Artikkelissa esitellyllä AC-wattimittarilla voit mitata seuraavat parametrit:
1. Tehollisen jännitteen arvo
2.
RMS nykyinen arvo
3. Aktiivinen teho
4. Täysi teho
5.
Tehokerroin
6. Keskimääräinen kuormitusteho (katso alla)
Tämän toteutuksen ominaisuudet ja ominaisuudet:
1. Tarkkuuden parantamiseksi mitattu tehoalue on jaettu kahteen alueeseen, joiden välillä vaihto tapahtuu automaattisesti.
2. Luettavuuden parantamiseksi ja lukemien yksinkertaistamiseksi on otettu käyttöön kaksi vaihtoehtoa tietojen näyttämiseen (kuvassa alla)
3. Laitteen avulla voit määrittää jännitteen ja virran ulostulon asetettujen rajojen yli ja ohjata kuormaa näiden tietojen perusteella.
4. Laite mittaa myös tehoa tietyn ajanjakson aikana, joten voit määrittää muuttuvan tehon laitteiden (jääkaappi, silitysrauta, tietokone) todellisen kulutuksen.
Kuva
Aktiivinen teho. Nykyinen. Jännite.
Sama Full Powerin kanssa. Tehokerroin. Keskimääräinen teho mittausjakson aikana.
Mittaustekniikka:
Siellä on erinomainen artikkeli Oleg Artamonovilta http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/tower/6484
Sen (ja teorian) mukaisesti ohjelma rakennetaan.
Kaava:
Rakennettu julkisesti saatavilla oleviin komponentteihin ja helppo kopioida.
PSU - mikä tahansa 5 V virtalähde pienillä väreilyillä.
Vahvistin - LM2904 tai vastaava
Trimmerit P1 ja P2 - monikierros
Shuntti Rsh on koottu rinnakkain kytketyistä 0,1 ohmin 2W vastuksista. Se valitaan nopeudella noin 1 vastus 1 kW suurinta mitattua tehoa kohti. Taulussa on tilaa 10 kpl:lle. Minulla on 4 asennettua, noin 4 kW.
ATMega8 on konfiguroitu toimimaan sisäisestä 8 MHz:n oskillaattorista.
Ulkomuoto :
Huomioi vasemmassa yläkulmassa oleva optoerotin.
Painettu piirilevy:
Huomaa: kaikkia piirilevyelementtejä ei käytetä. Nykyisessä versiossa ei tarvita kvartsia valjailla, painike K2 (K1:n vieressä, ei merkitty).
Oikeassa kulmassa on optinen liitin, mutta suosittelen sen tekemistä erilliseksi laitteeksi. Se tulee tarpeeseen.
Piirin asettaminen ja käyttö:
Huomio: piiri on verkkojännitteen alainen. Suorita MK-laiteohjelmisto jännitteen ollessa pois päältä ja saa virtansa ohjelmoijan kautta! UART-lähtö tulee kytkeä vain optisen kytkimen kautta!
Kokoonpano on jaettu kahteen vaiheeseen.
Vaihe 1: Nollapisteen asettaminen.
Paina painiketta ja käynnistä laite. Vapauta painike.
Näytölle tulee tällainen kuva:
Nämä ovat jännite- ja virta-arvoja asteikolla 0..1023.
Vasemmalta oikealle: jakson minimi, jakson maksimi, keskiarvo.
Säätimien P1 ja P2 avulla asetamme keskiarvon arvoon 511.
Tarkistamme varaston olemassaolon vähimmäis- ja enimmäismäärän ylä- ja alapuolella.
Numero #:n jälkeen ilmaisee jakson aikana otettujen näytteiden määrän. Tämän määrän pitäisi olla hieman alle 200.
Vaihe 2. Kalibrointi.
Liitä UART-USB-sovitin. Esimerkiksi tämä:
optoerottimen kautta. Sen kortti sijaitsee tiedostossa yhdessä emolevyn kanssa seuraavassa välilehdessä.
Käynnistä pääteohjelma 4800 nopeudella.
- Liitä vakiovolttimittari ja ampeerimittari sekä aktiivinen kuorma, esim. 100W.
- Liitä laite verkkoon. Pidä latauksen aikana painettuna K1 "lämpömittarin" kuvassa ja älä vapauta, ennen kuin "lämpömittari" saavuttaa näytön reunan. Viesti (asetus) ilmestyy näytölle.
- Terminaaliin pitäisi ilmestyä tällainen kuva:
Tämä on valintaikkuna. Uuden arvon tallentaminen tapahtuu seuraavasti:
(tuote) (Enter) (arvo) (Enter)
Kohteiden selitys:
1, Vakio jännitteelle
2.
Vakio virta-alueelle 1
3. Vakio nykyiselle 2 alueelle
4. Mittausjaksojen lukumäärä. Vaikuttaa tiedon päivitystiheyteen.
5,6,7 Kuormanohjauksen asetukset (sulake). Ohjauslähdöt LED1, LED2.
