JPH02120673A - ２つの物体間の電圧測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は互いに間隔を保つ２つの物体間の電圧を正確に
測定するための電気光学システム、特に、印加される電
界の大ぎさに比例する複屈折を呈する４重回転反転軸を
有する電気光学結晶を利用するシステムに係わる。本発
明は特に平行偏光ビームを１７で電気光学結晶を通過さ
せ、さらに分数ウェーブプレートにより１／４波に相当
する相対遅延を与えて直角位相の２つの電気信号を形成
する方法に係わり、また、デジタル・コンピューターを
利用して２つの電気信号から電気光学結晶に印加される
電界を発生させる電圧波形を求める方法にも係わる。

電圧測定のための電気光学システムは公知である。例え
ば、ポッケルス・セルと呼ばれる装置は電界の存在にお
いて複屈折を呈する、即ち、２つの直交平面における屈
折率に差がある特殊の結晶を利用する。この種の結晶の
うちには、例えばＫＤＰ（ｔＷ酸二水素カリウム）のよ
うに４重回転反転軸を有するものがある。このような物
質は電界が存在しなければ４重軸に沿って伝播する光の
屈折率が偏光平面とは無関係という性質を有する。とこ
ろが、光の方向と平行に電界が印加されると、電界の強
さに比例する量だけ、４重軸と交差する方向の、即ち、
高速軸方向の偏光の屈折率が増大し、同じく４重軸と交
差する直交方向の、即ち、低速軸方向の偏光の屈折率が
縮小する。ポッケルス・セル装置の場合、もし上記交差
軸に対して傾斜した平面内で偏光が起こると、屈折率が
縮小する低速軸方向の偏光成分が他の成分に対して遅延
させられる。電圧を測定すべき物体間の４重軸に結晶を
整列させ、偏光の方向を４重軸と平行にすると、総遅延
量は置物体間のＰＡ電圧差に比例する。この遅延は波長
の遅延量として測定されるのが普通である。遅延量はア
ナライザーで検出され、電界を発生させる電圧の大きさ
を表わす出力を形成するための電気信号に変換される。

この電気信号は周期性であるため、出力は結晶に固有の
半波電圧よりも小さい遅延を形成する電圧に関してのみ
一義的である。

即ち、ＫＤＰの場合、この半波電圧は約１１３００ボル
トである。従って、このような装置は１００．０００ボ
ルトｒｍｓ以上にも達する送電線電圧の測定には通さな
い。

ポッケルス・セルに使用される結晶のうちには、セルを
通過する光の伝播方向と直交する方向の電界に応答する
ものもある。このようなセルはビームと電界の交差点に
おける電圧を指示するだけであるから、単一のセルでは
置物体間の全スペースに亘る電圧の総和を示すことはで
きず、置物体間の電圧を正確に測定することは不可能で
ある。この種のポッケルス・セルを使用するシステムの
共通点として、（１）置物体間の１点における電圧を測
定し、他のすべての点における電圧をこの単一測定値か
ら求めることができると仮定するか、または（２）ある
種の分圧器を設け、電界がセル定数以内に維持されるよ
うにセルに線間電圧の一定部分を印加する。第１のアプ
ローチに伴なう問題は低インピーダンス・バスの場合を
除いて、バスに沿った電界がこのバスの近傍に位置する
導体または絶縁体に影響されることにある。従って、も
しこの種のホッケスル・セルを導体表面に取付けて電界
を測定すると、測定値は導体のサイズ及び形状、導体か
らアースまでの距離、近傍に位置する導体の場所及び電
位、センサーの近傍に位置する絶縁体または導体の場所
またはセンサーの下のアース、及びセンサーとアースの
間に存在する為、雨滴または雪の影響を受ける。従って
、このようなシステムでは極めて理想的な状況下におい
てのみ正確な測定が可能である。第２のアプローチに伴
なう問題は正確かつ安定性の高い分圧器を設けることに
ある。

被測定電圧からの隔離度が高いという点で光学的電圧測
定システムが望ましい。光ファイバー・ケーブルを利用
することによって、信号を供給される遠隔インジケータ
ーが遭遇しなければならない電気的妨害を受けるおそれ
のない遠隔インジケーターを容易に提供することができ
る。

本発明の目的は例えば送電系統に現われるような極めて
大きい電圧を分圧器を使用せずに正確に測定できる光学
系を提供し、この光学系がアースまでの全スペースに亘
る電界総和を前記アースと関連する導体間において求め
ることができるようにすることにある。

この目的にかんがみ、本発明は互いに距離を保つ２つの
物体間の電圧を測定する方法であって、電界に応答して
前記２つの物体を結ぶ光軸と交差する２つの直交軸に複
屈折を呈する電気光学結晶を配置し；特定の偏光平面で
偏光する平行光線を発生させ；平行偏光を光軸と平行に
かつ該平行偏光の偏光平面が結晶の前記２つの直交軸と
特定の角度を形成するように方向づけて前記結晶を通過
させ：前記結晶から出る前記平行偏光の第１部分を第２
部分よりも遅らせ；第１部分を第２部分よりも遅らせた
のち、平行偏光の画部分が偏光手段を通過するようにし
：偏光手段を出る前記平行偏光の部分を第１及び第２移
相信号に変換し；前記２つの移相信号に基づいて、前記
互いに距離を保つ２つの物体間の電圧を表わす出力信号
を発生させる段階から成ることを特徴とする方法を提案
する。

本発明はまた、上記方法に従って動作して互いに間隔を
保つ２つの物体間の電圧を測定する装置であって、平行
光を発する光源手段と；前記平行光を偏光させて平行偏
光を形成する第１（ｒ４光手段と：前記互いに間隔を保
つ導体を結ぶ４型回転反転軸を有し、前記４型回転反転
軸と平行に前記平行偏光が通過する電気光学結晶と；前
記結晶を通過したのち前記平行偏光の少なくとも第１部
分が通過すると、この第１部分を前記平行偏光の第２部
分よりも約１／４波長の奇数倍だけ遅らせる分数ウェー
ブプレート手段と；前記結晶を通過し前記平行偏光の少
なくとも一方の部分が分数ウェーブプレート手段を通過
した後前記第１及び第２部分が通過する第２偏光手段と
；前記第２偏光手段を出た前記平行偏光の前記第１及び
第２部分をそれぞれ第１及び第２信号に変換する第１及
び第２検出器と；前記第１′ＥＬび第２信号に基づいて
前記互いに間隔を保つ２つの物体間の電圧を表わす出力
信号を形成する出力信号発生手段から成ることを特徴と
する装置を提案する。

