Во многих коммерческих и промышленных установках происходят постоянные отключения защитных систем. Зачастую отключения кажутся случайными и необъяснимыми, но, конечно, причина существует, а в нашем случае их две. Первая возможная причина – это противотоки, которые возникают при включении некоторых видов нагрузки, например персональных компьютеров (этот вопрос будет рассмотрен в одной из будущих публикаций данного руководства). Второй возможной причиной является то, что реальный ток, протекающий по цепи, был недоизмерен, т. е. реальные значения тока выше измеренного.
Один ток – два значения. На фото показано измерение цепи с нелинейной нагрузкой с гармоническими искажениями. Показания измерителя истинного RMS (слева) правильны, а измерителя усредненных значений (справа) – на 32 % ниже.
Занижение значений измерения случается очень часто в современных установках. Но почему это происходит, если современные цифровые измерительные приборы так точны и надежны? Ответ заключается в том, что многие инструменты не подходят для измерения искаженных токов, а большинство токов в наши дни являются таковыми.
Искажения происходят из-за гармонических токов, производимых нелинейными нагрузками, особенно электронным оборудованием, таким как персональные компьютеры, флуоресцентными лампами с электронным балластом и регулируемым приводом. Процесс возникновения гармоник, а также их воздействие на электрические системы будет описываться в одной из будущих публикаций руководства (раздел 3.1). На рис. 3 изображена типичная кривая тока, потребляемого персональным компьютером. Очевидно, что это не синусоида, а стало быть все обычные синусоидные измерительные приборы и методы вычисления больше не применимы. Это означает, что при ремонте или анализе работы системы электроснабжения необходимо использовать приборы, которые могут измерять несинусоидальные токи и напряжения.
На рис. 1 изображены два измеряющих прибора (токовые клещи) на одной и той же цепи. Оба прибора работают правильно и откалиброваны по спецификациям производителя. Ключевое различие заключается в том, как измеряют данные инструменты.
Левый прибор является устройством измерения истинного RMS, а правый – это калиброванный прибор, измеряющий усредненный RMS. Для того чтобы оценить разницу, необходимо понять, что означает RMS.
Что такое RMS?
Среднеквадратичная величина (RMS) переменного тока – это величина, эквивалентная значению постоянного тока, который производил бы такое же количество теплоты при фиксированной нагрузке. Количество теплоты, производимой в резисторе переменным током, пропорционально квадрату тока, усредненного по полному циклу кривой. Другими словами, производимая теплота пропорциональна среднему значению квадрата, и, таким образом, величина тока пропорциональна корню среднеквадратичного значения (полярность не имеет значения, т. к. квадрат всегда положителен).
Для правильной синусоиды (рис. 2) величина RMS составляет 0,707 от максимального значения, или максимальное значение равно √2, или 1,414, от значения RMS. То есть максимальное значение 1-амперного RMS тока чистой синусоиды будет равно 1,414 А. Если амплитуда синусоиды усредняется (с преобразованием отрицательной половины цикла), среднее значение будет равно 0,636 от максимального или 0,9 от значения RMS. На рис. 2 показаны две важных пропорции:
При измерении правильной синусоиды (и только для правильной синусоиды) правомерно делать простое измерение среднего значения (0,636 х максимум) и умножать результат на коэффициент формы, равный 1,111 (что составит 0,707 от максимума), и назвать его RMS-величиной. Подобный подход используется в аналоговых измерительных приборах, где усреднение осуществляется путем инерции и гашения колебаний в катушке индуктивности, а также во всех старых и более современных цифровых универсальных измерительных приборах. Метод описывается как измерение, усредненное, RMS-калиброванное.
Проблема заключается в том, что этот метод работает только для правильных синусоид, которые не существуют в реальных электроустановках. Кривая на рис. 3 – это типичная кривая тока, потребляемого персональным компьютером. Точное RMS-значение все еще равно 1 А, но максимальное значение гораздо выше – 2,6 А, а среднее значение гораздо ниже – 0,55 А.
Если эта кривая измеряется усредняющим RMS-прибором, то она будет читаться как 0,61 А, в то время как реальная величина равна 1 А (т. е. почти на 40 % меньше). В таблице приведены некоторые примеры того, как два различных типа измерителей реагируют на различные формы волн.
В измерителе истинного RMS берется квадрат моментальной величины входящего тока, усредняется по времени, а затем на дисплее показывается квадратный корень от этого среднего значения. При идеальных условиях применения показания абсолютно точны, какая бы ни была кривая. Однако применение никогда не бывает идеальным, и следует принимать во внимание два ограничивающих фактора: частотную характеристику и коэффициент амплитуды.
Для функционирования систем электроснабжения обычно достаточно произвести измерения до 50-й гармоники, т. е. до частоты приблизительно в 2 500 Гц. Максимальное значение амплитуды, пропорция между максимальным значением и RMS-значением очень важны. Более высокие значения максимальной амплитуды требуют приборы с более широким динамическим диапазоном, а следовательно, более высокой точности в преобразовании диаграммы.
Несмотря на то что приборы дают различные показания при измерени искаженных кривых, показания обоих приборов совпадут при измерении правильной синусоиды. Это условие, при котором они калибруются, т. е. каждый тип измерительного прибора может быть сертифицирован как калиброванный, но только для использования на синусоидах.
Счетчики истинного RMS появились по крайней мере 30 лет назад, но они были специализированными и относительно дорогими приборами. Достижения в электронике привели к тому, что функции истинного RMS-измерения встраиваются во многие переносные мультиметры. К сожалению, эта техническая характеристика встречается только в наиболее современных продуктах большинства производителей, но при этом они не так дороги, как раньше, и стали доступными инструментами для использования в повседневной деятельности.
Таблица Сравнение реакций на различные формы волн измерителей усредненного и истинного RMS
Тип измерения мультиметра
Реакция на синусоиду
Реакция на прямоуголь- ное колебание
Реакция на однофазный диодный выпрямитель
Реакция на трехфазный диодный выпрямитель
Усредненное RMS
Правильная
На 10 % выше
На 40 % ниже
На 5–30 % ниже
Истинное RMS
Правильная
Правильная
Правильная
Правильная
Последствия заниженного замера
Эксплуатационные ограничения большинства элементов электрической цепи определяются количеством тепла, которое может быть рассеяно с тем, чтобы элемент или компонент не перегрелся.
Номиналы допустимых значений тока для кабелей, к примеру, приводятся для определенных условий эксплуатации (фактор, определяющий, насколько быстро может происходить отвод тепла) и максимальной допустимой рабочей температуры. Так как гармонически загрязненные токи имеют большее значение RMS, чем то, которое замеряется счетчиком усредненного RMS, примененные провода и кабели могут иметь недостаточные номиналы и будут работать более нагретыми, чем ожидалось. Результатом будет разрушение изоляции, преждевременный износ и опасность пожара.
Размерность шины измеряется путем подсчета соотношения скорости охлаждения конвекцией и излучения, а также скорости нагрева из-за потерь сопротивления. Температура, при которой эти скорости равны, является рабочей температурой шины, или она спроектирована так, чтобы рабочая температура была достаточно низкой для избежания преждевременного износа изоляционных и опорных материалов. Как и в случае с кабелями, ошибки при измерении истинного RMS-значения приведут к более высоким рабочим температурам. Вследствие того что шины обычно имеют значительные размеры, поверхностный эффект более очевиден, чем в маленьких проводниках.
Это приводит к еще большему увеличению температуры.
Другие компоненты электрической системы, такие как плавкие предохранители и тепловые элементы автоматов отключения оцениваются в токе RMS, потому что их характеристики имеют отношение к рассеиванию теплоты. Это является основной причиной раздражающих псевдоаварийных отключений – сила тока выше ожидаемой, поэтому автомат отключения функционирует в температурном режиме, при котором отключения будут происходить неминуемо. Как при любом перерыве в подаче электроэнергии, стоимость сбоя из-за аварийного отключения может быть довольно высокой и повлечь за собой потерю данных в компьютерных системах, сбои в работе систем управления технологическими процессами и т. д. Эти вопросы будут обсуждаться в будущих публикациях руководства (раздел 2)
Таким образом, только с помощью инструментов измерения истинного RMS возможен точный выбор номиналов кабелей, шин, фидеров и защитной аппаратуры. Важным является вопрос, является ли данное устройство прибором измерения истинного RMS? Обычно, если счетчик является измерителем истинного RMS, это указывается в спецификации продукта. Практически ответ может быть получен путем сравнения показаний известного усредняющего измерителя (как правило, самого дешевого, который может быть в распоряжении) и предполагаемого измерителя истинного RMS при замере тока в нелинейной нагрузке, например, тока от персонального компьютера с током лампы накаливания. Оба измерителя покажут одинаковую силу тока для нагрузки лампы накаливания. Если один из приборов имеет значительно более высокие показатели (скажем на 20 % выше) для нагрузки персонального компьютера, чем для другой нагрузки, тогда, вероятно, он является прибором истинного RMS, а если показания одинаковы – приборы относятся к одному и тому же типу.
