Вступление
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 . 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 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 .
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.
Базовый алгоритм
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 , 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.
Заключение
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.
Два года назад я делал обзор на эту модель мультиметра. То был прибор, заказанный по просьбе моего знакомого. На этот раз заказал на свои (рассчитывал в подарок). Заказ получил ещё весной. Но, думаю, обзор актуальности не потерял. Так что ж меня заставило сделать этот обзор? В том топике сделал одно серьёзное упущение. Совершенно не заметил надпись True RMS. Некоторые измерения тоже пропустил. Проверю более глубинно.
И не мешало бы напомнить, что есть такой недорогой мультиметр (самый дешёвый с True RMS). Ведь тот обзор не все читали.
Для покупки мультиметра я использовал скидку. Если у вас есть поинты, вы тоже можете ими воспользоваться.
Для начала быстро глянем, в каком виде всё прибыло. Посылка бестрековая. Платить за трек очень не хотелось, зная особенно, что из этого магазина итак всё неплохо приходит (менее 30 дней с оплаты). 
Стандартный пакет без «пупырки». Внутри вспененный полиэтилен должен был защитить прибор от всех неожиданностей.
От всех неожиданностей он не защитил. В итоге имеем серьёзно сплюснутую коробочку. Но прибор цел и невредим.
Вот, что было в комплекте:
1-Коробочка
2-Мультиметр
3-Инструкция на «родном» китайском языке. Скан можно глянуть здесь:
4-Две батарейки ААА (внутри мультиметра).
5-Шнурок на ……. руку? Скорее на два пальца (ну очень маленький).
6-Гарантийная карточка.
За это время в оформлении девайса ничего не изменилось.
Голографическая наклейка в подтверждение подлинности (по центру и её периметру иероглифы).
Откидываю крышку, и прибор готов к работе. Щупы с проводами аккуратно собраны в специальный кармашек. Длина проводов 37см + щупы 10см. Места очень мало. С трудом всё умещается.
Провода тонкие и немягкие. Если бросить в машину и пользоваться изредка – надолго хватит. При повседневном пользовании щупы вскоре придётся заменить. Новые уже в кармашек не влезут. Придётся сверлить дырку (отверстие) сбоку. Иначе крышка не закроется.
Вот эту надпись тогда я не заметил.
На крышке краткие характеристики с возможностями прибора.
На странице магазина более детально с указанием погрешности измерений.
На самом деле всё намного лучше. Об этом чуть позже.
Сам прибор в пластмассовом корпусе с крышкой, закрывающей лицевую панель. Корпус выполнен аккуратно, все прилегает достаточно плотно.
Мультиметр небольших размеров.
Взвесил. С батарейками 127г.
Надписи, нанесённые на прибор, имеют чёткие очертания.
Крышка на защелке, закрывается плотно, для открывания надо приложить небольшое усилие. В крышке прорезь. Закрыть прибор крышкой можно только в том случае, если переключатель режимов установлен в правильное левое положение «выключен».
Крышку можно использовать как подставку. Хотя, такое использование сомнительно.
Переключатель режимов работы дисковый, с четкой фиксацией и щелчком.
При включении автоматически включается режим с автовыбором диапазона измерений. Для ручного выбора диапазона имеется желтая кнопка «RANGE», с циклическим переключением.
Подсветки дисплея нет.
Автооключение.
Если с прибором не совершается никаких операций при помощи поворотного переключателя или кнопок, то через 14-15 минут он подаёт четыре коротких предупредительных попискивания (достаточно громких). После пятого более продолжительного - мультиметр переходит в спящий режим и отключается. Для его оживления придётся перевести переключатель режимов в положение OFF, а затем включить в нужное положение. На нажатие кнопок не реагирует, «оживить» таким образом не удастся.
Включение/отключение режима автоматических измерений «RANGE» (жёлтая кнопка) .
Работает при измерении сопротивления и напряжения постоянного/переменного тока. Для этого необходимо нажать на кнопку. Кратковременное нажатие переключает поддиапазоны. В режиме измерения ёмкости и частоты автоматический режим измерения не отключается.