本発明の内容は添付の図面に沿）て以下に述べる実施例
の説明から明らかになるであろう。

本発明は互いに間隔を保つ２つの物体を結ぶ４型回転反
転軸を有する結晶を利用して前記互いに間隔を保つ２つ
の物体間の電圧を測定する方法及び装置に係わる。第１
偏光手段により結晶の高速及び低速軸に対して鋭角を形
成する偏光平面で偏光させた平行光が４重回転反転軸と
平行に結晶を通過し、結晶を通過した平行偏光の、電界
に起因する遅延が別設の偏光手段によって検出される。

別設の偏光手段を出た光は光検出素子によって電気信号
に変換される。結晶の半波電圧よりも大きい電圧の測定
に伴なうあいまいさを無くするため、平行偏光の第１部
分を第２部分に対して遅延させる。この遅延量は平行偏
光の２つの部分から形成される２つの電気信号が直角位
相となるように１／４波であることが好ましい。

平行光は２つの別々の光源によって形成することが好ま
しく、こね６２つの光源によって形成される平行ビーム
は第１（ｒ４光手段によって偏光させられ、電気光学結
晶を通過することにより平行偏光の第１及び第２部分を
形成し、これが変換されて２つの電気信号となる１両ビ
ームの光源の強さは両信号のピーク対ピーク値が一定の
かっ等しい値に維持されるようにフィードバック回路に
よって調整される。

本発明はまた、電圧測定システムの光検出素子から出力
されるピーク振幅値が一定の２つの電気１３号のような
２つの移相信号に基づき、元の波形、例えば電圧測定シ
ステムの結晶に印加される電界を発生させる電圧を表わ
す波形を求める方法及び装置に係わる。ある意味では、
前記光の波形は部分的には２つの電気信号のゼロ交差シ
ーケンスに従って選択されたこれら両信号のセグメント
から再構成され、別のレベルでは、両信号のうちどちら
が先行するかに応じてゼロ交差ごとに増分または減分す
る、不連続増分値を有する階段信号として構成される。

測定される波形の方向反転は例えば２つの信号のいずれ
か一方による連続する２つのゼロ交差に基づいて検出す
ることができる。

このような階段波形で充分な成果が得られる場合も少な
くないが、階段信号の精度は例えばピーク対ピーク値で
２６０，０００ボルトまたは９３，０００ボルト「ｍｓ
にも達する送電線電圧測定に要求される０゜１％には達
しない。従）て、本発明は両信号のいずれか一方の瞬時
値を利用して階段波形のステップ間を補間する方法を含
む。この補間には振幅が小さい方の信号の値が常に選択
されるから、小角度近似法が有効な、即ち、角度のｓｉ
ｎがこの角度とほぼ等しい成分波形部分が利用されるこ
とになり、従って、補間によって生ずる誤差は小さい。

ゼロ付近における信号のランダムな挙動に起因するゼロ
交差カウントの誤指示を解消するため、信号のゼロ軸に
デッド・バンドの中心位置を設定する。小さい方の（Ｘ
号の値がこのデッド・バンドに入ると、信号がこのバン
ドを出るまでゼロ交差カウントの指示が停止される。入
った側とは反対の側から出ると、ゼロ交差が指示される
。増分か減分かは元の波形の移動方向に応じて決定され
る。この方向は直角位相信号のどちらが先行しているか
によって示される。もし振幅が小さい方の信号が入った
時と同じ側からデッド・バンドを出ると、測定波形が方
向を変えたことを意味し、ゼロ交差カウントは指示され
ない。デッド・バンドを出るのに必要な信号振幅は入る
のに必要な振幅よりも大きいことが好ましい。このよう
なデッド・バンドの幅のヒステリシスによって境界にお
ける誤行動が防止される。

このような移相信号からの波形再構成は振幅の大きい正
弦電圧波形を表わす波形を形成するため、本発明の電気
光学システムに利用するのに特に好適であるが、その他
の用途におけるその他のタイプの波形再構成にも応用で
きる。

公知のように、互いに間隔を保つ２つの点ａ、５間の電
圧は方程式 ％式％（１） によって与えられる。ただし、Ｅ（χ）はχにおける電
界勾配であり、積分はバスとは無関係である。従って、
互いに間隔を保つ点ａ、ｂ間の電圧を正確に測定するに
はセンサーが物理的にａからｂまでをカバーし、その全
長に沿ったすべての点における電界と相互作用し、ある
パラメーターが加法的に変化することによって積分値の
評価を可能にするように、ある性質を変化させねばなら
ない、送電線電圧の測定に際しては、センサーの一端を
送電線に電気的に接続し、他端を接地しなければならな
い。即ち、センサーは通常の線間電圧及び遭遇する可能
性があるサージに耐え得る長さのものでなければならな
い。

本発明は電気光学結晶を利用して点ａ、ｂ間の電界勾配
の積分値を測定し、ａ、ｂ間室圧の真正値を求める。す
でに述べたように、例えばＫＤＰ（燐酸二水素カリウム
）のように４重回転反転軸を有する結晶物質は電界が存
在しなければ４ｍ軸に沿って伝播する光の屈折率が偏光
方向とは無関係となる性質を有する。ところが、光の伝
播方向と平行に電界が印加されると、４重軸と直交する
所与の方向の偏光屈折率は電界に比例する量だけ増大し
、これと直交する方向の偏光屈折率は前記量だけ縮小す
る。ＫＤＰの場合、光軸とも呼ばれる４重軸と平行な方
向をＺ方向と呼称し、電界との関係で最大の屈折率変化
が現われる偏光方向をそれぞれＸ′及びＹ′軸と呼称す
るのが普通電気光学センサーの動作原理を第１図に基づ
いて以下に説明する。公知のポッケルス・セル装置ｌに
おいて、ＫＤＰ結晶３は測定すべき電界勾配Ｆｇと平行
に４１！回転反転軸Ｚと整列関係にある。

偏光前の阜−ビームが第１直線偏光器７に入射する。結
晶３及び第１偏光器フは偏光器７を出る平行偏光５ｐが
結晶３のＺ軸と平行に伝播し、偏光平面が結晶のＸ′及
びＹ′軸に対して４５゜となるように配置する。

入射偏光ビーム５ｐは強さが等しい２つの成分に分解さ
れ、一方の成分はＸ′軸と平行に偏光し、他方の成分は
Ｙ′軸と平行に偏光する。電界が存在しなければ、この
２つの成分は等速で伝播し、互いに同相関係で結晶３を
出る。結晶のＺ軸に沿って電界が印加されると、屈折率
が、従って、２つの成分の速度が等しくなくなり、結晶
を出る時に画成分間に位相ずれまたは遅延が現れる。結
晶に沿った小さい要素に現われる遅延はこの要素に作用
する電界にこの要素の長さを掛は合わせたものに比例し
、総遅延量は結晶に沿った要素のすべてに現われる遅延
の合計に等しいから、結晶を出る成分の遅延はＳ　Ｅｄ
Ｊ！に、従って、結晶の両端間電圧差に比例する。

遅延は通常波長で表される。即ち、遅延値が１なら、結
晶中の光路がビーム５ｐの一方の成分にとっては他方の
成分にとってよりも１波長だけ長いことを意味し、下記
方程式によフて与えられる： ん ただし、ｒａ３は電気光学係数、ｎ工はＺ軸に沿って伝
播する光に対する屈折率、λは真空中での光の波長、■
は結晶両端間の電圧差である。

これらのパラメーターは公知であり、遅延の計算は可能
であるが、これらのパラメーターを合成して単一パラメ
ーターとし、下記方程式によって半波電圧■ｈを求める
方が便利である。即ちニス 従って： λ τ＝（４） ２Ｖ。

ｖｈはセンサーの校正の一部として決定されるのが普通
である。もし結晶から出るビーム５ｐの２つの成分が第
１偏光器と平行に配置された第２偏光器９を通過すると
、偏光器９から出るビーム■の強さと遅延との関係は下
記方程式に示すようなものとなる： Ｉ−Ｉ。ｃｏｓ’　（πτ）（５） ただしＩｏはゼロ遅延の、即ち、結晶両端間に電圧差が
現れない射出ビームの強さである。もし第２偏光器９を
９０”回転させると、Ｉはｃｏｓ”関数の項に５ｉｎ２
関数を代入した方程式（５）によって与えられる。

上記ポッケルス・セル装置においては、結晶と第２偏光
器９の間に分数ウェーブ・プレートを挿入することによ
り遅延とｓｉｎ”またはｃｏｓ”関数上の直線のポイン
トまでずらすのが普通である。

ｓｉｎ及びｃｏｓ関数の周期性にかんがみ、上記ポッケ
ルス・セル装置が一義的な結果を出せるのは■ｈ以下の
電圧に対してだけである。ＫＤＰの場合、波長が８００
ｎｍならＶｈは約１１，３００ボルトであり、従って、
線とアース間の電圧が約１００，０００ポルトｒｍｓ以
上にも達することが多い送電線電圧の測定にこのような
装置を使用することはできない。

公知のポッケルス・セル装置に固存のあいまいさを解消
し、送電線電圧の測定を可能にするため、本発明はビー
ム５と平行な第２ビーム１３を利用する。この第２ビー
ム１３は第１　（ｍ光器７によって偏光させられて第２
偏光ビーム１３ｐとなり、Ｚ軸と平行に結晶３を通過す
る。この第２偏光ビーム１３ｐもＺ軸と平行な成分と、
Ｙ軸と平行な成分との２成分に分解することができる。

結晶３から出た第２ビームは第２偏光器９をも通過し偏
光器９を出た第２ビームの強さは、もし第２（ｒ４光器
９が第１　ｆＩＡ光器７と平行に配置されているなら遅
延と方程式５に示すような関係を有し、もし第２偏光器
９が第１偏光器７を直交するな関係を持つ。結晶３を出
た第２ビーム１３も第２偏光器９を通過する前に分数ウ
ェーブ・プレート１５によって遅延させられる。分数ウ
ェーブ・プレート！！及びｆ５は一方のビームを他方の
ビームよりも遅らせるように選択する。本発明の好まし
い実施態様では、一方のビームを他方のビームよりもｌ
／４波遅らせることにより、第２１扁光器を出たビーム
が直角位相となるようにする。

この遅延は分数ウェーブ・プレート１１．１３としてそ
れぞれの軸１〕、１９が互いに９０’を形成する１／８
ウエーブ・プレートを利用することによって達成するこ
とができる。一方のビームを他方のビームより１７４波
だけ遅らせるため、その他の構成を利用することも可能
である。例えば、一方のビームが１７４ウエーブ・プレ
ートを通過し、他方のビームが結晶から直接第２偏光器
に入射するようにしてもよい。一方のビームを他方のビ
ームに対して正確に１７４波だけ遅らせねば簡単な計算
で済むが、約１／４波±２０％の範囲内という意味で遅
延が約１／４波であれば、満足すべき成果が得られる。

１７４波遅延のほかに、１７４波の奇数倍、即ち、３／
４．５７４波なども利用できる。

２枚の１／８ウエーブ・プレートを第２図のように配置
すると、第２偏光器を出た２つのビームの強さは下記の
ように求めることができる：Ｉ　Ｉ＝、　　Ｉ　ａｃｏ
ｓ’（ｒｒ　ｒ　＋　　π／８）　　　　　　　（８）
及び Ｉ　、　＝　Ｉ　、ｃｏｓ２（πτ−ｙｒ／８）　　　
　　　（７）これら２つの信号は直角位相関係にあり、
定数を別として、結晶に印加される電圧の一義的な測定
を可能にする。

第２図は本発明の完全な電圧測定システムの簡略図であ
る。このシステム２１は結晶３、第１及び第２偏光器７
．９、及び１７８ウエーブ・プレート１１．１５から成
るセンサー１を含む。システム２１はまた２つの平行ビ
ーム５及び１３を発する第１及び第２光源２３．２５を
も含む。

光源２３は発光ダイオード（ＬＥＤ）２７を含む。ＬＥ
Ｄ２７からの光は光ファイバー・ケーブル２９によって
伝達され、コリメーター・レンズ３１を通過して第１平
行ビーム５を形成する。

同様に第２光源２５に含まれるＬＥＤ３３からの光は光
ファイバー・ケーブル３５によって伝達され、コリメー
ター・レンズ３７を通過して第２平行ビーム１３を形成
する。第２偏光器を通過した第１ビーム５はレンズ３９
によって集光され、光ファイバー・ケーブル４１を通っ
て第１電子回路４３に送られ、同様に第２偏光器９を通
うした第２ビームはレンズ４５によって集光され、光フ
ァイバー・ケーブル４７によって第２電子回路４３に送
られる。

電子回路４３はいずれも全く同じであり、光ファイバー
・ケーブル４１．４７によってそれぞれ搬送されるビー
ムを電流に変換する。電子回路４３はいずれもピーク検
出器５３への低インピーダンス入力を形成するトランス
インピーダンス増幅器５１を含む。ピーク検出器５３は
リーク抵抗器５９によって分路されるコンデンサー５７
に給電するダイオード５５を含む。ピーク検出器はまた
、ピーク検出器が後続の段階によってロードされるのを
防止するバッファ増幅器６１をも含む。後続段階６３は
加算増幅器、積分器、及びそれぞれのＬＥＤ２７または
３３のための駆動回路として作用し、１対の抵抗器６５
、及び積分コンデンサー６９によって分路される演算増
幅器６７を含む。出力回路は１対の抵抗器７１及び（抵
抗値が７１の２倍に等しい）７１′　及び出力増幅器７
３を含む。抵抗器６５及び７１−７１’　によって形成
される加算回路に基準電圧−ｅ、が印加される。

電子回路４３は以下に述べるように作用する：第２偏光
器９を通過し、光ファイバー・ケーブル４１または４７
によって搬送される光はフォトダイオード４９によって
電流信号に変換される。

ピーク検出器５３はこの電流のピーク値を表わす信号を
出力する。ピーク値信号は演算増幅器６７の反転入力と
接続する抵抗器６５を介して基準信号と比較される。ダ
イオード５５の作用下にピーク信号は確実に正であり、
また基準信号−ｅ、は負であるから、これら２つの信号
が比較され、その誤差が演算増幅器６フ及びコンデンサ
ー６９によって形成される積分器に印加される。

この積分誤差信号は第１及び第２ビーム光源のＬＥＤ２
７．３３を駆動するのに利用される。

従フて、回路４３は光検知素子４９を介して両ビームに
よって形成される電流信号のピーク値が一定のかつ基準
電圧に、従って互いに等しい値に維持されるように各ビ
ームの強さを調整するフィードバック回路である。加算
増幅器７３及び分圧抵抗器７１は光検出素子４９から出
力された阜向電清から基準電圧を減算することにより結
晶３に印加される電界に応じたバイポーラ電圧出力信号
ｅ１．ｅ２を形成する。アナログ信号ｅ＋及びｅ２はＡ
／Ｄコンバーアター７５によって周期的にサンプリング
され、ディジタル・コンピューター７７に入力される。

ディジタル・コンピューター７７は２つの信号ｅ、及び
ｅ２から電圧波形を再構成し、出力装置７９に供給する
。出力装置７９は例えばディジタル読み取り装置、及び
／または測定電圧波形の固定ログを形成する記録装置の
形態を取ることができる。

第３図の波形ａ、ｂ及びＣは測定すべき電圧波形Ｖ１、
電圧波形ａに応答して第２図のシステムが形成する直角
位相信号ｅｔＢＬびｅ　２　、及び第２図のシステムが
形成する、電圧波形ａを表す出力波形ＶＯを同じ時間ベ
ースで示したものである。

第４図は第３図の波形すを形成する直角位相ｅ１及びｅ
２から第３図の波形Ｃを構成する態様を示す。この構成
方法は本質的には２つの信号ｅ１及びｅ２のゼロ交差数
の両方向カウントを維持することにある。第４図に示す
例では、ゼロ交差カウントｎを図の上方に示しである。

カウントｎはｅ、及びｅ、で表される電圧波形の正値が
大きくなる（負値が小さくなる）に従って増分し、増分
波形の振幅の負値が大きくなる（正値が小さくなる）に
従って減分する。波形の移動方向はどちらの直角位相信
号が先行するかによって決定される。電圧波形の方向が
反転すると先行ｅ。

またはｅ２が入れ替わる結果となり、この方向反転は同
一信号ｅ、またはｅ２による２つの連続するゼロ交差に
よフて検出することができる。

第４図にトレース８１で示す電圧波形の階段状近似表現
はゼロ交差累積カウントｎから形成することができる。

図示の実施例では、出力階段波形は第４図にトレース８
１の左側に目盛で示す累積カウントｎの２倍ごとに形成
されている。

電気光学センサーに印加される電界を発生させる元の電
圧波形のこの階段状近似表現８１だけで所期の目的を達
成できる場合が多い、０．１％の精度を要求される送電
線電圧をモニターする場合のように、元の電圧波形を比
較的高い精度で再生しなければならない場合に、は累積
ゼロ交差カウントｎに基づいて形成される出力信号の階
段値開を補間しなければならない、出力波形のこの平滑
化は直角位相信号ｅ１及びｅ２のいずれか１つの瞬時値
を階段値に対して加算または減算することによって達成
される０選択される信号は所与の瞬間において振幅が小
さい方の信号ｅ、またはｅ２である。即ち、第４図のト
レース８３及び８５間の信号ｅ１またはｅ２の振幅が選
択される。従って、波形ｅ、及びｅ２の、小角度近似法
が有効な、即ち、角度のｓｉｎがこの角度にほぼ等しく
なる部分が利用される。第４図から明らかなように、こ
の方法を用いて、本質的には元の電圧波形を再構成する
ために直角位相信号ｅ。

及びｅ２のセグメントを継ぎ合わせることになる。

小さい信号の場合に起こり易い両方向累積ゼロ交差カウ
ントｎがランダムに指示されるのを回避するため、第４
図の線８９．９１で示すゼロ軸を中心に帯域を形成する
。信号ｅｌ及びｅ２がこのデッド・バンド内にある限り
、ゼロ交差はカウントされず、信号が再びデッド・バン
ドから出ると、ゼロ交差ｎを指示すべきかどうかの判断
がなされる。直角位相信号が入った側と同じ側からデッ
ド・バンドから出ると、ターゲット信号が方向を変えた
ことを意味し、ｎは指示されない。

もし直角位相信号が入った側と反対の側からデッド・バ
ンドから出ると、ゼロ交差が起こりたことを意味し、ｎ
が指示される。直角位相信号がデッド・バンド以内にあ
る限り、その振幅は階段間の補間に利用される。直角位
相信号がゼロ軸と交差すると、階段に対して加算または
減算される増分の符号が変わり、この変化を反映する。

このように直角位相信号がデッド・バンドを出るまでゼ
ロ交差カウントｎの指示が遅れるから、第４図に９３で
示すように階段信号に僅かな時間ずれが生ずる。デッド
・バンドの幅はいかなる時にもｅ、及びｅ２の瞬時値が
双方ともにデッド・バンド以内とならないようにできる
だけ広く設定すべきである。一度に一方の信号だけがデ
ッド・バンド内に入るようにデッド・バンドの境界を８
９′−９１′　まで広げることが好ましい。これにより
、デッド・バンドへの人出が必ず反対側から行なわれる
ようにするヒステリレスがデッド・バンドに導入される
。

（以　　下　　余　　白） 第５８及びＳｂ図はセンサーが感知する電圧波形を直角
位相信号ｅ、及びｅ２に基づいて第４図に関連して述べ
た態様で再構成するためディジタル・コンピューター７
７が利用するプログラムのフローチャートである。すで
に述べたように、アナログ直角位相信号ｅ、及びｅ２を
Ａ／Ｄコンバーターに供給することによりディジタル・
コンピューターによって処理される波形瞬時値のディジ
タル・サンプルを形成する。サンプリング速度は通富ゼ
ロ交差において見られる被測定電圧信号の最大スリュウ
イング・レートにおいて、ｅｌまたはｅ、の少なくとも
１つのデータ・サンプルがデッド・バンド以内に来るよ
うに充分高い速度でなければならない０本発明システム
の実施例では６０ヘルツ電圧信号のサンプリング速度は
４００ＫＨ，であった、第５ａ図のブロック１０１で示
すように、プログラムはそれぞれの新しいデータ・サン
プルにつき待機する。それぞれの新しいデータ・サンプ
ルが得られると１０３において直角位相信号ｅ、及びｅ
２の現時瞬時値に等しくなるように２つの変数Ｅ、及び
Ｅ２が設定される。Ｅｌ及びＥ２現在値の符号が同じか
どうかを指示する他の変数Ｓを設定し、この指示が別の
変数ＳＳとしてブロック１０５　に記憶される。

先行Ｅ１は第４図において線８９−９１　（人）及び８
９’　−９１’　　（出）によって画定されるデッド・
バンド以内にあった場合に値１を取るフラッグＱ１がブ
ロック１０７においてチエツクされる。先行のＥｌがデ
ッド・バンド以内にあって、第１直角位相信号の現在値
が（線８９′−９１′の広い境界を利用する０、２４Ｅ
Ｒに等しい）帯域内にあることがブロック１０９におい
て判定されると、Ｅｌ及びＥ２の符号が同じかどうかを
指示する変数Ｓが１１１において先行データ・ポイント
のＳ値であるＳＯに等しくなるように設定される。

Ｅ、がデッド・バンドから出た場合、フラッグＱ１が１
１３において０に等しく設定され、ゼロ交差カウントｎ
を指示すべきかどうか、指示するならどちらの方向かを
判定することが必要となる。これは１１５において他の
変数Ａを設定して現時点のＥ、の符号がデッド・バンド
に入る前のＥ、の最も新しい値であるＥＩＯｏの符号に
等しいかどうかを指示することによって達成される。

この判定を行うため、もしＥｌが正の値を取るならＥ、
の符号を＋１とし、負の値を取るなら−１とし、Ａが値
−２、＋２または０と取ることができるようにする。Ｅ
、及びＥｌｏｏの符号が同じであることがブロック１１
７において判定されると、Ｅ、が入った時と同じ側から
デッド・バンドから出たことを意味し、従って、ゼロ交
差が起こらなかったことになる。Ｅｌ及びＥ　ｔｏｏの
符号が同じでなければ、Ｅｌが入った時とは反対の側か
らデッド・バンドから出たことを意味し、従って、ゼロ
交差が起こったのであり、ｎを指示しなければならない
。Ａの符号がＥｌの符号と同じであることがブロック１
１９において判定されると、電圧が上向きであることを
意味し、１２１において変数りが１に設定される。もし
Ｅｌ及び）：ｔｏｏの符号が等しくなければ、電圧は下
向きであり、！２３においてＤが−１に設定される。次
いでブロック１２５において累積ゼロ交差カウントｎが
正しい方向に指示される。Ｅｌの先行瞬時値がデッド・
バンド外であったことがブロック１０７において判定さ
れた場合、（第４図の線８９−９１によって画定される
狭い境界を利用して）Ｅｌの現在値がデッド・バンド以
内であるかどうかが１２７においてチエツクされるｅＥ
ｌがデッド・バンド以内なら、フラッグＱが１に設定さ
れ、デッド・バンドに入る前のＥｌの最も新しい値に等
しい変数ＥＩ０゜がＥｌの先行値Ｅ１゜に等しく設定さ
れ、すでに述べたようにＥ、及びＥｌの符号が同じかど
うかを指示するＳが最終ポイントＳ値であるＳＯに等し
く設定されることはブロック１２９に示す通りである。

Ｅｌがデッド・バンド内のままなら、Ｅ、の先行値がデ
ッド・バンド外であったかどうかがブロック１３１にお
いて判定される。

もしＥ２先行値がデッド・バンド外であったことがブロ
ック１３１において判定され、（第４図の入側境界線８
９−９１を使用して）Ｅ２現在値がデッド・バンド内で
あることをブロック１３３が判定すると、ブロック１３
５において、フラッグＱ２が１に設定され、デッド・バ
ンドに入る前のＥｌの最も新しい値が記憶され、ＳがＳ
Ｏに等しく設定される。Ｅｌがデッド・バンド内でなか
ったことがブロック１３３において判定された場合、Ｅ
ｌもＥｌもデッド・バンド外のままであり、プログラム
は後述するように電圧信号現在値の計算に進む。

先行のデータ・ポイントにおいてＥｌがデッド・バンド
内であったことが１３１において判定されると、現時点
でもデッド・バンド内のままかどうかがブロック１３７
において判定される。もしデッド・バンド内のままなら
、１３９においてＳがＳＯに等しく設定される。Ｅｌが
デッド・バンドから出ると、１４１においてフラッグＱ
２がＯに設定される。ここでブロック１１５及び１１７
に関連して説明したのと同様の態様で変数Ａを利用して
ブロック１４３及び１４５においてゼロ交差カウントｎ
を指示すべきかどうか判定される。Ｅｌが入った時とは
反対の側からデッド・バンドを出た場合、Ｅ、がデッド
・バンドから出る場合に関して述べたのと同じ方法を利
用して１４７．１４９．１５１及び１５３において、ｎ
が増分または減分される。

即ち、波形ｅ１がｅ２より先行すればｎが増分されるか
ら電圧測定値が増大し、逆ならばｎが減分されるから電
圧測定値が低下する。

次に第５ｂ図のブロック１５５において、記憶符号であ
るＳＳがＳに等しいかどうかを判定することによってゼ
ロ交差が起こったかどうかが判定される。なお、現時点
においてＥ、またはＥｌがデッド・バンド内にあれば前
記Ｓは先行データ・ポイントのＳに等しく設定されたＳ
である。ゼロ交差が起こったことが判定されると、１５
７において変数Ｐが−１に設定され、さもなければ１５
９においてＰが＋１に設定される。

Ｅ、とＥｌが同符号でないことがブロック１６１におい
て判定され、Ｅｌの振幅がＥｌ　に振幅よりも小さいこ
とがブロック１６３において判定されると、ブロック１
６５の方程式に累積ゼロ交差カウン）−ｎ及び現時振幅
Ｅ２を利用して電圧ＥＣが計算される。ただし、Ｅ、と
Ｅ２が同符号でなく、しかもＥｌがＥ２よりも小さけれ
ば、Ｅ。

とｎとを併用し、ブロック１６７の式を利用することに
よってＥＣを計算するｅＥｌ　とＥ２が同符号であるこ
とが１６１において判定され、Ｅｌの方が小さいことが
１６９におい°Ｃ判定されると、ブロック１７１におい
てＥｌとｎを併用してＥＣの値が計算される。符号が異
なる２つの信号のうちＥ、の方が小さければ、ブロック
１７３においてＥ２とｎからＥＣが計算される。なお、
ブロック１６５乃至１７１に示したＥＣの方程式におけ
る第１項は累積ゼロ交差カウントｎから階段値を求め、
第２項は選択された直角位相信号位の振幅に基づく補間
を可能にする。

次いでブロック１７３において電圧計算値ＥＣに倍率が
乗算されて測定電圧の瞬時振幅Ｅが求められる。

電子回路に使用される基準電圧ｅｒを２．８２８ボルト
に設定すれば、量０Ｊ５３５ｘ　ｅ　ｒ＝　１．２×０
．３５３５／　ｅ　、　＝　１／４　となり、ブロック
１６５．１６７．１７１．１７３及び１７５における計
算が簡単になるから便利である。

この方法によりば定数誤差を除いて測定電圧が一義的に
求められる。定数誤差はプログラム開始時におけるｎ初
期値の不備さに起因する。、ｎは整数であるがその他の
点では任意である。電圧が０の時にｎを０に設定できれ
ば以後の電圧測定は正しく行なわれる。しかしこれは一
般に不可能なことであり、１サイクルに亘る電圧計算値
の平均が０となるまで整数段階に亘ってｎを調整しなけ
ればならない。ｎを正しく調整すれば、プログラムが割
り込まれるまでは電圧計算値は正しい。

次のＥ計算に備えてブロック１７７においてＳ、Ｅｌ及
びＥ２の現在値が最新値として記憶されることでプログ
ラムが完結する。次いでプログラムはスタートに戻り、
次のデータ人力を待機する。

第６乃至８図は取付は態様を明らかにするため切欠いて
示す絶縁カラム２０１内に取付けたセンサー１の実施例
を示す。上部支持チューブ２０３を（図示しない）送電
線に接続し、下部支持チューブ２０５を接地する。両チ
ューブともに導電性であり、ＮＥＳ＾ガラスのような導
電性透明材で構成された取付はディスク２０７を介して
センサー１を挟持すると共に送電線及びアースとそれぞ
れ接続する。結晶２０９及び偏光器２１１，２１３は電
気的応力を軽減するため、第１及び２図のように方形で
はなく円形断面を呈するように形成しである。

第２偏光器２１３については、第７図から明らかなよう
に、２つの円筒状コリメーター２１５を円筒状偏光器の
一方の扁平端面に取付け、方形の１７８ウエーブ・プレ
ート２１７，２１９を反対側端面に取付ける。第２偏光
器２１３からのビームを光ファイバー・ケーブル２２１
　に集光するコリメーター２１５を第８図に断面で示し
た。それぞれのコリメーター２１５は例えば融解シリカ
のような２片の低屈折率ガラス２２３．２２５と、例え
ば５Ｆ５９のような１片の高屈折率ガラス２２７から成
り、２２７の湾曲面、２２７の厚さ及び２２５の長さは
２２３に入射する平行光束が光ファイバー２２１の端部
に集光され、光束のエツジからの光線がファイバーに衝
突するように設定する。具体的には、これらのパラメー
ターはレンズ焦点距離で光束の半径を割った値がファイ
バーの開口数を低屈折率ガラスの屈折率で割った値に等
しいかまたはこれよりも大きくなるように設定する。セ
ンサーの他方の側のコリメーターも同様に構成されるが
、その作用方向は逆であり、光ファイバー・ケーブルか
らの光を第１偏光器２１１へ入射する平行光束に変換す
る。

使用中、特にパルス・テストの際に高い電気応力に耐え
得るように絶縁カラム２０１にオイルまたは加圧六弗化
硫黄（ＳＦ６）を充填して光学系中にガラス／空気界面
が存在し得ないようにするから、必然的にコリメーター
を図示のように形成しなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一部を形成する電圧測定システムの動
作原理を示す概略図である。 第２図は本発明の電圧測定システムの概略図である。 第３ａ、ｂ１ｃ図は測定すべき線とアースとの間の電圧
、第２図の電気光学測定システムから発生する移相信号
の波形、及び移相波形から再構成された出力波形をそれ
ぞれ示す波形図である。 第４図は移相波形から出力波形を再構成する態様を示す
説明図である。 第５Ａ、Ｂ図は第４図に示す態様で移相波形から出力波
形を構成するため第２図のシステムが使用するプログラ
ムを示すフローチャートである。 第６図は高圧送電系における線とアースとの間の電圧を
測定するための本発明装置を一部切欠いて示す斜視図で
ある。 第７図は第６図の一部を示す拡大図である。 第８図は第７図に示した部分のさらに一部を示す垂直断
面図である。 ９・・・・第２偏光器 １１．１５・・・・分数ウェーブ・プレート２１・・・
・ＩＩＥ　圧測定システム 出願人：　　ウエスチンクへウス・エレクトリック・コ
ーポレーション化　理　人：加　藤　紘　一部（ほか１
名）１・・・・ポッケルス・セル装置 ３・・・・ＫＤＰ結晶 ７・・・・第１　（ｍ光器 ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５Ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）互いに距離を保つ２つの物体間の電圧を測定する
   方法であって、 電界に応答して前記２つの物体を結ぶ光軸と交差する２
   つの直交軸に複屈折を呈する電気光学結晶を配置し； 特定の偏光平面で偏光する平行光線を発生させ； 平行偏光を光軸と平行にかつ該平行偏光の偏光平面が結
   晶の前記２つの直交軸と特定の角度を形成するように前
   記結晶を通過させ； 前記結晶から出る前記平行偏光の第１部分を第２部分よ
   りも遅らせ； 第１部分を第２部分よりも遅らせたのち、平行偏光の両
   部分が偏光手段を通過するようにし；偏光手段を出る前
   記平行偏光の部分を第１及び第２移相信号に変換し； 前記２つの移相信号に基づいて、前記互いに距離を保つ
   ２つの物体間の電圧を表わす出力信号を発生させる 段階から成ることを特徴とする方法。 （２）前記平行偏光の第１部分を遅らせる段階として、
   前記第１部分を第２部分よりも約１／４波長遅らせるこ
   とを特徴とする請求項第（１）項に記載の方法。 （３）前記平行偏光を発生させる段階として、前記結晶
   を通過し、平行偏光の第１及び第２部分を形成する第１
   及び第２平行偏光ビームを発生させ、前記方法が２つの
   電気信号のピーク振幅が一定のかつ互いに等しい値に維
   持されるように前記２つのビームの強さを調整する段階
   をも含むことを特徴とする請求項第（１）項または第（
   ２）項に記載の方法。（４）前記２つの移相信号に基づ
   いて出力信号を発生させる段階として、 前記２つの移相信号のゼロ交差シーケンスをモニターす
   ると共に、その２方向累積ゼロ交差カウントを記憶し； 前記２方向累積ゼロ交差カウントの方向を前記２つの信
   号のいずれか一方による２つの連続するゼロ交差に応答
   して変え； 前記２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて前記互いに
   間隔を保つ２つの物体間の電圧測定値を表わす階段出力
   信号を発生させる 段階から成ることを特徴とする請求項第（３）項に記載
   の方法。 （５）前記２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて形成
   される出力信号の振幅を前記２つの移相信号のうちの一
   方の移相信号の瞬時振幅だけ調整する 段階をも含むことを特徴とする請求項第（４）項に記載
   の方法。 （６）前記２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて形成
   される出力信号の振幅をこの瞬間において振幅が小さい
   方の移相信号の瞬時振幅だけ調整することを特徴とする
   請求項第（５）項に記載の方法。 （７）前記２方向累積ゼロ交差カウントに基づいて形成
   される出力信号の振幅を振幅が小さい方の移相信号の振
   幅だけ調整する前記段階が２つの移相信号の相対極性に
   基づいて決定される方向に前記調整を行なう段階を含む
   ことを特徴とする請求項第（６）項に記載の方法。 （８）前記２つの移相信号のいずれか一方の瞬時振幅が
   所定値以下の振幅を表わす帯域の範囲内なら前記２方向
   累積ゼロ交差カウントを凍結し；前記２つの信号のいず
   れか一方が前記帯域を出るとこれに応答して前記２方向
   累積ゼロ交差カウントの凍結を解き、これに応答して、
   ただし、帯域から出る信号がこの帯域に入った時の極性
   とは反対の極性で帯域を出る場合に限って２方向累積ゼ
   ロ交差カウントをインデックスする 段階をも含むことを特徴とする請求項第（４）項または
   第（７）項に記載の方法。 （９）請求項第（１）項に記載の方法に従って動作して
   互いに間隔を保つ２つの物体間の電圧を測定する装置で
   あって、 平行光を発する光源手段と； 前記平行光を偏光させて平行偏光を形成する第１偏光手
   段と； 前記互いに間隔を保つ導体を結ぶ４重回転反転軸を有し
   、前記４重回転反転軸と平行に前記平行偏光が通過する
   電気光学結晶と； 前記結晶を通過したのち前記平行偏光の少なくとも第１
   部分が通過すると、この第１部分を前記平行偏光の第２
   部分よりも約１／４波長の奇数倍だけ遅らせる分数ウェ
   ーブプレート手段と；前記結晶を通過し前記平行偏光の
   少なくとも一方の部分が分数ウェーブプレート手段を通
   過した後前記第１及び第２部分が通過する第２偏光手段
   と； 前記第２偏光手段を出た前記平行偏光の前記第１及び第
   ２部分をそれぞれ第１及び第２信号に変換する第１及び
   第２検出器と； 前記第１及び第２信号に基づいて前記互いに間隔を保つ
   ２つの物体間の電圧を表わす出力信号を形成する出力信
   号発生手段 から成ることを特徴とする装置。 （１０）前記光源手段が前記第１偏光手段及び前記電気
   光学結晶を通過して前記第１及び第２平行偏光部分を形
   成する第１及び第２ビームを発する第１及び第２平行光
   源を含み、さらに、前記第１及び第２信号のピーク振幅
   がほぼ一定のかつ互いに等しい値に維持されるように前
   記第１及び第２平行偏光源を調整する調整手段をも含む
   ことを特徴とする請求項第（９）項に記載の装置。 （１１）前記調整手段が 基準電圧を供給する基準電圧源と、第１及び第２光源と
   検出器にそれぞれ連携させた第１及び第２調整回路から
   成り、それぞれの調整回路が連携の検出器から出力され
   る信号のピーク振幅を表わす連携のピーク電圧信号を出
   力するピーク電圧検出器と、 連携のピーク電圧信号及び基準電圧に応答して連携の光
   源からのビームの強さを調整することによつて連携のピ
   ーク電圧信号を基準電圧に等しい値に維持するフィード
   バック回路から成ることを特徴とする請求項第（１０）
   項に記載の装置。 （１２）前記出力信号発生手段が前記第１及び第２信号
   の特定セグメントに基づいて前記出力信号を形成する手
   段であることを特徴とする請求項第（１０）項または第
   （１１）項に記載の装置。 （１３）前記出力信号発生手段が 前記第１及び第２信号のゼロ交差シーケンスを検出し、
   前記第１及び第２信号のいずれか一方が連続する２つの
   ゼロ交差を発生させるとカウント方向を変える２方向累
   積ゼロ交差カウントを出力する手段と、 前記累積カウントを利用して前記出力信号を形成する手
   段 から成ることを特徴とする請求項第（９）項または第（
   １０）項に記載の装置。 （１４）前記第１及び第２信号のいずれか一方の瞬時振
   幅が所定値以下の振幅を表わす帯域内ならばゼロ交差の
   ２方向累積カウントを凍結する手段と、前記第１及び第
   ２信号のいずれか一方が前記帯域を出るのに応答し、た
   だし、帯域を出る信号が帯域に入った時とは反対の極性
   で出る場合に限って前記累積カウントの凍結を解く手段
   を含むことを特徴とする請求項第（１３）項に記載の装
   置。 （１５）累積カウントを利用して前記出力信号を形成す
   る前記手段が前記累積カウントから形成された前記出力
   信号の振幅を前記第１及び第２信号のいずれか一方の瞬
   時振幅だけ調節する手段を含むことを特徴とする請求項
   第（１４）項に記載の装置。 （１６）出力信号振幅を第１及び第２信号のいずれか一
   方の瞬時振幅だけ調節する前記手段が、瞬時振幅が小さ
   い方の信号を選択する手段を含むことを特徴とする請求
   項第（１５）項に記載の装置。 （１７）出力信号を瞬時振幅が小さい方の信号の瞬時振
   幅だけ調節する前記手段が第１及び第２信号の相対極性
   に応じて決定される方向に瞬時振幅が小さい方の信号の
   振幅だけ出力信号を調節する手段を含むことを特徴とす
   る請求項第（１５）項または第（１６）項に記載の装置
   。 （１８）前記分数ウェーブプレート手段が前記第１及び
   第２ビームがそれぞれ通過する第１及び第２　１／８ウ
   ェーブプレートから成り、前記第１及び第２　１／８ウ
   ェーブプレートが互いに約９０°の角度を形成する方向
   の軸を有することを特徴とする請求項第（９）項または
   第（１７）項に記載の装置。 （１９）ほぼ直角位相関係にありかつほぼ一定の等しい
   ピーク振幅を有する第１及び第２バイポーラ波形信号に
   分解された元の波形を表わす波形信号を形成する方法で
   あって、 前記第１及び第２信号の瞬間値を表わすデータ・サンプ
   ルを周期的に形成し； 前記第１及び第２信号のゼロ交差を前記データ・サンプ
   ルから検出し； 前記第１及び第２信号のいずれが先行しているかに基づ
   いて決定されるカウント方向に前記ゼロ交差の２方向累
   積カウントを累算し； 前記ゼロ交差累積カウントに基づいて元の波形を表わす
   出力信号を形成する 段階から成ることを特徴とする方法。 （２０）前記第１及び第２信号のいずれか一方の現時デ
   ータ・サンプルの振幅が所定値以下の振幅を表わす帯域
   以内なら前記ゼロ交差累積カウントを凍結し； 前記いずれか一方の信号の現時データ・サンプルの振幅
   が前記帯域から外れるとこれに応答して前記ゼロ交差累
   積カウントの凍結を解き、これに応答して、ただし、帯
   域を外れる信号が帯域に入った時とは反対の極性で帯域
   を出る場合に限って累積カウントをインデックスする 段階をも含むことを特徴とする請求項第（１９）項に記
   載の方法。 （２１）前記データ・サンプルを、一度に一方の信号だ
   けのデータ・サンプルが前記帯域内となり得るような速
   度で形成することをも特徴とする請求項第（２０）項に
   記載の方法。 （２２）前記帯域が前記累積カウント凍結時には第１所
   定値以下の振幅を表わし、前記累積カウントの凍結解除
   時には前記第１所定値よりも大きい第２所定値以下の振
   幅を表わすことをも特徴とする請求項第（２０）項に記
   載の方法。 （２３）前記ゼロ交差累積カウントから形成される出力
   信号の振幅を前記第１及び第２信号のいずれか一方の現
   時データ・サンプルの振幅だけ調節することをも特徴と
   する請求項第（２１）項に記載の方法。 （２４）前記ゼロ交差累積カウントから形成される出力
   信号の振幅を現時点において振幅が小さい方の信号の現
   時データ・サンプル振幅だけ調節することをも特徴とす
   る請求項第（２３）項に記載の方法。 （２５）前記ゼロ交差累積カウントから形成される出力
   信号の振幅を、両信号の現時データ・サンプルの相対極
   性に応じて決定される方向に、振幅が小さい方の信号の
   データ・サンプル振幅だけ調節することをも特徴とする
   請求項第（２４）項に記載の方法。 （２６）前記第１及び第２信号のいずれか一方の現時デ
   ータ・サンプルの振幅が所定値以下の振幅を表わす帯域
   内ならゼロ交差累積カウントを凍結し； 前記累積カウントが凍結されている状態で小さい方の信
   号がゼロ交差すると出力信号の振幅を小さい方の信号の
   振幅だけ調節する方向を反転させ； 前記第１及び第２信号のいずれか一方の現時データ・サ
   ンプル振幅が帯域を出るとこれに応答して前記累積カウ
   ントの凍結を解除し、これに応答して、ただし、帯域を
   出る信号が帯域に入った時とは反対側から帯域を出る場
   合に限つて累積カウントをインデックスすることをも特
   徴とする請求項第（２５）項に記載の方法。