JPS5946558A

JPS5946558A - 電力計

Info

Publication number: JPS5946558A
Application number: JP58059860A
Authority: JP
Inventors: ノ−マン・ジイ・プレ−ナ−
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1983-04-05
Publication date: 1984-03-15
Also published as: US4504787A; AU556449B2; CA1199971A; AU1283283A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は全体として電力消費量測定の分野に関するもの
であシ、とくに、パーマロイのような強磁性体を利用す
る磁気抵抗ブリッジセンサを用いる電子式電力計に関す
るものである。

〔従来技術〕

電力料金を算出する目的で使用電力量を測定するために
周知の電気機械式誘導電力計が永年にわたって用いられ
てきた。しかし、最近は、差別料金、遠隔検針、瞬時電
力消費量読取りおよびその他の付加機能が計器に要求さ
れている。そのような新しい機能に対する需要が起きて
きたために、安価で、信頼度が高く、かつ非常に正確で
、種々の機能を果すことができる電力計に対する要求が
高まっている。

ホイートストン・ブリッジ形に接続された異方性強磁性
体薄膜より成シ、交流磁界を検出するために利用される
磁力針は公知である。そのような測定の一例は米国特許
第３５４６５７９号に開示逼れそこでは今言ったブリッ
ジ構成を利用する磁力計が図示・説明されている。非常
に敏感な磁気抵抗素子を作るために、パーマロイとして
知られている鉄とニッケルのある種の合金を使用するこ
とも公知である。感度の高い磁気抵抗ブリッジは多くの
用途に用いられているが、それらは主として非常に小ざ
い電流の検出に当てられている。しかし、電力消費量を
測定するための簡単で安価な装置を得るために、それら
の素子の高い感度をどのようにして利用するかというこ
とをこれまでの技術は明らかにしていない。

〔発明の概要〕

本発明により、母線を流れる電流に対応する信号を電圧
出力の形で発生し、平行な母線の間に設けられた磁力計
を用いる、正確で、多くの用途に用いることができる安
価な固体積算電力計が得られる。その出力信号は処理さ
れて重力消費量の正確な測定値を与える。

３一本発明の好適な実施例においては、Ｆｅ−Ｎｉ合金のよ
うな磁気抵抗材料で構成されたホイートストン・ブリッ
ジが、測定すべき全電流を流すように接続されている平
行母線の間に配置される。母線からの直接接続によシ雷
圧源がブリッジの一対の節点に接続され、ブリッジの他
の一対の節点に検出器が接続される。母線を流れる電流
によ多発生されて検出された磁界はセンサから比例電圧
出力を生ずる。その出力は増幅および処理されて、全電
力消費量、瞬時電力消費量、またはその他の望ましいパ
ラメータを示す信号を生ずる。

本発明の第２の実施例においては、ブリッジの一対の節
点の間に直流電源が接続され、そのブリッジの他の一対
の節点の非平衡信号出力が適描に増幅され、そのうちの
一部が、セｙすを囲んでいる帰還コイルへ帰還される。

負荷電流により発生された磁界と正反対の磁界を帰還コ
イルが発生するように帰還コイルに向きを与える。帰還
コイルによ多発生された磁界が負荷電流によ多発生され
た磁界を打ち消し、かつブリッジを平衡状態に戻４− すように、増幅器の利得は十分に大きい。したがって、
平衡作用帰還は負荷電流の和に比例し、瞬時電力を与え
るために、検出した線電圧を乗することができる。それ
から、累積した瞬時電力信号を用いて全電力消費量また
はその他の希望の結果を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

第１図には出力導体１５．１６にそれぞれ接続されてい
る平行母線１３．１４にそれぞれ接続されている電力線
電圧入力導体１１．１２を有する電力計のベース１０が
示されている。母線の間に電流検出素子１７が設けられ
、母線を囲む端部開放円筒状の外部磁界シールドが破線
１８で示きれている。

