CN107533091B - 非接触电压测量装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够通过简单的结构来高精度地测定交流电压的非接触电压测定装置。在第1电极(E1)以及第2电极(E2)与导体(1)之间形成具有彼此存在相关关系的静电电容的第1电容器(C1)以及第2电容器(C2)，对第1电极(E1)与第1基准电位(G1)之间施加交流信号(Vg)。在开关(SW)断开时，在使第2电极(E2)保持为与第1基准电位(G1)相等的电位的状态下，生成与通过交流信号(Vg)而蓄积到第2电容器(C2)中的电荷(Qg)相应的第1电荷检测信号(Vs1)。在开关(SW)接通时，在使第2电极(E2)保持为与第2基准电位(G2)相等的电位的状态下，生成与通过交流电压(Vx)而蓄积到第2电容器(C2)中的电荷(Qx)相应的第2电荷检测信号(Vs2)。在运算部(82)中，基于第1电荷检测信号(Vs1)与第2电荷检测信号(Vs2)，对交流电压(Vx)的测定值进行运算。

Description

非接触电压测量装置
技术领域
本发明涉及不与导体导通地对施加于导体的交流电压进行测量的非接触电压测量装置。
背景技术
已知一种非接触型的电压测量装置，其能够从绝缘包覆的外侧不与电线导通地对与商用系统电源等连接的电线的交流电压进行测量。例如在下述的专利文献1中记载了一种装置，其通过检测探针从外侧夹住由绝缘物包覆的导体(电线)来进行交流电压的测定。在检测探针，设置有包围导体的绝缘包覆的外周的检测电极，通过对检测电极给予频率比测定对象的交流电压高的振荡信号，从而测量检测电极与电线之间的阻抗(静电电容)。基于该阻抗的测量值和起因于施加于导体的交流电压而从检测电极流出的电流的测量值，来求取该交流电压的测定值。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平10-206468号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的装置中，在测量检测电极与电线之间的阻抗(静电电容C1)时，会检测出因振荡信号而流向检测电极的电流分量Is。但是，在检测电极中，除了因振荡信号而流动的电流分量Is以外，还存在通过施加于导体的交流电压而从检测电极流出的电流分量Ix。因此，在该装置中，需要用于辨别电流分量Is、Ix的滤波器(带通滤波器、低通滤波器)。
此外，在检测探针，设置有包围检测电极的更外周的屏蔽电极。该屏蔽电极被接地，在检测电极与屏蔽电极之间存在寄生电容C0。因此，在专利文献1所记载的装置中，首先，在将检测探针从导体取下的状态下进行寄生电容C0的测定，接着，在将检测探针安装于导体的状态下测定静电电容C1与寄生电容C0的合成容量Cc(＝C0+C1)。静电电容C1的测定值通过从合成容量Cc的测定值中减去寄生电容C0的测定值来求取。因此，为了得到交流电压的测定值，必须在将检测探针从导体取下的状态和安装于导体的状态的每个状态下进行测定处理，故而测定过程繁杂。此外，在将检测探针安装于导体后寄生电容C0发生了变化的情况(屏蔽电极的变形、吸湿所引起的介电常数的变化等)下，必须暂且将检测探针从导体取下来重新进行寄生电容C0的测定。
而且，在将检测探针从导体取下的状态和安装于导体的状态下，检测电极以及屏蔽电极的形状发生变化，由此电极的端部处的电力线的状态发生变化。因此，存在如下这样的问题，即，寄生电容C0的测定值会产生误差，由于该误差而导致交流电压的测定精度下降。
本发明鉴于这样的情况而作，其目的在于，提供一种能够以简单的结构高精度地测定交流电压的非接触电压测定装置。
用于解决课题的手段
本发明涉及不与导体导通地对施加于所述导体的交流电压进行测量的非接触电压测量装置。
本发明的第1观点所涉及的非接触电压测定装置具有：第1电极，在该第1电极与所述导体之间形成第1电容器；第2电极，在该第2电极与所述导体之间形成第2电容器，该第2电容器具有与所述第1电容器的静电电容存在相关关系的静电电容；交流信号源，其对所述第1电极与第1基准电位之间施加交流信号；电荷检测部，其使所述第2电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位，并生成与蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的电荷检测信号；开关，其设置在作为所述交流电压的测定的基准的第2基准电位与所述第1基准电位之间；和运算部，其基于在所述开关断开的状态下生成的所述电荷检测信号和在所述开关接通的状态下生成的所述电荷检测信号，对所述交流电压的测定值进行运算。
根据上述结构，在所述第1电极以及所述第2电极与所述导体之间形成有彼此具有相关关系的所述第1电容器以及所述第2电容器，且对所述第1电极与所述第1基准电位之间施加所述交流信号。在所述开关处于断开状态的情况下，由于使所述第2电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位，并且，对所述第1电极与所述第1基准电位之间施加有所述交流信号，因此基于所述交流信号的电荷蓄积到所述第2电容器中。在该情况下，在所述电荷检测部中生成与通过所述交流信号而蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的电荷检测信号。此外，在所述开关处于接通状态的情况下，由于使所述第2电极相对于所述第2基准电位而保持在固定的电位，因此基于对所述第2基准电位与所述导体之间施加的所述交流电压的电荷蓄积到所述第2电容器中。在该情况下，在所述电荷检测部中生成与通过所述交流电压而蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的电荷检测信号。在所述运算部中基于在所述开关断开的状态下生成的所述电荷检测信号和在所述开关接通的状态下生成的所述电荷检测信号，对所述交流电压的测定值进行运算。
因此，即使不像现有的装置那样，设置用于对具有所述交流电压的频率的分量与具有所述交流信号的频率的分量进行辨别的滤波器，也能够得到施加于所述导体的所述交流电压的测定值。此外，由于无需像现有的装置那样，将所述电极从所述导体取下来进行寄生电容的测定，因此测定过程变得简单并且测定精度得到提高。
优选地，所述交流信号源可以产生具有比所述交流电压高的频率的所述交流信号。
由此，在所述开关断开的情况下，通过所述交流信号而蓄积到所述第2电容器中的电荷相对于通过所述交流电压而蓄积到所述第2电容器中的电荷而增大，因此由于后者的电荷而产生的所述电荷检测信号的误差变小。
优选地，所述导体可以具有与所述第1电极以及所述第2电极对置的导体侧平面部。所述第1电极以及所述第2电极可以分别具有与所述导体侧平面部平行并且与所述导体侧平面部的间隔距离相等的电极侧平面部。
由此，所述第1电容器以及所述第2电容器的静电电容比与所述第1电极以及所述第2电极的所述电极侧平面部的面积比大致相等，因此所述静电电容比的设定的精度提高。
优选地，可以构成为，所述第1电极以及所述第2电极中的所述电极侧平面部全等，且所述第1电容器与所述第2电容器的静电电容相等。
由此，所述第1电极以及所述第2电极的所述电极侧平面部的面积比被高精度地设定，因此所述第1电容器以及所述第2电容器的静电电容比的设定精度进一步提高。
优选地，所述第1电极和所述第2电极可以靠近配置。
由此，所述第1电极以及所述第2电极的形状和尺寸难以受到制造偏差的影响，所述电极侧平面部的面积比的精度提高。
优选地，上述第1观点所涉及的非接触电压测定装置可以具有包围所述第1电极以及所述第2电极中的至少一方的保护环。
由此，能够抑制外来噪声所引起的所述交流电压的测定精度的下降。
本发明的第2观点所涉及的非接触电压测定装置具有：第1电极，在该第1电极与所述导体之间形成第1电容器；第2电极，在该第2电极与所述导体之间形成第2电容器，该第2电容器具有与所述第1电容器的静电电容存在相关关系的静电电容；第3电极，在该第3电极与所述导体之间形成第3电容器，该第3电容器具有与所述第1电容器的静电电容存在相关关系的静电电容；交流信号源，其对所述第1电极与第1基准电位之间施加交流信号；第1电荷检测部，其使所述第2电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位，并生成与蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的第1电荷检测信号；第2电荷检测部，其使所述第3电极相对于作为所述交流电压的测定的基准的第2基准电位而保持在固定的电位，并生成与蓄积到所述第3电容器中的电荷相应的第2电荷检测信号；和运算部，其基于所述第1电荷检测信号和所述第2电荷检测信号对所述交流电压的测定值进行运算。
根据上述结构，彼此具有相关关系的所述第1电容器、所述第2电容器以及所述第3电容器形成在所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极与所述导体之间。由于所述第2电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位，并且，对所述第1电极与所述第1基准电位之间施加有所述交流信号，因此基于所述交流信号的电荷蓄积到所述第2电容器中。在所述第1电荷检测部中生成与通过所述交流信号而蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的所述第1电荷检测信号。此外，由于所述第2电极相对于所述第2基准电位而保持在固定的电位，因此基于对所述第2基准电位与所述导体之间施加的所述交流电压的电荷蓄积到所述第2电容器中。在所述第2电荷检测部中生成与通过所述交流电压而蓄积到所述第3电容器中的电荷相应的所述第2电荷检测信号。在所述运算部中基于所述第1电荷检测信号和所述第2电荷检测信号，对所述交流电压的测定值进行运算。
因此，即使不像现有的装置那样，设置用于对具有所述交流电压的频率的分量与具有所述交流信号的频率的分量进行辨别的滤波器，也能够得到施加于所述导体的所述交流电压的测定值。此外，由于无需像现有的装置那样，将所述电极从所述导体取下来进行寄生电容的测定，因此测定过程变得简单并且测定精度得到提高。
优选地，所述交流信号源可以产生具有比所述交流电压高的频率的所述交流信号。
由此，通过所述交流信号而蓄积到所述第2电容器中的电荷相对于通过所述交流电压而蓄积到所述第2电容器中的电荷而增大，因此由于后者的电荷而产生的所述第1电荷检测信号的误差变小。
优选地，所述导体可以具有与所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极对置的导体侧平面部。所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极可以分别具有与所述导体侧平面部平行并且与所述导体侧平面部的间隔距离相等的电极侧平面部。
由此，所述第1电容器、所述第2电容器以及所述第3电容器的静电电容比与所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极的所述电极侧平面部的面积比大致相等，因此所述静电电容比的设定的精度提高。
优选地，可以构成为，所述第1电极、所述第2电极部以及所述第3电极中的所述电极侧平面部全等，且所述第1电容器、所述第2电容器以及所述第3电容器的静电电容相等。
由此，所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极的所述电极侧平面部的面积比被高精度地设定，因此所述第1电容器、所述第2电容器以及所述第3电容器的静电电容比的设定精度进一步提高。
优选地，所述第1电极和所述第2电极可以靠近配置。
由此，所述第1电极以及所述第2电极的形状和尺寸难以受到制造偏差的影响，所述电极侧平面部的面积比的精度提高。
优选地，所述第2观点所涉及的非接触电压测定装置可以具有第1保护环以及/或者第2保护环，所述第1保护环包围所述第1电极以及所述第2电极中的至少一个，所述第2保护环包围所述第3电极。
由此，能够抑制外来噪声所引起的所述交流电压的测定精度的下降。
本发明的第3观点所涉及的非接触电压测定装置具有：多个电极，在多个所述电极与所述导体之间分别形成具有彼此存在相关关系的静电电容的电容器；交流信号源，其对两个所述电极中的一个电极与第1基准电位之间施加交流信号；检测部，其分别生成在使所述两个电极中的另一个电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位的状态下与通过所述交流信号而蓄积到该另一个电极的所述电容器中的电荷相应的第1电荷检测信号、以及在使一个所述电极相对于作为所述交流电压的测定的基准的第2基准电位而保持在固定的电位的状态下与通过所述交流电压而蓄积到该一个电极的所述电容器中的电荷相应的第2电荷检测信号；和运算部，其基于所述第1电荷检测信号和所述第2电荷检测信号对所述交流电压的测定值进行运算。
根据上述结构，彼此具有相关关系的多个所述电容器形成在所述多个电极与所述导体之间。对两个所述电极中的一方的电极与所述第1基准电位之间施加所述交流信号，并且，该两个电极中的另一方的电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位。因此，基于所述交流信号的电荷蓄积到该另一方的电极的所述电容器中。在所述检测部中生成与通过所述交流信号而蓄积到该另一方的电极的所述电容器中的电荷相应的所述第1电荷检测信号。此外，由于一个所述电极相对于所述第2基准电位而保持在固定的电位，因此基于对所述第2基准电位与所述导体之间施加的所述交流电压的电荷蓄积到该一个电极的所述电容器中。在所述检测部中生成与通过所述交流电压而蓄积到该一个电极的所述电容器中的电荷相应的所述第2电荷检测信号。在所述运算部中基于所述第1电荷检测信号和所述第2电荷检测信号，对所述交流电压的测定值进行运算。
因此，即使不像现有的装置那样，设置用于对具有所述交流电压的频率的分量与具有所述交流信号的频率的分量进行辨别的滤波器，也能够得到施加于所述导体的所述交流电压的测定值。此外，由于无需像现有的装置那样，将所述电极从所述导体取下来进行寄生电容的测定，因此测定过程变得简单并且测定精度得到提高。
本发明的第4观点所涉及的非接触电压测定装置具有：第1电极，其与所述导体静电耦合；第2电极，其与所述导体静电耦合；交流信号源，其一端与所述第1电极连接；电荷检测部，其一个输入端与所述第2电极连接，另一个输入端与所述交流信号源的另一端连接；开关，其设置在所述电荷检测部的另一个输入端与所述交流电压的基准电位之间；存储部，其存储所述电荷检测部中的电荷的检测结果；和运算部，其能够基于存储在所述存储部中的值进行运算。
本发明的第5观点所涉及的非接触电压测定装置具有：第1电极，其与所述导体静电耦合；第2电极，其与所述导体静电耦合；第3电极，其与所述导体静电耦合；交流信号源，其一端与所述第1电极连接；第1电荷检测部，其一个输入端与所述第2电极连接，另一个输入端与所述交流信号源的另一端连接；第2电荷检测部，其一个输入端与所述第3电极连接，另一个输入端与所述交流电压的基准电位连接；存储部，其存储所述第1电荷检测部以及所述第2电荷检测部中的电荷的检测结果；和运算部，其能够基于存储在所述存储部中的值进行运算。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能通过简单的结构来高精度地测定交流电压的非接触电压测定装置。
附图说明
图1是示出第1实施方式所涉及的非接触电压测定装置的结构的一例的图。
图2是示出图1所示的非接触电压测定装置中的电极的例子的图。
图3是示出第2实施方式所涉及的非接触电压测定装置的结构的一例的图。
图4是示出图3所示的非接触电压测定装置中的电极的例子的图。
图5是示出在电极的周围设置的保护环的例子的图。图5A示出在图2所示的电极的周围设置的保护环，图5B示出在图4所示的电极的周围设置的保护环。
具体实施方式
<第1实施方式>
以下，参照附图对本发明的第1实施方式所涉及的非接触电压测定装置进行说明。图1是示出本实施方式所涉及的非接触电压测定装置的结构的一例的图。图2是示出在图1所示的非接触电压测定装置中用于交流电压的测定的电极E1、E2的例子的图。
本实施方式所涉及的非接触电压测定装置是与导体1不导通地对施加于导体1的交流电压Vx进行测量的装置。这里所谓的“不导通”，是指测定对象物和非接触电压测定装置直流绝缘，包含绝缘物介于两者之间的情况、两者隔开空间而分离的情况。该非接触电压测定装置例如如图1所示，具有第1电极E1以及第2电极E2、交流信号源5、检测部6、AD变换部7、处理部8、存储部9和开关SWg。
图1所示的非接触电压测定装置利用在配置于导体1的附近的2个电极(E1、E2)与导体1之间产生的静电耦合来进行交流电压的测量。例如，导体1是在对商用电力系统4的电力进行供给的电源线上的配电盘等设置的汇流条，具备与各电极(E1、E2)对置的平面部FP1(导体侧平面部)。在图2的例子中，导体1呈细长的板状的形状，但只要具有平面部FP1则也可以是其他形状。
第1电极E1在与导体1之间形成第1电容器C1，第2电极E2在与导体1之间形成第2电容器C2。在图2的例子中，第1电极E1以及第2电极E2是形成于绝缘体的基板2(印刷基板、柔性基板等)的导电图案，分别具备与导体侧平面部FP1平行的平面部FP2(电极侧平面部)。第1电极E1以及第2电极E2的电极侧平面部FP2由于形成于共同的基板2，因此与导体侧平面部FP1的间隔距离相等。
在图2的例子中，第1电极E1以及第2电极E2的电极侧平面部FP2呈矩形的形状，彼此全等(congruent)。作为平行板型的电容器的第1电容器C1以及第2电容器C2由于对置的导电体的面积以及导电体之间的距离相同，因此具有大致相等的静电电容。
此外，图2所示的第1电极E1以及第2电极E2在共同的基板2上相邻配置。因此，两者的形状和尺寸难以受到制造偏差的影响，高精度地一致。
另外，第1电容器C1和第2电容器C2的静电电容不必一定相同，只要在两者之间存在一定的相关关系即可。例如，也可以通过使2个电极(E1、E2)中的一方与另一方相比成为P倍的面积，从而使2个电容器(C1、C2)中的一方与另一方相比具有P倍的静电电容。即，电极(E1、E2)和导体1的形状、尺寸以及位置关系只要设定为2个电容器(C1、C2)的静电电容具有一定的相关关系(例如一定的比例关系)即可。
交流信号源5对第1电极E1与第1基准电位G1之间施加交流信号Vg。交流信号源5产生的交流信号Vg具有比交流电压Vx高的频率。例如，若将交流电压Vx的频率设为50Hz，则交流信号Vg的频率设定为数kHz程度。交流信号源5按照处理部8的控制来接通/断开(ON/OFF)交流信号Vg的输出。
开关SWg与交流信号源5并联连接，按照处理部8的控制进行接通/断开。
检测部6分别检测通过交流信号源5的交流信号Vg而蓄积到第2电容器C2中的电荷、和通过交流电压Vx而蓄积到第2电容器C2中的电荷。即，检测部6在使第2电极E2相对于第1基准电位G1而保持在固定的电位(例如与第1基准电位G1相同的电位)的状态下，生成与通过交流信号Vg而蓄积到第2电极E2的第2电容器C2中的电荷相应的第1电荷检测信号Vs1。此外，检测部6在使第2电极E2相对于作为交流电压Vx的测定的基准的第2基准电位G2而保持在固定的电位(例如与第2基准电位G2相同的电位)的状态下，生成与通过交流电压Vx而蓄积到第2电极E2的第2电容器C2中的电荷相应的第2电荷检测信号Vs2。
在图1的例子中，检测部6具有电荷检测部20和开关SW。
开关SW设置在第1基准电位G1与第2基准电位G2之间，按照处理部8的控制进行接通/断开。
电荷检测部20使第2电极E2相对于第1基准电位G1而保持在固定的电位(例如与第1基准电位G1相同的电位)，并生成与第2电容器C2所蓄积的电荷相应的电荷检测信号Vs。开关SW处于断开的状态下的电荷检测信号Vs为上述的“第1电荷检测信号Vs1”，开关SW处于接通的状态下的电荷检测信号Vs为上述的“第2电荷检测信号Vs2”。
电荷检测部20，例如如图1中示出那样，包含运算放大器OP和电容器Cf。运算放大器OP的反相输入端子与第2电极E2连接，非反相输入端子与第1基准电位G1连接。电容器Cf设置在运算放大器OP的反相输入端子与输出端子之间。在运算放大器OP的增益足够高的情况下，电容器Cf的电荷由运算放大器OP的输出电压(电荷检测信号Vs)来控制，使得第2电极E2的电位与第1基准电位G1大致相等。
开关SW处于断开状态时，电容器Cf的电荷被控制为使得在第1电容器C1与第2电容器C2的串联电路产生的电压与交流信号Vg大致相等。由于运算放大器OP的反相输入端子为高阻抗，几乎不流动电流，因而第2电容器C2的电荷量的变化与电容器Cf的电荷量的变化大致相等。因此，与交流信号Vg相应的第2电容器C2的电荷量的变化和电容器Cf的电荷量的变化大致相等。此外，运算放大器OP的输出电压(电荷检测信号Vs)的变化与电容器Cf的电荷量的变化成比例。因此，从运算放大器OP输出的电荷检测信号Vs的变化(与交流信号Vg相同频率的交流分量)和与交流信号Vg相应的电容器Cf的电荷量的变化成比例。
开关SW处于接通状态时，第1基准电位G1经由开关SW与第2基准电位G2连接，第1基准电位G1变得与第2基准电位G2相同。因此，在该情况下，电容器Cf的电荷被控制为使得在第2电容器C2产生的电压与交流电压Vx大致相等，与交流电压Vx相应的第2电容器C2的电荷量的变化和电容器Cf的电荷量的变化大致相等。因此，从运算放大器OP输出的电荷检测信号Vs的变化(与交流电压Vx相同频率的交流分量)和与交流电压Vx相应的电容器Cf的电荷量的变化成比例。
AD变换部7将在检测部6中生成的电荷检测信号Vs从模拟信号变换为数字信号。
处理部8是进行非接触电压测定装置的整体动作的控制、数据的运算处理的电路，包含按照保存在存储部9中的程序的指令代码来执行处理的计算机、基于专用的硬件的逻辑电路(ASIC等)而构成。处理部8的处理既可以全部都在计算机中执行，也可以至少一部分由硬件的逻辑电路来执行。
处理部8作为分别执行给定的处理的模块而具有控制部81和运算部82。
控制部81执行与开关SW的切换、AD变换部7的变换动作的控制相关的处理。
运算部82基于在AD变换部7中变换为数字信号的电荷检测信号Vs来进行运算处理。运算部82基于在开关SW断开的状态下生成的电荷检测信号Vs(第1电荷检测信号Vs1)和在开关接通的状态下生成的电荷检测信号Vs(第2电荷检测信号Vs2)，对交流电压Vx的测定值进行运算。
存储部9是存储例如处理部8中的计算机的程序、用于处理的预先准备的数据、在处理过程中暂时性地保存的数据(第1电荷检测信号Vs1、第2电荷检测信号Vs2的数字值等)的装置，包含ROM、RAM、非易失性存储器、硬盘等而构成。存储在存储部9中的程序、数据既可以经由通信接口从未图示的服务器装置下载，也可以从光盘、USB存储器等非暂时性记录介质读出。
在此，对具有上述结构的图1所示的非接触电压测定装置的动作进行说明。
首先，处理部8将开关SW以及开关SWg设定为断开状态并从交流信号源5输出交流信号Vg，在AD变换部7中将包含与交流信号Vg相应的交流分量的电荷检测信号Vs变换为数字信号。处理部8将该数字变换后的电荷检测信号Vs的等级(level)(交流的振幅、有效值等)作为“第1电荷检测信号Vs1”而保存在存储部9中。
若将第1电容器C1以及第2电容器C2的静电电容分别设为“C1”、“C2”，且假设静电电容C1为静电电容C2的P倍，则第1电容器C1以及第2电容器C2的串联电路的静电电容C0由下式表示。
C0＝C2·P/(1+P)…(1)
若将交流信号Vg的电压设为“Vg”，则在第1电容器C1以及第2电容器C2的串联电路产生交流信号Vg。对应于交流信号Vg而蓄积到第1电容器C1以及第2电容器C2的串联电路中的电荷Qg(交流分量)由下式表示。
Qg＝Vg·C0＝Vg·C2·P/(1+P)…(2)
蓄积到第1电容器C1以及第2电容器C2的串联电路中的电荷Qg与蓄积到第2电容器C2中的电荷相等。
在电容器Cf中，蓄积与第2电容器C2的电荷Qg大致相等的电荷。此外，电容器Cf的电压与运算放大器OP的输出电压(电荷检测信号Vs)大致相等。因此，作为开关SW断开时的电荷检测信号Vs的“第1电荷检测信号Vs1”由下式表示。
Vs1＝Qg/Cf＝Vg·(C2/Cf)·P/(1+P)…(3)
处理部8将由式(3)表示的第1电荷检测信号Vs1的数字值保存在存储部9中。
接下来，处理部8停止交流信号源5的交流信号Vg的输出，并将开关SW以及开关SWg设定为接通状态，在AD变换部7中将包含与交流电压Vx相应的交流分量的电荷检测信号Vs变换为数字信号。处理部8将该数字变换后的电荷检测信号Vs的等级(交流的振幅、有效值等)作为“第2电荷检测信号Vs2”而保存在存储部9中。
若开关SW接通，则第1基准电位G1与第2基准电位G2成为同电位，因此第2电极E2的电位与第2基准电位G2大致相等。即，第2电容器C2的电压与施加于导体1的交流电压Vx大致相等。对应于交流电压Vx而蓄积到第2电容器C2中的电荷Qx(交流分量)由下式表示。
Qx＝Vx·C2…(4)
在电容器Cf中，蓄积与第2电容器C2的电荷Qx大致相等的电荷。此外，电容器Cf的电压与运算放大器OP的输出电压(电荷检测信号Vs)大致相等。因此，作为开关SW接通时的电荷检测信号Vs的“第2电荷检测信号Vs2”由下式表示。
Vs2＝Qx/Cf＝Vx·(C2/Cf)…(5)
处理部8将由式(5)表示的第2电荷检测信号Vs2的数字值保存在存储部9中。
运算部82基于保存在存储部9中的第1电荷检测信号Vs1与第2电荷检测信号Vs2的数字值，对施加于导体1的交流电压Vx进行运算。
根据式(3)，“Cf/C2”由下式表示。
Cf/C2＝(Vg/Vs1)·{P/(P+1)}…(6)
根据式(5)，交流电压Vx由下式表示。
Vx＝Vs2·(Cf/C2)…(7)
若将式(6)代入到式(7)，则交流电压Vx由下式表示。
Vx＝Vg·(Vs2/Vs1)·{P/(P+1)}…(8)
因此，运算部82能够基于保存在存储部9中的第1电荷检测信号Vs1以及第2电荷检测信号Vs2的数字值和已知的“Vg”以及“P”，根据式(8)对交流电压Vx的测定值进行运算。
如以上说明的那样，根据本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，具有彼此存在相关关系的静电电容的第1电容器C1以及第2电容器C2形成在第1电极E1以及第2电极E2与导体1之间，并对第1电极E1与第1基准电位G1之间施加交流信号Vg。开关SW断开时，在使第2电极E2保持在与第1基准电位G1相等的电位的状态下，生成与通过交流信号Vg而蓄积到第2电容器C2中的电荷Qg相应的第1电荷检测信号Vs1。此外，开关SW接通时，在使第2电极E2保持在与第2基准电位G2相等的电位的状态下，生成与通过交流电压Vx而蓄积到第2电容器C2中的电荷Qx相应的第2电荷检测信号Vs2。然后，在运算部82中，基于在开关SW断开时生成的第1电荷检测信号Vs1和在开关SW接通时生成的第2电荷检测信号Vs2，对交流电压Vx的测定值进行运算。
因此，即使不像现有的装置那样，设置用于对具有测定对象的交流电压Vx的频率的分量和具有在寄生电容(C1、C2)的测定中使用的交流信号Vg的频率的分量进行辨别的滤波器，也能够得到交流电压Vx的测定值。因此，与现有的装置相比，能够简化结构。
此外，根据本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，由于无需像现有的装置那样，将电极(E1、E2)从导体1取下来进行寄生电容的测定，因此能够简化测定过程。此外，由于不产生电极(E1、E2)的取下与重新安装所引起的测定误差，因此与现有的装置相比，能够得到更高的测定精度。
进而，根据本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，设置于2个电极(E1、E2)的电极侧平面部FP2和设置于导体1的导体侧平面部FP1平行且以等距离而对置，由此形成2个平行板型的电容器(C1、C2)。
由此，2个电容器(C1、C2)的静电电容比与2个电极(E1、E2)中的电极侧平面部FP2的面积比大致相等，因此能够高精度地设定静电电容比。特别是，通过使2个电极(E1、E2)的电极侧平面部FP2全等，从而能够使2个电极(E1、E2)的面积高精度地一致，因此能够使2个电容器(C1、C2)的静电电容高精度地一致。因此，能够进一步提高交流电压Vx的测定精度。
此外，根据本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，由于将交流信号Vg的频率设定得比交流电压Vx高，因此在开关SW断开时，能够使通过交流信号Vg而蓄积到第2电容器C2中的电荷Qg与通过交流电压Vx而蓄积到第2电容器C2中的电荷Qerr相比足够大。
即，由于在第1基准电位G1与第2基准电位G2之间存在微小的寄生电容，因此在开关SW断开时，也存在少许通过交流电压Vx而蓄积到第2电容器C2中的电荷Qerr。通过将交流信号Vg的频率设定得与交流电压Vx相比足够高，从而流向第2电容器C2的电流增加，电荷Qg与电荷Qerr相比变大，因此能够降低电荷Qerr所引起的测定误差。
而且，根据本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，在开关SW接通的状态下交流信号源5的交流信号Vg的输出被停止，因此能够在生成第2电荷检测信号Vs2时，防止因包含交流信号Vg的分量而引起的误差，从而抑制测定精度的下降。
如图1所示，在商用电力系统4的电源线上存在负载3A、3B，因此导体1相对于第2基准电位G2具有阻抗。若在开关SW接通的状态下继续交流信号Vg的输出，则由于交流信号Vg的影响，从而导体1的电位发生微小振动，这会成为交流电压Vx的测定误差。通过停止交流信号Vg的输出，从而不会产生因交流信号Vg而引起的导体1的电位的振动，因此能够抑制交流电压Vx的测定误差。
<第2实施方式>
接下来，对本发明的第2实施方式进行说明。
在上述的第1实施方式所涉及的非接触电压测定装置中，通过在第1基准电位G1与第2基准电位G2之间设置开关SW，从而通过共同的电荷检测部20来生成第1电荷检测信号Vs1以及第2电荷检测信号Vs2。与此相对，在本实施方式所涉及的非接触电压测定装置中，通过分别独立的电荷检测部来生成第1电荷检测信号Vs1以及第2电荷检测信号Vs2。
图3是示出本发明的第2实施方式所涉及的非接触电压测定装置的结构的一例的图。图4是示出图3所示的非接触电压测定装置中的电极的例子的图。
本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，例如如图3中示出那样，具有：第1电极E1、第2电极E2以及第3电极E3；交流信号源5；检测部6A；、AD变换部7A以及7B；处理部8；存储部9；和光电耦合器10。其中，第1电极E1以及第2电极E2、交流信号源5、处理部8以及存储部9与图1中的同一标号的构成要素相同。
第3电极E3在与导体1之间形成第3电容器C3，具有与已经说明过的第1电极E1以及第2电极E2同样的结构。在图3的例子中，3个电极(E1～E3)是在共同的基板2上形成的导电图案，分别具备与导体侧平面部FP1平行的电极侧平面部FP2。3个电极(E1～E3)的电极侧平面部FP2与导体1的导体侧平面部FP1平行地对置，且距离导体侧平面部FP1的间隔距离相等。在图3的例子中，3个电极(E1～E3)的电极侧平面部FP2具有相互全等的形状，因此由这些电极形成的3个电容器(C1～C3)具有大致相等的静电电容。
另外，3个电容器(C1～C3)不必一定相同，只要两者之间具有一定的相关关系(例如，一定的比例关系)即可。
检测部6A与前面说明的检测部6同样地，分别检测通过交流信号源5的交流信号Vg而蓄积到第2电容器C2中的电荷和通过交流电压Vx而蓄积到第2电容器C2中的电荷。即，检测部6A分别生成与通过交流信号Vg而蓄积到第2电极E2的第2电容器C2中的电荷相应的第1电荷检测信号Vs1、和与通过交流电压Vx而蓄积到第2电极E2的第2电容器C2中的电荷相应的第2电荷检测信号Vs2。不过，前面实施方式中的检测部6对应于开关SW的状态而生成了不同的电荷检测信号Vs(Vs1或Vs2)，但是本实施方式中的检测部6A分别独立地生成第1电荷检测信号Vs1和第2电荷检测信号Vs2。
检测部6A例如图3所示，具有第1电荷检测部21和第2电荷检测部22。
第1电荷检测部21使第2电极E2相对于第1基准电位G1而保持在固定的电位(例如与第1基准电位G1相同的电位)，生成与第2电容器C2所蓄积的电荷相应的第1电荷检测信号Vs1。在图3的例子中，第1电荷检测部21包含运算放大器OP1和电容器Cf1。该运算放大器OP1以及电容器Cf1与图1中的运算放大器OP以及电容器Cf相同，并与它们同样地动作。因此，第1电荷检测部21生成的第1电荷检测信号Vs1与在前面的实施方式中在开关SW断开时电荷检测部20生成的电荷检测信号Vs相同。
第2电荷检测部22使第3电极E3相对于第2基准电位G2而保持在固定的电位(例如与第2基准电位G2相同的电位)，生成与蓄积到第3电容器C3中的电荷相应的第2电荷检测信号Vs2。在图3的例子中，第2电荷检测部22包含运算放大器OP2和电容器Cf2。运算放大器OP2的反相输入端子与第3电极E3连接，非反相输入端子与第2基准电位G2连接。电容器Cf2设置在运算放大器OP2的反相输入端子与输出端子之间。
在运算放大器OP2的增益足够高的情况下，电容器Cf2的电荷由运算放大器OP2的输出电压(第2电荷检测信号Vs2)来控制，使得第3电极E3的电位与第2基准电位G2大致相等。即，电容器Cf2的电荷被控制为使得在第3电容器C3产生的电压与交流电压Vx大致相等。
由于运算放大器OP2的反相输入端子为高阻抗，几乎不流动电流，因而第3电容器C3的电荷量的变化与电容器Cf2的电荷量的变化大致相等。因此，与交流电压Vx相应的第3电容器C3的电荷量的变化和电容器Cf2的电荷量的变化大致相等。此外，运算放大器OP2的输出电压(第2电荷检测信号Vs2)的变化与电容器Cf2的电荷量的变化成比例。因此，从运算放大器OP2输出的第2电荷检测信号Vs2的变化(与交流电压Vx相同频率的交流分量)和与交流电压Vx相应的电容器Cf2的电荷量的变化成比例。该第2电荷检测信号Vs2与在前面的实施方式中在开关SW接通时电荷检测部20生成的电荷检测信号Vs相同。
AD变换部7A将在检测部6A中生成的第1电荷检测信号Vs1从模拟信号变换为数字信号，并输入到处理部8。
AD变换部7B将在检测部6A中生成的第2电荷检测信号Vs2从模拟信号变换为数字信号，并输入到处理部8。
光电耦合器10设置在从AD变换部7B向处理部8传递数字信号的路径上，通过将电信号暂且变换为光信号，然后使其恢复成电信号，从而在保持AD变换部7B与处理部8的电绝缘的同时，从AD变换部7B向处理部8传递数字信号。
根据上述结构，在检测部6A中生成与图1中的检测部6同样的第1电荷检测信号Vs1以及第2电荷检测信号Vs2，在运算部82中基于第1电荷检测信号Vs1以及第2电荷检测信号Vs2对交流电压Vx的测量值进行运算。因此，能够与前面说明的图1所示的非接触电压测定装置同样地，通过简单的结构来高精度地测量交流电压Vx。
此外，根据本实施方式所涉及的非接触电压测定装置，由于在第1基准电位G1与第2基准电位G2之间未设置开关SW，因此能够使第1基准电位G1与第2基准电位G2之间的寄生电容非常小。由此，在第1电荷检测部21中生成的第1电荷检测信号Vs1难以产生因交流电压Vx而引起的误差，因此能够提高交流电压Vx的测定精度。
本发明并不限定于上述的实施方式。即，本领域技术人员可以在本发明的技术范围或其等同的范围内，针对上述实施方式的构成要素，进行各种各样的变更、组合、子组合以及替代。
上述的各实施方式中的电荷检测部(20、21、22)由于检测电容器(C1～C3)中的微小的电荷的变化，因而容易受到外来噪声的影响。因此，也可以在形成电容器(C1～C3)的电极(E1～E3)的周围，为了降低外来噪声的影响，而设置由导体形成的保护环。
图5是示出在电极(E1～E3)的周围设置的保护环的例子的图。
图5A示出在图2所示的第1电极E1以及第2电极E2的周围设置的保护环GR1。图5B分别示出在图4所示的第1电极E1以及第2电极E2的周围设置的保护环GR1、和在第3电极E3的周围设置的保护环GR2。第1电极E1以及第2电极E2和第3电极E3由于电位不同，因此如图5B所示，第3电极E3的保护环GR2与第1电极E1以及第2电极E2的保护环GR1分开设置。另外，保护环GR1、GR2也可以根据外来噪声的状况，适当省略一方。此外，保护环GR1也可以仅包围第1电极E1以及第2电极E2中的一方。
在上述的实施方式中，列举了施加测定对象的电压的导体1和电极(E1～E3)形成平行板型的电容器的例子，但本发明并不限定于此，导体和电极的形状、尺寸、配置等可以是任意的。例如，施加测定对象的交流电压的导体也可以是剖面为圆形的圆柱形状的导体、棒状的导体。在该情况下，基板2、电极(E1～E3)只要沿着导体1的表面弯曲为圆筒状来配置即可。例如，也可以设置弯曲为圆筒状的柔性基板使得包围圆柱状的导体的外周，在该柔性基板上形成成为本发明的电极的导电图案。
在上述的实施方式中，将从电荷检测部(20、21、22)输出的电荷检测信号(Vs、Vs1、Vs2)变换为数字值对交流电压Vx的测定值进行了运算，但本发明并不限定于此。在本发明的其他实施方式中，也可以通过对从电荷检测部输出的电荷检测信号实施模拟运算处理，从而作为模拟信号而生成交流电压Vx的测定结果。
在上述的第1实施方式(图1)中，首先将开关SW设定为断开状态来生成第1电荷检测信号Vs1，接着将开关SW设定为接通状态来生成了第2电荷检测信号Vs2，但在本发明的其他实施方式中，也可以先生成第2电荷检测信号Vs2，然后生成第1电荷检测信号Vs1。
在上述的第1实施方式(图1)中，由处理部8进行了开关SW的接通/断开的控制，但在本发明的其他实施方式中，也可以根据从其他的上位装置发送来的指令、经由用户接口装置而输入的用户的指示，来控制开关SW的接通/断开。
标号说明
1…导体，2…基板，3A、3B…负载，4…商用电力系统，5…交流信号源，6、6A…检测部，7、7A、7B…AD变换部，8…处理部，81…控制部，82…运算部，9…存储部，10…光电耦合器，20…电荷检测部，21…第1电荷检测部，22…第2电荷检测部，C1…第1电容器，C2…第2电容器，C3…第3电容器，E1…第1电极，E2…第2电极，E3…第3电极，FP1…导体侧平面部，FP2…电极侧平面部，SW…开关，GR1、GR2…保护环，G1…第1基准电位，G2…第2基准电位，OP、OP1、OP2…运算放大器，Vs…电荷检测信号，Vs1…第1电荷检测信号，Vs2…第2电荷检测信号，Vx…交流电压，Vg…交流信号。

Claims (15)

1.一种非接触电压测量装置，其不与导体导通地对施加于所述导体的交流电压进行测量，所述非接触电压测量装置的特征在于，具有：
第1电极，在该第1电极与所述导体之间形成第1电容器；
第2电极，在该第2电极与所述导体之间形成第2电容器，该第2电容器具有与所述第1电容器的静电电容存在相关关系的静电电容；
交流信号源，其对所述第1电极与第1基准电位之间施加交流信号；
电荷检测部，其使所述第2电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位，并生成与蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的电荷检测信号；
开关，其设置在作为所述交流电压的测定的基准的第2基准电位与所述第1基准电位之间；和
运算部，其基于在所述开关断开的状态下生成的所述电荷检测信号和在所述开关接通的状态下生成的所述电荷检测信号，对所述交流电压的测定值进行运算。
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，
所述交流信号源产生具有比所述交流电压高的频率的所述交流信号。
3.根据权利要求1或2所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述导体具有与所述第1电极以及所述第2电极对置的导体侧平面部，
所述第1电极以及所述第2电极分别具有与所述导体侧平面部平行并且与所述导体侧平面部的间隔距离相等的电极侧平面部。
4.根据权利要求3所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述第1电极以及所述第2电极中的所述电极侧平面部全等，且所述第1电容器与所述第2电容器的静电电容相等。
5.根据权利要求3所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述第1电极和所述第2电极靠近配置。
6.根据权利要求1或2所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述非接触电压测量装置具有包围所述第1电极以及所述第2电极中的至少一方的保护环。
7.一种非接触电压测量装置，其不与导体导通地对施加于所述导体的交流电压进行测量，所述非接触电压测量装置的特征在于，具有：
第1电极，在该第1电极与所述导体之间形成第1电容器；
第2电极，在该第2电极与所述导体之间形成第2电容器，该第2电容器具有与所述第1电容器的静电电容存在相关关系的静电电容；
第3电极，在该第3电极与所述导体之间形成第3电容器，该第3电容器具有与所述第1电容器的静电电容存在相关关系的静电电容；
交流信号源，其对所述第1电极与第1基准电位之间施加交流信号；
第1电荷检测部，其使所述第2电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位，并生成与蓄积到所述第2电容器中的电荷相应的第1电荷检测信号；
第2电荷检测部，其使所述第3电极相对于作为所述交流电压的测定的基准的第2基准电位而保持在固定的电位，并生成与蓄积到所述第3电容器中的电荷相应的第2电荷检测信号；和
运算部，其基于所述第1电荷检测信号和所述第2电荷检测信号对所述交流电压的测定值进行运算。
8.根据权利要求7所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述交流信号源产生具有比所述交流电压高的频率的所述交流信号。
9.根据权利要求7或8所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述导体具有与所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极对置的导体侧平面部，
所述第1电极、所述第2电极以及所述第3电极分别具有与所述导体侧平面部平行并且与所述导体侧平面部的间隔距离相等的电极侧平面部。
10.根据权利要求9所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述第1电极、所述第2电极部以及所述第3电极中的所述电极侧平面部全等，且所述第1电容器、所述第2电容器以及所述第3电容器的静电电容相等。
11.根据权利要求9所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述第1电极和所述第2电极靠近配置。
12.根据权利要求7或8所述的非接触电压测量装置，其特征在于，
所述非接触电压测量装置具有第1保护环以及/或者第2保护环，所述第1保护环包围所述第1电极以及所述第2电极中的至少一个，所述第2保护环包围所述第3电极。
13.一种非接触电压测量装置，其不与导体导通地对施加于所述导体的交流电压进行测量，所述非接触电压测量装置的特征在于，具有：
多个电极，在多个所述电极与所述导体之间分别形成具有彼此存在相关关系的静电电容的电容器；
交流信号源，其对两个所述电极中的一个电极与第1基准电位之间施加交流信号；
检测部，其分别生成在使所述两个电极中的另一个电极相对于所述第1基准电位而保持在固定的电位的状态下与通过所述交流信号而蓄积到该另一个电极的所述电容器中的电荷相应的第1电荷检测信号、以及在使一个所述电极相对于作为所述交流电压的测定的基准的第2基准电位而保持在固定的电位的状态下与通过所述交流电压而蓄积到该一个电极的所述电容器中的电荷相应的第2电荷检测信号；和
运算部，其基于所述第1电荷检测信号和所述第2电荷检测信号对所述交流电压的测定值进行运算。
14.一种非接触电压测量装置，其不与导体导通地对施加于所述导体的交流电压进行测量，所述非接触电压测量装置的特征在于，具有：
第1电极，其与所述导体静电耦合；
第2电极，其与所述导体静电耦合；
交流信号源，其一端与所述第1电极连接；
电荷检测部，其一个输入端与所述第2电极连接，另一个输入端与所述交流信号源的另一端连接；
开关，其设置在所述电荷检测部的另一个输入端与所述交流电压的基准电位之间；
存储部，其存储所述电荷检测部中的电荷的检测结果；和
运算部，其能够基于存储在所述存储部中的值进行运算。
15.一种非接触电压测量装置，其不与导体导通地对施加于所述导体的交流电压进行测量，所述非接触电压测量装置的特征在于，具有：
第1电极，其与所述导体静电耦合；
第2电极，其与所述导体静电耦合；
第3电极，其与所述导体静电耦合；
交流信号源，其一端与所述第1电极连接；
第1电荷检测部，其一个输入端与所述第2电极连接，另一个输入端与所述交流信号源的另一端连接；
第2电荷检测部，其一个输入端与所述第3电极连接，另一个输入端与所述交流电压的基准电位连接；
存储部，其存储所述第1电荷检测部以及所述第2电荷检测部中的电荷的检测结果；和
运算部，其能够基于存储在所述存储部中的值进行运算。
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