WO2016175123A1 - 非接触電圧計測装置 - Google Patents

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WO2016175123A1
WO2016175123A1 PCT/JP2016/062639 JP2016062639W WO2016175123A1 WO 2016175123 A1 WO2016175123 A1 WO 2016175123A1 JP 2016062639 W JP2016062639 W JP 2016062639W WO 2016175123 A1 WO2016175123 A1 WO 2016175123A1
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electrode
conductor
capacitor
charge detection
charge
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PCT/JP2016/062639
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蛇口　広行
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アルプス・グリーンデバイス株式会社
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/16—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using capacitive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact voltage measuring device that measures an AC voltage applied to a conductor without conducting with the conductor.
  • Patent Document 1 describes an apparatus for measuring an AC voltage by sandwiching a conductor (electric wire) covered with an insulator from the outside with a detection probe.
  • the detection probe is provided with a detection electrode that surrounds the outer periphery of the insulation coating of the conductor.
  • the detection probe is connected between the detection electrode and the wire. Impedance (capacitance) is measured. Based on the measured value of the impedance and the measured value of the current flowing out to the detection electrode due to the alternating voltage applied to the conductor, the measured value of the alternating voltage is obtained.
  • the detection probe is provided with a shield electrode surrounding the outer periphery of the detection electrode.
  • the measurement process in order to obtain the measurement value of the AC voltage, the measurement process must be performed in each of the state in which the detection probe is removed from the conductor and the state in which the detection probe is attached to the conductor. If the stray capacitance C0 changes after the detection probe is attached to the conductor (such as deformation of the shield electrode or change in dielectric constant due to moisture absorption), the detection probe must be removed from the conductor and the stray capacitance C0 must be measured again. .
  • the shape of the detection electrode and the shield electrode changes between the state in which the detection probe is removed from the conductor and the state in which the detection probe is attached to the conductor, thereby changing the state of the lines of electric force at the ends of the electrode. Therefore, an error occurs in the measured value of the stray capacitance C0, and there is a problem that the measurement accuracy of the AC voltage is lowered due to this error.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a non-contact voltage measuring apparatus capable of measuring an alternating voltage with a simple configuration with high accuracy.
  • the present invention relates to a non-contact voltage measuring device that measures an AC voltage applied to a conductor without conducting with the conductor.
  • a non-contact voltage measuring apparatus includes a first electrode that forms a first capacitor with the conductor, and a capacitance that is correlated with the capacitance of the first capacitor.
  • a second electrode having a second capacitor formed between the first conductor and the conductor, an AC signal source for providing an AC signal between the first electrode and the first reference potential, and the first capacitor with respect to the first reference potential.
  • a charge detection unit that maintains two electrodes at a constant potential and generates a charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the second capacitor; a second reference potential that serves as a reference for measuring the AC voltage; and the first reference Measurement of the AC voltage based on a switch provided between the potential, the charge detection signal generated when the switch is turned off, and the charge detection signal generated when the switch is turned on An operation that calculates a value And a part.
  • the first capacitor and the second capacitor having a correlation with each other are formed between the first electrode, the second electrode, and the conductor,
  • the AC signal is provided between the first reference potential and the first reference potential.
  • the second electrode is maintained at a constant potential with respect to the first reference potential, and the alternating current is between the first electrode and the first reference potential. Since the signal is given, the charge due to the AC signal is accumulated in the second capacitor.
  • the charge detection unit generates a charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the second capacitor by the AC signal.
  • the second electrode when the switch is in an ON state, the second electrode is maintained at a constant potential with respect to the second reference potential, and therefore, the second capacitor includes the second reference potential and the conductor.
  • the charge detection unit generates a charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the second capacitor by the AC voltage.
  • the calculation unit calculates the measurement value of the AC voltage based on the charge detection signal generated when the switch is turned off and the charge detection signal generated when the switch is turned on. . Therefore, unlike the conventional device, the AC voltage applied to the conductor is not provided with a filter for discriminating between the component having the frequency of the AC voltage and the component having the frequency of the AC signal. A measured value is obtained. Further, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to measure the stray capacitance by removing the electrode from the conductor, so that the measurement procedure is simplified and the measurement accuracy is improved.
  • the AC signal source may generate the AC signal having a higher frequency than the AC voltage.
  • the switch when the switch is off, the charge accumulated in the second capacitor due to the alternating current signal increases with respect to the charge accumulated in the second capacitor due to the alternating voltage, and thus is caused by the latter charge. The error of the charge detection signal is reduced.
  • the said conductor may have a conductor side plane part which opposes the said 1st electrode and the said 2nd electrode.
  • Each of the first electrode and the second electrode may have an electrode-side plane portion that is parallel to the conductor-side plane portion and has an equal separation distance from the conductor-side plane portion.
  • the capacitance ratio of the first capacitor and the second capacitor is substantially equal to the area ratio of the electrode side plane portion of the first electrode and the second electrode, so that the capacitance ratio is set. The accuracy of.
  • the electrode side plane portions of the first electrode and the second electrode are congruent, and the capacitances of the first capacitor and the second capacitor may be equal.
  • the area ratio of the electrode side plane part of the first electrode and the second electrode is accurately set, the setting accuracy of the capacitance ratio of the first capacitor and the second capacitor is further increased. .
  • the first electrode and the second electrode may be arranged close to each other.
  • the shape and size of the first electrode and the second electrode are not easily affected by manufacturing variations, and the accuracy of the area ratio of the electrode-side flat portion is improved.
  • the non-contact voltage measuring device may include a guard ring surrounding at least one of the first electrode and the second electrode.
  • a guard ring surrounding at least one of the first electrode and the second electrode.
  • a non-contact voltage measuring apparatus includes a first electrode that forms a first capacitor with the conductor, and a capacitance that is correlated with the capacitance of the first capacitor.
  • An electrode an AC signal source for applying an AC signal between the first electrode and the first reference potential, and maintaining the second electrode at a constant potential with respect to the first reference potential, and accumulating in the second capacitor
  • a first charge detection unit that generates a first charge detection signal corresponding to the charge that is applied, and a second reference potential that serves as a reference for measuring the AC voltage, and the third electrode is kept at a constant potential
  • Second charge detection signal corresponding to the charge stored in the three capacitors
  • a second charge detection unit that generates, and a calculator for calculating the measured value of the AC voltage on the basis of the first charge detection signal and to said second charge detection signal.
  • the first capacitor, the second capacitor, and the third capacitor having a correlation with each other are between the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the conductor. It is formed.
  • the second electrode is kept at a constant potential with respect to the first reference potential, and the AC signal is applied between the first electrode and the first reference potential. Charges due to the AC signal are accumulated in the two capacitors.
  • the first charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the second capacitor is generated by the AC signal.
  • the second electrode since the second electrode is maintained at a constant potential with respect to the second reference potential, the AC voltage applied to the second capacitor between the second reference potential and the conductor. The charge by is accumulated.
  • the second charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the second capacitor is generated by the AC voltage.
  • the calculation unit calculates the measured value of the AC voltage based on the first charge detection signal and the second charge detection signal. Therefore, unlike the conventional device, the AC voltage applied to the conductor is not provided with a filter for discriminating between the component having the frequency of the AC voltage and the component having the frequency of the AC signal. A measured value is obtained. Further, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to measure the stray capacitance by removing the electrode from the conductor, so that the measurement procedure is simplified and the measurement accuracy is improved.
  • the AC signal source may generate the AC signal having a higher frequency than the AC voltage.
  • the charge accumulated in the second capacitor due to the AC signal increases with respect to the charge accumulated in the second capacitor due to the AC voltage, so that the first charge detection signal generated by the latter charge The error is reduced.
  • the conductor may include a conductor-side flat portion facing the first electrode, the second electrode, and the second electrode.
  • Each of the first electrode, the second electrode, and the third electrode may have an electrode-side plane portion that is parallel to the conductor-side plane portion and that has an equal separation distance from the conductor-side plane portion. Accordingly, the capacitance ratio of the first capacitor, the second capacitor, and the third capacitor is substantially equal to the area ratio of the electrode-side plane portion of the first electrode, the second electrode, and the third electrode. Therefore, the accuracy of setting the capacitance ratio is increased.
  • the electrode side plane portions of the first electrode, the second electrode portion, and the third electrode are congruent, and the capacitances of the first capacitor, the second capacitor, and the third capacitor are equal. May be.
  • the area ratio of the electrode side plane portions of the first electrode, the second electrode, and the third electrode is set with high accuracy, so that the static capacitance of the first capacitor, the second capacitor, and the third capacitor can be set. The setting accuracy of the capacitance ratio is further increased.
  • the first electrode and the second electrode may be arranged close to each other.
  • the shape and size of the first electrode and the second electrode are not easily affected by manufacturing variations, and the accuracy of the area ratio of the electrode-side flat portion is improved.
  • the non-contact voltage measuring device includes a first guard ring surrounding at least one of the first electrode and the second electrode and / or a second guard surrounding the third electrode. You may have a ring. Thereby, the fall of the measurement accuracy of the AC voltage due to external noise is suppressed.
  • a non-contact voltage measuring apparatus includes a plurality of electrodes each forming a capacitor having a mutually correlated capacitance between the conductor and one of the two electrodes.
  • An AC signal source that provides an AC signal between the first reference voltage and the other electrode of the two electrodes is maintained at a constant potential with respect to the first reference potential.
  • a detection unit that generates a second charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the capacitor of the one electrode by the AC voltage, the first charge detection signal, and the second charge detection signal, respectively.
  • a calculator for calculating the measured value of the AC voltage based on.
  • the plurality of capacitors having a correlation with each other are formed between the plurality of electrodes and the conductor.
  • the AC signal is applied between one electrode of the two electrodes and the first reference potential, and the other electrode of the two electrodes is kept at a constant potential with respect to the first reference potential. It is. For this reason, the charge of the AC signal is accumulated in the capacitor of the other electrode.
  • the first charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the capacitor of the other electrode is generated by the AC signal.
  • the capacitor of the one electrode is applied between the second reference potential and the conductor. Charges due to AC voltage are accumulated.
  • the second charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the capacitor of the one electrode is generated by the AC voltage.
  • the calculation unit calculates the measured value of the AC voltage based on the first charge detection signal and the second charge detection signal. Therefore, unlike the conventional device, the AC voltage applied to the conductor is not provided with a filter for discriminating between the component having the frequency of the AC voltage and the component having the frequency of the AC signal. A measured value is obtained. Further, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to measure the stray capacitance by removing the electrode from the conductor, so that the measurement procedure is simplified and the measurement accuracy is improved.
  • a non-contact voltage measuring apparatus includes a first electrode that is electrostatically coupled to the conductor, a second electrode that is electrostatically coupled to the conductor, and one end connected to the first electrode.
  • a non-contact voltage measuring apparatus includes a first electrode that is electrostatically coupled to the conductor, a second electrode that is electrostatically coupled to the conductor, and a third electrode that is electrostatically coupled to the conductor. And an AC signal source having one end connected to the first electrode, a first charge detection having one input end connected to the second electrode and the other input end connected to the other end of the AC signal source. , A second charge detection unit having one input end connected to the third electrode and the other input end connected to a reference potential of the AC voltage, the first charge detection unit, and the second charge detection A storage unit that stores the detection result of the charge in the unit, and a calculation unit that can calculate based on the value stored in the storage unit.
  • a non-contact voltage measuring device capable of measuring an alternating voltage with a simple configuration and with high accuracy.
  • FIG. 5A shows a guard ring provided around the electrode shown in FIG. 2
  • FIG. 5B shows a guard ring provided around the electrode shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a non-contact voltage measuring apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of electrodes E1 and E2 used for measuring an AC voltage in the non-contact voltage measuring apparatus shown in FIG.
  • the non-contact voltage measuring device is a device that measures the AC voltage Vx applied to the conductor 1 without conducting with the conductor 1.
  • “not conducting” means that the object to be measured and the non-contact voltage measuring device are galvanically insulated, and when an insulator is interposed between the two, Including the case where both are separated with a gap.
  • the non-contact voltage measuring device includes a first electrode E1 and a second electrode E2, an AC signal source 5, a detection unit 6, an AD conversion unit 7, a calculation unit 8, and a storage. Part 9 and a switch SWg.
  • the non-contact voltage measuring apparatus shown in FIG. 1 measures an alternating voltage using electrostatic coupling generated between two electrodes (E1, E2) arranged near the conductor 1 and the conductor 1.
  • the conductor 1 is a bus bar provided on a switchboard or the like on a power supply line that supplies power of the commercial power system 4, and includes a flat portion FP1 (conductor-side flat portion) facing each electrode (E1, E2).
  • the conductor 1 has an elongated plate shape, but may have other shapes as long as it has a flat portion FP1.
  • the first electrode E1 forms a first capacitor C1 with the conductor 1
  • the second electrode E2 forms a second capacitor C2 with the conductor 1.
  • the first electrode E1 and the second electrode E2 are conductive patterns formed on an insulating substrate 2 (printed circuit board, flexible substrate, etc.), and a plane portion FP2 parallel to the conductor side plane portion FP1. (Electrode side plane part) is provided. Since the electrode-side flat portion FP2 of the first electrode E1 and the second electrode E2 is formed on the common substrate 2, the distance from the conductor-side flat portion FP1 is equal.
  • the electrode-side flat portions FP2 of the first electrode E1 and the second electrode E2 have a rectangular shape and are congruent with each other.
  • the first capacitor C1 and the second capacitor C2 which are parallel plate type capacitors have substantially the same capacitance because the area of the opposing conductors and the distance between the conductors are the same.
  • first electrode E1 and the second electrode E2 shown in FIG. 2 are arranged adjacent to each other on the common substrate 2. For this reason, the shape and size of the two are hardly affected by manufacturing variations, and coincide with each other with high accuracy.
  • the capacitances of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 do not necessarily have to be the same, and it is sufficient that there is a certain correlation between the two.
  • one of the two electrodes (E1, E2) has an area P times that of the other, so that one of the two capacitors (C1, C2) has a capacitance P times that of the other. It may be. That is, the shape, size, and positional relationship between the electrodes (E1, E2) and the conductor 1 are set so that the capacitances of the two capacitors (C1, C2) have a certain correlation (for example, a certain proportional relationship). Just do it.
  • the AC signal source 5 provides an AC signal Vg between the first electrode E1 and the first reference potential G1.
  • the AC signal Vg generated by the AC signal source 5 has a higher frequency than the AC voltage Vx. For example, when the frequency of the AC voltage Vx is 50 Hz, the frequency of the AC signal Vg is set to about several kHz.
  • the AC signal source 5 turns on and off the output of the AC signal Vg according to the control of the processing unit 8.
  • the switch SWg is connected in parallel with the AC signal source 5 and is turned on / off according to the control of the processing unit 8.
  • the detection unit 6 detects the charge accumulated in the second capacitor C2 by the AC signal Vg of the AC signal source 5 and the charge accumulated in the second capacitor C2 by the AC voltage Vx. That is, the detection unit 6 maintains the second electrode E2 in the second electrode E2 by the AC signal Vg in a state where the second electrode E2 is maintained at a constant potential (for example, the same potential as the first reference potential G1) with respect to the first reference potential G1.
  • a first charge detection signal Vs1 corresponding to the charge accumulated in the two capacitor C2 is generated.
  • the detection unit 6 performs alternating current in a state where the second electrode E2 is maintained at a constant potential (for example, the same potential as the second reference potential G2) with respect to the second reference potential G2 that is used as a reference for measurement of the AC voltage Vx.
  • the voltage Vx generates a second charge detection signal Vs corresponding to the charge accumulated in the second capacitor C2 of the second electrode E2.
  • the detection unit 6 includes a charge detection unit 20 and a switch SW.
  • the switch SW is provided between the first reference potential G1 and the second reference potential G2, and is turned on / off under the control of the processing unit 8.
  • the charge detection unit 20 maintains the second electrode E2 at a constant potential (for example, the same potential as the first reference potential G1) with respect to the first reference potential G1, and a charge detection signal corresponding to the charge accumulated in the second capacitor C2. Vs is generated.
  • the charge detection signal Vs when the switch SW is off is the above-described “first charge detection signal Vs1”, and the charge detection signal Vs when the switch SW is on is the above-described “second charge detection signal Vs2”.
  • the charge detection unit 20 includes an operational amplifier OP and a capacitor Cf, for example, as shown in FIG.
  • the inverting input terminal of the operational amplifier OP is connected to the second electrode E2, and the non-inverting input terminal is connected to the first reference potential G1.
  • the capacitor Cf is provided between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP.
  • the gain of the operational amplifier OP is sufficiently high, the charge of the capacitor Cf is controlled by the output voltage (charge detection signal Vs) of the operational amplifier OP so that the potential of the second electrode E2 is substantially equal to the first reference potential G1.
  • the charge of the capacitor Cf is controlled so that the voltage generated in the series circuit of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is substantially equal to the AC signal Vg. Since the inverting input terminal of the operational amplifier OP has a high impedance and almost no current flows, the change in the charge amount of the second capacitor C2 and the change in the charge amount of the capacitor Cf are substantially equal. For this reason, the change in the charge amount of the second capacitor C2 according to the AC signal Vg and the change in the charge amount of the capacitor Cf are substantially equal.
  • the change in the output voltage (charge detection signal Vs) of the operational amplifier OP is proportional to the change in the amount of charge in the capacitor Cf. Therefore, a change in the charge detection signal Vs output from the operational amplifier OP (an AC component having the same frequency as the AC signal Vg) is proportional to a change in the amount of charge in the capacitor Cf according to the AC signal Vg.
  • the first reference potential G1 is connected to the second reference potential G2 via the switch SW, and the first reference potential G1 is the same as the second reference potential G2. Therefore, in this case, the charge of the capacitor Cf is controlled so that the voltage generated in the second capacitor C2 is substantially equal to the AC voltage Vx, and the change in the charge amount of the second capacitor C2 according to the AC voltage Vx The change in the charge amount of the capacitor Cf is almost equal. Therefore, a change in the charge detection signal Vs output from the operational amplifier OP (an AC component having the same frequency as the AC voltage Vx) is proportional to a change in the charge amount of the capacitor Cf according to the AC voltage Vx.
  • the AD conversion unit 7 converts the charge detection signal Vs generated in the detection unit 6 from an analog signal to a digital signal.
  • the processing unit 8 is a circuit that performs overall operation control and data calculation processing of the non-contact voltage measuring device.
  • the processing unit 8 is a computer that executes processing according to the instruction code of the program stored in the storage unit 9 or a dedicated hardware. It includes a logic circuit (ASIC, etc.) by hardware. All of the processing of the processing unit 8 may be executed by a computer, or at least a part thereof may be executed by a hardware logic circuit.
  • the processing unit 8 includes a control unit 81 and a calculation unit 82 as blocks that execute predetermined processes.
  • the control unit 81 executes processing related to switching of the switch SW and control of the conversion operation of the AD conversion unit 7.
  • the calculation unit 82 performs calculation processing based on the charge detection signal Vs converted into a digital signal by the AD conversion unit 7.
  • the calculation unit 82 includes a charge detection signal Vs (first charge detection signal Vs1) generated when the switch SW is turned off and a charge detection signal Vs (second charge detection signal Vs2) generated when the switch is turned on. Based on the above, the measured value of the AC voltage Vx is calculated.
  • the storage unit 9 is, for example, a computer program in the processing unit 8, data prepared in advance for processing, data temporarily stored in the processing process (digital of the first charge detection signal Vs1 and the second charge detection signal Vs2). Value), and includes a ROM, a RAM, a nonvolatile memory, a hard disk, and the like.
  • the program and data stored in the storage unit 9 may be downloaded from a server device (not shown) via a communication interface, or may be read from a non-temporary recording medium such as an optical disk or a USB memory.
  • the processing unit 8 sets the switch SW and the switch SWg to the OFF state, outputs the AC signal Vg from the AC signal source 5, and generates the charge detection signal Vs including the AC component corresponding to the AC signal Vg in the AD conversion unit 7. Convert to digital signal.
  • the processing unit 8 stores the level (amplitude or effective value of the alternating current) of the digitally converted charge detection signal Vs in the storage unit 9 as the “first charge detection signal Vs1”.
  • the capacitances of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are “C1” and “C2”, respectively, and the capacitance C1 is P times the capacitance C2, the first capacitor C1 and the second capacitor C2
  • the capacitance C0 of the series circuit is expressed by the following equation.
  • the charge Qg stored in the series circuit of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is equal to the charge stored in the second capacitor C2.
  • the “first charge detection signal Vs1”, which is the charge detection signal Vs when the switch SW is OFF, is expressed by the following equation.
  • the processing unit 8 stores the digital value of the first charge detection signal Vs1 represented by the expression (3) in the storage unit 9.
  • the processing unit 8 stops the output of the AC signal Vg of the AC signal source 5, sets the switch SW and the switch SWg to the on state, and outputs the charge detection signal Vs including the AC component corresponding to the AC voltage Vx.
  • the AD converter 7 converts it into a digital signal.
  • the processing unit 8 stores the level (such as AC amplitude and effective value) of the digitally converted charge detection signal Vs in the storage unit 9 as the “second charge detection signal Vs2”.
  • the first reference potential G1 is the same as the second reference potential G2, and therefore the potential of the second electrode E2 is substantially equal to the second reference potential G2. That is, the voltage of the second capacitor C2 is substantially equal to the AC voltage Vx applied to the conductor 1.
  • the electric charge Qx (AC component) accumulated in the second capacitor C2 according to the AC voltage Vx is expressed by the following equation.
