AC電圧計と電流計

AC電気機械式メータームーブメントには、2つの基本的な配置があります。DCムーブメントの設計に基づくものと、AC用に特別に設計されたものです。

永久磁石可動コイル（PMMC）メーターの動きは、交流に直接接続されている場合は正しく機能しません。これは、針の動きの方向がACの半サイクルごとに変化するためです。 （下の図）

永久磁石モーターのような永久磁石メーターの動きは、その動きが印加電圧の極性に依存するデバイスです（または、電流の方向の観点から考えることができます）。

ACをこのダーソンバルメーターの動きに通すと、針が無駄にバタバタします。

ダーソンバルデザインなどのDCスタイルのメータームーブメントを使用するには、交流を整流する必要があります。 DCに。

これは、ダイオードと呼ばれるデバイスを使用することで最も簡単に実現できます。 。歪んだ（または整流された）正弦波からの高調波周波数の生成を示す回路例で使用されているダイオードを見ました。ダイオードがどのように、そしてなぜそのように機能するのかについて詳細に説明することなく、それぞれが電流を流すための一方向弁のように機能することを覚えておいてください。

各ダイオード記号の矢印は、電流が流れる許容方向を指しています。

ブリッジに配置された4つのダイオードは、ACサイクルのすべての部分を通じて、メーターの動きを通じてACを一定の方向に誘導するのに役立ちます。

ACをこの整流されたACメーターの動きに通すと、一方向に駆動されます。

実用的なACメータームーブメントのもう1つの戦略は、DCタイプに固有の極性感度なしでムーブメントを再設計することです。

これは、永久磁石の使用を避けることを意味します。おそらく最も簡単な設計は、磁化されていない鉄の羽根を使用して針をばねの張力に逆らって動かすことです。羽根は、下の図のように測定されるAC量によって通電されるワイヤーの固定コイルに引き付けられます。

鉄羽根の電気機械式メーターの動き。

エアギャップで隔てられた2枚の金属板間の静電引力は、印加電圧に比例した針の移動力を発生させるための代替メカニズムです。

これは、ACの場合もDCの場合と同じように機能します。または、言うまでもなく、うまく機能しません。関与する力は非常に小さく、通電されたコイルと鉄の羽根の間の磁気引力よりもはるかに小さいため、これらの「静電」メーターの動きは壊れやすく、物理的な動きによって簡単に乱される傾向があります。

ただし、一部の高電圧ACアプリケーションでは、静電運動は洗練されたテクノロジーです。

この技術には、入力インピーダンスが非常に高いという利点があります。つまり、テスト対象の回路から電流を引き出す必要がありません。また、静電メーターの動きは、レンジ抵抗器やその他の外部装置を必要とせずに、非常に高い電圧を測定することができます。

AC電圧計として機能するように敏感なメーターの動きを再調整する必要がある場合は、DCメーターの設計と同様に、直列接続された「乗算器」抵抗器や抵抗分圧器を使用できます。（下図）

乗数抵抗（a）または抵抗分圧器（b）は、基本的なメーターの動きの範囲をスケーリングします。

ただし、電圧計の分周回路を作成するために、抵抗の代わりにコンデンサを使用することもできます。この戦略には、非散逸性（真の電力消費や熱の発生がない）という利点があります。

容量性分周器付きAC電圧計。

メーターの動きが静電的であり、本質的に容量性である場合、直列接続されたマルチプライヤ抵抗がムービングコイル（本質的に抵抗性）を与えるのと同じように、単一の「マルチプライヤ」コンデンサを直列に接続して、より広い電圧測定範囲を与えることができます。 ）メーターの動きがより広い電圧範囲：

静電メーターの動きは、容量性乗数を使用して、基本的なメーターの動きのスケールを乗算する場合があります。

DCメータリングの章で説明されているブラウン管（CRT）は、AC電圧の測定に最適です。特に、測定されたAC電圧がビームを上下に駆動しているときに、電子ビームがチューブの画面全体で左右に掃引される場合に適しています。 。

このようなデバイスを使用すると、大きさの測定だけでなく、AC波形のグラフィック表現を簡単に行うことができます。ただし、CRTには、重量、サイズ、大幅な電力消費、および脆弱性（真空ガラスでできている）がCRTに作用するという欠点があります。

これらの理由から、電気機械式ACメーターのムーブメントはまだ実用化されています。

これらのメーター移動技術の長所と短所のいくつかはすでに説明されていますが、AC計測機器の設計者とユーザーが知っておくべき非常に重要な別の要因があります。これはRMS測定の問題です。

すでに知っているように、AC測定は、多くの場合、 RMS と呼ばれるDC電力等価のスケールでキャストされます。 （ R oot- M ean- S quare）DCおよびさまざまな形状の他のAC波形との有意義な比較のために。これまでに説明したメーター移動テクノロジーはいずれも、AC量のRMS値を本質的に測定するものではありません。

機械的な針（「整流された」ダルソンバル、鉄の羽根、静電）の動きに依存するメーターの動きはすべて、瞬時値を機械的に平均して波形の全体的な平均値にする傾向があります。

この平均値は、RMSと必ずしも同じではありませんが、多くの場合、そのように誤解されています。これらの3つの一般的な波形形状について、平均値とRMS値は相互に評価されます。

正弦波、方形波、三角波のRMS、平均、ピークツーピーク値。

RMSは、ほとんどの人が計測器で取得することに関心のある種類の測定値であるように思われるため、電気機械式メーターの動きは自然に平均を実現します。 RMSではなく測定、ACメーターの設計者は何をしますか？もちろんチート！

