JP7071645B2 - 容量性電圧測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ケーブル上に生じる電磁妨害波の対地電圧を測定する技術に関する。
電源装置内部のスイッチング回路等から生じる電磁妨害波が通信線や電力線といったケーブルを伝搬して通信装置や電子機器に侵入することで、例えば被害装置が通信装置であればフレームロスや通信断といった故障が生じる。
電磁妨害波がケーブル上を伝搬する場合、そのリターンパスが大地や大地と見なせる大きな面積を持つ導電体となる場合が多いので、故障原因が電磁妨害波かどうかの切り分けを行うため、また、電磁妨害波を発生している機器を探索するために、電磁妨害波の対地電圧を測定することが必要である。
一般的に、対地電圧を測定するには、非特許文献1のように、オシロスコープ等の測定器を接地し、パッシブプローブを測定したい点に接触させて測定する。その他、非特許文献2のように、外導体を接地した非接触の容量性電圧プローブでケーブルをクランプすることで測定する。
図9に、例として対地電圧をオシロスコープ101とパッシブプローブ102を用いて測定する概略図を示す。この例では、第1装置103と第2装置104との間に接続されたケーブル105を測定対象としてケーブル芯線106にパッシブプローブ102を接触させ、床面107を介して大地108に接地させたオシロスコープ101でケーブル105に生じる電磁妨害波の対地電圧を測定する。なお、実際には、接地はオシロスコープ101内の電源の接地極等を通して取られる。
このように、従来では、測定器又はプローブの接地を取ることで基準電位とし、ケーブル上に生じる電磁妨害波の対地電圧の測定を行っていた。
"Probing Techniques for Accurate Voltage Measurements on Power Converters with Oscilloscope"、Tektronix、[online]、[2019年1月7日検索]、インターネット<URL:https://www.tek.com/document/application-note/probing-techniques-accurate-voltage-measurements-power-supplies-oscillosco> Ryuichi Kobayashi、外5名、"A Novel Non-contact Capacitive Probe for Common-Mode Voltage Measurement"、IEICE TRANS. COMMUN.、Vol.E90-B、No.6、2007年6月、p.1329-p.1337
しかしながら、電磁妨害波の対地電圧を測定する際に、プローブ又は測定器を接地する必要があるため、接地を取るという作業を作業者に課すという課題があった。また、接地が取れない環境下では、測定器の基準電位が不明となり、仮にプローブを測定対象のケーブルに接触させたとしても、測定器に表示される測定結果は対地電圧ではなくなるため、正確な測定そのものが不可能である。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を簡便に測定することを目的とする。
本発明の容量性電圧測定装置は、対地容量測定機構と、対地電圧測定機構と、演算機構と、を備えた容量性電圧測定装置において、前記対地容量測定機構は、同一高度で大地に対向配置された2つの電極と、発振回路からの出力信号によって前記2つの電極の間に接続された抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、前記対地電圧測定機構は、前記2つの電極と同一高度で前記大地に対向配置されたグランド電極と、前記グランド電極と測定対象のケーブルに接触させるプローブとの間に接続された抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、前記演算機構は、前記対地容量測定機構と前記対地電圧測定機構とでそれぞれ測定された各電圧のデータをもとに、前記ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を算出する演算装置を備える、ことを特徴とする。