8. Terminaalin lähdön ohjaus. Katso alempaa.
0. Poistu
Tee kalibrointia varten suhde muotoon: X = (tallennettu vakio) * (viitejännite) / (näytössä oleva jännite)
Kirjoita se muistiin. Toista tarvittaessa.
Toista virralle, vaihda sitten kuorma toiselle alueelle (esimerkiksi 1000 W) ja toista uudelleen.
Siinä se, voit käyttää sitä.
Muuta:
1. Oikeassa yläkulmassa on ilmaisin. Sen vilkkuminen vahvistaa, että laite toimii.
Tämän ilmaisimen sisällä oleva piste näyttää mukana tulevan alueen: vähemmän - 1 alue, enemmän - 2 alue.
2. Toisessa kalibrointivaiheessa kuvattu Disp-vakio ohjaa datan ulostulotapaa terminaaliin.
Disp=0 Mitään ei näytetä.
Disp=1 Kopioi näyttötiedot päätteelle:
Disp=2 Oskilloskooppitila. Tässä tilassa hetkellisten jännitteiden ja virta-arvojen tallennetut mittaustiedot tulostetaan terminaaliin, josta ne voidaan kopioida (esimerkiksi) Exceliin, tarkistaa asianmukaisuus ja yksinkertaisesti käyttää virran ja jännitteen muodon tutkimiseen. verkko. Esimerkkitiedosto on artikkelin liitteenä.
4. Käyttötilassa K1-painike vaihtaa näytön näyttötiloja.
Siinä kaikki. Otan mielelläni palautetta vastaan.
Luettelo radioelementeistä
| Nimitys | Tyyppi | Nimitys | Määrä | Huomautus | Myymälä | Oma muistilehtiö | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BP | virtalähde | 5 volttia | 1 | Minkä tahansa | Muistilehtiöön | ||
| USB-UART-sovitin | 1 | Vaaditaan kalibrointiin | Muistilehtiöön | ||||
| Optinen eristyslevy | 1 | Kuvassa USB-UART-sovittimelle | Muistilehtiöön | ||||
| OP1, OP2 | Operaatiovahvistin | LM2904 | 1 | Muistilehtiöön | |||
| IC2 | MK AVR 8-bittinen | ATmega8 | 1 | Muistilehtiöön | |||
| LCD-näyttö | HD44780 2x20 | 1 | Muistilehtiöön | ||||
| D1, D2 | Tasasuuntaajadiodi | 1N4007 | 2 | Muistilehtiöön | |||
| LED1, LED2 | Valodiodi | 2 | Muistilehtiöön | ||||
| C1, C2 | Elektrolyyttikondensaattori | 6,8 µF | 2 | Muistilehtiöön | |||
| C3 | Kondensaattori | 100 nF | 1 | Muistilehtiöön | |||
| R1 | Vastus | 20 kOhm | 1 | Muistilehtiöön | |||
| R2, R5, R8 | Vastus | 10 kOhm | 3 | Muistilehtiöön | |||
| R3, R6, R10, R13, R14 | Vastus | 1 kOhm | 5 | Muistilehtiöön | |||
| R4 | Vastus | 470 kOhm | 1 | Muistilehtiöön | |||
| R7 | Vastus | 0,1 ohmia 2 W | 10 | Rsh, kytketty rinnan, valitse määrä | Muistilehtiöön | ||
| R9, R12 | Vastus | 680 ohmia | 2 | Muistilehtiöön | |||
| R11 | Vastus | 330 kOhm | 1 | Muistilehtiöön | |||
| P1 | Trimmerin vastus | 330 kOhm | 1 | Monikierros | Muistilehtiöön | ||
| P2 | Trimmerin vastus | 1,5 kOhm | 1 | Monikierros | |||
Johdanto
Vaihtojännitteen todellisen RMS:n mittaaminen ei ole täysin yksinkertainen tehtävä, eikä se ole sitä miltä näyttää ensi silmäyksellä. Ensinnäkin siksi, että useimmiten ei tarvitse mitata puhtaasti sinimuotoista jännitettä, vaan jotain monimutkaisempaa, jota vaikeuttaa kohinan harmonisten esiintyminen.
Siksi yksinkertainen ratkaisu keskiarvon ilmaisimella, joka on muunnettu rms:ksi, on houkutteleva. arvot eivät toimi, jos signaalin muoto on hyvin erilainen kuin sinimuotoinen tai se on yksinkertaisesti tuntematon.
Ammattimainen volttimittarit ke. sq arvot ovat melko monimutkaisia laitteita sekä piirisuunnittelussa että algoritmeissa. Useimmissa mittareissa, jotka ovat luonteeltaan apulaitteita ja jotka palvelevat toiminnan valvontaa, tällaista monimutkaisuutta ja tarkkuutta ei vaadita.
