(57)【要約】【課題】高コスト化を招くことなく高電圧の非接触測定が可能な電圧測定装置を提供する。【解決手段】第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定装置であって、電極と、電極と接続し、第１電圧で固定された第２周波数の交流信号を出力する可変周波数発振部と、電極と可変周波数発振部との間を流れる電流を検出する電流検出部と、検出された電流から、第１周波数成分の大きさと、第２周波数成分の大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する差分抽出部と、差分抽出部の出力が０になるように、可変周波数発振部の第２周波数を変化させる周波数調整部と、第１電圧と第１周波数と第２周波数とに基づいて、第１周波数の交流電圧を算出する演算部とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定装置であって、
電極と、
前記電極と接続し、第１電圧で固定された第２周波数の交流信号を出力する可変周波数発振部と、
前記電極と前記可変周波数発振部との間を流れる電流を検出する電流検出部と、
検出された電流から、前記第１周波数成分の大きさと、前記第２周波数成分の大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する差分抽出部と、
前記差分抽出部の出力が０になるように、前記可変周波数発振部の第２周波数を変化させる周波数調整部と、
前記第１電圧と前記第１周波数と前記第２周波数とに基づいて、前記第１周波数の交流電圧を算出する演算部と、
を備えたことを特徴とする電圧測定装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記第１電圧を前記第１周波数で割った値に前記第２周波数を乗じることにより前記第１周波数の交流電圧を算出することを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
【請求項３】
第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定方法であって、
前記第１周波数の交流電圧が印加された測定対象物に、容量を介して第１電圧で固定された第２周波数の交流電圧を印加したときに前記容量を流れる電流について、
前記第１周波数成分の大きさと、前記第２周波数成分の大きさとが同じなるように、前記第２周波数を調整し、
前記第１電圧と前記第１周波数とそのときの前記第２周波数とに基づいて、前記第１周波数の交流電圧を算出することを特徴とする電圧測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の電圧を非接触で測定可能な電圧測定装置および電圧測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図７に示すような、測定対象物４０４の電圧Ｖ１を非接触で測定可能な電圧測定装置４００が開示されている。電圧測定装置４００では、プローブユニット４０２の検出電極４１２が、測定対象物４０４の近傍に非接触な状態で配置されており、検出電極４１２と測定対象物４０４との間に静電容量Ｃ０が形成されている。
【０００３】
電圧測定装置４００では、可変容量素子４１３を本体４０３から交流信号Ｓ１で駆動すると、可変容量素子４１３の静電容量の変化により交流電流ｉが流れる。電流ｉの大きさは測定対象物４０４の電圧Ｖ１とプローブユニット４０２のシールドケースの電圧Ｖ４との電圧差によって決まる。電流ｉを検出抵抗４１５で交流電圧Ｖ２として測定し、その振幅に応じたシールド電圧Ｖ４を電圧生成回路４２５から発生させる。
【０００４】
この構成により、電圧測定装置４００のシールド電圧Ｖ４は電流ｉが０となるように制御され、このときシールド電圧Ｖ４は測定対象物４０４の電圧Ｖ１と同電圧になる。このため、シールド電圧Ｖ４を電圧計４２６により測定することで、測定対象物４０４の電圧Ｖ１を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３２９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電圧測定装置４００では、例えば、数ｋＶの高電圧を測定する場合には、プローブユニット４０２のシールドケースが高電圧になる。したがって、測定装置の安全性を確保するためにシールドケース周辺の高絶縁設計や破損による感電防止措置等が必要となる。このため電圧測定装置４００の高コスト化を招いている。
【０００７】
そこで、本発明は、高コスト化を招くことなく高電圧の非接触測定が可能な電圧測定技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である電圧測定装置は、第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定装置であって、電極と、前記電極と接続し、第１電圧で固定された第２周波数の交流信号を出力する可変周波数発振部と、前記電極と前記可変周波数発振部との間を流れる電流を検出する電流検出部と、検出された電流から、前記第１周波数成分の大きさと、前記第２周波数成分の大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する差分抽出部と、前記差分抽出部の出力が０になるように、前記可変周波数発振部の第２周波数を変化させる周波数調整部と、前記第１電圧と前記第１周波数と前記第２周波数とに基づいて、前記第１周波数の交流電圧を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記演算部は、前記第１電圧を前記第１周波数で割った値に前記第２周波数を乗じることにより前記第１周波数の交流電圧を算出することができる。
また、前記電極と前記可変周波数発振部とがコンデンサを介して接続していてもよい。
また、前記可変周波数発振部は、第１電圧の値を切替え可能であってもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である電圧測定方法は、第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定方法であって、前記第１周波数の交流電圧が印加された測定対象物に、容量を介して第１電圧で固定された第２周波数の交流電圧を印加したときに前記容量を流れる電流について、前記第１周波数成分の大きさと、前記第２周波数成分の大きさとが同じなるように、前記第２周波数を調整し、前記第１電圧と前記第１周波数とそのときの前記第２周波数とに基づいて、前記第１周波数の交流電圧を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高コスト化を招くことなく高電圧の非接触測定が可能な電圧測定技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電圧測定器の測定原理を説明する図である。
【図２】本発明の電圧測定器の第１実施例の構成を示す図である。
【図３】本発明の電圧測定器の第２実施例の構成を示す図である。
【図４】本発明の電圧測定器の第３実施例の構成を示す図である。
【図５】本発明の電圧測定器の第４実施例の構成を示す図である。
【図６】本発明の電圧測定器の第５実施例の構成を示す図である。
【図７】従来の非接触型電圧測定器を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の電圧測定器の測定原理を説明する図である。本発明の電圧測定器では、交流電圧を測定対象としており、本図では、周波数ｆｘの交流電圧Ｖｘが測定対象となっている。周波数ｆｘは既知であるとする。交流電圧Ｖｘは、例えば、数１００Ｖ〜数ｋＶ程度であるとする。
【００１２】
測定側には周波数ｆｓを変化させることができる可変周波数発振部１１０が備えられている。可変周波数発振部１１０の出力電圧は、電圧Ｖｓで固定されている。測定対象と測定側との間には容量Ｃ１が存在している。容量Ｃ１は未知でもよい。
【００１３】
測定対象の電圧Ｖｘが起因となって容量Ｃ１を流れる周波数ｆｘの電流をＩｘとし、可変周波数発振部１１０の電圧Ｖｓが起因となって容量Ｃ１を流れる周波数ｆｓの電流をＩｓとする。実際には、電流Ｉｘと電流Ｉｓとを重ね合わせた電流が容量Ｃ１を流れることになる。
【００１４】
測定側には、電流検出部１２０、差分抽出部１３０、周波数調整部１４０、周波数測定部１５０、演算部１６０が備えられている。なお、測定対象と測定側の接地は共通でなくてもよい。
【００１５】
電流検出部１２０は、電流Ｉｘと電流Ｉｓとが重畳した電流を検出する。差分抽出部１３０は、電流検出部１２０の検出結果から、電流Ｉｘの大きさと電流Ｉｓの大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する。周波数調整部１４０は、差分抽出部１３０の出力が０になるように、すなわち、電流Ｉｓの大きさが電流Ｉｘの大きさと等しくなるように可変周波数発振部１１０の出力周波数ｆｓを変化させる。
【００１６】
周波数測定部１５０は、可変周波数発振部１１０の出力周波数ｆｓを測定する。演算部１６０は、周波数測定部１５０における周波数ｆｓの測定結果に基づいて測定対象の電圧Ｖｘを算出して出力する。電圧Ｖｘの出力は、表示装置への表示、他装置へのデータ出力等とすることができる。
【００１７】
この構成において、電流Ｉｘに対する容量Ｃ１のインピーダンスをＸｃｘとし、電流Ｉｓに対する容量Ｃ１のインピーダンスをＸｃｓとすると、電流Ｉｘ、電流Ｉｓは以下のように表すことができる。
【数１】
2018179927.tif 000003
【数２】
2018179927.tif 000004
ここで、
【数３】
2018179927.tif 000005
【数４】
2018179927.tif 000006
が成り立つので、［数５］が得られる。
【数５】
2018179927.tif 000007
差分抽出部１３０と周波数調整部１４０により、Ｉｘ＝Ｉｓとなるように電圧Ｖｓが調整されるため、［数１］［数２］より、
【数６】
2018179927.tif 000008
そして、［数５］［数６］より［数７］が得られる。
【数７】
2018179927.tif 000009
したがって、演算部１６０は、可変周波数発振部１１０の既知の固定出力電圧Ｖｓを測定対象交流電圧の既知の固定周波数ｆｘで割って得られた固定値に、周波数測定部１５０の測定値ｆｓを乗じる演算を行なうことで、測定対象電圧Ｖｘを算出し、測定結果として出力することができる。
【００１８】
例えば、測定対象電圧の周波数ｆｘを商用電源の５０Ｈｚとすると、測定された周波数ｆｓが５０ｋＨであれば、電圧Ｖｓを１０００倍した値が測定対象の電圧Ｖｘとなる。すなわち、電圧Ｖｓを数Ｖに設定しておくことで、測定対象電圧が数ｋＶであっても数Ｖの電圧で測定できることになる。仮に、この場合、電圧Ｖｓが１Ｖであれば、測定対象の電圧Ｖｘは１ｋＶと測定される。
【００１９】
可変周波数発振部１１０の固定出力電圧Ｖｓを複数の値から選択できるようにしてもよい。これにより、測定対象電圧に応じた測定レンジの切替えを行なうことができるようになり、演算部１６０が切換えられた固定出力電圧Ｖｓに応じた演算を行なうことで、測定範囲を広げることができる。
【００２０】
例えば、可変周波数発振部１１０の可変帯域が２５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚであるとすると、固定出力電圧Ｖｓが１Ｖの場合は、５０Ｈｚの交流電圧Ｖｘを、０．５ｋＶ〜１ｋＶの範囲で測定可能となるが、固定出力電圧Ｖｓを１Ｖと０．５Ｖとで切換えられるとすると、０．２５ｋＶ〜１ｋＶの範囲で電圧Ｖｘが測定可能となる。
【００２１】
このように、本発明では、測定側は測定対象電圧よりもはるかに低い電圧で測定することができるため、電圧測定器の構成部品に高価な高耐圧部品が不要となる。また、電圧測定器内部で高電圧が発生することがないため、高絶縁設計や感電防止措置が不要となる。したがって従来技術のような高コスト化を防ぐことができ、安価に電圧測定器を構成することができる。
【００２２】
次に、上記の測定原理を利用した電圧測定器の実施例について説明する。図２は、本発明の電圧測定器１００の第１実施例の構成を示す図である。
【００２３】
本図の例において、測定対象物は、周波数ｆｘの交流電圧Ｖｘが印加される導体３１０である。導体３１０は、絶縁被覆３２０により被覆されており、被覆電線３００を形成している。
【００２４】
第１実施例の電圧測定器１００は、電極１０１、電流検出部１２０、差分抽出部１３０、定電圧可変周波数正弦波発振部１０４、周波数測定部１５０、演算部１６０を備えている。
【００２５】
電極１０１は、被覆電線３００に取り付けられている。このため、導体３１０と電極１０１とは非接触であり、導体３１０と電極１０１との間に未知の寄生容量Ｃ１が存在している。
【００２６】
電流検出部１２０は、抵抗Ｒ１２１と、抵抗Ｒ１２１に生じる電圧を検出する計装アンプ１２２とを備えている。
【００２７】
差分抽出部１３０は、周波数ｆｘの信号を通過させる第１フィルタ部１３１、周波数ｆｓの可変信号帯域を通過させる第２フィルタ部１３２、第１フィルタ部１３１を通過した周波数ｆｘの信号を平滑化して直流に変換する第１交流−直流変換部１３３、第２フィルタ部１３２を通過した周波数ｆｓの信号を平滑化して直流に変換する第２交流−直流変換部１３４、第１交流−直流変換部１３３が出力する電流Ｉｘの大きさに相当する信号Ｖｒｘと第２交流−直流変換部１３４が出力する電流Ｉｓの大きさに相当する信号Ｖｒｓとの差分を抽出する差動アンプ１３５を備えている。
【００２８】
定電圧可変周波数正弦波発振部１０４は、差分抽出部１３０が出力する電圧信号に応じた周波数の正弦波を固定電圧Ｖｓで出力する回路であり、電圧制御発振器（Voltage-controlled oscillator）、電圧周波数変換器（Voltage to Frequency Converter）等を用いることができる。定電圧可変周波数正弦波発振部１０４は、周波数調整部１４０、可変周波数発振部１１０として機能する。
