Цифровой ваттметр схема и принцип действия. Многофункциональный ваттметр с гальванической развязкой

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:

α = k2IIu = k2U/Ru

где I - ток последовательной катушки; I и - 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 α = (k2/Ru)IU = k2IU = k3P

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

Шкала ваттметраравномерна. При работе с ваттметром необходимо иметь в виду, что изменение направления тока в одной из катушек вызывает изменение направления вращающего момента и направления поворота подвижной катушки, а так как обычно шкала ваттметра делаетсяодносторонней, т. е. деления шкалы расположены от нуля вправо, то при неправильном направлении тока в одной из катушек определение измеряемой величины по ваттметру будет невозможно.

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.

Таким образом, при правильной схеме включения ваттметра токи в катушках ваттметра направлены от генераторных зажимов к негенераторным. Могут иметь место две схемы включения ваттметра (см. рис. 2 и рис. 3).

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

При измерениях, в которых мощностью обмоток ваттметра можно пренебречь, предпочтительнее пользоваться схемой, показанной на рис. 2, так как обычно мощность последовательной обмотки меньше, чем параллельной, а следовательно, показания ваттметра будут более точными.

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 U 2 /Ru , где Ru обычно известно, а поправка остается неизменной при различных значениях тока, если U постоянно.

При включении ваттметра по схеме на рис. 2 потенциалы концов катушек разнятся только на величину падения напряжения в подвижной катушке, так как генераторные зажимы катушек соединены вместе. Падение напряжения в подвижной катушке незначительно по сравнению с напряжением на параллельной цепи, так как сопротивление этой катушки незначительно по сравнению с сопротивлением параллельной цепи.

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.

Всем привет! Сегодня мы будем знакомиться с таким не хитрым прибором под названием ваттметр. Прибор имеет встраиваемую конструкцию и его можно встроить в устройство или эксплуатировать прямо так без установки. Ваттметр предназначен для измерения активной мощности потребляемым устройством, подключенным к нему.

Что может данная модель ваттметра, кроме измерения мощности:
1. Измерять параметры: напряжение, ток, активную мощность, количество энергии.
2. Сигнализировать о перегрузке (превышение мощности порогового значение, мигание подсветкой), сигнализация превышения параметров прибора, установленных пользователем (можете установить порог срабатывания мощности).
3. Сохранение данных в энергонезависимую память и сброс их при желании.
Хочу подчеркнуть, что прибор измеряет только активную мощность, собственно, как и любой электрический счетчик, установленный у Вас дома. Реактивная мощность не учитывается. Реактивную мощность выдают емкостные и индуктивные нагрузки.

Особенности вычисления активной мощности.

Активная мощность рассчитывается как: P = U * I * COS, где COS коэффициент мощности.
Для чисто резистивный нагрузок (таких как лампы накаливания, нагревательные элементы, и др.) коэффициент мощности, как правило, близко к 1. Для индуктивных и емкостных нагрузок коэффициент мощности может принимать значение от 0 до 1.
Ваттметр управляется одной кнопкой.

1. Управление подсветкой.

Короткое нажатие на кнопку, включает или выключает подсветку. Состояние подсветки сохраняется при выключении питания, то есть идет сохранение в энергонезависимую память.

2. Установка пороговой мощности.

Нажмите на кнопку и удерживайте её око 3 секунд, пока экране на появиться надпись “SET CLR”. Цифра, которую можно изменить, начнет мигать. Затем короткими нажатиями на кнопку вы можете поменять значение. Чтобы вернуться в исходное состояние нужно удерживать кнопку более 5 секунд.

3. Сброс показаний энергии.

Нажмите на кнопку и удерживайте её более 5 секунд, пока экране не начнет мигать цифра энергии. Короткое нажатие на кнопку снова, обнуляет значение энергии. После настройки вернуться в исходное состояние можно удерживая кнопку более 5 секунд.
Измерительный элемент находиться внутри ваттметра, никаких дополнительных шунтов и трансформаторов не требуется. Так же прибор не требует подключения дополнительного питания. Схему включения прибора вы найдете на задней стенке ваттметра. Надписью «LOAD» обозначается подключенная нагрузка.

Показания на приборе отображает жидкокристаллическая матрица, имеет очень стильный вид. Матрица имеет светодиодную подсветку синего цвета.
Прибор точен, экономичен, имеет большой двустрочный дисплей. Очень удобен в контроле показаний сети и энергии потребляемой подключенными приборами. Невероятно прост в подключении и установке.
На просторах Алиэкспресса есть ещё похожая модель ваттметра. Ваттметр с токовым трансформатором. У модели, рассмотренной выше шунт встроен в корпус и максимальный ток измерения до 20 А. У модели же с токовым трансформатором, сам измерительный трансформатор расположен вне корпуса и не имеет прямого подключения. Через него достаточно пропустить провод, в котором нужно измерить ток. Плюсом данного исполнения ваттметра является более высокий ток нагрузки до 100А что может пригодиться.
Ну а из минусов – немного более высокая цена.

Характеристики ваттметра.

Напряжение измерения: AC 80 ~ 260 В
Частота: 45 – 65 Гц
Точность измерения: 1.0 класс
Ток измерения: AC 0 ~ 20 А
Мощность измерения: 0 ~ 22 кВт
диапазон измерения энергии: от 0 до 9999 kWh
Рабочая температура: -10 °C ~ 65 °C
Рабочая влажность: 35 ~ 85% RH
Размер: 90x50x25 мм (округленные значения. Точные значения смотрите ниже на рисунке).

Комплект поставки:

Ваттметр - 1 шт.
Руководство (на английском и китайском языках) - 1 шт.

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

Данная работа представляет собой небольшой приборчик на дешёвой элементной базе, который позволяет определить потребляемые нагрузкой мощности на переменном токе частотой 50Гц, т.е. от сети или трансформаторов. Причём определяет он именно потребляемые в данный момент мощности, и никоим образом не является счётчиком электроэнергии. Мощностей три - полная, активная и реактивная. О существовании других я не знаю. Так же в показаниях выводится значение косинуса угла сдвига фаз, благодаря которому и производятся расчёты полной и реактивной мощности.
Проектирование ваттметра было целью дипломной работы, поэтому ТЗ формировалось руководителем работы и хорошим преподом - Бобром А.И. В формировании ТЗ главным фактором было то, что этот препод должен проводить лабораторные работы и иметь в наличии множество приборов и стендов. Т.к. в стране бардак и денег как обычно ни у кого нету - многим приходится выезжать на учащихся. Посему множество стендов изготовлено руками учащихся на дипломном проектировании. Данную работу предполагается использовать для изучения КЗ и ХХ на трансформаторе, который подключён к сети через автотрансформатор, посему и ТЗ ограничилось такими параметрами как:
- максимальная измеряемая мощность - 650Вт (655,36 , если быть точным);
- шаг определения угла сдвига фаз - 1° (это же касается и таблицы косинусов);
- от максимальной мощности зависят измеряемый ток и напряжение - амплитуда напряжения до 256*1,41 (В), а тока - до 2,56*1,41 (А);
- погрешности были заданы на уровне не более 10% от Рном, хотя я думаю лучше сказать - 10% от Sмакс, однако по мере уменьшения измеряемой мощности погрешности будут расти из-за того, что напряжение делится на 141, а битность АЦП всего 10.
Исходя из этих основных параметров можно сказать что данный ваттметр может быть полезен начинающим и как пример для дальнейших разработок аналогичных приборов, потому как не всё ещё гладко в схеме и прошивке, но он работает.
Итак, схема:

