Вольтметры и амперметры переменного тока
Глава 12 - Цепи измерения переменного тока
Электромеханические электромеханические двигатели переменного тока входят в два основных устройства: те, которые основаны на конструкциях движения постоянного тока, и те, которые разработаны специально для использования переменного тока. Движения счетчика движущихся катушек постоянного магнита (PMMC) не будут работать правильно, если они напрямую подключены к переменному току, так как направление движения иглы будет изменяться с каждым полупериодом переменного тока. (Рис. Ниже). Движения счетчиков с постоянным магнитом, такие как двигатели с постоянными магнитами, являются устройствами, движение которых зависит от полярности приложенного напряжения (или вы можете думать об этом с точки зрения направления тока).
Прохождение AC через это движение D'Arsonval приводит к бесполезному флаттеру иглы.
Чтобы использовать движение счетчика в стиле DC, такое как конструкция D'Arsonval, переменный ток должен быть выпрямлен в постоянный ток. Это проще всего осуществить с помощью устройств, называемых диодами. Мы видели диоды, используемые в примерной схеме, демонстрирующие создание гармонических частот из искаженной (или выпрямленной) синусоидальной волны. Не вдаваясь в детализированные детали о том, как и почему работают диоды, просто помните, что каждый из них действует как односторонний клапан для потока электронов: действует как проводник для одной полярности и изолятор для другого. Как ни странно, стрелка в каждом диодном символе указывает на разрешенное направление потока электронов, а не на него, как можно было бы ожидать. Расположенная в мостике, четыре диода будут направлять AC через движение счетчика в постоянном направлении по всем частям цикла переменного тока: (рис. Ниже)
Передача переменного тока через это Rectified AC meter движение будет вести его в одном направлении.
Другой стратегией для практического перемещения счетчика переменного тока является перепроектирование движения без встроенной чувствительности полярности типов постоянного тока. Это означает, что вы избегаете использования постоянных магнитов. Вероятно, самой простой конструкцией является использование немагнитной железной лопасти для перемещения иглы против натяжения пружины, при этом лопасть притягивается к неподвижной катушке провода, под напряжением которой определяется величина переменного тока, как показано на рисунке ниже.
Электромеханическое перемещение электромеханических элементов.
Электростатическое притяжение между двумя металлическими пластинами, разделенное воздушным зазором, является альтернативным механизмом для создания движущей силы иглы, пропорциональной приложенному напряжению. Это работает так же хорошо для AC, как и для DC, или, если можно так выразиться, так же плохо! Прилагаемые силы очень малы, намного меньше, чем магнитное притяжение между возбужденной катушкой и железной лопастью, и поэтому такие «электростатические» движения счетчиков имеют тенденцию быть хрупкими и легко нарушаются физическим движением. Но для некоторых высоковольтных приложений переменного тока электростатическое движение является изящной технологией. Если ничего другого, эта технология обладает преимуществом чрезвычайно высокого входного импеданса, что означает, что из тестируемой схемы не требуется ток. Кроме того, электростатические измерительные приборы способны измерять очень высокие напряжения без необходимости использования резисторов диапазона или других внешних устройств.
Когда необходимо переключить чувствительное движение счетчика, чтобы он функционировал как вольтметр переменного тока, могут использоваться последовательные «множительные» резисторы и / или резистивные делители напряжения, как и в конструкции счетчика постоянного тока: (рис. Ниже)
Мультипликаторный резистор (a) или резистивный делитель (b) масштабирует диапазон основного движения счетчика.
Конденсаторы могут использоваться вместо резисторов, но для создания цепей делителя вольтметра. Преимущество этой стратегии заключается в том, что она не является диссипативной (нет истинной мощности и нет тепла): (рис. Ниже)
Вольтметр переменного тока с емкостным делителем.
Если движение счетчика является электростатическим и, следовательно, по своей природе емкостным по своей природе, один «множительный» конденсатор может быть соединен последовательно, чтобы дать ему больший диапазон измерения напряжения, так же как многорядный резистор умножителя дает катушку (по своей природе резистивный) перемещение измерителя большего диапазона напряжения: (рис. ниже)
Движение электростатического счетчика может использовать емкостный множитель, чтобы умножить масштаб основного движения счетчика.
Эту трубку катода (ЭЛТ), упомянутую в главе измерения постоянного тока, идеально подходят для измерения напряжений переменного тока, особенно если электронный луч прокатывается поперек экрана трубки, в то время как измеренное напряжение переменного тока приводит в движение пучок вверх и вниз, Графическое представление формы волны переменного тока, а не просто измерение величины, может быть легко выполнено с таким устройством. Тем не менее, у CRT есть недостатки в весе, размере, значительном энергопотреблении и хрупкости (изготовленном из эвакуированного стекла), работающем против них. По этим причинам электромеханические движения счетчиков переменного тока по-прежнему имеют практическое применение.
С некоторыми из преимуществ и недостатков этих технологий перемещения счетчиков, которые были обсуждены уже, есть еще один фактор, чрезвычайно важный для проектировщика и пользователя приборов учета переменного тока, о которых следует знать. Это вопрос измерения RMS. Как мы уже знаем, измерения переменного тока часто применяются в шкале эквивалентности мощности постоянного тока, называемой RMS (R oot- M ean- S quare) для значимых сравнений с постоянным током и с другими формами переменного тока различной формы. Ни одна из технологий перемещения счетчиков, которые до сих пор не обсуждались, по существу измеряет среднеквадратичное значение количества переменного тока. Движения измерителей, основанные на движении механической иглы («выпрямленный» D'Arsonval, железный флюгер и электростатический), имеют тенденцию механически усреднять мгновенные значения в общее среднее значение для формы волны. Это среднее значение не обязательно совпадает с RMS, хотя много раз оно ошибочно воспринимается как таковое. Средние и среднеквадратичные значения сравниваются друг с другом как таковые для этих трех общих форм формы сигнала: (рисунок ниже)
RMS, Average и Peak-to-Peak для синусоидальных, квадратных и треугольных волн.
Поскольку RMS, по-видимому, является тем измерением, которое большинство людей заинтересовано в получении с помощью инструмента, а электромеханические перемещения счетчиков, естественно, обеспечивают средние измерения, а не RMS, что проектировщики измерителей переменного тока делают »// www.beautycrew.com.au// sub.allaboutcircuits.com/images/12134.png" />
Другими словами, движение счетчика будет откалибровано, чтобы указать примерно в 1, 11 раза больше, чем обычно (естественно), без особых условий. Следует подчеркнуть, что этот «чит» работает только хорошо, когда счетчик используется для измерения источников чистой синусоидальной волны. Обратите внимание, что для треугольных волн отношение между RMS и Average не совпадает с отношением синусоидальных волн:
С квадратными волнами значения RMS и Average идентичны! Счетчик переменного тока, калиброванный для точного считывания среднеквадратичного напряжения или тока на чистой синусоидальной волне, не даст правильного значения, указывая величину ничего, кроме идеальной синусоидальной волны. Это включает в себя треугольные волны, квадратные волны или любую искаженную синусоидальную волну. Поскольку гармоники становятся вездесущим явлением в больших системах питания переменного тока, этот вопрос точного измерения среднеквадратичного значения невелик.
Проницательный читатель заметит, что я отклонил «движение» ЭЛТ из среднеквадратичного обсуждения. Это связано с тем, что ЭЛТ с практически невесомым «движением» электронного пучка отображает пик (или пик-к-пик, если хотите) переменного сигнала, а не среднего или среднеквадратичного значения. Тем не менее, возникает аналогичная проблема: как вы определяете значение RMS формы волны из нее «# 02247.png»> ниже)
Вольтметр RMS с прямым считыванием вмещает любую форму волны.
Хотя устройство, показанное выше, несколько грубо и страдает от уникальных собственных технических проблем, концепция, показанная на рисунке, очень проста. Резистор преобразует переменное напряжение или текущую величину в тепловое (тепловое) количество, эффективно возводя квадрат значений в реальном времени. Масштаб системы работает, чтобы усреднить эти значения по принципу тепловой инерции, а затем сама шкала измерительного прибора откалибрована, чтобы дать указание на основе квадратного корня термического измерения: совершенная индикация Root-Mean-Square на одном устройстве! Фактически, один крупный производитель инструмента применил этот метод в своей высокопроизводительной линейке электронных электронных мультиметров для возможности «истинного RMS».
Калибровка вольтметров и амперметров переменного тока для разных полномасштабных диапазонов работы такая же, как и с приборами постоянного тока: используются серии «множительные» резисторы для увеличения дальности вольтметра, а параллельные «шунтирующие» резисторы используются для измерения перемещений амперметра токов за пределами их естественного диапазона. Однако мы не ограничиваемся этими методами, как мы были с DC: поскольку мы можем использовать трансформаторы с переменным током, диапазоны измерителей могут быть электромагнитно, а не резистивно «активизированы» или «ушли», иногда далеко за пределы того, что резисторы практически допустили бы для. Потенциальные трансформаторы (PT) и трансформаторы тока (CT) - это высокоточные приборы, изготовленные для получения очень точных соотношений трансформации между первичной и вторичной обмотками. Они могут допускать небольшие простые измерения переменного тока, чтобы показывать чрезвычайно высокие напряжения и токи в энергосистемах с точностью и полной электрической изоляцией (что-то множитель и шунтирующие резисторы никогда не смогут сделать): (рис. Ниже)
(КТ) Трансформатор тока уменьшает ток вниз. (PT) Потенциальный трансформатор уменьшает напряжение.
Здесь показана панель измерителя напряжения и тока из трехфазной системы переменного тока. Три задних трансформатора тока (CT) можно увидеть в задней части панели. Три амперметра переменного тока (номинальное отклонение в 5 ампер с номинальной амплитудой 5 ампер) на передней панели панели показывают ток через каждый проводник, проходящий через КТ. Поскольку эта панель была удалена из эксплуатации, то в настоящее время нет токопроводящих проводников, проходящих через центр «пончиков» CT (рис. Ниже)
Тороидальные трансформаторы тока имеют высокий уровень тока для применения в 5 амперметрах переменного тока на 5 А.
Из-за расхода (и часто большого размера) измерительных трансформаторов они не используются для масштабирования счетчиков переменного тока для любых приложений, отличных от высокого напряжения и высокого тока. Для масштабирования движения миллиампов или микропамов в диапазоне 120 вольт или 5 ампер используются обычные прецизионные резисторы (множители и шунты), как и для постоянного тока.
- ОБЗОР:
- Поляризованные (DC) измерители движения должны использовать устройства, называемые диодами, чтобы указывать величины переменного тока.
- Электромеханические перемещения счетчиков, независимо от того, являются ли они электромагнитными или электростатическими, обеспечивают среднее значение измеряемой величины переменного тока. Эти инструменты могут варьироваться, чтобы указать значение RMS, но только если форма формы переменного тока точно известна заранее!
- Так называемые истинные RMS- метры используют разные технологии для предоставления указаний, представляющих фактический RMS (а не искаженный средний или максимальный) формы волны переменного тока.