JP2020024101A - クランプセンサおよびクランプメータ - Google Patents

Abstract

【課題】金属製シールド等を用いること無く外部磁界の影響を抑制して、被測定導体を含む大面積構造物に流れる微小電流を高精度に測定できるクランプメータを提供する。【解決手段】クランプメータ１のクランプセンサ２は、曲げ伸ばしができる連結コア４をコイル保持チューブ５に内挿した構造で、被測定導体を含む大面積構造物を囲んで閉じる。被測定導体に電流が流れると、コイル保持チューブ５に設けた内側コイルと外側コイルから巻数に応じた測定電流が計測装置３に入力される。外側コイル測定電流値ＩＢと内側コイル測定電流値ＩＡとの差である差電流値ΔＩから内側補正電流値Ｉａを求める演算式「Ｉａ＝ｆ（ΔＩ）」が記憶手段３１に記憶されており、この演算式を用いて、演算手段３２が内側補正電流値Ｉａを求め、内側コイル測定電流値ＩＡから内側補正電流値Ｉａを減じて外部磁界の影響を除いた真の計測値Ｉを求め、更に被測定導体の電流値を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定導体を含む大面積構造物にも対応できるクランプセンサと、このクランプセンサを用いて電流検出を行えるクランプメータに関する。

回路電源を落とさずに被測定導体の電流測定（或いは、回路中の漏れ電流測定）を行う場合、被測定導体をクランプセンサでクランプし、被測定導体を流れる電流（或いは、回路中の漏れ電流）により生ずる磁界から電流値を求めるクランプメータが知られている。交流回路を検出対象とするのであれば、測定電流をコイルの巻数比に応じた二次電流に変換するＣＴ（Current Transformer）方式のクランプメータが広く用いられている（例えば、特許文献１を参照）。ＣＴ方式のクランプメータでは、外部から受ける磁界の影響を遮断するため、透磁率の大きな強磁性材より成るシールドでセンサ部を覆って強制的に外部磁界を遮断する方法が採られている（例えば、特許文献２を参照）。

また、被測定導体を含んだ大型の構造物（柱など）ではクランプ箇所の断面が大面積となる。このような大面積構造物の電流測定を行う場合、構造物ごとクランプして電流検出を行えるロゴスキーコイル方式のクランプメータを用いることができる（例えば、特許文献３を参照）。

特開２０１８−０３１６０８号公報 特開平１１−２９５３４６号公報 特開２０１１−１７４７６９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のＣＴ式クランプセンサは、ｍＡレベルの微小電流の測定が可能であるものの、標準的な市販品では７０ｍｍ程度のクランプ径しかなく、被測定導体を含む大面積構造物ごと大口径でクランプすることはできない。対して、特許文献２に記載のロゴスキーコイル（空芯コイル）は、被測定導体を含む大面積構造物ごと大口径でクランプできるものの、１０Ａ以下の低電流（微小な漏れ電流など）の測定ができない。加えて、ロゴスキーコイル方式のクランプメータで、外部磁界の影響を遮断するためにシールド構造を採ることができない。

電気の保守点検では、絶縁状態の良否判定に微小な漏れ電流（或いは接地電流）を測定することが必要であり、対象が大面積構造物であっても、その絶縁状態の判別には微小電流の測定を可能にする必要がある。しかも、クランプメータによる微小電流の測定においては、外部磁界の影響による検出誤差も無視できず、計測精度を落とすことになる。

そこで、本発明は、クランプ径の大型化や軽量化の妨げとなる金属製シールド等を用いること無く外部磁界の影響を抑制し、被測定導体を含む大面積構造物に流れる微小電流を検知できるクランプセンサとクランプメータの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、両端部を連結することで被測定導体を非接触で囲む環状鉄心となる連結コアと、該連結コアの外周にコイルを配置可能なコイル体と、から成るクランプセンサであって、前記コイル体は、前記連結コアを内挿可能な内空部を有すると共に、各端部から前記連結コアの第１着脱端部と第２着脱端部をそれぞれ露出させ得る長さで、前記連結コアの変形に追随して無理なく変形し得る可撓性を有する内層チューブと、該内層チューブの外表面にマグネットワイヤを巻回して成る内側コイルと、該内側コイルの外側を覆うように配置する中層チューブと、該中層チューブの外表面にマグネットワイヤを巻回して成る外側コイルと、を備え、前記コイル体の外面側を絶縁性の外層チューブで覆うと共に、コイル体の内空部に連結コアを内挿し、内側コイルと外側コイルで被測定導体を流れる電流を同時に検出可能としたたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載のクランプセンサにおいて、前記連結コアは、高透磁率軟磁性材料で形成され、最も離隔する一対の端部にそれぞれ第１連結部と第２連結部を形成した連結素体を複数用い、互いの第１連結部と第２連結部が回動可能な１軸性関節となるように連結することで両端が開いた数珠つなぎ状の連結構造と成し、一方端の連結素体における連結されていない第１連結部を第１着脱端部とし、他方端の連結素体における連結されていない第２連結部を第２着脱端部とし、これら第１着脱端部と第２着脱端部とを連結することで、全ての連結素体が環状に閉じた環状鉄心を構成するようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項２に記載のクランプセンサにおいて、前記連結コアの連結素体は、高透磁率軟磁性材料の板材であるベース材を複数枚積層して所要の厚さとなるように構成し、前記ベース材は、一軸性関節となるように連結される軸位置から等距離となる円弧状に突出する凸状端縁部を一端側に、該突状端縁部と同等程度の曲率で円弧状に窪む凹状端縁部を他端側に、それぞれ備えるものとし、前記ベース材の凸状端縁部と凹状端縁部を交互に積層して連結素体を構成することで、第１連結部と第２連結部は互いに凸状端縁部と凹状端縁部とが噛み合う嵌合構造とし、且つ、１軸性関節で連結される各連結素体のベース材は互いの凸状端縁部と凹状端縁部とが阻害し合うこと無く所要範囲で回動できるようにしたことを特徴とする。

