電験三種の電気計測｜指示計器・誤差・測定法の要点

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指示計器の種類と、直流・交流のどちらに使えるか

『計器の名前が似ていて、どれがどれか分からない』という声はとても多いです。

まず、代表的な指示計器を表にまとめます。「何の値を指すか」の列もあわせて見てみてください。

「平均値」と「実効値」がポイント

可動コイル形は、流れる電流の平均値に応じて針が振れます。正弦波の交流をそのまま入れると、平均がゼロなので針はほとんど振れません。

整流形は、交流を整流して平均値を測り、正弦波なら実効値になるように目盛りを付けています。そのため、正弦波でないひずんだ波形では、表示がずれることがあるんです。

可動鉄片形が交流でも振れる理由

可動鉄片形は、コイルの中の2枚の鉄片が同じ向きに磁化されて、反発し合う力で針を動かします。

電流の向きが変わっても、2枚の鉄片は同じように磁化の向きが変わるので、いつも反発し合います。だから交流でも一方向に振れ、力が電流の2乗に比例するので実効値を指すんです。

分流器と倍率器の計算

『並列と直列、どっちがどっちだったかすぐ忘れる』という方もいますよね。

電流計は「余った電流を横に逃がす」から並列、電圧計は「余った電圧を手前で受け持つ」から直列、と考えると覚えやすいです。

例題：分流器と倍率器

自作の数値で計算してみます。

内部抵抗0.9Ω、最大目盛1Aの電流計で10Aまで測りたい時は、n ＝ 10 なので Rs ＝ 0.9 ÷ 9 で0.1Ωの分流器を並列につなぎます。

内部抵抗10kΩ、最大目盛10Vの電圧計で100Vまで測りたい時は、m ＝ 10 なので Rm ＝ 9 × 10kΩ で90kΩの倍率器を直列につなぎます。

電流計を電圧計として使う例題

最大目盛1mA、内部抵抗100Ωの電流計があるとします。針がいっぱいに振れる時、計器の両端の電圧は 1mA × 100Ω で0.1Vです。

この計器で10Vまで測る電圧計にしたいなら、10Vの時にちょうど1mAが流れればよいので、全体の抵抗は 10 ÷ 0.001 で10kΩです。直列に足す倍率器は 10kΩ − 100Ω で9,900Ωになります。

『電流計を電圧計にできるの？』と驚く方もいますが、実は可動コイル形の電圧計の中身は、こうした電流計と倍率器の組み合わせなんです。

式を忘れても導ける

分流器の式は、電流計と分流器にかかる電圧が等しいことから出せます。電流計に1A、分流器に9A流れる時、0.9 × 1 ＝ Rs × 9 なので Rs ＝ 0.1Ω です。

直流回路の並列・直列の考え方そのものなので、不安な方は電験三種の直流回路で分流と分圧を見直しておきましょう。

誤差と補正の考え方

『誤差率と補正率、分母がどっちか毎回迷う』というのは、電気計測でとても多い悩みです。ここは表で一度に見比べておきましょう。

覚え方は、「誤差は本当の値から見たずれ、補正は測った値をどれだけ直すか」です。直す元になるのは測った値なので、補正率は測定値で割るんです。

例題：電流計の誤差と補正

本当は5.0Aの電流を、電流計が4.9Aと示したとします。

誤差は 4.9 − 5.0 で −0.1A、誤差率は −0.1 ÷ 5.0 × 100 で −2％です。補正は ＋0.1A、補正率は 0.1 ÷ 4.9 × 100 で約＋2.04％になります。

符号がひっくり返ることと、分母が違うので数字が少しずれることを、自分で計算して確かめてみてください。

計器の階級とは

指示計器には、どれくらいの誤差まで許されるかを表す階級があります。例えば0.5級なら、最大目盛の値に対して±0.5％までの誤差が許されます。

最大目盛に対する割合なので、目盛の小さい所で測るほど、測った値に対する誤差の割合は大きくなります。計器は、針が大きく振れる範囲で使うのがよい、と言われる理由です。

電気計測の測定法を一覧で見る

『測定法がたくさんあって覚えきれない』と思いますよね。測りたいものごとに並べると、意外とすっきりします。

例題：ホイートストンブリッジ

4つの辺の抵抗を P、Q、R、X とし、検流計の振れがゼロ（平衡）になったとします。

向かい合う辺の積が等しいので PR ＝ QX です。例えば P ＝ 100Ω、Q ＝ 200Ω、R ＝ 50Ω なら、X ＝ 100 × 50 ÷ 200 で25Ωになります。

三電圧計法で電力を出す

電力計がなくても、抵抗Rと負荷を直列にして、3つの電圧を測れば負荷の電力を出せます。これが三電圧計法です。

抵抗の電圧をV1、負荷の電圧をV2、全体の電圧をV3とすると、負荷の電力は P ＝（V3² − V1² − V2²）÷（2R）です。ベクトル図の三角形に余弦定理を使って導かれる式なので、交流のベクトル図に慣れていると覚えやすいですよ。

二電力計法の考え方

三相3線式の電力は、電力計を2つ使って、その読みを足せば測れます。

例えば、2つの電力計が3kWと1kWを示したら、三相の電力は4kWです。

力率が低い負荷では、片方の電力計が逆に振れることがあります。そのときは、その読みをマイナスとして足すのがルールです。

絶縁抵抗計は、高い直流電圧をかけて、電路と大地の間などに流れるわずかな電流から抵抗を測ります。接地抵抗計は、補助の接地極を使って、接地極と大地の間の抵抗を測ります。

絶縁抵抗の測定は、法規の科目でも、電気設備の技術基準とあわせて出てきます。法規の全体像は電験三種の法規で紹介しています。

電気計測の中には、電子回路を使った計測もあります。素子の動きを先に知りたい方は電験三種の電子理論もあわせて読んでみてください。

ひとりで計器のしくみがイメージしにくい時は、図や動画で説明してくれる講座を使う方法もあります。

電気計測でよくある相談

相談1：電気計測・電子計測は難しい？

理論の科目の電気計測・電子計測は難しいのか、という相談があります。

結論から言うと、計器の表と分流器・倍率器の式、誤差の式を押さえれば、型の決まった問題が多い分野です。直流回路の計算ができる方なら、ぐっと取り組みやすいはずです。

相談2：誤差率と補正率の公式がごちゃごちゃになる

誤差率と補正率の公式を見比べても、どちらで割るのか覚えられない、という相談もよく見かけます。

例えば、こう考えてみてください。

「誤差率は、本当の値に対してどれだけずれたか」

「補正率は、測った値をどれだけ直せばいいか」

主語になる値で割ると覚えておくと、式を見なくても組み立てられますよ。

相談3：誤差率が小さい時は、補正率と同じと見てよい？

誤差率が数％くらいと小さい時、補正率は誤差率の符号を反対にしたものと考えてよいのか、という相談もあります。

誤差率が小さい時は、測定値と真の値がほぼ同じなので、分母の違いはごくわずかです。例えば誤差率＋2％なら補正率は約−1.96％で、ほぼ−2％と見なせます。ただ、問題で正確な値を聞かれた時は、式どおりに計算しましょう。

よくある質問

まとめ

理論全体の進め方は電験三種の理論、電験の全体像は電験とは？で紹介しています。

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