CN105051549B

CN105051549B - 电压测定装置

Info

Publication number: CN105051549B
Application number: CN201380075019.6A
Authority: CN
Inventors: 铃木健郎; 松田茂彦
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: TWI490505B; JP6172264B2; US20150377928A1; CN105051549A; WO2014155680A1; KR20150110717A; TW201437644A; JPWO2014155680A1

Abstract

提供能以非接触方式对测定对象测定直流电压的电压测定装置。为此，电压测定装置，包括：电介质，该电介质以能够与测定对象的导体相对的方式而设置；电极，该电极设置在所述电介质上；电容器，该电容器在与所述电极连接时保持与所述电极的电位一比一相关的电位；以及开关，该开关以能够使所述电极和所述电容器连接的方式被设置，被设置成在切断所述电极和所述电容器的连接时，能够输出所述电容器的两端电压。

Description

电压测定装置

技术领域

本发明涉及电压测定装置。

背景技术

已有一种电压测定装置的提案，其具备检测电极、第一～第四可变电容元件以及电压生成电路。该电压测定装置中，检测电极与测定对象电容耦合。对各可变电容元件的电容量进行调整，使得第一可变电容元件与第三可变电容元件各自阻抗的积和第二可变电容元件与第四可变电容元件各自阻抗的积相同。电压生成电路生成电压，使得从检测电极经过第二可变电容元件和第四可变电容元件的接合点、流至接地点的电流为0。该电压被作为测定对象的电压。根据该电压测定装置，对测定对象能以非接触式进行电压测定(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4607752号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，该电压测定装置中，电流最终为0之前，与检测电极连接的电路的输入阻抗是有限的。因此，无法测定直流电压。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能以非接触方式对测定对象测定直流电压的电压测定装置。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明涉及的电压测定装置，包括：电介质，该电介质以与测定对象的导体相对的方式而设置；电极，该电极设置在所述电介质上；电容器，该电容器在与所述电极连接时保持与所述电极的电位一比一相关的电位；以及开关，该开关以使所述电极和所述电容器连接的方式被设置，以在切断所述电极和所述电容器的连接时，使所述电容器的两端电压输出的方式被设置。

发明效果

根据本发明，能以非接触式对测定对象测定直流电压。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中电压测定装置的电路图。

图2是本发明的实施方式1中电压测定装置的电压测定电路的图。

图3是本发明的实施方式1中包含电压测定装置的等效电路的图。

图4是本发明的实施方式2中电压测定装置的电路图。

图5是本发明的实施方式4中电压测定装置的电路图。

图6是本发明的实施方式5中电压测定装置的电路图。

图7是本发明的实施方式7中电压测定装置的电路图。

具体实施方式

根据附图对用于实施本发明的实施方式进行说明。另外，各图中，对相同或相当的部分标注相同的符号，其重复的说明适当简化或省略。

实施方式1.

图1是本发明的实施方式1中电压测定装置的电路图。

图1中，测定对象的导体1是控制电子装置的电子控制装置等的布线。例如，导体1为电子控制装置的控制电源线、控制信号线、地线等。

如图1所示，电压测定装置包括：电介质2、电极3、电容器4、开关5、开关6、信号公共线7、以及电压测定电路8。

电介质2以与导体1相对的方式设置。电极3与电介质2连接。电极3由于和导体1之间隔着电介质2因此与导体1不接触。电容器4具有静电电容Ca。开关5的前端侧的一边与电极3连接。开关5的后端侧与电容器4的前端侧连接。开关6的前端侧与电容器4的后端侧连接。信号公共线7与开关6的后端侧的一边连接。电压测定电路8包括差分放大器等。电压测定电路8的前端侧的一边与开关5的前端侧的另一边连接。电压测定电路8的前端侧的另一边与开关6的后端侧的另一边连接。

导体1保持电位V时，导体1、电介质2和电极3作为电容器9发挥作用。电容器9具有静电电容C。电压测定装置中，开关5的前端倒向电极3侧。与此同时，开关6的后端倒向信号公共线7侧。这时，导体1的电位V利用形成在电容器9和信号公共线7之间的电路被分压。