Vaaditaan myös, että mittari voidaan koota yksinkertaisimmalle 8-bittiselle mikro-ohjaimelle.
Yleinen mittausperiaate
Olkoon tietty vaihtojännite kuvan 2 mukaista muotoa. 1.
Kvasisinimuotoisella jännitteellä on tietty kvasiperiodi T.
RMS-jännitteen mittauksen etuna on, että yleensä mittausajalla ei ole suurta merkitystä, se vaikuttaa vain mittauksen taajuuskaistanleveyteen. Pidempi aika antaa suuremman keskiarvon, lyhyempi aika mahdollistaa lyhytaikaisten muutosten näkemisen.
Perusmääritelmä vrt. sq arvot näyttävät tältä:
missä u(t) on hetkellinen jännitteen arvo
T - mittausjakso
Näin ollen mittausaika voi yleisesti ottaen olla mikä tahansa.
Jotta todellinen mittaus todellisella laitteistolla voisi laskea integrandilausekkeen, on välttämätöntä kvantisoida signaali tietyllä taajuudella, joka on varmasti vähintään 10 kertaa suurempi kuin kvasisinusoidin taajuus. Kun mitataan 20 kHz:n taajuuksilla olevia signaaleja, tämä ei aiheuta ongelmia edes 8-bittisille mikrokontrollereille.
Toinen asia on, että kaikissa vakioohjaimissa on yksinapainen virtalähde. Sen vuoksi ei ole mahdollista mitata hetkellistä vaihtojännitettä negatiivisen puoliaallon hetkellä.
Teoksessa ehdotetaan varsin nerokasta ratkaisua, kuinka signaaliin viedään vakiokomponentti. Samalla siinä päätöksessä määritetään hetki, jolloin kannattaa aloittaa tai lopettaa laskentaprosessi, vrt. sq merkitys tuntuu melko hankalalta.
Tässä artikkelissa ehdotetaan menetelmää tämän epäkohdan poistamiseksi sekä integraalin laskemiseksi suuremmalla tarkkuudella, mikä mahdollistaa näytteenottopisteiden määrän vähentämisen minimiin.
Mittarin analogisen osan ominaisuudet
Kuvassa Kuvassa 2 on esitetty analogisen signaalin esikäsittelypiirin ydin.
Signaali syötetään kondensaattorin C1 kautta operaatiovahvistimeen DA1 koottuun muotoiluvahvistimeen. AC-jännitesignaali sekoitetaan vahvistimen ei-invertoivassa sisääntulossa puoleen ADC:ssä käytetystä vertailujännitteestä. Jänniteeksi valitaan 2,048 V, koska pienet laitteet käyttävät usein +3,6 V:n tai pienempää syöttöjännitettä. Muissa tapauksissa on kätevää käyttää 4,048 V, kuten kohdassa.
Muotoiluvahvistimen lähdöstä integrointiketjun R3-C2 kautta signaali syötetään ADC:n tuloon, joka mittaa signaalin tasavirtakomponenttia (U0). Muotoilijavahvistimen signaali U’ on mitattu signaali, joka on siirretty puolella vertailujännitteestä. Näin ollen muuttuvan komponentin saamiseksi riittää laskea ero U’-U0.
U0-signaalia käytetään myös vertailulaitteena DA2. Kun U' kulkee U0:n arvon läpi, komparaattori generoi reunan, jota käytetään keskeytysproseduurin muodostamiseen mittauslukemien keräämiseksi.
On tärkeää, että monissa nykyaikaisissa mikro-ohjaimissa on sekä operaatiovahvistimet että komparaattorit sisäänrakennettuna, ADC:istä puhumattakaan.
Perusalgoritmi
Kuvassa Kuvassa 3 on esitetty perusalgoritmi tapaukseen, jossa mitataan vaihtojännite perustaajuudella 50 Hz. 
Mittauksen voi käynnistää mikä tahansa ulkoinen tapahtuma, jopa manuaalisesti painettava painike.
Käynnistyksen jälkeen mitataan ensin ADC-tulosignaalin DC-komponentti ja sitten ohjain odottaa positiivista pudotusta vertailijan lähdössä. Heti kun reunakeskeytys tapahtuu, ohjain ottaa näytteitä 20 pisteestä, joiden aikaaskel vastaa 1/20 kvasijaksosta.
Algoritmi sanoo X ms, koska matalan tason ohjaimella on oma latenssinsa. Tämä viive on otettava huomioon, jotta mittaus tapahtuu oikeaan aikaan. Siksi todellinen viive on alle 1 ms.
Tässä esimerkissä viive vastaa kvasisiniaaltojen mittauksia alueella 50 Hz, mutta se voi olla mikä tahansa riippuen mitatun signaalin kvasijaksosta tietyn ohjaimen nopeusrajojen sisällä.