本発明の容量性電圧測定装置は、対地容量測定機構と、対地電圧測定機構と、演算機構と、を備えた容量性電圧測定装置において、前記対地容量測定機構は、同一高度で大地に対向配置された2つの下部電極と、前記2つの下部電極の上に、前記対地容量測定機構に乗る作業者との間を容量性で接続するために前記作業者に対向配置された上部電極と、発振回路からの出力信号が前記上部電極をグランドとして前記2つの下部電極の間に接続された抵抗体に出力されることによって前記抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、前記対地電圧測定機構は、前記2つの下部電極と同一高度で前記大地に対向配置された下部電極と、当該下部電極の上に、前記対地電圧測定機構に乗る前記作業者との間を容量性で接続するために前記作業者に対向配置された上部電極と、前記作業者が測定対象のケーブルを掴んだときに当該下部電極と当該上部電極との間に接続された抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、前記演算機構は、前記対地容量測定機構と前記対地電圧測定機構とでそれぞれ測定された各電圧のデータをもとに、前記ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を算出する演算装置を備える、ことを特徴とする。
本発明によれば、ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を簡便に測定できる。
実施例1に係る容量性電圧測定装置の概略図を示す図である。 対地容量測定機構の回路図を示す図である。 第1抵抗に生じる電圧変化を解析した回路解析結果の例を示す。 実施例1に係る対地電圧の算出方法のフローチャートを示す図である。 実施例2に係る容量性電圧測定装置の概略図を示す図である。 作業者及び測定対象のケーブルを含む測定の様子全体の回路図を示す図である。 第3抵抗に生じる電圧変化を解析した回路解析結果の例を示す。 実施例2に係る対地電圧の算出方法のフローチャートを示す図である。 従来の対地電圧の測定方法の概略図を示す図である。
本発明では、ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を、測定器のグランドの対地容量を見積もることで間接的に測定する。具体的に、本発明で提案する手法は、対地電圧測定機構のグランド面と電磁妨害波のリターンパスとなっている大地面との間の容量成分を、大地に向かい合うように設置する高度が同じ2つの電極を持つ対地容量測定機構を用いて間接的に求めることで、接地を取っていない対地電圧測定機構で測定される電圧を実際の対地電圧に校正する手法である。これにより、測定器の接地を取らずに、電磁妨害波の対地電圧を測定できるようになり、ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を簡便に測定可能となる。
大地面との容量成分を間接的に求める方法は、実施例1では、大地と向かい合うように設置される2つの電極を持つ対地容量測定機構を用いて行うものであり、実施例2では、大地と向かい合うように設置される2つの下部電極と、作業者と向き合うように設置される1つの上部電極と、を持つ対地容量測定機構を用いて行うものである。以下、2つの実施例1,2について具体的に説明する。
<実施例1>
図1は、実施例1に係る容量性電圧測定装置1の概略図を示す図である。容量性電圧測定装置1は、対地容量測定機構10と、対地電圧測定機構30と、演算機構50と、を備えて構成される。
対地容量測定機構10は、主として、第1電極11と、第2電極12と、発振回路13と、第1抵抗14と、第1電圧測定器15と、を備えて構成される。第1電極11と第2電極12とを、同じ高度で大地と向かい合うように配置する。これにより、大地と第1電極11とは容量的に接続され、大地と第2電極12とも容量的に接続される。また、第1電極11と第2電極12との間に、発振回路13と第1抵抗14とを直列に接続する。
そして、対地容量測定機構10では、発振回路13から出力された正弦波信号によって第1抵抗14に生じる電圧を第1電圧測定器15で測定し、測定した電圧の電圧データを演算機構50の演算装置51に送信する。電圧データの送信は、有線又は無線の通信ネットワークを用いて行う。
対地電圧測定機構30は、主として、GND電極31と、第2抵抗32と、第2電圧測定器33と、測定対象のケーブル105のケーブル芯線106に接触させるプローブ34と、を備えて構成される。GND電極31を、対地容量測定機構10の第1電極11及び第2電極12と同じ高度で大地と向かい合うように配置する。これにより、大地とGND電極31とは容量的に接続される。また、GND電極31とプローブ34との間に第2抵抗32を接続する。
