AC voltmeters en ampèremeters

AC elektromechanische meterbewegingen zijn er in twee basisconfiguraties:die op basis van DC-bewegingsontwerpen en die speciaal ontworpen voor AC-gebruik.

Bewegingen van de meter met een permanente magneet met bewegende spoel (PMMC) werken niet correct als ze rechtstreeks zijn aangesloten op wisselstroom, omdat de richting van de naaldbeweging bij elke halve cyclus van de wisselstroom verandert. (Figuur hieronder)

Bewegingen van permanente magneetmeters, zoals motoren met permanente magneet, zijn apparaten waarvan de beweging afhangt van de polariteit van de aangelegde spanning (of, je kunt het zien in termen van de richting van de stroom).

Als u wisselstroom door deze beweging van de D'Arsonval-meter laat lopen, veroorzaakt dit nutteloos gefladder van de naald.

Om een ​​gelijkstroom-achtige meterbeweging zoals het D'Arsonval-ontwerp te gebruiken, moet de wisselstroom worden gerectificeerd in DC.

Dit wordt het gemakkelijkst bereikt door het gebruik van apparaten genaamd diodes . We zagen diodes gebruikt in een voorbeeldschakeling die de creatie van harmonische frequenties demonstreerde uit een vervormde (of gelijkgerichte) sinusgolf. Zonder in detail te treden over hoe en waarom diodes werken zoals ze werken, onthoud gewoon dat ze elk fungeren als een eenrichtingsklep om stroom te laten vloeien.

De pijlpunt in elk diodesymbool wijst in de toegestane stroomrichting.

Gerangschikt in een brug, zullen vier diodes dienen om AC door de meterbeweging in een constante richting te sturen gedurende alle delen van de AC-cyclus:

Als u AC door deze beweging van de gerectificeerde AC-meter laat lopen, wordt deze in één richting aangedreven.

Een andere strategie voor een praktische AC-meterbeweging is om de beweging opnieuw te ontwerpen zonder de inherente polariteitsgevoeligheid van de DC-typen.

Dit betekent het vermijden van het gebruik van permanente magneten. Waarschijnlijk is het eenvoudigste ontwerp om een ​​niet-gemagnetiseerde ijzeren schoep te gebruiken om de naald tegen de veerspanning in te bewegen, waarbij de schoep wordt aangetrokken naar een stationaire draadspoel die wordt geactiveerd door de AC-hoeveelheid die moet worden gemeten, zoals in de onderstaande afbeelding.

Ijzervaan elektromechanische meterbeweging.

Elektrostatische aantrekking tussen twee metalen platen gescheiden door een luchtspleet is een alternatief mechanisme voor het genereren van een naaldbewegingskracht die evenredig is met de aangelegde spanning.

Dit werkt net zo goed voor AC als voor DC, of ​​moet ik zeggen, net zo slecht! De betrokken krachten zijn erg klein, veel kleiner dan de magnetische aantrekkingskracht tussen een geactiveerde spoel en een ijzeren schoep, en als zodanig zijn deze "elektrostatische" bewegingen van de meter kwetsbaar en gemakkelijk verstoord door fysieke beweging.

Maar voor sommige AC-toepassingen met hoog voltage is de elektrostatische beweging een elegante technologie.

Als niets anders heeft deze technologie het voordeel van een extreem hoge ingangsimpedantie, wat betekent dat er geen stroom uit het te testen circuit hoeft te worden getrokken. Ook kunnen elektrostatische meterbewegingen zeer hoge spanningen meten zonder dat er afstandsweerstanden of andere externe apparaten nodig zijn.

Wanneer een gevoelige meterbeweging opnieuw moet worden gerangschikt om te functioneren als een AC-voltmeter, kunnen in serie geschakelde "multiplier" -weerstanden en / of resistieve spanningsdelers worden gebruikt, net als bij het ontwerp van een DC-meter:(figuur hieronder)

Vermenigvuldigingsweerstand (a) of resistieve deler (b) schaalt het bereik van de basisbeweging van de meter.

Condensatoren kunnen echter worden gebruikt in plaats van weerstanden om voltmeter-delercircuits te maken. Deze strategie heeft het voordeel dat ze niet-dissipatief is (geen werkelijk stroomverbruik en geen geproduceerde warmte):

AC voltmeter met capacitieve verdeler.

Als de beweging van de meter elektrostatisch is en dus inherent capacitief van aard is, kan een enkele "vermenigvuldiger" -condensator in serie worden geschakeld om deze een groter spanningsmeetbereik te geven, net zoals een in serie geschakelde vermenigvuldigingsweerstand een bewegende spoel geeft (inherent resistieve ) beweging van de meter een groter spanningsbereik:

Een elektrostatische beweging van de meter kan een capacitieve vermenigvuldiger gebruiken om de schaal van de basisbeweging van de meter te vermenigvuldigen.

