CN105829897B - 非接触电压测量装置 - Google Patents

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Abstract

在非接触电压测量传感器(1)中，检测探头(11)由板簧构成，通过施加外力，以向上述板簧的张力作用的方向卷曲的方式变形。

Description

非接触电压测量装置
技术领域
本发明涉及电压测量装置，尤其涉及以与导线不接触的方式来测量施加 于所述导线上的电压的非接触电压测量装置。
背景技术
以往，已知具有如下非接触电压测量装置，该非接触电压测量装置以与 导线接触的方式来测量在由绝缘包覆部包覆的导线上流动的交流电压(测量 对象电压)。
非接触电压测量装置通过以下方式来测量测量对象电压。首先，用于检 测电压的检测探头接近导线的绝缘包覆部。当绝缘包覆部和检测探头接近 时，在检测探头和导线之间产生耦合电容。在检测探头和导线之间产生耦合 电容的状态下，若交流电在导线上流动，则在检测探头上产生感应电压。利 用该感应电压的电压值和耦合电容的静电容量值来导出测量对象电压。
作为非接触电压测量装置的一例，专利文献1中公开了具有由柔性材料 包覆的检测探头的非接触电压检测装置。由于检测探头具有柔性，因此，用 户通过将检测探头缠绕在电线的绝缘包覆部上，能够使电线与检测探头的密 接性提高，并且能够扩大两者的接触面积。由此，检测探头与电线内的芯线 之间产生的耦合电容变大，另外，能够抑制耦合电容的变动(不规则)。因 此，利用绝对值大且变动小的耦合电容，能够准确地测量测量对象电压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报“日本特开2012-163394号公报(2012 年8月30日公开)”
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1公开的非接触电压检测装置中，用户需要进行以下 方式的手动操作，即，一边对检测探头的位置或形状进行调节，一边将检测 探头缠绕在绝缘包覆的周围。该手动操作存在耗力及耗时的问题。另外，当 用户将非接触电压检测装置的电压表安装在电缆上时，存在因与所述电缆接 触而被电击的可能性。
本发明鉴于所述问题而提出，其目的在于，提供一种非接触电压测量装 置，不需要手动操作将检测探头缠绕在被绝缘包覆的导线上，以使在检测探 头和导线之间产生的耦合电容增大，从而能够准确地测量施加于导线的测量 对象电压。
解决问题的手段
为了解决所述问题，本发明的一个实施方式的非接触电压测量装置，具 有在缠绕于导线的状态下检测电压的检测探头，当使所述检测探头以不接触 的方式接近所述导线以使在所述检测探头和所述导线之间产生耦合电容时， 基于在所述检测探头上产生的感应电压，来测量施加于所述导线的测量对象 电压，其中，所述检测探头在以下两种状态之间弹性变形，即，违背作用于 所述检测探头的张力向所述检测探头的长度方向延伸的第一状态和向所述 张力作用的方向卷曲的第二状态。
根据所述结构，检测探头在以下两种状态之间弹性变形，即，向张力作 用的方向卷曲的第二状态和违背所述张力来延伸的第一状态。因此，检测探 头以导线的周向与张力的作用方向平行的方式来与导线接触，在该接触状态 下，在所述检测探头从第一状态弹性变形为第二状态的情况下，通过向张力 作用的方向卷曲，从而缠绕在导线的周围。
因此，为了在检测探头和导线之间产生耦合电容，而不需要将检测探头 缠绕在导线的周围的手动操作。因此，能够减少因手动操作的耗时及耗力。 而且，当用户将非接触电压检测装置安装在导线上时，不与所述导线接触， 因此，不存在被电击的可能性，从而能够安全地将非接触电压检测装置安装 在导线上。
