静電気学会誌，46, 1（2022）20-25

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

電圧ピークホールド機能を有するCR並列式
静電気放電電荷量測定器の開発
長田 裕生 ，宮林 善也 ，鈴木 輝夫 ，崔 光石＊＊＊＊＊, 1（2021年9月21日受付；2021年11月29日受理）

Novel Coulomb Meter Using CR Parallel and Voltage Peak Holder＊＊＊＊＊, 1

Yuki OSADA , Yoshiya MIYABAYASHI , Teruo SUZUKI and Kwangseok CHOI
（Received September 21, 2021; Accepted November 29, 2021）

In this paper, a novel Coulomb meter that uses a CR parallel and voltage pick holder was experimentally introduced and its
basic features were quantitatively investigated. The novel meter consists mainly of the discharge charge detection part（ metalball, capacitor（1000 nF）, resistor（100 kΩ ））, signal processing part（ voltage measurement, voltage peak hold, voltagecharge conversion）, and display part. In this study, we conducted two experiments, a calibration test, and a test for measuring
the charge amounts of spark discharges, brush discharges, and propagating brush discharges, which are common in industrialsectors. As for the results, the values obtained using the novel meter were clearly proportional to those of obtained from thecharged capacitance used in the calibration test. In all three kind of electrostatic discharges -spark discharges, brush andpropagating brush discharges- the charge amount obtained by the novel meter agreed with the calculated values in each test.
Through these results, the validity of the novel meter was confirmed.

1．はじめにの投入口の真下に装着した大型ファラデーケージで測定

粉体プロセスでは，絶縁性フレコンバッグなどを使用し，約－12 μC/kg であることが報告されている ．また，し，粉体原料の充填や排出作業を行っている．このよう物体から発生する火花放電の電荷量測定方法には，シーなプロセスでは，フレコンバッグ表面の帯電電位が高くルド有無のプローブを使用した場合の電荷量及びその精なり，そこから発生する着火性静電気放電による粉じん度について検討され，シールドされたプローブを使用し爆発・火災の事故が発生している．これらの事故をた場合，より正確に測定されたことが報告されている ．

未然に防止するためには，帯電物体の静電気危険性を定

一方，従来の一般的な電荷量測定器としては，クーロ量的に把握することが必要であり，フレコンバッグからンメータ（電荷量測定器）がある．その測定原理は，放の放電電荷量の測定が求められている．また，フレコ

電電荷量 Q をコンデンサ C に溜めて，コンデンサの端ンバッグ表面の帯電電位はばらつきが大きいため，電荷子間電圧 V を高入力インピーダンスの電位計で測定し，量測定箇所を増やして測定を行う必要がある．

Q＝CV の関係から Q を知るものである．しかし，放電

1, 2）

3, 4）

5）

6）

電荷量測定に関する研究は，これまでに多く行われて電荷量を測定しようとクーロンメータを帯電した物体にきた．例えば，サイロに投入される粒子径 2-3 mm のポ接近させると，静電誘導により測定器の表示値が大きくリプロピレンペレットの電荷量（比電荷）をサイロ内部変動し，正確な放電電荷量の測定ができない．また，一度放電電荷量を測定した後は，必ず帯電物体から十分離

キーワード：放電電荷量測定器，電圧ピークホールド，火花放電，ブラシ放電，沿面放電＊
春日電機株式会社（〒212-0032 神奈川県川崎市幸区新川崎 2-4）
Development group, Kasuga Denki, 2-4, Shin-kawasaki,
Saiwai, Kawasaki, Kanagawa 212-0032, Japan＊＊
労働安全衛生総合研究所（〒 204-0024 東京都清瀬市梅園 1-4-6）
National Institute of Occupational Safety and Health,Japan, 1-4-6, Umezono, Kiyose-shi, Tokyo 204-0024,
Japan1choiks@s.jniosh.johas.go.jp

https://doi.org/10.34342/iesj.2022.46.1.2028302685-1静電気学会誌46巻1号.indb

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した位置でクーロンメータの値を読み取り，コンデンサに充電された電荷量を接地に逃がす必要がある．その上，繰り返し測定を行うと，測定器の操作が煩雑となり，多くの測定ポイントで放電電荷量を測定することが難しい場合がある．また，静電気放電の電荷量測定には CR 並
列式クーロンメータ7-9）がある．しかし，測定範囲は 5～200 nC（絶対値）であり，200 nC（絶対値）以上の放電電荷量を持つ帯電物体の静電気危険性を定量的に測定・判断することはできない．さらに，実際の現場で発生する静電気放電は，単発のみならず，2 発以上連続的に発生することが多く，上記の CR 並列式クーロンメー

