Loading article…
電圧計は、電気回路内の2点間の電位差を測定するために使用される機器です。並列に接続されます。通常、抵抗値が高いため、回路から消費される電流はごくわずかです。
アナログ電圧計は、測定された電圧に比例して指針を目盛りに沿って動かし、検流計と直列抵抗器で構成できます。増幅器を使用する電圧計は、マイクロボルト以下の微小な電圧を測定できます。デジタル電圧計は、アナログ-デジタル変換器を使用して電圧を数値で表示します。
電圧計には様々な種類があり、電源が別々に供給されるもの（例えば電池式）もあれば、測定対象の電圧源自体から電源が供給されるものもあります。パネルに常設される計器は、発電機やその他の固定機器の監視に使用されます。電流や抵抗も測定できるマルチメーターなどの携帯型計器は、電気・電子工学分野で一般的に使用される標準的な試験機器です。適切に校正された計器であれば、電圧に変換できるあらゆる測定値を表示できます。例えば、化学プラントにおける圧力、温度、流量、液面レベルなどが挙げられます。
汎用アナログ電圧計の精度はフルスケールの数パーセント程度で、1ボルト未満から数千ボルトまでの電圧に使用されます。デジタル電圧計は高精度で製造でき、通常は1%未満です。特別に校正された試験機器はさらに高い精度を持ち、実験室用機器では数ppmの精度で測定できます。高精度電圧計を製造する上での課題の一つは、その精度を確認するための校正です。実験室では、精密作業の標準電圧としてウェストンセルが使用されます。電子回路に基づいた高精度電圧基準も利用可能です。
回路図では、電圧計は円の中に 文字Vで表され、そこから伸びる2本の線は2つの測定点を表します。
可動コイル式検流計は、抵抗器を直列に接続することで電圧計として使用できます。検流計は、強い磁場の中に吊り下げられた細いワイヤーのコイルを備えています。電流が流れると、コイルの磁場と固定磁石の磁場の相互作用によってトルクが発生し、コイルを回転させようとします。このトルクは、コイルを流れる電流に比例します。コイルが回転すると、回転に抵抗するバネが圧縮されます。したがって、コイルの変位は電流に比例し、電流は印加電圧に比例します。この電圧は、目盛りの指針によって示されます。
この計測器の設計目標の一つは、回路への影響を最小限に抑えることであり、そのため計測器の動作に必要な電流は最小限に抑える必要がある。これは、高感度検流計を高抵抗と直列に接続し、計測器全体を測定対象回路と並列に接続することで実現される。
このようなメーターの感度は「オーム/ボルト」で表すことができ、これはメーター回路の抵抗値をフルスケール測定値で割った値です。たとえば、感度が1000オーム/ボルトのメーターは、フルスケール電圧で1ミリアンペアの電流を消費します。フルスケールが200ボルトの場合、機器の端子での抵抗は200,000オームの場合、フルスケールでは、測定対象回路から1ミリアンペアの電流が流れます。マルチレンジ機器の場合、機器を異なるレンジに切り替えると、入力抵抗も変化します。
永久磁石を用いた可動コイル式計器は、直流電流にのみ反応します。交流電圧を測定するには、コイルが一方向にのみ偏向するように回路に整流器が必要です。また、電圧の極性が反転する場合に便利なように、目盛りの中央にゼロ位置を設けた可動コイル式計器もあります。
静電原理に基づく電圧計は、帯電した2枚の板間の相互反発力を利用して、バネに取り付けられた指針を偏向させる。このタイプの電圧計は消費電流がごくわずかだが、約100ボルト以上の電圧に敏感で、交流と直流のどちらでも動作する。
電圧計の感度と入力抵抗は、メーターの指針を振るために必要な電流を、測定対象回路からではなく、増幅器と電源から供給することで高めることができます。入力とメーターの間に電子増幅器を設けることで、2つの利点が得られます。感度を高くする必要がないため、頑丈な可動コイル型計器を使用でき、入力抵抗を高くすることで、測定対象回路から引き込まれる電流を減らすことができます。増幅型電圧計の入力抵抗は、選択したレンジに関係なく、1、10、または20メガオームであることがよくあります。かつて普及していたこの種の計器は、増幅回路に真空管を使用していたため、真空管電圧計（VTVM）と呼ばれていました。これらはほとんどの場合、地域の交流電源から給電されていたため、特に持ち運びには適していませんでした。現在では、これらの回路は電界効果トランジスタを使用したソリッドステート増幅器を使用しており、そのためFET-VMと呼ばれ、携帯型デジタルマルチメーターだけでなく、卓上型や実験室用計器にも搭載されています。これらは、最も安価な価格帯を除いて、増幅機能のないマルチメーターをほぼ完全に置き換えました。
ほとんどのVTVM（電圧計）とFET-VM（電界効果電圧計）は、直流電圧、交流電圧、抵抗の測定に対応しています。最新のFET-VMは、電流測定機能やその他の機能も備えています。VTVMまたはFET-VMの特殊な形態として、交流電圧計があります。これらの機器は交流電圧の測定に最適化されており、一般的な多機能機器よりもはるかに広い帯域幅と優れた感度を備えています。
デジタル電圧計（DVM）は、入力電圧をデジタル値に変換して測定し、数値で表示します。DVMは通常、積分コンバータと呼ばれる特殊なアナログ-デジタル変換器を中心に設計されています。
デジタル電圧計（DVM）の測定精度は、温度、入力インピーダンス、電源電圧の変動など、多くの要因によって影響を受けます。安価なDVMの入力抵抗は、通常10 MΩ程度です。高精度DVMは、低電圧範囲（例えば20 V未満）では1 GΩ以上の入力抵抗を持つ場合があります。DVMの精度がメーカー指定の許容範囲内であることを確認するには、ウェストンセルなどの電圧標準器を用いて定期的に校正する必要があります。
最初のデジタル電圧計は、 1954年にノンリニアシステムズ（後にケイプロの創設者となる）のアンドリュー・ケイによって発明・製造された。 [ 1 ]
単純な交流電圧計は、直流測定回路に接続された整流器を使用しており、波形の平均値に反応します。整流された波形の平均値と実効値の間に一定の関係があると仮定すると、メーターは波形の実効値を表示するように校正できます。波形が校正で仮定した正弦波から大きくずれると、メーターは不正確になりますが、単純な波形の場合は、定数を乗じることで読み取り値を補正できます。初期の「真の実効値」回路は、波形の実効値のみに反応する熱変換器を使用していました。現代の機器は、入力値の二乗を電子的に計算し、平均を取り、次にその値の平方根を計算することによって実効値を計算します。これにより、さまざまな波形に対して正確な実効値測定が可能になります。[ 2 ]