特許 6372164 電圧計測装置および電圧計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6372164

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】電圧計測装置および電圧計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 19/00 20060101AFI20180806BHJP

【ＦＩ】

   G01R19/00 A

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-108060(P2014-108060)

(22)【出願日】2014年5月26日

(65)【公開番号】特開2015-224886(P2015-224886A)

(43)【公開日】2015年12月14日

【審査請求日】2017年1月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100155712

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 尚

(72)【発明者】

【氏名】川上 悟郎

(72)【発明者】

【氏名】冨田 公平

【審査官】 菅藤 政明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−８４３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−８２４９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １９／００−１９／３２

Ｇ０１Ｒ １５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電線の交流電圧を電線の絶縁被覆を通して計測する電圧計測装置において、
前記絶縁被覆の周りに配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極を前記電線のグランドと共通の第１のグランドに電気的に接続させた第１接続状態と接続させない第１非接続状態とに切り替える第１切替手段を有し、前記第１のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第１電極に誘起される第１電極電圧を、前記第１切替手段が前記第１接続状態であるときに取得し得る第１の電圧取得回路と、
前記第２電極を前記第１のグランドに電気的に接続させた第２接続状態と接続させない第２非接続状態とに切り替える第２切替手段を有し、前記第１のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第２電極に誘起される第２電極電圧を、前記第２切替手段が前記第２接続状態であるときに取得し得る第２の電圧取得回路と、
前記第１のグランドと絶縁されている第２のグランドに接地され、前記第１切替手段が前記第１非接続状態であり、かつ前記第２切替手段が前記第２非接続状態であるときに、注入電圧を前記第２電極に供給することにより前記第１電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得し得る容量検出電圧取得回路と、
前記第１電極電圧、前記第２電極電圧、前記注入電圧および前記容量検出電圧から前記電線の電圧を求める演算手段とを備えていることを特徴とする電圧計測装置。

【請求項2】

前記容量検出電圧取得回路は、前記電線の交流電圧と同じ周波数の交流の注入電圧を供給することを特徴とする請求項１に記載の電圧計測装置。

【請求項3】

前記絶縁被覆の周りに配置される第３電極と、
前記第１のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第３電極に誘起される第３電極電圧を取得する第３の電圧取得回路と、
前記第３電極電圧に比例した電圧を前記注入電圧として前記容量検出電圧取得回路に与え、かつ前記第３の電圧取得回路と前記容量検出電圧取得回路とを絶縁している信号伝達手段とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の電圧計測装置。

【請求項4】

前記信号伝達手段はフォトカプラであることを特徴とする請求項３に記載の電圧計測装置。

【請求項5】

前記第３の電圧取得回路は、前記フォトカプラの発光ダイオードに接続され、交流電圧である前記第３電極電圧の極性が常に正極性となるように、前記第３電極電圧を嵩上げするオフセット回路を備えていることを特徴とする請求項４に記載の電圧計測装置。

【請求項6】

前記容量検出電圧および前記注入電圧は、絶縁回路を介して前記演算手段に入力されていることを特徴とする請求項４に記載の電圧計測装置。

【請求項7】

前記演算手段は、前記容量検出電圧および前記注入電圧から、前記電線の心線と前記第１電極および前記第２電極との間の各静電容量を求め、これら各静電容量、前記第１電極電圧および第２電極電圧から、前記電線の電圧を求めることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電圧計測装置。

【請求項8】

前記注入電圧は、周波数が１ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電圧計測装置。

【請求項9】

電線の交流電圧を電線の絶縁被覆を通して計測する電圧計測方法において、
前記電線の絶縁被覆の周りに第１電極を配置し、前記第１電極を前記電線のグランドと共通の第１のグランドに電気的に接続させた状態として、前記交流電圧によって前記第１電極に誘起される第１電極電圧を取得する第１電極電圧取得工程と、
前記電線の絶縁被覆の周りに第２電極を配置し、前記第２電極を前記第１のグランドに電気的に接続させた状態として、前記交流電圧によって前記第２電極に誘起される第２電極電圧を取得する第２電極電圧取得工程と、
前記第１電極および前記第２電極を前記第１のグランドに電気的に接続させない状態とし、注入電圧を前記第２電極に供給することにより、前記第１のグランドと絶縁されている第２のグランドに接地された回路にて、前記第１電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得する容量検出電圧取得工程と、
前記第１電極電圧、前記第２電極電圧、前記注入電圧および前記容量検出電圧から前記電線の電圧を求める演算工程とを備えていることを特徴とする電圧計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、絶縁被覆されている電線の導体に印加されている交流の電圧を計測する電圧計測装置および電圧計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に示されているように、計測電極を絶縁電線の導体に接触させることなく、絶縁電線に印加されている電圧を計測する技術が知られている。