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電圧ピークホールド機能を有するCR並列式静電気放電電荷量測定器の開発（長田 裕生ら）

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タは，最初の 1 発のみを測定するため，連続的な放電にホールド回路で保持するようにした．サンプリング周期おいて，2 発目以降に最大値が現れても対応できない．

は 2 ms である．なお，放電電荷量の値は，測定中はこ本研究では，これらの問題を解決するために，CR 並のサンプリングスピードで測定器に取り込まれ，表示さ列式クーロンメータに電圧ピークホールド機能を組み合れている値よりも大きい場合は表示値が更新される特徴

わせ，連続的放電にも対応させた新型のクーロンメータを持っている．故に，測定箇所を変えながら，放電電荷（以下，新型クーロンメータという）を開発した．本報量を測定した時に，最後に表示されている値が全ての測では，新型クーロンメータの基礎特性について定量的に定箇所の中での最大放電電荷量である．また，新型クー調べたので，報告する．

ロンメータには，帯電物体に近づけた時に帯電物体から発生する静電気放電が測定者の手に電撃を与えないよう2．新型クーロンメータに絶縁性円板（直径：153 mm ）を設けてある．

新型クーロンメータの構造を図 1 に示す．新型クーロンメータは，主に放電電荷量検出部（金属球，コンデン3．実験装置及び方法

サ（1000 nF ），抵抗（100 kΩ ）を含む），信号処理部（電3.1 新型クーロンメータの較正圧測定部，電圧ピークホールド部，電圧－電荷量変換部

新型クーロンメータの較正実験は，市販用フィルムコを含む），表示部などから構成され，最大約 10000 nC のン デ ン サ（ C＝5017 pF ） と 直 流 高 電 圧 電 源（ AKTB-

電荷量を測定することができる．このクーロンメータで020K2PN/S1，㈱東和計測）を用いて行った．

最大 10000 nC の電荷量を測定したときのコンデンサのフィルムコンデンサに所定の電荷量を充電（充電電荷端子間電圧は 10 V になる．また，放電電荷量検出部の量 Q1）し，放電検出球電極に接触させて放電を発生さ放電検出球電極は，その直径 φ ＝25 mm とした．これはせた．その時，新型クーロンメータで測定した値（測定放電検出球電極を帯電物体に接近させたときにコロナ放値 Qm ）と比較を行った．なお，校正実験で使用した電電を発生させないこと，絶縁物からの放電電荷量は電極荷量は，－10000 nC から＋10000 nC まで 1000 nC ずつ

直径 20 mm 以上で飽和する傾向にあることが報告され変化させて，その時に表示された Qm を記録し，同様のているためである ．新型クーロンメータは，帯電物体操作を 10 回行って，Qm の平均値を算出した．

10）から発生する静電気放電の最大放電電荷量を容易に測定

3.2 各種静電気放電の放電電荷量測定するために開発したものである．新型クーロンメータの産業現場で発生しやすい静電気放電は火花放電とブラ動作原理は，放電電荷が一旦 C に充電され，R を通じてシ放電，沿面放電である．新型クーロンメータの特性を接地に流れる．その時，電圧測定部では CR 両端の電圧評価する目的で，これら 3 種類の静電気放電の電荷量測が測定され，そのうち最大値をピークホールド部で読み定（測定値 Qd ）を試みた．この実験には，新型クーロ取られる．読み取られた最大電圧は電荷量に変換されて，ンメータ，表面電位計（ KSD-1000，春日電機㈱），直流表示部でその値が表示される．なお，コンデンサ C に高電圧電源（ AKTB-020K2PN/S1，㈱東和計測），金属容

充電された電荷は時定数 CR（計算値：100 ms ）で減衰器（直径 410 mm ），絶縁性シート（400 mm×400 mm×するので，コンデンサの端子間電圧のピーク値をピーク2 mm ），送風型除電器（ KD-750B，春日電機㈱），絶縁

図 1 新型クーロンメータの構造
Fig.1 Structure of novel Coulomb meter.

