electro-labs.com

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 серии , 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.

Принципиальная схема

Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.

Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В - 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.

Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201 . Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 () мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В - 4.09 В.

После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630 . Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В - это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.

Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании . Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.

Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.

Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.

В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).

Таблица 1. Список использованных компонентов.

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.

На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 - потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 - водонагревателя мощностью 2 кВт.

Загрузки

Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) -

Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) -

Июня 04, 2017

Ваттметр - это ценный инструмент, который измеряет потребление электроэнергии в течение определенного периода времени. Измеритель измеряет мощность, потребляемую в ваттах, и поставляется в разных формах и размерах. Электрический счетчик, установленный вне большинства зданий, на самом деле является типом ваттметра, но большинство людей, которые хотят научиться читать эти устройства, используют подключаемый ваттметр для определения того, сколько энергии используют определенные приборы. Независимо от того, для чего используется ваттметр, важно, чтобы владельцы знали, как правильно его читать.

Покупка ваттметра

Существует несколько различных ваттметров. Большинство этих устройств выполняют одни и те же измерения, но важно найти тот, который может подключаться непосредственно к настенной розетке, поскольку это самый простой способ точно определить, сколько энергии используется определенным прибором. Имеются как аналоговые, так и цифровые ваттметры. Покупка цифровых счетчиков позволяет пользователям видеть точное считывание, в то время как аналоговые счетчики требуют от пользователей простейших вычислений для определения использования ватт.

Чтение цифрового измерителя

Подключите ваттметр к розетке. Убедитесь, что ваттметр отображает показание «0» и очистился от последнего показания. Затем подключите любой бытовой прибор к ваттовому счетчику, чтобы получить показания мощности устройства. Если ватт-счетчик является цифровым, для устройства, как правило, требуется всего несколько секунд, чтобы вычислить показания. Цифровые счетчики отображают количество ватт, которое устройство использует за час.

Чтение аналогового счетчика

Если ваттметр представляет собой аналоговый счетчик, посмотрите на вращающиеся диски в счетчике. Используйте секундомер, чтобы определить, сколько времени потребуется, чтобы эти диски полностью развернулись. Затем возьмите цифры киловатт показанные счетчиком, умножьте это на 3600 и разделите на количество секунд, в течение которых прибор должен вращаться. Это коэффициент использования мощности в час. Повторите этот процесс на любом другом устройстве, чтобы оценить все электробытовые устройства в вашем доме.

Расчет затрат энергии

Просмотрите свой счет за энергию, чтобы определить стоимость киловатт-часа энергии в вашем доме. Используя калькулятор, умножьте эту величину на количество ватт в час, которые использует любое тестируемое устройство в доме, чтобы узнать, сколько стоит запустить прибор в вашем доме в течение одного часа.

Использование высокопроизводительных ваттметров

Лица, которые хотят получить более полную информацию об общем потреблении энергии в своем доме, могут позвать электрика, который установит высокопроизводительный ваттметр. Это устройство предоставляет подробную информацию о стоимости и электрическом использовании для всего дома, например, какие области дома потребляют наибольшую энергию. Эти счетчики предназначены для того, чтобы помочь домовладельцам сократить свои затраты на электроэнергию, не выполняя индивидуальные тесты на каждом электронном устройстве в своем доме.

Как купить ваттметр

Многие продавцы строительных и электро магазинов имеют ваттметры, доступные для продажи. Просто спросите у консультанта про «watt meter. Осмотрите прибор и попросите от него технические характеристики, чтобы просмотреть его полное описание и информацию о производителе. Определитесь будет ли он цифровой или аналоговый.

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.

Один из параметров, который характеризует состояние – это ее мощность. Она отражает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность устройств, включаемых в электрическую цепь, должна быть в рамках мощности сети. Иначе возможны неприятные сюрпризы – от выхода из строя оборудования до короткого замыкания и пожара.

Измеряют мощность электрического тока специальным прибором – ваттметром . И если в цепи постоянного тока она рассчитывается простым умножением силы тока на (достаточно наличия вольтметра и амперметра), то в сети переменного тока без измерительного оборудования не обойтись. Также им контролируют и учитывают расход энергии.

Применение Ваттметров

Основная область применения – это электроэнергетическая промышленность и машиностроение, мастерские по ремонту электроприборов. Однако достаточно широко используют и бытовые измерители, которые приобретают любители электроники, компьютеров и просто обыватели – для учета и экономии энергопотребления.

Применяют ваттметры для:

• Определения мощности приборов;
• Тестирования электрических сетей, и их отдельных участков;
• (как показывающие приборы);
• Контроля работы оборудования;

Типы ваттметров

• 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, и мощности на постоянном токе ±0,1%;
• приведенная погрешность измерения тока и 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.

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 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 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 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: