電圧計とは
電圧計は測定対象の2点間の電圧を測定する装置です。主にデジタル電圧計とアナログ電圧計に分類されます。デジタル電圧計はA/Dコンバータで入力電圧をデジタル値に変換して数値表示するもので、高精度で測定することができます。
一方アナログ電圧計は電流計と分圧器を組み合わせたもので、メーター指針の位置から電圧値を大まかに把握することができるという特徴があります。また、交流電圧計は通常交流を整流回路で直流に変換してその電圧を測定して表示しますが、歪波の測定は正弦波と比較すると精度が劣ります。
電圧計の使用用途
電圧計の使用用途は、製造ラインにおける調整や検査、各種設備の稼働状況のモニター、センサーと組み合わせて温度や湿度の測定等、多岐に渡ります。
電圧計は機種毎に測定電圧の範囲が定められていますので、使用目的に応じて適切な機種を選択する必要があります。また測定対象によっては、電圧計の入力インピーダンスが回路動作に影響を及ぼして測定誤差が生じる場合がありますので、十分な配慮が求められます。
特に正確な測定を求められる場合は一桁高い測定精度を有する電圧計を選択するなど、電圧計に対する要求性能を明確にして、それに合致したものを採用することが重要です。
電圧計の原理
デジタル電圧計とアナログ電圧計の動作原理について説明します。
1. デジタル電圧計
デジタル電圧計は、入力変換部、A/Dコンバータ、表示部で構成されています。入力変換部はアンプや分圧器から構成され、2点間の被測定電圧がA/Dコンバータの入力電圧範囲内の適切な電圧に収まるように調整します。
即ちA/Dコンバータが高精度でデジタル値に変換できるように、被測定電圧が小さい場合はアンプで増幅し、被測定電圧が高い場合は分圧器で分圧します。またA/Dコンバータで変換されたデジタル値は、アンプや分圧器による影響を換算した上で、表示部に電圧値として表示します。
なお、入力変換部の入力インピーダンスを比較的高く設定することができるため、電圧計が接続される回路への影響が小さく、高精度な電圧測定が可能になります。
2. アナログ電圧計
アナログ電圧計は電流計と分圧器から構成されています。被測定箇所の2点に電圧計のプローブを接続すると、その2点間の電圧を分圧器の抵抗値と電流計の内部抵抗値の和で除算した電流が電流計に流れます。その電流値に応じてメーター指針が振れますが、メーター指針が示すのは電流値に対して分圧器の抵抗値と電流計の内部抵抗値の和を乗算した電圧値となります。
なお、メーター指針を目視で判読できるのはフルスケールの1%程度であり、測定精度は0.1%以下の誤差で測定できるデジタル電圧計に比べて大幅に劣ります。またアナログ電圧計に用いられる電流計は主に永久磁石を用いた可動コイル型ですが、電磁石を用いた可動鉄片型も一部の用途で採用されています。可動鉄片型は交流の実効値を整流回路を介さずに測定できるメリットがあります。
電圧計の使い方
電圧計を被測定回路に対して並列に接続することで、電圧を測定することができます。直流電圧の測定の場合、電位の高い側にHi端子のプローブをあて、電位の低い側にLo端子のプローブをあてることで、Lo端子の電位を基準としたHi端子の電圧が表示されます。アナログ直流電圧計では、Hi端子に低電位側、Lo端子に高電位側を接続するとメーターが逆方向に駆動され、壊れてしまうことがありますので十分注意して下さい。
一方交流電圧の測定では、デジタル電圧計もアナログ電圧計も整流回路を介して直流電圧に変換しているので、Hi端子やLo 端子を意識する必要はありません。高電圧の測定においてもアナログ電圧計は注意が必要です。測定範囲を超える電圧が印可されると、メーター指針が振り切れるばかりか、大きな電流が流れることでメーターそのものが焼損する恐れがあります。
被測定回路の電圧値が不明な場合は、一旦最大の電圧レンジで測定して適切な測定レンジを見定め、その測定レンジに切り替えて改めて測定するように心掛けて下さい。デジタル電圧計は入力変換部が高電圧に耐える設計であり、更に自動的に適切なレンジに設定するオートレンジ機能を備えているので、被測定電圧が電圧計の最大定格を超えない限りアナログ電圧計のような確認手順は不要です。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicejl1962/27/5/27_5_377/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicejl1962/6/4/6_4_280/_pdf
https://chief-engineer.info/circuit-tester/
https://www.monotaro.com/s/pages/readingseries/testerkiso_0104/
https://jeea.or.jp/course/contents/12117/
https://eleking.net/k21/k21h/k21h-meter.html
https://www.marutsu.co.jp/pc/i/124863/
https://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2003/00136/contents/0040.htm