что такое измерение true rms

Бюджетный вариант измерения TrueRMS

Измерение trueRMS переменного напряжения — задача не совсем простая, не такая, какой она кажется с первого взгляда. Прежде всего потому, что чаще всего приходится измерять не чисто синусоидальное напряжение, а нечто более сложное, усложнённое наличием гармоник шумов.

Поэтому соблазнительно простое решение с детектором среднего значения с пересчётом в ср.кв. значения не работает там, где форма сигнала сильно отличается от синусоидальной или просто неизвестна.

Профессиональные вольтметры ср. кв. значения — это достаточно сложные устройства как по схемотехнике, так и по алгоритмам [1,2]. В большинстве измерителей, которые носят вспомогательный характер и служат для контроля функционирования, такие сложности и точности не требуются.

Также требуется, чтобы измеритель мог быть собран на самом простом 8-битном микроконтроллере.

Общий принцип измерения

Пусть имеется некое переменное напряжение вида, изображённого на рис. 1.

Квазисинусоидальное напряжение имеет некий квазипериод T.

Преимущество измерения среднеквадратичного значения напряжения в том, что в общем случае время измерения не играет большой роли, оно влияет только на частотную полосу измерения. Большее время даёт большее усреднение, меньшее даёт возможность увидеть кратковременные изменения.

Базовое определение ср. кв. значения выглядит вот таким образом:

где u(t) — мгновенное значение напряжения
T — период измерения

Таким образом, время измерения может быть, вообще говоря, любым.

Для реального измерения реальной аппаратурой для вычисления подинтегрального выражения необходимо проквантовать сигнал с некоторой частотой, заведомо превосходящей не менее, чем в 10 раз частоту квазисинусоиды. При измерении сигналов с частотами в пределах 20 кГц это не представляет проблемы даже для 8-битных микроконтроллеров.

Другое дело, что все стандартные контроллеры имеют однополярное питание. Поэтому измерить мгновенное переменное напряжение в момент отрицательной полуволны не представляется возможным.

В работе [3] предложено довольно остроумное решение, как внести постоянную составляющую в сигнал. Вместе с тем в том решении определение момента, когда стоит начать или закончить процесс вычисления ср. кв. значения представляется довольно громоздким.

В данной работе предлагается метод преодоления этого недостатка, а также вычисление интеграла с большей точностью, что позволяет снизить число точек выборки до минимума.

Особенности аналоговой части измерителя

На рис. 2 показано ядро схемы предварительной аналоговой обработки сигнала.

Сигнал поступает через конденсатор C1 на усилитель-формирователь, собранный на операционном усилителе DA1. Сигнал переменного напряжения замешивается на неинвертирующем входе усилителя с половиной опорного напряжения, которое используется в АЦП. Напряжение выбрано 2.048 В, поскольку в компактных устройствах часто используется напряжение питания +3.6 В и менее. В иных случаях удобно использовать 4.048 В, как в [3].

С выхода усилителя-формирователя через интегрирующую цепочку R3-C2 сигнал поступает на вход АЦП, который служит для измерения постоянной составляющей сигнала (U0). C усилителя-формирователя сигнал U’ — это измеряемый сигнал, сдвинутый на половину опорного напряжения. Таким образом, чтобы получить переменную составляющую, достаточно вычислить разность U’-U0.
Сигнал U0 используется также в качестве опорного для компаратора DA2. При переходе U’ через значение U0 компаратор вырабатывает перепад, который используется для формирования процедуры прерывания для сбора измерительных отсчётов.

Важно, что во многие современные микроконтроллеры встроены как операционные усилители, так и компараторы, не упоминая АЦП.

На рис. 3 дан базовый алгоритм для случая измерения величины переменного напряжения с основной частотой 50 Гц.

Запуск измерения может осуществляться по любому внешнему событию вплоть до кнопки, нажимаемой вручную.

После запуска в первую очередь измеряется постоянная составляющая во входном сигнале АЦП, а затем контроллер переходит в ожидание положительного перепада на выходе компаратора. Как только прерывание по перепаду наступает, контроллер делает выборку из 20 точек с временным шагом, соответствующим 1/20 квазипериода.

В алгоритме написано X мс, поскольку низкобюджетный контроллер имеет собственное время задержки. Чтобы измерение происходило в правильные моменты времени, необхоимо учитывать эту задержку. Поэтому реальная задержка будет меньше 1 мс.

В данном примере задержка соответствует измерениям квазисинусоид в диапазоне 50 Гц, но может быть любой в зависимости от квазипериода измеряемого сигнала в пределах быстродействия конкретного контроллера.

