Мультиметри True-RMS у практичному застосуванні

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою мультиметрів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Додавання можливості вимірювання справжнього середньоквадратичного значення змінного струму до скромного кишенькового комп'ютера є досягненням галузі, яке не повинно залишитись непоміченим, тому Test & Measurement Europe вирішила відзначити цю подію практичним випробуванням кількох моделей. Використовуючи стандартні лабораторні установки (надані Wavetek Precision Measurements, Норвіч, Великобританія), ми провели однакову та сувору перевірку функції справжнього середньоквадратичного значення на всіх моделях. Ми використовували ряд тестових сигналів калібрування напруги з імпульсними виходами (див. рисунок 1) на тій підставі, що якщо цифрові мультиметри вимірять ці форми сигналів задовільно, вони будуть обробляти більшість форм сигналів у повсякденному використанні.

Малюнок 1. Тестові сигнали, що застосовуються, мали середньоквадратичне значення 1 В з коефіцієнтом амплітуди від 5:1 до 10:1.

Загалом, усі цифрові мультиметри працювали добре, хоч і не завжди в межах своїх специфікацій. Однак, що найбільш примітно, жодна з моделей не видавала грубих помилок, які можна було б виявити при використанні більш ранніх моделей середнього виміру (див. таблицю порівняння продуктів). Ця ситуація зберігалася навіть для екстремального випадку імпульсного вхідного сигналу з піковим значенням в 10 разів вище його середньоквадратичного значення і співвідношенням відмітка: пробіл 1:99. Цифрові мультиметри все ще працювали добре, хоча цей вхідний сигнал був набагато вищим за те, що постачальники зобов'язуються вказувати у своїх специфікаціях. Таблиця порівняння продуктів (https://www.edn.com/wp-content/uploads/media-1164537-133704-tmef2t2.gif) докладно описує результати наших вимірювань.

Знайте пік-фактор.

Хоча постачальники поспішають забезпечити свої прилади та супутні матеріали написом «true-RMS», вони не приділили належної уваги такому ж важливому співвідношенню ACV, що називається пік-фактором. У той час як VRMS є допустимою потужністю джерела змінного струму, пік-фактор являє собою ступінь спотворення форми сигналу. Специфікація пік-фактора цифрового мультиметра є важливою, оскільки вона повідомляє вам, яке спотворення форми сигналу може прийняти ваш цифровий мультиметр, перш ніж він видасть погані свідчення.

Фахівці з продукції, з якими ми говорили, чули про пік-фактор, але ті ж фахівці насилу знаходили його у своїх власних специфікаціях. Всі докладні специфікації включають значення пік-фактора, якщо ви уважно подивіться, але вам доведеться шукати дрібним шрифтом. Пік-фактор легко зрозуміти, оскільки він дорівнює піку форми хвилі, поділеному на середньоквадратичне значення форми хвилі. У таблиці представлені деякі значення пік-фактора: https://www.edn.com/wp-content/uploads/media-1164538-135284-tmef2t1.gif 

Ранні прилади для вимірювання джерел змінного струму сприймали або пікові, або середні значення просто тому, що внутрішню схему вимірювання було так легко спроектувати. Ця прикри примха історії вимірювань залишила нам у спадок два значення, які погано описують джерело змінного струму і, більше того, віддали нас від значення, яке нам дійсно потрібно знати.

Середньоквадратичне значення, VRMS, це те, що нам дійсно потрібно, тому що це єдине значення, яке не залежить від форми сигналу. VRMS також є допустимою потужністю сигналу, і це майже завжди та цифра, яка вам потрібна для розрахунків. А при вимірі абсолютно випадкових сигналів, таких як шум, VRMS ще більш значущий, тому що він є одним стандартним відхиленням з використанням гаусівського розподілу.

Схеми вимірювання RMS дорожчі в проектуванні та калібруванні, ніж версії із вимірюванням середнього значення, тому недорогі цифрові мультиметри не поспішали забезпечувати справжні вимірювання VRMS. Більшість недорогих вимірювачів, що використовуються, як і раніше, є вимірювальними приладами середнього значення, але ця ситуація змінюється, оскільки всі провідні постачальники цифрових мультиметрів тепер пропонують портативні моделі, які заявляють про продуктивність true-RMS. Фактично, постачальники, не в змозі стримати свій ентузіазм, надають цим новим моделям титул «цифровий мультиметр true-RMS» (хоча насправді вимірювання змінного струму становить лише частину загальних функціональних можливостей приладу).

Хоча ви очікуєте, що вимірювач істинного середньоквадратичного значення буде правильно зчитувати з 1 В постійного струму (при підключенні по постійному струму) або вхідного синусоїдального сигналу, ви не можете припускати, що той же вимірювач буде зчитувати імпульсний вхідний сигнал, не знаючи специфікації коефіцієнта амплітуди вимірювача. Фактично портативні цифрові мультиметри, які ми досліджували, вказують вхід з максимальним коефіцієнтом амплітуди близько 3:1.

Саме насичення DMM встановлює пік-фактор лічильника. Це насичення може виникнути у вхідній схемі всіх лічильників та у схемі зведення у квадрат лічильників, які використовують аналогові обчислювальні детектори RMS. Таким чином, якщо зазначені характеристики 3:1 застосовуються при вході повної шкали, то слід очікувати, що той же лічильник буде приймати входи з пік-фактором не менше 6:1 при половині шкали і т. д. Це співвідношення в деякій мірі зберігається, але пам'ятайте, що в міру того, як ви все більше і більше збільшуємо пік Отже, містить більше високочастотних компонентів. Зрештою, DMM упирається в іншу стіну проектування, коли ті самі високочастотні компоненти виходять за межі смуги пропускання вимірювальних схем DMM.

Така ситуація створює сіру зону специфікації для виміру змінного струму на будь-якому цифровому мультиметрі, включаючи топові моделі. Вам потрібно самостійно оцінити, чи ваш цифровий мультиметр зчитуватиме правильно. Для сигналу з коефіцієнтом амплітуди 3:1 на частоті 100 Гц це буде; однак із сигналом з коефіцієнтом амплітуди 3:1 на частоті 20 кГц (якщо ви зможете зрозуміти, як його згенерувати) це, безумовно, не так.

Основна частота імпульсних хвиль, які ми застосовували, знаходилася в діапазоні від 55 Гц до 220 Гц, що можна порівняти з верхніми межами смуги пропускання 20 кГц і 100 кГц на цифрових мультиметрах. Використання цього діапазону пояснює, чому вдалося успішно виміряти вхідні значення коефіцієнта амплітуди 10:1.

Насправді виконання високонадійних вимірів справжнього среднеквадратичного значення є частковою ситуацією з трилера Catch-22. По-перше, щоб бути впевненим, що ви не насичує вхід цифрового мультиметра, потрібно знати коефіцієнт амплітуди вхідного сигналу. Але щоб знати коефіцієнт амплітуди, вам потрібно мати деяке уявлення про справжнє середньоквадратичне значення, яке ви намагаєтеся виміряти в першу чергу. Один із способів вийти з цього глухого кута — переглянути сигнал на осцилографі, щоб ви могли оцінити його середньоквадратичне значення і піковість шляхом спостереження. На практиці більшість інженерів не турбуватимуться про цей крок, а просто застосуватимуть цифровий мультиметр і сподіватимуться на краще (так само, як ми все робили, використовуючи цифрові мультиметри із вимірюванням середнього значення). Наші тести показують, що вам це зійде з рук, якщо ваші показання середньоквадратичного значення будуть значно нижчими за повну шкалу. Наприклад, коли більшість портативних цифрових мультиметрів вказують коефіцієнт амплітуди 3:1 (при повній шкалі), ми успішно виміряли сигнал з коефіцієнтом амплітуди 10:1 приблизно на 20% від повної шкали.

Наскільки низько ви можете опуститись?

Пропонуючи вам вимірювати сигнали з високим пік-фактором на нижньому кінці шкали цифрового мультиметра, щоб уникнути насичення, будьте обережні, щоб інша специфікація цифрового мультиметра змінного струму не зловила вас на деяких моделях. Більшість цифрових мультиметрів — навіть топові настільні моделі — не вимірюють істинно середньоквадратичні входи змінного струму аж до нуля на будь-якій шкалі. Ця неможливість обумовлена тим, що внутрішній детектор RMS використовує мережу логарифмічних та антилогарифмічних підсилювачів для обробки динамічного діапазону, необхідного для обчислення істинно-середньоквадратичних значень. Вам доведеться знову вивчити дрібний шрифт специфікації, щоб виявити це обмеження. Наприклад, Fluke 89 IV вказує точність для входів лише вище 5% шкали. (Навіть топові цифрові мультиметри змінного струму не вимірюють нижче 1% шкали.) Так, наприклад, якщо ви закоротите вхідні дроти разом, не дивуйтесь, якщо ваш цифровий мультиметр покаже кілька цифр внутрішнього шуму (до 80 цифр на 89 IV). Ця нульова помилка не додається лінійно до вхідного сигналу і стає незначною, коли ви вимірюєте входи вище 5% повної шкали. Перевага використання аналогового обчислювального методу логарифмічного підсилювача полягає в смузі пропускання (до 100 кГц на 89 IV).

Модель TX3 від Tektronix не має цього обмеження нижнього рівня, оскільки вона використовує керовану DSP вибірку сигналу та алгоритм true-RMS для зчитування значень true-RMS. Однак, ця технологія обмежує смугу пропускання вимірювання змінного струму (20 кГц на TX3), оскільки частота вибірки повинна перевищувати максимальну вхідну частоту (що нелегко реалізувати в портативному цифровому мультиметрі, якщо вам потрібна смуга пропускання вимірювання до 100 кГц).

Огляд результатів True-RMS

Якщо ви хочете бути прискіпливим, так, деякі DMM не відповідали специфікації, і постачальники можуть захотіти припустити, як ця ситуація невідповідності специфікації може виникнути. Проте загалом повідомлення зрозуміле. Ручні DMM напрочуд добре справляються з вимірюванням справжнього RMS змінного струму. За ціну, яку коштують ці моделі (250 фунтів стерлінгів), співвідношення ціни та продуктивності є винятковим.

Враховуючи продуктивність, яку ми виміряли при пік-факторі 10:1 (набагато більше, ніж вказують постачальники), можна припустити, що у вас не виникне проблем із вимірюванням сильно спотворених вхідних синусоїдальних сигналів. При вимірюванні імпульсних послідовностей однією важливою умовою є усвідомлення пік-фактора та використання вимірювача далеко від кінця повної шкали діапазону для вхідних пік-факторів вище 3:1.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry