Обзор

Цифровой ваттметр - обзор и доработка с расширением возможностей

     Оглавление:
   1. Внешний вид и схемотехника цифрового ваттметра

   2. Тестирование ваттметра в стандартном режиме

   3. Доработка цифрового ваттметра и его использование в нестандартных режимах

   4. Итоги и выводы
 

Предисловие

Приборы для измерения потребляемой электрической мощности (ваттметры) - очень полезная вещь как в быту, так и на производстве.

Они позволяют проверить реальную мощность, потребляемую каким-либо устройством, которая может очень сильно отличаться от той, которая на нём написана.

Кроме того, и в разных режимах потребляемая мощность может сильно отличаться. Например, компьютер при наборе текста потребляет одну мощность, а во время 3D-игры - совсем другую. С точки зрения охлаждения компьютера надо рассчитывать, естественно, на большую из этих величин.

 Знание потребляемой мощности поможет правильно сформировать тактику и стратегию пользования устройством, выяснить его соответствие заявленным характеристикам, а заодно - оценить требования к электропроводке.

В обзоре будет рассмотрен цифровой ваттметр, который, по существу, является комбинированным прибором: он - и ваттметр, и вольтметр, и амперметр, и счётчик электроэнергии, и даже её тарификатор.

Кроме того, будет рассмотрен вопрос его расширенного применения - с увеличением диапазона частот и расширением диапазона рабочих напряжений в нижнюю сторону.

Купить протестированный цифровой ваттметр можно на Алиэкспресс, цена на момент обзора - $12.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Внешний вид и схемотехника цифрового ваттметра

Ваттметр просто вставляется в сетевую розетку между питающей сетью и питаемым устройством; для чего снабжен соответствующими вилкой и розеткой:

(кликнуть для увеличения)

Экран ваттметра - простой символьный жидкокристаллический, как в бухгалтерских калькуляторах; никакой графики он отобразить не может. И, кстати, подсветки у него тоже нет. Экран во включенном состоянии будет показан на фотках в главе испытаний прибора.

Технические характеристики тестируемого цифрового ваттметра таковы (взяты из инструкции по эксплуатации, скан приведён далее):

- Номинальное напряжение в сети: 230 В, 50 Гц;

- Ток нагрузки: максимум 16 А;

- Рабочий диапазон напряжений: 230 - 250 В (прим. автора: видимо опечатка, должно быть 130-250 В, проверено);

- Диапазон индикации времени работы: 0 секунд - 9999 дней;

- Диапазон индикации мощности: 0.0 - 9999 Вт (прим. автора: это - диапазон индикации, а не рабочей мощности! Рабочая мощность - до 3680 Вт);

- Диапазон индикации напряжения: 0 В - 9999 В (прим. автора: это - диапазон индикации, а не рабочих напряжений!);

- Диапазон индикации тока: 0.000 А - 16.000 А;

- Диапазон индикации частоты: 0 Гц - 9999 Гц;

- Диапазон индикации минимальной и максимальной мощности: 0.0 - 9999 Вт;

- Диапазон настройки цены за КВт*ч: 0.00 - 99.99 у.е;

- Диапазон индикации расхода и стоимости электроэнергии: 0.000 - 9999 КВт*ч; 0.00 - 9999 у.е.
 

Ваттметр легко разбирается. Корпус держится на трёх саморезах; и ещё - на трёх не очень упорных защелках.

Внутри находятся две платы: главная плата и плата индикации.

Монтаж главной платы - двухсторонний.

На стороне, которую условно можно назвать верхней, расположены три больших конденсатора, отвечающие за питание; а также шунт, отвечающий за измерение тока, и ещё кое-какая мелочевка:

Для собственного питания ваттметр забирает немного тока от сети через желтый конденсатор 0.68 мкФ; затем ток выпрямляется и фильтруется чёрными электролитическими конденсаторами.

Шунт для измерения тока сделан из очень толстой проволоки (видимо, специальный сплав). Его сопротивление составляет 0.002 Ом; т.е. даже при максимально-допустимом токе в 16 А потери энергии на нём - незначительные.