Заключение
RMS-замеры важны для любой установки, в которой имеется значительное число нелинейных нагрузок (персональные компьютеры, электронные балласты, компактные флуоресцентные лампы и т. д.). Усредняющие RMS-измерители дают недомер до 40 %, что приводит к недооценке номиналов кабелей и защитных устройств. Это грозит сбоями в их работе, аварийными отключениями и преждевременным износом.
Нелишне помнить и о том, что при функционировании в режимах нерасчетной электрической и, главное, тепловой нагрузки, вызванной недооценкой истинных значений токов в результате недомера, снижается общая энергоэффективность электроустановки.
Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди
«Прикладное руководство по качеству электроэнергии»
В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.
Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.
Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.
Почему следует выбирать приборы класса True-RMS?
.
Самый распространенный способ измерения такого среднеквадратического значения тока при помощи измерительного прибора заключается в выпрямлении переменного тока, определении среднего значения выпрямленного сигнала и умножении результата на коэффициент 1,1 (соотношение между средним и среднеквадратическим значениями идеальной синусоиды).
Однако, при отклонении синусоидальной кривой от идеальной формы данный коэффициент перестает действовать. По этой причине измерители с усреднением показаний зачастую дают неверные результаты при измерении токов в современных силовых сетях.
Линейные и нелинейные нагрузки
Линейные нагрузки, в состав которых входят только резисторы, катушки и конденсаторы, характеризуются синусоидальной кривой тока, поэтому при измерении их параметров проблем не возникает. Однако в случае нелинейных нагрузок, таких как приводы с регулируемой частотой и источники питания для офисного оборудования, при наличии помех от мощных нагрузок имеют место искаженные кривые.
Рис. 2. Кривые тока и напряжения блока питания персонального компьютера.
Измерение среднеквадратического значения токов по таким искаженным кривым с использованием обычных измерителей может дать в зависимости от характера нагрузки значительное занижение истинных результатов:
Класс прибора
Тип нагрузки / формы кривой
линейная нагрузка (синусоида)
ШИМ (меандр)
однофазный диодный выпрямитель
трёхфазный диодный выпрямитель
RMS
корректно
завышение на 10%
занижение на 40%
занижение 5%. 30%
True RMS
корректно
корректно
корректно
корректно
Поэтому у пользователей обычных приборов возникнет вопрос, почему, например, 14-амперный предохранитель регулярно перегорает, хотя по показаниям амперметра ток составляет всего лишь 10 А.
Приборы класса True RMS (с истинными среднеквадратическими показаниями)
Все то, что касается особенностей измерения токов нелинейной нагрузки, также верно и для измерения напряжений. Кривые напряжения также зачастую не являются идеальными синусоидами, в результате чего измерители с усреднением показаний дают неверные результаты.
Мультиметр Richmeters RM409B True-RMS с необычными дисплеем, кнопочным селектором видов измерений и отличными углами обзора
Приветствую всех посетителей сайта!
Все мультиметры, с которыми мне приходилось иметь раньше дело были оснащены обычными ЖК дисплеями. Мультиметры начального уровня, например DT 830, не имеют даже подсветки. В более дорогих и современных эта опция уже есть.
Обозреваемый RICHMETERS RM409B оснащен новым типом дисплеев – дисплеем EBTN. Такой экран в отличии от обычных ЖК дисплеев имеет черный фон, а символы наоборот светлые, что позволяет работать с прибором даже при полном отсутствии освещения. При этом такой дисплей обладает еще и превосходными углами обзора.
Второй особенностью RM409B является отсутствие кругового селектора видов измерений – здесь вместо него кнопки.
Поставляется прибор в коробке с минимумом надписей и изображением, за которое сразу цепляется взгляд.
Коробка немного пострадала в пути, но содержимое сохранила.
Как видим, мультиметр действительно необычный – у него отсутствует круговой селектор, но начать предлагаю с принадлежностей.
Не читая инструкции, лишь по содержимому комплекта поставки можно понять, что RM409B способен измерять температуру. Термопара здесь добротная и спрятана в металлический корпус. Такие термопары несколько медлительнее, чем незащищенные, но гораздо надежнее.
Провод в виде пружины растягивается на один метр, стремится сжаться, что может быть не всегда удобным при измерениях, но такова цена защищенности и надежности.
Комплектные щупы имеют длину 80 см. Они достаточно мягкие, но не силикон – в морозилке твердеют и теряют гибкость, однако быстро восстанавливают ее.
Как и многие щупы в последнее время, комплектные снабжены заглушками, а на наконечники надеты колпачки.
На ручки нанесли предупреждающую надпись о максимальном токе – 10 Ампер.
Колпачки на наконечниках играют не абы какую роль. Без них категория щупов по электробезопасности CAT II 600 Вольт, с ними категория безопасности остается прежней, но предел по допустимому напряжению возрастает до 1000 Вольт.
Если присмотреться к надписям на мультиметре, то его категории измерений CAT II 1000 Вольт и CAT III 600 Вольт.
Другими словами, если хотите применять мультиметр не только в быту (CAT II 1000), то щупы следует заменить на CAT III 600 Вольт.
Подробно вопросы категорийности измерений можно изучить здесь.
Приступая к рассмотрению самого мультиметра RICHMETERS RM409B обратим внимание на его характеристики:
Дополнительные, но важные «плюшки», которыми обладает прибор:
— табло на 4 основных знака с максимально отображаемым значением 9999; — категория электрооборудования по перенапряжению CAT II 1000V и CAT III 600V;
— определение падения напряжения на диодах.
Из объемной инструкции приведу лишь страницы, где указаны пределы измерений и точность в этих пределах.
Габариты мультиметра соответствуют заявленным 145 * 74 * 35 мм. RICHMETERS RM409B выполнен в том же формфакторе, что и многим хорошо известные Aneng 8001, RM102 и т.д., но немного крупнее их.
Несмотря на некоторые изменения размеров, прибор все так же удобно лежит в руке, а благодаря тому, что в конструкцию корпуса добавили резиновую вставку-бампер, мультиметр не выскальзывает из рук.
Токоизмерительные гнезда прикрывает наклейка с напоминанием о том, что измерять напряжение в данном режиме нельзя.
Противоскользящая «галоша» охватывает большую часть боковых и нижней стороны корпуса. Сзади располагается откидывающаяся подставка (фиксируется в «галоше» двумя выступами, входит плотно и самопроизвольно не открывается) и батарейный отсек.
Питается мультиметр от двух батареек типа АА, крышка отсека фиксируется винтом, который вкручивается в латунную гайку.
Для того, чтобы при замене батареек не потерять винт на него надел шайбу из термоусадки. Сделал из того, что было под рукой, а прежде еще на старых советских приборах обычно ставили картонную. Делать не обязательно, но так немного удобнее.
Подставка в открытом положении позволяет изменить угол наклона и сделать считывание информации более удобным.
Включается прибор двухсекундным удержанием кнопки Power. При этом слышно щелканье контактов реле, а в первую секунду после включения дисплей демонстрирует все свои возможности.
Включение и первые минуты использования мультиметра наглядно продемонстрировали преимущества дисплеев EBTN – таких углов обзора мне видеть в мультиметрах с обычными ЖК дисплеями не приходилось.
После включения мультиметр устанавливается в режим измерения постоянного напряжения с автоматическим выбором диапазона измерений. Для перевода в ручной нужно кратко нажать кнопку RANGE. Ею же выбираются пределы измерений. На примере измерения напряжения: 999,9 mV, 9,999 V, 99,99 V, 999,9 V. Для возврата в автоматический режим кнопку RANGE нужно зажать на пару секунд.
Как и в случае с автоматическим выбором диапазона измерений, подсветка дисплея работает по умолчанию всегда. Чтобы не высаживать батарейки в приборе предусмотрен энергосберегающий режим – через пять минут мультиметр отключается. За минуту до выключения он предупреждает пятью короткими звуковыми сигналами, а перед выключением длительным. Чтобы выключить режим энергосбережения нужно перед включением зажать кнопку «RANGE» и включить мультиметр.
Замеры и сравнения начнем с милливольт.
На 600 миллиВольтах Aneng сдается и показывает символ OL, в то время как RICHMETERS RM409B автоматически меняет предел измерений.
При бОльших напряжениях мультиметры так же давали практически идентичные данные.
Измерение переменного напряжения сопровождается измерением его частоты.
МиллиВольты снимал с экрана между обмотками и тут частота отличная от 50 Герц. Одно слово — наводки.
