(57)【要約】  可撓性のある円筒状の芯に巻き付けられた検出コイルと、前記検出コイル上に設けられた電気的絶縁と、検出ケーブル端を互いに閉じた位置へ固定又は閉じた位置から解除するための機械的な結合システムを設けた外側絶縁被覆とから構成された検出ケーブルの形状をした、可撓性電流検出器であって、前記電気的絶縁は、互いに反対方向に巻き付けられたグループに分けて配置された個々に分離された複数の絶縁線から構成されている、及び／又は、前記検出コイルは、互いに反対方向に巻き付けられたグループで配置された個々に分離された複数の絶縁線から構成されていることを特徴とする可撓性電流検出器。前記絶縁線は、互いに電気的に並列に接続され、各絶縁線は、一つのみの接続点を有する。前記検出線は、検出された電流による磁場によって検出ケーブル内に電圧が誘起され、直列又は並列、もしくは直列と並列とを組み合わせて、電気的に相互接続されているか、いくつかの検出線は、検出された電流による電場によって検出線に誘起された電圧に対しては非活線状態であり、前記検出線の構成は、前記電流検出器に要求される感度、インピーダンス及び周波数範囲に応じて決定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性のある円筒状の芯に巻き付けられた検出コイルと、前記検出コイル上に設けられた電気的絶縁と、検出ケーブル端を互いに閉じた位置へ固定又は閉じた位置から解除するための機械的な結合システムを設けた外側絶縁被覆とから構成された検出ケーブルの形状をした、可撓性電流検出器であって、前記電気的絶縁が、互いに反対方向に巻き付けられたグループに分けて配置された個々に分離された複数の絶縁線から構成されている、及び／又は、前記検出コイルが、互いに反対方向に巻き付けられたグループで配置された個々に分離された複数の絶縁線から構成されていることを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項２】
請求項１記載の可撓性電流検出器において、前記絶縁線は、互いに電気的に並列に接続され、各絶縁線は、一つのみの接続点を有することを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の可撓性電流検出器において、前記検出線は、検出された電流による磁場によって検出ケーブル内に電圧が誘起され、直列又は並列、もしくは直列と並列とを組み合わせて、電気的に相互接続されているか、いくつかの検出線は、検出された電流による電場によって検出線に誘起された電圧に対しては非活線状態であり、前記検出線の構成は、前記電流検出器に要求される感度、インピーダンス及び周波数範囲に応じて決定されることを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の可撓性電流検出器において、反対方向に巻き付けられた前記絶縁線は、互いに捻り合わされていることを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の可撓性電流検出器において、反対方向に巻き付けられた前記検出線は、互いに捻り合わされていることを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の可撓性電流検出器において、前記検出ケーブルは、同軸ケーブルの製造機械で予め製作された連続ケーブルの、必要な長さをもつ部分であることを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の可撓性電流検出器であって、前記結合システムに配置された補償コイルを備え、前記補償コイルは、前記検出コイルに直列に接続されていることを特徴とする可撓性電流検出器。
【請求項８】
前記検出コイルのための差動入力段を備えた、請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器用の電気的積分回路。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の可撓性電流検出器用の電気的積分回路であって、前記検出コイルの終端が、前記検出コイルで代表される伝送線の波長インピーダンスに概ね等しい値に整合させられていることを特徴とする電気的積分回路。
【請求項１０】
一組の円筒状キャップから構成された結合システムであって、各キャップには、その背面側に、検出ケーブルを通すためのケーブル穴（ＳＨ）が設けられ、前記組の第一のキャップには、その前面側に、前記組の第二のキャップの前面側を部分的に嵌め込むキャップ穴（ＣＨ）が設けられ、キャップ穴（ＣＨ）の壁には、キャップの中心軸に垂直な２つの固定穴（ＦＨ）が、各々、反対側の対角位置に設けられ、前記組の前記第二のキャップには、前記第一のキャップの前記固定穴（ＦＨ）に嵌め込まれる固定用尖端（ＦＴ）が設けられ、一つの固定用穴（ＦＨ）には、固定用尖端（ＦＴ）のための案内溝（ＧＮ）が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器用の結合システム。
【請求項１１】
複数のセグメントから構成された結合システムであって、複数のセグメントには、前記検出ケーブルのためのトンネルと、ファセット又はファセット組とが設けられ、前記ファセットとファセットの組との一つの組み合わせの上に前記セグメントを積み重ねた際に、閉経路トンネルを形成する、前記ファセットとファセットの組との他の組み合わせの上に前記セグメントを積み重ねた際に、開経路トンネルを形成することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器用の結合システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の可撓性電流検出器用の結合システムにおいて、前記セグメントには、前記セグメントの積み重ねの中でのセグメント位置を決定するための、尖端／穴の組が設けられていることを特徴とする結合システム。
【請求項１３】
請求項１１又は１２記載の可撓性電流検出器用の結合システムにおいて、前記セグメントには、積み重ねの中での前記セグメントの位置決めのための糸を通すトンネルが設けられていることを特徴とする結合システム。
【請求項１４】
請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器を、大形導体群での残存電流を測定する手段として利用する方法。
【請求項１５】
請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器を、大形構造物でのサージ又は落雷の全て及び／又は一部の電流を測定する手段として利用する方法。
【請求項１６】
請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器を、測定機器内での電流測定手段として利用する方法。
【請求項１７】
可撓性電流検出器のための、演算増幅器（ＯＡ）と、入力抵抗器（ＲＩ）と、積分コンデンサ（ＣＩ）と、減結合コンデンサ（ＣＤ）と、第一のフィルタ抵抗器（ＲＦ１）と、第二のフィルタ抵抗器（ＲＦ２）と、フィルタコンデンサ（ＦＣ）から構成された電子的積分回路であって、前記入力抵抗器（ＲＩ）は、積分器の入力端子と前記演算増幅器（ＯＡ）の反転入力端子との間に接続され、前記積分コンデンサ（ＣＩ）は、前記演算増幅器（ＯＡ）の反転入力端子と積分器の出力端子との間に接続され、前記減結合コンデンサ（ＣＤ）は、前記演算増幅器（ＯＡ）の出力端子と積分器の出力端子との間に接続され、前記第二のフィルタ抵抗器（ＲＦ２）は、前記演算増幅器（ＯＡ）の出力端子と前記フィルタコンデンサ（ＣＦ）の第一端子との間に接続され、前記第一のフィルタ抵抗器（ＲＦ１）は、前記演算増幅器（ＯＡ）の反転入力端子と前記フィルタコンデンサ（ＣＦ）の第一端子との間に接続され、前記フィルタコンデンサ（ＣＦ）の第二端子は、基準電位に接続され、前記演算増幅器（ＯＡ）の非反転入力端子は基準電位に接続されていることを特徴とする電子的積分回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電流の検出器回路に関するものである。特に、本発明は、機械的構造及び電気的構成並びに電子評価回路の改良と、可撓性電流検出器の利用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可撓性電流検出器は、可撓性のある誘導コイルに基づくものであり、測定された電流を搬送するコンデンサの周囲に、閉じた経路を生成するように構成されている。コイルに誘導された電圧は、閉領域を流れる全電流の誘導に比例した値となる。この電流測定の原理は、Ｒｏｇｏｗｓｋｉ  Ｗ．とＳｔｅｉｎｈａｕｓ  Ｗ．の共著による１９１２年発行の出版物により、ロゴウスキ（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）の原理又はロゴウスキのコイルとしてよく知られている。通常、可撓性電流検出器には、検出ケーブルの形状をしており、この検出ケーブルの両端を互いに閉じた位置に固定し、さらにその固定状態を解除するための機械的な結合システムが設けられている。検出ケーブルは、可撓性のある円筒状の芯に巻き付けられた検出コイルと、前記検出コイルの外側に配置されたオプションの電気的絶縁と、外側絶縁被覆とから構成されている。コイル電圧を、電流に比例した出力信号に変換するために、通常、電子的積分回路が、可撓性電流検出器の一部となっている。可撓性のある検出器は、大形電線や、複雑な形状をもつ導体や、複数の導体群などの電流の測定に有利である。
【０００３】
可撓性電流検出器の既知の構成では、強磁性体電流トランスに比べて、振幅と位相に関する精度が低い。可撓性電流検出器の精度の悪化は、主に、検出コイルの不均一性と、外部の未知の電圧及び電流源に対する容量性及び誘導性結合によって取り込まれた残存信号との影響によるものである。検出コイルの出力電圧が低レベルとなるため、評価電子回路は、外乱及び干渉並びに回路内に発生するノイズに対して敏感に反応してしまう。市販の可撓性電流検出器は、十分な精度をもっていないため、主に、参考とする値を得るための測定専用に利用されている。
【０００４】
ロゴウスキコイル構成とその回路に関する解決策として、以下の特許文献がある。
【０００５】
英国特許番号ＧＢ２２５９１５０Ａは、組み合わせたフィードバックを有する電子的積分器の構成を開示している。
【０００６】
米国特許番号５４４２２８０は、プリント回路レイアウト上でのロゴウスキコイルの固定配置を開示している。
【０００７】
欧州特許ＥＰ６５２４４１Ａ１は、接地された金属製筐体への実装のための、ロゴウスキコイルの固定配置を開示している。
【０００８】
米国特許番号６６１４２１８Ｂ１は、受動的及び能動的な積分器を統合した構成を開示している。
【０００９】
欧州特許ＥＰ０８３４７４５Ａ２は、高い均一性をもつ固定ロゴウスキコイルを開示している。
【００１０】
日本特許ＪＰ２００００６５８６６は、大形構造中を流れる電流測定のための複数のロゴウスキコイル配置を開示している。
【００１１】
英国特許出願番号ＧＢ２３３２７８４Ａは、固定支持構造に巻き付けられた検出コイルから構成された可撓性のあるロゴウスキコイル配置を開示している。
【００１２】
ドイツ特許出願番号ＤＥ１９８１１３６６Ａ１は、電力線に繰り返して組み立てるのに最適な、可撓性のあるロゴウスキコイル配置を開示している。
【００１３】
英国特許番号ＧＢ２３４２７８３Ａは、プリント回路レイアウト上でのロゴウスキコイルの固定配置を開示している。
【００１４】
ドイツ特許出願番号ＤＥ１９９５９７８９Ａ１は、スイッチングされた直流フィードバックを有する電子的積分器の配置を開示している。
【００１５】
米国特許番号６８２５６５０Ｂ１は、電力量計での電流測定のための連続した固定ロゴウスキコイルの配置を開示している。
【００１６】
米国特許番号６３１３６２３Ｂ１は、残存信号を除去する２つのロゴウスキコイルの空間配置を開示している。
【００１７】
米国特許出願番号ＵＳ２００３／００９０３５６Ａ１は、光伝送経路を有するプリント回路配置上の固定ロゴウスキコイル配置を開示している。
