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WO2015133212A1 - 電圧測定装置および電圧測定方法 - Google Patents

電圧測定装置および電圧測定方法 Download PDF

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WO2015133212A1
WO2015133212A1 PCT/JP2015/052743 JP2015052743W WO2015133212A1 WO 2015133212 A1 WO2015133212 A1 WO 2015133212A1 JP 2015052743 W JP2015052743 W JP 2015052743W WO 2015133212 A1 WO2015133212 A1 WO 2015133212A1
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WO
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voltage
phase
absolute value
probe
measuring
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PCT/JP2015/052743
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裕幸 徳崎
紘 今井
圭記 松浦
真央 荻本
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Omron Corp
Original Assignee
Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/16—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using capacitive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R25/00—Arrangements for measuring phase angle between a voltage and a current or between voltages or currents

Definitions

  • the present invention relates to a voltage measuring apparatus and a voltage measuring method for measuring an alternating voltage flowing through a conductor in an insulating-coated wiring without contacting the wiring conductor.
  • a non-contact voltage measuring device is used for this kind of voltage measurement.
  • This voltage measuring device is a device that measures an alternating voltage flowing through a conductor in a wiring covered with insulation without contacting the conductor of the wiring, and is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • FIG. 8 is a schematic circuit diagram showing the configuration of the voltage measuring apparatus 101.
  • the voltage measurement apparatus 101 includes a detection probe 111 that functions as a detection electrode.
  • the detection probe 111 covers at least a part of the surface of the insulation coating of the electric wire 112 to be measured for voltage.
  • a coupling capacitor CL is formed between the conductor of the electric wire 112 and the detection probe 111.
  • a detection impedance Z S is connected between the detection probe 111 and GND, and a voltage is generated at both ends of the detection impedance Z S by an AC voltage V L flowing through the conductor of the electric wire 112. This voltage is output as the output value V out of the detection probe 111.
  • the output value V out is detected impedance Z S side of the voltage of the conductors of the voltage V L binding and detecting the impedance Z S capacitance C L and at divided voltage of the wire 112.
  • FIG. 9 shows a non-contact voltage measuring device 102 (hereinafter simply referred to as voltage measuring device 102) in which the detection impedance Z S is composed of capacitors C 1 and C 2 in the voltage measuring device 101 shown in FIG. It is a schematic circuit diagram which shows the structure of these.
  • capacitors C 1 and C 2 have one end connected to the detection probe 111 and the other end connected to GND via the changeover switch 114.
  • the changeover switch 114 switches so that one of the capacitors C 1 and C 2 is electrically connected to the detection probe 111.
  • the voltage measuring apparatus 102 by using the changeover switch 114, a voltage is applied to the capacitor C 1, and the voltage applied to the capacitor C 2, respectively, are measured as the output value V out1 and V out2.
  • the voltage V L is calculated from the measured output values V out1 and V out2 in the following procedure.
  • the absolute value of the AC voltage (voltage V L ) of the electric wire 112 can be measured.
  • the resistance of the covering of the electric wire 112 corresponding to a conductor-probe resistance RL described later
  • the phase of the AC voltage of the electric wire 112 is accurately measured by the resistance of the covering. Can not do it.
  • the measured phase is deviated from the original phase due to the presence of the resistance of the covering of the electric wire 112. Become.
  • the detection sensitivity of the absolute value of the AC voltage of the electric wire 112 decreases, The absolute value of the AC voltage of the electric wire 112 cannot be measured accurately. That is, in the measurement of the phase of the AC voltage of the electric wire 112, it is necessary to set the detection impedance so that the combined capacitance of the detection probe 111 (detection electrode) and the detection impedance can be regarded as a pure capacitance component. When set, the detection sensitivity of the absolute value of the AC voltage of the electric wire 112 is lowered.
  • an object of the present invention is to provide a voltage measuring apparatus and a voltage measuring method capable of accurately measuring the absolute value of the AC voltage of the electric wire and the phase of the AC voltage of the electric wire with a simple configuration.
  • a voltage measuring apparatus is a voltage measuring apparatus that measures the absolute value and phase of an alternating voltage flowing through a conductor of a wire in a non-contact manner with the conductor.
  • the absolute value and phase of the AC voltage of the electric wire can be accurately measured with a simple configuration.
  • FIG. 2A is a circuit diagram showing the first and second states of the non-contact voltage measuring device shown in FIG. 1
  • FIG. 2B is a circuit diagram of the non-contact voltage measuring device shown in FIG. It is a circuit diagram which shows a 3rd state. It is a figure which shows the equivalent circuit of the non-contact voltage measuring apparatus shown in FIG.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a state in which a coupling capacitance and a conductor-probe resistance are generated between the conductor of the electric wire illustrated in FIG. 1 and a detection probe.
  • 1 is a graph showing the relationship between the coupling capacity and the AC voltage of the electric wire in the configuration shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the conductor-probe resistance and the phase delay amount of the AC voltage of the electric wire when the value of the capacitor C3 is changed in the non-contact voltage measuring apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example in which one variable capacitor is provided as an impedance element instead of two capacitors in the voltage absolute value measurement circuit shown in FIG.
