2017 Fiscal Year Research-status Report
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16K06404
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
藤木 弘之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 部付 (00357906)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 電力 / 電力計測 / 計量標準 / 精密測定 / 交流電圧 / 位相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
交流電圧標準と交流電流標準を導くサーマルコンバータを用いて、交流電力標準を構築することを研究の目的としている。現在の交流電力標準は組み立て量であるため、100V、5A、50 Hzの決まった値の電力の校正は可能であるが、65 V、4A, 600Hzのような中途半端な電力の基準を実現するのは難しく、不確かさも大きくなる。サーマルコンバータを用いることによって、電圧、電流範囲や周波数範囲の拡張が容易になり、不確かさも改善可能である。また、経変変化が小さいメリットもあり、メンテナンスなどの労力の削減につながる。
今年度は、サーマルコンバータを基準器として用いたときの不確かさ評価とサーマルコンバータの開発を行った。現在の電力の国家標準との比較の目的で、電圧は100 V、電流は5 Aの測定システムの開発と不確かさ評価を行った。サーマルコンバータ素子とレンジ抵抗器を組み合わることで、任意の電圧と周波数の交流電圧標準が可能となり、また範囲拡張も容易となることから、100 V用の薄膜型レンジ抵抗器とレンジ抵抗器専用の100 Ωのサーマルコンバータ素子を開発し、不確かさ評価を行った。薄膜型レンジ抵抗器は、現在のところ、我々のグループのみで作成可能であり、電圧依存が従来より小さく、また周波数特性も小さい。この結果については、2018年の7月に開催される精密電気計測の国際学会(CPEM)で発表する予定である。5 A用のサーマルコンバータについても開発を行い、5 A、50 Hz~ 1 kHZの周波数範囲で不確かさ評価を行った。
サーマルコンバータの開発に加えて、電力計測システムの開発も進めた。位相の精密測定に関しては、電圧と電流の位相をロックインアンプで測定するシステムを開発した。力率１を実現するため、位相の調整が必要であり、交流電圧と交流電流発生器の同期をとるシステムの開発を行った
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は、新しい電力標準器用のサーマルコンバータの開発と電力標準測定システムの準備を進めた。国家標準と電力量を比較する目的で、100 Vの電圧と５Aの電流用のサーマルコンバータの設計と開発、評価を行った。
100 V用のサーマルコンバータの設計では、抵抗値、抵抗形状、浮遊容量、誘電損失などのパラメータをモデル化して、周波数特性の解析を行い、サーマルコンバータの開発に反映させた。100 V用のサーマルコンバータはサーマルコンバータ素子とレンジ抵抗器で構成されており、レンジ抵抗器の性能が不確かさの主な要因となるため、新しい薄膜型レンジ抵抗器を作製した。開発した薄膜型レンジ抵抗器は、従来と比べ電圧依存が改善され、周波数特性も50 Hz- 1 kHzで2 ppm以内と小さい。これにより、従来の電力標準では校正が難しかった80 V、600 Hzなどの任意の電圧、周波数での校正が可能となる。新しいレンジ抵抗器の開発は国際学会（CPEM）で7月に発表予定である。
電流についても5 A用のサーマルコンバータを開発し、50 Hz- 1 kHzの不確かさ評価を行った。5 A、50 Hz- 1 kHzの範囲の電流依存は1 ppm以下で、周波数特性も2 ppm以下で目標とする不確かさが達成可能である。
開発したサーマルコンバータを用いて、電力測定システムの開発も進めた。サーマルコンバータに入力する電圧と電流の位相を測定するため、ロックインアンプを用いた測定システムを開発した。基準信号発生器を用いて交流電圧と電流の同期をとり、ロックインアンプで測定された位相から、電圧と電流の位相を調整できるシステムを開発した。これにより、サーマルコンバータを用いた電力標準の特徴の一つである任意の電圧・電流と周波数で電力を校正するシステムが整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度まで、電圧と電流の両方の基準となるサーマルコンバータの開発をした。また、開発した電力用サーマルコンバータの評価、サーマルコンバータを基準器とする電力計測システムの開発を行った。来年度は、引き続き、電力基準器としてのサーマルコンバータの周波数特性に起因する不確かさ要因を評価し、基準器の不確かさ評価を完了する。
開発しているサーマルコンバータによる電力標準は、現在の電力標準と直接比較測定できないため、デジタル電力計を介して比較する。このため、電力標準校正システムにおいて、デジタル電力計に入力される電圧や電流とその位相を測定するシステムの不確かさ評価も必要とする。位相角においては、サーマルコンバータの位相角の測定と同様に、ロックインアンプを用いて測定する。デジタル電力計に入力される電圧の不確かさ評価については、現在の交流電圧校正システムの知見を利用する。交流電流の評価については、校正をこれまで行っていないが、電流の交直変換標準との測定技術を適用し、基準器と被校正器の測定測システムで漏れ電流の影響などを見積もる予定である。
妥当性確認のため、日本電気計器検定所の職員と校正点や測定システムの方法について協議する。ブラインドでデジタル電圧計の校正を実施して、開発中の電力システムを用いて校正されたデジタル電圧計の結果を比較して妥当性の確認を行う。産業界からの要望である電力標準の高精度化に対応するため、開発中の電力システムの技術移転も進めていく。
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| Causes of Carryover |
電力標準の計測システムの構築に必要な交流電圧計測用のマルチメータについて、仕様を満たす中古品を購入したことで、節約により残額が生じた。30年度に残額を引継ぎ、電力標準の妥当性確認の経費に使用する予定である。
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