第２．３図は第１図に示されている蓮へいされた平行母
線の詳細を示す。第２図は中性導体１９を含む単相３線
配線系の典型的な配線を示す。この配線は米国における
住宅用の典型的な２４０ｖ配線である。この図には代表
的な負荷も示されている。はぼ平らで、平行な母線１３
．１４の幅はｌであって、互いに距離ｄをおいて隔てら
れる。信号ＢＹは母線１３．１４を流れる電流により発
生された電界を表す。

第３図は本発明の電力測定装置に組合わされる磁気抵抗
ホイートストン・ブリッジの構成を詳しく示す。このホ
イートストン０ブリツジは４個の異方性磁気薄膜導電体
２０，２１，２２．２３を含み、導体２４．２５を介し
て入力端子へ接続はれ、導体２６．２７を介して出力端
子へ接続される。この高感度の磁気抵抗ホイートストン
・ブリッジは、約８０％のニッケルと約２０％の鉄を含
むよう々パーマロイで構成できる。このホイートストン
・ブリッジは細い線の形で構成することもできれば、適
当な基板物質に公知の方法で付着きれた膜として構成す
ることもできる。導体２４゜２５は電源電圧に接続され
る。その電源電圧は母線１３．１４から直接得ることが
できる。

この磁気抵抗ホイートストン拳ブリッジを含む回路網が
周囲の磁界、すなわち、一定の磁化困難軸磁界、をほぼ
自身で打ち消すことにより、母線１３．１４のいずれか
を流れる電流により発生でれた磁化容易軸磁界を正確に
測定できるように、この磁気抵抗ホイートストン・ブリ
ッジは母線の間に置かれる。４個の素子２０．２１．２
２．２３はなるべく単一磁区特性と、前記素子の面内に
Ｘ方向の磁化困難軸と、この磁化困難軸に直交する磁化
容易軸Ｙとを与える異方性硼界内の一軸異方性磁界特性
とを有するようにする。磁化容易軸Ｙに泊って磁界Ｂｙ
が測定される。

各母線１３．１４の幅１が両方の母線の間の距離ｄの１
０倍以上、すなわち１　１０ｄである限り、平行母線１
３．１４は無限電流板に近似することが知られている。

母線間の領域における磁束密度は次式で与えられる。

Ｂ＝Ｂｙａｙ！ここに、ａｙはＹ方向の単位ベクトル、工ＬｌとＩｔ、
ｇは母線１３．１４を流れる電流（単位はアンペア）ｌ
の単位はセン千メートルである。母線の間の領域内では
、母線の縁部近くの小さい部分を除き、１＞ｘｏｄであ
る限りは位置と、母線の間の距離とに対して独立してい
る。たとえば、電流Ｉｔ、ｔとＩＬ２が０．３〜２００
アンペアの範囲で変化するものとすると（これは米国の
一家庭の住宅で典型的なものである）、磁界Ｂｙは次の
ような範囲で変化する。

もし　１＝６ｃｒｎであれば、０．０６３ガウス≦Ｂｙ≦４２ガウスこの磁束密度範囲は、試験したパーマロイ・ブリッジセ
ンサの直線範囲内に入る。

先に説明し、かつ第２．３図に示すように、磁界ＢＹの
向きがパーマロイ磁気抵抗ブリッジセンサに対して適切
であ〕、かつ交流電源電圧に比例する電圧によりブリッ
ジがバイアスされるように、パーマロイ磁気抵抗ブリッ
ジセンサは母線の間に置かれる。このようにしてブリッ
ジの出力■０は負荷１，２（第２図）に供給されている
瞬時電力に比例させられる。これは次式で示すことがで
きる。

