JPWO2021048975A1

JPWO2021048975A1 - 非接触型電圧計測装置

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Publication number: JPWO2021048975A1
Application number: JP2021545052A
Authority: JP
Inventors: 不二次飯田; 智巳飯田
Original assignee: IIDA ELECTRONICS CO., LTD.
Current assignee: IIDA ELECTRONICS CO., LTD.
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: WO2021048975A1; JP7117804B2

Abstract

導体の電圧を非接触の状態で、しかも高い精度で計測できる非接触型電圧計測装置を提供すること。第１電極と第２電極を有する第１対電極と、第３電極と第４電極とを有する第２対電極と、を設け、導体の上記第１対電極方向の変位を補正するための第１補正量を演算する第１補正量演算手段と、上記第１補正量に基づいて上記第１対電極の補正された電圧を算出する第１対電極電圧演算手段と、上記導体の上記第２対電極方向の変位を補正するための第３補正量を演算する第３補正量演算手段と、上記第３補正量とに基づいて上記第２対電極の補正された電圧を算出する第２対電極電圧演算手段と、を有し、上記第１対電極の電圧と上記第２対電極の電圧とに基づいて、上記導体の電圧を算出する、を有する非接触型電圧計測装置。

Description

本発明は、導体の電圧を、該導体に対して非接触の状態で計測する非接触型の計測技術に関する。

従来から、絶縁被覆された導体の電圧を、該導体に対して非接触の状態で計測する非接触型の計測技術が色々提案されている。その一例を特許文献１に示す。特許文献１に開示された技術は、上記導体の電圧を計測するための複数個の電極を、上記導体の外周に同心円の状態で配置することにより、上記各電極と上記導体との間にそれぞれ静電容量が形成され、該静電容量を介して非接触の状態で、上記導体の電圧を計測するものである。この特許文献１に開示された技術は、たいへん優れた技術であり、上記導体の電圧を正確に計測することができ、計測された電圧値をいろいろな目的に利用することができる。

特許第５８４７３３９号公報

上記特許文献１に開示された技術は、電圧計測の対象となる導体の位置的なずれ、即ち導体の変位に対する対応が十分ではない。絶縁被覆で覆われた導体の電圧を、さらに高い精度で、計測したいとのニーズがある。例えば電線に印加された電圧を計測する場合を例として従来技術の課題を説明する。電線は導体と該導体の外周を覆う絶縁物とを有している。電線の外周面の形状や電線の外周面に対する上記導体の位置関係は、一定では無く、複雑に変化している。また電線中の導体自身もその形状が一定とは言えない。例えば上記導体として撚線が使用されている場合が多く、この場合には電線の外周形状と上記導体との関係が複雑に変化している。

従来技術を使用して上記導体の電圧を計測しようとした場合に、上述した物理的な形状の変化が、計測精度を低下させる要因となっている。発明者らは、より高い精度で導体の電圧を計測したいとのニーズに応えるため、計測精度を低下させる原因を調査検討し、上述した原因を明らかにした。さらにこれら原因に対する解決策についても検討を行った。その結果、以下で説明する解決技術を開発し、この解決策により導体の電圧をより高い計測精度で計測することを可能とした。

本発明の目的は、導体の電圧を非接触の状態で、しかも高い精度で計測できる非接触型電圧計測装置を提供することである。

上記課題を解決する第１の発明は、導体を配置するための空間の外側に、該空間を挟むように設けられた第１電極と第２電極とを有する第１対電極と、上記空間を挟むように設けられた第３電極と第４電極とを有する第２対電極と、上記導体の電圧に基づいて上記第１電極と上記第２電極および上記第３電極と上記第４電極とにそれぞれ発生した第１電極電圧と第２電極電圧および第３電極電圧と第４電極電圧を計測する電圧計測部と、上記第１電極電圧と上記第２電極電圧とに基づき、上記導体の上記第１対電極方向の変位を補正するための第１補正量を演算する第１補正量演算手段と、上記第１電極電圧と上記第２電極電圧および上記第１補正量とに基づいて上記第１対電極の補正された電圧を求める第１対電極電圧演算手段と、上記第３電極電圧と上記第４電極電圧とに基づき、上記導体の上記第２対電極方向の変位を補正するための第３補正量を演算する第３補正量演算手段と、上記第３電極電圧と上記第４電極電圧および上記第３補正量とに基づいて上記第２対電極の補正された電圧を求める第２対電極電圧演算手段と、上記第１対電極の補正された電圧と上記第２対電極の補正された電圧とに基づいて、上記導体の電圧を算出する導体電圧演算手段と、を有する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第２発明は、上記第１発明において、上記第１補正量を演算するためのパラメータとして、上記第１電極電圧と上記第２電極電圧の比を使用し、上記第３補正量を演算するためのパラメータとして、上記第３電極電圧と上記第４電極電圧の比を使用する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第３発明は、上記第１発明において、さらに上記第１電極電圧と上記第２電極電圧とに基づき、上記導体の上記第２対電極方向の変位を補正するための第２補正量を演算する第２補正量演算手段を更に設け、上記第１対電極電圧演算手段は、上記第１電極電圧と上記第２電極電圧および上記第１補正量と、上記第２補正量とに基づいて上記第１対電極の補正された電圧を算出する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第４発明は、上記第１発明において、さらに上記第３電極電圧と上記第４電極電圧とに基づき、上記導体の上記第１対電極方向の変位を補正するための第４補正量を演算する第４補正量演算手段を更に設け、上記第２対電極電圧演算手段は、上記第３電極電圧と上記第４電極電圧および上記第３補正量と、上記第４補正量とに基づいて上記第２対電極の補正された電圧を算出する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第５発明は、上記第１発明において、上記第１対電極の配置されている軸を直交座標系のＸ軸とすると、上記第２対電極が直交座標系のＹ軸上に配置されている、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第６発明は、上記第５発明において、上記Ｘ軸と上記Ｙ軸との交点を中心とし、上記Ｘ軸を起点とする角度において、上記第１対電極が設けられている角度と上記第２対電極が設けられている角度が異なる角度であって、上記角度において互いに重ならないように配置されている、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第７発明は、上記第５発明において、上記Ｘ軸と上記Ｙ軸との上記交点から上記第１対電極までの距離よりさらに上記交点から離れた位置に上記第２対電極が設けられている、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

上記課題を解決する第８発明は、上記第６発明において、上記第１対電極および上記第２対電極のさらに外側に、上記第１対電極および上記第２対電極を覆う接地電極を設けた、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置である。

本発明によれば、非接触の状態で、より高い精度で導体の電圧を計測することができる非接触型電圧計測装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る非接触型電圧計測装置の構成を説明する説明図である。図１に記載の非接触型電圧計測装置の各電極の配置を説明する説明図である。図２に記載の各電極の重なり関係を説明する説明図である。非接触型電圧計測装置における導体の変位を説明する説明図である。導体のＸ軸方向の変位と計測誤差の関係を説明する説明図である。導体のＸ軸方向の変位に対する補正について説明する説明図である。導体のＹ軸方向の変位と計測誤差の関係を説明する説明図である。導体のＹ軸方向の変位に対する補正について説明する説明図である。導体の電圧を算出する演算処理内容を説明するフローチャートである。本発明の他の実施形態を説明する説明図である。本発明のさらに他の実施形態を説明する説明図である。

１．はじめに
本発明を実施するための形態（以下実施形態と記す）を、添付図面を参照して説明する。添付図面において略同じ構成には同じ符号を付し、同じ符号が付された構成は略同じ動作および作用を為し、略同じ効果を奏する。同じ符号の構成に関して繰り返しの説明を省略する。

本明細書では用語「計測」を用語「測定」の概念も含めた広い概念で使用する。また用語「演算」あるいは用語「演算処理」、用語「算出」、用語「計算」は、四則演算などの代数計算だけでなく、色々な計算を含む広い概念で使用し、所定の条件や所定のパラメータに基づいて目的とする値やデータを得るための処理を含めた広い概念で使用する。例えば予め所定の条件やパラメータに基づいて演算や実験などにより目的とする値やデータを得て、これを記憶手段に記憶しておき、記憶内容を上記パラメータ等で検索して、目的とする値やデータを得る処理も、本明細書では用語「演算」あるいは用語「演算処理」、用語「算出」、用語「計算」、の概念に含めるものとする。本明細書では用語「接続」は直接的な接続だけでなく、部品や装置等を介して間接的につながる状態も含める広い概念で使用する。

以下に記載の実施形態は、色々な課題を解決し、色々な効果を奏する。以下に記載する実施形態により解決される課題あるいは得られる効果の中には、上述の「発明が解決しようとする課題」の欄に記載の範囲あるいは上述の「発明の効果」の欄に記載の範囲内に止まらず、それらの範囲を超えるものも含まれている。

２．本発明に係る非接触型電圧計測装置の一実施形態の説明
２．１本発明の一実施形態に係る非接触型電圧計測装置の適用範囲の説明
本発明の一実施形態である電圧計測装置１００は、低電圧から高電圧までの広範囲の電圧を非接触状態で、しかも高い精度で計測することができる。特に高電圧の計測においては危険が伴うため、非接触状態で計測することが好ましい。しかし非接触状態で計測する場合には、計測精度に対して色々な問題が生じてくる。電圧計測装置１００は、以下で説明する導体の変位に伴う問題を解決し、高い精度での計測を可能とした。

図１は、本発明の一実施形態に係る電圧計測装置１００を電線１６の交流電圧の計測に適用した例である。電圧計測装置１００に適用されている発明、すなわちこの実施形態の基礎となっている技術思想は、その適用が特定の周波数に限定されるものではない。本実施形態のごとく、商用の交流電力などの低い周波数領域はもちろんのこと、高周波までの広い範囲の周波数の交流電力における電圧の計測に対して適用することが可能である。

また電圧計測装置１００に適用されている発明即ち新技術思想は、数Ｖ程度の低い電圧から数百キロＶ等の高い電圧までの広い範囲の電圧の計測に適用できる。このように本発明は、計測対象が特定の電圧や周波数に限定されるものではない。世の中には交流電圧を高い精度で計測したい、とのニーズがある。以下の実施形態に適用されている技術思想は、このようなニーズに十分に答えることができる。

２．２電圧計測装置１００の基本構成の説明
図１に、色々な電力の送配電方式に適応可能な電圧計測装置１００の基本構成を示す。交流電力を送電する電線１６は、導体である心線１２と心線１２を覆う絶縁被覆１４を備えている。計測対象の交流電圧は、例えば交流電源４から電線１６の心線１２に電力が供給されたことにより、心線１２に生じた電圧である。交流電源４の一方側端子６は心線１２に接続され、他方側端子８は、基準電位点２０に接続されている。

電圧計測装置１００は、心線１２が絶縁被覆１４で覆われた状態のまま、心線１２に非接触の状態で、心線１２の交流電圧を計測できる。なお本実施形態では、心線１２および絶縁被覆１４を単純な円筒形状として図示している。しかしこれらは一例であり、電圧計測装置１００は、心線１２や絶縁被覆１４の形状が同心円の形状以外の形状であっても高い計測精度で電圧を計測することができる。例えば、心線１２が撚線であっても良いし、絶縁被覆１４が円筒形状以外の形状であっても良い。また絶縁被覆１４の中心から外れた位置に心線１２が存在していても、電圧計測装置１００は高い精度で交流電圧を計測できる。

電圧計測装置１００は、絶縁被覆１４の外側に心線１２に対向する状態で設けられた電極３２と電極３４を有する第１対電極、および心線１２に対向する状態で設けられた電極３６と電極３８を有する第２対電極を備えている。さらに電圧計測装置１００は、これら電極３２と電極３４および電極３６と電極３８の電圧を計測し、計測した電圧に基づいて心線１２の電圧を高い精度で演算にて算出する演算装置５０を有している。具体的には、演算装置５０はプログラムを実行することにより心線１２の電圧を演算する計算機で構成されている。

このように電圧計測装置１００は、計測部１０２と演算装置５０とを備えている。演算装置５０は、操作部５２や計測部５４、演算部５８、記憶部６２、表示等の方法により情報を出力する出力部６４を有している。また演算装置５０は電極３２と電極３４および電極３６と電極３８とに接続されていると共に基準電位点２０にも接続されている。操作部５２は、演算装置５０自身の動作の開始や終了、その他色々な演算装置５０の機能の選択やその実行を行うために使用される。計測部５４は、電極３２と電極３４および電極３６と電極３８の電圧をそれぞれ計測する機能を有する。演算部５８は、計測された電圧に基づいて補正演算を行い、心線１２の電圧を高い精度で算出する機能を有する。記憶部６２には、心線１２の電圧を求めるのに必要ないろいろな補正データが保持されていると共に、演算装置５０が動作するために必要なプログラムが記憶されている。出力部６４は、操作部５２の操作に必要な情報を、例えば表示の形式で出力する。また計測部５４で計測された計測値や、演算部５８で処理されるデータや、演算部５８で算出された計測結果である心線１２の電圧の情報を、表示機能により、あるいは通信機能により、またはその他の方法によって出力することができる。この実施形態では、計測対象である心線１２の電圧が、演算部５８での演算により求められ、その結果が例えば連続的に変化する波形の形式で出力部６４から出力することが可能である。上記計測結果の波形は、表示の形式で出力することが可能であるが、さらに図示を省略したプリンタを介して印刷物の形式で出力することもできる。また通信回線を介してデジタル情報の形式で、特定の装置に送ることも可能である。

図２および図３を使用して、心線１２の長手方向に垂直な面における電極３２や電極３４、電極３６、電極３８の配置関係を説明する。図２および図３では、見易くするために心線１２の外周を覆う絶縁被覆１４を省略している。図２および図３は心線１２の長手方向をＺ軸としたときのＺ軸に垂直な断面を、直交するＸ軸とＹ軸を有する直交座標系で表している。

図２および図３で、電極３２と電極３４が第１対電極を形成し、これら電極が心線１２を挟むように配置されている。また電極３６と電極３８が第２対電極を形成し、これら電極が心線１２を挟むように配置されている。本実施形態では、Ｚ軸１０と心線１２の中心が一致しているが、実際の計測状態では、Ｚ軸１０と心線１２の中心が一致する可能性が低い。これらが一致しない状態については以下で説明する。またＺ軸１０から電極３２および電極３４までの距離が互いに距離Ｘａと同じ距離になっているが、これらの距離が異なっていても、本発明では高い精度での計測が可能である。このことは電極３６と電極３８についても同様であり、図示ではＺ軸１０から電極３６および電極３８までの距離がそれぞれ距離Ｙｂと等しくなっているが、異なった距離であっても問題ない。

図３は煩雑さを避けるために、演算装置５０や心線１２、接地電極４０の図示を省略している。図３では、第１対電極を形成する電極３２と電極３４および第２対電極を形成する電極３６と電極３８の位置関係を説明するために、各電極の位置関係を、Ｘ軸を基準位置としさらにＺ軸１０を原点とする角度θで表す。電極３２は角度θ８と角度θ１との間に設けられ、電極３４は角度θ４と角度θ５との間に設けられている。電極３６は角度θ６と角度θ７との間に設けられ、電極３８は角度θ２と角度θ３との間に設けられている。このように心線１２の中心を原点とする角度θにおいて、第１対電極を形成する電極３２と電極３４および第２対電極を形成する電極３６と電極３８は互いに重ならない状態で配置されている。もしこれらの電極が重なっていると、心線１２の電圧に基づいて各電極に誘起される電圧が重なりの影響を受け、計測精度において悪影響が生じる。

上述したように、図２の実施形態では、Ｚ軸と一致する位置に電線１６の心線１２の中心が存在しているが、心線１２がどの位置に存在しても高い精度で電圧を計測できることが望ましい。そのため本実形態では、心線１２が第１対電極の内側の範囲であれば、どの位置に心線１２があっても、補正処理を行うことにより高い計測精度で電圧を計測することを可能としている。言い換えると第１対電極の内側であれば、その領域は高い計測精度で電圧を計測できる、心線１２が存在可能な自由空間であるとして、本実施例では処理することができる。このことについては、以下で図面を使用して詳述する。

また上述のとおり、図２や図３に記載の実施形態では、電極３２と電極３４が、Ｚ軸１０から等距離に配置され、さらにＺ軸を中心とする円に沿った円弧の形状を為している。この形状および配置関係は一例であって、例えば電極３２や電極３４は円弧の形状でなくてもよい。このことは第２対電極を形成する電極３６および電極３８に対しても同様である。

上述した図２に示す実施形態では、電極の外周側であるＺ軸から距離ｒｃの位置に、さらに電極３２や電極３４および電極３６と電極３８を覆うように、接地電極４０が設けられている。接地電極４０は本実施形態ではその断面が円形であるが、多角形あるいはその他の形状であっても良い。

上述したように図３では、角度θに関して、電極３８と電極３６および電極３４と電極３２は、それぞれが互いに重らないように配置されている。各電極が、このように配置されることにより、心線１２と上述の各電極との間にそれぞれ静電容量が形成され、更に上述の各電極と接地電極４０との間にもそれぞれ静電容量が形成される。このため、心線１２の電圧に基づいて、第１対電極を構成する電極３２と電極３４および第２対電極を構成する電極３６と電極３８に、それぞれ電圧が発生する。心線１２の電圧に基づいて、電極３２と電極３４の電圧や電極３６と電極３８の電圧が変化するので、これらの電圧を、演算装置５０で計測することにより、最終的には心線１２の電圧を非接触で計測することができる。

３第１対電極の内側を心線の配置可能な自由空間とする高精度電圧計測技術の説明
多くの場合、電圧の測定対象となる導体は絶縁材で覆われており、導体の位置関係や導体の形状を簡単に把握することが困難である。このような状況において、導体の電圧を高い精度で計測したいとのニーズにどのように対応するか、発明者らは色々検討を重ねた。その結果発明者らは、最も導体に近い電極である第１対電極の内側に導体が存在する場合に、一定の手順に従って演算処理を行うことにより、高い精度で導体の電圧を計測できる技術を確立した。すなわち上記手順に従って演算処理を行うことで、第１対電極の内側の自由空間に導体が存在する場合には、その導体の存在位置を明確に把握しなくても、高い精度で電圧の計測が可能となる技術を開発した。

３．１計測誤差の発生原因の説明
図２の記載では、心線１２と各電極との位置関係では、心線１２の中心がＺ軸１０と一致しており、心線１２の表面と電極３２の対向面や電極３４の対向面との距離がそれぞれ同じである。同様に心線１２の表面と電極３６の対向面や電極３８の対向面との距離もまたそれぞれ同じである。この場合には高い精度で電圧の計測が可能となる。

しかし多くの場合は、導体である心線１２がＺ軸１０からどの方向にどれだけ変位しているのか、分からない。さらに図４では、心線１２の断面を円形として図示したが、実際には心線１２の断面が円形であるかどうかも分からない。従って実際の計測においては、得られた計測結果に関して計測精度が高いのかどうかも分からない。このような現状を踏まえ、発明者らは計測誤差の発生原因とその計測誤差の大きさについて先ず解析した。

３．１．１導体がＸ軸方向に変位している場合の計測誤差の説明
図４は直交座標系において、心線１２の中心１３が、Ｚ軸１０に対して、Ｘ軸方向に距離Ｘ１、Ｙ軸方向に距離Ｙ１、変位している状態を示す。実際にはこのようにＸ軸方向にもＹ方向にも心線１２が変位している場合が多いが、先ずＸ軸方向の変位と計測誤差との関係を説明する。

図５において、心線１２がＸ軸方向に変位した場合の電極３２の電圧Ｖ３２の変化をグラフＧ１で、また電極３４の電圧Ｖ３４の変化をグラフＧ２で示す。さらに電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の和をグラフＧ３で示す。図５の各グラフは、心線１２のＸ軸方向の変位が大きくなるに従って、心線１２が近づいた方の電極の電圧が大きくなることを示している。従って電極３２と電極３４の電圧の和は、グラフＧ３で示すように、Ｘ方向の変位が大きくなるに従って大きくなる。変位ゼロの位置が、検出精度が高い状態であり、変位が大きくなるに従って計測誤差が大きくなる傾向にある。

３．２導体のＸ方向変位に伴う計測誤差の補正についての説明
心線１２のＸ方向への変位に伴う補正を図５に基づいて行うには、心線１２のＸ方向への変位量Ｘ１を知ることが必要となる。しかし現実には変位量Ｘ１を直接測ることが難しい。そこで発明者らは電極３２の計測電圧である電圧Ｖ３２と電極３４の計測電圧である電圧Ｖ３４の比に着目した。電圧Ｖ３４に対する電圧Ｖ３２の比は、心線１２のＸ方向への変位量Ｘ１の変数となり、変位量Ｘ１に対して一義的に定まる。

図６は、図５にグラフＧ３として記載の電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の和のグラフのパラメータを、心線１２のＸ方向の変位量Ｘ１から、電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４との比であるＶ３２割るＶ３４に変更したグラフである。図６に示すとおり、パラメータを心線１２のＸ方向の変位量Ｘ１から電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４との比であるＶ３２割るＶ３４に変更すると、電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の和は比較的単純な形状のグラフとなる。このようにグラフの形状が比較的単純な形状であり、記憶するデータ数を少なくし、例えば一次関数に近似させる方法で、補完計算により補正量を算出するようにしてもよい。

図６に記載の変位０で示される状態は、心線１２がＺ軸１０に存在する状態であり、計測誤差が最も少ない状態である。実際には心線１２がＺ軸１０に対して変位しており、この変位によって測定誤差が生じているが、上述したように、第１対電極の電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４とから簡単に、測定誤差の最も少ない変位０で示される状態の第１対電極の電圧を演算することができる。

３．３導体のＹ軸方向変位に伴う計測誤差とその補正関する説明
図７は、図４における心線１２の変位で、心線１２がＹ軸方向に変位した場合の、電極３２の電圧Ｖ３２および電極３４の電圧Ｖ３４に与える電圧変化を示すグラフである。心線１２のＹ軸方向への変位に伴う電極３２の電圧Ｖ３２の変化をグラフＧ５で示し、同じく電極３４の電圧Ｖ３４の変化をグラフＧ６で示す。また電極３２と電圧Ｖ３４の和の電圧の変化をグラフＧ７で示す。心線１２のＹ軸方向への変位に伴う電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４への影響は、図５に記載のＸ方向への変位の影響に比べれば小さい。また図５に記載のＸ軸方向への変位では、変位が大きくなるに従って実際の電圧より大きくなる方向の計測結果が得られたが、図７に示すＹ軸方向への変位では、実際の値より計測結果が小さくなる傾向となる。

図７に記載のＹ方向の変位は、実際には計測できないので、Ｙ方向への変位を電圧比ＲｙであるＶ３２割るＶ３４に置き換える。このグラフを図８に記載する。実際に心線１２がどの程度Ｙ軸方向に変位しているかを把握することが困難な場合が多い。従ってＹ軸方向の変位に代わる電極３２と電極３４の電圧比Ｒｙをパラメータとして使用できれば、補正が可能となる。またこの場合に電圧比Ｒｙをパラメータとして使用すると図８に記載のように補正データが比較的単純な形状となり、補正し易くまた高い精度が得易くなる効果がある。実際には図８のグラフはもう少し複雑になるが、考え方を説明するために簡素化している。

図６に記載の補正や図８に記載の補正を行うことにより、心線１２の存在位置が把握できない状態であっても、心線１２のＸ方向の変位およびＹ方向の変位に伴う補正が可能となり、精度の高い計測が可能となる。従って第１対電極を構成する電極３２と電極３４の内側の自由空間に心線１２が存在する場合には、上記変位を特定できなくても、第１対電極と第２対電極の計測結果から正確に第１対電極や第２対電極の電圧を算出することができる。これらの値から心線１２の電圧を正確に算出できる。

なお上記詳細説明は第１対電極について行ったが、第２対電極の場合には、第２対電極がＹ軸上に配置されているので、心線１２のＹ軸方向の変位に対する電極３６や電極３８の電圧Ｖ３６や電圧Ｖ３８が、図５や図６で説明した傾向となる。また心線１２のＸ軸方向の変位に対する電極３６や電極３８の電圧Ｖ３６や電圧Ｖ３８が、図７や図８で説明した傾向なる。従って第２対電極の電圧も正確に補正することが可能となり、正確な電圧を得ることが可能となる。上述したように正確な第１対電極の電圧と、正確な第２対電極の電圧とから、正確な心線１２の電圧を算出することができる。

４．電圧計測のための演算処理内容の説明
図１に記載した演算装置５０の演算処理内容を示すフローチャートの一例を、図９に示す。各電極の電圧を計測して、計測対象とする導体の電圧Ｖｏｕｔを算出する演算処理のためのプログラムが、記憶部６２に記憶されている。記憶部６２にはさらに演算により求められた心線１２の電圧をどのような形式で出力するか、およびそのための処理プログラムも記憶されている。このプログラムは計測対象の電圧の変化に対して極めて短い周期で繰り返し実行されるので、本実施形態では、上記導体の電圧変化を、高い精度の、しかも連続した電圧波形として出力することが可能となる。本実施形態では、上述したように演算装置５０の出力部６４から、上記波形を、表示によりあるいは印刷により、あるいはまたデジタルデータの形式で、出力することができる。

演算部５８の実行が開始されるとステップＳ１００からステップＳ１０２に実行が遷移し、ステップＳ１０２で第１対電極を構成する電極３２の電圧Ｖ３２と電極３４の電圧Ｖ３４が計測部５４により計測され、記憶部６２に一時的に保持される。さらにこのステップＳ１０２で、第２対電極を構成する電極３６の電圧Ｖ３６や電極３８の電圧Ｖ３８が、計測部５４により計測され、記憶部６２に一時的に保持される。

ステップＳ１０４で、先ず計測された電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４から計測対象導体である心線１２の変位に関する補正を行うためのパラメータを求める。このパラメータに基づきＸ軸方向の変位に対する補正量Ｒｘ１やＹ軸方向の変位に対する補正量Ｒｙ１を求める。Ｘ軸方向やＹ軸方向の変位に対する補正量のパラメータとして色々なデータが使用できるが、図６を用いて説明したように、上記計測された電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の比Ｃ１を用いると処理が簡単であり、また計測精度を向上する観点でも優れている。予め計測していた補正量のデータに基づき、比Ｃ１をパラメータとして、Ｘ軸方向の変位に伴う補正量Ｒｘ1を導き出す。

また他の方法として、図６に示すように補正量のグラフは比較的単純な形状となるので、記憶するデータを少なくし、データ間を一次グラフで補完するようにして、補正量を算出しても良い。

ステップＳ１０６で、演算された電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の比Ｃ1を計測対象導体である心線１２のＹ軸方向の変位に伴う補正量Ｒｙ１を求めるためのパラメータとして使用する。図９を用いて説明したように、上記計測された電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の比Ｃ１をパラメータとして、心線１２のＹ軸方向の変位に伴う補正量Ｒｙ１を導き出すことができる。電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の比Ｃ１と補正量Ｒｙ１との関係は、予め計測しておいて記憶部６２に予め比Ｃ１をパラメータとして補正量Ｒｙ１のデータを記憶しておき、この補正量Ｒｙ１の値を比Ｃ１に基づいて検索するようにしても良い。また誤差がやや大きいが、あらい間隔で補正量Ｒｙ１の値を記憶し、一次グラフに近似させて補完計算する方法で、補正量Ｒｙ１を算出しても良い。

ステップＳ１０８で、計測された電極３２と電極３４の電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４、さらに求められた補正量Ｒｘ１と補正量Ｒｙ１とから、電極３２と電極３４を有する第１対電極の正確な電圧ＶＡを演算に基づいて算出する。なおこの実施形態では正確な電圧ＶＡは、電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の正確な合計値を表しており、個々の電極の電圧を個別に算出しているのではない。目的である心線１２の電圧を正確に算出する上では、電圧Ｖ３２と電圧Ｖ３４の合計値を正確に算出できれは十分である。以下の第１式は、上述の処理に関する演算内容を示す。

電圧ＶＡ＝（電圧Ｖ３２＋電圧Ｖ３４）× Ｒｘ１ × Ｒｙ１・・・（１）
上述した処理方法では、非常に高い精度で電圧ＶＡを算出することができる。以下で説明する如く非常に高い精度で計測された電圧ＶＡを使用することで、心線１２の電圧を非常に高い精度で計測することができる。

Ｘ軸上に配置されている第１対電極に関する電圧ＶＡの計測では、Ｘ軸上での心線１２の変位が計測精度を低下させる大きな要因となる。一方Ｙ軸上での心線１２の変位も計測精度を低下させる要因となるがその影響力はＸ軸上での心線１２の変位に比べると非常に小さい。このためＸ軸上での心線１２の変位に対する補正を行えば、Ｙ軸上での心線１２の変位に関する補正を行わなくても、高い計測精度で第１対電極に関する電圧ＶＡを計測することができる。従ってＸ軸上での心線１２の変位に対する補正を行えば、心線１２の電圧を高い精度で計測することができる。

ステップＳ１１０からステップＳ１１４は、第２対電極の電圧を算出する演算処理手順、即ち電極３６や電極３８の電圧Ｖ３６や電圧Ｖ３８に関する制度の高い計測方法を示している。基本的な考え方は上述した第１対電極の場合と同様である。

ステップＳ１１０で、Ｙ軸方向の変位に伴う補正量を求めるためのパラメータとして電極３６の電圧Ｖ３６と電極３８の電圧Ｖ３８との比Ｃ２を算出する。この比Ｃ２から第２対電極の電圧ＶＢを算出するための補正量Ｒｙ２を求める。電圧Ｖ３６と電圧Ｖ３８の比Ｃ２と補正量Ｒｙ２との関係を、予め計測しておいて記憶部６２に予め比Ｃ２をパラメータとして記憶しておく。電極３６や電極３８の電圧Ｖ３６や電圧Ｖ３８に基づいて求めた比Ｃ２をパラメータとて補正量Ｒｙ２を検索して求める。あるいは間隔をあけた状態のデータを記憶しておき、代数計算により補完する方法で、補正量Ｒｙ２を算出しても良い。

パラメータとしての電圧Ｖ３６と電圧Ｖ３８との比Ｃ２と、補正量Ｒｙ２との関係は、心線１２の補正対象とする変位方向と第２対電極が配置されている軸とが一致する条件であり、上述した図５や図６の説明内容と同じ条件となる。このため同じ考え方で補正量を算出することができる。言い換えると、Ｙ軸上に電極３６や電極３８が配置されている第２対電極では、心線１２のＹ軸方向の変位が、計測誤差を大きくする要因となる。この状態は、上述した図５や図６の説明内容と同じ状態であり、心線１２のＹ軸方向の変位を補正することにより、計測精度が大きく改善される。

次に、第２対電極が置かれているＹ軸方向に対して垂直方向であるＸ軸方向に、心線１２が変位した場合を説明する。この場合、第２対電極の電圧の計測結果に対して、図７や図８で説明したと同様の影響が生じる。この影響に基づく計測精度の低下に対応するために、ステップＳ１１２で、Ｘ軸方向の心線１２の変位に対する補正量を算出する。ステップＳ１１０で算出した電圧Ｖ３６と電圧Ｖ３８との比Ｃ２をパラメータとして補正量Ｒｘ２を記憶部６２から検索する。なお比Ｃ２と補正量Ｒｘ２との関係は、予め計測しておいて記憶部６２に比Ｃ２をパラメータとして補正量Ｒｘ２のデータを記憶しておく。必要とする補正量Ｒｘ２のデータを、ステップＳ１１０で算出した比Ｃ２をパラメータとして検索することで算出できる。

ステップＳ１１２での処理により、電極３６と電極３８を有する第２対電極における正確な電圧を算出することができる。以下詳述する。先のステップで得られた、電極３６の電圧Ｖ３６と電極３８の電圧Ｖ３８、さらに算出された補正量Ｒｙ２と補正量Ｒｘ２とから式２に基づいて正確な第２対電極の電圧ＶＢを算出する。算出された電圧ＶＢは、心線１２の変位が考慮された電極３６と電極３８の電圧の正確な合計電圧を表す。なおこの合計電圧ＶＢは、心線１２の変位だけでなく、Ｚ軸１０と各電極間との距離の違いなども合わせて補正されている。

電圧ＶＢ＝（電圧Ｖ３６+電圧Ｖ３８）× Ｃｙ２ × Ｃｘ２・・・（２）
導体の電圧Ｖｏｕｔ＝ＶＡ × １／（Ｒ−ａ）・・・（３）
ここで、ＲはＶＡ／ＶＢで表される。またａは定数である。

式３の算出結果、即ち心線１２の正確な電圧である電圧Ｖｏｕｔは、第１対電極の正確な電圧ＶＡと第２対電極の正確な電圧ＶＢとから算出することができる。式３は電圧Ｖｏｕｔの算出の一例であって式３に限定されるものではない。即ち第１対電極と第２対電極の位置関係が既知であり、また心線１２のＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位が補正されているので、電圧ＶＡと電圧ＶＢとから心線１２の正確な電圧を求めることができる。ステップＳ１１６で電圧ＶＡと電圧ＶＢとの比Ｒを算出する。次にステップＳ１１８で心線１２の正確な電圧を算出する。

上述したように第１対電極の電圧ＶＡの計測誤差を発生する大きな要因は、第１対電極が配置されている軸と同じ軸方向の心線１２の変位である。この実施例ではＸ軸方向の変位である。従ってＸ軸方向の変位に関する補正量Ｒｘ1を算出して補正することで、計測精度が大きく向上する。

また第２対電極の電圧ＶＢの計測誤差を発生する大きな要因は、第２対電極が配置されている軸と同じ軸方向の心線１２の変位である。この実施例ではＹ軸方向の変位である。従ってＹ軸方向の変位に関する補正量Ｒｙ1を算出して補正することで、計測精度が大きく向上する。

５．実施形態の効果
５．１心線１２である導体の変位にかかわらず高い精度での電圧の計測の実現
本実施形態によれば、上述したように第１対電極の内側であれば心線１２の位置がどの位置にあっても変位に基づく補正を正確に行うことができ、高い精度で心線１２の電圧を計測できる。

また心線１２の変位の状態は、その外周に絶縁被覆１４が存在するなどの理由で把握することが難しいが、発明者等の検討の結果、第１対電極の電圧比あるいは第２対電極の電圧比からその変位内容を簡単に把握できることが分かった。

５．２導体である心線１２の太さや絶縁被覆１４の厚さ等の変化に対する影響の低減
本実施例では第１対電極や第２対電極など対の電極を使用し、さらに第１対電極に対して第２対電極を構成する電極の間隔を大きくしている。さらに心線１２の変位に関係するパラメータとしてそれぞれの対電極の電圧比を使用している。この結果心線１２の太さが変化したとしてもその変化が計測結果に与える影響が非常に小さくなっている。言い換えると心線１２の太さの変化が算出された計測値に現れにくい状態となっている。このため高い計測精度が得られる。また絶縁被覆１４の厚さ等が変化すると静電容量の変化等の関係から計測された電圧値に影響を与えることになる。しかし本実施形態では、第１対電極に対して、第２対電極の電極間の距離を大きくしており、また補正パラメータとして第１対電極や第２対電極を構成する各電極の電圧比、および第１対電極の電圧と第２対電極の電圧比に基づいて心線１２の電圧を算出しているので、絶縁被覆１４の形状等の変化による静電容量の変化に伴う計測結果への影響が非常に少なくなる。

５．３第１対電極や第２対電極の電極形状や電極数を自由に変えることができる
説明を簡単にするために第１対電極や第２対電極を構成する電極を円弧形状としたが、心線１２の変位と発生電圧との関係において、電極形状が特定される必要がなく、予め計測して補正量を求めるための電極形状と実際に使用する計測装置の電極形状との関係を定めておけば、電極は他の形状であっても全く問題ない。

実施形態では第１対電極と第２対電極を一組ずつ、としたが、電極はそれぞれ複数個設けられていても良い。また複数個設けられている場合の処理についても、例えば平均化しても良いし、その他の処理方法であっても良い。

５．４連続した計測が可能となる
本実施形態では、計測対象の交流電圧の変動周期に対して極めて短時間に計測が終了するので、計測動作を繰り返すことにより、対象電圧を連続的に計測することができる。使用の要求に対応して高精度の計測結果を連軸的に、例えば連続した波形として出力することが可能となる。

６．他の実施形態の説明
図１０は、本発明の他の実施形態を示す。演算装置５０の演算処理は先の実施形態と同様であり、演算装置５０に関する開示や説明を省略する。電線１６はその内部に心線１２を備えている。電圧計測装置１００は計測部１０２に電線１６を固定することにより、第１対電極や第２対電極と電線１６との位置関係を固定するための電線保持具２２２および電線保持具２２４を有している。また第１対電極は一個の電極３２と一個の電極３４とで構成されているのではなく、電極３２が、電線１６の長手方向の沿って設けられた複数の電極３２１や電極３２２で構成されている。また電極３４電線１６の長手方向の沿って設けられた複数の電極３４１や電極３４２で構成されている。電極３２１と電極３２２および電極３４１と電極３４２は、それぞれ電極３６を挟むように配置されている。もちろん電極３６についても複数の電極で構成するようにしても良い。

電極３６や電極３２１、電極３２２、電極３４１、電極３４２は、それぞれ電極保持部２３４に配置され、それぞれの位置関係が変わらないように樹脂などで固定されている。電極保持部２３４は固定具２３０によって電線保持具２２２や電線保持具２２４に固定されている。電圧計測装置１００の計測部１０２は、図示していないが電線１６の長手方向に沿って半分に割れる構造をしており、計測部１０２を半分に分割した状態で、電線保持具２２２や電線保持具２２４の内部に電線１６を配置して分割された計測部１０２を一体の状態に戻すことにより、電線１６と電極保持部２３２との位置関係が定まる。

電極保持部２３２の内側は計測可能領域である自由空間２１０を形成されている。この図では電線１６は長手方向において直線形状であるが、自由空間２１０の内部で反るなどの形状変化、即ち電線１６が曲がっていてもその心線１２の電圧を正確に計測することができる。

図１１は、さらに他の実施形態である。電極３２や電極３４、電極３６、電極３８が設けられ、それらの外側に接地電極４０が設けられている。ここで電極３２や電極３４および電極３６や電極３８が円弧形状を為しているが、これら電極の形状が円弧形状でなくても良いことは、何度か上述したとおりである。接地電極４０の形状についても同様である。図１１では８角形をしている。このように接地電極４０は多角形でも問題はない。ただ第１対電極を形成する電極３２や電極３４の内側に電線１６を配置するための自由空間２１０を設けることが必要である。また自由空間２１０と接地電極４０との間を広くすると扱いにくくなる。このようなことから接地電極４０の断面は円に近い方が良い。このため六角形や八角形あるいはそれ以上の多角形の方が望ましい。

接地電極４０を八角形とすると電極３２や電極３４および電極３６や電極３８が八角形の４面にそれぞれ対応し、計測部１０２を制作する上でも優れている。また自由空間２１０に電線１６を配置するためには、計測部１０２を分割することが必要となる。分割部分の一例を分割面２０２として示す。接地電極４０を八角形とすると二分割する上でも適切である。

４・・・交流電源、１２・・・心線、１４・・・絶縁被覆、１６・・・電線、２０・・・基準電位点、３２・・・電極、３４・・・電極、３６・・・電極、３８・・・電極、４０・・・接地電極、５０・・・演算装置、５２・・・操作部、５４・・・計測部、５８・・・演算部、６２・・・記憶部、６４・・・出力部、１００・・・非接触型電圧計測装置、１０２・・・計測部、２０２・・・分割面、２１０・・・自由空間、２３０・・・固定具、２３２・・・電極保持部、３２１・・・電極、３２２・・・電極、３４１・・・電極、３４２・・・電極、

Claims

導体を配置するための空間の外側に、該空間を挟むように設けられた第１電極と第２電極とを有する第１対電極と、
上記空間を挟むように設けられた第３電極と第４電極とを有する第２対電極と、
上記導体の電圧に基づいて上記第１電極と上記第２電極および上記第３電極と上記第４電極とにそれぞれ発生した第１電極電圧と第２電極電圧および第３電極電圧と第４電極電圧を計測する電圧計測部と、
上記第１電極電圧と上記第２電極電圧とに基づき、上記導体の上記第１対電極方向の変位を補正するための第１補正量を演算する第１補正量演算手段と、
上記第１電極電圧と上記第２電極電圧および上記第１補正量とに基づいて上記第１対電極の補正された電圧を算出する第１対電極電圧演算手段と、
上記第３電極電圧と上記第４電極電圧とに基づき、上記導体の上記第２対電極方向の変位を補正するための第３補正量を演算する第３補正量演算手段と、
上記第３電極電圧と上記第４電極電圧および上記第３補正量とに基づいて上記第２対電極の補正された電圧を算出する第２対電極電圧演算手段と、
上記第１対電極の補正された電圧と上記第２対電極の補正された電圧とに基づいて、上記導体の電圧を算出する導体電圧演算手段と、を有する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項１に記載の非接触型電圧計測装置において、
上記第１補正量を演算するためのパラメータとして、上記第１電極電圧と上記第２電極電圧の比を使用し、
上記第３補正量を演算するためのパラメータとして、上記第３電極電圧と上記第４電極電圧の比を使用する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項１に記載の非接触型電圧計測装置において、
さらに上記第１電極電圧と上記第２電極電圧とに基づき、上記導体の上記第２対電極方向の変位を補正するための第２補正量を演算する第２補正量演算手段を更に設け、
上記第１対電極電圧演算手段は、上記第１電極電圧と上記第２電極電圧および上記第１補正量と、上記第２補正量とに基づいて上記第１対電極の補正された電圧を算出する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項１に記載の非接触型電圧計測装置において、
さらに上記第３電極電圧と上記第４電極電圧とに基づき、上記導体の上記第１対電極方向の変位を補正するための第４補正量を演算する第４補正量演算手段を更に設け、
上記第２対電極電圧演算手段は、上記第３電極電圧と上記第４電極電圧および上記第３補正量と、上記第４補正量とに基づいて上記第２対電極の補正された電圧を算出する、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項１に記載の非接触型電圧計測装置において、上記第１対電極の配置されている軸を直交座標系のＸ軸とすると、上記第２対電極が直交座標系のＹ軸上に配置されている、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項５に記載の非接触型電圧計測装置において、上記Ｘ軸と上記Ｙ軸との交点を中心とし、上記Ｘ軸を起点とする角度において、上記第１対電極が設けられている角度と上記第２対電極が設けられている角度が異なる角度であって、上記角度において互いに重ならないように配置されている、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項５に記載の非接触型電圧計測装置において、上記Ｘ軸と上記Ｙ軸との上記交点から上記第１対電極までの距離よりさらに上記交点から離れた位置に上記第２対電極が設けられている、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。
請求項６に記載の非接触型電圧計測装置において、上記第１対電極および上記第２対電極のさらに外側に、上記第１対電極および上記第２対電極を覆う接地電極を設けた、ことを特徴とする非接触型電圧計測装置。