル期間中に、最初に無負荷時に
   おいて前記第１の電圧を増加積分し、続いて負荷時にお
   いて前記第２の電圧を減少積分するステップと、前記積
   分サイクルの終端で前記積分器の出力に、前記無負荷時
   と前記負荷時との前記導体間の電圧差の平均値に対応す
   る電圧を出力するステップとを有することを特徴とする
   電圧差測定方法。
2. 【請求項２】時間制御測定サイクル中に、無負荷時と負
   荷時とにおける２つの導体間の電圧差を測定する電圧差
   測定装置において、前記導体に接続される第１及び第２
   分圧器と、前記第１分圧器に接続される比較器と、前記
   比較器に接続される論理モジュールと、前記論理モジュ
   ールに接続され、前記導体の電圧のゼロクロスを自動的
   に決定する自動決定手段と、所定のプログラムに従っ
   て、前記ゼロクロスに応答して前記自動決定手段によっ
   て切り換えられる第１、第２及び第３スイッチと、前記
   第２スイッチと前記第２分圧器との間に直列に接続され
   るインバータと、前記第１スイッチにより前記第２分圧
   器に接続される入力及び前記第３スイッチにより短絡さ
   れる出力を有し、積分サイクルにおいて、最初に、無負
   荷時において電源電圧に対応する前半波電圧および前記
   インバータによって反転された後半波電圧を増加積分
   し、続いて負荷時において前記インバータにより反転さ
   れる前半波電圧および前記電源電圧に対応する後半波電
   圧を減少積分し、前記積分サイクルの終端で無負荷時お
   よび負荷時における前記導体間の電圧差の平均値に対応
   する電圧を出力する積分器とにより構成される電圧差測
   定装置。