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2022/05/31

初めて使うデジタルマルチメータ・・・第4回 「交流電圧の測定と仕様の見方」

連載記事一覧
第1回:デジタルマルチメータが届いたら最初にすること
「はじめに」「6.5桁ベンチトップ型のデジタルマルチメータのパネル」「パネルに書かれた警告表示」「テストリード」「電源の投入と日付時刻の設定」
第2回:デジタルマルチメータの基礎知識
「直流電圧を正確に測る歴史」「現在のデジタルマルチメータの構造と機能」「デジタルマルチメータの選定」「【ミニ解説】測定カテゴリーとは」
第3回:直流電圧の測定と仕様の見方
「直流電圧を測定するための結線」「デジタルマルチメータの直流電圧測定の仕様表現」「直流電圧を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「直流測定で発生する誤差要因」「1000Vを越える直流高電圧の測定」「微小な直流電圧の測定」「【ミニ解説】デジタルマルチメータで採用されている安全端子」
第4回:交流電圧の測定と仕様の見方
「交流電圧を測定するための結線」「平均値検波と実効値検波の違い」「交流電圧測定での周波数帯域」「デジタルマルチメータの交流電圧測定の仕様表現」「交流電圧を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「歪んだ波形を測る際の注意点」「750Vrmsを越える交流高電圧の測定」
第5回:抵抗の測定と仕様の見
「抵抗を測定するための結線」「デジタルマルチメータの抵抗測定の仕様表現」「抵抗を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「34461Aでの2端子測定での抵抗測定の操作手順」「4端子式測定を行う場合の注意事項」「高抵抗を測定する際の注意事項」「【ミニ解説】直流による抵抗測定と交流による抵抗測定」
第6回:直流/交流の電流測定と仕様の見方
「直流電流を測定するための結線」「デジタルマルチメータの直流電流測定の仕様表現」「直流電流を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「34461Aでの3Aレンジ以下の直流電流測定の操作手順」「電流入力端子に実装されている保護用ヒューズの断線を防ぐ」「直流電流測定時の注意事項」「10Aを越える直流電流の測定」「交流電流を測定するための結線」「デジタルマルチメータの交流電流測定の仕様表現」「交流電流を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「34461Aでの3Aレンジ以下の交流電流測定の操作手順」「10Aを越える交流電流の測定」
第7回:周波数測定と仕様の見方
「周波数を測定するための結線」「34461Aで採用されているレシプロカル・カウント方式」「34461Aで設定可能なゲート時間」「34461Aの周波数測定の仕様表現」「周波数/周期を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「34461Aでの周波数/周期測定の操作手順」「【ミニ解説】ユニバーサル・カウンタとの違い」
第8回:温度測定と仕様の見方
「温度を測定するための結線」「【ミニ解説】さまざまな温度センサ」「34461Aの温度測定の仕様表現」「温度を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「34461Aでの温度測定の操作手順」「【ミニ解説】温度測定で使われる多点温度計」
第9回:導通/ダイオード試験、容量測定
「導通/ダイオード試験をするための結線」「34461Aでの導通試験の操作手順」「34461Aでのダイオード試験の操作手順」「コンデンサの容量を測定するための結線」「34461Aの容量測定の仕様表現」「容量を測定するためのデジタルマルチメータの操作」「34461Aでの容量測定での操作手順」「【ミニ解説】正確にコンデンサの容量を測定するときはLCRメータを使う」
第10回:デジタルマルチメータをシステムで使う
「デジタルマルチメータをシステムで使う」「外部トリガ入力と測定完了出力端子」「外部トリガ機能の設定」「34461Aに搭載されている通信インタフェース」「ラックを選定する際の注意点」「測定システムのノイズ対策」
第11回:デジタルマルチメータの周辺アクセサリ
「測定器メーカが用意しているアクセサリ」「DC結合電流プローブ」「30A電流シャント抵抗」「ターミナル・コネクタ」「34401Aから34461Aへの置き換え」
第12回:キーサイトの新しい教育向け汎用測定器
「【インタビュー】キーサイト・テクノロジーが考える教育向け汎用測定器」

