JP6364584B2 - Atmospheric electric field detector - Google Patents

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Description

本発明は、雷雲の成長過程における地上での電界強度の変化を測定するための装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for measuring a change in electric field intensity on the ground during a thundercloud growth process.

落雷とは、雷雲底から大地へ向けて先駆放電(ステップトリーダ)が繰り返し放たれ、大気の絶縁が破壊される過程を経て、雷雲と大地との間で全路放電する現象のことをいう。落雷の発生を予測するためには、雷雲と大地との間における大気電界の挙動に関する時空間情報を把握することが重要である。大気電界の状態を高い信頼度で検出できると、的確な雷予報が可能になる。すなわち、地上電界の時間空間変化を測定し、大気がやがて放電破壊に至るであろうと推測できるような電界変化が起これば、落雷の危険ありと判断すればよい。   Lightning strike refers to a phenomenon in which a complete discharge occurs between a thundercloud and the ground through a process in which a precursor discharge (step leader) is repeatedly emitted from the thundercloud bottom to the ground and the insulation of the atmosphere is destroyed. In order to predict the occurrence of a lightning strike, it is important to grasp spatiotemporal information about the behavior of the atmospheric electric field between a thundercloud and the ground. If the state of the atmospheric electric field can be detected with high reliability, an accurate lightning forecast will be possible. That is, the temporal and spatial changes in the ground electric field are measured, and if there is an electric field change that can be estimated that the atmosphere will eventually lead to discharge destruction, it may be determined that there is a risk of lightning strike.

従来は、直流の地上電界の測定には、通常、回転電極型電界計が用いられている。回転電極型電界計では、回転する接地遮蔽板すなわち回転電極による開閉動作により、大気電界相当の電荷量を固定電極で収集測定する。例えば非特許文献1では、回転電極形電界計で地上電界測定を行う場合において、電界計の校正法を検討するとともに、冬期雷に対する雷撃時の基本的地上電界波形について、理論的に検討した結果を取りまとめている。また、回転電極型電界計の原理は、高圧直流電界測定装置としても応用されている(例えば非特許文献2を参照)。   Conventionally, a rotating electrode type electrometer is usually used for measuring a DC ground electric field. The rotating electrode type electrometer collects and measures the amount of electric charge corresponding to the atmospheric electric field with a fixed electrode by an opening / closing operation by a rotating ground shielding plate, that is, a rotating electrode. For example, in Non-Patent Document 1, when terrestrial electric field measurement is performed with a rotating electrode type electrometer, the calibration method of the electrometer is examined, and the basic terrestrial electric field waveform during a lightning strike for winter lightning is theoretically examined. Are summarized. The principle of the rotating electrode type electrometer is also applied as a high-voltage DC electric field measuring device (for example, see Non-Patent Document 2).

相原他、「冬期雷地上電界測定時における測定誤差と電界波形の推定」、財団法人電力中央研究所、電力中央研究所報告、研究報告:T94069、平成7年6月Aihara et al., “Estimation of measurement error and electric field waveform during winter lightning ground electric field measurement”, Central Research Institute of Electric Power Industry, Central Research Institute of Electric Power Industry, Research report: T94069, June 1995 Tant, P., Bolsens, B., Sels, T., Van Dommelen, D., Driesen, J., Belmans, R., “Design and Application of a Field Mill as a High-Voltage DC Meter”, IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.56, NO.4, AUGUST 2007Tant, P., Bolsens, B., Sels, T., Van Dommelen, D., Driesen, J., Belmans, R., “Design and Application of a Field Mill as a High-Voltage DC Meter”, IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.56, NO.4, AUGUST 2007

ところが、上述した回転電極型電界計では、接地遮蔽板を一定速度で回転させるための電動駆動機構を必要としていた。すなわち、電界測定を行うための回路に加えて、回転電極を一定速度で回転させるための回路装置が必要であり、このため、装置が大がかりなものになっていた。また、酷寒期では着氷により遮蔽板が回転しなくなり、測定不能となってしまう、あるいは、小昆虫が駆動機構内に入り込み、収集測定した電荷量に大きな誤差が生じてしまう、等、長期間の連続測定を行う上で多くの問題点を有していた。   However, the rotating electrode type electrometer described above requires an electric drive mechanism for rotating the ground shielding plate at a constant speed. That is, in addition to a circuit for performing electric field measurement, a circuit device for rotating the rotating electrode at a constant speed is required, and thus the device has become large. Also, in the severe cold season, the shielding plate does not rotate due to icing, making measurement impossible, or small insects enter the drive mechanism, causing a large error in the collected charge amount, etc. There are many problems in continuous measurement.

本発明は、前記のような問題に鑑み、回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現するものである。   In view of the above-described problems, the present invention realizes an atmospheric electric field detection device that is highly reliable and capable of stable operation with an extremely simple configuration that does not have a rotation mechanism.

本発明の一態様では、大気電界検出装置は、対向する第1および第2電極と、前記第1および第2電極間に設けられた基準電極とを有する受信アンテナと、前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線、および、前記基準電極と前記電子回路部とを接続する基準電位線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記第1信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第1積分回路と、前記第2信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第2積分回路と、前記第1および第2積分回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている。   In one aspect of the present invention, an atmospheric electric field detection device includes a receiving antenna having opposed first and second electrodes, a reference electrode provided between the first and second electrodes, and the first and second electrodes. An electronic circuit unit for detecting a voltage generated between the electrodes, a first signal line connecting the first electrode and the electronic circuit unit, and a second signal connecting the second electrode and the electronic circuit unit And a signal line portion having a reference potential line connecting the reference electrode and the electronic circuit portion, and the electronic circuit portion generates a voltage between the first signal line and the reference potential line. A first integrating circuit for integrating; a second integrating circuit for integrating the voltage between the second signal line and the reference potential line; and receiving the outputs of the first and second integrating circuits as differential inputs for amplification And a differential amplifier.

この態様によると、受信アンテナは3極構造となっている。大気電界によって受信アンテナの、第1電極と基準電極間、および、第2電極と基準電極間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。電子回路部において、第1電極と基準電極間の電圧信号が第1積分回路によって積分され、第2電極と基準電極間の電圧信号が第2積分回路によって積分され、第1および第2積分回路の出力が差動信号として差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。   According to this aspect, the receiving antenna has a three-pole structure. Voltage signals generated between the first electrode and the reference electrode and between the second electrode and the reference electrode of the receiving antenna by the atmospheric electric field are balanced and transmitted to the electronic circuit unit via the signal line unit, respectively. In the electronic circuit unit, the voltage signal between the first electrode and the reference electrode is integrated by the first integration circuit, the voltage signal between the second electrode and the reference electrode is integrated by the second integration circuit, and the first and second integration circuits Is amplified as a differential signal by a differential amplifier. As a result, the atmospheric electric field can be accurately measured with a very simple configuration without requiring a rotating mechanism.

また、3極構造の受信アンテナと電子回路部との間で、基準電位線を介して、共通の基準電位が維持・確保されているので、大気電界検出装置を設置する際に必ずしもアースをとる必要がない。このため、容易に可搬型の大気電界検出装置とすることができる。   In addition, since a common reference potential is maintained and secured between the three-pole receiving antenna and the electronic circuit section via the reference potential line, grounding is always required when installing the atmospheric electric field detection device. There is no need. For this reason, it can be set as a portable atmospheric electric field detection apparatus easily.

そして、前記第1および第2電極、並びに、前記基準電極は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されている、としてもよい。   The first and second electrodes and the reference electrode may be configured by flat plates provided in parallel to each other.

さらに、前記受信アンテナは、前記基準電極と接続されており、かつ、前記平板の法線方向を軸方向としたとき、前記第1および第2電極をその周方向において囲うように構成された、シールド部を備えている、としてもよい。   Furthermore, the receiving antenna is connected to the reference electrode, and is configured to surround the first and second electrodes in the circumferential direction when the normal direction of the flat plate is an axial direction. It is good also as providing the shield part.

また、前記第1および第2電極、並びに、前記基準電極は、半球状に構成されている、としてもよい。   Further, the first and second electrodes and the reference electrode may be hemispherical.

また、前記電子回路部は、前記第1積分回路の出力線と接続されたCR構成の第1フィルタ回路、および、前記第2積分回路の出力線と接続されたCR構成の第2フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタを備えた、としてもよい。   The electronic circuit unit includes a first filter circuit having a CR configuration connected to the output line of the first integration circuit, and a second filter circuit having a CR configuration connected to the output line of the second integration circuit. And a filter for limiting the reception band may be provided.

これにより、大気電界検出を行う周波数帯域を容易に設定することができる。   Thereby, the frequency band which performs atmospheric electric field detection can be set up easily.

また、前記信号線部は、前記第1および第2信号線を覆う遮蔽導体を有する遮蔽ケーブルを含み、前記遮蔽導体は、前記基準電位線の一部を構成している、としてもよい
これにより、受信アンテナからの電圧信号が電子回路部に伝送される際の、電源周波数などのコモンモードノイズ耐性を強化することができる。
The signal line portion may include a shielded cable having a shield conductor covering the first and second signal lines, and the shield conductor may constitute a part of the reference potential line. In addition, resistance to common mode noise such as a power supply frequency when a voltage signal from the receiving antenna is transmitted to the electronic circuit unit can be enhanced.

また、前記差動増幅器は、利得調整抵抗が付加されていてもよい。   Further, the differential amplifier may be added with a gain adjustment resistor.

これにより、差動増幅器の出力電圧レベルを利得調整抵抗によって調整できるので、大気電界検出を行う周波数帯域に応じた利得調整が可能になる。   As a result, the output voltage level of the differential amplifier can be adjusted by the gain adjustment resistor, so that gain adjustment according to the frequency band in which the atmospheric electric field detection is performed becomes possible.

本発明の別の態様では、大気電界検出装置は、対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記第1信号線と接地線との間の電圧を積分する第1積分回路と、前記第2信号線と前記接地線との間の電圧を積分する第2積分回路と、前記第1および第2積分回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている。   In another aspect of the present invention, an atmospheric electric field detection device includes a receiving antenna having first and second electrodes facing each other, an electronic circuit unit for detecting a voltage generated between the first and second electrodes, A first signal line connecting the first electrode and the electronic circuit unit; and a signal line unit having a second signal line connecting the second electrode and the electronic circuit unit; Includes a first integrating circuit that integrates a voltage between the first signal line and the ground line, a second integrating circuit that integrates a voltage between the second signal line and the ground line, and the first And a differential amplifier for receiving and amplifying the output of the second integrating circuit as a differential input.

この態様によると、大気電界によって受信アンテナの第1および第2電極間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。電子回路部において、第1電極と接地間の電圧信号が第1積分回路によって積分され、第2電極と接地間の電圧信号が第2積分回路によって積分され、第1および第2積分回路の出力が差動信号として差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。   According to this aspect, the voltage signal generated between the first and second electrodes of the receiving antenna by the atmospheric electric field is balanced and transmitted to the electronic circuit unit via the signal line unit. In the electronic circuit unit, the voltage signal between the first electrode and the ground is integrated by the first integration circuit, the voltage signal between the second electrode and the ground is integrated by the second integration circuit, and the outputs of the first and second integration circuits Is amplified as a differential signal by a differential amplifier. As a result, the atmospheric electric field can be accurately measured with a very simple configuration without requiring a rotating mechanism.

本発明の別の態様では、大気電界検出装置は、対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記信号線部を経由して平衡伝送された信号におけるDC信号成分を、所定周波数のAC信号成分に変換するDC/AC変換回路と、前記DC/AC変換回路の出力信号に対して、前記所定周波数を含む所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成された帯域フィルタと、前記帯域フィルタの出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備える。そして、前記DC/AC変換回路は、第1および第2入力端子と第1および第2出力端子とを有し、前記第1および第2入力端子が前記第1および第2信号線とそれぞれ接続されており、前記第1および第2出力端子間の容量値を変動可能に構成された4端子可変キャパシタと、前記4端子可変キャパシタの前記第1出力端子と接地線との間の電圧を積分する第1積分回路と、前記4端子可変キャパシタの前記第2出力端子と前記接地線との間の電圧を積分する第2積分回路とを備え、前記4端子可変キャパシタの前記第1および第2出力端子間の容量値を前記所定周波数でもって変動させる。   In another aspect of the present invention, an atmospheric electric field detection device includes a receiving antenna having first and second electrodes facing each other, an electronic circuit unit for detecting a voltage generated between the first and second electrodes, A first signal line connecting the first electrode and the electronic circuit unit; and a signal line unit having a second signal line connecting the second electrode and the electronic circuit unit; Is a DC / AC conversion circuit that converts a DC signal component in a signal that is balanced and transmitted via the signal line unit into an AC signal component of a predetermined frequency, and an output signal of the DC / AC conversion circuit, A band-pass filter configured to pass a component of a predetermined band including the predetermined frequency; and a differential amplifier that receives and amplifies the output of the band-pass filter as a differential input. The DC / AC conversion circuit has first and second input terminals and first and second output terminals, and the first and second input terminals are connected to the first and second signal lines, respectively. And integrating a voltage between the first output terminal of the four-terminal variable capacitor and the ground line so that the capacitance value between the first and second output terminals can be varied. And a second integrating circuit for integrating a voltage between the second output terminal of the four-terminal variable capacitor and the ground line, and the first and second of the four-terminal variable capacitor. The capacitance value between the output terminals is varied with the predetermined frequency.

この態様によると、大気電界によって受信アンテナの第1および第2電極間に発生した電圧が、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。この電圧のうち、直流大気電界による電圧は、容量値の変動が可能な4端子可変キャパシタを備えたDC/AC変換回路によって、所定の周波数のAC信号成分に変換され、帯域フィルタによって不要ノイズが除去されてから、差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、直流大気電界を精度良く測定することができる。また、4端子可変キャパシタを用いることによって、直流電界検出とともに、電界の極性判別が可能になる。   According to this aspect, the voltage generated between the first and second electrodes of the receiving antenna by the atmospheric electric field is balanced and transmitted to the electronic circuit unit via the signal line unit. Among these voltages, the voltage due to the DC atmospheric electric field is converted into an AC signal component of a predetermined frequency by a DC / AC conversion circuit having a four-terminal variable capacitor capable of changing the capacitance value, and unnecessary noise is generated by a bandpass filter. After being removed, it is amplified by a differential amplifier. As a result, the DC atmospheric electric field can be accurately measured with a very simple configuration without requiring a rotating mechanism. In addition, by using a four-terminal variable capacitor, the polarity of the electric field can be determined together with the detection of the DC electric field.