そして、対地電圧測定機構30では、ケーブル芯線106にプローブ34を接触させることで第2抵抗32に生じる電圧を第2電圧測定器33で測定して演算機構50の演算装置51に送信する。電圧データの送信は、有線又は無線の通信ネットワークを用いて行う。なお、プローブ34については、ケーブル芯線106にプローブ34を接触させない容量性電圧プローブを用いても構わない。
演算機構50は、主として、演算装置51と、モニタ52と、を備えて構成される。演算装置51は、対地容量測定機構10と対地電圧測定機構30とからそれぞれ受けとった電圧データをもとに、測定対象であるケーブル芯線106のケーブルに生じている電磁妨害波の対地電圧を算出し、算出した対地電圧の値をモニタ52に表示する。
次に、対地電圧の算出方法について具体的に説明する。
図2は、対地容量測定機構10の回路図を示す図である。発振回路13から既知の電圧及び周波数の正弦波信号を出力した場合、第1電極11と第2電極12とでの各対地容量16,17によって、第1抵抗14に生じる電圧が変化する。図3に、第1抵抗14に生じる電圧変化を解析した回路解析結果の例を示す。図3に示したように、第1抵抗14に生じる電圧は、第1電極11と第2電極12とが大地にそれぞれ近ければ近いほど(対地容量が大きくなるほど)大きくなる傾向を示す。
ここで、第1電極11と第2電極12とを同じ面積とし、図2に示したように、対地容量16,17の対地容量をC、第1抵抗14の抵抗をRとする。また、発振回路13から周波数f、電圧Vの正弦波信号を出力インピーダンスRoutで出力するとする。この場合に第1抵抗14に生じる電圧をV1とすると、V1は式(1)のように示される。
Figure 0007071645000001
ここで、対地容量C以外の変数は全て設計者が決定できる値であるため、V1を測定することで第1電極11と第2電極12との各対地容量Cを計算で求めることができる。この計算は演算装置51で行う。
その一方で、図示しないが、対地電圧測定機構30のGND電極31の対地容量をCgとする。対地容量Cgは、第1電極11又は第2電極12とGND電極31との面積比を用いて、演算装置51にて算出することができる。例えば、対地電圧測定機構30のGND電極31と第1電極11又は第2電極12との面積比が1:aであれば、Cg=aCとなる。
そして、対地電圧測定機構30のGND電極31と大地との間の対地容量Cgがわかれば、対地電圧測定機構30の第2抵抗32に生じる電圧からプローブ34に接触させる測定対象のケーブルに生じている電磁妨害波の対地電圧を計算することができる。
ここで、ケーブルに生じている対地電圧をVc、第2抵抗32に生じている電圧をV2、第2抵抗32をR2、プローブ34のインピーダンスをZpとすると、対地電圧測定機構30のGND電極31と大地との間の対地容量Cgから対地電圧Vcを求める式は、式(2)である。なお、ωは測定対象のケーブルに生じている対地電圧Vcの角周波数である。
Figure 0007071645000002
この計算は演算装置51で行う。演算装置51で算出したケーブルに生じている対地電圧の計算結果をモニタ52に示すことで作業者に伝える。
次に、対地電圧の算出方法を処理フローに沿って説明する。図4は、実施例1に係る対地電圧の算出方法のフローチャートを示す図である。
ステップS101,S102;
まず、対地容量測定機構10は、発振回路13から周波数f、電圧Vの正弦波信号を出力し、第1抵抗14に生じる電圧V1を第1電圧測定器15で測定して、測定した電圧V1の電圧データを演算機構50に送信する。
ステップS103;
次に、演算機構50は、演算装置51で、対地容量測定機構10から送信された電圧V1と、設計者が決定していた第1抵抗14の抵抗Rと、正弦波信号の周波数f及び電圧Vと、正弦波信号の出力インピーダンスRoutと、を式(1)に代入して、第1電極11の対地容量C(=第2電極12の対地容量C)を算出する。そして、演算機構50は、対地電圧測定機構30のGND電極31と第1電極11(又は第2電極12)との面積比に基づき、GND電極31の対地容量Cgを算出する。上述したように、対地電圧測定機構30のGND電極31と第1電極11(又は第2電極12)との面積比が1:aであれば、Cg=aCとなる。
ステップS104,S105;
一方、対地電圧測定機構30は、作業者によってプローブ34が測定対象のケーブルに接続されたタイミングで、第2抵抗32に生じる電圧V2を第2電圧測定器33で測定し、測定した電圧V2の電圧データを演算機構50に送信する。
