Главная > Windows 8 > Электронный ваттметр своими руками. Аналоговый и цифровой ваттметр. Как работает цифровой ваттметр

Электронный ваттметр своими руками. Аналоговый и цифровой ваттметр. Как работает цифровой ваттметр


Нередко требуется измерить мощность того или иного мощного (и не очень) электрооборудования. Кроме того, иногда полезно знать одновременно и ток нагрузки I, и напряжение U, и не просто мощность (всё равно какую), а и полную P, и активную S (их нередко путают и не всегда уточняют, которая из них имеется в виду в том или ином случае). Также в ряде специфических случаев требуется знать коэффициент мощности сети, равный P/S (он же косинус φ (фи) - угла сдвига фаз между напряжением и током), реактивную мощность Q и сам φ.

Обычный мультиметр в решении вышеозначенных задач не поможет, т.к. измерив, пусть даже одновременно (2-мя приборами), ток нагрузки и напряжение в сети мы сможем получить только S=UI, а все остальные параметры остаются недоступными, т.к. для их вычисления одних U и I недостаточно.

Внимание! Из-за ограничений по размеру топика здесь не приводятся многие необходимые для полного понимания материала выкладки, формулы, описания и пр. вещи.
В прилагаемом архиве есть полная статья со всеми описаниями.

Имеющиеся решения

Для решения этих задач существуют специальные приборы – ваттметры и универсальные вольт-ампер-фазометры, но т.к. они являются спецтехникой, а не приборами широкого назначения, то их довольно сложно найти и стоят они порой недёшево. Кроме того, далеко не всегда такие приборы показывают все параметры сразу. В интернете встречаются очень простые и дешёвые конструкции, например, , но они очень узкоспециализированные (так, измеряет только φ).

В то же время все вышеописанные задачи вполне «по зубам» обычным МК AVR, которые гораздо более доступны и порой дешевле микросхем от AD. Тем более, что для создания универсального измерительного прибора без МК и прочих узлов всё равно не обойтись.

Схема устройства, детали

Схема электрическая принципиальная ваттметра приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Полная схема есть в прилагаемом архиве.
Схема устройства состоит из 2-х частей – аналоговой (слева от DIP выключателей SW1) и цифровой (справа).

Аналоговая часть состоит из измерительных трансформаторов напряжения (Т1), тока (Т2) и согласующих узлов.
Резистор R2 – потенциометр для точной настройки напряжения, поступающего на АЦП.
Т2 – токовый трансформатор Talema AC1025, нагруженный на шунт-резистор R1 номиналом 100 ом мощностью 0.125Вт. Такие параметры резистора рекомендованы фирмой-производителем трансформатора. Первичная обмотка – 2 витка обычного одножильного провода сечением 1-1.5 мм, этого вполне достаточно для бытовых нагрузок мощностью до 2 кВт и током до 10А. На характеристики и настройку схемы толщина этого провода не влияет.

Узел R3, C1, C3, DA1.1 – формирователь средней точки для «поднятия» синусоид на полдиапазона АЦП. ОУ DA1 – в принципе любой. Я использовал и LM358, и rail-to-rail MCP601.
Делитель R4, R5, R6 – цепочка для измерения больших (от 4-5А) токов.
Диодные пары VD1-VD2, VD3-VD4, VD5-VD6 и R7 – классическая защита входов АЦП от перенапряжения (точнее – от выхода синусоиды за границы 0..+5в). VD1-VD4 – желательно Шоттки. Можно также применить «специализированные» диодные сборки типа BAV199 (1 сборка содержит 1 пару диодов) или аналогичные.
Все потенциометры (R2, R3 и R5) желательно многооборотные. Они позволят провести наиболее точную настройку узлов схемы.

Для измерения тока предусмотрено 2 канала – слаботочный (T2-R7-ADC2) и сильноточный (T2-R4-R5-R6-ADC3). Такое решение вызвано тем, что большие нагрузки (4-5А и выше) приводят к появлению на выходе ТТ напряжения, превышающего по амплитуде 4.5-5в. Вершины полуволн такого напряжения будут срезаны диодной парой VD3, VD4, что означает фактическую невозможность измерения тока выше указанных значений. Микропрограмма контроллера автоматически выбирает, который из двух сигналов использовать.

Цифровая часть схемы – микроконтроллер AtMega16, стандартный алфавитно-цифровой ЖК дисплей типа HD44780 и пр. элементы. Схемы включения – стандартные для этих компонентов. При подключении дисплея следует руководствоваться документацией на конкретную модель, т.к. существуют разные их цоколёвки (распиновки). Мне известны 2. На схеме я привёл наиболее распространённую.
Единственное требование к дисплею – он должен быть русифицированным, т.к. все сообщения выдаются на русском языке.

Резистор R8 – обычный (не многооборотный), служит для установки желаемого уровня контрастности изображения на LCD.
R9 и SB5 – подсветка. Номинал R9 не указан, т.к. разные модели LCD имеют разный ток подсветки. Его можно вычислить по закону Ома, используя значение тока подсветки для конкретного дисплея. Если дисплей без подсветки, то R9 и SB5 вообще не нужны.

R11, VD6 – индикатор «Питание подано».
Никаких специальных настроек цифровой части не требуется. При исправных деталях, правильном монтаже и запрограммированном контроллере схема начинает работать сразу после подачи питания.

Сам МК может быть модификаций AtMega 16/16A. Модификацию буквой L использовать нельзя – штатно она не работает на частоте 16MHz.
При программировании (прошивке) кроме заливки в контроллер файла wattmetr.hex также необходимо:
1. выставить режим кварцевого резонатора (CKSEL3..0=1111)
2. выставить CKOPT=0 (обязательно, т.к. кварц 16MHz)
3. выставить JTAGEN=1. Если этого не сделать, то LCD не будет корректно работать, ибо JTAG контроллер (4 старших бита PC) программно не выключается.
4. прошить EEPROM первоначальной конфигурационной информацией (файл wattmetr.eep).

Все кнопки без фиксации. Их конструкция любая, в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации. SB1-SB3 и VD5 используются только при настройке и калибровке прибора, поэтому их можно разместить непосредственно на плате, SB4 и SB2 используются ещё и для переключения режимов отображения информации на дисплее, поэтому её лучше вывести наружу либо для удобства калибровки продублировать (2 параллельно включённые кнопки – на плате и на корпусе). Для подключения дублирующих кнопок на плате сделаны специальные отводы для разъёмов.
Назначение кнопок и светодиода будет описано ниже, в разделах «Калибровка» и «Эксплуатация».

Следует отметить, что на схеме отсутствует какой-либо преобразователь уровней UART (ножки 14, 15 контроллера). Это связано с тем, что тип и само наличие либо отсутствие такого преобразователя сильно зависит от того, к чему будет подключаться прибор. Если COM-порт, то это микросхема MAX232, если USB – то что-то типа FT232BM, если к другому контроллеру, то, может быть, преобразователи вообще не нужны и т.д.

Моя авторская конструкция предполагает подключение к другому МК AVR, поэтому преобразователь в ней вообще отсутствует. Резистор R12 необходим для поддержания на входе Rx высокого уровня в отсутствие передачи (согласно правилам работы UART), либо когда этот интерфейс вообще не используется.

Схемы узлов на MAX232, FT232 и пр. здесь не приводятся, их легко можно найти в документации на эти микросхемы. Также можно использовать USB шнуры от старых мобильников с нативным интерфейсом UART (типа PL2303). Но перед этим следует убедиться, что на выходе шнура лог. уровни ТТЛ, а не RS232.
Для тестирования работы интерфейса мною использовался узел на MAX232, собранный на другой плате. Этот узел я подключал к прибору стандартным аудиошлейфом от компьютерного CD/DVD привода.

Питание схемы осуществляется от любого источника постоянного тока напряжением 5в. Например, от классического блока питания на однокристальном стабилизаторе LM7805 – рис. 2. Можно также использовать любой другой БП, дающий 5в, батарейку, порт USB компьютера и т.п.

Рис. 2. Схема электрическа принципиальная блока питания

Если предполагается запитывать схему от той же сети, куда включается измеряемая нагрузка (как, например, в быту, в квартире), то можно объединить трансформаторы T1 обеих схем. Т.е. использовать один, с двумя независимыми вторичными обмотками. Так, я использовал один трансформатор с двумя вторичками по 15в каждая.

Схема собирается любым удобным способом.

К статье также прилагается чертёж печатной платы, созданный в широко известной программе Sprint Layout v5.0.
БП по рис. 2 был собран на готовой п/п заводского изготовления. Её чертёж также прилагается.

После сборки прибор необходимо настроить и откалибровать - см. полный вариант статьи.

Эксплуатация прибора

Пользоваться предлагаемым устройством очень легко.
Сразу же после включения питания появляется приветственное сообщение, спустя 1 секунду прибор переходит в рабочее состояние и начинает отображать измеренные параметры на дисплее. Показания обновляются примерно раз в секунду.
Устройство имеет два т.н. «профилей отображения» - наборов одновременно отображаемых параметров:

1.1-я строка дисплея – U, I, S; 2-я – P, cos(φ),φ.
2.1-я - U, I, S; 2-я – P, Q, φ.
Набор профилей и их состав фиксированы, никаких средств модификации не предусмотрено.
Для смены профиля необходимо нажать кнопку SB4 и держать её до появления на дисплее надписи «Профиль изменён». После появления этой надписи кнопку отпустить.

«Заводские» настройки содержат активным 1-й профиль. Запомнить текущий профиль, чтобы прибор при включении сразу его использовал, можно кнопкой SB2. Кнопку SB2 необходимо держать до появления надписи «Профиль запомнен». При калибровке прибора текущий профиль не меняется, однако при сбросе настроек в заводские, текущим становится профиль 1.

Автоматически выбор профиля не сохраняется. Это сделано с целью экономии ресурса EEPROM.
На состав информации, выдаваемой по UART выбор профиля никак не влияет.

Следует также обратить внимание на следующую особенность – ТТ с первичной обмоткой по функционированию и конструктивно похож на антенну радиоприёмника. По такому принципу работают устройства поиска скрытой в стенах проводки и родственные конструкции. В связи с этим при отсутствии нагрузки прибор иногда показывает «мусор» - какой-то наведенный помехами ток и мощности. На результаты измерений при подключенной нагрузке эти наводки не проявляются.
Никаких средств по борьбе с этим явлением не предусмотрено.

Интерфейс обмена данными по UART

Предлагаемый прибор имеет возможность выдачи результатов измерений через стандартный последовательный интерфейс UART. Т.о. можно использовать его в составе более сложных устройств либо подключать его к компьютеру для автоматизированного сбора информации.
Параметры обмена данными – 38400, 8N1.
Протокол обмена очень прост – по однобайтовой команде 0xAA контроллер выдаёт блок информации размером 15 байт - см. полный вариант статьи в архиве.

Для иллюстрации работы с прибором мною разработано демонстрационное Windows приложение WinAppWattmeter.exe для ПК. Оно написано на C# и работает в среде WinXP и выше. Необходимо наличие платформы.NET 2.0 и одного COM-порта (физического либо виртуального USB), куда следует подключить прибор. Исходники компилируются в среде VS.NET 2005 и выше. Версии VS Express и.NET Compact не проверялись.
Скриншот приложения:

Технические характеристики, достоинства и недостатки прибора

Достоинства:

1.Полная гальваническая развязка от измеряемой сети.
2.Возможность питания от любого источника – БП, батарейки, USB порт компьютера и т.п.
3.Широкий диапазон настроек.
4.Доступная элементная база.
5.Большой спектр измеряемых величин.
6.Возможность передачи результатов измерений в другие вычислительные системы (например, в ПК).

