JP2007248092A - 二重絶縁された電気計測機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら高電圧、高電流を安全に計測が可能で、感電の危険を回避し、安全規格上を達成するとなるこができる電気計測機器を提供する。
【解決手段】二重絶縁された電気計測機器は、電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路３までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路１０によって連結され、電圧一次側回路３からデータ出力端子に繋がる二次側回路５までが基礎絶縁機能を有する線形回路１１で構成され、電流系統の測定入力端子に繋がる電流一次側回路４から電圧一次側回路３までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路１２によって連結されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧計、電流計、電力計など安全規格を満足する二重絶縁が必要な電気計測機器に関するものである。

各種電気計測機器は、人が直接、あるいは間接に触れて感電する恐れがあるため、絶縁の規格が日本工業規格（ＪＩＳ規格）あるいはＩＥＣ規格により安全規格として定められている。

例えば電力計についていえば、測定電力の入力となる電圧一次側回路と電流一次側回路、入力した電圧、電流を処理して電圧、電流の実効値や有効電力を算出し、データ出力端子を通じて記録計や表示装置に出力する二次側回路がある。電圧一次側回路あるいは電流一次側回路と二次側回路とは線形回路を構成することで、電圧入力あるいは電流入力に対応した出力電力が得られる。

測定電力が比較的大きな電力である場合、電圧一次側回路あるいは電流一次側回路は人が触れると感電する部分として、絶縁カバーを設けたり沿面距離や空間距離をとる等して絶縁がなされる。しかし、二次側回路に繋がるデータ出力端子は人が触れる可能性がある。そこで、電圧一次側回路あるいは電流一次側回路と二次側回路との間には安全規格で二重絶縁を求めている。

非特許文献１によれば、二重絶縁は、基礎絶縁及び補強絶縁の両方から成る絶縁であるとされている。基礎絶縁は、感電に対する保護を与える絶縁であり、破壊されると感電の危険を生ずる可能性がある。補強絶縁は、基礎絶縁が破壊した場合の感電に対する保護を与えるため、基礎絶縁に追加して設けられる独立した絶縁である。基礎絶縁は補強絶縁より厳格な絶縁性を求められるから、基礎絶縁と基礎絶縁との組み合わせも二重絶縁の規格を満たすことができる。この他、二重絶縁相当の絶縁耐力がみとめられるものとして強化絶縁がある。

線形回路を構成しながらの絶縁デバイスとしては、トランス、フォトカプラ、抵抗等がある。１個のデバイスで二重絶縁相当の絶縁と認められているものもある。例えばリード線はビニール被覆の上に布巻がしてあれば二重絶縁である。トランスは、ボビンに絶縁が施され、巻き線にもビニール被覆線を使用していれば、１個のデバイスで二重絶縁相当の絶縁が得られる。特許文献１にはボビンに基礎絶縁が施された例が示されている。また一次巻き線にビニール被覆線を使用し、二次巻き線にもビニール被覆線を使用していれば二重絶縁となる。フォトカプラは、基礎絶縁としての規格を満たすものは多いが、単独デバイスで二重絶縁相当の絶縁と認められているものが少ないし、耐電圧がさほど大きくない。

電力計に関する安全規格では、二重絶縁が要求されている。例えば図５に示すように、電圧一次側回路３と二次側回路５との間は二重絶縁、電流一次側回路４と二次側回路５との間も二重絶縁が必要である。入力端子と二次側回路との間に二重絶縁があれば安全は保たれるので、電圧一次側回路３と電流一次側回路４との間は絶縁は必要ないし、規格上も要求されていない。

図６には、電圧一次側回路に差動増幅器１３を使用し、インピーダンスだけで二重絶縁を完成させた例を示している。このインピーダンスは保護インピーダンスともいわれ、二次側回路の手前である電圧一次側回路に流れる電流を一定以下に制限するようにインピーダンスの値が設定される。

