KR101780276B1 - 비접촉 전압 계측 장치 - Google Patents

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Abstract

비접촉 전압 계측 센서(1)에 있어서, 검출 프로브(11)는 판 스프링으로 구성되어 있고, 외력이 인가됨으로써, 상기 판 스프링의 장력이 작용하는 방향으로 권회하도록 변형된다.

Description

비접촉 전압 계측 장치{NON-CONTACT VOLTAGE MEASURING APPARATUS}
본 발명은 전압 계측 장치에 관한 것으로서, 특히, 도선에 인가되어 있는 전압을, 당해 도선에 접촉하지 않고 계측하는 비접촉 전압 계측 장치에 관한 것이다.
종래, 절연 피복부로 피복된 도선에 흐르는 교류의 전압(계측 대상 전압)을 당해 도선에 접촉하지 않고 계측하는 비접촉 전압 계측 장치가 알려져 있다.
비접촉 전압 계측 장치에서는, 이하와 같이 하여 계측 대상 전압이 계측된다. 먼저, 도선의 절연 피복부에 대하여 전압을 검출하기 위한 검출 프로브가 근접시켜진다. 절연 피복부와 검출 프로브가 근접한 때, 검출 프로브와 도선 간에 결합 용량이 발생한다. 검출 프로브와 도선 간에 결합 용량이 발생한 상태에서, 도선에 교류가 흐르면, 검출 프로브에 유기 전압이 발생한다. 이 유기 전압의 전압값과, 결합 용량의 정전 용량값을 사용하여, 계측 대상 전압이 도출된다.
비접촉 전압 계측 장치의 일례로서, 특허문헌 1에는, 가요성을 갖는 소재로 덮인 검출 프로브를 구비한 비접촉 전압 검출 장치가 기재되어 있다. 검출 프로브가 가요성을 가지므로, 유저는, 검출 프로브를 전선의 절연 피복부에 권취하는 것에 의해, 전선과 검출 프로브의 밀착성을 향상시킴과 함께, 그것들의 접촉 면적을 확대할 수 있다. 이에 의해, 검출 프로브와 전선 내의 코어선 간에 발생하는 결합 용량이 커지고, 또한 결합 용량의 변동(불균일)이 억제된다. 따라서, 절댓값이 크고 또한 변동이 작은 결합 용량을 사용하여, 계측 대상 전압이 정확하게 계측된다.
일본 공개 특허 공보 「일본 특허 공개 제2012-163394호 공보(2012년 8월 30일 공개)」
그러나, 특허문헌 1에 기재된 비접촉 전압 검출 장치에서는, 유저는, 검출 프로브의 위치나 형상을 조절하면서, 검출 프로브를 절연 피복의 주위에 권취한다는 수작업을 행할 필요가 있다. 이 수작업은 수고 및 시간이 걸린다는 문제가 있다. 또한, 유저가 비접촉 전압 검출 장치의 전압계를 전선 케이블에 설치할 때, 당해 케이블에 접촉함으로써, 감전될 가능성이 있다는 문제도 있다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 절연 피복된 도선에 검출 프로브를 수작업 없이 권취하여, 검출 프로브와 도선 간에 발생하는 결합 용량을 증대시킴으로써, 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 정확하게 계측할 수 있는 비접촉 전압 계측 장치를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 형태에 관한 비접촉 전압 계측 장치는, 도선에 권취된 상태에서 전압을 검출하는 검출 프로브를 구비하고 있고, 상기 검출 프로브와 상기 도선 간에 결합 용량이 발생하도록, 상기 검출 프로브를 상기 도선에 비접촉으로 근접시켰을 때, 상기 검출 프로브에 발생하는 유기 전압에 기초하여, 상기 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 계측하는 비접촉 전압 계측 장치에 있어서, 상기 검출 프로브는, 당해 검출 프로브에 작용하는 장력에 반하여, 당해 검출 프로브의 길이 방향으로 연신되어 있는 제1 상태와, 상기 장력이 작용하는 방향으로 권회되어 있는 제2 상태 사이에서 탄성 변형된다.
상기 구성에 의하면, 검출 프로브는, 장력이 작용하는 방향으로 권회되어 있는 제2 상태와, 상기 장력에 반하여 연신되어 있는 제1 상태 사이에서 탄성 변형된다. 그 때문에, 검출 프로브는, 도선의 주위 방향과, 장력이 작용하는 방향이 평행하게 되는 방향으로 도선에 접촉한 상태에서, 제1 상태로부터 제2 상태로 탄성 변형된 경우, 장력이 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 도선의 주위에 권회된다.
그 때문에, 검출 프로브와 도선 간에 결합 용량을 발생시키기 위해서, 검출 프로브를 도선의 주위에 권취하는 수작업이 불필요하다. 따라서, 이 수작업에 걸리는 시간 및 수고를 삭감할 수 있다. 또한, 유저는, 비접촉 전압 검출 장치를 도선에 설치할 때, 당해 도선에 접촉하지 않으므로, 감전될 가능성 없이, 비접촉 전압 검출 장치를 도선에 안전하게 설치할 수 있다.
또한, 검출 프로브가 도선의 주위에 권취됨으로써, 검출 프로브와 도선 간에 발생하는 결합 용량이 증대하므로, 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 보다 고정밀도로 계측할 수 있다.
본 발명에 따르면, 절연 피복된 도선에 검출 프로브를 수작업 없이 권취하여, 검출 프로브와 도선 간에 발생하는 결합 용량을 증대시킴으로써, 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 정확하게 계측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 비접촉 전압 계측 센서의 외관을 개략적으로 도시하는 평면도이며, 만곡된 상태의 검출 프로브를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 비접촉 전압 계측 센서의 외관을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 비접촉 전압 계측 센서의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이며, 당해 센서가 구비한 전기 회로를 도시하는 도면이다.
도 4는 면의 상하 방향으로 작용하는 장력을 갖는 동판 스프링을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 결합 용량과 계측 대상 전압의 관계를 도시하는 다른 도면이며, 결합 용량의 정전 용량값과, 계측 대상 전압의 절댓값의 2회 미분과의 관계를 나타내는 그래프를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 비접촉 전압 계측 센서의 외관을 도시하는 다른 평면도이며, 만곡이 해소된 상태의 검출 프로브를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 비접촉 전압 계측 센서의 검출 프로브가 계측 대상 배선의 주위에 권취되어 있는 예를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도 1∼도 7을 사용하여, 상세하게 설명한다.
(비접촉 전압 계측 센서(1)의 구성)
도 1∼도 3을 사용하여, 비접촉 전압 계측 센서(1)(비접촉 전압 계측 장치)의 구성을 설명한다. 도 1은, 비접촉 전압 계측 센서(1)의 외관을 개략적으로 도시하는 평면도이다. 도 2는, 비접촉 전압 계측 센서(1)의 외관을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 또한, 도 3은, 비접촉 전압 계측 센서(1)의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이며, 비접촉 전압 계측 센서(1)가 구비한 전기 회로 EC를 도시하는 도면이다. 이하에서는, 비접촉 전압 계측 센서(1)를 전압 센서(1)로 약칭한다.
전압 센서(1)는 도 3에 도시하는 계측 대상 배선 w 내의 코어선(도선)에 흐르는 각주파수 ω의 교류의 전압 VL(계측 대상 전압)을 당해 코어선에 접촉하지 않고 계측한다. 도시하지 않지만, 계측 대상 배선 w는 절연 피복되어 있고, 계측 대상 배선 w의 코어선의 둘레는, 절연성 물질로 덮여 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전압 센서(1)는 검출 프로브(11) 및 회로 기판(15)을 구비하고 있다. 검출 프로브(11)과 회로 기판(15)은, 접속선 SL에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 검출 프로브(11)는 기판(16)의 이면 상에 배치되어 있다. 한편, 회로 기판(15)은 동일한 기판(16)의 표면 상에 배치되어 있다. 기판(16)은 가요성이 있는 절연 부재로 구성되어 있다.
회로 기판(15) 내에는, 전기 회로 EC가 형성되어 있다. 접속선 SL 및 회로 기판(15)은 벗겨지지 않도록, 폴리이미드의 시트로 라미네이트되어 있다(도시하지 않음).
도 1에 도시한 바와 같이, 전압 센서(1)의 표면은 직사각형이다. 전압 센서(1)의 표면의 짧은 변(도 1에 있어서의 세로 방향으로 연장하는 변)의 길이는, 예를 들어 10mm∼20mm이다. 또한, 전압 센서(1)의 짧은 변과 비교한 긴 변(도 1에 있어서의 가로 방향으로 연장하는 변)의 실제의 길이는, 계측 대상 배선 w의 외주보다도 긴 것이 바람직하지만, 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시한 바와 같이, 검출 프로브(11), 및 검출 프로브(11)가 배치된 기판(16)의 부분은, 전압 센서(1)의 표면의 긴 변에 직교하는 단면에 있어서, 오목의 형상으로 만곡되어 있다. 도 1 및 도 2에 있어서, 검출 프로브(11)의 만곡(홈)을 부호 c로 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전기 회로 EC는, 콘덴서 C1 및 C2, 검출 저항 R, 전환 스위치(13), 및 연산 증폭기(14)를 포함하고 있다. 검출 프로브(11) 및 전기 회로 EC는, 전계 실드(12)에 의해 주위를 덮고 있다. 콘덴서 C1 및 C2의 정전 용량값은 어느 쪽도 기지(각각, 47pF, 470pF)이다.
(1. 검출 프로브(11))
검출 프로브(11)는 구리를 재료로 하는 판 형상의 스프링(동판 스프링)으로 구성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w의 코어선을 덮는 절연성 물질에 접촉하고 있거나, 또는 충분히 근접해 있을 때, 검출 프로브(11)과 당해 코어선 간에는, 미지의 정전 용량값을 갖는 결합 용량 CL이 발생한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 검출 프로브(11)를 구성하는 판 스프링의 표면에는, 검출 프로브(11)의 길이 방향(도 1에 있어서의 가로 방향)에 대하여 경사진 방향(화살표가 나타내는 방향)으로 장력 T가 작용하고 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 검출 프로브(11)는 판 스프링의 장력 T에 의해, 장력 T가 작용하는 방향으로 권회된 형상으로 탄성 변형하고자 하는 특성을 갖는다. 검출 프로브(11)가 변형될 때, 검출 프로브(11)가 배치된 기판(16)의 부분도, 검출 프로브(11)과 함께 변형된다.
검출 프로브(11)는 형상이 서로 다른 2가지의 상태를 취할 수 있다. 검출 프로브(11)의 제1 상태는, 도 2에 실선으로 도시한 바와 같이, 검출 프로브(11)가 만곡 c를 갖고 있으며, 홈통의 형상으로 만곡된 상태이다. 만곡 c는, 검출 프로브(11)의 길이 방향에 대하여 수직한 단면에 있어서의 검출 프로브(11)의 단면 2차 모멘트를 크게 함으로써, 검출 프로브(11)가 권회되는 것을 억제하도록 작용한다. 그로 인해, 검출 프로브(11)는 제1 상태일 때, 길이 방향으로 연신된 상태를 유지한다.
검출 프로브(11)의 제2 상태는, 도 2에 파선으로 도시된 바와 같이, 만곡 c가 해소되고, 장력 T의 방향으로 권회된 상태이다. 전압 센서(1)의 표면측 또는 이면측으로부터, 제1 상태인 검출 프로브(11)에 대하여 외력이 인가되었을 때, 만곡 c는 해소된다. 또한, 검출 프로브(11)에 인가되는 외력은, 유저가 인가하는 힘이어도 되고, 검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w와 접촉했을 때에 당해 배선 w로부터 받는 항력이어도 된다. 만곡 c가 해소되었을 때, 검출 프로브(11)는 장력 T에 의해, 장력 T가 작용하는 방향으로 권회된다.
이와 같이 하여, 검출 프로브(11)는 만곡 c를 갖는 제1 상태로부터, 만곡 c가 해소되고, 장력 T의 방향으로 권회된 제2 상태로 이행한다.
여기서, 「만곡 c가 해소된」 상태에는, 만곡 c가 완전히 해소된 상태 이외에, 검출 프로브(11)가 장력 T에 의해 권회될 수 있을 정도로, 만곡 c가 부분적으로 해소된 상태도 포함된다.
검출 프로브(11)는 계측 대상 배선 w의 외면과 접촉하면서, 제1 상태로부터 제2 상태로 이행했을 경우, 계측 대상 배선 w에 권취되도록 권회된다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 장력 T가 작용하는 방향이, 검출 프로브(11)의 길이 방향에 비평행인 경우, 검출 프로브(11)는 계측 대상 배선 w에 대하여 나선 형상으로 권회된다(도 7 참조). 또한, 장력 T가 작용하는 방향이, 검출 프로브(11)의 길이 방향에 평행할 경우, 검출 프로브(11)는 계측 대상 배선 w에 대하여 링 형상으로 권회된다.
검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w의 주위에 권취되었을 때, 검출 프로브(11)과 계측 대상 배선 w 간에 결합 용량 CL(도 3 참조)이 발생한다. 이때, 계측 대상 배선 w 내의 코어선에 흐르는 교류의 전압 VL은, 검출 프로브(11) 내의 전하에 정전 유도를 야기한다. 이에 의해, 검출 프로브(11)에는, 전압 VL 및 결합 용량 CL에 의존하는 전압 Vin(유기 전압)이 발생한다. 전압 Vin은, 접속선 SL을 통해서, 전기 회로 EC에 입력된다.
또한, 제2 상태에 있는 검출 프로브(11)는 권회를 해소하도록, 양쪽 측단부로부터 인장되는 힘이 인가됨으로써, 제1 상태로 복귀될 수 있다.
또한, 검출 프로브(11)는 만곡 c의 유무에 따라 신축하는(즉, 제1 상태와 제2 상태 사이에서 변형된다) 구성 대신에 공기의 압력에 의해 신축하는 구성을 구비하고 있어도 된다. 이 구성에서는, 검출 프로브(11)는 「파티 호른」이라고 불리는 완구와 같이, 검출 프로브(11) 내의 공기 압력을 증대시킴으로써 검출 프로브(11)가 길이 방향으로 연신된 제1 상태를 유지하고, 공기의 압력을 감소시킴으로써 제2 상태로 변형된다.
이하에, 검출 프로브(11)의 제작 방법을 설명한다. 처음에, 유저는, 검출 프로브(11)의 재료로서, 구리제의 판 스프링(동판 스프링)을 준비한다.
도 4에, 표면의 상하 방향으로 작용하는 장력 T를 갖는 동판 스프링 CP를 모식적으로 도시한다. 동판 스프링 CP는, 장력 T의 방향으로 권회되려고 하는 특성을 갖는다. 바꿔 말하면, 동판 스프링 CP의 원래의 (자연스러운) 형상은, 장력 T의 방향으로 권회된 형상이다. 유저는, 도 4에 도시한 바와 같이, 동판 스프링 CP로부터, 장력 T의 방향에 비평행한 긴 변을 갖는 직사각형의 판 스프링 FS를 잘라낸다. 이어서, 판 스프링 FS를, 길이 방향으로 연신하는 홈통의 형상으로 되도록 만곡시킨다. 이것으로, 도 1 및 도 2에 도시하는 검출 프로브(11)가 완성된다.
또한, 전압 센서(1)가 계측 대상 배선 w의 코어선이 노출된 부분의 전압 VL을 계측할 수 있도록, 검출 프로브(11)는 절연 부재로 피복되어 있어도 된다. 이 구성에서는, 유저는, 검출 프로브(11)를 피복하는 절연 부재를 노출된 코어선에 접촉시킴으로써 검출 프로브(11)를 코어선에 비접촉으로 근접시킬 수 있다. 이 구성에서는, 적어도, 검출 프로브(11)의 전극이 판 스프링으로 구성되어 있으면 된다.
또한, 검출 프로브(11)의 재료로서, 구리제의 판 스프링 대신 스테인리스제의 판 스프링을 사용할 수도 있다. 스테인리스제의 판 스프링은, 구리제의 판 스프링과 비교하여, 원래의 형상으로 복귀되려고 하는 힘이 강하다는 특성을 갖는다.
