JP2019203830A - Voltage measuring device and voltage measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定対象物の電圧を非接触で測定可能な電圧測定装置および電圧測定方法に関する。 The present invention relates to a voltage measuring apparatus and a voltage measuring method capable of measuring a voltage of a measurement object in a non-contact manner.
特許文献1には、図8に示すような測定対象物404の電圧V1を非接触で測定可能な電圧測定装置400が開示されている。電圧測定装置400は、プローブユニット402の検出電極412が測定対象物404の近傍に非接触な状態で配置されており、検出電極412と測定対象物404との間に静電容量C0が形成されている。
電圧測定装置400では、可変容量素子413を本体403から交流信号S1で駆動すると可変容量素子413の静電容量の変化により交流電流iが流れる。電流iの大きさは測定対象物404の電圧V1とプローブユニット402のシールドケースの電圧V4との電圧差によって決まる。電流iを検出抵抗415で交流電圧V2として測定し、その振幅に応じたシールド電圧V4を電圧生成回路425から発生させる。
In the
この構成により、電圧測定装置400のシールド電圧V4は電流iが0となるように制御され、このときシールド電圧V4は測定対象物404の電圧V1と同電圧になる。このため、シールド電圧V4を電圧計426により測定することで、測定対象物404の電圧V1を計測することができる。
With this configuration, the shield voltage V4 of the
電圧測定装置400では、例えば、数kVの高電圧を測定する場合には、プローブユニット402のシールドケースが高電圧になる。したがって、測定装置の安全性を確保するためにシールドケース周辺の高絶縁設計や破損による感電防止措置等が必要となる。また、電流iが0となるようにシールド電圧V4を制御するために、電圧生成回路425として可変電圧源を用いなければならない。このため、電圧測定装置400の高コスト化を招いている。
In the
そこで、本発明は、高コスト化を招くことなく高電圧の非接触測定が可能な電圧測定技術を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a voltage measurement technique capable of non-contact measurement of a high voltage without causing an increase in cost.
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様である電圧測定装置は、第1周波数の交流電圧を測定する電圧測定装置であって、電極と、前記電極と接続し、第2周波数の交流電圧を出力する定電圧源と、前記電極と前記定電圧源との間を流れる前記第1周波数の電流の大きさおよび前記第2周波数の電流の大きさを測定する電流測定部と、前記定電圧源の出力電圧、前記第1周波数の電流の大きさ、前記第2周波数の電流の大きさ、前記第1周波数、前記第2周波数に基づいて、前記第1周波数の交流電圧を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする。
本発明の第1の態様である電圧測定装置によれば、第2周波数を第1周波数よりも十分大きくすることで、測定側は測定対象電圧よりもはるかに低い電圧で測定することができるため、電圧測定装置の構成部品に高価な高耐圧部品が不要となる。また、電圧測定装置内部で高電圧が発生することがないため、高絶縁設計や感電防止措置が不要となる。さらには、定周波数の定電圧源を用いているため、可変周波数発振器や可変電圧源が不要である。したがって、従来技術のような高コスト化を防ぐことができ、安価に電圧測定装置を構成することができる。
前記演算部は、前記第2周波数と前記第1周波数との比に、前記第1周波数の電流の大きさと前記第2周波数の電流の大きさとの比と、前記定電圧源の出力電圧を乗じることにより前記第1周波数の交流電圧を算出することができる。
前記定電圧源が、コンデンサを介して前記電極と接続されていてもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第2の態様である電圧測定方法は、第1周波数の交流電圧を測定する電圧測定方法であって、前記第1周波数の交流電圧が印加された測定対象物に、容量を介して第2周波数、所定電圧の交流電圧を印加したときに前記容量を流れる前記第1周波数の電流の大きさおよび前記第2周波数の電流の大きさを測定し、前記所定電圧、前記第1周波数の電流の大きさ、前記第2周波数の電流の大きさ、前記第1周波数、前記第2周波数に基づいて、前記第1周波数の交流電圧を算出することを特徴とする。
前記容量は、寄生容量を含んでいてもよい。
前記第2周波数と前記第1周波数との比に、前記第1周波数の電流の大きさと前記第2周波数の電流の大きさとの比と、前記所定電圧を乗じることにより前記第1周波数の交流電圧を算出することができる。
In order to solve the above problems, a voltage measuring apparatus according to a first aspect of the present invention is a voltage measuring apparatus that measures an alternating voltage of a first frequency, and is connected to an electrode and the electrode, and has a second frequency. A constant voltage source that outputs an alternating voltage; a current measuring unit that measures the magnitude of the current of the first frequency and the magnitude of the current of the second frequency flowing between the electrode and the constant voltage source; The AC voltage of the first frequency is calculated based on the output voltage of the constant voltage source, the magnitude of the current of the first frequency, the magnitude of the current of the second frequency, the first frequency, and the second frequency. And an arithmetic unit.