ＶｏｃｃＶｔ、ＩＮＥｘ　（ＩＬＬ　＋ＩＬ２　’）＝
ｙ’＞Ｖｔ、ｚＮＥｏｏｓ（ｗｔ　）　（４Ｉｔ、１ａ
ｏｓ　（ｗｔ＋θｌ）＋ｆｉ　Ｉｔ、ｓ　ｏｏｓ　（ｗ
ｔ十０２））＝ＶＬＩＮＥ（ＩＬｌ　００８θ１　＋　
ＩＩＪ　ｏｏｓθ２）＋ＶＬＩＮＥ（ＩＬＩｏｏｓ（２
ｗｔ＋θ１）＋ＩＬ２α）８　（２ｗｔ＋θ２））交流
成分が除去されるものとすると、Ｖｏ（ＤＣ）ｏｃＰａｖｅ＝Ｖｔ、ＩＮＥ（Ｉｔ、ｘ　
００８θｌ＋ＩＬ２００８θ２）上の式においてはＶＬ
ＩＮＥ　、　ＩＬＩ　、　ＩＬ２はそれぞれＲＭＳ振幅
、ＣＯ８θ１、Ｃ０８（ｊ　２（ソｈソｈ負荷１　。

２の力率）である。

センサ間の特性の差異を補償するための電力量計の較正
は、母線をその長手方向に泊って僅かにテーパー状とす
ることにより容易に行うことができる。この様子を第５
図に示す。この図には、センサ３２の利得のプラスマイ
ナス１０％の差異を補償するために幅Ｉ１１から幅１１
までのテーパ一部分３１を有する母線３０が示されてい
る。公称幅６副の母線では１　＝　５．４　ｃｍから１
＝６ｍまでテーパーをつけることができる。そうすると
、センサ・アセンブリ３２の位置を母線のテーパ一部分
に泊って調整することにより、センサによる電流に第４
図に示すように、拡張された範囲すなわち二重の範囲の
動作を行わせるためには、；の幅の異なる２つの部分の
間に２個の類似するセンサ４０．４１を置くことができ
る。それら２個のセンサの出力は適切な論理に従って電
子的に多重化できる。たとえば、１１　＝　３　ｃｍｓ
　１２　＝　１１５ｃｒｎとすると、センサ４１はＩＬ
Ｉ−１−ＩＬ２＝　４．００アンペアにおいて１６．８
ガウスを検出し、センサ４０はＩＬＬ＋ＩＩＪ＝　８０
アンペアで１６．８ガウスを検出する。

センサ４１は８０〜４００アンペア（３，３５〜１６．
８ガウス）の範囲で動作させられ、センサ４０は０．６
〜８０アンペア（０，１２６〜１６．８ガウス）の範囲
で動作させられる。

第２図に示すシールド１８はセンサ１７をＹ方向の外部
交流磁界から遮へいするために用いらｈる。このシール
ドを用いなければ々らない理由は、このセンサの近くに
ある、母線に平行な導体がセンサ１７の測定を妨げるよ
うな磁界を生ずるからである。先に説明した実施例によ
れば、６ｃｒｎの母線の場合には、通常の電力量計に対
して予測されるほとんど全ての状況の下における妨害を
防ぐのに直径が約７．６ｍ（３インチ）の開放端部円筒
形シールドで十分であることが判明している。したがっ
て、厚さが約０．０１ｚ（４ミル）のｃｏ−ｎｅｃｔｉ
ｃ（米国イリノイ州ベンソンビ／ｌ／　（Ｂｅｎ５ｏｎ
ｖｉ　ｌ　Ｉｅ　）所在のパーフエクション・マイカ社
（ＰｅｒｆｅｃｔｉｏｎＭｉｃａ　Ｃｏｍｐａｎｙ　）
の磁気遮へい部門（ＭａｇｎｅｔｉｃＳｂｉｅｌｄ　Ｄ
ｉｖｉｓｉｏｎ　）の商標）のような通常の磁気遮へい
材料の層を２つ重ねたもので構成された円筒を用いてう
まくいっている。その材料の飽和磁束密度は７５００ガ
ウスである。

第６図のブロック図は第１〜５図の実施例に従う典型的
な電力検出装置を示すものである。電源線力１ら直接得
られて減衰させられた電圧５０がパーマロイ・ブリッジ
１７の２つの節点へ与えられ、母線を流れる電流により
発生されてセンサによシ検出された磁束がブロック５１
に示されている。

