Pomiar prawdziwej wartości skutecznej. Dlaczego warto wybrać instrumenty True RMS? Napięcie i prąd
Liczniki ze średnimi odczytami
Mówiąc o znaczeniach prąd przemienny, zwykle mamy na myśli średnie efektywne rozpraszanie ciepła lub wartość prądu średniokwadratowego (RMS). Ta wartość jest równoważna wartości prąd stały, którego działanie wywołałoby taki sam efekt cieplny jak działanie mierzonego prądu przemiennego. Najczęstszym sposobem pomiaru tego prądu RMS za pomocą miernika jest wyprostowanie prądu AC, znalezienie średniej wyprostowanego sygnału i pomnożenie wyniku przez współczynnik 1,1. Współczynnik ten uwzględnia stałą wartość równą stosunkowi między średnią a pierwiastkami średniokwadratowymi idealnej sinusoidy. Jeśli jednak krzywa sinusoidalna odbiega od idealnego kształtu, współczynnik ten przestaje działać. Z tego powodu mierniki odczytujące średnią często dają błędne wyniki podczas pomiaru prądów w nowoczesnych sieciach energetycznych.
Obciążenia liniowe i nieliniowe
Obciążenia liniowe, na które składają się tylko rezystory, cewki i kondensatory, charakteryzują się sinusoidalną krzywą prądu, dzięki czemu nie ma problemów z pomiarem ich parametrów. Jednak w przypadku obciążeń nieliniowych, takich jak przemienniki częstotliwości i zasilacze biurowe, krzywe prądu są zniekształcone. Pomiar prądów RMS z takich zniekształconych krzywych za pomocą mierników średniego odczytu może dać 50% niedoszacowanie prawdziwych odczytów, co powoduje, że zastanawiasz się, dlaczego bezpiecznik 14 amperów przepala się regularnie, gdy amperomierz wskazuje tylko 10 amperów.
Przyrządy True RMS (odczyty True RMS)
Aby zmierzyć prąd o tak zniekształconych krzywych, należy użyć analizatora przebiegów, aby sprawdzić kształt sinusoidy, a następnie użyć miernika z odczytami uśrednionymi tylko wtedy, gdy krzywa okaże się naprawdę idealną sinusoidą. Lub zawsze możesz użyć miernika True RMS i nie sprawdzać parametrów krzywej. Nowoczesne mierniki tego typu wykorzystują zaawansowane technologie pomiarowe, które pozwalają określić rzeczywistą skuteczną wartość prądu przemiennego, niezależnie od tego, czy krzywa prądu jest idealna sinusoida czy odkształcona. Jedynym ograniczeniem jest to, że krzywa mieści się we współczynniku szczytu i dopuszczalnym zakresie pomiarowym używanego przyrządu.
.
Pomiary napięcia
Wszystko, co dotyczy pomiaru prądów w nowoczesnych obwodach elektroenergetycznych, dotyczy również pomiaru napięć w większości przypadków urządzeń przemysłowych i urządzeń elektronicznych. Często krzywe napięcia również nie są idealnymi sinusoidami, co powoduje, że uśrednianie mierników podaje nieprawidłowe odczyty. Dlatego też mierniki True-RMS są zalecane również do pomiaru napięcia.
Typ miernika |
Zasada pomiaru |
Pomiar sinusoidy |
Pomiar prostokątny sygnał |
Pomiar sygnału zniekształconego. |
Z uśrednianiem | Mnożenie średniej rektyfikowanej wartości. na 1,1 | Prawdziwe | 10% zawyżenie | Przeceniaj do 50% |
Odczyty True RMS | Obliczanie wielkości efektu cieplnego z wartości średniej | Prawdziwe | Prawdziwe | Prawdziwe |
Wstęp
pomiar trueRMS Napięcie AC- zadanie nie jest proste, nie takie, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Przede wszystkim dlatego, że najczęściej trzeba zmierzyć nie napięcie czysto sinusoidalne, a coś bardziej złożonego, komplikowanego obecnością harmonicznych szumów.
Dlatego kusząco proste rozwiązanie z detektorem średniej RMS. wartość nie działa, gdy przebieg bardzo różni się od sinusoidalnego lub jest po prostu nieznany.
