(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２周波数の交流電圧を出力する定電圧源と、電極と定電圧源との間を流れる第１周波数の電流の大きさおよび第２周波数の電流の大きさを測定する電流測定部と、定電圧源の出力電圧、第１周波数の電流の大きさ、第２周波数の電流の大きさ、第１周波数、第２周波数に基づいて、第１周波数の交流電圧を算出する演算部と、を備えたこ電圧測定装置。【選択図】図３
2019203830.tif 000002
【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２周波数の交流電圧を出力する定電圧源と、
前記電極と前記定電圧源との間を流れる前記第１周波数の電流の大きさおよび前記第２周波数の電流の大きさを測定する電流測定部と、
前記定電圧源の出力電圧、前記第１周波数の電流の大きさ、前記第２周波数の電流の大きさ、前記第１周波数、前記第２周波数に基づいて、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２周波数と前記第１周波数との比に、前記第１周波数の電流の大きさと前記第２周波数の電流の大きさとの比と、前記定電圧源の出力電圧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】
前記定電圧源が、コンデンサを介して前記電極と接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧測定装置。
【請求項４】
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２周波数、所定電圧の交流電圧を印加したときに前記容量を流れる前記第１周波数の電流の大きさおよび前記第２周波数の電流の大きさを測定し、
前記所定電圧、前記第１周波数の電流の大きさ、前記第２周波数の電流の大きさ、前記第１周波数、前記第２周波数に基づいて、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。
【請求項５】
前記容量は、寄生容量を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の電圧測定方法。
【請求項６】
前記第２周波数と前記第１周波数との比に、前記第１周波数の電流の大きさと前記第２周波数の電流の大きさとの比と、前記所定電圧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４または５に記載の電圧測定方法。
【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８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。また、電流ｉが０となるようにシールド電圧Ｖ４を制御するために、電圧生成回路４２５として可変電圧源を用いなければならない。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２周波数の交流電圧を出力する定電圧源と、前記電極と前記定電圧源との間を流れる前記第１周波数の電流の大きさおよび前記第２周波数の電流の大きさを測定する電流測定部と、前記定電圧源の出力電圧、前記第１周波数の電流の大きさ、前記第２周波数の電流の大きさ、前記第１周波数、前記第２周波数に基づいて、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。
本発明の第１の態様である電圧測定装置によれば、第２周波数を第１周波数よりも十分大きくすることで、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、電圧測定装置の構成部品に高価な高耐圧部品が不要となる。また、電圧測定装置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。さらには、定周波数の定電圧源を用いているため、可変周波数発振器や可変電圧源が不要である。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、安価に電圧測定装置を構成することができる。
前記演算部は、前記第２周波数と前記第１周波数との比に、前記第１周波数の電流の大きさと前記第２周波数の電流の大きさとの比と、前記定電圧源の出力電圧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。
前記定電圧源が、コンデンサを介して前記電極と接続されていてもよい。
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２周波数、所定電圧の交流電圧を印加したときに前記容量を流れる前記第１周波数の電流の大きさおよび前記第２周波数の電流の大きさを測定し、前記所定電圧、前記第１周波数の電流の大きさ、前記第２周波数の電流の大きさ、前記第１周波数、前記第２周波数に基づいて、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。
前記容量は、寄生容量を含んでいてもよい。
前記第２周波数と前記第１周波数との比に、前記第１周波数の電流の大きさと前記第２周波数の電流の大きさとの比と、前記所定電圧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。
【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】測定対象と測定側の接地例を説明する図である。
