Параметры переменного напряжения
Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение — это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами.
Среднее значение напряжения
Среднее значение переменного напряжения Uср — это, грубо говоря, площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму.
Например,чему равняется среднее значение напряжения за эти два полупериода? В данном случае ноль вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но все дело в том, что площадь S2 берется со знаком «минус». А так как площади равны, то в сумме они дают ноль: S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее значение напряжения также равняется нулю.
То же самое касается и других сигналов, например, двухполярного меандра. Меандр — это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. В этом случае его среднее напряжение также будет равняться нулю.
Средневыпрямленное значение напряжения
Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая «пробивает пол» берут не с отрицательным знаком, а с положительным.
средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.
На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:
Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать ее по формуле:
Среднеквадратичное значение напряжения
Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по-другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже простым графиком не отделаешься. Среднеквадратичное значение — это значение постоянного напряжения, который, проходя через нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение обозначается так: RMS (rms) — root mean square.
Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды Ka:
Вот некоторые значения коэффициента амплитуды Ka для некоторых сигналов переменного напряжения:
Более точные значения 1,41 и 1,73 — это √2 и √3 соответственно.
Как измерить среднеквадратичное значение напряжения
Для правильного замера среднеквадратического значения напряжения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS — как вы уже знаете — это среднеквадратическое значение. А что за буква «T» впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: «тру». «Она вся такая тру…», «Ты тру или не тру?» и тд. Тру (true) — с англ. правильный, верный.
Так вот, T-RMS расшифровывается как True RMS — «правильное среднеквадратическое значение». Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип «T-RMS».
Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:
Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц
А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры
И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?
Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:
Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:
Для нас не важно, пробивает ли сигнал «пол» или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды Ka= 1,73.
Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала
Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?
Супер! И в правду Тrue RMS.
Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра
Он меня обманул :-(. Он умеет измерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.
Самый интересный сигнал в плане расчетов — это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который «пробивает пол».
Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.
Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться
- Сред. — средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой
- СКЗ — среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.
- Пик. — амплитудное значение сигнала
- Пик-пик. — размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.
Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое, то есть действующее напряжение! Об этом всегда помним.
Что означают RMS и True RMS? Здесь мы объясним вам различия
RMS означает среднеквадратичное значение, а TRMS (True RMS) — истинное среднеквадратичное значение. Инструменты TRMS намного более точны, чем RMS при измерении переменного тока. Вот почему все мультиметры в каталоге PROMAX имеют возможности измерения True RMS.
Различия между измерениями с использованием стандартного мультиметра и мультиметра True RMS
Почему необходимо измерение RMS или True RMS?
Поскольку напряжение синусоидальной волны изменяется во времени, оно не равно ее пиковому напряжению. Эффективное напряжение переменного тока является его эквивалентностью в виде напряжения постоянного тока и может быть рассчитано только с помощью RMS True RMS приборов.
Синусоида 170 В и эффективное напряжение 120 В
Что такое RMS?
RMS означает «Среднеквадратичный квадрат», который является математической формулой, которая внутренне вычисляется инструментами, способными использовать RMS значение для проведения измерений. Эта формула упрощена прибором для учета только положительного пика синусоиды:
Математическая формула, применяемая RMS мультиметром
Среднеквадратичное измерение надежно, когда синусоидальная волна идеальна, потому что это измерение учитывает только пиковое значение формы волны.
Итак, что происходит, когда синусоида не идеальна? Это значит, что происходит в РЕАЛЬНОМ мире?
Что такое True RMS? Это самое надежное измерение
RMS измерения нельзя считать надежными, потому что в настоящее время в любой установке имеется множество источников шума, из-за которых форма волны переменного тока никогда не бывает идеальной.
В измерении True RMS (истинное среднеквадратичное значение) используются более сложные математические формулы, которые позволяют приблизить значение к реальности, чем RMS. В дополнение к пиковым значениям они берут несколько выборок значений по каждому циклу.
Математическая формула, применяемая мультиметром True RMS
Идеальная синусоида (слева) и волна ближе к реальности (справа) под воздействием шума
Весь этот шум вызван приводами, переменными переключателями, приборами, компьютерами, дешевыми блоками питания маршрутизаторов, зарядных устройств и т. д
По этой причине, поскольку синусоидальная волна никогда не бывает совершенной, надежные измерения в установках переменного тока — это только измерения, выполненные мультиметрами True RMS.
Краткий обзор мультиметров PROMAX
PROMAX является ведущим производителем испытательных и измерительных систем, оборудования для эфирного вещания и для распределения телевизионного сигнала. Наша линия продуктов включает измерительные приборы для кабельного, спутникового и эфирного телевидения, беспроводных и волоконно-оптических сетей, и FTTH GPON анализаторов. DVB-T модуляторы, IP стримеры и IP преобразователи (ASI, DVB-T) являются одними из последних достижений компании.
Что такое «True RMS»?
На многих измерительных приборах, как правило достаточно дорогих, стоит волшебная маркировка «TrueRMS». Продавцы нахваливают такие приборы, впрочем, не всегда даже в силах объяснить, что это такое. Давайте разберемся, стоит ли переплачивать за такую «честность»? (примечание: «true», в переводе с английского, означает истинный, верный)
True RMS – означает «истинное среднеквадратичное значение» тока. Таким образом, данное обозначение относится к измерению значений переменного тока и напряжения.
Обычные (более простые и дешёвые) измерители работают по принципу «усреднения показаний среднеквадратического значения». Наиболее распространённый способ заключается в следующем: входной сигнал выпрямляется, определяется его среднее значение и умножается на соотношение среднего и среднеквадратичного значения идеальной синусоиды (коэффициент 1,1).
Но в современном мире нас все больше окружают приборы с несинусоидальными характеристиками потребляемого тока: компьютеры, регуляторы освещения, частотные преобразователи и прочее оборудование, которое вносит импульсные искажения в форму сигнала измеряемого напряжения или тока.
И, чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше искажаются показания обычного (не «True RMS») прибора. Например, при измерении тока потребления ШИМ — значения могут завышаться на 10%, а нагрузки в виде однофазного диодного выпрямителя – занижаться на 40%… В реальной жизни, это выражается в ситуациях, когда измерения показывают ток нагрузки 12А, а автомат на 16А постоянно «выбивает».
Как же измерить реальное значение искаженного сигнала? Тут на помощь приходят приборы класса «True RMS». В современных мультиметрах и токовых клещах используются усовершенствованные технологии определения реального эффективного значения переменного тока, не зависимо от формы его кривой. Не будем углубляться в теоретические основы и формулы – нас интересует практическая ценность. А на практике – специальные преобразователи хоть и удорожают измерительные приборы, но зато позволяют получать истинное значение измеряемой величины.
С развитием электроники, функция «TrueRMS» стала доступна не только в приборах промышленного назначения, но и в относительно недорогих мультиметрах.
Приборы класса True RMS
В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.
Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.
Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.
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).
Почему следует выбирать приборы класса True-RMS?
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.
Линейные и нелинейные нагрузки
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 | |||
| линейная нагрузка (синусоида) |
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.
Приборы класса True RMS (с истинными среднеквадратическими показаниями)
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.