(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極（２）と、
前記電極（２）に電気的に接続された電位調整部（７）と
を用いて、オブジェクト（１）の電位（Ｕunbekannt）を非接触で求めるための装置（６）であって、
前記装置（６）は、第１の入力端（３ａ）と第２の入力端（３ｂ）と１つの出力端（５）とを有する増幅器（４）を備えており、
前記電極（２）は前記第１の入力端（３ａ）に電気的に接続されており、
前記電位調整部（７）は前記第２の入力端（３ｂ）に電気的に接続されており、
前記第１の入力端（３ａ）は前記出力端（５）に電気的に接続されており、
前記電位調整部（７）は、
前記電極（２）が前記オブジェクト（１）から距離（ｄ）を置いて配置されている場合、当該電極（２）と、参照電位を有する部材との間に流れる逆充電電流が消失する最終値（Ｕunbekannt）まで、当該電極（２）に生じている参照電位（Ｕref）を変化させ、
前記最終値（Ｕunbekannt）から前記オブジェクト（１）の電位（Ｕunbekannt）を求める
ように構成されており、
前記装置（６）はさらに、
第１の時点において前記電極（２）と前記オブジェクト（１）との間に電界（Ｅ）が形成され、第２の時点において当該電界（Ｅ）が、前記オブジェクト（１）と前記電極（２）との間に配置された電界遮蔽部により遮蔽されるように、当該電界遮蔽部（９）の配置を周期的に変化させるための装置
を有し、
前記電位調整部（７）により、前記オブジェクト（１）の時間的に一定の電位（Ｕunbekannt）を求めるように構成されており、
前記電界（Ｅ）が、前記電界遮蔽部（９）によってある遮蔽から次の遮蔽までの遮蔽されていない間に、前記参照電位（Ｕref）は前記最終値（Ｕunbekannt）まで変化する、装置（６）において、
前記電位調整部（７）は制御装置（８）を有し、
前記逆充電電流が消失する最終値（Ｕunbekannt）まで、前記電極（２）に生じている参照電位（Ｕref）を変化させるために、前記制御装置（８）は、
・前記出力端（５）における電位（Ｕout）を測定し、
・測定した前記電位（Ｕout）に依存して、前記出力端において測定される電位（Ｕout）の値の絶対値（｜Ｕout｜）が値０まで低減するように、前記第２の入力端（３ｂ）における参照電位（Ｕref）を調整する
ことを特徴とする、装置（６）。
【請求項２】
前記電位調整部（７）により、前記逆充電電流に基づいて前記電極（２）の荷電状態（Ｉ）の時間的変化が求められ、
求められた前記荷電状態（Ｉ）に依存して、前記最終値（Ｕunbekannt）に達したときに前記荷電状態（Ｉ）の時間的変化が消失するように、前記参照電位（Ｕref）を変化させる
ように構成されている、請求項１記載の装置（６）。
【請求項３】
前記電界遮蔽部（９）は前記第２の入力端（３ｂ）に電気的に接続されている、
請求項１または２に記載の装置（６）。
【請求項４】
前記電極（２）は、電界計および／または容量型分圧器に包含されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の装置（６）。
【請求項５】
オブジェクト（１）に流れる電流を非接触で求めるためのクランプメータ（１０）において、
請求項１から４までのいずれか１項記載の装置（６）と、評価ユニットとを有し、
前記評価ユニットは、前記クランプメータ（１０）により求められた電流の値と、前記装置（６）により求められた電位（Ｕunbekannt）の値とから、電力（Ｐ）を求めるように構成されている
ことを特徴とするクランプメータ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極を用いてオブジェクトの電位を非接触で求めるための装置に関する。本発明はまた、前記装置を備えたクランプメータにも関し、最後に、オブジェクトの電位を非接触で求める方法にも関する。
【０００２】