При измерениях ср.кв. значения напряжения произвольного квазипериодического сигнала, если априори неизвестно, что это за сигнал, целесообразно измерить его период, используя встроенный в контроллер таймер и тот же выход компаратора. И уже на основании этого замера устанавливать задержку при осуществлении выборки.

Вычисление среднеквадратичного значения

После того, как АЦП создал выборку, имеем массив значений U'[i], всего 21 значение, включая значение U0. Теперь, если применить формулу Симпсона (точнее, Котеса) для численного интергрирования, как наиболее точную для данного применения, то получим следующее выражение:

где h — шаг измерения, а нулевой компонент формулы отсутствует, поскольку он равег 0 по определению.

В результате вычисления мы получим значение интеграла в чистом виде в формате отсчётов АЦП. Для перевода в реальные значения полученное значение нужно промасштабировать с учётом величины опорного напряжения и поделить на интервал времени интегрирования.

где Uоп — опорное напряжение АЦП.

Если всё пересчитать в мВ, K приблизительно равняется просто 2. Масштабный коэффициент относится к разностям в квадратных скобках. После пересчёта и вычисления S делим на интервал измерения. С учётом множителя h фактически получаем деление на целое число вместо умножения на h с последующим делением на интервал времени измерения.

И в финале извлекаем квадратный корень.

И вот тут самое интересное и сложное наступает. Можно, разумеется, использовать плавающую точку для вычислений, поскольку язык C это допускает даже для 8-битных контроллеров, и производить вычисления непосредственно по приведённым формулам. Однако скорость расчёта упадёт существенно. Также можно выйти за пределы весьма небольшого ОЗУ микроконтроллера.

Чтобы такого не было, нужно, как верно указано в [3], использовать фиксированную точку и оперировать максимум 16-битными словами.

Автору эту проблему удалось решить и измерять напряжение с погрешностью Uоп/1024, т.е. для приведённого примера с точностью 2 мВ при общем диапазоне измерения ±500 мВ при напряжении питания +3.3 В, что достаточно для многих задач мониторинга процессов.

Программная хитрость состоит в том, чтобы все процессы деления, по возможности, делать до процессов умножения или возведения в степень, чтобы промежуточный результат операций не превышал 65535 (или 32768 для действий со знаком).

Конкретное программное решение выходит за рамки данной статьи.

В данной статье рассмотрены особенности измерения среднеквадратичных значений напряжения с помощью 8-битных микроконтроллеров, показан вариант схемной реализации и основной алгоритм получения отсчётов квантования реального квазисинусоидального сигнала.

Источник

Обзор True RMS мультиметра RGK DM-30

Содержание

Содержание

Характеристики:

Комплект поставки:

Мультиметр RGK DM-30 поставляется в фирменной коробке с указанием основных возможностей изделия:

Комплект поставки базовый и включает в себя непосредственно мультиметр, щупы, термопару, две щелочные батарейки и инструкцию по эксплуатации:

Богатый функционал прибора поддерживает подключение внешних токовых клещей и термопар К-типа, позволяя измерять переменные и постоянные токи до 60А, а также температуру до 400ºС. Они, к сожалению, в комплект не входят и при необходимости приобретаются отдельно.

Внешний вид:

Дизайн данной модели проработан до мелочей:

Цветовая гамма, компоновка элементов и некоторые особенности повторяют модели компании UNI-T. При сравнении двух моделей лицом к лицу можно заметить некоторые сходства:

Если посмотреть модельный ряд UNI-T, то мультиметр RGK DM-30 очень напоминает модель UT139C:

Я не буду вдаваться в подробности, но могу предположить, что компания RGK заказывает производство наиболее удачных моделей у UNI-T, а учитывая тот факт, что это один из мировых лидер ов по производству измерительного инструмента, в качестве можно быть уверенным на сто процентов. К тому же компания RGK очень скрупулезно относится к предпродажной проверке своих изделий, поэтому качество должно быть на высоте.

Что касается функционала, то перед нами очень интересный прибор с поддержкой True RMS измерений, фиксацией максимальных и минимальных значений, автоматическим выбором диапазонов измерения, автовыключением через 15 минут бездействия и наличием всевозможных защит.

Переключение режимов измерения осуществляется поворотным барабаном:

Переключение упругое и сопровождается звуковым сигналом. Многие режимы совмещены на одном положении барабана и выбираются нажатием правой кнопки «Select» синего цвета. Левая кнопка желтого цвета предназначена для фиксации показаний на дисплее или для включения подсветки. Последняя бывает очень полезна при измерениях в условиях недостаточной освещенности. В данной модели установлен 6000-разрядный дисплей с подсветкой размерами 58х36 мм:

Показания читаются идеально, углы обзора большие. Стандартное время работы подсветки 15 секунд.