Недостатки:

1.Нелинейность ТТ ведёт к погрешностям измерения тока на всём диапазоне. Это существенно затрудняет оценку точности измерений (какие-то диапазоны токов измеряются точно, остальная часть с погрешностями, причём разными). Эти диапазоны сильно зависят от коэффициентов, регулируемых в режиме калибровки прибора, поэтому не являются фиксированными. Например, можно откалибровать так, что на малых нагрузках типа зарядок для мобильников, паяльников или квартирных лампочек показания будут правильными, а более мощные (утюги, фены, электрические плиты, духовки, микроволновки, стиральные машины) будут измеряться с ошибками.
2.Сам ТТ может оказаться труднодобываемой и дорогостоящей деталью.
3.При отсутствии нагрузки прибор иногда показывает какой-то ток, наведенный в первичной обмотках ТТ и, как следствие, какие-то мощности и пр. параметры.
Детальные технические характеристики прибора не приводятся, т.к. имеются довольно широкие возможности по его настройке и регулировке.

Используемая модель ТТ потенциально позволяет измерять токи до 25А, но для полного использования этого диапазона необходимо дорабатывать входной (аналоговый) каскад схемы и микрокод.
Диапазон измеряемых напряжений также зависит от используемого трансформатора. Если обычный, «из блока питания», то это «стандартный» диапазон порядка 180-250в, а если взять какой-то специально изготовленный трансформатор, то можно измерять и 380 вольт.

Диапазоны значений величин, обусловленные используемыми типами данных и алгоритмическими особенностями микрокода – U=1..999в, I=1мА..65А, S/P/Q – каждая 1..999 соответствующих единиц.
Ток потребления схемы составляет 28-30 mA без учёта тока подсветки дисплея. Этот ток разный у разных моделей LCD. Его типовое значение – 100-120 мА.
Также, ток может немного отличаться от приведенных значений при использовании разных моделей LCD и ОУ.

Фотографии

В завершение несколько фотографий устройства.


Блок питания. Трансформатор физически один, с двумя независимыми вторичными обмотками. Одна обслуживает сам БП, 2-я (2 жёлтых провода справа) – измерительный Т1.


Макетная плата устройства. Замечание (ещё раз): это – макетный экземпляр. По чертежу Sprint п/п не изготавливалась, т.к. планируется эксплуатация прибора в составе другого изделия, которое пока в разработке. Поэтому на две колодки, второй дисплей и светодиод слева просьба внимание не обращать. К описываемому прибору они отношения не имеют.


Паяльник на 25W. Профиль отображения 2.


Без нагрузки. Профиль отображения 2. Ловим наводки и глюки на обмотку ТТ. Результат – «левый» ток 68 мА со всеми вытекающими.


То же самое, что и выше, но без наводок. Профиль отображения 2.


Утюг 1кВт. Профиль отображения 1. Отрицательная активная мощность:) - режим «коррекции» отключен. Светится второй слева светодиод – признак использования канала высокого тока (ножка 19 (PD5) контроллера). Задан порог – 4А.

Список прилагаемых материалов

Wattmetr-Mega16-16MHz.zip – микропрограмма контроллера с исходниками CvAVR. Также в архиве есть готовый файл микрокода wattmetr.hex и файл заводских установок (EEPROM) - wattmetr.eep.
WinAppWattmeter.zip – демонстрационное приложение с исходниками (.NET 2.0, С# под VS.NET 2005+). Там же готовый exe файл (без вирусов).
Plata\*.* - чертежи печатных плат в формате.lay (Sprint 5).
Также в архиве есть полный вариант статьи в формате MS Word 2003.

Цифровой ваттметр - это усовершенствованная модификация его аналогового предшественника. Он служит для в сети, которая не должна выходить за ограничения. В противном случае, может возникнуть пожар и поломка оборудования. При постоянном токе показатель мощности вычисляется посредством умножения напряжения на силу тока при помощи амперметра и вольтметра. В схеме переменного тока требуются специальные измерительные приборы, к которым и относится ваттметр.

