Нередко требуется измерить мощность того или иного мощного (и не очень) электрооборудования. Кроме того, иногда полезно знать одновременно и ток нагрузки I, и напряжение U, и не просто мощность (всё равно какую), а и полную P, и активную S (их нередко путают и не всегда уточняют, которая из них имеется в виду в том или ином случае). Также в ряде специфических случаев требуется знать коэффициент мощности сети, равный P/S (он же косинус φ (фи) - угла сдвига фаз между напряжением и током), реактивную мощность Q и сам φ.
Обычный мультиметр в решении вышеозначенных задач не поможет, т.к. измерив, пусть даже одновременно (2-мя приборами), ток нагрузки и напряжение в сети мы сможем получить только S=UI, а все остальные параметры остаются недоступными, т.к. для их вычисления одних U и I недостаточно.
Внимание!
Из-за ограничений по размеру топика здесь не приводятся многие необходимые для полного понимания материала выкладки, формулы, описания и пр. вещи.
В прилагаемом архиве есть полная статья со всеми описаниями.
Имеющиеся решения
Для решения этих задач существуют специальные приборы – ваттметры и универсальные вольт-ампер-фазометры, но т.к. они являются спецтехникой, а не приборами широкого назначения, то их довольно сложно найти и стоят они порой недёшево. Кроме того, далеко не всегда такие приборы показывают все параметры сразу. В интернете встречаются очень простые и дешёвые конструкции, например, , но они очень узкоспециализированные (так, измеряет только φ).
В то же время все вышеописанные задачи вполне «по зубам» обычным МК AVR, которые гораздо более доступны и порой дешевле микросхем от AD. Тем более, что для создания универсального измерительного прибора без МК и прочих узлов всё равно не обойтись.
Схема устройства, детали
Схема электрическая принципиальная ваттметра приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная
Полная схема есть в прилагаемом архиве.
Схема устройства состоит из 2-х частей – аналоговой (слева от DIP выключателей SW1) и цифровой (справа).
Аналоговая часть
состоит из измерительных трансформаторов напряжения (Т1), тока (Т2) и согласующих узлов.
Резистор R2 – потенциометр для точной настройки напряжения, поступающего на АЦП.
Т2 – токовый трансформатор Talema AC1025, нагруженный на шунт-резистор R1 номиналом 100 ом мощностью 0.125Вт. Такие параметры резистора рекомендованы фирмой-производителем трансформатора. Первичная обмотка – 2 витка обычного одножильного провода сечением 1-1.5 мм, этого вполне достаточно для бытовых нагрузок мощностью до 2 кВт и током до 10А. На характеристики и настройку схемы толщина этого провода не влияет.
Узел R3, C1, C3, DA1.1 – формирователь средней точки для «поднятия» синусоид на полдиапазона АЦП. ОУ DA1 – в принципе любой. Я использовал и LM358, и rail-to-rail MCP601.
Делитель R4, R5, R6 – цепочка для измерения больших (от 4-5А) токов.
Диодные пары VD1-VD2, VD3-VD4, VD5-VD6 и R7 – классическая защита входов АЦП от перенапряжения (точнее – от выхода синусоиды за границы 0..+5в). VD1-VD4 – желательно Шоттки. Можно также применить «специализированные» диодные сборки типа BAV199 (1 сборка содержит 1 пару диодов) или аналогичные.
Все потенциометры (R2, R3 и R5) желательно многооборотные. Они позволят провести наиболее точную настройку узлов схемы.
Для измерения тока предусмотрено 2 канала – слаботочный (T2-R7-ADC2) и сильноточный (T2-R4-R5-R6-ADC3). Такое решение вызвано тем, что большие нагрузки (4-5А и выше) приводят к появлению на выходе ТТ напряжения, превышающего по амплитуде 4.5-5в. Вершины полуволн такого напряжения будут срезаны диодной парой VD3, VD4, что означает фактическую невозможность измерения тока выше указанных значений. Микропрограмма контроллера автоматически выбирает, который из двух сигналов использовать.
Цифровая часть схемы
– микроконтроллер AtMega16, стандартный алфавитно-цифровой ЖК дисплей типа HD44780 и пр. элементы. Схемы включения – стандартные для этих компонентов. При подключении дисплея следует руководствоваться документацией на конкретную модель, т.к. существуют разные их цоколёвки (распиновки). Мне известны 2. На схеме я привёл наиболее распространённую.
Единственное требование к дисплею – он должен быть русифицированным, т.к. все сообщения выдаются на русском языке.
Резистор R8 – обычный (не многооборотный), служит для установки желаемого уровня контрастности изображения на LCD.
R9 и SB5 – подсветка. Номинал R9 не указан, т.к. разные модели LCD имеют разный ток подсветки. Его можно вычислить по закону Ома, используя значение тока подсветки для конкретного дисплея. Если дисплей без подсветки, то R9 и SB5 вообще не нужны.
R11, VD6 – индикатор «Питание подано».
Никаких специальных настроек цифровой части не требуется. При исправных деталях, правильном монтаже и запрограммированном контроллере схема начинает работать сразу после подачи питания.
Сам МК может быть модификаций AtMega 16/16A. Модификацию буквой L использовать нельзя – штатно она не работает на частоте 16MHz.
При программировании (прошивке) кроме заливки в контроллер файла wattmetr.hex также необходимо:
1. выставить режим кварцевого резонатора (CKSEL3..0=1111)
2. выставить CKOPT=0 (обязательно, т.к. кварц 16MHz)
3. выставить JTAGEN=1. Если этого не сделать, то LCD не будет корректно работать, ибо JTAG контроллер (4 старших бита PC) программно не выключается.
4. прошить EEPROM первоначальной конфигурационной информацией (файл wattmetr.eep).
Все кнопки без фиксации. Их конструкция любая, в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации. SB1-SB3 и VD5 используются только при настройке и калибровке прибора, поэтому их можно разместить непосредственно на плате, SB4 и SB2 используются ещё и для переключения режимов отображения информации на дисплее, поэтому её лучше вывести наружу либо для удобства калибровки продублировать (2 параллельно включённые кнопки – на плате и на корпусе). Для подключения дублирующих кнопок на плате сделаны специальные отводы для разъёмов.
Назначение кнопок и светодиода будет описано ниже, в разделах «Калибровка» и «Эксплуатация».
Следует отметить, что на схеме отсутствует какой-либо преобразователь уровней UART (ножки 14, 15 контроллера). Это связано с тем, что тип и само наличие либо отсутствие такого преобразователя сильно зависит от того, к чему будет подключаться прибор. Если COM-порт, то это микросхема MAX232, если USB – то что-то типа FT232BM, если к другому контроллеру, то, может быть, преобразователи вообще не нужны и т.д.
Моя авторская конструкция предполагает подключение к другому МК AVR, поэтому преобразователь в ней вообще отсутствует. Резистор R12 необходим для поддержания на входе Rx высокого уровня в отсутствие передачи (согласно правилам работы UART), либо когда этот интерфейс вообще не используется.
Схемы узлов на MAX232, FT232 и пр. здесь не приводятся, их легко можно найти в документации на эти микросхемы. Также можно использовать USB шнуры от старых мобильников с нативным интерфейсом UART (типа PL2303). Но перед этим следует убедиться, что на выходе шнура лог. уровни ТТЛ, а не RS232.
Для тестирования работы интерфейса мною использовался узел на MAX232, собранный на другой плате. Этот узел я подключал к прибору стандартным аудиошлейфом от компьютерного CD/DVD привода.
Питание схемы осуществляется от любого источника постоянного тока напряжением 5в. Например, от классического блока питания на однокристальном стабилизаторе LM7805 – рис. 2. Можно также использовать любой другой БП, дающий 5в, батарейку, порт USB компьютера и т.п.
Рис. 2. Схема электрическа принципиальная блока питания
Если предполагается запитывать схему от той же сети, куда включается измеряемая нагрузка (как, например, в быту, в квартире), то можно объединить трансформаторы T1 обеих схем. Т.е. использовать один, с двумя независимыми вторичными обмотками. Так, я использовал один трансформатор с двумя вторичками по 15в каждая.
Схема собирается любым удобным способом.
К статье также прилагается чертёж печатной платы, созданный в широко известной программе Sprint Layout v5.0.
БП по рис. 2 был собран на готовой п/п заводского изготовления. Её чертёж также прилагается.
После сборки прибор необходимо настроить и откалибровать - см. полный вариант статьи.
Эксплуатация прибора
Пользоваться предлагаемым устройством очень легко.
