Схема измерения напряжения: Измерение напряжения и тока. Измерение силы тока и напряжения.

Электрические измерения. Схема измерения величин напряжения, силы тока, сопротивления.

Измерение таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях. Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

• схема измерения,
• закон Ома,
• минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

• рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,
• измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,
• сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице “питание сигнализации, видеонаблюдения”.
• участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме “измерение электрического напряжения”) параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи – для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме “измерение тока”, подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема – рис.2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс.

Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I – электрический ток
U – напряжение
R – сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А – ампер,
В – вольт,
Ом – ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА – милиампер (1000 мА=1А),
В – вольт,
кОм – килоом. (1000 Ом=1кОм).

Внимание! Одновременно используйте единицы измерения из одного ряда. Если Вы подставляете в формулу закона Ома значения силы тока в мА, то сопротивление получите в кОм и никак иначе.

Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью. Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто. Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках. Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A,
Напряжения U1=10 B, U2=5 B.

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом
R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

Как видите, все просто.

© 2010-2022 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

§101. Измерение тока и напряжения

Измерение тока.

Для измерения тока в цепи амперметр 2 (рис. 332, а) или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, амперметры выполняют с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения.

Амперметр можно включать в цепь только последовательно с нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление амперметра мало) и она сгорит.

Рис. 332. Схемы для измерения тока (а, б) и напряжения (в, г)

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных для работы в цепях постоянного тока, их включают в цепь параллельно шунту 4 (рис. 332,б). При этом через прибор проходит только часть I_А измеряемого тока I, обратно пропорциональная его сопротивлению R_А. Большая часть I_ш этого тока проходит через шунт.

Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора R_A и шунта R_ш можно по току I_А, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

I = I_А (R_А+R_ш)/R_ш = I_Аn (105)

где n = I/I_А = (R_A + R_ш)/R_ш — коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора I_А,

R_ш = R_A/(n-1) (106)

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами.

Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты).

Согласно стандартам это напряжение может быть равно 45, 75, 100 и 150 мВ. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу.

Следовательно, номинальные напряжения прибора и шунта должны быть одинаковыми. Имеются также индивидуальные шунты, предназначенные для работы с определенным прибором. Шунты делят на пять классов точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Обозначение класса соответствует допустимой погрешности в процентах.

Для того чтобы повышение температуры шунта при прохождении по нему тока не оказывало влияния на показания прибора, шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (константан, манганин, никелин и пр.).

Для уменьшения влияния температуры на показания амперметра последовательно с катушкой прибора в некоторых случаях включают добавочный резистор из констан-тана или другого подобного материала.

Измерение напряжения.

Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 332, в) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.

Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (R_д) (рис. 332,г). При этом на прибор приходится лишь часть U_v измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора R_v.

Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения U_v, фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:

U = (R_v+R_д)/R_v * U_v = nU_v (107)

Величина n = U/U_v=(R_v+R_д)/R_v показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения U_v, приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.

Сопротивление добавочного резистора, необходимое для измерения напряжения U, в п раз большего напряжения прибора Uv, определяется по формуле R_д=(n— 1) R_v.

Добавочный резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется из материала, имеющего малый температурный коэффициент, и его сопротивление значительно превышает сопротивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора становится почти независимым от изменения температуры.

По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.

Делители напряжения.

Для расширения пределов измерения вольтметров применяют также делители напряжения. Они позволяют уменьшить подлежащее измерению напряжение до значения, соответствующего номинальному напряжению данного вольтметра (предельного напряжения на его шкале).

Отношение входного напряжения делителя U₁ к выходному U₂ (рис. 333, а) называется коэффициентом деления. При холостом ходе U₁/U₂ = (R₁+R₂)/R2 = 1 + R₁/R₂. В делителях напряжения это отношение может быть выбрано равным 10, 100, 500 и т. д. в зависимости от того, к каким

Рис. 333. Схемы включения делителей напряжения

выводам делителя подключен вольтметр (рис. 333,б).

Делитель напряжения вносит малую погрешность в измерения только в том случае, если сопротивление вольтметра R_v достаточно велико (ток, проходящий через делитель, мал), а сопротивление источника, к которому подключен делитель, мало.

Измерительные трансформаторы.

