JP2002513943A - 高精度で広い帯域を有するａｃ電流センサー - Google Patents

高精度で広い帯域を有するａｃ電流センサー

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JP2002513943A JP2000547491A JP2000547491A JP2002513943A JP 2002513943 A JP2002513943 A JP 2002513943A JP 2000547491 A JP2000547491 A JP 2000547491A JP 2000547491 A JP2000547491 A JP 2000547491A JP 2002513943 A JP2002513943 A JP 2002513943A
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クステラ，ダニエル
グッドウィン，ショーン
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エアパックス コーポレーション，エル．エル．シー．
クステラ，ダニエル
グッドウィン，ショーン
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Abstract

(57)【要約】 インダクティブ・センサーの出力を処理する方法および装置であって、当該インダクティブ・センサーの出力が積分装置で積分され、少なくとも二つのゼロを有する伝達関数と、当該ゼロより上の特性周波数を有する少なくとも三つの極とを有し、前記ゼロより大きい前記極の数を有し、積分が、当該極の特性周波数より上の周波数で実行され、 上記極より下の周波数で、低い周波数ノイズが実質的に拒否されることを特徴とする方法および装置。前記インダクティブ・センサーは、例えば、ロゴスキー・コイルであってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導結合された電流センサーのフィールド、特に、高精度で広い帯
域を有するロゴスキー・コイル・タイプの電流センサー用の出力回路における改
良に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ロゴスキー・コイル・ベースの電流センサーは、電流センサーとして使用され
ることで知られている。このロゴスキー電流変圧器またはコイルは、簡単に言う
と、二次側が軽く負荷された（殆どオープンな状態の）エア・コイル電流変圧器
である。ロゴスキー・コイルは、電力消費が低く、帯域が広く、複雑性が低く、
ヒステリシス・エラーが無く、飽和などの問題(エア・コア）が無いという周知の
利点を提供する。
【０００３】 代表的なロゴスキー・コイル・ベースの電流センサーでは、エア・コア変圧器
が形成され、測定対象のＡＣ電流を出力コイルと磁気的に結合させる。一次側、
即ち、通常１巻線コイルは、二次側に結合され、その両方は、共通のコイル巻型
周辺で巻線され、この電流の第1の微分に比例する二次側における電圧を誘導す
る。ロゴスキー・コイルは、通常、トロイダル・コア巻型の上で形成される。一
次側のループにおける電流は、二次側のループに連続的に結合され、上記の通り
、軽く負荷されるので、二次側のループの出力は、一次側のループにおける電流
波形を正確に表している。変圧器の二次側は、ダンピング・ネットワークに電気
的に結合され、その出力は、ＡＣ電流波形に対応する波形を生成するために積分
される。
【０００４】 図１に、周知の電流感知システムのブロック図を示す。ロゴスキー電流変圧器
は、絶縁コイル巻型の上で巻線される。単一層と共に巻線されるコイルは、ルー
プ周辺の各巻線がピッチ毎に前進することによって発生する寄生的な巻線を形成
する。この巻線の影響を排除するため、反対側にも巻線を一回分施し、コイルの
断面中心に埋設する。単一層と共に巻線されたコイルは、複数の層により、巻線
の容量が増え、このためコイルの使用可能な帯域を減少させるので好ましい。寄
生的な容量は、排除用巻線と、巻線との間で単一の層構成においても、存在する
。
【０００５】 図２に、図１の一つおよび二つのブロックを模式的に表わしたものを示す。測
定対象の電流は、単一巻線による一次巻線における電流である。ダンピング・ネ
ットワークとは、電流における急速な変化が発生するときのコイルの応答を減衰
させるために使用される。コイル伝達関数の二番目の性質については、ロゴスキ
ー・コイルの模式的な表示と、図３に示すダンピング・ネットワークに示す。表
示回路は、ロゴスキー・コイルの振舞いを概算する。回路内のインダクターは、
コイルの磁化インダクタンスであり、その容量は、上述する排除用巻線の寄生的
な容量である。電圧ソースは、一次電流の存在により二次側に導入される電圧を
表わす。一次側電流ipの関数として導入された電圧、コイル巻型の高さh、二次
側の巻線数Ns、コイル巻型の内径riおよび外径ro、および空気の浸透性μ0は、
