AC Spanning en Stroom Meter Ontwerp: Van Gleichrichting tot Echte-RMS Meting

Elektromechanische meterbewegingen voor wisselstroom zijn doorgaans verdeeld in twee groepen: aanpassingen van direct-stroom (DC) ontwerpen en eenheden specifiek ontworpen voor AC-metingen.

Permanente-magnet bewegende-spoel (PMZS) bewegingen kunnen niet direct aan AC worden aangesloten. De wijzer zou met elke half-cyclus oscilleren, wat een nutteloze flits produceert (zie figuur hieronder).

Permanente-magnet apparaten, zoals motoren, vertrouwen op de polariteit van de aangelegde spanning of stroomrichting. Wanneer AC wordt toegepast, keert de polariteit elke half-cyclus om, wat de wijzer heen en weer laat bewegen.

AC door een D'Arsonval meterbeweging produceert een snelle, ineffectieve wijzer flits.

Om een DC-stijl beweging zoals het D'Arsonval-ontwerp te gebruiken, moet het AC-signaal eerst gelijkgerichte worden naar DC. De meest voorkomende methode gebruikt diodes, die fungeren als eenrichtingskleppen voor stroomdoorlaat. Vier diodes in een brugconfiguratie gerangschikt zorgen ervoor dat de stroom door de meterbeweging altijd in één richting vloeit, ongeacht de AC-cyclus.

Gelijkgerichte AC toegepast op een brug-gegleichrichterde meterbeweging drijft de wijzer consistent in één richting.

Alternatief kunnen AC-specifieke meterbewegingen ontworpen worden om de polariteitsgevoeligheid inherent aan DC-typen te vermijden. Een veelvoorkomende benadering gebruikt een niet-gemagnetiseerd ijzeren vingertje dat aangetrokken wordt naar een stationaire spoel geenergiseerd door de AC-grootte die gemeten wordt, geïllustreerd hieronder.

Ijzer-vling elektromechanische meterbeweging.

Elektrostatische aantrekking tussen twee metalen platen gescheiden door een luchtspalt biedt een ander mechanisme voor het genereren van een wijzer-bewerkende kracht evenredig aan de aangelegde spanning. Hoewel deze methode gelijk goed werkt voor AC en DC, zijn de krachten typisch erg klein, wat dergelijke bewegingen kwetsbaar maakt voor storingen. Toch zijn elektrostatische meters aantrekkelijk voor hoge-spanning AC-toepassingen vanwege hun extrem hoge invoerimpedantie en de capaciteit om hoge spanningen te meten zonder externe bereikweerstanden.

Wanneer een elektrostatische of andere basismeterbeweging gecalibreerd moet worden voor AC-gebruik, worden serie-aangesloten "vermenigvuldiger" weerstanden of resistieve spanningsdelers gebruikt, net als in DC-meterontwerp:

Vermenigvuldiger weerstand (a) of resistieve deler (b) schaalt het bereik van de basismeterbeweging.

Het gebruik van condensators in plaats van weerstanden voor de deler biedt een niet-dissipatieve oplossing, wat warmteproductie elimineert. Deze techniek is bijzonder voordelig voor hoge-spanning AC-metingen.

AC voltmeter die een capacitieve deler gebruikt.

Voor elektrostatische meterbewegingen—die inherent capacitief zijn—kan een enkele "vermenigvuldiger" condensator in serie worden toegevoegd om het meetbare spanningbereik uit te breiden, analoog aan een weerstandsvermenigvuldiger voor bewegende-spoel meters.

Een elektrostatische meterbeweging kan een capacitieve vermenigvuldiger gebruiken om haar bereik te vergroten.

De kathodestraalbuis (CRT) meetbenadering, beschreven in het DC-hoofdstuk, is ook goed geschikt voor AC-spanningsmeting. Door het elektronenbundel zijwaarts over het scherm te zwiepen terwijl het AC-signaal verticale afbuiging drijft, kan het apparaat de golfvorm weergeven, niet alleen een magnitude-lezing. Echter, CRT's zijn bulkeus, consumeren significant vermogen, en zijn kwetsbaar vanwege hun gevacuwde glasconstructie, wat hun praktische gebruik beperkt.

Elektromechanische AC-meterbewegingen spelen nog steeds een essentiële rol in veel toepassingen. Een kritische overweging voor ontwerpers en gebruikers is de meting van RMS (root-mean-square) waarden, die een zinvolle vergelijking tussen AC en DC-vermogen bieden.