交流電圧を測定するための結線

今回の解説で利用するデジタルマルチメータ34461Aは750Vrms、300kHzまでの交流電圧を真の実効値で測定することができる。高い性能を持つため波形歪やノイズを含む商用交流電圧の測定やオーディオ信号測定器の交流電子電圧計(ミリバル)が対象とする広帯域の交流信号の電圧も測定できるようになっている。

交流電圧源とデジタルマルチメータは下図に示すような配線を行う。

図28. 交流電圧を測定する場合の結線

図28. 交流電圧を測定する場合の結線

商用電源など感電の危険がある高電圧を測る場合はデジタルマルチメータ本体およびテスト・リード・セットの耐電圧を越えていないことを事前に確認する必要がある。また安全のために測定対象への接続に使うクリップやグラバーは容易に外れないようなものを選ぶ必要がある。

平均値検波と実効値検波の違い

デジタルマルチメータで交流電圧を測定する仕組みは交流電圧信号を直流電圧信号に変換してから高分解能A/D変換器を使って測定結果を得るようになっている。交流を直流に変換する回路方式には2つの種類がある。安価なハンドヘルド型マルチメータでは回路構成が単純な平均値検波回路が採用されている場合がある。しかし最近のほとんどのデジタルマルチメータは実効値検波回路が搭載されて真の実効値が得られるようになっている。

図29. 平均値検波回路と実効値検波回路

図29. 平均値検波回路と実効値検波回路

平均値検波回路と実効値検波回路では同じ交流信号を測定しても結果が異なるので、交流信号を測定する場合は使用するデジタルマルチメータでどちらの検波方式が採用されているかを確認する必要がある。平均値検波回路で測定した交流電流はVmeanという単位で表現され、実効値検波回路で測定した交流電圧はVrmsという単位で表現されて区別される場合がある。

表4. 代表的な波形の実効値検波と平均値検波での測定結果の違い

表4. 代表的な波形の実効値検波と平均値検波での測定結果の違い

交流電圧測定での周波数帯域

デジタルマルチメータの交流電圧測定では測定できる周波数範囲が製品によって異なる。上位機種のほうが高い周波数まで測定できる。測定可能な周波数範囲が異なるデジタルマルチメータでは交流波形に含まれる周波数成分の違いによって測定結果は異なる場合がある。

ベンチトップ
5.5桁 6.5桁 7.5桁 8.5桁
34450A 34460A 34461A 34465A 34401A
(旧製品)
34470A 3458A
交流電圧 20Hz ~ 100kHz 3Hz ~ 300kHz 10Hz ~ 2MHz
(アナログ・モード)
交流電流 20Hz ~ 10kHz 3Hz ~ 10kHz(代表値) 3Hz ~ 5kHz 3Hz ~ 10kHz(代表値) 10Hz ~ 10kHz(代表値)
外観 34450A 3446xシリーズ 34401A 34470A 3458A

表5. キーサイト・テクノロジーのデジタルマルチメータの製品による測定周波数帯域の違い

今回の記事で使った34461Aは交流信号の測定周波数範囲を設定する機能がある。出荷時の設定は20Hz~300kHzの中速フィルタとなっている。低速フィルタを設定すると測定できる周波数範囲は広くなるが応答が遅くなり高速に測定はできなくなる。

