Цифровой ваттметр — Своими Руками

Цифровой ваттметр — Своими Руками

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.

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.

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.

Читать еще:  Заряди мобилу без розетки - Своими Руками

Аналоговый и цифровой ваттметр

Одной из важнейших характеристик электрической цепи является ее мощность. С помощью данного параметра определяется величина работы, которую электрический ток выполняет за определенную единицу времени. Все устройства включаемые в цепь должны иметь мощность, соответствующую мощности конкретной сети. Для замеров мощности электрического тока применяется специальный измерительный прибор – ваттметр.

В основном он нужен в сетях переменного тока, определяя мощность включенных приборов, а также для тестирования сетей и их отдельных участков, контроля и слежения за режимом работы электрооборудования, учета потребленной электроэнергии.

Классификация ваттметров

До того, как выполняется измерение мощности ваттметром, на исследуемом участке предварительно измеряется сила тока и напряжение. Для того чтобы получить наглядную итоговую информацию, эти данные следует преобразовать с помощью ваттметров, которые могут быть аналоговыми и цифровыми.

Большая часть всех измерений в течение длительного времени проводилась аналоговыми устройствами, в свою очередь разделяющихся на категории показывающих и самопишущих. Они отображают значение активной мощности на заданном участке цепи. Типичным представителем считается показывающий прибор с полукруглой шкалой и поворачивающейся стрелкой. На шкалу нанесена градуировка, соответствующая величинам нарастающей мощности, которую он измеряет в ваттах.

Другой тип – ваттметр цифровой относится к измерительным приборам, способным выполнять замеры не только активной, но и реактивной мощности. Все подобные устройства оборудованы дисплеем, на который кроме мощности, выводятся показания силы тока, напряжения, расхода электроэнергии за определенный период времени. Наиболее совершенные приборы подключаются и позволяют выводить полученные данные на компьютер, расположенный удаленно от места проведения измерений.

Принцип действия аналогового ваттметра

Основой конструкции наиболее распространенных аналоговых ваттметров является электродинамическая система. Приборы этого типа дают возможность сделать максимально точные замеры и получить необходимые результаты.

Принцип действия ваттметра аналогового типа осуществляется на основе двух взаимодействующих катушек. Первая катушка является неподвижной, в ее конструкции используется толстый обмоточный провод с небольшим количеством витков и незначительным сопротивлением. Подключение этой катушки выполняется последовательно с потребителем.

Вторая катушка находится в движении. Для ее обмотки применяется тонкий проводник с большим числом витков и высоким сопротивлением. Эта катушка подключается параллельно с потребителем и оборудуется дополнительным сопротивлением для защиты от коротких замыканий обмоток.

Когда ваттметр включается в сеть, в обмотках его катушек появляются магнитные поля, взаимодействующие между собой. За счет этого взаимодействия происходит образование момента вращения, отклоняющего движущуюся обмотку на величину расчетного угла. На данный показатель оказывает влияние произведение силы тока и напряжения в установленный момент времени.

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.

Схема подключения измерительного прибора

От того, насколько правильно подключен ваттметр в конкретном участке цепи, будет зависеть точность полученных данных. Правильная схема включения ваттметра выглядит следующим образом: неподвижная катушка тока измерительного прибора последовательно соединяется с нагрузкой или потребителями электроэнергии.

Подвижная катушка напряжения последовательно соединяется с добавочным сопротивлением, а затем весь этот участок параллельно подключается к нагрузке. Подвижная часть ваттметра имеет определенный угол поворота, вычисляемый по формуле: α = k2IхIu = k2U/Ru, в которой I и Iu являются соответственно токами последовательной и параллельной катушек прибора.

Поскольку в схеме используется добавочное сопротивление, параллельная цепь устройства будет обладать практически постоянным сопротивлением (Ru). В этом случае угол поворота будет равен: α = (k2/Ru)хIхU = k2IхU = k3P. То есть, мощность цепи будет определяться именно по этому параметру.

Читать еще:  Стеллаж в гараж своими руками - Своими Руками

В ваттметре равномерно нанесена измерительная шкала, сделанная в одностороннем варианте, когда расположение делений начинается от нуля в правую сторону. Когда электрический ток в неподвижной катушке изменяет свое направление, это приводит к изменению направления поворота и вращающего момента подвижной катушки. Если подключение ваттметра выполнено неправильно и направление тока будет другим, электронный прибор не сработает.

По этим причинам не следует путать зажимы, которые используют для подключения. Последовательная обмотка имеет зажим для соединения с источником питания, называемый генераторным. Параллельная цепь также называется генераторной и имеет собственную нужную клемму, чтобы подключить участок к проводу, соединенному с последовательной катушкой.

При нормальном подключении, токи в катушках прибора от генераторных зажимов направляются к негенераторным.

Цифровой ваттметр — Своими Руками

Цифровой ваттметр на МК.

Автор: LINKS_234 aka Шимко Андрей
Опубликовано 14.07.2009

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.

Читать еще:  Бабочка Морфо - Своими Руками

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;
UADC0 — оцифровываемое напряжение на входе ADC0 микроконтроллера;
UADC1 — 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).

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.

Источники:

http://qrx.narod.ru/izm/pr_v.htm
http://electric-220.ru/news/analogovyj_i_cifrovoj_vattmetr/2018-01-25-1440
http://www.radiokot.ru/circuit/digital/measure/23/

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector
×
×
×
×