JP7560791B2

JP7560791B2 - 非接地測定可否判定装置とその校正方法

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Publication number: JP7560791B2
Application number: JP2023525308A
Authority: JP
Inventors: 稔登荒井; 雅人丸山; 潤加藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2024-10-03
Anticipated expiration: 2041-06-04
Also published as: WO2022254688A1; US20240201237A1; JPWO2022254688A1

Description

本発明は、非接地測定可否判定装置とその校正方法に関する。

電話線等の金属製のケーブルは、通信断や通信速度劣化（通信トラブル）を引き起こす原因となる電磁ノイズを誘起してしまう場合がある。通信トラブルが生じた場合、故障原因が電磁ノイズであるか否かを切り分けるため、ケーブルに生じる電磁ノイズの対地電圧を測定する必要がある。

その電磁ノイズの対地電圧を正確に測定するには、測定器を接地させる必要がある。接地させた測定器のプローブを測定対象のケーブルに接触させる、又は非接触で測定可能な容量性電圧プローブをケーブルにクランプさせて測定するのが一般的である（例えば非特許文献１）。

Ryuichi KOBAYASHI et al."A Novel Non-contact Capacitive Probe for Common-Mode Voltage Measurement",IEICE TRANS. COMMUN., VOL.E90-B, NO.6 JUNE 2007

しかし、屋内の電源アウトレットに接地極がない場合がある。その場合、対地電圧を測定する測定器を接地させるのは容易でない。接地極がない場合は、接地棒を地面に打ち込み、そこから延伸させたケーブルを測定器に接続させる必要がある。この作業は、作業者にとって過重な負担である。

一方、測定器と接地間の容量である対地容量が十分大きい（インピーダンスが小さい）場合は、測定器を接地しなくても正しい対地電圧の測定が可能である。また、対地容量が小さい（インピーダンスが大きい）場合は、対地電圧の誤差が大きくなり測定不能である。

しかし、測定対象の環境の対地容量の大きさは、測定環境の床面を見ただけでは分からない。よって作業者は、電磁ノイズの対地電圧を正しく測定するのに測定器を接地させる必要があるのか否かを判断することが出来ないという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、電磁ノイズの対地電圧を測定する際に、測定器を接地させる必要があるのか否かを判定できる非接地測定可否判定装置とその校正方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る非接地測定可否判定装置は、測定周波数と対地電圧の許容値との関係を記録した判定テーブルと、前記対地電圧を測定する部屋の床の上に配置される第１電極及び第２電極と、前記第１電極に前記測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力する発振部と、前記第２電極に誘起される周波数信号の電圧値を測定する電圧測定部と、前記電圧値が前記許容値より大きい場合に該当の周波数での前記対地電圧の測定は測定器の接地が不要であると判定する判定部とを備えることを要旨とする。

また、本発明の一態様に係る非接地測定可否判定装置の校正方法は、上記の非接地測定可否判定装置の校正方法であって、接地された導体の床に置かれる誘電体板の上に配置される測定器に、接地された信号発生器から周波数と振幅が既知の周波数信号を入力し、前記許容値を越えるまで前記誘電体板の枚数を増やして前記周波数信号の振幅を前記測定器で計測し、前記許容値を越える手前の前記誘電体板の枚数を、前記対地電圧を測定する測定周波数と同じ複数の周波数のそれぞれについて求める事前ステップと、前記床に、前記測定周波数に対応する前記許容値を越える手前の枚数の前記誘電体板を積み重ねた上に前記非接地測定可否判定装置を置き、前記発振部は前記床に対向する前記第１電極に前記測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力し、前記電圧測定部は前記床の上に配置される第２電極に誘起される周波数信号の電圧値を測定し、該電圧値を前記測定周波数に対応する前記許容値に設定する校正ステップとを行うことを要旨とする。