Kun mitataan rms. mielivaltaisen kvasiperiodisen signaalin jännitearvo, jos se on a priori tuntematon, millainen signaali on, on suositeltavaa mitata sen jakso käyttämällä säätimeen sisäänrakennettua ajastinta ja samaa vertailulähtöä. Ja tämän mittauksen perusteella aseta viive näytteenoton aikana.
RMS-laskenta
Kun ADC on luonut näytteen, meillä on joukko U"[i]-arvoja, yhteensä 21 arvoa, mukaan lukien arvo U0. Jos nyt sovelletaan Simpsonin (tarkemmin Cotesin) kaavaa numeeriseen integrointiin, kuten tarkin tälle sovellukselle, saamme seuraavan lausekkeen:
missä h on mittausvaihe ja kaavan nollakomponentti puuttuu, koska se on määritelmän mukaan 0.
Laskennan tuloksena saamme integraalin arvon puhtaassa muodossaan ADC-näytteiden muodossa. Muuntaaksesi todellisiksi arvoiksi, saatu arvo on skaalattava ottaen huomioon referenssijännitteen arvo ja jaettuna integrointiaikavälillä.
jossa Uop on ADC-referenssijännite.
Jos kaikki muunnetaan mV:ksi, K on suunnilleen vain 2. Skaalauskerroin viittaa eroihin hakasulkeissa. Uudelleenlaskennan ja laskennan jälkeen S jaetaan mittausvälillä. Ottaen huomioon kertoimen h, saamme itse asiassa jakamisen kokonaisluvulla sen sijaan, että kerrottaisiin h:lla ja sen jälkeen jaettaisiin mittausaikavälillä.
Ja lopuksi erotamme neliöjuuren.
Ja tässä tulee mielenkiintoisin ja vaikein asia. Voit tietysti käyttää liukulukua laskelmissa, koska C-kieli mahdollistaa tämän jopa 8-bittisille ohjaimille ja suorittaa laskutoimituksia suoraan annettujen kaavojen avulla. Laskentanopeus kuitenkin laskee huomattavasti. On myös mahdollista ylittää mikro-ohjaimen erittäin pieni RAM-muisti.
Jotta näin ei tapahdu, sinun on käytettävä kiinteää pistettä ja käytettävä enintään 16-bittisiä sanoja, kuten kohdassa oikein todetaan.
Kirjoittaja onnistui ratkaisemaan tämän ongelman ja mittaamaan jännitteen virheellä Uop/1024, ts. annetussa esimerkissä 2 mV:n tarkkuudella kokonaismittausalueella ±500 mV +3,3 V:n syöttöjännitteellä, mikä riittää moneen prosessin valvontatehtävään.
Ohjelmistotemppu on tehdä kaikki jakoprosessit mahdollisuuksien mukaan ennen kerto- tai eksponentioprosesseja siten, että operaatioiden välitulos ei ylitä 65535:tä (tai 32768:a etumerkillisillä operaatioilla).
Ohjelmistoratkaisu ei kuulu tämän artikkelin piiriin.
Johtopäätös
Tässä artikkelissa käsitellään rms-jännitearvojen mittaamisen ominaisuuksia 8-bittisten mikro-ohjainten avulla, esitetään muunnelma piirin toteutuksesta ja pääalgoritmi kvantisointinäytteiden saamiseksi todellisesta kvasisinimuotoisesta signaalista.
Vaihtuvia jännitteitä ja virtoja voidaan luonnehtia erilaisilla indikaattoreilla. Esimerkiksi mielivaltaisen muodon vaihtelevalle jaksolliselle jännitteelle u(t), amplitudiarvojen lisäksi voidaan luonnehtia:
- keskiarvo(vakiokomponentti)
- keskimääräinen korjattu arvo
- tehokas tai tehokas arvo
Useimmiten vaihtojännitteen tai -virran vaikutus arvioidaan keskimääräisellä teholla ajanjaksolla, joka lämmittää aktiivista vastusta R jonka läpi vaihtovirta kulkee (tai johon syötetään vaihtojännite). Lämmitysprosessi on inertiaalinen ja yleensä sen aika on paljon pidempi kuin jakso T vaihtojännite tai virta. Tässä suhteessa on tapana käyttää sinimuotoisen jännitteen ja virran tehollista arvoa. Tässä tapauksessa:
Tästä on selvää, että sinimuotoisen jännitteen tai virran tehollisen arvon mittaamiseksi riittää, että mitataan niiden amplitudiarvo ja jaetaan √2 = 1,414 (tai kerrotaan 0,707:lla).
AC-volttimittareita ja ampeerimittareita käytetään usein AC-jännitteen ja -virran tasojen mittaamiseen ei-sinimuotoinen muoto. Teoriassa tällaiset signaalit voidaan esittää Fourier-sarjalla, joka koostuu signaalin vakiokomponentin, sen ensimmäisen harmonisen ja korkeampien harmonisten summasta. Lineaarisissa piireissä superpositioperiaatteen vuoksi ei-sinimuotoisen signaalin teho määräytyy sen kaikkien komponenttien tehon mukaan. Se riippuu signaalin harmonisesta koostumuksesta, jonka määrittää signaalin muoto.
Yleensä mittausmenetelmästä riippumatta ne kalibroidaan yleensä sinimuotoisen vaihtojännitteen tai -virran tehollisiin arvoihin. Yleensä tässä tapauksessa täysaallon tasasuuntaajan avulla jännitteet tai virrat tasataan ja on mahdollista mitata niiden keskimääräinen tasasuuntautunut jännite (usein sitä kutsutaan yksinkertaisesti keskiarvoksi, mutta tämä ei ole täysin tarkkaa - katso edellä). Vaihtojännitteen muodon poikkeama sinimuotoisesta otetaan yleensä huomioon muototekijällä:
k f =U d /U keskim
Neliömäiselle aallolle (meander) kФ =1, ja sinimuotoiselle kФ =π/2√2 = 1,1107. Tämä ero aiheuttaa suuren eron lukemissa jopa näissä yksinkertaisissa tapauksissa.
Nykyään käytetään laajalti henkilökohtaisia tietokoneita, matkapuhelimia pulssilähettimillä, pulssi- ja resonanssijännitemuuntimilla ja teholähteillä, säädettävällä nopeudella varustettuja sähkökäyttöjä ja muita laitteita, jotka kuluttavat virtaa lyhytaikaisten pulssien tai sinimuotoisten segmenttien muodossa. Tässä tapauksessa signaalien neliöjuuriarvon tulee ottaa huomioon kaikki spektrin harmoniset. Tässä tapauksessa he sanovat, että se on todellinen rms-arvo (TrueRMS tai TRMS).
Valitettavasti mitattaessa jännitteitä ja virtoja eri aikariippuvuuksilla kuin sinimuotoisella, syntyy suuria ongelmia vaihtojännitteen tai -virran keskimääräisten tasasuuntautuneiden tai amplitudiarvojen ja niiden tehollisten arvojen välisten suhteiden rikkomisesta. Perinteiset jännite- ja virtamittarit keskiarvolukemilla antavat tässä tapauksessa liian suuren virheen, katso kuva. Virtojen efektiivisen arvon yksinkertaistettu mittaus voi joskus johtaa jopa 50 %:n aliarvioimiseen todellisista tuloksista.
Riisi. 1. Erilaisten jännitteiden ja virtojen mittausten vertailu
Käyttäjä, joka ei tätä tiedä, saattaa ihmetellä pitkään, miksi 10 A:n laitteen sulake palaa säännöllisesti, vaikka ampeerimittarin tai tavanomaisen yleismittarin lukemien mukaan virta on hyväksyttävä arvo 10 A. Jos mitatun jännitteen tai virran käyrä poikkeaa ihanteellisesta sinimuodosta, tarkennusta kertoimella 1 ,1107≈1.1 ei voida hyväksyä. Tästä syystä mittarit, joilla on keskiarvolukemat, antavat usein virheellisiä tuloksia mitattaessa virtoja nykyaikaisissa sähköverkoissa. Tältä osin on luotu instrumentteja, jotka mittaavat minkä tahansa muodon vaihtojännitteen ja -virran todella todellista rms-arvoa, joka määräytyy mitattuun jännitteeseen kytketyn lineaarisen vastuksen lämmittämisellä.
Nykyään nykyaikaiset yleismittarit, jotka mittaavat vaihtojännitteen tai virran todellista rms-arvoa (ei välttämättä siniaaltoa), on yleensä merkitty True RMS -merkinnällä. Tällaisissa mittareissa käytetään kehittyneempiä mittauspiirejä, joissa on usein mikroprosessoriohjaus ja korjaus. Tämä mahdollisti merkittävästi mittaustarkkuuden lisäämisen ja instrumenttien mittojen ja painon pienentämisen.
Tarkat mittaukset ovat tekniikkojen ja eri organisaatioiden nykyaikaisten tuotantolaitosten ja laitteiden kunnossapidon asiantuntijoiden vaikea tehtävä. Jokapäiväiseen elämäämme kuuluu yhä enemmän henkilökohtaisia tietokoneita, säädettävänopeuksisia asemia ja muita laitteita, joilla on ei-sinimuotoiset virrankulutuksen ja käyttöjännitteen ominaisuudet (lyhytaikaisten pulssien muodossa, vääristyminä jne.). Tällaiset laitteet voivat aiheuttaa riittämättömiä lukemia tavanomaisista keskiarvomittareista (rms).
Miksi sinun pitäisi valita True-RMS-laitteet?
Kun puhumme vaihtovirta-arvoista, tarkoitamme yleensä keskimääräistä tehollista tuotettua lämpöä tai virran RMS-arvoa. Tämä arvo vastaa tasavirran arvoa, jonka vaikutus aiheuttaisi saman lämpövaikutuksen kuin mitatun vaihtovirran vaikutus, ja se lasketaan seuraavalla kaavalla:
.
Jos sinikäyrä kuitenkin poikkeaa ihanteellisesta muodosta, tämä kerroin lakkaa olemasta voimassa. Tästä syystä keskiarvomittarit antavat usein virheellisiä tuloksia mitattaessa virtoja nykyaikaisissa sähköverkoissa.
Lineaariset ja epälineaariset kuormat
Riisi. 1. Sinimuotoiset ja vääristyneet jännitekäyrät.
Lineaarisille kuormille, jotka koostuvat vain vastuksista, keloista ja kondensaattoreista, on ominaista sinimuotoinen virtakäyrä, joten niiden parametrien mittaamisessa ei ole ongelmia. Epälineaarisissa kuormissa, kuten taajuusmuuttajassa ja toimiston virtalähteissä, esiintyy kuitenkin vääristyneitä käyriä, kun suuret kuormat aiheuttavat häiriöitä.
Riisi. 2. Henkilökohtaisen tietokoneen virtalähteen virta- ja jännitekäyrät.
Virtojen neliöjuuriarvon mittaaminen käyttämällä tällaisia vääristyneitä käyriä tavanomaisilla mittareilla voi antaa kuorman luonteesta riippuen merkittävästi aliarvioida todelliset tulokset:
|
Laiteluokka | Kuorman tyyppi/käyrän muoto
|
|||
| PWM (kiveä) | yksivaiheinen diodi tasasuuntaaja | kolmivaiheinen diodi tasasuuntaaja |
||
| RMS | oikein | yliarviointi 10 % | aliarviointi 40 % | aliarviointi 5 %...30 % |
| Todellinen RMS | oikein | oikein | oikein | oikein |
Siksi perinteisten laitteiden käyttäjät ihmettelevät, miksi esimerkiksi 14 ampeerin sulake palaa säännöllisesti, vaikka ampeerimittarin lukeman mukaan virta on vain 10 A.
Todelliset RMS-mittarit
Virran mittaamiseksi vääristyneillä aaltomuodoilla sinun on tarkistettava siniaallon muoto aaltomuoto-analysaattorilla ja käytettävä sitten mittaria keskiarvolukemilla vain, jos aaltomuoto on todella täydellinen siniaalto. On kuitenkin paljon kätevämpää käyttää jatkuvasti mittaria True RMS -lukemilla ja luottaa aina mittausten tarkkuuteen. Tämän luokan nykyaikaiset yleismittarit ja virtapihdit käyttävät kehittyneitä mittaustekniikoita, joiden avulla voit määrittää vaihtovirran todelliset teholliset arvot riippumatta siitä, onko virtakäyrä täydellinen siniaalto vai vääristynyt. Tätä tarkoitusta varten käytetään erityisiä muuntimia, jotka aiheuttavat suurimman kustannuseron budjettianalogien kanssa. Ainoa rajoitus on, että käyrän on oltava käytetyn laitteen sallitulla mittausalueella.
Kaikki, mikä koskee epälineaaristen kuormitusvirtojen mittauksen ominaisuuksia, pätee myös jännitteiden mittaukseen. Jännitekäyrät eivät myöskään usein ole täydellisiä siniaaltoja, jolloin mittarit, joiden keskiarvolukemat antavat vääriä tuloksia.
Yllä kuvattujen esimerkkien perusteella nykyaikaisissa korkean teknologian sähköjärjestelmissä on suositeltavaa käyttää True RMS -luokan instrumentteja virtojen ja jännitteiden mittaamiseen.
Mittausten suorittamiseksi ei aina tarvitse vain liittää mittauslaitetta oikein. On erittäin tärkeää vastata kysymykseen: miksi mittaan tätä? Virran mittaaminen lämmöntuoton testaamiseksi johdossa vaatii yhden parametrin, virran mittaaminen kondensaattorin tai akun lataustason määrittämiseksi vaatii täysin toisen parametrin.
Parametrit voidaan ilmaista keskiarvona, neliön keskiarvona ( RMS, Juuri tarkoittaa neliötä), hetkellinen tai huippuarvo. Tärkeää ei ole vain kuorman tyyppi, vaan myös se, onko kyseessä AC vai DC ja miltä jännitteen ja virran aaltomuoto näyttää. Jännitteen ja virran käsitteisiin liittyvät läheisesti teho ja energia.
