Ваттметр на схеме. Ваттметр: виды, принцип работы, схемы подключения и применение

Где:

• V — источник питания
• W — ваттметр
• R — нагрузка
• L — фазный провод
• N — нейтральный провод

Области применения ваттметров

Ваттметры широко используются в различных сферах, связанных с электротехникой и энергетикой:

• Электроэнергетика — для контроля мощности в электросетях и на электростанциях
• Промышленность — для мониторинга энергопотребления оборудования
• Бытовая электротехника — для измерения мощности бытовых приборов
• Научные исследования — для точных измерений в экспериментах
• Ремонт и обслуживание электрооборудования — для диагностики неисправностей

Как выбрать ваттметр

При выборе ваттметра следует учитывать следующие характеристики:

• Тип измеряемого тока (постоянный/переменный)
• Диапазон измеряемых мощностей
• Класс точности прибора
• Наличие дополнительных функций (измерение cos φ, частоты и т.д.)
• Возможность подключения к компьютеру
• Портативность или стационарность

Для бытового применения подойдут простые цифровые ваттметры-розетки. Для профессионального использования рекомендуются более точные лабораторные или щитовые приборы.

Преимущества современных цифровых ваттметров

Цифровые ваттметры имеют ряд преимуществ перед аналоговыми моделями:

• Высокая точность измерений (погрешность до 0,1%)
• Широкий диапазон измеряемых величин
• Возможность измерения дополнительных параметров (реактивная мощность, cos φ и др.)
• Функция сохранения и передачи данных
• Автоматический выбор диапазона измерений
• Компактные размеры и удобство использования

Эти преимущества делают цифровые ваттметры незаменимыми инструментами для профессионалов в области электротехники и энергетики.

Меры безопасности при работе с ваттметром

При использовании ваттметра необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

1. Перед подключением ваттметра убедитесь, что электрическая цепь обесточена
2. Проверьте соответствие диапазона измерений ваттметра параметрам исследуемой цепи
3. Соблюдайте правильность подключения прибора согласно схеме
4. Не превышайте максимально допустимые значения тока и напряжения для данной модели ваттметра
5. При работе с высоким напряжением используйте средства индивидуальной защиты
6. Не используйте ваттметр во влажной среде или при наличии горючих газов

Соблюдение этих правил поможет обеспечить безопасность при проведении измерений и сохранить работоспособность прибора.

Измерение мощности. Мощность в цепи постоянного, однофазного и трехфазного тока

Аналогично методу амперметра и вольтметра включение ваттметра возможно двумя способами (рис. 2). Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов (последовательной и параллельной цепей) обозначают звездочками и называют генераторным зажимом. Генераторные зажимы подключают к одному полюсу источника. Обе схемы дают погрешности, обусловленные теми же причинами, что и в соответствующих схемах на рис. 1.

Рис. 2. Схемы измерения мощности ваттметром. а – токовая обмотка включена последовательно с нагрузкой; б – обмотка напряжения включена параллельно нагрузке.

Электродинамические ваттметры с несколькими пределами измерения по току и напряжению имеют неименованную шкалу. В этом случае показание прибора умножают на постоянную прибора С, Вт/дел.

C = U_ном I_ном / a_m

где U_ном, I_ном – номинальные значения напряжения и тока для предела, на котором производится измерение; a

Мощность однофазного тока можно также измерить косвенным методом по схемам (рис. 3) или ваттметрами электродинамической, ферродинамической и, редко, индукционной систем.

Рис. 3. Схемы измерения мощности однофазного переменного тока. а – амперметр включен последовательно с нагрузкой; б – вольтметр включен параллельно с нагрузкой.

Если нужно знать активную и реактивную мощности, необходимо определить угол j между током и напряжением с помощью фазометра либо воспользоваться схемой на рис. 3. По показаниям вольтметра и амперметра рассчитывают полную мощность

S = UI;

ваттметр измеряет активную мощность

Р = UI cos j = S cos j, откуда

cos j = P/S            и        j = arccos P/S.

Реактивная мощность

Q = UI sin j.

Методические погрешности при этих измерениях такие же, как и в схеме на рис. 1 и 2.

Реактивная мощность может быть замерена также реактивным ваттметром, применяемым, как правило, для лабораторных измерений.

Основные требования к ваттметрам устанавливает ГОСТ.

Мощность в цепи трехфазного тока может быть измерена с помощью одного, двух и трех ваттметров.

Метод одного прибора применяют в трехфазной симметричной системе. Активная мощность всей системы равна утроенной мощности потребления по одной из фаз.

При соединении нагрузки звездой с доступной нулевой точкой или если при соединении нагрузки треугольником имеется возможность включить обмотку ваттметра последовательно с нагрузкой, можно использовать схемы включения, показанные на рис. 4. Если нагрузка соединена звездой с недоступной нулевой точкой или треугольником, то можно применить схему с искусственной нулевой точкой (рис. 5). В этом случае сопротивления должны быть равны

R_BТ + R_А = R_B = R_C.

Рис. 4. Схемы измерения мощности трехфазного переменного тока при соединении нагрузок. а – по схеме звезды с доступной нулевой точкой; б – по схеме треугольника с помощью одного ваттметра.

Для измерения реактивной мощности токовые концы ваттметра включают в рассечку любой фазы, а концы обмотки напряжения – на две другие фазы (рис. 6). Полная реактивная мощность определяется умножением показания ваттметра на sqrt ( 3 ). (Даже при незначительной асимметрии фаз применение данного метода дает значительную погрешность)

Методом двух приборов можно пользоваться при симметричной и несимметричной нагрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров для измерения активной мощности показаны на рис. 7. Активная мощность определяется как сумма показаний ваттметров.

Рис. 7. Схемы измерения активной мощности трехфазного переменного тока двумя ваттметрами. а – токовые обмотки включены в фазы А и С; б – в фазы А и В; в – в фазы B и С.

При измерении реактивной мощности можно применять схему рис. 8, а с искусственной нулевой точкой. Для создания нулевой точки необходимо выполнить условие равенства сопротивлений обмоток напряжений ваттметров и резистора R. Реактивная мощность вычисляется по формуле

Q = sqrt ( 3 ) ( P₁ – P₂ ).

где P₁ и P₂ –показания ваттметров.

По этой же формуле можно вычислить реактивную мощность при равномерной загрузке фаз и соединения ваттметров по схеме

виды, что такое, что измеряет, как включается, схема

Цифровые

Сегодня чаще проводят измерение ваттметром цифровым. Им можно производить замеры как активной, так и реактивной мощности. Устройства оснащены дисплеем, на который выводится не только мощность, но и другие характеристики ваттметра ― ток, напряжение или, например, расход электроэнергии за определенный временной отрезок. Если используются современные цифровые модели, то они позволяют выводить все полученные результаты на удаленный ПК.

Принцип работы

При подключении ваттметра в цепь измерение происходит косвенным методом посредством закона Ома. Проводится оценка падения токовых показателей на шунте, а также падение напряжения, после этого полученные значения обрабатывает микропроцессор и на их основе вычисляется мощность, а также определяется суммарная электроэнергия, израсходованная потребителем. После проведения всех замеров данные выводятся на дисплей.

Аналоговые

В первую очередь различают ваттметр цифровой и аналоговый. Вторые используются давно и привычны для большинства пользователей, они определяют значения активной мощности. Внешний вид такого прибора знаком многим ― это компактное устройство с экраном, на котором видна полукруглая шкала с делениями и поворачивающая стрелка. Шкала градуирована ваттами, значение которых идет по нарастающей.

Принцип работы

Работа такого ваттметра основана на взаимодействии неподвижной и подвижной катушки. Первая с небольшим числом витков связана с током и включается последовательно, а вторая связана с напряжением, подключается параллельно и может отклоняться в сторону. Сопротивление катушки напряжения ваттметра больше, чем токовой катушки.

При проведении исследований ток идет по неподвижной катушке, чем больше его значения, тем сильнее отклоняется подвижная катушка, которая связана со стрелкой, таким образом мы видим изменения в показаниях. В них автоматически учитывается сила тока и напряжение, от которых и зависит мощность.

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.

Типы ваттметров

Измерению мощности предшествует измерение силы тока и напряжения исследуемого участка цепи.

В зависимости способов измерения, преобразования данных и показа итоговой информации, ваттметры делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые ваттметры бывают показывающие и самопишущие и отражают активную мощность участка цепи. Табло показывающего прибора имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с определенными величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).

Цифровые ваттметры измеряют как активную, так и реактивную мощность. Кроме того, на дисплей прибора могут выводиться (кроме показания мощности) также и сила тока, напряжение, и расход энергии по времени. Данные измерений можно вывести удаленно на компьютер оператора.

Видео о ваттметре из Китая:

Подключение Ваттметра

Ваттметры имеют четыре клеммы (2 входа, 2 выхода) для подключения. Две из них используют при сборе последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения).

Начало цепи напряжения (вход) подключают к началу токовой цепи (соединить клеммы перемычкой), соединенному с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) соединяют с другим зажимом сети.

Рассмотрим несколько ваттметров разного исполнения и разных производителей:

• Ваттметр для измерения мощности: назначение, типы, подключение, применение

Многофункциональный цифровой ваттметр СМ3010 класса точности 0,1

Предназначен для измерения активной мощности, тока, напряжения и частоты в цепях постоянного тока и в однофазных цепях переменного тока; для поверки ваттметров, амперметров, вольтметров класса 0,3 и ниже, частотомеров класса 0,01 и ниже.

Пределы измерения тока Iп:

• на постоянном и переменном токе: 0,002-0,005-0,01-0,02-0,05-0,1-0,2-0,5-1-2-5-10 А.

Пределы измерения напряжения Uп:

• постоянный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700-1000 В.
• переменный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700 В.

Пределы измерения мощности соответственно Uп* Iп

Пределы измерения частоты от 40 до 5000Гц.

Основная погрешность:

• приведенная погрешность измерения тока, напряжения и мощности на постоянном токе ±0,1%;
• приведенная погрешность измерения тока и напряжения на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1500Гц ±0,1%;
• приведенная погрешность измерения мощности на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1000Гц ±0,1%;
• относительная погрешность измерения частоты в диапазоне частот от 40 до 5000Гц ±0,003%;

Габаритные размеры 225х100х205 мм. Масса не более 1кг. Потребляемая мощность не более 5Вт.

Ваттметры многофункциональные СМ3010 выпускаются по ТУ 4221-047-16851585-2014, соответствуют требованиям ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011.

Производство – ЗИП-Научприбор.

• Измеритель потребления электроэнергии в розетку: преимущества и характеристики

Устройства измерительные ЦП8506-120 (далее – устройства).

Предназначены для измерения активной, реактивной, активной и реактивной трехфазных трехпроводных цепей переменного тока, отображения текущего значения измеряемой мощности на цифровом индикаторе и преобразования его в аналоговый выход-ной сигнал (далее – выходной сигнал).

Измеренные значения отображаются в цифровой форме на встроенных индикаторах. Отображение измеренных величин на цифровых индикаторах производится в единицах измеряемой величины, поступающей непосредственно на вход устройства, или в единицах измеряемой величины, поступающей на вход трансформаторов тока и напряжения с учетом коэффициентов трансформации, в ваттах, киловаттах, мегаваттах, варах, киловарах, мегаварах. Цифровые индикаторы имеют по четыре значащих разряда.

Назначение ЦП8506-120:

• для измерения активной и реактивной мощности в трехфазных трехпроводных электрических цепях переменного тока частотой от 45 до 55 Гц

Краткие технические характеристики ЦП8506-120 (Ваттметр)

Варметр щитовой цифровой трехфазный:

• Коэффициент мощности: для ваттметра cos φ=1, для варметра sin φ=1
• Габаритные размеры: 120х120х150 мм
• Высота знака: 20 мм
• Максимальный диапазон отображения: 9999
• Класс точности: 0,5
• Время преобразования: не более 0,5 с
• Рабочая температура: +5 … +40 град С (О4. 1), -40…+50 град С (УХЛ3.1)
• Степень защиты по передней панели: IP40
• Потребляемая мощность: 5ВА
• Масса: не более 1,2 кг

Ваттметр Д5085 (Д 5085, Д-5085)

Предназначен для измерения мощности в однофазных цепях переменного и постоянного тока, а также для поверки менее точных приборов.

Габариты не более (205±1,45)х(290±1,6)х(135±2,0) мм.

Класс точности 0,2.

Ваттметры Д5085 предназначены для измерения мощности в однофазных цепях переменного и постоянного тока, а также для поверки менее точных приборов.

Ваттметры Д5085 предназначены для эксплуатации в условиях умеренного климата в закрытых сухих отапливаемых помещениях, при температуре окружающего воздуха от 10 до 35 °С и относительной влажности до 80 % (при 25 °С ).

Ваттметры Д5085 -04.1 (тропическое исполнение) предназначены для эксплуатации в условиях как сухого, так и влажного тропического климата в закрытых помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом при температуре окружающего воздуха от 1 до 45 °C и относительной влажности до 80 % при температуре 25 °С (по ГОСТ 15150-69).

Технические данные

Ваттметры Д5085 соответствуют классу точности 0,2 по ГОСТ 8476-78.

Номинальный коэффициент мощности ваттметра – 1,0.

Номинальный ток параллельной цепи ваттметра Д5085 равен (5 ± 0,1) mА. Нормальная область частот ваттметра от 45 до 500 Гц, рабочая область частот – 500-1000 Гц.

Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной отклонением напряжения на ± 20 % от номинального значения либо от пределов нормальной области напряжений, при неизменном значении измеряемой мощности равен ± 0,2 % от конечного значения диапазона измерений.

Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной отклонением частоты от верхней границы нормальной области до любого значения в рабочей области частот, не превышает ± 0,2 % от конечного значения диапазона измерений.

Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой температуры в пределах рабочих температур на каждые 10 °С изменения температуры, равен ±0,2% от конечного значения диапазона измерений. Нормальная температура – 20±2 °С, если на лицевойчасти прибора не оговорено иное значение.

Ещё одно видео о встраиваемом ваттметре:

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:

О± = k2IIu = k2U/Ru

где I — ток последовательной катушки; Iи — 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 О± = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

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

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.

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, Pв = U(I+Iu) = UI+ UIu, т. е. мощность, измеряемая ваттметром, равна мощности приемников энергии, подлежащей измерению, и мощности параллельной цепи ваттметра.

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 U2/Ru, где Ru обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

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.

Измерение мощности сети ваттметром

Автор: anclebenz от 16-04-2016 —!>

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.

Профессиональные

Это более функциональные приборы, они относятся к стационарному оборудованию, отличаются бОльшими размерами, чем бытовые аналоги. Погрешность ваттметра для профессионального использования минимальная, они функционируют в более широких пределах тока, напряжения, частоты.

Естественно, что такие приборы стоят дороже своих бытовых аналогов, к ним предъявляются более высокие требования по классу точности, функционалу, по другим характеристикам. Они работают с любым током и могут определять мощность ваттметром в однофазных и трехфазных сетях.

Различают еще щитовые ваттметры, они встраиваются в однофазные или трехфазные сети. Отличаются высокой точностью, результаты передаются в виде цифр на дисплей. Внешний вид прибора напоминает измерительную головку, которая монтируется в корпус. Чаще всего используются в панелях приборов.

Ваттметры выбирают в зависимости от области применения и назначения, нет необходимости переплачивать за функциональный прибор, если вам необходимо измерить мощность домашнего холодильника, но и бытовое устройство не подойдет для профессионального применения.

​Как правильно подключить ваттметр в электрическую цепь

По инструкции для ваттметра, у него есть 4 клеммы – по 2 входа и выхода. Одна пара клемм применяется при сборке последовательной (токовой) цепи. Вторая пара клемм подключается после первой и применяется для получения параллельной цепи (напряжения). Начальная точка цепи напряжения подключается перемычкой к начальной точке токовой цепи, который должен быть соединен с зажимом сети. Конечная точка цепи напряжения коммутируется с оставшимся зажимом.

В результате катушка тока получает последовательное соединение с приемниками электроэнергии, а катушка напряжения – аналогичное соединение с дополнительным сопротивлением. Она создает параллельную цепь, располагаемую параллельно приемникам энергии.

При смене направленности тока в 1-й катушке меняется направленность вращающего момента и поворота катушки напряжения. А поскольку шкала аналогового прибора зачастую односторонняя, то при неверной направленности тока определить измеряемый параметр не удастся. Поэтому необходимо четко различать зажимы прибора. Коммутируемый с источником питания зажим последовательной катушки называют генераторным. Для него характерно обозначение звездочкой. Идентично называется и обозначается подсоединяемый к проводу от последовательной катушки зажим параллельной цепи.

Поэтому в вопросе, как включается ваттметр, важно обеспечить направленность токов в катушках от генераторных зажимов к остальным. На рисунках представлены 2 корректные схемы включения ваттметра. Первую схему рекомендуется использовать в ситуациях, когда мощностью обмоток прибора допустимо пренебречь. Вторая схема применяется при необходимости высокоточных замеров.

Источник



Схема включения ваттметров для измерения однофазной цепи

Для измерения мощности постоянного тока достаточно измерить напряжение вольтметром и ток амперметром (метод амперметра и вольтметра). Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором – ваттметром.

Для измерения мощности постоянного тока достаточно измерить напряжение вольтметром и ток амперметром. Результат определяется по формуле

Метод амперметра и вольтметра пригоден и для измерения полной мощности S = U·I, а также активной мощности переменного тока, если cosφ = 1

Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором – ваттметром. Для измерения мощности лучшей является электродинамическая система.

Эта система представляет собой две катушки (рисунок 1), одна из которых неподвижная, а другая – подвижная. Обе катушки подключаются к сети, и взаимодействие их магнитных полей приводит к повороту подвижной катушки относительно неподвижной.

Бытовые устройства

Такой тип приборов обычно относится к устройствам цифрового типа, они производятся в виде сетевого адаптера-сетевика. Нужны для замера мощности используемого аппарата или для определения стоимости электроэнергии, если есть возможность самостоятельно устанавливать стоимость киловатт-часа. Принцип их действия достаточно прост: ваттметр вставляется в розетку, в свою очередь в розетку ваттметра включается исследуемый аппарат.

При нажатии соответствующей кнопки начинается отсчет количества потребленной энергии и тут же определяется ее стоимость. Если необходимо определить количество потребленной мощности вы просто переключаете кнопку, так же можно определить ток, напряжение, любой другой параметр, их количество зависит от функционала модели.

Предел измерения ваттметра такого типа обычно не превышает 4кВт. То есть, подключив практически любой бытовой прибор, вы без труда сможете определить денежные расходы, которые придется заплатить за его работу, например, за месяц.

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТРЕХПРОВОДНЫХ ТРЕХФАЗНЫХ СЕТЯХ

Если трехфазная цепь трехпроводная, то независимо от схемы соединения нагрузки, будь то звезда или треугольник и независимо от того, равномерная нагрузка или нет, мощность, потребляемую системой, можно измерить двумя однофазными ваттметрами. Токовые обмотки ваттметров включаются в две любые фазы, а обмотки напряжения – между третьей (незанятой) фазой и той фазой, в которую включена токовая обмотка данного ваттметра. Возможные схемы включения ваттметров показаны на рис. 3.3.

а) б) в)

Рис.3.3. Схемы включения ваттметров в трехпроводных сетях

При использовании показанных на рисунке схем включения ваттмеров общая мощность равна алгебраической сумме их показаний.

Построим векторную диаграмму токов и напряжений, действующих на измерительные системы приборов, включенных по схеме (рис.3.3 а). Нагрузку считаем симметричной, соединенной звездой, активно-индуктивного характера с разностью фаз между током и напряжением в каждой фазе j.Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению трех величин: току, напряжению и косинусу угла между током и напряжением. Из векторной диаграммы (рис.3.4.) видно, что в рассматриваемом случае показание ваттметров соответственно равны

Здесь берем напряжение Ucb, равное — Ubc, так как генераторный конец обмотки напряжения второго ваттметра подключен к фазе С, а не к В. Сумма показаний ваттметров равна

Рис. 3.4 Рис.3.5

На рис. 3.5 построена векторная диаграмма, иллюстрирующая работу схемы включения ваттметров, приведенную на рис.3.3.б.

Для симметричного режима векторы линейных напряжений образуют равносторонний треугольник ABC. Линии, соединяющие центр тяжести этого треугольника с его вершинами, можно рассматривать как фазные напряжения приемника, соединенного звездой. При активно-индуктивной нагрузке токи отстают по фазе от напряжений на угол φ.

Первый ваттметр включен на напряжение Uac (заметим, Ūac=-Ūca) и через него протекает ток Īa. Измерительная система второго ваттметра находится под действием напряжения `Ubc и тока `Ib.

Из рассмотрения векторной диаграммы, можно установить, что ваттметр, включенный в опережающую фазу, показывает пропорционально cos(j-30°) при индуктивном характере нагрузки, а показания ваттметра, включенного в отстающую фазу, пропорционально cos(j+30°) при индуктивном и пропорционально cos(j-30°) при емкостном характере нагрузки. При равномерной активной нагрузке (j=0) показания обоих ваттметров одинаковы и равны половине общей измеряемой мощности. При любой другой (не активной) нагрузке, даже если она равномерна, показания ваттметров различны.

В случае включения нагрузки треугольником векторы линейных токов получаются как геометрические разности векторов токов фазовых и для симметричной системы углы в 30° будут между фазовыми и линейными токами. Например, линейные токи Īв и Īс в последовательных обмотках ваттметров схемы (рис.3.3.в) можно выразить через соответствующие фазовые токи

Īв=Īвс–Īав Īс=Īса–Īвс.

Фазовые токи отстают от фазовых напряжений на угол j. Угол между вектором тока Īв и вектором напряжения Ūва, приложенного к цепи первого ваттметра, равен b1=60°–30°–j=30°–j.

Угол между вектором тока`Iс и вектором напряжения`Uсa, приложенного к параллельной цепи второго ваттметра, b2=30°+j. Тогда первый ваттметр покажет мощность P1=Uл*Iл*Cosb1, а второй ваттметр P2=Uл*Iл*Cosb2.

Для получения мощности P всей трехфазной цепи необходимо алгебраически, то есть с учетом знаков, сложить показания ваттметров.

В зависимости от значения угла сдвига фаз в цепи показания одного ваттметра отличаются от показаний другого, причем показания одного ваттметра всегда положительны, а показания второго могут стать отрицательными. При сдвиге фаз более 60° (работа многих электрических машин в режиме холостого хода) cos(j+30°) – величина отрицательная, стрелка второго ваттметра отклонится в обратную сторону от нуля. Для отчета отрицательных значений мощности переключают зажимы одной из обмоток ваттметра (токовой или обмотки напряжения), и общая мощность в этом случае равна разности показаний ваттметров.

При выборе ваттметров нужно учесть, что их измерительные цепи включены на линейные токи и на линейные напряжения. Для симметричных трехфазных цепей при соединении звездой линейные токи равны фазовым, а линейные напряжения в раз больше фазовых. При соединении треугольником равны фазовые и линейные напряжения, а линейные токи в раза больше фазовых. Активная мощность симметричной трехфазной цепи связана с линейными величинами соотношением

и всегда равна сумме мощностей во всех фазах.

Шкалы многопредельных приборов калибруются в относительных делениях, например, могут иметь α_m=100 делений. Значения измеряемой величины, приходящиеся на одно деление шкалы, называют ценой деления или постоянной прибора. Она равна:

С= предел измерения в Вт/число делений шкалы.

Переносные приборы обычно выполняются на несколько пределов измерения. Для ваттметров пределы измерения указываются по току и по напряжеию. В большинстве случаев ваттметры калибруются для значения cosφ=1 и поэтому их предел измерения в Ваттах определяется путем перемножения номинальных значений тока и напряжения. Например, для ваттметра со шкалой, имеющей α_m делений, постоянная прибора С равна:

C=(Iном*Uном)/ α _m Вт/дел.

Если стрелка ваттметра отклонилась на α делений, значение измеряемой этим ваттметром мощности, равно P=C*α. При выборе типа ваттметра пределы измерения должны быть не меньше значений тех токов и напряжений, на которые они будут включены. С точки зрения точности результатов измерений желательно, чтобы предел измерения превышал значение измеряемой величины не более, чем на 25%, во всяком случае, стремятся, чтобы отсчет показаний производился во второй половине шкалы. В противном случае приходится выбирать прибор более высокого класса точности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ 3

1. Какие преимущества многофазных электрических сетей по сравнению с однофазными?

2. Какой пространственный сдвиг между обмотками статора в синхронном генераторе трехфазного напряжения?

3. В каких случаях используются трехпроводные, а в каких четырехпроводные трехфазные системы?

4.Какой вид имеет векторная диаграмма для электродвижущих сил действующих в трехфазной систем?

5. В каких случаях используется соединение потребителей энергии по схеме «звезда», а в каких по схеме «треугольника»?

6.Как связаны между собой линейные и фазные напряжения и токи при равномерных нагрузках в фазах?

7. Какие приборы используются для измерения мощности в трехфазной цепи?

8. Как осуществляется компенсация реактивной мощности в трехфазных электрических сетях?

9. Как включаются ваттметры для измерения мощности в трехпроводных трехфазных электрических системах?

10. Напишите аналитические формулы для полной ,активной и реактивной мощностей в трехфазной системе?

ТЕСТ ПО ТЕМЕ 3

1.Определить линейные напряжения, если величины фазных напряжений в трехфазной системе равны 127 В. Ответы, один из которых правильный: 220В; 380В; 127В; 660 В,

2.Определить максимальное напряжение в фазе «А», если величина действующего напряжения равна 220В. Ответы, один из которых правильный: 308В; 290В; 380 В; 127В.

3.Определить ток в нейтральном проводе трехфазной системы, если фазное напряжение равно 127 В, а нагрузки в всех фаза одинаковы и равны 1кОм. Ответы, один из которых правильный: 0 А; 1А; 4А; 5А,

4.Определить мощность, потребляемую трехпроводной трехфазной системой, если показания одного ваттметра равно 300Вт, а второго 220 Вт. Ответы, один из которых правильный: 520вт; 80Вт; 380Вт; 400Вт.

5.Определить величину тока в фазе «А», если эффективное напряжение трехфазного генератора равно 127В, а сопротивление нагрузки равно 1000 Ом. Ответы, один из которых правильный: 127мА; 220мА; 500мА; 440мА,

Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 210; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

4.2. Измерение мощности

Мощность измеряют различными способами.

Мощность в электрических цепях постоянного и однофазного переменного тока, измеряют в основном ваттметрами электродинамической системы. На рис. 4.4 приведены схемы включения ваттметра для измерения мощности, потребляемой сопротивлением нагрузки R_НАГ в цепях постоянного и однофазного переменного тока.

В цепях напряжения включено добавочное сопротивление R_Д. Начало токовой обмотки напряжения, так же как и в последующих схемах, показано, соответственно, левой и верхней точками на обмотках ваттметра W; перемена полярности одной из обмоток приведет к отклонению стрелки ваттметра в обратную сторону. Если включить ваттметр в цепь постоянного тока (рис. 4.4, схема а), то он учтёт потребляемую электроприемниками мощность и потери в токовой обмотке ваттметра. Мощность Р определяют по формуле

P=IU’=I(U+IRт)=IU+I²RT=Pпp+Pт,

где I и U — соответственно, ток  и напряжение на нагрузке; U’ — напряжение питания; Rт — сопротивление токовой обмотки ваттметра; Рпр и Рт — соответственно, потребляемая приемниками мощность и потери мощности в токовой обмотке.

При включении (рис. 4.4, схема б) по схеме ваттметра учитываются дополнительные потери в обмотке напряжения Рн:

P=U(I+Iн)=UI+UIн=Pнр+Pн.

Таким образом, систематической погрешности, возникающей в следствии того, что цепи тока и напряжения измерительного механизма должны включаться также, как и приборы для измерения тока и напряжения избежать не удается. Если ожидаются значительные колебания мощности за счёт колебаний тока, то предпочтительней будет схема а. При включении ваттметра (рис. 4.4, схема в) на добавочном сопротивлении Rд окажется почти полное напряжение источника, на которое не может быть рассчитана изоляция подвижной катушки. Кроме того, появляется дополнительная погрешность за счет электростатического взаимодействия обмоток. Такую схему не следует применять.

Показания ваттметра, включенного в цепь переменного тока, пропорциональны произведению подведенного к нему напряжения U, тока в токовой обмотке I и cosφ:

Р = с·U·I·cosφ, где с — цена деления ваттметра.

При определенном положении переключателей пределов по току и напряжению цена деления составит

с = (U_ПРI_ПР)/_ПР, Вт/дел,

где U_ПР и I_ПР — верхние пределы ваттметра, _ПР — количество делений шкалы ваттметра.

При определении мощности косвенным методом в цепи постоянного тока измеряют ток и напряжение, а в цепи переменного тока (дополнительно, с помощью фазометра), коэффициент мощности cosφ.

Для расширения пределов измерения по току и напряжению применяют шунты, добавочные сопротивления и измерительные трансформаторы (рис. 4.5). Цену деления ватт-метра при пользовании измерительными трансформаторами определяют по уравнению:

С_ИЗМ= СК_IHК_UH, Вт/дел.

На сверхвысоких частотах (СВЧ) способы измерения мощности, рассмотренные выше очень трудно реализуемы, поэтому применяются другие способы измерения мощности. Несмотря на кажущееся разнообразие, все они сводятся к преобразованию энергии электромагнитных колебаний в другой вид энергии, более применяемый для измерения (тепловую, механическую и другие) с последующим вторичным преобразованием в электрический сигнал. Измерение производится в основном цифровыми приборами.

При измерении активной мощности в трёхфазных цепях (три фазовых провода и один нулевой — четырех проводная сеть) используют три однофазных ваттметра, включенных в отдельные фазы; измеряемую мощность определяют как сумму мощностей всех фаз. В, этом случае не следует пользоваться ваттметром, включенным в одну из фаз, так как велика вероятность неравномерности нагрузки, и погрешность измерения может оказаться значительно больше допустимой.

В трехфазных цепях без нулевого провода возникает затруднение с подключением цепи напряжения ваттметра, потому что в цепи имеется линейное напряжение. Однако при симметричной, нагрузке можно измерить мощность одним ваттметром. Для этого в месте измерения создается искусственная нулевая точка. Сопротивления всех фаз, образующие звезду, должны быть равными. Мощность в этом случае равна утроенному показанию ваттметра.