図30. 34461Aに搭載されている3種類のACフィルタ

図30. 34461Aに搭載されている3種類のACフィルタ

デジタルマルチメータの交流電圧測定の仕様表現

デジタルマルチメータの交流電圧測定では測定周波数ごとに測定確度が規定されている。周波数が10Hz~20kHzの範囲の測定確度が高くなっている。

周波数 24時間
TCAL±1 ℃
90日間
TCAL ± 5 ℃
1年間
TCAL±5 ℃
2年間
TCAL±5 ℃
温度係数/℃
3Hz ~ 5Hz 1.00+0.02 1.00+0.03 1.00+0.03 1.00+0.03 0.100+0.003
5Hz ~ 10Hz 0.35+0.02 0.35+0.03 0.35+0.03 0.35+0.03 0.035+0.003
10Hz ~ 20kHz 0.04+0.02 0.05+0.03 0.06+0.03 0.07+0.03 0.005+0.003
20kHz ~ 50kHz 0.10+0.04 0.11+0.05 0.12+0.05 0.13+0.05 0.011+0.005
50kHz ~ 100kHz 0.55+0.08 0.60+0.08 0.60+0.08 0.60+0.08 0.060+0.008
100kHz ~ 300kHz 4.00+0.50 4.00+0.50 4.00+0.50 4.00+0.50 0.200+0.020
注1)確度仕様の表現は±(読み値の%+レンジの%)となっている。
注2)仕様は、K=2のISO/IEC 17025(JIS Q17025)に準拠している。
注3)温度係数はTCAL±5 ℃から外れる場合、1℃外れるごとにこの値が追加される。

表6. 34461Aでの交流電圧測定の仕様表現

デジタルマルチメータの交流電圧測定では高電圧レンジでの最大入力電圧が「入力電圧と入力周波数の積」の上限が決められている。34461Aでは750 ACVレンジが8×107V-Hzに制限されている。

交流電圧を測定するためのデジタルマルチメータの操作

34461Aでは交流電圧を測定するために設定する項目は下記のように構成されている。

図31. 34461Aでの交流電圧測定項目の構成

図31. 34461Aでの交流電圧測定項目の構成

34461A本体パネルにある「ACV」キーを押すと下記に示すような画面となり、電圧レンジとハイパスフィルタの設定ができるようになる。

図32. 34461Aでの交流電圧を測定するための初期画面

図32. 34461Aでの交流電圧を測定するための初期画面

最初に設定するのが左端にあるレンジの設定になる。直流電圧測定と同じで通常は「Auto」に設定して測定するが、測定スピードを上げたいときやレンジ間誤差を無くしたいときは固定レンジに設定する。

図33. 34461Aでの交流電圧レンジを設定する画面

図33. 34461Aでの交流電圧レンジを設定する画面

ACフィルタの設定画面は下記のようになる。一般的な使い方であれば「>20Hz」を選択する。

図34. 34461AでのACフィルタを設定する画面

図34. 34461AでのACフィルタを設定する画面

歪んだ波形を測る際の注意点

34461Aでは下図に示すように歪んだ波形の交流電圧を測定する際の制約があるので、歪んだ波形を測定する場合はデジタルマルチメータで測定する前にオシロスコープやメモリレコーダで波形を確認する必要がある。

図35. 34461Aでの交流電圧測定時のクレストファクタとピーク入力の制約

図35. 34461Aでの交流電圧測定時のクレストファクタとピーク入力の制約

750Vrmsを越える交流高電圧の測定

電力設備などでは交流高電圧の測定が必要となる。古くから安全に交流高電圧を測定する方法として計器用変圧器(PT:Potential Transformer)とも言われている)が使われることがある。高電圧用の計器用変圧器が使える周波数範囲はデジタルマルチメータより狭いので測定を行う場合は利用できる周波数範囲を確認する必要がある。

図36. 計器用変圧器を用いた交流高電圧測定

図36. 計器用変圧器を用いた交流高電圧測定

計器用変圧器以外ではコンデンサ形計器用変圧器というものがある。高電圧の直流電圧を測定するところで説明した分圧器と同じ原理であるが、抵抗の代わりにコンデンサを用いて分圧している。


執筆:横河レンタ・リース株式会社 事業統括本部 魚住 智彦

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