JP2017194420A - Voltage measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力線等の測定対象に印加された電圧を、測定対象に非接触状態で測定する電圧測定装置に関するものである。 The present invention relates to a voltage measurement device that measures a voltage applied to a measurement target such as a power line in a non-contact state with the measurement target.
従来、電力線の芯線と検出プローブ内の電極との結合容量を利用して電力線への印加電圧を非接触にて測定する電圧測定装置が知られている。
この種の電圧測定装置では、電力線に対する検出プローブの位置関係や電力線の絶縁被覆の材質、温湿度等の周囲環境による誘電率の違いに起因して前記結合容量が変化し、これが測定誤差となるため、電力線の電圧を高精度に測定できない場合があった。
このため、上記の問題を解決する電圧測定装置として、特許文献1〜3に記載された従来技術が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a voltage measuring apparatus that measures a voltage applied to a power line in a non-contact manner using a coupling capacitance between the core of the power line and an electrode in a detection probe is known.
In this type of voltage measuring apparatus, the coupling capacitance changes due to the positional relationship of the detection probe with respect to the power line, the material of the insulation coating of the power line, the difference in dielectric constant depending on the surrounding environment such as temperature and humidity, and this becomes a measurement error. Therefore, there is a case where the voltage of the power line cannot be measured with high accuracy.
For this reason, the prior art described in patent documents 1-3 is known as a voltage measuring device which solves the above-mentioned problem.
特許文献1,2に記載された電圧測定装置は、検出電極、ダイオードやコンデンサ等の容量変化機能体及びその駆動回路からなる可変容量回路、電流検出器、増幅回路、同期検波回路、積分回路、電圧生成回路等を備えている。
これらの電圧測定装置では、容量変化機能体の容量を変化させ、測定対象、例えば電力線と検出電極との結合容量を介して流れる電流が容量変化機能体の動作周波数に応じて変化するように構成されている。上記の電流を、電流検出器を介して電圧に変換し、同期検波回路、増幅回路、積分回路等を介して電力線の電圧に応じた信号を生成すると共に、この信号を電圧生成回路により増幅する。
The voltage measuring device described in
In these voltage measuring devices, the capacitance of the capacitance changing function body is changed, and the current flowing through the measurement target, for example, the coupling capacitance between the power line and the detection electrode, is changed according to the operating frequency of the capacitance changing function body. Has been. The current is converted into a voltage via a current detector, and a signal corresponding to the voltage of the power line is generated via a synchronous detection circuit, an amplifier circuit, an integration circuit, etc., and this signal is amplified by the voltage generation circuit. .
そして、検出電極、容量変化機能体、電流検出器、電圧生成回路を直列に接続することにより、電流検出器に流れる電流が減少してゼロになるように電圧生成回路の出力を電流検出器側にフィードバックし、電圧生成回路の出力電圧が電力線の電圧と等しくなるように制御している。
この従来技術によれば、電圧生成回路の出力電圧が被測定電圧と等しくなるようにフィードバック制御されるため、測定対象と検出電極との結合容量が変動した場合の影響を抑制することができる。
And, by connecting the detection electrode, capacitance change function body, current detector, and voltage generation circuit in series, the output of the voltage generation circuit is connected to the current detector side so that the current flowing through the current detector is reduced to zero. And the output voltage of the voltage generation circuit is controlled to be equal to the voltage of the power line.
According to this prior art, feedback control is performed so that the output voltage of the voltage generation circuit becomes equal to the voltage to be measured, so that it is possible to suppress the influence when the coupling capacitance between the measurement target and the detection electrode varies.
また、特許文献3には、特許文献1,2と同様の検出電極、容量変化機能体、電流検出器等を備えたプローブユニットから、測定対象の電圧と参照電位との電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力させると共に、プローブユニット及び電圧生成回路を含むフィードバックループの利得を少なくとも1段階増加させて増加前後の各利得における検出信号の振幅の差分値を演算し、その差分値が所定範囲内に収束した時の参照電位を有効な測定値とする電圧測定装置が開示されている。
Further, in Patent Document 3, the amplitude varies according to the potential difference between the voltage to be measured and the reference potential from a probe unit having the same detection electrode, capacitance changing function body, current detector and the like as in
特許文献1,2に係る電圧測定装置では、電流検出器側にフィードバックされる電圧生成回路の出力電圧を制御することにより、この電圧を電力線の電圧に一致させている。しかし、フィードバック制御には比例制御に基づく偏差が発生するという特性があるため、電圧生成回路の出力電圧を電力線の電圧に完全に一致させることができない。
また、上記偏差はフィードバックループの利得によって変化し、この利得が大きい時には小さくなり、利得が小さい時には大きくなるので、通常は、測定精度などを考慮して許容し得る偏差を決定し、決定した偏差に対応する利得となるようにフィードバックループの利得を設定している。
In the voltage measuring devices according to
In addition, the deviation varies depending on the gain of the feedback loop, and when the gain is large, the deviation is small, and when the gain is small, the deviation is large. The gain of the feedback loop is set so that the gain corresponds to.