以下の式で表わされる。
【０００６】
【数１】
【０００７】 このように、式１は、ロゴスキー・コイルの出力を定義する。導入された電圧
の式は、当該電圧が、一次電流の微分に比例することを示す。従って、この出力
は、一次電力の周波数または振幅が増加するにつれて増加する。従って、このコ
イルの出力は、一次電流の波形を再構築するために積分される。
【０００８】 Rdの値は、臨界減衰が、（コイルの出力に装着された回路の入力インピーダン
スとの組み合わせで）達成されるように選ばれる。コイルの過剰減衰の結果、セ
ンサーの帯域における実質的な低下が発生する。
【０００９】 図４に、ロゴスキー・コイル内で見られる、基本的なアクティブ反転積分装置
を示す。この積分装置は、動作アンプと、抵抗器と、コンデンサーとで構成され
る。市販の統合型回路の動作アンプは、（V/√HzまたはA/√Hzにおける)電圧お
よび電流ノイズ・スペクトル密度を有し、それぞれのデータ・シートに指定され
る。統合型回路の動作アンプのノイズ・スペクトルは、通常、図５に示す特性を
有する。１／ｆコーナー周波数を下回る領域は、所謂フリッカー・ノイズ（１／
ｆノイズ）によって支配される。１／ｆコーナー周波数を上回る領域は、ショッ
ト・ノイズによって支配され、白のスペクトル密度を有する。一方、１／ｆコー
ナー周波数を上回る領域は、低ノイズ動作アンプの場合、通常、１ヘルツ〜１キ
ロヘルツの範囲となる。
【００１０】 基本的なアクティブ反転積分装置は、補償抵抗器図４に示すRCompensateなし
で使用する場合、伝達関数の大きさが、図６における固体トレースとして現れる
。破線は、補償抵抗器が含まれるときの伝達関数における変化を表わす。補償抵
抗器なしで実装された積分装置は、式２，３，４それぞれに示す極周波数、統一
ゲイン周波数、低周波数ゲインなどの特性を有する。
【００１１】
【数２】
【００１２】 式中、Aolは、図６に示す通り、動作アンプのオープン・ループ電圧ゲインで
あり、Ａvlowは、プラトー・エリアとして概略図示される、ｄｃおよび低電圧ゲ
インであり、ｆpは、極周波数であり、ｆσは、統一ゲイン交差周波数である。
【００１３】 高精度および広帯域の電流センサーを実装するこの種の積分装置を使用する場
合、数多くの欠点がある。 第一に、低周波数でのゲインは、動作アンプの極端
に大きなオープン・ループ・ゲインと等しい。動作アンプの電圧および電流ノイ
ズが、低周波数で最大となる。従って、出力ノイズは、このゲインによって増幅
されるので大きくなる。第二に、動作アンプの入力オフセット電圧、およびバイ
アス電流により発生した入力電圧も、オープン・ループ・ゲインによって乗算さ
れる。このため、アンプが飽和状態になる。このアンプが、ゼロにオフセットさ
れると、熱によるドリフトにより、アンプが飽和状態になる。
【００１４】 先行技術では、a prioriとして知られる場合、電流がゼロに交わるとき、積分
装置を周期的にゼロにリセットする積分コンデンサーの向かい側にスイッチを追
加してもよいことを教示している。例えば、引用によって本明細書に明示的に組
み込まれる第５，８１５，３９１号の図４Ａを参照する。これにより、飽和の問
題は解消される可能性があるが、最大誤差を越える前にどれくらい長く積分装置
が動作できるかについては限度がある。このため、高精度の低周波数（６０ヘル
ツ）信号を積分するのは非実用的である。
【００１５】 従って、先行技術では、補償抵抗器RCompensateの使用を教示している。基本
的な反転積分装置は、補償抵抗器と共に実装され、対応する極周波数、統一ゲイ
ン交差周波数、および低周波数ゲインは、それぞれ、式５，６，７に示す通りと
なる。
【００１６】
【数３】
【００１７】 この積分装置における補償抵抗器を使用する場合、特に高精度および広帯域の
電流センサーの実装において欠点がある。この補償された積分装置の出力ノイズ
が、より低いにも拘らず、低周波数で低下したゲインのため、極周波数の位置は
、（補償抵抗器なしの積分装置と比較して）同じ積分コンデンサーの値に対して
高くなる。約１％の範囲内の精度を達成するためには、積分対象の最大周波数（
例えば、６０ヘルツ）は、極周波数よりも何倍も高くする必要がある。このため
、低周波数減衰をどの程度使用するかに関しては、一定の制限がある。その結果
、出力ノイズが高くなる。一方、極周波数を低下させることによって、これを補
償するために積分コンデンサーを大型化すると、結果的には動作用の対象周波数
におけるゲインが非常に低くなる。このため、積分装置への入力信号を増やすだ
けの物理的な大きさのロゴスキー・コイルが必要となる。
【００１８】 図１０に、この問題の解決策としてRay W.F.およびDavis R.M.著、「広帯域ロ
ゴスキー電流トランスデューサ」、第１部、ロゴスキー・コイル、EPE Journal
、第３巻、第１号、１９９３年３月、５５〜５９ページから提唱された方法の概