Для включения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока служат измерительные трансформаторы, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала при выполнении электрических измерений в цепях высокого напряжения.

Включение электроизмерительных приборов в эти цепи без таких трансформаторов запрещается правилами техники безопасности. Кроме того, измерительные трансформаторы расширяют пределы измерения приборов, т. е. позволяют измерять большие токи и напряжения с помощью несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений.

Измерительные трансформаторы подразделяют на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Трансформатор напряжения 1 (рис. 334, а) служит для подключения вольтметров и других приборов, которые должны реагировать на напряжение.

Его выполняют, как обычный двухобмоточный понижающий трансформатор: первичную обмотку подключают к двум точкам, между которыми требуется измерить напряжение, а вторичную — к вольтметру 2.

На схемах измерительный трансформатор напряжения изображают как обычный трансформатор (на рис. 334, а показано в круге).

Рис. 334. Включение электроизмерительных приборов посредством измерительных трансформаторов напряжения (а) и тока (б)

Так как сопротивление обмотки вольтметра, подключаемого к трансформатору напряжения, велико, трансформатор практически работает в режиме холостого хода, и можно с достаточной степенью точности считать, что напряжения U₁ и U₂ на первичной и вторичной обмотках будут прямо пропорциональны числу витков N₁ и N₂ обеих обмоток трансформатора, т. е.

U₁/U₂ = N₁/N₂ = n (108)

Таким образом, подобрав соответствующее число витков N₁ и N₂ обмоток трансформатора, можно измерять высокие напряжения, подавая на электроизмерительный прибор небольшие напряжения.

Напряжение U₁ может быть определено умножением измеренного вторичного напряжения U₂ на коэффициент трансформации трансформатора n.

Вольтметры, предназначенные для постоянной работы с трансформаторами напряжения, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого напряжения могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один выэод его вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора должны быть заземлены.

Трансформатор тока 3 (рис. 334,б) служит для подключения амперметров и других приборов, которые должны реагировать на протекающий по цепи переменный ток.

Его выполняют в виде обычного двухобмоточного повышающего трансформатора; первичную обмотку включают последовательно в цепь измеряемого тока, к вторичной обмотке подключают амперметр 4.

Схемное обозначение измерительных трансформаторов тока показано на рис. 334, б в круге.

Так как сопротивление обмотки амперметра, подключаемого к трансформатору тока, обычно мало, трансформатор практически работает в режиме короткого замыкания, и с достаточной степенью точности можно считать, что токи I₁ и I₂, проходящие по его обмоткам, будут обратно пропорциональны числу витков N₁ и N₂ этих обмоток, т.е.

I₁/I₂ = N₁/N₂ = n (109)

Следовательно, подобрав соответствующим образом число витков N₁ и N₂ обмоток трансформатора, можно измерять большие токи I₁, пропуская через электроизмерительный прибор малые токи I₂. Ток I₁ может быть при этом определен умножением измеренного вторичного тока I₂ на величину n.

Амперметры, предназначенные для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого тока I₁ могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током в случае повреждения изоляции трансформатора один из зажимов вторичной обмотки и кожух трансформатора заземляют.

На э. п. с. применяют так называемые проходные трансформаторы тока (рис. 335). В таком трансформаторе магнитопровод 3 и вторичная обмотка 2 смонтированы на проходном изоляторе 4, служащем для ввода высокого напряжения в кузов, а роль первичной обмотки трансформатора выполняет медный стержень 1, проходящий внутри изолятора.

Рис. 335. Проходной измерительный трансформатор тока

Условия работы трансформаторов тока отличаются от обычных. Например, размыкание вторичной обмотки трансформатора тока при включенной первичной обмотке недопустимо, так как это вызовет значительное увеличение магнитного потока и, как следствие, температуры сердечника и обмотки трансформатора, т. е. выход его из строя.

Кроме того, в разомкнутой вторичной обмотке трансформатора может индуцироваться большая э. д. с, опасная для персонала, производящего измерения.

При включении приборов посредством измерительных трансформаторов возникают погрешности двух видов: погрешность в коэффициенте трансформации и угловая погрешность (при изменениях напряжения или тока отношенияU₁/U₂ и I₁/I₂ несколько изменяются и угол сдвига фаз между первичным и вторичным напряжениями и токами отклоняется от 180°).