この検出装置の他の部品を動作させるために用いられる
直流電力は交流電源から直流電源５２を介して得ること
ができる。ブリッジ１７の電圧出力Ｖｏ　（この電圧は
、先に述べたように、瞬時電力に比例する）はブロック
５３に示されている増幅器・フィルタによシ都合の良い
レベル（たとえば１０ボルト）まで増幅され、かつ直流
分以外の全ての成分が抑制される。残った直流成分は測
定されている負荷へ供給されている平均電力に対して既
知の関係を有する。

第６図に示されているように、増幅器−フィルタ５３の
ろ波された出力は２種類の方法のうちの一方または両方
で処理できる。その出力はアナログ−デジタル変換器５
４へ与えることができる。

このアナログ−デジタル変換器５４は増幅器・フィルタ
５３の出力の瞬時直流レベルを表すデジタル化された出
力を生ずる。この出力はマイクロプロセッサ５５の入力
端子へ与えられる。このマイクロプロセッサは電力消費
量に関連する希望の任意の出力を得るためにその出力を
利用できる。マイクロプロセッサ５５の出力はレジスタ
５６へ与えられる。このレジスタ５６は全電力消費量、
瞬時電力レベル、電気量などを表示できる。パルス出力
５７は遠隔読取りまたは遠隔表示のために利用できる別
の出力を表す。

直流電圧成分は電圧−周波数変換器５８の入力端子へ与
えることもできる。この電圧−周波数変換器は直流信号
を積分して、消費された一定量の電力をそれぞれ表すパ
ルスの列より成る出力を生ずる。したがって、単位時間
当りのパルスの数は直流入力電圧に比例する。電圧−周
波数変換器５８の出力パルスはカウンタ・レジスタ５９
でカウントされる。このカウンタ・レジスタ５９は、従
来の電力計におけるように、累積された電力消費量を示
す、外部から容易に読み取ることができる表示器も含む
ことができる。

第７，８図は本発明の固体電力計の別の実施例を示す。

この電力計はそれぞれの負荷に接続され、互いに隔てら
れている平行な母線６０．６１を示す。先に説明した実
施例に関連して説明した種類の磁気抵抗型検出素子６２
の詳細が第８図に示されている。このセンサは帰還巻線
６３により囲まれる。この帰還巻線にはセンサ６２の出
力端子からの電流が帰還増幅器６４を介して供給される
。

第８図に示されているように、磁気抵抗ブリッジセンサ
は４個の素子７０，７１．７２．７３を有する。この実
施例では、ブリッジの２つの節点７４．７５に直流入力
バイアス電圧が供給され、センサの出力はブリッジの他
の２つの節点に接続されている導線７６．７７へ与えら
れる。信号は精密差動増幅器７８によシ増幅されてから
、帰還増幅器６４と信号処理器へ与えられる。

第１の実施例について先に説明したように、電流ＩＬＩ
　、　ＩＬｌｌが平行母線の間にそれらの電流ＩＬｌ、
ＩＬ２の和に比例する次のような磁界Ｂｙを生ずこの磁
界はセンサ素子の抵抗値を変化きせるから、センサ素子
は全負荷電流に比例する電圧出力を生ずる。この電圧は
増幅器７８．６４で増幅されてから、センサを囲んでい
る帰還コイルすなわちソレノイド６３へ負帰還される。

帰還コイル６３が負荷電流により発生された磁界Ｂｙと
正反対の磁界ＢＦＢを発生するように、帰還コイル６３
の向きが定められる。増幅器６４の利得は十分に高くを
れるから、帰還コイル６３により発生された磁界は負荷
電流により発生された磁界を打ち消して、パーマロイ製
のブリッジを平衡状態へ戻す。もちろん、増幅器７８の
出力電圧■Ｏ１は電流ＩＬＩ　。

