Ваттметр: что это такое и как им пользоваться?

Кроме универсальных цифровых мультиметров, у электриков и мастеров по «слаботочкам» крайне востребованы ваттметры. Назначение ваттметра – измерение текущей мощности, потребляемой тем или иным прибором, а также ведение учёта потреблённого количества электричества.

Ваттметр – прибор, измеряющий потребляемую мощность. Он часто нужен там, где сечение проводов электрокабеля согласуется с суммарной нагрузкой, выдаваемой имеющимися на объекте потребителями. С помощью ваттметра можно измерить энергопотребление как светильника, так и 1–3 электрочайников либо стиральной машины.

Без замера потребляемой мощности на каждом из бытовых приборов, подключённых к старой электропроводке, новая, не имеющая запаса по мощности, может не выдержать нагрузки. Она воспламенится от перегрева и приведёт к пожару.

В зависимости от исполнения измеряющих цепей прибора ваттметры подразделяются на две разновидности.

Аналоговые сигналы по своей природе непрерывны. Для замера мощности пропускаемого по цепи электрического тока применяют электродинамические измерители. Аналоговый гальванометр работает на основе электромагнитного взаимодействия двух катушек. Одна из них – электродинамический статор – надёжно фиксируется в приборе, прикреплена к его каркасу (нижней части корпуса). Обмотка статорной части намотана толстым (до 1 мм или более в диаметре) обмоточным эмальпроводом. Её сопротивление мало. Она включается последовательно с нагрузкой, без добавочных резисторов.

Роторная или подвижная катушка движется в поле статорной. Она закреплена на оси так, чтобы не создавать перекос в зазоре статора при отклонении в любую из двух сторон. Она намотана тонким эмальпроводом, имеет значительно большее сопротивление (и число витков). Если бы её намотали таким же толстым проводом – действие гальванометра визуально было бы никаким. Она подключается параллельно нагрузке через высокоомный дополнительный резистор. Тот, в свою очередь, предотвращает короткое замыкание на цепи и между витками – и выход из строя гальванометра.

Когда ваттметр подключается к сети – вернее, сеть включается через него – подвижная и неподвижная катушки вырабатывают свои магнитные поля. Взаимодействуя этими полями друг с другом, роторная катушка поворачивается на определённый (расчётный) угол. К оси катушки подвешена стрелка с плоской пружиной. Та возвращает саму стрелку в исходное (нулевое) положение – сразу же после отключения ваттметра от сети. Направление стрелки совпадает с плоскостью подвижной катушки – они обе прикреплены друг к другу.

Конец неуравновешенной стрелки может падать на пластину с нанесённой на неё и отградуированной шкалой, задевать за неё при движении по самой шкале. Чтобы исключить такое подтормаживание стрелки, фирма-приборостроитель балансирует её при помощи металлического волоска (стремени), расположенного у самой оси, вокруг которой поворачивается и сама катушка.

Такая конструкция отдалённо напоминает микроскопические весы или каплю в жидкостном уровнемере, находящиеся в точном равновесии, в центре. Сам противовес напаивается из легкоплавкого металла или сплава. Стрелка балансируется по уровню – в лежачем и стоячем положении гальванометра. Если прибор упадёт, балансир порвётся, то такой гальванометр считается испорченным и подлежит переработке.

Важно! Градусы, на которые поворачивается катушка со стрелкой, эквивалентны количеству вольт-ампер, пропускаемых сейчас по цепи. Некоторые модели приборов, подобно электрокардиометру, снабжены не гальванометром, а самописцем – они печатают таблицы значений тока, напряжения и мощности, либо выводят на рулоне бумаги график мощности.

Электродинамический гальванометр в таком ваттметре заменён цифровым устройством, работающим на основе предварительного измерения силы тока и напряжения. Последовательно с нагрузкой к входу прибора подключается датчик тока – аналог простого амперметра. Параллельно – датчик напряжения (аналог обычного стрелочного вольтметра). Элементная база, из которой собираются эти датчики, включает в себя термопары, контрольные трансформаторы тока, термисторы и так далее.

Далее в дело вступает АЦП – микросхема, преобразующая аналоговый сигнал в цифровой. Эти данные передаются на кристалл микропроцессора. Сам процессор определяет величину (ре) активной мощности. Обработанные сведения передаются в оперативную и флеш-память и доступны для считывания внешними устройствами. В более дорогих моделях ваттметров они передаются через COM- или USB-порт – и в любой модели отображаются на дисплее.

Измерение мощности, потребляемой приборами – общая задача ваттметров. Она решается в сферах промышленности на целом ряде производств, где вырабатывается электроэнергия, строятся машины и механизмы всевозможного назначения, а также обслуживаются и ремонтируются бытовые и промышленные электроприборы и электроустановки. Собрат ваттметра – электромеханический либо полностью электронный счётчик киловатт-часов, установленный у входа в каждый дом, квартиру, офис, магазин или этаж производственного предприятия.

Но ваттметр – более продвинутая версия электросчётчика. Он – один из эффективных инструментов специалиста по ремонту бытовой электроники (вплоть до компьютеров) и радиолюбителя.

Область применения ваттметров:

• определение мощности устройств;
• тестирования электрических цепей и схем – частично или полностью;
• испытание электроустановок;
• тестирования устройств и оборудования на наличие неисправностей;
• потребительский расчёт и учёт электроэнергии.

В последнем случае ваттметр выполняется в виде удлинителя с несколькими розетками, подключёнными через сам прибор, кнопками управления, а также цифровой шкалой или полноценным ЖК-дисплеем. Это законченное решение – включается в сеть, сразу же готово к работе.

По частоте тока, мощность которого измеряется, ваттметры подразделяются на следующие группы:

• низкочастотные и постоянного тока;
• радиочастотные (потребляемой и поглощаемой мощности);
• оптические.

Низкочастотные ваттметры применяются в сетях переменного тока и электроустановках постоянного. Так, переменные ваттметры подразделяются на однофазные и трёхфазные. Для определения реактивной мощности в сети используются так называемые варметры. Если вам попался цифровой ваттметр – он считает активную и реактивную мощность. Маркируются такие ваттметры буквой Ц, рядом с которой ставится номер, определяющий класс точности прибора, пределы измеряемой мощности и модель, например, Ц301, Д8002, Д5071.

Для поглощаемой мощности на радиочастотах используется внушительная подгруппа ваттметров. По видам они разделяются благодаря наличию нескольких типов и разновидностей датчиков, с которых и считываются показания. Для радиочастоты в качестве датчика подойдут термопара, термистор и пиковый обнаружитель, гальваномагнитные и пондеромоторные комплектующие. Однако радиочастотное излучение зачастую отражается, такой ваттметр измеряет поглощённую, а не реально попадающую на датчик мощность.

Ваттметры с термистором включают в себя принимающий конвертер на основе термистора или болометра. К нему подключён измерительный мост. Для разогревания термистора применяется источник обычного переменного тока. Термистор меняет своё сопротивление при нагреве. Температура разогреваемого термистора определяется уровнем мощности сигнала, попадающего на него.

В процессе измерения рассеиваемая на термисторе мощность радиоизлучения – вместе с мощностью переменного тока – не приводит к значимому изменению сопротивления термистора. Оно стабильно за счёт работы измеряющего моста, реагирующего на изменение подогревающего термистор тока. Вся эта цепь раньше работала за счёт ручных регулировок – сейчас же задачу подстройки взял на себя цифровой модуль, автоматически вмешивающийся в вышеперечисленные параметры. Термисторные ваттметры работают с рассеиваемой на приборе мощностью до нескольких милливатт. Этот предел превышаем за счёт делителей входной мощности, вызывающих при этом ещё большую недостоверность проводимых измерений, пример – М3-22А, M3-28.

У калориметрических ваттметров вместо термистора применяют особый нагрузочный элемент, с которого тепло отдаётся на преобразователь, собранный на термисторе. В качестве посредника выступает рабочее тело – очищенная вода либо жидкость, способная её заменить. Эта жидкость протекает с постоянной скоростью, проходя через входной нагрузочный элемент, конвертер и уносящий излишнее тепло элемент, пример – приборы М313, МК3-68/70.