略図を示す。この回路の伝達関数の大きさについては、図８に示す。この伝達関
数の形式は、以下の式で示される。
【００１９】
【数４】
【００２０】 この回路は、二つの一致した極と、ゼロとを有するように設計される。この位
相の結果、ＤＣでのゲインと低周波数とは、小さくすることができる。従って、
動作アンプの熱ドリフトに関連する積分装置の出力誤差は、著しく低減される。
また、動作アンプの入力ノイズに関連する積分装置出力誤差も、この低周波数減
衰のため、著しく低減される。しかし、この回路は、極周波数付近のゲインが高
くなるのを許容するため、（より大きな入力信号を生成するために）コイルを大
型化する必要はなくなる。また、このゲインが高ければ、ドライブ特性、例えば
、所定のセンサー範囲および帯域についての動作アンプ出力電流ドライブが低減
される。この設計は、不便さを無くさなければ達成されない。この場合、積分装
置の極およびゼロにより、（ロゴスキー・子入りによる位相シフト以外にも）有
害な位相シフト・エラーが存在する。しかし、この積分装置は、この位相誤差が
過剰にならないように設計することができる。
【００２１】 積分装置の精度を増すため、各極の配置は、測定される信号の最低周波数より
約６０倍低くする必要がある。この要件のほか、適切なＤＣおよび低周波数ゲイ
ンが得られれば、ゼロは、極よりもずっと低い周波数とする必要がある。この低
周波数ゼロの実現には、コンデンサーを大型化する必要がある。抵抗器の熱ノイ
ズによる出力誤差は、回路内の抵抗器が、１メガオームを下回るように維持され
ている場合は、無視してもよい。動作アンプのフィードバック・ループの"T"ネ
ットワークの使用により、C2の値を低減させることができる。従って、この回路
は、高精度で低位相シフトの低周波数信号を積分するために、ロゴスキー・コイ
ル・ベースの電流センサー用の積分装置としても適用可能である。
【００２２】 幅広い温度範囲に渡って、±１％未満の誤差の表示精度出力を得るためには、
動作アンプによる誤差を非常に小さくする必要があり、それに伴ってＤＣも小さ
くし、周波数ゲインも低下する。ここで、「表示精度」とは、電流センサーが５
０Ａと、５００Ａとの間の測定範囲と、１％の精度とを有する場合、誤差が、実
際の読み値の１％未満とならなければならないことを意味する。図１０に示すRa
y ＆ Davisの回路において、ＤＣおよび低周波数ゲインの低減は、コンデンサー
C2が大型化しなければならないことを意味するため、ゼロ周波数は、極周波数よ
りもずっと小さくなる。実際の実装において、これらの目標は、大型の電界コン
デンサーや多数のフィルム・コンデンサーが必要なC2の値によって達成される。
このような電界コンデンサーは、出力がバイポーラであるため、非分極化されね
ばならない。旋回コンデンサーの許容誤差およびドリフト特性が乏しい場合、積
分装置のノイズ減衰に悪影響を与える可能性がある。また、湿式電界コンデンサ
ーの寿命がフィルム・タイプに比べて短くなる。電界コンデンサーは、容量に関
しては広い許容誤差を有し、温度に関しては相対的に不安定となる。フィルム・
タイプ同様、タンタル・コンデンサーも、一般的に、同一の容量値の場合、湿式
電界コンデンサーよりも高価になる。
【００２３】 この様に、過去において、ロゴスキー・コイルを用いた電流センサーの実装の
不利点の幾つかは、大型の非分電解質や、積分回路において必要な非分極タンタ
ルコンデンサー、或いは、所望の性能を満たす多数のフィルム・コンデンサーの
使用を含んでいる。また、動作アンプによって極より下で生成される累積ノイズ
は、特に、動作アンプ内の熱ドリフトなど、ほかの誤差源が低減されるときは、
精度の高いセンサーに対するエラーの重要な要因となる可能性がある。これは、
１％未満の誤差が所望とされ、ほかの誤差源が低減された場合、図１０に示すRa
y ＆ Davisの回路にも当てはまる。また、例えば、この２つの構成品における熱
ドリフトにより、積分器コンデンサーC1および抵抗器R0による電流センサーの積
分装置出力に導入された累積誤差によって、この電流センサーの主力における誤
差が、ア１％の表示精度より大きくなる可能性がある。
【００２４】 また、引用によりその全てが本明細書に明示的に組み込まれる、Ray W.F.著、
「広帯域ロゴスキー電流トランスデューサ」第2部「積分装置」、EPE Journal,
第３巻、第２号、１９９３年６月、１１６〜１２２ページ。Ray W.F.およびMurr
ay K.D.著「電子回路における電流波形測定のためのロゴスキー・コイルの使用
」EPE Conf. Proc.（フローレンス）、第３巻、１９９１年、３７９〜３８３ペ
ージ。Ray W.F.「広帯域、高電流測定のためのロゴスキートランスデューサ」、
IEE,１９９４年、１０／１−１０／６ページ、およびPower Electronic Measure
ments Ltd. - world wide web site http://www.proweb.co.uk/-pemltd/intro.
