JP2017161366A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が図り易い電圧測定装置を提供する。【解決手段】電圧測定装置１は、電極２Ａと、電極２Ｂと、増幅回路６と、コンデンサ３Ａと、コンデンサ３Ｂと、測定部４Ａと、測定部４Ｂと、演算処理部５と、を備える。演算処理部５は、少なくとも、測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値を用いて、導体１１の電位と基準電位Ｐ１との電位差である対象電圧の値を演算するように構成されている。演算処理部５は、増幅回路６の増幅率αが第１増幅率α１であるときの測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値と、増幅率αが第２増幅率α２であるときの測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値とを用いて、対象電圧の値を演算する。第２増幅率α２は第１増幅率α１とは異なる値である。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電圧測定装置に関し、より詳細には、導体に印加される電圧を非接触で測定する電圧測定装置に関する。

特許文献１に開示されている非接触型電圧検出装置（以下、従来例と呼ぶ）は、第１の電圧プローブと第２の電圧プローブと第１の電圧検出部と第２の電圧検出部と演算処理部と信号発生部とを有している。第１及び第２の電圧プローブのそれぞれは、円筒形の内部電極と、内部電極よりも径の大きい円筒形の外部電極とを有し、外部電極の内側に内部電極が配置され、内部電極の内側に被測定ケーブルが挿通される。

第１の電圧検出部は、第１の電圧プローブの内部電極と外部電極の間の電圧（電位差）を検出する。第２の電圧検出部は、第２の電圧プローブの内部電極と外部電極の間の電圧（電位差）を検出する。また、信号発生部は、交流試験電圧を発生する。

演算処理部は、交流試験電圧が外部電極に印加されている状態において、第１の電圧検出部の検出電圧及び第２の電圧検出部の検出電圧を取得する。また、演算処理部は、外部電極が接地されている状態において、第１の電圧検出部の検出電圧及び第２の電圧検出部の検出電圧を取得する。そして、演算処理部は、それぞれの状態における第１の電圧検出部の検出電圧及び第２の電圧検出部の検出電圧から、被測定ケーブルの導体に印加されている電圧を算出する。

特開２００６−２４２８５５号公報

しかしながら、上記従来例では、交流試験電圧を発生する信号発生部が必要であるため、小型化が図り難いという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされており、小型化が図り易い電圧測定装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る電圧測定装置は、第１電極と、第２電極と、増幅回路と、第１コンデンサと、第２コンデンサと、第１測定部と、第２測定部と、演算処理部と、を備える。前記第１電極は、間隔を空けて導体と対向し、かつ前記導体との間に第１の結合容量を生じるように構成されている。前記第２電極は、間隔を空けて前記導体と対向し、かつ前記導体との間に第２の結合容量を生じるように構成されている。前記増幅回路は、前記第２電極に電気的に接続された入力端子、及び出力端子を有する。前記増幅回路は、前記入力端子に入力された信号を増幅して前記出力端子から出力するように構成される。前記増幅回路は、増幅率が可変である。前記第１コンデンサは、前記第１電極に電気的に接続された第１端子、及び前記出力端子に電気的に接続された第２端子を有する。前記第２コンデンサは、前記第２電極に電気的に接続された第３端子、及び基準電位に電気的に接続された第４端子を有する。前記第１測定部は、前記第１電極の電位と前記基準電位との電位差である第１電圧の値を測定するように構成されている。前記第２測定部は、前記第２電極の電位と前記基準電位との電位差である第２電圧の値を測定するように構成されている。前記演算処理部は、少なくとも、前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値を用いて、前記導体の電位と前記基準電位との電位差である対象電圧の値を演算するように構成されている。前記演算処理部は、前記増幅率が第１増幅率であるときの前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値と、前記増幅率が第２増幅率であるときの前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値とを用いて、前記対象電圧の値を演算する。前記第２増幅率は前記第１増幅率とは異なる値である。

本発明の第２の態様に係る電圧測定装置は、第１の態様において、前記演算処理部は、前記増幅率が前記第１増幅率であるとき、及び前記増幅率が前記第２増幅率であるときのそれぞれにおける、前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値に加えて、前記出力端子の電位と前記基準電位との電位差である第３電圧の値を用いて、前記対象電圧の値を演算するように構成されている。

本発明の第３の態様に係る電圧測定装置は、第２の態様において、前記第３電圧を測定する第３測定部を更に備える。

本発明の第４の態様に係る電圧測定装置は、第２の態様において、前記演算処理部は、前記第２電圧の値から前記第３電圧の値を演算するように構成されている。

本発明の第５の態様に係る電圧測定装置は、第１〜４のいずれかの態様において、前記演算処理部は、第１の浮遊容量の容量値と、第２の浮遊容量の容量値との少なくとも一方を用いて、前記対象電圧の値を補正するように構成されている。前記第１の浮遊容量は、前記第１電極と前記基準電位との間に生じる。前記第２の浮遊容量は、前記第２電極と前記基準電位との間に生じる。

本発明の第６の態様に係る電圧測定装置は、第５の態様において、前記演算処理部は、既知の電圧が前記導体に印加されている状態における、前記第１測定部の測定値と、前記第２測定部の測定値と、前記既知の電圧の値とを用いて、前記第１の浮遊容量の容量値と前記第２の浮遊容量の容量値との少なくとも一方を演算するように構成されている。

本発明の電圧測定装置によれば、演算処理部は、増幅回路の増幅率を変化させた場合の、変化前及び変化後における、第１測定部の測定値、及び第２測定部の測定値から、対象電圧の値を演算可能である。したがって、電圧測定装置では、従来例のように交流試験電圧を導体に印加した状態で第１電圧及び第２電圧を測定する必要がない。そのため、電圧測定装置は、交流試験電圧を発生する構成が不要であるから、従来よりも小型化が図り易い。

図１は、実施形態１に係る電圧測定装置のブロック図である。 図２は、同上の電圧測定装置の使用状態を説明するための概念図である。 図３は、同上の電圧測定装置の等価回路を示す回路図である。 図４は、同上の電圧測定装置の動作を示すフローチャートである。 図５は、実施形態１の第２変形例に係る電圧測定装置の等価回路を示す回路図である。 図６は、実施形態２に係る電圧測定装置の等価回路の一部を示す回路図である。

図１は、実施形態１に係る電圧測定装置１のブロック図である。電圧測定装置１は、系統電源（商用交流電源）から負荷へ交流電力を給電するための電線１０の電圧を測定する用途に用いられる。電圧測定装置１は、電線１０の導体１１に印加される、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧を対象電圧Ｖｘｍとして測定する。ただし、電圧測定装置１は、交流電圧を対象電圧として測定する構成であればよく、対象電圧は系統電源から供給される交流電圧に限定されない。また、電圧測定装置１は、基準電位（例えば、グランド電位）Ｐ１を基準（０Ｖ）とした場合の、一方の電線１０の導体１１の電位を対象電圧Ｖｘｍとして測定する。すなわち、電圧測定装置１は、交流電力を給電するための一対の電線の線間電圧ではなく、導体１１の電位と基準電位Ｐ１との電位差を、対象電圧Ｖｘｍとして測定する。

（実施形態１）
（１）構成
実施形態１に係る電圧測定装置１は、図１に示すように、電極２Ａと電極２Ｂとコンデンサ３Ａとコンデンサ３Ｂと測定部４Ａと測定部４Ｂと測定部４Ｃと演算処理部５と増幅回路６と出力部７と制御部８とを備える。電圧測定装置１の構成要素のうち、電極２Ａ（第１電極）及び電極２Ｂ（第２電極）以外の構成要素は、本体１００（図２参照）に設けられている。電極２Ａ及び電極２Ｂは、電圧測定装置１の本体１００とケーブル２００（図２参照）で電気的に接続されている。ただし、電極２Ａ及び電極２Ｂが本体１００と別体であることは電圧測定装置１に必須の構成ではなく、電極２Ａ及び電極２Ｂは本体１００と一体であってもよい。

電圧測定装置１は、電線１０の導体１１に印加される対象電圧Ｖｘｍを非接触で測定するように構成されている。そのため、電極２Ａ及び電極２Ｂは、導体１１に直接接触しない状態で使用される。電線１０は、導体１１と、導体１１を覆う被覆１２とで構成されている。導体１１は、例えば銅又は銅合金などの金属製の単線である。被覆１２は、電気絶縁性を有している。被覆１２は、例えば、ビニル樹脂などの電気絶縁性を有する合成樹脂材料で形成されることが好ましい。

図２は、電圧測定装置１の使用状態を説明するための概念図である。電極２Ａ及び電極２Ｂは同一の構成を有し、電圧測定用のプローブとして機能する。電極２Ａ及び電極２Ｂは、図２に示すように、銅などの導電性材料にてシート状又は板状に形成されており、電線１０の被覆１２の表面に接触するように配置される。電極２Ａ及び電極２Ｂは、被覆１２に対して殆ど隙間なく接するように、電線１０の外周面に沿って湾曲するように構成されていることが好ましい。言い換えれば、導体１１が被覆１２にて覆われた構造の電線１０において被覆１２を取り除くことなく、電極２Ａ及び電極２Ｂは、被覆１２を介して導体１１と対向するように配置される。したがって、電極２Ａ及び電極２Ｂのそれぞれから導体１１までの距離は、被覆１２の厚み寸法にほぼ等しくなる。このように、電極２Ａ及び電極２Ｂは、導体１１に対して被覆１２の厚み寸法の分だけ間隔を空けて配置されることにより、導体１１に対して容量結合される。

ただし、電極２Ａ及び電極２Ｂは、可撓性を有しない板状の部材に形成されて、被覆１２に押し当てられるように構成されてもよい。又は、電極２Ａ及び電極２Ｂは、電線１０を挟み込むクランプに設けられていてもよい。この場合、クランプは合成樹脂製であって、電極２Ａ及び電極２Ｂは、クランプの内側面、つまりクランプのうち電線１０に接触する面に配置されることが好ましい。これにより、クランプが電線１０を挟み込んだ状態では、電極２Ａ及び電極２Ｂは、被覆１２を介して導体１１と対向する。

図３は電圧測定装置１の等価回路を示す。以下、電極２Ａと導体１１との間に形成される静電容量成分を結合容量２０Ａ（第１の結合容量）と呼び、電極２Ｂと導体１１との間に形成される静電容量成分を結合容量２０Ｂ（第２の結合容量）と呼ぶ（図３参照）。つまり、電極２Ａ及び電極２Ｂのそれぞれと導体１１との間には、結合容量２０Ａ及び結合容量２０Ｂが形成される程度の間隔が設けられている。言い換えれば、電極２Ａは、間隔を空けて導体１１と対向し、かつ導体１１との間に結合容量２０Ａを生じるように構成されている。電極２Ｂは、間隔を空けて導体１１と対向し、かつ導体１１との間に結合容量２０Ｂを生じるように構成されている。

結合容量２０Ａ及び結合容量２０Ｂの容量値は、電極２Ａ及び電極２Ｂのそれぞれから導体１１の表面までの距離、及び電極２Ａ並びに電極２Ｂと導体１１との間に存在する物質（被覆１２）の誘電率などによって決まる。つまり、結合容量２０Ａ及び結合容量２０Ｂの容量値は一定ではなく、被覆１２の厚み寸法、及び被覆１２の材質（誘電率）などによって変化する。また、電極２Ａ及び電極２Ｂのそれぞれと導体１１との間に被覆１２が存在することは電圧測定装置１に必須の構成ではなく、例えば、電極２Ａ及び電極２Ｂと導体１１との間には、単に隙間（空気）が存在してもよい。

増幅回路６は、入力端子６０及び出力端子６１を有している。入力端子６０は、電極２Ｂに電気的に接続されている。増幅回路６は、入力端子６０に入力された信号を増幅して出力端子６１から出力するように構成されている。増幅回路６は、増幅率αが可変である可変利得増幅器からなる。

コンデンサ３Ａ（第１コンデンサ）は端子３０Ａ（第１端子）及び端子３１Ａ（第２端子）を有している。端子３０Ａは、電極２Ａに電気的に接続されている。端子３１Ａは、増幅回路６の出力端子６１に電気的に接続されている。つまり、端子３１Ａは、増幅回路６を介して電極２Ｂに電気的に接続されている。コンデンサ３Ａは、既知の容量値を有する電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、又はセラミックコンデンサなどのコンデンサで構成される。

コンデンサ３Ｂ（第２コンデンサ）は端子３０Ｂ（第３端子）及び端子３１Ｂ（第４端子）を有している。端子３０Ｂは、電極２Ｂに電気的に接続されている。端子３１Ｂは、基準電位Ｐ１に電気的に接続されている（接地されている）。コンデンサ３Ｂは、既知の容量値を有する電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、又はセラミックコンデンサなどのコンデンサで構成される。

測定部４Ａ（第１測定部）は、電極２Ａとコンデンサ３Ａの端子３０Ａとの接続点に、電気的に接続されている。測定部４Ａは、電極２Ａの電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ１（第１電圧）を測定するように構成されている。測定部４Ｂ（第２測定部）は、電極２Ｂとコンデンサ３Ｂの端子３０Ｂとの接続点に、電気的に接続されている。測定部４Ｂは、電極２Ｂの電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ２（第２電圧）を測定するように構成されている。測定部４Ｃ（第３測定部）は、増幅回路６の出力端子６１とコンデンサ３Ａの端子３１Ａとの接続点に、電気的に接続されている。測定部４Ｃは、出力端子６１の電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ３（第３電圧）を測定するように構成されている。

測定部４Ａは、電極２Ａの電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ１をサンプリング（標本化）し、各サンプリング値を量子化することによって、電圧Ｖｘ１の瞬時値を、電圧Ｖｘ１の値（以下、「電圧値Ｖ１」という）として測定する。測定部４Ａは、複数の瞬時値から電圧Ｖｘ１の実効値を、電圧値Ｖ１として算出してもよい。

測定部４Ｂは、電極２Ｂの電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ２をサンプリングし、各サンプリング値を量子化することによって、電圧Ｖｘ２の瞬時値を、電圧Ｖｘ２の値（以下、「電圧値Ｖ２」という）として測定する。測定部４Ｂは、複数の瞬時値から電圧Ｖｘ２の実効値を、電圧値Ｖ２として算出してもよい。

測定部４Ｃは、コンデンサ３Ａの端子３１Ａの電位と基準電位Ｐ１との電位差（電圧Ｖｘ３）をサンプリングし、各サンプリング値を量子化することによって、電圧Ｖｘ３の瞬時値を、電圧Ｖｘ３の値（以下、「電圧値Ｖ３」という）として測定する。測定部４Ｃは、複数の瞬時値から電圧Ｖｘ３の実効値を、電圧値Ｖ３として算出してもよい。

測定部４Ａ、測定部４Ｂ及び測定部４Ｃは、それぞれの測定値（電圧値Ｖ１、電圧値Ｖ２及び電圧値Ｖ３）を演算処理部５に出力する。

演算処理部５は、例えば、マイクロコントローラと、マイクロコントローラのメモリに記録されたプログラムとで実現される。演算処理部５は、マイクロコントローラのプロセッサでプログラムを実行することにより、測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値等を用いて、対象電圧Ｖｘｍの値（以下、「対象電圧値Ｖｍ」という）を演算するように構成される。

詳しくは後述するが、演算処理部５は、少なくとも、増幅率αが第１増幅率α１であるときと、増幅率αが第２増幅率α２であるときとの両方についての、測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値を用いて、対象電圧値Ｖｍを演算する。ここでいう第２増幅率α２は、第１増幅率α１とは異なる値である。つまり、演算処理部５は、増幅回路６の増幅率αを変化させた場合の、変化前と変化後との両方における、電圧値Ｖ１及び電圧値Ｖ２を用いて、対象電圧値Ｖｍを演算する。さらに、本実施形態では、演算処理部５は、増幅率αが第１増幅率α１であるとき、及び増幅率αが第２増幅率α２であるときのそれぞれにおける、電圧値Ｖ１及び電圧値Ｖ２に加えて電圧値Ｖ３を用いて、対象電圧値Ｖｍを演算する。そのため、演算処理部５は、電圧値Ｖ１、電圧値２及び電圧値Ｖ３を、マイクロコントローラのメモリに格納した後、電圧値Ｖ１、電圧値２及び電圧値Ｖ３をメモリから読み出して、対象電圧値Ｖｍを演算するように構成される。

出力部７は、例えば、液晶表示器などの表示デバイスを有し、演算処理部５に制御されて対象電圧値Ｖｍを表示するように構成される（図２参照）。対象電圧Ｖｘｍは交流電圧であるから、出力部７に表示される対象電圧値Ｖｍは、例えば、対象電圧Ｖｘｍの実効値、瞬時値、又は振幅値などである。

制御部８は、増幅回路６の増幅率αを制御する。制御部８は、演算処理部５からの指示を受けて増幅回路６の増幅率αを制御する。制御部８は、少なくとも第１増幅率α１と第２増幅率α２との間で、増幅率αを切替可能である。制御部８は、演算処理部５と共通のマイクロコントローラで構成されていてもよいし、演算処理部５とは独立した論理回路などで構成されていてもよい。

ここで、図３に示すように、コンデンサ３Ａの端子３０Ａは、電極２Ａ及び結合容量２０Ａを介して導体１１と容量結合される。また、コンデンサ３Ｂの端子３０Ｂは、電極２Ｂ及び結合容量２０Ｂを介して導体１１と容量結合される。つまり、電極２Ａ及び電極２Ｂが、結合容量２０Ａ及び結合容量２０Ｂを介して導体１１とそれぞれ容量結合されるため、電極２Ａの電位及び電極２Ｂの電位が、導体１１の電位（対象電圧Ｖｘｍ）に対応して正弦波状に変化する。

（２）動作
図４は電圧測定装置１の動作を示すフローチャートである。

図４に示すように、制御部８はまず、増幅回路６の増幅率αを第１増幅率α１に設定する（ステップＳ１）。この状態で、測定部４Ａ、４Ｂ及び４Ｃは、電圧値Ｖ１、Ｖ２及びＶ３を測定する（ステップＳ２）。これにより、増幅率αが第１増幅率α１であるときの、電圧値Ｖ１、Ｖ２及びＶ３が測定される。以下、増幅率αが第１増幅率α１であるときの、電圧値Ｖ１を「電圧値Ｖ１Ａ」と呼び、電圧値Ｖ２を「電圧値Ｖ２Ａ」と呼び、電圧値Ｖ３を「電圧値Ｖ３Ａ」と呼ぶ。つまり、増幅率αが第１増幅率α１である場合における、測定部４Ａの測定値が電圧値Ｖ１Ａであり、測定部４Ｂの測定値が電圧値Ｖ２Ａであり、測定部４Ｃの測定値が電圧値Ｖ３Ａである。

次に、制御部８は、増幅回路６の増幅率αを第２増幅率α２に設定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理は、ステップＳ２にて電圧値Ｖ１Ａ、電圧値Ｖ２Ａ及び電圧値Ｖ３Ａの測定が完了したタイミングで自動的に開始してもよいし、ユーザが手動で開始してもよい。増幅回路６の増幅率αが第２増幅率α２に設定された状態で、測定部４Ａ、４Ｂ及び４Ｃは、電圧値Ｖ１、Ｖ２及びＶ３を測定する（ステップＳ４）。これにより、増幅率αが第２増幅率α２であるときの、電圧値Ｖ１、Ｖ２及びＶ３が測定される。以下、増幅率αが第２増幅率α２であるときの、電圧値Ｖ２を「電圧値Ｖ１Ｂ」と呼び、電圧値Ｖ２を「電圧値Ｖ２Ｂ」と呼び、電圧値Ｖ３を「電圧値Ｖ３Ｂ」と呼ぶ。つまり、増幅率αが第２増幅率α２である場合における、測定部４Ａの測定値が電圧値Ｖ１Ｂであり、測定部４Ｂの測定値が電圧値Ｖ２Ｂであり、測定部４Ｃの測定値が電圧値Ｖ３Ｂである。

その後、演算処理部５は、電圧値Ｖ１Ａ、電圧値Ｖ２Ａ、電圧値Ｖ３Ａ、電圧値Ｖ１Ｂ、電圧値Ｖ２Ｂ及び電圧値Ｖ３Ｂに基づいて、対象電圧値Ｖｍを算出する（ステップＳ５）。

次に、演算処理部５における対象電圧値Ｖｍの演算処理（ステップＳ５）について、詳しく説明する。以下では、増幅率αが第１増幅率α１であるときの対象電圧値Ｖｍを「対象電圧値ＶｍＡ」と呼び、増幅率αが第２増幅率α２であるときの対象電圧値Ｖｍを「対象電圧値ＶｍＢ」と呼ぶ。また、以下では、コンデンサ３Ａは容量値Ｃｉｎ１を有し、コンデンサ３Ｂは容量値Ｃｉｎ２を有し、結合容量２０Ａは容量値Ｃｓ１を有し、結合容量２０Ｂは容量値Ｃｓ２を有することと仮定する。

電圧値Ｖ１は、対象電圧値Ｖｍと電圧値Ｖ３との差分をコンデンサ３Ａ及び結合容量２０Ａで分圧した値と、電圧値Ｖ３との和に一致する。また、電圧値Ｖ２は、対象電圧値Ｖｍをコンデンサ３Ｂ及び結合容量２０Ｂで分圧した値に一致する。したがって、容量値Ｃｉｎ１及びＣｉｎ２と、容量値Ｃｓ１及びＣｓ２とを用いて表される分圧比β１及びβ２により、電圧値Ｖ１Ａ、電圧値Ｖ２Ａ、電圧値Ｖ１Ｂ及び電圧値Ｖ２Ｂは、下記の数１から数４の式で表される。ただし、β１＝Ｃs1／（Ｃin1＋Ｃs1）である。また、β２＝Ｃs2／（Ｃin2＋Ｃs2）である。

ここで、上記数２の式よりＶｍＡ＝Ｖ２Ａ／β２が成り立つので、上記数１の式にＶｍＡ＝Ｖ２Ａ／β２を代入すると、下記の数５の式が得られる。

上記数５の式を分圧比β１について整理すると、増幅率αが第１増幅率α１であるときの電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ２Ａ及びＶ３Ａの関係を表す、下記の数６の式が得られる。

同様に、上記数３及び上記数４の式から、増幅率αが第２増幅率α２であるときの電圧値Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂ及びＶ３Ｂの関係を表す、下記の数７の式が得られる。

上記数６及び上記数７の式より、分圧比β１を消去し、分圧比β２について整理すると、下記の数８の式が得られる。

上記数８の式には、コンデンサ３Ａの容量値Ｃｉｎ１、コンデンサ３Ｂの容量値Ｃｉｎ２、結合容量２０Ａの容量値Ｃｓ１及び結合容量２０Ｂの容量値Ｃｓ２が含まれず、電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、電圧値Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ及び電圧値Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂのみが含まれる。したがって、演算処理部５は、上記数８の式に、電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、電圧値Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ及び電圧値Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂを代入することで、分圧比β２を求めることができる。

一方、上記数２の式より、増幅率αが第１増幅率α１であるときの対象電圧値ＶｍＡは、下記の数９の式で表される。

同様に、上記数４の式より、増幅率αが第２増幅率α２であるときの対象電圧値ＶｍＢは、下記の数１０の式で表される。

よって、演算処理部５は、上述のようにして求まる分圧比β２、及び電圧値Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂを、上記数９及び数１０の式に代入することで、対象電圧値ＶｍＡ及びＶｍＢが求まる。結果的に、演算処理部５は、電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、電圧値Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ及び電圧値Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂを用いて、対象電圧値Ｖｍを演算することが可能である。

（３）利点
以上説明したように、電圧測定装置１は、電極２Ａと、電極２Ｂと、増幅回路６と、コンデンサ３Ａと、コンデンサ３Ｂと、測定部４Ａと、測定部４Ｂと、演算処理部５と、を備える。電極２Ａ（第１電極）は、間隔を空けて導体１１と対向し、かつ導体１１との間に結合容量２０Ａ（第１の容量結合）を生じるように構成されている。電極２Ｂ（第２電極）は、間隔を空けて導体１１と対向し、かつ導体１１との間に結合容量２０Ｂ（第２の結合容量）を生じるように構成されている。増幅回路６は、電極２Ｂに電気的に接続された入力端子６０、及び出力端子６１を有する。増幅回路６は、入力端子６０に入力された信号を増幅して出力端子６１から出力するように構成される。増幅回路６は、増幅率αが可変である。コンデンサ３Ａ（第１コンデンサ）は、電極２Ａに電気的に接続された端子３０Ａ（第１端子）、及び出力端子６１に電気的に接続された端子３１Ａ（第２端子）を有する。コンデンサ３Ｂ（第２コンデンサ）は、電極２Ｂに電気的に接続された端子３０Ｂ（第３端子）、及び基準電位Ｐ１に電気的に接続された端子３１Ｂ（第４端子）を有する。測定部４Ａ（第１測定部）は、電極２Ａの電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ１（第１電圧）の値を測定するように構成されている。測定部４Ｂ（第２測定部）は、電極２Ｂの電位と基準電位Ｐ１との電位差である電圧Ｖｘ２（第２電圧）の値を測定するように構成されている。演算処理部５は、少なくとも、測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値を用いて、導体１１の電位と基準電位Ｐ１との電位差である対象電圧Ｖｘｍの値を演算するように構成されている。演算処理部５は、増幅率αが第１増幅率α１であるときの測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値と、増幅率αが第２増幅率α２であるときの測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値とを用いて、対象電圧Ｖｘｍの値を演算する。第２増幅率α２は第１増幅率α１とは異なる値である。

この構成によれば、演算処理部５は、増幅回路６の増幅率αを変化させた場合の、変化前及び変化後における、測定部４Ａの測定値（電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ）、及び測定部４Ｂの測定値（電圧値Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ）から、対象電圧Ｖｘｍの値を演算可能である。したがって、電圧測定装置１では、従来例のように交流試験電圧を導体１１に印加した状態で電圧Ｖｘ１及び電圧Ｖｘ２を測定する必要がない。そのため、電圧測定装置１は、交流試験電圧を発生する構成が不要であるから、従来よりも小型化が図り易くなる。

演算処理部５は、増幅率αが第１増幅率α１であるとき、及び増幅率αが第２増幅率α２であるときのそれぞれにおける、測定部４Ａの測定値及び測定部４Ｂの測定値に加えて、電圧Ｖｘ３（第３電圧）の値を用いて、対象電圧Ｖｘｍの値を演算することが好ましい。電圧Ｖｘ３は、出力端子６１の電位と基準電位Ｐ１との電位差である。この構成によれば、電圧Ｖｘ３の値を用いない場合に比べて、対象電圧Ｖｘｍの値が精度よく求まる。演算処理部５が対象電圧Ｖｘｍの値の演算に電圧Ｖｘ３の値を用いることは、電圧測定装置１に必須の構成ではなく、演算処理部５は対象電圧Ｖｘｍの値の演算に電圧Ｖｘ３の値を用いなくてもよい。

この場合において、電圧測定装置１は、本実施形態のように、電圧Ｖｘ３を測定する測定部４Ｃ（第３測定部）を更に備えることが好ましい。この構成によれば、演算処理部５が、対象電圧Ｖｘｍの値の演算に、測定部４Ｃの測定値（電圧Ｖｘ３の値）を用いることで、電圧Ｖｘ３の値を電圧Ｖｘ２の値から演算により求める場合に比べて、対象電圧Ｖｘｍの値が精度よく求まる。すなわち、電圧Ｖｘ３の値を電圧Ｖｘ２の値から演算により求める場合は、増幅回路６の増幅率αが係数に含まれるため、増幅回路６の温度特性等により増幅率αに誤差が生じると、電圧Ｖｘ３の値にも誤差が生じる。これに対して、測定部４Ｃの測定値を用いれば、増幅率αの誤差の影響を受けずに、対象電圧Ｖｘｍの値が精度よく求まる。

（４）変形例
上記実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、上記実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。以下に、実施形態１の変形例を列挙する。

（４．１）第１変形例
実施形態１の第１変形例に係る電圧測定装置１について説明する。本変形例に係る電圧測定装置１では、電圧Ｖｘ３を測定する測定部４Ｃが省略されており、電圧Ｖｘ２を用いた演算により電圧Ｖｘ３を求める。つまり、演算処理部５は、電圧Ｖｘ２（第２電圧）の値から電圧Ｖｘ３（第３電圧）の値を演算するように構成されている。

要するに、増幅回路６の増幅率（利得）α、つまり第１増幅率α１及び第２増幅率α２はいずれも既知であるので、演算処理部５は、下記の数１１の式を用いて、電圧値Ｖ２及び増幅率αから電圧値Ｖ３を演算することができる。

したがって、増幅率αが第１増幅率α１である場合における電圧Ｖｘ３の値（電圧値Ｖ３Ａ）は、Ｖ３Ａ＝α１×Ｖ２Ａで求められる。同様に、増幅率αが第２増幅率α２である場合における電圧Ｖｘ３の値（電圧値Ｖ３Ｂ）は、Ｖ３Ｂ＝α２×Ｖ２Ｂで求められる。演算処理部５は、このように求まる電圧値Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂを、測定部４Ｃの測定値の代わりに用いることによって、実施形態１と同様に、対象電圧値Ｖｍを演算することができる。この構成によれば、電圧Ｖｘ３を測定する測定部４Ｃが省略される分だけ、電圧測定装置１の構成を簡略化することができる。

（４．２）第２変形例
図５は、実施形態１の第２変形例に係る電圧測定装置１Ａの等価回路を示す。以下、実施形態１と同様の構成については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

電圧測定装置１Ａは、実施形態１に係る電圧測定装置１の増幅回路６に代えて、増幅回路６Ａを備えている。増幅回路６Ａは、増幅器６０１（第１増幅器）、増幅器６０２（第２増幅器）及び切替部６００を有している。

増幅器６０１の増幅率αは、第１増幅率α１である。一方、増幅器６０２の増幅率αは、第２増幅率α２である。増幅器６０１及び増幅器６０２の入力端子は、いずれも増幅回路６Ａの入力端子６０Ａに電気的に接続されている。増幅器６０１及び増幅器６０２の出力端子は、いずれも切替部６００を介して、増幅回路６Ａの出力端子６１Ａに電気的に接続されている。増幅回路６Ａの入力端子６０Ａ及び出力端子６１Ａは、実施形態１における増幅回路６の入力端子６０及び出力端子６１にそれぞれ相当する。

切替部６００は、１つの共通接点と、２つの切替接点とを有し、共通接点の接続先を２つの切替接点間で切り替える切替スイッチ（ｃ接点）からなる。切替部６００の共通接点は、増幅回路６Ａの出力端子６１Ａに電気的に接続されている。切替部６００の２つの切替接点は、それぞれ増幅器６０１及び増幅器６０２の出力端子に電気的に接続されている。切替部６００は、例えば、アナログスイッチからなる。ただし、切替部６００は、アナログスイッチに限らず、例えば、電磁リレーなどのメカニカルリレー、又は半導体リレーなどで構成されてもよい。

切替部６００は、増幅器６０１を出力端子６１Ａに接続する第１の接続状態と、増幅器６０２を出力端子６１Ａに接続する第２の接続状態とを切替可能に構成される。つまり、切替部６００が第１の接続状態にあれば増幅器６０２は出力端子６１Ａから切り離され、切替部６００が第２の接続状態にあれば増幅器６０１は出力端子６１Ａから切り離される。これにより、切替部６００は増幅器６０１及び増幅器６０２のうちの１つを選択的に出力端子６１Ａに接続する。

制御部８は、演算処理部５からの指示を受けて切替部６００を制御し、切替部６００を第１の接続状態と第２の接続状態とで切り替える。これにより、増幅回路６Ａにおいては、切替部６００によって、入力端子６０Ａ及び出力端子６１Ａ間の増幅率αを切り替えることが可能である。切替部６００が第１の接続状態にあれば、増幅回路６Ａの増幅率αは第１増幅率α１になる。切替部６００が第２の接続状態にあれば、増幅回路６Ａの増幅率αは第２増幅率α２になる。その結果、増幅回路６Ａは実施形態１における増幅回路６と同様に動作して同様の効果が得られる。

（実施形態２）
図６は実施形態２に係る電圧測定装置１Ｂのコンデンサ３Ａ及びコンデンサ３Ｂの周辺の等価回路である。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

実施形態１の電圧測定装置１においては、電極２Ａ及び電極２Ｂと基準電位Ｐ１との間、又は、ケーブル２００と基準電位Ｐ１との間に浮遊容量が生じることがある（図２参照）。実施形態２に係る電圧測定装置１Ｂでは、電極２Ａと基準電位Ｐ１との間に浮遊容量２１Ａ（第１の浮遊容量）が生じ、電極２Ｂと基準電位Ｐ１との間に浮遊容量２１Ｂ（第２の浮遊容量）が生じていると仮定する。浮遊容量２１Ａ、２１Ｂはそれぞれ容量値Ｃｆ１、Ｃｆ２を有している。これらの容量値Ｃｆ１、Ｃｆ２は、コンデンサ３Ａ及びコンデンサ３Ｂの容量値、又は結合容量２０Ａ及び結合容量２０Ｂの容量値との対比において無視できない程に大きな値であると仮定する。実施形態２に係る電圧測定装置１Ｂでは、これらの浮遊容量２１Ａ、２１Ｂが生じても、対象電圧値Ｖｍを精度よく測定可能となるように、以下の構成を採用する。

すなわち、電圧測定装置１Ｂでは、演算処理部５は、浮遊容量２１Ａの容量値Ｃｆ１と、浮遊容量２１Ｂの容量値Ｃｆ２との少なくとも一方を用いて、対象電圧Ｖｘｍの値を補正するように構成されている。

次に、電圧測定装置１Ｂの演算処理部５における対象電圧値Ｖｍの演算処理（補正処理を含む）について、詳しく説明する。

浮遊容量２１Ａが存在する場合、電圧値Ｖ１は、対象電圧値Ｖｍを、コンデンサ３Ａ及び浮遊容量２１Ａの並列回路に対して結合容量２０Ａで分圧した値になるため、対象電圧値Ｖｍと電圧値Ｖ１との比である分圧比β１ｍは下記の数１２の式で表される。

同様に、浮遊容量２１Ｂが存在する場合、電圧値Ｖ２は、対象電圧値Ｖｍを、コンデンサ３Ｂ及び浮遊容量２１Ｂの並列回路に対して結合容量２０Ｂで分圧した値になるため、対象電圧値Ｖｍと電圧値Ｖ２との比である分圧比β２ｍは下記の数１３の式で表される。

一方、電圧値Ｖ３は、電圧値Ｖ１を、結合容量２０Ａ及び浮遊容量２１Ａの並列回路に対してコンデンサ３Ａで分圧した値になる。そのため、電圧値Ｖ３と電圧値Ｖ１との分圧比を（１−β１ｒ）とおくと、「β１ｒ」は下記の数１４の式で表される。

上記「β１ｍ」、「β２ｍ」及び「β１ｒ」を用いると、増幅率αが第１増幅率α１であるときの電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ２Ａ、及び増幅率αが第２増幅率α２であるときの電圧値Ｖ１Ｂ、Ｖ２Ｂは、下記の数１５から数１８の式で表される。

上記数１６の式より、ＶｍＡ＝Ｖ２Ａ／β２ｍが成り立つので、上記数１５の式にＶｍＡ＝Ｖ２Ａ／β２ｍを代入すると、下記の数１９の式が得られる。

上記数１９の式を「β１ｍ」、「β２ｍ」について整理すると、下記の数２０の式が得られる。

同様に、上記数１７及び上記数１８の式からは、下記の数２１の式が得られる。

上記数２０及び上記数２１の式より「β１ｍ」、「β２ｍ」を消去し、「β１ｒ」について整理すると、下記の数２２の式が得られる。

また、上記数１２及び上記数１４の式より「Ｃｓ１」を消去し「β１ｍ」について整理すると、下記の数２３の式が得られる。

上記数２３の式に上記数２２の式を代入すると、下記の数２４の式が得られる。

また、上記数１５の式からは、下記の数２５の式が得られる。

したがって、上記数２５の式に対して、上記数２２及び上記数２４の式を代入し整理すると、下記の数２６の式が得られる。

同様に、上記数１７の式からは、下記の数２７の式が得られる。

したがって、上記数２７の式に対して、上記数２２及び上記数２４の式を代入し整理すると、下記の数２８の式が得られる。

そして、上記数２６及び上記数２８の式によれば、浮遊容量２１Ａの容量値Ｃｆ１が分かれば、対象電圧値ＶｍＡ、ＶｍＢが算出可能となる。結果的に、演算処理部５は、電圧値Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、電圧値Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ及び電圧値Ｖ３Ａ、Ｖ３Ｂを用いて、対象電圧値Ｖｍを演算することが可能である。

そこで、演算処理部５は、既知の電圧が導体１１に印加されている状態における、測定部４Ａの測定値と、測定部４Ｂの測定値と、既知の電圧の値とを用いて、容量値Ｃｆ１と容量値Ｃｆ２との少なくとも一方を演算することが好ましい。具体的には、演算処理部５を構成するマイクロコントローラのメモリに、容量値Ｃｆ１又は容量値Ｃｆ２を算出するための処理を行う補正プログラムを記憶しておくことが好ましい。