У термоэлектрических ваттметров используется термопара – одна или несколько – с непосредственным и опосредованным нагреванием. В процессе измерения мощности разогретый стык термопары разогревается ещё больше от мощности сигнала, с которого прибор снимает показания. Схема вырабатывает температурное электрическое напряжение. Это напряжение и является сигналом, идущим на АЦП цифрового ваттметра или на гальванометр аналогового, например, термоэлектрическими являются ваттметры М3-51/56/93.

«Пиковые» ваттметры чувствительны к мощности импульсного сигнала, но замер мощности такого сигнала неточен. Такой прибор легко сделать из переменного вольтметра, подключив к нему нагрузочное устройство с сопротивлением, совпадающим с волновым сопротивлением фидера.

Первоначальным конвертером (преобразователем) в таких приборах является направленный разветвитель – узел, отбирающий из основного канала небольшую часть мощности. Она поступает на вторичный конвертер – например, через детектор огибающей сигнала или термоэлемент. Полученный сигнал передаётся к АЦП или гальванометру. Для частот 150–1620 кГц применение разветвителей осложнено. Вместо них применяют датчики по току и напряжению. Такими деталями выступают трансформаторы по напряжению и току.

Полученные значения умножаются друг на друга по фазной разнице. Пример использования такого устройства – определение мощности, отправляемой передатчиком в антенный кабель. В СВЧ-диапазоне – 300–3000 МГц применяют термисторные, гальваномагнитные и термоэлектрические датчики в стенке волновода. Пример такого прибора – М2-23/32 или NAS.

Стоит подробнее рассмотреть самые востребованные модели.

• Robiton PM-1– бюджетный прибор для слежки за расходом электричества одним потребителем. Универсальное устройство – можно включить и работать сразу же. Оно отобразит, сколько конкретное бытовое устройство расходовало электричества за определённый период. Оно подходит для электроплит и водонагревателей. Прибор не работает при околонулевой температуре на улице.
• HiDANCE 3680W AC Power Meter измеряет ток нагрузки и сетевое напряжение, определяет коэффициент и потребляемую мощность. Это многофункциональное цифровое устройство, предназначенное для расчёта энергоэффективности комнаты. Он высокоточен, работает в нескольких режимах, но требует повторного введения стоимости киловатта энергии после отключения нагрузки.
• Espada TSL 1500WB предназначен для проверки нагревательных приборов по эффективности прямо в магазине. Он имеет двухтарифный режим, оповещение о превышении разрешённой по техпаспорту мощности. Он подсвечивает экран в темноте, высокоскоростной и очень точный, но трудно сменить батарейку или аккумулятор.
• Мегеон 71016 – китайская модель, непрерывно считывает все показатели, измеряет концентрацию углекислоты в закрытых комнатах и помещениях.
• Brennenstuhl PM 231 измеряет, кроме реальной мощности, напряжение, ток и частоту. Он безопасен для детей, но слишком малый шрифт на дисплее.
• TP-Link HS110 – удалённая слежка и управление по интернету, позволяет выключить подключённые устройства или ограничить мощность.
• Edimax SP 2101W позволяет настроить работу потребителей по расписанию. Это заменитель «умной розетки».
• Energenie EGM-PWM – полный удалённый контроль, без «привязки» к ПК.
• Киловаттметр Д305 – трёхфазная полупрофессиональная модель, создана для расчёта энергоэффективности цехов и этажей предприятий. Это аналоговый вариант, что замеряет до 40 кВт проходящей мощности.
• Д365 замеряет до 120 кВт.
• HN-PM1 – бездисплейная модель с модулем Wi-Fi. Ставится на DIN-рейку в щитке.

Ваттметр имеет два входа – по две клеммы на каждом. Схема включения ваттметра не предусматривает последовательное включение подвижной катушки и параллельное – неподвижной. Если вы подключите цепь неправильно – сожжёте прибор, устроите замыкание в сети, этим повлечёте пожар.

По правилам, обмотки включаются согласно своему сопротивлению – это позволяет активному в данный момент ваттметру не вносить заметные искажения в количество ватт, потребляемое включённым через прибор потребителем.

Определить показания по потреблённому количеству электричества на стрелочном приборе можно, умножив значение, которое показывает ваттметр, на то время, пока потребитель активен.

В следующем видео вас ждет обзор самых популярных ваттметров (SRM, Stages, Garmin Vector 2, BePro, Quarq, Power2max и Powertap).