또한, 검출 프로브(11)는 판 형상이 아니어도 되고, 봉 형상 또는 철사 형상의 검출 프로브도 본 발명의 범위에 포함된다.
(2. 전계 실드(12))
전계 실드(12)는 검출 프로브(11) 또는 전기 회로 EC에 외계로부터 입사되는 전계를 차단함으로써, 검출 프로브(11) 또는 전기 회로 EC와, 계측 대상 배선 w의 코어선 이외의 전압원이 용량 결합하는 것을 방지한다. 또한, 전계 실드(12)는 도 3에서는 전기 회로 EC의 일부만을 덮고 있지만, 전기 회로 EC 전체를 덮고 있어도 된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 검출 프로브(11)과 전계 실드(12) 간에는 기생 용량 Cp가 발생한다. 기생 용량 Cp의 정전 용량값은, 검출 프로브(11)과 전계 실드(12)의 위치 관계에 의해 정해진다. 기생 용량 Cp는, 검출 프로브(11)의 위치 및 전계 실드(12)의 위치가 확정된 후, 캘리브레이션에 의해 구해짐으로써, 기지의 값이 된다.
(3. 전환 스위치(13))
전환 스위치(13)는 전기 회로 EC를, (i) 콘덴서 C1이, 결합 용량 CL과 검출 저항 R 간에 직렬 접속된 (i) 상태와, (ii) 콘덴서 C1 및 콘덴서 C2가, 결합 용량 CL과 검출 저항 R 간에 직렬 접속된 (ii) 상태 사이에서 전환된다.
전기 회로 EC가 (i) 상태일 때, 검출 프로브(11)과 검출 저항 R 간의 임피던스는, 1/jωC1이다. 한편, 전기 회로 EC가 (ii) 상태일 때, 검출 프로브(11)과 검출 저항 R 간의 임피던스는, 1/jωC'2이다. 여기서, C'2=C1+C2이다.
전기 회로 EC가 (i) 상태일 때, 전기 회로 EC에 입력되는 전압 Vin은, 검출 저항 R과, 콘덴서 C1 사이에서 분압된다. 한편, 전기 회로 EC가 (ii) 상태일 때, 전압 VL은, 검출 저항 R과, 콘덴서 C1 및 C2 사이에서 분압된다.
전기 회로 EC가 (i) 상태일 때와, (ii) 상태일 때의 각각에 대해서, 전기 회로 EC 내에 설정된 검출점 DP에 있어서, 전압 Vout(각각, Vout1, Vout2)이 검출된다. 이에 의해, 결합 용량 CL 및 전압 VL을 미지수로서 포함하는 2가지의 식이 얻어진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 검출점 DP는, 콘덴서 C1 및 C2와, 검출 저항 R 사이에 설정되어 있다. 따라서, 검출점 DP는, 기준 전위점(GND)을 사이에 두고, 검출 저항 R의 반대측과 동일 전위이다. 따라서, 전압 Vout는, 검출 저항 R의 분압과 동일하다.
결합 용량 CL 및 전압 VL은, 상기 2가지의 식을, 결합 용량 CL 및 전압 VL을 분리하도록 식 변형함으로써 도출된다. 그 도출 방법은 주지이므로, 여기에서는, 그 도출 방법의 상세한 설명을 생략한다.
(보족)
결합 용량 CL의 절댓값이 클수록, 전압 VL의 오차는 작아진다. 여기에서는, 그 근거를 이론적으로 설명한다.
도 3에 도시하는 전기 회로 EC에 있어서, 전압 VL은 이하의 수식으로 표시된다.
Figure 112016065746256-pct00001
여기서, 전기 회로 EC가 (i) 상태일 때에 AD 컨버터(도 3의 AD+)로 출력되는 전류를 I1, 전압을 Vout1로 하고, 전기 회로 EC가 (ii) 상태일 때에 AD 컨버터로 출력되는 전류를 I2, 전압을 Vout2로 하였다. 또한, 콘덴서 C2의 정전 용량값은, 콘덴서 C1의 정전 용량값보다도 충분히 큰(C1<<C2) 것으로 하였다.