本発明によれば、電磁ノイズの対地電圧を測定する際に、測定器を接地させる必要があるのか否かを判定できる非接地測定可否判定装置とその校正方法を提供することができる。

測定対象のケーブル（ノイズ源）を含む測定系の等価回路を示す図であり、測定器を接地した場合を示す図である。図１に示す測定器を接地しない場合の等価回路を示す図である。本発明の実施形態に係る非接地測定可否判定装置の機能構成例を示す構成図である。事前ステップで用いる測定環境を示す模式図である。事前ステップの手順を示すフローチャートである。校正ステップの手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

（本発明の考え）
本発明の実施形態の説明の前に、本発明の考えについて説明する。本発明の実施形態に係る非接地測定可否判定装置は、測定したい周波数の対地電圧の許容誤差を予め決めておき、その許容誤差を越える場合は測定器の接地が必要であると判定するものである。

図１は、測定対象のケーブル（ノイズ源）を含む測定系の等価回路を示す図であり、測定器を接地した場合を示す図である。電磁ノイズは、ノイズ源１１とその出力インピーダンスＲ_ｏで表される。Ｒ_Ｌは、ケーブル１０の負荷インピーダンスである。

ノイズ源１１は、ケーブル１０の負荷インピーダンスＲ_Ｌに作用し、対地電圧Ｖｃを生じさせる。対地電圧Ｖｃは周波数特性を持つ。

測定器２０は、入力抵抗Ｒ_ｍと入力容量Ｃ_ｍを並列接続させた入力インピーダンスで対地電圧Ｖｃを測定する。

利用者は、非接地測定可否判定装置を使う前に、対地電圧Ｖｃを測定したい周波数帯域ｆａ～ｆｂと、許容できる大きさの誤差Ｅを決めておく。

図２は、図１に示す測定系の測定器を接地しない場合の等価回路を示す図である。図２に示すように、測定器２０を接地しないと測定器２０の入力インピーダンスと接地との間に対地容量Ｃが介在することになる。

測定器２０を接地するか否かで、測定系の等価回路には図１と図２に示す差分（対地容量Ｃの有無）が生じる。よって、測定器２０の接地を取った場合の測定電圧（対地電圧Ｖｃ）と、接地を取らなかった場合の測定電圧との差分Ｘｄは、次式で表せる。

ここでｊは虚数単位、ωは電磁ノイズの角周波数である。

この差分Ｘｄは、利用者が求める差分Ｘｄになる許容できる対地容量Ｃを周波数毎に定めて求める。そうすることで、利用者が定めた条件、２πｆａ≦ω≦２πｆｂの範囲において、差分Ｘｄは許容できる誤差Ｅより常に小さいことと同義である。つまり、この式（１）の条件を満たせば、測定器２０を非接地で使用してもその測定結果は許容できる誤差Ｅの範囲に収まることになる。

本実施形態に係る非接地測定可否判定装置は、電磁ノイズの対地電圧Ｖｃを測定する測定環境が式（１）に示す条件を満たしているか否かを判定する装置である。

（非接地測定可否判定装置）
図３は、本発明の実施形態に係る非接地測定可否判定装置の機能構成例を示す構成図である。図３に示す非接地測定可否判定装置３０は、電磁ノイズの対地電圧Ｖｃを測定する際に測定器２０（図１）の接地が必要であるか否かを判定する。

非接地測定可否判定装置３０は、判定テーブル３５、第１電極３１，第２電極３２、発振部３３、電圧測定部３４、判定部３６、及び制御部３７を備える。判定テーブル３５、判定部３６、及び制御部３７は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等からなるコンピュータで実現することができる。その場合、その処理内容はプログラムによって記述される。

判定テーブル３５は、測定周波数と対地電圧Ｖｃの許容値との関係を記録したテーブルである。対地電圧Ｖｃの許容値は、その許容値よりも大きな対地電圧Ｖｃが測定された場合は測定器２０の接地を不要と判定し、許容値よりも小さな対地電圧Ｖｃが測定された場合は測定器２０の接地が必要であると判定する電圧値である。

判定テーブル３５は、ｆ１：1.5Ｖｐ-ｐ、ｆ２：2.4Ｖｐ－ｐ、…、のように測定周波数と電圧値の組のテーブルである。Ｖｐ-ｐは周波数信号のピークtoピークの振幅の電圧値である。判定テーブル３５について詳しくは後述する。

第１電極３１は、対地電圧Ｖｃを測定する部屋の床の上（図示せず）に配置される。第１電極３１は、大地に対して向き合い静電容量を形成する。

第２電極３２は、上記の同じ部屋の床（図示せず）の上に配置される。第２電極３２は、第１電極３１と同一平面上に配置される。

第２電極３２も大地との間に静電容量を形成する。第１電極３１と第２電極３２が形成する静電容量は、第１・第２電極３１，３２が大地から離れれば小さく、近づけば大きくなる。

発振部３３は、第１電極３１に測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力する。発振部３３が第１電極３１に入力する周波数信号の周波数と振幅は、制御部３７によって制御される。

電圧測定部３４は、第２電極３２に誘起される周波数信号の電圧値を計測する。第２電極３２に誘起される電圧は、第１電極３１と第２電極３２が形成する静電容量の値が大きければ小さく、静電容量の値が小さければ大きくなる。

判定部３６は、第２電極３２に誘起される周波数信号の電圧値と許容値を比較し、電圧値が許容値よりも大きい場合に該当の周波数での対地電圧Ｖｃの測定は測定器２０の接地が不要であると判定する。第２電極３２に誘起される電圧値が大きいということは、第１・第２電極３１，３２が大地との間で形成する対地容量Ｃの値が大きいので対地電圧Ｖｃへの影響は小さい。

判定部３６の判定結果は、表示部（図示せず）等に表示して、利用者に測定器２０の接地の必要の有無を知らせる。利用者への報知は音声で行ってもよい。

以上説明したように本実施形態に係る非接地測定可否判定装置３０は、電磁ノイズの対地電圧Ｖｃを測定する際に、測定器２０の接地が必要であるか否かを判定する非接地測定可否判定装置であって、測定周波数と対地電圧Ｖｃの許容値との関係を記録した判定テーブル３５と、対地電圧Ｖｃを測定する部屋の床の上に配置される第１電極３１と、床の上に配置される第２電極３２と、第１電極３１に測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力する発振部３３と、第２電極３２に誘起される周波数信号の電圧値を測定する電圧測定部３４と、電圧値と許容値を比較し、電圧値が許容値より大きい場合に該当の周波数での対地電圧Ｖｃの測定は測定器２０の接地が不要であると判定する判定部３６とを備える。これにより、ケーブルの対地電圧Ｖｃを測定する際に、測定器２０を接地させる必要があるのか否かを判定できる非接地測定可否判定装置３０を提供することができる。

（校正方法）
非接地測定可否判定装置３０の校正方法について説明する。その校正方法は、事前ステップと校正ステップの２つのステップに分けられる。

事前ステップは、電磁ノイズの測定周波数にそれぞれ対応する誘電体板の枚数を求めるステップである。誘電体板は、測定器２０と大地の間の静電容量を模擬するものである。

（事前ステップ）
図４は、事前ステップで用いる測定環境を示す模式図である。その測定環境は、接地された床１００、信号発生器４０，ケーブル５０、誘電体板６０、及び測定器２０で構成される。

床１００は、例えば床面が導体で出来ているシルードルームの床である。信号発生器４０は、正弦波の周波数信号が生成できる発振器である。信号発生器４０は接地される。

測定器２０は、電磁ノイズの測定現場で使用したい測定器であり、床１００の上に配置された誘電体板６０の上に置かれる。測定器２０は、周波数信号の振幅が測定可能な例えばオシロスコープである。広義では電圧計である。

信号発生器４０と測定器２０は、ケーブル５０で接続される。このケーブル５０は上記のケーブル１０に相当する。

図５は、事前ステップの手順を示すフローチャートである。図５を参照して事前ステップを詳しく説明する。

事前ステップを開始すると、先ず変数ｋとｎをそれぞれ１に初期化する（ステップＳ１）。変数ｋは、誘電体板６０の枚数であり、ｋ＝１は誘電体板６０が１枚であることを表す。

