Вольтметры и амперметры переменного тока

Электромеханические измерительные механизмы переменного тока бывают двух основных типов:основанные на конструкции механизма постоянного тока и разработанные специально для использования на переменном токе.

Движение измерителя с подвижной катушкой с постоянным магнитом (PMMC) не будет работать правильно, если оно напрямую подключено к переменному току, потому что направление движения стрелки будет меняться с каждым полупериодом переменного тока. (Рисунок ниже)

Движение счетчика с постоянными магнитами, как и двигатели с постоянными магнитами, - это устройства, движение которых зависит от полярности приложенного напряжения (или, вы можете думать об этом с точки зрения направления тока).

Прохождение переменного тока через это движение измерителя Д’Арсонваля вызывает бесполезное трепетание стрелки.

Чтобы использовать движение счетчика постоянного тока, такое как конструкция D’Arsonval, переменный ток должен быть выпрямленным . в Вашингтон.

Это проще всего сделать с помощью устройств, называемых диодами . . Мы видели диоды, используемые в примере схемы, демонстрирующей создание гармонических частот из искаженной (или выпрямленной) синусоидальной волны. Не вдаваясь в подробности того, как и почему диоды работают именно так, просто помните, что каждый из них действует как односторонний клапан для протекания тока.

Стрелка в каждом символе диода указывает на допустимое направление тока.

Четыре диода, расположенные в виде моста, будут управлять переменным током через движение счетчика в постоянном направлении на всех этапах цикла переменного тока:

Прохождение переменного тока через это движение измерителя выпрямленного переменного тока приведет к его движению в одном направлении.

Еще одна стратегия для практического механизма измерителя переменного тока состоит в том, чтобы изменить конструкцию механизма без присущей типам постоянного тока чувствительности к полярности.

Это означает отказ от использования постоянных магнитов. Вероятно, самая простая конструкция - использовать немагнитную железную лопасть для перемещения иглы против натяжения пружины, при этом лопасть притягивается к неподвижной катушке с проволокой, на которую подается напряжение переменного тока, которое необходимо измерить, как показано на рисунке ниже.

Механизм электромеханического счетчика с металлической крыльчаткой.

Электростатическое притяжение между двумя металлическими пластинами, разделенными воздушным зазором, является альтернативным механизмом для создания силы перемещения иглы, пропорциональной приложенному напряжению.

Это работает для переменного тока так же хорошо, как и для постоянного тока, или, я бы сказал, так же плохо! Действующие силы очень малы, намного меньше, чем магнитное притяжение между возбужденной катушкой и железной лопастью, и поэтому эти «электростатические» движения счетчика имеют тенденцию быть хрупкими и легко нарушаются физическим движением.

Но для некоторых приложений с высоковольтным переменным током электростатический механизм представляет собой элегантную технологию.

По крайней мере, эта технология обладает преимуществом чрезвычайно высокого входного импеданса, а это означает, что от тестируемой цепи не требуется отводить ток. Кроме того, механизмы электростатического измерителя могут измерять очень высокие напряжения без необходимости использования резисторов диапазона или других внешних устройств.

Когда необходимо изменить диапазон чувствительного датчика для работы в качестве вольтметра переменного тока, можно использовать последовательно соединенные «умножительные» резисторы и / или резистивные делители напряжения, как и в конструкции счетчика постоянного тока:(рисунок ниже)

Резистор умножителя (a) или резистивный делитель (b) масштабирует диапазон базового перемещения измерителя.

Однако вместо резисторов можно использовать конденсаторы для создания схем делителя вольтметра. Преимущество этой стратегии состоит в том, что она не дает рассеивания (нет потребляемой мощности и тепла):

Вольтметр переменного тока с емкостным делителем.

Если движение измерителя является электростатическим и, следовательно, по своей природе емкостным, один конденсатор-умножитель может быть подключен последовательно для увеличения диапазона измерения напряжения, точно так же, как последовательно подключенный резистор умножителя дает подвижную катушку (по своей природе резистивную). ) движение счетчика в большем диапазоне напряжений:

Движение электростатического измерителя может использовать емкостной множитель для умножения масштаба основного движения измерителя.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), упомянутая в главе об измерении постоянного тока, идеально подходит для измерения переменного напряжения, особенно если электронный луч проходит поперек экрана трубки, в то время как измеренное переменное напряжение перемещает луч вверх и вниз. .