При измерении напряжения на обмотках и в сети частоту показывает верно.
Последняя функция, которая активируется кнопкой работы с напряжениями – это функция безконтактного детектора напряжения NCV. Прибор не сможет найти проводку в стене, но поверхностные провода и токоведущие части под напряжением найдет, издавая звуковые сигналы и подсвечивая сегменты на дисплее.
Кнопка измерения миллиВольт и температуры.
Предел измерения постоянного и переменного напряжений в миллиВольтах ограничен пределом в 100 мВ в автоматическом режиме. При переводе в ручной режим становятся доступны два поддиапазоне – 9,999 мВ и 99,99 мВ.
Значения измеряемой температуры отображаются сразу в двух единицах измерения одновременно – градусах Цельсия и Фаренгейта. Вода закипела при 99 градусах по Цельсию.
Значения однопроцентных сопротивлений прибор измеряет очень достойно.
Функции прозвонки цепи и определения падения напряжения на диодах объединили в одном подпункте – можно выполнять нужную операцию не переключая режим. Прозвонку цепи здесь реализовали как нужно, без заиканий и задержек с непрерывно пищащим зуммером.
С измерением емкости конденсаторов мультиметр справляется отлично. Показания Richmeters RM409B и Aneng 8001 разнятся крайне незначительно и укладываются в заявленные погрешности мультиметров.
Неэлектролитические конденсаторы 5100 пФ и 0,1 мкФ. (Для экономии времени замеры сразу на двух мультиметрах с последующим обменом конденсаторами).
Электролитические конденсаторы 100 мкФ и 1000 мкФ (алгоритм тот же).
Возможности измерения частоты сигнала проверял, подавая сигнал с генератора JDS6600 с дублированием измерений Aneng 8001. Хотя заявлена возможность измерять частоту до 5 МГц, RM409B фиксирует и более высокие значения, а кроме синусоиды, меандра и треугольника, может воспринимать и сигналы необычной формы. На фото граничные для RM409B частоты и на отдельных сигналах Aneng 8001 выкидывает белый флаг.
В обозреваемом RICHMETERS RM409B очень удачно реализована функция измерения силы тока. Кнопки активации такого режима здесь нет. При подключении щупа к токоизмерительному гнезду режим измерения силы тока включается автоматически.
Так как Aneng 8001 чуть привирает при измерении тока, то в сравнительных тестах он был заменен на BSIDE ADM08D и оба мультиметра показали одинаковые результаты.
Для измерения силы переменного тока, установив щуп в покоизмерительное гнездо, нужно кратко нажать кнопку включения/выключения.
Здесь приборы так же дали одинаковые результаты. В качестве нагрузки были светодиодный светильник, паяльник и фен в двух режимах.
Ну, и в качестве вишенки на торте – TrueRMS, измерение среднеквадратических значений переменного тока. Этот режим реализован не во всех мультиметрах и потому не всеми мультиметрами можно правильно оценить величину тока или напряжения в схемах с симисторами, на выходе безперебойных блоков питания и т.д., т.е. там где, уже нет синусоиды, а есть форма сигнала приближенная к ней.
В качестве примера измерение напряжения на выходе безперебойника, отключенного от сети и работающего от внутреннего аккумулятора. Простенький мультиметр в силу своего нехитрого конструктива дает неверные данные, в то время как RICHMETERS RM409B показывает правильное значение напряжения.
Если кратко нажать на кнопку HOLD, то данные на дисплее будут зафиксированы. Если же кнопку зажать на 2 секунды, то активируется режим REL – режим относительных измерений.
В завершении разборка.
Корпус скреплен четырьмя винтами, внутри чисто и сразу в глаза бросается реле. За мозговую активность мультиметра отвечает клякса, что дешевле в производстве, чем корпусные элементы и встречается повсеместно в мультиметрах. Установлены два предохранителя распространенного типоразмера. До обратной стороны платы не добрался – токоизмерительные гнезда вклеены, а распаивать не стал – смотреть там кроме контактных площадок нечего.
В ходе тестирования RM409B доказал свою профпригодность. На мой взгляд, это один из самых удачных мультиметров в своем ценовом диапазоне. Наряду с точностью и повторяемостью результатов измерений, компактные размеры, отсутствие вращающегося селектора видов работ, большие углы обзора дисплея и высокая контрастность, а так же TrueRMS делают RICHMETERS RM409B весьма конкурентоспособным при выборе мультиметра.
.
