JP2009014515A - 電圧測定装置及び電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導電圧の影響を低減して正確な電圧測定を可能とした電圧測定装置を提供する。
【解決手段】この電圧測定装置１は、被測定系４の電圧を測定する電圧測定回路（電圧測定手段）３と、電圧測定回路３の入力側に入力インピーダンスを可変とする入力インピーダンス可変部（入力インピーダンス可変手段）２を備えて構成されている。入力インピーダンス可変部２は、例えば、複数のインピーダンス素子６（本実施けたいではＲ１〜Ｒ３）と、入力インピーダンス素子６の何れか１つを選択するロータリスイッチ（選択手段）５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧測定装置及び電圧測定方法に関し、さらに詳しくは、被測定系に発生する誘導電圧を低減して正確な電圧値を計測する電圧測定装置の回路構成に関するものである。

従来から例えばテスタ等の電圧測定レンジにおいては、被測定系に与える影響を最小限にするために入力インピーダンスを高くするように設計されている。例えば図６に示すように、端子ＡＢの左側が被測定系２１、右側がテスタ側２０とした場合、電力等の交流電圧測定での負荷効果は、抵抗だけでなく静電容量（コンデンサ）やインダクタンス（コイル）についても配慮が必要となる。そしてこれらを総合したインピーダンスで考える必要がある。一般にはインダクタンスよりも静電容量が寄与する割合が多いので、ここでは抵抗とコンデンサで考えることにする。

図６の被測定系の出力インピーダンスＺｏは、
Ｚｏ＝［１／（ｊωＣｏ）］・Ｒｏ／［１／（ｊωＣｏ）］＋Ｒｏ
であり、入力インピーダンスＺｉは、
Ｚｉ＝［１／（ｊωＣｉ）］・Ｒｉ／［１／（ｊωＣｉ）］＋Ｒｉ
と表せる。
従って、Ｅｍ＝Ｅ・［Ｚｉ／（Ｚｏ＋Ｚｉ）］（式１）となる。
式１で、ＥｍがＥ（テスターを接続する前の電圧）と等しくなるのは、ＺｏがゼロかＺｉが無限大のときである。別な見方をすると、テスタ２０の入力インピーダンスＺｉが被測定系２１の出力インピーダンスＺｏに比べて遙かに大きければ、負荷効果を無視できると言える。

しかし、テスタ２０の入力インピーダンスＺｉを大きくすると、被測定系２１に重畳した誘導電圧に対して敏感に反応してしまい、測定値が不安定となり、例えば、電力線が停電しているか否かをテスタにより判定する場合に、判定を正確に行なうことができないといった問題がある。
このような誘導電圧による測定誤差を低減するために、特許文献１には、被測定機器を接続する測定端子間の端子電圧が閾値を越えたときに、測定端子間を一時的に短絡するスイッチング素子と、スイッチング動作により発生したサージ電圧を吸収して、測定端子４間の端子電圧を閾値以下に制限する濾波回路とを備え、この付属回路は、測定端子間に加わる誘導電圧の上昇を閾値以下に制限することにより、ディジタルテスタによる機器の導通テストや電気抵抗測定の際に、誘導電圧のためにオーバーレンジになったり、測定不能になったりするのを防止できるディジタルテスタについて開示されている。
特開２００５−２１４６３３公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、電流トランスの導通試験や抵抗測定を行なうものであり、測定時に電流トランスから保護継電回路を切り離す必要があるため、測定のための作業が煩わしく、且つ測定後保護継電回路を元に戻すときに接続を間違える虞が皆無とはいえない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、テスタ内に入力インピーダンスを可変とする機能を追加して、誘導電圧発生時に入力インピーダンスを所定値に変更することにより、誘導電圧の影響を低減して正確な電圧測定を可能とした電圧測定装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、被測定系の電圧を測定する電圧測定手段を備えた電圧測定装置であって、前記電圧測定手段の入力側に入力インピーダンスを可変とする入力インピーダンス可変手段を備えたことを特徴とする。
電圧測定装置（テスタ）は、測定時に被測定系に与える影響を最小限にするために、入力インピーダンスを極力高くしている。しかし、被測定系にノイズが存在しなければ問題ないが、例えば、電力系統の電圧を測定する場合、その電力系統には高圧回路からの電磁誘導等により誘導電圧やノイズが重畳する。この誘導電圧やノイズのレベルは実際の電圧に比べて低いので、正規の電圧を測定する場合はさほど問題にならないが、電力系統が停電した場合は、この誘導電圧やノイズを敏感に検出するので、停電を正確に判定することが困難になる場合もあった。そこで本発明では、このような場合に、入力インピーダンスを変更できるように入力インピーダンス可変手段を備えるものである。これにより、停電時の誘導電圧やノイズの影響を抑圧して、停電の判定を正確に行うことができる。

