JP2020046213A

JP2020046213A - 電界強度計測装置

Info

Publication number: JP2020046213A
Application number: JP2018172715A
Authority: JP
Inventors: 弘次稲崎; Koji Inazaki; 征紀廣岡; Masaki Hirooka; 剛史工藤; Takashi Kudo; 和磨篠村; Kazuma Shinomura
Original assignee: Otowa Electric Co Ltd
Current assignee: Otowa Electric Co Ltd
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-03-26

Abstract

【課題】電界強度計測装置において、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で電界強度を確実に計測可能にする。【解決手段】センシング部６は、大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力する。複数の増幅器１１〜１４は増幅率が互いに異なっており、センシング部６から出力された信号を共通に入力とする。制御部２０は、複数の増幅器１１〜１４の出力を入力とし、複数のレンジで電界強度の計測値を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、大気中の電界強度を計測する電界強度計測装置に関する。

例えば、雷発生を予測するシステムに使用される装置として、大気中の電界強度を計測する電界強度計測装置がある。大気中に雷雲が発生すると、負電荷または正電荷を持つ雷雲と大地との間に電界が生じる。電界強度計測装置を地上または構築物上に設置し、大気中の電界強度を計測することによって、雷発生の予測に利用することができる。

例えば、非特許文献１には、回転式の電界強度計測装置の構成例が開示されている。

ボルテック株式会社、「EFM-100 Atmospheric Electric Field Monitor」製品カタログ、（2014-2016発行）

ところが、従来の構成では、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で電界強度を確実に計測することが困難であった。また、いわゆる平面校正のための計測値の補正を、ミス無く、簡易に行うことが困難であった。また、回転式の電界強度装置において、計測された電界強度データの信頼性を担保することが困難であった。

本発明は、前記のような問題に鑑み、電界強度計測装置において、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で電界強度を確実に計測可能にすることを目的とする。また、電界強度計測装置において、平面校正のための計測値の補正を、ミス無く、簡易に実行可能にすることを目的とする。また、回転式の電界強度装置において、計測された電界強度データの信頼性を担保可能にすることを目的とする。

本発明の一態様では、電界強度計測装置は、大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力するセンシング部と、前記センシング部から出力された信号を増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を入力とし、電界強度の計測値を求める制御部とを備え、前記増幅部は、増幅率が互いに異なっており、前記センシング部から出力された信号を共通に入力とする、複数の増幅器を備え、前記制御部は、前記各増幅器の出力を用いて、複数のレンジで、電界強度の計測値を求める。

この態様によると、センシング部から出力された信号を増幅する増幅部は、増幅率が互いに異なっており、センシング部から出力された信号を共通に入力とする、複数の増幅器を備えている。そして、制御部は、各増幅器の出力を用いて、複数のレンジで電界強度の計測値を求める。これにより、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で、電界強度を確実に計測することができる。

また、前記態様において、前記複数のレンジは、少なくとも、晴天時の大気電界を想定したレンジと、雷発生時の大気電界を想定したレンジとを、含むのが好ましい。

これにより、平面校正と、雷雲接近時等の高電界強度現象の観測を、１台の装置で、簡易に実施することができる。

また、本発明の一態様では、電界強度計測装置は、大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力するセンシング部と、前記センシング部から出力された信号を増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を入力とし、電界強度の計測値を求める制御部とを備え、前記制御部は、平面校正のための補正に用いる校正係数を外部から設定可能なように校正されており、前記校正係数を用いて、求めた計測値に対して平面校正のための補正を行う。

この態様によると、電界強度の計測値を求める制御部は、平面校正のための補正に用いる校正係数を外部から設定可能なように校正されており、校正係数を用いて、求めた計測値に対して平面校正のための補正を行う。これにより、平面校正のための計測値の補正を、ミス無く、簡易に行うことができる。

また、本発明の一態様では、電界強度計測装置は、大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力するセンシング部と、前記センシング部から出力された信号を増幅する増幅部と、前記増幅部の出力を入力とし、電界強度の計測値を求める制御部とを備え、前記センシング部は、モータによって回転するチョッパと、前記チョッパが回転することによって、大気中の電界に対して遮蔽状態と露出状態とが繰り返される、電極とを備え、前記制御部は、前記チョッパの回転速度異常を検知したとき、異常信号を出力する。