  • the capacitor Cf stores a charge that is substantially equal to the charge Qx of the second capacitor C2. Further, the voltage of the capacitor Cf and the output voltage (charge detection signal Vs) of the operational amplifier OP are substantially equal. Therefore, the “second charge detection signal Vs2” that is the charge detection signal Vs when the switch SW is on is expressed by the following equation.
  • the processing unit 8 stores the digital value of the second charge detection signal Vs2 represented by Expression (5) in the storage unit 9.
  • the calculation unit 82 calculates the AC voltage Vx applied to the conductor 1 based on the digital values of the first charge detection signal Vs1 and the second charge detection signal Vs2 stored in the storage unit 9.
  • Vx Vs2 ⁇ (Cf / C2) (7)
  • Vx Vg. (Vs2 / Vs1). ⁇ P / (P + 1) ⁇ (8)
  • the calculation unit 82 generates an alternating current according to Expression (8) based on the digital values of the first charge detection signal Vs1 and the second charge detection signal Vs2 stored in the storage unit 9 and the known “Vg” and “P”. The measured value of the voltage Vx can be calculated.
  • the first capacitor C1 and the second capacitor C2 having the mutually correlated capacitance are the first electrode E1 and the second electrode.
  • the AC signal Vg is provided between the first electrode E1 and the first reference potential G1.
  • the switch SW is off, the first charge detection signal Vs1 corresponding to the charge Qg accumulated in the second capacitor C2 by the AC signal Vg is maintained with the second electrode E2 kept equal to the first reference potential G1.
  • the switch SW is on, the second charge detection signal corresponding to the charge Qx accumulated in the second capacitor C2 by the AC voltage Vx in a state where the second electrode E2 is kept at the same potential as the second reference potential G2. Vs2 is generated.
  • the calculation unit 82 based on the first charge detection signal Vs1 generated when the switch SW is off and the second charge detection signal Vs2 generated when the switch SW is on, the measured value of the alternating voltage Vx is measured. Is calculated. Therefore, a filter for discriminating between a component having the frequency of the AC voltage Vx to be measured and a component having the frequency of the AC signal Vg used for measuring the stray capacitance (C1, C2) as in the conventional apparatus. The measured value of the AC voltage Vx can be obtained even without providing. Therefore, the configuration can be simplified as compared with the conventional apparatus.
  • the non-contact voltage measuring apparatus unlike the conventional apparatus, it is not necessary to remove the electrodes (E1, E2) from the conductor 1 and perform the stray capacitance measurement. Can be In addition, since measurement errors due to the removal and reattachment of the electrodes (E1, E2) do not occur, higher measurement accuracy can be obtained compared to conventional devices.
  • the electrode-side flat portion FP2 provided on the two electrodes (E1, E2) and the conductor-side flat portion FP1 provided on the conductor 1 are parallel and equal.
  • two parallel plate type capacitors (C1, C2) are formed.
  • the capacitance ratio of the two capacitors (C1, C2) becomes substantially equal to the area ratio of the electrode-side plane portion FP2 of the two electrodes (E1, E2), so the capacitance ratio is set with high accuracy. It becomes possible to do.
  • the conductor side plane portions FP1 of the two electrodes (E1, E2) congruent, the areas of the two electrodes (E1, E2) can be made to coincide with each other with high accuracy, so that the two capacitors (C1, C2) ) Can be matched with high accuracy. Accordingly, the measurement accuracy of the AC voltage Vx can be further improved.
  • the frequency of the AC signal Vg is set higher than that of the AC voltage Vx. Therefore, when the switch SW is off, the AC signal Vg causes The accumulated charge Qg can be made sufficiently larger than the charge Qerr accumulated in the second capacitor C2 by the AC voltage Vx. That is, since there is a slight parasitic capacitance between the first reference potential G1 and the second reference potential G2, the charge Qerr accumulated in the second capacitor C2 by the AC voltage Vx is even when the switch SW is off. Slightly present.
  • the frequency of the AC signal Vg sufficiently higher than the AC voltage Vx, the current flowing through the second capacitor C2 increases and the charge Qg becomes larger than the charge Qerr, so that measurement errors due to the charge Qerr can be reduced.
  • the non-contact voltage measuring apparatus since the output of the AC signal Vg of the AC signal source 5 is stopped when the switch SW is on, when generating the second charge detection signal Vs2, An error due to the inclusion of the component of the AC signal Vg can be prevented, and a decrease in measurement accuracy can be suppressed.
  • the conductor 1 since the loads 3A and 3B exist on the power supply line of the commercial power system 4, the conductor 1 has an impedance with respect to the second reference potential G2. If the output of the AC signal Vg continues with the switch SW turned on, the potential of the conductor 1 slightly fluctuates due to the influence of the AC signal Vg, which becomes a measurement error of the AC voltage Vx. By stopping the output of the AC signal Vg, the oscillation of the potential of the conductor 1 due to the AC signal Vg does not occur, so that the measurement error of the AC voltage Vx can be suppressed.
  • the first charge detection signal Vs1 and the first charge detection signal are provided by providing the switch SW between the first reference potential G1 and the second reference potential G2.
  • Vs1 is generated by the common charge detection unit 20.
  • the first charge detection signal Vs1 and the first charge detection signal Vs1 are generated by independent charge detection units.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of a non-contact voltage measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of electrodes in the non-contact voltage measuring apparatus shown in FIG.
  • the non-contact voltage measuring apparatus according to the present embodiment includes a first electrode E1, a second electrode E2, a third electrode E3, an AC signal source 5, a detection unit 6A, and an AD conversion unit. 7A and 7B, a processing unit 8, a storage unit 9, and a photocoupler 10.
  • storage part 9 are the same as the component of the same code
  • the third electrode E3 forms the third capacitor C3 between the conductor 1 and has the same configuration as the already described first electrode E1 and second electrode E2.
  • the three electrodes (E1 to E3) are conductive patterns formed on the common substrate 2, and each have an electrode-side plane portion FP2 parallel to the conductor-side plane portion FP1.
  • the electrode-side plane portion FP2 of the three electrodes (E1 to E3) faces the conductor-side plane portion FP1 of the conductor 1 in parallel, and the separation distance from the conductor-side plane portion FP1 is equal.
  • FIG. 3 the three electrodes (E1 to E3) are conductive patterns formed on the common substrate 2, and each have an electrode-side plane portion FP2 parallel to the conductor-side plane portion FP1.
  • the electrode-side plane portion FP2 of the three electrodes (E1 to E3) faces the conductor-side plane portion FP1 of the conductor 1 in parallel, and the separation distance from the conductor-side plane portion FP1 is equal.
  • the three capacitors (C1 to C3) formed by these electrodes are substantially equal. Has capacitance. Note that the three capacitors (C1 to C3) do not necessarily have to be the same, and only need to have a certain correlation (for example, a certain proportional relationship) between them.
  • the detection unit 6A uses the charge accumulated in the second capacitor C2 by the AC signal Vg of the AC signal source 5 and the charge accumulated in the second capacitor C2 by the AC voltage Vx. Detect each. That is, the detection unit 6A applies the first charge detection signal Vs1 corresponding to the charge accumulated in the second capacitor C2 of the second electrode E2 by the AC signal Vg and the second capacitor C2 of the second electrode E2 by the AC voltage Vx. A second charge detection signal Vs corresponding to the accumulated charge is generated. However, the detection unit 6 in the previous embodiment generates a different charge detection signal Vs (Vs1 or Vs2) depending on the state of the switch SW. However, the detection unit 6A in this embodiment is different from the first charge detection signal Vs1. The second charge detection signals Vs2 are generated independently.
  • the detection unit 6A includes a first charge detection unit 21 and a second charge detection unit 22, for example, as shown in FIG.
  • the first charge detection unit 21 maintains the second electrode E2 at a constant potential (for example, the same potential as the first reference potential G1) with respect to the first reference potential G1, and sets the second electrode E2 according to the charge accumulated in the second capacitor C2.
  • One charge detection signal Vs1 is generated.
  • the first charge detection unit 21 includes an operational amplifier OP1 and a capacitor Cf1.
  • the operational amplifier OP1 and the capacitor Cf1 are the same as the operational amplifier OP and the capacitor Cf in FIG. 1, and operate in the same manner. Therefore, the first charge detection signal Vs1 generated by the first charge detection unit 21 is the same as the charge detection signal Vs generated by the charge detection unit 20 when the switch SW is OFF in the previous embodiment.
  • the second charge detection unit 22 maintains the third electrode E3 at a constant potential (for example, the same potential as the second reference potential G2) with respect to the second reference potential G2, and according to the charge accumulated in the third capacitor C3.
  • a second charge detection signal Vs2 is generated.
  • the second charge detection unit 22 includes an operational amplifier OP2 and a capacitor Cf2.
  • the inverting input terminal of the operational amplifier OP2 is connected to the third electrode E3, and the non-inverting input terminal is connected to the second reference potential G2.
  • the capacitor Cf2 is provided between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP2.
  • the charge of the capacitor Cf2 is controlled by the output voltage (second charge detection signal Vs2) of the operational amplifier OP so that the potential of the third electrode E3 is substantially equal to the second reference potential G2.
  • the charge of the capacitor Cf2 is controlled so that the voltage generated in the third capacitor C3 is substantially equal to the AC voltage Vx. Since the inverting input terminal of the operational amplifier OP2 has a high impedance and almost no current flows, the change in the charge amount of the third capacitor C3 and the change in the charge amount of the capacitor Cf2 are substantially equal. Therefore, the change in the charge amount of the third capacitor C3 according to the AC voltage Vx is substantially equal to the change in the charge amount of the capacitor Cf2.
  • the change in the output voltage (second charge detection signal Vs2) of the operational amplifier OP2 is proportional to the change in the amount of charge in the capacitor Cf2. Therefore, a change in the second charge detection signal Vs2 output from the operational amplifier OP2 (an AC component having the same frequency as the AC voltage Vx) is proportional to a change in the amount of charge in the capacitor Cf2 corresponding to the AC voltage Vx.
  • the second charge detection signal Vs2 is the same as the charge detection signal Vs generated by the charge detection unit 20 when the switch SW is on in the previous embodiment.
  • the AD conversion unit 7A converts the first charge detection signal Vs1 generated in the detection unit 6A from an analog signal to a digital signal and inputs the digital signal to the processing unit 8.
  • the AD conversion unit 7B converts the second charge detection signal Vs2 generated in the detection unit 6A from an analog signal to a digital signal and inputs the digital signal to the processing unit 8.
  • the photocoupler 10 is provided in a path for transmitting a digital signal from the AD conversion unit 7B to the processing unit 8, and converts the electrical signal into an optical signal and returns it to the electrical signal, thereby processing with the AD conversion unit 7B.
  • a digital signal is transmitted from the AD conversion unit 7B to the processing unit 8 while maintaining electrical insulation with the unit 8.