例如，如图1所示，电路仅由串联的电容器4、9形成的情况下，电容器4、9的电位以静电电容C和静电电容Ca的比被分压。即，电容器4、9的电位与导体1的电位V保持一比一相关性。

电容器4将分压的一部分保持为电位Va时，开关5的前端倒向电压测定电路8侧。与此同时，开关6的后端倒向电压测定电路8侧。这时，电容器4朝向电压测定电路8放出电荷。电压测定电路8基于该电荷测定电位Va。电压测定电路8基于电位Va计算导体1的电位V。

这时，电位Va的变化根据电压测定电路8的时间常数Ca*的输入阻抗来确定。例如图1所示，在电压测定电路8利用差分放大器的情况下，输入阻抗升高。该情况下，电位Va的变化减小。

接着，利用图2，对电压测定电路8的例子进行说明。

如图2所示，电压测定电路8包括：差分放大器8a、开关8b、保持电容器8c、以及缓冲放大器8d。

差分放大器8a的前端侧的一边与开关5的前端侧的另一边连接。差分放大器8a的前端侧的另一边与开关6的后端侧的另一边连接。开关8b的前端侧与差分放大器8a的后端侧连接。保持电容器8c的前端侧与开关8b的后端侧连接。保持电容器8c的后端侧与电压测定电路8的公共线连接。缓冲放大器8d的前端侧与开关8b的后端侧连接。

电压测定电路8中，开关5的前端和开关6的后端同时倒向电压测定电路8之后，开关8b被关闭。这时，缓冲放大器8d输出差分放大器8a的后端的电位Va。这时，保持电容器8c保持差分放大器8a的后端的电位Va。之后，开关8b被打开。这时，缓冲放大器8d输出保持在保持电容器8c的电位Va。即，缓冲放大器8d的输出不会不确定。在此期间，开关5的前端与电极3侧连接。与此同时，开关6的后端倒向信号公共线7侧。

接着，采用图3，对静电电容Ca和测定对象整体的等效电路进行说明。

图3中，R’是测定对象10的电路的阻抗。C’是电容器4和电容器9合成而成的电容器11的静电电容。r是线路电阻12的阻抗。V是具有电压调节器的DC电源、输出数字信号的逻辑元件等、电压产生源的输出电位。

从交流的输出电位V观察时，阻抗Z为r+R’/(1+jωR’C’)。即，输出电位V受到来自测定对象10的电路负载和电容器11的影响。

电压测定装置中，开关5的前端倒向电极3侧。与此同时，开关6的后端与信号公共线7侧连接。该状态持续时间t1。在此期间，电容器4和电容器9储存电荷。之后，开关5的前端倒向电压测定电路8侧。与此同时，开关6的后端倒向电压测定电路8侧。该状态持续时间t2。在此期间，电压测定电路8测定输出电位Va。

电荷的储存和输出电位Va的测定之间的间隔被设定为时间t3。即，在时间t3期间，开关5的前端和开关6的后端持续开放时间t3。

电压测定装置中，时间t1和时间t2被设定为充分短于时间t3。因此，输出电位Va在微观上作为直流处理。即，输出电位Va的变化小。

例如，测定对象信号为数10MHz的高频噪音信号的情况下，使时间t3为十几ns以上，时间t1和时间t2为数ns以下即可。该情况下，若静电电容C’为数pF水平，则电压测定装置具有充分的测定性能。

根据以上说明的实施方式1，电容器4保持电位Va，该电位Va与导体1的电位V一比一相关。切断电容器4和电容器9的连接之后，测定电容器4的电位Va。这时，可以不考虑测定电路的阻抗。因此，能以非接触方式进行不依赖于频率的电压测定。即，能以非接触方式对导体1测定直流电压。

另外，测定电位不是连续值。这时，测定电位的分辨率由开关5、6、8b的工作速度确定。若为噪音测定所要求的数10MHz的相应速度，则在测定交流电压时也能得到充分的响应性能。

另外，测定数V水平的低电压的情况下，对导体1和电极3之间可以进行屏蔽。即，可以以充足的面积用其他导体等包围导体1。该情况下，来自周围电场的影响得到抑制。结果，能使从导体1的电位V发出的电场被电极3精确地接收。

另外，开关5和开关6倒向电压测定电路8侧时，可以利用AD转换器(未图示)直接读取在电容器4保持的电位Va的值。该情况下，与开关5倒向电极3侧同时地，开关6倒向信号公共线7侧，此时，可以不进行AD转换。该情况下，缓冲放大器8d的输出也不会不确定。

实施方式2.