規格によれば、二重絶縁に相当する保護インピーダンスは、電流値を0.5mA以内に抑えるインピーダンスとされている。また基礎絶縁に相当する保護インピーダンスは、電流値を3.5mA以内に抑えるインピーダンスである。例えば動作電圧U=300[V]において二重絶縁相当の保護インピーダンスを構成する場合には
Ｚ＝Ｕ/Ｉ＝300[V]／0.5[mA]＝600[kΩ]
となる。抵抗器が1個が故障して短絡状態になった単一故障状態においても保護インピーダンスの機能を果たさなければならないので，差動増幅器１３の片側の抵抗器は２個以上必要である。図示例ではｎ個のインピーダンス１０Ｒ_１・・・１０Ｒ_ｎをシリーズに繋いでいる。片側２個づつとした場合，抵抗器のいずれか1つが短絡したとすると、必要とされる抵抗器の抵抗値Ｒは
Ｒ＝３Ｕ/２Ｉ＝(3×300[V])／(2×0.5[mA])＝900[kΩ]
となる。ただし、抵抗器の定格電力の仕様を満足するように抵抗器の個数、抵抗値を決める必要があるため、さらに安全をみて、上市されている電力計では200[kΩ]の抵抗器を片側6個、計１２個使用している。

ＪＩＳ Ｃ１０１０−１ 特開平５−１９０３５４号公報

上記したとおり、従来の電気計測機器は、感電の危険を回避し、安全規格上の二重絶縁を達成するため、非常にコストがかかっていた。また沿面距離、空間距離を確保するため、装置が大型となることが避けられなかった。

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、小型でありながら高電圧となる測定対象を安全に計測が可能で、感電の危険を回避し、安全規格を達成することができる電気計測機器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、測定入力端子とデータ出力端子との間に二重絶縁が施されているもので、電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが基礎絶縁機能を有する線形回路で構成され、電流系統の測定入力端子に繋がる電流一次側回路から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結されていることを特徴とする。

同じく特許請求の範囲の請求項２に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項１に記載のものであって、前記した電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間の基礎絶縁機能を有する線形回路が保護インピーダンスであることを特徴とする。

同じく請求項３に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項１に記載のものであって、前記した電圧一次側回路から二次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、基礎絶縁されたフォトカプラであることを特徴とする。

請求項４に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項１に記載のものであって、前記した電圧一次側回路から二次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、トランスであることを特徴とする。

請求項５に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項１に記載のものであって、前記した電流一次側回路から電圧一次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、フォトカプラを含む回路であることを特徴とする。

請求項６に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項１に記載のものであって、前記した電流一次側回路から電圧一次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、トランスであることを特徴とする。

請求項７に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項３または５に記載のものであって、前記したフォトカプラを含む回路がアナログフォトカプラであることを特徴とする。

請求項８に係る発明の二重絶縁された電気計測機器は、請求項３または５に記載のものであって、前記したフォトカプラを含む回路がアナログ／デジタル変換回路とデジタルフォトカプラで構成されることを特徴とする。

また、前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項９に係る発明の二重絶縁された多チャンネル電気計測機器は、電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが基礎絶縁機能を有する線形回路で構成され、第１チャンネルから第ｍチャンネルまでの電流系統の各測定入力端子に繋がる電流入力回路から該電圧一次側回路までの間が各々基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが各チャネル毎の基礎絶縁機能を有する線形回路で構成されていることを特徴とする。

同じく特許請求の範囲の請求項１０に係る発明の二重絶縁された多チャンネル電気計測機器は、第１チャンネルの電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、第２チャンネル以降の電圧系統の各測定入力端子に繋がる電圧入力回路から該電圧一次側回路までの間が各々基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが各チャネル毎の基礎絶縁機能を有する線形回路で構成されていることを特徴とする。

従来は電圧系統、電流系統と二系統の二重絶縁を達成するため、基礎絶縁と補強絶縁との組み合わせ、或いは基礎絶縁と基礎絶縁との組み合わせを、電圧系統と電流系統の個別に必要としていた。しかし、本発明による電気計測機器は、３個の基礎絶縁の組み合わせにより、電圧系統、電流系統とも二重絶縁を達成できた。そのため、従来、電気計測機器に比して、回路構成が簡易であり、部品点数が少なくなり、小型で安価な機器になる。

特に多チャンネルの電気計測機器にあっては、必要とする二重絶縁の数も多く、本発明による部品点数削減の効果は一層大きいものとなる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１は本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の一実施例の概略ブロック回路を示す単線図である。この電気計測機器の回路は、電圧入力端子から基礎絶縁デバイス１０を経て電圧一次側回路３に至り、さらに基礎絶縁デバイス１１を経て二次側回路５からデータ出力端子から表示装置（不図示）に至る。一方、電流入力端子から電流一次側回路４を経て基礎絶縁デバイス１２に至り、基礎絶縁デバイス１２から電圧一次側回路３に導入される。