ＩＬｌｌの和に比例する。第９図を参照して後で説明す
るように、この電圧に検出した線電流を乗じて瞬時電力
積を与える。

この実施例の主な利点は、妥当な電流と電圧によシ駆動
はれる小さな空心ソレノイドが、たとえば４００アンペ
アという大きな全負荷電流（Ｉｔｌ−１−Ｉｔ、ｇ　）
に対して求められる打ち消し磁界を発生できることであ
る。たとえば、Ａ３４の銅線の６２回巻の層と６３回巻
の層を交互に１６回重ねて構成した１０００回巻のコイ
ルの場合には、幅が６ｍの母線を流れる４００アンペア
の負荷電流によ多生ずる磁界に対してセンサを平衡状態
にするために必要な電流がわずかに３３　ｍＡ（ＲＭＳ
　）であることが認められている。このコイルの直流抵
抗値は約１８３オーム、インダクタンスは約４　Ｑ　ｍ
Ｈである。

６０Ｈｚでは、全インピーダンスは１９８オームであっ
て、３３ｍＡの電流による電圧降下は６．５Ｖであった
。これは、１０００回巻の帰還コイルの場合に負荷電流
磁界の打ち消しに４００ｍＡの帰還電流を必要とし、か
つ電圧降下が６．５ｖの２倍となる従来の磁集中器を用
いる他の帰還法と対照的である。

したがって、本発明のこの実施例は、中性点は除くが、
電力量計において遭遇する大きな負荷電流に対する非現
実的な帰還駆動を必要とすること表しに、パーマロイそ
の他の磁気抵抗ブリッジの特性への依存性を解消する１
つの方法を提供するものである。この帰還構成はパーマ
ロイその他の磁気抵抗センサの動作を、応答特性が極め
て直線的であるような非常に狭い範囲に限定するもので
ある。

第９図には第７，８図の実施例の検出器を利用する電力
計のブロック図が示されている。降圧トランス８０が線
電圧を低くして電圧減衰器へ供給する。その低くされた
電圧は電流検出ブリッジ６２に必要な直流と、その他の
必要な直流を周知のやり方で供給するためにも用いられ
る。母線６０゜６１を流れる全負荷電流から得られた信
号はブリッジ６２を介して精密差動増幅器７８へ与えら
れる。負荷電流によシ発生された磁界を打ち消すための
帰還系は帰還電流増幅器６４と帰還コイル６３を含むも
のとして示される。

精密差動増幅器の電圧出力（これは瞬時全負荷電流に比
例する）は、帰還回路に加えて、アナログ・スイッチ８
４とレンジ増幅器８５に直接与えられる。差動増幅器７
８の出力はアナログ・スイッチヲ介してサンプル・ホー
ルド回路８６へ与えられる。しかし、精密差動増幅器の
信号出力が所定レベル以下であることをこの装置が検出
すると、マイクロプロセッサ８７からの信号が送られて
レンジ増幅器により増幅されてから、サンプル・ホール
ド回路８６へ与えられる。

線電圧に比例する線８８上の信号がサンプル・ホールド
回路８９へ与えられ、かつ比較器９０を介してマイクロ
プロセッサ８７へ与えられる。この装置には乗算器９１
と、アナログ−デジタル変換器９２と、表示レジスタ９
３と、別の出力端子９４も含まれる。

２つのサンプル・ホールド回路の出力は乗算器゛９１に
よりＡ／Ｄ変換器９２へ交互に連続して送られる。これ
は、比較器９０の出力によ）決定される線電圧信号の零
交差に対する同じ点で信号の送シが行われるように、マ
イクロプロセッサにより制御される。電圧の値と電流の
値をマイクロプロセッサにより互いに掛は合わせ、かつ
積分することにより表示レジスタ９３と出力端子９４の
少くとも一方に希望の出力を生ずる。それらの出力は第
１の実施例に関して説明した出力に類似することがある
。