【００１８】
際立った線形性と、磁性芯を用いないことによる飽和特性のなさと、実用上無制限の周波数範囲という特性は、ロゴウスキ原理に基づく電流検出器に固有のものである。しかし、これらの特性については、更なる改良と、応用先に応じた最適化が求められている。
【００１９】
従って、本発明の目的は、その応用先に、より高い精度と改善をもたらす、可撓性電流検出器とその評価電子回路の新たな改良された配置を提供することにある。
【００２０】
（発明の概要）
可撓性電流検出器の改善は、以下の構成で達成される。
【００２１】
検出ケーブルの電気的絶縁は、個々に分離された複数の絶縁線から構成されている。絶縁線は、互いに異なる方向に巻き付けられたグループに分けられて配置されている。全ての絶縁線は、一つのみの接続点を有している。複数の線から構成された絶縁の対称的な配置により、検出ケーブルの高い可撓性がもたらされ、絶縁実効インピーダンスを最小化し、以って、絶縁特性を向上する。各絶縁線の単一の接続点により、測定精度に影響を及ぼす誘導電流を除去する。
【００２２】
検出コイルは、各々が分離した複数の検出ケーブルから構成されている。検出ケーブルは、互いに反対方向に巻き付けられたグループに分けられて配置されている。検出された電流による磁場によって検出ケーブル内に電圧が誘起され、検出ケーブルは、直列又は並列、もしくは直列と並列とを組み合わせて、電気的に相互接続されている。また、いくつかの検出ケーブルは非活線状態である。検出ケーブルの相互接続構成を用いて、検出コイルの感度、インピーダンス、周波数範囲を決定する。検出ケーブルを対称に配置することにより、外部の未知の電流源による影響を除去する。
【００２３】
反対方向に巻き付けられた絶縁線は、互いに捻り合わせることが有利となる。この絶縁線の捻り合わせによって、巻き線の機械的な安定性を向上させ、効果的な範囲を広げることができる。また、絶縁線の捻り合わせによって、線のグループの電気的な対称性を向上させ、これにより、絶縁インピーダンスを低下させ、更に、絶縁効果を高めることができる。
【００２４】
反対方向に巻き付けられた検出ケーブルは、互いに捻り合わせることが有利となる。この検出ケーブルの捻り合わせによって、巻き線の機械的な安定性を向上させ、電気的な安定性も向上させることができる。検出ケーブルの捻り合わせの本質的な効果は、絶縁に関して、検出コイルの対称性を改善できることである。この対称性により、外部からの未知の電流源に対する検出コイルの不要な結合によって誘起される、全てのコモンモードの残存信号を除去することができる。
【００２５】
可撓性電流検出器ケーブルは、同軸ケーブルの製造機械によって、本発明による絶縁線と検出ケーブルの構成を有する連続したケーブル製品として製造することが有利である。最終製品として得られる検出器は、製造済みの連続ケーブルから切り出し、所望の長さを持つ部分から作り出す。連続したケーブルとして製造することにより、ケーブル長全体にわたり巻き線の高い均一性が保証され、これにより、検出器の精度と、製造の再現性が向上する。さらに、個々の検出器を個別に製造することに比べ、製造コストが下げられるという利点もある。
【００２６】
検出コイルの終端及び結合システムによってもたらされる検出コイルの不均一性は、検出コイルに直列に接続された補償コイルによって効果的に減らすことができる。補償コイルは、結合システム内に設けることが有利である。
【００２７】
本発明による可撓性電流検出器の対称検出コイルは、絶縁に関して、電気的に平衡となっている。従って、外部からの未知の電流源に対する検出コイルの不要な結合によって誘起される、全てのコモンモードの残存信号の除去は、電子的評価回路の差動入力段において行われる。低周波の応用では、入力回路が高いインピーダンスをもつことにより、検出コイル抵抗に対して、出力信号の高い感度と独立性が確保される。高周波成分をもつ信号については、検出コイルの検出ケーブルは、分布定数をもつ平衡伝送線として動作する。高周波領域で平坦な周波数応答を得るためには、伝送線は、その特性インピーダンスと等しいインピーダンスに整合させる必要がある。
【００２８】
可撓性電流検出器用の結合システムの一つの代案は、各キャップにその背面側から検出ケーブルのためのケーブル穴が設けられた、一組の円筒状のキャップから構成されたものである。ここで、前記組の第一のキャップは、その前面側に、前記組の第二のキャップの前面側を部分的に嵌め込むキャップ穴が設けられており、キャップ穴の壁には、キャップの中心軸に垂直な２つの固定穴が、各々、反対側の対角位置に設けられている。また、前記組の前記第二のキャップには、第一のキャップの前記固定穴に嵌め込まれる固定用尖端が設けられており、一つの固定用穴には、固定用尖端のための案内溝が設けられている。
【００２９】
可撓性電流検出器用の結合システムの他の代案は、検出ケーブルのためのトンネルとファセット又はファセット組とを設けた、複数のセグメントから構成されたものである。このファセットシステムは、複数のファセットとファセットの組との一つの組み合わせの上に複数のセグメントを積み重ねた際に、閉経路トンネルを形成する。あるいは、このファセットシステムは、複数のファセットとファセットの組との他の組み合わせの上に複数のセグメントを積み重ねた際に、開経路トンネルを形成する。
【００３０】
結合システムのセグメントには、セグメントの積み重ねの中でのセグメント位置を決定するための、尖端／穴の組を設けることが有利となる。
【００３１】
結合システムのセグメントには、積み重ねの位置決めのための糸を通すトンネルを設けることが有利となる。
【００３２】
本発明による可撓性電流検出器は、連続した検出ケーブルから所定の長さをもつ部分から作り出される。このような検出器は、例えば、建物内配線などの大形導体群での残存電流の測定手段や、例えば、建物、塔や柱などの大形構造物でのサージ又は落雷の全て及び／又は一部の電流の測定手段として用いることが有利である。
【００３３】