ところが、電力線の電圧を非接触で測定する電圧測定装置では、電力線に検出電極を確実に固定した場合でも温湿度等の環境条件の変化によって電力線と検出電極との結合容量が変化し、その結果、検出部の感度が変化してフィードバックループの利得も予め設定した値とは異なる値に変化すると共に、その利得を確認することもできない。
また、測定対象である電力線の電線径を含む環境変化にも対応できるように、フィードバックループの利得を予め十分大きな値に設定しておくことも考えられるが、この利得を大きくし過ぎると、フィードバックループの耐ノイズ安定性が損なわれてしまい、やはり、測定精度を確保することができない。
However, in a voltage measuring device that measures the voltage of the power line in a non-contact manner, even when the detection electrode is securely fixed to the power line, the coupling capacity between the power line and the detection electrode changes due to changes in environmental conditions such as temperature and humidity. The sensitivity of the detection unit changes and the gain of the feedback loop changes to a value different from a preset value, and the gain cannot be confirmed.
It is also possible to set the gain of the feedback loop to a sufficiently large value in advance so that it can cope with environmental changes including the diameter of the power line to be measured. The noise resistance stability of the loop is impaired, and again the measurement accuracy cannot be ensured.
これに対し、特許文献3に係る電圧測定装置によれば、前述した検出信号の振幅の差分値に基づいて、検出信号や参照電位がほとんど変化せず、かつ、下限値または下限値に極めて近い値にフィードバックループの利得を設定した状態で、測定対象の電圧を高精度かつ安定的に測定することができる。 On the other hand, according to the voltage measurement device according to Patent Document 3, the detection signal and the reference potential hardly change based on the difference value of the amplitude of the detection signal described above, and is extremely close to the lower limit value or the lower limit value. With the value of the feedback loop gain set to the value, the voltage to be measured can be measured with high accuracy and stability.
しかしながら、特許文献1〜3に係る電圧測定装置においては、検出信号を変調するためにインピーダンスを変化させる容量変化機能体が検出電極と電流検出器との間に直列に接続されるため、容量変化機能体の駆動信号(駆動電流)が電流検出器にノイズ成分として検出され、測定精度に影響を与える場合がある。その対策として、これらの電圧測定装置では、容量変化機能体をダイオード等からなるブリッジにより構成して駆動信号成分が電流検出器によって検出されないようにしているが、ブリッジの平衡状態を厳密に管理しなくてはならず、製造上または調整上のコストが増大するおそれがある。
However, in the voltage measuring devices according to
そこで、本発明の解決課題は、電力線等の測定対象の電圧を低コストかつ高精度に測定可能とした電圧測定装置を提供することにある。 Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a voltage measuring apparatus that can measure a voltage to be measured such as a power line with high accuracy at low cost.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、測定対象に印加された被測定電圧を、前記測定対象に非接触状態で装着される検出電極を介して測定する電圧測定装置であって、前記被測定電圧と参照電位との電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力する検出部と、前記検出信号から前記被測定電圧の周波数成分を抽出して出力する復調部と、前記検出信号の振幅が減少するように前記参照電位を変化させて出力する電圧生成部と、前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記被測定電圧として同定するデータ処理部とを備えた電圧測定装置であって、
前記検出部は、
前記測定対象と前記検出電極との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン/オフにより前記被測定電圧の周波数よりも高い周波数に変調する変調回路と、前記変調回路の出力から前記検出信号を生成する電流検出回路と、を備え、
前記データ処理部は、
前記検出部、前記復調部及び前記電圧生成部を含むフィードバックループの利得を段階的に変化させて変化前後の各利得における前記検出信号の振幅または前記参照電位の何れかの差分値が所定範囲内にある時に、前記各利得の何れか一方を前記フィードバックループの利得として設定するものである。
In order to solve the above-described problem, the invention according to
The detector is
A modulation circuit that modulates the current flowing through the coupling capacitance between the measurement object and the detection electrode to a frequency higher than the frequency of the voltage to be measured by turning on / off a switching element; and the detection from the output of the modulation circuit A current detection circuit for generating a signal,
The data processing unit
The gain of the feedback loop including the detection unit, the demodulation unit, and the voltage generation unit is changed stepwise, and the difference value of either the amplitude of the detection signal or the reference potential at each gain before and after the change is within a predetermined range Any one of the gains is set as the gain of the feedback loop.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した電圧測定装置において、前記データ処理部は、前記各利得のうち値が大きい方を前記フィードバックループの利得として設定するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the voltage measuring device according to the first aspect, the data processing unit sets the larger one of the gains as the gain of the feedback loop.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した電圧測定装置において、前記スイッチング素子と前記電流検出回路とを直列に接続したものである。
The invention according to claim 3 is the voltage measuring apparatus according to
請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載した電圧測定装置において、前記スイッチング素子と前記電流検出回路とを並列に接続したものである。
The invention according to claim 4 is the voltage measuring apparatus according to
請求項5に係る発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載した電圧測定装置において、前記電流検出回路は、前記スイッチング素子に流れる電流により励磁される一次巻線と、前記復調部に接続される二次巻線とを備えたトランスであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the voltage measuring device according to any one of the first to fourth aspects, the current detection circuit includes a primary winding excited by a current flowing through the switching element, and the demodulator. And a secondary winding connected to the transformer.