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22性フィルム（310 mm×310 mm×0.1 mm ），接地金属円（3）新型クーロンメータを約 10 mm/s の速さで絶縁性シ板（直径 300 mm ），コロナ放電式帯電器（ JPK-3，Vd ≒ートの中心部の表面に接近させてブラシ放電が発生－17 kV，春日電機㈱）などの機器を用いて行った．今したら，新型クーロンメータの Qd の値を記録する．

回の各種静電気放電の電荷量測定実験は，ノイズの影響（4）放電後の絶縁性シートの中心部の電位 V2 を測定しを最小限に抑えるためにシールドルーム（4.8 m×3.8 m×2.2 m ）内で行った．シールドルーム内の温度は 25±2℃，湿度は 30±5％である．以下に火花放電，ブラシ放電，沿面放電を発生させて，その電荷量を測定する実験の手順を述べる．て記録する．
（5）実験に使用した絶縁性シートと布（綿）を除電器で除電する．
（6）⑴～⑸の操作を 10 回繰り返す．
c．沿面放電：沿面放電は，接地金属上の帯電した薄a．火花放電：火花放電は，主に金属間で発生するもい絶縁性フィルム表面に沿って発生するものであり，図のであり，図 2（a）に示した金属容器を使用した．火花2（c）に示した接地金属板と薄い絶縁性フィルムを使用

放電は静電気放電に起因した事故の 7 割以上を占めるこした．沿面放電の電荷量の測定手順は以下の通りである．とが知られている ．火花放電の電荷量の測定手順は以（1）厚さ 0.1 mm の薄い絶縁性フィルムを接地金属円板11）の上に設置する．

下の通りである．
（1）絶縁性シートの上に金属容器を乗せて接地不良になっていることを高抵抗測定器で確認する．
（2）直流高電圧電源から金属容器に－5.5 kV の高電圧を与える．

（2）コロナ放電式帯電器で，このフィルム全面を 2 分間帯電させる．
（3）絶縁性フィルムの中心部の帯電電位 V1 を測定し，記録する．

（3）金属容器の放電前の表面電位 V1 を表面電位計で測定し，記録する．
（4）新型クーロンメータを約 10 mm/s で金属容器に接近させて，火花放電が発生したら，新型クーロンメータの Qd の値を記録する．
（5）金属容器の放電後の表面電位 V2 を測定して記録する．
（6）金属容器を接地する．
（7）
（2）
～
（6）の操作を 10 回繰り返す．
b．ブラシ放電：ブラシ放電は，主に金属と絶縁体との間で起こるものであるため，図 2（b）に示した絶縁性シートを使用した．ブラシ放電の電荷量の測定手順は以（4）新型クーロンメータを約 10 mm/s の速さで帯電した
薄い絶縁性フィルムの中心部表面に接近させて沿面放電が発生したら，新型クーロンメータの Qd の値を記録する．
（5）放電後の絶縁性フィルムの中心部の電位 V2 を測定し，記録する．
（6）実験に使用した薄い絶縁性フィルムを除電器で除電する．
（7）
（1）
～
（6）の操作を 10 回繰り返す．
上記の測定で得られた Qd，V1，V2 の値について検討した．

下の通りである．
（1）絶縁性シートを布（綿）で 3 回摩擦して帯電させる．
（2）帯電した絶縁性シートの中心部の帯電電位 V1 を測定し，記録する．

4．結果及び考察4.1 新型クーロンメータの較正
図 3 にフィルムコンデンサの Q1 と新型クーロンメー

図 2 各種静電気放電を発生させるための試料
Fig.2 Materials used in each test.

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放電のギャップ長は約 2～3 mm で，放電電荷は全て新型クーロンメータの球電極に流れ込み 1000 nF のコンデンサに充電されていると考えられる．
表 1 の火花放電の Qd と V1 の平均値は，－418 nC と－5.58 kV であり，（1）式から金属容器の静電容量を計算すると，C＝75 pF であった．
Qd＝CV1（1）

この測定値についての信頼性を確認するために LCRメータ（ U1733C，Keysight Technologies ）で接地不良の金属容器の静電容量 C を測定したところ，74 pF であり，両者の値はほぼ一致した．故に，今回の新型クーロンメ

