Ваттметр бытовой. Ватт-метр
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 специальный измерительный прибор - 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 .
Другой тип - ваттметр цифровой относится к измерительным приборам, способным выполнять . 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 , 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.
При нормальном подключении, токи в катушках прибора от генераторных зажимов направляются к негенераторным.
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.
– это прибор, который измеряет потребляемую мощность какой-либо нагрузки. Выделяют три группы ваттметров:
- низкой частоты и постоянного тока
- радиочастотные ваттметры
- оптические ваттметры
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=IU
где
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 и . Например, на этом фото мы видим вентилятор от компьютера, который подцепили к . 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 , 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
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:
P=IUcos φ
где
P – мощность, Ватт
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:
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)
– сила тока (A, Ампер)
– частота (Hz, Герц)
– мощность (W, Ватт)
– 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
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=IUcos φ=0,043х236,8х0,42= 4,28 Ватт. Почти все сходится с небольшой погрешностью.
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:
Замеряем напряжение:
Считаем по формуле:P=IUcos 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.
Где купить ваттметр
Как я уже сказал, брал на Али. Выбирайте
любой понравившийся на сетевое напряжение
А вот здесь ваттметры на постоянный ток
Выбирайте на ваш вкус и цвет!
Цена: $5.6
Здравствуйте, друзья! Продолжаем тему измерительных приборов и разоблачения недобросовестных производителей.На этот раз я расскажу о приборе, который пригодится тем, кто… Короче, сейчас сами все поймете. Уже по первой фразе Вы догадались, что обзор будет максимально честным и справедливым. Итак, погнали!
Вот этого красавчика зовут Ватт-метр. Точнее, это 4 в 1 - он измеряет напряжение, показывает потребляемый ток, потом пересчитывает все это в Ватты, а в качестве бонуса еще и является счетчиком электроэнергии.
И сразу же еще со старта я хотел бы рассказать о том, как его правильно подключить. Схема, конечно, на нем самом, но лучше все-таки 1 раз увидеть вживую.
Обратите внимание - вход переменки осуществляется во 2 и 3 клеммы, а выход на «продолжение» - в 1 и 4 клеммы. Т.е. если без перехлестов, то выглядеть схема будет вот так:
Теперь давайте разбираться как эта штуковина работает. Вы уже догадались, что я этот приборчик уже встроил в удлинитель. Итак, дадим жару!
Обратите внимание - он уже показывает ток в 0,01А и мощность в 2Вт, хотя к удлинителю ничего не подключено. Странно, да? Но ОК, будем считать это «статистической погрешностью».
И сразу же переходим к тестам на точность. К счастью, у меня есть прибор, который вполне можно использовать в качестве контрольного - , я на него уже писал обзор. Уже чувствуете запах палёного?
Давайте воткнем щупы в розетку и посмотрим какая будет разница в напряге.
242В на ватт-метре и 249В на мультиметре. Разница 2%. Не критично, но факт остается фактом - ваттметр занижает фактическое напряжение.
Теперь проверим точность амперметра. Для этого нам потребуется какой-нибудь достаточно мощный приборчик. И у меня такой есть - трехрежимный теплоdентилятор Polaris мощностью целых 2кВт.
Сначала мы запустим режим без нагрева, затем режим легкого нагрева, а потом максимального нагрева. Фотографировать я все это буду таким образом, чтоб было видно и показания ваттметра и показания мультиметра. Но сначала надо переподключить мультиметр. Для этого отключаем один из проводов (любой) т ваттметра и разрыв цепи замыкаем щупами. Т.е. схема должна быть вот такая.
А вот теперь погнали!
Режим обычной вентиляции:
Вот так сюрприз! Ваттметр завысил ток до 150mA, в то время как реальный ток около 120mA. А может мультиметр врет? Давайте переподключим щупы и переведем его в более точный режим - из режима до 10А в режим до 400mA.
А ведь ничего не изменилось - было 120, теперь 122, т.е. то же самое. Значит мультиметр не врет. Может на более мощном токе все изменится?
Разница в 50mA, т.е. погрешность примерно 10Вт. Только теперь наоборот - Ваттметр занижает показатели.
Третий режим - самый мощный.
Да, я не спорю, тепловентилятор при любом раскладе до 2кВт не дотягивает, но посмотрите насколько разнятся показания приборов! Разница составила целых 120mA, т.е. примерно 25Вт. При таких «объемах» не критично, но факт остается фактом - ваттметр супер-точностью не блещет.
Может на чем-то более легком повезет? Например, , на который я тоже писал обзор.
И снова чуда не произошло - снова ваттметр чуть-чуть занизил ток. Кстати, еще одно доказательство того, что реальная мощность фена завышена. Мы уже знаем, что по заявке этот фен должен хавать 300Вт при напряжении 230В. Однако, даже если верить заниженным показаниям Ватт метра, в сети сейчас 240В (а на деле - почти все 250) и потребляемый ток 1,2А, но все равно до 300Вт он не дотягивает.
Ну и последнее - проверим его до кучи на очен малом токе - на светодиодной лампочке.
Лампочку я взял для теста .
Итак, смотрим.
А вот это уже реально сюрприз - 80mA на ваттметре и 120mA на мультиметре. А? Ничего себе разница?
Итак, что мы выяснили? Мы выяснили, что ваттметр работает по абсолютно временами непонятной логике. Иногда он завышает показания, а иногда занижает. Тем не менее, я нисколько не жалею о данном приобретении, поскольку:
1) он достался мне бесплатно (посылка опоздала на 2 месяца)
2) если я вижу, что китайчик меня обманывает, то я теперь буду делать замеры на обоих приборах и предоставлять китайцу фотографии с того прибора, который показывает бОльшую разницу.