According to the voltage measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, the measurement side can measure at a voltage much lower than the voltage to be measured by making the second frequency sufficiently higher than the first frequency. In addition, expensive high-voltage components are not required for the components of the voltage measuring device. Moreover, since a high voltage is not generated inside the voltage measuring device, a high insulation design and an electric shock prevention measure are not required. Furthermore, since a constant voltage source having a constant frequency is used, a variable frequency oscillator and a variable voltage source are not necessary. Therefore, the cost increase as in the conventional technique can be prevented, and the voltage measuring device can be configured at low cost.
The calculation unit multiplies the ratio between the second frequency and the first frequency by the ratio between the current magnitude at the first frequency and the current magnitude at the second frequency and the output voltage of the constant voltage source. Thus, the alternating voltage of the first frequency can be calculated.
The constant voltage source may be connected to the electrode via a capacitor.
In order to solve the above-described problem, a voltage measurement method according to a second aspect of the present invention is a voltage measurement method for measuring an alternating voltage of a first frequency, and a measurement object to which the alternating voltage of the first frequency is applied. Measuring the magnitude of the current at the first frequency and the magnitude of the current at the second frequency flowing through the capacity when an AC voltage having a second frequency and a predetermined voltage is applied to the object via the capacity; An AC voltage of the first frequency is calculated based on the voltage, the magnitude of the current of the first frequency, the magnitude of the current of the second frequency, the first frequency, and the second frequency. .
The capacitance may include a parasitic capacitance.
The ratio between the second frequency and the first frequency is multiplied by the ratio between the magnitude of the current at the first frequency and the magnitude of the current at the second frequency and the predetermined voltage. Can be calculated.
本発明によれば、高コスト化を招くことなく高電圧の非接触測定が可能な電圧測定技術が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the voltage measurement technique in which the high voltage non-contact measurement is possible, without causing cost increase is provided.
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の電圧測定器の測定原理を説明する図である。本発明の電圧測定器では、交流電圧を測定対象としており、本図では、周波数fxの交流電圧Vxが測定対象となっている。本発明は、特に測定対象電圧Vxが、例えば、数kV程度の高電圧である場合に効果的である。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining the measurement principle of the voltage measuring device of the present invention. In the voltage measuring instrument of the present invention, an AC voltage is a measurement object, and in this figure, an AC voltage Vx having a frequency fx is a measurement object. The present invention is particularly effective when the measurement target voltage Vx is a high voltage of about several kV, for example.