В несимметричных трехфазных трехпроводных цепях мощность можно измерить так же, как и в четырехпроводных цепях, т. е. как сумму трех мощностей. Здесь также необходима искусственная нулевая точка, однако ее можно очень просто создать соединением в звезду трех (одинаковых!) цепей напряжения ваттметров.

Более универсальным и точным методом измерения трехфазной мощности является метод двух ваттметров или так называемая схема Арона (рис. 4.6).

Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, В; обмотки по напряжению на АС и ВС (рис. 4.6, а).

Токовые обмотки ваттметров включены на линии А, С; обмотки по напряжению — на АВ и СВ (рис. 4.6, б).

Токовые обмотки ваттметров включены в линии В, С; обмотки по напряжению – на ВА и СА (рис. 4.6, в).

Построим векторную диаграмму (рис. 4.7) для схемы Арона (рис. 4.6, схема б).

Мощность определяют по сумме показаний ваттметров

P=P₁+P₂=U_авI_аcosψ1+U_свI_сcosψ2.

В зависимости от характера нагрузки один из углов (ψ1 или ψ2) может стать больше 90°. В этом случае один из ваттметров будет показывать отклонение в противоположную сторону. Чтобы получить отсчет, надо изменить направление тока в одной из обмоток этого ваттметра. Показания берут со знаком минус, т.е. общая мощность равна алгебраической сумме показаний. В частном случае, когда система симметрична, ψ1=30+φ, ψ2=30-φ и общую мощность находят по формуле

P=P₁+P₂=U_авI_аcos(30+φ)+U_свI_сcos(30-φ)=U_лI_л2cos30cosφ= U_лI_лcosφ.

Даже при полной симметрии показания ваттметров не равны и зависят от величины и знака угла φ. При значении φ, равном 0-60 показания обоих положительны; при φ=60 показания первого ваттметра Р₁=0; при φ>60 оба покажут отрицательные значения.

При измерении реактивной мощности однофазные реактивные ваттметры применяют для лабораторных измерений и поверки индукционных счетчиков. В отличии от обыкновенного ваттметра реактивный имеет усложненную схему параллельной цепи, в которую включают реактивное сопротивление для получения сдвига по фазе на 90° между током и напряжением. Тогда угол отклонения подвижной части будет пропорционален реактивной мощности. При измерении реактивной мощности в трехфазных цепях нет необходимости получать сдвиг по фазе на 90°, так как при переходе от схемы звезды к схеме треугольника всегда имеется напряжение, которое пропорционально измеряемому и сдвинуто по фазе на 90°. В соответствии с этим, например в несимметрично нагруженной трех- и четырехфазной сети, реактивную мощность Q определяют по схеме трех активных ваттметров, включенных по напряжению на «чужие» фазы (рис. 4.8).

Тогда реактивная мощность Q = (P₁+P₂+P₃)/

При равномерной нагрузке можно ограничиться одним из ваттметров. Тогда Q =·Р₁. В трехфазной сети с равномерной нагрузкой (рис. 4.6, любая схема), реактивную мощность Q определяют по формуле

Q =·(P₁-P₂).

Реактивную мощность в трехфазной сети с равномерной и неравномерной загрузкой фаз Q находят по схеме с искусственной нулевой точкой (рис. 4.9):

Q = ·(P₁+ Р₂).

Сопротивление, включенное на свободную фазу (R), подбирают так, чтобы оно вместе с обмотками напряжения ваттметров образовало симметричную звезду, а к ваттметрам были подведены фазовые напряжения:

R=R_w1=R_w2.

Для определении реактивной мощности указанными выше методами необходимо знать порядок чередования фаз сети. Если он окажется обратным, показания ваттметров во многих случаях будут отрицательными.

Ваттметр своими руками цифровой

marazmPRO2 › Блог › Ваттметр 60V 100A из Китая

Речь пойдёт о китайском измерительном устройстве, назвать его ваттметром это не совсем правильно, потому как устройство многофункциональное и замеряет не только ватты, но и амперы, ватт/ч, ампер/ч…Устройство по сути представляет из себя мультиметр который измеряет всё и сразу
, да и помимо измерений делает расчёты потреблённой энергии, может точно рассчитать емкость аккумулятора (как при его зарядке так и при разрядке).

Ваттметр включается в разрыв цепи постоянного тока с напряжением до 60Вольт и способен пропустить через себя огромный ток до 100Ампер (я кратковременно пропускал более 300А но прибор при таком токе отключается), зачастую такой ток не возможно измерить обычным мультиметром (тестером), можно конечно использовать токовые клещи с функцией измерения постоянного тока (у меня есть Mastech MS2108) но тогда точность измерений будет не велика.

Итак, как я сказал включать прибор нужно последовательно в цепь между источником напряжения (тока) и потребителем.

сторона SOURCE

— сторона подключения источника тока (вход) сторона
LOAD
— сторона подключения нагрузки (выход)

Стороны подписаны на самом устройстве, а вот провода никак не отмаркировнны и к тому же имеют не прилично маленькую длину.

Проблему я решил сразу, разобрав корпус и перепаяв провода на более длинные и на концы сделал крокодилы для удобства (фото нет, но всё видно на видео)

В первую очередь применяю я такое устройство для замера ёмкости аккумуляторов. Иногда только так можно определить остаточную ёмкость старого АКБ, и понять сколько он потерял А/ч за срок службы. Так же по показаниям амперметра можно сразу определить заряжается ли АКБ или процесс заряда уже закончен и ток заряда упал до нуля или процесс заряда даже не начат. За время использования прибора было восстановлено пять АКБ и двум был поставлен не утешительный диагноз. Помимо замера ёмкости АКБ я прибором проверяю истинную мощность тех или иных устройств, например тех же китайских ламп или блоков питания…пару раз даже возвращал деньги за св. диодные лампы которые не соответствовали мощности из описания.

Так же устройство имеет функцию фиксации всех максимальных значений, но не имеет функции отключения нагрузки при падении напряжения источника питания. Это было бы удобно при том же разряде АКБ и проверке его на остаточную ёмкость, а так приходится «ловить» нижнее значение напряжение АКБ (обычно 10В) дабы не подвергнуть АКБ глубокому разряду. Так же в устройстве не предусмотрен таймер, поэтому засекать время нужно самому.

Из недостатков могу отметить только короткие провода, которые неудобны для подключения и наверное отсутствие какого либо предохранителя. Дело в том что были случаи когда по неосторожности я замыкал нагрузочные провода тем самым создав КЗ с током под 300А (источник был АКБ на 70А/ч), горели провода и думал что всё хана прибору, но к с частью при устранении КЗ прибор заново загружался и продолжал радовать своей безотказной работой, но всё же иметь какой либо предохранитель не помешало бы.

Как подключить

От правильности подключения ваттметра в конкретной части электроцепи зависит точность полученной информации. Надлежащая схема подключения ваттметра будет выглядеть таким образом: неподвижную катушку ваттметра последовательно соединяют с нагрузкой либо потребителями электричества.

Подвижная катушка подключается с вспомогательным сопротивлением, а после весь участок параллельно подключают к нагрузке. Подвижный участок рассматриваемого приспособления обладает определенным углом поворота.

Так как в схеме применяется добавочное сопротивление, электроцепь приспособления обладает фактически постоянным сопротивлением. Мощность определяется непосредственно по такому показателю.

В таком устройстве равномерным образом наносится шкала измерений, которая изготовлена в 1-стороннем варианте, когда положение делений продолжается от 0 вправо. Когда электрический ток изменит собственное направление, подобное ведет к изменениям в направлении поворота и вращению активной катушки. Когда подсоединение рассматриваемого приспособления произведено неверно и направление тока другое, электроприбор не будет работать.

Вам это будет интересно Проверка сопротивления

Из-за этих факторов нельзя путать зажимы, используемые для подсоединения. Последовательная обмотка обладает зажимом, который подключает к источнику питания. Параллельную электроцепь называют генераторной, обладает собственной клеммой для подключения фрагмента к проводу, который связан с последовательной катушкой.

Важно! При надлежащем подсоединении, токи в катушке ваттметра от генераторного направляются к негенераторному зажиму.

Подсоединение ваттметра

Microchip PIC18F252

Каждый, наверное, когда-нибудь задумывался над вопросом, сколько потребляет тот или иной бытовой электроприбор. Например, сколько энергии потребляет телевизор в дежурном режиме? Как изменяется энергопотребление холодильника в различных режимах работы? Для этих целей вам потребуется ваттметр переменного тока, и в статье мы подробно рассмотрим конструкцию одного из вариантов прибора (Рисунок 1).

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 – 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании Microchip серии PIC18F252, который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Лучшие модели

На рынке существует большое количество таких измерительных приборов от европейских и отечественных производителей. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Необходимо детально исследовать наиболее популярные модели.

Вам это будет интересно Работа с токовыми клещами

ROBITON PM-1

Устройство, которое помогает контролировать расходование электрической энергии из электросети 1 потребителем. В нем совмещается в 1 корпусе вилка, розетка, электроблок и монитор, считывающий полученные данные.

Дает возможность вычислять мощность единичной, подсоединенной через устройство, нагрузки. Ваттметр определяет число используемой энергии за конкретный временной период и рассчитывает цену использованного электричества.

Плюсы:

• компактные размеры, простота, адекватная цена;
• возможность работы с любыми бытовыми устройства;
• возможность определения числа энергии, которая потребляется нагревателем.

Минусы:

• плохо продумано обнуление;
• работает лишь в тепле.

ROBITON PM-1

HiDANCE 3680W AC Power Meter

Компактное бытовое электронное приспособление с расширенным функционалом. Дает возможность определять силу напряжения переменного тока. Рассчитывается потребляемая мощность и ее коэффициент.

Присутствует функция определения цены используемой энергии. Устройство комфортно во время тестирования быттехники, электроприборов и нагревателей любого типа в целях расчета экономической эффективности.

Плюсы:

• яркий дизайн, аккуратная сборка цифрового прибора;
• высокоточные измерения, наглядно отображается результат;
• большое количество режимов.

Минусы:

• необходимо снова вводить стоимость после обнуления информации;
• приваренные штыри увилки.

HiDANCE 3680W AC Power Meter

Espada TSL 1500WB

Легкий для освоения и использования ваттметр, который тестирует быттехнику по уровню потребленной энергии. Крайне комфортен, чтобы проверять потребление электроэнергии в процессе выбора обогревателя. Устройство в кратчайший период времени показывает реальную мощность, траты и цену электроэнергии.

Помогает рассчитывать теплоэффективность и траты на протяжении отопительного сезона. Предусматривается опция введения информации при 2-хтарифном счётчике. Изделие сигнализирует о нештатной ситуации либо превышении силы тока, мощности.

Плюсы:

• высокоточное изделие, скорость измерений;
• подсвечивается монитор, большие цифры;
• расчёт цены электричества.

Минусы:

• непостоянная подсветка;
• трудно менять источник питания.

Espada TSL 1500WB

TP-Link HS110

Прибор контролирует и осуществляет замеры на дистанции посредством сети с помощью смартфона либо иного электроприбора. Предусматривается опция автоподключения либо выключения потребителей энергии.

Мониторинг на дистанции потребления электроэнергии дает возможность выбирать надлежащий режим функционирования быттехники либо отопительных систем. Ваттметр помогает выставлять требуемую мощность.

Плюсы:

• опция контроля на расстоянии;
• компактные размеры, функционирует с любой бытовой техникой;
• адекватная стоимость.

Минусы:

• восприимчивость к качеству сети.

TP-Link HS110

Список использованных компонентов

Обозначение в схеме	Наименование, номинал	Корпус, примечание
U1, U2	78L05	SOT-89
U3	REF03	SO-8
U4	ACS712-20A	SO-8
U5, U10	MCP3202-BI/SN	SO-8
U6, U7, U8	HCPL-0630	SO-8
U9	PIC18F252-I/SO	SO-28
BR1, BR2	Диодный мост DF08S	800 В / 1 А
TR1	Трансформатор HR-E3013051	2 × 6 В, 1. 5 VA
LCD1	TC1602D	Двухстрочный ЖК индикатор
C1, C18	470 мкФ 25 В	10 мм × 10 мм
C2, C17	100 мкФ 16 В	6.3 мм × 5.4 мм
C11, C12	22 пФ 50 В	smd 0805, керамика
C9	1 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C2, C4, C5, C6, C7, C8,C10, C13, C22, C14, C15, C16, C17, C20	100 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C21	1 мкФ 25 В	smd 1206, керамика
R16	0 Ом	smd 0805, 1%
R2, R3	1 МОм
R5, R6, R17	1 кОм
R1, R14, R15, R18, R19	10 кОм
R7, R8, R9, R13	2.5 кОм
R4, R10, R11, R12	330 Ом
D2, D3	Красный светодиод	smd 0805
D1	Диод Шоттки SS14	1 А / 40 В, корпус SMA
Y1	Кварцевый резонатор 20 МГц
F1	Держатель предохранителя	Для поверхностного монтажа
J1, J2	Винтовой клемник 1×3	шаг 5. 2 мм
J3	Штыревой разъем 1×5	шаг 2.5 мм

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.

Типы ваттметров

Измерению мощности предшествует измерение силы тока и напряжения исследуемого участка цепи.

В зависимости способов измерения, преобразования данных и показа итоговой информации, ваттметры делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые ваттметры бывают показывающие и самопишущие и отражают активную мощность участка цепи. Табло показывающего прибора имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с определенными величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).

Цифровые ваттметры измеряют как активную, так и реактивную мощность. Кроме того, на дисплей прибора могут выводиться (кроме показания мощности) также и сила тока, напряжение, и расход энергии по времени. Данные измерений можно вывести удаленно на компьютер оператора.

Видео о ваттметре из Китая:

Контрольные вопросы.

1. Объяснить причину уменьшения погрешности по пункту 7 практических указаний первого пункта программы.

2. Какое напряжение можно скомпенсировать реостатом R1 в условиях примера практических указаний второго пункта программы?

3. Способы уменьшения погрешностей при измерении малых сопротивлений.

4. Какие приборы и методы позволяют наиболее точно измерять сопротивления

5. Принцип действия двойного моста.

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3

kΩ

(проставить в нужных местах значения R2). 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

mA

Рис.4

Рис. 5

ИНСТРУКЦИЯ

к лабораторной работе № 154

Измерение активной и реактивной мощности в трехфазных цепях.

План работы:

1. Измерение активной мощности

2. Измерение реактивной мощности

3. Измерение угла сдвига фаз

Основные теоретические положения

1.Активная мощность трехфазной четырк хпроводной цепи Р равна сумме мощности отдельных фаз Р_{А ,} Р_{В ,} Р_С

P=P_A+P_В +P_С = I_АU_Аcosφ_А+I_ВU_Вcosφ_В+ I_СU_Сcosφ_С ,

где I_A , I_B , I_C и U_A , U_B , U_C токи и напряжения фаз А, В, С,

φ_А , φ_В , φ_С – углы сдвига фаз между токами и соответствующими напряжениями.