Välittömät arvot
Hetkellinen virta, jännite ja teho ovat arvoja, jotka vastaavat tiettyä hetkeä. Mikä tahansa signaali koostuu äärettömästä määrästä hetkellisiä arvoja. Jännitteen tapauksessa tämä kirjoitetaan muodossa .
Tarkastellaan piiriä, joka koostuu sarjaan kytketystä vastuksesta ja kelasta, joka on kytketty sinimuotoiseen jännitelähteeseen huippujännitteellä ja -taajuudella Hz.
Sinimuotoinen jännite ajan funktiona voidaan tässä tapauksessa kirjoittaa seuraavasti:
(1)
Virralla on maksimiarvo ja se siirtyy jännitteen suhteen:
(2)
Teho ajan funktiona on vastaavat hetkelliset jännitteen ja virran arvot:
(3)
Alla oleva kuva esittää jännitteen, virran ja tehon kuvaajia.
Esimerkiksi harmaa viiva näyttää hetkelliset arvot ajankohdalle neiti:
v (4,2) = 2,906 V
i (4,2) = 0,538 A
p (4,2) = 1,563 W
Tietyllä hetkellä hetkellinen jännite ja virta voidaan aina kertoa laskemalla hetkellinen teho.
Keskiarvot
Keskiarvot ovat yleisimmin käytettyjä parametreja.
Jos yleismittari on asennettu mittaamaan DC-arvoja, mitataan keskimääräiset jännite- ja virta-arvot. Lisäksi, jos yleismittari on tasavirtatilassa, keskimääräinen jännite tai virta mitataan myös AC-signaaleille. Symmetrisen vaihtojännitteen tapauksessa yleismittari näyttää, mikä on oikea arvo.
Jännite ja virta
Keskiarvo on kaikkien hetkellisten arvojen tulojen summa jaettuna tehtyjen mittausten lukumäärällä. Jos mittauksia tehdään äärettömän monta kertaa, niin voidaan siirtyä rajaan, jossa mittausaikaväli → 0 ja summa muuttuu integraaliksi. Yleisesti:
(4)
Jännitteelle saamme:
(5)
Yleismittari
Kuten aiemmin mainittiin, DC-tilaan asetettu yleismittari mittaa keskimääräistä jännitettä tai virtaa. Digitaalisissa instrumenteissa tämä keskiarvo saadaan käyttämällä R.C.-suodattaa. Tulosignaalista lasketaan jatkuvasti keskiarvo aikavakion aikana. Kaavan muodossa:
(6)
Jännitteen keskiarvo RC-suodattimella
Energiaa ja voimaa
Yhtälö (3) osoittaa, että hetkellisen jännitteen ja virran tulo on hetkellinen teho. Jos summaat hetkellisen tehon kerrottuna äärettömällä pienellä ajalla, tuloksena on energia. Koska :
(7)
Energia on todellakin teho kerrottuna ajalla: , ja energiapaketteja voidaan aina lisätä kokonaisenergian laskemiseksi.
Esimerkkinä otetaan jälleen induktorin ja vastuksen sarjakytkentä. Alla olevassa kuvassa musta viiva esittää energiadynamiikkaa ajan kuluessa laskettuna yhtälön (7) mukaisesti.
Tehokäyrällä on myös vaihtelevan polariteetin jännitteen ja virran tapauksessa amplitudin jaksollinen muutos kaksinkertaisella taajuudella. Koska energia hajoaa vastuksessa, tehokäyrän positiivisten arvojen harmaa alue on suurempi kuin negatiivinen alue.
Energia-arvo (musta viiva) milloin tahansa on yhtä suuri kuin tehokäyrän alla oleva pinta-ala siihen pisteeseen asti. On selvästi nähtävissä, että energia kasvaa jaksoittain enemmän kuin vähenee tehokäyrän amplitudi-epäsymmetrian seurauksena akseliin nähden.
Kuvassa näkyy ajanjakso. Tällä aikavälillä järjestelmään saapunut energia määritellään ja lasketaan seuraavasti:
(8)
Keskimääräinen teho tietyn ajanjakson aikana on yhtä suuri kuin energian kokonaismäärä tänä aikana jaettuna mittausajalla:
(9)
Jos tämä korvataan yhtälöllä (8), keskimääräinen teho voidaan laskea mille tahansa .
(10)
Tämä yhtälö saadaan kohdan (4) mukaisesti. Aktiivinen teho on aina keskitehoa.
Tämä yhtälö keskimääräisen tehohäviön laskemiseksi on aina voimassa, koska laskenta perustuu hetkellisiin arvoihin. Ei ole väliä onko virta tasa- vai vaihtovirtaa, miltä jännitteen ja virran aaltomuodot näyttävät tai onko jännitteen ja virran välillä vaihesiirtoa.
Keskitehon laskentakaava on tehomittareissa käytetyn menetelmän perusta. Kotien ja yritysten sähkömittarit toimivat yhtälön (8) mukaisesti, joka voidaan kirjoittaa seuraavasti:
(11)
Integraalin yläraja on ajankohta, jolloin energiamittari lukee arvon.