オブジェクトに流れる電流を非接触で測定することは公知である。この非接触測定は、誘導結合、ホール効果またはＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）効果を利用して行われる。しかし、非接触で電力を測定できるようにするためには、非接触電流測定の他に非接触電位測定手法も必要となる。この非接触電位測定、とりわけ高電圧の非接触電位測定は、とりわけスマートメータリング、スマートグリッドおよびレスポンスデマンド方式の分野において特に重要である。
【０００３】
そのための一手段として、いわゆる電界計がある。これは静電誘導現象を利用するものであり、これにより、求めた電界強度を用いて検出対象の電圧を推定することができる。しかしこれを実現するためには、電位検出対象であるオブジェクトと、電界計の測定電極との間の距離、および、当該測定電極とオブジェクトとの間の材料（誘電体）の測定容量が正確に既知でなければならない。電界計を用いて直流電圧も測定できるようにするためには通常、測定電極とオブジェクトとの間に、チョッパ（羽根車）の形態のシャッタ（電界遮蔽部）を挿入する。
【０００４】
純粋な交流電圧を求めるためには容量型分圧器を用いることも可能である。この容量型分圧器でも、参照電極と測定対象の電位との間の結合容量が既知でなければならない。
【０００５】
上記方法ないしは装置（電界計および容量型分圧器）は双方とも、測定対象の電圧との結合状態が正確に分かっていること、とりわけ、測定電極と測定対象との間の距離が正確に分かっていることを前提とする。それゆえ、上述の公知の手法は、一時的にのみ行われる測定プロセスや後付けの測定設備には向いていない。電界計および容量型分圧器は、正確な測定を実現するために固定的に設置され、使用環境において較正される。手持ち型測定装置の場合には、測定構成体の幾何学的条件および物性（伝送路絶縁部、空気、ガス、結露等）を正確に知っている必要がある。市販の電界計の場合、そのためにはたとえば特別なスペーサを使用する。しかしスペーサは、電気絶縁された伝送路の電位を求めるためには、スペーサを導電性材料に直接嵌めないので、距離を十分な精度で調整することができないという欠点を有する。さらに、絶縁材料の種類を考慮することはできない。公知の非接触電位測定手法の精度が不十分である場合には、通常は接触方式で測定を行わなければならない。
ＥＰ１２４９７０６Ａ２には、
導体を絶縁するための絶縁部の表面の一部を覆うことができる検出電極を有する検出センサと、
前記検出電極を覆うためのシールド電極と、
信号を出力するための振動子と
を用いて、当該導体に印加された交流電圧を測定するための非接触電圧測定方法が記載されており、シールドケーブルのコアケーブルおよび外被ケーブルの各一端はそれぞれ、前記検出電極ないしは前記シールド電極に接続されており、前記コアケーブルの他端と外被ケーブルの他端との間に仮想短絡状態を形成することにより、浮遊容量の影響が実質的に消失する。
ＷＯ２００８／００９９０６Ａ１には、
テスト中に設けられる試料と容量結合されて測定信号を生成するように設置された少なくとも１つの検出電極と、
前記測定信号の周波数に応じた周波数を有する振動子出力を生成するように配置された振動子と、
前記振動子出力に応答して、センサアンプの入力端にコヒーレントフィードバックを印加するためのフィードバック参照信号を生成するフィードバック装置と
を用いて、電位を求めるためのセンサが記載されている。
ＵＳ２００６／０５８６９４Ａ１には、入力検針対を備えた電気力学的センサが記載されており、当該入力検針対は、テスト対象であるオブジェクトにより生じた電位を検出して検出信号を生成するように構成されている。前記センサはさらに、増幅器を有する電位計を備えており、当該電位計は、前記検出信号を受信して測定信号を出力するように構成されている。
ＵＳ６５３１８８０Ｂ１には、ケーブルから出力された電界を検出するセンサを備えた非接触ケーブルテスタが記載されている。この非接触ケーブルテスタでは、センサ信号と所定の閾値とを比較することにより、ケーブルに流れる電気エネルギーを求める。
