(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ秒パルス期間の高電圧パルスの測定用の容量性分圧器であって、
該容量性分圧器は、直列接続された少なくとも２つのコンデンサ（Ｃ１及びＣ２）のカスケードから構成された容量性高電圧分圧器（Ｃ１，Ｃ２）と、同様に直列接続された少なくとも２つの別のコンデンサ（Ｃ３及びＣ４）のカスケードから構成された測定分圧器（Ｃ３，Ｃ４）とから構成されており、
容量性高電圧分圧器（Ｃ１，Ｃ２）のうち電位が高い方のコンデンサ（Ｃ１）は、誘電質媒体（１）内にカプセル化して設けられており、
前記少なくとも２つの別のコンデンサのうち電位が低い方のコンデンサ（Ｃ４）は同様に基準電位に接続されており、この電位が低い方のコンデンサ（Ｃ４）では、オーム入力抵抗（Ｒ２）を有する測定機器用の測定信号が取り出される
容量性分圧器において、
オーム抵抗（Ｒ１）は、測定分圧器（Ｃ３，Ｃ４）のうち電位が高い方のコンデンサ（Ｃ３）を橋絡し、前記オーム抵抗（Ｒ１）は、前記測定分圧器（Ｃ３，Ｃ４）のうち基準電位に接続された方のコンデンサ（Ｃ４）と、測定機器の入力抵抗（Ｒ２）との積と、前記測定分圧器（Ｃ３，Ｃ４）のうち電位が高い方のコンデンサ（Ｃ３）と前記橋絡抵抗（Ｒ１）との積の比が１よりも大きく、
1.1＜(C4×R2)/(C3×R1)＜1.15
である
ことを特徴とする分圧器。
【請求項２】
容量性高電圧分圧器（Ｃ１，Ｃ２）のうち電位が高い方のコンデンサ（Ｃ１）又は前記高電圧分圧器（Ｃ１，Ｃ２）の全体は、圧力下又は圧力下にない誘電質媒体（１）内に設けられている請求項１記載の分圧器。
【請求項３】
誘電質媒体（１）はオイルである請求項１記載の分圧器。
【請求項４】
誘電質媒体（１）は絶縁性ガスである請求項１記載の分圧器。
【請求項５】
誘電質媒体（１）は射出成型樹脂である請求項１記載の分圧器。
【請求項６】
測定分圧器（Ｃ３，Ｃ４）の両コンデンサ（Ｃ３及びＣ４）の共通電位点には、抵抗（Ｒ３）の一方の端子が接続されており、該抵抗（Ｒ３）の他方の端子は測定機器入力側に接続されている請求項２から４迄の何れか１記載の分圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ミリ秒パルス期間の高電圧パルスの測定用の容量性分圧器に関する。
【０００２】
高電圧パルスをナノ及びマイクロ秒領域で測定するために、簡単な容量性分圧器が利用されている。そのような従来技術の高電圧分圧器は、大抵は少なくとも１つの円筒状コンデンサから構成されており、このコンデンサは、所定圧力下の絶縁ガス又は絶縁オイル内に設けられている。高電圧分圧器の低電圧部分は、所要の分圧比Ｋに依存して、高電圧部分（約Ｋ＜１００）と同じ空間内か、又はそれとは別個に（約Ｋ≧１００）構成することができる。量産されたコンデンサによると、分圧器は、１つの形式又は他の形式で標準的に構成されている。
【０００３】
高電圧及び低電圧部分内の容量性分圧器を空間的に別個の構成形式で構成した場合、誘電体の加熱によりキャパシタンスが頻繁に変化する状況で使用されることがあり、それに対して、共通の誘電体内にカプセル化すると、キャパシタンス比Ｃ１／Ｃ２は実際上変化せず、つまり、Ｃ１／Ｃ２は一定のままである。測定誤差は、温度が変化する際、数パーセントにもなることがある。キャパシタンスが温度に依存するという、この問題点は、空間的に別個に構成する以外に有効に回避することは到底できない。
【０００４】
文献からは、容量性分圧器が公知であり（Ｇ．Ｋｕｐｅｒｍａｎ他、”Ｈｏｃｈｌｅｉｓｔｕｎｇｓ−ｐｒａｅｚｉｓｉｏｎｓ−Ｉｍｐｕｌｓｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｍｉｔ ｅｉｎｅｒ Ｋｕｎｓｔｌｅｉｔｕｎｇ ｉｎ ｄｅｎ Ｖａｒｉｏｍｅｔｅｒｎ”， Ａｋａｄｅｍｉｅ ｄｅｒ Ｗｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ ｄｅｒ ＵｄＳＳＲ， Ｖｅｒｓｕｃｈｅｉｎｒｉｃｈｔｕｎｇｅｎ ｕｎｄ −ｔｅｃｈｎｉｋ， Ｂａｎｄ ３， Ｍｏｓｋａｕ １９８５）、その高電圧分圧器は、直列接続されたコンデンサＣ１及びＣ２の縦続接続体から構成されている。コンデンサＣ１及びＣ２は、変圧器油内に全て入れられており、そうすることにより、上述の温度の作用を被らないようにすることができる。測定分圧器は、直列接続された２つのコンデンサＣ３及びＣ４から構成されており、コンデンサＣ３及びＣ４は、コンデンサＣ２の電位が高いコンタクトに接触接続されている。両コンデンサＣ３とＣ４との間の電位は、入力抵抗Ｒ４を有する測定機器、例えば、オシロスコープに接続されている。高電圧分圧器での低電圧部分Ｃ２のキャパシタンスが、測定分圧器内の上のコンデンサＣ３のキャパシタンスよりも著しく大きい、つまり、Ｃ３≪Ｃ２の場合、分圧比
Ｋ≒（（Ｃ２＋Ｃ３）＊Ｃ４）／（Ｃ１＊Ｃ３）
が得られる。
【０００５】
そのように構成された高電圧分圧器は、簡単、高い信頼度があり、且つ、温度安定性が大きい。高電圧パルスの測定のためには、マイクロ秒及びナノ秒領域の持続時間が適しているが、しかし、ミリ秒領域内での測定用には適していない。その理由は、１．５ｍｓｅｃパルスの終りで、例えば、１５％以上もの測定誤差を被ることがあり、それは受容し得ないからである。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許公開第４１４０５０６号公報からは、周波数領域の大きな高電圧走査ヘッド（Ｈｏｃｈｓｐａｎｎｕｎｇｓａｂｔａｓｔｋｏｐｆ）が公知である。測定装置は、コンデンサの、高電圧カスケードと測定カスケードとからなる容量性分圧器から構成されており、その際、測定カスケードは、高電圧カスケードの最も低いコンデンサから取り出されており、更に、測定カスケードの最も低いコンデンサから取り出された電圧信号は、測定機器に供給される。測定カスケード内のポテンシャルの高いコンデンサは、同軸ケーブル用の最適な端子を達成するために、橋絡抵抗を有しており、その抵抗は、その波動インピーダンスと同じ抵抗、つまり、５０Ωである。抵抗を、このような大きさに選定すると、信号線路用の純粋な終端機能が得られる。それにより得られる測定信号の、高電圧パルスに比例して分周された真の信号からの偏差は、殊にｍｓｅｃ領域内では著しく使用不可能、且つ、制御及び監視用には最早使用不可能である。
【０００７】
従って、本発明が基づく課題は、ミリ秒領域内のパルス期間の高電圧パルスの時間経過特性を正確に測定することにある。
【０００８】
本発明によると、この課題は、請求項１の上位概念及び特徴要件により解決される。従来技術から公知の、ナノ及びマイクロ秒領域に適した容量性分圧器は、簡単且つ高い信頼度があり、回路技術上簡単な手段によって僅かなコストで比較的大きな時間窓用に変更することができる。ミリ秒領域のパルス期間の高電圧パルスも正確に測定するという目的は、オーム抵抗Ｒ１は、測定分圧器のうち電位が高い方のコンデンサを橋絡し、オーム抵抗は、測定分圧器のうち基準電位に接続された方のコンデンサと、測定機器の入力抵抗との積と、測定分圧器のうち電位が高い方のコンデンサと橋絡抵抗との積の比が１よりも大きく、
１．１＜（Ｃ４×Ｒ２）／（Ｃ３×Ｒ１）＜１．１５
であるようにして解決される。つまり、オーム抵抗Ｒ１をコンデンサＣ３に並列接続し、オーム抵抗を適切に回路定数選定するのである。この手段により、構成部品の回路定数選定に応じて、現在約２±７．５％の、ミリ秒領域のパルス期間での電圧測定の精度は、現在の従来技術により構成された容量性高電圧分圧器の温度安定度を維持しつつ、±０．０２％以下に迄改善することができる。
代表的な抵抗Ｒ２は、その可能な回路技術上の構成体で示されている。それは、測定技術上必然であるように構成される。その際、特徴の最後の部分は、高電圧パルスの急速な電圧上昇中、不所望な振動を抑制するための回路技術上の手段も構成し、即ち、測定機器入力側への出力側での同軸線路と接続されたオーム抵抗Ｒ３の直列接続部である。
【０００９】
従属請求項２には、高電圧カスケードは、少なくとも電位が最も低いコンデンサに至る迄誘電体内に形成されることが特徴として示されており、その際、従属請求項３から５に、各々高電圧分圧器のカスケードをカプセル化したり、誘電体で取り囲んだりするといった、広く普及している技術が特徴として示されている。液状又はガス状で、小型の構成形式及び高い所要電圧強度で圧力下に設置することができる。
【００１０】
高電圧パルスの電圧が急速に上昇する間、不所望な振動を抑制するための回路技術手段が、請求項６に特徴として記載されており、即ち、測定機器の入力側に接続された出力側にオーム抵抗Ｒ３を前に接続するのである。
【００１１】
そのように構成した分圧器の利点は、矩形状の高電圧パルスの印加後の最初の瞬間に、測定機器又は測定増幅器の入力側の電圧が、高電圧分圧器内のキャパシタンスの比によって決められる点にある。ミリ秒期間の矩形パルスの終端電圧の測定精度は、測定分圧器内の高いポテンシャルのコンデンサを橋絡する抵抗の回路定数選定により、所定オーダー改善される。
【００１２】
以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際：
図１は、ミリ秒パルス期間用に改善された容量性分圧器を示す図、
図２は、ナノ及びマイクロ秒領域のパルス期間用の公知の容量性分圧器を示す図、
図３は、最適化された分圧器に矩形状の高電圧パルスを印加した際のオシロスコープの電圧の時間経過特性を示す図
である。
【００１３】
高電圧分圧器の高電圧部分Ｃ１（図１）は、１つのコンデンサ又は電圧強度に応じて少なくとも２つの直列接続されたコンデンサＣ１から構成されており、この単数又は複数のコンデンサは、通常のように、圧力下の絶縁ガス又は絶縁油、例えば、変圧器油又はそれ以外の適切な絶縁媒体内に設けられている。低電圧部分Ｃ２は、例えば、平板コンデンサであり、このコンデンサは、高電圧部分Ｃ１と同じ空間内に収容されている。従って、高電圧分圧器のカスケードＣ１，Ｃ２には、同じ温度の周囲環境が形成され、それによって、温度の影響が及ぼされないようにすることができる。
【００１４】
測定分圧器は、順次連続して接続された、量産されたコンデンサＣ３及びＣ４のカスケードから構成されており、このコンデンサＣ３及びＣ４は、高電圧分圧器と同様に、Ｃ１及びＣ２の共通電位点及び基準電位、ここではアース電位に終端している。分圧器は、原理的には、ナノ及びマイクロ秒パルス期間に適した古典的な、図２のような純粋な容量性分圧器から構成されており、抵抗Ｒ１（補正抵抗）の並列回路が単にＣ３になる。その際、橋絡抵抗Ｒ１は、測定分圧器Ｃ３，Ｃ４のコンデンサＣ４のキャパシタンスと入力抵抗Ｒ４との積と、測定分圧器Ｃ３，Ｃ４のコンデンサＣ３のキャパシタンスと橋絡抵抗Ｒ１との積との比が、１．１から１．１５の間である、つまり、
