Модернизация комбинированного вольтметра в7-40 для измерения среднеквадратических значений переменного напряжения и тока

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».

мультиметр с True RMS

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

генератор частоты

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

треугольный сигнал

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

среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения

• 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.

Охранные устройства

• СМС извещатель / 25.10.2019
• Автономная система автосигнализации / 25.04.2018
• Кодовый звонок с одной кнопкой на Arduino Pro Mini / 13.04.2018
• Автономная автосигнализация / 23.03.2018
• Контроллер доступа Mellon-1 / 16.03.2018
• Охранное устройство на микроконтроллере ATtiny2313 / 10.03.2018
• Простейшее охранное устройство / 23.11.2017
• Система охраны автомобиля со спутниковым слежением за координатами и передачей оповещений по каналу GSM (Часть 2) / 02.10.2015
• Система охраны автомобиля со спутниковым слежением за координатами и передачей оповещений по каналу GSM (Часть 1) / 01.10.2015
• Электронный «сторож» на микроконтроллере / 29.08.2015
• Семиканальный электронный ключ / 29.08.2015
• Микроконтроллерное устройство охраны / 02.07.2013
• Мобильный GSM-сигнализатор / 21.06.2013
• Ультразвуковой сигнализатор возгорания / 19.04.2013
• Сопряжение охранно-пожарного прибора с сотовым телефоном / 07.11.2012
• Автономное охранное устройство / 23.08.2012
• Сигнализатор опасных газов / 30.11.2010
• Двухканальный кодовый замок / 31.03.2010
• Устройство дистанционного контроля исправности пьезоэлектрических датчиков / 21.12.2009
• Пьезодатчик в охранной сигнализации / 15.04.2009

Страницы:

По назначению все вольтметры делятся

Вольтметры переменного тока, как и постоянного используются для измерений в сетях с соответствующим типом тока, а вот селективные – могут отделять гармоническую составляющую сложного сигнала, и определять среднеквадратическое значение напряжения.

Импульсный вольтметр обычно используют для измерений амплитуды постоянных импульсных сигналов, а также они способны точно определить амплитуду одиночного импульса.

Фазочувствительные приборы могут измерять изменения составляющих комплексных напряжений, благодаря чему становится возможным точное исследование амплитудно-фазовой характеристики усилителей, и прочих подобных схем.

По принципу действия различают электронные (цифровые или аналоговые), и электромеханические вольтметры (электромагнитные, термоэлектрические, а также магнитоэлектрические, электродинамические и электростатические).

Все электромеханические приборы, за исключением термоэлектрических, по сути, являются обычным измерительным механизмом с показывающим устройством. Во всех них для расширения пределов измерений применяются дополнительные сопротивления.

Термоэлектрический вольтметр использует для замеров электродвижущую силу одной или нескольких термопар, которые греются из-за тока входящего сигнала. Они более точны и компактны, в сравнении с электромеханическими измерителями напряжения.

Электронные вольтметры в свою очередь подразделяются на цифровые и аналоговые.

Цифровой вольтметр преобразует постоянное значение напряжения в цифровой сигнал, который и выводится на табло прибора. Делается это при помощи аналого-цифрового преобразователя.

В аналоговых вольтметрах помимо магнитоэлектрического измерителя и дополнительных резисторов в обязательном порядке присутствует измерительный усилитель, позволяющий в несколько раз повысить внутреннее сопротивление прибора, и соответственно – улучшить точность показаний.

Среднеквадратичное значение напряжения

Итак, что же у нас получилось? Как и постоянное напряжение, так и переменное напряжение  зажигали одну и ту же лампочку, которая кушала одну и ту же мощность.  Значит эта осциллограмма

и вот эта осциллограмма

Чем то похожи? Но чем??? 

Среднеквадратичное значение напряжения — это такое  значение переменного напряжения, при котором нагрузка потребляет столько же силы тока, как и при постоянном напряжении.  То есть лампочка у нас потребляла 1,71 Ампер и при постоянном токе и при переменном.  То есть, в двух этих случаях, мощность, которую потребляла лампочка, была одинакова.

Также среднеквадратичное напряжение еще называют действующим или эффективным значением напряжения. С помощью несложных умозаключений, инженеры-электрики пришли к выводу действующее (оно же среднеквадратичное) напряжение синусоидального сигнала  любой частоты равняется максимальной его амплитуде, поделенной  на корень из двух

Стоп! Мы ведь не разобрали, что такое максимальная амплитуда! На осциллограмме максимальная амплитуда выглядит примерно вот так:

Если даже посчитать по клеточкам и посмотреть, чему равняется одна клеточка по вертикали (смотрим внизу слева, она равняется 5 Вольт), то U_max = 17 Вольт. Делим это значение на корень из двух. Я беру это значение как 1,41. Получаем, что среднеквадратичное значение равняется 17/1,41=12,06 Вольт. Ну что, все верно

Значит, когда нам говорят, что напряжение в розетке равняется 220 Вольт, то мы то знаем, что на самом деле это среднеквадратичное напряжение.  Максимальная амплитуда этих  220 Вольт равняется 220х1,41=310 Вольт.

Где же  среднеквадратичное напряжение и максимальная амплитуда сигнала прячутся на табличке измерений? Да вот  же они!

Vk — это и есть среднеквадратичное напряжение этого сигнала.

Ma — это  и есть Umax.

Конечно, 16,6/1,41=11,8  Вольт, а он пишет 12,08 Вольт.

ВЧ усилители мощности

Усилитель мощности на 144 МГц

Усилитель мощности на 144 МГц

КАСКОДНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДЛЯ СВ-РАДИОСТАНЦИИ
Линейный усилитель мощности на 144 МГц
ДВУХТАКТНЫЙ ОКОНЕЧНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕДАТЧИКА
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ УКВ РАДИОСТАНЦИИ
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДЛЯ QRP ТРАНСИВЕРА
Широкополосный усилитель мощности
ПОВЫШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ПЕРЕДАТЧИКОВ
НАЛАДКА ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
Антенный усилитель для радиопередатчика
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ CB-РАДИОСТАНЦИИ
Линейный широкополосный усилитель мощности (UA4UDF)
АНТЕННЫЙ БЛОК
ВЫХОДНОЙ КАСКАД РАДИОСТАНЦИИ
Усилитель мощности на 27 МГц
Широкополосный усилитель мощности
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (ламповый)
Усилитель мощности KB радиостанции
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
Маломощный линейный усилитель на 430 МГц
Маломощный усилитель класса С на 430 МГц
УЗЕЛ УПРАВЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ
Трансивер «YES-97». Усилитель мощности
Трансивер «YES-97». Драйвер выходного каскада
Усилитель мощности для работы QRP на НЧ диапазонах
БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ В УСИЛИТЕЛЕ МОЩНОСТИ
Широкополосные усилители мощности на полевых транзисторах
Усилитель мощности на КП904
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ДЛЯ СВ-РАДИОСТАНЦИИ (на лампe)
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ KB ТРАНСИВЕРА (В.Скрыпник)

Бытовая техника

• Усовершенствование модуля управления стиральной машиной / 30.09.2019
• USB-разъём в старом телевизоре / 10.07.2019
• Простой бесперебойный источник питания для системного блока компьютера / 07.01.2019
• Предусилитель для усилителя своими руками / 20.12.2018
• Сетевое питание электробритвы Supra RS-201 / 09.09.2018
• Четырёхтональный генератор на микросхеме TS31002 / 23.01.2018
• Терморегулятор водонагревателя / 14.01.2018
• Усилитель на TDA2030А / 19.12.2017
• Схема звукового генератора на транзисторах / 08.12.2017
• Драйвер для шагового двигателя из принтера / 30.11.2017
• Зарядное устройство для шуруповёрта / 10.10.2017
• Доработка электробритвы VT-1378BK / 27.07.2017
• Устройство надёжного запуска компрессора холодильника / 19.06.2017
• Ремонт и модернизация бытового холодильника / 12.01.2016
• Двухскоростной режим односкоростного вентилятора / 22.09.2014
• Трёхканальный сигнализатор повышенной температуры / 28.07.2014
• Восстановление работоспособности педали швейной машины Веритас / 29.05.2014
• Доработка сетевого фильтра-удлинителя / 13.05.2014
• Электронный таймер BND-50/SG1 — универсальный узел управления мощной нагрузкой / 03.02.2014
• Настенные часы-термометр / 06.12.2013

Страницы:

Среднеквадратичное значение (RMS) для дискретных данных

Как преобразовать приведенную выше формулу во что-то, что можно применить к дискретным данным? Другими словами, как мы можем вычислить среднеквадратичное значение оцифрованного сигнала?