ＵＳ２００７／０８６１３０Ａ１には、第１の容量式電圧センサ群と第２の容量式電圧センサ群とを用いて、導体内の交流電圧を求める装置が記載されており、各容量式電圧センサ群はそれぞれ円形状に、前記導体を包囲するように設置される。
ＵＳ５４７３２４４Ａには、導体における電圧と電流と電力とを非接触で測定するための装置が開示されている。前記装置は、前記導体によって生成された電界に基づいてセンサ信号を生成するための複数の容量式センサを組み合わせた構成体を含む。前記装置では、前記複数の容量式センサのうちいずれかの電極を連続的に移動させることにより、導体内の直流電圧も検出することができる。
ＦＲ２９２４８１４Ａ、および、ＥＰ０３９８３９６Ａ２には、電圧を測定するためのシステムが記載されており、両システムとも、多相システムにおける電圧を検出するための複数の容量性センサを含む。
ＵＳ４６１１２０７Ａには、高電圧架線に設置できる環状の筐体を備えた電圧測定装置が開示されている。
【０００６】
本発明の課題は、当初は結合容量が未知である場合でも非接触電位測定を行うことができる方法および装置を実現することである。
【０００７】
前記課題は、請求項１に記載の構成を有する装置、請求項７に記載の構成を有するクランプメータ、および、請求項８の特徴を有する方法によって解決される。
【０００８】
本発明の装置は、オブジェクトの電位を非接触で求めるために構成されており、電極、および、当該電位に電気的に接続された電位調整部を有し、前記電位調整部は、前記電極が前記オブジェクトから離れている場合に、前記電極に生じている参照電位を、当該電極と、参照電位を有する部材との間に流れる逆充電電流が消失する最終値にまで変化させ、前記最終値からオブジェクトの電位を求めるように構成されている。前記装置はさらに、
第１の時点において前記電極と前記オブジェクトとの間に電界が形成され、第２の時点において当該電界が、前記オブジェクトと前記電極との間に配置された電界遮蔽部により遮蔽されるように、当該電界遮蔽部の配置を周期的に変化させるための装置
を有し、前記電位調整部により、前記オブジェクトの時間的に一定の電位を求めることが可能であるように構成されている。
【０００９】
電界の消失が測定されるときの最終値を知ることにより、求めるべき電位を直接推定することができる。このようにして、電極をとりわけ、電極とオブジェクトとの間の空間に電界が存在しなくなるギリギリの電位にまで上昇させる補償手法が実現される。この補償は、前記測定電極における電位をオブジェクトの検出対象の電圧まで引き上げることにより行うことができる。このように測定するためには、とりわけ、電極とオブジェクトとの間の間隔ないしは結合容量を知らなくても良くなり、間隔や誘電率を求めるという面倒なことを省略することができる。なおかつ、この測定方式は非常に高信頼性かつ高精度である。上述の補償に必要な電圧を電極に印加するのに必要な電力は最小限のみとなり、技術的な実用化を簡単に実現することができ、測定対象のオブジェクトに直接接触する必要がなくなる。このことにより、測定対象に加わるノイズないしは外乱は最小限となる。上記装置により、オブジェクトにアクセスするのが困難な場合でも、このオブジェクトの測定を行うことができる。
【００１０】
有利には前記電位調整部は、電極の荷電状態の時間的変化を求め、求められた前記荷電状態に依存して、前記最終値に達するときに当該荷電状態の時間的変化が消失するように前記参照電位を変化させるように構成される。前記荷電状態の時間的変化はとりわけ、前記電極と、参照電位を有する部材（参照電位キャリア）との間に流れる逆充電電流を測定することにより求めることができる。オブジェクトと電極との間に電界が存在しない場合には定常状態となっており、逆充電電流は流れなくなる。したがって、この逆充電電流を測定することにより、電極とオブジェクトとの間の電界を高信頼性で推定することができ、補償が必要なケースを非常に簡単に識別することができる。たとえば逆充電電流がゼロになった場合には、あとは、電極に印加されている電圧のみを測定ないしは読み出しすればよく、オブジェクトの電位が定まる。
