特開 2022-144713 測定機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022144713

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】測定機器

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/52 20200101AFI20220926BHJP

   G01R 15/16 20060101ALI20220926BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

G01R31/52

G01R15/16

G01R19/00 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021045847

(22)【出願日】2021-03-19

(71)【出願人】

【識別番号】507214083

【氏名又は名称】メタウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094525

【弁理士】

【氏名又は名称】土井 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100094514

【弁理士】

【氏名又は名称】林 恒徳

(72)【発明者】

【氏名】大平 洋

(72)【発明者】

【氏名】松浦 将仁

(72)【発明者】

【氏名】小野 大貴

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 孝

(72)【発明者】

【氏名】管野 正喜

【テーマコード（参考）】

2G014

2G025

2G035

【Ｆターム（参考）】

2G014AA16

2G014AB34

2G025AB07

2G025AB15

2G025AC01

2G035AA05

2G035AB01

2G035AC01

2G035AC02

2G035AD10

2G035AD11

2G035AD13

2G035AD20

(57)【要約】

【課題】非接触測定を高精度かつ低コストで行うことを可能とする測定機器を提供する。
【解決手段】絶縁体に被覆されている導電体における直流電圧を測定する測定機器において、導電体から絶縁体を介して漏洩する漏洩電流を、絶縁体に接触する測定電極を介して連続的に入力して漏洩電流の電圧に対応する電圧を出力するバッファ回路を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁体に被覆されている導電体における直流電圧を測定する測定機器において、
前記導電体から前記絶縁体を介して漏洩する漏洩電流を、前記絶縁体に接触する測定電極を介して連続的に入力して前記漏洩電流の電圧に対応する電圧を出力するバッファ回路を備えた、測定機器。

【請求項2】

前記漏洩電流は、前記絶縁体における絶縁抵抗を介して漏洩する電流である、請求項１に記載の測定機器。

【請求項3】

さらに、前記測定電極に近接するガード電極と、
前記バッファ回路における出力電圧に対応する電圧を前記ガード電極に印加する増幅回路と、を備えた、請求項１に記載の測定機器。

【請求項4】

前記増幅回路は、増幅率及びオフセット電圧を調整可能である、請求項３に記載の測定機器。

【請求項5】

さらに、前記ガード電極に近接するサイドガード電極を備え、
前記増幅回路は、前記バッファ回路における出力電圧に対応する電圧を前記サイドガード電極に印加する、請求項３に記載の測定機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定機器に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、絶縁体に被覆されている電線（導電体）に流れる直流電圧の測定が行われている。このような直流電圧の測定は、例えば、測定対象である電線に対して測定機器を接触させることなく行われる（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－０８０５３７号公報

【発明の概要】

【0004】

上記のような直流電圧の非接触測定は、例えば、電線が接続されている電子機器等の動作中においても、高精度かつ低コストで行われることが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記の非接触測定を達成するため、本発明における測定機器は、絶縁体に被覆されている導電体における直流電圧を測定する測定機器であって、前記導電体から前記絶縁体を介して漏洩する漏洩電流を、前記絶縁体に接触する測定電極を介して連続的に入力して前記漏洩電流の電圧に対応する電圧を出力するバッファ回路を備える。

【発明の効果】

【0006】

本発明における測定機器によれば、非接触測定を高精度かつ低コストで行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、第１の実施の形態における電線１及び測定機器１０の概略構成図である。

【図2】図２は、第１の実施の形態における電線１の構成図である。

【図3】図３は、第１の実施の形態における測定機器１０の詳細構成図である。

【図4】図４は、バッファ回路６の詳細構成図である。

【図5】図５は、第２の実施の形態における電線１及び測定機器２０の概略構成図である。

【図6】図６は、第２の実施の形態における電線１の構成図である。

【図7】図７は、第２の実施の形態における測定機器２０の詳細構成図である。

【図8】図８は、第２の実施の形態の変形例について説明する図である。

【図9】図９は、第２の実施の形態の変形例について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0009】

［第１の実施の形態における電線及び測定機器の概略構成］
初めに、第１の実施の形態における電線１及び測定機器１０の概略構成について説明を行う。図１は、第１の実施の形態における電線１及び測定機器１０の概略構成図である。また、図２は、第１の実施の形態における電線１の構成図である。具体的に、図２（Ａ）は、測定電極３を取り付けた場合における電線１の構成図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す電線１のＡ－Ａ断面図である。

【0010】

図１に示す例において、測定機器１０は、例えば、バッファ回路６と、電圧計（図示せず）等によって構成される出力回路６ａとを有し、絶縁体２に被覆されている電線１（芯線）に生じている直流電圧Ｖｘ（以下、単に電圧Ｖｘとも呼ぶ）を測定する非接触型の電圧測定装置である。バッファ回路６は、例えば、ゲインが１の増幅回路（アンプ）である。そして、測定機器１０は、絶縁体２に取り付けられた電極３（以下、測定電極３とも呼ぶ）を介して、電線１における電圧Ｖｘを測定する。具体的に、測定機器１０は、図１に示すように、例えば、計装機器であるアイソレータ４から送信された計装信号の電圧Ｖｘ（例えば、１（Ｖ）から５（Ｖ）までの電圧）を測定する。

【0011】

測定電極３は、例えば、銅箔である。そして、測定電極３は、図２（Ａ）に示すように、例えば、絶縁体２の周方向に沿って絶縁体２を一周するように取り付けられる。すなわち、測定電極３は、絶縁体２に取り付けられる際に、例えば、絶縁体２の外周に沿った円筒形状を形成する。

【0012】

ここで、測定電極３を絶縁体２に取り付けた場合、電線１（芯線）と測定電極３との間には、微弱な容量Ｃｘ（以下、絶縁容量Ｃｘとも呼ぶ）と極大な抵抗Ｒｘ（以下、絶縁抵抗Ｒｘとも呼ぶ）とが並列に形成される。そのため、本実施の形態における測定機器１０は、絶縁抵抗Ｒｘを経由した計装信号（以下、漏洩電流とも呼ぶ）を取り出すことによって、電線１における電圧Ｖｘの測定を行う。

【0013】

この点、例えば、測定電極３を電線１に押し付けた際に絶縁容量Ｃｘにおいて流れる過渡電流を用いることによって、電圧Ｖｘの測定を行う方法が既に知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【0014】

しかしながら、この方法の場合、絶縁容量Ｃｘを経由した過渡電流を用いるので、２回目の電圧Ｖｘの測定を行う場合、１回目の測定後において絶縁容量Ｃｘの電荷を解放（ディスチャージ）する必要がある。そのため、この場合、電圧Ｖｘの測定を連続的に行うことができない。

【0015】

これに対し、本実施の形態における測定機器１０は、絶縁容量Ｃｘを経由した電流に代えて絶縁抵抗Ｒｘを経由した電流を用いることで、絶縁容量Ｃｘの電荷の解放等を行う必要がなくなる。そのため、本実施の形態における測定機器１０は、電圧Ｖｘの測定を連続的に行うことが可能になる。

【0016】

なお、図１に示す例において、アイソレータ４とアイソレータ５との間には、例えば、電線１とともにリターン線（図示せず）が設けられるものであってよい。

【0017】

［第１の実施の形態における測定機器の詳細構成］
次に、第１の実施の形態における測定機器１０の詳細構成について説明を行う。図３は、第１の実施の形態における測定機器１０の詳細構成図である。また、図４は、バッファ回路６の詳細構成図である。以下、測定電極３についての記載を省略する。また、以下、便宜的に、絶縁抵抗Ｒｘを絶縁体２の外部に記載する。

【0018】

測定機器１０は、図３に示すように、例えば、バッファ回路６と、漏洩抵抗Ｒｚと、出力回路６ａとを有する。

【0019】

そして、図３に示す例において、絶縁抵抗Ｒｘを流れる電流Ｉｘ及び漏洩抵抗Ｒｚを流れる電流Ｉｚのぞれぞれは、以下の（１）及び（２）のように表すことが可能である。以下、バッファ回路６の入力端子に入力される電圧（絶縁抵抗Ｒｘと漏洩抵抗Ｒｚとの間の位置における電圧）を電圧Ｖ２と呼び、バッファ回路６の出力端子から出力する電圧を電圧Ｖｙと呼び、バッファ回路６に入力されるバイアス電流を電流Ｉｂと呼ぶ。

【0020】

【数1】

【0021】

【数2】

【0022】

また、電流Ｉｘと電流Ｉｚと電流Ｉｂとの関係は、以下の式（３）のように表すことが可能である。

【0023】

【数3】

【0024】

そして、上記の式（１）、式（２）及び式（３）を用いた場合、電圧Ｖ２は、以下の式（４）のように表すことが可能である。

【0025】

【数4】

【0026】

この点、上記の式（４）を以下の式（５）のように変形することにより、電圧項（Ｖｘ）と電流項（Ｉｂ）の両方に対して係数（Ｒｚ（Ｒｚ＋Ｒｘ））を掛けた形に表すことが可能になる。

【0027】

【数5】

【0028】

さらに、上記の式（５）を以下の式（６）のように変形することが可能である。

【0029】

【数6】

【0030】

ここで、上記の式（６）において、例えば、漏洩抵抗Ｒｚにおける抵抗値が極大である場合、Ｒｘ／Ｒｚが０になる。そのため、この場合、電圧Ｖ２は、以下の式（７）のように表される。

【0031】

【数7】

【0032】

すなわち、式（７）は、電圧Ｖ２において電流Ｉｂ及び絶縁抵抗Ｒｘに応じた電圧降下が生じていることを示している。そのため、例えば、電流Ｉｂが極小である場合、電圧Ｖｘと電圧Ｖ２とは、ほぼ同じ値であると判断することが可能である。

【0033】

したがって、本実施の形態における測定機器１０は、例えば、漏洩抵抗Ｒｚがより極大であって電流Ｉｂがより極小であるほど、電圧Ｖｘを精度良く計測することが可能になる。

【0034】

また、上記の式（４）を用いた場合、電圧Ｖｘと電圧Ｖ２との間における誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ（以下、電圧Ｖｅｒｒｏｒとも呼ぶ）は、以下の式（８）のように表すことが可能である。

【0035】

【数8】

【0036】

この点、上記の式（８）を以下の式（９）のように変形することにより、電圧項（Ｖｘ）と電流項（Ｉｂ）の両方に対して係数（－Ｒｘ（Ｒｚ＋Ｒｘ））を掛けた形に表すことが可能になる。

【0037】

【数9】

【0038】

さらに、上記の式（９）を以下の式（１０）のように変形することが可能である。

【0039】

【数10】

【0040】

ここで、上記の式（１０）において、例えば、漏洩抵抗Ｒｚにおける抵抗値が極大である場合、Ｒｚ／Ｒｘが極大になる。そのため、この場合、電圧Ｖｅｒｒｏｒは、以下の式（１１）のように表すことが可能である。

【0041】

【数11】

【0042】

以上説明したように、漏洩抵抗Ｒｚにおける抵抗値が極大（無限大）である場合、電流Ｉｘと電流Ｉｂとが等しくなる。一般に、漏洩抵抗Ｒｚの抵抗値は非常に大きいので、電流Ｉｘと電流Ｉｂとが近似する。

【0043】

なお、バッファ回路６は、図４に示すように、例えば、ゲイン１の増幅回路である。電流Ｉｂがバッファ回路６のプラス端子に入力されるとともに、バッファ回路６の出力端子から出力されて抵抗Ｒｆを経由した信号（電圧）がフィードバックしてバッファ回路６のマイナス端子に入力される。

【0044】

［第２の実施の形態における電線及び測定機器の概略構成］
次に、第２の実施の形態における電線１及び測定機器２０の概略構成について説明を行う。図５は、第２の実施の形態における電線１及び測定機器２０の概略構成図である。また、図６は、第２の実施の形態における電線１の構成図である。具体的に、図６（Ａ）は、測定電極３を取り付けた場合における電線１の構成図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す電線１のＢ－Ｂ断面図である。以下、第１の実施の形態と異なる点について説明を行う。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、測定電極３とともにガード電極３１を絶縁体２に取り付けて電圧Ｖｘの測定を行う。

【0045】

図５に示す例において、測定機器２０は、例えば、バッファ回路６と出力回路６ａとを有し、絶縁体２に被覆されている電線１（芯線）に生じている電圧Ｖｘを測定する非接触型の電圧測定装置である。そして、測定機器２０では、ガード電極３１に覆われた測定電極３を用いることによって、電線１における電圧Ｖｘを測定する。以下、図５に示すように、測定機器２０が増幅回路７とオフセット補正回路７ａとゲイン補正回路７ｂとさらに有する場合について説明を行う。

【0046】

ガード電極３１は、例えば、アルミニウムやＳＵＳ（ステンレス鋼）である。そして、ガード電極３１は、例えば、測定電極３を覆うように絶縁体２に取り付けられる。具体的に、測定電極３が絶縁体２の周方向に沿って絶縁体２の一周するように取り付けられている場合、ガード電極３１は、図６に示すように、例えば、絶縁体２及び測定電極３の周方向に沿って絶縁体２及び測定電極３を一周するように取り付けられる。すなわち、ガード電極３１は、絶縁体２に取り付けられる場合、円筒形状または箱型形状を形成するものであってよい。また、ガード電極３１が円筒形状または箱型形状の場合、電線１の長軸方向における両端部が開放された開放構造としてもよいし(図６（Ｂ）参照)、また、この両端部を塞いだ密閉構造にしてもよい。

【0047】

そして、測定機器２０は、バッファ回路６が計測した電圧（電圧Ｖｘの測定値）をガード電極３１に印加する。このガードにより、測定機器２０は、漏洩抵抗Ｒｚをさらに大きくすることが可能になる。また、測定電極３とガード電極３１との間における電圧差を小さくすることが可能になり、測定電極３からガード電極３１に対して電流が流れることを防止することが可能になる。そのため、測定機器２０は、測定電極３からバッファ回路６以外に流れる電流を抑えることが可能になり、電圧Ｖｘの測定をより精度良く行うことが可能になる。

【0048】

なお、作業者は、例えば、測定電極３及びガード電極３１を有するクランプ（図示せず）を用いることによって、測定電極３及びガード電極３１を電線１に取り付けるものであってよい。

【0049】

［第２の実施の形態における測定機器の詳細構成］
次に、第２の実施の形態における測定機器２０の詳細構成について説明を行う。図７は、第２の実施の形態における測定機器２０の詳細構成図である。以下、測定電極３及びガード電極３１についての記載を省略する。また、以下、便宜的に、絶縁抵抗Ｒｘを絶縁体２の外部に記載する。

【0050】

測定機器２０は、図７に示すように、例えば、バッファ回路６と、漏洩抵抗Ｒｚと、出力回路６ａと、増幅回路７と、オフセット補正回路７ａと、ゲイン補正回路７ｂとを有する。なお、以下、測定電極３とガード電極３１との間において形成される抵抗を漏洩抵抗Ｒｙとも呼ぶ。

【0051】

図７に示すように、電流Ｉｘ及び電流Ｉｚのぞれぞれは、上記の式（１）及び式（２）のように表すことが可能であり、漏洩抵抗Ｒｙを流れる電流Ｉｙは、以下の式（１２）のように表すことが可能である。なお、以下、増幅回路７から出力される電圧をガード電圧Ｖｇ（以下、単に電圧Ｖｇ）と呼ぶ。

【0052】

【数12】

【0053】

また、電流Ｉｘと電流Ｉｙと電流Ｉｚと電流Ｉｂとの関係は、以下の式（１３）のように表すことが可能である。

【0054】

【数13】

【0055】

そして、上記の式（１）、式（２）、式（１２）及び式（１３）を用いた場合、電圧Ｖ２は、以下の式（１４）のように表すことが可能である。

【0056】

【数14】

【0057】

さらに、上記の式（１４）を以下の式（１５）のように変形することが可能である。

【0058】

【数15】

【0059】

この点、上記の式（１５）において、例えば、漏洩抵抗Ｒｙにおける抵抗値が極大である場合、電圧Ｖ２は、上記の式（６）と同じように表すことが可能である。

【0060】

また、上記の式（１４）を用いた場合、電圧Ｖｅｒｒｏｒは、以下の式（１６）のように表すことが可能である。

【0061】

【数16】

【0062】

ここで、電圧Ｖｅｒｒｏｒを０とする場合、電圧Ｖｇは、以下の式（１７）のように表すことが可能である。

【0063】

【数17】

【0064】

そして、上記の式（１７）を以下の式（１８）のように変形することが可能である。

【0065】

【数18】

【0066】

すなわち、測定機器２０は、上記の式（１８）によって表される電圧Ｖｇを増幅回路７の出力端子における電圧とすることで、電圧Ｖｅｒｒｏｒを０に抑えることが可能になる。そのため、オフセット補正回路７ａは、プラスのオフセット電圧を増幅回路７に印加し、さらに、ゲイン補正回路７ｂは、増幅回路７のゲインを調整することで、測定状態に適したガード電圧Ｖｇ（式（１８）参照）を増幅回路７が出力するように、増幅回路７を制御する。ガード電圧Ｖｇは、具体的には、（Ｒｙ/Ｒｚ）が小さな値になるので、電圧Ｖｘより数％程度大きい電圧と、バイアス電流Ｉｂに比例したオフセット電圧（おおよそ１Ｖ以下）とを加算した電圧である。なお、測定状態とは、ガード電圧に影響を及ぼす各種パラメータ（例えば、式（１８）における電圧Ｖｘや抵抗Ｒｙ等）を含む。

【0067】

これにより、測定機器２０は、電線１における電圧Ｖｘとガード電極３１における電圧Ｖｙとの電圧差を極めて小さくすることが可能になる。そのため、測定機器２０は、抵抗値が極めて大きい漏洩抵抗Ｒｚを形成することが可能になり、電流Ｉｚを極めて小さくすることが可能になる。したがって、測定機器２０は、電流Ｉｘと電流Ｉｂとの誤差を抑えることが可能になり、電圧Ｖｘの測定をより精度良く行うことが可能になる。すなわち、測定機器２０は、絶縁抵抗Ｒｘにおいて生じる電圧ドロップや漏洩抵抗Ｒｚの影響による測定誤差の要因をキャンセルすることが可能になるため、電圧Ｖｘの測定をより精度良く行うことが可能になる。

【0068】

なお、増幅回路７は、いわゆるアンプであり、アンプのマイナス端子にこのアンプの出力電圧がフィードバック入力され、アンプのプラス端子にバッファ回路６の出力電圧とオフセット補正回路７ａの出力電圧(オフセット電圧)とが入力される。

【0069】

また、上記の式（１８）には、電線１における絶縁抵抗Ｒｘが含まれていない。そのため、測定機器２０は、電線１以外の電線における電圧についても同様に測定することが可能である。

【0070】

さらに、漏洩抵抗Ｒｙは、測定電極３及びガード電極３１によって決定される。そのため、例えば、測定に用いる測定電極３及びガード電極３１（測定に用いるクランプ）が決定されており、かつ、電流Ｉｂが安定している場合、作業者は、上記の式（１８）における電流項（ＩｂＲｙ）を予め推測することが可能である。また、漏洩抵抗Ｒｚは、例えば、ガード電極３１の径によって決定される。そのため、例えば、測定に用いる測定電極３及びガード電極３１が決定している場合、作業者は、上記の式（１８）における電圧項（（Ｒｙ／Ｒｚ）＋１）についても予め推測することが可能になる。したがって、作業者は、上記の式（１８）における電圧Ｖｇを予め推測することが可能になる。

【0071】

［第２の実施の形態における変形例］
次に、第２の実施の形態の変形例について説明を行う。図８及び図９は、第２の実施の形態の変形例について説明する図である。

【0072】

例えば、電線１よりも径が大きいガード電極３１を電線１に取り付けた場合、図６（Ｂ）に示すように、電線１の長手方向におけるガード電極３１の両端が開口する。そのため、この場合、ガード電極３１の両端から電流が漏れてしまい、電圧Ｖｘを正確に測定できない可能性がある。

【0073】

そこで、電線１には、図８に示すように、測定電極３を覆うように取り付けられたガード電極３１の前後において、サイドガード電極３２及びサイドガード電極３３を取り付けるものであってもよい。

【0074】

サイドガード電極３２及びサイドガード電極３３は、例えば、銅箔である。そして、例えば、測定電極３の軸方向における長さが２５（ｍｍ）程度である場合、サイドガード電極３２及びサイドガード電極３３の軸方向における長さは、例えば、１５（ｍｍ）程度であってよい。

【0075】

これにより、測定機器２０は、ガード電極３１の両端からの信号（電流）の漏れを防止することが可能になり、電圧Ｖｘの測定を正確に行うことが可能になる。特に、測定機器２０は、温度及び湿度の変化に起因する誤差（電圧Ｖｘの測定値の誤差）の発生を防止することが可能になる。

【0076】

なお、電線１には、サイドガード電極３２及びサイドガード電極３３のうちのいずれか一方のみが取り付けられるものであってもよい。

【0077】

また、第２の実施の形態の変形例では、図９に示すように、測定電極３（図９における点線部分）とサイドガード電極３２との間において抵抗（以下、漏洩抵抗Ｒｙｓ１とも呼ぶ）が形成され、さらに、測定電極３とサイドガード電極３３との間のそれぞれにおいて抵抗（以下、漏洩抵抗Ｒｙｓ２とも呼ぶ）が形成される。そのため、図９に示す例において、図７で説明した漏洩抵抗Ｒｙは、漏洩抵抗Ｒｙと漏洩抵抗Ｒｙｓ１と漏洩抵抗Ｒｙｓ２との並列抵抗に対応する。

【符号の説明】

【0078】

１：電線 ２：絶縁体
３：測定電極 ４：アイソレータ
５：アイソレータ ６：バッファ回路
６ａ：出力回路 ７：増幅回路
７ａ：ゲイン補正回路 ７ｂ：オフセット補正回路
１０：測定機器 ２０：測定機器
３１：ガード電極 ３２：サイドガード電極
３３：サイドガード電極 Ｃｘ：絶縁容量
Ｉｂ：バイアス電流 Ｉｘ：電流
Ｉｙ：電流 Ｉｚ：電流
Ｖｘ：電圧 Ｖｙ：電圧
Ｖ２：電圧 Ｖｅｒｒｏｒ：誤差電圧
Ｖｇ：ガード電圧 Ｒｆ：抵抗
Ｒｘ：絶縁抵抗 Ｒｙ：漏洩抵抗
Ｒｙｓ１：漏洩抵抗 Ｒｙｓ２：漏洩抵抗
Ｒｚ：漏洩抵抗

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】