変数ｎは測定周波数の周波数を表す。測定したい周波数帯域をｆａ～ｆｂした場合にその周波数帯域をｎ個に分割したそれぞれの測定周波数を表す。例えば、ｆａ＝ｆ１であり、ｆｂ＝ｆｎである。

最初は、１枚の誘電体板６０を測定器２０と床１００との間に挿入する（ステップＳ２）。

次に、信号発生器４０から既知の電圧値の周波数信号ｆ１を発生させ、ケーブル５０を介してその周波数信号ｆ１を測定器２０に入力する（ステップＳ３）。

次に、測定器２０で周波数信号ｆ１を測定する（ステップＳ４）。この時、利用者は、測定器２０の測定値が許容できる誤差Ｅ（上記の差分Ｘｄ）を越えているか否かを判定する（ステップＳ５）。

測定値が誤差Ｅ以下である場合（ステップＳ５のＮＯ）、変数ｋをインクリメント（ステップＳ６）してステップＳ２～Ｓ５の手順を繰り返す。

ステップＳ２～Ｓ５を繰り返すことで、誘電体板６０の枚数が増加し、測定器２０と床１００の間の静電容量の値が次第に小さくなる。誘電体板６０がある枚数になると測定値が許容できる誤差Ｅを越えることになる（ステップＳ５のＹＥＳ）。

測定値の誤差が誤差Ｅを越えると、誘電体板６０の枚数ｋをｋ＝ｋ-１して、周波数信号ｆ１と枚数ｋを対応付けて記録する（ステップＳ６）。ここで、測定値の誤差が誤差Ｅを越える手前の誘電体板６０の枚数ｋと周波数信号ｆ１と対応付けて記録される。

次に、次の周波数信号ｆ２について、誘電体板の枚数を表す変数ｋを初期化（ｋ＝1）してステップＳ２～Ｓ５の手順を繰り返す（ステップＳ７のＮＯのループ）。

以上説明した手順を繰り返すことで次表に示す周波数信号ｆ１～ｆｎのそれぞれと、対地電圧Ｖｃの誤差が誤差Ｅを越える手前の誘電体板６０の枚数ｋとの関係を表す情報を得ることができる。誘電体板６０の枚数ｋは、上記の許容できる対地容量Ｃに対応する。

表１は、各周波数信号ｆ１～ｆｎのそれぞれの周波数における測定器２０の測定値の誤差が誤差Ｅ以下になる誘電体板６０の上限枚数を表す。この上限枚数は、対地電圧Ｖｃの測定誤差が許容できる誤差Ｅを越えない最小の対地容量Ｃと相関する情報である。

つまり、上限枚数以上に誘電体板６０を増やすと、対地容量Ｃが小さく（インピーダンスが大きく）なり、測定値の誤差が許容できる誤差Ｅを越えてしまう。表１に示す誘電体板６０の枚数ｋは、測定値の誤差が誤差Ｅを越えない最小の対地容量Ｃを構成する誘電体板６０の数である。

（校正ステップ）
校正ステップは、非接地測定可否判定装置３０の判定テーブル３５を生成するステップである。校正ステップは、床１０の上に表１に示される枚数の誘電体板６０を置いた上に非接地測定可否判定装置３０を置き、非接地測定可否判定装置３０の発振部３３から周波数信号を第１電極３１に入力し、第２電極３２に誘起される周波数信号の電圧値を電圧測定部３４で測定することで行う。

図６は、校正ステップの手順を示すフローチャートである。図６を参照して校正ステップを詳しく説明する。

校正ステップを開始すると、利用者は、表１から測定周波数（周波数信号）と対応付けられた誘電体板６０の枚数の情報を取得し、床１００の上にその枚数の誘電体板６０を重ねる。そして、その積み重ねた誘電体板６０の上に非接地測定可否判定装置３０を置く（ステップＳ１０）。校正ステップでは、上記の信号発生器４０、ケーブル５０，及び測定器２０は不要である。信号発生器４０に代えて発振部３３が生成する周波数信号を用いる。また、測定器２０に代えて電圧測定部３４を用いる。

