運転中における機器内絶縁物誘電体損角(tanδと云う)の検出法
【課題】従来、高絶縁物に対する誘電体損角であるtanδの測定が出来なかったが、この劣化程度の指標であるtanδが計算できる数理処理法を提供する。そして、このtanδが、荷電中の電気工作物や、製品の運転ラインでの移動中の物体に対して、検出する方法を提供する。
【解決手段】供試被物体に高周波領域の可変周波数を加えて回路のインピーダンスと位相を各周波数ごとに測定し、マクスウエルの電磁方程式の減衰定数、位相定数に対応させて、最小自乗法や、複素比誘電率のベクトル軌跡を使用して、位相極値点に対応する誘電率からtanδの計算手法を提供可能にした。また、さらに、製造ライン等の移動中の供試物体と支持器具との浮遊キャパシタンスを通して電流を流し、移動物体のtanδを検出し、品質管理できるシステムの構築を可能とした。
【解決手段】供試被物体に高周波領域の可変周波数を加えて回路のインピーダンスと位相を各周波数ごとに測定し、マクスウエルの電磁方程式の減衰定数、位相定数に対応させて、最小自乗法や、複素比誘電率のベクトル軌跡を使用して、位相極値点に対応する誘電率からtanδの計算手法を提供可能にした。また、さらに、製造ライン等の移動中の供試物体と支持器具との浮遊キャパシタンスを通して電流を流し、移動物体のtanδを検出し、品質管理できるシステムの構築を可能とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気工作物の絶縁物箇所の比誘電率からのtanδの計算方法および電気機器運転中における機器内絶縁機能良否を評価するためのtanδ検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
絶縁レベルの高い高絶縁物では、従来のtanδ計では、検出電流が非常に微量で、検出困難であり、測定が不可能であった。
【0003】
充電や印加電圧による運転回路に連接される対象機器のtanδ、または電線製造工程中の走行エナメル線の導線芯線の外皮エナメル部分の絶縁良否や、半導体製造工程の洗浄液管理や、半導体素子のドービングレベル検査、そして、流動体誘電物質等の品質管理から誘電体損を評価するためのtanδの測定が適用されていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【0004】
高絶縁物の絶縁レベルを評価するためtanδを測定する必要があった。
【0005】
充電印加中の機器絶縁の良否を評価したり、製造工程中の物品の品質管理にtanδによる方法が必要であった。
【0006】
本発明は、前記課題に鑑みて、荷電中の電気工作物の絶縁診断や、製造ラインの運転中の製品の品質管理に使用できるtanδの計算方法を確立させたこと、および測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のtanδの計算方法は、10Vから、1000V程度の非破壊電圧で、ノイズに打ち勝てる100mAから、1Aの小電流で、200KHZから、600KHZ程度の連続可変高周波を絶縁物に加えて、図1の回路で測定し、ネットワークアナライザーでインピーダンスZ曲線と位相曲線θを描き、このθ曲線の変歪する極値点fm[HZ]におけるZm[Ω]、θm[度]を使用して成立する電磁伝搬方程式の根Xから、複素比誘電率ε*を算出し、tanδを導出する。これは、図9のように複素比誘電率ε*の虚数部分のj・er2が、一般の絶縁物では、その周波数範囲内で、極大点が現れる。図5から、図8のように絶縁体の種類によって、少し、極値点の周波数fmが変動する。
【0008】
発明のポイントとしては、
測定インピーダンスZm[Ω]と減衰定数α[neper/m]、位相角θm[度]と位相定数β[rad/m]とを対応させて、位相曲線の極値の有る周波数をfm点のインピーダンスと位相角から導出出来る、電磁伝搬方程式、(31)式から、根Xを解く、(31)式のα=Zm,β=θmを代入すれば(33)式の根Xは、次のようにFKMfmが−12から−6まで変動する:べき乗指数を有する第一根を採用する。一方、コール・コール図からの複素比誘電率ε*の絶対値は、ほぼ半円となる軌跡上を移動する。このε*とXの値とは相関関係が第一根の方が大であるので、これを採用することが本発明のポイントの一つである。この相関関係から、最小自乗法で、各係数を算出し、Xから、ε*を決める。このように、位相変歪点のfm[KHZ]は、高周波の場合、特に、比誘電率の虚数部分が出てきて(5)式から、(7)式となるεR2部分が、fm点で、極大値となるので、位相曲線θに極値θmが表れる。この点のインピーダンスZmとθmからε*の絶対値を算出する手法に独創性がある。[0021]から[0023]に詳細を示している。例えばZが9000Ω(fm点)の時