htm; および米国特許第4,345,198号および第5,877,691号を参照されたい。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
通常、積分装置は、伝達関数におけるゼロの数よりも一つ多い極がある限り、
作成することができる。本発明による回路の伝達関数は、その伝達関数において
少なくとも二つのゼロを付与する。
【００２６】 このように、本発明は、積分装置の伝達関数における一つ以上の対の極および
ゼロを付与することにより、Ray ＆ Davisの積分装置への改良を行う。このよう
にして、通過帯域のピークと、相対的に平坦な低周波数性能との間のロールオフ
が急激になる一方、そのピークより大きな周波数での正常な積分伝達関数を付与
する。
【００２７】 このように、通常、低周波数性能、即ち、通過帯域が平坦な個所は、先行技術
と同様であるが、伝達関数におけるエキストラ・ゼロによる追加分の自由度のた
め、設計者の柔軟性により、ＤＣゲインを低減させることが許容される。更に、
積分関数の−２０デシベルのロールオフ特性も、先行技術と同様であり、積分関
数の実施に必要である。しかし、低周波数領域と、伝達関数における「ピーク」
との間では、本発明による設計により、先行技術の設計の１０毎に２０デシベル
と比較して、１０毎に４０デシベル（またはそれ以上）のロールオフを付与でき
る。この本発明による設計におけるロールオフの増加のため、積分装置の極周波
数(fp1, fp2, fp3)を下回り、特に最後のゼロ(fz2)と、最初の極(fp1)(図９参
照)との間のアンプなどのソースからの低周波数ノイズは、先行技術による設計
（図８参照）と比較すると、実質的に減衰している。
【００２８】 この設計によれば、ゼロ・コンデンサーのサイズは、二重の"T"ネットワーク
構成の使用により、Ray ＆ Davisの積分装置と比較すると、低減される。このピ
−ク出力ノイズ誤差は、ゼロ周波数を上回る周波数についての積分装置の伝達関
数における上昇がより急激になった場合に低減される。この回路の伝達関数の好
ましい実施例の大きさは、式９の大きさを概算し、図７に示される。
【００２９】
【数５】
【００３０】 この好ましい実施例によれば、三つの極と、二つのゼロとを含む積分装置を実
装する。この三つの極は、互いに一致するように設計される一方、二つのゼロも
、互いに一致する、即ち略ゼロになるように設計されている。Ray ＆ Davisの回
路において、ゲインは、ゼロ１０毎に＋２０デシベルとなる。この回路において
、ゲインは、ゼロに一致後１０毎に＋４０デシベルとなる。この結果、ピーク出
力ノイズは、Ray ＆ Davisの回路よりも低くなる。
【００３１】 注記によれば、同様に、より多くの極およびゼロを有する、より複雑な積分装
置を付与してもよい。本発明により、積分装置は、動作範囲において１０毎に−
２０デシベルの高周波数ロールオフを有するが、これは通常、ゼロの数よりも一
つ大きい極数を有する伝達関数の結果である。更に、上記各ゼロは、各種のゼロ
を下回る周波数を有する。通常、各極は、様々な状況で僅かに分離させたほうが
望ましいにも拘らず一致する。さらに、ゼロはそれらの極以下の周波数を持って
いる。同様に、各ゼロも、通常、低周波数ノイズを上回る周波数および熱ドリフ
トの時定数で一致するが、fz1およびfz2が僅かに変位する図９に示す通り、重ね
合わせる必要はない。
【００３２】 図７に示す伝達関数は、一つ以上の動作アンプを使用して実現することができ
るが、単一の動作アンプしか必要としない状況の方が、通常、より望ましい。図
１１に示す通り、好ましい積分装置は、単一の動作アンプと共に実装される。こ
の積分装置の伝達関数の大きさは、図９に示す通りで、以下の形態の伝達関数を
有する。
【００３３】
【数６】
【００３４】 この伝達関数は、ほかの回路構成によって実現することができると理解される
。上記三つの極は、互いに一致するように設計されている。上記２つのゼロは、
分割されている。これらのゼロ同士の分割度は、それほど大きくないので、図７
および図９の比較によって実証されるように、所望の伝達関数を概算する。
【００３５】 新しい積分回路としては、所要のコンデンサーの値を低減し、ピーク出力ノイ
ズを低減するものが提供される。金属化されたポリプロピレンなどのコンデンサ
ーは、良好な許容誤差特性およびドリフト特性を有し、現在使用可能である。こ
れらのコンデンサーは、寿命も長い。
【００３６】 少なくとも二つのゼロを有する所望の積分装置伝達関数を有する、本発明によ
る設計は、例えば、出力電圧対構成品の許容誤差およびドリフトの感度を低減す
ることができる多重動作アンプを使用するなど、多くの異なった方法で実現する
ことができる。
【００３７】 本発明によれば、微分された出力を生成するインダクティブ・センサーと、そ
