第二種電工 電気の基礎理論 問78：電気の基礎理論

熱電形計器は「測定電流が流れるヒーター線の発熱を熱電対で検出し、直流起電力に変換して可動コイル形計器で表示する」計器（正答ウ）。発熱量はヒーターに流れる電流の2乗（I²R）に比例するため、交流・直流いずれでも、また波形が歪んでいても「真の実効値（True-RMS）」を正確に指示できる。アは誤り（交直両用）。イは可動コイル形計器の説明で誤り。エは可動鉄片形計器の説明で誤り。PWMインバータ機器や高調波を含む電流を正確に計測できる点が最大の特徴で、高周波電流の測定にも使われる。

熱電形計器の動作原理と特徴を整理する問題。

【熱電形計器の動作原理】

①測定電流 I がヒーター線（抵抗 R_H）を通過 → 発熱 P = I²R_H [W]

②ヒーター線に接続した熱電対（ゼーベック効果）が発熱量に比例した直流起電力 V_te を発生

③直流起電力 V_te を可動コイル形電流計（mA 計）で測定

④目盛りを実効値換算で表示

測定原理のポイント：

発熱量 P = I²R_H ∝ I²（電流の2乗に比例）

発熱は電流の向きに依存しない → 交流でも直流でも同じ熱量

波形の形（正弦波・矩形波・PWM等）によらず、常に I_rms² × R_H の熱を発生

→ 真の実効値（True-RMS）を自然に指示

【各計器との比較】

| 特性 | 可動コイル形 | 可動鉄片形 | 整流形 | 熱電形 |

|---|---|---|---|---|

| 交直 | 直流専用 | 交直両用 | 交流 | 交直両用 |

| 指示値 | 平均値 | 実効値 | 平均値（実効値表示） | 真の実効値 |

| 波形歪み対応 | NG | 対応可 | 誤差大 | 完全対応 |

| 周波数範囲 | DC | DC〜500Hz | 〜数十kHz | DC〜数十MHz |

【各選択肢の判定】

ア：誤り（交直両用・整流不要）

イ：誤り（可動コイル形の説明）

ウ：正答（True-RMS・波形歪み対応）

エ：誤り（可動鉄片形の説明）

【使用場面】

PWMインバータ出力電流の測定・高周波回路の電流・電圧測定・航空・通信など高周波電力の正確な計測。

熱電形計器の精密設計・ゼーベック効果・高周波測定・True-RMS デジタル計器との比較まで体系的に整理する。

【熱電形計器の詳細設計】

①ヒーター線：

材質：ニッケル-クロム合金（ニクロム）または白金合金

特性：抵抗温度係数が小さく、高温でも安定した抵抗値

形状：細線・短い（熱容量が小さいほど応答が速い）

ヒーター電流：数mA〜数A（計器の定格に依存）

②熱電対（ゼーベック効果）：

原理：2種の金属（A・B）の接合部の温度差ΔT → 起電力 V_te = α_AB × ΔT（α：ゼーベック係数）

代表的な熱電対：

Cu-Ni（銅-コンスタンタン）：α ≒ 40μV/K（測定器用）

Pt-Pt/Rh（K型）：工業計測・高温用

ヒーター線温度 T_H に対して：

T_H ≒ T_room + (I²R_H) / (熱コンダクタンス)

V_te ∝ ΔT = T_H - T_room ∝ I²

→ V_te ∝ I_rms²（True-RMS の根拠）

③可動コイル形電流計（mA 計）：

熱電対からの直流起電力を可動コイル形で検流（直流計として動作）

目盛りは I² に比例（非線形 → 電流の低い側が密・高い側が広い）

【高周波特性が優れる理由】

熱電形の動作は「電気エネルギー → 熱 → 起電力」の変換であり、電気的な周波数特性に依存しない：

• 可動コイル形：高周波では表皮効果でコイル抵抗増大・インダクタンスによる位相ずれ
• 可動鉄片形：鉄心の渦電流損・ヒステリシス損で数百 Hz〜kHz で誤差増大
• 熱電形：ヒーター線の熱容量が小さければ GHz まで測定可能（高周波電力計として使用）

測定周波数範囲：

一般熱電形電流計：50Hz〜100kHz（業務用途）

高周波専用熱電形（真空管時代から使用）：1MHz〜数百MHz（無線機器の出力電力測定）

【True-RMS の実際的意義】

インバータ機器が普及した現代の電気設備では波形歪みが常態化：

• スイッチング電源：矩形波電流（高調波成分 = 3,5,7,9次…）
• PWMインバータ（空調・ポンプ）：変調された電流波形
• LED照明・整流回路：半波整流・全波整流波形

整流形計器（正弦波前提）での測定誤差：

PWM電流（クレストファクタ CF = I_peak/I_rms = 2〜5）を整流形で測定

→ 正弦波（CF=1.41）前提の目盛りのため 20〜50% の誤差

熱電形計器（True-RMS）での測定：

CF = 2〜5 の波形でも正確に実効値を指示 → 消費電力の正確な把握

省エネ設備管理：

実効値電流 × 電源電圧 × 力率 = 有効電力 → 正確な省エネ管理に必須

電力会社への料金計算・デマンド監視でも True-RMS 計器が基本

【熱電形計器の欠点と対策】

①応答速度が遅い：熱容量の大きいヒーター線では応答時定数が数秒 → 瞬時値測定には不向き

②熱容量による過渡誤差：サージ電流・突入電流ではヒーター過熱 → 短時間定格に注意

③過電流による断線：ヒーター線は細く過電流で断線 → 保護ヒューズが必須

④感度が低い：熱電対の起電力は数十mV → 精密な可動コイル形が必要

対策：

ヒーター線を薄膜技術で微細化 → 熱容量低減・応答高速化

真空封止（真空中にヒーターを封入）→ 対流による熱損失を排除・感度向上

【現代の True-RMS デジタル計器との比較】

デジタル True-RMS DMM（フルーク・ヒオキ等）：

原理：A/D サンプリング → DSP で RMS = sqrt(1/N × Σv[n]²) を演算

長所：クレストファクタ 3〜10 まで対応・周波数特性 100kHz 以上・数値表示で読み取り誤差ゼロ

短所：電池必要・高周波ノイズの影響・A/D 変換精度に依存

熱電形（アナログ）との比較：

周波数特性：熱電形 ◎ デジタル ○（100kHz 以上は熱電形の優位）

波形歪み対応：同等（両者とも True-RMS）

環境耐性：熱電形 ◎（電子回路なし） デジタル △（EMI・高温に弱い場合あり）

可読性：熱電形 △（目盛り読み取り） デジタル ◎（数値表示）

【電験三種への接続】

電験三種「理論」：各種計器の特性・True-RMS 計器の選択基準・熱電形と整流形の誤差比較が出題される。「法規」：省エネ法のエネルギー計測規定（エネルギー管理士試験でも頻出）。

第二種電気工事士では「熱電形 = 交直両用・真の実効値・高周波対応」の3点を押さえることが基礎。整流形との違い（波形歪みへの対応）が最重要で、インバータ設備の多い現場では「整流形ではなく True-RMS 計器（熱電形またはデジタル True-RMS）を使う」という実務判断に直結する知識。