一陸技問題集の解説

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  2. 2009/11/22 【一陸技】精選300題_問062-熱電形計器
  3. 2009/11/09 【一陸技】精選300題_問061-整流形計器
  4. 2009/11/08 【一陸技】精選300題_問060-指示計器
  5. 2009/08/04 【一陸技】精選300題_問058-論理回路
  6. 2009/08/03 【一陸技】精選300題_問057-NAND回路
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【一陸技】精選300題_問062-熱電形計器

熱電形計器

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(1998/10)
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問62
次の熱電形計器に関する記述のうち、誤っているものはどれか??

1 この計器の原理は、測定しようとする電流を抵抗体の熱線に流し、その発生する熱を熱電対により直流電圧に変換し測定する。
2 電流の発生する熱を利用することから、交流の実効値を指示する。このため、波形誤差が大きくなる。
3 熱線の温度情報は電流の2乗に比例するため、電気的負荷に弱く、熱線が切れやすい。
4 熱電対は、空冷式熱電対と真空熱電対とに大別できる。
5 測定電流の周波数が高くなると、熱線の表皮効果による誤差が大きくなる。



062-熱電形計器


熱電形計器とは、上の図のような構造をしており、
白金線などで作った抵抗線に電流を流し、
発生したジュール熱を熱電対により直流電流に変換し、
これを可動コイル形計器で測定します。



電流による062-電流の2乗に比例の熱を利用しているので、
実効値を指示します。

また、実効値を指示するため、
平均値を指示する整流形計器と違って、
平均値を正弦波の実効値に変換する必要が無いため、
波形誤差がありません



しかしながら、電流の2乗に比例して熱が発生するため
可電流により熱線が切れやすくなっています。

切れにくくするためには、抵抗線を太くすれば良いのですが、
表皮効果やインダクタンスの影響をなくすため
細くて短い抵抗線を用いなければなりません。

抵抗率が大きく、温度係数の小さいことが必要です。


 
表皮効果を少なくするため、細い抵抗線を用いていますが、
周波数が高くなると、
皮効果による誤差が無視できなくなってきます。


以上より、2は誤った記述ということがわかります。
上述のように、波形誤差はありません。


参考文献

1・2級陸技受験教室〈1〉無線工学の基礎1・2級陸技受験教室〈1〉無線工学の基礎
(2007/10)
安達 宏司

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【一陸技】精選300題_問061-整流形計器

整流形計器

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問061 
次の整流形計器の取扱い方法に関する記述について、[ ]内に入れるべき字句を答えよ。

 整流形計器は、一般的に[ ア ]と整流回路を組み合わせて作られており。その指示値は、[ イ ]を示す。例えば、電流値が 

 問61-01

で表される電流を測定すると、その値は[ ウ ]となる。

 また、交流の値は通常実効値で表されるので、この計器は[ エ ]の電流の指示値を実効値に勘案した値で目盛が付けられている。したがって、測定する電流の波形が歪んでいるときは、[ オ ]が生じることがあるので、注意する必要がある。


解説

整流形計器は問060でも少し紹介しました。
今回はもう少し詳しく解説しましょう。


整流形計器とは、
可動コイル形計器を交流でも使えるようにしたものであり、
その構造は、[可動コイル形計器]と整流回路とを
組合わせたものになっています。

つまり、整流形計器とは基本的に
可動コイル形計器の特徴を受け継いだものとなっています。

ということで、整流形計器を理解するには
可動コイル形計器をちゃんと理解しておかないといけません。
逆に可動コイル形計器を理解しておけば、
整流形計器は楽勝です☆


では可動コイル形計器を少し復習しましょう。

可動コイル形計器とは、
永久磁石の磁界と可動コイルに流れる電流の相互作用を利用した指示計器でしたね。
この構造では交流を流すとコイルに交番磁界が発生するため
直流の測定しかできない、という特徴がありました。
また、直流の測定となるので、指示値も平均値を示すものとなっています。


整流形計器では、
可動コイル形計器の直流しか測定できないという点を克服していますが、
指示値は[平均値]を示すという特徴を引き継いでいます。

例えば、問題にあるように、

  問61-01

で表される電流を測定した場合には、
正弦波を一定の区間で積分し、それを積分区間で割ってやれば平均値が求まるので
次のように求めることができます。

まずは、電流iを1/2周期の区間で積分します。

 問61-02

ここで、T/2 = π/ωなので、

         問61-03

となり、よって平均値Iaveは、

 問61-04

となります。


また、整流形計器は主に交流を測定するための計器です。
(直流を測定するのであったら可動コイル形計器で済みますからね)
そのため、整流形計器の目盛は、交流は通常実効値で示されるため、
指示値の平均値ではなく実効値で目盛付けしてある方が便利です。

よって、整流形計器では、ちゃんと、
平均値を実効値に換算した値で目盛付けしてあります。

ただし、ここで注意しないといけないのは、入力される交流が
方形波か、のこぎり波か、正弦波か、といった波形の違いによって
平均値から実効値に換算する場合の式が異なるということです。

整流形計器では、入力される交流は[正弦波]であると想定して
平均値から実効値への換算が行われています。
つまり、正弦波以外の波が入力されると、
平均値から実効値への換算が正しく行われず、
それは[誤差]となって表れてしまうので注意となります。


以上より、解答は次のようになります。

[ ア ]-可動コイル形計器
[ イ ]-平均値
[ ウ ]-(2√2/π)I
[ エ ]-正弦波
[ オ ]-誤差


参考文献

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【一陸技】精選300題_問060-指示計器

指示計器

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問060
測定計器に関する記述として、正しいものを1,誤っているものを2として解答せよ。

ア 静電形計器は、原理上電圧で動作し、消費電流がきわめて少なく、低電圧、低インピーダンス回路の電圧測定に適している。

イ 熱電形計器は、電流による抵抗の発生熱を利用しているので、交流の実効値を指示し、周波数特性に優れ、直流から高周波まで使用できる。

ウ 整流器形計器は、交流を整流器で整流して、可動コイル形直流指示形を動作させる交流用測定計器で、感度の高い直流用測定計器を使用するので交流用測定計器中もっとも感度が高い。

エ 誘導形計器は、測定する交流を固定コイルに流し、これによる磁界の電磁誘導によって、可動部に誘導電流を発生させ、この電流と固定コイルの磁界との電磁力で測定計器に回転力を発生させるもので、周波数の変化の影響や、電流波形の影響を受けにくく、精密級の測定に適している。

オ 電流力計形計器は、二つのコイル間に流れる電流力の作用を利用したもので、電力計とすれば、平等目盛の測定計器を作ることができる。しかし、可動コイル形のように、永久磁石を用いないので、外部の磁界の影響を受けやすい。


解説

測定計器の中でも指示計器に関する問題です。
指示計器とは、電気的な量を力学的な量に変換することによって、
電流,電圧,電力などを測定するものです。

電気的な量を力学的な量に変換するために、
おもに次の3つの電気・磁気減少を利用してきます。

 ①磁界中の電流に働く力
 ②電界中の電荷に働く力
 ③ジュール熱による膨張や熱起電力


それでは具体的な指示計器に解説に移ります。

まずは、問題の5つの指示計器に入る前に、
より基本的な指示計器である次の2つについて解説します。

 ・可動コイル形計器
 ・可動鉄片形計器


可動コイル形計器

永久磁石の磁界と可動コイルに流れる電流の相互作用を利用した指示計器です。
上記の分類では、「①磁界中の電流に働く力」を利用しています。

【動作原理】
永久磁石で平等磁界を作るような構造として、この中に、
磁束がコイルのループを貫くように可動コイルを配置します。
この可動コイルに被測定電流を流すと、
コイルに流れる電流が磁界から受ける相互作用により回転力が発生し、
ループに取り付けた指針が振られます。

【特徴】
感度が良く、微小電流の測定に適している
・永久磁石を用いているので外部磁界の影響を受けにくい
・振動に対して弱い
・交流を流すと交番磁界が発生し指針が振れないため、直流しか測定できない
指示値は平均値を示し、目盛は等間隔の平等目盛となる


可動鉄片形計器

可動鉄片と固定コイルに流れる電流による磁界との相互作用を利用した指示計器です。

【動作原理】
固定コイルに近接して、可動鉄片を配置します。
固定コイルに被測定電流を流すと、コイルに発生した磁界により
可動鉄片が磁化され、コイルの中に吸引されます。
この鉄片に働く吸引力を利用して指針を振らせます。

【特徴】
・構造が簡単で、堅牢である
・永久磁石を用いていないため、外部磁界の影響を受けやすい
・直流の測定では、鉄片のヒステリシス現象のため誤差を生じやすい
・高い周波数の測定では、鉄片に発生する渦電流の影響で誤差を生じやすい
・トルクは電流の2乗に比例するため、指示値は実効値を示す


静電形計器

コンデンサを利用した電圧計です。
上記の分類では、「②電界中の電荷に働く力」を利用した指示計器になります。

【動作原理】
金属板を相対して配置し、コンデンサを形成します。
コンデンサに電圧を加えると、極板間に静電力が生じます。
このとき極板が吸収される力を使って指針が振られ、電圧に応じた目盛りを示します。