【００２９】
定電圧可変周波数正弦波発振部１０４は、Ｖｒｘ＞Ｖｒｓの場合、出力周波数を高くする。これにより、Ｉｓが増加し、Ｖｒｓが増加する。一方、Ｖｒｘ＜Ｖｒｓの場合、出力周波数を低くする。これにより、Ｉｓが減少し、Ｖｒｓが減少する。
【００３０】
周波数測定部１５０は、定電圧可変周波数正弦波発振部１０４の出力周波数ｆｓを測定し、演算部１６０は、周波数測定部１５０における周波数ｆｓの測定結果に基づいて電圧Ｖｘを算出して測定結果として出力する。
【００３１】
周波数測定部１５０は、種々の方式を用いることができる。例えば、一定の測定時間における入力信号と基準電圧とが交差する回数を計測する方法、入力信号と基準電圧とが交差する時間（周期）を計測する方法等を用いることができる。
【００３２】
第１実施例では、電流検出部１２０に抵抗Ｒ１２１を用いているため、抵抗Ｒ１２１で生じる電流Ｉｘによる電圧降下Ｖｒｘと電流Ｉｓによる電圧降下Ｖｒｓとを考慮して、上記の［数３］［数４］に加え、［数８］［数９］が得られる。
【数８】
2018179927.tif 000010
【数９】
2018179927.tif 000011
したがって、
【数１０】
2018179927.tif 000012
となる。
【００３３】
ここで、差分抽出部１３０と定電圧可変周波数正弦波発振部１０４により、Ｉｘ＝Ｉｓとなるように周波数ｆｓが調整されるため、ＶｒｘとＶｒｓとが等しくなり、これをＶｒとすると、
【数１１】
2018179927.tif 000013
が得られる。−Ｖｒ２は小さいので無視すると、
【数１２】
2018179927.tif 000014
となる。さらに、抵抗Ｒ１２１が、容量Ｃ１と周波数ｆｓとで決まるリアクタンスよりも十分小さければ、Ｖｒ２を無視することができる。このため、電流検出用の抵抗Ｒ１２１を小さい値とすることで、Ｖｘ＝Ｖｓ×ｆｓ／ｆｘが得られることになる。したがって、演算部１６０は、周波数測定部１５０の測定結果ｆｓを（Ｖｓ／ｆｘ）倍する演算を行なうことで、測定対象電圧Ｖｘを算出し、出力することができる。もちろん、Ｖｒ（ＶｒｓあるいはＶｒｘ）を別途測定し、［数１２］にしたがって、測定対象電圧Ｖｘを算出し、出力してもよい。
【００３４】
なお、電流検出部１２０は、抵抗Ｒ１２１と計装アンプ１２２とで構成していたが、この構成に限られず、電流に応じた信号を取得可能な種々の方式を採用することができる。例えば、ホールセンサやカレントトランス回路等を利用して電流による磁界を検出し、電流に比例した電圧を出力してもよい。また、抵抗Ｒ１２１に換えてコンデンサやコイル、またはこれらの組み合わせを用いてもよい。
【００３５】
また、第１フィルタ部１３１、第２フィルタ部１３２としては、アクティブバンドパスフィルタのＶＣＶＳ（サレン・キー）型、多重帰還型、状態変数型、パッシブバンドパスフィルタのＬＣバンドパスフィルタ、ＲＬＣバンドパスフィルタ等種々の方式を用いることができる。
【００３６】
なお、第２フィルタ部１３２は、可変周波数ｆｓの可変範囲を透過帯域としてカバーする必要がある。このため、周波数ｆｓ以外のノイズを透過させてしまう場合が起こり得る。そこで、定電圧可変周波数正弦波発振部１０４の出力周波数に応じたカットオフ周波数を設定できるようにしてもよい。
【００３７】
この場合、例えば、第２フィルタ部１３２をスイッチトキャパシタフィルタで構成し、そのクロックとして、定電圧可変周波数正弦波発振部１０４の出力をＰＬＬ等によりＮ倍に逓倍した周波数の信号を入力すればよい。これにより、カットオフ周波数を周波数ｆｓの１／ｎに設定することができ、ノイズの混入を抑制することができる。
【００３８】
また、第１交流−直流変換部１３３、第２交流−直流変換部１３４としては、ＲＭＳ−ＤＣコンバーター（実効値検波）、全波平均あるいは半波平均の平均値検波、ピークホールド回路等の種々の方式を用いることができる。
【００３９】
次に、本発明の電圧測定器１００の第２実施例について図３を参照して説明する。第２実施例では、差分抽出部１３０を、同期検波回路を用いて構成している。同期検波回路は、入力信号のうち、参照信号と同じ周波数成分の信号について、その大きさを直流電圧に変換して出力する回路である。
【００４０】
本図の例では、電流検出部１２０の出力信号から第１同期検波部１３６を用いて周波数ｆｘの信号の大きさに相当する直流電圧Ｖｒｘを得ており、第２同期検波部１３７を用いて周波数ｆｓの信号の大きさに相当する直流電圧Ｖｒｓを得ている。第２実施例の電圧測定器１００は、第１同期検波部１３６の参照信号のために、周波数ｆｘの正弦波発振器１３８を備えている。第２同期検波部１３７の参照信号は、周波数ｆｓの定電圧可変周波数正弦波発振部１０４の出力信号を用いている。
【００４１】