本発明による可撓性電流検出器は、外部からの未知の信号に対して感度が低く、空間的な位置調整が可能であるため、この可撓性電流検出器は、例えば、電力量計などの測定機器内での電流測定手段として用いることが有利である。
【００３４】
演算増幅器、入力抵抗器、積分コンデンサ、減結合コンデンサ、第一のフィルタ抵抗器、第二のフィルタ抵抗器、フィルタコンデンサから構成された回路の交流精度に影響を与えることなく、可撓性電流検出器のための電子的積分回路の出力の直流オフセットを除去することができる。入力抵抗器は、積分器の入力端子と、演算増幅器の反転入力端子との間に接続されている。積分コンデンサは、演算増幅器の反転入力端子と、積分器の出力端子との間に接続されている。減結合コンデンサは、演算増幅器の出力端子と、積分器の出力端子との間に接続されている。第二のフィルタ抵抗器は、演算増幅器の出力端子と、フィルタコンデンサの第一端子との間に接続されている。第一のフィルタ抵抗器は、演算増幅器の反転入力端子と、フィルタコンデンサの第一端子との間に接続されている。フィルタコンデンサの第二端子は、基準電位に接続されている。演算増幅器の非反転入力端子は、基準電位に接続されている。減結合コンデンサは、直流成分の出力を除去する。積分コンデンサを介した積分器の制御フィードバック信号は、出力端子から直接取られるため、振幅と位相の精度は、減結合コンデンサによる影響を受けない。
【００３５】
本発明による可撓性電流検出器のサンプルを、検証のために製造した。このサンプルは、直径７ｍｍのプラスチック製の芯に、互いに反対方向に巻き付けられて捻られた２×４本の分離された線を、直列に接続して構成した検出ケーブルと、互いに反対方向に巻き付けられて捻られた２×１０８本の分離された絶縁線を、並列に接続して構成した絶縁とをもつ連続したケーブルとして製作したものである。この検出器には、本発明のよる一組の円筒状のキャップから構成された結合システムが設けられている。製作された検出器は、電力量計の試験のための精密な電力測定に応用する、常用標準の入力回路として用いられる。可撓性のある検出器を含む試験システムの精度は、振幅が０．ｌ％以内に収まり、位相が０．１％以内に収まった。
【実施例】
【００３６】
（好適な実施例の説明）
図１は、本発明による、可撓性のある円筒状の芯ＦＣに巻き付けられた絶縁及び／又は検出コイルの線の構成の原理を示すものである。コイルは、個々に分離された複数の線から構成されている。線は、２つのグループＧ１及びＧ２に分かれている。グループＧ１及びＧ２は、互いに反対の方向に巻き付けられており、両グループの線は、径方向位置で周期的に互いに交わるように、捻り合わされている。
【００３７】
図２は、本発明による、絶縁線の並列接続の例を示すものである。絶縁線は、互いに反対方向に巻き付けられた、２つのグループＧ１及びＧ２に分かれている。全ての絶縁線は、電気的に並列に接続されている。各絶縁線は、共通の端子Ｔに接続する一つの接続点のみを有している。２つの同一のグループの線が、互いに反対方向に巻き付けられた並列接続の構成をもっているため、外部の電圧源に対する共通の容量性結合により生ずる磁場は打ち消される。従って、並列接続の構成は、低インピーダンスの小型の絶縁として作用し、機械的に高い可撓性をもたらし、残存電流により生じる測定誤差を除去できるという効果が得られる。なお、この残存電流は、小型の絶縁内での検出電流に伴う磁場により誘起されるものである。
【００３８】
図３は、本発明による、検出ケーブルの直列接続の例を示すものである。絶縁線は、互いに反対方向に巻き付けられた、２つのグループＧ１及びＧ２に分かれている。全ての絶縁線は、電気的に直列に接続されている。この構成では、検出電流に伴う磁場によって個々の線に誘起される電圧を足し合わせる。電圧の合計が、端子Ｔ１及びＴ２に現れる。この構成は、極めて高い精度が要求される応用に用いられるものである。
【００３９】
図４は、本発明による、検出ケーブルの直列と並列接続の組み合わせの例を示すものである。グループＧ１及びＧ２が、直列に接続されていて、更に、個々のグループの検出ケーブルは電気的に並列に接続されている。この構成は、測定感度が低く、コイルインピーダンスが低く、広い周波数範囲を必要とするような、大電流の過渡状態を測定する応用に適したものである。
【００４０】
図５は、電子的積分回路の差動入力構成の例を示すものである。検出コイルＳＣの端子Ｔ１及びＴ２は、差動増幅器ＤＡの非反転入力と反転入力に接続されている。並列接続された絶縁線の共通端子Ｔは、電気的な接地に接続されている。差動入力段ＤＡの出力は、電気的積分器ＥＩの入力に接続されている。更に、オプションとして、検出コイルの終端をインピーダンスＺＬによって整合させることにより、検出コイルの高周波領域の応答を最適化する。
【００４１】
図６は、可撓性電流検出器用の最小化された結合システムの例を示すものである。固定システムは、一組の円筒状キャップから構成されており、各キャップは、検出ケーブルを通すためのケーブル穴ＳＨが、その背面側に設けられている。ここで、前記組の第一のキャップは、その前面側に、前記組の第二のキャップの前面側を部分的に嵌め込むキャップ穴ＣＨが設けられており、キャップ穴ＣＨの壁には、キャップの中心軸に垂直な２つの固定穴が、各々、反対側の対角位置に設けられている。また、前記組の前記第二のキャップには、第一のキャップの前記固定穴に嵌め込まれる固定用尖端ＦＴが設けられており、一つの固定用穴ＦＨには、固定用尖端のための案内溝ＧＮが設けられている。この固定システムには、可動部分がないため、極めて小型で信頼性も高いものとなっている。
【００４２】
図７は、図６に示した結合システムを設けて製作された可撓性電流検出器の例を示したものである。閉じた検出器の内径に設ける案内溝ＧＮを適切に製作する際には、曲がった検出ケーブルの自然の遠心力を利用して、固定キャップを閉じた位置へ固定する。
【００４３】
図８は、本発明による可撓性電流検出器用の結合システムのセグメント構造の一例を示すものである。可撓性電流検出器のための結合システムは、複数のセグメントから構成されている。これらのセグメントには、検出器のためのトンネルＳＴと、ファセット組Ｆ１ａ／Ｆ１ｂ及びＦ２ａ／Ｆ２ｂが設けられている。セグメントには、セグメントの積み重ねの中でのセグメントの位置決めを行うための、尖端／穴の組ＴＨＰが設けられている。セグメントには、積み重ねを位置決めする糸を通すためのトンネルＰＴが設けられている。
【００４４】
図９は、図８に示した結合システムの閉じた構成を示すものである。複数のセグメントが、ファセットＦ２に積み重ねられ、検出器の芯を通すための閉経路となったトンネルを形成している。これは、検出器によって囲まれた線を流れる電流の測定のための、使用状態での構成である。
【００４５】
図１０は、図８に示した結合システムの開いた構成を示すものである。複数のセグメントが、ファセットＦ１に積み重ねられ、検出器の芯を通すための開経路となったトンネルを形成している。これは、電流が流れる線に検出器を通し、次に、使用時の構成となるように閉じる際に位置決めを行う状態での構成である。
【００４６】
図１１は、電力量計内での電流測定に応用した、可撓性電流検出器のフラグメントの例を示すものである。電力量計の電流線ＣＷを、本発明の検出ケーブルＳＣの複数回巻いた巻き線によって検出する。巻き付け回数により、測定感度が比例して増加する。
【００４７】
図１２は、高圧電柱の放電電流の測定に応用した、可撓性電流検出器の例を示すものである。電柱には、柱から地上に流れる全電流を測定するための、可撓性電流検出ケーブルＳＣが設けられている。
【００４８】
図１３は、本発明による、可撓性電流検出器用の電子的積分回路の最小化された例を示したものである。電子的積分回路は、演算増幅器ＯＡ、入力抵抗器ＲＩ、積分コンデンサＣＩ、減結合コンデンサＣＤ、第一のフィルタ抵抗器ＲＦ１、第二のフィルタ抵抗器ＲＦ２、フィルタコンデンサＦＣから構成されている。入力抵抗器ＲＩは、積分器の入力端子と、演算増幅器ＯＡの反転入力端子との間に接続されている。積分コンデンサＣＩは、演算増幅器ＯＡの反転入力端子と、積分器の出力端子との間に接続されている。減結合コンデンサＣＤは、演算増幅器ＯＡの出力端子と、積分器の出力端子との間に接続されている。第二のフィルタ抵抗器ＲＦ２は、演算増幅器ＯＡの出力端子と、フィルタコンデンサＣＦの第一端子との間に接続されている。第一のフィルタ抵抗器ＲＦ１は、演算増幅器ＯＡの反転入力端子と、フィルタコンデンサＣＦの第一端子との間に接続されている。フィルタコンデンサＣＦの第二端子は、基準電位に接続されている。演算増幅器ＯＡの非反転入力端子は、基準電位に接続されている。本発明による積分回路の出力信号は、減結合コンデンサＣＤによる直流オフセットの影響を受けない。積分コンデンサＣＩを介した積分器の制御フィードバック信号は、出力端子から直接取られるため、振幅と位相の精度は、減結合コンデンサＣＤによる影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による、可撓性のある円筒状の芯に巻き付けられた絶縁及び／又は検出コイルの線の構成の原理を示した図である。
【図２】本発明による、絶縁線の並列接続の例を示す図。
【図３】本発明による、検出ケーブルの直列接続の例を示す図。
【図４】本発明による、検出ケーブルの直列と並列接続の組み合わせの例を示す図。
【図５】電子的積分回路の差動入力構成の例を示す図。
【図６】本発明による、可撓性電流検出器用の最小化された結合システムの例を示す図。
【図７】図６による結合システムを設けて製作された可撓性電流検出器の例を示す図。
【図８】本発明による可撓性電流検出器用の結合システムのセグメント構造の一例を示す図。
【図９】図８による結合システムの閉じた構成を示す図。
【図１０】図８による結合システムの開いた構成を示す図。
【図１１】電力量計内での電流測定に応用した、可撓性電流検出器のフラグメントの例を示す図。
【図１２】高圧電柱の放電電流の測定に応用した、可撓性電流検出器の例を示す図。
【図１３】本発明による、可撓性電流検出器用の電子的積分回路の最小化された例を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年5月29日(2008.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性円筒状の芯に巻回された検出コイルと、検出コイルに設けられた電気絶縁と、外側絶縁被覆とから構成された検出ケーブル形状の可撓性電流検出器であって、電気絶縁は、互いに反対方向に巻回されたグループに分けて配置され個々に分離された複数の絶縁線から構成され、及び／又は、検出コイルは、互いに反対方向に巻回されたグループで配置され個々に分離された複数の絶縁線から構成されている可撓性電流検出器。
【請求項２】
請求項１記載の可撓性電流検出器において、前記絶縁線は、互いに電気的に並列に接続され、各絶縁線は、１つのみの接続点を有する可撓性電流検出器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の可撓性電流検出器において、前記検出線は、検出された電流による磁界によって検出ケーブルに電圧が誘起され、直列又は並列もしくは直列と並列とを組み合わせて、電気的に相互接続されているか、いくつかの検出線は、検出された電流による電界によって検出線に誘起された電圧に対しては非活性状態であり、前記検出線の構成は、電流検出器に要求される感度、インピーダンス及び周波数範囲に応じて決定される可撓性電流検出器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の可撓性電流検出器において、反対方向に巻回された前記絶縁線は、互いに捻り合わされている可撓性電流検出器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の可撓性電流検出器において、反対方向に巻回された前記検出線は、互いに捻り合わされている可撓性電流検出器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の可撓性電流検出器において、前記検出ケーブルは、同軸ケーブルの製造機械で予め製作された連続ケーブルの必要な長さをもつ部分である可撓性電流検出器。
【請求項７】
前記検出コイルの差動入力段を備えた請求項１から６のいずれかに記載の可撓性電流検出器用の電気積分回路。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の可撓性電流検出器用の電気積分回路において、前記検出コイルの終端は、検出コイルで代表される伝送線の波長インピーダンスに概ね等しい値に整合させられている電気積分回路。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の可撓性電流検出器を大形導体群での残存電流を測定する手段として利用する方法。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の可撓性電流検出器を大形構造物でのサージ又は落雷の全て及び／又は一部の電流を測定する手段として利用する方法。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれかに記載の可撓性電流検出器を測定機器での電流測定手段として利用する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】可撓性精密電流検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電流の検出器回路に関するものである。特に、本発明は、機械的構造及び電気的構成並びに電子評価回路の改良と、可撓性電流検出器の利用に関するものである。
【発明の背景】
【０００２】
可撓性電流検出器は、可撓性誘導コイルに基づくものであり、測定された電流を搬送するコンデンサの周囲に閉じた経路を生成するように構成されている。コイルに誘導された電圧は、閉領域を流れる全電流の誘導に比例した値となる。この電流測定の原理は、Ｒｏｇｏｗｓｋｉ  Ｗ．とＳｔｅｉｎｈａｕｓ  Ｗ．の共著による１９１２年発行の出版物により、ロゴウスキの原理又はロゴウスキのコイルとしてよく知られている。通常、可撓性電流検出器には、検出ケーブルの形状をしており、この検出ケーブルの両端を互いに閉じた位置に固定し、さらにその固定状態を解除する機械的結合システムが設けられている。検出ケーブルは、可撓性円筒状の芯に巻回された検出コイルと、検出コイルの外側に配置されたオプションの電気絶縁と、外側絶縁被覆とから構成されている。コイル電圧を電流に比例した出力信号に変換するために、通常、電子積分回路は、可撓性電流検出器の一部となっている。可撓性検出器は、大形電線や複雑な形状をもつ導体や複数の導体群などの電流の測定に有利である。
【０００３】
可撓性電流検出器の既知の構成では、強磁性体電流トランスに比べて、振幅と位相に関する精度が低い。可撓性電流検出器の精度の悪化は、主に、検出コイルの不均一性と、外部の未知の電圧及び電流源に対する容量性及び誘導性結合によって取り込まれた残存信号との影響によるものである。検出コイルの出力電圧が低レベルとなるため、評価電子回路は、外乱及び干渉並びに回路に発生するノイズに対して敏感に反応してしまう。ロゴウスキの原理に基づく市販の可撓性電流検出器は、十分な精度をもっていないため、主に、参考とする値を得るための測定専用に利用されている。
軟磁性体芯に基づく古典的な強磁性体電流トランスを可撓性プローブに配置しようという試みが、国際公開番号ＷＯ９６／２８７３７（ウプトン）に開示されている。この配置は、低磁性インピーダンス材料の粒子を含んだマトリックス状媒体などの軟磁性体材料の細長い線から構成された可撓性支持部材につる巻き状の巻き線から構成されている。この方法の欠点は、軟磁性体材料に固有の非線形性である。この非線形性は、電流トランスの精度に直接影響を与える。また、ここで開示されている複合軟磁性体芯の他の欠点としては、磁性粒子の間には実効透磁率を低下させる固有の非磁性空間が存在し、それにより、巻き線のインダクタンスと相互結合が低下し、結果として位相と振幅の測定誤差が大きくなるという問題がある。
【０００４】
ロゴウスキ・コイル構成とその回路に関する解決策として、以下の特許文献がある。
米国特許番号４６８９５４６（ステファン他）は、複数の古典的な単一コイルからなる可撓性ロゴウスキ検出器を既存の金属による絶縁とともに配置したものが開示されている（図１０）。発電機の誤差電流を検出するため、差動増幅器を用いて個々の検出器が区別をつけて配置されている。この配置は、三相発電機の導体に配置された空気芯電流トランスの形状をしており、発電機制御システムのための電流監視装置として動作する。
【０００５】
英国公開特許番号ＧＢ２２５９１５０Ａは、組み合わせたフィードバックを有する電子積分器の構成を開示している。
【０００６】
米国特許番号５４４２２８０は、プリント回路レイアウトでのロゴウスキ・コイルの固定配置を開示している。
【０００７】
欧州公開特許ＥＰ６５２４４１Ａ１は、接地された金属製筐体への実装のためのロゴウスキ・コイルの固定配置を開示している。
【０００８】
米国特許番号６６１４２１８Ｂ１は、ロゴウスキ・コイルのための受動的及び能動的な積分器を統合した構成を開示している。提示されている統合した積分器は、古典的な単一の積分器よりも高い周波数範囲への対応を示しているが、それと引替えに全体としての測定精度が低くなる。
【０００９】
欧州公開特許ＥＰ０８３４７４５Ａ２は、高い均一性をもつ固定ロゴウスキ・コイルを開示している。
【０００１０】
日本公開特許ＪＰ２０００−０６５８６６は、大形構造中を流れる電流測定のための複数のロゴウスキ・コイル配置を開示している。
【００１１】
英国公開特許番号ＧＢ２３３２７８４Ａは、固定支持構造に巻き付けられた検出コイルから構成された可撓性ロゴウスキ・コイル配置を開示している。
【００１２】
ドイツ公開特許番号ＤＥ１９８１１３６６Ａ１は、電力線に繰り返して組み立てるのに最適な可撓性ロゴウスキ・コイル配置を開示している。
【００１３】
英国公開特許番号ＧＢ２３４２７８３Ａは、プリント回路レイアウトでのロゴウスキ・コイルの固定配置を開示している。