Сразу же после включения питания появляется приветственное сообщение, спустя 1 секунду прибор переходит в рабочее состояние и начинает отображать измеренные параметры на дисплее. Показания обновляются примерно раз в секунду.
Устройство имеет два т.н. «профилей отображения» - наборов одновременно отображаемых параметров:
1.1-я строка дисплея – U, I, S; 2-я – P, cos(φ),φ.
2.1-я - U, I, S; 2-я – P, Q, φ.
Набор профилей и их состав фиксированы, никаких средств модификации не предусмотрено.
Для смены профиля необходимо нажать кнопку SB4 и держать её до появления на дисплее надписи «Профиль изменён». После появления этой надписи кнопку отпустить.
«Заводские» настройки содержат активным 1-й профиль. Запомнить текущий профиль, чтобы прибор при включении сразу его использовал, можно кнопкой SB2. Кнопку SB2 необходимо держать до появления надписи «Профиль запомнен». При калибровке прибора текущий профиль не меняется, однако при сбросе настроек в заводские, текущим становится профиль 1.
Автоматически выбор профиля не сохраняется. Это сделано с целью экономии ресурса EEPROM.
На состав информации, выдаваемой по UART выбор профиля никак не влияет.
Следует также обратить внимание на следующую особенность – ТТ с первичной обмоткой по функционированию и конструктивно похож на антенну радиоприёмника. По такому принципу работают устройства поиска скрытой в стенах проводки и родственные конструкции. В связи с этим при отсутствии нагрузки прибор иногда показывает «мусор» - какой-то наведенный помехами ток и мощности. На результаты измерений при подключенной нагрузке эти наводки не проявляются.
Никаких средств по борьбе с этим явлением не предусмотрено.
Интерфейс обмена данными по UART
Предлагаемый прибор имеет возможность выдачи результатов измерений через стандартный последовательный интерфейс UART. Т.о. можно использовать его в составе более сложных устройств либо подключать его к компьютеру для автоматизированного сбора информации.
Параметры обмена данными – 38400, 8N1.
Протокол обмена очень прост – по однобайтовой команде 0xAA контроллер выдаёт блок информации размером 15 байт - см. полный вариант статьи в архиве.
Для иллюстрации работы с прибором мною разработано демонстрационное Windows приложение WinAppWattmeter.exe для ПК. Оно написано на C# и работает в среде WinXP и выше. Необходимо наличие платформы.NET 2.0 и одного COM-порта (физического либо виртуального USB), куда следует подключить прибор. Исходники компилируются в среде VS.NET 2005 и выше. Версии VS Express и.NET Compact не проверялись.
Скриншот приложения:
Технические характеристики, достоинства и недостатки прибора
Достоинства:
1.Полная гальваническая развязка от измеряемой сети.
2.Возможность питания от любого источника – БП, батарейки, USB порт компьютера и т.п.
3.Широкий диапазон настроек.
4.Доступная элементная база.
5.Большой спектр измеряемых величин.
6.Возможность передачи результатов измерений в другие вычислительные системы (например, в ПК).
Недостатки:
1.Нелинейность ТТ ведёт к погрешностям измерения тока на всём диапазоне. Это существенно затрудняет оценку точности измерений (какие-то диапазоны токов измеряются точно, остальная часть с погрешностями, причём разными). Эти диапазоны сильно зависят от коэффициентов, регулируемых в режиме калибровки прибора, поэтому не являются фиксированными. Например, можно откалибровать так, что на малых нагрузках типа зарядок для мобильников, паяльников или квартирных лампочек показания будут правильными, а более мощные (утюги, фены, электрические плиты, духовки, микроволновки, стиральные машины) будут измеряться с ошибками.
2.Сам ТТ может оказаться труднодобываемой и дорогостоящей деталью.
3.При отсутствии нагрузки прибор иногда показывает какой-то ток, наведенный в первичной обмотках ТТ и, как следствие, какие-то мощности и пр. параметры.
Детальные технические характеристики прибора не приводятся, т.к. имеются довольно широкие возможности по его настройке и регулировке.
Используемая модель ТТ потенциально позволяет измерять токи до 25А, но для полного использования этого диапазона необходимо дорабатывать входной (аналоговый) каскад схемы и микрокод.
Диапазон измеряемых напряжений также зависит от используемого трансформатора. Если обычный, «из блока питания», то это «стандартный» диапазон порядка 180-250в, а если взять какой-то специально изготовленный трансформатор, то можно измерять и 380 вольт.
Диапазоны значений величин, обусловленные используемыми типами данных и алгоритмическими особенностями микрокода – U=1..999в, I=1мА..65А, S/P/Q – каждая 1..999 соответствующих единиц.
Ток потребления схемы составляет 28-30 mA без учёта тока подсветки дисплея. Этот ток разный у разных моделей LCD. Его типовое значение – 100-120 мА.
Также, ток может немного отличаться от приведенных значений при использовании разных моделей LCD и ОУ.
Фотографии
В завершение несколько фотографий устройства.
Блок питания. Трансформатор физически один, с двумя независимыми вторичными обмотками. Одна обслуживает сам БП, 2-я (2 жёлтых провода справа) – измерительный Т1.
Макетная плата устройства. Замечание (ещё раз): это – макетный экземпляр. По чертежу Sprint п/п не изготавливалась, т.к. планируется эксплуатация прибора в составе другого изделия, которое пока в разработке. Поэтому на две колодки, второй дисплей и светодиод слева просьба внимание не обращать. К описываемому прибору они отношения не имеют.
Паяльник на 25W. Профиль отображения 2.
Без нагрузки. Профиль отображения 2. Ловим наводки и глюки на обмотку ТТ. Результат – «левый» ток 68 мА со всеми вытекающими.
То же самое, что и выше, но без наводок. Профиль отображения 2.
Утюг 1кВт. Профиль отображения 1. Отрицательная активная мощность:) - режим «коррекции» отключен. Светится второй слева светодиод – признак использования канала высокого тока (ножка 19 (PD5) контроллера). Задан порог – 4А.
Список прилагаемых материалов
Wattmetr-Mega16-16MHz.zip – микропрограмма контроллера с исходниками CvAVR. Также в архиве есть готовый файл микрокода wattmetr.hex и файл заводских установок (EEPROM) - wattmetr.eep.
WinAppWattmeter.zip – демонстрационное приложение с исходниками (.NET 2.0, С# под VS.NET 2005+). Там же готовый exe файл (без вирусов).
Plata\*.* - чертежи печатных плат в формате.lay (Sprint 5).
Также в архиве есть полный вариант статьи в формате MS Word 2003.
Измеритель активной потребляемой электрической мощности с высокой точностью, на основе специализированной микросхемы ADE775x, применяемой в современных электросчетчиках.
На основе ADE775x и плюс несложная схема на ATmega8, возможно создание прибора измеряющего активную потребляемую мощность, а также учет потреблённых киловатт часов от сети 220 вольт.
Для этого нужно собрать несложную схему на МК ATmega8, в виде отдельной приставки к бытовому электрическому счётчику или встроить эту схемку внутрь корпуса счетчика.
(ВНИМАНИЕ! прикрутить не к действующему прибору учета, а как отдельное устройство , после запломбированого прибора учета)
Все нужные файлы, для сборки такого прибора есть в этой статье.
Теперь всё по порядку, чтобы сэкономить трудозатраты на изготовление измерителя мощности, лучше купить готовый электросчетчик минимальной ценовой категории, со всеми требуемыми входными и нагрузочными цепями, и что очень важно это готовый корпус счетчика.
Вот такой счетчик был приобретен в электротоварах,
взамен штатного счетного механизма встраивается ЖК дисплей вместе с платой ваттметра.
прибор в сборе
Автор прошивки clawham
, он разработал программу для универсального многоканального счетчика - ваттметра (он же измеритель активной мощности), на распространенном МК ATmega8 , с индикатором 16х2 , схема универсально может подстраиваться под схему любого электронного счетчика (проверено на счетчиках которые имеют в своём составе микросхему ADE775х у которых колич. импульсов 1600 на один кВт/ч и 6400имп на один кВт/ч
) замер активной мощности происходит с 0,1 ватт, максимум измерения зависит от параметров используемого счетчика, шаг измерения 0,1 ватт.
Здесь приводится описание работы и вывода показаний для дисплея 16х2 .
Описание меню.