の伝達関数において定義された、少なくとも一つのゼロおよび二つの極を有し、
一次容量出力誤差成分として反映された熱感度を有するコンデンサー、並びに一
次抵抗出力誤差成分として反映された熱感度を有する抵抗を有する積分装置とを
備えるインダクティブ・センサーであって、上記改良は、抵抗を定義する成分の
熱温度計数と概略的に同等および反対の熱温度計数を有する容量を備える成分を
付与する工程を備え、抵抗および容量を定義する成分は、同一温度に維持される
ことを特徴とするセンサーシステムを提供する。このセンサー・システムは、例
えば、約１％の表示精度よりも良好な幅広い温度範囲に渡り、原寸大の約１０〜
１００％の範囲、例えば、摂氏−４０度から摂氏＋８５度までの温度範囲に渡っ
て高精度を可能にする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の上記および更なる目的および利点は、以下の明細書、請求項、添付図
面を参照すれば、より明白となる。
【００３９】 好ましい実施例については、例示によって説明されていないが、同様の部材に
は同様の参照番号を付与する。
【００４０】 理論上の分析は、図１０に模式的に図示され、図８に図形表示される伝達関数
を有する、Ray ＆ Davisの回路、および図１１および図１２に模式的に示され、
図９に示す伝達関数を有する、本発明による回路の好ましい実施例の実装中に行
われる。分析の結果は、図１乃至図１０に示されるが、以下、詳細に説明する。
Ray & Davisの二つの異なった設計は、性能の違いを説明するために分析される
。公正な比較を行うため、三つの回路には、共通の設計パラメ−タが選択される
。三回の分析の全てに渡って、同一のロゴスキー・コイル電流センサーを用い、
同一の動作アンプ、即ちOPA177を使用する。
【００４１】 設計においては全て、同一の極周波数位置、即ち０．９ヘルツ、および同一の
DC／低周波数ゲインを共有する。Ray ＆ Davisによって示唆された回路に関する
「比較試験１」は、C2のサイズに関する制限なしで設計される場合、結果的には
、C2の値は、８４．５μFとなる。この場合、この回路は、本発明による設計と
、性能上殆ど比較可能である。「比較試験２」というタイトルのRay ＆ Davisに
よって示唆された回路は、コンデンサーC2が、本発明による回路における最大値
、即ち１1μFと等しくなるように作成された場合に発生する事柄を図示するため
に示される。この電流センサーは、摂氏−４０度、乃至摂氏＋８５度の範囲で動
作することを前提としている。これらの設計についての最大ピーク電流は、５０
０アンペアとする。表示精度範囲内の最小電流についての設計パラメ−タは、５
０アンペアであるが、通常、精度が高い場合、特に、臨界受動素子の熱補償に伴
い、より低い電流レベルまで延びる。
【００４２】 典型的な産業用の主要部分、ロゴスキー・コイル・センサーは、50ヘルツ乃至
２００キロヘルツの周波数の範囲に渡って有用である。
【００４３】 比較試験１（表1参照）におけるC2の値が大きくなると、非分極の電解式コン
デンサーを使用する必要がある。通常、金属化されたポリプロピレン・フィルム
・コンデンサー（または他に同様のフィルム・タイプのコンデンサー）が使用さ
れる場合、２２μｆより少ない容量値が必要である。表3に、（動作アンプおよ
び構成品に対する）熱ドリフトの影響を与える、これらセンサー全体の性能を示
す。設計スプレッドシートにより、それぞれの設計と、想定されたドリフト補償
方法の詳細を付与し、その結果として生じた性能を示す。
【００４４】 全ての表について、理論上の結果は、５０アンペアの最低設計電流を有する５
００Aセンサー用とする。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
【表５】
【００５０】
【表６】
【００５１】
【表７】
【００５２】
【表８】
【００５３】
【表９】
【００５４】
【表１０】
【００５５】 本発明による回路は、比較試験１の回路を幾分上回る動作を示す一方、使用さ
れるフィルム・タイプ・コンデンサーに十分な小ささのコンデンサーを必要とす
ることが判明である。
【００５６】 表４に誤差源の分類を示す。この表は、全ての設計における誤差の大きさは、
動作アンプの構成品の熱ドリフトおよび許容誤差およびドリフトの結果であるこ
とを示している。より高い周波数では、コイル減衰による誤差が、支配し始めて
いる。実際、動作アンプの熱ドリフトによって示された誤差は、この分析が、製
造業者のデータに記載された通常ドリフトよりも最大ドリフトの使用を前提とし
ているため、予想よりもずっと小さい。また、各設計では、可能な限り、１％の
許容誤差の構成品の使用を前提としている。表７に、R0によるC1の熱補償が、高
精度を得るのに重要であることを示す。この補償が線形補償を下回るまで改善さ