Предназначение

Преимущественно цифровые ваттметры используются в сферах электроэнергетической промышленности, машиностроении, при ремонте электрических устройств. В быту данные приборы применяют специалисты по электротехнике, компьютерному оборудованию, радиолюбители.

Возможности ваттметров:

  • Тестирование электрических цепей или их участков.
  • Определение мощности устройств.
  • Испытание электрических установок по типу индикатора.
  • Контроль работы электрооборудования.
  • Учет использования электрической энергии.

Виды

Мощность измеряется на основе данных напряжения и силы тока. По способу измерения и выдачи итоговой информации, рассматриваемые приборы разделяют на аналоговые и цифровые ваттметры.

Вариант аналогового типа имеет блок самопишущих и показывающих элементов. Они выявляют активную мощность определенного участка цепи. Экран такого приспособления имеет градуированную шкалу и стрелку. Деления циферблата разделены по величинам показателя мощности в ваттах.

Цифровые модификации измеряют активную и На дисплей выводится информация о напряжении, силе тока, за единицу времени. Результаты замеров выводятся на компьютерное устройство.

Как работает?

Основным принципом работы цифрового ваттметра, схема которого приведена выше, является проведение предварительного замера напряжения и токовой силы. Для этого подключают последовательно к потребляющему устройству датчик тока, а по параллельной схеме индикатор напряжения. Эти элементы изготавливаются из термисторов или их аналогов (измерительных трансформаторов, термопар).

Измеряемые параметры мгновенно посредством преобразователя подаются к внутреннему микропроцессору. Происходит измерение мощности и полученные результаты высвечиваются на экране и передаются на внешние приборы.

Стоит отметить, что электродинамические приборы имеют широкий спектр действия, работают как с постоянным, так и с переменным током. Индуктивные устройства используются только для цепей переменного тока.

Цифровой бытовой ваттметр

Чаще всего на отечественном рынке в рассматриваемом сегменте представлены приборы китайского производства. Такое устройство измеряет мощность разных потребителей электроэнергии. Для начала работы его вилку следует вставить в стандартную розетку, а в розетку бытового цифрового ваттметра подключить вилку потребителя, мощность которого будет измеряться.

Таким приспособлением можно измерить мощность потребителя и рассчитать потраченные деньги за использованную электроэнергию от конкретного устройства.

Подобный цифровой ваттметр оснащен встроенной аккумуляторной батареей, которая служит для запоминания измеряемой мощности. Фронтальная панель имеет несколько кнопок, предназначенных для переключения режимов, указания рассчитанной цены, сброса сведений, переключения верхнего и нижнего положения. На задней части корпуса указывается максимальное рабочее напряжение (230 В), частота (50 Гц), измеряемая мощность (от 0 до 3600 Вт), предельный ток (16 А).

Тестирование

Рассмотрим работу цифрового ваттметра на примере бытовой модификации. После включения в розетку на дисплее высвечивается время, требуемое на измерение мощности потребителя. Возьмем в качестве него светодиодную лампу. На экране при выключенной лампе высвечивается показатель 0,4 Вт (мощность отключенного потребителя). При включении лампы показания меняются на 10,3 Вт. В графе цена стоят нули, если ее не указывать.

Светодиод может менять мощность свечения. При увеличении яркости, возрастают и параметры мощности. При активации второго режима, в верхней части также отображаются два поля (время и кВт/часы). Поскольку устройство проработало меньше часа, во временном поле указаны нули. В нижней части имеется отображение информации о том, сколько дней проводилось измерение конкретного потребителя.

Следующий режим: во втором поле отображается напряжение сети и частота тока. Верхняя часть всех режимов показывает время замеров. Переход на следующий режим сопровождается показаниями силы тока в центральной части экрана.

Режим № 5 отображает минимальную мощность, а на шестом - максимальный ее показатель. устанавливается вручную при помощи кнопок. После выставления всех параметров, можно измерить и рассчитать потребления любого домашнего электроприбора.