したがって、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス１０と基礎絶縁デバイス１１の２つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。また電流入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス１２と基礎絶縁デバイス１１の２つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。

図２は、図１のブロック回路の要部を、具体的な複線図に示してある。電圧入力端子には図１の基礎絶縁デバイス１０であるインピーダンス１０Ｒが接続される。インピーダンス１０Ｒは、図示例ではｎ個のインピーダンス１０Ｒ_１・・・１０Ｒ_ｎをシリーズに繋いでいるが、１つの基礎絶縁であるから単独で差支えない。インピーダンス１０Ｒは、電圧一次側回路３に対応する差動増幅器１３に接続される。差動増幅器１３は、増幅器１６およびアナログ／デジタル変換回路１５を経由してフォトカプラ１４に接続している。図１の基礎絶縁デバイス１１に相当するフォトカプラ１４は基礎絶縁をとるものである。フォトカプラ１４からはデジタル信号を出力できる。

電流入力端子には図１の電流一次回路４に対応する電流検出抵抗７に接続される。電流検出抵抗７は、増幅器１６を介しアナログ／デジタル変換回路１５を経由してフォトカプラ１４に接続する。フォトカプラ１４（図１の基礎絶縁デバイス１１に相当）の機能により基礎絶縁が得られる。

尚、基礎絶縁デバイス１１に繋がる二次側回路５は、入力された電圧と電流からその実効値および有効電力を算出する回路等、公知の回路である。二次側回路５のデータ出力端子は、記録計や表示回路、或いはパーソナルコンピュータの入出力インターフェース、例えばＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃ等に接続される。

図３は本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の別な実施例であって、測定系が多チャンネル方式の装置の概略ブロック回路を示す単線図である。この多チャンネル電気計測機器は、電圧入力が１チャンネルに対して、電流入力がチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、・・・、ＣＨｍとなっている。電圧入力は、基礎絶縁デバイス１０を経て電圧一次側回路３を通り、さらに基礎絶縁デバイス１１を経て二次側回路５からデータ出力端子に至る。電流入力ＣＨ１、ＣＨ２、・・・、ＣＨｍは、各々電流入力回路７_１、７_２、・・・、７_ｍを通り、基礎絶縁デバイス１２_１、１２_２、・・・、１２_ｍを経て電圧一次側回路３を通る。さらに各々基礎絶縁デバイス１１_１、１１_２、・・・、１１_ｍを経て二次側回路５からデータ出力端子に至る。電流入力回路７_１、７_２、・・・、７_ｍは、例えば電流検出抵抗であり、必ずしも絶縁デバイスを構成するものではない。

このような構成で、図３の多チャンネル電気計測機器における電流入力ＣＨ１〜ＣＨｍの各チャンネルは、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス１２_１〜ｍと基礎絶縁デバイス１１_１〜ｍの２つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。

図４は本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の別な実施例の概略ブロック回路図である。この多チャンネル電気計測機器は、電圧入力がチャンネルＣＨ１、ＣＨ２、・・・、ＣＨｍを持っている。電圧入力ＣＨ１は、基礎絶縁デバイス１０を経て電圧一次側回路３を通り、さらに基礎絶縁デバイス１１を経て二次側回路５からデータ出力端子に至る。電圧入力ＣＨ２、ＣＨ３、・・・、ＣＨｍは、各々電圧入力回路８_２、８_３、・・・、８_ｍを通り、基礎絶縁デバイス１２_１、１２_２、・・・、１２_ｍを経て電圧一次側回路３を通る。さらに各々基礎絶縁デバイス１１_２、１１_３、・・・、１１_ｍを経て二次側回路５からデータ出力端子に至る。電圧入力回路８_２、８_３、・・・、８_ｍは、例えば電流制限抵抗（保護抵抗）であるが、絶縁デバイスを構成するものではなく、これ自体では必ずしも安全規格を満足する必要はない。

