JP2017009606A - 大気電界検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現する。【解決手段】受信アンテナ1は、板状誘電体13を間に挟んで対向する第1および第2電極11,12を有する。電子回路部5は、第1および第2電極11,12間に発生する電圧を検知する。信号線21,22は、第1および第2電極11,12と電子回路部5とをそれぞれ接続する。電子回路部5は、信号線21,22と接続されたCR構成のフィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタ30と、フィルタ30の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器40とを備えている。【選択図】図1
Description
本発明は、雷雲の成長過程における地上での電界強度の変化を測定するための装置に関する。
落雷とは、雷雲底から大地へ向けて先駆放電(ステップトリーダ)が繰り返し放たれ、大気の絶縁が破壊される過程を経て、雷雲と大地との間で全路放電する現象のことをいう。落雷の発生を予測するためには、雷雲と大地との間における大気電界の挙動に関する時空間情報を把握することが重要である。大気電界の状態を高い信頼度で検出できると、的確な雷予報が可能になる。すなわち、地上電界の時間空間変化を測定し、大気がやがて放電破壊に至るであろうと推測できるような電界変化が起これば、落雷の危険ありと判断すればよい。
従来は、直流の地上電界の測定には、通常、回転電極型電界計が用いられている。回転電極型電界計では、回転する接地遮蔽板すなわち回転電極による開閉動作により、大気電界相当の電荷量を固定電極で収集測定する。例えば非特許文献1では、回転電極形電界計で地上電界測定を行う場合において、電界計の校正法を検討するとともに、冬期雷に対する雷撃時の基本的地上電界波形について、理論的に検討した結果を取りまとめている。また、回転電極型電界計の原理は、高圧直流電界測定装置としても応用されている(例えば非特許文献2を参照)。
相原他、「冬期雷地上電界測定時における測定誤差と電界波形の推定」、財団法人電力中央研究所、電力中央研究所報告、研究報告:T94069、平成7年6月
Tant, P., Bolsens, B., Sels, T., Van Dommelen, D., Driesen, J., Belmans, R., "Design and Application of a Field Mill as a High-Voltage DC Meter", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.56, NO.4, AUGUST 2007
ところが、上述した回転電極型電界計では、接地遮蔽板を一定速度で回転させるための電動駆動機構を必要としていた。すなわち、電界測定を行うための回路に加えて、回転電極を一定速度で回転させるための回路装置が必要であり、このため、装置が大がかりなものになっていた。また、酷寒期では着氷により遮蔽板が回転しなくなり、測定不能となってしまう、あるいは、小昆虫が駆動機構内に入り込み、収集測定した電荷量に大きな誤差が生じてしまう、等、長期間の連続測定を行う上で多くの問題点を有していた。
本発明は、前記のような問題に鑑み、回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現するものである。
本発明の一態様では、大気電界検出装置は、板状誘電体を挟んで対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記第1信号線と接続されたCR構成の第1フィルタ回路、および、前記第2信号線と接続されたCR構成の第2フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタと、前記第1および第2フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている。
この態様によると、大気電界によって受信アンテナの第1および第2電極間に発生した電圧が、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送され、フィルタによって信号帯域が制限されてから、差動信号として差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。
そして、前記第1および第2電極は、例えば、平面形状が、円形状または円環状である。
また、前記信号線部は、前記第1および第2信号線を覆う遮蔽導体を有する遮蔽ケーブルを含み、前記遮蔽導体は、前記フィルタの共通電位端子、および、前記差動増幅器の参照電圧端子と共通に接地されていてもよい。
これにより、第1および第2電極の電圧信号が電子回路部に伝送される際の、電源周波数などのコモンモードノイズ耐性を強化することができる。
また、前記第1および第2フィルタ回路は、時定数を設定可能なように、または調整可能なように、構成されていてもよい。
これにより、第1および第2フィルタ回路の周波数特性を、設定または調整することができるので、大気電界検出を行う周波数帯域を容易に設定することができる。
また、前記差動増幅器は、利得調整抵抗が付加されていてもよい。
これにより、差動増幅器の出力電圧レベルを利得調整抵抗によって調整できるので、大気電界検出を行う周波数帯域に応じた利得調整が可能になる。
また、前記大気電界検出装置において、前記受信アンテナは、前記板状誘電体を挟んで対向する第3および第4電極をさらに有しており、前記信号線部は、前記第3電極と前記電子回路部とを接続する第3信号線、および、前記第4電極と前記電子回路部とを接続する第4信号線をさらに備え、前記電子回路部は、前記第3信号線と接続されたCR構成の第3フィルタ回路、および、前記第4信号線と接続されたCR構成の第4フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するための第2フィルタと、前記第3および第4フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する第2差動増幅器とを備えており、前記フィルタの時定数と、前記第2フィルタの時定数とは、異なっているものとしてもよい。
これにより、大気電界を検出する測定系が2系統設けられたので、より広い周波数帯域において、電界変動を検出することができる。
そして、前記第1および第2電極は、例えば、平面形状が、円環状であり、前記第3および第4電極は、例えば、平面視において、円環状である前記第1および第2電極の内側に設けられており、平面形状が、円形状または円環状である。
本発明の別の態様では、大気電界検出装置は、板状誘電体を挟んで対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記信号線部を経由して平衡伝送された信号におけるDC信号成分を、所定周波数のAC信号成分に変換するDC/AC変換回路と、前記DC/AC変換回路の出力信号に対して、前記所定周波数を含む所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成された帯域フィルタと、前記帯域フィルタの出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備え、前記DC/AC変換回路は、前記第1信号線と前記第2信号線との間に設けられており、容量値を変動可能に構成された3端子可変キャパシタを備え、前記3端子可変キャパシタの容量値を前記所定周波数でもって変動させる。
この態様によると、大気電界によって受信アンテナの第1および第2電極間に発生した電圧が、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。この電圧のうち、直流大気電界による電圧は、容量値の変動が可能な3端子可変キャパシタを備えたDC/AC変換回路によって、所定の周波数のAC信号成分に変換され、帯域フィルタによって不要ノイズが除去されてから、差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、直流大気電界を精度良く測定することができる。
そして、前記3端子可変キャパシタは、第1および第2固定電極と、前記第1および第2固定電極の間に設けられた補助電極と、前記第1および第2固定電極の間に設けられた接地電極と、前記補助電極と前記接地電極との接続/非接続を、開閉動作により、切り替え可能に構成されたスイッチとを備えたものであるのが好ましい。
これにより、補助電極および接地電極を振動させることなく、スイッチの開閉動作によって容量値を変動させることができるので、動作がより安定した機構になる。
本発明によると、回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図1において、受信アンテナ1は、大気電界Eaを電圧に変換するものであり、板状誘電体13を挟んで対向する第1電極11および第2電極12を有している。受信アンテナ1は、ほぼ水平になるように設置される。すなわち、電極表面が、雷雲と大地との間に発生する雷電界方向に直交するように、言い換えると、電極表面の法線方向がほぼ鉛直方向になるように、受信アンテナ1を配置する。
図1は本発明の第1実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図1において、受信アンテナ1は、大気電界Eaを電圧に変換するものであり、板状誘電体13を挟んで対向する第1電極11および第2電極12を有している。受信アンテナ1は、ほぼ水平になるように設置される。すなわち、電極表面が、雷雲と大地との間に発生する雷電界方向に直交するように、言い換えると、電極表面の法線方向がほぼ鉛直方向になるように、受信アンテナ1を配置する。
電子回路部5は、第1および第2電極11,12間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号を出力する。信号線部20は、第1および第2信号線21,22を覆う遮蔽導体24を有する遮蔽ケーブル23を備えており、第1信号線21は第1電極11と電子回路部5とを接続し、第2信号線22は第2電極12と電子回路部5とを接続している。遮蔽ケーブル23の遮蔽導体24は接地されている。信号線部20は、信号電圧を平衡伝送するとともに、伝送する信号の基準電位を確保する。
電子回路部5は、信号線部20を経由して平衡伝送された信号の帯域制限を行うことによって、受信帯域を制限するためのフィルタ30と、フィルタ30の出力を差動増幅する差動増幅器40とを備えている。差動増幅器40の出力が、電子回路部5の出力信号となる。この出力信号から、例えば信号処理等によって、実用的な信号を取得し、これを例えば雷予知に活かすことができる。
図2は本実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例である。図2において、受信アンテナ1は、静電容量C0によって表されている。また、遮蔽ケーブル23は、第1および第2信号線21,22とグラウンドとの間にある静電容量Ccによって表されている。図2では、遮蔽ケーブル23の遮蔽導体24は、フィルタ30の共通電位端子、および、後述する差動増幅器40の参照電圧端子refと共通に、接地されている。これにより、第1および第2電極11,12の電圧信号が電子回路部5に伝送される際のノイズ耐性が強化されている。
フィルタ30は、第1信号線21と接続されたCR構成の第1フィルタ回路31と、第2信号線22と接続されたCR構成の第2フィルタ回路32とを備えている。ここで、CR構成とは、容量素子(C)と抵抗素子(R)とを備えた構成のことをいう。図2では、第1フィルタ回路31は、直列に接続された容量素子C1および抵抗素子R1と、他の抵抗素子R1とが並列に接続された構成になっている。第2フィルタ回路32も第1フィルタ回路31と同様の構成である。容量素子C1の容量値、および抵抗素子R1の抵抗値を適宜設定することによって、第1および第2フィルタ回路31,32の時定数を所望の値に設定することができる。例えば、可変容量素子や可変抵抗素子を用いることによって、時定数を調整可能なように、フィルタを構成することができる。あるいは、容量素子や抵抗素子を交換可能な構成にすることによって、時定数を設定可能なように、フィルタを構成することができる。なお、フィルタ回路の構成は、ここで示したものに限られるものではない。
差動増幅器40は、オペアンプ41を備えている。オペアンプ41は、第1フィルタ回路31の出力を反転入力として受けるとともに、第2フィルタ回路32の出力を非反転入力として受ける。すなわち、差増増幅器40は、第1および第2フィルタ回路31,32の出力を差動入力として受け、増幅する。差動増幅器40の参照電圧端子refは接地されている。また、オペアンプ41は、利得調整を行うための利得設定抵抗RGが付加されている。
このような構成によって、大気電界Eaによって受信アンテナ1の第1および第2電極11,12間に発生した電圧が、信号線部20を経由して電子回路部5に平衡伝送され、フィルタ30によって信号帯域が制限されてから、差動信号として差動増幅器40によって増幅される。これにより、回転部を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。
図3Aおよび図3Bは受信アンテナ1の電極形状の例である。図3Aでは、円形の誘電体13の表面に、平面形状が円形状の第1電極11が設けられている。なお図3Aでは図示を省略しているが、誘電体13の裏面にも、第1電極11と同一形状の第2電極12が設けられている(図3Bも同様)。図3Bでは、円形の誘電体11の表面に、平面形状が、円環状の第1電極11が設けられている。なお、受信アンテナにおける電極形状は、その他にも様々なものが考えられる。例えば、方形状であってもよいし、六角形等の多角形状であってもよい。あるいは、複数の電極片が電気的に接続された形状であってもよい。また、図3Bにおいて、円環状の代わりに、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。また、第1電極11および第2電極12は、互いに同一形状であり等面積であることが好ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。
図4は受信アンテナ1の形状の一例を詳細に示す図であり、(a)は平面図、(b)は断面図である。図4の受信アンテナ1は、円形の板状誘電体13の中央部に孔14が形成されている。そして、誘電体13の両面に設けられた第1および第2電極11,12は、平面視において、孔14を囲うように円環状に形成されている。なお、図4において、円環状の代わりに、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。
図5は本実施形態に係る大気電界検出装置の外観構成例を示す概略図である。図5では、設置した大気電界検出装置の縦断面構造を模式的に示している。図5の構成では、受信アンテナ1は、図4に示すように、中央部に孔14が形成されているものとしている。そして、例えば基板上に構成された電子回路部5を収納するケース15が、受信アンテナ1に形成された孔14の中に位置するように設けられている。符号16は受信アンテナ1を保護するための被覆部、符号17は受信アンテナ1を支えるためのパイプである。
図5に示すように、孔14が中央部に形成された受信アンテナ1を用いることによって、電子回路部5を受信アンテナ1の孔14の部分に配置することができる。これにより、大気電界検出装置をコンパクトに構成することができるとともに、大気電界の検出に対して電子回路部5の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。
なお、図5では、中央部に孔14が形成されている受信アンテナ1を用いた装置構成を示したが、孔が空いていない受信アンテナ1を用いた構成においても、同様の効果を得ることができる。例えば図3Bの場合には、平面視において、すなわち、鉛直方向に見て、電子回路部5を収納するケース15が、受信アンテナ1の中央部に位置するように配置すればよい。この構成でも、大気電界の検出に対して電子回路部5の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。なお、図3Aの場合には、電子回路部5は、受信アンテナ1から十分に離して設置すればよい。
すなわち、電極11,12の平面形状を環状とし、平面視において、電子回路部5を、環状である電極11,12の中央部に位置するように配置することによって、大気電界の検出に対して電子回路部5の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。なお、ここでいう環状とは、円環状に限られるものではなく、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。
以上のように本実施形態によると、従来の回転電極型電界計のように回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。すなわち、大気電界Eaによって受信アンテナ1の第1および第2電極11,12間に発生した電圧が、信号線部20を経由して電子回路部5に平衡伝送され、フィルタ30によって信号帯域が制限されてから、差動信号として差動増幅器40によって増幅される。また、信号線部20の遮蔽導体24は、フィルタ30の接地端子や差動増幅器40の参照電圧端子refと共通に接地されているため、第1および第2電極11,12の電圧信号が電子回路部5に伝送される際のノイズ耐性が強化されている。また、第1および第2フィルタ回路31,32の周波数特性を設定または調整することができるので、大気電界検出を行う周波数帯域を容易に設定することができる。また、差動増幅器40の出力電圧レベルを利得調整抵抗RGによって調整できるので、大気電界検出を行う周波数帯域に応じた利得調整が可能になる。
なお、落雷に至る雷雲電界では、極めて緩慢な電界変動や、瞬間的な高周波成分を含む電界変動が生じるので、これらを同時に検出できることが好ましい。本願発明者等の実験の結果、例えば図6のようなデータが得られた。図6のグラフは、フィルタ30の時定数を20秒、および、1m秒に設定した場合における、出力電圧の周波数特性を示す。図6から分かるように、周期が数10秒程度の極めて緩慢な電界変動から、周波数が10kHz程度の電界変動までを併せて検出することができた。このように本実施形態によって、回転電極型電界計に比べて広帯域の周波数特性を実現できる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態では、大気電界検出装置は、大気電界を検出する測定系を2系統備えた構成とする。基本的な構成は第1実施形態と同様である。
本発明の第2実施形態では、大気電界検出装置は、大気電界を検出する測定系を2系統備えた構成とする。基本的な構成は第1実施形態と同様である。
図7は本発明の第2実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図7において、受信アンテナ2は、大気電界Eaを電圧に変換するものであり、板状誘電体13を挟んで対向する第1電極11Aおよび第2電極12A、並びに、板状誘電体13を挟んで対向する第3電極11Bおよび第4電極12Bを有している。受信アンテナ2は、ほぼ水平になるように設置される。すなわち、電極表面が、雷雲と大地との間に発生する雷電界方向に直交するように、言い換えると、電極表面の法線方向がほぼ鉛直方向になるように、受信アンテナ2を配置する。
電子回路部6は、第1および第2電極11A,12A間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号Aを出力する。また、電子回路部6は、第3および第4電極11B,12B間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号Bを出力する。信号線部25は、第1および第2信号線21A,22Aを覆う遮蔽導体24Aを有する遮蔽ケーブル23Aと、第3および第4信号線21B,22Bを覆う遮蔽導体24Bを有する遮蔽ケーブル23Bとを備えている。第1信号線21Aは第1電極11Aと電子回路部6とを接続し、第2信号線22Aは第2電極12Aと電子回路部6とを接続する。また、第3信号線21Bは第3電極11Bと電子回路部6とを接続し、第4信号線22Bは第4電極12Bと電子回路部6とを接続する。遮蔽ケーブル23A,23Bの遮蔽導体24A,24Bは接地されている。信号線部25は、信号電圧を平衡伝送するとともに、伝送する信号の基準電位を確保する。