この態様によると、センシング部は、チョッパが回転することによって、大気中の電界に対して遮蔽状態と露出状態とが繰り返される、電極を備えている。そして制御部は、チョッパの回転速度異常を検知したとき、異常信号を出力する。これにより、計測された電界強度データの信頼を担保することができる。

また、前記態様において、前記チョッパの回転速度を検出する回転センサを備え、前記制御部は、前記回転センサの出力から、前記チョッパの回転速度異常を検知する、としてもよい。

これにより、制御部は、チョッパの回転速度異常を、確実に検知することができる。

本発明によると、電界強度計測装置において、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で電界強度を確実に計測可能となる。また、電界強度計測装置において、平面校正のための計測値の補正が、ミス無く、簡易に実行可能となる。また、回転式の電界強度装置において、計測された電界強度データの信頼性が担保可能となる。

第１実施形態に係る電界強度計測装置の概略構成図図１の電界強度計測装置の外観を示す正面図第２実施形態に係る電界強度計測装置の概略構成図チョッパの回転速度異常を信号周期から検知する方法を示すイメージ図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、雷発生を予測するシステムに使用される電界強度計測装置を例にとって説明するが、この電界強度計測装置は、雷発生を予測するシステム以外にも適用可能である。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る電界強度計測装置の概略構成図、図２は図１の電界強度計測装置の外観を示す正面図である。図１および図２に示す電界強度計測装置は、装置本体１と、装置本体１の上部に水平状態で回転自在に取り付けられた遮蔽板（以下、チョッパと称する）２と、装置本体１の上部にチョッパ２と近接して対向するように配設された電極３とを、備える。チョッパ２は、装置本体１に内蔵されたモータ４により、所定の回転数でもって回転可能となっている。また、チョッパ２の回転速度を検出する回転センサ５が設けられている。

チョッパ２は、例えば扇形状の遮蔽部２ａと、切り欠き形状の開口部２ｂとを有する。遮蔽部２ａと開口部２ｂは２個ずつ、回転方向に沿って交互に配されている。すなわち、２個の遮蔽部２ａは、チョッパ２の回転軸２ｃを挟んで対向する位置にあり、また、２個の開口部２ｂは、チョッパ２の回転軸２ｃを挟んで対向する位置にある。

電極３は、２個設けられており、チョッパ２の回転軸２ｃを挟んで対向する位置にある。チョッパ２が回転することによって、チョッパの遮蔽部２ａが電極３の上方に位置して電極３が大気中の電界に対して遮蔽される状態と、チョッパ２の開口部２ｂが電極３の上方に位置して電極３が大気中の電界に対して露出する状態とが、繰り返される。電極３は、大気中の電界に対して遮蔽状態と露出状態とが繰り返されることによって、帯電状態と非帯電状態とを繰り返す。

チョッパ２は接地されている。また、電極３は抵抗器７に接続されており、抵抗器７の両端には、電極３の帯電状態と非帯電状態とに応じて、交流電圧が発生する。本実施形態では、センシング部６は、チョッパ２と、電極３と、モータ４と、抵抗器７とを備えている。センシング部６は、大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を抵抗器７の両端から出力する。

電界強度計測装置は、センシング部６から出力された信号を増幅する増幅部１０を備えている。増幅部１０は、増幅率が異なる４個の増幅器１１〜１４を備えている。各増幅器１１〜１４は並列接続されており、抵抗器７の両端の電圧を共通に入力としている。増幅器１１〜１４は、交流電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ３，Ｖｏｕｔ４を出力する。

制御部２０は、Ａ／Ｄ変換部２１および処理部２２を有している。制御部２０は、増幅器１１〜１４の出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ３，Ｖｏｕｔ４を入力とし、Ａ／Ｄ変換および演算処理を行い、電界強度を計測する。計測された電界値は、制御部２０から出力される。また、制御部２０は、回転センサ５の出力を入力とし、チョッパ２の回転速度異常の有無を検知する。チョッパ２の回転速度異常を検知したとき、制御部２０は異常信号を出力する。

また、制御部２０は、いわゆる平面校正による補正を行う。大気中の電界強度を計測する電界強度計測装置は、地上や屋上など屋外の様々な場所に設置されるが、同じ大気電界強度下において、高さや周囲の環境により電界強度の計測値が異なる。設置場所の違いにより、場合によっては地表面で計測した場合の数倍から数１０倍程度の電界強度を示すことがある。平面校正とは、設置場所での計測値を地表面での計測値相当に校正する処理のことをいう。そして、本実施形態では、制御部２０は、平面校正による補正に用いる校正係数を外部から設定変更可能なように構成されている。処理部２２は、外部から設定された校正係数を用いて、電界強度の計測値に対して平面校正による補正を行う。

（複数レンジの同時計測）
本実施形態の電界強度計測装置では、増幅率が異なる４個の増幅器１１〜１４を並列に設けている。この構成により、電界強度を複数のレンジで同時に計測することができる。これにより、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で電界強度を確実に計測することができる。

例えば、電界強度の計測レンジとして、晴天時の大気電界を想定した第１レンジ（例えば、−３ｋＶ／ｍ〜３ｋＶ／ｍ）、雨天時の大気電界を想定した第２レンジ（例えば、−３０ｋＶ／ｍ〜３０ｋＶ／ｍ）、雷発生時の大気電界を想定した第３レンジ（例えば、−９０ｋＶ／ｍ〜９０ｋＶ／ｍ）、山頂等の高所における計測を想定した第４レンジ（例えば、−２１０ｋＶ／ｍ〜２１０ｋＶ／ｍ）を設定する。そして、各増幅器１１〜１４について、第１〜第４レンジに対応した増幅率をそれぞれ設定する。この場合、例えば晴天時では、第１レンジで電界強度を精度良く計測することができる。また、例えば雷雨の場合には、第１レンジや第２レンジでは測定値が飽和しても、第３レンジで電界強度を精度良く計測することができる。

また、平面校正を正確に実行するためには、低電界強度下であっても大気電界強度を高精度に計測できることが必須となる。もし、低電界強度下での計測精度が悪い装置であれば、平面校正を荒天時などの高電界強度下で実行しなければならないが、この場合、装置の設置に気象条件等の制約を受ける上に、校正作業そのものが困難になる。一方で、雷雲接近時の電界強度は数十ｋＶ／ｍ以上になるため、装置が低電界強度に対して高い感度を有していると、計測値が飽和してしまい、高電界強度下における出力値の変化を得ることができない。従来では、この問題に対処するために、入力抵抗が異なる複数台の電界強度計測装置を設置したり、あるいは、増幅器の入力抵抗をその都度手動で変更したりしていた。このため、コストの増大や、装置の設置作業や計測作業の煩雑さを招いていた。

これに対して本実施形態では、増幅率が異なる複数の増幅器を備えることによって、電界強度を複数のレンジで同時に計測することができるので、平面校正と、雷雲接近時等の高電界強度現象の観測を、１台の装置で、簡易に実施することができる。

（平面校正の簡易化）
本実施形態の電界強度計測装置では、制御部２０が平面校正のための補正を行い、かつ、制御部２０は、平面校正のための補正に用いる校正係数を外部から設定可能なように構成されている。この構成により、平面校正のための計測値の補正を、ミス無く、簡易に行うことができる。

電界強度計測装置の出力値は相対値であり、平面校正のため補正を行うことによって、物理量として意味を持つ絶対値を得ることができる。すなわち、電界強度データを解析するためには、出力値を、毎回、平面校正作業によって得られた校正係数を用いて補正する必要がある。また、設置環境が変わると、校正係数を新たに求めるために、当該装置に対して平面校正作業を改めて行う必要がある。従来では、電界強度計測装置の出力値をコンピュータに集めて処理する際に、平面校正のための補正を行っていた。ところが、多数のデータを扱う場合には、電界強度計測装置毎に校正係数が異なるため、ミスが発生しやすくなる。

これに対して本実施形態では、制御部２０が、外部から設定された校正係数を用いて、平面校正のための補正を行うので、電界強度計測装置から、電界強度の計測値として、物理量として意味を持つ絶対値が出力される。したがって、多数のデータを扱う場合であっても、従来のようにミスが発生することはない。

（回転速度異常の検出）
本実施形態の電界強度計測装置では、チョッパ２の回転速度を検出する回転センサ５が設けられており、制御部２０は、回転センサ５の出力から、チョッパ２の回転速度異常を検知する。この構成により、計測された電界強度データの信頼性を担保することができる。

モータ４が停止したり異常動作したりした場合であっても、電界強度計測装置は、ある計測値、例えば極めて小さい値を出力する。一方、実際の現象として、電界強度が極めて小さい値になる場合もある。このため、従来の構成では、電界強度計測装置が極めて小さい計測値を出力した場合に、それが正常な計測値であるのか、あるいは、モータ４の停止や異常動作に起因した異常値であるのかが分からず、データ精度の信頼性が担保されていなかった。

これに対して本実施形態では、回転センサ５の出力から、チョッパ２が正常に回転していることを常時確認することができる。例えば、正常時の回転周期がＴ秒であるとき、回転センサ５の出力から検出した回転周期が、例えばＴ±１秒の範囲から外れたときは、回転速度異常が発生したと判定する。このとき、制御部２０が異常信号を出力する。この異常信号に従って、異常発生を例えばモニターに表示したり、外部のシステムに異常発生を通知したり、異常発生をデータとして記録したりすることができる。

なお、本実施形態では、電界強度計測装置について、電極３は２個であり、チョッパ２が２個の遮蔽部２ａと２個の開口部２ｂとを有しているものとしたが、電極の個数、並びに、チョッパの遮蔽部および開口部の数は、ここで説明したものに限られるものではない。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係る電界強度計測装置の概略構成図である。図３の構成では、４個の電極３１，３２が設けられている。２個の電極３１は、チョッパ２の回転軸２ｃを挟んで対向する位置にある。２個の電極３２は、チョッパ２の回転軸２ｃを挟んで対向する位置にあり、電極３１から回転方向に９０度シフトした位置にある。チョッパ２が回転することによって、チョッパ２の開口部２ｂが電極３１の上方に位置して電極３１が大気中の電界に対して露出し、かつ、チョッパ２の遮蔽部２ａが電極３２の上方に位置して電極３２が大気中の電界に対して遮蔽される状態と、チョッパ２の遮蔽部２ａが電極３１の上方に位置して電極３１が大気中の電界に対して遮蔽され、かつ、チョッパ２の開口部２ｂが電極３２の上方に位置して電極３２が大気中の電界に対して露出する状態とが、繰り返される。

また、電極３１は抵抗器７Ａに接続されており、抵抗器７Ａの両端には、電極３１の帯電状態と非帯電状態とに応じて交流電圧が発生する。電極３２は抵抗器７Ｂに接続されており、抵抗器７Ｂの両端には、電極３２の帯電状態と非帯電状態とに応じて交流電圧が発生する。本実施形態では、センシング部６Ａは、チョッパ２と、電極３１，３２と、モータ４と、抵抗器７Ａ，７Ｂとを備えている。センシング部６Ａは、大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を抵抗器７Ａ，７Ｂの一端から出力する。

増幅部１０において、増幅率が異なる４個の増幅器１１〜１４は、並列接続されており、抵抗器７Ａの電圧を非反転入力とし、抵抗器７Ｂの電圧を反転入力としている。増幅器１１〜１４は、抵抗器７Ａの電圧と抵抗器７Ｂの電圧との差電圧を増幅し、交流電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ３，Ｖｏｕｔ４を出力する。

その他の構成については、図１の構成と同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

本実施形態の電界強度計測装置でも、増幅率が異なる４個の増幅器１１〜１４を並列に設けている。この構成により、電界強度を複数のレンジで同時に計測することができる。これにより、低い電界強度から高い電界強度まで幅広い領域で電界強度を確実に計測することができる。また、制御部２０が平面校正のための補正を行い、かつ、制御部２０は、平面校正のための補正に用いる校正係数を外部から設定変更可能なように構成されている。この構成により、平面校正のための計測値の補正を、ミス無く、容易に行うことができる。また、チョッパ２の回転速度を検出する回転センサ５が設けられており、制御部２０は、回転センサ５の出力から、チョッパ２の回転速度異常を検知する。この構成により、計測された電界強度計測データの信頼性を担保することができる。

なお、本実施形態に係る電界強度計測装置についても、電極の個数、並びに、チョッパの遮蔽部および開口部の個数は、ここで説明したものに限られるものではない。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、チョッパ２の回転速度を検出する回転センサ５を設けて、回転センサ５の出力から、制御部２０が、チョッパ２の回転速度異常を検知するものとした。ただし、チョッパ２の回転速度異常を検知する方法は、これに限られるものではない。

図４はチョッパ２の回転速度異常を信号周期から検知する方法を示すイメージ図である。図４に示すように、電極３から出力される信号ＳＩＧは、チョッパ２の回転に応じた交流信号となる。制御部２０は、この信号ＳＩＧの波形からチョッパ２の１回転あたりの時間Ｔｎ（秒）を計測する（ｎは自然数）。図４の例では、チョッパ２が１回転する毎に信号ＳＩＧが３回上下動するものとして、時間Ｔｎを計測している。そして例えば、チョッパ２の正常時の回転周期がＴ秒であるとき、計測したＴｎが、例えばＴ±１秒の範囲から外れたとき、回転速度異常が発生したと判定する。この方法を用いた場合は、電界強度計測装置に回転センサ５を設ける必要がない。

あるいは、モータ４として、回転出力が内蔵されたモータを使用してもよい。例えば、モータ４が、１回転毎に、回転出力としてインパルス信号を出力する。制御部２０は、モータ４から出力されたインパルス信号を基にして、チョッパ２の１回転あたりの時間Ｔｎ（秒）を計測する。そして例えば、チョッパ２の正常時の回転周期がＴ秒であるとき、計測したＴｎが、例えばＴ±１秒の範囲から外れたとき、回転速度異常が発生したと判定する。この方法を用いた場合も、電界強度計測装置に回転センサ５を設ける必要がない。

また、上述の実施形態では、電界強度を複数のレンジで同時に計測するために、増幅率が異なる４個の増幅器１１〜１４を並列に設けたが、計測レンジおよび増幅器の個数は、４個に限られるものではない。

また、上述の実施形態では、複数レンジの同時計測について、回転式の電界強度計測装置を例にとって説明したが、他の方式の電界強度計測装置であっても、上述の実施形態と同様の構成を適用して、複数レンジの同時計測を行うようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、平面校正の簡易化について、回転式の電界強度計測装置を例にとって説明したが、他の方式の電界強度計測装置であっても、上述の実施形態と同様の構成を適用して、平面校正の簡易化を行うようにしてもよい。

本発明は、大気中の電界強度を、簡易に、精度良く計測するのに有用である。

１装置本体
２遮蔽板（チョッパ）
３電極
４モータ
５回転センサ
６，６Ａセンシング部
７，７Ａ，７Ｂ抵抗器
１０増幅部
１１，１２，１３，１４増幅器
２０制御部
２１Ａ／Ｄ変換部
３１，３２電極

Claims

大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力するセンシング部と、
前記センシング部から出力された信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の出力を入力とし、電界強度の計測値を求める制御部とを備え、
前記増幅部は、増幅率が互いに異なっており、前記センシング部から出力された信号を共通に入力とする、複数の増幅器を備え、
前記制御部は、前記各増幅器の出力を用いて、複数のレンジで、電界強度の計測値を求める
ことを特徴とする電界強度計測装置。
請求項１記載の電界強度計測装置において、
前記複数のレンジは、少なくとも、晴天時の大気電界を想定したレンジと、雷発生時の大気電界を想定したレンジとを、含む
ことを特徴とする電界強度計測装置。
大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力するセンシング部と、
前記センシング部から出力された信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の出力を入力とし、電界強度の計測値を求める制御部とを備え、
前記制御部は、平面校正のための補正に用いる校正係数を外部から設定可能なように校正されており、前記校正係数を用いて、求めた計測値に対して平面校正のための補正を行う
ことを特徴とする電界強度計測装置。
大気中の電界を検知し、検知した電界の強度を示す信号を出力するセンシング部と、
前記センシング部から出力された信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の出力を入力とし、電界強度の計測値を求める制御部とを備え、
前記センシング部は、
モータによって回転するチョッパと、
前記チョッパが回転することによって、大気中の電界に対して遮蔽状態と露出状態とが繰り返される、電極とを備え、
前記制御部は、前記チョッパの回転速度異常を検知したとき、異常信号を出力する
ことを特徴とする電界強度計測装置。
請求項４記載の電界強度計測装置において、
前記チョッパの回転速度を検出する回転センサを備え、
前記制御部は、前記回転センサの出力から、前記チョッパの回転速度異常を検知する
ことを特徴とする電界強度計測装置。