【図３】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４】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５】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６】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７】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８】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。本発明は、特に測定対象電圧Ｖｘが、例えば、数ｋＶ程度の高電圧である場合に効果的である。
【００１２】
測定側には周波数ｆｓで出力電圧Ｖｓの定電圧源１１０が備えられている。周波数ｆｘ、周波数ｆｓとも既知であり、ｆｓ＞＞ｆｘ、Ｖｘ＞＞Ｖｓであるとする。測定対象と測定側との間には容量Ｃ１が存在しており、測定対象と測定側とは非接触になっている。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、定電圧源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、電流測定部１２０、演算部１３０が備えられている。なお、図２（ａ）に示すように、測定対象と測定側の接地は共通であってもよいし、図２（ｂ）に示すように、共通でなくてもよい。また、図２（ｃ）に示すように、測定側の接地に対する基準電位が変動するものであってもよい。
【００１５】
電流測定部１２０は、電流Ｉｘと電流Ｉｓのそれぞれの電流の大きさを測定する。電流の大きさは、振幅、実効値、平均値等のいずれであってもよい。演算部１３０は、電流測定部１２０における電流Ｉｘおよび電流Ｉｓの測定結果に基づいて電圧Ｖｘを算出して出力する。
【００１６】
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。ただし、定電圧源１１０、電流測定部１２０、測定対象電圧源のインピーダンスは十分小さいものとする。
【数１】
2019203830.tif 000003
ここで、容量Ｃ１のインピーダンスについて［数２］が成り立つ。
【数２】
2019203830.tif 000004
［数１］と［数２］とから、
【数３】
2019203830.tif 000005
が得られる。
【００１７】
測定対象電圧の周波数ｆｘ、定電圧源１１０の電圧Ｖｓおよび周波数ｆｓは既知であるため、電流Ｉｘと電流Ｉｓを測定することにより、［数３］に基づいて測定対象電圧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が商用電源の５０Ｈｚとすると、定電圧源１１０の周波数ｆｓを５０Ｈｚよりも十分大きな５０ｋＨとすれば、電圧Ｖｓを１０００倍（＝ｆｓ／ｆｘ）した値に測定で得られたＩｘ／Ｉｓを乗じた値が測定対象の電圧Ｖｘとなる。すなわち、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。
【００１９】
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。さらには、定周波数の定電圧源１１０を用いているため、可変周波数発振器や可変電圧源が不要である。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、高電圧の非接触測定が可能な電圧測定器を安価に構成することができる。
【００２０】
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３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。
【００２１】
本図の例において、測定対象は、周波数ｆｘの電圧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。
【００２２】
第１実施例の電圧測定器１００は、電極１０１、電流測定部１２０、演算部１３０、演算部１３０が算出した測定対象電圧Ｖｘを測定結果として表示する表示部１４０を備えている。
【００２３】
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との間に寄生容量Ｃ１が存在している。導体３１０と電極１０１との間に寄生容量Ｃ１が存在すれば足りるため、電極１０１と絶縁被覆３２０との間に空隙が生じていてもよいし、電極１０１と絶縁被覆３２０との間にさらに絶縁体を配置してもよい。絶縁被覆３２０を備えない導体３１０に絶縁体あるいは空隙を挟んで電極１０１を配置してもよい。他の実施例についても同様である。
【００２４】
電流測定部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、周波数ｆｘの信号を通過させる第１フィルタ部１２３ａ、周波数ｆｓの信号を通過させる第２フィルタ部１２３ｂ、第１フィルタ部１２３ａを通過した周波数ｆｘの信号を平滑化して直流電圧Ｖｍｘに変換する第１交流−直流変換部１２４ａ、第２フィルタ部１２３ｂを通過した周波数ｆｓの信号を平滑化して直流電圧Ｖｍｓに変換する第２交流−直流変換部１２４ｂを備えている。本例では、定電圧源１１０は、電流測定部１２０を介して電極１０１と接続されている。
【００２５】
直流電圧Ｖｍｘは、電流Ｉｘの大きさに対応し、直流電圧Ｖｍｓは、電流Ｉｓの大きさに対応する。電流測定部１２０では、抵抗Ｒ１２１と計装アンプ１２２とで電流を検出する電流検出部分を構成し、フィルタ部１２３と交流−直流変換部１２４とで振幅を測定する振幅測定部分を構成している。
【００２６】
フィルタ部１２３は、通過対象以外の周波数成分やノイズを除去する。交流−直流変換部１２４は、フィルタ部１２３が出力した交流電圧の振幅に応じた直流電圧を出力する。抵抗Ｒ１２１は、電流Ｉｘ、電流Ｉｓへの影響を避けるために小さな値とすることが望ましい。