De kathodestraalbuis (CRT) die in het hoofdstuk DC-meting wordt genoemd, is bij uitstek geschikt voor het meten van wisselspanningen, vooral als de elektronenbundel heen en weer over het scherm van de buis wordt geveegd terwijl de gemeten wisselspanning de bundel op en neer drijft .

Een grafische weergave van de AC-golfvorm en niet alleen een meting van de grootte kan met zo'n apparaat gemakkelijk worden verkregen. CRT's hebben echter de nadelen van gewicht, grootte, aanzienlijk stroomverbruik en kwetsbaarheid (gemaakt van geëvacueerd glas) die tegen hen werken.

Om deze redenen hebben elektromechanische AC-meterbewegingen nog steeds een plaats in praktisch gebruik.

Nu een aantal van de voor- en nadelen van deze meterbewegingstechnologieën al zijn besproken, is er nog een andere factor die van cruciaal belang is voor de ontwerper en gebruiker van AC-meetinstrumenten om op de hoogte te zijn. Dit is het probleem van RMS-meting.

Zoals we al weten, worden AC-metingen vaak gegoten in een schaal van gelijkstroom-equivalentie, genaamd RMS (R oot-M ean-S quare) omwille van zinvolle vergelijkingen met DC en met andere AC-golfvormen van verschillende vorm. Geen van de tot dusver besproken technologieën voor het verplaatsen van meters meten inherent de RMS-waarde van een AC-grootheid.

Meterbewegingen die afhankelijk zijn van de beweging van een mechanische naald ("gerectificeerd" D'Arsonval, ijzervaan en elektrostatisch) hebben allemaal de neiging om de momentane waarden mechanisch te middelen tot een algemene gemiddelde waarde voor de golfvorm.

Deze gemiddelde waarde is niet noodzakelijk hetzelfde als RMS, hoewel het vaak als zodanig wordt aangezien. Gemiddelde en RMS-waarden staan ​​als zodanig tegenover elkaar voor deze drie veelvoorkomende golfvormvormen:

RMS-, gemiddelde- en piek-tot-piekwaarden voor sinus-, vierkant- en driehoeksgolven.

Aangezien RMS het soort meting lijkt te zijn, zijn de meeste mensen geïnteresseerd in het verkrijgen van een instrument, en elektromechanische meterbewegingen leveren natuurlijk gemiddelde op. metingen in plaats van RMS, wat moeten ontwerpers van AC-meters doen? Valsspelen natuurlijk!

Meestal wordt aangenomen dat de te meten golfvorm een ​​sinus zal zijn (veruit de meest voorkomende, vooral voor energiesystemen), en vervolgens wordt de schaal voor de verplaatsing van de meter gewijzigd met de juiste vermenigvuldigingsfactor.

Voor sinusgolven zien we dat RMS gelijk is aan 0,707 keer de piekwaarde, terwijl Gemiddelde 0,637 keer de piek is, dus we kunnen het ene cijfer door het andere delen om een ​​gemiddelde-naar-RMS-conversiefactor van 1,109 te verkrijgen:

Met andere woorden, de beweging van de meter wordt gekalibreerd om ongeveer 1,11 keer hoger aan te geven dan normaal (natuurlijk) zonder speciale aanpassingen. Benadrukt moet worden dat deze "cheat" alleen goed werkt wanneer de meter wordt gebruikt om zuivere sinusgolfbronnen te meten.

Merk op dat voor driehoeksgolven de verhouding tussen RMS en Gemiddelde niet hetzelfde is als voor sinusgolven:

Bij blokgolven zijn de RMS en Gemiddelde waarden identiek! Een AC-meter die is gekalibreerd om de RMS-spanning of -stroom nauwkeurig af te lezen op een zuivere sinusgolf, zal niet geef de juiste waarde terwijl u de grootte aangeeft van iets anders dan een perfecte sinusgolf.

Dit omvat driehoeksgolven, vierkante golven of elke vorm van vervormde sinusgolf. Nu harmonischen een altijd aanwezig fenomeen worden in grote wisselstroomsystemen, is deze kwestie van nauwkeurige RMS-meting geen kleinigheid.

De oplettende lezer zal opmerken dat ik de CRT "beweging" heb weggelaten uit de RMS/Average discussie. Dit komt omdat een CRT met zijn praktisch gewichtloze "beweging" van de elektronenstraal de piek (of piek-tot-piek als u dat wenst) van een AC-golfvorm weergeeft in plaats van gemiddeld of RMS.

Toch doet zich een soortgelijk probleem voor:hoe bepaal je daaruit de RMS-waarde van een golfvorm? Conversiefactoren tussen Piek en RMS zijn alleen geldig zolang de golfvorm netjes in een bekende vormcategorie valt (sinus, driehoek en vierkant zijn de enige voorbeelden met Piek/RMS/Gemiddelde conversiefactoren die hier worden gegeven!).

Eén antwoord is om de beweging van de meter te ontwerpen rond de definitie van RMS:de effectieve verwarmingswaarde van een wisselspanning/-stroom als het een resistieve belasting aandrijft. Stel dat de te meten wisselstroombron is aangesloten over een weerstand van bekende waarde, en de warmteafgifte van die weerstand wordt gemeten met een apparaat zoals een thermokoppel.

Dit zou een veel directere meetmethode van RMS opleveren dan welke conversiefactor dan ook, want het werkt met ELKE golfvorm:

Thermische RMS-voltmeter met directe aflezing is geschikt voor elke golfvorm.

Hoewel het hierboven getoonde apparaat enigszins ruw is en op zichzelf unieke technische problemen zou hebben, is het geïllustreerde concept zeer degelijk. De weerstand zet de AC-spanning of stroomhoeveelheid om in een thermische (warmte) hoeveelheid, waardoor de waarden in realtime kwadrateren.

De massa van het systeem werkt om deze waarden te middelen volgens het principe van thermische traagheid, en vervolgens wordt de meterschaal zelf gekalibreerd om een ​​indicatie te geven op basis van de vierkantswortel van de thermische meting:perfecte Wortel-Mean-Square-indicatie alles in één apparaat!

In feite heeft een grote instrumentfabrikant deze techniek geïmplementeerd in zijn high-end lijn van draagbare elektronische multimeters voor "true-RMS"-mogelijkheden.

Het kalibreren van AC-voltmeters en ampèremeters voor verschillende volledige werkbereiken is vrijwel hetzelfde als bij DC-instrumenten:serie "vermenigvuldigingsweerstanden" worden gebruikt om voltmeterbewegingen een groter bereik te geven, en parallelle "shunt" -weerstanden worden gebruikt om ampèremeterbewegingen te meten stromingen buiten hun natuurlijke bereik.

We zijn echter niet beperkt tot deze technieken zoals we waren met DC:omdat we transformatoren met AC kunnen gebruiken, kunnen meterbereiken elektromagnetisch zijn in plaats van resistief "opgevoerd" of "gedaald", soms veel verder dan wat weerstanden praktisch zouden hebben toegestaan voor.

Potentiële transformatoren (PT's) en stroomtransformatoren (CT's) zijn precisie-instrumenten die zijn vervaardigd om zeer nauwkeurige transformatieverhoudingen tussen primaire en secundaire wikkelingen te produceren.

Ze kunnen kleine, eenvoudige bewegingen van de AC-meter toestaan ​​om extreem hoge spanningen en stromen in voedingssystemen nauwkeurig en volledig elektrisch te isoleren (iets wat multipliers en shuntweerstanden nooit zouden kunnen):

(CT) Stroomtransformator schaalt stroom naar beneden. (PT) Potentiële transformator verlaagt de spanning.

Hier wordt een spannings- en stroommeterpaneel weergegeven van een driefasig wisselstroomsysteem. De drie "donut" stroomtransformatoren (CT's) zijn te zien aan de achterkant van het paneel. Drie AC-ampèremeters (met elk een nominale doorbuiging van 5 ampère op volledige schaal) aan de voorkant van het paneel geven de stroom aan die door elke geleider gaat die door een stroomtransformator gaat.

Aangezien dit paneel buiten gebruik is gesteld, zijn er geen stroomvoerende geleiders meer door het midden van de CT "donuts" gestoken:

Toroidale stroomtransformatoren schalen hoge stroomniveaus voor toepassing naar 5 A full-scale AC-ampèremeters.

Vanwege de kosten (en vaak grote afmetingen) van instrumenttransformatoren, worden ze niet gebruikt om AC-meters te schalen voor andere toepassingen dan hoge spanning en hoge stroom. Voor het schalen van een milliampère of microampère beweging naar een bereik van 120 volt of 5 ampère worden normale precisieweerstanden (multipliers en shunts) gebruikt, net als bij DC.

BEOORDELING:

• Gepolariseerde (DC) meterbewegingen moeten apparaten gebruiken die diodes worden genoemd om AC-hoeveelheden aan te kunnen geven.
• Elektromechanische meterbewegingen, of ze nu elektromagnetisch of elektrostatisch zijn, leveren natuurlijk het gemiddelde waarde van een gemeten AC-grootheid. Deze instrumenten kunnen worden gerangschikt om de RMS-waarde aan te geven, maar alleen als de vorm van de AC-golfvorm vooraf precies bekend is!
• Zogenaamde true RMS meters gebruiken verschillende technologie om indicaties te geven die de werkelijke RMS (in plaats van een scheef gemiddelde of piek) van een AC-golfvorm weergeven.