Hjälp med amperemeter true RMS

[LAAB]

Hej,
jag behöver lite hjälp med att tänka, hoppas nån här kan se vad som är fel.

Bakgrund:
Jag ska bygga en amperemeter med true RMS för max 16 A. Detta görs med en strömtrafo (omsättning 1:1000), ADC och MCU.
Strömmen som ska mätas går genom strömtrafons primärlindning. På sekundärlindningen sitter det ett motstånd på 80 ohm, och jag mäter spänningen över motståndet med ADC:n (Fs = 5 kHz, 500 Hz LP-filter på ingången) och gör en RMS-beräkning baserat på 200 mätvärden (två perioder).

Problemet:
Allt fungerar bra när jag mäter på en värmepistol som drar 8 A. Lasten kan ses som rent resistiv (ingen fasförskjutning).
Allt fungerar även bra när jag mäter på en glödlampa där jag satt en diod i serie, så att enbart den positiva halvperioden släpps fram.
Som referens använder jag två st olika true RMS multimetrar, samt oscilloskop.

Men när jag kör värmepistolen på halvfart uppstår problem. Värmepistolen kopplar in en diod i serie, så förväntad ström är 4 A, och det är också vad multimetrarna visar.
Kollar man på oscilloskopet ser strömkurvan ganska knepig ut. Den positiva halvperioden klipps, och det dras även ström vid den negativa halvperioden. Jag misstänker att detta beror på att det sitter en kondensator mellan L och N i värmepistolen, men detta är ren spekulation.

Hur som helst så blir min RMS-beräkning inte längre korrekt, den visar 1.4 A istället för 4 A. Intressant är att RMS-beräkning stämmer exakt med oscilloskopets.

Bilaga 1 visar en oscilloskopbild i steady state. Grön = spänning, blå = ström.

1.PNG

Bilaga 2 visar hur det ser ut vid strömtillslag. Första perioden beter sig strömmen som förväntat, men sen händer det grejer.

2.PNG

Det ligger närmast till hands att tro att strömtrafon förvränger signalen, men detta är dyra grejer från etablerade tillverkare, så jag har svårt att tro det. Jag har även provat att ta bort LP-filtret och ADC:n, och enbart ha kvar 80 R på sekundären, men det gjorde ingen skillnad.

Tacksam för all hjälp jag kan få.

[Icecap]

Jag gissar på att strömtrafons kärna mätts. Detta brukar hända när man mätar pulsande DC som jag har förstådd det.

Frågan är om ett lägre belastningsmotstånd kan lösa problemet, det kan vara värd att testa.

Såklart blir förhållandet annorlunda men för att se kurvformer osv. kan det duga.

[LAAB]

Tack för värdefull input, ska kolla upp detta!

[ghu]

"Men när jag kör värmepistolen på halvfart uppstår problem. Värmepistolen kopplar in en diod i serie, så förväntad ström är 4 A, och det är också vad multimetrarna visar."

Detta är en väldigt vanlig missuppfattning att effektivvärdet av halvvågslikriktad ström skulle vara hälften så stor som ej likriktad ström. Det korrekta är att effektivvärdet av den halvvågslikriktade strömmen är 0,707 av den ej likriktade strömmen.

Se förklaring i tråden nedan samt min länk om hur du ska mäta med en TRUE RMS meter.
viewtopic.php?p=1639530&hilit=ghu#p1639530

[LAAB]

@ghu
Det här får du nog förklara närmare. Jag kollade på Fluke-länken, men tycker mest den handlar om AC med DC-komponent.
Två st TRMS-mätare visar 4 A i mitt fall.

[Marta]

ghu, Du har faktiskt fel. Effekt är energi per tidsenhet. Halvvågslikrikta innebär att ingen energi tillförs under halva mätintervallet. Alltså halv energi per tidsenhet vilket är halv effekt.

En strömsensor med hallgivare istället för strömtrafo skulle lösa det ursprungliga problemet.

[Mindmapper]

Du får börja med att sätta dig in i definitionen på AC och DC.
AC byter polaritet.
DC har samma polaritet. DCV är en likspänning som ger lika stor effekt som en ACV med samma storlek. I och med att du tar bort ena halvperioden så har du ingen AC längre.