【００１４】
ドイツ公開特許番号ＤＥ１９９５９７８９Ａ１は、スイッチングされた直流フィードバックを有する電子積分器の配置を開示している。
【００１５】
米国特許番号６８２５６５０Ｂ１は、電力量計での電流測定のための連続した固定ロゴウスキ・コイルの配置を開示している。
【００１６】
米国特許番号６３１３６２３Ｂ１は、残存信号を除去する２つのロゴウスキ・コイルの空間配置を開示している。
【００１７】
米国公開特許番号ＵＳ２００３／００９０３５６Ａ１は、光伝送経路を有するプリント回路配置上の固定ロゴウスキ・コイル配置を開示している。
米国特許番号６９６３１９５Ｂ１（バーカン）は、追加の静電遮蔽コイルを設けた固定したロゴウスキ・コイルの配置を開示している。単一のコイルを静電遮蔽として用いることの欠点は、それが高いインピーダンスを持つものとなり、結果として外部の未知の交流電界に対する遮蔽効果が弱まるという問題である。
日本公開特許番号０２１１８４６０（エナージーサポート（株））の抄録は、円筒体を貫通する部分電流の測定のために最適化された既知の古典的なロゴウスキ・コイルの様々な配置を開示している。
米国特許ＵＳ５０１２２１８は、直流電流の測定のためにロゴウスキ・コイルの原理を利用した固定したソレノイドの配置を開示している。装置には、電流を搬送する導電体をコイルの検出領域の内部と外部に簡単に位置決めする間隙が設けられている。この間隙の影響は、間隙の端に設けられた補償コイルによって最小化されている。
ドイツ公開特許ＤＥ２４３２９１９Ａ１（シーメンス社）は、電流を搬送する導体の周りに固定された硬質コイルから構成され電流変換器のための複数のコイルを連続して巻き付ける方法を開示している。
欧州特許ＥＰ０５７３３５０（デュプラッツ他）は、ＰＣＢ（プリント基板）上に往復巻き線を形成して、固定コイルを金属性トラックから作る基本原理を開示している。
米国公開特許番号２００５／２４８４３０Ａ１（デュプラッツ他）は、部分的に個々に製造したセグメントから組み立てて、ＰＣＢ（プリント基板）技術によって製造した固定ロゴウスキ・コイルの同様の配置を開示している。同様の方法が、ドイツ特許ＤＥ１０１６１３７０及び米国公開特許ＵＳ２００３１３７３８８Ａ１によって開示されており、それらでは、固定ロゴウスキ・コイルは、ＰＣＢ（プリント基板）技術によって製造した半環状の部分から構成されている。これらの部分は、積み重ねて配置し電気的に相互接続することにより均一なコイルが得られるようにしている。
ロゴウスキ・コイルは、落雷のような非常に大きな振幅と速い立ち上がり特性を有する電流の測定に用いることが有利である。この目的のための固定ロゴウスキ・コイルの配置は、トーレ（Ｔｏｒｒｅ）他による「落雷のパラメータを直接測定する３つの装置の設計、構築、校正」に説明されている。自己積分型ロゴウスキ・コイルがアクリル製の芯に抵抗線を巻回されることにより作られている。この配置は、高い周波数範囲において積分装置として動作し他に積分器を必要としないものとなっている。
【００１８】
際立った線形性と、磁性芯を用いないことによる飽和特性のなさと、実用上、無制限の周波数範囲という特性は、ロゴウスキ原理に基づく電流検出器に固有のものである。しかし、これらの特性については、更なる改良と応用先に応じた最適化が求められている。
【００１９】
従って、本発明の目的は、その応用先に固定コイルは、位置に比べてより高い精度と改善をもたらす可撓性汎用電流検出器とその評価電子回路の新たな改良された配置を提供することにある。
【００２０】
（発明の概要）
可撓性電流検出器の改善は、以下の構成で達成される。
【００２１】
検出ケーブルの電気絶縁は、個々に分離された複数の絶縁線から構成されている。絶縁線は、互いに異なる方向に巻回されたグループに分けられて配置されている。全ての絶縁線は、１つのみの接続点を有している。複数の線から構成された絶縁の対称的な配置により、検出ケーブルの高い柔軟性がもたらされ、絶縁実効インピーダンスを最小化し、以って、絶縁特性を向上する。各絶縁線の単一の接続点により測定精度に影響を及ぼす誘導電流を除去する。
【００２２】
検出コイルは、各々が分離した複数の検出ケーブルから構成されている。検出ケーブルは、互いに反対方向に巻回されたグループに分けられて配置されている。検出された電流による磁界によって検出ケーブルに電圧が誘起され、検出ケーブルは、直列又は並列もしくは直列と並列とを組み合わせて、電気的に相互接続されている。また、いくつかの検出ケーブルは、非活性状態である。検出ケーブルの相互接続構成を用いて、検出コイルの感度、インピーダンス、周波数範囲を決定する。検出ケーブルを対称に配置することにより、外部の未知の電流源による影響を除去する。
【００２３】
反対方向に巻回された絶縁線は、互いに捻り合わせることが有利となる。この絶縁線の捻り合わせによって巻き線の機械的な安定性を向上させ、効果的な範囲を広げることができる。また、絶縁線の捻り合わせによって線のグループの電気的な対称性を向上させ、これにより、絶縁インピーダンスを低下させ、更に絶縁効果を高めることができる。
【００２４】
反対方向に巻回された検出ケーブルは、互いに捻り合わせることが有利となる。この検出ケーブルの捻り合わせによって、巻き線の機械的な安定性を向上させ、電気的な安定性も向上させることができる。検出ケーブルの捻り合わせの本質的な効果は、絶縁に関して、検出コイルの対称性を改善できることである。この対称性により、外部からの未知の電流源に対する検出コイルの不要な結合によって誘起される全てのコモン・モードの残存信号を除去することができる。
【００２５】
可撓性電流検出器ケーブルは、同軸ケーブルの製造機械によって、本発明による絶縁線と検出ケーブルの構成を有する連続したケーブル製品として製造することが有利である。最終製品として得られる検出器は、製造済みの連続ケーブルから切り出し、所望の長さを持つ部分から作り出す。連続したケーブルとして製造することにより、ケーブル長全体にわたり巻き線の高い均一性が保証され、これにより、検出器の精度と製造の再現性が向上する。さらに、個々の検出器を個別に製造することに比べ、製造コストが下げられるという利点もある。
