Для чего нужен ваттметр
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 для измерения мощности в розетке
Выполнение любого действия требует траты силы. Чем сложнее процессы, тем больше уходит последней. Ранее, величина измерялась в лошадином эквиваленте. То есть, относительно перемещения груза. Сила бралась от количества совместно работающих парнокопытных, для сдвига некой массы, на определенное расстояние, в течении установленного времени.
Применение упомянутого аналога затруднено во множестве современных сфер жизни. К примеру, сложно определить, сколько лошадей требуется, чтобы нагреть на градус воду, или генерировать фотон освещения. Да и вместо реактивного двигателя использовать табун не получиться. На смену лошадиным силам пришел ватт, который определяет затраченную энергию за единицу времени. Если брать числовой эквивалент, — 1 л.с. равна 735 Вт.
Знание текущей мощности производимой работы важно в разрезе учета расхода энергоносителей (электричества, бензина, газа), обеспечения безопасности — система доставки должна выдерживать подобные траты, и расчета соответствующего результата «приложенным усилиям».
В целях выявления количества ватт разработаны разные автоматические измерители, от типа выполняемой работы и вида затраченной энергии. Наиболее нужными для обыденной жизни из них стали электрические, называемые ваттметрами. От проходящей силы тока за единицу времени зависит эффективность финальных процессов его переработки — яркости ламп, оборотов двигателей, нагрева и охлаждения. Не на последнем месте находится безопасность доставки энергоносителя — по тонким проводникам мощный ток запускать нельзя. Критически сильный поток электронов их физически сожжет в процессе своего движения. Нужен и учет объема текущего расхода для планирования последующих затрат.
Виды мощности электросетей
В промышленности и быту используются цепи постоянного и переменного движения тока. Для каждой из них применяют свой метод получения результата. В линиях непрерывной подачи энергии ватты вычисляются перемножением текущего напряжения на амперы потребления. Для периода времени, в формулу добавляется прошедшее его количество:
В отношении переменных сетей все сложнее. В них различают несколько видов мощности, важных для получения итоговых результатов измерения:
Классификация ваттметров
В общем виде, ваттметры можно разделить на аналоговые и цифровые. Оба класса могут ориентироваться на постоянный, или переменный ток, быть универсальными, обладать различной точностью и нишей использования. Существуют одно- и трехфазные измерительные приборы.
Большинство цифровых и аналоговых измерителей фиксируют «мгновенные» значения характеристики, что может быть удобно с одной стороны для контроля, но не дает обзора ситуации в целом — на общее потребление линии по времени.
Электродинамические аналоговые приборы
Основа электродинамического ваттметра — две катушки, одна из которых имеет фиксированное положение, вторая подвижна и закреплена на оси индикаторной стрелки. Обе имеет разное количество витков и подключение к линии. Первая монтируется к исследуемой цепи последовательно, вторая — параллельно через резистор. Принцип работы механизма устройства заключен в том, что чем сильнее ток течет в фиксированной катушке, тем мощнее магнитные поля между ней и подвижной, а значит больше отклоняется стрелка, указывающая на текущее значение характеристики.
Схема включения ваттметра подобного класса подразумевает нахождение его последовательно с линией нагрузки потребителя. Главный минус большинства аналоговых устройств — без сильного усложнения конструкции, невозможно получать раздельную информацию по активной, реактивной и полной мощности.
Цифровые измерительные аппараты
Принцип действия цифрового измерительного прибора всегда одинаков — внутренняя микро-ЭВМ (микроконтроллер) обрабатывает сигнал от аналогового датчика исследуемой линии и выводит результат на экран или числовой индикатор. Схема подключения ваттметра подобного класса похожа на используемую у аналоговых — параллельно нагрузке. Основной плюс цифровых измерителей в их универсальности и широте возможностей. К примеру, для раздельного вычисления реактивной, активной и полной мощности, не нужно использовать сложные аппаратные конструкции — достаточно предусмотреть несколько дополнительных сенсоров. Не редкость объединение разноплановых измерительных устройств в одном корпусе — амперметра, вольтметра, анализатора «мгновенного» расхода и его значений по периоду времени.
Виды исполнения измерителей
Ваттметры делятся на мобильные (носимые), стационарные (щитовые), лабораторные и бытовые. Все представленные разновидности могут быть выполнены в аналоговом и цифровом классе устройств.
Мобильные
Сюда относятся тестеры небольшого размера, для единовременной разовой проверки каналов нагрузки. Питание подобные аппараты, часто получают от самой исследуемой линии. Есть варианты, оснащенные аккумуляторами, или батареями. Зависимые от сети — часто аналогового, автономные — цифрового класса.
Стационарные
Подключение ваттметра стационарного вида обычно выполняется в щитах питания зданий, домов, квартир, или в иных точках центрального распределения энергии. Отдельными постоянными измерительными устройствами выступают лабораторные аппараты. Первые предназначены целям постоянного контроля расхода линии, вторые для единовременной, но высокоточной пробы электрического потребления отдельных нагрузок.
Ваттметр стационарного типа бывает аналогового и цифрового класса. Плюсом первого выступает непревзойденная надежность, второго — удобство и функциональность. Частым случаем, монтируемых в щиток и учитывающих потребление аппаратов можно назвать классические счетчики расхода электроэнергии. К сожалению, они не определяют «моментальные» значения, но дают представление об общих затратах на нагрузку линии в киловатт часах.
Бытовые
Аппараты подобного вида не очень точны, и предназначены обычно для измерения расхода одного, реже двух бытовых устройств. Классическое исполнение — переходник с индикатором, размещаемый между гнездом 220 В и вилкой потребителя. Подобный ваттметр, вставляемый в розетку, может, в зависимости от модели, показывать и «мгновенный» общий расход, или разделять его на активный, реактивный, комплексный и общие киловатт-часы.