数値0.2部分をNM、 べき乗指数−12部分をFKMfmで示す。
Z=1000Ωの時
同様にして、
NM1=0.6 FKMfm1=−9
Z=500Ωの時
同様にして、
NM2=0.4 、 FKMfm3=−6
NMは0から、1.0まで変動する。それに対して、10のFKMfm乗は、10(−12乗)から、10(−6乗)と、大きく変動する。この小幅変動部をNMfmとし、大幅変動部をΔNMfm
で示すと、(60)式のY(X)=NMfm + ΔNMfm
となり、X(ε*)=NMfm + ΔNMfm
のように対応させる。そして、複素比誘電率er1、虚部のer2らの周波数による値は、コール・コールの半円軌跡に近似出来るので、(41)式と図10から、(55)式のε*とFKMfmとの関係を最小自乗法から、(56)、(57)式を作成、そして、小幅変動部NM部も最小自乗法から、ε*との関係式を作成する。これらから、インピーダンスZ曲線の内、位相曲線θ角の極値点から、根Xとε*の軌跡点との関係(63)式によって、物体の比誘電率ε*を算出するものである。
この手法が、本発明のポイントである。
この対象物体のキャパシタンスXCBは、
XCB=K・(NM・FKMfm)・(NM・FKMfm)
K:形状係数、 位相極値点fm[HZ]点のリアクタンをhxcR[Ω]
この点のインピーダンスをZm、位相θmとすると物体の抵抗部
Rsisは、 Rsis=Zm・CosΘm となり、物体の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角tanδは、次式で、示せる。
tanδ[%]=100/(Rsis・XCB・ωm)
【0009】
荷電中の工作物の絶縁診断と製造ラインの製品の管理のtanδ測定システムについてのべる。
荷電中の電気工作物の絶縁診断は、図1のように、40[PF]から40[nF]のコンデンサーで、荷電中の工作物に可変周波数として、200KHZから600KHZ、の範囲で、10Vから100V、100mAから1Aを加えて、この電流と工作物に加えた両端の電圧から、周波数ごとのインピーダンス曲線と位相曲線を描く。そして、位相の変歪点の極値点をfmとして、前記のようにtanδを算出する。
製造工程中の物品の品質管理として、例えば、電線製造ラインでのエナメル線の表皮のエナメル部分の厚さ変動をキャパシタンス変動として、捕らえて、この、電線芯線とエナメル間のキャパシタンスと並列に生じている漏洩抵抗をtanδとして、検出し、エナメル部分の厚さ、を運転中に監視するものである。図2のように電線支持している2個の、金属や導電性のローラコマの1個目から、先の可変周波を印加し、電線エナメルから、キャパシタンスを通して、芯線へ流し、離隔した高周波電流の帰路となるもう一つのローラコマの2個目から電流の戻り極として、可変周波の発振器に帰す回路を構成する。高周波であるので、回転部と支持部との空隙では、この間に形成される浮遊キャパシタンスを通して、芯線に入り、戻りのローラコマに電流が帰ってくる。
【0010】
発明を実施するための計算原理を示す。
絶縁物に低い周波数を加えると、絶縁物の比誘電率εrであるとき、分極の大きさはPは、誘電体が感じる電場の強さに比例するので、定数χとして
P=ε0・χ・E・・・・(1)
電束密度をDで示すと D=εr・ε0・E・・・・(2)
D=ε0(1+χ)E = ε0・E+P ・・・・(3)
ここで印加周波数を高くすると分極Pが電場の時間変化に追随できなくなる。誘電率が周波数に依存する現象を誘電分散と呼称されている。印加電場Eを
電束密度Dも変化し、その定常振動は、
のように、印加電場Eに対して、電束密度Dの方は、位相がδだけ遅れる。このときの比誘電率をε*とすると、複素数でなければならないので、以後ε*を複素比誘電率と呼称する。
D=ε0・ε*・E・・・・(6)
ε*=ε1−j・ε2・・・・(7)
ε1:実部比誘電率 ε2:虚部比誘電率
ε1=D0・Cosδ/ε0・E0・・・・(8)
ε2=D0・Sinδ/ε0・E0・・・・(9)
MTtanδ=100・ε1/ε2=100/R・C・ω・・・・(10)
MTtanδ=100・IR/IC ・・・・(11)
この誘電体損MTtanδは、印加した絶縁物体内の物性に寄る誘電体損失を表している。 これは、図3のRp部分での有効電力損失、ジュール熱となるIRxIRxRpの積で示せる消費電力である。
ε2への寄与は、σ/(ε0・ω) ただし、σは、導電率