【００２７】
演算部１３０は、電流測定部１２０が出力する直流電圧Ｖｍｘ、直流電圧Ｖｍｘと、既知の周波数ｆｓ、ｆｘ、および既知の電圧Ｖｓに基づいて測定対象電圧Ｖｘを算出し、表示部１４０が測定結果として表示する。
【００２８】
なお、電流測定部１２０の電流検出部分を、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、電流の大きさ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、電流の大きさ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。
【００２９】
また、第１フィルタ部１２３ａ、第２フィルタ部１２３ｂ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。
【００３０】
また、第１交流−直流変換部１２４ａ、第２交流−直流変換部１２４ｂ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。
【００３１】
次に、本発明の電圧測定器１００の第２実施例について図４を参照して説明する。第２実施例では、電流測定部１２０の振幅測定部分を、同期検波回路１２５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。
【００３２】
本図の例では、電流測定部分の出力信号から第１同期検波部１２５ａを用いて周波数ｆｘの信号の大きさに相当する直流電圧Ｖｍｘを得て、第２同期検波部１２５ｂを用いて周波数ｆｓの信号の大きさに相当する直流電圧Ｖｍｓ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１２５ａの参照信号のために、周波数ｆｘの正弦波発振器１２６を備えている。第２同期検波部１２５ｂの参照信号は、周波数ｆｓの定電圧源１１０の出力信号を用いている。
【００３３】
次に、本発明の電圧測定器１００の第３実施例について図５を参照して説明する。第３実施例では、電流測定部１２０の振幅測定をディジタル信号処理で行なう。このため、電流検出部分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１２７と、周波数ｆｘの信号を分離してＶｍｘを抽出する周波数分離器（ｆｘ）１２８ａと、周波数ｆｓの信号を分離してＶｍｓを抽出する周波数分離器（ｆｓ）１２８ｂとを備えている。周波数分離器１２８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。
【００３４】
次に、本発明の電圧測定器１００の第４実施例について図６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。
【００３５】
第４実施例では、周波数測定部１２９を用いて、第１フィルタ部１２３ａ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１３０では、電流測定部１２０が出力する直流電圧Ｖｍｘ、直流電圧Ｖｍｘ、周波数ｆｘと、既知の周波数ｆｘ、および既知の電圧Ｖｓに基づいて測定対象電圧Ｖｘを算出し、表示部１４０が測定結果として表示する。なお、第１フィルタ部１２３ａ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。
【００３６】
周波数測定部１２９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。
【００３７】
次に、本発明の電圧測定器１００の第５実施例について図７を参照して説明する。第５実施例は、電極１０１が測定対象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。なお、電極１０１は測定対象に接触するが、測定対象と測定側との間には容量Ｃ１が存在するため、測定対象と測定側とは非接触である。ここでは、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。
【００３８】
第５実施例の電圧測定器１００は、電極１０１と電流測定部１２０との間に、実際のコンデンサ１０２が接続されている。本例では、定電圧源１１０は、コンデンサ１０２および電流測定部１２０を介して電極１０１と接続されている。
【００３９】
実際のコンデンサ１０２が接続されていることにより、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、電極１０１が測定対象に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】
【００４０】
１００  電圧測定器
１０１  電極
１０２  コンデンサ
１１０  定電圧源
１２０  電流測定部
１２１  抵抗
１２２  計装アンプ
１２３  フィルタ部
１２４  交流−直流変換部
１２５  同期検波回路
１２６  正弦波発振器
１２７  Ａ／Ｄ変換部
１２８  周波数分離器
１２９  周波数測定部
１３０  演算部
１４０  表示部
３００  被覆電線
３１０  導体
３２０  絶縁被覆
３３０  導線
【図１】
2019203830.tif 000006
【図２】
2019203830.tif 000007
【図３】
2019203830.tif 000008
【図４】
2019203830.tif 000009
【図５】
2019203830.tif 000010
【図６】
2019203830.tif 000011
【図７】
2019203830.tif 000012
【図８】
2019203830.tif 000013