Введение

Устройство для измерения электрической мощности.

Ваттметр – это прибор для измерения электрической активной мощности (или среднего значения скорости потока электрической энергии) в ваттах в любой цепи. Электромагнитные ваттметры используются для измерения мощности частоты сети и звуковой частоты; для измерения радиочастот требуются другие типы. Ваттметр показывает среднее значение произведения v(t)i(t) = p(t), где v(t) – напряжение с положительной опорной полярностью на клемме ± относительно другой клеммы катушки напряжения, а i(t) – ток с опорным направлением, входящим в клемму ± катушки тока. Ваттметр показывает P = (1/T) ∫0T v(t)i(t) dt, что в синусоидальном установившемся режиме сводится к Vrms Irms cos(φ), где T – период p(t), а φ – угол, на который ток отстает от напряжения.

История

Венгер Отто Блати запатентовал свой ваттметр переменного тока. В 1974 году Магхар С. Чана, Рамонд Л. Кралей, Эрик А. Гауптман Барри и М. Прессман запатентовали один из первых электронных ваттметров. Это устройство состоит из трансформаторов напряжения, тока и мощности, которые измеряют среднюю мощность.

Электродинамика

Традиционный аналоговый ваттметр – это электродинамический прибор. Устройство состоит из пары неподвижных катушек, известных как катушки тока, и подвижной катушки, известной как катушка напряжения. Катушки тока подключаются последовательно в цепь, а катушка напряжения – параллельно. Кроме того, на аналоговых ваттметрах катушка напряжения несет стрелку, которая перемещается по шкале для отображения измерения. Ток, протекающий через катушку тока, создает электромагнитное поле вокруг катушки. Сила этого поля пропорциональна току в линии и находится в фазе с ним. Катушка напряжения, как правило, имеет последовательно подключенный резистор с высоким сопротивлением для уменьшения протекающего через нее тока. В результате этой конструкции на цепи постоянного тока (DC) отклонение стрелки пропорционально как току (I), так и напряжению (V), что соответствует уравнению P=VI. Для переменного тока (AC) ток и напряжение могут быть не в фазе из-за запаздывающего эффекта индуктивности или емкости цепи. На цепи переменного тока отклонение пропорционально среднему мгновенному произведению напряжения и тока, тем самым измеряя активную мощность, P=VI cos φ. Здесь cos φ представляет собой коэффициент мощности, который показывает, что передаваемая мощность может быть меньше кажущейся мощности, полученной путем умножения показаний вольтметра и амперметра в одной и той же цепи.

Электронная

Электронные ваттметры применяются для непосредственного измерения небольшой мощности или для измерения мощности на частотах, превышающих диапазон электродинамических приборов.

Цифровая

Современный цифровой ваттметр снимает показания напряжения и тока тысячи раз в секунду. Для каждого снятого показания напряжение умножается на ток в тот же момент времени; среднее значение за один или более циклов является активной мощностью. Активная мощность, деленная на полную мощность в вольт-амперах (ВА), – это коэффициент мощности. Компьютерная схема использует полученные значения для вычисления среднеквадратичного (RMS) напряжения, среднеквадратичного (RMS) тока, ВА, мощности (в ваттах), коэффициента мощности и киловатт-часов. Показания могут отображаться на устройстве, сохраняться для ведения журнала и расчета средних значений или передаваться на другое оборудование для дальнейшей обработки. Ваттметры существенно различаются по точности расчета потребления энергии, особенно когда активная мощность значительно ниже, чем ВА (высокореактивные нагрузки, например, электродвигатели). Простые приборы могут быть откалиброваны для обеспечения заданной точности только для синусоидальных сигналов. Формы волн импульсных источников питания, используемых в большинстве электронного оборудования, могут сильно отличаться от синусоидальных, что приводит к неизвестным и, возможно, значительным ошибкам при любой мощности. Эта информация может отсутствовать в руководстве пользователя прибора.

Точность и точность

Существуют ограничения при измерении мощности недорогими ваттметрами или любыми приборами, не предназначенными для измерения малой мощности. Это особенно заметно при малых значениях мощности (например, менее 10 Вт), используемых в режиме ожидания; показания могут быть настолько неточными, что становятся бесполезными (хотя они и подтверждают, что потребляемая мощность в режиме ожидания низкая, а не высокая). Основная сложность заключается в точном измерении переменного тока, а не напряжения, а также в относительно небольшом спросе на измерения малой мощности. В спецификации прибора должна быть указана погрешность показаний для различных условий. Для типичного сетевого измерителя погрешность по мощности указывается как ±5% от измеренного значения ±10 Вт (например, измеренное значение 100 Вт может отличаться на 5% от 100 Вт плюс 10 Вт, то есть ±15 Вт, или в диапазоне 85–115 Вт); а погрешность по киловатт-часам – как ±5% от измеренного значения ±0,1 кВт·ч. Если ноутбук в режиме сна потребляет 5 Вт, прибор может показывать значения от 0 до 15,25 Вт, не учитывая ошибки, вызванные несинусоидальной формой сигнала. На практике точность можно повысить, подключив постоянную нагрузку, например лампу накаливания, добавив устройство в режим ожидания и измерив разницу в потреблении энергии. Болометр преобразует падающую радиочастотную мощность в тепло. Элемент датчика поддерживается при постоянной температуре небольшим постоянным током. Уменьшение тока, необходимого для поддержания температуры, связано с падающей радиочастотной мощностью. Приборы этого типа используются во всем радиочастотном спектре и могут даже измерять мощность видимого света. Для измерения высокой мощности калориметр непосредственно измеряет тепло, выделяемое радиочастотной энергией.

Ватт/час

Прибор, измеряющий электрическую энергию в ватт-часах, по сути является ваттметром, который интегрирует мощность во времени (то есть умножает мощность на прошедшее время). Цифровые электронные приборы измеряют множество параметров и могут использоваться вместо ваттметра: напряжение, ток в амперах, кажущуюся мгновенную мощность, активную мощность, коэффициент мощности, энергию в [к]Вт·ч за определенный период времени и стоимость потребленной электроэнергии.