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発表・掲載日:2016/07/28

ポータブルなクランプ型精密電流計を開発

-高精度な直流電流計測が容易に-

ポイント

  • 60 Aまでの直流電流をクランプ型センサーで精密に測定できるポータブル電流計を開発
  • センサー部での誤差要因を自動検知・補正することで高精度化を実現
  • 電気自動車の開発やデータセンターの消費電力モニタリングなどでの利用に期待


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)物理計測標準研究部門【研究部門長 中村 安宏】 応用電気標準研究グループ 堂前 篤志 主任研究員、量子電気標準研究グループ 金子 晋久 研究グループ長と、株式会社 寺田電機製作所【代表取締役社長 寺田 義之】(以下「寺田電機」という)は共同で、60 Aまでの直流電流をクランプ型の電流センサーで精密に測定できるポータブル電流計を開発した。

 電気機器の研究開発や電気設備の運用では電流計測が重要であり、電気配線への取付け・取外しが容易なクランプ型の電流センサーが広く使用されている。しかし、クランプ型の電流センサーは、取扱いが簡便である反面、使用環境の影響を受けて誤差が生じてしまうため、測定精度に限界があった。特に近年、直流による給電(直流給電)が進んでいるが、直流の電流測定の際にその問題は顕著であった。

 今回、新たな構造の直流電流用クランプ型センサーと直流電流計を開発し、測定値の誤差を自動検知・補正する機能を付加して測定精度を大幅に向上させた。さらに、小型化・省電力化を進めて、電池駆動で持ち運び可能な電流計を実現した。

 今回開発した電流計を電気設備の工事現場や電気自動車の開発現場、大規模な直流給電が行われるデータセンターなどで用いることで、容易に高精度な直流電流計測が可能となる。今後、工事現場や開発現場における不具合の早期発見による安心・安全・信頼の向上、データセンターでの電力モニタリング精度向上によるさらなる省エネの推進への貢献が期待される。

今回開発したポータブル電流計(3 ch型、 縦406 mm×横499 mm×高さ192 mm、 重さ 約8.2 kg)の写真
今回開発したポータブル電流計(3 ch型、 縦406 mm×横499 mm×高さ192 mm、 重さ 約8.2 kg)


開発の社会的背景

 太陽光発電や燃料電池に代表される分散型電源や、電気自動車などの、直流の電気を利用する機器の普及が進んでいる。また、データセンターでは電力消費量削減のために直流給電の導入が進んでいる。このようなシーンで電気を効率的に利用するには、簡便に直流電流を精密測定できる電流計が必要とされている。また、直流電流計には、持ち運び可能で、商用コンセントが利用できない車内や工事現場のような環境でも使用できる利便性への要求も高まっている。

 一方で、簡便に直流電流を測定できるクランプ型の電流センサーでは、使用環境の影響によってセンサー部で生じる誤差が問題となっていた。

研究の経緯

 産総研では、電気計測の基準となる国家計量標準を開発・維持すると共に、それらの開発で培った精密計測技術を活用して、高精度なセンサーや計測装置の開発およびセンサーや計測装置を評価する技術の研究開発を行っている。

 一方、寺田電機は、通信設備や電気設備に関連する計測機器の開発・製造を行っており高い技術力をもっている。

 今回、産総研と寺田電機は、直流の電気を効率的に利用するための新たな計測ニーズに応えるため、簡便で高精度の直流電流計の研究開発に共同で取り組んだ。

研究の内容

 電流が流れると、その周囲には磁界が生じる。この磁界の大きさに応じた電気信号を出力するホール素子を利用すれば、非接触で直流電流を測定できる。しかし、この原理を利用した従来型のクランプ型直流電流センサーは、ホール素子のオフセットとその変動やセンサー部の磁化(着磁)による誤差が生じるため、高精度測定は困難であった。

 そこで、電流計のクランプ型センサー部分に、着磁を検知し消磁を自動で行う機能や、ホール素子出力のオフセットとその変動を検知し補正する機能を開発、付加した(図1)。

今回開発した直流電流用クランプ型センサーの構造図
図1 今回開発した直流電流用クランプ型センサーの構造

 これらの機能を担う部分の小型化を進め、アタッシェケース(縦 406mm、 横 499 mm、 高さ 192 mm)内に上述の機能を備えた精密電流計を実装した。センサーを含めた電流計全体の重量は約8.2 kgであり、容易に持ち運びできる。また、省電力化にも取り組み、商用コンセントが利用できない車内や工事現場のような環境でも使えるよう、内部バッテリーにより最大4時間の駆動を可能にした。

 図2は今回開発したポータブル精密電流計と従来型の電流計を用いて、それぞれの測定誤差の評価を行った実験結果の一例である。このような評価実験を積み上げ、最終的に開発したポータブル精密電流計の測定精度を0.1 %程度と評価した。これは従来型と比べて約10倍の精度向上にあたる。

今回開発した電流計と従来型の電流計における測定誤差の評価例の図
図2 今回開発した電流計と従来型の電流計における測定誤差の評価例

今後の予定

 産総研と寺田電機は、今回、共同で開発したポータブル精密電流計の製品化を目指す。また、ポータブル精密電流計開発で培った技術を他の測定器へも応用していく予定である。



用語の説明

◆クランプ型の電流センサー
電流を測定する場合、一般的には電気配線を切断して、その切断した部分に電流センサーや測定器を挿入して測定する必要がある。クランプ型の電流センサーは、電気配線を切断しないで、電気配線を挟み込むだけで電流を測定できる。[参照元へ戻る]
◆データセンター
IT機器などを集約して設置・運用するための施設。情報処理需要の増大に伴う電力消費量の急増が課題となっている。[参照元へ戻る]
◆ホール素子、オフセット
磁石や電流などによって磁気がはたらく空間(磁界)が生じる。この磁界の大きさに応じた電気信号を出力する素子のひとつにホール素子がある。試料中を流れる電流に垂直方向の磁界を印加すると、電流と磁界の双方に直交する方向に起電力が生じる現象(ホール効果)を利用している。
ホール素子では、磁界のないときに出力信号がゼロであるのが理想である。しかしながら、実際のホール素子にはオフセットと呼ばれるゼロではない信号が発生し、これが電流計測において誤差が発生する要因となる。[参照元へ戻る]
◆着磁、消磁
着磁は、磁界に反応する物質(磁性体)に外部から磁界が加えられることによって、その磁性体が全体として磁石となる現象。消磁は着磁した磁性体を全体として磁気を帯びていない状態にすること。[参照元へ戻る]



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