そして、前記4端子可変キャパシタは、前記第1出力端子に接続された振動電極と、前記第2出力端子に接続された固定電極とを備え、前記振動電極を振動させることによって、前記第1および第2出力端子間の容量値を変動可能なように構成されている、としてもよい。   The four-terminal variable capacitor includes a vibrating electrode connected to the first output terminal and a fixed electrode connected to the second output terminal, and the first and second variable capacitors are vibrated by vibrating the vibrating electrode. The capacitance value between the second output terminals may be configured to be variable.

本発明によると、回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize an atmospheric electric field detection device that is highly reliable and capable of stable operation with an extremely simple configuration that does not have a rotation mechanism.

第1実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成図Basic configuration diagram of an atmospheric electric field detection device according to the first embodiment 第1実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例を示す図The figure which shows the circuit structural example of the atmospheric electric field detection apparatus which concerns on 1st Embodiment. 積分回路の構成要素の代替例Alternative components of integration circuit 受信アンテナの構成の一例を示す図であり、(a)は平面図、(b)は断面図It is a figure which shows an example of a structure of a receiving antenna, (a) is a top view, (b) is sectional drawing. 受信アンテナの構成の一例を示す図であり、(a)は平面図、(b)は断面図It is a figure which shows an example of a structure of a receiving antenna, (a) is a top view, (b) is sectional drawing. 実験結果の一例を示すグラフGraph showing an example of experimental results フィルタを備えた電子回路部の構成例Configuration example of electronic circuit unit with filter 受信アンテナの他の構成の例を示す断面図Sectional drawing which shows the example of another structure of a receiving antenna 第2実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例を示す図The figure which shows the circuit structural example of the atmospheric electric field detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成図Basic configuration diagram of an atmospheric electric field detection device according to a third embodiment 第3実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例を示す図The figure which shows the circuit structural example of the atmospheric electric field detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment. (a)〜(d)は図11の回路構成に用いられる4端子可変キャパシタの構成例(A)-(d) is a structural example of the 4-terminal variable capacitor used for the circuit structure of FIG.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図1において、受信アンテナ1は、大気電界Eaを電圧に変換するものであり、3極構造になっている。すなわち、受信アンテナ1は、対向する第1電極11および第2電極12と、第1電極11と第2電極12との間に設けられた基準電極13とを有している。受信アンテナ1は、ほぼ水平になるように設置される。すなわち、電極表面が、雷雲と大地との間に発生する雷電界方向に直交するように、言い換えると、電極表面の法線方向がほぼ鉛直方向になるように、受信アンテナ1を配置する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an atmospheric electric field detection device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a receiving antenna 1 converts an atmospheric electric field Ea into a voltage and has a three-pole structure. That is, the receiving antenna 1 includes the first electrode 11 and the second electrode 12 that face each other, and the reference electrode 13 that is provided between the first electrode 11 and the second electrode 12. The receiving antenna 1 is installed so as to be substantially horizontal. That is, the receiving antenna 1 is arranged so that the electrode surface is orthogonal to the direction of the lightning electric field generated between the thundercloud and the ground, in other words, the normal direction of the electrode surface is substantially vertical.

電子回路部5は、第1および第2電極11,12間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号を出力する。信号線部20は、第1および第2信号線21,22を覆う遮蔽導体24を有する遮蔽ケーブル23を備えており、第1信号線21は第1電極11と電子回路部5とを接続し、第2信号線22は第2電極12と電子回路部5とを接続している。遮蔽ケーブル23の遮蔽導体24は、基準電極13と接続されており、また、電子回路部5と接続されている。すなわち、遮蔽導体24は、基準電極13と電子回路部5とを接続する基準電位線25の一部を構成している。信号線部20は、信号電圧を平衡伝送するとともに、伝送する信号の基準電位を確保する。   The electronic circuit unit 5 detects a voltage generated between the first and second electrodes 11 and 12 and outputs an output signal indicating the detected voltage. The signal line unit 20 includes a shielded cable 23 having a shield conductor 24 covering the first and second signal lines 21 and 22, and the first signal line 21 connects the first electrode 11 and the electronic circuit unit 5. The second signal line 22 connects the second electrode 12 and the electronic circuit unit 5. The shield conductor 24 of the shield cable 23 is connected to the reference electrode 13 and is also connected to the electronic circuit unit 5. That is, the shield conductor 24 constitutes a part of the reference potential line 25 that connects the reference electrode 13 and the electronic circuit unit 5. The signal line unit 20 transmits the signal voltage in a balanced manner and secures a reference potential of the signal to be transmitted.

電子回路部5は、第1信号線21と基準電位線25との間の電圧を積分する第1積分回路31と、第2信号線22と基準電位線25との間の電圧を積分する第2積分回路32と、第1および第2積分回路31,32の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器40とを備えている。差動増幅器40の出力が、電子回路部5の出力信号となる。この出力信号から、例えば信号処理等によって、実用的な信号を取得し、これを例えば雷予知に活かすことができる。   The electronic circuit unit 5 integrates a voltage between the first signal line 21 and the reference potential line 25 and a first integration circuit 31 that integrates a voltage between the second signal line 22 and the reference potential line 25. And a differential amplifier 40 for receiving and amplifying the outputs of the first and second integration circuits 31 and 32 as differential inputs. The output of the differential amplifier 40 becomes the output signal of the electronic circuit unit 5. From this output signal, a practical signal can be acquired, for example, by signal processing or the like, and can be utilized for, for example, lightning prediction.

図2は本実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例である。図2において、受信アンテナ1は、静電容量Cによって表されている。また、遮蔽ケーブル23は、第1および第2信号線21,22と基準電位線25との間にある静電容量Cによって表されている。図2では、遮蔽ケーブル23の遮蔽導体24は、基準電極13、第1および第2積分回路31,32の共通電位端子、および、後述する差動増幅器40の参照電圧端子refと共通に、接地されている。これにより、受信アンテナ1の電圧信号が電子回路部5に伝送される際のノイズ耐性が強化されている。 FIG. 2 is a circuit configuration example of the atmospheric electric field detection device according to the present embodiment. 2, the receiving antenna 1 is represented by the capacitance C 0. The shielded cable 23 is represented by a capacitance C c between the first and second signal lines 21 and 22 and the reference potential line 25. In FIG. 2, the shield conductor 24 of the shield cable 23 is grounded in common with the reference electrode 13, the common potential terminal of the first and second integrating circuits 31 and 32, and the reference voltage terminal ref of the differential amplifier 40 described later. Has been. Thereby, noise resistance when the voltage signal of the receiving antenna 1 is transmitted to the electronic circuit unit 5 is enhanced.

