JP2006343175A - Magnetic field measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送電系や家電機器などから放射される磁界を測定する磁界測定装置に関し、さらに詳しく言えば、検出された磁束密度や曝露量などの実効値を演算する実効値演算手段に関するものである。 The present invention relates to a magnetic field measurement device that measures a magnetic field radiated from a power transmission system, home appliances, and the like, and more specifically, relates to an effective value calculation unit that calculates an effective value such as a detected magnetic flux density and an exposure amount. is there.
送電線やトランス、それに人体が日常的に接する電子レンジ,パソコンのディスプレイなどの家電機器からも、きわめて広い周波数帯域の磁界(電磁界)が不特定方向に放射されており、近年、これら磁界の人体に対する悪影響が懸念されている。 Magnetic fields (electromagnetic fields) in an extremely wide frequency band are radiated in unspecified directions from household electrical appliances such as power lines, transformers, microwave ovens, and personal computer displays that are in daily contact with the human body. There are concerns about adverse effects on the human body.
そこで、国際非電離放射線防護委員会(International Commission on Non−Ionizing Radiation Protection;略称ICNIRP)から、1998年4月に「時間変化する電界,磁界及び電磁界による曝露を制限するためのガイドライン(300GHzまで)」が示され、このガイドラインには、職業的曝露と公衆の曝露の各曝露モードについての参考レベルが記載されている。 Therefore, the International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection; abbreviation ICNIRP) announced in April 1998 that “Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields and electromagnetic fields (up to 300 GHz). ) ”, And the guideline provides reference levels for each mode of occupational and public exposure.
なお、低周波領域の磁界の参考レベルは、周波数により限度値が大きく変わるため、電気機器が発生する磁界周波数が広帯域の場合、測定値をそのまま参考レベルと照合することができない。そのため、参考レベルと照合ができるようにするため、周波数に対する重み付け関数により、測定磁界を例えば50Hzもしくは60Hzなどの基準周波数に正規化する方法を標準の評価方法として規定し、これを時間領域評価(Time domain evalution)と呼んでいる。 Note that since the reference value of the magnetic field in the low frequency region varies greatly depending on the frequency, when the magnetic field frequency generated by the electrical device is a wide band, the measured value cannot be directly compared with the reference level. Therefore, in order to be able to collate with the reference level, a method for normalizing the measurement magnetic field to a reference frequency such as 50 Hz or 60 Hz, for example, by a weighting function for the frequency is defined as a standard evaluation method. It is called Time domain evaluation).
また、スエーデンの雇用者連盟所有のTCO Developmentが管轄するオフィス機器の安全性や人間工学(エルゴノミクス),電磁界放射,省エネルギー,環境に関する国際的な総合規格であるTCO(最新版TCO ’03FPD)のA4エミッション;A4.3の交流磁界測定には、モニタ画面に対する要求事項として、
(低域):5Hz〜2kHz;正面30/50cm,≦200nT
(高域):2kHz〜400kHz;正面30cm及び周囲50cm,≦25nT
と規定されている(単位はテスラで、1テスラ(T)=104ガウス(G))。
In addition, TCO (the latest version of TCO '03FPD), an international integrated standard for the safety, ergonomics, electromagnetic radiation, energy saving, and environment of office equipment under the jurisdiction of TCO Development owned by the Swedish Employers' Federation. A4 emissions; A4.3 AC magnetic field measurement, as a requirement for the monitor screen,
(Low frequency): 5 Hz to 2 kHz; front 30/50 cm, ≦ 200 nT
(High region): 2 kHz to 400 kHz; 30 cm in front and 50 cm in circumference, ≦ 25 nT
Is defined as (units of Tesla, 1 Tesla (T) = 10 4 gauss (G)).
このうち、上記ICNIRPのガイドラインに示されている参考レベル(以下、ICNIRPの参考レベルという。)に基づいて、被測定磁界の曝露量を測定する曝露量測定装置が特許文献1に記載されている。 Among these, Patent Document 1 discloses an exposure amount measuring apparatus that measures the exposure amount of a magnetic field to be measured based on a reference level (hereinafter referred to as an ICNIRP reference level) indicated in the ICNIRP guidelines. .