請求項6に係る発明は、請求項1〜5の何れか1項に記載した電圧測定装置において、前記電圧生成部は、前記復調部から一次巻線に入力された信号電圧を昇圧し、昇圧後の電圧を前記参照電位として二次巻線から出力する昇圧トランスを備えたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the voltage measuring device according to any one of the first to fifth aspects, the voltage generator boosts the signal voltage input from the demodulator to the primary winding, and boosts the voltage. A step-up transformer that outputs the subsequent voltage as the reference potential from the secondary winding is provided.
請求項7に係る発明は、請求項1〜6の何れか1項に記載した電圧測定装置において、前記スイッチング素子としてMOSFETを用いたことを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the voltage measuring device according to any one of
本発明によれば、フィードバック制御の際に発生する偏差に起因する計測誤差が発生しないため、電力線等の測定対象の電圧を高精度に計測することができる。
また、ブリッジ回路により構成された容量変化機能体に代えてスイッチング素子をオン/オフさせることにより検出信号を変調する構成であるため、ブリッジの平衡状態の厳密な管理を不要にして製造上または調整上のコストを低減することができる。
更に、電圧生成部における昇圧トランスの巻数比を変更するだけで参照電位を広範囲にわたって設定することができ、様々な大きさの被測定電圧を正確に測定することが可能である。
According to the present invention, since a measurement error due to a deviation that occurs during feedback control does not occur, a voltage to be measured such as a power line can be measured with high accuracy.
In addition, since the detection signal is modulated by turning on / off the switching element instead of the capacitance change function body configured by the bridge circuit, manufacturing or adjustment without requiring strict management of the bridge equilibrium state The above cost can be reduced.
Furthermore, the reference potential can be set over a wide range simply by changing the turns ratio of the step-up transformer in the voltage generation unit, and it is possible to accurately measure various voltages to be measured.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電圧測定装置の全体的な構成図である。
この電圧測定装置は、検出電極2及び測定装置本体5を備え、系統電源Gにより電力線1の芯線1aに印加されている交流電圧v1を非接触にて測定するものである。なお、C0は、電力線1に検出電極2を装着した際に芯線1aと検出電極2との間に形成される結合容量を示す。ここで、検出電極2は、電力線1の外周面に密着して巻き付けられるように構成されている。
以下では、芯線1aの電圧(被測定電圧)v1を「電力線1の電圧」と同義なものとして説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a voltage measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
This voltage measuring device includes a detection electrode 2 and a measuring device
Hereinafter, the voltage (measured voltage) v 1 of the core wire 1 a is described as being synonymous with “voltage of the
測定装置本体5は、検出電極2と共にセンサとして機能する検出部3と、検出部3の出力信号を処理する測定部4とを備え、検出部3は、検出電極2に接続された変調回路31と、電流検出回路としての絶縁型のトランス32とを有する。
変調回路31は、検出電極2とトランス32の一次巻線との間で互いに逆方向に直列接続された2個のスイッチング素子311,312と、これらのスイッチング素子311,312を駆動する駆動回路としてのトランス313と、を備えている。
The measurement apparatus
The
図2は、変調回路31の詳細な回路図である。この変調回路31では、スイッチング素子311,312としてn型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いている。なお、314はトランス313の二次巻線に並列に接続された抵抗を示す。
n型MOSFETは、トランス313の一次巻線に加えられる駆動信号S1が「High」レベルの時にオンするが、電力線1の芯線1aからの入力信号は正負両極性の信号であるため、2つのn型MOSFETはソース端子同士を接続し、逆バイアスされているMOSFET側は内蔵するボディダイオードを経由して電流が流れるようになっている。
FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the
n-type MOSFET, the driving signals S 1 applied to the primary winding of the
図1に戻って、トランス313の一次側には、測定部4に設けられた復調部4a内の発振回路40が接続されている。この発振回路40は、例えば商用周波数(50または60[Hz])の電圧v1より充分に高い周波数(数百[kHz]〜数[MHz])の矩形波状の駆動信号S1を出力し、トランス313を介してスイッチング素子311,312をオン/オフさせる。
Returning to FIG. 1, the
このため、結合容量C0を介してスイッチング素子311,312に流れる電流は、駆動信号S1の周波数によって変調される。これにより、スイッチング素子311,312に流れる電流の大きさに比例し、かつ、高周波数の検出信号S2がトランス32を介して測定部4に伝送され、この測定部4において、電力線1の電圧v1の商用周波数成分が復調・増幅される。