第1および第2積分回路31,32は、同様の回路構成からなる。第1積分回路31は、オペアンプ31aを備えている。オペアンプ31aは、反転入力が第1信号線21と抵抗Rを介して接続されており、非反転入力が基準電位線25と抵抗Rを介して接続されている。また、反転入力と出力との間に、抵抗Rおよび容量Cが並列に接続されている。第2積分回路32は、オペアンプ32aを備えている。オペアンプ32aは、反転入力が第2信号線22と抵抗Rを介して接続されており、非反転入力が基準電位線25と抵抗Rを介して接続されている。また、反転入力と出力との間に、抵抗Rおよび容量Cが並列に接続されている。 The first and second integrating circuits 31 and 32 have the same circuit configuration. The first integration circuit 31 includes an operational amplifier 31a. Operational amplifier 31a is an inverting input is connected via a first signal line 21 resistance R s, the non-inverting input is connected via a resistor R b reference potential line 25. Furthermore, between the output and the inverting input, resistor R d and the capacitance C s are connected in parallel. The second integration circuit 32 includes an operational amplifier 32a. Operational amplifier 32a is an inverting input is connected via a and a resistor R s second signal line 22, the non-inverting input is connected via the reference potential line 25 to resistor R b. Furthermore, between the output and the inverting input, resistor R d and the capacitance C s are connected in parallel.

なお、抵抗Rは時定数調整と放電機能の役割を持っている。例えば、時定数を大きくしてDCオフセット電圧が発生する場合には、第1および第2積分回路31,32において、部分Xの構成を、図3に示すようなT型ネットワーク構成としてもよい。 The resistor Rd has a role of time constant adjustment and discharge function. For example, when a DC offset voltage is generated by increasing the time constant, the configuration of the part X in the first and second integration circuits 31 and 32 may be a T-type network configuration as shown in FIG.

差動増幅器40は、オペアンプ41を備えている。オペアンプ41は、第1積分回路31の出力を反転入力として受けるとともに、第2積分回路32の出力を非反転入力として受ける。すなわち、差増増幅器40は、第1および第2積分回路31,32の出力を差動入力として受け、増幅する。差動増幅器40の参照電圧端子refは、基準電位線25と接続され、かつ、接地されている。また、オペアンプ41は、利得調整を行うための利得設定抵抗Rが付加されている。 The differential amplifier 40 includes an operational amplifier 41. The operational amplifier 41 receives the output of the first integrating circuit 31 as an inverting input and receives the output of the second integrating circuit 32 as a non-inverting input. That is, the differential amplifier 40 receives and amplifies the outputs of the first and second integrating circuits 31 and 32 as differential inputs. The reference voltage terminal ref of the differential amplifier 40 is connected to the reference potential line 25 and grounded. The operational amplifier 41 is added with a gain setting resistor RG for adjusting the gain.

このような構成によって、大気電界Eaによって受信アンテナ1の、第1電極11と基準電極13間、および、第2電極12と基準電極13間に発生した電圧が、それぞれ、信号線部20を経由して電子回路部5に平衡伝送される。電子回路部5において、第1電極11と基準電極13間の電圧信号が第1積分回路31によって積分され、第2電極12と基準電極13間の電圧信号が第2積分回路32によって積分され、第1および第2積分回路31,32の出力が差動信号として差動増幅器40によって増幅される。これにより、回転部を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。   With such a configuration, the voltage generated between the first electrode 11 and the reference electrode 13 and between the second electrode 12 and the reference electrode 13 of the receiving antenna 1 by the atmospheric electric field Ea passes through the signal line unit 20, respectively. Thus, balanced transmission is performed to the electronic circuit unit 5. In the electronic circuit unit 5, the voltage signal between the first electrode 11 and the reference electrode 13 is integrated by the first integrating circuit 31, the voltage signal between the second electrode 12 and the reference electrode 13 is integrated by the second integrating circuit 32, The outputs of the first and second integrating circuits 31 and 32 are amplified by the differential amplifier 40 as differential signals. Thereby, an atmospheric electric field can be measured with high accuracy by an extremely simple configuration without requiring a rotating part.

図4は受信アンテナ1の電極形状の例であり、(a)は平面図、(b)は断面図である。図4の例では、第1および第2電極11,12並びに基準電極13は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されており、支持部14によって互いに絶縁状態で支持されている。第1および第2電極11,12の平面形状は円形であり、互いに同一形状であり等面積である。基準電極13の平面形状も円形であり、平面視で、第1および第2電極11,12と同心であり、第1および第2電極11,12よりも径が大きくなっている。   4A and 4B show examples of the electrode shape of the receiving antenna 1. FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view. In the example of FIG. 4, the first and second electrodes 11, 12 and the reference electrode 13 are respectively configured by flat plates provided in parallel to each other, and are supported by the support portion 14 in an insulated state. The planar shapes of the first and second electrodes 11 and 12 are circular, the same shape, and the same area. The planar shape of the reference electrode 13 is also circular, is concentric with the first and second electrodes 11 and 12 in plan view, and has a larger diameter than the first and second electrodes 11 and 12.

図5は受信アンテナ1の電極形状の他の例であり、(a)は平面図、(b)は断面図である。図5の例では、図4の例と同様に、第1および第2電極11,12並びに基準電極13は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されており、支持部14によって互いに絶縁状態で支持されている。第1および第2電極11,12の平面形状は円形であり、互いに同一形状であり等面積である。基準電極13の平面形状も円形であり、平面視で、第1および第2電極11,12と同心であり、第1および第2電極11,12よりも径が大きくなっている。   FIG. 5 shows another example of the electrode shape of the receiving antenna 1, wherein (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view. In the example of FIG. 5, as in the example of FIG. 4, the first and second electrodes 11, 12 and the reference electrode 13 are respectively configured by flat plates provided in parallel to each other, and are insulated from each other by the support portion 14. It is supported by. The planar shapes of the first and second electrodes 11 and 12 are circular, the same shape, and the same area. The planar shape of the reference electrode 13 is also circular, is concentric with the first and second electrodes 11 and 12 in plan view, and has a larger diameter than the first and second electrodes 11 and 12.

図5の受信アンテナ1はさらに、基準電極13と接続されたシールド部15を備えている。シールド部15は、第1および第2電極11,12並びに基準電極13を構成する平板の法線方向を軸方向としたとき、第1および第2電極11,12をその周方向において囲うように構成されている。   The receiving antenna 1 of FIG. 5 further includes a shield portion 15 connected to the reference electrode 13. The shield portion 15 surrounds the first and second electrodes 11 and 12 in the circumferential direction when the normal direction of the flat plates constituting the first and second electrodes 11 and 12 and the reference electrode 13 is the axial direction. It is configured.

図4の受信アンテナ1は、鉛直方向に対して斜め方向の電界を受信できる。このため、雷雲周辺(例えば10km超)での電界検出が可能であり、中距離の落雷予測に有効である。一方、図5の受信アンテナ1は、鉛直方向の電界のみを受信できる。このため、雷雲直下(例えば10km以内)での電界検出が可能であり、近距離の落雷予測に有効である。   The receiving antenna 1 of FIG. 4 can receive an electric field oblique to the vertical direction. For this reason, it is possible to detect an electric field in the vicinity of a thundercloud (for example, more than 10 km), which is effective for lightning prediction at a medium distance. On the other hand, the receiving antenna 1 of FIG. 5 can receive only the electric field in the vertical direction. For this reason, it is possible to detect an electric field directly under a thundercloud (for example, within 10 km), which is effective for lightning strike prediction in a short distance.