測定側には周波数fsで出力電圧Vsの定電圧源110が備えられている。周波数fx、周波数fsとも既知であり、fs>>fx、Vx>>Vsであるとする。測定対象と測定側との間には容量C1が存在しており、測定対象と測定側とは非接触になっている。容量C1は未知でもよい。
On the measurement side, a
測定対象の電圧Vxが起因となって容量C1を流れる周波数fxの電流をIxとし、定電圧源110の電圧Vsが起因となって容量C1を流れる周波数fsの電流をIsとする。実際には、電流Ixと電流Isとを重ね合わせた電流が容量C1を流れることになる。
The current at the frequency fx flowing through the capacitor C1 due to the voltage Vx to be measured is denoted as Ix, and the current at the frequency fs flowing through the capacitor C1 due to the voltage Vs of the
測定側には、電流測定部120、演算部130が備えられている。なお、図2(a)に示すように、測定対象と測定側の接地は共通であってもよいし、図2(b)に示すように、共通でなくてもよい。また、図2(c)に示すように、測定側の接地に対する基準電位が変動するものであってもよい。
On the measurement side, a
電流測定部120は、電流Ixと電流Isのそれぞれの電流の大きさを測定する。電流の大きさは、振幅、実効値、平均値等のいずれであってもよい。演算部130は、電流測定部120における電流Ixおよび電流Isの測定結果に基づいて電圧Vxを算出して出力する。
The
この構成において、電流Ixに対する容量C1のインピーダンスをXcxとし、電流Isに対する容量C1のインピーダンスをXcsとすると、電流Ix、電流Isは以下のように表すことができる。ただし、定電圧源110、電流測定部120、測定対象電圧源のインピーダンスは十分小さいものとする。
測定対象電圧の周波数fx、定電圧源110の電圧Vsおよび周波数fsは既知であるため、電流Ixと電流Isを測定することにより、[数3]に基づいて測定対象電圧Vxを算出し、測定結果として出力することができる。
Since the frequency fx of the voltage to be measured, the voltage Vs and the frequency fs of the
例えば、測定対象電圧の周波数fxが商用電源の50Hzとすると、定電圧源110の周波数fsを50Hzよりも十分大きな50kHとすれば、電圧Vsを1000倍(=fs/fx)した値に測定で得られたIx/Isを乗じた値が測定対象の電圧Vxとなる。すなわち、測定対象電圧が数kVであっても数Vの電圧で測定できることになる。
For example, if the frequency fx of the voltage to be measured is 50 Hz of the commercial power supply, the frequency Vs of the
このように、本発明では、測定側は測定対象電圧よりもはるかに低い電圧で測定することができるため、電圧測定器の構成部品に高価な高耐圧部品が不要となる。また、電圧測定器内部で高電圧が発生することがないため、高絶縁設計や感電防止措置が不要となる。さらには、定周波数の定電圧源110を用いているため、可変周波数発振器や可変電圧源が不要である。したがって、従来技術のような高コスト化を防ぐことができ、高電圧の非接触測定が可能な電圧測定器を安価に構成することができる。
As described above, in the present invention, since the measurement side can measure at a voltage much lower than the voltage to be measured, an expensive high-voltage component is not necessary as a component of the voltage measuring instrument. In addition, since a high voltage is not generated inside the voltage measuring device, a high insulation design and an electric shock prevention measure are not required. Furthermore, since the constant frequency
次に、上記の測定原理を利用した電圧測定器の実施例について説明する。図3は、本発明の電圧測定器100の第1実施例の構成を示す図である。
Next, an embodiment of a voltage measuring device using the above measurement principle will be described. FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the
本図の例において、測定対象は、周波数fxの電圧Vxが印加される導体310である。導体310は、絶縁被覆320により被覆されており、被覆電線300を形成している。
In the example of this figure, the measurement object is the
第1実施例の電圧測定器100は、電極101、電流測定部120、演算部130、演算部130が算出した測定対象電圧Vxを測定結果として表示する表示部140を備えている。
The
電極101は、被覆電線300に取り付けられている。このため、導体310と電極101とは非接触であり、導体310と電極101との間に寄生容量C1が存在している。導体310と電極101との間に寄生容量C1が存在すれば足りるため、電極101と絶縁被覆320との間に空隙が生じていてもよいし、電極101と絶縁被覆320との間にさらに絶縁体を配置してもよい。絶縁被覆320を備えない導体310に絶縁体あるいは空隙を挟んで電極101を配置してもよい。他の実施例についても同様である。
The
電流測定部120は、抵抗R121と、抵抗R121に生じる電圧を検出する計装アンプ122と、周波数fxの信号を通過させる第1フィルタ部123a、周波数fsの信号を通過させる第2フィルタ部123b、第1フィルタ部123aを通過した周波数fxの信号を平滑化して直流電圧Vmxに変換する第1交流−直流変換部124a、第2フィルタ部123bを通過した周波数fsの信号を平滑化して直流電圧Vmsに変換する第2交流−直流変換部124bを備えている。本例では、定電圧源110は、電流測定部120を介して電極101と接続されている。
The
直流電圧Vmxは、電流Ixの大きさに対応し、直流電圧Vmsは、電流Isの大きさに対応する。電流測定部120では、抵抗R121と計装アンプ122とで電流を検出する電流検出部分を構成し、フィルタ部123と交流−直流変換部124とで振幅を測定する振幅測定部分を構成している。
The DC voltage Vmx corresponds to the magnitude of the current Ix, and the DC voltage Vms corresponds to the magnitude of the current Is. In the
フィルタ部123は、通過対象以外の周波数成分やノイズを除去する。交流−直流変換部124は、フィルタ部123が出力した交流電圧の振幅に応じた直流電圧を出力する。抵抗R121は、電流Ix、電流Isへの影響を避けるために小さな値とすることが望ましい。 The filter unit 123 removes frequency components and noise other than the passage target. The AC-DC conversion unit 124 outputs a DC voltage corresponding to the amplitude of the AC voltage output by the filter unit 123. The resistor R121 is desirably a small value in order to avoid an influence on the current Ix and the current Is.