上記の課題を解決するために、請求項４に係るクランプメータは、前記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のクランプセンサを備え、前記クランプセンサの内側コイルと外側コイルから夫々検出された内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値を取得し、内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値に基づいて被測定導体を流れる電流値を演算する計測装置を設けたことを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、前記請求項４に記載のクランプメータにおいて、前記外側コイルと内側コイルの巻線を同一とし、外部磁界の影響をクランプセンサが受けないときには、内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値が一致するようにしたことを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、前記請求項５に記載のクランプメータにおいて、前記計測装置は、前記クランプセンサより取得した外側コイル測定電流値と内側コイル測定電流値との差である差電流値から、外部磁界が内側コイルに作用して生じた内側補正電流値を求める演算式を記憶する記憶手段と、前記記憶手段の演算式を用いて内側補正電流値を演算し、内側コイル測定電流値から内側補正電流値を減ずることで、クランプセンサによる真の計測値を求め、真の計測値から被測定導体を流れる電流値を求める演算手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、前記請求項５に記載のクランプメータにおいて、前記計測装置は、前記クランプセンサより取得した外側コイル測定電流値と内側コイル測定電流値との差である差電流値から、外部磁界が外側コイルに作用して生じた外側補正電流値を求める演算式を記憶する記憶手段と、前記記憶手段の演算式を用いて外側補正電流値を演算し、外側コイル測定電流値から外側補正電流値を減ずることで、クランプセンサによる真の計測値を求め、真の計測値から被測定導体を流れる電流値を求める演算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るクランプセンサによれば、計測対象の被測定導体を含む大面積構造物に応じて、連結素体を適数連結した連結コアによって必要十分な径の環状鉄心を構成することができる。そして、連結コアの第１着脱部と第２着脱部を開いた状態で大面積構造物を囲み、第１着脱部と第２着脱部を連結して環状鉄心となったその外周には、コイル体によりコイルが配置された状態となる。よって、大面積構造物をクランプセンサでクランプすれば、検出対象の交流電流により生ずる磁界変化から、コイルの巻数比に応じた二次電流を内側コイルおよび外側コイルより取得できる。クランプセンサより内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値を取得した計測装置は、外側コイルと内側コイルが外部磁界から受けた影響を補正した真の計測値を演算し、真の計測値から被測定導体を流れる電流値を演算する。これにより、外部磁界の影響を受けずに微小電流の測定を行えるクランプメータとなる。

本発明の実施形態に係るクランプメータの概略構成図である。 クランプメータに用いるクランプセンサを示し、（ａ）は一部欠截平面図、（ｂ）は一部欠截側面図である。 連結コアを構成する基本リンクの俯瞰斜視図である。 基本リンクを構成するベース材の平面図である。 ベース材を用いた基本リンクの組立説明図である。 （ａ）は基本リンクの背面図である。（ｂ）は図６（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線矢視方向の拡大概略端面図である。 （ａ）は連結された第１基本リンクと第２基本リンクの平面図である。（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線矢視方向の拡大概略端面図である。 コイル体の製造工程説明図である。 クランプセンサの組み立て工程説明図である。 本実施形態に係るクランプメータにより電柱の接地電流（或いは漏れ電流）を計測するときの使用方法説明図である。 内側コイルと外側コイルによる測定原理の説明図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、クランプメータ１の概略構成を示し、このクランプメータ１は、被測定線をクランプするクランプセンサ２と、クランプセンサ２の検知電流に基づいて所定の演算を行い、計測結果をデジタル値（或いはアナログ値）で表示する計測装置３とで構成される。

クランプセンサ２は、両端部を連結することで被測定導体を非接触で囲む環状鉄心となる連結コア４と、連結コア４の外周にコイルを配置した状態を保持するコイル保持チューブ５とから成る。なお、連結コア４は、後述するように、第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂを外すことで曲げ伸ばしができる。よって、被測定導体を含む大面積構造物（例えば、電柱）をクランプセンサ２で囲み、第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂを連結すると、電柱の周面等を囲む環状鉄心とすることができる。環状鉄心となった連結コア４は、被測定導体を流れる電流により生じた磁束を効率良く通す閉磁路として機能する。

更に、コイル保持チューブ５は、連結コア４の変形に追随して無理なく変形し得る可撓性と絶縁性を備える。よって、連結コア４を閉じて環状鉄心としたときには、コイル保持チューブ５内のコイルも環状に配置されることとなり、被測定導体を交流電流が流れることで生じた磁束が環状鉄心に集中し、この磁束変化を打ち消すようにコイル保持チューブ５のコイルに二次電流が流れる。この二次電流は、被測定導体を流れる一次電流に対して、コイル保持チューブ５内コイルの巻数比に応じた大きさとして得ることができるので、数ｍＡ程度の微小電流を検出可能な検出感度に設定することが容易である。

また、クランプセンサ２により大面積構造物をクランプする作業が繁雑とならないよう、本実施形態のクランプセンサ２における連結コア４の第１着脱端部４ａ側には第１連結ガイド６を、第２着脱端部４ｂ側には第２連結ガイド７を設ける。これら第１，第２連結ガイド６，７は、第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂの着脱を簡易に行える公知既存の適宜な構造を適用することができる。なお、クランプセンサ２における第１連結ガイド６から接続ケーブル８を延出させ、計測装置３と接続する。

計測装置３は、この接続ケーブル８を介して、コイル保持チューブ５内のコイル（後に詳述する）から検出信号を受け、電流検出用のシャント抵抗によって、検出信号（電圧信号）を電流情報に変換する。また、計測装置３は、少なくとも、クランプセンサ２の検出電流から被測定導体を流れる電流値を演算する演算式を予め記憶させておく記憶手段３１、この演算式を用いて演算を行う演算手段３２、演算結果を可視表示する表示部３３等の機能を備える。このほか、計測値の履歴を保存しておく機能や、履歴情報を外部へ出力する機能、計測結果や警告などを音声で知らせる音声出力機能等を計測装置３に付加しても構わない。

上述したクランプセンサ２の概略構造を図２に示す。なお、クランプセンサ２は被測定導体の向きに応じて、任意の方向に使用できるが、以下の説明においては、便宜上、クランプセンサ２によってクランプできる断面方向を横方向（或いは水平方向）、これに直交する方向を縦方向（或いは上下方向）として説明する。よって、図２（ａ）はクランプセンサ２の一部を横方向に切り欠いて内部を示したもので、図２（ｂ）はクランプセンサ２の一部を縦方向に切り欠いて内部を示したものである。

連結コア４は、例えば、１４個の連結素体である第１基本リンク４０−１、第２基本リンク４０−２、…、第１２基本リンク４０−１２、第１３基本リンク４０−１３、第１４基本リンク４０−１４を連結したものである。なお、第１〜第１４基本リンク４０−１〜４０−１４は、全て同一形状であり、特に区別する必要が無い場合は、単に基本リンク４０という。これら第１〜第１４基本リンク４０−１〜４０−１４は、後述するベース材４１を積層してリベット４２で固定したものであり、最も離隔する一対の端部にそれぞれ第１連結部１４ａと第２連結部１４ｂを形成する。

第１基本リンク４０−１と第２基本リンク４０−２を連結する場合、第１基本リンク４０−１における第２連結部４０ｂ（これを第１基本リンク第２連結部４０−１ｂという。以下、同様）と第２基本リンク第１連結部４０−２ａを１軸性関節連結部４３によって、回動可能な１軸性関節となるように連結する。第２基本リンク４０−２と第３基本リンク４０−３を連結する場合、第２基本リンク第２連結部４０−２ｂと第３基本リンク第１連結部４０−３ａを１軸性関節連結部４３によって連結する。第３基本リンク４０−３〜第１２基本リンク４０−１２を連結する場合も同様であるから、省略する。第１２基本リンク４０−１２と第１３基本リンク４０−１３を連結する場合、第１２基本リンク第２連結部４０−１２ｂと第１３基本リンク第１連結部４０−１３ａを１軸性関節連結部４３によって連結する。第１３基本リンク４０−１３と第１４基本リンク４０−１４を連結する場合、第１３基本リンク第２連結部４０−１３ｂと第１４基本リンク第１連結部４０−１４ａを、１軸性関節連結部４３によって連結する。斯くすることで、連結コア４は、両端が開いた数珠つなぎ状の連結構造と成る。このとき、一方端の連結素体である第１基本リンク４０−１には連結されていない第１基本リンク第１連結部４０−１ａが残り、他方端の連結素体である第１４基本リンク４０−１４には連結されていない第１４基本リンク第２連結部４０−１４ｂが残る。

従って、第１基本リンク第１連結部４０−１ａを第１着脱端部４ａとすることができ、第１４基本リンク第２連結部４０−１４ｂを第２着脱端部４ｂとすることができる。そして、これら第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂとを連結することで、第１〜第１４基本リンク４０−１〜４０−１４が環状に閉じた環状鉄心を構成できる。なお、第１基本リンク４０−１〜第１４基本リンク４０−１４は、全て１軸性関節の向きを上下方向に統一して連結することにより、第１基本リンク４０−１〜第１４基本リンク４０−１４の回動方向を水平方向に規制することができる。このように、第１基本リンク４０−１〜第１４基本リンク４０−１４の回動方向が水平方向に規制されていれば、第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂとの連結もほぼ水平面内で行うことができる。

一方、コイル保持チューブ５は、可撓性のチューブをコイルボビンとして用いることで、コイルを保持するものである。具体的には、内層チューブ５１の外周面にマグネットワイヤ５２１を巻回して内側コイル５２を形成して中層チューブ５３で覆い、中層チューブ５３の外周面にマグネットワイヤ５４１を巻回して外側コイル５４を形成して、コイル体５５をとする。そして、コイル体５５の外面（外側コイル５４が形成された面）を絶縁性の外層チューブ５４で覆うことにより、コイル保持チューブ５となる。

内層チューブ５１と中層チューブ５３と外層チューブ５６は、連結コア４の変形に追随して無理なく変形し得る可撓性および絶縁性を有する。内層チューブ５１は、上記連結コア４を内挿可能な内空部５１ｂを有すると共に、各端部から連結コア４の第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂをそれぞれ露出させ得る長さである。内層チューブ５３および外層チューブ５６も同等程度の長さに設定しておき、各端部を絶縁キャップ５７にて覆う。なお、コイル保持チューブ５の一方からは、内側コイル５１を構成するマグネットワイヤ５２１の巻き始め部分あるいは巻き終わり部分である内側第１引出線５２１ａおよび内側第２引出線５２１ｂを引き出しておく。同様に、外側コイル５４を構成するマグネットワイヤ５４１の巻き始め部分あるいは巻き終わり部分である外側第１引出線５４１ａおよび外側第２引出線５４１ｂを引き出しておく。

次に、連結コア４を構成する基本リンク４０の詳細構造について説明する。図３は、連結素体である基本リンク４０の外観を示すものである。この基本リンク４０は、高透磁率軟磁性材料（例えば、パーマロイ）の板材（例えば、厚さ１〔ｍｍ〕）である第１ベース材４１−１、第２ベース材４１−２、…、第６ベース材４１−６、第７ベース材４１−７を積層した構造である。第１ベース材４１−１〜第７ベース材４１−７を重ねた状態で、かしめ固定方式のリベット４２で一体に固定する。なお、第１〜第７ベース材４１−１〜４１−７は、全て同一形状であり、特に区別する必要が無い場合は、単にベース材４１という。

ベース材４１の平面（例えば、上面４１ａが臨む面）を図４に示す。ベース材４１は、緩やかな弧状の長尺板材であり、概略、長手方向の二辺である外側弧状縁部４１１と内側弧状縁部４１２、短手方向の二辺である凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４を備える。例えば、仮想の原点ＯからＲ１６０〔ｍｍ〕の円弧（以下、仮想中心円弧という）を想定し、仮想中心円弧の外側へ３．５〔ｍｍ〕程度離れた円弧（例えば、原点ＯからＲ１６３．５〔ｍｍ〕の円弧）と重なるように形成したのが外側弧状縁部４１１である。また、仮想中心円弧の内側へ３．５〔ｍｍ〕程度離れた円弧（例えば、原点ＯからＲ１５６．５〔ｍｍ〕の円弧）と重なるように形成したのが内側弧状縁部４１２である。また、ベース材４１における一方の短手側（例えば、上面４１ａから見て左側、或いは下面４１ｂから見て右側）に設けたのが凸状端縁部４１３である。また、ベース材における他方の短手側（例えば、上面４１ａから見て右側、或いは下面４１ｂから見て左側）に設けたのが凹状端縁部４１４である。なお、外側弧状縁部４１１と内側弧状縁部４１２との離隔距離は約７〔ｍｍ〕（３．５〔ｍｍ〕×２）とし、第１〜第７ベース材４１−１〜４１−７を重ねた厚さも約７〔ｍｍ〕であるから、基本リンク４０の短手方向の縦断面は略正方形となる。

ベース材４１における仮想中心円弧上には、各々φ２〔ｍｍ〕の第１固着孔４１５ａ、第２固着孔４１５ｂ、第３固着孔４１５ｃを設けてある。例えば、原点Ｏから第２固着孔４１５ｂの中心を通る仮想線に対して、原点Ｏから第１固着孔４１５ａの中心へ至る角度と、原点Ｏから第３固着孔４１５ｃの中心へ至る角度が同じになるように、第１〜第３固着孔４１５ａ〜４１５ｃの開設位置を定める。斯くすれば、２枚のベース材４１を、その上面４１ａと下面４１ｂとが向き合うように重ねたとき（凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４の向きが逆になるように重ねたとき）、重ねた２枚のベース材４１における３箇所の孔を全て一致させることができる。すなわち、２枚のベース材４１を、それぞれの第２固着孔４１５ｂが連通するように位置合わせすると、一方のベース材４１における第１固着孔４１５ａと第３固着孔４１５ｃが、他方のベース材４１における第３固着孔４１５ｃと第１固着孔４１５ａに重なる。このとき、重ねた２枚のベース材４１は、外側弧状縁部４１１と内側弧状縁部４１２も一致した状態を保てる。

従って、基本リンク４０は、複数枚（例えば、７枚）のベース材４１を重ねた構造とするとき、図５に示すように、ベース材４１の向きを交互に変えて重ねることができる。先ず、上面４１ａを上向きにした第１ベース材４１−１の下に、下面４１ｂを上向きにした第２ベース材４１−２を重ねる。その下に、上面４１ａを上向きにした第３ベース材４１−３を重ねる。その下に、下面４１ｂを上向きにした第４ベース材４１−４を重ねる。その下に、上面４１ａを上向きにした第５ベース材４１−５を重ねる。その下に、下面４１ｂを上向きにした第６ベース材４１−６を重ねる。その下に、上面４１ａを上向きにした第７ベース材４１−７を重ねる。このように重ねた第１ベース材４１−１から第７ベース材４１−７まで貫通する第１〜第３固着孔４１５ｃに、リベット４２を挿通させ、かしめて固定する。なお、リベット４２は、図６に示すように、第１ベース材４１−１の上面４１ａ側に頭部４２ａを位置させて、第１〜第３固着孔４１５ａ〜４１５ｃに軸部４２ｂを挿通し、第７ベース材４１−７の下面４１ｂ側にかしめ部４２ｃを形成する。

上記のように第１〜第７ベース材４１−１〜４１−７を積層して形成した基本リンク４０における第１，第２連結部４０ａ，４０ｂは、何れも凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４が交互に重なったものである。第１連結部４０ａは、第１ベース材４１−１から第７ベース材４１−７に向かって「凹凸凹凸凹凸凹」の構造となり、第２連結部４０ｂは、第１ベース材４１−１から第７ベース材４１−７に向かって「凸凹凸凹凸凹凸」の構造となる。すなわち、基本リンク４０の第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂは、互いに噛み合う嵌合構造となるのである。