  • the detection unit 6A generates the first charge detection signal Vs1 and the second charge detection signal Vs2 similar to those of the detection unit 6 in FIG. 1, and the calculation unit 82 generates the first charge detection signal Vs1 and the second charge detection signal Vs1. Based on the charge detection signal Vs2, a measurement value of the AC voltage Vx is calculated. Therefore, the AC voltage Vx can be accurately measured with a simple configuration as in the non-contact voltage measuring apparatus shown in FIG. 1 described above.
  • the switch SW is not provided between the first reference potential G1 and the second reference potential G2, the first reference potential G1 and the second reference potential G2 are not provided.
  • the parasitic capacitance in between can be made very small.
  • the first charge detection signal Vs1 generated in the first charge detection unit 21 is less likely to cause an error due to the AC voltage Vx, so that the measurement accuracy of the AC voltage Vx can be improved.
  • a guard ring made of a conductor may be provided around the electrodes (E1 to E3) forming the capacitors (C1 to C3) in order to reduce the influence of external noise.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a guard ring provided around the electrodes (E1 to E3).
  • FIG. 5A shows a guard ring GR1 provided around the first electrode E1 and the second electrode E2 shown in FIG.
  • FIG. 5B shows a guard ring GR1 provided around the first electrode E1 and the second electrode E2 shown in FIG. 4 and a guard ring GR2 provided around the third electrode E3. Since the first electrode E1, the second electrode E2, and the third electrode E3 have different potentials, as shown in FIG. 5B, the guard ring GR2 of the third electrode E3 is the guard ring GR1 of the first electrode E1 and the second electrode E2. It is provided separately.
  • One of the guard rings GR1 and GR2 may be omitted as appropriate according to the external noise situation. Further, the guard ring GR1 may surround only one of the first electrode E1 and the second electrode E2.
  • the present invention is not limited to this.
  • the shape, size, arrangement, etc. of the conductor and electrode may be arbitrary.
  • the conductor to which the AC voltage to be measured is applied may be a cylindrical conductor or a rod-shaped conductor having a circular cross section.
  • the substrate 2 and the electrodes (E1 to E3) may be arranged in a cylindrical shape along the surface of the conductor 1.
  • a flexible substrate bent into a cylindrical shape may be provided so as to surround the outer periphery of a columnar conductor, and a conductive pattern serving as the electrode of the present invention may be formed on the flexible substrate.
  • the charge detection signals (Vs, Vs1, Vs2) output from the charge detection units (20, 21, 22) are converted into digital values to calculate the measurement value of the AC voltage Vx.
  • the present invention is not limited to this.
  • the measurement result of the AC voltage Vx may be generated as an analog signal by performing analog calculation processing on the charge detection signal output from the charge detection unit.
  • the switch SW is first set to the OFF state to generate the first charge detection signal Vs1, and then the switch SW is set to the ON state to set the second charge detection signal.
  • Vs2 is generated, in another embodiment of the present invention, the second charge detection signal Vs2 may be generated first, and then the first charge detection signal Vs1 may be generated.
  • the processing unit 8 controls the on / off of the switch SW.
  • a command sent from another host device, On / off of the switch SW may be controlled in accordance with a user instruction input via the user interface device.
  • guard ring G1 ... first reference potential, G2 ... second reference potential, OP, OP1, OP2 ... op amp, Vs ... charge detection signal, Vs1 ... first charge detection signal, Vs2 ... second charge detection signal, Vx ... AC voltage, Vg: AC signal.

Landscapes

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Abstract

簡易な構成で精度よく交流電圧を測定できる非接触電圧測定装置を提供する。互いに相関関係がある静電容量を持った第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２が、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２と導体１との間に形成されており、第１電極Ｅ１と第１基準電位Ｇ１との間に交流信号Ｖｇが与えられる。スイッチＳＷがオフのとき、第２電極Ｅ２を第１基準電位Ｇ１と等しい電位に保った状態で、交流信号Ｖｇにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｇに応じた第１電荷検出信号Ｖｓ１が生成される。スイッチＳＷがオンのとき、第２電極Ｅ２を第２基準電位Ｇ２と等しい電位に保った状態で、交流電圧Ｖｘにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｘに応じた第２電荷検出信号Ｖｓ２が生成される。演算部８２において、第１電荷検出信号Ｖｓ１と第２電荷検出信号Ｖｓ２とに基づいて、交流電圧Ｖｘの測定値が演算される。

Description

非接触電圧計測装置
　本発明は、導体に印加される交流電圧を導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置に関するものである。
　商用系統電源などに接続された電線の交流電圧を、絶縁被覆の外側から電線と導通せずに計測することができる非接触型の電圧計測装置が知られている。例えば下記の特許文献１には、絶縁物で被覆された導体（電線）を検出プローブによって外側から挟みこんで交流電圧の測定を行う装置が記載されている。検出プローブには、導体の絶縁被覆の外周を囲む検出電極が設けられており、測定対象の交流電圧と比べて周波数の高い発振信号を検出電極に与えることによって、検出電極と電線との間のインピーダンス（静電容量）が計測される。このインピーダンスの計測値と、導体に印加される交流電圧に起因して検出電極に流出する電流の計測値とに基づいて、当該交流電圧の測定値が求められる。
特開平１０－２０６４６８号公報
　特許文献１に記載される装置では、検出電極と電線との間のインピーダンス（静電容量Ｃ１）を計測する際、発振信号によって静電容量Ｃ１に流れる電流成分Ｉｓが検出される。しかしながら、静電容量Ｃ１には、発振信号によって流れる電流成分Ｉｓ以外にも、導体に印加された交流電圧によって静電容量Ｃ１に流れる電流成分Ｉｘが存在する。そのため、この装置では、電流成分Ｉｓ，Ｉｘを弁別するためのフィルタ（バンドパスフィルタ，ローパスフィルタ）が必要となる。
　また、検出プローブには、検出電極の更に外周を囲むシールド電極が設けられている。このシールド電極は接地されており、検出電極とシールド電極との間には浮遊容量Ｃ０が存在する。そのため、特許文献１に記載される装置では、まず、検出プローブを導体から外した状態で浮遊容量Ｃ０の測定が行われ、次に、検出プローブを導体に装着した状態で静電容量Ｃ１と浮遊容量Ｃ０との合成容量Ｃｃ（＝Ｃ０＋Ｃ１）が測定される。静電容量Ｃ１の測定値は、合成容量Ｃｃの測定値から浮遊容量Ｃ０の測定値を減算することにより求められる。従って、交流電圧の測定値を得るためには、検出プローブを導体から外した状態と導体に装着した状態のそれぞれにおいて測定処理を行わねばならないため、測定手順が煩雑となる。また、検出プローブを導体に装着した後で浮遊容量Ｃ０が変化した場合（シールド電極の変形、吸湿による誘電率の変化など）、検出プローブを導体から一旦外して浮遊容量Ｃ０の測定をやり直さねばならない。
　しかも、検出プローブを導体から外した状態と導体に装着した状態とでは、検出電極及びシールド電極の形状が変化し、これにより電極の端部における電気力線の状態が変化する。そのため、浮遊容量Ｃ０の測定値には誤差が生じ、この誤差によって交流電圧の測定精度が低下するという問題がある。
