CN111771128B - 电流测量装置、电流测量方法以及计算机可读取的非暂时性记录介质 - Google Patents

电流测量装置、电流测量方法以及计算机可读取的非暂时性记录介质 Download PDF

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Abstract

电流测量装置(1)包括：2个三轴磁传感器(11，12)，被以预先规定的间隔配置，使得各个磁敏方向相互平行；以及运算单元，基于2个三轴磁传感器(11，12)的检测结果和2个三轴磁传感器(11，12)的间隔，求在被测量导体(MC)中流动的电流(I)。

Description

电流测量装置、电流测量方法以及计算机可读取的非暂时性 记录介质
技术领域
本发明涉及电流测量装置、电流测量方法以及计算机可读取的非暂时性记录介质。
背景技术
以往，开发了能以非接触方式直接测量在被测量导体中流动的电流的各种各样的电流测量装置。作为这样的电流测量装置的代表性装置，可列举例如CT(CurrentTransformer：变流器)方式的电流测量装置、零磁通方式的电流测量装置、罗戈夫斯基(Rogowski)方式的电流测量装置、霍尔元件方式的电流测量装置等。
例如，CT方式及零磁通方式的电流测量装置，在被测量导体的周围设置被卷绕了绕组的磁芯，通过检测在绕组(二次侧)中流动的电流，以消除因在被测量导体(一次侧)中流动的电流而在磁芯中产生的磁通量，从而测量在被测量导体中流动的电流。此外，罗戈夫斯基方式的电流测量装置，在被测量导体的周围设置罗戈夫斯基线圈(空芯线圈)，通过在被测量导体中流动的交流电流产生的磁场与罗戈夫斯基线圈链接，检测在罗戈夫斯基线圈中所感应的电压，从而测量在被测量导体中流动的电流。
在以下的专利文献1中，公开了零磁通方式的电流测量装置的一例子。此外，在以下的专利文献2中，公开了使用了多个磁传感器的电流测量装置。具体地说，以下的专利文献2中被公开的电流测量装置，以相对被测量导体各自不同的距离配置2个磁传感器，从这些磁传感器的输出求磁传感器和被测量导体的距离，使用求得的距离求在被测量导体中流动的电流的大小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005－55300号公报
专利文献2：日本特开2011－164019号公报
发明内容
发明要解决的课题
可是，近年来，在混合动力汽车(HV：Hybrid Vehicle)和电动汽车(EV：ElectricVehicle)的开发工程中，有诸如直接地测量在SiC(碳化硅)等功率半导体的管脚中流动的电流、在组装后的母线中流动的电流的需求。功率半导体大多是管脚的间距较窄的半导体，母线被设置在周边的空间受限的部位，期望对于这样的功率半导体和母线等，可灵活地进行电流测量时的设置的电流测量装置。此外，混合动力汽车和电动汽车中，由于处理例如从电池供给的直流电流和电机中流动的交流电流，所以期望以非接触方式可测量直流电流及低频(例如，十[Hz]左右)的交流电流的电流测量装置。
然而，在上述专利文献1中公开的零磁通方式的电流测量装置，由于需要将具有某种程度的大小的磁芯设置在被测量导体的周围，所以存在诸如难以设置在较窄的部位的问题。此外，上述罗戈夫斯基方式的电流测量装置，由于检测在罗戈夫斯基线圈中所感应的电压，所以存在诸如在原理上无法进行直流电流的测量的问题。此外，在低频区域中，由于输出信号微弱并且相位偏移，所以存在诸如测量精度差的问题。此外，在上述专利文献2中公开的电流测量装置，由于需要使磁传感器的磁敏(magneto-sensitive)方向与被测量导体的圆周方向一致，所以存在诸如磁传感器的配置被限制，难以灵活的配置的问题。
此外，由于电流一般在从电源的正极流出后，经由负载等而流入电源的负极，所以在从电源供给的电流的电流路径中，有电流从电源的正极流出的路径(去往路径)和电流流入到电源的负极的路径(返回路径)。再者，也有将前者的路径称为返回路径、将后者的路径称为去往路径的情况。因此，当测量在电流路径的任一方(例如，去往路径)流动的电流的情况下，受到由在电流路径的任另一方(例如，返回路径)流动的电流生成的磁场的影响，有诸如测量精度恶化的问题。
本发明鉴于上述情况而完成，目的在于提供可灵活的配置、能够以非接触方式高精度测量直流电流及低频的交流电流的电流测量装置、电流测量方法以及计算机可读取的非暂时性记录介质。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的一方式的电流测量装置是测量在被测量导体(MC)中流动的电流(I)的电流测量装置(1)，包括：2个三轴磁传感器(11、12)，以预先规定的间隔配置，使得各个磁敏方向相互平行；以及运算单元(24)，基于所述2个三轴磁传感器的检测结果和所述2个三轴磁传感器的间隔(d)，求在所述被测量导体中流动的电流。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，所述运算单元包括：距离估计单元(24b)，基于所述2个三轴磁传感器的检测结果和所述2个三轴磁传感器的间隔，估计所述2个三轴磁传感器的任一个相对所述被测量导体的距离；以及电流计算单元(24c)，基于由所述距离估计单元估计出的距离和所述2个三轴磁传感器的任一个的检测结果，求在所述被测量导体中流动的电流。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，所述运算单元还包括：噪声除去单元(24a)，除去被包含在所述2个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量，所述运算单元使用由所述噪声除去单元除去了噪声分量的所述2个三轴磁传感器的检测结果，求在所述被测量导体中流动的电流。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，所述噪声除去单元通过对每个被预先规定的固定期间得到的、所述2个三轴磁传感器的检测结果的各个检测结果，单独进行平均处理或平方和的平方根处理，分别除去被包含在所述2个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量。
此外，本发明的一方式的电流测量装置包括：传感器头(10)，其包括所述2个三轴磁传感器；以及电路单元(20)，其包括所述运算单元。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，表示所述2个三轴磁传感器的检测结果的信号为数字信号。
为了解决上述课题，本发明的一方式的电流测量方法，是由电流测量装置(1)执行的电流测量方法，所述电流测量装置包括2个三轴磁传感器(11、12)和运算单元(24)，测量在被测量导体(MC)中流动的电流(I)，在该方法中，基于以预先规定的间隔(d)配置，使得各个磁敏方向相互平行的2个三轴磁传感器的检测结果和所述2个三轴磁传感器的间隔，通过所述运算单元求在所述被测量导体中流动的电流。
此外，在本发明的一方式的电流测量方法中，所述运算单元包括距离估计单元(24b)和电流计算单元(24c)，基于所述2个三轴磁传感器的检测结果和所述2个三轴磁传感器的间隔，由所述距离估计单元估计所述2个三轴磁传感器的任一个相对所述被测量导体的距离，基于由所述距离估计单元估计出的距离和所述2个三轴磁传感器的任一个的检测结果，通过所述电流计算单元求在所述被测量导体中流动的电流。
此外，在本发明的一方式的电流测量方法中，所述运算单元还包括噪声除去单元(24a)，通过所述噪声除去单元除去被包含在所述2个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量，使用由所述噪声除去单元除去了噪声分量的所述2个三轴磁传感器的检测结果，通过所述运算单元求在所述被测量导体中流动的电流。
为了解决上述课题，本发明的一方式的计算机可读取的非暂时性记录介质是，记录了使电流测量装置(1)执行的一个以上的程序的计算机可读取的非暂时性记录介质，所述电流测量装置包括2个三轴磁传感器(11、12)和运算单元(24)，测量在被测量导体(MC)中流动的电流(I)，在该程序中，基于以预先规定的间隔(d)配置，使得各个磁敏方向相互平行的2个三轴磁传感器的检测结果和所述2个三轴磁传感器的间隔，通过所述运算单元求在所述被测量导体中流动的电流。
为了解决上述课题，本发明的一方式的电流测量装置是，测量在相互相反方向上流动电流的一对被测量导体(MC1、MC2)的任一方中流动的电流(I)的电流测量装置(2)，包括：3个三轴磁传感器(31、32、33)，以预先规定的位置关系配置，使得各个磁敏方向相互平行；以及运算单元(45)，基于所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，在排除了由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场的影响后，求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，所述运算单元包括：磁场估计单元(45b)，使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，估计由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场；距离估计单元(45c)，使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，估计所述3个三轴磁传感器的至少一个相对所述被测量导体任一方的距离；以及电流计算单元(45d)，基于由所述距离估计单元估计出的距离、和从由所述距离估计单元估计出距离的三轴磁传感器的检测结果减去由所述磁场估计单元估计出的磁场所得的值，求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
此外，在本发明的一方式的电流测量装置中，由所述磁场估计单元估计的磁场是，由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场视为近似均匀地作用于所述3个三轴磁传感器的情况下的磁场。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，所述运算单元还包括：噪声除去单元(45a)，除去被包含在所述3个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量，使用由所述噪声除去单元除去了噪声分量的所述3个三轴磁传感器的检测结果，求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，所述噪声除去单元对每个预先规定的固定期间内得到的、所述3个三轴磁传感器的检测结果的各个检测结果，通过单独进行平均处理或平方和的平方根处理，分别除去被包含在所述3个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量。
此外，本发明的一方式的电流测量装置包括：传感器头(30)，其包括所述3个三轴磁传感器；以及电路单元(40)，其包括所述运算单元。
此外，本发明的一方式的电流测量装置中，表示所述3个三轴磁传感器的检测结果的信号为数字信号。
为了解决上述课题，本发明的一方式的电流测量方法是由电流测量装置(2)执行的电流测量方法，电流测量装置包括3个三轴磁传感器(31、32、33)和运算单元(45)，测量在相互相反方向上流动电流的一对被测量导体(MC1、MC2)的任一方中流动的电流(I)，在该方法中，基于使得各个磁敏方向相互平行、被以预先规定的位置关系配置的所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，在排除了由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场的影响后，由所述运算单元求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
此外，本发明的一方式的电流测量方法中，所述运算单元包括磁场估计单元(45b)、距离估计单元(45c)和电流计算单元(45d)，使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，由所述磁场估计单元估计由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场，使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，由所述距离估计单元估计所述3个三轴磁传感器的至少一个相对所述被测量导体任一方的距离，基于由所述距离估计单元估计出的距离、和从由所述距离估计单元估计出距离的三轴磁传感器的检测结果减去由所述磁场估计单元估计出的磁场所得的值，由所述电流计算单元求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
为了解决上述课题，本发明的一方式的计算机可读取的非暂时性记录介质是记录了使电流测量装置(2)执行的一个以上的程序的计算机可读取的非暂时性记录介质，所述电流测量装置包括3个三轴磁传感器(31、32、33)和运算单元(45)，测量在相互相反方向上流动电流的一对被测量导体(MC1、MC2)的任一方中流动的电流(I)，在该程序中，基于使得各个磁敏方向相互平行、被以预先规定的位置关系配置的所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，在排除了由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场的影响后，由所述运算单元求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
发明效果
根据本发明，可以得到诸如可灵活地配置电流测量装置、以非接触方式高精度地测量直流电流及低频的交流电流的效果。
附图说明
图1是示意地表示第1实施方式中的电流测量装置的图。
图2是表示第1实施方式中的电流测量装置的主要结构的框图。
图3是用于说明第1实施方式中的电流测量装置的电流的测量原理的图。
图4是从图3中的方向D1观察第1实施方式中的被测量导体及三轴磁传感器的图。
图5A是用于说明求第1实施方式中的三轴磁传感器的Y方向中的间隔L的方法的图。
图5B是用于说明求第1实施方式中的三轴磁传感器的Y方向中的间隔L的方法的图。
图5C是用于说明求第1实施方式中的三轴磁传感器的Y方向中的间隔L的方法的图。
图6是表示第1实施方式中的电流测量装置的动作的概要的流程图。
图7是示意地表示第2实施方式中的电流测量装置的图。
图8是表示第2实施方式中的电流测量装置的主要结构的框图。
图9是用于说明第2实施方式中的电流测量装置的电流的测量原理的图。
图10是从图9中的方向D1观察第2实施方式中的被测量导体及三轴磁传感器的图。
图11是表示第2实施方式中的电流测量装置的动作的概要的流程图。
图12是表示第2实施方式中的图11中的步骤S14的处理的细节的流程图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下，参照附图详细地说明本发明的第1实施方式的电流测量装置。
〈电流测量装置的结构〉
图1是示意地表示第1实施方式的电流测量装置的图。如图1所示，第1实施方式的电流测量装置1包括由电缆CB连接的传感器头10及电路单元20，以非接触方式直接测量在被测量导体MC中流动的电流I。再者，被测量导体MC是例如功率半导体的管脚或母线等任意的导体。以下，为了简单地说明，假设被测量导体MC为圆柱形状的导体。
为了以非接触方式测量在被测量导体MC中流动的电流I，传感器头10相对被测量导体MC以任意的姿态被配置在任意的位置。该传感器头该10由不遮挡通过电流I生成的磁场(例如，图1中所示的磁场H1、H2)的材质(例如，树脂等)形成。该传感器头10说起来被用作用于以非接触方式测量在被测量导体MC中流动的电流I的探针。
2个三轴磁传感器11、12被设置在传感器头10中。三轴磁传感器11、12是在彼此正交的三轴上具有磁敏方向的磁传感器。三轴磁传感器11、12被以预先规定的间隔配置，使得各个磁敏方向相互平行。例如，被配置成三轴磁传感器11、12的第1轴平行、三轴磁传感器11、12的第2轴平行、并且三轴磁传感器11、12的第3轴平行，在规定的方向上仅分开规定的距离。再者，以下，假设三轴磁传感器11、12被排列成在第1轴方向上仅分开规定的距离。
表示三轴磁传感器11、12的检测结果的信号也可以是模拟信号及数字信号的任一信号。在表示三轴磁传感器11、12的检测结果的信号为数字信号的情况下，可以减少连接传感器头10和电路单元20的电缆CB的根数。例如，在表示三轴磁传感器11、12的检测结果的信号为模拟信号的情况下，对于三轴磁传感器11、12的每一个分别需要输出三轴的检测结果的3根电缆CB，所以需要共计6根电缆CB。然而，在表示三轴磁传感器11、12的检测结果的信号为数字信号的情况下，仅1根电缆CB就可以。由于电缆CB的根数少和电缆CB的弯曲性提高，所以例如在将传感器头10配置在窄小的空间时容易处理。
电路单元20基于从传感器头10输出的检测结果(三轴磁传感器11、12的检测结果)，测量在被测量导体MC中流动的电流I。电路单元20显示电流I的测量结果，或者向外部输出。可以使用任意的电缆作为连接传感器头10和电路单元20的电缆CB，但期望是具有挠性，容易处理，并且难以发生断线的电缆。
图2是表示第1实施方式的电流测量装置的主要结构的框图。再者，在图2中，对与图1所示的结构对应的块，附加相同的标号。以下，参照图2，主要说明电路单元20的内部结构的细节。如图2所示，电路单元20包括操作单元21、显示单元22、存储器23、以及运算单元24。
操作单元21包括例如电源按钮、设定按钮等各种按钮，将表示对各种按钮的操作指示的信号输出到运算单元24。显示单元22包括例如7段LED(Light Emitting Diode：发光二极管)显示器、液晶显示装置等显示装置，显示从运算单元24输出的各种信息(例如，表示电流I的测量结果的信息)。再者，操作单元21及显示单元22可以是被物理分离的单元，也可以是像兼具显示功能和操作功能的触摸屏式的液晶显示装置那样的被物理地一体化的单元。
存储器23包括例如易失性或非易失性的半导体存储器，存储从传感器头10输出的三轴磁传感器11、12的检测结果、运算单元24的运算结果(电流I的测量结果)等。再者，存储器23也可以与上述半导体存储器一起(或者，取代上述的半导体存储器)包括例如HDD(硬盘驱动器)或SSD(固态驱动器)等辅助存储装置。
运算单元24例如通过CPU(Central Processing Unit；中央处理单元)等硬件处理器执行程序(软件)来实现。此外，运算单元24的结构要素之中的一部分或全部可以通过LSI(Large Scale Integration；大规模集成电路)、ASIC(Application Specific IntegratedCircuit；专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array；现场可编程门阵列)等硬件来实现，也可以通过软件和硬件的协同来实现。运算单元24使从传感器头10输出的三轴磁传感器11、12的检测结果存储在存储器23中。此外，运算单元24读出被存储在存储器23中的三轴磁传感器11、12的检测结果，进行求在被测量导体MC中流动的电流I的运算。该运算单元24包括噪声除去单元24a、距离估计单元24b、以及电流计算单元24c。
噪声除去单元24a除去被包含在三轴磁传感器11、12的检测结果中的噪声分量。具体地说，噪声除去单元24a对每个被预先规定的固定期间(例如，1秒)，通过对从三轴磁传感器11、12各自得到的多个检测结果单独进行平均处理或平方和的平方根处理，除去被包含在三轴磁传感器11、12的检测结果中的噪声分量。再者，三轴的检测结果被分别从三轴磁传感器11、12输出，但对各轴的检测结果单独进行噪声除去单元24a的噪声分量的除去。进行这样的噪声除去是为了提高三轴磁传感器11、12的SN比(信噪比)，提高电流I的测量精度。
距离估计单元24b基于三轴磁传感器11、12的检测结果和三轴磁传感器11、12的间隔，估计三轴磁传感器11、12的任一方相对被测量导体MC的距离。再者，在第1实施方式中，假设距离估计单元24b估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离。进行这样的距离估计是为了测量在被测量导体MC中流动的电流I。再者，由距离估计单元24b进行的处理的细节，将后述。
电流计算单元24c基于由距离估计单元24b估计出的距离和三轴磁传感器11、12的任一方的检测结果，求在被测量导体MC中流动的电流I。再者，在第1实施方式中，假设电流计算单元24c基于由距离估计单元24b估计出的距离和被估计出相对被测量导体MC的距离的三轴磁传感器12的检测结果，求在被测量导体MC中流动的电流I。再者，由电流计算单元24c进行的处理的细节，将后述。
这里，如图1、图2所示，电路单元20与传感器头10分离，通过电缆CB连接到传感器头10。通过这样的结构，可以将磁场检测功能(三轴磁传感器11、12)和运算功能(运算单元24)分离，可以避免在运算单元24被设置在传感器头10内的情况下产生的诸多问题(例如，温度特性、绝缘耐受性)等，由此可以扩大电流测量装置1的用途。
〈电流的测量原理〉
接着，说明电流测量装置1的电流的测量原理。图3是用于说明第1实施方式的电流测量装置的电流的测量原理的图。首先，如图3所示，设定仅与传感器头10有关的坐标系(xyz正交坐标系)和与被测量导体MC及传感器头10两者有关的坐标系(XYZ正交坐标系)的2个坐标系。再者，为便于图示，XYZ正交坐标系被错开原点位置来图示，但XYZ正交坐标系的原点与xyz正交坐标系的原点为相同的位置。
xyz正交坐标系是，根据传感器头10的位置及姿态而被规定的坐标系。该xyz正交坐标系中，原点被设定在三轴磁传感器11的位置，x轴被设定在三轴磁传感器11、12的排列方向上(第1轴方向)，y轴被设定在三轴磁传感器11、12的第2轴方向上，z轴被设定在三轴磁传感器11、12的第3轴方向上。再者，假设三轴磁传感器11、12的x方向的间隔为d[m]。因此，三轴磁传感器11可以被配置在xyz正交坐标系的坐标(0，0，0)，三轴磁传感器12可以被配置在xyz正交坐标系的坐标(d，0，0)。
XYZ坐标系是，根据被测量导体MC和传感器头10的相对的位置关系而被规定的坐标系。该XYZ正交坐标系中，原点被设定在三轴磁传感器11的位置，X轴被设定得使其与被测量导体MC的纵向(电流I的方向)平行，Y轴被设定原点位置(三轴磁传感器11的位置)中的磁场H1的方向。再者，Z轴被设定在与X轴及Y轴正交的方向上。
如图3所示，将三轴磁传感器11相对被测量导体MC的距离设为r1，将三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离设为r2。再者，距离r1是从三轴磁传感器11垂直下落到被测量导体MC的线段的长度，距离r2是从三轴磁传感器12垂直下落到被测量导体MC的线段的长度。此外，将通过电流I在三轴磁传感器11的位置形成的磁场设为H1，将通过电流I在三轴磁传感器12的位置形成的磁场设为H2。这里，上述的磁场H1、H2可以通过三轴磁传感器11、12检测，但仅在磁场H1、H2中无法检测距离r1、r2。
图4是从图3中的方向D1观察被测量导体及三轴磁传感器的图。图3中的方向D1是沿被测量导体MC的纵向的方向(与电流I流动的方向相反的方向)。再者，在图4中，为了容易理解而省略了传感器头10的图示，图示了被测量导体MC及三轴磁传感器11、12。此外，与图3同样，在图4中也错开原点位置来图示XYZ正交坐标系。
如图4所示，通过在垂直于纸面的X方向(－X方向)中流动的电流I，在三轴磁传感器11、12的位置形成的磁场H1、H2为与X轴正交的磁场。因此，如图4所示，可以将在三轴磁传感器11、12的位置形成的磁场H1、H2不改变其大小而投影在与电流I流动的方向正交的YZ平面上。
在三轴磁传感器11的位置形成的磁场H1与从三轴磁传感器11垂直落下到被测量导体MC的线段正交。此外，在三轴磁传感器12的位置形成的磁场H2与从三轴磁传感器12垂直落下到被测量导体MC的线段正交。因此，上述线段间形成的角度θ2和磁场H1与磁场H2形成的角θ1相等。因此，三轴磁传感器11、12的Y方向中的间隔L通过以下的式(1)表示。
L＝r2·sinθ1…(1)
其中，如上述，上述角度θ1是以向量表示的磁场H1和磁场H2形成的角度。因此，角度θ1使用向量的内积公式通过以下的式(2)表示。
H1·H2＝|H1||H2|cosθ1…(2)
通过将上述式(2)变形并代入上述式(1)，得到以下的式(3)。
Figure BDA0002648656760000111
上述式(3)中的磁场H1、H2是三轴磁传感器11、12的检测结果。因此，如果被分开上述的间隔L，则可以求(估计)三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2。然后，如果可以求(估计)距离r2，则可以使用该距离r2和由三轴磁传感器12检测的磁场H2，从安培定律测量电流I。以下，说明为了求距离r2(为了测量电流I所需要的距离)而求作为需要的三轴磁传感器11、12的Y方向中的间隔L的方法。
图5A～图5C是用于说明求三轴磁传感器的Y方向中的间隔L的方法的图。再者，图5A是从+z侧至－z侧的方向观察xyz坐标系的图，图5B是从+x侧至－x侧的方向观察xyz坐标系的图，图5C是从+y侧至－y侧的方向观察xyz坐标系的图。在第1实施方式中，进行使XYZ坐标系旋转而使其与xyz坐标系一致的操作，求在三轴磁传感器11、12的Y方向中的间隔L。再者，通过进行这样的操作，三轴磁传感器11的位置中的磁场仅为y分量，被测量导体MC成为与yz平面正交的状态(与x轴平行的状态)。
具体地说，首先，如图5A所示，进行使XYZ坐标系绕z轴仅旋转角度α，将磁场H1(Y轴)配置在yz平面上的操作。这里，通过将被三轴磁传感器11检测出的磁场H1的x分量设为H1x，将y分量设为H1y，将z分量设为H1z，上述角度α用以下的式(4)表示。此外，进行了这样的操作后的三轴磁传感器12的位置P1用以下的式(5)表示。
Figure BDA0002648656760000121
P1＝(d cosα，d sinα，0)…(5)
接着，如图5B所示，进行使XYZ坐标系绕x轴仅旋转角度β，将磁场H1(Y轴)配置在y轴上的操作。上述角度β用以下的式(6)表示。此外，进行了这样的操作后的三轴磁传感器12的位置P2用以下的式(7)表示。
Figure BDA0002648656760000122
P2＝(d cosα，d sinαcosβ，d sinαsinβ)…(7)
接着，如图5C所示，进行将XYZ坐标系绕y轴仅旋转角度γ，使被测量导体MC与yz平面正交的操作。此时，y坐标不变化，所以进行了这样的操作后的三轴磁传感器12的位置P3的y坐标为d·sinα·cosβ。
通过进行以上操作，三轴磁传感器11、12的Y方向(y方向)中的间隔L与三轴磁传感器12的位置P3的y坐标(d·sinα·cosβ)相等。于是，上述式(1)可以使用上述式(4)及上述式(6)变形为以下的式(8)。若参照该式(8)，可知从三轴磁传感器11、12的检测结果和三轴磁传感器11、12的间隔d，求得(估计)三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2。
Figure BDA0002648656760000131
若求得三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2，则可以从安培定律求在被测量导体MC中流动的电流I。具体地说，从以下的式(9)，可以求电流I。若参照该式(9)，则可知从常数(2π)、上述的距离r2、以及三轴磁传感器12的检测结果(H2)求得电流I。
Figure BDA0002648656760000132
〈电流测量装置的动作〉
接着，说明使用电流测量装置1测量在被测量导体MC中流动的电流I时的动作。首先，为了测量在被测量导体MC中流动的电流I，电流测量装置1的用户使传感器头10被配置得靠近被测量导体MC。再者，传感器头10相对被测量导体MC的位置及姿态是任意的。
图6是表示第1实施方式的电流测量装置的动作的概要的流程图。图6所示的流程图，例如以固定周期(例如，1秒)开始。若图6所示的流程图的处理开始，则三轴磁传感器11、12检测由被测量导体MC中流动的电流I形成的磁场(步骤S11)。再者，三轴磁传感器11、12在例如1秒期间内进行1000次左右磁场的检测。接着，电路单元20的运算单元24将表示三轴磁传感器11、12的检测结果的检测数据累积在存储器23中(步骤S12)。
接着，噪声除去单元24a从检测数据除去噪声(步骤S13)。具体地说，噪声除去单元24a读出被累积在存储器23中的检测数据，通过对被读出的检测数据进行平均处理或平方和的平方根处理，除去被包含在检测数据中的噪声分量。再者，由于若进行平方和的平方根处理则符号消失，所以噪声除去单元24a另外附加符号。这里，三轴磁传感器11、12分别输出表示三轴的检测结果的3种检测数据。噪声除去单元24a对各轴的检测数据单独进行噪声分量的除去。
接着，距离估计单元24b估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2(步骤S14)。具体地说，距离估计单元24b使用步骤S13中被除去了噪声的检测数据和表示预先被输入的三轴磁传感器11、12的间隔d的数据，进行前述的式(8)所示的运算，估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2。
若以上的处理结束，则运算单元24的电流计算单元24c计算在被测量导体MC中流动的电流I(步骤S15)。具体地说，运算单元24的电流计算单元24c使用步骤S14中估计出的距离r2和步骤S13中被除去了噪声的三轴磁传感器12的检测数据，进行前述的式(9)所示的运算，计算在被测量导体MC中流动的电流I。这样一来，电流测量装置1以非接触方式直接测量在被测量导体MC中流动的电流I。
如以上那样，第1实施方式的电流测量装置1使用表示三轴磁传感器11、12的检测结果的检测数据和表示三轴磁传感器11、12的间隔d的数据，估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2。此外，电流测量装置1使用估计出的距离r2和表示三轴磁传感器12的检测结果的检测数据，测量在被测量导体MC中流动的电流I。这里，在第1实施方式中，传感器头10相对被测量导体MC的位置及姿态也可以为任意的。此外，无论电流I是直流电流还是交流电流都可得到三轴磁传感器11、12的检测结果。因此，第1实施方式的电流测量装置1可灵活地配置，能够以非接触方式直接测量直流电流及低频的交流电流。
此外，在第1实施方式中，被设置了三轴磁传感器11、12的传感器头10与被设置了运算单元24的电路单元20分离而通过电缆CB连接。由此，传感器头10的更换容易，还可以容易地进行例如向窄小的场所设置传感器头10，所以可更灵活地配置电流测量装置1。
以上，说明了第1实施方式的电流测量装置，但本发明没有被限制为第1实施方式而可在本发明的范围内自由地变更。例如，在第1实施方式中，说明了电流测量装置1估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2，使用估计出的距离r2测量在被测量导体MC中流动的电流I的例子。然而，若参照前述的式(9)，则可知从三轴磁传感器11、12的检测结果和三轴磁传感器11、12的间隔d求得在被测量导体MC中流动的电流I。因此，电流测量装置1也可以使用前述的式(9)直接测量在被测量导体MC中流动的电流I，而不估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2。
此外，在第1实施方式中，说明了电流测量装置1仅估计三轴磁传感器12相对被测量导体MC的距离r2，使用估计出的距离r2测量在被测量导体MC中流动的电流I的例子。然而，电流测量装置1也可以一起估计三轴磁传感器11、12相对被测量导体MC的各自的距离r1、r2，使用估计出的距离r1求在被测量导体MC中流动的电流I，同时使用估计出的距离r2求在被测量导体MC中流动的电流I，通过将求出的电流I进行平均而测量在被测量导体MC中流动的电流I。
此外，在第1实施方式中，说明了三轴磁传感器11、12在第1轴方向(x轴方向)上仅分开间隔d[m]的例子。然而，三轴磁传感器11、12可以在第2轴方向(y轴方向)上分开，可以在第3轴方向(z轴方向)上分开，也可以在其他方向上分开。即，三轴磁传感器11、12分开的方向是任意的。
(第2实施方式)
接着，参照附图详细地说明本发明的第2实施方式的电流测量装置。
〈电流测量装置的结构〉
图7是示意地表示第2实施方式的电流测量装置的图。如图7所示，第2实施方式的电流测量装置2包括通过电缆CB连接的传感器头30及电路单元40，以非接触方式直接测量在被测量导体MC1、MC2的任一方中流动的电流I。再者，在第2实施方式中，将测量在被测量导体MC1中流动的电流I的情况列举为例子来说明。
再者，被测量导体MC1、MC2是例如功率半导体的管脚(pin)或母线(bus bar)等任意的导体。以下，为了简单地说明，假设被测量导体MC1、MC2为圆柱形状的导体。被测量导体MC1、MC2中流动的电流I，其流动的方向彼此相反。以下，有时将流过被测量导体MC1的电流的电流路径称为“去往路径”，将流过被测量导体MC2的电流的电流路径称为“返回路径”。
为了以非接触方式测量在被测量导体MC1中流动的电流I，传感器头30是相对被测量导体MC1以任意的姿态被配置在任意的位置的构件。该传感器头30由不遮挡通过在被测量导体MC1、MC2中流动的电流I生成的磁场(例如，图7中所示的磁场H1、H2、H3)的材质(例如，树脂等)形成。该传感器头10说起来被用作用于以非接触方式测量在被测量导体MC1中流动的电流I的探针。
传感器头30中，被设置3个三轴磁传感器31、32、33。三轴磁传感器31、32、33是在相互正交的三轴上具有磁敏方向的磁传感器。三轴磁传感器31、32、33被以预先规定的位置关系配置，使得各个磁敏方向相互平行。例如，被配置得使三轴磁传感器31、32、33的第1轴相互平行、三轴磁传感器31、32、33的第2轴相互平行、并且三轴磁传感器31、32、33的第3轴相互平行，在规定的方向上仅分开规定的距离。再者，以下，假设三轴磁传感器31、32被排列得在第1轴方向上仅分开规定的距离，三轴磁传感器31、33被排列得在第3轴方向上仅分开规定的距离。
表示三轴磁传感器31、32、33的检测结果的信号也可以是模拟信号及数字信号的任一个。在表示三轴磁传感器31、32、33的检测结果的信号为数字信号的情况下，可以减少连接传感器头30和电路单元40的电缆CB的根数。例如，在表示三轴磁传感器31、32、33的检测结果的信号为模拟信号的情况下，对于三轴磁传感器31、32、33的每一个分别需要输出三轴的检测结果的3根电缆CB，所以需要共计9根电缆CB。然而，在表示三轴磁传感器31、32、33的检测结果的信号为数字信号的情况下，仅1根电缆CB就可以。若电缆CB的根数少，则电缆CB的弯曲性提高，所以例如在将传感器头30配置在窄小的空间时容易处理。
电路单元40基于从传感器头30输出的检测结果(三轴磁传感器31、32、33的检测结果)，测量在被测量导体MC1中流动的电流I。这里，在排除了由在被测量导体MC2中流动的电流I生成的磁场的影响后，电路单元40测量在被测量导体MC1中流动的电流I。电路单元40显示电流I的测量结果，或者向外部输出。可以使用任意的电缆作为连接传感器头30和电路单元40的电缆CB，但期望具有挠性，更换容易，并且难以断线的电缆。
图8是表示第2实施方式的电流测量装置的主要结构的框图。再者，在图8中，对与图7所示的结构对应的块，附加相同的标号。以下，参照图8，主要说明电路单元40的内部结构的细节。如图8所示，电路单元40包括操作单元41、显示单元42、存储器43、以及运算单元45。
操作单元41包括例如电源按钮、设定按钮等各种按钮，将表示对各种按钮的操作指示的信号输出到运算单元45。显示单元42包括例如7段LED(Light Emitting Diode：发光二极管)显示器、液晶显示装置等显示装置，显示从运算单元45输出的各种信息(例如，表示在被测量导体MC1中流动的电流I的测量结果的信息)。再者，操作单元41及显示单元42可以是被物理分离的单元，也可以是像兼具显示功能和操作功能的触摸屏式的液晶显示装置那样的被物理地一体化的单元。
存储器43包括例如易失性或非易失性的半导体存储器，存储从传感器头30输出的三轴磁传感器31、32、33的检测结果、运算单元45的运算结果(在被测量导体MC1中流动的电流I的测量结果)等。再者，存储器43也可以与上述半导体存储器一起(或者，取代上述的半导体存储器)包括例如HDD(硬盘驱动器)或SSD(固态驱动器)等辅助存储装置。
运算单元45例如通过CPU(Central Processing Unit；中央处理单元)等硬件处理器执行程序(软件)来实现。此外，运算单元45的结构要素之中的一部分或全部可以通过LSI(Large Scale Integration；大规模集成电路)、ASIC(Application Specific IntegratedCircuit；专用集成电路)、FPGA(Field-Programmable Gate Array；现场可编程门阵列)等硬件来实现，也可以通过软件和硬件的协同来实现。运算单元45使从传感器头30输出的三轴磁传感器31、32、33的检测结果存储在存储器43中。此外，运算单元45读出被存储在存储器43中的三轴磁传感器31、32、33的检测结果，进行求在被测量导体MC1中流动的电流I的运算。该运算单元45包括噪声除去单元45a、距离估计单元45b、距离估计单元45c、以及电流计算单元45d。
噪声除去单元45a除去被包含在三轴磁传感器31、32、33的检测结果中的噪声分量。具体地说，噪声除去单元45a对每个被预先规定的固定期间(例如，1秒)，通过对从三轴磁传感器31、32、33各自得到的多个检测结果单独进行平均处理或平方和的平方根处理，除去被包含在三轴磁传感器31、32、33的检测结果中的噪声分量。再者，三轴的检测结果从三轴磁传感器31、32、33被分别输出，但噪声除去单元45a对各轴的检测结果单独进行噪声分量的除去。进行这样的噪声除去是为了提高三轴磁传感器31、32、33的SN比(信噪比)，提高电流I的测量精度。
磁场估计单元45b使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果和三轴磁传感器31、32、33的位置关系，估计由在被测量导体MC2中流动的电流生成的磁场。进行这样的估计是为了排除由在被测量导体MC2中流动的电流I生成的磁场的影响，提高在被测量导体MC1中流动的电流I的测量精度。再者，由磁场估计单元45b估计的磁场是，视为由在被测量导体MC2中流动的电流生成的磁场近似均匀作用于三轴磁传感器31、32、33的情况下的磁场。考虑这样的均匀的磁场是为了谋求削减磁场估计单元45b的运算负载及缩短运算时间，并且尽可能提高测量精度。再者，由磁场估计单元45b进行的处理的细节，将后述。
距离估计单元45c使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果和三轴磁传感器31、32、33的位置关系，估计三轴磁传感器31、32、33的至少一个相对被测量导体MC1的距离。进行这样的距离估计是为了测量在被测量导体MC1中流动的电流I。再者，有关距离估计单元45c中进行的处理的细节，将后述。
电流计算单元45d从由距离估计单元45c估计出的距离和排除了由在被测量导体MC2中流动的电流I生成的磁场的影响的三轴磁传感器31、32、33的检测结果，求在被测量导体MC1中流动的电流。例如，若假设由电流计算单元45d估计出三轴磁传感器31相对被测量导体MC1的距离，则电流计算单元45d基于估计出的三轴磁传感器31相对被测量导体MC1的距离、和从三轴磁传感器31的检测结果减去由磁场估计单元45b估计出的磁场所得的值，求在被测量导体MC1中流动的电流。再者，有关在电流计算单元45d中进行的处理的细节，将后述。
这里，如图7、图8所示，电路单元40与传感器头30分离，经由电缆CB被连接到传感器头30。通过这样的结构，可以将磁场检测功能(三轴磁传感器31、32、33)和运算功能(运算单元45)分离，可以避免运算单元45被设置在传感器头30内的情况下产生的诸多问题(例如，温度特性、绝缘耐受性)等，由此可以扩大电流测量装置2的用途。
〈电流的测量原理〉
接着，说明电流测量装置2的电流的测量原理。图9是用于说明第2实施方式的电流测量装置的电流的测量原理的图。首先，如图9所示，设定仅与传感器头30有关的坐标系(xyz正交坐标系)和与被测量导体MC1、MC2有关的坐标系(XYZ正交坐标系)这2个坐标系。
xyz正交坐标系是根据传感器头30的位置及姿态规定的坐标系。该xyz正交坐标系中，原点被设定在三轴磁传感器31的位置，x轴被设定在三轴磁传感器31、32、33的第1轴方向上(三轴磁传感器31、32的排列方向)，y轴被设定在三轴磁传感器31、32、33的第2轴方向上，z轴被设定在三轴磁传感器31、32、33的第3轴方向上(三轴磁传感器31、33的排列方向)。
这里，将三轴磁传感器31、32、33的位置表示为Pi(i＝1，2，3)。再者，Pi为向量。即，假设将三轴磁传感器31的位置以P1表示，将三轴磁传感器32的位置以P2表示，将三轴磁传感器33的位置以P3表示。例如，如图9所示，若假设三轴磁传感器31、32的x方向的间隔、以及三轴磁传感器31、33的z方向的间隔为d[m]，则三轴磁传感器31、32、33的位置被以下那样表示。
三轴磁传感器31的位置：P1＝(0，0，0)
三轴磁传感器32的位置：P2＝(d，0，0)
三轴磁传感器33的位置：P3＝(0，0，d)
XYZ坐标系是根据被测量导体MC1、MC2规定的坐标系。该XYZ正交坐标系中，X轴被设定在被测量导体MC1、MC2的纵向上(电流I的方向)，Y轴被设定在被测量导体MC1、MC2的排列方向上。Z轴被设定在与X轴及Y轴正交的方向上。再者，XYZ正交坐标系的原点位置可设定在任意的位置。
如图9所示，将三轴磁传感器31相对被测量导体MC1的距离设为r1，将三轴磁传感器32相对被测量导体MC1的距离设为r2，将三轴磁传感器33相对被测量导体MC1的距离设为r3。再者，距离r1是从三轴磁传感器31垂直落下至被测量导体MC1的线段的长度，距离r2是从三轴磁传感器32垂直落下至被测量导体MC1的线段的长度，距离r3是从三轴磁传感器33垂直落下至被测量导体MC1的线段的长度。再者，距离r1、r2、r3无法检测。
此外，将由于被测量导体MC1中流动的电流I而在三轴磁传感器31、32、33的位置形成的磁场表示为HAi(i＝1，2，3)。再者，HAi为向量。即，将由于被测量导体MC1中流动的电流I而在三轴磁传感器31的位置形成的磁场表示为HA1，将由于被测量导体MC1中流动的电流I而在三轴磁传感器32的位置形成的磁场表示为HA2，将由于被测量导体MC1中流动的电流I而在三轴磁传感器33的位置形成的磁场表示为HA3。
此外，若假设传感器头30相对被测量导体MC2的距离比传感器头30相对被测量导体MC1的距离大得多，则由被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场可以视为近似均匀地作用于三轴磁传感器31、32、33。将该磁场表示为HB。再者，HB为向量。于是，由于被测量导体MC1、MC2中流动的电流I而在三轴磁传感器31、32、33的位置形成的磁场Hi(i＝1，2，3)通过以下的式(10)表示。再者，Hi为向量。
Hi＝HAi+HB…(10)
接着，为了将仅与传感器头30有关的xyz正交坐标系和与被测量导体MC1、MC2有关的XYZ正交坐标系相关联，求电流I的方向(图9中的X轴的方向)。如前述，由于将由被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场hB近似为均匀，所以若取三轴磁传感器31、32、33的检测结果的差分，则可以将磁场hB取消。此外，由于电流I的方向与磁场的方向正交，所以三轴磁传感器31、32、33的检测结果的差分的外积的方向与电流I的方向一致。因此，使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果(磁场H1、H2、H3)，电流I的方向(图9中的X轴的方向)的单位向量j用以下的式(11)表示。
Figure BDA0002648656760000201
接着，为了将用xyz正交坐标系表示的各种向量用XYZ正交坐标系表示，如图10所示，考虑垂直于电流I的平面Γ。即，考虑与使用上述式(11)求得的单位向量j垂直的平面Γ。再者，平面Γ也可以是指平行于YZ平面的平面。图10是从图9中的方向D1观察被测量导体及三轴磁传感器的图。图9中的方向D1是沿被测量导体MC1、MC2的纵向的方向(与被测量导体MC1中流动的电流I的方向相反的方向、沿在被测量导体MC2中流动的电流I的方向的方向)。再者，在图10中，为了容易理解而省略传感器头30的图示，图示了被测量导体MC1、MC2及三轴磁传感器31、32、33。
通过将被测量导体MC1、MC2、三轴磁传感器31、32、33、以及被形成在三轴磁传感器31、32、33的位置的磁场投影到图10所示的平面Γ，将用xyz正交坐标系表示的各种向量用XYZ正交坐标系表示。如图10所示，通过在相对纸面垂直的X方向(±X方向)中流动的电流I，被形成在三轴磁传感器31、32、33的位置的磁场为与X轴正交的磁场。因此，可以将被形成在三轴磁传感器31、32、33的位置的磁场不改变其大小地投影到与电流I流动的方向正交的平面Γ。
这里，将三轴磁传感器31、32、33在平面Γ上的位置表示为pi(i＝1，2，3)，将被测量导体MC1在平面Γ上的位置表示为pA。再者，hi，pA为二维向量。此外，将被投影在平面Γ上的磁场Hi(i＝1，2，3)用以下的式(12)表示。以下的式(12)中的hAi、hB分别是将上述式(10)中的HAi、HB投影在平面Γ上的结果。再者，hi是二维向量。
hi＝hAi+hB…(12)
接着，估计由在被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场HB。首先，如图10所示，在平面Γ上，磁场hA1与从三轴磁传感器31垂直落下至被测量导体MC1的线段正交。此外，在平面Γ上，磁场hA2与从三轴磁传感器32垂直落下至被测量导体MC1的线段正交。同样，在平面Γ上，磁场hA3与从三轴磁传感器33垂直落下至被测量导体MC1的线段正交。因此，用于表示这些线段的向量和磁场hA1、hA2、hA3的内积为零，所以以下的式(13)成立。
(hi-hB)T(pi-pA)＝0 (i＝1，2，3)…(13)
接着，通过着眼于上述线段的长度和磁场hA1、hA2、hA3大小之间的关系，根据安培定律，以下的式(14)成立。
Figure BDA0002648656760000211
这里，如前述，表示从三轴磁传感器31、32、33垂直落下至被测量导体MC1的线段的向量和磁场hA1、hA2、hA3的内积为零。另一方面，若在使表示各个线段的向量在平面Γ内旋转90°后取与磁场hA1、hA2、hA3的内积，则以下的式(15)成立。
Figure BDA0002648656760000221
其中，上述式(15)中的R是二维坐标平面内的90°旋转矩阵，用以下的式(16)表示。
Figure BDA0002648656760000222
从使用上述式(13)、(15)得到的以下的式(17)求得投影在平面Γ上的磁场hB。
hB＝(RTh-1pRT-h-1p)-1(RTh-1c2-h-1c1…(17)
其中，上述式(17)中的p、h、c1、c2如以下的式(18)所示。
Figure BDA0002648656760000223
Figure BDA0002648656760000224
这里，将由在被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场HB投影在平面Γ上的磁场hB被失去了X分量(电流I流动的方向的分量)。由于由在被测量导体MC1中流动的电流I形成的磁场HAi不产生X分量，所以由在被测量导体MC1、MC2中流动的电流I形成的磁场Hi的X分量等效于磁场HB的X分量。因此，通过将磁场Hi的X分量(jTHi)追加在磁场hB中，可以求磁场HB。这样一来，可以估计由在被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场HB。
接着，求平面Γ上的被测量导体MC1的位置pA。从使用上述(13)、(15)、(17)式得到的以下的式(19)求得被测量导体MC1的位置pA。
pA＝-h-1phB+h-1c1…(19)
若知道平面Γ上的被测量导体MC1的位置pA，则可以求(估计)三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的各自的距离r1、r2、r3。然后，如果可以求(估计)距离r1、r2、r3，则可以使用以下所示的组合的任一组合，从安培定律测量电流I。
·距离r1和三轴磁传感器31的检测结果(磁场H1)的组合
·距离r2和三轴磁传感器32的检测结果(磁场H2)的组合
·距离r3和三轴磁传感器33的检测结果(磁场H3)的组合
具体地说，首先，从三轴磁传感器31、32、33的检测结果(磁场Hi)减去使用上述(17)式等估计出的磁场HB，求通过在被测量导体MC1中流动的电流I形成在三轴磁传感器31、32、33的位置的磁场HAi。然后，使用上述式(18)等求被三轴磁传感器31、32、33相对测量导体MC1的距离r1、r2、r3。因此，使用以下的式(20)，求得在被测量导体MC1中流动的电流I。
I＝2πri||HAi||…(20)
〈电流测量装置的动作〉
接着，说明使用电流测量装置2测量在被测量导体MC1(去往路径)中流动的电流I时的动作。首先，为了测量在被测量导体MC1中流动的电流I，电流测量装置2的用户使传感器头30被配置得靠近被测量导体MC1。再者，传感器头30相对被测量导体MC1的位置及姿态是任意的。但是，需要将传感器头30相对被测量导体MC1被靠近配置，使传感器头30相对被测量导体MC2的距离达到被视为比传感器头30相对被测量导体MC1的距离足够大的程度。再者，在被测量导体MC2可移动的情况下，将被测量导体MC2被配置在相对被测量导体MC1的远处，使传感器头30相对被测量导体MC2的距离达到被视为比传感器头30相对被测量导体MC1的距离足够大的程度。
图11是表示第2实施方式的电流测量装置的动作的概要的流程图。图11所示的流程图，例如在固定周期(例如，1秒)内开始。若图11所示的流程图的处理开始，则三轴磁传感器31、32、33检测由在被测量导体MC1、MC2中流动的电流I形成的磁场(步骤S21)。再者，三轴磁传感器31、32、33例如在1秒期间内进行1000次左右磁场的检测。接着，电路单元40的运算单元45将表示三轴磁传感器31、32、33的检测结果的检测数据累积在存储器43中(步骤S22)。
接着，噪声除去单元45a从检测数据除去噪声(步骤S23)。具体地说，噪声除去单元45a读出被累积在存储器43中的检测数据，通过对被读出的检测数据进行平均处理或平方和的平方根处理，除去被包含在检测数据中的噪声分量。再者，由于若进行平方和的平方根处理则符号消失，所以噪声除去单元45a另外附加符号。这里，三轴磁传感器31、32、33分别输出表示三轴的检测结果的3种检测数据。噪声除去单元45a对各轴的检测数据单独地进行噪声分量的除去。
接着，磁场估计单元45b估计由在被测量导体MC2(返回路径)中流动的电流I形成的磁场HB(步骤S24)。再者，由磁场估计单元45b估计的磁场HB是，由在被测量导体MC2中流动的电流生成的磁场视为近似均匀地作用于3个三轴磁传感器31、32、33的情况下的磁场。
图12是表示图11中的步骤S24的处理的细节的流程图。若步骤S24的处理开始，则如图12所示，磁场估计单元45b计算流过被测量导体MC1、MC2的电流I的方向(步骤S31)。具体地说，磁场估计单元45b使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果，进行前述的式(11)所示的运算，计算流过被测量导体MC1、MC2的电流I的方向。
接着，磁场估计单元45b将被测量导体MC1、MC2、三轴磁传感器31、32、33、以及由三轴磁传感器31、32、33检测出的磁场H1、H2、H3投影在与电流I垂直的平面Γ上(步骤S32)。再者，通过这样的处理，将磁场H1、H2、H3投影在平面Γ上的磁场h1、h2、h3用前述的式(12)表示。
然后，磁场估计单元45b计算由在被测量导体MC2(返回路径)中流动的电流I形成的磁场HB(步骤S33)。具体地说，磁场估计单元45b使用前述的式(17)、(18)计算磁场hB，在磁场hB中追加磁场Hi的X分量(jTHi)而求磁场HB。通过这样的处理，磁场估计单元45b估计由在被测量导体MC2(返回路径)中流动的电流I形成的磁场HB。
接着，距离估计单元45c估计三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离r1、r2、r3(步骤S25)。具体地说，距离估计单元45c使用平面Γ上的三轴磁传感器31、32、33的位置pi、被投影在平面Γ上的磁场hi、用前述的式(17)、(18)算出的磁场hB，进行前述的式(19)所示的运算，求平面Γ上的被测量导体MC1的位置pA。然后，距离估计单元45c从平面Γ上的被测量导体MC1的位置pA和平面Γ上的三轴磁传感器31、32、33的位置pi，估计三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离r1、r2、r3。
若以上的处理结束，则电流计算单元45d计算在被测量导体MC1(去往路径)中流动的电流I(步骤S26)。具体地说，电流计算单元45d使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果(磁场H1、H2、H3)、步骤S24中估计出的磁场HB、以及步骤S25中估计出的距离r1、r2、r3，进行前述的式(20)所示的运算，计算在被测量导体MC1中流动的电流I。
更具体地说，电流计算单元45d从三轴磁传感器31、32、33的检测结果(磁场H1、H2、H3)减去在步骤S24中估计出的磁场HB，求式(20)中的磁场HAi(由于被测量导体MC1中流动的电流I而形成在三轴磁传感器31、32、33的位置的磁场)。然后，电流计算单元45d使用在步骤S25中估计出的距离r1、r2、r3和磁场HAi的大小，进行式(20)所示的运算。这样一来，在排除了由在被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场的影响后，电流测量装置2以非接触方式直接测量在被测量导体MC1中流动的电流I。
如以上那样，第2实施方式的电流测量装置2使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果和三轴磁传感器31、32、33的位置关系，估计由在被测量导体MC2中流动的电流I形成的磁场HB，并且估计三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离r1、r2、r3。然后，电流测量装置2使用从三轴磁传感器31、32、33的检测结果(磁场H1、H2、H3)排除磁场HB的影响所得的值和估计出的距离r1、r2、r3，测量在被测量导体MC1中流动的电流I。这里，在第2实施方式中，传感器头30相对被测量导体MC1的位置及姿态也可以是任意的。此外，无论电流I为直流电流还是交流电流，都可得到三轴磁传感器31、32、33的检测结果。因此，第2实施方式的电流测量装置2可灵活地配置，可以以非接触方式高精度测量在往返的电流路径的任一方(被测量导体MC1)中流动的直流电流及低频的交流电流。
此外，在第2实施方式中，被设置了三轴磁传感器31、32、33的传感器头30与被设置了运算单元45的电路单元40分离，通过电缆CB连接。由此，传感器头30的更换容易，还可以容易地进行例如向窄小的场所设置传感器头30，所以可更灵活地配置电流测量装置2。
再者，在测量在被测量导体MC1中流动的电流I的情况下，未必需要全部使用三轴磁传感器31、32、33的检测结果(从磁场H1、H2、H3排除磁场HB的影响所得的值)和估计出的距离r1、r2、r3。如果使用以下组合的任一个，则可以测量在被测量导体MC1中流动的电流I。
·距离r1和三轴磁传感器31的检测结果的组合
·距离r2和三轴磁传感器32的检测结果的组合
·距离r3和三轴磁传感器33的检测结果的组合
以上，说明了本发明的第2实施方式的电流测量装置，但本发明不被限制为第2实施方式而可在本发明的范围内自由地变更。例如，在上述第2实施方式中，说明了电流测量装置2估计三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离r1、r2、r3，使用估计出的距离r1、r2、r3测量在被测量导体MC1中流动的电流I的例子。然而，电流测量装置2也未必需要估计三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离r1、r2、r3，也可省略。
即，若参照前述的式(18)、(19)，则使用平面Γ上的三轴磁传感器31、32、33的位置pi、被投影在平面Γ上的磁场hi、使用前述的(17)、(18)式计算的磁场hB求得平面Γ上的被测量导体MC1的位置pA。因此，也可以使用上述的位置pA、上述的位置pi、以及上述的磁场hB求三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离ri(r1、r2、r3)。因此，如果预先求得寻求三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离ri的算式，将求得的式代入前述的式(20)，则式(20)可以变形为使用上述的位置pA、上述的位置pi、以及上述的磁场hB、HAi的大小求电流I的算式。因此，可省略估计三轴磁传感器31、32、33相对被测量导体MC1的距离ri的处理。