【００１１】
有利には、前記装置は、第１の入力端と第２の入力端と１つの出力端とを有する増幅器を含み、前記電極は第１の入力端に電気的に接続されており、前記電位調整部は第２の入力端に電気的に接続されており、前記第１の入力端は出力端に電気的に接続されている。このような構成により、前記電極の参照電位を非常に簡単に調整できる、好適かつ実用化が簡単で複雑でない測定構成を実現することができ、オブジェクトの電位を特に高信頼性で測定することが可能となる。
【００１２】
有利には、前記電位調整部は制御装置を有し、この制御装置は、前記出力端における電位を測定し、測定されたこの電位に依存して、当該出力端にて測定された電位の値の絶対値が０の値まで低下するように、前記第２の入力端における参照電位を調整するように構成されている。前記出力端における電位の値はとりわけ、アースに対する電圧として測定することができる。上述のような制御装置により、参照電位がオブジェクトの電位値まで上昇するように、参照電位の現在の値を追従制御することができる。このようにして、高信頼性かつ非常に高速な測定手法が実現される。というのも、最終値に迅速に達するからである。
【００１３】
前記電界遮蔽部はとりわけ、シャッタおよび／または羽根車（チョッパ）の形態で構成することができる。上述のようにして、オブジェクトの直流電位を高信頼性で求めることができる。その際に有利なのは、前記電極に生じている参照電位を、前記電界遮蔽部による電界遮蔽の変化よりも格段に高速で変化させることである。つまり、測定頻度は羽根車の回転頻度より特に格段に多くなるということである。
【００１４】
その際に有利なのは、前記電界遮蔽部と第２の入力端とが電気的に接続されていることである。こうすると、電界遮蔽部はとりわけ前記電極と同じ参照電位を有することになるので、特に良好な電界自由度が実現され、オブジェクトの電位を正確に求めるための参照として高信頼性のバックグラウンドを実現することができる。
【００１５】
有利には、前記電極は電界計および／または容量型分圧器に包含されている。
【００１６】
本発明のクランプメータは、オブジェクトに流れる電流を非接触で求めるために使用され、本発明の装置と評価ユニットとを有し、当該評価ユニットは、前記クランプメータにより求められた電流の値と、前記装置により求められた電位の値とから、電力を求めるように構成されている。このような構成により、従来技術から公知である非接触電流測定用のクランプメータに、非接触電圧測定機能が追加される。このようにして、上述の構成の評価ユニットにより、非接触で求められた電流値と非接触で求められた電位値とから電力も非接触で求められるようになるので、格別な相乗的効果が奏される。しかも、電流測定でも電圧測定でも、クランプメータと被測定物との結合について正確に把握する必要がなくなる。また、完全に非接触の電力測定を行う装置が実現される。
【００１７】
本発明の方法はオブジェクトの電位を非接触で求めるためのものであり、以下のステップを有する：
・電極をオブジェクトから離隔させて設置するステップ
・前記電極を参照電位に接続するステップ
・前記電極（２）と、参照電位を有する部材との間に流れる逆充電電流が消失する最終値まで前記参照電位を変化させるステップ
・前記最終値を測定することにより前記オブジェクトの電位を求めるステップ
・第１の時点において前記電極と前記オブジェクトとの間に電界が形成され、第２の時点において当該電界が、前記オブジェクトと前記電極との間に配置された電界遮蔽部により遮蔽されるように、当該電界遮蔽部の配置を周期的に変化させるステップ
・前記オブジェクトの時間的に一定の電位を求めるステップ。
【００１８】
