JP2014178246A - 計測装置および取付けユニット - Google Patents

Abstract

【課題】配線工事を全く必要とせず、センサ出力におけるノイズの混入を防止できる計測装置および取付けユニットを提供する。
【解決手段】電力線（２）の被覆に取付け、電力線（２）の導体と非接触で結合させるためのプローブ（６）に発生する電力線２の電圧に応じた電流により得られる電圧を計測する計測回路（４）をセンサ筐体（５）に設け、計測回路（４）の信号用接地ライン（７）を金属板（８）に接続し、電力線（２）が配線され、絶縁部材である樹脂で形成されたセンサ筐体（５）を介して大地に接地された分電盤筐体（１）と、金属板（８）との間で所定の静電容量を形成し、静電容量を介してノイズ電流を大地に流すことにより計測回路（４）に流れるノイズ電流を低減できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力線に非接触で設備の電圧，消費電力を計測する計測装置および計測装置を外部の分電盤などに取付けるための取付けユニットに関する。

省エネルギーの観点から、設備の消費電力を個々に細かく計測することが求められている。電力を測定するためには、電圧を計測する必要がある。そのために電力線に直接結線をしようとすると、電気工事が必要になり、装置を停止させなければならない。これを回避するために、電力線の配線被覆の上から電極を押し当てて容量結合を利用して非接触で電圧を計測する方法がある。この方法を用いてセンサを電気工事なしで設置するためには、センサ回路のＧＮＤは大地のＧＮＤと接続することができない。

電力を計測する方法として、例えば、特許文献１には、オペアンプを用いてシールドとプローブ間の電位差をゼロにして浮遊容量による影響を排除する非接触電圧計測方法について記載されている。特許文献２には、非接触電圧測定電極で測定した電圧信号の位相差を測定して絶縁電線の電圧信号の位相を求めて補正することにより精度を向上させた非接触電圧測定装置について記載されている。特許文献３には、検出信号と参照電位の差分値を算出し、可変容量回路によりフィードバックループの利得を制御する電圧測定装置について記載されている。

上記のいずれの方法を用いる場合において、外部のノイズ元と計測回路の信号用接地ラインとが容量結合してしまったり、あるいは信号用接地ラインと大地との静電容量（浮遊容量）が変動することによりセンサ出力が変動してしまったり、計測精度に悪影響を及ぼすという問題がある。

特許第３７６１４７０号 特許第４２５１９６１号 特許第４６２９６２５号

そこで、この発明は、配線工事を全く必要とせず、センサ出力におけるノイズの混入を防止できる計測装置および計測装置を外部の分電盤などに取付けるための取付けユニットを提供することを目的とする。

この発明は、計測装置であって、電力線と電磁結合により電流を発生させるためのセンサと、電力線の電圧に応じてセンサに発生する電流により得られる電圧，電力のいずれかを計測するための計測回路と、計測回路の信号用接地ラインと電気的に接続された導電部材と、導電部材を外部導電体に近接させ、かつ導電部材を外部導電体と絶縁するための絶縁部材とを備える。

この発明では、計測回路を外部導電体に取付けて電圧，電力のいずれかの計測が可能になる。

より好ましくは、導電部材は、絶縁部材を介して外部導電体との間で静電容量を形成する。導電部材により、絶縁部材を介して外部導電体との間で静電容量を形成し、この静電容量を介してノイズ電流を大地に流すことにより計測回路に流れるノイズ電流を低減ができるので、導電部材を大地に接地するための工事をする必要がなく、高度な電気設備の知識を有さないものでも容易に設置することが可能となり、ノイズの影響を少なくして高精度で電圧，電力のいずれかの計測が可能になる。

より好ましくは、導電部材と外部導電体との相対位置を固定する。

より好ましくは、導電部材は、磁石である。磁石により計測回路を外部導電体に固定できる。

この発明の他の局面は、電圧、電流あるいは電力を計測するための計測回路を大地に接地されている外部導電体に取付けるための取付けユニットであって、計測回路の信号用接地と電気的に接続される導電部材と、導電部材と接触して外部導電体との間で静電容量を形成するための絶縁部材とを備える。