Например, как в случае вот с такой лампочкой.
Лампочка заявлена как 3 Вт, тёплый свет/ Светит… Не сказал бы, чтоб ярко, но для 3 Вт неплохо. Мерцания у лампочки не наблюдается. Однако, замер показал…
80 (!!!) mA на мультиметре и 20 (!!!) mA на ваттметре. Как это понимать? Как такое возможно? Чему верить? Не знаю как Вы, а я больше поверю мультиметру. А это значит, что я могу открыть спор с китайчиком и сбить цену на эту лампочку. Но это уже совсем другая история.
Анонс. Друзья, я решил теперь анонсировать свои дальнейшие обзоры. Т.е. отныне в конце каждого обзора я буду выкладывать фотографию приобретенного товара, на который в скором времени будет написан обзор. Например, в ближайшие несколько дней мной будет опубликован обзор вот этих замечательных многофункциональных пресс-клещей Knipex.
Жизненная мудрость. Запомните: если девушка говорит «я знаю себе цену» - значит она продается.
Ваттметр - штука, безусловно, полезная. В хозяйстве у шопера вещь необходимая. Был куплен более года назад, уже не вспомню где. Сей прибор обозревался здесь не один раз, например:
поэтому, буквы и знаки переводить не буду.
Смысл моего повествования не в обзоре, а в возможности сей девайс откалибровать (например, после ремонта, как в моем случае). Рассматривать все варианты, при которых потребуется калибровка данного девайса мы не будем, но они, несомненно, есть.
Начнем…
Данный прибор построен на специализированной МС Cirrus Logic CS5460A, которая применяется в электронных эл.счетчиках. Также используется неизвестный микропроцессор типа «сопля» с прошивкой внутри себя. И последний сложнотехнический элемент - память EEPROM, в моем случае - 24С02, но может быть и другая, т.к. используется из этой памяти только 12 байт. В памяти хранятся калибровочные настройки и они-то нам и нужны.
Вкратце расскажу про свой случай скоропостижной кончины прибора. Он умер… Вскрытие показало, что вышла из строя как раз эта самая EEPROM и аккумулятор (Ni-Mh) на 20mAh. Скорее всего, память потянула за собой акумм…
Поменять EEPROM не большая проблема, но самое главное то, что внутри - дамп. А его, понятное дело, не сохранилось.
Не вдаваясь в подробности, заменил я аккумулятор и память на 24С01 (какая под рукой была), предварительно очистив ее. Подключил питание и сбросил уст-во. Прочитал память и обнаружит 12 записанных байт, немного покурив даташит на CS5460A, можно определить, что это три команды.
Первая команда «40 00 00 61» (4-е байта, первый байт-сигнатура команды, остальные три - значение записываемые в регистр) - запись в регистр конфигурации - инициализация МС. Ее не трогаем, она правильно инициализирует МС.
Вторая команда «44 хх хх хх» – коэфф. усиления канала ТОКА. Это число и есть калибровка тока.
Третья команда «48 хх хх хх» - коэфф. усиления канала НАПРЯЖЕНИЯ. Это калибровка напряжения.
Т.е. чтобы откалибровать прибор, нам надо подобрать коэфф. канала тока так, чтобы прибор в режиме отображения тока показывал правильное значение (например такое же, как и последовательно включенный амперметр (мультиметр). Тоже самое делаем и для канала напряжения, но проверяем по вольтметру (мультиметру), подключенному параллельно. Регистры в CS5460A 24-х разрядные, поэтому коэфф. имеют вид «хх хх хх». Например команда «48 57 AD E5» запишет в регистр канала напряжения коэфф. 0x57ADE5 (в шестнадцатеричном формате)
Далее, чем записывать? У кого есть программатор, который имеет шину I2C, тот без проблем прошьет EEPROM.
Тем же, кто не имеет, рекомендую перепрошитый UsbAsp. Подробно . Тамже прошивка на UsbAsp, схемы подключения разных микросхем. Нас интересует эта:
Стоимость UsbAsp ~2$, но его надо чем-то перепрошить. Или таким же UsbAsp, или Arduino в режиме Arduino as ISP.
Скриншот моей прошивки:
В моем случае 0x540000 это коэфф. канала тока, а 0х470000 коэфф. канала напряжения.
Ну вот, где-то так. У себя, для удобства подбора коэфф. вывел разъем, для быстрого подключения.
Можно (и нужно) конечно использовать не эмпирический, а математический метод подбора, но в моем случае поднять прибор нужно было срочно и быстрей получилось так.
ВНИМАНИЕ!!! Подключать одновременно напряжение питания (включать в розетку) устройства и программатор, подключенный к компьютеру КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЮ!!!
Сама МС CS5460A имеет значительно больше настроек, но в данном уст-ве они не используются.
«Обзор» писАлся не за еду, ничего бесплатно не получал и скорее всего будет интересен ограниченному кругу пользователей.
Всем всего!
P.S. Возможно у кого-нибудь будет возможность слить дамп с рабочего прибора, поделитесь, плз.
PP.S. МС предположительно CS5460A, возможно другая (более склоняюсь к CS5461A, но все равно не понятно с Power Factor), но Configuration Register (Config) совпадает с CS5460A. У меня не было цели однозначно идентифицировать данную MC.
Upd. Забыл добавить, конкретно мой прибор на 110|120V, под американский стандарт, с соотв. вилкой, НО схемотехника абсолютно идентична с 220-ти вольтовыми.