【００２６】
本発明による可撓性電流検出器の対称検出コイルは、絶縁に関して電気的に平衡となっている。従って、外部からの未知の電流源に対する検出コイルの不要な結合によって誘起される全てのコモンモードの残存信号の除去は、電子評価回路の差動入力段において行われる。低周波の応用では、入力回路が高いインピーダンスをもつことにより、検出コイル抵抗に対して出力信号の高い感度と独立性が確保される。高周波成分をもつ信号については、検出コイルの検出ケーブルは、分布定数をもつ平衡伝送線として動作する。高周波領域で平坦な周波数応答を得るためには、伝送線は、その特性インピーダンスと等しいインピーダンスに整合させる必要がある。
【００２７】
本発明による可撓性電流検出器は、連続した検出ケーブルから所定の長さをもつ部分から作り出される。このような検出器は、例えば、建物内配線などの大形導体群での残存電流の測定手段や、例えば、建物、塔や柱などの大形構造物でのサージ又は落雷の全て及び／又は一部の電流の測定手段として用いることが有利である。
【００２８】
本発明による可撓性電流検出器は、外部からの未知の信号に対して感度が低く、空間的な位置調整が可能であるため、この可撓性電流検出器は、例えば、電力量計などの測定機器内での電流測定手段として用いることが有利である。
【００２９】
本発明による可撓性電流検出器のサンプルを検証のために製造した。このサンプルは、直径７ｍｍのプラスチック製の芯に互いに反対方向に巻回されて捻られた２×４本の分離された線を直列に接続して構成した検出ケーブルと、互いに反対方向に巻回されて捻られた２×１０８本の分離された絶縁線を並列に接続して構成した絶縁とをもつ連続したケーブルとして製作したものである。この検出器には、本発明による一組の円筒状のキャップから構成された結合システムが設けられている。製作された検出器は、電力量計の試験のための精密な電力測定に応用する、常用標準の入力回路として用いられる。可撓性のある検出器を含む試験システムの精度は、振幅が０．ｌ％以内に収まり、位相が０．１％以内に収まった。
【実施例】
【００３０】
（好適な実施例の説明）
図１は、本発明による、可撓性円筒状の芯ＦＣに巻き付けられた絶縁及び／又は検出コイルの線の構成の原理を示すものである。コイルは、個々に分離された複数の線から構成されている。線は、２つのグループＧ１及びＧ２に分かれている。グループＧ１及びＧ２は、互いに反対の方向に巻回されており、両グループの線は、径方向位置で周期的に互いに交わるように捻り合わされている。
【００３１】
図２は、本発明による、絶縁線の並列接続の例を示すものである。絶縁線は、互いに反対方向に巻回された２つのグループＧ１及びＧ２に分かれている。全ての絶縁線は、電気的に並列に接続されている。各絶縁線は、共通の端子Ｔに接続する１つの接続点のみを有している。２つの同一のグループの線が互いに反対方向に巻回された並列接続の構成をもっているため、外部の電圧源に対する共通の容量性結合により生ずる磁界は、打ち消される。従って、並列接続の構成は、低インピーダンスの小型の絶縁として作用し、機械的に高い柔軟性をもたらし、残存電流により生じる測定誤差を除去できるという効果が得られる。なお、この残存電流は、小型の絶縁での検出電流に伴う磁界により誘起されるものである。
【００３２】
図３は、本発明による検出ケーブルの直列接続の例を示すものである。絶縁線は、互いに反対方向に巻回された２つのグループＧ１及びＧ２に分かれている。全ての絶縁線は、電気的に直列に接続されている。この構成では、検出電流に伴う磁界によって個々の線に誘起される電圧を足し合わせる。電圧の合計は、端子Ｔ１及びＴ２に現れる。この構成は、極めて高い精度が要求される応用に用いられるものである。
【００３３】
図４は、本発明による検出ケーブルの直列と並列接続の組合せの例を示すものである。グループＧ１及びＧ２は、直列に接続されていて、更に、個々のグループの検出ケーブルは、電気的に並列に接続されている。この構成は、測定感度が低く、コイル・インピーダンスが低く、広い周波数範囲を必要とするような大電流の過渡状態を測定する応用に適したものである。
【００３４】
図５は、電子積分回路の差動入力構成の例を示すものである。検出コイルＳＣの端子Ｔ１及びＴ２は、差動増幅器ＤＡの非反転入力と反転入力に接続されている。並列接続された絶縁線の共通端子Ｔは、電気的な接地に接続されている。差動入力段ＤＡの出力は、電気積分器ＥＩの入力に接続されている。更に、オプションとして、検出コイルの終端をインピーダンスＺＬによって整合させることにより、検出コイルの高周波領域の応答を最適化する。
【００３５】
図６は、電力量計での電流測定に応用した可撓性電流検出器のフラグメントの例を示すものである。電力量計の電流線ＣＷを本発明の検出ケーブルＳＣの複数回巻いた巻き線によって検出する。巻付け回数により、測定感度が比例して増加する。
【００３６】
図７は、高圧電柱の放電電流の測定に応用した可撓性電流検出器の例を示すものである。電柱には、柱から地上に流れる全電流を測定する可撓性電流検出ケーブルＳＣが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による可撓性円筒状の芯に巻回された絶縁及び／又は検出コイルの線の構成の原理を示した図である。
【図２】本発明による絶縁線の並列接続の例を示す図。
【図３】本発明による検出ケーブルの直列接続の例を示す図。
【図４】本発明による検出ケーブルの直列と並列接続の組合せの例を示す図。
【図５】電子積分回路の差動入力構成の例を示す図。
【図６】電力量計での電流測定に応用した可撓性電流検出器のフラグメントの例を示す図。
【図７】高圧電柱の放電電流の測定に応用した可撓性電流検出器の例を示す図。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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