１．１＜（Ｃ４×Ｒ２）／（Ｃ３×Ｒ１）＜１．１５
であり、その際、代表的な抵抗Ｒ２は、測定機器の入力抵抗と、それに対して並列接続された補正抵抗Ｒ５との並列回路にしてもよい。つまり、抵抗Ｒ２は、測定機器への入力抵抗、又は、補正抵抗Ｒ５と測定機器Ｒ４の入力抵抗とからなる並列回路を示す。
【００１５】
分圧器について、以下詳細に分析して考察し、その有用性及び利点について明らかに説明する。このために、測定の実際の構成について更に簡単に説明して、パラメータの形成について明らかにする：Ｃ４のキャパシタンスは、正確には、下側の測定分圧器Ｃ３，Ｃ４のキャパシタンス及び同軸ケーブル２のキャパシタンス並びに測定機器乃至ここではオシロスコープの入力側のキャパシタンスを表す。並列抵抗Ｒ５、同様に分圧器を簡単に同調して測定精度を同時に向上させるための補正抵抗、並びに、急な電圧変化時（例えば、矩形パルスの上昇縁）の振動を減衰するための直列抵抗Ｒ３は、抵抗Ｒ２によって表されている。印加された高電圧は、矩形状の経過を有しており、この電圧は、１００ｋＶに上昇し、上昇及び下降時間がゼロと見なすことができる限り、このレベルのままにされる。
【００１６】
総合的には、以下の式の電圧が得られる：
Ｕ（ｐ）＝（ａ＋ｂｐ）／（ｐ２＋ｍｐ＋ｎ）
但し、
ａ＝１０５Ｃ１／［Ｒ１Ｃ３（Ｃ４＋Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｒ１Ｃ４（Ｃ１＋Ｃ２）］
ｂ＝１０５Ｃ１Ｃ３／［Ｃ３（Ｃ４＋Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｃ４（Ｃ１＋Ｃ２］
ｍ＝［Ｒ１（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）＋Ｒ２（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ４）］／｛Ｒ１Ｒ２［Ｃ３（Ｃ４＋Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｃ４（Ｃ１＋Ｃ２）］｝
ｎ＝１／｛Ｒ１Ｒ２［Ｃ３（Ｃ４＋Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｃ４（Ｃ１＋Ｃ２）］｝
時間領域に戻すと、以下の電圧が得られる：
Ｕ（ｔ）＝ｅ−αｔ（ａ−ｂα）／（β−α）−ｅ−βｔ（ａ−ｂβ）／（β−α）
但し、
α＝０．５ｍ−（０．２５ｍ２−ｎ）０．５  及び
β＝０．５ｍ−（０．２５ｍ２−ｎ）０．５
更に、構成部品の設計の際、例えば、以下の回路定数セットを求めることができる：
Ｃ１＝１２．４×１０−１２Ｆ
Ｃ２＝９００×１０−１２Ｆ
Ｃ３＝９４×１０−１２Ｆ
Ｃ４＝２２．８×１０−９Ｆ
Ｒ１＝８４×１０６Ω
Ｒ２＝３８５．４×１０３Ω
分圧器の出力側での時間電圧経過特性は、この回路定数例の場合に、以下の最適な時間経過特性を有している：
Ｕ（ｔ）＝５．７１＊ｅ−１１．７９ｔ−０．６９＊ｅ−１１２．９ｔ
最大値が形成される。本来の一定電圧経過特性での最良の近似（チェビシェフ近似）が達成されるのは、以下の時である：
−パルス期間の時間間隔内に最大値があり、そして
−測定されたパルスの開始時の値と終了時の値とが等しい
場合である。
【００１７】
図３は、上述の値により回路定数選定された分圧器で取り出されるオシロスコープの測定電圧の時間経過特性を示す。１．４６ｍｓｅｃのパルス期間により、所要の最適な結果が達成される。誤差は、±０．０２％より大きくはない。従来技術によると、誤差は１５％（±７．５％）である。これは、２オーダー以上の改善である。
【００１８】
オシロスコープの入力側の電圧は、時間比が矩形状の入力パルスの終了時点で、回路定数選定により、パルス開始時点での電圧に等しいように調整することができる。更に、オシロスコープに矩形状の高電圧パルスが印加された際に測定されたパルス頂部の形状は、主として時定数Ｒ２Ｃ４によって決められない（Ｒ２は、コンデンサＣ４に対して並列な等価抵抗であり、この等価抵抗は、同軸ケーブル２から測定機器への抵抗及び測定機器の入力抵抗Ｒ４を示す）。寧ろ、パルス形状は、各コンデンサの各キャパシタンスの比と、各抵抗の比（Ｒ１／Ｒ２）から得られる。このことは、精度にとって重要である。つまり、時定数Ｒ２Ｃ４は、一般的に十分大きく選定することができないからである。
【００１９】
以下の表には、ミリ秒パルス期間の高電圧パルスの測定用の容量性分圧器の場合の例が示されている。
【００２０】
【表１】
0003589984.tif 000002
【００２１】
通常のように、クライストロン又はマグネトロンの１００ｋＶ以上のパルス電圧の監視時には、高電圧コンデンサＣ１のキャパシタンスは、約６〜１５ｐＦである。電子測定機器、例えば、オシロスコープの入力キャパシタンスは、通常２０〜３０ｐＦであり、入力抵抗は、１ＭΩである。ケーブルのキャパシタンスは、Ｃ４のキャパシタンスの中に一緒に含まれている。ここでは、１００ｍもの長さになることがある５０Ω同軸ケーブルを用いるとする。表からは、回路定数選定の作用が分かる：パルス頂部中の電圧変動は、限界±０．１％内になるように所定の構成部品回路定数が選定される。
【００２２】
分圧器内のコンデンサのキャパシタンスの回路定数選定は、所要の分圧比Ｋによって決められる。従って、測定分圧器Ｃ３，Ｃ４内の抵抗分Ｒ１の値及び測定分圧器に接続された装置の代表的な入力抵抗分Ｒ２を、測定電圧の形成のために自由に選定しさえすればよい。
【００２３】
これらを適切に選定することによって、変更された容量性分圧器を用いると、測定精度を、従来技術に較べて２〜３倍のオーダーだけ改善することができ、その際、温度安定性は維持され続ける。
【００２４】
原理的な回路技術手段のコストは、殆ど取るに足りない程度であり、他の回路定数選定により、ミリ秒領域内の他の時間窓に移行することができる。補足的に、同軸ケーブル２に、殊に定常状態の測定装置では通常の手段である抵抗Ｒ３（急激な電圧上昇時の振動の減衰）とＲ５（測定機器へのリード部の調整）とを接続することにより、若干改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミリ秒パルス期間用に改善された容量性分圧器を示す図
【図２】ナノ及びマイクロ秒領域のパルス期間用の公知の容量性分圧器を示す図
【図３】最適化された分圧器に矩形状の高電圧パルスを印加した際のオシロスコープの電圧の時間経過特性を示す図
【符号の説明】
１  誘電質媒体
２  同軸ケーブル
Ｃ１  コンデンサ
Ｃ３  コンデンサ
Ｃ４  コンデンサ
Ｒ１  抵抗
Ｒ２  抵抗
Ｒ３  抵抗
Ｒ４  入力抵抗
Ｒ５  補正抵抗
【図１】
0003589984.tif 000003
【図２】
0003589984.tif 000004
【図３】
0003589984.tif 000005