例えば、４枚の誘電体板６０を積み重ねた場合、発振部３３は第１電極３１に測定周波数と同じ周波数信号ｆ１を入力する（ステップＳ１１）。

次に、電圧測定部３４は、第２電極３２に誘起される周波数信号ｆ１の電圧値を計測する（ステップS１２）。そして、制御部３７は、周波数信号ｆ１とその電圧値を対応付けて例えばＲＡＭに記録する（ステップS１３）。

ステップＳ１０～Ｓ１３の手順は、全ての周波数信号ｆ１～ｆｎについて繰り返される（ステップＳ１４のＮＯ）。これにより表２に示す判定テーブル３５が生成される。

表１に示す電圧値は対地電圧Ｖｃの許容値である。

この許容値となる電圧測定部３４で測定する電圧値は、発振部３３が出力する周波数信号の電圧値（振幅）を、第１電極３１と大地の間の対地容量Ｃ１（図示せず）と、大地と第２電極３２の間の対地容量Ｃ２（図示せず）とで分圧した電圧である。よって、対地容量Ｃ１，Ｃ２が小さければ電圧測定部３４で測定する電圧値は小さくなる。また、対地容量Ｃ１，Ｃ２が大きければ電圧測定部３４で測定する電圧値は大きくなる。

床１００の上に積み重ねた誘電体板６０の枚数は、測定器２０の接地が不要である対地容量Ｃの最小値と相関する。その枚数の誘電体板６０を重ねて電圧測定部３４で測定した電圧値が、表２に示す許容値（電圧値）よりも大きければ測定器２０の接地は不要である。つまりこの場合、対地容量Ｃ１，Ｃ２がある程度大きく、許容できる誤差Ｅ以下の誤差で対地電圧Ｖｃの測定が可能であると判定することができる。

逆に、その枚数の誘電体板６０を重ねて電圧測定部３４で測定した電圧値が、表２に示す許容値（電圧値）よりも小さければ測定器２０の接地は必要である。電圧測定部３４で測定した電圧値が許容値よりも小さいと言うことは、対地容量Ｃ１，Ｃ２が小さい（インピーダンスが大きい）ので対地電圧Ｖｃに許容できる誤差Ｅ以上の誤差が含まれることを意味する。よってこの場合は、対地容量Ｃ１，Ｃ２をキャンセル（図２→図１）するために測定器２０を接地する必要がある。

以上説明したように本実施形態に係る判定テーブル３５は、接地された導体の床１００の上に所定の厚みの誘電体板６０を介して配置される測定器２０に接地された信号発生器４０から既知の電圧値の周波数信号を入力し、測定器２０で許容値を越えるまで誘電体板６０の枚数を増やして周波数信号の電圧値を計測し、該電圧値が許容値を越える手前の誘電体板６０の枚数を求め、該枚数の誘電体板を１００床の上に重ねた上に自ら（非接地測定可否判定装置３０）を置き、電圧測定部３４で測定された電圧値を測定周波数に対応させて記録したものである。これにより、測定器２０の接地が必要であるか否を判定することができる。

また、本実施形態に係る非接地測定可否判定装置３０の校正方法は接地された導体の床１００に置かれる誘電体板６０の上に配置される測定器２０に、接地された信号発生器４０から周波数と振幅が既知の周波数信号を入力し、許容値を越えるまで誘電体板６０の枚数を増やして周波数信号の振幅を測定器２０で計測し、許容値を越える手前の誘電体板６０の枚数を、対地電圧Ｖｃを測定する測定周波数と同じ複数の周波数のそれぞれについて求める事前ステップと、床１００に、測定周波数に対応する許容値を越える手前の枚数の誘電体板６０を積み重ねた上に非接地測定可否判定装置３０を置き、発振部３３は床１００に対向する第１電極３１に測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力し、電圧測定部３４は床１００の上に配置される第２電極３２に誘起される周波数信号の電圧値を測定し、該電圧値を測定周波数に対応する許容値に設定する校正ステップとを行う。これにより、非接地測定可否判定装置３０を校正することができる。