ステップS106,S107;
その後、演算機構50は、演算装置51で、ステップS103で算出したGND電極31の対地容量Cgと、ステップS105で対地電圧測定機構30から送信された電圧V2と、設計者が決定していた第2抵抗32の抵抗R2と、プローブ34のインピーダンスZpと、を式(2)に代入して、測定対象のケーブルに生じている電磁妨害波の対地電圧Vcを算出する。その後、演算機構50は、算出した対地電圧Vcをモニタ52に表示する。
<実施例2>
実施例2は、実施例1よりも作業者の測定の利便性を高めることを狙った実施例である。図5は、実施例2に係る容量性電圧測定装置1の概略図を示す図である。図6は、作業者70と及び測定対象のケーブル105(ノイズ源)を含む測定の様子全体の回路図を示す図である。実施例2においても基本構成は実施例1と同じであり、容量性電圧測定装置1は、対地容量測定機構10と、対地電圧測定機構30と、演算機構50と、を備えて構成される。
対地容量測定機構10及び対地電圧測定機構30は、それぞれの上に作業者である人が乗ることを前提に用いられ、例えば、左右の靴の形状に実装され、靴底内部に配置される。また、実施例2において作業者は、測定対象のケーブル105にプローブを接触させるのではなく、被覆上からケーブル105を手で掴むことで対地電圧を測定する。なお、演算機構50は、対地容量測定機構10と対地電圧測定機構30とのどちらかと一体化していても、どちらから分離していても構わない。
対地容量測定機構10は、主として、第1上部電極18と、第1下部電極19と、第2下部電極20と、第3抵抗21と、発振回路13と、第1電圧測定器15と、を備えて構成される。実施例1と同様に、第1下部電極19と第2下部電極20とを、同じ高度で大地と向かい合うように配置する。
作業者70が対地電圧を測定したいケーブル105を掴むと、図6に示したように、作業者70はケーブル105と一定のインピーダンス71で接続される。また、作業者70自体をノードとして捉えると、作業者70と第1上部電極18とは容量的に接続され(図6の容量72)、作業者70と第2上部電極35とも容量的に接続される(図6の容量73)。
対地容量測定機構10では、発振回路13の出力端子が第2下部電極20に接続され、発振回路13のGND端子が第1上部電極18に接続される。また、発振回路13のGND端子は第3抵抗21の一方の端子に接続され、第3抵抗21のもう一方の端子は第1下部電極19に接続される。
そして、対地容量測定機構10では、発振回路13から出力された正弦波信号によって第3抵抗21に生じる電圧を第1電圧測定器15で測定し、測定した電圧の電圧データを演算機構50の演算装置51に送信する。電圧データの送信は、演算機構50が対地容量測定機構10と一体化されていない場合は無線の通信ネットワークを用いて行い、一体化されている場合は有線又は無線の通信ネットワークを用いて行う。
対地電圧測定機構30は、主として、第2上部電極35と、第3下部電極36と、第4抵抗37と、第2電圧測定器33と、を備えて構成される。実施例1と同様に、第3下部電極36を、対地容量測定機構10の第1下部電極19及び第2下部電極20と同じ高度で大地と向かい合うように配置する。
そして、対地電圧測定機構30では、作業者70がケーブル105を掴んだ際に第4抵抗37に生じる電圧を第2電圧測定器33で測定し、測定した電圧の電圧データを演算機構50の演算装置51に送信する。電圧データの送信は、演算機構50が対地電圧測定機構30と一体化されていない場合は無線の通信ネットワークを用いて行い、一体化されている場合は有線又は無線の通信ネットワークを用いて行う。
演算機構50は、主として、演算装置51と、モニタ52と、を備えて構成される。演算装置51は、対地容量測定機構10と対地電圧測定機構30とからそれぞれ受けとった電圧データをもとに、測定対象のケーブル105に生じている電磁妨害波の対地電圧(図6における点Pの電圧)を算出し、算出した対地電圧の値をモニタ52に表示する。
次に、対地電圧の算出方法について具体的に説明する。
対地容量測定機構10において、発振回路13から既知の電圧及び周波数の正弦波信号を出力した場合、第1下部電極19、第2下部電極20、第1上部電極18の各対地容量22~24によって、第3抵抗21に生じる電圧が変化する。図7に、第3抵抗21に生じる電圧変化を解析した回路解析結果の例を示す。図7に示したように、第3抵抗21に生じる電圧は、第1下部電極19、第2下部電極20、第1上部電極18が大地にそれぞれ近ければ近いほど(対地容量が大きくなるほど)大きくなる傾向を示す。