Из написанного следует, что для измерения мощности необходимо включить в цепь три ваттметра (рис.1) так, чтобы к обмоткам напряжения ваттметров подводились фазные напряжения U_A , U_B , U_C , а через токовые обмотки ваттметров протекали токи соответствующих фаз (в рассматриваемой схеме они равны линейным токам) I_A , I_B , I_C..В этом случае каждый ваттметр будет показывать мощность отдельной фазы Р_{А ,} Р_{В ,} Р_С. Сложив их показания, получим мощность всей трехфазной системы Р.

В большинстве случаев целесообразнее вместо трех ваттметров при­менять один трехэлементный ваттметр, в корпусе которого смонтировано как бы три измерительных механизма однофазных ваттметра, подвижные катушки, которых закреплены на одной оси. Поэтому механические моменты действующие на эти катушки складываются и прибор показывает сумму мощностей отдельных фаз (рис.2).

к нагрузке

На этой схеме измерительные механизмы ваттметров включены через трансформаторы тока TA и через добавочные сопротивления R_d, которые уменьшают показание ваттметра. В этом случае, мощность, потребляемая трехфазным приемником равна

Р = P_W·k_тр·k_дс ,

где P_W – показание ваттметра,

k_тр – коэффициент трансформации трансформатора тока,

k_дс — коэффициент делителя напряжения, состоящего из сопротивления R_d и внутреннего сопротивления цепи напряжения ваттметра R_в.

Коэффициенты рассчитывают по уравнениям

k_тр=I₁/I₂,

где I₁ и I₂—номинальные токи первичной и вторичной обмоток трансформатора  тока,

k_дс=(R_в +R_d)/R_в

Однако, если на циферблате ваттметра есть надписи, ТТ… и ДС… и он подключен через необходимые трансформаторы тока и добавочные сопротивления, то умножать P_W на коэффициенты k_тр и k_дс не надо. Прибор, в этом случае, показывает мощность, потребляемую трехфазным приемником. Например: ТТ600/5 означает, что номинальный первичный ток трансформатора тока должен равняться 600 А, а вторичный – 5 А; а ДС5000 означает, что добавочное сопротивление должно равняться 5000 Ом.

Если линия сети трехпроходная и нагрузка несимметричная включенная в треугольник, то применя­ют схему включения ваттметров с искусственной нулевой точкой О, которая образована внутренними сопротивлениями цепи напряжения ваттметров (рис .3).

Исходя из схемы подключения ваттметров, сумма мгновенных значений мощностей, которые учитывают ваттметры, равна

∑p_{i =} p₁+p₂+p₃=u₁₀i₁+u₂₀i₂+u₃₀i₃ , (1)

выразив линейные токи i₁, i₂ , i₃ через фазные i₁₂, i₂₃ , i₃₁ получим

i₁ = i₁₂ — i₃₁ i₂ = i₂₃ — i₁₂ i₃ = i₃₁ — i₂₃, (2)

и заменив фазные напряжения, приложенные к ваттметрам u₁₀ , u₂₀ , u₃₀ линейными напряжениями u₁₂, u₂₃, u₃₁ найдем, что

u₁₀ — u₂₀ = u₁₂ u₂₀ — u₃₀ = u₂₃ u₃₀ — u₁₀ = u₃₁ , (3)

подставив (2) и (3) в (1) определим мгновенную мощность, которую учитывают ваттметры, через токи нагрузок и напряжения, приложенные к нагрузкам

∑p_i = u₁₀i₁₂ — u₁₀i₃₁ + u₂₀i₂₃ — u₂₀i₁₂ + u₃₀i₃₁ — u₃₀i₂₃ = i₁₂(u₁₀ — u₂₀) + i₂₃(u₂₀ — u₃₀) + i₃₁(u₃₀ -u₁₀)=

= i₁₂u₁₂+i₂₃u₂₃₊ i₃₁u₃₁ (4).

Сравнивая (1) и (4) видно, что сумма мгновенных мощностей, которые учитывают ваттметры, равна сумме мгновенных мощностей потребляемых нагрузками трех фаз, то есть трехфазной нагрузкой. Интегрируя по времени мгновенные значения (1) и (4) и переходя к средним значениям, найдем, что сумма показаний 3-х ваттметров будет равна мощности, потребляемой трехфазным приемником.

В 3-х фазной цепи, при равномерной нагрузке фаз вне зависимости от способа ее соединения в звезду или в треугольник можно измерять мощность потребляемую приемником одной фазы, а затем, умножая эту мощность на 3, получим мощность, потребляемую всей 3-х фазной нагрузкой (рис. 4 и рис. 5)

последнее уравнение написано с учетом того, что при соединении нагрузки в звезду фазное напряжение равно , а фазный ток I_ф равен линейному току I_Л, то есть I_ф=I_Л.

На рис.4 предполагается, что нагрузка соединена звездой нейтральная точка, которой недоступна. Для подключения ваттметра она организована искусственным путем тремя одинаковыми сопротивлениями R. благодаря чему параллельная цепь ваттметра подключена к фазному напряжению. Через последовательную цепь ваттметра протекает линейный ток. Следовательно, такая схема подключения ваттметра позволяет ему показывать мощность, потребляемую одной фазой трехфазной нагрузки.

На рис.5 нагрузка соединена треугольником. Цепь напряжения ваттметра подключена к линейному напряжению, а через его токовую цепь протекает ток фазы. Поэтому ваттметр показывает мощность, потребляемую только одной фазой.

Иногда применяют ваттметр с искусственной нулевой точкой (рис. 6). Здесь оба сопротивления R вместе с сопротивлением параллель­ной цепи ваттметра образуют искусственную нейтральную точку 0. При этом сопротивления R должны равняться сопротивлению параллель­ной цепи ваттметра.

При соединении нагрузки фаз в звезду или треугольник мощность 3-х фазной трехпроводной цепи можно измерять двумя ваттметрами (метод применим при неравномерной и равномерной нагрузке) рис.7.

Для доказательства этого, покажем, что мощность трехфазной цепи может быть выражена двумя слагаемыми, каждое из которых может быть измерено однофазным ваттметром.

Мгновенная мощность цепи 3-х фазного тока определяется уравнением (1). Если приемники энергии соединены звездой, то на основании 1-го закона Кирхгофа для нейтральной точки

i₁+i₂+i₃=0 откуда i₂=-i₁-i₃ .

Подставив это выражение тока в выражение (1), получим:

p=u₁₀i₁+u₂₀(-i₃-i₁)+u₃₀i₃ или

p=u₁₀i₁-u₂₀i₃-u₂₀i₁+u₃₀i₃ или

p=i₁(u₁₀—u₂₀)+i₃(u₃₀—u₂₀) (5)

При соединении звездой разность двух фазных напряжений равна линейному напряжению т. е.

u₁₀—u₂₀=u_{12 ,} u₃₀—u₂₀=u_{32 .}

Подставив эти значения в (5) получим p=i₁u₁₂+i₁u₃₂=p′+p″ , (6)

то есть мгновенная мощность цепи трехфазного тока может быть представ­лена суммой двух слагаемых p′ и p″. Переходя от мгновенных значений мощности (6) к средним значениям, что выражает активную мощность, получим

(7)

где — показания первого и второго ваттметров,

I₁ и I₃ — действующие значения линейных токов равные фазным при соединении звездой,

U₁₂ и U₃₂ – действующие значения линейных напряжений,

ψ₁ и ψ₂ – углы сдвига фаз между соответствующими токами и напряжениями

Из уравнения (7) видно как должны быть включены ваттметры. Через первый ваттметр следует пропускать ток I₁ и поводить к нему напряжение U_12, через второй – I₃ и U₃₂ , что соответствует рис.7а. Следует заметить, что показания ваттметров при таком подключении не имеют физического смысла, так как токи и напряжения приложены к разным участкам цепи. Однако, складывая показания двух ваттметров, включен­ных по схеме рис.7а, получим мощность потребляемую 3-х фазной нагрузкой. На рис.7 представлены три равноценных варианта включения двух ваттметров для измерения мощностей трёхпроводной системы.

В частном случае при равномерной нагрузке фаз, векторная диаграмма токов и напряжений представлена на рис.8.

𝜓₁= 30⁰+ φ , 𝜓₂= 30⁰— φ , (8)

где 30⁰— угол между линейным и фазным напряжениями при равномерной нагрузке,

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением одной фазы.

Подставив (8) в (7) получим

P=P′+P”= U_ЛI_Лcos(30⁰+φ)+ U_ЛI_Лcos(30⁰-φ) , (9)

где U_Л и I_Л – линейные напряжения и токи.

Из уравнения (9) следует, что при активной равномерной нагрузке когда φ=0 показания ваттметров будут одинаковы. При смешанной равномерной нагрузке при φ =60⁰ показания первого ваттметра будет равны нулю, так как cos(30⁰+60⁰)=0 (рис.9). В этом случае мощность во всей цепи определяется показаниями одного второго ваттметра. При φ>60⁰ мощность P^’=U₁₂I₁cos(30⁰+φ)отрицательная т. к. косинусы углов больше 90° отрицательны. В этом случае стрелка первого ваттметра отклонится в обратную сторону. Т.к. ваттметр имеет одностороннюю шкалу, то для снятия показаний необходимо изменить переключателем ваттметра направление тока в одной из обмоток ваттметра (обычно параллельной), а показание ваттметра записать со знаком минус.

В этом случае из показаний второго ваттметра нужно вычитать показания первого т.е. сумма должна быть алгебраической.

Таким образом, отрицательное показание одного из ваттметров в схеме рис.7 — нормальное явление, имеющее место при больших углах сдвига фаз между фазными напряжением и током. Это обстоятельство заставляет особенно тщательно соблюдать правильность присоединения генераторных зажимов ваттметров т.к. отклонение подвижной час­ти ваттметра в обратную сторону в схеме рис. 7 не может служить критерием неправильности включения. Это особенно важно при включении ват­тметров через измерительные трансформаторы, когда необходимо также соблюдать правильность включения их обмоток (рис. 2 и рис10).

Так как пользование двумя ваттметрами неудобно, то практически применяют 2-х элементные ваттметры электродинамической системы, у которых подвижные катушки и стрелка закреплены на одной оси. Следовательно, вращающий момент, приложенный к оси равен сумме моментов, создаваемых каждой катушкой. Показание прибора будет равно P’+P”, то есть потребляемой мощности.

На рис.10 приведена схема измерения мощности в высоковольтных сетях по которым передается большая мощность и протекают большие токи. Так как конструкция ни какого ваттметра не позволяет подводить высокое напряжение и пропускать большие токи, то прибор подклюют через измерительные трансформаторы напряжения TV и тока TA. Они не только понижают напряжение и ток, а и обеспечивают безопасность прибора и персонала.

Изоляция этих трансформаторов рассчитана на высокое напряжение, а их вторичные обмотки заземлены. На циферблате ваттметра, включенного через трансформаторы, указывают их коэффициенты трансформации в виде ТН10000/100 и ТТ500/5. Кроме того нанесен знак «осторожно» имеющий вид стрелы молнии.

2.По показаниям двух ваттметров при равномерной нагрузке можно определить и реактивную мощность:

P″- P′=U_Л I_Л [cos(30⁰-φ)-cos(30⁰+φ)]= U_Л I_Л sinφ

Умножив последнее выражение на , получим реактивную мощность

3.По показаниям двух ваттметров при равномерной нагрузке можно определить угол сдвига фаз

Практические указания для выполнения работы

I. При помощи схемы рис. 11 проверить порядок чередования (последовательность) фаз на первичной и вторичной обмотке фазорегулятора. В этой схеме сопротивление конденсатора на рабочей частоте примерно равно сопротивлению лампы.

Если фазу, к которой присоединен конденсатор, считать фазой 1,то ярче горящая лампа включена в фазу 2.

2. Учитывая определенный порядок чередования фаз, собрать схему рис.12.

3.Ознакомиться с приборами для производства работы, записать в таблицу их системы, пределы измерения, классы точности, заводские номера, число делений. Проверить возможность применения имеющейся аппаратуры в данной схеме.

4. Задаваясь углами φ от -90⁰ через 0 до 90⁰ с интервалом 30⁰ , пользуясь векторной диаграммой для заданной схемы включения (рис. 8) , вычислить углы 𝜓₁ и 𝜓₂.

Устанавливая по фазометрам эти углы при помощи фазорегулятора, вращая его от -90° до 90° записать показания всех приборов. Фазометр типа ЭЛФ представляет собой переносной лабораторный однофазный четырехквадратный прибор электродинамической системы с непосредственным отсчетом. Следует иметь в виду, что углы могут изменяться как от 0° до 360° в сторону непрерывного увеличения, тогда они учитываются с + , так и от 360° до 0°, но брать уже со знаком — . Необходимо помнить, что положение переключателя указывает на какой шкале следует читать показания.

5. Сделать соответствующие расчеты и занести их в таблицу1. Под таблицей привести пример расчета одной строчки.

6. Построить кривые Р’ = f(φ) , Р»= f(φ) и P= f(φ).

7. Построить векторные диаграммы для пунктов, указанных преподавателем.

8.Перед разборкой схемы дать протокол лабораторной работы на под­пись преподавателя.

Контрольные вопросы

1. Измерение активной мощности в трехфазных цепях методом двух ваттметров (схемы, теория, векторная диаграмма).

2. Когда и как при измерениях активной мощности в трехфазных цепях можно использовать один ваттметр?

3. Измерение активной мощности в трехфазных цепях при соединении нагрузки в треугольник.

4. Как зависит показания ваттметров от угла сдвига фаз при измерении мощности в трехфазной цепи методом 2-х ваттметров?

5. Измерение реактивной мощности в трехфазных цепях — искусственные схемы включения электродинамических ваттметров (теория, схемы, векторные диаграммы).

6. Как измерить активную и реактивную мощности трехфазного двигателя (нагрузка активно-индуктивная, равномерная по фазам).

7. Измерение активной мощности в трехфазных цепях при соединении нагрузки в звезду (нагрузка симметричная, сеть четырехпроводная).

8. Почему при измерениях мощности методом двух ваттметров пока­зания одного из них могут быть отрицательными?

9. Как измерить активную и реактивную мощность в трехфазной нагрузке, соединенной в звезду, сеть трехпроводная.

10. Как измерить активную мощность в сети с напряжением 110 кВ? (нагрузка асимметричная).

Рис. 8

Рис.8

Рис.12

Таблица 1

Инструкция к лабораторной работе 155

Поверка однофазного индукционного счетчика

План работы

ECSTUFF4U для инженера-электронщика: Ваттметр | Определение | Символ | Формула | Типы

Ваттметр — это электрический прибор, который используется для измерения электрической мощности различных электрических цепей. Он состоит из катушки тока и катушки напряжения. Эти инструменты широко используются для передачи и распределения электроэнергии, и они также используются в целях защиты.

Ваттметр измеряет мощность различных электрических цепей. Он работает по формуле мощности.

P = IV COSΘ

Точные формулы показаний ваттметра приведены ниже:

• Показания ваттметра в однофазном режиме = Мощность нагрузки (VICOSφ) + Мощность в катушке тока ((I2r)
• Показания ваттметра в однофазной сети = VICOSφ + I2r
• Показания трехфазного ваттметра = √3 (VIcosφ + I2r)

Ниже приведены два типа ваттметров:

• Ваттметр динамометрического типа
• Ваттметр индукционного типа

1. Динамо-ваттметр Принцип работы:

Динамо-ваттметр представляет собой прибор с подвижной катушкой, рабочее поле которого создается другой неподвижной катушкой. Эти инструменты состоят из неподвижной катушки, состоящей из двух равных секций, параллельных друг другу. Эти две фиксированные катушки вынуждены избегать потерь на гистерезис. Когда переменный ток проходит через неподвижную катушку, он создает магнитное поле, и подвижная катушка начинает двигаться, а указатель прикреплен к подвижной катушке с помощью пружины, и он начинает двигаться при движении подвижных катушек.

Преимущества ваттметра динамометрического типа:

• Эти приборы обеспечивают полную точность на постоянном токе.
• Эти инструменты предназначены для обеспечения очень высокой точности при их использовании 

2. Принцип работы ваттметра индукционного типа:

Эти приборы используются как на переменном, так и на постоянном токе. Эти ваттметры обеспечивают точные показания только тогда, когда частота и напряжение питания постоянны. Эти ваттметры состоят из двух пластинчатых электромагнитов, один из которых возбуждается током с обмоткой возбуждения. Эта обмотка включена последовательно в цепь. Другой магнит возбуждается током, индуцирующим ток. Его возбуждающая катушка включена в цепь параллельно. Обмотка первого магнита несет линейный ток, а другая катушка несет напряжение и обладает высокой индуктивностью. Эта катушка подключена к источнику питания, а поток равен 90 градусов отстает от напряжения. Крутящий момент создается и пропорционален мощности в цепи нагрузки. Крутящий момент действует на диск, и сила создается в диске. Диск пришел в движение, а на нем с помощью пружины закреплена стрелка, которая показывает показания на своей шкале.

Преимущества ваттметра индукционного типа:

• Они недороги по сравнению с приборами с подвижным железом.
• Они оценивают свою точность в широком диапазоне температур и нагрузок.
• Длинная шкала, свобода от эффекта стартового поля.
• Они имеют высокое отношение крутящего момента к весу по сравнению с другими инструментами или устройствами.

Недостатки индукционного типа Ваттметр:

• Изменение температуры вызывает изменение сопротивления подвижного элемента, влияет на вихревые токи в нем и, следовательно, на рабочий крутящий момент. Погрешность, связанная с этим, частично компенсируется уравновешивающим эффектом из-за изменения температуры обмоток.
• Изменение частоты по сравнению с калибровочным значением приводит к изменению обоих реактивных сопротивлений цепи катушки напряжения. Который обладает высокой индуктивностью, а также в сумме компенсации от фазокомпенсирующей цепи. В пределах частоты встречаемых в практике на магистральных.

Ваттметр используется в различных областях, таких как:

• Лаборатории
• Отрасли
• Измерения мощности при распределении и передаче электроэнергии.

Дополнительная информация:

Ваттметр — это электрический прибор, который используется для измерения электрической мощности различных электрических цепей. Он состоит из катушки тока и катушки напряжения. Эти инструменты широко используются для передачи и распределения электроэнергии, и они также используются в целях защиты.

Ваттметр измеряет мощность различных электрических цепей. Он работает по формуле мощности.

P = IV COSΘ

Точные формулы показаний ваттметра приведены ниже:

• Показания ваттметра в однофазном режиме = Мощность нагрузки (VICOSφ) + Мощность в катушке тока ((I2r)
• Показания ваттметра в однофазной сети = VICOSφ + I2r
• Показания трехфазного ваттметра = √3 (VIcosφ + I2r)

Ниже приведены два типа ваттметров:

• Ваттметр динамометрического типа
• Ваттметр индукционного типа

1. Динамо-ваттметр Принцип работы:

Динамо-ваттметр представляет собой прибор с подвижной катушкой, рабочее поле которого создается другой неподвижной катушкой. Эти инструменты состоят из неподвижной катушки, состоящей из двух равных секций, параллельных друг другу. Эти две фиксированные катушки вынуждены избегать потерь на гистерезис. Когда переменный ток проходит через неподвижную катушку, он создает магнитное поле, и подвижная катушка начинает двигаться, а указатель прикреплен к подвижной катушке с помощью пружины, и он начинает двигаться при движении подвижных катушек.

Преимущества ваттметра динамометрического типа:

• Эти приборы обеспечивают полную точность на постоянном токе.
• Эти инструменты предназначены для обеспечения очень высокой точности при их использовании 

2. Принцип работы ваттметра индукционного типа:

Эти приборы используются как на переменном, так и на постоянном токе. Эти ваттметры обеспечивают точные показания только тогда, когда частота и напряжение питания постоянны. Эти ваттметры состоят из двух пластинчатых электромагнитов, один из которых возбуждается током с обмоткой возбуждения. Эта обмотка включена последовательно в цепь. Другой магнит возбуждается током, индуцирующим ток. Его возбуждающая катушка включена в цепь параллельно. Обмотка первого магнита несет линейный ток, а другая катушка несет напряжение и обладает высокой индуктивностью. Эта катушка подключена к источнику питания, а поток равен 90 градусов отстает от напряжения. Крутящий момент создается и пропорционален мощности в цепи нагрузки. Крутящий момент действует на диск, и сила создается в диске. Диск пришел в движение, а на нем с помощью пружины закреплена стрелка, которая показывает показания на своей шкале.

Преимущества ваттметра индукционного типа:

• Они недороги по сравнению с приборами с подвижным железом.
• Они оценивают свою точность в широком диапазоне температур и нагрузок.
• Длинная шкала, свобода от эффекта стартового поля.
• Они имеют высокое отношение крутящего момента к весу по сравнению с другими инструментами или устройствами.

Недостатки индукционного типа Ваттметр:

• Изменение температуры вызывает изменение сопротивления подвижного элемента, влияет на вихревые токи в нем и, следовательно, на рабочий крутящий момент. Погрешность, связанная с этим, частично компенсируется уравновешивающим эффектом из-за изменения температуры обмоток.
• Изменение частоты по сравнению с калибровочным значением приводит к изменению обоих реактивных сопротивлений цепи катушки напряжения. Который обладает высокой индуктивностью, а также в сумме компенсации от фазокомпенсирующей цепи. В пределах частоты встречаемых в практике на магистральных.

Ваттметр используется в различных областях, таких как:

• Лаборатории
• Отрасли
• Измерения мощности при распределении и передаче электроэнергии.

Дополнительная информация:

Ваттметр с низким коэффициентом мощности: что это такое? (И почему он используется)

18 апреля 2021 г. 28 ноября 2018 г. by Electrical4U

Измеритель низкого коэффициента мощности — это прибор, который используется для точного измерения низких значений коэффициента мощности. Прежде чем мы подробнее изучим ваттметр с низким коэффициентом мощности , нам нужно понять, почему нам нужен ваттметр с низким коэффициентом мощности в первую очередь (в отличие от стандартного электродинамометрического ваттметра)

Ответ прост: стандартный ваттметр дает неточные результаты.

Теперь есть две основные ситуации, когда мы должны , а не использовать обычный ваттметр для измерения низкого коэффициента мощности:

1. Значение отклоняющего момента очень низкое, даже если мы полностью возбуждаем катушки тока и давления.
2. Ошибки из-за индуктивности катушки давления.

Вышеуказанные две причины дают очень неточные результаты, поэтому мы не должны использовать обычные или обычные ваттметры для измерения низкого значения коэффициента мощности.

Однако, сделав некоторые модификации или добавив некоторые новые функции, мы можем использовать модифицированный электродинамический ваттметр или низкий коэффициент мощности для точного измерения низкого коэффициента мощности.

В идеале мы должны увеличить коэффициент мощности за счет коррекции коэффициента мощности. Но иногда невозможно получить достаточно высокий коэффициент мощности (по техническим причинам или из-за проблем с бюджетом).

Здесь мы собираемся обсудить, где нам нужно сделать модификацию. Они обсуждаются один за другим ниже:

(1) Электрическое сопротивление катушки давления обычного ваттметра уменьшается до низкого значения, так что ток в цепи катушки давления увеличивается, что приводит к. В этой категории возникают два случая, диаграммы показаны ниже:

В первой категории оба конца напорной катушки соединены со стороной подачи (т. е. токовая катушка последовательно с нагрузкой). Напряжение питания равно напряжению на катушке давления. Таким образом, в данном случае мы имеем, что мощность, которую показывает первый ваттметр, равна потере мощности в нагрузке плюс потеря мощности в катушке тока.

Во второй категории катушка тока не включена последовательно с нагрузкой, а напряжение на катушке давления не равно приложенному напряжению.

Напряжение на катушке давления равно напряжению на нагрузке. Эта мощность, показываемая вторым ваттметром, равна потере мощности в нагрузке плюс потеря мощности в напорной катушке.

Из приведенного выше обсуждения мы заключаем, что в обоих случаях у нас есть некоторое количество ошибок, поэтому необходимо внести некоторые изменения в приведенные выше схемы, чтобы иметь минимальную ошибку.

Модифицированная схема показана ниже:
Мы использовали здесь специальную катушку, называемую компенсационной катушкой, она пропускает ток, равный сумме двух токов, то есть тока нагрузки плюс тока катушки давления.

Катушка давления размещается таким образом, чтобы поле, создаваемое компенсационной катушкой, противостояло полю, создаваемому катушкой давления, как показано на схеме выше.

Таким образом, чистое поле обусловлено только током I. Таким образом, ошибки, вызванные катушкой давления, могут быть нейтрализованы.

(2) Нам нужна компенсационная катушка в цепи, чтобы сделать измеритель низкого коэффициента мощности. Это вторая модификация, которую мы подробно обсуждали выше.

(3) Теперь третий пункт касается компенсации индуктивности катушки давления, что может быть достигнуто путем внесения изменений в приведенную выше схему.

Теперь выведем выражение для поправочного коэффициента для индуктивности катушки давления. И из этого поправочного коэффициента мы получим выражение для ошибки из-за индуктивности катушки давления.

Если мы рассмотрим индуктивность катушки давления, у нас нет напряжения на давлении в фазе с приложенным напряжением.

Следовательно, в этом случае он отстает на угол

Где, R — электрическое сопротивление последовательно с напорной катушкой, r _p — сопротивление напорной катушки, отсюда также заключаем, что ток в токовой катушке также отстает на некоторое угол с током в катушке давления. И этот угол равен C = A – b. В это время показание вольтметра составляет

Где R _p равно (r _p +R), а x равно углу. Если мы пренебрежем влиянием индуктивности давления, то есть положим b = 0, мы получим выражение для истинной мощности как

. Взяв соотношение уравнений (2) и (1), мы получим выражение для поправочного коэффициента, как написано ниже:

И из этого поправочного коэффициента ошибка может быть рассчитана как

. Подставив значение поправочного коэффициента и приняв подходящее приближение, мы получим выражение для ошибки как VIsin(A)*tan(b).

Теперь мы знаем, что ошибка, вызванная индуктивностью катушки давления, определяется выражением e = VIsin(A) tan(b), если коэффициент мощности низкий (т.е. в нашем случае значение φ велико, следовательно, мы имеем большая ошибка).

Таким образом, чтобы избежать этой ситуации, мы соединили переменное последовательное сопротивление с конденсатором, как показано на рисунке выше.

Эта окончательная модифицированная схема, полученная таким образом, называется измерителем низкого коэффициента мощности .

Современный измеритель коэффициента мощности с низким коэффициентом мощности разработан таким образом, что он обеспечивает высокую точность при измерении коэффициента мощности даже ниже 0,1.

Хотите учиться быстрее? 🎓

Каждую неделю получайте электротехнические товары на свой почтовый ящик.
Кредитная карта не требуется — это абсолютно бесплатно.

О Electrical4U

Electrical4U посвящен обучению и распространению всего, что связано с электротехникой и электроникой.

…

Рабочий ваттметр динамометрического типа — руководство по электротехнике

Ваттметр динамометрического типа представляет собой прибор с подвижной катушкой. Но в этом случае рабочее поле создается неподвижной катушкой вместо постоянного магнита. Ваттметр, в котором неподвижные катушки создают рабочее поле, известен как ваттметр динамометрического типа.
 
Ваттметры динамометрического типа очень важны, потому что мы очень часто используем их для измерения мощности в цепях переменного тока.
 

В этих ваттметрах поле, создаваемое подвижной катушкой с током, пытается совпасть с полем, создаваемым неподвижной катушкой с током, и на подвижную систему действует отклоняющий момент. В результате в стрелке происходит отклонение.
 

Конструкция ваттметра динамометрического типа

Ваттметр динамометрического типа в основном состоит из двух катушек, называемых неподвижной катушкой и подвижной катушкой. Неподвижная катушка разделена на две равные части, расположенные параллельно друг другу. Две фиксированные катушки имеют воздушный сердечник, чтобы избежать эффектов гистерезиса при использовании на переменном токе.
 
Фиксированная катушка соединена последовательно с нагрузкой и несет ток цепи. Поэтому ее называют токовой катушкой. Поскольку катушки тока несут полный ток нагрузки, они состоят из толстой проволоки. И ток, протекающий через них, высок, поэтому для создания желаемого магнитного поля достаточно нескольких витков.

Как правило, последовательно с подвижной катушкой подключается высокоомное сопротивление для ограничения тока через нее. За счет ограничения тока подвижная катушка делается облегченной, что, в свою очередь, увеличивает чувствительность прибора.
 
Пружины обеспечивают управляющий крутящий момент. Они также служат дополнительной цели подачи тока в подвижную катушку и из нее. В таких приборах используется демпфирование трения воздуха.
 
Его токовая катушка, включенная последовательно с нагрузкой, несет ток нагрузки, а потенциальная катушка, подключенная параллельно нагрузке, несет ток, пропорциональный напряжению на нагрузке.
 

Тип динамометра Ваттметр Рабочий

Фиксированная катушка создает поле F _m , а подвижная катушка создает поле F _r . Поле F _r стремится совпасть с основным полем F _m , что обеспечивает отклоняющий момент на подвижной катушке. Таким образом, стрелка, прикрепленная к шпинделю подвижной катушки, отклоняется. Это отклонение контролируется управляющим крутящим моментом, создаваемым пружинами.
 

Преимущества ваттметра динамометрического типа

• Может использоваться как в цепях переменного, так и постоянного тока.
• Имеет единую шкалу.
• Благодаря тщательному проектированию мы можем добиться высокой степени точности.

Недостатки ваттметра динамометрического типа

• При малых коэффициентах мощности индуктивность потенциальной катушки вызывает серьезные ошибки.
• На показания прибора могут влиять поля рассеяния, воздействующие на подвижную катушку. Для предотвращения этого обеспечивается магнитное экранирование путем помещения прибора в железный корпус.

Ошибки динамометрического типа ваттметра

В ваттметрах этого типа имеются следующие серьезные ошибки:
 
1. Ошибка из-за индуктивности потенциальной катушки : Индуктивность потенциальной катушки может вызвать ошибку в показаниях ваттметра. Из-за этой ошибки ваттметр дает высокое значение отстающего коэффициента мощности и низкое значение опережающего коэффициента мощности.
 
Высокое неиндуктивное сопротивление, включенное последовательно с катушкой, подавляет фазирующий эффект потенциальной индуктивности катушки.
 