電子回路部6は、信号線部25を経由して平衡伝送された信号の帯域制限を行うことによって、受信帯域を制限するためのフィルタ30A,30Bと、フィルタ30A,30Bの出力をそれぞれ差動増幅する差動増幅器40A,40Bとを備えている。差動増幅器40A,40Bの出力が、それぞれ、電子回路部6の出力信号A,Bとなる。フィルタ30A,30Bおよび差動増幅器40A,40Bの回路構成は、例えば図2に示したものと同様である。すなわち、例えば、フィルタ30Aは、第1信号線21Aと接続されたCR構成の第1フィルタ回路と、第2信号線22Aと接続されたCR構成の第2フィルタ回路とを備えている。差動増幅器40Aは、第1フィルタ回路の出力を反転入力として受けるとともに、第2フィルタ回路の出力を非反転入力として受けるオペアンプを備えている。同様に、例えば、フィルタ30Bは、第3信号線21Bと接続されたCR構成の第3フィルタ回路と、第4信号線22Bと接続されたCR構成の第4フィルタ回路とを備えている。差動増幅器40Bは、第3フィルタ回路の出力を反転入力として受けるとともに、第4フィルタ回路の出力を非反転入力として受けるオペアンプを備えている。
そして、フィルタ30Aの時定数と、フィルタ30Bの時定数とは、異なっている。すなわち、フィルタ30Aとフィルタ30Bの時定数が互いに異なるように、各フィルタ回路の容量値や抵抗値が調整されている。これにより、第1実施形態と比べてより広い周波数帯域にわたって、電界変動を検出することができる。
図8Aおよび図8Bは受信アンテナ2の電極形状の例である。図8Aでは、円形の誘電体13の表面に、平面形状が円環状の電極11Aと、電極11Aと同心の円形状の電極11Bとが設けられている。なお図8Aでは図示を省略しているが、誘電体13の裏面にも、第1電極11Aと同一形状の第2電極12Aと、第3電極11Bと同一形状の第4電極12Bとが設けられている(図8Bも同様)。図8Bでは、円形の誘電体11の表面に、平面形状が円環状の電極11Aと、電極11Aと同心の円環状の電極11Bとが形成されている。なお、受信アンテナにおける2組の電極形状は、その他にも様々なものが考えられる。例えば、方形状であってもよいし、六角形等の多角形状であってもよい。あるいは、複数の電極片が電気的に接続された形状であってもよい。また、円環状の代わりに、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。
また、第1電極11Aおよび第2電極12Aは、互いに同一形状であり等面積であることが好ましく、第3電極11Bおよび第4電極12Bは、互いに同一形状であり等面積であることが好ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。また、第1および第2電極11A,12Aと、第3および第4電極11B,12Bとは、面積がほぼ等しいことが好ましい。これにより、広い周波数帯域において、電界検出特性を安定させることが容易になる。
図9は本実施形態に係る大気電界検出装置の外観構成例を示す概略図である。図9では、設置した大気電界検出装置の縦断面構造を模式的に示している。図9の構成では、受信アンテナ2は、図8Bに示すような構造であり、かつ、中央部に孔14が形成されているものとしている。図5の構成と同様に、例えば基板上に構成された電子回路部6を収納するケース15が、受信アンテナ2に形成された孔14の中に位置するように設けられている。また、図5と同様に、符号16は受信アンテナ2を保護するための被覆部、符号17は受信アンテナ2を支えるためのパイプである。
図9に示すように、孔14が中央部に形成された受信アンテナ2を用いることによって、電子回路部6を受信アンテナ2の孔14の部分に配置することができる。これにより、大気電界検出装置をコンパクトに構成することができるとともに、大気電界の検出に対して電子回路部6の存在によって生じる影響を抑えることができる。
なお、図8では、中央部に孔14が形成されている受信アンテナ2を用いた装置構成を示したが、孔が空いていない受信アンテナ2を用いた構成においても、同様の効果を得ることができる。すなわち、平面視において、すなわち、鉛直方向に見て、電子回路部5を収納するケース15が、受信アンテナ2の中央部に位置するように配置すればよい。この構成でも、大気電界の検出に対して電子回路部6の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。
以上のように本実施形態によると、第1実施形態と同様に、従来の回転電極型電界計のように回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。さらに、大気電界を検出する測定系が2系統設けられたので、より広い周波数帯域において、電界変動を検出することができる。
なお、本願発明者らの実験の結果、フィルタ30Aの時定数を10秒程度に調整し、フィルタ30Bの時定数を1/1000秒程度に調整することによって、周期が数10秒程度の極めて緩慢な電界変動から、周波数が100kHz程度の高速電界変動までを検出することができた。このように本実施形態によって、同一測定箇所での同一状態における広帯域の電界変動を容易に検出することができる。すなわち、晴天時の地上電界は0.1kV/mの直流電界であるが、雷雲電荷が不安定な雷雨時になると直流成分に交流成分が加わり電界振幅は晴天時の10倍程度に増加し、さらに落雷時の地上電界は落雷の端緒となる上下方向リーダの同時発現により、直流成分に交流成分と高周波成分までも加わるため,最大振幅は20kV/mに到達することもある。このような振幅変動幅が200倍程度で直流から高周波成分までを含む地上付近の大気電界の受信が本実施形態によって可能となる。
(第3実施形態)
図10は本発明の第3実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図10の構成は、図1の構成において、直流大気電界(DC−AEF)を検出可能にするものであり、電子回路部5Aの前段にDC/AC変換回路50が縦続接続されている。図10において、図1と共通の構成要素には図1と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
図10は本発明の第3実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図10の構成は、図1の構成において、直流大気電界(DC−AEF)を検出可能にするものであり、電子回路部5Aの前段にDC/AC変換回路50が縦続接続されている。図10において、図1と共通の構成要素には図1と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。
電子回路部5Aは、信号線部20を経由して平衡伝送された信号におけるDC信号成分を、所定周波数のAC信号成分に変換するDC/AC変換回路50と、DC/AC変換回路50の出力信号に対して周波数弁別を行う帯域フィルタ60と、帯域フィルタ60の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器40とを備えている。帯域フィルタ60は、DC/AC変換回路50において変換がなされる所定周波数を含む、所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成されている。第1実施形態と同様に、差動増幅器40の出力が、電子回路部5Aの出力信号となる。この出力信号から、例えば信号処理等によって、実用的な信号を取得し、これを例えば雷予知に活かすことができる。
図11は本実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例である。図11において、図2と共通の構成要素には図2と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。DC/AC変換回路50は、受信電荷の減衰を抑制するためのバッファアンプ51A,51B,52A,52Bと、容量値Cvを変動させることが可能な3端子構成のキャパシタである3端子可変キャパシタ53と、直流電荷の蓄積に起因した差動増幅器40への過電圧入力を回避するための放電回路54とを備える。帯域フィルタ60は、第1信号線21側に設けられた第1バンドパスフィルタ(BPF)61と、第2信号線22側に設けられた第2バンドパスフィルタ(BPF)62とを備えている。第1および第2BPF61,62は、例えば、可変容量素子と可変抵抗素子とを用いたCR構成とすればよい。
図12は3端子可変キャパシタ53の構成の一例である。図12の例では、3端子可変キャパシタ53は、固定電極e1が第1信号線21側に接続されており、固定電極e2が第2信号線22側に接続されている。固定電極e1,e2の間に補助電極e3が設けられており、スイッチSW1は、補助電極e3と接地電極egとの接続/非接続を、開閉動作により切り替え可能に構成されている。すなわち、スイッチSW1の開閉動作によって、補助電極e3が電気的に接地電極egに接続されたり、接地電極egから切り離されたりする。DC/AC変換回路50は、スイッチSW1の開閉動作を所定周波数でもって繰り返し行うことによって、3端子可変キャパシタ53の容量値をその周波数で変動させることができる。
なお、3端子可変キャパシタ53の構成はここで示したものに限られるものではない。図13は3端子可変キャパシタ53の他の構成例である。例えば、図13(a)に示すように、接地された振動電極を固定電極の間に設けて、この振動電極を固定電極に接触させることなく上下に振動させる構成としてもよい。あるいは、図13(b)に示すように、接地された振動電極を固定電極の間に設けて、この振動電極を固定電極に接触させることなく斜めに振動させる構成としてもよい。または、図13(c)に示すように、固定電極の間に、接地された振動電極と圧電素子とを設けて、圧電素子の制御によって、振動電極を固定電極に接触させることなく上下に振動させる構成としてもよい。ただし、図12の構成は、図13の構成例と比べると、固定電極e1,e2間にある補助電極e3および接地電極egを振動させる必要がなく、補助電極e3と接地電極egを静止させた状態でスイッチSW1の開閉動作によって容量値を変動させることができる。したがって、動作がより安定した機構であり、長期間の連続測定に適している、といえる。
図14は放電回路54の構成の一例である。図14の例では、放電回路54は、オペアンプ54a,54bと、RC並列回路からなる負帰還回路54c,54dとによって構成されている。
DC−AC変換回路50は、DC−ACF受信による直流電荷を、3端子可変キャパシタ53を介して、所定周波数で変化する交流電圧(AC信号)に変換する。帯域フィルタ60は、帯域制限により、不要ノイズを除去してこのAC信号のみを通過させる。この場合の差動増幅器40の出力から、直流大気電界を検出することができる。すなわち、本実施形態によると、変化のない電界や変化が非常に遅い電界についても、回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、検出することができる。また、帯域フィルタ60による周波数弁別によって、他の周波数成分も併せて観測することができるので、交流大気電界(AC−AEF)やパルス大気電界(PULSE−AEF)も、直流大気電界とともに検出することができる。また、可変容量機構が3端子構成になっており、信号線部20の平衡2線系と平衡構成での接続になっている。このため、不要誘起電圧の発生が抑制される。
図15は上述した構成の実験装置を用いて得られた計測結果の一例を示すグラフである。図15において、横軸は実験装置に印加した直流電界、縦軸は実験装置の出力である。なお、縦軸の出力は最初の出力値による規格化出力としている。3端子可変キャパシタ53の容量値は、周波数1Hzで変動させている。図15から分かるように、本実験装置によって、印加した直流電圧に対して、ほぼ比例した出力が得られている。なお、図15のデータは、低電界領域(20V/cm以下)における直流電界の検出結果を示しているが、この低電界領域は、雷雲発生から確率雷発現までの直流大気電界の強さに対応するものであり、雷予測を行う上で重要な領域である。
(他の実施形態)
さらに、大気電界検出装置を、大気電界を検出する測定系を3系統以上備えた構成としてもよい。例えば、図16のように、電極11A,11B,11Cを3重の同心円環状に構成し、対向する電極の組それぞれについて、大気電界により発生する電圧を検出する回路構成を設ければよい。これにより、第2実施形態の装置構成で測定される周波数範囲と比べて、さらなる高周波領域を含む広い周波数領域において、大気電界を検出することができる。
さらに、大気電界検出装置を、大気電界を検出する測定系を3系統以上備えた構成としてもよい。例えば、図16のように、電極11A,11B,11Cを3重の同心円環状に構成し、対向する電極の組それぞれについて、大気電界により発生する電圧を検出する回路構成を設ければよい。これにより、第2実施形態の装置構成で測定される周波数範囲と比べて、さらなる高周波領域を含む広い周波数領域において、大気電界を検出することができる。
本発明では、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く安定した動作が可能な大気電界検出装置を実現できるので、例えば、本発明に係る装置を広範囲に3ヶ所以上定点配置した雷観測法により雷予測の精度向上が可能となる。また、電界センサ部は小型軽量であるため、高電圧機器周辺に任意配置して通電時の絶縁検査装置にも有用である。
1,2 受信アンテナ
5,6 電子回路部
5A 電子回路部
11,11A 第1電極
11B 第3電極
12,12A 第2電極
12B 第4電極
13 板状誘電体
14 孔
15 ケース
20 信号線部
21,21A 第1信号線
21B 第3信号線
22,22A 第2信号線
22B 第4信号線
23,23A,23B 遮蔽ケーブル
24,24A,24B 遮蔽導体
25 信号線部
30,30A,30B フィルタ
31 第1フィルタ回路
32 第2フィルタ回路
40,40A,40B 差動増幅器
41 オペアンプ
50 DC/AC変換回路
53 3端子可変キャパシタ
60 帯域フィルタ
Ea 大気電界
RG 利得調整抵抗
ref 参照電圧端子
e1,e2 固定電極
e3 補助電極
eg 接地電極
SW1 スイッチ
5,6 電子回路部
5A 電子回路部
11,11A 第1電極
11B 第3電極
12,12A 第2電極
12B 第4電極
13 板状誘電体
14 孔
15 ケース
20 信号線部
21,21A 第1信号線
21B 第3信号線
22,22A 第2信号線
22B 第4信号線
23,23A,23B 遮蔽ケーブル
24,24A,24B 遮蔽導体
25 信号線部
30,30A,30B フィルタ
31 第1フィルタ回路
32 第2フィルタ回路
40,40A,40B 差動増幅器
41 オペアンプ
50 DC/AC変換回路
53 3端子可変キャパシタ
60 帯域フィルタ
Ea 大気電界
RG 利得調整抵抗
ref 参照電圧端子
e1,e2 固定電極
e3 補助電極
eg 接地電極
SW1 スイッチ
Claims (9)
- 板状誘電体を挟んで対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、
前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、
前記電子回路部は、
前記第1信号線と接続されたCR構成の第1フィルタ回路、および、前記第2信号線と接続されたCR構成の第2フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタと、
前記第1および第2フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記第1および第2電極は、平面形状が、円形状または円環状である
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記信号線部は、前記第1および第2信号線を覆う遮蔽導体を有する遮蔽ケーブルを含み、
前記遮蔽導体は、前記フィルタの共通電位端子、および、前記差動増幅器の参照電圧端子と共通に、接地されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記第1および第2フィルタ回路は、時定数を設定可能なように、または調整可能なように、構成されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記差動増幅器は、利得調整抵抗が付加されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項1記載の大気電界検出装置において、
前記受信アンテナは、前記板状誘電体を挟んで対向する第3および第4電極をさらに有しており、
前記信号線部は、前記第3電極と前記電子回路部とを接続する第3信号線、および、前記第4電極と前記電子回路部とを接続する第4信号線をさらに備え、
前記電子回路部は、
前記第3信号線と接続されたCR構成の第3フィルタ回路、および、前記第4信号線と接続されたCR構成の第4フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するための第2フィルタと、
前記第3および第4フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する第2差動増幅器とを備えており、
前記フィルタの時定数と、前記第2フィルタの時定数とは、異なっている
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項6記載の大気電界検出装置において、
前記第1および第2電極は、平面形状が、円環状であり、
前記第3および第4電極は、平面視において、円環状である前記第1および第2電極の内側に設けられており、平面形状が、円形状または円環状である
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 板状誘電体を挟んで対向する第1および第2電極を有する受信アンテナと、
前記第1および第2電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
前記第1電極と前記電子回路部とを接続する第1信号線、および、前記第2電極と前記電子回路部とを接続する第2信号線を有する信号線部とを備え、
前記電子回路部は、
前記信号線部を経由して平衡伝送された信号におけるDC信号成分を、所定周波数のAC信号成分に変換するDC/AC変換回路と、
前記DC/AC変換回路の出力信号に対して、前記所定周波数を含む所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成された帯域フィルタと、
前記帯域フィルタの出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備え、
前記DC/AC変換回路は、
前記第1信号線と前記第2信号線との間に設けられており、容量値を変動可能に構成された3端子可変キャパシタを備え、前記3端子可変キャパシタの容量値を前記所定周波数でもって変動させる
ことを特徴とする大気電界検出装置。 - 請求項8記載の大気電界検出装置において、
前記3端子可変キャパシタは、
第1および第2固定電極と、
前記第1および第2固定電極の間に設けられた補助電極と、
前記第1および第2固定電極の間に設けられた接地電極と、
前記補助電極と前記接地電極との接続/非接続を、開閉動作により、切り替え可能に構成されたスイッチとを備えたものである
ことを特徴とする大気電界検出装置。
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JP2015124164 | 2015-06-19 | ||
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019172127A1 (ja) | 2018-03-06 | 2019-09-12 | マツダ株式会社 | 車両の車体構造 |
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-
2016
- 2016-06-16 JP JP2016119851A patent/JP2017009606A/ja active Pending
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