この取付けユニットを用いることにより、市販の計測装置を外部の装置に容易に取付けることが可能になり、ノイズの影響を排除して電圧，電力などを高精度で計測できる。

この発明によれば、配線工事を全く必要とせず、センサ出力におけるノイズの混入を防止して高精度で電圧、消費電力を計測できる。

この発明の一実施形態の計測装置のブロック図である。 この発明の一実施形態の計測装置におけるノイズを低減する原理を説明するための回路図である。 この発明の一実施形態において、センサ筐体と分電盤筐体とを磁石で結合した場合のノイズ量を示す図およびセンサ筐体を分電盤筐体に取付けない場合のノイズ量を示す図である。 この発明の一実施形態の計測装置によるノイズ低減の効果を説明するための等価回路図である。 図１に示した静電容量とノイズのレベルとの関係を示す図である。 静電容量とノイズピーク電圧との関係を示す図である。 この発明の他の実施形態として２つのセンサを用いて差動計測する例を示す等価回路図である。 図７に示した実施形態の等価回路図である。 この発明の他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。 この発明のその他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例について説明する。なお、以下の説明では、この発明の一実施形態の計測装置で消費電力を計測する例について説明するが、消費電力に限ることなく電圧を計測する場合にも適用できる。

図１はこの発明の一実施形態の計測装置のブロック図である。図１において、分電盤筐体１は内部に端子盤１１などを内蔵しており、電力線２を介して入力される交流電圧を複数の電力分配線３に分配する。電力分配線３は図示しない各種電気機器に接続される。分電盤筐体１は鉄などの強磁性体で形成されて大地（ＧＮＤ）に接続されており、外部導電体として作動する。電力線２から供給される電力を計測するために計測回路４が分電盤筐体１内に設けられる。

計測回路４はセンサ筐体５に収納されている。計測回路４にはセンサの一例として作動するプローブ６が接続されており、プローブ６は電力線２と電磁結合することにより電流を発生させる。なお、プローブ６は電力分配線３と電磁結合し、電力分配線３で分配される電気機器の消費電力を計測してもよい。

計測回路４は、プローブ６によって取り出された電力線２の電圧に応じて流れる電流を計測する。センサ筐体５には、計測回路４の信号用接地ライン７に電気的に接続される導電部材として作動する金属板８が設けられている。センサ筐体５は、絶縁部材として作動する樹脂を成型して構成されており、磁石９がセンサ筐体９の側面あるいは底面に固定されており、センサ筐体９は分電盤筐体１の側壁内側に磁石９によって吸着される。分電盤筐体１は強磁性体で形成されているので、磁石９により分電盤筐体１を強固に吸引することができ、センサ筐体５が分電盤筐体１からはずれるおそれを少なくできる。

金属板８は銅、アルミニウムを材料とし、板状（多数の孔を打ち抜きしてもよい）、棒状、金網状に形成されているが、複数に分割されていてもそれぞれが電気的に接続されていればよい。さらに、金属板８は鉄，コバルト，ニッケル，ガドリニウムなど材料とした磁石とすることも可能である。金属板８は大地に接地された外部導電体として作動する分電盤筐体１と対向して設けられ、絶縁部材である樹脂で形成したセンサ筐体５を介して分電盤筐体１と金属板８との間で静電容量１０が形成される。静電容量１０は、ノイズを低減する作用をなす。

図２は、この発明の一実施形態の計測装置におけるノイズを低減する原理を説明するための回路図である。

図１、図２を参照して、この発明の一実施形態の動作について説明する。プローブ６を分電盤筐体１内で電力線２に接近させると、図２に示すようにプローブ６から電力線２に加えられている電圧Ｖ_Nに応じて流れる電流に比例する出力信号が取り出される。

プローブ６と信号用接地ライン７との間に検出抵抗Ｒｓが接続されており、検出抵抗Ｒｓと信号用接地ライン７との間に生じる電圧が計測回路４の入力信号になる。この入力信号に種々の外部ノイズが混入しており、この外部ノイズが計測回路４に混入する。図２において、外部ノイズは、ノイズ源１１から電圧Ｖｎのノイズが浮遊容量Ｃｆ１を介して混入しているものとして表している。なお、図１において、ノイズ源１１と浮遊容量Ｃｆ１は図示していない。

