Настоящий RMS и среднее значение: какой прибор нужен конкретной работе
Прибор со средним значением измеряет выпрямленное среднее сигнала, а затем умножает его на 1,11, чтобы показать то, что дала бы синусоида. Прибор с настоящим RMS возводит сигнал в квадрат, усредняет квадрат и извлекает корень. На чистой синусоиде оба дают одно и то же. На любой другой форме первый ошибается на величину, зависящую от формы сигнала, и по показанию невозможно понять, что ошибка произошла.
На нашем заводе в Вэньчжоу оба типа выходят с одного стола, и вопрос, который решает выбор между ними, почти никогда не звучит как «какой точнее». Он звучит как «что в него включат».
Что предполагает коэффициент 1,11
Число 1,11 — это отношение действующего значения к выпрямленному среднему для синусоиды. Это свойство одной конкретной формы и никакой другой. Схема выпрямляет входной сигнал, сглаживает его и умножает сглаженное значение на 1,11, чтобы синусоида читалась правильно. Схема не знает, какую форму она получает: она применяет одну и ту же постоянную ко всему.
В этом вся конструкция, и для той задачи, под которую её делали, конструкция хорошая. Сетевое напряжение в большинстве стран достаточно близко к синусоиде, чтобы это допущение укладывалось в погрешность прибора. Когда оно перестаёт работать, оно перестаёт работать молча: индикатор показывает устойчивое число, число выглядит правдоподобно, и ничто не намекает на форму сигнала.
Где два прибора расходятся
Размер расхождения задаёт пик-фактор, то есть отношение амплитуды к действующему значению. У синусоиды он 1,41. У прямоугольной волны 1,0, и прибор со средним значением читает её примерно на 11 процентов выше. У однополупериодно выпрямленной синусоиды 2,0, и её читают примерно на 30 процентов ниже. У выхода фазового регулятора пик-фактор меняется вместе с углом открытия, поэтому ошибка едет вместе с ручкой.
| Форма сигнала | Пик-фактор | Прибор со средним значением | Прибор с настоящим RMS |
|---|---|---|---|
| Чистая синусоида | 1,41 | Верно | Верно |
| Прямоугольная | 1,00 | Выше примерно на 11 процентов | Верно |
| Однополупериодно выпрямленная синусоида | 2,00 | Ниже примерно на 30 процентов | Верно, если пик-фактор укладывается в предел прибора |
| Выход фазового регулятора | от 2 до 4 | Ниже, и сдвигается вместе с углом | Верно, если пик-фактор укладывается в предел прибора |
| Выход ШИМ или частотного преобразователя | от 2 до 3 плюс высокочастотная составляющая | Недостоверно | Верно только в пределах полосы прибора |
Последний столбец стоит прочитать внимательно. Настоящий RMS не даёт гарантии на всё сразу. Он убирает погрешность от формы сигнала и оставляет в силе два других ограничения: запас по пик-фактору у преобразователя и полосу пропускания прибора. Прибор с настоящим RMS, у которого полоса заканчивается на 1 кГц, по-прежнему ошибается на коммутационном сигнале 10 кГц, и индикатор об этом не сообщит.
Как по паспорту отличить настоящий RMS
Надпись True RMS на передней панели — рекламное утверждение. Доказательство находится в таблице характеристик. Смотрите, задана ли точность на переменном токе в процентах от показания, а не от полной шкалы: приборы со средним значением принято нормировать по полной шкале, а преобразователи RMS — по показанию. Ищите цифру пик-фактора, обычно она пишется как допустимый пик-фактор 3 при полной шкале. Ищите полосу пропускания в строке переменного напряжения.
Если все три есть, прибор описывает реальный преобразователь RMS вместе с его ограничениями. Если в строке переменного тока указаны только процент и слагаемое в единицах счёта, без пик-фактора и без полосы, схема может оставаться настоящим RMS, но паспорт не дал вам того числа, которое решает, сработает ли прибор на вашей нагрузке.
Пик-фактор — тот предел, который не пишут
У каждого преобразователя RMS есть входной диапазон, который он способен отработать, и сигнал с высокой амплитудой может упереться в ограничение, даже когда его действующее значение спокойно лежит внутри выбранного предела. Сигнал с пик-фактором 4 на пределе 200 В имеет амплитуду в четыре раза выше действующего значения: показание 50 В действующего даёт 200 В амплитуды и упирается ровно в потолок предела. Если поднять показание выше, амплитуда срезается, результат падает, и индикатор выдаёт число меньше истинного.
Поэтому правильный предел для измерения RMS часто на ступень выше правильного предела для синусоиды. И поэтому два прибора с настоящим RMS могут разойтись на одной и той же искажённой нагрузке, оставаясь оба в пределах опубликованных характеристик.
На каких нагрузках разница видна
На практике два типа конструкции разделяют три вида нагрузки. Первый — всё, что питается через полупроводниковый ключ: регуляторы яркости, регуляторы скорости, устройства плавного пуска, выход частотного преобразователя. Второй — оборудование с импульсным блоком питания, которое берёт ток короткими импульсами, а не непрерывно; сюда относится почти вся современная электроника и почти всё светодиодное освещение. Третий — всё, где ток намеренно обрезается, например нагрев с фазовым управлением.
Резистивный нагреватель на обычном контакторе в этот список не входит. Лампа накаливания тоже. Трансформатор, питающий линейную нагрузку, тоже. Если весь объём работ состоит из такой техники, прибор со средним значением — правильная покупка, и доплата за преобразователь не сделает ни одного показания точнее.
За что на самом деле платят, добавляя RMS
Разница в стоимости не в индикаторе и не в корпусе. Она в аналоговом входе: схеме со средним значением достаточно выпрямителя и постоянной пересчёта, а схеме с настоящим RMS нужен преобразователь, который возводит вход в квадрат в пределах своей полосы. Именно эту деталь нужно прописать в спецификации, стабильно закупать и калибровать по эталону, и именно от неё происходят и разница в характеристиках, и разница в цене.
Для покупателя это значит, что вопрос не «добавлять RMS или нет», а «на какие функции его добавлять». Поставить преобразователь на функцию переменного напряжения и оставить пределы тока со средним значением — распространённое и вполне защитимое решение, при условии что номер модели и паспорт говорят об этом прямо. Незащитимо другое: передняя панель говорит True RMS, а в паспорте точность на переменном токе задана по полной шкале и без пик-фактора.
Решать по функции, а не по прибору
Полезный способ закрыть вопрос — выписать по каждой функции, какую форму сигнала пользователь увидит на самом деле. Напряжение в розетке обычно синусоида. Ток двигателя на преобразователе — нет. Прибор, верный на одной функции и неверный на другой, — совершенно разумный продукт, при условии что покупатель знает, где что, до того как напечатана упаковка.
Принесите этот список на этап образца. Скажите нашим инженерам функции, ожидаемую форму сигнала на каждой и пик-фактор, если он известен, и требование удастся свести к конкретной конструкции, а не обсуждать его после поставки. Приборы нашего завода в Вэньчжоу перед отгрузкой измеряются по эталону, а ограничения по форме сигнала у данной конструкции идут в паспорт вместе с цифрами точности, а не в сноску.