　本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で精度よく交流電圧を測定できる非接触電圧測定装置を提供することにある。
　本発明は、導体に印加される交流電圧を前記導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置に関する。
　本発明の第１の観点に係る非接触電圧測定装置は、前記導体との間に第１キャパシタを形成する第１電極と、前記第１キャパシタの静電容量と相関関係がある静電容量を持つ第２キャパシタを前記導体との間に形成する第２電極と、前記第１電極と第１基準電位との間に交流信号を与える交流信号源と、前記第１基準電位に対して前記第２電極を一定の電位に保ち、前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた電荷検出信号を生成する電荷検出部と、前記交流電圧の測定の基準とする第２基準電位と前記第１基準電位との間に設けられたスイッチと、前記スイッチがオフした状態において生成される前記電荷検出信号と、前記スイッチがオンした状態において生成される前記電荷検出信号とに基づいて前記交流電圧の測定値を演算する演算部とを有する。
　上記の構成によれば、互いに相関関係を持った前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタが、前記第１電極及び前記第２電極と前記導体との間に形成されており、前記第１電極と前記第１基準電位との間に前記交流信号が与えられる。前記スイッチがオフした状態にある場合、前記第１基準電位に対して前記第２電極が一定の電位に保たれており、かつ、前記第１電極と前記第１基準電位との間に前記交流信号が与えられているため、前記第２キャパシタには、前記交流信号による電荷が蓄積される。この場合、前記電荷検出部では、前記交流信号により前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた電荷検出信号が生成される。また、前記スイッチがオンした状態にある場合、前記第２基準電位に対して前記第２電極が一定の電位に保たれているため、前記第２キャパシタには、前記第２基準電位と前記導体との間に印加される前記交流電圧による電荷が蓄積される。この場合、前記電荷検出部では、前記交流電圧により前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた電荷検出信号が生成される。前記演算部では、前記スイッチがオフした状態において生成される前記電荷検出信号と、前記スイッチがオンした状態において生成される前記電荷検出信号とに基づいて、前記交流電圧の測定値が演算される。
　従って、従来の装置のように、前記交流電圧の周波数を持った成分と前記交流信号の周波数を持った成分とを弁別するためのフィルタを設けずとも、前記導体に印加される前記交流電圧の測定値が得られる。また、従来の装置のように、前記電極を前記導体から取り外して浮遊容量の測定を行う必要がないため、測定手順が簡易になるとともに測定精度が向上する。
　好適に、前記交流信号源は、前記交流電圧に比べて高い周波数を有した前記交流信号を発生してよい。
　これにより、前記スイッチがオフの場合、前記交流信号により前記第２キャパシタに蓄積される電荷が、前記交流電圧により前記第２キャパシタに蓄積される電荷に対して増大するため、後者の電荷によって生じる前記電荷検出信号の誤差が小さくなる。
　好適に、前記導体は、前記第１電極及び前記第２電極に対向する導体側平面部を有してよい。前記第１電極及び前記第２電極は、前記導体側平面部と平行かつ前記導体側平面部との離間距離が等しい電極側平面部をそれぞれ有してよい。
　これにより、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの静電容量比が、前記第１電極及び前記第２電極の前記電極側平面部の面積比とほぼ等しくなるため、前記静電容量比の設定の精度が高くなる。
　好適に、前記第１電極及び前記第２電極における前記電極側平面部が合同であって、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの静電容量が等しくてもよい。
　これにより、前記第１電極及び前記第２電極の前記電極側平面部の面積比が精度よく設定されるため、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの静電容量比の設定精度が更に高くなる。
　好適に、前記第１電極と前記第２電極とが近接して配置されてよい。
　これにより、前記第１電極及び前記第２電極の形状とサイズが製造ばらつきの影響を受け難くなり、前記電極側平面部の面積比の精度が向上する。
　好適に、上記第１の観点に係る非接触電圧測定装置は、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方を囲むガードリングを有してよい。
　これにより、外来ノイズによる前記交流電圧の測定精度の低下が抑制される。
　本発明の第２の観点に係る非接触電圧測定装置は、前記導体との間に第１キャパシタを形成する第１電極と、前記第１キャパシタの静電容量と相関関係がある静電容量を持つ第２キャパシタを前記導体との間に形成する第２電極と、前記第１キャパシタの静電容量と相関関係がある静電容量を持つ第３キャパシタを前記導体との間に形成する第３電極と、前記第１電極と第１基準電位との間に交流信号を与える交流信号源と、前記第１基準電位に対して前記第２電極を一定の電位に保ち、前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号を生成する第１電荷検出部と、前記交流電圧の測定の基準とする第２基準電位に対して前記第３電極を一定の電位に保ち、前記第３キャパシタに蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号を生成する第２電荷検出部と、前記第１電荷検出信号と前記第２電荷検出信号とに基づいて前記交流電圧の測定値を演算する演算部とを有する。
　上記の構成によれば、互いに相関関係を持った前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記第３キャパシタが、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極と前記導体との間に形成される。前記第１基準電位に対して前記第２電極が一定の電位に保たれており、かつ、前記第１電極と前記第１基準電位との間に前記交流信号が与えられているため、前記第２キャパシタには、前記交流信号による電荷が蓄積される。前記第１電荷検出部では、前記交流信号により前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた前記第１電荷検出信号が生成される。また、前記第２基準電位に対して前記第２電極が一定の電位に保たれているため、前記第２キャパシタには、前記第２基準電位と前記導体との間に印加される前記交流電圧による電荷が蓄積される。前記電荷検出部では、前記交流電圧により前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた前記第２電荷検出信号が生成される。前記演算部では、前記第１電荷検出信号と前記第２電荷検出信号とに基づいて、前記交流電圧の測定値が演算される。
　従って、従来の装置のように、前記交流電圧の周波数を持った成分と前記交流信号の周波数を持った成分とを弁別するためのフィルタを設けずとも、前記導体に印加される前記交流電圧の測定値が得られる。また、従来の装置のように、前記電極を前記導体から取り外して浮遊容量の測定を行う必要がないため、測定手順が簡易になるとともに測定精度が向上する。
　好適に、前記交流信号源は、前記交流電圧に比べて高い周波数を有した前記交流信号を発生してよい。
　これにより、前記交流信号により前記第２キャパシタに蓄積される電荷が、前記交流電圧により前記第２キャパシタに蓄積される電荷に対して増大するため、後者の電荷によって生じる前記第１電荷検出信号の誤差が小さくなる。
　好適に、前記導体は、前記第１電極、前記第２電極及び前記第２電極に対向する導体側平面部を有してよい。前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極は、前記導体側平面部と平行かつ前記導体側平面部との離間距離が等しい電極側平面部をそれぞれ有してよい。
　これにより、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記第３キャパシタの静電容量比が、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の前記電極側平面部の面積比とほぼ等しくなるため、前記静電容量比の設定の精度が高くなる。
　好適に、前記第１電極、前記第２電極部及び前記第３電極における前記電極側平面部が合同であって、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記第３キャパシタの静電容量が等しくてもよい。
　これにより、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の前記電極側平面部の面積比が精度よく設定されるため、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記第３キャパシタの静電容量比の設定精度が更に高くなる。
　好適に、前記第１電極と前記第２電極とが近接して配置されてよい。
　これにより、前記第１電極及び前記第２電極の形状とサイズが製造ばらつきの影響を受け難くなり、前記電極側平面部の面積比の精度が向上する。
　好適に、前記第２の観点に係る非接触電圧測定装置は、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも１つを囲む第１ガードリング、及び／又は、前記第３電極を囲む第２ガードリングを有してよい。
　これにより、外来ノイズによる前記交流電圧の測定精度の低下が抑制される。
　本発明の第３の観点に係る非接触電圧測定装置は、互いに相関関係がある静電容量を持つキャパシタを前記導体との間にそれぞれ形成する複数の電極と、２つの前記電極における一方の電極と第１基準電圧との間に交流信号を与える交流信号源と、前記２つの電極における他方の電極を前記第１基準電位に対して一定の電位に保った状態において、前記交流信号により当該他方の電極の前記キャパシタに蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号、及び、前記交流電圧の測定の基準とする第２基準電位に対して１つの前記電極を一定の電位に保った状態において、前記交流電圧により当該１つの電極の前記キャパシタに蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号をそれぞれ生成する検出部と、前記第１電荷検出信号と前記第２電荷検出信号とに基づいて前記交流電圧の測定値を演算する演算部とを有する。
　上記の構成によれば、互いに相関関係を持った複数の前記キャパシタが前記複数の電極と前記導体との間に形成される。２つの前記電極における一方の電極と前記第１基準電位との間に前記交流信号が与えられ、かつ、当該２つの電極における他方の電極が前記第１基準電位に対して一定の電位に保たれる。そのため、当該他方の電極の前記キャパシタには、前記交流信号による電荷が蓄積される。前記検出部では、前記交流信号により当該他方の電極の前記キャパシタに蓄積される電荷に応じた前記第１電荷検出信号が生成される。また、１つの前記電極が前記第２基準電位に対して一定の電位に保たれるため、当該１つの電極の前記キャパシタには、前記第２基準電位と前記導体との間に印加される前記交流電圧による電荷が蓄積される。前記検出部では、前記交流電圧により当該１つの電極の前記キャパシタに蓄積される電荷に応じた前記第２電荷検出信号が生成される。前記演算部では、前記第１電荷検出信号と前記第２電荷検出信号とに基づいて、前記交流電圧の測定値が演算される。
　従って、従来の装置のように、前記交流電圧の周波数を持った成分と前記交流信号の周波数を持った成分とを弁別するためのフィルタを設けずとも、前記導体に印加される前記交流電圧の測定値が得られる。また、従来の装置のように、前記電極を前記導体から取り外して浮遊容量の測定を行う必要がないため、測定手順が簡易になるとともに測定精度が向上する。
　本発明の第４の観点に係る非接触電圧測定装置は、前記導体と静電結合する第１電極と、前記導体と静電結合する第２電極と、一端が前記第１電極に接続された交流信号源と、一方の入力端が前記第２電極に接続され、他方の入力端が前記交流信号源の他端に接続された電荷検出部と、前記電荷検出部の他方の入力端と前記交流電圧の基準電位との間に設けられたスイッチと、前記電荷検出部における電荷の検出結果を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された値を元に演算可能な演算部とを有する。