  • It is a schematic circuit diagram which shows the structure of the conventional non-contact voltage measuring apparatus.
  • FIG. 8 is comprised with two capacitors.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a configuration of a non-contact voltage measuring device (hereinafter simply referred to as a voltage measuring device) 1.
  • the conductor 13 of the electric wire 12 to be subjected to voltage measurement is covered with an insulating layer 14, and the voltage measuring apparatus 1 measures the AC voltage (absolute value) and phase flowing through the conductor 13 without contacting the conductor 13. .
  • the voltage measuring apparatus 1 includes a detection probe (probe) 11, detection capacitors C 1 to C 3 , a changeover switch (switching unit) 15, a detection resistor (first impedance element) R S and a calculation unit. 17 is provided.
  • the detection probe 11 includes an electrode that can be attached so as to surround the outer peripheral surface of the covering layer 14 of the electric wire 12.
  • One end of each of the capacitors C 1 to C 3 is connected to the detection probe 11, and the other end is connected to the detection resistor R S via the changeover switch 15.
  • the changeover switch 15 switches so that any one of the capacitors C 1 to C 3 is electrically connected to the detection probe 11.
  • One end of the detection resistor RS is connected to the changeover switch 15 and the other end is connected to GND (GND of the voltage measuring device 1).
  • a detection voltage output point 16 is provided between the changeover switch 15 and the detection resistor RS .
  • the computing unit 17 obtains the absolute value and phase of the AC voltage flowing through the electric wire 12 based on the voltage obtained from the detection voltage output point 16.
  • the detection probe 11 is switched to the detection probe 11 in the first state in which the capacitor (impedance setting unit) C 1 and the detection resistor RS are connected in series to the detection probe 11 by switching the changeover switch 15.
  • a second state in which the capacitor (impedance setting unit) C 2 and the detection resistor R S are connected in series, and the detection probe 11, a capacitor (second impedance element) C 3 and the detection resistor R S is A third state connected in series occurs.
  • the first state and the second state constitute a voltage absolute value measurement circuit 18 that measures the absolute value of the voltage of the electric wire 12 ((a) of FIG. 2).
  • the third state constitutes the phase measurement circuit 19 that measures the phase of the voltage of the electric wire 12 ((b) of FIG. 2).
  • the changeover switch 15 is switched so that either one of the capacitors C 1 and C 2 is electrically connected to the detection probe 11 in the first state, and is connected in parallel in the second state.
  • the capacitors C 1 and C 2 may be switched so as to be electrically connected to the detection probe 11.
  • FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the voltage measuring apparatus 1 shown in FIG.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a state in which a coupling capacitance C L and a conductor-probe resistance R L are generated between the conductor 13 of the electric wire 12 and the detection probe 11.
  • FIG. 3 shows the voltage measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 as an equivalent circuit.
  • a coupling capacitor C L and a conductor-probe resistance R L are connected in parallel between the conductor 13 of the electric wire 12 and the capacitors C 1 to C 3 .
  • the coupling capacitance C L is proportional to the size (electrode area) of the detection probe 11. Therefore, as the detection probe 11 is small, the value of the coupling capacitance C L is small. Value of the coupling capacitance C L is, for example, several pF ⁇ number 10 pF.
  • the voltage measuring device 1 When the voltage measuring device 1 is in the first state, the voltage V L of the conductor 13 of the electric wire 12 is divided between the detection resistor R S , the capacitor C 1, and the coupling capacitance C L. On the other hand, when the voltage measuring device 1 is in the second state, the voltage V L of the conductor 13 of the electric wire 12 is divided between the detection resistor R S , the capacitor C 2, and the coupling capacitance C L.
  • the calculating part 17 calculates
  • Vout which is the voltage (voltage of the both ends of detection resistance RS ) of the detection voltage output point 16.
  • the calculation unit 17 calculates the absolute value of the voltage V L according to the above-described equations (1) and (2).
  • the detection impedance Z S is replaced with the detection resistor R 1 .
  • measurement sensitivity is higher by increasing the coupling capacitance C L.
  • To increase the coupling capacitance C L may be, for example, increasing the area of the electrodes of the detection probe 11.
  • Magnitude of the coupling capacitance C L may be, for example more than 10 pF.
  • the voltage V L is expressed by the following mathematical formula.
  • the voltage measuring apparatus 1 when the voltage measuring apparatus 1 is in the following state (A), the current flowing through the detection resistor R S is I 1 , the generated voltage is V out1 , and the voltage measuring apparatus 1 is in the following state (B). Sometimes the current flowing through the detection resistor R S is I 2 , and the generated voltage is V out2 .
  • the capacitor C 1 is a state of being connected in series between the coupling capacitor C L and the detection resistor R S
  • state (B) the capacitor C 2 is the detection resistor and the coupling capacitor C L This is a state of being connected in series with RS .
  • the voltage measuring device 1 When the voltage measuring device 1 is in the third state, the voltage V L of the conductor 13 of the electric wire 12 is divided between the detection resistor R S , the capacitor C 3, and the coupling capacitance C L.
  • the calculating part 17 calculates
  • Vout which is the voltage (voltage of the both ends of detection resistance RS ) of the detection voltage output point 16.
  • the calculation unit 17 measures the time of the AC voltage of the electric wire 12 such as a peak, a bottom, or a zero cross point.
  • the coupling capacitance C L does not function as a pure capacitance due to the presence of the conductor-probe resistance R L. For this reason, the phase of the AC voltage of the electric wire 12 is slightly delayed from 90 ° and cannot be measured accurately.
  • the voltage measuring device 1 the coupling capacitance C L, the phase measurement circuit 19 including the inter-conductor probe resistance R L and a capacitor C 3, so that it can be regarded as a pure capacitance component, minute capacitance capacitor C 3 It is said.
  • phase measurement circuit 19 be regarded as a circuit equivalent to a capacitor of approximately 1PF (capacitance component) Can do. That is, the phase measurement circuit 19 is a circuit having a capacitor with high impedance and a detection resistance R S (for example, 100 k ⁇ ) having a small resistance value, and can be fixed in a state where the phase is advanced by 90 °.
  • the phase measurement circuit 19 is a graph showing the capacitor C 3 is 1PF, 10 pF, the relationship between the phase delay of the AC voltage between the conductors probe resistance R L and the wire 12 in each case of 100pF.
  • the conductor-probe resistance RL was 10 G ⁇ (conductor-probe resistance RL generated by the normal coating layer 14 of the electric wire 12), it could be almost zero.
  • the voltage absolute value measuring circuit 18 that is used when measuring the absolute value of the AC voltage of the electric wire 12 sharing the single detection probe 11 and the phase of the AC voltage of the electric wire 12 are used. And a phase measurement circuit 19 used when measuring the above, and these can be switched and used. Thereby, the measurement of the absolute value of the alternating voltage of the electric wire 12 and the measurement of the phase of the alternating voltage of the electric wire 12 can each be performed correctly.
  • the conductor-probe resistance RL cannot be ignored in the phase measurement, and the phase can be accurately determined. It cannot be measured.
  • the capacitor C 2 of the voltage absolute value measuring circuit 18 is replaced with a capacitor having a very small capacity (capacitance value of the capacitor C 3 ), and the voltage absolute value measuring circuit 18 is shared for measuring the absolute value and phase of the AC voltage of the electric wire 12.
  • the capacitor C 2 since the capacitor C 2 has a very small capacity, the absolute value of the AC voltage of the electric wire 12 is measured based on the voltage at the detection voltage output point 16 obtained by switching the capacitors C 1 and C 2 with the changeover switch 15. Difficult to do.
  • the voltage absolute value measurement circuit 18 includes capacitors C 1 , C 2 , and C 3 as impedance elements for setting impedance.
  • the impedance element is not limited to the capacitors C 1 , C 2 , and C 3 , and may be any element that can switch the impedance.
  • the impedance element may be two resistors or two inductors (coils) instead of the capacitors C 1 and C 2 .
  • the impedance element may be one variable capacitance diode or one variable capacitor instead of the capacitors C 1 and C 2 .
  • FIG. 7 shows an example of a voltage absolute value measurement circuit 18 provided with a variable capacitor Cv as an impedance element instead of the capacitors C 1 and C 2 .
  • the switch 15 may be a switch including a relay, an SSR (solid state relay), an FET transistor, an analog switch, or the like.
  • the capacitance switching circuit including the capacitors C 1 , C 2 , C 3 and the switch 15 may be replaced with, for example, a variable capacitance circuit or a variable impedance circuit.
  • the voltage measuring device of the present invention is a voltage measuring device that measures the absolute value and phase of an alternating voltage flowing through a conductor of an electric wire without contact with the conductor, and a coupling capacitance is formed between the conductor and the conductor.
  • One probe a voltage absolute value measuring circuit that obtains a voltage for measuring the absolute value of the AC voltage from the voltage induced in the probe, and the same probe.
  • a phase measurement circuit that obtains a voltage for measuring the phase of the AC voltage from the voltage induced by.
  • the voltage measuring device includes a voltage absolute value measurement circuit that acquires a voltage for measuring the absolute value of the AC voltage of the electric wire, and a voltage for measuring the phase of the AC voltage of the electric wire. And a phase measurement circuit to obtain. Therefore, the voltage absolute value measurement circuit is set to be suitable for obtaining the voltage for measuring the absolute value of the AC voltage of the electric wire, and the phase measurement circuit is a voltage for measuring the phase of the AC voltage of the electric wire. It can be set to be suitable for acquiring. Therefore, it is possible to accurately measure the absolute value and phase of the AC voltage flowing through the conductor of the electric wire.
  • the voltage absolute value measurement circuit and the phase measurement circuit include the same probe, a plurality of probes are unnecessary, and a compact configuration can be achieved.
  • the voltage measurement method of the present invention is a voltage measurement method for measuring the absolute value and phase of an alternating voltage flowing through a conductor of an electric wire without contact with the conductor, and a coupling capacitance is formed between the conductor and the conductor. And a step of obtaining a voltage for measuring an absolute value of the AC voltage from a voltage induced in the probe by a voltage absolute value measurement circuit including the probe, and And a step of acquiring a voltage for measuring a phase of the AC voltage from a voltage induced in the probe by a phase measurement circuit including a probe.
  • the voltage absolute value measurement circuit and the phase measurement circuit may be formed by switching impedance values between the voltage absolute value measurement circuit and the phase measurement circuit.
  • an optimal impedance value can be set with a voltage absolute value measurement circuit and a phase measurement circuit, and the absolute value and phase of the alternating voltage which flows through the conductor of an electric wire can be measured correctly.
  • the voltage absolute value measuring circuit can change an impedance value, and one end is connected to the probe and the other end of the impedance setting unit is connected to the impedance setting unit.
  • the phase measurement circuit includes a second impedance element connected in parallel with the impedance setting unit, and the impedance setting unit stage or the second impedance element with respect to the first impedance element. It is good also as a structure provided with the switch part which switches so that an impedance element of may be electrically connected.
  • the first impedance element is shared by the voltage absolute value measurement circuit and the phase measurement circuit in addition to the probe, a more compact configuration can be achieved.
  • the second impedance element may be a capacitor.
  • the phase measurement circuit can be easily configured using a general-purpose capacitor.
  • the present invention can be used, for example, as an apparatus for measuring an AC voltage flowing through a conductor without contacting the conductor of a distribution board wiring.
  • Non-contact voltage measuring device (voltage measuring device) 11 Detection probe (probe) 12 Electric wire 13 Conductor 14 Coating layer 15 Changeover switch (switching part) 16 Detection Voltage Output Point 17 Calculation Unit 18 Voltage Absolute Value Measurement Circuit 19 Phase Measurement Circuit R s Detection Resistance (First Impedance Element) R L Conductor-probe resistance C 1 capacitor (impedance setting section) C 2 capacitor (impedance setting unit) C 3 capacitor (second impedance element) C L coupling capacity V L voltage

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Abstract

　電圧測定装置（１）は、検出プローブ（１１）と、検出プローブ（１１）に誘起される電圧から、交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する電圧絶対値測定回路（１８）と、同一の検出プローブ（１１）に誘起される電圧から、交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する位相測定回路（１９）とを備える。

Description

電圧測定装置および電圧測定方法
　本発明は、絶縁被覆された配線内の導体を流れる交流の電圧を、配線の導体に接触することなく測定する電圧測定装置および電圧測定方法に関する。
　従来、例えば工場等に引き込まれた１００Ｖや２００Ｖといった商用電源については、電圧の絶対値および電圧の位相を測定することが求められている。電圧の位相を測定することは、電気機器に対して良好な力率にて電力が供給されているかどうかを判定する上において重要である。この種の電圧の測定には、非接触電圧測定装置が使用される。この電圧測定装置は、絶縁被覆された配線内の導体を流れる交流の電圧を、配線の導体に接触することなく測定する装置であり、例えば特許文献１に開示されている。
　図８を用いて、一般的な非接触電圧測定装置１０１（以下、単に電圧測定装置１０１と称する）の構成を説明する。図８は、電圧測定装置１０１の構成を示す概略の回路図である。