ノイズ電流Ｉｎは計測回路４から電力線２に流れる電流Ｉｎ１と、静電容量１０を介してＧＮＤに流れる電流Ｉｎ２との和である。電力線２と金属板８との間に形成される静電容量１０は容量Ｃｆ２を有している。ノイズ源１１の電圧Ｖｎにより計測回路４から電力線２に電流Ｉｎ１が流れ、金属板８と電力線２との間の静電容量１０を介して大地（ＧＮＤ）に電流Ｉｎ２が流れる。

電流Ｉｎ１は計測回路４には影響を与えるが、電流Ｉｎ２は計測回路４に流れないので、計測回路４に影響を与えることはない。電流Ｉｎ１，Ｉｎ２はノイズ源１１から流れるので、電流Ｉｎ２を大きくすれば、計測回路４に流れる電流Ｉｎ１を小さくできる。したがって、金属板８と分電盤筐体１との間の静電容量１０の容量Ｃｆ２を大きくすることにより計測回路４に流れる電流Ｉｎ１を減少できるので、計測回路４はノイズによる影響から軽減できる。

図３（Ａ）は、この発明の一実施形態において、センサ筐体と分電盤筐体とを磁石で結合した場合のノイズ量を示す図であり、図３（Ｂ）はセンサ筐体を分電盤筐体に取付けない場合のノイズ量を示す図であり、ともに横軸は時間軸であり、縦軸は電位を示している。

この発明の一実施形態では、磁石９でセンサ筐体５を分電盤筐体１に吸着させることで生じる金属板８と分電盤筐体１との間の静電容量１０の容量Ｃｆ２が存在することにより、図３（Ａ）に示すように１．２５Ｖのセンサ基準電位に対してほとんどノイズが現れていない。これに対して、センサ筐体５を分電盤筐体１に取付けない場合は、静電容量Ｃｆ２が存在しないので、図３（Ｂ）に示すように１．２５Ｖのセンサ基準電位に対しておよそ０．２Ｖの電位のノイズが現れる。したがって、金属板８と分電盤筐体１との間の静電容量１０の容量Ｃｆ２が存在することによる効果を確認できる。

図４はこの発明の一実施形態の計測装置によるノイズ低減の効果を説明するための等価回路図である。

図４に示す等価回路において、電力線２と信号用接地ライン７との間には、プローブ６および配線のおよそ３ｐＦ程度の容量Ｃｐと、計測回路４のおよそ４７０ｋΩの検出抵抗Ｒｓが存在しているので、電力線２と信号用接地ライン７との間に存在するインピーダンスＺ１は次式で表される。

Ｚ１＝Ｒｓ＋１／ｊωＣｐ
検出抵抗Ｒｓは、例えば４７０ｋΩであるのに対して、プローブ６および配線の容量Ｃｐは数ｐＦであるので、インピーダンスＺ１はほぼプローブ６および配線の容量Ｃｐによって決まり、比較的大きな値になる。

一方、信号用接地ライン７と大地（ＧＮＤ）との間には、およそ５００〜１０００ｐＦの容量Ｃｆ２を有する静電容量１０が存在するので、インピーダンスＺ２は次式で示される。

Ｚ２＝１／ｊωＣｆ２
もし、静電容量Ｃｆ２が存在しない場合は、通常数ｐＦの浮遊容量が存在するのみであるので、インピーダンスＺ２は数ＧΩ程度であるのに対して、静電容量１０を設けることで、インピーダンスＺ２は数ＭΩ〜数百ＭΩになる。センサ出力は、インピーダンスＺ１とＺ２の割合で決まるので、Ｚ１＞＞Ｚ２であれば、ノイズがセンサ出力に与える影響を無視できる。

図５は、図１に示した静電容量１０とノイズのレベルとの関係を示す図であり、横軸は時間軸であり、縦軸はノイズ電位を示している。図６は静電容量１０の容量Ｃｆ２の容量値の変化とノイズピーク電圧との関係を示す図であり、横軸は静電容量Ｃｆ２の容量値を示し、縦軸はノイズピーク電圧を示している。