図 3 充電電荷量 Q1 とクーロンメータでの表示値 Qm との関係
Fig.3 Relationship between Q1 and Qm．

ータの火花放電の電荷量測定は信頼性が高いことが示唆された．
さらに，導体間で起こる火花放電の放電エネルギーWは以下の（2）式で求めることができる．

タの Qm の関係を示す．ただし，縦軸は Qm，横軸は Q1である．この結果より，－10000～＋10000 nC までの Qm

W＝Q（V/2d1 － V2）と Q1 との間には比例関係（決定係数，R ＝0.9999）が2（2）ここで，Qd は放電電荷量，V1 と V2 は放電前後の金属成り立っていることが確認された．すなわち，Q1 と Qm容器の電圧である．の値はほぼ同じになり，新型クーロンメータは，Qm にこの（2）式に実験で得られた火花放電の Qd と V1 の最対する信頼性の高い測定ができることが確認された．

4.2 各種静電気放電の放電電荷量

大値と V2＝0 V を代入すると，放電エネルギーは，W＝

表 1 に火花放電，ブラシ放電，沿面放電の各実験から1.29 mJ であった．この値はほとんどの可燃性ガス・蒸得られた Qd と V1，V2 を 10 回測定したデータとそれらの気および一部の可燃性粉じんの着火源となり得る放電エ平均値を示す．

ネルギーである．ただし，この時に新型クーロンメータ

a．火花放電：Qd が－418 nC（平均値）で非常に大きのコンデンサに充電された放電電荷量の持つエネルギーいことが分かる．V1 は－5.1 kV から－5.8 kV であり，V2Wc を差し引く必要があるが，このコンデンサの端子間は 0 kV になっているので，1 回の火花放電で全ての放電

電圧 Vc は－0.446 V であったので，Wc を計算してみると電荷が金属容器から放出されたと考えられる．また，こ99 nJ と非常に小さな値になった．また，以下の実験結の時の放電検出球電極と金属容器との間に発生した火花

果でも Wc の値が非常に小さいので，本報告では Wc を

表 1 各種静電気放電から得られた電荷量と放電前後の表面電位
Table 1 Qd, V1, V2 values obtained for spark, brush, propagating brush discharges.
Type of discharge

Spark discharge

Brush discharge

Propagating brush discharge

Q［nC］dV［kV］
1

V［kV］
2

Q［nC］
dV［kV］
1

V［kV］
2

Q［nC］
dV［kV］
1

V［kV］
2

1－392－5.100－40－48.97－42.97

－4205

－9.50

－8.60

2－413

－5.60

0－72－49.99－41.09

－2656

－8.60

－7.50

3－428－5.80

0－21－34.41－30.82－2453

－8.60

－7.40

4－413

－5.50

0－80

－39.72－33.04

－1747

－9.00

－8.50

5－428

－5.70

0－33－45.54－40.06

－2160

－8.10

－7.00

6－412－5.50

0－61－44.17－37.67－2046

－8.00

－6.80

7－446－5.800－21－42.46－37.15－1635－8.00－7.108－413－5.500－54－36.47－31.50－1881－8.10－6.90

Measurement

9－414－5.700－35－40.06－36.47－1490－7.90－6.30

10－422－5.600－39－41.26－34.76－1573－8.00－7.30

Average－418－5.580－46－42.31－36.55－2185－8.38－7.3428302685-1静電気学会誌46巻1号.indb

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無視して放電エネルギーを求めることにした．
b．ブラシ放電：Qd の平均値が－46 nC であり，火花放電より小さい．V1，V2 は火花放電の場合よりはるかに高い値であり，V2 は大きく減少していないのが分かる．
例えば，V1＝－36.47 kV の時，V2＝－31.50 kV であった．
これは絶縁物からの静電気放電の特徴で，放電電荷量として絶縁物から失われる電荷量は，全電荷量の一部であることを示唆している．ただし，ブラシ放電の表面電位は，測定距離が 20 cm であり，10 cm の時の値に校正したものである．ブラシ放電発生時の絶縁性シートと放電検出球との間のギャップ長は約 5～30 mm であった．
今回の実験で得られた Qd の最大値は－80 nC であった．一方，絶縁体からのブラシ放電のエネルギーを（2）

図 4 ブラシ放電の放電波形の一例
Fig.4 Typical waveform of brush discharge．

式から推定することは困難であるが，以下の（3）式で算出できることが知られている ．
12）

（3）

1.2

W＝10×Qd

今回は，Qd の最大値－80 nC（絶対値）を（3）
式に代入すると，ブラシ放電の放電エネルギーは W＝0.48 mJ となる．また，式（2）において，表 1 の値を利用して算出すると 0.27 mJ であり，2 つの評価法で大きな差はないと考えられる．
これらの値は，一部の可燃性ガス・蒸気および有機溶剤を含んだ粉体の着火源になる可能性が高い放電エネルギーである．
c．沿 面 放 電：Qd の 最 大 値は－4205 nC（ 平 均 値：－

図 5 沿面放電の放電波形の一例
Fig.5 Typical waveform of propagating brush discharge．

2185 nC ）となり，火花放電やブラシ放電に比べると桁違観察した．ブラシ放電と沿面放電の放電波形の一例をそいに大きいことが分かる．絶縁性フィルムと放電検出球

れぞれ図 4 と図 5 に示す．ただし，縦軸は放電電流，横電極とのギャップ長は約 2～3 mm とほぼ一定であった．

軸は時間である．沿面放電の放電電流はブラシ放電より沿面放電の放電エネルギーW は，数式で表すのが難しピーク値が大きく持続時間が長いことが分かる．図 4 といが，Szymon らによる沿面放電の電荷量と放電エネル

図 5 で得られた放電波形から放電電荷量を求めるにあた

ギーの関係

り，以下の式を用いた．

13）によれば，今回得られた沿面放電の電荷量の最大値における放電エネルギーW は約 18 mJ である（4）

ことが推定される．この値は可燃性ガス・蒸気はもちろん，多くの可燃性粉じんの着火源となり得るエネルギー

ここで，ik［ A ］は，電圧プローブで測定した電圧をである．しかし，ブラシ放電，沿面放電の Qd の信頼性

抵抗 100 Ω で除した放電電流値で，Δt は放電持続時間を確認するために，絶縁物シートまたは絶縁性フィルムの微小区分時間である．その結果，ブラシ放電では－55の静電容量を測定し，式（1）を用いて計算することは難nC，沿面放電では－3530 nC であり，表 1 の Qd と比較しい．そこで，帯電した絶縁物または絶縁性フィルムかするとそれぞれほぼ同じレベルである．従って，今回のら発生する静電気放電の放電電流波形を観察し，放電電新型クーロンメータは，ブラシ放電，沿面放電の電荷量荷量を算出することにした．実験は，放電検出球電極に測定にも信頼性が高いことが示唆された．

100 Ω 抵抗（2 個の 200 Ω 無誘導抵抗の並列接続）を接続し，その両端を電圧プローブ（ SS-101R, IWATSU, 500

5．まとめMHz, 600 Vpk ）とオシロスコープ（ DS-5632A, IWATSU

電圧ピークホールド機能を有する CR 並列式静電気放Oscilloscope, 350 MHz, 2 GS/s ）で抵抗を通る放電電流を電電荷量測定器（新型クーロンメータ）を開発した．ま28302685-1静電気学会誌46巻1号.indb

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25た，その基礎特性を把握するために，火花放電，ブラシ

5） K. Choi, Y. Endo and T. Suzuki：Experimental study on

放電，沿面放電の電荷量の測定を試みた．その結果，新electrostatic charges and discharges inside storage silo during型クーロンメータは，帯電物体からの静電誘導の影響をloading of polypropylene powders. Powder Technol, 331受けずに，いずれの静電気放電の電荷量をも容易かつ正（2018）68確に測定できることを確認できた．火花放電では，金属容器の静電容量と表面電位により，得られた電荷量が新6） J. N. Chubb： Measurement of charge transfer in electrostatic
discharges. J. Electrostat, 64（2006）321型クーロンメータの測定値とほぼ一致した．また，ブラ7） T. Langer, D. Möckel and M. Beyer：Transferred charge ofシ，沿面放電では，オシロスコープの波形から得られるbrush discharges in explosive gas atmospheres-A verification

電荷量が新型クーロンメータでの測定値とほぼ一致しof the ignition threshold limits. J. Electrostat, 69（2011）200た．

8） T. Langer, G. Gramse, D. Möckel, U. von Pidoll and M.

今後の課題としては，産業現場で，静電気に起因したBeyer： MIE experiments and simultaneous measurement of

災害が起こる可能性が高いと思われる絶縁性フレコン

the transferred charge-A verification of the ignition thresholdと，その近傍に接地不良金属から発生する静電気放電のlimits. J. Electrostat, 70（2012）97

電荷量の測定を行い，新型クーロンメータの特性と測定値の妥当性などをより深く検討する．

9） K. Chowdhury and U. von Pidoll：Experimental investigationon the measurement deviations in recording brush discharges
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