Модель ЦП 8506-120

Этот цифровой ваттметр переменного тока предназначен для измерения показателей мощности активной и реактивной цепи в трехфазной сети переменного тока. Агрегат демонстрирует текущую мощность на датчике, высвечивая сигнал аналогового типа. Цифровой экран разделен на четыре разряда, выполненные замеры выводятся в виде цифр с учетом коэффициента трансформации.

Характеристики:

  • Коэффициент показателя мощности - 1.
  • Габариты - 12х12х15 см.
  • Цифры на экране (высота) - 20 мм.
  • Диапазон показаний по максимуму - 9999.
  • Погрешность - 0,5.
  • Скорость преобразования - не более 0,5 секунды.
  • Рабочие температуры - от +5 до +40 градусов по Цельсию.
  • Категория корпусной защиты - класс IP 40.
  • Потребляемая мощность - 5 Вт.
  • Рабочая частота - 50 Гц.
  • Масса - 1200 г.

Многофункциональный прибор СМ 3010

Данный цифровой ваттметр предназначен для замеров показателей постоянного и переменного тока. Кроме того, он может использоваться для работы с менее точными аналогами.

Параметры:

  • Диапазон проводимых измерений - 0,002 - 10 А.
  • Замеры показателей постоянного/переменного тока - 1-1000/1-700 В.
  • Частотный интервал 40-5000 Гц.
  • Погрешность в замерах постоянного/переменного тока - 0,1%/0,1%.
  • Аналогичный показатель по замеряемым частотам в диапазоне 40-5000 Гц - 0,003%.
  • Масса - 1 кг.
  • Габаритные размеры - 22,5х10х20,5 см.
  • Потребляемая мощность - 5 Вт.

Д 5085

Универсальный ваттметр служит для проведения замеров мощности в однофазных цепях постоянного и переменного тока, а также контроля приборов с меньшими показателями точности.

Характеристики:

  • Размеры - 20,5х29х13,5 см.
  • Условия работы - температура от +10 до +35 градусов при влажности не выше 80%.
  • Погрешность - 0,2.
  • Номинальный коэффициент мощности - 1,0.
  • Номинальный показатель тока параллельной цепи прибора - 5 мА.

ЛСЕНЕ

Этот цифровой ваттметр для аккумуляторов, цена которого стартует от 500 рублей, оснащен жидкокристаллическим дисплеем, обеспечивает проверку АБ в реальном времени, при показателях от 0 до 60 В. Устройство имеет низкое потребление энергии, работает с батареями 12, 24, 36, 48 В.

Параметры:

  • Рабочее напряжение - 0-60 В.
  • Максимальная сила тока - 0,01 А.
  • Рабочий ток - 7 А.
  • Габаритные размеры - 84х50х20 мм.
  • Последовательность выдачи данных - не более 2 секунд.

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

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

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

Собираем ваттметр самостоятельно из готовых частей

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

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

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

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


В нашем быту используется много самых различных устройств имеющих различную мощность потребления. При необходимости это сделать многие задают вопрос, как правильно определить мощность, чтобы не перегрузить сеть ~220В, какой нужен прибор для этого и т.д. Чтобы измерить потребляемую устройством мощность нужен ваттметр, например телевизором, приемником, магнитофоном, самодельный усилителем и т. д.

Для использования в своих радиолюбительских целях можно изготовить простой радиолюбительский ваттметр. Погрешность данного прибора незначительная но вполне хватает для того чтобы его изготовить из нескольких деталей, что значительно удешевляет конструкцию прибора и позволяет его изготовить даже начинающему радиолюбителю с небольшим опытом конструирования. Принципиальная схема простого радиолюбительского ваттметра приведена на рис.1.

Основа прибора - уже известный вам вольтметр переменного тока, в который входят стрелочный индикатор РА1, диоды VD1, VD2 и резисторы R1, R3. Резистор R3 шунтирует индикатор - микроамперметр М2003, чтобы получился миллиамперметр с током отклонения стрелки примерно 1 мА, а подстроечным резистором R1 устанавливают точнее выбранный диапазон измерений, в данном случае 100 Вт.