　本発明の第５の観点に係る非接触電圧測定装置は、前記導体と静電結合する第１電極と、前記導体と静電結合する第２電極と、前記導体と静電結合する第３電極と、一端が前記第１電極に接続された交流信号源と、一方の入力端が前記第２電極に接続され、他方の入力端が前記交流信号源の他端に接続された第１電荷検出部と、一方の入力端が前記第３電極に接続され、他方の入力端が前記交流電圧の基準電位に接続された第２電荷検出部と、前記第１電荷検出部及び前記第２電荷検出部における電荷の検出結果を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された値を元に演算可能な演算部とを有する。
　本発明によれば、簡易な構成で精度よく交流電圧を測定できる非接触電圧測定装置を提供できる。
第１の実施形態に係る非接触電圧測定装置の構成の一例を示す図である。 図１に示す非接触電圧測定装置における電極の例を示す図である。 第２の実施形態に係る非接触電圧測定装置の構成の一例を示す図である。 図３に示す非接触電圧測定装置における電極の例を示す図である。 電極の周囲に設けたガードリングの例を示す図である。図５Ａは図２に示す電極の周囲に設けたガードリングを示し、図５Ｂは図４に示す電極の周囲に設けたガードリングを示す。
＜第１の実施形態＞
　以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る非接触電圧測定装置を説明する。図１は、本実施形態に係る非接触電圧測定装置の構成の一例を示す図である。図２は、図１に示す非接触電圧測定装置において交流電圧の測定に用いられる電極Ｅ１，Ｅ２の例を示す図である。
　本実施形態に係る非接触電圧測定装置は、導体１に印加される交流電圧Ｖｘを導体１と導通せずに計測する装置である。ここで「導通せず」とは、測定対象物と非接触電圧測定装置とが直流的に絶縁されていることを意味しており、両者の間に絶縁物が介在している場合や、空間を隔て両者が分離している場合を含む。この非接触電圧測定装置は、例えば図１に示すように、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２と、交流信号源５と、検出部６と、ＡＤ変換部７と、演算部８と、記憶部９と、スイッチＳＷｇとを有する。
　図１に示す非接触電圧測定装置は、導体１の近くに配置した２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）と導体１との間に生じる静電結合を利用して交流電圧の計測を行う。例えば、導体１は、商用電力系統４の電力を供給する電源ライン上の配電盤等に設けられたバスバーであり、各電極（Ｅ１，Ｅ２）と対向した平面部ＦＰ１（導体側平面部）を備える。図２の例において、導体１は細長い板状の形状をしているが、平面部ＦＰ１を有するものであれば他の形状でもよい。
　第１電極Ｅ１は、導体１との間に第１キャパシタＣ１を形成し、第２電極Ｅ２は、導体１との間に第２キャパシタＣ２を形成する。図２の例において、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２は、絶縁体の基板２（プリント基板，フレキシブル基板等）に形成された導電パターンであり、導体側平面部ＦＰ１と平行な平面部ＦＰ２（電極側平面部）をそれぞれ備える。第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の電極側平面部ＦＰ２は、共通の基板２に形成されているため、導体側平面部ＦＰ１との離間距離が等しい。
　図２の例において、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の電極側平面部ＦＰ２は矩形の形状をしており、互いに合同である。平行板型のキャパシタである第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２は、対向する導電体の面積と導電体の間の距離が同じであるため、ほぼ等しい静電容量を有する。
　また、図２に示す第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２は、共通の基板２上において隣接して配置される。そのため、両者の形状とサイズは製造ばらつきの影響を受け難くなり、精度よく一致する。
　なお、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２の静電容量は、必ずしも同一である必要はなく、両者の間に一定の相関関係があればよい。例えば、２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）の一方を他方に比べてＰ倍の面積とすることにより、２つのキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）の一方が他方に比べてＰ倍の静電容量を持つようにしてもよい。すなわち、電極（Ｅ１，Ｅ２）と導体１の形状、サイズ及び位置関係は、２つのキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）の静電容量が一定の相関関係（例えば一定の比例関係）を持つよう設定されていればよい。
　交流信号源５は、第１電極Ｅ１と第１基準電位Ｇ１との間に交流信号Ｖｇを与える。交流信号源５が発生する交流信号Ｖｇは、交流電圧Ｖｘに比べて高い周波数を持つ。例えば、交流電圧Ｖｘの周波数を５０Ｈｚとすると、交流信号Ｖｇの周波数は数ｋＨｚ程度に設定される。交流信号源５は、処理部８の制御に従って交流信号Ｖｇの出力をオンオフする。
　スイッチＳＷｇは、交流信号源５と並列に接続されており、処理部８の制御に従ってオンオフする。
　検出部６は、交流信号源５の交流信号Ｖｇによって第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷と、交流電圧Ｖｘによって第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷をそれぞれ検出する。すなわち、検出部６は、第２電極Ｅ２を第１基準電位Ｇ１に対して一定の電位（例えば第１基準電位Ｇ１と同じ電位）に保った状態において、交流信号Ｖｇにより第２電極Ｅ２の第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号Ｖｓ１を生成する。また、検出部６は、交流電圧Ｖｘの測定の基準とする第２基準電位Ｇ２に対して第２電極Ｅ２を一定の電位（例えば第２基準電位Ｇ２と同じ電位）に保った状態において、交流電圧Ｖｘにより第２電極Ｅ２の第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号Ｖｓを生成する。
　図１の例において、検出部６は、電荷検出部２０とスイッチＳＷを有する。
　スイッチＳＷは、第１基準電位Ｇ１と第２基準電位Ｇ２との間に設けられており、処理部８の制御に従ってオンオフする。
　電荷検出部２０は、第２電極Ｅ２を第１基準電位Ｇ１に対して一定の電位（例えば第１基準電位Ｇ１と同じ電位）に保ち、第２キャパシタＣ２蓄積される電荷に応じた電荷検出信号Ｖｓを生成する。スイッチＳＷがオフの状態における電荷検出信号Ｖｓが上述した「第１電荷検出信号Ｖｓ１」であり、スイッチＳＷがオンの状態における電荷検出信号Ｖｓが上述した「第２電荷検出信号Ｖｓ２」である。
　電荷検出部２０は、例えば図１において示すように、オペアンプＯＰとキャパシタＣｆを含む。オペアンプＯＰの反転入力端子が第２電極Ｅ２に接続され、非反転入力端子が第１基準電位Ｇ１に接続される。キャパシタＣｆは、オペアンプＯＰの反転入力端子と出力端子との間に設けられる。オペアンプＯＰのゲインが十分に高い場合、第２電極Ｅ２の電位が第１基準電位Ｇ１とほぼ等しくなるように、オペアンプＯＰの出力電圧（電荷検出信号Ｖｓ）によってキャパシタＣｆの電荷が制御される。
　スイッチＳＷがオフ状態のとき、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２の直列回路に生じる電圧が交流信号Ｖｇとほぼ等しくなるように、キャパシタＣｆの電荷が制御される。オペアンプＯＰの反転入力端子は高インピーダンスであり、電流が殆ど流れないため、第２キャパシタＣ２の電荷量の変化とキャパシタＣｆの電荷量の変化がほぼ等しくなる。そのため、交流信号Ｖｇに応じた第２キャパシタＣ２の電荷量の変化と、キャパシタＣｆの電荷量の変化とがほぼ等しくなる。また、オペアンプＯＰの出力電圧（電荷検出信号Ｖｓ）の変化は、キャパシタＣｆの電荷量の変化に比例する。従って、オペアンプＯＰから出力される電荷検出信号Ｖｓの変化（交流信号Ｖｇと同一周波数の交流成分）は、交流信号Ｖｇに応じたキャパシタＣｆの電荷量の変化に比例する。
　スイッチＳＷがオン状態のとき、第１基準電位Ｇ１がスイッチＳＷを介して第２基準電位Ｇ２に接続され、第１基準電位Ｇ１は第２基準電位Ｇ２と同じになる。そのため、この場合は、第２キャパシタＣ２に生じる電圧が交流電圧Ｖｘとほぼ等しくなるようにキャパシタＣｆの電荷が制御されることとなり、交流電圧Ｖｘに応じた第２キャパシタＣ２の電荷量の変化と、キャパシタＣｆの電荷量の変化とがほぼ等しくなる。従って、オペアンプＯＰから出力される電荷検出信号Ｖｓの変化（交流電圧Ｖｘと同一周波数の交流成分）は、交流電圧Ｖｘに応じたキャパシタＣｆの電荷量の変化に比例する。
　ＡＤ変換部７は、検出部６において生成される電荷検出信号Ｖｓをアナログ信号からデジタル信号に変換する。
　処理部８は、非接触電圧測定装置の全体的な動作の制御やデータの演算処理を行う回路であり、記憶部９に格納されたプログラムの命令コードに従って処理を実行するコンピュータや、専用のハードウェアによるロジック回路（ＡＳＩＣ等）を含んで構成される。処理部８の処理は、全てをコンピュータにおいて実行してもよいし、少なくとも一部をハードウェアのロジック回路によって実行してもよい。
　処理部８は、それぞれ所定の処理を実行するブロックとして、制御部８１と演算部８２を有する。
　制御部８１は、スイッチＳＷの切り替えやＡＤ変換部７の変換動作の制御に係わる処理を実行する。
　演算部８２は、ＡＤ変換部７においてデジタル信号に変換された電荷検出信号Ｖｓに基づいて演算処理を行う。演算部８２は、スイッチＳＷがオフした状態において生成される電荷検出信号Ｖｓ（第１電荷検出信号Ｖｓ１）と、スイッチがオンした状態において生成される電荷検出信号Ｖｓ（第２電荷検出信号Ｖｓ２）とに基づいて、交流電圧Ｖｘの測定値を演算する。
　記憶部９は、例えば処理部８におけるコンピュータのプログラムや、処理用に予め準備されたデータ、処理過程で一時的に保存されるデータ（第１電荷検出信号Ｖｓ１，第２電荷検出信号Ｖｓ２のデジタル値等）を記憶する装置であり、ＲＯＭやＲＡＭ、不揮発性メモリ、ハードディスク等を含んで構成される。記憶部９に記憶されるプログラムやデータは、通信インターフェースを介して不図示のサーバ装置からダウンロードしてもよいし、光ディスクやＵＳＢメモリ等の非一時的記録媒体から読み出してもよい。
　ここで、上述した構成を有する図１に示す非接触電圧測定装置の動作を説明する。
　まず処理部８は、スイッチＳＷ及びスイッチＳＷｇをオフ状態に設定して交流信号源５から交流信号Ｖｇを出力し、交流信号Ｖｇに応じた交流成分を含む電荷検出信号ＶｓをＡＤ変換部７においてデジタル信号に変換する。処理部８は、このデジタル変換された電荷検出信号Ｖｓのレベル（交流の振幅や実効値など）を「第１電荷検出信号Ｖｓ１」として記憶部９に格納する。
　第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の静電容量をそれぞれ「Ｃ１」，「Ｃ２」とし、静電容量Ｃ１が静電容量Ｃ２のＰ倍であるとすると、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の直列回路の静電容量Ｃ０は次の式で表わされる。
　Ｃ０　＝　Ｃ２・Ｐ／（１＋Ｐ)　　…（１）
　交流信号Ｖｇの電圧を「Ｖｇ」とすると、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の直列回路には交流信号Ｖｇが発生する。交流信号Ｖｇに応じて第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の直列回路に蓄積される電荷Ｑｇ（交流成分）は、次の式で表わされる。
　Ｑｇ　＝　Ｖｇ・Ｃ０　＝Ｖｇ・Ｃ２・Ｐ／（１＋Ｐ）　　…（２）
　第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の直列回路に蓄積される電荷Ｑｇは、第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷と等しい。
　キャパシタＣｆには、第２キャパシタＣ２の電荷Ｑｇとほぼ等しい電荷が蓄積される。また、キャパシタＣｆの電圧は、オペアンプＯＰの出力電圧（電荷検出信号Ｖｓ）とほぼ等しい。そのため、スイッチＳＷがオフの時の電荷検出信号Ｖｓである「第１電荷検出信号Ｖｓ１」は次の式で表わされる。
　Ｖｓ１　＝　Ｑｇ／Ｃｆ　＝　Ｖｇ・（Ｃ２／Ｃｆ）・Ｐ／（１＋Ｐ）　　…（３）
　処理部８は、式（３）で表わされる第１電荷検出信号Ｖｓ１のデジタル値を記憶部９に格納する。
　次に、処理部８は、交流信号源５の交流信号Ｖｇの出力を停止し、スイッチＳＷ及びスイッチＳＷｇをオン状態に設定して、交流電圧Ｖｘに応じた交流成分を含む電荷検出信号ＶｓをＡＤ変換部７においてデジタル信号に変換する。処理部８は、このデジタル変換された電荷検出信号Ｖｓのレベル（交流の振幅や実効値など）を「第２電荷検出信号Ｖｓ２」として記憶部９に格納する。
　スイッチＳＷがオンすると、第１基準電位Ｇ１が第２基準電位Ｇ２と同電位になるため、第２電極Ｅ２の電位は第２基準電位Ｇ２とほぼ等しくなる。すなわち、第２キャパシタＣ２の電圧は、導体１に印加される交流電圧Ｖｘとほぼ等しくなる。交流電圧Ｖｘに応じて第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｘ（交流成分）は、次の式で表わされる。
　Ｑｘ　＝　Ｖｘ・Ｃ２　　…（４）
　キャパシタＣｆには、第２キャパシタＣ２の電荷Ｑｘとほぼ等しい電荷が蓄積される。また、キャパシタＣｆの電圧とオペアンプＯＰの出力電圧（電荷検出信号Ｖｓ）はほぼ等しい。そのため、スイッチＳＷがオンの時の電荷検出信号Ｖｓである「第２電荷検出信号Ｖｓ２」は次の式で表わされる。
　Ｖｓ２　＝　Ｑｘ／Ｃｆ　＝　Ｖｘ・（Ｃ２／Ｃｆ）　　…（５）
　処理部８は、式（５）で表わされる第２電荷検出信号Ｖｓ２のデジタル値を記憶部９に格納する。
　演算部８２は、記憶部９に格納した第１電荷検出信号Ｖｓ１と第２電荷検出信号Ｖｓ２のデジタル値に基づいて、導体１に印加される交流電圧Ｖｘを演算する。
　式（３）から、「Ｃｆ／Ｃ２」は次の式で表わされる。
　Ｃｆ／Ｃ２　＝　（Ｖｇ／Ｖｓ１）・｛Ｐ／（Ｐ＋１）｝　　…（６）
　式（５）から、交流電圧Ｖｘは次の式で表わされる。
　Ｖｘ　＝　Ｖｓ２・（Ｃｆ／Ｃ２）　　…（７）
　式（６）を式（７）に代入すると、交流電圧Ｖｘは次の式で表わされる。
　Ｖｘ　＝　Ｖｇ・（Ｖｓ２／Ｖｓ１）・｛Ｐ／（Ｐ＋１）｝　　…（８）
　従って、演算部８２は、記憶部９に格納した第１電荷検出信号Ｖｓ１及び第２電荷検出信号Ｖｓ２のデジタル値と、既知の「Ｖｇ」及び「Ｐ」に基づいて、式（８）により交流電圧Ｖｘの測定値を演算することができる。
　以上説明したように、本実施形態に係る非接触電圧測定装置によれば、互いに相関関係がある静電容量を持った第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２が、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２と導体１との間に形成されており、第１電極Ｅ１と第１基準電位Ｇ１との間に交流信号Ｖｇが与えられる。スイッチＳＷがオフのとき、第２電極Ｅ２を第１基準電位Ｇ１と等しい電位に保った状態で、交流信号Ｖｇにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｇに応じた第１電荷検出信号Ｖｓ１が生成される。また、スイッチＳＷがオンのとき、第２電極Ｅ２を第２基準電位Ｇ２と等しい電位に保った状態で、交流電圧Ｖｘにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｘに応じた第２電荷検出信号Ｖｓ２が生成される。そして、演算部８２において、スイッチＳＷがオフのとき生成される第１電荷検出信号Ｖｓ１と、スイッチＳＷがオンのとき生成される第２電荷検出信号Ｖｓ２とに基づいて、交流電圧Ｖｘの測定値が演算される。
　そのため、従来の装置のように、測定対象の交流電圧Ｖｘの周波数を持った成分と、浮遊容量（Ｃ１，Ｃ２）の測定に用いる交流信号Ｖｇの周波数を持った成分とを弁別するためのフィルタを設けずとも、交流電圧Ｖｘの測定値を得ることができる。従って、従来の装置に比べて構成を簡易化できる。
　また、本実施形態に係る非接触電圧測定装置によれば、従来の装置のように、電極（Ｅ１，Ｅ２）を導体１から取り外して浮遊容量の測定を行う必要がないため、測定手順を簡易化できる。また、電極（Ｅ１，Ｅ２）の取り外しと再装着による測定誤差が生じないため、従来の装置に比べて高い測定精度を得ることができる。
　更に、本実施形態に係る非接触電圧測定装置によれば、２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）に設けられた電極側平面部ＦＰ２と導体１に設けられた導体側平面部ＦＰ１とが平行かつ等距離で対向することにより、２つの平行板型のキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）が形成される。
　これにより、２つのキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）の静電容量比が、２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）における電極側平面部ＦＰ２の面積比とほぼ等しくなるため、静電容量比を高い精度で設定することが可能となる。特に、２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）の導体側平面部ＦＰ１を合同にすることにより、２つの電極（Ｅ１，Ｅ２）の面積を精度よく一致させることができるため、２つのキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２）の静電容量を高い精度で一致させることができる。従って、交流電圧Ｖｘの測定精度を更に向上できる。
　また、本実施形態に係る非接触電圧測定装置によれば、交流電圧Ｖｘに比べて交流信号Ｖｇの周波数を高くしているため、スイッチＳＷがオフのとき、交流信号Ｖｇにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｇを、交流電圧Ｖｘにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｅｒｒに比べて十分に大きくすることができる。
　すなわち、第１基準電位Ｇ１と第２基準電位Ｇ２との間には僅かながら寄生容量が存在するため、スイッチＳＷがオフのときも、交流電圧Ｖｘにより第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷Ｑｅｒｒが僅かに存在する。交流信号Ｖｇの周波数を交流電圧Ｖｘに比べて十分に高くすることで、第２キャパシタＣ２に流れる電流が増え、電荷Ｑｇが電荷Ｑｅｒｒに比べて大きくなるため、電荷Ｑｅｒｒによる測定誤差を低減できる。
　しかも、本実施形態に係る非接触電圧測定装置によれば、スイッチＳＷがオンの状態において交流信号源５の交流信号Ｖｇの出力が停止されるため、第２電荷検出信号Ｖｓ２を生成する際、交流信号Ｖｇの成分が含まれることによる誤差を防止し、測定精度の低下を抑えることができる。
　図１に示すように、商用電力系統４の電源ラインには負荷３Ａ，３Ｂが存在するため、導体１は第２基準電位Ｇ２に対してインピーダンスを有する。スイッチＳＷがオンの状態において交流信号Ｖｇの出力が続いていると、交流信号Ｖｇの影響によって導体１の電位が微小に振動し、これが交流電圧Ｖｘの測定誤差となる。交流信号Ｖｇの出力を停止することで、交流信号Ｖｇによる導体１の電位の振動が生じなくなるため、交流電圧Ｖｘの測定誤差を抑えることができる。
＜第２の実施形態＞
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
　上述した第２の実施形態に係る非接触電圧測定装置では、第１基準電位Ｇ１と第２基準電位Ｇ２との間にスイッチＳＷを設けることによって、第１電荷検出信号Ｖｓ１及び第１電荷検出信号Ｖｓ１が共通の電荷検出部２０により生成される。これに対し、本実施形態に係る非接触電圧測定装置では、第１電荷検出信号Ｖｓ１及び第１電荷検出信号Ｖｓ１がそれぞれ独立の電荷検出部によって生成される。
　図３は、本発明の第３の実施形態に係る非接触電圧測定装置の構成の一例を示す図である。図４は、図３に示す非接触電圧測定装置における電極の例を示す図である。
　本実施形態に係る非接触電圧測定装置は、例えば図３において示すように、第１電極Ｅ１，第２電極Ｅ２及び第３電極Ｅ３と、交流信号源５と、検出部６Ａと、ＡＤ変換部７Ａ及び７Ｂと、処理部８と、記憶部９と、フォトカプラ１０を有する。このうち、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２、交流信号源５、処理部８並びに記憶部９は、図１における同一符号の構成要素と同じである。
　第３電極Ｅ３は、導体１との間に第３キャパシタＣ３を形成するものであり、既に説明した第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２と同様の構成を有する。図３の例において、３つの電極（Ｅ１～Ｅ３）は共通の基板２上に形成された導電パターンであり、導体側平面部ＦＰ１と平行な電極側平面部ＦＰ２をそれぞれ備える。３つの電極（Ｅ１～Ｅ３）の電極側平面部ＦＰ２は、導体１の導体側平面部ＦＰ１と平行に対向しており、導体側平面部ＦＰ１からの離間距離が等しい。図３の例において、３つの電極（Ｅ１～Ｅ３）の電極側平面部ＦＰ２は互いに合同な形状を有しているため、これらの電極により形成される３つのキャパシタ（Ｃ１～Ｃ３）はほぼ等しい静電容量を有する。
　なお、３つのキャパシタ（Ｃ１～Ｃ３）は必ずしも同一である必要はなく、両者の間に一定の相関関係（例えば、一定の比例関係）があればよい。
　検出部６Ａは、先に説明した検出部６と同様に、交流信号源５の交流信号Ｖｇによって第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷と、交流電圧Ｖｘによって第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷をそれぞれ検出する。すなわち、検出部６Ａは、交流信号Ｖｇにより第２電極Ｅ２の第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号Ｖｓ１と、交流電圧Ｖｘにより第２電極Ｅ２の第２キャパシタＣ２に蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号Ｖｓとをそれぞれ生成する。ただし、先の実施形態における検出部６は、スイッチＳＷの状態に応じて異なる電荷検出信号Ｖｓ（Ｖｓ１又はＶｓ２）を生成したが、本実施形態における検出部６Ａは、第１電荷検出信号Ｖｓ１と第２電荷検出信号Ｖｓ２をそれぞれ独立に生成する。
　検出部６Ａは、例えば図３に示すように、第１電荷検出部２１と第２電荷検出部２２を有する。
　第１電荷検出部２１は、第２電極Ｅ２を第１基準電位Ｇ１に対して一定の電位（例えば第１基準電位Ｇ１と同じ電位）に保ち、第２キャパシタＣ２蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号Ｖｓ１を生成する。図３の例において、第１電荷検出部２１は、オペアンプＯＰ１とキャパシタＣｆ１を含む。このオペアンプＯＰ１及びキャパシタＣｆ１は、図１におけるオペアンプＯＰ及びキャパシタＣｆと同じであり、これらと同様に動作する。従って、第１電荷検出部２１が生成する第１電荷検出信号Ｖｓ１は、先の実施形態においてスイッチＳＷがオフの時に電荷検出部２０が生成する電荷検出信号Ｖｓと同じである。
　第２電荷検出部２２は、第３電極Ｅ３を第２基準電位Ｇ２に対して一定の電位（例えば第２基準電位Ｇ２と同じ電位）に保ち、第３キャパシタＣ３に蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号Ｖｓ２を生成する。図３の例において、第２電荷検出部２２は、オペアンプＯＰ２とキャパシタＣｆ２を含む。オペアンプＯＰ２の反転入力端子が第３電極Ｅ３に接続され、非反転入力端子が第２基準電位Ｇ２に接続される。キャパシタＣｆ２は、オペアンプＯＰ２の反転入力端子と出力端子との間に設けられる。
　オペアンプＯＰ２のゲインが十分に高い場合、第３電極Ｅ３の電位が第２基準電位Ｇ２とほぼ等しくなるように、オペアンプＯＰの出力電圧（第２電荷検出信号Ｖｓ２）によってキャパシタＣｆ２の電荷が制御される。すなわち、第３キャパシタＣ３に生じる電圧が交流電圧Ｖｘとほぼ等しくなるようにキャパシタＣｆ２の電荷が制御される。
　オペアンプＯＰ２の反転入力端子は高インピーダンスであり、電流が殆ど流れないため、第３キャパシタＣ３の電荷量の変化とキャパシタＣｆ２の電荷量の変化がほぼ等しくなる。そのため、交流電圧Ｖｘに応じた第３キャパシタＣ３の電荷量の変化と、キャパシタＣｆ２の電荷量の変化とがほぼ等しくなる。また、オペアンプＯＰ２の出力電圧（第２電荷検出信号Ｖｓ２）の変化は、キャパシタＣｆ２の電荷量の変化に比例する。従って、オペアンプＯＰ２から出力される第２電荷検出信号Ｖｓ２の変化（交流電圧Ｖｘと同一周波数の交流成分）は、交流電圧Ｖｘに応じたキャパシタＣｆ２の電荷量の変化に比例する。この第２電荷検出信号Ｖｓ２は、先の実施形態においてスイッチＳＷがオンのときに電荷検出部２０が生成する電荷検出信号Ｖｓと同じである。
　ＡＤ変換部７Ａは、検出部６Ａにおいて生成される第１電荷検出信号Ｖｓ１をアナログ信号からデジタル信号に変換し、処理部８に入力する。
　ＡＤ変換部７Ｂは、検出部６Ａにおいて生成される第２電荷検出信号Ｖｓ２をアナログ信号からデジタル信号に変換し、処理部８に入力する。
　フォトカプラ１０は、ＡＤ変換部７Ｂから処理部８へデジタル信号を伝達する経路に設けられており、電気信号を一旦光信号に変換してから電気信号へ戻すことにより、ＡＤ変換部７Ｂと処理部８との電気的な絶縁を保ちつつ、ＡＤ変換部７Ｂから処理部８へデジタル信号を伝達する。