Profesjonalne woltomierze por. mkw. wystarczy wartość złożone urządzenia zarówno w obwodach, jak i algorytmach. W większości mierników, które mają charakter pomocniczy i służą do kontroli pracy, taka złożoność i dokładność nie są wymagane.
Wymagane jest również, aby miernik mógł być zmontowany na najprostszym mikrokontrolerze 8-bitowym.
Ogólna zasada pomiaru
Niech będzie jakieś napięcie przemienne o postaci pokazanej na ryc. jeden.
Napięcie quasi-sinusoidalne ma pewien quasi-okres T.
Zaletą pomiaru napięcia RMS jest to, że generalnie czas pomiaru nie odgrywa dużej roli, wpływa jedynie na pasmo częstotliwości pomiaru. Więcej czasu daje więcej uśredniania, mniej czasu pozwala zobaczyć krótkoterminowe zmiany.
Definicja podstawowa por. mkw. wartości wygląda tak:
gdzie u(t) jest chwilową wartością napięcia
T - okres pomiarowy
Zatem czas pomiaru może być, ogólnie rzecz biorąc, dowolny.
Aby rzeczywisty pomiar za pomocą rzeczywistego sprzętu obliczyć całkę, konieczne jest skwantowanie sygnału z określoną częstotliwością, która oczywiście co najmniej 10 razy przekracza częstotliwość quasi-sinusoidy. Przy pomiarze sygnałów o częstotliwościach w zakresie 20 kHz nie stanowi to problemu nawet dla mikrokontrolerów 8-bitowych.
Inną rzeczą jest to, że wszystko standardowe kontrolery mieć jedną dostawę. Dlatego nie jest możliwe zmierzenie chwilowego napięcia przemiennego w momencie ujemnej półfali.
W artykule zaproponowano dość pomysłowe rozwiązanie, jak wprowadzić do sygnału składową stałą. Jednocześnie w decyzji tej określenie momentu, w którym warto rozpocząć lub zakończyć proces obliczania por. mkw. wartości wydają się dość uciążliwe.
W niniejszej pracy proponujemy metodę przezwyciężenia tej wady, a także obliczenie całki z większą dokładnością, co pozwala na ograniczenie liczby punktów próbkowania do minimum.
Cechy części analogowej miernika
Na ryc. 2 przedstawia rdzeń analogowego obwodu wstępnego przetwarzania.
Sygnał jest podawany przez kondensator C1 do wzmacniacza kształtującego, zamontowanego na wzmacniaczu operacyjnym DA1. Sygnał napięciowy AC jest mieszany na nieodwracającym wejściu wzmacniacza z połową napięcia odniesienia używanego przez ADC. Wybrano napięcie 2,048 V, ponieważ w urządzeniach kompaktowych często stosuje się napięcie +3,6 V lub mniej. W innych przypadkach wygodnie jest użyć 4,048 V, jak w.
Z wyjścia wzmacniacza kształtującego, poprzez układ całkujący R3-C2, sygnał podawany jest na wejście ADC, które służy do pomiaru składowej stałej sygnału (U0). Sygnał ze wzmacniacza kondycjonującego jest sygnałem mierzonym przesuniętym o połowę napięcia odniesienia. Zatem, aby otrzymać zmienną składową, wystarczy obliczyć różnicę U'-U0.
Sygnał U0 jest również używany jako odniesienie dla komparatora DA2. Gdy U' przekroczy wartość U0, komparator generuje różniczkę, która jest używana do utworzenia procedury przerwania do zbierania odczytów pomiarowych.
Ważne jest, że wiele nowoczesnych mikrokontrolerów ma wbudowane wzmacniacze operacyjne i komparatory, nie wspominając o ADC.
Podstawowy algorytm
Na ryc. 3 podstawowy algorytm podano dla przypadku pomiaru wielkości napięcia przemiennego o częstotliwości podstawowej 50 Hz.
Pomiar może być wyzwolony dowolnym zdarzeniem zewnętrznym aż do ręcznego naciśnięcia przycisku.
Po uruchomieniu najpierw mierzona jest składowa stała w sygnale wejściowym ADC, a następnie sterownik przechodzi w oczekiwanie na dodatnie zbocze na wyjściu komparatora. Gdy tylko wystąpi przerwanie zbocza, sterownik pobiera 20 punktów z krokiem czasowym odpowiadającym 1/20 quasi-okresu.