Hur påverkar detta?

[Marta]

Givetvis blir det en pulserande DC och denna ger i en resistans halva den effekt som om båda halvperioderna funnits där. En helvågslikriktning påverkar inte effekten alls. Motståndet bryr sig inte om strömriktningen.

[ghu]

Marta:
Antag att lasten har resistansen R.
Effekten i R är:

P= R *I^2 vilket ger att:

I=Sqrt(P/R)

När man halvvågslikriktar blir effekten P i belastningen precis som du skriver hälften så stor vilket enligt
formeln ovan gör att strömmen blir 0,707 gånger så stor.

Du kan även gå till definitionen av effektivvärde

Skärmklipp.JPG

Vid halvvågslikriktning blir uttrycket under rottecknet hälften så stort. När man sedan drar roten ur fås att effektivvärdet blir 0,707 gånger så stort

[ghu]

LAAB

En halvvågslikriktad ström ÄR en "ren" AC ström överlagrad på en "ren" (Ideal/ konstant) likström.

Medelvärdet av strömmen är strömmens likströmskomponent.
Om du subtraherar medelvärdet från den totala strömmen erhåller du en "ren" AC ström utan likströmskomponent.

TRUE RMS instrument visar i regel rätt effektivvärde för en ström/spänning endast om storheten är en "ren" AC storhet utan likkomponent.
(Detta beror på att multimetern filtrerar bort DC komponenten med en seriekondensator vid AC-mätning))

Om man vill mäta upp effektivvärdet med TRUE RMS multimeter för en storhet som inte är en "ren" AC storhet måste man göra enligt metoden från FLUKE

[Marta]

Du gör misstaget att tänka som om effekten sänktes genom att sänka spänningen över en resistans. Då är sambandet givetvis kvadratiskt. Här minskas effekten genom att plocka bort varannan halvperiod. Då halveras strömmens effektivvärde eftersom den får verka halva tiden.

[ghu]

Har du tittat på definitionen av effektivvärde i mitt tidigare inlägg?

Om du inte är van vid att använda integraler så kan du i exempelvis LTSPICE simulera en växelspänning kopplad till en resistiv last via diod och låta LTSPICE beräkna effektivvärdet genom att CTRL+Högerklicka på storhetens namn i vågformsfönstret

Man kan också tänka som så att om effektivvärdet av strömmen halveras så halveras också effektivvärdet av spänningen över en resistiv last enligt ohms lag.
Dettas skulle ge en fjärdedel av effekten vilket inte är korrekt

Anledningen till att införa begreppet effektivvärde är att man ska kunna räkna på tidsvarierande strömmar/spänningar som om de var konstanta likströmmar i effektsammanhang

Jag har haft denna diskussion om halvvågslikriktning i flera trådar genom åren där de flesta till slut har insett sitt misstag. Se t ex:
viewtopic.php?t=58005&hilit=gustav180&start=15

[LAAB]

Intressant diskussion, det var inte helt intuitivt att Irms inte halveras när effekten halveras.

P = RI^2

Full effekt = I1 = sqrt(P/R)

Halv effekt = I2 = sqrt(P/(2R)) = sqrt((RI1^2)/(2R)) = I1 / sqrt(2) = I1 / 1.41 = 0.7I1

Jag får nog kolla på Flukeklippet igen. Men intressant är att även en MID-godkänd elmätare visar 4 A RMS. Med resonemanget ovan borde den visa 5.7 A.

[LAAB]

@Icecap
Efter lite googling låter det högst rimligt att problemet är att järnkärnan mättas av likströmskomponenten. Tack för hjälpen med detta!

@Marta
Jag kan inte byta till hall-sensor, de har för dålig noggrannhet. Kommersiella energimätare verkar använda strömtrafos, så det finns säkert en lösning, men lite mer jobb än jag hade tänkt mig från början.

[Marta]

Du har helt rätt. Det är effekten som skall integreras och tas roten ur för RMS. Integreras strömmen rakt av blir det likriktat medelvärde.