图4是本发明的实施方式2中电压测定装置的电路图。另外，对于与实施方式1相同或相当的部分标注同一标号，省略说明。

实施方式2中，采用最简单的电压测定电路13。电压测定电路13中不使用开关6。即，电容器4的后端与信号公共线7直接连接。电压测定电路13的公共线14与信号公共线7相同。公共线14的电位通过与电压测定装置接触而得到。

电压测定装置中，开关5倒向电极3侧。该情况下，形成电容器4和电容器9的串联电路。这时，电容器4的电位Va为VC/(C+Ca)。之后，开关5倒向电压测定电路13侧。该情况下，电压测定电路13测定电容器4的电位Va。

导体1的形状，导体1的覆盖，电介质2的安装等测定情况未发生变化的情况下，静电电容C为固定值。该情况下，电压测定电路13唯一地计算Va(1+Ca/C)作为导体1的电位V。

根据以上说明的实施方式2，不使用开关6。即，测定情况不发生变化的情况下，能以简单的电压测定电路13唯一地求出导体1的电位V。

实施方式3.

实施方式3的电压测定装置与实施方式2的电压测定装置几乎相同。另外，对于与实施方式2相同或相当的部分标注同一标号，省略说明。

实施方式3中，形成足够大的电介质2和电极3。结果，静电电容C与静电电容Ca相比足够大。该情况下，Va(1+Ca/C)与Va几乎相等。即，导体1的电位V与电容器4的电位Va几乎相等。

根据以上说明的实施方式3，静电电容C与静电电容Ca相比足够大。因此，与实施方式2不同，测定情况发生变化的情况下，也能使导体1的电位V的测定误差小于预先设定的值。

另外，如实施方式1说明的那样，静电电容C和静电电容Ca由于测定对象的负载对测定对象的电压本身造成影响。因此，例如，观测电子装置的DC电源电压的情况下，与DC电源的输出侧的平滑电容器相比，在静电电容C和静电电容Ca可被视为足够小的范围内，可加大静电电容C。

实施方式4.

图5是本发明的实施方式4中电压测定装置的电路图。另外，对于与实施方式2相同或相当的部分标注同一标号，省略说明。

实施方式4中，电极3和电压测定电路13之间的电路与实施方式2的电路不同。具体而言，电极3和电压测定电路13之间设置开关15、开关16、电容器17、开关18、电容器19、开关20。

开关15的前端侧与电极3的后端侧连接。开关16的前端侧的一边与开关15的后端侧的一边连接。电容器17具有静电电容Ca。电容器17的前端侧与开关16的后端侧连接。电容器17的后端侧与信号公共线7连接。开关18的前端侧的一边与开关15的后端侧的另一边连接。电容器19具有静电电容Cb。电容器19的前端侧与开关18的后端侧连接。电容器19的后端侧与信号公共线7连接。开关20的前端侧的一边与开关16的前端侧的另一边连接。开关20的前端侧的另一边与开关18的前端侧的另一边连接。开关20的后端侧与电压测定电路13的前端侧连接。

电压测定装置中，开关15倒向电容器17侧的情况下，电容器17的电位Va为VC/(C+Ca)。与此相对，开关15倒向电容器19侧的情况下，电容器19的电位Vb为VC/(C+Cb)。

电压测定电路13从电容器17的电位Va和电容器19的电位Vb消除静电电容C。即，电压测定电路13将Va(1+Ca(Vb-Va)/(Va·Ca-Vb·Cb))计算作为导体1的电位V。

根据以上说明的实施方式4，导体1的电位V以不包含静电电容C的方式被计算。因此，即使电容器9的静电电容C发生变化不稳定，也能正确计算导体1的电位V。即，与实施方式2不同，测定情况发生变化的情况下，也能正确地测定导体1的电位V。

实施方式5.

图6是本发明的实施方式5中电压测定装置的电路图。另外，对于与实施方式1相同或相当的部分标注同一标号，省略说明。

实施方式5的电压测定装置也以非接触方式测定信号公共线的导体21的电位。具体而言，实施方式5的电压测定装置是在实施方式1的电压测定装置中添加电介质22、电极23而得到的装置。电介质22以与导体21相对的方式设置。电极23与电介质22连接。电极23由于同电介质22之间隔着导体21因此与导体21不接触。电极23的前端侧与开关6的后端侧的另一边连接。

实施方式5中，导体1、电介质2和电极3作为电容器9发挥作用。电容器9具有静电电容C1。与此相对，导体21、电介质22和电极23作为电容器24发挥作用。电容器24具有静电电容C2。

图6中导体1的电位为Vp。导体21的电位为Vg。该状态下，开关5倒向电极3侧。与此同时，开关6倒向电极23侧。该情况下，从电位Vp到电位Vg之间的阻抗为1/(ωC1)+1/(ωCa)+1/(ωC2)。

该情况下，流过电容器4的电流为(Vp-Vg)/(1/(ωC1)+1/(ωCa)+1/(ωC2))。

该情况下，电容器4的两端电压Va为((Vp-Vg)/(1/(ωC1)+1/(ωCa)+1/(ωC2)))·(1/jωCa)。两端电压Va被整理为(Vp-Vg)·(1/jωCa)/(1/jωC1+1/jωCa+1/jωC2)。两端电压Va被整理为(Vp-Vg)/(Ca/C1+1+Ca/C2)。即，两端电压Va不依赖于频率。

之后，开关5倒向电压测定电路8侧。与此同时，开关6倒向电压测定电路8侧。这时，电压测定电路8测定电容器4的两端电压Va。电压测定电路8计算Va(Ca/C1+1+Ca/C2)作为测定对象的电位差(Vp-Vg)。

根据以上说明的实施方式5，在信号公共线侧也设置电介质22和电极23。因此，也能以非接触方式测定信号公共线侧的导体21的电位Vg。

实施方式6.

实施方式6的电压测定装置与实施方式5的电压测定装置几乎相同。另外，对于与实施方式5相同或相当的部分标注同一标号，省略说明。

实施方式6中，形成足够大的电介质2和电极3。形成足够大的电介质22和电极23。结果，静电电容C1和静电电容C2，与静电电容Ca相比足够大。该情况下，测定对象的电位差(Vp-Vg)与电容器4的电位Va几乎相等。

根据以上说明的实施方式6，静电电容C1和静电电容C2，与静电电容Ca相比足够大。因此，与实施方式3同样地，测定情况发生变化的情况下，也能使测定对象的电位差(Vp-Vg)的测定误差小于预先设定的值。

另外，如实施方式1说明的那样，静电电容C1、静电电容C2和静电电容Ca由于测定对象的负载对测定对象的电压本身造成影响。因此，例如，观测电子装置的DC电源电压等情况下，与DC电源的输出侧的平滑电容器相比，在静电电容C和静电电容Ca可能被视为足够小的范围内，可以使静电电容C1和静电电容C2较大。

实施方式7

图7是本发明的实施方式7中电压测定装置的电路图。另外，对于与实施方式4和实施方式5相同或相当的部分标注同一标号，省略说明。

实施方式7的电压测定装置是将实施方式4的电压测定装置的特征和实施方式5的电压测定装置的特征进行组合而得到的装置。实施方式7中，设置开关25、开关26、开关27、开关28、以及开关29。

开关25的前端侧的一边与开关15的后端侧的一边连接。开关25的前端侧的另一边与电压测定电路8的前端侧连接。开关25的后端侧与电容器17的前端侧连接。开关26的后端侧与电容器17的后端侧连接。开关26的后端侧的另一边与电压测定电路8的前端侧连接。

开关27的前端侧的一边与开关15的后端侧的另一边连接。开关27的前端侧的另一边与电压测定电路8的前端侧连接。开关27的后端侧与电容器19的前端侧连接。开关28的前端侧与电容器19的后端侧连接。开关28的后端侧的另一边与电压测定电路8的前端侧连接。

