Ваттметр для измерения мощности: назначение, типы, подключение, применение

Что такое ваттметр

Думаю, все вы курсе, что электрический ток может выполнять работу. Например, вскипятить воду в электрочайнике, перемолоть кофе в кофемолке, согреть курицу в микроволновке и так далее. Все эти бытовые приборы являются нагрузкой для домашней сети. Но, как вы знаете, некоторые приборы “крутят” счетчик очень быстро, а некоторые приборы почти не потребляют электрический ток.

Если включить чайник и лампочку накаливания в вашей комнате и оставить на час, то чайник “съест” электроэнергии намного больше, чем та же самая лампа накаливания. Дело в том, что чайник обладает большей мощностью, чем лампочка. В этом случае можно сказать, что мощность чайника будет больше, чем мощность лампы в единицу времени, например, за секунду.  Чтобы точно измерить, во сколько раз чайник потребляет электрической энергии больше, чем лампочка, нам нужно измерить мощность чайника и лампочки.

Ваттметр – это прибор, который измеряет потребляемую мощность какой-либо нагрузки. Выделяют три группы ваттметров:

• низкой частоты и постоянного тока
• радиочастотные ваттметры
• оптические ваттметры

Так как наш сайт посвящен электронике и электротехнике, то мы будем в этой статье рассматривать только ваттметры постоянного тока и низкой частоты. Под низкой частотой подразумевается частота в 50-60 Герц.

Мощность постоянного тока

Итак, вы уже все в курсе, что любая нагрузка для электрического тока потребляет какую-либо мощность. Мощность постоянного тока выражается формулой:

P=IU

где

P – это мощность, которая выражается в Ваттах (Вт,W)

I – сила тока, которую потребляет нагрузка, выражается в Амперах

U – напряжение, которое подается на нагрузку, выражается в Вольтах

Поэтому, чтобы найти мощность какой-либо нагрузки, которая подсоединена к постоянному току, достаточно перемножить значение силы тока и напряжения. Например, на этом фото мы видим вентилятор от компьютера, который подцепили к лабораторному блоку питания. Его мощность, как не трудно догадаться, составила P=IU=0,18 Ампер x 12 Вольт =2,16 Ватт.

Ваттметры для постоянного тока

Вы ведь не будете каждый раз таскать с собой громоздкий блок питания или два мультиметра, которые будут измерять и ток и напряжение? Поэтому, в настоящее время ваттметры представляют из себя законченные приборы, которые очень легко соединяются с потребляемой нагрузкой. На Алиэкспрессе я  находил вот такие ваттметры для постоянного тока, которые показывают сразу и ток, и напряжение, и потребляемую мощность нагрузки. К проводам, где написано SOURCE цепляем источник постоянного тока, а к проводам LOAD цепляем нагрузку. Все элементарно и просто!

Некоторые из них идут в комплекте со шунтом

Схема подключения источника постоянного тока и нагрузки в таком ваттметре выглядит так

Ну и самый бюджетный вариант – это взять ампервольтметр и просто умножать значения тока и напряжения

Вот такой вольтамперметр рассчитан на  максимальные параметры 100 Вольт и 50 Ампер. То есть, теоретически, он может измерять мощность до 5 кВт.

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.

Ваттметр цифровой на сетевое напряжение

В гостях у нас китайский ваттметр, приобретенный  на распродаже в Алиэкспрессе.

Ну что же, давайте познакомимся с ним поближе.

Строкой ниже, с помощью кнопки “Energy”,  мы можем выводить параметры электрического сигнала, такие как:

– напряжение (V, Вольт)

– сила тока (A, Ампер)

– частота (Hz, Герц)

– мощность (W, Ватт)

– коэффициент мощности (Power Factor) или cos φ (косинус фи,безразмерная величина, то есть измеряется чисто в цифрах)

Третья строка – это расчет стоимости электроэнергии. Измеряется в Киловаттах умноженных на Час (КВатт х час). Самая частая ошибка – это когда пишут кВатт/час. Запомните, там знак не деления, а умножения! Вот за эти киловатт-часы мы и платим денежку провайдерам электрической энергии ;-).

Сейчас никакая нагрузка не включена в розетку ваттметра. Смотрим на дисплей:

Ничего себе, почти 240 вольт.

Можно замерить частоту. 50 Герц – так и должно быть.

Так как в розетке нашего ваттметра нет никакой нагрузки, следовательно и сила тока  также будет равняться нулю:

Ну и мощность также будет равняться нулю

Косинус фи и реактивная нагрузка

Например, мой самопальный простой блок питания, включенный в сеть и не питающий никакую нагрузку,  все равно потребляет энергию, так как является трансформаторным. Напряжение сразу идет на первичную обмотку трансформатора.