演算部130は、電流測定部120が出力する直流電圧Vmx、直流電圧Vmxと、既知の周波数fs、fx、および既知の電圧Vsに基づいて測定対象電圧Vxを算出し、表示部140が測定結果として表示する。
The
なお、電流測定部120の電流検出部分を、抵抗R121と計装アンプ122とで構成していたが、この構成に限られず、電流の大きさに応じた信号を取得可能な種々の方式を採用することができる。例えば、ホールセンサやカレントトランス回路等を利用して電流による磁界を検出し、電流の大きさに比例した電圧を出力してもよい。また、抵抗R121に換えてコンデンサやコイル、またはこれらの組み合わせを用いてもよい。
In addition, although the current detection part of the
また、第1フィルタ部123a、第2フィルタ部123bとしては、アクティブバンドパスフィルタのVCVS(サレン・キー)型、多重帰還型、状態変数型、パッシブバンドパスフィルタのLCバンドパスフィルタ、RLCバンドパスフィルタ等種々の方式を用いることができる。
The
また、第1交流−直流変換部124a、第2交流−直流変換部124bとしては、RMS−DCコンバーター(実効値検波)、全波平均あるいは半波平均の平均値検波、ピークホールド回路等の種々の方式を用いることができる。
The first AC-
次に、本発明の電圧測定器100の第2実施例について図4を参照して説明する。第2実施例では、電流測定部120の振幅測定部分を、同期検波回路125を用いて構成している。同期検波回路は、入力信号のうち、参照信号と同じ周波数成分の信号について、その大きさを直流電圧に変換して出力する回路である。
Next, a second embodiment of the
本図の例では、電流測定部分の出力信号から第1同期検波部125aを用いて周波数fxの信号の大きさに相当する直流電圧Vmxを得て、第2同期検波部125bを用いて周波数fsの信号の大きさに相当する直流電圧Vmsを得ている。第2実施例の電圧測定器100は、第1同期検波部125aの参照信号のために、周波数fxの正弦波発振器126を備えている。第2同期検波部125bの参照信号は、周波数fsの定電圧源110の出力信号を用いている。
In the example of this figure, the DC voltage Vmx corresponding to the magnitude of the signal of the frequency fx is obtained from the output signal of the current measurement portion using the first
次に、本発明の電圧測定器100の第3実施例について図5を参照して説明する。第3実施例では、電流測定部120の振幅測定をディジタル信号処理で行なう。このため、電流検出部分の出力信号をディジタルデータに変換するためのA/D変換部127と、周波数fxの信号を分離してVmxを抽出する周波数分離器(fx)128aと、周波数fsの信号を分離してVmsを抽出する周波数分離器(fs)128bとを備えている。周波数分離器128は、ディジタルフィルタや同期検波回路を用いて構成することができる。
Next, a third embodiment of the
次に、本発明の電圧測定器100の第4実施例について図6を参照して説明する。第4実施例は、測定対象の正確な周波数が分からない場合にも適用可能な構成である。第1実施例の構成を基に説明するが、他の実施例に適用してもよい。
Next, a fourth embodiment of the
第4実施例では、周波数測定部129を用いて、第1フィルタ部123aを通過した信号の周波数を測定して、測定対象の正確な周波数fxとする。演算部130では、電流測定部120が出力する直流電圧Vmx、直流電圧Vmx、周波数fxと、既知の周波数fx、および既知の電圧Vsに基づいて測定対象電圧Vxを算出し、表示部140が測定結果として表示する。なお、第1フィルタ部123aは、測定対象のおおよその周波数を通過帯域に含むフィルタを用いるものとする。
In the fourth embodiment, the
周波数測定部129は、種々の方式を用いることができる。例えば、一定の測定時間における入力信号と基準電圧とが交差する回数を計測する方法、入力信号と基準電圧とが交差する時間(周期)を計測する方法等を用いることができる。
The
次に、本発明の電圧測定器100の第5実施例について図7を参照して説明する。第5実施例は、電極101が測定対象に非接触のみならず、接触状態でも電圧を測定することができる構成である。なお、電極101は測定対象に接触するが、測定対象と測定側との間には容量C1が存在するため、測定対象と測定側とは非接触である。ここでは、第1実施例の構成を基に説明するが、他の実施例に適用してもよい。
Next, a fifth embodiment of the
第5実施例の電圧測定器100は、電極101と電流測定部120との間に、実際のコンデンサ102が接続されている。本例では、定電圧源110は、コンデンサ102および電流測定部120を介して電極101と接続されている。
In the