开关29的前端侧的一边与开关26的后端侧的一边连接。开关29的前端侧的另一边与开关28的后端侧的一边连接。开关29的后端侧与电极23的前端侧连接。

电压测定装置中，开关15倒向开关25侧。与此同时，开关25倒向开关15侧。与此同时，开关26倒向开关29侧。与此同时，开关29倒向开关26侧。

这时，电容器17通过电位Vp和电位Vg具有电位Va。之后，开关25和开关26倒向电压测定电路8侧。这时，电压测定电路8计算(Vp-Vg)/(Ca/C1+1+Ca/C2)作为电位Va。

电压测定装置中，开关15倒向开关27侧。与此同时，开关27倒向开关15侧。与此同时，开关28倒向开关29侧。与此同时，开关29倒向开关28侧。

这时，电容器19通过电位Vp和电位Vg具有电位Vb。之后，开关27和开关28倒向电压测定电路8侧。这时，电压测定电路8计算(Vp-Vg)/(Cb/C1+1+Cb/C2)作为电位Vb。

之后，电压测定电路8从电位Va和电位Vc消除静电电容C1和静电电容C2。具体而言，电压测定电路8计算Va/(Ca((1/Vb-1/Va)/(Ca/Va-Cb/Vb))+1)作为测定对象的电位差(Vp-Vg)。

根据以上说明的实施方式7，也以非接触方式测定信号公共线侧的电位Vp，并且与实施方式3同样地，即使测定情况发生变化的情况下，也能使测定对象的电位差(Vp-Vg)的测定误差减小。

另外，电压测定电路8与实施例1同样地构成，可以切换开关(未图示)，交替测定电位Va和电位Vb。另外，可以与电容器17和电容器19各自对应地，设定两个电压测定电路8。

工业上的实用性

如上文所述，本发明涉及的电压测定装置能被用于以非接触方式对测定对象测定直流电压。

标号说明

1 导体

2 电介质

3 电极

4 电容器

5 开关

6 开关

7 信号公共线

8 电压测定电路

8a 差分放大器

8b 开关

8c 保持电容器

8d 缓冲放大器

9 电容器

10 测定对象

11 电容器

12 线路电阻

13 电压测定电路

14 公共线

15 开关

16 开关

17 电容器

18 开关

19 电容器

20 开关

21 导体

22 电介质

23 电极

24 电容器

25 开关

26 开关

27 开关

28 开关

29 开关

Claims

1.一种电压测定装置，包括：

电介质，该电介质以能够与测定对象的导体相对的方式而设置；

电极，该电极设置在所述电介质上；

第一电容器，该第一电容器在与所述电极连接时保持与所述电极的电位一比一相关的电位；以及

第二电容器，该第二电容器在与所述电极连接时保持与所述电极的电位一比一相关的电位；

第一开关，该第一开关具有前端侧和一对后端侧，前端侧与所述电极连接；

第二开关，该第二开关具有一对前端侧和后端侧，前端侧的一边与所述第一开关的后端侧的一边连接，后端侧与所述第一电容器连接；

第三开关，该第三开关具有一对前端侧和后端侧，前端侧的一边与所述第一开关的后端侧的另一边连接，后端侧与所述第二电容器连接；以及

第四开关，该第四开关具有一对前端侧和后端侧，前端侧的一边与所述第二开关的前端侧的另一边连接，前端侧的另一边与所述第三开关的前端侧的另一边连接，

在第一开关倒向第一电容器侧，第二开关同时倒向第一开关后端侧的一边的情况下，使第一电容器具有电位；在第一开关倒向第二电容器侧，第三开关同时倒向第一开关后端侧的另一边的情况下，使第二电容器具有电位；并且，在第二开关倒向第四开关前端侧的一边，第四开关同时倒向电压测定电路的情况下，测定第一电容器的电位；在第三开关倒向第四开关前端侧的另一边，同时第四开关倒向电压测定电路的情况下，测定第二电容器的电位，

基于所述第一电容器的电位和所述第二电容器的电位，对所述导体的电位进行运算。

2.如权利要求1所述的电压测定装置，包括：

电压测定电路，该电压测定电路与所述第四开关的后端侧连接。