れ、非常に低い許容誤差をC1に選んだ場合、ピーク出力ノイズによる誤差が支配
し始める。表７に示され、スプレッドシートに更に記載されるように、この様な
補償は、実質的に同様の傾斜を有するが、反対の大きさ（すなわち、正の温度係
数、すなわちPTCを有する一構成品と、負の温度係数、すなわちNTCを有する他の
構成品）を有するC1およびR0を選ぶことにより達成することができる。容量構成
品、例えば、C1、および反対構成品、例えばR0は、慎重な回路基板レイアウトと
、ヒートシンクを一緒にすることにより、同一温度で維持すべきである。しかし
、このため、設計においては、通常、説明できない構成品の熱ドリフトにおける
不確実性があるため、完全な熱補償は行えない。（表7に示す通り、この様な熱
補償は、Ray ＆ Davisにより示唆された回路のC1とR0を整合させるのに有効であ
るので、誤差出力を顕著に低減させる。
【００５７】 本発明の態様は、その性能を向上させるため、Ray ＆ Davisの二極式積分装置
に適用してもよい。従って、本発明の一態様は、熱ドリフトを解消し、高精度、
例えば、摂氏−４０度から＋８５度までの温度範囲に渡って、ロゴスキー・コイ
ル電流センサー回路について、少なくとも実寸法の約10−100％の範囲に渡って
約１％を上回る表示精度を付与する積分装置構成品の熱ドリフトを提供すること
である。
【００５８】 表５に、本発明による回路が、Ray ＆ Davisの示唆した回路（比較試験１）の
ピーク出力ノイズよりも約３５％少ないピーク出力ノイズを有することを示す。
これにより、より少ない電流が、高精度で測定することが可能である。
【００５９】 センサーの帯域は、ロゴスキー・コイルのほか、使用中の動作アンプの駆動電
流およびスルー・レートにより制限される。ロゴスキー電流変圧器の帯域（−３
デシベル・ポイント）は、広いが、実際に使用可能な帯域は、高精度が所望され
る場合（ア１％未満）かなり小さくなる。これは、高周波数においては、コイル
の減衰が大きすぎるためである。急速な電流変化があれば、コイルの出力は、非
常に大きくなる。このため、コイルの出力時に遷移抑制装置を使用して、動作ア
ンプを高電圧による過剰な駆動または損傷から保護することを前提とする。
【００６０】 積分装置の構成品のほか、ＡＣ電流センサーにおけるほかの構成品も、温度ド
リフトによるシステム内への誤差の導入を避けるために十分配慮して選択しなけ
ればならない。例えば、ロゴスキー・コイルに選択される材料自体、コア巻型に
使用される材料の伸縮によって、受け入れがたい温度誤差の原因となる可能性が
ある。
【００６１】 ロゴスキー・コイルおよび積分装置のパラメ−タの選択は、状況によって変わ
るので、前述した好ましい設計は、本発明の範囲において制限されていると解釈
すべきでないと理解される。また、例えば、伝達関数におけるより多くのゼロの
内の三つを有する高次元フィルター構造を実装してもよいと理解される。更に、
スイッチの入ったコンデンサー素子など、離散時間フィルター構造を、積分装置
システムの全てまたは一部を実行するために使用してもよいと理解される。更に
また、自動的にゼロとなるアンプ、およびデジタル制御されたアンプを用いても
よい。
【００６２】 デジタル信号処理装置内では、積分関数を実行してもよい。この場合、一般的
に、アナログ信号条件化装置が、アナログ／デジタル変換機への入力を付与する
のに必要となり、このような信号条件化デバイスは、一般的に、上述および図５
に示すような低周波数ノイズに曝される。本発明によるシステムは、時間的に連
続また非連続的に、且つ必要に応じて、アナログまたは定量化された処理にも実
行してもよい。本発明の原理によれば、ロゴスキー・コイル・センサー出力の処
理において顕著な利点が得られる。
【００６３】 従って、本発明は、その精神および実質的な特徴から離れない限り、ほかの特
定の形態で実施してもよい。従って、本発明は、あらゆる点で例示および限定的
でないと考えられ、本発明の範囲は、前記の記載のほか添付した請求項によって
も示さる。従って、これら請求項の等価物の意味および範囲内に該当する変更は
全て、本明細書内に包含されることを意図する。本明細書で使用される「具備す
る」という言葉は、請求項に記載されたほかの部材の構造および／または機能と
一致しないほかの部材も含み、これらを含むことに限定されないと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロゴスキー・コイル電流センサー・タイプのシステムの模式図を示す
。
【図２】図１に示すシステムのロゴスキー・コイルおよびダンピング・ネット
ワークの一実施例の模式図を示す。
【図３】図２に示すシステムのロゴスキー・コイルおよびダンピング・ネット
ワークの一実施例の模式図についての別の表示を示す。