【0003】

特許文献１に記載の構成では、電線の交流電圧を求め、基準交流電流と誘電損失電流との位相差から、電線を被覆する絶縁体の誘電正接を求め、この誘電正接の値により、先に求めた交流電圧を補正するようにしている。

【0004】

具体的には、電線の絶縁体に配した電極からの入力信号により、電線の導体と電極との間の結合容量を求め、この結合容量の値に基づき交流電圧を求めている。また、交流電圧に対して９０°進んだ基準交流電流を絶縁体を通して検出している。また、絶縁体の誘電損失に伴う誘電損失電流を絶縁体を通して検出している。次に、これら基準交流電流（基準交流電圧）と誘電損失電流（誘電損失電圧）との位相差を求め、この位相差から絶縁体の誘電正接を算出している。さらに、誘電正接の値に基づき、先に求めた交流電圧値を補正している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−１７７３１０号公報（２００４年６月２４日公開）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の構成では、二つの交流電圧（基準交流電圧、誘電損失電圧）の位相差を求め、求めた位相差から誘電正接を求める回路が必要となる。また、電線の導体と電極との間の結合容量を求めるために、容量が既知の２個のコンデンサ、およびこれらコンデンサを切り替えるスイッチを備えている。このため、回路構成が複雑になるという問題点を有している。

【0007】

したがって、本発明は、簡単な構成により計測電線の電圧を正確に計測することができる電圧計測装置および電圧計測方法の提供を目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明の電圧計測装置は、電線の交流電圧を電線の絶縁被覆を通して計測する電圧計測装置において、前記絶縁被覆の周りに配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極を前記電線のグランドと共通の第１のグランドに電気的に接続させた第１接続状態と接続させない第１非接続状態とに切り替える第１切替手段を有し、前記第１のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第１電極に誘起される第１電極電圧を、前記第１切替手段が前記第１接続状態であるときに取得し得る第１の電圧取得回路と、前記第２電極を前記第１のグランドに電気的に接続させた第２接続状態と接続させない第２非接続状態とに切り替える第２切替手段を有し、前記第１のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第２電極に誘起される第２電極電圧を、前記第２切替手段が前記第２接続状態であるときに取得し得る第２の電圧取得回路と、前記第１のグランドと絶縁されている第２のグランドに接地され、前記第１切替手段が前記第１非接続状態であり、かつ前記第２切替手段が前記第２非接続状態であるときに、注入電圧を前記第２電極に供給することにより前記第１電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得し得る容量検出電圧取得回路と、前記第１電極電圧、前記第２電極電圧、前記注入電圧および前記容量検出電圧から前記電線の電圧を求める演算手段とを備えていることを特徴としている。

【0009】

上記の構成によれば、第１の電圧取得回路は、電線のグランドと共通の第１のグランドに接地されている。第１の電圧取得回路は、第１切替手段が第１電極を第１のグランドに電気的に接続させた第１接続状態であるときに、交流電圧によって第１電極に誘起される第１電極電圧を取得する。第２の電圧取得回路は、第１のグランドに接地されている。第２の電圧取得回路は、第２切替手段が第２電極を第１のグランドに電気的に接続させた第２接続状態であるときに、交流電圧によって第２電極に誘起される第２電極電圧を取得する。容量検出電圧取得回路は、第１のグランドと絶縁されている第２のグランドに接地されている。容量検出電圧取得回路は、第１切替手段が第１電極を第１のグランドに電気的に接続させない第１非接続状態であり、かつ第２切替手段が第２電極を第１のグランドに電気的に接続させない第２非接続状態であるときに、注入電圧を第２電極に供給することにより第１電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得する。演算手段は、第１電極電圧、第２電極電圧、注入電圧および容量検出電圧から電線の電圧を求める。

【0010】

これにより、簡単な構成にて計測対象である電線の電圧を正確に計測することができる。

【0011】

上記の電圧計測装置において、前記容量検出電圧取得回路は、前記電線の交流電圧と同じ周波数の交流の注入電圧を供給する構成としてもよい。

【0012】

上記の構成によれば、容量検出電圧取得回路は、電線の交流電圧と同じ周波数の交流の注入電圧を第２電極に供給することにより第１電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得する。これにより、電線の交流電圧の周波数と注入電圧の周波数との違いに起因する電線の絶縁被覆の比誘電率の違いの影響を受けなくなり、電線の電圧を、温度や湿度の変化の影響を受けることなく、正確に計測することができる。

【0013】

上記の電圧計測装置は、前記絶縁被覆の周りに配置される第３電極と、前記第１のグランドに接地され、前記交流電圧によって前記第３電極に誘起される第３電極電圧を取得する第３の電圧取得回路と、前記第３電極電圧に比例した電圧を前記注入電圧として前記容量検出電圧取得回路に与え、かつ前記第３の電圧取得回路と前記容量検出電圧取得回路とを絶縁している信号伝達手段とを備えている構成としてもよい。

【0014】

上記の構成によれば、第３の電圧取得回路は、交流電圧によって第３電極に誘起される第３電極電圧を取得する。信号伝達手段は、第３電極電圧に比例した電圧を注入電圧として容量検出電圧取得回路に与え、かつ第１のグランドに接地されている第３の電圧取得回路と第２のグランドに接地されている容量検出電圧取得回路とを絶縁している。

【0015】

これにより、注入電圧の供給電源を別途備えることなく、第３の電圧取得回路から容量検出電圧取得回路に対して、電線の電圧と周波数が同じで、電線の電圧に比例した注入電圧を与えることができる。

【0016】

上記の電圧計測装置において、前記信号伝達手段はフォトカプラである構成としてもよい。

【0017】

上記の構成によれば、信号伝達手段がフォトカプラであるので、信号伝達手段を簡単かつ安価な構成とすることができる。

【0018】

上記の電圧計測装置において、前記第３の電圧取得回路は、前記フォトカプラの発光ダイオードに接続され、交流電圧である前記第３電極電圧の極性が常に正極性となるように、前記第３電極電圧を嵩上げするオフセット回路を備えている構成としてもよい。

【0019】

上記の構成によれば、オフセット回路により、交流電圧である第３電極電圧は、極性が常に正極性となるように嵩上げされる。これにより、信号伝達手段がフォトカプラである場合において、フォトカプラの発光ダイオードを適切に駆動し、フォトカプラによる良好な信号伝達機能を発揮させることができる。

【0020】

上記の電圧計測装置において、前記容量検出電圧および前記注入電圧は、絶縁回路を介して前記演算手段に入力されている構成としてもよい。

【0021】

上記の構成によれば、容量検出電圧および注入電圧は、絶縁回路を介して演算手段に入力されているので、容量検出電圧取得回路と演算手段との間に、第１のグランドに接地されている回路が存在していても、第１のグランドに接地されている回路と容量検出電圧取得回路との絶縁性を確保することができる。

【0022】

上記の電圧計測装置において、前記演算手段は、前記容量検出電圧および前記注入電圧から、前記電線の心線と前記第１電極および前記第２電極との間の各静電容量を求め、これら各静電容量、前記第１電極電圧および第２電極電圧から、前記電線の電圧を求める構成としてもよい。

【0023】

上記の構成によれば、演算手段は、第１電極電圧、第２電極電圧、注入電圧および容量検出電圧から電線の電圧を容易に求めることができる。

【0024】

上記の電圧計測装置において、前記注入電圧は、周波数が１ｋＨｚ以下である構成としてもよい。

【0025】

上記の構成によれば、容量検出電圧取得回路は、周波数が電線の交流電圧の周波数に近い好適な注入電圧を第２電極へ供給することができる。

【0026】

本発明の電圧計測方法は、電線の交流電圧を電線の絶縁被覆を通して計測する電圧計測方法において、前記電線の絶縁被覆の周りに第１電極を配置し、前記第１電極を前記電線のグランドと共通の第１のグランドに電気的に接続させた状態として、前記交流電圧によって前記第１電極に誘起される第１電極電圧を取得する第１電極電圧取得工程と、前記電線の絶縁被覆の周りに第２電極を配置し、前記第２電極を前記第１のグランドに電気的に接続させた状態として、前記交流電圧によって前記第２電極に誘起される第２電極電圧を取得する第２電極電圧取得工程と、前記第１電極および前記第２電極を前記第１のグランドに電気的に接続させない状態とし、注入電圧を前記第２電極に供給することにより、前記第１のグランドと絶縁されている第２のグランドに接地された回路にて、前記第１電極に誘起された電圧を容量検出電圧として取得する容量検出電圧取得工程と、前記第１電極電圧、前記第２電極電圧、前記注入電圧および前記容量検出電圧から前記電線の電圧を求める演算工程とを備えていることを特徴としている。

【0027】

上記の構成によれば、上記の電圧計測装置と同様に、簡単な構成により計測対象である電線の電圧を正確に計測することができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明の構成によれば、簡単な構成により計測対象である電線の電圧を正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の実施の形態の電圧計測装置の構成を示す回路図である。

【図2】図１に示した電圧計測装置の回路図において、容量検出電圧取得回路を他の回路と区別し、破線にて示した回路図である。

【図3】図１に示した電圧計測装置における容量検出電圧取得回路の動作を説明する回路図である。

【図4】図１に示した第３電極電圧取得回路の動作を説明する回路図である。

【図5】図１に示した容量検出電圧取得回路における第３電極電圧取得回路近傍部分の動作を説明する回路図である。

【図6】図１に示した第１および第２電極電圧取得回路の動作を説明する回路図である。

【図7】図３に示した容量検出電圧取得回路の等価回路である。

【図8】図６に示した第１電極電圧取得回路の等価回路である。

【図9】図６に示した第２電極電圧取得回路の等価回路である。

【図10】図１に示した電圧計測装置の実体的な形態例を示す縦断面図である。

【図11】図１０に示した検出ユニットの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態の電圧計測装置１の構成を示す回路図である。図２は、図１に示した電圧計測装置１の回路図において、容量検出電圧取得回路６４を他の回路と区別し、破線にて示した回路図である。

