для чего служит ваттметр
Ваттметр
Содержание
Классификация
По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три категории — низкочастотные (и постоянного тока), радиочастотные и оптические. Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и её вывода оператору ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.
Ваттметры низкой частоты и постоянного тока
НЧ-ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры — измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают возможность измерения активной и реактивной мощности.
Аналоговые НЧ-ваттметры электродинамической или ферродинамической системы имеют в измерительном механизме две катушки, одна из которых подключается последовательно нагрузке, другая параллельно. Взаимодействие магнитных полей катушек создает вращающий момент, отклоняющий стрелку прибора, пропорциональный произведению силы тока, напряжения и косинуса или синуса разности фаз (для измерения соответственно активной или реактивной мощности).
Цифровые НЧ-ваттметры имеют в качестве входных цепей два датчика — по току и по напряжению, подключаемые соответственно последовательно и параллельно нагрузке, датчики могут быть на основе измерительных трансформаторов, термисторов, термопар и другие. Информация с датчиков через АЦП передается на вычислительное устройство, в котором рассчитываются активная и реактивная мощность, далее итоговая информация выводится на цифровое табло и, при необходимости, на внешние устройства (для хранения, печати данных и т. д.).
Ваттметры поглощаемой мощности радиодиапазона
Ваттметры поглощаемой мощности образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Видовое деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей (приемных головок). В серийно выпускаемых ваттметрах используются преобразователи на базе термистора, термопары и пикового детектора; значительно реже, в экспериментальных работах, применяются датчики, основанные на других принципах — пондеромоторном, гальваномагнитном и т. д. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за неидеального согласования входного сопротивления приемных головок с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не падающую мощность, а поглощаемую, которая отличается от падающей на величину, равную KP×Pпад, где KP — коэффициент отражения по мощности.
Термисторные (болометрические) ваттметры состоят из приемного преобразователя на базе термистора (или болометра) и измерительного моста с источником низкочастотного переменного тока для подогрева термистора. Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. В процессе измерения полная мощность, рассеиваемая на термисторе (при подаче на него одновременно измеряемого сигнала и тока подогрева) и, соответственно, сопротивление термистора поддерживается одинаковым с помощью измерительного моста, который уравновешивается изменением тока подогрева. В первых моделях термисторных ваттметров уравновешивание осуществлялось вручную, в современных ваттметрах уравновешивание автоматическое, показания выводятся в цифровом виде. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый динамический диапазон — максимальная мощность рассеивания — несколько милливатт, это ограничение преодолевается использованием аттенюаторов, делящих мощность, но вносящих при этом дополнительную погрешность.
Калориметрические ваттметры отличаются от термисторных тем, что для поглощения измеряемой мощности используется отдельная нагрузка, от которой тепло передается на термисторный преобразователь через рабочую среду — дистиллированную воду или специальную жидкость. Жидкая среда циркулирует со строго заданной скоростью потока, омывая по очереди входную нагрузку, преобразователь и охлаждающий теплообменник.
Термоэлектрические ваттметры в качестве первичного преобразователя используют термопару (или блок термопар) прямого или косвенного нагрева. При измерении горячий спай термопары нагревается под воздействием подводимой мощности измеряемого сигнала, при этом вырабатывается термо-э.д.с. Измерительная информация в виде сигнала постоянного тока поступает на электронный блок (аналоговый или цифровой), где обрабатывается и поступает на показывающее устройство.
Ваттметры с пиковым детектором просты в устройстве, в отличие от других видов ваттметров способны измерять не только мощность непрерывного сигнала, но и пиковую мощность радиоимпульсов, однако, из-за низкой точности измерения в настоящее время применяются редко. По принципу действия такой ваттметр представляет собой выпрямительный вольтметр переменного тока, имеющий на входе нагрузку с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, и с отчетным устройством, проградуированным в значениях мощности.
