Конструкция измерителей переменного напряжения и тока: от выпрямления к истинному RMS

Электромеханические измерительные механизмы для переменного тока обычно делятся на две группы: адаптации конструкций постоянного тока (DC) и устройства, специально спроектированные для измерения переменного тока.

Движущиеся катушки с постоянным магнитом (PMMC) нельзя подключать напрямую к переменному току. Стрелка бы колебалась каждую полуволну, давая бесполезное дрожание (см. рисунок ниже).

Устройства с постоянным магнитом, как моторы, опираются на полярность приложенного напряжения или направление тока. При переменном токе полярность меняется каждую полуволну, заставляя стрелку двигаться туда-сюда.

Пропускание переменного тока через механизм Д'Арсонваля вызывает быстрое, неэффективное дрожание стрелки.

Для использования DC-механизма вроде Д'Арсонваля переменный ток сначала нужно выпрямить в постоянный. Наиболее распространённый метод использует диоды, действующие как односторонние клапаны для тока. Четыре диода в мостовой схеме гарантируют, что ток через измерительный механизм всегда течёт в одном направлении, независимо от полуволны переменного тока.

Выпрямлённый переменный ток, приложенный к мостовому механизму, движет стрелку последовательно в одном направлении.

Альтернативно, можно спроектировать механизмы, специфичные для переменного тока, избегая чувствительности к полярности, присущей DC-типам. Распространённый подход использует не намагниченную железную пластину, притягиваемую к стационарной катушке, возбуждаемой измеряемой величиной переменного тока, как показано ниже.

Железопластинчатый электромеханический механизм.

Электростатическое притяжение между двумя металлическими пластинами с воздушным зазором предлагает другой механизм генерации силы, двигающей стрелку, пропорциональной приложенному напряжению. Хотя этот метод работает одинаково хорошо для переменного и постоянного тока, силы обычно очень малы, делая такие механизмы хрупкими и восприимчивыми к помехам. Тем не менее, электростатические измерители привлекательны для высоковольтных применений переменного тока благодаря их экстремально высокому входному импедансу и способности измерять большие напряжения без внешних удлинителей диапазона.

Когда электростатический или другой базовый механизм нужно калибровать для переменного тока, последовательно подключённые «мультипликативные» резисторы или резистивные делители напряжения используются, как и в проектировании DC-измерителей:

Мультипликативный резистор (а) или резистивный делитель (б) масштабирует диапазон базового механизма.

Использование конденсаторов вместо резисторов для делителя даёт нерассеивающее решение, исключая выделение тепла. Эта техника особенно преимущественна для высоковольтных измерений переменного тока.

Вольтметр переменного тока с ёмкостным делителем.

Для электростатических механизмов — изначально ёмкостных — один «мультипликативный» конденсатор может быть добавлен последовательно для расширения измерительного диапазона напряжения, аналогично резистивному мультипликатору для катушечных механизмов.

Электростатический механизм может использовать ёмкостной мультипликатор для увеличения диапазона.

Катодно-лучевой (CRT) подход к измерению, описанный в главе о DC, также хорошо подходит для измерения переменного напряжения. Развёртывая электронный пучок горизонтально по экрану, пока переменный сигнал управляет вертикальным отклонением, прибор может отображать форму волны, а не только величину. Однако CRT громоздки, потребляют значительную мощность и хрупки из-за своей вакуумной стеклянной конструкции, ограничивая практическое применение.

Электромеханические механизмы переменного тока всё ещё играют важную роль во многих приложениях. Критический аспект для проектировщиков и пользователей — измерение RMS (root-mean-square) значений, дающих осмысленное сравнение между переменным и постоянным током.

В то время как выпрямленные Д'Арсонваль, железопластинчатые и электростатические механизмы естественным образом выдают среднее значение мгновенного сигнала, это среднее не эквивалентно RMS. Следующая таблица иллюстрирует соотношение между RMS, средним и пик-пик значениями для синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн:

RMS, средние и пик-пик значения для синуса, прямоугольника и треугольника.

Поскольку электромеханические измерители изначально показывают средние значения, проектировщики часто «обманывают», предполагая волну чистый синус. Для синуса RMS равно 0,707 от пика, тогда как среднее равно 0,637 от пика. Деление даёт коэффициент перевода среднее-в-RMS 1,109:

Соответственно, механизм калибруют на показания примерно в 1,11 раза выше естественного, что совпадает с истинным RMS для синусоид. Этот подход терпит неудачу для несинусоидальных волн, таких как треугольные или прямоугольные, где соотношения RMS-к-среднему существенно отличаются.

Для прямоугольных волн RMS равно среднему, но для треугольных коэффициент перевода отличается. Эти расхождения становятся критическими в современных системах питания, где гармоническое искажение распространено.

CRT-измерители, показывающие пик или пик-пик волны, также сталкиваются с этим ограничением; определение RMS из измерения пика требует знания формы волны.

Более надёжное решение — спроектировать измеритель, измеряющий RMS напрямую, используя определение RMS как теплового эквивалента переменного тока в резистивной нагрузке. Подключая источник переменного тока к резистору известного значения и измеряя выделяемое тепло термопарой, измеритель может дать истинное RMS-показание независимо от формы волны:

Прямое тепловое RMS-вольтметра принимает любую форму волны.

Хотя концепция проста, практическая реализация представляет инженерные сложности. Тем не менее, принцип — преобразование электроэнергии в тепло и измерение этого тепла — принят в высококлассных ручных мультиметрах для истинной RMS-способности.

Калибровка вольтметров и амперметров переменного тока по разным диапазонам следует тем же принципам, что и для DC-приборов: последовательные мультипликативные резисторы (или конденсаторы) расширяют диапазоны напряжения, параллельные шунтирующие резисторы — более высокие токи. Кроме того, трансформаторы — особенно измерительные трансформаторы напряжения (PT) и тока (CT) — позволяют электромагнитное переключение диапазонов, позволяя малым механизмам измерять большие напряжения или токи с гальванической развязкой.

ТТ масштабирует ток вниз; PT — напряжение вниз.

В типичной трёхфазной щитовой панели тороидальные ТТ размещены за корпусом измерителя, а три амперметра переменного тока с полной шкалой 5 А показывают ток в каждом проводнике через ТТ. Когда панель списывается, ТТ остаются, но проводники больше не присутствуют:

Тороидальные ТТ масштабируют высокие уровни тока для 5-А амперметров переменного тока.

Поскольку измерительные трансформаторы дороги и часто громоздки, их резервируют для высоковольтных или высокоточных приложений. Для низковольтных измерений — например, масштабирования миллиамперметра до 120 В или 5 А — используют точные резисторы (мультипликаторы и шунты), как и для DC-измерителей.

РЕЗЮМЕ:

• Поляризованные (DC) механизмы требуют диодов для измерения переменных величин.
• Электромеханические механизмы — будь то электромагнитные или электростатические — естественно выдают средние значения; их можно калибровать на RMS только если форма волны известна заранее.
• Истинные RMS-измерители используют специализированные технологии для точных RMS-показаний независимо от формы волны.