Правильное измерение RMS
- Подробности
- Автор: Administrator
- Родительская категория: Заметки
- Категория: Электроника / cхемотехника
- Просмотров: 3885
Хорошая статья по правильному измерению True RMS:
При измерении правильной синусоиды (и только для правильной синусоиды) правомерно делать простое измерение среднего значения (0,636 х максимум) и умножать результат на коэффициент формы, равный 1,111 (что составит 0,707 от максимума), и назвать его RMS-величиной. Подобный подход используется в аналоговых измерительных приборах, где усреднение осуществляется путем инерции и гашения колебаний в катушке индуктивности, а также во всех старых и более современных цифровых универсальных измерительных приборах. Метод описывается как измерение, усредненное, RMS-калиброванное.
Проблема заключается в том, что этот метод работает только для правильных синусоид, которые не существуют в реальных электроустановках….
В измерителе истинного RMS берется квадрат моментальной величины входящего тока, усредняется по времени, а затем на дисплее показывается квадратный корень от этого среднего значения. При идеальных условиях применения показания абсолютно точны, какая бы ни была кривая. Однако применение никогда не бывает идеальным, и следует принимать во внимание два ограничивающих фактора: частотную характеристику и коэффициент амплитуды….
Далее здесь:
http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2496
Что такое «True RMS»?
На многих измерительных приборах, как правило достаточно дорогих, стоит волшебная маркировка «TrueRMS». Продавцы нахваливают такие приборы, впрочем, не всегда даже в силах объяснить, что это такое. Давайте разберемся, стоит ли переплачивать за такую «честность»? (примечание: «true», в переводе с английского, означает истинный, верный)
True RMS – означает «истинное среднеквадратичное значение» тока. Таким образом, данное обозначение относится к измерению значений переменного тока и напряжения.
Обычные (более простые и дешёвые) измерители работают по принципу «усреднения показаний среднеквадратического значения». Наиболее распространённый способ заключается в следующем: входной сигнал выпрямляется, определяется его среднее значение и умножается на соотношение среднего и среднеквадратичного значения идеальной синусоиды (коэффициент 1,1).
Но в современном мире нас все больше окружают приборы с несинусоидальными характеристиками потребляемого тока: компьютеры, регуляторы освещения, частотные преобразователи и прочее оборудование, которое вносит импульсные искажения в форму сигнала измеряемого напряжения или тока.
И, чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше искажаются показания обычного (не «True RMS») прибора. Например, при измерении тока потребления ШИМ — значения могут завышаться на 10%, а нагрузки в виде однофазного диодного выпрямителя – занижаться на 40%… В реальной жизни, это выражается в ситуациях, когда измерения показывают ток нагрузки 12А, а автомат на 16А постоянно «выбивает».
Как же измерить реальное значение искаженного сигнала? Тут на помощь приходят приборы класса «True RMS». В современных мультиметрах и токовых клещах используются усовершенствованные технологии определения реального эффективного значения переменного тока,
С развитием электроники, функция «TrueRMS» стала доступна не только в приборах промышленного назначения, но и в относительно недорогих мультиметрах.
Мультиметр Richmeters RM409B True-RMS с необычными дисплеем, кнопочным селектором видов измерений и отличными углами обзора
Приветствую всех посетителей сайта!
Все мультиметры, с которыми мне приходилось иметь раньше дело были оснащены обычными ЖК дисплеями. Мультиметры начального уровня, например DT 830, не имеют даже подсветки. В более дорогих и современных эта опция уже есть.
Обозреваемый RICHMETERS RM409B оснащен новым типом дисплеев – дисплеем EBTN. Такой экран в отличии от обычных ЖК дисплеев имеет черный фон, а символы наоборот светлые, что позволяет работать с прибором даже при полном отсутствии освещения. При этом такой дисплей обладает еще и превосходными углами обзора.
Второй особенностью RM409B является отсутствие кругового селектора видов измерений – здесь вместо него кнопки.
Из приятных бонусов – небольшие размеры, аналоговая шкала, питание от двух батареек типа АА и как признак хорошего тона — True-RMS.
Поставляется прибор в коробке с минимумом надписей и изображением, за которое сразу цепляется взгляд.
 |  |
Коробка немного пострадала в пути, но содержимое сохранила.
Как видим, мультиметр действительно необычный – у него отсутствует круговой селектор, но начать предлагаю с принадлежностей.
Не читая инструкции, лишь по содержимому комплекта поставки можно понять, что RM409B способен измерять температуру. Термопара здесь добротная и спрятана в металлический корпус. Такие термопары несколько медлительнее, чем незащищенные, но гораздо надежнее.
Провод в виде пружины растягивается на один метр, стремится сжаться, что может быть не всегда удобным при измерениях, но такова цена защищенности и надежности.
Комплектные щупы имеют длину 80 см. Они достаточно мягкие, но не силикон – в морозилке твердеют и теряют гибкость, однако быстро восстанавливают ее.
Как и многие щупы в последнее время, комплектные снабжены заглушками, а на наконечники надеты колпачки.
На ручки нанесли предупреждающую надпись о максимальном токе – 10 Ампер.
Колпачки на наконечниках играют не абы какую роль. Без них категория щупов по электробезопасности CAT II 600 Вольт, с ними категория безопасности остается прежней, но предел по допустимому напряжению возрастает до 1000 Вольт.
Если присмотреться к надписям на мультиметре, то его категории измерений CAT II 1000 Вольт и CAT III 600 Вольт.
Другими словами, если хотите применять мультиметр не только в быту (CAT II 1000), то щупы следует заменить на CAT III 600 Вольт.
Подробно вопросы категорийности измерений можно изучить здесь.
Приступая к рассмотрению самого мультиметра RICHMETERS RM409B обратим внимание на его характеристики:
Номер модели: RM409B
Рабочая температура: 0 — 40 ℃
Рабочая влажность: ≤75% относительной влажности
Хранение: -20 ~ 60 ℃
Влажность при хранении: ≤80% RH
Режим работы: автоматический / ручной
Диапазон измерения индуктивности: нет
Диапазон измерения температуры: -20 ~ 1000 C / -4F-1832F
Диапазон измерения емкости: 9.99nF / 99.99nF / 999.9nF / 9.99uF / 99.99uF / 999.9uF / 9.999MF
Диапазон измеряемого переменного и постоянного напряжения: 999,9 мВ / 9,999 В / 99,99 В / 999,9 В
Диапазон измерения переменного и постоянного тока: 999.9uA / 99.99uA / 999.9mA / 10A
Диапазон измерения сопротивления: 99.99 / 999.9 / 9.999k / 99.99k / 999.9K / 9.999M / 99.99M Ом
Частота: 99,99 Гц / 999,9 Гц / 9,999 кГц / 99,99 кГц / 999,9 кГц / 5 МГц
Коэффициент заполнения: 1% -99%
Частота выборки: 3 раза в секунду
Питание: 2 * 1,5 В батареи АА
Габаритные размеры: 145 * 74 * 35mm
Вес: 168 грамм
Дополнительные, но важные «плюшки», которыми обладает прибор:
— индикатор низкого напряжения питания;
— фиксация показаний кнопкой HOLD;
— автоотключение;
— True RMS;
— табло на 4 основных знака с максимально отображаемым значением 9999;
— категория электрооборудования по перенапряжению CAT II 1000V и CAT III 600V;
— функция NCV;
— функция прозвонки;
— определение падения напряжения на диодах.
Из объемной инструкции приведу лишь страницы, где указаны пределы измерений и точность в этих пределах.
Габариты мультиметра соответствуют заявленным 145 * 74 * 35 мм. RICHMETERS RM409B выполнен в том же формфакторе, что и многим хорошо известные Aneng 8001, RM102 и т.д., но немного крупнее их.
Несмотря на некоторые изменения размеров, прибор все так же удобно лежит в руке, а благодаря тому, что в конструкцию корпуса добавили резиновую вставку-бампер, мультиметр не выскальзывает из рук.
Токоизмерительные гнезда прикрывает наклейка с напоминанием о том, что измерять напряжение в данном режиме нельзя.
Противоскользящая «галоша» охватывает большую часть боковых и нижней стороны корпуса. Сзади располагается откидывающаяся подставка (фиксируется в «галоше» двумя выступами, входит плотно и самопроизвольно не открывается) и батарейный отсек.
Питается мультиметр от двух батареек типа АА, крышка отсека фиксируется винтом, который вкручивается в латунную гайку.
Для того, чтобы при замене батареек не потерять винт на него надел шайбу из термоусадки. Сделал из того, что было под рукой, а прежде еще на старых советских приборах обычно ставили картонную. Делать не обязательно, но так немного удобнее.
Подставка в открытом положении позволяет изменить угол наклона и сделать считывание информации более удобным.
Включается прибор двухсекундным удержанием кнопки Power. При этом слышно щелканье контактов реле, а в первую секунду после включения дисплей демонстрирует все свои возможности.
Включение и первые минуты использования мультиметра наглядно продемонстрировали преимущества дисплеев EBTN – таких углов обзора мне видеть в мультиметрах с обычными ЖК дисплеями не приходилось.
После включения мультиметр устанавливается в режим измерения постоянного напряжения с автоматическим выбором диапазона измерений. Для перевода в ручной нужно кратко нажать кнопку RANGE. Ею же выбираются пределы измерений. На примере измерения напряжения: 999,9 mV, 9,999 V, 99,99 V, 999,9 V. Для возврата в автоматический режим кнопку RANGE нужно зажать на пару секунд.
Как и в случае с автоматическим выбором диапазона измерений, подсветка дисплея работает по умолчанию всегда. Чтобы не высаживать батарейки в приборе предусмотрен энергосберегающий режим – через пять минут мультиметр отключается. За минуту до выключения он предупреждает пятью короткими звуковыми сигналами, а перед выключением длительным. Чтобы выключить режим энергосбережения нужно перед включением зажать кнопку «RANGE» и включить мультиметр.
Замеры и сравнения начнем с милливольт.
На 600 миллиВольтах Aneng сдается и показывает символ OL, в то время как RICHMETERS RM409B автоматически меняет предел измерений.
При бОльших напряжениях мультиметры так же давали практически идентичные данные.
Измерение переменного напряжения сопровождается измерением его частоты.
МиллиВольты снимал с экрана между обмотками и тут частота отличная от 50 Герц. Одно слово — наводки.
При измерении напряжения на обмотках и в сети частоту показывает верно.
Последняя функция, которая активируется кнопкой работы с напряжениями – это функция безконтактного детектора напряжения NCV. Прибор не сможет найти проводку в стене, но поверхностные провода и токоведущие части под напряжением найдет, издавая звуковые сигналы и подсвечивая сегменты на дисплее.
Кнопка измерения миллиВольт и температуры.
Предел измерения постоянного и переменного напряжений в миллиВольтах ограничен пределом в 100 мВ в автоматическом режиме. При переводе в ручной режим становятся доступны два поддиапазоне – 9,999 мВ и 99,99 мВ.
Значения измеряемой температуры отображаются сразу в двух единицах измерения одновременно – градусах Цельсия и Фаренгейта. Вода закипела при 99 градусах по Цельсию.
Значения однопроцентных сопротивлений прибор измеряет очень достойно.
Функции прозвонки цепи и определения падения напряжения на диодах объединили в одном подпункте – можно выполнять нужную операцию не переключая режим. Прозвонку цепи здесь реализовали как нужно, без заиканий и задержек с непрерывно пищащим зуммером.
С измерением емкости конденсаторов мультиметр справляется отлично. Показания Richmeters RM409B и Aneng 8001 разнятся крайне незначительно и укладываются в заявленные погрешности мультиметров.
Неэлектролитические конденсаторы 5100 пФ и 0,1 мкФ. (Для экономии времени замеры сразу на двух мультиметрах с последующим обменом конденсаторами).
 |  |
Электролитические конденсаторы 100 мкФ и 1000 мкФ (алгоритм тот же).
 |  |
Возможности измерения частоты сигнала проверял, подавая сигнал с генератора JDS6600 с дублированием измерений Aneng 8001. Хотя заявлена возможность измерять частоту до 5 МГц, RM409B фиксирует и более высокие значения, а кроме синусоиды, меандра и треугольника, может воспринимать и сигналы необычной формы. На фото граничные для RM409B частоты и на отдельных сигналах Aneng 8001 выкидывает белый флаг.
В обозреваемом RICHMETERS RM409B очень удачно реализована функция измерения силы тока. Кнопки активации такого режима здесь нет. При подключении щупа к токоизмерительному гнезду режим измерения силы тока включается автоматически.
Так как Aneng 8001 чуть привирает при измерении тока, то в сравнительных тестах он был заменен на BSIDE ADM08D и оба мультиметра показали одинаковые результаты.
Для измерения силы переменного тока, установив щуп в покоизмерительное гнездо, нужно кратко нажать кнопку включения/выключения.
Здесь приборы так же дали одинаковые результаты. В качестве нагрузки были светодиодный светильник, паяльник и фен в двух режимах.
Ну, и в качестве вишенки на торте – TrueRMS, измерение среднеквадратических значений переменного тока. Этот режим реализован не во всех мультиметрах и потому не всеми мультиметрами можно правильно оценить величину тока или напряжения в схемах с симисторами, на выходе безперебойных блоков питания и т.д., т.е. там где, уже нет синусоиды, а есть форма сигнала приближенная к ней.
В качестве примера измерение напряжения на выходе безперебойника, отключенного от сети и работающего от внутреннего аккумулятора. Простенький мультиметр в силу своего нехитрого конструктива дает неверные данные, в то время как RICHMETERS RM409B показывает правильное значение напряжения.
Если кратко нажать на кнопку HOLD, то данные на дисплее будут зафиксированы. Если же кнопку зажать на 2 секунды, то активируется режим REL – режим относительных измерений.
В завершении разборка.
Корпус скреплен четырьмя винтами, внутри чисто и сразу в глаза бросается реле. За мозговую активность мультиметра отвечает клякса, что дешевле в производстве, чем корпусные элементы и встречается повсеместно в мультиметрах. Установлены два предохранителя распространенного типоразмера. До обратной стороны платы не добрался – токоизмерительные гнезда вклеены, а распаивать не стал – смотреть там кроме контактных площадок нечего.
В ходе тестирования RM409B доказал свою профпригодность. На мой взгляд, это один из самых удачных мультиметров в своем ценовом диапазоне. Наряду с точностью и повторяемостью результатов измерений, компактные размеры, отсутствие вращающегося селектора видов работ, большие углы обзора дисплея и высокая контрастность, а так же TrueRMS делают RICHMETERS RM409B весьма конкурентоспособным при выборе мультиметра.
С купоном TE3888 (действует до 31.05.2019г.) цена на RICHMETERS RM409B снижается до 29,99 $.
Этот же мультиметр по акционной цене можно купить на Aliexpress за 24,48$.
Этот же мультиметр под названием ZOYI ZT-X в той же комплектации плюс кейс можно купить за 26,25$.
И цена на него же, но под названием ANENG Q1 с дополнительными аксессуарами и кейсом -28.76$
multimeter — В чем разница между мультиметром с RMS и одним с True RMS?
Существует несколько различных типов измерения переменного напряжения (от пика до пика, RMS и т. д.), и они обычно дают разные значения для любого заданного сигнала. Во многих случаях, если у одного есть измерение известного типа, и также известно форма формы волны и смещение постоянного тока (если таковая имеется), можно будет вычислить, какие другие измерения были бы (например, для синусоидального сигнала с нулевое смещение, пиковое напряжение будет примерно в 1,414 раз больше среднеквадратического напряжения), но само число, без информации о том, какое измерение оно представляет, может быть бессмысленным.
Для многих целей синусоидальные сигналы регистрируются как RMS-напряжение (например, основная мощность 120 В или 240 В будет номинально иметь среднеквадратичное значение 120 В или 240 В RMS), но дешевые измерители часто будут измерять напряжение переменного тока с помощью некоторых других средств, а затем масштабировать результат в любом случае был бы подходящим для синусоидального сигнала с нулевым смещением.
Если измерить синусоидальный сигнал с нулевым смещением, такой счетчик будет работать нормально. В других случаях такой счетчик может по-прежнему использоваться (и на самом деле иногда может быть лучше, чем истинный RMS-метр), если кто-то знает, как его измерения вычисляются, и может выяснить из того, что нужно знать о сигнале (например, если у одного есть метр, который, как известно, измеряет пиковое напряжение и масштабирует его на 70,7%, и кто-то хочет знать пиковое напряжение нерегулярного сигнала, можно было бы использовать такой счетчик, умножив его отображаемый результат на 1.414, тогда как RMS-метр может быть почти бесполезным).
Основным преимуществом настоящего RMS-измерителя является то, что он будет измерять нерегулярные формы сигнала известным образом, с учетом документированных ограничений по частоте. Другие виды счетчиков могут выполнять измерения способами, которые иногда бывают более полезными, а иногда и менее полезными, но если счетчик не документирует фактические методы измерения, они не могут быть полезными вообще.
3. Измерение величин переменного тока | 1. Основы теории переменного тока | Часть2
3. Измерение величин переменного тока
Измерение величин переменного тока
Вам уже известно, что переменное напряжение чередует свою полярность, а переменный ток чередует свое направление. Вы также знаете, что отследив чередование направлений переменного тока (полярностей переменного напряжения) во времени, можно построить график в виде «волны». А еще вы можете рассчитать скорость этих чередований (частоту), определив время одного периода волны.
Однако, вы до сих пор не знаете как определить величину переменного тока или напряжения. При работе с постоянным током (напряжением) таких проблем не возникает, так как его величина стабильна. Итак, каким образом можно измерить такую величину, которая постоянно меняется?
Один из способов решения этой проблемы состоит в измерении высоты пика на графике волны (см. рисунок ниже):
Другой способ состоит в измерении общей высоты между противоположными пиками (от пика до пика):
К сожалению, оба этих способа могут ввести в заблуждение при сравнении двух различных типов волн. Например, прямоугольная волна с пиком 10 вольт будет держать это напряжение в течение большего количества времени, чем треугольная волна с тем же самым пиком — 10 вольт. Воздействие этих двух напряжений на нагрузку будет различным (см. рисунок ниже):
Одним из способов выражения амплитуды различных форм волны является математическое усреднение значений всех точек графика в единое, общее значение. Такая мера известна как среднее значение волны. Если все точки волны усреднить алгебраически (то есть, учесть их знак, положительный или отрицательный), то среднее значение для большинства волн окажется равным нулю, поскольку положительные точки полного цикла компенсируют отрицательные (см. рисунок ниже):
Это, конечно, будет справедливо для любой формы волны, имеющей равные части выше и ниже нулевой линии графика. Однако, на практике среднее значение волны определяется как математическое среднее всех точек ее цикла. Другими словами, среднее значение рассчитывается с учетом того, что в се точки имеют положительные значения (см. рисунок ниже):
Нечувствительные к полярности стрелочные измерительные приборы (одинаково реагирующие на положительные и отрицательные полупериоды переменного тока/напряжения) будут регистрировать практическое среднее значение волны, так как инерция стрелочного указателя (вызванная напряжением пружины) зафиксирует среднюю силу, создаваемую различными значениями тока/напряжения с течением времени. И наоборот, чувствительные к полярности стрелочные измерительные приборы будут «вибрировать» под воздействием переменного тока/напряжения, их стрелочный указатель будет быстро колебаться около нулевой отметки, показывая истинное (алгебраическое) среднее значение для симметричной волны. Упоминаемое далее в этой статье «среднее» значение волны мы будем соотносить именно с «практическим» средним значением, если не указано иное.
Другой способ получения общего значения амплитуды волны основывается на способности этой волны совершить полезную работу на сопротивлении нагрузки. К сожалению, такое измерение переменного тока/напряжения будет отличаться от «среднего» значения волны, так как мощность, рассеиваемая на заданной нагрузке (работа, выполненная за единицу времени), не прямо пропорциональна величине напряжения или тока. Мощность будет пропорциональна квадрату напряжения или тока, подаваемого на сопротивление (Р = E2 / R, и P = I2R).
Давайте рассмотрим ленточную пилу и электролобзик — два типа современного деревообрабатывающего оборудования. Оба типа пил имеют тонкие зубчатые полотна, приводимые в движение электромоторами. Однако, ленточная пила использует непрерывное движение полотна, в то время как электролобзик — возвратно-поступательное. Сравнение переменного тока с постоянным можно уподобить сравнению этих двух типов пил:
Проблема описания величины переменной составляющей присутствует и в данной аналогии: каким образом можно выразить скорость движения полотна электролобзика? Полотно ленточной пилы движется с постоянной скоростью, что равноценно постоянному напряжению, величина которого всегда одинакова. Полотно же электролобзика движется взад-вперед, и скорость его движения постоянно меняется. Более того, возвратно-поступательные движения двух электролобзиков разной конструкции не могут быть одинаковыми. Движение полотна одного электролобзика может описываться формой синусоидальной волны, в то время как движение полотна другого лобзика — формой треугольной волны. Оценивать скорость движения полотна электролобзиков по пиковым значениям некорректно, у разных типов лобзиков эти значения будут разными. Несмотря на вышесказанное, все типы пил выполняют одну работу (пилят древесину), и количественное сравнение этой общей функции может служить основой для оценки скорости движения их полотна.