請求項２は、前記入力インピーダンス可変手段は、少なくとも１種類のインピーダンス素子と、前記入力インピーダンス素子を選択する選択手段と、を備え、前記被測定系の電圧測定時は、前記選択手段により前記入力インピーダンス素子を選択した状態とすることを特徴とする。
交流回路の入力インピーダンスを変更するには、抵抗、コンデンサ或いはインダクタンスといったインピーダンス素子と、それらが複数ある場合は、何れかを選択する選択手段が必要である。そして、電圧を測定するときに何れかのインピーダンス素子を選択して回路に接続するものである。これにより、測定時に何らかの入力インピーダンスが挿入されて、誘導電圧やノイズを低減することができる。
請求項３は、前記入力インピーダンス可変手段には、無限大の入力インピーダンスを含むことを特徴とする。
理想的には入力インピーダンスは可能な限り大きい方が好ましい。従って、正規の電圧を測定する場合は、入力インピーダンスを高くするために、入力インピーダンス可変手段にインピーダンスが挿入されないように、無限大の入力インピーダンス（開放状態）を含むようにするものである。これにより、正規の電圧を測定する場合に、入力インピーダンスを高くすることができる。

請求項４は、前記入力インピーダンス素子は、前記被測定系の出力インピーダンスに比べて大きいインピーダンス値を有することを特徴とする。
入力インピーダンスが出力インピーダンスより小さい場合、電圧測定装置を接続したときに被測定系から流れ込む電流が多くなり、それにより、被測定系へ与える影響が大きくなる。そこで本発明では、入力インピーダンス素子は、被測定系の出力インピーダンスに比べて大きいインピーダンス値にするものである。これにより、測定時の被測定系に与える影響を最小限にすることができる。
請求項５は、前記入力インピーダンス素子は、抵抗素子であることを特徴とする。
入力インピーダンスを構成する素子は、抵抗、静電容量、及びインダクタンスである。しかし、一般にはインダクタンスよりも静電容量が寄与する割合が多いので、抵抗と静電容量を考慮すればよいが、静電容量によるインピーダンスは使用周波数が低い場合（商用周波数の５０／６０Ｈｚ）、あまり寄与しない。そこで本発明では、入力インピーダンス素子を抵抗素子のみとするものである。これにより、回路構成が簡略化され、インピーダンスを設定するのが容易となる。

請求項６は、前記入力インピーダンス可変手段は、前記電圧測定手段の入力側に並列に挿入することを特徴とする。
被測定系の電圧を測定する場合は、電圧測定装置をその被測定系に対して並列に接続する。そのとき電圧測定装置の入力インピーダンスも並列に挿入されることになる。従って、その入力インピーダンスを可変にする入力インピーダンス可変手段も電圧測定手段の入力側に並列に挿入する必要がある。これにより、電圧測定装置の入力インピーダンスに代わって、被測定系から見た入力インピーダンスが入力インピーダンス可変手段により設定されたインピーダンスとすることができる。
請求項７は、前記選択手段は、ロータリスイッチにより構成されていることを特徴とする。
複数のインピーダンス素子を確実に切り替えるには、機械的な接点により順次電気的に接続していく必要がある。その意味ではロータリスイッチが最も適している。これにより、複数の異なる値を有するインピーダンス素子を確実に選択することができる。
請求項８は、前記入力インピーダンス可変手段を前記電圧測定手段と別体として構成したことを特徴とする。
本発明は、既製品の電圧測定装置（テスタ）を使用し、その入力部に入力インピーダンス可変手段を別体で構成して電圧測定装置の入力部に接続するものである。これにより、最小限のコストで誘導電圧を抑制して正確な電圧を測定することが可能となり、既製の電圧測定装置をグレードアップすることができる。