誘電分散には、大別して、緩和型分散と共鳴型分散とであり、緩和型は、配向分極の示す緩和現象である。高周波の場合電場印加に対して、配向分極は、直ちに追従できないので誘電損失が起きる。このように高周波を印加すると、位相変化δが発生し、図−4のように位相曲線に極値が観測できる。
一方、高周波は、絶縁物中の平面電磁波として進行するので絶縁物中の導電率がσ、誘電率をε、透磁率をμとすると
電界が X 方向、波が、Z 方向に進行するとき
(21)式の両辺を2乗して実部と虚部とが等しいと置くと
(23)、(24)式からβを消去して、
αは減衰定数、βは位相定数、 高周波を印加したときは、σ/ω・εが1より、充分小さいので、(26)、(27)式は、次式となる。
(28)。(29)式より、σ2 を消去して、(30)式となり、ε>0から、εで割り算して、(31)式となる。
【0011】
発明申請する数理展開部分
【数1】
【0012】
発明項:電磁方程式から、根を解き、比誘電率を計算する。
【数2】
【0013】
発明申請する計算根Xの数値部分NMとべき乗指数FKM
【数3】
ε*:高周波になると比誘電率は複素数で表す
εr1:比誘電率の実数部
εr2:非誘電率の虚数部
NM:解の実根の数値部分
FKM:根の数値の階乗部分の浮動指数
FKMfm:位相の極値周波数点fmでの階乗指数(右肩上の上付き数字)
fm:位相曲線上の極値を有する点の周波数 図4参照
X=NM・FKMfm ・・・・(35)
(32)式より
ε*(fm)=X・X/ε0 ・・・・(36)
=(εr1 − j・εr2)
【0014】
発明の根Xからの物体の比誘電率の算出方法
【数4】
誘電分散に関するデバイの理論から緩和型分散の場合次式が成立する。
図9の位相曲線の極値は、ωm・τ付近に現れ、図10の曲線から実部誘電率ε1(ω)、虚部誘電率ε2(ω)の合成から、それぞれの絶縁物によって図5から、図8までの様相が変化する。
τ:緩和時間 (38)、(39)式から、図9が描かれる。
多分散の度合いQによって、(40)式に表現できる。
(38)、(39)式から、ω・τを消去して、(41)式を得る。
(41)式を作図すると図10の半円となり、これをcole−coleplot という。
位相曲線の極値点の周波数をfmとして、図9から、
2・ε2(fm)=ε1(0) ・・・・(42)
複素比誘電率ε*の絶対値は、コール・コールプロットの半径であることから
ε1(0)= ε1(fm) x 2 ・・・・(44)
60HZの周波数のとき、ε1(60)は、
ε1(60)= ε1(fm)x fm/60 ・・・・(45)
先の緩和型分散に対して、絶縁物に寄っては、共鳴型分散と言われている様相を呈する(位相曲線の極値が顕著に出てくる)場合がある。これは、電子分極やイオン分極により、電場を印加したとき、電荷の重心の運動は、減衰を伴う弾性振動の系と見なせる場合があり、質量M,固有振動数ω0,正負電荷量qの相対変位Xのとき、
減衰項を含む運動方程式は、
ε2(ω)は、ω=ω0点で、最大となり、ε1(ω)は、0となる。
「が0であれば、実部誘電率ε1(ω)しか存在しない。虚部のε2(ω)=0である。この模様は、図11に示す。
(32)式の根から実部誘電率ε1(fm)を算出する場合、Xの数値部分NMは、次式で求める。
【0015】
発明項:従来から一般に採用されているtanδに合わせる為、本法の位相曲線の変歪極値点周波数fm点でのインピーダンスが、1500Ωの時 −10をべき乗指数とする。
【数5】
根Xのベキ乗指数部分をFKMfmで示すと
周波数fが、400KHZ点=fu点で、
インピーダンスZ(fu)=3000Ωを基準にして、位相曲線上で極値となるfm点の解Xのベキ乗指数部分を次の(54)式でLXXを定義する。
fmは、多数の極値が現れる場合、一番周波数の低い極値点とする。
【0016】
発明項:従来から、一般に採用されているtanδに合致させるためには、同様に、3000Ωに対して−12乗のべき指数が良い
【数6】
図6 と(47)式から、複素比誘電率ε*の絶対値を(55)式で表現できる。
cole−cole plotの半円からfm点のε*の絶対値とXの
(60)式となる。
Xのベキ乗指数からのε*の数値部分をNMfmで示し、
Xの数値NMにより変動する数値部分をΔNMfmで示すと
【0017】
発明項として、比誘電率の周波数特性であるコール・コール図のε1とε2の自乗のルートであるε*の絶対値とXからの計算結果によるε*とを最小自乗法で、関連付ける方法が創作のポイントである。
【数7】
式で示すと
最小自乗法で、A,B,Cの定数が決まる。
【0018】
