Электромеханические измерительные движители переменного тока бывают двух основных типов: основанные на движителях постоянного тока и разработанные специально для измерения переменного тока.
Измерительный движитель с постоянным магнитом и подвижной катушкой (сокращённо ПМКП, о нём шла речь в томе 1 «Постоянный ток» глава 8 «Измерение цепей постоянного тока» раздел 1 «Что такое измеритель?») не будет работать корректно, если его напрямую подключить к цепи переменного тока, потому что стрелка-указатель будет скакать с одного значения на противоположное с каждым полупериодом переменного тока.
Измерительные движители на постоянных магнитах, как, собственно, и обычные двигатели на постоянных магнитах, – это устройства, движение которых зависит от полярности приложенного напряжения (или, вы можете думать об этом с точки зрения направления тока).
Рис. 1. Прохождение переменного тока через этот измерительный движитель д'Арсонваля вызывает только бесполезное дрожание стрелки.
Для того, чтобы использовать измерительные DC-движители, вроде устройства д'Арсонваля, переменный ток нужно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.
Это проще всего сделать с помощью специального устройства – диода. Мы уже сталкивались с диодами при разборе схемы, демонстрирующей создание гармонических частот из искажённой (или выпрямленной) синусоидальной волны (глава 7 «Сигналы переменного тока смешанной частоты» раздел 3 «Другие волновые формы»). Не вдаваясь в ненужные на данный момент подробности того, как и почему диоды работают именно так, просто знайте, что любой диод – это своего рода односторонний клапан на пути тока. Диод пропускает ток в одном направлении и останавливает в другом.
Стрелка в схемном обозначении диода указывает на допустимое направление тока.
Четыре диода, скомбинированные в мост, управляют переменным током, проходящим через измерительный движитель в одном направлении, независимо от цикла переменного тока:
Рис. 2. При прохождении через этот измерительный движитель выпрямленный переменный ток будет следовать только в одном направлении.
Другой путь в практической разработке измерительных движителей переменного тока состоит в том, чтобы в самой конструкции механизма предусмотреть отсутствие чувствительности к полярности, присущей измерителям постоянного тока.
В этом случае придётся отказаться от постоянных магнитов. Пожалуй, самая простая конструкция заключается в использовании немагнитного железного стабилизатора для перемещения иглы против натяжения пружины, при этом стабилизатор притягивается к неподвижной катушке с проволокой, на которую подаётся напряжение переменного тока, которое необходимо измерить:
Рис. 3. Электромеханическое измерительный движитель с железный стабилизатором.
Электростатическое притяжение между двумя металлическими пластинами, разделёнными воздушным зазором, является альтернативным механизмом для создания силы для перемещения иглы, в соответствии с приложенным напряжением.
Это работает для переменного тока настолько хорошо, насколько, я бы сказал, плохо для постоянного тока! При этом задействованные силы очень малы, намного меньше, чем магнитное притяжение между возбуждённой катушкой и железным стабилизатором, и поэтому эти «электростатические» измерительные движители обычно чувствительны к малейшим движениям самого прибора.
Но для некоторых приложений с высоковольтным переменным током подобный электростатический механизм представляет собой элегантное решение.
По крайней мере, преимущество данного подхода – в чрезвычайно высоком входном импедансе, а это значит, что от измеряемой цепи не требуется отводить ток. Кроме того, электростатический измерительный движитель способен считывать очень высокие напряжения без необходимости использования подстроечных резисторов или других внешних устройств.
Когда необходимо скорректировать диапазон чувствительного измерительного прибора для работы в качестве вольтметра переменного тока, можно использовать последовательно включённые «умножительные» резисторы и/или резистивные делители напряжения, как в этих измерительных схемах постоянного тока:
Рис. 4. «Умножительный» резистор (a) или резистивный делитель напряжения (б) масштабирует основной диапазон измерительного движителя. При использовании таких резисторов можно измерять напряжение, во много раз большее или меньшее рабочего диапазона измерителя.
Однако вместо резисторов можно использовать конденсаторы для создания схемы-делителя для вольтметра. Преимущество этой подхода в том, что не происходит рассеивания энергии (нет реально потребляемой мощности и поэтому не выделяется тепло):
Рис. 5. Вольтметр переменного тока с ёмкостным делителем.
