ЦИФРОВОЙ ВАТТМЕТР В РОЗЕТКУ

Ваттметр (измеритель мощности электрического тока) кажется элементарным прибором, но на самом деле он должен выполнить непростую математическую задачу.

Ведь это только в школьном учебнике физики для получения мощности просто надо перемножить ток на напряжение!

А по жизни ток может иметь гораздо более сложную форму, чем синус или постоянный ток; причем фаза тока и напряжения могут не совпадать, и всё это надо как-то учесть.

Современные цифро-аналоговые процессоры (можно назвать микроконтроллерами) позволяют эту задачу решить прямым вычислительным способом: взять величину тока и напряжения за каждый дискретный отсчет времени, перемножить их и просуммировать за некоторый интервал времени; в результате чего получить мощность и ещё множество разнообразных параметров.

И ещё несколько слов, поясняющих, почему точное значение мощности нельзя получить, просто взяв и перемножив ток на напряжение даже для чисто активной нагрузки.

Обычные измерительные приборы (вольтметры, амперметры, мультиметры) не измеряют непосредственно величину среднеквадратичного значения измеряемого параметра (тока или напряжения), которая нужна для расчёта мощности.

Они измеряют обычно величину среднего выпрямленного значения параметра (тока или напряжения), и на этой основе перемасштабируют в среднеквадратичное значение.

И вот здесь на помощь приходят цифровые ваттметры, которые могут всё замерить и посчитать, «как надо»! Причём, смогут замерить не только основной параметр (мощность), но и сопутствующие: ток, напряжение, коэффициент мощности (он же — знаменитый «косинус фи»). И, дополнительно — расход энергии и даже денег. :)

Внешний вид, конструкция и схемотехника ваттметра

Внешний вид ваттметра представлен на следующих фото:

Ваттметр вставляется прямо в розетку, а в него вставляется питаемое устройство, чью мощность потребления надо измерить. Пользование таким ваттметром удобно и практично!

Собственно, за это такие приборы и называют в народе «ваттметрами в розетку». Звучит немного жаргонно, но суть отражает верно.

Экран ваттметра — буквенно-цифровой жидкокристаллический, без подсветки.

Обновление экрана происходит примерно раз в 2 секунды. Это — время накопления и усреднения мощности. Производитель мог бы легко реализовать и более быстрое обновление, но это привело бы к «мельтешению» показаний.

На задней стороне прибора находится шильдик с его параметрами

Всё здесь ясно и понятно, за исключением третьей строки: «Wide voltage range: 230V ----250V».

Неужели он при стандартном напряжении 220 Вольт не сможет работать?! Как оказалось, сможет. А вопрос о нижней границе работоспособности прибора будет исследован в обзоре отдельно.

Половинки ваттметра скреплены тремя шурупами и тремя защёлками. Удерживают прибор в собранном виде они очень прочно, но и разборка каких-то больших технологических сложностей не представляет.

Раскрываем прибор

Электронная часть прибора состоит из двух плат

Плата на левой половине отвечает за индикацию, а плата на правой половине — за измерения и вычисления.

С той её стороны, которая обращена к нам, видно несколько важных элементов схемы.

Зелёненький «бочонок» слева вверху платы — это никель-металлогидридный аккумулятор из 3-х элементов ёмкостью 20 мАч на напряжение 3.6 В. Сразу надо сказать, что он — не для работы прибора, а только для подпитки с целью сохранения параметров при отключении от питающей сети.

То есть, прибор с ним включится (по нажатию кнопки), но ничего замерить не сможет (если подать на него какое-то небольшое напряжение).

Под ним — пара электролитов (фильтрация питания), а далее под ними — большой желтый «сухой» конденсатор.

Посмотрим на него в другом ракурсе

Номинал желтого конденсатора — 0.68 мкФ, он работает реактивным гасителем лишнего напряжения для системы питания самого ваттметра.

Последовательно с ним подключен резистор 33 Ом (справа от конденсатора); он служит для предотвращения резких бросков тока в момент включения ваттметра в розетку.

А слева от конденсатора — шунт в виде скобы из толстой проволоки. Он нужен для замера протекающего в нагрузку тока.

Ещё на этой стороне платы находится кварц, необходимый для тактового генератора аналого-цифрового процессора, расположенного на обратной стороне платы. Вот ей сейчас и займёмся.

Главная микросхема на плате (U3) — специализированный цифро-аналоговый процессор BL6523GX, спроектированный для измерения мощности.

Его структурная схема (взята из datasheet):

Ещё одна микросхема (U2), поменьше, — это ATMHK220 24CO2N. Она работает в качестве флеш-памяти с последовательной передачей данных.

Последняя, самая маленькая микросхема (U3, 78L05) — стабилизатор питания 5 В.

Режимы ваттметра

Посмотрим на органы управления ваттметра:

На передней панели имеются 5 кнопок: 4 большие кнопки и одна полускрытая кнопка — RESET.

Кнопкой RESET рекомендую пользоваться при каждом включении прибора в розетку, иначе он может показывать белиберду. После нажатия RESET прибор работает стабильно, проблем нет.

Из остальных кнопок самая главная — это FUNCTION. С помощью этой кнопки пользователь определяет, какую информацию он желает посмотреть.

При нажатии на эту кнопку последовательно переключаются по кругу следующие режимы отображения:

Время работы (с ненулевой мощностью) + мощность + стоимость (если была установлена цена за КВт*час);

Время работы + суммарное потребление энергии (накопление);

Время работы + напряжение в сети;

Время работы + потребляемый ток + коэффициент мощности (косинус фи);

Время работы + минимальная потребляемая мощность за время работы;

Время работы + максимальная потребляемая мощность за время работы;

Стоимость за КВт*час (просмотр и установка).

Остальные три кнопки как раз используются для установки цены за КВт*час.

Как выглядит экран ваттметра в режимах показа напряжения и тока, можно посмотреть на следующих фото (режим мощности был показан выше):

Теперь перейдём к оценке «профпригодности» ваттметра — его тестированию.

Тестирование ваттметра

Первым делом проверяем точность измерения прибором напряжения и тока. Для этого проводилось сравнение показаний с мультиметром DT9205A:

Если взять за основу показания мультиметра, то ваттметр слегка занижает показания по напряжению (на 0.7%). Учитывая ограниченную точность обоих приборов, можно считать, что расхождений нет.

По току расхождение составило чуть больше: 1.5% с тем же знаком (ваттметр показал меньше).

Соответственно, при измерении мощности эти две погрешности сложатся, и погрешность измерения мощности должна будет составить 2.2%. Но эта цифра — только ориентировочная (с учетом возможной погрешности мультиметра).

Конечно, по-хорошему надо бы проверять тестируемый ваттметр не с помощью вольтметра и амперметра, а с помощью образцового сертифицированного ваттметра.

Теперь подключаем к ваттметру простую активную нагрузку — лампу накаливания 25 Вт:

Но речь в данном случае о том, что номинальная мощность лампы подтвердилась с высокой точностью.

Теперь — небольшая таблица с пробными замерами различной аппаратуры, которая покажет, в том числе, как «дурят нашего брата»:

Обсудим полученные результаты

Микроволновка показала результат заметно выше указанной на ней самой номинальной мощности. Учитывая высокий КПД магнетрона, можно предположить, что и на нагрев продуктов пошло не заданные 800 Вт, а значительно больше.

Это — пример обмана в пользу потребителя, но одновременно потребителю надо задуматься и о достаточной «прочности» электропроводки.

Интересной была попытка замерить мощность микроволновые печи в режиме «320 Вт». Микроволновка периодически то включалась на полную мощность (1274 Вт), то периодически снижала мощность почти до нуля, чтобы в среднем получилось 320 Вт.

Со светодиодными лампами обман получился уже в обратную сторону, т.е. лампам мощности недодали.

В тесте компьютера надо иметь в виду, что это был не игровой компьютер, а компьютер офисного типа. Игровой компьютер будет потреблять значительно больше, особенно в моменты наиболее жарких баталий.

В общем, ваттметр помог совершить много интересных открытий касательно имеющейся в доме аппаратуры.

Последний вопрос в тестировании ваттметра — нижний предел его работоспособности по напряжению.

Для выяснения этого вопроса был использован трансформатор ТПП-282-127/220-50 с множеством отводов от первичной обмотки (своего рода замена ЛАТР-у).

Эксперименты с подключением к разным отводам трансформатора показали, что ваттметр работоспособен при напряжении 112 Вольт и выше (по показаниям самого ваттметра). При более низких напряжениях прибор включался, но ничего не измерял (показывал нулевые ток, напряжение и мощность).

Таким образом, ваттметр будет работоспособным даже при значительных колебаниях напряжения в питающей сети.

Итоги и выводы

Протестированный «ваттметр в розетку» показал точность, вполне достаточную для бытовых применений (без претензий на что-то более высокое). И это — главное. Естественно, у него есть множество недостатков, простительных за его цену.

У него нет возможности передать данные в компьютер или смартфон; нет и возможности запротоколировать график потребления мощности по времени.

Мне лично ещё не понравилось, что у него нет возможности вывести на экран одновременно мощность, напряжение и потребляемый ток. Чтобы их увидеть, надо поочерёдно переключаться между экранами.

Источник: https://www.ixbt.com/live/instruments/vattmetr-v-rozetku.html

Опубликовано: 27.06.2022