1) " Выбор № персонального
" счета кВт/ч с фиксацией времени периода активности ячейки
2) "Просмотр персонального
" счета кВт/ч, 20 ячеек ( та которая выводится в первой строке, при нажатии кнопок"вправо/enter" обнуляется.
)
3) "Сброс общего
" (тотального) кВт/ч, (на персональные счета не влияет
)
4) "Сброс текущего
" счета кВт/ч, (в EEPROM не сохраняется
)
5) >>НАСТРОЙКИ
<<
5.1) "Частота кварца
" настройка коррекции тактов кварцевого резонатора ATmega8 на 1 секунду (влияет только на расчет ватт)
5.2) "Ватт на герц
" установка кол-ва ватт на 1 герц
5.3) "Импульс на кВт/ч
" это количество импульсов со счетчика на 1 кВт/ч (доп. выводится калькулятор соотношения импульсов счетчика на ватт на герц
)
5.4) "Тактов в секунду
" внутренняя переменная внутренних часов на выводе PB1 она выдаёт импульс 0.5Гц, если часы спешат - число надо увеличивать, если отстаёт - число надо уменьшать.
5.5) "Калькулятор стоимости
" Предварительно обсчитывается стоимость энергопотребления нагрузки за месяц и год.
Цена указывается в копейках для экрана двухстрочного и в гривнах для прошивки под 4 строки
5.6) "Сигнал превышения порога мощности
" настраивается на любое потребление от ватта до максимальных киловатт, сигнал выводится на порт РС0
, в виде логической 1 .
5.7) <Вост. умолчания
> восстановить настройки умолчания.
5.8) <Сохранить настройки
> - пока вы не нажали этот пункт - всё действует только до выключения.
Сохраняются в EEPROM такие данные;
а
) общие настройки,
б
) тотальные показания (общая сумма всех счетчиков
) с фиксацией и отображением часов, периода работы активного состояния ваттметра.
в
) 20 персональных ячеек показаний кВт, с фиксацией и отображением часов, периода работы активного состояния отображаемой ячейки
Для тотальных и персональных данных за сохранение в память при обесточке схемы, отвечает вывод INT 0
он подсоединен через резисторный делитель, который подсоединен 2кОм на землю и 4.7кОм на + 12 V питания кренки.
Визуальная навигация по меню ваттметра.
Фьюзы многоканального счетчика - ваттметра для PonyProg
Прошивка 16х2 _Wattmetr .rar
Ваттметр в Proteus.
Варианты применения ваттметра счётчика разнообразны, например, если использовать как переносной прибор можно измерять диагностировать конкретную нагрузку (возможности широки, от светодиодного светильника до сварочного аппарата) и получать такие данные; потребляемую мощность наблюдать визуально, а потреблённая мощность в кВт/ч. будет запоминаться в персональной ячейки для каждой нагрузки.
Если счетчик - ваттметр использовать стационарно, то здесь возможно так же наблюдать визуально потребляемую мощность всего жилого или производственного помещения, и можно вести статистику потребляемой мощности в кВт/ч. ежедневную или помесячную с поочерёдной записью данных кВт/часов в персональные ячейки.
Использовав специфику схемы (например щитовая находится в отдаленном месте) саму схему ваттметра можно вывести в удобное место для обзора, используя обыкновенный слаботочный двухжильный провод типа «лапша».
Более того, благодаря тому что автор придумал такое универсальное меню в этом ваттметре, возможность подстроится под любой счетчик, можно использовать электросчётчик установленный местными электросетями, снимая информацию о потребляемой мощности с мигающего светодиода, фотоприёмником, и так же наблюдать визуально потребляемую мощность на ЖКИ дисплее и вести статистику потребляемой мощности в кВт/ч. ежедневную или помесячную.
Обсуждение темы ваттметра на радиокоте.
Аналоговое преобразование в цифровую частоту происходит с помощью микросхемы ADE7755 или ADE7751 , это специальная микросхемы серии ADE775х для применения в электронных счетчиках, применение происходит в промышленных масштабах (24-выводной корпус SSOP (RS-24))
Микросхема ADE775x - высокоточная ИС, предназначенная для простых, электронных счетчиков потребления электрической энергии. Технические характеристики этой ИС превосходят требования по точности IEC1036.