以上の説明から、本発明により簡単、正確かつ非常に融
通性のある固体電力計が得られることが容易にわかる。

この電力計は平行母線における直接測定での研気抵抗セ
ンサの確度を利用するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電力計の一実施例の概略平面図、第２
図は第１図に電力計のセンサの概略斜視図、第３図は第
２図に示す拡大図、第４．５図は第１図に示す実施例に
よる別の母線の構造を示す正面図、第６図は第１〜３図
に示すセンサを用いる′ｍ力計のブロック図、第７図は
本発明の別の実施例の斜視図、第８図は第７図に示す実
施例のセンサの拡大図、第９図は第７図の実施例のセン
サを用いる電力計のブロック図である。１７．３２，４０，４１．６２・・・・検出素子、５０
・・Φ・電圧減衰器、５２．８２φ争・・直流電源、５
３・φゆ・増幅器・フィルタ、５４．９２・・・・Ａ／
Ｄ変換器、５５．８７・１ＩＩＩ・マイクロプロセッサ
、５６・・・・レジスタ、５８・・・・電圧−周波数変
換器、５９・・・・カウンタ／レジスフ、６３＠−・・
帰還コイル、６４１１・・・帰看電流増幅器、８０・・
・・変圧器、８４・・・・アナログ・スイッチ、８６．
８８・・・・サンプルｅホールド回路、９０・・・拳比
較器、９１・・・・乗算器、９３・・・・表示レジスタ
。特許出願人　　ハネウェル・インコーポレーテツド復代
理人　山川政樹（ほか１名）昭和　　　年　　　月　　　日特許庁長官殿　　　　　　　　　　　５８．１０．０７
１、事件の表示昭和５ｚ年特　　許願第５’（Ｆ＝Ｇｏ号２、発Ｂ目の
名称もｈ針３、補正をする者事件との関係　　　　特　　　　許出願人名称（氏名）
ハ＋ツエ、１し・イシコーホル−ブ・／ドＣ１補正の対
象図　　　　面図面の浄舎（内容に変更なし）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定すべき電力を伝えるための一対の隔てられて
いる平行板母線と、磁気抵抗ブリッジセンサと、信号処
理器と、を備え、前記磁気抵抗ブリッジセンサは、前記
母線の少くとも一方に電流が流れた時に前記母線に流れ
こむ全電力を示す対応する信号を前記センサから発生す
るように前記一対の母線の間に配置され、前記信号処理
器は前記センサからの信号を利用して、前記母線によシ
伝えられる交流電力を示す出力を発生する、ことを特徴
とする交流電力消費量を測定するための電力計。
（２）測定すべき電力を伝えるための一対の隔てられて
いる平行板母線と、磁気抵抗ブリッジセンサと、信号処
理器と、を備え、前記磁気抵抗ブリッジセンサは、前記
母線の少くとも一方に電流が流れた時に前記母線に流れ
こむ全電流を示す対応する信号を前記センサから発生す
るように前記一対の母線の間に配置きれ、前記信号処理
器は前記センサからの信号を利用して、前記母線により
伝えられる交流電力を示す出力を発生する、ことを特徴
とする交流電力消費量を測定するための電力計。
（３）測定すべき電力を伝えるだめの一対の隔てられて
いる平行板母線と、磁気抵抗ブリッジセンサと、この磁
気抵抗ブリッジセンサの２つの節点の間に接続される直
流電源と、前記センサを囲んで配置されるコイル装置と
、帰還回路装置と、信号処理器と、を備え、前記母線に
どのような電流が流れても、前記母線に流れこむ全電流
量を示す信号を前記センサから発生するように前記一対
の母線の間に前記磁気抵抗ブリッジセンサが配置さｈ１
前記帰還回路装置は前記ブリッジセンサからの出力信号
を利用して、前記母線中の電流により発生された電界と
は逆の向きの電界を前記コイル装置内に発生することに
よシ前記センサを平衡させ、前記信号処理器は前記母線
中の電流に対して既知の関係を有する前記センサの出力
を、前記母線中の電圧を示す信号に組合わせて電力量計
を通る全電力を示す出力結果を発生する、ことを特徴と
する交流電力消費量を測定するための電力計。