식 (2)를 식 (1)에 대입하면,
Figure 112016065746256-pct00002
따라서,
Figure 112016065746256-pct00003
Figure 112016065746256-pct00004
Figure 112016065746256-pct00005
따라서,
Figure 112016065746256-pct00006
따라서,
Figure 112016065746256-pct00007
도 5에, 전압 VL의 절댓값의 2회 미분 d|VL|2/dCL과, 결합 용량 CL의 관계를 그래프에 도시하였다. 동 도면에 도시하는 그래프로부터, 결합 용량 CL의 정전 용량값이 클수록, d|VL|2/dCL의 변동이 작은 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 결합 용량 CL의 정전 용량값이 클수록, VL의 계측값의 변동 및 오차가 작은 것이 이론적으로 유도된다.
(4. 연산 증폭기(14))
연산 증폭기(14)는 검출점 DP의 전위와 전계 실드(12)의 전위가 동등한 상태를 유지한다. 그로 인해, 검출점 DP와 전계 실드(12) 간에 발생하는 기생 용량 Cp(정전 용량값; 5pF 정도)에는, 누설 전류가 거의 흐르지 않는다. 바꿔 말하면, 연산 증폭기(14)는 기생 용량 Cp에 흐르는 누설 전류를, 무시할 수 있을 정도의 크기로까지 커트한다. 이에 의해, 기생 용량 Cp에 흐르는 누설 전류가 전압 VL의 계측값에 끼치는 영향이 억제된다.
(비접촉 전압 계측 센서(1)에 의한 전압 계측 방법)
이하에, 전압 센서(1)에 의한 전압 계측 방법을 설명한다.
먼저, 유저는, 검출 프로브(11)의 일부를 누르는 것에 의해 만곡 c를 해소시킨다. 그리고, 유저는, 검출 프로브(11)가 권회되지 않고, 길이 방향으로 연신된 상태를 유지하도록, 검출 프로브(11)의 양쪽 측단부를 보유 지지한다. 도 6에, 만곡 c가 해소되고, 길이 방향으로 연신된 상태의 검출 프로브(11)를 나타낸다.
이어서, 유저는, 검출 프로브(11)의 일부를 누른 채, 검출 프로브(11)를 계측 대상 배선 w에 근접시킨다. 이때, 유저는, 검출 프로브(11)에 작용하는 장력 T의 방향과, 계측 대상 배선 w의 주위 방향이 평행해지도록, 계측 대상 배선 w의 길이 방향과, 검출 프로브(11)의 길이 방향을 교차시킨 상태에서, 검출 프로브(11)를 계측 대상 배선 w에 근접시킨다.
검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w에 대하여 충분히 근접했을 때, 유저는, 검출 프로브(11)로부터 손을 뗀다. 그렇게 하면, 검출 프로브(11)는 장력 T가 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 자동으로, 계측 대상 배선 w의 주위에 나선 형상으로 권취된다. 도 7에, 검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w의 주위에 나선 형상에 권취되어 있는 예를 도시한다.
또한, 검출 프로브(11)는 계측 대상 배선 w의 직경의 크기에 상관없이, 그 배선 w에 권취하는 것이 가능하다.
검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w의 주위에 n회 권취되어 있는 경우, 결합 용량 CL은, 이하의 식으로 표기된다.
Figure 112016065746256-pct00008
여기서, 계측 대상 배선 w 내의 코어선(원통형)의 반경을 a, 절연 피복(중공 원통형)의 두께를 b, 검출 프로브(11)의 짧은 변(도 6 참조)의 길이를 L, 진공의 유전율을 ε0로 하였다.
상기 수식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w에 권회된 횟수 m이 많을수록, 배선 w 내의 코어선과 검출 프로브(11) 간에 발생하는 결합 용량 CL은 커진다. 예를 들어, 검출 프로브(11)가 계측 대상 배선 w의 주위에 2회 권취되어 있는 구성에서는, 1/2회 권취되어 있는 구성과 비교하여, 결합 용량 CL의 절댓값은 4배가 된다. 전술한 바와 같이, 결합 용량 CL의 절댓값이 클수록, 전압 VL의 오차는 작아진다.
또한, 결합 용량 CL이 클수록, 전압 Vout도 커진다. 전압 Vout가 클수록, 전압 Vout의 검출값에 차지하는 오차의 비율이 작으므로, 큰 전압 Vout는, 변동이 작고, 또한 신뢰성이 높다. 그로 인해, 큰 전압 Vout를 사용하여, 전압 VL을 고정밀도로 도출할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니라, 청구항에 나타낸 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
〔정리〕
본 발명의 일 형태에 관한 비접촉 전압 계측 장치는, 도선에 권취된 상태로 전압을 검출하는 검출 프로브를 구비하고 있고, 상기 검출 프로브와 상기 도선 간에 결합 용량이 발생하도록, 상기 검출 프로브를 상기 도선에 비접촉으로 근접시켰을 때, 상기 검출 프로브에 발생하는 유기 전압에 기초하여, 상기 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 계측하는 비접촉 전압 계측 장치에 있어서, 상기 검출 프로브는, 당해 검출 프로브에 작용하는 장력에 반하여, 당해 검출 프로브의 길이 방향으로 연신되어 있는 제1 상태와, 상기 장력이 작용하는 방향으로 권회되어 있는 제2 상태 사이에서 탄성 변형된다.
상기 구성에 의하면, 검출 프로브는, 장력이 작용하는 방향으로 권회되어 있는 제2 상태와, 상기 장력에 반하여 연신되어 있는 제1 상태 사이에서 탄성 변형된다. 그로 인해, 검출 프로브는, 도선의 주위 방향과, 장력이 작용하는 방향이 평행하게 되는 방향으로 도선에 접촉한 상태에서, 제1 상태로부터 제2 상태로 탄성 변형된 경우, 장력이 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 도선의 주위에 권취된다.
그로 인해, 검출 프로브와 도선 간에 결합 용량을 발생시키기 때문에, 검출 프로브를 도선의 주위에 권취하는 수작업이 불필요하다. 따라서, 이 수작업에 걸리는 시간 및 수고를 삭감할 수 있다. 또한, 유저는, 비접촉 전압 검출 장치를 도선에 설치할 때, 당해 도선에 접촉하지 않으므로, 감전될 가능성 없이, 비접촉 전압 검출 장치를 도선에 안전하게 설치할 수 있다.
또한, 검출 프로브가 도선의 주위에 권취됨으로써, 검출 프로브와 도선 간에 발생하는 결합 용량이 증대하므로, 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 보다 고정밀도로 계측할 수 있다.
또한, 상기 비접촉 전압 계측 장치에 있어서, 상기 검출 프로브는, 판 스프링으로 구성되어 있고, 상기 제1 상태일 때에, 외력이 인가되면, 상기 판 스프링의 장력이 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 상기 제2 상태로 변화해도 된다.
상기 구성에 의하면, 장력에 반하여 연신된 제1 상태의 검출 프로브는, 외력이 인가되었을 때, 판 스프링의 장력이 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 제2 상태로 변화한다. 그로 인해, 검출 프로브는, 도선의 주위 방향과, 장력이 작용하는 방향이 평행하게 되는 방향으로 도선에 접촉한 상태에서, 외력이 인가된 경우, 장력이 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 도선의 주위에 권회된다.
예를 들어, 판 스프링의 장력이 작용하는 방향이, 검출 프로브의 길이 방향에 평행할 경우, 검출 프로브는, 도선의 주위에 링 형상으로 권회된다. 또한, 판 스프링의 장력이 작용하는 방향이, 검출 프로브의 길이 방향에 대하여 비스듬할 경우, 검출 프로브는 도선의 주위에 나선 형상으로 권회된다.
그로 인해, 전술한 바와 같이, 검출 프로브를 도선의 주위에 권취하는 수작업이 불필요하다. 따라서, 이 수작업에 걸리는 시간 및 수고를 삭감할 수 있다. 또한, 유저는, 비접촉 전압 검출 장치를 도선에 설치할 때, 그 도선에 접촉하지 않으므로, 감전될 가능성 없이, 비접촉 전압 검출 장치를 도선에 안전하게 설치할 수 있다.
또한, 상기 비접촉 전압 계측 장치에 있어서, 상기 장력이 작용하는 방향은, 상기 검출 프로브의 상기 길이 방향에 대하여 경사져 있어도 된다.
상기 구성에 의하면, 도선의 주위 방향과, 장력이 작용하는 방향이 평행일 때, 도선의 주위 방향 및 길이 방향에 대하여 검출 프로브의 길이 방향은 비평행이다. 도선의 길이 방향에 대하여 검출 프로브의 길이 방향이 비평행인 상태에서, 검출 프로브의 적어도 일부가 도선에 접촉했을 때, 검출 프로브는, 판 스프링의 장력에 의해, 도선의 주위에 나선 형상으로 권회된다.
그로 인해, 검출 프로브는, 도선의 주위에 나선 형상으로 1주 이상 권취할 수 있다. 검출 프로브가 도선의 주위에 나선 형상으로 권취되는 횟수가 증가할수록, 검출 프로브와 도선 간에 발생하는 결합 용량을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 계측 대상 전압을 고정밀도로 구할 수 있다.
또한, 상기 비접촉 전압 계측 장치에 있어서, 상기 검출 프로브는, 상기 제1 상태일 때, 그 검출 프로브의 상기 길이 방향으로 연신하는 홈통의 형상의 만곡을 갖고 있어도 된다.
상기 구성에 의하면, 제1 상태인 검출 프로브는, 길이 방향으로 연신하는 홈통의 형상의 만곡을 가지므로, 만곡의 연신 방향에 대하여 수직한 단면에 있어서의 단면 2차 모멘트가 크다. 그로 인해, 제1 상태인 검출 프로브는, 길이 방향으로 권회되기 어렵다. 따라서, 검출 프로브는, 길이 방향으로 연신된 상태를 유지할 수 있다.
제1 상태인 검출 프로브에 외력이 인가되었을 때, 구체적으로는, 유저가 검출 프로브의 일부를 눌렀을 때, 검출 프로브의 만곡이 해소된다. 그렇게 하면, 전술한 바와 같이, 검출 프로브는, 판 스프링의 장력에 의해 제2 상태로 변형되고, 도선의 주위에 권회된다.
본 발명은 도선에 인가되어 있는 전압을, 당해 도선에 접촉하지 않고 계측하는 비접촉 전압 계측 장치에 이용할 수 있다.
1: 비접촉 전압 계측 센서(비접촉 전압 계측 장치)
11: 검출 프로브
w: 계측 대상 배선(의 코어선; 도선)
Vin: 전압(유기 전압)
VL: 전압(계측 대상 전압)
CL: 결합 용량
T: 장력

Claims (4)

  1. 도선에 권취된 상태에서 전압을 검출하는 검출 프로브를 구비하고 있고, 상기 검출 프로브와 상기 도선 간에 결합 용량이 발생하도록, 상기 검출 프로브를 상기 도선에 비접촉으로 근접시켰을 때, 상기 검출 프로브에 발생하는 유기 전압에 기초하여, 상기 도선에 인가되는 계측 대상 전압을 계측하는 비접촉 전압 계측 장치에 있어서,
    상기 검출 프로브는, 당해 검출 프로브에 작용하는 장력에 반하여, 당해 검출 프로브의 길이 방향으로 연신되어 있는 제1 상태와, 상기 장력이 작용하는 방향으로 권회되어 있는 제2 상태 사이에서 탄성 변형되고,
    상기 장력이 작용하는 방향은, 상기 검출 프로브의 상기 길이 방향에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 전압 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출 프로브는, 판 스프링으로 구성되어 있고, 상기 제1 상태일 때, 외력이 인가되면, 상기 판 스프링의 장력이 작용하는 방향으로 권회됨으로써, 상기 제2 상태로 변형되는 것을 특징으로 하는 비접촉 전압 계측 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검출 프로브는, 상기 제1 상태일 때, 당해 검출 프로브의 상기 길이 방향으로 연신하는 홈통의 형상의 만곡을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 전압 계측 장치.
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