第3抵抗21に生じる電圧は、第1下部電極19、第2下部電極20、第1上部電極18の大地からの高度によって一意に定まる。また、第1下部電極19、第2下部電極20の対地容量23,24は、実施例1と同様に、対地電圧測定機構30の第3下部電極36の対地容量38と比例関係を持つため、演算装置51にて、第3抵抗21に生じる電圧から第3下部電極36の対地容量38(C3)を間接的に計算することができる。
そして、測定したい手点Pの対地電圧Vcは、作業者70がケーブル105を掴む部分のインピーダンス71(Zh)、作業者70と対地電圧測定機構30の第2上部電極35との間の容量73(Ch)、第2上部電極35と第3下部電極36との間の容量39(Cr)と第4抵抗37(R4)とによる並列回路、第3下部電極36の対地容量38(C3)によって分圧される。
このうち、作業者70がケーブルを掴む部分のインピーダンス71(Zh)は掴むケーブルの太さ、被覆の厚みなどによって決まる値であり、作業者70と第2上部電極35との間の容量73(Ch)、第2上部電極35と第3下部電極36との間の容量39(Cr)、第4抵抗37(R4)は、設計者が決定できる値であり、第3下部電極36の対地容量38は、対地容量測定機構10での測定結果から演算装置51で計算できる値である。そこで、作業者70がケーブル105を掴んだ際に第4抵抗37に生じる電圧(V4)を演算装置51に送信すれば、測定したい対地電圧Vcを演算装置51で算出することができる。
ここで、第4抵抗37に生じている電圧V4、第4抵抗37の抵抗R4、作業者70がケーブル105を掴む部分のインピーダンスZh、作業者70と第2上部電極35との間の容量Ch、第2上部電極35と第3下部電極36との間の容量Cr、第3下部電極36の対地容量C3から、測定したい点Pの対地電圧Vcを求める式は、式(3)である。なお、ωは測定対象のケーブル105に生じている対地電圧Vcの角周波数である。
Figure 0007071645000003
この計算は演算装置51で行う。演算装置51で算出したケーブル105に生じている対地電圧の計算結果をモニタ52に示すことで作業者に伝える。
次に、対地電圧の算出方法を処理フローに沿って説明する。図8は、実施例2に係る対地電圧の算出方法のフローチャートとして示す。
ステップS201,S202;
まず、対地容量測定機構10は、発振回路13から周波数f、電圧Vの正弦波信号を出力し、第3抵抗21に生じる電圧V3を第1電圧測定器15で測定して、測定した電圧V3の電圧データを演算機構50に送信する。
ステップS203;
次に、演算機構50は、演算装置51で、対地容量測定機構10から送信された電圧V3と、設計者が決定していた第3抵抗21の抵抗Rと、正弦波信号の周波数f及び電圧Vと、正弦波信号の出力インピーダンスRoutと、を用いて、第1下部電極19の対地容量23(C)(=第2下部電極20の対地容量24(C))を算出する。そして、演算機構50は、第1下部電極19の対地容量23(又は第2下部電極20の対地容量24)と第3下部電極36の対地容量38との一定の比例関係に基づき、第3下部電極36の対地容量38(C3)を算出する。
ステップS204,S205;
一方、対地電圧測定機構30は、作業者70がケーブル105を掴んだタイミングで、第4抵抗37に生じる電圧V4を第2電圧測定器33で測定し、測定した電圧V4の電圧データを演算機構50に送信する。
ステップS206,S207;
その後、演算機構50は、演算装置51で、ステップS203で算出した第3下部電極36の対地容量C3と、ステップS205で対地電圧測定機構30から送信された電圧V4と、第4抵抗37の抵抗R4と、作業者70がケーブル105を掴む部分のインピーダンスZhと、作業者70と第2上部電極35との間の容量Chと、第2上部電極35と第3下部電極36との間の容量Crと、を式(3)に代入して、測定対象のケーブルに生じている電磁妨害波の対地電圧Vcを算出する。その後、演算機構50は、算出した対地電圧Vcをモニタ52に表示する。
<実施例1,2の効果>
以上説明した通り、実施例1では、対地容量測定機構10にて第1抵抗14に生じた電圧を用いて、演算機構50で対地電圧測定機構30のGND電極31の対地容量を求める。求めた対地容量の値を用いて、ケーブル105にプローブ34を接触させた際に、対地電圧測定機構の第2抵抗32に生じる電圧を演算機構50でケーブル105の対地電圧に変換する。
また、実施例2では、対地容量測定機構10及び対地電圧測定機構30を靴状に実装し、作業者が履けるようにする。そのうえで、対地容量測定機構10にて第3抵抗21に生じた電圧を用いて、演算機構50で対地電圧測定機構30の第3下部電極36の対地容量を求める。求めた対地容量の値を用いて、ケーブル105を作業者が掴んだ際に、対地電圧測定機構30の第4抵抗37に生じる電圧を演算機構50でケーブル105の対地電圧に変換する。
つまり、実施例1,2によれば、測定器である対地電圧測定機構30のGND面の対地容量を対地容量測定機構10で見積もり、見積もった対地容量を用いてケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を間接的に測定するので、対地電圧測定機構30において接地を取らずに対地電圧を測定できるようになり、ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を簡便に測定できる。
1…容量性電圧測定装置
10…対地容量測定機構
11…第1電極
12…第2電極
13…発振回路
14…第1抵抗
16,17…対地容量
18…第1上部電極
19…第1下部電極
20…第2下部電極
21…第3抵抗
22~24…対地容量
30…対地電圧測定機構
31…GND電極
32…第2抵抗
33…第2電圧測定器
34…プローブ
35…第2上部電極
36…第3下部電極
37…第4抵抗
38…対地容量
39…容量
50…演算機構
51…演算装置
52…モニタ
70…作業者
71…インピーダンス
72,73…容量
101…オシロスコープ
102…パッシブプローブ
103…第1装置
104…第2装置
105…ケーブル
106…ケーブル芯線
107…床面
108…大地

Claims (2)

  1. 対地容量測定機構と、対地電圧測定機構と、演算機構と、を備えた容量性電圧測定装置において、
    前記対地容量測定機構は、
    同一高度で大地に対向配置された2つの電極と、
    発振回路からの出力信号によって前記2つの電極の間に接続された抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、
    前記対地電圧測定機構は、
    前記2つの電極と同一高度で前記大地に対向配置されたグランド電極と、
    前記グランド電極と測定対象のケーブルに接触させるプローブとの間に接続された抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、
    前記演算機構は、
    前記対地容量測定機構と前記対地電圧測定機構とでそれぞれ測定された各電圧のデータをもとに、前記ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を算出する演算装置を備える、
    ことを特徴とする容量性電圧測定装置。
  2. 対地容量測定機構と、対地電圧測定機構と、演算機構と、を備えた容量性電圧測定装置において、
    前記対地容量測定機構は、
    同一高度で大地に対向配置された2つの下部電極と、
    前記2つの下部電極の上に、前記対地容量測定機構に乗る作業者との間を容量性で接続するために前記作業者に対向配置された上部電極と、
    発振回路からの出力信号が前記上部電極をグランドとして前記2つの下部電極の間に接続された抵抗体に出力されることによって前記抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、
    前記対地電圧測定機構は、
    前記2つの下部電極と同一高度で前記大地に対向配置された下部電極と、
    当該下部電極の上に、前記対地電圧測定機構に乗る前記作業者との間を容量性で接続するために前記作業者に対向配置された上部電極と、
    前記作業者が測定対象のケーブルを掴んだときに当該下部電極と当該上部電極との間に接続された抵抗体に生じる電圧を測定する電圧測定器と、を備え、
    前記演算機構は、
    前記対地容量測定機構と前記対地電圧測定機構とでそれぞれ測定された各電圧のデータをもとに、前記ケーブルに生じる電磁妨害波の対地電圧を算出する演算装置を備える、
    ことを特徴とする容量性電圧測定装置。
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