Точные измерения - трудная задача, стоящая перед технологами и специалистами по обслуживанию современных производств и оборудования различных организаций. В нашу повседневную жизнь все больше и больше входят персональные компьютеры, приводы с регулируемой скоростью и другое оборудование, имеющее несинусоидальные характеристики потребляемого тока и рабочего напряжения (в виде кратковременных импульсов, с искажениями и т.п.). Такое оборудование может вызвать неадекватные показания обычных измерителей с усреднением показаний (вычисляющих среднеквадратическое значение).
Говоря о значениях переменного тока, мы обычно имеем в виду среднюю эффективную выделяемую теплоту или среднеквадратическое (RMS) значение тока. Данное значение эквивалентно значению постоянного тока, действие которого вызвало бы такой же тепловой эффект, что и действие измеряемого переменного тока, и вычисляется по следующей формуле:
.
Самый распространенный способ измерения такого среднеквадратического значения тока при помощи измерительного прибора заключается в выпрямлении переменного тока, определении среднего значения выпрямленного сигнала и умножении результата на коэффициент 1,1 (соотношение между средним и среднеквадратическим значениями идеальной синусоиды).
Однако, при отклонении синусоидальной кривой от идеальной формы данный коэффициент перестает действовать. По этой причине измерители с усреднением показаний зачастую дают неверные результаты при измерении токов в современных силовых сетях.
Рис. 1. Кривые напряжения синусоидальной и искажённой формы.
Линейные нагрузки, в состав которых входят только резисторы, катушки и конденсаторы, характеризуются синусоидальной кривой тока, поэтому при измерении их параметров проблем не возникает. Однако в случае нелинейных нагрузок, таких как приводы с регулируемой частотой и источники питания для офисного оборудования, при наличии помех от мощных нагрузок имеют место искаженные кривые.
Рис. 2. Кривые тока и напряжения блока питания персонального компьютера.
Измерение среднеквадратического значения токов по таким искаженным кривым с использованием обычных измерителей может дать в зависимости от характера нагрузки значительное занижение истинных результатов:
|
Класс прибора | Тип нагрузки / формы кривой
|
|||
| ШИМ (меандр) | однофазный диодный
выпрямитель | трёхфазный диодный
выпрямитель |
||
| RMS | корректно | завышение на 10% | занижение на 40% | занижение 5%...30% |
| True RMS | корректно | корректно | корректно | корректно |
Поэтому у пользователей обычных приборов возникнет вопрос, почему, например, 14-амперный предохранитель регулярно перегорает, хотя по показаниям амперметра ток составляет всего лишь 10 А.
Для измерения тока с искаженными кривыми необходимо при помощи анализатора кривой сигнала проверить форму синусоиды, после чего использовать измеритель с усреднением показаний только в том случае, если кривая окажется действительно идеальной синусоидой. Однако гораздо удобнее постоянно использовать измеритель с истинно среднеквадратическими показаниями (True RMS) и всегда быть уверенным в достоверности измерений. Современные мультиметры и токовые клещи подобного класса используют усовершенствованные технологии измерения, позволяющие определить реальные эффективные значения переменного тока вне зависимости от того, является ли токовая кривая идеальной синусоидой или искажена. Для этого применяются специальные преобразователи, обуславливающие основную разницу в стоимости с бюджетными аналогами. Единственное ограничение - кривая должна находиться в пределах допустимого диапазона измерений используемого прибора.
Все то, что касается особенностей измерения токов нелинейной нагрузки, также верно и для измерения напряжений. Кривые напряжения также зачастую не являются идеальными синусоидами, в результате чего измерители с усреднением показаний дают неверные результаты.
Представленный в статье ваттметр переменного тока позволяет измерять следующие параметры:
1. Действующее значение напряжения
2.
Действующее значение тока
3. Активная мощность
4. Полная мощность
5.
Коэффициент мощности
6. Среднюю мощность нагрузки (см. ниже)
Возможности и особенности данной реализации
:
1. Измеряемый диапазон мощностей для повышения точности разбит на два диапазона, при этом переключение между ними происходит автоматически.
2. Для улучшения читабельности и упрощения снятия показаний реализованы два варианта отображения информации (на фото ниже)
3. Прибор позволяет определять выход напряжения и тока за установленные границы и управлять нагрузкой на основании этой информации.
4. Прибор также измеряет мощность за период, таким образом можно определить реальное потребление устройств с переменной мощностью (холодильник, утюг, компьютер).
Фото
Активная мощность. Ток. Напряжение.