Tehokas ( RMS) arvot
RMS ( RMS), tai tehollinen arvo on jännitteen tai virran arvo, jolla sama teho häviää kuormassa kuin vakiojännitteellä tai -virralla.
Vaihtojännitteellä tehollisella arvolla 230V Kuormalla syntyy sama määrä lämpöä kuin vakiojännitteellä 230V. Tehollinen arvo viittaa vain resistiivisen kuorman lämmönpoistoon. Esimerkiksi arvo RMS virta on hyödyllinen mittaamaan jännitettä kuormitettuna johdossa (= resistiivinen), mutta Ei mittaamaan akun tai kondensaattorin latausvirtaa (= elektronivirta).
Keskivertoneliöllinen arvo
RMS on lyhenne sanasta Juuri tarkoittaa neliötä, joka tarkoittaa kirjaimellisesti neliökeskiarvoa.
Ylijännite tai virta ajan funktiona arvon laskemiseksi RMS Kolme matemaattista operaatiota suoritetaan peräkkäin: neliöinti, keskiarvo ja neliöjuuren erottaminen. Miksi niin?
Jännitelähteeseen kytketyn vastuksen vapauttama teho:
(12)
Hetkellinen teho ja jännite:
(13)
Keskitehon laskeminen ajan funktiona on esitetty kohdassa (10). voimme johtaa (13):
(14)
Koska se on vakio, se voidaan ottaa pois integraalista:
(15)
Siirtämällä yhtälön (12) jännitettä vasemmalle, voimme laskea jännitteen keskimääräisestä tehosta ja resistanssista:
(16)
Sitten korvaamme lasketun keskitehon (15) yhtälöllä (16):
(17)
Pienentämällä vastusarvoja saamme:
(18)
Voidaan selvästi nähdä, että tämä yhtälö koostuu kolmesta osasta: neliö, keskiarvo ja neliöjuuri.
Yllä olevissa laskelmissa laskettiin vastuksen yli oleva jännitearvo. Voit tehdä saman vastuksen läpi kulkevalle virralle:
(19)
Useimmat yleismittarit eivät voi laskea mitatun jännitteen tehollista arvoa. RMS-arvon selvittämiseksi tarvitaan yleensä erityinen laite.
Alla olevasta kuvasta näkyy, kuinka laite laskee mitatun jännitteen Todellinen RMS(todelliset rms-arvot). Todellinen RMS Laite käyttää käytännössä hieman erilaista toimintatapaa, jossa tarvitaan vain yksi kerroin. Analogisissa kertoimissa on oltava erittäin alhainen lämpötilaryömintä ja offset, mikä tekee näistä instrumenteista melko kalliita.
Analoginen piiri RMS-arvojen saamiseksi
Lisäksi voit laskea RMS ohjelmallisesti mitattujen jännitteiden peräkkäisistä digitaalisista arvoista. Tätä lähestymistapaa käytetään yleisesti yleismittareissa ja .
Pseudo RMS
Useimmat yleismittarit eivät mittaa RMS-arvot, kun AC-tila on valittuna. Ne näyttävät kuitenkin antavan tehokkaita arvoja vaihtojännitteitä ja -virtoja mitattaessa. Mutta näytetyt arvot ovat voimassa vain siniaaltomittauksissa.
Yksinkertainen laite korjaa ensin mitatun signaalin. Sitten R.C. Alipäästösuodatin poimii keskiarvon, joka skaalataan siten, että laite näyttää tehollisen arvon. Yhtälön muodossa:
(20)
Tämän lähestymistavan haittana on, että se soveltuu vain siniaaltosignaaleille. Mikä tahansa muu aaltomuoto tuottaa virheellisen tehollisen arvon.
Nimellisteho?
Erityisesti äänitekniikassa termi "teholuokitus" tai . Tämä on määritelmän mukaan harhaanjohtava nimitys.
Hieman korkeammalle energiasta ja tehosta puhuttaessa on osoitettu, että käyttöteho lasketaan energian kokonaismäärästä jaettuna ajalla, jonka tätä energiaa mitataan, katso yhtälö (9). Kokonaisenergia määritetään summaamalla kaikki hetkelliset energiapaketit, katso yhtälö (11). Tämä on ainoa oikea tapa laskea aktiivinen teho.
Kuten edellä mainittiin, tehollinen arvo vastaa vakiojännitettä tai virtaa, joka tuottaisi saman tehon samalla resistanssilla. Tämä indikaattori lasketaan hetkellisen jännitteen (tai virran) neliön keskiarvon neliöjuurena. Ei ole mitään syytä ajatella, että nämä kolme matemaattista operaatiota on suoritettava hetkellisen tehon saamiseksi. Se olisi merkityksetön arvo.