Включаю свой трансформаторный блок питания в сеть 220 Вольт. Итак, напряжение в розетке 236,8 Вольт:

К блоку питания я подцепил лампочку на 12 вольт. Итого, нагруженный блок питания у нас потребляет 0,043 Ампера.

Проверяем все это дело по формуле P=IUcos φ=0,043х236,8х0,42=4,28 Ватт. Почти все сходится с небольшой погрешностью.

Косинус фи и активная нагрузка

Давайте проведем еще один опыт. Возьмем лампу накаливания на 220 Вольт и подцепим ее через ваттметр в сеть. Так как лампочка накаливания у нас не обладает ни индуктивностью, ни емкостью, то на графике синусоида силы тока и напряжения будет примерно выглядеть вот так. То есть синхронно:

Фи в этом случае равен нулю (сдвига фаз между ними нет). Вспоминаем школьный курс тригонометрии и помним, что косинус нуля – это единичка!

Проверяем на опыте.

Power Factor, он же косинус фи, высвечивает единичку. Все верно!

Замеряем потребляемую силу тока:

Замеряем напряжение:

Считаем по формуле:P=IUcos φ=0,115х233,5х1=26,9 Ватт. Все также сходится с небольшой погрешностью 😉

Немного отходя от темы, давайте еще напоследок глянем, какую мощность потребляет светодиодная лампа

Где купить ваттметр

Как я уже сказал, брал на Али. Выбирайте любой понравившийся на сетевое напряжение

А вот здесь ваттметры на постоянный ток

Выбирайтена ваш вкус и цвет!

Цифровой ваттметр – это усовершенствованная модификация его аналогового предшественника. Он служит для измерения мощности 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 реактивную мощность. На дисплей выводится информация о напряжении, силе тока, использовании электричества 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. Стоимость электроэнергии 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.

Отзывы

Отклики пользователей о цифровом ваттметре переменного тока, схема которого приведена ниже, свидетельствуют о том, что многофункциональные модели предпочтительнее, так как имеют возможность работать с постоянным и переменным током. Однако потребителям, которым нужно измерить мощность холодильника, лампы, другой быттехники или показания счетчика, вполне довольны бытовой модификацией. К ее преимуществам относится компактность и удобство использования. В мастерских или на предприятиях рекомендуют использовать более точные вариации.

Также владельцы отмечают, что точность показаний во многом зависит от правильного температурного режима. Они советуют выбирать устройство в сопоставлении его будущего предназначения, цены и качественных характеристик.

Цифровой ваттметр своими руками

За основу самодельного прибора можно взять готовый китайский модуль типа Pzem-021. Он довольно популярен среди народных умельцев, поскольку позволяет измерить несколько параметров, а именно:

• Силу тока.
• Напряжение.
• Мгновенную мощность.
• Конечное потребление за определенный период.

Приобрести этот элемент не составит труда на радиорынке или в специализированном интернет-магазине.

Стоит отметить, что этот модуль имеет негативную сторону – не читает реактивную нагрузку. Следовательно, провести замер показателей устройства с высокой реактивной мощностью, не получится. Тем не менее большинство бытовых электрических счетчиков измеряют только активную мощность, поэтому проверить, за что вы платите в платежке, вполне реально.

В качестве корпуса ваттметра послужила распаячная коробка размером 100х100 мм. В ней следует с обеих сторон вырезать отверстия, а в крышку вставить приобретенный модуль. На дно коробки приспосабливаем розетку. Провода к прибору подключаются по схеме, имеющейся на корпусе модуля (питание подается на центральные контакты, а нагрузка – на крайние элементы). К выходным контактам крепится вилка со шнуром. Ваттметр готов.

В завершение

Ваттметр – прибор, необходимый во многих сферах, а также в быту. Цифровые аналоги гораздо информативнее и точнее. Выбирая устройство, учитывайте его характеристики, а также рабочий диапазон и производителя. Китайские модификации на порядок дешевле, однако их качество и точность оставляют желать лучшего.

Содержание

Никому не нужно объяснять, что такое утюг или радиоприемник, вентилятор или электрическая газонокосилка. Но прогресс не стоит на месте — и недавно появилось такое перспективное устройство, как ваттметр в розетку. Необходимо точно знать, что оно из себя представляет и где, как может применяться.

Зачем это нужно?

Давно не секрет, что бытовая техника потребляет различное количество электроэнергии. Чтобы сэкономить ее, вовсе не нужно ухудшать свое качество жизни. На помощь приходит бытовой измеритель мощности, позволяющий максимально полноценно определить затраты тока.

