Работы ваттметра

Ваттметры проходящей мощности радиодиапазона

В ваттметрах проходящей мощности в качестве первичного преобразователя, обычно используется направленный ответвитель — устройство, позволяющее ответвлять от основного тракта передачи очень небольшую долю энергии. Отведенная часть энергии подается на вторичный преобразователь, например, детекторную или термисторную головку, откуда сигнал измерительной информации подается на функциональный преобразователь и, далее, на показывающее устройство.

На относительно низких частотах (в ДВ- и СВ-диапазонах), использование направленных ответвителей затруднительно, в этом случае в качестве первичных преобразователей можно использовать датчики силы тока и напряжения в линии, измерительная информация с которых далее обрабатывается в функциональном преобразователе (перемножение значений с учетом разности фаз). Датчиками могут служить, например, трансформатор напряжения и трансформатор тока. Такой способ измерения используется обычно в специализированных приборах для контроля мощности, выдаваемой в антенну радиопередатчиком. На сверхвысоких частотах, в волноводных трактах, для измерения проходящей мощности может использоваться пондеромоторный метод или датчики, встраиваемые в стенку волновода — термисторные, термоэлектрические, гальваномагнитные.

ПРИМЕРЫ: М2-23, М2-32, NAS

Устройство

У стрелочных амперметров основа прибора – простейший электромагнитный (или иного типа) гальванометр или электроизмерительная головка.

Электромагнитный амперметр

Сам по себе гальванометр работает как нечто среднее между милливольтметром и микроамперметром. Включать его в цепь без нагрузки и балластных сопротивлений нельзя – обмотка катушек не рассчитана на значительную силу тока, что нужна силовым электроустановкам и потребителям, подключённым к ним: с большой долей вероятности его обмотка сгорит. Аналоговый гальванометр устроен следующим образом. В поле постоянных магнитов вращается катушка, по которой в момент подключения прибора начинает идти ток. Вырабатывая собственное магнитное поле, катушка поворачивается на определённый угол – пропорционально пропускаемому через неё току. А поворачиваться её заставляет вращательный момент, образующийся при взаимодействии поля постоянного магнита и поля катушки.

Помимо возвращающей пружины, на противовесе стрелки находится балансир – металлическая нить из мягкого и достаточно эластичного металла (например, платины), уравновешивающая стрелку и не дающая её концу задевать за шкалу – алюминиевую пластину с проградуированными делениями, закреплённую в качестве плоской рамки на лицевой части внутренностей гальванометра. В ряде случаев, чтобы не тратить дорогую платину, на противовес стрелки напаивается капля какого-нибудь легкоплавкого сплава (точно в миллиграммах или в сотнях микрограммов). Если балансир порвётся – результаты измерений будут неточными и прерывистыми либо вообще никакими. Правила обращения с гальванометрическим амперметром строго-настрого запрещают его бросать, подвергать жёсткой вибрации и сильным ударам – измерительные головки ломаются очень легко.

Наконец, стрелочный амперметр обладает плоским винтом, немного сдвигающим пружину стрелки в обе стороны. Благодаря повороту этого винта стрелка может находиться не строго на нуле шкалы, а в околонулевой точке. На сколько делений будет нарушен ноль – на столько же амперметр и «приврёт», сняв показание измеряемого тока. Завод-изготовитель после опробования гальванометра самостоятельно калибрует ноль – по шкале. Пользователь сам подстроит точность нуля на глаз с помощью плоской отвёртки – когда обнаружит, что стрелочный ноль сбился и не совпадает со шкальным.

Подпорки из проволоки с резиновыми прокладками, находящиеся по концам шкалы, удерживают стрелку на околонулевой и максимальной позиции, когда гальванометр «зашкаливает» или подключён «задом наперёд». Они не дают пружине перекрутиться, а концу стрелки – биться о края визуального измерительного поля, если измеряемый параметр по невнимательности пользователя окажется в разы больше, чем реальный, который способен отобразить сам прибор.

Магнитоэлектрический

Удерживает постоянный ток малых значений. Измерительная головка – магнитоэлектрическая система со шкалой, содержащей определённую градуировку.

Термоэлектрический

Создан для цепей быстропеременного тока с частотой в сотни и тысячи герц. Основа такого амперметра – магнитоэлектрическая головка. Он состоит из отрезка проводника, к которому подсоединена термопара. Ток, нагревающий проводник, приводит к выделению тепла, улавливаемого термопарой. Теплоизлучение отклоняет рамку со стрелкой на расчётный угол, линейно зависящий от величины проходного тока.

Электродинамический

Его назначение – измерять ток в быстропеременных электроустановках, работающих на повышенной (до 200 Гц) частоте. Для электродинамических амперметров подойдёт помещение или отсек, где полностью отсутствуют лишние электромагнитные поля. Однако они высокоточны и применяются для регулярной поверки замерителей всех остальных типов.

Ферродинамический

Каркас ферродинамического замерителя исполнен из ферромагнетика, железного сердечника и статичной катушки. Он обладает классом точности, присущим электродинамическому амперметру, но нечувствителен к электромагнитным помехам (паразитным полям).

Цифровой

Цифровой амперметр (в идеале – мультиметр) лишён гальванометрической измерительной головки. Вместо гальванометра используется целая система: датчики подаваемого на измерение тока, АЦП, процессор с ПЗУ и оперативной памятью, дисплей с контроллером вывода значений снимаемых показаний. Для записи показаний на внешний носитель может прилагаться microUSB-порт или Wi-Fi/Bluetooth-радиомодуль – это позволяет подключить амперметр или мультиметр к ПК, смартфону или планшету, и использовать специальное приложение для работы с ним.

Технические параметры

В соответствии с указанными техпараметрами, приспособление крайне полезное в домашнем использовании и дает возможность оценить напряжение в электросети, ток, мощность нагрузки и расходование электричества.

Диапазоны замеров:

• рабочее и тестируемое напряжение: 80 ~ 260VAC;
• замеряемый ток: 0-20A;
• рабочая частота (в электросети): 50-60 Гц;
• замеряемая мощность: 0-4500Вт;
• расходование электроэнергии: 0-9999 кВтч (отображается, какое количество электричества за 60 минут затрачивается подсоединенный к такому приспособление электронный прибор);
• рабочие температурные показатели окружающего пространства: 0-50 градусов;
• указанные габариты 8,5 на 5 на 2,5 см будут соответствовать реальным параметрам.

Важно! Кроме мощности, такое устройство способно измерять напряжение, электроток, частоту. Другие возможности ваттметров будут зависеть от компании-производителя

Параметры приспособления

Устройство и принцип работы

В зависимости от исполнения измеряющих цепей прибора ваттметры подразделяются на две разновидности.

Аналоговый

Аналоговые сигналы по своей природе непрерывны. Для замера мощности пропускаемого по цепи электрического тока применяют электродинамические измерители. Аналоговый гальванометр работает на основе электромагнитного взаимодействия двух катушек. Одна из них – электродинамический статор – надёжно фиксируется в приборе, прикреплена к его каркасу (нижней части корпуса). Обмотка статорной части намотана толстым (до 1 мм или более в диаметре) обмоточным эмальпроводом. Её сопротивление мало. Она включается последовательно с нагрузкой, без добавочных резисторов.

Роторная или подвижная катушка движется в поле статорной. Она закреплена на оси так, чтобы не создавать перекос в зазоре статора при отклонении в любую из двух сторон. Она намотана тонким эмальпроводом, имеет значительно большее сопротивление (и число витков). Если бы её намотали таким же толстым проводом – действие гальванометра визуально было бы никаким. Она подключается параллельно нагрузке через высокоомный дополнительный резистор. Тот, в свою очередь, предотвращает короткое замыкание на цепи и между витками – и выход из строя гальванометра.

Когда ваттметр подключается к сети – вернее, сеть включается через него – подвижная и неподвижная катушки вырабатывают свои магнитные поля. Взаимодействуя этими полями друг с другом, роторная катушка поворачивается на определённый (расчётный) угол. К оси катушки подвешена стрелка с плоской пружиной. Та возвращает саму стрелку в исходное (нулевое) положение – сразу же после отключения ваттметра от сети. Направление стрелки совпадает с плоскостью подвижной катушки – они обе прикреплены друг к другу.

Конец неуравновешенной стрелки может падать на пластину с нанесённой на неё и отградуированной шкалой, задевать за неё при движении по самой шкале. Чтобы исключить такое подтормаживание стрелки, фирма-приборостроитель балансирует её при помощи металлического волоска (стремени), расположенного у самой оси, вокруг которой поворачивается и сама катушка.

Такая конструкция отдалённо напоминает микроскопические весы или каплю в жидкостном уровнемере, находящиеся в точном равновесии, в центре. Сам противовес напаивается из легкоплавкого металла или сплава. Стрелка балансируется по уровню – в лежачем и стоячем положении гальванометра. Если прибор упадёт, балансир порвётся, то такой гальванометр считается испорченным и подлежит переработке.