　上記の構成によれば、検出部６Ａにおいて図１における検出部６と同様な第１電荷検出信号Ｖｓ１及び第２電荷検出信号Ｖｓ２が生成され、演算部８２において第１電荷検出信号Ｖｓ１及び第２電荷検出信号Ｖｓ２に基づいて交流電圧Ｖｘの計測値が演算される。従って、先に説明した図１に示す非接触電圧測定装置と同様に、簡易な構成で精度よく交流電圧Ｖｘを計測することができる。
　また、本実施形態に係る非接触電圧測定装置によれば、第１基準電位Ｇ１と第２基準電位Ｇ２の間にスイッチＳＷが設けられていないため、第１基準電位Ｇ１と第２基準電位Ｇ２の間における寄生容量を非常に小さくすることができる。これにより、第１電荷検出部２１において生成される第１電荷検出信号Ｖｓ１が交流電圧Ｖｘによる誤差を生じ難くなるため、交流電圧Ｖｘの測定精度を向上できる。
　本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってよい。
　上述した各実施形態における電荷検出部（２０，２１，２２）は、キャパシタ（Ｃ１～Ｃ３）における微小な電荷の変化を検出するため、外来ノイズの影響を受け易い。そこで、キャパシタ（Ｃ１～Ｃ３）を形成する電極（Ｅ１～Ｅ３）の周囲には、外来ノイズの影響を低減するため、導体によるガードリングを設けてもよい。
　図５は、電極（Ｅ１～Ｅ３）の周囲に設けたガードリングの例を示す図である。
　図５Ａは、図２に示す第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の周囲に設けたガードリングＧＲ１を示す。図５Ｂは、図４に示す第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の周囲に設けたガードリングＧＲ１と、第３電極Ｅ３の周囲に設けたガードリングＧＲ２をそれぞれ示す。第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２と第３電極Ｅ３とは電位が異なるため、図５Ｂに示すように、第３電極Ｅ３のガードリングＧＲ２は第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２のガードリングＧＲ１と別に設けられる。なおガードリングＧＲ１，ＧＲ２は、外来ノイズの状況に応じて、一方を適宜省略してもよい。また、ガードリングＧＲ１は、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の一方だけを囲うようにしてもよい。
　上述した実施形態では、測定対象の電圧が印加される導体１と電極（Ｅ１～Ｅ３）とが平行板型のキャパシタを形成する例を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、導体と電極の形状、サイズ、配置等は任意でよい。例えば、測定対象の交流電圧が印加される導体は、断面が円形の円柱形状の導体や棒状の導体でもよい。この場合、基板２や電極（Ｅ１～Ｅ３）は、導体１の表面に沿って円筒状に曲げて配置するようにすればよい。例えば、円柱状の導体の外周を囲むように円筒状に曲げたフレキシブル基板を設け、このフレキシブル基板上に本発明の電極となる導電パターンを形成してもよい。
　上述した実施形態では、電荷検出部（２０，２１，２２）から出力される電荷検出信号（Ｖｓ，Ｖｓ１，Ｖｓ２）をデジタル値に変換して交流電圧Ｖｘの測定値を演算しているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、電荷検出部から出力される電荷検出信号にアナログ演算処理を施すことにより、交流電圧Ｖｘの測定結果をアナログ信号として生成してもよい。
　上述した第１の実施形態（図１）では、初めにスイッチＳＷをオフ状態に設定して第１電荷検出信号Ｖｓ１を生成し、次にスイッチＳＷをオン状態に設定して第２電荷検出信号Ｖｓ２を生成しているが、本発明の他の実施形態では、第２電荷検出信号Ｖｓ２を先に生成し、その後で第１電荷検出信号Ｖｓ１を生成してもよい。
　上述した第１の実施形態（図１）では、処理部８がスイッチＳＷのオンオフの制御を行っているが、本発明の他の実施形態では、他の上位装置から送られてくるコマンドや、ユーザインターフェース装置を介して入力されるユーザの指示に応じて、スイッチＳＷのオンオフを制御してもよい。
１…導体、２…基板、３Ａ，３Ｂ…負荷、４…商用電力系統、５…交流信号源、６，６Ａ…検出部、７，７Ａ，７Ｂ…ＡＤ変換部、８…処理部、８１…制御部、８２…演算部、９…記憶部、１０…フォトカプラ、２０…電荷検出部、２１…第１電荷検出部、２２…第２電荷検出部、Ｃ１…第１キャパシタ、Ｃ２…第２キャパシタ、Ｃ３…第３キャパシタ、Ｅ１…第１電極、Ｅ２…第２電極、Ｅ３…第３電極、ＦＰ１…導体側平面部、ＦＰ２…電極側平面部、ＳＷ…スイッチ、ＧＲ１，ＧＲ２…ガードリング、Ｇ１…第１基準電位、Ｇ２…第２基準電位、ＯＰ，ＯＰ１，ＯＰ２…オペアンプ、Ｖｓ…電荷検出信号、Ｖｓ１…第１電荷検出信号、Ｖｓ２…第２電荷検出信号、Ｖｘ…交流電圧、Ｖｇ…交流信号。

Claims (15)

  1. 　導体に印加される交流電圧を前記導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置であって、
    　前記導体との間に第１キャパシタを形成する第１電極と、
    　前記第１キャパシタの静電容量と相関関係がある静電容量を持つ第２キャパシタを前記導体との間に形成する第２電極と、
    　前記第１電極と第１基準電位との間に交流信号を与える交流信号源と、
    　前記第１基準電位に対して前記第２電極を一定の電位に保ち、前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた電荷検出信号を生成する電荷検出部と、
    　前記交流電圧の測定の基準とする第２基準電位と前記第１基準電位との間に設けられたスイッチと、
    　前記スイッチがオフした状態において生成される前記電荷検出信号と、前記スイッチがオンした状態において生成される前記電荷検出信号とに基づいて前記交流電圧の測定値を演算する演算部と
    　を有することを特徴とする非接触電圧計測装置。
  2. 　前記交流信号源は、前記交流電圧に比べて高い周波数を有した前記交流信号を発生する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電圧計測装置。
  3. 　前記導体は、前記第１電極及び前記第２電極に対向する導体側平面部を有し、
    　前記第１電極及び前記第２電極は、前記導体側平面部と平行かつ前記導体側平面部との離間距離が等しい電極側平面部をそれぞれ有する
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電圧計測装置。
  4. 　前記第１電極及び前記第２電極における前記電極側平面部が合同であって、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの静電容量が等しい
    　ことを特徴とする請求項３に記載の非接触電圧計測装置。
  5. 　前記第１電極と前記第２電極とが近接して配置される
    　ことを特徴とする請求項３又は４に記載の非接触電圧計測装置。
  6. 　前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方を囲むガードリングを有する
    　ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の非接触電圧計測装置。
  7. 　導体に印加される交流電圧を前記導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置であって、
    　前記導体との間に第１キャパシタを形成する第１電極と、
    　前記第１キャパシタの静電容量と相関関係がある静電容量を持つ第２キャパシタを前記導体との間に形成する第２電極と、
    　前記第１キャパシタの静電容量と相関関係がある静電容量を持つ第３キャパシタを前記導体との間に形成する第３電極と、
    　前記第１電極と第１基準電位との間に交流信号を与える交流信号源と、
    　前記第１基準電位に対して前記第２電極を一定の電位に保ち、前記第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号を生成する第１電荷検出部と、
    　前記交流電圧の測定の基準とする第２基準電位に対して前記第３電極を一定の電位に保ち、前記第３キャパシタに蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号を生成する第２電荷検出部と、
    　前記第１電荷検出信号と前記第２電荷検出信号とに基づいて前記交流電圧の測定値を演算する演算部と
    　を有することを特徴とする非接触電圧計測装置。
  8. 　前記交流信号源は、前記交流電圧に比べて高い周波数を有した前記交流信号を発生する
    　ことを特徴とする請求項７に記載の非接触電圧計測装置。
  9. 　前記導体は、前記第１電極、前記第２電極及び前記第２電極に対向する導体側平面部を有し、
    　前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極は、前記導体側平面部と平行かつ前記導体側平面部との離間距離が等しい電極側平面部をそれぞれ有する
    　ことを特徴とする請求項７又は８に記載の非接触電圧計測装置。
  10. 　前記第１電極、前記第２電極部及び前記第３電極における前記電極側平面部が合同であって、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記第３キャパシタの静電容量が等しい
    　ことを特徴とする請求項９に記載の非接触電圧計測装置。
  11. 　前記第１電極と前記第２電極とが近接して配置される
    　ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の非接触電圧計測装置。
  12. 　前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも１つを囲む第１ガードリング、及び／又は、前記第３電極を囲む第２ガードリングを有する
    　ことを特徴とする請求項７乃至１１の何れか一項に記載の非接触電圧計測装置。
  13. 　導体に印加される交流電圧を前記導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置であって、
    　互いに相関関係がある静電容量を持つキャパシタを前記導体との間にそれぞれ形成する複数の電極と、
    　２つの前記電極における一方の電極と第１基準電圧との間に交流信号を与える交流信号源と、
    　前記２つの電極における他方の電極を前記第１基準電位に対して一定の電位に保った状態において、前記交流信号により当該他方の電極の前記キャパシタに蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号、及び、前記交流電圧の測定の基準とする第２基準電位に対して１つの前記電極を一定の電位に保った状態において、前記交流電圧により当該１つの電極の前記キャパシタに蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号をそれぞれ生成する検出部と、
    　前記第１電荷検出信号と前記第２電荷検出信号とに基づいて前記交流電圧の測定値を演算する演算部と
    　を有することを特徴とする非接触電圧計測装置。
  14. 　導体に印加される交流電圧を前記導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置であって、
    　前記導体と静電結合する第１電極と、
    　前記導体と静電結合する第２電極と、
    　一端が前記第１電極に接続された交流信号源と、
    　一方の入力端が前記第２電極に接続され、他方の入力端が前記交流信号源の他端に接続された電荷検出部と、
    　前記電荷検出部の他方の入力端と前記交流電圧の基準電位との間に設けられたスイッチと、
    　前記電荷検出部における電荷の検出結果を記憶する記憶部と、
    　前記記憶部に記憶された値を元に演算可能な演算部と
    　を有することを特徴とする非接触電圧計測装置。
  15. 　導体に印加される交流電圧を前記導体と導通せずに計測する非接触電圧計測装置であって、
    　前記導体と静電結合する第１電極と、
    　前記導体と静電結合する第２電極と、
    　前記導体と静電結合する第３電極と、
    　一端が前記第１電極に接続された交流信号源と、
    　一方の入力端が前記第２電極に接続され、他方の入力端が前記交流信号源の他端に接続された第１電荷検出部と、
    　一方の入力端が前記第３電極に接続され、他方の入力端が前記交流電圧の基準電位に接続された第２電荷検出部と、
    　前記第１電荷検出部及び前記第２電荷検出部における電荷の検出結果を記憶する記憶部と、
    　前記記憶部に記憶された値を元に演算可能な演算部と
    　を有することを特徴とする非接触電圧計測装置。
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