Давайте представим себе, что рядом друг с другом стоят две пилы: одна ленточная, а другая — электролобзик. Обе этих пилы имеют одинаковые полотна (одинаковый шаг зуба, угол и пр.), и в равной степени (с одинаковой скоростью) способны обрабатывать древесину одного и того же типа и одной и той же толщины. В данном случае мы можем сказать, что эти пилы эквивалентны, а их режущие способности (выполняемая работа) равны. Можно ли это сравнение использовать для выражения скорости возвратно-поступательного движения полотна электролобзика через скорость вращательного движения полтна ленточной пилы? Конечно можно! Эта же идея используется и для «назначения» эквивалента постоянного тока (напряжения) измеряемому переменному току (напряжению): одинаковые значения постоянного и переменного тока (напряжения) произведут одинаковое количество тепла на одном и том же сопротивлении (см. рисунок ниже):
Обе этих цепи имеют одинаковые сопротивления нагрузки (2 Ома), которые рассеивают одинаковое количество мощности (50 Вт) в виде тепла. Однако, первая цепь запитывается от источника переменного напряжения, а вторая — от источника постоянного напряжения. Поскольку источник переменного напряжения эквивалентен (с точки зрения мощности, подаваемой на нагрузку) 10 вольтовой батарее постоянного напряжения, мы назовем его «10 вольтовым» источником переменного напряжения. Для большей ясности мы обозначим его величину как 10 Вольт RMS. Аббревиатура RMS обозначает «Root Mean Square» или «Среднеквадратичное значение«. Алгоритм расчета среднеквадратического значения прост: каждое значение данных в течение предопределенного периода (обычно это один цикл) умножается само на себя (возведение в квадрат), а затем все такие значения в течение периода усредняются (суммируются с последующим делением на общее количество) и из полученного значения извлекается квадратный корень.
Измерение величины RMS используется в подавляющем большинстве случаев при работе с электричеством (является лучшим способом связи величины переменного напряжения/тока с величиной постоянного напряжения/тока, или с другими величинами переменного напряжения/тока, имеющими разные формы волн). Но, в некоторых случаях лучше использовать измерения от пика до пика. Например, при определении необходимого размера провода, предназначенного для поставки электроэнергии от источника питания к нагрузке, лучше использовать измерение RMS величины тока, поскольку основное беспокойство у нас вызовет возможный перегрев провода, являющийся функцией рассеивания мощности при прохождении тока через сопротивление провода. Однако, при оценке изоляции высоковольтных проводов лучше всего использовать измерения от пика до пика, поскольку основное беспокойство в этом случае вызывает возможный «пробой» изоляции именно пиковыми значениями.
Измерение пиковых значений или значений от пика до пика лучше всего проводить при помощи осциллографа, который может захватить «гребни» волны с высокой степенью точности благодаря быстрому действию электронно-лучевой трубки в ответ на изменения напряжения. RMS измерения можно проводить аналоговыми измерительными приборами (гальванометрами конструкции д’Арсонваля/Уэстона, электромагнитными измерительными приборами, электродинамическими измерительными приборами), если они откалиброваны в RMS числах. Поскольку механическая инерция и демпфирующий эффект электромеханических измерительных приборов производят отклонение стрелки пропорционально среднему значению переменного тока/напряжения (а не среднеквадратичному), аналоговый прибор должен быть специально откалиброван для индикации напряжения или тока в RMS единицах. Точность этой калибровки зависит от предполагаемой формой волны, как правило, синусоиды.
Лучше всего для измерения RMS величин подходят специально разработанные электронные измерительные приборы. Некоторые производители приборов разработали оригинальные методы для определения RMS величины любой формы волны. Они производят приборы класса “True-RMS”, которые содержат крошечный резистивный нагревательный элемент, питаемый от напряжения пропорционального измеряемому. Тепловой эффект данного элемента измеряется термически, и дает истинное значение RMS. Математические вычисления здесь вообще не производятся, все основано на законах физики. Точность таких измерительных приборов не зависит от формы волны.
Для симметричных форм волн существуют простые коэффициенты преобразования между следующими видами значений: пиковым, от пика до пика (Peak-to-Peak или Р-Р), практическим средним (Average или AVG) и среднеквадратичным (RMS):
Помимо перечисленных выше значений переменного тока/напряжения существуют также значения, выражающие пропорциональность между некоторыми из этих фундаментальных измерений. Пик-фактор волны переменного тока, например, представляет собой отношение максимального (пикового) значения тока/напряжения к его среднеквадратичному (RMS) значению. Форм-фактор волны переменного тока/напряжения представляет собой отношение среднеквадратичного (RMS) значения к его практическому среднему значению. Пик-фактор и форм-фактор прямоугольной волны всегда равны 1, так как пиковое значение этой волны равно RMS и AVG значениям. Синусоидальная волна имеет RMS значение равное 0,707 и форм-фактор — 1,11 (0.707/0.636). Треугольная волна имеет RMS значение равное 0,577 и форм-фактор — 1,15 (0.577/0.5).
Имейте в виду, что все вышеописанные преобразования распространяются только на симметричные (правильные) формы волн. RMS и среднее значение искаженных форм волн не связаны теми же соотношениями:
Это очень важная для понимания концепция. Если вы используете аналоговый измерительный прибор, откалиброванный под синусоидальные RMS значения, то он будет точен только при измерении «чистой» синусоиды. В ходе измерения других типов волн он будет выдавать вам не истинное RMS значение.
Так как синусоидальная форма волны является самой распространенной в электрических измерениях, именно под нее и калибруется подавляющее большинство аналоговых измерительных приборов. Примите во внимание, что это ограничение касается только простых аналоговых приборов, и ни как не распространяется на приборы с технологией “True-RMS”.
Что такое RMS | Алексей Данилов
Если у вас приличный опыт звукорежиссуры и с аудиоредакторами вы на «ты», скорее всего, эта небольшая статья ничего нового для вас не откроет. В ней речь пойдет о технических характеристиках звука, таких как пиковая амплитуда и различные виды RMS.