実際のコンデンサ102が接続されていることにより、電極101を導線330に接触させた状態でも、コンデンサ102が容量C1の役割を担うため、測定対象電圧Vxを測定することができる。また、被覆電線300を測定する場合は、寄生容量とコンデンサ102の合成容量が容量C1の役割を担うため、測定対象電圧Vxを測定することができる。すなわち、電極101が測定対象に非接触でも接触でも測定対象電圧Vxを測定することができる。
By connecting the
100 電圧測定器
101 電極
102 コンデンサ
110 定電圧源
120 電流測定部
121 抵抗
122 計装アンプ
123 フィルタ部
124 交流−直流変換部
125 同期検波回路
126 正弦波発振器
127 A/D変換部
128 周波数分離器
129 周波数測定部
130 演算部
140 表示部
300 被覆電線
310 導体
320 絶縁被覆
330 導線
DESCRIPTION OF
Claims (6)
電極と、
前記電極と接続し、第2周波数の交流電圧を出力する定電圧源と、
前記電極と前記定電圧源との間を流れる前記第1周波数の電流の大きさおよび前記第2周波数の電流の大きさを測定する電流測定部と、
前記定電圧源の出力電圧、前記第1周波数の電流の大きさ、前記第2周波数の電流の大きさ、前記第1周波数、前記第2周波数に基づいて、前記第1周波数の交流電圧を算出する演算部と、
を備えたことを特徴とする電圧測定装置。 A voltage measuring device for measuring an alternating voltage of a first frequency,
Electrodes,
A constant voltage source connected to the electrode and outputting an alternating voltage of a second frequency;
A current measuring unit that measures the magnitude of the current at the first frequency and the magnitude of the current at the second frequency flowing between the electrode and the constant voltage source;
The AC voltage of the first frequency is calculated based on the output voltage of the constant voltage source, the magnitude of the current of the first frequency, the magnitude of the current of the second frequency, the first frequency, and the second frequency. An arithmetic unit to perform,
A voltage measuring device comprising:
前記第1周波数の交流電圧が印加された測定対象物に、容量を介して第2周波数、所定電圧の交流電圧を印加したときに前記容量を流れる前記第1周波数の電流の大きさおよび前記第2周波数の電流の大きさを測定し、
前記所定電圧、前記第1周波数の電流の大きさ、前記第2周波数の電流の大きさ、前記第1周波数、前記第2周波数に基づいて、前記第1周波数の交流電圧を算出することを特徴とする電圧測定方法。 A voltage measurement method for measuring an alternating voltage of a first frequency,
When a second frequency, an alternating voltage of a predetermined voltage is applied to a measurement object to which the alternating voltage of the first frequency is applied, the magnitude of the current of the first frequency flowing through the capacitor and the first Measure the magnitude of the current at two frequencies,
An AC voltage of the first frequency is calculated based on the predetermined voltage, the magnitude of the current of the first frequency, the magnitude of the current of the second frequency, the first frequency, and the second frequency. Voltage measurement method.
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