【図４】周知のアクティブ積分回路の模式図を示す。
【図５】典型的な動作アンプのノイズ密度プロット図を示す。
【図６】図４による積分装置の伝達関数を示す。
【図７】二つのゼロを重ね合わせ、三つの極を重ね合わせた本発明による改良
された積分装置の理想的な伝達関数を示す。
【図８】一つのゼロと、二つの極とを有する先行技術の積分装置の伝達関数を
示す。
【図９】二つの分離されたゼロと、三つの重ね合わされた極を有する、本発明
における改良された積分装置の伝達関数を示す。
【図１０】図８に記載されるような伝達関数を有する周知の積分装置の模式図
を示す。
【図１１】図９に記載されるような伝達関数を有する、本発明による積分装置
の簡略模式図を示す。
【図１２】図９に記載されるような伝達関数を有する、本発明による積分装置
の詳細模式図を示す。
【図１３】本発明により使用されるのに適切なロゴスキー・コイルの斜視図を
示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (71)出願人 グッドウィン，ショーン アメリカ合衆国 メリーランド州 21631， イースト ニュー マーケット，ベライア ロード 5610 (72)発明者 クステラ，ダニエル アメリカ合衆国 ニューヨーク州 11010， フランクリン スクエア，キャロライン アベニュー 52 (72)発明者 グッドウィン，ショーン アメリカ合衆国 メリーランド州 21631， イースト ニュー マーケット，ベライア ロード 5610 Ｆターム(参考） 2G035 AA03 AA06 AA13 AB07 AD18 AD19 AD20 AD32 AD54 AD65

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インダクティブ・センサー用の信号条件化回路であって、積分
    装置を具備し、前記積分装置は、１０毎に約−２０デシベルの減衰の高周波数帯
    域の応答を有する伝達関数と、周波数において近接した少なくとも三つの極によ
    って特徴付けられる中間周波数ピークと、１０毎に＋２０デシベルより大きい特
    性傾斜付きの実質的な帯域を有する前記極の周波数を下回る低周波数応答とを有
    することを特徴とする回路。
  2. 【請求項２】 請求項１の信号条件化回路において、該インダクティブ・セン
    サーは、回路内を流れる電流の大きさを感知することを特徴とする回路。
  3. 【請求項３】 請求項１の信号条件化回路において、該センサーは、ロゴスキ
    ー・コイルであることを特徴とする回路。
  4. 【請求項４】 請求項１の信号条件化回路において、前記各極は、実質的に重
    なり合っていることを特徴とする回路。
  5. 【請求項５】 請求項１の信号条件化回路において、該低周波数応答帯域は、
    １０毎に少なくとも＋４０デシベルの特性傾斜を有することを特徴とする回路。
  6. 【請求項６】 請求項１の信号条件化回路において、該積分装置は、二つのゼ
    ロと三つの極とを有するフィルター内に構成される、単一の動作アンプと共に実
    質的に実装されることを特徴とする回路。
  7. 【請求項７】 請求項１の信号条件化回路において、該積分装置は、二つのゼ
    ロと三つの極とを有するフィルター内に構成される、単一の動作アンプと共に実
    質的に実装され、該三つの極は、一致し、該二つのゼロは、変位していることを
    特徴とする回路。
  8. 【請求項８】 請求項１の信号条件化回路において、該積分装置は、フィード
    バック・ループ内に積分用コンデンサーを、すなわち、少なくとも二つの特性時
    定数を有する積分用回路と並列補償ネットワークを有する反転アンプとして構成
    されることを特徴とする回路。
  9. 【請求項９】 請求項１の信号条件化回路において、該積分装置は、該フィー
    ドバック・ループ内の積分用コンデンサーを有する反転アンプとして、補償ネッ
    トワークが、少なくとも２つの定義された"T"ネットワークを有する積分用コン
    デンサーと並列な状態で構成され、各々が、少なくとも一つのコンデンサーと、
    少なくとも一つの抵抗器とで構成されることを特徴とする回路。
  10. 【請求項１０】 請求項１の信号条件化回路において、前記積分装置は、実寸法
    の約１０−１００％から約１％より高い表示精度を有することを特徴とする回路
    。
  11. 【請求項１１】 微分された出力を生成するインダクティブ・センサーと、積分
    装置とを具備するセンサー・システムにおいて、該システムの改良は、少なくと
    も三つの極のセットより低い特性周波数を有する少なくとも二つのゼロのセット
    、すなわち、前記ゼロよりも多くの数の前記極を有する前記積分装置の伝達関数