ICNIRPの参考レベルでは、一例として、周波数10Hz以上,400kHz以下の周波数帯域について、磁束密度B(曝露量)が低周波数域および高周波数域では周波数に反比例して低くなり、その中間周波数域では周波数にかかわらずほぼ一定となるように規定されている。 At the reference level of ICNIRP, as an example, the magnetic flux density B (exposure amount) is low in the low frequency range and the high frequency range in the frequency range of 10 Hz to 400 kHz, and is low in the intermediate frequency range. Regardless of whether it is specified to be almost constant.
そのため、特許文献1に記載の曝露量測定装置では、ICNIRPの参考レベルの逆数からなる評価フィルタを用いる。すなわち、磁界検出手段で検出したX軸成分,Y軸成分,Z軸成分の磁界強度に比例した振幅の検出信号を上記評価フィルタにとおすことにより、磁界の周波数にかかわらずほぼ一定振幅の出力信号を得、この出力信号をA/D変換したデジタルデータにより曝露量を算出するようにしている。 Therefore, the exposure amount measuring apparatus described in Patent Document 1 uses an evaluation filter composed of the reciprocal of the reference level of ICNIRP. That is, an output signal having a substantially constant amplitude regardless of the frequency of the magnetic field is obtained by passing a detection signal having an amplitude proportional to the magnetic field strength of the X-axis component, the Y-axis component, and the Z-axis component detected by the magnetic field detection means. The exposure amount is calculated from digital data obtained by A / D converting the output signal.
ところで、磁界は時間により変化するため、磁界測定においては、通常、測定値を実効値で表示し、また、実効値で所定の閾値と比較するようにしている。ちなみに、ICNIRPの参考レベルの値は実効値で規定されている。 By the way, since the magnetic field changes with time, in the magnetic field measurement, the measured value is usually displayed as an effective value and compared with a predetermined threshold value by the effective value. Incidentally, the value of the reference level of ICNIRP is defined by the effective value.
そのため、従来では、X軸成分,Y軸成分,Z軸成分の各々について高速サンプリングして瞬時値を得、それら瞬時値のサンプリングデータから各軸成分の実効値を求め、さらに各軸成分の実効値から合成実効値を求めるようにしている。 Therefore, conventionally, an X-axis component, a Y-axis component, and a Z-axis component are sampled at high speeds to obtain instantaneous values, the effective values of the respective axis components are obtained from the sampling data of the instantaneous values, and the effective values of the respective axis components are further determined. The composite effective value is obtained from the value.
例えば、X軸成分の瞬時値をXn1,Xn2,…XnNとすると、その実効値XnRMSは次式(1)により求められる。
同様にして求められるY軸成分およびZ軸成分の各実効値をYnRMS,ZnRMSとすると、X軸,Y軸,Z軸の合成実効値R(t)RMSは次式(2)により求められる。
しかしながら、この実効値演算には、例えば1MHz程度の高速サンプリングが必要とされ、また、瞬時値Xn,Yn,Znを得る際に3軸(X軸,Y軸,Z軸)のサンプリングの同時性が重要とされる。したがって、回路構成が大規模になり、また、消費電流も大きい。磁界測定装置の多くは、可搬式で電源を電池に求めているため、消費電流が大きいことは好ましくない。 However, this effective value calculation requires high-speed sampling of, for example, about 1 MHz, and sampling of three axes (X axis, Y axis, Z axis) when obtaining instantaneous values X n , Y n , Z n. Is important. Therefore, the circuit configuration becomes large and the current consumption is large. Many of the magnetic field measuring devices require a portable power source for the battery, so that it is not preferable that the current consumption be large.