【0031】

〔電圧計測装置１の概要〕
本実施の形態の電圧計測装置１は、次の手順によって計測電線１１の電圧（以下、計測電圧ＶＬと称する）を計測する方式である。すなわち、図１に示す電圧（注入電圧）Ｖｉｎ、電圧（容量検出電圧）Ｖ２、電圧Ｖ（第１電極電圧）１１および電圧Ｖ（第２電極電圧）１２を計測する。次に、電圧Ｖｉｎおよび電圧Ｖ２に基づいて、第１電極２１と計測電線１１の心線との結合容量ＣＬ１、および第２電極２２と計測電線１１の心線との結合容量ＣＬ２を求める。次に、これら結合容量ＣＬ１、ＣＬ２、電圧Ｖ１１およびＶ１２に基づいて計測電圧ＶＬを求める。計測電圧ＶＬを求める手順の詳細については後述する。

【0032】

ここで、本実施形態において、接地については、電圧計測対象の電線のアースと同じアースへの接地（例えば図１のＧＮＤ１（第１のグランド）；以下、アース接続と称する）と、電圧計測装置１のフレームへの接地（例えば図１のＧＮＤ２（第２のグランド）；以下、フレーム接続と称する）とを区別して示している。これらアース接続とフレーム接続とは互いに電気的に絶縁されている。

【0033】

〔電圧計測装置１の構成〕
電圧計測装置１は、電圧計測対象の被覆電線である計測電線（電線）１１の電圧を計測するものである。図１および図２に示すように、電圧計測装置１は、第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３、計算部（演算手段）２４、計算部２４へ電圧Ｖｉｎ（注入電圧）、電圧Ｖ２（容量検出電圧）、電圧Ｖ１１（第１電極電圧）および電圧Ｖ１２（第２電極電圧）を供給する各回路、および電源回路４４を備えている。第１電極２１〜第３電極２３は計測電線１１の外周に配置できるように、計測電線１１の方向に所定幅を有する円弧形状となっている。なお、第１電極２１および基準電極２２の形状は、これに限定されず、例えば平板状など、計測電線１１に接することができる形状であればよい。

【0034】

第１電極２１は、直列接続された抵抗Ｒ１１およびスイッチ（第１切替手段）ＳＷ１を介してアース接続されている。

【0035】

第１電極２１から計算部２４に至る回路は、第１および第２の回路が並列に存在する。第１の回路には、演算増幅器３１および抵抗Ｒ２、Ａ／Ｄ変換器３２、並びに絶縁回路４１が直列に設けられている。第２の回路には、演算増幅器３３およびＡ／Ｄ変換器３４が直列に設けられている。

【0036】

第１電極２１に接続されている、抵抗Ｒ１１およびスイッチＳＷ１を含む回路、並びに上記第２の回路は、第１電極電圧取得回路（第１の電圧取得回路）６１を構成している。

【0037】

上記第１の回路において、抵抗Ｒ２は、演算増幅器３１の反転入力端子３１ａと出力端子３１ｃとの間に接続されている。演算増幅器３１の非反転入力端子３１ｂは、フレーム接続（ＧＮＤ２）されている。

【0038】

第２電極２２は、直列接続された抵抗Ｒ１２およびスイッチ（第２切替手段）ＳＷ２を介してアース接続（ＧＮＤ１）されている。第２電極２２から計算部２４に至る回路には、演算増幅器３５およびＡ／Ｄ変換器３６が直列に設けられている。第２電極２２に接続されている、抵抗Ｒ１２およびスイッチＳＷ２を含む回路、並びに演算増幅器３５およびＡ／Ｄ変換器３６を含む回路は、第２電極電圧取得回路（第２の電圧取得回路）６２を構成している。

【0039】

第３電極２３から計算部２４に至る回路には、演算増幅器３７および抵抗Ｒｆ１、抵抗ＲＦ２、フォトカプラ（信号伝達手段）４２、演算増幅器３８、Ａ／Ｄ変換器３９、並びに絶縁回路４３が直列に設けられている。演算増幅器３８とＡ／Ｄ変換器３９との間には第２電極２２が接続されている。

【0040】

なお、絶縁回路４１，４３は、Ａ／Ｄ変換器３２，３９を出力を計算部に２４へ入力させ、かつ絶縁回路４１，４３の左右の回路を絶縁するものであり、このような機能を有する従来周知の汎用の回路や部品を使用することができる。

【0041】

抵抗Ｒｆ１は、演算増幅器３７の反転入力端子３７ａと出力端子３７ｃとの間に接続されている。演算増幅器３７の非反転入力端子３７ｂは、ＤＣオフセット回路４０と接続されている。ＤＣオフセット回路４０は、第３電極２３に誘起される正弦波の電圧が正極性の領域で変化するように、演算増幅器３７にＤＣオフセット電圧（Ｖoffset）を与えて、負電圧分を嵩上げするものである。

【0042】

フォトカプラ４２は、アノード４２ａ、カソード４２ｂ、コレクタ４２ｃおよびエミッタ４２の各端子を有している。フォトカプラ４２のアノード４２ａには抵抗ＲＦ２が接続され、カソード４２ｂはアース接続（ＧＮＤ１）されている。コレクタ４２ｃは演算増幅器３８と接続され、エミッタ４２ｄはフレーム接続（ＧＮＤ２）されている。コレクタ４２ｃには、電源回路４４から抵抗Ｒｔ１を介して電源電圧Ｖｃｃ２が供給されている。

【0043】

第３電極２３と接続されている演算増幅器３７および抵抗Ｒｆ１、抵抗ＲＦ２、フォトカプラ４２のＬＥＤ、並びにＤＣオフセット回路４０を含む回路は、第３電極電圧取得回路（第３の電圧取得回路）６３を構成している。また、上記演算増幅器３３、演算増幅器３５および演算増幅器３８は、ボルテージフォロワを構成し、バッファとしての機能を有する。

【0044】

また、第１電極２１に接続されている上記第１の回路のうち、演算増幅器３１、抵抗Ｒ２、Ａ／Ｄ変換器３２、および絶縁回路４１、並びにフォトカプラ４２のトランジスタと絶縁回路４３との間の回路（絶縁回路４３を含む）、すなわちフォトカプラ４２のトランジスタ、抵抗Ｒｔ１、演算増幅器３８、Ａ／Ｄ変換器３９、および絶縁回路４３は、容量検出電圧取得回路６４を構成している。

【0045】

上記第１〜第３電極電圧取得回路６１〜６３はアース接続される一方、容量検出電圧取得回路６４はフレーム接続され、容量検出電圧取得回路６４は、第１〜第３電極電圧取得回路６１〜６３とは電気的に絶縁されている。

【0046】

計算部２４は、計測電線１１と計算部２４との間の回路から入力される電圧Ｖ２、電圧Ｖ１１、Ｖ１２および電圧Ｖｉｎに基づいて、計測電線１１の心線と第１電極２１および第２電極２２との間の結合容量ＣＬ１、ＣＬ２を求め、これら結合容量ＣＬ１、ＣＬ２から計測電圧ＶＬを求める。計算部２４には、電源回路４４から電源電圧Ｖｃｃ１が供給されている。

【0047】

電源回路４４は、上記のように、各部に対して電源電圧Ｖｃｃ１あるいは電源電圧Ｖｃｃ２を供給する。

【0048】

なお、図１および図２に示した回路では、計算部２４は、電源電圧Ｖｃｃ１が供給され、かつアース接続（ＧＮＤ１）された構成となっている。しかしながら、これに限定されず、計算部２４は、電源電圧Ｖｃｃ２が供給され、かつフレーム接続（ＧＮＤ２）された構成であってもよい。この場合、計算部２４は、アース接続（ＧＮＤ１）された回路と絶縁された構成とされる。

【0049】

〔電圧計測装置１の動作〕
上記の構成において、電圧計測装置１の動作について以下に説明する。
電圧計測装置１により計測電圧ＶＬを計測する場合には、第１電極２１〜第３電極２３を計測電線１１の絶縁被覆の外周面に配置する。この場合に、計測電線１１の心線と第１電極２１〜第３電極２３との間に生じる結合容量をそれぞれＣＬ１〜ＣＬ３とする。

【0050】

（容量検出電圧取得回路６４の動作）
図３は、図１に示した電圧計測装置における容量検出電圧取得回路の動作を説明する回路図である。上記のように第１電極２１〜第３電極２３を配置した状態において、計算部２３によってスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフにされた場合（第１非接続状態および第２非接続状態）、容量検出電圧取得回路６４では、図３に示すように、二点鎖線にて示す経路にて電流が流れる。これにより、容量検出電圧取得回路６４は、電圧Ｖｉｎおよび電圧Ｖ２を取得する。

【0051】

具体的には、第３電極電圧取得回路６３により第３電極２３から取得された信号は、フォトカプラ４２を介して容量検出電圧取得回路６４に入力される。この信号は、計測電圧ＶＬと同周波数の信号である。容量検出電圧取得回路６４では、図３に示した経路にて電流が流れ、第２電極２２に対して信号注入が行われ、第１電極２１から電圧Ｖ２を得ることができる。このとき、容量検出電圧取得回路６４は第１〜第３電極電圧取得回路６１〜６３とは電気的に絶縁されているので、容量検出電圧取得回路６４へは、第１電極２１および第２電極２２を介して、計測電線１１の計測電圧ＶＬによる信号が直接流入しない。したがって、電圧Ｖ２は、混合波とならず、第３電極２３から注入された信号に応じた出力電圧として取り出すことができる。

【0052】

（フォトカプラ４２、ＤＣオフセット回路４０および周辺回路の動作）
ここで、フォトカプラ４２、ＤＣオフセット回路４０およびその周辺回路の動作について説明する。図４は、第３電極電圧取得回路６３（フォトカプラ４２のＬＥＤ側の回路）の動作を説明する回路図である。図５は、容量検出電圧取得回路６４（フォトカプラ４２のトランジスタ側の回路）の動作を説明する回路図である。

【0053】

図４において、計測電圧ＶＬが正弦波（交流）であるため、第３電極２３に誘起される電圧（信号）、第３電極２３の結合容量ＣＬ３を流れる全体電流Ｉ、およびフォトカプラ４２のＬＥＤを流れる電流Ｉ１も正弦波（交流）となる。一方、フォトカプラ４２のＬＥＤは負電圧には反応しない。そこで、ＤＣオフセット回路４０は、上記正弦波が正極性の領域で変化するように、演算増幅器３７にＤＣオフセット電圧（Ｖoffset）を与え、第３電極２３に誘起される電圧の負電圧分を嵩上げしている。

【0054】

この場合、フォトカプラ４２のＬＥＤの順電圧をＶｆ、演算増幅器３７の出力電圧をＶｏとすると、出力電圧ＶｏおよびＬＥＤを流れる電流Ｉ１は、
Ｖｏ＝Ｖoffset−Ｒｆ１×Ｉ
Ｉ１＝（Ｖｏ−Ｖｆ）／Ｒｆ２
となる。

【0055】

次に、図５において、フォトカプラ４２のトランジスタを流れる電流をＩ２、演算増幅器３８の出力電圧をＶｂｕｆとすると、電流Ｉ２および出力電圧Ｖｂｕｆは、
Ｖｂｕｆ＝Ｖｃｃ２−Ｒｔ１×Ｉ２
Ｉ２＝ａ×Ｉ１ （ａはフォトカプラ４２のトランジスタの増幅率）
となる。なお、Ｖｂｕｆ＝Ｖｉｎである。

【0056】

次に、上記の各式を用いて出力電圧Ｖｂｕｆの式を書き換えると、
Ｖｂｕｆ＝Ｖｃｃ２−Ｒｔ１×ａ×Ｉ１
＝Ｖｃｃ２−（Ｒｔ１／Ｒｆ２）×ａ×（Ｖｏ−Ｖｆ）
＝Ｖｃｃ２−（Ｒｔ１／Ｒｆ２）×ａ×（Ｖoffset−Ｒｆ１×Ｉ−Ｖｆ）
となる。

【0057】

上記Ｖｂｕｆの式において、電流Ｉは正弦波であり、電流Ｉ以外の要素は固定値である。したがって、Ｖｂｕｆ（＝Ｖｉｎ）は、結合容量ＣＬ３を流れる全体電流Ｉと同じ周波数の正弦波となる。

【0058】

（第１および第２電極電圧取得回路６１，６２の動作）
図６は、第１電極電圧取得回路６１および第２電極電圧取得回路６２の動作を説明する回路図である。

【0059】

一方、電圧計測装置１において、計算部２３がスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンにすると（第１接続状態および第２接続状態）、図６に示すように、第１電極電圧取得回路６１では破線にて示す経路にて電流が流れ、第２電極電圧取得回路６２では一点鎖線にて示す経路にて電流が流れる。第１電極電圧取得回路６１はＶ１１を取得するものであり、第２電極電圧取得回路６２はＶ１２を取得するものである。

【0060】

具体的には、計算部２３によりスイッチＳＷ１がオンにされることにより、第１電極２１から、抵抗Ｒ１１、スイッチＳＷ１、およびアース接続された計測電線１１を経て第１電極２１に至るループにて電流が流れる。また、計算部２３によりスイッチＳＷ２がオンにされることにより、第２電極２２から、抵抗Ｒ１２、スイッチＳＷ２、およびアース接続された計測電線１１を経て第２電極２２に至るループにて電流が流れる。

【0061】

第１電極電圧取得回路６１では、計測電圧ＶＬにより第１電極２１に電圧Ｖ１１が誘起され、この電圧Ｖ１１は、演算増幅器３３およびＡ／Ｄ変換器３４を経て計算部２４に入力される。同様に、第２電極電圧取得回路６２では、計測電圧ＶＬにより第２電極２２に電圧Ｖ１２が誘起され、この電圧Ｖ１２は、演算増幅器３５およびＡ／Ｄ変換器３６を経て計算部２４に入力される。