Algorytm mówi X ms, ponieważ niskobudżetowy kontroler ma swój własny czas opóźnienia. Aby pomiar odbył się we właściwym czasie, należy wziąć pod uwagę to opóźnienie. Dlatego rzeczywiste opóźnienie będzie mniejsze niż 1 ms.
W ten przykład opóźnienie odpowiada pomiarom quasi-sinusoid w zakresie 50 Hz, ale może być dowolne w zależności od quasi-okresu mierzonego sygnału w granicach wydajności danego sterownika.
Podczas pomiaru RMS wartości napięć dowolnego sygnału quasi-okresowego, jeśli nie wiadomo a priori, jaki to jest sygnał, wskazane jest mierzenie jego okresu za pomocą wbudowanego w sterownik timera i tego samego wyjścia komparatora. I już na podstawie tego pomiaru ustaw opóźnienie w realizacji próbki.
Obliczanie średniej kwadratowej
Po utworzeniu próbki przez ADC mamy tablicę wartości U”[i], w sumie 21 wartości, w tym wartość U0. Teraz, jeśli zastosujemy formułę Simpsona (a dokładniej Cotesa) do całkowania numerycznego , jako najdokładniejsze dla ta aplikacja, otrzymujemy następujące wyrażenie:
gdzie h jest krokiem pomiarowym i nie ma składnika zerowego we wzorze, ponieważ z definicji jest on równy 0.
W wyniku obliczeń otrzymamy wartość całki w czystej postaci w formacie odczytów ADC. Aby przeliczyć na wartości rzeczywiste, otrzymaną wartość należy przeskalować z uwzględnieniem wartości napięcia odniesienia i podzielić przez przedział czasu całkowania.
gdzie Uop jest napięciem odniesienia ADC.
Jeśli wszystko zostanie przeliczone na mV, K jest w przybliżeniu równe tylko 2. Współczynnik skalowania odnosi się do różnic w nawiasach kwadratowych. Po ponownym obliczeniu i obliczeniu S jest dzielone przez interwał pomiaru. Biorąc pod uwagę czynnik h, zamiast mnożenia przez h otrzymujemy dzielenie przez liczbę całkowitą, a następnie dzielenie przez przedział czasu pomiaru.
I na koniec wyodrębniamy pierwiastek kwadratowy.
I tu pojawia się najciekawsze i najtrudniejsze. Możesz oczywiście używać do obliczeń zmiennoprzecinkowych, ponieważ język C pozwala na to nawet w przypadku kontrolerów 8-bitowych i obliczać bezpośrednio z podanych formuł. Jednak szybkość obliczeń znacznie spadnie. Możliwe jest również wyjście poza bardzo małą pamięć RAM mikrokontrolera.
Aby tego uniknąć, konieczne jest, jak poprawnie wskazano w , użycie stałego punktu i operowanie maksymalnie 16-bitowymi słowami.
Autorowi udało się rozwiązać ten problem i zmierzyć napięcie z błędem Uop/1024, czyli dla podanego przykładu z dokładnością 2 mV z całkowitym zakresem pomiarowym ±500 mV przy napięciu zasilania +3,3 V, co wystarcza do wielu zadań monitorowania procesu.
Sztuką jest wykonanie wszystkich procesów dzielenia, jeśli to możliwe, przed mnożeniem lub potęgowaniem, tak aby pośredni wynik operacji nie przekraczał 65535 (lub 32768 dla operacji podpisanych).
konkretny rozwiązanie programowe wykracza poza zakres tego artykułu.
Wniosek
W artykule omówiono cechy pomiaru wartości skutecznych napięć przy użyciu mikrokontrolerów 8-bitowych, przedstawiono wariant realizacji układu oraz główny algorytm uzyskiwania próbek kwantyzacji rzeczywistego sygnału quasi-sinusoidalnego.
Opis:
W wielu instalacjach komercyjnych i przemysłowych dochodzi do ciągłych wyłączeń systemów ochronnych. Często rozłączenia wydają się przypadkowe i niewytłumaczalne, ale oczywiście jest ku temu powód, aw naszym przypadku są dwa z nich.