    を付与する手段を備えることを特徴とするシステム。
  12. 【請求項１２】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該インダクティブ
    ・センサーは、電気回路内を流れる電流の大きさを感知することを特徴とするシ
    ステム。
  13. 【請求項１３】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該センサーは、ロ
    ゴスキー・コイルであることを特徴とするシステム。
  14. 【請求項１４】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該少なくとも三つ
    の極は、実質的に重なり合っていることを特徴とするシステム。
  15. 【請求項１５】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該積分装置は、単
    一の動作アンプと共に実質的に実装され、二つのゼロと三つの極とを有するフィ
    ルター内に構成されることを特徴とするシステム。
  16. 【請求項１６】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該積分装置は、二
    つのゼロと三つの極とを有するフィルター内に構成される、単一の動作アンプと
    共に実質的に実装され、該三つの極は、一致し、該二つのゼロは、変位している
    ことを特徴とするシステム。
  17. 【請求項１７】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該積分装置は、フ
    ィードバック・ループ内に積分用コンデンサーを、すなわち、少なくとも二つの
    特性時定数を有する積分用回路と並列補償ネットワークを有する反転アンプとし
    て構成されることを特徴とするシステム。
  18. 【請求項１８】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、該フィードバック
    ・ループ内に積分用コンデンサーを有する反転アンプとして、補償ネットワーク
    が少なくとも２つの定義された"T"ネットワークを有する積分用コンデンサーと
    並列な状態で構成され、各々が、少なくとも一つのコンデンサーと、少なくとも
    一つの抵抗器とで構成されることを特徴とするシステム。
  19. 【請求項１９】 請求項１１のセンサー・システムにおいて、前記積分装置は、
    実寸法の約１０〜１００％から約１％より高い表示精度を有することを特徴とす
    るシステム。
  20. 【請求項２０】 インダクティブ・センサーの出力を処理する方法であって、少
    なくとも二つのゼロと、該少なくともゼロを上回る特性周波数とを有する、少な
    くとも三つの極とを用い、前記ゼロより多くの数の前記極を有する伝達関数を用
    いたインダクティブ・センサーの出力を積分する工程を備え、少なくとも三つの
    極の特性周波数を上回る周波数で、積分が実行され、少なくとも三つの極を下回
    る周波数で、低周波数ノイズが拒否されることを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０の方法において、該インダクティブ・センサーは、
    ロゴスキー・コイルであることを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２０の方法において、該積分は、関連する抵抗器コンデ
    ンサー・ネットワークを有するアナログ積分装置によって実行されることを特徴
    とする方法。
  23. 【請求項２３】 請求項１９の方法において、該少なくとも三つの極は、重なり
    合っていることを特徴とする方法。
  24. 【請求項２４】 微分された出力を生成するインダクティブ・センサーと、少な
    くとも一つの定義されたゼロ、および二つの定義された極を伝達関数内に有し、
    熱感度を一次容量出力誤差成分として反映させた容量、並びに熱感度を一次抵抗
    出力誤差成分として反映させた抵抗とを有する容量とを備えるセンサー・システ
    ムであって、該改良は、該抵抗を定義する構成品の熱温度係数と概略同等か、そ
    れと対抗する熱温度係数を有する容量を有する構成品を付与する手段を備え、該
    抵抗および容量を定義した該構成品は、同一温度で維持されることを特徴とする
    システム。
  25. 【請求項２５】 請求項２４によるセンサー・システムにおいて、前記容量構成
    品は、フィルム・コンデンサーであることを特徴とするシステム。
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