発明項:Xの数値部分NMとべき乗部分のFKMfmとを、分けて、LXXとLHXとし、それぞれ、最小自乗法で、ε*とを関連付ける。
【数8】
ただし、
Y(X)=NMfm +ΔNMfm ・・・・(60)
X(ε)=Y(X) ・・・・(61)
fm点から得た複素比誘電率の絶対値[ε*(fm)]は、
絶縁物の等価な平行平板に置き換えて、その平板面積をS、板間距離をdとすると、絶縁物のキャパシタンスをXCBとして、
K:形状係数
fm [HZ]点のリアクタンスをhxcR[Ω]とすると
hxcR=1/(ωm・XCB) ・・・(64)
固有抵抗をRsis[Ω]とすると
Rsis=Zm・Cosθm ・・・・(65)
ただし、Zm:fm点のインピーダンス
θm:fm点の位相角[度]
fm点の絶縁物の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角をtanδm[%]とすると
【0019】
発明項:fmHZ点でのtanδmおよび、60HZ点でのtanδは、fm点の位相θmとインピーダンスZmから、算出する。
このtanδは、絶縁物の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角である。
【数9】
60[HZ]点の絶縁物の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角をtanδ[%]とすると
tanδ[%]=tanδm[%]・fm/60 ・・・・(67)
【0020】
物体内の有効比誘電率ε1、と無効(虚軸)比誘電率ε2とから算出するtanδは、(10)、(11)式の通りである。
【0021】
数理処理のうち、周波数fm[KHZ]点で、位相曲線での極値が有れば、その点のインピーダンスZm[Ω]から、(33)式の根Xを解き、表 1のように、比誘電率ε*、εr1、Xの数値のべき乗指数部分のFKMfm、それの対数表示であるKNN,そして、計算結果として得られるtanδ、これから、物質ごとの結果からの寿命相関を最小自乗法から算出できる残存寿命[年]を記載する。
【0022】
(33)式の根Xから、計算して、得られる結果例として、A,B,Cの3ケースを示す。
【0023】
計算プログラムの一例を示す。根Xの2つの内、絶対値は、小さいが、変動幅の大きいべき乗の方を採用する。この方が、高周波による複素比誘電率ε*の変動幅との相関が大であるからである。
【表1】
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】荷電中の電気工作物への印加回路
【図2】製造工程ライン移動中の物体の品質管理に使用する測定回路
【図3】絶縁物体内の等価回路
【図4】位相曲線で、表れる極値点
【図5】時定数0.3μSの物体でのεr2の極値点
【図6】時定数0.5μSの物体での極値点
【図7】時定数0.05μSの物体での極値点
【図8】時定数0.3μSの物体でのεr1,εr2合成の極値点
【図9】デバイ氏の緩和曲線
【図10】コール・コール氏らの円線図
【図11】共鳴型分散の比誘電率と周波数との関係
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気工作物の絶縁物箇所の比誘電率からのtanδの計算方法および電気機器運転中における機器内絶縁機能良否を評価するためのtanδ検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
絶縁レベルの高い高絶縁物では、従来のtanδ計では、検出電流が非常に微量で、検出困難であり、測定が不可能であった。
【0003】
充電や印加電圧による運転回路に連接される対象機器のtanδ、または電線製造工程中の走行エナメル線の導線芯線の外皮エナメル部分の絶縁良否や、半導体製造工程の洗浄液管理や、半導体素子のドービングレベル検査、そして、流動体誘電物質等の品質管理から誘電体損を評価するためのtanδの測定が適用されていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【0004】
高絶縁物の絶縁レベルを評価するためtanδを測定する必要があった。
【0005】
充電印加中の機器絶縁の良否を評価したり、製造工程中の物品の品質管理にtanδによる方法が必要であった。
【0006】
