قياسات التيار المتردد

أنت تعلم بالفعل أن الجهد المتردد يغير قطبيته، والتيار المتردد يغير اتجاهه. كما تعلم أيضًا أنه من خلال تتبع الاتجاهات المتناوبة للتيار المتردد (أقطاب الجهد المتردد) مع مرور الوقت، يمكنك رسم رسم بياني على شكل "موجة". يمكنك أيضًا حساب سرعة هذه التناوبات (التردد) من خلال تحديد زمن فترة الموجة الواحدة.

ومع ذلك، مازلت لا تعرف كيفية تحديد حجم التيار المتردد أو الجهد. عند العمل مع التيار المباشر (الجهد)، لا تنشأ مثل هذه المشاكل، لأن قيمته مستقرة. فكيف يمكنك قياس الكمية التي تتغير باستمرار؟

إحدى طرق حل هذه المشكلة هي قياس ارتفاع القمة على الرسم البياني الموجي (انظر الشكل أدناه):

هناك طريقة أخرى وهي قياس الارتفاع الإجمالي بين القمم المتقابلة (من الذروة إلى القمة):

لسوء الحظ، يمكن أن تكون كلتا الطريقتين مضللتين عند مقارنة نوعين مختلفين من الموجات. على سبيل المثال، موجة مربعةمع ذروة 10 فولت سوف يعقد هذا التوتر ل أكثرالوقت من موجة المثلث بنفس الذروة - 10 فولت. تأثير هؤلاءاثنين من الفولتية لكل حمل سوف تكون مختلفة (انظر الصورة أدناه):

طريقة واحدةالتعبير عن سعة الأشكال الموجية المختلفة هو المتوسط ​​الرياضي لقيم جميع النقاط على الرسم البياني في قيمة إجمالية واحدة. ويعرف هذا المقياس بالمتوسط ​​الموجي. إذا تم حساب متوسط ​​جميع نقاط الموجة جبريًا (أي يتم أخذ إشارتها، سواء كانت إيجابية أو سلبية، في الاعتبار)، فإن القيمة المتوسطة لمعظم الموجات ستكون مساوية للصفر، حيث أن النقاط الإيجابية للدورة الكاملة تعوض عن النقاط السلبية (انظر الشكل أدناه):

سيكون هذا صحيحًا بالطبع بالنسبة لأي شكل موجة له ​​أجزاء متساوية أعلى وتحت خط الصفر في الرسم البياني. ومع ذلك، من الناحية العملية، يتم تعريف متوسط ​​قيمة الموجة على أنه المتوسط ​​الرياضي لجميع النقاط في دورتها. بمعنى آخر، يتم حساب المتوسط ​​مع الأخذ في الاعتبار أن جميع النقاط لها قيم موجبة (انظر الشكل أدناه):

ستسجل مقاييس الاتصال غير الحساسة للقطبية (والتي تستجيب بشكل متساوٍ لأنصاف الدورات الموجبة والسالبة للتيار/الجهد المتردد) القيمة المتوسطة العملية للموجة، نظرًا لأن القصور الذاتي لمقياس الاتصال (الناجم عن توتر الزنبرك) سيسجل متوسط ​​القوة تنتجها قيم التيار / الجهد المختلفة مع مرور الوقت. على العكس من ذلك، فإن أجهزة القياس الحساسة للقطبية سوف "تهتز" عندما تتعرض للتيار المتردد/الجهد الكهربي، وسوف يتأرجح مؤشر القرص الخاص بها بسرعة حول علامة الصفر، مما يشير إلى القيمة المتوسطة الحقيقية (الجبرية) للموجة المتناظرة. سيتم ربط القيمة "المتوسطة" للموجة المذكورة لاحقًا في هذه المقالة بدقة مع القيمة المتوسطة "العملية"، ما لم تتم الإشارة إلى خلاف ذلك.

هناك طريقة أخرى للحصول على السعة الإجمالية للموجة تعتمد على قدرة تلك الموجة على القيام بعمل مفيد على مقاومة الحمل. لسوء الحظ، فإن قياس التيار/الجهد المتردد هذا سيختلف عن قيمة الموجة "المتوسطة" لأن تبديد الطاقة عند حمولة معينة(انتهى العمل لكل وحدة زمنية)،لا يتناسب طردياقيمة الجهد أو الحالي. القوة ستكون متناسبة مربع الجهدأو التيار المقدم لالمقاومة (P = E 2 / R، و P = I 2 R).

دعونا نلقي نظرة على المنشار الشريطي والمنشار، وهما نوعان من معدات الأعمال الخشبية الحديثة. يحتوي كلا النوعين من المناشير على شفرات مسننة رفيعة تعمل بمحركات كهربائية. ومع ذلك، يستخدم المنشار الشريطي حركة مستمرة للشفرة، بينما يستخدم المنشار حركة ترددية. يمكن تشبيه مقارنة التيار المتردد مع التيار المباشر بمقارنة هذين النوعين من المناشير:

مشكلة وصف حجم المكون المتغير موجودة أيضًا في هذا التشبيه: كيف يمكن التعبير عن سرعة حركة شفرة المنشار؟ تتحرك شفرة المنشار الشريطي بسرعة ثابتة، وهو ما يعادل جهدًا ثابتًا، ويكون حجمه دائمًا هو نفسه. تتحرك شفرة المنشار ذهابًا وإيابًا، وتتغير سرعة حركتها باستمرار. علاوة على ذلك، لا يمكن أن تكون الحركات الترددية لمنشاري تركيب بتصميمين مختلفين متماثلتين. يمكن وصف حركة شفرة أحد المنشار بشكل موجة جيبية، في حين يمكن وصف حركة شفرة منشار آخر بشكل موجة مثلث. من غير الصحيح تقدير سرعة حركة شفرة المنشار بناءً على قيم الذروة؛ وستكون هذه القيم مختلفة باختلاف أنواع مناشير التركيب. على الرغم مما سبق، فإن جميع أنواع المناشير تؤدي نفس الوظيفة (قطع الخشب)، ويمكن أن تكون المقارنة الكمية لهذه الوظيفة الشاملة بمثابة أساس لتقدير سرعة نصلها.

لنتخيل أن هناك منشارين بجانب بعضهما البعض: أحدهما منشار شريطي والآخر منشار. كلا هذين المناشير لهما نفس الشفرات (نفس درجة السن والزاوية وما إلى ذلك)، وهما قادران على حد سواء (بنفس السرعة) على قطع نفس النوع من الخشب وبنفس السمك. في هذه الحالة، يمكننا القول أن هذه المناشير متكافئة وقدرات القطع الخاصة بها (الشغل المنجز) متساوية. هل يمكن استخدام هذه المقارنة للتعبير عن السرعة الترددية لشفرة المنشار المقطوع بدلالة سرعة دوران شفرة المنشار الشريطي؟ بالتأكيد تستطيع! يتم استخدام نفس الفكرة "لتعيين" ما يعادل التيار المستمر (الجهد) للتيار المتردد المقاس (الجهد): نفس قيم التيار المستمر والتيار المتردد (الجهد) ستنتج نفس كمية الحرارة عبر نفس المقاومة (انظر الشكل أدناه):

تتمتع كلتا الدائرتين بنفس مقاومة الحمل (2 أوم)، والتي تبدد نفس مقدار الطاقة (50 واط) مثل الحرارة. ومع ذلك، يتم تغذية الدائرة الأولى بمصدر جهد تيار متردد، والثانية بمصدر جهد تيار مستمر. بما أن مصدر جهد التيار المتردد مكافئ (من حيث الطاقة التي يتم توصيلها إلى الحمل) لبطارية تيار مستمر بقدرة 10 فولت، فسوف نسميها مصدر تيار متردد "10 فولت". لمزيد من الوضوح، سوف نشير إلى قيمتها بـ 10 فولت آر إم إس. يشير الاختصار RMS إلى " معدل الجذر التربيعي" أو " قيمة RMS". إن خوارزمية حساب الجذر التربيعي لقيمة الجذر بسيطة: يتم ضرب كل قيمة بيانات خلال فترة محددة مسبقًا (عادةً دورة واحدة) في حد ذاتها (التربيع)، ثم يتم حساب متوسط ​​كل هذه القيم خلال الفترة (جمعها ثم مقسومًا على الإجمالي) ويتم أخذ الجذر التربيعي من القيمة الناتجة.

يتم استخدام قياس RMS في الغالبية العظمى من الأعمال الكهربائية (إنها أفضل طريقة لربط جهد/تيار التيار المتردد بجهد/تيار التيار المستمر، أو بجهود/تيارات تيار متردد أخرى لها أشكال موجية مختلفة). ولكن، في بعض الحالات يكون من الأفضل استخدام قياسات من الذروة إلى الذروة. على سبيل المثال، في تحديد اللازمةحجم السلكعندما يتعلق الأمر بتوصيل الطاقة الكهربائية من مصدر طاقة إلى الحمل، فمن الأفضل استخدام قياس التيار RMS، نظرًا لأن شاغلنا الرئيسي هو احتمال ارتفاع درجة حرارة السلك، وهي وظيفة تبديد الطاقة مع تدفق التيار عبر مقاومة السلك. ومع ذلك، عند تقييم عزل الأسلاك ذات الجهد العالي، فمن الأفضل استخدام قياسات من الذروة إلى الذروة، لأن القلق الرئيسي في هذه الحالة هو "الانهيار" المحتمل للعزل عند قيم الذروة.

من الأفضل قياس قيم الذروة أو الذروة إلى الذروة باستخدام راسم الذبذبات، والذي يمكنه التقاط قمم الموجات بدرجة عالية من الدقة بسبب العمل السريع لأنبوب أشعة الكاثود استجابةً لتغيرات الجهد. يمكن إجراء قياسات RMS باستخدام أجهزة القياس التناظرية (مقاييس الجلفانومتر D'Arsonval/Weston، وأجهزة القياس الكهرومغناطيسية، وأجهزة القياس الكهروديناميكية) إذا تمت معايرتها بأرقام RMS. نظرًا لأن القصور الذاتي الميكانيكي وتأثير التخميد لأجهزة القياس الكهروميكانيكية ينتج عنه انحراف إبرة يتناسب مع متوسط ​​التيار/الجهد المتردد (بدلاً من RMS)، يجب معايرة المقياس التناظري خصيصًا للإشارة إلى الجهد أو التيار عندآر إم إس وحدات. تعتمد دقة هذه المعايرة على شكل الموجة المقصود، وعادةً ما تكون موجة جيبية.

تعتبر العدادات الإلكترونية المصممة خصيصًا هي الأنسب لقياس قيم RMS. بعض الشركات المصنعة للأداةمتطور الأساليب الأصليةلتحديد قيم RMS لأي شكل أمواج. إنهم يصنعون أجهزة "True-RMS" التي تحتوي على عنصر تسخين مقاوم صغير يتم تشغيله بجهد يتناسب مع ما يتم قياسه. يتم قياس التأثير الحراري لعنصر معين حرارياً ، ويعطي صحيحامعنى آر إم إس. لا توجد حسابات رياضية يتم إجراؤها هنا على الإطلاق، كل شيء يعتمد على قوانين الفيزياء. دقة أدوات القياس هذهلا يعتمد على الشكل الموجي.

بالنسبة لأشكال الموجات المتناظرة، هناك عوامل تحويل بسيطة بين أنواع القيم التالية: الذروة، الذروة إلى الذروة (من الذروة إلى الذروة أو ر-ر)، المتوسط ​​العملي (متوسط ​​أو متوسط) والجذر يعني التربيع ( آر إم إس):

بالإضافة إلى قيم التيار/الجهد المتناوب المذكورة أعلاه، هناك أيضًا قيم تعبر عن التناسب بين بعض هذه القياسات الأساسية. عامل قمة موجات التيار المتردد، على سبيل المثال، يمثل نسبة الحد الأقصى لقيمة التيار/الجهد (الذروة) إلى قيمة جذر متوسط ​​المربع (RMS). شكل عاملشكل موجة التيار المتردد/الجهد هو نسبة قيمة جذر متوسط ​​التربيع (RMS) إلى قيمته المتوسطة العملية. يكون عامل القمة وعامل الشكل للموجة المربعة دائمًا 1 لأن قيمة الذروة لهذه الموجة تساوي قيم RMS وAVG. للموجة الجيبية قيمة RMS تبلغ 0.707 وعامل شكل 1.11 (0.707/0.636). تبلغ قيمة RMS للموجة المثلثية 0.577 وعامل الشكل 1.15 (0.577/0.5).

تذكر ، أن جميع التحولات المذكورة أعلاه تنطبق فقط على متماثل (صحيح)الأشكال الموجية. آر إم إس ومتوسطلا ترتبط الأشكال الموجية المشوهة نفس النسب:

هذا جدا مفهوم مهم لفهم. إذا كنت تستخدم مقياسًا تناظريًا تمت معايرته لقيم RMS الجيبية، فسيكون دقيقًا فقط عند قياس موجة جيبية "نقية". عند قياس أنواع أخرى من الموجات، لن يعطيك قيمة RMS الحقيقية.

نظرًا لأن شكل الموجة الجيبية هو الأكثر شيوعًا في القياسات الكهربائية، فإنه تتم معايرة الغالبية العظمى من أدوات القياس التناظرية عليه. يرجى ملاحظة أن هذا القيد ينطبق فقط على الأجهزة التناظرية البسيطة ولا ينطبق على الأجهزة المزودة بتقنية "True-RMS".