請求項９は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の電圧測定装置による電圧測定方法であって、前記被測定系の電圧を測定する場合、前記選択手段により前記無限大の入力インピーダンスを選択したときの測定電圧値が安定するように、前記選択手段により前記入力インピーダンス素子を選択することを特徴とする。
被測定系の電圧を測定する場合、被測定系に正規の電圧が発生している場合と、停電により電圧が発生していない場合がある。その状態は、電圧測定装置を被測定系に接続してみないと判断することができない。そこで本発明の測定方法では、まず、入力インピーダンスを最も大きい状態にするために、選択手段により無限大の入力インピーダンス（開放状態）を選択し、その状態で正規の電圧が測定できれば、停電していないと判断してその電圧を測定電圧とする。また、測定電圧が不安定な場合は、停電していると判断できるので、測定電圧を安定化するために選択手段により入力インピーダンス素子を選択して、測定電圧が安定するまでインピーダンス素子を選択していく。これにより、被測定系の状態判定を正確に行うことができる。

請求項１０は、前記選択手段により前記無限大の入力インピーダンスを選択したときの測定電圧値が安定した場合は、該測定電圧値を正規の電圧測定値とすることを特徴とする。
もともと電圧測定装置には固有の入力インピーダンスが存在する。従って、まず測定時は、この入力インピーダンスにより測定して、その結果が、安定した電圧であれば、誘導電圧による測定値でないと判断できるので、その測定電圧値を正規の電圧測定値とするものである。これにより、正規の電圧を最も大きな入力インピーダンスにより測定することができる。

本発明によれば、被測定系の電圧を測定する電圧測定手段を備えた電圧測定装置であって、電圧測定手段の入力側に入力インピーダンスを可変とする入力インピーダンス可変手段を備えたので、誘導電圧の影響を低減して正確な電圧測定を可能とすることができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の電圧測定装置の構成を示すブロック図である。この電圧測定装置１は、被測定系４の電圧を測定する電圧測定回路（電圧測定手段）３と、電圧測定回路３の入力側に入力インピーダンスを可変とする入力インピーダンス可変部（入力インピーダンス可変手段）２を備えて構成されている。
即ち、電圧測定装置（テスタ）１は、測定時に被測定系４に与える影響を最小限にするために、入力インピーダンスＺｉを極力高くしている。しかし、被測定系４にノイズが存在しなければ問題ないが、例えば、電力系統の電圧を測定する場合、その電力系統には高圧回路からの電磁誘導等により誘導電圧やノイズが重畳する。この誘導電圧やノイズのレベルは実際の電圧に比べて低いので、正規の電圧を測定する場合はさほど問題にならないが、電力系統が停電した場合は、この誘導電圧やノイズを敏感に検出するので、停電を正確に判定することが困難になる場合もある。そこで本実施形態では、このような場合に、入力インピーダンスＺｉを変更できるように入力インピーダンス可変部２を備えるものである。これにより、停電時の誘導電圧やノイズの影響を抑圧して、停電の判定を正確に行うことができる。