Относительные измерения «REL» (синяя кнопка).
Работает при измерении напряжения и сопротивления.
При измерении частоты переключает в режим измерения скважности.
Разрядность дисплея: 4000 отсчётов с плавающей точкой.
Возможности дисплея избыточны по отношению к возможностям прибора.
Девайс работает от двух батареек ААА. Это несомненно плюс.
Батарейки шли в комплекте. Обычные солевые, их лучше поменять. Если потекут – испортят пружинки.
Кому интересно, заглянем, что внутри.
Один саморез я открутил. Без снятия батарейной крышки к «потрохам» не добраться. Дальше необходимо обезвредить несколько защёлок.
Затем откручиваю 4 самореза.
Контактные площадки переключателя почти не смазаны. Смазал циатимом.
Внутри ни одного подстроечного элемента. С одной стороны – плохо. Нельзя подрегулировать точность измерений (в случай чего). С другой стороны – хорошо. Подстроечных элементов нет, значит, и сбиваться нечему.
В роли процессора микросхема типа «клякса». Компаунда не пожалели.
К качеству пайки замечаний не имею.
Прибор я закрываю, и перехожу к определению точностных характеристик прибора.
Все приборы, при помощи которых буду определять точность, имеют стоимость в пределах от 10 000 до 100 000рублей. Естественно это не личные приборы. Вряд у кого они есть в личном пользовании. Кому-то будет интересно.
Проверим, как измеряет переменку при помощи В1-9 (установка для поверки вольтметров)
Эта установка позволяет измерять погрешность непосредственно в процентах. Но этой удобной опцией я не воспользуюсь. Все измерения приведу в виде таблицы. По моему мнению, так нагляднее. Выставляю частоту 50Гц, регулятор погрешности вывожу на ноль. Просто записываю то, что показывает мультиметр.
Результат просто шикарный. На 10мВ можно особо не обращать внимание. Во-первых, погрешность даёт наводимое на провода напряжение (наводка). Во-вторых, за всю жизнь не приходилось измерять напряжения такого уровня. Для измерения напряжений такого уровня необходимы экранированные провода небольшой длины.
Кроме всего прочего эта установка позволяет изменять частоту образцового сигнала. В результате я получил, что мультиметр позволяет точно измерять синусоиду в пределах 10-1100Гц.
А вот сравнительное фото измеренного напряжения промышленной сети с другим достаточно точным прибором True RMS В7-78 (будем его считать образцовым), который стОит раз в… цать дороже обозреваемого.
Расхождения имеются. Но это очень хороший результат. Поверьте мне, не первый год тружусь…
Постоянку буду оценивать при помощи калибратора программируемого П320. Всё просто. Подключаю к калибратору мультиметр и записываю то, что он (мультиметр) показывает. Все данные свёл в таблицу.
На пределах 420мВ - 4,2В - 42В результат просто шикарный. На остальных - в заявленных границах.
Перехожу к измерению сопротивления.
Помогут мне магазины сопротивлений Р4834 и Р4002.
Сначала перемкнул щупы.
Все данные измерений свёл в таблицу. 
Если не брать во внимание предел 42МОм, погрешность намного выше заявленной (в последнем знаке).
Прозвонка диодов и пищалка разнесены в разные режимы. При прозвонке диодов на разомкнутых щупах присутствует напряжение батареи. Можно прозванивать светодиоды. Под нагрузкой напряжение (естественно) падает.
В режиме пищалка и измерении сопротивлений напряжение на щупах около одного Вольта.
Это реально измеренные показания.
Точность измерения ёмкостей проверю при помощи магазина Р5025.
Некоторые нюансы поясню.
1.Образцовка имеет начальную ёмкость, её необходимо учитывать.
2.При измерении ёмкостей более 10мкФ наблюдается задержка в измерениях. Время задержки я отметил в таблице.
Магазин ограничен ёмкостью в 100мкФ. На бОльшую ёмкость образцовки не имею.
Добавлю несколько фото с измерениями электролитов. 
Хотел узнать, на какой предел рассчитан прибор. Но так и не узнал.
В характеристиках написано, что может измерять до 200мкФ. Как видим из фото, может измерять и более 10.000мкФ. Приятная фишка!
Эту связку прибор измерил за 7 секунд. Хотя по логике тестирования на образцовке, думал, что потратит не менее минуты.
Измерение частоты…
Для определения точности измерения подключал к прибору Will"TEK Stabilock 4032. Особо не напрягался. Прибор может выдавать калиброванные частоты, что очень удобно.
Прошу извинения за качество фото. Прибор стоИт в закутке помещения. А при вспышке качество картинки ещё хуже.
Все данные свёл в таблицу. (Чувствительность прибора по частоте продублировал на Г3-112.)
Точность показаний явно выше заявленной.
Частоту измеряет и выше 10МГц. Правда, чувствительность слабовата. Приходится задирать сигнал. Остановился на 34МГц.
Возвращаемся в начало обзора. Так что ж меня заставило сделать этот обзор? В том топике сделал одно серьёзное упущение. Совершенно не заметил надпись True RMS. Отличительной особенностью этого мультиметра является вычисление среднеквадратичного значения измеренного переменного напряжения.
Проверил при помощи MHS-5200A. Интересен тем, что может выдавать сигналы любой формы. Выставил частоту 50Гц. Но есть особенность. Показывает только размах сигнала (в моём случае 10В амплитудное значение).
Форму сигнала и среднеквадратичное (True RMS) значение контролировал при помощи другого девайса (кто знает цену – молчите:))
Сначала подал синусоиду.
Затем подал вот такой.
Затем такой.
Затем такой.
И, наконец…
Супер!
Обычные мультиметры (дают погрешность больше 8%) на таких формах сигнала начинают сильно врать. 
Этот прибор (FUYI FY9805) я калибровал специально под обзоры, нравится он мне своей контрастностью цифр. Но True RMS в него не вставишь:(Поэтому и врёт, если не синусоида.
А VICTOR VC921 не подвёл. Китайцы не обманули. Он действительно может.
Пора переходить к заключительной части. Выделю то, что мне понравилось и не понравилось. Точка зрения субъективная.
Минусы:
- Нельзя быстро заменить щупы (в случае обрыва), так как запаяны прямо в плату прибора.
- Маловато пространство для щупов.
- Бледноватые показания в отличие от своих собратьев.
- Не измеряет силу тока (для кого-то это важно).
- Нет аналоговой шкалы.
- Нет подсветка дисплея.
- Не мягкие среднего качества щупы.
Плюсы:
+ Индикатор показывает измеряемые величины (мкФ, мВ, …).
+ Автовыбор пределов измерения (с возможностью отключения функции).
+ Сделан аккуратно и добротно.
+ Можно прозванивать светодиоды.
+ Наличие автоотключения. Прибор выключится через 15 минут.
+ Прибор (с точки зрения метрологии) просто шикарный. Правда, нюансы имеются.
+ Питание от двух ААА элементов несомненный плюс (для меня). Найду всегда и везде (хоть в командировке, хоть дома)
+ Наличие на передней крышке прорези под переключатель заставляет выключить прибор после использования.
+Измеряет электролиты ёмкостью свыше 10 000мкФ!
+ С True RMS!
Вывод:
Он действительно того стоит. Применяйте купон, и вам тоже будет счастье:)
Кажись всё. Если что забыл, поправьте.
Как правильно распорядиться сведениями из моего обзора каждый решает сам. Я лишь могу гарантировать правдивость своих измерений. Кому что-то неясно, задавайте вопросы. Надеюсь, хоть кому-то помог.
Теперь всё.
Удачи всем!
Точные измерения - трудная задача, стоящая перед технологами и специалистами по обслуживанию современных производств и оборудования различных организаций. В нашу повседневную жизнь все больше и больше входят персональные компьютеры, приводы с регулируемой скоростью и другое оборудование, имеющее несинусоидальные характеристики потребляемого тока и рабочего напряжения (в виде кратковременных импульсов, с искажениями и т.п.). Такое оборудование может вызвать неадекватные показания обычных измерителей с усреднением показаний (вычисляющих среднеквадратическое значение).
Почему следует выбирать приборы класса True-RMS?
Говоря о значениях переменного тока, мы обычно имеем в виду среднюю эффективную выделяемую теплоту или среднеквадратическое (RMS) значение тока. Данное значение эквивалентно значению постоянного тока, действие которого вызвало бы такой же тепловой эффект, что и действие измеряемого переменного тока, и вычисляется по следующей формуле:
.
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
Рис. 1. Кривые напряжения синусоидальной и искажённой формы.
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
|
|||
| 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)
Для измерения тока с искаженными кривыми необходимо при помощи анализатора кривой сигнала проверить форму синусоиды, после чего использовать измеритель с усреднением показаний только в том случае, если кривая окажется действительно идеальной синусоидой. Однако гораздо удобнее постоянно использовать измеритель с истинно среднеквадратическими показаниями (True RMS) и всегда быть уверенным в достоверности измерений. Современные мультиметры и токовые клещи подобного класса используют усовершенствованные технологии измерения, позволяющие определить реальные эффективные значения переменного тока вне зависимости от того, является ли токовая кривая идеальной синусоидой или искажена. Для этого применяются специальные преобразователи, обуславливающие основную разницу в стоимости с бюджетными аналогами. Единственное ограничение - кривая должна находиться в пределах допустимого диапазона измерений используемого прибора.
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.
Исходя из описанных выше примеров, в современных высокотехнологичных электротехнических системах для измерения токов и напряжений рекомендуется применять приборы класса True RMS.
Среднеквадратичное значение (СКЗ). Действующее или эффективное значение
Истинное среднеквадратичное значение (ИСКЗ)
Root-mean-square (RMS) − среднеквадратичное значение – англ.
True Root-Mean-Square (TRMS) − истинное среднеквадратичное значение – англ.
Для любой периодической функции (например, тока или напряжения) вида f = f(t) среднеквадратичное значение функции определяется как:
то действующее значение периодической несинусоидальной функции выражается формулой
 |
Поскольку Fn − амплитуда n-ой гармоники, то Fn / √2 − действующее значение гармоники. Таким образом, полученное выражение показывает, что действующее значение периодической несинусоидальной функции равно корню квадратному из суммы квадратов действующих значений гармоник и квадрата постоянной слагающей.
Например если, несинусоидальный ток выражается формулой:
 |
то среднеквадратичное значение тока равно:
 |
Все приведённые выше соотношения используются при вычислении в тестерах измеряющих ИСКЗ, в цепях измерения тока ИБП, в анализаторах сети и в др. оборудовании.
Истинное среднеквадратичное значение (ИСКЗ), True Root-Mean-Square (TRMS)
Большинство простых тестеров не могут точно измерять среднеквадратичное значение несинусоидального сигнала (то есть сигнала с большими гармоническими искажениями, например, прямоугольной формы). Они правильно определяют СКЗ напряжения только для синусоидальных сигналов. Если таким прибором измерить СКЗ напряжения прямоугольной формы, то показание будет ошибочным. Причина ошибки – обычные тестеры при вычислении учитывают основную гармонику (для обычной сети – 50 Гц), но не берут в расчет высшие гармоники сигнала.
Для решения данной проблемы существуют особые приборы, точно измеряющие СКЗ с учётом высших гармоник (обычно до 30-50 гармоник). Они маркируются символом TRMS или ИСКЗ (true root-mean-square) – истинное среднеквадратичное значение, True RMS, истинное СКЗ.
Так, например, обычный тестер может измерить с ошибкой напряжение на выходе ИБП с аппроксимированной синусоидой, в то время как тестер «APPA 106 TRUE RMS MULTIMETER» измеряет напряжение (СКЗ) правильно.
Замечания
Для синусоидального сигнала, фазное напряжение в сети (нейтраль – фаза, phase voltage) равно:
UСКЗ ф = Uмакс ф / (√2)
Для синусоидального сигнала, линейное напряжение в сети (фаза – фаза, interlinear voltage) равно:
UСКЗ л = Uмакс л / (√2)
Соотношение между фазным и линейным напряжением:
UСКЗ л = UСКЗ ф * √3
Обозначения:
ф – линейное (напряжение)
л – фазное (напряжение)
СКЗ – среднеквадратичное значение
макс – максимальное или амплитудное значение (напряжения)
Примеры:
Фазному напряжению 220 В соответствует линейное напряжение 380 В
Фазному напряжению 230 В соответствует линейное напряжение 400 В
Фазному напряжению 240 В соответствует линейное напряжение 415 В
Фазное напряжение:
Напряжение в сети 220 В (СКЗ), - амплитудное значение напряжения около ±310 В
Напряжение в сети 230 В (СКЗ), - амплитудное значение напряжения около ±325 В
Напряжение в сети 240 В (СКЗ), - амплитудное значение напряжения около ±340 В
Линейное напряжение:
Напряжение в сети 380 В (СКЗ), - амплитудное значение напряжения около ±537 В
Напряжение в сети 400 В (СКЗ), - амплитудное значение напряжения около ±565 В
Напряжение в сети 415 В (СКЗ), - амплитудное значение напряжения около ±587 В
Ниже приведён обычный пример фазных напряжений в 3-фазной сети:
 |
Г.И. Атабеков Основы Теории Цепей с.176, 434 с.
Представленный в статье ваттметр переменного тока позволяет измерять следующие параметры:
1. Действующее значение напряжения
2.
Действующее значение тока
3. Активная мощность
4. Полная мощность
5.
Коэффициент мощности
6. Среднюю мощность нагрузки (см. ниже)
Возможности и особенности данной реализации
:
1. Измеряемый диапазон мощностей для повышения точности разбит на два диапазона, при этом переключение между ними происходит автоматически.
2. Для улучшения читабельности и упрощения снятия показаний реализованы два варианта отображения информации (на фото ниже)
3. Прибор позволяет определять выход напряжения и тока за установленные границы и управлять нагрузкой на основании этой информации.
4. Прибор также измеряет мощность за период, таким образом можно определить реальное потребление устройств с переменной мощностью (холодильник, утюг, компьютер).
Фото
Активная мощность. Ток. Напряжение.
То же и Полная мощность. Коэффициент мощности. Средняя мощность за период измерения.
Методика измерения :
Существует прекрасная статья Олега Артамонова http://www.fcenter.ru/online.shtml?articles/hardware/tower/6484
Именно в соответствии с ней (и с теорией) и построена программа.
Схема :
Построена на общедоступных компонентах и легка к повторению.
БП - любой блок питания на 5В с небольшими пульсациями.
Усилитель - LM2904 или подобный
Подстроечники Р1 и Р2 - многооборотные
Шунт Rш собран из резисторов 0,1 Ом 2Вт, соединенных параллельно. Выбирается из расчета примерно 1 резистор на 1 кВт максимальной измеряемой мощности. На плате есть место под 10шт. У меня установлено 4, примерно на 4 кВт.
ATMega8 сконфигурирована на работу от внутреннего генератора, 8МГц.
Внешний вид :
Обратите внимание на опторазвязку в левом верхнем углу.
Печатная плат а:
Обратите внимание: не все элементы печатной платы использованы. В текущей версии нет необходимости в кварце с его обвязкой, кнопке К2 (рядом с К1, не обозначена).
В правом углу размещена опторазвязка, но я рекомендую сделать ее в виде отдельного устройства. Пригодится.
Настройка и работа схемы :
Внимание: схема находится под сетевым напряжением. Прошивку МК производить при отключенном напряжении, запитывать через программатор! Выход UART подключать только через опторазвязку!
Настройка делится на два этапа.
Этап 1. Настройка точки нуля.
Зажать кнопку и включить прибор. Отпустить кнопку.