而且，通过检测探头缠绕在导线的周围，使得检测探头和导线之间产生 的耦合电容增大，因此，能够更加精确地测量施加于导线的测量对象电压。
发明效果
根据本发明，不需要手动操作将检测套头缠绕在被绝缘包覆的导线上， 以使检测探头和导线之间产生的耦合电容增大，从而能够更加高精度地测量 施加于导线上的测量对象电压。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式的非接触电压测量传感器的 外观的俯视图，是示出弯曲状态的检测探头的图。
图2是示意性地示出本发明的一个实施方式的非接触电压测量传感器的 外观的立体图。
图3是示意性地示出本发明的一个实施方式的非接触电压测量传感器的 结构的图，是示出具有所述传感器的电路的图。
图4是示意性地示出具有作用于面的上下方向上的张力的铜板簧的图。
图5是示出耦合电容和测量对象电压之间关系的另一图，是示出耦合电 容的静电容量值与测量对象电压的绝对值的2次微分之间的关系的图表的 图。
图6是示出本发明的一个实施方式的非接触电压测量传感器的外观的另 一俯视图，是示出弯曲被消除的状态的检测探头的图。
图7是示出本发明的一个实施方式的非接触电压测量传感器的检测探头 缠绕在测量对象配线的周围的例子的图。
具体实施方式
以下，参照图1～图7来详细说明本发明的实施方式。
(非接触电压测量传感器1的结构)
参照图1～图3来说明非接触电压测量传感器1(非接触电压测量装置) 的结构。图1是示意性地示出非接触电压测量传感器1的外观的俯视图。图 2是示意性地示出非接触电压测量传感器1的外观的立体图。另外，图3是 示意性地示出非接触电压测量传感器1的结构的图，并且是示出具有非接触 电压测量传感器1的电路EC的图。以下，将非接触电压测量传感器1简称 为电压传感器1。
电压传感器1对流动于图3所示的测量对象配线w内的芯线(导线)的 角频率ω的交流电压VL(测量对象电压)，以与所述芯线不接触的方式进 行测量。虽然没有图示，但测量对象配线w被绝缘包覆，测量对象配线w 的芯线的周围由绝缘性物质包覆。
如图1所示，电压传感器1具有检测探头11及电路基板15。检测探头 11和电路基板15通过连接线SL电连接。检测探头11配置在基板16的背 面上。另一方面，电路基板15配置在相同基板16的表面上。基板16由柔 性绝缘构件形成。
在电路基板15内形成有电路EC。连接线SL及电路基板15以不裸露的 方式由聚酰亚胺的片来层压(未图示)。
如图1所示，电压传感器1的表面呈矩形。电压传感器1的表面的短边 (沿图1的纵向延伸的边)的长度为例如10mm～20mm。此外，虽然与电压 传感器1的短边相比较的长边(沿图1的横向延伸的边)的实际长度优选为 比测量对象配线w的外周长，但不限于此。
如图2所示，在与电压传感器1的表面的长边垂直的截面中，检测探头 11以及配置有检测探头11的基板16的部分以凹陷的形状弯曲。在图1及图 2中，检测探头11的弯曲(槽)用附图标记c来表示。
如图3所示，电路EC包括电容器C1及C2、检测电阻R、切换开关13 以及运算放大器14。通过电场护罩12来覆盖检测探头11及电路EC的周围。 电容器C1及C2的静电容量值都是已知的(分别为47pF、470pF)。
(1.检测探头11)
检测探头11由板状的弹簧(铜板簧)形成，所述弹簧由铜制成。
如图3所示，当检测探头11与包覆测量对象配线w的芯线的绝缘性物 质接触或者足够接近时，在检测探头11与所述芯线之间产生具有未知的静 电容量值的耦合电容CL。
如图1所示，张力T向相对检测探头11的长度方向(图1中的横向) 倾斜的方向(箭头所示的方向)作用于构成检测探头11的板簧的表面上。
如图2所示，检测探头11借助板簧的张力T，具有弹性变形为向张力T 作用的方向卷曲的形状的特性。当检测探头11变形时，配置有检测探头11 的基板16的部分也与检测探头11一同变形。
检测探头11可以处于形状不同的两种状态。检测探头11的第一状态是， 如图2的实线所示，检测探头11具有弯曲c且弯曲为溜槽状的状态。弯曲c 发挥以下作用，通过使与检测探头11的长度方向垂直的截面中的检测探头 11的截面惯性矩变大，来抑制检测探头11卷曲。因此，当检测探头11处于 第一状态时，保持向长度方向延伸的状态。
检测探头11的第二状态是，如图2的虚线所示，消除弯曲c，以向张力 T的方向卷曲的状态。当从电压传感器1的表面侧或者背面侧向第一状态的 检测探头11施加外力时，弯曲c被消除。此外，施加于检测探头11的外力 可以是用户施加的力，也可以是当检测探头11与测量对象配线w接触时从 所述配线w受到的阻力。当弯曲c被消除时，检测探头11借助张力T向张 力T作用的方向卷曲。
这样一来，检测探头11从具有弯曲c的第一状态转变为弯曲c被消除且 向张力T的方向卷曲的第二状态。
其中，“弯曲c被消除”的状态除了弯曲c完全被消除的状态以外，还 包括弯曲c部分被消除以达到检测探头11能够借助张力T卷曲的程度的状 态。
当检测探头11一边与测量对象配线w的外表面接触，一边从第一状态 转变为第二状态时，以缠绕于测量对象配线w的方式卷曲。例如，如图1所 示，在张力T作用的方向与检测探头11的长度方向不平行的情况下，检测 探头11以螺旋状缠绕于测量对象配线w(参照图7)。另外，当张力T作用 的方向与检测探头11的长度方向平行时，检测探头11以环状缠绕于测量对 象配线w。
当检测探头11缠绕于测量对象配线w的周围时，在检测探头11与测量 对象配线w之间产生耦合电容CL(参照图3)。此时，在测量对象配线w 内的芯线上流动的交流电压VL使检测探头11内的电荷上引起静电感应。由 此，在检测探头11上产生依赖于电压VL及耦合电容CL的电压Vin(感应电 压)。电压Vin经过连接线SL输入至电路EC。
此外，第二状态的检测探头11通过从两端侧被施加拉力以消除卷曲， 从而能够返回到第一状态。
此外，检测探头11除了通过有无弯曲c来伸缩(即，在第一状态和第 二状态之间变形)的结构，还可以具有通过空气的压力来伸缩的结构。在该 结构中，如“吹卷”的玩具那样，检测探头11可通过使检测探头11内的空 气的压力增大，来保持向长度方向延伸的第一状态，通过使空气的压力减少， 来变形为第二状态。
以下，对检测探头11的制作方法进行说明。首先，用户准备作为检测 探头11的材料的铜制的板簧(铜板簧)。
图4示意性地示出具有作用于表面的上下方向上的张力T的铜板簧CP。 铜板簧CP具有要向张力T的方向卷曲的特性。换言之，铜板簧CP的原始 (自然的)形状是向张力T的方向卷曲的形状。如图4所示，用户从铜板簧 CP切出具有与张力T的方向不平行的长边的矩形的板簧FS。然后，使板簧 FS以向长度方向延伸的溜槽状弯曲。由此，完成图1及图2所示的检测探头 11。
此外，检测探头11也可以以电压传感器1能够测量测量对象配线w的 芯线露出部分的电压VL的方式，被绝缘构件包覆。在该结构中，用户通过 使包覆检测探头11的绝缘构件与露出的芯线接触，能够使检测探头11以不 接触的方式接近芯线。在该结构中，至少检测探头11的电极可以由板簧构 成。
另外，作为检测探头11的材料，除了采用铜制的板簧，还可以采用不 锈钢制的板簧。不锈钢制的板簧与铜制的板簧相比，具有要返回到原始形状 的力强的特性。
此外，检测探头11也可以不是板状，棒状或金属丝状的检测探头也包 含在本发明的范围内。
(2.电场护罩12)
电场护罩12通过遮断从外界向检测探头11或者电路EC入射的电场， 来防止检测探头11或者电路EC与测量对象配线w的芯线以外的电压源之 间电容耦合。此外，在图3中，电场护罩12仅覆盖了电路EC的一部分，但 是也可以覆盖整个电路EC。
如图3所示，在检测探头11和电场护罩12之间产生寄生电容Cp。寄 生电容Cp的静电容量值由检测探头11与电场护罩12之间的位置关系来确 定。在确定检测探头11的位置以及电场护罩12的位置之后，通过校准来求 出寄生电容Cp，从而变成已知的值。
(3.切换开关13)
切换开关13使电路EC在以下两个状态之间切换，即，(i)电容器C1在耦合电容CL与检测电阻R之间直接连接的(i)状态和(ii)电容器C1及 电容器C2在耦合电容CL和检测电阻R之间直接连接的(ii)状态。
当电路EC处于(i)状态时，检测探头11与检测电阻R之间的电阻抗 为1/jωC1。另一方面，当电路EC处于(ii)状态时，检测探头11与检测电 阻R之间的电阻抗为1/jωC′2。其中，C′2＝C1+C2。
当电路EC处于(i)状态时，输入到电路EC的电压Vin在检测电阻R 和电容器C1之间分压。另一方面，当电路EC处于(ii)状态时，电压VL 在检测电阻R和电容器C1及C2之间分压。
就电路EC处于(i)状态时以及(ii)状态时的各状态而言，在设置于 电路EC内的检测点DP上检测出电压Vout(分别为Vout1、Vout2)。由此， 得到包含将耦合电容CL及电压VL作为未知数的两个式。
此外，在本实施方式中，检测点DP设置在电容器C1及C2与检测电阻R 之间。因此，检测点DP是隔着基准电位点(GND)与检测电阻R的相反一 侧相同的电位。因此，电压Vout等同于检测电阻R的分压。
可通过将上述两个式以使耦合电容CL及电压VL分离的方式变形，来导 出耦合电容CL及电压VL。这种导出方法是众所周知的，因此，在此省略其 导出方法的详细说明。
(补充)
耦合电容CL的绝对值越大，电压VL的误差越小。以下，从理论的角度 进行说明。
在图3所示的电路EC中，电压VL由以下的数式表示。
【数式1】
(CR∶C1或者C′2(＝C1+C2))...(1)
其中，将电路EC处于(i)状态时向AD转换器(图3的AD+)输出的 电流定义为I1，将电压定义为Vout1，将电路EC处于(ii)状态时向AD转 换器输出的电流定义为I2，将电压定义为Vout2。另外，电容器C2的静电容 量值比电容器C1的静电容量值充分大(C1＜＜C2)。
若将式(2)代入到式(1)，则得到
【数式2】
因此，得到
【数式3】
【数式4】
【数式5】
因此，得到
【数式6】
因此，得到
【数式7】
图5是示出电压VL的绝对值的2次微分d|VL|2/dCL与耦合电容CL之 间的关系的图表。从图5所示的图表可知，耦合电容CL的静电容量值越大， d|VL|2/dCL的变动越小。由此可知，从理论上可以导出，耦合电容CL的静 电容量值越大，VL的测量值的变动及误差越小。
(4.运算放大器14)
运算放大器14维持检测点DP的电位和电场护罩12的电位相等的状态。 因此，在检测点DP和电场护罩12之间产生的寄生电容Cp(静电容量值； 5pF左右)中几乎没有漏电流。换言之，运算放大器14将在寄生电容Cp流 动的漏电流阻止在能够无视程度的大小。由此，可以抑制流动在寄生电容Cp 的漏电流对电压VL的测量值的影响。
(利用非接触电压测量传感器1的电压测量方法)
以下，对利用电压传感器1的电压测量方法进行说明。
首先，用户通过按压检测探头11的一部分来消除弯曲c。并且，用户保 持检测探头11的两端侧，以维持检测探头11不卷曲且向长度方向延伸的状 态。图6示出了弯曲c被消除而向长度方向延伸状态的检测探头11。
然后，用户以按压检测探头11的一部分的状态使检测探头11接近测量 对象配线w。这时，用户以使作用于检测探头11的张力T的方向和测量对 象配线w的周向平行的方式，在使测量对象配线w的长度方向和检测探头 11的长度方向交叉的状态下，使检测探头11接近测量对象配线w。
当检测探头11充分接近测量对象配线w时，用户的手离开检测探头11。 由此，检测探头11通过向张力T作用的方向卷曲，自动地以螺旋状缠绕在 测量对象配线w的周围。图7示出了检测探头11以螺旋状缠绕在测量对象 配线w的周围的例子。
此外，检测探头11可以以不受测量对象配线w的直径的大小的影响的 方式缠绕在所述配线w上。
在检测探头11在测量对象配线w的周围缠绕m圈的情况下，耦合电容 CL表示为以下的数式。
【数式8】
CL＝2πε0εrL/log(a/b)×m
其中，将测量对象配线w内的芯线(圆筒形)的半径定义为a，绝缘包 覆(中空圆筒形)的厚度定义为b，检测探头11的短边(参照图6)的长度 定义为L，真空的介电常数定义为ε0，绝缘包覆的相对介电常数定义为εr。
从上述的数式可知，检测探头11缠绕在测量对象配线w上的圈数m越 多，配线w内的芯线和检测探头11之间产生的耦合电容CL越大。例如，检 测探头11缠绕在测量对象配线w的周围2圈的结构与缠绕1/2圈的结构相 比，耦合电容CL的绝对值变成4倍。如上所述，耦合电容CL的绝对值越大， 电压VL的误差越小。
另外，耦合电容CL越大，电压Vout也越大。电压Vout越大，占据电 压Vout的检测值的误差的比例越小，因此，大的电压Vout变动小，且可靠 性高。因此，利用大的电压Vout，能够高精度地导出电压VL。
本发明不限于上述的实施方式，在权利要求书所示的范围内可以进行各 种变更。
【总结】
本发明的一个实施方式的非接触电压测量装置，具有在缠绕于导线的状 态下检测电压的检测探头，当使所述检测探头以不接触的方式接近所述导线 以使在所述检测探头和所述导线之间产生耦合电容时，基于在所述检测探头 上产生的感应电压，来测量施加于所述导线的测量对象电压，所述检测探头 在以下两种状态之间弹性变形，即，违背作用于所述检测探头的张力向所述 检测探头的长度方向延伸的第一状态和向所述张力作用的方向卷曲的第二 状态。
根据所述结构，检测探头在以下两种状态之间弹性变形，即，向张力作 用的方向卷曲的第二状态和违背所述张力来延伸的第一状态。因此，检测探 头以导线的周向与张力的作用方向平行的方式来与导线接触，在该接触状态 下，在所述检测探头从第一状态弹性变形为第二状态的情况下，通过向张力 作用的方向卷曲，从而缠绕在导线的周围。
因此，为了在检测探头和导线之间产生耦合电容，而不需要将检测探头 缠绕在导线的周围的手动操作。因此，能够减少因手动操作的耗时及耗力。 而且，当用户将非接触电压检测装置安装在导线上时，不与所述导线接触， 因此，不存在被电击的可能性，从而能够安全地将非接触电压检测装置安装 在导线上。
而且，通过检测探头缠绕在导线的周围，使得检测探头和导线之间产生 的耦合电容增大，因此，能够更加精确地测量施加于导线的测量对象电压。
另外，在所述非接触电压测量装置中，所述检测探头由板簧构成，在处 于所述第一状态时，若施加外力，则向所述板簧的张力作用的方向卷曲，从 而转变为所述第二状态。
根据所述结构，当违背张力而延伸的第一状态的检测探头受到外力时， 向板簧的张力作用的方向卷曲，从而转变为第二状态。因此，检测探头以使 导线的周向和张力的作用方向平行的方式来与导线接触，在该接触状态，在 施加外力的情况下，所述检测探头向张力作用的方向卷曲，从而缠绕在导线 的周围。
例如，在板簧的张力作用的方向与检测探头的长度方向平行的情况下， 检测探头以环状缠绕在导线的周围。另外，在板簧的张力作用的方向相对于 检测探头的长度方向倾斜的情况下，检测探头以螺旋状缠绕在导线的周围。
因此，如上所述，不需要将检测探头缠绕在导线的周围的手动操作。因 此，能够减少因手动操作的耗时以及耗力。而且，当用户将非接触电压检测 装置安装在导线上时，不与所述导线接触，因此，不存在被电击的可能性， 从而能够安全地将非接触电压检测装置安装在导线上。
另外，在所述非接触电压测量装置中，所述张力作用的方向也可以相对 于所述检测探头的所述长度方向倾斜。
根据所述结构，当导线的周向与张力作用的方向平行时，检测探头的长 度方向相对于导线的周向及长度不平行。在检测探头的长度方向相对于导线 的长度方向不平行的状态下，当检测探头的至少一部分与导线接触时，检测 探头借助板簧的张力，以螺旋状缠绕在导线的周围。
因此，检测探头能够以螺旋状在导线的周围缠绕1圈以上。通过检测探 头以螺旋状缠绕在导线的周围的缠绕圈数增加，能够使检测探头和导线之间 产生的耦合电容增大。其结果，能够高精度地测量测量对象电压。
另外，在所述非接触电压测量装置中，所述检测探头处于所述第一状态 时，也可以具有向所述检测探头的所述长度方向延伸的溜槽状的弯曲。
根据所述结构，处于第一状态的检测探头具有向长度方向延伸的溜槽状 的弯曲，因此，与弯曲的延伸方向垂直的截面中的截面惯性矩大。因此，处 于第一状态的检测探头难以沿长度方向卷曲。因此，检测探头能够保持沿长 度方向延伸的状态。
当向处于第一状态的检测探头施加外力时，具体而言，当用户按压检测 探头的一部分时，检测探头的弯曲被消除。于是，如上所述，检测探头借助 板簧的张力变形为第二状态，并缠绕在导线的周围。
产业上的可利用性
本发明能够应用于以与所述导线不接触的方式测量施加于导线的电压 的非接触电压测量装置。
附图标记的说明：
1 非接触电压测量传感器(非接触电压测量装置)
11 检测探头
W 测量对象配线(的芯线；导线)
Vin 电压(感应电压)
VL 电压(测量对象电压)
CL 耦合电容
T 张力

Claims (3)

1.一种非接触电压测量装置，具有在缠绕于导线的状态下检测电压的检测探头，当使所述检测探头以不接触的方式接近所述导线以使在所述检测探头和所述导线之间产生耦合电容时，基于在所述检测探头上产生的感应电压，来测量施加于所述导线的测量对象电压，所述非接触电压测量装置的特征在于，
所述检测探头在以下两种状态之间弹性变形，即，违背作用于所述检测探头的张力向所述检测探头的长度方向延伸的第一状态和向所述张力作用的方向卷曲的第二状态，
所述张力作用的方向相对于所述检测探头的所述长度方向倾斜。
2.根据权利要求1所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述检测探头由板簧构成，当处于所述第一状态时，若施加外力，则向所述板簧的张力作用的方向卷曲，从而变形为所述第二状态。
3.根据权利要求1或2中所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
当所述检测探头为所述第一状态时，所述检测探头具有向所述检测探头的所述长度方向延伸的槽状的弯曲。
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