Гнезда стандартные и рассчитаны под 4мм «бананы»:

Можно использовать как комплектные щупы, так и сторонние.

Очень радует наличие силиконового бампера по периметру корпуса:

Он прекрасно защищает основной пластиковый корпус от небольших ударов и падений, а также препятствует скольжению на гладких поверхностях. Специальные выступы в верней части бампера позволяют фиксировать щупы:

Все это позволяет хранить мультиметр в собранном виде и не тратить время на размотку и подключение щупов:

Такое решение будет особенно полезно для электромонтеров и радиотехников на различных предприятиях, когда при отдельном хранении щупы могут просто потеряться или выпасть из «чемоданчика».

Не менее полезной будет и подставка:

В некоторых случаях она позволит расположить мультиметр для более удобного считывания показаний:

Подставка совмещена с крышкой батарейного отсека. Для установки или замены элементов питания необходимо выкрутить крепежный винт:

Питание осуществляется от двух пальчиковых элементов (АА) с напряжением 1,2В-1,5В, две щелочные батарейки присутствуют в комплекте. В этом заключается большой плюс, поскольку такие элементы более распространены и обладают большей энергоемкостью по сравнению с 9В элементами типа Крона.

Щупы с проводами:

В комплекте с мультиметром RGK DM-30 поставляются достаточно хорошие щупы с проводами:

Наконечники снабжены съемными защитными колпачками, которые будут полезны при измерении электрических параметров в устройствах с плотной компоновкой:

Сечение проводов составляет 18AWG:

При сравнении с наиболее распространенными щупами от приборов серии DT830, разница видна невооруженным взглядом, тут без комментариев:

Также в комплекте идет термопара К-типа, позволяющая измерять температуру до 100ºС:

Управление:

Управление прибором очень простое и производится с помощью барабана и кнопок управления:

Назначения кнопок:

Механической защиты в гнездах прибор не имеет, поэтому переключая барабан после измерения токов на напряжение, будьте внимательны, иначе спалите предохранитель. Неправильной полярности прибор не боится и если это произошло, выводит знак минус на дисплее. Присутствует 15-секундная подсветка и автовыключение через 15 минут бездействия. Если зажать кнопку Select при включении прибора, автовыключение станет неактивным.

Устройство:

Для разборки мультиметра RGK DM-30 необходимо снять силиконовый чехол:

Затем открутить винт крепления крышки батарейного отсека и два винта, крепящие корпус:

Качество изготовления очень хорошее: пайка ровная и аккуратная, остатков флюса нет, варисторы и термисторы для высоковольтной защиты присутствуют. Если посмотреть на плату, то можно заметить маркировку UT139C:

Правда, в сертифицированных ревизиях UNI-T UT139C прошлых лет использована корпусная микросхема DTM0660l, а не «клякса»:

По крайней мере, в приборах трехлетней давности стояла именно корпусная микросхема. Какой вариант используют сейчас, я не в курсе.

Особого внимания заслуживают гнезда и присутствие полноценной защиты по входу, включая плавкие предохранители:

На мой взгляд прибор полностью соответствует категории CAT II 600V.

Тестирование:

True RMS мультиметр RGK DM-30 позволяет производить практически все типы измерений с высокой точностью. Погрешности на каждом диапазоне можно посмотреть в таблице:

Как показывает практика, измерение напряжения – наиболее часто используемая операция. Для контроля погрешности я использовал источник опорного напряжения (ИОН) на базе микросхемы AD584L, которая позволяет с очень высокой точностью получить на выходе 4 уровня напряжения (2,5В/5В/7,5В/10В):

Даже несмотря на довольно низкий порог в 10В, она может дать реальную картину. Точность шикарная, свойственная приборам UNI-T:

При измерении переменного напряжения можно задействовать (по долгому нажатию кнопки Select) специальный фильтр низких частот VFC (Variable Frequency Converter), который отсеивает частотные всплески напряжения и показывает усредненное значение. Будет полезен при измерениях в цепях инверторов, частотных преобразователей и других приборах с ШИМ-модуляцией.

