研究ノート

長野県工技センター研報
No.15, p.P87-P89 (2020)

零位法による直流電圧測定に関する研究*
征矢隼人*1

染谷貴史*1

Study on DC Voltage Measurement by Zero Method
Hayato SOYA and Takashi SOMEYA
零位法による直流電圧測定は，測定対象から直接電圧値を得る校正手法であり，精度の高い測定方法として，絶縁抵抗計における発生電圧の校正などの用途で用いられてきた。ただし，零位法は試験に時間がかかり，測定原理が煩雑であるため，現在ではあまり用いられない。本研究では，零位法を用いた測定器である直流差動計が簡単な構成になるように設計し，実際に直流差動電圧計を試作した。
試作機を用いて絶縁抵抗計の校正を行い，センター保有の直流差動電圧計による絶縁抵抗計の校正値と比較することで測定精度の評価を行った。その結果，汎用的に利用可能な直流差動電圧計の設計が可能であることを明らかにした。
キーワード：校正，零位法，直流差動電圧回路，絶縁抵抗計
１

はじめに

２．１

直流差動電圧計原理

従来，直流差動電圧計を用いた零位法による校正は，直流差動電圧計の構成を図１に示す。直流差動電圧計は絶縁抵抗計における入力電圧の校正などの用途で用いら電源，分圧器，検流計から構成されており，電源より印れてきた。ただし，零位法は測定者が連続的に比較操作加された電圧を，分圧器で分圧し，出力電圧を調整する。

する必要があることから，試験時間がかかる 1)。また，また，校正時には被測定器である絶縁抵抗計から発生す測定原理が煩雑であることからも，現在では使用機会がる電圧との電位差により発生する電流を検流計にて検出少なくなりつつある。

する。校正の際にはアナログ機器である検流計の針を読他方，測定精度の点からみると，零位法は測定対象かみ取り，電流が流れないように分圧器側の電圧を調整すら直接電圧値を得る手法であるため，偏位法など他の校ることで，検流計の針が振れなくなった時の電圧値を求正方法より優れた測定手法である。そういった点から絶め，校正値を求める。検流計に流れ込む電流への制限抵

縁抵抗計の校正においては未だに需要は存在し，今後も抗は，高電圧値及び低電圧値どちらも検流できるよう1～校正手段として維持する必要があると考えられる。そこ

100 MΩの抵抗器を想定し，直流差動電圧計出力部分とで，我々は簡易に測定可能な零位法による直流差動電圧絶縁抵抗計出力部分にそれぞれ抵抗器を設けた。

計の設計を着想した。 本研究では，直流差動電圧回路の２．２分圧器原理構成を検討し，実際に直流差動電圧計を試作する。試作

図２にKV回路の回路を示す。分圧器は入力電圧値を変機を用いて実際に絶縁抵抗計の校正を行い，センター保更する機能を担い，校正において，直流差動電圧計の精有の直流差動電圧計との特性比較を行うことで試作機の度を決定する重要な要素である。そこで，事前に計算を測定精度を評価した。

行い設計する。
分圧器は入力電源側(上位)から出力電圧側(下位)に近

直流差動電圧計の検討

い順に第1層～第3層の3層を設けた。第1層はR1の抵抗器直流差動電圧計の構成について検討を行った。その際，２を12個直列に，第2層はR2の抵抗器11個直列に，第3層は構成部品は極力少なくし，単純な設計になるよう留意しR3を10個直列に配置する。ここで，各抵抗の両端の接点た。また，直流差動電圧計の構成要素のうち，分圧器とには番号をそれぞれ定める。下位側の層(以降下位層)かして機能を担うケルビン・バーレー(KV:Kelvin-Valeys)回ら上位側の層(以降上位層)への接点接続の切り替えはロ路については事前に回路内の抵抗値の計算を行い，採用ータリースイッチにて行う。このスイッチとの接点接続する抵抗器及び点数を決定した2)。

方法は，上位層にある2つの接点に対して，一つ飛ばしで切り替えて接続し，例えば図２の第1層を上位層と考える

*

経常研究

場合，接点5と接点7の2点が接続されている。そのうち，

*1

電子部

数字が小さい接点番号が図１のダイアル番号(ここでは- P 87 -図１

直流差動電圧計構成表１絶縁抵抗校正試験結果
試験電圧 Ei (V)

試験点 [V]

試作機

125

250

500

1000

100 MΩ

1??

25?

49?

1040

50 MΩ

12?

25?