此外，在上述第2实施方式中，说明了三轴磁传感器31、32在第1轴方向(x轴方向)上仅隔开间隔d[m]，三轴磁传感器31、33在第3轴方向(z轴方向)上仅隔开间隔d[m]的例子。然而，如果三轴磁传感器31、32、33被设定得使各个磁敏方向为相互平行，则相对的位置关系是任意的。
再者，通过将用于实现构成在本实施方式中说明的运算单元24和45的一部分或全部功能的程序记录在计算机可读取的记录介质中，使计算机***读入、执行被记录在该记录介质中的程序，也可以进行本实施方式的上述各种各样的处理。这里所说的“计算机***”也可以是包含OS和***设备等硬件的计算机***。如果是利用WWW***的情况，则假设“计算机***”还包含主页提供环境(或显示环境)。“计算机可读取的记录介质”是指软盘、光磁盘、ROM、闪存等可写入的非易失性存储器、CD－ROM等便携介质、被内置在计算机***中的硬盘等的存储装置。
而且，假设“计算机可读取的记录介质”包含将程序保持一定时间的记录介质，像程序通过互联网等网络和电话线路等通信线路被发送的情况下成为服务器和作为客户端的计算机***内部的易失性存储器(例如DRAM(Dynamic Random Access Memory；动态随机存取存储器))那样。上述程序也可以从将该程序存储在存储装置等中的计算机***通过传输介质、或者通过传输介质中的传输波而被传输到其他计算机***。这里，传输程序的“传输介质”是指具有像互联网等网络(通信网络)或电话线路等通信线路(通信线路)那样传输信息的功能的介质。上述程序也可以是用于实现一部分前述功能的程序。而且，也可以是通过将前述功能与已经被记录在计算机***中的程序组合来实现的程序，所谓的差分文件(差分程序)。
在本说明书中表示“前、后、上、下、右、左、垂直、水平、纵、横、行和列”的方向的术语，提及了在本发明的装置中的这些方向。因此，本发明的说明书中的这些术语，在本发明的装置中应被相对地解释。
所谓“被构成”术语用于为了执行本发明的功能而构成，或者用于为了表示装置的结构、要素、部分。
而且，在权利要求中表现为“装置加功能”的术语，应包含为了执行被包含在本发明中的功能而能够利用的任何结构。
所谓“单元”的术语，用于表示为了执行结构要素、单元、硬件或期望的功能而被编程的软件的一部分。硬件的典型例子为设备和电路，但不限于它们。
以上，说明了本发明的优选实施例，但本发明没有被限定于这些实施例。在不脱离本发明的宗旨的范围内，可进行结构的附加、省略、置换、以及其他的变更。本发明不由前述的说明限定，而仅被所附权利要求的范围限定。
标号说明
1 电流测量装置
2 电流测量装置
10 传感器头
11 三轴磁传感器
12 三轴磁传感器
20 电路单元
24 运算单元
24a 噪声除去单元
24b 距离估计单元
24c 电流计算单元
30 传感器头
31 三轴磁传感器
32 三轴磁传感器
33 三轴磁传感器
40 电路单元
45 运算单元
45a 噪声除去单元
45b 磁场估计单元
45c 距离估计单元
45d 电流计算单元
I 电流
MC 被测量导体
MC1 被测量导体
MC2 被测量导体

Claims (10)

1.一种电流测量装置，其为测量在相互相反方向上流动电流的一对被测量导体的任一方中流动的电流的电流测量装置，包括：
3个三轴磁传感器，被以预先规定的位置关系配置，使得各个磁敏方向相互平行；以及
运算单元，基于所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，在排除了由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场的影响后，求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
2.如权利要求1所述电流测量装置，
所述运算单元包括：
磁场估计单元，使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，估计由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场；
距离估计单元，使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，估计所述3个三轴磁传感器的至少一个相对于所述被测量导体任一方的距离；以及
电流计算单元，基于由所述距离估计单元估计出的距离、和从由所述距离估计单元估计出距离的三轴磁传感器的检测结果减去由所述磁场估计单元估计出的磁场所得的值，求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
3.如权利要求2所述的电流测量装置，
由所述磁场估计单元估计的磁场是，在由所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场视为近似均匀地作用于所述3个三轴磁传感器的情况下的磁场。
4.如权利要求1至权利要求3的任意一项所述的电流测量装置，
所述运算单元还包括：
噪声除去单元，其除去被包含在所述3个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量，
所述运算单元使用由所述噪声除去单元除去了噪声分量的所述3个三轴磁传感器的检测结果，求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
5.如权利要求4所述的电流测量装置，
所述噪声除去单元通过对每个预先规定的固定期间得到的、所述3个三轴磁传感器的检测结果的各个检测结果，单独进行平均处理或平方和的平方根处理，分别除去被包含在所述3个三轴磁传感器的检测结果中的噪声分量。
6.如权利要求1所述的电流测量装置，包括：
传感器头，其包括所述3个三轴磁传感器；以及
电路单元，其包括所述运算单元。
7.如权利要求1所述的电流测量装置，
表示所述3个三轴磁传感器的检测结果的信号为数字信号。
8.一种电流测量方法，其为由电流测量装置执行的电流测量方法，所述电流测量装置包括3个三轴磁传感器和运算单元，测量在相互相反方向上流动电流的一对被测量导体的任一方中流动的电流，
在该电流测量方法中，
基于被以预先规定的位置关系配置而使得各个磁敏方向相互平行的所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，在排除了由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场的影响后，通过所述运算单元求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
9.如权利要求8所述的电流测量方法，
所述运算单元包括磁场估计单元、距离估计单元和电流计算单元，
使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，通过所述磁场估计单元估计由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场，
使用所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，通过所述距离估计单元估计所述3个三轴磁传感器的至少一个相对于所述被测量导体任一方的距离，
基于由所述距离估计单元估计出的距离、和从由所述距离估计单元估计出距离的三轴磁传感器的检测结果减去由所述磁场估计单元估计出的磁场所得的值，通过所述电流计算单元求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
10.一种计算机可读取的非暂时性记录介质，其为记录了使电流测量装置执行的一个以上的程序的计算机可读取的非暂时性记录介质，所述电流测量装置包括3个三轴磁传感器和运算单元，测量在相互相反方向上流动电流的一对被测量导体的任一方中流动的电流，在该程序中，
基于被以预先规定的位置关系配置而使得各个磁敏方向相互平行的所述3个三轴磁传感器的检测结果和所述3个三轴磁传感器的位置关系，在排除了由在所述被测量导体的任另一方中流动的电流生成的磁场的影响后，通过所述运算单元求在所述被测量导体的任一方中流动的电流。
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