2. Ошибка из-за потери мощности в потенциальной катушке или токовой катушке : Другая возможная ошибка в указанной мощности может быть связана с некоторым падением напряжения в токовой катушке или током, потребляемым потенциальной катушкой.
 
Устранить этот дефект можно, используя дополнительную компенсирующую обмотку. Эта обмотка соединена последовательно с потенциальной катушкой и расположена так, что она создает поле в направлении, противоположном направлению токовых катушек.
 
3. Ошибка из-за вихревых токов : Переменное поле неподвижной или токовой катушки индуцирует вихревые токи в твердых металлических частях, которые создают собственное магнитное поле. Это изменяет величину и фазу магнитного поля, вызывая отклонение.
 
Таким образом, в показания прибора вносится ошибка. Чтобы уменьшить эту ошибку, сплошные металлические детали размещают как можно дальше от катушки тока.
 
Ошибка из-за рассеянного магнитного поля : Ваттметр динамометрического типа имеет относительно слабое рабочее поле; поэтому поля рассеяния значительно влияют на показания этого прибора и вызывают серьезные ошибки.
 
Следовательно, этот тип прибора должен быть защищен от паразитных магнитных полей. Попробуйте использовать железные корпуса или установить тонкие железные экраны над рабочими частями.
 

Диапазон

    Токовая цепь: —    0,25 – I00 А без использования трансформаторов тока.
    Потенциальная цепь: —  5 В – 750 В без использования трансформаторов тока.
 

Отклоняющий момент пропорционален мощности | Доказательство

 
В случае цепи постоянного тока :
Пусть,
 
В = напряжение на нагрузке
I = ток нагрузки
Ток через неподвижную катушку, I ₁ = I
Ток через подвижную катушку, I ₂ α В
 
Поскольку катушки имеют воздушный сердечник, плотность потока, создаваемая неподвижной катушкой, непосредственно пропорциональна току I ₁ , т. е.
B α I ₁
 
Подвижная катушка с током находится в потоке, создаваемом неподвижной катушкой. Следовательно, отклоняющий момент, T _d α BI ₂
Или T _d α I ₁ I ₂
T _d α IV
T _d α Мощность
 
Следовательно, отклонение, показываемое ваттметром, пропорционально мощности, потребляемой в цепи.
 
В случае цепи переменного тока :
 
Пусть,
v = мгновенное напряжение на нагрузке,
i = мгновенный ток через нагрузку,
Cos φ = коэффициент мощности нагрузки (отставание).
 
Теперь v = V _m sinθ
i = I _m sin (θ – φ)
Мгновенное значение тока через неподвижную катушку, i ₁ = i
Мгновенное значение тока через подвижную катушку, i ₂ α v
Мгновенный отклоняющий момент α i ₂ i
Или Мгновенный отклоняющий момент α vi
 
Из-за инерции подвижной системы стрелка не может отслеживать быстрые изменения мгновенной силы. Следовательно, отклонение будет пропорционально среднему крутящему моменту, а ваттметр покажет среднюю потребляемую мощность.
 
Таким образом, средний отклоняющий момент, T _d α в среднем vi за цикл.
 

Следовательно, отклоняющий момент пропорционален реальной мощности, потребляемой в цепи.
 
Управляющий момент обеспечивается пружинами. Следовательно,
Td θ (где θ — прогиб).
 
В устойчивом положении отклонения
Td = Tc
Мощность α θ
Или θ α Мощность
 
Поскольку отклонение пропорционально измеряемой мощности (потребляемой нагрузкой), поэтому ваттметр динамометрического типа имеет равномерную шкалу .

Спасибо, что прочитали о «принципе работы ваттметра динамометрического типа».

Ваттметр (простой измеритель мощности переменного тока)

Введение: Ваттметр – важный измерительный прибор. Это позволяет измерить реальную электрическую мощность (Ватт). Определить реальную мощность в цепях переменного тока нельзя, просто умножив среднеквадратичное значение напряжения и тока, поскольку коэффициент мощности часто не равен 1. Вы должны использовать измеритель, который непрерывно измеряет мгновенный ток и напряжение, перемножает их и выдает среднее значение. Аналоговые электромеханические устройства делают это с помощью катушки тока (сплошной) и катушки напряжения (подвижной, с прикрепленной к ней иглой). Магнитная сила, действующая между катушками, равна произведению магнитных полей. Усреднение достигается по импульсу системы. Традиционные ваттметры с аналоговой шкалой не очень точны и обычно имеют низкий полезный диапазон измерений.
Теория электронного ваттметра: Я решил сделать это твердотельным способом — построить электронный измеритель мощности с аналоговой обработкой и цифровым считыванием. Отображение обеспечивается цифровым мультиметром, который сейчас можно купить менее чем за 100 чешских крон (примерно 4 доллара США), и поэтому нет смысла создавать свой собственный. цифровой вольтметр. Также можно использовать панельный цифровой вольтметр или даже аналоговый измеритель. Непосредственное напряжение определяется с помощью делителя напряжения. Ток определяется шунтом. Затем напряжение и ток умножаются на аналоговый умножитель AD633. На выходе выдается напряжение, пропорциональное мгновенной мощности. Для получения средней мощности необходимо отфильтровать сигнал с помощью RC-фильтра.
Самой большой проблемой в этой схеме является получение произведения двух аналоговых напряжений. Это не так просто, как это может показаться. Возможно умножение с использованием операционных усилителей и переходов дискретных диодов или транзисторов, имеющих экспоненциальную характеристику. Их принцип состоит в том, чтобы логарифмировать оба сигнала, складывать их и, наконец, делогарифмировать. Точность не очень, есть проблемы с калибровкой, огромный температурная зависимость и различия между отдельными кусочками транзисторов или диодов. Поэтому я отказался от этого варианта. Другой вариант с помощью широтно-импульсных умножителей, но и это решение весьма своеобразно. Еще больше осложнений возникает, когда необходимо работать с обеими полярностями тока и напряжения (4 квадранта). Поэтому я решил использовать специализированную микросхему AD633 (AD633JN в классическом корпусе THT DIP8) — четырехквадрантный аналоговый умножитель с дифференциальными входами и точностью 2%. Для получения дополнительной информации см. техническое описание AD633. Обратите внимание, что версия SMD имеет другую распиновку! Выходное напряжение находится по формуле:
w = (x2-x1) * (y1-y2): 10 В + z
Хотел попробовать интегральную схему MPY634 с точностью 0,5%, но не нашел. Максимальный диапазон входного и выходного напряжения, при котором работает схема AD633, составляет +/- 10В. Это должно соответствовать обоим входным напряжениям. Цепь должна быть рассчитана на амплитуду тока и напряжения, а не только на эффективное значение. Для сети 230В вам придется работать с пиком 325В, а не только 230В. Соотношение делителя 1:40 кажется лучшим. Это позволяет работать с пиковым напряжением до 400В. Напряжение шунта ниже напряжения делителя напряжения, поэтому подключается ко входу Y, имеющему лучшую точность.
Схема простого ваттметра: На рис. 1 представлена ​​простейшая конструкция измерителя мощности (ваттметра) с AD633 и одним диапазоном. Ток определяется шунтом. Если нам требуется преобразование выходного сигнала 1 мВ/1 Вт, значение шунта должно быть 0R4 (0,4 Ом). Максимальный среднеквадратичный ток через счетчик определяется максимально допустимой рассеиваемой мощностью шунта. Для шунта 0,4 Ом 40 Вт максимальный непрерывный ток составляет 10 А. Максимальная измеренная мощность составляет 2300 Вт для идеальной резистивной нагрузки, для других нагрузок она должна быть меньше. Другим ограничением является максимальное входное напряжение умножителя (10 В), поэтому максимальный пиковый ток должен быть ниже 25А. Калибровка выполняется установкой P1 в соответствии с известной нагрузкой. Сумма значений P1 и R1 будет около 390k, и тогда коэффициент деления будет 1:40. Если вы не можете установить правильное значение с помощью P1, измените значение R1. Входы умножителя защищены от перенапряжения стабилитронами на 12 В. Напряжение питания (+/- 15В) получается с помощью емкостного дроппера и двух стабилитронов на 15В. В сочетании с мультиметром с разрешением 0,1 мВ вы получите ваттметр с разрешением 0,1 Вт. Мы будем использовать Диапазоны 200 мВ, 2 В и, возможно, 20 В, где мощность отображается непосредственно в ваттах (1 мВ = 1 Вт) или киловаттах (1 В = 1 кВт).

Предупреждение! Вся схема, включая вывод для мультиметра (вольтметра), электрически связана с сетевым напряжением, что смертельно опасно. Это должно быть обработано соответствующим образом. Для снижения риска возгорания следует использовать предохранитель или автоматический выключатель. Вы делаете все на свой страх и риск. Я не несу никакой ответственности за любой ваш вред.

Рис. 1 – Схема простого ваттметра

AD633JN в корпусе DIP8.

Первые опыты с ваттметром

Прототип ваттметра в макете.

Ваттметр на печатной плате.

Добавлено: 03.07.2011
дом

пр.189

Авторские права © Rod Elliott, май 2019 г.
Обновлено в феврале 2022 г.

Как правило, ваттметр для аудио не особенно востребован, поскольку большинство людей с удовольствием оценивают мощность на основе приложенного напряжения и номинального импеданса динамика. Для дизайнера динамиков или любого, кто хочет узнать «настоящую» мощность, это то, что вам нужно. Он не измеряет произведение среднеквадратичных вольт и среднеквадратичных ампер, поскольку это ВА (вольт-амперы), которые должен подавать усилитель, но когда напряжение и ток не совпадают по фазе, мощность является мерой фактической выполненной работы. . ВА — это напряжение и ток, необходимые для громкоговорителя до выполнить эту работу. Они редко бывают одинаковыми, за исключением нескольких точечных частот, где динамик кажется резистивным.

В основном, простой расчет, основанный на напряжении или силе тока, — это все, что вам действительно нужно, но иногда вам может понадобиться узнать фактическую мощность, потому что импеданс громкоговорителя вряд ли является ровным и сильно зависит от частоты.

Для одного драйвера вы можете просто измерить сопротивление постоянного тока звуковой катушки, а затем измерить среднеквадратичное значение тока, подаваемого на динамик. Мощность определяется по стандартной формуле P = I² × R, где R — сопротивление звуковой катушки постоянному току. Это работает, потому что подавляющая часть мощности, подаваемой на любой динамик, просто преобразуется в тепло, и большая часть этого тепла рассеивается в звуковой катушке. Есть некоторые дополнительные нереактивные потери, но они сравнительно невелики. Как правило, с помощью этого метода вы можете рассчитывать на получение в пределах 5% от фактической мощности.

Однако, когда задействована система громкоговорителя , этот простой прием также не сработает. Это может быть близко, но есть слишком много других вещей, которые вызовут ошибки. Главным среди них является перекрестная сеть, которая делает определение резистивных потерь где-то между трудным или невозможным. В то время как метод, описанный выше (вероятно), не будет слишком далек от истины, потери в подвесах динамиков и кроссовере не так легко компенсировать. Тем не менее, это самый простой способ получить 9.0610 репрезентативное измерение без лишней болтовни. Окончательный результат обычно будет ближе к фактической мощности, чем вы получите, используя среднеквадратичное значение напряжения и номинальное сопротивление.

В то время как ваттметр может быть построен с использованием ПОС (или какого-либо другого микроконтроллера), АЦП (аналого-цифровые преобразователи) должны быть не менее 14-разрядными, иначе точность будет сильно скомпрометирована. Большинство распространенных PIC недостаточно быстры, чтобы обрабатывать полнодиапазонный звуковой сигнал (требуется минимум дискретизации 41,1 кГц для и аналоговые входы ), и в сочетании с кодом, необходимым для расчета мгновенной мощности, вы, вероятно, обнаружите, что вам нужно что-то гораздо более быстрое, чем обычно. Это не то, что я хочу попробовать, поэтому, если это то, что вы хотите, вам придется искать в другом месте.

В сети вы также встретите бесчисленное количество «ваттметров», но подавляющее большинство из них — всего лишь вольтметры. Они показывают только напряжение , подаваемое на динамик, но хотя они могут показывать калибровку в ваттах, это просто оценка, основанная на напряжении и номинальном импедансе динамика. Это включает в себя ESP Project 180, который измеряет только пиковое напряжение и отображает только «номинальные» ватты. Проект можно охарактеризовать как «конфетку для глаз» — он выглядит красиво и при правильной настройке скажет вам, что усилитель клиппирует, но это не так. 0610, а не измеряют мощность.

Хотя они не особенно распространены, вы можете купить настоящий ваттметр, хотя и с ограниченным частотным диапазоном и кучей функций, которые вы не будете использовать (по крайней мере, в любых аудиоизмерениях). Тот, на который я смотрел, продается за ничтожные 1276 австралийских долларов, и это вариант для людей с глубокими карманами (с кучей наличных денег) или тех, кому требуется сертифицированное измерение. Описанный здесь счетчик даже не пытается конкурировать, потому что по большей части он не актуален.

При условии, что вы сможете справиться со стоимостью микросхемы аналогового умножителя (примерно 20 долларов за штуку), этот проект будет интересен. Я построил основы и убедился, что он работает так, как ожидалось, и результаты интересны. Более того, это отличный инструмент для обучения, и его можно использовать для измерения мощности, потребляемой всем, что работает от сети переменного тока. Хотя его можно приспособить для измерения мощности сети, это абсолютно не рекомендуется . Это сработает, но риск для жизни просто слишком велик, а сетевые ваттметры переменного тока можно приобрести за очень небольшие деньги на ebay или тому подобном (см. проект 172, если вы хотите измерить мощность сети).

Обратите внимание, что это единственный проект такого типа в Сети, но он был украден (или, по крайней мере, схемы) несколькими другими сайтами. Описано несколько других «ваттметров», но большинство из них либо просто вольтметры (откалиброванные в ваттах), либо вряд ли будут работать должным образом. Хотя большая часть этой конструкции была смоделирована, я также построил и протестировал ее. Как и ожидалось, он работает так, как описано, и показывает только истинную силу. Это легко доказать — достаточно отсоединить один провод динамика, чтобы на нем было напряжение, но не ток. Выход (близок) к нулю. В описании проекта объясняется, как откалибровать условие нулевой мощности, но это уже настолько близко, что вам будет трудно даже увидеть небольшую ошибку на измерителе.

Существует очень мало настоящих измерителей мощности, предназначенных для работы со звуком. В первую очередь это связано с минимальным спросом — в основном людей не волнует реальная мощность, а только та величина, которая определяется приложенным напряжением и номинальным импедансом. Вы не можете просто измерить среднеквадратичное значение напряжения и тока и перемножить их вместе, потому что это дает значение ВА (вольт × ампер), известное в электротехнике как «полная мощность». Это то, что должен обеспечивать усилитель, но громкоговорители являются реактивными нагрузками и объединяют сопротивление, емкость и индуктивность для создания импеданса. Как многие уже заметили, импеданс широко варьируется в диапазоне рабочих частот. Реактивные нагрузки вызывают сдвиг фазы тока по отношению к напряжению (обычно до ±45°, иногда больше).

Чисто реактивная нагрузка (не имеющая сопротивления) потребляет ток от источника, но не рассеивает мощность. Это относится к конденсаторам, но катушки индуктивности всегда имеют некоторое последовательное сопротивление и всегда будут рассеивать некоторую мощность. В отличие от электрической цепи, работающей на одной частоте, громкоговоритель подвергается постоянному изменению частоты (или частот), потому что такова сама природа звука. Следовательно, трудно (но не невозможно) заставить громкоговоритель работать как чисто резистивная нагрузка. Дополнительные схемы (катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы) в конечном итоге потребляют значительную мощность, но не изменяют производительность самих драйверов. В некоторых случаях (например, в настроенном корпусе) есть дополнительные реактивные элементы, создаваемые настроечным портом, воздушной массой (индуктивностью), а захваченный воздух обеспечивает коническую нагрузку и «упругость» (емкость).

Коррекция импеданса необходима вблизи частоты кроссовера, чтобы гарантировать, что частота кроссовера (или частоты) не подвергается неблагоприятному влиянию изменяющегося импеданса драйверов на (или близкой) частоте кроссовера. Эти сети неизменно поглощают некоторую мощность, но ее не всегда легко рассчитать. Во многом это связано с постоянно меняющейся частотой и амплитудой любого звукового сигнала. Все эти факторы в совокупности делают истинное измерение мощности очень трудным.

Рисунок 1. Имитация акустической системы

На приведенной выше схеме показана акустическая система, состоящая из НЧ-динамика, ВЧ-динамика и базового кроссовера 12 дБ/октаву. Не было предпринято никаких попыток оптимизировать что-либо, кроме коррекции импеданса вуфера (6,8 Ом и 22 мкФ), схема коррекции импеданса твитера отсутствует, и это просто пример. Далее показан график импеданса, и мы можем поэкспериментировать с основными расчетами. Динамик имеет номинальное сопротивление 8 Ом, что означает только то, что это средний импеданс , взятый по всему диапазону частот. Фактический импеданс варьируется от минимума 5,56 Ом (на частоте 270 Гц) до максимума 44 Ом на резонансе вуфера. Импеданс является резистивным (в основном) на двух частотах — 47 Гц (резонанс низкочастотного динамика) и 270 Гц, хотя в диапазоне от 1 кГц до 3,6 кГц он составляет сносно . Совершенно очевидно, что при резонансе на низкочастотный динамик поступает лишь небольшое количество мощности (11 Вт при входном напряжении 22 В на частоте 47 Гц).

Рис. 2. Имитация импеданса динамика

Если входное напряжение настроено как шумовой сигнал с номинальным среднеквадратичным выходным напряжением 22 В, мы можем проверить три метода расчета мощности. Если мы используем 20,7 В в качестве эталона (фактическое шумовое напряжение от симулятора), мощность получается 53,6 Вт. Среднеквадратический ток, потребляемый системой, составил 2,54 А, что дает мощность 51,6 Вт. Симулятор говорит мне, что фактическая мощность составляет чуть более 49 Вт, поэтому два других метода несколько завышают реальную мощность. Если мы умножим среднеквадратичное напряжение и среднеквадратичный ток, это даст 52,6 Вт (фактически ВА, вольт-ампер), что также является ошибкой. Общая погрешность составляет около 7%, не совсем точное измерение. Вы можете видеть, что измерение среднеквадратичного значения тока дает наиболее близкую к фактической мощность, и во многих случаях это будет «достаточно хорошо». Обратите внимание, что непрерывные измерения мощности с использованием напряжения или тока надежно работают только при малой мощности. При большой мощности звуковая катушка нагревается, ее сопротивление возрастает, а мощность снижается.

Настоящая проблема здесь в том, «кого это волнует?». В основном мы этого не делаем, но если вы хотите получить лучший результат, вам нужно читать дальше. Имейте в виду, что этот пример легко может быть намного лучше или намного хуже, чем реальная система, поэтому, если у вас нет средств для расчета истинной мощности , вы никогда не узнаете, насколько ваши базовые измерения далеки от нормы или нет.

В действительности, поскольку громкоговорители используются на уровнях и с материалом, которые в некоторой степени непредсказуемы, точные измерения обычно не важны. Однако есть много людей, которые действительно do хотят знать правильный ответ, и возможность измерить реальную мощность, безусловно, поможет количественно определить реальную чувствительность динамика или системы. Это также позволяет вам оценить степень сжатия мощности, не требуя точных измерений SPL (уровня звукового давления). Тем не менее, тестируемый динамик по-прежнему будет издавать много шума, поэтому хорошей идеей может быть звуконепроницаемая камера.

Самые ранние счетчики электроэнергии работали по тому же принципу, что и счетчики электроэнергии кВтч (киловатт-час) старого образца, которые можно было найти в наружном блоке предохранителей. В них использовались две катушки провода — одна с толстым проводом (и несколькими витками) для контроля тока, а другая с тонким проводом (и большим количеством витков) для напряжения. Две катушки были расположены таким образом, что мощность (не ВА) заставляла вращаться алюминиевый диск со скоростью вращения, определяемой используемой мощностью. Это потом водило шестеренки с указателями, которые показывали общий расход.

Подобное устройство использовалось измерителями мощности, в которых вместо алюминиевого диска использовалась стрелка, а шкала измерителя показывала мгновенную потребляемую мощность. Хотя это были произведения искусства ^[ 1 ] , их частотная характеристика была ограничена примерно 1 кГц в качестве верхнего предела. В отличие от счетчиков кВтч, они также могут измерять мощность постоянного тока. К сожалению, если вы найдете один из этих счетчиков в продаже, он почти наверняка будет очень дорогим, так как теперь они являются предметами коллекционирования и имеют премиальную цену.

Измерение истинной мощности (в отличие от ВА) определяется путем непрерывного умножения мгновенного значения напряжения и тока. Это можно сделать в цифровом виде, но для обеспечения аналогового выходного сигнала требуются АЦП (аналогово-цифровые преобразователи) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). В качестве альтернативы весь процесс может быть выполнен с использованием микроконтроллера или PIC для обеспечения цифрового считывания. Это требует значительного объема программирования, и программист по-прежнему должен гарантировать, что входное напряжение и ток измеряются точно и масштабируются, чтобы они не перегружали АЦП и не вызывали ошибок «вне диапазона» во время вычислений.

по-прежнему легко доступны, но они являются дорогими ИС по сравнению с большинством операционных усилителей и других ИС, используемых в аудио. Умножитель вполне способен на необходимые математические расчеты, а формула для работы рекомендуемого умножителя AD633 такова …

Vвых = (X1 — X2) × (Y1 — Y2) / 10

Таким образом, напряжение X, равное, скажем, 5 В (мгновенное значение) и напряжение Y, равное 4 В, даст на выходе 2 В. Конфигурация выводов AD633 показана ниже, и для наших целей входы X2 и Y2 заземлены, поэтому в приведенной выше формуле нечего вычитать. Результат основан на мгновенных значениях напряжения и тока, поэтому фазовые углы учитываются для получения «истинной» мощности, а не вольт-ампер.

Рис. 3. Контакты и внутренние функции AD633JN

AD633 представляет собой 4-квадрантный умножитель, что означает, что и входы, и выходы могут быть как положительными, так и отрицательными. Это абсолютное требование, поэтому «меньшие» множители (например, двухквадрантные) использовать нельзя. Не то, чтобы многие из них все еще доступны, и даже AD633 является дорогой ИС, продаваемой по цене около 22 австралийских долларов каждая. В наличии есть и другие, но все они намного дороже !

Для того, что нам нужно, контакты X2 и Y2 заземлены, как и контакт Z (который можно использовать в окончательной схеме для обнуления любого остаточного смещения). Отдельные входы (X и Y) могут быть обнулены с помощью , а не , заземляющего контакты X2 и Y2, но с помощью многооборотных подстроечных резисторов для обнуления любого смещения постоянного тока, которое может присутствовать. Вывод с маркировкой «W» является выходом. Обратите внимание, что существует несколько вариантов базового AD633, и не все они имеют одинаковые выводы. Если вы используете что-то отличное от версии ‘JN’, помните об этом. Существует также версия «AN», но она предназначена для гораздо более широкого диапазона температур и обычно значительно дороже.

Тот факт, что AD633 является 4-квадрантным умножителем, важен, потому что, когда сигнал имеет противофазу напряжения и тока, напряжение может быть положительным, а ток отрицательным (и наоборот), и это именно то, что реактивная цепь (например, громкоговоритель) будет производить на разных частотах. Выход умножителя усредняется (с помощью интегрирующей схемы), и при измерении динамика результат (выход умножителя) всегда будет положительной цифрой. Если вы измеряете выход усилителя (источника), результат всегда будет (или должен быть) отрицательный , потому что он является источником энергии, а не принимает ее. Вы также можете измерить отрицательную мощность, если трансформатор тока находится в противофазе, поэтому просто поменяйте полярность первичной обмотки или вторичной обмотки .

Разница между потребляемой и потребляемой мощностью незначительна, и идея здесь состоит в том, чтобы определить мощность, поглощаемую динамиком, поэтому мы ожидаем в целом положительного результата. До интегрирования напряжение будет отрицательным в некоторых частях сигнала, потому что динамик возвращает питание на усилитель. Этот довольно маловероятный сценарий связан с реактивной природой громкоговорителя и является ключом к получению «истинного» измерения мощности. Этого не происходит при резистивной нагрузке.

AD633 может принять пиковое значение на любом входе ±10 В (среднеквадратичное значение 7 В для синусоиды), и очень важно, чтобы это значение не превышалось. Поскольку микросхема внутренне делит выходной сигнал на 10, если на оба входа подается 10 В, на выходе будет 10 В (100/10). Интересно, что входные данные Y более точны, чем входные данные X, но это не должно нас сильно беспокоить. Однако имеет смысл использовать вход Y1 для тока, так как его более высокая точность позволяет точно измерять более низкий уровень выходного тока.

Рис. 4. Принцип действия умножающего ваттметра

Базовая компоновка показана выше. Ток контролируется входом Y1 (через трансформатор тока), а напряжение – входом X1. Выходное напряжение является мерой мгновенной мощности в любой момент времени, а результат усредняется простым интегратором. Если вы предпочитаете использовать резистор (например, 0,1 Ом, минимум 5 Вт) для контроля тока, то это также возможно, но не показано выше для ясности. Он просто подключается последовательно с выходом (относительно земли), и напряжение на нем будет таким же, как у трансформатора тока. Пиковый ток слишком пессимистичен, и в конечной схеме он ограничен пиковым значением 10 А (но это можно легко изменить).

Из-за характера аудиосигнала максимальный входной уровень множителя ограничен примерно 2 В среднеквадратичного значения как для напряжения, так и для тока. Это соответствует пиковому значению около 6-7 В для материала с «типичным» отношением пика к среднему значению 10 дБ. Вход напряжения легко организовать с помощью простого делителя напряжения, но для контроля тока мы должны использовать либо резистивный шунт (обычно 0,1 Ом), либо трансформатор тока 1000:1, как показано выше. Оба будут генерировать выходное напряжение 100 мВ/А, поэтому, если динамик потребляет 5 А, ток на выходе будет 500 мВ. Вы можете задаться вопросом, почему я предпочитаю трансформатор тока. Они идеальны, потому что не вносят значительного сопротивления в линию громкоговорителей и практически не рассеивают мощность. Резистор не только снизит напряжение (хотя и немного), но и сам по себе рассеет мощность.

В действительности это, наверное, не имеет большого значения. Ожидать, что мощность широкополосного звука будет лучше 5%, нереально, потому что она очень изменчива по самой своей природе. Измерения шума ничем не отличаются, и розовый шум имеет примерно такое же отношение пикового значения к среднему, как и большая часть музыки, хотя, конечно, это может меняться в зависимости от точного типа музыки. Кроме того, существуют пределы точности, которую можно ожидать от любого широкополосного сигнала. Хотя теория диктует, что множитель даст правильный ответ, из этого не обязательно следует, что практическое применение будет точным. Даже моделирование с «идеальным» множителем (настроенным как «нелинейная передаточная функция») не всегда дает правильный ответ. «Идеальные» результаты, как правило, возможны с одной синусоидой, но случайный шум (отфильтрованный или иной) приближает вас к этому, но это не точно (типичное изменение 1-2 Вт для нагрузки 40 Вт). Нельзя ожидать, что аппаратное решение будет лучше, но оно можно ожидать, что будет хуже.

Процесс усложняется тем, что нет простого способа откалибровать систему. Резистивная нагрузка может дать точную цифру, но как только используется комплексная нагрузка (т.е. реактивная), больше нет эталона, гарантирующего точность калибровки во всем частотном диапазоне. «Идеальный» множитель (в симуляторе SIMetrix) дает идеальный результат с резистивной нагрузкой, а с реактивной нагрузкой, но с одной частотой, он составляет 90 610, почти 90 611. Все может немного развалиться, когда вместо этого используется случайный шумовой сигнал, даже после того, как он был отфильтрован для удаления самых высоких частот.

На самом деле это сложнее, чем кажется. С чувствительностью по напряжению и току по умолчанию, полученной из концептуальной схемы, показанной на рисунке 4, выходной уровень составляет всего 1 мВ/Вт. Это затрудняет получение точных показаний при малой мощности, потому что неизбежно будет некоторое смещение от микросхемы умножителя (хотя мой тестовый образец показывает, что оно очень мало). Даже при максимальной мощности, которую можно получить при таком расположении (70 В и 70 А (среднеквадратичное значение) — позволяет трансформатор тока), если используется музыкальный или шумовой сигнал, вы ограничены напряжением около 22 В (среднеквадратичное значение), что обеспечивает отношение пик/среднеквадратичное значение 10 дБ. (10 дБ). При нагрузке 4 Ом это дает ток 5,5 А (исходя из номинального импеданса), что дает входной ток 550 мВ после трансформатора тока. Это не может быть усилено на 10, так как это вызовет перегрузку на текущем входе. Реальность другая, потому что ток, потребляемый вблизи резонанса, низкий, что снижает общий ток, но пики все еще слишком высоки.

Придумать разумные диапазоны, не требующие калькулятора, непросто. Нам нужно избегать очень низких напряжений, потому что даже небольшое смещение вызовет ошибки, но пиковое напряжение на любом входе умножителя никогда не может превышать 10 В, что является конструктивным пределом ИС. Единственное, что мы можем сделать, это убедиться, что входы умножителя имеют очень низкий импеданс, поскольку входной ток AD633 (наихудший случай) составляет 2 мкА (200 мкВ при 10 кОм). Диапазоны по умолчанию приемлемы только в том случае, если смещение постоянного тока на множителе может поддерживаться ниже 1 мВ («ошибка» 1 Вт).

К настоящему времени вы должны увидеть, что общая концепция не так проста, как хотелось бы, и самая низкая непрерывная средняя мощность, которую мы можем надежно измерить, будет около 10 Вт (с погрешностью до 10% в худшем случае). Это означает, что колонки мощностью менее 100 Вт при сопротивлении 4 Ом становятся проблемой. Диапазон высокой чувствительности может выдавать 100 мВ / Вт, поэтому он может работать с динамиками малой мощности с пиковой мощностью не более 10 Вт (в среднем около 1 Вт для музыки). Возможен также высокий диапазон, позволяющий выполнять измерения на основе выходного сигнала 1 мВ/Вт, который может работать с пиковой мощностью 1 кВт.

Как показано ниже, диапазоны составляют 1 мВ/Вт (высокий), 10 мВ/Вт (средний) и 100 мВ/Вт (низкий). Можно включить очень высокий диапазон (макс.!), с 0,1 мВ/Вт (100 мкВ/Вт), но польза от этого, скорее всего, будет довольно ограниченной. Он показан в таблице ниже, но на принципиальной схеме указан , а не . Включенные диапазоны показаны без звездочки (*). На приведенной ниже схеме используются диапазоны, показанные светло-желтым цветом. Наиболее полезным диапазоном для большинства усилителей будет «Средний» — до 70 В RMS при токе до 7 A RMS (синусоида).

Диапазон	Показания	Пиковая мощность	Ср. Мощность *	Пиковое напряжение	Пиковый ток
Макс!	100 мкВ/Вт	10 кВт	1 кВт	1000 В	100 А *
Высокий	1 мВ/Вт	1 кВт	100 Вт	100 В	100 А
Средний	10 мВ/Вт	100 Вт	10 Вт	100 В	10 А
Низкий	100 мВ/Вт	10 Вт	1 Вт	10 В	10 А

Таблица 1 – Диапазоны ваттметров (* – см. текст)

Средняя мощность основана на сигнале с отношением пикового значения к среднему 10 дБ. Если вы тестируете с шумом (обычно розовым шумом), амплитуду пика необходимо обрезать с помощью стабилитронов или каким-либо другим способом, чтобы отношение пикового значения к среднему не превышало 10 дБ (разность напряжений 3,16:1, пиковое значение к среднеквадратичному значению). ). Если вы этого не сделаете, существует риск превышения пикового значения множителя, что приведет к ошибочным результатам. Без каких-либо ограничений шумовой сигнал может иметь отношение пикового значения к среднему до 15 дБ со статистической вероятностью того, что некоторые пики превысят это значение.

В действительности пиковый ток ограничен значением несколько меньше 100 А, в зависимости от трансформатора тока. Я протестировал ТТ на 5 А до 20 А (до 30 Гц), и все было в порядке, но это то, что вы должны проверить, прежде чем решите поверить в результаты. Диапазона 10 кВт просто не будет — ни один известный усилитель не может выдать среднеквадратичное значение 700 В (пиковое значение 1 кВ), и даже если бы это было возможно, минимальная нагрузка составляла бы 7 Ом. Тем не менее, верхний диапазон позволяет измерять среднюю мощность до 500 Вт на 4 или 8 Ом.

В то время как промежуточные диапазоны легко достичь с помощью соответствующих значений аттенюатора и коэффициента усиления, считывание напряжений становится бесполезным, если намерение состоит в том, чтобы использовать цифровой мультиметр для считывания мощности. Большинство людей смогут сразу увидеть, что в диапазоне 10 мВ/Вт средний выходной сигнал 2 В (например) соответствует 200 Вт, или что 50 мВ в диапазоне 1 мВ/Вт составляет 500 Вт. Если используются «нечетные» коэффициенты умножения, то простая арифметика в уме не работает для большинства людей. Хотя этого можно избежать, используя измеритель с подвижной катушкой со шкалами, скажем, 0-3 и 0-10 (т. е. разделенными на 10 дБ), я не ожидаю, что это заинтересует большинство конструкторов.

Разобравшись с лежащей в основе теории расчета мощности, мы можем увидеть, как это преобразуется в схему, которую можно использовать. Выход может быть либо измерителем с подвижной катушкой с чувствительностью не менее 1 мА для FSD (полное отклонение шкалы), и если вы делаете это, необходим буфер после интегратора. В противном случае вы можете использовать мультиметр для измерения выходного напряжения. На самом деле нам не нужно использовать умножитель IC, поскольку его можно построить с использованием логарифмических усилителей (операционный усилитель с транзистором, подключенным для обеспечения логарифмического выхода). Однако для того, чтобы это работало, транзисторы должны быть в одном корпусе (транзисторной матрице), чтобы обеспечить точное соответствие характеристик транзисторов и обеспечить тепловую связь. Они доступны, но, как правило, по значительной цене, и вы никогда не получите точности, доступной от микросхемы умножителя.

просты, так как для получения необходимых диапазонов требуется только переключаемый аттенюатор. В идеале измерения должны распространяться на среднеквадратичное значение 100 В (пиковое значение 141 В, 1,25 кВт на 8 Ом), но большинству конструкторов не нужно заходить так далеко. Для тока самый высокий полезный диапазон составляет 25 А RMS (чуть более 35 А в пике), но 50 А (пик) не так уж глупо и, вероятно, является максимальным значением, необходимым на практике. Резистор 100 мОм будет работать, но если вы запустите тест синусоиды с выходным током 25 А, резистор рассеет более 62 Вт. Это явно неприемлемо.

Как уже отмечалось, я предпочитаю использовать трансформатор тока (ТТ). Хотя некоторые могут считать их «архаичными» (то есть старыми технологиями), сегодня они так же полезны, как и когда-либо, и их производительность намного лучше, чем думает большинство людей. Я протестировал ТТ на 5 А до 20 А без каких-либо признаков искажения, а частотная характеристика простирается от менее 30 Гц до более 20 кГц … плоский . Здесь нет ±3 дБ, это полная выходная характеристика. Если вы хотите узнать больше об этих недооцененных и неправильно понятых компонентах, см. «Трансформеры», часть 2, раздел 17, в котором подробно объясняется их использование. Ключом к правильному использованию ТТ является нагрузочный резистор, который преобразует выходной ток в напряжение. Текущий номинал трансформатора тока важен для обеспечения наилучшей линейности, и для этого проекта я предлагаю устройство 1000:1 5A. Их можно приобрести у большинства крупных поставщиков по цене не более 4 австралийских долларов за штуку.

Трансформатор тока, который я использовал, такой же, как и показанный в проекте 139А, это AC-1005. Подходящие трансформаторы тока также доступны на ebay, и стоит приобрести несколько, потому что они очень полезны. Несмотря на то, что он рассчитан на 5 А, вы можете ожидать хорошей линейности, по крайней мере, при 20 А (среднеквадратичное значение) до 40 Гц или около того. Поскольку это соответствует мощности до 1,6 кВт при сопротивлении 4 Ом, маловероятно, что в нем будет что-то отсутствовать. Если вы используете ТТ большего размера, то почти наверняка , а не , будет иметь отношение 1000:1, и вам придется изменить коэффициент усиления U1B на рис. 5, чтобы вернуться к 100 мВ/А. Например, трансформатор 500:1 будет нужен коэффициент усиления 2 и 20 для среднего и низкого диапазонов соответственно.

Чтобы еще больше улучшить линейность, выходной ток может быть получен с помощью «трансимпедансного» усилителя — преобразователя тока в напряжение. Однако никакие обычные операционные усилители не могут работать с резистором обратной связи, необходимым для условия единичного усиления, и лучшим вариантом является простой нагрузочный резистор на 100 Ом. Выход ТТ составляет 1 мА/А, поэтому при выходе 20 А выходной ток составляет 20 мА. Нагрузочный резистор 100 Ом преобразует это напряжение в 2,0 вольта. Входное напряжение поступает от простого переключаемого делителя напряжения. Определить наиболее подходящие диапазоны непросто, и в идеале выходной сигнал должен быть разумным, с выходной мощностью не менее 1 мВ/Вт. Это означает, что при (скажем) 50 Вт на динамик выходное напряжение будет 50 мВ, что легко измерить с помощью мультиметра.

При максимальной расчетной входной мощности, установленной на 1200 Вт, выходное напряжение будет 1,2 В постоянного тока, но выходное напряжение может достигать 10 В (10 кВт!), что вряд ли можно измерить на практике. Фактически, необходимо использовать только один диапазон, который допускает пиковое значение 100 В и пиковое значение 100 А. Пиковый ток не будет использоваться, поскольку он представляет собой нагрузку в 1 Ом, которую могут выдержать лишь немногие усилители. Подавляющее большинство измерений будет проводиться при среднеквадратичном напряжении менее 50 В и среднеквадратичном токе до 12,5 А (625 Вт на резистивную нагрузку). Хотя один диапазон кажется заманчивым, включение трех предложенных диапазонов имеет смысл для тестирования больших и меньших усилителей (и динамиков). Диапазон «Низкий» позволяет проводить репрезентативные измерения при более низкой мощности, а результаты можно экстраполировать на фактическую мощность, которая будет использоваться. Диапазон «Средний» позволяет измерять компрессию мощности (снижение эффективности динамика по мере нагрева звуковой катушки). Обычно это делается акустически, но использование ваттметра также допустимо — вы сможете измерить потери мощности при нагреве звуковой катушки.

При любом диапазоне вы не можете превысить максимальный пиковый вход в множитель, поэтому стоит включить детектор перегрузки. Это предупредит вас о перенапряжении или перегрузке по току, что приведет к очень неточным показаниям. Хотя это, очевидно, делает схему ваттметра более сложной, без нее вы могли бы пребывать в блаженном неведении о наличии проблемы, приводящей к ошибочным результатам. ИМО, было бы глупо не включить это, так как это предназначено в качестве тестового инструмента, и он должен быть максимально точным.

Рис. 5. Схема ваттметра

Сам по себе ваттметр не представляет особой сложности. В диапазонах используются отдельные переключатели SPST для переключения диапазонов напряжения и/или тока на более высокую чувствительность. Для каждого переключателя верхнее значение соответствует разомкнутому переключателю, а нижнее значение — закрытому переключателю. Также есть переключатель «быстро/медленно», который изменяет время интегрирования. Обратите внимание на четыре стабилитрона (12 В, 400 мВт или 1 Вт), которые защищают схему от перенапряжения или перегрузки по току. Серьезное состояние перенапряжения, вероятно, приведет к дымлению резисторов R2 и R3 (это может произойти, если переключатель 10 В/100 В находится в положении 10 В и подается высокое напряжение). Резисторы дешёвые, и при грамотной эксплуатации блока этого всё равно не будет. Индикатор перегрузки предупредит вас задолго до того, как произойдет какое-либо повреждение.

Для тех, кто считает, что им нужен «Макс!» мощности, нагрузочный резистор ТТ (R4) изменен на 10 Ом, а R1 необходимо увеличить до 200к (есть погрешность в 1%, но вряд ли это важно при таких высоких уровнях мощности). При желании вы можете изготовить резистор на 198 кОм, используя резистор на 20 МОм параллельно резистору на 200 кОм. Полезность этого в лучшем случае сомнительна, так как в основном я ожидаю, что 1% резисторы все равно будут использоваться.

Имеется два выхода: один мгновенный (Inst.), чтобы можно было наблюдать пиковую мощность на осциллографе, а другой — усредненный (Avg.), чтобы его можно было отобразить на измерителе (предпочтительно аналоговом, так как цифровой измеритель показывают быстро меняющиеся цифры, которые могут сделать чтение бесполезным). Мгновенная выходная мощность интересна, потому что она показывает пиковую отдаваемую мощность, в то время как средняя (что вполне естественно) представляет собой среднюю мощность за более длительный период времени. Оба полезны, и возможность видеть их стоит минимальных затрат на дополнительный выходной разъем.

Возможно, вы заметили, что для нулевого смещения, как показано, не предусмотрены условия. В тестовой схеме, которую я построил, я измерил смещение на уровне 0,7 мВ, что для большинства измерений несущественно. Если вы хотите удалить остаточное постоянное напряжение, просто подайте очень небольшое корректирующее напряжение на контакт 5 (вход «Z»). Вам, вероятно, потребуется не более ± 5 мВ или около того, и это легко сделать, используя потенциометр на 10 кОм между +15 В и -15 В. Контакт 5 возвращается на землю с помощью резистора 10 Ом, а контакт потенциометра подключается к резистору 10 Ом через резистор 33 кОм. Это позволяет скорректировать смещение ±4,5 мВ, чего должно быть более чем достаточно. Хотя схема способна обеспечить разумную точность, на самом деле это не основная цель. Это больше касается понимания взаимосвязей между напряжением, током и мощностью при реактивной нагрузке.

Одна вещь, которая может случиться легко, это то, что вы получите отрицательный результат, а не ожидаемый положительный результат. Если это произойдет, просто поменяйте местами соединения трансформатора тока (первичного или вторичного, но не обоих). Это изменит полярность, так что это правильно. Вероятность того, что вы угадаете с первого раза, составляет 50 на 50.

Подключения постоянного тока к U1A и U1B не показаны для ясности. Контакт 8 +15В, а контакт 4 -15В. Операционный усилитель и умножитель должны быть зашунтированы конденсаторами по 100 нФ от каждого источника питания к земле. Вход напряжения защищен с помощью резистора 2 кОм (R3, который при желании можно увеличить до 10 кОм (максимум) для несколько лучшей защиты) и пары стабилитронов на землю. Никакая защита для токового входа строго не требуется, потому что ни один известный усилитель не может обеспечить ток, достаточный для того, чтобы вызвать перегрузку (пиковое значение 100 А или 4,9кВт на 1 Ом!), но операционный усилитель по-прежнему защищен еще одной парой 12-вольтовых стабилитронов. Обратите внимание на два выхода перегрузки (I O/L и V O/L). Они подключаются к показанным далее детекторам перегрузки.

Рис. 6. Датчики перегрузки (напряжение и ток)

Детекторы перегрузки рассчитаны на работу при напряжении около 10 В. Фактическое значение составляет 9,1 В, но может быть небольшое отклонение, поскольку оно зависит от напряжения питания ± 15 В. Однако небольшие изменения не должны вызывать проблем, потому что буфера достаточно, чтобы гарантировать, что перегрузка будет обнаружена. Используются два двойных операционных усилителя LM358, и они такие же дешевые, как чипы, и идеально подходят для этой цели. Вам нужно два, один для напряжения, а другой для тока. Хотя их можно комбинировать, вы не будете знать, какой раздел перегружен, что будет довольно неприятно. Стоимость невелика, и их всегда можно «переработать» до Project 146, если вы решите, что измеритель мощности не стоит заморочек.

Обратите внимание, что для индикаторов перегрузки нет развязки, чтобы предотвратить влияние скачков напряжения на множитель. В этом нет необходимости, поскольку светодиоды перегрузки никогда не должны загораться во время теста. Если они это сделают, точность в любом случае ухудшится, поэтому небольшой шум питания не имеет значения. В отличие от усилителя мощности или микшерного пульта, кратковременное ограничение не допускается

Рис. 7. Фильтр нижних частот 22 кГц

Одна небольшая проблема с аналоговыми умножителями заключается в том, что они относительно шумные. Выходной шум можно свести к минимуму, включив фильтр с частотой -3 дБ около 22 кГц. Показанная схема является оптимизированной 4 ^-й дизайн заказа для необходимого диапазона частот, и составляет всего 1,2 дБ вниз на 20 кГц. Существует очень небольшой пик (менее 0,1 дБ) на частоте 13 кГц, который не оказывает существенного влияния на показания. Предельный спад составляет 24 дБ на октаву с измеренной частотой -3 дБ чуть менее 23 кГц. Все значения находятся в наиболее распространенном диапазоне E12 (12 значений на декаду), поэтому нечетные значения не нужны. Конечно, можно сделать ровно 22 кГц с «правильными» номиналами резисторов, но в этом нет смысла — этого более чем достаточно, как показано.