516

1033

10 MΩ

128263532

1036

6.7 MΩ

128261529

1017

4.7 MΩ

131

269

545

1028

1 MΩ

149

319

64X

－

128.8

257.7

514.3

1025.7

制限抵抗(ダイヤル)895A(測定電圧[V])として考える。第1層のスイッチを第5ダイヤルに設定することで第1層接点5とLo間の電圧が5/10Eiと分圧され，これが第2層接点0の電位となる。第2層接点0-11間の端子
図２

間電圧は1/10Eiであり，これが分圧回路により，第2層接KV回路

点2とLo間の電圧が2/100Eiと分圧される。この電圧が第2⑤)に相当する。一つ飛ばしで接点を接続する理由としては，KV回路において，下位層の抵抗群と上位層の接点間にある二つの抵抗の並列回路の合成抵抗値が，上位層の抵抗器一つ分の値となるようにするためである。これを第2層と第3層を例に説明する。まず第3層全ての抵抗和は10R3である。一方，第2層の接点間の抵抗は2R2であり，これらの合成抵抗がR2になるためには次の式が成り立つ
必要があり，層接点0の電位に加わり，第3層接点0の電位へ52/100Eiとして出力される。さらに，第3層接点0-11間の端子間電圧1/100Eiが3/1000Eiと分圧された電圧が第3層0接点の電位に加わる。そのため，最終的にKV回路より出力される電圧は各層の電圧が足された523/1000Eiとなる。また，1000V近くの値を校正する場合，第1層において1000 V以上の電圧入力する場合がある。この場合は入力端子を接点11から12へ切り替える。これらの検討を基に実際のKV回路設計を試作した。

111+2𝑅2 10𝑅3= 𝑅2 ・・・・・・(1)

これより，第2層と第3層の抵抗についてはR2= 5R3の関係が成り立つ3)。同様に第1層と第2層の各抵抗器間においても，R1= 5R2の関係が成り立つよう抵抗器を選択すればよい。これを踏まえ，本検討ではR3の抵抗値を手配の容易さも考慮し，4 kΩとし， R2とR1はそれぞれ20 kΩ，100 kΩと定めた。続いて，KV回路から出力される電圧について例を以て説明する。図２のLoにおける電圧を基準

３

測定結果試作機の特性評価を行った。
３．１

試作機の基礎検証

事前にブレッドボードに KV 回路を構成し，回路計算した結果と比較しながら，出力電圧の測定を行った。電圧値については抵抗値のばらつきやはんだ付けによる接触抵抗等が原因と考えられる誤差が生じ，5％以内に納まった。

- P 88 -３．２

絶縁抵抗計の校正

４

おわりに絶縁抵抗計3453(HIOKI)を被測定器とし，試作機と，本研究より，簡易な測定手順である汎用レベルの直流当センターで保有する直流差動電圧計895Aそれぞれを差動電圧計の設計が可能であることを示すことができた。

用いて校正値の比較を行った。試作機で示す結果は制限一方で，校正結果に対して，直流差動電圧計 895A で測抵抗6点(1～100 MΩのうち)を切り替えた時のダイヤル定した値と差がみられた。これは制限抵抗の影響である値である。その結果を表1に示す。ダイアルのうち「？」と考えられる。制限抵抗が高いと検流計の値を読み取れは不明な値を示し，「X」は10ダイアルを意味する。制限ないため，低抵抗器を制限抵抗として採用すると，KV 回

抵抗1 MΩの試験電圧1000 Vでは過電流が生じ，測定で路の分圧に影響を与えてしまい，測定誤差につながるこきなかった。試験点としては絶縁抵抗計の出力電圧であとが確認された。対策としては制限抵抗に高抵抗器を採る，125 V，250 V，500 V，1000 Vの4点とした。

用しつつ，より精度の高い検流計を用いるなどのが考え895Aの校正値は128.8 V，257.7 V，514.3 V，1025.7 Vでられる。あるいは，上位層にトリマとして可変抵抗器をあった。一方，試作機の結果のうち，これに最も近い値並列を用いて合成抵抗を再検討する必要もある4),5)。また，を示したのは1000 V試験点では制限抵抗4.7 MΩを用い1 kV 以上の高電圧を加えるため，ヒューズなど検流計をた時で，500 V試験点では制限抵抗50 MΩを用いた時で保護する機能の追加する等，高電圧印加時の安全性につあった。それ以外の試験点では制限抵抗6.7 MΩを用いたいても検討が必要であると考えられる。

時であった。測定結果に差が生じた原因について，制限抵抗を10 MΩ以上については検流計の針の動きが小さ

参考文献

く，目視の際に誤差が生じたと考えられる。10 MΩ以下

1)

山崎弘郎，電気電子計測の基礎. 電気学会，2005

においては，制限抵抗がKV回路の分圧比に影響を及ぼし

2)

阿部武雄，村山実. 電気・電子計測. 森北出版，1988

たと考えられる。制限抵抗が小さくなればなるほど分圧3)酒井敏行. 簡単に作れる4ダイヤルポテンショメー

電圧の誤差も大きくなるため，1～6.7 MΩにおいては誤タ. トランジスタ技報. 25(2), p.425-426(1988)

差が制限抵抗が大きくなるにつれて分圧比が変わったと4)

ESI. MODEL RV722 Instruction Manual,8112.1970

考えられる。

5)

FLUKE. MODEL 720A Instruction Manual,2652.1968- P 89 -