本発明は、前記課題に鑑みて、荷電中の電気工作物の絶縁診断や、製造ラインの運転中の製品の品質管理に使用できるtanδの計算方法を確立させたこと、および測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のtanδの計算方法は、10Vから、1000V程度の非破壊電圧で、ノイズに打ち勝てる100mAから、1Aの小電流で、200KHZから、600KHZ程度の連続可変高周波を絶縁物に加えて、図1の回路で測定し、ネットワークアナライザーでインピーダンスZ曲線と位相曲線θを描き、このθ曲線の変歪する極値点fm[HZ]におけるZm[Ω]、θm[度]を使用して成立する電磁伝搬方程式の根Xから、複素比誘電率ε*を算出し、tanδを導出する。これは、図9のように複素比誘電率ε*の虚数部分のj・er2が、一般の絶縁物では、その周波数範囲内で、極大点が現れる。図5から、図8のように絶縁体の種類によって、少し、極値点の周波数fmが変動する。
【0008】
発明のポイントとしては、
測定インピーダンスZm[Ω]と減衰定数α[neper/m]、位相角θm[度]と位相定数β[rad/m]とを対応させて、位相曲線の極値の有る周波数をfm点のインピーダンスと位相角から導出出来る、電磁伝搬方程式、(31)式から、根Xを解く、(31)式のα=Zm,β=θmを代入すれば(33)式の根Xは、次のようにFKMfmが−12から−6まで変動する:べき乗指数を有する第一根を採用する。一方、コール・コール図からの複素比誘電率ε*の絶対値は、ほぼ半円となる軌跡上を移動する。このε*とXの値とは相関関係が第一根の方が大であるので、これを採用することが本発明のポイントの一つである。この相関関係から、最小自乗法で、各係数を算出し、Xから、ε*を決める。このように、位相変歪点のfm[KHZ]は、高周波の場合、特に、比誘電率の虚数部分が出てきて(5)式から、(7)式となるεR2部分が、fm点で、極大値となるので、位相曲線θに極値θmが表れる。この点のインピーダンスZmとθmからε*の絶対値を算出する手法に独創性がある。[0021]から[0023]に詳細を示している。例えばZが9000Ω(fm点)の時
数値0.2部分をNM、 べき乗指数−12部分をFKMfmで示す。
Z=1000Ωの時
同様にして、
NM1=0.6 FKMfm1=−9
Z=500Ωの時
同様にして、
NM2=0.4 、 FKMfm3=−6
NMは0から、1.0まで変動する。それに対して、10のFKMfm乗は、10(−12乗)から、10(−6乗)と、大きく変動する。この小幅変動部をNMfmとし、大幅変動部をΔNMfm
で示すと、(60)式のY(X)=NMfm + ΔNMfm
となり、X(ε*)=NMfm + ΔNMfm
のように対応させる。そして、複素比誘電率er1、虚部のer2らの周波数による値は、コール・コールの半円軌跡に近似出来るので、(41)式と図10から、(55)式のε*とFKMfmとの関係を最小自乗法から、(56)、(57)式を作成、そして、小幅変動部NM部も最小自乗法から、ε*との関係式を作成する。これらから、インピーダンスZ曲線の内、位相曲線θ角の極値点から、根Xとε*の軌跡点との関係(63)式によって、物体の比誘電率ε*を算出するものである。
この手法が、本発明のポイントである。
この対象物体のキャパシタンスXCBは、
XCB=K・(NM・FKMfm)・(NM・FKMfm)
K:形状係数、 位相極値点fm[HZ]点のリアクタンをhxcR[Ω]
この点のインピーダンスをZm、位相θmとすると物体の抵抗部
Rsisは、 Rsis=Zm・CosΘm となり、物体の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角tanδは、次式で、示せる。
tanδ[%]=100/(Rsis・XCB・ωm)
【0009】
荷電中の工作物の絶縁診断と製造ラインの製品の管理のtanδ測定システムについてのべる。
荷電中の電気工作物の絶縁診断は、図1のように、40[PF]から40[nF]のコンデンサーで、荷電中の工作物に可変周波数として、200KHZから600KHZ、の範囲で、10Vから100V、100mAから1Aを加えて、この電流と工作物に加えた両端の電圧から、周波数ごとのインピーダンス曲線と位相曲線を描く。そして、位相の変歪点の極値点をfmとして、前記のようにtanδを算出する。
製造工程中の物品の品質管理として、例えば、電線製造ラインでのエナメル線の表皮のエナメル部分の厚さ変動をキャパシタンス変動として、捕らえて、この、電線芯線とエナメル間のキャパシタンスと並列に生じている漏洩抵抗をtanδとして、検出し、エナメル部分の厚さ、を運転中に監視するものである。図2のように電線支持している2個の、金属や導電性のローラコマの1個目から、先の可変周波を印加し、電線エナメルから、キャパシタンスを通して、芯線へ流し、離隔した高周波電流の帰路となるもう一つのローラコマの2個目から電流の戻り極として、可変周波の発振器に帰す回路を構成する。高周波であるので、回転部と支持部との空隙では、この間に形成される浮遊キャパシタンスを通して、芯線に入り、戻りのローラコマに電流が帰ってくる。