Особенности микросхемы ADE7755
Высокая точность; поддерживает стандарт 50 Гц/60 Гц I ЕС 687/1036. Ошибка менее 0,1% при динамическом диапазоне 500:1 ИС ADE7755 выдает значение средней активной мощности на частотных выходах F1 и F2. Высокочастотный выход CF предназначен для калибровки и выдает значение мгновенной активной мощности. Совместимость по выводам с микросхемой AD7755 с синхронными выходами CF и F1/F2. Логический выход REVP можно использовать для индикации возможного неправильного подключения к сети (отрицательной мощности). Прямое управление электромеханическими счетными механизмами и двухфазными шаговыми двигателями (выходы F1 и F2). Усилитель с программируемым коэффициентом усиления в канале измерения тока, позволяет использовать шунт, с малой величиной сопротивления. Собственные встроенные АЦП и цифровой сигнальный процессор обеспечивают высокую точность в широком диапазоне условий и долговременную стабильность. Встроенный контроль напряжения источника питания. Встроенная защита от самохода счетчика (имеется порог мощности нагрузки, начиная с которого счетчик работает). Встроенный источник опорного напряжения 2,5 В+8% (типичный дрейф составляет 30-10-6/°С) с возможностью подключения внешнего источника опорного напряжения Один источник питания 5 В, низкая потребляемая мощность (типичное значение 15 мВт). Недорогая КМОП технология.
Многие отечественные производители электронных счетчиков расходуемой электроэнергии применяют этот зарубежный аналог- специализированную микросхему ADE775x , для питания которой достаточен простой стабилизированный однополярный блок питания.
ADE7755: Интегральная Микросхема счетчика электроэнергии с импульсным выходом Data Sheet (pdf, 1221 kB) 
Схема простого однофазного счетчика электроэнергии на основе ADE7755
Счетчик электроэнергии на микросхеме ADE7755 (pdf, 463 kB)
Проектирование однофазного многофункционального счетчика энергопотребления на основе
микросхем семейства ADE71xx/ADE75xx Application Note (pdf, 4163 kB)
Небольшое видео, сварочный аппарат подключен через ваттметр.
Один из параметров, который характеризует состояние – это ее мощность. Она отражает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность устройств, включаемых в электрическую цепь, должна быть в рамках мощности сети. Иначе возможны неприятные сюрпризы – от выхода из строя оборудования до короткого замыкания и пожара.
Измеряют мощность электрического тока специальным прибором – ваттметром . И если в цепи постоянного тока она рассчитывается простым умножением силы тока на (достаточно наличия вольтметра и амперметра), то в сети переменного тока без измерительного оборудования не обойтись. Также им контролируют и учитывают расход энергии.
Применение Ваттметров
Основная область применения – это электроэнергетическая промышленность и машиностроение, мастерские по ремонту электроприборов. Однако достаточно широко используют и бытовые измерители, которые приобретают любители электроники, компьютеров и просто обыватели – для учета и экономии энергопотребления.
Применяют ваттметры для:
- Определения мощности приборов;
- Тестирования электрических сетей, и их отдельных участков;
- (как показывающие приборы);
- Контроля работы оборудования;
Типы ваттметров
- постоянный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700-1000 В.
- переменный ток: 1-3-7,5-15-30-75-150-300-450-700 В.
Пределы измерения мощности соответственно Uп* Iп
Пределы измерения частоты от 40 до 5000Гц.
Основная погрешность :
- приведенная погрешность измерения тока, и мощности на постоянном токе ±0,1%;
- приведенная погрешность измерения тока и на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1500Гц ±0,1%;
- приведенная погрешность измерения мощности на переменном токе в диапазоне частот от 40 до 1000Гц ±0,1%;
- относительная погрешность измерения частоты в диапазоне частот от 40 до 5000Гц ±0,003%;
Габаритные размеры 225х100х205 мм. Масса не более 1кг. Потребляемая мощность не более 5Вт.
Ваттметры многофункциональные СМ3010 выпускаются по ТУ 4221-047-16851585-2014, соответствуют требованиям ТР ТС 004/2011, ТР ТС 020/2011.
Производство – ЗИП-Научприбор.
Устройства измерительные ЦП8506-120 (далее – устройства).
Предназначены для измерения активной, реактивной, активной и реактивной трехфазных трехпроводных цепей переменного тока, отображения текущего значения измеряемой мощности на цифровом индикаторе и преобразования его в аналоговый выход-ной сигнал (далее – выходной сигнал).