Также здесь расположен Ni-MH аккумулятор на 3.6 В из 3-х последовательно соединённых "таблеток" ёмкостью 20 mAh. Он только поддерживает память режимов; работать от него прибор не может (экран включается, но показаний нет).

На обратной стороне платы - микроконтроллер BL6523GX, осуществляющий замер значений тока и напряжения, их оцифровку и необходимые вычисления.

Для замера тока и напряжения в микроконтроллере содержатся целых три АЦП, работающих по принципу "сигма-дельта преобразования", представляющего собой один из вариантов кодирования с интегрированием сигнала. Такое преобразование отличается очень высокой точностью, правда, при невысоком быстродействии.

Инструкция по эксплуатации ваттметра на английском языке представлена на следующих двух сканах (кликнуть для увеличения):

Тестирование ваттметра в стандартном режиме

Под стандартным режимом подразумевается применение прибора согласно инструкции, т.е в розетке 220 В 50 Гц.

Для проверки точности работы ваттметра в стандартном режиме был собран нехитрый стенд, состоящий из ваттметра, осциллографа Hantek 2D72 в режиме мультиметра и активной нагрузки. В качестве активной нагрузки использовались добрые старые лампы накаливания:

На фото к стенду подключена лампа накаливания номинальной мощностью 60 Вт с матовым баллоном.

Сравнение показаний ваттметра и мультиметра выявило небольшие расхождения: по напряжению ваттметр занижает показания на 0.4-0.5%, а по току - на 1.2 - 1.4%. Естественно, такие расхождения касаются только тестируемого экземпляра прибора; у других экземпляров расхождения могут быть как ниже, так и выше этих величин.

С точки зрения измерения мощности указанные погрешности суммируются, и итоговая погрешность может составлять 1.6 - 1.9%, что более чем приемлемо для бытовых нужд.

В процессе измерения мощности последовательным нажатием на кнопку "Function" можно вывести на экран не только величину мощности, но и потребляемый ток (и на том же экране - коэффициент мощности), напряжение и частоту сети, максимальную и минимальную мощность нагрузки, суммарное потребление электроэнергии, её тариф (вводится потребителем) и стоимость потреблённой электроэнергии.

В верхней строке экранов выводится время, в течение которого потребляемая мощность была выше нуля (не следует путать это время со встроенными часами, которых здесь нет).

Как выглядит экран ваттметра в некоторых из перечисленных выше режимах, можно посмотреть на следующих фото; в качестве нагрузки использовалась лампа накаливания 60 Вт.

Фото 1 и 2 - напряжение и частота в сети; ток и коэффициент мощности:

Фото 3 и 4 - потребляемая мощность и тариф; суммарное потребление электроэнергии:

В верхней строке в первый час работы отображаются минуты и секунды, затем - часы и минуты, а количество дней отображается в нижней строке экрана с киловатт-часами.

Фото 5 и 6 - минимальная и максимальная потребляемая мощность за период:

Теперь пора перейти к доработке и расширению возможностей ваттметра.

Доработка цифрового ваттметра и его использование в нестандартных режимах

Итак, прибор прекрасно можно применить для измерения мощности устройств и аппаратов, питаемых от сети 220 В.

Вопрос: а что мешает его использовать, например, для измерения мощности на выходе УНЧ?

Мешает измерениям слишком низкое напряжение на выходе УНЧ, из-за чего ваттметр банально сам не получает достаточного питания, и по этой причине ничего не может измерить (он питается от измеряемого сигнала).

А если подать ему внешнее питание?! Оказывается, тогда можно расширить и частотный диапазон, и диапазон по анализируемым напряжением!

Теперь - к практическому вопросу: а как подать внешнее питание?

Его можно подать, припаявшись проводами к "земле" платы ваттметра и к плюсу большого электролита, сглаживающего пульсации напряжения питания.

Конкретные точки показаны на следующем фото:

Белый провод - "земля", красный - питание. В принципе, белый провод можно припаять к минусу большого электролита - это электрически та же самая точка.

Ваттметр включается и полностью функционален, если напряжение питания составляет 6.9 В или выше. При этом поднимать напряжение выше, чем 11.5 В, нельзя: иначе начнёт разогреваться защитный 12-вольтовый стабилитрон, стоящий параллельно электролиту.

Потребляемый ток составляет 12 мА.

Чтобы пульсации напряжения в измеряемой цепи не попали во внешний источник питания, питание желательно подать через диод и небольшой резистор 10-30 Ом. Если предполагается питание от батареи типа "Крона" (или заменяющего её аккумулятора), то диод должен быть Шоттки или древний германиевый диод (у них меньше прямое падение напряжения).

Внимание! Техника безопасности!

При использовании  ваттметра с данной доработкой в штатном режиме (в сети 220 Вольт) допаянные проводники питания будут частью, находящейся под высоким напряжением. Необходимо обеспечить их надлежащую электрическую изоляцию и защиту от случайного прикосновения!

После данной модификации прибор оказался пригодным для измерения мощности УНЧ, отдаваемой в нагрузку; но с некоторыми нюансами.

Частоту и напряжение сигнала 400 Гц ваттметр замерил верно (подавался синусоидальный сигнал с генератора FY-6800):

 Следующим был подан сигнал с той же амплитудой, но частотой в 1000 Гц. Теперь в показаниях уже не стало такого гламура:

Частоту сигнала прибор завысил, а напряжение - занизил.

Ошибка по напряжению появилась из-за ограниченности полосы пропускания прибора; а ошибка по частоте, вероятно, из-за "неправильного" кварцевого резонатора на плате.

Согласно datasheet на BL6523GX, частота кварца должна быть 3.58 МГц, а на плате установлен почему-то кварц на 3.579545 МГц.

То есть, из-за более "медленного" кварца внешние частоты "кажутся" прибору более быстрыми, хотя отклонение в измерении оказалось выше, чем отклонение кварца.

Дальнейшие эксперименты показали, что на частотах свыше 1500 Гц происходит крайне резкое падение АЧХ ваттметра.

В качестве итога доработки ваттметра можно сделать следующие выводы:

 - на частотах до 400 Гц включительно показаниям прибора можно доверять;

- на частотах до 1000 Гц измерения можно производить с учетом поправки;

- на частотах свыше 1 КГц лучше прибор НЕ использовать.

И к этому - ещё дополнительные наблюдения и соображения:

- поскольку более высокие частоты будут лучше проходить через желтый конденсатор в систему питания прибора, то, чтобы прибор не сжечь, на частоте 1000 Гц амплитуда сигнала не должна превышать 30 В;

- сигналы с резкими фронтами (например, меандр) имеют большую величину высокочастотных гармоник, которые могут оказаться за пределами полосы пропускания ваттметра. Для такого рода сигналов даже с поправкой следует ещё больше ограничивать частоту (например, для меандра - не выше 400 Гц, а лучше - до 200 Гц);

- мощность постоянного тока прибор НЕ измеряет ни с доработкой, ни без неё;

- необъяснимо, но факт: при малых напряжениях сигнала прибор правильно показывает мощность, отдаваемую в нагрузку, но совсем не показывает ток. Ток в этом случае прибор начинает показывать, если его величина составляет свыше 0.258 А. Для штатного режима применения в сети 220 В этого ограничения нет.

Итоги и выводы

Протестированный цифровой ваттметр вполне пригоден для всех общегражданских применений, но без использования результатов измерений в качестве точных значений, в том числе для финансовых взаиморасчётов. Либо можно использовать для финансовых расчётов с условием, что их точность будет ниже, чем у сертифицированного счётчика электроэнергии.

С приведённой в обзоре доработкой ваттметр можно использовать для измерения мощности, тока и напряжения на выходе УНЧ, а также и в других относительно низковольтных цепях на частотах до 1 КГц. При этом надо иметь в виду, что при частоте сигнала свыше 400 Гц необходимо учитывать поправку на падение АЧХ прибора (показания будут заниженными).

Где купить: на Алиэкспресс, цена на момент обзора - $12. Если у других продавцов на Алиэкспресс этот товар будет дешевле, то тоже можно брать (но надо убедиться, что товар - действительно тот же).

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Обзоры других контрольно-измерительные приборов, протестированных на данном сайте - здесь.

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 05 мая 2021 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!