このような構成で、図４の多チャンネル電気計測機器における電圧入力ＣＨ１は、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス１０と基礎絶縁デバイス１１_１の２つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。電圧入力ＣＨ２〜ＣＨｍの各チャンネルは、電圧入力端子からデータ出力端子までの間に、基礎絶縁デバイス１２_１２〜ｍと基礎絶縁デバイス１１_２〜ｍの２つの基礎絶縁が挿入されているから、二重絶縁が完成している。

上記の実施例では、基礎絶縁機能を有する線形回路としてアナログ／デジタル変換回路とフォトカプラを組み合わせた線形特性を利用した回路を示したが、この組み合わせはアナログフォトカプラに置き換えることができる。また、基礎絶縁機能を有する線形回路としてトランス、その他回路も使用できる。

また、本発明は、電力計、電圧計、電流計、およびこれらの組み合わせのいずれの電気計測機器にも同様に適用できる。またメモリハイコーダにも適用できる。

本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の一実施例の概略ブロック回路図である。

本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の要部の回路図である。

本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器の別な実施例であって、測定系が多チャンネル装置の概略ブロック回路図である。

本発明を適用する二重絶縁された電気計測機器のさらに別な実施例であって、測定系が多チャンネル装置の概略ブロック回路図である。

従来の二重絶縁された電気計測機器の概略ブロック回路図である。

従来の二重絶縁された電気計測機器の要部の回路図である。

符号の説明

３は電圧一次側回路、４は電流一次側回路、５は二次側回路、７は電流検出抵抗、７_１、７_２、・・・、７_ｍは電流入力回路、８_１、８_２、・・・、８_ｍは電圧入力回路、１０、１１、１１_１、１１_２、・・・、１１_ｍ、１２_１、１２_２、・・・、１２_ｍは基礎絶縁デバイス、１０Ｒはインピーダンス、１３は差動増幅器、１４はフォトカプラ、１５はアナログ／デジタル変換回路、１６は増幅器である。

Claims (10)

1. 測定入力端子とデータ出力端子との間に二重絶縁が施されている電気計測機器において、電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが基礎絶縁機能を有する線形回路で構成され、電流系統の測定入力端子に繋がる電流一次側回路から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結されていることを特徴とする二重絶縁された電気計測機器。
2. 前記した電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間の基礎絶縁機能を有する線形回路が保護インピーダンスであることを特徴とする請求項１に記載の二重絶縁の電気計測機器。
3. 前記した電圧一次側回路から二次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、フォトカプラを含む回路であることを特徴とする請求項１に記載の二重絶縁の電気計測機器。
4. 前記した電圧一次側回路から二次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、基礎絶縁されたトランスであることを特徴とする請求項１に記載の二重絶縁の電気計測機器。
5. 前記した電流一次側回路から電圧一次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、フォトカプラを含む回路であることを特徴とする請求項１に記載の二重絶縁の電気計測機器。
6. 前記した電流一次側回路から電圧一次側回路までの間に構成される基礎絶縁機能を有する線形回路が、基礎絶縁されたトランスであることを特徴とする請求項１に記載の二重絶縁の電気計測機器。
7. 前記したフォトカプラを含む回路がアナログフォトカプラであることを特徴とする請求項３または５に記載の二重絶縁の電気計測機器。
8. 前記したフォトカプラを含む回路がアナログ／デジタル変換回路とデジタルフォトカプラで構成されることを特徴とする請求項３または５に記載の二重絶縁の電気計測機器。
9. 電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが基礎絶縁機能を有する線形回路で構成され、第１チャンネルから第ｍチャンネルまでの電流系統の各測定入力端子に繋がる電流入力回路から該電圧一次側回路までの間が各々基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが各チャネル毎の基礎絶縁機能を有する線形回路で構成されていることを特徴とする二重絶縁された多チャンネル電気計測機器。
10. 第１チャンネルの電圧系統の測定入力端子から電圧一次側回路までの間が基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、第２チャンネル以降の電圧系統の各測定入力端子に繋がる電圧入力回路から該電圧一次側回路までの間が各々基礎絶縁機能を有する線形回路によって連結され、該電圧一次側回路からデータ出力端子に繋がる二次側回路までが各チャネル毎の基礎絶縁機能を有する線形回路で構成されていることを特徴とする二重絶縁された多チャンネル電気計測機器。

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