したがって、本発明の課題は、高速サンプリングが不要であるため、回路構成が小規模でよく、また、消費電流も少なくて済む実効値演算手段を備えた磁界測定装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic field measuring apparatus provided with an effective value calculating means that requires a high-speed sampling and that requires a small circuit configuration and that consumes less current.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、被測定磁界の磁束密度に比例した電圧を出力する磁界センサと、上記磁界センサの出力電圧をデジタルデータに変換するA/D変換器と、上記デジタルデータに基づいて上記被測定磁界の所定パラメータの実効値を演算する演算制御手段とを含む磁界測定装置において、上記A/D変換器の前段に、上記磁界センサの出力電圧を実効値換算電圧に変換するRMS/DCコンバータを備えることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention provides a magnetic field sensor that outputs a voltage proportional to the magnetic flux density of a magnetic field to be measured, and an A / D converter that converts the output voltage of the magnetic field sensor into digital data. And a calculation control means for calculating an effective value of a predetermined parameter of the magnetic field to be measured based on the digital data, the output voltage of the magnetic field sensor is effectively output before the A / D converter. An RMS / DC converter for converting to a value converted voltage is provided.
請求項2に記載の発明は、上記請求項1において、上記RMS/DCコンバータに固有の積分時間Tbが、上記実効値の演算に必要な積分時間Taよりも短い場合において、上記演算制御手段は、上記積分時間Taに達するまで、上記RMS/DCコンバータから出力される上記実効値換算電圧のデジタルデータを取り込み、その後に実効値を算出することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, when the integration time Tb inherent to the RMS / DC converter is shorter than the integration time Ta required for the calculation of the effective value, the calculation control means Until the integration time Ta is reached, the effective value converted voltage digital data output from the RMS / DC converter is taken in, and then the effective value is calculated.
請求項3に記載の発明は、上記請求項1または2において、上記磁界センサにはX軸コイル,Y軸コイル,Z軸コイルの3つのコイルが含まれ、その各々の測定系に上記RMS/DCコンバータが含まれ、上記各コイルの出力電圧が上記RMS/DCコンバータにより実効値換算電圧に変換されるとともに、上記A/D変換器によりデジタルデータに変換され、上記演算制御手段は、上記各コイルのデジタルデータの2乗平均の平方根により、上記被測定磁界の合成実効値を算出することを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the magnetic field sensor includes three coils of an X-axis coil, a Y-axis coil, and a Z-axis coil, and the RMS / A DC converter is included, and the output voltage of each coil is converted into an effective value converted voltage by the RMS / DC converter and converted into digital data by the A / D converter. The combined effective value of the magnetic field to be measured is calculated from the square root of the root mean square of the digital data of the coil.
請求項4に記載の発明は、上記請求項1ないし3のいずれか1項において、上記被測定磁界の所定パラメータが、磁束密度および/または評価フィルタを経た曝露量であることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the predetermined parameter of the magnetic field to be measured is a magnetic flux density and / or an exposure amount that has passed through an evaluation filter.
請求項1に記載の発明によれば、磁界センサの出力電圧がRMS/DCコンバータにより実効値換算電圧に変換されるため、サンプリング回数が上記従来例に比べて1/Nで済むことになる。このように、高速サンプリングが不要であるため、回路構成は小規模となり、また、消費電流も少なくなる。 According to the first aspect of the present invention, since the output voltage of the magnetic field sensor is converted into an effective value converted voltage by the RMS / DC converter, the number of samplings can be reduced to 1 / N compared to the conventional example. Thus, since high-speed sampling is not required, the circuit configuration becomes small and current consumption is reduced.