Измеренные значения отображаются в цифровой форме на встроенных индикаторах. Отображение измеренных величин на цифровых индикаторах производится в единицах измеряемой величины, поступающей непосредственно на вход устройства, или в единицах измеряемой величины, поступающей на вход трансформаторов тока и с учетом коэффициентов трансформации, в ваттах, киловаттах, мегаваттах, варах, киловарах, мегаварах. Цифровые индикаторы имеют по четыре значащих разряда.
Назначение ЦП8506-120:
- для измерения активной и реактивной мощности в трехфазных трехпроводных электрических цепях переменного тока частотой от 45 до 55 Гц
Краткие технические характеристики ЦП8506-120 (Ваттметр)
Варметр щитовой цифровой трехфазный:
- Коэффициент мощности: для ваттметра cos φ=1, для варметра sin φ=1
- Габаритные размеры: 120х120х150 мм
- Высота знака: 20 мм
- Максимальный диапазон отображения: 9999
- Класс точности: 0,5
- Время преобразования: не более 0,5 с
- Рабочая температура: +5 … +40 град С (О4.1), -40…+50 град С (УХЛ3.1)
- Степень защиты по передней панели: IP40
- Потребляемая мощность: 5ВА
- Масса: не более 1,2 кг
Ваттметр Д5085 (Д 5085, Д-5085)
Предназначен для измерения мощности в однофазных цепях переменного и постоянного тока, а также для поверки менее точных приборов.
Габариты не более (205±1,45)х(290±1,6)х(135±2,0) мм.
Класс точности 0,2.
Ваттметры Д5085 предназначены для измерения мощности в однофазных цепях переменного и постоянного тока, а также для поверки менее точных приборов.
Ваттметры Д5085 предназначены для эксплуатации в условиях умеренного климата в закрытых сухих отапливаемых помещениях, при температуре окружающего воздуха от 10 до 35 °С и относительной влажности до 80 % (при 25 °С).
Ваттметры Д5085 -04.1 (тропическое исполнение) предназначены для эксплуатации в условиях как сухого, так и влажного тропического климата в закрытых помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом при температуре окружающего воздуха от 1 до 45 °C и относительной влажности до 80 % при температуре 25 °С (по ГОСТ 15150-69).
Технические данные
Ваттметры Д5085 соответствуют классу точности 0,2 по ГОСТ 8476-78.
Номинальный коэффициент мощности ваттметра – 1,0.
Номинальный параллельной цепи ваттметра Д5085 равен (5 ± 0,1) mА. Нормальная область частот ваттметра от 45 до 500 Гц, рабочая область частот – 500-1000 Гц.
Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной отклонением на ± 20 % от номинального значения либо от пределов нормальной области напряжений, при неизменном значении измеряемой мощности равен ± 0,2 % от конечного значения диапазона измерений.
Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной отклонением частоты от верхней границы нормальной области до любого значения в рабочей области частот, не превышает ± 0,2 % от конечного значения диапазона измерений.
Предел допускаемой дополнительной погрешности прибора Ваттметр Д5085, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой температуры в пределах рабочих температур на каждые 10 °С изменения температуры, равен ±0,2% от конечного значения диапазона измерений. Нормальная температура – 20±2 °С, если на лицевойчасти прибора не оговорено иное значение.
Ещё одно видео о встраиваемом ваттметре:
Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.
Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 - 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании серии , который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.
Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.
Принципиальная схема
Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.
Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В - 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.
Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201 . Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 () мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В - 4.09 В.
После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630 . Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В - это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.
Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании . Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.
Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.
Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.
В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).
Таблица 1. Список использованных компонентов.
| Обозначение в схеме |
Наименование, номинал |
Корпус, примечание |
| U1, U2 | 78L05 | SOT-89 |
| U3 | REF03 | SO-8 |
| U4 | ACS712-20A | SO-8 |
| U5, U10 | MCP3202-BI/SN | SO-8 |
| U6, U7, U8 | HCPL-0630 | SO-8 |
| U9 | PIC18F252-I/SO | SO-28 |
| BR1, BR2 | Диодный мост | 800 В / 1 А |
| TR1 | Трансформатор HR-E3013051 |
2 × 6 В, 1.5 VA |
| LCD1 | TC1602D | Двухстрочный ЖК индикатор |
| C1, C18 | 470 мкФ 25 В | 10 мм × 10 мм |
| C2, C17 | 100 мкФ 16 В | 6.3 мм × 5.4 мм |
| C11, C12 | 22 пФ 50 В | smd 0805, керамика |
| C9 | 1 нФ 50 В | smd 0805, керамика |
| C2, C4, C5, C6, C7, C8,C10, C13, C22, C14, C15, C16, C17, C20 |
100 нФ 50 В | smd 0805, керамика |
| C21 | 1 мкФ 25 В | smd 1206, керамика |
| R16 | 0 Ом | smd 0805, 1% |
| R2, R3 | 1 МОм | |
| R5, R6, R17 | 1 кОм | |
| R1, R14, R15, R18, R19 |
10 кОм | |
| R7, R8, R9, R13 | 2.5 кОм | |
| R4, R10, R11, R12 | 330 Ом | |
| D2, D3 | Красный светодиод | smd 0805 |
| D1 | Диод Шоттки | 1 А / 40 В, корпус SMA |
| Y1 | Кварцевый резонатор 20 МГц | |
| F1 | Держатель предохранителя | Для поверхностного монтажа |
| J1, J2 | Винтовой клемник 1×3 | шаг 5.2 мм |
| J3 | Штыревой разъем 1×5 | шаг 2.5 мм |
Печатная плата
Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).
Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.
Примечание:
При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.
Программа микроконтроллера
Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.
После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:
Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:
Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.
На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 - потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 - водонагревателя мощностью 2 кВт.
Загрузки
Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) -
Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) -
Недавно зашёл (случайно) в один секонд хенд, и пока приятель искал себе старые джинсы по цене новых, на глаза мне попался интересный девайс - потребляемой мощности. Втыкается он в розетку, и уже к нему подключаем различные бытовые приборы и другую нагрузку мощностью до 2,5 кВт. Устройство предназначено для измерения мощности, тока и напряжения электроэнергии и контроля количества потребляемой электроэнергии от сети.А учитывая смешную цену данного устройства - всего 8уе, купил не задумываясь, чему впоследствии был рад. Без всяких изменений в конструкции, данный бытовой ваттметр может измерять электрические параметры (переменный ток, напряжение) без подключения к сети 220В. Это происходит за счёт собственного питания - две маленькие батарейки по 1,5В.
Бытовой ваттметр собран в красивом и прочном корпусе. Да не маде ин чина, а настоящая европа - Гамбург. О чём и говорит наклейка на обратной стороне корпуса прибора.
Проверяем его возможности:
1. Измерение напряжения сети в вольтах (V),
2. Измерение тока нагрузки в амперах (A),
3. Измерение потребления мощности в ваттах,
4. Общее количество потребленной электроэнергии (KWh – киловатт-час) и стоимость потребленной электроэнергии.
Бытовой ваттметр может даже измерять стоимость электроэнергии, если вы введёте цену одного киловатт-часа. Причём если в сети пропадёт питание, показания всё равно запомнятся, за счёт резервных батареек. Кстати ваттметр работает и без них, но чтоб измерение можно было проводить автономно - они необходимы.
Конечно мы разберём корпус и заглянем внутрь. Здесь видна небольшая плата с залитым чипом, который выполняет обработку сигнала, снимаемого с датчика и вывод информации на ЖКИ дисплей.
Датчик собран на отдельной плате, на которой имеется и плавкий предохранитель. Уверен, что немного изменив схему, можно добиться от ваттметра измерения даже постоянного тока и напряжения.
Забыл сказать - данный бытовой ваттметр работает как своеобразный сигнализатор - предохранитель. Можно задать максимально допустимый уровень нагрузки, и как только мощность превысит это значение ваттметр начнёт подавать звуковые сигналы.
Только теперь я понял, как мне не хватало подобного прибора! Включая через него различные устройства - электродвигатели, микроволновые печи, сварочные инверторы и другую аппаратуру, можно сразу видеть нормально ли работает устройство. А переключая кнопкой mode режим измерений - вольты, амперы, ватты; можно без всякого мультиметра контролировать целый ряд важных параметров. Благодаря красивой синей подсветке, параметры видны даже в темноте. Думаю это именно тот случай, когда проще и дешевле прибор купить, чем спаять.
Обсудить статью БЫТОВОЙ ВАТТМЕТР