　図８に示すように、電圧測定装置１０１は、検出電極として機能とする検出プローブ１１１を備えている。検出プローブ１１１は、電圧測定対象の電線１１２における絶縁被覆の表面の少なくとも一部を覆うようになっている。これにより、電線１１２の導体と検出プローブ１１１との間には結合容量ＣＬが形成される。
　検出プローブ１１１とＧＮＤとの間には検出用インピーダンスＺＳが接続されており、この検出用インピーダンスＺＳの両端には、電線１１２の導体を流れる交流の電圧ＶＬによって電圧が生じる。この電圧は、検出プローブ１１１の出力値Ｖｏｕｔとして出力される。なお、出力値Ｖｏｕｔは、電線１１２の導体の電圧ＶＬを検出用インピーダンスＺＳと結合容量ＣＬとで分圧した電圧のうちの検出用インピーダンスＺＳ側の電圧である。
　これにより、電線１１２の電圧ＶＬ、交流の周波数ｆ（角周波数ω）、検出用インピーダンスＺＳ、出力値Ｖｏｕｔ、および結合容量ＣＬの間には、次の式（１）の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　したがって、電線１１２の電圧ＶＬの絶対値は、次の式（２）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　次に、電線１１２の電圧ＶＬを求める手順について説明する。図９は、図８に示した電圧測定装置１０１において、検出用インピーダンスＺＳがコンデンサＣ１およびＣ２にて構成されている非接触電圧測定装置１０２（以下、単に電圧測定装置１０２と称する）の構成を示す概略の回路図である。
　図９に示すように、コンデンサＣ１およびＣ２は、一端部が検出プローブ１１１に接続され、他端部が切替えスイッチ１１４を介してＧＮＤに接続される。すなわち、切替えスイッチ１１４は、コンデンサＣ１およびＣ２のうち、いずれか一方が電気的に検出プローブ１１１と接続されるように切り替える。
　電圧測定装置１０２では、切替えスイッチ１１４を用いて、コンデンサＣ１に印加される電圧、およびコンデンサＣ２に印加される電圧が、出力値Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２としてそれぞれ測定される。電圧ＶＬは、これら測定された出力値Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２から以下の手順にて算出される。
　まず、測定された２つの電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２から、以下の関係式（式（３））が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）から、結合容量ＣＬが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）および回路方程式から、以下の式（５）が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
日本国公開特許公報「特開２００３－２８９００号公報（２００３年１月２９日公開）」
　上記従来の構成では、電線１１２の交流電圧（電圧ＶＬ）の絶対値については測定できるようになっている。しかしながら、位相の測定に関し、電線１１２の被覆の抵抗（後述の導体・プローブ間抵抗ＲＬに相当）については考慮されておらず、この被覆の抵抗により電線１１２の交流電圧の位相を正確に測定することができない。
　具体的には、非接触電圧測定装置１０１により電線１１２の交流電圧の位相を測定した場合には、電線１１２の被覆の抵抗の存在により、測定された位相は、本来の位相からずれたものとなる。
　一方、電線１１２の交流電圧の位相を正確に測定できるように非接触電圧測定装置１０１の各素子の値を設定した場合には、電線１１２の交流電圧の絶対値の検出感度が低下するため、電線１１２の交流電圧の絶対値を正確に測定できなくなる。すなわち、電線１１２の交流電圧の位相の測定においては、検出プローブ１１１（検出電極）の容量と検出インピーダンスの合成容量を純粋な容量成分とみなせるように検出インピーダンスを設定する必要があり、このような設定にした場合には、電線１１２の交流電圧の絶対値の検出感度が低下する。
　したがって、本発明は、簡単な構成により、電線の交流電圧の絶対値と電線の交流電圧の位相とを正確に測定することができる電圧測定装置および電圧測定方法の提供を目的としている。
　上記の課題を解決するために、本発明の電圧測定装置は、電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を前記導体に非接触で測定する電圧測定装置であって、前記導体との間に結合容量が形成される一つのプローブと、前記プローブを含み、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する電圧絶対値測定回路と、同一の前記プローブを含み、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する位相測定回路とを備えていることを特徴としている。
　本発明の構成によれば、簡単な構成により、電線の交流電圧の絶対値と位相とを正確に測定することができる。
本発明の実施の形態の非接触電圧測定装置の構成を示す概略の回路図である。 図２の（ａ）は、図１に示した非接触電圧測定装置の第１および第２の状態を示す回路図、図２の（ｂ）は、図１に示した非接触電圧測定装置の第３の状態を示す回路図である。 図１に示した非接触電圧測定装置の等価回路を示す図である。 図１に示した電線の導体と検出プローブとの間に、結合容量および導体・プローブ間抵抗が生じている状態を示す説明図である。 図１に示した構成における結合容量と電線の交流電圧との関係を示すものであって、結合容量の静電容量値と、電線の交流電圧の絶対値の２回微分との関係を表すグラフである。 図１に示した非接触電圧測定装置において、コンデンサＣ３の値を変化させた場合の導体・プローブ間抵抗と電線の交流電圧の位相遅れ量との関係を示すグラフである。 図２の（ａ）に示した電圧絶対値測定回路において、インピーダンス素子として、二つのコンデンサに代えて一つの可変コンデンサを備えた例を示す回路図である。 従来の非接触電圧測定装置の構成を示す概略の回路図である。 図８に示した検出用インピーダンスが二つのコンデンサにて構成されている非接触電圧測定装置の構成を示す概略の回路図である。
　〔実施の形態〕
　本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。
　（非接触電圧測定装置１の構成）
　図１は、非接触電圧測定装置（以下、単に電圧測定装置と称する）１の構成を示す概略の回路図である。電圧測定対象の電線１２の導体１３は、被覆層１４によって絶縁被覆されており、電圧測定装置１は、導体１３を流れる交流の電圧（絶対値）および位相を導体１３に接触することなく測定する。
　図１に示すように、電圧測定装置１は、検出プローブ（プローブ）１１、検出コンデンサＣ１～Ｃ３、切替えスイッチ（切替え部）１５、検出抵抗（第１のインピーダンス要素）ＲＳおよび演算部１７を備えている。
　検出プローブ１１は、電線１２の被覆層１４の外周面を囲うように取り付けることができる電極を備えている。コンデンサＣ１～Ｃ３は、一端部が検出プローブ１１に接続され、他端部が切替えスイッチ１５を介して検出抵抗ＲＳに接続されている。
　切替えスイッチ１５は、コンデンサＣ１～Ｃ３のうちのいずれか一つが電気的に検出プローブ１１と接続されるように切り替える。検出抵抗ＲＳは一端部が切替えスイッチ１５と接続され、他端部がＧＮＤ（電圧測定装置１のＧＮＤ）と接続されている。切替えスイッチ１５と検出抵抗ＲＳとの間は、検出電圧出力点１６となっている。
　演算部１７は、検出電圧出力点１６から得られた電圧に基づいて、電線１２を流れる交流電圧の絶対値および位相を求める。
　ここで、電圧測定装置１では、切替えスイッチ１５の切り替えにより、検出プローブ１１に対して、コンデンサ（インピーダンス設定部）Ｃ１および検出抵抗ＲＳが直列接続された第１の状態、検出プローブ１１に対して、コンデンサ（インピーダンス設定部）Ｃ２および検出抵抗ＲＳが直列接続された第２の状態、並びに検出プローブ１１に対して、コンデンサ（第２のインピーダンス要素）Ｃ３および検出抵抗ＲＳが直列接続された第３の状態が生じる。これら第１～第３の状態のうち、第１の状態および第２の状態は、電線１２の電圧の絶対値を測定する電圧絶対値測定回路１８を構成する（図２の（ａ））。また、第３の状態は、電線１２の電圧の位相を測定する位相測定回路１９を構成する（図２の（ｂ））。
　なお、切替えスイッチ１５は、上記第１の状態において、コンデンサＣ１，Ｃ２のいずれか一方が電気的に検出プローブ１１と接続されるように切り替え、上記第２の状態において、並列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２が電気的に検出プローブ１１と接続されるように切り替えるものであってもよい。
　（電圧測定装置１の動作）
　上記の構成において、電圧測定装置１の動作について以下に説明する。
図３は、図１に示した電圧測定装置１の等価回路を示す図である。図４は、電線１２の導体１３と検出プローブ１１との間に、結合容量ＣＬおよび導体・プローブ間抵抗ＲＬが生じている状態を示す説明図である。
　図１に示した電圧測定装置１を等価回路によって示すと図３のようになる。図３の回路では、電線１２の導体１３とコンデンサＣ１～Ｃ３との間に、並列接続された状態の結合容量ＣＬおよび導体・プローブ間抵抗ＲＬが存在する。
　結合容量ＣＬは、検出プローブ１１のサイズ（電極面積）に比例する。したがって、検出プローブ１１が小さいほど、結合容量ＣＬの値は小さくなる。結合容量ＣＬの値は、例えば、数ｐＦ～数１０ｐＦである。
　（電線１２の交流電圧の絶対値の測定）
　まず、電線１２を流れる交流電圧の絶対値の測定手順について説明する。電線１２の交流電圧の絶対値を測定する場合、電圧測定装置１は、第１の状態と第２の状態に切り替えられる。
　電圧測定装置１が第１の状態であるとき、電線１２の導体１３の電圧ＶＬは、検出抵抗ＲＳと、コンデンサＣ１と、結合容量ＣＬとの間で分圧される。一方、電圧測定装置１が第２の状態であるとき、電線１２の導体１３の電圧ＶＬは、検出抵抗ＲＳと、コンデンサＣ２と、結合容量ＣＬとの間で分圧される。
　演算部１７は、検出電圧出力点１６の電圧（検出抵抗ＲＳの両端の電圧）である出力値Ｖｏｕｔに基づいて電圧ＶＬを求める。この場合、演算部１７は、上述した式（１）および式（２）に従って電圧ＶＬを絶対値を算出する。ただし、式（１）および式（２）において、検出用インピーダンスＺＳは検出抵抗Ｒ１に置換される。
　（電線１２の交流電圧の絶対値の測定感度を高めるための対策）
　電線１２の交流電圧の絶対値を測定する場合において、測定感度は、結合容量ＣＬを大きくすることにより高くなる。結合容量ＣＬを大きくするには、例えば、検出プローブ１１の電極の面積を大きくすればよい。結合容量ＣＬの大きさは、例えば１０ＰＦ以上としてもよい。
　（補足）
　結合容量ＣＬの絶対値が大きいほど、電圧ＶＬの誤差は小さくなる。ここでは、その根拠を理論的に説明する。
　図３に示す電圧測定装置１において、電圧ＶＬは以下の数式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、電圧測定装置１が下記の状態（Ａ）であるときに検出抵抗ＲＳに流れる電流をＩ１、発生する電圧をＶｏｕｔ１とし、電圧測定装置１が下記の状態（Ｂ）であるときに上記検出抵抗ＲＳに流れる電流をＩ２、発生する電圧をＶｏｕｔ２とした。状態（Ａ）は、コンデンサＣ１が、結合容量ＣＬと検出抵抗ＲＳとの間に直列接続された状態であり、状態（Ｂ）は、コンデンサＣ２が、結合容量ＣＬと検出抵抗ＲＳとの間に直列接続された状態である。
　式（７）を式（６）に代入すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ゆえに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ゆえに、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　図５に、電圧ＶＬの絶対値の２回微分ｄ｜ＶＬ｜２／ｄＣＬと、結合容量ＣＬとの関係をグラフに示す。同図に示すグラフから、結合容量ＣＬの静電容量値が大きいほど、ｄ｜ＶＬ｜２／ｄＣＬの変動が小さいことが分かる。このことから、結合容量ＣＬの静電容量が大きいほど、ＶＬの計測値の変動および誤差が小さいことが、理論的に導かれる。
　（電線１２の交流電圧の位相の測定）