True RMS to jedyny prawidłowy pomiar
K. Zachód Fluke (Wielka Brytania) Ltd.
W wielu instalacjach komercyjnych i przemysłowych dochodzi do ciągłych wyłączeń systemów ochronnych. Często rozłączenia wydają się przypadkowe i niewytłumaczalne, ale oczywiście jest ku temu powód, aw naszym przypadku są dwa z nich. Pierwszą możliwą przyczyną są prądy wsteczne, które występują, gdy włączane są niektóre typy obciążeń, takie jak komputery osobiste (kwestia ta zostanie omówiona w przyszłej publikacji tego przewodnika). Drugi możliwa przyczyna jest to, że rzeczywisty prąd płynący przez obwód był niedomierzony, tj. rzeczywiste wartości prądu są wyższe niż zmierzone.
W nowoczesnych instalacjach bardzo często dochodzi do niedoszacowania wartości mierzonych. Ale dlaczego tak się dzieje, skoro nowoczesne cyfrowe przyrządy pomiarowe są tak dokładne i niezawodne? Odpowiedź jest taka, że wiele przyrządów nie nadaje się do pomiaru prądów odkształconych, a większość prądów w dzisiejszych czasach tak właśnie jest.
Zniekształcenia powstają z powodu prądów harmonicznych wytwarzanych przez obciążenia nieliniowe, zwłaszcza sprzęt elektroniczny, taki jak komputery osobiste, lampy fluorescencyjne ze statecznikiem elektronicznym i napędy o zmiennej prędkości. Proces występowania harmonicznych oraz ich wpływ na układy elektryczne zostanie opisany w przyszłej publikacji podręcznika (rozdział 3.1). Na ryc. 3 przedstawia typową krzywą prądu dla komputera osobistego. Oczywiście nie jest to sinusoida, dlatego wszystkie zwykłe sinusoidalne przyrządy pomiarowe i metody obliczeniowe nie mają już zastosowania. Oznacza to, że przy naprawie lub analizie pracy układu zasilającego konieczne jest zastosowanie przyrządów, które mogą mierzyć prądy i napięcia niesinusoidalne.
Na ryc. 1 przedstawia dwa przyrządy pomiarowe (cęgi prądowe) na tym samym obwodzie. Oba przyrządy działają prawidłowo i są skalibrowane zgodnie ze specyfikacjami producenta. Kluczową różnicą jest sposób pomiaru tych instrumentów.
Lewy miernik to prawdziwy miernik RMS, a prawy miernik to skalibrowany miernik, który mierzy średnią RMS. Aby docenić różnicę, musisz zrozumieć, co oznacza RMS.
Co to jest RMS?
Średnia kwadratowa (RMS) prądu przemiennego jest równoważną wartością prądu stałego, która wytworzyłaby taką samą ilość ciepła przy stałym obciążeniu. Ilość ciepła wytworzonego w rezystorze przez prąd przemienny jest proporcjonalna do kwadratu prądu uśrednionego w całym cyklu krzywej. Innymi słowy, wytworzone ciepło jest proporcjonalne do średniej kwadratu, a zatem wielkość prądu jest proporcjonalna do pierwiastka pierwiastka średniej kwadratu (polaryzacja nie ma znaczenia, ponieważ kwadrat jest zawsze dodatni).
W przypadku regularnej fali sinusoidalnej (Rysunek 2) wartość RMS wynosi 0,707 wartości maksymalnej lub wartość maksymalna wynosi √2 lub 1,414 wartości RMS. Oznacza to, że maksymalna wartość prądu 1 A RMS czystej fali sinusoidalnej wyniesie 1,414 A. Jeśli amplituda fali sinusoidalnej zostanie uśredniona (z ujemną konwersją półokresową), średnia wartość wyniesie 0,636 maksimum lub 0,9 wartości RMS. Na ryc. 2 pokazuje dwie ważne proporcje:
Podczas pomiaru zwykłej fali sinusoidalnej (i tylko zwykłej sinusoidy) legalne jest wykonanie prostego pomiaru średniego (0,636 x maksimum) i pomnożenie wyniku przez współczynnik kształtu 1,111 (co stanowi 0,707 maksimum) i nazwanie go Wartość skuteczna. Podobne podejście stosuje się w miernikach analogowych, gdzie uśrednianie odbywa się poprzez tłumienie bezwładności i oscylacji w cewce, a także we wszystkich starszych i nowocześniejszych miernikach cyfrowych uniwersalnych. Metoda jest opisana jako pomiarowa, uśredniona, kalibrowana RMS.