Эти погрешности возрастают при нагрузке трансформатора свыше номинальной. Угловая погрешность оказывает влияние на результаты измерений приборами, показания которых зависят от угла сдвига фаз между напряжением и током (например, ваттметров, счетчиков электрической энергии и пр.).

В зависимости от допускаемых погрешностей измерительные трансформаторы подразделяют по классам точности. Класс точности (0,2; 0,5; 1 и т. д.) соответствует наибольшей допускаемой погрешности в коэффициенте трансформации в процентах от его номинального значения.

Измерения напряжения – испытания и измерения

Испытания и измерения

Напряжения обычно измеряют, помещая измерительный прибор параллельно измеряемый компонент или цепь (нагрузка). Измерительный прибор должен иметь бесконечный входной импеданс (сопротивление), чтобы он не поглощал энергию от проверяемой цепи и, следовательно, измерить истинное напряжение. точность измерения напряжения зависит от полного импеданса измерительное устройство по сравнению с измеряемой нагрузкой. Когда входное сопротивление измерительного прибора в 10 раз больше измеряемой нагрузки, ошибка обычно допустима. Если эта ошибка недопустима, более высокий вход следует использовать прибор для измерения импеданса.

Метод мультиметра

Обычный элемент контрольно-измерительного оборудования — мультиметр. Мультиметр содержит схема, которая позволяет использовать его как вольтметр, амперметр, или омметр. Обычно оно способно измерение как переменного, так и постоянного напряжения до нескольких сотен вольт. Самый мультиметры имеют высокое входное сопротивление и вряд ли нарушить проверяемую цепь.

Очевидным недостатком аналогового мультиметра является присущий низкая точность, связанная с движениями счетчика (движущимися стрелками), которые используется в мультиметре. При выполнении измерений любым аналоговым мультиметром вы должны знать о неточностях, вызванных параллаксом. Параллакс определяется как кажущееся смещение положения объекта из-за различия двух точек зрения. В этом случае метров, это означает, что позиция указателя метра будет казаться на разное положение на шкале в зависимости от угла, под которым счетчик просматривается.

Аналоговый мультиметр.

Цифровой мультиметр во многих случаях обеспечивает точность около ±0,1%. Они отображают показания в числовом виде. Эти дисплеи прямого считывания устранить проблему параллакса, уменьшить ошибку и увеличить скорость измерения. Данные с этих счетчиков в цифровом формате также могут обрабатываться компьютерами, принтеры и записывающее оборудование. Цифровые мультиметры обычно компактны. и легкий; многие поставляются с перезаряжаемыми батареями, что делает их идеальными для портативное использование в полевых условиях.

Цифровой мультиметр.

Верхние частотные ограничения цифровых мультиметров обычно варьируются от 1 кГц до до более 1 МГц, в зависимости от модели. Их верхние частотные ограничения могут, однако его можно значительно расширить за счет использования дополнительных радиочастотных датчиков. Когда вы выполняете Измерения напряжения переменного тока с помощью цифрового мультиметра, помните, что они Устройства индикации RMS .

Метод осциллографа

Измерение напряжения можно произвести с помощью осциллографа. Осциллографы имеют высокое входное сопротивление и обычно не нагружает тестируемую цепь.

Однако осциллографы в первую очередь предназначены для наблюдения за формой сигнала и обычно менее точны, чем другое испытательное оборудование, используемое для измерять постоянное или переменное напряжение.

Осциллограф.

Измерять постоянное напряжение осциллографом удобно только при определенных условиях. обстоятельства; например, когда другие измерения выполняются на одно и то же оборудование с осциллографом или мультиметром. нет в наличии. Неоспоримым преимуществом осциллографа является его способность следить за уровнем пульсаций переменного напряжения на постоянном напряжении. Эта особенность делает осциллограф незаменимый помощник при поиске и устранении неисправностей источников питания постоянного тока с чрезмерная пульсация, вызванная неисправностью компонента.

Основным преимуществом использования осциллографа для измерения напряжения переменного тока является то, что форму волны можно наблюдать; следовательно, ошибки измерения сложного пика напряжения сведены к минимуму.

Если измеряемое напряжение велико и не может быть уменьшено до полезного значения цепями ослабления внутри осциллографа, внешним резистивным или можно использовать емкостный делитель напряжения. Такие делители напряжения часто снабжены испытательными комплектами осциллографов и называются высоковольтными пробниками . Когда измеряется напряжение импульсов или других сложных сигналов, Выбранный высоковольтный датчик должен быть сконструирован таким образом, чтобы не искажать измеряемое значение. сигнал. Большинство пробников имеют регулируемые (компенсирующие) конденсаторы, которые используются для настройки симметрии отображаемой формы волны. Вы настраиваете пробник, контролируя либо выходной сигнал калибратора осциллограф или заведомо хороший сигнал и регулировка пробника для симметричного отображать.

При использовании осциллографа для измерения напряжения переменного тока убедитесь, что верхнее частотный диапазон осциллографа не превышен; иначе неточно значения будут отображаться.

Наиболее часто используемые осциллографы имеют частотная характеристика от постоянного тока примерно до 50 МГц.

Измерение напряжения – инновации в области возобновляемых источников энергии

Ряд наших проектов требует точного контроля напряжения. Здесь мы объясним многочисленные методы измерения напряжения, как постоянного, так и переменного тока, выделим некоторые из множества доступных интегральных схем и перечислим плюсы и минусы различных методов.

Для измерения мощности (и, следовательно, измерения энергии) в электрических системах нам необходимо знать напряжение и силу тока. Мощность равна напряжению, умноженному на ток (P=V x I). Мы написали информацию об измерении постоянного тока, в этом посте мы будем писать об измерении напряжения, как постоянного, так и переменного тока.

Общие сведения

Точное измерение, безусловно, полезно, но более высокая точность обходится дороже, а также существуют некоторые фундаментальные и аппаратные ограничения точности измерений.

На этой странице я надеюсь описать основные требования к достаточно точному измерению напряжения, а также ряд методов для этого, а также ряд компонентов и интегральных схем, которые используются для выполнения этой функции. Я предполагаю, что эти данные будут считываться микроконтроллером (цифровым устройством).

Методы измерения напряжения

Напряжение иногда называют «разностью потенциалов», и оно соответствует «потенциалу» или способности электронов течь по цепи. Таким образом, измерение напряжения всегда требует прямого подключения к двум клеммам, которые мы пытаемся измерить.

Часто (особенно в системах с высоким напряжением — выше 55 В постоянного тока может привести к опасному поражению электрическим током) нам требуется ИЗОЛЯЦИЯ , поэтому я разобью эти методы на неизолированный и изолированный .

Неизолированное измерение напряжения

Неизолированное означает, что входное и выходное напряжения каким-то образом связаны друг с другом. Как правило, они имеют одно и то же заземление. Несмотря на простоту реализации, существуют проблемы с перенапряжением и безопасностью для более высоких напряжений.

Прямое подключение

Мы можем измерить напряжение, напрямую подключив его к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), например, в микроконтроллерах. Они имеют максимальный вход 5 В или 3,3 В, поэтому мы не можем напрямую подключить сигнал 20 В, иначе мы перегрузим и повредим измерительный АЦП.

Этот метод полезен только для низкого напряжения и не является предметом этой статьи.

Делитель напряжения

Делитель напряжения — это простой способ измерения напряжения. Входное напряжение измеряется между землей и верхней точкой двух последовательно соединенных резисторов. Выходное напряжение измеряется на нижнем резисторе. Это уменьшает выходное напряжение на коэффициент, который относится к R1 и R2, верхнему и нижнему резисторам.

Например:

Допустим, входное напряжение составляет 20 В. Выходное напряжение будет:

Vout = Vin (R2/(R1+R2)

Таким образом, в этом примере выходное напряжение будет:

Vout = 20 В x (100k/(680k+100K) = 2,564 В

• Простой
• Недорогой
• Возможно опасное перенапряжение
• Возможно повреждение измерительного устройства
• Проблемы с изменением резистора в зависимости от температуры

На схеме выше мы видим два дополнительных элемента. Это С1 и D1.

C1 — фильтрующий конденсатор. Это удалит высокочастотный «шум» в сигнале. Это может не потребоваться.

D1 — стабилитрон. Стабилитрон закоротит, когда подается напряжение, превышающее его номинальное значение. Это защита от любых проблем с перенапряжением. Это делается для защиты любого оборудования после стабилитрона, например, микроконтроллера. Резисторы в делителе потенциала означают, что даже при коротком замыкании будет протекать только очень низкий ток, следовательно, это ограничит напряжение. (Это сделано не для того, чтобы остановить любые опасные высокие напряжения для безопасности людей, так как эти напряжения все еще могут появиться, если, скажем, R1 не замкнет накоротко). В этом случае стабилитрон 5,1 В используется для защиты входа 5 В микроконтроллера.

Измерение изолированного напряжения

Если мы измеряем относительно высокие напряжения, гораздо лучше иметь полностью изолированный сигнал. Это устраняет любые проблемы с перенапряжением, подаваемым на наше измерительное устройство.

Кроме того, 55 В известно как напряжение, выше которого через кожу может протекать опасный ток. Следовательно, все, что выше 55 В, потенциально опасно. Как PV (фотогальванические) напряжения выше 55 В, так и напряжения переменного тока от стандартных розеток переменного тока могут быть опасными.

Существует несколько способов измерения изолированного напряжения:

Трансформатор

Трансформаторы состоят из двух электрически изолированных катушек. Любой магнитный поток связан через ферритовый сердечник. Они обеспечивают электрическую изоляцию, но только для сигналов переменного тока. Это была моя первая идея, когда мне нужно было проверить напряжение сети переменного тока. Я решил проверить с помощью небольшого трансформатора для измерения сетевого напряжения переменного тока.

Я использовал эти трансформаторы 240В вход 6В выход. Я подал на входы сеть переменного тока 240 В, которая была измерена с помощью высоковольтного зонда. Я также измерил выходную мощность трансформатора. Это было не совсем то, на что я надеялся.

Используемый трансформатор указан выше. Это блок с номиналом 1,5 ВА. Я ожидал выходной сигнал 6 В переменного тока. 6 В — это среднеквадратичное значение выходного напряжения, поэтому я ожидал, что пиковое значение составит 6 x √2 = 8,485 В.

Я измерил кривую входного переменного напряжения, показанную синим цветом. Без нагрузки выходное напряжение отображается желтым цветом. Это выходное напряжение составляет +/- 6 В переменного тока, но видно, что оно немного не совпадает по фазе и немного искажено по сравнению с входным.

Это скриншоты моего цифрового осциллографа. Желтая линия (выход) не является идеальной версией синей линии (вход).

Это показывает более подробную информацию о напряжении с расширенным временным рядом. Мы можем видеть изменение фазы (переход через ноль не в том же месте) и сглаженную форму выходного сигнала.

На этой кривой показан крупный план пика, чтобы показать разницу между входной (синий) и выходной (желтый) сигналами. Это показывает сглаживание формы сигнала.

Чтобы сравнить эти результаты с другими методами, я установил изолятор i (более подробная информация ниже) для измерения формы сигнала переменного тока. Я использовал точно такие же измерительные приборы (бюджетный цифровой прицел RIGOL). Результаты можно увидеть на следующих графиках – входной сигнал переменного тока снова синий, а выходной сигнал желтый.

Входной (синий) и выходной (желтый) сигналы точно совпадают по фазе. Это не сглаживание формы волны. Форма выходного сигнала является идентичной версией входного сигнала, за исключением амплитуды.

Это показывает, что входной и выходной сигналы идентичны.

В завершение этих тестов, когда я впервые задумался о том, чтобы обеспечить изолированное выходное напряжение от сигнала сети переменного тока, моей первой мыслью было использовать трансформатор. Эти тесты показывают, что при измерении с трансформатором возникают проблемы с нелинейностью и изменением фазы. Следовательно, я не могу использовать трансформатор для точного измерения напряжения переменного тока.

Моя магнитная теория недостаточно хороша, чтобы точно объяснить, почему существуют эти различия. Это может быть связано с магнитным насыщением, паразитной емкостью и индуктивностью в катушках или проблемами с испытательным оборудованием. Я устал исключать проблемы с тестовыми измерениями путем сравнения на одном и том же тестовом оборудовании. Если у вас есть какие-либо идеи по этому поводу, пожалуйста, добавьте их в раздел комментариев.

Поэтому я искал другие методы измерения напряжения…

Измерение напряжения на эффекте Холла

Другой метод заключается в преобразовании напряжения в ток. Мы знаем, что V=IR, поэтому измерение тока через известное сопротивление даст нам напряжение. Этот ток можно измерить с помощью эффекта Холла.

Одна проблема заключается в том, что для получения приличного сигнала тока нам нужен относительно большой ток, что означает относительно высокое рассеивание мощности. Это около 3 Вт, что для системы возобновляемой энергии является большой потерей энергии, если ее постоянно измерять.

Только несколько производителей и, следовательно, относительно высокая стоимость.

Одним из примеров измерения напряжения на эффекте Холла является преобразователь LV-25-P от LEM, который обеспечивает изоляцию 2500 В постоянного тока между входом и выходом.

Изолирующий усилитель

Последним рассматриваемым здесь видом изоляции является изолирующий усилитель. Это особый тип интегральной схемы, который имеет две электрически изолированные стороны. Входное напряжение масштабируется в соответствии с развязывающим усилителем (максимум 2 В и 250 мВ в приведенных ниже случаях). Это входное напряжение передается с одной стороны разделительного усилителя на другую через оптическое соединение. Выходной оптический сигнал принимается на стороне выхода и преобразуется обратно в сигнал напряжения. Это выходное напряжение линейно пропорционально (нелинейность около 0,1%) входному напряжению, но электрически изолировано.

• Точное и изолированное измерение напряжения
• Очень низкая входная мощность
• Требуется дополнительное изолированное напряжение питания (для входной стороны)
• Относительно дорогой (некоторые очень дорогие).

Изолирующие усилители могут быть очень дорогими. Я искал различные устройства и пришел к следующему выводу (хотя я уверен, что есть много других):

Для измерения постоянного тока я нашел устройство ACPL-C870 от Avago Technologies. Это стоит около 5,43 фунтов стерлингов + НДС с рупий. Для этого устройства требуется изолированный источник питания 5 В как для входного, так и для выходного каскадов. Вход находится в районе 0-2 В (с использованием делителя потенциала) и имеет единичное усиление, поэтому выход представляет собой изолированный выход 0-2 В. Он работает с постоянным напряжением, хотя входное напряжение не может опускаться ниже 0 В, поэтому его непросто использовать с входным напряжением переменного тока.

Для измерения переменного тока я использую AMC1200 от Texas Instruments. Его труднее найти, но он доступен в DigiKey по цене 4,84 фунта стерлингов + НДС. Его можно использовать для измерения сигналов переменного тока, поскольку входное напряжение может составлять + или – 250 мВ. Следовательно, входное переменное напряжение можно уменьшить до +/-250 мВ с помощью делителя потенциала. Внутри устройства есть усиление x8, а выходное напряжение составляет 2,55 В +/- (входной сигнал x 8). Это означает, что выходной сигнал может быть измерен с помощью АЦП постоянного тока с односторонним опорным сигналом.

Для обоих этих устройств требуется изолированный источник питания 5 В для входного каскада. Это может быть получено из тестируемой формы волны, как показано в таблицах данных, но я предпочел обеспечить и изолировать питание 5 В с помощью преобразователя DC/DC 5 В в 5 В с изоляцией> 1000 В. Теперь они относительно легко и дешево доступны. Я использовал MEE1S0505DC от Murata Technologies. Это стоит около 4 фунтов стерлингов + НДС от Farnell. Доступно множество других версий.

Осциллограммы при использовании AMC1200 можно увидеть выше в сравнении с измерением напряжения трансформатора.

Измерение формы волны

Как упоминалось в статье об измерении постоянного тока, существуют два основных аспекта точного измерения переменного сигнала, независимо от того, какой сигнал. Это частота дискретизации и разрешение:

Частота дискретизации

Частота дискретизации имеет большое значение, если мы хотим точно отслеживать форму сигнала. Например, если бы мы измеряли температуру только один раз в день, в 7:47, мы ничего не могли бы сказать об изменениях в течение дня. Однако если мы будем проводить измерения в один и тот же день в течение 100 лет, мы сможем что-то сказать об изменениях в течение года. Так что это зависит от того, какой тренд данных вас интересует.

Расчеты для этого были сделаны Гарри Найквистом, и, следовательно, у нас есть коэффициент Найквиста. В нем говорится, что для получения всей информации из формы сигнала мы должны производить выборку с частотой, по крайней мере, в два раза превышающей частоту сигнала. Например — мы хотим слушать музыку, которая имеет слышимые частоты до 20 кГц. Чтобы покрыть это, мы должны семплировать на частоте не менее 40 кГц. Те, кто записывал музыку на компьютер, знают, что используемая частота дискретизации обычно составляет 44 кГц. Меньше, и вы потеряете информацию.

Обычно напряжение можно измерить в любое время. Если бы мы измеряли напряжение в штепсельной розетке, мы смогли бы измерить 240 В переменного тока, но нулевой ток, если ничего не подключено. . Обычно мы наблюдаем небольшое падение напряжения (из-за падения напряжения на кабеле) при питании нагрузки.

Для некоторых основных электрических систем мы можем предположить, что напряжение постоянно, а затем просто измерить ток. Но это не дает очень хорошей точности. Напряжение будет варьироваться довольно значительно при изменении нагрузки. В типичной системе свинцово-кислотных аккумуляторов 12 В постоянного тока мы определенно увидим диапазон напряжений 11-14 В постоянного тока, возможно, больше. Следовательно, чтобы сделать точные измерения мощности, мы должны провести точные измерения напряжения.

Чтобы получить достоверную информацию о мощности, мы также должны провести измерение напряжения точно в то же время, что и измерение тока. Это особенно актуально для систем переменного тока, которые также имеют коэффициент мощности (что выходит за рамки данной статьи).

Разрешение

Это связано с тем, что мы преобразуем аналоговый сигнал в цифровой. (Иногда это называют квантованием). Цифровые сигналы могут быть включены или выключены. Аналоговые сигналы могут быть какими угодно и могут бесконечно варьироваться в пределах своего диапазона. Мы пытаемся передать эти различные аналоговые данные в наше цифровое устройство (микроконтроллер). Для этого мы используем концепцию уровней (также называемых квантами).

Допустим, у нас есть синусоидальный сигнал, меняющийся от 0 до 5 В. Допустим, у нас есть только однобитное разрешение. Цифровое представление может быть только включено или выключено. Если мы установим уровень на 2,5 В, то мы увидим, что цифровой сигнал будет 0, затем 1, затем 0, затем 1, поскольку форма сигнала будет выше и ниже 2,5 В. Вы можете видеть, что мы не получаем много деталей от сигнала. Этого может быть достаточно, чтобы делать то, что мы хотим, но обычно мы используем больше уровней. Чем больше уровней, тем выше разрешение и, следовательно, выше точность данных.

Добавление дополнительного бита к разрешению увеличивает разрешение в 2 раза. Следовательно, 1 бит = 2 уровня, 2 бита — 4 уровня, 3 бита = 8 уровней. Это быстро умножается, и при 8 битах у нас есть 256 уровней или при 10 битах у нас есть 1024 уровня. Типичный микроконтроллер (например, серия PIC 18 или микросхема Atmel в Arduino Uno) имеет 10-битную точность. Некоторые имеют 12, 14 или даже 16 бит. Если вы переходите к большему числу битов, это увеличивает нагрузку на микропроцессор, поэтому вы также можете использовать специальные аналого-цифровые микросхемы (АЦП), которые обрабатывают данные и отправляют их на микроконтроллер.

Обеспечение точности формы волны

При измерении тока мы обычно измеряем очень малые напряжения. Они могут быть искажены другими очень слабыми паразитными сигналами. Они могут быть разбиты на смещения и шум.

Хотя преобразование сигнала из аналогового в цифровой будет означать потерю информации, это также означает, что мы можем применять методы, гарантирующие, что сигнал не будет искажен шумом. Поэтому я стараюсь как можно быстрее перейти на цифру.

Шум

Шум повсюду. Это происходит из физики электрических устройств и из-за интерференции множества различных искусственных и естественных электрических и магнитных волн. Существует много информации о шуме и снижении уровня шума, хотя иногда это немного темное искусство.

Я стараюсь свести шум к минимуму:

• Пути прохождения сигнала должны быть как можно короче
• Экранированный кабель или дополнительный металлический экран можно использовать вокруг частей цепи, подверженных шуму.
• Уменьшите количество компонентов, через которые проходит сигнал, — это уменьшит вероятность возникновения помех

Это сложная область, поэтому я не буду вдаваться в подробности.