しかも、基本リンク４０の第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂは、１軸性関節連結部４３によって連結することで、円滑に回動できる１軸性関節となるように、凸状端縁部４１３の突出形状および凹状端縁部４１４の窪み形状を以下のように設定してある。

ベース材４１の凸状端縁部４１３側には、１軸性関節連結部４３によって連結するための連通孔４１６を設ける。この連通孔４１６の中心から半径ｒ１の円弧が凸状端縁部４１３の膨出縁とほぼ重なるような、連通孔４１６の位置を定める（図５の各凸状端縁部４１３を参照）。また、２枚の基本リンク４０を逆向きに重ねたとき、凹状端縁部４１４と近接する連通孔４１６の中心から半径ｒ２の円弧が凹状端縁部４１４の窪み縁と重なるようにする（例えば、図５の各凹状端縁部４１４を参照）。このとき、「ｒ１≦ｒ２」に設定しておけば、一対の基本リンク４０における一方の第１連結部４０ａと他方の第２連結部４０ｂとを噛み合わせた状態で、全ての連通孔４１６の開口位置を合わせることができる。

上述したベース材４１の設計に際して、凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４が共に１８０゜近い弧状範囲を備えたものにすると、一対の基本リンク４０の第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂとが噛み合ったまま回動不能になってしまう。そこで、許容する回動範囲に応じて、凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４の弧状範囲を適宜に設定しておくことが望ましい。なお、凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４は、それぞれ外側弧状縁部４１１および内側弧状縁部４１２と滑らかに接続される外縁形状とすることが望ましい。凸状端縁部４１３および凹状端縁部４１４と外側弧状縁部４１１および内側弧状縁部４１２との接続部分に段差や鋭角が生じていると、連結コア４をコイル保持チューブ５内へ内挿したとき、内層チューブ５１の内面を傷つけてしまう危険性がある。

しかし、本実施形態のクランプセンサ２で用いる連結コア４のベース材４１においては、短手方向の幅（外側弧状縁部４１１と内側弧状縁部４１２との離隔距離）が概ねｒ１〔ｍｍ〕×２である。よって、凸状端縁部４１３の弧状範囲を概ね１８０゜にすると、凸状端縁部４１３の一方端と外側弧状縁部４１１との接続部分および凸状端縁部４１３の他方端と内側弧状縁部４１２との接続部分は滑らかとなり、段差等は生じない。一方、凹状端縁部４１４の一方端と外側弧状縁部４１１との接続部分および凹状端縁部４１４の他方端と内側弧状縁部４１２との接続部分には、面取り（例えば、Ｒ１）を施して、角が生じないよう滑らかに接続する形状とした。

また、凸状端縁部４１３を決定する半径ｒ１と凹状端縁部４１４を決定する半径ｒ２を等しくすると、一対の基本リンク４０の第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂを連結したとき、加工精度によっては、連結口４１６の開口位置を合わせられない可能性がある。仮に、加工精度が良く、「ｒ１＝ｒ２」としも連結口４１６の開口位置がぴったり合ったとしても、凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４は長い範囲で面接触することとなる。凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４が面接触していると、それだけ摺動抵抗が高くなるので、連結コア４の変形作業を困難にしてしまう可能性がある。かといって、極端に凸状端縁部４１３の半径ｒ１を凹状端縁部４１４の半径ｒ２よりも小さくしてしまうと、第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂとを噛み合わせたときの対向面積が少なくなってしまう。第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂとの対向面積が減ると、ベース材４１同士の連結部における磁気抵抗を高めてしまう可能性があるし、ベース材４１同士の連結部における強度低下という問題も懸念される。そこで、一対の基本リンク４０の第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂとを噛み合わせたとき、凸状端縁部４１３と凹状端縁部４１４が点接触するかしないか程度に設定しておくことが望ましい。例えば、図４に示すように、凸状端縁部４１３を決定する半径ｒ１を３．５〔ｍｍ〕、凹状端縁部４１４を決定する半径ｒ２を３．６〔ｍｍ〕に設定すると、連結コア４の変形作業に支障はないし、連結部で極端に磁気抵抗が高まることも無い。

上記のように構成した第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂを備える一対の基本リンク４０を連結する１軸性関節連結部４３の一構成例を図７に示す。第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂとを噛み合わせて、全ての凸状端縁部４１３における連通孔４１６の開口位置を一致させ、この状態で連結ネジ４３１を挿入する。連結ネジ４３１の頭部が第１ベース材４１−１の上面４１ａに押し当たったとき、４３１のネジ先が第７ベース材４１−７の下面４１ｂより適宜突出するので、平座金４３２およびスプリングワッシャ４３３を介挿してナット４３４で締結する。

このとき、ナット４３４をきつく締め付け過ぎると基本リンク４０同士の円滑な回動が阻害されてしまうし、逆に、締め付けが弱過ぎると連結コア４自身の形状保持が困難になるので、クランプセンサ２で被測定導体をクランプするときの作業が繁雑となる。したがって、１軸性関節連結部４３の機能としては、適切な締結状態を保持することも重要である。例えば、連結ネジ４３１に対してナット４３４を所定の締め付けトルク（例えば、１．８〔ｋｇｆ・ｃｍ〕）で締め付けた後、ナット４３４を９０゜戻すことで一定量だけ緩め、ナット４３４にネジロック剤４３５を塗布して、この締め付け状態に固定する。斯くすれば、基本リンク４０同士の円滑な回動を阻害することも、連結コア４自身の形状保持を困難にすることも無いので、計測作業における連結コア４の取り扱いが良くなり、作業性の向上にも寄与できる。

上述した連結コア４の外周に内側コイル５２を配置可能なコイル体５５の製造工程の一例を、図８に基づいて説明する。まず、円筒状の外周面５１ａを有する可撓性・絶縁性の内層チューブ５１を用意する。内層チューブ５１は、連結コア４を内挿するのに必要十分な口径の内空部５１ｂを備えると共に、連結コア４の第１連結部４０ａと第２着脱端部４ｂが両端開口から突出する程度の長さである。また内層チューブ５１の内空部５１ｂに直線状の金属棒５８を貫通させることで、内層チューブ５１を直線状に固定する（図８（ａ）を参照）。かくすれば、剛性のある金属棒５８を回転軸として軸回転式の巻線機にセットすることができるので、巻線機によってマグネットワイヤ５２１を内層チューブ５１の外周面５１ａに単層もしくは複層に効率よく巻回してゆき、内側コイル５２を形成できる（図８（ｂ）を参照）。

内層チューブ５１の外周面５１ａに内側コイル５２を形成した後、内側コイル５２を覆うように中層チューブ５３を被せ、中層チューブ５３の外周面５３ａにマグネットワイヤ５４１を単層もしくは複層に巻回して行き、外側コイル５４を形成する（図８（ｃ）を参照）。その後、内層チューブ５１を巻線機から外して金属棒５８を抜き取る（図８（ｄ）を参照）。こうして、内層チューブ５１の外表面にマグネットワイヤ５２１を巻回して形成した内側コイル５２と、中層チューブ５３の外表面にマグネットワイヤ５４１を巻回して形成した外側コイル５４とで二重構造としたコイル体５５が形成される（図８（ｅ）を参照）。なお、マグネットワイヤ５２１およびマグネットワイヤ５４１の巻き始め部分と巻き終わり部分は、それぞれ、内側第１引出線５２１ａおよび内側第２引出線５２１ｂ、外側第１引出線５４１ａおよび外側第２引出線５４１ｂとして用いることができる。

上記のようにして形成したコイル体５５は、可撓性・絶縁性の外層チューブ５６のコイル体内挿空部５６ａに内挿することで（図９（ａ）を参照）、外側コイル５４の外表面を外層チューブ５６で覆うことができる。なお、外層チューブ５６はコイル体５５と同程度の長さで、コイル体内挿空部５６ａはコイル体５５を内挿するのに必要十分な口径である。外層チューブ５６にコイル体５５を内挿した後、その両端には、沿面距離を確保するための絶縁キャップ５７をそれぞれ取り付けてコイル保持チューブ５を構成する（図９（ｂ）を参照）。次いで、コイル保持チューブ５のコア内挿空部５ａ（内層チューブ５１の内空部５１ｂと同じ）へ連結コア４を内挿し、コイル保持チューブ５の両端部より第１着脱端部４ａおよび第２着脱端部４ｂをそれぞれ露出させる。かくして、クランプセンサ２を構成できる（図９（ｃ）を参照）。

図９（ｃ）に示すように、クランプセンサ２の両端には、第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂがそれぞれ適宜長さ露出している。したがって、被測定導体をクランプセンサ２で囲むように曲げて、第１着脱端部４ａである第１連結部４０ａと第２着脱端部４ｂである第２連結部４０ｂとを嵌合させ、連結コア４を環状鉄心にする作業を使用者が行うようにしても良い。しかしながら、第１連結部４０ａと第２連結部４０ｂとの正確な位置合わせを使用者が目視で行うのは、とても効率的な作業とはいえない。そこで、クランプセンサ２では、第１着脱端部４ａと第２着脱端部４ｂとを効率良く嵌合させたり、取り外したりできるように、第１着脱端部４ａ側には第１連結ガイド６を、第２着脱端部４ｂ側には第２連結ガイド７をそれぞれ設けておく。なお、第１連結ガイド６と第２連結ガイド７による着脱構造は特に限定されず、公知既存の適宜な着脱構造を採用して構わない。

上記のように構成したクランプセンサ２を備えるクランプメータ１の使用例を図１０に示す。クランプセンサ２の第１連結ガイド６と第２連結ガイド７を外し、電柱９を囲んだ状態で第１連結ガイド６と第２連結ガイド７を接続するだけで、電柱９を丸ごとクランプすることができ、電柱９の接地電流Ｉｅや漏れ電流Ｉｒの測定を容易に行える。しかも、ロゴスキー方式のクランプセンサとは異なり、０．５ｍＡ〜５ｍＡ程度の微小電流を測定することが可能である。また、３相３線式の回路における配電盤で、３本の電線が離れている場合でも、本実施形態に係るクランプメータ１によれば、離れた３本の電線をクランプセンサ２で一括してクランプできるので、当該回路における微小漏れ電流の測定が可能となる。更に、電柱に並行した３相３線の太い引き込み線であっても、本実施形態に係るクランプメータ１によれば、これらの引き込み線を一括クランプして、微小漏れ電流を測定することができる。

なお、クランプセンサ２で被測定導体をクランプすると、被測定導体を流れる電流に応じた計測値を内側コイル５２と外側コイル５４の両方から取得できる。しかも、内側コイル５２と外側コイル５４の巻数を一致させてあるので、内側コイル５２によって検知される電流値と外側コイル５４によって検知される電流値は、ほぼ同一となる。よって、計測装置３では、内側コイル５２の検出値を用いても、外側コイル５４の検出値を用いても、適切な電流値を演算できるはずである。

しかしながら、クランプセンサ２には、外部磁界に対する遮蔽機能が無いので、測定環境における外部磁界がクランプセンサ２に作用すると、内側コイル５２と外側コイル５４の検出値が異なってしまう。このような外部磁界による計測誤差を補正して、精度の高い電流測定を行うための機能として、記憶手段３１と演算手段３２を計測装置３に設けてある。以下、外部磁界の影響を補正できる原理を、図１１に基づき説明する。

図１１は、被測定導体に流れる交流電流の周波数および振幅を一定とし、作用する外部磁界（交流磁界）の大きさを変化させたときに、クランプセンサ２の内側コイル５２と外側コイル５４が夫々検出する電流値の変化を示した特性図である。外部磁界が全く作用しないとき、内側コイル５２により測定される電流（以下、内側コイル測定電流）の値と、外側コイル５４により測定される電流（以下、外側コイル測定電流）の値は、共にＩ［Ａ］である。しかしながら、外部磁界がクランプセンサ２に作用すると、その分だけ、内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値は高くなる。

クランプセンサ２に作用する外部磁界が強くなると、内側コイル測定電流および外側コイル測定電流のどちらも上昇して行くこととなるが、外部磁界に近い外側コイル５４の方が影響を強く受けるため、外側コイル測定電流の上昇が顕著となる。内側コイル５２と外側コイル５４との間には、一定厚さで同じ材質の中層チューブ５３が介在しているだけなので、内側コイル５２と外側コイル５４の外部磁界に対する感度差は一定である。すなわち、外部磁界の影響で内側コイル５２に生じた誤差の値（以下、内側補正電流値Ｉａという）と、外部磁界の影響で外側コイル５４に生じた誤差の値（以下、外側補正電流値Ｉｂという）には、所定の関係性が認められるはずである。よって、両者の関係性を示す演算式が特定されれば、外部磁界の影響を排除して、被測定導体に流れる電流を高精度に求めることができる。

例えば、図１１に示した内側コイル測定電流の変化特性および外側コイル測定電流の変化特性のように、極めて線形性が強ければ、両者の傾斜比率から内側補正電流値Ｉａと外側補正電流値Ｉｂの関係性を比例定数ｋの単純な演算式で表すことができる。なお、内側コイル測定電流および外側コイル測定電流が非線形に変化する場合であっても、内側コイル５２と外側コイル５４の外部磁界に対する感度差が一定であるから、２次関数や３次関数等を用いた演算式で両者の関係性を表すことが可能である。

ここで、外部磁界の大きさがＨ［Ａ／ｍ］のときを考える。内側コイル測定電流の値はＩＡで、真の計測値Ｉ［Ａ］よりも内側補正電流値Ｉａだけ高い値となる。すなわち、「ＩＡ＝Ｉ＋Ｉａ」である。一方、外側コイル測定電流の値はＩＢで、真の計測値Ｉ［Ａ］よりも外側補正電流値Ｉｂだけ高い値となる。すなわち、「ＩＢ＝Ｉ＋Ｉｂ」である。しかしながら、内側補正電流値Ｉａも外側補正電流値Ｉｂも未知数であるから、これらの関係式からダイレクトに計測値Ｉを求めることはできない。

そこで、外側コイル測定電流値ＩＢと内側コイル測定電流値ＩＡとの差（ＩＢ−ＩＡ＝Ｉｂ−Ｉａ）である差電流値ΔＩに着目する。内側補正電流値Ｉａと外側補正電流値Ｉｂとの関係性を演算式で表せるのであるから、内側補正電流値Ｉａと差電流値ΔＩ（＝Ｉｂ−Ｉａ）との関係性も演算式で表せる。すなわち、内側補正電流値Ｉａは差電流値ΔＩから一意的に定まり、この演算式を「Ｉａ＝ｆ（ΔＩ）」とする。そして、クランプセンサ２の特性に応じて定めた「Ｉａ＝ｆ（ΔＩ）」の演算式を記憶手段３１に予め記憶させておけば、演算手段３２によって、外側コイル測定電流値ＩＢと内側コイル測定電流値ＩＡに応じた内側補正電流値Ｉａを求めることができる。

真の計測値Ｉは、内側コイル測定電流値ＩＡから内側補正電流値Ｉａを減ずることで求まる。よって、演算手段３２は「ＩＡ−ｆ（ΔＩ）」の演算を行うことで真の計測値Ｉを求めることができ、内側コイル５２の巻数による検知感度を加味した所定の演算式に真の計測値Ｉを適用すれば、被測定導体を流れる電流値を求めることができる。

なお、外側補正電流値Ｉｂも差電流値ΔＩから一意的に定まるので、記憶手段３１に記憶させる演算式を「Ｉｂ＝ｆ（ΔＩ）」とし、演算手段３２が「ＩＢ−ｆ（ΔＩ）」の演算を行うことで真の計測値Ｉを求めるようにしても構わない。真の計測値Ｉが求まれば、外側コイル５４の巻数による検知感度を加味した所定の演算式に真の計測値Ｉを適用すれば、被測定導体を流れる電流値を求めることができる。

上述したように、本実施形態に係るクランプメータ１によれば、内側コイル５２と外側コイル５４を備えるクランプセンサ２の特性を活かし、内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値から外部磁界による誤差を補正することができる。よって、クランプ径の大型化や軽量化の妨げとなる金属製シールド等を用いること無く、外部磁界のクランプセンサ２への影響を抑制し、被測定導体を流れる電流を高精度に求めることが可能なクランプメータ１を提供できる。