Он работает ничуть не менее точно, чем электрический счетчик. Отличие от него состоит, однако, в более тонкой разбивке данных по конкретным потребителям.

Виды и использование

Современные ваттметры призваны уже не только экономить ток. Они одновременно выполняют и роль вольтметров, определяя, есть ли напряжение в сети или нет. Существуют аналоговые и цифровые ваттметры для розеток. Цифровое устройство содержит особое табло, куда сразу выводится необходимая информация. Аналоговая техника выдает предварительные показатели, которые надо будет еще обсчитать дополнительно.

Впрочем, при наличии знаний из базового школьного курса физики проблем с этим возникнуть не должно. Кроме того, аналоговые устройства еще и дешевле цифровых разработок.

По внешнему виду ваттметр похож на переходник для розетки. Его панель имеет кнопки, позволяющие управлять устройством.

Внимание: следует убедиться перед покупкой, что устройство может быть включено напрямую в розетку.

Составными частями измерителя тока являются:

• электрические датчики;
• измерители напряжения;
• аналогово-цифровые преобразователи;
• микроконтроллеры;
• клавиатура для ввода команд и необходимой информации.

Исходя из описания, видно, что отдельные ваттметры способны самостоятельно умножать измеренный расход тока на установленный тариф. Существуют также устройства, которые при чрезмерно высоком потреблении тока подают различные сигналы. Конкретный порядок действий устанавливает инструкция по применению. Но в большинстве случаев алгоритм приблизительно таков:

• подключают цифровой измеритель к сети;
• проверяют, чтобы он показывал ноль;
• запускают необходимую бытовую технику;
• через несколько секунд можно будет записать выведенные на дисплей числа.

Иначе работают со счетчиком на аналоговой элементной базе. Внутри есть крутящиеся диски, показания считывают с секундомером в руках. Когда установлена скорость вращения дисков, измеренный расход тока в киловаттах умножают на 3600 и делят на число секунд, за которое повернулся диск. Полученная цифра и окажется коэффициентом мощности. Как видим, ничего сверхсложного в этой процедуре нет.

Что еще необходимо знать?

Существуют ваттметры с отверстиями под аккумуляторы или батарейки. Это позволяет сохранять ранее измеренные параметры и эффективнее сопоставлять данные. У подавляющего большинства ваттметров такие параметры:

• номинальная мощность до 3,6 кВт;
• номинальный ток 16А;
• допустимый диапазон напряжения от 190 до 270 В;
• рабочая частота 50 Гц;
• наименьшее измеряемое потребление тока 0,1 Вт;
• наибольшая погрешность замера 1%;
• наибольшее накопленное энергопотребление, которое сможет отразить прибор 10 тысяч кВт-ч;
• потребление энергии самим аппаратом не более 0,5 Вт;
• допустимые температуры воздуха от +5 до +40 градусов.

В большинстве случаев ваттметр применяют, чтобы узнать потребление тока электрическим чайником, стиральной машиной, электрообогревателем, плитой или холодильником. К сведению: ваттметр в обиходе еще называют «умной розеткой» или «розеточным счетчиком».

Как показывает практика, эти устройства очень ценны для желающих сэкономить на электричестве. Их интерфейс прост и понятен даже тем, кто совершенно не разбирается в электротехнике.

Очень хорошую репутацию имеет Voltcraft Cost Control 3000 Set.

Помимо измерения суммарного расхода тока этот прибор покажет:

• напряжение сети;
• текущее потребление тока;
• оценку расхода на 23 часа, на 30 суток или на календарный год.

Можно порекомендовать и Voltcraft 4500 Pro RU. Этот ваттметр относится уже не к домашнему, а скорее к профессиональному классу. Можно будет узнать частоту тока и сдвиг фазы тока и напряжения. Даже если электропитание прервется, на дисплее значения останутся. Специально для такой опции предусмотрена литий-ионная АКБ.

Из миниатюрных цифровых приборов можно еще порекомендовать HiDANCE 3680W AC Power Meter. Это устройство отличается особо широкой функциональностью. Без проблем можно выяснить напряжение и силу тока, его расход и коэффициент мощности. Разработчики позаботились о возможности вычислить цену потребленной энергии. Внешний вид аппарата очень хорош, а результаты представляются наглядно; однако при обнулении замеров цену электроэнергии придется задавать заново.

Обзор ваттметра можно посмотреть в следующем видео.

Используемые источники:

• https://www.ruselectronic.com/vattmetr/
• https://fb.ru/article/338033/tsifrovoy-vattmetr-obzor-harakteristiki-vidyi-i-otzyivyi
• https://stroy-podskazka.ru/elektroizmeritelnye-pribory/bytovye-vattmetry/