Впрочем, иногда бывает весьма полезно уложить в голове уже знакомую информацию словами другого человека.
Пиковая амплитуда
Главный абсолютный показатель громкости в звуковой дорожке – это пики. Открывая файл в любом редакторе, вы видите прорисовку волны, которая в громких местах подскакивает вверх. Эти «подскоки» как раз и называются пиками, или пиковой амплитудой (Peak Amplitude).
Нужно помнить, что звук – не математическая, а физическая величина, значение его громкости не может быть отрицательным. Соответственно, горизонтальная линия, изображающая ось Х, не означает, что волна ниже нее имеет отрицательную громкость. Самый тихий звук находится не в самой нижней точке рабочего окна, а на уровне оси Х. Любые отклонения вверх или вниз – некоторая неотрицательная громкость. Всплеск вниз будет таким же заметным, как и всплеск вверх на ту же амплитуду.
Условно принято, что в цифровой среде максимальная громкость не может быть выше 0 дБ, а отсчеты громкости ведутся от максимума вниз: -2 дБ громче, чем -4 дБ.
Но не путайте значение 0 дБ с осью Х, которую скорее можно назвать «минус бесконечностью». 0 дБ – это ограничительные линии, которые можно найти в аудиоредакторе с двух сторон от волны – сверху и снизу (см. рисунок). Выход за пределы этого уровня приведет к клипам, то есть к искажениям сигнала. Клипы можно получить двумя способами – ошибками во время записи (слишком сильно разогнанная чувствительность микрофона или инструмента) или ошибками при обработке уже записанных фрагментов.
Обычные методы увеличения громкости на первых порах приобщения к сфере звукорежиссуры – это повышение чувствительности (Gain) или нормализация (Normalize). Эти два приема – по сути одно и то же, только первый позволяет изменить громкость на заданное значение, а во второй – привести к заданному уровню.
Например, если в треке максимальный пик находится на -3 дБ, то можно увеличить чувствительность всей дорожки на 3 дБ или нормализовать до 0 дБ, в обоих случаях произойдет одно и то же – звук станет громче на 3 дБ, а пик окажется на значении 0.
Но и здесь нужно быть внимательным. Если пиковое значение исходного сигнала -3 дБ, а вы пытаетесь увеличить чувствительность на 4 дБ, то в результате громкость пика превысит 0 дБ и приведет к клипу. Нет, значения +1 дБ на графике не появится, вы просто увидите обрезанную верхушку волны ровно по уровню 0 дБ, а при воспроизведении услышите треск. Более гуманным способом повышения громкости является нормализация до 0 дБ, которая автоматически вычислит максимальный уровень и предотвратит клипы.
Зачем же тогда нужна функция изменения чувствительности? Во-первых, с ее помощью можно не только увеличить громкость, но и уменьшить. А во-вторых – опытный звукорежиссер использует манипуляции с чувствительностью для выравнивания громкости звучания дорожки в ручном режиме, учитывая необходимый запас в децибелах для будущей обработки (хедрум).
К примеру, бывает, что бочка, бас-гитара или голос записаны динамически неровно, а использовать компрессор нецелесообразно. Тогда проваливающиеся участки можно аккуратно поднять, а слишком громкие – слегка убавить. Такая процедура наносит звуку намного меньше вреда, чем топтание дорожки компрессией, но она требует опыта.
Однако наведение порядка с пиковыми значениями через нормализацию или гейн практически никогда не дает ощутимого эффекта по увеличению громкости песни. Чтобы заставить композицию звучать громче, необходимы более глубокие вмешательства, связанные с уменьшением ее динамического диапазона.
RMS и его разновидности
Для условной градации песен по громкости и анализа динамического диапазона звукорежиссеры используют характеристику RMS в различных видах.
RMS – параметр, показывающий среднюю громкость звучания трека или какой-либо его части. С математической точки зрения RMS (Root Mean Square) – это среднеквадратическое значение громкостей всех семплов дорожки.
По сути, звуковой файл – это многократное чередование амплитудных пиков и провалов волны. Даже в очень громкой музыке невозможна ситуация, когда волна непрерывно находится на максимуме своей амплитуды, ей обязательно надо проходить через центральную ось, ведь звук – это колебания.
В любой записи есть определенное количество громких и тихих участков, а также участки с промежуточными значениями громкости. Минимальный дискретный участок звукового файла – это семпл. Каждый семпл в звуковой дорожке имеет свою амплитуду, то есть воспроизводится на определенной громкости.
При работе на частоте дискретизации 44,1 кГц в 1 секунде записи содержится 44100 семплов. Если композиция длится 1 минуту, то всего в ней 2,646 млн. семплов. Чтобы вычислить RMS, нужно громкость (амплитуду) каждого семпла возвести в квадрат, суммировать все получившиеся значения, потом это число разделить на количество семплов, и из результата вычислить квадратный корень. Как будто бы сложно, но на деле все элементарно:
Где a – это каждый отдельный семпл, n – количество семплов.
Среднеквадратическое – это почти то же самое, что знакомое всем из школы среднее арифметическое, только каждое слагаемое возводится в квадрат, а из общего результата дроби вычисляется квадратный корень.
Разные аудиоредакторы немного по-разному подходят к анализу RMS, но в целом концепция схожая. Очень удобен для этих целей Adobe Audition. При сборе статистических данных по файлу программа учитывает следующие показатели:
- Minimum Sample Value (минимальное значение семпла) – самая нижняя точка графика. Не путайте с самым тихим значением, наоборот – это громкая амплитуда в отрицательном от оси Х направлении.
- Maximum Sample Value (максимальное значение семпла) – самая верхняя точка графика.
- Peak Amplitude (пиковая амплитуда) – значение самого громкого пика во всем треке в децибелах.
- Possibly Clipped Samples (семплы с возможными клипами) – показывает семпл с подозрением на появление клипа.
- DC Offset (Direct current offset) – «смещение по постоянному току». Отображается, если в графике (а соответственно и в самом звуке) присутствует общее смещение по амплитуде. Офсет возникает в результате некачественной записи, когда в звук добавляются некоторые постоянные значения. На слух DC Offset чаще всего незаметен, но при обработке может привести к определенным проблемам, в том числе и к ограничению по громкости звука.
- Total RMS (общий RMS) – среднеквадратическое значение громкости по всему треку.
- Average RMS (средний RMS) – среднеквадратическое значение громкости по всему треку с учетом особенностей восприятия звука человеком.
- Maximum RMS (максимальный RMS) – участок записи с наибольшей громкостью.
- Minimum RMS (минимальный RMS) – участок записи с наименьшей громкостью.
- Actual Bit Depth (актуальная разрядность) – показывает действительную разрядность (битность) сигнала.
Нажав в каждом случае на кнопку со стрелочкой, можно переместиться к тому участку файла, который учитывается в данной графе статистики, причем эта функция доступна для каждого канала в отдельности.
Важно понять, что максимальный RMS – это не то же самое, что пиковое значение. Пик – это обычно один семпл с наибольшей амплитудой, а максимальный RMS – это участок, где плотность громких всплесков наибольшая. В зависимости от продолжительности анализируемых участков, эти области могут даже и не совпадать. По умолчанию Adobe Audition берет за основу расчета участки в 50 миллисекунд.
Нужно также внести уточнение по Total и Average RMS. Не все аудиоредакторы показывают оба эти параметра, кроме того, некоторые программы обозначают «средним» то, что Adobe Audition называет «общим». Если нужно разобраться в этом глубже следует обращаться к инструкциям конкретного приложения, но на практике их значения чаще всего довольно близки.
Также нужно учитывать, что при расчете общего и среднего RMS программа будет учитывать тишину в начале и в конце файла. Чтобы полученные данные были ближе к реальности, лишние секунды имеет смысл удалять или оставлять за пределами выделенной для анализа области.
В ближайшее время в моем блоге будут опубликованы две больших статьи, затрагивающих вопросы громкостей, мастеринга и динамической обработки сигнала. Некоторые материалы из этих статей уже доступны читателям моей книги «Академия Мюзикмейкера», но будет и значительная часть новой информации.
Если вам интересно, как добиться от своей записи плотного звучания и громкости, сопоставимой с фирменными записями, следите за обновлениями. Чтобы не пропустить статьи, можно подписаться на блог, и тогда они будут отправлены вам прямо на электронный адрес.
Ну и конечно, любые дополнения и уточнения всегда приветствуются. А если у вас возникли какие-либо вопросы – задавайте их в комментариях, по возможности постараюсь на них ответить максимально подробно.
UPD Обещанные статьи уже опубликованы: Мастеринг и громкость звука и Компрессия звука
© Алексей ДаниловИллюстрации: А. Рублевский При перепечатывании ссылка на источник обязательна
Хотите получать новые статьи
прямо на почту?
Подпишитесь на обновления блога А. Данилова
Интересное:
Тестирование мультиметров, а также об ошибках измерения / Habr
Проведено исследование работы цифровых мультиметров в режиме вольтметра переменного тока, и стрелочного прибора. В штатных и нештатных режимах, на токах различной формы — как симметричной полярности, так и при наличии постоянной составляющей.
Содержание публикации:
- Описание используемых приборов, и их начальная калибровка
- Тест на синусоидальном токе различной частоты
- Тест током прямоугольной формы
- Тест на прямоугольном токе с постоянной составляющей
- Тест сигналами произвольной формы, в т.ч. импульсным
- Многозначительный вывод
- Голосовалка
Список подопытных приборов, все они подключены параллельно:
Fluke 87-V — качественный автоматический мультиметр, способный вычислять действующее (среднеквадратичное) значение «true rms» измеряемых токов и напряжений.
UT-70C — рабочая лошадка, таскаемая везде и повсюду. Выпущен популярной фирмой Uni-T, тоже автоматический, но уже не «true rms».
И главные герои исследования — недорогой прибор MAS-830L фирмы Mastech, и совсем безродный DT-832 которые обычно насыпают ведрами на сдачу. Их я арендовал из разных мест, чтобы избежать возможных глюков конкретного единичного экземпляра.
Переменное напряжение 0.1 мВ — 1000 В
Разрешающая способность 1 мВ
Частоты до 20 кГц
Заявленная точность 0.7 % или 2 ед. мл. разряда
UT-70C
Переменное напряжение до 1000 В
Разрешающая способность 1 мВ
Частоты 40 — 400 Гц
Заявленная точность 1.5 % или 4 ед. мл. разряда
Mastech M830L
Переменное напряжение 0,1 В — 600 В
Разрешающая способность 10 мВ
Частоты 40 — 400 Гц
Заявленная точность 0.5 % или 2 ед. мл. разряда
DT 832
Переменное напряжение 0,1 В — 750 В
Разрешающая способность 0.1 В
Частоты 40 — 400 Гц
Заявленная точность 1.2 % или 10 ед. мл. разряда
В опытах участвует и стрелочный вольтметр переменного тока В3-10А, советского производства, выпущенный в 1969 году. Это хороший качественный прибор. Данный экземпляр немного занижает показания на несколько процентов, но это будет со временем починено. В тестах он используется на пределе измерения «3v».
Подробнее о вольтметре В3-10А можно узнать тут
На принципиальной схеме цветом отмечено прохождение сигнала режиме измерения «3v».
Как видите это обычный вольтметр с диодным выпрямителем. Правда сделан очень надежно, с применением высококачественных компонентов.
И данный экземпляр действительно с военки:
Визуальное наблюдать за подаваемыми на приборы сигналами будем с помощью цифрового осциллографа Lecroy 9354TM. Он тоже лохматых годов, но до сих пор исправно работает.
Внешний вид осциллографа
Под осциллограммой сигнала находится статистика его параметров. Наиболее интересны для данного исследования те, что выделены яркостью на фото:
pkpk — полный амплитудный размах сигнала
RMS — среднеквадратичное значение
freq — частота исследуемого сигнала, или его импульсов
В колонке average наблюдаем среднее значение параметра, low и high — мин. и макс его значения в пределах выборки, sigma среднеквадратическое отклонение. Пользоваться будем только данными из колонки average.
Калибровка
Подаем на цифровые мультиметры 220 v из розетки. Стрелочный вольтметр пока отключим, т.к. ему еще не сделана профилактика после приобретения.
Также откалибруемся по постоянке, в том числе посмотрим что покажет стрелочный прибор. Подаем 2.5 v от блока питания. Осциллограф немного завышает — как оказалось по сравнению с флюком.
По этому шаблону организованы все фотографии в дальнейшем: сначала осциллограмма, под ней показания приборов.
Теперь убедившись в работоспособности приборов, начинаем тесты. Сигналы подаем от низковольтного ГСС типа Г3-36А. Конечно он не цифровик, но так даже лучше — ближе к реальным условиям.
Синусоидальный переменный ток различной частоты
Подаем напряжение 2.5 v на частотах 30Гц, 300 Гц, 3 кГц, 20 кГц, 50 кГц, и 150 кГц.
——————————————————————————
——————————————————————————
——————————————————————————
——————————————————————————
——————————————————————————
Первым как ни странно начал сливаться UT70C начиная с 3 кГц. В то время как недорогие мультиметры проскочили этот барьер — если конечно не считать что с самого начала их ошибка составляла целых 16% в сторону занижения. На 20 кГц их показания нельзя даже назвать оценочными, так что остались в адеквате только Флюк и стрелочный. Которые прошли 50 кГц еще около дела, но более высокие частоты ими измерять уже бессмысленно.
Тест током прямоугольной формы
Этот режим, как и все дальнейшие — являются нештатными для не «true rms» приборов, но всё же проведем исследование. Подаем примерно 2.5 v прямоугольного напряжения на частотах 30 Гц, 3 кГц, 30 кГц, и 100 кГц.
——————————————————————————
——————————————————————————
——————————————————————————
Показания дешевых мультиметров стали более адекватными на частотах до 3 кГц. А вот UT70C на герцах немного завысил, но выровнялся ближе к делу на 3 кГц. Более высокие частоты потянули только Флюк и стрелочный.
Прямоугольный сигнал с постоянной составляющей
Посмотрим как на них ведут себя приборы на частотах 300 Гц, 3 кГц, 50 кГц, и 200 кГц.
——————————————————————————
——————————————————————————
——————————————————————————
Очень эффектно показали себя недорогие мультиметры, для них частотный барьер кажется утратил актуальность. В то время как нормальные приборы до последнего пытаются работать
Подаем сигналы сложной формы
Которые получены путем искажения прямоугольного напряжения катушками и конденсаторами.
——————————————————————————
——————————————————————————
——————————————————————————
На первом сигнале с основной частотой 5 кГц — адекватные показания только у Флюка и стрелочного прибора.
Короткие биполярные импульсы нормально переваривает Флюк (ну и конечно осциллограф тоже). А вот дешевые приборы их практически не видят. UT-70C дает ошибку более половины действующего значения, да и стрелочный тоже немалую.
Третий эксперимент на частоте 30 кГц — результат получше предыдущего, но ошибка тем не менее заметна.
В четвертом опыте снова подан ток с постоянной составляющей. Дешевые мультиметры и в этот раз выдали амплитудное значение, да еще и с некоторым превышением.
По завершении любых исследований, полагается делать вывод.
Updated: Присоединю два комментария читателей,
проясняющие парадоксальность данной статьи
Всем критикующим «измеряли не тем, не так и не то»: статья, ИМХО, является продолжением цикла про строителей сверхъединичных генераторов и как раз и призвана показать, что все эти гении от физики и электротехники, пользуясь дешевыми мультиметрами, измеряют сферического коня в вакууме, а не реальную картину в своих генераторах.
Это не сравнительный обзор тестеров, это обзор тестеров применительно именно к вечнякам, когда подобными тестерами пытаются измерять что-то на мегагерцовых частотах (или постоянку со сложными высокочастотными выбросами).
Да, но это ясно только тем кто читал эти предыдущие статьи. Даже не столько сами статьи, сколько комментарии к ним.
Для тех кто не читал и открывает эту статью это выглядит именно как простой сравнительный тест мультиметров, и как вывод что «вот этим китайским г… пользоваться вообще нельзя», покупайте все Флюки а всему остальному место в мусорном ведре. Хотя вывод как раз из всех проведенных тестов можно совсем другой(противоположный) сделать — для своей области применения дешевые китайские тестеры даже на удивление адекватны — дают ровно то что заявлено производителями и сколько заплачено (с учетом цены даже пожалуй больше чем можно ожидать за такую цену)…