図５に示すように、静電容量１０の容量Ｃｆ２が１ｐＦのように容量値が小さい場合は、およそ９０ｍＶ程度のノイズが現れるが、容量Ｃｆ２が５０ｐＦになると５ｍＶ程度のノイズレベルに低減し、容量Ｃｆ２が１０００ｐＦのような大きな値になると、ノイズがほとんど現れなくなった。このことは図６に示す静電容量１０の容量Ｃｆ２の容量値の変化とノイズピーク電圧との関係からも明らかである。図６に示すように静電容量Ｃｆ２が０．１ｐＦ程度の小さな値では、０．１２Ｖ程度のノイズピーク電圧が現れているのに対して、静電容量Ｃｆ２が１０００ｐＦ程度の大きな値になると、ノイズピーク電圧はほとんど０レベルになっている。

図７は、この発明の他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。図７に示した実施形態は１対のプローブ６ａ，６ｂを用いて電力線２と、大地（ＧＮＤ）との間の電位を取り出すように構成したものである。センサ筐体５には、差動増幅回路を有する計測回路４ａが内蔵されている。それ以外の構成は、図１と同じである。

図８は図７に示した実施形態の等価回路図である。図８において、図７に示したプローブ６ａと配線の容量ＣＬと、プローブ６ｂと配線の容量ＣＮが並列に存在しており、差動増幅回路の一方入力端と信号用接地ライン７との間には例えば１００ｋΩの検出抵抗Ｒ１が接続され、差動増幅回路の他方入力端とセンサ接地７ラインとの間には例えば１００ｋΩの検出抵抗Ｒ２が接続されている。プローブ６ａ，６ｂと配線の容量ＣＬ、ＣＮが並列に存在していて、Ｚ３≠Ｚ４の状態となり、差動回路が不平衡の状態でも、静電容量Ｃｆ２の値が大きいので、Ｚ３＋Ｚ４＞＞Ｚ２となる。図７に示した実施形態においても、検出抵抗Ｒ１に流れる電流Ｉｎ３と検出抵抗Ｒ２に流れる電流Ｉｎ４との合計よりも静電容量Ｃｆ２に流れる電流Ｉｎ２の方が大きくなるので、ノイズがセンサ出力に与える影響を無視できる。なお、この構成は電力線２と他の電力線間の差動電圧を計測する場合（例えば三相交流の線間電圧を測定する場合）にも適用できる。

図９は、この発明の他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。

図９においてセンサ筐体５は長方形状に形成されており、センサ筐体５の外側の長手方向に沿って金属板８が設けられており、この金属板８と分電盤筐体１の側面との間に例えば樹脂からなる絶縁部材１２が金属板８に密着して設けられている。図９においては、磁石９を用いることなく、金属板８と絶縁部材１２とを接着剤などでセンサ筐体５と分電盤筐体１の側面との間に固定する。

絶縁部材１２を金属板８とほぼ同じ形状に形成することで、金属板８と分電盤筐体１の側面との間の静電容量Ｃｆ２を増大できる。また、絶縁部材１２により金属板８およびセンサ筐体５の相対位置を固定することができる。なお、図９において、電力線２、プローブ６、端子盤１１などは図示を省略している。

図１０は、この発明のさらに他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。

図１０において、センサ筐体５に設けられている金属板８の上下の面を挟むように長さ方向に分かれて絶縁部材１２ａ，１２ｂがセンサ筐体５と、分電盤筐体１の側面との間に設けられている。金属板８の分電盤筐体１の側面側にはすき間１３が形成されている。この実施形態では、金属板８と分電盤筐体１の側面との間に存在する絶縁部材１２ａ，１２ｂで静電容量が形成されるとともに、すき間１３が金属板８と分電盤筐体１の側面との間の静電容量を形成しているので静電容量をさらに増大できる。すき間１３に代えて、この部分に絶縁塗装、絶縁コーティングを施してもよい。

図９，図１０に示した絶縁部材１２，１２ａ，１２ｂは、例えば導電部材の表面を絶縁塗装あるいは絶縁コーティングしたものなどが使用される。また、絶縁部材１２，１２ａ，１２ｂは、例えば面ファスナ、両面テープ、接着剤、吸盤、粘着性のあるシートなどを用いてセンサ筐体５および分電盤筐体１に固定することができる。あるいは、分電盤筐体１に突起（フック）を設けておき、絶縁部材１２，１２ａ，１２ｂに設けた穴を突起に引っ掛けるようにしてもよい。さらには、絶縁部材１２，１２ａ，１２ｂを分電盤筐体１にネジ止めするか、絶縁部材１２，１２ａ，１２ｂを挟んで磁石により分電盤筐体１に取付けてもよい。

上述のごとく、センサ筐体５に設けた金属板８と分電盤筐体１との間に絶縁部材１２，１２ａ，１２ｂを配置することで金属板８と分電盤筐体１との間に静電容量を形成してノイズ電流を静電容量に流すことにより、計測回路４に流れるノイズ電流を低減できる。

上記各実施形態では、センサ筐体５は、分電盤筐体１の側面内側に配置するようにしているが、側面外側、扉部の内側あるいは外側など任意の位置に設置してもよい。

また、計測回路４をセンサ筐体５に収納し、計測回路４の信号用接地ライン７を金属板８に電気的に接続するようにしたが、外部導電体との間で静電容量を形成するために絶縁部材と金属板８とをユニット化し、市販の計測装置をこの取付けユニットに装着し、計測装置の接地ラインを金属板８に電気的に接続しても計測装置に混入するノイズを低減できる。

図１１はこの発明のその他の実施形態の計測装置を示すブロック図である。この実施形態は電力線２の電圧と流れる電流とを計測して、消費電力を計測できるように構成したものであり、図１に示した実施形態の構成に加えて、プローブ６と並列的にセンサの他の例として作動する電流検出器１４が電力線２に電磁結合される。電流検出器２は、例えば変流器（ＣＴ），ホール素子などで構成される。

電流検出器１４の出力信号は検出抵抗１５を介して計測回路４ｂに与えられる。計測回路４ｂにはプローブ６が接続されており、計測回路４ｂは電流検出器１４で検出された電流と、プローブ６に発生する電流により得られる電圧とに基づいて電力線２での消費電力を計測する。この実施形態においても計測回路４ｂに混入するノイズの影響を受けることなく、消費電力を計測できる。

なお、この実施形態においても、プローブ６と電流検出器１４とを電力分配線３に非接触で近接させれば電力分配線３から供給される電力を計測できる。

この発明の計測装置は、配線工事を全く必要とせず、センサ出力におけるノイズの混入を防止しながら、電力線に非接触で消費電力を計測するのに利用できる。

１ 分電盤筐体
２ 電力線
３ 電力分配線
４，４ａ，４ｂ 計測回路
５ センサ筐体
６，６ａ、６ｂ プローブ
７ 信号用接地ライン
８ 金属板
９ 磁石
１０ 静電容量
１１ ノイズ源
１２，１２ａ，１２ｂ 絶縁部材
１３ すき間
１４ 電流検出器
１５ 検出抵抗

Claims (5)

1. 電力線と電磁結合により電流を発生させるためのセンサと、
   前記電力線の電圧に応じて前記センサに発生する電流により得られる電圧，電力のいずれかを計測するための計測回路と、
   前記計測回路の信号用接地ラインと電気的に接続された導電部材と、
   前記導電部材を外部導電体に近接させ、かつ前記導電部材を前記外部導電体と絶縁するための絶縁部材とを備える、計測装置。
2. 前記導電部材は、前記絶縁部材を介して前記外部導電体との間で静電容量を形成する、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記絶縁部材は、前記導電部材と前記外部導電体との相対位置を固定する、請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記導電部材は、磁石である、請求項１〜３のいずれかに記載の計測装置。
5. 電圧，電力のいずれかを計測するための計測回路を大地に接地されている外部導電体に取付けるための取付けユニットであって、
   前記計測回路の信号用接地と電気的に接続される導電部材と、
   前記導電部材と接触して外部導電体との間で静電容量を形成するための絶縁部材とを備える、取付けユニット。

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