なお、受信アンテナにおける電極形状は、その他にも様々なものが考えられる。例えば、方形状であってもよいし、六角形等の多角形状であってもよい。あるいは、複数の電極片が電気的に接続された形状であってもよい。また、第1電極11および第2電極12は、互いに同一形状であり等面積であることが好ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。また、基準電極13は、第1および第2電極11,12とは異なる形状であってもかまわない。   Various other electrode shapes for the receiving antenna are conceivable. For example, it may be a square shape or a polygonal shape such as a hexagon. Alternatively, a shape in which a plurality of electrode pieces are electrically connected may be used. Moreover, although it is preferable that the 1st electrode 11 and the 2nd electrode 12 are mutually the same shape and are equal areas, it is not necessarily restricted to this. Further, the reference electrode 13 may have a shape different from that of the first and second electrodes 11 and 12.

図6は本願発明者等の実験の結果得られたデータの一例である。図6において、横軸は試験的に印加した電界の強度、縦軸は本実施形態に係る大気電界検出装置の出力である。落雷に至る雷雲電界では、緩慢な電界変動や瞬間的な高周波成分を含む電界変動が生じるが、図6から、電界変動の周波数に拘わらず、電界強度に対してリニアな出力が得られていることが分かる。   FIG. 6 is an example of data obtained as a result of experiments by the inventors. In FIG. 6, the horizontal axis represents the intensity of the electric field applied on a trial basis, and the vertical axis represents the output of the atmospheric electric field detection device according to the present embodiment. In the thundercloud electric field leading to a lightning strike, an electric field fluctuation including a slow electric field fluctuation and an instantaneous high-frequency component occurs. From FIG. 6, a linear output with respect to the electric field strength is obtained regardless of the frequency of the electric field fluctuation. I understand that.

以上のように本実施形態によると、従来の回転電極型電界計のように回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。すなわち、大気電界Eaによって受信アンテナ1の、第1電極11と基準電極13との間、および、第2電極12と基準電極13との間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部20を経由して電子回路部5に平衡伝送される。電子回路部5において、第1電極11−基準電極13間の電圧信号が第1積分回路31によって積分され、第2電極12−基準電極13間の電圧信号が第2積分回路32によって積分され、第1および第2積分回路31,32の出力が差動信号として差動増幅器40によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。また、3極構造の受信アンテナ1と電子回路部5との間で、基準電位線25を介して、共通の基準電位が維持・確保されているので、大気電界検出装置を設置する際にアースをとる必要がない。このため、容易に可搬型の大気電界検出装置とすることができる。また、差動増幅器40の出力電圧レベルを利得調整抵抗Rによって調整できるので、大気電界検出を行う周波数帯域に応じた利得調整が可能になる。 As described above, according to the present embodiment, the atmospheric electric field detection capable of high reliability and stable operation with an extremely simple configuration without the need for a rotation mechanism as in the conventional rotating electrode type electrometer. An apparatus can be realized. That is, voltage signals generated between the first electrode 11 and the reference electrode 13 and between the second electrode 12 and the reference electrode 13 of the receiving antenna 1 by the atmospheric electric field Ea are respectively transmitted to the signal line unit 20. Via the balanced transmission to the electronic circuit unit 5. In the electronic circuit unit 5, the voltage signal between the first electrode 11 and the reference electrode 13 is integrated by the first integrating circuit 31, the voltage signal between the second electrode 12 and the reference electrode 13 is integrated by the second integrating circuit 32, The outputs of the first and second integrating circuits 31 and 32 are amplified by the differential amplifier 40 as differential signals. As a result, the atmospheric electric field can be accurately measured with a very simple configuration without requiring a rotating mechanism. In addition, since a common reference potential is maintained and secured between the reception antenna 1 having the three-pole structure and the electronic circuit unit 5 via the reference potential line 25, grounding is performed when the atmospheric electric field detection device is installed. There is no need to take For this reason, it can be set as a portable atmospheric electric field detection apparatus easily. Further, since the output voltage level of the differential amplifier 40 can be adjusted by the gain adjustment resistor RG , gain adjustment according to the frequency band in which the atmospheric electric field detection is performed becomes possible.

(変形例)
図7に示すように、第1および第2積分回路31,32と差動増幅器40との間に、受信帯域を制限するためのフィルタ50を設けてもよい。フィルタ50は、第1積分回路31の出力線と接続されたCR構成の第1フィルタ回路51と、第2積分回路32の出力線と接続されたCR構成の第2フィルタ回路52とを備えている。ここで、CR構成とは、容量素子(C)と抵抗素子(R)とを備えた構成のことをいう。図7では、第1フィルタ回路51は、直列に接続された容量素子Cおよび抵抗素子Rと、他の抵抗素子Rとが並列に接続された構成になっている。第2フィルタ回路52も第1フィルタ回路31と同様の構成である。
(Modification)
As shown in FIG. 7, a filter 50 for limiting the reception band may be provided between the first and second integrating circuits 31 and 32 and the differential amplifier 40. The filter 50 includes a first filter circuit 51 having a CR configuration connected to the output line of the first integration circuit 31, and a second filter circuit 52 having a CR configuration connected to the output line of the second integration circuit 32. Yes. Here, the CR configuration refers to a configuration including a capacitive element (C) and a resistance element (R). In Figure 7, the first filter circuit 51 has a configuration in which a capacitor C 1 and a resistor R 1 connected in series, and other resistive elements R 1 are connected in parallel. The second filter circuit 52 has the same configuration as the first filter circuit 31.

容量素子Cの容量値、および抵抗素子Rの抵抗値を適宜設定することによって、第1および第2フィルタ回路51,52の時定数を所望の値に設定することができる。例えば、可変容量素子や可変抵抗素子を用いることによって、時定数を調整可能なように、フィルタを構成することができる。あるいは、容量素子や抵抗素子を交換可能な構成にすることによって、時定数を設定可能なように、フィルタを構成することができる。すなわち、第1および第2フィルタ回路51,52の周波数特性を設定または調整することができるので、大気電界検出を行う周波数帯域を容易に設定することができる。なお、フィルタ回路の構成は、ここで示したものに限られるものではない。 By appropriately setting the capacitance value of the capacitive element C 1 and the resistance value of the resistive element R 1 , the time constants of the first and second filter circuits 51 and 52 can be set to desired values. For example, the filter can be configured so that the time constant can be adjusted by using a variable capacitance element or a variable resistance element. Alternatively, the filter can be configured such that the time constant can be set by replacing the capacitor element and the resistor element. That is, since the frequency characteristics of the first and second filter circuits 51 and 52 can be set or adjusted, the frequency band for performing atmospheric electric field detection can be easily set. The configuration of the filter circuit is not limited to that shown here.

また、上述した実施形態では、受信アンテナ1の各電極11,12,13は、互いに並行に設けられた平板によってそれぞれ構成されているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、図8は受信アンテナの電極の他の構成例を示す断面図である。図8の構成では、受信アンテナ1Aは半球状に構成されている。すなわち、第1電極11A、第2電極12Aおよび基準電極13Aはそれぞれ、半球状に構成されており、支持部14によって互いに絶縁状態で支持されている。図8の受信アンテナ1Aは、ほぼ全方向からの電界を受信できる。このため、雷雲周辺(例えば10km超)での電界検出が可能であり、例えばビル群空間に設置するのに有用である。   In the above-described embodiment, each of the electrodes 11, 12, and 13 of the receiving antenna 1 is configured by flat plates provided in parallel to each other. However, the present invention is not limited to this. For example, FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration example of the electrode of the receiving antenna. In the configuration of FIG. 8, the receiving antenna 1A is formed in a hemispherical shape. In other words, each of the first electrode 11A, the second electrode 12A, and the reference electrode 13A has a hemispherical shape and is supported by the support portion 14 in an insulated state. The receiving antenna 1A of FIG. 8 can receive electric fields from almost all directions. For this reason, it is possible to detect an electric field around a thundercloud (for example, more than 10 km), which is useful for installation in a building group space, for example.

(第2実施形態)
第1実施形態では、受信アンテナ1は3極構造であるものとした。ただし、上述した回路構成は、2極構造の受信アンテナにも適用可能である。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the receiving antenna 1 has a three-pole structure. However, the circuit configuration described above can also be applied to a two-pole receiving antenna.

図9は本発明の第2実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例を示す図である。図9において、受信アンテナ2は、大気電界Eaを電圧に変換するものであり、2極構造になっている。すなわち、受信アンテナ2は、対向する第1電極11および第2電極12を有している。電子回路部5の回路構成は図7と同様である。すなわち、電子回路部5において、第1積分回路31は第1信号線21と接地線との間の電圧を積分する。第2積分回路32は第2信号線22と接地線との間の電圧を積分する。差動増幅器40は、第1および第2積分回路31,32の出力を差動入力として受け、増幅する。第1積分回路31の出力線にCR構成の第1フィルタ回路51が接続されており、第2積分回路32の出力線にCR構成の第2フィルタ回路52が接続されている。なお、第1実施形態と同様に、第1および第2フィルタ回路51,52は省いてもかまわない。   FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration example of the atmospheric electric field detection device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 9, the receiving antenna 2 converts the atmospheric electric field Ea into a voltage, and has a bipolar structure. That is, the receiving antenna 2 has a first electrode 11 and a second electrode 12 that face each other. The circuit configuration of the electronic circuit unit 5 is the same as that shown in FIG. That is, in the electronic circuit unit 5, the first integration circuit 31 integrates the voltage between the first signal line 21 and the ground line. The second integration circuit 32 integrates the voltage between the second signal line 22 and the ground line. The differential amplifier 40 receives and amplifies the outputs of the first and second integrating circuits 31 and 32 as differential inputs. A CR configuration first filter circuit 51 is connected to the output line of the first integration circuit 31, and a CR configuration second filter circuit 52 is connected to the output line of the second integration circuit 32. Note that the first and second filter circuits 51 and 52 may be omitted as in the first embodiment.

本実施形態によると、大気電界Eaによって受信アンテナ2の第1および第2電極11,12間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部20を経由して電子回路部5に平衡伝送される。電子回路部5において、第1電極11と接地間の電圧信号が第1積分回路31によって積分され、第2電極12と接地間の電圧信号が第2積分回路32によって積分され、第1および第2積分回路31,32の出力が差動信号として差動増幅器40によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。   According to the present embodiment, voltage signals generated between the first and second electrodes 11 and 12 of the receiving antenna 2 by the atmospheric electric field Ea are balanced and transmitted to the electronic circuit unit 5 via the signal line unit 20, respectively. . In the electronic circuit unit 5, the voltage signal between the first electrode 11 and the ground is integrated by the first integrating circuit 31, the voltage signal between the second electrode 12 and the ground is integrated by the second integrating circuit 32, and the first and first The outputs of the two integrating circuits 31 and 32 are amplified by the differential amplifier 40 as a differential signal. As a result, the atmospheric electric field can be accurately measured with a very simple configuration without requiring a rotating mechanism.

(第3実施形態)
図10は本発明の第3実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図10の構成は、直流大気電界(DC−AEF)を検出可能にするものであり、電子回路部5Aの前段にDC/AC変換回路60が縦続接続されている。図10において、図1と共通の構成要素には図1と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of an atmospheric electric field detection device according to the third embodiment of the present invention. The configuration of FIG. 10 enables detection of a direct-current atmospheric electric field (DC-AEF), and a DC / AC conversion circuit 60 is cascade-connected in front of the electronic circuit unit 5A. 10, components common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and detailed description thereof is omitted here.

電子回路部5Aは、信号線部20を経由して平衡伝送された信号におけるDC信号成分を、所定周波数のAC信号成分に変換するDC/AC変換回路60と、DC/AC変換回路60の出力信号に対して周波数弁別を行う帯域フィルタ70と、帯域フィルタ70の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器40とを備えている。帯域フィルタ70は、DC/AC変換回路60において変換がなされる所定周波数を含む、所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成されている。第1実施形態と同様に、差動増幅器40の出力が、電子回路部5Aの出力信号となる。この出力信号から、例えば信号処理等によって、実用的な信号を取得し、これを例えば雷予知に活かすことができる。   The electronic circuit unit 5A includes a DC / AC conversion circuit 60 that converts a DC signal component in a signal that is balanced and transmitted via the signal line unit 20 into an AC signal component having a predetermined frequency, and an output of the DC / AC conversion circuit 60. A band filter 70 that performs frequency discrimination on a signal and a differential amplifier 40 that receives and amplifies the output of the band filter 70 as a differential input are provided. The band filter 70 is configured to allow a component of a predetermined band including a predetermined frequency converted by the DC / AC conversion circuit 60 to pass therethrough. As in the first embodiment, the output of the differential amplifier 40 becomes the output signal of the electronic circuit unit 5A. From this output signal, a practical signal can be acquired, for example, by signal processing or the like, and can be utilized for, for example, lightning prediction.

図11は本実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例である。図11において、図2と共通の構成要素には図2と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。DC/AC変換回路60は、受信電荷の減衰を抑制するためのバッファアンプ61,62と、入力端子N1,N2と出力端子N3,N4とを有する4端子構成のキャパシタである4端子可変キャパシタ63と、第1および第2積分回路64,65とを備える。4端子可変キャパシタ63は、出力端子N3,N4間の容量値Cvを変動させることが可能なように構成されている。第1積分回路64は、4端子可変キャパシタ63の出力端子N3と接地線との間の電圧を積分する。第2積分回路65は、4端子可変キャパシタ63の出力端子N4と接地線との間の電圧を積分する。帯域フィルタ70は、第1積分回路64の出力線側に設けられた第1バンドパスフィルタ(BPF)71と、第2積分回路65の出力線側に設けられた第2バンドパスフィルタ(BPF)72とを備えている。第1および第2BPF 71,72は、例えば、可変容量素子と可変抵抗素子とを用いたCR構成とすればよい。   FIG. 11 is a circuit configuration example of the atmospheric electric field detection device according to the present embodiment. In FIG. 11, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 2, and detailed description thereof is omitted here. The DC / AC conversion circuit 60 is a four-terminal variable capacitor 63 that is a four-terminal capacitor having buffer amplifiers 61 and 62 for suppressing attenuation of received charges, and input terminals N1 and N2 and output terminals N3 and N4. And first and second integration circuits 64 and 65. The 4-terminal variable capacitor 63 is configured to be able to vary the capacitance value Cv between the output terminals N3 and N4. The first integration circuit 64 integrates the voltage between the output terminal N3 of the four-terminal variable capacitor 63 and the ground line. The second integration circuit 65 integrates the voltage between the output terminal N4 of the four-terminal variable capacitor 63 and the ground line. The bandpass filter 70 includes a first bandpass filter (BPF) 71 provided on the output line side of the first integration circuit 64 and a second bandpass filter (BPF) provided on the output line side of the second integration circuit 65. 72. The first and second BPFs 71 and 72 may have a CR configuration using, for example, a variable capacitance element and a variable resistance element.

図12は4端子可変キャパシタ63の構成の一例である。図12(a)〜(c)の例では、4端子可変キャパシタ63は、入力端子N1,N2がそれぞれ接続された電極同士の間に、出力端子N3に接続された振動電極と、出力端子N4に接続された固定電極とが設けられている。図12(a)の例では、振動電極を固定電極に接触させることなく上下に振動させる構成としている。図12(b)の例では、振動電極を固定電極に接触させることなく斜めに振動させる構成としている。図12(c)の例では、圧電素子の制御によって、振動電極を固定電極に接触させることなく上下に振動させる構成としている。いずれも、振動電極を振動させることによって、出力端子N3,N4間の容量値を変動可能なように構成されている。また、図12(d)の例では、4端子可変キャパシタ63は、入力端子N1,N2がそれぞれ接続された電極同士の間に、出力端子N3,N4にそれぞれ接続された固定電極が設けられており、固定電極間に誘電板が設けられている。誘電板は固定電極に接触することなく、固定電極と平行な方向に振動可能なように構成されている。   FIG. 12 shows an example of the configuration of the four-terminal variable capacitor 63. 12A to 12C, the four-terminal variable capacitor 63 includes a vibrating electrode connected to the output terminal N3 and an output terminal N4 between the electrodes to which the input terminals N1 and N2 are connected. And a fixed electrode connected to. In the example of FIG. 12A, the vibrating electrode is configured to vibrate up and down without contacting the fixed electrode. In the example of FIG. 12B, the vibration electrode is vibrated obliquely without contacting the fixed electrode. In the example of FIG. 12C, the vibration electrode is vibrated up and down without being brought into contact with the fixed electrode by controlling the piezoelectric element. In either case, the capacitance value between the output terminals N3 and N4 can be varied by vibrating the vibrating electrode. In the example of FIG. 12D, the four-terminal variable capacitor 63 is provided with fixed electrodes connected to the output terminals N3 and N4 between the electrodes connected to the input terminals N1 and N2, respectively. In addition, a dielectric plate is provided between the fixed electrodes. The dielectric plate is configured to be able to vibrate in a direction parallel to the fixed electrode without contacting the fixed electrode.

第1および第2積分回路64,65は、具体的には例えば、第1実施形態で示した第1および第2積分回路31,32と同様に構成すればよい。第1および第2積分回路64,65は、4端子可変キャパシタ63の出力に対するスパイクノイズ吸収および受信電荷維持と、DCオフセット電圧抑制機能とを有する。   Specifically, the first and second integration circuits 64 and 65 may be configured similarly to the first and second integration circuits 31 and 32 shown in the first embodiment, for example. The first and second integration circuits 64 and 65 have spike noise absorption and reception charge maintenance for the output of the four-terminal variable capacitor 63, and a DC offset voltage suppression function.

DC−AC変換回路60は、DC−AEF受信による直流電荷を、4端子可変キャパシタ63を介して、所定周波数で変化する交流電圧(AC信号)に変換する。帯域フィルタ70は、帯域制限により、不要ノイズを除去してこのAC信号のみを通過させる。この場合の差動増幅器40の出力から、直流大気電界を検出することができる。すなわち、本実施形態によると、変化のない電界や変化が非常に遅い電界についても、回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、検出することができる。また、帯域フィルタ70による周波数弁別によって、他の周波数成分も併せて観測することができるので、交流大気電界(AC−AEF)やパルス大気電界(PULSE−AEF)も、直流大気電界とともに検出することができる。また、4端子可変キャパシタ63を用いることによって、直流電界検出とともに、電界の極性判別が可能になる。   The DC-AC conversion circuit 60 converts the DC charge generated by the DC-AEF reception into an AC voltage (AC signal) that changes at a predetermined frequency via the four-terminal variable capacitor 63. The band filter 70 removes unnecessary noise and allows only the AC signal to pass through due to band limitation. A DC atmospheric electric field can be detected from the output of the differential amplifier 40 in this case. That is, according to the present embodiment, an electric field that does not change or an electric field that changes very slowly can be detected with a very simple configuration without requiring a rotating mechanism. Moreover, since other frequency components can also be observed by the frequency discrimination by the band filter 70, the AC atmospheric electric field (AC-AEF) and the pulsed atmospheric electric field (PULSE-AEF) should be detected together with the DC atmospheric electric field. Can do. Further, by using the four-terminal variable capacitor 63, the polarity of the electric field can be determined together with the detection of the DC electric field.

なお、本実施形態では、受信アンテナ1は3極構造であるものとしたが、上述した回路構成は、2極構造の受信アンテナにも適用可能である。この場合は、受信アンテナ1の基準電極13と遮蔽導体24との接続を省くだけでよい。   In this embodiment, the receiving antenna 1 has a three-pole structure. However, the circuit configuration described above can also be applied to a two-pole receiving antenna. In this case, it is only necessary to omit the connection between the reference electrode 13 of the receiving antenna 1 and the shielding conductor 24.

本発明では、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く安定した動作が可能な大気電界検出装置を実現できるので、例えば、本発明に係る装置を広範囲に3ヶ所以上定点配置した雷観測法により雷予測の精度向上が可能となる。   In the present invention, an atmospheric electric field detection device capable of stable operation with high reliability can be realized with an extremely simple configuration. For example, lightning can be detected by a lightning observation method in which the device according to the present invention is arranged at three or more fixed points in a wide range. The prediction accuracy can be improved.

1,1A,2 受信アンテナ
5,5A 電子回路部
11,11A 第1電極
12,12A 第2電極
13,13A 基準電極
15 シールド部
20 信号線部
21 第1信号線
22 第2信号線
23 遮蔽ケーブル
24 遮蔽導体
25 基準電位線
31 第1積分回路
32 第2積分回路
40 差動増幅器
50 フィルタ
51 第1フィルタ回路
52 第2フィルタ回路
60 DC/AC変換回路
63 4端子可変キャパシタ
64 第1積分回路
65 第2積分回路
70 帯域フィルタ
Ea 大気電界
利得調整抵抗
N1,N2 入力端子
N3,N4 出力端子
1, 1A, 2 Receiving antenna 5, 5A Electronic circuit part 11, 11A First electrode 12, 12A Second electrode 13, 13A Reference electrode 15 Shield part 20 Signal line part 21 First signal line 22 Second signal line 23 Shielded cable 24 shield conductor 25 reference potential line 31 first integration circuit 32 second integration circuit 40 differential amplifier 50 filter 51 first filter circuit 52 second filter circuit 60 DC / AC conversion circuit 63 four-terminal variable capacitor 64 first integration circuit 65 Second integration circuit 70 Bandpass filter Ea Atmospheric electric field RG Gain adjustment resistor N1, N2 Input terminal N3, N4 Output terminal

Claims (10)

対向する第1および第2電極と、前記第1および第2電極間に設けられた基準電極とを有する受信アンテナと、
前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線、および、前記基準電極と前記電子回路部とを接続する基準電位線を有する信号線部とを備え、
前記電子回路部は、
前記第1信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第1積分回路と、
前記第2信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第2積分回路と、
前記第1および第2積分回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
A receiving antenna having first and second electrodes facing each other and a reference electrode provided between the first and second electrodes;
An electronic circuit unit for detecting a voltage generated between the first and second electrodes;
A first signal line connecting the first electrode and the electronic circuit unit; a second signal line connecting the second electrode and the electronic circuit unit; and connecting the reference electrode and the electronic circuit unit. A signal line portion having a reference potential line,
The electronic circuit unit is
A first integration circuit for integrating a voltage between the first signal line and the reference potential line;
A second integrating circuit for integrating a voltage between the second signal line and the reference potential line;
An atmospheric electric field detection device comprising: a differential amplifier for receiving and amplifying outputs of the first and second integration circuits as differential inputs.
請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記第1および第2電極、並びに、前記基準電極は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
In the atmospheric electric field detection device according to claim 1,
The atmospheric electric field detection device, wherein the first and second electrodes and the reference electrode are configured by flat plates provided in parallel to each other.
請求項2記載の大気電界検出装置において、
前記受信アンテナは、
前記基準電極と接続されており、かつ、前記平板の法線方向を軸方向としたとき、前記第1および第2電極をその周方向において囲うように構成された、シールド部を備えている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
The atmospheric electric field detection device according to claim 2,
The receiving antenna is
A shield portion connected to the reference electrode and configured to surround the first and second electrodes in the circumferential direction when the normal direction of the flat plate is an axial direction; An atmospheric electric field detector.
請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記第1および第2電極、並びに、前記基準電極は、半球状に構成されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
In the atmospheric electric field detection device according to claim 1,
The atmospheric electric field detection device, wherein the first and second electrodes and the reference electrode are formed in a hemispherical shape.
請求項1〜4のうちいずれか1項記載の大気電界検出装置において、
前記電子回路部は、
前記第1積分回路の出力線と接続されたCR構成の第1フィルタ回路、および、前記第2積分回路の出力線と接続されたCR構成の第2フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタを備えた
ことを特徴とする大気電界検出装置。
In the atmospheric electric field detection device according to any one of claims 1 to 4,
The electronic circuit unit is
A first filter circuit having a CR configuration connected to the output line of the first integration circuit; and a second filter circuit having a CR configuration connected to the output line of the second integration circuit, and limiting a reception band. An atmospheric electric field detection device comprising a filter for the purpose.
請求項1〜5のうちいずれか1項記載の大気電界検出装置において、
前記信号線部は、前記第1および第2信号線を覆う遮蔽導体を有する遮蔽ケーブルを含み、
前記遮蔽導体は、前記基準電位線の一部を構成している
ことを特徴とする大気電界検出装置。
In the atmospheric electric field detection device according to any one of claims 1 to 5,
The signal line portion includes a shielded cable having a shield conductor covering the first and second signal lines,
The atmospheric electric field detection device, wherein the shielding conductor constitutes a part of the reference potential line.
請求項1〜6のうちいずれか1項記載の大気電界検出装置において、
前記差動増幅器は、利得調整抵抗が付加されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
In the atmospheric electric field detection device according to any one of claims 1 to 6,
The atmospheric amplifier according to claim 1, wherein a gain adjusting resistor is added to the differential amplifier.
対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、
前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、
前記電子回路部は、
前記第1信号線と接地線との間の電圧を積分する第1積分回路と、
前記第2信号線と前記接地線との間の電圧を積分する第2積分回路と、
前記第1および第2積分回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
A receiving antenna having opposing first and second electrodes;
An electronic circuit unit for detecting a voltage generated between the first and second electrodes;
A first signal line connecting the first electrode and the electronic circuit unit, and a signal line unit having a second signal line connecting the second electrode and the electronic circuit unit,
The electronic circuit unit is
A first integrating circuit for integrating a voltage between the first signal line and the ground line;
A second integrating circuit for integrating a voltage between the second signal line and the ground line;
An atmospheric electric field detection device comprising: a differential amplifier for receiving and amplifying outputs of the first and second integration circuits as differential inputs.
対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、
前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、
前記電子回路部は、
前記信号線部を経由して平衡伝送された信号におけるDC信号成分を、所定周波数のAC信号成分に変換するDC/AC変換回路と、
前記DC/AC変換回路の出力信号に対して、前記所定周波数を含む所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成された帯域フィルタと、
前記帯域フィルタの出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備え、
前記DC/AC変換回路は、
第1および第2入力端子と第1および第2出力端子とを有し、前記第1および第2入力端子が前記第1および第2信号線とそれぞれ接続されており、前記第1および第2出力端子間の容量値を変動可能に構成された4端子可変キャパシタと、
前記4端子可変キャパシタの前記第1出力端子と接地線との間の電圧を積分する第1積分回路と、
前記4端子可変キャパシタの前記第2出力端子と前記接地線との間の電圧を積分する第2積分回路とを備え、
前記4端子可変キャパシタの前記第1および第2出力端子間の容量値を前記所定周波数でもって変動させる
ことを特徴とする大気電界検出装置。
A receiving antenna having opposing first and second electrodes;
An electronic circuit unit for detecting a voltage generated between the first and second electrodes;
A first signal line connecting the first electrode and the electronic circuit unit, and a signal line unit having a second signal line connecting the second electrode and the electronic circuit unit,
The electronic circuit unit is
A DC / AC conversion circuit for converting a DC signal component in a signal transmitted in a balanced manner via the signal line unit into an AC signal component having a predetermined frequency;
A bandpass filter configured to allow a component of a predetermined band including the predetermined frequency to pass through the output signal of the DC / AC conversion circuit;
A differential amplifier that receives and amplifies the output of the bandpass filter as a differential input;
The DC / AC conversion circuit includes:
The first and second input terminals, the first and second output terminals, and the first and second input terminals are connected to the first and second signal lines, respectively. A four-terminal variable capacitor configured such that the capacitance value between the output terminals can be varied;
A first integration circuit for integrating a voltage between the first output terminal of the four-terminal variable capacitor and a ground line;
A second integrating circuit for integrating a voltage between the second output terminal of the four-terminal variable capacitor and the ground line;
An atmospheric electric field detection device, wherein a capacitance value between the first and second output terminals of the four-terminal variable capacitor is varied with the predetermined frequency.
請求項9記載の大気電界検出装置において、
前記4端子可変キャパシタは、
前記第1出力端子に接続された振動電極と、
前記第2出力端子に接続された固定電極とを備え、
前記振動電極を振動させることによって、前記第1および第2出力端子間の容量値を変動可能なように構成されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
The atmospheric electric field detection device according to claim 9,
The four-terminal variable capacitor is
A vibrating electrode connected to the first output terminal;
A fixed electrode connected to the second output terminal,
An atmospheric electric field detection device configured to be able to vary a capacitance value between the first and second output terminals by vibrating the vibrating electrode.
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