JP2015224886A - 電圧計測装置および電圧計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態の電圧計測装置1は、次の手順によって計測電線11の電圧(以下、計測電圧VLと称する)を計測する方式である。すなわち、図1に示す電圧(注入電圧)Vin、電圧(容量検出電圧)V2、電圧V(第1電極電圧)11および電圧V(第2電極電圧)12を計測する。次に、電圧Vinおよび電圧V2に基づいて、第1電極21と計測電線11の心線との結合容量CL1、および第2電極22と計測電線11の心線との結合容量CL2を求める。次に、これら結合容量CL1、CL2、電圧V11およびV12に基づいて計測電圧VLを求める。計測電圧VLを求める手順の詳細については後述する。
電圧計測装置1は、電圧計測対象の被覆電線である計測電線(電線)11の電圧を計測するものである。図1および図2に示すように、電圧計測装置1は、第1電極21、第2電極22、第3電極23、計算部(演算手段)24、計算部24へ電圧Vin(注入電圧)、電圧V2(容量検出電圧)、電圧V11(第1電極電圧)および電圧V12(第2電極電圧)を供給する各回路、および電源回路44を備えている。第1電極21〜第3電極23は計測電線11の外周に配置できるように、計測電線11の方向に所定幅を有する円弧形状となっている。なお、第1電極21および基準電極22の形状は、これに限定されず、例えば平板状など、計測電線11に接することができる形状であればよい。
上記の構成において、電圧計測装置1の動作について以下に説明する。
電圧計測装置1により計測電圧VLを計測する場合には、第1電極21〜第3電極23を計測電線11の絶縁被覆の外周面に配置する。この場合に、計測電線11の心線と第1電極21〜第3電極23との間に生じる結合容量をそれぞれCL1〜CL3とする。
図3は、図1に示した電圧計測装置における容量検出電圧取得回路の動作を説明する回路図である。上記のように第1電極21〜第3電極23を配置した状態において、計算部23によってスイッチSW1,SW2がオフにされた場合(第1非接続状態および第2非接続状態)、容量検出電圧取得回路64では、図3に示すように、二点鎖線にて示す経路にて電流が流れる。これにより、容量検出電圧取得回路64は、電圧Vinおよび電圧V2を取得する。
ここで、フォトカプラ42、DCオフセット回路40およびその周辺回路の動作について説明する。図4は、第3電極電圧取得回路63(フォトカプラ42のLED側の回路)の動作を説明する回路図である。図5は、容量検出電圧取得回路64(フォトカプラ42のトランジスタ側の回路)の動作を説明する回路図である。
Vo=Voffset−Rf1×I
I1=(Vo−Vf)/Rf2
となる。
Vbuf=Vcc2−Rt1×I2
I2=a×I1 (aはフォトカプラ42のトランジスタの増幅率)
となる。なお、Vbuf=Vinである。
Vbuf=Vcc2−Rt1×a×I1
=Vcc2−(Rt1/Rf2)×a×(Vo−Vf)
=Vcc2−(Rt1/Rf2)×a×(Voffset−Rf1×I−Vf)
となる。
図6は、第1電極電圧取得回路61および第2電極電圧取得回路62の動作を説明する回路図である。
計算部24は、まず、容量検出電圧取得回路64から入力された電圧Vinおよび電圧V2から、第1電極21と計測電線11の心線との結合容量CL1、および第2電極22と計測電線11の心線との結合容量CL2を算出する。この場合、計算部24は、図7に示す回路に基づいて、結合容量CL1と結合容量CL2との合成容量CLを求める。図7は、図3に示した容量検出電圧取得回路64の等価回路である。
次に、算出したCL2を式(9)に代入すると、未知数が結合容量CL1のみとなり、結合容量CL1を算出することができる。次に、算出した結合容量CL1を式(8)に代入して、計測電圧VLを算出する。
図10は、電圧計測装置1の実体的な形態例を示す縦断面図、図11は図10に示した検出ユニットの斜視図である。なお、図4および図5に示した構成は、他の実施の形態の電圧計測装置についても同様である。
11 計測電線
21 第1電極
22 第2電極
23 第3電極
24 計算部(演算手段)
31 演算増幅器
33 演算増幅器
40 DCオフセット回路
41 絶縁回路
42 フォトカプラ(信号伝達手段)
43 絶縁回路
44 電源回路
61 第1電極電圧取得回路(第1の電圧取得回路)
62 第2電極電圧取得回路(第2の電圧取得回路)
63 第3電極電圧取得回路(第3の電圧取得回路)
64 容量検出電圧取得回路
V2 電圧(容量検出電圧)
V11 電圧(第1電極電圧)
V12 電圧(第2電極電圧)
Vin 電圧(注入電圧)
VL 計測電圧
CL1 結合容量
CL2 結合容量
GND1 第1のグランド
GND2 第2のグランド
SW1 スイッチ(第1切替手段)
SW2 スイッチ(第2切替手段)
Claims (9)
- 電線の交流電圧を電線の絶縁被覆を通して計測する電圧計測装置において、
前記絶縁被覆の周りに配置される第1電極および第2電極と、
前記第1電極を前記電線のグランドと共通の第1のグランドに電気的に接続させた第1接続状態と接続させない第1非接続状態とに切り替える第1切替手段を有し、前記第1のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第1電極に誘起される第1電極電圧を、前記第1切替手段が前記第1接続状態であるときに取得し得る第1の電圧取得回路と、
前記第2電極を前記第1のグランドに電気的に接続させた第2接続状態と接続させない第2非接続状態とに切り替える第2切替手段を有し、前記第1のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第2電極に誘起される第2電極電圧を、前記第2切替手段が前記第2接続状態であるときに取得し得る第2の電圧取得回路と、
前記第1のグランドと絶縁されている第2のグランドに接地され、前記第1切替手段が前記第1非接続状態であり、かつ前記第2切替手段が前記第2非接続状態であるときに、注入電圧を前記第2電極に供給することにより前記第1電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得し得る容量検出電圧取得回路と、
前記第1電極電圧、前記第2電極電圧、前記注入電圧および前記容量検出電圧から前記電線の電圧を求める演算手段とを備えていることを特徴とする電圧計測装置。 - 前記容量検出電圧取得回路は、前記電線の交流電圧と同じ周波数の交流の注入電圧を供給することを特徴とする請求項1に記載の電圧計測装置。
- 前記絶縁被覆の周りに配置される第3電極と、
前記第1のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第3電極に誘起される第3電極電圧を取得する第3の電圧取得回路と、
前記第3電極電圧に比例した電圧を前記注入電圧として前記容量検出電圧取得回路に与え、かつ前記第3の電圧取得回路と前記容量検出電圧取得回路とを絶縁している信号伝達手段とを備えていることを特徴とする請求項2に記載の電圧計測装置。 - 前記信号伝達手段はフォトカプラであることを特徴とする請求項3に記載の電圧計測装置。
- 前記第3の電圧取得回路は、前記フォトカプラの発光ダイオードに接続され、交流電圧である前記第3電極電圧の極性が常に正極性となるように、前記第3電極電圧を嵩上げするオフセット回路を備えていることを特徴とする請求項4に記載の電圧計測装置。
- 前記容量検出電圧および前記注入電圧は、前記フォトカプラを介して前記演算手段に入力されていることを特徴とする請求項4に記載の電圧計測装置。
- 前記演算手段は、前記容量検出電圧および前記注入電圧から、前記電線の心線と前記第1電極および前記第2電極との間の各静電容量を求め、これら各静電容量、前記第1電極電圧および第2電極電圧から、前記電線の電圧を求めることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の電圧計測装置。
- 前記注入電圧は、周波数が1kHz以下であることを特徴とする請求項1に記載の電圧計測装置。
- 電線の交流電圧を電線の絶縁被覆を通して計測する電圧計測方法において、
前記電線の絶縁被覆の周りに第1電極を配置し、前記第1電極を前記電線のグランドと共通の第1のグランドに電気的に接続させた状態として、前記交流電圧によって前記第1電極に誘起される第1電極電圧を取得する第1電極電圧取得工程と、
前記電線の絶縁被覆の周りに第2電極を配置し、前記第2電極を前記第1のグランドに電気的に接続させた状態として、前記交流電圧によって前記第2電極に誘起される第2電極電圧を取得する第2電極電圧取得工程と、
前記第1電極および前記第2電極を前記第1のグランドに電気的に接続させない状態とし、注入電圧を前記第2電極に供給することにより、前記第1のグランドと絶縁されている第2のグランドに接地された回路にて、前記第1電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得する容量検出電圧取得工程と、
前記第1電極電圧、前記第2電極電圧、前記注入電圧および前記容量検出電圧から前記電線の電圧を求める演算工程とを備えていることを特徴とする電圧計測方法。
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