AC áram mérése

Azt már tudod, hogy a váltakozó feszültség polaritását, a váltakozó áram pedig az irányát. Azt is tudja, hogy a váltakozó áram (váltakozó feszültség polaritások) időbeli változásának nyomon követésével egy grafikont „hullám” formájában ábrázolhat. Ezen váltakozások sebességét (frekvenciáját) egy hullámperiódus idejének meghatározásával is kiszámíthatja.

Azonban még mindig nem tudja, hogyan határozza meg a váltakozó áram vagy feszültség nagyságát. Egyenárammal (feszültséggel) végzett munka során ilyen problémák nem merülnek fel, mivel az értéke stabil. Tehát hogyan mérhetsz olyan mennyiséget, amely folyamatosan változik?

A probléma megoldásának egyik módja a csúcs magasságának mérése a hullámgrafikonon (lásd az alábbi ábrát):

Egy másik módszer az ellentétes csúcsok közötti teljes magasság mérése (csúcstól csúcsig):

Sajnos mindkét módszer félrevezető lehet két különböző típusú hullám összehasonlításakor. Például, négyzethullám 10 voltos csúcsfeszültséggel tartja ezt a feszültséget több idő, mint háromszög hullám ugyanazzal a csúccsal - 10 volt. Ezek hatása terhelésenként két feszültség más lesz (lásd az alábbi képet):

Egyirányú A különböző hullámformák amplitúdójának kifejezése a grafikon összes pontjának értékeinek matematikai átlagolása egyetlen, átfogó értékké. Ezt a mértéket hullámközegnek nevezik. Ha az összes hullámpontot algebrai átlagoljuk (vagyis figyelembe vesszük az előjelüket, pozitív vagy negatív), akkor a legtöbb hullám átlagértéke nulla lesz, mivel a teljes ciklus pozitív pontjai kompenzálják a negatívakat. (lásd az alábbi ábrát):

Ez természetesen igaz minden olyan hullámformára, amelynek egyenlő részei vannak a grafikon nulla vonala felett és alatt. A gyakorlatban azonban egy hullám átlagértéke a ciklus összes pontjának matematikai átlaga. Más szavakkal, az átlagot úgy számítják ki, hogy minden pont pozitív értékkel rendelkezik (lásd az alábbi ábrát):

A polaritásra nem érzékeny mérőórák (amelyek egyformán reagálnak a váltakozó áram/feszültség pozitív és negatív félciklusaira) rögzítik a hullám gyakorlati átlagértékét, mivel a mérőóra tehetetlensége (amit a rugó feszültsége okoz) rögzíti az átlagos erőt. különböző áram-/feszültségértékek állítják elő az idő múlásával. Ezzel szemben a polaritásérzékeny mérőórák "rezegnek", ha váltakozó áramnak/feszültségnek vannak kitéve, és a mutatójuk gyorsan a nulla jel körül mozog, jelezve a szimmetrikus hullám valódi (algebrai) átlagértékét. A cikkben később említett hullám „átlagos” értéke pontosan korrelál a „gyakorlati” átlagértékkel, hacsak másképp nem jelezzük.

Egy másik módszer a hullám teljes amplitúdójának meghatározására azon alapul, hogy a hullám képes-e hasznos munkát végezni a terhelési ellenálláson. Sajnos ez az AC áram/feszültség mérés el fog térni az "átlagos" hullámértéktől, mert teljesítménydisszipáció adott terhelésnél(a munka elvégezve időegységenként), Nem egyenesen arányos feszültség nagysága vagy aktuális. A teljesítmény arányos lesz a feszültség négyzete vagy áramellátása ellenállás (P = E 2 / R és P = I 2 R).

Nézzünk egy szalagfűrészt és egy szúrófűrészt, kétféle modern famegmunkáló berendezést. Mindkét típusú fűrész vékony fogazott pengékkel rendelkezik, amelyeket elektromos motor hajt meg. A szalagfűrész azonban a penge folyamatos mozgását használja, míg a szúrófűrész oda-vissza mozgást használ. A váltóáram és az egyenáram összehasonlítása a két fűrésztípus összehasonlításához hasonlítható:

Ebben az analógiában is felmerül a változó komponens nagyságának leírásának problémája: hogyan fejezhető ki a szúrófűrészlap mozgási sebessége? A szalagfűrészlap állandó sebességgel mozog, ami egyenértékű állandó feszültséggel, amelynek nagysága mindig azonos. A szúrófűrészlap előre-hátra mozog, mozgásának sebessége folyamatosan változik. Ráadásul két különböző kialakítású szúrófűrész oda-vissza mozgása nem lehet azonos. Egy szúrófűrész pengéjének mozgása szinuszhullám alakzattal, míg egy másik szúrófűrész pengéjének mozgása háromszög hullámalakkal írható le. Helytelen a szúrófűrészlap mozgási sebességét csúcsértékek alapján megbecsülni, ezek az értékek eltérőek lesznek a különböző típusú szúrófűrészeknél. A fentiek ellenére minden típusú fűrész ugyanazt a munkát (favágást) látja el, és ennek az átfogó funkciónak a mennyiségi összehasonlítása alapul szolgálhat a fűrészlap sebességének becsléséhez.

Képzeljük el, hogy két fűrész van egymás mellett: az egyik egy szalagfűrész, a másik egy kirakós. Mindkét fűrésznek ugyanaz a pengéje (azonos fogosztás, szög stb.), és egyformán képesek (azonos sebességgel) azonos típusú és vastagságú fa vágására. Ebben az esetben azt mondhatjuk, hogy ezek a fűrészek egyenértékűek, és vágási képességeik (végzett munka) azonosak. Használható-e ezzel az összehasonlítással a szúrófűrészlap oda-vissza mozgási sebessége a szalagfűrészlap forgási sebességével? Természetesen megteheti! Ugyanezt az ötletet használják az egyenáram (feszültség) egyenértékének "hozzárendelésére" a mért váltóáramhoz (feszültség): ugyanazok az egyenáram és váltóáram (feszültség) értékei ugyanannyi hőt termelnek ugyanazon az ellenálláson. (lásd az alábbi ábrát):

Mindkét áramkör terhelési ellenállása megegyezik (2 ohm), amely ugyanannyi teljesítményt (50 W) oszlat el, mint a hő. Azonban az első áramkört váltóáramú feszültségforrás, a másodikat egyenáramú feszültségforrás táplálja. Mivel az AC feszültségforrás (a terhelésre leadott teljesítmény tekintetében) egy 10 voltos egyenáramú akkumulátorral egyenértékű, ezt "10 voltos" váltóáramú forrásnak nevezzük. A nagyobb érthetőség kedvéért az értékét 10 V-ként jelöljük RMS. Az RMS rövidítés a " Négyzetes közép"vagy" RMS érték". A négyzetgyökérték kiszámításának algoritmusa egyszerű: egy előre meghatározott időszak (általában egy ciklus) alatt minden adatértéket megszoroznak önmagával (négyzetezés), majd az adott periódus alatti összes ilyen értéket átlagolják (összeadják, majd osztva az összeggel) és a kapott értékből a négyzetgyököt veszik.

Az RMS mérést az elektromos munkák túlnyomó többségében használják (ez a legjobb módja a váltakozó feszültség/áram és az egyenfeszültség/áram viszonyításának, vagy más, eltérő hullámformájú váltakozó feszültséggel/árammal). Bizonyos esetekben azonban jobb a csúcstól csúcsig mérést alkalmazni. Például, nál nél a szükséges meghatározása vezeték mérete Amikor az áramforrásról a terhelésre kell áramot juttatni, célszerűbb az RMS árammérést használni, mivel a fő gondunk a vezeték esetleges túlmelegedése, ami a teljesítmény disszipáció függvénye, amikor az áram áthalad a vezeték ellenállásán. a vezeték. A nagyfeszültségű vezetékek szigetelésének értékelésekor azonban a legjobb a csúcstól-csúcsig mérést alkalmazni, mivel ebben az esetben a fő gond a szigetelés esetleges „lebomlása” csúcsértékeknél.

A csúcs vagy a csúcstól a csúcsig értékek mérését legjobban oszcilloszkóppal lehet elvégezni, amely nagy pontossággal képes rögzíteni a hullámhegyeket a katódsugárcső feszültségváltozásokra adott gyors működése miatt. RMS mérések végezhetők analóg mérőkkel (D'Arsonval/Weston galvanométerek, elektromágneses mérők, elektrodinamikus mérők), ha azok RMS számokkal vannak kalibrálva. Mivel az elektromechanikus mérők mechanikai tehetetlensége és csillapító hatása az átlagos váltakozó árammal/feszültséggel arányos tűelhajlást eredményez (nem pedig RMS), az analóg mérőt kifejezetten úgy kell kalibrálni, hogy jelezze a feszültséget vagy áramerősséget RMS egységek. Ennek a kalibrálásnak a pontossága a tervezett hullámformától, általában szinuszhullámtól függ.

A speciálisan tervezett elektronikus mérőórák a legalkalmasabbak az RMS-értékek mérésére. Néhány hangszergyártók fejlett eredeti módszerek bármilyen alakú RMS érték meghatározásához hullámok. „True-RMS” eszközöket gyártanak, amelyek egy apró ellenállásos fűtőelemet tartalmaznak, amelyet a mért értékkel arányos feszültség táplál. Egy adott elem termikus hatását termikusan mérjük , és igazat ad jelentése RMS. Itt egyáltalán nem végeznek matematikai számításokat, minden a fizika törvényein alapul. Az ilyen mérőeszközök pontossága nem függ a hullámformától.

Szimmetrikus hullámformák esetén egyszerű konverziós tényezők vannak a következő típusú értékek között: csúcs, csúcstól csúcsig (Peak-to-Peak ill. R-R), gyakorlati átlag (Átlagos ill AVG) és az átlagos négyzet ( RMS):

A fent felsorolt ​​váltóáram/feszültség értékeken kívül vannak olyan értékek is, amelyek kifejezik az arányosságot ezen alapvető mérések között. Címer faktor AC hullámok, Például, a maximális (csúcs) áram/feszültség érték és a négyzetes középérték (RMS) arányát jelenti. Forma tényező A váltakozó áram/feszültség hullámforma a négyzetes középérték (RMS) és a gyakorlati átlagérték aránya. A négyszöghullám csúcstényezője és alaktényezője mindig 1, mivel ennek a hullámnak a csúcsértéke megegyezik az RMS és az AVG értékekkel. Egy szinuszhullám RMS értéke 0,707, alaktényezője 1,11 (0,707/0,636). A háromszöghullám RMS értéke 0,577, alaktényezője 1,15 (0,577/0,5).

Tartsd észben , hogy az összes fenti transzformáció csak a szimmetrikus (helyes) hullámformák. RMS és átlagos a torz hullámformák nem kapcsolódnak egymáshoz ugyanazok az arányok:

Ez nagyon fontos fogalmat kell megérteni. Ha szinuszos RMS-értékekre kalibrált analóg mérőműszert használ, az csak akkor lesz pontos, ha „tiszta” szinuszhullámot mér. Más típusú hullámok mérésekor nem ad meg a valódi RMS értéket.

Mivel az elektromos méréseknél a szinuszos hullámforma a legelterjedtebb, az analóg mérőműszerek túlnyomó többsége erre van kalibrálva. Felhívjuk figyelmét, hogy ez a korlátozás csak az egyszerű analóg eszközökre vonatkozik, és semmilyen módon nem vonatkozik a „True-RMS” technológiával rendelkező eszközökre.