Ваттметры проходящей мощности радиодиапазона
В ваттметрах проходящей мощности в качестве первичного преобразователя, обычно используется направленный ответвитель — устройство, позволяющее ответвлять от основного тракта передачи очень небольшую долю энергии. Отведенная часть энергии подается на вторичный преобразователь, например, детекторную или термисторную головку, откуда сигнал измерительной информации подается на функциональный преобразователь и, далее, на показывающее устройство.
На относительно низких частотах (в ДВ- и СВ-диапазонах), использование направленных ответвителей затруднительно, в этом случае в качестве первичных преобразователей можно использовать датчики силы тока и напряжения в линии, измерительная информация с которых далее обрабатывается в функциональном преобразователе (перемножение значений с учетом разности фаз). Датчиками могут служить, например, трансформатор напряжения и трансформатор тока. Такой способ измерения используется обычно в специализированных приборах для контроля мощности, выдаваемой в антенну радиопередатчиком. На сверхвысоких частотах, в волноводных трактах, для измерения проходящей мощности может использоваться пондеромоторный метод или датчики, встраиваемые в стенку волновода — термисторные, термоэлектрические, гальваномагнитные.
Оптические ваттметры
Наименования и обозначения
Для обозначения типов электроизмерительных (низкочастотных) ваттметров традиционно используется отраслевая система обозначений, в которой приборы маркируются в зависимости от системы (основного принципа действия):
Ваттметры радио- и оптического диапазонов маркируются по ГОСТ 15094:
Аналоговый и цифровой ваттметр
Одной из важнейших характеристик электрической цепи является ее мощность. С помощью данного параметра определяется величина работы, которую электрический ток выполняет за определенную единицу времени. Все устройства включаемые в цепь должны иметь мощность, соответствующую мощности конкретной сети. Для замеров мощности электрического тока применяется – ваттметр. В основном он нужен в сетях переменного тока, определяя мощность включенных приборов, а также для тестирования сетей и их отдельных участков, контроля и слежения за режимом работы электрооборудования, учета потребленной электроэнергии.
Классификация ваттметров
До того, как выполняется измерение мощности ваттметром, на исследуемом участке предварительно измеряется сила тока и напряжение. Для того чтобы получить наглядную итоговую информацию, эти данные следует преобразовать с помощью ваттметров, которые могут быть аналоговыми и цифровыми.
Большая часть всех измерений в течение длительного времени проводилась аналоговыми устройствами, в свою очередь разделяющихся на категории показывающих и самопишущих. Они отображают значение активной мощности на заданном участке цепи. Типичным представителем считается показывающий прибор с полукруглой шкалой и поворачивающейся стрелкой. На шкалу нанесена градуировка, соответствующая величинам нарастающей мощности, которую он измеряет в ваттах.
Другой тип – ваттметр цифровой относится к измерительным приборам, способным выполнять замеры не только активной, но и реактивной мощности. Все подобные устройства оборудованы дисплеем, на который кроме мощности, выводятся показания силы тока, напряжения, расхода электроэнергии за определенный период времени. Наиболее совершенные приборы подключаются и позволяют выводить полученные данные на компьютер, расположенный удаленно от места проведения измерений.
Принцип действия аналогового ваттметра
Основой конструкции наиболее распространенных аналоговых ваттметров является электродинамическая система. Приборы этого типа дают возможность сделать максимально точные замеры и получить необходимые результаты.
Принцип действия ваттметра аналогового типа осуществляется на основе двух взаимодействующих катушек. Первая катушка является неподвижной, в ее конструкции используется толстый обмоточный провод с небольшим количеством витков и незначительным сопротивлением. Подключение этой катушки выполняется последовательно с потребителем.
Вторая катушка находится в движении. Для ее обмотки применяется тонкий проводник с большим числом витков и высоким сопротивлением. Эта катушка подключается параллельно с потребителем и оборудуется дополнительным сопротивлением для защиты от коротких замыканий обмоток.
Когда ваттметр включается в сеть, в обмотках его катушек появляются магнитные поля, взаимодействующие между собой. За счет этого взаимодействия происходит образование момента вращения, отклоняющего движущуюся обмотку на величину расчетного угла. На данный показатель оказывает влияние произведение силы тока и напряжения в установленный момент времени.
Как работает цифровой ваттметр
Основной принцип работы цифрового ваттметра заключается в предварительном измерении силы тока и напряжения на исследуемом участке цепи. К потребителю нагрузки последовательно подключается датчик тока, а датчик напряжения подключается по параллельной схеме. Главным конструктивным элементом датчика служит термистор, термопара или измеряющий трансформатор.
По такому же принципу работает ваттметр бытовой, широко используемый в домашних условиях. Такое устройство достаточно включить в розетку, чтобы начать процесс измерения.
Основой устройства служит микропроцессор, к которому поступают измеренные параметры тока и напряжения, после чего и вычисляется мощность. Полученные результаты выводятся на экран и одновременно передаются на внешние приборы. В самом микропроцессоре присутствуют элементы, в том числе и микроконтроллеры, позволяющие автоматически управлять рабочими режимами, дистанционно переключать пределы измерений. С их помощью выполняется индикация условных обозначений измеряемых величин.
При работе с преобразователями больших и средних уровней мощности, выполняется калибровка цифрового устройства с помощью калибратора мощности постоянного тока. Самостоятельная калибровка ваттметра осуществляется калибратором мощности переменного тока. Питание всех узлов и элементов происходит через источник питания постоянного тока, встроенный внутрь измерительного прибора.
Напряжение, поступающее с приемного преобразователя, включенного в розетку, усиливается УПТ – усилителем постоянного тока до значений, делающих более устойчивой работу АЦП – блока аналого-цифрового преобразователя. Далее напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами опорной частоты.
Количество этих импульсов, пропорциональное измеряемой мощности будет отображаться на ЦОУ – цифровом отсчетном устройстве. Полученные данные могут быть введены в специальное устройство, предназначенное для обработки информации.
Схема подключения измерительного прибора
От того, насколько правильно подключен ваттметр в конкретном участке цепи, будет зависеть точность полученных данных. Правильная схема включения ваттметра выглядит следующим образом: неподвижная катушка тока измерительного прибора последовательно соединяется с нагрузкой или потребителями электроэнергии.
Подвижная катушка напряжения последовательно соединяется с добавочным сопротивлением, а затем весь этот участок параллельно подключается к нагрузке. Подвижная часть ваттметра имеет определенный угол поворота, вычисляемый по формуле: α = k2IхIu = k2U/Ru, в которой I и Iu являются соответственно токами последовательной и параллельной катушек прибора.
Поскольку в схеме используется добавочное сопротивление, параллельная цепь устройства будет обладать практически постоянным сопротивлением (Ru). В этом случае угол поворота будет равен: α = (k2/Ru)хIхU = k2IхU = k3P. То есть, мощность цепи будет определяться именно по этому параметру.
В ваттметре равномерно нанесена измерительная шкала, сделанная в одностороннем варианте, когда расположение делений начинается от нуля в правую сторону. Когда электрический ток в неподвижной катушке изменяет свое направление, это приводит к изменению направления поворота и вращающего момента подвижной катушки. Если подключение ваттметра выполнено неправильно и направление тока будет другим, электронный прибор не сработает.
По этим причинам не следует путать зажимы, которые используют для подключения. Последовательная обмотка имеет зажим для соединения с источником питания, называемый генераторным. Параллельная цепь также называется генераторной и имеет собственную нужную клемму, чтобы подключить участок к проводу, соединенному с последовательной катушкой.
Ваттметр
Что такое ваттметр
Думаю, все вы курсе, что электрический ток может выполнять работу. Например, вскипятить воду в электрочайнике, перемолоть кофе в кофемолке, согреть курицу в микроволновке и так далее. Все эти бытовые приборы являются нагрузкой для домашней сети. Но, как вы знаете, некоторые приборы «крутят» счетчик очень быстро, а некоторые приборы почти не потребляют электрический ток.
Если включить чайник и лампочку накаливания в вашей комнате и оставить на час, то чайник «съест» электроэнергии намного больше, чем та же самая лампа накаливания. Дело в том, что чайник обладает большей мощностью, чем лампочка. В этом случае можно сказать, что мощность чайника будет больше, чем мощность лампы в единицу времени, например, за секунду. Чтобы точно измерить, во сколько раз чайник потребляет электрической энергии больше, чем лампочка, нам нужно измерить мощность чайника и лампочки.
Ваттметр — это прибор, который измеряет потребляемую мощность какой-либо нагрузки. Выделяют три группы ваттметров:
Так как наш сайт посвящен электронике и электротехнике, то мы будем в этой статье рассматривать только ваттметры постоянного тока и низкой частоты. Под низкой частотой подразумевается частота в 50-60 Герц.
Мощность постоянного тока
Итак, вы уже все в курсе, что любая нагрузка для электрического тока потребляет какую-либо мощность. Мощность постоянного тока выражается формулой:
P — это мощность, которая выражается в Ваттах (Вт,W)
I — сила тока, которую потребляет нагрузка, выражается в Амперах
U — напряжение, которое подается на нагрузку, выражается в Вольтах
Поэтому, чтобы найти мощность какой-либо нагрузки, которая подсоединена к постоянному току, достаточно перемножить значение силы тока и напряжения. Например, на этом фото мы видим вентилятор от компьютера, который подцепили к лабораторному блоку питания. Его мощность, как не трудно догадаться, составила P=IU=0,18 Ампер x 12 Вольт =2,16 Ватт.
Ваттметры для постоянного тока
Вы ведь не будете каждый раз таскать с собой громоздкий блок питания или два мультиметра, которые будут измерять и ток и напряжение? Поэтому, в настоящее время ваттметры представляют из себя законченные приборы, которые очень легко соединяются с потребляемой нагрузкой. На Алиэкспрессе я находил вот такие ваттметры для постоянного тока, которые показывают сразу и ток, и напряжение, и потребляемую мощность нагрузки. К проводам, где написано SOURCE цепляем источник постоянного тока, а к проводам LOAD цепляем нагрузку. Все элементарно и просто!
Некоторые из них идут в комплекте со шунтом
Схема подключения источника постоянного тока и нагрузки в таком ваттметре выглядит так
Ну и самый бюджетный вариант — это взять ампервольтметр и просто умножать значения тока и напряжения
Вот такой вольтамперметр рассчитан на максимальные параметры 100 Вольт и 50 Ампер. То есть, теоретически, он может измерять мощность до 5 кВт.
Мощность переменного тока
Мощность переменного тока вычисляется по формуле:
I — сила тока, Ампер
U — напряжение, Вольты
cos φ — коэффициент мощности
Что еще за косинус фи? И что он вообще означает? Есть такие радиоэлементы как конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, электромеханические реле различные двигатели и прочие радиоэлементы, которые обладают какой-либо емкостью или индуктивностью.
Если вспомнить осциллограмму переменного напряжения из нашей домашней розетки, то она будет выглядеть вот так:
Если же запитать какую-нибудь нагрузку, типа лампочки накаливания, то у нас в дело пойдет также такой параметр как сила тока. Так как лампочка накаливания не обладает никакой емкостью или индуктивностью, то сила тока у нас будет синфазно меняться с напряжением. Синфазно — это означает одинаково, синхронно. Например, синхронное плавание. Там участники все делают вместе и одинаково.
Так вот, такой параметр как сила тока и напряжение на лампочке тоже действуют синфазно. Ниже красной синусоидой я показал силу тока, которая «бежит» через лампочку:
Видите? Она начинается в этом же месте, где и напряжение. Сила тока достигает максимума, и напряжение тоже достигает максимума в это же самое время, следовательно и мощность в этот момент тоже максимальная (P=IU). Сила тока равняется нулю и напряжение тоже равняется нулю в том месте, где пересекаются эти синусоиды, значит и мощность в этот момент тоже будет равняться нулю.
Но весь прикол в том, что каким-то чудом радиоэлементы, обладающие индуктивной или емкостной составляющей (конденсаторы, катушки, трансформаторы и тд) умудряются сдвигать синусоиду силы тока.
Предположим, будем питать от сети мой трансформаторный блок питания.
И у нас осциллограмма силы тока уже будет принимать примерно вот такой вид:
Что здесь произошло? Так как первичная обмотка трансформатора обладает индуктивностью, то эта самая индуктивность сдвинула осциллограмму силы тока. Более подробно можете прочитать в статье активное и реактивное сопротивление.
В зависимости от значения индуктивной или емкостной составляющей, сила тока может либо опережать либо отставать от напряжения. А чтобы измерить на сколько, для этого в обиход ввели фи ( φ), которая показывает этот сдвиг в градусах.
Короче говоря, не будем рассматривать тригонометрию, скажу просто, что для расчета мощности берут косинус значения этого угла.
Ваттметр цифровой на сетевое напряжение
В гостях у нас китайский ваттметр, приобретенный на распродаже в Алиэкспрессе.
Ну что же, давайте познакомимся с ним поближе.
Первая строка на ваттметре — это часы. Они начинают счет только тогда, когда в розетку ваттметра включена какая-либо нагрузка. Нагрузкой в нашем случае может быть любой электробытовой прибор: утюг, паяльник, светильник и так далее
Строкой ниже, с помощью кнопки «Energy», мы можем выводить параметры электрического сигнала, такие как:
— напряжение (V, Вольт)
— коэффициент мощности (Power Factor) или cos φ (косинус фи,безразмерная величина, то есть измеряется чисто в цифрах)
Третья строка — это расчет стоимости электроэнергии. Измеряется в Киловаттах умноженных на Час (КВатт х час). Самая частая ошибка — это когда пишут кВатт/час. Запомните, там знак не деления, а умножения! Вот за эти киловатт-часы мы и платим денежку провайдерам электрической энергии ;-).
Сейчас никакая нагрузка не включена в розетку ваттметра. Смотрим на дисплей:
Ничего себе, почти 240 вольт.
Можно замерить частоту. 50 Герц — так и должно быть.
Так как в розетке нашего ваттметра нет никакой нагрузки, следовательно и сила тока также будет равняться нулю:
Ну и мощность также будет равняться нулю
Косинус фи и реактивная нагрузка
Например, мой самопальный простой блок питания, включенный в сеть и не питающий никакую нагрузку, все равно потребляет энергию, так как является трансформаторным. Напряжение сразу идет на первичную обмотку трансформатора.
Его не следует оставлять включенным в розетку, так как он все равно хоть и немного потребляет ток.
Включаю свой трансформаторный блок питания в сеть 220 Вольт. Итак, напряжение в розетке 236,8 Вольт:
К блоку питания я подцепил лампочку на 12 вольт. Итого, нагруженный блок питания у нас потребляет 0,043 Ампера.
Power Factor — коэффициент мощности, он же косинус фи. Сейчас он у нас равен 0,42, так как нагрузка индуктивная.
Проверяем все это дело по формуле P=IU cos φ=0,043х236,8х0,42= 4,28 Ватт. Почти все сходится с небольшой погрешностью.
Косинус фи и активная нагрузка
Давайте проведем еще один опыт. Возьмем лампу накаливания на 220 Вольт и подцепим ее через ваттметр в сеть. Так как лампочка накаливания у нас не обладает ни индуктивностью, ни емкостью, то на графике синусоида силы тока и напряжения будет примерно выглядеть вот так. То есть синхронно:
Фи в этом случае равен нулю (сдвига фаз между ними нет). Вспоминаем школьный курс тригонометрии и помним, что косинус нуля — это единичка!
Проверяем на опыте.
Power Factor, он же косинус фи, высвечивает единичку. Все верно!
Замеряем потребляемую силу тока:
Считаем по формуле: P=IU cos φ=0,115х233,5х1= 26,9 Ватт. Все также сходится с небольшой погрешностью 😉
Немного отходя от темы, давайте еще напоследок глянем, какую мощность потребляет светодиодная лампа
Всего 6 Ватт! А светит она даже получше 25 Ваттной, которую я использовал в опытах. Вывод делайте сами.