Problem w tym, że ta metoda działa tylko dla zwykłych sinusoid, których nie ma w rzeczywistych instalacjach elektrycznych. Krzywa na ryc. 3 to typowa krzywa prądu pobieranego przez komputer osobisty. Dokładna wartość RMS to nadal 1A, ale maksimum jest znacznie wyższe przy 2,6A, a średnia jest znacznie niższa przy 0,55A.
Jeśli ta krzywa jest mierzona urządzeniem uśredniającym RMS, to odczyta się jako 0,61 A, podczas gdy rzeczywista wartość to 1 A (czyli prawie 40% mniej). Tabela pokazuje kilka przykładów, jak dwa różne rodzaje mierniki reagują na różne przebiegi.
Miernik True RMS oblicza kwadrat wartości chwilowej prądu przychodzącego, uśrednia go w czasie, a następnie wyświetla pierwiastek kwadratowy tej średniej. W idealnych warunkach użytkowania odczyty są absolutnie dokładne, niezależnie od krzywej. Jednak aplikacja nigdy nie jest doskonała i należy wziąć pod uwagę dwa czynniki ograniczające: charakterystykę częstotliwościową i współczynnik szczytu.
Do pracy układów zasilających zwykle wystarcza pomiar do 50. harmonicznej, czyli do częstotliwości ok. 2500 Hz. Bardzo ważna jest maksymalna wartość amplitudy, proporcja między wartością maksymalną a wartością skuteczną. Wyższe amplitudy szczytowe wymagają instrumentów o szerszym zakres dynamiczny, a więc więcej wysoka precyzja w transformacji wykresów.
Chociaż przyrządy podają różne odczyty podczas pomiaru zniekształconych krzywych, odczyty obu przyrządów będą zgodne podczas pomiaru zwykłej fali sinusoidalnej. Jest to warunek, w którym są one kalibrowane, tj. każdy typ przyrządu pomiarowego może być certyfikowany jako skalibrowany, ale tylko do użytku na sinusoidach.
Mierniki True RMS istnieją od co najmniej 30 lat, ale były to specjalistyczne i stosunkowo drogie przyrządy. Postępy w elektronice spowodowały, że w wielu ręcznych multimetrach wbudowano funkcje pomiaru prawdziwej wartości RMS. Niestety to Specyfikacja techniczna znajdują się tylko w najnowocześniejszych produktach większości producentów, ale nie są już tak drogie jak kiedyś i stały się niedrogimi narzędziami do użytku w codziennych czynnościach.
Stół Porównanie odpowiedzi na różne przebiegi mierników średniej i rzeczywistej RMS |
|||||||||||||||||||
|
Konsekwencje niedoszacowania
Ograniczenia eksploatacyjne większości elementów obwód elektryczny są zdefiniowane jako ilość ciepła, która może zostać rozproszona, aby element lub komponent nie uległ przegrzaniu.
Na przykład wartości znamionowe kabli są podane dla określonych warunków pracy (współczynnik, który określa, jak szybko ciepło może być rozpraszane) i maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy. Ponieważ prądy zanieczyszczone harmonicznie mają wyższą wartość RMS niż mierzona przez przeciętny miernik RMS, używane przewody i kable mogą być niedoszacowane i być gorętsze niż oczekiwano. Rezultatem będzie awaria izolacji, przedwczesne zużycie i zagrożenie pożarowe.
Wymiary opony mierzy się obliczając stosunek szybkości chłodzenia przez konwekcję i promieniowanie, a także szybkość nagrzewania z powodu utraty rezystancji. Temperatura, w której te prędkości są równe, to temperatura robocza opony lub jest ona zaprojektowana tak, aby była wystarczająco niska, aby uniknąć przedwczesnego zużycia materiałów izolacyjnych i nośnych. Podobnie jak w przypadku kabli, błędy pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej spowodują wyższe temperatury pracy. Ze względu na to, że szyny zbiorcze mają zwykle znaczne rozmiary, efekt naskórkowości jest bardziej widoczny niż w przypadku małych przewodów.
Prowadzi to do jeszcze większego wzrostu temperatury.
Inne składniki Układ elektryczny, takie jak bezpieczniki i wyłączniki są oceniane na prąd RMS, ponieważ ich charakterystyka jest związana z rozpraszaniem ciepła. Jest to główna przyczyna irytujących wyłączeń pseudo-usterek - aktualna siła jest wyższa niż oczekiwano, więc automatyczne wyłączanie działa w reżimie temperaturowym, w którym nieuchronnie wystąpią wyłączenia. Jak w przypadku każdej przerwy w dostawie prądu, koszt przerwy w dostawie prądu może być dość wysoki i skutkować utratą danych w systemach komputerowych, awarią systemów sterowania procesy technologiczne itp. Kwestie te zostaną omówione w przyszłych publikacjach podręcznika (rozdział 2)
Tak więc tylko za pomocą narzędzi do pomiaru rzeczywistej wartości skutecznej możliwe jest dokładne dobranie wartości znamionowych kabli, szyn zbiorczych, zasilaczy i wyposażenie ochronne. Ważnym pytaniem jest, czy to urządzenie prawdziwy miernik RMS? Zwykle, jeśli miernik jest prawdziwym miernikiem RMS, zostanie to podane w specyfikacji produktu. W praktyce odpowiedź można uzyskać porównując odczyty znanego miernika uśredniającego (zazwyczaj najtańszego dostępnego) i przyszłego miernika prawdziwej wartości skutecznej podczas pomiaru prądu w obciążeniu nieliniowym, takim jak prąd z komputera osobistego z prąd żarówki. Oba mierniki pokażą ten sam prąd dla obciążenia lampy żarowej. Jeśli jeden z przyrządów ma znacznie wyższe odczyty (powiedzmy o 20% wyższe) dla obciążenia komputera niż dla drugiego obciążenia, to prawdopodobnie jest to prawdziwe urządzenie RMS, a jeśli odczyty są takie same, urządzenia są tego samego typu.
Wniosek
Pomiary RMS są ważne w każdej instalacji, w której występuje znaczna liczba obciążeń nieliniowych (komputery osobiste, stateczniki elektroniczne, kompaktowe lampy fluorescencyjne itp.). Uśrednianie mierników RMS jest zaniżone do 40%, co prowadzi do niedoszacowania wartości znamionowych kabli i urządzenia ochronne. Grozi to awariami w ich pracy, awaryjnymi przestojami i przedwczesnym zużyciem.
Warto pamiętać, że podczas pracy w nietypowych trybach obciążenia elektrycznego i, co najważniejsze, termicznego, spowodowanych niedoszacowaniem rzeczywistych wartości prądów w wyniku podliczenia, ogólna sprawność energetyczna instalacji elektrycznej spada .
Przedruk ze skrótami z publikacji Europejskiego Instytutu Miedzi
„Przewodnik po zastosowaniach jakości zasilania”
Tłumaczenie z języka angielskiego E. V. Melnikova
Redaktor tłumaczeń V.S. Ionov
Zmienne napięcia i prądy można scharakteryzować za pomocą różnych wskaźników. Na przykład dla przemiennego napięcia okresowego dowolna forma ty(t), oprócz wartości amplitud, można go scharakteryzować przez:
- przeciętny(DC)
- średnia rektyfikowana wartość
- wydajny lub efektywna wartość
Najczęściej działanie napięcia lub prądu przemiennego ocenia się na podstawie średniej mocy w okresie, który nagrzewa czynną rezystancję R przez który przepływa prąd przemienny (lub do którego przykładane jest napięcie przemienne). Proces nagrzewania jest inercyjny i zwykle jego czas jest znacznie dłuższy niż okres T napięcie lub prąd przemienny. W związku z tym zwyczajowo stosuje się efektywną wartość sinusoidalnego napięcia i prądu. W tym przypadku:
Z tego wynika, że aby zmierzyć efektywną wartość sinusoidalnego napięcia lub prądu, wystarczy zmierzyć ich wartość amplitudy i podzielić przez √2 = 1,414 (lub pomnożyć przez 0,707).
Woltomierze i amperomierze AC są często używane do pomiaru poziomów napięcia i prądu AC. niesinusoidalny. Teoretycznie takie sygnały mogą być reprezentowane przez szereg Fouriera składający się z sumy stałej składowej sygnału, jego pierwszej harmonicznej i sumy wyższych harmonicznych. W przypadku obwodów liniowych, ze względu na zasadę superpozycji, moc sygnału niesinusoidalnego jest określona przez moc wszystkich jego składowych. Zależy to od składu harmonicznych sygnału, określonego przez kształt sygnału.
Z reguły, niezależnie od metody pomiaru, są one zwykle kalibrowane w efektywnych wartościach sinusoidalnego napięcia lub prądu przemiennego. Zwykle w tym przypadku za pomocą prostownika pełnookresowego napięcia lub prądy są prostowane i możliwe jest zmierzenie ich średniego wyprostowanego napięcia (często nazywanego po prostu średnim, ale nie jest to do końca dokładne - patrz wyżej). Odchylenie kształtu napięcia przemiennego od sinusoidalnego jest zwykle uwzględniane przez współczynnik kształtu:
k f =U d / U cf
Dla fali prostokątnej (meander) kФ \u003d 1, a dla sinusoidalnego kФ =π/2√2=1,1107. Taka różnica powoduje dużą różnicę w odczytach nawet w tych prostych przypadkach.
Obecnie komputery osobiste są szeroko stosowane. Telefony komórkowe z impulsowym trybem pracy nadajników, impulsowych i rezonansowych przetworników napięcia i zasilaczy, napędów elektrycznych o regulowanej prędkości oraz innych urządzeń pobierających prądy w postaci krótkotrwałych impulsów lub odcinków sinusoidy. W tym przypadku wartość średnia kwadratowa sygnałów musi uwzględniać wszystkie harmoniczne jego widma. W tym przypadku mówi się, że: prawdziwa wartość skuteczna (TrueRMS lub TRMS).
Niestety przy pomiarach napięć i prądów o różnych, innych niż sinusoidalne, zależności czasowych, pojawiają się duże problemy ze względu na naruszenie zależności między wartościami średnimi wyprostowanymi lub amplitudowymi napięcia lub prądu przemiennego a ich wartościami skutecznymi. Konwencjonalne mierniki napięcia i prądu ze średnimi odczytami w tym przypadku dają niedopuszczalnie duży błąd, patrz ryc. Uproszczony pomiar wartości skutecznej prądów może czasami dać niedoszacowanie nawet o 50% prawdziwych wyników.
Ryż. 1. Porównanie różnego rodzaju pomiary zmiennych napięć i prądów
Użytkownik, który tego nie wie, może długo się zastanawiać, dlaczego bezpiecznik w urządzeniu o prądzie 10 A przepala się regularnie, chociaż według wskazań amperomierza lub konwencjonalnego multimetru prąd jest dopuszczalną wartością 10 A. Jeśli krzywa mierzonego napięcia lub prądu odbiega od idealnego kształtu sinusoidalnego, udoskonalenie przy użyciu współczynnika 1,107≈1,1 staje się nieważne. Z tego powodu mierniki ze średnimi odczytami często podają błędne wyniki podczas pomiaru prądów w nowoczesnych sieciach elektroenergetycznych. W związku z tym stworzono urządzenia, które mierzą prawdziwie prawdziwą wartość skuteczną napięcia i prądu przemiennego o dowolnej postaci, która jest określana przez nagrzewanie rezystora liniowego podłączonego do mierzonego napięcia.
W dzisiejszych czasach nowoczesne multimetry, które mierzą prawdziwą wartość skuteczną napięcia lub prądu AC (niekoniecznie sinusoidalnego) są zwykle oznaczane jako True RMS. W takich miernikach stosuje się bardziej zaawansowane schematy pomiarowe, często z mikroprocesorowymi narzędziami do sterowania i korekcji. Umożliwiło to znaczne zwiększenie dokładności pomiaru oraz zmniejszenie wymiarów i masy przyrządów.
Dokładne pomiary to trudne zadanie stojące przed technologami i konserwatorami nowoczesnych zakładów produkcyjnych i urządzeń różnych organizacji. Coraz więcej komputerów osobistych, napędów o zmiennej prędkości i innych urządzeń o niesinusoidalnych charakterystykach pobieranego prądu i napięcia roboczego (w postaci krótkotrwałych impulsów, ze zniekształceniami itp.) wchodzi w nasze codzienne życie. Taki sprzęt może powodować nieodpowiednie odczyty z konwencjonalnych mierników uśredniających (RMS).
Dlaczego warto wybrać instrumenty True-RMS?
Kiedy mówimy o wartościach prądu przemiennego, zwykle mamy na myśli średnie efektywne rozpraszanie ciepła lub prąd średniokwadratowy (RMS). Podana wartość jest równoważna wartości prądu stałego, którego działanie wywołałoby taki sam efekt cieplny jak działanie mierzonego prądu przemiennego i jest obliczana według wzoru:
.
Najczęstszym sposobem pomiaru tego prądu RMS za pomocą miernika jest wyprostowanie prądu AC, znalezienie średniej wyprostowanego sygnału i pomnożenie wyniku przez współczynnik 1,1 (stosunek wartości średniej do wartości skutecznej idealnej sinusoidy).Jeśli jednak krzywa sinusoidalna odbiega od idealnego kształtu, współczynnik ten przestaje działać. Z tego powodu uśrednianie liczników często daje błędne wyniki podczas pomiaru prądów w dzisiejszych sieciach energetycznych.
Obciążenia liniowe i nieliniowe
Ryż. 1. Przebiegi napięcia o postaci sinusoidalnej i odkształconej.
Obciążenia liniowe, na które składają się tylko rezystory, cewki i kondensatory, charakteryzują się sinusoidalną krzywą prądu, dzięki czemu nie ma problemów z pomiarem ich parametrów. Jednak w przypadku obciążeń nieliniowych, takich jak przemienniki częstotliwości i zasilacze do urządzeń biurowych, w obecności zakłóceń od potężne obciążenia krzywe są zniekształcone.
Ryż. 2. Krzywe prądu i napięcia zasilacza komputera osobistego.
Pomiar prądów skutecznych z takich odkształconych krzywych za pomocą konwencjonalnych mierników może dać, w zależności od charakteru obciążenia, znaczne niedoszacowanie prawdziwych wyników:
Klasa urządzenia | Rodzaj obciążenia / kształt krzywej
|
|||
PWM (meander) | dioda jednofazowa prostownik | dioda trójfazowa prostownik |
||
RMS | prawidłowo | przeszacować o 10% | niedopowiedzenie o 40% | niedopowiedzenie 5%...30% |
Prawdziwa RMS | prawidłowo | prawidłowo | prawidłowo | prawidłowo |
Dlatego użytkownicy konwencjonalnych urządzeń będą mieli pytanie, dlaczego np. 14-amperowy bezpiecznik regularnie się przepala, choć według wskazań amperomierza prąd wynosi tylko 10 A.
Przyrządy True RMS (True RMS)
Aby zmierzyć prąd o zniekształconych krzywych, należy użyć analizatora przebiegów, aby sprawdzić kształt sinusoidy, a następnie użyć miernika z odczytami uśrednionymi tylko wtedy, gdy krzywa okaże się naprawdę idealną sinusoidą. Jednak znacznie wygodniej jest zawsze używać miernika z odczytami True RMS i zawsze mieć pewność co do wiarygodności pomiarów. Dzisiejsze multimetry i cęgi prądowe tej klasy wykorzystują zaawansowane technologie pomiarowe do określania prawdziwych wartości skutecznych prądu przemiennego, niezależnie od tego, czy przebieg prądu jest idealną falą sinusoidalną, czy zniekształconą. W tym celu stosuje się specjalne konwertery, które powodują główną różnicę w kosztach w porównaniu z odpowiednikami budżetowymi. Jedynym ograniczeniem jest to, że krzywa musi znajdować się w dopuszczalnym zakresie pomiarowym używanego przyrządu.
Wszystko, co dotyczy cech pomiaru prądów obciążenia nieliniowego, dotyczy również pomiaru napięć. Krzywe napięcia często również nie są idealnymi sinusoidami, co powoduje, że uśrednianie mierników podaje nieprawidłowe odczyty.
Na podstawie opisanych powyżej przykładów, w nowoczesnych, zaawansowanych technologicznie układach elektrycznych do pomiaru prądów i napięć zaleca się stosowanie urządzeń klasy True RMS.