Ваттметр — это прибор для измерения активной электрической мощности (или среднего значения скорости потока электрической энергии ) в ваттах любой заданной цепи . Электромагнитные ваттметры используются для измерения частоты сети и мощности звуковой частоты; другие типы требуются для радиочастотных измерений.
Ваттметр считывает среднее значение произведения v(t)i(t) = p(t) , где v(t) - напряжение с положительной опорной полярностью на клемме ± по отношению к другой клемме потенциальной катушки, а i(t) - ток с опорным направлением, текущий в клемму ± токовой катушки. Ваттметр считывает P = (1/T) ∫ 0 T v(t)i(t) dt , что в синусоидальном установившемся состоянии уменьшается до V rms I rms cos(φ), где T - период p(t) , а φ - угол, на который ток отстает от напряжения. [1]
Венгр Отто Блати запатентовал свой ваттметр переменного тока. [ нужна ссылка ]
В 1974 году Магхар С. Чана, Рамонд Л. Кралей, Эрик А. Хауптманн Барри и М. Прессман запатентовали ранний электронный ваттметр. Это устройство состоит из трансформаторов мощности, тока и напряжения, которые измеряют среднюю мощность. [2]
Традиционный аналоговый ваттметр — это электродинамический прибор. Устройство состоит из пары неподвижных катушек , известных как токовые катушки , и подвижной катушки, известной как потенциальная катушка .
Токовые катушки соединены последовательно с цепью, в то время как потенциальная катушка соединена параллельно . Кроме того, на аналоговых ваттметрах потенциальная катушка несет стрелку, которая перемещается по шкале, чтобы указать измерение. Ток, протекающий через токовую катушку, создает электромагнитное поле вокруг катушки. Сила этого поля пропорциональна линейному току и находится в фазе с ним. Потенциальная катушка, как правило, имеет резистор высокого номинала, соединенный последовательно с ней, чтобы уменьшить ток, протекающий через нее.
Результатом такого расположения является то, что в цепи постоянного тока отклонение стрелки пропорционально как току ( I ) , так и напряжению ( V ), что соответствует уравнению P = VI .
Для переменного тока ток и напряжение могут не совпадать по фазе из-за задерживающего эффекта индуктивности или емкости цепи . В цепи переменного тока отклонение пропорционально среднему мгновенному произведению напряжения и тока, таким образом измеряя активную мощность , P = VI cos φ . Здесь cos φ представляет собой коэффициент мощности , который показывает, что передаваемая мощность может быть меньше полной мощности, полученной путем умножения показаний вольтметра и амперметра в той же цепи.
Электронные ваттметры используются для прямых измерений небольшой мощности или для измерений мощности на частотах, выходящих за пределы диапазона приборов типа электродинамометра.
Современный цифровой ваттметр измеряет напряжение и ток тысячи раз в секунду. Для каждого измерения напряжение умножается на ток в один и тот же момент; среднее значение по крайней мере за один цикл — это реальная мощность. Реальная мощность, деленная на кажущиеся вольт-амперы (ВА), — это коэффициент мощности. Компьютерная схема использует выборочные значения для расчета среднеквадратичного напряжения, среднеквадратичного тока, ВА, мощности (ватт), коэффициента мощности и киловатт-часов. Показания могут отображаться на устройстве, сохраняться для предоставления журнала и расчета средних значений или передаваться на другое оборудование для дальнейшего использования. Ваттметры значительно различаются в правильности расчета потребления энергии, особенно когда реальная мощность намного ниже ВА (высокореактивные нагрузки , например, электродвигатели ). Простые счетчики могут быть откалиброваны для соответствия заданной точности только для синусоидальных форм волн. Формы волн для импульсных источников питания , используемых для большого количества электронного оборудования, могут быть очень далеки от синусоидальных, что приводит к неизвестным и, возможно, большим ошибкам при любой мощности. Это может быть не указано в руководстве по эксплуатации счетчика.
Существуют ограничения по измерению мощности недорогими ваттметрами или любыми счетчиками, не предназначенными для измерений малой мощности. Это особенно касается малой мощности (например, менее 10 Вт), используемой в режиме ожидания; показания могут быть настолько неточными, что будут бесполезными (хотя они подтверждают, что мощность в режиме ожидания низкая, а не высокая). [3] Трудность в значительной степени обусловлена трудностью точного измерения переменного тока, а не напряжения, и относительно небольшой потребностью в измерениях малой мощности. В спецификации счетчика должна быть указана погрешность показаний для различных ситуаций. Для типичного подключаемого счетчика погрешность в ваттах указывается как ±5% от измеренного значения ±10 Вт (например, измеренное значение 100 Вт может быть неверным на 5% от 100 Вт плюс 10 Вт, т. е. ±15 Вт или 85–115 Вт); а погрешность в кВт·ч указывается как ±5% от измеренного значения ±0,1 кВт·ч. [4] Если ноутбук в спящем режиме потребляет 5 Вт, счетчик может показывать что угодно от 0 до 15,25 Вт, без учета ошибок из-за несинусоидальной формы волны. На практике точность можно повысить, подключив фиксированную нагрузку, например, лампу накаливания, добавив устройство в режиме ожидания и используя разницу в потребляемой мощности. [3] Это выводит измерение из проблемной зоны низкого энергопотребления.
Приборы с подвижными катушками могут быть откалиброваны для постоянного тока или токов промышленной частоты до нескольких сотен герц. На радиочастотах (РЧ) распространенным методом является схема выпрямителя, настроенная на реакцию на ток в линии передачи ; система калибруется для известного сопротивления цепи. Диодные детекторы либо напрямую подключаются к источнику, либо используются с системой отбора проб, которая отводит только часть мощности РЧ через детектор. Термисторы и термопары используются для измерения тепла, производимого мощностью РЧ, и могут быть откалиброваны либо напрямую, либо путем сравнения с известным эталонным источником мощности. [5] Датчик мощности болометра преобразует падающую мощность радиочастоты в тепло. Элемент датчика поддерживается при постоянной температуре небольшим постоянным током. Уменьшение тока, необходимое для поддержания температуры, связано с падающей мощностью РЧ. Приборы этого типа используются во всем спектре РЧ и могут даже измерять мощность видимого света. Для измерений высокой мощности калориметр напрямую измеряет тепло, производимое мощностью РЧ. [5]
Прибор, измеряющий электроэнергию в ватт-часах, по сути является ваттметром, который интегрирует мощность по времени (по сути умножает мощность на прошедшее время). Цифровые электронные приборы измеряют множество параметров и могут использоваться там, где необходим ваттметр: вольты , ток в амперах , кажущаяся мгновенная мощность, фактическая мощность, коэффициент мощности, энергия в [к]Вт·ч за определенный период времени и стоимость потребленной электроэнергии.
В этой статье использован текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии : Чисхолм, Хью , ред. (1911). «Ваттметр». Encyclopaedia Britannica . Том 28 (11-е изд.). Cambridge University Press.