Обозначение на принципиальных схемах
Часто требуется разобрать документальное описание, к какой линии уже смонтирован, или должен быть подключен в будущем, измеряющий прибор. Вне зависимости от его вида, ваттметр на схеме обозначается элементом:
Получение результата иным путем
Показания ваттметра, не единственный способ получить значения текущего расхода линии. Для вычисления характеристики достаточно пользоваться классическим мультиметром. Для чего, вначале тестер подключают параллельно цепи нагрузки, выясняют текущий вольтаж. Затем размещают его последовательно к ней и замеряют силу тока. Подставив полученные значения в ранее описанные формулы, рассчитывают нужное количество ватт:
Pватт = Vвольт × Aампер
Правда, в отношении результативных данных, есть один нюанс. Для цепей постоянного движения тока результат будет соответствовать реальной активной нагрузке. Для переменных — полной мощности, включая реактивную, которая обычно не нужна. Чтобы получить приблизительно реальные ватты потребления, нужно результат из предыдущего примера, для сетей переменного тока 220 В, умножить на cos 120°. То есть, формула примет вид:
Полученная величина будет приблизительно соответствовать активной мощности цепи потребления. Вместо многофункционального прибора, вполне доступно использование для измерений первоначальных характеристик линии, отдельного вольтметра и амперметра.
Резюме
Статья полностью дает понять, что такое ваттметр, как его подключать в цепь потребления, какие различия между цифровыми и аналоговыми приборами. Предоставлены сведения о вычислении характеристик нагрузки без специализированного измерителя.
Видео по теме
Измерение мощности Ваттметром
Сегодня хочу немного поговорить о таком приборе как Ваттметр, а так же для чего такой прибор нужно предварительно использовать перед подключением бытовой техники через умные гаджеты. Ваттметр – это прибор который измеряет величину потребляемой мощности любого электроприбора, подключенного через него к сети 220В. Он представляет собой бытовой прибор внешне схожий с умной розеткой.
Для чего нужен ваттметр?
При покупке умных розеток или беспроводных wifi реле мы подразумеваем подключение потребителя или нескольких потребителей к сети 220В через эти умные гаджеты. Любой компонент умного дома, коммутирующий нагрузку, рассчитан на определенную мощность, которую можно через него «пропустить». Максимально допустимые значения указаны в инструкции по эксплуатации умного устройства или на его коробке. Эти значения отличаются в меньшую сторону в сравнении с обычными розетками, которые выдерживают до 3500W.
Если максимально допустимая мощность электроприбора превышает рекомендуемые для умного гаджета значения, то их подключение через умные устройства запрещено.
Превышение максимально допустимой нагрузки на умное устройство повлечет за собой перегрев, не стабильную работу электронных компонентов. При отсутствии в нем узлов защиты (защитного предохранителя) умный гаджет начнет выпускать неприятный запах, а затем и вовсе выйдет из строя.
Чтобы не допустить выход из строя своих умных гаджетов предварительно перед подключением в них бытовых приборов проверяйте фактическую потребляемую мощность Ваттметром.
На каждом бытовом приборе потребляемая мощность указывается на упаковке, в инструкции по эксплуатации, на бирке самого изделия или в одном из названных мест. Для чего тогда использовать Ваттметр если мощность указывается на самом приборе?
Почему не стоит ориентироваться на мощность, указываемую производителем?
Очень часто производители бытовой техники искусственно завышают мощность своих приборов для того чтобы продать их дороже. Чаще это относится к «ноунэйм» брендам, но и известные компании иногда тоже этим грешат. Как правило, для электроприборов указывают пиковую потребляемую мощность. В магазине продавцы-консультанты оперируют эти показателем как одним из существенных критериев к покупке того или иного устройства. Наш менталитет устроен таким же образом. Из двух изделий в одной и той же ценовой категории, скорее всего, будет выбран прибор мощнее.
Завышенная мощность
Рассмотрим на примере работы утюга Rowenta, на котором заявлена мощность 2400W. Выставим на утюге максимально возможную для нагрева температуру и подключим к сети. При подключении утюга в сеть идет нагрев подошвы и резервуара с водой. Фактически он работает как чайник. Когда нагрев до требуемой температуры произошел нагревательный элемент отключается и энергопотребление падает до нуля. В процессе нагрева значение по мощности варьировалось в пределах 1860W — 1880W.
Таким образом мы измерили реально потребляемую мощность электроприбора и убедились что на 2400W этот утюг не греет.
Пиковая мощность
Подключаю через Ваттметр кварцевый обогреватель. На этикетке указанно значение в 800W. Обогреватель имеет две спирали. На первом положении потребляет 347W, на работе двух спиралей — 686W. Таким образом мы выяснили что его пиковая мощность составляет 686W, так же она завышена.
Запас мощности, что это и зачем он нужен?
Имея Высшее образование радиоинженера, хочу дать один дельный совет — никогда не стоит эксплуатировать любую электронику на пределе ее возможностей.
Например: Если производителем заявлена предельно допустимая нагрузка через умную розетку в 2200W, то не стоит понимать что это действительно так. Указанные значения мощности могут быть завышены, как и на бытовой технике. Тем более, если это сомнительный производитель.
При эксплуатации всегда делайте запас по мощности. Для умного гаджета отнимайте 10-20% от указанного производителем максимально возможно значения мощности. Это обеспечит исправную многолетнюю работу ваших умных устройств.
Выводы:
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: