Цифровой ваттметр: обзор, характеристики, виды и отзывы. Ваттметр и измерение мощности схема Схема цифровой ваттметр

Вопрос энергосбережения в последнее время становится актуальным. Количество электроприборов в квартире растет, вместе с ними растут и счета за электроэнергию. Цена на киловатт тоже растет. Интересно что по нормативам, в многоквартирном доме на 100 квартир

• 1972 году закладывалось 0.52 киловатта на 1 комнатную квартиру
• 2005 году по расчетам уже 0.75 киловатт

25% за четверть века - почти 1% в год получается.

Собираем ваттметр самостоятельно из готовых частей

За основу ваттметра я взял готовый модуль китайского производства - . Этот модуль весьма популярен вреди самодельщиков потому что сразу замеряется:

• сила тока
• напряжение
• мгновенная мощность
• итоговое потребление за период

Но так же у этого готового модуля есть и определенные минусы - он не считает реактивную нагрузку. Из-за этого измерить корректно полную мощность на прибор с большой реактивной составляющей невозможно. Однако тот факт - что почти все бытовые электросчетчики измеряют только активную мощность смягчает этот недостаток. Ведь получается мы измеряем только за то что платим в квитанциях.

Корпусом прибора послежила распаячная коробка 100х100 фирмы Tyco. В ней просто вырезаются отверстия с обеих сторон. В крышку вставляется , а в дно прибора розетка легранд валена. Так же в загашнике у меня оказалась готовая вилка со шнуром, которая тоже пошла в дело. Подключал провода к ваттметру я по схеме расположенной на корпусе прибора. Перепутать там что либо сложно, питание подается на центральные контакты, нагрузка на крайние.

Для непосредственного измерения мощности цепи постоянного тока применяется ваттметр. Неподвижная последовательная катушка или катушка тока ваттметра соединяется последовательно с приемниками электрической энергии. Подвижная параллельная катушка или катушка напряжения, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, образует параллельную цепь ваттметра, которая присоединяется параллельно приемникам энергии.

Угол поворота подвижной части ваттметра:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I - ток последовательной катушки; I и - ток параллельной катушки ваттметра.

Рис. 1. Схема устройства и соединений ваттметра

Так как в результате применения добавочного сопротивления параллельная цепь ваттметра имеет практически постоянное сопротивление ru , то α = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

Таким образом, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о мощности цепи.

Шкала ваттметраравномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делаетсяодносторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.

По указанным причинам следует всегда различать зажимы ваттметра. Зажим последовательной обмотки, соединяемый с источником питания, называется генераторным и отмечается на приборах и схемах звездочкой. Зажим параллельной цепи, присоединяемый к проводу, соединенному с последовательной катушкой, также называется генераторным и отмечается звездочкой.

Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2. Правильная схема включения ваттметра

Рис. 3. Правильная схема включения ваттметра

В схеме, данной на рис. 2, ток последовательной обмотки ваттметра равен току приемников энергии, мощность которых измеряется, а параллельная цепь ваттметра находится под напряжением U" большим, чем напряжение приемников, на величину падения напряжения в последовательной катушке. Следовательно, Рв = IU" = I(U+U1) = IU = IU1 , т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности последовательной обмотки ваттметра.

В схеме, данной на рис. 3, напряжение на параллельной цепи ваттметра равно напряжению на приемниках, а ток в последовательной обмотке больше тока, потребляемого приемником, на величину тока параллельной цепи ваттметра. Следовательно, P в = U(I+Iu) = UI+ UIu , т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.

При точных измерениях необходимо вводить поправки в показания ваттметра, обусловленные мощностью его обмотки, и в таких случаях можно рекомендовать схему на рис.3, так как поправка легко вычисляется по формуле U 2 /Ru , где Ru обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.

Рис. 4. Неправильная схема включения ваттметра

На рис. 4 дана неправильная схема включения параллельной цепи ваттметра. Здесь генераторные зажимы катушек соединены через добавочное сопротивление, вследствие чего разность потенциалов между концами катушек равна напряжению цепи (иногда весьма значительному 240 - 600 В), а так как неподвижная и подвижная катушки находятся в непосредственной близости одна от другой, то создаются условия, благоприятные для пробоя изоляции катушек. Кроме того, между катушками, имеющими весьма различные потенциалы, будет наблюдаться электростатическое взаимодействие, могущее вызвать дополнительную погрешность при измерении мощности в электрической цепи.

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.

Для измерения мощности потребления на производстве используются промышленные ваттметры. Однако, несмотря на бесспорное качество подобных изделий, не всегда выгодно приобретать устройство за $100-$200. Например, если вы хотите просто проверить потребление электроэнергии домашним компьютером или лампочкой.

Тогда нужно простое, недорогое и достаточно точное изделие, на базе микроконтроллера. Поскольку ток синусоидальный(почти), то необходимо измерить активную и реактивную составляющие. Ну а попутно и коэффициент мощности с частотой сети.

Общая схема простая:
1) На протяжении полупериода(вполне достаточно) измеряем напряжение и ток нагрузки.
2) Одновременно измеряем его длительность(для определения частоты)
3) Измеряем фазное расстояние между пиками тока и напряжения(для определения коэффициента мощности)
4) Производим необходимые расчеты и выводим результат на экран LCD.

В итоге получаем:
1) Напряжение на нагрузке
2) Ток нагрузки
3) Полную мощность
4) Коэффициент мощности
5) Активную и реактивную составляющие мощности
6) Частоту сети

На аппаратном уровне схема реализована на базе микроконтроллера семейства AVR ATmega88. Питание обеспечивает бестрансформаторный источник питания.

ВНИМАНИЕ!!!
Схема не имеет гальванической развязки от сети переменного тока, поэтому при её сборке и использовании необходимо быть предельно осторожным.
Берегите себя.

Поскольку все параметры не влезают одновременно в экран LCD(WH0802), нужно организовать циклическое переключение между ними. Для этого есть кнопка переключения вида.

Диапазон измерения тока(и соответственно мощности) можно подстроить, изменяя усиление MCP601. В данной конфигурации диапазон составляет: 0...3300 Вт с шагом 3,2 Вт.

Прибор легко перепрограммировать для измерения параметров постоянного тока(для этого использован шунт, а не измерительный трансформатор). Тогда потребуется внешний БП, клеммник для которого уже предусмотрен. Используемый корпус - Z-100. Удобен, т.к. под DIN рейку, имеет все нужные прорези и недорог.

Работа с подключенной лампой накаливания на 60 Вт в режимах индикации напряжения и тока, режиме индикации полной мощности и коэффициента мощности.

Ваттметр - измерительный прибор, используемый для определения мощности электрического тока или электромагнитного поля. В быту такое устройство применяют для определения величины энергопотребления устройств электронной техники.

Одним из важных параметров, характеризующим состояние электрической сети является мощность. Она показывает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность всех бытовых устройств, одновременно включаемых в сеть переменного тока, должна быть в рамках допустимой мощности сети. Иначе возможны неприятности и проблемы – от выхода из строя техники до короткого замыкания и пожара в квартире.

Измеряют мощность специальным прибором называемым ваттметром. И если в цепи постоянного тока ее легко рассчитать умножением силы тока на напряжение, то в сети переменного тока не все так просто. Также ваттметром контролируют режим работы электроборудования, проводят испытания электрических установок и учитывают расход электрической энергии.

Измерению мощности предшествует измерение напряжения и силы тока участка цепи. В зависимости от методов измерения и последующего преобразования данных и показа результата измерений, все ваттметры делятся на аналоговые и цифровые:

Аналоговые ваттметры бывают самопишущие и показывающие. Они отражают активную мощность участка цепи. индикатор показывающего ваттметра имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с необходимыми величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).
Принцип их работы основан на взаимодействии двух катушек индуктивности. Одна из них – неподвижная с толстой обмоткой с небольшим числом витков и низким сопротивлением. Подключается по схеме последовательно с нагрузкой. Вторая индуктивность – подвижная выполнена из тонкого медного провода с большим числом витков, поэтому и сопротивление у нее достаточно большое. Подсоединяется в схему она параллельно нагрузке вместе с добавочным резистором (для исключения короткого замыкания между индуктивностями).
При измерении, в катушках генерируются магнитные поля. Их взаимодействие образует некоторый вращающий момент, отклоняющий подвижную катушку с подсоединенной к ней стрелкой индикатором на некоторый угол. Величина этого угла эквивалентна произведению силы тока и напряжения в текущий момент времени.
Схемы цифровых ваттметров измеряют как реактивную так активную, и мощность. Кроме того, на цифровом экране ваттметра выводиться (кроме показания мощности) также и напряжение, сила тока, а также расход энергии за единицу времени.
В основе работы цифрового ваттметра лежит предварительное измерение напряжения и тока. Для этого на его входе имеются: последовательно нагрузке – токовый датчик, параллельно – датчик напряжения. Датчики бывают сделанные на основе термисторов, термопар, измерительных трансформаторов, и других электронных компонентов. Мгновенные значения полученных величин методом аналого-цифрового преобразователя поступают на микрконтроллер. В нем происходят необходимые вычисления (вычисляется активная и реактивная составляющие мощности) и выдается результат в виде посылки данных на дисплей и подключенные внешние устройства.

Эти измерительные приборы имеют четыре клеммы (2 выхода и 2 входа,) для подсоединения. Две из них используются для подключения к последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения). Начало цепи напряжения (вход) подсоединяют к началу токовой (соединить контакты можно перемычкой) и с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) подключают к другому зажиму сети, смотри схему.

Конструкция работает по принципу датчика трансформатора тока. В качестве него можно использовать самый обычный сетевой трансформатор с первичной обмоткой около 3000 витков на стальном сердечнике, а вторичная всего два витка. Отношение тока, следующих через первичную обмотку, обратно пропорционально числу витков.

Однополупериодный выпрямитель собран своими руками из германиевых диодов. Сопротивление R2 снижает чувствительность ваттметра в десять раз, если требуется измерить мощность потребления электрочайника, тепловентилятора и других подобных потребителей. Индикация выполнена на обычном стрелочным микроамперметре. Его шкалу градуируют, для удобства использования. Настройка осуществляется либо по эталонному цифровому ваттметру, либо по бытовому прибору, с известной мощностью, для этой цели хорошо подходят лампы накаливания. Или как вариант отключить все в квартире и замерить обычным прибором учета электрической энергии

Здесь роли датчика выступает шунтирующий резистор, через который идет ток. С шунта выходят два дополнительных провода, подсоединяемые к двум каналам АЦП платы Ардуино. Разница напряжений с этих двух линий пропорциональна проходящему через сопротивление электрическому току. Ток можно вычислить по формуле:

I = (V 2 – V 1) / R

Т.к мощность в схеме постоянного тока это произведение напряжения и тока, то P = V 2 × I. Поэтому, благодаря простой формуле можно из амперметра сделать ваттметр и измерять потребляемую мощность. Схема подключения ватметра представлена ниже.

Программный код можно посмотреть