図２は本発明の入力インピーダンス可変部の一例を示す構成図である。この入力インピーダンス可変部２は、例えば、複数のインピーダンス素子６（本実施けたいではＲ１〜Ｒ３）と、入力インピーダンス素子６の何れか１つを選択するロータリスイッチ（選択手段）５と、を備えている。そして、線路７、８間にロータリスイッチ５と入力インピーダンス素子６を直列接続している。また、ロータリスイッチ５の接点ｆを開放として、インピーダンス無限大の状態（電圧測定回路３の入力インピーダンスＺｉだけ）が存在するように構成している。また、端子ａ、ｂ側に被測定系４を接続し、端子ｃ、ｄ側に電圧測定回路３を接続する。そして、被測定系４の電圧測定時は、ロータリスイッチ５により入力インピーダンス素子６の何れか１つを選択した状態とする。
即ち、交流回路の入力インピーダンスを変更するには、抵抗、コンデンサ或いはインダクタンスといったインピーダンス素子と、それらが複数ある場合は、何れかを選択するロータリスイッチ５が必要である。そして、電圧を測定するときに何れかのインピーダンス素子６を選択して回路に接続するものである。これにより、測定時に何らかの入力インピーダンスが挿入されて、誘導電圧やノイズを低減することができる。

図３は本発明の電圧測定装置の外観を示す図である。電圧測定装置は携帯に便利なように小型、軽量に作られていることが重要である。この電圧測定装置１はカバー１０と、ロータリスイッチ５を操作するつまみ１１と、測定電圧を表示するメータ１３と、被測定系４に接続させるプローブ１４と、を備えている。また、つまみ１１の回転位置を明示するためにカバー表面に名称１２が記されている。例えば、ロータリスイッチ５の接点がｆにある場合は「開放」の位置につまみ１１が停止する。尚、この例では電圧測定装置１の内部には、入力インピーダンス可変部２が収納されているが、別体で入力インピーダンス可変部２を構成して、既製の電圧測定装置とプローブとの間に挿入するようにしても良い。

図４は本発明の電圧測定装置を使用して被測定系の電圧を測定するときの入力インピーダンス可変部の操作を説明するための図である。この例では、被測定系４として商用電力線を例にとり説明する。図４（ａ）は商用電力線に正規の電圧が発生している場合、図４（ｂ）は商用電力線が断線等により停電した場合を示している。
まず図４（ａ）を参照すると、測定を開始する場合は、ロータリスイッチ５を操作して、接点をｆ（開放）の位置に設定する。この状態では被測定系４側からみた電圧測定装置１の入力インピーダンスＺｉは、Ｚｉ＝Ｃｉ・Ｒｉ／Ｃｉ＋Ｒｉとなる。このとき式１に示すように、
Ｅｍ＝Ｅ・［Ｚｉ／（Ｚｏ＋Ｚｉ）］
となるので、ＺｉがＺｏに比べて遥かに大きければ、Ｅｍ≒Ｅとなる。即ち、Ｅ＝１００Ｖの電圧が電圧計１３にＥｍとして表示される。

次に、図４（ｂ）に示すように、何らかの原因で被測定系４の電力線がＰ点で切断して停電となった場合について説明する。このとき電圧測定装置１側からみた出力インピーダンスＺｏはオープン状態となって非常に高くなる。そのため被測定系４には誘導電圧Ｅｎが重畳する。このとき、電圧測定装置１のロータリスイッチ５の接点をｆ（開放）の位置にしておくと、入力インピーダンスＺｉが大きいので、電圧計１３には不安定な誘導電圧Ｅｎが表示される。操作者は電圧計１３の針の振れ方をみて、値が安定しない場合は誘導電圧であると判断して、ロータリスイッチ５のつまみ１１を回転して接点をｇに切り替える。接点ｇにはインピーダンス素子Ｒ１が接続されているので、入力インピーダンスは略Ｒ１となる。このとき誘導電圧のレベルはＥｎ・（Ｒ１／Ｚｏ＋Ｒ１）となり、電圧計１３の表示は低下すると共に、振れ方が安定する。尚、この例ではＺｏがＲ１より大きい場合であるので、誘導電圧Ｅｎの値はそれに略反比例して小さくなる。このように、ロータリスイッチ５を操作して、入力インピーダンスを可変にしたときに、電圧計１３の指示が小さくなり、安定した場合は、被測定系４が停電したと判定することができる。この状態で、被測定系が停電から復帰して正規の電圧が発生した場合は、入力インピーダンスＲ１〜Ｒ３にそのときの電流が流れるが、出力インピーダンスＺｏがＲ１〜Ｒ３に比べて遥かに小さいので、電圧が低下することはない。
尚、この例では、被測定系４の電力線が切断した場合について説明したが、送電線からの送電が停止して停電になった場合についても、同じように対応することができる。