有利には、前記オブジェクトの電位は時間的に変化し、その際には、第１の変化速度で変化することができる。その際に有利なのは、前記第１の速度より高い第２の速度で、前記参照電位を最終値に変化させることである。交流電流が流れるオブジェクトの場合、このオブジェクトにおける電位もまた、時間とともに変化する。その際には、電極における参照電圧を十分な速度で追従制御して電界を補償し、当該参照電圧をオブジェクトにおける交番電位に追従させるための制御部が設けられていると有利である。このような構成により、測定誤差が特に小さく抑えられる。
【００１９】
本発明の装置について記載した有利な実施形態およびその利点は、本発明のクランプメータおよび本発明の方法にも同様に当てはまる。
【００２０】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】従来技術のクランプメータを示す。
【図１Ｂ】本発明の一実施例のクランプメータを示す。
【図２】電界の補償を利用して未知の電位を求めるための装置を示す概略図である。
【図３】直流電圧を求めるための、図２に対応するが電界遮蔽部を有する装置構成を示す図である。
【００２２】
各図において、同一または同機能の要素には同一の参照符号が付されている。
【００２３】
図１Ａは、電流が流れる線路１において非接触で電流測定を行うためのクランプメータ１０を示す。この電流測定を行うために、クランプメータ１０は線路１を包囲するように設置されるが、線路１に接触することはない。丸で囲まれた「Ａ」は、従来技術のクランプメータ１０によって可能であるのは、もっぱら電流測定のみであることを示している。それに対し、本発明の実施例のクランプメータ１０では、電流測定の他に、電圧の非接触測定も実現することができ、これによって電力の非接触測定も実現することができる。このことは、丸で囲まれた「Ｖ」字および「Ｐ」字によって示されている。こうするために、クランプメータ１０には電圧測定装置６が設けられている。以下、この電圧測定装置６について詳しく説明する。
【００２４】
図２に、電位Ｕunbekanntを測定すべきオブジェクトである線路１を示す。こうするためには、線路１から距離ｄをおいて測定電極２を配置する。ここで強調しておくが、距離ｄは未知である。測定電極２は第１の入力端３ａを介して増幅器４に接続されている。増幅器４の第２の入力端３ｂに参照電圧Ｕrefが印加される。この参照電圧Ｕrefは電位調整部７から供給される。この電位調整部７はさらに、増幅器４の出力端５にも電気的に接続されている。この出力端５はさらに、電気抵抗Ｒを介して第１の入力端３ａに電気的に接続されている。このような構成により、参照電圧Ｕrefが測定電極２にも印加されることが保証される。最後に、出力端５と接地との間に生じる出力電圧Ｕoutを求めるための手段が設けられている。前記電位調整部７は最後に制御部８も含んでおり、以下、この制御部８の機能について詳細に説明する。
【００２５】
最も簡単な近似では、線路１および測定電極２により構成されるキャパシタ構成体は、平板間に電界Ｅが生じる平板コンデンサとして表すことができる。この平板コンデンサの容量がＣであり、電極２の面積がＡであり、線路１と測定電極２との間の媒質の誘電率がεであり、ΔＵが測定電極２と線路１との間の電位差であるとすると、以下の物理的な関係式が成り立つ：
Ｃ＝ε・Ａ／ｄ
ΔＵ＝Ｕunbekannt−Ｕref
Ｅ＝ΔＵ／ｄ
Ｉ＝Ｃ／（ｄ（ΔＵ）・ｄｔ）
Ｕout＝−Ｒ・Ｉ＝−ＲＣ・（ｄ（ΔＵ）／ｄｔ）
ここでＩは、測定電極２と増幅器４との間に流れる逆充電電流である。
【００２６】
測定原理は、参照電位Ｕrefが測定対象の電位Ｕunbekanntに相当するまで、制御部８が参照電位Ｕrefを上昇させるというものである。こうするためには、制御部８が参照電圧Ｕrefを出力電圧Ｕout＝０に合わせて追従制御するように構成することができる。つまり、出力電圧Ｕoutが消失するという状況になった場合、つまり出力電圧Ｕoutが０をとるという状況になった場合、参照電圧Ｕrefはちょうど電位Ｕunbekanntに一致する。このときに参照電圧Ｕrefを測定することができ、その測定値は電位値Ｕunbekanntにちょうど一致する。しかし、測定を行わなくても、電位調整部７において調整された参照電圧Ｕrefがどうなっているかが分かる場合があり、それにより、参照電圧Ｕrefから電位Ｕunbekanntを推定することが可能である。
【００２７】
しかしその代わりに、制御部８において逆充電電流Ｉを検出し、逆充電電流Ｉが消失するまでの間、すなわち逆充電電流Ｉが値０に達するまでの間、参照電圧Ｕrefを追従制御するように構成することも可能である。
【００２８】
この測定原理は、線路１および測定電極２における電圧が理想的である場合に（すなわちＵunbekannt＝Ｕref）、測定電極２と線路１との間の電界Ｅがちょうど消失するという認識に基づいている。それゆえこの測定プロセスは、測定電極２における測定対象の電圧Ｕunbekannt（たとえば電界計ないしは容量型分圧器）を補償するというものになる。このような測定プロセスにより、測定電極２の空間的配置を正確に把握していなくても、電圧測定すなわちＵunbekanntの測定を行うことができる。これにより、電圧を有している線路１に接触せずに、一時的かつ後付けで設置することが可能となる。
【００２９】
図２の実施例では、Ｕunbekanntは交流電圧である。それゆえ、静電誘導作用によって測定電極２にも交流の逆充電電流Ｉが生じる。そうすると、制御部８による制御が、参照電圧Ｕrefに正確に追従できるようにするためには、測定対象の電圧Ｕunbekanntの測定される最大周波数成分よりも格段に迅速でなければならなくなる。
【００３０】
図３に別の実施例を示す。この実施例は基本的に図２の構成となっているが、可動の電界遮蔽部９が追加されている。電界遮蔽部９は測定電極２と線路１との間に配置されており、この線路１は時間的に一定の電位Ｕunbekanntになっている。この可動の電界遮蔽部はこの実施例では、いわゆるチョッパの羽根車の複数の羽根によって実現されている。これらの羽根は第２の入力端３ｂに接続されているので、羽根の電圧も参照電圧Ｕrefになっている。測定電極２と線路１との間にいずれかの羽根が来た場合、電位Ｕunbekanntの値に関係なく測定電極が電界Ｅから遮蔽され、これにより、測定プロセスを行うための接地バックグラウンドないしは参照状態が実現される。それに対し、測定電極２と線路１との間のギャップが空くように前記羽根が位置調整された場合、前記電界Ｅは遮蔽されなくなり、図２にて説明したように測定を行うことができる。このようにして、上述の方法を直流電圧Ｕunbekanntの測定にも使用することができる。その際には、制御部８の制御周波数をチョッパないしは電界遮蔽部９の周波数よりも高くしなければならない。図３の実施例では、測定電圧Ｕmessで示されているように、目下調整されている参照電圧Ｕrefが明示的に測定される：Ｕmess＝Ｕref
【符号の説明】
【００３１】
１          線路
２          測定電極
３ａ，３ｂ  入力端
４          増幅器
５          出力端
６          電圧測定装置
７          電位調整部
８          制御部
９          電界遮蔽部
１０        クランプメータ
Ｕunbekannt  電位
ｄ          距離
Ｉ          逆充電電流
Ｒ          抵抗
Ｕout      出力電圧
Ｕmess      測定電圧
Ｕref        参照電圧
Ｅ          電界
Ａ          面積
ε          誘電率
ΔＵ        電位差
Ｃ          容量
Ｐ          電力
【図１Ａ】
0005864721.tif 000002
【図１Ｂ】
0005864721.tif 000003
【図２】
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【図３】
0005864721.tif 000005