Для контроля погрешности тока у меня нет соответствующих приборов с высокой разрядностью, поэтому просто сравню с рабочим мультиметром UNI-T UT61E и Richmeters RM-102. Ток в последовательной цепи одинаков на всем участке, поэтому можно просто наглядно сравнить. Режим измерения малых токов:

При измерении бОльших токов видно, что RM-102 начал отрываться от коллектива:

При 5А разница уже составила около 0,17А, обозреваемый RGK DM-30 идет вровень с UT61E, хотя последний классом выше и стоит гораздо дороже:

При 9А разница уже огромная, RM-102 нужно калибровать или менять токовый шунт. Мультиметр RGK DM-30 все также показывает хорошую точность:

Для измерения емкости конденсаторов я использовал фирменные Nichicon 56мкФ*400В, Nippon 1200мкФ*200В и CDM 39000мкФ*6,3В:

Для минимизации погрешности, провода с крокодилами с конденсаторов не снимались, разряд производился через штекеры:

Следом измерение сопротивления 1Ом:

Высокоточных резисторов с минимальной погрешностью под рукой не оказалось, но учитывая сопротивление щупов, точность хорошая.

Замер комнатной температуры с помощью термопары:

Комнатные приборы показывают 25,2ºС. Замер больших температур без тепловизора не имеет значения, так как будет присутствовать небольшая разность из-за неплотного прилегания термопар.

Бесконтактный индикатор напряжения отлично работает, достаточно поднести переднюю часть прибора к проводнику. Для поиска скрытой проводки он бесполезен, да и не предназначен для этого, а вот определить, находится ли токоведущая часть под напряжением – очень легко за пару секунд.

Остальные режимы измерений работают, но нет смысла демонстрировать их, а уж тем более сравнивать их с другими приборами. Прозвонка цепи работает шустро.

Итоги:

За время тестирования мультиметр RGK DM-30 зарекомендовал себя сугубо с положительной стороны. Он может похвастаться качественной сборкой, хорошей точностью, сравнимой с приборами более высокого класса, хорошим функционалом и демократичной ценой. Если вы подыскиваете точный и надежный прибор для дома или работы, могу смело порекомендовать этот вариант.

Источник

Что такое True RMS в современных приборах

Современные мультиметры и токовые клещи достаточно точны и универсальны и, как правило, способны измерять как постоянное, так и переменное напряжение и ток.

Но между переменным и постоянным током есть одна существенная разница при измерениях. При измерении постоянного напряжения или тока прибор показывает значение амплитуды напряжения, потому что других параметров нет, т.к. напряжение не изменяется во времени.

Обычно, при измерении параметров переменного тока, приборы показывают эффективное значение синусоидального напряжения.

Соотношение амплитудного и эффективного RMS значения обычно принимается равным U(RMS) = U(Amp) *0,707, что подтверждается на осциллограмме:

Но это справедливо только для переменного напряжения идеальной синусоидальной формы.

Для других форм напряжения необходимо применять другие коэффициенты, например:

Для симметричного двуполярного меандра U (RMS) = U(Amp) *1

Для треугольного и пилообразного напряжения U (RMS) = U(Amp) *0,577

То есть для точного измерения данных напряжений и токов в мультиметре или токовых клещах должен быть реализован особый алгоритм распознавания формы напряжения и включения определенного коэффициента.

Если этого не сделать, то, согласно некоторых исследований, при несинусоидальности измеряемого напряжения, результат может отличаться от истинного почти на 40% в отдельных случаях.

А получение недостоверных результатов измерений может привести к авариям и поломке оборудования.

Именно подобную корректировку производят приборы, имеющие маркировку True RMS (Истинное среднеквадратичное значение), которые показывают действующее значение напряжения и тока даже при сильных искажениях формы напряжения.

А искажения в современных энергосистемах встречаются сплошь и рядом, поскольку их привносят частотные преобразователи, импульсные блоки питания и другие приборы, работающие на принципах синтезирования частоты или ШИМ, поэтому, применение корректирующих приборов с True RMS становится все более и более актуальным.

В настоящее время внесены в госреестр средств измерения Казахстана и поставляются следующие мультиметры с функцией True RMS:

Сертификат о внесении в реестр СИ РК мультиметров:

Токовые клещи, внесенные в реестр СИ РК с функцией True RMS:

Сертификат о внесении в реестр СИ РК токоизмерительных клещей

Как видим, ассортимент приборов с функцией TRMS довольно широк и позволяет подобрать прибор под любые задачи.

При выборе приборов опасайтесь подделок! ТОО Test instruments является официальным дистрибьютором UNI-T по Казахстану и поставляет только оригинальные приборы и инструменты.

Сертификат официального дистрибьютора

Специальный приз офиициального дистрибьютора UNI-T

Источник