На экране появится изображение вида:
Это значения напряжения и тока по шкале 0..1023.
Слева-направо: минимум за период, максимум за период, среднее.
С помощью подстроечников Р1 и Р2 выставляем среднее в 511.
Проверяем наличие запаса сверху и снизу от минимума и максимума.
Число после # обозначает количество семплов, взятых за период. Это число должно быть несколько менее 200.
Этап 2. Калибровка.
Подключить переходник UART-USB. Например такой:
через опторазвязку. Ее плата находится в файле вместе с основной платой, на соседней вкладке.
Запустить программу-терминал на скорости 4800.
- Подключить образцовые вольтметр и амперметр и активную нагрузку, к примеру 100Вт.
- Подключить прибор к сети. Во время загрузки, на изображении "термометра" зажать К1 и не отпускать до достижения "термометром" края экрана. На экране появится надпись (setup) .
- В терминале должно появится изображение вида:
Это диалоговое окно. Сохранение нового значения осуществляется так:
(пункт) (Enter) (значение) (Enter)
Расшифровка пунктов:
1, Константа для напряжения
2.
Константа для тока 1 диапазона
3. Константа для тока 2 диапазона
4. Количество периодов измерения. Влияет на частоту обновления информации.
5,6,7 Установки для управления нагрузкой (предохранитель). Выходы управления LED1, LED2.
8. Управление выводом в терминал. См. ниже.
0. Выход
Для калибровки составить пропорцию вида: Х=(записанная константа)*(образцовое напряжение)/(отображаемое напряжение)
Записать в память. При необходимости повторить.
Повторить для тока, затем поменять нагрузку для попадания во второй диапазон (скажем 1000Вт) и еще раз повторить.
Все, можно пользоваться.
Прочее :
1. В правом верхнем углу расположен индикатор. Его мигание подтверждает работоспособность устройства.
Точка внутри этого индикатора показывает включенный диапазон: меньше - 1 диапазон, больше - 2 диапазон.
2. Константа Disp, описанная во втором этапе калибровки управляет режимом вывода данных в терминал.
Disp=0 Ничего не выводится.
Disp=1 Дублирование данных дисплея в терминал:
Disp=2 Режим "осциллограф". В этом режиме сохраненные данные измерений мгновенных значений напряжения и тока выводятся в терминал, где их можно скопировать (к примеру) в Excel, проверить на адекватность, да и просто использовать для изучения формы тока и напряжения в сети. Файл-пример приложен к статье.
4. В рабочем режиме кнопка K1 переключает режимы отображения на дисплее.
Вот и все. Буду рад отзывам.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| БП | Блок питания | 5 вольт | 1 | Любой | В блокнот | ||
| Переходник USB-UART | 1 | Необходим для калибровки | В блокнот | ||||
| Плата оптической развязки | 1 | На фото, для переходника USB-UART | В блокнот | ||||
| OP1, OP2 | Операционный усилитель | LM2904 | 1 | В блокнот | |||
| IC2 | МК AVR 8-бит | ATmega8 | 1 | В блокнот | |||
| LCD-дисплей | HD44780 2x20 | 1 | В блокнот | ||||
| D1, D2 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 2 | В блокнот | |||
| LED1, LED2 | Светодиод | 2 | В блокнот | ||||
| C1, C2 | Электролитический конденсатор | 6.8 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| C3 | Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 20 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R2, R5, R8 | Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R3, R6, R10, R13, R14 | Резистор | 1 кОм | 5 | В блокнот | |||
| R4 | Резистор | 470 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R7 | Резистор | 0.1 Ом 2 Вт | 10 | Rш, соединены параллельно, подобрать колличество | В блокнот | ||
| R9, R12 | Резистор | 680 Ом | 2 | В блокнот | |||
| R11 | Резистор | 330 кОм | 1 | В блокнот | |||
| P1 | Подстроечный резистор | 330 кОм | 1 | Многооборотный | В блокнот | ||
| P2 | Подстроечный резистор | 1.5 кОм | 1 | Многооборотный | |||
