真有效值和平均值,哪种表才配得上手上的活
平均值响应的表测的是整流后的平均值,再乘 1.11 换算成一条正弦波应有的显示。真有效值的表先把信号平方、再平均、再开方。波形是干净正弦的时候,两种算法给同一个数;波形不是正弦的时候,前一种一定偏,而且偏多少取决于波形形状,显示上没有任何提示。
温州工厂两种都在做。决定选哪一种的问题几乎从来不是「哪个更准」,而是「它要插在什么东西上」。
1.11 这个系数假设了什么
1.11 是正弦波的有效值与整流平均值之比。这是那一种波形自己的性质,换成别的形状就不成立。平均值响应的电路把进来的信号整流、滤波,再乘 1.11,好让正弦读对。电路并不知道手上是什么形状,它对所有形状用同一个常数。
这就是全部的设计,而且对当初要干的活是好设计。世界上大部分市电离正弦足够近,这个假设落在表的容差之内。它失效的时候是安静的:显示稳定,数字看着合理,没有任何地方暗示波形不对。
两块表在哪里分道扬镳
分歧的大小由峰值因数决定,也就是峰值除以有效值。正弦是 1.41。方波是 1.0,平均值响应的表会读高约 11%。半波整流后的正弦是 2.0,会读低约 30%。可控硅调光器的输出,峰值因数随导通角挪动,误差也跟着旋钮走。
| 波形 | 峰值因数 | 平均值响应表 | 真有效值表 |
|---|---|---|---|
| 干净正弦 | 1.41 | 正确 | 正确 |
| 方波 | 1.00 | 偏高约 11% | 正确 |
| 半波整流的正弦 | 2.00 | 偏低约 30% | 峰值因数在标称范围内则正确 |
| 导通角控制的输出 | 2 至 4 | 偏低,且随导通角变化 | 峰值因数在标称范围内则正确 |
| PWM 或变频器输出 | 2 至 3,另含高频成分 | 不可靠 | 仅在该表带宽之内正确 |
最后一列要看清楚。真有效值不是一张空白支票。它去掉的是波形形状带来的误差,另两条限制原样留着:转换器的峰值因数余量,和表的带宽。上限 1kHz 的真有效值表,碰上 10kHz 的开关波形照样错,显示也不会告诉你。
从数据表上认出真的有效值
面板上印的「True RMS」是营销语,规格表才是证据。先看交流精度是按读数还是按满量程给的百分比:平均值响应的表习惯对着满量程标,有效值转换器习惯对着读数标。再看有没有峰值因数这一条,通常写成「满量程下交流峰值因数可达 3」之类。最后看交流电压那一行有没有带宽数字。
三样都在,说明这块表把一个真实的有效值转换器连同它的限制一起写清楚了。如果交流那一行只有百分比和字数,既没有峰值因数也没有带宽,它可能仍然是真有效值的方案,但数据表没给你那个决定它在你的负载上能不能用的数。
峰值因数是没人标的那条上限
每个有效值转换器都有它能处理的输入范围。峰值因数高的波形,即使有效值还老老实实在选定量程之内,峰值也可能削顶。峰值因数 4 的信号在 200V 档上,峰是有效值的四倍:读 50V,峰就到了 200V,正卡在量程顶。读数再往上推,峰被削,有效值的答案反而变小,显示给出一个比真值低的数。
所以测有效值正确的量程,常常比测正弦正确的量程还要高一档。也是因为这个,两块都是真有效值的表,在同一个畸变负载上会给出不同的数,而两块都还在各自的标称范围里。
哪些负载能看出区别
实际使用里,三类负载能把两种设计分开。第一类是所有经半导体开关供电的东西:调光器、调速器、软启动器、变频器输出。第二类是开关电源的设备,电流是一小段一小段脉冲而不是连续的,现代电子产品和大部分 LED 照明都属于这一类。第三类是电流被刻意斩波的东西,比如相位控制的加热器。
普通接触器带的电阻加热器不在名单上,白炽灯不在,变压器带线性负载也不在。如果一整套活都是这类设备,平均值响应的表就是正确的那次采购,为转换器多付的钱不会让任何一个读数变得更准。
加真有效值到底加在哪
成本差不在显示屏上,也不在壳子上,在模拟前端。平均值响应的方案用一只整流器加一个换算常数,真有效值的方案需要一只在其带宽内做平方的转换器。就是这一只东西要被定进规格、要稳定地采购、要对着基准校准,规格上的差别和价格上的差别都从这里出来。
对采购来说,问题不是「加不加真有效值」,而是「加在哪几个功能上」。在交流电压上加转换器、电流档仍用平均值响应,是很常见的做法,只要型号和数据表把这件事写明白,这样的配置站得住。站不住的是面板印着 True RMS,数据表上的交流电流精度却对着满量程给,而且没有峰值因数。
按功能定,不是按整块表定
把这件事实实在在定下来,办法是按功能逐条写下用户会看到的波形。墙插上的电压一般是正弦,变频器上电机的电流不是。一块在一个功能上正确、在另一个功能上错误的表,是完全合理的产品,前提是印彩盒之前买家清楚哪是哪。
把这张清单带到打样阶段来。告诉我们的工程师功能、每个功能上预期的波形,峰值因数如果知道也一并给出,需求就能对上一种具体做法,而不是等到交货之后再争。温州工厂出货前每台都对着基准量过,这种做法的波形限制会和精度数字一起写在数据表上,不塞进脚注。