以上説明したように本実施形態に係る非接地測定可否判定装置３０によれば、電磁ノイズの対地電圧Ｖｃを測定する際に、測定器を接地させる必要があるのか否かを判定することができる。つまり、電磁ノイズの対地電圧測定が非接地でも正しく行えるのか否かを判定できる。これにより、作業者の負担を軽減することができる。

なお、上記の実施形態では、ケーブル１０，５０に生じる電磁ノイズの対地電圧Ｖｃを測定して接地が必要であるか否かを判定する例を示して説明したが、本発明はこの例に限定されない。電磁ノイズの対地電圧Ｖｃを測定する対象は、ケーブルに限られない。電磁ノイズを誘起する金属製の部材であれば、それらの部材（例えば金属製の台等）を加えた環境における測定器の接地が必要であるか否かを判定することが可能である。

また、第２電極３２は、第１電極３１と同一平面上に設けられる例で説明したが、この例に限られない。第２電極３２は、床１００の上に配置されればよい。

また、上記の実施形態では、判定部３６の判定結果を表示部（図示せず）等に表示する例で説明したが、本発明はこの例に限定されない。判定結果は音声等で表現してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０，５０：ケーブル
２０：測定器
３０：非接地測定可否判定装置
３１：第１電極
３２：第２電極
３３：発振部
３４：電圧測定部
３５：判定テーブル
３６：判定部
４０：信号発生器
６０：誘電体板

Claims

測定周波数と対地電圧の許容値との関係を記録した判定テーブルと、
前記対地電圧を測定する部屋の床の上に配置される第１電極及び第２電極と、
前記第１電極に前記測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力する発振部と、
前記第２電極に誘起される周波数信号の電圧値を測定する電圧測定部と、
前記電圧値が前記許容値より大きい場合に該当の周波数での前記対地電圧の測定は測定器の接地が不要であると判定する判定部と
を備える非接地測定可否判定装置。
前記判定テーブルは、
接地された導体の床の上に所定の厚みの誘電体板を介して配置される前記測定器に接地された信号発生器から既知の電圧値の周波数信号を入力し、前記測定器で前記許容値を越えるまで前記誘電体板の枚数を増やして前記周波数信号の電圧値を計測し、該電圧値が前記許容値を越える手前の前記誘電体板の枚数を求め、該枚数の前記誘電体板を前記床の上に重ねた上に自らを置き、前記電圧測定部で測定された電圧値を前記測定周波数に対応させて記録したものである
請求項１に記載の非接地測定可否判定装置。
第１電極、第２電極、発振部、及び電圧測定部を含み、電磁ノイズの対地電圧を測定する際に接地が必要であるか否かを許容値に基づいて判定する非接地測定可否判定装置の校正方法であって、
接地された導体の床に置かれる誘電体板の上に配置される測定器に、接地された信号発生器から周波数と振幅が既知の周波数信号を入力し、前記許容値を越えるまで前記誘電体板の枚数を増やして前記周波数信号の振幅を前記測定器で計測し、前記許容値を越える手前の前記誘電体板の枚数を、前記対地電圧を測定する測定周波数と同じ複数の周波数のそれぞれについて求める事前ステップと、
前記床に、前記測定周波数に対応する前記許容値を越える手前の枚数の前記誘電体板を積み重ねた上に前記非接地測定可否判定装置を置き、前記発振部は前記床に対向する前記第１電極に前記測定周波数と同じ周波数の周波数信号を入力し、前記電圧測定部は前記床の上に配置される第２電極に誘起される周波数信号の電圧値を測定し、該電圧値を前記測定周波数に対応する前記許容値に設定する校正ステップと
を行う校正方法。