Важно! Градусы, на которые поворачивается катушка со стрелкой, эквивалентны количеству вольт-ампер, пропускаемых сейчас по цепи. Некоторые модели приборов, подобно электрокардиометру, снабжены не гальванометром, а самописцем – они печатают таблицы значений тока, напряжения и мощности, либо выводят на рулоне бумаги график мощности

Цифровой

Электродинамический гальванометр в таком ваттметре заменён цифровым устройством, работающим на основе предварительного измерения силы тока и напряжения. Последовательно с нагрузкой к входу прибора подключается датчик тока – аналог простого амперметра. Параллельно – датчик напряжения (аналог обычного стрелочного вольтметра). Элементная база, из которой собираются эти датчики, включает в себя термопары, контрольные трансформаторы тока, термисторы и так далее.

Далее в дело вступает АЦП – микросхема, преобразующая аналоговый сигнал в цифровой. Эти данные передаются на кристалл микропроцессора. Сам процессор определяет величину (ре) активной мощности. Обработанные сведения передаются в оперативную и флеш-память и доступны для считывания внешними устройствами. В более дорогих моделях ваттметров они передаются через COM- или USB-порт – и в любой модели отображаются на дисплее.

Ваттметры поглощаемой мощности радиодиапазона

Детекторный СВЧ-ваттметр М3-5С

Ваттметры поглощаемой мощности образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Видовое деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей (приемных головок). В серийно выпускаемых ваттметрах используются преобразователи на базе термистора, термопары и пикового детектора; значительно реже, в экспериментальных работах, применяются датчики, основанные на других принципах — пондеромоторном, гальваномагнитном и т. д. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за неидеального согласования входного сопротивления приемных головок с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не падающую мощность, а поглощаемую, которая отличается от падающей на величину, равную K_P×P_пад, где K_P — коэффициент отражения по мощности.

Термисторные (болометрические) ваттметры состоят из приемного преобразователя на базе термистора (или болометра) и измерительного моста с источником низкочастотного переменного тока для подогрева термистора. Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. В процессе измерения полная мощность, рассеиваемая на термисторе (при подаче на него одновременно измеряемого сигнала и тока подогрева) и, соответственно, сопротивление термистора поддерживается одинаковым с помощью измерительного моста, который уравновешивается изменением тока подогрева. В первых моделях термисторных ваттметров уравновешивание осуществлялось вручную, в современных ваттметрах уравновешивание автоматическое, показания выводятся в цифровом виде. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый динамический диапазон — максимальная мощность рассеивания — несколько милливатт, это ограничение преодолевается использованием аттенюаторов, делящих мощность, но вносящих при этом дополнительную погрешность.

ПРИМЕРЫ: М3-22А, М3-28

Калориметрические ваттметры отличаются от термисторных тем, что для поглощения измеряемой мощности используется отдельная нагрузка, от которой тепло передается на термисторный преобразователь через рабочую среду — дистиллированную воду или специальную жидкость. Жидкая среда циркулирует со строго заданной скоростью потока, омывая по очереди входную нагрузку, преобразователь и охлаждающий теплообменник.

ПРИМЕРЫ: М3-13, МК3-68, МК3-70

Термоэлектрические ваттметры в качестве первичного преобразователя используют термопару (или блок термопар) прямого или косвенного нагрева. При измерении горячий спай термопары нагревается под воздействием подводимой мощности измеряемого сигнала, при этом вырабатывается термо-э.д.с. Измерительная информация в виде сигнала постоянного тока поступает на электронный блок (аналоговый или цифровой), где обрабатывается и поступает на показывающее устройство.

ПРИМЕРЫ: М3-51, М3-56, М3-93

Ваттметры с пиковым детектором просты в устройстве, в отличие от других видов ваттметров способны измерять не только мощность непрерывного сигнала, но и пиковую мощность радиоимпульсов, однако, из-за низкой точности измерения в настоящее время применяются редко. По принципу действия такой ваттметр представляет собой выпрямительный вольтметр переменного тока, имеющий на входе нагрузку с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, и с отcчетным устройством, проградуированным в значениях мощности.

ПРИМЕРЫ: М3-3А, М3-5А

Как работает цифровой ваттметр

Основной принцип работы цифрового ваттметра заключается в предварительном измерении силы тока и напряжения на исследуемом участке цепи. К потребителю нагрузки последовательно подключается датчик тока, а датчик напряжения подключается по параллельной схеме. Главным конструктивным элементом датчика служит термистор, термопара или измеряющий трансформатор.

По такому же принципу работает ваттметр бытовой, широко используемый в домашних условиях. Такое устройство достаточно включить в розетку, чтобы начать процесс измерения.

Основой устройства служит микропроцессор, к которому поступают измеренные параметры тока и напряжения, после чего и вычисляется мощность. Полученные результаты выводятся на экран и одновременно передаются на внешние приборы. В самом микропроцессоре присутствуют элементы, в том числе и микроконтроллеры, позволяющие автоматически управлять рабочими режимами, дистанционно переключать пределы измерений. С их помощью выполняется индикация условных обозначений измеряемых величин.

При работе с преобразователями больших и средних уровней мощности, выполняется калибровка цифрового устройства с помощью калибратора мощности постоянного тока. Самостоятельная калибровка ваттметра осуществляется калибратором мощности переменного тока. Питание всех узлов и элементов происходит через источник питания постоянного тока, встроенный внутрь измерительного прибора.

Напряжение, поступающее с приемного преобразователя, включенного в розетку, усиливается УПТ – усилителем постоянного тока до значений, делающих более устойчивой работу АЦП – блока аналого-цифрового преобразователя. Далее напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами опорной частоты.

Количество этих импульсов, пропорциональное измеряемой мощности будет отображаться на ЦОУ – цифровом отсчетном устройстве. Полученные данные могут быть введены в специальное устройство, предназначенное для обработки информации.

Измерение мощности в трехфазных цепях переменного тока

Как и в однофазных сетях, так же и в трехфазных полную энергию сети можно измерять косвенным методом, то есть с помощью вольтметра и амперметра по схемам показанным выше. Если нагрузка трехфазной цепи будет симметричной, то можно применить такую формулу:

U_л – напряжение линейное, I- фазный ток.

Если же фазная нагрузка не симметрична, то производят суммирование мощностей каждой из фаз:

При измерении активной энергии в четырехпроводной цепи при использовании трех ваттметров, как показано ниже:

Общей энергией потребляемой из сети будет сумма показаний ваттметров:

Не меньшее распространение получил и метод измерения двумя ваттметрами (применим только для трехпроводных цепей):

Сумму их показаний можно выразить следующим выражением:

При симметричной нагрузке применима такая же формула как и для полной энергии:

Где φ – сдвиг между током и напряжением (угол фазового сдвига).

Измерение реактивной составляющей производят по той же схеме (смотри рисунок в)) и в этом случае она будет равна разности алгебраической между показателями приборов:

Если сеть не симметрична, то для измерения реактивной составляющей применяют два или три ваттметра, которые подключают по различным схемам.

Двухэлементный ваттметр — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Двухэлементный ваттметр

Мощность может быть измерена двумя однофазными ваттметрами или однщл трехфазным, так называемым двухэлементным ваттметром, в котором конструктивно оформлены в одном корпусе два однофазных ваттметра. На рис. 10 — 5 показана схема измерения активной мощности по способу двух ваттметров для соединения приемника звездой.  

Для измерения мощностей в цепях трехфазного тока, нагрузка которых может быть как равномерной, так и неравномерной, применяются два одноэлементных ваттметра или один двухэлементный ваттметр.  

На основании измерений и вычислений убедиться, что показание двухэлементного трехфазного ваттметра равно сумме показаний одноэлементных ваттметров и что расчетная мощность трехфазной цепи равна показанию двухэлементного ваттметра.  

В трехпроводных цепях трехфазного тока электрическая энергия измеряется двухэлементными счетчиками, например счетчиком типа САЗ-И670 ( рис. 9 — 7), схема включения которого та же, что и двухэлементного ваттметра. Две электромагнитные системы счетчика воздействуют на два алюминиевых диска, укрепленных на одной оси.  

Амперметры и токовые обмотки двухэлементного ваттметра подключаются ко вторичным обмоткам трансформатора тока ТТ, установленным в фазах А и С. Обмотки напряжения двухэлементного ваттметра и вольтметра подключаются ко вторичной цепи трансформатора напряжения ТН.  

При выпуске из производства или ремонта следует проверить влияние отдельных элементов прибора друг на друга. Для этого в двухэлементном ваттметре отключают в одном элементе токовую цепь, а в другом цепь напряжения. Ток и напряжение включенных цепей устанавливают номинальными. При поверке трехэлементных ваттметров в одном из элементов устанавливают номинальный ток и напряжение, равное нулю, а в двух других — ток, равный нулю, и номинальное напряжение. Смещение указателя с нулевой отметки шкалы при этих условиях не должно превышать предела допускаемой погрешности.  

Для измерения активной мощности в эксплуатационных условиях промышленность выпускает трехфазные одно — и двухэлементные ваттметры, соответственно рассмотренным методам. В трехпроводных цепях наиболее широко распространен двухэлементный ваттметр. Он состоит из двух катушек, укрепленных на одной оси подвижной системы, и двух неподвижных катушек. Отклонение подвижной части ваттметра определяется алгебраической суммой моментов, действующих на подвижную часть.  

Результат измерения не зависит от схемы соединения резисторов нагрузочного устройства. По этой же схеме включается и двухэлементный ваттметр.  

Если стрелка одного из ваттметров стремится переместиться влево от нуля, то необходимо изменить направления тока в какой-либо из катушек прибора и определить мощность установки как разность показаний обоих ваттметров. Так как пользование двумя ваттметрами неудобно, то для измерения мощности трехфазной системы применяют один двухэлементный ваттметр.  

Если стрелка одного из ваттметров стремится переместиться влево от нуля, то необходимо изменить направление тока в катушке напряжения этого прибора и определить мощность установки как разность показаний обоих ваттметров. Так как пользование двумя ваттметрами неудобно, то для измерения мощности трехфазной системы часто применяют один двухэлементный ваттметр. Как показывает само название, этот ваттметр состоит из двух однофазных ваттметров ( элементов), включаемых по схеме ( см. рис. 106) и воздействующих на общую подвижную часть. Этот прибор производит автоматическое сложение или вычитание мощностей, измеряемых его отдельными элементами.  

В сеть трехфазного тока с линейным напряжением 120 ft включена треугольником осветительная нагрузка. Сопротивления фаз равны: первой — 12 ом, второй — б ом, третьей-8 ом. Для измерения потребляемой мощности включен трехфазный двухэлементный ваттметр.  

Измерение активной мощности в трехфазной сети с нейтральным проводом производится по схеме рис. 2.47 а. Каждый ваттметр измеряет мощность в отдельной фазе; общая мощность равна сумме показаний ваттметров: P06in Pwi Pw2 Pw3 — В трехфазной сети с равномерной нагрузкой каждой фазы можно измерить мощность одной фазы и, умножив ее на три, получить общую мощность. Токовые катушки могут быть включены в два произвольных провода сети. На этом принципе основано измерение активной мощности двухэлементным ваттметром ( с двумя подвижными и двумя неподвижными катушками) в трехфазной трехпроводной сети.  

Страницы:      1    2    3    4

Мощность переменного тока

Мощность переменного тока вычисляется по формуле:

P=IUcos φ

где

P – мощность, Ватт

I – сила тока, Ампер

U – напряжение, Вольты

cos φ – коэффициент мощности

Что еще за косинус фи? И что он вообще означает? Есть такие радиоэлементы как конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, электромеханические реле  различные двигатели и прочие радиоэлементы, которые обладают какой-либо емкостью или индуктивностью.

Если вспомнить осциллограмму переменного напряжения из нашей домашней розетки, то она будет выглядеть вот так:

Если же запитать какую-нибудь нагрузку, типа лампочки накаливания, то у нас в дело пойдет также такой параметр как сила тока. Так как лампочка накаливания не обладает никакой емкостью или индуктивностью, то сила тока у нас будет синфазно меняться с напряжением. Синфазно – это означает  одинаково, синхронно. Например, синхронное плавание. Там участники все делают вместе и одинаково.

Так вот, такой параметр как сила тока и напряжение на лампочке тоже действуют синфазно. Ниже красной синусоидой я показал силу тока, которая “бежит” через лампочку:

Видите? Она начинается в этом же месте, где и напряжение. Сила тока достигает максимума, и напряжение тоже достигает максимума в это же самое время, следовательно и мощность в этот момент тоже максимальная (P=IU). Сила тока равняется нулю и напряжение тоже равняется нулю в том месте, где пересекаются эти синусоиды, значит и мощность в этот момент тоже будет равняться нулю.

Но весь прикол в том, что каким-то чудом радиоэлементы, обладающие индуктивной или емкостной составляющей (конденсаторы, катушки, трансформаторы и тд) умудряются сдвигать синусоиду силы тока.

Предположим, будем питать от сети  мой трансформаторный блок питания.

И у нас осциллограмма силы тока уже будет принимать примерно вот такой вид:

Что здесь произошло? Так как первичная обмотка трансформатора обладает индуктивностью, то эта самая индуктивность сдвинула осциллограмму силы тока. Более подробно можете прочитать в статье активное и реактивное сопротивление.

В зависимости от значения индуктивной или емкостной составляющей, сила тока может либо опережать либо отставать от напряжения. А чтобы измерить на сколько, для этого в обиход ввели фи (φ), которая показывает этот сдвиг в градусах.

Короче говоря, не будем рассматривать тригонометрию, скажу просто, что для расчета мощности берут косинус значения этого угла.