なお、本実施形態のクランプメータ１では、内側コイル５２と外側コイル５４の巻数を一致させることで、内側補正電流値あるいは外側補正電流値を求める演算式を簡素化するものとした。しかし、内側コイル５２と外側コイル５４の巻数を変えてクランプセンサ２を作成しなければならない場合には、連結コア４の磁界変化に対する検知感度と外部磁界に対する検知感度が両コイルで異なるため、上述した比較的単純な演算式は使えない。そのため、両コイルの検知感度の差を相殺する補正要件を加味して、内側補正電流値あるいは外側補正電流値を求める複雑な演算式を設定する必要がある。或いは、一方のコイルの巻数を他方のコイルの巻数に変えたときの測定電流に変換する演算式を設定しておけば、コイルの巻数を同じにしたときの変換測定電流値を求められるので、上述した比較的単純な演算式をそのまま適用できる。

以上、本発明に係るクランプセンサおよびこのクランプセンサを用いたクランプメータの実施形態を添付図面に基づいて説明した。しかしながら、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１ クランプメータ
２ クランプセンサ
３ 計測装置
３１ 記憶手段
３２ 演算手段
４ 連結コア
４ａ 第１着脱端部
４ｂ 第２着脱端部
４０ 基本リンク
４０ａ 第１連結部
４０ｂ 第２連結部
４３ １軸性関節連結部
５ コイル保持チューブ
５ａ コア内挿空部
５１ 内層チューブ
５２ 内側コイル
５２１ マグネットワイヤ
５３ 中層チューブ
５４ 外側コイル
５４１ マグネットワイヤ
５５ コイル体
５６ 外層チューブ

Claims (7)

1. 両端部を連結することで被測定導体を非接触で囲む環状鉄心となる連結コアと、該連結コアの外周にコイルを配置可能なコイル体と、から成るクランプセンサであって、
   前記コイル体は、前記連結コアを内挿可能な内空部を有すると共に、各端部から前記連結コアの第１着脱端部と第２着脱端部をそれぞれ露出させ得る長さで、前記連結コアの変形に追随して無理なく変形し得る可撓性を有する内層チューブと、該内層チューブの外表面にマグネットワイヤを巻回して成る内側コイルと、該内側コイルの外側を覆うように配置する中層チューブと、該中層チューブの外表面にマグネットワイヤを巻回して成る外側コイルと、を備え、
   前記コイル体の外面側を絶縁性の外層チューブで覆うと共に、コイル体の内空部に連結コアを内挿し、内側コイルと外側コイルで被測定導体を流れる電流を同時に検出可能としたたことを特徴とするクランプセンサ。
2. 前記連結コアは、高透磁率軟磁性材料で形成され、最も離隔する一対の端部にそれぞれ第１連結部と第２連結部を形成した連結素体を複数用い、互いの第１連結部と第２連結部が回動可能な１軸性関節となるように連結することで両端が開いた数珠つなぎ状の連結構造と成し、一方端の連結素体における連結されていない第１連結部を第１着脱端部とし、他方端の連結素体における連結されていない第２連結部を第２着脱端部とし、これら第１着脱端部と第２着脱端部とを連結することで、全ての連結素体が環状に閉じた環状鉄心を構成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のクランプセンサ。
3. 前記連結コアの連結素体は、高透磁率軟磁性材料の板材であるベース材を複数枚積層して所要の厚さとなるように構成し、
   前記ベース材は、一軸性関節となるように連結される軸位置から等距離となる円弧状に突出する凸状端縁部を一端側に、該突状端縁部と同等程度の曲率で円弧状に窪む凹状端縁部を他端側に、それぞれ備えるものとし、
   前記ベース材の凸状端縁部と凹状端縁部を交互に積層して連結素体を構成することで、第１連結部と第２連結部は互いに凸状端縁部と凹状端縁部とが噛み合う嵌合構造とし、且つ、１軸性関節で連結される各連結素体のベース材は互いの凸状端縁部と凹状端縁部とが阻害し合うこと無く所要範囲で回動できるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のクランプセンサ。
4. 前記請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のクランプセンサを備え、
   前記クランプセンサの内側コイルと外側コイルから夫々検出された内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値を取得し、内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値に基づいて被測定導体を流れる電流値を演算する計測装置を設けたことを特徴とするクランプメータ。
5. 前記外側コイルと内側コイルの巻線を同一とし、外部磁界の影響をクランプセンサが受けないときには、内側コイル測定電流値と外側コイル測定電流値が一致するようにしたことを特徴とする請求項４に記載のクランプメータ。
6. 前記計測装置は、
   前記クランプセンサより取得した外側コイル測定電流値と内側コイル測定電流値との差である差電流値から、外部磁界が内側コイルに作用して生じた内側補正電流値を求める演算式を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段の演算式を用いて内側補正電流値を演算し、内側コイル測定電流値から内側補正電流値を減ずることで、クランプセンサによる真の計測値を求め、真の計測値から被測定導体を流れる電流値を求める演算手段と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載のクランプメータ。
7. 前記計測装置は、
   前記クランプセンサより取得した外側コイル測定電流値と内側コイル測定電流値との差である差電流値から、外部磁界が外側コイルに作用して生じた外側補正電流値を求める演算式を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段の演算式を用いて外側補正電流値を演算し、外側コイル測定電流値から外側補正電流値を減ずることで、クランプセンサによる真の計測値を求め、真の計測値から被測定導体を流れる電流値を求める演算手段と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載のクランプメータ。

Images