次に、本発明の電圧測定器１００の第３実施例について図４を参照して説明する。第３実施例では、ディジタル信号処理部１７０を備えており、抵抗Ｒ１２１と計装アンプ１２２で構成した電流検出部１２０以外の処理をディジタル信号処理で行なう。
【００４２】
このため、電流検出部１２０の出力信号をディジタルデータに変換するためのＡ／Ｄ変換部１７７を備えている。Ａ／Ｄ変換部１７７は、フラッシュ型、逐次比較型、積分型、デルタシグマ型等種々の方式を用いることができる。
【００４３】
ディジタル信号処理部１７０は、周波数ｆｘの信号を分離してＶｒｘを抽出する周波数分離器（ｆｘ）１７１と、周波数ｆｓの信号を分離してＶｒｓを抽出する周波数分離器（ｆｓ）１７２と、ＶｒｘとＶｒｓとを比較し、比較結果に基づいて周波数制御値を変化させるレベル比較部１７３と、電圧Ｖｓ、周波数ｆｓのアナログ正弦波を出力するディジタル直接合成発振器１７５と、ディジタル直接合成発振器１７５の出力周波数ｆｓを（Ｖｓ／ｆｘ）倍する演算を行なうことで測定対象電圧Ｖｘを算出し、出力する演算部１７６を備えている。
【００４４】
周波数分離器１７１、１７２、レベル比較部１７３は、差分抽出部１３０として機能する。ディジタル直接合成発振器１７５は、可変周波数発振部１１０、周波数調整部１４０、周波数測定部１５０として機能する。
【００４５】
周波数分離器１７１、１７２は、ディジタルフィルタや同期検波回路を用いて構成することができる。周波数分離器（ｆｓ）１７２は、レベル比較部１７３の周波数制御値あるいはディジタル直接合成発振器１７５の出力周波数ｆｓに基づいて、透過周波数帯域を調整する構成としてもよい。
【００４６】
次に、本発明の電圧測定器１００の第４実施例について図５を参照して説明する。第４実施例は、測定対象の正確な周波数が分からない場合にも適用可能な構成である。第１実施例の構成を基に説明するが、他の実施例に適用してもよい。
【００４７】
第４実施例では、周波数測定部１８０を用いて、第１フィルタ部１３１を通過した信号の周波数を測定して、測定対象の正確な周波数ｆｘとする。演算部では、周波数測定部１５０の測定周波数ｆｓに対して、（Ｖｓ／ｆｘ）をかけることにより測定対象電圧Ｖｘを算出する。ｆｘは、周波数測定部１８０の測定値を用いる。なお、第１フィルタ部１３１部は、測定対象のおおよその周波数を通過帯域に含むフィルタを用いるものとする。
【００４８】
周波数測定部１８０は、周波数測定部１５０と同様に種々の方式を用いることができる。例えば、一定の測定時間における入力信号と基準電圧とが交差する回数を計測する方法、入力信号と基準電圧とが交差する時間（周期）を計測する方法等を用いることができる。
【００４９】
次に、本発明の電圧測定器１００の第５実施例について図６を参照して説明する。第５実施例は、測定対象物に非接触のみならず、接触状態でも電圧を測定することができる構成である。第１実施例の構成を基に説明するが、他の実施例に適用してもよい。
【００５０】
第５実施例の電圧測定器１００は、電極１０１と電流検出部１２０との間に、実際のコンデンサ１０２が接続されている。このため、電極１０１を導線３３０に接触させた状態でも、コンデンサ１０２が容量Ｃ１の役割を担うため、測定対象電圧Ｖｘを測定することができる。また、被覆電線３００を測定する場合は、寄生容量とコンデンサ１０２の合成容量が容量Ｃ１の役割を担うため、測定対象電圧Ｖｘを測定することができる。すなわち、非接触でも接触でも測定対象電圧Ｖｘを測定することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００  電圧測定器
１０１  電極
１０２  コンデンサ
１０４  定電圧可変周波数正弦波発振部
１１０  可変周波数発振部
１２０  電流検出部
１２１  抵抗Ｒ
１２２  計装アンプ
１３０  差分抽出部
１３１  第１フィルタ部
１３２  第２フィルタ部
１３３  第１交流−直流変換部
１３４  第２交流−直流変換部
１３５  差動アンプ
１３６  第１同期検波部
１３７  第２同期検波部
１３８  正弦波発振器
１４０  周波数調整部
１５０  周波数測定部
１６０  演算部
１７０  ディジタル信号処理部
１７１  周波数分離器
１７２  周波数分離器
１７３  レベル比較部
１７５  ディジタル直接合成発振器
１７６  演算部
１７７  Ａ／Ｄ変換部
１８０  周波数測定部
３００  被覆電線
３１０  導体
３２０  絶縁被覆
３３０  導線
【図１】
2018179927.tif 000015
【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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