Давайте посмотрим на это так: сначала, вместо функции (например, x(t)), мы возводим в квадрат отдельные значения (например, x, x, x и т.д.). Затем, когда мы переходим от сигнала, непрерывного по времени, к сигналу, дискретному времени, интегрирование становится суммированием, а временной интервал становится «интервалом» точек данных, то есть количеством точек данных, которые были суммированы. И в конце у нас идет квадратный корень, который не меняется.

Таким образом, мы можем записать наш расчет среднеквадратичного значения (RMS), дискретного по времени, следующим образом:

\^2 + x^2 + … + x^2)}\]

Это начинает казаться знакомым? Мы возводим значения в квадрат, суммируем их, делим на количество значений и извлекаем квадратный корень.

Есть только два отличия между этой процедурой и процедурой, которую мы используем для расчета стандартного отклонения:

• В случае RMS мы делим на N; со стандартным отклонением мы (обычно) делим на N–1. Мы можем игнорировать эту разницу, потому что использование N–1 – это просто попытка компенсировать небольшой размер выборки (для получения дополнительной информации смотрите предыдущую статью).
• В случае RMS мы возводим в квадрат точки данных; в случае стандартного отклонения мы возводим в квадрат разницу между каждой точкой данных и средним значением.

Если мы пытаемся установить связь между среднеквадратичным значением и стандартным отклонением, второе различие может показаться решающим.

Однако учтите следующее: если среднее значение равно нулю, как это часто бывает в электрических сигналах, не будет никакой разницы между вычислением RMS и вычислением стандартного отклонения. Другими словами, для сигнала без смещения по постоянному току стандартное отклонение сигнала также равно среднеквадратичному значению.

Типы вольтметров

Аналоговые вольтметры

Включает отклоняющий тип индикаторных измерителей напряжения. Аналоговый вольтметр можно разделить на три категории.

• Инструменты с подвижной катушкой
• Движущиеся железно
• Электростатический вольтметр

Инструменты с подвижной катушкой

Тип измерительных приборов с подвижной катушкой Аналоговые вольтметры доступны в двух типах. Они есть:

• Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом
• Инструменты с подвижной катушкой

Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом

Инструменты с постоянными магнитами с подвижной катушкой реагируют только на постоянный ток. Эти инструменты имеют постоянный магнит для создания магнитного поля. Катушка намотана на кусок мягкого железа и вращается вокруг собственной вертикальной оси. Когда ток течет через катушку, отклоняющий крутящий момент генерируется в соответствии с уравнением силы Лоренца.

Приборы с подвижной катушкой типа «Динамо» состоят из двух катушек. Одна катушка зафиксирована, а другая катушка вращается вокруг нее. Взаимодействие двух полей создает отклоняющий момент.

Инструменты с подвижным железом

Инструменты с подвижным железом используются в цепях переменного тока и подразделяются на инструменты с простым подвижным железом, типом динамометра и индукционным. Он состоит из мягкого железа, содержащего подвижные и неподвижные катушки.

Взаимодействие потоков, создаваемых этими элементами, создает отклоняющий момент. Диапазоны расширены за счет удержания резисторов последовательно с катушкой.

Электростатический вольтметр

Он работает по электростатическому принципу, когда отталкивание между двумя зарядовыми пластинами отклоняется от указателя, прикрепленного к пружине.

Эти приборы используются для измерений переменного и постоянного тока высокого напряжения. Это высокочувствительные приборы, способные измерять минимальное напряжение заряда, а также напряжение высокого диапазона почти 200 кВ.

Вакуумный ламповый вольтметр

Эти типы инструментов могут работать как с переменным / постоянным напряжением, так и с измерениями сопротивления. Эти устройства используют электронный усилитель между входом и счетчиком.

Если это устройство использует вакуумную лампу в усилителе, то это называется вакуумным ламповым вольтметром (VTVM). VTVM используются в измерениях переменного тока высокой мощности.

Полевой транзистор (FET) — это транзистор, который использует электрическое поле для управления электрическим поведением устройства. Они также известны как униполярные транзисторы. Вольтметр на основе полевых транзисторов использует это свойство полевых транзисторов при измерении напряжения.

Цифровой вольтметр (DVM)

DVM отображает напряжение с помощью светодиодов или ЖК-дисплеев для отображения результата. Прибор должен содержать аналого-цифровой преобразователь. Устройство содержит запрограммированный микроконтроллер, АЦП и ЖК-дисплей для обеспечения точного цифрового отображения аналоговых значений от 0 до 15 вольт постоянного тока.

Они используются из-за таких свойств, как точность, долговечность и уменьшают ошибки параллакса.

Микросхема СА3162Е

Но существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, есть микросхема СА3162Е, которая предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.

Микросхема СА3162Е представляет собой АЦП с максимальным входным напряжением 999 mV (при этом показания «999») и логической схемой, которая выдает сведения о результате измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации.

Чтобы получить законченный прибор нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а так же, трех управляющих ключей.

Тип индикаторов может быть любым, -светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.

Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.

Сфера применения и советы по выбору

Различные виды амперметров широко используются во многих сферах деятельности человека. Отраслями, в которых применяется этот прибор, являются:

• энергетика;
• электротехника;
• радиоэлектроника;
• строительство;
• транспорт;
• научные исследования.

В быту и повседневной жизни амперметр нужен для самостоятельного мелкого ремонта электроприборов. Автолюбители используют его в процессе контроля заряда аккумуляторов.

Если возникла необходимость срочно измерить переменный ток, а под рукой только амперметр постоянного тока, тогда можно выпрямить ток с помощью диодного моста и к нему подключить прибор. Несколько советов перед покупкой прибора:

• если необходима повышенная точность, лучше подойдёт прибор с сопротивлением меньше 0,5 Ом;
• антикоррозийное покрытие контактов продлит их срок службы;
• герметичный корпус препятствует проникновению влаги в рабочий механизм и увеличивает износостойкость и точность;
• для удобства больше всего подойдёт цифровой измеритель.

Соблюдая эти нехитрые правила, можно избежать покупки некачественного прибора и приобрести именно то, что нужно. Правильно выбранное устройство станет незаменимым помощником в работе и прослужит долгие годы.

Среднеквадратичное значение (RMS, Root Mean Square)

Большинство из нас, вероятно, впервые узнали о значениях RMS в контексте анализа сигналов переменного тока. В системах переменного тока среднеквадратичное значение напряжения или тока часто более информативно, чем значение, определяющее пиковое напряжение или ток, потому что RMS является более прямым путем к определению рассеиваемой мощности.

Мы не можем использовать пиковое значение напряжения или тока при расчете рассеиваемой мощности, потому что напряжение или ток постоянно меняются, и, следовательно, мгновенная рассеиваемая мощность также изменяется. Расчет на основе пикового значения приведет к завышению усредненной по времени мощности.

Среднеквадратичные значения позволяют рассчитывать рассеиваемую мощность, как если бы мы работали со значениями постоянного тока. Конкретнее, среднеквадратичное значение синусоидального напряжения или тока равно амплитуде сигнала постоянного напряжения или тока, которая создаст такое же количество усредненной по времени рассеиваемой мощности.

Батарея 12 В, подключенная к резистору 10 Ом, будет генерировать 122/10 = 14,4 Вт (мгновенной и средней) мощности. Если мы заменим батарею на источник переменного напряжения со среднеквадратичным значением напряжения 12 В, (средняя) мощность будет такой же.

Когда мы работаем с синусоидальными сигналами, вычислить среднеквадратичные значения просто: мы просто делим пиковое значение на \(\sqrt{2}\). Следующая диаграмма представляет собой интересную иллюстрацию этой взаимосвязи.

Рисунок 1 – Здесь мы вычисляем среднеквадратичное значение синусоидального сигнала, разделив пиковое значение на √2.

Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока. Постоянное напряжение 1 В, поданное на цепь с сопротивлением R, будет создавать 12/R=1/R Вт мощности. Взглянув на рисунок выше, мы можем видеть, что синяя кривая имеет среднее значение 1; таким образом, поскольку синяя кривая равна квадрату красной кривой, средняя мощность, генерируемая красной кривой, также будет равна 1/R.

Теперь обратите внимание на пиковое значение красной кривой: оно равно \(\sqrt{2}\) (приблизительно 1,4). Это подтверждает, что нам нужно разделить пиковое значение на \(\sqrt{2}\), чтобы определить значение, которое даст заданную среднюю мощность при применении стандартной формулы V2/R или I2R