　次に、電線１２を流れる交流電圧の位相の測定手順について説明する。電線１２の交流電圧の位相を測定する場合、電圧測定装置１は、第３の状態に切り替えられる。
　電圧測定装置１が第３の状態であるとき、電線１２の導体１３の電圧ＶＬは、検出抵抗ＲＳと、コンデンサＣ３と、結合容量ＣＬとの間で分圧される。
　演算部１７は、検出電圧出力点１６の電圧（検出抵抗ＲＳの両端の電圧）である出力値Ｖｏｕｔに基づいて電線１２の交流電圧の位相を求める。この場合、演算部１７は、電線１２の交流電圧の例えばピーク、ボトムあるいはゼロクロス点等の時刻を測定する。
　（導体・プローブ間抵抗ＲＬによる位相遅れへの対策）
　結合容量ＣＬと抵抗値が小さい検出抵抗ＲＳとが存在することにより、測定した電線１２の交流電圧の位相は、本来、９０°進んだものとなる。したがって、測定した位相を９０°戻せば、電線１２の交流電圧の位相を求めることができる。
　しかしながら、結合容量ＣＬは、導体・プローブ間抵抗ＲＬが存在することにより純粋な容量として作用なくなる。このため、電線１２の交流電圧の位相は、９０°から少し遅れたもとなり、正確に測定できなくなる。
　そこで、電圧測定装置１では、結合容量ＣＬ、導体・プローブ間抵抗ＲＬおよびコンデンサＣ３を含む位相測定回路１９を、純粋な容量成分と見なすことができるように、コンデンサＣ３を微小容量としている。
　例えば、コンデンサＣ３を１ＰＦとし、結合容量ＣＬが１０ＰＦ、導体・プローブ間抵抗ＲＬが１０ＧΩである場合、位相測定回路１９は、略１ＰＦのコンデンサに等価な回路（容量成分）と見なすことができる。すなわち、位相測定回路１９は、インピーダンスの高いコンデンサおよび抵抗値の小さい検出抵抗ＲＳ（例えば１００ｋΩ）の回路となり、位相が９０°進んだ状態に固定することができる。
　（位相遅れ防止効果の確認）
　次に、コンデンサＣ３を微小容量とすることによる、電線１２の交流電圧の位相遅れ防止効果について説明する。図６は、位相測定回路１９において、コンデンサＣ３が１ＰＦ、１０ＰＦ、１００ＰＦの各場合における導体・プローブ間抵抗ＲＬと電線１２の交流電圧の位相遅れ量との関係を示すグラフである。
　図６に示すように、電線１２の交流電圧の位相遅れは、コンデンサＣ３を微小容量の１ＰＦとした場合に、コンデンサＣ３の容量を１０ＰＦおよび１００ＰＦとした場合と比較して大幅に低減し、２°以下に低減することができた。特に、導体・プローブ間抵抗ＲＬが１０ＧΩの場合（電線１２の通常の被覆層１４によって生じる導体・プローブ間抵抗ＲＬ）には、ほぼ０とすることができた。
　（電圧絶対値測定回路１８および位相測定回路１９を備える利点）
　以上のように、電圧測定装置１では、一つの検出プローブ１１を共用した、電線１２の交流電圧の絶対値を測定する場合に使用する電圧絶対値測定回路１８と、電線１２の交流電圧の位相を測定する場合に使用する位相測定回路１９とを備え、これらを切り替えて使用できるようになっている。これにより、電線１２の交流電圧の絶対値の測定、および電線１２の交流電圧の位相の測定をそれぞれ正確に行えるようになっている。
　すなわち、仮に、電圧絶対値測定回路１８をそのまま電線１２の交流電圧の絶対値および位相の測定に共用した場合、位相の測定において、導体・プローブ間抵抗ＲＬを無視できなくなり、正確に位相を測定することができない。
　一方、電圧絶対値測定回路１８のコンデンサＣ２を微小容量のもの（コンデンサＣ３の容量値）に置き換えて、電圧絶対値測定回路１８を電線１２の交流電圧の絶対値および位相の測定に共用した場合、コンデンサＣ２が微小容量であるため、切替えスイッチ１５にてコンデンサＣ１，Ｃ２を切り替えて得られた検出電圧出力点１６の電圧に基づいて電線１２の交流電圧の絶対値を測定することが困難となる。
　また、一つの検出プローブ１１を電圧絶対値測定回路１８と位相測定回路１９とで共用することにより、コンパクトな構成とすることができる。
　（変形例）
　上記の実施の形態では、電圧絶対値測定回路１８がインピーダンスを設定するインピーダンス素子としてコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を備えたものとしている。しかしながら、インピーダンス素子は、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３に限定されることなく、インピーダンスを切り替えられるものであればよい。例えば、インピーダンス素子は、コンデンサＣ１，Ｃ２に代えて二つの抵抗あるいは二つのインダクタ（コイル）であってもよい。あるいは、インピーダンス素子は、コンデンサＣ１，Ｃ２に代えて一つの可変容量ダイオードあるいは一つの可変コンデンサであってもよい。図７には、インピーダンス素子として、コンデンサＣ１，Ｃ２に代えて可変コンデンサＣｖを備えた電圧絶対値測定回路１８の例を示す。
　また、スイッチ１５は、例えばリレー、ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）、ＦＥＴトランジスタあるいはアナログスイッチ等からなるスイッチであってもよい。また、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３およびスイッチ１５による容量切り替え回路については、これに代えて例えば可変容量回路や可変インピーダンス回路等であってもよい。
　〔まとめ〕
　本発明の電圧測定装置は、電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を前記導体に非接触で測定する電圧測定装置であって、前記導体との間に結合容量が形成される一つのプローブと、前記プローブを含み、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する電圧絶対値測定回路と、同一の前記プローブを含み、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する位相測定回路とを備えている構成である。
　上記の構成によれば、電圧測定装置は、電線の交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する電圧絶対値測定回路と、電線の交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する位相測定回路とを備えている。したがって、電圧絶対値測定回路を電線の交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得するのに適した設定とし、かつ位相測定回路を電線の交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得するのに適した設定とすることができる。したがって、電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を正確に測定することができる。
　また、電圧絶対値測定回路および位相測定回路は同一のプローブを含んでいるので、複数のプローブが不要であり、コンパクトな構成とすることができる。
　また、本発明の電圧測定方法は、電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を前記導体に非接触で測定する電圧測定方法であって、前記導体との間に結合容量が形成されるプローブを配置する工程と、前記プローブを含む電圧絶対値測定回路により、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する工程と、同一の前記プローブを含む位相測定回路により、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する工程とを備えている構成である。
　上記の構成によれば、上記電圧測定装置と同様の作用効果を奏する。
　前記電圧絶対値測定回路および前記位相測定回路は、前記電圧絶対値測定回路と前記位相測定回路とでインピーダンス値を切り替えることにより形成される構成としてもよい。
　上記の構成によれば、電圧絶対値測定回路と位相測定回路とで最適なインピーダンス値を設定することができ、電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を正確に測定することができる。
　上記の電圧測定装置において、前記電圧絶対値測定回路は、インピーダンス値を変更可能であり、一端部が前記プローブと接続されるインピーダンス設定部と、前記インピーダンス設定部の他端部と接続される第１のインピーダンス要素とを備え、前記位相測定回路は、前記インピーダンス設定部と並列に接続された第２のインピーダンス要素を備え、前記第１のインピーダンス要素に対して前記インピーダンス設定部段または前記第２のインピーダンス要素が電気的に接続されるように切り替える切替え部が設けられている構成としてもよい。
　上記の構成によれば、プローブに加えて第１のインピーダンス要素が電圧絶対値測定回路および位相測定回路により共用されるので、さらにコンパクトな構成とすることができる。
　上記の電圧測定装置において、前記第２のインピーダンス要素はコンデンサである構成としてもよい。
　上記の構成によれば、汎用のコンデンサを使用して位相測定回路を容易に構成することができる。
　本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、実施の形態に開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
　本発明は、例えば、配電盤の配線の導体に接触することなく、導体を流れる交流の電圧を測定する装置として利用することができる。
　　１　　非接触電圧測定装置（電圧測定装置）
　１１　　検出プローブ（プローブ）
　１２　　電線
　１３　　導体
　１４　　被覆層
　１５　　切替えスイッチ（切替え部）
　１６　　検出電圧出力点
　１７　　演算部
　１８　　電圧絶対値測定回路
　１９　　位相測定回路
　Ｒｓ　　検出抵抗（第１のインピーダンス要素）
　ＲＬ　　導体・プローブ間抵抗
　Ｃ１　　コンデンサ（インピーダンス設定部）
　Ｃ２　　コンデンサ（インピーダンス設定部）
　Ｃ３　　コンデンサ（第２のインピーダンス要素）
　ＣＬ　　結合容量
　ＶＬ　　電圧

Claims (5)

  1. 　電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を前記導体に非接触で測定する電圧測定装置であって、
    　前記導体との間に結合容量が形成されるプローブと、
    　前記プローブを含み、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する電圧絶対値測定回路と、
    　同一の前記プローブを含み、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する位相測定回路とを備えていることを特徴とする電圧測定装置。
  2. 　前記電圧絶対値測定回路および前記位相測定回路は、前記電圧絶対値測定回路と前記位相測定回路とでインピーダンス値を切り替えることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
  3. 　前記電圧絶対値測定回路は、インピーダンス値を変更可能であり、一端部が前記プローブと接続されるインピーダンス設定部と、前記インピーダンス設定部の他端部と接続される第１のインピーダンス要素とを備え、
    　前記位相測定回路は、前記インピーダンス設定部と並列に接続された第２のインピーダンス要素を備え、
    　前記第１のインピーダンス要素に対して前記インピーダンス設定部または前記第２のインピーダンス要素が電気的に接続されるように切り替える切替え部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電圧測定装置。
  4. 　前記第２のインピーダンス要素はコンデンサであることを特徴とする請求項３に記載の電圧測定装置。
  5. 　電線の導体を流れる交流の電圧の絶対値および位相を前記導体に非接触で測定する電圧測定方法であって、
    　前記導体との間に結合容量が形成されるプローブを配置する工程と、
    　前記プローブを含む電圧絶対値測定回路により、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の絶対値を測定するための電圧を取得する工程と、
    　同一の前記プローブを含む位相測定回路により、前記プローブに誘起される電圧から、前記交流の電圧の位相を測定するための電圧を取得する工程とを備えていることを特徴とする電圧測定方法。
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