指示電気計器の種類と原理

指示電気計器は、測定量の大きさを指針の振れによって目盛り上に示す計器である。電流計、電圧計、電力計はいずれも指示電気計器の一種であり、動作原理によって可動コイル形、整流形、可動鉄片形、電流力計形、誘導形、熱電形などに分類される。どの形式を用いるかは、測定する電流が直流か交流かと、指示値が平均値か実効値かによって決まるため、各形式の動作原理と使用できる電流の範囲を正確に区別しなければならない。

指示計器の基本構成

指示計器は、駆動トルクを生じる機構、制御トルクを与える制御ばね、指針と目盛り、制動トルクを与える制動装置からなる。駆動トルクは測定量によって生じ、制御ばねは指針を零位へ戻そうとする制御トルクを与える。指針は駆動トルクと制御トルクが釣り合う位置で静止するため、制御ばねがある場合の振れ角は駆動トルクに比例する。

駆動トルクを T、制御ばねの定数を K、振れ角を θ とすると、釣り合いの条件は次の式で表される。

T = Kθ

制動トルクは、渦電流や空気の抵抗によって生じ、指針の振動を速やかに静止させるために働く。制動トルクは指針の静止位置を変えるものではなく、振れの収まり方を定めるものである。

可動コイル形と整流形

可動コイル形は、永久磁石の磁界の中に置かれたコイルに電流を流し、コイルに働く電磁力で可動部を回転させる。駆動トルクはコイルを流れる電流に比例するため、制御ばねと組み合わせると、目盛りは一様になる。可動コイル形は直流を測定する計器であり、交流を測定するには整流器を組み合わせなければならない。

整流形は、交流を整流器で直流に変換してから可動コイル形で測定する形式である。整流器を通した電流の平均値に対して指示が生じるため、目盛りは正弦波交流の実効値で示されるよう換算されている。正弦波の平均値と実効値の関係は次の式で表される。

実効値 = π/(2√2) × 平均値

この式より、正弦波の実効値は平均値の約1.11倍である。

可動鉄片形と電流力計形

可動鉄片形は、固定コイルの電流がつくる磁界によって可動鉄片が吸引される形式であり、交流と直流のどちらにも使える。固定コイルの電流を I、駆動トルクの係数を k とすると、駆動トルクは電流の二乗に比例する。制御ばねの定数 K との釣り合いから、振れ角は電流の二乗に比例する。