Подключен вольтметр параллельно резистору R2, который стоит в цепи питания нагрузки - между сетевой вилкой ХР1 и розеткой XS1. Когда ваттметр включен в сеть, а в розетку вставлена вилка питания нагрузки, скажем, настольной лампы, через резистор R2 протекает ток тем больший, чем больше потребляемая нагрузкой мощность. А значит, от мощности нагрузки будет зависеть падение напряжения на резисторе R2 - его и измеряет вольтметр.

Какие детали понадобятся для постройки этого прибора? Прежде всего, конечно, стрелочный индикатор. Хотя в данном случае он такой же, что и в предыдущем приборе, возможно применение другого индикатора - с током полного отклонения стрелки 1 мА и любым внутренним сопротивлением. В этом варианте резистор R3 не понадобится. Диоды - любые из серии Д9, подстроечный резистор также любого типа, например СПО.

Резистор R2 - проволочный, весьма малого сопротивления - 2 Ома. Его можно изготовить самостоятельно из провода с высоким удельным сопротивлением, к примеру - нихром, константан, манганин, но скорее всего такой провод найти не удастся и под руками окажется лишь медный провод марки ПЭВ или ПЭЛ в лакостойкой изоляции.

Тогда отрежьте 3,6 м такого провода диаметром 0,2 мм, намотайте его на корпус резистора МЛТ-2 сопротивлением не менее 100 Ом и припаяйте концы провода к выводам резистора - сопротивление получившегося резистора будет равно примерно 2 Ома.

Деталей в приборе немного, и их можно смонтировать на небольшой планке из изоляционного материала, укрепленной на выводах стрелочного индикатора. Сам же индикатор размещают на лицевой панели корпуса, а на боковой стенке корпуса крепят сетевую розетку.

Настройка

Включив в розетку настольную лампу мощностью 100 Вт, подают на ваттметр сетевое напряжение и перемещением движка подстроечного резистора устанавливают стрелку индикатора на конечное деление шкалы.

Внимание!

Осторожно, устанавливать стрелку индикатора на конечное деление шкалы только отверткой с изолированной ручкой!

Шкала ваттметра будет неравномерная, поскольку в нем работают диоды. Поэтому целесообразно снять характеристику прибора, как это делали в предыдущей конструкции. Для этого нужно отключить резистор R2 и подавать с регулируемого источника постоянное напряжение (примерно от 0 до 1 В) на верхние по схеме контакты вилки ХР1 (плюс) и розетки XS1 (минус). Смещать движок подстроечного резистора при этом не следует.

После этого проверяют показания ваттметра, отсчитывая их с помощью графика - характеристики диода и включая в розетку прибора лампы разной мощности - 75 Вт, 60 Вт, 40 Вт. А возможно ли измерить нашим ваттметром сравнительно малые мощности потребления, скажем, 5 или 10 Вт?

Это реально, если знать одну “хитрость”. Вставьте в розетку ваттметра тройник и включите в одну из пар гнезд его лампу, например, мощностью 60 Вт. Затем вставьте в другую пару гнезд вилку контролируемого маломощного устройства, и заметьте приращение показаний индикатора - оно и будет равно потребляемой мощности устройства.

Для тех, кто захочет построить ваттметр на мощность 200 Вт или 500 Вт, рекомендуем уменьшить сопротивление резистора R2 соответственно до 1 и 0,5 Ома, чтобы избежать излишнего падения напряжения на нем. Возможен, естественно, вариант многопредельного ваттметра, если установить в нем переключатель и подключать вместо R2 резисторы разного номинала. Надеемся, что такой прибор вы сможете сконструировать самостоятельно и использовать его для своих радиолюбительских нужд.

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


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

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

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

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

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


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


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

Cхема простого ваттметра на Arduino

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

I = (V 2 – V 1) / R

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


Программный код можно посмотреть


Рекомендуем также