一次遅れ特性を持つ計量器に振幅2、角周波数 10 rad/s の正弦波入力を与えた。数分後、計量器の出力は同じ角周波数の…

計量器概論及び質量の計量 計質 問10

一次遅れ特性を持つ計量器に振幅2、角周波数 10 rad/s の正弦波入力を与えた。数分後、計量器の出力は同じ角周波数の正弦波であったが、振幅が1.41 となっていた。この計量器の時定数はおよそ何秒か。次の中から最も近いものを一つ選べ。

正答 (2)
正答は (2)。時定数はおよそ 0.1 s です。 【計算】 時定数 τ の一次遅れ系に角周波数 ω の正弦波を入れると、十分に時間がたった後の出力の振幅は、入力の振幅に次の比(ゲイン)を掛けた値になります。 ゲイン = 1/√(1 + (ωτ)²) 問題のゲインは、出力の振幅 1.41 ÷ 入力の振幅 2 = 0.705 です。これは 1/√2 ≒ 0.707 とほぼ同じなので 1 + (ωτ)² = 2 ωτ = 1 τ = 1/ω = 1/(10 rad/s) = 0.1 s
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となります。 【ほかの選択肢】 (1) 0.01 s では ωτ = 0.1 で、ゲインは 1/√1.01 ≒ 0.995 です。出力の振幅はほぼ 2 のままになります。 誤り (3) 1 s では ωτ = 10 で、ゲインは 1/√101 ≒ 0.0995 です。出力の振幅は約 0.2 になります。 誤り (4) 10 s では ωτ = 100 で、出力の振幅は約 0.02 になります。 誤り (5) 100 s では ωτ = 1000 で、出力の振幅は約 0.002 になります。 誤り 【ポイント】 ゲインが 1/√2(約 −3 dB)になる角周波数は ω = 1/τ で、一次遅れ系の折点角周波数(遮断角周波数)と呼ばれます。このとき出力の位相は入力より 45° 遅れます。「振幅が約 0.71 倍なら ωτ = 1」と覚えておくと、すぐに解けます。

出典:計量士 第76回(2025年12月実施)(経済産業省 公表試験問題)出典元ページ

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