Измерение уровня напряжения сети

Как проверить напряжение в сети

Всегда ли показывает напряжение в розетке при измерении мультиметром, и как лучше всего проверить силу тока?

Умение проверять напряжение при помощи тестеров – важный навык для любого пользователя электричества. Без него невозможно самостоятельно починить розетку, найти проблему, по которой не работает бытовой прибор. Если дома фиксируются чрезмерные скачки напряжения, придется устанавливать стабилизаторы, чтобы не вышли из строя бытовые устройства.

  1. Зачем знать напряжение в розетке
  2. Как измерить напряжение в розетке тестером
  3. Как измерить 220 в мультиметром
  4. Что покажет при неисправности розетки
  5. Полезное видео

Как подключить провода мультиметра

У многих новичков после покупки часто возникает вопрос — куда вставлять провода (а если быть точным, то они называются щупы) мультиметра и как это правильно сделать.

Большинство мультиметров имеют три разъема для подключения проводов и два провода — черный и красный. Черный провод вставляется в гнездо с надписью COM, красный же в гнездо, где в числе символов есть обозначение V .

Третье гнездо служит для замера высоких токов и для измерения напряжения оно нам не понадобится, а вообще в него при необходимости перетыкается красный провод, а черный всегда остается в одном гнезде.

Меры безопасности при работе с тестером

  • Перед началом работ прочитайте в инструкции раздел «безопасность».
  • Убедитесь в целостности корпуса, а также в том, что соединительные винты полностью закручены. Во многих приборах для замены элемента питания требуются разобрать корпус. Многие пользователи затем просто защелкивают половинки, забывая зафиксировать винты.
  • Проверьте надежность соединения измерительных кабелей в разъемах. Для этого достаточно с небольшим усилием потянуть провод, удерживая в руках изолятор.
  • При работе с напряжением, большим, чем 60 вольт, не держите оба измерительных провода разными руками. Выполняя это простое требование, вы обезопасите себя от поражения электрическим током вдоль так называемые «линии смерти»: рука-сердце-рука.

Инструменты тестирования напряжения в бытовых условиях

Определить напряжение в розетке можно несколькими способами и измерительными устройствами. Например, мультиметром довольно просто протестировать полностью электрическую сеть в доме. Им можно проверить техническое состояние всех электрических потребителей и узнать какой ток в розетке 220В.

Мультиметры бывают двух типов:

  1. Стрелочный прибор. Раньше среди электриков это было самое востребованное измерительное устройство. Оно отличается от современных приборов простой конструкцией и отсутствием элемента питания. Каждый электрик умел в совершенстве пользоваться им, когда требовалось померить напряжение в сети, или снять показания тока в розетке;
  2. Электронный прибор. Такие измерители стоят намного дороже, чем стрелочные аналоги. Таким мультиметром можно более точно определить нужный параметр, а также проверить розетку или другой элемент электрической схемы. Электронный измеряющий прибор имеет функцию «прозвонки». Поэтому с его помощью довольно просто отыскать пропавший ноль в розетке, или установить причину замыкания проводки.

Читать еще: Почему отгорает ноль

На сегодняшний день мало кто из электротехнических специалистов в процессе работы пользуются стрелочным тестером. Они предпочитают пользоваться электронными устройствами.

Отвертка-индикатор

Для определения фазы в розетке можно использовать отвертку-тестер. Это небольшой прибор в виде обычной отвертки с прозрачной ручкой, в которую встроен светодиодная лампочка. При замыкании рабочей цепи она загорается, что свидетельствует о наличии напряжения. На торце рукоятки расположена контактная пластина для определения 0.

Правила проведения испытаний:

  1. Держа аккуратно отвертку в руке, вставить наконечник в гнездо розетки.
  2. При наличии фазы светодиодный индикатор внутри прозрачной ручки загорится. Если света нет, то это нулевой проводник.
  3. Чтобы проверить, есть ли в цепи ток, наложить палец на торец. Цепь замкнется, индикатор сработает.

С помощью такой отвертки-индикатора нельзя установить числовое значение потенциала, но для определения обрыва вполне достаточно. Гораздо больше возможностей у отвертки с расширенным функционалом. Этот миниатюрный прибор имеет переключатель с 3 режимами:

  • О — для контактного определения напряжения, при наличии загорается красный диод;
  • L — для бесконтактной работы, при приближении к фазе горит зеленый свет;
  • Н — для работы бесконтактным методом с высокой чувствительностью, помимо зеленого диода сигнал подает звуковой зуммер.

Выбор режима определяется возможностью открытого контакта с проводниками, а также сопротивлением цепи. Для О оно должно составлять не более 5 мОм, для L и H — 50 и 100 мОм соответственно.

На боковой части корпуса отвертки-индикатора находится металлическая пластина. Во время контактной работы для определения фазы трогать ее не нужно. Если производится прозвонка, то в режиме О жалом касаются контактов, а палец накладывается на пластину, образуя перемычку в цепи. При целостности цепи загорается красный индикатор. Таким способом проверяются не только розетки, но и лампы накаливания, ТЭН, выключатели и другие устройства.

Измерение разных параметров

Измерение сопротивления провода

Чтобы измерить сопротивление провода, нужно всего лишь прикоснуться к концам проводника щупами мультитестера. Замер осуществляется за счет источника питания, находящегося внутри прибора. Мультиметр позволяет измерить напряжение и силу тока в электроцепи, после чего высчитывает напряжение исходя из закона Ома.

При измерениях следует учитывать два фактора:

  1. Прибор выдает суммарное сопротивление измеряемого проводника, имея в виду и щупы, которые его касаются. Если необходимы более точные данные, вначале нужно получить результат по проводам щупов, а затем полученные данные вычесть из общего результата.
  2. Нужно загодя определить ориентировочное сопротивление проводника. Поэтому замеры рекомендуется осуществлять, снижая чувствительность мультиметра.

Измерение напряжения

Прежде чем померить напряжение, подготавливают мультитестер: черный провод направляют в клемму, которая промаркирована как COM (земля). Красный провод вставляют в клемму с буквой V. Причем V обычно расположена рядом с прочими буквенными обозначениями (например, VΩmA). Рядом с колесиком подбора режимов указаны пограничные значения — 200 и 750 вольт. Для измерения нужно установить значение 750, а не 200 вольт, так как в противном случае можно вывести прибор из строя.

Читать еще: Как прозвонить проводку в квартире

Когда на мониторе появятся нули, устройство готово к эксплуатации. Щупы направляют в розетку, чтобы получить информацию о наличии в сети напряжения как такового. Если замер осуществляется в электросети переменного тока, безразлично, каким щупом прикасаться к фазе, а каким — к нулю. Результатом будет 220 вольт, если напряжение имеется, или ноль, если оно отсутствует.

При постоянном напряжении замер производится практически так же, но есть и отличие: щуп с черным проводником подводят к минусу, а красный — к плюсу (при условии, что они корректно подключены к клеммам устройства). Колесико для выбора режимов должно быть установлено на DCV.

Обратите внимание! Измерить напряжение нужно так, чтобы не перепутать полярность. Если при измерении напряжения случайно перепутать полярность, на мониторе появится правильный результат, однако со знаком минуса.

Замер силы тока

Качественная техника позволяет измерять силу переменного тока. Об этом свидетельствует обозначение A

. На недорогих устройствах на шкале чаще всего имеется только аббревиатура DCA (постоянный ток). Пользоваться таким прибором сложнее: придется вспомнить основы построения электрических цепей.

Измерение силы тока осуществляется по тому же принципу, что и замер напряжения. Отличие в последовательном подключении мультиметра к цепи. Проводник от первого разъема стыкуют с первым щупом прибора (в случае с лампой контакт находится на цоколе). От второго контакта цоколя проводник направляют ко второму розеточному разъему. При замыкании электроцепи на мониторе прибора появляется результат измерений — сила тока, идущая через осветительное устройство.

Замер силы тока вольтметром

Иногда нужно срочно произвести замер переменного тока, но в наличии имеется лишь недорогой мультиметр, не обладающий широкой функциональностью. В такой ситуации подойдет замер при помощи метода шунтирования.

Способ описывается формулой:

Согласно формуле, если R равняется единице, сила тока в электроцепи соответствует напряжению. Чтобы осуществить замер, нужно подобрать проводник, сопротивление которого — 1 Ом. Подойдет длинный трансформаторный провод или спираль от электрической печки. Сопротивление проводника (то есть его длина) контролируется при помощи мультитестера в режиме теста.

В конечном счете получается такая схема (используется лампа накаливания):

  1. От первого розеточного разъема проводник направляют к шунту. Тут же подключают щуп мультитестера.
  2. Второй щуп прибора стыкуют с другим концом шунта. От места соприкосновения щупа и шунта провод идет к первому контакту цоколя прибора освещения.
  3. От второго контакта лампы провод направляют ко второму розеточному разъему.

Читать еще: Как собрать распределительный щит своими руками

Чтобы замерить напряжение, мультитестер ставят в переменный режим. Прибор должен подключаться к шунту только параллельно (важное условие). Если включить питание, мультиметр определит напряжение, которое равняется силе тока, идущего по шунту. Этот показатель будет аналогичен напряжению при нагрузке.

Даже не очень дорогой мультитестер позволит произвести измерения, вполне достаточные для домашнего применения. Перед покупкой рекомендуется освоить или освежить в памяти основы построения электроцепей и работы в них измерительных устройств.

Что такое линейное и фазное напряжение.

Знание этих понятий очень важно для работы в электрощитах и с электротехническими устройствами, работающими на 380 Вольт. Если у Вас обычная квартира и Вы не собираетесь работать в электрощитах, то этот пункт можете пропустить т. к. у Вас в квартире только фазное напряжение 220 вольт.

В большинстве частных или индивидуальных домов так же на электрощит или счетчик приходит только 2 (фаза и ноль) или 3 (+заземление) провода, что означает присутствие в вашей квартире или доме напряжения 220 Вольт. Но если приходит 4 или 5 проводов то, это означает что Ваш дом (бывает и в гаражах, и особенно в офисах) подключен к сети 380 Вольт.

Напряжение между любыми двумя из трех фазами линии электропитания называется линейным, а между любой фазой и нулем- фазным.

В нашей стране линейное напряжение у электропотребителей равно 380 Вольтам (измеряется между фазами), а фазное- 220 Вольт. Смотрите на рисунке слева.

Бывают и другие значения в электросистеме нашей страны, но фазное всегда меньше линейного на корень квадратный из трех.

Правила безопасности

В процессе измерения напряжения и других параметров нужно быть очень аккуратным и бдительным. Общие правила таковы:

  • Быть особенно осторожным при измерении напряжения более 300 AC;
  • Не подключать аппаратуру в сети с параметрами, для измерения которых она не предназначена;
  • Работая с контактами мультиметра, следует браться только за изолированные и защищенные части. Нельзя трогать оголенную проводку голыми руками;
  • Некогда не стоит заземлять себя при выполнении измерений в электрической сети.

Следует осторожно производить замеры в розетках, которые содержать оголенные провода под высоким напряжением

Таким образом, проверка напряжения — процесс, который должен уметь выполнять каждый человек. Это необходимо не только для монтажа и ремонта сетей при строительстве, но и для обслуживания и проверки домашней электросети. Выполняется все одним современным аппаратом, называемым мультиметром. С его помощью можно получить характеристику большого количества электромагнитных величин.

Измерение уровня напряжения сети

Измерение напряжения. Виды и принцип измерений. Особенности

Измерение напряжения на практике приходится выполнять довольно часто. Напряжение измеряют в радиотехнических, электротехнических устройствах и цепях и т.д. Вид переменного тока может быть импульсным или синусоидальным. Источниками напряжения являются химические элементы или генераторы тока.

Измерение напряжения

Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитудного и среднего напряжения. Источниками такого напряжения могут быть импульсные генераторы. Напряжение измеряется в вольтах, имеет обозначение «В» или «V». Если напряжение переменное, то впереди ставится символ «

», для постоянного напряжения указывается символ «-». Переменное напряжение в домашней бытовой сети маркируют

На аккумуляторах и гальванических элементах при указании напряжения знак «-» не используют, а ставят только цифры, например, «1,5 В». На корпусе гальванического элемента обязательно присутствует обозначение «+» возле положительного полюса. В практических электротехнических измерениях применяются кратные единицы: милливольты, киловольты и т.д.

Переменное напряжение имеет полярность, которая изменяется с течением времени. В бытовой сети напряжение изменяет полярность 50 раз за секунду, что означает частоту 50 герц. Постоянное напряжение имеет неизменную полярность. Поэтому для замеров напряжений переменного и постоянного тока применяют измерительные приборы, имеющие отличие в устройстве – вольтметры. Они могут быть цифровыми или аналоговыми (стрелочные). Однако существуют универсальные приборы, которые способны измерить постоянное и переменное напряжение, не переключая режимы.

Для начала измерений измерительный прибор соединяют параллельно с выводами источника питания или нагрузки специальными щупами.

Кроме вольтметров для измерения напряжения используют электронные осциллографы.

Это приборы, предназначенные для измерения и контроля характеристик электрических сигналов. Осциллографы работают на принципе отклонения электронного луча, который выдает изображение значений переменных величин на дисплее.

Измерение напряжения в сети переменного тока

Согласно нормативным документам величина напряжения в бытовой сети должна быть равной 220 вольт с точностью отклонений 10%, то есть напряжение может меняться в интервале 198-242 вольта. Если в вашем доме освещение стало более тусклым, лампы стали часто выходить из строя, либо бытовые устройства стали работать нестабильно, то для выяснения и устранения этих проблем для начала необходимо измерение напряжения в сети.

Перед измерением следует подготовить имеющийся измерительный прибор к работе:
  • Проверить целостность изоляции контрольных проводов со щупами и наконечниками.
  • Установить переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 вольт или выше.
  • Вставить наконечники контрольных проводов в гнезда измерительного прибора, например, мультиметра. Чтобы не ошибиться, лучше смотреть на обозначения гнезд на корпусе.
  • Включить прибор.

На мультиметре выбрана граница измерений 700 вольт. Некоторые приборы требуют для измерения напряжения устанавливать в нужное положение несколько разных переключателей: вид тока, вид измерений, а также вставить наконечники проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника в мультиметре воткнут в гнездо СОМ (общее гнездо), красный наконечник вставлен в гнездо с обозначением «V». Это гнездо является общим для измерения любого вида напряжения. Гнездо с маркировкой «ma» применяется для замеров небольших токов. Гнездо с обозначением «10 А» служит для измерения значительной величины тока, который может достичь 10 ампер.

Если измерять напряжение со вставленным проводом в гнездо «10 А», то прибор выйдет из строя, или сгорит предохранитель. Поэтому при выполнении измерительных работ следует быть внимательным. Наиболее часто ошибки возникают в случаях, когда сначала измеряли сопротивление, а затем, забыв переключить на другой режим, начинают измерение напряжения. При этом внутри прибора сгорает резистор, отвечающий за измерение сопротивления.

После подготовки прибора, можно начинать измерения. Если при включении мультиметра на индикаторе ничего не появляется, это означает, что элемент питания, расположенный внутри прибора, отслужил свой срок и требует замены. Чаще всего в мультиметрах стоит «Крона», выдающая напряжение 9 вольт. Срок ее службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметром долго не пользовались, то крона все равно может быть неисправной. Если батарейка исправна, то мультиметр должен показать единицу.

Щупы проводов необходимо вставить в розетку или прикоснуться ими к оголенным проводам.

На дисплее мультиметра сразу появится величина напряжения сети в цифровом виде. На стрелочном приборе стрелка отклонится на некоторый угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если их внимательно рассмотреть, то все становится понятным. Каждая шкала предназначена для определенных измерений: тока, напряжения или сопротивления.

Граница измерений на приборе была выставлена на 300 вольт, поэтому нужно отсчитывать по второй шкале, имеющий предел 3, при этом показания прибора необходимо умножить на 100. Шкала имеет цену деления, равной 0,1 вольта, поэтому получаем результат, изображенный на рисунке, около 235 вольт. Этот результат находится в допустимых пределах. Если при измерении показания прибора постоянно меняются, возможно, плохой контакт в соединениях электрической проводки, что может привести к искрению и неисправностям в сети.

Измерение постоянного напряжения

Источниками постоянного напряжения являются аккумуляторы, низковольтные блоки питания или батарейки, напряжение которых не более 24 вольт. Поэтому прикосновение к полюсам батарейки не опасно, и нет необходимости в специальных мерах безопасности.

Для оценки работоспособности батарейки или другого источника, необходимо измерение напряжения на его полюсах. У пальчиковых батареек полюсы питания расположены на торцах корпуса. Положительный полюс маркируется «+».

Постоянный ток измеряется аналогичным образом, как и переменный. Отличие заключается только в настройке прибора на соответствующий режим и соблюдении полярности выводов.

Напряжение батарейки обычно обозначено на корпусе. Но результат измерения еще не говорит об исправности батарейки, так как при этом измеряется электродвижущая сила батарейки. Продолжительность эксплуатации прибора, в котором будет установлен элемент питания, зависит от его емкости.

Для точной оценки работоспособности батарейки, необходимо проводить измерение напряжения при подключенной нагрузке. Для пальчиковой батарейки в качестве нагрузки подойдет обычная лампочка для фонарика на 1,5 вольта. Если напряжение при включенной лампочке снижается незначительно, то есть, не более, чем на 15%, следовательно, батарейка пригодна для работы. Если напряжение падает значительно сильнее, то такая батарейка может еще послужить только в настенных часах, которые расходуют очень мало энергии.

Как измерять напряжение?

Тусклый свет от приборов освещения или отказ стиральной машины выполнять свои функциональные обязанности свидетельствует о возможном падении питающего напряжения ниже нормы. В таких случаях необходимо произвести измерение напряжения, что позволит определить его соответствие заданному номиналу электрической сети.

Такая же процедура производится при ремонте электронных приборов, где измеряется падение напряжения на радиодеталях и отдельных участках цепи. Данная процедура выполняется довольно легко, но без понимания физики процесса и особенностей проведения замеров, человек рискует не только повредить дорогостоящее оборудование, но и получить электротравму, поэтому далее мы рассмотрим основные принципы измерения.

Используемые приборы

В каждом доме прибор учета электроэнергии находится в состоянии постоянного измерения переменного напряжения, но крайне редко эти данные где-либо отображаются. Некоторые из них подключаются напрямую, другие через измерительные трансформаторы.

В практических целях для измерения уровня напряжения могут применяться:

Вольтметр представляют собой устройство для проверки разности потенциалов. На практике могут встречаться как цифровые, так и аналоговые вольтметры, на которых измеряемое напряжение отображается на дисплее или посредством отклонения стрелки на циферблате соответственно.

Важными параметрами при выборе как электронного, так и стрелочного вольтметра являются единицы измерений (мВ, В, кВ), рабочий диапазон и класс точности. Однако сфера их применения ограничена и применяется, чаще всего, для лабораторных исследований, поскольку в бытовых и производственных нуждах содержать один прибор для измерения одной электрической величины нецелесообразно.

Мультиметр или цифровой тестер является более универсальным прибором, который может работать с несколькими параметрами: электрическим током, сопротивлением, частотой, температурой, напряжением и т.д. Для измерения напряжения мультиметр переключается в режим вольтметра, щупы подключаются к соответствующим разъемам. Конструктивно встречаются и цифровые и аналоговые модели, в некоторых из них можно переключать диапазон измерений, выбирать род тока, в других мультиметрах все эти величины могут подбираться автоматически.

Осциллограф – это довольно сложный прибор для измерения разности потенциалов, так как в нем на цифровом или аналоговом дисплее выводится кривая измеряемой величины. При этом можно растянуть или сократить диапазон частот, чтобы рассмотреть форму импульсных напряжений, длительность импульсов, нарастание и провалы в кривой функции. Поэтому осциллограф для измерения напряжения применяется в электрических цепях и приборах высокой точности, при изготовлении и проверке радиодеталей и т.д. Мало кто держит дома осциллограф из-за высокой стоимости и сложности выполнения операций.

Измерение напряжения в сети

Чтобы правильно выполнить измерение напряжения необходимо четко представлять принцип и объект исследования. Поэтому следует отметить, что напряжение представляет собой такую электрическую величину, которая показывает разность заряда между двумя электрическими точками. К примеру, если в одной точке заряд составит +35 В, а в другой +310 В, то разница между этими точками составит 310 – 35 = 275 В, это и будет напряжение. Соответственно измерение напряжения может производиться только относительно чего-то, поэтому используются сразу две точки.

Если говорить о падении напряжения на каком-либо объекте или участке цепи, то измерение напряжения проводиться относительно концов прибора или цепи, точек подключения и т.д. При этом важно учитывать, что цифровой вольтметр или мультиметр в режиме измерения считается бесконечным сопротивлением или разрывом в цепи.

Падение напряжения возможно только при условии протекания тока, поэтому подключение вольтметров последовательно с измеряемым объектом недопустимо, так как через него перестанет протекать ток. Аналоговый или электронный вольтметр должен подключаться только параллельно по отношению к измеряемому сигналу.

С практической точки зрения следует заметить, что аналоговые модели измерительных приборов имеют входное сопротивление равное 10 – 20 кОм, а современные мультиметры могут похвастаться 1МОм. Так как через сопротивление на входе в измерительное устройство может протекать ток утечки, этот делитель напряжения будет обуславливать снижение точности измерений. Поэтому чем ближе сопротивление на входе к бесконечности, тем более точный прибор вы используете.

Важно отметить, что замеры производятся под напряжением, из-за чего присутствует угроза поражения электротоком. Поэтому важно соблюдать элементарные меры предосторожности. Далее рассмотрим порядок выполнения измерения для постоянного и переменного напряжения.

Постоянного тока

Для цепи постоянного тока расмотрим порядок измерения напряжения при помощи цифрового мультиметра. Для этого:

  1. Переведите переключатель мультиметра в положение для постоянного напряжения. На панели обозначается латинской буквой V со значком « = », знаками «+ и – », также может обозначаться аббревиатурой DC.
  2. Выберете нужный предел измерения, который будет максимально приближен к предполагаемому номиналу, но выше измеряемого.
  3. Установите щупы в соответствующие разъемы – черный к выводу COM, красный к выводу V.
  4. Приложите щупы мультиметра сразу к двум точкам – красный к плюсу, черный к минусу. Если вы заранее не знаете положение потенциалов, и показание прибора имеет отрицательное значение, нужно просто поменять полярность подключения.

На дисплее вы увидите показания вольтметра, если значение слишком малое, переключите ручку на меньший предел измерений. Прикладывая щупы, создавайте хорошее усилие, чтобы избежать большого переходного сопротивления, иначе они внесут ощутимую погрешность измерений.

Переменного тока

В цепи переменного тока бытовой цепи важно учитывать ее опасность из-за номинала в 220/380 В. Поэтому при невозможности подключения мультиметра непосредственно в процессе эксплуатации, его присоединение должно выполняться при отключенном напряжении при помощи «крокодилов».

В остальном процесс измерения идентичен:

    Переключите ручку мультиметра в положение для измерения переменного напряжения. На панели оно обозначается как V со значком «

На дисплее у вас отобразится действующее значение разности потенциалов, именно оно и является основным для всех расчетов. Но, помимо этого существует и амплитудное значение, которое больше действующего на √2 раз или 1,41 раза.

Реальные примеры измерения напряжения

Наиболее простым примером измерения напряжения в бытовых условиях является пальчиковая батарейка. В ней вам необходимо приложить черный щуп к выводу «– », а красный к выводу « + », позицию переключателя установить на 2 В постоянного напряжения.

Если показания для батарейки 1,5 В будут в пределах от 1,6 до 1,2 В, то такой источник питания считается пригодным для всего оборудования, в случае снижения значений до 1 – 0,7 В, от батарейки будут запускаться импульсные устройства, к примеру, часы. Если вольтметр покажет 0,6 В и менее, разряд достиг критического значения.

При измерении разности потенциалов в бытовой сети, вам следует коснуться щупами контактов розетки. Так как изолированная часть щупа имеет ограничительное кольцо, за которым расположен длинный стержень, вы можете безопасно проникнуть в розетку, не рискуя прикоснуться к токоведущим элементам. Допустимыми считаются отклонения от номинала на 10%, то есть от 198 до 142 В.

Также можно замерить разность потенциалов на выходе автомобильного аккумулятора или на другом элементе цепи электрической проводки. Для этого черный щуп мультиметра устанавливается на «– » клемму аккумулятора, а красный на « + » клемму.

Если аккумулятор заряжен, то показания вольтметра должны находиться в пределах от 12 до 14 В, но встречаются модели и с большим разбросом. Такое измерение позволяет диагностировать различные причины неполадок.

Измерение электроэнергии. Часть 1. Измерение напряжения и тока

image

Понятно что весь цикл будет посвящён системам переменного тока, но быстро пробежимся и по цепям постоянного тока, так как это может нам пригодиться при разработке источников питания постоянного тока. Возьмем к примеру классический понижающий преобразователь с ШИМ:

Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМ
Нашей задачей является обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Кроме того, на основании информации с датчика тока возможно контролировать режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, а также реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков особо и нет.
Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, который единственный способен работать на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. Как правило специализированная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия для того, чтобы на этом входе (3) оказался определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. Например 1,25В. Если наше выходное напряжение с этим уровнем совпадает — все хорошо — мы напрямую подаем выходное напряжение на этот вход. Если нет, то устанавливаем делитель. Если нам надо обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель должен обеспечивать коэффициент деления 4, т. е. Например R1 = 30к, R2 = 10к.
Датчик тока обычно устанавливается между источником питания и преобразователем и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs возможно определить текущее значение тока нашего дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая идея, так как конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов. Установка резистора в разрыв общего провода тоже нге сулит ничего хорошего — будет два земляных уровня с которыми возиться то еще удовольствие.
Проблемы падения напряжения можно избежать путем использования бесконтактных датчиков тока — например датчиков холла:

Рис 2. Бесконтактный датчик тока
Однако есть более хитрый способ измерения тока. Ведь на транзисторе точно также падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность. Следовательно, по падению напряжения на нем можно также определить текущее значение тока. Честно говоря, если посмотреть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, например, от Texas Instruments — то такой способ встречается так же часто как и предыдущие. Точность такого способа конечно не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого вполне достаточно.

Рис 3. Транзистор в качестве датчика тока
Аналогично поступаем в других схемах подобных преобразователей, будь то повышающий или инвертирующий.
Однако необходимо отдельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.

Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователях
В них точно также может использоваться либо внешнее сопротивление, либо транзистор в его роли.
На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. Если у вас есть предложения по другим вариантам — с удовольствием дополню ими статью.

1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока

В цепях переменного тока у нас гораздо больший выбор возможных датчиков. Рассмотрим несколько вариантов.
Самый простой — использование резистивного делителя напряжения и токового шунта.

Рис 5.Подключение резисторных датчиков
Однако, у нее усть пара существенных недостатков:
Во-первых, либо мы обеспечим значительную амплитуду сигнала с токового шунта, выделив большое количество мощности на нем, либо будем довольствоваться малой амплитудой сигнала и впоследствии усиливать его. А во-вторых, резистор создает разность потенциалов между нейтралью сети и нейтралью прибора. Если прибор изолирован — то это не имеет значения, если же у прибора есть вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, так как закоротим его. Пожалуй стоит попробовать датчики, работающие на других принципах.
Например, воспользуемся трансформаторами тока и напряжения, либо датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения. Здесь гораздо больше возможностей по работе с оборудованием, так как нулевой провод не имеет потерь, а главное — в обоих случаях присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что часто может пригодиться. Однако, необходимо учитывать, что трансформаторные датчики тока и напряжения имеют ограниченную частотную характеристику и если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.

Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения

1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока

В многофазных сетях наши возможности по подключению датчиков тока немного меньше. Связано это с тем, что токовый шунт использовать совсем не получится, так как разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер общего применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство.
Один способ использовать токовые шунты конечно есть — для каждого канала необходимо сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но гораздо проще и надежнее использовать другие датчики.
В своем анализаторе качества я использую резистивные делители напряжения и выносные датчики тока на эффекте холла.

Рис 7.Датчики тока в трехфазной сети
Как видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Разумеется вместо датчиков тока на эффекте холла можно взять трансформаторы тока или петли Роговского.
Вместо резистивных делителей можно использовать трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной системы.
В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, общая точка которых является общей точкой измерительной цепи

Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети

2 Действующее значение тока и напряжения

Пришло время решить задачу измерения наших сигналов. Практическую значимость для нас представляет в первую очередь действующее значение тока и напряжения.
Напомню матчасть из цикла по датчикам. С помощью АЦП нашего микроконтроллера через равные промежутки времени мы будем фиксировать мгновенное значение напряжения. Таким образом, за период измерения у нас будет массив данных уровня мгновенного значения напряжения (для тока все аналогично).

Рис 9. Серия мгновенных значений напряжения
Наша задача — произвести подсчет действующего значения. Для начала воспользуемся формулой интеграла:
(1)
В цифровой системе приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме:
(2)
Где — период дискретизации нашего сигнала, а — число отсчетов за период измерения. Где-то здесь я в видео начинаю втирать дичь про равенство площадей. Надо было выспаться в тот день. =)
В микроконтроллерах MSP430FE4252, которые применяются в однофазных электросчетчиках Меркурий, за период измерения равный 1, 2 или 4 секунд производится 4096 отсчетов. На T=1с и N=4096 мы и будем опираться в дальшейнем. Более того, 4096 точек в секунду позволят нам использовать алгоритмы быстрого преобразования фурье для определения гармонического спектра вплоть до 40 гармоники, как того требует ГОСТ. Но об этом в следующей серии.
Набросаем алгоритм для нашей программы. Нам требуется обеспечить стабильный запуск АЦП каждую 1/8192 секунды, так как у нас два канал и измерять мы будем эти данные попеременно. Для этого настроим таймер и сигнал прерывания будет автоматически перезапускать АЦП. Все АЦП так умеют.
Писать будущую программу будем на arduino, так как она у многих под рукой. У нас пока чисто академический интерес.
Имея частоту системного кварца 16МГц и 8-разрядный таймер (чтобы жизнь медом не казалась) нам необходимо обеспечить частоту срабатывания хоть какого прерывания таймера с частотой 8192Гц.
Печалимся по поводу того что 16МГц цело не делится как нам надо и итоговая частота работы таймера 8198Гц. Закрываем глаза на погрешность в 0,04% и все равно считываем по 4096 выборок на канал.
Печалимся по поводу того, что прерывание по переполнению в arduino занято расчетом времени (отвечает за millis и delay, так что это работать нормально перестанет), так что пользуемся прерыванием по сравнению.
А еще внезапно понимаем, что сигнал к нам приходит биполярный, и что msp430fe4252 с ним прекрасно справляется. Мы же довольствуемся униполярным АЦП, поэтому на операционном усилителе собираем простой преобразователь биполярного сигнала в униполярный:

Рис 10.Преобразователь биполярного сигнала в униполярный
Причем наша задача обеспечить колебание нашей синусоиды относительно половины опорного напряжения — тогда мы либо отнимем половину диапазона либо активируем опцию в настройках АЦП и получим знаковые значения.
В Arduino 10-разрядный АЦП, поэтому из беззнакового результата в пределах 0-1023 будем вычитать половину и получим -512- 511.
Проверяем модель, собранную в LTSpiceIV и убеждаемся, что все работает как надо. В видеоматериале дополнительно убеждаемся экспериментально.

Рис 11.результат моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим — выходной

Скетч для Arduino для одного канала

void setup() < autoadcsetup(); DDRD |=(1<double urms = 0; double utemp = 0; int umoment = 0; int N = 0; int flag = 0; void loop() < if (flag)< flag = 0; Serial.println(urms); >> int i = 255; void autoadcsetup() < //set up TIMER0 to 4096Hz //TIMER0_OVF will be the trigger for ADC /*normal mode, prescaler 16 16MHz / 64 / 61 = 4098 Hz 0.04% to 4096Hz*/ TCCR0B = (1 ISR(TIMER0_COMPA_vect) < if (PIND & (1<else < PORTD |=(1<TCNT0 = 0; > ISR(ADC_vect) < if( ( UCSR0A & (1<else < PORTD |=(1<> > > 

Программа написана в среде Arduino IDE для микроконтроллера ATmega1280. На моей отладочной плате первые 8 каналов разведены для внутренних нужд платы поэтому используется канал ADC8. Возможно использовать данный скетч и для платы с ATmega168, однако необходимо выбрать правильный канал.
Внутри прерываний передергиваем пару служебных пинов чтобы наглядно видеть рабочую частоту оцифровки.
Пару слов о том, откуда взялся коэффициент 102. При первом запуске с генератора подавался сигнал различной амплитуды, с осциллографа считывалось показание действующего значения напряжения, а из консоли забиралось рассчитанное значение в абсолютных единицах АЦП.

Umax, В Urms, В Counted
3 2,08 212
2,5 1,73 176
2 1,38 141
1,5 1,03 106
1 0,684 71
0,5 0,358 36
0,25 0,179 19

Разделив значения третьего столбца на значения второго получаем в среднем 102. Это и будет наш «калибровочный» коэффициент. Однако можно заметить, что при снижении напряжения точность резко падает. Это происходит из-за низкой чувствительности нашего АЦП. Фактически 10 разрядов для точных расчётов катастрофически мало и если напряжение в розетке измерить таким образом вполне получится, то поставить 10-разрядный АЦП на измерение потребляемого нагрузкой тока будет преступлением против метрологии.

На данном моменте мы прервемся. В следующей части рассмотрим другие три вопроса данной серии и будем плавно переходить к созданию непосредственно самого устройства.

Представленную прошивку, а также другие прошивки для данной серии (так как видеоматериалы я снимаю быстрее чем подготавливаю статьи) вы найдете в репозитории на GitHub: github.com/radiolok/arduino_rms_count
Что касается разработки электросчетчика, за основу будет взят референс от TI SimpleLink WiFi CC3200 SmartPlug, новость о котором буквально на днях прилетела мне на почту. Мне очень нравится микроконтроллер CC3200, поэтому мы разработаем бустерпак для существующего ланчпада и реализуем все интересующие нас возможности. Не забудем сделать и так, что это сносно работало и на других микроконтроллерах.

В комментарии приглашается progchip666, для замечаний и дополнений по материалу, а также smart_alex как ранее интересовавшийся вопросом измерения тока и напряжения именно с помощью Arduino.

  • измерение электроэнергии
  • напряжение
  • arduino