| 如何將測量誤差減小測量誤差
關鍵字：真有效值電流傳感器 畸變波形測量
真有效值（True RMS）——唯一的真實測量值
許多商業和工業的裝置都為斷路器的頻繁誤跳閘所煩擾。這些跳閘看上去經常像是隨機的、令人費解的。其實這里面是有其原因可究。造成這種現象的原因一般來說有兩個方面。第一個可能原因是一些負載，特別是個人電腦和其它電子設備開機時所產生的沖擊電流。關于這種原因，將會在本指南的后面章節里具體討論。另一個可能原因是回路里的真實電流的測量值低于真實值——換而言之，是實際電流過高而引起的。
在現代化裝置中這種電流測量值偏低是個高發現象。既然當前的數字測量儀器如此精確可靠，為什么又會發生這種現象哪？答案就是許多測量儀都不適合于測量失真（畸變）電流，而現在絕大多數的電流都是失真的。
電流失真是由于非線性負荷的諧波電流造成的，特別是個人電腦、配有電子鎮流器的熒光燈和變頻驅動裝置等電子設備為代表。諧波的產生機理及其對電氣系統的的影響將在指南的3.1節進行具體闡述。圖3所示為個人電腦接入后的典型電流波形圖。很明顯這不是一個純正弦波，所以一般適用于正弦波的測量工具和計算方法都不適用。這意味著，在對電力系統進行故障檢修或者性能測試分析時，有必要采用能夠處理非正弦電流和電壓的正確測量工具。
圖1 一個電流兩種讀數，你相信哪個？圖中的回路為一個有畸變電流的非線性負載供電。真有效值卡鉗式電流表（左）上的讀數是正確的，而平均值卡鉗式電流表的讀數（右）比正確值要低32%。
圖1所示為同一回路上的兩種卡鉗式電流表的讀數差別。兩個測量儀都運行正常，且按照生產廠家的要求進行了校準，主要的差別就在于測量方法的不同。
左邊的電流表是真有效值測量儀，右邊的是按有效值校準的平均值測量儀。在很好的理解它們差異所在之前必須首先了解有效值的確切含義。
什么是有效值（方均根值）？
交流電流的有效值（RMS）等于在同一電阻性負載回路中，與其產生等熱量的直流電流的大小。使用交流電時，電阻產生的熱量與一個周波內的平均電流的平方成正比。換而言之，產生的熱量和電流平方的平均值成正比，也就是說電流值和這個平方的平均值開方后的值也就是有效值成正比。（由于平方后總是正數，所以不用考慮極性問題）
對于如圖2所示的純正弦波，有效值是峰值的0.707倍（或者說峰值是有效值的根號2， 即1.414倍）。換句話說，有效值為1安培的純正弦波電流的峰值電流為1.414安培。如果波形值僅僅被簡單的平均（對半個負波形取反），平均值就是峰值的0.636倍，或是有效值的0.9倍。圖2所示為這兩個重要的比例關系。
波頂因數=峰值/有效值=1.414 波形因數=有效值/平均值=1.111
圖2 純正弦波
在測量一個純正弦波（僅限于純正弦波）時，簡單的測出平均值（0.636倍峰值），再乘以波形因數1.111（即0.707倍峰值）所得到的數值是完全正確的，這個數值也被稱為有效值。這種方法被廣泛用于所有的模擬測量儀（此時平均值是靠線圈運動的慣性和阻尼作用來實現的）和所有舊式、儀表和大多數電流表數字萬用表上。這種技術被稱為“平均讀數，按有效值校準”的測量方法。
問題是這種測量方法只適用于純正弦波，而在現實的電氣裝置中根本不存在純正弦波。圖3所示的波形圖是一個接入個人電腦后所產生的典型電流波形圖。方均根值仍然是1安培，但是峰值要明顯高于純正弦波時的峰值，為2.6安培。同時平均值則小得多，為0.55安培。
Peak value 峰值
Crest or Peak factor 峰頂因數
Form factor 波形因數
True RMS value 真有效值
Averaging RMS measurement 平均有效值測量
Mean value 平均值
如果這個波形用“平均讀數，按有效值校準”的測量儀進行測量，它的讀數為0.61安培，比真有效值（1安培）少了將近40%。表1給出了兩種不同測量儀對不同波形的測量值的幾個示例。
真有效值儀表工作時，先采集輸入電流的瞬時值平方，按時間取平均值，最后顯示這個平均值的平方根值。如果能夠理想地實施這種測量方法，無論是怎樣的波形都能達到絕對精確。當然在現實中理想的測量是不可能實現的，有兩個制約因素要考慮在內：頻率響應和峰頂因數。
對于電力系統，一般測量到50次諧波就足夠了，也就是說最高頻率測量到2500赫茲。峰頂因數（峰值和有效值的比率）是個很重要的決定因素，較高的峰頂因數要求采用動態測量范圍較大的儀表，因此轉換電路的精度也就更高。峰頂因數最小應達到3。
值得注意的是盡管兩種儀表在測量失真波形的時候讀數不同，而它們在測量純正弦波時卻讀數一致。這個狀態就是兩種測量儀的校準狀態，因而兩個測量儀都可以看作為已經校準過了—僅限用于正弦波。
真有效值儀表已經用了３０多年了，過去它僅用于專業領域、并且價格昂貴。現代電子學的發展促進了真有效值測量儀的發展，現在許多手持式萬用表都具有這種功能。遺憾的是，這個功能也只是很少生產商一般地認知。然而就是這樣其價格之低仍足以使真有效值儀表在公用場合種普及應用。
表１ 平均值測量儀和真有效值測量儀的讀數差別
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萬用表型式 |
對于正弦波 |
對于方波 |
對于單相二極管整流器 |
對于三相二極管整流器 |
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平均值，按有效值校準
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正確 |
高１０％ |
低４０％ |
低５—３０％ |
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真有效值 |
正確 |
正確 |
正確 |
正確 |
測量值過低造成的后果
絕大多數電路元器件的極限容量值是由保證元器件不過熱而可以散發的熱量所決定的。
例如，電纜的容量是由特定的安裝條件（決定散熱的快慢）和最大的工作溫度所決定的。因為含有諧波的電流有著比普通平均測量值要高的有效值，電纜的實際運行電流值往往被低估，因而導致電纜的工作溫度比預期的溫度要高，結果是電纜的絕緣下降、過早損壞甚至引發火災。
母線的尺寸取決于母線因對流和熱輻射所散發的熱量速率與電阻損耗發熱速率。上述速率相等時的溫度就是母線的正常工作溫度。通常將母線的正常工作溫度設計地足夠低以使絕緣和支持材料不過早老化。就電纜而言，真有效值的測量誤差將會導致過高的工作溫度。而母線一般來說體積都很大，它的集膚效應比一般的小規格導線要明顯的多，從而導致溫度進一步提高。
其他的一些電力元器件，如熔斷器和斷路器的熱元件，它們的額定電流值是根據有效值來制定的，因為它們的特性和散熱緊密相關。這就是誤跳閘的根本原因所在。真實電流大于所預期電流，導致斷路器一直工作在過電流狀態，長期工作可能會引起跳閘。處于過電流狀態斷路器對溫度非常敏感出的問題，難以預測。任何由誤跳閘引起的斷電所造成的事故損失都可能是巨大的，例如，電腦系統數據丟失和生產控制系統癱瘓等等。在指南的第２章將對這些問題具體討論。
很明顯，只有真有效值儀表才能給出正確的測量值，才能正確確定電纜、母線和斷路器的額定值。一個很重要的問題：怎樣才能知道儀表是否是真有效值儀表？通常可以通過產品說明書作出判斷，可往往是在實際需要的時候產品說明書并不在手邊。有一個很好的辦法：分別用已知的平均值儀表（往往是手頭最便宜的那種）或真有效值儀表和待定的測量儀同時測量象個人電腦這樣非線性負荷的電流和白熾燈回路的電流值，比較其讀數。對于白熾燈負荷，兩種測量儀的讀數應一致。而在接入個人電腦后一臺儀表的讀數比另外一臺儀表大很多（比如說２０％以上）則此儀表很可能是真有效值儀表。若此時兩表讀數接近，說明兩種儀表是同一類型的。
結論
真有效值測量對于任何帶有很多非線性負載（個人電腦、電子鎮流器和緊湊型熒光燈等）的裝置意義重大。平均值測量儀的測量值比真實值最大可小４０％，從而會導致電纜和斷路器在“不滿載”狀態下而出現故障和頻繁誤跳閘。
真有效值電流傳感器及變送器
經過以上分析，對于非線性負載造成的各種非正弦波形比較精準的測量方法是使用帶有真有效值測量TRMS功能的電流傳感器。北京柏艾斯科技有限公司根據市場需求開發了全系列的真有效值電流變送器，量程可以從50A 到 10，000A,可以涵蓋幾乎所有的工業用電場合對精確測電流的領域。
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