例えば、電圧測定装置１Ｂの製造工程において、電圧値が既知である交流の基準電圧を導体１１に印加した状態で、演算処理部５に補正プログラムを実行させる。このとき、演算処理部５は、測定された電圧値Ｖ１、電圧値Ｖ２、電圧値Ｖ３、コンデンサ３Ａの容量値Ｃｉｎ１、及び対象電圧値ＶｍＡ、ＶｍＢ（既知の電圧の値）から、上記数２６及び上記数２８の式を用いて、容量値Ｃｆ１を算出する。演算処理部５は、算出した容量値Ｃｆ１をマイクロコントローラのメモリに格納した後、補正プログラムの実行を終了する。

以上説明したように、電圧測定装置１Ｂでは、演算処理部５は、浮遊容量２１Ａ（第１の浮遊容量）の容量値Ｃｆ１と、浮遊容量２１Ｂ（第２の浮遊容量）の容量値Ｃｆ２との少なくとも一方を用いて、対象電圧Ｖｘｍの値を補正するように構成されている。浮遊容量２１Ａは、電極２Ａ（第１電極）と基準電位Ｐ１との間に生じる浮遊容量である。浮遊容量２１Ｂは、電極２Ｂ（第２電極）と基準電位Ｐ１との間に生じる浮遊容量である。この構成によれば、浮遊容量２１Ａの容量値Ｃｆ１が既知であれば、対象電圧値Ｖｍの測定の精度に影響するような浮遊容量２１Ａ、２１Ｂが生じる場合でも、対象電圧値Ｖｍを精度よく測定可能となる。

また、本実施形態のように、演算処理部５は、既知の電圧が導体１１に印加されている状態における、測定部４Ａの測定値と、測定部４Ｂの測定値と、既知の電圧の値とを用いて、容量値Ｃｆ１と容量値Ｃｆ２との少なくとも一方を演算することが好ましい。この構成によれば、浮遊容量２１Ａ、２１Ｂの容量値Ｃｆ１、Ｃｆ２が未知の場合でも、容量値Ｃｆ１、Ｃｆ２による対象電圧値Ｖｍの補正が可能となり、対象電圧値Ｖｍを精度よく測定可能となる。

また、実施形態２で説明した構成は、実施形態１で説明した構成（変形例を含む）と適宜組み合わせて適用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 電圧測定装置
２Ａ 電極（第１電極）
２Ｂ 電極（第２電極）
３Ａ コンデンサ（第１コンデンサ）
３０Ａ 第１端子
３１Ａ 第２端子
３Ｂ コンデンサ（第２コンデンサ）
３０Ｂ 第３端子
３１Ｂ 第４端子
４Ａ 測定部（第１測定部）
４Ｂ 測定部（第２測定部）
４Ｃ 測定部（第３測定部）
５ 演算処理部
６，６Ａ 増幅回路
６０，６０Ａ 入力端子
６１，６１Ａ 出力端子
１１ 導体
２０Ａ 第１の結合容量
２０Ｂ 第２の結合容量
２１Ａ 第１の浮遊容量
２１Ｂ 第２の浮遊容量
Ｐ１ 基準電位
Ｖｘｍ 対象電圧
Ｖｘ１ 電圧（第１電圧）
Ｖｘ２ 電圧（第２電圧）
Ｖｘ３ 電圧（第３電圧）

Claims (6)

1. 間隔を空けて導体と対向し、かつ前記導体との間に第１の結合容量を生じるように構成された第１電極と、
   間隔を空けて前記導体と対向し、かつ前記導体との間に第２の結合容量を生じるように構成された第２電極と、
   前記第２電極に電気的に接続された入力端子、及び出力端子を有し、前記入力端子に入力された信号を増幅して前記出力端子から出力するように構成され、増幅率が可変である増幅回路と、
   前記第１電極に電気的に接続された第１端子、及び前記出力端子に電気的に接続された第２端子を有する第１コンデンサと、
   前記第２電極に電気的に接続された第３端子、及び基準電位に電気的に接続された第４端子を有する第２コンデンサと、
   前記第１電極の電位と前記基準電位との電位差である第１電圧の値を測定するように構成された第１測定部と、
   前記第２電極の電位と前記基準電位との電位差である第２電圧の値を測定するように構成された第２測定部と、
   少なくとも、前記増幅率が第１増幅率であるときの前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値と、前記増幅率が前記第１増幅率とは異なる第２増幅率であるときの前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値とを用いて、前記導体の電位と前記基準電位との電位差である対象電圧の値を演算するように構成された演算処理部と、
   を備える電圧測定装置。
2. 前記演算処理部は、前記増幅率が前記第１増幅率であるとき、及び前記増幅率が前記第２増幅率であるときのそれぞれにおける、前記第１測定部の測定値及び前記第２測定部の測定値に加えて、前記出力端子の電位と前記基準電位との電位差である第３電圧の値を用いて、前記対象電圧の値を演算するように構成されている
   請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記第３電圧を測定する第３測定部を更に備える
   請求項２に記載の電圧測定装置。
4. 前記演算処理部は、前記第２電圧の値から前記第３電圧の値を演算するように構成されている
   請求項２に記載の電圧測定装置。
5. 前記演算処理部は、前記第１電極と前記基準電位との間に生じる第１の浮遊容量の容量値と、前記第２電極と前記基準電位との間に生じる第２の浮遊容量の容量値との少なくとも一方を用いて、前記対象電圧の値を補正するように構成されている
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
6. 前記演算処理部は、既知の電圧が前記導体に印加されている状態における、前記第１測定部の測定値と、前記第２測定部の測定値と、前記既知の電圧の値とを用いて、前記第１の浮遊容量の容量値と前記第２の浮遊容量の容量値との少なくとも一方を演算するように構成されている
   請求項５に記載の電圧測定装置。

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