【0010】
発明を実施するための計算原理を示す。
絶縁物に低い周波数を加えると、絶縁物の比誘電率εrであるとき、分極の大きさはPは、誘電体が感じる電場の強さに比例するので、定数χとして
P=ε0・χ・E・・・・(1)
電束密度をDで示すと D=εr・ε0・E・・・・(2)
D=ε0(1+χ)E = ε0・E+P ・・・・(3)
ここで印加周波数を高くすると分極Pが電場の時間変化に追随できなくなる。誘電率が周波数に依存する現象を誘電分散と呼称されている。印加電場Eを
電束密度Dも変化し、その定常振動は、
のように、印加電場Eに対して、電束密度Dの方は、位相がδだけ遅れる。このときの比誘電率をε*とすると、複素数でなければならないので、以後ε*を複素比誘電率と呼称する。
D=ε0・ε*・E・・・・(6)
ε*=ε1−j・ε2・・・・(7)
ε1:実部比誘電率 ε2:虚部比誘電率
ε1=D0・Cosδ/ε0・E0・・・・(8)
ε2=D0・Sinδ/ε0・E0・・・・(9)
MTtanδ=100・ε1/ε2=100/R・C・ω・・・・(10)
MTtanδ=100・IR/IC ・・・・(11)
この誘電体損MTtanδは、印加した絶縁物体内の物性に寄る誘電体損失を表している。 これは、図3のRp部分での有効電力損失、ジュール熱となるIRxIRxRpの積で示せる消費電力である。
ε2への寄与は、σ/(ε0・ω) ただし、σは、導電率
誘電分散には、大別して、緩和型分散と共鳴型分散とであり、緩和型は、配向分極の示す緩和現象である。高周波の場合電場印加に対して、配向分極は、直ちに追従できないので誘電損失が起きる。このように高周波を印加すると、位相変化δが発生し、図−4のように位相曲線に極値が観測できる。
一方、高周波は、絶縁物中の平面電磁波として進行するので絶縁物中の導電率がσ、誘電率をε、透磁率をμとすると
電界が X 方向、波が、Z 方向に進行するとき
(21)式の両辺を2乗して実部と虚部とが等しいと置くと
(23)、(24)式からβを消去して、
αは減衰定数、βは位相定数、 高周波を印加したときは、σ/ω・εが1より、充分小さいので、(26)、(27)式は、次式となる。
(28)。(29)式より、σ2 を消去して、(30)式となり、ε>0から、εで割り算して、(31)式となる。
【0011】
発明申請する数理展開部分
【数1】
【0012】
発明項:電磁方程式から、根を解き、比誘電率を計算する。
【数2】
【0013】
発明申請する計算根Xの数値部分NMとべき乗指数FKM
【数3】
ε*:高周波になると比誘電率は複素数で表す
εr1:比誘電率の実数部
εr2:非誘電率の虚数部
NM:解の実根の数値部分
FKM:根の数値の階乗部分の浮動指数
FKMfm:位相の極値周波数点fmでの階乗指数(右肩上の上付き数字)
fm:位相曲線上の極値を有する点の周波数 図4参照
X=NM・FKMfm ・・・・(35)
(32)式より
ε*(fm)=X・X/ε0 ・・・・(36)
=(εr1 − j・εr2)
【0014】
発明の根Xからの物体の比誘電率の算出方法
【数4】
誘電分散に関するデバイの理論から緩和型分散の場合次式が成立する。
図9の位相曲線の極値は、ωm・τ付近に現れ、図10の曲線から実部誘電率ε1(ω)、虚部誘電率ε2(ω)の合成から、それぞれの絶縁物によって図5から、図8までの様相が変化する。
τ:緩和時間 (38)、(39)式から、図9が描かれる。
多分散の度合いQによって、(40)式に表現できる。
(38)、(39)式から、ω・τを消去して、(41)式を得る。
(41)式を作図すると図10の半円となり、これをcole−coleplot という。
位相曲線の極値点の周波数をfmとして、図9から、
2・ε2(fm)=ε1(0) ・・・・(42)
複素比誘電率ε*の絶対値は、コール・コールプロットの半径であることから
ε1(0)= ε1(fm) x 2 ・・・・(44)
60HZの周波数のとき、ε1(60)は、
ε1(60)= ε1(fm)x fm/60 ・・・・(45)
先の緩和型分散に対して、絶縁物に寄っては、共鳴型分散と言われている様相を呈する(位相曲線の極値が顕著に出てくる)場合がある。これは、電子分極やイオン分極により、電場を印加したとき、電荷の重心の運動は、減衰を伴う弾性振動の系と見なせる場合があり、質量M,固有振動数ω0,正負電荷量qの相対変位Xのとき、
減衰項を含む運動方程式は、
ε2(ω)は、ω=ω0点で、最大となり、ε1(ω)は、0となる。
「が0であれば、実部誘電率ε1(ω)しか存在しない。虚部のε2(ω)=0である。この模様は、図11に示す。
(32)式の根から実部誘電率ε1(fm)を算出する場合、Xの数値部分NMは、次式で求める。
【0015】
発明項:従来から一般に採用されているtanδに合わせる為、本法の位相曲線の変歪極値点周波数fm点でのインピーダンスが、1500Ωの時 −10をべき乗指数とする。
【数5】
根Xのベキ乗指数部分をFKMfmで示すと
周波数fが、400KHZ点=fu点で、
インピーダンスZ(fu)=3000Ωを基準にして、位相曲線上で極値となるfm点の解Xのベキ乗指数部分を次の(54)式でLXXを定義する。
fmは、多数の極値が現れる場合、一番周波数の低い極値点とする。
【0016】
発明項:従来から、一般に採用されているtanδに合致させるためには、同様に、3000Ωに対して−12乗のべき指数が良い
【数6】
図6 と(47)式から、複素比誘電率ε*の絶対値を(55)式で表現できる。
cole−cole plotの半円からfm点のε*の絶対値とXの
(60)式となる。
Xのベキ乗指数からのε*の数値部分をNMfmで示し、
Xの数値NMにより変動する数値部分をΔNMfmで示すと
【0017】
発明項として、比誘電率の周波数特性であるコール・コール図のε1とε2の自乗のルートであるε*の絶対値とXからの計算結果によるε*とを最小自乗法で、関連付ける方法が創作のポイントである。
【数7】
式で示すと
最小自乗法で、A,B,Cの定数が決まる。
【0018】
発明項:Xの数値部分NMとべき乗部分のFKMfmとを、分けて、LXXとLHXとし、それぞれ、最小自乗法で、ε*とを関連付ける。
【数8】
ただし、
Y(X)=NMfm +ΔNMfm ・・・・(60)
X(ε)=Y(X) ・・・・(61)
fm点から得た複素比誘電率の絶対値[ε*(fm)]は、
絶縁物の等価な平行平板に置き換えて、その平板面積をS、板間距離をdとすると、絶縁物のキャパシタンスをXCBとして、
K:形状係数
fm [HZ]点のリアクタンスをhxcR[Ω]とすると
hxcR=1/(ωm・XCB) ・・・(64)
固有抵抗をRsis[Ω]とすると
Rsis=Zm・Cosθm ・・・・(65)
ただし、Zm:fm点のインピーダンス
θm:fm点の位相角[度]
fm点の絶縁物の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角をtanδm[%]とすると
【0019】
発明項:fmHZ点でのtanδmおよび、60HZ点でのtanδは、fm点の位相θmとインピーダンスZmから、算出する。
このtanδは、絶縁物の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角である。
【数9】
60[HZ]点の絶縁物の沿面の漏洩抵抗を含めた損失角をtanδ[%]とすると
tanδ[%]=tanδm[%]・fm/60 ・・・・(67)
【0020】
物体内の有効比誘電率ε1、と無効(虚軸)比誘電率ε2とから算出するtanδは、(10)、(11)式の通りである。
【0021】
数理処理のうち、周波数fm[KHZ]点で、位相曲線での極値が有れば、その点のインピーダンスZm[Ω]から、(33)式の根Xを解き、表 1のように、比誘電率ε*、εr1、Xの数値のべき乗指数部分のFKMfm、それの対数表示であるKNN,そして、計算結果として得られるtanδ、これから、物質ごとの結果からの寿命相関を最小自乗法から算出できる残存寿命[年]を記載する。
【0022】
(33)式の根Xから、計算して、得られる結果例として、A,B,Cの3ケースを示す。
【0023】
計算プログラムの一例を示す。根Xの2つの内、絶対値は、小さいが、変動幅の大きいべき乗の方を採用する。この方が、高周波による複素比誘電率ε*の変動幅との相関が大であるからである。
【表1】
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】荷電中の電気工作物への印加回路
【図2】製造工程ライン移動中の物体の品質管理に使用する測定回路
【図3】絶縁物体内の等価回路
【図4】位相曲線で、表れる極値点
【図5】時定数0.3μSの物体でのεr2の極値点
【図6】時定数0.5μSの物体での極値点
【図7】時定数0.05μSの物体での極値点
【図8】時定数0.3μSの物体でのεr1,εr2合成の極値点
【図9】デバイ氏の緩和曲線
【図10】コール・コール氏らの円線図
【図11】共鳴型分散の比誘電率と周波数との関係
【特許請求の範囲】
【請求項1】
200KHZ以上の高周波可変周波数のネットワークアナライザーや、この高周波のうち、物体によって適する或る一定周波数f[KHZ]に寄って得られるインピーダンスZ[Ω]と位相θ[度],可変周波数では、位相曲線が複素比誘電率の極大点がもたらす事に寄る位相変歪極値点周波数fm[KHZ],と、この点のインピーダンスZm[Ω]を減衰定数α[neper/m],位相θm[度]を位相定数β[rad/m]に対応させて、電磁伝搬方程式に代入させ、その解析根Xの二つのうち、数値にべき乗を含む根(以下第一根という)を複素比誘電率の算出に使用すること。
【請求項2】
物質によって、違いがあるが、高周波帯では、複素比誘電率ε*がコール・コールの半円図を形成し、周波数fmごとのXの第一根とε*とが、相関関係があり、これを最小自乗法で、関係度を数式化して、先の、fや、fm、Zや、Zmと、そして、θやθmから、電磁伝搬式の解を利用し、複素比誘電率を算出する方法
【請求項3】
Xの第一根の数値の真数部分とべき乗指数部分に分けて表し、Zmが、9000Ωから、10Ωと大きく変動するとき、べき乗部分は、−12乗から、−6乗と変動するので、それに対して、ε*が、80程度から、2程度まで、変動する関係を数式化して、減衰定数α、位相定数βから成立する電磁伝搬式の解に適合させる方法を創作した。これにより、高絶縁物の誘電体損角であるtanδを計算出来るようにした。
【請求項4】
高インピーダンス・コンデンサーによる、荷電中の工作物の絶縁診断のための測定回路、および、回転や、平行移動する液体や、固体に、移動物体を支持する導体や、半導体の構造物から、高周波を印加して、移動物体を含めた回路のインピーダンスと位相のから、製品の品質管理としてのtanδ測定システム
【請求項1】
200KHZ以上の高周波可変周波数のネットワークアナライザーや、この高周波のうち、物体によって適する或る一定周波数f[KHZ]に寄って得られるインピーダンスZ[Ω]と位相θ[度],可変周波数では、位相曲線が複素比誘電率の極大点がもたらす事に寄る位相変歪極値点周波数fm[KHZ],と、この点のインピーダンスZm[Ω]を減衰定数α[neper/m],位相θm[度]を位相定数β[rad/m]に対応させて、電磁伝搬方程式に代入させ、その解析根Xの二つのうち、数値にべき乗を含む根(以下第一根という)を複素比誘電率の算出に使用すること。
【請求項2】
物質によって、違いがあるが、高周波帯では、複素比誘電率ε*がコール・コールの半円図を形成し、周波数fmごとのXの第一根とε*とが、相関関係があり、これを最小自乗法で、関係度を数式化して、先の、fや、fm、Zや、Zmと、そして、θやθmから、電磁伝搬式の解を利用し、複素比誘電率を算出する方法
【請求項3】
Xの第一根の数値の真数部分とべき乗指数部分に分けて表し、Zmが、9000Ωから、10Ωと大きく変動するとき、べき乗部分は、−12乗から、−6乗と変動するので、それに対して、ε*が、80程度から、2程度まで、変動する関係を数式化して、減衰定数α、位相定数βから成立する電磁伝搬式の解に適合させる方法を創作した。これにより、高絶縁物の誘電体損角であるtanδを計算出来るようにした。
【請求項4】
高インピーダンス・コンデンサーによる、荷電中の工作物の絶縁診断のための測定回路、および、回転や、平行移動する液体や、固体に、移動物体を支持する導体や、半導体の構造物から、高周波を印加して、移動物体を含めた回路のインピーダンスと位相のから、製品の品質管理としてのtanδ測定システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2008−89561(P2008−89561A)
【公開日】平成20年4月17日(2008.4.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−298273(P2006−298273)
【出願日】平成18年10月3日(2006.10.3)
【出願人】(300053748)
【出願人】(504169359)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年4月17日(2008.4.17)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年10月3日(2006.10.3)
【出願人】(300053748)
【出願人】(504169359)
【Fターム(参考)】
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