Если измерительный движитель является электростатическим и, следовательно, по своей природе ёмкостным, один конденсатор-умножитель может быть подключён последовательно, чтобы дать больший диапазон измерения напряжения, точно так же, как последовательно подключённый резистор-умножитель представляет собой подвижную обмотку (по своей природе резистивную) что позволяет измерительному движителю работать в большем диапазоне напряжений:
Рис. 6. Электростатический измерительный движитель может использовать ёмкостной умножитель для увеличения рабочего диапазона.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), упомянутая в главе об измерении постоянного тока (глава 7 «Сигналы переменного тока смешанной частоты», раздел 1 «Введение»), идеально подходит для измерения переменного напряжения, особенно если электронный луч проходит поперек экрана трубки, в то время как измеренное переменное напряжение перемещает луч вверх-вниз.
С помощью подобного устройства легко получить графическое представление волны переменного тока, а не только измерить его величину. Однако преимущества ЭЛТ обесценивается недостатками, такими как: немалый вес, громоздкий размер, прожорливое энергопотребление и требующая крайне аккуратности хрупкость (поскольку трубки делаются из вакуумированного стекла).
По этим причинам «морально устаревшие» электромеханические измерители переменного тока всё ещё в ходу.
Поскольку некоторые преимущества и недостатки измерительных движителей уже обсуждались, есть ещё один фактор, который имеет решающее значение для разработчика и пользователя измерительных приборов именно переменного тока. Это проблема измерения среднеквадратичных значений.
Как мы знаем, измерения переменного тока часто приводятся к шкале эквивалентной мощности постоянного тока, называемой RMS (англ. Root-Mean-Square, что переводится как среднеквадратичное значение), с целью значимых сравнений с постоянным током и с другими волнами переменного тока различной формы. Об этом говорилось в главе 1 «Основы теории переменного тока» раздел 3 «Измерение величин переменного тока». При этом уже рассмотренные нами принципы движителей расходомеров не позволяет измерять для величин переменного тока их среднеквадратичное значение.
Измерительный движитель, основой которых является движущаяся механическая стрелка («выпрямитель» д'Арсонваля, с использованием железного стабилизатора и электростатики), склонны механически усреднять мгновенные значения в общее среднее значение для волны.
Это среднее значение не обязательно совпадает со среднеквадратичным значением и во многих случаях оно ошибочно. Для трёх распространённых форм сигналов среднее значение и среднеквадратичное значение (RMS) соотносятся друг с другом таким образом:
Рис. 7. Среднеквадратичные, средние и значения «от-пика-до-пика» для синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн.
Как оказалось, чаще всего важно именно среднеквадратичное значение как результат измерения. Однако электромеханические измерительные приборы, естественно, выдают средние измерения, а не RMS. И как же тогда быть разработчикам измерителей переменного тока? Врать, конечно!
Обычно предполагается, что измеряемый сигнал будет синусоидальным (наиболее распространенная форма, особенно для энергосистем), тогда шкала измерительного движителя масштабируется с помощью соответствующего коэффициента умножения.
Как видим, для синусоидальных волн среднеквадратичное значение равно 0,707 от пикового значения, а среднее значение – 0,637 от пикового значения, поэтому можно разделить одно число на другое и получить коэффициент преобразования среднего значения в среднеквадратичное, который равен 1,109:
Рис. 8. Коэффициент преобразования среднего значения в среднеквадратичное.
Другими словами, измерительный движитель откалиброван так, чтобы показывать примерно в 1,11 раз больше, чем на самом деле, без каких-либо специальных приспособлений. Следует подчеркнуть, что этот подлог правдоподобен только для измерения источников, выдающих чисто синусоидальную волну.
Обратите внимание, что для треугольных волн соотношение между среднеквадратичным и средним значением совсем не такое же, как для синусоидальных волн:
Рис. 9. Соотношение между среднеквадратичным и средним значениями.
Для прямоугольных волн среднеквадратичные и средние значения идентичны! Измеритель переменного тока, откалиброванный для точного считывания среднеквадратичного значения напряжения или тока на чистой синусоидальной волне, не даст правильного значения, показывая величину чего-либо, не являющегося идеальной синусоидальной волны.
Сюда входят треугольные волны, прямоугольные волны или любые искажённые синусоидальные волны. Поскольку гармоники заполоняют большие энергосистемы переменного тока, вопрос точного измерения среднеквадратичного значения становится непростым.
Проницательный читатель заметит, что я не упомянул про ЭЛТ-«движитель» в обсуждении RMS и средних значений. Это связано с тем, что ЭЛТ с его практически невесомым «движителем» в виде пучка электронов отображает только пик (или значение «от-пика-до-пика», если угодно) волны переменного тока, а не среднее значение и не среднеквадратичное значение.
Тем не менее, возникает аналогичная проблема: как по нему определить среднеквадратичное значение сигнала? Коэффициенты преобразования между пиковым значением и среднеквадратичным значением сохраняются только до тех пор, пока форма сигнала точно попадает в известную категорию (синусоила, треугольник и прямоугольник – это и все примеры волновых форм, для которых здесь приведены коэффициенты преобразования пиковый/среднеквадратичный/средний!).
Как вариант – при проектировании измерительного движителя построить принцип его работы вокруг самого RMS: а именно – замерять эффективное значение нагрева от переменного напряжения/тока при питании резистивной нагрузки. Предположим, что источник переменного тока, который необходимо измерить, подключён к резистору известного номинала, и тепловая мощность этого резистора измеряется с помощью такого устройства, как термопара.
Это обеспечило бы более прямое измерение среднеквадратичного значения, чем любой коэффициент преобразования, поскольку прибор будет работать с ЛЮБОЙ формой сигнала, какой бы она ни была:
Рис. 10. Тепловой вольтметр с прямым считыванием среднеквадратичных значений позволяет работать с любой формой волны.
Хотя показанное выше устройство грубоватое и его разработка сама по себе будет иметь свои инженерные проблемы, проиллюстрированная концепция очень надёжна. Резистор преобразует величину переменного напряжения или тока в термическую (тепловую) величину, эффективно возводя значения в квадрат в реальном времени.
Система в целом рассчитывает усреднение этих значений, оценивая тепловую инерцию, а шкала измерителя калибруется таким образом, чтобы получаемые показания основывались на квадратном корне от тепловых измерений: таким образом получаем идеальное среднеквадратичное значение с помощью одного устройства!
Фактически, один крупный производитель приборов даже внедрил этот подход в своей высококлассной линейке портативных электронных мультиметров, обеспечивающих «истинно среднеквадратичное значения» – так называемые True-RMS-измерители.
Калибровка вольтметров и амперметров переменного тока для различных полномасштабных рабочих диапазонов во многом схожа с приборами постоянного тока: последовательные «умножительные» резисторы используются для увеличения диапазона вольтметра, а параллельные «шунтирующие» резисторы используются для того, чтобы амперметр мог измерять ток, чья сила выходит за пределы рабочего диапазона.
Однако мы не ограничены этими методами, как в случае с постоянным током. Для переменного тока мы можем использовать трансформаторы, благодаря которым диапазоны измерителей могут быть электромагнитно (а не резистивно) «повышены» или «понижены», причём в гораздо больших масштабах, чем практически позволяют резисторы.
Трансформаторы мощности (ТМ) и трансформаторы тока (ТК) – это прецизионные приборы, изготовленные для получения очень точных соотношений трансформации между первичной и вторичной обмотками.
Благодаря им можно создавать компактные простые измерители переменного тока для точного определения чрезвычайно высоких напряжений и токов в энергосистемах с полной гальванической развязкой (чего никогда не могли сделать умножители и шунтирующие резисторы):
На рисунке ниже показана панель измерителя напряжения и тока от трёхфазной сети переменного тока. Три трансформатора тока тороидальной формы (иногда такие называют «бублик» или «пончик») можно увидеть в задней части панели. Индикаторы трёх амперметров переменного тока (номинальное отклонение по всей шкале 5 А для каждого) на передней панели показывают силу тока в каждом проводнике, при этом для измерения ток проходит через трансформатор.
Кстати, панели такого типа уже не выпускают, в современных приборах уже нет токопроводящих проводов, пропущенных через центр «пончиков»:
Рис. 12. Тороидальные трансформаторы тока понижают высокие уровни тока, чтобы была возможность измерять с помощью амперметров переменного тока на 5 А.
Из-за дороговизны (и громоздкости) измерительных трансформаторов они используются исключительно для масштабирования AC-измерителей, рассчитанных на высокие напряжения и сверхтоки. Для масштабирования малых и средних токов (от миллиампер и микроампер до 120 вольт и 5 ампер) служат обычные прецизионные резисторы (в которых используются «умножители» и шунты), как и в случае с постоянным током.
Итог
Чтобы поляризованный измерительный движитель постоянного тока было можно использовать для измерения переменного тока, используются устройства, называемые диодами.
Электромеханические измерительные движители, хоть электромагнитные хоть электростатические, естественно, показывают среднее значение измеряемого переменного тока. Эти инструменты можно прокалибровать для индикации среднеквадратичного значения, но только если заранее точно известна форма волны переменного тока!
Так называемые измерители истинно среднеквадратичного значения (True-RMS) используют другую технологию для снятия показаний, при этом на выходе будет фактическое среднеквадратичное значение (а не среднее или пиковое значение, умноженное на приблизительный коэффициент) сигнала переменного тока.