なお、トランス32の一次巻線の一端はスイッチング素子312に接続されていると共に、上記一次巻線の他端は、後述する電圧生成部4b内の昇圧トランス45の出力側に接続されている。
For this reason, the current flowing through the switching
One end of the primary winding of the
測定部4は、復調部4a、電圧生成部4b、データ処理部4c、及び極性判定回路47からなり、復調部4aは、前述した発振回路40のほか、検波回路41、増幅回路42、及びフィルタ回路43を備えている。
The measurement unit 4 includes a
検波回路41は、発振回路40からの駆動信号(検波信号)S1に同期してトランス32が励磁されるタイミングにて、トランス32から出力される検出信号S2を例えば包絡線検波する。検波後のアナログ信号S3は、増幅回路42により予め設定された適切な増幅率にて増幅され、検出信号S4として出力される。
Detection circuit 41 at a
フィルタ回路43は、検出信号S4の周波数成分をフィルタリングすることにより、電圧v1の商用周波数成分のみを通過させる。ここで、検出部3ではスイッチング素子311,312のオン/オフによって電圧v1を検出しており、検出信号S4の位相は電圧v1の位相より90°進んでいる。このため、フィルタ回路43の構成としては、例えば、二次のアクティブローパス(高周波数域除去)フィルタを通過させた後に一次のハイパス(低周波数域除去)フィルタを通過させることで、電圧v1に位相を合わせたアナログ信号S5を生成する。
The
上記アナログ信号S5は、電圧生成部4bに入力されると共に、極性判定回路47と、後述するデータ処理部4c内のCPU48にも入力されている。
極性判定回路47には、発振回路40からの駆動信号S1とアナログ信号S5とが入力されており、駆動信号S1に対するアナログ信号S5の位相を検出することにより、電力線1の電圧v1と後述する参照電位Vrとの電位差(v1−Vr)の極性を示す極性判別信号D1を生成し、この極性判別信号D1を電圧生成部4b内の電圧生成回路44に出力している。
電圧生成部4bは、電圧生成回路44、昇圧トランス45、及び分圧回路46を備えている。電圧生成回路44は、アナログ信号S5及び極性判別信号D1に基づいて基準信号S6を生成する。
The analog signal S 5 is input to the
The
The
昇圧トランス45は絶縁型のトランスであり、一次巻線の巻数n1と二次巻線の巻数n2との間には、n2>n1という関係がある。この昇圧トランス45の一次巻線及び二次巻線は、各一端が共通接続され、一次巻線の他端には、電圧生成回路44から基準信号S6が印加されている。これにより、昇圧トランス45は、一次巻線に印加された基準信号S6を昇圧し、正側のピーク値(最大電圧値)が+Va [V]、負側のピーク値(最小電圧値)が−Va[V]である振幅2Vaの正弦波信号を参照電位信号S7(その電圧を、以下では参照電位Vrともいう)として二次巻線の他端から出力する。この参照電位Vrは、後段の分圧回路46と、前記検出部3内のトランス32の一次巻線の他端に印加されている。
分圧回路46は、参照電位Vrを予め設定された分圧比により分圧して電圧信号S8を出力する。
The step-up
前述のフィルタ回路43から出力されたアナログ信号S5と分圧回路46から出力された電圧信号S8とは、データ処理部4cに入力されており、このデータ処理部4cにより、電力線1の電圧v1を測定する処理、及び、下記の利得設定処理が実行される。
The voltage signal S 8 output an analog signal S 5 output from the
データ処理部4cは、例えばCPU48及びメモリ49を用いて、この電圧測定装置のフィードバックループの利得を設定する利得設定処理を行う。ここで、上記フィードバックループとは、トランス32、検波回路41、増幅回路42、フィルタ回路43、電圧生成回路44及び昇圧トランス45により構成される経路を言い、CPU48は、現在のフィードバックループ利得が適切な値であるか否かを判断する。なお、メモリ49には、利得設定処理において使用される所定範囲(−Vdr以上、+Vdr以下)と、復調部4aの増幅回路42における複数の増幅率Gp1,Gp2,Gp3,……(Gp1<Gp2<Gp3<……)とが予め記憶されている。
The
以下では、データ処理部4cの動作と併せて、本実施形態の動作につき説明する。
まず、電圧v1の測定に際し、検出電極2を電力線1の芯線1aに非接触な状態で装着することにより、芯線1aと検出電極2との間に結合容量C0が形成される。
Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described together with the operation of the
First, when measuring the voltage v 1 , the coupling electrode C 0 is formed between the core wire 1 a and the detection electrode 2 by attaching the detection electrode 2 to the core wire 1 a of the
結合容量C0の値は、検出電極2を電力線1に装着した場合、検出電極2の面積、電力線1の径(厳密には、電力線1の芯線1aの径と電力線1の被覆の厚さ)、被覆の誘電率等によって決まる。ただし、この容量値は、温湿度などの環境条件や検出電極2の設置ストレスに起因した取付状態に変化がない場合には一定となる。
When the detection electrode 2 is attached to the
測定部4の起動状態において、電圧生成部4bでは、電圧生成回路44が基準信号S6の生成を開始し、昇圧トランス45が基準信号S6を昇圧して得た参照電位Vrを検出部3内のトランス32の一次巻線に印加する。また、電圧生成部4bでは、分圧回路46が参照電位Vrを分圧して得た電圧信号S8を、データ処理部4cのCPU48に出力する。
In activated state of the measurement unit 4, the
一方、復調部4aでは、発振回路40が駆動信号S1を生成して変調回路31のトランス313、検波回路41及び極性判定回路47に出力する。トランス313は、一次側に入力された駆動信号S1に基づいて二次側からオン/オフ信号(パルス信号)を出力し、スイッチング素子311,312をオン/オフさせる。
On the other hand, in the
スイッチング素子311,312のオンによりトランス32の一次巻線が励磁され、その二次巻線からは、電力線1の電圧v1に対して90°位相が進んだ検出信号S2が出力される。また、スイッチング素子311,312がオフの時には、トランス32の一次巻線が非励磁状態となり、その結果、トランス32は逆励磁されて電力線1の電圧v1に対して90°位相が進んだ反転信号S2が出力される。
When the switching
このとき、トランス32の一次巻線には、電力線1の電圧v1と参照電位Vrとの電位差(v1−Vr)に応じた振幅の電流が流れる。この電流は、電位差(v1−Vr)が大きい時にはその振幅が大きくなり、電位差(v1−Vr)が小さい時にはその振幅が小さくなる。
従って、図3に示すように、電力線1の電圧v1の極性が正のとき(時刻t0)に、測定部4が測定を開始した場合、この時点で参照電位Vrは0[V]であるため電位差(v1−Vr)は正になり、トランス32の一次巻線に流れる電流は、駆動信号S1による周期でその振幅が電位差(v1−Vr)に応じて変化する交流信号となる。この電流によってトランス32の二次巻線に誘起される電圧が検波回路41に入力され、包絡線検波されたアナログ信号S3を増幅回路42が増幅して検出信号S4を出力する。
At this time, a current having an amplitude corresponding to the potential difference (v 1 −V r ) between the voltage v 1 of the power line 1 and the reference potential V r flows through the primary winding of the
Therefore, as shown in FIG. 3, when the measurement unit 4 starts measurement when the polarity of the voltage v 1 of the
検出信号S4には、トランス32の漏れインダクタンスの影響により、スイッチング素子311,312のオン/オフに伴って発生する高周波ノイズが含まれている。
このため、前述したように、フィルタ回路43を二次のアクティブローパスフィルタ及び一次のハイパスフィルタによって構成すれば、高周波ノイズを除去することができると共に、フィルタ回路43の全体で商用周波数帯のみを通過させるバンドパスフィルタを構成することで、検出信号S2より位相が90°遅れたアナログ信号(電力線1の電圧v1と同相の信号)S5を得ることができる。このアナログ信号S5は、その振幅が電位差(v1−Vr)に比例して変化する信号となる。
また、極性判定回路47では、駆動信号S1に対するアナログ信号S5の位相を検出することにより、電位差(v1−Vr)の極性を示す極性判別信号D1を生成し、電圧生成回路44に出力する。
The detection signal S 4 includes high-frequency noise that is generated when the switching
Therefore, as described above, if the
Further, the
電圧生成回路44では、極性判別信号D1が「正」を示す時に、アナログ信号S5の振幅に比例した量だけ電圧を増加させた基準信号S6を出力し、極性判別信号D1が「負」を示す時に、アナログ信号S5の振幅に比例した量だけ電圧を減少させた基準信号S6を出力する。
When the polarity determination signal D 1 indicates “positive”, the
前述したように、電力線1の電圧v1の極性が正である時に測定部4が測定動作を開始した場合には、基準信号S6は当初、0[V]であるため、電位差(v1−Vr)は正となり、これによって極性判別信号D1も正となる。このため、電圧生成部回路44では、入力されたアナログ信号S5の振幅に比例した量だけ電圧を増加させた基準信号S6を出力する。昇圧トランス45は、引き続き基準信号S6を昇圧して参照電位Vrを生成し、この参照電位Vrをトランス32の一次巻線の他端(変調回路31側と反対側)に印加する。
この結果、トランス32、検波回路41、増幅回路42、フィルタ回路43、電圧生成回路44及び昇圧トランス45により構成されるフィードバックループ内で、電位差(v1−Vr)が徐々に低下するように負のフィードバック制御が行われる。
As described above, when the measurement unit 4 starts the measurement operation when the polarity of the voltage v 1 of the
As a result, the potential difference (v 1 −V r ) gradually decreases in the feedback loop formed by the
これにより、トランス32の一次巻線を流れる電流の振幅は徐々に減少していく。
一般的に、この種の電圧測定装置では、電圧v1への参照電位Vrの収束が短時間で完了するように、その過渡特性が設定されている。このため、参照電位Vrは、図3に示すように、電圧v1に対してオーバシュートしつつ、時刻t0からΔtを経過した時刻t1において電圧v1に収束する。このため、参照電位Vrを測定することにより電力線1の電圧v1を求めることができる。
As a result, the amplitude of the current flowing through the primary winding of the
In general, in this type of voltage measurement device, the transient characteristics are set so that the convergence of the reference potential V r to the voltage v 1 is completed in a short time. Therefore, the reference potential V r, as shown in FIG. 3, while overshooting the voltage v 1, converges to the voltage v 1 at time t 1 has elapsed Δt from time t 0. For this reason, the voltage v 1 of the
なお、オーバシュートにより参照電位Vrが電圧v1を上回った時には、電位差(v1−Vr)は負の電圧となり、これによって極性判定信号D1も負極性を示すようになる。このため、電圧生成回路44は、入力されたアナログ信号S5の振幅に比例した量だけ電圧値を減少させた基準信号S6を出力する。
その後は、測定部4が前記フィードバック動作を継続することにより、商用周波数で変化する電力線1の電圧v1に対して一定の偏差内に収まるように参照電位Vrを変化させる。これにより、参照電位Vrは、電圧v1に同期して変化する商用周波数の交流信号となる。
When the reference potential V r exceeds the voltage v 1 due to overshoot, the potential difference (v 1 −V r ) becomes a negative voltage, and the polarity determination signal D 1 also exhibits a negative polarity. Therefore, the
Thereafter, the measurement unit 4 continues the feedback operation to change the reference potential V r so as to be within a certain deviation with respect to the voltage v 1 of the
一方、データ処理部4cのCPU48では、測定開始(図3における時刻t0)後の時刻t1から、図4に示す利得設定処理を実行する。