Кое-какие комментарии по схеме:
- цепь питания стандартная, никаких излишеств кроме фильтрации питания на аналоговую часть МК (дроссель и конденсатор на лапах МК)
- R5 для подсветки, при таком номинале подсветка средняя и видна при недостатке света, так же она не сильно кочегарит линейный стабилизатор, посему у меня он без радиатора стоит.
- R4 необходим для регулировки контрастности ЖКИ.
- С7 - фильтрация помех, т.к. ИОН внутренний, а нога от него не отключается.
- С10 - фильтрация помех по питанию ЖКИ, частенько при дребезге контактов он сбивается и показывает ахинею. Этот кондёр немного исправляет ситуацию.
- С11 - та же самая фильтрация, только по измеряемой цепи, т.к. при подключении и отключении нагрузки помехи бывают очень страшные. Данный кондёр выдран из фильтра питания платы от копира. Такие же есть в комповских БП на входе, только не стоит с номиналом перебарщивать, т.к. реактивные элементы создают сдвиги фаз.
- R7 и SMBJ5.0A служат для ограничения напряжения при всплесках тока. SMBJ5.0A - это супрессор, трансил или защитный диод. Работает он как стабилитрон, с той лишь разницей что не рассчитан на долговременную стабилизацию и при превышении напряжения на которое рассчитан открывается и способен шунтировать большие токи на десятки микросекунд. Необходимость в нём и резисторе возникла после того, как спалил один МК из-за искрения вилки в розетке. Однако наряду с защитой появляется один нехороший баг - начинает скакать косинус и активная с реактивной мощности на ХХ из-за наводок, хоть при этом полная мощность нулевая и остальные расчёты не должны проходить.
- R1, R2, VD1 - делитель на 141, и диод выполняет роль ограничителя прохождения обратной полуволны на АЦП.
- R6, VD6 - токовый шунт и мощный диод для того, чтобы отрицательная полуволна шла через него.
- ЖКИ у меня SC1602BULT, т.к. других фирм найти проблематично, а этот сделан бравыми тайваньскими ребятами, у которых девиз как и у Америки - сделаем всё через одно место, чтобы весь мир завидовал. Посему у Америки дюймы вместо метров, а у тайваньцев подключение питания другое и таблица символов не соотвествует ни одной из стандартных. При этом контроллер совместим с HD44780.
Ну собственно и всё по элементам. Как и писал выше - ничего необычного и дефицитного.

Теперь краткий анализ вычислений и методики определения величин.
Тактовый генератор АЦП настроен на частоту 125кГц. Оцифровка идёт один период, т.е. 20мс. Одна оцифровка длится 13 тактов АЦП. АЦП всего один, поэтому его каналы надо оцифровывать последовательно. Оцифровка канала тока и напряжения ничем практически не отливается за исключение разных переменных и каналов. При оцифровке каждое измеренное значение сравнивается с предыдущим, и если новое больше - оно запоминается. Таким образом можно определить полную потребляемую мощность. Угол сдвига фаз определяется же путём программного определения перехода полуволны через ноль (или лучше сказать приближения синусоиды к нулю). При условиях соответствующих переходу полуволны синусоиды через ноль в возникает прерывание от таймера, внутри которого выполняются все арифметические действия с полученными значениями для вычисления мощностей и косинуса. Это основной код. Остальное всё не имеет большого значения и стандартно.

Здесь:
U - напряжение сети;
I - ток через нагрузку;
U * - амплитудное значение напряжения после резистивного делителя;
U ** - амплитудное значение напряжения на токоизмерительном резисторе;
U ADC0 - оцифровываемое напряжение на входе ADC0 микроконтроллера;
U ADC1 - оцифровываемое напряжение (соответствующее измерямому току) на входе ADС1 микроконтроллера;
а - область запоминания времени таймера, соответствующего переходу синусоиды через ноль;
b - погрешность запоминания времени таймера (определения перехода синусоиды через ноль).

Теперь фотки.

Моя печатка, которая для дипломки сделана. Половина на ней не разведена, одна дорожка забыта и не совсем удачная разводка. Посему свою версию печатки не выкладываю и предлагаю всем заинтересованным развести её под себя и с учётом требований к хорошей помехозащищённости аналоговых цепей.

Вид сверху на печатку и транс в корпусе. Корпус покупался на рынке. Мастер из колледжа сказал что возят их из Польши. Стоит сие чудо около 3у.е.

Верхняя часть корпуса с розеткой, фильтрующим кондёром и ЖКИ модулем.

Вид сверху на это чудо собранное в корпус.

Вид спереди. Ничего кроме ЖКИ, за приклеенным оргстеклом, и выступающими болтами стоек не видно.
Итак, если кто-то ещё не заметил - гальванической развязки в приборе нету, посему трогать токоведущие части ваттметра опасно для жизни и рекомендуется избегать с ними контакта!!!
Именно поэтому я приклеил оргстекло, а за ним расположил ЖКИ. Стойки же железные, но они прикручены болтами к ЖКИ в тех местах, которые предусмотрены производителем и не касаются пайки и проводников ПП, а под одну, чтобы исключить контакт, подложена картонная шайба, которые используют при монтировании материнских плат в корпус.

Работаем на ХХ и ловим глюки (или наводки).

Работаем на лампу накаливания 60Вт и показываем вполне реальные значения. К слову - для определения потребляемой мощности и калибровки прибора пользовался мультиком Mastech MY-6. При этом напряжение в сети было 210В, а тока через лампу составил 0.22А Куда пропали 2Вт - не могу сказать, однако измерил делить напряжения, скорректировал формулу и по току также скорректировал формулу, потому как в идеале там должен был быть резистор 0.707 Ом.
Косинус по-моему вполне достоверный получился. Он соответствует углу в 2°. Конечно можно ввести поправку на угол при чисто активной нагрузке, но надо учитывать что провода, их изоляция и т.п. тоже вносят реактивную составляющую в мощность.

Так горит лампа. Полосы - рассинхронизация между фотиком и частотой мерцания лампы. На глаз этого конечно же не заметно и лампа светит так же как и от сети. От чего это на фотках заметно - не знаю. То ли сопротивление через диод ниже намного оказывается, то ли все лампы так будут мерцать.
Ещё одно замечание - косинус отличный от 1.000 следует читать как 0.XXXX . Знак угла сдвига фаз не указывается, т.к. не хватает места на ЖКИ и обычно преобладают индуктивные нагрузки.
Буду рад за любые комментарии, критику и предложения по данному устройству. Также есть желание привести прошивку и схему в более удачный вид, посему заинтересованных прошу высказываться, и со своей стороны обещаю помогать с любыми проблемами, возникшими при повторении.

Вопросы, как обычно, складываем .

Для измерения мощности потребления на производстве используются промышленные ваттметры. Однако, несмотря на бесспорное качество подобных изделий, не всегда выгодно приобретать устройство за $100-$200. Например, если вы хотите просто проверить потребление электроэнергии домашним компьютером или лампочкой.

Тогда нужно простое, недорогое и достаточно точное изделие, на базе микроконтроллера. Поскольку ток синусоидальный(почти), то необходимо измерить активную и реактивную составляющие. Ну а попутно и коэффициент мощности с частотой сети.

Общая схема простая:
1) На протяжении полупериода(вполне достаточно) измеряем напряжение и ток нагрузки.
2) Одновременно измеряем его длительность(для определения частоты)
3) Измеряем фазное расстояние между пиками тока и напряжения(для определения коэффициента мощности)
4) Производим необходимые расчеты и выводим результат на экран LCD.

В итоге получаем:
1) Напряжение на нагрузке
2) Ток нагрузки
3) Полную мощность
4) Коэффициент мощности
5) Активную и реактивную составляющие мощности
6) Частоту сети

На аппаратном уровне схема реализована на базе микроконтроллера семейства AVR ATmega88. Питание обеспечивает бестрансформаторный источник питания.

ВНИМАНИЕ!!!
Схема не имеет гальванической развязки от сети переменного тока, поэтому при её сборке и использовании необходимо быть предельно осторожным.
Берегите себя.

Поскольку все параметры не влезают одновременно в экран LCD(WH0802), нужно организовать циклическое переключение между ними. Для этого есть кнопка переключения вида.

Диапазон измерения тока(и соответственно мощности) можно подстроить, изменяя усиление MCP601. В данной конфигурации диапазон составляет: 0...3300 Вт с шагом 3,2 Вт.

Прибор легко перепрограммировать для измерения параметров постоянного тока(для этого использован шунт, а не измерительный трансформатор). Тогда потребуется внешний БП, клеммник для которого уже предусмотрен. Используемый корпус - Z-100. Удобен, т.к. под DIN рейку, имеет все нужные прорези и недорог.

Работа с подключенной лампой накаливания на 60 Вт в режимах индикации напряжения и тока, режиме индикации полной мощности и коэффициента мощности.

Архив для статьи "Ваттметр переменного тока на ATmega88"
Описание: Исходный код (Си), файл прошивки микроконтроллера, макет печатной платы P-CAD 2006
Размер файла: 263.03 KB Количество загрузок: 283