RMS/DCコンバータは固有の積分時間(積分区間)Tbを有する。その積分時間Tbが実効値の演算に必要な積分時間Ta(通常は1秒間)よりも短い場合、演算制御手段は、積分時間Taに達するまでRMS/DCコンバータから出力される実効値換算電圧のデジタルデータを取り込み、その後に実効値を算出するようにした請求項2に記載の発明によれば、RMS/DCコンバータ固有の積分時間Tbを定数倍で任意に設定することができる。したがって、RMS/DCコンバータを支障なく実効値演算に適用することができる。 The RMS / DC converter has a unique integration time (integration interval) Tb. When the integration time Tb is shorter than the integration time Ta (usually 1 second) necessary for the calculation of the effective value, the operation control means determines the effective value converted voltage output from the RMS / DC converter until the integration time Ta is reached. According to the second aspect of the present invention in which digital data is taken in and an effective value is calculated thereafter, the integration time Tb unique to the RMS / DC converter can be arbitrarily set by a constant multiple. Therefore, the RMS / DC converter can be applied to the effective value calculation without any trouble.
磁界センサにはX軸コイル,Y軸コイル,Z軸コイルの3つのコイルが含まれ、その各々の測定系にRMS/DCコンバータを備え、各コイルの出力電圧がRMS/DCコンバータにより実効値換算電圧に変換されるとともに、A/D変換器によりデジタルデータに変換され、演算制御手段は、各コイルのデジタルデータの2乗平均の平方根により、被測定磁界の合成実効値を算出する請求項3に記載の発明によれば、大量のデータを処理することなく、被測定磁界の合成実効値を求めることができる。 The magnetic field sensor includes three coils, an X-axis coil, a Y-axis coil, and a Z-axis coil, each of which has an RMS / DC converter, and the output voltage of each coil is converted into an effective value by the RMS / DC converter. 4. The voltage is converted into digital data by an A / D converter, and the arithmetic control means calculates a combined effective value of the magnetic field to be measured based on the square root of the root mean square of the digital data of each coil. According to the invention described in (1), the combined effective value of the magnetic field to be measured can be obtained without processing a large amount of data.
また、請求項4に記載の発明によれば、被測定磁界の所定パラメータが磁束密度および/または評価フィルタを経た曝露量であることにより、TCO規格による磁束密度測定およびICNIRPのガイドラインに沿った曝露量測定を行うことができる。 According to the invention described in claim 4, since the predetermined parameter of the magnetic field to be measured is the magnetic flux density and / or the exposure amount that has passed through the evaluation filter, the magnetic flux density measurement according to the TCO standard and the exposure according to the ICNIRP guidelines Quantity measurements can be made.
次に、図1および図2により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図1は本発明による磁界測定装置の回路構成を模式的に示すブロック図,図2は実効値演算のステップを示すフローチャートである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited to this. FIG. 1 is a block diagram schematically showing a circuit configuration of a magnetic field measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a flowchart showing steps of effective value calculation.
図1に示すように、この磁界測定装置10は、磁界センサとして磁界検出用のコイル11を備える。この例では、コイル11には、X軸コイル11x,Y軸コイル11y,Z軸コイル11zの3つのコイルが含まれる。これら3つのコイル11x,11y,11zは、図示しない球形状のセンサ筐体内に、好ましくは中心点を共有して相互に直交する平面内に配置される。以下の説明において、特に軸が問われない場合には単にコイル11という。なお、コイルに代えてホール素子などの磁電変換素子が用いられてもよい。
As shown in FIG. 1, the magnetic
X,Y,Zの各軸の測定系ごとに、積分器12x,12y,12z(特に軸が問われない場合には単に積分器12という),RMS/DCコンバータ13x,13y,13z(特に軸が問われない場合には単にRMS/DCコンバータ13という)およびA/D変換器14x,14y,14z(特に軸が問われない場合には単にA/D変換器14という)を備え、コイル11の出力電圧は、積分器12,RMS/DCコンバータ13およびA/D変換器14を介して例えばマイクロコンピュータからなる演算制御手段15に与えられる。
For each measurement system of the X, Y, and Z axes,
ここで、コイル11の出力電圧V1は、
V1=k・B・N・f(kは定数,Bは磁束密度,Nは巻数,fは周波数)
によって表され、ピークの磁束密度Bが一定の場合であっても、周波数fに比例して大きくなるという微分特性を有する。
Here, the output voltage V1 of the
V1 = k · B · N · f (k is a constant, B is a magnetic flux density, N is the number of turns, and f is a frequency)
Even when the peak magnetic flux density B is constant, it has a differential characteristic of increasing in proportion to the frequency f.
積分器(CR積分器)21は、コイル11の出力電圧V1を平坦化するために用いられる。すなわち、積分器21の出力電圧V2は、
V2=1/CR∫V1dt(CRは積分定数)
で表され、周波数とともに出力が低下するため、コイル11の出力電圧V1は積分器21の周波数効果により平坦化され、磁束密度に比例した電圧が得られる。
The integrator (CR integrator) 21 is used to flatten the output voltage V1 of the
V2 = 1 / CR∫V1dt (CR is an integral constant)
Since the output decreases with frequency, the output voltage V1 of the
RMS/DCコンバータ(Root Mean Squared value to Direct Current converter)13は、積分器21の出力電圧V2を2乗して、その平均値をとり、さらに平方根をとった値に等しい実効値換算電圧を出力する。 An RMS / DC converter (Root Mean Squared to Direct Current converter) 13 squares the output voltage V2 of the integrator 21, takes an average value thereof, and outputs an effective value conversion voltage equal to a value obtained by taking the square root. To do.
X軸を例にして、そのRMS/DCコンバータ13xから出力される実効値換算電圧を説明する。時刻tでの瞬時値をX(t),実効値(実効値換算電圧)をX(t)RMSとすると、実効値X(t)RMSは次式(3)で示される(なお、TbはRMS/DCコンバータ固有の積分時間(積分区間)で、nはサンプリング回数の変数である)。
Y軸,Z軸についても、同様にしてRMS/DCコンバータ13y,13zから実効値Y(t)RMS,Z(t)RMSが出力され、これらの各実効値X(t)RMS,Y(t)RMS,Z(t)RMSがそれぞれA/D変換器14x,14y,14zにてデジタルデータに変換され演算制御手段15に与えられる。
For the Y-axis and the Z-axis, RMS values DC (t) RMS and Z (t) RMS are output from the RMS /
演算制御手段15は、各実効値X(t)RMS,Y(t)RMS,Z(t)RMS(デジタル値)により、√{(X(t)RMS)2+(Y(t)RMS)2+(Z(t)RMS)2}なる演算を行って合成実効値R(t)RMSを算出する。そして、図示しない操作部からの表示指示にしたがって、合成実効値R(t)RMS,各実効値X(t)RMS,Y(t)RMS,Z(t)RMSなどを表示部16に表示する。
The
このように、本発明によれば、コイル11から出力される測定電圧をRMS/DCコンバータ13にて実効値に換算しているため、上記従来例のように高速サンプリングが不要であり、そのサンプリング回数は上記従来例に比べて1/N回で済む。したがって、回路構成が小規模でよく、また、消費電流も少なくすることができる。さらには、演算制御手段15は、合成実効値R(t)RMSのみを算出すればよく、計算回数も少なくなる。
Thus, according to the present invention, since the measured voltage output from the
なお、例えば積分器12とRMS/DCコンバータ13との間に、ICNIRPの参考レベルの逆数からなる時間領域評価法による評価フィルタを入れることにより、ICNIRPのガイドラインに沿った曝露量測定を行うことができる。
For example, by inserting an evaluation filter based on the time domain evaluation method consisting of the reciprocal of the reference level of ICNIRP between the
また、例えば積分器12とRMS/DCコンバータ13との間に、ハイパスフィルタとローパスフィルタを並列的に入れることにより、TCO磁束密度測定で規定されている5Hz〜2kHz帯の低域測定と、2kHz〜400kHz帯の高域測定とを行うことができる。
Further, for example, by inserting a high-pass filter and a low-pass filter in parallel between the
ところで、磁界測定で実効値を算出する場合、通常、その積分時間(Taとする)は1秒間とされているが、RMS/DCコンバータ13は固有の積分時間(積分区間)を有し、その積分時間Tbは任意に変えることができない。
By the way, when the effective value is calculated by the magnetic field measurement, the integration time (Ta) is normally set to 1 second, but the RMS /
一般的に、RMS/DCコンバータ13の積分時間Tbは、実効値の算出に要する積分時間Taよりも短い。そこで、本発明では、次のようにしてRMS/DCコンバータ13の積分時間Tbを定数倍で任意に設定できるようにしている。
Generally, the integration time Tb of the RMS /
X軸の測定系を例にして説明する。まず、RMS/DCコンバータ13に入力される時刻tにおける瞬時値をX(t),RMS/DCコンバータ13にて変換された実効値をXnRMSとする。また、実際にサンプリングを行う回数をN,その変数をn(ただし、1≦n≦N)とすると、実効値をXnRMSは次式(4)で表される。
式(4)の平方根を開くと、式(4)を次式(5)に変換することができる。
式(5)の積分方程式は、{XnRMS}2を1〜Nまで順次加算していくことを意味しているため、式(5)を次式(6)に書き直すことができる。
次に、式(6)の両辺に1/N・Tbを乗じると、次式(7)が得られる。
これにより、[t−NTb]の区間での実効値X(t)RMSは、次式(8)で表される。
式(8)からわかるように、RMS/DCコンバータ13の実際の積分時間はN×Tbとなり、N倍長くなる。一例として、RMS/DCコンバータ13の1回あたりのサンプリング時間が2.5mSであるとすると、そのサンプリング回数(N)を400回とすることにより、実効値の算出に要する積分時間の1Sとすることができる。
As can be seen from equation (8), the actual integration time of the RMS /
Y軸,Z軸についても同様であり、瞬時値ごとの合成実効値RnRMSは次式(9)により求められ、積分時間(N×Tb)にわたる合成実効値R(t)RMSは次式(10)により求められる。
実際の実効値演算は、演算制御手段15により行われ、その演算処理の概略的なフローチャートを図2に示す。これについて簡単に説明を加えると、X軸,Y軸,Z軸の3軸について、RMS/DCコンバータ13にて実効値に換算され、A/D変換器14にてA/D変換されたデータを2乗し、その2乗値を実効値の算出に要する積分時間(例えば1S)に達するまで加算して2乗和を得る。しかるのち、その2乗和から各軸(X軸,Y軸,Z軸)の実効値を算出し、さらに各軸の実効値から合成実効値を求める。
The actual effective value calculation is performed by the calculation control means 15, and a schematic flowchart of the calculation process is shown in FIG. This will be briefly described. Data obtained by converting the three axes of the X axis, the Y axis, and the Z axis into effective values by the RMS /
11(11x,11y,11z) コイル
12(12x,12y,12z) 積分器
13(13x,13y,13z) RMS/DCコンバータ
14(14x,14y,14z) A/D変換器
15 演算制御手段
16 表示器
11 (11x, 11y, 11z) Coil 12 (12x, 12y, 12z) Integrator 13 (13x, 13y, 13z) RMS / DC converter 14 (14x, 14y, 14z) A /
Claims (4)
上記A/D変換器の前段に、上記磁界センサの出力電圧を実効値換算電圧に変換するRMS/DCコンバータを備えることを特徴とする磁界測定装置。 A magnetic field sensor that outputs a voltage proportional to the magnetic flux density of the magnetic field to be measured, an A / D converter that converts the output voltage of the magnetic field sensor into digital data, and a predetermined parameter of the magnetic field to be measured based on the digital data In a magnetic field measuring apparatus including a calculation control means for calculating an effective value,
A magnetic field measuring apparatus comprising an RMS / DC converter for converting an output voltage of the magnetic field sensor into an effective value converted voltage in a preceding stage of the A / D converter.
The magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein the predetermined parameter of the magnetic field to be measured is a magnetic flux density and / or an exposure amount that has passed through an evaluation filter.
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