この利得設定処理において、CPU48は、まず、増幅回路42の増幅率がGp0である時のアナログ信号S5の振幅Vp1を第1振幅として検出し(ステップST1)、この第1振幅をメモリ49の第1振幅記憶領域に記憶する(ステップST2)。
On the other hand, the CPU48 of the
In this gain setting process, the
次に、CPU48は、増幅回路42の増幅率を1段階増加させる(ステップST3)。具体的には、CPU48が増幅率Gp0の次に大きい増幅率Gp1をメモリ49から読み出し、この増幅率Gp1に対応する制御信号D2(例えば、増幅率Gp1に対応する電圧レベルの制御信号D2)を生成して増幅回路42に出力する。更に、CPU48は、増幅回路42の増幅率がGp1であるときのアナログ信号S5の振幅Vp2を第2振幅として検出し(ステップST4)、この第2振幅Vp2をメモリ49の第2振幅記憶領域に記憶する(ステップST5)。
このように、CPU48によって増幅回路42の増幅率を逐次増加させることにより、電圧測定装置のフィードバックループの利得も増加するため、増幅率を増加させた後の電位差(v1−Vr)は、増加前と比べて小さくなる。
Next, the
Thus, since the gain of the feedback loop of the voltage measuring device is also increased by sequentially increasing the amplification factor of the
次に、CPU48は、第1振幅記憶領域及び第2振幅記憶領域に記録されている各振幅Vp1,Vp2を読み出し、これらの差分値Vd(=Vp1−Vp2)を算出する(ステップST6)。そして、この差分値Vdを、所定範囲(−Vdr以上、+Vdr以下。ここで、Vdrは正の値)と比較する(ステップST7)。
Next, the
ステップST7における比較の結果、差分値Vdが前記所定範囲外である場合(ステップST7 NO)、CPU48は、メモリ49の第2振幅記憶領域に記憶されている第2振幅Vp2を第1振幅Vp1として第1振幅記憶領域に上書きして記憶する(ステップST8)。また、差分値Vdが前記所定範囲内である場合には処理を終了する(ステップST7 YES)。
従って、ステップST6により算出される差分値Vd(=Vp1−Vp2)は、常に1段階異なる二つの増幅率のもとでの振幅同士の差分値となり、CPU48は、ステップST7において差分値Vdが所定範囲内になるまで、上述した一連の処理(ST1〜ST8)を繰り返し実行する。
上記の説明では、アナログ信号S5の振幅の差分値Vdを所定範囲と比較しているが、増幅率の変化前後における参照電位Vrの差分値を所定範囲と比較しても良い。
Comparison of the result in step ST7, when the difference value V d is outside the predetermined range (step ST7 NO),
Accordingly, the difference value V d (= V p1 −V p2 ) calculated in step ST6 is always a difference value between amplitudes under two amplification factors that differ by one stage, and the
Above the description, compares the difference value V d of the amplitude of the analog signal S 5 with a predetermined range, the difference value of the reference potential V r before and after the change of the amplification factor may be compared with a predetermined range.
上記のように、増幅回路42の増幅率を段階的に増加させることにより、電圧測定装置のフィードバックループの利得も徐々に増加していき、逆に電位差(v1−Vr)は徐々に減少していく。
なお、ステップST7において、差分値Vdが所定範囲内になった場合は、現在の増幅率におけるアナログ信号S5の振幅が、1段階前の増幅率におけるアナログ信号S5の振幅と比較して差分値Vdの範囲内でしか大きくなっていないことを条件に、電圧測定装置が所定の精度で電圧v1を測定していることとなる。従って、増幅回路42の増幅率をこれ以上、増加させる必要がないため、CPU48が利得設定処理を終了する(ステップST7 YES)ものである。
このように、本実施形態によれば、前述した特許文献3と同様に、アナログ信号(検出信号)S5の振幅の差分値に基づいて、検出信号や参照電位がほとんど変化せず、かつ、下限値または下限値に極めて近い値にフィードバックループの利得を設定した状態で、電圧v1を高精度かつ安定的に測定することができる。
As described above, the gain of the feedback loop of the voltage measuring device is gradually increased by increasing the amplification factor of the
Note that, in step ST7, if the difference value V d becomes within the predetermined range, the amplitude of the analog signal S 5 in the current amplification factor, as compared to the amplitude of the analog signal S 5 in the amplification factor of the first stage before The voltage measuring device measures the voltage v 1 with a predetermined accuracy on the condition that it is only increased within the range of the difference value V d . Therefore, since there is no need to increase the amplification factor of the
Thus, according to this embodiment, as with Patent Document 3 described above, based on the difference value of the amplitude of the analog signal (detection signal) S 5, the detection signal and the reference potential hardly changes, and, With the feedback loop gain set to a lower limit value or a value very close to the lower limit value, the voltage v 1 can be measured with high accuracy and stability.