То же и Полная мощность. Коэффициент мощности. Средняя мощность за период измерения.
Методика измерения :
Существует прекрасная статья Олега Артамонова http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/tower/6484
Именно в соответствии с ней (и с теорией) и построена программа.
Схема :
Построена на общедоступных компонентах и легка к повторению.
БП - любой блок питания на 5В с небольшими пульсациями.
Усилитель - LM2904 или подобный
Подстроечники Р1 и Р2 - многооборотные
Шунт Rш собран из резисторов 0,1 Ом 2Вт, соединенных параллельно. Выбирается из расчета примерно 1 резистор на 1 кВт максимальной измеряемой мощности. На плате есть место под 10шт. У меня установлено 4, примерно на 4 кВт.
ATMega8 сконфигурирована на работу от внутреннего генератора, 8МГц.
Внешний вид :
Обратите внимание на опторазвязку в левом верхнем углу.
Печатная плат а:
Обратите внимание: не все элементы печатной платы использованы. В текущей версии нет необходимости в кварце с его обвязкой, кнопке К2 (рядом с К1, не обозначена).
В правом углу размещена опторазвязка, но я рекомендую сделать ее в виде отдельного устройства. Пригодится.
Настройка и работа схемы :
Внимание: схема находится под сетевым напряжением. Прошивку МК производить при отключенном напряжении, запитывать через программатор! Выход UART подключать только через опторазвязку!
Настройка делится на два этапа.
Этап 1. Настройка точки нуля.
Зажать кнопку и включить прибор. Отпустить кнопку.
На экране появится изображение вида:
Это значения напряжения и тока по шкале 0..1023.
Слева-направо: минимум за период, максимум за период, среднее.
С помощью подстроечников Р1 и Р2 выставляем среднее в 511.
Проверяем наличие запаса сверху и снизу от минимума и максимума.
Число после # обозначает количество семплов, взятых за период. Это число должно быть несколько менее 200.
Этап 2. Калибровка.
Подключить переходник UART-USB. Например такой:
через опторазвязку. Ее плата находится в файле вместе с основной платой, на соседней вкладке.
Запустить программу-терминал на скорости 4800.
- Подключить образцовые вольтметр и амперметр и активную нагрузку, к примеру 100Вт.
- Подключить прибор к сети. Во время загрузки, на изображении "термометра" зажать К1 и не отпускать до достижения "термометром" края экрана. На экране появится надпись (setup) .
- В терминале должно появится изображение вида:
Это диалоговое окно. Сохранение нового значения осуществляется так:
(пункт) (Enter) (значение) (Enter)
Расшифровка пунктов:
1, Константа для напряжения
2.
Константа для тока 1 диапазона
3. Константа для тока 2 диапазона
4. Количество периодов измерения. Влияет на частоту обновления информации.
5,6,7 Установки для управления нагрузкой (предохранитель). Выходы управления LED1, LED2.
8. Управление выводом в терминал. См. ниже.
0. Выход
Для калибровки составить пропорцию вида: Х=(записанная константа)*(образцовое напряжение)/(отображаемое напряжение)
Записать в память. При необходимости повторить.
Повторить для тока, затем поменять нагрузку для попадания во второй диапазон (скажем 1000Вт) и еще раз повторить.
Все, можно пользоваться.
Прочее :
1. В правом верхнем углу расположен индикатор. Его мигание подтверждает работоспособность устройства.
Точка внутри этого индикатора показывает включенный диапазон: меньше - 1 диапазон, больше - 2 диапазон.
2. Константа Disp, описанная во втором этапе калибровки управляет режимом вывода данных в терминал.
Disp=0 Ничего не выводится.
Disp=1 Дублирование данных дисплея в терминал:
Disp=2 Режим "осциллограф". В этом режиме сохраненные данные измерений мгновенных значений напряжения и тока выводятся в терминал, где их можно скопировать (к примеру) в Excel, проверить на адекватность, да и просто использовать для изучения формы тока и напряжения в сети. Файл-пример приложен к статье.
4. В рабочем режиме кнопка K1 переключает режимы отображения на дисплее.
Вот и все. Буду рад отзывам.
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| БП | Блок питания | 5 вольт | 1 | Любой | В блокнот | ||
| Переходник USB-UART | 1 | Необходим для калибровки | В блокнот | ||||
| Плата оптической развязки | 1 | На фото, для переходника USB-UART | В блокнот | ||||
| OP1, OP2 | Операционный усилитель | LM2904 | 1 | В блокнот | |||
| IC2 | МК AVR 8-бит | ATmega8 | 1 | В блокнот | |||
| LCD-дисплей | HD44780 2x20 | 1 | В блокнот | ||||
| D1, D2 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 2 | В блокнот | |||
| LED1, LED2 | Светодиод | 2 | В блокнот | ||||
| C1, C2 | Электролитический конденсатор | 6.8 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| C3 | Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 20 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R2, R5, R8 | Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R3, R6, R10, R13, R14 | Резистор | 1 кОм | 5 | В блокнот | |||
| R4 | Резистор | 470 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R7 | Резистор | 0.1 Ом 2 Вт | 10 | Rш, соединены параллельно, подобрать колличество | В блокнот | ||
| R9, R12 | Резистор | 680 Ом | 2 | В блокнот | |||
| R11 | Резистор | 330 кОм | 1 | В блокнот | |||
| P1 | Подстроечный резистор | 330 кОм | 1 | Многооборотный | В блокнот | ||
| P2 | Подстроечный резистор | 1.5 кОм | 1 | Многооборотный | |||
Мультиметры китайской компании Victor в настоящее время очень часто можно встретить на китайских интернет площадках AliExpress, Banggood, да и не мало их у российских дистрибьюторах. Что же из себя представляют бюджетные мультиметры данной китайской компании? Сегодня у нас на обзоре мультиметр Victor VC890D с функцией True RMS. Слово True RMS тут упомянуто не зря, т.к. есть точно такой же мультиметр Victor VC890D, но без True RMS, имеющий несколько другой внешний вид и характеристики, а также несколько диапазонов измерения емкости конденсаторов. В данном мультиметре только один диапазон: 2000 мкФ. Да и построены они на совсем разных чипах.
Есть еще модель Victor VC890C+ , отличается только возможностью измерения температуры и наличием термопары в комплекте. Во всем остальном абсолютно идентичные приборы.
Средняя стоимость мультиметра на AliExpress составляет около 25$ .
Итак, мультиметр был заказан на AliExpress, пришел он без коробки, просто завернутый в несколько слоев пузырчатой пленки. Комплектацию вы можете видеть ниже:
Здесь мы видим сам мультиметр, щупы, инструкцию на китайском, а также бумажку с штампом контроля.
Характеристики Victor VC890D:
Мультиметр имеет съемный силиконовый чехол. Имеется подставка. С торца имеется голографическая наклейка, надпись Victor на свету также переливается, это хорошо видно на самой первой фотографии.
При включении питания на дисплее отображаются все возможные символы, а также мультиметр издает короткий звуковой сигнал. Справа от кнопки Hold (она же включение подсветки путем длительного нажатия), находится красный светодиод. При переключении между режимами издается звуковой сигнал, а также вспыхивает красный светодиод.
Щупы самые обычные, измеренное сопротивление на настольном мультиметре ~ 0.1 Ом.
В силиконом чехле имеются держатели под щупы.
Под щупы предусмотрено 4 гнезда - 2 стандартные и 2 гнезда для измерения тока. Первое гнездо до 200 мА, второе для токов до 20 А, оба с соответствующими предохранителями, доступ к которым осуществляется через батарейный отсек.
Для чего нужен TrueRMS?
TrueRMS это "истинное среднеквадратичное значение". Т.е. TrueRMS относится к измерению значений переменного тока и напряжения. В настоящее время нас все больше окружают бытовые приборы с несинусоидальным потреблением тока и вносящие искажения: компьютеры, UPS, частотники или тот же ШИМ. К примеру при измерении потребления тока ШИМ значения могут завышаться, а скажем при использовании однофазного диодного выпрямителя занижаться. К примеру может возникнуть ситуация, что вы замерили потребление тока 7А, а у вас выбивает постоянно автомат или сгорает предохранитель на 10А. Вот здесь и может пригодится мультиметр с функцией TrueRMS, который может определить реальное эффективное значение переменного тока в не зависимости от его формы.
Измерения
Предлагаю провести измерения и посмотреть насколько точно и быстро прибор работает в разных режимах. Быстроту реакции вы можете посмотреть в видео.
Начнем с измерения сопротивления высокоточных резисторов 0.01% фирм TDK и Vishay. Щупы поменяем на чуть более качественные и с более низким сопротивлением, чтобы снизить влияние их внутреннего сопротивления. Можно было бы и с родными, но все равно многие радиолюбители в дальнейшем меняют их на более качественные или в следствии быстрого износа.
Мультиметр дает точные показания спустя некоторое время (на видео это хорошо видно) . А т.к. при измерении обе руки заняты, а фотоаппарат делал снимки с задержкой спуска, то значения сопротивлений на некоторых кадрах получились не установившимися. Но все равно, в большинстве случаев показания сопротивлений несколько завышены, хотя все в пределах заявленной погрешности измерений.
Давайте проверим насколько точно мультиметр измеряет постоянное напряжение. Для этого возьмем ИОН на микросхеме AD588BQ, температурный дрейф у которой не превышает 1.5 ppm/°C, с выходным напряжением 5В и 10В. А если быть точнее то 5.00031В и 10.00027В (измерено при помощи мультиметра Agilent 34401A).
Для измерения переменного напряжения был использован инвертер 12/220, выдающий чистую синусоиду. Как видим, показания довольно таки точны.
Измерение коэффициента усиления транзисторов hFE:
Подсветка дисплея автоматически выключается примерно через 15 секунд после длительного удержания кнопки Hold.
В режиме измерения диодов показывается напряжения на разомкнутых щупах. Как видим оно составляет около 1.6 Вольта (во многих спецификациях для этой модели указывается неверное напряжение 3В). Поэтому светодиоды проверить им нельзя, т.к. для их проверки нужно большее напряжение.
Прозвонка диода 1N4007. Отображается прямое падение напряжение на диоде.
Как видим, оно составляет 0.565 Вольт.
Для измерения емкости конденсаторов в данной модели предусмотрен только один диапазон - 2000 мкФ. Прибор, в зависимости от измеренной емкости показывает размерность: микро или нано, т.е. по сути автоматический выбор диапазона. Минимальная размерность: 0.001 нФ, т.е. 1 пФ.
Электролит 100 мкФ.
Переменные напряжения и токи могут характеризоваться различными показателями. Например, для переменное периодическое напряжение произвольной формы u (t ), помимо амплитудных значений может характеризоваться:
Чаще всего, о действии переменного напряжения или тока судят по средней за период мощности, разогревающей активное сопротивление R по которому проходит переменный ток (или на которое подается переменное напряжение). Процесс нагрева инерционный и обычно его время намного больше периода T переменного напряжения или тока. В связи с этим принято пользоваться действующим значением синусоидального напряжения и тока. В этом случае:
Отсюда ясно, что для измерения действующего значения синусоидального напряжения или тока достаточно измерить их амплитудное значение и поделить на√2 =1.414 (либо умножить на 0.707).
Вольтметры и амперметры переменного тока часто служат для измерения уровней переменного напряжения и тока несинусоидальной формы . Теоретически такие сигналы могут быть представлены рядом Фурье, состоящим из суммы постоянной составляющей сигнала, первой его гармоники и суммы высших гармоник. Для линейных цепей в силу принципа суперпозиции мощность несинусоидального сигнала определяется мощностью всех его составляющих. Она зависит от состава гармоник сигнала, определяемого формой сигнала.
Как правило, независимо от метода измерений они обычно градуируются в эффективных значениях синусоидального переменного напряжения или тока. Обычно в этом случае с помощью двухполупериодного выпрямителя напряжения или токи выпрямляются и возможно измерение их средневыпрямленного напряжения (часто его называют просто средним, но это не совсем точно - см. выше). Отклонение формы переменного напряжения от синусоидальной принято учитывать коэффициентом формы:
k ф
= U д /U ср
Для прямоугольного сигнала (меандра) k Ф =1, а для синусоидального k Ф =π/2√2=1.1107. Такое различие вызывает большую разницу показаний даже в этих простых случаях.
Ныне широкое применение получили персональные компьютеры, сотовые телефоны с импульсным режимом работы передатчиков, импульсные и резонансные преобразователи напряжения и источники питания, электроприводы с регулируемой скоростью и другое оборудование, потребляющее токи в виде кратковременных импульсов или отрезков синусоиды. При этом среднеквадратическое значение сигналов должно учитывать все гармоники его спектра. В этом случае говорят, что оно является истинным среднеквадратическим значением (TrueRMS или TRMS ).
К сожалению, при измерениях напряжений и токов с различными, отличными от синусоидальных, временными зависимостями возникают большие проблемы из-за нарушения соотношений между средневыпрямленными или амплитудными значениями переменного напряжения или тока и их действующими значениями. Обычные измерители напряжений и токов с усредненными показаниями в этом случае дают недопустимо большую погрешность см. рис. Упрощенное измерение действующего значения токов порою может дать занижение до 50% истинных результатов.
Рис. 1. Сравнение различных видов измерения меняющихся напряжений и токов
Не знающий этого пользователь может долго удивляться, почему предохранитель в устройстве на ток 10 А регулярно сгорает, хотя по показаниям амперметра или обычного мультиметра ток составляет допустимую величину в 10 А. При отклонении кривой измеряемого напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы уточнение с помощью коэффициента 1,1107≈1.1 становится недопустимым. По этой причине измерители с усредненными показаниями зачастую дают неверные результаты при измерении токов в современных силовых сетях. В связи с этим были созданы приборы, измеряющие действительно истинное среднеквадратическое значение переменного напряжения и тока любой формы, которое определяется по нагреву линейного резистора, подключенного к измеряемому напряжению.
В наше время современные мультиметры, измеряющие истинное среднеквадратическое значение переменного напряжения или тока (не обязательно синусоидальных), обычно помечаются лейбом True RMS. В таких измерителях используются более совершенные схемы измерения, нередко со средствами микропроцессорного контроля и коррекции. Это позволило существенно повысить точность измерения и уменьшить габариты и массу приборов.
Точные измерения - трудная задача, стоящая перед технологами и специалистами по обслуживанию современных производств и оборудования различных организаций. В нашу повседневную жизнь все больше и больше входят персональные компьютеры, приводы с регулируемой скоростью и другое оборудование, имеющее несинусоидальные характеристики потребляемого тока и рабочего напряжения (в виде кратковременных импульсов, с искажениями и т.п.). Такое оборудование может вызвать неадекватные показания обычных измерителей с усреднением показаний (вычисляющих среднеквадратическое значение).
Говоря о значениях переменного тока, мы обычно имеем в виду среднюю эффективную выделяемую теплоту или среднеквадратическое (RMS) значение тока. Данное значение эквивалентно значению постоянного тока, действие которого вызвало бы такой же тепловой эффект, что и действие измеряемого переменного тока, и вычисляется по следующей формуле:
.
Однако, при отклонении синусоидальной кривой от идеальной формы данный коэффициент перестает действовать. По этой причине измерители с усреднением показаний зачастую дают неверные результаты при измерении токов в современных силовых сетях.
Рис. 1. Кривые напряжения синусоидальной и искажённой формы.
Линейные нагрузки, в состав которых входят только резисторы, катушки и конденсаторы, характеризуются синусоидальной кривой тока, поэтому при измерении их параметров проблем не возникает. Однако в случае нелинейных нагрузок, таких как приводы с регулируемой частотой и источники питания для офисного оборудования, при наличии помех от мощных нагрузок имеют место искаженные кривые.
Рис. 2. Кривые тока и напряжения блока питания персонального компьютера.
Измерение среднеквадратического значения токов по таким искаженным кривым с использованием обычных измерителей может дать в зависимости от характера нагрузки значительное занижение истинных результатов:
|
Класс прибора | Тип нагрузки / формы кривой
|
|||
| ШИМ (меандр) | однофазный диодный
выпрямитель | трёхфазный диодный
выпрямитель |
||
| RMS | корректно | завышение на 10% | занижение на 40% | занижение 5%...30% |
| True RMS | корректно | корректно | корректно | корректно |
Поэтому у пользователей обычных приборов возникнет вопрос, почему, например, 14-амперный предохранитель регулярно перегорает, хотя по показаниям амперметра ток составляет всего лишь 10 А.
Для измерения тока с искаженными кривыми необходимо при помощи анализатора кривой сигнала проверить форму синусоиды, после чего использовать измеритель с усреднением показаний только в том случае, если кривая окажется действительно идеальной синусоидой. Однако гораздо удобнее постоянно использовать измеритель с истинно среднеквадратическими показаниями (True RMS) и всегда быть уверенным в достоверности измерений. Современные мультиметры и токовые клещи подобного класса используют усовершенствованные технологии измерения, позволяющие определить реальные эффективные значения переменного тока вне зависимости от того, является ли токовая кривая идеальной синусоидой или искажена. Для этого применяются специальные преобразователи, обуславливающие основную разницу в стоимости с бюджетными аналогами. Единственное ограничение - кривая должна находиться в пределах допустимого диапазона измерений используемого прибора.
Все то, что касается особенностей измерения токов нелинейной нагрузки, также верно и для измерения напряжений. Кривые напряжения также зачастую не являются идеальными синусоидами, в результате чего измерители с усреднением показаний дают неверные результаты.
Исходя из описанных выше примеров, в современных высокотехнологичных электротехнических системах для измерения токов и напряжений рекомендуется применять приборы класса True RMS.