通常、測定される波形の形状は正弦波であると想定され（特に電力システムの場合、最も一般的です）、メーターの移動スケールは適切な増倍率によって変更されます。

正弦波の場合、RMSはピーク値の0.707倍に等しく、平均はピークの0.637倍であることがわかります。したがって、一方の数値をもう一方の数値で割ると、平均からRMSへの変換係数1.109が得られます。

言い換えれば、メーターの動きは、特別な調整がない場合に通常（自然に）表示されるよりも約1.11倍高いことを示すように調整されます。この「チート」は、メーターを使用して純粋な正弦波源を測定する場合にのみうまく機能することを強調する必要があります。

三角波の場合、RMSと平均の比率は正弦波の場合と同じではないことに注意してください。

方形波の場合、RMS値と平均値は同じです。純粋な正弦波のRMS電圧または電流を正確に読み取るように校正されたACメーターは、 ありません。 完全な正弦波以外のものの大きさを示しながら、適切な値を与えます。

これには、三角波、方形波、またはあらゆる種類の歪んだ正弦波が含まれます。大規模なAC電源システムでは高調波が常に存在する現象になっているため、この正確なRMS測定の問題は小さな問題ではありません。

賢明な読者は、私がRMS /平均の議論からCRTの「動き」を省略したことに気付くでしょう。これは、実質的に無重力の電子ビームの「動き」を備えたCRTが、平均またはRMSではなくAC波形のピーク（または必要に応じてピークツーピーク）を表示するためです。

それでも、同様の問題が発生します。それから波形のRMS値をどのように決定しますか？ピークとRMSの間の変換係数は、波形が既知の形状カテゴリに適切に分類される場合にのみ保持されます（ここに示すピーク/ RMS /平均変換係数の例は、正弦、三角形、および正方形のみです）。

1つの答えは、RMSの定義、つまり抵抗性負荷に電力を供給するときのAC電圧/電流の実効加熱値を中心にメーターの動きを設計することです。測定するAC電源が既知の値の抵抗器の両端に接続されており、その抵抗器の熱出力が熱電対などのデバイスで測定されているとします。

これにより、どの変換係数よりもはるかに直接的なRMSの測定手段が提供されます。これは、どのような波形でも機能するためです。

直読式熱RMS電圧計はあらゆる波形に対応します。

上に示したデバイスはやや粗雑であり、独自のエンジニアリング上の問題がありますが、示されている概念は非常に健全です。抵抗器は、AC電圧または電流量を熱（熱）量に変換し、リアルタイムで値を効果的に二乗します。

システムの質量は、熱慣性の原理によってこれらの値を平均化するように機能し、メータースケール自体が、熱測定の平方根に基づいて表示されるように調整されます。完全な二乗平均平方根表示がすべて1つのデバイスに含まれます。

実際、ある大手機器メーカーは、この技術を「真のRMS」機能を実現するハンドヘルド電子マルチメータのハイエンドラインに実装しています。

さまざまなフルスケール動作範囲でのAC電圧計と電流計の校正は、DC機器の場合とほとんど同じです。直列の「乗数」抵抗を使用して電圧計の動きをより高い範囲にし、並列の「シャント」抵抗を使用して電流計の動きを測定できるようにします。自然な範囲を超える電流。

ただし、DCの場合のように、これらの手法に限定されません。ACで変圧器を使用できるため、メーター範囲は、抵抗器が実際に許可する範囲をはるかに超えて、抵抗的に「ステップアップ」または「ステップダウン」するのではなく、電磁的にすることができます。のために。

潜在的変圧器（PT）と変流器（CT）は、一次巻線と二次巻線の間で非常に正確な変換比を生成するように製造された精密計測器デバイスです。

それらは、小さくて単純なACメーターの動きで、電力システムの非常に高い電圧と電流を正確かつ完全な電気的絶縁で示すことができます（乗算器とシャント抵抗では不可能なことです）：

（CT）変流器は電流を縮小します。 （PT）潜在的な変圧器は電圧をスケールダウンします。

ここに示されているのは、三相ACシステムの電圧および電流メーターパネルです。パネルの背面には、3つの「ドーナツ」変流器（CT）があります。パネルの前面にある3つのAC電流計（それぞれ定格5アンペアのフルスケール偏向）は、CTを通過する各導体を流れる電流を示します。

このパネルは使用できなくなったため、CTの「ドーナツ」の中心に電流が流れる導体は通っていません。

トロイダル変流器は、高電流レベルを5AのフルスケールAC電流計に適用するためにスケールダウンします。

計器用変成器は費用がかかる（そして多くの場合大きなサイズである）ため、高電圧と高電流以外のアプリケーションのACメーターのスケーリングには使用されません。ミリアンペアまたはマイクロアンペアの動きを120ボルトまたは5アンペアの範囲にスケーリングするために、DCの場合と同様に、通常の高精度抵抗（乗算器およびシャント）が使用されます。

レビュー：

• 偏光（DC）メーターの動きは、ダイオードと呼ばれるデバイスを使用する必要があります AC量を示すことができるようにします。
• 電気機械式メーターの動きは、電磁的であろうと静電的であろうと、自然に平均を提供します。 測定されたAC量の値。これらの機器は、RMS値を示すように範囲を設定できますが、AC波形の形状が事前に正確にわかっている場合に限ります。
• いわゆる真のRMS メーターは、さまざまなテクノロジーを使用して、AC波形の（スキューされた平均またはピークではなく）実際のRMSを表す指標を提供します。