ここで、本発明の電圧測定装置の機能、動作等は、上述した内容に何ら限定されるものではない。
例えば、既に説明した実施形態では、電圧測定装置が測定動作を開始する都度、その動作開始直後に増幅回路42が初期増幅率Gp0にて検出信号S3を増幅し、CPU48から制御信号D2が入力された時には、この制御信号D2に基づいて増幅率を変更している。しかし、測定動作開始時に、CPU48が増幅回路42の初期増幅率Gp0を設定してフィードバックループの初期利得を設定し、増幅回路42が初期増幅率Gp0にて検出信号S3の増幅を開始するようにしても良い。
Here, functions, operations, and the like of the voltage measuring device of the present invention are not limited to the above-described contents.
For example, in the embodiment previously described, each time the voltage measuring device starts the measurement operation, the
これにより、CPU48が既に実行した利得設定処理において最終的に増幅回路42に設定した増幅率(差分値Vdが前記所定範囲になったときの増幅率)を次の測定動作開始時の初期増幅率として設定することができる。よって、電力線1の電圧v1を再度測定する場合や、同種の複数の電力線1の電圧v1を、測定開始当初から適切な測定精度で連続的に測定することが可能となる。
As a result, the amplification factor (amplification factor when the difference value Vd falls within the predetermined range) finally set in the
具体的には、差分値Vdが所定範囲(−Vdr以上、+Vdr以下)内になったときの増幅回路42の各増幅率のうち何れかを、CPU48が次の測定動作開始時において増幅回路42に初期増幅率として設定することができる。この場合、差分値Vdが上記所定範囲内となったときの二つの増幅率のうち大きい方を初期増幅率として設定すれば、耐ノイズ特性の低下を回避できる範囲内でフィードバックループの利得をより大きくし、測定精度を一層高めることが可能となる。
Specifically, any one of the amplification factors of the
一方、増幅回路42の最終の増幅率とその1段階前の増幅率との差分値Vdが前記所定範囲内になっていることを考慮すれば、この1段階前の小さい方の増幅率でも十分に高精度で信頼度の高い測定を行うことができる。
特に、耐ノイズ特性を考えれば、フィードバックループの利得は所定の精度が確保できる範囲内ではより小さい方が望ましい。従って、CPU48が、増幅回路42に対して、小さい方の増幅率、つまり、最終の増幅率の1段階前の増幅率を初期の増幅率として設定することが望ましい。
On the other hand, considering that the difference value V d of the final amplification factor and its one step prior to amplification factor of the
In particular, considering the noise resistance characteristics, it is desirable that the gain of the feedback loop be smaller as long as a predetermined accuracy can be ensured. Therefore, it is desirable that the
また、この実施形態では、差分値Vdに基づいてフィードバックループの利得として設定すべき増幅率を決定しているが、分圧回路46による参照電位Vrの分圧値(電圧信号S8)を用い、フィードバックループの利得に対応する増幅率を1段階増加させたときの前後における上記分圧値の差分値に基づいて、フィードバックループの利得とすべき増幅率を決定しても良い。
更に、この実施形態では、増幅回路42の増幅率を1段階ずつ増加させているが、逆に、1段階ずつ減少させることもできる。その場合、CPU48は、増幅回路42の増幅率を1段階ずつ減少させたときの前後における各増幅率でのアナログ信号S5の各振幅の差分値Vdが所定範囲(−Vdr以上、Vdr以下)外となる1段階前の各増幅率のうちの何れかを選定する。この場合、上記した理由により、大きい方の増幅率、つまり最終の増幅率の2段階前の増幅率を選定することが望ましい。
In this embodiment, the amplification factor to be set as the gain of the feedback loop is determined based on the difference value V d , but the divided value (voltage signal S 8 ) of the reference potential V r by the
Furthermore, in this embodiment, the amplification factor of the
この電圧測定装置によれば、フィードバック制御によって発生する偏差に起因した測定誤差を低減することができ、その結果、電力線1の電圧v1を高精度に測定することができる。
また、スイッチング素子311,312を備えた変調回路31とトランス32とによって検出部3を構成し、前述した特許文献1〜3のように、ブリッジ構成の容量変化機能体を用いないことにより、ブリッジの平衡状態の管理が不要であり、製造上または調整上のコストが増大する恐れもない。
According to this voltage measurement device, it is possible to reduce measurement errors caused by deviations caused by feedback control, and as a result, it is possible to measure the voltage v 1 of the power line 1 with high accuracy.
Further, the detection circuit 3 is configured by the
更に、電圧生成回路44によって生成される基準信号S6を昇圧トランス45により昇圧して参照電位Vrを得ているため、この昇圧トランス45の巻数比を変更するだけで参照電位Vrの出力範囲を変更することができる。従って、様々な被測定電圧に対して測定範囲を自由に設定することができ、結果として広範囲にわたる電圧を正確に測定することが可能になる。
Further, since the obtained reference potential V r by boosting the reference signal S 6 the step-up
次に、図5は、本発明の第2実施形態における検出部の構成図である。
本実施形態の検出部3Aでは、電流検出回路としてのトランス32の一次巻線と抵抗315との直列回路に対して並列に、スイッチング素子311,312の直列回路が接続されている。その他の構成は第1実施形態における検出部3と同一である。
本実施形態によれば、スイッチング素子311,312がオフである時にトランス32が励磁されるため、検波回路41では駆動信号S1を反転させた信号に基づいて検波タイミングを設定することで検出信号S2の検波が可能となる。
Next, FIG. 5 is a configuration diagram of a detection unit in the second embodiment of the present invention.
In the
According to this embodiment, since the
本発明の電圧測定装置は単体で使用しても良いし、この電圧測定装置と公知の電流測定装置とを組み合わせれば、電力測定装置を構成することもできる。 The voltage measuring device of the present invention may be used alone, or a power measuring device can be configured by combining this voltage measuring device and a known current measuring device.
G:系統電源
1:電力線
1a:芯線
2:検出電極
3,3A:検出部
31:変調回路
311,312:スイッチング素子
313:トランス(駆動回路)
314,315:抵抗
32:トランス(電流検出回路)
4:測定部
4a:復調部
4b:電圧生成部
4c:データ処理部
40:発振回路
41:検波回路
42:増幅回路
43:フィルタ回路
44:電圧生成回路
45:昇圧トランス
46:分圧回路
47:極性判定回路
48:CPU
49:メモリ
5:測定装置本体
G: System power supply 1: Power line 1a: Core wire 2:
314, 315: resistor 32: transformer (current detection circuit)
4:
49: Memory 5: Measuring device body
Claims (7)
前記検出部は、
前記測定対象と前記検出電極との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン/オフにより前記被測定電圧の周波数よりも高い周波数に変調する変調回路と、前記変調回路の出力から前記検出信号を生成する電流検出回路と、を備え、
前記データ処理部は、
前記検出部、前記復調部及び前記電圧生成部を含むフィードバックループの利得を段階的に変化させて変化前後の各利得における前記検出信号の振幅または前記参照電位の何れかの差分値が所定範囲内にある時に、前記各利得の何れか一方を前記フィードバックループの利得として設定することを特徴とする電圧測定装置。 A voltage measurement device that measures a voltage to be measured applied to a measurement object via a detection electrode that is attached to the measurement object in a non-contact state, and has an amplitude corresponding to a potential difference between the voltage to be measured and a reference potential A detection unit that outputs a detection signal that changes, a demodulation unit that extracts and outputs a frequency component of the voltage to be measured from the detection signal, and changes the reference potential so that the amplitude of the detection signal decreases. A voltage measuring device comprising: a voltage generating unit that outputs; and a data processing unit that identifies the reference potential as the voltage to be measured when the potential difference becomes a predetermined value or less,
The detector is
A modulation circuit that modulates the current flowing through the coupling capacitance between the measurement object and the detection electrode to a frequency higher than the frequency of the voltage to be measured by turning on / off a switching element; and the detection from the output of the modulation circuit A current detection circuit for generating a signal,
The data processing unit
The gain of the feedback loop including the detection unit, the demodulation unit, and the voltage generation unit is changed stepwise, and the difference value of either the amplitude of the detection signal or the reference potential at each gain before and after the change is within a predetermined range The voltage measuring device according to claim 1, wherein any one of the gains is set as a gain of the feedback loop.
前記データ処理部は、
前記各利得のうち値が大きい方を前記フィードバックループの利得として設定することを特徴とする電圧測定装置。 In the voltage measuring device according to claim 1,
The data processing unit
The voltage measuring device characterized in that the larger one of the gains is set as the gain of the feedback loop.
前記スイッチング素子と前記電流検出回路とを直列に接続したことを特徴とする電圧測定装置。 In the voltage measuring device according to claim 1 or 2,
The voltage measuring device, wherein the switching element and the current detection circuit are connected in series.
前記スイッチング素子と前記電流検出回路とを並列に接続したことを特徴とする電圧測定装置。 In the voltage measuring device according to claim 1 or 2,
A voltage measuring apparatus, wherein the switching element and the current detection circuit are connected in parallel.
前記電流検出回路は、前記スイッチング素子に流れる電流により励磁される一次巻線と、前記復調部に接続される二次巻線とを備えたトランスであることを特徴とする電圧測定装置。 In the voltage measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The voltage measuring device, wherein the current detection circuit is a transformer having a primary winding excited by a current flowing through the switching element and a secondary winding connected to the demodulator.
前記電圧生成部は、前記復調部から一次巻線に入力された信号電圧を昇圧し、昇圧後の電圧を前記参照電位として二次巻線から出力する昇圧トランスを備えたことを特徴とする電圧測定装置。 In the voltage measuring device according to any one of claims 1 to 5,
The voltage generator includes a step-up transformer that boosts the signal voltage input to the primary winding from the demodulator and outputs the boosted voltage from the secondary winding as the reference potential. measuring device.
前記スイッチング素子としてMOSFETを用いたことを特徴とする電圧測定装置。 In the voltage measuring device according to any one of claims 1 to 6,
A voltage measuring apparatus using a MOSFET as the switching element.
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