【0062】

（計算部２４の動作）
計算部２４は、まず、容量検出電圧取得回路６４から入力された電圧Ｖｉｎおよび電圧Ｖ２から、第１電極２１と計測電線１１の心線との結合容量ＣＬ１、および第２電極２２と計測電線１１の心線との結合容量ＣＬ２を算出する。この場合、計算部２４は、図７に示す回路に基づいて、結合容量ＣＬ１と結合容量ＣＬ２との合成容量ＣＬを求める。図７は、図３に示した容量検出電圧取得回路６４の等価回路である。

【0063】

図７において、合成容量ＣＬと抵抗Ｒ２とは直列接続であるから、図７の回路のインピーダンスＺの絶対値は、式（１）のようになる。

【0064】

【数1】

【0065】

電圧Ｖ２は、合成容量ＣＬと抵抗Ｒ２とで電圧Ｖｉｎを分圧した場合の抵抗Ｒ２の両端の電圧であるから、式（２）のようになる。

【0066】

【数2】

【0067】

式（２）を合成容量ＣＬで整理すると、式（３）のようになる。

【0068】

【数3】

【0069】

また、合成容量ＣＬと結合容量ＣＬ１および結合容量ＣＬ２には、式（４）の関係がある。

【0070】

【数4】

【0071】

次に、計算部２４は、第１電極電圧取得回路６１から入力された電圧Ｖ１１、および第２電極電圧取得回路６２から入力された電圧Ｖ１２から、結合容量ＣＬ１と結合容量ＣＬ２との比を算出する。図８は、図６に示した第１電極電圧取得回路６１の等価回路、図９は、図６に示した第２電極電圧取得回路６２の等価回路である。

【0072】

図８において、結合容量ＣＬ１と抵抗Ｒ１１とは直列接続であるから、図８の回路のインピーダンスＺの絶対値は、式（５）のようになる。

【0073】

【数5】

【0074】

電圧Ｖ１１は、結合容量ＣＬ１と抵抗Ｒ１１とで計測電圧ＶＬを分圧した場合の抵抗Ｒ１１の両端の電圧であるから、式（６）のようになる。

【0075】

【数6】

【0076】

図９の回路は図８の回路と同じ構成であるから、電圧１２は、電圧１１と同様にして、式（７）のようになる。

【0077】

【数7】

【0078】

また、式（６）を計測電圧ＶＬについて整理すると、式（８）のようになる。

【0079】

【数8】

【0080】

式（６）および（７）から、Ｒ１１＝Ｒ１２として、Ｖ１２／Ｖ１１とすると、未知数であるＶＬを消すことができ、式（９）のようになる。

【0081】

【数9】

【0082】

次に、計算部２４は、下記の計算により、計測電圧ＶＬを求める。まず、入力された電圧Ｖ２から、式（３）により合成容量ＣＬを算出する。次に、算出した合成容量ＣＬおよび式（４）から、結合容量ＣＬ２を算出する。この場合の結合容量ＣＬ２の計算は次のようになる。

【0083】

ＣＬ２＝（１−ＣＬ）／（ＣＬ−１）×ＣＬ１
次に、算出したＣＬ２を式（９）に代入すると、未知数が結合容量ＣＬ１のみとなり、結合容量ＣＬ１を算出することができる。次に、算出した結合容量ＣＬ１を式（８）に代入して、計測電圧ＶＬを算出する。

【0084】

上記のように、電圧計測装置１では、計算部２３によりスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフにされた場合に、容量検出電圧取得回路６４が形成され、計算部２３によりスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンにされた場合に、第１電極電圧取得回路６１および第２電極電圧取得回路６２が形成される。さらに、容量検出電圧取得回路６４と第１〜第３電極電圧取得回路６１〜６３とは電気的に互いに絶縁されている。

【0085】

したがって、容量検出電圧取得回路６４では、計測電圧ＶＬによって第３電極２３に誘起された信号（注入信号）が第２電極２２に注入され、第３電極２３からは、第２電極２２への注入信号によって第１電極２１に誘起された電圧Ｖ２のみを取り出すことができる。また、第１電極電圧取得回路６１および第２電極電圧取得回路６２では、それぞれ計測電圧ＶＬによって第１電極２１に誘起される電圧Ｖ１１、および計測電圧ＶＬによって第２電極２２に誘起される電圧Ｖ１２を取り出すことができる。計算部２４は、電圧Ｖｉｎおよび電圧Ｖ２に基づいて計測電線１１の心線と第１電極２１および第２電極２２との間の結合容量ＣＬ１、ＣＬ２を求める。さらに、計算部２４は、これら結合容量ＣＬ１，ＣＬ２、電圧Ｖ１１および電圧Ｖ１２から計測電圧ＶＬを求める。

【0086】

これにより、電圧計測装置１では、電圧Ｖ２を得るために、混合波を分離する手段を必要とせず、分離精度による計測値誤差が生じることがない。したがって、電圧計測装置１では、計測電圧ＶＬを簡単な構成にて正確に計測することができる。

【0087】

〔電圧計測装置１の実体的な形態例〕
図１０は、電圧計測装置１の実体的な形態例を示す縦断面図、図１１は図１０に示した検出ユニットの斜視図である。なお、図４および図５に示した構成は、他の実施の形態の電圧計測装置についても同様である。

【0088】

図１０に示すように、電圧計測装置１は、検出ユニット１４１と計算部２４とを備えている。検出ユニット１４１は、上筐体部１４３と下筐体部１４４とに分離された筐体部１４２を備えている。上筐体部１４３と下筐体部１４４とはヒンジ１４５によって連結され、上筐体部１４３は下筐体部１４４に対して開閉可能となっている。また、筐体部１４２の内面には、シールド板１４６が設けられている。

【0089】

下筐体部１４４の上面部には、第２電極２２および第３電極２３が配置され、上筐体部１４３の下面部には、第２電極２２と対向して第１電極２１が配置されている。これら第１電極２１、第２電極２２および第３電極２３は、円筒を縦割りした形状の半円筒形に形成されている。したがって、下筐体部１４４に対して上筐体部１４３を閉じた場合に、第１電極２１と第２電極２２とにより円筒が形成され、計測電線１１の周りに第１〜第３電極２１〜２３を配置できるようになっている。なお、図１０において、符号１２は計測電線１１の心線、符号１３は計測電線１１の絶縁被覆を示している。

【0090】

なお、検出ユニット１４１における第１〜第３電極２１〜２３の配置形態については、上記のものに限定されず、下筐体部１４４に対して上筐体部１４３を閉じた場合に、計測電線１１の周りに第１〜第３電極２１〜２３を配置できるようになっていればよい。

【0091】

下筐体部１４４の内部には、検出回路基板１４７が配置されている。検出回路基板１４７には、図１に示した電圧計測装置１における第１〜第３電極２１〜２３および計算部２４以外の回路が設けられている。検出回路基板１４７は、下筐体部１４４に設けられたコネクタ１４８、およびケーブル１４９を介して筐体部１４２の外部に配置される計算部２４と接続されている。

【0092】

なお、図１および図１０に示した電圧計測装置１は、計測電線１１が単層２線の場合には１セット使用される。また、計測電線１１が三相３線の場合には３セット使用される。

【0093】

また、本実施の形態では、計測電線１１の電圧（計測電圧）ＶＬを第３電極２３を介して、第１電極２１および第２電極２２に印加する構成とした。しかしながら、これに代えて、計測電線１１と独立した交流電圧発生源（周波数が１ｋＨｚ以下）から第１電極２１よび第２電極２２に電圧を印加し、電圧Ｖｉｎおよび電圧Ｖ２を取得してもよい。この場合、交流電圧発生源による交流電圧は、計測電線１１の電圧（計測電圧）ＶＬの周波数に近い方が好ましく、例えば２００Ｈｚ以下であればなお好ましい。交流電圧発生源は、演算増幅器３８の出力端子から交流を発生するようにして、ＧＮＤ２に接地されるように接続すればよい。この場合、第３電極２３、演算増幅器３７、フォトカプラ４２および電源電圧Ｖｃｃ２（Ｖｃｃ２を供給する電源）は不要となる。

【0094】

また、本実施の形態では、計算部２４がスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンオフ制御する構成としたが、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、外部から制御されてもよい。この場合、計算部２４は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオフ制御に関する情報（どのタイミングでオンにし、どのタイミングでオフにするかの情報）を得て適切なタイミングにて電圧を取得する。

【0095】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0096】

本発明は、各種機器に供給されている商用電源等の交流電圧の測定機器として利用することができる。

【符号の説明】

【0097】

１ 電圧計測装置
１１ 計測電線
２１ 第１電極
２２ 第２電極
２３ 第３電極
２４ 計算部（演算手段）
３１ 演算増幅器
３３ 演算増幅器
４０ ＤＣオフセット回路
４１ 絶縁回路
４２ フォトカプラ（信号伝達手段）
４３ 絶縁回路
４４ 電源回路
６１ 第１電極電圧取得回路（第１の電圧取得回路）
６２ 第２電極電圧取得回路（第２の電圧取得回路）
６３ 第３電極電圧取得回路（第３の電圧取得回路）
６４ 容量検出電圧取得回路
Ｖ２ 電圧（容量検出電圧）
Ｖ１１ 電圧（第１電極電圧）
Ｖ１２ 電圧（第２電極電圧）
Ｖｉｎ 電圧（注入電圧）
ＶＬ 計測電圧
ＣＬ１ 結合容量
ＣＬ２ 結合容量
ＧＮＤ１ 第１のグランド
ＧＮＤ２ 第２のグランド
ＳＷ１ スイッチ（第１切替手段）
ＳＷ２ スイッチ（第２切替手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】