図５は本発明の電圧測定装置の操作方法を説明するフローチャートである。まず、ロータリスイッチ５を接点ｆの「開放」の位置にセットする（Ｓ１）。次に被測定系４にプローブ１４を接続して被測定系４の電圧が正常値か否かを電圧計１３から読み取る（Ｓ２）。このとき電圧計１３の表示が正常値であれば（予め正常値がわかっている場合）（Ｓ２でＹＥＳ）、その時点で終了する。ステップＳ２で電圧が正常値でなく、且つ振れ方が安定しない場合（Ｓ２でＮＯ）停電が発生したと判断して、ロータリスイッチ５を接点ｇのＲ１の位置にセットする（Ｓ３）。ここで再度電圧計１３の値を読み取り、電圧計１３の振れが安定したか否かを読み取る（Ｓ４）。ステップＳ４で安定した場合は（Ｓ４でＹＥＳ）その電圧値を測定して、停電か否かをその電圧値から判定する（Ｓ５）。一方、ステップＳ４で振れが安定しない場合は（Ｓ４でＮＯ）、入力インピーダンスが高いので、ロータリスイッチ５を接点ｈのＲ２に切り替え（Ｓ６）、再び電圧計１３の振れが安定したか否かを読み取り（Ｓ４）、安定するまで繰り返す。

本発明の電圧測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の入力インピーダンス可変部の一例を示す構成図である。 本発明の電圧測定装置の外観を示す図である。 本発明の電圧測定装置を使用して被測定系の電圧を測定するときの入力インピーダンス可変部の操作を説明するための図である。 本発明の電圧測定装置の操作方法を説明するフローチャートである。 一般的な交流系の入力インピーダンスと出力インピーダンスを説明する等価回路図である。

符号の説明

１ 電圧測定装置、２ 入力インピーダンス可変部、３ 電圧測定回路、４ 被測定系、５ ロータリスイッチ、６ インピーダンス素子、７ 線路、８ 線路、１０ カバー、１１ つまみ、１２ 名称、１３ 電圧計

Claims (10)

1. 被測定系の電圧を測定する電圧測定手段を備えた電圧測定装置であって、
   前記電圧測定手段の入力側に入力インピーダンスを可変とする入力インピーダンス可変手段を備えたことを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記入力インピーダンス可変手段は、少なくとも１種類のインピーダンス素子と、前記入力インピーダンス素子を選択する選択手段と、を備え、
   前記被測定系の電圧測定時は、前記選択手段により前記入力インピーダンス素子を選択した状態とすることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記入力インピーダンス可変手段には、無限大の入力インピーダンスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧測定装置。
4. 前記入力インピーダンス素子は、前記被測定系の出力インピーダンスに比べて大きいインピーダンス値を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電圧測定装置。
5. 前記入力インピーダンス素子は、抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電圧測定装置。
6. 前記入力インピーダンス可変手段は、前記電圧測定手段の入力側に並列に挿入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電圧測定装置。
7. 前記選択手段は、ロータリスイッチにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の電圧測定装置。
8. 前記入力インピーダンス可変手段を前記電圧測定手段と別体として構成したことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の電圧測定装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の電圧測定装置による電圧測定方法であって、
   前記被測定系の電圧を測定する場合、前記選択手段により前記無限大の入力インピーダンスを選択したときの測定電圧値が安定するように、前記選択手段により前記入力インピーダンス素子を選択することを特徴とする電圧測定方法。
10. 前記選択手段により前記無限大の入力インピーダンスを選択したときの測定電圧値が安定した場合は、該測定電圧値を正規の電圧測定値とすることを特徴とする請求項９に記載の電圧測定方法。

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