С помощью такого устройства можно легко получить графическое представление формы волны переменного тока, а не только измерение величины. Однако ЭЛТ имеют такие недостатки, как вес, размер, значительное энергопотребление и хрупкость (поскольку они сделаны из вакуумированного стекла), которые им противостоят.

По этим причинам электромеханические измерители переменного тока все еще находят применение на практике.

Поскольку некоторые преимущества и недостатки этих технологий перемещения счетчиков уже были обсуждены, существует еще один фактор, который имеет решающее значение для проектировщика и пользователя измерительных приборов переменного тока. Это проблема измерения RMS.

Как мы уже знаем, измерения переменного тока часто выполняются по шкале эквивалентности мощности постоянного тока, называемой RMS . ( R oot- M ean- S quare) для значимых сравнений с постоянным током и другими формами переменного тока различной формы. Ни одна из рассмотренных до сих пор технологий движения расходомеров не позволяет измерить среднеквадратичное значение величины переменного тока.

Движение измерителя, основанное на движении механической стрелки («выпрямленное» д’Арсонваля, железной лопасти и электростатическое), все имеет тенденцию механически усреднять мгновенные значения в общее среднее значение для формы волны.

Это среднее значение не обязательно совпадает со среднеквадратичным значением, хотя во многих случаях оно ошибочно. Среднее значение и среднеквадратичное значение соотносятся друг с другом как таковые для этих трех распространенных форм сигналов:

Среднеквадратичное значение, среднее значение и размах колебаний для синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн.

Поскольку среднеквадратичное значение, по-видимому, является видом измерения, которое большинство людей интересует с помощью инструмента, электромеханические измерительные приборы, естественно, дают среднее измерениям, а не среднеквадратичным значениям, что же делать разработчикам измерителей переменного тока? Накрутка, конечно!

Обычно делается допущение, что форма сигнала, который будет измеряться, будет синусоидальной (наиболее распространенной, особенно для энергосистем), а затем масштаб перемещения измерителя изменяется с помощью соответствующего коэффициента умножения.

Для синусоидальных волн мы видим, что среднеквадратичное значение равно 0,707 пикового значения, а среднее значение - 0,637 пикового значения, поэтому мы можем разделить одно число на другое, чтобы получить коэффициент преобразования среднего значения в среднеквадратичное значение 1,109:

Другими словами, движение измерителя будет откалибровано так, чтобы показывать примерно в 1,11 раз больше, чем обычно (естественно), без каких-либо специальных приспособлений. Следует подчеркнуть, что этот «обман» работает хорошо только тогда, когда измеритель используется для измерения источников чистой синусоидальной волны.

Обратите внимание, что для треугольных волн соотношение между среднеквадратичным и средним значением не такое же, как для синусоидальных волн:

Для прямоугольных волн среднеквадратичные и средние значения идентичны! Измеритель переменного тока, откалиброванный для точного считывания среднеквадратичного значения напряжения или тока на чистой синусоиде, не дать правильное значение, указав при этом величину чего-либо, кроме идеальной синусоидальной волны.

Сюда входят треугольные волны, прямоугольные волны или любые искаженные синусоидальные волны. Поскольку гармоники становятся вездесущим явлением в больших энергосистемах переменного тока, вопрос точного измерения среднеквадратичного значения становится непростым.

Проницательный читатель заметит, что я пропустил «движение» ЭЛТ в обсуждении RMS / Average. Это связано с тем, что ЭЛТ с его практически невесомым «движением» электронного луча отображает пик (или размах, если хотите) формы волны переменного тока, а не среднее значение или среднеквадратичное значение.

Тем не менее, возникает аналогичная проблема:как по нему определить среднеквадратичное значение сигнала? Коэффициенты преобразования между пиковым значением и среднеквадратичным значением сохраняются только до тех пор, пока форма сигнала точно соответствует известной категории формы (синус, треугольник и квадрат - единственные примеры с коэффициентами преобразования пиковый / среднеквадратичный / средний, приведенные здесь!).

Один из ответов - спроектировать движение счетчика вокруг самого определения RMS:эффективного значения нагрева переменного напряжения / тока при питании резистивной нагрузки. Предположим, что источник переменного тока, который необходимо измерить, подключен к резистору известного номинала, а тепловая мощность этого резистора измеряется с помощью такого устройства, как термопара.

Это обеспечит гораздо более прямые средства измерения среднеквадратичного значения, чем любой коэффициент преобразования, поскольку он будет работать с ЛЮБОЙ формой сигнала вообще:

Тепловой среднеквадратичный вольтметр с прямым считыванием значений для любой формы волны.

Хотя показанное выше устройство несколько грубовато и само по себе будет иметь уникальные инженерные проблемы, проиллюстрированная концепция очень надежна. Резистор преобразует величину переменного напряжения или тока в тепловую (тепловую) величину, эффективно возводя значения в квадрат в реальном времени.

Масса системы рассчитывает усреднение этих значений по принципу тепловой инерции, а затем шкала измерителя калибруется, чтобы давать показания, основанные на квадратном корне из тепловых измерений:идеальное среднеквадратичное значение в одном устройстве!

Фактически, один крупный производитель приборов внедрил эту технику в свою высококлассную линейку портативных электронных мультиметров для обеспечения «истинных среднеквадратичных значений».

Калибровка вольтметров и амперметров переменного тока для различных полномасштабных диапазонов работы во многом такая же, как и с приборами постоянного тока:последовательные «умножительные» резисторы используются для увеличения диапазона перемещений вольтметра, а параллельные «шунтирующие» резисторы используются для измерения перемещений амперметра. токи за пределами их естественного диапазона.

Однако мы не ограничены этими методами, как в случае с постоянным током:поскольку мы можем использовать трансформаторы с переменным током, диапазоны счетчиков могут быть электромагнитно, а не резистивно «повышены» или «понижены», иногда намного больше, чем практически позволяли резисторы. для.

Трансформаторы потенциала (РТ) и трансформаторы тока (ТТ) - это прецизионные приборные устройства, которые производят очень точные коэффициенты трансформации между первичной и вторичной обмотками.

Они могут позволить небольшие, простые движения измерителя переменного тока для точного определения чрезвычайно высоких напряжений и токов в энергосистемах с полной гальванической развязкой (чего никогда не могли сделать умножители и шунтирующие резисторы):

(CT) Трансформатор тока уменьшает ток. (PT) Потенциальный трансформатор снижает напряжение.

Здесь показана панель измерителя напряжения и тока от трехфазной сети переменного тока. Три трансформатора тока типа «бублик» (ТТ) можно увидеть на задней части панели. Три амперметра переменного тока (номинальное отклонение по всей шкале 5 А каждый) на передней панели панели показывают ток через каждый проводник, проходящий через трансформатор тока.

Поскольку эта панель была снята с эксплуатации, больше нет токопроводящих проводов, пропущенных через центр «пончиков» ТТ:

Тороидальные трансформаторы тока понижают высокие уровни тока для применения до полномасштабных амперметров переменного тока 5 А.

Из-за дороговизны (а часто и большого размера) измерительных трансформаторов они не используются для масштабирования счетчиков переменного тока для любых приложений, кроме высокого напряжения и высокого тока. Для масштабирования хода миллиампер или микроампер до диапазона 120 вольт или 5 ампер используются обычные прецизионные резисторы (умножители и шунты), как и в случае с постоянным током.

ОБЗОР:

• Поляризованные (DC) измерители движения должны использовать устройства, называемые диодами . чтобы иметь возможность указывать количество переменного тока.
• Электромеханические движения счетчика, будь то электромагнитные или электростатические, естественно, обеспечивают среднее значение измеряемой величины переменного тока. Эти инструменты могут быть ранжированы для индикации среднеквадратичного значения, но только в том случае, если форма сигнала переменного тока точно известна заранее!
• Так называемое истинное среднеквадратичное значение В счетчиках используются разные технологии для отображения фактических среднеквадратичных значений (а не искаженного среднего или пикового значения) сигнала переменного тока.