【特徴】
・低電圧では充分な静電力が得られないため、高電圧の測定に適する
・直流測定時はコンデンサの入力インピーダンスは∞となるため、高インピーダンス回路の測定に適する
・直流・交流どちらにも使える
・静電力は電圧の2乗に比例し、指示値は実効値を示す。
 (F=QE=CV・V/r)

よって、
選択肢アは誤りです。
【誤】低電圧、低インピーダンス回路の電圧測定に適している。
【正】高電圧、高インピーダンス回路の電圧測定に適している。
となります。


熱電形計器

上記の分類では、「③ジュール熱による膨張や熱起電力」を利用した指示計器になります。

【動作原理】
抵抗線に電流を流すことでジュール熱を発生します。
発生したジュール熱により、熱電対の温接点を熱します。
このとき熱電対に発生する起電力を可動コイル形計器で測定します。

【特徴】
周波数特性が良く、直流から高周波に至るまで測定できる
・ジュール熱は電流の2乗に比例するため、トルクも電流の2乗に比例し、指示値は実効値を示す


よって
選択肢イは正しい記述となります。


整流器形計器

可動コイル形計器を、交流でも使用できるようにしたものです。

【動作原理】
交流をブリッジ形成流回路で整流して、
可動コイル形計器で測定します。

【特徴】
基本的に可動コイル形計器の特徴を引き継いでおり、
・感度が良い
・外部磁界の影響を受けにくい
・振動に対しては弱い


よって
選択肢ウは正しい記述となります。


誘導形計器

回転する磁気中に配置した動体に発生する渦電流と磁界との間に作用する力を利用した指示計器です。
要は、誘導電動機(モーター)の一種です。
上記の分類では、「①磁界中の電流に働く力」を利用しています。

【動作原理】
配置した2対のコイルに、位相差をもたせて被測定電流を流し、回転する磁界を作ります。
回転する磁界により、回転磁界中に配置された金属円筒に渦電流が流れます。
このとき、渦電流と磁界との間に相互作用が働き金属円筒が回転するため、
この回転力を利用して指針を振ります。

【特徴】
・要はモーターなので、交流の測定しかできない
・要はモーターなので、周波数の影響を受けやすい
・構造が簡単で、堅牢である
・電流・電圧の測定だけでなく電力の測定にも使える
・回転力は電流の2乗に比例するため、電流・電圧の測定時には目盛は実効値を示すが、
 電力の測定時には平等目盛となる


よって
選択肢エは誤っており
【誤】周波数の変化の影響や電流波形の影響を受けにくく、精密級の測定に適している。
【正】周波数の変化の影響や電流波形の影響を受けやすく、精密級の測定に適さない。
となります。


電流力形計器

電流の流れた2つコイルによる磁界との相互作用を利用した指示計器です。
上記の分類では、「①磁界中の電流に働く力」を利用しています。

【動作原理】
配置した2つの固定コイルに電流を流し磁界を作ります。
この磁界中に可動コイルを配置し、可動コイルに被測定電流を流します。
このとき、可動コイルに流れる電流が磁界から相互作用を利用し指針を振ります。

【特徴】
・可動コイル型計器のように永久磁石を用いていないので、外部磁界の影響を受けやすい
・固定と可動の両コイルを別々に用いれば、電力計としても使える
・回転力は電流の2乗に比例するため、電流・電圧の測定時には目盛は実効値を示すが、
 電力の測定時には平等目盛となる


よって
選択肢オは正しい記述となります。


以上より、解答は、
ア-2, イ-1, ウ-1, エ-2, オ-1
となります。


計7つの指示計器について簡単にまとめました。
指示計器の問題は憶えておくだけで解けるので得点源です。
確実に解答したいですね。

何種類もあって憶えるのは大変ですが、
1つ1つ動作原理を理解すれば意外と憶えられます☆


参考文献

1・2級陸技受験教室〈1〉無線工学の基礎1・2級陸技受験教室〈1〉無線工学の基礎
(2007/10)
安達 宏司

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【一陸技】精選300題_問058-論理回路

論理回路

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問058
下図に示す論理回路に関する記述として誤っているものを選べ。

 
問058図


1.3つの入力のすべてが0のとき、出力は0となる。
2.入力Aが0で、BおよびCが1のとき、出力は1となる。
3.入力AおよびBが1で、Cが0のとき、出力は1となる。
4.3つの入力がすべて1のとき、出力は0となる。
5.入力AおよびCが0で、Bが1のとき、出力は0となる。


解説
この手の論理回路の問題は頻出です。
完全に得点源なので、確実にすばやく解答したいですね。

解法パターンは大別して3つあります。

 ・真理値表を作る
 ・論理式を作る
 ・選択肢を全部試す



一番確実に解答できるのは、
「選択肢を全部試す」です。
ただし、比較的時間がかかってしまいます。

おすすめは「真理値表を作る」です。
真理値表を作るのは一見して時間がかかりそうですが、
慣れれば速攻で作れます。
この問題の論理回路くらいなら1分かかりません。

コツは、それぞれのゲートの真理値も表に入れることです。
例えば下図の赤字のようにゲートの出力を取ります。


058-1論理回路


こうしてできる真理値表は次の通りです。
ANDとORの真理値表を完全にマスターしていれば速攻かけます。


058-2真理値表


この真理値表に合わないのは選択肢「4」です。


最後に「論理式を作る」という方法について、

本当に慣れればこれが一番早いです。
式を作り簡単化すれば、単純な真理値表が瞬間的に頭に浮かびます。

まぁ、それは式の複雑度にも拠りますし
本当に慣れが必要なので、やはり真理値表を作るのが無難だと思います。


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【一陸技】精選300題_問057-NAND回路

NAND回路

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問057
下図に示す論理回路が正論理で動作するときの論理式を示せ。

 問057_NAND回路

解説

結論から言いますと、上記の回路はNAND回路となります。
前回の問056で、NOR回路がOR回路とNOT回路の組合せだったように
NAND回路も基本的にはAND回路とNOT回路の組合せになります。
ただし、NAND回路の場合、
AND回路とNOT回路を単純に繋げれば良いという訳ではありません。

ちょっと注意が必要です。

それではNAND回路を解説する前に
AND回路の構成からみていきましょー。

(NOT回路は前回で解説したので省略です。)


AND回路

AND回路とは、多入力端子1出力端子の素子であり、
入力の少なくとも1つに0を入力すると、0を出力し、
入力の全てに1を入力すると、1を出力する回路です。

ダイオードを用いた
最も基本的な2入力端子1出力端子のAND回路は次のようになります。

 問057-01_AND回路

AND回路の場合も
出力電圧VZは電流Iが流れるか流れないかに拠ります。

つまり、
電流Iが流れない場合、
抵抗Rを介してVccが見え出力電圧としてはVccとなります。
電流Iが流れる場合、
抵抗Rで電圧降下が起こるので出力電圧はVcc-IRとなります。

ここで、Vccを「1」,Vcc-IRを「0」に対応させれば、
電流Iが流れなければ「1」を出力し、
電流Iが流れれば「0」を出力することになります。

電流Iが流れないようにするためには、
入力の全てにVccを入れてやれば良いです。
こうすることで入力側と出力側が等電位になり
電流Iは流れません。
このとき出力は「1」です。

電流Iが流れるようにするためには、
入力の少なくとも1に電圧がかかってなければ良いです。
こうすることで電圧のかかっていない入力側へ電流が流れるため
電流Iが流れるようになります。
このとき出力は「0」です。

以上より、真理値表は次のようになります。

 AND回路の真理値表
 問057-02_AND真理値表

ちゃんとAND回路として動作していますね。


NAND回路

NAND回路とは、多入力端子1出力端子の素子であり、
入力の少なくとも1つに0を入力すると、1を出力し、
入力の全てに1を入力すると、0を出力する回路です。

AND回路と全く逆の動作です。

つまり、AND回路の出力をNOT回路で反転させれば
NAND回路を実現することができます。

ただし、前述したように
AND回路とNOT回路を単純に繋げるだけでは
NAND回路を実現することはできません。

NAND回路は次のように表せます。


問057-03_NAND回路


前段のAND回路と後段のNOT回路の間に
2つのダイオードが入っていることがわかります(部分)
このダイオードをレベルシフトダイオード(LSD)といい
このLSDがないとNAND回路は成立しません。

LSDは、AND回路の出力に相当する点Pの電圧がLow状態になったとき
トランジスタのコレクタ-エミッタ間を確実にOFF状態にするために用いられます。


AND回路においては、入力のいずれかが「0」であるときも
出力電圧はVcc-IRとなり電圧がかかってしまいます。
つまり、LSDが無ければ、ベース-エミッタ間に順バイアスがかかり
コレクタ-エミッタ間がON状態になる恐れがあるのです。

LSDを用いれば、
VP > VLSD + VBE とならなければ
コレクタ-エミッタ間はOFF状態に保たれます。
VX = VY = Vcc の場合はコレクタ-エミッタ間はON状態となります。

以上をまとめるとNAND回路の真理値表を得ることができます。

 NAND回路の真理値表
 問057-04_NAND真理値表

問題の回路図はLSDの1つをトランジスタに置き換え
入力端子を3つにしたものとなります。

論理式は次のようになります。

 問057-05_NAND論理式

こちらが解答ですね。


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