電圧計の動作原理と電圧計の種類

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フィールド: 基本電気

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ボルトメータとは

ボルトメータは電圧計です。これは二つのノード間の電圧を測定します。電位差の単位はボルトであることを知っています。したがって、これは二点間の電位差を測定する測定機器です。

ボルトメータの動作原理

ボルトメータの主な原理は、測定したい電圧に並列接続する必要があることです。並列接続を使用するのは、ボルトメータが非常に高い抵抗値を持つように構築されているためです。そのため、この高い抵抗が直列に接続されると、電流の流れはほとんどゼロとなり、回路が開いた状態になります。

並列に接続すると、負荷インピーダンスがボルトメータの高抵抗と並列になり、組み合わせた結果、負荷が持っていたインピーダンスとほぼ同じになります。また、並列回路では電圧が同じなので、ボルトメータと負荷間の電圧はほぼ同じであり、ボルトメータは電圧を測定します。
理想的なボルトメータの場合、抵抗は無限大で、引き取られる電流はゼロであるため、装置での電力損失はありません。しかし、これは実際には達成不可能です。なぜなら、無限大の抵抗を持つ材料は存在しないからです。

ボルトメータの分類または種類

構造原理に基づいて、異なる種類のボルトメータがあります。主なものは以下の通りです。

永久磁石式可動コイル（PMMC）ボルトメータ。
可動鉄心（MI）ボルトメータ。
電気ダイナモメータ型ボルトメータ。
整流器型ボルトメータ。
誘導型ボルトメータ。
静電型ボルトメータ。
デジタルボルトメータ（DVM）。

これらの測定タイプによって、以下のように分類されます。

DCボルトメータ。
ACボルトメータ。

DCボルトメータの場合、PMMC機器が使用されます。MI機器はACとDCの電圧を測定できます。電気ダイナモメータ型や熱機器もDCとACの電圧を測定できます。誘導メータはコストが高いことや測定精度が低いことから使用されません。整流器型ボルトメータ、静電型ボルトメータ、およびデジタルボルトメータ（DVM）は、ACとDCの電圧を測定できます。

PMMCボルトメータ

電流を流す導体が磁場に置かれたとき、導体に機械的な力が作用します。これが移動系に取り付けられている場合、コイルの動きとともにポインタがスケール上を動きます。
PMMC機器には永久磁石があります。ここでの偏角は電圧に比例するため、材料の抵抗値が一定であるため、電圧の極性が逆転するとポインタの偏角も逆転するため、DC測定に適しています。この種の機器はダアーソンバル型機器と呼ばれ、線形スケールがあり、消費電力が低く、高精度という利点があります。
主な欠点は -
DC量のみを測定し、コストが高いなど。
ここで、
B = フラックス密度 (Wb/m2)。
i = V/R ここでVは測定する電圧、Rは負荷の抵抗。
l = コイルの長さ (m)。
b = コイルの幅 (m)。
N = コイルの巻数。

PMMCボルトメータの範囲拡張

PMMCボルトメータでは、電圧の測定範囲を拡張する機能があります。単にメーターに抵抗を直列に接続することで、測定範囲を拡張することができます。
range extension of pmmc voltmeter
ここで、
Vは供給電圧（ボルト）。
Rvはボルトメータの抵抗（オーム）。
Rは直列に接続された外部抵抗（オーム）。
V1はボルトメータの電圧。
直列に接続する外部抵抗は以下の式で与えられます

MIボルトメータ

MI機器は可動鉄心機器を意味します。これはACとDCの両方の測定に使用されます。偏角θは電圧の2乗に比例するため、電圧の極性に関わらず方向性のある偏角を示します。さらに、これらは以下の2つに分類されます。

吸引型。
反発型。

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ここで、Iは回路全体の電流（アンペア）。I = V/Z
ここで、Vは測定する電圧、Zは負荷のインピーダンス。
Lはコイルの自己インダクタンス（ヘンリー）。
θはラジアンでの偏角。

吸引型MI機器の原理

非磁化された軟鉄を磁場に置くと、コイルに引き寄せられます。ポインタがシステムに取り付けられており、電圧によって電流がコイルに流れる結果、磁場が生成され、鉄片を引き寄せ、偏向トルクが生成され、ポインタがスケール上で動きます。

反発型MI機器の原理

2つの鉄片に同じ極性を持たせるために電流を流すと、それらの間に反発が生じ、その反発が偏向トルクを生成し、ポインタが動きます。
利点はACとDCの両方を測定でき、安価で摩擦誤差が少なく、堅牢なことです。主にAC測定に使用されるのは、DC測定ではヒステリシスによる誤差が大きくなるためです。

電気ダイナモメータ型ボルトメータ

電気ダイナモメータ機器は、DCとACの両方に同じキャリブレーションを持つため、DCでキャリブレーションされたものでも、再キャリブレーションせずにACを測定することができます。

電気ダイナモメータ型ボルトメータの原理

固定コイルと可動コイルがあります。電圧を二つのコイルに適用すると、電流が二つのコイルに流れ、等しくかつ反対方向のトルクが発生するため、ゼロ位置に留まります。一方のトルクの方向がコイル内の電流が逆転するにつれて逆転すると、一方向のトルクが生成されます。
ボルトメータの場合、接続は並列であり、固定コイルと可動コイルは非感応抵抗と直列に接続されています。
φ = 0 ここでφは位相角。

ここで、Iは回路全体の電流（アンペア）= V/Z。
VとZはそれぞれ適用される電圧とコイルのインピーダンス。
M = 相互インダクタンスのコイル。
これらにはヒステリシス誤差がなく、ACとDCの両方の測定に使用でき、主な欠点はトルク/重量比が低く、摩擦損失が高く、他の機器よりも高価であることなどです。