Terwijl gelijkgerichte D'Arsonval, ijzer-vling, en elektrostatische bewegingen natureel een gemiddelde waarde van het momentane signaal leveren, is dit gemiddelde niet equivalent aan RMS. De volgende tabel illustreert de relatie tussen RMS, gemiddelde en piek-tot-piek waarden voor sinus, blok- en driehoeksgolven:

RMS, gemiddelde en piek-tot-piek waarden voor sinus, blok- en driehoeksgolven.

Omdat elektromechanische meters inherent gemiddelde waarden rapporteren, "bedriegen" ontwerpers vaak door aan te nemen dat de golfvorm een zuivere sinus is. Voor een sinusgolf is RMS gelijk aan 0,707 keer de piekwaarde, terwijl het gemiddelde 0,637 keer de piekwaarde is. Het delen hiervan geeft een gemiddelde-naar-RMS conversiefactor van 1,109:

Volgens deze is de meterbeweging gecalibreerd om ongeveer 1,11 keer de natuurlijke lezing aan te duiden, wat overeenkomt met de ware RMS-waarde voor sinusgolven. Deze benadering faalt voor niet-sinus golfvormen zoals driehoek- of blokgolven, waar de RMS-naar-gemiddelde verhoudingen significant verschillen.

Voor blokgolven is RMS gelijk aan het gemiddelde, maar voor driehoeksgolven verschilt de conversiefactor. Deze discrepanties worden kritiek in moderne energiesystemen waar harmonische vervorming gemeen is.

CRT-meters, die de piek of piek-tot-piek van de golfvorm weergeven, hebben ook deze beperking; RMS bepalen uit een piekmeting vereist kennis van de golfvormvorm.

Een robuustere oplossing is het ontwerpen van een meter die RMS direct meet door de definitie van RMS te benutten als de verwarmingswaarde van een AC-signaal in een resistieve last. Door de AC-bron over een weerstand van bekende waarde te verbinden en de resulterende warmte met een thermokoppeling te meten, kan de meter een echte-RMS lezing leveren onafhankelijk van golfvormvorm:

Direct-lezende thermische RMS voltmeter past elke golfvormvorm toe.

Hoewel het concept eenvoudig is, presenteert praktische implementatie uitdagingen. Toch is het principe—elektrisch vermogen omzetten in warmte en die warmte meten—geadopteerd in high-end handmultimeters voor echte-RMS capaciteit.

Het calibreren van AC-voltmeters en amperemeters over verschillende bereiken volgt dezelfde principes als voor DC-instrumenten: serie vermenigvuldiger weerstanden (of condensators) breiden spanningbereiken uit, terwijl parallelle shunt-weerstanden hogere stromen accommoderen. Bovendien stellen transformatoren—met name potentiaaltransformatoren (PT's) en stroomtransformatoren (CT's)—elektromagnetische bereikschaling in, wat kleine meterbewegingen in staat stelt grote spanningen of stromen te meten met elektrische isolatie.

CT schaalt stroom af; PT schaalt spanning af.

In een typisch drie-fase AC-paneel worden toroïdale CT's achter de meterbehuizing geplaatst, terwijl drie 5-A voll-schaal AC-amperemeters de stroom in elke geleider door de CT's aanwijzen. Wanneer het paneel buiten gebruik gesteld wordt, blijven de CT's, maar de geleiders zijn niet meer aanwezig:

Toroidale CT's schalen hoge stroomniveaus af voor 5-A AC-amperemeters.

Omdat instrumenttransformatoren duur en vaak groot zijn, worden ze gereserveerd voor hoge-spanning of hoge-stroom toepassingen. Voor lagere-bereik metingen—zoals het schalen van een milliampère-meter naar 120 V of 5 A—worden precisie weerstanden (vermenigvuldigers en shunts) gebruikt, net als bij DC-meters.

• Gepolariseerde (DC) meterbewegingen vereisen diodes om AC-grootten te meten.
• Elektromechanische meterbewegingen—zowel elektromagnetische als elektrostatische—leveren natureel gemiddelde waarden; ze kunnen gecalibreerd worden om RMS aan te duiden alleen als de golfvormvorm van tevoren bekend is.
• Echte-RMS meters gebruiken gespecialiseerde technologie om accurate RMS-aanduidingen te leveren ongeacht golfvorm.